KR20190142261A - 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리 - Google Patents

예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리 Download PDF

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KR20190142261A
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주앙 마누엘 크루즈 에르난데즈
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Abstract

햅틱 액추에이터 어셈블리는 수직축을 따라 변위를 출력하도록 구성되는 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함한다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하여 배치되며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터 상에 압축 하중을 생성하여 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창을 저지한다. 햅틱 액추에이터는 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치된다. 밀폐 공동 내의 압력은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터 상에 압축 하중을 생성하기 위하여 변화한다. 예비하중 디바이스는 대안적으로 수직축을 따라 햅틱 액추에이터 상에 압축 하중을 생성하기 위하여 힘을 가하도록 길이방향으로 수축하도록 구성되는 수축성 재료로 이루어지는 커넥터 구성요소일 수 있다.

Description

예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리{HAPTIC ACTUATOR ASSEMBLY WITH A PRE-LOAD DEVICE}
본 발명은 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것으로 게임, 소비자 가전, 자동차, 엔터테인먼트 및 다른 산업에서 응용을 갖는다.
햅틱은 힘, 진동 및 다른 움직임과 같은 햅틱 효과를 사용자에게 인가함으로써 사용자의 감각을 활용하는 촉감 및 힘 피드백 기술을 제공한다. 모바일 디바이스, 태블릿 컴퓨터 및 휴대용 게임 컨트롤러와 같은 디바이스는 햅틱 효과를 생성하도록 구성될 수 있다. 햅틱 효과는 편심 회전 질량(ERM) 액추에이터 또는 선형 공진 액추에이터(LRA)와 같은 햅틱 액추에이터를 사용하여 생성될 수 있다. 햅틱 효과는 이러한 디바이스의 표면 또는 다른 부분에서 진동을 제공하는 진동촉감 햅틱 효과(vibrotactile haptic effect)를 포함할 수 있다.
본원에 기술되는 실시예의 일 양상은 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는 평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층을 포함하고, 평행축은 층의 평탄면에 평행하며, 평행축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스를 포함하고, 수직축은 층의 평탄면에 수직이다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터의 변위를 생성한다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 커버, 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스 및 커버와 베이스 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽을 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치된다. 밀폐 공동 내의 압력은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 변한다.
본 발명의 실시예의 다른 양상은 하우징, 전원, 제어 유닛 및 하우징의 외부 표면에서 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하는 햅틱 가능 디바이스에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는 평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층을 포함하고, 평행축은 층의 평탄면에 평행하며, 압전 재료층에 부착되거나 이에 내장된 적어도 두 개의 전극을 포함하고, 평행축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스를 포함하며, 수직축은 층의 평탄면에 수직이다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 커버, 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스 및 커버와 베이스 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽을 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치되며, 밀폐 공동 내의 압력은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 변한다. 제어 유닛은 햅틱 액추에이터의 적어도 두 전극에 전력을 공급하기 위하여 전원을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 실시예의 다른 양상은 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는 평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층을 포함하고, 평행축은 층의 평탄면에 평행하며, 평행축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스를 포함하며, 수직축은 층의 평탄면에 수직이다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 커버, 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스를 포함하며, 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버에 부착되는 제1 단부 및 베이스에 부착되는 제2 단부를 갖는 커넥터 구성요소를 포함한다. 커넥터 구성요소는 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향으로 수축하도록 구성되는 수축성 재료로 형성되며, 제2 길이는 제1 길이보다 짧다. 제2 길이로 수축된 커넥터 구성요소는 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 힘을 가하도록 구성된다.
발명의 상기 및 다른 특징, 목적 및 이점은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본원에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 발명의 원리를 설명하고 통상의 기술자가 발명을 제조하고 사용할 수 있게 한다. 도면은 축적에 맞게 도시된 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리를 갖는 햅틱 가능 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리 및 햅틱 액추에이터의 블록도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 가능 디바이스 및 햅틱 가능 디바이스의 후면에 배치된 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리의 하우징의 백 패널 내에 배치된 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 디바이스, 햅틱 액추에이터 어셈블리 및 장착 구성요소를 포함하는 햅틱 가능 시스템의 블록도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 디바이스, 햅틱 액추에이터 어셈블리 및 장착 구성요소를 포함하는 햅틱 가능 시스템을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리를 위한 예시적인 햅틱 액추에이터를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리를 위한 예시적인 햅틱 액추에이터를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 분해 사시도를 도시하며, 예비하중 디바이스는 밀폐 공동 내의 압력에 의해 생성된다.
도 12는 도 11의 햅틱 액추에이터 어셈블리의 측단면도를 도시한다.
도 13은 도 11의 햅틱 액추에이터 어셈블리의 케이싱의 일 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 14는 도 11의 햅틱 액추에이터 어셈블리의 케이싱의 다른 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 측단면도를 도시하며, 예비하중 디바이스는 수축성 재료로 형성된 복수의 커넥터 구성요소를 포함한다.
도 16은 도 15의 햅틱 액추에이터 어셈블리의 일 실시예의 측단면도를 도시하며, 예비하중 디바이스의 커버와 베이스는 상이한 두께를 갖는다.
도 17은 도 15의 햅틱 액추에이터 어셈블리의 일 실시예의 측단면도를 도시하며, 커넥터 구성요소는 형상 기억 재료로 형성된다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 힘과 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 변위 사이의 예시적인 관계를 나타내는 그래프를 제공한다.
다음의 상세한 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 본 발명 또는 본 발명의 응용 및 용도를 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 앞의 기술 분야, 배경, 간단한 설명 또는 다음의 상세한 설명에 제시된 임의의 표현되거나 암시된 이론에 구속될 의도는 없다.
본 발명의 실시예의 일 양상은 햅틱 액추에이터 어셈블리에 예비하중 디바이스를 제공하는 것에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터 어셈블리는, 압전 액추에이터와 같이, 변위(예를 들어, 스트레인(strain) 또는 다른 변형) 및 힘을 출력하도록 구성되는 햅틱 액추에이터를 포함할 수 있다. 일 예에서, 변위는 제1 변위 값과 제2 변위 값 사이에서 발진함에 의하여 진동촉감 햅틱 효과를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 의해 제공되는 변위를 제한하는 예비하중을 햅틱 액추에이터 상에 생성하도록 구성될 수 있다. 제한은 여전히 햅틱 액추에이터가 변위를 출력하는 것을 허용할 수 있지만, 변위의 진폭을 예비하중 디바이스가 없는 상황에 비해 감소시킨다. 일부 예에서, 변위는 햅틱 액추에이터가 특정한 축을 따라 팽창하게 하는 스트레인의 형태일 수 있으며, 예비하중 디바이스에 의해 생성되는 예비하중은 그 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창을 저지하는 압축 하중일 수 있다. 일부 예에서, 예비하중은 사용자 상호작용 또는 햅틱 액추에이터 어셈블리 외부의 영향과는 독립적인 하중일 수 있다. 달리 말하자면, 예비하중은, 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리로 내장되거나 햅틱 액추에이터 어셈블리 내에 있는 하중일 수 있다. 예비하중은 햅틱 액추에이터로부터의 변위, 햅틱 액추에이터의 변위의 변화량 또는 그 조합을 제한할 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 또한 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 힘이 지나치게 약해지는 것을 방지하기 위하여 햅틱 액추에이터로부터의 변위를 제한하거나 또는 다른 방식으로 저지할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터는 도 18에 나타난 것과 유사한 힘-변위 프로파일을 가질 수 있는데, 햅틱 액추에이터는 더 큰 변위를 출력할수록 더 적은 힘을 출력하고, 그리고 반대의 경우도 마찬가지이다. 햅틱 액추에이터가 구동 신호 또는 다른 자극으로 구동될 때, 햅틱 액추에이터에 예비하중이 인가되지 않으면, 햅틱 액추에이터는 일부 경우에서 햅틱 액추에이터 및 구동 신호의 진폭과 연관된 정격 변위(rated displacement) drated(또한 공칭 변위로도 지칭됨)와 동일한 값의 변위를 출력할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터는 압전 액추에이터일 수 있다. 구동 신호가 압전 액추에이터에 인가될 때, 압전 액추에이터는 특정 축을 따라 정격 변위(예를 들어, 정격 스트레인)와 동일한 스트레인을 출력할 수 있다. 그러나, 햅틱 액추에이터에 의해 제공되는 변위의 양이 정격 변위와 동일할 때에는, 변위에는 힘이 거의 또는 전혀 동반되지 않는다. 예를 들어, 도 18은 햅틱 액추에이터가 (예를 들어, 발진 구동 신호에 의한 구동의 결과로) 햅틱 액추에이터의 정격 변위 근처의 값에서 발진하는 변위를 출력하는 상황을 도시한다. 햅틱 액추에이터는 예비하중 또는 외부 하중이 없기 때문에 이러한 변위를 출력할 수 있다. 발진 변위는 진동촉감 햅틱 효과로 변환될 수 있지만, 도 18에 나타난 바와 같이, 진동촉감 햅틱 효과는 단지 적은 양의 힘만을 동반한다. 결과적으로, 진동촉감 햅틱 효과는 사용자에게 매우 약하게 인지되거나, 전혀 인지되지 않을 수 있다.
도 18은 또한 예비하중의 존재 하에 햅틱 액추에이터가 변위를 생성하는 다른 상황을 도시한다. 도 18의 두 가지 상황에서 변위는 동일한 신호 진폭 또는 동일한 구동 신호에 의해 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 예비하중은 햅틱 액추에이터로부터의 변위를 그 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4) 인 값으로 제한할 수 있다. 예로서, 예비하중은 변위가 35 μm (예비하중이 없을 때)로부터 1 μm (예비하중이 있을 때)로 감소하도록 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 변위를 제한할 수 있다. 변위를 감소시킴에 의하여, 예비하중은 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으킬 수 있다. 결과적으로, 예비하중을 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되면, 진동촉감 햅틱 효과에 동반되는 힘은 예비하중을 갖지 않는 햅틱 액추에이터에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되는 상황에 비해 더 강하고 더 잘 인지될 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터를 보호하기 위하여 햅틱 액추에이터로부터의 변위를 제한하거나 또는 다른 방식으로 저지할 수 있다. 예를 들어, 압전 세라믹 재료를 포함하는 햅틱 액추에이터는 부서지기 쉬울 수 있으며 따라서 과도한 스트레인 또는 다른 변위로부터 균열 또는 기타 손상을 입을 수 있다. 이러한 예에서, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터의 변위를 제한함으로써 그 운동의 범위를 제한할 수 있고, 따라서 햅틱 액추에이터가 과도한 스트레인과 연관된 손상으로부터 보호할 수 있다. 달리 말하자면, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터로부터 과도한 변위를 저지함으로써 햅틱 액추에이터를 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터는 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치된다. 밀폐 공동 내의 압력은 하나 이상의 운동 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창을 저지하는 압축 하중을 생성하기 위하여 기압보다 낮다. 햅틱 액추에이터 상에 예비하중을 제공하기 위하여 밀폐 공동 내의 압력을 낮추는 데 진공 펌프가 사용될 수 있으며 또는 햅틱 액추에이터 상에 예비하중을 제공하기 위하여 밀폐 공동 내의 압력을 증가시키는 데 펌프가 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 예비하중 디바이스는 하나 이상의 운동 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창을 저지하는 압축 하중을 생성하기 위하여 길이방향으로 수축하도록 구성되는 수축성 재료로 형성되는 적어도 하나의 커넥터 구성요소를 포함한다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리는 햅틱 액추에이터 어셈블리가 외부 부하를 거의 또는 전혀 경험하지 않는 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리는 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같이 휴대전화의 후면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량(예를 들어, 1 g 미만)을 가지고, 햅틱 액추에이터 어셈블리에 1 N 미만의 외부 하중을 가할 수 있다. 이러한 상황에서, 예비하중 디바이스는 어셈블리의 햅틱 액추에이터의 변위를 제한하기 위하여 유리하게 예비하중을 제공할 수 있다.
