KR20210134352A - 플레이트 상에 햅틱 효과를 발생시키기 위한 유닛 센서-액추에이터 및 그 사용 - Google Patents

플레이트 상에 햅틱 효과를 발생시키기 위한 유닛 센서-액추에이터 및 그 사용 Download PDF

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프레데릭 지로
크리스토프 지로-오딘
미쉘 암베르그
베티 르메르-세메일
브루노 샬리올
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햅투유
위니베르시떼 드 릴르
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 소정의 진동 모드를 따라 작동시킬 표면(4) 상에 고정되도록 고안되고 전자기계식 액추에이터(2) 및 변형 또는 진동속도 감지용 센서(3)를 포함하는 유닛 센서-액추에이터(1)에 관한 것으로서, 그 전자기계식 액추에이터(2) 및 센서(3)는 상기 표면(4) 상에서 동일 장소에 위치하는 것을 특징으로 하는데, 즉 센서(3)에 의한 측정은 전자기계식 액추에이터(2)에 가까운 근방에서 실시되며, 그 근접성은 전자기계식 액추에이터(2)와 센서(3)가 동일한 소정의 진동 모드를 각기 작동하고 측정할 수 있도록 가까운 정도이다.

Description

플레이트 상에 햅틱 효과를 발생시키기 위한 개별 센서-액추에이터 및 그 사용
본 발명은 인터페이스상에 분산 배치된 다수의 전자기계식 액추에이터, 특히 압전 액추에이터를 사용하는 촉각 인터페이스 분야에 관한 것이다.
다수의 액추에이터, 특히 압전 액추에이터를 사용하는 공지된 촉각 인터페이스들은 액추에이터의 급전 및 제어 아키텍처, 액추에이터들 사이의 누화 현상의 존재 또는 환경 조건에 대한 과도한 민감도와 관련된 다수의 문제를 야기한다.
급전과 관련하여는, 각각의 압전 액추에이터가 압전 효과에 의하여 전기 에너지를 하나의 변형으로 전환할 수 있도록 전기 에너지를 공급받아야 한다. 따라서 에너지는 진동 구조체 전체상으로 복잡하게 분배되어야 하고, 이는 액추에이터들의 급전 아키텍처를 복잡하게 만든다.
공지된 어떤 구성들에서는, 여러 액추에이터가 병렬로 급전된다. 그 경우 그것들은 동일한 전압으로 급전되지만, 이로써 액추에이터 변위의 동기화가 보장되지는 않고, 따라서 각각의 액추에이터는 각기 고유의 공진 주파수를 가질 수 있으므로 촉각 인터페이스상에서 작동의 올바른 코디네이션이 보장되지 않는다.
액추에이터의 제어와 관련하여서는, 사용자를 위한 우수한 촉감을 생성하기 위해 여러 액추에이터의 작동이 양호하게 코디네이션 되어야 하는데, 이는 액추에이터들의 제어 아키텍처를 복잡하게 만든다.
공지된 어떤 구성들에서는, 각각의 액추에이터에 자체 증폭기가 있으며 전압 기준은 단일 전산기에서 나온다. 그 방법은 그 단일 전산기를 통해 작동의 동기화를 가능하게 한다. 반면에 단일 전산기는 다중 출력을 포함해야 하기 때문에 구현하기가 복잡하다.
액추에이터들을 동기화하기 위하여, 역 필터링이 사용되며: 각각의 증폭기와 진동 구조체의 전송 함수가 식별된 후, 기준의 변형에 따라 전압 기준을 수득하기 위하여 역전된다. 그러나 그 전송 함수는 실험 조건(기하학적 변화, 온도, 사용자의 지압 등)에 따라 변동되므로 정기적으로 식별되어야 한다.
"다중 터치 초음파 촉각 자극기의 기초 설계"라는 제목으로, 2015년 6월, 미국 시카고, "World Haptics Conference(WHC), 2015 IEEE 10.1109 / WHC.2015.7177687 <hal-01238296>"에 게재된, Sofiane Ghenna, Frederic Giraud, Christophe Giraud-Audine, Michel Amberg, Betty Lemaire-Semail의 논문(1)에서, 2개의 액추에이터에 의해 제어되는 2개의 진동 모드를 갖는 빔의 실시예가 개시되었으나, 그 구현에서는 액추에이터들의 제어가 액추에이터들의 위치에서 분배되지 않는다. 그 대신 단일 컨트롤러가 폐쇄 루프에서 전압 기준들을 관리한다. 이는 액추에이터들과 단일 컨트롤러(DSP) 사이에 신호 및 액추에이터들의 전력을 위한 일관된 연결 기술이 필요하다는 단점을 갖게 한다. 다중 공진 모드로 전환하려면 단일 컨트롤러는 변형 측정을 위한 다중 입력 및 급전을 위한 다중 출력이 필요하다. 따라서 단일 컨트롤러는 많은 수의 입력/출력을 포함해야 하므로 복잡하고 비용이 증가한다.
