KR20170129627A - 열적으로 활성화되는 햅틱 출력 디바이스 - Google Patents

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KR20170129627A
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바히드 코쉬카바
만수르 알그후네
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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

햅틱 출력 디바이스는 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다. 햅틱 출력 디바이스는 가열될 때 그 형상을 변경하고 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 형상 기억 재료, 및 형상 기억 재료를 냉각시키고 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 냉각 디바이스를 포함한다.

Description

열적으로 활성화되는 햅틱 출력 디바이스{THERMALLY ACTIVATED HAPTIC OUTPUT DEVICE}
본 발명은 디바이스의 사용자에게 햅틱 효과들을 생성하도록 구성된 열적으로 활성화되는 햅틱 출력 디바이스에 관한 것이다.
형상 기억 합금들(SMAs) 및 형상 기억 폴리머들(SMPs)과 같은 형상 기억 재료들을 포함하는 액추에이터들은 일반적으로는 신속하게 확장하거나 수축할 수 있고 가열될 때 상당한 힘들을 생성할 수 있는 경량 디바이스들이다. 또한, 이들은 임의의 형상들로 프로그래밍될 수 있고, 가열될 때 큰 크기의 힘을 생성할 수 있다. 그러한 액추에이터들이 수축에 의해 원래의 위치들로 되돌아오기 위해서는, SMA들/SMP들은 냉각되어야만 하고, 이것은 일부 어플리케이션들에서 그들의 이용을 제한시킬 수 있다. 액추에이터들에서 일부 SMA들/SMP들의 구현들은 예를 들면 액추에이터들을 그 원래 위치들로 물리적으로 되돌아오게 하는데 리턴 스프링들을 이용하지만, 리턴 스프링들의 이용은 그러한 액추에이터들의 에너지 소비를 적어도 100%만큼 증가시킬 수 있고 액추에이터들의 대역폭을 1Hz 이상으로 개선시키지 못한다. SMA들 또는 SMP들을 구비하는 일부 액추에이터들은 SMA들/SMP들이 그 원래 위치들로 되돌아오도록 이들을 냉각시키는 자연적인 대류를 개선시키는 시도들로 설계되어 왔지만, 그러한 디자인들은 매우 효율적이지 않고, 비교적 부피가 크며, 복잡한 디자인들을 가지고 있다.
개선된 성능을 가지는 열적으로 활성화되는 SMA 및/또는 SMP를 포함하는 햅틱 출력 디바이스를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 햅틱 출력 디바이스가 제공된다. 햅틱 출력 디바이스는 가열될 때 그 형상을 변경하고 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 형상 기억 재료, 및 형상 기억 재료를 냉각시키고 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 냉각 디바이스를 포함한다.
하나의 실시예에서, 형상 기억 재료는 형상 기억 합금을 포함한다.
하나의 실시예에서, 형상 기억 재료는 형상 기억 폴리머를 포함한다.
하나의 실시예에서, 냉각 디바이스는 프레임, 프레임에 의해 지지되는 제1 압전 액추에이터, 및 프레임에 의해 지지되고, 제1 압전 액추에이터로부터 제1 압전 액추에이터에 대해 평행한 관계로 이격되는 제2 압전 액추에이터를 포함한다. 프레임, 제1 압전 액추에이터, 및 제2 압전 액추에이터는 볼륨을 정의하고, 프레임은 형상 기억 재료를 냉각시키기 위해 기체가 볼륨으로부터 형상 기억 재료를 향해 흘러가게 허용하도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함한다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 시스템의 사용자의 입력을 감지하도록 구성된 센서, 및 센서에 의해 감지된 입력에 기초하여 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 햅틱 출력 디바이스를 포함하는 시스템이 제공된다. 햅틱 출력 디바이스는 가열될 때 그 형상을 변경하고 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 형상 기억 재료, 및 형상 기억 재료를 냉각시키고 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 냉각 디바이스를 포함한다.
하나의 실시예에서, 시스템은 센서로부터 제1 신호를 수신하고, 제1 신호에 기초하여 생성될 전체 햅틱 효과를 결정하며, 제2 신호를 상기 햅틱 출력 디바이스에 출력하여 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 전체 햅틱 효과를 제공하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 형상 기억 재료를 가열하는 단계, 및 냉각 디바이스로 형상 기억 재료를 냉각시키고 진동-기반 햅틱 효과를 생성하는 단계를 포함한다.
하나의 실시예에서, 방법은 시스템의 사용자에 의한 입력을 센서로 감지하는 단계를 포함한다. 시스템은 센서 및 햅틱 출력 디바이스를 포함한다. 방법은 센서에 의해 출력된 제1 신호에 기초하여 생성될 전체 햅틱 효과를 결정하는 단계, 및 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 제2 신호를 햅틱 출력 디바이스에 출력하는 단계를 포함한다.
