KR20140109292A - 선형 공진 액추에이터를 구비한 햅틱 디바이스 - Google Patents

선형 공진 액추에이터를 구비한 햅틱 디바이스 Download PDF

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KR20140109292A
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후안 마누엘 크루즈-헤르난데즈
리 지앙
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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

햅틱 출력 디바이스는 햅틱 효과를 발생시키도록 구성된 액추에이터, 및 액추에이터에 구동 신호를 전달하고 구동 신호가 종결되어 햅틱 효과를 발생시키기 전 또는 이와 동시에 액추에이터에 제동 신호를 전달하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 제동 신호는 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고, 구동 신호와 위상이 반대이다.

Description

선형 공진 액추에이터를 구비한 햅틱 디바이스{HAPTIC DEVICE WITH LINEAR RESONANT ACTUATOR}
본 발명은 햅틱 디바이스용 선형 공진 액추에이터에 관한 것이다.
전자 디바이스 제조사들은 사용자를 위한 리치 인터페이스(rich interface)를 생산하려고 노력하고 있다. 종래의 디바이스들은 시각적 큐(cue) 및 청각적 큐를 사용하여 사용자에게 피드백을 제공한다. 일부 인터페이스 디바이스에서, (능동적 저항력 피드백(active and resistive force feedback)과 같은) 운동감각적 피드백(kinesthetic feedback) 및/또는 (진동, 감촉(texture), 및 열과 같은) 촉감 피드백(tactile feedback)도 사용자에게 제공되는데, 더 일반적으로 “햅틱 피드백” 또는 “햅틱 효과”라고 알려져 있다. 햅틱 피드백은 사용자 인터페이스를 향상시키고 간략화하는 큐들을 제공할 수 있다. 구체적으로, 전자 디바이스들의 사용자에게 특정 이벤트들을 알리거나, 시뮬레이션 또는 가상 환경 내에 더 큰 감각적 몰입(sensory immersion)을 불러 일으키기 위한 사실적인 피드백을 제공하기 위한 큐를 제공함에 있어, 진동 효과(vibration effect) 또는 진동촉감 햅틱 효과(vibrotactile haptic effect)가 유용할 수 있다.
진동 효과들을 발생시키기 위해, 많은 디바이스가 일부 타입의 액추에이터 또는 햅틱 출력 디바이스를 활용한다. 이를 위해 사용되는 공지된 햅틱 출력 디바이스들은 편심 질량체(eccentric mass)가 모터에 의해 이동되는 ERM(Eccentric Rotating Mass)와 같은 전자기 액추에이터, 스프링에 부가된 질량체가 앞뒤로 구동되는 LRA(Linear Resonant Actuator), 또는 압전 전기능동 폴리머 또는 형상 메모리 합금과 같은 “스마트 소재”를 포함한다. 햅틱 출력 디바이스들은 또한 ESF(electrostatic friction) 및 USF(ultrasonic surface friction)를 사용하는 디바이스, 초음파 햅틱 트랜스듀서를 이용하여 음향 방사 압력을 유도하는 디바이스, 햅틱 기판 및 플렉서블 또는 변형 가능 표면을 사용하는 디바이스, 또는 에어 제트(air jet) 등을 사용하여 공기의 퍼프(puff)와 같은 계획된 햅틱 출력을 제공하는 디바이스와 같은 비-기계식 또는 비-진동식 디바이스를 폭넓게 포함한다.
햅틱 피드백 구조들의 개발로 인해 더 작고 더 콤팩트한 디바이스가 가능하다. 고해상도를 갖는 디스플레이 스크린들이 증가함에 따라, 고해상도(HD) 햅틱 피드백에 대한 필요성 또한 증가하였다. 압전 기반 선형 공진 액추에이터들은 터치 스크린 표면들 및 다른 애플리케이션을 위한 차세대 HD 햅틱 액추에이터들일 수 있다. 공진 액추에이터의 특성으로 인해, 압전 기반 선형 공진 액추에이터가 약간 "버지(buzzy)”한 햅틱 피드백을 생성할 수 있는데, 이는 작동 신호(actuation signal)가 중단된 후 압전 선형 공진 액추에이터가 일정 시간 동안 계속 진동하게 하는 액추에이터의 낮은 감쇠비(damping ratio)에 의해 일어난다. 이러한 잔류 진동(vibration residue)을 가능한 한 빨리 종결시키는 것이 바람직하다. 폐루프 제어 전략들은 “버징(buzzing)”을 감소시키기 위해 사용되었음에도 불구하고, 감지 및 약간의 계산 능력을 실시간으로 요구하는데, 이는 액추에이터의 비용을 추가시킨다.