≪IEEE Transactions on Industrial Electronics 2018≫에 게재된, Sofiane Ghenna, Frederic Giraud, Christophe Giraud-Audine, Michel Amberg의 논문(2), "압전 변환기 및 초음파 액추에이터의 벡터 제어"에서는, 초음파 대역에서 랑쥬벵(Langevin) 액추에이터의 저준위 제어를 위한 실험 장치가 개시되어 있다. 그 제어는 변형진폭의 기준을 추적할 수 있게 하고 액추에이터의 공진 주파수를 추적할 수 있으나, 단일 액추에이터의 단일 진동 모드 자체에 대해서만 개시되어 있고, 따라서 복수의 액추에이터를 구비한 플레이트와 같은 촉각 인터페이스의 여러 진동 모드를 제어하기에는 적합하지 않다. 그 결과, 플레이트의 다중 진동 공진 모드로 전환하려면 병렬로 작동하는 다수의 서보제어 루프를 구현해야 한다. 나아가 그 경우 컨트롤러는 매우 빠르고 비용이 많이 드는 컨트롤러여야 한다.
한편, 다중 액추에이터가 분포되어 있는 공지된 아키텍처에서는, 여러 액추에이터에 대한 급전 분배는 종종 고압이며, 따라서 누화 현상을 발생시킬 위험이 있는데, 즉 한 액추에이터의 급전이 인접 액추에이터들의 급전을 방해할 수 있고 그곳에 나타나는 전체적 진동 효과가 방해받을 수 있다. 그것은 또한 진동 측정을 방해할 수도 있고, 따라서 액추에이터의 공급 전압이 시스템 센서의 진동 측정으로 나타날 수 있다.
끝으로, 다중 액추에이터를 갖는 공지된 아키텍처는 때때로 작동 온도와 같은 환경 조건의 변화에 매우 민감하며 액추에이터를 사용하여 수득 된 촉각 효과는 이로 인해 방해받을 수 있다.
본 발명의 전반적 목적은 초음파에 적용하기 위한 새로운 유형의 센서-액추에이터를 제안하여 다중 액추에이터를 갖는 공지된 시스템의 전술한 문제점들과 단점들을 해결할 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 특정 목적은, 에너지 변환(즉, 액추에이터들의 급전)이 각각의 액추에이터의 위치에서 실시되고, 그 결과 액추에이터들 사이의 누화를 덜 발생시키기 위해 전압이 아닌 에너지가 각각의 액추에이터에 공급되는, 유닛 센서 액추에이터, 및 그러한 센서 액추에이터들을 사용하는 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명의 특정 목적은 또한, 진동 기준들이 마스터 마이크로컨트롤러로부터 통신 링크에 의해, 낮은 주파수에서 공급되는, 다수의 센서-액추에이터 시스템을 제안하는 것이다.
원칙적으로, 본 발명은 마스터와 슬레이브 어셈블리를 포함하는 분산 및 계층적 진동 제어 구조를 제안한다. 슬레이브는 센서와 액추에이터가 이상적으로 동일 위치에 있는, 즉 작동시킬 플레이트의 동일한 부분 상에서 또는 플레이트 상에서 적어도 서로 최단거리로 위치하는 유닛 센서-액추에이터 커플이다. 그것의 역할은 플레이트의 진동을 국부적으로 제어하는 것이다. 그 센서-액추에이터 커플은 센서의 측정값을 사용하여 제어 회로의 신호를 증폭함으로써 액추에이터에 급전하기 위한 직류-교류 변환기를 포함한다. 그것은 마스터 프로세서가 그것에 할당한 명령을 따르기 위해 국지적으로 신속하게 작동한다.
따라서 슬레이브는
- 직류/교류 변환기를 위한 전압 기준,
- 액추에이터 진동 측정용 센서,
- 회전 좌표에서 액추에이터 제어를 통합하는 제어 알고리즘, 및
- 최대한 빠른 통신 모듈
을 통합하는 센서-액추에이터 시스템이다.
"마스터" 컨트롤러 또는 프로세서는 전역적으로 구현된 기준으로부터 결정된 플레이트의 국부적 진동 기준을 각각의 센서-액추에이터에 전송한다. 그것은 유닛 센서-액추에이터로부터 변량(측정값, 전압)을 수신한다. 그 정보를 종합하여 마스터는 전반적인 정보를 갖고 각각의 슬레이브에 전송되는 기준을 조정할 수 있다.
