WO2017051973A1 - 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈, 촉감제시장치, 진동마우스패드 및 촉감제시방법 - Google Patents

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beat electric
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양태헌
박연규
우삼용
김민석
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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
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    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/039—Accessories therefor, e.g. mouse pads
    • G06F3/0393—Accessories for touch pads or touch screens, e.g. mechanical guides added to touch screens for drawing straight lines, hard keys overlaying touch screens or touch pads

Definitions

  • the present invention relates to a tactile display module, a tactile display device, a vibration mouse pad, and a tactile display method using a beat electric field.
  • tactile sensation is a tactile sensation that can be felt by a human finger or stylus pen when touching an object, and encompasses tactile feedback that is felt when the skin touches the surface of the object and when the movement of joints and muscles is disturbed.
  • a mechanical stimulus receptor is a Paciniancorpuscle that senses high-frequency vibration, Meissner's corpuscle that senses low-frequency vibration, and a Merkel's disc that senses local pressure. ) And Ruffini's ending, which detects stretch that presses the skin.
  • Various tactile presenting devices for stimulating such sensory receptors include piezo actuators, solenoid actuators, DC / AC motors, server motors, ultrasonic actuators, shape memory alloy ceramic actuators, electroactive polymer actuators, and the like.
  • a representative example of the tactile presentation device is a device that stimulates a Pachinian / Minus body that detects high frequency / low frequency vibration by generating a vibration with a vibration motor according to an input of a touch screen in a mobile device.
  • the vibration motor (vibration generating module) is a device that is applied to a portable device to deliver a predetermined sense
  • the prior art was a method of outputting the vibration sense in response to the user touches the touch panel with a finger.
  • the conventional vibration generating module has a problem that a relatively high operating voltage must be used because it must generate a vibration having a strength enough to be recognized by the user with a finger.
  • the portable device frequently used vibration generating module has been reduced in size for the convenience of possession, there was a limit in the capacity of the power can be supplied accordingly.
  • the conventional vibration generating module has a problem that it may be inconvenient to apply to such a portable device because the power consumption is large.
  • the conventional vibration generating module could output only a simple vibration sense, and it was difficult to adjust the intensity or interval of vibration and it was difficult to generate various tactile feedbacks.
  • the conventional vibration generating module only functions as an actuator for generating tactile feedback, and as a sensor for detecting a touch, there is a problem in that there are limitations in various applications.
  • the conventional electrostatic force tactile display device 1 is provided on the PCB 2 and the PCB 2, and is provided on the electrode layer 3 and the electrode layer 3 to which a voltage is applied. It can be configured to include a dielectric layer (4). Therefore, when the user comes in contact with the upper surface of the dielectric layer 4, the vibration is felt by the electrostatic force.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of a conventional vibration transfer type electrostatic force tactile display device (1).
  • This structure includes a lower electrode layer 6 to receive a voltage on the lower plate 5, a dielectric layer 4 provided on the lower electrode layer 6, and an upper plate 8 spaced apart from the dielectric layer 4.
  • the spacer 7 provided between the lower plate 5 and the upper plate 8 to be spaced apart from the upper electrode layer 9 provided on the lower surface of the upper plate 8 and connected to the ground, and the dielectric layer 4 and the upper electrode layer 9. It may be configured to include).
  • the vibration is transmitted to the upper plate 8 by the spacer 7 by the electrostatic force generated in the dielectric layer 4 to present the tactile sensation to the user who contacts the upper plate 8.
  • Patent Document 0001 Republic of Korea Registered Patent No. 10-1124227
  • Patent Document 0002 Republic of Korea Registered Patent No. 10-1115421
  • Patent Document 0003 Republic of Korea Patent No. 10-1022065
  • the present invention has been made to solve the above conventional problems, the vibration mouse pad according to an embodiment of the present invention by applying a tactile display module using the beat electric field, the conventional analog output (Analog Output) Instead, digital output can be used, driving can be realized by only two PWM channels, FET-based digital switching device can be used instead of conventional analog-to-diode, and the CPU's computational load is calculated.
  • Low load MCU eg BLE cip
  • Magnitude is amplified during vibration by beat electric field, which lowers the driving power of HV AMP (about 1.5kV or less).
  • HV AMP about 1.5kV or less.
  • Vibration mouse pad is applied to the tactile display module using the beat electric field, the bandwidth of the conventional analog switching device is limited to about 200Hz can be switched only when the threshold (over 1kV or more threshold),
  • the configuration according to an embodiment of the present invention can use a digital switching element, the tactile display module, tactile display device and the tactile display using a beat electric field that can have the advantage in tactile generation that can increase the variety of tactile combination
  • the purpose is to provide a presentation method.
  • a first object of the present invention is a tactile display module, comprising: a substrate; A first electrode attached to one surface of the substrate, the first electrode receiving a first voltage having a first frequency, and a second electrode receiving a second voltage having a second frequency different from the first frequency; An electrode unit in which an electrode and the second electrode are spaced apart from each other by a specific distance to generate a beat electric field; And a dielectric layer connected between the first electrode and the second electrode and vibrated by the beat electric field generated by the electrode part.
  • the vibration frequency of the dielectric layer may be based on the frequency of the beat electric field, and the vibration amplitude of the dielectric layer may be based on the amplitude of the beat electric field.
  • the amplitude of the first voltage and the second voltage is equal to each other, the frequency of the beat electric field is different from the first frequency and the second frequency, and the difference between the first frequency and the second frequency is 1 to 100 Hz. It can be characterized.
  • the apparatus may further include a first voltage applying unit applying the first voltage to the first electrode and a second voltage applying unit applying the second voltage to the second electrode.
  • the first electrode may include a first extension end having a longitudinal direction parallel to one edge of the substrate and a plurality of first electrodes having a longitudinal direction perpendicular to the first extension end at a predetermined interval from each other.
  • the second electrode is provided with one end, and the second electrode has a lengthwise direction parallel to the other edge of the substrate and the second extension end is spaced apart from each other at a predetermined interval from each other a plurality of vertical direction with the second extension end
  • a first branch of the second electrode may be provided, and the first branch of the first electrode and the first branch of the second electrode may be spaced apart from each other without crossing each other.
  • the apparatus may further include a control unit controlling at least one of the first voltage applying unit and the second voltage applying unit to adjust the vibration frequency of the dielectric layer.
  • the control unit may control at least one of the first voltage applying unit and the second voltage applying unit such that a carrier frequency, which is a smaller frequency of the first frequency and the second frequency, matches the resonance frequency of the tactile display module. It can be characterized by.
  • the controller may change the magnitude of beat vibration by adjusting a difference value between the carrier frequency and the resonance frequency.
  • the first electrode may include a plurality of second ends of the plurality of first electrodes vertically spaced apart from each other at a first end of the first electrode, and having a longitudinal direction perpendicular to the first end of the first electrode.
  • the second electrode may include a plurality of second ends of a plurality of second electrodes vertically spaced apart from each other at a first end of the second electrode, and having a longitudinal direction perpendicular to the first end of the second electrode.
