WO2018088788A1 - 촉각 액추에이터 - Google Patents

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WO2018088788A1
WO2018088788A1 PCT/KR2017/012573 KR2017012573W WO2018088788A1 WO 2018088788 A1 WO2018088788 A1 WO 2018088788A1 KR 2017012573 W KR2017012573 W KR 2017012573W WO 2018088788 A1 WO2018088788 A1 WO 2018088788A1
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WO
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vibration
elastic member
housing
upper elastic
tactile actuator
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PCT/KR2017/012573
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French (fr)
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김형준
정종형
이종훈
김남석
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주식회사 씨케이머티리얼즈랩
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Publication date
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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    • G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
    • G06F2203/014—Force feedback applied to GUI

Definitions

  • the following description relates to tactile actuators.
  • a linear resonant actuator (LRA) is mainly used as a haptic providing device for haptic technology, which maximizes the strength of vibration by using a resonant frequency generated by a weight connected to an elastic spring and a magnetic circuit. Way.
  • the linear resonant actuator is a member forming the outer shape, a housing part consisting of upper and lower parts, a vibration part including a magnet and a yoke structure weight body, and an elastic part positioned on the upper and lower surfaces as an elastic member supporting the vibration part. And a coil unit for generating electromagnetic force.
  • the conventional structure is disclosed in the Republic of Korea Patent Publication '2005-0005596' (name: vibration device structure) with respect to the structure installed on the upper and lower surfaces of the vibrating portion.
  • the frequency range of tactile sensations acceptable to the human body ranges from 0.4 Hz to over 500 Hz, but with conventional haptic technology. In this case, it can provide only simple vibration in the frequency band of more than 160Hz, there is a problem that can not effectively deliver more colorful and complex information, the study of the device that can effectively deliver the tactile signal in various frequency range to solve this effectively Is a necessary situation.
  • Such a conventional haptic providing device may seem to solve the above problem by widening the width of the driving frequency that can efficiently provide vibration, but when the up and down vibration causes the vibration part to come into contact with the outer housing to reduce noise. The breakage phenomenon of the coil part was frequently generated.
  • a device having a resonance frequency of 170 Hz or less and capable of providing tactile sensation including vibration in the ultra low frequency band (less than 20 Hz) is virtually none.
  • the device has one or more resonant frequencies in the region of 170 Hz or less, and provides a new tactile sensation represented by various movements through an electrical signal of an input waveform different from the resonant frequency band in an ultra low frequency band (20 Hz or less), and simply one resonant frequency. It is necessary to develop a device that can vibrate in a wide range rather than vibration and that can provide various tactile sensations through various movements in the ultra low frequency band.
  • An object of one embodiment is to provide a tactile actuator.
  • the tactile actuator may include: a housing defining an accommodation space therein; An upper case covering an upper portion of the accommodation space; A vibrator disposed in the accommodation space; An upper elastic member connecting the upper side of the housing and the vibration unit; And a coil forming a magnetic field for driving the vibrator, and one end of the upper elastic member may be fixed at a position spaced apart from the upper case among sidewalls of the housing.
  • the haptic actuator according to an embodiment may further include a lower elastic member connecting the lower side of the housing and the vibrating portion, and the vibrating portion is connected to the upper elastic member and the lower elastic member, respectively, and is connected upward and downward. Having a mass; A magnet unit provided at the center of the lower side of the mass body; And it may include a pole piece attached to the lower surface of the magnet portion.
  • the mass body may include a first stepped portion recessed downward from an edge portion of an upper surface of the mass body; And a second stepped portion recessed downward from the first stepped portion, wherein the upper elastic member includes: an upper elastic fixing portion fixed to an upper side of the housing; An upper elastic support part fitted into the first stepped part; And an upper elastic connecting part connecting the upper elastic fixing part and the upper elastic supporting part.
  • the upper elastic fixing part may be spaced apart from the upper case at an interval greater than the thickness of the upper case.
  • the second stepped portion may not interfere with the upper elastic connecting portion.
  • the mass body may further include a third stepped portion recessed upward from an edge portion of the lower surface of the mass body, and the lower elastic member may include a lower elastic fixing part fixed to a lower side of the housing; A lower elastic support inserted into the third stepped portion; And it may include a lower elastic connecting portion connecting the lower elastic fixing portion and the lower elastic support.
  • the third stepped portion may not interfere with the lower elastic connecting portion.
  • the upper elastic fixing part may be spaced apart from the upper case at an interval greater than the thickness of the upper case.
  • the natural frequency of the tactile actuator according to an embodiment may be formed between 100 to 170 Hz.
  • the tactile actuator may further include a controller configured to determine one of a plurality of preset driving modes, and determine a characteristic of a current to be applied to the coil according to the driving mode.
  • the driving mode may include a normal vibration mode and a tapping mode.
  • the controller applies a sine wave having a frequency between 50 Hz and 170 Hz to the coil, and the driving mode is a tapping mode.
  • the control unit may apply a square wave having a frequency of 1 Hz or more and less than 20 Hz to the coil.
  • the vibration unit may have a cumulative impact amount of 3 mNs or more within a 50 ms interval.
  • the magnitude of the amplitude of the vibration force of the vibration part changes with time, and the minimum time interval at which the difference in the height of the peak of the amplitude of the vibration force of the vibration part becomes 0.1G or more is set at a human fingertip. It can be formed more than the minimum time to distinguish the dog stimulation.
  • the tactile actuator may include: a housing defining an accommodation space therein; An upper case covering an upper portion of the accommodation space; A vibrator disposed in the accommodation space; An elastic member connecting the housing and the vibration part; A coil forming a magnetic field for driving the vibrator; And a controller configured to apply a current to the coil and determine a characteristic of a current to be applied, and when the controller applies a square wave having a frequency between 1 and 20 Hz to the coil, the vibration within a 50 ms interval.
  • the negative cumulative impact amount may be 3 mNs or more.
  • the tactile actuator by connecting the upper elastic member and the lower elastic member to the upper and lower surfaces of the vibrating portion, respectively, it can be structurally stable, the vibration force can be increased, and noise in the vibration can be reduced.
  • the tactile actuator by preventing the upper elastic member connected to the upper side of the vibrating portion to interfere with the upper surface of the case during the vibration of the vibrating portion, it is possible to solve the noise and noise problems.
  • different waveforms may be input in an ultra low frequency band to provide tactile sensations corresponding to tapping different from general vibration.
  • the tactile actuator within a minimum time that can be distinguished by a person, by providing a shock amount greater than the minimum amount of impact that a person can recognize, the user feels a tactile sensation such as general vibration and other movements, for example, tapping, etc. Can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a tactile actuator according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an upper elastic member according to one embodiment.
  • FIG 3 is a view showing a lower elastic member according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a vibrator driving up and down as the tactile actuator receives a sinusoidal wave according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a frequency of a sine wave to be applied when a resonant frequency of a tactile actuator is formed between 100 and 170 Hz according to an embodiment. This is a graph measuring vibration force according to the magnitude.
  • FIG. 6 is a graph measuring vibration force when a sine wave having a frequency of less than 20 Hz is applied to a tactile actuator according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a graph measuring vibration force when sine waves of 40 Hz and 50 Hz are respectively applied to the tactile actuators according to an embodiment.
  • FIG 8 is a graph illustrating a vibration response corresponding to tapping when a 5 Hz square wave is applied to a tactile actuator according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing an amount of impact generated when a square wave of 20 Hz or less is applied to a tactile actuator according to an embodiment having various resonance frequencies.
  • FIG. 10 is a graph illustrating a vibration response formed when a square wave of 5 Hz is input to a tactile actuator according to an embodiment having different resonance frequencies.
  • FIG. 11 illustrates a frequency of 20 Hz or less square waves in a tactile actuator according to an embodiment having the same resonance frequency. It is a graph showing the vibration response formed when applied.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a tactile actuator according to an embodiment
  • FIG. 2 is a view showing an upper elastic member according to an embodiment
  • FIG. 3 is a view showing a lower elastic member according to an embodiment.
  • the tactile actuator 10 may include a housing 11, an upper case 12, a vibrator 13, an upper elastic member 14, and a lower elastic member 15. ), A coil 16 and a controller.
  • the upper elastic member 14 and the lower elastic member 15 may be collectively referred to as an "elastic member".
  • the tactile actuator 10 according to an embodiment is illustrated as having a dual elastic member, the tactile actuator 10 may include only one of the upper elastic members 14 and the lower elastic members 15.
