KR20200112750A - 진동 액추에이터 및 이를 이용한 촉감 모사 방법 - Google Patents

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KR20200112750A
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이우훈
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 하우징; 상기 하우징에 설치되며, 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열된 코일과 상기 코일에 대응되는 영구자석; 및 상기 코일에 전류를 공급하는 전원부;를 포함하고, 상기 코일과 상기 영구자석 중 하나는 이동 가능하게 설치되되, 탄성 부재에 의해 상기 하우징과 연결되어 위치 복원력을 가진다.

Description

진동 액추에이터 및 이를 이용한 촉감 모사 방법 {VIBRATING ACTUATOR AND METHOD FOR SIMULATING HAPTIC FEEDBACK USING THE SAME}
본 발명은 진동 액추에이터 및 이를 이용한 촉감 모사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다차원의 방향성 진동을 생성하는 진동 액추에이터 및 이를 이용한 촉감 모사 방법에 관한 것이다.
최근 가상 현실(VR: Virtual Reality)과 증강 현실(AR: Augmented Reality)에 대한 관심이 증가함에 따라, 사용자가 단순한 시각적 경험보다 손으로 가상 이미지를 만지고 느낄 수 있는 웨어러블 햅틱 장치에 대한 필요성이 증대되고 있다.
특히, 웨어러블 햅틱 장치의 소형화를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 또한, 가상 현실과 증강 현실을 사용하는 사용자에게 보다 실감나는 경험을 제공하기 위한 노력이 활발히 이루어지고 있다.
가상 현실과 증강 현실에서 사용자가 가상의 촉각을 실감나게 경험하기 위해서는, 다차원의 방향성을 가진 촉각을 생성할 필요가 있으며, 물체를 만질 때 느낄 수 있는 마찰력, 컴플라이언스(compliance), 텍스처(texture) 등의 섬세한 촉각을 모사할 수 있는 웨어러블 햅틱 장치의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 측면은, 다차원의 방향성 진동을 생성할 수 있는 진동 액추에이터를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면은, 다차원의 방향성 진동을 생성하는 진동 액추에이터를 이용하여 다양한 촉감 정보를 모사하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 하우징; 상기 하우징에 설치되며, 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열된 코일과 상기 코일에 대응되는 영구자석; 및 상기 코일에 전류를 공급하는 전원부;를 포함하고, 상기 코일과 상기 영구자석 중 하나는, 이동 가능하게 설치되되, 탄성 부재에 의해 상기 하우징과 연결되어 위치 복원력을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 제 1 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 1 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 1 연결 부재; 상기 제 1 축 방향과 직교하는 제 2 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 2 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 2 연결 부재; 상기 제 1 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 1 코일; 상기 제 2 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 2 코일; 상기 제 1 축 방향으로 상기 한 쌍의 제 1 코일과 마주보고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 1 영구자석; 상기 제 2 축 방향으로 상기 한 쌍의 제 2 코일과 마주보고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 2 영구자석; 및 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재와 연결되어 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재의 움직임과 연동되는 엔드 이펙터;를 포함한다.
상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재는 각각 제 1 탄성 부재 및 제 2 탄성 부재에 의해 상기 하우징과 연결될 수 있다.
상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는, 각각 막대 형태를 가지며, 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재의 이동 가능한 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재를 관통하여 상기 하우징과 결합될 수 있다.
상기 엔드 이펙터는 상기 하우징의 외부로 노출되고 상기 제 1 축 방향 및 상기 제 2 축 방향과 나란한 평면 상에서 이동 가능할 수 있다.
상기 엔드 이펙터는, 상기 제 2 축 방향으로 연장되어 상기 제 1 연결 부재를 관통하는 제 1 봉 부재를 통해 상기 제 1 연결 부재와 연결되고, 상기 제 1 축 방향으로 연장되어 상기 제 2 연결 부재를 관통하는 제 2 봉 부재를 통해 상기 제 2 연결 부재와 연결될 수 있다.
상기 하우징은, 상기 제 1 연결 부재의 이동을 가이드 하도록 상기 제 1 축 방향으로 연장되어 상기 제 1 연결 부재가 안착되는 제 1 가이드 홈, 및 상기 제 2 연결 부재의 이동을 가이드 하도록 상기 제 2 축 방향으로 연장되어 상기 제 2 연결 부재가 안착되는 제 2 가이드 홈이 구비될 수 있다.
상기 제 1 축 방향 및 상기 제 2 축 방향과 직교하는 제 3 축 방향으로 배열되는 제 3 코일 및 상기 제 3 코일과 대응되는 제 3 영구자석;을 더 포함할 수 있다.
상기 제 3 축 방향으로 이동 가능하도록 상기 하우징에 설치된 지지판에 상기 제 3 코일이 고정되고, 상기 제 3 영구자석은 상기 제 3 축 방향으로 상기 제 3 코일과 마주보며 상기 하우징에 고정될 수 있다.
상기 엔드 이펙터는 상기 지지판의 움직임과 연동되도록 상기 지지판과 연결될 수 있다.
상기 엔드 이펙터는, 상기 하우징의 외부로 노출되는 진동 전달 부재; 상기 지지판 상에 지지되는 베이스 부재; 및 상기 진동 전달 부재와 상기 베이스 부재를 연결하는 프레임 부재를 포함할 수 있다.
상기 지지판은 상기 제 3 축 방향으로 연장된 제 3 탄성 부재에 의하여 상기 하우징에 연결될 수 있다.
상기 하우징에는 상기 제 3 축 방향으로 연장된 제 3 봉 부재가 돌출되며, 상기 지지판의 이동을 가이드 하도록 상기 제 3 봉 부재는 상기 제 3 탄성 부재를 사이에 두고 상기 지지판을 관통할 수 있다.
상기 프레임 부재는 상기 제 3 축 방향으로 연장되어 상기 하우징의 일측을 관통하고, 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재는 상기 프레임 부재에 연결될 수 있다.
