KR20210047576A - 래디얼 마그넷 액추에이터 - Google Patents

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KR20210047576A
KR20210047576A KR1020190131359A KR20190131359A KR20210047576A KR 20210047576 A KR20210047576 A KR 20210047576A KR 1020190131359 A KR1020190131359 A KR 1020190131359A KR 20190131359 A KR20190131359 A KR 20190131359A KR 20210047576 A KR20210047576 A KR 20210047576A
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radial magnet
radial
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김형준
이종훈
이종기
이인범
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주식회사 씨케이머티리얼즈랩
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Abstract

일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터는 내부 공간을 갖는 하우징; 상기 내부 공간에서 상대적으로 운동 가능하게 설치되는 질량체와, 상기 질량체에 설치되는 중공 형상의 래디얼 마그넷을 구비하는 운동체; 상기 내부 공간의 일측으로부터 상기 운동체를 탄성 지지하는 탄성 부재; 및 상기 내부 공간의 상측에 설치되고 적어도 일부가 상기 래디얼 마그넷의 중공에 삽입되는 중공 형상의 코일부를 포함하고, 상기 래디얼 마그넷은 반경 방향으로 착자되어 있을 수 있다.

Description

래디얼 마그넷 액추에이터{RADIAL MAGNET ACTUATOR}
이하의 설명은 래디얼 마그넷 액추에이터에 관한 것이다.
일반적인 햅틱 제공 장치로 선형 공진 액추에이터가 주로 사용되고 있으며, 이는 탄성 스프링과 자기 회로에 연결된 중량체에 의해 발생되는 공진 주파수를 이용하여 진동의 세기를 최대화시키는 방식으로 구동된다.
종래의 기술인 선형 공진 액추에이터는 대한민국 등록특허공보 ‘제2005-0122101’(명칭 : 수직진동자)에 자세히 개시되었으며, 종래의 기술 중 안정적으로 선형의 진동을 얻을 수 있는 장치에 대하여 대한민국 공개특허공보 ‘제2007- 0055338’(명칭 : 선형 진동 발생장치)에 개시되어 있다.
종래의 선형 공진 액추에이터는 단순한 진동을 전달하는 것을 목적으로 중량체와 탄성부재에 의해 결정되는 공진 주파수를 이용해야만 효과적인 진동이 가능하다는 단점이 있다.
종래의 햅틱 제공 장치를 통해서는 특정 공진 주파수 대역에서의 진동만이 제공 가능하며 초저주파수 대역(20 Hz이하) 또는 넓은 주파수 대역에서의 진동 구현은 어렵다는 문제점이 존재하였다.
따라서, 단순히 하나의 공진주파수에 의한 진동이 아닌 넓은 주파수 대역에서의 진동 구현이 가능하여 다채로운 촉각을 제공할 수 있는 햅틱 제공 장치의 개발이 요구되는 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 래디얼 마그넷 액추에이터를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터는 내부 공간을 갖는 하우징; 상기 내부 공간에서 상대적으로 운동 가능하게 설치되는 질량체와, 상기 질량체에 설치되는 중공 형상의 래디얼 마그넷을 구비하는 운동체; 상기 내부 공간의 일측으로부터 상기 운동체를 탄성 지지하는 탄성 부재; 및 상기 내부 공간의 상측에 설치되고 적어도 일부가 상기 래디얼 마그넷의 중공에 삽입되는 중공 형상의 코일부를 포함하고, 상기 래디얼 마그넷은 반경 방향으로 착자되어 있을 수 있다.
상기 질량체는, 중심축으로부터 설정된 반경의 방사상 궤적을 따라서 상측으로부터 함몰 형성되는 수용 공간을 포함하고, 상기 래디얼 마그넷은 상기 수용 공간에 삽입되어 설치되고, 상기 코일부의 하측은 상기 래디얼 마그넷의 중공의 내주면과 상기 수용 공간의 내주면 사이에 삽입될 수 있다.
상기 하우징은 지름의 크기가 6mm 내지 12mm인 원통 형상을 가질 수 있다.상기 운동체는, 상기 래디얼 마그넷의 상면을 덮도록 설치되는 폴 피스를 더 포함할 수 있고, 상기 폴 피스의 상면은 상기 수용 공간의 개구와 동일한 평면 상에 위치할 수 있다.
상기 탄성 부재는, 일측이 상기 내부 공간의 하측 가장자리 둘레를 따라 고정되고, 타측은 방사상의 형태로 질량체의 하측의 중심을 향해 비스듬히 경사지게 연결될 수 있다.
상기 코일부에 전류가 인가되지 않은 상태에서, 상하 방향을 기준으로 상기 코일부의 중심의 위치는 상기 래디얼 마그넷의 중심의 위치보다 설정된 간격만큼 상측에 위치할 수 있다.
상기 질량체는, 상기 수용 공간의 내측의 중앙 부분이 상측으로부터 함몰 형성된 함몰부를 더 포함할 수 있다.
상기 질량체는, 상기 수용 공간의 내측의 중앙 부분으로부터 상측으로 돌출 형성되어 상기 하우징의 상측으로 돌출되는 돌출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터는, 상기 코일부에 교류 전류를 인가하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부가 1 Hz 내지 20 Hz 사이의 주파수 대역의 교류 전류를 상기 코일부에 인가할 경우, 50 ms 단위 간격 내에서 상기 운동체가 형성하는 누적 충격량이 3 mNs 이상으로 형성되어 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터는, 내부 공간을 갖는 하우징; 상기 내부 공간에서 상대적으로 운동 가능하게 설치되는 질량체와, 상기 질량체에 설치되는 중공 형상의 코일부를 구비하는 운동체; 상기 내부 공간의 일측으로부터 상기 운동체를 탄성 지지하는 탄성 부재; 상기 내부 공간에 설치되고 상기 코일부의 하측이 삽입될 수 있는 중공을 구비하는 래디얼 마그넷; 및 상기 래디얼 마그넷이 설치되고 상기 코일부의 하측이 삽입될 수 있는 환형의 수용 공간을 구비하는 요크 부재를 포함하고, 상기 래디얼 마그넷은 반경 방향으로 착자되어 있을 수 있다.
상기 요크 부재는, 상기 래디얼 마그넷의 외주면을 감싸도록 배치되는 가장자리부; 및 상기 래디얼 마그넷의 중공 내부에 삽입되는 중앙부를 포함할 수 있고, 상기 수용 공간은 상기 가장자리부 및 중앙부 사이에 형성될 수 있다.
상기 질량체는 하측으로부터 상기 중앙부가 삽입될 수 있도록 함몰 형성된 홈을 구비하고, 상기 코일부는 상기 질량체의 외주면을 감싸도록 설치될 수 있다.
상기 탄성 부재는, 상하 방향에 수직한 평면 방향을 따라서 상기 내부 공간의 내주면으로부터 상기 질량체를 연결하는 평판 형태를 가질 수 있다.
상기 코일부에 전류가 인가되지 않은 상태에서, 상하 방향을 기준으로 상기 코일부의 중심의 위치는 상기 래디얼 마그넷의 중심의 위치보다 설정된 간격만큼 상측에 위치할 수 있다.
상기 요크 부재의 직경은 상기 내부 공간의 직경보다 작게 형성되고, 상기 하우징은, 상기 내부 공간의 내주면으로부터 상기 가장자리부의 외주면 사이에 개재되는 가이드 하우징을 포함할 수 있다.
