KR20160114313A - 코어리스 햅틱 액추에이터 - Google Patents

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KR20160114313A
KR20160114313A KR1020150040610A KR20150040610A KR20160114313A KR 20160114313 A KR20160114313 A KR 20160114313A KR 1020150040610 A KR1020150040610 A KR 1020150040610A KR 20150040610 A KR20150040610 A KR 20150040610A KR 20160114313 A KR20160114313 A KR 20160114313A
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정회원
서종식
천세준
김용규
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주식회사 하이소닉
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Abstract

본 발명은 햅틱 액추에이터로서, 특히 휴대단말기 등 터치에 의한 진동 반응을 필요로 하는 전자기기에 내장되어 코일과 자석의 상호작용에 의해 진동을 발생시키는 햅틱 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명의 햅틱 액추에이터는, 내부에 수용부가 형성되어 있는 케이스; 상기 케이스의 내주면을 따라 감겨있는 제1 코일과 제2 코일; 상기 제1 코일과 제2 코일 사이에 배치되는 요크; 상기 제1 코일과 제2 코일의 내측에 배치되고, 상기 제1 코일과 제2 코일에 전류가 발생하면 상기 요크를 기준으로 상기 수용부에서 상하 진동하는 마그네트; 및 상기 케이스에 장착되어 상기 마그네트를 탄성적으로 지지하는 탄성체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

햅틱 액추에이터{Haptic actuator}
본 발명은 햅틱 액추에이터로서, 특히 휴대단말기 등 터치에 의한 진동 반응을 필요로 하는 전자기기에 내장되어 코일과 자석의 상호작용에 의해 진동을 발생시키는 햅틱 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 통신기기에서 착신을 하기 위해 많이 사용되는 것이 벨소리와 진동이다. 진동을 위해서는 소형의 진동 발생장치를 구동시켜 구동력이 기기의 케이스로 전달되도록 하여 기기전체가 진동을 할 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
현재 휴대폰과 같은 통신기기에 적용되고 있는 착신수단 중 하나인 진동 발생장치는 전자기적 힘의 발생원리를 이용하여 전기적 에너지를 기계적 진동으로 변환하는 부품으로서, 휴대폰에 탑재되어 무음 착신알림용으로 사용되고 있다.
이러한 진동 발생장치는 휴대폰의 착신을 알리는 등의 목적으로 널리 사용되고 있으며, 근래에 들어서는 게임장치에 장착되어 사용자에게 게임의 진행상태를 알리거나 터치폰 등에 장착되어 사용자가 진동으로 터치 입력을 느낄 수 있도록 하기 위한 목적으로 그 사용이 늘고 있다.
한편, 휴대폰시장이 급속도로 팽창되고 있고, 이와 더불어 여러 가지 기능이 휴대폰에 부가되는 추세에 따라 휴대폰 부품의 소형화, 고품질화가 요구되는 상황에서 진동 발생장치 또한 기존제품의 단점을 개선하고, 품질을 획기적으로 개선시키는 새로운 구조의 제품개발의 필요성이 대두 되고 있는 실정이다.
휴대단말기에 장착되는 종래의 진동 발생장치는 기본적으로 중량체를 이용한 2차 진동계로, 중량체를 스프링과 같은 탄성체에 부착시키고, 중량체를 진동시키기 위한 코일을 구비하고 있다.
상기 코일에 전력을 인가하면 상기 중량체와 탄성체의 탄성 계수에 의해 미리 정해진 주파수 응답 특성에 따라 중량체가 진동한다.
최근 출시되는 휴대단말기는 상술한 바와 같이, 사용자의 터치입력에 반응하여 음성 또는 진동을 출력함으로써, 사용자에게 입력에 대응하는 피드백을 제공하는 기능을 구비하고 있다.
특히, 햅틱 기술이 적용된 휴대단말기의 경우에는 사용자의 여러 가지 입력에 반응하여 다양한 촉각 피드백을 제공하기 위해 다양한 형태의 진동을 발생하는 진동 발생장치의 연구가 한창 진행되고 있다.
그러나 종래의 진동 발생장치는 코일과 고정자석 사이에서 발생하는 로렌츠의 힘으로 중량체의 상하구동력을 발생하도록 하였는바, 로렌츠 힘에 의한 진동 발생장치의 구조적 한계로 인하여 진동의 세기 및 진동주파수 대역 등에서 좋은 특성을 나타내기 어려웠다.