그러므로 본 발명은 플레이트의 적어도 하나의 소정의 진동 모드에 따라 작동시킬 플레이트의 제1면에 고정되도록 고안된 유닛 센서-액추에이터를 목적으로 하며, 상기 유닛 센서-액추에이터는 전자기계식 액추에이터 및 변형 또는 진동속도의 센서를 포함하고, 그 액추에이터 및 센서는 모두 플레이트의 상기 제1면 상에 고정되어, 상기 제1면의 반대편인 플레이트의 제2면 상에 사용자의 손가락 또는 스타일러스가 감지할 수 있는 햅틱 효과를 발생시키는 진동을 생성하도록 되어 있는데, 그 액추에이터 및 센서는 상기 제1면에 나란히 고정되고, 최저 공진 주파수 -그 주파수에서 액추에이터가 상기 플레이트를 작동시켜야 함- 의 진동의 반파장 이하의 거리만큼 서로 이격되어, 액추에이터 및 센서가 플레이트의 동일한 소정의 진동 모드를 각각 작동하고 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
그러한 방식으로, 주어진 센서-액추에이터가 그것이 작동시킬 수 없는 진동 모드를 측정하는 것을 방지한다.
플레이트의 다중 진동 모드에서의 작동에 해당하는 일 실시예에 따르면, 센서와 액추에이터 사이의 거리는 액추에이터가 상기 플레이트를 작동시켜야 하는 최저 공진 주파수 진동의 반 파장 이하이다.
단일 진동 모드에서의 작동에 해당하는 다른 일 실시예에 따르면, 센서와 액추에이터 사이의 거리는 진동의 반파장의 배수와 동일하다.
유리한 일 실시예에 따르면, 전자기계식 액추에이터는 압전 액추에이터이다.
바람직하게는, 액추에이터의 최대 치수(즉, 직사각형 액추에이터의 경우, 길이)는 2mm 내지 25mm로서, 20kHz 내지 200kHz의 초음파 진동 주파수 대역에서 최소 파장의 진동 모드를 여기시킬 수 있을 만큼 충분히 작으면서도 작동 및 측정 기능을 보장한다.
일 실시예에 따르면, 센서는 센서-액추에이터에 연결된 프로세서에 측정 신호 w(t)를 공급하도록 구성되고, 상기 프로세서는 액추에이터에 전달될 공급 전압의 순간 값 Vin(t)를 계산하도록 구성된다.
본 발명에 따른 센서-액추에이터는 센서-액추에이터에 연결된 프로세서에 의해 제어되는 직류에서 교류로의 전압 변환기를 포함한다.
센서-액추에이터의 유리한 일 실시예에 따르면, 공급 전압 Vin(t)의 값은 디지털 컨트롤러에 의해 센서에 의해 전달되는 측정 신호 w(t)의 순간 값으로 서보제어된다.
본 발명은 또한, 진동 플레이트를 포함하는 촉각 장치로서, 진동 플레이트의 일면 상에 분산 및 고정된 전술한 바와 같은 유닛 센서-액추에이터 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 목적으로 한다.
일 실시예에 따르면, 그 촉각 장치는 여러 액추에이터로부터 제어 신호를 분리할 수 있도록, 유닛 센서-액추에이터의 슬레이브 프로세서 각각의 입력에 병렬로 접속된 마스터 프로세서를 포함한다.
그 장치의 유리한 일 실시예에 따르면, 마스터 프로세서는 센서의 진동 주파수 미만의 주파수에서 동기화 정보를 각각의 슬레이브 프로세서에 전송하도록 구성된다.
그 장치의 일 실시예에 따르면, 마스터 프로세서는 초기화 단계 동안 자체-어드레싱 알고리즘을 실행하여, 작동시킬 플레이트 상에서 센서-액추에이터 네트워크의 매핑을 자동으로 구축하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 마스터 프로세서는 작동 파라미터들, 즉 작동시킬 플레이트의 하나 이상의 진동 모드(들)의 제어에 필요한 데이터를 슬레이브 프로세서들에 전송하도록 구성된다. 그것은 또한 센서-액추에이터의 공간 분포, 초기화 단계 동안 여러 센서-액추에이터에 할당된 공진 주파수들에 따라, 그리고 작동시킬 플레이트의 촉각 면상에서 사용자가 원하는 효과에 따라, 각각의 진동 모드에 대한 전압 설정값을 슬레이브 프로세서들에 전송하도록 구성될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 마스터 프로세서는 진단 단계 동안 슬레이브 프로세서들의 작동 파라미터들을 수득하기 위하여 그 슬레이브 프로세서들에 질문하도록, 그리고 필요한 경우 개별 센서-액추에이터의 파라미터 설정을 수정하도록 구성된다.
끝으로, 유리한 일 실시예에 따르면, 마스터 프로세서는 인터페이싱 단계 동안 슬레이브 프로세서들로부터 수집된 데이터를 그것들의 후처리를 허용하기 위해 외부 처리 장치에 통신하도록 구성된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 기술될 것이다.