도 1은 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)를 포함할 수 있는 햅틱 가능 디바이스(100)의 블록도를 도시한다. 더 구체적으로, 햅틱 가능 디바이스(100)는 하우징(110), 햅틱 액추에이터 어셈블리(120), 제어 유닛(130) 및 전원(140)을 포함한다. 일 실시예에서, 햅틱 가능 디바이스(100)는 휴대전화, 태블릿 컴퓨터, 랩톱, 휴대용 게임 컨트롤러, 웨어러블 디바이스(예를 들어, 햅틱 가능 전자 시계, 글러브, 또는 헤드 마운티드 디바이스)와 같은 사용자 인터페이스 디바이스 또는 임의의 다른 사용자 인터페이스 디바이스일 수 있다.
일 실시예에서, 전원(140)은 햅틱 효과를 생성하기 위하여 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)에 대해 전력을 공급하도록 구성되는 배터리 또는 다른 에너지 저장 디바이스를 포함할 수 있다(용어 전력 및 에너지는 본원에서 서로 교환 가능하게 사용된다). 일 실시예에서, 제어 유닛(130)은 전원(140)을 제어하여 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 햅틱 액추에이터를 구동하도록 구성될 수 있으며, 이하에서 더 자세히 기술된다. 예를 들어, 제어 유닛(130)은 전원(140)을 제어하여 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 햅틱 액추에이터로 인가될 구동 전압 신호 또는 구동 전류 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 전원(140)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 햅틱 액추에이터에 대해 50 V 내지 100 V 범위 내의 진폭을 갖는 구동 신호(예를 들어, 60 V 구동 신호)를 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 유닛(130)은 햅틱 가능 디바이스(100) 상에 햅틱 효과를 생성하는 것을 제어하는 전용 유닛이거나 햅틱 가능 디바이스(100) 상의 다른 동작을 제어하는 범용 제어 유닛일 수 있다. 일 실시예에서, 제어 유닛(130)은 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 프로세싱 코어, 프로그래머블 로직 어레이(PLA), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 애플리케이션 특정 집적회로(ASIC) 또는 임의의 다른 처리 회로를 포함할 수 있다.
도 2a는 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 일 실시예인 햅틱 액추에이터 어셈블리(120A)의 블록도를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(120A)는 햅틱 액추에이터(121) 및 예비하중 디바이스(127)를 포함한다. 예비하중 디바이스(127)는 이하에서 더 자세히 기술된다. 일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 2 N 내지 4 N 범위 내의 압축 하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(121)는 특정 축을 따른 변위 및 힘을 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(121)는 압전 액추에이터 또는 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)를 포함하는 EAP 액추에이터와 같은 전기활성 폴리머(EAP) 액추에이터일 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(121)는 하나 이상의 축을 따라 햅틱 액추에이터를 팽창 또는 수축하는 스트레인 또는 다른 변형을 나타내도록 구성될 수 있다.
도 2b는 햅틱 액추에이터(121)의 일 실시예의 블록도를 도시한다. 도 2b의 실시예에서, 햅틱 액추에이터(121)는 압전층(121a)(또한 압전 재료층 또는 압전 재료 시트로 지칭됨), 전극(121b) 및 변위 변환 디바이스(121c)를 포함한다. 압전층(121a)은 전극(121b)에 연결될 수 있으며, 전극(121b)에 구동 신호가 인가될 때 하나 이상의 축을 따라 스트레인을 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에서, 압전층(121)은 압전 재료의 부분층(sub-layer)의 스택을 포함할 수 있으며, 각 부분층은 전극(121b)의 두 전극 사이에 직접 삽입된다. 다른 경우에서, 압전층(121a)은 단지 하나의 이러한 부분층을 갖는다.
일 실시예에서, 변위 변환 디바이스(121c)는 제1 축(예를 들어, x-축)을 따른 스트레인 또는 다른 변위를 제2 축(예를 들어, z-축)을 따른 변위로 변환하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 축은 평행축일 수 있으며, 평행축은 압전층(121a)의 평탄면에 평행하다. 일 실시예에서, 제2 축은 수직축일 수 있으며, 수직축은 압전층(121a)의 평탄면에 수직이다. 일부 경우에서, 변위 변환 디바이스(121c)는 제1 축을 따른 변위(예를 들어, Δx)를 제2 축을 따른 더 큰 변위(예를 들어, Δz)로 증폭하도록 구성되는 변위 증폭 디바이스일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 햅틱 가능 디바이스(100)의 일 실시예인 햅틱 가능 디바이스(200)를 도시한다. 햅틱 가능 디바이스(200)는, 예를 들어, 휴대전화 또는 태블릿 컴퓨터일 수 있다. 햅틱 가능 디바이스(200)는 적어도 프론트 패널(212) 및 백 패널(214)에 의해 형성되는 하우징(210)을 포함할 수 있다. 프론트 패널(212)은 하우징(210)의 전면을 형성할 수 있으며, 용량성 또는 저항성 터치 센서를 갖는 액정 디스플레이(LCD) 또는 발광 다이오드 디스플레이(LED)와 같은 터치스크린 디바이스(213)를 포함할 수 있다. 백 패널(214)은 하우징(210)의 후면을 형성할 수 있다. 하우징(210)의 전면은 일반적으로 사용 중에 사용자를 마주보는 한편, 후면은 하우징(210)의 전면의 반대측에 또는 이에 대향하여 배치된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 햅틱 가능 디바이스(200)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는 백 패널(214) 내에 또는 백 패널(214)의 내부 표면 또는 외부 표면 상에 배치된다. 예를 들어, 도 4는 백 패널(214)이 공동(214a)을 갖고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)가 공동(214a) 내에 배치됨으로써 백 패널(214)에 내장되는 실시예를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는, 예를 들어, 백 패널(214)의 외부(outer or exterior) 표면(214b)에서 진동촉감 햅틱 효과를 생성하도록 구성될 수 있다. 진동촉감 햅틱 효과는 축(217)을 따라 발진하는 변위(또한 발진하는 진동 또는 발진하는 운동으로 지칭됨)를 출력하기 위하여 햅틱 액추에이터 어셈블리가 특정한 주파수에서 도 4의 축(217)을 따라 반복적으로 팽창 및 수축할 때 생성될 수 있다. 더 일반적으로 말하자면, 햅틱 액추에이터 어셈블리가 특정 주파수에서 값이 발진하는 변위와 같은 시간에 따라 변하는 양의 변위를 생성할 때 진동촉감 햅틱 효과가 생성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)가 변위를 출력할 때, 이는 백 패널(214)의 부분층(214c)을 가압하거나 잡아당길 수 있다. 부분층(214c)은 적절한 영률(Young's modulus)을 갖는 재료로 이루어질 수 있으며, 어셈블리에 의해 가압되거나 당겨지는 것과 같이 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의해 작용되는 결과로서, 탄성 굴곡 또는 다른 탄성 변형을 겪을 수 있을 정도로 충분히 얇을 수 있다. 달리 말하자면, 백 패널(214)의 부분층(214c)은 진동촉감 햅틱 효과를 생성하기 위하여, 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이, 백 패널(214)의 나머지 부분에 대해 내측 및 외측으로 구부러지는 것을 허용하는 강성을 갖도록 구성될 수 있다.
이하에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는 축(217)과 같은 축을 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의한 팽창을 제한하는 예비하중 디바이스를 포함할 수 있다. 부분층(214c), 또는 더 일반적으로 백 패널(214)은 그 자체에 의해서는 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 팽창을 제한하기 위한 충분한 강성을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 부분층(214c)에 의해, 또는 더 일반적으로 백 패널(214)에 의해 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 인가되는 임의의 압축 하중은 1 N 미만일 수 있다. 더 일반적으로 말하자면, 하우징(210)에 의해 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 인가되는 임의의 압축 하중은 1 N 미만일 수 있다. 일부 경우에서, 하우징은 햅틱 액추에이터 어셈블리(220) 상에 압축 하중을 인가하지 않을 수 있다. 이러한 상황에서, 예비하중의 부재는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 햅틱 액추에이터로부터 출력되는 변위의 양이 과도하게 되도록 허용할 수 있으며, 과도한 변위는 외부 표면(214b)에서 진동촉감 햅틱 효과의 힘을 감소시킬 수 있고 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터의 손상 위험을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 예비하중 디바이스는 이러한 응용에서 축(217)을 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 변위, 특히 축(217)을 따른 그 햅틱 액추에이터의 변위를 제한하는 데 유리할 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 햅틱 액추에이터에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터가 축(217)을 따라 5 μm 만큼 팽창하여, 햅틱 액추에이터가 5 μm의 변위를 출력하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)가 또한 5 μm 만큼 팽창하여, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)가 또한 5 μm의 변위를 출력한다. 따라서, 햅틱 액추에이터에 의한 변위량과 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의한 변위량은 동일할 수 있거나, 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 부분층(214c)에 대항하여 가해지는 힘과 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의해 출력되는 힘은 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터에 의해 생성되는 힘에서 임의의 예비하중의 힘을 뺀 것과 동일할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는 4 N의 예비하중을 생성할 수 있다. 예비하중은 햅틱 액추에이터에 대해 약 20 N의 힘을 생성하는 햅틱 액추에이터에 대항하는 압축 하중일 수 있다. 일부 경우에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 출력되는 힘은 약 16 N일 수 있다.
일 실시예에서, 도 4에 도시된 햅틱 가능 디바이스(200)는 백 패널(214)의 내부 표면(214d)에 배치된 강성 구성요소(218)를 더 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 강성 구성요소(218)는 내부 표면(214d)과 접촉할 수 있다. 강성 구성요소(218)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)로부터 내부 표면(214d)을 향해서가 아니라 백 패널(214)의 외부 표면을 향해서 변위를 전달할 수 있다. 더 구체적으로, 강성 구성요소(218)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터가 축(217)을 따라 팽창할 때, 부분층(214c)이 강성 구성요소(218)에 비해 그 팽창에 대항하여 훨씬 적은 저항을 제공하도록 축(217)을 따라 압축되지 않을 수 있다. 결과적으로, 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터 팽창의 대부분 또는 전체가 강성 구성요소(218)를 압축하는 쪽으로가 아니라 부분층(214c)을 구부리는 쪽으로 전달된다. 강성 구성요소(218)의 예는 금속 프레임, 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 강성 배터리 쉘을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 실시예의 햅틱 액추에이터 어셈블리는 도 5의 햅틱 가능 시스템(300)과 같은 햅틱 가능 시스템의 일부일 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 가능 시스템(300)은 내비게이션 명령 표시, 엔터테인먼트 옵션 제공 및 센서 데이터 표시를 포함하여 다양한 차량내 기능을 제공하는 센터 콘솔 시스템일 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 가능 시스템(300)은 터치스크린 디바이스(310), 햅틱 액추에이터 어셈블리(320), 제어 유닛(330), 전원(340) 및 장착 구성요소(350)를 포함한다. 제어 유닛(330)은 도 1의 제어 유닛(130)과 유사할 수 있으며, 전원(340)은 전원(140)과 유사할 수 있다. 터치스크린 디바이스(310)는, 예를 들어, 터치 입력을 수신하도록 구성되는 용량성 또는 저항성 LCD 또는 LED 터치스크린일 수 있다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(120 또는 220)와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(320)는 터치스크린 디바이스(310)에서 햅틱 효과를 생성하기 위하여 변위 및 힘을 출력하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(320)는 충분한 양의 힘이 변위에 동반될 수 있도록 변위를 제한하기 위하여 예비하중 디바이스를 포함할 수 있다. 터치스크린 디바이스(310)는 직접 또는 간접적으로 장착 구성요소(350)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 장착 구성요소(350)는 차량의 센터 콘솔의 몸체의 일부일 수 있다.
