KR20180106918A - 일렉트릿-기반 정전기 햅틱 액추에이터 - Google Patents
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Abstract
일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터가 제시된다. 액추에이터는 일렉트릿 층, 전기적 전도성 층, 전기적 절연층, 복수의 스페이서들 및 신호 생성 회로를 가진다. 일렉트릿 층은 일렉트릿 층의 두께 디멘젼을 따라 빌트인 전압을 가진다. 전기적 절연층은 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치된다. 복수의 스페이서들은 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치된다. 신호 생성 회로는 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되며, 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는다. 신호 생성 회로는 오실레이팅 구동 신호를 전기적 전도성 층에 인가하여 진동촉각 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 일렉트릿-기반 정전기 햅틱 액추에이터에 관한 것이며, 사용자 인터페이스들, 게임, 자동차, 웨어러블 디바이스들, 및 가전 제품들에서 응용예를 가진다.
전자 디바이스 제조자들은 사용자들을 위한 풍부한 인터페이스를 생산하기를 원한다. 많은 디바이스들은 시각적 및 청각적 큐들을 사용하여 피드백을 사용자에게 제공한다. 일부 인터페이스 디바이스들에서, 운동감각적 효과(예컨대, 능동 및 저항성 힘 피드백) 및/또는 촉각적 효과(예컨대, 진동, 텍스쳐, 및 열)가 또한 사용자에게 제공된다. 운동감각적 효과들 및 촉각적 효과들은 더 일반적으로는 "햅틱 피드백" 또는 "햅틱 효과들"이라 지칭될 수 있다. 햅틱 피드백은 사용자 인터페이스를 향상시키고 간략화시키는 큐들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 진동 효과들, 또는 진동촉각 햅틱 효과들은 큐들을 전자 디바이스들의 사용자들에게 제공하여 사용자에게 특정 이벤트들을 통지하거나, 또는 사실적 피드백을 제공하여 시뮬레이트된 또는 가상 환경 내에서 더 큰 감각적 몰입을 생성하는데 유용할 수 있다.
햅틱 효과를 생성하기 위해, 많은 디바이스들은 액추에이터를 사용한다. 햅틱 효과를 생성하기 위한 예시적인 액추에이터들(또한 햅틱 액추에이터라 지칭됨)은 이심 회전 질량("ERM") 액추에이터 및 선형 공진 액추에이터("LRA")와 같은 전자기 액추에이터를 포함한다. 다른 액추에이터들은 압전 재료, 전기-활성 폴리머, 또는 형상 기억 합금과 같은 "스마트 재료"를 사용하는 액추에이터들을 포함한다.
후속하는 상세한 설명은 속성상 단지 예시적이며, 발명 또는 발명의 응용예들 및 사용들을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 이전의 기술 분야, 배경기술, 간단한 요약 또는 후속하는 상세한 설명에 제시되는 임의의 명시된 또는 함축된 이론에 의해 제한될 의도가 존재하지 않는다.
본원의 실시예들은 일렉트릿 층, 전기적 전도성 층, 전기적 절연층, 복수의 스페이서들, 및 신호 생성 회로를 포함하는 햅틱 액추에이터에 관한 것이다. 일렉트릿 층은 일렉트릿 층의 두께 디멘젼을 따라 빌트인 전압(built-in voltage)을 가진다. 전기적 절연층은 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치된다. 복수의 스페이서들은 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치된다. 신호 생성 회로는 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되고 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는다. 신호 생성 회로는 오실레이팅 구동 신호를 전기적 전도성 층에 인가하여 진동촉각 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다.
실시예에서, 신호 생성 회로는 일렉트릿 층의 빌트인 전압보다 더 적은 진폭에서 오실레이팅 구동 신호를 생성하도록 구성된다.
실시예에서, 진폭 - 신호 생성 회로가 오실레이팅 구동 신호를 이 진폭으로 생성하도록 구성됨 - 은 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/10 미만이다.
실시예에서, 진폭 - 신호 생성 회로가 오실레이팅 구동 신호를 이 진폭으로 생성하도록 구성됨 - 은 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/100 미만이다.
실시예에서, 일렉트릿 층의 빌트인 전압은 1 kV와 10 kV 사이의 범위 내에 있고, 진폭 - 신호 생성 회로가 오실레이팅 구동 신호를 이 진폭으로 생성하도록 구성됨 - 은 1 V와 10 V 사이의 범위 내에 있다.
실시예에서, 전기적 전도성 층 또는 일렉트릿 층은 공진 진동 주파수를 가지고, 신호 생성 회로는 전기적 전도성 층의 또는 일렉트릿 층의 공진 진동 주파수와 동일한 주파수에서 오실레이팅 구동 신호를 인가하도록 구성되고, 주파수는 100 Hz 내지 500 Hz의 범위 내에 있다.
실시예에서, 전기적 절연층은 100 미크론과 1 mm 사이의 범위 내에 있는 두께를 가진다.
실시예에서, 복수의 스페이서들 중의 각각의 스페이서는 0.1 mm 내지 0.5 mm의 범위 내에 있는 두께를 가진다.
실시예에서, 일렉트릿 층 및 전기적 전도성 층은 동일한 디멘젼들을 가지고, 각각은 4개 변들을 가지는 직사각형을 형성하며, 일렉트릿 층 및 전기적 전도성 층의 각자의 직사각형들의 변들 각각은 2 mm와 20 mm 사이의 범위 내에 있다.
실시예에서, 전기적 전도성 층은 제1 액추에이팅 층을 가지고, 햅틱 액추에이터는 전기적 전도성 층 상에 직접적으로 또는 간접적으로 배치되는 제2 액추에이팅 층을 더 포함한다.
실시예에서, 제2 액추에이팅 층은 제2 신호 생성 회로에 전기적으로 접속되는 전기활성 폴리머 층이다.
실시예에서, 복수의 스페이서들 중의 각각의 스페이서는 마이크로도트의 형태를 가진다.
실시예에서, 햅틱 액추에이터는 제2 일렉트릿 층, 제2 전기적 절연층, 및 제2 전기적 전도성 층을 더 포함한다. 제2 일렉트릿 층은 전기적 전도성 층 상에 배치된다. 제2 복수의 스페이서들은 제2 일렉트릿 층 상에 배치된다. 제2 전기적 절연층은 제2 복수의 스페이서들 상에 배치된다. 제2 전기적 전도성 층은 제2 전기적 절연층 상에 배치된다. 신호 생성 회로는 제2 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되며, 제2 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는다.
본원의 실시예들은 하우징 및 햅틱 액추에이터를 포함하는 햅틱-인에이블 디바이스에 관한 것이다. 하우징은 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면을 형성한다. 햅틱 액추에이터는 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면에 배치된다. 햅틱 액추에이터는 일렉트릿 층의 두께 디멘젼을 따라 빌트인 전압을 가지는 일렉트릿 층, 전기적 전도성 층, 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 전기적 절연층, 및 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 복수의 스페이서들을 포함한다. 햅틱-인에이블 디바이스는 햅틱 액추에이터의 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되며 햅틱 액추에이터의 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는 신호 생성 회로를 더 포함한다. 신호 생성 회로는 오실레이팅 구동 신호를 전기적 전도성 층에 인가하여 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면에서 진동촉각 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다.
