WO2015068930A1 - 햅틱 엑추에이터 - Google Patents

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WO2015068930A1
WO2015068930A1 PCT/KR2014/006561 KR2014006561W WO2015068930A1 WO 2015068930 A1 WO2015068930 A1 WO 2015068930A1 KR 2014006561 W KR2014006561 W KR 2014006561W WO 2015068930 A1 WO2015068930 A1 WO 2015068930A1
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WO
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magnet
coil member
core
weight
yoke
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PCT/KR2014/006561
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English (en)
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Inventor
천세준
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(주)하이소닉
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/02—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B6/00—Tactile signalling systems, e.g. personal calling systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/16—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system

Definitions

  • the present invention relates to a haptic actuator, and more particularly, to a haptic actuator that is embedded in an electronic device requiring a vibration response by a touch such as a mobile terminal and generates vibration by interaction between a coil and a magnet.
  • ringtones and vibrations are widely used for incoming calls in communication devices.
  • the vibration generating device which is one of the receiving means that is applied to communication devices such as mobile phones, is a component that converts electrical energy into mechanical vibration by using the principle of electromagnetic force. .
  • Such a vibration generating device is widely used for the purpose of informing the reception of a mobile phone, etc. In recent years, it is also installed in a game device to inform the user of the progress of the game or mounted on a touch phone, etc. so that the user feels that the key has been touched. Its use is increasing for purposes.
  • vibration generators With the rapid expansion of the mobile phone market and the addition of various functions to mobile phones, vibration generators also improve the shortcomings of the existing products and dramatically improve the quality in the situation where miniaturization and high quality of mobile phone parts are required. There is a need for a new product development with a new structure.
  • Conventional vibration generating apparatus mounted on a portable terminal is basically a secondary vibration system using a weight body, and attaches the weight body to an elastic body such as a spring, and has a coil for vibrating the weight body.
  • the weight When a current is applied to the coil, the weight vibrates according to a frequency response characteristic predetermined by the elastic modulus of the weight body and the elastic body.
  • Recently described portable terminals have a function of providing feedback corresponding to the input to the user by outputting voice or vibration in response to the user's touch input as described above.
  • the conventional vibration generating device is to generate the up and down driving force of the weight body by the Lorentz force generated between the coil and the stator magnet, due to the limitation of the vibration generating device structure by Lorentz force in the vibration strength and vibration frequency band It was difficult to show good characteristics.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a haptic actuator having improved performance such as response speed and frequency band according to a user's touch by improving a magnetic force structure.
  • the haptic actuator of the present invention includes a case having an accommodation space therein; Core fixedly mounted in the receiving space; A first coil member and a second coil member spaced apart from each other in the vertical direction outside the core; A center yoke disposed between the first coil member and the second coil member and mounted to the outside of the core; A magnet disposed outside the center yoke; A weight fixedly mounted to the outside of the magnet; A first elastic member having one end fixed to the magnet and the weight and the other end fixed to the upper portion of the case to elastically support the magnet and the weight; It is made, including.
  • the first coil member and the second coil member are formed to be wound in opposite directions to each other,
  • the magnet is formed in the vertical direction of the polarity, the thickness is formed larger than the thickness of the center yoke.
  • a first auxiliary yoke mounted on an upper end of the first coil member;
  • a second auxiliary yoke mounted at a lower end of the second coil member; It further comprises.
  • the thickness of the first auxiliary yoke and the second auxiliary yoke is thinner than the thickness of the central yoke.
  • a first cushion member disposed in the accommodation space and fixedly mounted on an upper portion of the case;
  • a second cushion member disposed in the accommodation space and fixedly mounted to the lower portion of the case; It further comprises.
  • a second elastic member having one end fixedly mounted to the lower end of the magnet and the weight, and the other end fixedly mounted to the bottom of the case to elastically support the magnet and the weight; It further comprises.
  • the difference between the magnetic force N of the magnet and the elastic force N of the first elastic member is less than ⁇ 1.
  • the core is formed in a cylindrical shaft shape, the first coil member and the second coil member is formed around the core on the outer peripheral surface of the core, and the center yoke is formed in a ring shape to the outer peripheral surface of the core It is mounted to surround, the magnet and the weight is formed in a ring shape is arranged to surround the outside of the core.
  • the haptic actuator of the present invention as described above has the following effects.
  • Performance and response speed of the frequency band and the like by the magnetic force line structure formed by the magnet 600, the core 200, the center yoke 400, the first auxiliary yoke 510 and the second auxiliary yoke 520 The faster the effect is generated.
  • the portable terminal to which the haptic actuator is applied can be quickly generated and transmitted according to various input signal patterns, thereby improving quality and performance.
  • the first cushion member and the second cushion member are respectively mounted on the upper and lower parts of the case, thereby acting as a sound absorbing material during the collision of the magnet and the weight to reduce noise generation, generate a repulsive force, and increase vibration acceleration. Is generated.