도 1은 상기 인용한 종래 기술 문헌(2)에 개시된, 동일 발명인들의 실험 장치를 도시한 단순 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유닛 센서-액추에이터 어셈블리의 아키텍처를 도시하는 개략도이다.
도 3은 각각의 센서-액추에이터를 제어하는 프로세서의 내부 개략도이다.
도 4는 회전 좌표를 이용하여 진동을 제어하는 원리를 도시한다.
도 5는 여러 압전 액추에이터의 급전회로를 도시한다.
도 6은 촉각 인터페이스를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 복수의 센서-액추에이터의 아키텍처를 도시하는 개략도이다.
상기 인용 문헌(2)의 공지된 실험 장치로서, 랑쥬벵 유형의 단일 액추에이터를 사용하고, 질감 있는 상면을 구비한 진동 매스와 카운터 매스 사이에 삽입된 압전 펠릿으로 구성된 장치를 개략적으로 도시하는 도 1을 참조한다. 압전 진동 센서는 랑쥬벵 액추에이터 상에 직접적으로, 즉 랑쥬벵 유형의 액추에이터를 착장하고 있는 플레이트 상이 아니고, 진동 매스 상에 고정된다. 사용자는 진동 매스의 질감 있는 상면 상에 손가락을 놓음으로써 액추에이터 상에 직접 발생된 촉각 효과를 테스트할 수 있다. 그 문헌은 동일하게 위치된 액추에이터들과 센서들이 그것들을 착장하고 있는 플레이트의 소정의 동일한 진동 모드를 각각 작동하고 측정할 수 있도록, 플레이트의 한 면 상에 동일하게 위치되고 매우 밀접하게 배열된 다중 액추에이터 및 센서들의 사용에 대한 어떤 정보도 제공하지 않는다.
이제 본 발명에 따른 유닛 센서-액추에이터(1)의 원리를 개략적으로 도시하는 도 2를 참조한다. 센서-액추에이터(1)는 전자기계식 액추에이터(2)(압전 또는 전자기계식 또는 기타 유형) 및 변형 또는 진동속도 센서(3)(예를 들어 상기 인용된 예들의 유형)를 포함하고 그 액추에이터 및 센서는 모두 플레이트(4)의 상기 제1면(4a) 상에, 상기 제1면(4a) 반대편의 제2면(4b) 상에서 그 플레이트(4)의 제2면(4b) 상에 놓인 사용자의 손가락 또는 스타일러스에 의해 감지될 수 있는 햅틱 효과를 발생시키는 진동을 생성하도록, 고정된다.
본 발명에 따르면, 액추에이터(2) 및 센서(3)는 진동 플레이트(4)의 일면(4a) 상에 공동 위치되는데, 즉 센서(3)에 의한 측정은 액추에이터(2)에 의한 작동이 적용되는 지점과 매우 근접한 곳이다. 본 발명의 범위 내에서 "플레이트"라 함은 강성이며 평평하고 그것의 다른 치수에 비해 두께가 얇은 임의의 물질로 된 시트를 의미한다.
바람직하게는, 센서(3)와 액추에이터(2) 사이의 거리는 액추에이터가 상기 플레이트(4)에 작동해야 하는 최소 공진 주파수에 따른 진동의 반파장 미만이다.
그 센서-액추에이터(1) 어셈블리는 여기서는 진동 플레이트 또는 패널(4) 형태로 도시된 진동 구조체에 부착된다. 센서(3) 및 액추에이터(2)를 플레이트(4)의 일면(4a) 상에 고정하는 것은 예를 들어 접착으로 실시된다. 센서-액추에이터(1) 어셈블리의 크기는 작동 및 측정 기능을 보장하기에 충분하도록 커야하지만, 작은 파장의 진동 모드들을 여기시킬 수 있도록 충분히 작아야 한다. 예시로서, 액추에이터(2)의 최대 크기(즉 직사각형 액추에이터인 경우 그것의 길이)는, 높은 주파수 및 따라서 짧은 파장의 진동 모드들을 여기시킬 수 있도록 충분히 작으면서도 작동 및 측정 기능을 보장하도록, 2mm 내지 25mm이다. 전형적으로 20kHz 내지 200kHz의 초음파 대역의 작동 주파수를 대상으로 한다.
장치의 각각의 센서-액추에이터(1)는, 설정 값으로 진동 진폭을 국부적으로 서보제어하기 위하여 센서(3)에서 나오는 신호를 입력에서 수신하고 출력에서 직류/교류 전압 변환기(6)로 제어 신호를 전송하는 디지털 신호 프로세서(5)(Digital Signal Processor, DSP)에 의해 제어된다. 고려되는 일 구현예에서, 상기 인용된 논문(2)에 기술된 바와 같이 회전 좌표에서 진동의 제어를 사용하는 것이 가능하다.
