KR20120042139A - 휴대용 단말기의 진동 모듈 - Google Patents

휴대용 단말기의 진동 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하우징; 상기 하우징 내에서 제1 방향으로 유동 가능하게 설치된 자성 이동체(magnetic moving part); 상기 제1 방향에서 상기 자성 이동체의 양단과 상기 하우징의 내벽 사이에 각각 지지되는 탄성체; 및 상기 하우징 내에 설치되는 솔레노이드 코일을 구비하는 휴대용 단말기의 진동 모듈을 개시한다. 상기와 같은 휴대용 단말기의 진동 모듈은, 자성 이동체의 자기력과 주위 물체 사이의 인력에 의해 자성 이동체는 그 이동 구간의 단부 중에서 어느 한쪽에 위치하려는 성향을 가지게 되어, 정지 순간에 발생되는 순간의 가속도를 통해 클릭감과 유사한 느낌을 사용자에게 제공할 수 있으며, 진동할 때에도 이동 구간의 단부에서 자성 이동체의 이동 방향이 전환되는 순간의 가속도를 통해 충분한 진동력을 발생시켜 착신 알림 등의 경고 기능을 제공할 수 있다.

Description

휴대용 단말기의 진동 모듈 {VIBRATION MODULE FOR PORTABLE TERMINAL}
본 발명은 휴대용 단말에 관한 것으로서, 특히, 햅틱 피드백(haptic feedback) 기능을 제공할 수 있는 휴대용 단말기의 진동 모듈에 관한 것이다.
햅틱 피드백이란, 로봇 팔(robot arm)의 원격 제어를 위한 구동력 피드백(force feedback) 기능 등을 포함하는 의미로서, 사용자의 촉각 및 피부 접촉에 기반한 정보의 표현 수단을 지칭하는 것이다. 최근에는 셀룰러 폰과 같은 휴대용 단말기에서 착신 알림을 위한 단순 진동 기능뿐만 아니라 터치 스크린 조작시 사용자가 선택한 키의 신호 값이 정상적으로 입력되었음을 알리는 기능으로 활용하기 위한 노력이 경주되고 있다.
일반적으로, 휴대용 단말기에는 문자가 수신되거나 통화 요청(착신)이 있을 경우, 이를 알리는 방법들 중 하나로 진동 모드를 제공하는데, 이러한 진동 모드에서의 동작을 위해, 휴대용 단말기는 진동 모터를 구비한다.
휴대용 단말기의 휴대성 등을 고려하여, 이에 장착되는 진동 모터로는 동전형(coin type)과 바형(cylinder or bar type) 모터들이 이용되는데, 이러한 동전형 혹은 바형 모터들은 단순히 착신 알림 기능만 제공하고 있다.
한편, 최근에는, 인터넷 등을 이용하는 때, 풀 브라우징(full-browsing) 화면을 제공할 수 있는 터치 스크린 폰이 등장하면서, 키패드와 같은 입력 장치 또한 터치 스크린에 가상의 키패드로 구현되고 있으며, 터치 스크린 키패드는 사용자가 접촉하는 지점을 감지하여 해당 지점에 할당된 신호 값을 입력하게 된다. 일반적인 버튼식 키패드는 돔 스위치 등을 이용하여 사용자에게 클릭감 등을 제공함으로써 키패드 조작을 촉각으로 인지할 수 있었다. 따라서 휴대용 단말기의 키패드 배열에 익숙한 사용자는 디스플레이 장치를 통해 확인하지 않더라도 자신이 키를 조작하여 입력하고자 하는 숫자나 문자가 입력되고 있음을 알 수 있다. 반면에, 터치 스크린에 구현된 키패드를 조작하는 경우에는 돔 스위치와 같은 클릭감을 제공하지 못하기 때문에, 사용자가 직접 디스플레이 장치를 통해 입력되는 값을 확인해야만 한다.
따라서 터치 스크린 방식의 입력 장치가 탑재된 휴대용 단말기에 햅틱 피드백 기능을 부여함으로써, 사용자가 디스플레이 장치를 통해 입력되는 값을 일일이 확인해야 하는 불편함을 해소하고자 하는 노력이 지속되고 있다. 이러한 휴대용 단말기의 햅틱 피드백 기능은 터치 스크린 조작시 진동 모터를 작동시킴으로써 구현되고 있다.
그러나 종래의 코인형, 바형 진동 모터는 응답시간이 길어 햅틱 피드백 기능을 구현하는데 한계가 있다. 즉, 코인형, 바형 진동 모터가 잔진, 즉, 동작을 완료한 후, 동작이 완전히 멈추기까지 진동자가 관성에 의해 동작하는 시간이 길어, 빠른 속도로 연속된 키 입력이 이루어질 경우 사용자는 조작한 키의 신호 값이 정확하게 입력되는지 여부를 촉각으로 인지하는데 어려움이 따르게 된다.
응답시간을 짧게 개선한 진동 모터로서, 소모 전력이 낮고 신뢰도가 높은 선형 모터가 제안되어 있으나, 종래의 선형 모터는 하나의 공진 주파수만 가지며, 공진 주파수에서 2~3Hz 정도만 벗어나더라도 진동력이 급격하게 저하되는 단점이 있다. 이러한 선형 모터가 공진 주파수로 동작하는 경우에는 착신 알림 등의 경고 기능을 제공하는데 충분하다. 그러나 선형 모터 또한, 응답속도가 느려 햅틱 피드백 기능을 제공하는데 한계가 있다. 즉, 입력 신호가 인가된 시점에서 대략 30ms 전후에 이르러서 충분한 진동력을 발휘하며, 입력 신호가 차단된 시점에서 대략 50ms 전후에야 관성에 의한 진동이 완전히 끝나게 된다.
따라서 지금까지의 선형 모터들을 이용하여 착신 알림 기능은 충분히 수행할 수 있지만, 응답시간을 개선한 선형 모터일지라도 터치 스크린 조작을 인지시키기 위한 햅틱 피드백 기능을 제공하는데 한계가 있는 실정이다.
이에, 본 발명은, 응답시간을 짧게 개선함으로써, 터치 스크린을 통한 빠르고 연속된 키 입력 동작에서도 양호한 클릭감 또는 햅틱 피드백 기능을 제공할 수 있는 휴대용 단말기의 진동 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 터치 스크린을 통한 키 입력시 버튼 클릭감에 유사한 클릭감을 제공함과 아울러, 드래그 등의 다양한 터치 스크린 조작에 대응하는 다양한 햅틱 패턴을 생성할 수 있는 휴대용 단말기의 진동 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 양호한 햅틱 피드백 기능을 제공하면서도, 착신 알림 등의 경고 기능에서도 충분한 진동력을 제공할 수 있는 휴대용 단말기의 진동 모듈을 제공하고자 한다.
따라서 본 발명은, 하우징; 상기 하우징 내에서 제1 방향으로 유동 가능하게 설치된 자성 이동체(magnetic moving part); 상기 제1 방향에서 상기 자성 이동체의 양단과 상기 하우징의 내벽 사이에 각각 지지되는 탄성체; 및 상기 하우징 내에 설치되는 솔레노이드 코일을 구비하는 휴대용 단말기의 진동 모듈을 개시한다.
이때, 상기 진동 모듈은 상기 하우징의 내벽에 각각 설치되어 서로 마주보는 적어도 한 쌍의 요크들을 더 구비할 수 있으며,
상기 솔레노이드 코일에 입력되는 신호에 따라 상기 자성 이동체는,
1) 상기 탄성체의 지지를 받으면서 상기 요크들 사이에서 상기 제1 방향으로 진동하거나, 2) 상기 요크들 중 하나에 접촉된 상태에서 이동하여 다른 하나에 접촉된다.
또한, 상기 솔레노이드 코일에 입력되는 신호가 없을 때, 상기 자성 이동체는 상기 요크들 중 하나에 접촉된 상태를 유지하게 된다.
