KR20120095929A - 견인력을 제어하는 햅틱 장치 - Google Patents

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Abstract

햅틱 장치는, 마찰을 감소시키는 진동의 변화와 함께, 하나 이상의 자유도를 가진 측 방향 진동 등과 같은 측 방향 움직임을 받아서, 장치 상의 물체 또는 사용자 손가락에 전단력을 생성할 수 있는 기판을 포함한다.

Description

견인력을 제어하는 햅틱 장치{HAPTIC DEVICE WITH CONTROLLED TRACTION FORCES}
본 발명은 사용자의 손가락 또는 장치 표면 상의 물체 상에 전단력(shear force)을 제공할 수 있는 햅틱 장치(haptic device)에 관한 것이다.
본 출원은 2009년 10월 19일에 출원된 미국 특허 출원 제12/589,178호 및 2008년 10월 20일에 출원된 미국 가출원 제61/196,660호를 기초로 하는 우선권 주장 출원이다.
본 발명의 계약 관계된 원문
본 발명은 미국 국립 과학 재단에 의해 승인된 등록 번호 제IIS-0413204호로 정부의 후원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명의 특정 권리를 가진다.
공동 양수인으로 2007년 3월 21일에 출원된 동시 계속 출원 중인 미국 출원 제11/726,391호는 초음파 진동을 이용하여, 기판, 예를 들면, 유리판의 표면 마찰의 변화에 기반한 촉각 계면을 가진 햅틱 장치를 개시한다. 장치는 하나 이상의 감지된 파라미터에 반응하여, 그리고/또는 시간에 반응하여(예를 들면, 손가락 위치와 무관하게), 표면 마찰의 변화에 의해 사용자에게 간접적으로 햅틱 피드백 및 가상 질감 느낌을 제공할 수 있다. 장치 표면을 활발하게 살피는 사용자는 질감부 및 표면 특징부의 햅틱 환상물을 경험할 수 있다.
이러한 햅틱 장치는 계면 상에서 손가락 움직임을 방해하는 힘을 단지 변화시킬 수 있다는 점에서 저항력이 있지만, 그러나 햅틱 장치는 예를 들면 손가락 움직임을 다시 전향시킬 수는 없다.
이러한 햅틱 장치의 변화가능한 마찰 이점을 제공하고, 또한 유리판 기판의 계면 상의 사용자 손가락 또는 물체에 전단력을 제공하는 것이 필요할 것이다.
본 발명은, 힘을 생성하도록, 마찰을 감소시키는 초음파 진동의 변화, 및 측방향 움직임 또는 측 방향 진동을 기판이 받음으로써, 기판 표면과 접촉하는 물체 또는 손가락에 힘을 제공할 수 있는 햅틱 장치를 제공한다. 본 발명의 실시예는 기판, 측 방향 움직임 또는 측 방향 진동을 기판이 받게 하는 하나 이상의 액추에이터들(actuators), 및 마찰을 감소시키는 초음파 진동을 기판이 받게 하는 하나 이상의 다른 액추에이터들을 포함한 햅틱 장치를 제공한다. 제어 장치는, 기판과 접촉하는 물체 또는 사용자 손가락에 힘을 생성하도록, 마찰 감소 진동의 변화, 및 측 방향 움직임 또는 진동을 기판이 받는 방식으로 액추에이터들을 제어하기 위해 제공된다. 기판 표면 상의 물체 또는 사용자 손가락의 위치에 반응한 힘의 변화는 기판 표면의 평면에 힘의 장(force field)을 제공할 수 있다.
본 발명의 제시된 실시예에서, 평면(평평한-패널) 햅틱 장치는, 수평 기판, 예를 들면 유리판의 수직 방향의 초음파 진동을 사용함으로써, 변화가능한 마찰(마찰을 감소시킴) 효과를 제공하기 위해, 마찰을 변화시킨다. 장치는 또한, 기판과 접촉하는 물체 또는 사용자 손가락에 비-제로 정미 시간에 따른(non-zero net time) 평균 전단력을 생성하도록, 낮은 변화가능한 마찰 상태와 높고 변화가능한 마찰 상태가 번갈아 생기는 동안, 하나의 자유도(degree of freedom)(하나의 축 상에 진동), 2 개의 자유도(2 개의 축 상에 진동) 또는 그 이상의 자유도를 이용하여 수평 평면에서 기판을 측 방향으로 진동시킨다. 예를 들면, 측 방향 진동의 하나의 자유도에 대해, 기판이 수평 평면에서 일측 방향으로 이동할 시에, 마찰은 감소된다(저 마찰 상태). 기판이 반대 방향으로 이동할 시에, 마찰은 증가된다(고 마찰 상태). 사용자의 손가락 또는 부분에 관한, 정미 시간에 따른 힘은 제로가 아니고, 표면과 접촉하는 물체 또는 손가락에 가해진 선형 전단력의 소스로 사용될 수 있다.
2 개의 자유도를 가진 측 방향 진동(예를 들면, x 축 및 y 축)에 있어서, 기판은 평면 내의(기판 표면의 평면에서) 원형 움직임을 제공하기 위해, 소용돌이치는 방식으로 이동될 수 있다. 기판에서 소용돌이칠 시에, 그의 속도 벡터는 원하는 힘 방향과 즉각적으로 일직선을 이룰 것이다. 즉각적인 순간에, 기판은 고 마찰 상태로 설정되고, 이로 인해 힘의 자극은 사용자의 손가락 또는 물체에 가해진다. "소용돌이치는" 주기의 나머지 동안, 기판은 저 마찰 상태로 설정되어, 그 결과, 손가락 또는 물체의 힘에 무시할 수 있을 정도로 영향을 미친다. 속도 벡터가 소용돌이치는 동안, 360°전체를 통과하기 때문에, 힘은 평면 내의 방향으로 생성될 수 있다.
대안으로, 또 다른 실시예에서, 기판은 수평 평면에서 단일 방향으로 진동할 수 있지만, 이러한 단일 방향은 순간적으로 필요한 힘 방향과 일치하도록 변화될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 기판은 3 개의 축들(x 및 y 변화 및 수직 축을 중심으로 평면 내의 회전) 상에서 진동될 수 있다. 더 이해하여야 하는 바와 같이, 측 방향 진동은 사인파 곡선으로 되는 것, 진폭이 균일하게 되는 것, 그리고 무기한으로 계속되는 것을 필요로 하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 단일 측 방향 움직임 또는 연속적인 짧은 측 방향 움직임 또는 기판의 변위는 사용될 수 있다.
본 발명은 사용자가 디스플레이를 살피는 것을 가능케 하는 사용자의 손가락에 유도 힘을 제공하는 햅틱 장치를 제공함으로써 이점을 가진다. 사용자의 손가락의 활동적인 추진도 강렬한 햅틱 경험을 제공하도록 사용될 수 있다. 본 발명은 또한, 로봇 업계 또는 제조 업계에서 부분적으로 공급되는데 사용되는 물체 또는 부품 조종 장치를 제공하는 방식으로, 기판 상의 하나 이상의 물체에 힘을 유도하는 것을 제공하는 햅틱 장치를 제공함으로써, 이점을 가진다.
본 발명의 이점은 다음 도면과 함께 상세한 설명으로부터 보다 손쉽게 명확해질 것이다.
도 1a는 변화가능한 마찰 효과가 가능한 햅틱 장치(TPaD)의 사시도이다.
도 1b는 햅틱 장치(TPaD)용 마운트의 사시도이다.
도 2는 마운트에 고정된 햅틱 장치(TPaD)의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 햅틱 장치(TPaD) 및 다른 구성 부재를 포함한 평면 햅틱 장치의 개략적인 사시도이다.
