KR20190142262A - 스프링 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리 - Google Patents

스프링 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리 Download PDF

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KR20190142262A
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haptic
along
actuator assembly
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바히드 코쉬카바
주앙 마누엘 크루즈 에르난데즈
카니야랄 샤애
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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

햅틱 액추에이터 어셈블리는 수직 축을 따른 변위를 출력하도록 구성된 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함한다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하여 배치되고, 수직축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하여 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창에 대항하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 케이싱 및 적어도 제1 스프링 구성요소를 포함한다. 케이싱은 커버 및 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 포함한다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 제1 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성된다.

Description

스프링 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리{HAPTIC ACTUATOR ASSEMBLY WITH A SPRING PRE-LOAD DEVICE}
본 발명은 게임, 가전 제품, 자동차, 엔터테인먼트, 및 다른 산업 분야에 적용하는 기계적 예비하중 디바이스(mechanical pre-load device)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다.
햅틱은 힘, 진동, 및 다른 모션과 같은 햅틱 효과를 사용자에게 인가함으로써 사용자의 터치 감지의 이점을 취하는 역각 피드백 (tactile and force feedback) 기술을 제공한다. 모바일 디바이스, 태블릿 컴퓨터, 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 액추에이터로 생성될 수 있다. 햅틱 효과는 이러한 디바이스의 표면 또는 다른 부분에서 진동을 제공하는 진동촉감 햅틱 효과를 포함할 수 있다.
본원에서 설명되는 실시예의 일 양태는 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는, 평행 축을 따른 스트레인(strain)을 생성하도록 구성된 압전 재료층-평행 축은 층의 평면 표면(planar surface)에 평행함-을 포함하고, 평행 축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스-수직 축은 층의 평면 표면에 수직임-를 포함한다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하고, 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는, 커버 및 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버 및 베이스는 그의 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는, 제1 스프링 구성요소의 제1 단부가 커버의 내부 표면에 결합되고 제1 구성요소의 제2 대향 단부가 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 케이싱 내에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성된다.
본원에서의 실시예의 다른 양태는 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는, 평행 축을 따른 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 평행 축은 층의 평면 표면에 평행함 -을 포함하고, 평행 축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 수직 축은 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함한다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하고, 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는, 커버, 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱, 제1 스프링 구성요소, 및 제2 스프링 구성요소를 포함한다. 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 커버의 각각의 대향 단부에 배치되고, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소 각각은 커버와 베이스 사이에서 연장된다. 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성된다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버 및 베이스는 그의 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치된다.
본원에서의 실시예의 다른 양태는 하우징, 전원, 컨트롤 디바이스, 및 하우징의 외부 표면에서 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하는 햅틱 가능 디바이스에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터는, 평행 축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 평행 축은 층의 평면 표면에 평행함 -을 포함하고, 압전 재료층에 부착되거나 내장되는 적어도 2개의 전극을 포함하며, 평행 축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 수직 축은 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함한다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하고, 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는, 커버 및 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버 및 베이스는 그의 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는, 제1 스프링 구성요소의 제1 단부가 커버의 내부 표면에 결합되고 제1 구성요소의 제2 대향 단부가 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 케이싱 내에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성된다. 컨트롤 유닛은 전원을 제어하여 햅틱 액추에이터의 적어도 2개의 전극에 전력을 제공하도록 구성된다.
본 발명의 전술한 및 다른 특징, 목적 및 이점은 첨부 도면에 도시된 바와 같이 그의 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 명세서에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 또한 본 발명의 원리를 설명하고 통상의 기술자가 본 발명을 구성하고 사용할 수 있게 하는 역할도 한다. 도면은 축척대로 도시되어 있지 않다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 어셈블리를 갖는 햅틱 가능 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 어셈블리 및 햅틱 액추에이터의 블록도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 가능 디바이스 및 햅틱 가능 디바이스의 배면 상에 배치된 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 어셈블리의 하우징의 백 패널(back panel) 내에 배치된 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 터치스크린 디바이스, 햅틱 액추에이터 어셈블리, 및 장착 구성요소를 포함하는 햅틱 가능 시스템의 블록도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 터치스크린 디바이스, 햅틱 액추에이터 어셈블리, 및 장착 구성요소를 포함하는 햅틱 가능 시스템을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 어셈블리를 위한 예시적인 햅틱 액추에이터를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 어셈블리를 위한 예시적인 햅틱 액추에이터를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 사시도를 도시하고, 여기서 예비하중 디바이스는 케이싱 및 제1 스프링 구성요소를 포함한다.
도 12는 도 11의 햅틱 액추에이터 어셈블리의 측단면도를 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 측단면도를 도시하고, 여기서 예비하중 디바이스는 케이싱, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소를 포함한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 사시도를 도시하고, 여기서 예비하중 디바이스는 케이싱, 및 스프링 플런저를 포함하는 제1 스프링 구성요소를 포함한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 사시도를 도시하고, 여기서 예비하중 디바이스는 케이싱, 및 나사 및 가요성 필름 구성요소를 포함하는 제1 스프링 구성요소를 포함한다.
도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소를 포함하는 커버의 측단면도를 도시하고, 여기서 커버는 예비하중 디바이스의 케이싱의 일부분을 형성한다.
도 16b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 측단면도를 도시하고, 여기서 예비하중 디바이스는 도 16a의 커버 및 베이스를 포함하는 케이싱을 포함한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 측단면도를 도시하고, 여기서 예비하중 디바이스는 케이싱, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소를 포함한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 힘과 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 변위 간의 예시적인 관계를 도시하는 그래프를 제공한다.
이하의 상세한 설명은 사실상 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명 또는 본 발명의 적용 또는 사용을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 선행하는 기술 분야, 배경, 요약 또는 이하의 상세한 설명에 제시된 임의의 표현 또는 암시된 이론에 의해 구속되는 것을 의도하지 않는다.
본원에서의 실시예의 일 양태는 햅틱 액추에이터 어셈블리를 위한 예비하중 디바이스를 제공하는 것에 관한 것이다. 햅틱 액추에이터 어셈블리는, 변위{예를 들어, 스트레인 또는 다른 변형(deformation)} 및 힘을 출력하도록 구성되는 압전 액추에이터와 같은 햅틱 액추에이터를 포함할 수 있다. 일례에서, 변위는 제1 변위 값과 제2 변위 값 사이에서 발진(oscillating)함으로써 진동촉감 햅틱 효과를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 의해 제공된 변위를 제한하는 예비하중을 햅틱 액추에이터 상에 생성하도록 구성될 수 있다. 제한은 여전히 햅틱 액추에이터가 변위를 출력하는 것을 가능하게 할 수 있지만, 예비하중 디바이스가 없는 상황에 비해 변위의 진폭을 감소시킨다. 일부 경우에, 변위는 햅틱 액추에이터가 특정 축을 따라 팽창하게 하는 스트레인의 형태를 취할 수 있고, 예비하중 디바이스에 의해 생성된 예비하중은 해당 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창에 대항하는 압축 하중일 수 있다. 일부 경우에, 예비하중은 햅틱 액추에이터 어셈블리 외부에 있는 사용자 상호작용 또는 영향과 무관한 하중일 수 있다. 다시 말해, 예비하중은, 예를 들어 햅틱 액추에이터 어셈블리에 내장되거나 또는 햅틱 액추에이터 어셈블리 내부에 있는 하중일 수 있다. 예비하중은 햅틱 액추에이터로부터의 변위, 햅틱 액추에이터의 변위의 변화량, 또는 이들의 조합을 제한할 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 의해 또한 출력되는 힘이 너무 약해지는 것을 방지하기 위해 햅틱 액추에이터로부터의 변위를 제한하거나 그렇지 않으면 그에 대항할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터는 도 18의 것과 같은 힘-변위 프로파일을 가질 수 있고, 여기서 햅틱 액추에이터는 더 많은 변위를 출력할 때 적은 힘을 출력하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 햅틱 액추에이터가 구동 신호 또는 다른 자극으로 구동될 때에 햅틱 액추에이터에 예비하중이 인가되지 않는 경우, 햅틱 액추에이터는 일부 경우에 햅틱 액추에이터 및 구동 신호의 진폭과 관련되는 정격 변위(rated displacement) drated(공칭 변위라고도 칭함)와 동일한 변위를 출력할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터는 압전 액추에이터일 수 있다. 구동 신호가 압전 액추에이터에 인가될 때, 압전 액추에이터는 정격 변위(예를 들어, 정격 스트레인(rated strain))와 동일한 수직 축을 따른 스트레인을 출력할 수 있다. 그러나, 햅틱 액추에이터에 의해 제공된 변위량이 정격 변위와 동일할 때, 변위는 힘을 거의 내지 전혀 수반하지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 18은 햅틱 액추에이터가 (예를 들어, 발진 구동 신호에 의해 구동되는 결과로서) 햅틱 액추에이터의 정격 변위 근처의 값으로 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, 진동촉감 햅틱 효과는 도 18에 도시된 바와 같이 소량의 힘만을 수반할 수 있다. 그 결과, 진동촉감 햅틱 효과는 사용자에 의해 매우 약한 것으로 인지될 수 있거나, 또는 전혀 인지되지 않을 수 있다.
도 18은 또한 햅틱 액추에이터가 예비하중의 존재시 변위를 생성하는 다른 상황을 도시한다. 도 18의 양쪽 상황에서의 변위는 동일한 신호 진폭 또는 동일한 구동 신호에 의해 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 예비하중은 햅틱 액추에이터로부터의 변위를 그의 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4)인 값으로 제한할 수 있다. 일례로서, 예비하중은 변위가 35㎛(예비하중이 없을 때)로부터 1㎛(예비하중이 존재할 때)로 감소되도록 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 변위를 제한할 수 있다. 변위를 감소시킴으로써, 예비하중은 햅틱 액추에이터에 의해 출력되는 힘의 증가를 유발할 수 있다. 그 결과, 진동촉감 햅틱 효과가 예비하중을 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 생성되는 경우, 진동촉감 햅틱 효과를 수반하는 힘은 예비하중이 없는 햅틱 액추에이터에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되는 상황에 비해 더 강하고 더 많이 인지 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터를 보호하기 위해 햅틱 액추에이터로부터의 변위를 제한하거나 그렇지 않으면 그에 대항할 수 있다. 예를 들어, 압전 세라믹 재료를 포함하는 햅틱 액추에이터는 취성일 수 있고, 따라서 과도한 스트레인 또는 다른 변위로부터 균열 또는 다른 손상을 겪을 수 있다. 이러한 경우, 예비하중 디바이스는 그의 변위를 제한함으로써 햅틱 액추에이터로부터의 모션 범위를 제한할 수 있고, 따라서 햅틱 액추에이터가 과도한 스트레인과 관련된 손상을 겪는 것을 예방할 수 있다. 다시 말하면, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터로부터의 과도한 변위에 대항함으로써 햅틱 액추에이터를 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 사실상 기계적일 수 있고, 스프링 힘 또는 스프링 힘들을 통해 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 예비하중 디바이스는, 스프링 힘을 생성하여 햅틱 액추에이터 상에 예비하중을 제공하는 적어도 하나의 스프링 구성요소를 포함할 수 있다. 스프링 힘 또는 스프링 힘들은, 예를 들어 하나 이상의 모션 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창에 대항하는 압축 하중을 생성할 수 있다. 스프링 구성요소는, 햅틱 액추에이터를 압축하여, 햅틱 액추에이터를 프리로딩(pre-load)하는 데 사용되며, 이것에 의해 시스템의 전체 강성(total stiffness)이 변화된다. 햅틱 액추에이터에 의해 출력된 변위는 시스템의 강성의 함수이며, 따라서 스프링 구성요소는 햅틱 액추에이터로부터의 변위 또는 스트레인을 제한하거나 감소시킨다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리는 햅틱 액추에이터 어셈블리가 외부 하중을 거의 내지 전혀 경험하지 않을 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리는 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같은, 휴대전화의 배면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량(예를 들어, 1g 미만)을 가질 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리 상에 1N 미만의 외부 하중을 가할 수 있다. 이러한 상황에서, 예비하중 디바이스는 유리하게는 예비하중을 제공하여 어셈블리의 햅틱 액추에이터의 변위를 제한할 수 있다.
도 1은 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)를 포함할 수 있는 햅틱 가능 디바이스(100)의 블록도를 도시한다. 보다 구체적으로, 햅틱 가능 디바이스(100)는 하우징(110), 햅틱 액추에이터 어셈블리(120), 컨트롤 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) 또는 임의의 다른 사용자 인터페이스 디바이스와 같은 사용자 인터페이스 디바이스일 수 있다.