상기 지지판 및 상기 베이스 부재는 각각 상기 제 3 축 방향에 수직한 평판 형태를 가지고, 서로 나란하게 배열되며, 상기 지지판 및 상기 베이스 부재 사이에는 마찰력 감소 부재가 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 제 1 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 1 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 3 연결 부재; 상기 제 1 축 방향과 직교하는 제 2 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 2 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 4 연결 부재; 상기 제 3 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 4 영구자석; 상기 제 4 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 5 영구자석; 상기 한 쌍의 제 4 영구자석과 대응되고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 4 코일; 및 상기 한 쌍의 제 5 영구자석과 대응되고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 5 코일;을 포함한다.
상기 제 3 연결 부재 및 상기 제 4 연결 부재는 각각 상기 한 쌍의 제 4 코일 및 상기 한 쌍의 제 5 코일을 관통하여 양 단부가 상기 하우징의 외측으로 돌출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용한 촉감 모사 방법은, 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열된 코일과 상기 코일에 대응되는 영구자석, 및 상기 코일에 전류를 공급하는 전원부를 포함하는 진동 액추에이터를 이용하여 촉감을 모사하는 방법으로서, 상기 전원부를 통해 상기 코일에 소정 패턴의 전압을 인가하여, 상기 코일 또는 상기 영구자석을 진동시킨다.
상기 코일 또는 상기 영구자석을 진동시키되, 상기 코일 또는 상기 영구자석이 진동하는 방향에서 (-) 방향에 비해 (+) 방향으로 움직이는 속도를 빠르게 하여 (+) 방향으로 작용하는 힘을 모사할 수 있다.
가속도 센서가 부착된 수집 도구로 타겟 물체의 표면을 긁어서 상기 수집 도구의 진동에 의한 가속도 변화 데이터를 수집하는 단계; 상기 수집된 가속도 변화 데이터에 기초하여 전압 패턴을 연산하는 단계; 및 상기 연산된 전압 패턴을 상기 코일에 인가하여 상기 코일 또는 상기 영구자석을 진동시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다축 방향으로 배열된 코일과 영구자석 간에 작용하는 전자기력을 이용함으로써, 다차원의 방향성 진동을 생성할 수 있다.
또한, 다차원의 방향성 진동을 생성하는 진동 액추에이터를 이용함으로써, 마찰력, 컴플라이언스, 텍스쳐 등의 다양한 촉감을 모사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진동 액추에이터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진동 액추에이터의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터의 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터가 구동되는 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터가 구동되는 모습을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 비대칭 진동을 생성하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 컴플라이언스를 모사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 다양한 물체의 텍스처를 모사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는 방향성 진동, 다시 말해 진동의 방향을 통제할 수 있는 진동을 생성할 수 있다. 따라서, 특정 방향으로의 진동을 인위적으로 생성할 수 있고, 진동의 방향을 제어할 수 있다.
이를 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 서로 짝을 이루어 배열된 코일과 영구자석을 포함하고, 코일에 전류를 인가하는 전원부가 구비된다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 전류가 흐르는 코일과 영구자석 간에 작용하는 전자기력에 의하여 코일 또는 영구자석이 특정 방향으로 힘(로렌츠 힘)을 받게 되는 원리를 이용하여 구동된다. 이 때, 서로 짝을 이루는 코일과 영구자석이 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열되기 때문에, 방향성을 갖는 진동을 생성할 수 있다.
보다 상세히, 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 하우징과, 하우징에 설치되되 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열되는 코일과 그 코일에 대응되는 영구자석과, 코일에 전류(또는 전압)를 공급하는 전원부를 포함한다.
이 때, 코일과 영구자석 중 하나는 하우징에 이동 가능하게 설치되되, 탄성을 가지는 탄성 부재에 의해 하우징과 연결될 수 있다. 이에 따라, 코일 또는 영구자석이 전자기력에 의해 이동되더라도 탄성 부재에 의해 위치 복원력을 가질 수 있으므로, 코일에 공급하는 전류(또는 전압)를 차단하면 이동된 코일 또는 영구자석이 원래의 위치로 돌아갈 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예를 도면을 통해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진동 액추에이터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진동 액추에이터의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진동 액추에이터(100)는 2차원의 방향성 진동을 생성하는 액추에이터이다. 하우징(110) 내부에 서로 직교하는 두 축(x축 및 y축) 방향으로 각각 이동 가능한 제 1, 2 연결 부재(121, 122)가 설치되고, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)에 각각 코일(131, 132)이 구비되며, 코일(131, 132)에 인접하여 대응되는 영구자석(141, 142)이 배치된다. 이를 통해, 2차원의 방향성 진동을 생성할 수 있고, 생성된 2차원의 방향성 진동은 하우징(110) 외부로 노출된 엔드 이펙터(150)로 전달될 수 있다.
하우징(110)은 진동 액추에이터(100)의 외부를 둘러싸는 부분으로, 내부에는 코일 및 영구자석 등의 구성들을 수용할 수 있다. 다만, 엔드 이펙터(150)는 하우징(110)의 외부로 노출되어 하우징(110) 내부의 코일 및 영구자석 간의 전자기력에 의한 진동을 외부로 전달할 수 있다.
하우징(110)은 내부의 구성들을 커버할 수 있으며, 예를 들어, 전체적으로 직육면체 또는 입방체(cube) 형태를 가질 수 있다. 이 때, 일면 측으로는 엔드 이펙터(150)가 돌출될 수 있다. 또한, 하우징(110)은 복수의 부품으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하우징(110)은 제 1 하우징(111) 및 제 2 하우징(112)을 포함할 수 있으며, 내부에 코일과 영구자석을 수용하도록, 제 1 하우징(111) 및 제 2 하우징(112) 간 상호 결합될 수 있다.
전술한 코일과 영구자석 간의 전자기력에 의해 발생되는 서로 직교하는 두 축 방향의 변위는 제 1, 2 연결 부재(121, 122)로 전달될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 연결 부재(121)는 제 1 축(x축) 방향으로 연장되는 형태이고, 하우징(110) 내부에 제 1 축 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예를 들어, 하우징(110) 내에 제 1 연결 부재(121)의 이동을 가이드하는 제 1 가이드 홈(117)이 제 1 축 방향으로 형성될 수 있으며, 제 1 연결 부재(121)는 제 1 가이드 홈(117)에 안착될 수 있다.