도 3a는 횡력(lateral force)을 측정하기 위해 사용된 힘 측정 장치(force mesaurement device)의 도면이다.
도 3b는 횡력을 측정하기 위해 사용된, 대안적인 힘 측정 장치의 도면이다.
도 4는 기판이 측 방향으로 진동을 받으면서, 동시에 마찰이 진동을 감소시켜 기판과 접촉된 사용자의 손가락 또는 물체 상에 전단력을 생성시키도록, 액추에이터를 제어하는 제어 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 사용되는 손가락 위치 센서 시스템의 개략도이다.
도 6a는 고 마찰로 된 상태에서 TPaD을 우측 방향으로 이동시켜 손가락 상에서 우측 방향 자극을 생성하는 개략도이다.
도 6b는 저 마찰로 된 상태에서 TPaD을 좌측 방햐으로 이동시켜 또 다른 우측 방향 자극을 제공하는 개략도이다.
도 7은 TPaD가 Φon = 40°에서 턴 온되고 180°에서는 온 상태(on state)로 남아 있고 필터링되지 않은 힘 신호(저 마찰 상태)의 힘 자극을 보여주는 도면이다.
도 8은 Φon이 시간에 따라 회전될 시에 알짜 힘을 도시한 것으로, 필터링되지 않은 40 Hz 힘 신호는 TPaD의 측 방향 움직임과 동일한 주파수를 가지는 것을 도시한 도면이다. Φon는 모든 위상 각도를 통하여 0.5 Hz에서 회전되고 이에 따라서, 알짜(필터링된) 힘은 변화게 된다. 원형 최대 힘 지점들은 "최적의 Φon" 값에서 발생된다.
도 9는 Φon이 변화될 시에 힘 대 Φon의 플롯(plot)을 도시한 것으로, 알짜 힘은 좌측 방향으로부터 우측 방향으로 다시 이동되는 것을 도시한 도면이다. 최대 좌측 방향 힘 칭 우측 방향 힘을 생성하는 최적의 Φon 값이 표시된다. 추가로, 제로 알짜 힘을 생성하는 2 개의 Φon 값 중 하나가 표시된다.
도 10은 최대 힘 대 RMS(root mean square) 변위의 플롯을 도시한 것으로, 다양한 측 방향 진동에 대한 최대 알짜 힘과 진동의 진폭 간의 관계를 도시한 도면이고, 이때 FN = 392 mN, μglass = 0.70, 및 μon= 0.06이다.
도 11은 TPaD RMS 속도의 함수로서 도 10의 데이터를 다시 플롯화한 것이다.
도 12는 SHD 제어기가 라인 소스 장(line-source field)를 발생시키기 위해 SHD 제어기가 사용되는 Φon 요청 및 라인 소스 힘의 장을 도시한 도면이다.
도 13은 2 개의 라인 소스 힘의 장 및 2 개의 라인 싱크 힘의 장(line-sink force fields)을 포함한 4 개의 서로 다른 힘의 장으로부터 나온, TPaD 상의 손가락 위치 대 알짜 힘에 대한 데이터를 도시한 도면이다.
도 14a는 x 축 위치에 대한 포텐셜 및 힘의 플롯을 도시한다.
도 14b는 2 개의 라인-싱크(힘의 장) 및 1 개의 라인-소스(힘의 장)의 플롯도이다.
도 14c는 햅틱 토글 스위치 효과(haptic toggle switch effect)를 개략적으로 도시한다.
도 15는 2 개의 자유도(degree-of-freedom)를 가진 햅틱 장치의 개략도로서, 햅틱 장치(TPaD)가 유연 지지부(compliant support) 상에 장착된 것을 도시한 도면이다.
본 발명은 마찰을 감소시키는 진동의 측 방향 움직임 또는 측 방향 진동 및 변화를 기판이 받음으로써 햅틱 기판 표면과 접촉되는 손가락 또는 물체에 힘을 제공할 수 있는 표면 햅틱 장치(SHD)로서, 이하에서 언급되는 햅틱 장치를 제공한다. 본 발명의 실시예는 평평한 유리 또는 다른 판 등의 기판, 기판이 측 방향 움직임 또는 측 방향 진동을 받게 하는 하나 이상의 액추에이터들, 및 마찰을 감소시키는 초음파 진동을 기판이 받게 하는 하나 이상의 다른 액추에이터들을 포함한 햅틱 장치를 제공한다. 액추에이터들은 실시예에서 컴퓨터 제어 장치에 의해 제어되어, 기판이 측 방향 움직임 또는 측 방향 진동을 받으면서, 동시에 마찰을 감소시키는 진동의 변화를 받음으로써, 기판 표면과 접촉되는 사용자의 손가락 또는 물체 상에 전단력을 생성하도록 한다. 본 발명은 이하에서 기술된 단일 축(예를 들면 X 축) 또는 다수의 축들(예를 들면, X 및 Y 축) 상에서 측 방향 움직임 또는 진동을 기판이 받도록 하는 것에 관한 것이다.
제시된 실시예에서, 본 발명은 도 1a, 1b 및 2에 도시되고 제시된 유형의 변화가능한 마찰 햅틱 장치(TPaD)("Tactile Pattern Display")를 사용하여 실시되고, 이때 상기 도 1a, 1b 및 2는 변화가능한 마찰 성능을 제공하도록 진동(움직임)을 전달하는 방식으로 기판과 동작가능하게 결합된 하나 이상의 액추에이터들(진동기들) 및 작동 햅틱 표면을 가진 기판(100)을 가지며, 이러한 것들은 공동 양수인으로 2007년 3월 21일에 출원된 동시 계속 출원 중인 미국 출원 제11/726,391호, 2009년 3월 19일에 출원된 동시 계속 출원 중인 미국 출원 제 12/383,120호에 기술되고, 이러한 출원들은 참조로서 본원에 병합된다. 동시 계속 출원 중인 변화가능한 마찰 햅틱 장치(VFHD)는 이하에서 변화가능한 마찰 햅틱 장치(TPaD)로 언급된다.
도 1a, 1b 및 2를 참조하면, 본 발명의 제시된 실시예에 따른 변화가능한 마찰 햅틱 장치(TPaD)는, 도시된 바와 같이, 터치(햅틱) 표면(104a)을 구비한 수동 기판 시트(sheet) 또는 층 부재(104)에 부착된 압전 시트 또는 층 부재로 형성된 압전 굴곡형 소자(piezoelectric bending element)(102)를 포함한 기판(100)을 가져서, 상대적으로 얇은 라미네이트 구조(laminate structure)를 제공하고, 이로써, 슬림하고(slimness), 표면 마찰이 높고, 들리지 않고 제어가능한 마찰이라는 이점을 제공할 수 있는 슬림 햅틱 장치 설계를 제공한다. 상대적으로 얇은 햅틱 장치는, 수동형 지지 시트 또는 층(104)에 접착되거나 부착되는 압전 세라믹 시트 또는 층으로 구성될 수 있다. 전압이 압전 시트 또는 층(102)에 걸쳐 인가될 시에, 상기 시트 또는 층은 팽창 또는 수축되려고 하지만, 그러나 이러한 접착으로 인해 수동형 지지 시트 또는 층(104)은 팽창 또는 수축을 할 수 없다. 라미네이트는 압전 시트 또는 층(102)이 에너지를 받을 시에 디스크의 중심에 단일 피크(single peak) 또는 밸리(valley) 형태로 만곡된 형상을 가진다. 결과적인 응력은 구부림을 일으킨다. 압전 시트 또는 층에 인가된 전압이 커질수록, 힘은 더 커지게 된다. 압전 굴곡형 소자가 양의 여자 전압(positive excitation voltage)에 의해 여자될 시에, 압전 굴곡형 소자는 상부 방향/양의 곡률로 휘어진다. 압전 굴곡형 소자가 음의 여자 전압에 의해 여자될 시에, 압전 굴곡형 소자는 하부 방향/음의 곡률로 휘어진다. 사인파(사인파 모양) 여자 전압이 인가될 시에, 압전 굴곡형 소자는 이러한 곡률들을 번갈아 가면서 휘어질 것이다. 사인파 여자 전압의 주파수가 기판(100)의 공진 주파와 일치될 시에, 진동의 진폭은 최대가 된다. 마운트(150)는 단지 하나의 필요 모드 또는 다수의 필요 모드들로 휘어짐을 한정하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 햅틱 장치의 모든 기계 장치 부분들은 가청 영역 외부에서 진동한다. 이 때문에, 기판(100)은 바람직하게 20 kHz의 공진을 초과하여 진동하도록 설계된다.