구조의 관련된 구성요소들의 동작 방법들 및 기능들 및 부품들의 조합 및 제조 비용들뿐만 아니라, 본 발명의 이들 및 다른 양태들, 특징들 및 특성들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세한 설명 및 첨부된 청구항들의 고려 시에 더 명백하게 될 것이고, 이들 모두는 본 명세서의 일부를 형성한다. 그러나, 도면들은 예시 및 설명의 목적만을 위한 것이고 본 발명의 한계들의 정의로서 받아들여서는 안된다는 것은 명백하게 이해될 것이다. 본 명세서 및 청구항들에서 이용되는 바와 같이, 단수(a, an, the)의 표현은 명백하게 달리 지시되지 않는 한 복수의 지시물들을 포함한다.
이하의 도면들의 컴포넌트들은 본 개시의 일반적인 원리들을 강조하기 위해 예시되어 있고 반드시 축척대로 그려질 필요는 없다. 대응하는 컴포넌트들을 지시하는 참조문자들은 일관성 및 명료성을 위해 도면들 전체에 걸쳐 필요한 대로 반복된다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 시스템을 예시하는 개략도.
도 2는 도 1의 시스템의 컨트롤러의 실시예를 예시하는 개략도.
도 3은 도 1의 시스템의 햅틱 출력 디바이스의 실시예를 예시하는 개략도.
도 4는 도 3의 햅틱 출력 디바이스의 냉각 디바이스의 실시예를 예시하는 개략도.
도 5는 도 3의 햅틱 출력 디바이스의 냉각 디바이스의 실시예를 예시하는 개략도.
도 6은 도 3의 햅틱 출력 디바이스의 실시예, 및 햅틱 출력 디바이스의 컴포넌트들에 의해 생성된 햅틱 효과들을 예시하는 개략도.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 전체 햅틱 효과를 제공하기 위한 방법을 예시하는 개략도.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시스템(100)을 예시하고 있다. 시스템(100)은 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 전자 워크북, 전자 핸드헬드 디바이스(예를 들면, 모바일 폰, 스마트폰, 게임 디바이스, 개인휴대단말기(PDA), 휴대용 이메일 디바이스, 휴대용 인터넷 액세스 디바이스, 계산기, 등), 키오스크(예를 들면, 현금 자동 입출금기, 티켓 구매 머신, 등), 프린터, 포인트-오브-세일(point-of-sale) 디바이스, 게임 컨트롤러, 웨어러블(wearable) 디바이스, 또는 터치 스크린, 터치 패드 또는 버튼 패널과 같은 차량의 일부인 전자 디바이스와 같은 다른 전자 디바이스와 같은 임의의 전자 디바이스를 포함하거나 그 일부일 수 있다.
예시된 바와 같이, 시스템(100)은 입/출력 디바이스들(110), 컨트롤러(120), 및 메모리 디바이스(130)를 포함한다. 입/출력 디바이스들(110)은, 입/출력 디바이스들(110)이 컨트롤러(120)와 신호 통신 상태에 있도록 버스(140)를 통해 컨트롤러(120) 및/또는 메모리 디바이스(130)에 상호접속될 수 있다. 버스(140)는 컨트롤러(120)와 입/출력 디바이스들(110) 사이에서 유선 통신 링크들, 무선 통신 링크들, 및/또는 다른 통신 링크들을 포함할 수 있다. 신호들은 입/출력 디바이스들(110)에 의해 컨트롤러(120)에 출력될 수 있고 신호들은 컨트롤러(120)에 의해 입/출력 디바이스들(110)에 출력될 수 있다.
입/출력 디바이스들(110)은 시스템(100)의 사용자로부터 입력을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 사용자 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 사용자 입력 디바이스는 사용자로부터 입력을 감지하도록 구성된 센서(150)를 포함할 수 있다. 센서(150)는 터치 센서의 형태로 되어 있고 탭핑(tapping), 슬라이딩(sliding), 러빙(rubbing), 또는 센서(150)의 표면을 누르기와 같이, 사용자로부터의 제스쳐들을 검출하도록 구성될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 예를 들면 용량성 또는 저항성 센싱, 힘 감지 저항기들(force-sensitive resistors), 또는 광학 스위치들과 같은 수 개의 기술들이 이용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 센서(150)는 터치 패드의 일부일 수 있다. 하나의 실시예에서, 센서(150)는 사용자에게 정보를 출력하고 표시하도록 구성된 디스플레이(160) 위에 놓여지는 터치 스크린의 일부일 수 있다. 하나의 실시예에서, 센서(150) 및 디스플레이(160)는 터치 스크린 디바이스에 통합될 수 있다.
입/출력 디바이스들(110)은 오디오 피드백을 사용자에게 제공하도록 구성된, 스피커와 같은 오디오 출력 디바이스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 입/출력 디바이스들(110)은 사용자가 시스템(100)에 입력을 제공하기 위해 사용자에 의해 조작될 수 있는 버튼, 로터리 노브(rotary knob), 또는 조이스틱과 같은 다른 타입들의 사용자 입력 디바이스들을 포함할 수 있다. 버튼들, 로터리 노브들 및 조이스틱들은 사용자 입력 디바이스들로서 예를 들면 다양한 게임 주변장치들 및 차량들에 현재 이용되고 있고 그러한 디바이스들의 구현들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 주지되어 있다.