일 실시예에서, 전원(140)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)에 대해 전력을 제공하여 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는 배터리 또는 다른 에너지 저장 디바이스를 포함할 수 있다(용어 전력 및 에너지는 본원에서 호환 가능하게 사용된다). 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(130)은 전원(140)을 제어하여, 이하에서 더 상세히 설명되는 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 햅틱 액추에이터를 구동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤 유닛(130)은 전원(140)을 제어하여 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 햅틱 액추에이터에 인가될 구동 전압 신호 또는 구동 전류 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 전원(140)은 50V 내지 100V 범위 내의 진폭을 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(120)의 햅틱 액추에이터를 위한 구동 신호(예를 들어, 60V의 구동 신호)를 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(130)은 햅틱 가능 디바이스(100)에 대한 햅틱 효과의 생성을 제어하는 것에 전용될 수 있거나, 또는 햅틱 가능 디바이스(100)에 대한 다른 동작을 제어하는 범용 컨트롤 유닛일 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(130)은 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 처리 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)가 이하에서 더 상세히 설명된다. 일 실시예에서, 예비하중 디바이스는 2N 내지 4N의 범위 내인 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 전기활성 폴리머(EAP) 액추에이터, 예를 들어 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)를 포함하는 EAP 액추에이터일 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(121)는 하나 이상의 축을 따라 햅틱 액추에이터를 팽창 또는 수축시키는 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)(압전 재료층 또는 압전 재료의 시트 라고도 칭함), 전극(121b), 및 변위 변환 디바이스(121c)를 포함한다. 압전층(121a)은 전극(121b)에 연결될 수 있고, 구동 신호가 전극(121b)에 인가될 때에 하나 이상의 축을 따라 스트레인을 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 압전층(121)은 압전 재료의 서브층(sub-layer)들의 스택을 포함할 수 있고, 각각의 서브층은 전극(121b)의 2개의 전극 사이에 직접 끼워진다. 다른 경우에, 압전층(121a)은 하나의 이러한 서브층만을 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 평행 축일 수 있고, 평행 축은 압전층(121a)의 평면 표면에 평행하다. 일 실시예에서, 제2 축은 수직 축일 수 있고, 수직 축은 압전층(121a)의 평면 표면에 수직이다. 일부 경우에, 변위 변환 디바이스(121c)는 제1 축을 따른 변위(예를 들어, △x)를 제2 축을 따른 더 큰 변위(예를 들어, △z)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 있고, 용량성 또는 저항성 터치 센서를 갖는 액정 디스플레이(LCD) 또는 발광 디스플레이(LED)와 같은 터치스크린 디바이스(213)를 포함할 수 있다. 백 패널(214)은 하우징(210)의 배면을 형성할 수 있다. 하우징(210)의 전면은 일반적으로 사용 중에 사용자와 마주보는 면일 수 있는 한편, 배면은 하우징(210)의 전면 반대쪽에 또는 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) 내에 내장되는 일 실시예를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는, 예를 들어 백 패널(214)의 외측 또는 외부 표면(214b)에서 진동촉감 햅틱 효과를 생성하도록 구성될 수 있다. 진동촉감 햅틱 효과는, 햅틱 액추에이터 어셈블리가 축(217)을 따라 발진 변위(발진 진동 또는 발진 운동이라고도 칭함)를 출력하기 위해 특정 주파수에서 도 4의 축(217)을 따라 반복적으로 팽창 및 수축할 때에 생성될 수 있다. 보다 일반적으로, 진동촉감 햅틱 효과는, 햅틱 액추에이터 어셈블리가 특정 주파수에서의 값으로 발진하는 변위와 같은 시변 변위량(time-varying amount of displacement)을 생성할 때에 생성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)가 변위를 출력하고 있을 때에는, 백 패널(214)의 서브층(214c)을 밀거나 당길 수 있다. 서브층(214c)은 적합한 영률을 갖는 재료의 것일 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의해 작용되는 결과로서, 예를 들어 어셈블리에 의해 밀리거나 당겨짐으로써 탄성 굴곡 또는 다른 탄성 변형을 겪을 수 있을 정도로 충분히 얇을 수 있다. 다시 말해, 백 패널(214)의 서브층(214c)은, 진동촉감 햅틱 효과를 생성하기 위해 도 4에 파선으로 도시된 바와 같이 백 패널(214)의 나머지 부분에 대해 내측 및 외측으로 굴곡하는 것을 가능하게 하는 강성을 갖도록 구성될 수 있다.
이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는 축(217)과 같은 축을 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의한 팽창을 제한하는 예비하중 디바이스를 포함할 수 있다. 서브층(214c), 또는 보다 일반적으로 백 패널(214)은 그 자체로 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 팽창을 제한하기에 충분한 강성이 부족할 수 있다. 예를 들어, 서브층(214c)에 의해, 또는 보다 일반적으로 백 패널(214)에 의해 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 인가되는 임의의 압축 하중은 1N 미만일 수 있다. 보다 일반적으로, 하우징(210)에 의해 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 인가되는 임의의 압축 하중은 1N 미만일 수 있다. 일부 경우에, 하우징은 햅틱 액추에이터 어셈블리(220) 상에 압축 하중을 인가하지 않을 수 있다. 이러한 상황에서, 예비하중의 부재는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 햅틱 액추에이터로부터 출력되는 변위량을 과도하게 할 수 있고, 과도한 변위는 외부 표면(214b)에서 진동촉감 햅틱 효과의 힘을 감소시킬 수 있으며, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터에 대한 손상 위험을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본원에 따른 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 축(217)을 따른 변위, 및 특히 축(217)을 따른 그의 햅틱 액추에이터의 변위를 제한하기 위한 이러한 적용에서 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㎛만큼 팽창하여, 햅틱 액추에이터가 5㎛의 변위를 출력하고 있는 경우, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)도 5㎛만큼 팽창할 수 있어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)도 5㎛의 변위를 출력한다. 따라서, 햅틱 액추에이터에 의한 변위량 및 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의한 변위량은 동일하거나, 또는 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 서브층(214c)에 대해 가해지는 힘과 같은 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)에 의해 출력되는 힘은 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터에 의해 생성된 힘에서 임의의 예비하중의 힘을 뺀 것과 동일할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)는 4N의 예비하중을 생성할 수 있다. 예비하중은, 햅틱 액추에이터가 약 20N인 힘을 생성하는 것을 유발하거나 초래하는 햅틱 액추에이터에 대한 압축 하중일 수 있다. 일부 경우에, 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 출력되는 힘은 약 16N일 수 있다.
일 실시예에서, 도 4에 도시된 햅틱 가능 디바이스(200)는 백 패널(214)의 내부 표면(214d) 상에 배치되는 강성 구성요소(218)를 더 포함할 수 있다. 보다 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 향하기보다는 백 패널(214)의 외부 표면(214b)을 향하여 변위를 전달할 수 있다. 보다 구체적으로, 강성 구성요소(218)는 축(217)을 따라 비압축성일 수 있어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터가 축(217)을 따라 팽창할 때, 서브층(214c)이 강성 구성요소(218)보다 해당 팽창에 대해 훨씬 적은 저항을 제공한다. 그 결과, 어셈블리(220)의 햅틱 액추에이터의 팽창의 대부분 또는 전부는 강성 구성요소(218)를 압축하는 쪽보다는 서브층(214c)을 굴곡시키는 쪽으로 전달될 수 있다. 강성 구성요소(218)의 예는 금속 프레임, 인쇄 회로 보드(PCB) 기판, 또는 강성 전지 쉘을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본원의 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 지시를 디스플레이하는 것, 엔터테인먼트 옵션을 제공하는 것, 및 센서 데이터를 디스플레이하는 것을 포함한 다양한 차량내 기능을 제공하기 위한 센터 콘솔 시스템일 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 가능 시스템(300)은 터치스크린 디바이스(310), 햅틱 액추에이터 어셈블리(320), 컨트롤 유닛(330), 전원(340), 및 장착 구성요소(350)를 포함한다. 컨트롤 유닛(330)은 도 1의 컨트롤 유닛(130)과 유사할 수 있고, 전원(340)은 전원(140)과 유사할 수 있다. 터치스크린 디바이스(310)는, 예를 들어 터치 입력을 수신하도록 구성된 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 위해 변위 및 힘을 출력하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(320)는 충분한 양의 힘이 변위를 수반하도록 변위를 제한하기 위한 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 본체의 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 10g 미만의 질량을 가질 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)는 축(417)을 따른 변위를 출력하도록 구성될 수 있다. 그 결과, 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)는 터치스크린 디바이스(410)의 표면(410a)에 대해 누르기/밀기 및 당기기를 행하여 터치스크린 디바이스(410)의 외부 표면(410b)에서 진동촉감 햅틱 효과를 생성할 수 있다. 표면(410b)은 운전자와 대향하는 전방 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 있고, 터치스크린 디바이스(410)보다 실질적으로 더 많은 질량을 가질 수 있어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)에 의해 출력되는 변위의 대부분 또는 전부가 장착 구성요소(450)를 이동시키는 쪽보다는 터치스크린 디바이스(410)를 이동시키는 쪽으로 유도된다. 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, 축(417)을 따라 터치스크린(410)이 이동하는 것을 가능하게 하는 서스펜션을 통해 장착 구성요소(450)에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)는 축(417)을 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)의 팽창을 제한하는 예비하중 디바이스를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예에서, 터치스크린 디바이스(410)의 중량(W)은 그 자체로 축(417)을 따라 햅틱 액추에이터 어셈블리(420) 상에 충분한 압축 하중을 제공하는 데 충분한 하중을 제공하지 않을 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 중량(W)은 크기가 너무 작기 때문에(터치스크린 디바이스(410)의 질량이 낮기 때문에) 불충분할 수 있고, 및/또는 중량(W)은 축(417)에 부분적으로 또는 완전히 수직인 방향으로 작용하고 있다. 이러한 적용에서, 본원에 따른 예비하중 디바이스가 햅틱 액추에이터 어셈블리의 팽창을 제한하기 위해 햅틱 액추에이터 어셈블리(420)에 포함될 수 있다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 일 실시예가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 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 전체적으로 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)에 의해 출력되는 변위가 될 수 있다. 일 실시예에서, 축(517)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 두께 치수를 나타낼 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)에 의해 출력되는 변위는, 예를 들어 햅틱 액추에이터(521)가 활성화되지 않은 기준 상태(baseline state)에 대한 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 두께 변화, 또는 △t를 지칭할 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(521)는 압전 액추에이터일 수 있다.
일 실시예에서, 예비하중 디바이스(527)는, 햅틱 액추에이터(521) 및 햅틱 액추에이터 어셈블리(520)의 축(517)을 따른 팽창에 대항하는, 도 7a 및 도 7b에 화살표(560)로 나타낸 바와 같이, 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 그렇지 않으면 배치된다. 일 실시예에서, 제1 구성요소(527a) 및 제2 구성요소(527b)는 접착제 또는 일부 다른 방식의 부착을 통해 햅틱 액추에이터(521)의 대향 면에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 구성요소(527a) 및 제2 구성요소(527b)는 햅틱 액추에이터(521)의 대향 면에 고정적으로 부착되지 않고 접촉하거나 매우 근접하게 유지될 수 있다. 일부 경우에, 압축 하중은 스프링 힘 또는 힘들에 의해 생성될 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 예비하중 디바이스(527)는 햅틱 액추에이터(521) 상에 스프링 힘(들)을 생성하도록 구성된 하나 이상의 스프링 구성요소를 포함할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 햅틱 액추에이터(521)의 일 실시예인 햅틱 액추에이터(621)를 도시한다. 이 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 축(618) 및/또는 축(619)과 같은 축을 따른 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층(621a)을 포함하는 압전 액추에이터이고, 축은 층(621a)의 평면 표면(예를 들어, 621a-1 또는 621a-2)에 평행하다. 일 실시예에서, 압전 재료층(621a)은 9mm 내지 25mm의 범위 내인 길이(L), 9mm 내지 25mm의 범위 내인 폭(W), 및 0.3mm 내지 2mm의 범위 내인 두께(T2)(도 8b 참조)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 도 8a에 도시된 바와 같이, 층(621a)의 길이(L) 및 폭(W)은 양쪽 모두 서로 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 압전 재료층(621a)은 PZT(lead zirconate titanate) 또는 다른 압전 세라믹 재료의 층이다. 일 실시예에서, 압전 재료층(621a)은 폴리머의 층이다. 일 실시예에서, 도 8b에 도시된 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)는 1mm 내지 4mm의 범위 내인 전체 두께(T1)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 TDK®로부터의 Miniaturized PowerHapTM 2.5G 유형의 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 변형을 평면 표면{예를 들어, 압전 재료층(621a)의 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 평행 축이라고 지칭될 수 있는 한편, 축(617)은 수직 축이라고 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는 축(618) 또는 축(619)을 따른 변형에 의해 유발된 변위, 즉 제1 변위량을 축(617)을 따른 더 큰 변위량, 즉 제2 변위량으로 변환하도록 구성된 변위 증폭 디바이스이고, 여기서 제2 변위는 제1 변위보다 크다(도 8c 참조). 특정 축을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는, 예를 들어 햅틱 액추에이터(621)가 활성화되지 않은 기준 상태에 대한 해당 축을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 치수 변화(예를 들어 길이, 폭, 또는 두께 변화)를 지칭할 수 있다.