제시되고 제한되지 않은 목적에 있어서, 압전 부재(102)의 두께는 약 0.01 인치 내지 약 0.125 인치일 수 있다. 기판 부재(104)의 제시된 두께는 약 0.01 내지 약 0.125 인치일 수 있다. 이로써, 햅틱 장치의 총 두께는 본 발명의 제시된 실시예에서 약 0.25 인치를 초과하지 않도록 제어될 수 있다.
도 1a, 1b 및 2에서 도시된 바와 같이, 디스크 형상의 햅틱 장치는 01 모드에 휨어짐 소자 디스크의 진동을 한정하기 위해 마운트(150)에 배치되고, 여기서 01 모드는 압전 시트 또는 층이 여자될 시에 디스크의 중심에서 단일 피크 또는 밸리 형태를 한 곡률을 라미네이트가 가진 것을 의미한다. 마운트(150)는 얇은 링형 또는 환형 표면(150a)을 따라 압전 디스크에 부착될 수 있고, 링형 또는 환형 표면의 직경은 압전 디스크의 직경의 2/3일 수 있다. 동일하고 점도가 매우 낮은 에폭시 접착제는 압전 디스크 및 유리 기판 디스크를 접착하는데 사용될 시에 마운트(150)로의 접착을 위해 사용될 수 있다. 마운트(150)의 내부 높이는 다소 임의적이고, 몇 밀리미터만큼 얇게 구성될 수도 있다. 마운트(150)는 최종 사용자 제품 상에 또는 그 제품에 장착되도록 구성되고, 예를 들면, 모터 차량 콘솔, 대쉬보드, 스티어링 휠, 도어, 컴퓨터 및 다른 최종 사용자 어플리케이션/제품이 표면 상에 또는 그 표면에 장착되도록 구성되는 것을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
투명한 햅틱 장치는 바람직하게 햅틱 장치가 터치스크린, 비주얼 디스플레이, 또는 햅틱 장치의 존재가 일반 사용자(casual observer)에 의해 눈에 손쉽게 띄지않도록 가장되어 주위 표면과 혼합되기 위해 모터 차량의 내부 표면 및 외부 표면 상에 배치될 시에 제공된다. 이 때문에, 압전 부재(102) 및 기판 부재(104) 둘 중 하나 또는 둘 다는 투명한 물질로 구성될 수 있다. 압전 소자(102)는 압전 부재(102)에 에너지를 가하기 위해 서로 바라보는 측면들 상에 각각의 투명한 전극들(미도시)을 포함한다.
제시되고 제한되지 않은 목적에 있어서, 기판(104)은 유리 또는 다른 투명한 물질일 수 있다. 전극 물질에 있어서, In203-Sn02 인듐 주석 산화물계(indium tin oxide system)의 박막들은 투명 전극들을 제공하기 위해, Kumade 등의 미국 특허 제4,352,961호에 기술된 바와 같이 사용될 수 있다. 투명한 햅틱 장치를 달성하기 위해 투명한 압전 물질을 반드시 사용할 필요는 없다. 인식될 수 있는 바와 같이, 수동 기판 시트(104)는 투명한 물질, 예를 들면 유리로 구성될 수 있고, 압전 시트(102)보다 표면 영역이 현저하게 클 수 있다. 압전 시트(102)는, 수동 기판 시트(104)의 나머지가 디스플레이를 가리지 않고 그래픽 디스플레이 상에 위치되도록 가능케 하는 수동 기판 시트(104)의 주변부에서 작은 영역만을 차지할 수 있다. 압전 물질은 PZT(Pb(Zr,Ti)03)-계 세라믹, 예를 들면, 란타넘(lanthanum)으로 도핑된 지르코늄 티타네이트(PLZT), (PbBa)(Zr,Ti)03, (PbSr)(ZrTi)03 및 (PbCa)(ZrTi)03, 바륨 티타네이트(barium titanate), 석영, 또는 유기 물질, 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 투명한 압전 부재 및 기판 부재에 한정되지 않으며 반투명하거나 불투명한 것들을 사용하여 실시될 수 있고, 주어진 서비스 적용에 대해 필요에 따른 색상을 입힐 수 있고, 햅틱 장치에는 미용적으로, 보안 상으로, 안전성의 이유로 색상이 들어갈 수 있다. 기판 부재(104)를 제조하는데 사용될 수 있는 불투명한 물질은 강(steel), 알루미늄, 놋쇠(brass), 아크릴, 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 알루미늄 산화물, 및 다른 금속, 플라스틱 및 세라믹을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
원형 디스크로 형성된 햅틱 장치(TPaD)의 설계는 적당한 디스크 반경, 압전 세라믹 디스크 두께 및 기판 디스크 물질 및 두께를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 만들어진 특정 선택은 장치의 공진 주파수를 결정할 것이다. 디스크로 형성된 햅틱 장치의 바람직한 실시예는 0.5mm 내지 2mm의 면적의 두께를 가지고 강 또는 다른 금속보다는 유리로 구성된 기판 디스크를 사용함으로써, 상대 진폭을 현저하게 희생시키지 않고, 공진 주파수(가청 범위 외부에서 동작이 일어나도록 함)를 증가시킨다.
기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 압전 굴곡형 소자(102) 및 기판(104)의 설계는 기술된 원형 디스크 형상을 가능케 한다. 다른 형상, 예를 들면 직사각형 또는 다른 다각형 형상은 이하에서 기술된 바와 같이 이러한 구성부재에 사용될 수 있고, 서로 다른 상대 진폭 및 공진 주파수를 포함할 것이다.
도 1a, 1b 및 2의 제시된 디스크로 형성된 햅틱 장치(TPaD)에 대하여, 햅틱 장치의 터치(햅틱) 표면(104a) 상에서 사용자가 느끼는 마찰 양은 압전 부재(102)의 여자 전압의 진폭의 함수이다. 여자 전압은, 이하의 예에서 기술되고, 또한 참조로서 본원에 병합되는 2007년 3월 21일에 출원된 동시 계속 출원 중인 미국 출원 제11/726,391호, 2009년 3월 19일에 출원된 동기 계속 출원 중인 미국 출원 제 12/383,120호에서 나타나는 바와 같이 제어된다. 여자 전압은 햅틱 장치의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 진동 주파를 바람직하게 가진 진폭 변조 주기 파형이다. 제어 시스템은 팬터그래프/광학 엔코더들(pantograph/optical encoders) 또는 감지 시스템에 위치된 광학 평면(2차원), 또는 다른 단일 축 또는 참조로서 본원에 병합된 동기 계속 출원 중인 출원 제11/726,391에 기술된 2 개의 축의 손가락 위치 센서, 또는 다른 종류의 손가락 위치 센서, 기술 분야에서 알려진 많은 손가락 위치 센서를 이용하여 사용될 수 있다.