실시예에서, 햅틱-인에이블 디바이스는 하우징 내에 하우징되는 디스플레이 스크린을 더 포함하고, 디스플레이 스크린은 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면을 또한 형성한다. 햅틱 액추에이터는 디스플레이 스크린 상에 배치된다. 햅틱 액추에이터의 일렉트릿 층, 전기적 절연층, 및 전기적 전도성 층은 투명하다.
실시예에서, 햅틱-인에이블 디바이스는 전기적 전도성 층에 통신상으로 커플링되는 프로세서를 더 포함한다. 프로세서는 전기적 전도성 층으로부터의 신호 또는 신호 변화에 기초하여 터치 입력을 검출하도록 구성된다.
실시예에서, 신호 생성 회로는 진폭을 가지는 오실레이팅 구동 신호를 생성하도록 구성된다. 이 실시예에서, 햅틱-인에이블 디바이스는 오실레이팅 구동 신호의 진폭을 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/10 미만이도록 설정하도록 구성되는 프로세서를 더 포함한다.
실시예에서, 프로세서는 오실레이팅 구동 신호의 진폭을 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/100 미만이도록 설정하도록 구성된다.
실시예에서, 전기적 전도성 층은 제1 액추에이팅 층이고, 햅틱 액추에이터는 전기적 전도성 층 상에 직접적으로 또는 간접적으로 배치되는 제2 액추에이팅 층을 더 포함한다. 이 실시예에서, 햅틱-인에이블 디바이스는 제2 오실레이팅 구동 신호를 제2 액추에이팅 층에 인가하도록 구성되는 제2 신호 생성 회로를 포함하고, 신호 생성 회로 및 제2 신호 생성 회로를 제어하여 오실레이팅 구동 신호 및 제2 오실레이팅 구동 신호가 상이한 각자의 주파수들을 가지게 하도록 구성되는 프로세서를 포함한다.
실시예에서, 제2 액추에이팅 층은 전기활성 폴리머 층이다.
발명의 이전 및 다른 특징들 및 장점들은 첨부 도면들에 예시된 바와 같은 본원의 실시예들의 후속하는 기재로부터 명백할 것이다. 본원에 포함되며 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면들은 추가로 발명의 원리들을 설명하며 관련 기술분야의 통상의 기술자가 발명을 제작하고 사용할 수 있게 하는 역할을 한다. 도면들은 축척에 맞지 않다.
도 1은 본원의 실시예에 따른, 적어도 하나의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터를 포함하는 모바일 디바이스의 투시도를 예시한다.
도 2a는 본원의 실시예에 따른, 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터의 투시도를 예시한다.
도 2b는 본원의 실시예에 따른, 도 2a의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터 및 기판층의 투시도를 예시한다.
도 2c는 본원의 실시예에 따른, 도 2b의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터 및 기판층의 단면도를 예시한다.
도 3 및 도 4는 본원의 실시예들에 따른, 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터들의 단면도들을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 각자, 본원의 실시예에 따른, 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터의 투시도 및 단면도를 예시한다.
도 1은 본원의 실시예에 따른, 적어도 하나의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터를 포함하는 모바일 디바이스의 투시도를 예시한다.
도 2a는 본원의 실시예에 따른, 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터의 투시도를 예시한다.
도 2b는 본원의 실시예에 따른, 도 2a의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터 및 기판층의 투시도를 예시한다.
도 2c는 본원의 실시예에 따른, 도 2b의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터 및 기판층의 단면도를 예시한다.
도 3 및 도 4는 본원의 실시예들에 따른, 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터들의 단면도들을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 각자, 본원의 실시예에 따른, 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터의 투시도 및 단면도를 예시한다.
후속하는 상세한 설명은 속성상 단지 예시적이며, 발명 또는 발명의 응용 및 사용들을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 이전의 기술 분야, 배경기술, 간단한 요약 또는 후속하는 상세한 설명에 제시되는 임의의 명시된 또는 함축된 이론에 의해 제한될 의도가 존재하지 않는다.
본원의 실시예들은 높은(예를 들어, 1 kV, 10 kV, 또는 50 kV) 구동 신호 진폭을 요구하지 않고 일렉트릿 층을 사용하여 진동촉각 또는 다른 햅틱 효과를 생성하는 정전기 햅틱 액추에이터에 관한 것이다. 더 구체적으로, 정전기 햅틱 액추에이터는, 예를 들어, 2개의 평행한 플레이트들 사이의 정전기 상호작용에 기초하여 햅틱 효과를 생성할 수 있다. 이 정전기 상호작용이 2개의 평행한 플레이트들 사이에 높은 전압(예를 들어, 1 kV, 10 kV, 또는 50 kV)을 발생시킴으로써 생성될 수 있는 반면, 이러한 높은 전압을 생성하는 것은 액추에이터의 그리고/또는 액추에이터를 포함하는 전자 디바이스의 비용을 증가시키는 특수 회로 및 파워 서플라이들을 수반할 수 있다. 더 낮은 구동 신호 진폭들에서 정전기 액추에이션을 제공하기 위해, 본원의 실시예들은 평행한 플레이트로서 일렉트릿 층을 사용하는 햅틱 액추에이터에 관한 것이다. 이러한 햅틱 액추에이터는 5V 또는 10V와 같은, 100V 이하의 진폭과 같은 더 낮은 구동 신호 진폭들에서 효과적으로 기능할 수 있다. 일렉트릿 층은 예를 들어, 1 kV, 10 kV, 50 kV, 또는 100 kV 정도인 빌트인 전압을 가질 수 있다. 일렉트릿 층의 높은 빌트인 전압과 연관된 전계는 전기적 전도성 층과 같은 또다른 층 상에서 오실레이팅 전압과 상호작용할 수 있다. 상호작용은 심지어 전도성 층의 오실레이팅 전압의 진폭이 일렉트릿 층의 빌트인 전압보다 수십배 또는 수백배 더 작을 때에도 유효 진동촉각 햅틱 효과 또는 다른 타입의 햅틱 효과를 생성하기에 충분히 강할 수 있다.
