KR20110130005A - 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치 - Google Patents

자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외력에 대하여 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 실현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있어 정밀한 제어가 가능한 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치는, 상부가 개방된 통 형상으로 형성되고, 결합홀이 형성되며, 자기유변유체를 수용하는 하우징; 하우징 상부에 구비되어 외력이 작용하는 접촉판; 연결봉 부재를 통해 접촉판과 연결되어 하우징 내에서 일방향으로 왕복하도록 수용되고 하단에 저면 홈이 형성된 피스톤; 접촉판과 피스톤 사이에 배치되어 하우징의 개방된 상부를 덮는 커버; 피스톤 저면 홈 하부에 배치되며, 하측면에 하우징의 결합홀에 결합되는 요크 봉 부재가 형성된 요크; 요크 봉 부재 외주면의 요크 하부에 설치되어 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단; 및 요크와 자기장인가수단을 내주면에 수용하며, 접촉판으로부터의 외력의 세기에 기초하여 접촉판에 탄성력을 제공하도록 피스톤 하측면에 위치되는 탄성제공수단;을 포함하여 자기유변유체의 점성을 자기장의 조절을 통해 변화시킴으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 발생한다.

Description

자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치{Stiffness Generation Apparatus Using Magnetorheological Fluid on Reaction upon External Force and Apparatus Providing Passive Haptic Feedback Using the Same}
본 발명은 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외력에 대하여 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 실현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있고, 하우징, 피스톤 및 요크를 강자성체로 형성함으로 인해 자기장인가수단에 의해 발생하는 자기장의 세기가 증대되고 자기장이 균일하게 형성됨에 따라 정밀한 제어가 가능한 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치에 관한 것이다.
근래에는 휴대단말기의 터치스크린에 햅틱 피드백을 제공하기 위해 소형의 햅틱제공장치의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 손가락 끝으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과, 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)을 포괄한다. 이러한 햅틱 피드백을 실현하기 위해 지금까지는 모터와 링크 메커니즘을 이용한 메카트로닉스 장비 등이 사용되었다. 그러나 이러한 기계적인 햅틱제공장치는 무게가 많이 나가고, 복잡한 링크 구조를 가질 뿐만 아니라 소형화가 어렵고, 관성으로 인한 신속한 응답 속도를 실현하기 어려웠다.
이를 극복하기 위해 자기유변유체 또는 전기유변유체를 이용한 강성발생장치가 개발되었다. 그러나 이러한 유변유체의 점성변화에 따른 저항력에 기인하여 필요한 만큼의 강성을 실현하기 어려웠다. 그리고 많은 양의 유변유체 전체의 점성을 변화시키기 위해서는 강한 전기장이나 자기장을 필요로 하기 때문에 소형화 및 저전력 소모를 실현하는 데 있어 한계가 있었다. 또한, 종래 강성발생장치는 다양한 세기의 외력에 대응한 저항력으로서의 강성을 실현하기 위해 별도의 힘센서가 필요했다. 그러나, 이는 별도의 전력을 필요로 하고 배선이 복잡해지며 소형화 추세에 반하는 문제점이 있었다. 이러한 당면한 문제점에도 불구하고 저전력으로 큰 강성을 구현할 수 있고, 소형화가 가능하며, 힘센서가 구비된 강성발생장치의 개발은 여전한 과제로 되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외력에 대한 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 실현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 하우징, 피스톤 및 요크를 강자성체로 형성함으로 인해 자기장인가수단에 의해 발생하는 자기장의 세기가 증대되고 자기장이 균일하게 형성됨에 따라 정밀한 제어가 가능한 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 별도의 힘센서를 구비하지 않고도 외력의 세기에 대응한 햅틱 피드백을 제공할 수 있게 됨에 따라 강성발생장치의 소형화에 기여할 수 있고 저전력을 구현할 수 있는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치 및 그를 이용한 햅틱제공장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상부가 개방된 통 형상으로 형성되고, 결합홀이 형성되며, 자기유변유체를 수용하는 하우징; 하우징 상부에 구비되어 외력이 작용하는 접촉판; 연결봉 부재를 통해 접촉판과 연결되어 하우징 내에서 일방향으로 왕복하도록 수용되고 하단에 저면 홈이 형성된 피스톤; 접촉판과 피스톤 사이에 배치되어 하우징의 개방된 상부를 덮는 커버; 피스톤 저면 홈 하부에 배치되며, 하측면에 하우징의 결합홀에 결합되는 요크 봉 부재가 형성된 요크; 요크 봉 부재 외주면의 요크 하부에 설치되어 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단; 및 요크와 자기장인가수단을 내주면에 수용하며, 접촉판으로부터의 외력의 세기에 기초하여 접촉판에 탄성력을 제공하도록 피스톤 하측면에 위치되는 탄성제공수단;을 포함하여 자기유변유체의 점성을 자기장의 조절을 통해 변화시킴으로써 외력에 대한 저항력인 강성을 발생하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치를 제공한다.