예들
하나의 자유도를 가진 평면 햅틱 장치
도 3을 참조하면, 본 발명의 제시된 실시예에 따른 제시된 평면 표면 햅틱 장치(SHD)는 도시된 바와 같이, 이하에서 TPaD로 언급되는 도 1a, 1b 및 2의 디스크 형상의 햅틱 장치(TPaD)를 포함한다. 디스크 형상의 햅틱 장치(TPaD)는 압전 굴곡형 소자(Mono-morph Type)의 단일 원형 디스크 및 유리판 기판의 단일 원형 디스크를 사용하여 구성됨으로써, 마찰을 감소시키는 간접적인 햅틱 효과를 달성하는데 필요한 초음파 주파수 및 진폭을 생성할 수 있다. PIC 151 압전 세라믹 물질(PI 세라믹.GmbH에 의해 제조됨)을 포함한 압전 굴곡형 소자 디스크는 두께가 일(1) 밀리미터이고, 직경이 25 밀리미터(mm)이다. 유리판 기판 디스크는 두께가 1.57 mm이고, 직경이 25 mm이다. 압전 세라믹 디스크는 점도가 매우 낮은 에폭시 접착제, 예를 들면, Loctite E-30CL Hysol 에폭시 접착제를 사용하여 유리 기판 디스크에 접착된다. 디스크 형상의 햅틱 장치는 알루미늄으로 구성된 마운트에 배치되고 얇은 링형 또는 환형 표면(150a)을 따라 압전 디스크에 부착될 수 있고, 링형 또는 환형 표면의 직경은 압전 디스크의 직경의 2/3일 수 있다. 동일하고 점도가 매우 낮은 에폭시 접착제는 압전 디스크 및 유리 기판 디스크를 접착하는데 사용될 시에 마운트(150)로의 접착을 위해 사용될 수 있다.
햅틱 장치(SHD)는, 선형 액추에이터(200), 예를 들면, 선형 슬라이더(210)에 로드(211)를 결합시켜 연결된 보이스 코일(voice coil)을 더 포함하고, 이때 상기 선형 슬라이더 상에는 햅틱 장치(TPaD)가 선형 슬라이더와 함께 이동하기 위해 고정되어 위치한다. TPaD는 클램프(clamp), 글루(glue), 스크류 또는 리벳 등과 같은 연결 수단에 의해 슬라이더(210) 상의 고정되게 위치되어 유지될 수 있다. 선형 슬라이더(210)는 단일 X 축 상에서 이동하기 위해 고정 베이스(B) 상의 지지부(212) 상에 이동가능하게 배치된다. 선형 보이스 코일 액추에이터(200)는 20 내지 1000Hz의 주파수에서 사인 곡선으로(sinusoidally) 작동되어, 슬라이더(210) 및 상기 슬라이더 상의 햅틱 장치(TPaD)는 동일한 주파수로 X-방향을 향하여 측 방향으로 이동하면서 진동한다. 보이스 코일 액추에이터(200)가 이 시스템의 공진 주파수에서 사인 곡선으로 작동될 시에, 측 방향 진동의 진폭은 증가되지만, 본 발명은 상기와 같은 사인 곡선과 같은 작동에 한정되지는 않는다.
마찰은 유리판 기판(104)의 밑면 상에 장착된 압전 소자(102)에 39kHz 사인 곡선파를 가함으로써, 햅틱 장치(TPaD)의 유리판 기판 표면(104a) 상에서 변화된다. 39kHz 신호는 오디오 증폭기를 사용하여 +0-20V로 증폭되고 AD9833 파형 발생기 칩에 의해 발생된다. 압전 소자(102)에 인가될 시에, 이는 유리판 기판의 공명 진동(resonant vibrations)을 일으킨다. 이러한 진동은 손끝 아래의 공기의 스퀴즈 막(squeeze film)을 만들어서, 마찰을 감소시킨다. 높은 여자 전압에서, 유리판 기판과 손가락 사이의 마찰은 제로 전압 동안 약 μ = 0.15이고, 표면은 일반적인 유리의 마찰을 가진다(약 μ = 0.95).
프로그램가능한 집적 회로(PIC-18F4520)는 보이스 코일(x-액추에이터)용 저주파 신호를 생성하고, 도 4에서 압전 소자(102)의 39kHz 신호를 개시/중지하도록 파형 신호 발생기(AD98330)로 명령을 내린다. 이는 양쪽 마찰을 제공하기 때문에, 이는 햅틱 장치(TPaD)의 마찰 레벨과 측 방향 움직임 간의 위상 관계를 나타낼 수 있다. PIC를 가진 마이크로제어기 또는 다른 제어기 및 손가락 위치 센서(250)를 가진 제어 시스템은 도 4에서 도시된다. 도 4는 이하에서 개시된 2 개의 자유도 평면을 가진 햅틱 장치를 사용하여 X-축 및 Y 축-액추에이터 상에서 선형 슬라이더(210)를 진동시키기 위해 X 축-액추에이터를 도시하고, TPaD는 X-축 및 Y-축 상에서 동시에 진동한다.
손가락 위치를 측정하기 위해, 2 개의 축을 가진 손가락 위치 시스템(250)의 단일 축이 사용될 수 있다. 이 시스템은 동시 계속 출원 중인 US 출원 제11/726,391호에 기술된 2 개의 축을 가진 손가락 위치 센서들과 유형이 유사하지만, 그 시스템의 적외선 발광 다이오드는 도 5에서 광이 두드러지게 나타나는 선형 포토 다이오드 어레이(256)의 시준형 시트(collimated sheet)를 생성하는 레이저 선 발생기들(252) 및 프레넬 렌즈들(Fresnel lenses)(254)로 대체된다. 광의 시준형 시트는 TPaD의 표면(104a) 바로 위에 위치하고, TPaD 표면(104a)을 터치하는 손가락은 광의 시트를 간섭하여, 선형 포토 다이오드 어레이(256) 상에 그림자를 드리운다. PIC 마이크로제어기는 선형 포토 다이오드 어레이(256)의 출력을 판독하고 손가락 위치의 측정으로 사용되는 손가락 그림자의 중심을 연산한다.
힘 발생 정의
하나의 자유도 실시예에서, 힘은 햅틱 장치(TPaD)가 평면에서 측 방향으로 진동되는 동일 주파수에서 저 마찰 상태와 고 마찰 상태 사이를 번갈아 가면서 생성된다. 좌측 방향 알짜 힘을 생성하기 위해, 햅틱 장치(TPaD)는 고 마찰로 설정되면서 그의 속도는 좌측 방향을 향하고, 그의 속도가 우측 방향을 향할 시에는 저 마찰로 설정된다. 햅틱 장치(TPaD)는 사용자의 손가락을 좌측으로 누르는 것과 손가락 밑면 아래를 우측으로 미끄러지게 하는 것을 번갈아 일어나게 한다. 이러한 "눌러서 미끄러짐(pushslip)" 주기는 그 자체로 반복되고, 일련의 좌측 방향의 강한 자극 이후에 일어난 우측 방향의 약한 자극은 알짜 힘이 좌측 방향에서 일어나게 한다. 이러한 자극은 도 8의 필터링되지 않은 힘 신호에서 보일 수 있고, SHD의 표면(104a)과 손끝 간의 횡력 또는 전단력은 도 3a에 도시된 바와 같이 대용물 손끝에 동작가능하게 연결된 하나의 자유도 인장력/압축 하중 셀(compression load cell)을 사용하여 측정된다. 하중 셀은 선형 슬라이더 상에서 수직 방향으로 이동할 수 있다. 하중 셀의 무게추(weight) 및 손끝은 강성이 낮은 스프링에 걸리게 된다. 손끝의 수직 방향 위치는 암나사(thumb nut)를 통해 조정가능하다. 손끝이 TPaD에 매우 가까이(0.5 mm 미만) 내려간 후, 법선력(normal force)은 도시된 바와 같이 L-형상의 손가락에 무게추를 추가함으로써 제어된다. 392 mN(40 g)의 수직 하중은 이 예를 위해 사용된다. 이러한 배치는 측 방향 진동의 효과를 포함한 대용물 손가락 힘이 높은 정확도로 측정되도록 한다. 이 예에서 사용된 대용물 손끝은 대용물 손가락 패드로서 사포로 처리된 전기 테이프에 싸인 그레이프(grape)를 포함한다. 대용물 손끝은 전기 테이프를 이용하여, 도 3a에 도시된 L-형상의 알루미늄 "손가락"에 고정되고, 알루미늄 손가락은 하중 셀 상에 끼워지게 된다. 손끝과 손가락 연결에는 유순함이 일부 있지만, 인간 손가락과 유사한 유순함이 있기 때문에 이는 적당하다.
