KR20140072620A - 햅틱 액추에이터 - Google Patents

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KR20140072620A
KR20140072620A KR1020120140338A KR20120140338A KR20140072620A KR 20140072620 A KR20140072620 A KR 20140072620A KR 1020120140338 A KR1020120140338 A KR 1020120140338A KR 20120140338 A KR20120140338 A KR 20120140338A KR 20140072620 A KR20140072620 A KR 20140072620A
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators

Abstract

본 발명은 휴대단말기 등에 장착되어 진동을 발생시켜 사용자가 휴대단말기의 사용시에 진동을 느낄 수 있도록 하는 햅틱 액추에이터로써, 특히 외부 충격에 강한 햅틱 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명의 햅틱 액추에이터는, 베이스와; 양단이 상기 베이스에 지지되는 진동판과; 전류가 인가되면 휨 변형되면서 상기 진동판에 진동을 발생시키는 압전소자와; 상기 진동판과 압전소자의 중심부를 감싸 결합시키고, 상단이 상기 진동판과 압전소자 중 어느 하나의 상면보다 상부로 돌출되는 이격부가 형성되어 있는 리테이너와; 상기 베이스의 상부에 장착되어 상기 진동판, 압전소자 및 리테이너를 덮는 커버; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

햅틱 액추에이터{Haptic actuator}
본 발명은 휴대단말기 등에 장착되어 진동을 발생시켜 사용자가 휴대단말기의 사용시에 진동을 느낄 수 있도록 하는 햅틱 액추에이터로써, 특히 외부 충격에 강한 햅틱 액추에이터에 관한 것이다.
근래에는 휴대단말기의 터치스크린 또는 터치패드를 통해 햅틱 피드백을 구현할 수 있는 햅틱 액추에이터가 이용되고 있으며, 다양하게 활용되고 있다.
이러한 햅틱 피드백은 압전물질(Piezoelectric material)에 의해 구현되며, 압력(기계적 에너지)을 가하면 전압(전기적 에너지)이 얻어지고(압전효과), 반대로 전압(전기적 에너지)을 가하면 압전물질 내에 압력 변화로 인한 부피나 길이의 증감(기계적 에너지)이 발생한다.(역압전효과)
등록특허공보 제10-1016208호에는 종래의 햅틱 액추에이터가 개시되어 있다.
도 1은 종래의 햅틱 액추에이터를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 햅틱 액추에이터는 케이스(41)의 내부에 진동판(11)이 고정수단(40)에 의해 고정되어 있고, 압전부재(12)에 의해 상기 진동판(11)이 진동하게 된다.
그러나 종래의 햅틱 액추에이터는 외부에서 강한 충격이 발생하면 진동판(11)과 압전부재(12)로 이루어진 진동부(10)가 사용변위 이상으로 변형되어 상기 진동판(11)과 압전부재(12)가 소성변형되거나 상기 압전부재(12)가 케이스(41)와 직접 충돌하여 파손될 우려가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제품의 충격 테스트나 햅틱 액추에이터가 장착된 휴대단말기에 강한 충격이 발생했을 때, 압전소자나 진동판이 소성변형되거나 케이스 또는 커버와 직접적으로 충돌하는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 햅틱 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 햅틱 액추에이터는, 베이스와; 양단이 상기 베이스에 지지되는 진동판과; 전류가 인가되면 휨 변형되면서 상기 진동판에 진동을 발생시키는 압전소자와; 상기 진동판과 압전소자의 중심부를 감싸 결합시키고, 상단이 상기 진동판과 압전소자 중 어느 하나의 상면보다 상부로 돌출되는 이격부가 형성되어 있는 리테이너와; 상기 베이스의 상부에 장착되어 상기 진동판, 압전소자 및 리테이너를 덮는 커버; 를 포함하여 이루어진다.
상기 베이스 또는 커버에는 상기 이격부의 양측에 인접하게 배치되어 상기 이격부의 횡방향 변위를 제한하는 절곡부가 형성된다.