여기서, 자기장인가수단은 요크의 요크 봉 부재에 의해 하우징에 고정됨이 바람직하다.
그리고, 피스톤은 일방향으로 왕복 시 피스톤 저면 홈이 자기장인가수단을 감싸면서 왕복하는 것이 바람직하다.
또한, 커버는 접촉판과 피스톤을 연결하며, 자기유변유체가 흘러나오는 것을 방지하기 위한 슬라이딩 공차를 갖는 관통 홀이 더 구성된 것이 바람직하다.
한편, 피스톤은 왕복 방향으로 다수의 유동홈과 다수의 피스톤 편이 교번되게 형성됨이 바람직하다.
여기서, 피스톤 부재의 연결봉 부재는 하우징 직경의 1/15 내지 1/25로 구성됨이 바람직하다.
그리고, 하우징, 피스톤 및 요크의 재질은 강자성체인 것이 바람직하다.
또한, 자기장인가수단은 요크 봉 부재에 의해 하우징내에 고정됨이 바람직하다.
한편, 피스톤의 상측면에는 자기유변유체의 점성에 의해 커버의 하측면과 피스톤의 상측면이 붙지 않도록 걸림돌기가 형성되고, 요크의 상측면에는 피스톤의 저면과 요크의 상측면이 붙지 않도록 걸림돌기 환이 형성된 것이 바람직하다.
그리고, 외력 반응형 강성발생장치는 외부에서 가해지는 충격에 대응한 강성을 발현하는 댐퍼로 이용됨이 바람직하다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외력 반응형 강성발생장치를 복수 개로 배열하고, 복수 개로 배열된 외력 반응형 강성발생장치의 자기장인가수단에 제공되는 전원을 제어하기 위해 제어수단을 포함하여 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치를 제공한다.
여기서, 햅틱제공장치가 터치패드 하부에 구비되어 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 사용자에게 제공하는 사용자입력장치로 구현됨이 바람직하다.
그리고, 햅틱제공장치가 터치스크린 하부에 구비되어 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 사용자에게 디스플레이장치로 구현됨이 바람직하다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 외력에 대한 저항력인 압축저항력, 유동저항력 및 전단력이 종합적으로 작용할 수 있도록 다중 모드의 저항력을 피스톤 및 요크를 통해 실현하고 이를 자기장인가수단을 통해 조절함으로써 다양한 세기의 댐핑력 내지 강성을 구현할 수 있다.
둘째, 하우징, 피스톤 및 요크를 강자성체로 형성함으로 인해 자기장인가수단에 의해 발생하는 자기장의 세기가 증대되고 자기장이 균일하게 형성됨에 따라 정밀한 제어가 가능하다.
셋째, 별도의 힘센서를 구비하지 않고도 외력의 세기에 대응한 햅틱 피드백을 제공할 수 있게 됨에 따라 강성발생장치의 소형화에 기여할 수 있고 저전력을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 분해사시도,
도 2는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 사시도,
도 3은 도 2의 A-A' 단면도,
도 4는 도 1에 나타낸 강성발생장치 중 피스톤의 저면 사시도,
도 5는 도 3에 나타낸 외력 반응형 강성발생장치의 피스톤에서의 자력 경로를 설명하기 위한 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치에 외력이 작용한 경우의 작동상태도,
도 8은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 자력 경로를 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치가 카메라의 셔터장치로 이용된 경우를 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 원격 진단용 장치로 이용된 경우를 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 키보드에 이용된 경우를 설명하기 위한 도면,
도 12 및 도 13은 도 11에 나타낸 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 키보드에 이용된 경우의 서로 다른 저항력에 따른 클릭감을 설명하기 위한 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 조이스틱 버튼 장치로 이용된 경우를 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 휴대폰의 디스플레이장치로 이용된 경우의 사시도,
도 16은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 초소형 이동체에 적용된 상태를 설명하기 위한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 분해사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 결합사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이고, 도 4는 도 1에 나타낸 강성발생장치 중 피스톤의 저면 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치(100)는 접촉판(10), 커버(20), 피스톤(30), 자기유변유체(40), 요크(50), 자기장인가수단(60), 탄성제공수단(70) 및 하우징(80) 등을 포함하여 이루어진다.