대안으로, SHD의 표면(104a) 및 손끝 간의 횡력 또는 전단력은 또한 지지 어셈블리 상에 베이스 B를 장착시킴으로써 측정될 수 있고, 이때 상기 지지 어셈블리는 도 3b에서 전체 어셈블리가 기본적으로 마찰이 없이 측 방향으로 이동하도록 한다. 예를 들면, 베이스 B는 사운드 격리 폼 판(sound insulating foam plate)(232)에 위치한 무게추의 놋쇠 덩어리 또는 판(230) 상에 장착될 수 있다. 사운드 격리 폼 판(232)은 그 다음에, 3 개의 큰 강 볼들(steel balls)(236) 상에 위치한 정밀한 그라운드 강 판(ground steel plate)(234) 상에 위치한다. 그 다음 강볼들은 측정 시스템의 베이스로 기능하는 최하부에 위치하고 정밀한 그라운드 강 판 B2 상에 위치한다. 놋쇠 덩어리 또는 판(230)은 강성이 낮은 스프링(238)을 통하여 하중 셀(240)에 연결되고, 그 결과 측 방향 움직임을 한정하는 구성부재만 하중 셀이고, 손가락 상에서 작용하는 모든 횡력은 하중 셀 상의 힘에 의해 일치되어야 한다. 놋쇠 덩어리 또는 판(230) 덩어리 및 강성이 낮은 스프링(238)의 조합은 기계 장치의 로우패스 필터(low pass filter)와 같이 작용됨으로써, 측 방향 진동은 하중 셀의 측정에 최소로 영향을 미친다. 결과적으로, 하중 셀의 출력은 손끝 상의 평균 힘의 정확한 측정물이다.
도 6a 및 6b는 반대 방향의 알짜 힘이 우측 방향으로 발생되는, 유사한 "눌러서 미끄러짐" 주기를 도시하고, 우측 방향의 강한 자극 다음에 좌측 방향의 약한 자극이 일어남으로써, 알짜 힘은 사용자의 손가락 상에 우측 방향에서 생겨난다.
힘의 위상 효과:
측 방향 속도와 햅틱 장치(TPaD) 온/오프 신호 간의 위상 각을 변화시킴으로써, 알짜 힘의 방향 및 크기는 변화할 수 있다. 설명을 하면, 용어 Φon는 햅틱 장치(TPaD)가 턴 온될 시(저 마찰 상태 온), 측 방향 속도의 위상 각으로 정의된다. 이 개념은 도 7에서 그래프로 도시된다. 나타난 모든 데이터에서, TPaD는 측 방향 진동의 전체 주기의 절반(180°) 동안 온 상태에 있게 된다.
위상이 가장 큰 크기의 힘으로 생성되는 것을 결정하기 위해, Φon는 약 2 초 동안 0에서 360°로 천천히 회전된다. 알짜 힘을 발견하기 위해, 필터링되지 않은 힘 데이터는 2 차 로우패스 버터워스 제로-페이스 필터(second-order, lowpass, butterworth, zero-phase filter)(fcutoff - 10Hz)를 통과하게 된다. 필터링된 힘 신호는 도 8에 도시된다. 원형 최대 힘 지점은 측 방향 진동의 진폭 및 이러한 특정 주파수에 대한 2 개의 "최적 Φon" 값에 대응된다. 1OOmN 범위의 이러한 최대 알짜 힘을 출원인은 손쉽게 인지할 수 있다. 게다가, 문헌은 이 크기가 일반적으로 인간에게 인지시킬 수 있다는 것을 보여준다; 참조물[5][1][8] 참조.
도 8은 Φon이 시간에 따라 회전될 시에 알짜 힘이 변화되는 것을 보여준다. 주어진 속도 주기의 Φon 값은 도 7의 비교와 유사한 방식으로 속도 신호를 TPaD 상태 신호와 비교함으로써 발견된다. 그 후, 데이터는 도 8의 필터링된 힘 데이터에 대해 플롯화된다. 도 9에서 결과물은 힘이 최적화된 Φon의 값에 관한 특정 정보를 많이 제공한다. 힘과 Φon 간의 정확한 관계가 진동 진폭 및 주파수에 따라 달라지지만, 이러한 데이터는 인간이 주목할 수 있는 힘을 생성하는 진폭의 넓은 범위에서 나타난다. 시스템에서의 지연 없이, 한가지 기대되는 바와 같이, 0°로 TPaD를 턴 온하는 것은 가장 큰 좌측 방향 힘을 생성하고, Φon = 180°은 우측 방향의 가장 큰 힘을 생성한다. 데이터에서 도시된 바와 같이, 대신에 최적의 각은 Φon = 340°및 Φon = 160°각각이다. 이러한 위상 진보에 대한 필요성은 스퀴즈 막을 생성하고 폐기시키는데 필요한 시간 때문일 수 있지만, 그러나 출원인은 바라거나 의도하지 않았거나 이에 대한 이론에 의해 얽혀 매이지도 않았다. 또한, 특히 제로 알짜 힘은 Φon = 270°에서 기대되지만, Φon = 250°에서 일어난다.
기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 힘은 위상뿐만 아니라, TPaD 기판이 상대적으로 높은 마찰 상태로 되는 시간을 변화시킴으로써도 제어될 수 있다. 힘은 마찰이 높은 주기의 양을 감소시킴으로써 감소될 수 있다.
힘에 대한 진동 진폭 효과:
실험해서 발견된 바와 같이, 측 방향 변위의 진폭이 증가될 시에, 평균 알짜 힘은 우선적으로 비례해서 증가되고 포화된다. 도 10은 다양한 측 방향 진동 주파수에 대한 이러한 추세를 도시한다. 각각의 데이터 점은 최적의 Φon에서 진동의 특정 진폭에 의해 생성된 알짜 힘을 나타낸다.
도 10의 점근선 행동은 쿨롬 마찰의 특징으로 인한 것이다. 손가락 및 TPaD가 지배적으로 슬라이딩 접촉에 유지되도록 진폭이 충분하게 커지면, 속도가 일측 방향으로 나는 경우, μglass FN의 힘이 기대되고, 속도가 타측 방향으로 나는 경우, μοn FN의 힘이 기대될 것이다. 여기서 μglass은 유리의 운동 마찰 계수이고; μοn은 최저 마찰 상태일 시에 TPaD의 운동 마찰 계수이고; 그리고 FN은 법선력이다.
SHD가 생성될 수 있는 이론 상의 최대 알짜 힘을 발견하기 위해, 손가락이 총 주기의 절반 동안 2 개의 힘 레벨 각각을 겪는다고 가정했다. 그 후, 시간에 따른 평균 힘은 단지 2 개의 힘 레벨의 간단한 평균치이다. 그러므로, 최대 알짜 힘 F에 대한 식은 다음과 같다.