  • FIG. 1 is a perspective view of a haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view seen from A-A of FIG.
  • FIG. 4 is a magnetic force line structure diagram of the initial state of the haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a structure diagram of the magnetic force line when the haptic actuator descends in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a magnetic force line structure diagram when the haptic actuator is raised in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing a comparison between the magnetic force of the magnet of the haptic actuator according to the embodiment of the present invention and the elastic force of the first elastic member.
  • FIG. 1 is a perspective view of a haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view as seen from AA of Figure 1
  • Figure 4 is an embodiment of the present invention
  • 5 is a magnetic force line structure diagram of the initial state of the haptic actuator according to the present invention
  • FIG. 1 is a perspective view of a haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the haptic actuator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view as seen from AA of Figure 1
  • Figure 4 is an embodiment of the present invention
  • 5 is a magnetic force line structure diagram of the initial state of the haptic actuator according to the present invention
  • FIG 5 is a magnetic force line structure diagram of the haptic actuator descending according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a magnetic force line structure when the haptic actuator rises according to an embodiment of the present invention
  • 7 is a performance comparison data of the haptic actuator according to the embodiment of the present invention and the vibration motor according to the prior art
  • Figure 8 is the magnetic force of the magnet of the haptic actuator according to the embodiment of the present invention, the elastic force of the first elastic member This is a graph showing the comparison.
  • the haptic actuator according to an embodiment of the present invention is the case 100, the core 200, the first coil member 310, the second coil member 320, the center yoke ( 400, the first auxiliary yoke 510, the second auxiliary yoke 520, the magnet 600, the weight 700, the first elastic member 810, the second elastic member 820, and the first cushion member. 910 and the second cushion member 920.
  • the case 100 has a substantially cylindrical shape and includes an accommodation space 100a therein, and specifically, the bottom plate 110 and the cover 120 are formed.
  • the bottom plate 110 is formed in a substantially circular plate shape, made of a SPCC material which is a ferromagnetic material.
  • the cover 120 is made of a SPCC material that is a ferromagnetic material, is formed in a cylindrical shape of the lower end is open, disposed on the top of the bottom plate 110, the cylindrical receiving space (100a) is formed therein.
  • the first auxiliary yoke when using the 510 and the second auxiliary yoke 520 may be made of a nonmagnetic material, that is, SUS.
  • the core 200 is formed in a cylindrical shape of a long vertical axis, and made of a ferromagnetic material, specifically, SPCC material.
  • the core 200 is disposed inside the case 100, that is, in the center of the accommodation space 100a, and upper and lower ends thereof are fixed to the case 100, respectively.
  • the core 200 is magnetized when power is applied to the first coil member 310 and the second coil member 320, which will be described later, and forms a strong magnetic field around the core.
  • the first coil member 310 and the second coil member 320 is formed of an enamel line, and is formed in a shape wound in a cylindrical shape around the core 200, and the first coil member 310 and The winding directions of the second coil member 320 are opposite to each other.
  • first coil member 310 is disposed above the core 200 and the second coil member 320 is disposed below the core 200, and the first coil member 310 and the first coil member 310.
  • the second coil member 320 is spaced apart by a predetermined interval in the vertical direction.
  • the first coil member 310 is wound in the clockwise direction on the upper outer peripheral surface of the core 200
  • the second coil member 320 is wound in the counterclockwise direction on the lower outer peripheral surface of the core 200.
  • the center yoke 400 is made of a ferromagnetic material, specifically, SPCC material, the diameter is the same cylindrical shape as the first coil member 310 and the second coil member 320, the first coil member 310 ) And the second coil member 320 is disposed.
  • the center yoke 400 is disposed at the center of the core 200 in the vertical direction and is mounted to surround the outer circumferential surface of the core 200.
  • the center yoke 400 functions to induce a magnetic field to move the magnet 600 up and down when current is applied to the first coil member 310 and the second coil member 320.
  • a first auxiliary yoke 510 is provided at an upper portion of the first coil member 310, and a second auxiliary yoke 520 is provided at a lower portion of the second coil member 320.
  • the first auxiliary yoke 510 and the second auxiliary yoke 520 are made of a SPCC material, the diameter is formed in the same cylindrical shape as the first coil member 310 and the second coil member 320, the thickness Is formed thinner than the thickness of the center yoke (400).
  • the first subsidiary yoke 510 and the second subsidiary yoke 520 may be manufactured.
  • the thickness of the first coil member 310 and the second coil member 320 may be greater than that of the first auxiliary yoke 510 and the second auxiliary yoke 520.
  • the thickness of the auxiliary yoke 510 and the second auxiliary yoke 520 is increased, and the material of the bottom plate 110 and the cover 120 must be made of a ferromagnetic material.
  • the first auxiliary yoke 510 and the second auxiliary yoke 520 are provided at the upper portion of the first coil member 310 and the lower portion of the second coil member 320, respectively.