상기 하우징은, 상기 내부 공간의 상측을 덮는 상측 하우징을 더 포함할 수 있고, 상기 탄성 부재의 가장자리 부분은 하측으로 상기 가이드 하우징에 의해 지지되고, 상측으로 상기 상측 하우징에 의해 가압될 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터는, 상기 코일부에 교류 전류를 인가하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부가 교류 전류를 상기 코일부에 인가할 경우, 형성되는 진동력의 크기가 0.5G 이상으로 측정되는 구동 주파수의 대역폭은 200Hz 이상일 수 있다.
상기 중앙부는, 상측으로부터 함몰 형성된 함몰부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터는, 상기 코일부에 교류 전류를 인가하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부가 1 Hz 내지 20 Hz 사이의 주파수 대역의 교류 전류를 상기 코일부에 인가할 경우, 50 ms 단위 간격 내에서 상기 운동체가 형성하는 누적 충격량이 3 mNs 이상으로 형성되어 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성할 수 있다.
일 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터에 의하면, 래디얼 마그넷 액추에이터를 통해 자속의 방향과 밀도를 효과적으로 제어하여 누설 자력을 효과적으로 제어할 수 있다.
일 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터에 의하면, 공진 주파수 대역에서 넓은 대역폭을 가질 수 있어서 사용자에게 다양한 햅틱 효과를 제공할 수 있다.
일 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터에 의하면, 초저주파수 대역에서도 사용자에게 햅틱 효과를 전달할 수 있다.
일 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터에 의하면, 외부로 돌출 형성되는 돌출부를 통하여 사용자에게 촉각을 직접적으로 사용자에게 전달할 수 있으므로, 하우징을 통하여 촉각을 간접적으로 사용자에게 전달하는 경우에 비하여, 사용자에게 직접적으로 햅틱 효과를 보다 효과적으로 전달할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터의 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 래디얼 마그넷 액추에이터의 다양한 변형 실시 예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터의 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 래디얼 마그넷 액추에이터의 다양한 변형 실시 예를 도시하는 단면도이다.
도 9는 종래의 선형 공진 액추에이터와 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터가 구동 주파수별로 형성하는 진동력을 서로 비교하는 그래프이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터에 5 Hz의 방형파를 인가하였을 경우, 두드림에 해당하는 햅틱 효과가 형성되는 모습을 나타나는 그래프이다.
도 11는 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터에 서로 다른 초저주파수 대역의 방형파를 인가하였을 때 발생되는 충격량을 나타내는 그래프이다.
도 12은 일 실시 예에 따른 5 Hz의 방형파를 인가하였을 경우(A)와 정현파를 인가하였을 경우(B)에 형성되는 진동력을 나타내는 그래프이다.
도 13는 일 실시 예에 따른 초저주파수 대역의 방형파를 인가하였을 경우 형성되는 진동력을 나타내는 그래프이다.
도 14는 종래의 선형 공진 액추에이터와 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터에 초저주파수 대역의 방형파를 인가하였을 경우 시간에 따라 형성되는 진동력의 변화를 도시하는 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)는 약 190 Hz 내지 420 Hz 사이의 넓은 대역폭 사이에서 공진 주파수 대역을 가질 수 있고, 20 Hz 미만의 초저주파수 대역에서도 사용자가 인지 가능한 햅틱 효과를 생성할 수 있다. 후술할 제어부(15)가 교류 전류를 코일부(14)에 인가할 경우, 래디얼 마그넷 액추에이터(1)는, 진동력의 크기가 0.5G 이상으로 측정되는 구동 주파수의 대역폭이 200Hz 이상일 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷 액추에이터(1)는 내부 공간을 갖는 원통 형상의 하우징(11)과, 래디얼 마그넷(122)을 구비하여 하우징(11)의 내부 공간에서 상대적으로 운동할 수 있는 운동체(12)와, 하우징(11)의 내부로부터 운동체(12)를 탄성 지지하는 탄성 부재(13)와, 내부 공간의 상측에 설치되어 래디얼 마그넷(122)에 자기장을 형성하는 코일부(14)와, 코일부(14)에 인가되는 전류의 특성을 조절하는 제어부(15)를 포함할 수 있다.
하우징(11)은, 내부 공간을 갖는 원통 형상의 부재일 수 있다. 예를 들어, 하우징(11)의 내부 공간의 형상은 원기둥 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 하우징(11)은 지름의 크기가 6mm 내지 12mm인 원통 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 하우징(11)은 하부 하우징(111) 및 상부 하우징(112)을 포함할 수 있다.
하부 하우징(111)은, 내부 공간의 바닥과 측부를 감쌀 수 있다. 예를 들어, 하부 하우징(111)은 상측이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다.
상부 하우징(112)은, 하부 하우징(111)의 상측에 연결되어 내부 공간의 적어도 일부를 상측으로부터 차폐할 수 있다.
예를 들어, 상부 하우징(112)은 원형의 형상을 가질 수 있다. 이 경우 상부 하우징(112)의 원형의 가장자리 부분은 하부 하우징(111)의 부분 중 상측으로 노출된 원형 개구의 가장자리 부분에 형합되도록 연결될 수 있다.
예를 들어, 상부 하우징(112)은 중앙 부분에 관통 형성된 중공(1121)을 포함할 수 있다.
운동체(12)는, 하우징(11) 내부 공간에 탄성 부재(13)로부터 지지된 상태에서, 내부 공간에 형성된 자기력에 의해 하우징(11)에 대해 상대적으로 운동할 수 있다.
예를 들어, 운동체(12)는 탄성 부재(13)에 의해 탄성 지지되는 질량체(121)와, 질량체(121)에 설치되는 래디얼 마그넷(122)과, 래디얼 마그넷(122)의 자력이 누설되지 않도록 방지하는 폴 피스(123)를 포함할 수 있다.
질량체(121)는, 탄성 부재(13)에 연결되어 내부 공간에서 상하 방향을 따라서 운동할 수 있다. 예를 들어, 질량체(121)는 탄성 부재(13)를 통해 내부 공간의 하측으로부터 지지될 수 있다. 예를 들어, 질량체(121)는 원형의 형상을 가질 수 있고, 이 경우 원형의 질량체(121)의 중심축은 원형의 내부 공간의 중심축과 일치할 수 있다.
예를 들어, 질량체(121)는 강자성체(Ferromagnetic materials)들 중, 고유 보자력(Intrinsic Coercivity)이 적어도 1000A/m 이하인 연자성체(Soft magnetic materials)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 질량체(121)는 연자성체인 Fe, Ni, Si, Mn 및 Zn 등의 원소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 스틸(Steel), 가루(Powder), 합금(Alloy), 합금 가루(Alloy powder), 합성체(Composites) 및 나노구조(Nanostructure) 중 적어도 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 질량체(121)는 상자성체(Paramagnetic materials)들 중, 그 비중이 적어도 8 이상인 Cu, W 등의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 질량체(121)는 연자성체인 Fe, Ni, Si, Mn, Zn 등의 원소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 합금(Alloy), 합금 가루(Alloy powder), 합성체(Composites) 및 나노구조(Nanostructure) 중 적어도 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 질량체(121)는 강자성체(Ferromagnetic materials) 중 Fe, Co, Ni, Nd, Ni, B 및 Zn 등의 원소들 중 적어도 하나 이상이 포함된 스틸(Steel), 가루(Powder), 합금(Alloy), 합금 가루(Alloy powder), 합성체(Composites) 및 나노구조(Nanostructure) 중 적어도 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 질량체(121)는 하우징(11)의 내부 공간에 수용되어 탄성 부재(13)에 의해 탄성 지지되고 래디얼 마그넷(122)을 수용하는 수용부(1211)와, 수용부(1211)로부터 상측으로 돌출 형성되는 돌출부(1212)를 포함할 수 있다.