도 6은 햅틱 가능 시스템(300)의 일 실시예인 햅틱 가능 시스템(400)을 도시한다. 햅틱 가능 시스템(400)은 터치스크린 디바이스(410), 햅틱 액추에이터 어셈블리(420) 및 장착 구성요소(450)를 포함한다. 일 실시예에서, 터치스크린 디바이스(410)는 10 g 미만의 질량을 가질 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)는 축(417)을 따른 변위를 출력하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)는 터치스크린 디바이스(410)의 외부 표면(410b)에서 진동촉감 햅틱 효과를 생성하기 위하여 터치스크린 디바이스(410)의 표면(410a)에 대해 누르고/밀고 당길 수 있다. 표면(410b)은 운전자를 마주보는 전면 외부 표면일 수 있는 한편, 표면(410a)은 터치스크린 디바이스(410)의 반대 표면일 수 있다. 일 실시예에서, 장착 구성요소(450)는 강성 구성요소일 수 있으며, 터치스크린 디바이스(410)보다 실질적으로 큰 질량을 가질 수 있어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)에 의해 출력되는 변위의 대부분 또는 전체가 강성 구성요소(450)를 움직이도록 향하는 대신 터치스크린 디바이스(410)를 움직이도록 지향될 수 있다. 일 실시예에서, 터치스크린 디바이스(410)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)를 통해 장착 구성요소(450)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 터치스크린 디바이스(410)는 터치스크린(410)이 축(417)을 따라 움직이도록 하는 현가장치를 통해 장착 구성요소(450)에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)의 축(417)을 따른 팽창을 제한하는 예비하중 디바이스를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예에서, 터치스크린 디바이스(410)의 무게 W 는 그 자체에 의해 축(417)을 따라 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)에 충분한 압축 하중을 제공하기에 충분한 하중을 제공하지 않을 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 무게 W는 (터치스크린 디바이스(410)의 질량이 낮으므로) 그 크기가 너무 작아서 충분하지 않을 수 있으며, 및/또는 무게 W 가 축(417)에 대해 부분적 또는 전체적으로 수직으로 작용할 수 있다. 이러한 응용에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리의 팽창을 제한하기 위하여 본 발명에 따른 예비하중 디바이스가 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)에 포함될 수 있다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 일 실시예가 도 7a 및 도 7b에 도시된다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)는 햅틱 액추에이터(521) 및 예비하중 디바이스(527)를 포함한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 햅틱 액추에이터(521)는 축(517)을 따라 팽창함으로써 축(517)을 따른 변위를 출력하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터(521)에 의해 출력되는 변위는 전체로서 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)에 의해 출력되는 변위가 될 수 있다. 일 실시예에서, 축(517)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 두께 차원을 나타낼 수 있으며, 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)에 의해 출력되는 변위는, 예를 들어, 햅틱 액추에이터(521)가 활성화되지 않은 기준 상태에 대한 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 두께의 변화, 또는 Δt로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(521)는 압전 액추에이터일 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스(527)는, 도 7a 및 도 7b에서 화살표(560)로 나타난 바와 같이, 축(517)을 따른 햅틱 액추에이터(521) 및 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 팽창을 저지하는 압축 하중의 형태일 수 있는, 예비하중을 생성하도록 구성되는 적어도 제1 구성요소(527a) 및 제2 구성요소(527b)를 포함한다. 햅틱 액추에이터(521)는 제1 구성요소(527a)와 제2 구성요소(527b) 사이에 끼워지거나 또는 다른 방식으로 그 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 제1 구성요소(527a)와 제2 구성요소(527b)는 접착제 또는 일부 다른 방식의 부착을 통해 햅틱 액추에이터(521)의 대향 측면에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 구성요소(527a)와 제2 구성요소(527b)는 고정식으로 부착되지 않은 채로 햅틱 액추에이터(521)의 대향 측면에 접촉하거나 근접하여 유지될 수 있다. 일부 경우에서, 제1 구성요소(527a)와 제2 구성요소(527b)는 압축 하중을 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 햅틱 액추에이터(521)의 일 실시예인 햅틱 액추에이터(621)를 도시한다. 이 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 층(621a)의 평탄면(예를 들어, 621a-1 또는 621a-2)에 평행인 축(618) 및/또는 축(619)과 같은 축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료의 층(621a)을 포함하는 압전 액추에이터이다. 일 실시예에서, 압전 재료의 층(621a)은 9 mm 내지 25 mm 범위 내의 길이 L, 9 mm 내지 25 mm 범위 내의 폭 W 및 0.3 mm 내지 2 mm. 범위 내의 두께 T2(도 8b 참조)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 도 8a에 도시된 바와 같이, 층(621a)의 길이 L 및 폭 W은 서로 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 압전 재료의 층(621a)은 티탄산 지르콘산　납(PZT) 또는 다른 압전 세라믹 재료의 층이다. 일 실시예에서, 압전 재료의 층(621a)은 폴리머층이다. 일 실시예에서, 도 8b에 도시된 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)는 1 mm 내지 4 mm 범위 내의 전체 두께 T1를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 TDK®의 Miniaturized PowerHapTM 2.5G 유형 햅틱 액추에이터와 같은 TDK® PowerHapTM 압전 액추에이터의 버전일 수 있다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)는 축(618) 또는 축(619)과 같은 축을 따른 스트레인을 압전 재료의 층(621a)의 평탄면{예를 들어, 표면(621a-1 또는 621a-2)}에 수직인 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)를 더 포함한다. 축(618 또는 619)은 평행축으로 지칭될 수 있는 한편, 축(617)은 수직축으로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 축(617)을 따른 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 축(617)을 따른 팽창 또는 수축으로부터 일어날 수 있다.
일 실시예에서, 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는 축(618) 또는 축(619)을 따른 스트레인에 의해 야기되는 변위, 즉 제1 양의 변위를, 축(617)을 따른 더 큰 양의 변위, 즉 제2 양의 변위로 변환하도록 구성되는 변위 증폭 디바이스로서, 제2 변위는 제1 변위보다 크다(도 8c 참조). 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 특정 축을 따른 변위는, 예를 들어, 햅틱 액추에이터(621)가 활성화되지 않은 기준 상태에 대한, 그 축을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 치수의 변화(예를 들어, 길이, 폭 또는 두께의 변화)를 지칭할 수 있다.
일 실시예에서, 변위 증폭 디바이스는 제1 변위로부터 제2 변위로의 변환을 수행하도록 구성되는 레버(lever) 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 도 8a 내지 도 8c의 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는 압전 재료의 층(621a)의 대향 측면 또는 대향 표면에 배치되는 제1 디스크(621b-1) 및 제2 디스크(621b-2)를 포함하는 레버 디바이스이다. 제1 디스크(621b-1) 및 제2 디스크(621b-2)의 각 디스크는, 예를 들어, 원형 베이스 부분(예를 들어, 621f-1)으로부터 원형 중심 부분(예를 들어, 621g-1)으로 경사져 압전 재료의 층(621a)의 각 평탄면과 함께 절두 원뿔(truncated cone)을 형상하는 금속 시트(또한 금속층으로도 지칭됨)일 수 있다. 절두 원뿔은 또한 심벌 또는 절두 원뿔형 엔드캡으로 지칭될 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 절두 원뿔은 경사 길이 S를 갖는 경사진 부분을 가질 수 있으며, 경사진 부분은 압전 재료의 층(621a)의 평탄면(예를 들어, 621a-1)과 각 θ를 형성할 수 있다. 일부 경우에서, 각 θ는 45도 미만의 값(예를 들어, 15도)을 가질 수 있다. 경사 부분은 절두 원뿔의 높이 H를 생성할 수 있다. 높이 H는 제1 디스크(621b-1) 및/또는 제2 디스크(621b-2)의 높이와 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있으며, 예를 들어, 0.2 mm 내지 0.7 mm의 범위 내일 수 있다. 경사진 부분이 평탄면(621a-1) 상으로 돌출되어 있으면, 이는 베이스 폭 B를 더 가질 수 있다. 또한, 제1 디스크(621b-1) 및 제2 디스크(621b-2)의 각 디스크는 0.1 mm 내지 0.5 mm의 범위 내인 두께 T3 (도 8b 참조)를 가질 수 있다. 도 8a 에 도시된 바와 같이, 디스크(621b-1, 621-b2) 각각의 원형 베이스 부분(예를 들어, 621f-1)은 9 mm 내지 12 mm 범위 내인 직경 d1을 가질 수 있는 한편, 디스크(621b-1, 621-b2) 각각의 원형 중심 부분(예를 들어, 621g-1)은 2 mm 내지 3 mm 범위 내인 직경 d2을 가질 수 있다. 위에서 논의된 치수의 값은 예일 뿐이며, 위에서 제시된 다양한 치수가 다른 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)의 표면을 통해 다른 구성요소와(예를 들어, 예비하중 디바이스와) 인터페이스할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(621)는 디스크(621b-1)의 원형 중심 부분(예를 들어, 261g-1)의 외부 표면(621h-1) 및/또는 디스크(621b-2)의 원형 중심 부분(예를 들어, 261g-1)의 외부 표면(621h-2)을 통해 예비하중 디바이스와 인터페이스할 수 있다. 외부 표면(621h-1)과 외부 표면(621h-2)은 햅틱 액추에이터(621)의 대향 외부 표면(또한 반대 외부 표면으로 지칭됨)을 형성할 수 있으며, 햅틱 액추에이터(621)에 대해 제1 인터페이스 표면 및 제2 인터페이스 표면의 역할을 한다. 이러한 실시예에서, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터(621)의 대향하는 각 표면 상에 배치되는 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 외부 표면(621h-1, 621h-2) 상에 접착제 층이 도포되어 이들을 예비하중 디바이스의 제1 구성요소 및 제2 구성요소에 부착할 수 있다.
일 실시예에서, 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)는 전극(621c-1 및 621c-2)을 더 포함한다. 전극(621c-1 및 621c-2) 사이에 전압차가 생성될 때, 압전 재료의 층(621a)은 축(618) 및/또는 축(619)을 따라 스트레인을 출력할 수 있다. 예를 들어, 압전 재료의 층(621a)은 도 8c에서 점선으로 나타난 바와 같이 축(619)을 따라 수축된 상태 CS 로 수축할 수 있다. 일 실시예에서, 압전 재료의 층(621a)은 또한 축(617)을 따른 일부 스트레인을 경험할 수 있지만, 축(619)을 따른 스트레인에 비해서는 훨씬 적은 정도이다. 일 실시예에서, 축(619)을 따른 층(621a)의 변위 또는 변형은 5 μm 내지 50 μm의 범위 내일 수 있는 한편, 축(617)을 따른 층(621a)의 변위 또는 변형은 0.5 μm 내지 2 μm의 범위 내일 수 있다. 일 실시예에서, 층(621a)은 또한 축(618)을 따른 스트레인을 생성할 수 있다. 축(619)을 따른 스트레인과 축(618)을 따른 스트레인은 동일할 수 있거나, 상이할 수 있다. 도 8c의 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는 축(619)을 따른 스트레인을 도 8c에 점선으로 나타난 바와 같이 팽창 상태 ES 로의 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창으로 변환할 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창으로부터 올 수 있다.
도 8d는 압전 재료의 부분층(621p-1, 621p-2, 621p-3, 621p-4 ... 621p-n)의 스택을 포함하는 압전 재료의 층(621a)의 실시예를 도시한다. 또한, 전극(621c-1) 및 전극(621c-2)은 깍지 낀 모양(inter-digitated)이나 빗 모양(comb-like)의 패턴을 형성할 수 있다. 이 패턴은 두 전극 사이의 거리를 줄일 수 있어, 그 사이에 더 강한 전기장이 생성되도록 허용할 수 있다. 더 구체적으로 전극(621c-1)은 압전 재료의 층(621a)에 내장된 제1 세트의 전극층(621d-1, 621d-2 ... 621d-n)을 포함할 수 있다. 제1 세트의 전극층(621d-1 ... 621d-n)의 각 전극층은 층(621a)의 길이 또는 폭을 통해 실질적으로 연장될 수 있다. 유사하게, 전극(621c-2)은 압전 재료의 층(621a)에 또한 내장된 제2 세트의 전극층(621e-1, 621e-2 ... 621e-n)을 포함할 수 있다. 제2 세트의 전극층(621e-1 ... 621e-n)의 각 전극층은 층(621a)의 길이 또는 폭을 통해 실질적으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 부분층(621p-1 ... 621p-n)의 각 부분층은 제1 세트의 전극층(621d-1 ... 621d-n) 중 하나와 제2 세트의 전극층(621e-1 ... 621e-n) 중 하나 사이에 직접 삽입될 수 있어, 두 전극층이 부분층과 바로 인접한다. 예를 들어, 부분층(621p-1)이 전극층(621d-1)과 전극층(621e-1) 사이에 직접 삽입되고, 전극층(621d-1)과 전극층(621e-1)은 부분층(621p-1)과 바로 인접한다.