Figure pct00001
식(1)
도 10의 점근선의 값은 식 1을 사용하여 계산되고, μglass = 0.70은 TPaD 및 측 방향 진동이 중단되는 동안 표면에 걸친 대용물 손가락을 휩쓸고 가면서 최대 힘을 기록함으로써 발견되었다; μοn = 0.06은 유사하게 발견되었지만, 이때에는 TPaD가 턴온되고; 그리고 FN = 392mN는 40g의 무게추로부터 비롯되었다.
주파수 선택:
특히, 중요한 바와 같이, 힘이 20 내지 1000Hz의 주파수의 자극에서 들어가기 때문에, 사용자는 일 방향으로 전체 힘뿐만 아니라, TPaD의 원하지 않는 근본적인 진동도 인식할 수 있다. 정신 물리학 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 인간 손끝은 20Hz 내지 약 500Hz의 범위의 진동에 민감하고, 민감도의 피크치는 약 250Hz이다. 발견된 바와 같이, SHD의 최고 성능은 측 방향 진동이 매우 뚜렷하지 않은 고주파(예를 들면, 850 Hz), 또는 진동이 뚜렷하지만 불쾌한 약 40 Hz이다.
측 방향 진동에 대해 손가락의 노출을 감소시키는 설계 방법은 힘 생성이 필요할 때까지 TPaD는 연속적으로 턴 온된다(저 마찰 상태 온). 이러한 실시로, 스퀴즈 막은 힘이 가해질 때까지 거의 뚜렷하지 않게 하는 근본적인 저주파 진동으로부터 사용자를 분리시킨다. 또 다른 방법은 필요할 때 제외하고 측 방향 진동을 턴 온프하는 것이다.
손가락 살핌 속도 효과( The effect of finger exploration velocity ):
진동 진폭이 Fmax에 가까운 힘을 가져오기에 충분히 큰 경우, 진폭의 증가는 정지된 손가락 힘에 대해 무시할 정도의 증가를 더 제공한다. 반면, 사용자가 활발하게 표면을 살피는 경우, 이들의 손가락 속도는 손가락과 판 사이의 상대 속도가 작도록 할 수 있어서, 알짜 힘을 감소시킨다. 그러므로, 손가락 조사 속도가 높을수록, 타겟 힘을 유지시키는데 필요한 진동 진폭은 커진다.
수용할만한 손가락 조사 속도에 대한 아이디어는 변위 대신에 속도에 대한 도 10과 동일한 데이터를 플롯팅함으로써 얻어질 수 있다. 도 11에서, 볼 수 있는 바와 같이, 77Hz로 진동하는 TPaD는 약 20mm/s RMS 속도로 최대 힘 생성의 약 85%에 이른다. 도 11에서, 77Hz 진동에 의해 생성된 힘은 20mm/s 미만의 RMS 속도 변화에 매우 민감하게 보이지만, 20mm/s 초과를 한 경우에는 둔감하다. 그러므로, 여겨지는 바와 같이, 20mm/s에서의 SHD 진동에 의해 생성된 힘은 손가락 속도 변화에 민감하지만, 60mm/s로 진행하는 SHD는, 힘이 현저하게 감소되기 전에, 손가락이 약 40mm/s 까지의 속도로 이동하도록 한다.
표시되는 힘의 장:
SHD가 효과적으로 힘의 원천이기 때문에, 임의적인 힘의 장을 생성하거나 표시하는 것이 가능하다. 한가지로 스프링, 댐퍼, 또는 다른 원시적인 것(primitive)을 선택할 수 있지만, 예를 들면, 라인 싱크 및 소스(line sinks and sources)의 표시가 기술될 것이다. 주어진 시간에서, 장치는 그의 표면에 걸쳐 일정한 힘의 장을 가짐으로써, 공간적으로 변화하는 힘의 장의 인식을 만들어 내고, 이는 손가락 위치의 함수로서 힘을 변화시키는데 필요하다. 실제로, 손가락이 표면에 걸쳐 이동됨에 따라, Φon는 원하는 방향 및 크기의 힘을 생성하도록 조정된다. 도 12에서, 상부 도면은 라인-소스 힘의 장이 보이는 것을 제공하고, Φon 명령은 상기와 같은 장을 발생시키는데 사용된다.
특히, 도 12의 지시된 Φon과 도 9의 Φon 대한 힘의 관계 간에 유사점이 있다. 라인 소스가 생성되기 위해서, 중심선을 따라 제로 힘을 원하고, 이로써, x = 0에서 Φon = 250°이다. 최대 힘이 요구되는 벡터 장의 좌우 모서리들 상에서, Φon 명령은 340°및 160°의 최적Φon 각도를 취한다.
힘의 장:
도 13은 4 개의 서로 다른 힘의 장으로부터 나온 데이터를 보여준다. 2 개의 라인-소스 및 2 개의 라인-싱크가 있는데, 이들 각각은 "강성" 및 "유연성" 버전을 가진다. 미가공 데이터는 힘 대 위치 포맷으로 제공되지만, 촉각 경험에 대한 직감적인 아이디어를 더 제공하고, 출원인은 "포텐셜 함수"를 형성하기 위해 데이터를 통합시키기도 했다. 포텐셜 함수는
Figure pct00002
으로 정의되고 F(x)는 위치(x)의 함수로서 손가락 힘이다. Robles-De-La-Torre 및 Hayward references[6][5]로부터의 결과물은 포텐셜 함수의 형상이 가상 범프(virtual bump) 또는 홀의 인지된 형상과 유사하다는 것을 제시한다.
강성 평면 라인-소스의 참조 대신에, 포텐셜 함수의 관점으로부터 나온 데이터를 바라볼 시에, 표면에서 경사진 범프를 볼 수 있다. 이와 유사하게, 유연성 평면 라인-싱크는 표면의 얇은 홀로서 생각할 수 있다.
보다 세련된 햅틱 행동, 예를 들면, 도 14a, 14b 및 14c에 도시된 토글 스위치(toggle switch)를 생성하기 위해 포텐셜 함수 개념을 만드는 것이 가능하다. 햅틱 토클 스위치는 도 14a, 14b에서 높은 포텐셜 영역(소스)에 의해 분리된 2 개의 낮은 포텐셜 영역(싱크)이다. 낮은 포텐셜 영역으로부터 다음을 향해 손가락을 슬라이딩할 시에, 손가락은 도 14c의 물리학적인 토글 스위치가 젖혀지는 것과 같이 낮은 포텐셜 영역으로 "팝"되는 경향이 있다.
상술되고 제시된 평면(평평한 패널) 햅틱 디스플레이(SHD)는 손가락 상의 순수 전단력을 가하고 제어할 수 있다. 제어가능한 힘 소스를 이용할 시에, 손가락 위치 피드백과 결합되는 경우를 선택하는 힘의 장의 표시가 가능해진다. 표시되는 라인 소스 및 싱크의 성능은 증명되었고, 평면 전체로서 보일 수 있거나 3D 돌출 및 함몰로 보일 수 있다. 추정될 수 있는 바와 같이, SHD는 평면 스프링, 댐퍼, 덩어리 및 표면 특징부의 환상물(illusions)을 표시할 수 있는 도구이다.
제시된 햅틱 장치(SHD)는 임의적인 전단력을 손가락에 가할 수 있는 평면 햅틱 디스플레이를 제공한다. 스프링, 댐퍼, 덩어리 및 다른 힘들로 구성된 2 차원(2D) 세상을 표시할 수 있는 성능을 가질 뿐만 아니라, 형상의 환상물을 횡력이 생성할 수 있는 아이디어를 사용하는 성능도 가질 수 있고, SHD는 3 차원(3D) 감촉 및 2D 표면 상의 형상의 환상물을 만들어 낼 수 있다.