수용부(1211)는, 원형의 형상을 가질 수 있고 수용부(1211)의 중심축은 원형의 내부 공간의 중심축과 일치할 수 있다.
예를 들어, 수용부(1211)는 중심축으로부터 설정된 반경의 방사상의 궤적을 따라서 상측으로부터 함몰 형성되는 수용 공간(12111)을 포함할 수 있다.
수용 공간(12111)에는 래디얼 마그넷(122)이 설치될 수 있다. 상측에서 바라볼 때, 수용 공간(12111)은 수용부(1211)의 중심축, 다시 말하면 돌출부(1212)를 중심으로 하는 환형의 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 수용 공간(12111)은 질량체(121)의 중심축으로부터 설정된 반경의 방사상 궤적을 따라서 상측으로부터 함몰 형성되어 있을 수 있다.
예를 들어, 수용 공간(12111)에는 중공 형상의 래디얼 마그넷(122)이 삽입되어 설치될 수 있다.
예를 들어, 수용 공간(12111)에는 내부 공간의 상측에 설치된 코일부(14)의 적어도 일부가 수용 공간(12111)에 삽입될 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷(122)은 수용 공간(12111)의 외주면에 인접하게 삽입될 수 있고, 수용 공간(12111) 중 래디얼 마그넷(122)에 의해 점유되지 않은 내주면 부근의 환형 공간에 코일부(14)의 적어도 일부가 삽입될 수 있다.
즉, 코일부(14)의 하측 일부는 래디얼 마그넷(122)의 중공의 내주면과, 수용 공간(12111)의 내주면 사이의 공간에 삽입되어 있을 수 있다.
수용 공간(12111)에 래디얼 마그넷(122) 및 코일부(14)가 수용되는 구조에 의하면, 래디얼 마그넷(122)으로부터 방출되는 자력선을 수용 공간(12111) 내부에 수용되는 코일부(14)에 집중되도록 분포시킬 수 있다.
돌출부(1212)는, 수용부(1211)의 중심으로부터 상측으로 돌출 형성되어 상부 하우징(112)을 통과하여 상측으로 돌출될 수 있다. 예를 들어, 코일부(14)에 전류가 인가되지 않은 상태에서 돌출부(1212)는 상부 하우징(112)의 중공(1121)을 통과하여 외부로 노출되어 있을 수 있다.
하우징(11)의 상측으로 돌출 형성된 돌출부(1212)는, 래디얼 마그넷 액추에이터(1)의 구동에 따라 운동체(12)의 운동을 통해 형성되는 햅틱 효과를 외부로 전달할 수 있다.
래디얼 마그넷(122)은, 내부에 중공을 구비하는 환형의 자성체로서, 환형의 수용 공간(12111)에 설치될 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷(122)의 외주면은 수용 공간(12111)의 외주면과 인접하게 마주보도록 설치될 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷(122)의 중심축은 수용 공간(12111)의 중심축과 동축을 이룰 수 있다. 예를 들어, 래디얼 마그넷(122)은 반경 방향으로 착자되어 있을 수 있다. 예를 들어, 래디얼 마그넷(122)의 내측은 N극 및 S극 중 어느 하나의 극성을 갖고, 외측은 나머지 극성을 가질 수 있다.
예를 들어, 운동체(12)의 중심축을 기준으로 래디얼 마그넷(122)의 반경 방향의 폭은, 수용 공간(12111)의 반경 방향의 폭보다 작을 수 있다. 따라서, 수용 공간(12111) 중 래디얼 마그넷(122)의 내주면과 수용 공간(12111)의 내주면 사이의 공간은 환형의 빈 공간이 형성될 수 있고, 해당 공간에 환형의 코일부(14)의 하부가 삽입될 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷(122)의 상면의 높이는 운동체(12)의 상면의 높이를 초과하지 않을 수 있다.
폴 피스(123)는 래디얼 마그넷(122)의 상면을 덮도록 설치되어 래디얼 마그넷(122)의 자력이 상측으로 누설되지 않도록 자력을 유도할 수 있다. 폴 피스(123)의 상면은 수용부(1211)의 상면의 높이를 초과하지 않을 수 있다.
예를 들어, 폴 피스(123)의 상면은 수용 공간(12111)의 상측 개구, 즉 운동체(12)의 상면과 동일한 평면 상에 위치할 수 있다.
예를 들어, 폴 피스(123)의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상의 면에는 상부 하우징(112)과의 충돌에 따른 충격을 완화하기 위한 쿠션 또는 댐퍼가 설치되어 있을 수 있다.
탄성 부재(13)는, 일측은 내부 공간의 하측에 고정되고 타측은 수용부(1211)의 하측을 지지하는 탄성체일 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(13)는 내부 공간의 하측 가장자리 부분으로부터 방사상의 형태로 수용부(1211)의 하측 중심을 향해 비스듬히 경사지게 연결되는 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(13)는 낮은 상자성(Paramagnetic) 또는 반자성(Diamagnetic)을 갖는 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(13)는 스테인레스 스틸(Stainless steel), 플라스틱(Plastic) 또는 고무(Rubber)등 외력에 의해 물질의 외관이 변형되어도 외력이 사라짐과 동시에 원래 형상으로 복원할 수 있는 탄성을 갖는 물질이 사용될 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(13)는, 내부 공간의 하측 가장자리 부분을 따라서 고정되는 고정부(131)와, 고정부(131)로부터 수용부(1211)의 하측을 향해 상향 경사지게 연장되는 연결부(132)와, 연결부(132)로부터 연결되어 수용부(1211)의 하측에 고정된 지지부(133)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 고정부(131) 또는 지지부(133)는 적어도 하나 이상의 고정점을 가지며, 각각 환형 또는 하나 이상의 세그먼트로 이루어질 수 있고, 지지부(133)와 고정부(131)는 적어도 하나 이상의 연결부(132)로 이어져 있을 수 있다.
다른 예로, 탄성 부재(13)는 내부 공간의 가장자리 부분으로부터 수용부(1211)에 연결되는 평판 형태의 탄성 소재로 형성될 수 있다.
코일부(14)는, 운동체(12)에 인가되는 자기장을 형성할 수 있다. 예를 들어, 코일부(14)는, 상부 하우징(112)의 하면으로부터 하측으로 연장되도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 코일부(14)는 제어부(15)로부터 교류 전류를 인가받아 상하 방향을 따라서 극성이 교번적으로 변화하는 자기장을 형성할 수 있다. 예를 들어, 코일부(14)는 평면 코일, 솔레노이드 코일, 연자성체를 포함하는 코어부를 갖는 전자석 코일이 사용될 수 있다.
예를 들어, 코일부(14)는 중공을 갖는 원통 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 수용부(1211) 및 돌출부(1212)의 일부는 코일부(14)의 내부에 삽입되어 있을 수 있다.
코일부(14)의 하측 일부는 수용부(1211)의 수용 공간(12111)에 삽입되는 동시에, 래디얼 마그넷(122)의 중공에 삽입될 수 있다.
예를 들어, 코일부(14)에 전류가 인가되지 않은 상태에서, 코일부(14)의 하측의 적어도 일부는 환형의 수용 공간(12111)에 수용되어 수용 공간(12111)에 설치된 래디얼 마그넷(122)의 중공 내부에 삽입된 상태를 유지할 수 있다.