아울러, 상기 자성 이동체는, 상기 자성 이동체의 일단부에서 S극이 상기 솔레노이드 코일에 근접하고, N극이 상기 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제1 자성체부; 및 상기 자성 이동체의 타단부에서 N극이 상기 솔레노이드 코일에 근접하고, S극이 상기 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제2 자성체부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1, 제2 자성체부는 각각 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 2개의 자성체가 배열되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 자성 이동체는 상기 제1 자성체부를 이루게 배열된 자성체들 사이 및 상기 제2 자성체부를 이루게 배열된 자성체들 사이에 배치되는 자기 경로 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자성 이동체는 일면에 안착홈들이 형성된 중량 부재를 더 구비할 수 있으며, 이 경우, 상기 제1, 제2 자성체부는 각각 상기 안착홈들 중 하나에 배치된다.
아울러, 상기 솔레노이드 코일은, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 코어부; 및 상기 코어부의 외주면에 권선되는 코일부를 포함하고, 상기 제1 방향을 따라 한 쌍이 배열됨이 바람직하다.
이때, 상기 자성 이동체는, 상기 자성 이동체의 일단부에서 N극이 상기 솔레노이드 코일들 중 일측의 솔레노이드 코일(이하, '제1 솔레노이드 코일')에 근접하고, S극이 상기 제1 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제1 자성체부; 및 상기 자성 이동체의 타단부에서 S극이 상기 솔레노이드 코일들 중 타측의 솔레노이드 코일(이하, '제2 솔레노이드 코일')에 근접하고, N극이 상기 제2 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제2 자성체부를 포함함이 바람직하다.
또한, 상기 솔레노이드 코일들 각각에 동일한 입력 신호가 인가되었을 때, 상기 솔레노이드 코일들은 서로에 대하여 반대방향으로 작용하는 전자기력을 발생시키도록 배치됨이 바람직하다.
한편, 상기 진동 모듈은 상기 제1 방향을 따라 설치되는 상기 하우징의 제1 내벽에 설치되는 평형 부재를 더 구비함으로써, 상기 자성 이동체와 상기 평형 부재 사이의 인력이 상기 자성 이동체와 상기 솔레노이드 코일 사이의 인력을 감쇄시킴이 바람직하다.
또한, 상기 자성 이동체는, 상기 솔레노이드 코일을 감싸게 제공되는 중량 부재; 및 상기 중량 부재 상에 제공되는 제1 자성체들을 포함할 수 있다.
이때, 상기 자성 이동체는 상기 중량 부재 상에 제공되면서 상기 중량 부재와 함께 상기 솔레노이드 코일을 감싸게 제공되는 제1 자화 부재를 더 포함하고, 상기 제1 자성체들은 각각 상기 제1 자화 부재 상에 위치됨이 바람직하다.
아울러, 상기 솔레노이드 코일은, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 코어부; 및 상기 코어부의 외주면에 권선되는 코일부를 포함하고, 상기 코어부는 제2 자성체와 상기 제2 자성체의 양단에 각각 제공되는 제2 자화 부재들이 상기 제1 방향을 따라 배열됨이 바람직하다.
아울러, 본 발명은, 자기력 발생 수단; 및 상기 자기력 발생 수단과 나란하게 배치되는 전자기력 발생 수단을 포함하고, 상기 전자기력 발생 수단에 인가되는 입력 신호에 따라 상기 자기력 발생 수단이 직선 왕복 운동하는 휴대용 단말기의 진동 모듈을 개시한다.
이때, 상기 진동 모듈은, 상기 자기력 발생 수단에서 발생하는 자기력을 통과시킬 수 있게 제공되는 제1 자기 경로; 및 상기 자기력 발생 수단에서 발생하는 자기력을 통과시킬 수 있게 제공되는 제2 자기 경로를 더 구비할 수 있으며, 상기 전자기력 발생 수단은 상기 제1, 제2 자기 경로에 전자기력을 발생시키게 된다. 아울러, 상기 전자기력 발생 수단이 전자기력을 발생시킴에 따라, 상기 자기력 발생 수단은 상기 제1 자기 경로와 제2 자기 경로를 번갈아 사용함으로써 직선 왕복 운동하게 된다.
이러한 휴대용 단말기의 진동 모듈은 상기 자기력 발생 수단이 직선 왕복 운동하는 구간의 양 단부에 각각 제공되는 제한 수단들을 더 구비함으로써, 상기 자기력 발생 수단이 상기 제한 수단들 사이의 구간을 왕복 운동하면서 상기 제한 수단들과 부딪혀 충격력을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 진동 모듈은 상기 자기력 발생 수단의 양단에 각각 제공되는 탄성 수단을 더 구비함으로써, 상기 자기력 발생 수단의 질량과 상기 탄성 수단의 스프링 계수에 의해 공진 주파수가 설정된다.
한편, 상기 제1, 제2 자기 경로는 서로에 대하여 반대방향으로 작용하는 전자기력을 발생시키도록 배치됨이 바람직하다.
상기와 같은 휴대용 단말기의 진동 모듈은, 자성 이동체의 자기력과 주위 물체 사이의 인력에 의해 자성 이동체는 그 이동 구간의 단부 중에서 어느 한쪽에 위치하려는 성향을 가지게 된다. 따라서 솔레노이드 코일에 인가되는 입력 신호에 따라 진동하거나 현재의 위치(이동 구간의 단부 중에서 어느 한쪽)에서 다른 위치(이동 구간의 단부 중에서 다른 한쪽)으로 이동하여 정지된다. 따라서 정지 순간에 발생되는 순간의 가속도를 통해 클릭감과 유사한 느낌을 사용자에게 제공할 수 있으며, 진동할 때에도 이동 구간의 단부에서 자성 이동체의 이동 방향이 전환되는 순간의 가속도를 통해 충분한 진동력을 발생시켜 착신 알림 등의 경고 기능을 제공할 수 있다. 또한, 요크 등을 이용하여 자성 이동체의 진폭을 제한한다면, 자성 이동체가 이동 구간의 단부에 이르는 시점에서 요크에 부딪혀 충격을 발생시킬 수 있으므로, 클릭감이나 햅틱 피드백 기능을 구현하기 위한 진동을 더 다양한 패턴으로 용이하게 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈이 동작하는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈을 나타내는 분리 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 진동 모듈을 나타내는 조립 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 진동 모듈의 동작 개념을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 2에 도시된 진동 모듈의 동작 메커니즘을 설명하기 위한 도면,
도 6은 도 2에 도시된 진동 모듈의 주파수 응답 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 도 2에 도시된 진동 모듈의 응답 시간을 측정하여 나타내는 그래프,
도 8은 도 2에 도시된 진동 모듈의 입력 신호에 따른 진동 가속도를 측정하여 나타내는 그래프,
도 9는 도 2에 도시된 진동 모듈의 공진 주파수에서 진동 가속도를 측정하여 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈을 나타내는 평면도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈이 동작하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 우선, 도 1에서 (a), (b), (c)는 종래의 선형 모터가 동작하는 원리를 개략적으로 나타내고, (d), (e), (f)는 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈이 동작하는 원리를 개략적으로 나타내고 있다.
종래의 선형 모터는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 진동이 점차 강해지면서 작동하기 때문에, 응답 속도를 빠르게 하는데 한계가 있다. 또한, 입력 신호가 차단된 후에도 관성에 의한 진동으로 인해, 빠르고 연속된 키 입력에 대응하는 햅틱 패턴을 생성하기 어렵다.
아울러, 종래의 선형 모터는 직선 왕복 운동하는 구간의 양단에서 중간 지점, 다시 말해서, 진동자가 (b)에 도시된 중립의 위치로 이동하려는 성향을 가지며, 중립의 위치에서는 안정된 정지 상태를 유지할 수 있다. 이러한 선형 모터가 실제 진동할 때는 이러한 중립의 위치에서 최대의 속도를 가지게 되며, 직선 왕복 운동하는 구간의 양단에 근접할수록 그 속도가 점차 낮아지게 되므로, 진동력을 충분히 발생시키기 어렵다. 따라서 선형 모터를 이용한 경고 기능, 예를 들자면, 착신 알림 등의 기능을 구현하기 어렵다.