입/출력 디바이스들(110)은 예를 들면 시스템(100)에 의해 입력이 수신되었다는 확인으로서, 사용자에게 햅틱 효과 또는 피드백을 제공하도록 구성된 햅틱 출력 디바이스(170)를 또한 포함한다. 햅틱 출력 디바이스(170)는 하나 이상의 액추에이터들, 구동 회로, 및 액추에이터(들)에 대한 구동 신호들을 생성하도록 구성된 햅틱 엔진을 포함할 수 있다.
햅틱 출력 디바이스(170)에 의해 제공된 햅틱 피드백은 진동, 변형, 운동 감각, 정전형 또는 초음파 마찰 등과 같은 햅틱 효과들을 생성하는 방법들 중 임의의 하나로 생성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 햅틱 출력 디바이스(170)는 액추에이터, 예를 들면, 편심 질량이 모터에 의해 이동되는 편심 회전 질량("ERM")과 같은 전자기 액추에이터, 스피링에 부착된 질량이 왕복으로 구동되는 선형 공진 액추에이터("LRA"), 또는 압전 재료들, 이온형 또는 전자 기반 전기활성폴리머들과 같은 전기활성 폴리머들, 형상 기억 재료들, 스마트 하이드로젤들과 같은 "스마트 재료", 매크로복합 파이버 액추에이터, 정전 액추에이터, 전기촉각 액추에이터, 나노복합 액추에이터, 공압-기반 액추에이터, 및/또는 진동촉각 피드백과 같은 물리적 피드백을 제공하는 다른 타입의 액추에이터를 포함할 수 있다. 햅틱 출력 디바이스(170)는 정전 마찰(ESF), 초음파 마찰(USF)을 이용하는 것들, 또는 초음파 햅틱 트랜스듀서로 음향 방사 압력을 유도하는 것들, 또는 햅틱 기판 및 유연하거나 변형가능한 표면을 이용하는 것들, 또는 열적 효과들을 제공하는 것들, 또는 에어 제트를 이용한 공기의 훅 불기(puff)와 같은 프로젝팅형 햅틱 출력을 제공하는 것들, 등과 같은 비-기계적 또는 비-진동형 디바이스들을 포함할 수 있다. 복수의 햅틱 출력 디바이스들(170)은 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이 상이한 햅틱 효과들을 생성하는데 이용될 수 있다. 햅틱 출력 디바이스(170)의 실시예들이 이하에 더 상세하게 설명된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 메모리 디바이스(130)는 또한 버스(140)를 통해 컨트롤러(120) 및 입/출력 디바이스들(110)에 상호접속될 수 있다. 메모리 디바이스(130)는 하나 이상의 내부적으로 고정된 저장 유닛들, 제거가능 저장 유닛들, 및/또는 원격으로 액세스가능한 저장 유닛들을 포함할 수 있다. 다양한 저장 유닛들은 휘발성 메모리 및 비-휘발성 메모리의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 저장 유닛들은 정보, 데이터, 명령들, 소프트웨어 코드, 등의 임의의 조합을 저장하도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로는, 저장 유닛들은 햅틱 효과 프로파일들, 햅틱 출력 디바이스(170)가 구동되어질 방법에 대한 명령들, 또는 햅틱 효과들을 생성하기 위한 다른 정보를 포함할 수 있다.
컨트롤러(120)는 시스템(100)의 동작들 및 기능들을 관리하거나 제어하기 위한 범용 또는 특별-목적 프로세서 또는 마이크로프로세서일 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(120)는 디스플레이(160)에 비주얼 정보를 제공하고, 그리고 햅틱 출력 디바이스(170)에 햅틱 효과들을 제공하도록 출력 신호들을 제어하는 어플리케이션-특정 집적 회로("ASIC")로서 특별히 설계될 수 있다. 컨트롤러(120)는 미리 정의된 인자들에 기초하여, 생성되는 햅틱 효과(들)의 타입(들), 햅틱 효과들이 생성되는 순서, 및 햅틱 효과들의 크기, 빈도, 지속기간 및/또는 다른 파라미터들을 결정하도록 구성될 수 있다. 컨트롤러(120)는 또한 특정 햅틱 효과를 제공하기 위해 햅틱 출력 디바이스(170)를 구동하는데 이용될 수 있는 스트리밍 명령들을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨트롤러(120)는 각각이 시스템(100) 내에서 특정 기능들을 수행하도록 구성된 복수의 프로세서들을 실제로 포함할 수 있다.
도 2는 컨트롤러(120)의 하나의 실시예의 더 상세화된 뷰를 예시하고 있다. 컨트롤러(120)는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 모듈들을 실행하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 모듈들은 컨텐트 제공 모듈(122), 입력 결정 모듈(124), 햅틱 효과 결정 모듈(126), 햅틱 출력 디바이스 제어 모듈(128), 및/또는 다른 모듈들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 컨트롤러(120)는 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 하드웨어, 및/또는 펌웨어의 일부 조합, 및/또는 컨트롤러(120) 상에서 처리 성능들을 구성하기 위한 다른 메커니즘들에 의해 모듈들(122, 124, 126 및/또는 128)을 실행하도록 구성될 수 있다.
