KR20180032883A - 정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널 - Google Patents

정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널 Download PDF

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KR20180032883A
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Abstract

본 발명은 정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널에 관한 것으로서, 정전기력을 이용하여 질량체를 진동시킴으로써 사용자에게 간접적으로 진동감을 전달하는 정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널에 관한 것이다. 이를 위해 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및 진동부에 공급되는 고전압신호를 기 설정된 충방전 주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 정전기력이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하며, 고전압신호가 충방전 주파수에 따라 충전구간과 방전구간을 가져 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터가 개시된다.

Description

정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널{Actuator and actuator pannel using electrostatic force}
본 발명은 정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전기력을 이용하여 질량체를 진동시킴으로써 사용자에게 간접적으로 진동감을 전달하는 정전기력을 이용한 액추에이터 및 액추에이터 패널에 관한 것이다.
일반적으로 촉감이란 물체를 만질 때 사람의 손가락 또는 스타일러스 펜으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 피드백을 포괄하는 개념이다.
사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언 소체(Paciniancorpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너 소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌러주는 스트레치를 감지하는 루피니 엔딩(Ruffini's ending) 등이 있다.
이러한 감각수용기를 자극하기 위한 다양한 촉감 제시장치들로, 피에조 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 형상기억합금세라믹 액추에이터, 전기활성폴리머 액추에이터 등 다양한 액추에이터 등이 있다.
촉감 제시장치의 대표적인 예로는 모바일 디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너 소체를 자극하는 진동촉감 액추에이터가 있다. 진동모터(진동촉감 액추에이터)는 휴대용 기기에 적용되어 소정의 진동 감각을 전달하는 장치로서, 종래의 기술은 사용자가 손가락으로 터치 패널을 터치하면 그에 대한 반응으로 진동감각을 출력하는 방식이었다.
이러한 종래의 진동발생 모듈은 사용자가 손가락으로 인지할 수 있을 정도의 세기를 갖는 진동을 발생시키기 위해, 솔레노이드 코일과 스프링에 장착된 영구자석으로 구성되며 영구자석이 전자기력에 의해 상하 이동되며 진동을 발생시킨다. 이러한 방식은 진동력의 한계가 있어 휴대폰사이즈는 진동시킬 수 있지만, 태블릿PC 및 대형 LCD에선 진동촉감을 전달할 수 없는 한계가 있었다. 또한, 진동액추에이터를 휴대폰의 한쪽 모서리에 배치함으로 터치 패널의 누르는 위치에 따라 발생시킬 수 있는 최대 진동력에 차이가 있는 한계를 가졌다.
스마트 자동차 등에 대형 터치 LCD가 장착됨에 따라, 대형 LCD에서 진동피드백으로 사용자의 터치입력을 확인시켜주고 다양한 인터렉션을 용이하게 해줄 수 있는 진동촉감 피드백 액추에이터의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 따라서, 대형 LCD 뒷면에 얇고 넓게 장착되어 LCD의 터치위치와 상관없이 일정하고 강한 진동력을 발생시킬 수 있으며, 진동의 주파수와 패턴을 자유자재로 조절할 수 있으며 응답속도가 빠른 저전력의 진동촉감 발생 액추에이터의 개발이 산업계에서 절실히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0039118(발명의 명칭 : 복수의 진동자를 이용한 촉각 피드백 생성장치 및 이를 이용한 촉각 피드백의 생성방법) 미합중국 특허출원공개공보 US 2013/0307789(발명의 명칭 : Touch-screen device including tactile feedback actuator)
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 고전압에 의해 정전기력을 생성하여 질량체를 진동시킴으로써 전력소모를 최소화하고, 공진주파수 및 맥놀이 주파수를 이용하여 질량체의 진동을 최대화하는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 정전기력에 의해 진동하는 질량부, 및 질량부와 대응되는 위치에 일정간격 이격 배치되어 정전기력을 발생하는 정전기력 발생부를 포함하며, 질량부에서 발생된 진동이 기 결정된 진동경로를 따라 전달됨으로써 사용자에게 진동이 간접적으로 전달되는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 질량부 및 정전기력 발생부는 수직방향으로 서로 동일 수직선상에 순차적으로 배치됨으써 질량부에서 발생된 진동이 진동경로를 따라 간접적으로 사용자에게 전달된다.
또한, 사용자가 접촉하는 접촉영역을 질량부를 기준으로 동일 수직선상에서 정전기력 발생부의 하면 영역에 형성되도록 함으로써 질량부의 진동이 간접적으로 접촉영역에 전달되도록 한다.
또한, 정전기력에 의해 진동하는 질량부, 질량부와 대응되는 위치에 일정간격 이격 배치되어 정전기력을 발생하는 정전기력 발생부, 정전기력 발생부에 공급되는 고전압을 생성하는 고전압 전원부, 및 고전압 전원부에서 정전기력 발생부로 공급되는 고전압 신호 경로상에 정전기력 발생부의 전하를 충전 및 방전하도록 하는 충방전신호 생성부를 포함한다.
또한, 충방전신호 생성부는, 정전기력 발생부에 공급되는 고전압 신호를 충전구간과 방전구간으로 구분하여 생성하도록 하며, 충방전구간의 비는 적어도 20 ~ 80% 사이에 설정되도록 하여 전하를 방전하도록 함으로써 질량부의 진동이 기 설정된 범위내에서 이루어지도록 한다.
또한, 정전기력에 의해 진동하는 질량부, 질량부와 대응되는 위치에 일정간격 이격 배치되어 정전기력을 발생하는 정전기력 발생부, 및 질량부의 진동을 탄성에 의해 증폭시키도록 질량부에 대해 수평방향으로 배치되거나 또는 질량부에 대해 수직방향으로 배치되는 진동증폭부를 포함한다.
또한, 진동증폭부가 수평방향으로 배치되는 경우 질량부를 둘레방향에서 지지하는 질량체 지지부를 더 포함하며, 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량부가 수평방향을 기준으로 순차적으로 배치됨으로써 진동증폭부가 질량체 지지부와 질량부 사이에 배치된다.
또한, 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량부는 일체로 형성되며, 진동증폭부는 질량체 지지부와 질량부 사이 공간영역에 둘레방향으로 슬릿홈이 형성됨으로써 탄성을 생성한다.
또한, 슬릿홈은 내측 슬릿 홈과 외측 슬릿 홈으로 이루어진다.
또한, 진동증폭부는, 강성(stiffness)이 1x102 N/m ~ 5x106 N/m 사이 값을 가지도록 한다.
또한, 진동증폭부가 수직방향으로 배치되는 경우 진동증폭부는 질량부를 하측에서 지지함으로써 진동을 증폭한다.
또한, 정전기력에 의해 진동하는 질량부, 질량부와 대응되는 위치에 일정간격 이격 배치되어 정전기력을 발생하는 정전기력 발생부, 질량부의 진동을 탄성에 의해 증폭시키도록 질량부에 대해 수평방향으로 배치되거나 또는 질량부에 대해 수직방향으로 배치되는 진동증폭부, 및 질량부와 정전기력 발생부간의 기 설정된 이격거리를 제공하도록 질량부 및 정전기력 발생부의 둘레방향 외측에 기 설정된 높이를 가지도록 배치되는 간격부를 포함한다.