  • an effect of increasing the driving force is induced by inducing a magnetic field to move the magnet 600 up and down.
  • the core 200, the center yoke 400, the first auxiliary yoke 510, and the second auxiliary yoke 520 are made of the same material, they may be integrally formed.
  • the magnet 600 is formed in a ring shape whose inner diameter is larger than the outer diameter of the center yoke 400, it is disposed to surround the outside of the center yoke 400.
  • the magnet 600 has a polarity is formed in the vertical direction. That is, the north pole is formed at the top, and the south pole is formed at the bottom.
  • the polarity of the magnet 600 may be reversed.
  • the upper part of the magnet 600 may be formed as the S pole and the lower part as the N pole.
  • the winding directions of the first coil member 310 and the second coil member 320 may also be reversed. .
  • the magnetic field generated by the magnet 600 is induced by the core 200, the first auxiliary yoke 510, and the second auxiliary yoke 520 to form a strong magnetic force line.
  • the magnet 600 has a thickness greater than that of the central yoke 400, and before the power is applied to the first coil member 310 and the second coil member 320, that is, the initial state. In the air gap portion of the magnet 600 is disposed to match the center yoke (400).
  • the weight 700 is formed to surround the outside of the magnet 600, and the frequency of the power applied to the first coil member 310 and the second coil member 320 together with the magnet 600; It has the same resonant frequency, and when the power is applied to the first coil member 310 and the second coil member 320 is translated along with the magnet 600 in the vertical direction, and generates vibration.
  • the magnet 600 and the weight 700 is elastically supported in the case 100 by the first elastic member 810.
  • the first elastic member 810 is a leaf spring, a ring-shaped first fixing portion 800a, a ring-shaped second fixing portion 800b having a larger diameter than the first fixing portion 800a, It consists of a spiral leg portion 800c connecting the first fixing portion 800a and the second fixing portion 800b.
  • Four leg portions 800c are formed in a spiral shape.
  • leg portion 800c may be changed in various cases.
  • One end of the first elastic member 810 that is, the first fixing part 800a is fixed to the upper end of the magnet 600 and the weight 700, and the other end, that is, the second fixing part 800b is fixed to the first elastic member 810.
  • the upper portion of the case 100 that is, fixed to the cover 120.
  • the first elastic member 810 facilitates the vertical translation of the magnet 600 and the weight 700 by adding an elastic force to the magnet 600 and the weight 700 in the vertical direction. .
  • the second elastic member 820 is formed in the same manner as the first elastic member 810, the first fixing portion 800a is fixed to the lower end of the magnet 600 and the weight 700, The second fixing part 800b is fixed to the bottom plate 110.
  • the second elastic member 820 adds an elastic force to the magnet 600 and the weight 700 so that the magnet 600 and the weight 700 of the second elastic member 820 may be formed. It facilitates up and down translation.
  • the first cushion member 910 and the second cushion member 920 is made of a rubber material with a sense of elasticity, is formed in a circular ring shape, the inner diameter is larger than the inner diameter of the magnet 600, The outer diameter is formed smaller than the outer diameter of the weight 700.
  • first cushion member 910 is disposed in the accommodation space (100a), is fixedly mounted on the top of the cover 120, the second cushion member 920 is inside the accommodation space (100a) It is disposed in, and is fixedly mounted on the base plate 110.
  • the first cushion member 910 and the second cushion member 920 collide with each other when the magnet 600 and the weight 700 move upward and downward to generate a repulsive force, and increase vibration acceleration.
  • first cushion member 910 and the second cushion member 920 act as a sound absorbing material when colliding with the magnet 600 and the weight 700 to reduce the generation of noise.
  • the power supply is applied in the direction of the center yoke 400 around the second coil member 320.
  • Magnetic poles are formed so that the S pole is disposed and moves from the lower portion of the second coil member 320 to the second auxiliary yoke 520, the magnet 600, the center yoke 400, and the core 200. Is formed.
  • the magnet 600 is moved downward.
  • the central yoke 400 when power is applied from the second coil member 320 toward the first coil member 310, the central yoke 400 is disposed around the first coil member 310.
  • the magnet 600 moves upward.
  • the haptic actuator according to an embodiment of the present invention, the closed loop between the first coil member 310 and the second coil member 320 and the magnet 600, as shown in the arrow direction shown in FIG. Magnetic field lines of the structure are formed.
  • the magnet 600 and the weight 700 is in a state of semi-stiffness when vibrating.
  • the magnet 600 generates a force to be disposed on the center yoke 200.
  • the conventional vibration motor shows a response speed of about 27.5ms
  • the haptic actuator according to an embodiment of the present invention is about 5.5ms
  • the reaction rate is shown.
  • reaction frequency range of the haptic actuator (T2) according to the embodiment of the present invention is wider than the conventional vibration motor (T1).
  • FIG. 7 compares the acceleration of the conventional vibration motor T1 and the haptic actuator T2 of the present invention according to the frequency of the power applied to the first coil member 310 and the second coil member 320.