반면에 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈은 (e)에 도시된 바와 같이, 중립의 위치에서는 진동자가 불안정한 상태로서 왕복 운동하는 구간의 양단부 중 어느 한쪽으로 이동하려는 성향을 가지게 된다. 따라서 (f)에 도시된 바와 같이, 진동자는 속도가 점차 증가되면서 그 왕복 운동하는 구간의 어느 한 단부로 이동하게 된다. 따라서 왕복 운동하는 구간의 단부에서 운동 방향을 전환하는 시점의 가속도에 따른 진동력은 착신 알림과 같은 경고 기능을 구현할 수 있을 정도로 충분하다. 더욱이, 실제 제작에 있어서, 진동자는 한정된 공간 내에 설치되므로, 왕복 운동하는 구간의 단부에서 진동자가 벽에 부딪힌다면 더 큰 충격력을 발생시킬 수 있게 된다.
이러한 진동 모듈은 자기력 발생 수단과 전자기력 발생 수단에 의해 구현될 수 있다. 즉, 상기 전자기력 발생 수단에 입력되는 신호에 따라 발생되는 전자기력과 상기 자기력 발생 수단의 자기력이 상호 작용하여 상기 자기력 발생 수단을 직선 왕복 운동시킬 수 있는 것이다.
이때, 상기 진동 모듈은 상기 자기력 발생 수단의 자기 경로를 일정하게 형성함으로써, 상기 자기력 발생 수단의 자기력을 효과적으로 이용하게 된다. 이러한 자기 경로는 제1, 제2 자기 경로에 의해 제공되며, 상기 전자기력 발생 수단에 인가되는 입력 신호에 따라, 상기 제1, 제2 자기 경로에 일정한 전자기력을 발생시키게 된다. 이때, 상기 제1, 제2 자기 경로에서 각각 발생된 전자기력은 서로에 대하여 반대방향으로 작용함이 바람직하다.
중립의 위치에서, 상기 자기력 발생 수단은 상기 제1, 제2 자기 경로를 모두 지나는 자기 경로를 형성하게 된다. 하지만, 상기 전자기력 발생 수단에 입력 신호가 인가되면, 상기 제1, 제2 자기 경로는 서로에 대하여 반대방향으로 작용하는 전자기력을 발생시키기 때문에, 상기 자기력 발생 수단은 상기 제1, 제2 자기 경로 중 어느 한쪽으로 이동하게 된다.
이때, 상기 전자기력 발생 수단에 인가되는 입력 신호의 제어를 통해 상기 제1, 제2 자기 경로에 의해 발생되는 전자기력의 방향을 전환할 수 있으며, 이는, 결국 상기 자기력 발생 수단으로 하여금 상기 제1, 제2 자기 경로를 번갈아 사용하게 된다. 이로써, 상기 자기력 발생 수단이 직선 왕복 운동할 수 있게 된다. 이는 상기 제1, 제2 자기 경로를 상기 자기력 발생 수단이 운동하는 방향을 따라 배열함으로써 가능하게 된다.
이러한 제1, 제2 자기 경로는 상기 자기력 발생 수단의 운동 방향을 따라 연장된 코어를 이용하여 구현할 수 있으며, 이 경우, 상기 전자기력 발생 수단은 상기 코어의 외주면에 코일을 권선하여 구현할 수 있다.
이때, 상기 제1, 제2 자기 경로와 자기력 발생 수단 사이의 인력이 상기 자기력 발생 수단의 왕복 운동에 장애가 될 수 있으므로, 별도의 평형 부재를 배치하고, 상기 자기력 발생 수단은 상기 제1, 제2 자기 경로와 평형 부재 사이에 배치함이 바람직하다. 이로써, 상기 평형 부재와 자기력 발생 수단 사이의 인력이 상기 제1, 제2 자기 경로와 자기력 발생 수단 사이의 인력을 상쇄시키게 된다.
한편, 상기 자기력 발생 수단이 직선 왕복 운동하는 구간의 양 단부에 각각 제공되는 제한 수단들을 배치한다면, 상기 자기력 발생 수단은 상기 제한 수단들 사이의 구간을 왕복 운동하면서, 상기 제한 수단들과 부딪혀 충격력을 발생시키게 된다. 이러한 충격력은 휴대용 단말기에서 착신 알림 등의 경고 기능을 구현하는데 유용하게 이용될 수 있다.
또한, 상기 자기력 발생 수단의 양 단부에 각각 탄성 수단을 제공한다면, 탄성 수단의 탄성 계수를 이용한 공진 주파수를 설정할 수 있게 된다. 이러한 공진 주파수는 상기 자기력 발생 수단의 질량에 따라서 설정될 수도 있다. 상기 자기력 발생 수단이 공진 주파수로 왕복 운동한다면, 진동력 또는 왕복 운동 구간의 양 단부에서 발생되는 충격력을 더 강화시킬 수 있게 된다.
도 2와 도 10은 각각 본 발명의 구체적인 실시 예들을 도시하고 있다.
도 2와 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈(100, 200)은 하우징(101, 201) 내에 전자기력 발생 수단임과 아울러 자기 경로를 형성하는 솔레노이드 코일(102, 202)을 고정자의 형태로 배치하고, 자기력 발생 수단으로서 자성 이동체(magnetic moving part)(103, 203)를 진동자 형태로 배치하되, 상기 자성 이동체(103, 203)는 탄성체(104)를 이용하여 하우징(101, 201) 내에 지지된다. 이로써, 상기 자성 이동체(103, 203)는 상기 솔레노이드 코일(102, 202)에 입력되는 신호에 따라 상기 탄성체(104)의 지지를 받으면서, 상기 하우징(101, 201) 내에서 진동하게 된다. 일반적으로, '진동'이라 함은 어떠한 물체가 흔들려 움직이는 것을 의미하는 용어이나, 본 발명을 설명함에 있어서는, 이러한 의미뿐만 아니라, 진동자가 일정 구간을 규칙적으로 왕복 운동하거나 일정 구간의 양 단부 중 어느 한쪽에서 다른 한쪽으로 이동하는 것을 좀더 구체적으로 표현하기 위해 사용된 용어임에 유의한다.
상기 솔레노이드 코일(102, 202)은 상기 하우징(101, 201) 내에 고정되며, 상기 자성 이동체(103, 203)는 상기 하우징(101, 201) 내에서 제1의 방향(X)으로 유동 가능하게 설치된다. 이때, 상기 제1 방향(X)에서 상기 하우징(101, 201)의 내벽과 상기 자성 이동체(103, 203)의 양단 사이에 상기 탄성체(104)가 각각 개재된다. 즉, 상기 자성 이동체(103, 203)는 상기 탄성체(104)의 지지를 받으면서 상기 제1 방향(X)으로 왕복 운동 가능하게 설치되는 것이다. 상기 솔레노이드 코일(102, 202)에 입력 신호가 인가되면, 상기 자성 이동체(103, 203)는 그 자체의 자기력과 상기 솔레노이드 코일(102, 202)에 의해 발생되는 전자기력의 상호 작용에 의해 상기 하우징(101, 201) 내에서 진동하게 된다.
이때, 도 2에 도시된 실시 예에서와 같이, 상기 솔레노이드 코일(102)은 상기 제1 방향(X)을 따라 한 쌍이 배열될 수 있으며, 각각의 솔레노이드 코일(102)에 동일한 입력 신호가 인가되었을 때, 상기 솔레노이드 코일(102)들이 발생시키는 전자기력은 서로에 대하여 반대방향으로 작용하게 된다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 솔레노이드 코일(102)들에 어떠한 신호도 인가되지 않은 상태에서, 상기 자성 이동체(103)는 그 이동 구간의 중간 지점(이하, '중립 지점'이라 함)에서 상기 솔레노이드 코일(102)들과 공통의 자기 경로를 형성하게 된다. 반면에, 상기 솔레노이드 코일(102)들에 동일한 입력 신호가 인가되었을 때, 상기 자성 이동체(103)는 상기 솔레노이드 코일(102)들 중 인력이 작용하는 측으로 이동하여 도 4의 (b) 또는 (c)에 도시된 지점에 위치하게 된다.