상기 리테이너에 의해 상기 진동판에 결합되는 중량체를 더 포함하여 이루어지되, 상기 압전소자는 상기 진동판의 상부에 배치되고, 상기 중량체는 상기 진동판의 하부에 배치되며, 상면이 중심부에서 양측으로 하향 경사지게 형성되어 양측 단부로 갈수록 상기 진동판과의 사이가 멀어진다.
상기 진동판과 중량체 사이에 배치되는 미들댐퍼를 더 포함하여 이루어지되, 상기 중량체의 양단 상면에는 상기 미들댐퍼가 장착되는 장착부가 형성된다.
상기 베이스의 양단에는 상기 진동판을 지지하여 상기 진동판의 진동시에 휨 변형되면서 상기 베이스로 진동을 전달하는 탄성부가 형성되되, 상기 탄성부는, 상기 베이스의 하면 양단에서 수직으로 절곡 형성된 수직부와; 상기 수직부의 상단에서 상기 베이스의 내측 방향으로 수직 절곡되어 상기 진동판이 장착되는 수평부; 로 이루어진다.
상기 수직부 및 수평부는 상기 진동판의 두께보다 얇고, 상기 베이스 하면의 폭보다 좁다.
본 발명에 따른 햅틱 액추에이터는 다음과 같은 효과가 있다.
제품의 충격 테스트나 햅틱 액추에이터가 장착된 휴대단말기에 강한 충격이 발생하였을 때, 리테이너의 이격부에 의해 압전소자나 진동판이 커버와 직접적으로 충돌하는 것을 방지하여 압전소자 또는 진동판의 소성변형 및 파손에 의한 불량발생을 최소화함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 절곡부는 외부로부터 횡방향 충격 발생시에 이격부의 횡방향 이동을 제한함으로써, 진동판 및 압전소자의 길이방향 좌굴 및 소성변형을 방지할 수 있다.
또한, 중량체는 상면 중심부에서 양단으로 갈수록 하향 경사지게 형성됨으로써, 진동판과 중량체의 간섭에 의한 진동변위의 축소를 최소화한다.
또한, 수직부 및 수평부는 진동판의 두께보다 얇고, 하면부의 폭보다 좁게 형성됨으로써, 진동판이 진동할 때 함께 휨 변형되면서 진동변위를 증가시키고, 외부에서 강한 충격 발생시에 충격을 흡수하여 분산시킬 수 있다.
도 1은 종래의 햅틱 액추에이터를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 일방향 분해사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 타방향 분해사시도,
도 5는 도 2의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 구동상태도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 일방향 분해사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 타방향 분해사시도이고, 도 5(a)는 도 2의 A-A선을 취하여 본 단면도이며, 도 5(b)는 도 2의 B-B선을 취하여 본 단면도이고, 도 6(a)는 진동판이 상방향으로 볼록하게 휨 변형되어 진동부가 상승된 상태를 나타낸 도면이며, 도 6(b)는 진동판이 하방향으로 오목하게 휨 변형되어 진동부가 하강된 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터는 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 베이스(100), 진동판(200), 압전소자(300), 중량체(400), 리테이너(500) 및 커버(600)로 이루어진다.
상기 베이스(100)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 하면부(101), 측면부(102) 및 탄성부(110)로 이루어진다.
상기 측면부(102)는 상기 하면부(101)에서 절곡 형성되어 상기 베이스(100)의 정면 및 배면이 되며, 상기 베이스(100)에 뒤틀림이 발생하는 것을 최소화한다.
상기 탄성부(110)는 상기 베이스(100)의 양단에서 상기 진동판(200)을 지지한다.
구체적으로 상기 탄성부(110)는 상기 하면부(101) 양단에서 수직 상방향으로 절곡 형성된 수직부(111)와 상기 수직부(111)의 상단에서 상호 마주보는 방향인 상기 베이스(100)의 내측 방향으로 수직 절곡되어 상기 하면부(101)와 평행하게 배치되는 수평부(112)로 이루어진다.
상기 수평부(112)에는 상기 진동판(200)의 양단이 각각 장착된다.
이러한 상기 수직부(111) 및 수평부(112)는 상기 진동판(200)의 두께보다 얇고, 상기 베이스(100) 하면의 폭보다 좁다.