실시예에서, 일렉트릿 층은 전기적 전도성 층, 및 일렉트릿 층과 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 복수의 스페이서들을 포함하는 액추에이터의 일부일 수 있다. 전도성 층은 오실레이팅 구동 신호(예를 들어, 오실레이팅 입력 전압 또는 오실레이팅 입력 전류)를 전도성 층에 인가하는 신호 생성 회로에 전기적으로 접속될 수 있다. 오실레이팅 구동 신호의 진폭은 예를 들어, 1V, 10 V, 50 V, 또는 100V 정도일 수 있다. 실시예에서, 오실레이팅 신호의 진폭은 100V 이하이다. 이 오실레이팅 구동 신호(예를 들어, 교류(AC) 신호)는 전도성 층으로부터 방출되는 오실레이팅 전계를 발생시킬 수 있다. 오실레이팅 전계는 강한 빌트인 전압으로부터 발생하여 일렉트릿 층으로부터 방출되는 강한 전계와 상호작용할 수 있다. 상호작용은 일렉트릿 층과 전도성 층 사이에 끌어당김 및 밀어냄의 교번하는 주기들을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 일렉트릿 층 및 전도성 층은 2개 층들이 서로를 향해 이동하는 주기와 이들이 서로 멀어지게 이동하는 주기 사이에서 교번하는 진동(oscillatory) 방식으로 서로에 대해 이동할 수 있다. 일렉트릿 층의 높은 빌트인 전압 및 전계는 진동촉각 또는 다른 햅틱 효과를 위한 액추에이션을 제공하기에 충분히 강한 전도성 층과의 상호작용을 야기할 수 있다.
도 1은 햅틱 액추에이터(110), 햅틱 액추에이터(120) 및 햅틱 액추에이터(130)와 같은, 하나 이상의 햅틱 액추에이터들을 포함하는 햅틱-인에이블 디바이스(100)를 예시한다. 실시예에서, 햅틱-인에이블 디바이스(100)는 모바일 폰 또는 태블릿 컴퓨터일 수 있다. 다른 실시예들에서, 웨어러블 디바이스(예를 들어, 가상 현실 상황을 위한 헤드-장착형 디스플레이), 게임 제어기(예를 들어, Wii® 원격 또는 스마트 워치), 또는 다른 사용자 인터페이스 디바이스(예를 들어, 차량 대시 패널)가 햅틱-인에이블 디바이스일 수 있다. 햅틱-인에이블 디바이스(100)는 디스플레이 스크린(102)(예를 들어, 터치 스크린)을 하우징하는 하우징(101), 프로세서(170), 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130), 및 햅틱 인에이블 디바이스(100)의 다른 컴포넌트들을 가질 수 있다. 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)은 예컨대, 외부 표면(100a) 상에 또는 외부 표면(100a) 바로 아래에 있음으로써, 디바이스(100)의 외부 표면(100a)에 배치될 수 있다. 외부 표면(100a)은 하우징(101)의 외부 표면(101a) 및 디스플레이 스크린(102)의 외부 표면(102a)을 포함할 수 있다.
실시예에서, 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130) 중 하나 이상은 디스플레이 스크린(102)에 부착될 수 있고, 투명할 수 있다. 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130) 중 하나 이상은 스크린(102)의 외부 표면(102a) 뒤에 있을 수 있거나, 대안적으로 스크린(102)의 외부 표면(102a) 앞에(예를 들어, 위에) 있을 수 있다. 햅틱 액추에이터들 중 하나가 스크린(102) 뒤에 있을 때, 액추에이터는 스크린(102)의 유리 또는 다른 재료 내에 내장될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 스크린(102)의 외부 표면 바로 아래에 위치될 수 있다. 이 배열에서, 액추에이터는 사용자의 손가락 또는 다른 외부 오브젝트와 직접 접촉할 수 없다. 햅틱 액추에이터들 중 하나가 스크린(102)의 앞에 배치될 때, 액췌이터는 디스플레이 스크린(102)의 외부 표면에 부착(예를 들어, 접착)될 수 있다. 이 배열에서, 액추에이터는 사용자의 손가락 또는 다른 외부 오브젝트에 직접 접촉할 수 있다.
도 1에서, 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)의 일부 또는 전부가 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터일 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(120)는 디스플레이 스크린(102)의 외부 표면(102a) 상에 또는 뒤에(예를 들어, 아래에) 배치되는 일렉트릿-기반 액추에이터일 수 있고, 햅틱 액추에이터들(120 및 130)은 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 하우징(101)의 외부 표면(101a) 상에 또는 뒤에 배치되는 다른 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터들일 수 있다. 실시예에서, 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)은 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 다른 부분들에서 진동촉각 햅틱 효과들을 생성하도록 구성될 수 있다.
실시예에서, 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130) 각각은 신호 생성 회로로부터 햅틱 구동 신호를 수신할 시에 햅틱 효과를 생성할 수 있다. 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)은 신호 생성 회로를 공유할 수 있고/있거나, 상이한 각자의 신호 생성 회로들에 전기적으로 접속할 수 있다. 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)이 신호 생성 회로를 공유하도록 구성되는 경우, 신호 생성 회로는 동일한 구동 신호를 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)에 동시에 인가할 수 있거나, 또는 상이한 구동 신호들을 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)에 상이한 각자의 시간 기간들 내에 스위칭가능하게 인가할 수 있다.
실시예에서, 햅틱-인에이블 디바이스(100)는 프로세서(170)를 포함한다. 프로세서(170)는 햅틱 액추에이터들(110, 120, 130)을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 프로세서(170)는 햅틱-인에이블 디바이스(100)를 위한 범용 프로세서 또는 햅틱 효과들을 제어하는데 전용되는 디지털 신호 프로세서 또는 프로세싱 회로(예를 들어, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 또는 FPGA)와 같은, 특수 프로세서일 수 있다. 실시예에서, 프로세서(170)는 위에서 논의된 신호 생성 회로를 제어 및/또는 구현할 수 있다.
도 2a는 햅틱 인에이블 디바이스(100)와 같은 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면(100a) 아래에 위치되는 본원의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터(110)의 투시도를 제공한다. 햅틱 액추에이터(110)는 일렉트릿 층(112), 전기적 전도성 층(118), 및 일렉트릿 층(112)과 전기적 전도성 층(118) 사이에 배치되는 복수의 스페이서들(114a-114d)과 전기적 절연층(116)을 포함한다. 실시예에서, 전기적 전도성 층(118) 및 전기적 절연층(116)은 적어도 층(118)의 전기적 전도성 재료 및 층(116)의 전기적 절연성 재료로 만들어지는 이중층(bi-layer) 재료의 일부일 수 있다. 실시예에서, 햅틱 액추에이터(110)는 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 외부 표면(100a) 뒤에 배치될 수 있다. 예를 들어, 외부 표면(100a)은 햅틱 액추에이터(110) 바로 위에 배치되는 얇은, 유연한 전기적 절연층을 포함할 수 있고, 따라서 외부 표면(100a)은 전기적 전도성 층(118)을 커버한다. 또다른 경우에서, 외부 표면(100a)은 디스플레이 스크린(102)을 형성하는 유리의 외부 표면일 수 있고, 햅틱 액추에이터(110)를 내장할 수 있다. 외부 표면(100a)은 외부 오브젝트들로부터 전도성 층(118)을 전기적으로 절연시키고/시키거나 보호하기 위해 사용될 수 있다. 도 2a가 전기적 절연층(116)을 예시하지만, 또다른 실시예에서, 햅틱 액추에이터는 전기적 전도성 층(118)과 일렉트릿 층(112) 사이에 분리를 제공하기 위한 스페이서들(114a-114d)만 가지고, 절연층(116)을 가지지 않을 수도 있다.