또한, 진동증폭부가 수평방향으로 배치되는 경우 질량부를 둘레방향에서 지지하도록 간격부 위에 배치되는 질량체 지지부를 더 포함하며, 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량부는 일체로 형성됨으로써 수평방향을 기준으로 순차적으로 배치되며, 진동증폭부는 질량체 지지부와 질량부 사이 공간영역에 둘레방향으로 슬릿홈이 형성됨으로써 탄성을 생성한다.
또한, 정전기력 발생부에 공급되는 고전압신호는 질량부와 진동증폭부의 공진주파수에 상응하는 주파수로 이루어진다.
또한, 정전기력 발생부에 공급되는 고전압신호의 주파수는 500Hz 이내의 범위를 가지며 충전구간과 방전구간으로 구분된다.
또한, 질량부에서 발생된 진동이 기 결정된 진동경로를 따라 전달됨으로써 사용자에게 간접적으로 진동을 전달하는 베이스 기재를 더 포함하며, 진동경로는 질량부, 진동증폭부, 간격부, 및 베이스 기재 순으로 진동이 전달되는 경로이다.
또한, 질량부가 그라운드에 전기적으로 접속됨에 따라 정전기력 발생부에 공급된 고전압에 의해 정전기력이 발생되며, 정전기력에 의해 질량부와 정전기력 발생부간의 이격된 공간을 수직방향으로 질량부가 진동한다.
또한, 정전기력 발생부는, 고전압신호를 공급받는 전극부, 및 기 설정된 유전율을 가지는 유전층을 포함한다.
또한, 전극부에 공급되는 고전압신호는 충전구간과 방전구간을 가지도록 기 설정된 충방전 주파수에 따라 공급된다.
또한, 전극부는, 제1 고전압신호를 공급받는 제1 전극부, 및 제1 고전압신호와는 다른 제2 고전압신호를 공급받는 제2 전극부로 구성되며, 제1,2 고전압신호의 주파수는 충전구간과 방전구간을 가지도록 충방전 주파수에 따라 500Hz 이내의 범위를 가지며, 제1,2 고전압신호의 주파수는 맥놀이 주파수가 250Hz 이내의 범위를 가지도록 설정되어 맥놀이 정전기력이 발생되도록 한다.
또한, 제1,2 전극부는, 유전층내에 서로 상하방향으로 이격 배치되거나 또는 좌우방향으로 이격 배치되며, 상하방향으로 이격 배치되는 경우에는, 맥놀이 주파수의 진폭크기를 조절하기 위해 제1,2 전극부간의 수직 이격거리는 1㎛ ~ 3,000㎛이다.
또한, 유전층의 두께는 1㎛ ~ 3,000㎛이고, 유전율은 1.5 ~ 30이며, 유전층의 재질은 폴리이미드, 실리콘, 폴리우레탄, PDMS(Polydimethylsiloxane), PET(Polyethylene terephthalate), 및 폴리머 복합체 중 적어도 어느 하나이다.
또한, 정전기력의 크기를 조절하기 위해 질량부와 정전기력 발생부간의 에어갭은 10㎛ ~ 3,000㎛이다.
또한, 정전기력의 방향은 정전기력 발생부에서 질량부로 향한다.
한편, 본 발명의 목적은 정전기력을 이용한 액추에이터, 및 정전기력을 이용한 액추에이터가 복수로 배치되어 발생된 진동이 기 결정된 진동경로를 따라 전달됨으로써 사용자에게 진동을 전달하는 베이스 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터 패널을 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 베이스 기재는 베이스 기재는, 정전기력을 이용한 액추에이터에서 발생된 진동을 간접적으로 사용자에게 전달하는 디스플레이 패널 또는 플렉서블 디스플레이 패널 중 어느 하나이다.
한편, 본원발명의 목적은 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및 진동부에 공급되는 고전압신호를 기 설정된 충방전 주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 정전기력이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하며, 고전압신호가 충방전 주파수에 따라 충전구간과 방전구간을 가져 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 진동부는, 정전기력에 의해 진동하는 질량체, 및 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함한다.
또한, 충전구간과 방전구간을 가지는 고전압신호의 주파수는 500Hz 이내인 충방전 주파수이다.
또한, 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및 진동부에 공급되는 고전압신호를 기 설정된 공진주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 정전기력이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하며, 전하를 충전 및 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 한다.
또한, 진동부는, 정전기력에 의해 진동하는 질량체, 및 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하며, 질량체의 진동을 탄성에 의해 증폭시키는 진동증폭부를 더 포함하며, 고전압신호의 주파수는 질량체와 진동증폭부에 의해 결정되는 공진주파수에 상응하는 충방전 주파수이다.
또한, 질량체를 둘레방향에서 지지하는 질량체 지지부를 더 포함하며, 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량체는 일체로 형성되며, 진동증폭부는 질량체 지지부와 질량체 사이 공간영역에 둘레방향으로 슬릿홈이 형성됨으로써 탄성을 생성한다.
한편, 맥놀이 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및 진동부에 공급되는 복수의 고전압신호를 기 설정된 충방전 주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 맥놀이 주파수가 생성되어 맥놀이 정전기력이 발생되도록 하는 제어부를 포함하며, 고전압신호는 충전구간과 방전구간을 가져 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 진동부는, 정전기력에 의해 진동하는 질량체, 및 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하며,
전극부는, 제1 고전압신호를 공급받는 제1 전극부, 및 제1 고전압신호와는 다른 제2 고전압신호를 공급받는 제2 전극부로 구성되어 맥놀이 주파수를 생성하며, 제1 전극부 및 제2 전극부는 유전층내에 배치된다.
또한, 제1,2 고전압신호의 주파수는 충전구간과 방전구간을 가지도록 500Hz 이내이며, 제1,2 고전압신호의 주파수는 맥놀이 주파수가 250Hz 이내의 범위를 가지도록 설정되어 맥놀이 정전기력이 발생되도록 한다.
또한, 질량체의 진동을 탄성에 의해 증폭시키는 진동증폭부를 더 포함하며, 맥놀이 주파수의 생성에 따른 캐리어 주파수는 질량체와 진동증폭부에 의해 결정되는 공진주파수에 상응하는 주파수이다.
또한, 질량체를 둘레방향에서 지지하는 질량체 지지부를 더 포함하며, 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량체는 일체로 형성되며, 진동증폭부는 질량체 지지부와 질량체 사이 공간영역에 둘레방향으로 슬릿홈이 형성됨으로써 탄성을 생성한다.
또한, 진동은 맥놀이 주파수와 캐리어 주파수의 혼합 진동이다.
한편, 본 발명의 목적은 고전압을 발생시키는 고전압 전원부, 고전압을 공급받아 기 설정된 충방전 주파수에 상응하는 고전압신호를 생성하는 충방전신호 생성부, 고전압신호를 공급받아 정전기력을 발생시키며, 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및 충방전신호 생성부를 제어하는 제어부를 포함하며, 고전압신호가 충방전 주파수에 따라 충전구간과 방전구간을 가져 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 진동부는, 정전기력에 의해 진동하는 질량체, 및 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하며,
충방전신호 생성부는, 제어부의 충전 제어신호에 따라 전극부에 전하를 충전하도록 고전압신호의 충전구간을 발생시키는 충전부, 및 제어부의 방전 제어신호에 따라 전극부에 전하를 방전하도록 고전압신호의 방전구간을 발생시키는 방전부를 포함한다.