또한, 코일부(14)에 전류가 인가되지 않은 상태에서, 상하 방향을 기준으로 코일부(14)의 중심의 위치는 래디얼 마그넷(122)의 중심점의 위치보다 설정된 간격(d)만큼 상측에 위치할 수 있다.
코일부(14)가 래디얼 마그넷(122)의 상측으로 편향되게 위치되어 있는 구조에 의하면, 전류의 초기 인가시 상하 방향으로 극성이 변화하는 코일부(14)를 상측 또는 하측 방향으로 이동시키기 위한 자기력을 크게 형성할 수 있으므로, 응답 속도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
코일부(14)에 전류가 인가될 경우, 운동체(12)는 탄성 부재(13)에 연결된 상태로 상하 방향으로 운동할 수 있고, 래디얼 마그넷(122)의 자속 방향과 운동체(12)의 운동 방향은 수직하게 형성될 수 있다.
제어부(15)는, 코일부(14)에 전류를 인가하여 운동체(12)를 상하 방향으로 운동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(15)는 코일부(14)에 인가하는 전류의 주파수 및 파형을 조절할 수 있다. 제어부(15)는, 복수개의 구동 모드를 통해 운동체(12)를 구동할 수 있다.
구동 모드를 일반 진동 모드로 설정할 경우, 제어부(17)는 190 Hz 내지 420 Hz 사이의 공진 주파수 대역의 정현파를 코일부(14)에 인가할 수 있어서, 넓은 주파수 대역에서 운동체(12)를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(15)가 190 Hz 내지 420 Hz 사이의 주파수 대역의 정현파를 코일부(14)에 인가할 경우, 운동체(12)는 사람이 촉감 또는 햅틱 효과를 감지할 수 있는 일반적인 진동력의 크기인 0.2 G 이상의 진동력을 형성할 수 있다.
구동 모드를 두드림 모드로 설정할 경우, 제어부(15)는 1 Hz 내지 20 Hz 사이의 주파수 대역의 방형파를 코일부(14)에 인가할 수 있어서 운동체(12)가 형성하는 진동력의 진폭이 간헐적으로 변화하는 "두드림"에 해당하는 햅틱 효과를 형성할 수 있다.
제어부(15)는 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성하기 위해 20 Hz 미만의 방형파형의 교류 전류를 코일부(14)에 인가할 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)에 의하면, 수용부(1211)는 래디얼 마그넷(1)과 더불어 코일부(14)의 측부를 완전히 감싸도록 설치되는 구조를 갖기 때문에, 운동체(12)가 수행하는 상하측 방향의 운동의 전체 구간동안 코일부(14)에는 전체 부분에 걸쳐 크고 균일한 자기장이 인가될 수 있기 때문에, 높은 진동력, 빠른 반응 속도 및 구동 안정성을 확보할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 래디얼 마그넷 액추에이터의 다양한 변형 실시 예를 도시하는 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 도 1의 래디얼 마그넷 액추에이터(1)로부터 변형된 구조를 갖는 다양한 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터(1a, 1b, 1c)의 구성을 확인할 수 있다.
먼저 도 2와 같이 래디얼 마그넷 액추에이터(1a)의 수용부(1211a)는 수용 공간(12111a) 뿐만 아니라 상면으로부터 함몰 형성되는 추가적인 함몰부(12112a)를 포함할 수 있다.
함몰부(12112a)는 수용부(1211a)의 중심축을 기준으로 돌출부(1212a) 및 수용 공간(12111a) 사이에 추가적으로 함몰 형성될 수 있다.
위의 구조에 의하면, 수용부(1211a)가 수용 공간(12111a)을 통해서 래디얼 마그넷(122a) 및 코일부(14)를 양방향으로 감싸는 구조는 유지하되, 돌출부(1212a) 및 수용 공간(12111a) 사이의 불필요한 부분을 제거함으로써, 운동체(12a)의 질량을 감소시킬 수 있어서 결과적으로 래디얼 마그넷 액추에이터(1a)를 경량화 할 수 있다.
돌출부(1212, 1212a)를 구비하는 래디얼 마그넷 액추에이터(1, 1a)에 의하면, 외부의 사용자에게 직접 접촉되어 햅틱 효과를 직접적으로 전달할 수 있기 때문에, 하우징을 통하여 햅틱 효과을 간접적으로 사용자에게 전달하는 방식에 비해, 햅틱 효과를 보다 효과적이고 생동감있게 전달할 수 있다.
도 3의 래디얼 마그넷 액추에이터(1b)는 도 1의 래디얼 마그넷 액추에이터(1)로부터 돌출부(1212)를 제거한 형태일 수 있다.
운동체(12b)로부터 돌출부(1212)가 제거됨에 따라서, 상부 하우징(112)의 중공(1121) 역시 제거되어 상부 하우징(111)이 내부 공간을 완전히 차폐할 수 있다.
도 3의 래디얼 마그넷 액추에이터(1b)는 운동체(12b)의 진동력을 직접적으로 전달하는 돌출부(1212)가 없는 구조이므로, 운동체(12b)의 운동을 통해 형성된 햅틱 효과는 운동체(12b)와 상대적으로 움직이는 하우징(11)을 통해 간접적으로 전달될 수 있다.
도 4의 래디얼 마그넷 액추에이터(1c)는, 도 3의 래디얼 마그넷 액추에이터(1b)의 구조로부터, 수용부(1211c)의 중앙 부분이 추가적으로 함몰 형성된 것으로 이해될 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1c)는 수용 공간(12111c)을 형성하기 위해 래디얼 마그넷(122c) 및 코일부(14)를 감싸는 부분을 제외한 중앙 부분에 추가적으로 함몰 형성된 함몰부(12112c)를 더 포함할 수 있다.
도 4의 래디얼 마그넷 액추에이터(1c)의 구조에 의하면, 수용부(1211c)의 부분 중, 수용 공간(12111c)을 제외한 안쪽의 중심 부분이 함몰 형성됨에 따라서, 운동체(12c)의 질량을 감소시킬 수 있고 결과적으로 래디얼 마그넷 액추에이터(1c)를 경량화 할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 4에 도시된 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터(1)와는 다른 구조를 갖는 래디얼 마그넷 액추에이터(2)의 구성을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(2)는 내부 공간을 갖는 원통 형상의 하우징(21)과, 내부 공간에 설치되어 래디얼 마그넷(25)이 설치되고 코일부(222)가 삽입되는 수용 공간을 구비하는 요크 부재(24)와, 요크 부재(24)의 수용 공간(243)에 설치되는 중공 형상의 래디얼 마그넷(25)과, 래디얼 마그넷(25)의 자력이 누설되지 않도록 방지하는 폴 피스(26)와, 중공 형상의 코일부(222)를 구비하여 하우징(21) 내부에서 상대적으로 운동할 수 있는 운동체(22)와, 하우징(21)의 내부로부터 운동체(22)를 탄성 지지하는 탄성 부재(23)와, 코일부(222)에 인가되는 전류의 특성을 조절하는 제어부(27)를 포함할 수 있다.
하우징(21)은, 내부 공간을 갖는 원통 형상의 부재일 수 있다. 예를 들어, 하우징(21)의 내부 공간의 형상은 원기둥 형상일 수 있다.
예를 들어, 하우징(21)은 하측 하우징(211), 가이드 하우징(212) 및 상측 하우징(213)을 포함할 수 있다.
하측 하우징(211)은 요크 부재(24)의 둘레를 감쌀 수 있다. 예를 들어, 하측 하우징(211)은 상측이 개방된 원통 형상을 가질 수 있고, 상측으로부터 요크 부재(24)가 삽입되어 설치될 수 있다.