  • the response frequency range is about 20 to 30 Hz for the conventional vibration motor T1
  • the response frequency range is about 170 Hz for the haptic actuator T2 of the present invention.
  • the haptic actuator according to the embodiment of the present invention is formed by the magnet 600 and the core 200, the center yoke 400, the first auxiliary yoke 510 and the second auxiliary yoke 520.
  • the magnetic structure improves the performance and response speed of the frequency band.
  • the portable terminal to which the haptic actuator is applied can be quickly generated and transmitted according to various input signal patterns, thereby improving quality and performance.

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Abstract

본 발명은 자기력 구조를 개선하여 사용자의 터치에 따른 반응속도 및 주파수 대역 등의 성능이 더욱 향상된 햅틱 엑추에이터로서, 내부에 수용공간이 형성된 케이스; 상기 수용공간에 고정 장착되는 코아; 상기 코아의 외측에 상하 방향으로 이격되게 장착되는 제1코일부재 및 제2코일부재; 상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재 사이에 배치되며, 상기 코아의 외측에 장착되는 중심요크; 상기 중심요크의 외측에 배치되는 마그네트; 상기 마그네트의 외측에 고정 장착되는 무게추; 일단이 상기 마그네트와 상기 무게추에 고정되고, 타단이 상기 케이스의 상부에 고정되어 상기 마그네트와 상기 무게추를 탄성적으로 지지하는 제1탄성부재를 포함하여 이루어진다.

Description

햅틱 엑추에이터
본 발명은 햅틱 엑추에이터에 관한 것으로서, 특히 휴대단말기 등 터치에 의한 진동 반응을 필요로 하는 전자기기에 내장되며, 코일과 자석의 상호작용에 의해 진동을 발생시키는 햅틱 엑추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 통신기기에서 착신을 하기 위해 많이 사용되는 것이 벨소리와 진동이다. 진동을 위해서는 소형의 진동 발생장치를 구동시켜 구동력이 기기의 케이스로 전달되도록 하여 기기전체가 진동을 할 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
현재 휴대폰과 같은 통신기기에 적용되고 있는 착신수단 중 하나인 진동 발생장치는 전자기적 힘의 발생원리를 이용하여 전기적 에너지를 기계적 진동으로 변환하는 부품으로써, 휴대폰에 탑재되어 무음 착신알림용으로 사용되고 있다.
이러한 진동 발생장치는 휴대폰의 착신을 알리는 등의 목적으로 널리 사용되고 있으며, 근래에 들어서는 게임장치에도 장착되어 사용자에게 게임의 진행상태를 알리거나 터치폰 등에 장착되어 사용자로 하여금 키가 터치되었음을 느끼도록 하기 위한 목적으로 그 사용이 늘고 있다.
휴대폰시장이 급속도로 팽창되고 있고, 이와 더불어 여러 가지 기능이 휴대폰에 부가되는 추세에 따라 휴대폰 부품의 소형화, 고품질화가 요구되는 상황에서 진동 발생장치 또한 기존제품의 단점을 개선하고, 품질을 획기적으로 개선시키는 새로운 구조의 제품개발의 필요성이 대두 되고 있는 실정이다.
휴대단말기에 장착되는 종래의 진동 발생장치는 기본적으로 중량체를 이용한 2차 진동계로, 중량체를 스프링과 같은 탄성체에 부착시키고, 중량체를 진동시키기 위한 코일을 구비하고 있다.
상기 코일에 전류를 인가하면 상기 중량체와 탄성체의 탄성 계수에 의해 미리 정해진 주파수 응답 특성에 따라 상기 중량체가 진동한다
최근 출시되는 휴대단말기는 상술한 바와 같이, 사용자의 터치입력에 반응하여 음성 또는 진동을 출력함으로써, 사용자에게 입력에 대응하는 피드백을 제공하는 기능을 구비하고 있다.
특히, 햅틱 기술이 적용된 휴대단말기의 경우에는 사용자의 여러 가지 입력에 반응하여 다양한 촉각 피드백을 제공하기 위해 다양한 형태의 진동을 발생하는 진동 발생장치의 연구가 한창 진행되고 있다.
그러나 종래의 진동 발생장치는 코일과 고정자석 사이에서 발생하는 로렌츠의 힘으로 중량체의 상하구동력을 발생하도록 하였는바, 로렌츠 힘에 의한 진동 발생장치 구조의 한계로 인하여 진동의 세기 및 진동주파수 대역 등에서 좋은 특성을 나타내기 어려웠다.
특히, 종래의 LRA(Linear Resonant Actuator) 방식 또는 Linear Motor의 진동 발생장치에서는 댐핑값의 증가에 한계가 있어 반응속도가 빠르지 못한 문제점이 있었다.