우선, 하우징(80)은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치(100)의 몸체를 이루는 것으로, 내부에는 피스톤(30), 자기유변유체(40), 요크(50), 자기장 인가 수단(60) 및 탄성제공수단(70)을 수용할 수 있는 하우징 홈(82)이 구비되고, 그 상부는 개방된 통 형상으로 제작된다. 또한, 하우징(80) 하부에는 요크(50)의 요크 봉 부재(52)가 결합되는 요크 봉 부재 결합 홀(84)이 구성된다. 이러한, 하우징(80)은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치(100)의 사용 목적 및 용도에 따라 하우징(80)의 길이방향을 기준으로 횡단면을 다양한 형상으로 변형할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 하우징(80)의 크기를 10mm×10mm×17.5mm 이하의 작은 크기로 제작하며, 하우징(80)의 재질은 합성수지제 또는 강자성체 중 하나로 구성할 수 있다. 여기서, 강자성체로 구성하는 경우 철, 코발트 및 니켈 또는 이들의 합금 등의 금속제를 사용할 수 있다.
그리고, 접촉판(10)은 판 형상으로 그 하부면 중심영역에는 피스톤(30)의 연결봉 부재(36)가 연결되는 연결홈(12)이 형성되어, 접촉판(10)과 수직인 방향으로 가해지는 외력을 피스톤(30)으로 전달한다. 이러한 접촉판(10)은 외력을 피스톤(30)에 전달할 수 있는 형상이라면, 사용양태에 따라 어떠한 형상으로도 변형가능하다.
또한, 커버(20)는 하우징(80)과 접촉판(10) 사이에 형성되며, 하우징(80)의 개방면에 결합된다. 이때, 접촉판(10)의 연결홈(12)과 피스톤(30)의 연결봉 부재(36)가 상호 연결될 수 있도록 커버(20)의 중심영역에는 커버 관통 홀(22)이 형성된다. 이러한 커버 관통 홀(22)의 직경은 연결봉 부재(36)가 접촉판(10)의 연결홈(12)에 연결된 후 후술하는 자기유변유체(40)의 자기유변유체(40)가 흘러나오지 않으면서 슬라이딩이 가능한 공차를 갖도록 형성된다. 이와 같은 공차는 자기유변유체(40)의 입자크기에 따라 다양한 실험에 의해 조절할 수 있다. 한편, 커버(20)는 자력차폐물질(일명, 반자성물질) 예로써, 합성수지제 등으로 구성될 수 있다.
한편, 피스톤(30)은 수직한 방향으로 다수의 유동홈(32)과 다수의 피스톤 편(34)이 교번되어 형성되고, 접촉판(10) 방향으로 수직하게 형성된 연결봉 부재(36) 및 연결봉 부재(36) 하측면을 소정높이 둘러싸도록 형성된 걸림 돌기(38)로 구성된다. 한편, 피스톤(30)의 하부는 도 4에 나타낸 바와 같이 하부에 요크(50) 및 자기장인가수단(60)을 수용할 수 있는 피스톤 저면 홈(39)이 형성된다. 여기서, 피스톤(30)의 피스톤 편(34)은 4개로 도시하였으나, 2개 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 유동홈(36)의 폭 및 개수 역시 실현하고자 하는 강성의 크기 및 범위에 따라 변경가능하다.
그리고, 자기유변유체(40)는 외부에서 부가하는 자기장의 세기에 따라 가역적으로 유체의 점도 특성이 변화하는 물질로서, 지능재료(intelligent material) 중의 하나이다. 구체적으로는 자기유변유체는 미네랄 오일, 합성탄화수소, 물, 실리콘 오일, 에스테르화 지방산 등의 분산매체에 직경이 수 내지 수십 마이크론의 미세입자의 철이나 니켈, 코발트 및 이들의 자성합금 등이 분산된 비콜로이드 현탁액을 말한다. 자기유변유체는 자기장을 인가함에 따라 유체의 점도 특성 등 유동특성의 변화폭이 크고, 내구성이 우수하다. 뿐만 아니라 오염물에 대해 상대적으로 덜 민감하고, 자기장에 대한 응답속도가 매우 빠르고, 가역적이다. 이 때문에, 자동차의 클러치, 엔진마운트, 댐퍼 등 진동제어장치, 고층건물 내진장치, 로보틱 시스템(robotic system)의 구동장치 등 여러 산업분야에 적용 가능성이 높은 것으로 평가된다. 또한, 자기유변유체는 자기장이 가해지지 않을 때에는 뉴튼 유체의 성질을 나타낸다. 하지만, 자기장이 가해지면 분산입자가 쌍극자를 형성하여 인가된 자기장과 평행한 방향으로 섬유구조를 형성하고, 이 섬유구조가 점도를 증가시켜 유체의 흐름을 방해하는 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가져서 동적 항복응력을 크게 증가시킨다.　이때의 항복응력(yield stress)은 자기장의 세기에 따라 증가한다. 이와 같은 자기유변유체(40)는 하우징(80) 내부에 가득차 있다. 한편, 자기유변유체는 비압축성 유체로써 부피변화가 거의 없다. 따라서, 일반적인 대형 댐퍼의 경우 레저부아가 필요하지만, 마이크로 댐퍼의 경우에는 피스톤 연결봉 부재(36)의 직경을 최소화하는 경우 레저부아(reservoir)를 없앨 수 있다. 이를 위하여 피스톤 연결용 부재(36)의 직경은 하우징(80) 직경의 1/15 내지 1/25 이하로 형성함이 바람직하다.