가이드 하우징(212)은 하측 하우징(211)으로부터 요크 부재(24)가 이탈되지 않도록 요크 부재(24)의 상측 가장자리를 지지하고, 상측으로는 탄성 부재(23)의 가장자리를 지지할 수 있다.
예를 들어, 가이드 하우징(212)은, 하측 하우징(211)의 내부 공간에서 하측 하우징(211)의 내면과 요크 부재(24)의 외면 사이에 연결되어, 요크 부재(24)의 중심축과 하우징(21)의 중심축이 동축을 형성하도록 지지할 수 있다.
예를 들어, 가이드 하우징(212)의 하단부는, 요크 부재(24)의 외주면이 내부 공간의 내측벽으로부터 이격된 상태에서, 요크 부재(24)의 단부가 형합되는 형상을 가질 수 있다.
상측 하우징(213)은 가이드 하우징(212)의 상측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상측 하우징(213)은 하측 하우징(211)의 내주면에 끼워 맞춰지는 원형의 부재일 수 있다.
예를 들어, 상측 하우징(213)은 하측 하우징(211)의 상측에서, 내부 공간의 상측 입구의 적어도 일부를 차폐할 수 있도록 설치될 수 있다.
예를 들어, 상측 하우징(213)의 하측은, 가이드 하우징(212)으로부터 지지되는 탄성 부재(23)의 가장자리의 상측에 연결될 수 있다. 따라서, 탄성 부재(23)의 가장자리는 가이드 하우징(212)과, 상측 하우징(213)에 의해 상하 양방향으로부터 가압되어 고정될 수 있다.
요크 부재(24)는 하우징(21)의 내부 공간의 하측에 설치되어 자기장의 흐름을 유도할 수 있는 자성체일 수 있다. 예를 들어, 요크 부재(24)는 래디얼 마그넷(25)으로부터 방출되는 자력선을 요크 부재(24) 내부에 수용된 코일부(222)에 집중되도록 분포시킬 수 있다.
예를 들어, 요크 부재(24)는 강자성체(Ferromagnetic materials)들 중, 고유 보자력(Intrinsic Coercivity)이 적어도 1000A/m 이하인 연자성체(Soft magnetic materials)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 요크 부재(24)는 연자성체인 Fe, Ni, Si, Mn 및 Zn 등의 원소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 스틸(Steel), 가루(Powder), 합금(Alloy), 합금 가루(Alloy powder), 합성체(Composites) 및 나노구조(Nanostructure) 중 적어도 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 요크 부재(24)는 상자성체(Paramagnetic materials)들 중, 그 비중이 적어도 8 이상인 Cu, W 등의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 요크 부재(24)는 연자성체인 Fe, Ni, Si, Mn, Zn 등의 원소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 합금(Alloy), 합금 가루(Alloy powder), 합성체(Composites) 및 나노구조(Nanostructure) 중 적어도 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 요크 부재(24)는 강자성체(Ferromagnetic materials) 중 Fe, Co, Ni, Nd, Ni, B 및 Zn 등의 원소들 중 적어도 하나 이상이 포함된 스틸(Steel), 가루(Powder), 합금(Alloy), 합금 가루(Alloy powder), 합성체(Composites) 및 나노구조(Nanostructure) 중 적어도 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 요크 부재(24)는 래디얼 마그넷(25) 및 코일부(222)의 외측을 둘러 감싸는 가장자리부(242)와, 래디얼 마그넷(25) 및 코일부(222)의 내측에 위치하는 중앙부(241)와, 가장자리부(242) 및 중앙부(241) 사이의 부분에서 함몰 형성되어 래디얼 마그넷(25) 및 코일부(222)의 수용하는 수용 공간(243)을 포함할 수 있다.
가장자리부(242)의 외주면은 하측 하우징(211)의 내주면을 마주보도록 설치될 수 있고, 가장자리부(242)의 내주면은 래디얼 마그넷(25)의 외주면의 둘레를 감쌀 수 있다.
예를 들어, 가장자리부(242)의 직경은 내부 공간의 직경보다 작을 수 있다. 따라서, 전술한 가이드 하우징(212)의 하단부가 가장자리부(242)의 외주면과, 내부 공간의 내주면 사이에 끼워맞춰짐에 따라서, 요크 부재(24)가 내부 공간에서 고정될 수 있다.
요크 부재(24)는 가이드 하우징(212)에 의해 끼워 맞춰져 위치가 고정될 수 있고, 탄성 부재(23) 역시 가이드 하우징(212)과 상측 하우징(213)에 사이에 끼워 맞춰짐으로써 고정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(2)는 별도의 접착제 또는 체결 요소의 결합 없이 조립될 수 있어서 조립과 분해가 간단하고, 경량화를 달성할 수 있다.
중앙부(241)는 내부 공간의 중심축과 동축을 이루며 설치될 수 있다. 예를 들어, 중앙부(241)의 적어도 일부는 코일부(222)의 중공 내부에 삽입될 수 있다.
예를 들어, 중앙부(241)는 중앙 부분에 함몰 형성된 함몰부(2411)를 포함할 수 있다. 함몰부(2411)에 의하면, 래디얼 마그넷(25) 및 코일부(222)를 감싸는 부분을 제외한 요크 부재(24)의 부분을 제거함으로써 래디얼 마그넷 액추에이터(2)를 경량화 할 수 있다.
수용 공간(243)에는 래디얼 마그넷(25)이 설치될 수 있다. 상측에서 바라볼 때, 수용 공간(243)은 요크 부재(24)의 중심축, 다시 말하면 내부 공간의 중심축을 기준으로 환형의 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 수용 공간(243)에는 환형의 래디얼 마그넷(25)이 삽입되어 설치될 수 있고, 상측으로부터 운동체(22)의 코일부(222)의 적어도 일부가 수용 공간(243)에 삽입될 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷(25)은 수용 공간(243)의 외주면에 인접하게 삽입될 수 있고, 수용 공간(243) 중 래디얼 마그넷(25)에 의해 점유되지 않은 내주면 부근의 환형 공간에 코일부(222)의 적어도 일부가 삽입될 수 있다.
수용 공간(243)에 래디얼 마그넷(25) 및 코일부(222)가 수용되는 구조에 의하면, 요크 부재(24)는 래디얼 마그넷(25)으로부터 방출되는 자력선을 수용 공간(243) 내부에 수용되는 코일부(222)에 집중되어 통과하도록 유도할 수 있어서 코일부(222)에 크고 균일한 자기력을 인가할 수 있다.
래디얼 마그넷(25)은, 내부에 중공을 구비하는 환형의 자성체로서, 환형의 수용 공간(243)에 설치될 수 있다.
예를 들어, 래디얼 마그넷(25)은, 외주면이 수용 공간(243)의 외주면과 접촉하도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 래디얼 마그넷(25)은 반경 방향으로 착자되어 있을 수 있다.
예를 들어, 내부 공간의 중심축을 기준으로 래디얼 마그넷(25)의 내경은, 수용 공간(243)의 내경보다 작을 수 있다. 따라서, 수용 공간(243) 중 래디얼 마그넷(25)의 내주면과 수용 공간(243)의 내주면 사이의 공간은 환형의 빈 공간이 형성될 수 있고, 해당 공간에 환형의 코일부(222)의 하부가 삽입될 수 있다.
폴 피스(26)는 래디얼 마그넷(25)의 상면을 덮도록 설치되어 래디얼 마그넷(25)의 자력이 상측으로 누설되지 않도록 자력을 유도할 수 있다. 예를 들어, 폴 피스(26)의 상면은 요크 부재(24)의 상면과 동일한 높이를 가질 수 있다.
