KR20160037729A

KR20160037729A - 촉각 제공 장치

Info

Publication number: KR20160037729A
Application number: KR1020150058028A
Authority: KR
Inventors: 도승훈; 김형준
Original assignee: 주식회사 씨케이머티리얼즈랩
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-04-06
Also published as: KR102315579B1; KR102321281B1; KR20200130208A; KR20160037728A

Abstract

본 발명은 촉각 제공 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 자성 입자를 포함한 촉각 전달부(1)를 이용하여, 사용자에서 다양한 촉감을 제공하는 촉각 제공 장치에 관한 것이다. 촉각 제공 장치는 자성 입자(2) 및 매트릭스 소재(3)로 구성된 촉각 전달부(1); 및 촉각 전달부(1)를 변형시키기 위해 자기장을 발생시키는 자기장 생성부(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

촉각 제공 장치{Tactile supply device}

본 발명은 촉각 제공 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 자성 입자를 포함한 소재를 이용하여, 외부 자기장 인가에 따른 형상 변화로써 사용자에게 다양한 촉감을 제공하는 촉각 제공 장치에 관한 것이다.

햅틱스(Haptics)는 촉감에 관한 기술로서, 구체적으로 전자기기의 사용자에게 키보드, 마우스, 조이스틱, 및 터치스크린 등을 통해 촉각과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술을 말한다. 기존에는 전자기기와 인간이 정보를 주고 받을 때 시각적인 전달이 주를 이루었으나, 최근 들어 더욱 구체적이고 실감나는 정보 전달을 위해 햅틱 기술이 주목 받고 있다.

일반적으로 햅틱 기술을 위한 액츄에이터(Actuator)로는 관성형 액츄에이터,압전 액츄에이터, 전기활성 폴리머(Electro Active Polymer, EAP) 액츄에이터, 정전기력 액츄에이터 등이 사용된다. 관성형 액츄에이터는 모터가 회전할 때 발생하는 편심력으로 진동하는 편심 모터, 공진주파수를 이용하여 진동의 세기를 최대화 시키는 선형 공진 액츄에이터(Linear Resonant Actuator, LRA)가 있다. 압전 액츄에이터는 빔(Beam) 형태나 디스크(Disk) 형태를 가지고, 전기장에 의해 순간적으로 크기나 모양이 변하는 압전 소자를 이용해 구동한다. 전기활성 폴리머 액츄에이터는 전기활성 폴리머 필름 위에 질량체를 붙여 질량체의 반복된 움직임에 의해 진동을 생성한다. 정전기력 액츄에이터는 서로 다른 전하가 충전된 두 장의 유리면 사이에서 발생하는 인력과 동일한 종류의 전하가 충전될 때 발생하는 척력을 이용하여 구동한다.

한편, 종래기술인 햅택 장치에 대하여 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0118584호(명칭: 투명한 합성 압전 조합된 터치 센서 및 햅틱 액추에이터)에 개시되어 있으며, 도 1은 종래기술인 햅택 장치의 사시도를 도시한 개략도이다.

햅틱 장치에서 센서로서 기능하도록 구성된 층 및 액츄에이터로서 기능하도록 구성된 층은 합성 압전 액츄에이터/센서 셀의 형태로 된 단일 모듈로 결합될 수 있다. 여기서, 도 1은 합성 압전 액츄에이터/센서 셀(5)의 단면을 그것의 관련 전극들(6)과 함께 도시하고 있다. 합성 압전 셀(5)은 에폭시 물질과 같은 구조용 접착제(structural adhesive)(7b) 내의 압전 세라믹 파이버들(piezoceramic fibers)(7a)의 어레이를 포함한다. 전극들(6) 각각은, 2개의 연속하는 전극(6) 사이에 도시된 구조용 접착제(7b) 내에 삽입된 파이버들(7a)의 각각의 패치(patch)가 작동되어, 대응하는 위치에서 국부화된 햅틱 효과를 발생시킬 수 있도록, 개별 제어 신호를 송신하기 위해 이용될 수 있다. 화살표(8)는 분극된 압전 세라믹 물질이 인가된 전기장에 의해 어떻게 확장 또는 수축하는지를 나타낸 것이고, 화살표(9)는 전극들(6)에 의해 발생된 압전 세라믹 분극을 나타낸 것이다.