  • the second branch of the first electrode and the second branch of the second electrode may be arranged to be spaced apart from each other without crossing each other.
  • a second object of the present invention is to apply a first voltage having a first frequency to a first electrode attached to one surface of a substrate, and a second electrode disposed at a specific interval from the first electrode. Applying a second voltage having a different second frequency; Generating a beat electric field at an electrode portion including the first electrode and the second electrode; And vibrating a dielectric layer connected between the first electrode and the second electrode by a beat electric field generated by the electrode part.
  • a third object of the present invention in the tactile display device, the lower substrate; A first electrode attached to one surface of the lower substrate and receiving a first voltage having a first frequency and a second electrode receiving a second voltage having a second frequency different from the first frequency; An electrode unit in which the first electrode and the second electrode are spaced apart from each other by a specific distance to generate a beat electric field; A first dielectric layer connected between the first electrode and the second electrode and vibrated by a beat electric field generated in the electrode part; An upper substrate spaced apart from the first dielectric layer by a specific distance and having an electrode layer connected to ground; And an inner spacer provided between the lower substrate and the first dielectric layer to separate the lower substrate and the first dielectric layer.
  • the housing is provided spaced apart from the lower substrate at a specific interval; And an outer spacer provided between the housing and the upper substrate to space the lower substrate and the housing.
  • the vibration of the first dielectric layer due to the beat electric field may be transmitted to the upper substrate by the inner spacer and the outer spacer.
  • At least one of the inner spacer and the outer spacer may be characterized in that it comprises an elastic member.
  • the upper substrate may include a touch plate that provides a touch to a user, an electrode layer connected to the ground, and a second dielectric layer.
  • the apparatus may further include a first voltage applying unit applying the first voltage to the first electrode and a second voltage applying unit applying the second voltage to the second electrode.
  • the controller may further include a control unit controlling at least one of the first voltage applying unit and the second voltage applying unit to adjust the vibration frequency of the first dielectric layer.
  • the first electrode may include a first extension end having a longitudinal direction parallel to one edge of the substrate, and a plurality of first electrodes having a longitudinal direction perpendicular to the first extension end by being spaced apart from each other by a specific distance from the first extension end. And a second branch of the plurality of first electrodes perpendicular to the first branch of the first branch of the first electrode and spaced apart from each other by a predetermined distance from the first branch of the first electrode.
  • the second electrode may include a first branch of a plurality of second electrodes having a longitudinal direction parallel to the other edge of the substrate and a plurality of second electrodes vertically spaced apart from each other at the second extension end so that the length direction is perpendicular to the second extension end.
  • a second branch of a plurality of second electrodes vertically spaced apart from each other at a first end of the second electrode by a lengthwise direction perpendicular to the first end of the second electrode.
  • the second branch and the second branch of the second electrode cross each other. If it not can be characterized as being arranged separately from each other.
  • a fourth object of the present invention is to apply a first voltage having a first frequency to a first electrode attached to one surface of a substrate, and a second electrode disposed at a specific interval from the first electrode. Applying a second voltage having a different second frequency; Generating a beat electric field at an electrode portion including the first electrode and the second electrode; A dielectric layer connected between the first electrode and the second electrode is vibrated by a beat electric field generated in the electrode part; And vibrating an upper substrate having a predetermined distance from the first dielectric layer by the inner spacers and having an electrode layer connected to the ground.
  • the touch sensing method using the beat electric field may be achieved.
  • a digital output may be used instead of the existing analog output, driving may be realized using only two PWM channels, and instead of an existing analog switching element (Opto-Diode) FET-based digital switching devices can be used, reducing the computational load of the CPU, enabling the use of low-end MCUs (eg BLE cip), and amplifying the magnitude in vibrations caused by the beat electric field, resulting in HV Since the driving power of the AMP can be lowered (about 1.5 kV or less), the controller can have an electrical advantage capable of realizing a miniaturized controller, low power, and low cost.
  • an existing analog switching element Opto-Diode
  • the bandwidth of the conventional analog switching device is limited to about 200Hz, but can be switched only after the threshold (Threshold) of about 1kV or more, but according to the configuration according to an embodiment of the present invention digital switching
  • the device can be used and has the effect of having an advantage in tactile generation which can increase the variety of tactile combinations.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional electrostatic force tactile display device
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional vibration transmission type electrostatic force tactile display device
  • FIG. 3 is a perspective view of a mouse and a vibration mouse pad using a beat electric field, according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of a vibration mouse pad that schematically shows the appearance of vibration of low frequency through the mouse pad, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view and an enlarged plan view of the tactile display module using the beat electric field that is the core configuration of a vibration mouse pad according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the portion A of FIG.
  • FIG. 7 is a graph of beat electric field waveform when a first voltage having a frequency of 100 Hz is applied to a first electrode and a second voltage having a frequency of 105 Hz is applied to a second electrode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a graph of beat electric field waveform when a first voltage having a frequency of 100 Hz is applied to a first electrode and a second voltage having a frequency of 102 Hz is applied to a second electrode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a graph of beat electric field waveform when a first voltage having a frequency of 100 Hz is applied to a first electrode and a second voltage having a frequency of 103 Hz is applied to a second electrode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a graph of beat electric field waveform when a first voltage having a frequency of 100 Hz is applied to a first electrode and a second voltage having a frequency of 107 Hz is applied to a second electrode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the tactile display using the beat electric field in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view of a tactile display using a beat electric field according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of a tactile display using a beat electric field having an electrode unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 17 is a partial plan view of an electrode unit according to still another exemplary embodiment of the present invention.
  • electrode layer 4 dielectric layer 5: lower plate
  • top electrode layer 10 substrate 11: bottom substrate
  • FIG. 3 is a perspective view of a mouse and a vibrating mouse pad using a beat electric field according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of a vibration mouse pad that schematically shows the appearance of vibration of low frequency through the mouse pad, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows a perspective view and an enlarged plan view of the tactile display module 100 using the beat electric field according to an embodiment of the present invention.
  • 6 illustrates a cross-sectional view of portion A of FIG. 5.
  • the tactile display module 100 using the beat electric field includes a substrate 10, an electrode part, a dielectric layer 4, and the like. It can be seen that it can be configured to include.
  • the substrate 10 is preferably composed of a flexible PCB substrate, the electrode unit according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 21 and a second electrode 25 spaced apart from each other at a specific interval so as not to cross each other. It is configured by.
  • the first electrode 21 is attached to one surface of the substrate 10, and receives a first voltage having a first frequency, and the second electrode 25 has a first frequency.
  • the second voltage having a second frequency different from that is applied. Accordingly, a first voltage having a first frequency is applied to the first electrode 21, and a second voltage having a second frequency is applied to the second electrode 25, thereby generating a beat electric field in the electrode unit. .