  • the housing 11 is a case forming the outer shape of the tactile actuator 10 and may have various shapes such as a hexahedron and a cylindrical shape.
  • the housing 11 may include an inner space in which an upper surface thereof is opened, and may accommodate the vibrating portion 13, the upper elastic member 14, the lower elastic member 15, and the coil 16 therein.
  • the housing 11 may be formed of stainless steel or the like.
  • the upper case 12 may be a case covering the upper surface of the housing 11, and for example, the housing 11 may be sealed from the outside by covering the upper surface with the upper case 12.
  • the vibrator 13 may move in the up and down direction by a magnetic field generated by the coil 16 in the internal space of the housing 11 to provide the user with at least one specific tactile actuator 10. Can be driven.
  • the vibrator 13 may include a mass body 131, a magnet 132, and a pole piece 133.
  • the mass body 131 may have, for example, a circular shape when viewed from above, and a magnet part 132 may be provided on the bottom surface thereof.
  • the mass body 131 is spaced apart from each of the housing 11 and the upper case 12, is supported by the upper elastic member 14 from the upper side, and is supported by the lower elastic member 15 from the lower side. It can move up and down inside the housing 10.
  • the mass body 131 may be formed of at least one of magnetic Fe, Co, Si, Nd, Ni, B, Mn, Zn, Cu, and W, powder, alloy, alloy powder, and synthetic material. It may be made of a sieve or nano structure, it may be made of a material magnetized so that the N pole and the S pole can be distinguished up and down.
  • the mass body 131 may have a center region including a central portion of the bottom surface recessed upward from the bottom surface, and the magnet portion 132 may be installed in the recessed portion. have.
  • the 1st step part 1311 and the 3rd recessed part which were formed recessed from the edge part of the upper surface and the lower surface of the mass body 131, respectively. It may include a step 1313.
  • the mass body 131 may further include a second stepped part 1312 recessed downward from the first stepped part 1311.
  • the first stepped part 1311 may be a stepped part recessed downward from the edge of the mass body 131 to accommodate the upper elastic support part 14c of the upper elastic member 14.
  • the first stepped portion 1311 may be a groove bent first from the center of the upper surface of the mass body 131.
  • the upper elastic support part 14c of the upper elastic member 14 may be connected to the first stepped part 1311 to support the vertical movement of the mass body 131.
  • the second stepped part 1312 may be a stepped part recessed once more at the outer edge of the edge than the first stepped part 1311, and may be a groove bent second from the center of the upper surface of the mass body 131.
  • the upper elastic connecting portion 14b of the upper elastic member 14 is the mass body 131. It may not be in contact with or interfere with.
  • the third stepped part 1313 may be a stepped part recessed in an upward direction at a lower edge of the mass body 131 so that the lower elastic support part 15c is installed on the lower surface of the mass body 131.
  • the lower elastic support part 15c of the lower elastic member 15 can be connected to the 3rd step part 1313, and can support the up-and-down movement of the mass body 131.
  • the upper elastic member 14 and the lower elastic member 15 are formed symmetrically, and each end is fixed to the housing 11, As the other ends are respectively connected to the first stepped part 1311 and the third stepped part 1313, the center of the mass body 131 and the magnet part 132 can be stably aligned with the center of the housing 11. have.
  • the magnet 132 may be inserted into and fixed to a central portion recessed from the bottom surface of the mass body 131.
  • the magnet part 132 may be moved by a magnetic field generated by the coil 16, and the mass body 131 to which the magnet part 132 is fixed also moves together, such that the movement of the vibrator 13 may be realized. .
  • the magnet part 132 may be formed of a permanent magnet.
  • the magnet part 132 may be a ferrite permanent magnet including at least one of iron, nickel, and cobalt.
  • the magnet unit 132 may be a permanent magnet including at least one or more of rare earth elements such as samarium and neodymium.
  • the magnet part 132 is formed of a neodymium magnet
  • a neodymium magnet having a BH_MAX grade of N50 may be used.
  • the pole piece 133 may be installed on the lower surface of the magnet part 132, and the magnetic force of the magnet part 132 may be reduced. Outward counting Can be minimized. In addition, between the pole piece 133 and the magnet part 132 and / or the pole piece 133 in order to protect against an external impact, which may occur when the magnet part 132 collides directly with the housing 11 or the like. Cushion portion, such as a sponge to act as a damper may be installed on the lower surface of the.
  • the upper elastic member 14 may connect and support the upper side of the mass body 131, and may be an elastic body for enabling vertical vibration of the mass body 131.
  • one end is connected along the periphery of the edge of the upper surface of the mass body 131, and the other end is connected to the inner side of the housing 11. Can be connected along a circumference.
  • the upper elastic member 14 may have a circular shape with an empty center portion, and may be formed to be inclined in the vertical direction from one end of the edge to the other end of the opposite side.
  • the upper elastic member 14 may include an upper elastic fixing part 14a, an upper elastic supporting part 14c, and an upper elastic connecting part 14b.
  • the upper elastic fixing part 14a may be fixed to an upper side of the side wall of the housing 11 in the housing 11 and connected to the upper elastic connecting part 14b as shown in FIG. 1.
  • the upper elastic fixing part 14a may be formed in a circular shape, as shown in FIG. 2, and thus the housing 11 may be formed in a cylindrical shape.
  • the diameter around the side of the housing 11 may be equal to the diameter of the upper elastic fixing portion 14a.
  • the upper elastic fixing part 14a may be installed along the circumference of the side wall of the housing 11, or may be inserted into the side wall of the housing 11.
  • the upper elastic fixing part 14a may be connected to an upper side of the side wall of the housing 11, and may be spaced apart from the upper case 12 at regular intervals.
  • the spaced distance between the upper elastic fixing part 14a and the upper case 12 may be greater than the thickness of the upper case 12.
  • the upper elastic connecting portion 14b one end may be connected to the upper elastic fixing portion 14a, the other end may be connected to the upper elastic supporting portion 14c, and between the upper elastic fixing portion 14a and the upper elastic supporting portion 14c. It may be an elastic body to be connected, and may be elastically compressed or tensioned so as to be inclined in the vertical direction.
  • the upper elastic connecting portion 14b may include a plurality of elastic connecting portions connected diagonally between the upper elastic fixing portion 14a and the upper elastic supporting portion 14c, as shown in FIG. 2.
  • the upper elastic connecting portion 14b when the upper elastic supporting portion 14c moves away from or close to the upper elastic fixing portion 14a, the upper elastic connecting portion 14b moves in the opposite direction to the moving direction through tension or compression. Can create resistance.
  • the angle between the elastic connecting portion, the upper elastic fixing portion 14a and the upper elastic supporting portion 14c may be increased or decreased, and the elastic force generated in the deformation process is opposite to the direction in which the vibrating portion 13 moves. Can act in a direction.
  • the upper elastic support part 14c is fixed to the 1st step part 1311 of the mass body 131, and can support the mass body 131 from the upper side,
  • the mass body 131 is a tension
  • the upper elastic support part 14c may be formed in a circular shape, as shown in FIG. 2, and accordingly, the mass body 131 may also be formed in a circular shape.
  • the upper elastic support 14c may have a smaller diameter than the upper elastic fixing part 14a.
  • the thickness between the inner circumferential surface and the outer circumferential surface of the upper elastic support portion 14c may be equal to the length of the first stepped portion 1311, and may be larger than the thickness of the inner circumferential surface and the outer circumferential surface of the upper elastic fixing portion 14a.
  • the diameter of the first stepped portion 1311 formed along the circular circumference of the mass body 131 may be the same as the diameter of the inner circumferential surface of the upper elastic support 14c, whereby the upper elastic support 14c is The first stepped portion 1311 may be fitted and fixed.
  • the lower elastic member 15 may be an elastic body that connects and supports the lower side of the mass body 131 to support the upper and lower vibrations of the mass body 131.
  • one end is connected along the circumference of the lower surface of the mass body 131, and the other end is along the inner wall circumference of the housing 11. Can be connected.
  • the lower elastic member 15 may have the same structure as that of the upper elastic member 14, and the size of the lower elastic member 15 may be smaller than that of the upper elastic member 14.
  • the lower elastic member 15 may have a circular shape in which the center portion is empty, and may be formed to be inclined in the vertical direction from one end of the edge to the other end of the opposite side.
  • the lower elastic member 15 may include a lower elastic fixing part 15a, a lower elastic supporting part 15c, and a lower elastic connecting part 15b.
  • the lower elastic fixing part 15a may be connected to the lower elastic supporting part 15c by fixing an edge of the lower surface of the housing 11 inside the housing 11.