제 1 연결 부재(121)에는 제 1 코일(131)이 설치될 수 있고, 제 1 코일(131)에 대응되는 제 1 영구자석(141)이 제 1 축 방향으로 제 1 코일(131)과 마주보게 하우징(110)에 설치될 수 있다. 즉, 제 1 코일(131)에 전류(또는 전압)가 인가되면, 제 1 코일(131)과 제 1 영구자석(141) 간의 전자기력에 의한 로렌츠 힘(Lorentz force)이 제 1 연결 부재(121)에 전달되어, 제 1 연결 부재(121)가 제 1 축 방향으로 이동될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제 1 코일(131)은 한 쌍(2개)으로 구성될 수 있으며, 제 1 연결 부재(121)의 양 단부에는 각각 제 1 코일(131)이 설치될 수 있다. 또한, 한 쌍의 제 1 코일(131)과 제 1 축 방향으로 마주보도록 하우징(110) 내에 한 쌍의 제 1 영구자석(141)이 설치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 2 연결 부재(122)는 제 1 축(x축)과 직교하는 제 2 축(y축) 방향으로 연장되는 형태이고, 하우징(110) 내부에 제 2 축 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예를 들어, 하우징(110) 내에 제 2 연결 부재(122)의 이동을 가이드하는 제 2 가이드 홈(118)이 제 2 축 방향으로 형성될 수 있으며, 제 2 연결 부재(122)는 제 1 가이드 홈(118)에 안착될 수 있다.
제 2 연결 부재(121)에는 제 2 코일(132)이 설치될 수 있고, 제 2 코일(132)에 대응되는 제 2 영구자석(142)이 제 2 축 방향으로 제 2 코일(132)과 마주보게 하우징(110)에 설치될 수 있다. 즉, 제 2 코일(132)에 전류(또는 전압)가 인가되면, 제 2 코일(132)과 제 2 영구자석(142) 간의 전자기력에 의한 로렌츠 힘이 제 2 연결 부재(122)에 전달되어, 제 2 연결 부재(122)가 제 2 축 방향으로 이동될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제 2 코일(132)은 한 쌍(2개)으로 구성될 수 있으며, 제 2 연결 부재(122)의 양 단부에는 각각 제 2 코일(132)이 설치될 수 있다. 또한, 한 쌍의 제 2 코일(132)과 제 2 축 방향으로 마주보도록 하우징(110) 내에 한 쌍의 제 2 영구자석(142)이 설치될 수 있다.
도 2를 참고하면, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)는 중앙부가 오목하게 함몰된 형태를 가짐으로써, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)를 십자 형태로 교차하게 배치할 수 있다. 이 때, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)는 서로의 간섭 없이 이동이 가능하며, 작은 공간 내에 복수의 코일과 영구자석들을 효율적으로 배치할 수 있다.
제 1, 2 연결 부재(121, 122)는 엔드 이펙터(150)에 연결될 수 있다. 이를 통해, 엔드 이펙터(150)는 제 1, 2 연결 부재(121, 122)의 움직임과 연동될 수 있다. 이 때, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)는 각각 제 1, 2 탄성 부재(161, 162)에 의해 하우징(110)과 연결될 수 있다. 이를 통해, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)는 위치 복원력을 가질 수 있다.
예를 들어, 제 1 탄성 부재(161)는 제 1 연결 부재(121)가 이동하는 방향(제 1 축 방향)에 교차하는 방향, 예를 들어 제 2 축 방향으로 연장되어 제 1 연결 부재(121)를 관통하여 하우징(110)과 결합될 수 있다.
또한, 제 2 탄성 부재(162)는 제 2 연결 부재(122)가 이동하는 방향(제 2 축 방향)에 교차하는 방향, 예를 들어 제 1 축 방향으로 연장되어 제 2 연결 부재(122)를 관통하여 하우징(110)과 결합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 엔드 이펙터(150)는 하우징(110)의 외부, 일례로 하우징(110)의 상부로 노출될 수 있는데, 엔드 이펙터(150)는 제 1, 2 봉 부재(181, 182)에 의해 제 1, 2 연결 부재(121, 122)에 연결될 수 있다.
예를 들어, 제 1 봉 부재(181)는 제 1 연결 부재(121)가 이동하는 방향(제 1 축 방향)에 교차하는 방향, 예를 들어 제 2 축 방향으로 연장된 형태이고, 제 1 연결 부재(121)를 관통하여 엔드 이펙터(150)에 결합될 수 있다. 즉, 엔드 이펙터(150)와 제 1 연결 부재(121)를 연결하는 제 1 봉 부재(181)가 제 1 연결 부재(121)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 연장됨으로써, 엔드 이펙터(150)는 제 1 연결 부재(121)의 움직임과 연동될 수 있다.
또한, 제 2 봉 부재(182)는 제 2 연결 부재(122)가 이동하는 방향(제 2 축 방향)에 교차하는 방향, 예를 들어 제 1 축 방향으로 연장된 형태이고, 제 2 연결 부재(122)를 관통하여 엔드 이펙터(150)에 결합될 수 있다. 즉, 엔드 이펙터(150)와 제 2 연결 부재(122)를 연결하는 제 2 봉 부재(182)가 제 2 연결 부재(122)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 연장됨으로써, 엔드 이펙터(150)는 제 2 연결 부재(121)의 움직임과 연동될 수 있다.
이와 같이, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)는 제 1, 2 탄성 부재(181, 182)에 의해 하우징(110)에 연결되므로, 제 1, 2 연결 부재(121, 122)가 이동된 후 위치 복원력을 가질 수 있다. 이 때, 엔드 이펙터(150)는 제 1, 2 봉 부재(181, 182)에 의해 제 1, 2 연결 부재(121, 122)와 연결되어 제 1, 2 연결 부재(121, 122)의 움직임과 연동될 수 있다. 그러므로, 엔드 이펙터(150)는 제 1, 2 연결 부재(121, 122)가 이동되는 제 1 축 방향 및 제 2 축 방향과 나란한 2차원의 평면 상에서 이동 가능할 수 있으며, 이동 후에는 위치 복원력을 가질 수 있다.