선행기술 문헌
1. 대한민국 등록특허 제10-1250288호
2. 대한민국 등록특허 제10-1055562호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자기력 구조를 개선하여 사용자의 터치에 따른 반응속도 및 주파수 대역 등의 성능이 더욱 향상된 햅틱 엑추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 햅틱 엑추에이터는, 내부에 수용공간이 형성된 케이스; 상기 수용공간에 고정 장착되는 코아; 상기 코아의 외측에 상하 방향으로 이격되게 장착되는 제1코일부재 및 제2코일부재; 상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재 사이에 배치되며, 상기 코아의 외측에 장착되는 중심요크; 상기 중심요크의 외측에 배치되는 마그네트; 상기 마그네트의 외측에 고정 장착되는 무게추; 일단이 상기 마그네트와 상기 무게추에 고정되고, 타단이 상기 케이스의 상부에 고정되어 상기 마그네트와 상기 무게추를 탄성적으로 지지하는 제1탄성부재; 를 포함하여 이루어진다.
상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재는 서로 반대 방향으로 감김 형성되고,
상기 마그네트는, 극성이 상하 방향으로 형성되며, 두께가 상기 중심요크의 두께보다 크게 형성된다.
상기 제1코일부재의 상단에 장착되는 제1보조요크; 상기 제2코일부재의 하단에 장착되는 제2보조요크; 를 더 포함하여 이루어진다.
상기 제1보조요크 및 상기 제2보조요크의 두께는 상기 중심요크의 두께보다 얇다.
상기 수용공간에 배치되며, 상기 케이스의 상부에 고정 장착되는 제1쿠션부재; 상기 수용공간에 배치되며, 상기 케이스의 하부에 고정 장착되는 제2쿠션부재; 를 더 포함하여 이루어진다.
일단이 상기 마그네트 및 무게추의 하단에 고정 장착되고, 타단이 상기 케이스의 하부에 고정 장착되어 상기 마그네트와 상기 무게추를 탄성 지지하는 제2탄성부재; 를 더 포함하여 이루어진다.
상기 마그네트의 자력(N)과 상기 제1탄성부재의 탄성력(N)의 차는 ±1 미만이다.
상기 코아는 원통형의 축 형상으로 형성되며, 상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재는 상기 코아의 외주면에 상기 코아를 중심으로 감김 형성되고, 상기 중심요크는 링 형상으로 형성되어 상기 코아의 외주면을 감싸게 장착되며, 상기 마그네트와 상기 무게추는 링 형상으로 형성되어 상기 코아의 외측을 감싸게 배치된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 햅틱 엑추에이터는 다음과 같은 효과가 있다.
상기 마그네트(600)와 상기 코아(200), 상기 중심요크(400), 상기 제1보조요크(510) 및 제2보조요크(520)에 의해 형성된 자기력선 구조에 의해 주파수 대역 등의 성능과 반응속도가 빨라지게 되는 효과가 발생 된다.
또한, 햅틱 엑추에이터의 반응속도가 빨라짐에 따라, 햅틱 엑추에이터가 적용되는 휴대 단말기에서 다양한 입력신호 패턴에 따라 그에 상응하는 출력을 신속하게 생성 및 전달하고, 이로 인해 품질 및 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 제1쿠션부재와 상기 제2쿠션부재가 상기 케이스의 상하부에 각각 장착됨으로써, 상기 마그네트와 상기 무게추의 충돌시 흡음재 역할을 하여 소음 발생을 줄이고, 반발력을 발생시키며, 진동 가속도를 증가시키는 효과가 발생된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 분해사시도,
도 3은 도 1의 A-A에서 바라본 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 초기상태의 자기기력선 구조도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 하강시 자기력선 구조도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 상승시 자기력선 구조도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터와 종래 기술에 따른 진동모터의 성능 비교 자료,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 마그네트의 자력과, 제1탄성부재의 탄성력을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 분해사시도, 도 3은 도 1의 A-A에서 바라본 단면도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 초기상태의 자기기력선 구조도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 하강시 자기력선 구조도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 상승시 자기력선 구조도, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터와 종래 기술에 따른 진동모터의 성능 비교 자료, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터의 마그네트의 자력과, 제1탄성부재의 탄성력을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터는 케이스(100), 코아(200), 제1코일부재(310), 제2코일부재(320), 중심요크(400), 제1보조요크(510), 제2보조요크(520), 마그네트(600), 무게추(700), 제1탄성부재(810), 제2탄성부재(820), 제1쿠션부재(910) 및 제2쿠션부재(920)로 이루어진다.
상기 케이스(100)는 대략 원통형 형상으로 내부에 수용공간(100a)이 구비되며, 구체적으로 밑판(110)과 덮개(120)로 이루어진다.
상기 밑판(110)은 대략 원형의 판 형상으로 형성되며, 강자성체인 SPCC재질로 이루어진다.
상기 덮개(120)는 강자성체인 SPCC재질로 이루어지며, 하단이 개방된 원통형 형상으로 형성되고, 상기 밑판(110)의 상부에 배치되며, 내부에 원통형의 상기 수용공간(100a)이 형성된다.