또한, 요크(50)은 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 하부에는 소정길이의 요크 봉 부재(52)가 형성되고, 상부에는 상부 외주면을 따라 걸림턱 돌기환(54)이 형성된다. 이러한, 요크(50)는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치(100)의 강성을 증대시키고 자기장의 자력 방향을 유도한다. 여기서, 요크(50)의 상부면 직경(또는 가로 및 세로)은 피스톤(30)의 유동 홈(32) 형성부분의 피스톤 저면 홈(39)의 내경(또는 가로 및 세로)에 비하여 상대적으로 작게 형성하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 자기유변유체(40)가 요크(50)와 피스톤(30)의 피스톤 저면 홈(39) 사이를 드나들 수 있다.
한편, 요크(50)의 재질은 하우징(80) 및 피스톤(30)의 재질과 동일한 합성수지제 또는 강자성체인 철, 코발트, 니켈, 이들의 합금 등의 금속제를 사용할 수 있다. 이렇게, 요크(50), 하우징(80) 및 피스톤(30)의 재질이 강자성체인 철, 코발트, 니켈, 그 합금 등의 금속제로 이루어진 경우, 후술할 자기장인가수단(60)에 의해 발생한 자기장은 자력의 방향이 일정하게 유도될 뿐만 아니라 자력의 손실이 방지된다. 또한, 요크(50), 하우징(80) 및 피스톤(30)이 비자성체인 경우보다 요크(50)를 기준으로 하우징(80) 내에서 자기장이 균일하고 강하게 형성된다.
그리고, 자기장인가수단(60)은 외부로부터 전원을 제공받아 자기유변유체(40)에 자기장을 인가하여 자기유변유체(40)의 점성변화를 유도하는 구성요소로, 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원 제어를 통해 다양한 저항력인 강성을 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에서의 자기장인가수단(60)은 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 요크(50) 하측면의 직경과 동일하거나 작은 직경으로 하우징(80) 내부에 위치하는데, 자기장인가수단(60)의 중심에는 요크(50)의 요크 봉 부재(52)가 삽입되는 자기장인가수단 홀(62)이 형성된다. 다시 말하면, 자기장인가수단(60)은 요크 봉 부재(52)의 외주면을 따라 요크(50)의 직경과 동일하거나 작은 정도의 직경으로 도선을 권취함으로써 형성된 코일을 사용할 수 있다. 또한, 자기장인가수단(60)의 높이는 요크 봉 부재(52)에 비례한다. 그리고, 요크 봉 부재(52)가 자기장인가수단 홀(62)을 따라 하우징(80)의 저면에 형성된 요크 봉 부재 결합 홀(84)에 결합되는 것에 따라 자기장인가수단(60)이 하우징(80) 내에서 고정된다. 따라서, 자기장인가수단(60)을 형성하는 코일의 끊어짐을 방지할 수 있다. 그리고, 요크(50) 및 자기장인가수단(60)은 피스톤(30) 저면에 형성된 피스톤 저면 홈(39)에 수용된다. 다시 말하면, 피스톤(30)이 요크(50)와 자기장인가수단(60)을 감싸면서 이동하게 되고, 저항력이 발생된다.