실시예에서, 일렉트릿 층(112)은 층(112)의 두께 디멘젼 T(즉, 이를 따라 층(112)의 두께가 측정되는 디멘젼, 이는 층들에 대해 직교하는 방향을 따라 확장하는 디멘젼일 수 있음)를 따르는 빌트인 전압으로부터 발생하는 영구 전계를 가질 수 있다. 빌트인 전압은 예를 들어, 100 V와 1 kV 사이, 또는 1 kV와 10 kV 사이, 또는 10 kV와 100 kV 사이, 또는 100 kV 초과인 값을 가질 수 있다. 실시예에서, 전기적 전도성 층(118)은, 예를 들어, 얇은 금속 시트일 수 있고, 전기적 절연층(116)은 예를 들어, 얇은 폴리머 막일 수 있다. 실시예에서, 일렉트릿 층(112), 전기적 전도성 층(118), 및 전기적 절연층(116)은 각각이 4개의 변들을 가지는(길이 디멘젼(L)을 따르는 2개 변들 및 폭 디멘젼(W)을 따르는 2개 변들을 가지는) 직사각형을 형성할 수 있다. 각자의 직사각형들의 변들 각각은 2 mm 내지 20 mm 사이의 범위 내에 있을 수 있다. 실시예에서, 특정 층(예를 들어, 층(112))의 길이 디멘젼(L)을 따르는 변 및 폭 디멘젼(W)을 따르는 변은 두께 디멘젼(T) 및 층의 모듈러스를 따르는 층의 크기에 의존하는 다중-물리적 문제의 해법들인 크기들을 가질 수 있다. 즉, 그것의 길이 디멘젼(L) 및 그것의 폭 디멘젼(W)을 따르는 층의 크기는 그 층의 또다른 층과의 정전기 상호작용에 영향을 줄 수 있지만, 이 값들은 또한, 그것의 두께 디멘젼(T)을 따르는 층의 크기 및 그것의 모듈러스와 함께, 층의 강성(stiffness)에 영향을 줄 수 있다. 강성 및 정전기 상호작용의 레벨은 출력되는 햅틱 효과의 강도에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 길이 디멘젼(L) 및 폭 디멘젼(W)을 따라 층의 크기를 설계하는 것은 두께 디멘젼(T) 및 층의 모듈러스를 따르는 층의 크기를 고려할 수 있고, 결과적인 기계적 강성 및 정전기 상호작용의 레벨을 균형맞추어 원하는 햅틱 효과 출력 강도를 달성할 수 있다. 실시예에서, 층들(112, 116 및 118) 각각은 100 미크론과 1mm 사이의 범위 내에 있는(즉, 두께 디멘젼(T)을 따르는) 두께를 가질 수 있다. 실시예에서, 전기적 절연층(116)은 1 미크론 이상의 두께를 가질 수 있다. 일렉트릿 층(112), 전기적 절연층(116) 및 전기적 전도성 층(118)은 동일한 디멘젼들(및 따라서 동일한 표면적)을 가질 수 있거나, 또는 상이한 각자의 디멘젼들을 가질 수 있다.
실시예에서, 전기적 전도성 층(118)은 구리, 알루미늄과 같은 금속, 또는 얇은 전도성 층(예를 들어, 금, 인듐 주석 산화물, 또는 전도성 나노튜브 층)으로 코팅된 비전도성 재료(예를 들어, 플라스틱 또는 유리), 또는 이들의 임의의 조합(예를 들어, 금속 합금으로서)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 전기적 전도성 층(118)은 흑연 또는 전도성 폴리머와 같은, 비금속 전도체를 포함한다. 실시예에서, 전기적 전도성 층(118)은 적어도 107 σ 정도인 전도율을 가질 수 있다.
실시예에서, 전기적 절연층(116)은 플라스틱, 고무, 절연 폴리머(예를 들어, 폴리이미드), 유리, 또는 실리콘 이산화물 또는 ParyleneTM (폴리(p-크실릴렌))과 같은 전기적 절연성 재료의 얇은 코팅을 가지는 임의의 다른 재료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 실시예에서, 전기적 절연성 재료는 적어도 1011Ωm 정도인 비저항을 가질 수 있다.
실시예에서, 스페이서들(114a-114d)은, 2개 층들이 서로에 대해 진동할 공간을 제공하기 위해, 일렉트릿 층(112)과 전도성 층(118) 사이에 공간 또는 갭을 발생시키는 서스펜션 시스템(suspension system)을 형성하도록 사용될 수 있다. 디멘젼(T)을 따르는 스페이서들(114a-114d) 각각의 예시적인 두께들은 0.1 mm, 0.25 mm, 또는 0.5 mm를 포함한다. 다른 실시예들은 스페이서들을 사용하지 않거나, 상이한 개수의 스페이서들(예를 들어, 3개의 스페이서들, 6개의 스페이서들)을 사용할 수 있다. 스페이서들(114a-114d)은 유리 비드(강성의 서스펜션에 대해), 아크릴 탄성중합체로 만들어진 VHBTM 테이프, 실리콘-기반 테이프, 또는 폴리우레탄(모두 더 부드러운 서스펜션에 대해), 또는 이들의 임의의 조합과 같은 탄성 또는 단단한(즉, 강성) 재료로 만들어질 수 있다. 탄성 재료는 햅틱 액추에이터(110) 내의 진동들을 보다 용이하게 약화시킬 수 있는 반면, 단단한 재료는 햅틱 액추에이터(110) 내의 진동들의 더 적은 약화를 야기할 수 있다. 스페이서들(114a-114d)이 만들어지는 탄성 또는 강성의 레벨은 햅틱 액추에이터(110)에서 요구되는 자연적 약화의 레벨에 의존할 수 있다. 도 2a가 스페이서들(114a-114d)이 직사각 형상을 가지는 것을 도시하지만, 스페이서는 액추에이터의 구성에 적합한 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 스페이서들(114a-114d) 각각은 대신 마이크로도트의 형태를 가질 수 있다.
실시예에서, 전기적 절연층(116) 및 스페이서들(114a-114d) 모두가 사용되어 전기적 전도성 층(118) 및 일렉트릿 층(112)이 직접 터치하여(예를 들어, 플레이트-대-플레이트 접촉을 가져서) 서로 간의 전도성 경로를 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 이러한 접촉은 일렉트릿 층으로부터 전기적 전도성 층으로의 방전을 야기할 수 있다. 실시예에서, 스페이서들(114a-114d)은 전도성 층(118)과 일렉트릿 층(112) 사이에 충분한 분리를 제공하여 이들이 서로 터치하는 것을 방지할 수 있고, 따라서, 전기적 절연층(116)이 생략될 수 있다. 실시예에서, 햅틱 액추에이터는 추가적인 층들을 가질 수 있으며, 그 실시예들은 도 3 및 도 4에서 하기에 논의된다. 하기의 예들 뿐만 아니라, 햅틱 액추에이터는 다른 층들 사이에(예를 들어, 일렉트릿 층(112)과 스페이서들(114a-114d) 각각 사이에) 접착층을 가질 수 있다. 실시예에서, 전도성 층(118), 일렉트릿 층(112), 전기적 절연층(116), 및/또는 스페이서들(114a-114d)은, 햅틱 액추에이터(110)를 투명하게 만들기 위해, 투명할 수 있다. 이 투명성은 액추에이터(110)를 디스플레이 스크린(102)에의 배치에 더욱 적합하게 한다.