한편, 상기 밑판(110) 및 상기 덮개(120)는 후술할 상기 제1보조요크(510) 및 제2보조요크(520)를 사용하지 않을 경우, 반드시 강자성체로 이루어져야 하지만, 상기 제1보조요크(510) 및 제2보조요크(520)를 사용할 경우에는 비자성체, 즉 SUS등의 재질로 이루어질 수도 있다.
상기 코아(200)는 상하로 긴 원통형의 축 형상으로 형성되고, 강자성체 재질, 구체적으로 SPCC재질로 이루어진다.
이러한 상기 코아(200)는 상기 케이스(100) 내부, 즉 상기 수용공간(100a)의 중심부에 배치되며, 상단과 하단이 각각 상기 케이스(100)에 고정된다.
또한, 상기 코아(200)는 후술할 상기 제1코일부재(310) 및 제2코일부재(320)에 전원 인가시 자화되며, 주변에 강한 자기장을 형성하게 된다.
상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)는 에나멜선으로 이루어지며, 상기 코아(200)를 중심으로 원통형 형상으로 감긴 형태로 형성되는데, 상기 제1코일부재(310)와 상기 제2코일부재(320)의 감김 방향은 서로 반대이다.
또한, 상기 제1코일부재(310)는 상기 코아(200)의 상부에 배치되고 상기 제2코일부재(320)는 상기 코아(200)의 하부에 배치되며, 상기 제1코일부재(310)와 상기 제2코일부재(320)는 상하 방향으로 일정 간격 이격 배치된다.
즉, 상기 제1코일부재(310)는 상기 코아(200)의 상단 외주면에 시계방향으로 권취되고, 상기 제2코일부재(320)는 상기 코아(200)의 하단 외주면에 반시계방향으로 권취된다.
한편, 상기 중심요크(400)는 강자성체, 구체적으로 SPCC재질로 이루어지며, 지름이 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)와 동일한 원통형이며, 상기 제1코일부재(310)와 상기 제2코일부재(320) 사이에 배치된다.
즉, 상기 중심요크(400)는 상기 코아(200)의 상하 방향 중심에 배치되며 상기 코아(200)의 외주면을 감싸게 장착된다.
이러한 상기 중심요크(400)는 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)에 전류가 인가될 때 상기 마그네트(600)를 상하 이동시키기 위해 자기장을 유도하는 기능을 한다.
한편, 상기 제1코일부재(310)의 상부에는 제1보조요크(510)가 구비되고, 상기 제2코일부재(320)의 하부에는 상기 제2보조요크(520)가 구비된다.
상기 제1보조요크(510)와 제2보조요크(520)는 SPCC재질로 이루어지며, 지름이 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)와 동일한 원통형으로 형성되고, 두께가 상기 중심요크(400)의 두께보다 얇게 형성된다.
경우에 따라 상기 제1보조요크(510)와 제2보조요크(520) 없이 제작될 수도 있는데, 이러한 경우 상기 제1코일부재(310)와 상기 제2코일부재(320)의 두께가 상기 제1보조요크(510)와 상기 제2보조요크(520)의 두께 만큼 증가되며, 상기 밑판(110) 및 상기 덮개(120)의 재질은 반드시 강자성체로 이루어져야 한다.
이와 같이 상기 제1코일부재(310)의 상부와 상기 제2코일부재(320)의 하부에 각각 상기 제1보조요크(510)와 제2보조요크(520)가 구비됨으로써, 상기 제1코일부재(310)와 상기 제2코일부재(320)에 전원 인가시 상기 마그네트(600)를 상하 이동시키기 위해 자기장을 유도하여 구동력을 증가시키는 효과가 발생 된다.
또한, 상기 코아(200), 상기 중심요크(400), 상기 제1보조요크(510) 및 제2보조요크(520)는 동일한 재질이므로 일체로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 마그네트(600)는 내경이 상기 중심요크(400)의 외경보다 큰 링 형상으로 형성되며, 상기 중심요크(400)의 외측을 감싸게 배치된다.
이러한 상기 마그네트(600)는 극성이 상하 방향으로 형성된다. 즉, N극이 상부에 형성되고, S극이 하부에 형성된다.
물론, 경우에 따라 상기 마그네트(600)의 극성이 반대로 형성될 수도 있다.
즉, 상기 마그네트(600)의 상부가 S극, 하부가 N극으로 형성될 수 있으며, 이러한 경우, 상기 제1코일부재(310) 및 제2코일부재(320)의 감긴 방향도 반대로 감기게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마그네트(600)에서 발생하는 자기장은 상기 코아(200), 상기 제1보조요크(510) 및 제2보조요크(520)에 의해 유도되어 강한 자기력선을 형성한다.
또한, 상기 마그네트(600)는 두께가 상기 중심요크(400)의 두께보다 크게 형성되며, 상기 제1코일부재(310)와 상기 제2코일부재(320)에 전원이 인가되지 전, 즉 초기 상태에서는 상기 마그네트(600)의 공극 부분이 상기 중심요크(400)에 일치되게 배치된다.