시스템의 비용을 증가시키지 않고, 선형 공진 액추에이터, 즉 압전 기반 선형 공진 액추에이터의 성능을 개선하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 외부 센서를 사용하지 않는 개루프 제동 전략(open loop braking strategy)을 활용하는 디바이스 및 방법들이 제공된다.
본 발명의 양태에 따르면, 햅틱 효과를 발생시키도록 구성된 액추에이터, 및 구동 신호를 액추에이터에 전달하고, 구동 신호가 종결되어 햅틱 효과를 발생시키기 전 또는 이와 동시에 제동 신호를 액추에이터에 전달하도록 구성된 프로세서를 포함하는 햅틱 출력 디바이스가 제공된다. 제동 신호는 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고, 구동 신호와 위상이 반대이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 프로세서 및 액추에이터를 포함하는 햅틱 출력 디바이스를 이용하여 햅틱 효과를 생산하는 방법이 제공된다. 이 방법은 프로세서를 이용하여 구동 신호를 발생시키는 단계; 구동 신호를 액추에이터에 전달하여 액추에이터를 구동하는 단계, 및 프로세서를 이용하여 제동 신호를 발생시키는 단계를 포함한다. 제동 신호는 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고, 구동 신호와 위상이 반대이다. 이 방법은 또한 구동 신호의 전달이 종결되기 전 또는 이와 동시에 액추에이터에 제동 신호를 전달하여 액추에이터를 제동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 사용자로부터 입력을 수신하도록 구성된 터치 스크린 디바이스 및 사용자로부터의 입력에 응답하여 햅틱 효과를 발생시키도록 구성된 햅틱 디바이스를 포함하는 전자 디바이스가 제공된다. 햅틱 디바이스는 액추에이터, 및 액추에이터에 구동 신호를 전달하고, 구동 신호가 종결되어 햅틱 효과를 발생시키기 전 또는 이와 동시에 액추에이터에 제동 신호를 전달하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 제동 신호는 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고, 구동 신호와 위상이 반대이다.
다음의 도면의 컴포넌트들은 본 개시의 일반적인 원리를 강조하기 위해 예시된 것이며, 반드시 크기대로 도시된 것은 아니다. 대응 컴포넌트들을 지정하는 참조 부호들은 일관성 및 명확성을 위해 도면들 전체에 걸쳐 필요에 따라 반복된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1의 전자 디바이스에 사용될 수 있는 햅틱 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 햅틱 디바이스의 액추에이터의 개략도를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 햅틱 디바이스의 액추에이터의 개략도를 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 햅틱 디바이스의 액추에이터를 구동하는데 사용될 수 있는 구동 신호를 예시한다.
도 6은 도 5의 구동 신호, 및 구동 신호에 응답하여 시간에 따라 도 2의 햅틱 디바이스에서의 액추에이터의 가속을 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 햅틱 디바이스의 액추에이터를 제동하는데 사용될 수 있는 제동 신호를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 7의 제동 신호와 함께 도 5의 구동 신호를 예시하는데, 구동 신호가 종결되는 것과 동시에 제동 신호가 시작되는 것을 예시한다.
도 9는 도 7의 제동 신호와 함께 도 5의 구동 신호를 예시하는데, 제동 신호는 구동 신호가 종결되기 전에 시작되는 것을 예시한다.
도 10은 도 9의 구동 신호 및 제동 신호, 및 구동 신호 및 제동 신호에 응답하여 시간에 따라 도 2의 햅틱 디바이스에서의 액추에이터의 가속을 예시한다.
도 11은 도 9의 제동 신호 없이 도 9의 동일한 구동 신호에 응답하여 시간에 따라 도 2의 햅틱 디바이스에서의 액추에이터의 가속을 예시한다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따라 햅틱 효과를 발생시키는 방법을 예시한다.