일 실시예에서, 제1 세트의 전극층(621d-1 ... 621d-n)의 임의의 전극층과 제2 세트의 전극층(621e-1 ... 621e-n)의 대응하는 또는 인접하는 전극층 사이에 전압차가 생성될 때, 전압차는 두 전극층 사이에 전기장을 생성할 수 있다. 전기장은 축(617)을 따라 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)은 복수의 부분층(621p-1 ... 621p-n)의 각 부분층의 압전 재료의 분극 방향과 평행할 수 있다. 일 실시예에서, 압전 재료의 분극 방향은 복수의 부분층(621p-1 ... 621p-n)의 각 부분층과 평행할 수 있고, 또는 더 일반적으로는 층(621a)과 평행할 수 있다. 예를 들어, 분극 방향은 층(621a)의 길이 치수 또는 폭 치수와 평행할 수 있다. 두 전극층 사이의 축(617)을 따른 전기장은 그 사이의 압전 재료의 부분층이 스트레인을 생성하도록 할 수 있다. 스트레인은 축(617-619)의 하나 이상을 따를 수 있다. 예를 들어, 도 8d는 도면에서 점선으로 나타난 바와 같이 축(619)을 따라 수축하고 축(617)을 따라 팽창하는 부분층(621p-1 ... 621-n)을 도시한다. 축(619)을 따른 스트레인의 양은 압전 재료의 d31계수의 값에 기반할 수 있는 한편, 축(617)을 따른 스트레인의 양은 압전 재료의 d33계수의 값에 기반할 수 있다. 일 실시예에서, 축(619)을 따른 스트레인의 양은 축(617)을 따른 스트레인의 양에 비해 상당히 더 클 수 있다.
상술한 바와 같이, 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는 축(619)을 따른 스트레인을 축(617)을 따른 변위 및 힘으로 변환하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는 접합부(예를 들어, 리빙 힌지)에 의해 연결된 복수의 연결부를 형성할 수 있으며 연결부의 기하학적 구조는 축(619)을 따른 스트레인이 축(617)을 따른 변위로 변환되고, 일부 경우에서 증폭되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 8b는 도 8b를 참조하여 위에서 논의된 치수 S, H 및 B를 포함하는 기하학적 구조를 도시하고 있다. 이들 치수는 직각 삼각형의 치수에 대응할 수 있다. 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이, 축(619)을 따라 스트레인이 있을 때, 압전 재료의 층(621a)은 수축된 상태 CS 로 길이 또는 폭이 감소할 수 있다. 결과적으로, 치수 B가 감소할 수 있어 이는 각 θ이 증가하게 할 수 있다. θ의 증가는 다시 치수 H를 증가시킨다. 치수 S는 θ가 변화하여도 S1과 같은 값에서 동일하게 유지된다. 이 상황에서, S (S1와 동일), B 및 H의 치수가 직각 삼각형의 치수에 대응하므로, B의 값은 S1cosθ로 계산될 수 있는 한편, H의 값은 S1sinθ로 계산될 수 있다. 도 8e는 이러한 상황에 대한 H 와 B의 그래프를 도시하며, 도 8c의 축(619)을 따른 스트레인이 B의 변화(즉, ΔB) 및 H의 변화(즉, ΔH)를 일으킨다. ΔB의 양은 축(619)을 따른 변위를 나타낼 수 있는 한편, ΔH의 양은 축(617)을 따른 변위를 나타낼 수 있다. 도 8b, 도 8c 및 도 8e에 도시된 바와 같이, 층(621a)을 수축된 상태 CS로 수축시키는 스트레인은 각 θ가 θ1로부터 θ2로 증가하게 한다. 도 8e에서, θ1 및 θ2 모두가 45도 미만이다. 이러한 실시예에서, θ의 증가는 ΔB에 대해 더 큰 ΔH를 가져올 수 있다. 달리 말하자면, 도 8e는 도 8b 및 도 8c의 것과 같은 기하학적 구조가 축(617)을 따른 변위가 축(619)을 따른 변위에 대해 증폭되는 결과를 가져올 수 있음을 보여준다.
도 9는 햅틱 액추에이터(521)의 일 실시예인 햅틱 액추에이터(721)를 도시한다. 햅틱 액추에이터(621)와 같이, 햅틱 액추에이터(721)는 압전 재료의 층(721a)을 포함한다. 햅틱 액추에이터(721)는 층(721a)의 평탄면(721a-1)에 평행한 축(719)을 따른 스트레인을 축(717)을 따른 변위로 생성하도록 구성되는 변위 변환 디바이스(721b)를 더 포함한다. 축(719)은 평행축으로 지칭될 수 있으며, 축(717)은 수직축으로 지칭될 수 있다. 도 9에 나타난 바와 같이, 변위 변환 디바이스(721b)는 축(719)을 따른 변위를 축(717)을 따른 더 큰 양의 변위로 증폭하는 레버의 작용을 하는 한 쌍의 연결부(721b-1, 721b-2)를 포함하는 프레임을 형성할 수 있다. 한 쌍의 연결부(721b-1, 721b-2)는 한 쌍의 리빙 힌지(721c-1, 721c-2)의 각각에 의해 중심부(721b-3)로 연결될 수 있다. 프레임은 또한 축(719)을 따른 변위를 축(717)을 따른 더 큰 양의 변위로 증폭하는 레버의 작용을 하는 한 쌍의 연결부(721b-5, 721b-6)를 또한 포함할 수 있다. 한 쌍의 연결부(721b-5, 721b-6)는 다른 쌍의 리빙 힌지(721c-3, 721c-4)의 각각에 의해 중심부(721b-4)로 연결될 수 있다. 중심부(721b-3 및 721b-4)는, 예를 들어, 햅틱 액추에이터(721)의 각 인터페이스 표면의 역할을 할 수 있으며, 일부 경우에서 햅틱 액추에이터(721)의 각 대향하는 외부 표면의 역할을 할 수 있다. 변위 변환 및 증폭 디바이스는 또한 미국특허 제9,866,149호 (IMM539), 발명의 명칭 "플로팅 터치스크린 햅틱 어셈블리를 가능하게 하는 방법 및 장치(Method and Apparatus for Enabling Floating Touch Screen Haptics Assemblies)"에서 논의되며, 그 전체 내용이 본원에서 참조로 포함된다.
도 10은 햅틱 액추에이터 어셈블리(120 내지 520) 중 임의의 것의 일 실시예인 햅틱 액추에이터 어셈블리(820)의 부분 분해도를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리는 햅틱 액추에이터(821) 및 예비하중 디바이스(827)를 포함한다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(821)는 햅틱 액추에이터(621)와 유사할 수 있으며, 층(821a)의 평탄면(821a-1)에 평행한 축(819)을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료의 층(821a)을 포함할 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(820)는 제1 디스크(821b-1) 및 제2 디스크(821b-2)를 포함하는 변위 변환 디바이스를 더 포함한다. 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)와 유사하게, 제1 디스크(821b-1) 및 제2 디스크(821b-2)의 각각은 압전 재료의 층(821a)의 각 표면과 함께 절두 원뿔(또한 심벌로 지칭됨)을 형성하는 금속층일 수 있다. 일 실시예에서, 예비하중 디바이스(827)는 층(821a)의 평탄면(821a-1)에 수직이거나 실질적으로 수직인 축(817)을 따른 햅틱 액추에이터(821)의 팽창을 저지하고, 따라서 축(817)을 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리(820)의 팽창을 저지하는 압축 하중의 형태로 예비하중을 생성하도록 구성되는 제1 구성요소(827a) 및 제2 구성요소(827b)를 포함한다{축(819)은 평행축으로 지칭될 수 있으며, 축(817)은 수직축으로 지칭될 수 있다}.
일 실시예에서, 제1 구성요소(827a) 및 제2 구성요소(827b)는 압축 하중을 생성하기 위하여 제1 구성요소(827a)와 제2 구성요소(827b) 사이에 배치된 하나 이상의 커넥터 구성요소를 통해 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 구성요소(827a) 및 제2 구성요소(827b)는 햅틱 액추에이터(821) 상의 압축 하중의 형태로 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있으며, 이는 2 N 내지 4 N의 범위 내이다. 2 N 내지 4 N의 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(821)가 인가된 전위에 응답하여 신뢰성 있고 예측 가능하게 변형되는 것을 가능하게 한다. 햅틱 액추에이터(821)는 충분한 예비하중이 없으면 전위의 인가에 의해 파손될 수 있는 한편, 반대로 과도한 예비하중이 있으면 햅틱 액추에이터가 신뢰성 있고 예측 가능하게 변형되지 않을 수 있다.
도 11 및 도 12는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 일 실시예를 도시하며, 예비하중, 또는 더 구체적으로 압축 하중이 어셈블리의 밀폐 공동(1163) 내의 소정 압력에 의해 생성된다. 더 구체적으로는, 도 11 및 도 12는 예비하중 디바이스(1127)와 함께 상술한 햅틱 액추에이터(621)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 분해 사시도 및 측단면도를 각각 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 햅틱 액추에이터(621)를 갖는 것으로 도시되고 설명되지만, 본원에서 기술한 임의의 햅틱 액추에이터가 예비하중 디바이스(1127)와 함께 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스(1127)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되며, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 더 일반적으로는 변형을 저지한다.
예비하중 디바이스(1127)는 밀폐 공동(1163)을 정의하는 케이싱(1162)을 포함한다. 햅틱 액추에이터(621)는 케이싱(1162)에 의해 형성되는 밀폐 공동(1163) 내에 배치되며, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하기 위하여 밀폐 공동(1163) 내의 압력은 기압보다 낮다. 더 구체적으로, 밀폐 공동(1163) 내의 압력은 1.4 PSIA와 10 PSIA 사이이다. 밀폐 공동(1163)은 기밀(air-tight), 에어락(air-locked) 또는 다른 방식으로 밀봉된다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 조립 중에, 밀폐 공동(1163) 내의 압력을 기압보다 낮은 압력으로 낮추기 위하여 진공 펌프가 사용될 수 있다. 밀폐 공동(1163) 내의 압력이1.4 PSIA와 10 PSIA 사이가 될 때까지 진공 펌프를 통해, 임의의 잔여 증기, 기체 또는 다른 혼합된 구성요소가 밀폐 공동(1163)으로부터 제거된다. 진공 펌프는 선택적으로 케이싱(1162)에 연결될 수 있고 밀폐 공동 내의 압력이 원하는 소정 압력에 도달한 후에 막을 수 있는 벤트(미도시)를 통해 밀폐 공동(1163)과 유체 연통될 수 있다. 밀폐 공동(1163) 내의 기압보다 낮은 소정 압력은 밀폐 공동(1163) 외부의 기압과 밀폐 공동(1163) 내의 기압보다 낮은 소정 압력 사이의 압력차를 생성 또는 발생시킨다. 이 압력차는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성 또는 발생시키도록 구성되며, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창을 저지한다. 일 실시예에서, (밀폐 공동(1163) 외부의 기압과 밀폐 공동(1163) 내의 기압보다 낮은 소정 압력 사이의) 압력차는 2 N 내지 4 N 범위 내의 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 2 N 내지 4 N 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 신뢰성 있고 예측 가능하게 변형되는 것을 가능하게 한다.
햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 변형될 때, (밀폐 공동(1163) 외부의 기압과 밀폐 공동(1163) 내의 기압보다 낮은 소정 압력 사이의) 압력차는 햅틱 액추에이터(621)의 변위를 그 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4)인 값으로 제한하는 압축력을 햅틱 액추에이터(621)에 가한다. 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위 출력을 줄임으로써, 압력차는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으킨다. 결과적으로, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성될 때, 진동촉감 햅틱 효과에 동반되는 힘이 예비하중이 없는 햅틱 액추에이터에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되는 응용에 비해 더 강하고 더 인지하기 쉽게 될 수 있다.