이때, 자기장의 세기는 요크(50) 하단에 권취된 도선 수 또는 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원의 세기에 비례하여 증대된다. 이렇게 권취된 도선 수 또는 전원의 세기의 증대에 따라 자기장의 세기가 증대되면, 자기유변유체(40)는 분자간 체인 형성이 보다 강화되어 자기유변유체(40)의 점성을 증대시킨다. 이로 인해 외력에 대한 저항력인 강성이 증대되어 다양한 세기의 외력에 대한 강성을 구현할 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치(100)는 소형으로 제작되기 때문에 요크(50) 하단에 권취된 도선 수 및 자기장인가수단(60)에 제공되는 전원 세기의 증대에는 일정한 제한이 따른다. 즉, 권취되는 도선 수 및 전원의 세기의 증대로 인한 강한 자기장 형성으로 자기유변유체(40)의 분자간 체인을 강하게 형성하여 저항력인 강성을 증대시키는 것은 본 발명의 목적에 부합하지 않는다.
따라서, 본 발명은 권취된 도선 수 및 제공되는 전원의 세기를 증대하지 않음으로써 소형화 및 저전력 소모를 실현하고, 이에 따른 작은 세기의 자기장에서도 다양한 모드의 저항력이 발현되도록 피스톤(30) 하단에 피스톤 저면 홈(39)을 형성하고 요크(50)가 피스톤 저면 홈(39)에 삽출하도록 구현함으로써 큰 강성을 발현할 수 있다.
한편, 자기장인가수단(60)은 전술한 측정수단(50)을 통해 측정된 외력의 세기에 기초한 자기장의 형성을 통해 다양한 모드의 강성을 제공하기 위해 제어수단(미도시)과 연결된다.
그리고, 탄성제공수단(70)은 피스톤(30)의 피스톤 편(34)과 하우징(80) 저면 사이에 구비되어, 외력에 따라 이동하는 접촉판(10)에 탄성력을 제공한다. 본 발명의 실시예에서 탄성제공수단(70)은 스프링으로 구성될 수 있다. 여기서, 스프링은 나사선 모양으로 형성되어 피스톤(30)의 피스톤 편(34) 하부에 구비된다. 이러한 탄성제공수단(70)은 피스톤(30)을 통해 접촉판(10)에 탄성력을 제공한다. 이로 인해 탄성제공수단(70)은 접촉판(10)에 가해진 외력에 따라 하부로 눌려지면서 형태가 변형되고 이로 인해 접촉판(10)에 탄성력을 제공한다.
도 5는 도 3에 나타낸 외력 반응형 강성발생장치의 피스톤에서의 자력 경로를 설명하기 위한 평면도면이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 피스톤에서의 자력 경로는 도 5에 나타낸 바와 같이, 피스톤 편(34)이 형성된 부분으로써, 유동 홈(32)으로는 자력이 집중되지 않아 유동 홈(32)에서는 자기유변유체(40)가 자력에 의해 굳어지지 않고 통과하게 된다. 따라서, 초기의 유동 저항을 크게 줄일 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치에 외력이 작용한 경우의 작동상태도이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치에 외력이 작용한 경우에서 도 6은 손가락으로 접촉판(10)을 통해 외력을 가하기 전 상태를 나타내고 있고, 도 7은 손가락으로 접촉판(10)을 통해 외력(F)이 가해진 상태를 나타내고 있다. 도 6에서와 같이 손가락으로 접촉판(10)을 누르면 피스톤(30)이 수직방향으로 이동하고, 그에 따라 도 7에서와 같이 피스톤(30)의 피스톤 저면 홈(39)의 자기유변유체(40)가 유동 홈(32)뿐 아니라, 피스톤 편(34)의 외주면을 통해서도 피스톤(30)의 상측면으로 이동하게 된다. 이때, 자기장인가수단(60)에 전류를 인가하면 도 5에서와 같이 피스톤 편(34) 외주면에 자력이 생성되고, 자기유변유체(40)의 점성변화에 따른 저항력인 강성이 실질적으로 가해지게 되어 통과하지 못하게 된다. 그에 따라, 접촉판(10) 역시 수직 방향으로 이동하지 못한다. 한편, 자기유변유체(40)의 점성에 의해 커버(20)의 하측면과 피스톤(30)의 상측면이 붙는 경우 서로 떼어내기 쉽지 않을 수 있다. 또한, 피스톤(30)의 저면과 요크(50)의 상측면 역시 서로 붙는 경우 떼어내기 쉽지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치(100)에서는 피스톤(30)의 걸림돌기(38)와, 요크(50)의 걸림돌기 환(54)의 형성에 의해 커버(20)와 피스톤(30) 및 피스톤(30)과 요크(50)가 달라붙지 않으며, 스퀴즈(squeeze) 모드도 생기지 않도록 할 수 있다. 