본 개시는 사용자 인터페이스, 휴먼-컴퓨터 인터페이스, 또는 액추에이터들이 존재하는 사용자 디바이스의 다른 부위들을 통해 사용자에 햅틱 효과들을 부과하는 햅틱 피드백 액추에이터들을 포함하는 햅틱 디바이스들의 실시예들을 설명한다. 특히, 여기에 설명된 햅틱 디바이스들의 실시예들은 사용자 디바이스의 터치 감지 표면에 햅틱 효과를 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 터치 감지 표면은 비주얼 출력 메커니즘 및 터치 감지 입력 메커니즘 양자 모두를 포함할 수 있는 디스플레이 디바이스의 일부일 수 있다. 이에 따라, 햅틱 피드백은 사용자에 풍부한 감각적 경험을 제공하기 위한 전자 핸드핼드 디바이스들과 같은 사용자 디바이스들에 인가될 수 있다.
여기에 설명된 예시들의 상당수가 터치 스크린 디바이스에 관한 것이지만, 본 개시는 터치 감지 구조들을 포함하는 다른 타입의 휴먼-컴퓨터 인터페이스들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 그 밖의 다른 특징 및 이점들은 본 개시의 일반적인 원리들을 읽고 이해할 때 당업자에게 명백해질 것이다. 이들 다른 특징 및 이점들은 또한 본 개시에 포함되는 것으로 간주된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 디바이스(10)의 블록도이다. 예시된 바와 같이, 전자 디바이스(10)는 프로세싱 디바이스(예를 들어, 프로세서)(12), 메모리 디바이스(14), 및 입출력 디바이스(16)를 포함하는데, 이들은 버스(18)를 통해 서로 연결된다. 일 실시예에서, 입출력 디바이스(16)는 터치 스크린 디바이스(20) 또는 다른 휴먼-컴퓨터 인터페이스 디바이스들을 포함할 수 있다.
터치 스크린 디바이스(20)는 임의의 적절한 휴먼-컴퓨터 인터페이스 또는 터치/접촉 표면 어셈블리로서 구성될 수 있다. 터치 스크린 디바이스(20)는 임의의 터치 스크린, 터치 패드, 터치 감지 구조, 컴퓨터 모니터, 랩톱 디스플레이 디바이스, 워크북 디스플레이 디바이스, 키오스크(kiosk) 스크린, 휴대용 전자 디바이스 스크린, 또는 다른 적절한 터치 감지 디바이스일 수 있다. 터치 스크린 디바이스(20)는 스타일러스(stylus), 손가락 등의 사용자 제어 디바이스와의 물리적 인터페이스를 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 터치 스크린 디바이스(20)는 적어도 하나의 출력 디바이스 및 적어도 하나의 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터치 스크린 디바이스(20)는 사용자의 손가락으로부터 입력을 수신하기 위해 비주얼 디스플레이 및 그 위에 덧붙여진 터치 감지 스크린을 포함할 수 있다. 비주얼 디스플레이는 고해상도 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 터치 스크린 디바이스(20)는 전자 디바이스(10)의 적어도 일부에 햅틱 피드백을 제공하는데, 이는 전자 디바이스(10)와 접촉하는 사용자에게 전달될 수 있다. 특히, 터치 스크린 디바이스(20)는 햅틱 피드백을 터치 스크린 자체에 제공하여 사용자가 스크린에 접촉하면 햅틱 효과를 부여할 수 있다. 햅틱 효과는 사용자 경험을 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 특히 사용자가 터치 스크린 디바이스(20)에 의해 검출될 만큼 충분히 스크린과 접촉했다는 확신을 사용자에게 제공할 수 있다.
전자 디바이스(10)는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 전자 워크북, (모바일폰, 게임용 디바이스, PDA(personal digital assistant), 휴대용 이메일 디바이스, 휴대용 인터넷 액세스 디바이스, 계산기 등과 같은) 전자 핸드헬드 디바이스, (자동 텔러(teller) 기계, 티킹(ticking) 구매 기계 등) 키오스크, 프린터, 판매시점 디바이스, 게임 컨트롤러, 또는 그 밖의 전자 디바이스일 수 있다.
프로세싱 디바이스(12)는 전자 디바이스(10)의 동작 및 기능을 관리 또는 제어하는 범용 또는 전용 프로세서 또는 마이크로컨트롤러일 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 디바이스(12)는 ASIC(application-specific integrated circuit)로서 특히 고안되어 출력 신호들을 입출력 디바이스(16)의 드라이버로 제어하여 햅틱 효과들을 제공할 수 있다. 프로세싱 디바이스(12)는 소정의 요인들에 기반하여 재생될 햅틱 효과들, 햅틱 효과들이 재생되는 순서, 및 햅틱 효과들의 크기, 주파수, 지속 시간, 및/또는 다른 파라미터들을 결정하도록 구성될 수 있다. 프로세싱 디바이스(12)는 또한 특별한 햅틱 효과를 제공하기 위해 햅틱 액추에이터들을 구동하는데 사용될 수 있는 스트리밍 모터 커맨드들을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세싱 디바이스(12)는 각각 전자 디바이스(10) 내의 일정한 기능들을 수행하도록 구성된 복수의 프로세서를 실제 포함할 수 있다.