  • the lower elastic fixing part 15a may be formed in a circular shape with an empty inside, and thus, the housing 11 may also be formed in a cylindrical shape.
  • the diameter of the outer peripheral surface of the lower elastic fixing part 15a may be equal to the diameter of the inner surface of the housing 11.
  • the lower elastic fixing part 15a may be connected to the bottom surface of the inner space of the housing 11 and the inner surface of the housing 11.
  • the lower elastic fixing part 15a can be provided along the lower surface of the inner space of the housing 11 and the circumference of the inner wall of the housing 11.
  • the lower elastic connecting portion 15b may have one end connected to the lower elastic fixing part 15a and the other end connected to the lower elastic supporting part 15c, and may be disposed between the lower elastic fixing part 15a and the lower elastic supporting part 15c. It may be an elastic body to be connected, and may be elastically compressed or tensioned so as to be inclined in the vertical direction.
  • the lower elastic connecting part 15b may include a plurality of elastic connecting parts connected diagonally between the lower elastic fixing part 15a and the lower elastic supporting part 15c, as shown in FIG. 3.
  • the lower elastic support part 15c is fixed to the 3rd step part 1313 of the mass body 131, and can support the mass body 131 from the lower side, and the mass body 131 has the tension
  • the lower elastic support part 15c may be formed in a circular shape with an empty inside, and may be connected to and fixed to the third step portion 1313 of the mass body 131 formed in a circular shape.
  • the lower elastic support part 15c may have a smaller diameter than the lower elastic fixing part 15a.
  • the diameter of the third step portion 1313 formed along the circular circumference may be equal to the diameter of the inner circumferential surface of the lower elastic support part 15c, whereby the lower elastic support part ( 15c) may be fitted and fixed to the third step portion 1313.
  • the upper elastic member 14 and the lower elastic member 15 may be formed of a material having low paramagnetic or diamagnetic properties.
  • the upper elastic member 14 and the lower elastic member 15 may be made of stainless steel, It may be formed of a material comprising at least one of plastic and rubber.
  • the vibrating mass 131 can be supported simultaneously from the upper side and the lower side, it can be structurally stable than the case where the elastic member is installed only on one side, The noise can be reduced, and the vibration force can also be greater.
  • the upper elastic member 14 and the lower elastic member 15 are connected in a complex structure up and down the vibrating portion 13.
  • the vibrator 13, the upper elastic member 14, and the lower elastic member 15 may be replaced by one mass-elastic system.
  • the coil 16 may form a magnetic field for driving the vibrator 13 using the applied current.
  • the coil 15 may be a flat coil, a solenoid coil, or an electromagnet coil having a core portion including soft magnetic materials, and the like, and may be formed in a cylindrical shape.
  • the controller may control the frequency and waveform of the current applied to the coil 16 and operate the coil through a plurality of driving modes.
  • the plurality of driving modes may include a general vibration mode and a tapping mode.
  • the controller may apply a sine wave having a frequency between 50 and 170 Hz to the coil.
  • the controller may be between 1 and 20 Hz.
  • a square wave having a frequency of may be applied to the coil.
  • the amplitude of the vibrating force of the vibrator portion can be changed intermittently, so that the user can feel the touch of the intermittent tapping different from the general vibration.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a vibrator driving up and down as the tactile actuator receives a sinusoidal wave according to an exemplary embodiment.
  • the figure on the left shows a state in which the mass body 131 of the tactile actuator 10 vibrates up and down through a continuous figure
  • the graph on the right shows the true of the tactile actuator 10 on the left. It is a graph which expressed the displacement of the eastern part 13 with the change of time.
  • the tactile actuator 10 may perform a vibrating motion repeated up and down according to receiving a sine wave.
  • the tactile actuator 10 when the tactile actuator 10 receives a sinusoidal wave and performs a general vibration movement, as long as the tactile actuator 10 returns to the initial state E through the B state, the C state, and the D state based on the initial state A The operation of the cycle can be performed.
  • the A state and the E state may be the beginning and the end of the vibrating motion of one cycle, and in the A state and the E state, the position of the vibrating portion 13 is in the basic state in which no force is applied. It can be the same as the location.
  • the B state represents a state in which the vibrator 13 receives a magnetic field from the coil 16 and ascends upward as much as possible.
  • the height of the upper surface of the mass body 131 may be the same as the height of the upper elastic fixing part 14a, or may be higher than the height of the upper elastic fixing part 14a.
  • the upper elastic connecting portion 14b may be accommodated in at least a portion of the second stepped portion 1312 without contacting the mass body 131, and the upper elastic connecting portion 14b may be provided in the upper case 12. As spaced apart from), the mass body 131 may not contact the upper case 12.
  • the vibrator 13 moves up and down and does not collide with the upper elastic connecting part 14b and the upper case 12, the tactile sense transmitted to the user is prevented from being lost by the vibration of the vibrator 13. It can increase, and reduce noise and noise.
  • the C state may be a state in which the vibrator 13 descends to an initial position such as the A and E states in the B state in which the vibrator 13 is raised to the maximum.
  • the state D shows the state in which the vibrator 13 receives the magnetic field from the coil 16 and descends to the maximum.
  • the lower elastic connecting portion 15b may be accommodated in the third stepped portion 1313 without contacting the mass body 131.
  • the mass body 131 and the pole piece 133 may not contact the bottom of the housing 11, and the coil 16 formed in a cylindrical shape may move into the space between the mass body 131 and the magnet part 132. Can be inserted.
  • the vibrator 13 when the vibrator 13 is lowered to the maximum, the vibrator 13 may not contact the bottom elastic connection part 15b and the bottom surface of the housing 11. Thus, it is possible to prevent the loss of the movement of the vibrator 13 to increase the tactile sense transmitted to the user, and to reduce noise and noise.
  • FIG. 5 is a graph measuring vibration force according to the magnitude of the frequency of the sine wave to be applied when the resonant frequency of the tactile actuator is formed between 100 and 170 Hz according to an embodiment.
  • the magnitude of the vibration force that can sense the sense of touch is 0.2G or more.
  • the tactile actuator 10 having a resonance frequency of 100 to 170 Hz as in the embodiment it can be confirmed that when a sinusoidal wave in the range of 100 Hz to 200 Hz is applied, a vibration force of 0.2 G or more can be generated.
  • the tactile actuator 10 having a mass of 1.15 g, the elastic modulus of 0.45 N.mm, the resonant frequency of 100 Hz, and the second, the mass of the vibrating unit 131 was 1.15. g, the modulus of elasticity of 1.31 N / mm, the resonant frequency of 170 Hz in all of the tactile actuator 10, it was confirmed that the application of a sine wave in the range of 100Hz to 200Hz can transmit a vibration force of 0.2G or more to the user.
  • the tactile actuator 10 according to an embodiment, it can be seen that it has a wide driving frequency band.
  • FIG. 6 is a graph measuring vibration force when a sine wave having a frequency of less than 20 Hz is applied to a tactile actuator according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a graph measuring vibration force when sine waves of 40 Hz and 50 Hz are respectively applied to the tactile actuators according to an embodiment.
  • a sinusoidal wave of 50 Hz or more must be applied to provide a tactile sense that a human can sense.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a vibration response corresponding to tapping when a 5 Hz square wave is applied to a tactile actuator according to an exemplary embodiment.
  • the first graph of FIG. 8 shows how a square wave having a frequency of 5 Hz is applied for one period.
  • the second graph of Figure 8 shows the vibration force (G) provided to the user in the tactile actuator when a square wave having a voltage of 2V and a frequency of 5Hz is actually applied.
  • FIG. 8 can be understood as showing how the tactile actuator 10 is driven in the "tap mode".
  • the amplitude of the amplitude of the vibration force varies with each cycle according to time.
  • the magnitude of the amplitude has a shape that decreases approximately exponentially during the half period, which shows a large value for a rather short time (about 20 ms) at the beginning, and decreases rapidly toward the middle and the second half.
  • the user can sense an intermittent tap that is different from the general vibration.
  • FIG. 9 is a graph showing an amount of impact generated when a square wave of 20 Hz or less is applied to a tactile actuator according to an embodiment having various resonance frequencies.
  • FIG. 9 illustrates that when a square wave corresponding to 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, and 20 Hz is applied to each of the tactile actuators having various resonance frequencies between 80 Hz and 360 Hz, the vibration force is measured during a 50 ms period after applying the corresponding waveform. Then, the measured vibration force, the amount of impact obtained by integrating within the 50 ms period is shown as a graph.