예를 들어, 폴 피스(26)의 양면 중 적어도 하나 이상의 면에는 운동체(22)와의 충돌에 따른 충격을 완화하기 위한 쿠션 또는 댐퍼가 설치될 수 있다.
운동체(22)는, 하우징(21) 내부 공간에 설치되어 수용 공간(243) 내부를 흐르는 자기력에 의해 상하 방향으로 운동할 수 있다.
예를 들어, 운동체(22)는 운동체(22)는 탄성 부재(23)에 의해 탄성 지지되는 질량체(221)와, 질량체(221)에 설치되는 코일부(222)를 포함할 수 있다.
질량체(221)는, 탄성 부재(23)에 연결되어 내부 공간에서 상하 방향을 따라서 운동할 수 있다. 예를 들어, 질량체(221)는 탄성 부재(23)를 통해 내부 공간의 내주면으로부터 이격된 상태로 지지될 수 있다. 예를 들어, 질량체(221)는 원형의 형상을 가질 수 있고, 이 경우 원형의 질량체(221)의 중심축은 내부 공간의 중심축과 일치할 수 있다.
예를 들어, 질량체(221)는 하우징(21)의 내부 공간에 수용되어 탄성 부재(23)에 의해 탄성 지지되고 코일부(222)를 지지하는 삽입부(2211)와, 삽입부(2211)로부터 상측으로 돌출 형성되는 돌출부(2212)를 포함할 수 있다.
삽입부(2211)는, 하측으로부터 함몰 형성된 홈을 구비할 수 있고, 하측의 가장자리 부분이 수용 공간(243)에 삽입될 수 있는 원통형 컵 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 삽입부(2211)의 홈에는 요크 부재(24)의 중앙부(241)가 삽입될 수 있고, 요크 부재(24)의 수용 공간(243)에는 삽입부(2211)와 삽입부(2211)의 둘레를 따라 설치된 코일부(222)가 삽입될 수 있다.
돌출부(2212)는, 삽입부(2211)의 중심으로부터 상측으로 돌출 형성되어 상측 하우징(213)을 통과하여 상측으로 돌출될 수 있다. 예를 들어, 코일부(222)에 전류가 인가되지 않은 상태에서 돌출부(2212)는 상측 하우징(213)의 중공(2131)을 통과하여 외부로 노출되어 있을 수 있다.
하우징(21)의 상측으로 돌출 형성된 돌출부(2212)는, 래디얼 마그넷 액추에이터(2)의 구동에 따라 운동체(22)의 운동을 통해 형성되는 햅틱 효과를 외부로 전달할 수 있다.
코일부(222)는, 삽입부(2211)의 원형의 가장자리 둘레를 따라서 설치될 수 있다. 예를 들어, 코일부(222)는 제어부(27)로부터 교류 전류를 인가받아 상하 방향을 따라서 극성이 교번적으로 변화하는 자기장을 형성할 수 있다.
예를 들어, 코일부(222)는 삽입부(2211)의 외주면을 감싸도록 설치될 수 있다.
예를 들어, 코일부(222)는 평면 코일, 솔레노이드 코일, 연자성체를 포함하는 코어부를 갖는 전자석 코일이 사용될 수 있다.
탄성 부재(23)는, 내부 공간의 일측으로부터 운동체(22)를 탄성 지지할 수 있다. 탄성 부재(23)는 상하 방향에 수직한 평면 방향을 따라서 내부 공간의 내주면으로부터 질량체(221)를 연결하는 평판 형태의 탄성 소재로 형성될 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(23)는 내부 공간의 내주면에 고정되는 고정부(231)와, 고정부(231)로부터 질량체(221)를 향해 수평하게 연장되는 연장부(232)와, 연장부(232)에 연결되어 질량체(221)에 고정되는 지지부(233)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 고정부(231)는 내부 공간의 가장자리 부분에서 하측으로부터 가이드 하우징(212)에 의해 지지될 수 있고, 상측으로부터 상측 하우징(213)에 의해 가압됨에 따라서, 결과적으로 가이드 하우징(212)과 상측 하우징(213) 사이에 끼워 맞춰져 고정될 수 있다.
탄성 부재(23)에 의하면, 운동체(22)는 하우징(21)의 내벽 및 탄성 부재(23)를 제외한 나머지 구성 요소들과 접촉되지 않도록 이격된 상태로 탄성 지지할 수 있다.
예를 들어, 운동체(22)가 상측 운동 방향으로 최대 변위로 이동된 상태에서도, 코일부(222)의 적어도 일부는 수용 공간(243)에 삽입되어 있는 상태를 유지할 수 있다.
코일부(222)에 전류가 인가되지 않은 초기 상태를 기준으로, 탄성 부재(23)는 수평한 상태를 유지하면서 하우징(21)으로부터 운동체(22)를 탄성 지지할 수 있다.
또한, 코일부(222)에 전류가 인가되지 않은 경우, 상하 방향을 기준으로 코일부(222)의 중심점의 위치는 래디얼 마그넷(25)의 중심점의 위치보다 설정된 간격(d)만큼 상측에 위치할 수 있다.
코일부(222)가 래디얼 마그넷(25)의 상측으로 편향되게 위치되어 있는 구조에 의하면, 전류의 초기 인가시 상하 방향으로 극성이 변화하는 코일부(222)를 상측 또는 하측 방향으로 이동시키기 위한 자기력을 크게 형성하기 유리하므로, 응답 속도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
코일부(222)에 교류 전류가 인가될 경우, 운동체(22)는 탄성 부재(23)에 연결된 상태로 상하 방향으로 운동할 수 있고, 래디얼 마그넷(25)의 자속 방향과 운동체(22)의 운동 방향은 수직하게 형성될 수 있다.
제어부(27)는, 코일부(222)에 전류를 인가하여 운동체(22)를 상하 방향으로 운동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(27)는 코일부(222)에 직류 전류 또는 교류 전류를 인가할 수 있다. 예를 들어, 제어부(27)는 코일부(222)에 인가하는 전류의 주파수 및 파형을 조절할 수 있다. 제어부(27)는, 복수개의 구동 모드를 통해 운동체(22)를 구동할 수 있다.
구동 모드를 일반 진동 모드로 설정할 경우, 제어부(17)는 190 Hz 내지 420 Hz 사이의 공진 주파수 대역의 정현파를 코일부(222)에 인가할 수 있어서, 넓은 주파수 대역에서 운동체(22)의 구동을 수행할 수 있다.
예를 들어, 제어부(27)가 190 Hz 내지 420 Hz 사이의 주파수 대역의 정현파를 코일부(222)에 인가할 경우, 운동체(22)는 사람이 촉감 또는 햅틱 효과를 감지할 수 있는 일반적인 진동력의 크기인 0.2 G 이상의 진동력을 형성할 수 있다.
구동 모드를 두드림 모드로 설정할 경우, 제어부(27)는 1 Hz 내지 20 Hz 사이의 주파수 대역의 방형파를 코일부(222)에 인가할 수 있어서 운동체(22)가 형성하는 진동력의 진폭이 간헐적으로 변화하는 "두드림"에 해당하는 햅틱 효과를 형성할 수 있다.
제어부(27)는 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성하기 위해 20 Hz 미만의 방형파형의 교류 전류를 코일부(222)에 인가할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 래디얼 마그넷 액추에이터의 다양한 변형 실시 예를 도시하는 단면도이다.