또한, 방전부는, 방전구간 동안 전극부가 그라운드에 전기적으로 접속되도록 함으로써 전극부의 전하를 방전하도록 한다.
또한, 충전 제어신호와 방전 제어신호는 서로 겹침 구간이 발생된다.
또한, 진동은 사용자에게 간접적으로 전달되며, 사용자가 접촉하는 접촉영역을 질량부를 기준으로 동일 수직선상에서 정전기력 발생부의 하면 영역에 형성되도록 함으로써 질량부의 진동이 간접적으로 접촉영역에 전달되도록 한다.
또한, 질량부가 그라운드에 전기적으로 접속됨에 따라 정전기력 발생부에 공급된 고전압에 의해 정전기력이 발생되며, 정전기력에 의해 질량부와 정전기력 발생부간의 이격된 공간을 수직방향으로 질량부가 진동한다.
한편, 본 발명의 목적은 정전기력을 이용한 액추에이터, 및 정전기력을 이용한 액추에이터가 복수로 배치되어 발생된 진동이 기 결정된 진동경로를 따라 전달됨으로써 사용자에게 진동을 전달하는 베이스 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터 패널을 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 베이스 기재는, 정전기력을 이용한 액추에이터에서 발생된 진동을 간접적으로 사용자에게 전달하는 디스플레이 패널 또는 플렉서블 디스플레이 패널 중 어느 하나이다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 소비전력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 맥놀이 주파수 및 공진주파수를 이용함으로써 질량체의 진동을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 전극으로 이루어진 액추에이터를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시에에 따른 질량체, 진동증폭부, 및 질량체 지지부를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 전극으로 이루어진 액추에이터를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 FPCB 양면기판을 나타낸 도면이고,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 전원부, 충방전신호 생성부, 전극부를 나타낸 도면이고,
도 7은 고전압 전원부 및 충방전신호 생성부를 구체적으로 구현하기 위해 일예를 들어 설명한 도면이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터 패널을 나타낸 도면이고,
도 9는 도 4의 FPCB 양면기판의 구성을 자세히 나타낸 도면이고,
도 10은 본 발명에 따른 고전압신호와 옵토커플러 충전 제어신호를 나타낸 도면이고,
도 11은 본 발명에 따른 고전압신호와 옵토커플러 방전 제어신호를 나타낸 도면이고,
도 12는 본 발명에 따른 옵토커플러 충전 제어신호 방전 제어신호를 나타낸 도면이고,
도 13은 도 12에 비해 옵토커플러 충전 제어신호와 방전 제어신호가 일부 구간에서 겹쳐지는 것을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다. 또한, 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다.
(정전기력을 이용한 액추에이터의 구성 및 기능)
본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용한 액추에이터는 일정 질량을 가지는 질량체를 정전기력에 의해 진동시킴으로써 사용자에게 진동감을 간접적으로 전달하도록 한 발명이다. 이때, 간접적인 진동감 전달은 질량체의 진동을 직접 사용자의 손이 느끼는 것이 아니라 기 설정된 액추에이터의 진동경로를 따라 질량체의 진동이 사용자의 손에 간접적으로 전달되는 것을 의미한다. 이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용한 액추에이터에 대해 자세히 설명하기로 한다.
진동부는 후술하는 질량부(100) 및 정전기력 발생부(200)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이 질량부(100)는 일정 질량을 가지는 질량체(110), 진동증폭부(120), 및 질량체 지지부(120)로 구성된다. 이러한 구성요소의 설명은 설명의 편의를 위하여 분설하였을 뿐 질량체(110), 진동증폭부(120), 및 질량체 지지부(120)는 스테인리스 스틸에 의해 일체로 이루어지는 것이 바람직하다. 다만, 사용환경에 따라 스테인리스 스틸 이외의 재료를 사용할 수 있으며, 또한 일체로 제작하지 않고 서로 분리 제작되어 결합될 수도 있을 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 질량체(110)는 일정한 질량을 가지면서 바람직하게는 원형 또는 타원 형상으로 구현된다. 다만, 질량체의 질량은 진동증폭부와의 관계에서 설정되는 공진주파수에 따라 달라질 수 있으며, 형상은 원형 또는 타원 형상에 한정되지 않고 다양한 형상으로 구현 가능하다. 질량체(110)의 외측 둘레방향에는 도 2에 도시된 바와 같이 슬릿홈(또는 진동증폭부,120)이 형성된다. 슬릿홈(120)의 외측영역은 질량체 지지부(130)로서 상술한 바와 같이 질량체(110), 진동증폭부(120), 및 질량체 지지부(130)가 서로 일체로 스테인리스 스틸에 의해 형성된다. 따라서 질량체(110)는 중심에 위치하며, 질량체의 외곽 둘레영역에는 슬릿홈에 의해 탄성을 가지는 진동증폭부(120)가 형성되며, 진동증폭부(120)의 외곽 둘레영역에는 질량체를 지지하는 질량체 지지부(130)가 마련된다. 따라서 수평방향의 일측 끝 지점에서 순차적으로 질량체 지지부(130), 진동증폭부(120), 질량체(110) 순으로 배치된다.
질량체(110)는 도면에는 도시되어 있지 않으나 그라운드(Ground)와 전기적으로 접속된다. 즉, 도 1에 도시된 정전기력(1)을 발생시키기 위해서는 정전기력 발생부(200)에 일정 고전압이 공급됨과 동시에 질량체(110)가 그라운드와 전기적으로 접속되어야 한다. 도 1을 기준으로 질량체(110)는 최상측에 위치하며 순차적으로 정전기력 발생부(200) 및 베이스 기재(20) 순으로 서로 동일 수직선상에 위치된다. 이때, 질량체(110)는 동일 수직선상에서 중심영역에 위치하는 것이 바람직하다. 따라서 질량체(110)는 정전기력에 의해 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간의 수직 이격된 공간 영역(또는 에어갭 영역)을 수직방향으로 진동하게 된다. 전술한 바와 같이 사용자는 베이스 기재(20)에 손을 접촉시킴으로써 질량체(110)에서 발생된 진동을 간접적으로 느끼게 된다.
진동증폭부(120)는 질량체(110)와 질량체 지지부(130) 사이 공간영역에 형성되며, 슬릿홈(120)이 질량체(110)의 외곽 둘레방향으로 형성되기 때문에 진동증폭부(120)는 질량체(110)의 진동을 증폭시킬 수 있는 탄성을 지닌다. 강성(stiffness)은 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간의 이격거리를 고려하여 바람직하게는 102 N/m ~ 5x106 N/m인 것이 좋다. 상술한 강성에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 일예로서 슬릿홈(120)이 내측 슬릿홈(121)과 외측 슬릿홈(122)으로 이루어져 둘레방향으로 이중 슬릿홈이 형성될 수도 있다. 슬릿홈(120)은 와이어 컷팅 등으로 형성될 수 있으며, 탄성계수에 따라 1중 슬릿홈 또는 2중 이상의 슬릿홈이 형성될 수도 있다. 질량체(110)와 질량체를 지지하는 질량체 지지부(130) 사이에 탄성을 가지는 진동증폭부(120)가 위치함으로써 중심영역에 존재하는 질량체(110)의 진동을 진동증폭부(120)가 더욱 증폭시킬 수 있다.