일 실시예에서, 변위 증폭 디바이스는 제1 변위로부터 제2 변위로의 변환을 수행하도록 구성되는 레버 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 도 8a 내지 도 8c의 변위 변환 디바이스(621b-1/621b-2)는, 압전 재료층(621a)의 반대 면 또는 대향 표면 상에 배치된 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 기부(예를 들어, 621f-1)로부터 원형 중앙부(예를 들어, 621g-1)로 테이퍼 형상으로 되어 압전 재료층(621a)의 각각의 평면 표면(621a-1, 621a-2)과 절두 원뿔(truncated cone)을 형성하는 금속 시트(금속 층이라고도 칭함)일 수 있다. 절두 원뿔은 또한 심벌(cymbal) 또는 절두 원뿔 엔드캡(truncated conical endcap)이라고도 지칭될 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 절두 원뿔은 경사 길이(S)를 갖는 경사부를 가질 수 있고, 여기서 경사부는 압전 재료층(621a)의 평면 표면(예를 들어, 621a-1)과 각도(θ)를 형성할 수 있다. 일부 경우에, 각도(θ)는 45도 미만의 값(예를 들어, 15도)을 가질 수 있다. 경사부는 절두 원뿔에 대한 높이(H)를 생성할 수 있다. 높이(H)는 제1 디스크(621b-1) 및/또는 제2 디스크(621b-2)의 높이와 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있고, 예를 들어 0.2mm 내지 0.7mm의 범위 내일 수 있다. 경사부가 평면 표면(621a-1) 상에 돌출된 경우에는, 베이스 폭(B)을 또한 가질 수 있다. 또한, 제1 디스크(621b-1) 및 제2 디스크(621b-2)의 각 디스크는 0.1mm 내지 0.5mm의 범위인 두께(T3)(도 8b 참조)를 가질 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 디스크(621b-1, 621-b2) 각각의 원형 기부(예를 들어, 621f-1)는 9mm 내지 12mm의 범위 내인 직경(d1)을 가질 수 있는 한편, 디스크(621b-1, 621b-2) 각각의 원형 중앙부(예를 들어, 621g-1)는 2mm 내지 3mm의 범위 내인 직경(d2)을 가질 수 있다. 전술한 치수의 값은 단지 예시일 뿐이며, 상기에서 제시된 다양한 치수는 다른 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 변위 변환 디바이스(621b-1, 621b-2)의 표면을 통해 다른 구성요소(예를 들어, 예비하중 디바이스)와 인터페이스할 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(621)는 디스크(621b-1)의 원형 중앙부(예를 들어, 261g-1)의 외부 표면(621h-1)을 통해 예비하중 디바이스와, 및/또는 디스크(621b-2)의 원형 중앙부(예를 들어, 261g-1)의 외부 표면(621h-2)과 인터페이스할 수 있다. 외부 표면(621h-1) 및 외부 표면(621h-2)은 햅틱 액추에이터(621)의 반대 외부 표면(대향 외부 표면이라고도 칭함)을 형성할 수 있고, 햅틱 액추에이터(621)에 대한 제1 인터페이스 표면 및 제2 인터페이스 표면으로서 각각 작용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터(621)의 각각의 반대 표면 상에 배치되는 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 접착제의 층이 외부 표면(621h-1, 621h-2) 상에 적용되어 이들을 예비하중 디바이스의 제1 구성요소 및 제2 구성요소에 부착시킬 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. 전압 차가 전극들(621c-1과 621c-2) 사이에 생성될 때, 압전 재료층(621a)은 축(618) 및/또는 축(619)을 따라 스트레인을 출력할 수 있다. 예를 들어, 압전 재료층(621a)은 도 8c에 파선으로 나타낸 수축 상태(CS)로 축(619)을 따라 수축할 수 있다. 일 실시예에서, 압전 재료층(621a)은 또한 축(617)을 따라 약간의 스트레인을 경험할 수 있지만, 축(619)을 따른 스트레인보다 훨씬 적은 정도로 경험할 수 있다. 일 실시예에서, 축(619)을 따른 층(621a)의 변위 또는 변형은 5㎛ 내지 50㎛의 범위 내일 수 있는 한편, 축(617)을 따른 층(621a)의 변위 또는 변형은 0.5㎛ 내지 2㎛의 범위 내일 수 있다. 일 실시예에서, 층(621a)은 또한 축(618)을 따른 스트레인을 생성할 수 있다. 축(619)을 따른 스트레인 및 축(618)을 따른 스트레인은 동일하거나, 또는 상이할 수 있다. 도 8c의 변위 변환 디바이스(621b-1, 621b-2)는 축(619)을 따른 스트레인을 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창으로, 도 8c에 파선으로 나타낸 팽창 상태(ES)로 변환시킬 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창으로부터 비롯될 수 있다.
도 8d는 압전 재료의 서브층(621p-1, 621p-2, 621p-3, 621p-4…621p-n)의 스택을 포함하는 압전 재료층(621a)의 일 실시예를 도시한다. 또한, 전극(621c-1) 및 전극(621c-2)은 깍지형(inter-digitated) 또는 빗살형 패턴을 형성할 수 있다. 이 패턴은 2개의 전극 사이의 거리를 감소시킬 수 있어, 이들 사이에 더 강한 전계가 생성되는 것을 가능하게 할 수 있다. 보다 구체적으로, 전극(621c-1)은 압전 재료층(621a) 내에 내장되는 제1 세트의 전극층(621d-1, 621d-2…621d-n)을 포함할 수 있다. 제1 세트의 전극층(621d-1…621d-n)의 각 전극층은 실질적으로 층(621a)의 길이 또는 폭을 통해 연장될 수 있다. 마찬가지로, 전극(621c-2)은, 또한 압전 재료층(621a) 내에 내장되는 제2 세트의 전극층(621e-1, 621e-2 … 621e-n)을 포함할 수 있다. 제2 세트의 전극층(621e-1…621e-n)의 각 전극층은 실질적으로 층(621a)의 길이 또는 폭을 통해 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 서브층(621p-1 … 621p-n)의 각 서브층은, 2개의 전극층이 서브층에 바로 인접하도록 제1 세트의 전극층(621d-1 … 621d-n) 중 하나와 제2 세트의 전극층(621e-1…621e-n) 중 하나 사이에 직접 배치될 수 있다. 예를 들어, 서브층(621p-1)은 전극층(621d-1)과 전극층(621e-1) 사이에 직접 배치되고, 전극층(621d-1) 및 전극층(621e-1)은 서브층(621p-1)에 바로 인접한다.
일 실시예에서, 제1 세트의 전극층(621d-1…621d-n) 중 임의의 전극층과 제2 세트의 전극층(621e-1…621e-n) 중 대응하거나 인접한 전극층 사이에 전압 차가 생성될 때, 전압 차는 2개의 전극층 사이에 전계를 생성할 수 있다. 전계는 축(617)을 따라 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)은 복수의 서브층(621p-1…621p-n)의 각 서브층의 압전 재료의 분극 방향(poling direction)과 평행할 수 있다. 일 실시예에서, 압전 재료의 분극 방향은 복수의 서브층(621p-1…621p-n)의 각 서브층과 평행할 수 있거나, 또는 보다 일반적으로 층(621a)과 평행할 수 있다. 예를 들어, 분극 방향은 층(621a)의 길이 치수 또는 폭 치수와 평행할 수 있다. 2개의 전극층 사이의 축(617)을 따른 전계는 이들 사이의 압전 재료의 서브층이 스트레인을 생성하게 할 수 있다. 스트레인은 하나 이상의 축(617-619)을 따를 수 있다. 예를 들어, 도 8d는 도면에 파선으로 나타낸 바와 같이, 축(619)을 따라 수축하고 축(617)을 따라 팽창하는 서브층(621p-1…621-n)을 도시한다. 축(619)을 따른 스트레인의 양은 압전 재료의 d31 계수의 값에 기초할 수 있는 한편, 축(617)을 따른 스트레인의 양은 압전 재료의 d33 계수의 값에 기초할 수 있다. 일 실시예에서, 축(619)을 따른 스트레인의 양은 축(617)을 따른 스트레인의 양보다 상당히 클 수 있다.
전술한 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 조인트{예를 들어, 리빙 힌지(living hinge)}에 의해 연결되는 복수의 링키지(linkage)를 형성할 수 있고, 링키지의 기하학적 구조는 축(619)을 따른 스트레인이 축(617)을 따른 변위로 변환될 수 있게 하고, 일부 경우에는 진폭될 수 있게 한다. 예를 들어, 도 8b는 도 8b와 관련하여 전술한 치수(S, H, 및 B)를 포함하는 기하학적 구조를 도시한다. 이들 치수는 직각 삼각형의 치수에 대응할 수 있다. 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이, 축(619)을 따른 스트레인이 있을 때, 압전 재료층(621a)은 길이 또는 폭이 축소 상태(CS)로 감소할 수 있다. 그 결과, 치수(B)가 감소할 수 있어, 각도(θ)가 증가할 수 있게 한다. θ의 증가는 종국에 치수(H)를 증가시킬 수 있다. 치수(S)는 θ가 변화함에 따라 S1의 값에서와 같이 동일하게 유지될 수 있다. 이 상황에서, S(S1과 동일함), B, 및 H의 치수가 직각 삼각형의 치수에 대응하기 때문에, B의 값은 S1cosθ로서 계산될 수 있는 한편, H의 값은 S1sinθ로서 계산될 수 있다. 도 8e는 도 8c의 축(619)을 따른 스트레인이 B의 변화(즉, △B) 및 H의 변화(즉, △H)를 유발하는 이러한 상황에 대한 H 및 B의 플롯을 도시한다. 수량 △B는 축(619)을 따른 변위를 나타낼 수 있는 한편, 수량 △H는 축(617)을 따른 변위를 나타낼 수 있다. 도 8b, 도 8c, 및 도 8e에 도시된 바와 같이, 층(621a)을 수축 상태(CS)로 수축시키는 스트레인은 각도(θ)를 θ1로부터 θ2로 증가할 수 있게 한다. 도 8e에서, θ1 내지 θ2 양쪽 모두는 45도 미만이다. 이러한 실시예에서, θ의 증가는 △B에 비해 더 큰 △H를 초래할 수 있다. 다시 말해, 도 8e는, 도 8b 및 도 8c에서와 같은 기하학적 구조가, 축(619)을 따른 변위에 비해 축(617)을 따른 변위가 증폭될 수 있음을 보여준다.
도 9는 햅틱 액추에이터(521)의 일 실시예인 햅틱 액추에이터(721)를 도시한다. 햅틱 액추에이터(621)와 마찬가지로, 햅틱 액추에이터(721)는 압전 재료층(721a)을 포함한다. 햅틱 액추에이터(721)는, 층(721a)의 평면 표면(721a-1)에 평행한 축(719)을 따른 스트레인을 생성하여 축(717)을 따라 변위하도록 구성되는 변위 변환 디바이스(721b)를 더 포함한다. 축(719)은 평행 축이라고 지칭될 수 있는 한편, 축(717)은 수직 축이라고 지칭될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 변위 변환 디바이스(721b)는, 축(719)을 따른 변위를 축(717)을 따른 더 큰 변위량으로 증폭하기 위한 레버로서 각각 작용하는 한 쌍의 링키지(721b-1, 721b-2)를 포함하는 프레임을 형성할 수 있다. 한 쌍의 링키지(721b-1, 721b-2)는 한 쌍의 각각의 리빙 힌지(721c-1, 721c-2)에 의해 중앙부(721b-3)에 연결될 수 있다. 프레임은 또한 축(719)을 따른 변위를 축(717)을 따른 더 큰 변위량으로 증폭하기 위한 레버로서 또한 작용하는 한 쌍의 링키지(721b-5, 721b-6)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 링키지(721b-5, 721b-6)는 다른 쌍의 각각의 리빙 힌지(721c-3, 721c-4)에 의해 중앙부(721b-4)에 연결될 수 있다. 중앙부(721b-3 및 721b-4)는, 예를 들어 햅틱 액추에이터(721)에 대한 각각의 인터페이스 표면으로서 작용할 수 있고, 일부 경우에는 햅틱액추에이터(721)의 각각의 대향 외부 표면으로서 작용할 수 있다. 변위 변환 및 증폭 디바이스는 또한 발명의 명칭이 "플로팅 터치스크린 햅틱 어셈블리를 가능하게 하기 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Enabling Floating Touch Screen Haptics Assemblies)"인 미국 특허 제9,866,149호(IMM539)에 설명되어 있고, 그 전체 내용이 본원에 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 있고, 축(819)을 따른 변형을 생성하도록 구성되는 압전 재료층(821a)을 포함할 수 있으며, 축(819)은 층(821a)의 평면 표면(821a-1)에 평행하다. 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 마찬가지로, 제1 디스크(821b-1) 및 제2 디스크(821b-2) 각각은 압전 재료층(821a)의 각각의 표면과 절두 원뿔(심벌이라고도 칭함)을 형성하는 금속층일 수 있다. 일 실시예에서, 예비하중 디바이스(827)는, 층(821a)의 평면 표면(821a-1)에 수직이거나 실질적으로 수직인 축(817)을 따른 햅틱 액추에이터(821)의 팽창에 대항하고, 따라서 축(817)을 따른 햅틱 액추에이터 어셈블리(820)의 팽창에 대항하는 압축 하중 형태의 예비하중을 생성하도록 구성되는 제1 구성요소(827a) 및 제2 구성요소(827b)를 포함한다(축(819)는 평행 축이라고 지칭될 수 있는 한편, 축(817)은 수직 축이라고 지칭될 수 있다).