메모리 디바이스(14)는 하나 이상의 내부 고정 저장 유닛, 착탈식 저장 유닛, 및/또는 원격 액세스 가능 저장 유닛을 포함할 수 있다. 다양한 저장 유닛들은 휘발성 메모리 및 비휘발성 메모리의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 저장 유닛들은 정보, 데이터, 명령, 소프트웨어 코드 등의 임의의 조합을 저장하도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 저장 디바이스들은 햅틱 효과 프로파일들, 입출력 디바이스(16)의 햅틱 작동 디바이스들이 구동되는 방법에 관한 명령어들, 또는 햅틱 효과들을 발생시키기 위한 다른 정보를 포함할 수 있다.
터치 스크린 디바이스(20)뿐만 아니라, 입출력 디바이스(16)는 또한 특정 입력 메커니즘 및 출력 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 메커니즘은 키보드, 키패드, 커서 제어 디바이스(예를 들어, 컴퓨터 마우스), 또는 데이터 입력 디바이스와 같은 이러한 디바이스를 포함할 수 있다. 출력 메커니즘은 컴퓨터 모니터, 가상 현실 디스플레이 디바이스, 오디오 출력 디바이스, 프린터, 또는 다른 주변 디바이스들을 포함할 수 있다. 입출력 디바이스(16)는 터치 스크린 디바이스들의 여러 예시와 같이 사용자로부터 입력을 수신할 뿐만 아니라 사용자에게 피드백을 제공하도록 고안된 메커니즘들을 포함할 수 있다. 터치 스크린 디바이스(20) 및 그 밖의 다른 입출력 디바이스(16)는 버튼, 키패드, 커서 제어 디바이스, 터치 스크린 컴포넌트, 스타일러스 수신 컴포넌트, 또는 다른 데이터 입력 컴포넌트의 임의의 적절한 조합 및 구성을 포함할 수 있다. 터치 스크린 디바이스(20)는 또한 컴퓨터 모니터, 디스플레이 스크린, 터치 스크린 디스플레이, 햅틱 또는 촉감 액추에이터, 햅틱 효과 디바이스, 또는 사용자에게 출력을 제공하기 위한 그 밖의 통지 디바이스들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 입출력 디바이스(16)의 일부로서 사용될 수 있는 햅틱 디바이스(100)의 일 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 햅틱 디바이스(100)는 프로세서(102) 및 프로세서(102)와 신호로 통신하는 액추에이터(104)를 포함한다. 프로세서(102)는 상세히 후술되는 바와 같이, 액추에이터(104)와의 통신을 위한 구동 신호 및 제동 신호를 발생시키도록 구성된 신호 발생기(106)를 포함한다. 액추에이터(104)는 선형 공진 액추에이터와 같은 공진 액추에이터일 수 있다. 햅틱 디바이스(100)에 사용될 수 있는 액추에이터의 비제한적 실시예들이 후에 더 설명된다.
도 3은 104'로 표현된 도 2의 액추에이터(104)의 일 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 액추에이터(104')는 제1 전극층(107), 압전층(piezoelectric layer; 108), 및 제2 전극층(109)을 포함하는 적층 구조이다. 압전층은 복합 압전 재료로 형성될 수 있다. 제1 전극층(107) 및 제2 전극층(109)은 압전층(108)의 서로 맞은편에 형성될 수 있고, 액추에이터 구동 회로(110)를 포함할 수 있는 도 2의 신호 발생기(106)에 연결될 수 있다. 액추에이터 구동 회로(110)는 압전층(108)을 시뮬레이션하여 이를 확장 또는 수축하도록 구성되며, 이로써 사용자에 의해 감지될 수 있는 햅틱 효과를 발생시킨다. 제1 전극층(107) 및 제2 전극층(109)은 액추에이터 구동 회로(110)로부터의 신호들이 압전층(40)에 걸쳐 분배되도록 하기 위한 전기 전도층들이다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 전극층(107 및 109)은 압전층(108)에 걸쳐 신호들을 동등하게 분배한다.