  • a first voltage having an amplitude of 1.5 kV and a frequency of 100 Hz is applied to the first electrode 21, and a second voltage having an amplitude of 1.5 kV and a frequency of 105 z is applied to the second electrode 25.
  • a beat electric field waveform having an amplitude of 1,5 kV and a frequency of 5 Hz is formed in the electrode portion.
  • the dielectric layer 4 is connected between the first electrode 21 and the second electrode 25 to vibrate by a beat electric field generated in the electrode part.
  • the dielectric layer 4 may be composed of a polyimide film or the like in a specific embodiment, wherein the vibration frequency of the dielectric layer 4 is based on the frequency of the beat electric field, and the vibration amplitude of the dielectric layer 4 is based on the amplitude of the beat electric field. Done.
  • the first voltage applied to the first electrode 21 and the second voltage applied to the second electrode 25 have the same amplitude, and the frequency of the beat electric field is the difference between the first frequency and the second frequency. It is preferable that the difference between one frequency and the second frequency is about 1 to 100 Hz.
  • the first voltage applying unit includes a PWM controller and the like, so that a first voltage having a first frequency is applied to the first electrode 21, and the second voltage applying unit also includes a PWM controller and the like. A second voltage having a is formed to be applied to the second electrode 25.
  • the shapes of the first electrode 21 and the second electrode 25 may be disposed to be spaced apart from each other by a specific interval. More specifically, the first electrode 21 has a first direction end 22 in which the longitudinal direction is parallel to one side edge of the substrate 10, and the first direction 21 is spaced apart from each other by a predetermined distance from the first extension end 22.
  • the first branch end 23 of the plurality of first electrodes perpendicular to the first extension end 22 may be configured.
  • the second electrode 25 also has a second extension end in which the longitudinal direction is parallel to the other edge of the substrate 10, and a plurality of second vertical ends that are perpendicular to the second extension end by being spaced apart from each other by a specific distance from the second extension end. It may comprise a first branch 27 of the electrode.
  • the first branch end 23 of the first electrode and the first branch end 27 of the second electrode are disposed to be spaced apart from each other without crossing each other.
  • the controller may control at least one of the first voltage applying unit and the second voltage applying unit to adjust the vibration frequency of the dielectric layer 4. That is, for example, when the controller changes the frequency of the second voltage applied to the second electrode 25 by the second voltage applying unit, the difference between the first frequency and the second frequency is changed, which causes The frequency is changed so that the vibration frequency can be adjusted.
  • the controller may include at least one of the first voltage applying unit and the second voltage applying unit such that a carrier frequency, which is a smaller frequency of the first frequency and the second frequency, matches the resonance frequency of the tactile display module 100. Either one can be controlled.
  • the carrier frequency is matched with the resonant frequency of the vibration mouse pad 100 as an actuator, the beat magnitude has a maximum value. That is, for example, when the resonant frequency is 90 Hz, when the first frequency is set to 90 Hz and the second frequency is set to 95 Hz, the beat frequency becomes 5 Hz, and the beat magnitude has the maximum value.
  • controller may change and control the magnitude of the beat vibration by adjusting a difference value between the carrier frequency and the resonance frequency.
  • the beat is an electric field waveform graph.
  • FIG. 8 illustrates that a first voltage having a frequency of 100 Hz is applied to the first electrode 21 and a second voltage having a frequency of 102 Hz is applied to the second electrode 25 according to an embodiment of the present invention.
  • the graph of electric field waveform is shown.
  • FIG. 9 shows a first voltage having a frequency of 100 Hz to the first electrode 21 and a 103 Hz to the second electrode 25 according to an embodiment of the present invention.
  • a beat electric field waveform graph when a second voltage having a frequency is applied
  • FIG. 10 illustrates applying a first voltage having a frequency of 100 Hz to the first electrode 21 according to an embodiment of the present invention.
  • the beat electric field waveform graph when the second voltage having a frequency of 107 Hz is applied to the second electrode 25 is shown.
  • the first voltage applying unit applies a first voltage having a square wave shape having a first frequency of 100 Hz to the first electrode 21 by using a PWM controller or the like. It can be seen that a beating electric field having a frequency of 5 Hz is formed by applying a first voltage having a square wave shape having a second frequency of 105 Hz to the first electrode 21 using a PWM controller or the like.
  • the controller may control the second voltage applying unit to change the second frequency of the second voltage, thereby adjusting the frequency of the beat electric field. That is, as shown in FIG. 8, by changing the second frequency of the second voltage to 102 Hz, the frequency of the beat electric field can be adjusted to about 2 Hz, and by changing the second frequency of the second voltage to 103 Hz. In addition, the frequency of the beat electric field can be adjusted to about 3Hz, and by changing the second frequency of the second voltage to 107 Hz, it is possible to adjust the frequency of the beat electric field to about 7Hz.
  • the frequency of the beat electric field can be easily changed, it is possible to easily adjust the vibration frequency by the tactile display module (100).
  • the tactile display module 100 using the beat electric field may use a digital output instead of a conventional analog output and realize driving with only two PWM channels.
  • FET-based digital switching devices can be used instead of conventional analog-to-diodes, reducing the computational load of the CPU, enabling the use of low-end MCUs (eg BLE cips), Magnitude is amplified during vibration, which lowers the driving power of the HV AMP (about 1.5 kV or less), and thus has an electrical advantage that can realize a miniaturized controller, low power, and low cost.
  • the tactile display module 100 using the beat electric field is limited to about 200Hz, but can switch over the threshold (Threshold) of about 1kV or more, According to the configuration according to the embodiment of the present invention, it is possible to use a digital switching element, which has an advantage in the touch generation that can increase the diversity of the tactile combination.
  • the tactile market 110 using the beat electric field uses the tactile display module 100 mentioned above.
  • 11 is a cross-sectional view of the tactile display device 110 using the beat electric field using the beat electric field in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the tactile display device 110 may be configured as, for example, a vibrating mouse pad.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the tactile display device 110 using the beat electric field according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 shows a perspective view of the tactile display 110 using a beat electric field in accordance with an embodiment of the present invention.
  • 14 illustrates a cross-sectional view of part B of FIG. 13.
  • 15 illustrates a cross-sectional view of part C of FIG. 13.
  • the tactile display device 110 using the beat electric field according to an embodiment of the present invention, the housing 20, the lower substrate 11, the outer And a spacer 40, an electrode portion having the first electrode 21 and the second electrode 25, a first dielectric layer 31, an inner spacer 32, an upper substrate 12, and the like. It can be seen that. Then, the user puts the mouse 60 on the upper surface of the upper substrate 12 and uses the mouse 60.
  • the electrode unit is attached to one surface of the lower substrate 11 and receives a first electrode 21 receiving a first voltage having a first frequency and a second voltage having a second frequency different from the first frequency.
  • the first electrode 21 and the second electrode 25 are arranged to be spaced apart from each other at a specific interval to generate a beat electric field.
  • the first dielectric layer 31 is connected between the first electrode 21 and the second electrode 25 and is vibrated by the beat electric field generated in the electrode unit.