  • Equation 1 The equation for calculating the impact amount by integrating the vibration force for 50 ms is shown in Equation 1 below.
  • t_0 may be a time of an input instant of a waveform.
  • the minimum time that a person can distinguish two stimuli at the fingertip is 30-50ms, and it is measured in adults in their 20s and 40s. It was confirmed that the impact amount of 3mNs or more is required in the 0 ⁇ 50ms section.
  • a square wave of 20 Hz or less which is a minimum limit frequency that provides a tactile sense corresponding to a general vibration, should be applied as shown in FIG. 11 to be described later.
  • the cumulative impact amount should be more than 3mNs during the 50ms interval, which is the minimum time for an average person to distinguish two stimuli.
  • the tactile actuator 10 may have a resonance frequency of 100 Hz to 170 Hz.
  • the tactile actuator having a resonant frequency of less than 100 Hz
  • the integrated shock amount is less than 3mNs during the half period of the anti-glare wave, and there is a problem that the user cannot perceive the sense of touch.
  • the resonant frequency of the haptic actuator 10 should be at least 100 Hz.
  • the damping rate close to the impulse shows a very high vibration response, when the sum of the impact amount in the 50ms section does not exceed 3mNs, the user could not feel the touch of the tapping.
  • FIG. 11 is a graph illustrating a vibration force generated when a square wave of 20 Hz or less is applied to a tactile actuator according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a graph illustrating vibration force measured when a square wave of 10 Hz, 15 Hz, and 20 Hz is input to the tactile actuator 10, respectively, according to one embodiment. will be.
  • the magnitude of the amplitude of the vibration force changes with time.
  • the difference in height of the peak of the amplitude may be 0.1G or more.
  • the minimum time interval at which the difference in height between the peaks of the amplitudes is 0.1 G or more is formed at a minimum time at which a human being can distinguish the two stimuli, for example, 30 ms or more.
  • the type A and B it could be confirmed that the user can feel the touch corresponding to the tapping.
  • the intervals of the cycles are not only narrowly formed within the minimum time at which a person can distinguish two stimuli at the fingertips, for example, 30 ms, but as indicated by the dotted line, the difference in amplitude is 0.1 G. It can be seen that the difference is not significantly less. In this case, the user can sense the general vibration rather than tapping.
  • a square wave of less than 20 Hz, for example, 15 Hz or less may be applied.
  • the waveform shows the same waveform as the sine wave, so that the user detects the vibration as a general vibration instead of tapping.

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Abstract

일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터는, 내부에 수용 공간을 형성하는 하우징, 상기 수용 공간의 상부를 커버하는 상부 케이스, 상기 수용 공간 내에 배치되는 진동부, 상기 하우징의 상측 및 상기 진동부를 연결하는 상측 탄성 부재, 상기 하우징의 하측 및 상기 진동부를 연결하는 하측 탄성 부재 및 상기 진동부를 구동하기 위한 자기장을 형성하는 코일을 포함할 수 있고, 상기 상측 탄성 부재의 일 단부는, 상기 하우징의 측벽 중 상기 상부 케이스로부터 이격된 위치에 고정될 수 있다.

Description

촉각 액추에이터
이하의 설명은, 촉각 액추에이터에 관한 것이다.
기존에는 전자기기와 인간이 정보를 주고받을 때 시각적 또는 청각적인 전달이 주를 이루었으나, 최근 들어 더욱 구체적이고 실감나는 정보 전달을 위해 햅틱 기술이 주목 받고 있다.
일반적으로 햅틱 기술을 위한 햅틱 제공 장치로 선형 공진 액추에이터(Linear Resonant Actuator, LRA)가 주로 사용되고 있으며, 이는 탄성 스프링과 자기회로에 연결된 중량체에 의해 발생되는 공진 주파수를 이용하여 진동의 세기를 최대화 시키는 방법이다.
이러한 선형 공진 액추에이터(LRA)는 상기 외형을 이루고 있는 부재로서 상 ·하부로 이루어진 하우징부, 자석과 요크구조 중량체를 포함하는 진동부, 진동부를 지지하는 탄성부재로 상·하면에 위치하는 탄성부, 전자기력을 발생하는 코일부로 구성되어 있다.
종래의 기술인 선형 공진 액추에이터는 대한민국 등록특허공보 '제2005-0122101'(명칭 : 수직진동자)에 자세히 개시되었으며, 종래의 기술 중 안정적으로 선형의 진동을 얻을 수 있는 장치에 대하여 대한민국 공개특허공보 '제2007-0055338'(명칭 : 선형 진동 발생장치)에 개시되어 있다.
종래의 구조 중 탄성부가 진동부의 상·하면에 설치된 구조와 관련하여 대한민국 공개특허공보 '2005-0005596'(명칭 : 진동장치 구조)에 개시되어 있다.
종래의 선형 공진 액추에이터는 단순한 진동을 전달하는 것을 목적으로 중량체와 탄성부재에 의해 결정되는 공진주파수를 이용해야만 효과적인 진동이 가능하다는 단점이 존재한다.
더불어, 2010년 세계적인 학술지 IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS에 기재된 논문(제목: Tactile sensing-from humans to humanoids)에 따르면 인체가 수용가능 한 촉각 감각의 주파수 범위는 0.4Hz에서 500Hz 이상까지 이르나 종래의 햅틱 기술을 이용할 경우, 160Hz이상의 주파수대역에서 단순한 진동만을 제공할 수 있어, 더욱 다채롭고 복잡한 정보를 효과적으로 전달 할 수 없는 문제가 있으며, 이를 효과적으로 해결하기 위하여 다양한 주파수 범위 내에서 촉각 신호를 효과적으로 전달 할 수 있는 장치의 연구가 필요한 상황이다.
이와 같은 종래의 햅틱 제공 장치는 효율적으로 진동을 제공 할 수 있는 구동 주파수의 폭(Bandwidth)을 넓혀 상기한 문제를 해결한 듯 보일 수 있으나, 상하 진동시 진동부가 외형 하우징과 접촉 현상이 발생하여 noise를 발생시키며, 코일부의 단선현상이 자주 발생되었다.
더불어 170Hz 이하의 공진주파수를 갖고, 초저주파수 대역(20Hz미만)에서 진동을 비롯한 촉각을 제공할 수 있는 장치는 전무한 실정이다.
따라서 170Hz 이하의 영역에서 하나 이상의 공진주파수를 가지며, 초저주파수(20Hz이하) 대역에서 공진주파수 대역과는 다른 입력 파형의 전기적 신호를 통해 다양한 움직임으로 나타내는 새로운 촉각을 제공함과 더불어, 단순히 하나의 공진주파수에 의한 진동이 아닌 넓은 범위에서 진동이 가능하고, 초저주파수 대역의 다양한 움직임을 통해 다양한 촉각을 제공 할 수 있는 장치의 개발이 필요하다
일 실시 예의 목적은 촉각 액추에이터를 제공하는 것에 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터는, 내부에 수용 공간을 형성하는 하우징; 상기 수용 공간의 상부를 커버하는 상부 케이스; 상기 수용 공간 내에 배치되는 진동부; 상기 하우징의 상측 및 상기 진동부를 연결하는 상측 탄성 부재; 및 상기 진동부를 구동하기 위한 자기장을 형성하는 코일을 포함하고, 상기 상측 탄성 부재의 일 단부는, 상기 하우징의 측벽 중 상기 상부 케이스로부터 이격된 위치에 고정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터는, 상기 하우징의 하측 및 상기 진동부를 연결하는 하측 탄성 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 진동부는, 상기 상측 탄성 부재 및 하측 탄성 부재에 각각 상하로 연결되고, 자성을 가지는 질량체; 상기 질량체의 하측의 중앙에 설치되는 자석부; 및 상기 자석부의 하면에 부착되는 폴피스를 포함할 수 있다.
상기 질량체는, 상기 질량체의 상면의 테두리부로부터 하측으로 함몰 형성되는 제 1 단차부; 및 상기 제 1 단차부로부터 하측으로 함몰 형성되는 제 2 단차부를 포함할 수 있고, 상기 상측 탄성 부재는, 상기 하우징의 상측에 고정되는 상측 탄성 고정부; 상기 제 1 단차부에 끼워지는 상측 탄성 지지부; 및 상기 상측 탄성 고정부 및 상측 탄성 지지부를 연결하는 상측 탄성 연결부를 포함할 수 있다.
상기 상측 탄성 고정부는, 상기 상부 케이스로부터, 상기 상부 케이스의 두께보다 더 큰 간격으로 이격될 수 있다.