상기 무게추(700)는 상기 마그네트(600)의 외측을 감싸게 형성되며, 상기 마그네트(600)와 함께 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)에 인가되는 전원의 주파수와 동일한 공진주파수를 갖으며, 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)에 전원이 인가될 때 상기 마그네트(600)와 함께 상하 방향으로 병진 운동되며, 진동을 발생시킨다.
또한, 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)는 상기 제1탄성부재(810)에 의해 상기 케이스(100)의 내부에 탄성 지지된다.
구체적으로, 상기 제1탄성부재(810)는 판스프링이며, 링 형상의 제1고정부(800a), 상기 제1고정부(800a)보다 직경이 큰 링 형상의 제2고정부(800b), 상기 제1고정부(800a)와 상기 제2고정부(800b)를 연결하는 나선 형상의 다리부(800c)로 이루어진다.
상기 다리부(800c)는 4개로 이루어지며, 나선형 형상으로 형성된다.
물론, 상기 다리부(800c)의 형상 및 개수는 경우에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 제1탄성부재(810)는 일단, 즉 상기 제1고정부(800a)가 상기 마그네트(600)와 무게추(700)의 상단에 고정되고, 타단, 즉 제2고정부(800b)가 상기 케이스(100)의 상부, 즉 상기 덮개(120)에 고정된다.
이러한 상기 제1탄성부재(810)는 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)에 상하 방향으로 탄성력을 부가하여 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)의 상하 병진운동을 용이하게 한다.
상기 제2탄성부재(820)는 상기 제1탄성부재(810)와 동일하게 형성되되, 상기 제1고정부(800a)가 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)의 하단에 고정되고, 상기 제2고정부(800b)가 상기 밑판(110)에 고정된다.
이러한 상기 제2탄성부재(820)는 상기 제1탄성부재(810)와 마찬가지로 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)에 탄성력을 부가하여 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)의 상하 병진운동을 용이하게 한다.
한편, 상기 제1쿠션부재(910)와 상기 제2쿠션부재(920)는 탄성감이 있는 고무재질로 이루어지며, 원형의 링 형상으로 형성되는데, 내경이 상기 마그네트(600)의 내경보다 크고, 외경이 상기 무게추(700)의 외경보다 작게 형성된다.
또한, 상기 제1쿠션부재(910)는 상기 수용공간(100a) 내부에 배치되며, 상기 덮개(120)의 상부에 고정 장착되고, 상기 제2쿠션부재(920)는 상기 수용공간(100a) 내부에 배치되며, 상기 밑판(110)에 고정 장착된다.
이러한 상기 제1쿠션부재(910)와 상기 제2쿠션부재(920)는 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)가 상하 병진운동 할 때 충돌되어 반발력을 발생시키며, 진동 가속도를 증가시킨다.
또한, 상기 제1쿠션부재(910)와 상기 제2쿠션부재(920)는 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)와 충돌시 흡음재 역할을 하여 소음 발생을 줄이는 효과를 발생시킨다.
위 구성으로 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑츄에이터의 동작 과정을 설명한다.
먼저 초기상태, 즉 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)에 전원을 인가하기 전, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마그네트(600)의 상부에서 상기 제1보조요크(510), 상기 코아(200) 및 상기 제2보조요크(520)를 통해 상기 마그네트(600) 하부로 이동하는 자기력선이 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전원이 상기 제1코일부재(310)에서 상기 제2코일부재(320) 방향으로 인가되면, 상기 제2코일부재(320) 주변에 상기 중심요크(400) 방향으로 S극이 배치되도록 자극이 형성되고, 상기 제2코일부재(320)의 하부에서 제2보조요크(520), 상기 마그네트(600), 상기 중심요크(400) 및 코아(200)로 이동하는 자기력선이 형성된다.
이러한 자기력선의 상호 작용에 의해 상기 마그네트(600)는 하방향으로 이동하게 된다.
반대로, 도 6에 도시된 바와 같이, 전원이 상기 제2코일부재(320)에서 상기 제1코일부재(310) 방향으로 인가되면, 상기 제1코일부재(310) 주변에 상기 중심요크(400) 방향으로 N극 배치되는 자극이 형성되며, 상기 제1코일부재(310)의 하부에서 상기 코아(200), 중심요크(400) 및 상기 제1보조요크(510)로 이동하는 자기력선이 형성되고, 이로 인해 상기 마그네트(600)는 상방향으로 이동하게 된다.
이러한 상하 이동에 의해, 일정한 주파수 대역의 사인파가 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)에 인가되면, 상기 마그네트(600) 및 상기 무게추(700)가 상하로 병진 운동을 하게 되면서 진동이 발생된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터는, 도 4에 도시된 화살표 방향과 같이, 상기 제1코일부재(310) 및 상기 제2코일부재(320)와 상기 마그네트(600) 사이에는 폐루프 구조의 자기력선이 형성된다.