일 실시예에서, 케이싱(1162)은 커버(1164), 커버(1164)와 마주보는 베이스(1166) 및 케이싱(1162)을 둘러싸기 위해서 커버(1164)와 베이스(1166)에서 연장되는 복수의 측벽(1168A, 1168B)을 포함한다. 도 11 및 도 12의 실시예에서, 케이싱(1162)은 두 세트의 측벽, 커버(1164)로부터 베이스(1166)를 향해 연장되는 제1 세트의 측벽(1168A) 및 베이스(1166)로부터 커버(1164)를 향해 연장되는 제2 세트의 측벽(1168B)을 포함한다. 일 실시예에서, 커버(1164)는 베이스(1166)로부터 이격되지만 일반적으로 이에 평행하게 연장된다. 일 실시예에서, 케이싱(1162)은 50 GPa보다 큰 모듈러스를 갖는 복합재 또는 박형 금속 재료와 같이 경량이지만 강한 재료로 형성될 수 있다. 케이싱(1162)은 진공 펌프가 적용될 때 붕괴하지 않도록 충분히 강성이지만, 햅틱 액추에이터(621)의 변위를 허용할 수 있도록 충분히 유연성이다. 커버(1164) 및 베이스(1166)는 동일한 크기 및 형상(예를 들어, 직사각형 또는 원형)일 수 있거나, 상이한 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 일부 예에서, 커버(1164) 및 베이스(1166)는 각각 직사각형이고, 각각 9 mm 내지 25 mm 범위 내의 길이 및 폭을 가질 수 있다. 커버(1164) 및 베이스(1166)가 도 11 및 도 12의 실시예에 나타난 바와 같이 각각 직사각형일 때, 케이싱(1162)은 직사각형 커버 및 베이스 각각의 4측면에 대응하는 총 8개의 측벽(1168A, 1168B)을 포함한다. 그러나, 커버(1164) 및 베이스(1166)의 형상에 따라 케이싱(1162)을 둘러싸기 위하여 다른 수의 측벽이 필요할 수도 있다. 예를 들어, 커버(1164) 및 베이스(1166)가 원형 또는 타원형일 때, 케이싱(1162)을 둘러싸기 위해 단일 측벽이 사용될 수도 있다. 또한, 다른 예로서, 도 11 및 도 12의 실시예에 나타난 케이싱(1162)이 도시된 8개의 측벽 대신에 케이싱(1162)을 둘러싸기 위하여 각 측벽이 커버(1164)와 베이스(1166) 사이의 전체 길이로 연장되는 총 4개의 측벽(1168A, 1168B)을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 케이싱(1162)은 2 mm 내지 10 mm 범위 내의 전체 두께를 갖는 낮은 프로파일을 가질 수 있어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 또한 낮은 프로파일을 갖는다. 케이싱(1162)은 밀폐 공동 또는 그 챔버로의 접근을 제공하기 위하여 그 하나 이상의 구조적 요소가 나머지 구조적 요소에 해제 가능하게 부착되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에서, 케이싱(1162)은 해제 가능하게 연결된 두 구성요소로 구성될 수 있는데, 제1 구성요소가 커버(1164) 및 이로부터 연장되는 측벽(1168A)을 포함하고 제2 구성요소가 베이스(1166) 및 이로부터 연장되는 측벽(1168B)을 포함한다. 다른 예에서, 하나 이상의 측벽(1168A, 1168B)이 케이싱(1162)의 나머지 구조적 요소에 해제 가능하게 연결될 수 있다.
케이싱(1162)은 압전 재료의 층(621a) 및 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)를 포함하여 햅틱 액추에이터(621)를 수용 또는 포함한다. 햅틱 액추에이터(621)는 커버(1164)와 베이스(1166) 사이에서 케이싱(1162) 내에 배치되며, 커버(1164) 및 베이스(1166)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)의 대향 단부의 각각에 배치된다. 도 11 및 도 12의 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 햅틱 액추에이터(621)의 제1 외부 표면이 커버(1164)의 내부 표면에 접촉하고 햅틱 액추에이터(621)의 제2 외부 표면이 베이스(1166)의 내부 표면에 접촉하도록 밀폐 공동(1163) 내에 배치된다. 일 실시예에서, 베이스(1166) 및/또는 커버(1164)는 접착제 또는 일부 다른 부착 방식을 통해 햅틱 액추에이터(621)에 부착될 수 있다.
햅틱 액추에이터(621)를 수용하고 내부에 기압보다 낮은 소정 압력을 갖는 밀폐 공동(1163)을 정의하는 것에 추가하여, 케이싱(1162)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)를 이에 의해 생성된 예비하중이, 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 내장되거나 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120) 내부의 부하인 자급식(self-contained) 디바이스로 제공하는 기능을 한다. 이에 따라, 예비하중 디바이스(1127)에 의해 생성되는 예비하중이 사용자 상호작용이나 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120) 외부의 영향으로부터 독립적인 부하일 수 있다. 예를 들어, 예비하중 디바이스(1127)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 외부 부하를 거의 또는 전혀 경험하지 않는 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 도 3b를 참조하여 기술한 바와 같이 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같이 휴대전화의 후면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량을 가질 수 있으며, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 1 N 미만의 외부 부하를 가할 수 있다.
도 12는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 전력을 제공할 수 있는 전원(1140)을 더 도시한다. 전원(1140)은 상술한 전원(140)의 일 실시예이다. 전원(1140)은 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1/621c-2)에 전압 신호와 같은 구동 신호 또는 구동 신호를 제공하기 위하여 제어 유닛(1130)에 의해 제어될 수 있다. 제어 유닛(1130)은 상술한 제어 유닛(130)의 일 실시예이다. 일 실시예에서, 제어 유닛(1130)은 전원(1140)을 제어하여 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)로 정현파 구동 신호를 제공할 수 있으며, 이는 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따른 진동과 같은 발진 변위를 출력하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 정현파 구동 신호는 예를 들어, 60 V 내지 120 V 범위 내의 피크 대 피크 진폭 및 50 Hz 내지 200 Hz 범위 내의 주파수를 가질 수 있다. 예비하중 디바이스(1127)는 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 더 일반적으로는 변위를 저지하기 위하여 예를 들어, 2 N 내지 4 N 범위 내의 압축 하중을 생성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력되는 변위를 줄임으로써, 예비하중 디바이스(1127)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으킬 수 있으며 따라서 더 인지하기 쉬운 햅틱 효과를 일으키거나 생성할 수 있다. 전압 신호 또는 구동 신호는 인가되는 전압 또는 전류를 변화시켜 조정할 수 있으며, 이에 따라 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 의해 인가되는 힘을 조절한다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 상대적으로 높은 주파수에서 동작하는 고조파 발진기의 기능을 할 수 있다. 작동 중에, 전원(1140)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)로 정현파 구동 신호를 제공하면, 햅틱 액추에이터(621)는 발진 구동 신호에 의해 지시되는 바에 따라 진동한다. 더 구체적으로, 햅틱 액추에이터(621)의 작동에 대해 상술한 바와 같이, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 커버(1164) 및 베이스(1166) 양자의 운동 또는 진동을 일으킬 수 있다. 다른 실시예에서, 커버(1164) 또는 베이스(1166) 중 하나가 이하에서 더 자세히 기술되는 바와 같이 기계적 접지의 작용을 하도록 구성되어 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위가 기계적 접지로 구성되지 않은 다른 대향 구성요소만의 운동 또는 진동을 일으키도록 될 수 있다. 이에 따라 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 진동하고 하우징 또는 햅틱 가능 디바이스가 부착된 다른 부분에 햅틱 감각을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 커버(1164) 또는 베이스(1166) 중 하나가 다른 구조가 진동/변위하는 동안 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스(1166)가 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있고 따라서 햅틱 액추에이터(621)에 의해 생성되는 힘은 커버(1164)로 전달된다. 베이스(1166)는 기계적 접지의 작용을 하도록 구성되기 위하여 적합한 영률 및/또는 두께를 갖는 상대적으로 더 단단한 재료로 이루어질 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 팽창할 때, 팽창에 대항하여 커버(1164)가 베이스(1166)에 비해 훨씬 더 적은 저항을 제공하고, 결과적으로, 햅틱 액추에이터(621) 팽창의 대부분 또는 전부가 베이스(1166)를 향하는 대신 커버(1164)의 진동 또는 변위를 향해 전달된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 커버(1164)는 제1 두께를 갖고 베이스(1166)는 제2 두께를 가지며 제1 두께가 제2 두께보다 얇아 베이스(1166)가 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 커버(1164) 및 베이스(1166)가 동일한 두께를 가질 수 있지만 베이스(1166)가 상대적으로 더 단단한 재료로 형성되어 베이스(1166)가 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 구성요소는 더 효과적인 햅틱 감각을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(621)가 (햅틱 액추에이터(621)와 예비하중 디바이스(1127)를 포함하는) 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 고유 진동수에서 발진하면, 더 큰 힘과 더 효과적인 햅틱 감각이 출력될 수 있다. 더 구체적으로, 전원(1140)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)로 구동 신호를 제공하고 구동 신호가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호일 때, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 공진하여 더 효과적인 햅틱 감각을 제공한다. 달리 말하자면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 진폭 변조 기술에 의해 넓은 스펙트럼의 주파수를 제공하기 위해 특정 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 따라서 구동 신호가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가질 때 상술한 바와 같이 기계적 공진을 실현하도록 구성될 수 있다.
케이싱(1162)은 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1/621c-2) 사이의 전기적 통신을 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 13은 케이싱(1162)의 일 실시예인 케이싱(1362)을 도시한다. 케이싱(1362)은 밀폐 공동(1363)을 정의한다. 케이싱(1362)은 베이스(1366)를 포함하며, 이는 이를 관통하여 형성되는 한 쌍의 채널 또는 보어(bore)(1367A, 1367B)를 갖는다. 밸브(1369A, 1369B)가 채널(1367A, 1367B) 내에 각각 배치되며, 각 밸브(1369A, 1369B)는 전원(1140)을 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1/621c-2)에 전기적으로 연결하는 전기 리드의 통과를 허용하도록 동작하는 한편 각 채널(1367A, 1367B)을 통한 밀봉을 여전히 유지하여 밀폐 공동(1163)이 기밀, 에어락 또는 다른 방식으로 대기에 대해 밀봉을 유지하도록 한다. 다른 실시예에서, 그 안에 밸브를 갖는 한 쌍의 채널 또는 보어가 대안적으로 커버(1364) 또는 하나 이상의 측벽(1368A, 1368B)을 통해 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 케이싱은 그 안에 내장된 한 쌍의 전력 피드스루(feedthrough)를 포함할 수 있으며, 이는 전원(1140)을 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1/621c-2)에 전기적으로 접속하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 14는 케이싱(1162)의 일 실시예인 케이싱(1462)을 도시한다. 케이싱(1462)은 밀폐 공동(1463)을 정의한다. 케이싱(1462)은 베이스(1462)를 포함하며, 이는 그를 통해 형성되는 한 쌍의 전력 피드스루(1465A, 1465B)를 갖는다. 각 전력 피드스루(1465A, 1465B)는, 예를 들어, 베이스(1366) 내에 내장된 핀을 포함할 수 있으며 내장된 핀의 각 단부에 전극을 가져 핀의 일 단부에서 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1/621c-2)과의 전기적 접속이 형성되고 핀의 다른 단부에서 전원(1140)과의 전기적 접속이 형성될 수 있다. 한 쌍의 전력 피드스루(1465A, 1465B)는 밀폐 공동(1463)이 기밀, 에어락 또는 다른 방식으로 대기에 대해 밀봉을 유지하도록 케이싱(1462)을 구성한다. 다른 실시예에서, 한 쌍의 전력 피드스루(1465A, 1465B)가 대안적으로 커버(1464) 또는 하나 이상의 측벽(1468A, 1468B)을 통해 형성될 수 있다.
도 11 및 도 12의 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 밀폐 공동(1163) 내에서 기압보다 낮은 압력으로 압력을 낮추기 위해 진공 펌프를 사용하는 것으로 상술되었지만, 다른 실시예에서 밀폐 공동(1163) 내의 압력은 예비하중, 또는 더 구체적으로 압축 하중을 생성하거나 발생시키기 위하여 증가되거나 높여질 수 있다. 펌프가 선택적으로 케이싱(1162)에 연결되고 밀폐 공동 내의 압력이 기압을 넘는 원하는 압력에 도달하면 막힐 수 있는 벤트(미도시)를 통해 밀폐 공동(1163)과 유체 연통될 수 있다. 밀폐 공동(1163)의 이러한 가압은 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 압축 하중을 생성 또는 발생시킬 수 있는 힘을 가하고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창을 저지한다. 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 변형될 때, 밀폐 공동 또는 챔버(1163) 내의 소정 증가된 압력이 햅틱 액추에이터(621)의 변위를 그 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4) 값으로 제한하는 압축력을 햅틱 액추에이터(621)에 가한다. 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위 출력을 줄임으로써, 밀폐 공동(1163) 내의 소정 증가된 압력은 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으킨다.