상술한 진동증폭부(120)는 질량체(110)에 대해 대략 수평방향에 위치되어 구현되는 것으로 설명하였으나 질량체(110)에 대해 수직방향에 구비될 수 있다. 즉, 도면에는 도시되어 있지 않으나 진동증폭부(120)는 스프링 등의 탄성수단으로 구체화되어 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간의 이격공간에 수직방향으로 구비될 수도 있다.
간격부(또는 스페이서, 300)는 도 1에 도시된 바와 같이 질량체 지지부(130) 의 하측에 배치되며, 간격부(300)는 질량체(110) 및 정전기력 발생부(200)를 내측영역에 포함하도록 배치된다. 즉, 간격부(300)는 질량체(110) 및 정전기력 발생부(200)의 외측 둘레방향에 배치되는 것이 바람직하다. 간격부(300)의 높이는 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간의 수직 이격거리 또는 에어갭의 영역에 따라 달라질 수 있다. 즉 일예로서 수직 이격거리가 더 멀어지는 경우에는 간격부(300)의 높이도 더 높아지고, 더 낮아지는 경우에는 간격부(300)의 높이도 더 낮아지게 된다. 다만, 이러한 간격부(300)의 높이는 상술한 바와 같이 수직 이격거리나 에어갭의 면적에 따라 달라질 수 있다.
에어갭(30)은 정전기력의 세기(또는 크기)와 관련되는 것으로서, 에어갭(30)의 면적 또는 영역은 도 1에 도시된 바와 같이 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간의 수직 이격거리에 따라 달라진다. 에어갭(30)은 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간에 걸리는 커패시턴스로서, 커패시턴스의 용량이 커질수록 정전기력의 세기가 크지게 된다. 따라서 에어갭(30)의 입체 면적을 크게 하는 것이 바람직하나 본 발명에서는 정전기력의 세기를 고려하여 질량체(110)와 정전기력 발생부(200)간의 수직 이격거리(또는 에어갭)를 10㎛ ~ 3,000㎛로 하는 것이 바람직하다. 상술한 정전기력의 세기와 관련한 수식은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 참조될 수 있으며, 정전기력의 세기는 에어갭의 면적 또는 커패시턴스의 용량에 비례한다.
정전기력 발생부(200)는 전극부(210)와 유전층(220)으로 구성된다. 전극부(210)는 도 1에 도시된 바와 같이 단일 전극부와 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 전극부로 각각 구현될 수 있다. 복수의 전극부로 구현하는 경우에는 맥놀이 주파수에 의해 진동의 진폭을 증가시키고(또는 정전기력의 세기를 증가시킴) 맥놀이 주파수와 캐리어 주파수에 의한 혼합 진동을 발생시켜 다양한 진동패턴을 만들어내기 위함이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같은 정전기력 발생부(200)는 질량체(110)가 최 상측에 위치하는 것을 기준으로 질량체(110)의 수직 하방에 에어갭 및 질량체(110)의 진동영역을 확보하기 위해 일정 거리 이격되어 위치된다. 정전기력 발생부(200)는 전극부(210)와 유전층(220)으로 이루어지며, 전극부(210)가 유전층(220) 내에 포함된다. 전극부(210)와 유전층의 상측면까지의 수직 이격거리는 대략 1㎛ ~ 3,000㎛ 사이의 값을 가지며, 유전층의 유전율은 1.5 ~ 30 사이의 값이 정전기력의 세기와 관련하여 적용될 수 있다. 바람직하게는 전극부(210)와 유전층의 상측면까지의 수직 이격거리는 37㎛ 또는 55㎛이 좋고, 전체 유전층(220)의 두께는 300㎛인 것이 좋다. 또한, 바람직하게는 유전율이 3.5인 것이 좋다. 또한 후술하는 제1 전극과 제2 전극간의 수직 이격거리는 대략 45㎛인 것이 좋다. 상술한 바람직한 수치는 각 부 간의 수직 이격거리 및 유전율에 의해 정해지는 정전기력의 세기를 고려하여 적용된 수치이다.
유전층(220)의 재질은 유전율 값을 고려하여 폴리이미드, 실리콘, 폴리우레탄, 폴리머 복합체, PDMS (Polydimethylsiloxane), 및 PET(Polyethylene terephthalate) 중 적어도 어느 하나의 소재를 적용하여 구현할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 단일 전극부(210)에 공급되는 고전압신호는 도 4의 제1 전극부에 공급되는 고전압신호를 일부 참조하면 특정 주파수(f) 및 고전압의 크기를 가지는 신호이다. 이때, 고전압신호의 특정 주파수(f)는 대략 500Hz 이내의 주파수를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 고전압신호의 전압은 대략 0.5kV ~ 4kV인 것이 바람직하다. 다만, 고전압신호는 펄스파, 코사인파, 사인파 등 그 신호의 형상에 한정되지는 않으며, DC 성분이 아닌 일정 주파수를 가지는 고전압 신호이면 모두 적용 가능하다. 다만, 바람직하게는 펄스파 보다는 코사인파 또는 사인파 등의 신호가 진동의 소음 발생을 현저히 줄일 수 있어 좋다. 이때, 전극부에 공급되는 고전압 신호가 일정 주파수를 가지도록 하는 것은 전극부의 전하를 충전 및 방전하도록 하기 위함이며 자세한 사항은 후술하기로 한다.
이때, 단일 전극의 경우 진동의 세기를 최대한 증가시키기 위해 공진주파수를 이용할 수 있다. 공진주파수는 상술한 질량체의 무게의 거듭제곱근에 반비례하고 진동증폭부의 강성의 거듭제곱근에 비례한다. 따라서 질량체의 무게와 스프링계수의 설계값을 통해 공진주파수 값을 도출할 수 있고, 전극부(210)에 공급되는 고전압신호의 주파수(f)에 공진주파수 값을 적용시킴으로써 진동의 세기를 최대화할 수 있다. 즉, 아래의 수학식 1과 같이 인가주파수 f를 공진주파수에 맞추면 진동력의 크기가 더욱 크게 증폭될 수 있다.
상술한 정전기력 발생부(200)는 폴리이미드 필름(유전층)으로 쉴딩된 FPCB 전극으로 구체화될 수 있으며(도 4 참조), 후술하는 바와 같이 전극부가 복수로 이루어지는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 폴리이미드 필름(유전층)으로 쉴딩된 양면 FPCB 전극으로 구체화될 수 있다. 즉, 도 4의 전면에는 제1 전극부(211)가 구현되고, 후면에는 제2 전극부(212)가 구현되며, 폴리이미드 필름에 의해 전극부가 쉴딩된다.