도 4는 104"로 표현된 도 2의 액추에이터(104)의 일 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 액추에이터(104")는 압전 벤더(piezoelectric bender; 112)의 약간의 움직임도 억제하는 방식으로 압전 벤더(112)를 홀딩하도록 구성된 홀더(114)에 의해 일단 또는 그 근처에서 지지되는 얇고 긴 본체를 갖는 압전 벤더(112)를 포함한다. 압전 벤더들은 공지되어 있으며, 일반적으로 압전 세라믹 소재의 적어도 하나의 층 및 금속 기판의 적어도 하나의 층을 포함한다. 홀더(114) 반대편의 압전 벤더(112)의 일단에 질량체(mass; 116)가 부착된다. 질량체(116)는 접착제와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 압전 벤더(112)에 연결될 수 있다. 도 4에 예시된 바와 같이, 압전 벤더(112)는 프로세서(102)로부터의 입력 신호에 기반하여 전기 구동 신호를 발생시키도록 구성된 구동 회로(110)에 연결될 수 있다. 전기 구동 신호가 압전 벤더(112)의 2개의 표면에 걸쳐 압전 벤더(112)에 인가되는 경우, 압전 벤더(112)는 어긋나기 시작할 것이다. 도 5에 예시된 바와 같이, 사인파 구동 신호(120)를 제공하는 등의 신호의 진폭을 달라지게 함으로써 압전 벤더(112)가 진동할 것이다.
구동 회로(110)에 의해 제공된 구동 신호의 주파수 및 진폭, 압전 벤더(112)의 고유 기계 공진 주파수, 압전 벤더의 길이, 및 질량체(116)의 사이즈는 압전 벤더(112)의 진동의 주파수 및 진폭 및 햅틱 디바이스(100)에 의해 제공된 햅틱 효과를 제어할 것이다. 적절한 전압이 압전 벤더(112)에 인가되는 경우, 압전 벤더(112)는 고정단으로부터 구부러져서 질량체(116)를 앞뒤도 이동시킨다. 질량체(116)의 움직임은 부착된 시스템에 가속을 제공한다. 도 5에는 구동 신호(120)가 사인파로서 예시되어 있지만, 본 발명의 실시예들은 이로 제한되는 않는다. 예를 들어, 구동 신호(120)는 공지된 바와 같은 삼각형, 사각형 등의 형상을 가질 수 있다. 예시된 실시예들은 제한적이지 않은 것으로 간주된다.
도 3 및 도 4에 예시된 압전 선형 공진 액추에이터들(104' 및 104" )과 같은 공진 액추에이터는 일반적으로 휴대 전화 및 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 디바이스에 사용된다. 액추에이터(104)가 작동되는 경우, 사용자들은 전자 디바이스(10)에 대한 진동 가속을 통해 햅틱 피드백을 느낀다. 도 6은 사인파 전압 신호인 구동 신호(120) 및 구동 신호(120)에 응답하여 참조 부호(122)로 표현된 전자 디바이스(10)에 대해 측정된 가속의 플롯(plot)의 예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 구동 신호(120)가 3개의 사이클을 위해 인가된다. 앞서 주목한 바와 같이, 공진 액추에이터의 특성으로 인해, 전술한 액추에이터(104)의 실시예들과 같은 압전 기반 선형 공진 액추에이터가 약간 "버지(buzzy)”인 햅틱 피드백을 생성할 수 있는데, 이는 도 6에 예시된 바와 같이 구동 신호(120)가 종료된 후 압전 선형 공진 액추에이터가 일정 시간 동안 계속 진동하도록 액추에이터(104)의 낮은 감쇠비(damping ratio)로 인해 일어난다. 도 6에서 가속 신호(122)의 마지막 부분(124)에 의해 예시된 바와 같이, 구동 신호(120)가 종료된 후 전자 디바이스(10)는 40ms 이상 계속 진동하는데, 사용자에 의해 버징(buzzing) 또는 링잉(ringing)으로서 인식될 수 있다. 이러한 마지막 부분(124)은 사용자가 일반적으로 선호하지 않는 전자 디바이스(10)에 대한 버징 또는 링잉 느낌을 생성한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 구동 신호(120)가 종결된 후 액추에이터(104)가 공진하는 것을 중단시키는데, 도 7에 예시된 바와 같이, 액추에이터(104)의 공진 주파수 또는 그 주변에서 역위상인 제동 신호(130)가 사용된다. 제동 신호는 임의의 소정의 신호로서 공지된 바와 같은 하나 이상의 사인파 사이클, 연속 또는 불연속, 삼각 신호 또는 사각 신호 등일 수 있다. 예시된 실시예들은 제한적이지 않은 것으로 간주된다. 본 발명의 실시예들에서, 제동 신호(130)는 액추에이터(104)의 공진 주파수와 거의 동일하지만, 반전 위상을 가질 수 있다. 위상 시프트가 반드시 180°, 즉 반전 위상이 아니라, 항상 공진(예를 들어, 200Hz에서 공진) 상태인 것은 아닌 액추에이터(104)의 구동 신호(120)의 주파수(예를 들어, 100Hz, 150Hz, 200Hz)에 따라 약간 다른 값일 수 있다.