모듈들(122, 124, 126, 및 128)이 도 2에서 단일 처리 유닛 내에 함께 로케이팅되어 있는 것으로 예시되어 있지만, 컨트롤러(120)가 복수의 처리 코어들을 포함하는 실시예들에서, 모듈들(122, 124, 126 및/또는 128)의 하나 이상이 다른 모듈들로부터 이격되어 로케이팅될 수 있다는 것은 자명하다. 이하에 기재되는 상이한 모듈들(122, 124, 126 및/또는 128)에 의해 제공된 기능의 설명은 예시의 목적을 위한 것이고, 모듈들(122, 124, 126 및/또는 128)의 임의의 하나가 기재된 것보다 더 많거나 더 적은 기능을 제공할 수도 있으므로 제한하려고 하는 것은 아니다. 예를 들면, 모듈들(122, 124, 126, 및/또는 128)의 하나 이상은 제거될 수도 있고, 그 기능의 일부 또는 모두는 모듈들(122, 124, 126 및/또는 128)의 다른 것들에 의해 제공될 수 있다. 또 하나의 예로서, 컨트롤러(120)는 이하에서 모듈들(122, 124, 126 및/또는 128)의 하나에 속하는 기능의 일부 또는 모두를 수행할 수 있는 하나 이상의 추가적인 모듈들을 실행하도록 구성될 수 있다.
컨텐트 제공 모듈(122)은 디스플레이(160)를 통해 시스템(100)의 사용자에게 컨텐트의 제공을 제어하도록 구성된다. 컨텐트가 컴퓨터 생성된 이미지들을 포함하는 경우에, 컨텐트 제공 모듈(122)은 디스플레이(160)를 통한 사용자로의 디스플레이를 위한 이미지들 및/또는 뷰들을 생성하도록 구성된다. 컨텐트, 또는 컨텐트가 도출되는 정보는, 도 2에 예시된 바와 같이 컨트롤러(120)의 일부이거나, 도 1에 예시된 메모리 디바이스(130)의 일부와 같이 컨트롤러(120)로부터 분리될 수 있는 전자 스토리지(129)로부터, 컨텐트 제공 모듈(122)에 의해 얻어질 수 있다.
입력 결정 모듈(124)은 센서(150)로부터 입력 신호를 수신하도록 구성된다. 입력 신호는 센서(150)가 시스템(100)의 사용자로부터 입력을 검출할 때 생성된다. 입력 결정 모듈(124)은 입력 신호의 세기를 의도적인 입력에 대응하는 소정 임계 세기와 비교함으로써, 감지된 입력이 의도적인 입력인지 또는 단순히 센서(150)로의 우연한 터치인지 여부를 결정하도록 구성될 수 있다. 입력 결정 모듈(124)은 또한 센서(150)에게 입력을 제공할 때 사용자에 의해 의도되었던 것을 결정하도록 구성된다. 예를 들면, 사용자는 시스템(100)에 의해 특정 기능이 수행되어야 한다는 것을 나타내도록, 센서(150)의 특정 로케이션을 터치하거나 센서(150)에 특정 제스쳐를 제공할 수 있다. 입력 결정 모듈(124)은 사용자가 센서(150) 상에서 특정 로케이션을 접촉하거나 제스쳐를 센서(150)에 제공할 때, 입력 결정 모듈(124)이 대응하는 출력을 결정하도록, 센서(150) 상의 소정 제스쳐들 및 터치 로케이션들의 라이브러리로 프로그래밍될 수 있다.
예를 들면, 시스템(100)이 스마트폰의 형태로 되어 있는 실시예에서, 사용자는 그 또는 그녀의 손가락으로 센서(150) 상에 심볼을 그릴 수 있고, 입력 결정 모듈(124)은, 사용자가 스마트폰과 자유롭게 인터액팅할 수 있도록 스마트폰을 언록킹하는 것과 같이, 그려진 심볼이 특정 명령에 대응한다고 결정할 수 있다. 하나의 실시예에서, 입력 결정 모듈(124)은 센서(150)로부터 수신된 신호 대신에 또는 그에 덧붙여, 햅틱 효과가 생성되어야 되는 것을 나타내는 입력을 제공하는, 타이머와 같은 원격 디바이스로부터 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 입력 결정 모듈(124)은 또한 입력이 검출되거나 수락되었다는 것을 검증하는 햅틱 효과가 사용자에게 제공되도록, 햅틱 효과 결정 모듈(126) 및/또는 햅틱 출력 디바이스 제어 모듈(128)에 신호를 출력할 수 있다.