그러나, 위와 같은 종래의 햅틱 기술은 단순한 진동을 전달하는 것에 불과하여, 감성적인 촉감 전달 또는 복잡한 문자 정보 등의 전달에는 한계가 있다. 따라서, 단순한 진동을 전달하는 것에서 나아가 더욱 감성적인 전달 및 더욱 복잡한 정보를 효과적으로 전달할 수 있는 촉각 전달 구조에 대한 연구가 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다양한 촉감을 더욱 감성적으로 전달할 수 있는 촉각 제공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 적어도 하나의 셀 형태로 촉감부를 구성함으로써, 알람(Alarm) 등의 단순한 신호뿐 아니라 문자, 도형 등의 더욱 복잡한 정보를 촉각 정보로서 효과적으로 전달할 수 있는 촉각 제공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자성 입자를 포함하는 소재를 이용한 촉각 전달부를 다양한 형상으로 변경함으로써, 외부 자기장에 의해 진동, 스침, 조임, 때림, 누름, 두드림, 또는 기울어짐 등 다양한 촉감을 사용자에게 전달하는 것이 가능한 촉각 제공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전자기기 전체 또는 국부에 촉감을 제공하고, 상황에 따라 촉감 발생 위치를 가변하는 촉각 제공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 IT 분야의 모바일 기기 및 터치스크린 기기, 콘솔 게임기 등에서 실시간 촉각 전달에 적용될 수 있고, 자동차 산업에서 차선이탈 경고 시스템, 전면 추돌 방지 시스템, 과속방지 시스템 등 운전 보조 정보 피드백 시스템 등에 적용될 수 있으며, 의료 분야에서도 맥진기, 사람 이의 압력 분포 측정, 수술용 로봇 등에서 촉감을 효과적으로 전달하는 촉각 제공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기의 목적은, 자성 입자 및 매트릭스 소재로 구성된 촉각 전달부; 및 상기 촉각 전달부를 변형시키기 위해 자기장을 발생시키는 자기장 생성부를 포함하는 촉각 제공 장치에 의해 달성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 다양한 촉감을 더욱 감성적으로 전달할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 셀 형태로 촉감부를 구성함으로써, 알람 등의 단순한 신호뿐 아니라 문자, 도형 등의 더욱 복잡한 정보를 촉각 정보로서 효과적으로 전달할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 자성 입자를 포함하는 소재를 이용한 촉각 전달부를 다양한 형상으로 변경함으로써, 외부 자기장에 의해 진동, 스침, 조임, 때림, 누름, 두드림, 또는 기울어짐 등 다양한 촉감을 사용자에게 전달할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 촉각 전달부는 전자기기 전체 또는 국부에 촉감을 제공하고, 상황에 따라 촉감 발생 위치를 가변할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, IT 분야의 모바일 기기 및 터치스크린 기기, 콘솔 게임기 등에서 실시간 촉각 전달에 적용될 수 있고, 자동차 산업에서 차선이탈 경고 시스템, 전면 추돌 방지 시스템, 과속방지 시스템 등 운전 보조 정보 피드백 시스템 등에 적용될 수 있으며, 의료 분야에서도 맥진기, 사람 이의 압력 분포 측정, 수술용 로봇 등에서 촉감을 효과적으로 전달할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술인 햅택 장치의 사시도를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 전달부의 외부 자기장에 따른 형상 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 전달부의 형상 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 촉각 전달부의 외부 자기장에 따른 촉각 제공 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 촉각 전달부의 외부 자기장에 따른 촉각 제공 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 전달부의 다양한 형상을 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 셀을 포함하는 촉감부를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 격벽이 형성된 촉감부를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 생성부의 코일 유닛의 배치를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 생성부의 코일 유닛의 배치를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 정보 제공 장치의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 촉각 전달부로 구성된 복수의 셀 구조를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 촉각 전달부로 구성된 복수의 셀 동작을 도시한 도면이다.
도 16는 본 발명의 제4 실시예에 따른 촉각 전달부로 구성된 복수의 셀 구조를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 촉각 전달부로 구성된 복수의 셀 동작을 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 제5 실시예에 따른 촉각 전달부로 구성된 복수의 셀 구조를 도시한 도면이다.
도 19은 본 발명의 제5 실시예에 따른 촉각 전달부로 구성된 복수의 셀 동작을 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉각 제공 장치를 상세히 설명한다.

먼저, 촉각 제공 장치는 자성 입자 및 매트릭스 소재로 구성된 촉각 전달부, 상기 촉각 전달부 하부에 구비되며, 상기 촉각 전달부를 변형시키기 위해 자기장을 발생시키는 자기장 생성부를 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 촉각 전달부(1: 10, 20, 30, 40, 50)는 자성 입자(2), 예를 들면, 나노 또는 마이크론 크기의 철 또는 페라이트 입자 등과 매트릭스(Matrix) 소재(3), 예를 들면, 고무 또는 기타 폴리머 소재 등으로 구성될 수 있다. 또한, 촉각 전달부(1)는 자기유변 탄성체(Magneto-Rheological Elastomer, MRE)가 사용될 수 있는데, 자기유변 탄성체는 외부 자기장에 반응할 수 있는 입자를 포함하는 탄성체 소재로서, 탄성체 소재 내에 외부 자기장에 의해 자화될 수 있는 자성 입자(Magnetic Particle)를 포함하고 있으므로 외부 자기장의 인가에 의해 그 강성(Stiffness), 인장 강도(Tensile Strength), 연신율(Elongation) 등의 특성이 변화될 수 있다. 또한, 촉각 전달부(1)는 미세돌기 형상, 내부가 비어있는 원통, 돔(Dome)과 같은 다면체 현상, 판(plate) 형상, 시소(seesaw) 형상 또는 터널 형상 중 적어도 하나의 형상을 선택하여 적용할 수 있다.