이상적으로는 DSP 프로세서(5) 및 전압 변환기(6)도 센서(3) 및 액추에이터(2)와 매우 근접하다. 그러나 실제로는 그것들이 진동 플레이트(4)의 진동을 방해하지 않아야 하므로 일정 거리를 유지해야 한다.
각각의 센서-액추에이터(1)를 제어하는 DSP 프로세서(5)의 내부를 개략적으로 도시하는 도 3을 참조한다. 점선으로 표시된 블록은 예를 들어 클록(7)에 의해 제공되는 1MHz의 주파수와 같은 고주파의 작동 루프를 도시한다. 블록의 나머지 부분은 더 낮은 주파수에서 작동한다.
W(t)는 센서(3)에서 나오는 측정값이다. 그것은 액추에이터(2)와 인접한 표면(4)의 진동 속도 또는 변위와 유사할 수 있는 선험적으로 정현파인 교류 전압이다. 센서-액추에이터(1)로 전달되게 되어있는 출력 전압은 Vin(t)로 표시된다. 그것도 정현파 교류이다.
w(t)와 같은 높은 주파수의 정현파 교류의 변량을 제어하는 것은 쉽지 않다. 그러한 이유로, 아날로그-디지털 변환기(8)(도 3에서 ADC로 표시, "Analog to Digital Converter"의 약어)에 의한 아날로그/디지털 변환 단계 후에 측정값 w(t)가 펄스(ω) 반송파에 의해 우선 복조된다(그러한 복조를 메카트로닉 시스템에서는 때때로 회전이라고 칭함). 복조기(9)의 출력에는 두 가지 변량, Ud 및 Uq가 있다. 정상 상태에서는 Ud와 Uq가 불변하고, 그러한 이유로 w(t)를 직접 제어하는 것보다 Ud와 Uq를 제어하는 것이 더 단순하다. 복조 단계(9)는 다음을 수행한다:
[수학식 1]
Ud = (N/T)∫(NT)w(t) x cos(ωt)dt 및 Uq = (N/T)∫(NT)w(t) x sin(ωt)dt
T = 2Π/ω는 진동 주기, N은 Ud와 Uq의 계산 지평을 반영하는 정수.
그러면 Ud 및 Uq의 값은 VCM(Vector Control Method의 약어 또는 벡터 제어) 블록(10) 내부에서 기준값 Udref 및 Uqref와 비교되고, VCM 블록 내부의 코렉터는 Vd 및 Vq로 표시되는 공급 전압 Vin(t)의 조절값을 제공하며 전압값의 서보제어를 실행한다.
전압 조절값 Vd 및 Vq는 변조기(11)(역회전이라고도 칭함)로 전송된다. 그러면 전압 Vin(t)은 이하 식으로 계산된다:
[수학식 2]
Vin(t) = Vdsin(ωt) - Vqcos(ωt)
sin(ωt) 및 cos(ωt) 신호들은 동일한 마이크로프로세서 내부에서 발생 되므로 복조 반송파는 반드시 동주파이고 진동과 동일한 펄스를 가지는데, 이는 그 진동이 전압 v(t)로부터 발생되기 때문이다.
그 cos(ωt) 및 sin(ωt) 신호들은 직접 합성(Direct Digital Synthesis, DDS)(12)으로부터 발생 된다. DDS 블록 내에서 타이머(Timer)는 제어된 진동 모드의 주기(예를 들어, Te=1 μsec)보다 현저히 짧은 고정 주기(Te)를 갖는 클록을 발생한다. 각각의 클록 단계에서 Nc 비트 카운터(C)(예를 들어, N = 32)는 Δθ로 표시되는 값으로 증분된다. 소정의 시간 경과시, 카운터는 오버런 될 것이다. 그 시간은 T = (Δθ/2N) Te 공식으로 계산된다.
원칙적으로 그 시간(T)은 고려되는 모드의 진동 주기와 동일할 것이고, 따라서 고려되는 공진 주파수의 주기와 동일할 것이다.
실제로, 카운터(C)의 최상위 Ns 비트는 사인 함수값을 포함하는 ROM 메모리에 대한 주소로 사용된다. 시프트에 의해 동일한 순간에 대한 코사인 값도 찾는다. 진동 주파수 변경은 Δθ값을 변경함으로써 실시된다.
"공진 주파수 추적"이라고 칭하는 특정 작동 모드에서는, 정확하게 액추에이터의 공진 주파수에서, 경우에 따라 그 주파수가 변동하더라도, 진동 모드를 여기시키고자 한다. Vq 값은 VCM 블록에 의해 자동으로 0으로 설정된다. 그러면 Vd가 고정되고 ω(ω=2Πf)가 가변적일 때 Ud와 Uq의 변화는 도 4에 도시된 바와 같이 특정 원을 따라 이루어진다.