이때, 걸림돌기(38)의 직경과, 걸림돌기 환(54)의 상측 두께는 실현하고자 하는 외력반응형 강성발생장치의 크기 및 범위와 실험에 따라 변경가능하지만, 하우징(80) 너비의 1/10 내지 1/30 범위의 직경과 두께로 형성됨이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 자력 경로를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치의 자력 경로는 도 8에 나타낸 바와 같이, 자기장인가수단(60)에 전류가 인가되면 요크(50)에서 요크(50)를 둘러싼 피스톤(30)의 피스톤 편(34)으로 자력이 발생되고, 피스톤 편(34)에서는 피스톤 편(34)을 둘러싼 하우징(80)으로 자력이 발생되며, 하우징(80)의 자력은 다시 요크(50)의 요크 봉 부재(52)로 흐르게 된다. 그리고, 그에 따라 요크(50)와 피스톤 편(34) 사이의 영역(영역 A)에는 전단저항력이 생성되고, 피스톤 편(34)과 하우징(80) 사이의 영역(영역 B)에서는 유동 저항력이 생성된다. 이와 같이, 영역 A와 영역 B에서 전단저항력과 유동 저항력이 발생되는 경우 사용자가 접촉판(10)을 수직한 방향으로 누르더라도 두 개의 복합적인 저항력에 의해 쉽게 눌러지지 않게 된다. 그리고, 이와 같은 자력 발생 방향을 생성하기 위하여, 자기장인가수단(60)은 하부에서 상부로 자기장이 발생되도록 권취되고, 하우징(80)과, 피스톤(30) 및 요크(50)는 모두 강자성체로 구성됨이 바람직하다.
여기서, 피스톤(30)의 면적을 AP라하고, 피스톤(30)의 외경을 b라 하며, 자기유변유체(40)의 점도를 μ라 하고, 피스톤(30)의 활성 Length를 La라 하며, 비활성 length를 L이라 하는 경우, 전단저항력은 수학식1로 나타낼 수 있고, 유동저항력은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
<햅틱제공장치의 구성 및 이를 이용한 장치>
도 9는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치가 카메라의 셔터장치로 이용된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 카메라의 셔터장치(110)로 이용하는 경우는, 카메라의 자동 초점 기능을 이용하는 것이다. 이와 같은 자동 초점 기능을 이용하는 경우 초점이 맞춰지지 않은 상태에서는 카메라의 제어부(도시하지 않음)에서 강성발생장치로 구성된 셔터장치(110)로 전원을 공급한다. 그에 따라, 셔터장치(110)의 자기장인가수단에 자기장의 세기가 증대되고, 자기유변유체의 점성이 증가함에 따라 셔터장치(110)는 눌러지지 않게 된다. 그리고, 초점이 맞춰지는 경우 카메라의 제어부에서는 셔터장치(110)로 공급되던 전원을 끊게 되면 자기장이 제거되고, 그에 따라 자기유변유체의 점성이 약해져 셔터(110)가 눌러지는 것에 따라 초점이 맞춰진 상태에서 촬영이 가능해진다. 그러므로, 안정된 사진 촬영이 가능해진다.
도 10은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 원격 진단 장치로 이용된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 원격 진단 장치(120)로 이용된 경우는 도 10에 나타낸 바와 같이 모니터(200) 등의 디스플레이 장치를 이용한 원격진료가 가능하도록 한 것이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 원격 진단 장치(120)로 이용하는 경우는, 원격에 있는 환자를 표면제시(surface display)를 활용하여 원격 진단 장치(120)로 전송되는 감도를 이용하여 환자를 진료하는 것이다. 이와 같은 경우 원거리에 있거나 병원 내원이 용이하지 않은 환자의 경우에도 표면 제시에 의해 원격에서 전송되는 데이터에 따라 원격 진단 장치(120)의 자기장인가수단에 자기장의 세기가 적절히 증대되는 것에 따라 환자의 진료가 가능해진다.