도 2a는 전기적 전도성 층(118)에 전기적으로 접속되며 일렉트릿 층(112)에는 전기적으로 접속되지 않을 수 있는 신호 생성 회로(115)를 추가로 도시한다. 신호 생성 회로(115)는 도 1의 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 일부이며, 햅틱 액추에이터(110)의 일부일 수 있거나, 또는 별도의 컴포넌트일 수 있다. 실시예에서, 신호 생성 회로(115)는 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 프로세서(예를 들어, 프로세서(170))에 의해 구현될 수 있다. 실시예에서, 신호 생성 회로(115)는 정현 신호 또는 사각파와 같은 오실레이팅 구동 신호를 전기적 전도성 층(118)에, 일렉트릿 층(112)의 빌트인 전압보다 더 적은 진폭에서 인가하도록 구성될 수 있으며, 여기서 진폭은 넌제로(nonzero) 값을 가진다. 예를 들어, 오실레이팅 구동 신호의 진폭은 일렉트릿 층(112)의 빌트인 전압의 1/10 미만, 또는 일렉트릿 층(112)의 빌트인 전압의 1/100(또는 1/1000) 미만일 수 있다. 실시예에서, 전기적 전도성 층(118) 및/또는 일렉트릿 층(112)은 공진 진동 주파수를 가지고, 신호 생성 회로는 전도성 층의 또는 일렉트릿 층의 공진 진동 주파수와 동일한 주파수에서 오실레이팅 구동 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 실시예에서, 오실레이팅 구동 신호는 예를 들어, 1 V 내지 10 V(또는 10 V 내지 50V)의 범위 내에 있는 진폭, 및 예를 들어, 100 Hz 내지 500 Hz의 범위 내에 있는 주파수를 가질 수 있다. 실시예에서, 신호 생성 회로(115)에 의해 생성되는 오실레이팅 구동 신호의 진폭은 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 프로세서(170)(또는 임의의 다른 제어 유닛)에 의해 설정될 수 있다.
도 2b는 도 2a의 햅틱 액추에이터(110)의 일렉트릿 층(112)이 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 하우징(101) 또는 디스플레이 스크린(102)의 기판(140)과 같은, 햅틱-인에이블 디바이스의 기판(140) 또는 다른 지지 구조체에 부착되는 실시예를 도시한다. 기판(140)은 햅틱 액추에이터(110)에 의해 상대적으로 고정적인 것으로 간주될 수 있다. 일렉트릿 층(112)은 기계적으로 접지되는 것으로 간주될 수 있고, 전기적 전도성 층(118)은 햅틱 액추에이터(110)가 활성화될 때 진동하는 액추에이팅 층인 것으로 간주될 수 있다. 전기적 전도성 층(118)의 진동은 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 외부 표면(100a)에 전달되어 외부 표면(100a)에서 진동촉각 햅틱 효과를 발생시킬 수 있다.
실시예에서, 햅틱 액추에이터(110)는 또한 센서로서 기능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(110)는 사용자가 햅틱 액추에이터(110) 바로 위의 외부 표면(100a)의 일부분을 누르는 것을 감지할 수 있다. 이 부분이 눌러질 때, 전도성 층(118)은 사용자 터치 또는 다른 형태의 입력으로부터의 변형을 겪을 수 있다. 변형은 전도성 층(118)에서 전압 또는 전류 신호를 생성하거나, 또는 층(118)에서의 기존의 전압 또는 전류 신호를 변조하여 신호 변화를 야기할 수 있다. 전도성 층(118)과 통신상으로 커플링되는 프로세서(예를 들어, 프로세서(170))는 액추에이터/센서(110)의 전도성 층(118)으로부터의 신호 또는 신호 변화에 기초하여 터치 입력을 검출하도록 구성될 수 있다.
도 2c는 도 2b에서의 라인 A-A를 따르는 햅틱 액추에이터(110)의 단면도를 도시한다. 더 구체적으로, 단면도는 외부 표면(100a), 전기적 전도성 층(118), 전기적 절연층(116), 스페이서들(114c, 114d), 일렉트릿 층(112) 및 기판(140)을 도시한다. 단면도는 일렉트릿 층(112)의 빌트인 전압으로부터의 영구 전계(160)를 추가로 도시한다. 도면은 양전하의 양 및 음전하의 양으로부터 발생할 전계(160)를 추가로 예시하는데, 이는 일렉트릿 층(112)으로부터 분리된다. 일렉트릿 층(112)의 발생 및 빌트인 전압의 전계(160)는 하기에 더 상세하게 논의되는 다수의 방식들로 발생할 수 있다.
도 2c에서, 기판(140)은 햅틱 액추에이터(110)보다 실질적으로 더 많은 질량을 가질 수 있고, 햅틱 액추에이터(110)에 비해 고정적인 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 이 실시예에서의 햅틱 액추에이터(110)의 일렉트릿 층(112)은 위에서 논의된 바와 같이, 기판(140)에 의해 기계적으로 접지(즉, 기계적으로 고정)된 것으로 간주될 수 있다. 구동 신호가 전기적 전도성 층(118)에 인가될 때, 기계적으로 접지된 일렉트릿 층(112)은 고정상태로 유지되는 것으로 간주될 수 있는 반면, 전기적 전도성 층(118)은 일렉트릿 층(112)에 대해 작동하는(예를 들어, 진동하는) 액추에이팅 층이다. 액추에이션(예를 들어, 진동)은 외부 표면(100a)에 전달되어 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 외부 표면(100a)에서 햅틱 효과를 발생시킬 수 있다. 실시예에서, 전기적 절연층(116)은 전도성 층(118)과 일치하여(in unison with) 이동할 수 있다.