  • the upper substrate 12 may include an electrode layer 3 connected to the ground and spaced apart from the first dielectric layer 31 by a specific distance.
  • the inner spacer 32 is provided between the lower substrate 11 and the first dielectric layer 31 to separate the lower substrate 11 and the first dielectric layer 31. Can be.
  • the housing 20 is provided to be spaced apart from the lower substrate 11 by a specific distance, and the outer spacer 40 is provided between the housing 20 and the upper substrate 12, the lower substrate 11 and the housing 20 ) Spaced apart.
  • a first voltage in the form of a square wave or a sine wave having a first frequency is applied to the first electrode 21, and a second voltage in the form of a square wave or a sine wave having a second frequency is applied to the second electrode 25.
  • the electrode unit generates a beat electric field, and the vibration of the first dielectric layer 31 due to the beat electric field is transmitted to the upper substrate 12 by the inner spacer 32 and the outer spacer 40 to allow the upper substrate ( 12) the mouse placed on the vibrating to deliver the touch to the user.
  • At least one of the inner spacer 32 and the outer spacer 40 according to an embodiment of the present invention may be configured to include an elastic member 41.
  • the upper substrate 12 includes a touch plate 13 that provides a touch to a user who uses the mouse 60, a lower surface of the touch plate 13,
  • the electrode layer 3 may be connected to each other, and the second dielectric layer 14 may be disposed on the lower side of the electrode layer 3.
  • the first voltage and the second voltage are the same amplitude
  • the frequency of the beat electric field is the difference between the first frequency and the second frequency
  • the difference between the first frequency and the second frequency is 1 ⁇ 100Hz It is preferable to correspond to a degree.
  • the first voltage applying unit applies a first voltage having a first frequency in the form of a square wave or sinusoidal wave to the first electrode 21, and the second voltage applying unit has a second frequency at the second electrode 25.
  • a second voltage in the form of square or sine wave is applied.
  • At least one of the first voltage applying unit and the second voltage applying unit may be controlled to adjust the vibration frequency of the first dielectric layer 31.
  • the first electrode 21 according to another embodiment of the present invention has a first extension end 22 having a longitudinal direction parallel to one edge of the lower substrate 11.
  • the first branch end 23 of the plurality of first electrodes vertically spaced apart from each other at the first extension end 22 and perpendicular to the first extension end 22, and the first electrode of the first electrode 22. It may be configured to include a second branch 24 of the plurality of first electrodes perpendicular to the first branch 23 of the first electrode spaced apart from each other at a specific distance from one end 23. .
  • the second electrode 25 also has a plurality of longitudinal directions perpendicular to the second extension end and the second extension end in parallel to the other edge of the lower substrate 11 and the second extension end at a predetermined distance from each other.
  • the first branch 27 of the second electrode and the first branch 27 of the second electrode spaced apart from each other at a predetermined distance from each other in the longitudinal direction perpendicular to the first branch 27 of the second electrode It may be configured to have a second branch 28 of the second electrode of the.
  • the second branch 24 of the first electrode and the second branch 28 of the second electrode are disposed to be spaced apart from each other without crossing each other.
  • the shape in which the charge is concentrated at the end of the electrode can be prevented, and the charge density can be evenly distributed, resulting in less input voltage.
  • the output vibration amplitude can be increased.

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Abstract

본 발명은 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈, 촉감제시장치, 진동마우스패드 및 촉감제시방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 촉감제시모듈에 있어서, 기판; 상기 기판의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받는 제1전극과, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받는 제2전극을 갖고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 서로 특정간격 이격 배치되어 맥놀이 전기장을 발생시키는 전극부; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결되며, 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 유전층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈에 관한 것이다.

Description

맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈, 촉감제시장치, 진동마우스패드 및 촉감제시방법
본 발명은 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈, 촉감제시장치, 진동마우스패드 및 촉감제시방법에 대한 것이다.
일반적으로 촉감이란 물체를 만질 때 사람의 손가락 또는 스타일러스 펜으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 피드백을 포괄하는 개념이다.
사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언 소체(Paciniancorpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너 소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌러주는 스트레치를 감지하는 루피니 엔딩(Ruffini's ending) 등 이 있다.
이러한 감각수용기를 자극하기 위한 다양한 촉감 제시장치들로, 피에조 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 형상기억합금세라믹 액추에이터, 전기활성폴리머 액추에이터 등 다양한 액추에이터 등이 있다.
촉감 제시장치의 대표적인 예로는 모바일 디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너 소체를 자극하는 장치가 있다.
한편, 진동모터(진동발생 모듈)는 휴대용 기기에 적용되어 소정의 감각을 전달하는 장치로서, 종래의 기술은 사용자가 손가락으로 터치 패널을 터치하면 그에 대한 반응으로 진동감각을 출력하는 방식이었다.
이러한 종래의 진동발생 모듈은 사용자가 손가락으로 인지할 수 있을 정도의 세기를 갖는 진동을 발생시켜야 하므로 비교적 높은 동작전압을 사용하여야 한다는 문제점이 있었다.
또한, 진동발생 모듈이 빈번하게 사용되는 휴대용 기기는 소지의 편의를 위하여 그 크기를 줄이고 있는 추세이고, 이에 따라 공급할 수 있는 전력의 용량에 한계가 있었다.
그러나, 종래의 진동발생 모듈은 전력소모가 크기 때문에 이러한 휴대용 기기에 적용하여 사용하기에는 불편할 수 있다는 문제점이 있었다.
나아가, 종래의 진동발생 모듈은 단순한 진동감각만을 출력할 수 있었으며 진동의 강도나 간격을 조절하기가 곤란하고 다양한 촉각 피드백을 생성하기 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 진동발생 모듈은 촉각 피드백을 발생시키는 액추에이터로 기능할 뿐, 터치를 감지하는 센서로서의 기능은 할 수 없어서 다양한 활용에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 낮은 동작전압을 사용하여 전력 소비를 줄이면서도 진동의 강도나 간격을 용이하게 조절할 수 있는 촉감제시장치의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
도 1은 종래 정전기력 촉감제시장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 정전기력 촉감제시장치(1)는 PCB 기판(2)과 PCB 기판(2) 상에 구비되며 전압을 인가받는 전극층(3)과 전극층(3)의 상부에 구비되는 유전층(4)을 포함하여 구성되어 질 수 있다. 따라서 사용자가 유전층(4)의 상부면을 접촉하게 되면, 정전기력에 의해 진동을 느끼게 된다.
도 2는 종래 진동전달형 정전기력 촉감제시장치(1)의 단면도를 도시한 것이다. 이러한 구조는 하판(5) 상부에 전압을 인가받는 하판전극층(6)과, 하판전극층(6)의 상부에 구비되는 유전층(4)과, 유전층(4)과 이격되어 배치되는 상판(8)과 상판(8) 하부면에 구비되며 그라운드와 연결된 상판전극층(9) 그리고, 유전층(4)과 상판전극층(9)을 이격시키기 위해, 하판(5)과 상판(8) 사이에 구비되는 스페이서(7)를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서 유전층(4)에서 발생되는 정전기력에 의해 진동이 스페이서(7)에 의해 상판(8) 측으로 전달되어 상판(8)을 접촉한 사용자에게 촉각을 제시하게 된다.