예를 들면, 자성 입자(2)는 Fe, Co, Ni, 페라이트 입자 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 Carbonyl Iron 입자 등이 사용될 수 있다. 자성 입자(2)의 크기는 0.01~100um 이며, 자기장 생성부(200)에 의한 형상 변화를 최대로 하기 위해서 매트릭스(Matrix) 소재(3) 내 자성 입자(2)의 포화 자화도가 높고, 함량이 많으며, 크기가 클수록 바람직하다. 또한, 자성 입자는 특정 형상일 필요는 없고 구형, 자기 이방성을 갖는 종횡비가 큰 플레이크(Flake) 등의 형상을 가질 수 있다.

매트릭스 소재(3)는 촉각 전달부(1)의 형상 변화 및 복원력을 최대로 하기 위해 탄성율을 높이는 것이 바람직하며, 내구성을 높이기 위해 신율 및 인장강도의 조절이 필요하다.

자기장 생성부(200)는 촉각 전달부(1)의 상부 또는 하부에 위치하여 자기장을 형성하며, 촉각 전달부(1) 내의 자성 입자(2)는 이러한 자기장에 반응을 한다. 또한, 자기장 생성부(200)는 평면 코일 또는 솔레노이드 코일 중 적어도 하나가 사용되며, 촉각 전달부(1)에 대응되는 크기와 형태로 교류 전류가 인가되면 교류 자기장을 발생시키고, 직류 전류가 인가되면 직류 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 한다. 특히, 도 2에서 자기장 생성부(200)에 의해 발생하는 자기장의 자기력선을 개략적으로 도시하였다.

또한, 자기장 생성부(200)는 촉각 전달부(1)와 대응되는 위치 및 형상을 가지며, 자기장 생성부(200)에서 발생되는 자기장에 의해 촉각 전달부(1)의 형상이 변화하고, 촉각 전달부(1)의 형상 변화에 따라 촉감을 전달할 수 있다. 여기서, 촉감은 진동, 스침, 조임, 때림, 누름, 두드림, 또는 기울어짐 중 적어도 하나일 수 있다.

다음으로, 도3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 촉각 전달부의 형상 변화를 도시한 도면이다.

촉각 전달부(1: 10, 20, 30, 40, 50)는 외부 자기장의 영향에 따라서 각각 다른 형상을 나타낼 수 있다.

도 3의 (a)를 참조하면, 복수의 촉각 전달부(1)가 외부 자기장의 영향을 받지 않는 경우(Off State), 다시 말해, 후술할 자기장 생성부(200)의 코일 유닛(210)[도 8 참조]에 의한 자기장이 형성되지 않은 경우에, 복수의 촉각 전달부(1)는 제1 형상(10a)을 나타낼 수 있다.

도 3의 (b)를 참조하면, 복수의 촉각 전달부(1)의 일부가 외부 자기장의 영향을 받는 경우(Local On State), 다시 말해, 후술할 자기장 생성부(200)의 코일 유닛(210)[도 8 참조]에 의한 자기장이 형성된 경우에, 복수의 촉각 전달부(1)의 일부는 제2 형상(10b) 을 나타낼 수 있다.

도4는 자기장 생성부(200)의 자기장 생성 여부에 따른 촉각 전달부(1)의 자성 입자(2) 및 매트릭스 소재(3)의 형상을 구체적으로 나타내고 있다.

여기서, State A는 자기장 생성부(200)에 전류가 인가되지 않은 상태[즉, 자기장이 생성되지 않은 상태]로 촉각 전달부(1)의 초기 형상[제 1 형상]을 나타내며, State B는 자기장 생성부(200)에 전류가 인가된 상태[[즉, 자기장이 생성된 상태]로 변형된 형상, 즉 자기장에 반응하여 촉각 전달부(1)가 위 또는 아래로 휘어진 형상[제2 형상]을 나타낸다. 이러한 제1 형상에서 제2 형상으로의 형상 변화가 반복적으로 행해짐으로써 왕복 운동이 구현되고, 이를 통해 진동 촉감을 전달할 수 있다.

도 4의 State A는 도 3의 (a) 상태, 도 4의 State B는 도 3의 (b) 상태에 대응될 수 있으며, 마찬가지로 특정한 주파수의 교류 전류 또는 직류 전류를 자기장 생성부(200)에 인가하여 온/오프(On/Off) 함으로써 제1 형상(10a)에서 제2 형상(10b)으로의 왕복 운동이 동일하게 구현될 수 있다. 촉각 전달부(1)를 구성하는 자성 입자(2)가 자기장 생성부(200)에 의해 발생되는 자기장에 의해 자화 또는 반응함으로써, 촉각 전달부(1)의 형상이 변화할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉각 전달부(1)의 형상에 대한 변형 실시예들을 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 10)의 외부 자기장에 따른 촉각 제공 과정을 나타내는 도면, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 20)의 외부 자기장에 따른 촉각 제공 과정을 나타내는 도면, 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 전달부(1)의 다양한 형상을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 5를 참조하면, 촉각 전달부(1)는 미세돌기(10) 형상을 가질 수 있다. 미세돌기(10) 형상은 촉감을 세밀하고 감성적으로 전달하기 위해, 양털 등과 유사하도록 약 25㎛ 이하, 또는 인체의 털 등과 유사하도록 약 100㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.