한편, 도 2에 도시된 실시 예에서와 같이, 상기 하우징(101) 내에서 상기 자성 이동체(103)의 양단에 인접하게 요크(125)들을 설치한다면, 상기 중립 지점에서 약간의 외력이나 흔들림이 발생하더라도 상기 자성 이동체(103)는, 상기 자성 이동체(103) 내의 자성체들과 요크 상호 간의 자기 인력(magnetic force)에 의해, 상기 요크(125)들 중 하나에 근접하게 이동할 것이다. 하기에서 설명되겠지만, 도 2에 도시된 실시 예에서 상기 요크(125)들은 상기 솔레노이드 코일(102)들에 각각 배치된 구성이 예시된다. 또한, 도 10에 도시된 실시 예에서와 같이, 자성 이동체(203)가 솔레노이드 코일(202)을 감싸는 형상으로 제작된 경우, 솔레노이드 코일(202) 자체에 자성체(221a)를 내장하고 자성 이동체(203)에 요크의 역할을 수행할 수 있는 구성(235)을 부가할 수 있을 것이다.
결국, 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈(100, 200)에서, 진동자인 자성 이동체(103, 203)가 중립 지점에서 안정된 상태를 유지하지 못하고 미세한 흔들림에도 그 이동 구간의 어느 한쪽으로 이동하려는 성향을 가지게 된다. 따라서 상기 진동 모듈(100, 200)이 실제 제품에 장착된 상태에서, 상기 자성 이동체(103, 203)는 중립 지점보다는 그 이동 구간의 어느 한쪽에 위치하게 되며, 상기 솔레노이드 코일(102, 202)에 인가되는 신호, 더 구체적으로는 입력 신호의 주파수에 따라 진동하거나 이동 구간의 다른 한쪽으로 이동하게 된다.
이하에서는, 좀더 구체적인 실시 예를 통해 본 발명에 따른 휴대용 단말기의 진동 모듈을 살펴보기로 한다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(101)은 그 내부에 수용 공간(111)이 형성되어 있으며, 일면이 개방된 형상이다. 상기 하우징(101)의 개방된 면은 별도의 커버 부재(101a)로 폐쇄된다. 상기 하우징(101)의 내벽들 중 제1의 방향을 바라보게 배치되는 한 쌍의 내벽들에는 각각 안착면(113)이 형성된다. 상기 안착면(113)에는 하기에서 설명될 요크(125)들이 부착, 고정된다. 아울러, 상기 하우징(101)에는 다수의 슬릿(117a, 117b)이 형성되어 있는데, 이는 상기 탄성체(104)를 설치하기 위한 수단을 제공하거나, 가요성 인쇄회로 기판(119) 등을 배선할 수 있는 경로를 제공하게 된다.
상기 솔레노이드 코일(102)은 상기 제1 방향(X)을 따라 연장된 형태로 배치되는 코어부(121)와 상기 코어부(121)의 외주면에 권선되는 코일부(123)를 포함하며, 한 쌍이 상기 제1 방향(X)을 따라 상기 하우징(101) 내에 배치된다. 상기 코일부(123)에 어떠한 신호도 인가되지 않은 상태에서 상기 코어부(121)들은 상기 자성 이동체(103)와 자기 경로를 형성하게 되며, 상기 코일부(123)에 입력 신호가 인가되면, 상기 코어부(121)들 중 한쪽으로 집중하여 상기 자성 이동체(103)와 자기 경로를 형성할 수 있다. 상기 자성 이동체(103)와 자기 경로를 형성하는 코어부는 상기 코일부(123)에 인가되는 입력 신호에 따라 제어가 가능하다.이를 통해 상기 자성 이동체(103)는 상기 코어부(121)들과 번갈아가며 자기 경로를 형성하여 직선 왕복 운동시키는 힘이 발생된다.
이때, 한 쌍의 상기 솔레노이드 코일(102) 사이에는 중앙 요크(127)가 배치될 수 있으며, 상기 솔레노이드 코일(102)들의 단부와 상기 하우징(101)의 내벽 사이에 요크(125)가 각각 배치된다. 이때, 상기 요크(125)들은 상기 안착면(113)에 고정될 수 있다.
한편, 상기 솔레노이드 코일(102)들을 배치함에 있어서, 좌측의 솔레노이드 코일(102)이 권선된 방향과 우측의 솔레노이드 코일(102)이 권선된 방향이 서로 역방향이 되도록 배치함이 바람직하다. 이는 상기 솔레노이드 코일(102)들에 동일한 입력 신호가 인가되었을 때, 서로에 대하여 반대방향으로 작용하는 전자기력을 발생시키게 하기 위함이다. 이로써, 상기 솔레노이드 코일(102)들에 동일한 입력 신호가 인가되었을 때, 상기 자성 이동체(103)는 상기 솔레노이드 코일(102)들 중 하나와 인력을 발생시키고, 다른 하나에 대해서는 척력을 발생시키게 된다.
상기 자성 이동체(103)는, 중량 부재(131)와 자성체(133a, 133b)들을 구비한다. 본 실시 예에서, 상기 자성체(133a, 133b)들은 2쌍이 배치되어 있는데, 설명의 편의상, 도 2와 도 3에서 일단부, 다시 말해서, 좌측에 배치된 자성체들을 제1 자성체부라 하고, 타단부에 배치된 자성체들을 제2 자성체부라 칭하기로 한다. 상기 제1, 제2 자성체부는 각각 상기 솔레노이드 코일(102)에 인접하게 배치되는 자성체(133a)와, 상기 솔레노이드 코일(102)로부터 멀리 배치되는 자성체(133b)를 구비한다. 한편, 본 실시 예에서, 상기 제1, 제2 자성체부 각각이 한 쌍의 자성체를 구비하는 구성을 예시하고 있지만, 하나의 자성체만으로 상기 제1, 제2 자성체부를 구성할 수 있다. 이 경우, 도 2와 도 3에 도시된 형상과 유사한 형태로 상기 중량 부재(131)가 제작된다면, 상기 제1, 제2 자성체부를 각각 이루게 되는 자성체들은 상기 제1 방향(X)에 수직하는 제2의 방향(Y)으로 길게 연장된 형상을 가지게 될 것이다.
상기 중량 부재(131)는 상기 자성 이동체(103)의 무게를 증가시킴으로써, 상기 진동 모듈(100)이 작동할 때 충분한 진동력을 제공할 수 있게 한다. 따라서 단위 질량당 무게가 가장 많이 나가는 텅스텐 또는 그 합금을 이용하여 상기 중량 부재(131)를 제작함이 바람직하다. 상기 중량 부재(131)에는 상기 자성체(133a, 133b)들을 배치하기 위한 안착홈(131a)들이 형성되어 있다. 아울러, 상기 제1 방향(X)을 따라 배치된 상기 안착홈(131a)들 사이에는 각각 돌출부(131c)가 형성되어 있고, 상기 제2 방향을 따라 배치된 상기 안착홈(131a)들 사이와 상기 돌출부(131c)들 사이를 가로질러 또 다른 안착홈(131b)이 형성되어 있다. 상기 또 다른 안착홈(131b)에는 철심과 같은 자기 경로 부재(135)가 배치된다. 상기 자기 경로 부재(135)는 상기 제1 방향(X)으로 길게 연장된 형상을 가지게 된다. 상기 자기 경로 부재(135)는 상기 자성체(133a, 133b)들 사이에서 자기 경로를 안정적으로 형성되게 함으로써, 상기 자성체(133a, 133b)들에 의해 발생되는 자기력을 강화하게 된다.