상기 질량체가 최대 높이에 도달할 경우, 상기 제 2 단차부는 상기 상측 탄성 연결부에 간섭되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 질량체는, 상기 질량체의 하면의 테두리부로부터 상측으로 함몰 형성되는 제 3 단차부를 더 포함할 수 있고, 상기 하측 탄성 부재는, 상기 하우징의 하측에 고정되는 하측 탄성 고정부; 상기 제 3 단차부에 끼워지는 하측 탄성 지지부; 및 상기 하측 탄성 고정부 및 하측 탄성 지지부를 연결하는 하측 탄성 연결부를 포함할 수 있다.
상기 질량체가 최저 높이에 도달할 경우, 상기 제 3 단차부는 상기 하측 탄성 연결부에 간섭되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 상측 탄성 고정부는, 상기 상부 케이스로부터, 상기 상부 케이스의 두께보다 더 큰 간격으로 이격될 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터의 고유 진동수는 100~170Hz 사이에서 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터는, 미리 설정된 복수 개의 구동 모드 중 어느 하나의 구동 모드를 결정하고, 상기 구동 모드에 따라서 상기 코일로 인가될 전류의 특성을 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기 구동 모드는, 일반 진동 모드 및 두드림 모드를 포함할 수 있고, 상기 구동 모드가 일반 진동 모드이면, 상기 제어부는 50Hz~170Hz 사이의 주파수를 갖는 정현파를 상기 코일에 인가하고, 상기 구동 모드가 두드림 모드이면, 상기 제어부는 1Hz 이상 20Hz 미만의 주파수를 갖는 방형파를 상기 코일에 인가할 수 있다.
상기 두드림 모드에서 진동부는, 50ms 간격 내에서 진동부의 누적 충격량이 3mNs 이상일 수 있다.
상기 두드림 모드에서 진동부의 진동력의 진폭의 크기는 시간의 흐름에 따라서 변화하고, 상기 진동부의 진동력의 진폭의 최고점의 높이의 차이가 0.1G 이상이 되는 최소 시간 간격은, 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간 이상으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터는, 내부에 수용 공간을 형성하는 하우징; 상기 수용 공간의 상부를 커버하는 상부 케이스; 상기 수용 공간 내에 배치되는 진동부; 상기 하우징 및 진동부를 연결하는 탄성 부재; 상기 진동부를 구동하기 위한 자기장을 형성하는 코일; 및 상기 코일로 전류를 인가하고, 인가될 전류의 특성을 결정하는 제어부를 포함할 수 있고, 상기 제어부가 상기 코일에 1~20Hz 사이의 주파수를 갖는 방형파를 인가하면, 50ms 간격 내에서 상기 진동부의 누적 충격량이 3mNs 이상이 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 의하면, 진동부의 상하면에 각각 상측 탄성 부재 및 하측 탄성 부재가 연결됨으로써, 구조적으로 안정적일 수 있고, 진동력이 증가할 수 있으며, 진동에 있어서 노이즈를 줄일 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 의하면, 진동부에 상측에 연결된 상측 탄성 부재가 진동부의 진동시에 케이스 상면에 간섭되는 것을 방지함으로써, 노이즈 및 소음 문제를 해소할 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 의하면, 초저주파수 대역에서 서로 다른 파형을 입력하여, 일반 진동과는 다른 두드림에 해당하는 촉각을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 의하면, 사람이 구별할 수 있는 최소 시간 내에, 사람이 인지할 수 있는 최소 충격량 이상의 충격량을 제공함으로써, 사용자에게 일반적인 진동과 다른 움직임, 예를 들면, 두드림 등과 같은 촉각을 제공할 수 있다.
도 1은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터의 단면도이다.
도 2는, 일 실시 예에 따른 상측 탄성 부재를 나타내는 도면이다.
도 3은, 일 실시 예에 따른 하측 탄성 부재를 나타내는 도면이다.
도 4는, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터가 정현파를 인가 받음에 따라, 진동부가 상하로 구동하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터의 공진 주파수가 100~170 Hz 사이에서 형성된 경우, 인가하는 정현파의 주파수의 크기에 따른 진동력을 측정한 그래프이다.
도 6은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 20Hz 미만의 주파수를 갖는 정현파를 인가하였을 경우의 진동력을 측정한 그래프이다.
도 7은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 각각 40Hz 및 50Hz의 정현파를 인가하였을 경우의 진동력을 측정한 그래프이다.
도 8은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 5Hz의 방형파를 인가하였을 경우, 두드림에 해당하는 진동반응이 형성되는 모습을 나타나는 그래프이다.
도 9는, 다양한 공진주파수를 갖는 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 20Hz 이하의 방형파를 인가하였을 때 발생되는 충격량을 나타내는 그래프이다.
도 10은, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 5Hz의 방형파를 입력하였을 경우에 형성되는 진동반응을 나타내는 그래프이다.
도 11은, 같은 공진주파수를 갖는 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 20Hz 이하의 방형파를 각각 주파수를 인가하였을 경우에 형성되는 진동반응을 나타내는 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터의 단면도이고, 도 2는, 일 실시 예에 따른 상측 탄성 부재를 나타내는 도면이고, 도 3은, 일 실시 예에 따른 하측 탄성 부재를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)는, 하우징(11), 상부 케이스(12), 진동부(13), 상측 탄성 부재(14), 하측 탄성 부재(15), 코일(16) 및 제어부를 포함할 수 있다. 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)를 통칭하여 "탄성 부재"라고도 할 수 있다. 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)는, 듀얼 탄성 부재를 갖는 것으로 도시하였으나, 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15) 중 어느 하나의 탄성 부재만 구비할 수도 있을 것이다.
하우징(11)은, 촉각 액추에이터(10)의 외형을 형성하는 케이스로, 육면체 및 원통형 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 하우징(11)은 상면이 개방되고, 내부에 진동부(13), 상측 탄성 부재(14), 하측 탄성 부재(15) 및 코일(16)을 수용할 수 있는 내부공간을 포함할 수 있고, 예를 들어, 하우징(11)은, 스테인레스 스틸 등으로 형성될 수 있다.
상부 케이스(12)는, 하우징(11)의 상면을 덮는 케이스일 수 있고, 예를 들어, 하우징(11)은, 상부 케이스(12)로 상면이 덮임으로써, 외부로부터 밀폐될 수 있다.
진동부(13)는, 하우징(11)의 내부 공간에서, 코일(16)에서 발생하는 자기장에 의해, 상하 방향으로 움직임으로써, 사용자에게 적어도 하나 이상의 특정한 촉각을 제공할 수 있도록 촉각 액추에이터(10)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 진동부(13)는, 질량체(131), 자석부(132) 및 폴피스(133)를 포함할 수 있다.
질량체(131)는, 상측에서 바라볼 때, 예를 들어, 원형 형상을 가질 수 있고, 하면에는 자석부(132)가 설치될 수 있다. 예를 들어, 질량체(131)는, 하우징(11) 및 상부 케이스(12) 각각으로부터 이격되어, 상측으로부터, 상측 탄성 부재(14)로 지지되고, 하측으로부터, 하측 탄성 부재(15)로 지지되어 하우징(10)의 내부에서 상하로 움직일 수 있다.
예를 들어, 질량체(131)는, 자성을 띠는 Fe, Co, Si, Nd, Ni, B, Mn, Zn, Cu 및 W 중 적어도 하나 이상을 포함하는 스틸, 가루, 합금, 합금 가루, 합성체 또는 나노 구조로 이루어질 수 있고, 상하로 N극과 S극이 구분 가능하도록 착자된 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 질량체(131)는, 도 1과 같이, 하면의 중앙부분을 포함하는 가운데 영역이 하면으로부터 상측으로 함몰 형성될 수 있고, 이와 같이 함몰 형성된 부분에는 자석부(132)가 설치될 수 있다.
질량체(131)는, 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)와 각각 연결하기 위해서, 질량체(131)의 상면 및 하면의 테두리 부분으로부터 각각 함몰 형성된 제 1 단차부(1311) 및 제 3 단차부(1313)를 포함할 수 있다. 질량체(131)는, 제 1 단차부(1311)로부터 하측으로 함몰 형성된 제 2 단차부(1312)를 더 포함할 수 있다.
제 1 단차부(1311)는, 도 1과 같이, 상측 탄성 부재(14)의 상측 탄성 지지부(14c)를 수용하기 위하여, 질량체(131)의 테두리 부분에서 하측 방향으로 함몰 형성된 단차부일 수 있다. 다시 말하면, 제 1 단차부(1311)는, 질량체(131)의 상면의 중심부로부터 첫 번째로 절곡된 홈일 수 있다.