이하에서는 다른 실시예의 진동 액추에이터에 대하여 설명한다. 앞서 설명한 실시예와 중복되는 내용을 설명을 생략하고 차이점을 위주로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터(200)는 3차원의 방향성 진동을 생성하는 액추에이터이다. 하우징(210) 내부에 서로 직교하는 제 1 축 및 제 2 축(x축 및 y축) 방향으로 각각 이동 가능한 제 1, 2 연결 부재(221, 222)가 설치되고, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)에 각각 제 1, 2 코일(231, 232)이 구비되며 제 1, 2 코일(231, 232)에 인접하여 대응되는 제 1, 2 영구자석(241, 242)이 배치될 수 있다. 이는 앞서 설명한 제 1 실시예와 동일한 구조로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제 1 축 및 제 2 축과 직교하는 제 3 축(z축) 방향으로 배열되는 제 3 코일(233)과 제 3 코일(233)에 대응되는 제 3 영구자석(243)을 더 포함함으로써, 제 3 축 방향으로의 진동을 생성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 지지판(275)이 하우징(210)에 제 3 축 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 지지판(275)에 제 3 코일(233)이 구비되며, 제 3 코일(233)에 마주보게 제 3 영구자석(243)이 배치될 수 있다. 이를 통해, 3차원의 방향성 진동을 생성할 수 있고, 생성된 3차원의 방향성 진동은 하우징(210) 외부로 노출된 엔드 이펙터(250)로 전달될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하우징(210)은 제 1, 2 연결 부재(221, 222)를 내부에 수용하면서 상호 결합되는 제 1, 2 하우징(211, 212)에 더하여, 전술한 지지판(275)을 지지하는 제 3 하우징(213)을 더 포함할 수 있다.
지지판(275)에는 제 3 코일(233)이 고정 설치될 수 있으며, 지지판(275)은 제 3 하우징(213)에 제 3 축 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 이 때, 제 3 코일(233)에 대응되는 제 3 영구자석(243)은 제 3 코일(233) 마주보게 제 3 하우징(213)에 고정 설치될 수 있으며, 제 3 하우징(213)은 제 1, 2 하우징(211, 212)의 결합체에 결합될 수 있다. 즉, 제 3 코일(233)과 제 3 영구자석(243)은 제 1, 2 하우징(211, 212)의 결합체와 제 3 하우징(213) 사이의 공간에 수용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 지지판(275)은 제 3 탄성 부재(263)에 의해 하우징(210)에 연결됨으로써, 지지판(275)은 위치 복원력을 가질 수 있다. 예를 들어, 지지판(275)은 제 3 축 방향으로 탄성력이 작용하는 제 3 탄성 부재(263)에 의해 제 3 하우징(213)에 연결될 수 있다. 또한, 제 3 하우징(213)에는 제 3 축 방향으로 연장된 제 3 봉 부재(283)가 돌출될 수 있다. 이 때, 지지판(275)의 제 3 축 방향으로의 이동을 가이드 하도록 제 3 봉 부재(283)는 제 3 탄성 부재(263)를 사이에 두고 지지판(275)을 관통할 수 있다.
지지판(275)은 제 3 축 방향에 수직한 평판 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어, 사각형 형태를 가질 수 있다. 제 3 탄성 부재(263)는 지지판(275)의 가장자리에 복수 개 배치될 수 있으며, 예를 들어, 사각형의 네 모서리에 각각 배치될 수 있다.
지지판(275)은 엔드 이펙터(250)에 연결됨으로써, 엔드 이펙터(250)는 지지판(275)의 움직임과 연동될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 엔드 이펙터(250)는 진동 전달 부재(251), 베이스 부재(252), 및 프레임 부재(253)을 포함할 수 있으며, 이러한 구성을 통해 지지판(275)과 엔드 이펙터(250)를 효과적으로 연결할 수 있다.
진동 전달 부재(251)는 하우징(210)의 외부로 노출되는 부분으로 제 1 축 방향 및 제 2 축 방향과 나란한 평판 형태를 가질 수 있다. 베이스 부재(252)는 지지판(275) 상에 지지되는 부분으로 지지판(275)과 나란하게 배열된 평판 형태를 가질 수 있다. 프레임 부재(253)는 진동 전달 부재(251)와 베이스 부재(252)를 연결하는 부분으로, 제 3 축 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 프레임 부재(253)는 사각형 평판 형태의 진동 전달 부재(251)와 베이스 부재(252)의 네 꼭지점 부위에 각각 배치되는 기둥 형태로 형성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 제 3 축 방향으로 연장된 기둥 형태의 프레임 부재(253)는 하우징(210)의 외부에 위치된 진동 전달 부재(251)와 하우징(210)의 내부에 위치된 베이스 부재(252)를 연결할 수 있도록 하우징(210)을 관통할 수 있다.
지지판(275)은 지지판(275)과 나란한 형태의 베이스 부재(252)를 직접 지지함으로써, 지지판(275)의 움직임을 엔드 이펙터(250)로 전달할 수 있다. 이 때, 지지판(275)과 베이스 부재(252) 사이에는 마찰력 감소 부재(미도시)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 지지판(275)과 베이스 부재(252) 사이의 미끄럼을 방지하여, 지지판(275)의 움직임을 효과적으로 베이스 부재(252)에 전달할 수 있다. 마찰력 감소 부재는 마찰계수가 큰 물질로 이루어지거나, 표면의 거칠기나 점착력이 크게 가공될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 전술한 제 1 실시예와 다른 방식으로 제 1, 2 연결 부재(221, 222)가 엔드 이펙터(250)에 연결될 수 있다.