햅틱 효과 결정 모듈(126)은 햅틱 출력 디바이스(170)에 의해 생성되어 시스템(100)의 사용자에게 출력되는 햅틱 효과 또는 감지를 결정하도록 구성된다. 햅틱 효과를 결정하는 것은 햅틱 효과의 타입, 및 진폭, 빈도, 지속기간 등과 같이 햅틱 효과의 하나 이상의 파라미터들을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
햅틱 출력 디바이스 제어 모듈(128)은 햅틱 효과 결정 모듈(126)에 의해 결정된 햅틱 효과를 생성하기 위해 햅틱 출력 디바이스(170)를 제어하도록 구성된다. 이것은 컨트롤러(120)에 의해 생성된 햅틱 출력 신호를 버스(140)를 통해 햅틱 출력 디바이스(170)에 통신하는 것을 포함한다. 하나의 실시예에서, 햅틱 출력 디바이스 제어 모듈(128)에 속하는 기능의 적어도 일부는 햅틱 출력 디바이스(170)에 의해 포함된 컨트롤러 또는 프로세서에 배치될 수 있다.
도 3은 도 1의 햅틱 출력 디바이스(170)의 실시예를 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 햅틱 출력 디바이스(170)는 가열될 때 변형됨에 따라 상당량의 힘을 신속하게 생성하도록 구성된, 형상 기억(금속) 합금("SMA")과 같은 형상 기억 재료("SMM", 172), 형상 기억 폴리머("SMP"), 또는 그 조합물을 포함한다.
하나의 실시예에서, SMM들의 조합은 상이하게 프로그래밍되어 변형에 있어서의 더 나은 응답 시간 및 더 많은 유연성에 이용될 수 있다. 예를 들면, 제1 SMM은 가열될 때 수축하는 방식으로 프로그래밍될 수 있고, 제2 SMM은 가열될 때 직선화되도록 프로그래밍될 수 있다. 제2 SMM은 제1 SMM이 가열된 경우에 활성화될 수 있다. 그리고나서, 제2 SMM이 가열되어, 변형된 위치로부터 복원(returning) 메커니즘을 용이하게 하도록 할 수 있다.
하나의 실시예에서, SMM들은 하이브리드 구조의 SMP 및 SMA의 조합일 수 있다. 환언하면, SMA는 SMP에 내장되어 가역가능한 SMM 액추에이터를 만든다. SMA는 SMP를 원래의 상태로 가져오게 할 수 있는 방식으로 프로그래밍될 수 있다. 결과적으로, 응답은 외부 냉각기를 이용하여 가속화된다.
형상 기억 재료(172)는 와이어, 복수의 와이어들, 막대기, 얇은 시트, 얇은 막, 파이버, 복수의 파이버들, 등의 폼 팩터를 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 형상 기억 재료(172)는 가열될 때 그 길이축을 따라 수축하도록 구성된 인공적인 근육 파이버일 수 있다. 하나의 실시예에서, 형상 기억 재료(172)는 스트레스에 노출되어 스트레인(strain)이 재료에 저장되는 방식으로 디폴트 상태로 변형될 수 있다. 열이 형상 기억 재료(172)에 인가되는 경우에, 형상 기억 재료(172)는 저장된 스트레인을 해제하고 그 원래의 형상으로 신속하게 다시 변형할 것이고, 그 동안에 변형-기반 햅틱 효과를 생성한다. 햅틱 출력 디바이스(170)는 고속 변형(예를 들면, 스냅 벅클링)에 대한 개시 힘을 생성하도록 구성되어야 되고 에너지를 소비하지 않고서도 변형된 상태로 유지될 수 있어야 한다.
햅틱 출력 디바이스(170)는 또한 열 소스(174)를 포함하는데, 이는 예를 들면 열을 생성하는 전기 히터, 열을 생성하는 전계 발생기, 열을 생성하는 자계 발생기, 열을 발생하는 광원 또는 열을 발생하는 반응을 유발하는 화학물일 수 있다. 하나의 실시예에서, 전기 히터는 형상 기억 재료(172)에 직접 접속되어 형상 기억 재료(172)에 전류가 흐르는 것을 허용하는 전력 소스의 형태로 되어 있을 수 있고, 이는 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 형상 메모리 재료(172)를 가열시킨다. 형상 기억 재료(172)가 열에 노출되는 경우에, 재료는 그 디폴트 상태로 변형하여, 형상 기억 재료(172)가 제1 인스턴스에서 변형되었던 때에 생성되어 저장되었던 스트레인을 해제한다.
도 3에 예시된 바와 같이, 햅틱 출력 디바이스(170)는 또한 형상 메모리 재료(172)가 그 디폴트 상태로 되돌아갈 수 있도록 형상 기억 재료(172)를 냉각시키도록 구성된 냉각 디바이스 또는 냉각기(176)를 포함한다. 냉각 디바이스(176)는 바람직하게는 스마트폰들 및 웨어러블 전자 디바이스들과 같은 소형 전자 디바이스들에 맞도록 구성된 초박형 냉각 디바이스이다.