제동 펄스(130)의 주파수가 액추에이터(104)의 공진 주파수에 매우 민감하지 않아서 우수한 제동 결과를 이루었다는 점이 실험적으로 알려졌다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제동 신호(130)의 주파수는 약간의 백분율 값(~10%)만큼 떨어져서 여전히 수용 가능 제동 결과를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 액추에이터의 공진 주파수에서의 일 사이클(one cycle) 또는 반 사이클(one-half cycle)의 사인파 제동 신호(130)가 액추에이터를 제동하는데 사용된다. 제동 신호(130)는 정확한 순간에 인가되어야 하는데, 그 이유는 제동 신호가 부정확한 순간에 인가되면, 제동 신호는 시스템을 위한 제동을 공급하는 것 대신 시스템을 실제 더 여기시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 신호(120)의 종결에 대한 제동 신호(130)의 인가 시점은 전자 디바이스(10) 및 액추에이터(104)의 수학 모델로부터 계산될 수 있다. 구동 신호(120)가 생성될 때, 시스템은 강제 진동 모드에 있다. 일단 구동 신호(120)가 종결되거나 종료되면, 시스템의 진동 주파수는 시스템의 공진 주파수로 변경될 것이다. 액추에이터(104)를 제동하기 위해 시스템의 공진 주파수 및 시스템의 공진 주파수에서의 가속의 반대 위상의 사인파 제동 신호(130)가 발생되어 액추에이터(104)에 전달됨으로써 “버징”이 감소될 것이라고 판단되었다. 비록 제동 신호(130)가 다수의 사이클의 사인파 신호일 수 있지만, 우수한 제동 효과를 이루기 위해 일반적으로 일 사이클이면 충분하다고 밝혀졌다.
일 실시예에서, 제동 신호(130)의 인가 시점이 실험적으로 판단될 수 있다. 예를 들어, 실험을 통해, 공진 주파수에서의 사인파 신호의 일 사이클이 우수한 제동 결과들을 이루기에 충분하다고 밝혀졌다. 제동 신호 주파수 및 사이클 횟수뿐 아니라, 제동 신호(130)의 시작점 및 제동 신호(130)의 진폭이 실험적으로 판단될 수 있다. 제동 신호(130)의 최적 시작점 및 진폭은 통상적으로 구동 신호(120)의 주파수에 좌우된다고 밝혀졌다.
대부분의 압전 선형 공진 액추에이터들의 공진 주파수는 약 150Hz 내지 약 250Hz이다. 일례로서 200Hz의 공진 주파수를 사용하면, 제동 신호(130)는 200Hz 신호의 1 사이클을 포함할 수 있는데, 사인파 신호는 도 8에 도시된 바와 같이 구동 신호(120)의 반전 위상이다. 구동 신호(120)가 공진 주파수에 있으면(예를 들어, 이 예시에서 200Hz), 제1 테스트의 경우, 제동 신호(130)는 도 8에 도시된 바와 같이 구동 신호(120)가 종결된 직후에 인가되어야 한다. 이후 테스트에서, 제동 신호(130)의 시작점은 시간 라인에서 앞뒤로 점차 이동되어 제동 신호(130)를 액추에이터(104)에 전달하기에 최적의 시간을 찾을 수 있다. 수많은 시스템에서 최선의 결과를 획득하기 위해 제동 신호(130)가 구동 신호(120)와 중첩되어야 한다는 점이 이러한 실험들을 통해 밝혀졌다. 이는 제동 신호(130)가 구동 신호(120)가 종료, 즉 종결되기 전에 인가되어야 한다는 것을 의미한다.