일 실시예에서, 제1 구성요소(827a) 및 제2 구성요소(827b)는, 압축 하중을 생성하기 위해 제1 구성요소(527a)와 제2 구성요소(527b) 사이에 배치된 하나 이상의 스프링 구성요소를 통해 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 구성요소(827a) 및 제2 구성요소(827b)는 햅틱 액추에이터(821)에 대한 압축 하중의 형태로 2N 내지 4N의 범위 내인 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 2N 내지 4N의 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(821)가 인가된 전위에 응답하여 확실하게 예상대로 변형 가능하게 한다. 햅틱 액추에이터(821)는 충분히 프리로딩되지 않은 경우에 전위의 인가시 파괴될 수 있는 한편, 반대로 햅틱 액추에이터는 과도하게 프리로딩된 경우에 확실하게 예상대로 변형 가능하지 않을 수 있다.
도 11 및 도 12는 예비하중, 또는 보다 구체적으로 압축 하중이 스프링 구성요소(1160)에 의해 생성되는 일 실시예를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 11 및 도 12는 전술한 햅틱 액추에이터(621)뿐만 아니라 예비하중 디바이스(1127)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 사시도 및 측단면도를 각각 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 햅틱 액추에이터(621)와 함께 도시되고 설명되었지만, 본원에서 설명된 임의의 햅틱 액추에이터가 또한 예비하중 디바이스(1127)와 함께 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스(1127)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 보다 일반적으로 변형에 대항한다.
예비하중 디바이스(1127)는 스프링 구성요소(1160) 및 케이싱(1162)을 포함한다. 일 실시예에서, 케이싱(1162)은 커버(1164) 및 커버(1164)에 대향하는 베이스(1166)를 포함한다. 일 실시예에서, 커버(1164)는 베이스(1166)로부터 이격되지만, 베이스(1166)에 대체로 평행하게 연장된다. 일 실시예에서, 케이싱(1162)은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 또는 다른 폴리머 재료와 같은, 경량이지만 강한 재료로 형성될 수 있다. 커버(1164) 및 베이스(1166)는 동일한 크기 및 형상(예를 들어, 직사각형 또는 원형)을 갖는 평면형 구성요소일 수 있거나, 또는 상이한 크기 및/또는 형상을 가질 수있다. 일부 경우에, 커버(1164) 및 베이스(1166)는 각각 직사각형일 수 있고, 각각 9mm 내지 25mm의 범위 내인 길이 및 폭을 각각 가질 수 있다. 일 실시예에서, 커버(1164) 및 베이스(1166)는 각각 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 대해 낮은 전체 두께를 유지하기 위해 얇은 프로파일을 갖는다. 예를 들어, 커버(1164) 및 베이스(1166)는 각각 1mm 내지 2mm의 범위 내인 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 케이싱(1162)은 1mm 내지 5mm의 범위 내인 전체 두께를 가질 수 있다.
케이싱(1162)은 스프링 구성요소(1160), 및 압전 재료층(621a) 및 변위 변환 디바이스(621b-1, 621b-2) 양쪽 모두를 포함한 햅틱 액추에이터(621)를 보지 또는 보유한다. 햅틱 액추에이터(621)는 커버(1164)와 베이스(1166) 사이의 케이싱(1162) 내에 배치되고, 커버(1164) 및 베이스(1166)는 그의 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)의 각각의 대향 단부에 배치된다. 도 11 및 도 12의 실시예에서, 베이스(1166)는 햅틱 액추에이터(621)를 지지하거나, 또는 다시 말하면, 햅틱 액추에이터(621)는 베이스(1166)의 내부 표면 상에 배치된다. 일 실시예에서, 베이스(1166)는 접착제 또는 일부 다른 방식의 부착을 통해 햅틱 액추에이터(621)에 부착될 수 있다.
본원에서 더 상세히 설명되는 예비하중 기능 이외에, 케이싱(1162)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)를 자급식(self-contained) 디바이스로서 제공하도록 기능하며, 이것에 의해 생성된 예비하중은, 예를 들어 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 내장되거나 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 내부에 있는 하중이다. 이와 같이, 예비하중 디바이스(1127)에 의해 생성된 예비하중은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 외부에 있는 사용자 상호작용 또는 영향과 무관한 하중일 수 있다. 예를 들어, 예비하중 디바이스(1127)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 외부 하중을 거의 내지 전혀 경험하지 않을 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 도 3b와 관련하여 전술한 바와 같이 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같은, 휴대전화의 배면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량을 가질 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120) 상에 1N 미만의 외부 하중을 가할 수 있다.
일 실시예에서, 케이싱(1162)은 커버(1164)와 베이스(1166) 사이에서 연장되는 하나 이상의 측벽(미도시)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 측벽은 커버(1164)와 베이스(1166) 사이의 이동을 허용하고, 따라서 특정 축을 따른, 예를 들어 수직 축(617)을 따른 커버(1164) 및/또는 베이스(1166)의 우선 이동을 가능하게 하도록 구성되는 서스펜션 시스템과 유사하게 기능한다. 다른 실시예에서, 케이싱(1162)은 커버(1164)와 베이스(1166) 사이의 전체 길이를 연장하지 않는 하나 이상의 부분 측벽(미도시)을 포함할 수 있다. 부분 측벽은, 예를 들어 커버(1164)로부터 베이스(1166)를 향하여 연장되거나 베이스(1166)로부터 커버(1164)를 향하여 연장될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 케이싱(1162)은 커버(1164)와 베이스(1166) 사이에서 연장되는 하나 이상의 커넥터 또는 칼럼(column)을 포함할 수 있다. 케이싱(1162)의 측벽, 부분 측벽, 및/또는 커넥터/칼럼은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)를 자급식 디바이스로서 형성하는 것을 도울 수 있다.
스프링 구성요소(1160)는, 제1 단부(1161A)가 커버(1164)의 내부 표면에 결합되고 제2 대향 단부(1161B)가 햅틱 액추에이터(621)의 외부 표면에 결합되도록 케이싱(1162) 내에 배치된다. 스프링 구성요소(1160)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창에 대항한다. 스프링 구성요소(1160)는 단지 스프링 구성요소(1160)의 기능적 동작을 나타내기 위한 예시적인 목적을 위해 나선형 요소로서 도시되어 있으며, 그의 실제 물리적 형상을 한정하는 것으로 의도되어 있지 않다. 스프링 구성요소(1160)는, 엘라스토머, 나선형 또는 코일형 스프링, 리프 스프링(leaf spring), 판 스프링(flat spring), 웨이브 와셔(wave washer), 스냅 돔 스프링(snap dome spring), 또는 고무, 폼, 또는 플렉서와 같은 컴플라이언트 요소(compliant element)를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 원하는 압축력을 가하기 위한 스프링 특성을 갖는 임의의 유형의 스프링 요소일 수 있다. 예를 들어, 도 14는 스프링 구성요소(1160)의 일 실시예인 스프링 구성요소(1460)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1420)를 도시한다. 도 14에서, 스프링 구성요소(1460)는, 스프링을 본체(1467)에 캡슐화하고 일 단부 상에 플런저 팁 또는 볼(1469)을 제공함으로써 스프링의 스프링 힘을 증가시켜 정확하고 반복 가능한 단부 힘을 가능하게 하는 스프링 플런저 또는 다른 스프링 장착(spring-loaded) 디바이스이다. 다른 예로서, 도 15는 스프링 구성요소(1160)의 일 실시예인 스프링 구성요소(1560)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1520)를 도시한다. 도 15에서, 스프링 구성요소(1560)는 나사(1570), 및 원하는 압축력을 가하기 위한 스프링 특성을 갖는 가요성 필름 구성요소(1572)를 포함한다. 나사(1570)는 가요성 필름 구성요소(1572)의 스프링 힘을 조정하는 데 사용될 수 있다. 더욱 특히, 나사(1570)가 가요성 필름 구성요소(1572) 상으로 더욱 전진되면, 가요성 필름 구성요소(1572)에 의해 햅틱 액추에이터(621) 상에 가해지는 스프링 힘이 더욱 증가된다. 대조적으로, 가요성 필름 구성요소(1572)에 의해 햅틱 액추에이터(621) 상에 가해지는 스프링 힘의 양을 감소시키는 것이 바람직한 경우에, 나사(1570)는 후퇴될 수 있다. 도 11 및 도 12 각각에는 단일의 스프링 구성요소가 도시되어 있지만, 일부 구현예에서는, 바람직한 압축력을 가하기 위해 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 다수의 스프링 구성요소가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
예비하중을 생성하기 위해서, 커버(1164)는 햅틱 액추에이터(621)에 대해 압축력을 인가하기 위해 햅틱 액추에이터(621)에 대해 스프링 구성요소(1160)를 가압(urge)한다. 일 실시예에서, 스프링 구성요소(1160)는 2N 내지 4N의 범위 내인 예비하중을 생성하도록 구성될 수 있다. 2N 내지 4N의 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 확실하게 예상대로 변형 가능하게 한다. 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 변형할 때, 스프링 구성요소(1160)는 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위를 그의 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4)인 값으로 제한하는 스프링 힘을 햅틱 액추에이터(621) 상에 가한다. 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력되는 변위를 감소시킴으로써, 스프링 구성요소(1160)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 유발한다. 그 결과, 진동촉감 햅틱 효과가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 의해 생성될 때, 진동촉감 햅틱 효과를 수반하는 힘은 예비하중이 없는 햅틱 액추에이터에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되는 상황에 비해 더 강하고 더 많이 인지 가능할 수 있다.
도 11은 또한 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 전력을 제공할 수 있는 전원(1140)을 도시한다. 전원(1140)은 전술한 전원(140)의 일 실시예다. 일 실시예에서, 전기 리드는 전원(1140)을 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1, 621c-2)에 전기적으로 연결한다. 전원(1140)은 햅틱 액추에이터(621)의 전극(621c-1, 621c-2)에 전압 신호 또는 구동 신호와 같은 구동 신호를 제공하기 위해 컨트롤 유닛(1130)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 유닛(1130)은 전술한 컨트롤 유닛(130)의 일 실시예다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(1130)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 정현파 구동 신호를 제공하도록 전원(1140)을 제어할 수 있어, 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 진동과 같은 발진 변위를 출력하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 정현파 구동 신호는, 예를 들어 60V 내지 120V의 범위 내인 피크-대-피크 진폭, 및 50Hz 내지 200Hz의 범위 내인 주파수를 가질 수 있다. 예비하중 디바이스(1127)는 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)에 의한 팽창 또는 보다 일반적으로 변위에 대항하도록, 예를 들어 2N 내지 4N의 범위 내인 압축 하중을 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력된 변위를 감소시킴으로써, 예비하중 디바이스(1127)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력된 힘의 증가를 유발하고 이것에 의해 더 많은 인지 가능한 햅틱 효과를 유발하거나 창출한다. 전압 신호 또는 구동 신호는 인가된 전압 또는 전류를 변화시킴으로써 조정되어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 의해 인가된 힘을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 비교적 높은 주파수에서 작동하는 고조파 발진기로서 기능할 수 있다. 동작시, 전원(1140)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 정현파 구동 신호를 제공할 때, 햅틱 액추에이터(621)는 발진 구동 신호에 의해 유도된 바와 같이 진동한다. 더욱 특히, 햅틱 액추에이터(621)의 동작과 관련하여 전술한 바와 같이, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 비롯될 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 커버(1164) 및 베이스(1166) 양쪽 모두의 움직임 또는 진동을 유발한다. 다른 실시예에서는, 커버(1164) 또는 베이스(1166) 중 하나가 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 기계적 접지(mechanical ground)로서 작용하도록 구성되어, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 기계적 접지인 것으로 구성되지 않은 다른 대향 구조만의 움직임 또는 진동을 유발한다. 따라서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 진동하여, 이것이 부착되는 햅틱 가능 디바이스의 하우징 또는 부분에 햅틱 감각을 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 커버(1164) 또는 베이스(1166) 중 하나는 다른 구조가 진동/변위하는 동안 기계적 접지로서 작용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 11의 실시예에서, 스프링 구성요소(1160)에 부착되는 커버(1164)는 스프링 구성요소(1160)의 스프링 특성을 통해 기계적 접지로서 작용하도록 구성될 수 있다. 스프링 구성요소(1160)가 충분히 강성인 것으로 선택될 때, 커버(1164)는 기계적 접지로서 작용하고 이것에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 의해 생성된 힘을 베이스(1166)에 전달한다. 다시 말하면, 기계적 접지는 본질적으로 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)로부터의 변위를 커버(1164)보다는 베이스(1166)를 향하여 전달하도록 기능한다. 스프링 구성요소(1160)가 축(617)을 따라 비압축성일 수 있어, 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 팽창할 때, 베이스(1164)는 스프링 구성요소(1160)보다 해당 팽창에 대해 훨씬 적은 저항을 제공한다. 그 결과, 햅틱 액추에이터(621)의 팽창의 대부분 또는 전부가 커버(1164)를 향하기보다는 베이스(1166)를 진동 또는 변위시키는 쪽으로 전달될 수 있다.