그러나, 종래 이러한 방식의 경우 주파수가 크고 진폭이 작기 때문에 다양한 촉각을 제시하기 힘들고, 저주파수 자극을 위해서는 아날로그 HV 아웃풋과, 아날로그 스위칭 소자, 아날로그 HV를 제어하기 위한 HV Opto-Diode 등 고가의 부품이 요구되고, 아날로그이므로 복잡한 회로구성이 필요하다는 단점을 갖게 된다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 0001) 대한민국 등록특허 제10-1124227호
(특허문헌 0002) 대한민국 등록특허 제10-1115421호
(특허문헌 0003) 대한민국 등록특허 제10-1022065호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 진동마우스 패드는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈을 적용하게 됨으로써, 기존의 아날로그 아웃풋(Analog Output) 대신 디지털 아웃풋(Digital Output)을 사용할 수 있으며, PWM 2채널만으로 구동을 실현시킬 수 있고, 기존 아날로그 스위칭 소자(Opto-Diode)대신 FET 기반의 디지털 스위칭 소자를 사용할 수 있으며, CPU의 연산 로드(Calculating Load)를 줄여, 저사양 MCU(예를 들어 BLE cip)를 사용할 수 있으며, 맥놀이 전기장에 의한 진동시 매그니튜드(Magnitude)가 증폭되어 HV AMP의 구동 전원을 낮출 수 있어(약 1.5kV이하), 제어기의 소형화, 저전력, 저단가화 실현이 가능한 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈, 촉감제시장치 및 촉감제시방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 진동마우스 패드는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈을 적용하게 됨으로써, 기존 아날로스 스위칭 소자의 대역폭이 200Hz 정도로 제한되어 약 1kV 이상의 스레숄드(Threshold)를 넘어야 스위칭할 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 구성에 의하면 디지털 스위칭 소자를 사용할 수 있어, 촉감조합의 다양성을 증가시킬 수 있는 촉감생성에서의 이점을 가질 수 있는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈, 촉감제시장치 및 촉감제시방법을 제공하는데 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 촉감제시모듈에 있어서, 기판; 상기 기판의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받는 제1전극과, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받는 제2전극을 갖고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 서로 특정간격 이격 배치되어 맥놀이 전기장을 발생시키는 전극부; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결되며, 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 유전층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 유전층의 진동 주파수는 상기 맥놀이 전기장의 주파수에 기반하며, 상기 유전층의 진동 진폭은 상기 맥놀이 전기장의 진폭에 기반하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제1전압과 상기 제2전압은 진폭이 서로 일치되고, 상기 맥놀이 전기장의 주파수는 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차이고, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차는 1 ~ 100Hz인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극에 상기 제1전압을 인가하는 제1전압인가부와, 상기 제2전극에 상기 제2전압을 인가하는 제2전압인가부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제1전극은 길이방향이 상기 기판의 일측 모서리와 평행되는 제1연장단과 상기 제1연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1연장단과 수직인 다수의 제1전극의 제1가지단을 구비하고, 상기 제2전극은 길이방향이 상기 기판의 타측 모서리와 평행되는 제2연장단과 상기 제2연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2연장단과 수직인 다수의 제2전극의 제1가지단을 구비하며, 상기 제1전극의 제1가지단과 상기 제2전극의 제1가지단은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 유전층의 진동 주파수를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제어부는, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 중 작은 주파수인 캐리어주파수가 상기 촉감제시모듈의 공진주파수와 일치되도록 상기 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 캐리어주파수와 상기 공진주파수의 차이값을 조절하여 맥놀이 진동의 매그니튜드를 변경하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제1전극은 상기 제1전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제1전극의 제2가지단을 구비하고, 상기 제2전극은 상기 제2전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제2전극의 제2가지단을 구비하며, 상기 제1전극의 제2가지단과 상기 제2전극의 제2가지단은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 기판의 일면에 부착된 제1전극으로 제1주파수를 갖는 제1전압이 인가되고, 제1전극과 서로 특정간격 이격되어 배치된 제2전극으로 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압이 인가되는 단계; 상기 제1전극과 상기 제2전극으로 구성된 전극부에서 맥놀이 전기장을 발생되는 단계; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결된 유전층이 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 촉감제시장치에 있어서, 하부기판; 상기 하부기판의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받는 제1전극과, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받는 제2전극을 갖고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 서로 특정간격 이격 배치되어 맥놀이 전기장을 발생시키는 전극부; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결되며, 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 제1유전층; 상기 제1유전층과 특정간격 이격되며, 그라운드와 연결된 전극층을 갖는 상부기판; 및 상기 하부기판과 상기 제1유전층 사이에 구비되어, 상기 하부기판과 상기 제1유전층을 이격시키는 내측 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 하부기판과 특정간격 이격되어 구비되는 하우징; 및 상기 하우징과 상기 상부기판 사이에 구비되어, 상기 하부기판과 상기 하우징을 이격시키는 외측 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 맥놀이 전기장에 의한 상기 제1유전층의 진동이 상기 내측 스페이서와 상기 외측 스페이서에 의해 상기 상부기판으로 전달되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 내측 스페이서 및 상기 외측 스페이서 중 적어도 어느 하나는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 상부기판은, 사용자에게 촉감을 제공하는 터치플레이트와, 그라운드와 연결된 전극층과, 제2유전층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전압과 상기 제2전압은 진폭이 서로 일치되고, 상기 맥놀이 전기장의 주파수는 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차이고, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차는 1 ~ 100Hz이고, 상기 제1전극에 상기 제1전압을 인가하는 제1전압인가부와, 상기 제2전극에 상기 제2전압을 인가하는 제2전압인가부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 제1유전층의 진동 주파수를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1전극은, 길이방향이 상기 기판의 일측 모서리와 평행되는 제1연장단과, 상기 제1연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1연장단과 수직인 다수의 제1전극의 제1가지단과, 상기 제1전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제1전극의 제2가지단을 구비하고, 상기 제2전극은, 길이방향이 상기 기판의 타측 모서리와 평행되는 제2연장단과 상기 제2연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2연장단과 수직인 다수의 제2전극의 제1가지단과, 상기 제2전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제2전극의 제2가지단을 구비하며, 상기 제1전극의 제2가지단과 상기 제2전극의 제2가지단은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 기판의 일면에 부착된 제1전극으로 제1주파수를 갖는 제1전압이 인가되고, 제1전극과 서로 특정간격 이격되어 배치된 제2전극으로 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압이 인가되는 단계; 상기 제1전극과 상기 제2전극으로 구성된 전극부에서 맥놀이 전기장을 발생되는 단계; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결된 유전층이 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 단계; 및 내측 스페이서에 의해 제1유전층과 특정간격 이격되고, 그라운드와 연결된 전극층을 갖는 상부기판이 진동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 아날로그 아웃풋(Analog Output) 대신 디지털 아웃풋(Digital Output)을 사용할 수 있으며, PWM 2채널만으로 구동을 실현시킬 수 있고, 기존 아날로그 스위칭 소자(Opto-Diode)대신 FET 기반의 디지털 스위칭 소자를 사용할 수 있으며, CPU의 연산 로드(Calculating Load)를 줄여, 저사양 MCU(예를 들어 BLE cip)를 사용할 수 있으며, 맥놀이 전기장에 의한 진동시 매그니튜드(Magnitude)가 증폭되어 HV AMP의 구동 전원을 낮출 수 있어(약 1.5kV이하), 제어기의 소형화, 저전력, 저단가화 실현이 가능한 전기적 이점을 가질 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 기존 아날로스 스위칭 소자의 대역폭이 200Hz 정도로 제한되어 약 1kV 이상의 스레숄드(Threshold)를 넘어야 스위칭할 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 구성에 의하면 디지털 스위칭 소자를 사용할 수 있어, 촉감조합의 다양성을 증가시킬 수 있는 촉감생성에서의 이점을 가질 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 정전기력 촉감제시장치의 단면도,
도 2는 종래 진동전달형 정전기력 촉감제시장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마우스와, 맥놀이 전기장을 이용한 진동 마우스 패드의 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 마우스 패드를 통해 저주파의 진동감각이 전달되는 모습을 모식적으로 나타낸 진동마우스 패드의 단면도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 진동 마우스 패드의 핵심 구성인 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈의 사시도 및 확대 평면도,
도 6은 도 6의 A부분의 단면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극에 105Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극에 102Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극에 103Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극에 107Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치의 단면도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치의 분해 사시도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치의 사시도,
도 14는 도 13의 B부분의 단면도,
도 15는 도 13의 C부분의 단면도,
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극부를 갖는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치의 분해 사시도,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극부의 부분 평면도를 도시한 것이다.