구동 신호(120)의 주파수가 공진 주파수보다 낮으면, 최적의 결과를 획득하기 위해, 도 9에 예시된 바와 같이, 제동 신호(130)의 시작점이 구동 신호(120)로 더 이동해야 한다고 실험적으로 밝혀졌다. 일반적으로, 최적의 결과들을 획득하기 위해 구동 신호(120)의 주파수가 낮을수록 구동 신호(120)와 제동 신호(130) 사이의 중첩이 더 커야 한다고 밝혀졌다. 이와 유사하게, 구동 신호(120)의 주파수가 높을수록 구동 신호(120)와 제동 신호(130) 사이의 중첩이 더 작다고 밝혀졌다. 구동 신호(120)의 주파수가 통상 공진 주파수 주변의 일정 주파수보다 높으면, 구동 신호(120)와 제동 신호(130) 사이에 중첩이 없는 것이 최적이다.
제동 신호(130)의 진폭의 경우, 공진 주파수에서 또는 그 주변에서 가장 높은 진폭을 갖는 것이 바람직하다. 구동 신호의 주파수가 증가 또는 감소함에 따라, 제동 신호의 최적의 진폭이 감소한다.
동일한 시스템에 대해 일련의 실험을 수행한 후, 상이한 주파수의 구동 신호들(120)을 위한 최적 제동 파라미터들을 포함하는 데이터 테이블이 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 테이블은 룩업 테이블로서 프로세서(102)에 저장될 수 있다. 제동 신호(130)의 최적의 시작 시각과 최적의 제동 진폭 양자 모두 압전 선형 공진 액추에이터의 감쇠 계수에 좌우된다. 데이터 테이블과 감쇠 계수를 결합하면, 최적의 개루프 제동 전략을 제공할 수 있는 실험 데이터에 기반한 공식이 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 공식은 프로세서(102)에 저장될 수 있다. 목표 공진 주파수와 제동 주파수가 200Hz이고, 시스템의 실제 공진이 220Hz와 190Hz의 범위 내에 있으면 우수한 제동 결과가 이루어질 수 있다는 점이 실험적으로 밝혀졌다.
도 10 및 도 11은 동일한 구동 신호(120)를 사용할 때 본 발명의 실시예들에 따른 개루프 제동을 갖는 경우(도 10)와 제동이 없는 경우(도 11)의 가속 차이를 예시한다. 예시된 바와 같이, 도 10에 예시된 마지막 부분(134) 대 도 11에 예시된 마지막 부분(124)의 사이클들의 진폭에 의해 알 수 있듯이 도 10의 가속도 곡선(132)은 도 11의 가속도 곡선(122)보다 훨씬 더 빠르게 감쇠된다. 이러한 감쇠는 결과적으로 전자 디바이스의 사용자에 의해 느껴질 “버징” 또는 “링잉”을 줄인다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 전술한 햅틱 디바이스(100)를 이용하여 햅틱 효과를 생성하는 방법(200)을 예시한다. 예시된 바와 같이, 방법(200)은 단계(202)에서 시작한다. 단계(204)에서, 액추에이터의 구동 신호가 프로세서에 의해 발생된다. 일 실시예에서, 구동 신호는 전술한 구동 신호(120)일 수 있고, 액추에이터는 전술한 액추에이터(104, 104', 및 104") 중 어느 하나일 수 있고, 프로세서는 전술한 프로세서(102)일 수 있다. 일 실시예에서, 구동 신호는 전술한 프로세서(102)의 신호 발생기(106)와 같은 신호 발생기에 의해 발생될 수 있다. 단계(206)에서, 구동 신호는 액추에이터에 전달되어 액추에이터를 구동한다. 단계(208)에서, 액추에이터를 위한 제동 신호가 프로세서/신호 발생기에 의해 발생된다. 제동 신호는 전술한 제동 신호(130)일 수 있고, 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고, 구동 신호와 위상이 반대일 수 있다. 단계(210)에서, 제어 신호는 구동 신호가 종결되어 햅틱 효과를 발생시키기 전 또는 이와 동시에 액추에이터에 전달된다. 단계(212)에서 방법(200)이 종료된다.
본 발명의 실시예들의 양태는 압전 재료를 갖는 여기에 개시된 햅틱 디바이스들의 공진 액추에이터들의 실시예들뿐만 아니라 다른 공진 액추에이터에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들의 양태들은 고해상도 디바이스에 적합할 수 있는 공지된 햅틱 디바이스들에 비해 개선된 레벨의 호환성 및 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 작동 유닛으로서 터치 스크린 핸드헬드 디바이스(모바일 디바이스, PDA, 및 내비게이션 시스템), 차량 분야, 게임 콘솔 등과 같은 다양한 전자 디바이스들에서 햅틱 피드백을 가능하게 하는데 사용될 수 있다.