상기 설명된 동일한 컨트롤러(120)이거나, 특히 햅틱 효과 결정 모듈(126) 및 햅틱 출력 디바이스 제어 모듈(128)에 대해, 상기 기재된 컨트롤러(120)와 실질적으로 동일한 기능을 가지고 있는 분리된 컨트롤러일 수 있는 컨트롤러(178)는 열 소스(174) 및 냉각 디바이스(176)와 신호 통신 상태에 있다. 컨트롤러(178)는 형상 기억 재료(172)가 신속하게 변형하여 변형-기반 햅틱 효과를 생성하기 위해 열을 생성하도록 신호를 열 소스(174)에 전송함으로써 형상 기억 재료(172)의 액추에이션을 제어하도록 프로그래밍된다. 컨트롤러(178)는 또한 형상 기억 재료(172)가 햅틱 출력 디바이스(170)에서 그 초기 구성으로 되돌아오도록 형상 기억 재료(172)를 냉각시킬 때가 된 때, 신호를 냉각 디바이스(176)에 전송하도록 구성된다. 하나의 실시예에서, 냉각 디바이스(176)는 또한 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 형상 기억 재료(172)를 냉각시킴에 따라 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 디바이스(400)를 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 압전 제트로 지칭될 수 있는 냉각 디바이스(400)는 프레임(430)에 의해 홀딩되고 그 사이의 볼륨(440)을 정의하는 2개의 평행한 압전 액추에이터들(410, 420)을 포함한다. 압전 액추에이터들(410, 420)이 전력 소스에 의해 액추에이팅되고 서로를 향해 이동하는 경우에, 압전 액추에이터들(410, 420)은 프레임(430)의 측벽 내의 하나 이상의 개구들(432)을 통해 액추에이터들(410, 420) 사이의 볼륨(440)에 위치한 공기를 형상 기억 재료를 향해 밀어내어 형상 기억 재료를 냉각시키는 데 이용될 수 있다. 단지 하나의 개구만이 도 4에 예시되어 있지만, 페이지에 수직으로 진행하는 측벽에 추가적인 개구들이 제공될 수 있다. 냉각 디바이스의 실시예의 추가적인 세부사항들은 2012년 12월 18일에 일렉트로닉스 쿨링에 의해 http://www.electronics-cooling.com/2012/12/evaluation-and-opportunities-for-use-of-thin-form-factor-synthetic-jets-to-low-profile-electronics-cooling-applications-2/에 배포된 Peter de Bock 등에 의한 논문 "Evaluation and Opportunities for Use of Thin Form Factor Synthetic Jets to Low Profile Electronics Cooling Applications"에서 찾을 수 있고, 참고로 그 전체를 여기에 첨부하였다.
압전 액추에이터들(410, 420)에 인가된 전압들의 극성들이 압전 액추에이터들(410, 420)이 서로 이격되게 이동하도록 반전되는 경우에, 공기는 볼륨(440)으로 되돌아 들어갈 수 있다. 압전 액추에이터들(410, 420)에 인가된 전압의 극성들을 순환시킴으로써, 냉각 디바이스(400)는 또한 펌프와 같이 기능하고 차가운 공기를 형상 기억 재료에 제공함으로써 형상 기억 재료를 냉각시킬 수 있다. 펌프로서 기능할뿐만 아니라, 압전 액추에이터들(410, 420)은 압전 액추에이터들(410, 420)에 전압이 인가되어 압전 액추에이터들(410, 420)이 이동하도록 유발하는 경우에 진동의 형태로 된 제2 햅틱 효과를 생성할 수 있다.
압전 액추에이터들(410, 412)은 본 기술분야에 주지되어 있는 바와 같이, 각각이 압전세라믹 재료 및 금속 기판을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 압전 폴리머들(예를 들면, 코폴리머 및 테르폴리머 폴리비닐리덴 플로라이드("PVDF"))과 같은 다른 압전 재료들이 이용될 수 있다. 압전 폴리머들은 압전 세라믹들보다 더 높은 스트로크들을 제공하고, 따라서 공기의 더 큰 송풍량/제트가 냉각 디바이스(400)에 의해 생성될 수 있다. 뿐만 아니라, 폴리머 기반 압전 재료들은 압전세라믹 기반 압전 재료들보다 더 유연하고, 따라서 곡률과 같이, 더 복잡한 디자인들에 대해 기회들을 제공할 수 있다. 하나의 실시예에서, 공기의 송풍/제트 양을 개선할 뿐만 아니라 저전력 냉각 디바이스를 생성하기 위해, 기판으로서 쌍-안정 재료 또는 부응하는 디자인이 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 디바이스(500)를 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 냉각 디바이스(500)는 프레임(530)에 의해 홀딩되어 그 사이에서 볼륨(540)을 정의하는 상기 기재된 2개의 평행한 압전 액추에이터들(410, 420)을 포함한다. 프레임(530)은, 프레임(530)이 예시된 바와 같이, 상부 압전 액추에이터(410)을 지지하는 프레임(530)의 상부 부분에 복수의 개구들(532)을 가지고 있다는 점에서, 도 4에 예시된 프레임(430)과 상이하다. 그 외에는, 도 5에 예시된 냉각 디바이스(500)의 기능은 도 4에 예시된 냉각 디바이스(400)의 기능과 동일하다. 하나의 실시예에서, 압전 액추에이터들(410, 420)은 디스크-형상으로 되어 있고, 복수의 개구들(532)은 압전 액추에이터(410)를 둘러쌀 수 있다.