제 1 단차부(1311)에 의하면, 상측 탄성 부재(14)의 상측 탄성 지지부(14c)가 제 1 단차부(1311)에 연결되어 질량체(131)의 상하 운동을 지지할 수 있다.
제 2 단차부(1312)는, 제 1 단차부(1311)보다 테두리 바깥 부분에서 한번 더 함몰 형성된 단차부일수 있고, 질량체(131)의 상면의 중심부로부터 두번째로 절곡된 홈일 수 있다.
제 2 단차부(1312)에 의하면, 질량체(131)가 상측 탄성 부재(14)와 연결된 채, 최대로 상승하였을 경우, 상측 탄성 부재(14)의 상측 탄성 연결부(14b)가, 질량체(131)와 접촉 또는 간섭되지 않을 수 있다.
제 3 단차부(1313)는, 질량체(131)의 하면에서 하측 탄성 지지부(15c)가 설치되기 위해 질량체(131)의 하면 테두리 부분에서 상측 방향으로 함몰 형성된 단차부일 수 있다.
제 3 단차부(1313)에 의하면, 하측 탄성 부재(15)의 하측 탄성 지지부(15c)가 제 3 단차부(1313)에 연결되어 질량체(131)의 상하 운동을 지지할 수 있다.
제 1 단차부(1311) 및 제 3 단차부(1313)에 의하면, 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)가 좌우 대칭으로 형성되어, 각각의 일단이 하우징(11)에 고정되고, 각각의 타단이 각각 제 1 단차부(1311) 및 제 3 단차부(1313)에 연결됨에 따라서, 질량체(131) 및 자석부(132)의 중심이 하우징(11)의 중심에 안정적으로 정렬될 수 있다.
자석부(132)는, 질량체(131)의 하면에서 함몰된 중앙부분에 삽입되어 고정될 수 있다. 자석부(132)는, 코일(16)에서 발생하는 자기장에 의해서 움직일 수 있고, 자석부(132)가 고정된 질량체(131) 역시 같이 움직임으로써, 진동부(13)의 운동이 구현될 수 있다.
예를 들어, 자석부(132)는, 영구 자석으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 자석부(132)는, 철, 니켈 및 코발트 중 적어도 하나 이상을 포함하는 페라이트계 영구자석일 수 있다. 자석부(132)는, 사마륨 및 네오디뮴 등의 희토류계 원소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 영구 자석일 수도 있다.
예를 들어, 자석부(132)가 네오디뮴 자석으로 형성될 경우, BH_MAX 등급이 N50인 네오디뮴 자석이 사용될 수 있다.
폴피스(133)는, 자석부(132)의 하면에 설치될 수 있고, 자석부(132)의 자력이 외부로 세어나가는 것을 최소화 할 수 있다. 또한, 자석부(132)가 하우징(11)에 직접적으로 충돌하는 경우 등에 발생될 수 있는, 외부 충격으로부터 보호하기 위해서, 폴피스(133)와 자석부(132) 사이 및/또는 폴피스(133)의 하면에 댐퍼 역할을 하는 스펀지 등의 쿠션부가 설치될 수 있다.
상측 탄성 부재(14)는, 질량체(131)의 상측을 연결 및 지지할 수 있고, 질량체(131)의 상하진동을 가능하게 하기 위한 탄성체일 수 있다. 예를 들어, 상측 탄성 부재(14)는, 안정적으로 질량체(131)를 지지하기 위해서, 일단이 질량체(131)의 상면의 테두리의 둘레를 따라서 연결되고, 타단은 하우징(11)의 내측면의 둘레를 따라서 연결될 수 있다.
예를 들어, 상측 탄성 부재(14)는, 가운데 부분이 비어있는 원형 형상을 가질 수 있고, 가장자리의 일단에서부터 반대쪽의 타단까지 상하 방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 상측 탄성 부재(14)는, 상측 탄성 고정부(14a), 상측 탄성 지지부(14c) 및 상측 탄성 연결부(14b)를 포함할 수 있다.
상측 탄성 고정부(14a)는, 도 1과 같이, 하우징(11)의 내부에서, 하우징(11)의 측벽의 상측에 고정되어, 상측 탄성 연결부(14b)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 상측 탄성 고정부(14a)는, 도 2와 같이, 원형으로 형성될 수 있고, 이에 따라, 하우징(11)도 원통형으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 하우징(11)의 측면 둘레의 직경은, 상측 탄성 고정부(14a)의 직경과 같을 수 있다. 상측 탄성 고정부(14a)는, 하우징(11)의 측벽의 둘레를 따라서 설치될 수 있고, 하우징(11)의 측벽에 삽입되어 설치될 수도 있다.
예를 들어, 상측 탄성 고정부(14a)는, 하우징(11)의 측벽의 상측에 연결되되, 상부 케이스(12)로부터, 일정 간격으로 이격되어 설치될 수 있다. 예를 들어, 상측 탄성 고정부(14a) 및 상부 케이스(12) 사이의 이격된 거리는, 상부 케이스(12)의 두께보다 클 수 있다.
상측 탄성 고정부(14a) 및 상부 케이스(12) 사이의 이격된 거리에 의하면, 질량체(131)가 하우징(11)의 내부에서 최대로 상승할 경우, 질량체(131)는 상부 케이스(12)와 접촉하지 않을 수 있다. 해당 내용에 관해서는 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
상측 탄성 연결부(14b)는, 일단이 상측 탄성 고정부(14a)에 연결되고, 타단은 상측 탄성 지지부(14c)에 연결될 수 있으며, 상측 탄성 고정부(14a) 및 상측 탄성 지지부(14c) 사이를 상하 방향으로 경사지도록, 연결하는 탄성체일 수 있고, 탄성적으로 압축 또는 인장될 수 있다.
예를 들어, 상측 탄성 연결부(14b)는, 도 2와 같이, 상측 탄성 고정부(14a) 및 상측 탄성 지지부(14c) 사이에서 대각선으로 연결되는 복수개의 탄성 연결부를 포함할 수 있다.
복수개의 탄성 연결부에 의하면, 상측 탄성 지지부(14c)가 상측 탄성 고정부(14a) 사이에서 멀어지고 또는 가까워 질 때, 상측 탄성 연결부(14b)는, 인장 또는 압축을 통해, 운동하는 방향의 반대 방향으로 저항력을 만들어 낼 수 있다.
또한, 탄성 연결부와 상측 탄성 고정부(14a) 및 상측 탄성 지지부(14c) 사이의 각도가 증가 또는 감소될 수 있고, 이와 같은 변형 과정에서 발생되는 탄성력은 진동부(13)가 운동하는 방향의 반대 방향으로 작용할 수 있다.
상측 탄성 지지부(14c)는, 질량체(131)의 제 1 단차부(1311)에 고정되어, 질량체(131)를 상측으로부터 지지할 수 있고, 질량체(131)가 상측 탄성 연결부(14b)의 인장과 압축을 통해서, 안정적으로 상하 운동을 할 수 있도록 지지할 수 있다.
상측 탄성 지지부(14c)는, 도 2와 같이, 원형으로 형성될 수 있고, 이에 따라, 질량체(131)도 원형으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상측 탄성 지지부(14c)는 상측 탄성 고정부(14a)보다 직경이 작을 수 있다.
또한, 상측 탄성 지지부(14c)의 내주면 및 외주면 사이의 두께는, 제 1 단차부(1311)의 길이와 같을 수 있고, 상측 탄성 고정부(14a)의 내주면 및 외주면의 두께보다 클 수 있다.
예를 들어, 질량체(131)의 원형 둘레를 따라 형성된 제 1 단차부(1311)의 직경은, 상측 탄성 지지부(14c)의 내주면의 직경과 같을 수 있고, 이에 따라서, 상측 탄성 지지부(14c)는, 제 1 단차부(1311)에 끼워 맞춰져 고정될 수 있다.
하측 탄성 부재(15)는, 질량체(131)의 하측을 연결하여, 지지하고, 질량체(131)의 상하진동을 가능하게 하기 위한 탄성체일 수 있다. 예를 들어, 하측 탄성 부재(15)는, 안정적으로 질량체(131)를 지지하기 위해서, 일단이 질량체(131)의 하면의 둘레를 따라서 연결되고, 타단은 하우징(11)의 내측벽 둘레를 따라서 연결될 수 있다.