도 5의 (a)와 같이, 외부 자기장의 영향을 받지 않는 경우에 미세돌기(10)는 약간 기울어진 형상[또는, 제1 형상(10a)]을 유지할 수 있다. 물론, 기울어짐 없이 수직으로 세워진 미세돌기 형상을 가져도 무방하다. 이어서, 도 5의 (b)와 같이, 외부 자기장의 영향을 받는 경우에 미세돌기(10)는 더 기울어지거나, 심지어 눕는 형상[또는, 제2 형상(10b)]을 유지할 수 있다. 이어서, 도 5의 (c) 및 도 5의 (d)와 같이, 자기장의 인가가 해제되어 외부 자기장의 영향을 받지 않는 경우에, 미세돌기(10)는 제2 형상(10b)에서 제1 형상(10a)으로 회귀하면서 자체의 탄성력[또는, 회복력]에 의해 왕복 운동(10c, 10d) 할 수 있다. 따라서, 왕복 운동하는 미세돌기(10c, 10d)에 의해 스치거나 간지럽히는 듯한 촉감이 전달될 수 있는 것이다.

다음으로, 도 6을 참조하면, 촉각 전달부(1)는 내부가 비어있는 원통(20), 돔(Dome) 또는 다면체(20')[도 7의 (b) 참조] 형상을 가질 수 있다. 도 6의 (a)는 원통(20) 형상의 촉각 전달부(1)의 사시도, 도 6의 (b)는 원통(20) 형상의 촉각 전달부(1)의 측단면도이다.

외부 자기장의 영향을 받지 않는 경우에, 내부가 비어있는 원통(20)은 ①과 같이 상부면(21)이 편평한 형상[또는, 제1 형상(20a)]를 나타낼 수 있다. 이어서, 외부 자기장의 영향을 받는 경우에, 원통(20)은 ②와 같이 상부면(21)이 비어있는 내부 공간으로 오목하게 들어가는 형상[또는, 제2 형상(20b)]를 나타낼 수 있다. 이어서, 자기장의 인가가 해제되어 외부 자기장의 영향을 받지 않는 경우에는, ③ 및 ④와 같이 제2 형상(20b)에서 제1 형상(20a)으로 회귀하면서 자체의 탄성력[또는, 회복력]에 의해 상부면(21)이 왕복 운동(20c, 20d) 할 수 있다. 따라서, 왕복 운동하는 상부면(21)에 의해 두드리는 듯한 촉감이 전달될 수 있는 것이다.

촉각 전달부(1)에서 자기장 생성부(200)에 의해 형성되는 자기장의 세기, 방향 또는 주파수(Frequency) 중 적어도 어느 하나를 제어함에 따라, 제1 형상(10a, 20a)에서 제2 형상(10b, 20b)으로의 변형되는 세기(크기), 방향 또는 주파수 중 적어도 어느 하나를 제어할 수도 있다. 일 예로, 더 강한 자기장을 인가하면, 미세돌기(10)의 기울어진 정도가 커지고, 원통(20) 상부면(21)의 오목하게 들어가는 정도가 커질 것이므로, 더 강하게 촉감이 전달될 수 있다. 또한, 일 예로, 자기장의 주파수를 변화시키면, 미세돌기(10) 또는 원통(20)의 제1 형상(10a, 20a), 제2 형상(10b, 20b) 및 다시 제1 형상(10a, 20a)으로의 변화 속도가 변화하므로, 다양한 느낌의 촉감이 전달될 수 있다.

도 7을 참조하면, 촉각 전달부(1)는 미세돌기(10) 또는 내부가 비어 있는 원통(20), 돔(Dome) 또는 다면체(20') 형상 외에도 이들을 조합한 여러 가지 형상을 가질 수 있다.

(1) 도 7의 (a)는 내부가 비어 있는 원통(20), (2) 도 7의 (b)는 내부가 비어 있는 육면체(20')[또는, 다면체(20')], (3) 도 7의 (c)는 미세 홀(micro hole; 25)이 상부면에 형성되고 내부가 비어 있는 원통(20)으로, 상부면이 왕복 운동(20c, 20d)하는 과정에서 공기가 미세 홀(25)을 통해 원활하게 출입할 수 있도록 하여 촉각 전달부(1)의 내구성을 증가시킬 수 있는 구성이며, (4) 도 7의 (d)는 미세돌기(10)와 내부가 비어 있는 원통(20)을 혼합한 형상, (5) 도 7의 (e)는 도 7의 (d)의 형상에 더하여 복수의 미세 홀(25)을 원통(20) 상부면에 형성한 형상, (6) 도 7의 (f)는 도 7의 (c)의 미세 홀(25)이 복수 개 형성된 형상, (7) 도 7의 (g)는 내부가 비어 있는 원통(20)의 상부면 상에 다양한 구조체(26)[예를 들어, 원통(20)보다 더 작고 내부가 비어 있는 원통]가 결합된 형상, (8) 도 7의 (h)는 내부가 비어 있는 원통(20)의 상부면에 돔(Dome) 형태의 엠보싱 구조(27)가 형성된 형상을 나타낸다.

위와 같이, 본 발명은 촉각 전달부(1)의 형상을 여러 가지로 구성함에 따라, 스침, 간지럽힘, 두드림 등의 다양한 촉감을 복합적으로 전달할 수 있다.