대안적으로, 다른 실시예에서, 베이스(1166)는, 기계적 접지로서 작용하고 이것에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 의해 생성된 힘을 스프링 구성요소(1160) 및 커버(1164)에 전달하도록 구성될 수 있다. 스프링 구성요소(1160)가 축(617)을 따라 비압축성일 수 있어, 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 팽창할 때, 스프링 구성요소(1160) 및 커버(1164)는 베이스(1164)보다 해당 팽창에 대해 훨씬 적은 저항을 제공한다. 그 결과, 햅틱 액추에이터(621)의 팽창의 대부분 또는 전부가 베이스(1166)를 향하기보다는 커버(1164)를 진동 또는 변위시키는 쪽으로 전달될 수 있다. 베이스(1166)는 기계적 접지로서 작용하도록 구성되기에 적합한 영률 및/또는 두께를 갖는 비교적 더 강성인 재료의 것일 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 구성요소는 더 효과적인 햅틱 감각을 제공하도록 선택될 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수는 스프링 구성요소(1160)를 통해 조절된다. 햅틱 액추에이터(621)는 제1 공진 주파수를 갖고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 제2 공진 주파수를 갖고, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수와 다르다. 제2 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1160)의 함수이거나 또는 그의 스프링 상수를 통해 결정된다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터(621)가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)(햅틱 액추에이터(621)뿐만 아니라 예비하중 디바이스(1127)를 포함함)의 고유 주파수로 발진하는 경우에는, 더 강한 힘 및 더 효과적인 햅틱 감각이 출력될 수 있다. 더욱 특히, 전원(1140)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)에 구동 신호를 제공하고 구동 신호가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호일 때, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 더 효과적인 햅틱 감각을 제공하도록 공진한다. 스프링 구성요소(1160)의 추가로 인해, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 전체 스프링 상수는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 스프링 상수와 다르다. 이와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수는 스프링 구성요소(1160)의 스프링 상수에 따라 달라지고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수는 특정 또는 미리 결정된 스프링 구성요소(1160)를 선택함으로써 제어될 수 있다. 다시 말하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)가 출력 힘 및 효과를 증폭시키기 위해 원하는 또는 미리 결정된 공진 주파수를 갖도록, 스프링 구성요소(1160)는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 공진 주파수를 변화 또는 변경하도록 선택될 수 있다. 공진 주파수를 제어함으로써, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 진폭 변조 기술에 의해 광범위한 스펙트럼의 주파수를 제시하기 위해 특정 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 따라서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)는 구동 신호가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 가질 때에 전술한 바와 같이 기계적 공진을 실현하도록 구성될 수 있다.
스프링 구성요소(1160)를 통해 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)의 공진 주파수를 조율 또는 조절하는 것 이외에, 베이스(1166)가 공진 주파수에서 충분한 가속도를 갖는 것을 보장하기 위해서 추가 질량이 베이스(1166)(또는 베이스(1166)가 기계적 베이스인 것으로 구성되고 커버(1164)가 공진하도록 구성되는 경우에는 커버(1164)) 상에 포함될 수 있다. 추가 질량은 베이스(1166)에 미리 결정된 질량의 개별 구성요소를 부착함으로써, 또는 미리 결정된 질량을 갖도록 베이스(1166)를 형성함으로써 베이스(1166) 상에 포함될 수 있다.
도 13은 예비하중, 또는 보다 구체적으로 압축 하중이 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)에 의해 생성되는 일 실시예를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 13은 전술한 햅틱 액추에이터(621)뿐만 아니라 예비하중 디바이스(1327)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 측단면도를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)가 햅틱 액추에이터(621)와 함께 도시되고 설명되었지만, 본원에서 설명된 임의의 햅틱 액추에이터가 또한 예비하중 디바이스(1327)와 함께 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스(1327)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 보다 일반적으로 변형에 대항한다.
예비하중 디바이스(1327)는 제1 스프링 구성요소(1360A), 제2 스프링 구성요소(1360B) 및 케이싱(1362)을 포함한다. 케이싱(1362)은 전술한 케이싱(1162)과 유사하며, 커버(1364) 및 커버(1364)로부터 이격되고 그에 평행하게 연장되는 베이스(1366)를 포함한다. 케이싱(1362)은 제1 스프링 구성요소(1360A), 제2 스프링 구성요소(1360B), 및 압전 재료층(621a) 및 변위 변환 디바이스(621b-1, 621b-2) 양쪽 모두를 포함한 햅틱 액추에이터(621)를 보지 또는 보유한다. 햅틱 액추에이터(621)는 커버(1364)와 베이스(1366) 사이에 배치되고, 커버(1364) 및 베이스(1366)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)의 각각의 대향 단부에 배치된다. 그러나, 이 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)는 커버(1364) 또는 베이스(1366)와 접촉하지 않고, 오히려 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)를 통해 커버(1364)와 베이스(1366) 사이에서 현가된다.
케이싱(1162)과 관련하여 전술한 바와 같이, 케이싱(1362)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)를 자립형 디바이스로서 제공하도록 기능하며, 이것에 의해 생성된 예비하중은, 예를 들어 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)에 내장되거나 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 내부에 있는 하중이다. 이와 같이, 예비하중 디바이스(1327)에 의해 생성된 예비하중은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 외부에 있는 사용자 상호작용 또는 영향과 무관한 하중일 수 있다. 예를 들어, 예비하중 디바이스(1327)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)가 외부 하중을 거의 내지 전혀 경험하지 않을 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)는 도 3b와 관련하여 전술한 바와 같이 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같은, 휴대전화의 배면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량을 가질 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120) 상에 1N 미만의 외부 하중을 가할 수 있다.
더욱 특히, 제1 스프링 구성요소(1360A)는, 제1 단부(1361A)가 커버(1364)의 내부 표면에 결합되고 제2 대향 단부(1361B)가 햅틱 액추에이터(621)의 외부 표면에 결합되도록 케이싱(1362) 내에 배치된다. 제2 스프링 구성요소(1360B)는, 제1 단부(1361C)가 베이스(1366)의 내부 표면에 결합되고 제2 대향 단부(1361D)가 햅틱 액추에이터(621)의 외부 표면에 결합되도록 케이싱(1362) 내에 배치된다. 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 일괄하여(collectively) 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창에 대항한다. 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는 이들의 기능적 동작만을 나타내기 위해 예시 목적으로 나선형 요소로서 도시되어 있으며, 이 묘사가 실제 물리적 형상을 기술하거나 한정하려는 것으로 의도되어 있지 않다. 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는, 엘라스토머(elastomer), 나선형 또는 코일형 스프링(helical or coiled spring), 리프 스프링(leaf spring), 판 스프링(flat spring), 웨이브 와셔(wave washer), 스냅 돔 스프링(snap dome spring), 또는 고무, 폼(foam) 또는 플렉서(flexure)와 같은 컴플라이언트 요소(compliant element)를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 원하는 압축력을 가하기 위한 스프링 특성을 갖는 임의의 유형의 스프링 요소일 수 있다. 또한, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B) 각각에 대해 도 13에는 단일의 스프링 요소가 도시되어 있지만, 일부 구현예에서는, 원하는 압축력을 가하기 위해 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B) 각각에 대해 다수의 스프링 구성요소가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
예비하중을 생성하기 위해서, 커버(1364)가 햅틱 액추에이터(621)에 대해 제1 스프링 구성요소(1360A)를 가압하는 한편, 베이스(1366)가 햅틱 액추에이터(621)에 대해 제2 스프링 구성요소(1360B)를 가압하여 햅틱 액추에이터(621)에 대해 압축력을 일괄하여 인가한다. 일 실시예에서, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는 2N 내지 4N의 범위 내인 예비하중을 일괄하여 생성하도록 구성될 수 있다. 2N 내지 4N의 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 확실하게 예상대로 변형 가능하게 한다. 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 변형할 때, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는 각각 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위를 그의 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4)인 값으로 제한하는 스프링 힘을 햅틱 액추에이터(621) 상에 가한다. 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력되는 변위를 감소시킴으로써, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 힘의 증가를 일괄하여 유발한다. 그 결과, 진동촉감 햅틱 효과가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)에 의해 생성될 때, 진동촉감 햅틱 효과를 수반하는 힘은 예비하중이 없는 햅틱 액추에이터에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되는 상황에 비해 더 강하고 더 많이 인지 가능할 수 있다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)와 마찬가지로, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)는 비교적 높은 주파수에서 작동하고 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)와 유사하게 동작하는 고조파 발진기로서 기능할 수 있다. 동작시, 전원(도 13에는 도시되지 않음)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)에 정현파 구동 신호를 제공할 때, 햅틱 액추에이터(621)는 발진 구동 신호에 의해 유도된 바와 같이 진동한다. 더욱 특히, 햅틱 액추에이터(621)의 동작과 관련하여 전술한 바와 같이, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 비롯될 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 커버(1364) 및 베이스(1366) 양쪽 모두의 움직임 또는 진동을 유발한다. 다른 실시예에서는, 커버(1364) 또는 베이스(1366) 중 하나가 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 기계적 접지로서 작용하도록 구성되어, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 기계적 접지인 것으로 구성되지 않은 다른 대향 구조만의 움직임 또는 진동을 유발한다. 따라서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)는 진동하여 이것이 부착되는 햅틱 가능 디바이스의 하우징 또는 부분에 햅틱 감각을 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 커버(1364) 또는 베이스(1366) 중 하나는 다른 구조가 진동/변위하는 동안 기계적 접지로서 작용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 13의 실시예에서, 제1 스프링 구성요소(1360A)에 부착되는 커버(1364)는 제1 스프링 구성요소(1360A)의 스프링 특성을 통해 기계적 접지로서 작용하도록 구성될 수 있다. 제1 스프링 구성요소(1360A)가 충분히 강성인 것으로 선택될 때, 커버(1364)는 기계적 접지로서 작용하고 이것에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 의해 생성된 힘을 제2 스프링 구성요소(1360A)(축(617)을 따라 압축 가능함) 및 그에 부착된 베이스(1366)에 전달한다. 다시 말하면, 기계적 접지는 본질적으로 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)로부터의 변위를 커버(1364)보다는 베이스(1366)를 향하여 전달하도록 기능한다. 제1 스프링 구성요소(1360A)는 축(617)을 따라 비압축성일 수 있어, 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 팽창할 때, 제2 스프링 구성요소(1360A) 및 그에 부착된 베이스(1366)는 제1 스프링 구성요소(1360)보다 해당 팽창에 대해 훨씬 적은 저항을 제공한다. 그 결과, 햅틱 액추에이터(621)의 팽창의 대부분 또는 전부가 커버(1364)를 향하기보다는 베이스(1366)를 진동 또는 변위시키는 쪽으로 전달될 수 있다. 본원의 다른 실시예에서, 제2 스프링 구성요소(1360B)에 부착되는 베이스(1366)는 제2 스프링 구성요소(1360B)의 스프링 특성을 통해 기계적 접지로서 작용하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 구성요소는 더 효과적인 햅틱 감각을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 더욱 특히, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)의 스프링 상수는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)의 스프링 상수는 서로 다를 수 있고, 커버(1364) 또는 베이스(1366) 중 하나가 기계적 접지로서 작용하는 것으로 구성되고 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위가 기계적 접지인 것으로 구성되지 않은 다른 대향 구조만의 움직임 또는 진동을 유발하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)가 모바일 디바이스의 터치스크린 아래에 배치될 때, 예를 들어 제1 스프링 구성요소(1360A)를 통한 움직임 또는 진동을 가능하게 하면서 제2 스프링 구성요소(1360B)를 통해 기계적 접지를 제공하는 이러한 스프링 상수의 차이(differential spring constants)는 본질적으로 터치스크린을 부유시킬 것이고 사용자가 햅틱 효과를 느끼게 할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)의 스프링 상수는 서로 다를 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)가 기계적 공진을 실현하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)를 통해 조절될 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)는 제1 공진 주파수를 갖고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)는 제2 공진 주파수를 갖고, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수와 다르다. 제2 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)의 함수이거나 또는 이들의 스프링 상수를 통해 결정된다. 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)의 추가로 인해, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 전체 스프링 상수는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 스프링 상수와 다르다. 이와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B) 각각의 스프링 상수에 따라 달라지고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 공진 주파수는 특정 또는 미리 결정된 스프링 구성요소(1360A, 1360B)를 선택함으로써 제어될 수 있다. 다시 말하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)가 출력 힘 및 효과를 증폭시키기 위해 원하는 또는 미리 결정된 공진 주파수를 갖도록, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 공진 주파수를 변화 또는 변경하도록 선택될 수 있다. 공진 주파수를 제어함으로써, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)는 진폭 변조 기술에 의해 광범위한 스펙트럼의 주파수를 제시하기 위해 특정 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)에서 2개의 스프링 구성요소(즉, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B))를 사용하는 것은, 2개의 스프링 구성요소가 시스템의 전체 강성에 기여하기 때문에 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 공진 주파수를 조절하기 위한 광범위한 가능성을 허용한다. 다시 말하면, 시스템의 공진 주파수는, 제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)의 스프링 상수의 다양한 조합에 의해 조율 또는 조절될 수 있는, 시스템의 전체 강성의 함수이다.