도 4의 FPCB 양면기판(대략 300㎛ 두께)의 구성을 도 9를 참조하여 좀 더 자세히 살펴보면, 맨 하측(또는 하부)에는 베이스 기재(20) 또는 액추에이터 패널(40)이 배치된다. 액추에이터 패널(40)은 일예로서 LCD 모듈이 될 수 있다. 이하에서는 베이스 기재(20)를 예로 들어 설명하기로 한다. 베이스 기재(20) 상측에는 하부 실드용 보강판(50)이 구비된다. 유전층(220)은 상부(또는 상단) 실딩용 PI필름(221), 중단 실딩용 PI필름(222), 하부(또는 하단) 실딩용 PI필름(223)으로 구성되며, 각각 순차적으로 적층 또는 부착된다. 여기서 PI 필름은 일예를 들어 설명한 것이며, 유전율을 가질 수 있는 다양한 필름이 적용될 수 있다. 상부 실딩용 PI필름(221)에는 제1 전극부(211)가 배치되며, 하부 실딩용 PI필름(223)에는 제2 전극부(212)가 배치된다. 다만, 복수의 전극부가 좌우방향으로 배치되는 경우에는 PI필름 내에 좌우 방향으로 전극부가 배치된다. 제1 전극부(211)와 제2 전극부(212)와의 수직 이격거리 공간에는 중단 실딩용 PI필름(222)이 구비된다. 중단 실딩용 PI필름(222)은 제1 전극부(211)와 제2 전극부(212)와의 수직 이격거리 만큼의 두께를 가지며 바람직하게는 대략 45㎛이다.
도 3에 도시된 바와 같이 전극부(210)가 복수로 구비되는 경우에는 일예로서 복수의 전극에 서로 다른 주파수를 공급함으로써 맥놀이 주파수를 이용하여 진동의 세기를 증가시킬 수 있고, 또한 다른 예로서 복수의 전극부(제1 전극부 및 제2 전극부)에 서로 동일한 주파수를 공급하여 진동의 세기를 증가시킬 수도 있다. 전극의 개수는 2개 이상이 좌우방향으로 구비되거나 또는 상하방향으로 일정거리 이격되어 적층될 수 있다.
도 3에는 유전층(220) 내에 포함되는 제1 전극부(211)와 제2 전극부(212)가 수직방향으로 서로 이격되어 배치된 것이 나타나 있다. 복수의 절연된 전극사이에 커플링 커패시턴스(coupling capacitance)가 발생함에 따라 아래의 수학식 1에 도시된 정전기력의 세기를 조절할 수 있다. 또한, 복수의 전극에 동일한 주파수를 공급하는 경우 아래의 수학식 1에 의해 인가되는 전압의 크기가 중첩되어 커지므로 이에 따른 정전기력을 증폭시켜 진동력의 세기를 증가시킬 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
, (여기서, ε: 유전율)
도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극부(211)에는 제1 주파수(f1)에 상응하는 코사인파가 공급되며, 제2 전극부(212)에는 제1 주파수(f1)와 다른 제2 주파수(f2)에 상응하는 코사인파가 공급되어 서로 중첩되면 아래의 수학식 2와 같이 다양한 촉각자극에 적합한 맥놀이 주파수가 발생되게 된다. 전기장의 중첩에 의해 정전기력의 세기가 증가되어 진동력의 세기가 증가되며, 캐리어 주파수((f1+f2)/2)를 공진주파수에 맞추면 진동력의 크기가 더욱 크게 증폭된다.
Figure pat00003
여기서, 맥놀이 주파수는 f1-f2의 절대값이고, 캐리어 주파수는 (f1+f2)/2이다.
이때, 위의 수학식 2에서 캐리어 주파수를 공진주파수에 맞추면 진동력의 크기가 더욱 크게 증폭될 수 있다.
다만, 이때 각각의 전극부에 공급되는 고전압신호는 펄스파, 코사인파, 사인파, 삼각파 등 그 신호의 형상에 한정되지는 않으며, DC 성분이 아닌 일정 주파수를 가지는 고전압 신호이면 모두 적용 가능하다. 다만, 바람직하게는 펄스파 보다는 코사인파 또는 사인파 등의 신호가 진동의 소음 발생을 현저히 줄일 수 있어 좋다. 이때, 전극부에 공급되는 고전압 신호가 일정 주파수를 가지도록 하는 것은 전극부의 전하를 충전 및 방전하도록 하기 위함이며 자세한 사항은 후술하기로 한다.
도 3에는 제1 전극부(211)가 제2 전극부(212)보다 상측에 위치하나 필요에 따라 서로 간의 배치 위치를 바꿀 수도 있다. 또한, 맥놀이 주파수의 생성을 위해 도 3과 같이 복수의 전극부를 수직방향으로 서로 이격시켜 배치할 수도 있고, 도면에는 도시되어 있지 않으나 복수의 전극부를 수평방향으로 서로 이격시켜 배치할 수도 있다. 다만, 본 발명의 일실시예에서는 복수의 전극부를 수직방향으로 배치하는 것을 기준으로 설명하기로 하나 수평방향으로 배치하는 것도 본 발명의 기술적 사상의 범위에 든다.
제1 전극부(211)와 제2 전극부(212)간의 수직 이격거리는 맥놀이 주파수의 진폭의 크기와 관련된다. 즉, 제1 전극부(211)와 제2 전극부(212)간의 수직 이격거리는 두 전극 사이에 걸리는 커플링 커패시턴스 값과 관련되며, 커플링 커패시턴스의 값이 증가할수록 맥놀이 주파수의 진폭이 증가되어 정전기력의 세기가 증가하게 된다. 본 발명의 일실시예에서는 정전기력의 세기를 고려하여 제1 전극부(211)와 제2 전극부(212)간의 수직 이격거리를 1㎛ ~ 3,000㎛ 사이의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 한편, 전극부(210)와 유전층의 상측면까지의 수직 이격거리는 대략 1㎛ ~ 3,000㎛ 사이의 값을 가지며, 유전층의 유전율은 1.5 ~ 30 사이의 값이 정전기력의 세기와 관련하여 적용될 수 있다. 바람직하게는 전극부(210)와 유전층의 상측면까지의 수직 이격거리는 37㎛ 또는 55㎛이 좋고, 전체 유전층(220)의 두께는 300㎛인 것이 좋다. 또한, 바람직하게는 유전율이 3.5인 것이 좋다. 또한, 제1 전극과 제2 전극간의 수직 이격거리는 대략 45㎛인 것이 좋다. 상술한 바람직한 수치는 각 부 간의 수직 이격거리 및 유전율에 의해 정해지는 정전기력의 세기를 고려하여 적용된 수치이다.
상술한 맥놀이 주파수와 관련한 수식은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 참조될 수 있으며, 맥놀이 주파수의 진폭은 커플링 커패시턴스 값에 비례한다.
복수의 전극부를 이용하여 맥놀이 주파수를 발생시키는 경우에는 단일 전극부를 이용할 때보다 정전기력의 세기를 증가시킬 수도 있으며, 또한 맥놀이 주파수(도 4에서 f1-f2의 절대값)와 캐리어 주파수(도 4에서 (f1+f2)/2)간의 혼합 진동에 의한 다양한 진동 패턴을 생성할 수 있는 장점이 있다.
맥놀이 주파수를 생성하기 위해 제1 전극부(211) 및 제2 전극부(212)에 공급되는 고전압신호는 도 4와 같이 서로 다른 주파수(f1 및 f2)를 가지는 고전압신호를 각각의 전극부에 공급한다. 즉, 제1 전극부(211)에는 f1의 주파수를 가지는 고전압신호를 공급하며, 제2 전극부(212)에는 f2의 주파수를 가지는 고전압신호를 공급한다. 이때, f1, f2, 및 캐리어 주파수((f1+f2)/2)는 500Hz 이내의 값을 가지는 것이 바람직하며, 맥놀이 주파수 생성을 위해 f1과 f2는 서로 다른 주파수이다. 또한, 맥놀이 주파수(f1-f2의 절대값)는 250Hz 이내의 값을 가지는 것이 바람직하다. 따라서 액추에이터의 사용 환경에 따라 f1 및 f2의 주파수를 바꿈으로써 다양한 맥놀이 진동패턴을 생성할 수 있다.