특히, 종래의 LRA(Linear Resonant Actuator) 방식 또는 Linear Motor의 진동 발생장치에서는 댐핑값의 증가에 한계가 있어 반응속도가 빠르지 못한 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1250288호 대한민국 등록특허공보 제10-1055562호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자기력 구조를 개선하여 사용자의 터치에 따른 반응속도 및 주파수 대역 등의 성능이 더욱 향상된 햅틱 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 햅틱 액추에이터는, 내부에 수용부가 형성되어 있는 케이스; 상기 케이스의 내주면을 따라 감겨있는 제1 코일과 제2 코일; 상기 제1 코일과 제2 코일 사이에 배치되는 요크; 상기 제1 코일과 제2 코일의 내측에 배치되고, 상기 제1 코일과 제2 코일에 전류가 발생하면 상기 요크를 기준으로 상기 수용부에서 상하 진동하는 마그네트; 및 상기 케이스에 장착되어 상기 마그네트를 탄성적으로 지지하는 탄성체를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 제1 코일과 제2 코일에는 서로 반대 방향으로 전류가 형성되고, 상기 마그네트는 상하로 분극되어 있다.
그리고 상기 제1 코일과 제2 코일은 원형 고리 형상으로 서로 반대 방향으로 감김 형성되어 상기 케이스의 내측면에 장착된다.
또한, 본 발명의 햅틱 액추에이터는, 상기 마그네트와 함께 상하로 진동하는 중량체를 더 포함하여 이루어지고, 상기 마그네트는 고리 형상으로 형성되어 상기 중량체의 외주면에 장착된다.
그리고 상기 탄성체는, 상기 케이스의 하부에 장착되어 상기 마그네트와 중량체를 상방향으로 탄성지지하는 하부스프링과, 상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 마그네트와 중량체를 하방향으로 탄성지지하는 상부스프링으로 이루어진다.
그리고 상기 케이스는 자기장에 의해 자화되는 강자성체이며, 상기 마그네트, 요크, 케이스는 자기회로를 형성한다.
본 발명에 따른 햅틱 액추에이터는 구조가 간단하면서, 마그네트, 요크, 케이스에 의해 형성된 자기회로구조에 의해 진동 성능이 향상되고 반응속도가 빨라지며, 햅틱 액추에이터가 적용되는 휴대단말기에서 다양한 입력신호 패턴에 따라 그에 상응하는 출력을 신속하게 생성 및 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 분해사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 수직단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 작동상태도.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 전체 형상을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터의 내부구조를 보여주기 위한 수직단면도이고, 도 4(a)는 마그네트 및 중량체가 하강한 상태를 도시한 도면이며, 도 4(b)는 마그네트 및 중량체가 상승한 상태를 도시한 도면이다. 도 4에서는 탄성체를 별도로 도시하지 않았으며, 도 3 및 도 4는 자기력선을 화살표로 표시하였다.
본 발명의 햅틱 액추에이터는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 케이스(100), 코일, 요크(400), 마그네트(500), 중량체(600) 및 탄성체(700,800)로 이루어진다.
케이스(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 베이스(110)와 커버(120)로 이루어지고, 대략 원통형상으로 형성되며 내부에 수용부(130)가 형성되어 있다. 베이스(110)의 상부에는 FPCB 및 하부스프링(700)이 장착된다. 그리고 베이스(110)의 상부에 커버(120)가 결합되어 수용부(130)를 형성하고, 커버(120)의 내측면에는 제1 코일(200), 제2 코일(300) 및 요크(400)가 장착된다. 또한, 커버(120)의 내측 상면에는 상부스프링(800)이 장착된다. 그리고 마그네트(500) 및 중량체(600)가 수용부(130)에서 상하로 진동한다. 이러한 케이스(100)는 강자성체인 냉간압연강판(SPCC) 재질로 제작되고, 도 3에 도시된 바와 같이 마그네트(500)에 의해 자기장이 형성됨에 따라 마그네트(500)와 케이스(100)는 자기회로를 형성한다.
제1 코일(200)과 제2 코일(300)은 케이스(100)의 내주면을 띠라 감겨있다. 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 코일(200)과 제2 코일(300)은 커버(120)의 내주면을 따라 원형 고리 형상으로 서로 반대 방향으로 감김 형성된다. 이에 따라 제1 코일(200)과 제2 코일(300)에는 전원이 연결되면 서로 반대 방향으로 흐르는 전류가 형성된다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 코일(200)과 제2 코일(300)은 커버(120)의 내측면에 장착되어 서로 상하로 배치되고, 제1 코일(200)과 제2 코일(300) 사이에는 요크(400)가 배치된다. 이러한 제1 코일(200)과 제2 코일(300)의 내측에는 마그네트(500)가 배치된다. 한편, 제1 코일(200)과 제2 코일(300)은 전술한 실시예 외에 다양한 형상으로 감김 형성될 수도 있다.