제1 스프링 구성요소(1360A) 및 제2 스프링 구성요소(1360B)를 통해 햅틱 액추에이터 어셈블리(1320)의 공진 주파수를 조율 또는 조절하는 것 이외에, 베이스(1366)가 공진 주파수에서 충분한 가속도를 갖는 것을 보장하기 위해서 추가 질량이 베이스(1366)(또는 베이스(1366)가 기계적 베이스인 것으로 구성되고 커버(1364)가 공진하도록 구성되는 경우에는 커버(1364)) 상에 포함될 수 있다. 추가 질량은 베이스(1366)에 미리 결정된 질량의 개별 구성요소를 부착함으로써, 또는 미리 결정된 질량을 갖도록 베이스(1366)를 형성함으로써 베이스(1366) 상에 포함될 수 있다.
도 16a 및 도 16b는, 예비하중, 또는 보다 구체적으로 압축 하중이, 케이싱(1662)의 요소를 함께 해제 가능하게 결합하는 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)를 포함하는 케이싱(1662)에 의해 생성되는 일 실시예를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 16b는 전술한 햅틱 액추에이터(621)뿐만 아니라 예비하중 디바이스(1627)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 측단면도를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)가 햅틱 액추에이터(621)와 함께 도시되고 설명되었지만, 본원에서 설명된 임의의 햅틱 액추에이터가 또한 예비하중 디바이스(1627)와 함께 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스(1627)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 보다 일반적으로 변형에 대항한다.
예비하중 디바이스(1627)는 제1 스프링 구성요소(1660A), 제2 스프링 구성요소(1660B) 및 케이싱(1662)을 포함한다. 케이싱(1662)은 커버(1664) 및 커버(1664)로부터 이격되고 그에 평행하게 연장되는 베이스(1666)를 포함한다. 일 실시예에서, 베이스(1666)는 베이스(1666)의 주연 주위에 배치되고 커버(1664)를 향하는 방향으로 연장되는 측벽(1668)을 포함한다. 측벽(1668)은 베이스(1666)와 커버(1664) 사이에서 연장되지 않고, 커버(1664)와 직접 접촉하지 않는다. 측벽(1668)은 단부 표면(1674)을 획정한다. 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는, 케이싱(1662) 내에 조립하기 전의 커버(1664)의 측면도인 도 16a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 커버(1664)의 각각의 외부 단부(1676)에 각각 부착되어 그로부터 외측으로 연장된다. 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 케이싱(1662)의 대향 단부에 배치된다. 커버(1664)가 베이스(1666) 상에 조립될 때, 도 16b에 도시된 바와 같이, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 각각 베이스(1666)에 해제 가능하게 부착된다. 더욱 특히, 제1 스프링 구성요소(1660A)는 커버(1664)의 외부 단부(1676)와 측벽(1668)의 단부 표면(1674) 사이에서 연장되고, 제2 스프링 구성요소(1660B)는 커버(1664)의 외부 단부(1676)와 측벽(1668)의 단부 표면(1674) 사이에서 연장된다.
커버(1664) 및 베이스(1666)가 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)를 통해 함께 결합되도록 조립된 후에, 케이싱(1662)은 압전 재료층(621a) 및 변위 변환 디바이스(621b-1, 621b-2) 양쪽 모두를 포함한 햅틱 액추에이터(621)를 보유 또는 수용하도록 구성된다. 햅틱 액추에이터(621)는 커버(1664)와 베이스(1666) 사이에 배치되고, 커버(1664) 및 베이스(1666)는 그의 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)의 각각의 대향 단부에 배치된다. 일 실시예에서, 베이스(1666)는 햅틱 액추에이터(621)를 지지하거나, 또는 다시 말하면, 햅틱 액추에이터(621)는 베이스(1166)의 내부 표면 상에 배치된다. 일 실시예에서, 베이스(1666)는 접착제 또는 일부 다른 방식의 부착을 통해 햅틱 액추에이터(621)에 부착될 수 있다.
케이싱(1162)과 관련하여 전술한 바와 같이, 케이싱(1662)은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)를 자립형 디바이스로서 제공하도록 기능하며, 이것에 의해 생성된 예비하중은, 예를 들어 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)에 내장되거나 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 내부에 있는 하중이다. 이와 같이, 예비하중 디바이스(1627)에 의해 생성된 예비하중은 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 외부에 있는 사용자 상호작용 또는 영향과 무관한 하중일 수 있다. 예를 들어, 예비하중 디바이스(1627)를 갖는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)가 외부 하중을 거의 내지 전혀 경험하지 않을 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 도 3b와 관련하여 전술한 바와 같이 휴대전화의 백 패널의 내부 표면과 같은, 휴대전화의 배면에 배치될 수 있다. 백 패널은 낮은 질량을 가질 수 있고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120) 상에 1N 미만의 외부 하중을 가할 수 있다. 베이스(1666)의 측벽(1668)은 케이싱(1662)의 전술한 기능을 돕는다. 그러나, 일 실시예에서는, 측벽(1668) 중 하나 이상이 생략될 수 있다. 또한, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및/또는 제2 스프링 구성요소(1660B)는, 스프링 구성요소가 측벽이 생략된 위치에 배치되는 경우에 커버(1664)와 베이스(1666) 사이에서 연장될 수 있다. 또한, 측벽(1668)은 커버(1664) 및/또는 베이스(1666)의 전체 길이 또는 폭을 연장할 필요가 없다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각 측벽(1668)은 칼럼 구성을 가질 수 있고, 예를 들어 커버(1664)와 베이스(1666)의 코너 사이에 배치될 수 있다.
제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 일괄하여 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창에 대항한다. 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는, 엘라스토머, 나선형 또는 코일형 스프링, 리프 스프링, 판 스프링, 웨이브 와셔, 스냅 돔 스프링, 또는 고무, 폼 또는 플렉서와 같은 컴플라이언트 요소를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 원하는 압축력을 가하기 위한 스프링 특성을 갖는 임의의 유형의 스프링 요소일 수 있다. 또한, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B) 각각에 대해 도 16에는 단일의 스프링 요소가 도시되어 있지만, 일부 구현예에서는, 원하는 압축력을 가하기 위해 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B) 각각에 대해 다수의 스프링 구성요소가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
예비하중을 생성하기 위해서, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 각각 햅틱 액추에이터(621)에 대해 커버(1664) 및 베이스(1666)를 가압하기 위한 견인 스프링 힘을 제공한다. 다시 말하면, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 각각 커버(1664) 및 베이스(1666)를 서로를 향하여 가압하기 위한 힘을 인가하는 인장재(tensioner)인 것으로 간주될 수 있다. 종국에는, 이것에 의해 커버(1664) 및 베이스(1666)가 햅틱 액추에이터(621)에 대해 원하는 압축력을 가하여 예비하중을 생성한다. 일 실시예에서, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 2N 내지 4N의 범위 내인 예비하중을 일괄하여 생성하도록 구성될 수 있다. 2N 내지 4N의 범위 내의 예비하중은 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 확실하게 예상대로 변형 가능하게 한다. 햅틱 액추에이터(621)가 인가된 전위에 응답하여 변형할 때, 햅틱 액추에이터(621) 상에 가해진 예비하중은 햅틱 액추에이터(621)로부터의 변위를 그의 정격 변위의 분율(예를 들어, 1/2, 3/4)인 값으로 제한한다. 햅틱 액추에이터(621)로부터 출력된 변위를 감소시킴으로써, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력된 힘의 증가를 일괄하여 유발하도록 구성된다. 그 결과, 진동촉감 햅틱 효과가 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)에 의해 생성될 때, 진동촉감 햅틱 효과를 수반하는 힘은 예비하중이 없는 햅틱 액추에이터에 의해 진동촉감 햅틱 효과가 생성되는 상황에 비해 더 강하고 더 많이 인지 가능할 수 있다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)와 마찬가지로, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 비교적 높은 주파수에서 작동하고 햅틱 액추에이터 어셈블리(1120)와 유사하게 동작하는 고조파 발진기로서 기능할 수 있다. 동작시, 전원(도 16에는 도시되지 않음)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)에 정현파 구동 신호를 제공할 때, 햅틱 액추에이터(621)는 발진 구동 신호에 의해 유도된 바와 같이 진동한다. 더욱 특히, 햅틱 액추에이터(621)의 동작과 관련하여 전술한 바와 같이, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 비롯될 수 있다. 일 실시예에서, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 커버(1664) 및 베이스(1666) 양쪽 모두의 움직임 또는 진동을 유발한다. 다른 실시예에서는, 커버(1664) 또는 베이스(1666) 중 하나가 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 기계적 접지로서 작용하도록 구성되어, 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 변위는 기계적 접지인 것으로 구성되지 않은 다른 대향 구조만의 움직임 또는 진동을 유발한다. 따라서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 진동하여 이것이 부착되는 햅틱 가능 디바이스의 하우징 또는 부분에 햅틱 감각을 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 커버(1664) 또는 베이스(1666) 중 하나는 다른 구조가 진동/변위하는 동안 기계적 접지로서 작용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 커버(1664) 또는 베이스(1666) 중 하나는 기계적 접지로서 작용하도록 구성되기에 적합한 영률 및/또는 두께를 갖는 비교적 더 강성인 재료의 것일 수 있다. 기계적 접지(즉, 커버(1664) 또는 베이스(1666) 중 하나)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 생성된 힘을 다른 평면형 요소(즉, 커버(1664) 또는 베이스(1666) 중 다른 하나)에 전달한다. 다시 말하면, 기계적 접지는 본질적으로 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)로부터의 변위를 다른 평면형 요소를 향하여 전달하도록 기능한다. 그 결과, 햅틱 액추에이터(621)의 팽창의 대부분 또는 전부가 다른 평면형 요소를 진동 또는 변위시키는 쪽으로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 구성요소는 더 효과적인 햅틱 감각을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 더욱 특히, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)의 스프링 상수는 각각의 스프링 구성요소를 조율하고 이에 따라 햅틱 효과를 조절하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 기계적 공진을 실현하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)를 통해 조절될 수 있다. 햅틱 액추에이터(621)는 제1 공진 주파수를 갖고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 제2 공진 주파수를 갖고, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수와 다르다. 제2 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)의 함수이거나 또는 이들의 스프링 상수를 통해 결정된다. 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)의 추가로 인해, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 전체 스프링 상수는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 스프링 상수와 다르다. 이와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B) 각각의 스프링 상수에 따라 달라지고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 공진 주파수는 특정 또는 미리 결정된 스프링 구성요소(1660A, 1660B)를 선택함으로써 제어될 수 있다. 다시 말하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)가 출력 힘 및 효과를 증폭시키기 위해 원하는 또는 미리 결정된 공진 주파수를 갖도록, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 공진 주파수를 변화 또는 변경하도록 선택될 수 있다. 공진 주파수를 제어함으로써, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)는 진폭 변조 기술에 의해 광범위한 스펙트럼의 주파수를 제시하기 위해 특정 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)를 통해 햅틱 액추에이터 어셈블리(1620)의 공진 주파수를 조율 또는 조절하는 것 이외에, 이동식 평면형 요소가 공진 주파수에서 충분한 가속도를 갖는 것을 보장하기 위해서 추가 질량이 이동식 평면형 요소(즉, 기계적 접지인 것으로 구성되지 않은 커버(1664) 또는 베이스(1664) 중 하나) 상에 포함될 수 있다. 추가 질량은 미리 결정된 질량의 개별 구성요소를 부착함으로써, 또는 미리 결정된 질량을 갖도록 이동식 평면형 요소를 형성함으로써 이동식 평면형 요소 상에 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)의 스프링 상수는 서로 다를 수 있다. 더욱 특히, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)가 상이한 스프링 상수를 갖고 햅틱 액추에이터(621)가 축(617)을 따라 팽창하거나 그렇지 않으면 변위를 생성할 때, 베이스(1666) 및/또는 커버(1664)의 변위는 그의 질량 중심에 대해 중심에서 벗어나고(off-center), 따라서 베이스(1666) 및/또는 커버(1664)의 질량 중심에 대한 토크(모멘트라고도 칭함)를 생성할 수 있다. 따라서, 베이스(1666) 및/또는 커버(1664)는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 밀릴 때 그의 질량 중심 주위에 약간의 회전을 나타낼 수 있다. 다시 말하면, 제1 스프링 구성요소(1660A) 및 제2 스프링 구성요소(1660B)가 상이한 스프링 상수를 가질 때, 베이스(1666) 및/또는 커버(1664)의 일부는 햅틱 액추에이터(621)에 의해 밀릴 때에 레버로서 작용할 수 있다. 이 레버 구성은 햅틱 액추에이터(621) 및 베이스(1666) 및/또는 커버(1664)의 움직임에 의해 생성된 햅틱 효과를 향상시킬 수 있다.