<부호의 설명>
1:종래 정전기력 촉감제시장치 2:PCB기판
3:전극층 4:유전층 5:하판
6:하판전극층 7:스페이서 8:상판
9:상판전극층 10:기판 11:하부기판
12:상부기판 13:터치플레이트 14:제2유전층
20:하우징 21:제1전극 22:제1연장단
23:제1전극의 제1가지단 24:제1전극의 제2가지단 25:제2전극
26:제2연장단 27:제2전극의 제1가지단
28:제2전극의 제2가지단 31:제1유전층 32:내측 스페이서
40:외측 스페이서 41:탄성부재
100:맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈
110:맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 진동마우스패드의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마우스와, 맥놀이 전기장을 이용한 진동 마우스 패드의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 마우스 패드를 통해 저주파의 진동감각이 전달되는 모습을 모식적으로 나타낸 진동마우스 패드의 단면도를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 진동마우스패드가 진동하게 됨으로써, 이러한 진동이 진동마우스패드 상에 놓인 마우스에 전달되어 마우스를 사용하는 사용자에게 촉감을 제시해 주게 됨을 알 수 있다.
이하에서는 먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 진동마우드(110)의 핵심구성인 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈(100)의 사시도 및 확대 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 6는 도 5의 A부분의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈(100)은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(10)과, 전극부와, 유전층(4)(Dielectric Layer) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
기판(10)은 플렉시블한 PCB 기판으로 구성됨이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에 따른 전극부는 서로 교차되지 않도록 특정간격 이격되어 배치된 제1전극(21)과 제2전극(25)을 포함하여 구성된다.
즉, 제1전극(21)은 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받게 되며, 제2전극(25)은 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받게 된다. 따라서, 제1전극(21)에 제1주파수를 갖는 제1전압이 인가되고, 제2전극(25)으로 제2주파수를 갖는 제2전압이 인가되게 됨으로써, 전극부에서 맥놀이 전기장을 발생시키게 된다.
예를 들어, 진폭이 1.5kV이고 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압이 제1전극(21)에 인가되고, 진폭이 1.5kV이고 105z의 주파수를 갖는 제2전압이 제2전극(25)에 인가되는 경우, 전극부에서는 진폭이 1,5kV이고, 주파수가 5Hz인 맥놀이 전기장 파형이 형성되게 된다.
유전층(4)은 도 6에 도시된 바와 같이, 제1전극(21)과 제2전극(25) 사이에 연결되어, 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되게 된다. 이러한 유전층(4)은 구체적 실시예에서 폴리이미드 필름 등으로 구성될 수 있으며, 유전층(4)의 진동 주파수는 맥놀이 전기장의 주파수에 기반하며, 유전층(4)의 진동 진폭은 맥놀이 전기장의 진폭에 기반하게 된다.
또한, 제1전극(21)에 인가되는 제1전압과 제2전극(25)으로 인가되는 제2전압은 진폭이 서로 일치되고, 맥놀이 전기장의 주파수는 제1주파수와 상기 제2주파수 차이고, 상제1주파수와 상기 제2주파수 차는 1 ~ 100Hz 정도인 것이 바람직하다.
그리고, 제1전압인가부는 PWM제어기 등을 포함하여, 제1주파수를 갖는 제1전압이 제1전극(21)으로 인가되도록 하고, 제2전압인가부 역시 PWM 제어기 등을 포함하여, 제2주파수를 갖는 제2전압을 형성하여 제2전극(25)으로 인가하도록 한다.
또한, 제1전극(21)과 제2전극(25)의 형태는 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 교차되지 않고 서로 특정간격 이격되도록 배치됨을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 제1전극(21)은 길이방향이 기판(10)의 일측 모서리와 평행되는 제1연장단(22)과, 제1연장단(22)에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 제1연장단(22)과 수직인 다수의 제1전극의 제1가지단(23)을 포함하여 구성될 수 있다.
반면, 제2전극(25) 역시 길이방향이 기판(10)의 타측 모서리와 평행되는 제2연장단과, 제2연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 제2연장단과 수직인 다수의 제2전극의 제1가지단(27)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 제1전극의 제1가지단(23)과 제2전극의 제1가지단(27)은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되게 된다.
또한, 제어부는 제1전압인가부와 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 유전층(4)의 진동 주파수를 조절할 수 있다. 즉, 예를 들어, 제어부는 제2전압인가부에 의해 제2전극(25)으로 인가되는 제2전압의 주파수를 변경하게 되면, 제1주파수와 제2주파수 차가 변경되게 되고, 이는 맥놀이 전기장의 주파수가 변화되어 진동 주파수를 조절할 수 있게 된다.