도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치의 전체 구성을 나타내는 도면, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 셀(110)을 포함하는 촉감부(100)를 나타내는 도면이다.

도 8를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치는, 촉감부(100) 및 자기장 생성부(200)를 포함하며, 촉감부(100)에는 적어도 하나의 촉각 전달부(1)가 설치된 것을 특징으로 한다.

촉감부(100)는 실제로 촉각 제공 장치의 사용자와 접촉하여 촉감을 전달하는 부분이다. 촉감부(100)는 적어도 하나의 셀(Cell; 110)을 포함할 수 있다. 셀(110)의 크기는 촉감부(100)의 크기, 제공하고자 하는 촉각 정보의 해상도(resolution) 등을 고려하여 적절히 설정될 수 있다.

셀(110)은 적어도 하나의 촉각 전달부(1)를 포함할 수 있다. 셀(110)은 한가지 종류 또는 두 가지 종류 이상의 촉각 전달부(1)를 포함할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 촉각 정보 제공 장치와 같이 각각의 셀(110)이 여러 가지 종류의 촉각 전달부(1), 예를 들어 미세돌기(10), 내부가 빈 원통(20) 등으로 구성될 수도 있다.

자기장 생성부(200)는 자기장을 형성할 수 있으며, 적어도 하나의 코일 유닛(210)을 포함할 수 있다. 자기장 생성부(200)는 촉감부(100)의 하부에 배치되어, 각각의 코일 유닛(210)[또는, 코일 유닛(210)을 포함하는 셀(110')]이 촉감부(100)의 각각의 셀(110)에 대응하도록 함이 바람직하다. 다만, 각각의 코일 유닛(210)이 대응하는 각각의 셀(110)에 자기장을 인가할 수 있는 목적의 범위 내라면, 자기장 생성부(200)가 촉감부(100)의 하부에 위치하지 않고 다른 곳에 위치할 수도 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 격벽(120)이 형성된 촉감부(100)를 나타내는 도면이다.

도 10을 참조하면, 촉감부(100)에는 셀 격벽(120)이 형성될 수 있다. 셀 격벽(120)은 각각의 셀(110)의 둘레를 따라 형성되어 촉각 전달부(1)를 보호하는 역할을 할 수 있다. 촉각 전달부(1)가 보호되면서 동시에 효율적으로 촉각 정보를 제공할 수 있도록, 셀 격벽(120)은 촉각 전달부(1)보다 낮은 높이로 형성되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 미세돌기(10)를 포함하는 셀(110)로 구성된 촉감부(100)를 상정하면, 촉각 정보 제공 장치의 사용자가 촉각 정보를 전달받는 과정에서, 너무 세게 미세돌기(10)를 누르는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 미세돌기(10)가 완전히 누워버려 미세돌기(10)가 파손되거나, 내구성이 현저히 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 미세돌기(10)보다 낮게 셀 격벽(120)을 형성하면 사용자가 어느 정도의 힘을 가해서 미세돌기(10)를 눌러도 미세돌기(10)가 완전히 눕는 현상을 방지할 수 있으므로, 미세돌기(10)를 보호할 수 있는 이점이 있다. 그리고, 미세돌기(10)가 최소한 셀 격벽(120)의 높이만큼은 움직일 수 있으므로, 촉각 정보를 사용자의 피부에 충분히 전달할 수 있는 이점이 있다.

한편, 도 9과 같이 각각의 셀(110)이 미세돌기(10)와 내부가 빈 육면체(20)로 다양하게 설치되는 경우 또는 하나의 셀(110)에 미세돌기(10)와 내부가 빈 육면체(20)가 혼합되어 설치되는 경우에는 내부가 빈 육면체(20)가 미세돌기(10)의 높이보다 낮게 형성됨으로써 별도의 셀 격벽(120)을 설치하지 않아도 상기 셀 격벽(120)과 유사한 역할을 할 수도 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 유닛(210)의 배치를 나타내는 도면, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 유닛(210: 211, 212)의 배치를 나타내는 도면이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치는 3 X 3으로 배치된 복수의 셀(110)을 가지는 촉감부(100)와 3 X 3으로 배치된 복수의 코일 유닛(210)을 가지는 자기장 생성부(200)를 포함할 수 있다. 물론, 범위 L1 내에 있는 셀(110)과 코일 유닛(210)이 상호 대응하여, 셀(110)의 개수와 코일 유닛(210)의 개수가 동일할 수 있다. 코일 유닛(210)은 자기장 생성부(200) 내부에서 단층[도 11의 경우]으로 형성되거나, 복층[도 12의 경우]으로 형성될 수 있다. 촉감부(100)의 하나의 셀(110)은 3 X 3으로 배치된 복수의 미세돌기(10)를 포함할 수 있다.