이와 같이 상기 수직부(111) 및 수평부(112)는 상기 진동판(200)의 두께보다 얇고, 상기 하면부(101)의 폭보다 좁게 형성됨으로써, 상기 진동판(200)과 상기 베이스(100)의 하면부(101)에 비해 상대적으로 강성이 낮기 때문에 휨 변형되기 용이하여 상기 진동판(200)이 진동할 때, 상기 수직부(111)와 수평부(112)가 함께 휨 변형되면서 상기 진동판(200), 압전소자(300), 중량체(400) 및 리테이너(500)로 이루어진 진동부의 진동변위를 증가시키게 된다.
또한, 상기 탄성부(110)는 외부에서 강한 충격 발생시에 상기 진동부가 받는 충격을 분산시키는 역할을 한다.
상기 진동판(200)은 도 5(a)에 도시된 바와 같이 양단이 상기 베이스(100)에 지지된다.
즉, 상기 진동판(200)의 양단은 상기 수평부(112)에 장착되어 상기 탄성부(110)와 함께 휨 변형되면서 진동한다.
상기 진동판(200)은 낙하충격 등 외부에서 강한 충격이 발생했을 때, 사용변위 이상 변형이 발생하여 소성변형되거나 파손되는 것을 방지하기 위하여 그 두께를 두껍게 제작하였고, 이에 따른 상기 진동판(200)의 변위감소를 보완하고 공진 주파수의 증가를 개선하기 위하여 상기 탄성부(110)의 두께를 상기 진동판(200)의 두께보다 얇게 제작하여 상기 진동판(200)과 함께 상기 탄성부(110)가 휨 변형되도록 하였다.
상기 압전소자(300)는 상기 진동판(200)의 상부에 장착되고, 전류가 인가되면 휨 변형되면서 상기 진동판(200)에 진동을 발생시킨다.
상기 압전소자(300)는 회로기판(301)(FPCB)과 연결되어 전원을 공급받는다.
상기 중량체(400)는 상기 진동판(200)의 하부에 배치되어 상기 진동판(200)의 진동시 상기 진동판(200)과 함께 상하로 진동한다.
상기 중량체(400)는 상기 진동부의 중량을 증가시켜 진동력을 증대시킨다.
이러한 상기 중량체(400)는 상기 리테이너(500)에 의해 중심부가 상기 진동판(200)에 결합되며, 상면이 중심부에서 양측으로 하향 경사지게 형성되어 양측 단부로 갈수록 상기 진동판(200)과의 사이가 멀어진다.
그리고 상기 중량체(400)의 양단 상면에는 상기 진동판(200)과 평행한 장착부(410)가 형성된다.
상기 장착부(410)에는 미들댐퍼(420)가 장착되어 상기 진동판(200)과 중량체(400) 사이에 배치된다.
상기 중량체(400)는 전류가 인가된 압전소자(300)에 의해 상기 진동판(200)이 상하로 휨 변형되면 상기 진동판(200)과 함께 상하로 진동하게 된다.
이때, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 상기 진동판(200)이 상방향으로 볼록하게 휨 변형되면, 상기 중량체(400)가 상기 진동판(200)의 중심부와 함께 상승하면서 상기 장착부(410)에 장착된 미들댐퍼(420)가 상기 진동판(200)의 양단 하면에 충돌하게 된다.
이와 같이 상기 진동판(200)과 중량체(400)가 상기 미들댐퍼(420)를 사이에 두고 상호 충돌하면서 진동하기 때문에 직선형 중량체(400)의 경우, 상기 진동판(200)의 양단 하면과 상기 중량체(400)의 양단 상면 사이의 거리가 짧기 때문에 상기 진동부의 진동변위가 감소하게 된다.
하지만 본 실시예에서는 상기 중량체(400)의 상면 형상을 중심부에서 상기 장착부(410)가 형성되어 있는 양단으로 갈수록 하향 경사지게 형성함으로써, 상기 진동판(200)과 중량체(400)가 상기 미들댐퍼(420)를 사이에 두고 상호 충돌하면서도 상기 진동부의 진동변위를 최대한 확보할 수 있도록 하였다.