그리고, 제어부는, 제1주파수와 상기 제2주파수 중 작은 주파수인 캐리어주파수(Carrier Frequency)가 촉감제시모듈(100)의 공진주파수와 일치되도록 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다. 캐리어주파수가 액추에이터인 진동마우스패드(100)의 공진주파수와 일치되게 되는 경우 맥놀이 매그니튜드가 최대값을 가지게 된다. 즉, 예를 들어 공진주파수가 90Hz인 경우, 제1주파수를 90Hz, 제2주파수를 95Hz로 하게 되는 경우 맥놀이 주파수는 5Hz가 되고, 이때, 맥놀이 매그니튜드가 최대값을 가지게 된다.
또한, 제어부는 캐리어주파수와 공진주파수의 차이값을 조절하여 맥놀이 진동의 매그니튜드를 변경, 제어할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극(21)에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극(25)에 105Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프를 도시한 것이다.
그리고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극(21)에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극(25)에 102Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프를 도시한 것이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극(21)에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극(25)에 103Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프를 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 제1전극(21)에 100Hz의 주파수를 갖는 제1전압을 인가하고, 제2전극(25)에 107Hz의 주파수를 갖는 제2전압이 인가된 경우의 맥놀이 전기장 파형 그래프를 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1전압인가부는 PWM제어기 등을 이용하여 제1주파수가 100 Hz인 사각파 형태의 제1전압을 제1전극(21)으로 인가하게 되고, 제2전압인가부는 PWM제어기 등을 이용하여 제2주파수가 105 Hz인 사각파 형태의 제1전압을 제1전극(21)으로 인가하여, 주파수가 5Hz인 맥놀이(Beating) 전기장을 형성하게 됨을 알 수 있다.
또한, 도 8, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제어부는 제2전압인가부를 제어하여 제2전압의 제2주파수를 변경함으로써, 맥놀이 전기장의 주파수를 조절할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2전압의 제2주파수를 102 Hz로 변경하게 됨으로써, 맥놀이 전기장의 주파수를 2Hz 정도로 조절할 수 있고, 제2전압의 제2주파수를 103 Hz로 변경하게 됨으로써, 맥놀이 전기장의 주파수를 3Hz 정도로 조절할 수 있으며, 제2전압의 제2주파수를 107 Hz로 변경하게 됨으로써, 맥놀이 전기장의 주파수를 7Hz 정도로 조절할 수 있게 된다.
따라서 맥놀이 전기장의 주파수를 손쉽게 변경할 수 있어 촉감제시모듈(100)에 의한 진동 주파수를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈(100)은 기존의 아날로그 아웃풋(Analog Output) 대신 디지털 아웃풋(Digital Output)을 사용할 수 있으며, PWM 2채널만으로 구동을 실현시킬 수 있고, 기존 아날로그 스위칭 소자(Opto-Diode)대신 FET 기반의 디지털 스위칭 소자를 사용할 수 있으며, CPU의 연산 로드(Calculating Load)를 줄여, 저사양 MCU(예를 들어 BLE cip)를 사용할 수 있으며, 맥놀이 전기장에 의한 진동시 매그니튜드(Magnitude)가 증폭되어 HV AMP의 구동 전원을 낮출 수 있어(약 1.5kV이하), 제어기의 소형화, 저전력, 저단가화 실현이 가능한 전기적 이점을 가지게 된다.
또한, 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈(100)은, 기존 아날로스 스위칭 소자의 대역폭이 200Hz 정도로 제한되어 약 1kV 이상의 스레숄드(Threshold)를 넘어여 스위칭할 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 구성에 의하면 디지털 스위칭 소자를 사용할 수 있어, 촉감조합의 다양성을 증가시킬 수 있는 촉감생성에서의 이점을 가지게 된다.
이하에서는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치(110)의 구성 및 기능에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 이러한 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장(110)는 앞서 언급한 촉감제시모듈(100)을 이용한 것이다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치(110)의 단면도를 도시한 것이다. 이러한 촉감제시장치(110)는 도시된 바와 같이, 예를 들어 진동마우스 패드로서 구성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치(110)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치(110)의 사시도를 도시한 것이다. 또한, 도 14는 도 13의 B부분의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 15는 도 13의 C부분의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치(110)는 도 12, 도 13, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 하우징(20)과, 하부기판(11)과, 외측스페이서(40)와, 제1전극(21)과 제2전극(25)을 갖는 전극부와 제1유전층(31)과, 내측스페이서(32)와, 상부기판(12) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. 그리고 사용자는 이러한 상부기판(12) 상부면으로 마우스(60)를 올려놓고 마우스(60)를 사용하게 된다.
전극부는, 하부기판(11)의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받는 제1전극(21)과, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받는 제2전극(25)을 포함하여 구성되며, 이러한 제1전극(21)과 제2전극(25)은 서로 특정간격 이격 배치되어 맥놀이 전기장을 발생시키게 된다.
그리고, 제1유전층(31)은 제1전극(21)과 제2전극(25) 사이에 연결되며, 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되게 된다. 그리고, 상부기판(12)은 제1유전층(31)과 특정간격 이격되며, 그라운드와 연결된 전극층(3)을 포함하게 된다.
또한, 내측 스페이서(32)는 도 7에 도시된 바와 같이, 하부기판(11)과 제1유전층(31) 사이에 구비되어, 하부기판(11)과 제1유전층(31)을 이격시키게 됨을 알 수 있다.
그리고, 하우징(20)은 하부기판(11)과 특정간격 이격되어 구비되며, 외측 스페이서(40)는 하우징(20)과 상부기판(12) 사이에 구비되어, 하부기판(11)과 하우징(20)을 이격시키게 된다.
따라서, 제1전극(21)에 제1주파수를 갖는 사각파 또는 사인파 형태의 제1전압이 인가되고, 제2전극(25)으로 제2주파수를 갖는 사각파 또는 사인파 형태의 제2전압이 인가되게 됨으로써, 전극부는 맥놀이 전기장을 발생시키게 되며, 이러한 맥놀이 전기장에 의한 제1유전층(31)의 진동이 내측 스페이서(32)와 외측 스페이서(40)에 의해 상부기판(12)으로 전달되어 상부기판(12) 상에 놓여진 마우스가 진동되면서 사용자에게 촉감을 전달하게 된다.
또한, 본 발명의 일실시에에 따른 내측 스페이서(32) 및 외측 스페이서(40) 중 적어도 어느 하나는 탄성부재(41)를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 상부기판(12)은, 마우스(60)를 사용하는 사용자에게 촉감을 제공하는 터치플레이트(13)와, 상기 터치플레이트(13)의 하면에 구비되며 그라운드와 연결된 전극층(3)과, 전극층(3)의 하부측에 구비되는 제2유전층(14)을 포함하여 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1전압과 상기 제2전압은 진폭이 서로 일치되고, 맥놀이 전기장의 주파수는 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차이고, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차는 1 ~ 100Hz 정도에 해당함이 바람직하다.