하나의 실시예에서, 햅틱 출력 디바이스(170)의 냉각 디바이스(176)는 이온형 냉각 디바이스(예시되지 않음)일 수 있고, 이는 예리한 전극 및 무딘 전극을 가지고 있는 코로나 방전 시스템을 포함한다. 무딘 전극은 전자들을 수집하도록 구성되고 피착 기술들을 이용하여 임의의 기판 상에 코팅될 수 있는 금 기판으로 만들어질 수 있다. 예리한 전극은 통상 코로나 와이어로 지칭되는, 와이어 형상으로 된 스틸과 같이 임의의 금속일 수 있다. 예리한 전극은 개선된 코로나 방전을 위해 세라믹 재료들 사이에서 매달릴 수 있다. 높은 전위를 인가하는 것은 나노/마이크로 암페어 내지 암페어 범위의 전류로 코로나 방전을 생성할 수 있다. 하나의 실시예에서, 단일 전력 서플라이(AC/DC)는 예리한 전극 및 무딘 전극을 활성화시켜 이온 이동성으로 인한 공기 플로우를 생성하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 열전 기반 냉각 디바이스(예를 들면, 펠티에 냉각기)와 같은 다른 타입들의 냉각 디바이스들이 이용될 수 있다. 상기-기재된 실시예들은 어찌됐든 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 하나의 실시예에서, 단일 전력 서플라이(AC/DC)는 압전 액추에이터들(410, 420) 또는 코로나 방전 시스템, 및 형상 기억 재료(172)를 포함할 수 있는 냉각 디바이스(176)를 활성화시키는데 이용될 수 있다.
도 6에 예시된 바와 같이, 하나의 실시예에서, 햅틱 출력 디바이스(170)는 형상 기억 재료(172)에 의해 생성되는 변형-기반 햅틱 효과들(610), 및 냉각 디바이스(들)(176)에 의해 생성되는 진동-기반 햅틱 효과들(620) 양쪽 모두를 제공할 수 있다. 원하는 변형 및 진동 스펙들(휨, 가속도, 힘, 등)에 기초하여, 적합한 재료들이 선택될 수 있다. 예를 들면, 형상 기억 합금은 형상 기억 재료(172)에 이용될 수 있고, 도 4에 예시된 압전 제트와 같은 압전 제트는 냉각 디바이스(176)에 이용될 수 있다. 컴포넌트들은 플라스틱 또는 금속으로부터 제조될 수 있는 유연한 프레임으로 만들어지는 단일 케이싱에 패키징될 수 있다. 압전 제트는 냉각 디바이스의 전체 표면에 걸쳐 일정하고 더 높은 가속도를 전달하도록 서스펜션 상에 장착될 수 있다. 하나의 실시예에서, 형상 기억 합금은 더 나은 열 전달을 위해 냉각 디바이스의 볼륨 내에 잘 배치될 수 있다. 형상 기억 합금 와이어는 와이어를 신속하게 가열시킬 전계를 인가시킴으로써 활성화될 수 있다. 그 처음의, 평형상태 또는 디폴트 상태로 되돌아가기 위해, 형상 기억 합금을 냉각시키도록 재료의 타입에 따라 예를 들면 약 20-1500 볼트의 전압을 인가함으로써 듀얼 압전 제트들이 활성화될 수 있다.
상기 기재된 시스템(100)의 센서(150)를 이용하는 경우, 사용자 입력이 검출될 수 있고, 상기 기재된 바와 같이 컨트롤러(120) 또는 컨트롤러(178)에 의해 결정된 바와 같이 전체 햅틱 효과를 사용자에게 제공하도록, 양쪽 변형-기반 및 진동-기반 햅틱 효과들이 생성될 수 있다. 듀얼 압전 액추에이터 디바이스는 스마트 메모리 합금을 냉각시키면서도 진동-기반 햅틱 피드백도 생성한다는 점에서, 두가지 기능을 가진 것으로 간주될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 전체 햅틱 효과를 제공하기 위한 방법(700)을 예시하고 있다. 방법은 참조번호 710에서 시작한다. 참조번호 720에서, 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 형상 기억 재료가 가열되고 있다. 형상 기억 재료는 상기 기재된 형상 기억 재료들 중 임의의 하나일 수 있다. 참조번호 730에서, 형상 기억 재료는 냉각 디바이스로 냉각된다. 냉각 디바이스는 상기 기재된 냉각 디바이스들 중 임의의 하나일 수 있다. 또한, 참조번호 730에서, 진동-기반 햅틱 효과는 냉각 디바이스에 의해 생성된다. 방법은 참조번호 740에서 종료한다.