도 11은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 키보드에 이용된 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 12 및 도 13은 도 11에 나타낸 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 키보드에 이용된 경우의 서로 다른 저항력에 따른 클릭감을 설명하기 위한 그래프이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 키보드(300)의 키버튼(130)으로 이용하는 경우는, 상황에 따라 키버튼(130)의 저항력이 다르도록 구성한다. 예를 들어, 컴퓨터나 휴대폰 등의 키보드(300)에서 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 키버튼(130)으로 채용한 경우 단순한 문자입력 등의 상황에서는 도 12에서와 같이 저항력과 눌리는 깊이가 비례하도록 컴퓨터나 휴대폰의 제어부에서 강성발생장치로 구성된 키버튼(130)으로 전류를 공급하지 않도록 한다. 그에 따라, 자기유변유체의 점성이 약해 키버튼(130)의 저항력과 눌린 깊이가 비례한다. 그러나, 단순한 문자 입력 이외의 상황, 예로써 비밀번호 입력 등과 같이 정확한 입력을 요구하는 경우에는 사용자가 키버튼(130) 입력 시 주의를 기울이거나, 집중도를 높이거나, 비밀번호 입력에 이용될 수 없는 키버튼(130)과는 다른 클릭감을 제공하도록 한다. 이때, 컴퓨터나 휴대폰의 제어부에서 자기유변유체로 구성된 키버튼(130)으로 전류를 공급하도록 한다. 그에 따라, 자기유변유체의 점성이 증대되어 저항력과 눌린 깊이가 비례하지 않는 탄성력이 발생되도록 한다. 그러므로, 사용자는 보다 주의 깊게 키버튼(130)을 조작하거나 잘못된 키버튼(130) 입력을 쉽게 인식할 수 있게 된다.
도 14는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 조이스틱의 버튼 장치로 이용된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 조이스틱(400)의 버튼 장치로 이용된 경우는 도 14에 나타낸 바와 같이, 4개의 버튼으로 구성된 조이스틱 버튼 장치(140)에서 4개의 버튼 각각에 대하여 서로 다른 클릭감을 나타내도록 한다. 이러한 조이스틱 버튼 장치(140)는 전용 게임기나 컴퓨터에 연결되어 게임 캐릭터의 각종 동작을 수행하도록 한다. 이와 같은 동작은 예를 들어 슈팅게임의 경우에는 총알발사, 폭탄발사 및 광선발사 등이 있을 수 있고, 액션 게임의 경우에는 주먹사용, 발사용, 점프 등이 있을 수 있다.
전용 게임기나 컴퓨터 프로그램에서는 해당 동작 수행 시 조이스틱 버튼 장치(140)의 4개의 버튼 각각에서 서로 다른 클릭감을 나타내도록 하는 경우 게임의 재미를 향상함은 물론 잘못된 동작을 수행할 가능성 역시 낮아져 사용자는 게임에 보다 집중할 수 있게 된다. 이를 위하여 전용 게임기나 컴퓨터의 제어부에서는 4개의 버튼 각각을 구성하는 강성발생장치의 자기유변유체로 서로 다른 세기의 자기장이 발생하도록 하여 서로 다른 클릭감을 제공할 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 휴대폰의 디스플레이장치에 이용된 경우의 사시도이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 휴대폰의 디스플레이장치에 이용된 경우는 전술한 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치(100)를 통전 가능한 배선이 프린팅된 회로 기판(510) 등에 복수 개로 배열 장착한 후 제어수단(미도시) 등과 연결함으로써 형성될 수 있다. 이때, 제어수단은 복수 개의 외력 반응형 강성발생장치(100)를 회로 기판(510)에서 각각 독립적으로 제어할 수 있도록 실현하는 것이 바람직하다. 이를 통해 햅틱제공장치(150)는 사용자가 누르는 외력에 대응한 다양한 모드의 햅틱 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다.
이러한 햅틱제공장치(150)는 사용자와의 접촉을 통해 사용자에게 햅틱 피드백의 제공이 가능한 컴퓨터 주변기기와 휴대폰, PDA단말기, 내비게이션과 같은 휴대단말기 등의 디스플레이장치에 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이장치가 휴대폰(500)에 이용되는 경우, 디스플레이장치는 대략 터치스크린(520) 및 복수 개의 강성발생장치(100)로 이루어진다. 이때, 복수개의 강성발생장치(100)는 터치스크린(520) 하부에 위치한다. 여기서, 터치스크린(520)은 영상 표시장치인 디스플레이 패널 상부에 투명한 터치패드를 구비한 장치를 말한다.
이렇게 구비된 디스플레이장치는 터치스크린(520) 하부에 위치한 강성발생장치(510) 및 제어수단(미도시)을 통해 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 초소형 이동체에 적용된 상태를 설명하기 위한 사시도이다. 본 발명에 따른 외력 반응형 강성발생장치를 이용한 햅틱제공장치가 초소형 이동체에 적용된 상태는 본 발명에 따른 강성발생장치(100)가 소형으로 제작될 수 있어 초소형 이동체(600)의 댐퍼(160)로 사용될 수 있다. 여기서 초소형 이동체(600)란 마이크로 로봇, 초소형 RC(Radio Control)차량, 비행체 등을 말한다.