2 개의 자유도를 가진 평면 햅틱 장치
기판의 진동의 2 개의 자유도를 가진 평면 햅틱 장치는 도 3의 하나의 자유도를 제시한 햅틱 장치(SHD)의 상기 설명을 고려하여 구성될 수 있다.
평면 진동의 2 개의 자유도에 있어서, 도 3에 도시된 햅틱 장치(TPaD)는 X 축 및 Y 축과 같은 다수의 축들 상의 평면에서 진동될 수 있다. 예를 들면, 2 개의 자유도의 움직임은 합성 슬라이더를 설계함으로써 제공되고, 상기 합성 슬라이더 상에서 햅틱 장치(TPaD)가 직교하는 X 및 Y 축들 상에서 슬라이드하기 위해 위치하고, 도 3의 X 및 Y 축들을 참고한다. 합성 슬라이더는 X 축 및 Y 축 상에서 독립적으로 햅틱 장치(TPaD)를 이동시키는 능력을 가질 수 있다. 예를 들면, 합성 슬라이더는 X 축 진동에 대한 슬라이더(210)와 같은 제 1 슬라이더를 가지고, 독립적인 Y 축 진동에 대한 제 1 슬라이더 상에 또는 제 1 슬라이더 아래에 장착된 제 2 슬라이더를 가진다. 제 1 슬라이더는 도시된 선형 액추에이터(200)에 의해 X 축 상에서 진동하도록 작동되고, 제 2 슬라이더는 Y-축 슬라이더에 연결된 액추에이터 로드(rod)를 가지고 스피커와 유사한 형태를 한 제 2 선형 액추에이터(미도시)에 의해 Y 축 상에서 진동되도록 작동된다. 도 5에 도시된 유형의 손가락 위치 센서는 전단력을 발생시키는데 필요할 시, 기판의 측 방향 속도와 TPaD 온/오프 신호 간의 위상 각 Φon을 변화시키는 제어 시스템에 입력되는 X 및 Y 손가락 위치를 감지하기 위해 사용될 수 있다.
이로써, 2 개의 자유도에 대한 이러한 실시예는 X 축 및 Y 축 상에서 TPaD를 진동시키는 별도의 액추에이터들을 가지는 것을 수반한다. 전자기 액추에이터들(예를 들면, 보이스 코일), 압전 굴곡형 액추에이터들, 메모리형 합금(shape memory alloy) 액추에이터들, 인공 근육 액추에이터들 (http://vsww.artificialmuscle.com/) 및 다른 것들은 이러한 액추에이터에 대한 선택을 가능케 한다. 일반적으로, 이는 햅틱 장치(TPaD)에 필요할 시에 액추에이터 수고를 최소화시키고, 햅틱 장치의 마운트(150)는 진동 주파수에서 양쪽 X 및 Y 진동에 대해 공진한다.
X 축 및 Y 축 상의 햅틱 장치(TPaD)의 진동은 평면 내의(기판 표면(104a)의 평면에서) 원형 움직임을 생성하는 방식으로, 기판의 소용돌이치는 움직임을 생성하기 위해 제어될 수 있다. 기판에서 소용돌이칠 시에, 그의 속도 벡터는 원하는 힘 방향과 즉각적으로 일직선을 이룰 것이다. 즉각적인 순간에, 기판은 고 마찰 상태로 설정되고, 힘의 자극은 사용자의 손가락 또는 물체에 가해진다. "소용돌이치는" 주기의 나머지 동안, 기판은 저 마찰 상태로 설정되어, 그 결과, 손가락 또는 물체의 힘에 무시할 수 있을 정도로 영향을 미친다. 속도 벡터가 소용돌이치는 동안, 360°전체를 통과하기 때문에, 힘은 평면 내의 방향으로 생성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 기판과 수직을 이룬 초음파 진동은 기술된 바와 같이, 저주파, 보다 높은 진폭의 측 방향 진동(즉, "소용돌이"를 생성하도록 표면의 평면의 움직임)과 결합된다.
결과적으로, 햅틱 장치(TPaD)의 유리 판 표면 상의 각 점은 움직임의 소용돌이치는 패턴을 발생시키기 위해 X-Y 평면에서, 작고, 원형이고, 반시계 방향(위에서 볼 때)의 움직임을 실시할 것이다. 소용돌이치는 움직임은 주파수 및 진폭의 적용을 동일한 것으로 간주한다는 의미에서 선형 액추에이터(200)에 의해 상기에서 발생된 X-방향 진동과 완벽하게 동일하다. 그러나, 움직임이 유리판 기판의 2 개의 축들을 따라 발생되기 때문에, 마찰 변화의 효과는 동일하지가 않다. 특히, 알짜 힘은 절대로 제로로 가지 않고(또는 크기가 변화되지 않고), 이는 단지 방향만 변화된다. 또한, 장치의 속도와 동일한 방향으로 힘이 항상 발생되기 때문에, 그 속도는 일정하게 변화되고, 평균 힘은 단일 축 실시예에 기재된 것만큼 크지는 않을 것이다. 제시되고 상술된 바와 같이, 마찰이 달라지는 것을 가정하면, 평균 힘은 크기(μοnΝ)/π 및 Φ 방향을 가진다.
마찰을 감소시키는 초음파 진동이 온 또는 오프 전환(또는 변화)되는 동안 소용돌이치는 움직임의 위상(들)은 모서리들 또는 다른 햅틱 효과를 생성하도록 컴퓨터 제어하에 변화될 수 있다. 변화는 측정된 손가락 위치에 반응할 수 있거나, 일부 햅틱 효과에 대한 손가락 위치의 측정은 반드시 필요하지 않다.
2 개의 자유도를 가진 햅틱 장치(SHD)에 대한 본 발명의 또 다른 실시예는 도 15에 도시되고, 가요성 금속 레그들(flexible metal legs)(400) 상에 지지된 모터 마운트(410) 등과 같은 유연성 지지부 상에 햅틱 장치(TPaD)를 장착시키는 것을 포함하고, 그 결과, 햅틱 장치(TPaD)는 필요에 따라 일부 제한을 받으면서 자유롭게 이동한다. 가요성 레그들(400)은 하부에서 고정 베이스에 연결된다. TPaD는 코너 포스트들(422)에 의해 모터 마운트(410)에 강하게 연결된 장착 판(430) 상에 고정되어 장착된다.
편심형 매스 모터(eccentric mass motor)(MM)(예를 들면, 페이저들(pagers)에서 사용됨)은 모터 마운트(410) 상에 장착될 수 있고, 편심형 매스부(411)를 포함한다. 모터의 출력 샤프트 축은 TPaD 햅틱 표면과 수직을 이룬다. 편심형 매스 모터(MM)의 출력 샤프트를 통한 편심형 매스 모터는 회전 주파수에서 회전 반응력을 생성하도록 편심형 매스부를 회전시킨다. 그 다음에, 이는 모터 마운트(410) 및 모터 마운트 상의 TPaD 기판(104)이 소용돌이치는 패턴으로 진동하도록 할 것이다.