도 11의 촉각 제공 장치에서, 하나의 코일 유닛(210)에 의해 자기장이 발생함에 따라 그 코일 유닛(210)에 대응하는 셀(110)에 설치된 적어도 하나의 미세돌기(10)는 제1 형상(10a)에서 제2 형상(10b)으로 변화될 수 있다. 상기 코일 유닛(210)에 의한 자기장이 소멸하는 경우에는, 그 코일 유닛(210)에 대응하는 셀(110)에 설치된 상기 미세돌기(10)가 제2 형상(10b)에서 제1 형상(10a)으로 회귀함은 물론이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 제공 장치는 자기장 생성부(200) 내부에서 코일 유닛(210)이 복층(211, 212)으로 형성될 수 있다. 실선으로 표시된 가상의 범위 L1 내에 있는 3 X 3의 셀(111)과 3 X 3의 코일 유닛(211)은 상호 대응하고, 점선으로 표시된 가상의 범위 L2 내에 있는 3 X 3의 셀(112)과 3 X 3의 코일 유닛(212)는 상호 대응할 수 있다. 촉감부(100)의 하나의 셀(110) 상에는 3 X 3의 미세돌기(10)가 형성될 수 있다.

도 12의 촉각 제공 장치는, 코일 유닛(211)은 실선으로 표시된 가상의 범위 L1 내에 있는 셀(111) 상의 미세돌기(10)의 구조를 변화시킬 수 있고, 코일 유닛(212)는 점선으로 표시된 가상의 범위 L2 내에 있는 셀(112) 상의 미세돌기(10)의 구조를 변화시킬 수 있으므로, 범위 L1 및 L2 내에 중첩되어 포함된 미세돌기(10)의 경우 복수의 코일 유닛(211, 212)에 의해 그 형상이 변화될 수 있어 더욱 미세한 조절이 가능하다. 이로써, 도 11의 촉각 제공 장치보다 높은 해상도(resolution)를 가지게 되고, 보다 세밀한 촉각 정보를 제공하기 용이한 이점이 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 제공 장치의 동작 과정을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 13의 (a)를 참조하면, 촉감부(100) 상의 셀 A1~C3에는 자기장을 인가하지 않은 상태이다. 따라서, 촉감부(100) 상의 모든 미세돌기(10)는 제1 형상(10a)을 유지할 수 있다.

이어서, 도 13의 (b)를 참조하면, 촉감부(100) 상의 셀 A1~C3에 자기장을 인가하여, 촉감부(100) 상의 모든 미세돌기(10)는 제2 형상(10b)을 유지할 수 있다.

이어서, 도 13의 (c)를 참조하면, 셀 A1에 대응하는 곳에 위치한 코일 유닛(210)에만 자기장의 인가를 해제하면, 셀 A1 상의 미세돌기(10)만이 제1 구조(10a)로 회귀하면서 자체의 탄성력[또는, 회복력]에 의해 왕복 운동(10c, 10d) 할 수 있다.

이어서, 도 13의 (d)를 참조하면, 셀 A2에 대응하는 곳에 위치한 코일 유닛(210)에도 자기장의 인가를 해제하면, 셀 A2 상의 미세돌기(10)만이 제1 구조(10a)로 회귀하면서 자체의 탄성력[또는, 회복력]에 의해 왕복 운동(10c, 10d) 할 수 있다. 셀 A1 상의 미세돌기(10)는 셀 A2 상의 미세돌기(10)에 비해서는 왕복 운동되는 크기가 약해질 수 있다.

이어서, 도 13의 (e)를 참조하면, 셀 A3에 대응하는 곳에 위치한 코일 유닛(210)에도 자기장의 인가를 해제하면, 셀 A3 상의 미세돌기(10)만이 제1 구조(10a)로 회귀하면서 자체의 탄성력[또는, 회복력]에 의해 왕복 운동(10c, 10d) 할 수 있다. 셀 A2 상의 미세돌기(10)는 셀 A3 상의 미세돌기(10)에 비해서는 왕복 운동되는 크기가 약해질 수 있다. 동시에, 셀 A1에 대응하는 곳에 위치한 코일 유닛(210)에 다시 자기장을 인가하여, 셀 A1 상의 미세돌기(10)가 제2 형상(10b)을 유지하도록 할 수 있다.

이처럼 순차적으로, 셀 A1에서 C3까지 자기장을 인가하고 해제하면, 셀 A1에서 C3 상의 미세돌기(10)는 제1 형상(10a), 제2 형상(10b), 제2 형상(10b)에서 제1 형상(10a)으로 회귀하면서 왕복 운동(10c, 10d)하는 과정을 거쳐, 촉각 정보 제공 장치의 사용자에게 셀 A1에서 C3로 순차적으로 이동하는 촉각 정보를 제공할 수 있다.

도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 30)로 구성된 복수의 셀 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 30)로 구성된 복수의 셀 동작을 도시한 도면이다.

제3 실시예에 따른 촉각 제공 장치는 복수의 촉각 전달부(1: 30)와 지지체(31)가 적어도 하나의 셀을 형성하고, 상기 셀은 복수개가 일정한 간격으로 절연체(130) 상부에 배치되며, 절연체(130) 하부에는 상기 셀에 대응되는 형태 및 위치에 복수개의 자기장 생성부(200)의 코일 유닛(210)이 단층 또는 복층(211, 212)으로 형성될 수 있다.