이때, 복수 전극의 경우 진동의 세기를 최대한 증가시키기 위해 공진주파수를 이용할 수 있다. 공진주파수는 상술한 질량체의 무게에 반비례하고 진동증폭부의 스프링계수(또는 스프링상수)에 비례한다. 따라서 질량체의 무게와 스프링계수의 설계값을 통해 공진주파수 값을 도출할 수 있고, 캐리어 주파수((f1+f2)/2)를 공진주파수에 일치시킴으로써 맥놀이 주파수에 따른 진동의 세기를 1차적으로 증폭시키고, 2차적으로 진동의 세기를 한층 더 최대화할 수 있다.
고전압 전원부 및 충방전신호 생성부는 전극부(210)의 구성 개수에 따라 대응되어 구비된다. 다만, 도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 일실시예에서는 전극부(210)가 2개 구비되는 것을 기준으로 설명하기로 한다.
제1,2 고전압 전원부(410,420)는 각각 제1,2 전극부(211,212)에 공급되는 고전압신호의 고전압을 생성하여 제1,2 충방전신호 생성부(510,520)로 공급한다. 즉, 제1,2 고전압 전원부(410,420)에서 생성되는 고전압은 DC 성분의 일예로서 3.5kV 전압이다. 다만, 전압의 크기는 꼭 이에 한정되는 것은 아니며 0.5kV ~ 4kV사이의값을 가질 수 있다. 이러한 DC 성분의 고전압이 각각 제1,2 충방전신호 생성부(510,520)로 각각 공급된다.
제1,2 충방전신호 생성부(510,520)는 일정 주파수를 가지는 고전압신호를 생성한다. 즉, 제1,2 충방전신호 생성부(510,520)는 제1,2 고전압 전원부(410,420)로부터 각각 공급받은 DC 성분의 고전압을 스위칭하여 일정 주파수를 가지는 고전압신호인 코사인파를 생성한다. 이러한 고전압신호는 고전압의 크기를 가지면서 스위칭에 따른 일정 주파수를 가지게 된다(참고로 도 4의 제1,2 전극부에 공급되는 고전압신호의 수식 참조). 다만, 각각의 전극부에 공급되는 주파수는 f1과 f2로 서로 다르며(만약 단일 전극부인 경우에는 주파수 f) 코사인파 이외에도 펄스파, 삼각파, 톱니파 등 다양한 형상의 일정 주파수를 가지는 신호가 될 수 있다.
상술한 제1,2 전극부(211,212) 중 제1 전극부(211)에 공급되는 제1 고전압신호를 기준으로 설명하면, 제1 고전압신호는 대략 3.5kV의 전압크기와 f1의 주파수를 가지게 된다. 이때, f1의 주파수 중 반주기 동안(충전구간)은 도 6에 도시된 바와 같이 제1 충전부(511)가 동작되어 제1 전극부(211)에 전하가 충전되고, 나머지 반주기 동안(방전구간)은 제1 방전부(512)가 동작되어 제1 전극부(211)에 충전된 전하가 방전된다. 따라서 제1 충전부(511)와 제1 방전부(512)의 서로간의 스위칭 동작에 따라 고전압신호의 주파수(f1)가 결정되게 된다. 다만, 상술한 설명에서는 충전구간과 방전구간이 각각 50%인 경우만을 설명하였으나, 꼭 이에 한정되는 것은 아니며 사용 환경에 따라 이를 조정할 수 있다. 즉, 충전구간을 더 길게하여 최대 충전이 되도록 하거나, 충전구간을 더 짧게하여 최대 충전에 못미치도록 할 수 있다(즉 최대 충전이 3.5kV인 경우 3.5kV 이하로 충전되도록 충방전구간의 비를 조정). 이러한 충방전구간의 비를 조정함으로써 전극부에 충전되는 최대 고전압값의 조정이 가능하고 이에 따라 정전기력의 세기를 조절할 수 있다. 즉, 충전되는 고전압값이 높을수록 정전기력의 세기가 증가하고, 고전압값이 낮을수록 정전기력의 세기가 감소한다.
제1 고전압 전원부(410), 제1 충전부(511) 및 제1 방전부(512)의 구체적인 구현 예로서 도 7에 도시된 바와 같이 제1 고전압 전원부(410)는 고전압 앰프에 의해 3.5kV의 고전압을 생성하여 제1 옵토커플러(511)로 DC성분의 고전압을 공급한다. 제1,2 옵토커플러(511,512)는 제어부(600)의 옵토커플러 충방전 제어신호(720,730)에 의해 제어된다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 고전압신호(710)의 충전구간의 경우에는 제1 옵토커플러(511)가 옵토커플러 충전 제어신호(720)에 의해 "ON"되고, 제2 옵토커플러(512)가 옵토커플러 방전 제어신호(730)에 의해 "OFF"된다. 고전압신호(720)의 방전구간의 경우에는 제2 옵토커플러(512)가 옵토커플러 방전 제어신호(730)에 의해 "ON"되고, 제1 옵토커플러(511)가 옵토커플러 충전 제어신호(720)에 의해 "OFF"된다. 상술한 고전압신호(710)는 제1,2 옵토커플러(511,512)의 온오프 동작에 따라 앞서 설명한 바와 같이 특정 주파수(f 또는 f1, f2)를 가지며, 전극부를 충방전하는 충방전신호이다. 다만, 상술한 도 10 및 도 11에 도시된 특정 주파수를 가지는 고전압신호(710)는 삼각파 형상으로 도시하였으나 제1,2 옵토커플러(511,512)의 다양한 동작에 따라 사인파, 코사인파, 펄스파 등 다양한 파형 형상으로 구현될 수 있다.
도 12 및 도 13은 제1 옵토커플러(511)를 제어하는 옵토커플러 충전 제어신호(720) 및 제2 옵토커플러(512)를 제어하는 옵토커플러 방전 제어신호(730)를 나타낸 도면이다. 이때, 도 12는 옵토커플러 충전 제어신호와 옵토커플러 방전 제어신호간에 신호의 겹침이 없는 것을 도시한 것이고, 도 13은 충전구간이 끝나기 전에 방전을 시작하도록 하기 위해 옵토커플러 충전 제어신호와 옵토커플러 방전 제어신호 간에 겹침 구간이 있도록 한 것이다. 이렇게 겹칩 구간이 형성되도록 제1,2 옵토커플러(511,512)를 제어하면 고전압신호(710)의 파형을 사인파 또는 코사인파에 가깝게 완만한 파형이 생성되도록 할 수 있어 바람직하다. 상술한 옵토커플러는 MOSFET 등의 On/Off 제어 소자로 대체될 수 있다.