한편, 상기 자성체(133a, 133b)들을 배치함에 있어서, 상기 제1 자성체부의 자성체들은 S극을 상기 솔레노이드 코일(102)에 근접하게 배치하고, N극을 상기 솔레노이드 코일(102)로부터 멀리 배치한다. 아울러, 상기 제2 자성체부의 자성체들은 N극을 상기 솔레노이드 코일(102)에 근접하게 배치하고, S극을 상기 솔레노이드 코일(102)로부터 멀리 배치한다. 물론, 이러한 자성체들의 극성은 상기에서 언급한 배치와는 반대로 배치할 수도 있다.
이로써, 상기 진동 모듈(100)은 그 내부에서 도 4에 도시된 바와 같은 자기 경로(M)를 형성하게 된다. 즉, 상기 자성체(133a, 133b)들과 상기 솔레노이드 코일(102)의 코어부(121)를 지나는 자기 경로(M)가 형성되는 것이다.
상기 진동 모듈(100)의 내부에서 안정적인 자기 경로(M)를 형성하게 하기 위하여, 아울러, 상기 자성 이동체(103)와 상기 코어부(121) 사이의 인력을 완화하여 상기 제1 방향(X)을 따르는 상기 자성 이동체(103)의 이동을 원활하게 하기 위하여, 상기 진동 모듈(100)은 평형 부재(149)를 구비할 수 있다. 상기 제2 방향(Y)에서 상기 자성 이동체(103)의 일측면에 마주하는 상기 하우징(101)의 내벽에는 고정홈(115)이 형성되어 있으며, 상기 평형 부재(149)는 상기 고정홈(115)에 설치된다. 이로써, 상기 자성 이동체(103)의 자성체(133a, 133b)들 중 한 쌍이 상기 평형 부재(149)와 인접하며, 다른 한 쌍의 자성체들이 상기 코어부(121)에 인접하게 배치된다.
상기 평형 부재(149)와 코어부(121)는 각각 자화가 가능한 재질, 예를 들면, 강철(steel)로 제작되어 상기 자성체(133a, 133b)들과 인력을 발생시키게 된다. 이로써, 상기 자성 이동체(103)와 코어부(121) 사이에서 작용하는 인력은 상기 자성 이동체(103)과 평형 부재(149) 사이에서 작용하는 인력에 의해 감쇄된다. 이로써, 상기 자성 이동체(103)는 상기 탄성체(104)의 지지를 받으면서 상기 솔레노이드 코일(102)과 상기 평형 부재(149) 사이에서 상기 제2 방향(Y)의 어느 한쪽으로 치우치지 않고 상기 제1 방향(X)으로 이동할 수 있다. 즉, 상기 탄성체(104)가 상기 자성 이동체(103)와 상기 하우징(101) 내벽 사이에 설치되어 상기 자성 이동체(103)가 상기 제2 방향(Y)으로 유동하는 것을 제한하는 것이다. 이로써, 상기 자성 이동체(103)는 상기 평형 부재(149)나 코어부(121)에 부착되지 않으면서 상기 제1 방향(X)으로 유동할 수 있다.
상기 탄성체(104)는 상기 자성 이동체(103)와 하우징(101)을 연결하면서, 상기 자성 이동체(103)를 상기 하우징(101) 내에서 부양된 상태로 유지한다. 또한, 상기 탄성체(104)는 자체의 공진 주파수를 가지기 때문에, 상기 솔레노이드 코일(102)에 상기 탄성체(104)의 공진 주파수에 상응하는 입력 신호가 인가되었을 때, 상기 자성 이동체(103)를 강하게 진동시키게 된다. 상기 탄성체(104)의 양단은 상기 하우징(101)과 자성 이동체(103)에 각각 고정될 수 있는 형상으로 절곡된 자유단(141, 143)으로 이루어지며, 상기 자유단(141, 143)들은 탄성부(145)로 연결되어 있다.
상기 자유단(141, 143)들 중 하나(141)는 상기 하우징(101)에 형성된 슬릿(117a)을 통해 상기 하우징(101)에 결속되면서, 상기 하우징(101)의 내벽과 외벽을 감싸게 고정된다. 상기 자유단(141, 143)들 중 다른 하나(143)는 상기 자성 이동체(103)의 양단부 중 어느 한쪽의 외주면 일부분과 상기 평형 부재(149)와 마주하며 외주면의 일부분을 감싸게 절곡된 형상이다. 상기 탄성부(145)는 지그재그 형상으로 연장되면서, 평면도로 보았을 때 대체로 알파벳 'V'자 형상을 가지게 된다. 상기 자성 이동체(103)가 진동할 때 상기 탄성부(145)는 거의 하나의 평면에 근접한 위치까지 변형될 수 있다. 다만, 상기 자성 이동체(103)가 이동할 수 있는 범위를 제한한다면, 상기 탄성부(145)가 실질적으로 하나의 평면에 위치되지 못할 수도 있다. 한편, 상기 탄성체(104)는 상기 자유단(141, 143)들을 구비하지 않고 상기 탄성부(145)만으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 탄성부의 양단이 용접 등에 의해 상기 자성 이동체(103)와 상기 하우징(101)의 내벽에 각각 부착될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 진동 모듈(100)에는 가요성 인쇄회로 기판(119)을 이용하여 상기 솔레노이드 코일(102)에 전류, 다시 말해서, 입력 신호를 인가하게 된다. 상기 가요성 인쇄회로 기판(119)은 상기 하우징(101)에 형성된 슬릿(117a, 117b)들 중 하나(117b)를 통해 상기 하우징(101)의 내부로 배선되어 상기 솔레노이드 코일(102)에 연결된다. 이때, 상기 가요성 인쇄회로 기판(119)은 상기 하우징(101)의 내벽에 부착되는 형태로 배선함이 바람직하다.
도 4를 더 참조하면, 상기 솔레노이드 코일(102)들의 단부에 각각 배치된 상기 요크(125)들은 상기 자성 이동체(103)의 이동 범위를 제한할 수 있다. 즉, 상기 요크(125)들은 상기 자성 이동체(103)가 이동하는 구간의 양 단부에서 상기 자성 이동체(103)와 간섭될 수 있게 배치되는 것이다. 이로써, 상기 자성 이동체(103)가 이동하게 되면, 상기 요크(125)들은 상기 자성 이동체(103)와 일정 주기로 부딪히면서 충격력을 발생시킬 수 있으며, 상기 자성 이동체(103)가 일정 주기로 진동할 경우 규칙적으로 일정한 충격력이 발생된다.
상기 솔레노이드 코일(102)에 인가되는 입력 신호가 없다면, 상기 솔레노이드 코일(102)의 코어부(121)와 상기 자성 이동체(103) 사이의 인력은 상기 자성 이동체(103)를 중립 지점에서 정지 상태로 유지하는 것을 어렵게 한다. 더욱이, 상기 요크(125)들이 설치된다면, 상기 자성 이동체(103)와 요크들(125) 사이의 인력이 더 강하게 작용하면서, 중립 지점에서 상기 자성 이동체(103)의 불안정성을 더 강화시키게 된다. 결국, 상기 솔레노이드 코일(102)에 인가되는 입력 신호가 없다면, 상기 자성 이동체(103)는 그 이동 구간의 어느 한쪽 단부에, 더 구체적으로는 상기 요크(125)들 중 하나에 접촉된 상태를 유지하게 된다.
이하에서는, 도 4를 참조하여, 상기 진동 모듈(100)의 동작 메카니즘을 더 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 4의 상측에는 상기 자성 이동체(103)의 위치에 따라 형성된 자기 경로와 이동 방향 등을 도시하고 있으며, 하측에는 상기 자성 이동체(103)의 위치에 따라 발생되는 힘들을 나타내는 그래프를 도시하고 있다.
우선, 상기 그래프에서, 가로축은 상기 제1 방향(X)에서 상기 자성 이동체(103)의 위치를 의미하고, 세로축은 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘을 의미한다. 이때, 양(+) 값의 힘은 상기 자성 이동체(103)를 우측으로 이동시키는 힘으로 작용하며, 음(-) 값의 힘은 상기 자성 이동체(103)를 좌측으로 이동시키는 힘으로 작용한다.