도 3은 기계적 접지층으로서 전기적 전도성 층을 가지는 본원의 또다른 실시예에 따른 햅틱 액추에이터(예를 들어, 햅틱 액추에이터(120))의 단면도를 도시한다. 또한, 전도성 층은 햅틱-인에이블 디바이스(100)의 외부 표면(100a)과 같은, 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면 상에 장착될 수 있다. 더 구체적으로, 도 3은 전기적 전도성 층(128), 전기적 절연층(126), 일렉트릿 층(122), 및 전기적 전도성 층(128)과 일렉트릿 층(122) 사이의 복수의 스페이서들(예를 들어, 스페이서들(124a, 124b))을 포함하는 햅틱 액추에이터(120)의 단면도를 예시한다. 도 3에서, 햅틱 액추에이터(120)는 일렉트릿 층(122) 바로 위에 배치되는 보호층(123)을 더 포함한다. 보호층(123)은 전기적 절연성 재료 또는 일렉트릿 층(122)을 사용자의 손가락 또는 다른 외부 오브젝트로부터 전기적으로 절연 및/또는 보호하기 위해 임의의 다른 타입의 재료로 만들어지는 층일 수 있다. 그러나, 또다른 실시예에서, 보호층(123)은 생략될 수 있고, 일렉트릿 층(122) 또는 또다른 층이 외부 오브젝트로부터의 직접 터치를 수용하기 위해 외부 환경에 노출될 수 있다. 도 3은 전도성 층(128)에 전기적으로 접속되며 오실레이팅 구동 신호 또는 임의의 다른 구동 신호를 전도성 층(128)에 인가하도록 구성되는 신호 생성 회로(125)를 더 포함한다. 신호 생성 회로(125)는 햅틱 액추에이터(120)의 일부일 수 있거나, 또는 햅틱 액추에이터(120)에 대해 외부에 있는 엘리먼트일 수 있다.
도 3의 실시예에서, 전기적 전도성 층(128)은 기계적 접지층일 수 있다. 예를 들어, 전기적 전도성 층(128)은 외부 표면(100a)에 직접 부착됨으로써 접지될 수 있다. 외부 표면(100a)은 햅틱 액추에이터(120)보다 더 무거우며, 햅틱 액추에이터(120)에 의해 상대적으로 고정적이도록 구성되는 유리층의(예를 들어, 디스플레이 스크린(102)의) 또는 플라스틱 층의(예를 들어, 하우징(101)의) 외부 표면일 수 있다. 신호 생성 회로(125)로부터의 구동 신호가 전도성 층(128)에 인가될 때, 전도성 층(128)은 고정적인 것으로 간주될 수 있는 반면, 일렉트릿 층(122)은 전도성 층(128)에 대해 이동하는 액추에이팅 층일 수 있다. 예를 들어, 오실레이팅 구동 신호가 전도성 층(128)에 인가되는 경우, 전도성 층(128) 및 일렉트릿 층(122)은 서로 끌리는 것과 서로 밀어내는 것 사이에서 교번할 수 있다. 그 결과, 일렉트릿 층(122)은 전도성 층(128) 쪽으로 이동하는 것과 전도성 층(128)으로부터 멀리 이동하는 것 사이에서 교번할 수 있다. 이 모션은 일렉트릿 층(128)을 진동시킬 수 있고, 진동은 보호층(123)에 전달되어 진동촉각 햅틱 효과를 발생시킬 수 있다.
도 4는 2개의 액추에이팅 층들을 포함할 수 있는 본원의 또다른 실시예에 따른 햅틱 액추에이터(130)를 예시한다. 더 구체적으로, 햅틱 액추에이터(130)는 기판(140) 상에 기계적으로 접지되는 일렉트릿 층(132), 제1 액추에이팅 층(138)(예를 들어, 전도성 층), 제1 액추에이팅 층(138) 상에 (직접적으로 또는 간접적으로) 배치되는 제2 액추에이팅 층(139)(예를 들어, 전기활성 폴리머 층 또는 압전층), 및 제1 액추에이팅 층(138)과 일렉트릿 층(132) 사이에 배치되는 전기적 절연층(136)과 복수의 스페이서들(예를 들어, 134a, 134b)을 포함한다. 도 4는 제1 액추에이팅 층(138)에 전기적으로 접속되는 제1 신호 생성 회로(135), 및 제2 액추에이팅 층(139)에 전기적으로 접속되는 제2 신호 생성 회로(137)를 추가로 도시한다. 신호 생성 회로들(135, 137) 각각은 오실레이팅 구동 신호 또는 임의의 다른 구동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 신호 생성 회로들(135, 137)은 햅틱 액추에이터(130)의 일부일 수 있거나, 또는 햅틱 액추에이터(130)에 대해 외부에 있는 것으로 간주될 수 있다.
제1 액추에이팅 층(138) 및 제2 액추에이팅 층(139) 모두의 존재는 또한 더 복잡한 햅틱 효과들이 생성되도록 할 수 있는데, 왜냐하면, 제1 액추에이팅 층(138) 및 제2 액추에이팅 층(139)이, 실시예에서, 상이한 각자의 진폭들, 주파수들, 및/또는 위상들을 가지는 상이한 각자의 오실레이팅 구동 신호들을 이용하여 구동될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 제1 신호 생성 회로(135)는 5 V의 진폭을 가지는 100 Hz 신호를 제1 액추에이팅 층(138)에 인가할 수 있고, 제2 신호 생성 회로(137)는 10 V의 진폭을 가지는 1 Hz 신호를 제2 액추에이팅 층(139)을 인가할 수 있다. 동일한 오실레이팅 구동 신호가 제1 액추에이팅 층(138) 및 제2 액추에이팅 층(139)에 인가되더라도, 2개 층들은 이들이 상이한 재료들로 만들어지는 경우 상이하게 이동할 수 있다. 예를 들어, 제1 액추에이팅 층(138)은 햅틱 효과를 생성하기 위해 일렉트릿 층(132)과의 정전기 상호작용에 의존하는 전기적 전도성 층일 수 있는 반면, 제2 액추에이팅 층(139)은 전기활성 폴리머 층일 수 있다. 실시예에서, 제1 액추에이팅 층(138)은 진동촉각 햅틱 효과를 생성하기 위해 사용될 수 있는 반면, 제2 액추에이팅 층(139)은 더 일반적인 변형-기반 햅틱 효과를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 층들(152, 156, 158)의 제1 세트 및 층들(162, 166, 168)의 제2 세트를 포함하는 본원의 또다른 실시예에 따른 햅틱 액추에이터(150)의 투시도 및 단면도를 예시하며, 층들(162, 166, 168)의 제2 세트는 층들(152, 156, 158)의 제1 세트 상에 적층된다. 층들(152-158)의 제1 세트 및 층들(162-168)의 제2 세트의 세트들 모두는 도 2a에서의 햅틱 액추에이터(110)의 층들과 동일한 층들(112, 116, 118)일 수 있다. 층들의 2개 이상의 적층된 세트들을 가지는 햅틱 액추에이터는 층들의 단 하나의 세트를 가지는 햅틱 액추에이터에 비해 그것의 액추에이션 출력을 (예를 들어, 변위의 레이트 또는 양에 있어서) 증가시킬 수 있다. 실시예에서, 층들의 2개 세트들의 모션은 층들의 세트들 모두에 동일한 구동 신호(예를 들어, 동일한 주파수 및 위상)를 인가함으로써 동기화될 수 있다. 더 구체적으로, 도 5a 및 도 5b에서의 층들의 제1 세트는 제1 일렉트릿 층(152), 제1 전기적 전도성 층(158), 제1 전기적 절연층(156) 및 제1 전기적 전도성 층(158)과 제1 일렉트릿 층(152) 사이의 제1 복수의 스페이서들(예를 들어, 154a, 154b, 154c)을 포함한다. 유사하게, 층들의 제2 세트는 제2 일렉트릿 층(162), 제2 전기적 전도성 층(168), 제2 전기적 절연층(166) 및 제2 전기적 전도성 층(168)과 제2 일렉트릿 층(162) 사이에 배치되는 제2 복수의 스페이서들(예를 들어, 164a, 164b, 164c)을 포함한다. 실시예에서, 햅틱 액추에이터(150)는 층들의 제1 세트 및 제2 세트만을 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 햅틱 액추에이터(150)는 층들의 추가적인 세트들(예를 들어, 층들의 제3 세트, 층들의 제4 세트 등)을 포함할 수 있고, 여기서, 층들의 세트들은 서로의 최상부 상에 순차적으로 적층된다.