도 17은 예비하중, 또는 보다 구체적으로 압축 하중이, 햅틱 액추에이터(621)를 햅틱 가능 디바이스의 기존의 구성요소에 통합함으로써 생성되고, 어셈블리의 공진 주파수를 조율하기 위한 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)를 더 포함하는 일 실시예를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 17은 전술한 햅틱 액추에이터(621)뿐만 아니라 예비하중 디바이스(1727)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)의 측단면도를 도시한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)가 햅틱 액추에이터(621)와 함께 도시되고 설명되었지만, 본원에서 설명된 임의의 햅틱 액추에이터가 또한 예비하중 디바이스(1727)와 함께 사용될 수 있다. 예비하중 디바이스(1727)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창, 또는 보다 일반적으로 변형에 대항한다.
도 17의 실시예에서, 예비하중 디바이스(1727)는 햅틱 가능 디바이스의 배터리(1780)의 구성요소를 포함한다. 그러나, 예비하중 디바이스(1727)가 배터리 부품 또는 구성요소로 설명되었지만, 이것은 단지 햅틱 가능 디바이스의 기존의 구성요소 내에서 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)를 구현하는 방법의 일례일 뿐이며, 햅틱 가능 디바이스의 다른 기존의 구성요소가 마찬가지로 사용될 수 있다. 배터리(1780)는 커버(1764) 및 커버(1764)로부터 이격되고 그에 평행하게 연장되는 베이스(1766)를 포함한다. 일 실시예에서, 배터리(1780)의 커버(1764) 및/또는 베이스(1766)는 인쇄 회로 기판일 수 있다. 배터리(1780)는 압전 재료층(621a) 및 변위 변환 디바이스(621b-1, 621b-2) 양쪽 모두를 포함한 햅틱 액추에이터(621)를 하우징 또는 수용하도록 구성된다. 햅틱 액추에이터(621)는 커버(1764)와 베이스(1766) 사이에 배치되고, 커버(1764) 및 베이스(1766)는 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)의 각각의 대향 단부에 배치된다. 일 실시예에서, 베이스(1766)는 햅틱 액추에이터(621)를 지지하거나, 또는 다시 말하면, 햅틱 액추에이터(621)는 베이스(1766)의 내부 표면 상에 배치된다. 일 실시예에서, 베이스(1766)는 접착제 또는 일부 다른 방식의 부착을 통해 햅틱 액추에이터(621)에 부착될 수 있다.
제1 스프링 구성요소(1760A)는, 제1 단부(1761A)가 커버(1764)의 내부 표면에 결합되고 제2 대향 단부(1761B)가 베이스(1766)의 내부 표면에 결합되도록 배치된다. 마찬가지로, 제2 스프링 구성요소(1760B)는, 제1 단부(1761C)가 커버(1764)의 내부 표면에 결합되고 제2 대향 단부(1761D)가 베이스(1766)의 내부 표면에 결합되도록 배치된다. 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)는 이들의 기능적 동작만을 나타내기 위해 예시 목적으로 나선형 요소로서 도시되어 있으며, 이 묘사가 실제 물리적 형상을 기술하거나 한정하려는 것으로 의도되어 있지 않다. 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)는, 엘라스토머, 나선형 또는 코일형 스프링, 리프 스프링, 판 스프링, 웨이브 와셔, 스냅 돔 스프링, 또는 고무, 폼 또는 플렉서와 같은 컴플라이언트 요소를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 햅틱 액추에이터(1720)의 공진 주파수를 조율하기 위한 스프링 특성을 갖는 임의의 유형의 스프링 요소일 수 있다.
도 17의 실시예에서, 베이스(1766)는 기계적 접지로서 작용하도록 구성되고, 커버(1764)는 햅틱 액추에이터(621)를 프리로딩하는 데 필요한 질량을 제공한다. 다시 말하면, 이 실시예에서, 커버(1764)의 질량은 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621) 상에 압축 하중을 생성하도록 구성되고, 압축 하중은 축(617)을 따른 햅틱 액추에이터(621)의 팽창에 대항한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)는 비교적 높은 주파수에서 작동하는 고조파 발진기로서 기능할 수 있다. 동작시, 전원(도 17에는 도시되지 않음)이 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)에 정현파 구동 신호를 제공할 때, 햅틱 액추에이터(621)는 발진 구동 신호에 의해 유도된 바와 같이 진동한다. 더욱 특히, 햅틱 액추에이터(621)의 동작과 관련하여 전술한 바와 같이, 축(617)을 따라 햅틱 액추에이터(621)에 의해 출력되는 변위는 햅틱 액추에이터(621)의 팽창 또는 수축으로부터 비롯될 수 있다. 따라서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)는 진동하여, 이것이 부착되는 배터리(1780)에 햅틱 감각을 제공한다.
햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)는 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)를 통해 기계적 공진을 실현하도록 구성된다. 더욱 특히, 햅틱 액추에이터(621)는 제1 공진 주파수를 갖고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)는 제2 공진 주파수를 갖고, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수와 다르다. 제2 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)의 함수이거나 또는 이들의 스프링 상수를 통해 결정된다. 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)의 추가로 인해, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)의 전체 스프링 상수는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 스프링 상수와 다르다. 이와 같이, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)의 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B) 각각의 스프링 상수에 따라 달라지고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)의 공진 주파수는 특정 또는 미리 결정된 스프링 구성요소(1760A, 1760B)를 선택함으로써 제어될 수 있다. 다시 말하면, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)가 출력 힘 및 효과를 증폭시키기 위해 원하는 또는 미리 결정된 공진 주파수를 갖도록, 제1 스프링 구성요소(1760A) 및 제2 스프링 구성요소(1760B)는 햅틱 액추에이터(621) 단독의 공진 주파수를 변화 또는 변경하도록 선택될 수 있다. 공진 주파수를 제어함으로써, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720)는 진폭 변조 기술에 의해 광범위한 스펙트럼의 주파수를 제시하기 위해 특정 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1420, 1320, 1120)의 전체 두께는 2mm 내지 10mm의 범위 내일 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어 50V 내지 100V의 전압 차가 햅틱 액추에이터(621)의 2개의 전극에 인가될 때, 및 압축 하중 또는 다른 예비하중이 예비하중 디바이스(1727, 1627, 1527, 1427, 1327, 1127)에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 인가될 때, 햅틱 액추에이터(621)는 (햅틱 액추에이터(621)에 전압 차가 인가되지 않은 기준 상태에 비해) 5㎛ 내지 15㎛의 범위 내인 변위를 출력하고, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1420, 1320, 1120)는 2N 내지 10N의 범위 내인 힘을 축(617)을 따라 출력하도록 구성된다.
일 실시예에서, 햅틱 액추에이터(621)에 인가되는 전압 차가, 예를 들어 50V와 100V 사이일 때, 및 압축 하중이 예비하중 디바이스(1727, 1627, 1527, 1427, 1327, 1127)에 의해 햅틱 액추에이터(621)에 인가될 때, 햅틱 액추에이터는 (기준 상태에 비해) 햅틱 액추에이터(621)에 대한 정의된 공칭 변위의 25% 내지 50%의 범위 내인 변위를 출력하고, 공칭 변위는 전압 차에 특유할 수 있다. 또한, 이 예에서, 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1420, 1320, 1120)는 햅틱 액추에이터(621)에 대한 정의된 차단력의 50% 내지 75%의 범위 내인 힘을 축(617)을 따라 출력하도록 구성될 수 있고, 차단력은 또한 전압 차에 특유할 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(130, 1130)은 각각의 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1420, 1320, 1120)의 공진 주파수에 있는 햅틱 액추에이터(621)에 대한 구동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 구동 신호는, 예비하중의 존재시에도, 햅틱 액추에이터를 손상시키는 과도한 힘 또는 변위의 생성을 더욱 회피하기 위해서, 정의된 임계값 미만인 진폭(예를 들어, 피크-대-피크 진폭)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(130, 1130)은, 적어도 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1420, 1320, 1120)의 공진 주파수인 제1 주파수 및 햅틱 액추에이터 어셈블리(1720, 1620, 1520, 1420, 1320, 1120)의 공진 주파수가 아닌 제2 주파수를 포함하는 주파수 성분을 갖는 구동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 구동 신호는 제1 주파수를 갖는 제1 성분 및 제2 주파수를 갖는 제2 성분을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제1 성분 및 제2 성분은 구동 신호의 유일한 주파수일 수 있다. 컨트롤 유닛(130, 1130)은 구동 신호의 제1 성분이 정의된 임계값 미만인 제1 진폭을 갖게 할 수 있고(제1 성분이 공진 주파수를 갖기 때문에), 제2 성분이 제1 진폭보다 높고 정의된 임계값을 초과하는 제2 진폭을 갖게 할 수 있다.
다양한 실시예의 추가적인 논의가 이하에 제시된다:
실시예 1은, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리이다. 햅틱 액추에이터는, 평행 축을 따른 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 평행 축은 층의 평면 표면에 평행함 -을 포함하고, 평행 축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 수직 축은 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함한다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다.
예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하고, 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는, 커버 및 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버 및 베이스는 그의 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는, 제1 스프링 구성요소의 제1 단부가 커버의 내부 표면에 결합되고 제1 구성요소의 제2 대향 단부가 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 케이싱 내에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성된다.
실시예 2는, 실시예 1의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터의 변위 변환 디바이스는 압전 재료층에 의한 스트레인에 기인하여 평행 축을 따라 출력된 변위를 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 더 큰 변위로 변환하도록 구성된 변위 증폭 디바이스이다.
실시예 3은 실시예 2의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터의 변위 증폭 디바이스는 평행 축을 따른 변위를 수직 축을 따른 더 큰 변위로 변환하도록 구성된 레버 디바이스를 포함한다.
실시예 4는 실시예 3의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터의 레버 디바이스는 압전 재료층의 각각의 대향 평면 표면 상에 배치된 제1 디스크 및 제2 디스크를 포함하고, 제1 디스크 및 제2 디스크의 각 디스크는 압전 재료층의 각각의 평면 표면과 절두 원뿔을 형성한다.
실시예 5는 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 제1 스프링 구성요소는 스프링 플런저이다.
실시예 6은 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 제1 스프링 구성요소는 나사 및 가요성 필름 구성요소를 포함하고, 나사는 가요성 필름 구성요소의 스프링 힘을 조정하도록 구성된다.
실시예 7은 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 예비하중 디바이스는 제2 스프링 구성요소를 더 포함하고, 제2 스프링 구성요소는 제2 스프링 구성요소의 제1 단부가 베이스의 내부 표면에 결합되고 제2 스프링 구성요소의 제2 대향 단부가 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 케이싱 내에 배치된다. 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성된다.
실시예 8은 실시예 7의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 제1 스프링 구성요소는 제1 스프링 상수를 갖고 제2 스프링 구성요소는 제2 스프링 상수를 갖고, 제1 스프링 상수는 제2 스프링 상수와 다르다.
실시예 9는 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 예비하중 디바이스의 제1 구성요소 및 제2 구성요소에 의해 생성된 수직축을 따른 압축 하중은 2N 내지 4N의 범위 내이다.
실시예 10은 실시예 1 내지 실시예 9 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터는 압전 재료층에 부착되거나 내장되고 수직 축을 따른 전압 차를 생성하도록 구성된 적어도 2개의 전극을 더 포함한다. 압전 재료층은 수직 축을 따른 전압 차에 응답하여 평행 축을 따라 수축하도록 구성된다.
실시예 11은 실시예 10의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 적어도 2개의 전극 사이의 전압 차가 50V와 100V 사이일 때, 및 압축 하중이 예비하중 디바이스에 의해 햅틱 액추에이터에 인가될 때, 햅틱 액추에이터는 적어도 2개의 전극 사이에 전압 차가 없는 기준 상태에 비해, 1㎛ 내지 15㎛의 범위 내인 수직 축을 따른 변위를 출력하고, 햅틱 액추에이터 어셈블리는 2N 내지 10N의 범위 내인 수직 축을 따른 힘을 출력하도록 구성된다.
실시예 12는 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 하나의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 햅틱 액추에이터는 제1 공진 주파수를 갖고 햅틱 액추에이터 어셈블리는 제2 공진 주파수를 갖고, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수와 다르며, 제2 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소의 스프링 상수를 통해 결정된다.
실시예 13은, 햅틱 액추에이터 및 예비하중 디바이스를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리이다. 햅틱 액추에이터는, 평행 축을 따른 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 평행 축은 층의 평면 표면에 평행함 -을 포함하고, 평행 축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 수직 축은 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함한다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다.
예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하고, 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는, 커버, 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱, 제1 스프링 구성요소, 및 제2 스프링 구성요소를 포함한다. 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 커버의 각각의 대향 단부에 배치되고, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소 각각은 커버와 베이스 사이에서 연장된다. 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성된다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버 및 베이스는 그의 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치된다.
실시예 14는 실시예 13의 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하며, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 커버에 부착되고 베이스에 해제 가능하게 부착된다.