여기에 설명된 실시예들은 수많은 가능한 구현예 및 실시예를 나타내며, 본 개시를 임의의 특정 실시예들로 반드시 제한하는 것은 아니다. 대신에, 이들 실시예에 대한 다양한 수정이 행해질 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 수정은 본 개시의 사상 및 범위 내에 포함되며 다음의 청구항에 의해 보호된다.

Claims (19)

  1. 햅틱 출력 디바이스로서,
    햅틱 효과를 발생시키도록 구성된 액추에이터; 및
    상기 액추에이터에 구동 신호를 전달하고, 상기 구동 신호가 종결되어 상기 햅틱 효과를 발생시키기 전 또는 동시에 상기 액추에이터에 제동 신호를 전달하도록 구성된 프로세서 - 상기 제동 신호는 상기 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고 상기 구동 신호의 위상과 반대임 - 를 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 선형 공진 액추에이터인, 햅틱 출력 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액추에이터는 압전 선형 공진 액추에이터인, 햅틱 출력 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액추에이터는 압전 벤더를 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 구동 신호 및 상기 제동 신호를 발생시키도록 구성된 신호 발생기를 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상이한 주파수의 상이한 구동 신호들을 위한 최적 제동 파라미터들을 포함하는 룩업 테이블을 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 최적 제동 파라미터들은 상기 제동 신호의 최적 시작 시각 및 상기 제동 신호의 최적 진폭을 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  8. 프로세서 및 액추에이터를 포함하는 햅틱 출력 디바이스를 이용하여 햅틱 효과를 생산하는 방법으로서,
    상기 프로세서를 이용하여 구동 신호를 발생시키는 단계;
    상기 구동 신호를 상기 액추에이터에 전달하여 상기 액추에이터를 구동하는 단계;
    상기 프로세서를 이용하여 제동 신호를 발생시키는 단계 - 상기 제동 신호는 상기 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고 상기 구동 신호의 위상과 반대임 -; 및
    상기 구동 신호의 전달이 종결되기 전 또는 동시에 상기 액추에이터에 상기 제동 신호를 전달하여 상기 액추에이터를 제동하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구동 신호가 상기 액추에이터의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 경우 상기 제동 신호는 상기 구동 신호의 전달이 종결되기 전에 전달되는, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 구동 신호가 상기 액추에이터의 공진 주파수와 동일한주파수를 갖는 경우 상기 제동 신호는 상기 구동 신호의 전달이 종결되는 시각과 실질적으로 동시에 전달되는, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제동 신호를 발생시키는 단계 이전에 상이한 주파수의 상이한 구동 신호들을 위한 최적 제동 파라미터들을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 최적 제동 파라미터들은 상기 제동 신호의 최적 시작 시각 및 상기 제동 신호의 최적 진폭을 포함하는, 방법.
  13. 전자 디바이스로서,
    사용자로부터 입력을 수신하도록 구성된 터치 스크린 디바이스; 및
    상기 사용자로부터의 입력에 응답하여 햅틱 효과를 발생시키도록 구성된 햅틱 디바이스를 포함하고,
    상기 햅틱 디바이스는,
    액추에이터, 및
    상기 액추에이터에 구동 신호를 전달하고, 상기 구동 신호가 종결되어 상기 햅틱 효과를 발생시키기 전 또는 동시에 상기 액추에이터에 제동 신호를 전달하도록 구성된 프로세서 - 상기 제동 신호는 상기 액추에이터의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖고 상기 구동 신호의 위상과 반대임 - 를 포함하는, 전자 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 액추에이터는 선형 공진 액추에이터인, 전자 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 액추에이터는 압전 선형 공진 액추에이터인, 전자 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 액추에이터는 압전 벤더를 포함하는, 전자 디바이스.
  17. 제13항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 구동 신호 및 상기 제동 신호를 발생시키도록 구성된 신호 발생기를 포함하는, 전자 디바이스.
  18. 제13항에 있어서, 상기 프로세서는 상이한 주파수의 상이한 구동 신호들을 위한 최적 제동 파라미터들을 포함하는 룩업 테이블을 포함하는, 전자 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 최적 제동 파라미터들은 상기 제동 신호의 최적 시작 시각 및 상기 제동 신호의 최적 진폭을 포함하는, 전자 디바이스.
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