하나의 실시예에서, 방법(700)은 또한 방법(700)의 참조번호 710에서의 시작이후 및 참조번호 720에서 형상 기억 재료를 가열하기 이전에, 상기 기재된 센서(150)와 같은 센서로 상기 설명된 시스템(100)과 같은 시스템의 사용자에 의한 입력을 감지하는 것을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 시스템의 사용자에 의해 입력을 감지한 이후에, 방법(700)은 또한 센서에 의해 출력된 제1 신호에 기초하여 생성될 전체 햅틱 효과를 결정하고, 상기 기재된 햅틱 출력 디바이스(170)와 같은 햅틱 출력 디바이스에 제2 신호를 출력하여 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
추가적인 실시예들에서, 열적으로 활성화되는 햅틱 디바이스는 예를 들면 PC 터치패드, 컴퓨터 마우스, 또는 게임패드 컨트롤러의 액추에이션에 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서, SMA들 또는 SMP들은 변형 햅틱들뿐만 아니라 열적 햅틱들(열)을 제공하는데 이용될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, SMA들 또는 SMP들은 액티브 라벨링에 이용될 수 있다. 예를 들면, SMM은 디바이스가 폰 호출 또는 텍스트를 수신하는 경우에 볼드 문자들 T 또는 C로서 각각 표시되도록 프로그래밍되는 폰 케이스에 디자인된 분리된 패치일 수 있다. 사용자에게는 이들 문자들을 접촉하거나 관측함으로써 통지될 수 있다.
여기에 기재된 실시예들은 다수의 가능한 구현들 및 예들을 나타내고 본 개시를 반드시 임의의 특정 실시예들로 제한하려고 하는 것은 아니다. 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 다양한 변형들이 이들 실시예들에게 만들어질 수 있다. 임의의 그러한 변형들은 본 개시의 사상 및 범주 내에 포함되고 이하의 청구항들에 의해 보호된다고 할 것이다.
110: 입/출력 디바이스들
120: 컨트롤러
130: 메모리 디바이스

Claims (11)

  1. 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 햅틱 출력 디바이스로서,
    가열될 때 그 형상을 변경하고 상기 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 형상 기억 재료; 및
    상기 형상 기억 재료를 냉각시키고 상기 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 냉각 디바이스
    를 포함하는 햅틱 출력 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 형상 기억 재료는 형상 기억 합금을 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 형상 기억 재료는 형상 기억 폴리머를 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 디바이스는,
    프레임,
    상기 프레임에 의해 지지되는 제1 압전 액추에이터, 및
    상기 프레임에 의해 지지되고, 상기 제1 압전 액추에이터로부터 상기 제1 압전 액추에이터에 대해 평행한 관계로 이격되는 제2 압전 액추에이터를 포함하며,
    상기 프레임, 상기 제1 압전 액추에이터, 및 상기 제2 압전 액추에이터는 볼륨을 정의하며, 상기 프레임은 상기 형상 기억 재료를 냉각시키기 위해 기체가 상기 볼륨으로부터 상기 형상 기억 재료를 향해 흘러가게 허용하도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함하는, 햅틱 출력 디바이스.
  5. 시스템으로서,
    상기 시스템의 사용자의 입력을 감지하도록 구성된 센서; 및
    상기 센서에 의해 감지된 상기 입력에 기초하여 변형-기반 햅틱 효과 및 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 햅틱 출력 디바이스를 포함하고,
    상기 햅틱 출력 디바이스는,
    가열될 때 그 형상을 변경하고 상기 변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 형상 기억 재료, 및
    상기 형상 기억 재료를 냉각시키고 상기 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 냉각 디바이스를 포함하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 형상 기억 재료는 형상 기억 합금을 포함하는, 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 형상 기억 재료는 형상 기억 폴리머를 포함하는, 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 냉각 디바이스는,
    프레임,
    상기 프레임에 의해 지지되는 제1 압전 액추에이터, 및
    상기 프레임에 의해 지지되고, 상기 제1 압전 액추에이터로부터 상기 제1 압전 액추에이터에 대해 평행한 관계로 이격되는 제2 압전 액추에이터를 포함하고,
    상기 프레임, 상기 제1 압전 액추에이터, 및 상기 제2 압전 액추에이터는 볼륨을 정의하며, 상기 프레임은 상기 형상 기억 재료를 냉각시키기 위해 기체가 상기 볼륨으로부터 상기 형상 기억 재료를 향해 흘러가게 허용하도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함하는, 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 센서로부터 제1 신호를 수신하고, 상기 제1 신호에 기초하여 생성될 전체 햅틱 효과를 결정하며, 제2 신호를 상기 햅틱 출력 디바이스에 출력하여 상기 변형-기반 햅틱 효과 및 상기 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는, 시스템.
  10. 전체 햅틱 효과를 제공하기 위한 방법으로서,
    변형-기반 햅틱 효과를 생성하도록 형상 기억 재료를 가열하는 단계; 및
    냉각 디바이스를 이용하여 상기 형상 기억 재료를 냉각시키고 진동-기반 햅틱 효과를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    센서를 이용하여 시스템의 사용자에 의한 입력을 감지하는 단계 - 상기 시스템은 상기 센서 및 햅틱 출력 디바이스를 포함함 -;
    상기 센서에 의해 출력된 제1 신호에 기초하여 생성될 전체 햅틱 효과를 결정하는 단계; 및
    상기 변형-기반 햅틱 효과 및 상기 진동-기반 햅틱 효과를 생성하도록 제2 신호를 상기 햅틱 출력 디바이스에 출력하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
KR1020170060534A 2016-05-17 2017-05-16 열적으로 활성화되는 햅틱 출력 디바이스 KR20170129627A (ko)

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