실제로, 고려되는 모드의 공진 주파수(ω=ω0)에서 Uq = 0이다. 따라서 그 모드의 공진 주파수 값은 Uq 값으로 식별되므로 정확히 알 필요가 없다. 그 경우 공진 주파수를 추적하기 위해 주파수 추적 알고리즘이 연결될 수 있다(VCM 내에 도입될 수 있음).
"동기 모드"라 칭하는 다른 일 작동 모드에서는, 작동 주파수가 인가된다(예를 들어, 전술된 바와 같은 마스터 프로세서에 의해). 그러면, Vq 값은 0이 아니지만 Uq에 특정 값, 예를 들어 0을 부과하기 위하여 VCM 블록의 서보제어 루프가 사용된다.
끝으로, 각각의 센서-액추에이터(1)는 임피던스 매칭을 보장하면서도 전압(Vin)을 증폭할 수 있는 전원(13)을 더 갖는다. 예를 들어, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같은 브리지 아암이 사용될 수 있다. HV로 표시된 버스 전압은 2개의 트랜지스터(14)에 의한 펄스 폭 변조 방식에 의해 차단된다. 인덕턴스(15)는 전원의 교번을 보장하면서 고조파 성분을 필터링한다. 예를 들어, 압전 액추에이터는 용량성이다. 그것이 전압원에 연결되면 엄청난 과도 전류가 발생한다. 이를 방지하기 위해 전력 전자공학에서 공지된 바와 같은 전원 교번 규칙에 부합되기 위하여 전류원을 삽입하도록 조치한다. 경우에 따라, 전압의 폐쇄루프 서보제어는 각각의 유닛 센서-액추에이터(1)의 DSP 프로세서(5) 위치에서 구현될 수 있다.
도 6은 전술한 바와 같은 복수의 유닛 센서-액추에이터(1)를 사용하는 시스템(16)을 개략적으로 도시하며, 그 시스템은 공진기, 예를 들어 촉각 인터페이스(4) 상에 분산된 전자기계식 액추에이터 어셈블리의 급전 및 제어를 가능하게 한다.
그 장치(16)는 도 6에 도시된 바와 같이 계층적이다. 그것은 슬레이브 프로세서의 역할을 하는 여러 유닛 센서-액추에이터(1)의 프로세서(5)를 코디네이션 하는 마스터 역할을 하는 메인 프로세서(17)를 포함한다. 마스터 프로세서(17)는 적절한 연산 능력을 가지나, 반드시 매우 빠르지는 않으며, 전용 주변 장치가 요구되지 않는다. 따라서 비용이 한정된다. 슬레이브 센서-액추에이터의 개수는 가변적이다. 그 개수는 작동시킬 플레이트(4) 및 제어할 진동 모드에 따라 사용자에 의해 결정된다.
여러 구성 요소들 사이의 통신은 하나 또는 두 개의 와이어(예를 들어, I2C 또는 SPI 유형) 상의 네트워크 통신(18)을 통해 보장된다. 마스터 프로세서(17)와 슬레이브 프로세서(5) 사이의 통신은 종래 기술에 따른 단일 프로세서 구조에 비해 상대적으로 느릴 수 있다. 그것은 센서-액추에이터(1) 네트워크의 구조화, 슬레이브 프로세서(5) 할당, 설정값 전송, 동기화, 시스템 진단 또는 외부 장치들(도시되지 않음)에 대한 인터페이싱 등과 같이 대역폭이 크게 요구되지 않는 관리 작업에 사용된다. 그 작업들은 이하 더 상세히 설명된다.
- 네트워크 구조화: 마스터 프로세서(17)는 자체 주소지정 알고리즘을 실행하고, 그 알고리즘을 통하여 센서-액추에이터(1) 네트워크의 매핑을 자동적으로 구축한다.
- 슬레이브 프로세서들(5)의 할당: 진동시킬 구조체(4) 상의 유닛 센서-액추에이터(1) 배열에 대한 선험적 지식에 기초하여, 마스터 프로세서(17)는 작동 파라미터들(하나 이상의 공진 주파수, 댐핑, 이득, 하나 이상의 컨트롤러의 파라미터들 등과 같은, 하나 이상의 진동 모드를 제어하는 데 절대 필요한 데이터)을 슬레이브 프로세서들(5)에게 전송한다.
- 설정값의 정의 및 전송: 모드 분해에 의하여 각각의 모드에 대한 기준이, 작동시킬 표면(4) 상에서 구하는 효과(진동 제어, 포커싱)에 필요한 변위, 속도 또는 가속도의 공간 분포에 따라 계산된다. 전술한 회전 좌표로 표현된 기준들은(도 4) 실제 궤적들의 포락선들에 해당한다. 주어진 센서-액추에이터(1)의 위치에서 그것(들)은 네트워크 초기화 단계 동안 그것들에게 통지되었던 공진 주파수의 함수로 센서-액추에이터들에 의해 변조될 것이다. 이는 포락선을 도시할 수 있게 하는 포인트들의 개수가 초음파 주파수를 갖는 변조 신호를 도시하는 데 필요한 것보다 적기 때문에 통신 요구사항을 최소화할 수 있게 한다. 실제로 정현파 신호의 포락선은 예를 들어 시간에 따른 피크 진폭의 변화를 나타낸다. 그 진폭의 변화가 정현파 신호보다 느리므로, 그것을 도시하기 위하여는 신호 자체에 비하여 더 적은 개수의 초당 포인트가 필요하다.