도 6 내지 도 8를 참조하면, 도 5의 래디얼 마그넷 액추에이터(1)로부터 변형된 구조를 갖는 다양한 실시 예의 래디얼 마그넷 액추에이터(2a, 2b, 2c)의 구성을 확인할 수 있다.
먼저 도 6에 도시된 래디얼 마그넷 액추에이터(2a)의 요크 부재(24a)는 도 5의 래디얼 마그넷 액추에이터(2)와 달리 요크 부재(24a)의 중앙부(241a)의 중앙 부분에 함몰 형성된 부분이 없을 수 있다
돌출부(2212)를 구비하는 래디얼 마그넷 액추에이터(2, 2a)의 구조에 의하면, 외부의 사용자에게 직접 접촉되어 햅틱 효과를 직접적으로 전달할 수 있기 때문에, 하우징을 통하여 햅틱 효과을 간접적으로 사용자에게 전달하는 방식에 비해, 햅틱 효과를 보다 효과적이고 생동감있게 전달할 수 있다.
도 7의 래디얼 마그넷 액추에이터(2b)는 도 6의 래디얼 마그넷 액추에이터(2a)로부터 돌출부(2212)를 제거한 형태일 수 있다.
운동체(22b)로부터 돌출부(2212)가 제거됨에 따라서, 상측 하우징(213b)의 중공 역시 제거되어, 상측 하우징(213b)이 상측으로부터 내부 공간을 완전히 차폐하게 될 수 있다.
도 7의 래디얼 마그넷 액추에이터(2b)는 운동체(22b)의 진동력을 직접적으로 전달하는 돌출부(2212)가 없는 구조이므로, 운동체(22b)의 운동을 통해 형성된 햅틱 효과는 운동체(22b)와 상대적으로 움직이는 하우징(21b)을 통해 간접적으로 전달될 수 있다.
도 8의 래디얼 마그넷 액추에이터(2c)는, 도 5의 래디얼 마그넷 액추에이터(2)로부터 돌출부(2212)를 제거한 형태일 수 있다.
마찬가지로, 운동체(22b)로부터 돌출부(2212)가 제거됨에 따라서, 상측 하우징(213b)의 중공 역시 제거되어, 상측 하우징(213b)이 상측으로부터 내부 공간을 완전히 차폐하게 될 수 있다.
도 9는 종래의 선형 공진 액추에이터와 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터가 구동 주파수별로 형성하는 진동력을 서로 비교하는 그래프이다.
도 9를 참조하면 종래의 선형 공진 액추에이터(Linear Resonant Actuator, LRA)와 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)에 전류를 인가하였을 경우, 구동 주파수의 크기에 따라 각각의 액추에이터에서 측정되는 진동력(G)의 크기를 비교할 수 있다.
종래의 선형 공진 액추에이터의 경우, 진동력의 크기가 0.5G 이상으로 측정되는 구간은 130 Hz 내지 240 Hz 사이의 구간으로서, 약 110 Hz의 구동 대역폭을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)의 경우, 진동력의 크기가 0.5G 이상으로 측정되는 구간은 약 190 Hz 내지 420 Hz 사이의 구간으로서, 구동 대역폭은 약 225 Hz로 종래의 선형 공진 액추에이터의 구동 대역폭보다 2 배 이상 넓은 구동 대역폭을 가진다는 점을 확인할 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터에 5 Hz의 방형파를 인가하였을 경우, 두드림에 해당하는 햅틱 효과가 형성되는 모습을 나타나는 그래프이다.
먼저, 도 10의 첫 번째 그래프는 제어부(17)가 5 Hz의 주파수를 갖는 방형파를 코일부(14)에 1주기 동안 인가하는 전압의 형태를 나타낸 것이고, 도 10의 두 번째 그래프는, 첫 번째 그래프에 도시한 입력에 따라 래디얼 마그넷 액추에이터(1)에서 형성되는 진동력(G)을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 1~20 Hz 사이의 초저주파수 대역에 해당하는 방형파를 래디얼 마그넷 액추에이터(1)에 인가하였을 경우, 일반 진동과는 다른 햅틱 반응이 형성되는 모습을 확인할 수 있다. 이와 같은 햅틱 반응을 통하여, 래디얼 마그넷 액추에이터(1)는 사용자에게 "두드림"의 촉각을 제공할 수 있다. 즉, 도 10은 래디얼 마그넷 액추에이터(1)를 "두드림 모드"로 구동시키는 모습을 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
도 10의 하단에 도시된 그래프를 참조하여, 두드림 모드로 구동되는 햅틱 반응을 살펴보면, 시간에 따라서, 진동력의 파형에서 진폭의 크기가 매 사이클마다 변하는 것을 확인할 수 있다. 해당 진폭의 크기는 반주기 동안 대략 지수적으로(exponentially) 감소하는 형상을 갖는데, 초반에 다소 짧은 시간(약 20 ms) 동안 큰 값을 나타내고, 중반 및 후반으로 갈수록 급격하게 감소함을 알 수 있다. 이와 같은 진폭의 급격한 차이에 따라서, 사용자는, 일반적인 진동과는 다른 간헐적인 두드림과 같은 햅틱 효과를 감지할 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터에 서로 다른 초저주파수 대역의 방형파를 인가하였을 때 발생되는 충격량을 나타내는 그래프이다.
구체적으로 도 11은 80 Hz 내지 360 Hz 사이에서 여러 공진주파수를 갖는 촉각 액추에이터마다 2Hz, 5 Hz, 10 Hz 및 20 Hz에 해당하는 방형파를 인가하였을 경우, 해당 파형을 인가하고 나서 50 ms구간 동안, 진동력을 측정한 다음, 그 측정된 진동력을, 상기 50 ms구간 내에서 적분을 하여 구한 충격량을 그래프로 나타낸 것이다.
진동력을 50 ms 단위로 적분하여 충격량을 구하는 식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
(t_0는 파형의 입력 순간의 시간)
'Robotic Tactile Sensing Technologies and System, Springer Science & Business Media, (2012. 7. 29)'에 따르면 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간이 30~50 ms이고, 20~40대 성인을 대상으로 측정한 결과 두드림을 손가락으로 인지하기 위해서는, 0~50 ms 구간에서 3 mNs 이상의 충격량이 필요하다는 점을 확인하였다.
일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)로부터 바람직한 두드림의 효과를 얻기 위해서는, 후술할 도 12와 같이 일반적인 진동에 해당하는 촉각을 제공하는 최소 한계 주파수인 20 Hz 이하의 방형파가 인가되어야 하고, 상기 확인된 내용과 같이 평균적인 사람이 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간인 50 ms 구간 동안 누적된 충격량이 3 mNs 이상이 되어야 함을 확인할 수 있다.
도 12는 일 실시 예에 따른 5 Hz의 방형파를 인가하였을 경우(A)와 정현파를 인가하였을 경우(B)에 형성되는 진동력을 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 유형 A와 같이 50 ms 구간 내 충격량의 합이 3 mNs를 초과하는 구간(0~50ms)을 갖는 경우, 사용자가 두드림의 촉각을 느낄 수 있다.
반면 유형 B와 같이 임펄스(impulse)에 가까운 감쇄율이 매우 높은 햅틱 반응을 나타내는 경우로써, 50 ms 구간 내 충격량의 합이 3 mNs를 초과하는 구간이 전혀 없는 경우, 사용자가 두드림의 촉각을 느끼지 못함을 확인할 수 있었다.
도 13은 일 실시 예에 따른 초저주파수 대역의 방형파를 인가하였을 경우 형성되는 진동력을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 도 13은, 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)에 각각 10 Hz, 15 Hz 및 20 Hz의 방형파를 입력하였을 경우에 측정되는 진동력을 나타내는 그래프를 유형 A, 유형 B 및 유형 C로 나타낸 것이다.