그리고, 제1전압인가부는 제1전극(21)에 제1주파수를 갖는 사각파 또는 사인파 형태의 제1전압을 인가하도록 하고, 제2전압인가부는 제2전극(25)에 제2주파수를 갖는 사각파 또는 사인파 형태의 제2전압을 인가하도록 한다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, 제1전압인가부와 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 제1유전층(31)의 진동 주파수를 조절하도록 할 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극부의 부분 평면도를 도시한 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1전극(21)의 형태는 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 길이방향이 하부기판(11)의 일측 모서리와 평행되는 제1연장단(22)과, 상기 제1연장단(22)에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1연장단(22)과 수직인 다수의 제1전극의 제1가지단(23)과, 제1전극의 제1가지단(23)에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1전극의 제1가지단(23)과 수직인 다수의 제1전극의 제2가지단(24)을 구비하도록 구성될 수 있다.
또한, 제2전극(25) 역시 길이방향이 하부기판(11)의 타측 모서리와 평행되는 제2연장단과 상기 제2연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2연장단과 수직인 다수의 제2전극의 제1가지단(27)과, 상기 제2전극의 제1가지단(27)에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2전극의 제1가지단(27)과 수직인 다수의 제2전극의 제2가지단(28)을 구비하도록 구성될 수 있다.
이러한 제1전극의 제2가지단(24)과 상기 제2전극의 제2가지단(28)은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되게 된다.
이러한 형태로 제1전극(21)과 제2전극(25)이 구성되게 되는 경우, 전극 끝부분에 전하가 집중되는 형상을 방지할 수 있고, 전하밀도를 고르게 분포시킬 수 있어 보다 적은 입력전압으로 출력 진동진폭을 증대시킬 수 있게 된다.

Claims (20)

  1. 촉감제시모듈에 있어서,
    기판;
    상기 기판의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받는 제1전극과, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받는 제2전극을 갖고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 서로 특정간격 이격 배치되어 맥놀이 전기장을 발생시키는 전극부; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결되며, 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 유전층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유전층의 진동 주파수는 상기 맥놀이 전기장의 주파수에 기반하며,
    상기 유전층의 진동 진폭은 상기 맥놀이 전기장의 진폭에 기반하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전압과 상기 제2전압은 진폭이 서로 일치되고,
    상기 맥놀이 전기장의 주파수는 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차이고, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차는 1 ~ 100Hz인 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극에 상기 제1전압을 인가하는 제1전압인가부와, 상기 제2전극에 상기 제2전압을 인가하는 제2전압인가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1전극은 길이방향이 상기 기판의 일측 모서리와 평행되는 제1연장단과 상기 제1연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1연장단과 수직인 다수의 제1전극의 제1가지단을 구비하고,
    상기 제2전극은 길이방향이 상기 기판의 타측 모서리와 평행되는 제2연장단과 상기 제2연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2연장단과 수직인 다수의 제2전극의 제1가지단을 구비하며,
    상기 제1전극의 제1가지단과 상기 제2전극의 제1가지단은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 유전층의 진동 주파수를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1주파수와 상기 제2주파수 중 작은 주파수인 캐리어주파수가 상기 촉감제시모듈의 공진주파수와 일치되도록 상기 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 캐리어주파수와 상기 공진주파수의 차이값을 조절하여 맥놀이 진동의 매그니튜드를 변경하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제1전극은 상기 제1전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제1전극의 제2가지단을 구비하고,
    상기 제2전극은 상기 제2전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제2전극의 제2가지단을 구비하며,
    상기 제1전극의 제2가지단과 상기 제2전극의 제2가지단은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시모듈.
  10. 기판의 일면에 부착된 제1전극으로 제1주파수를 갖는 제1전압이 인가되고, 제1전극과 서로 특정간격 이격되어 배치된 제2전극으로 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압이 인가되는 단계;
    상기 제1전극과 상기 제2전극으로 구성된 전극부에서 맥놀이 전기장을 발생되는 단계; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결된 유전층이 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감제시장치를 이용한 촉감제시방법.
  11. 촉감제시장치에 있어서,
    하부기판;
    상기 하부기판의 일면에 부착되며, 제1주파수를 갖는 제1전압을 인가받는 제1전극과, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압을 인가받는 제2전극을 갖고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 서로 특정간격 이격 배치되어 맥놀이 전기장을 발생시키는 전극부;
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결되며, 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 제1유전층;
    상기 제1유전층과 특정간격 이격되며, 그라운드와 연결된 전극층을 갖는 상부기판; 및
    상기 하부기판과 상기 제1유전층 사이에 구비되어, 상기 하부기판과 상기 제1유전층을 이격시키는 내측 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 하부기판과 특정간격 이격되어 구비되는 하우징; 및
    상기 하우징과 상기 상부기판 사이에 구비되어, 상기 하부기판과 상기 하우징을 이격시키는 외측 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 맥놀이 전기장에 의한 상기 제1유전층의 진동이 상기 내측 스페이서와 상기 외측 스페이서에 의해 상기 상부기판으로 전달되는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 내측 스페이서 및 상기 외측 스페이서 중 적어도 어느 하나는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 상부기판은,
    사용자에게 촉감을 제공하는 터치플레이트와, 그라운드와 연결된 전극층과, 제2유전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 제1전압과 상기 제2전압은 진폭이 서로 일치되고,
    상기 맥놀이 전기장의 주파수는 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차이고, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수 차는 1 ~ 100Hz이고,
    상기 제1전극에 상기 제1전압을 인가하는 제1전압인가부와, 상기 제2전극에 상기 제2전압을 인가하는 제2전압인가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제1전압인가부와 상기 제2전압인가부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 제1유전층의 진동 주파수를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 제1전극은,
    길이방향이 상기 기판의 일측 모서리와 평행되는 제1연장단과, 상기 제1연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1연장단과 수직인 다수의 제1전극의 제1가지단과, 상기 제1전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제1전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제1전극의 제2가지단을 구비하고,
    상기 제2전극은,
    길이방향이 상기 기판의 타측 모서리와 평행되는 제2연장단과 상기 제2연장단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2연장단과 수직인 다수의 제2전극의 제1가지단과, 상기 제2전극의 제1가지단에서 서로 특정간격 이격되어 길이방향이 상기 제2전극의 제1가지단과 수직인 다수의 제2전극의 제2가지단을 구비하며,
    상기 제1전극의 제2가지단과 상기 제2전극의 제2가지단은 서로 교차되지 않고 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 촉감제시장치는 진동마우스패드로 구성되는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시장치.
  20. 기판의 일면에 부착된 제1전극으로 제1주파수를 갖는 제1전압이 인가되고, 제1전극과 서로 특정간격 이격되어 배치된 제2전극으로 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 갖는 제2전압이 인가되는 단계;
    상기 제1전극과 상기 제2전극으로 구성된 전극부에서 맥놀이 전기장을 발생되는 단계;
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 연결된 유전층이 상기 전극부에서 발생된 맥놀이 전기장에 의해 진동되는 단계; 및
    내측 스페이서에 의해 제1유전층과 특정간격 이격되고, 그라운드와 연결된 전극층을 갖는 상부기판이 진동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥놀이 전기장을 이용한 촉감제시방법.
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