도 15는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)의 일 실시예를 도시하며, 예비하중, 또는 더 구체적으로 압축 하중이 수축성 재료로 형성된 복수의 커넥터 구성요소(1570)에 의해 생성된다. 더 구체적으로, 도 15는 상술한 햅틱 액추에이터(621)와 예비하중 디바이스(1527)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)의 측단면도를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)가 햅틱 액추에이터(621)를 갖는 것으로 도시되고 설명되지만, 본원에서 기술된 임의의 햅틱 액추에이터가 또한 예비하중 디바이스(1527)와 함께 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스(1527)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 압축 하중을 생성하도록 구성되며, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 더 일반적으로는 변형을 저지한다.
예비하중 디바이스(1527)는 커버(1572), 커버(2572)로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스(1574) 및 수축성 재료로 형성되는 적어도 하나의 커넥터 구성요소(1570)를 포함한다. 도 15의 실시예에 나타난 바와 같이, 커넥터 구성요소(1570)는 복수의 이격된 커넥터 구성요소(1570)를 포함할 수 있다. 도 15의 실시예에서, 복수의 4개의 이격된 커넥터 구성요소(1570)가 정렬된 커버와 베이스 사이에 배치된다. 일부 구현에서는, 원하는 압축력을 가하기 위하여 더 많거나 적은 수의 커넥터 구성요소가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520) 내에서 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 커넥터 구성요소의 배치는 변할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 복수의 커넥터 구성요소는 정렬된 커버와 베이스의 코너에 배치될 수 있거나, 복수의 커넥터 구성요소가 정렬된 커버와 베이스의 주변을 둘러싸고 배치될 수 있다. 각 커넥터 구성요소(1570)는 커버(1572)에 부착되는 제1 단부(1571A)와 베이스(1574)에 부착되는 제2 단부(1571B)를 포함한다. 각 커넥터 구성요소(1570)는 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향으로 수축하도록 구성되는 수축성 재료의 섬유(strand) 또는 필라멘트로 형성되며, 제2 길이는 제1 길이보다 짧다. 제2 길이로 수축할 때, 커넥터 구성요소(1570)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 압축 하중을 생성 또는 발생시키기 위하여 집합적으로 힘을 가하도록 구성되며, 압축 하중은 햅틱 액추에이터(621)의 축(617)을 따른 팽창을 저지한다.
더 구체적으로, 예비하중을 생성하기 위하여, 커넥터 구성요소(1570)는 베이스(1574) 및 커버(1572)를 햅틱 액추에이터(621)에 대해 밀어 그에 대한 압축력을 제공한다. 일 실시예에서, 커넥터 구성요소(1570)는 집합적으로 2 N 내지 4 N의 범위 내의 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 2 N 내지 4 N의 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 신뢰성 있고 예측 가능하게 변형되는 것을 가능하게 한다. 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 변형될 때, 커넥터 구성요소(1570)는 집합적으로 햅틱 액추에이터(621) 상에 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위를 그 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4) 값으로 제한하는 압축력을 가한다. 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력되는 변위를 감소시킴으로써, 커넥터 구성요소(1570)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으킨다. 결과적으로, 진동촉감 햅틱 효과가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)에 의해 생성될 때, 진동촉감 햅틱 효과에 동반하는 힘이 진동촉감 햅틱 효과가 예비하중을 갖지 않는 햅틱 액추에이터에 의해 생성되는 상황에 비해 더 크고 더 인지하기 쉽게 될 수 있다.
일 실시예에서, 커넥터 구성요소(1570)의 수축성 재료는 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향 수축을 겪도록 구성되는 플라스틱 필름 또는 금속 필름이다. 예를 들어, 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향 수축을 겪게 하기 위하여, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 플라스틱 필름을 그 전이 온도 이상으로 가열할 수 있다. 그 전이 온도 이상으로 유지되는 동안, 재료에 기계적 변형이 가해져 제1 길이에서 제2 길이로 길이방향으로 수축한 다음, 전이 온도보다 훨씬 낮은 온도로 재료를 냉각시킬 수 있다. 이러한 재료가 냉각 후 연속적으로 재가열되면, 재료는 다시 그 원래 형상(예를 들어, 제1 길이)으로 되돌아간다. 이러한 공정은 결정질 금속뿐 아니라 대부분의 반결정 및 비정질 폴리머에도 적용될 수 있다.
수축성 재료는 커버(1572) 및 베이스(1574)를 서로를 향해 끌거나 밀고 이에 따라 원하는 압축력을 햅틱 액추에이터(621)에 인가하기에 충분할 만큼 강성이지만 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위를 허용하기에 충분할 만큼 유연성이다. 일 실시예에서, 커넥터 구성요소(1570)를 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향으로 수축시키기 위하여 커넥터 구성요소(1570)를 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520) 내로 조립한 후에 상술한 바와 같은 가열 공정이 이에 적용되며, 제2 길이는 제1 길이보다 짧다. 도 17을 참조하여 이하에서 더 자세히 설명되는 다른 실시예에서, 커넥터 구성요소(1570)를 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향으로 수축시키기 위하여 커넥터 구성요소(1570)를 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520) 내로 조립한 후에 전하가 이에 인가되며, 제2 길이는 제1 길이보다 짧다. 커넥터 구성요소를 제1 또는 더 긴 길이로부터 제2 또는 더 짧은 길이로 변환하는 방법은 커넥터 구성요소(1570)의 수축성 재료로 사용되는 특정한 재료에 의존한다.
햅틱 액추에이터(621)는 커버(1572)와 베이스(1574) 사이에 배치되며, 커버(1572)와 베이스(1574)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)의 대향 단부에 각각 배치된다. 도 15의 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 햅틱 액추에이터(621)의 제1 외부 표면이 커버(1572)의 내부 표면에 접촉하고 햅틱 액추에이터(621)의 제2 외부 표면이 베이스(1574)의 내부 표면에 접촉하도록 배치된다. 일 실시예에서, 커버(1572) 및/또는 베이스(1574)는 접착제 또는 일부 다른 부착 방식을 통해 햅틱 액추에이터(621)에 부착된다.
커버(1572) 및 베이스(1574)의 각각은 커넥터 구성요소(1570) 에 의해 햅틱 액추에이터(621) 위로 가해지는 힘을 균일하게 분배하도록 구성되는 박형 평면 구성요소이다. 예를 들어, 커버(1572) 및 베이스(1574)는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 또는 다른 폴리머 재료와 같이 경량이지만 강한 재료로 형성될 수 있다. 커버(1572) 및 베이스(5746)는 동일한 크기 및 형상(예를 들어, 직사각형 또는 원형)일 수 있거나, 상이한 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 일부 예에서, 커버(1572) 및 베이스(1574)는 각각 직사각형이고, 각각 9 mm 내지 25 mm 범위 내의 길이 및 폭을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)는 2 mm 내지 10 mm 범위 내의 전체 두께를 갖는 낮은 프로파일을 가질 수 있으며, 두께는 햅틱 액추에이터(621)의 두께 및 커버(1572) 및 베이스(5746)의 각 두께를 포함한다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)는 이에 의해 생성된 예비하중이, 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(152)에 내장되거나 햅틱 액추에이터 어셈블리(150) 내부의 부하인 자급식(self-contained) 디바이스이다. 이에 따라, 예비하중 디바이스(1527)에 의해 생성되는 예비하중이 사용자 상호작용이나 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520) 외부의 영향으로부터 독립적인 부하일 수 있다. 예를 들어, 예비하중 디바이스(1527)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)가 외부 부하를 거의 또는 전혀 경험하지 않는 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)가 도 3b를 참조하여 상술한 바와 같이 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같이 휴대전화의 후면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량을 가질 수 있으며, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)에 1 N 미만의 외부 부하를 가할 수 있다.
도 15는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)에 전력을 제공할 수 있는 전원(1540)을 더 도시한다. 전원(1540)은 상술한 전원(140)의 일 실시예이다. 전원(1540)은 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1/621c-2)에 전압 신호와 같은 구동 신호 또는 구동 신호를 제공하기 위하여 제어 유닛(1530)에 의해 제어될 수 있다. 제어 유닛(1530)은 상술한 제어 유닛(130)의 일 실시예이다. 일 실시예에서, 제어 유닛(1530)은 전원(1540)을 제어하여 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)로 정현파 구동 신호를 제공할 수 있으며, 이는 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따른 진동과 같은 발진 변위를 출력하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 정현파 구동 신호는 예를 들어, 60 V 내지 120 V 범위 내의 피크 대 피크 진폭 및 50 Hz 내지 200 Hz 범위 내의 주파수를 가질 수 있다. 예비하중 디바이스(1527)는 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 더 일반적으로는 변위를 저지하기 위하여 예를 들어, 2 N 내지 4 N 범위 내의 압축 하중을 생성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력되는 변위를 줄임으로써, 예비하중 디바이스(1527)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으킬 수 있으며 따라서 더 인지하기 쉬운 햅틱 효과를 일으키거나 생성할 수 있다. 전압 신호 또는 구동 신호는 인가되는 전압 또는 전류를 변화시켜 조정할 수 있으며, 이에 따라 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)에 의해 인가되는 힘을 조절한다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)가 상대적으로 높은 주파수에서 동작하는 고조파 발진기의 기능을 할 수 있다. 작동 중에, 전원(1540)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)로 정현파 구동 신호를 제공하면, 햅틱 액추에이터(621)는 발진 구동 신호에 의해 지시되는 바에 따라 진동한다. 더 구체적으로, 햅틱 액추에이터(621)의 작동에 대해 상술한 바와 같이, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 커버(1572) 및 베이스(1574) 양자의 운동 또는 진동을 일으킬 수 있다. 다른 실시예에서, 커버(1572) 또는 베이스(1574) 중 하나가 이하에서 더 자세히 기술되는 바와 같이 기계적 접지의 작용을 하도록 구성되어 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위가 기계적 접지로 구성되지 않은 다른 대향 구성요소만의 운동 또는 진동을 일으키도록 될 수 있다. 이에 따라 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)가 진동하고 하우징 또는 햅틱 가능 디바이스가 부착된 다른 부분에 햅틱 감각을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 커버(1572) 또는 베이스(1574) 중 하나가 다른 구조가 진동/변위하는 동안 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스(1574)가 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있고 따라서 햅틱 액추에이터(621)에 의해 생성되는 힘은 커버(1572)로 전달된다. 베이스(1574)는 기계적 접지의 작용을 하도록 구성되기 위하여 적합한 영률 및/또는 두께를 갖는 상대적으로 더 단단한 재료로 이루어질 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 팽창할 때, 팽창에 대항하여 커버(1572)가 베이스(1572)에 비해 훨씬 더 적은 저항을 제공하고, 결과적으로, 햅틱 액추에이터(621) 팽창의 대부분 또는 전부가 베이스(1574)를 향하는 대신 커버(1572)의 진동 또는 변위를 향해 전달된다. 예를 들어, 도 16에 도시된 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 일 실시예에서, 예비하중 디바이스(1627)가 커넥터 구성요소(1570)를 갖고 커버(1672)는 제1 두께를 갖고 베이스(1674)는 제2 두께를 가지며 제1 두께가 제2 두께보다 얇다. 따라서, 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 변위를 출력할 때, 베이스(1674)가 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 커버(1572) 및 베이스(1574)가 동일한 두께를 가질 수 있지만 베이스(1574)가 상대적으로 더 단단한 재료로 형성되어 베이스(1574)가 기계적 접지의 작용을 하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)의 구성요소는 더 효과적인 햅틱 감각을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(621)가 (햅틱 액추에이터(621)와 예비하중 디바이스(1527)를 포함하는) 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)의 고유 진동수에서 발진하면, 더 큰 힘과 더 효과적인 햅틱 감각이 출력될 수 있다. 더 구체적으로, 전원(1540)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)로 구동 신호를 제공하고 구동 신호가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호일 때, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)는 공진하여 더 효과적인 햅틱 감각을 제공한다. 달리 말하자면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)는 진폭 변조 기술에 의해 넓은 스펙트럼의 주파수를 제공하기 위해 특정 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)는 따라서 구동 신호가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가질 때 상술한 바와 같이 기계적 공진을 실현하도록 구성될 수 있다.