아울러, 상기 그래프에서, 'M'으로 지시된 그래프는 상기 자성 이동체(103)와 요크(125)들만을 배치하였을 때 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘을 의미하며, 'S'로 지시된 그래프는 상기 자성 이동체(103)와 요크(125), 탄성체(104)를 배치하였을 때 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘을 의미하고, 'C1'과 C2'는 각각 상기 솔레노이드 코일(102)들에 입력 신호가 인가되었을 때 상기 자성 이동체(103)와 요크(125), 탄성체(104) 및 상기 솔레노이드 코일(102)의 전자기력에 의해 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘을 의미한다.
상기 자성 이동체(103)가 상기 제1 방향(X)으로만 이동 가능하게 배치된다는 전제하에, 상기 하우징(101)에 상기 솔레노이드 코일(102), 요크(125), 자성 이동체(103)만 배치된다면, 상기 자성 이동체(103)는 그 이동 구간의 어느 한쪽 단부로 이동하는 성향을 가지게 된다. 물론, 상기 중립 지점에서, 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘은 0의 값이지만, 상기 진동 모듈(100)이 휴대용 단말기에 설치된 후에는 상기 자성 이동체(103)에 약간의 힘이라도 가해지는 것을 피할 수 없으므로, 상기 자성 이동체(103)는 좌측 또는 우측으로 이동하게 된다. 한편, 상기 요크(125)가 설치되지 않더라도, 상기 코어부(121)들과 상기 자성 이동체(103) 사이의 인력이 작용하기 때문에, 상기 중립 지점에서 상기 자성 이동체(103)가 안정된 상태를 유지하기 어렵게 된다.
상기 자성 이동체(103)의 양단에 서로 동일한 탄성 계수와 규격으로 제작된 탄성체(104)들을 배치하면, 상기 자성 이동체(103)의 위치에 따라 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘은 다소 완화된다.
또한, 상기 솔레노이드 코일(102)에 입력 신호가 인가되면, 상기 자성 이동체(103)는 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 이동하게 되는데, 도 4에 도시된 동작 과정은 상기 자성 이동체(103)가 좌측에서 우측으로 이동하는 과정을 도시하고 있다. 상기 자성 이동체(103)에 의해 형성된 자기 경로는 대체로 시계 방향을 따르는 형태이다. 다만, 상기 자성 이동체(103)에 배치된 자성체들(133a, 133b)의 극성을 배치함에 따라서 이러한 자기 경로의 방향이 달라질 수 있다.
상기 솔레노이드 코일(102)들에 인가된 입력 신호에 의해, 좌측의 솔레노이드 코일(102)은 상기 자성 이동체(103)의 자기 경로의 역방향으로 전자기력(E2)을 발생시키고, 우측의 솔레노이드 코일(102)은 상기 자성 이동체(103)의 자기 경로와 동일한 방향으로 전자기력(E1)을 발생시키게 된다. 따라서 상기 자성 이동체(103)는 우측으로 이동하게 된다. 이때, 'C1'으로 지시된 그래프는 상기 솔레노이드 코일(102)에 입력 신호가 인가되어 상기 자성 이동체(103)를 좌측에서 우측으로 이동시키는 힘을 나타내며, 'C2'로 지시된 그래프는 상기 솔레노이드 코일(102)에 입력 신호가 인가되어 상기 자성 이동체(103)를 우측에서 좌측으로 이동시키는 힘을 나타내고 있다.
도 4에 도시된 그래프 전반에서, 'C1'과 'C2'로 지시된 그래프를 살펴보면, 상기 진동 모듈(100) 내에서, 실질적으로 상기 자성 이동체(103)를 이동시키는 힘은 상기 자성 이동체(103)가 그 이동 구간의 어느 한 단부를 향해 이동할수록 더 강해짐을 알 수 있다.
도 4를 참조하여 상기 진동 모듈(100)의 동작 메카니즘을 설명함에 있어서, '좌측' 또는 '우측'이라는 표현은 대체로 상기 자성 이동체(103) 이동 구간의 양 단부 중 어느 한쪽을 지칭하는 것이다.
한편, 상기 자성 이동체(103)의 이동 구간을 제한하는 부재를 설치한다면, 예를 들어, 상기 요크(125)를 상기 자성 이동체(103)의 이동 구간 양 단부에 배치하여 상기 자성 이동체(103)의 이동 범위를 제한한다면, 상기 자성 이동체(103)가 진동할 때 충격력이 발생되어 사용자가 느낄 수 있는 진동을 제공할 수 있다. 이때, 상기 자성 이동체(103)이 그 이동 구간의 어느 한쪽 단부로 접근할수록, 상기 자성 이동체(103)에 작용하는 힘이 점차 증가된다. 따라서 상기 자성 이동체(103)가 상기 요크(125)에 충돌할 때 발생되는 충격력은 햅틱 피드백 기능을 제공할 수 있을 정도로 충분한 강도를 가지게 된다. 또한, 상기 자성 이동체(103)와 하우징(101) 사이에 상기 탄성체(104)를 배치하여 공진 주파수를 설정한다면, 해당 주파수에서는 강한 공진 진동력을 발생하여 휴대용 단말기의 경고 기능을 수행할 수 있다. 이는 하기에서 좀더 상세하게 살펴보게 될 것이다.
상기와 같이 구성된 진동 모듈(100)의 주파수 응답 특성을 측정한 결과가 도 4를 통해 도시되고 있는데, 구체적으로, 각 솔레노이드 코일(102)에 ±3.3V의 입력 전압으로 동일한 입력 신호를 인가했을 때, 입력 신호의 주파수 변화에 따른 주파수 응답 특성을 도시한다. 상기 진동 모듈(100)은 100Hz 미만의 입력 신호에 대하여 2.5G('G'는 중력 가속도) 이상의 진동 가속도를 생성하며, 공진 주파수인 100Hz의 입력 신호에서 약 3.5G의 진동 가속도를 생성함을 알 수 있다. 따라서 100Hz 미만의 임의의 주파수를 입력 신호로 인가하여 다양한 패턴으로 상기 자성 이동체(103)를 진동하게 할 수 있으므로, 다양한 햅틱 패턴을 생성할 수 있게 된다.
한편, 상기 진동 모듈(100)의 공진 주파수는 상기 탄성체(104)의 탄성 계수에 따라 조절할 수 있는데, 예를 들어, 탄성 계수가 266N/m인 탄성체(104)가 사용될 경우 공진 주파수는 대략 80Hz로 조절된다.
도 7은 상기 솔레노이드 코일(102)에 5V, 1Hz의 입력 신호(I)를 인가하여, 상기 진동 모듈(100)의 응답 시간을 측정한 결과(O)를 나타내는 그래프이다. 이때, 상기 진동 모듈(100)의 지연 시간, 즉, 상기 솔레노이드 코일(102)에 입력 신호(I)가 인가되고 상기 진동 모듈(100)이 실제로 동작하여 진동 또는 충격을 발생시키는데 소요되는 시간은 6.6ms에 불과함을 알 수 있었다. 참고로, 종래의 휴대용 단말기 등에 사용된 선형 모터의 경우, 입력 신호 인가 후 공진 주파수에 이르기까지 대략 30ms가 소요되며 그 진동 가속도는 약 1.5Grms(root mean squre)이다. 더욱이, 종래의 선형 모터는 입력 신호 차단 후 진동이 멈출 때까지 대략 50ms에 달한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진동 모듈(100)은 종래의 선형 모터보다 훨씬 빠른 응답 시간을 가지며, 실질적으로 잔진(입력 신호 차단 후 진동이 완전히 멈출 때까지의 진동)이 거의 없음을 알 수 있다.