예를 들어, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)는 각각 양 단부에 돌출부(또는 홈부)가 형성될 수 있고, 돌출부는 엔드 이펙터(250)의 프레임 부재(253)의 홈부(또는 돌출부)에 결합될 수 있다. 이에 따라, 앞선 제 1 실시예에서의 제 1, 2 봉 부재와 같은 별도의 부품 없이도 제 1, 2 연결 부재(221, 222)와 엔드 이펙터(250)는 구조적으로 결합될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 엔드 이펙터(250)가 제 1, 2 연결 부재(221, 222)의 움직임에 연동되도록, 다양한 방식으로 제 1, 2 연결 부재(221, 222)와 엔드 이펙터(250)가 상호 결합될 수 있다.
이 때, 본 실시예에 따르면, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)는 엔드 이펙터(250)의 프레임 부재(253)에 제 3 축 방향으로 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 즉, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)는 제 1, 2 축 방향으로의 움직임을 엔드 이펙터(250)에 전달하고, 지지판(275)은 제 1, 2 연결 부재(221, 222)와는 독립적으로 제 3 축 방향으로의 움직임을 엔드 이펙터(250)에 전달할 수 있다. 관련해서는 뒤에서 다시 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동 액추에이터가 구동되는 모습을 도시한 도면이다. 이해의 편의를 위해, 도 5 및 도 6에서는 진동 액추에이터(200)에서 하우징(210)을 제외하고 도시하였다.
도 5에서 (a)는 코일에 전류(또는 전압)가 인가되기 전의 모습이고, (b)는 제 1 연결 부재(221)가 제 1 축 방향(-x축 방향)으로 이동됨으로써, 엔드 이펙터(250)가 제 1 축 방향(-x축 방향)으로 이동되는 모습이며, (c)는 제 2 연결 부재(222)가 제 2 축 방향(-y축 방향)으로 이동됨으로써, 엔드 이펙터(250)가 제 1 축 방향(-x축 방향)으로 이동된 이동되는 모습이다. (d)는 제 1 연결 부재(221)가 제 1 축 방향(-x축 방향)으로 이동되고, 제 2 연결 부재(222)가 제 2 축 방향(-y축 방향)으로 이동됨으로써, 엔드 이펙터(250)가 제 1 축 방향(-x축 방향) 및 제 2 축 방향(-y축 방향)의 사이 방향(대각 방향)으로 이동되는 모습이다.
즉, 본 실시예에 따른 진동 액추에이터는 제 1, 2 연결 부재(221, 222)에 설치된 제 1, 2 코일(231, 232) 모두에 전류(또는 전압)를 인가함으로써, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)를 동시에 이동시킬 수 있다. 또한, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)에 설치된 제 1, 2 코일(231, 232)에 인가되는 전류(또는 전압)의 세기를 조절함으로써, 엔드 이펙터(250)가 이동하는 방향성을 조절할 수도 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 진동 액추에이터는 제 1, 2 축 방향에 나란한 2차원 평면 상에서의 모든 방향으로의 진동을 구현할 수 있다. 이는 본 실시예뿐 만 아니라, 전술한 제 1 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 본 실시예의 진동 액추에이터가 제 3 축 방향(+z축 방향, -z축 방향)으로 진동을 생성하는 모습을 도시하였다. 도 6에서 (a)는 제 3 축 방향으로의 움직임이 발생되지 않은 모습이고, (b)와 (c)는 각각 +z축 방향 및 -z축 방향으로 엔드 이펙터(250)가 이동되는 모습이다. 즉, (b)와 (c)에서는 지지판(275)에 설치된 제 3 코일(233)에 전류(또는 전압)가 인가되어 제 3 코일(233)과 제 3 영구자석(243) 간에 작용하는 로렌츠 힘에 의하여 지지판(275)이 제 3 축 방향으로 이동되는 모습이다. 전술한 바와 같이, 제 1, 2 연결 부재(221, 222)는 엔드 이펙터(250)의 프레임 부재(253)에 제 3 축 방향으로 슬라이딩 가능하게 결합됨으로써, 지지판(275)은 제 1, 2 연결 부재(221, 222)과는 독립적으로 제 3 축 방향의 움직임을 엔드 이펙터(250)에 전달할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 진동 액추에이터는 서로 직교하는 세 축 방향으로의 움직임을 엔드 이펙터(250)에 전달할 수 있으므로, 3차원의 방향성 진동을 생성할 수 있다.
전술한 제 1, 2 실시예는, 코일과 영구자석 간에 작용하는 로렌츠 힘에 의하여 영구자석이 위치 고정되고 코일이 이동하는 경우의 실시예이다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터는, 전자기력이 작용하는 코일과 영구자석 중 어느 하나가 이동하도록 구성될 수 있는 바, 이하에서는 코일이 위치 고정된 상태에서 영구자석이 이동하는 경우의 실시예를 설명한다. 앞서 설명한 실시예와 중복되는 내용을 설명을 생략하고 차이점을 위주로 설명한다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터의 분해 사시도이다. 또한, 도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터가 구동되는 모습을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터(300)는 제 1 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 3 연결 부재(321)와 제 2 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 4 연결 부재(322)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제 3, 4 연결 부재(321, 322)의 양 단부에는 제 4, 5 영구 자석(341, 342)이 설치되고, 제 4, 5 영구 자석(341, 342)에 인접하여 대응되는 제 4, 5 코일(331, 332)이 배치될 수 있다.
예를 들어, 제 4 코일(331)이 보빈(bobbin) 형태의 제 1 가이드 부재(391)에 권취되고, 제 1 가이드 부재(391)는 하우징(310)에 고정될 수 있다. 제 4 영구 자석(341)이 설치된 제 3 연결 부재(321)의 양 단부는 제 1 가이드 부재(391)의 중심의 개구를 관통하여 위치될 수 있다. 또한, 제 5 코일(332)이 보빈 형태의 제 2 가이드 부재(392)에 권취되고, 제 2 가이드 부재(392)는 제 1 가이드 부재(391)과 교차하는 방향으로 하우징(310)에 고정될 수 있다. 제 5 영구 자석(342)이 설치된 제 4 연결 부재(322)의 양 단부는 제 2 가이드 부재(392)의 중심의 개구를 관통하여 위치될 수 있다.