상기 리테이너(500)는 상기 진동판(200), 압전소자(300), 중량체(400)의 중심부를 감싸 결합시키고, 상기 진동판(200), 압전소자(300) 및 중량체(400)와 함께 상하로 진동한다.
상기 리테이너(500)에는 도 5에 도시된 바와 같이 상단이 상기 압전소자(300)의 상면보다 상부로 돌출되는 이격부(510)가 형성되어 있다.
이에 따라 낙하충격 등과 같이 외부로부터 강한 충격 발생시 상기 이격부(510)의 상단이 상기 커버(600)에 먼저 충돌하여 상기 압전소자(300)와 진동판(200)의 변위를 제한함으로써, 상기 압전소자(300)와 진동판(200)이 사용변위 이상으로 변형되는 것을 방지할 수 있고, 상기 압전소자(300)와 커버(600)와의 직접적인 충돌에 의한 파손을 방지할 수 있다.
상기 이격부(510)는 상기 진동부의 정상적인 구동상태에서는 상기 커버(600)와 충돌하지 않으며, 전술한 바와 같은 비정상적인 충격 발생시에는 상기 커버(600)와 강하게 충돌하게 되기 때문에, 상기 리테이너(500)는 상기 진동판(200), 압전소자(300) 및 중량체(400)의 결합을 안정적으로 유지하면서 강한 충격을 흡수하여 감소시킬 수 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 리테이너(500)의 하부에는 하부댐퍼(520)가 장착된다.
상기 진동판(200)이 상기 압전소자(300)에 의해 진동할 때 상기 리테이너(500)도 함께 진동하며, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 상기 진동판(200)이 하방향으로 오목하게 휨 변형되면 상기 리테이너(500)의 하부에 장착된 상기 하부댐퍼(520)가 상기 베이스(100) 즉, 상기 하면부(101)에 충돌하게 된다.
상기 하부댐퍼(520)는 이러한 충돌에 의한 충격을 흡수한다.
상기 커버(600)는 상기 베이스(100)의 상부에 장착되어 상기 진동판(200), 압전소자(300) 및 리테이너(500)를 덮는다.
상기 커버(600)는 상기 베이스(100)와의 조립을 용이하게 하기 위하여 테두리에 가이드부(G)를 형성할 수도 있다.
그리고 상기 커버(600)는 하부로 절곡 형성되어 상기 이격부(510)의 양측에 인접하게 배치되는 절곡부(610)를 포함한다.
상기 절곡부(610)는 외부로부터 횡방향(커버의 길이방향) 충격 발생시에 상기 이격부(510)의 횡방향 이동을 제한함으로써, 상기 진동판(200) 및 압전소자(300)의 길이방향 좌굴 및 소성변형을 방지할 수 있다.
상기 절곡부(610)는 상기 이격부(510)와 길이방향 측면이 상호 접촉하게 되어, 접촉면적이 넓기 때문에 상호 충돌에 의한 충격을 분산시켜 상호 충돌에 의한 손상을 방지할 수 있다.
그리고 상기 커버(600)의 하면 양측에는 상부댐퍼(620)가 장착된다.
상기 상부댐퍼(620)는 외부에서 강한 충격 발생시에 상기 진동판(200)이 비정상적인 변형에 의해 상기 커버(600)에 직접적으로 충돌하여 파손되는 것을 방지한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 작동 구조에 대하여 상세히 알아본다.
상기 회로기판(301)을 통해 상기 압전소자(300)에 전류가 인가되면 상기 압전소자(300)에 의해 상기 진동판(200)이 휨 변형되면서 상하로 진동한다.
이때, 상기 탄성부(110)가 함께 휨 변형됨으로써, 상기 진동판(200)을 상대적으로 두껍게 형성하여 강성을 높임으로써, 외부의 강한 충격에 의한 내구성을 향상시키면서 상기 진동부의 진동변위를 유지할 수 있다.
한편, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 상기 진동부가 진동하면서 상방향으로 볼록하게 휨 변형되면 상기 중량체(400)가 상승하면서 상기 장착부(410)에 장착된 미들댐퍼(420)가 상기 진동판(200)의 하면에 충돌한다.