종래의 코인형, 바형 모터나 선형 모터는 응답시간에 차이가 있을 뿐, 실질적으로 단순 진동만 가능하기 때문에, 햅틱 피드백 기능을 제공하는데 어려움이 따르고 있음을 언급한 바 있다. 더 구체적인 예를 들자면, 빠르고 연속적으로 문자를 입력할 경우 종래의 선형 모터 등은 잔진으로 인해 사용자에게 개별 문자들이 정확하게 입력되었는지 여부를 촉각으로 인식할 수 있게 하는데 한계가 있는 것이다. 반면에, 상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 진동 모듈(100)은 실질적으로 공진 주파수 이하에서는 입력 신호에 따라 상기 자성 이동체(103)의 진동 주파수까지 조절하는 것이 가능하기 때문에, 이러한 빠른 키 입력에 대응하는 햅틱 피드백 기능을 제공할 수 있다.
도 8은 상기 진동 모듈(100)에 입력 신호(I)의 주파수를 달리하면서 발생되는 진동 가속도를 측정한 결과(O)를 나타내고 있으며, 도 9는 100Hz의 공진 주파수를 입력 신호(I)로 했을 때, 상기 진동 모듈(100)의 진동 가속도를 측정한 결과(O)를 나타내고 있다.
도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 진동 모듈(100)이 가지는 진동 가속도의 파형은 충격파 형태로서, 종래의 선형 모터와 비교해 볼 때, 입력 신호 인가 후 공진에 이르기까지의 시간이나 입력 신호 차단 후 진동이 완전히 멈추는데 소요되는 시간이 거의 없음을 알 수 있다. 또한, 충격파 형태를 가지는 상기 진동 모듈(100)의 진동 파형이 입력 신호(I)의 주파수와 거의 동일하기 때문에, 입력 신호(I)의 주파수를 0에서 공진 주파수까지 자유롭게 제어하여 다양한 햅틱 패턴을 생성하는 것이 가능하다. 더욱이, 진동 가속도는 종래의 선형 모터에 비해 월등하기 때문에, 공진 주파수의 입력 신호를 인가하지 않더라도 햅틱 피드백 기능뿐만 아니라, 통상의 경고 기능, 예를 들면, 착신 알림 등의 기능을 충분히 제공할 수 있게 된다. 다만, 햅틱 피드백 기능으로 동작할 때와 경고 기능으로 동작할 때의 구분을 가능하게 하기 위해, 착신 알림 등의 경고 기능은 공진 주파수에서 동작하도록 설정할 수 있다.
또한, 단지 1회만 충격하도록 입력 신호를 인가할 경우, 상기 자성 이동체(103)가 상기 요크(125)들 중 하나에 부딪히면서 충격을 발생시키게 되는데, 이는 숫자나 문자 입력 시 사용자에게 클릭감을 제공하는데 유용하게 활용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 진동 모듈(200)을 나타내는 평면도이다. 본 실시 예에 따른 진동 모듈(200)은 선행 실시 예와 비교할 때, 솔레노이드 코일(202)과 자성 이동체(203)의 구조에 차이가 있으며, 그 동작 메커니즘이나 응답 특성 등은 유사하다. 따라서 본 실시 예를 상세하게 설명함에 있어서는 선행 실시 예를 통해 용이하게 이해할 수 있는 구성에 대한 상세한 설명을 생략하고 상기 솔레노이드 코일(202)과 자성 이동체(203)의 구성에 대해서 살펴보기로 한다.
상기 솔레노이드 코일(202)은 하우징(201)에 고정하되, 수용 공간의 바닥면 중앙부에 배치된다. 상기 솔레노이드 코일(202)은 코어부와 상기 코어부의 외주면에 권선되는 코일부(223)를 구비하는데, 상기 코어부는 제1 방향(X)을 따라 자성체(221a)와 자화 부재(221b)들이 배열된다. 상기 자화 부재(221b)들은 상기 자성체(221a)의 양단에 각각 배열되어 있다.
상기 자성 이동체(203)는 상기 솔레노이드 코일(202)의 주위를 둘러싸게 배치되는 중량 부재(231)와 상기 중량 부재(231) 상에 배치되는 또 다른 자성체(233)들을 구비한다. 상기 자성체(233)들은 상기 중량 부재(231)의 네 모서리 부근에 각각 배치되며, 자기 경로(M)의 형성을 위해 또 다른 자화 부재(235)가 상기 중량 부재(231) 상에 배치된다. 상기 또 다른 자화 부재(235) 또한, 상기 중량 부재(231)와 함께 상기 솔레노이드 코일(202)의 주위를 둘러싸게 배치된다.
이하에서는, 상기 자성 이동체(203)에 배치된 자성체(233)와 자화 부재(235)를 '제1 자성체', '제1 자화 부재'라 하고, 상기 코어부를 이루는 자성체(221a)와 자화 부재(221b)를 '제2 자성체', '제2 자화 부재'라 하기로 한다. 상기 제1 자화 부재(233)는 상기 제1 방향(X)을 따라 그 극성이 배열되도록 배치되며, 상기 제2 자화 부재(221a)는 그 극성이 상기 제1 자화 부재(233)와는 역방향으로 배열되도록 배치된다. 이로써, 상기 진동 모듈(200) 내에는 두 개의 자기 경로(M)가 형성된다. 한편, 상기 제1 자화 부재(233)는 그 일부분이 상기 중량 부재(231)의 내벽으로 돌출되어 상기 솔레노이드 코일(202)의 양단에 각각 마주보게 된다. 상기 자화 부재들(221b, 235)은 상기한 자성체(221a, 233)들 또는 상기 솔레노이드 코일(202)에 인가되는 전류에 따라 선택적으로 자화될 수 있다.
도 10에서, 상기 제1, 제2 자화 부재(235, 221b)들 사이에는 척력이 작용하고, 상기 제2 자성체(221a)와 상기 제1 자화 부재(235)의 돌출된 부분들 사이의 인력이 작용하여 중립 지점에서 상기 자성 이동체(203)가 안정된 상태를 이룬 것으로 보이지만, 선행 실시 예와 마찬가지로 미세한 흔들림 등에 의해, 상기 자성 이동체(203)는 그 이동 구간의 어느 한쪽으로 이동하게 된다. 따라서 상기 자성 이동체(203)의 내벽, 구체적으로는 상기 제1 자화 부재(235)의 돌출된 부분이 상기 솔레노이드 코일(202)의 어느 한쪽 단부와 접촉된다. 다만, 상기 제1 자화 부재(235)의 일부분을 상기 중량 부재(231)의 내벽으로 돌출되지 않더라도 상기 제1 자화 부재(235)와 상기 제2 자성체(221a) 사이에 충분한 인력을 발생시킬 수 있다면, 상기 제1 자화 부재(235)에 돌출된 부분을 반드시 형성할 필요는 없음을 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같이 구성된 진동 모듈(200) 또한, 상기 솔레노이드 코일(202)에 인가되는 입력 신호에 따라 상기 자성 이동체(203)가 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 이동하거나, 일정 범위 이내의 이동 구간에서 왕복 운동하게 된다.