정리하면, 제 4, 5 코일(331, 332)이 하우징(310)에 고정 설치되고, 그에 대응되는 제 4, 5 영구 자석(341, 342)은 각각 서로 직교하는 제 1, 2 축 방향으로 이동 가능하게 하우징(310)에 설치된 제 3, 4 연결 부재(321, 322)에 설치될 수 있다. 즉, 전술한 제 1, 2 실시예와는 달리, 본 실시예는 코일이 위치 고정된 상태에서 영구자석이 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
제 3, 4 연결 부재(321, 322)는 각각 제 1, 2 탄성 부재(361, 362)에 의해 하우징(310)과 연결될 수 있다. 이를 통해, 제 3, 4 연결 부재(321, 322)는 위치 복원력을 가질 수 있다.
예를 들어, 제 1 탄성 부재(361)는 제 3 연결 부재(321)가 이동하는 방향(제 1 축 방향)에 교차하는 방향(예컨대, 제 2 축 방향)으로 연장되어 제 3 연결 부재(321)를 관통하여 하우징(310)과 결합될 수 있다. 또한, 제 2 탄성 부재(362)는 제 4 연결 부재(322)가 이동하는 방향(제 2 축 방향)에 교차하는 방향(예컨대, 제 1 축 방향)으로 연장되어 제 4 연결 부재(322)를 관통하여 하우징(310)과 결합될 수 있다.
제 3, 4 연결 부재(321, 322)는 각각 제 4, 5 코일(331, 332)(또는 제 1, 2 가이드 부재(391, 392))을 관통하여 양 단부가 하우징(310)의 외측으로 돌출될 수 있다. 돌출된 부분은 별도로 마련된 엔드 이펙터(미도시)로 연결됨으로써, 제 3, 4 연결 부재(321, 322)의 움직임이 엔드 이펙터(미도시)로 전달될 수 있다.
본 실시예의 진동 액추에이터(300)가 포함된 디바이스(예컨대, 웨어러블 햅틱 디바이스)는 사용자에게 진동 등의 촉감을 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 엔드 이펙터는 진동 액추에이터(300)를 둘러싸는 케이싱(casing) 형태를 가질 수 있으며, 제 3, 4 연결 부재(321, 322)의 돌출된 양 단부는 케이싱과 접할 수 있다. 이에 따라, 제 3, 4 연결 부재(321, 322)의 움직임이 케이싱에 직접 전달될 수 있으며, 본 실시예가 포함된 디바이스의 사용자는 케이싱을 손으로 접촉함으로써 촉감을 감지할 수 있다.
도 9를 참조하여, 본 실시예에 따른 진동 액추에이터(300)가 구동되는 모습을 설명한다. 도 9에서 (a)는 본 실시예의 진동 액추에이터에 움직임이 생성되지 않은 모습이고, (b)는 제 3 연결 부재(321)가 제 1 축 방향(x축 방향)으로 이동되는 모습이며, (c)는 제 4 연결 부재(322)가 제 2 축 방향(-y축 방향)으로 이동되는 모습이다. (d)는 제 3 연결 부재(321)가 제 1 축 방향(x축 방향)으로 이동되고, 제 4 연결 부재(322)가 제 2 축 방향(-y축 방향)으로 이동되는 모습이다. 즉, 서로 직교하는 두 축 방향(제 1, 2 축 방향)으로 배열된 코일과 영구자석이 구비될 때, 코일이 위치 고정된 상태에서 영구자석이 이동 가능하도록 구성된 경우에도, 제 1, 2 축 방향과 나란한 2차원의 평면 상에서 모든 방향으로의 진동이 구현됨을 확인할 수 있다.
이해의 편의를 위하여, 제 3 실시예에 따른 진동 액추에이터는 2차원의 방향성 진동을 생성하는 경우를 설명하였다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 코일이 위치 고정되고 영구자석이 이동하는 경우에도 전술한 제 2 실시예의 구성을 적용함으로써, 3차원의 방향성 진동을 생성할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 서로 직교하는 두 축 또는 세 축 방향으로 배열된 코일과 영구자석 간에 작용하는 전자기력을 이용함으로써, 2차원 또는 3차원의 방향성 진동을 생성할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 촉감을 모사하는 방법을 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 비대칭 진동을 생성하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
비대칭 진동(asymmetric vibration)이란, (+) 방향으로는 빠르게 움직이고 (-) 방향으로는 천천히 움직이는 진동을 의미한다. 사람의 감각기관(촉각)이 이러한 비대칭 진동을 느낄 때, 인간의 인지 착각(human sensory illusion)이 발생하여, (+) 방향으로의 연속적인 자극, 즉, (+) 방향으로 가해지는 힘으로 착각하여 인지하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 진동 액추에이터를 이용하여 가상의 힘, 예를 들어 마찰력 등을 모사할 수 있다.
도 10에서, (a)는 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터(이하 진동 액추에이터)의 코일에 인가하는 전압의 패턴을 도시한 그래프이고, (b)는 (a)에 도시된 전압의 패턴을 진동 액추에이터의 코일에 인가하였을 때, 진동 액추에이터의 엔드 이펙터의 가속도 변화를 나타낸 그래프이며, (c)는 (a)에 도시된 전압의 패턴을 진동 액추에이터의 코일에 인가하였을 때, 진동 액추에이터의 엔드 이펙터의 위치 변화를 나타낸 그래프이다. (a), (b), (c) 모두 시간에 따른 그래프로 도시하였다.