실시예 15는, 하우징, 전원, 및 하우징의 외부 표면에서 햅틱 효과를 생성하도록 구성된 햅틱 액추에이터 어셈블리를 포함하는 햅틱 가능 디바이스이다. 햅틱 액추에이터는, 평행 축을 따라 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 평행 축은 층의 평면 표면에 평행함 -을 포함하고, 압전 재료층에 부착되거나 내장되는 적어도 2개의 전극을 포함하며, 평행 축을 따른 압전 재료층의 스트레인을 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 수직 축은 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함한다. 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축은 수직 축을 따른 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성된다.
예비하중 디바이스는 햅틱 액추에이터에 인접하고, 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성된다. 예비하중 디바이스는, 커버 및 커버로부터 이격되고 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱을 포함한다. 햅틱 액추에이터는 커버와 베이스 사이에 배치되고, 커버 및 베이스는 그의 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는, 제1 스프링 구성요소의 제1 단부가 커버의 내부 표면에 결합되고 제1 구성요소의 제2 대향 단부가 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 케이싱 내에 배치된다. 제1 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성된다.
햅틱 가능 디바이스는 전원을 제어하여 햅틱 액추에이터의 적어도 2개의 전극에 전력을 제공하도록 구성된 컨트롤 유닛을 더 포함한다.
실시예 16은 실시예 15의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 햅틱 가능 디바이스의 하우징에 의해 햅틱 액추에이터 어셈블리에 인가되는 임의의 압축 하중은 1N 미만이다.
실시예 17은 하우징의 제1 면을 형성하는 터치스크린 디바이스를 더 포함하는, 실시예 15 또는 실시예 16의 햅틱 가능 디바이스를 포함한다. 하우징은 하우징의 제2 및 대향 면을 형성하는 백 패널을 포함한다. 햅틱 액추에이터 어셈블리는 하우징의 제2 면에 배치되어, 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 생성된 힘이 하우징의 제2 면에 대해 가해진다.
실시예 18은 실시예 15 내지 실시예 17 중 어느 하나의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 컨트롤 유닛은 전원을 제어하여 햅틱 액추에이터에 구동 신호를 제공하도록 구성되고, 구동 신호는 햅틱 액추에이터 어셈블리의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호다.
실시예 19는 실시예 15 내지 실시예 18 중 어느 하나의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 햅틱 액추에이터는 제1 공진 주파수를 갖고 햅틱 액추에이터 어셈블리는 제2 공진 주파수를 갖고, 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수와 다르며, 제2 공진 주파수는 제1 스프링 구성요소의 스프링 상수를 통해 결정된다.
실시예 20은 실시예 15 내지 실시예 19 중 어느 하나의 햅틱 가능 디바이스를 포함하며, 예비하중 디바이스는 제2 스프링 구성요소를 더 포함하고, 제2 스프링 구성요소는 제2 스프링 구성요소의 제1 단부가 베이스의 내부 표면에 결합되고 제2 스프링 구성요소의 제2 대향 단부가 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 케이싱 내에 배치되며, 제1 스프링 구성요소 및 제2 스프링 구성요소는 수직 축을 따라 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성된다.
다양한 실시예가 전술되었지만, 이들은 단지 본 발명의 예시 및 예로서만 제시된 것이며 한정하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않고 형태 및 세부사항의 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 것이 통상의 기술자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 및 범위는 전술한 예시적인 실시예 중 어느 것에 의해서도 한정되지 않아야 하며, 첨부된 청구범위 및 이들의 등가물에 따라서만 정의되어야 한다. 또한, 본원에서 논의된 각 실시예의 각 특징은 임의의 다른 실시예의 특징과 조합하여 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에서 논의된 모든 특허 및 공보는 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.

Claims (20)

  1. 햅틱 액추에이터와 예비하중 디바이스(pre-load device)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리로서,
    상기 햅틱 액추에이터는,
    평행 축을 따른 스트레인(strain)을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 상기 평행 축은 상기 층의 평면 표면(planar surface)에 평행함 -, 및
    상기 평행 축을 따른 상기 압전 재료층의 상기 스트레인을 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 상기 수직 축은 상기 층의 평면 표면에 수직임 -을 포함하고,
    상기 햅틱 액추에이터의 상기 팽창 또는 수축은 상기 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성되며,
    상기 예비하중 디바이스는 상기 햅틱 액추에이터에 인접하고 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는,
    커버 및 상기 커버로부터 이격되고 상기 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱 - 상기 햅틱 액추에이터는 상기 커버와 상기 베이스 사이에 배치되고, 상기 커버 및 상기 베이스는 상기 햅틱 액추에이터의 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치됨 -, 및
    제1 스프링 구성요소 - 상기 제1 스프링 구성요소의 제1 단부가 상기 커버의 내부 표면에 결합되고 상기 제1 스프링 구성요소의 대향하는 제2 단부가 상기 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 제1 스프링 구성요소가 상기 케이싱 내에 배치되고, 상기 제1 스프링 구성요소는 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성됨 - 를 포함하는,
    햅틱 액추에이터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 변위 변환 디바이스는 상기 압전 재료층에 의한 상기 스트레인에 기인하여 상기 평행 축을 따라 출력된 변위를 상기 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 더 큰 변위로 변환하도록 구성된 변위 증폭 디바이스인, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 변위 증폭 디바이스는 상기 평행 축을 따른 상기 변위를 상기 수직 축을 따른 상기 더 큰 변위로 변환하도록 구성된 레버 디바이스를 포함하는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 레버 디바이스는 상기 압전 재료층의 각각의 대향 평면 표면 상에 배치된 제1 디스크 및 제2 디스크를 포함하고, 상기 제1 디스크 및 상기 제2 디스크의 각 디스크는 상기 압전 재료층의 각각의 평면 표면과 절두 원뿔(truncated cone)을 형성하는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 스프링 구성요소는 스프링 플런저인, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 스프링 구성요소는 나사 및 가요성 필름 구성요소를 포함하고, 상기 나사는 상기 가요성 필름 구성요소의 스프링 힘을 조정하도록 구성되는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 예비하중 디바이스는 제2 스프링 구성요소를 더 포함하며,
    상기 제2 스프링 구성요소의 제1 단부가 상기 베이스의 내부 표면에 결합되고 상기 제2 스프링 구성요소의 대항하는 제2 단부가 상기 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 상기 제2 스프링 구성요소가 상기 케이싱 내에 배치되고, 상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소는 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성되는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 스프링 구성요소는 제1 스프링 상수를 갖고 상기 제2 스프링 구성요소는 제2 스프링 상수를 갖고, 상기 제1 스프링 상수는 상기 제2 스프링 상수와 다른, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 예비하중 디바이스의 상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소에 의해 생성된 상기 수직 축을 따른 상기 압축 하중은 2N 내지 4N의 범위 내인, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터는, 상기 압전 재료층에 부착되거나 내장되고 상기 수직 축을 따른 전압 차를 생성하도록 구성된 적어도 2개의 전극을 더 포함하고, 상기 압전 재료층은 상기 수직 축을 따른 전압 차에 응답하여 상기 평행 축을 따라 수축하도록 구성되는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전극 사이의 상기 전압 차가 50V와 100V 사이일 때 및 상기 압축 하중이 상기 예비하중 디바이스에 의해 상기 햅틱 액추에이터에 인가될 때, 상기 햅틱 액추에이터는 상기 적어도 2개의 전극 사이에 전압 차가 없는 기준 상태(baseline state)에 비해, 1㎛ 내지 15㎛의 범위 내인 상기 수직 축을 따른 변위를 출력하고, 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 2N 내지 10N의 범위 내인 상기 수직 축을 따른 힘을 출력하도록 구성되는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터는 제1 공진 주파수를 갖고 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 제2 공진 주파수를 갖고, 상기 제2 공진 주파수는 상기 제1 공진 주파수와 다르며, 상기 제2 공진 주파수는 상기 제1 스프링 구성요소의 스프링 상수를 통해 결정되는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  13. 햅틱 액추에이터와 예비하중 디바이스(pre-load device)를 포함하는 햅틱 액추에이터 어셈블리로서,
    상기 햅틱 액추에이터는,
    평행 축을 따른 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 상기 평행 축은 상기 층의 평면 표면에 평행함 -, 및
    상기 평행 축을 따른 상기 압전 재료층의 상기 스트레인을 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 상기 수직 축은 상기 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함하고,
    상기 햅틱 액추에이터의 상기 팽창 또는 수축은 상기 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는 상기 햅틱 액추에이터에 인접하고 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성되며,
    상기 예비하중 디바이스는,
    커버, 상기 커버로부터 이격되고 상기 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱, 제1 스프링 구성요소, 및 제2 스프링 구성요소를 포함하고, 상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소는 상기 커버의 각각의 대향 단부에 배치되며, 상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소 각각은 상기 커버와 상기 베이스 사이에서 연장되고,
    상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소는 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성되며,
    상기 햅틱 액추에이터는 상기 커버와 상기 베이스 사이에 배치되고, 상기 커버 및 상기 베이스는 햅틱 액추에이터의 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치되는,
    예비하중 디바이스를 포함하는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소는 상기 커버에 부착되고 상기 베이스에 해제 가능하게 부착되는, 햅틱 액추에이터 어셈블리.
  15. 하우징; 전원; 햅틱 액추에이터 어셈블리; 및 컨트롤 유닛을 포함하는 햅틱 가능 디바이스로서,
    상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 햅틱 액추에이터와 예비하중 디바이스(pre-load device)를 포함하고, 상기 하우징의 외부 표면에서 햅틱 효과를 생성하도록 구성되며,
    상기 햅틱 액추에이터는,
    평행 축을 따른 스트레인을 생성하도록 구성된 압전 재료층 - 상기 평행 축은 상기 층의 평면 표면에 평행함 -,
    상기 압전 재료층에 부착되거나 내장된 적어도 2개의 전극, 및
    상기 평행 축을 따른 상기 압전 재료층의 상기 스트레인을 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 팽창 또는 수축으로 변환하도록 구성된 변위 변환 디바이스 - 상기 수직 축은 상기 층의 평면 표면에 수직임 -를 포함하고, 상기 햅틱 액추에이터의 상기 팽창 또는 수축은 상기 수직 축을 따른 상기 햅틱 액추에이터의 변위를 생성하도록 구성되고,
    상기 예비하중 디바이스는 상기 햅틱 액추에이터에 인접하고 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 압축 하중을 생성하도록 구성되며,
    상기 예비하중 디바이스는
    커버 및 상기 커버로부터 이격되고 상기 커버에 평행하게 연장되는 베이스를 갖는 케이싱 - 상기 햅틱 액추에이터는 상기 커버와 상기 베이스 사이에 배치되고, 상기 커버 및 상기 베이스는 상기 햅틱 액추에이터의 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터의 각각의 대향 단부에 배치됨 -, 및
    제1 스프링 구성요소를 포함하며, 상기 제1 스프링 구성요소는 상기 제1 스프링 구성요소의 제1 단부가 상기 커버의 내부 표면에 결합되고 상기 제1 스프링 구성요소의 대항하는 제2 단부가 상기 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 상기 케이싱 내에 배치되고, 상기 제1 스프링 구성요소는 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위해 힘을 가하도록 구성되고,
    상기 컨트롤 유닛은 상기 전원을 제어하여 상기 햅틱 액추에이터의 상기 적어도 2개의 전극에 전력을 제공하도록 구성되는, 햅틱 가능 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 햅틱 가능 디바이스의 상기 하우징에 의해 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리에 인가되는 압축 하중은 1N 미만인, 햅틱 가능 디바이스.
  17. 제15항에 있어서, 상기 하우징의 제1 면을 형성하는 터치스크린 디바이스를 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 하우징의 제2 및 대향 면을 형성하는 백 패널을 포함하며, 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 상기 하우징의 상기 제2 면에 배치되어, 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리에 의해 생성된 힘이 상기 하우징의 상기 제2 면에 대해 가해지는, 햅틱 가능 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은 상기 전원을 제어하여 상기 햅틱 액추에이터에 구동 신호를 제공하도록 구성되고, 상기 구동 신호는 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 주기적 신호인, 햅틱 가능 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 햅틱 액추에이터는 제1 공진 주파수를 갖고 상기 햅틱 액추에이터 어셈블리는 제2 공진 주파수를 갖고, 상기 제2 공진 주파수는 상기 제1 공진 주파수와 다르며, 상기 제2 공진 주파수는 상기 제1 스프링 구성요소의 스프링 상수를 통해 결정되는, 햅틱 가능 디바이스.
  20. 제15항에 있어서, 상기 예비하중 디바이스는 제2 스프링 구성요소를 더 포함하며,
    상기 제2 스프링 구성요소의 제1 단부가 상기 베이스의 내부 표면에 결합되고 상기 제2 스프링 구성요소의 대항하는 제2 단부가 상기 햅틱 액추에이터의 외부 표면에 결합되도록 상기 제2 스프링 구성요소가 상기 케이싱 내에 배치되고, 상기 제1 스프링 구성요소 및 상기 제2 스프링 구성요소는 상기 수직 축을 따라 상기 햅틱 액추에이터에 상기 압축 하중을 생성하기 위해 일괄하여 힘을 가하도록 구성되는, 햅틱 가능 디바이스.
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