도 5a 및 도 5b는 제1 전도성 층(158)과 제2 전도성 층(168) 모두에 전기적으로 접속되며 일렉트릿 층들(152, 162) 중 어느 것에도 전기적으로 접속되지 않는 신호 생성 회로(155)를 더 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 층들(162-168)의 제2 세트의 존재는 층들(152-158)의 제1 세트로부터의 액추에이션을 보충하는 액추에이션을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2a에서의 신호 생성 회로(115)가 햅틱 액추에이터(110)에 인가하는 것과 동일한 오실레이팅 구동 신호를 신호 생성 회로(155)가 햅틱 액추에이터(150)에 인가하는 경우, 햅틱 액추에이터(150)는 햅틱 액추에이터(110)에 의해 출력되는 것의 대략 두배의 진폭을 가지는 진동촉각 햅틱 효과를 출력할 수 있다.
실시예에서, 위에서 논의된 일렉트릿 층들 중 임의의 것은 영구 또는 준-영구 표면 전하를 가지며, 빌트인 전압으로부터 발생하는 내부 및/또는 외부 전계를 발생시키는 빌트인 전압을 가질 수 있다. 실시예에서, 빌트인 전압은 일렉트릿 층의 재료(예를 들어, 유전체 재료 예컨대 발포형 플라스틱(foamed plastic)(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 또는 TeflonTM), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴 불화물(PVDF) 및 이들의 유도체들), 실리콘 이산화물, ParyleneTM, 또는 이들의 임의의 조합) 내의 극성 도메인 배향으로부터 올 수 있고; 재료 내의 가외의 이온들 또는 전하로부터 올 수 있고; 그리고/또는 재료 내에 갇힌(trapped) 이온들 또는 전하로부터 올 수 있다. 가외의 전하는 코로나 방전과 같은 이온 방전 기법들을 사용함으로써 일렉트릿 층의 유전성 재료의 표면 내에 삽입될 수 있다. 코로나 방전은 양으로 또는 음으로 대전된 입자들이 표면에 쏟아지도록 타겟 표면 쪽으로 가속되고, 재료 내에 갇힐 수 있는, 입자 가속기로서 간주될 수 있다. 예를 들어, 유전성 폴리머 막은 갇힌 전하로 인해 영구히 대전되도록 코로나 방전으로 통해 처리될 수 있다. 밸런싱되지 않은 유도된 전하들의 결과로, 유전성 폴리머 막은 전계를 생성할 수 있다. 전계의 방향은 갇힌 대전된 입자들의 속성에 의존할 수 있다(예를 들어, 이들이 양으로 대전되는지 음으로 대전되는지에 의존한다). 전하 밀도, 및 그 결과, 유도된 전계의 강도를 증가시키기 위해, 유전성 폴리머 막이 폼(바람직하게는 개방된 셀) 내로 프로세싱되어, 그것이 더 많이 대전된 입자들을 가두거나 그렇지 않은 경우 흡수할 수 있게 할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 일렉트릿 재료는 또한 극성 도메인 배향을 통해 형성될 수 있다. 이 프로세스는 넌-랜덤 분자 극성 도메인들을 가지는 재료를 제공하는 방식으로 극성 재료를 프로세싱하는 것을 수반할 수 있다. 이는 순(net) 전계를 생성할 수 있는 배향된 분자 쌍극자들을 발생시킬 수 있다. 넌-랜덤 분자 극성 도메인들을 발생시키는 한 가지 방식은 재료 내의 쌍극자들이 자유롭게 회전할 수 있는 온도로 재료를 가열하는 것을 수반한다. 이후, 강한 외부 전계가 재료에 인가될 수 있고, 재료는 이후 외부 전계를 유지하는 동안 제어되는 방식으로 냉각되도록 허용될 수 있다. 그 결과, 쌍극자들은 외부 전계의 방향을 따라 결빙될 수 있고, 순 전계는 재료 내의 배향된 분자 쌍극자들로부터 초래된다.
실시예에서, 일렉트릿 층의 영구 전계가 층 내의 영구적인, 갇힌 전하의 존재로부터 오고, 일렉트릿 층이 전기적 전도성 층과의 평행한 플레이트 구성으로 배열되는 경우, 전계는 후속하는 공식에 기초하여 계산될 수 있다:
[수학식 1]
여기서, E는 전계의 강도이고, Q는 일렉트릿 층 내에 갇힌 초과 전하의 양이고, A는 일렉트릿 층의 면적이고, σ는 전하 밀도이고, εo는 유전율 상수이다. 전하 q가 구동 신호를 통해 전기적 전도성 층 내에 유도될 때, 전기적 전도성 층과 일렉트릿 층 사이의 상호작용의 힘은:
[수학식 2]
로서 계산될 수 있다. 이 계산은 일렉트릿 층과 전도성 층이 서로에 대해 가하는 힘의 양 모두를 산출할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, Q(일렉트릿 층 내의 가외의 전하의 양)의 큰 값이 q(구동 신호에 의해 유도되는 전하)의 작은 값을 보상하여 진동촉각 햅틱 효과에 대해 충분한 힘을 생성할 수 있다.
본원의 실시예들의 일렉트릿-기반 햅틱 액추에이터는, 게임, 자동차, 웨어러블, 가상 현실 또는 증강 현실, 또는 다른 사용자 인터페이스 상황과 같은 임의의 상황에서 사용될 수 있다.
다양한 실시예들이 전술되었지만, 이들이 제한에 의해서가 아니라 본 발명의 예시들 및 예들로서만 제시되었다는 것이 이해되어야 한다. 형태 및 상세항목에서의 다양한 변경들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 폭 및 범위는 전술된 예시적인 실시예들 중 임의의 것에 의해 제한되어야 하는 것이 아니라, 첨부된 청구항들 및 이들의 등가물들에 따라서만 정의되어야 한다. 본원에서 논의된 각각의 실시예의, 그리고 본원에 인용된 각각의 레퍼런스의 각각의 특징이 임의의 다른 실시예의 특징들과 함께 사용될 수 있다는 것 역시 이해될 것이다.