예를 들어, 하측 탄성 부재(15)는, 상측 탄성 부재(14)의 구조와 같을 수 있고, 그 크기는 상측 탄성 부재(14)보다 작게 형성될 수 있다.
예를 들어, 하측 탄성 부재(15)는, 가운데 부분이 비어있는 원형 형상을 가질 수 있고, 가장자리의 일단에서부터 반대쪽의 타단까지 상하 방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 하측 탄성 부재(15)는, 하측 탄성 고정부(15a), 하측 탄성 지지부(15c) 및 하측 탄성 연결부(15b)를 포함할 수 있다.
하측 탄성 고정부(15a)는 하우징(11)의 내부에서, 하우징(11)의 하면의 가장자리 고정되어, 하측 탄성 지지부(15c)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 하측 탄성 고정부(15a)는, 도 3과 같이, 내부가 비어있는 원형으로 형성될 수 있고, 이에 따라, 하우징(11) 또한, 원통형으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 하측 탄성 고정부(15a)의 외주면의 직경은, 하우징(11)의 내측면의 직경과 같을 수 있다. 하측 탄성 고정부(15a)는, 하우징(11)의 내부 공간의 바닥면 및 하우징(11)의 내측면에 연결되어 설치될 수 있다.
하측 탄성 고정부(15a)는, 하우징(11)의 내부 공간의 하면 및 하우징(11)의 내측벽의 가장자리 둘레를 따라서, 설치될 수 있다.
하측 탄성 연결부(15b)는, 일단이 하측 탄성 고정부(15a)에 연결되고, 타단은 하측 탄성 지지부(15c)에 연결될 수 있으며, 하측 탄성 고정부(15a) 및 하측 탄성 지지부(15c) 사이를 상하 방향으로 경사지도록, 연결하는 탄성체일 수 있고, 탄성적으로 압축 또는 인장될 수 있다.
예를 들어, 하측 탄성 연결부(15b)는, 도 3과 같이, 하측 탄성 고정부(15a) 및 하측 탄성 지지부(15c) 사이에서 대각선으로 연결되는 복수개의 탄성 연결부를 포함할 수 있다.
하측 탄성 지지부(15c)는, 질량체(131)의 제 3 단차부(1313)에 고정되어, 질량체(131)를 하측으로부터 지지할 수 있고, 질량체(131)가 하측 탄성 연결부(15b)의 인장과 압축을 통해서, 안정적으로 상하 운동을 할 수 있도록 지지할 수 있다.
또한, 하측 탄성 지지부(15c)는, 내부가 비어있는 원형으로 형성될 수 있고, 원형으로 형성된 질량체(131)의 제 3 단차부(1313)에 연결되어 고정될 수 있다. 예를 들어, 하측 탄성 지지부(15c)는 하측 탄성 고정부(15a)보다 직경이 작을 수 있다.
예를 들어, 질량체(131)의 하면에서, 원형 둘레를 따라 형성된 제 3 단차부(1313)의 직경은, 하측 탄성 지지부(15c)의 내주면의 직경과 같을 수 있고, 이에 따라, 하측 탄성 지지부(15c)는, 제 3 단차부(1313)에 끼워 맞춰져 고정될 수 있다.
상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)는, 낮은 상자성 또는 반자성을 갖는 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)는, 스테인레스 스틸, 플라스틱 및 고무 중 하나 이상을 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)에 의하면, 진동하는 질량체(131)를 상측 및 하측에서 동시에 지지해줄 수 있기 때문에, 탄성 부재가 한쪽에서만 설치되는 경우보다, 구조적으로 안정적일 수 있고, 노이즈가 감소될 수 있으며, 진동력 또한 더 커질 수 있다.
또한, 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)가 진동부(13)의 상하로 복합 구조로 연결된다. 진동부(13), 상측 탄성 부재(14) 및 하측 탄성 부재(15)는, 하나의 질량-탄성계로 치환될 수 있다.
코일(16)은, 인가받은 전류를 이용하여 진동부(13)를 구동하기 위한 자기장을 형성할 수 있다. 예를 들어, 코일(15)로는, 평면 코일, 솔레노이드 코일 또는 연자성체(soft magnetic materials)를 포함한 코어(core)부를 갖는 전자석 코일 등이 사용될 수 있고, 원통형으로 형성될 수 있다.
제어부는, 코일(16)에 인가하는 전류의 주파수 및 파형을 제어할 수 있고, 복수개의 구동 모드를 통해 코일을 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 복수개의 구동 모드는, 일반 진동 모드 및 두드림 모드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 구동 모드가 일반 진동 모드이면, 제어부는 50~170Hz 사이의 주파수를 갖는 정현파를 상기 코일에 인가할 수 있고, 예를 들어, 구동 모드가 두드림 모드이면, 상기 제어부는 1~20Hz 사이의 주파수를 갖는 방형파를 상기 코일에 인가할 수 있다.
두드림 모드에 의하면, 진동부의 진동력의 진폭이 간헐적으로 변화할 수 있어서, 사용자는 일반진동과는 다른, 간헐적인 두드림의 촉각을 느낄 수 있다.
도 4는, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터가 정현파를 인가 받음에 따라, 진동부가 상하로 구동하는 모습을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 왼쪽의 그림은, 일 실시 예의 촉각 액추에이터(10)의 질량체(131)가 상하로 진동하는 모습을 연속적인 그림을 통해 나타내고 있고, 오른쪽의 그래프는, 왼쪽의 촉각 액추에이터(10)의 진동부(13)의 변위를 시간의 변화에 따라서 표현한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)는, 정현파를 인가 받음에 따라서, 상하로 반복된 진동 운동을 수행할 수 있다.
예를 들어, 촉각 액추에이터(10)가 정현파를 인가 받아, 일반적인 진동 운동을 수행할 경우, 초기 상태인 A 상태를 기준으로 B 상태, C 상태 및 D 상태를 걸쳐서 초기 상태인 E 상태로 돌아오는 한 싸이클의 동작을 수행할 수 있다.
A 상태 및 E 상태는, 같은 상태로서, 한 싸이클의 진동 운동의 시작과 끝일 수 있고, A 상태 및 E 상태에서, 진동부(13)의 위치는, 아무런 힘이 가해지지 않은, 기본 상태에서의 위치와 같을 수 있다.
B 상태는, 진동부(13)가 코일(16)로부터, 자기장을 인가 받아서, 위쪽으로 최대한 상승한 상태를 나타낸다. 예를 들어, B 상태에서는, 도 4와 같이, 질량체(131)의 상면의 높이가 상측 탄성 고정부(14a)의 높이와 같을 수 있고, 상측 탄성 고정부(14a)의 높이보다 높을 수도 있다.
이 상태에서, 상측 탄성 연결부(14b)는, 질량체(131)와 접촉하지 않고, 제 2 단차부(1312)에 적어도 일부분이 수용될 수 있고, 또한, 상측 탄성 연결부(14b)가 상부 케이스(12)로부터 이격되어 설치됨에 따라서, 질량체(131)는 상부 케이스(12)와 접촉하지 않을 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 진동부(13)가 상하로 움직이면서, 상측 탄성 연결부(14b) 및 상부 케이스(12)와 부딪히지 않으므로, 진동부(13)의 운동의 손실을 방지하여 사용자에게 전달되는 촉각을 증대시키고, 노이즈 및 소음을 줄일 수 있다.
C 상태는, 진동부(13)가, 최대로 상승한 B 상태에서, A 및 E 상태와 같은 초기위치로 진동부(13)가 하강하는 상태일 수 있다.
D 상태는, 진동부(13)가 코일(16)로부터, 자기장을 인가 받아, 아래쪽으로 최대로 하강한 상태를 나타낸다.
이 상태에서, 하측 탄성 연결부(15b)는, 질량체(131)와 접촉하지 않고, 적어도 일부분이 제 3 단차부(1313)에 수용될 수 있다.
또한, 질량체(131) 및 폴피스(133)는, 하우징(11)의 바닥에 접촉하지 않을 수 있고, 원통형으로 형성된 코일(16)은 질량체(131) 및 자석부(132) 사이의 공간 안쪽으로 삽입될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 도 4의 D 상태와 같이, 진동부(13)가 최대로 하강하였을 경우, 진동부(13)는 하측 탄성 연결부(15b) 및 하우징(11)의 바닥면에 닿지 않을 수 있게 되어, 진동부(13)의 운동의 손실을 방지하여 사용자에게 전달되는 촉각을 증대시키고, 노이즈 및 소음을 줄일 수 있다.
도 5는, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터의 공진 주파수가 100~170 Hz 사이에서 형성된 경우, 인가하는 정현파의 주파수의 크기에 따른 진동력을 측정한 그래프이다.