도 10을 참조하면, 특정 패턴의 전압을 진동 액추에이터의 코일에 인가할 때(도 10의 (a) 참조), 진동 액추에이터의 엔드 이펙터가 비대칭적으로 진동(도 10의 (c) 참조)하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 비대칭 진동을 진동 액추에이터에서 생성하는 경우, 사람의 촉각은 진동 액추에이터의 엔드 이펙터를 통해 특정 방향으로 가해지는 힘을 감지할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 컴플라이언스를 모사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
컴플라이언스(compliance)란 물체의 딱딱한, 물렁물렁함, 혹은 탄성을 뜻하며, 변위에 따라 선형적으로 변하는 힘으로서 물체의 컴플라이언스를 표현할 수 있다. 컴플라이언스는 진동 액추에이터의 엔드 이펙터가 사람의 감각 기관(예컨대 피부)을 누르는 힘으로 표현할 수 있는데, 여기에 진동을 추가하면 더욱 섬세한 컴플라이언스를 표현할 수 있다.
도 11은 키보드를 누를 때의 컴플라이언스를 모사하는 그래프를 도시한 것으로, 위, 아래 그래프는 각각 변위에 따른 진동 액추에이터의 코일에 인가하는 전압의 변화를 나타낸 것이다. A~B 구간은 키보드를 누르는 구간이고, B~C 구간은 키보드가 갑자기 쑥 들어가는 구간이며, C~D 구간은 키보드를 누르는 구간이고, D~E 구간은 키보드가 바닥에 부딪힌 구간이다.
도 11의 아래 그래프에서, 인가 전압은 힘의 변화량에 비례하므로, 키보드를 누를 때 가해지는 힘에 비례하도록 전압을 진동 액추에이터의 코일에 인가하여 컴플라이언스를 모사할 수 있다. 이에 더하여, 도 11의 위 그래프와 같이, 특정 패턴의 전압을 추가로 인가하여 진동을 생성함으로써, 컴플라이언스를 보다 섬세하게 모사할 수 있다.
도 11의 위 그래프에서, 키보드를 누르는 구간인 A~B 구간과 C~D 구간에서는 일정한 간격(lg)의 반복적인 전압 패턴을 인가하여 일정 간격마다 규칙적인 감쇠 진동(Grain vibration)을 생성하는 구간이다. B~C 구간에는 A~B 구간이나 C~D 구간보다 절대값이 큰 전압 패턴을 인가하여 보다 큰 주파수의 진동을 생성함으로써, 키보드를 눌렀을 때 갑자기 쑥 들어가는 촉감을 모사할 수 있다. 또한, D~E 구간에는 A~B 구간이나 C~D 구간보다 절대값이 크고 반대 패턴의 전압을 인가함으로써, 키보드가 끝까지 들어갔을 때 바닥과 부딪히는 촉감을 모사할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 진동 액추에이터를 이용하여 다양한 물체의 텍스처를 모사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
텍스처(Texture)는 물체 표면의 질감을 의미하며, 진동 액추에이터를 이용하여 다양한 물체의 텍스처를 모사할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 텍스처를 모사하고자 하는 타겟 물체의 표면과 수집 도구의 표면이 서로 마찰을 할 때 생성되는 진동을 감지하여, 이를 기록하고 가공한 후, 가공된 정보를 이용하여 진동 액추에이터를 통해 진동을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 물체의 텍스처를 모사할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 가속도 센서가 부착된 수집 도구(예를 들어, 가속도 센서가 부착된 얇은 팁을 가진 도구)를 준비한 후, 수집 도구(수집 도구의 팁)로 타겟 물체의 표면을 긁어서 수집 도구의 진동에 의한 가속도 변화 데이터를 수집한다.
다음으로, 수집된 가속도 변화 데이터에 기초하여 전압 패턴을 연산한다. 상세히 설명하면, 먼저, 수집된 가속도 변화 데이터의 노이즈를 제거한다. 예를 들어, 하이패스 필터와 같은 시그널 프로세싱을 이용해 노이즈(긁을 때의 손의 움직임으로 인한 의도치 않은 가속도의 변화, 센서값의 드리프팅 등)를 제거할 수 있다. 도 12는 여러 물체(종이, 나무판, 청바지, 사포 #150, 사포 #80, 골판지)의 표면을 긁어서 수집 도구(가속도 센서가 부착된 나이프)의 진동에 의한 가속도 변화 데이터를 수집한 후, 시그널 프로세싱을 통해 노이즈를 제거하여 얻은 가속도 그래프이다. 세로축의 unit scale은, 가장 진폭이 컸던 골판지(cardboard)의 (-) 방향으로의 피크를 1로 설정하였을 때의 상대값이다
이렇게 얻어진 가속도 변화 데이터를 기반으로 진동 액추에이터에 인가되어야 하는 전압 패턴을 연산하여, 산출된 전압 패턴을 진동 액추에이터에 인가하여 진동을 생성함으로써 타겟 물체의 텍스처를 모사할 수 있다. 도 12는 산출된 전압 패턴을 진동 액추에이터에 인가하여 진동을 생성하였을 때 생성된 진동의 가속도 변화를 기록한 그래프이다. 도 12를 도 11과 비교해보면, 진동 액추에이터가 타겟 물체의 가속도 변화를 잘 모사함을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300 진동 액추에이터 110, 210, 310 하우징
121, 221 제 1 연결 부재 122, 222 제 2 연결 부재
321 제 3 연결 부재 322 제 4 연결 부재
131, 231 제 1 코일 132, 232 제 2 코일
233 제 3 코일 331 제 4 코일
332 제 5 코일 141, 241 제 1 영구자석
142, 242 제 2 영구자석 243 제 3 영구자석
341 제 4 영구자석 342 제 5 영구자석
150, 250 엔드 이펙터 161, 261, 361 제 1 탄성 부재
162, 262, 362 제 2 탄성 부재 263 제 3 탄성 부재
181, 281 제 1 봉 부재 182, 282 제 2 봉 부재
283 제 3 봉 부재

Claims (20)

  1. 하우징;
    상기 하우징에 설치되며, 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열된 코일과 상기 코일에 대응되는 영구자석; 및
    상기 코일에 전류를 공급하는 전원부;
    를 포함하고,
    상기 코일과 상기 영구자석 중 하나는
    이동 가능하게 설치되되, 탄성 부재에 의해 상기 하우징과 연결되어 위치 복원력을 가지는, 진동 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 1 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 1 연결 부재;
    상기 제 1 축 방향과 직교하는 제 2 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 2 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 2 연결 부재;
    상기 제 1 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 1 코일;
    상기 제 2 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 2 코일;
    상기 제 1 축 방향으로 상기 한 쌍의 제 1 코일과 마주보고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 1 영구자석;
    상기 제 2 축 방향으로 상기 한 쌍의 제 2 코일과 마주보고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 2 영구자석; 및