한편, 제2 옵토커플러(512)는 그라운드와 전기적으로 접속되어 있으며, 방전구간에서 제2 옵토커플러(512)가 "ON"되면 제1 전극부(211)가 그라운드와 전기적으로 연결되어 제1 전극부(211)에 충전된 전하를 순간적으로 방전시키게 된다. 만약, 제1 전극부(211)에 충전된 전하를 본 발명에서와 같이 방전구간을 설정하여 방전하지 않으면 비록 고전압신호가 AC 성분에 의해 일정 구간 동안 전압이 공급되지 않더라도 유전층(220)에 남아있는 전하가 신속히 소멸되지 않아 정전기력이 소멸되지 않게 되어 질량체(110)의 상하 진동을 방해하게 된다. 따라서 본 발명에서는 충전구간과 방전구간을 설정하도록 하여 유전층에 남아 있는 전하를 신속히 방전시킴으로써 질량체(110)의 진동을 최적화하게 되는 장점이 있다.
이에 따라, 본 발명의 각각의 전극부에 공급되는 고전압신호는 일정 주파수(f 또는 f1, f2)를 가진다. 이때, f 주파수는 전극부가 1개인 경우이고, f1 및 f2의 경우에는 맥놀이 주파수를 위해 전극부가 2개인 경우로서, f 주파수는 사용자가 질량체(110)의 진동에 의해 간접적으로 진동감을 느낄 수 있는 진동 주파수임과 동시에 일예로서 반주기 동안은 충전구간이고, 나머지 반주기 동안은 방전구간을 의미한다.
또한, f1 및 f2의 주파수는 맥놀이 주파수를 생성하기 위해 각각 제1,2 전극부(211,212)에 공급되는 주파수이며, 사용자는 진동 주파수인 맥놀이 주파수(f1-f2의 절대값)의 진동감을 느끼게 되며, f1 및 f2 주파수 각각의 반주기 동안은 충전구간이고, 나머지 반주기 동안은 방전구간이 되는 충방전 주파수이다. 이때, 충전구간과 방전구간은 완만한 고전압 파형생성을 위해 일부 겹칠 수 있으며(도 13 참조), 충전구간과 방전구간의 비는 적어도 20 ~ 80% 사이에서 설정될 수도 있다.
또한, f1 및 f2의 주파수는 맥놀이 주파수를 생성하기 위해 각각 제1,2 전극부(211,212)에 공급되는 주파수이며, 사용자는 진동 주파수인 맥놀이 주파수(f1-f2의 절대값)와 캐리어 주파수(f1과 f2의 평균)에 의해 혼합된 진동감을 느끼게 되며, 각 주파수 채널에서 각각 f1의 반주기 동안은 충전구간이고, 나머지 반주기 동안은 방전구간이 되며, f2의 반주기 동안은 충전구간이고, 나머지 반주기 동안은 방전구간이 된다.
상술한 제1,2 전극부(211,212) 중 제2 전극부(212)에 공급되는 제2 고전압신호는 대략 3.5kV의 전압크기와 f2의 주파수를 가지게 되며, 제2 충전부(521) 및 제2 방전부(522)의 동작은 상술한 제1 충전부(511) 및 제1 방전부(512)의 동작 설명에 갈음하기로 한다.
제어부(600)는 마이크로 컨트롤러, 아날로그 회로, 또는 디지털 회로에 의해 구현될 수 있다. 이때, 상술한 옵토커플러는 옵토다이오드와 적외선 LED로 구성되는 소자로서 제어부(600)가 적외선 LED에 제어신호를 공급하여 옵토커플러를 동작시키게 된다. 따라서, 제어부(600)는 단일 전극부(210) 또는 제1,2 전극부(211,212)에 공급되는 고전압신호의 주파수(f 또는 f1 및 f2)에 따라 제1 옵토커플러(511)와 제2 옵토커플러(512)를 스위칭 제어한다. 상술한 옵토커플러는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 기술스펙이 추가로 참조될 수 있다.
한편, 제어부(600)는 공진주파수를 이용하는 경우에는 상술한 f가 공진주파수가 되도록 제어하거나, 또는 맥놀이 주파수의 캐리어 주파수가 공진주파수가 되도록 충전부 및 방전부를 제어한다.
(액추에이터 패널의 구성 및 기능)
액추에이터 패널은 상술한 액추에이터 이외에 추가적으로 베이스 기재(20)를 더 포함한다. 베이스 기재(20)는 사용자가 진동감을 전달받기 위해 접촉하는 접촉부로서 사용자는 베이스 기재(20)의 일 영역(접촉영역)에 손가락을 접촉함으로써 진동감을 간접적으로 전달받는다. 베이스 기재(20)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 간격부(300) 및 정전기력 발생부(200)를 지지하도록 최하면에 배치된다. 즉, 베이스 기재(20)는 LCD 패널, 강화 플라스틱(일예로서 (fiberglass reinforced plastics : Peek, Poly Carbonate 등) 또는 플랙서블 디스플레이 패널 등이 될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 액추에이터(10)는 베이스 기재(20)의 일면에 부착되어 진동을 사용자에게 간접적으로 전달하게 된다. 다만, 액추에이터(10)를 베이스 기재(20)에 부착시 필요에 따라 추가적인 구성요소가 더 포함될 수 있다. 일예로서 액추에이터(10)를 베이스 기재(20)에 부착시키기 위한 양면 테이프 등이 있을 수 있다.
액추에이터 패널(40)은 도 8에 도시된 바와 같이 액추에이터(10)가 복수로 배치되어 베이스 기재(20)의 전 영역에 진동감을 간접적으로 제공할 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이 하우징(3) 내의 베이스 기재 일면에 제1 액추에이터(10) 및 제2 액추에이터(10')를 배치하고, 사용자의 손가락(2)이 접촉하는 접촉영역에 해당하는 액추에이터가 동작함으로써 진동감을 사용자에게 간접적으로 전달할 수 있다. 이때, 사용자의 손가락이 접촉하는 접촉영역의 감지는 액추에이터 패널(40)의 제어부가 인식하고, 접촉영역에 해당하는 액추에이터에 진동을 발생하라는 제어신호를 액추에이터의 제어부(600)에 전송함으로써 당해 액추에이터가 진동을 발생시킬 수 있다.
한편, 액추에이터 패널(40)의 제어부는 고전압신호의 주파수(f 또는 f1 및 f2)를 변경하도록 하는 제어신호를 액추에이터의 제어부(600)에 전송함으로써 진동 주파수를 변경할 수 있다.
(진동전달 경로 및 정전기력의 방향)
본 발명에서는 사용자의 접촉 영역에 진동감을 주기 위해 간접적인 경로를 이용한다. 즉, 실제적으로 진동이 발생되는 질량체(110)에 사용자가 직접 접촉하는 것이 아니라 질량체(110)에서 발생된 진동이 진동증폭부(120), 질량체 지지부(130), 간격부(300) 및 베이스 기재(20)를 거쳐 간접적으로 사용자에게 진동감이 전달된다.
상술한 각부의 구성 및 기능에 대한 설명은 설명의 편의를 위하여 서로 분리하여 설명하였을 뿐 필요에 따라 어느 한 구성 및 기능이 다른 구성요소로 통합되어 구현되거나, 또는 더 세분화되어 구현될 수도 있다.