요크(400)는 전술한 바와 같이 제1 코일(200)과 제2 코일(300) 사이에 배치되고, 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)에 전원이 연결되어 마그네트(500)의 상하 진동시에 자기장의 흐름을 유도한다. 그리고 요크(400)는 수용부(130)의 상하 중심부에 위치한다. 이러한 요크(400)는 냉간압연강판(SPCC) 재질로 제작되며, 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)에 전류가 형성됨에 따라 마그네트(500), 요크(400), 케이스(100)는 자기회로를 형성한다. 그리고 요크(400)는 케이스(100)와 일체로 형성될 수 있다.
마그네트(500)는 원형 고리 형상으로 형성되어 중량체(600)의 외주면에 장착되고, 제1 코일(200)과 제2 코일(300) 내측에 배치된다. 그리고 마그네트(500)는 상하로 분극되어 있으며, 제1 코일(200)과 제2 코일(300)에 전류가 발생하면 요크(400)를 기준으로 수용부(130)에서 상하로 진동한다. 그리고 마그네트(500)의 상하 두께는 요크(400)의 상하 두께보다 두껍게 형성된다. 도 3도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 마그네트(500)의 상부에 N극이 형성되고 마그네트(500)의 하부에 S극이 형성된다. 본 발명의 다양한 실시예에 따라 마그네트(500)의 N극과 S극의 위치가 바뀔 수도 있다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 마그네트(500)에서 자기장이 발생함에 따라 마그네트(500), 커버(120) 및 베이스(110)는 자기회로를 형성한다.
중량체(600)는 원판 형상으로 형성되어 외주면에 마그네트(500)가 장착된다. 그리고 중량체(600)는 마그네트(500)와 함께 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)에 연결되는 전원의 주파수와 동일한 공진주파수를 갖는다. 이러한 중량체(600)는 요크(400)와 동일한 높이에 위치하며, 탄성체(700,800)에 의해 지지되어 수용부(130)에서 마그네트(500)와 함께 상하로 진동한다.
탄성체(700,800)는 케이스(100)에 장착되어 마그네트(500)와 중량체(600)를 탄성적으로 지지한다. 이러한 탄성체(700,800)는 하부스프링(700)과 상부스프링(800)으로 이루어진다. 하부스프링(700)은 베이스(110)에 장착되어 마그네트(500)와 중량체(600)를 상방향으로 탄성지지한다. 그리고 상부스프링(800)은 커버(120)에 장착되어 마그네트(500)와 중량체(600)를 하방향으로 탄성지지한다.
구체적으로 하부스프링(700)은 판스프링이며 도 2에 도시된 바와 같이, 원형 고리 형상의 제1 하부고정부(710)와, 최대 외경이 제1 하부고정부(710)의 내경보다 작은 제2 하부고정부(720)와, 제1 하부고정부(710)와 제2 하부고정부(720)를 연결하는 나선 형상의 하부연결부(730)로 이루어진다. 제1 하부고정부(710)는 베이스(110)에 장착되고, 제2 하부고정부(720)는 중량체(600)의 하부에 장착된다. 그리고 제1 하부고정부(710)와 제2 하부고정부(720)는 2개의 하부연결부(730)에 의해 연결된다.
상부스프링(800)은 하부스프링(700)과 동일한 형상으로 형성되며, 원형 고리 형상의 제1 상부고정부(810)와, 최대 외경이 제1 상부고정부(810)의 내경보다 작은 제1 상부고정부(820)와, 제1 상부고정부(810)와 제2상부고정부를 연결하는 나선 형상의 상부연결부(830)로 이루어진다. 제1 상부고정부(810)는 커버(120)에 장착되고, 제1 상부고정부(820)는 중량체(600)의 상부에 장착된다. 그리고 제1 상부고정부(810)와 제1 상부고정부(820)는 2개의 상부연결부(830)에 의해 연결된다.
하부연결부(730) 및 상부연결부(830)는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 그 형상 및 수가 변경될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 탄성체는 하부스프링(700)과 상부스프링(800) 중 어느 하나만으로 이루어질 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 햅틱 액추에이터의 동작 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같은 초기 상태에서 마그네트(500)는 하부스프링(700)과 상부스프링(800)에 의해 지지되어 요크(400)와 동일한 높이에 위치한다. 그리고 마그네트(500)에 의해 자기장이 형성됨에 따라 마그네트(500), 커버(120), 베이스(110)는 자기회로를 형성한다.