기술된 본 발명의 실시예들은 컴퓨터(소프트웨어)로 제어된 햅틱 효과가 유리판 기판 표면 상에서 표시되도록 하고, 변화가능한 마찰뿐만 아니라, 표면에 걸쳐서 손가락 또는 물체를 활동적으로 누르는 횡력도 포함하여 표시되도록 한다. 보다 강한 햅틱 효과도 가능하다. 로봇 업계 또는 제조 업계에서 부분적으로 공급되거나 유사하게 적용되어 사용되는 경우, 햅틱 표시가 아니라 대신에 컴퓨터 제어로 표면 주위의 작은 물체를 구동시키는 기계 장치도 추가 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 햅틱 장치(TPaD)는 하나의 유닛으로서 마찰 감소 효과를 위해 초음파 처리로 진동을 받는다. 대안적인 실시예로서, 하나 이상의 초음파 액추에이터는 사용될 수 있어서, 유리판 표면의 서로 다른 영역들은 서로 다른 초음파 진폭을 가지고, 아마도 초음파 진폭 각각은 소용돌이치는 움직임의 서로 다른 위상에 대응되도록 변화된다. 유리판 표면에 걸친 초음파 진폭의 공간적인 변화를 얻는 또 다른 방식은 초음파 진동의 마디 패턴들(nodal patterns)의 사용을 만드는 것(2009년 3월 19일에 출원된 동기 계속 출원 중인 미국 출원 제12/383,120호 참조), 또는 이러한 것과 하나 이상의 초음파 주파수 또는 서로 다른 위상을 가지고 구동된 초음파 액추에이터를 조합시키는 것이다.
인식되어야 하는 바와 같이, 본 발명은 평면 기판 표면에 제한되지 않는다. 예를 들면, 견인력(traction forces)은 방사상 방향으로 초음파 진동을 생성시킴으로써, 그리고 축 및/또는 원주방향으로 "측 방향" 진동을 생성시킴으로써 원통형 나브(cylindrical knob)의 표면에서 발생될 수 있다. 실제로, 표면은 면 법선(surface normal), 및 표면에 위치된 2 개의 축들을 적어도 국부적으로 가질 수 있다. 법선에 따른 초음파 진동 및 하나 또는 2 개의 표면 내의 축들을 따른 저주파 진동은 견인력을 발생시키기 위해 조정될 수 있다.
측 방향 진동이 계속적으로 반복될 필요가 있다는 것에 대해서는 이유가 없다. 많은 적용에서, 단지 짧은 순간 동안 활발한 견인력을 가하는데 필요할 뿐이다. 상기와 같은 경우에서, 측 방향 진동은 견인력을 발생시키는 것을 필요로 할 때까지 턴 오프될 수 있다. 실제로, 일부 햅틱 효과에 대해서, 측 방향 진동의 단일 주기만이라도, 또는 측 방향 진동의 절반 주기만이라도 충분할 수 있다. 측 방향 진동의 진폭 또는 수는 원하는 거리로 사용자 손가락을 이동시키거나, 원하는 구간 동안 힘을 가하는데 충분히 선택될 수 있고, 그 후, 측 방향 진동은 중단될 수 있다.
제시된 본 발명의 특정 실시예에 대해 기술되었지만, 기술 분야의 통상의 기술자라면, 청구항에 기재된 바와 같이, 본 발명의 권리 범위 내에서 변형 및 변화도 있을 수 있다는 것을 인지할 것이다.
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Claims (29)

  1. 기판;
    기판을 측 방향으로 움직이게 하는 하나 이상의 액추에이터들; 및
    마찰을 감소시키는 초음파 진동이 기판에 가해지게 하는 하나 이상의 다른 액추에터들을 포함하는, 햅틱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이터들은 기판에 측 방향 진동을 가하는, 햅틱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    햅틱 장치는 제어 장치를 포함하고,
    제어 장치는 기판과 접촉하는 물체 또는 사용자 손가락에 힘을 생성하기 위하여, 기판이 측 방향으로 움직이게 하고 동시에 마찰을 감소시키는 진동을 변화시키는 하나 이상의 액추에이터를 제어하는, 햅틱 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이터들은 단일 축 상에서 기판을 측 방향으로 움직이도록 하는, 햅틱 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이터들은 2 개의 축 상에서 기판을 측 방향으로 움직이도록 하는, 햅틱 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이터들은 3 개의 축 상에서 기판을 측 방향으로 움직이도록 하고, 3 개의 축 중 하나의 축은 회전하는, 햅틱 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    기판의 측 방향 속도와, 마찰을 감소시키는 진동의 변화 간의 위상 각은 힘의 방향을 변화시키도록 변화되는, 햅틱 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이터들은 직선이 아닌 선의 움직임(non-straight line motion)을 기판으로 전하는, 햅틱 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    하나 이상의 액추에이터들은 측 방향 원형 움직임을 기판으로 전하는, 햅틱 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 다른 액추에이터들은 마찰을 감소시키는 효과를 만들도록 기판의 평면과 수직을 이룬 방향을 향하여 기판으로 초음파 진동을 전하는, 햅틱 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    기판은 평평한 판을 포함하는, 햅틱 장치.
  12. 햅틱 장치의 기판의 표면과 접촉하는 물체 또는 사용자 손가락에 힘을 발생시키는 방법에 있어서,
    기판이 측 방향으로 움직이도록 하는 단계;
    마찰을 감소시키는 초음파 진동이 기판에 가해지도록 하는 단계; 및
    기판과 접촉하는 사용자 손가락 또는 물체에 힘을 발생시키기 위해, 측 방향 움직임을 제어하고, 마찰을 감소시키는 진동의 변화를 제어하는 단계를 포함하는, 힘 발생 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    힘 발생 방법은, 측 방향 움직임을 제어함과 동시에 마찰을 감소시키는 진동의 변화를 제어하는 단계를 포함하는, 힘 발생 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    기판은 측 방향으로 진동을 받는, 힘 발생 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    측 방향 움직임은 한번에 일어나는, 힘 발생 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    측 방향 움직임은 복수의 시간에 일어나는, 힘 발생 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    측 방향 움직임이 지속되는, 힘 발생 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    기판은 단일 축 상에서 측 방향으로 이동하거나 진동하는, 힘 발생 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    기판은 2 개의 축 상에서 측 방향으로 이동하거나 진동하는, 힘 발생 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    기판은 3 개의 축 상에서 측 방향으로 이동하거나 진동하고, 3 개의 축 중 하나는 회전되는, 힘 발생 방법.
  21. 제 12 항에 있어서,
    기판은 측 방향을 향하여 사인 곡선으로(sinusoidally) 진동하는, 힘 발생 방법.
  22. 제 12 항에 있어서,
    기판의 측 방향 속도와, 마찰을 감소시키는 진동의 온 또는 오프 상태 간의 위상 각은 힘의 방향 및 크기를 변화시키도록 변화되는, 힘 발생 방법.
  23. 제 12 항에 있어서,
    기판은 비-선형 움직임을 제공하기 위해 2 개의 축 상에서 측 방향으로 진동하는, 힘 발생 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    비-선형 움직임은 기판의 원형 움직임을 포함하는, 힘 발생 방법.
  25. 제 12 항에 있어서,
    기판은, 마찰을 감소시키는 효과를 만들도록 기판의 표면과 수직을 이룬 방향으로, 초음파 처리에 의해(ultrasonically) 진동하는, 힘 발생 방법.
  26. 제 12 항에 있어서,
    기판은 평평한 판을 포함하는, 힘 발생 방법.
  27. 제 12 항에 있어서,
    힘 발생 방법은 기판 표면의 평면에 힘의 장(force field)을 제공하기 위하여, 사용자 손가락 또는 물체의 위치에 반응하여 힘을 변화시키는 단계를 포함하는, 힘 발생 방법.
  28. 제 12 항에 있어서,
    기판은 상대적으로 높은 마찰 상태와 낮은 마찰 상태로 번갈아 진행되는, 힘 발생 방법.
  29. 제 12 항에 있어서,
    힘 발생 방법은 기판이 상대적으로 높은 마찰 상태로 되는 시간을 변화시키는 단계를 포함하는, 힘 발생 방법.
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