이러한 자기력선의 구조와 상기 제1탄성부재(810) 및 상기 제2탄성부재(820)에 의해 상기 마그네트(600)와 상기 무게추(700)는 진동시 반 강성(Negative stiffness) 상태가 된다.
즉, 상기 제1코일부재(310) 및 제2코일부재(320)에 전원을 인가하였을 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 마그네트(600)의 상하 변위 거리(mm)의 일정 구간에서는, 상기 마그네트(600)에 발생하는 자력의 힘(N)과 상기 제1탄성부재(810) 및 상기 제2탄성부재(820)의 탄성력의 차가 ±1 미만인 안정적인 상태가 된다.
또한, 이러한 자기력선의 구조에 의해 상기 마그네트(600)는 상기 중심요크(200)에 배치되려는 힘이 발생하게 된다.
이와 같이 상기 마그네트(600)가 반 강성(Negative stiffness) 상태가 되면, 상기 마그네트(600)의 댐핑값이 증가하게 되고, 이로 인해 상기 마그네트(600)가 진동하는 반응속도가 빨라지는 효과가 발생하게 된다.
여기에서, 종래기술의 진동모터와 본 발명의 햅틱 엑추에이터의 반응속도를 측정한 결과, 종래의 진동모터는 약 27.5ms의 반응속도를 보이지만, 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터는 약 5.5ms의 반응속도를 나타내었다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 종래의 진동모터(T1)보다 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터(T2)의 반응 주파수 범위도 넓다.
구체적으로, 도 7는 상기 제1코일부재(310) 및 제2코일부재(320)에 인가되는 전원의 주파수에 따라 종래의 진동모터(T1) 및 본 발명의 햅틱 엑추에이터(T2)의 가속도를 비교 측정한 그래프로, 1G를 기준으로 보았을 때, 종래의 진동모터(T1)의 경우 반응 주파수 범위가 약 20~30Hz 이내인 반면, 본 발명의 햅틱 엑추에이터(T2)의 경우 반응 주파수 범위가 약 170Hz이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 엑추에이터는 상기 마그네트(600)와 상기 코아(200), 상기 중심요크(400), 상기 제1보조요크(510) 및 제2보조요크(520)에 의해 형성된 자계 구조에 의해 주파수 대역 등의 성능과 반응속도가 빨라지게 된다.
또한, 햅틱 엑추에이터의 반응속도가 빨라짐에 따라, 햅틱 엑추에이터가 적용되는 휴대 단말기에서 다양한 입력신호 패턴에 따라 그에 상응하는 출력을 신속하게 생성 및 전달하고, 이로 인해 품질 및 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구 범위의 사상 및 영역을 이탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 형태로 변형 실시될 수 있으며, 따라서 이와 같은 변형은 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 해석해야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 내부에 수용공간이 형성된 케이스;
    상기 수용공간에 고정 장착되는 코아;
    상기 코아의 외측에 상하 방향으로 이격되게 장착되는 제1코일부재 및 제2코일부재;
    상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재 사이에 배치되며, 상기 코아의 외측에 장착되는 중심요크;
    상기 중심요크의 외측에 배치되는 마그네트;
    상기 마그네트의 외측에 고정 장착되는 무게추;
    일단이 상기 마그네트와 상기 무게추에 고정되고, 타단이 상기 케이스의 상부에 고정되어 상기 마그네트와 상기 무게추를 탄성적으로 지지하는 제1탄성부재; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재는 서로 반대 방향으로 감김 형성되고,
    상기 마그네트는, 극성이 상하 방향으로 형성되며, 두께가 상기 중심요크의 두께보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1코일부재의 상단에 장착되는 제1보조요크;
    상기 제2코일부재의 하단에 장착되는 제2보조요크; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1보조요크 및 상기 제2보조요크의 두께는 상기 중심요크의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용공간에 배치되며, 상기 케이스의 상부에 고정 장착되는 제1쿠션부재;
    상기 수용공간에 배치되며, 상기 케이스의 하부에 고정 장착되는 제2쿠션부재; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    일단이 상기 마그네트 및 무게추의 하단에 고정 장착되고, 타단이 상기 케이스의 하부에 고정 장착되어 상기 마그네트와 상기 무게추를 탄성 지지하는 제2탄성부재; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네트의 자력(N)과 상기 제1탄성부재의 탄성력(N)의 차는 ±1 미만인 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코아는 원통형의 축 형상으로 형성되며,
    상기 제1코일부재와 상기 제2코일부재는 상기 코아의 외주면에 상기 코아를 중심으로 감김 형성되고,
    상기 중심요크는 링 형상으로 형성되어 상기 코아의 외주면을 감싸게 장착되며,
    상기 마그네트와 상기 무게추는 링 형상으로 형성되어 상기 코아의 외측을 감싸게 배치되는 것을 특징으로 하는 햅틱 엑추에이터.
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