이러한 초기 상태에서 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)에 전원이 연결되면 제1 코일(200)과 제2 코일(300)에 서로 반대 방향으로 흐르는 전류가 형성되고, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 요크(400) 방향으로 S극이 형성되어 마그네트(500), 요크(400), 커버(120), 베이스(110)는 자기회로를 형성한다. 이에 따라 마그네트(500)와 중량체(600)가 하강한다. 그리고 마그네트(500) 및 중량체(600)가 하강함에 따라 하부스프링(700)이 압축되고 상부스프링(800)이 팽창된다.
한편, 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)에 형성된 전류의 방향이 바뀌면, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 요크(400) 방향으로 N극이 형성되어, 마그네트(500), 커버(120), 요크(400)는 자기회로를 형성한다. 그리고 마그네트(500) 및 중량체(600)는 압축되어 있는 하부스프링(700)과 팽창되어 있는 상부스프링(800)의 탄성력에 의해 상방향으로 힘을 받는다. 이에 따라 마그네트(500) 및 중량체(600)가 상승한다. 그리고 마그네트(500) 및 중량체(600)가 상승함에 따라 하부스프링(700)이 팽창되고 상부스프링(800)이 압축된다.
또한, 마그네트(500) 및 중량체(600)가 상승한 상태에서 마그네트(500) 및 중량체(600)가 다시 하강할 때는 마그네트(500) 및 중량체(600)의 이동방향과 마그네트(500) 및 중량체(600)에 작용하는 외력의 방향만 다를 뿐 동일한 방법으로 마그네트(500) 및 중량체(600)가 하강하게 된다.
이와 같이 마그네트(500) 및 중량체(600)가 승강하면서 진동이 발생한다. 그리고 전술한 바와 같은 자기회로구조와 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)의 탄성력에 의해 마그네트(500)와 중량체(600)는 진동시에 반강성(negative stiffness) 상태가 된다. 즉 제1 코일(200)과 제2 코일(300)에 전원이 연결되어 전류가 형성될 때, 마그네트(500)와 중량체(600)의 상하 변위 구간 중 초기위치를 중심으로 하는 일정 구간 내에서는 마그네트(500)에 의해 발행하는 자력과 제1 코일(200) 및 제2 코일(300)의 탄성력의 차이가 작은 안정적인 상태가 된다. 또한, 이러한 자기회로구조에 의해 마그네트(500) 및 중량체(600)가 요크(400)와 동일한 높이에 위치하도록 힘이 작용한다. 이처럼 마그네트(500)가 반강성 상태가 되면, 마그네트(500)의 댐핑값이 증가하게 되고, 이로 인해 마그네트(500)가 진동하는 반응속도가 빨라지는 효과가 발생한다. 또한, 반응속도가 빨라짐에 따라 햅틱 액추에이터가 적용되는 휴대단말기에서 다양한 입력신호 패턴에 따라 그에 상응하는 출력을 신속하게 생성 및 전달하여 품질 및 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 햅틱 액추에이터는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
100 : 케이스, 110 : 베이스, 120 : 커버, 130 : 수용부,
200 : 제1 코일,
300 : 제2 코일,
400 : 요크,
500 : 마그네트,
600 : 중량체,
700 : 하부스프링, 710 : 제1 하부고정부, 720 : 제2 하부고정부, 730 : 하부연결부,
800 : 상부스프링, 810 : 제1 상부고정부, 820 : 제2 상부고정부, 830 : 상부연결부,

Claims (6)

  1. 내부에 수용부가 형성되어 있는 케이스;
    상기 케이스의 내주면을 따라 감겨있는 제1 코일과 제2 코일;
    상기 제1 코일과 제2 코일 사이에 배치되는 요크;
    상기 제1 코일과 제2 코일의 내측에 배치되고, 상기 제1 코일과 제2 코일에 전류가 발생하면 상기 요크를 기준으로 상기 수용부에서 상하 진동하는 마그네트; 및
    상기 케이스에 장착되어 상기 마그네트를 탄성적으로 지지하는 탄성체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 코일과 제2 코일에는 서로 반대 방향으로 전류가 형성되고,
    상기 마그네트는 상하로 분극되어 있는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 코일과 제2 코일은 서로 반대 방향으로 감김 형성되어 상기 케이스의 내측면에 장착되는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 마그네트와 함께 상하로 진동하는 중량체를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 마그네트는 고리 형상으로 형성되어 상기 중량체의 외주면에 장착되는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 탄성체는,
    상기 케이스의 하부에 장착되어 상기 마그네트와 중량체를 상방향으로 탄성지지하는 하부스프링과,
    상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 마그네트와 중량체를 하방향으로 탄성지지하는 상부스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는 자기장에 의해 자화되는 강자성체이며,
    상기 마그네트, 요크, 케이스는 자기회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액추에이터.
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