여기서, 지지체(31, 41)[도 14 내지 도 17 참조]는, 촉각 전달부(1: 30, 40)와 자기장 생성부(200) 사이에 더 구비되어 촉각 전달부(1)의 동작 공간이 확보될 수 있는 구성으로 이해될 수 있다. 또한, 지지체(31, 41)는 자기유변탄성체이며, 곡면 형상 또는 물결 형상 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.

제3 실시예에 따른 촉각 전달부(1)는 판(Plate) 구조(30) 형태이며, 지지체(31)는 곡면 형태로 촉각 전달부(1)의 양측면에 일체로 구비된다. 지지체(31)는 절연체(130)와 촉각 전달부(1) 사이에 구비되며, 촉각 전달부(1) 또는 지지체(31)가 동작할 수 있는 공간을 확보한다. 예를 들면, 자기장 생성부(200)에서 발생된 자기장에 의해 상기 공간에서 촉각 전달부(1) 및 지지체(31)가 상하로 움직이며, 형상 변화를 하는 왕복 운동을 수행한다. 이러한 형상 변화로 하나의 셀 또는 셀 전체가 움직일 수 있으며, 그에 따라 사용자에게 두드림과 같은 촉감을 제공할 수 있다. 여기서, 촉각 전달부(1)는 판 형상 이외에 판 스프링 형태로 복수의 판이 겹쳐있는 형태가 적용될 수 있다.

따라서, 적어도 1개의 셀이 자기장에 반응함으로써, 사용자에게 진동, 때림, 두드림 등과 같은 다양한 촉감을 전달할 수 있다.

도 16는 본 발명의 제4 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 40)로 구성된 복수의 셀 구조를 도시한 도면이고, 도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 40)로 구성된 복수의 셀 동작을 도시한 도면이다.

제4 실시예에 따른 촉각 제공 장치는 복수의 촉각 전달부(1: 40)와 지지체(41)가 적어도 하나의 셀을 형성하고, 상기 셀은 복수개가 일정한 간격으로 절연체(130) 상부에 배치되며, 절연체(130) 하부에는 상기 셀에 대응되는 형태 및 위치에 복수개의 자기장 생성부(200)의 코일 유닛(210)이 단층 또는 복층(211, 212)으로 형성될 수 있다.

여기서, 제4 실시예에 따른 촉각 전달부(1)는 판(Plate) 구조(40) 형태이며, 지지체(41)는 물결 형태로 촉각 전달부(1)의 양측면에 일체로 구비된다. 지지체(41)는 절연체(130)와 촉각 전달부(1) 사이에 구비되며, 상기 촉각 전달부(1)가 동작할 수 있는 공간을 확보한다. 예를 들면, 자기장 생성부(200)에 의해 자기장이 발생하면, 자기유변 탄성체로 형성된 지지체(41)가 형상 변화하며, 촉각 전달부(1)의 일단이 자기장 생성부(200)의 중앙 방향으로 기울어 지며, 자기장 생성부(200)에서 자기장이 발생하지 않으면, 탄성력에 의해 원형의 형태로 복귀할 수 있다. 즉, 하나의 셀 또는 전체 셀에 자기장을 인가함으로써, 사용자에게 진동, 때림, 두드림, 또는 기울어짐 등과 같은 다양한 촉감을 전달할 수 있다.

도 18은 본 발명의 제5 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 50)로 구성된 복수의 셀 구조를 도시한 도면이고, 도 19은 본 발명의 제5 실시예에 따른 촉각 전달부(1: 50)로 구성된 복수의 셀 동작을 도시한 도면이다.

제5 실시예에 따른 촉각 제공 장치는 복수의 촉각 전달부(1: 50)가 적어도 하나의 셀을 형성하고, 상기 셀은 복수개가 일정한 간격으로 절연체(130) 상부에 배치되며, 절연체(130) 하부에는 상기 셀에 대응되는 형태 및 위치에 복수개의 자기장 생성부(200)의 코일 유닛(210)이 단층 또는 복층(211, 212)으로 형성될 수 있다.

여기서, 제5 실시예에 따른 촉각 전달부(1)는 터널 구조(50) 형태이며, 내부에 타원형의 공간을 형성한다. 예를 들면, 자기장 생성부(200)에 의해 자기장이 발생하면, 자기유변 탄성체로 형성된 촉각 전달부(1)가 형상 변화하며, 촉각 전달부(1)의 일단이 자기장 생성부(200)의 중앙 방향으로 이동하며, 자기장 생성부(200)에서 자기장이 발생하지 않으면, 탄성력에 의해 원형의 형태로 복귀할 수 있다. 즉, 하나의 셀 또는 전체 셀에 자기장을 인가함으로써, 사용자에게 꼬집거나 조이는 듯한 다양한 촉감을 전달할 수 있다.

한편, 본 명세서는 촉각 전달부(1)로서 자성입자(2)를 포함하는 소재, 대표적으로 자기유변탄성체를 상정하여 설명하였으나, 촉각 전달부(1)는 전기유변탄성체(Electro-Rheological Elastomer, ERE) 재질을 사용하고, 자기장 생성부(200) 대신 전기장 생성부를 통해 외부 전기장을 인가함으로써 동일하게 구현이 가능함을 밝혀둔다.