도 17은 예비하중 디바이스(1727)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)의 일 실시예를 도시하며, 예비하중, 또는 더 구체적으로 압축 하중이 형상 기억 재료(shape memory material)인 수축성 재료로 형성된 복수의 커넥터 구성요소(1770)에 의해 생성된다. 커넥터 구성요소(1770)는 커넥터 구성요소(1570)의 실시예이다. 형상 기억 재료로 형성될 때, 커넥터 구성요소(1770)는 길이방향으로 수축하고 선택적으로 그 초기/원래 또는 더 긴 길이를 되찾을 수 있기 때문에, 커버(1772)와 베이스(1774) 사이에 부착된 커넥터 구성요소(1770)는 가역 예비하중을 가할 수 있다. 커넥터 구성요소(1770)가 길이방향으로 수축할 때, 이들은 커버(1772) 및 베이스(1774)를 서로를 향해 밀어 햅틱 액추에이터(621)에 압축력을 제공한다. 반대로, 커넥터 구성요소(1770)가 그 초기/원래 또는 더 긴 길이를 되찾을 때, 햅틱 액추에이터(621) 상의 압축 하중이 해제되거나 제거된다. 햅틱 액추에이터(621) 상의 압축 하중이 원할 때 햅틱 액추에이터(621) 상에 선택적으로 인가될 수 있기 때문에, 따라서, 커넥터 구성요소(1770)에 의해 가해지는 예비하중은 가역으로 간주될 수 있다.
더 구체적으로, 커넥터 요소(1770)는 각각이 제어 유닛(1730)으로부터의 명령 신호에 응답하여 변형될 수 있는 스마트 재료 세그먼트이며, 커넥터 요소(1770)가 변형될 때 이들이 커버(1772) 및 베이스(1774)를 서로를 향해 밀어 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축력을 제공한다. 스마트 재료는 전하 또는 전기장을 받을 때 크기, 형상 또는 강성의 변화를 나타내는 특성을 갖는다. 달리 말하자면, 스마트 재료는 전하가 가해질 때 기계적 변형을 나타내도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 커넥터 요소(1770)의 스마트 재료는 전기활성 폴리머(EAP), 형상 기억 폴리머(SMP), 형상 기억 합금(SMA) 또는 형상 기억 폴리머(SMP)와 형상 기억 합금(SMA)의 조합으로 형성될 수 있다. 커넥터 요소(1770)에 전하가 인가될 때, 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하기 위하여 커넥터 요소(1770)는 변형되고 제2 또는 더 짧은 길이로 길이방향으로 수축한다.
커넥터 요소(1770)에 전하를 인가하기 위하여, 제어 유닛(1730)은 커넥터 요소(1770)가 변형되고 햅틱 액추에이터(621) 상으로 원하는 압축력을 가하도록 하는 전기 신호를 커넥터 요소(1770)로 제공하는 제어 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 더 구체적으로, 커넥터 요소(1770)는 커넥터 요소(1770)에 전하를 공급하는 전원(1740)에 전기적으로 접속된다. 제어 유닛(1730)은 전원(1740)을 제어하고 따라서 인가되는 전하의 양 및 주파수를 결정한다. 따라서, 전원(1740)은 제어 유닛(1730)으로부터 명령 신호를 수신하도록 구성되고 명령 신호에 따라 커넥터 요소(1770)로 전하를 인가하도록 구성된다. 커넥터 요소(1770)는 전원(1740)으로부터 인가되는 전하에 응답하여 변형 또는 수축한다. 다음 전하는 햅틱 액추에이터(621) 상의 압축 하중을 선택적으로 해제 또는 제거하기 위하여 원하는 때 끊어지거나 중단될 수 있다. 커넥터 요소(1770)는 따라서 (압축 하중을 발생 또는 생성하지 않는) 더 긴 또는 제1 길이와 (압축 하중을 발생 또는 생성하는) 제2 또는 더 짧은 길이 사이에서 교번할 수 있다.
일 실시예에서, 에너지를 절약하기 위하여, 햅틱 액추에이터(621)가 작동 또는 변형되지 않을 때 햅틱 액추에이터(621) 상의 압축 하중을 해제 또는 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 다음 햅틱 액추에이터(621)가 활성화될 때 예비하중 디바이스(1727)가 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일으키고 이에 따라 더 인지하기 쉬운 햅틱 효과를 일으키거나 생성하도록 구성되어 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중이 인가될 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)의 작동이 중단된 후에 소정 시간, 예를 들어, 10초 동안 햅틱 액추에이터(621) 상의 압축 하중을 해제 또는 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)의 작동 종료 후 소정 시간 동안 햅틱 액추에이터(621) 상의 압축 하중을 제거하는 것은 시스템이 인지된 햅틱 효과를 감쇠 또는 감소시키는 것을 보조할 수 있다.
도 17의 실시예가 커넥터 요소(1770)를 제어하기 위하여 제어 유닛(1730) 및 전원(1740)을 사용하는 것뿐 아니라 햅틱 액추에이터(621)를 제어하기 위하여 제어 유닛(1730) 및 전원(1740)을 사용하는 것을 기술하고 있지만, 별개의 제어 유닛 및/또는 전원을 사용할 수 있음을 이해할 것이다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1120)의 전체 두께는 2 mm 내지 10 mm의 범위 내일 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 50 V 내지 100 V의 전압차가 햅틱 액추에이터(621)의 두 전극에 인가될 때, 그리고 압축 하중 또는 다른 예비하중이 예비하중 디바이스(1727, 1627, 1527, 1127)에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 인가될 때, 햅틱 액추에이터(621)는 5 μm 내지 15 μm 범위 내의 변위(햅틱 액추에이터(621)에 전압차가 인가되지 않는 기준 상태에 대해)를 출력하고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1120)는 축(617)을 따라 2 N 내지 10 N 범위 내의 힘을 출력하도록 구성된다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)에 인가되는 전압차가, 예를 들어, 50 V 와 100 V사이이고, 압축 하중이 예비하중 디바이스(1727, 1627, 1527, 1127)에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 인가될 때, 햅틱 액추에이터는 햅틱 액추에이터(621)에 대해 정의된 공칭 변위의 25% 내지 50% 범위 내의 변위(기준 상태에 대해)를 출력하며, 공칭 변위는 전압차에 특정한 것일 수 있다. 또한 이 예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1120)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 대해 정의된 차단력의 50% 내지 75% 범위 내의 힘을 출력하도록 구성될 수 있으며, 차단력은 전압차에 특정한 것일 수 있다.
일 실시예에서, 제어 유닛(130, 1130, 1530, 1730)은 각 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1120)의 공진 주파수에서인 햅틱 액추에이터(621)에 대한 구동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 구동 신호는 예비하중이 존재하더라도 햅틱 액추에이터를 손상시킬 수 있는 과도한 힘 또는 변위를 생성하는 것을 추가로 방지하기 위하여 정의된 임계치 미만인 진폭(예를 들어, 피크 대 피크 진폭)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제어 유닛(130, 1130, 1530, 1730)은 적어도 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1120)의 공진 주파수인 제1 주파수 및 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1120)의 공진 주파수가 아닌 제2 주파수를 포함하는 주파수 내용을 갖는 구동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 달리 말하자면, 구동 신호는 제1 주파수를 갖는 제1 구성요소 및 제2 주파수를 갖는 제2 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 제1 구성요소 및 제2 구성요소는 단지 구동 신호의 주파수만일 수 있다. 제어 유닛(130, 1130, 1530, 1730)은 구동 신호의 제1 구성요소가 정의된 임계치 미만인 제1 진폭을 갖도록 할 수 있으며(제1 구성요소가 공진 주파수를 갖기 때문에), 제2 구성요소가 제1 진폭보다 높고 정의된 임계치를 초과하는 제2 진폭을 갖도록 할 수 있다.
다양한 실시예의 추가적인 논의가 아래에 제시된다:
실시예 1은 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는 평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층을 포함하고, 평행축은 층의 평탄면에 평행하며, 평행축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스를 포함하고, 수직축은 층의 평탄면에 수직이다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다.
예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 커버, 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스 및 커버와 베이스 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽을 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치된다. 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 밀폐 공동 내의 압력이 변한다.
실시예 2는 실시예 1의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 압력은 기압보다 낮고 밀폐 공동 내의 압력과 밀폐 공동 외부의 기압 사이의 압력차가 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 가한다.
실시예 3은 실시예 2의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 밀폐 공동 내의 압력은 1.4 PSIA와 10 PSIA 사이이다.
실시예 4 는 실시예 1의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 압력은 기압을 초과하도록 상승되고 압력이 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 가한다.
실시예 5 는 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터의 변위 변환 디바이스는 평행축을 따른 압전 재료층에 의한 스트레인으로 인한 변위 출력을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 더 큰 변위로 변환하도록 구성되는 변위 증폭 디바이스이며, 햅틱 액추에이터의 변위 증폭 디바이스는 압전 재료층의 대향하는 각 평탄면 상에 배치되는 제1 디스크 및 제2 디스크를 포함하고, 제1 디스크 및 제2 디스크 각각은 압전 재료층의 각 평탄면과 절두 원뿔을 형성한다.
실시예 6 은 실시예 2 내지 실시예 5 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터는 햅틱 액추에이터의 제1 외부 표면이 커버의 내부 표면과 접촉하고 햅틱 액추에이터의 제2 외부 표면이 베이스의 내부 표면과 접촉하도록 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치된다.
실시예 7 은 실시예 2 내지 실시예 6 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 커버는 햅틱 액추에이터가 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되도록 구성되고 베이스는 햅틱 액추에이터가 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되지 않도록 구성된다.
실시예 8 은 실시예 2 내지 실시예 7 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 밀폐 공동은 기밀(air-tight)이다.
실시예 9는 하우징, 전원 및 하우징의 외부 표면에 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하는 햅틱 가능 디바이스이다. 햅틱 액추에이터는 평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층을 포함하고, 평행축은 층의 평탄면에 평행하며, 압전 재료층에 부착되거나 이에 내장된 적어도 두 개의 전극을 포함하고, 평행축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스를 포함하며, 수직축은 층의 평탄면에 수직이다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다.
예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 커버, 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스 및 커버와 베이스 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽을 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치되며, 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 밀폐 공동 내의 압력이 변한다.
햅틱 가능 디바이스는 햅틱 액추에이터의 적어도 두 개의 전극으로 전력을 공급하도록 전원을 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함한다.
실시예 10은 실시예 9의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 햅틱 가능 디바이스의 하우징에 의해 햅틱 액추에이터 어셈블리로 인가되는 임의의 압축 하중이 1 N 미만이다.
실시예 11은 실시예 9 내지 실시예 10 중 어느 하나의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 하우징의 제1측면을 형성하는 터치스크린 디바이스를 더 포함하고, 하우징은 하우징의 제2 및 대향하는 측면을 형성하는 백 패널을 포함하며, 햅틱 액추에이터 어셈블리는 하우징의 제2 측면에 배치되어, 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 생성되는 힘이 하우징의 제2 측면에 대해 가해진다.
실시예 12 는 실시예 9 내지 실시예 11 중 어느 하나의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 제어 유닛은 햅틱 액추에이터로 구동 신호를 제공하기 위하여 전원을 제어하도록 구성된다.
실시예 13은 실시예 9 내지 실시예 12 중 어느 하나의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 구동 신호는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호이다.
실시예 14는 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는 평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층을 포함하며, 평행축은 층의 평탄면에 평행하고, 평행축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스를 포함하며, 수직축은 층의 평탄면에 수직이다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직축을 따라 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다.
예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하며 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 커버, 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스-햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치됨-, 및 커버에 부착된 제1 단부 및 베이스에 부착된 제2 단부를 가지는 커넥터 구성요소를 포함한다. 커넥터 구성요소는 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향으로 수축하도록 구성되는 수축성 재료로 형성되고, 제2 길이는 제1 길이보다 짧다. 제2 길이로 수축된 커넥터 구성요소가 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 힘을 가하도록 구성된다.
실시예 15 는 실시예 14의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 커넥터 구성요소는 복수의 이격된 커넥터 구성요소를 포함한다.