이렇게 초소형 이동체(600)의 구동부(예:바퀴)에 가해지는 충격을 완화하기 위해 댐퍼(160)로 사용된 강성발생장치는 제어수단(미도시)을 통해 외부 충격에 대응한 다양한 강성을 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 권리범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 접촉판 12 : 돌출홈
20 : 커버 22 : 커버 관통 홀
30 : 피스톤 32 : 유동 홈
34 : 피스톤 편 36 : 연결봉 부재
38 : 걸림돌기 39 : 피스톤 저면 홈
40 : 자기유변유체 50 : 요크
52 : 요크 봉 부재 54 : 걸림돌기환
60 : 자기장인가수단 62 : 자기장인가수단 홀
70 : 탄성제공수단 80 : 하우징
82 : 하우징 홈 84 : 요크 봉 부재 결합 홀
100 : 외력 반응형 강성발생장치 110 : 셔터
120 : 원격진단장치 130 : 키버튼
140 : 조이스틱 버튼 150 : 햅틱제공장치
160 : 댐퍼 200 : 모니터
300 : 키보드 400 : 조이스틱
500 : 휴대폰 510 : 회로기판
520 : 터치스크린 600 : 초소형 이동체

Claims (12)

  1. 상부가 개방된 통 형상으로 형성되고, 결합홀이 형성되며, 자기유변유체를 수용하는 하우징;
    상기 하우징 상부에 구비되어 외력이 작용하는 접촉판;
    연결봉 부재를 통해 상기 접촉판과 연결되어 상기 하우징 내에서 일방향으로 왕복하도록 수용되고 하단에 저면 홈이 형성된 피스톤;
    상기 접촉판과 상기 피스톤 사이에 배치되어 상기 하우징의 개방된 상부를 덮는 커버;
    상기 피스톤 저면 홈 하부에 배치되며, 하측면에 하우징의 결합홀에 결합되는 요크 봉 부재가 형성된 요크;
    상기 요크 봉 부재 외주면의 상기 요크 하부에 설치되어 상기 자기유변유체에 자기장을 인가하는 자기장인가수단; 및
    상기 요크와 상기 자기장인가수단을 내주면에 수용하며, 상기 접촉판으로부터의 외력의 세기에 기초하여 상기 접촉판에 탄성력을 제공하도록 상기 피스톤 하측면에 위치되는 상기 탄성제공수단;을 포함하여
    상기 자기유변유체의 점성을 상기 자기장의 조절을 통해 변화시킴으로써 상기 외력에 대한 저항력인 강성을 발생하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장인가수단은 상기 요크의 요크 봉 부재에 의해 상기 하우징에 고정됨을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤은 일방향으로 왕복 시 상기 피스톤 저면 홈이 상기 자기장인가수단을 감싸면서 왕복하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버는 상기 접촉판과 상기 피스톤을 연결하며, 상기 자기유변유체가 흘러나오는 것을 방지하기 위한 슬라이딩 공차를 갖는 관통 홀이 더 구성된 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤은 상기 왕복 방향으로 다수의 유동홈과 다수의 피스톤 편이 교번되게 형성됨을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 부재의 상기 연결봉 부재는 상기 하우징 직경의 1/15 내지 1/25로 구성됨을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징, 상기 피스톤 및 상기 요크의 재질은 강자성체인 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤의 상측면에는 상기 자기유변유체의 점성에 의해 상기 커버의 하측면과 상기 피스톤의 상측면이 붙지 않도록 걸림돌기가 형성되고,
    상기 요크의 상측면에는 상기 피스톤의 저면과 상기 요크의 상측면이 붙지 않도록 걸림돌기 환이 형성된 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 외력 반응형 강성발생장치를 외부에서 가해지는 충격에 대응한 강성을 발현하는 댐퍼로 이용한 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 외력 반응형 강성발생장치를 복수 개로 배열하고, 상기 복수 개로 배열된 상기 외력 반응형 강성발생장치의 자기장인가수단에 제공되는 전원을 제어하기 위해 제어수단을 포함하여 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 상기 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 햅틱제공장치가 터치패드 하부에 구비되어 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 상기 사용자에게 제공하는 사용자입력장치로 구현됨을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 햅틱제공장치가 터치스크린 하부에 구비되어 사용자가 누르는 외력에 대응한 햅틱 피드백을 상기 사용자에게 디스플레이장치로 구현됨을 특징으로 하는 햅틱제공장치.
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