위와 같이, 본 발명의 촉각 제공 장치는, 다양한 촉각 전달부(1)를 통해 다양한 촉감을 더욱 감성적으로 전달할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은, 셀(110) 형태로 촉감부(100)를 구성함으로써, 알람 등의 단순한 진동과 같은 신호뿐 아니라, 각 셀(110)에 대응되는 문자, 도형 등의 더욱 복잡한 정보 등을 촉각 정보로서 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자의 피부와 접촉하는 부위에 문자 정보 등을 제공할 수 있어 보안이 필요한 비밀 정보도 효과적으로 전달할 수 있는 효과가 있다.

이러한 촉각 제공 장치가 터치스크린 등을 포함하는 다양한 전자기기의 내부에 적용되는 경우에도 진동 발생원으로서 사용자의 입력에 대한 햅틱 피드백을 줄 수 있으며, 기존 진동 모터에 비해 얇고 플렉서블하게 구현 가능하고, 기존 압전 또는 전기활성폴리머 기반 진동기에 비해 내구성이 우수하고 저가로 구현할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 구성으로, 촉각 전달부(1)는 다양한 형상으로 변경 가능하며, 외부 자기장의 인가에 의해 진동, 스침, 조임, 때림, 누름, 두드림, 또는 기울어짐 등 다양한 촉감을 사용자에게 전달할 수 있다. 또한, 촉각 전달부(1)는 전자기기 전체 또는 국부에 촉감 정보를 제공하고, 상황에 따라 촉감 발생 위치를 가변할 수 있다. 또한, IT 분야의 모바일 기기 및 터치스크린 기기, 콘솔 게임기 등에서 실시간 촉각 전달에 적용될 수 있고, 자동차 산업에서 차선이탈 경고 시스템, 전면 추돌 방지 시스템, 과속방지 시스템 등 운전 보조 정보 피드백 시스템 등에 적용될 수 있으며, 의료 분야에서도 맥진기, 사람 이의 압력 분포 측정, 수술용 로봇 등에서 촉감을 효과적으로 전달할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1, 10, 20, 30, 40, 50: 촉각 전달부
2: 자성 입자
3: 매트릭스 소재
31, 41: 지지체
100: 촉감부
110, 111, 112: 셀
120: 셀 격벽
130: 절연체
200: 자기장 생성부
210, 211, 212: 코일 유닛
L1, L2: 가상의 셀 범위

Claims

자성 입자 및 매트릭스 소재로 구성된 촉각 전달부; 및
상기 촉각 전달부를 변형시키기 위해 자기장을 발생시키는 자기장 생성부
를 포함하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 촉각 전달부는 자기유변탄성체(Magneto-Rheological Elastomer, MRE)인 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 촉각 전달부는 미세돌기 형상, 내부가 비어있는 원통 형상, 돔(Dome) 형상, 다면체 형상, 판 형상, 판스프링 형상, 시소 형상 또는 터널 형상 중 적어도 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 자기장 생성부는 평면 코일 또는 솔레노이드 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 촉각 전달부와 상기 자기장 발생부 사이에 구비되며, 상기 촉각 전달부가 변형 가능하도록 공간을 형성하는 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제5항에 있어서,
상기 지지체는 자기유변탄성체이며, 곡면 형상 또는 물결 형상 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
사용자와 접촉하는 촉감부를 더 포함하며,
상기 촉감부 상에는 적어도 하나의 상기 촉각 전달부가 연결된 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제7항에 있어서,
상기 촉감부는 적어도 하나의 셀을 포함하고,
상기 자기장 생성부는 상기 촉감부의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제8항에 있어서,
상기 자기장 생성부는 상기 셀에 대응하는 적어도 하나의 코일 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제9항에 있어서,
상기 코일 유닛은 상호 중첩되도록 복수의 층을 이루는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 자기장 생성부는 상기 촉각 전달부와 대응되는 위치 및 형상을 가지며, 상기 자기장 생성부에서 발생되는 자기장에 의해 상기 촉각 전달부의 형상이 변화하고, 상기 촉각 전달부의 형상 변화에 따라 촉감을 전달하는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제10항에 있어서,
상기 촉감은 진동, 스침, 조임, 때림, 누름, 두드림, 또는 기울어짐 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 촉각 전달부는, 자기장에 영향을 받지 않을 때에는 제1 형상을 유지하고, 자기장에 영향을 받을 때에는 제2 형상을 유지하며, 상기 촉각 전달부가 상기 제2 형상에서 상기 제1 형상으로 회귀하면서 탄성력에 의한 왕복 운동으로 촉각 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제13항에 있어서,
상기 자기장 생성부에 의해 형성되는 자기장의 세기, 방향 또는 주파수(Frequency) 중 적어도 하나를 제어함에 따라, 상기 제1 형상에서 상기 제2 형상으로의 변형의 세기, 방향 또는 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제7항에 있어서,
상기 촉감부에는, 상기 촉각 전달부보다 낮은 높이를 가지고, 상기 적어도 하나의 셀의 둘레를 따라 형성된 셀 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 자성 입자는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 성분으로 구성된 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스 소재는 고무 또는 폴리머인 것을 특징으로 하는 촉각 제공 장치.