한편, 상술한 액추에이터(10)의 구성에 의해 정전기력은 접지된 질량체(110)를 향하도록 생성된다. 즉, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 정전기력은 고전압신호가 공급되는 전극부(210)에서 접지된 질량체(110)를 향하도록 생성된다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 및 그 구성 또는 본 발명의 각 구성에 대한 결합관계에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
1 : 정전기력
2 : 사용자 손가락
3 : 하우징
10, 10' : 정전기력을 이용한 액추에이터
20 : 베이스 기재
30 : 에어 갭
40 : 액추에이터 패널
50 : 하부 실드용 보강판
100 : 질량부
110 : 질량체
120 : 진동증폭부(또는 슬릿홈)
121 : 내측 슬릿홈
122 : 외측 슬릿홈
130 : 질량체 지지부
200 : 정전기력 발생부
210 : 전극부
211 : 제1 전극부
212 : 제2 전극부
220 : 유전층
221 : 상부 실딩용 PI필름
222 : 중단 실딩용 PI필름
223 : 하부 실딩용 PI필름
300 : 간격부(또는 스페이서)
410 : 제1 고전압 전원부
420 : 제2 고전압 전원부
510 : 제1 충방전신호 생성부
511 : 제1 충전부
512 : 제1 방전부
520 : 제2 충방전신호 생성부
521 : 제2 충전부
522 : 제2 방전부
600 : 제어부
710 : 고전압신호
720 : 옵토커플러 충전 제어신호
730 : 옵토커플러 방전 제어신호

Claims (20)

  1. 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및
    상기 진동부에 공급되는 고전압신호를 기 설정된 충방전 주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 상기 정전기력이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 고전압신호가 상기 충방전 주파수에 따라 충전구간과 방전구간을 가져 상기 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동부는,
    정전기력에 의해 진동하는 상기 질량체, 및
    상기 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 상기 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    충전구간과 방전구간을 가지는 상기 고전압신호의 주파수는 500Hz 이내인 충방전 주파수인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  4. 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및
    상기 진동부에 공급되는 고전압신호를 기 설정된 공진주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 상기 정전기력이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 고전압신호가 충전구간과 방전구간을 가져 상기 진동부의 전하를 충전 및 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진동부는,
    정전기력에 의해 진동하는 상기 질량체, 및
    상기 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 상기 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하며,
    상기 질량체의 진동을 탄성에 의해 증폭시키는 진동증폭부를 더 포함하며,
    상기 고전압신호의 주파수는 상기 질량체와 상기 진동증폭부에 의해 결정되는 공진주파수에 상응하는 충방전 주파수인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질량체를 둘레방향에서 지지하는 질량체 지지부를 더 포함하며,
    상기 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량체는 일체로 형성되며,
    상기 진동증폭부는 상기 질량체 지지부와 질량체 사이 공간영역에 둘레방향으로 슬릿홈이 형성됨으로써 탄성을 생성하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  7. 맥놀이 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및
    상기 진동부에 공급되는 복수의 고전압신호를 기 설정된 충방전 주파수에 상응하도록 출력시킴으로써 맥놀이 주파수가 생성되어 상기 맥놀이 정전기력이 발생되도록 하는 제어부를 포함하며,
    상기 고전압신호는 충전구간과 방전구간을 가져 상기 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 진동부는,
    정전기력에 의해 진동하는 상기 질량체, 및
    상기 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 상기 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하며,
    상기 전극부는,
    제1 고전압신호를 공급받는 제1 전극부, 및
    제1 고전압신호와는 다른 제2 고전압신호를 공급받는 제2 전극부로 구성되어 상기 맥놀이 주파수를 생성하며,
    상기 제1 전극부 및 상기 제2 전극부는 상기 유전층내에 배치되는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제1,2 고전압신호의 주파수는 충전구간과 방전구간을 가지도록 500Hz 이내이며,
    상기 제1,2 고전압신호의 주파수는 상기 맥놀이 주파수가 250Hz 이내의 범위를 가지도록 설정되어 맥놀이 정전기력이 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 질량체의 진동을 탄성에 의해 증폭시키는 진동증폭부를 더 포함하며,
    상기 맥놀이 주파수의 생성에 따른 캐리어 주파수는 상기 질량체와 상기 진동증폭부에 의해 결정되는 공진주파수에 상응하는 주파수인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 질량체를 둘레방향에서 지지하는 질량체 지지부를 더 포함하며,
    상기 질량체 지지부, 진동증폭부, 및 질량체는 일체로 형성되며,
    상기 진동증폭부는 상기 질량체 지지부와 질량체 사이 공간영역에 둘레방향으로 슬릿홈이 형성됨으로써 탄성을 생성하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 진동은 맥놀이 주파수와 캐리어 주파수의 혼합 진동인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  13. 고전압을 발생시키는 고전압 전원부,
    상기 고전압을 공급받아 기 설정된 충방전 주파수에 상응하는 고전압신호를 생성하는 충방전신호 생성부,
    상기 고전압신호를 공급받아 정전기력을 발생시키며, 상기 정전기력에 의해 질량체를 진동하도록 하는 진동부, 및
    상기 충방전신호 생성부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 고전압신호가 상기 충방전 주파수에 따라 충전구간과 방전구간을 가져 상기 진동부의 전하를 충전 및 방전하도록 함으로써 정전기력을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 진동부는,
    정전기력에 의해 진동하는 상기 질량체, 및
    상기 질량체와 수직방향으로 이격 배치되어 상기 고전압신호의 주파수에 따라 정전기력을 생성하는 전극부 및 유전층을 구비하는 정전기력 발생부를 포함하며,
    상기 충방전신호 생성부는,
    상기 제어부의 충전 제어신호에 따라 상기 전극부에 전하를 충전하도록 고전압신호의 충전구간을 발생시키는 충전부, 및
    상기 제어부의 방전 제어신호에 따라 상기 전극부에 전하를 방전하도록 고전압신호의 방전구간을 발생시키는 방전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 방전부는,
    상기 방전구간 동안 상기 전극부가 그라운드에 전기적으로 접속되도록 함으로써 상기 전극부의 전하를 방전하도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 충전 제어신호와 방전 제어신호는 서로 겹침 구간이 발생되는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  17. 제 1 항, 제 4 항, 제 7 항, 및 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동은 사용자에게 간접적으로 전달되며,
    상기 사용자가 접촉하는 접촉영역을 상기 질량부를 기준으로 동일 수직선상에서 상기 정전기력 발생부의 하면 영역에 형성되도록 함으로써 상기 질량부의 진동이 간접적으로 상기 접촉영역에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  18. 제 1 항, 제 4 항, 제 7 항, 및 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    질량부가 그라운드에 전기적으로 접속됨에 따라 정전기력 발생부에 공급된 고전압에 의해 정전기력이 발생되며,
    상기 정전기력에 의해 상기 질량부와 상기 정전기력 발생부간의 이격된 공간을 수직방향으로 상기 질량부가 진동하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터.
  19. 제 1 항, 제 4 항, 제 7 항, 및 제 13 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서의 정전기력을 이용한 액추에이터, 및
    상기 정전기력을 이용한 액추에이터가 복수로 배치되어 발생된 진동이 기 결정된 진동경로를 따라 전달됨으로써 사용자에게 상기 진동을 전달하는 베이스 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터 패널.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 베이스 기재는,
    상기 정전기력을 이용한 액추에이터에서 발생된 진동을 간접적으로 사용자에게 전달하는 디스플레이 패널 또는 플렉서블 디스플레이 패널 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용한 액추에이터 패널.
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