도 13을 참조하면, 유형 A 및 B의 경우, 점선으로 표시한 바와 같이, 진동력의 진폭의 크기, 즉, 최고점의 높이가, 시간의 흐름에 따라서, 변화하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 진폭의 최고점의 높이의 차이는 0.1 G 이상일 수 있다. 또한, 진폭의 최고점의 높이의 차이가 0.1 G 이상이 되는 최소 시간 간격은, 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간, 예를 들면, 30 ms 이상으로 형성됨을 알 수 있다. 이와 같은 유형 A 및 B의 경우, 후술하는 유형 C에서 사용자가 느낄 수 있는 일반적인 진동과는 다른 새로운 촉각, 다시 말하면, 두드림에 해당하는 촉각을 느낄 수 있음을 확인할 수 있었다.
반면 유형 C의 경우, 주기의 간격이, 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간, 예를 들면, 30 ms 내로 좁게 형성될 뿐만 아니라, 점선으로 표시한 바와 같이, 진폭의 차이는 0.1 G 미만으로 크게 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 사용자는 두드림이 아닌 일반적인 진동으로 감지하게 된다.
따라서, 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)를 두드림 모드로 작동시키기 위해서는, 20 Hz 미만의 방형파가 인가될 수 있다. 다시 말하면, 방형파를 인가하더라도, 방형파의 주파수가 20 Hz를 초과할 경우 정현파와 같은 파형을 보이므로 사용자는 두드림인 아닌 일반적인 진동으로 감지함을 알 수 있다.
결과적으로, 두드림 모드에서 제어부(15)는 20 Hz 미만의 방형파형의 교류 전류를 코일부(14)에 인가함으로써, 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성할 수 있다.
도 14는 종래의 선형 공진 액추에이터와 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터에 초저주파수 대역의 방형파를 인가하였을 경우 시간에 따라 형성되는 진동력의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 종래의 선형 공진 액추에이터에 저주파수 대역의 방형파를 인가 하였을 경우 최대 약 1.43 G의 진동력이 측정되는 반면, 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)에 저주파수 대역의 방형파를 인가 하였을 경우에는 그보다 높은 약 1.83 G의 진동력이 측정되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 래디얼 마그넷 액추에이터(1)는 저주파수 대역에서의 구동에서도 명확한 햅틱 효과의 전달이 가능하다는 점을 알 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (18)

  1. 내부 공간을 갖는 하우징;
    상기 내부 공간에서 상대적으로 운동 가능하게 설치되는 질량체와, 상기 질량체에 설치되는 중공 형상의 래디얼 마그넷을 구비하는 운동체;
    상기 내부 공간의 일측으로부터 상기 운동체를 탄성 지지하는 탄성 부재; 및
    상기 내부 공간의 상측에 설치되고 적어도 일부가 상기 래디얼 마그넷의 중공에 삽입되는 중공 형상의 코일부를 포함하고,
    상기 래디얼 마그넷은 반경 방향으로 착자되어 있는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량체는,
    중심축으로부터 설정된 반경의 방사상 궤적을 따라서 상측으로부터 함몰 형성되는 수용 공간을 포함하고,
    상기 래디얼 마그넷은 상기 수용 공간에 삽입되어 설치되고, 상기 코일부의 하측은 상기 래디얼 마그넷의 중공의 내주면과 상기 수용 공간의 내주면 사이에 삽입되는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징은 지름의 크기가 6mm 내지 12mm인 원통 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는,
    일측이 상기 내부 공간의 하측 가장자리 둘레를 따라 고정되고, 타측은 방사상의 형태로 질량체의 하측의 중심을 향해 비스듬히 경사지게 연결되는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 코일부에 전류가 인가되지 않은 상태에서, 상하 방향을 기준으로 상기 코일부의 중심의 위치는 상기 래디얼 마그넷의 중심의 위치보다 설정된 간격만큼 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질량체는,
    상기 수용 공간의 내측의 중앙 부분이 상측으로부터 함몰 형성된 함몰부를 더 포함하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 질량체는,
    상기 수용 공간의 내측의 중앙 부분으로부터 상측으로 돌출 형성되어 상기 하우징의 상측으로 돌출되는 돌출부를 더 포함하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 코일부에 교류 전류를 인가하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부가 1 Hz 내지 20 Hz 사이의 주파수 대역의 교류 전류를 상기 코일부에 인가할 경우, 50 ms 단위 간격 내에서 상기 운동체가 형성하는 누적 충격량이 3 mNs 이상으로 형성되어 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성하는 것을 특징으로 하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  9. 내부 공간을 갖는 하우징;
    상기 내부 공간에서 상대적으로 운동 가능하게 설치되는 질량체와, 상기 질량체에 설치되는 중공 형상의 코일부를 구비하는 운동체;
    상기 내부 공간의 일측으로부터 상기 운동체를 탄성 지지하는 탄성 부재;
    상기 내부 공간에 설치되고 상기 코일부의 하측이 삽입될 수 있는 중공을 구비하는 래디얼 마그넷; 및
    상기 래디얼 마그넷이 설치되고 상기 코일부의 하측이 삽입될 수 있는 환형의 수용 공간을 구비하는 요크 부재를 포함하고,
    상기 래디얼 마그넷은 반경 방향으로 착자되어 있는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 요크 부재는,
    상기 래디얼 마그넷의 외주면을 감싸도록 배치되는 가장자리부; 및
    상기 래디얼 마그넷의 중공 내부에 삽입되는 중앙부를 포함하고,
    상기 수용 공간은 상기 가장자리부 및 중앙부 사이에 형성되는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 질량체는 하측으로부터 상기 중앙부가 삽입될 수 있도록 함몰 형성된 홈을 구비하고,
    상기 코일부는 상기 질량체의 외주면을 감싸도록 설치되는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는,
    상하 방향에 수직한 평면 방향을 따라서 상기 내부 공간의 내주면으로부터 상기 질량체를 연결하는 평판 형태를 갖는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 코일부에 전류가 인가되지 않은 상태에서, 상하 방향을 기준으로 상기 코일부의 중심의 위치는 상기 래디얼 마그넷의 중심의 위치보다 설정된 간격만큼 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 요크 부재의 직경은 상기 내부 공간의 직경보다 작게 형성되고,
    상기 하우징은,
    상기 내부 공간의 내주면으로부터 상기 가장자리부의 외주면 사이에 개재되는 가이드 하우징을 포함하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 내부 공간의 상측을 덮는 상측 하우징을 더 포함하고,
    상기 탄성 부재의 가장자리 부분은 하측으로 상기 가이드 하우징에 의해 지지되고, 상측으로 상기 상측 하우징에 의해 가압되는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 코일부에 교류 전류를 인가하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부가 교류 전류를 상기 코일부에 인가할 경우, 형성되는 진동력의 크기가 0.5G 이상으로 측정되는 구동 주파수의 대역폭은 200Hz 이상인 것을 특징으로 하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 중앙부는,
    상측으로부터 함몰 형성된 함몰부를 더 포함하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 코일부에 교류 전류를 인가하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부가 1 Hz 내지 20 Hz 사이의 주파수 대역의 교류 전류를 상기 코일부에 인가할 경우, 50 ms 단위 간격 내에서 상기 운동체가 형성하는 누적 충격량이 3 mNs 이상으로 형성되어 두드림에 해당하는 햅틱 효과를 형성하는 것을 특징으로 하는 래디얼 마그넷 액추에이터.
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