- 동기화: 집중 진동 유형 애플리케이션에 대하여는 여러 변조 사이의 위상 변이가 결정적이다. 마스터 프로세서(17)는 슬레이브 프로세서(5)가 일단 초기화되면 통신 채널 상에 전송된 "단어"에 의하여 설정 값 실행의 동시 트리거링을 보장한다.
- 진단: 마스터 프로세서(17)가 질문하면, 슬레이브 프로세서(5)는 작동 진단에 필요한 요소들(예를 들어, 전압 Vd, Vq, 속도 Ud, Uq)을 마스터 프로세서로 업로드 한다. 그 데이터에 기초하여, 마스터 프로세서(17)는 예를 들어 구조의 내부 모델로부터 시스템의 특성을 재조정한다. 그 재조정으로써 동적 파라미터들을 조정할 수 있고 필요 시 개별 센서-액추에이터(1)의 파라미터 설정을 수정하는 것이 경우에 따라 가능하다.
- 인터페이싱: 마스터 프로세서(17)는 상급 장치(컴퓨터, 전자 태블릿)와 통신할 수 있다. 이는 작동시킬 구조체의 기술 단계, 센서-액추에이터 배열의 매핑 단계, 내부 모델의 파라미터 설정 단계에서 사용자를 지원하는 고급 도구, 즉 예를 들어 진동 모드(모드 변형)를 기술하는 방정식 세트를 제공할 수 있게 한다. 그 방정식들의 파라미터들은 직렬 링크를 통해 입력될 수 있다. 실제 설정 값들은 그 수단에 의해 전송되는데 (마스터 프로세서(17)는 그 후 모드 베이스 내 투영으로 부하 됨), 즉, 원하는 기준의 변형으로부터, 각각의 진동 모드에 대한 진폭을 스칼라 곱 알고리즘으로부터 계산한다. 마스터 프로세서(17)는 슬레이브 프로세서(5)로부터 수집된 데이터를 업로드하여 사용자에 의한 후처리를 가능하게 할 수 있다.
본 발명은 설정된 목적에 부응하고 종래 기술에 따른 액추에이터들에서 식별된 문제점들의 해결을 가능하게 한다.
특히, 마스터 프로세서(17)에 의한 제어로 결합 되는 각각의 개별 센서-액추에이터(1)의 구조는 케이블 간의 누화를 방지하면서도 액추에이터들(종종 고압)과 통신 네트워크의 연결을 단순화할 수 있게 하고 급전을 공유할 수 있게 한다. 유닛 센서-액추에이터들(1)의 동기화는 통신 링크와 로컬 프로세서들(5)의 시계의 안정성에 의해 보장된다.
유닛 센서 액추에이터들(1)은 다수의 구조에서 네트워크로 사용될 수 있으며, 마스터 프로세서(17)는 애플리케이션에 적합한 전압 기준을 공급하므로 사용상 다양성을 가능하게 한다.
폐쇄 루프 제어는 환경 조건의 변화로 인한 파라미터들의 변동에 적응할 수 있고 그 결과, 장치가 견고히 작동된다.
센서와 동일 위치에 있지 않은 진동 제어의 문제점은 동작과 센서에 의해 측정된 신호 사이의 상대적 위상이 모드에 따라 변한다는 점이라는 것이 공지되어 있다. 따라서 액추에이터와 센서는 한 모드에 대하여 동위상일 수 있고 인접 모드에 대하여는 반대일 수 있다. 그 결과, 폐쇄 루프에서 한 모드에 대하여 안정적인 루프가 피드백에서는 신호 변경으로 인하여 인접 모드에 의해 잠재적으로 불안정해질 수 있다.
전술한 바와 같이 센서와 액추에이터가 동일 위치에 배치됨으로써 그 결함이 제거될 수 있다.