Claims (20)
- 햅틱 액추에이터로서,
일렉트릿 층의 두께 디멘젼을 따라 빌트인 전압을 가지는 상기 일렉트릿 층;
전기적 전도성 층;
상기 일렉트릿 층과 상기 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 전기적 절연층;
상기 일렉트릿 층과 상기 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 복수의 스페이서들; 및
상기 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되고 상기 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는 신호 생성 회로
를 포함하고, 상기 신호 생성 회로는 오실레이팅 구동 신호를 상기 전기적 전도성 층에 인가하여 진동촉각 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 신호 생성 회로는 상기 일렉트릿 층의 빌트인 전압보다 더 적은 진폭에서 상기 오실레이팅 구동 신호를 생성하도록 구성되는, 햅틱 액추에이터. - 제2항에 있어서,
진폭 - 상기 신호 생성 회로가 상기 오실레이팅 구동 신호를 이 진폭으로 생성하도록 구성됨 - 은 상기 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/10 미만인, 햅틱 액추에이터. - 제3항에 있어서,
진폭 - 상기 신호 생성 회로가 상기 오실레이팅 구동 신호를 생성하도록 구성됨 - 은 상기 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/100 미만인, 햅틱 액추에이터. - 제4항에 있어서,
상기 일렉트릿 층의 빌트인 전압은 1 kV와 10 kV 사이의 범위 내에 있고, 진폭 - 상기 신호 생성 회로가 상기 오실레이팅 구동 신호를 이 진폭으로 생성하도록 구성됨 - 은 1 V와 10 V 사이의 범위 내에 있는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 전기적 전도성 층 또는 상기 일렉트릿 층은 공진 진동 주파수를 가지고, 상기 신호 생성 회로는 상기 전기적 전도성 층의 또는 상기 일렉트릿 층의 공진 진동 주파수와 동일한 주파수에서 상기 오실레이팅 구동 신호를 인가하도록 구성되고, 상기 주파수는 100 Hz 내지 500 Hz의 범위 내에 있는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 전기적 절연층은 100 미크론과 1 mm 사이의 범위 내에 있는 두께를 가지는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 스페이서들 중의 각각의 스페이서는 0.1 mm 내지 0.5 mm의 범위 내에 있는 두께를 가지는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서
상기 일렉트릿 층 및 상기 전기적 전도성 층은 동일한 디멘젼들을 가지고, 각각은 4개 변들을 가지는 직사각형을 형성하고, 상기 일렉트릿 층 및 상기 전기적 전도성 층의 각자의 직사각형들의 변들 각각은 2 mm와 20 mm 사이의 범위 내에 있는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 전기적 전도성 층은 제1 액추에이팅 층이고, 상기 햅틱 액추에이터는 상기 전기적 전도성 층 상에 직접적으로 또는 간접적으로 배치되는 제2 액추에이팅 층을 더 포함하는, 햅틱 액추에이터. - 제10항에 있어서,
상기 제2 액추에이팅 층은 제2 신호 생성 회로에 전기적으로 접속되는 전기활성 폴리머 층인, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 스페이서들 중의 각각의 스페이서는 마이크로도트의 형태를 가지는, 햅틱 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 전기적 전도성 층 상에 배치되는 제2 일렉트릿 층;
상기 제2 일렉트릿 층 상에 배치되는 제2 복수의 스페이서들;
상기 제2 복수의 스페이서들 상에 배치되는 제2 전기적 절연층;
상기 제2 전기적 절연층 상에 배치되는 제2 전기적 전도성 층
을 더 포함하고, 상기 신호 생성 회로는 상기 제2 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되고, 상기 제2 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는, 햅틱 액추에이터. - 햅틱-인에이블 디바이스로서,
상기 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면을 형성하는 하우징;
상기 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면에 배치되는 햅틱 액추에이터 - 상기 햅틱 액추에이터는,
일렉트릿 층의 두께 디멘젼을 따라 빌트인 전압을 가지는 일렉트릿 층,
전기적 전도성 층,
상기 일렉트릿 층과 상기 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 전기적 절연층; 및
상기 일렉트릿 층과 상기 전기적 전도성 층 사이에 배치되는 복수의 스페이서들을 포함함 -; 및
상기 햅틱 액추에이터의 전기적 전도성 층에 전기적으로 접속되고, 상기 햅틱 액추에이터의 일렉트릿 층에는 전기적으로 접속되지 않는 신호 생성 회로
를 포함하고, 상기 신호 생성 회로는 오실레이팅 구동 신호를 상기 전기적 전도성 층에 인가하여 상기 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면에서 진동촉각 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는, 햅틱-인에이블 디바이스. - 제14항에 있어서,
상기 하우징 내에 하우징되는 디스플레이 스크린
을 더 포함하고, 상기 디스플레이 스크린은 상기 햅틱-인에이블 디바이스의 외부 표면을 또한 형성하고, 상기 햅틱 액추에이터는 상기 디스플레이 스크린 상에 배치되고, 상기 햅틱 액추에이터의 일렉트릿 층, 전기적 절연층 및 전기적 전도성 층은 투명한, 햅틱-인에이블 디바이스. - 제14항에 있어서,
상기 전기적 전도성 층에 통신상으로 커플링되는 프로세서
를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 전기적 전도성 층으로부터의 신호 또는 신호 변화에 기초하여 터치 입력을 검출하도록 구성되는, 햅틱-인에이블 디바이스. - 제14항에 있어서,
상기 신호 생성 회로는 진폭을 가지는 오실레이팅 구동 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 햅틱-인에이블 디바이스는: 상기 오실레이팅 구동 신호의 진폭을 상기 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/10 미만이도록 설정하도록 구성되는 프로세서를 더 포함하는, 햅틱-인에이블 디바이스. - 제17항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 오실레이팅 구동 신호의 진폭을 상기 일렉트릿 층의 빌트인 전압의 1/100 미만이도록 설정하도록 구성되는, 햅틱-인에이블 디바이스. - 제14항에 있어서,
상기 전기적 전도성 층은 제1 액추에이팅 층이고, 상기 햅틱 액추에이터는 상기 전기적 전도성 층 상에 직접적으로 또는 간접적으로 배치되는 제2 액추에이팅 층을 더 포함하고, 상기 햅틱-인에이블 디바이스는 제2 오실레이팅 구동 신호를 상기 제2 액추에이팅 층에 인가하도록 구성되는 제2 신호 생성 회로를 포함하고, 상기 신호 생성 회로 및 상기 제2 신호 생성 회로를 제어하여 상기 오실레이팅 구동 신호 및 상기 제2 오실레이팅 구동 신호가 상이한 각자의 주파수들을 가지게 하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 햅틱-인에이블 디바이스. - 제19항에 있어서,
상기 제2 액추에이팅 층은 전기활성 폴리머 층인, 햅틱-인에이블 디바이스.
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