그리고 도 6(b)에 도시된 바와 같이 상기 진동판(200)이 하방향으로 오목하게 휨 변형되면 상기 중량체(400) 및 리테이너(500)가 하강하면서, 상기 리테이너(500)의 하부에 장착된 상기 하부댐퍼(520)가 상기 베이스(100)의 하면부(101)에 충돌한다.
이와 같이 상기 진동판(200)의 진동시에 반복적인 충돌이 계속해서 발생한다.
이는, 상기 진동부가 충돌에 의해 이동방향이 전환됨으로써, 일반적인 비충돌방식의 액추에이터와 비교하여 더 높은 주파수 대역에서 동일한 최대 가속도에 도달하게 되어 더욱 신속하고 섬세한 진동반응을 제공할 수 있다.
그리고 상기 미들댐퍼(420)와 하부댐퍼(520)는 공진주파수 위치에서 충돌에 의해 발생할 수 있는 파형 왜곡과 충돌 소음을 감소시킬 수 있다.
한편, 햅틱 액추에이터의 낙하시험이나 사용자의 부주의에 의한 강한 충격 발생시에는 상기 탄성부(110)가 함께 변형되면서 충격을 흡수하고 상기 진동판(200) 및 압전소자(300)의 과도한 변형을 방지하며, 상기 리테이너(500)의 이격부(510)가 상기 커버(600)에 접촉하여 상기 진동부의 상승변위를 제한함으로써, 상기 압전소자(300)와 커버(600)의 직접적인 충돌을 방지하고, 상기 압전소자(300)와 진동판(200)의 소성변형 및 파손을 최소화할 수 있다.
본 발명인 햅틱 액추에이터는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
100 : 베이스, 101 : 하면부, 102 : 측면부, 110 : 탄성부, 111 : 수직부, 112 : 수평부,
200 : 진동판,
300 : 압전소자, 301 : 회로기판
400 : 중량체, 410 : 장착부, 420 : 미들댐퍼,
500 : 리테이너, 510 : 이격부, 520 : 하부댐퍼,
600 : 커버, 610 : 절곡부, 620 : 상부댐퍼,

Claims (6)

  1. 베이스와;
    양단이 상기 베이스에 지지되는 진동판과;
    전류가 인가되면 휨 변형되면서 상기 진동판에 진동을 발생시키는 압전소자와;
    상기 진동판과 압전소자의 중심부를 감싸 결합시키고, 상단이 상기 진동판과 압전소자 중 어느 하나의 상면보다 상부로 돌출되는 이격부가 형성되어 있는 리테이너와;
    상기 베이스의 상부에 장착되어 상기 진동판, 압전소자 및 리테이너를 덮는 커버; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스 또는 커버에는 상기 이격부의 양측에 인접하게 배치되어 상기 이격부의 횡방향 변위를 제한하는 절곡부가 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 리테이너에 의해 상기 진동판에 결합되는 중량체를 더 포함하여 이루어지되,
    상기 압전소자는 상기 진동판의 상부에 배치되고,
    상기 중량체는 상기 진동판의 하부에 배치되며, 상면이 중심부에서 양측으로 하향 경사지게 형성되어 양측 단부로 갈수록 상기 진동판과의 사이가 멀어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 진동판과 중량체 사이에 배치되는 미들댐퍼를 더 포함하여 이루어지되,
    상기 중량체의 양단 상면에는 상기 미들댐퍼가 장착되는 장착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스의 양단에는 상기 진동판을 지지하여 상기 진동판의 진동시에 휨 변형되면서 상기 베이스로 진동을 전달하는 탄성부가 형성되되,
    상기 탄성부는,
    상기 베이스의 하면 양단에서 수직으로 절곡 형성된 수직부와;
    상기 수직부의 상단에서 상기 베이스의 내측 방향으로 수직 절곡되어 상기 진동판이 장착되는 수평부; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수직부 및 수평부는 상기 진동판의 두께보다 얇고, 상기 베이스 하면의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
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