결국, 본 발명은, 입력 신호가 인가되지 않은 상태에서 자성 이동체와 요크 사이의 인력 또는 자성 이동체와 솔레노이드 코일 사이의 인력에 의해 자성 이동체는 그 이동 구간의 어느 한쪽에 위치된다. 솔레노이드 코일에 인가되는 입력 신호에 따라 자성 이동체는 그 이동 구간의 어느 한쪽에서 다른 한쪽으로 이동하거나 이동 구간에서 왕복 운동하면서 일정한 충격을 발생시키거나 충격파 형태의 진동을 발생시키게 되는 것이다. 이러한 충격 또는 충격파 형태의 진동은 터치 스크린과 같이, 화면에 구현되는 가상의 입력 장치를 통해 사용자가 휴대용 단말기를 조작할 때 다양한 햅틱 패턴을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 입력 동작뿐만 아니라, 게임 등을 할 때 다양한 촉감을 제공하여 현실감을 줄 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100: 진동 모듈 101: 하우징
102: 솔레노이드 코일 103: 자성 이동체
104: 탄성체

Claims (27)

  1. 휴대용 단말기의 진동 모듈에 있어서,
    하우징;
    상기 하우징 내에서 제1 방향으로 유동 가능하게 설치된 자성 이동체(magnetic moving part);
    상기 제1 방향에서 상기 자성 이동체의 양단과 상기 하우징의 내벽 사이에 각각 지지되는 탄성체; 및
    상기 하우징 내에 설치되는 솔레노이드 코일을 구비함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 하우징의 내벽에 각각 설치되어 서로 마주보는 적어도 한 쌍의 요크들을 더 구비하고,
    상기 솔레노이드 코일에 입력되는 신호에 따라 상기 자성 이동체는,
    1) 상기 탄성체의 지지를 받으면서 상기 요크들 사이에서 상기 제1 방향으로 진동하거나, 2) 상기 요크들 중 하나에 접촉된 상태에서 이동하여 다른 하나에 접촉됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 솔레노이드 코일에 입력되는 신호가 없을 때, 상기 자성 이동체는 상기 요크들 중 하나에 접촉된 상태를 유지함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 자성 이동체는,
    상기 자성 이동체의 일단부에서 S극이 상기 솔레노이드 코일에 근접하고, N극이 상기 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제1 자성체부; 및
    상기 자성 이동체의 타단부에서 N극이 상기 솔레노이드 코일에 근접하고, S극이 상기 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제2 자성체부를 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 제1, 제2 자성체부는 각각 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 2개의 자성체가 배열되어 이루어짐을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 자성 이동체는 상기 제1 자성체부를 이루게 배열된 자성체들 사이 및 상기 제2 자성체부를 이루게 배열된 자성체들 사이에 배치되는 자기 경로 부재를 더 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈
  7. 제4 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 자성 이동체는 일면에 안착홈들이 형성된 중량 부재를 더 구비하고,
    상기 제1, 제2 자성체부는 각각 상기 안착홈들 중 하나에 배치됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 중량 부재는 텅스텐 재질임을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 솔레노이드 코일은,
    상기 제1 방향으로 배치되는 코어부; 및
    상기 코어부의 외주면에 권선되는 코일부를 포함하고,
    상기 제1 방향을 따라 한 쌍이 배열됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 자성 이동체는,
    상기 자성 이동체의 일단부에서 N극이 상기 솔레노이드 코일들 중 일측의 솔레노이드 코일(이하, '제1 솔레노이드 코일')에 근접하고, S극이 상기 제1 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제1 자성체부; 및
    상기 자성 이동체의 타단부에서 S극이 상기 솔레노이드 코일들 중 타측의 솔레노이드 코일(이하, '제2 솔레노이드 코일')에 근접하고, N극이 상기 제2 솔레노이드 코일에서 멀리 배치된 제2 자성체부를 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 솔레노이드 코일들 사이에 배치되는 철편을 더 구비함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 솔레노이드 코일들 각각에 동일한 입력 신호가 인가되었을 때, 상기 솔레노이드 코일들은 서로에 대하여 반대방향으로 작용하는 전자기력을 발생시키도록 배치됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 제1 방향을 따라 설치되는 상기 하우징의 제1 내벽에 설치되는 평형 부재를 더 구비하고,
    상기 자성 이동체와 상기 평형 부재 사이의 인력이 상기 자성 이동체와 상기 솔레노이드 코일 사이의 인력을 감쇄시킴을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 자성 이동체는,
    상기 솔레노이드 코일의 주위를 둘러싸게 제공되는 중량 부재; 및
    상기 중량 부재 상에 제공되는 제1 자성체들을 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 자성 이동체는 상기 중량 부재 상에 제공되면서 상기 중량 부재와 함께 상기 솔레노이드 코일의 주위를 둘러싸게 제공되는 제1 자화 부재를 더 포함하고,
    상기 제1 자성체들은 각각 상기 제1 자화 부재 상에 위치됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  16. 제14 항에 있어서, 상기 솔레노이드 코일은,
    상기 제1 방향을 따라 배치되는 코어부; 및
    상기 코어부의 외주면에 권선되는 코일부를 포함하고,
    상기 코어부는 제2 자성체와 상기 제2 자성체의 양단에 각각 제공되는 제2 자화 부재들이 상기 제1 방향을 따라 배열됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 자성 이동체는 상기 중량 부재 상에 제공되면서 상기 중량 부재와 함께 상기 솔레노이드 코일을 감싸게 제공되는 제1 자화 부재를 더 포함하고,
    상기 솔레노이드 코일에 입력되는 신호가 없을 때, 상기 제2 자성체와 상기 제1 자화 부재 사이의 인력에 의해 상기 중량 부재의 어느 한쪽 내벽은 상기 솔레노이드 코일의 일단에 접촉됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  18. 제16 항에 있어서, 상기 자성 이동체는 상기 중량 부재 상에 제공되면서 상기 중량 부재와 함께 상기 솔레노이드 코일을 감싸게 제공되는 제1 자화 부재를 더 포함하고,
    상기 제1 자화 부재의 일부분은 상기 솔레노이드 코일의 양단과 각각 마주보게 상기 중량 부재의 내벽으로 돌출되며,
    상기 솔레노이드 코일에 입력되는 신호가 없을 때, 상기 제2 자성체와 상기 제1 자화 부재 사이의 인력에 의해 상기 중량 부재의 내벽으로 돌출된 상기 제1 자화 부재의 일부분이 상기 솔레노이드 코일의 양단 중 어느 한쪽에 접촉됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  19. 휴대용 단말기의 진동 모듈에 있어서,
    자기력 발생 수단; 및
    상기 자기력 발생 수단과 나란하게 배치되는 전자기력 발생 수단을 포함하고,
    상기 전자기력 발생 수단에 인가되는 입력 신호에 따라 상기 자기력 발생 수단이 직선 왕복 운동함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 자기력 발생 수단에서 발생하는 자기력을 통과시킬 수 있게 제공되는 제1 자기 경로; 및
    상기 자기력 발생 수단에서 발생하는 자기력을 통과시킬 수 있게 제공되는 제2 자기 경로를 더 구비하고,
    상기 전자기력 발생 수단은 상기 제1, 제2 자기 경로에 전자기력을 발생시키고,
    상기 전자기력 발생 수단이 전자기력을 발생시킴에 따라, 상기 자기력 발생 수단은 상기 제1 자기 경로와 제2 자기 경로를 번갈아 사용함으로써 직선 왕복 운동함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 자기력 발생 수단이 직선 왕복 운동하는 구간의 양 단부에 각각 제공되는 제한 수단들을 더 구비하고,
    상기 자기력 발생 수단은 상기 제한 수단들 사이의 구간을 왕복 운동하면서, 상기 제한 수단들과 부딪혀 충격력을 발생시킴을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  22. 제20 항에 있어서, 상기 자기력 발생 수단의 양단에 각각 제공되는 탄성 수단을 더 구비하고,
    상기 자기력 발생 수단의 질량과 상기 탄성 수단의 스프링 계수에 의해 공진 주파수가 설정됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  23. 제20 항에 있어서, 상기 제1, 제2 자기 경로는 상기 자기력 발생 수단의 왕복 운동 방향을 따라 연장됨과 아울러,상기 자기력 발생 수단의 왕복 운동 방향을 따라 배열되는 코어들이며,
    상기 전자기력 발생 수단은 상기 코어들의 외주면에 권선되는 코일임을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  24. 제23 항에 있어서, 상기 제1, 제2 자기 경로는 서로에 대하여 반대방향으로 작용하는 전자기력을 발생시키도록 배치됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  25. 제19 항에 있어서, 상기 자기력 발생 수단은 중량 부재와, 상기 중량 부재 상에 배치되는 자성체들을 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 중량 부재는 텅스텐 재질임을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
  27. 제20 항에 있어서,
    평형 수단을 더 구비하고,
    상기 자기력 발생 수단은 상기 제1, 제2 자기 경로와 평형 수단의 사이에 배치되며, 상기 자기력 발생 수단과 제1, 제2 자기 경로 사이 및 상기 자기력 발생 수단과 상기 평형 수단 사이에서 각각 인력이 발생되어 서로 상쇄됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 진동 모듈.
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