실시예 16 은 실시예 14 내지 실시예 15 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 수축성 재료는 형상 기억 재료이다.
실시예 17 은 실시예 14 내지 실시예 16 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 커버는 햅틱 액추에이터가 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되도록 구성되고 베이스는 햅틱 액추에이터가 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되지 않도록 구성된다.
실시예 18 은 실시예 14 내지 실시예 17 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 커버 및 베이스의 각각은 커넥터 구성요소에 의해 햅틱 액추에이터로 가해지는 힘을 균일하게 분배하도록 구성되는 박형 평면 구성요소이다.
실시예 19 는 실시예 14 내지 실시예 18 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 예비하중 디바이스의 제1 구성요소 및 제2 구성요소에 의해 생성되는 수직축을 따른 압축 하중은 2 N 내지 4 N의 범위 내이다.
실시예 20 은 실시예 14 내지 실시예 19 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터의 변위 변환 디바이스는 평행축을 따른 압전 재료층에 의한 스트레인으로 인한 변위 출력을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 더 큰 변위로 변환하도록 구성되는 변위 증폭 디바이스이며, 햅틱 액추에이터의 변위 증폭 디바이스는 압전 재료층의 대향하는 각 평탄면 상에 배치되는 제1 디스크 및 제2 디스크를 포함하고, 제1 디스크 및 제2 디스크 각각은 압전 재료층의 각 평탄면과 절두 원뿔을 형성한다.
다양한 실시예가 상술되었지만, 이들은 본 발명의 예시 및 예로서 제시되었을 뿐 제한이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항에서의 다양한 변화가 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 폭 및 범위는 상술한 예시적인 실시예 중 어느 것에 의해서도 제한되어서는 안되며, 첨부된 청구 범위 및 그 균등물에 따라서만 정의되어야 한다. 본원에서 논의된 각 실시예의 각 특징 및 본원에서 인용된 각 참조의 각 특징은 임의의 다른 실시예의 특징과 조합하여 사용될 수 있음이 또한 이해될 것이다. 본원에서 논의된 모든 특허 및 간행물은 전체로서 본원에 참조로 포함된다.

Claims (20)

  1. 햅틱 액추에이터와 예비하중 디바이스(pre-load device)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리로서,
    상기 햅틱 액추에이터는,
    평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층-상기 평행축은 상기 층의 평탄면에 평행함 -, 및
    상기 평행축을 따른 상기 압전 재료층의 상기 스트레인을 수직축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스-상기 수직축은 상기 층의 상기 평탄면에 수직임-을 포함하며,
    상기 햅틱 액추에이터의 상기 팽창 또는 수축은 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는 상기 햅틱 액추에이터에 인접하며 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는 커버, 상기 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스 및 상기 커버와 상기 베이스 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽을 갖는 케이싱을 포함하고,
    상기 햅틱 액추에이터는 상기 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치되며,
    상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위하여 상기 밀폐 공동 내의 압력이 변하는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력은 기압보다 낮고 상기 밀폐 공동 내의 상기 압력과 상기 밀폐 공동 외부의 기압 사이의 압력차가 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 가하는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 밀폐 공동 내의 상기 압력은 1.4 PSIA와 10 PSIA 사이인 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압력은 기압을 초과하도록 상승되고 상기 압력이 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 가하는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 변위 변환 디바이스는 상기 평행축을 따른 상기 압전 재료층에 의한 스트레인으로 인한 변위 출력을 상기 수직축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 더 큰 변위로 변환하도록 구성되는 변위 증폭 디바이스이며, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 변위 증폭 디바이스는 상기 압전 재료층의 대향하는 각 평탄면 상에 배치되는 제1 디스크 및 제2 디스크를 포함하고, 상기 제1 디스크 및 제2 디스크 각각은 상기 압전 재료층의 각 평탄면과 절두 원뿔(truncated cone)을 형성하는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터는 상기 햅틱 액추에이터의 제1 외부 표면이 상기 커버의 내부 표면과 접촉하고 상기 햅틱 액추에이터의 제2 외부 표면이 상기 베이스의 내부 표면과 접촉하도록 상기 케이싱에 의해 형성되는 상기 밀폐 공동 내에 배치되는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 커버는 상기 햅틱 액추에이터가 상기 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되도록 구성되고 상기 베이스는 상기 햅틱 액추에이터가 상기 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되지 않도록 구성되는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 밀폐 공동은 기밀(air-tight)인 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  9. 하우징; 전원; 햅틱 액추에이터 어셈블리; 및 제어 유닛을 포함하는 햅틱 가능 디바이스로서,
    상기 하우징의 외부 표면에 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 햅틱 액추에이터와 예비하중 디바이스(pre-load device)를 포함하고,
    상기 햅틱 액추에이터는,
    평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층-상기 평행축은 상기 층의 평탄면에 평행함 -,
    상기 압전 재료층에 부착되거나 이에 내장된 적어도 두 개의 전극, 및
    상기 평행축을 따른 상기 압전 재료층의 상기 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스-상기 수직축은 상기 층의 상기 평탄면에 수직임-를 포함하며, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 팽창 또는 수축은 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는, 상기 햅틱 액추에이터에 인접하며 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는 커버, 상기 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스 및 상기 커버와 상기 베이스 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽을 갖는 케이싱을 포함하고,
    상기 햅틱 액추에이터는 상기 케이싱에 의해 형성되는 밀폐 공동 내에 배치되며, 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위하여 상기 밀폐 공동 내의 압력이 변하며,
    상기 제어 유닛은 상기 햅틱 액추에이터의 상기 적어도 두 개의 전극으로 전력을 공급하도록 상기 전원을 제어하도록 구성되는, 햅틱 가능 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 햅틱 가능 디바이스의 상기 하우징에 의해 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리로 인가되는 임의의 압축 하중이 1 N 미만인 햅틱 가능 디바이스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하우징의 제1측면을 형성하는 터치스크린 디바이스를 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 하우징의 제2 및 대향하는 측면을 형성하는 백 패널을 포함하며, 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 상기 하우징의 상기 제2 측면에 배치되어, 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 생성되는 힘이 상기 하우징의 상기 제2 측면에 대해 가해지는 햅틱 가능 디바이스.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제어 유닛은 상기 햅틱 액추에이터로 구동 신호를 제공하기 위하여 상기 전원을 제어하도록 구성되는 햅틱 가능 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 구동 신호는 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호인 햅틱 가능 디바이스.
  14. 햅틱 액추에이터와 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리로서,
    상기 햅틱 액추에이터는,
    평행축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성되는 압전 재료층-상기 평행축은 상기 층의 평탄면에 평행함 -, 및
    상기 평행축을 따른 상기 압전 재료층의 상기 스트레인을 수직축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성되는 변위 변환 디바이스-상기 수직축은 상기 층의 상기 평탄면에 수직임-을 포함하며,
    상기 햅틱 액추에이터의 상기 팽창 또는 수축은 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는, 상기 햅틱 액추에이터에 인접하며 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는
    커버,
    상기 커버로부터 이격되며 이에 평행하게 연장되는 베이스-상기 햅틱 액추에이터는 상기 커버와 상기 베이스 사이에 배치됨 -, 및
    상기 커버에 부착된 제1 단부 및 상기 베이스에 부착된 제2 단부를 가지는 커넥터 구성요소-상기 커넥터 구성요소는 제1 길이로부터 제2 길이로 길이방향으로 수축하도록 구성되는 수축성 재료로 형성되고, 상기 제2 길이는 제1 길이보다 짧음-를 포함하며,
    상기 제2 길이로 수축된 상기 커넥터 구성요소가 상기 수직축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위하여 힘을 가하도록 구성되는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 상기 커넥터 구성요소는 복수의 이격된 커넥터 구성요소를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  16. 제15항에 있어서, 상기 수축성 재료는 형상 기억 재료(shape memory material)인 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  17. 제15항에 있어서, 상기 커버는 상기 햅틱 액추에이터가 상기 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되도록 구성되고 상기 베이스는 상기 햅틱 액추에이터가 상기 수직축을 따른 변위를 출력할 때 변형되지 않도록 구성되는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  18. 제15항에 있어서, 상기 커버 및 상기 베이스의 각각은 상기 커넥터 구성요소에 의해 상기 햅틱 액추에이터로 가해지는 힘을 균일하게 분배하도록 구성되는 박형 평면 구성요소인 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  19. 제15항에 있어서, 상기 예비하중 디바이스의 제1 구성요소 및 제2 구성요소에 의해 생성되는 상기 수직축을 따른 상기 압축 하중은 2 N 내지 4 N의 범위 내인 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  20. 제15항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 변위 변환 디바이스는 상기 평행축을 따른 상기 압전 재료층에 의한 스트레인으로 인한 변위 출력을 상기 수직축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 더 큰 변위로 변환하도록 구성되는 변위 증폭 디바이스이며, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 변위 증폭 디바이스는 상기 압전 재료층의 대향하는 각 평탄면 상에 배치되는 제1 디스크 및 제2 디스크를 포함하고, 상기 제1 디스크 및 제2 디스크 각각은 상기 압전 재료층의 각 평탄면과 절두 원뿔을 형성하는 햅틱 액추에이터 어셈블리.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016116763A1 (de) * 2016-09-07 2018-03-08 Epcos Ag Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung
WO2022006844A1 (zh) * 2020-07-10 2022-01-13 欧菲光集团股份有限公司 触觉反馈单元、触觉反馈装置和电子设备
US11989347B2 (en) * 2020-11-18 2024-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Haptic glove apparatus and virtual reality apparatus including the same

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1440429B1 (en) 2001-10-23 2012-12-12 Immersion Corporation Method of using tactile feedback to deliver silent status information to a user of a handheld weapon
CN101681212A (zh) * 2007-06-14 2010-03-24 诺基亚公司 屏幕组件
US20150205355A1 (en) * 2008-01-04 2015-07-23 Tactus Technology, Inc. Dynamic tactile interface
US8427441B2 (en) 2008-12-23 2013-04-23 Research In Motion Limited Portable electronic device and method of control
EP2202619A1 (en) * 2008-12-23 2010-06-30 Research In Motion Limited Portable electronic device including tactile touch-sensitive input device and method of controlling same
TW201205910A (en) * 2010-02-03 2012-02-01 Bayer Materialscience Ag An electroactive polymer actuator haptic grip assembly
US10429929B2 (en) * 2010-09-24 2019-10-01 Blackberry Limited Piezoelectric actuator apparatus and methods
US9007320B2 (en) * 2010-10-27 2015-04-14 Kyocera Corporation Electronic equipment and mobile terminal provided with same
US9448626B2 (en) * 2011-02-11 2016-09-20 Immersion Corporation Sound to haptic effect conversion system using amplitude value
FR3000301B1 (fr) 2012-12-20 2015-02-06 Dav Actionneur piezo-electrique et procede de fabrication associe
CN109582150A (zh) * 2013-04-26 2019-04-05 意美森公司 利用触觉单元阵列模拟有形用户界面交互和手势
US9836123B2 (en) * 2014-02-13 2017-12-05 Mide Technology Corporation Bussed haptic actuator system and method
US9866149B2 (en) 2014-07-28 2018-01-09 Immersion Corporation Method and apparatus for enabling floating touch screen haptics assemblies
US9967640B2 (en) * 2015-08-20 2018-05-08 Bodyrocks Audio Incorporation Devices, systems, and methods for vibrationally sensing audio
US9849379B2 (en) * 2015-11-25 2017-12-26 Immersion Corporation Haptic peripheral having a deformable substrate configured for amplified deformation
US10161391B2 (en) * 2016-03-31 2018-12-25 Synaptics Incorporated Shape memory haptic actuator device
DE102016116763A1 (de) 2016-09-07 2018-03-08 Epcos Ag Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung
DE102016122610B4 (de) * 2016-11-23 2019-04-18 Tdk Electronics Ag Vorrichtung, die einen haptischen Feedback vermittelt und Bauelement mit der Vorrichtung
US10698486B2 (en) * 2017-07-28 2020-06-30 Synaptics Incorporated Haptic tactile feedback with buckling mechanism
US10345910B1 (en) * 2018-06-15 2019-07-09 Immersion Corporation Haptic actuator assembly with a spring pre-load device

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Publication number Publication date
US10585483B2 (en) 2020-03-10
US20190384395A1 (en) 2019-12-19
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