한편, 센서-액추에이터가 마스터 프로세서로 회귀하는 논리 링크를 갖는다는 사실로써 모든 센서-액추에이터들의 동기화가 가능하다. 나아가 마스터 프로세서는 더 높은 주파수에서 국부적으로 작동하는 슬레이브 프로세서들과 저주파 통신만을 필요로 하고, 따라서 마스터 프로세서의 크기를 과하게 증대시킬 필요가 없게 한다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 미리 정해진 플레이트 진동 모드를 따라 작동시킬 플레이트(4)의 제1면(4a) 상에 고정되는 유닛 센서-액추에이터로서, 상기 유닛 센서-액추에이터(1)는 전자기계식 액추에이터(2) 및 변형 또는 진동속도 센서(3)를 포함하고, 그 전자기계식 액추에이터와 변형 또는 진동속도 센서는 모두 그 플레이트(4)의 상기 제1면(4a) 상에 고정되어, 상기 제1면(4a)과 반대편의 플레이트(4)의 제2면(4b) 상에서 사용자의 손가락 또는 스타일러스에 의해 감지 가능한 햅틱 효과를 발생시키는 진동을 생성하고,
    그 액추에이터(2) 및 센서(3)는 상기 제1면(4a) 상에 나란히 고정되고 최저 공진 주파수 - 그 주파수에서 그 액추에이터(2)가 상기 플레이트(4)를 작동시켜야 함 - 의 진동의 반파장 이하의 거리로 이격되어, 그 액추에이터(2) 및 센서(3)가 그 플레이트(4)의 미리 정해진 동일 진동 모드에서 각각 작동하고 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는, 유닛 센서-액추에이터(1)
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서-액추에이터는 단일 진동 모드로 사용되고, 상기 제1면(4a) 상에서 그 센서(3)와 액추에이터(2) 사이의 거리는 상기 단일 진동 모드의 반파장의 배수와 동일한 것을 특징으로 하는, 센서-액추에이터(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 그 전자기계식 액추에이터(2)는 압전 액추에이터인 것을 특징으로 하는, 센서-액추에이터(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 그것의 최대 치수는 2mm 내지 25mm이어서, 20kHz 내지 200kHz의 초음파 진동 주파수 대역에서 최소 파장들의 진동 모드들을 여기시킬 수 있도록 충분히 작으면서도 작동 및 측정 기능들을 보장하는 것을 특징으로 하는, 센서-액추에이터(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 그 센서(3)는 그 센서-액추에이터(1)에 연관된 프로세서(5)에 측정 신호 w(t)를 공급하도록 배열되는 것을 특징으로 하고, 상기 프로세서(5)는 그 액추에이터(2)에 전달될 공급 전압 값 Vin(t)를 계산하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 센서-액추에이터(1).
  6. 제5항에 있어서, 그 센서-액추에이터(1)에 연관된 상기 프로세서(5)에 의해 제어되는 직류-교류 전압 변환기(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서-액추에이터(1).
  7. 제6항에 있어서, 그 공급 전압 값 Vin(t)는 그 센서(3)에 의해 전달된 측정 신호의 순간 값 w(t)로 상기 디지털 프로세서(5)에 의해 서보제어되는 것을 특징으로 하는, 센서-액추에이터(1).
  8. 진동 플레이트(4)를 포함하는 촉각 장치로서,
    그 진동 플레이트(4)의 일면(4a) 상에 분산되고 고정된, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 유닛 센서-액추에이터(1) 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 장치(16).
  9. 제8항에 있어서, 그 유닛 센서-액추에이터들(1)의 슬레이브 프로세서들(5) 각각의 입력에 병렬로 접속된 마스터 프로세서(17)를 포함하여, 여러 액추에이터들(2)의 제어 신호들을 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 촉각 장치(16).
  10. 제9항에 있어서, 그 마스터 프로세서(17)는 그 센서들(3)의 진동 주파수 미만의 주파수에서 동기화 정보를 각각의 슬레이브 프로세서(5)로 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 그 마스터 프로세서(17)는 초기화 단계 동안 자체 어드레싱 알고리즘을 실행하여, 작동시킬 플레이트(4) 상에 센서-액추에이터들(1)의 네트워크 매핑을 자동으로 구축하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 그 마스터 프로세서(17)는 작동 파라미터들, 즉 하나 이상의 진동 모드를 제어하는데 필요한 데이터를 슬레이브 프로세서들(5)에 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 그 마스터 프로세서(17)는, 각각의 진동 모드에 대하여, 센서-액추에이터(1)의 공간적 분포, 초기화 단계 동안 여러 센서-액추에이터들(1)에 할당된 공진 주파수 작동 파라미터들에 따라, 그리고 작동시킬 플레이트(4)의 표면(8) 상에서 원하는 효과에 따라, 전압 설정 값들을 슬레이브 프로세서들(5)에 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 그 마스터 프로세서(17)는, 진단 단계 동안 슬레이브 프로세서들(5)에게 그들의 작동 파라미터들을 수득하기 위하여 질문하도록, 그리고 필요시 개별 센서-액추에이터들(1)의 파라미터 설정을 수정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 그 마스터 프로세서(17)는, 인터페이싱 단계 동안, 슬레이브 프로세서들(5)로부터 수집한 데이터를 그것들의 후처리를 가능하게 하기 위하여 외부 처리 장치로 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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