    상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재와 연결되어 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재의 움직임과 연동되는 엔드 이펙터;
    를 포함하는, 진동 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재는 각각 제 1 탄성 부재 및 제 2 탄성 부재에 의해 상기 하우징과 연결된, 진동 액추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 2 탄성 부재는 각각
    막대 형태를 가지며, 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재의 이동 가능한 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재를 관통하여 상기 하우징과 결합되는, 진동 액추에이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 상기 하우징의 외부로 노출되고 상기 제 1 축 방향 및 상기 제 2 축 방향과 나란한 평면 상에서 이동 가능한, 진동 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는
    상기 제 2 축 방향으로 연장되어 상기 제 1 연결 부재를 관통하는 제 1 봉 부재를 통해 상기 제 1 연결 부재와 연결되고, 상기 제 1 축 방향으로 연장되어 상기 제 2 연결 부재를 관통하는 제 2 봉 부재를 통해 상기 제 2 연결 부재와 연결된, 진동 액추에이터.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 제 1 연결 부재의 이동을 가이드 하도록 상기 제 1 축 방향으로 연장되어 상기 제 1 연결 부재가 안착되는 제 1 가이드 홈, 및 상기 제 2 연결 부재의 이동을 가이드 하도록 상기 제 2 축 방향으로 연장되어 상기 제 2 연결 부재가 안착되는 제 2 가이드 홈이 구비된, 진동 액추에이터.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 축 방향 및 상기 제 2 축 방향과 직교하는 제 3 축 방향으로 배열되는 제 3 코일 및 상기 제 3 코일과 대응되는 제 3 영구자석;
    을 더 포함하는, 진동 액추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 축 방향으로 이동 가능하도록 상기 하우징에 설치된 지지판에 상기 제 3 코일이 고정되고,
    상기 제 3 영구자석은 상기 제 3 축 방향으로 상기 제 3 코일과 마주보며 상기 하우징에 고정된, 진동 액추에이터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 상기 지지판의 움직임과 연동되도록 상기 지지판과 연결된, 진동 액추에이터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는
    상기 하우징의 외부로 노출되는 진동 전달 부재;
    상기 지지판 상에 지지되는 베이스 부재; 및
    상기 진동 전달 부재와 상기 베이스 부재를 연결하는 프레임 부재를 포함하는, 진동 액추에이터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 지지판은 상기 제 3 축 방향으로 연장된 제 3 탄성 부재에 의하여 상기 하우징에 연결된, 진동 액추에이터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 제 3 축 방향으로 연장된 제 3 봉 부재가 돌출되며,
    상기 지지판의 이동을 가이드 하도록 상기 제 3 봉 부재는 상기 제 3 탄성 부재를 사이에 두고 상기 지지판을 관통하는, 진동 액추에이터.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 프레임 부재는 상기 제 3 축 방향으로 연장되어 상기 하우징의 일측을 관통하고,
    상기 제 1 연결 부재 및 상기 제 2 연결 부재는 상기 프레임 부재에 연결되는, 진동 액추에이터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 지지판 및 상기 베이스 부재는 각각 상기 제 3 축 방향에 수직한 평판 형태를 가지고, 서로 나란하게 배열되며,
    상기 지지판 및 상기 베이스 부재 사이에는 마찰력 감소 부재가 배치되는, 진동 액추에이터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    제 1 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 1 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 3 연결 부재;
    상기 제 1 축 방향과 직교하는 제 2 축 방향으로 연장되고 상기 하우징에 상기 제 2 축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제 4 연결 부재;
    상기 제 3 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 4 영구자석;
    상기 제 4 연결 부재의 양 단부에 고정된 한 쌍의 제 5 영구자석;
    상기 한 쌍의 제 4 영구자석과 대응되고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 4 코일; 및
    상기 한 쌍의 제 5 영구자석과 대응되고 상기 하우징에 고정된 한 쌍의 제 5 코일;
    을 포함하는, 진동 액추에이터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 연결 부재 및 상기 제 4 연결 부재는 각각 상기 한 쌍의 제 4 코일 및 상기 한 쌍의 제 5 코일을 관통하여 양 단부가 상기 하우징의 외측으로 돌출되는, 진동 액추에이터.
  18. 서로 직교하는 적어도 두 축 방향으로 각각 배열된 코일과 상기 코일에 대응되는 영구자석, 및 상기 코일에 전류를 공급하는 전원부를 포함하는 진동 액추에이터를 이용하여 촉감을 모사하는 방법으로서,
    상기 전원부를 통해 상기 코일에 소정 패턴의 전압을 인가하여, 상기 코일 또는 상기 영구자석를 진동시키는, 진동 액추에이터를 이용한 촉감 모사 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 코일 또는 상기 영구자석을 진동시키되,
    상기 코일 또는 상기 영구자석이 진동하는 방향에서 (-) 방향에 비해 (+) 방향으로 움직이는 속도를 빠르게 하여 (+) 방향으로 작용하는 힘을 모사하는, 진동 액추에이터를 이용한 촉감 모사 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    가속도 센서가 부착된 수집 도구로 타겟 물체의 표면을 긁어서 상기 수집 도구의 진동에 의한 가속도 변화 데이터를 수집하는 단계;
    상기 수집된 가속도 변화 데이터에 기초하여 전압 패턴을 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 전압 패턴을 상기 코일에 인가하여 상기 코일 또는 상기 영구자석을 진동시키는 단계;
    를 포함하는, 진동 액추에이터를 이용한 촉감 모사 방법.
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