일반적으로 사람이 촉각을 감지할 수 있는 진동력의 크기는 0.2G 이상이라고 알려져 있다. 실시 예와 같이 공진 주파수가 100~170 Hz 사이인 촉각 액추에이터(10)에 의하면, 100Hz 내지 200Hz의 범위에서의 정현파를 인가하였을 때, 0.2G 이상의 진동력을 낼 수 있는 것을 확인할 수 있다.
테스트를 통하여, 첫째, 진동부(131)의 질량이 1.15g이고, 탄성계수가 0.45N.mm이고, 공진주파수가 100Hz인 촉각 액추에이터(10)와, 둘째, 진동부(131)의 질량이 1.15g이고, 탄성계수가 1.31N/mm이고, 공진주파수가 170Hz인 촉각 액추에이터(10)에서 모두, 100Hz 내지 200Hz 범위의 정현파를 인가하면 0.2G 이상의 진동력을 사용자에게 전달할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)에 의하면, 넓은 구동주파수 대역을 가짐을 알 수 있다.
도 6은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 20Hz 미만의 주파수를 갖는 정현파를 인가하였을 경우의 진동력을 측정한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)에 1Hz, 10Hz 및 19Hz의 정현파를 인가하였을 경우, 0.01G 이하의 진동력이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 일 실시 예의 촉각 액추에이터(10)에 20Hz 이하의 정현파를 입력하였을 경우, 사람이 인지할 수 없는 노이즈성 응답이 관찰된다는 것을 알 수 있다.
도 7은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 각각 40Hz 및 50Hz의 정현파를 인가하였을 경우의 진동력을 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)에 50Hz의 정현파를 인가하였을 경우, 진동력이 0.2G를 초과하는 것을 볼 수 있고, 40Hz의 정현파를 인가하였을 경우, 진동력이 0.2G 미만으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)에 정현파를 입력할 경우, 사람이 감지할 수 있는 촉각을 제공하기 위해서는, 50Hz 이상의 정현파를 인가해야 한다는 것을 알 수 있다.
도 8은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 5Hz의 방형파를 인가하였을 경우, 두드림에 해당하는 진동반응이 형성되는 모습을 나타나는 그래프이다. 도 8의 첫 번째 그래프는 5Hz의 주파수를 갖는 방형파가 1주기 동안 인가되는 모습을 나타낸 것이다. 도 8의 두 번째 그래프는 실제 2V의 전압 및 5Hz의 주파수를 갖는 방형파를 인가하였을 때 촉각 액추에이터에서 사용자에게 제공하는 진동력(G)를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 1~20Hz 사이의 초저주파수 대역에 해당하는 방형파를 촉각 액추에이터(10)에 인가하였을 경우, 일반 진동과는 다른 진동반응이 형성되는 모습을 확인할 수 있다.
이와 같은 진동반응을 통하여, 촉각 액추에이터(10)는 사용자에게 "두드림"의 촉각을 제공할 수 있다. 즉, 도 8은 촉각 액추에이터(10)를 "두드림 모드"로 구동시키는 모습을 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
도 8의 하단에 도시된 그래프를 참조하여, 두드림 모드로 구동되는 진동반응을 살펴보면, 시간에 따라서, 진동력의 파형에서 진폭의 크기가 매 사이클마다 변하는 것을 확인할 수 있다. 해당 진폭의 크기는 반주기 동안 대략 지수적으로(exponentially) 감소하는 형상을 갖는데, 초반에 다소 짧은 시간(약 20ms) 동안 큰 값을 나타내고, 중반 및 후반으로 갈수록 급격하게 감소함을 알 수 있다. 이와 같은 진폭의 급격한 차이에 따라서, 사용자는, 일반적인 진동과는 다른 간헐적인 두드림을 감지할 수 있다.
도 9는, 다양한 공진주파수를 갖는 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 20Hz 이하의 방형파를 인가하였을 때 발생되는 충격량을 나타내는 그래프이다.
구체적으로 도 9는, 80Hz 내지 360Hz 사이에서 여러 공진주파수를 갖는 촉각 액추에이터마다 2Hz, 5Hz, 10Hz 및 20Hz에 해당하는 방형파를 인가하였을 경우, 해당 파형을 인가하고 나서 50ms구간 동안, 진동력을 측정한 다음, 그 측정된 진동력을, 상기 50ms구간 내에서 적분을 하여 구한 충격량을 그래프로 나타낸 것이다.
진동력을 50ms 대해 적분하여 충격량을 구하는 식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure PCTKR2017012573-appb-I000001
수학식 1에서, t_0는, 파형의 입력 순간의 시간일 수 있다.
'Robotic Tactile Sensing Technologies and System, Springer'에 따르면 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간이 30~50ms이고, 20~40대 성인을 대상으로 측정한 결과 두드림을 손가락으로 인지하기 위해서는, 0~50ms 구간에서 3mNs 이상의 충격량이 필요하다는 점을 확인하였다.
일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)로부터 바람직한 두드림의 효과를 얻기 위해서는, 후술할 도 11과 같이 일반적인 진동에 해당하는 촉각을 제공하는 최소 한계 주파수인 20Hz 이하의 방형파가 인가되어야 하고, 상기 확인된 내용과 같이 평균적인 사람이 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간인 50ms 구간 동안 누적된 충격량이 3mNs 이상이 되어야 함을 확인하였다.
이에 따라, 도 9를 참조하면, 촉각 액추에이터(10)의 공진주파수가 100Hz 내지 170Hz인 모든 경우에서, 촉각 액추에이터(10)에 입력되는 20Hz 이하의 모든 방형파에 대해서, 3mNs 이상의 충격량이 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 실제로도 위와 같은 경우에서 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)의 사용자는 두드림의 촉각을 인지할 수 있었다. 반면, 촉각 액추에이터(10)의 공진주파수가 170Hz 이상인 경우, 충격량은 급격히 감소하는 경향성을 나타내었으며, 실제로 230Hz 이상에서 사용자는 촉각을 거의 느낄 수 없었다.
따라서, 촉각 액추에이터(10)가 두드림 모드로 구동되기 위해서 촉각 액추에이터(10)는 100Hz 내지 170Hz 인 공진주파수를 가질 수 있다.
한편, 100Hz 미만의 공진주파수를 갖는 촉각 액추에이터의 경우, 탄성 부재의 낭창거림이 심하여 하우징의 내벽에 부딪혀서 발생되는 소음 문제 등으로, 충분히 높은 전압을 인가하는 것에 한계가 있었다. 따라서, 두드림 모드를 구현하고자 하더라도 방현파의 반주기 동안 적분한 충격량이 3mNs 미만이 되고, 사용자가 촉각을 인지할 수 없는 문제가 있었다. 다시 말하면, 두드림의 촉각을 제공하기 위해 충분히 높은 전압을 인가하기 위하여, 촉각 액추에이터(10)의 공진주파수는 100Hz 이상이 되어야 한다.
도 10은, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 5Hz의 방형파를 입력하였을 경우에 형성되는 진동력을 나타내는 그래프이다. 유형 A는 촉각 액추에이터(10)의 공진 주파수가 170Hz 이하인 150Hz인 경우의 진동 반응을 나타내는 모습이고, 유형 B는 촉각 액추에이터(10)의 공진 주파수가 170Hz를 초과하는 190Hz인 경우의 진동 반응을 나타내는 모습이다.
도 10을 참조하면, 유형 A와 같이 50ms 구간 내 충격량의 합이 3mNs를 초과하는 경우, 사용자가 두드림의 촉각을 느낄 수 있다.
반면 유형 B와 같이 임펄스(impulse)에 가까운 감쇄율이 매우 높은 진동 반응을 나타내는 경우로써, 50ms 구간 내 충격량의 합이 3mNs를 초과하지 않는 경우, 사용자가 두드림의 촉각을 느끼지 못함을 확인할 수 있었다.
도 11은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터에 20Hz 이하의 방형파를 인가하였을 경우에 형성되는 진동력을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 도 11은, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)에 각각 10Hz, 15Hz 및 20Hz의 방형파를 입력하였을 경우에 측정되는 진동력을 나타내는 그래프를 유형 A, 유형 B 및 유형 C로 나타낸 것이다.
도 11을 참조하면, 유형 A 및 B의 경우, 점선으로 표시한 바와 같이, 진동력의 진폭의 크기, 즉, 최고점의 높이가, 시간의 흐름에 따라서, 변화하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 진폭의 최고점의 높이의 차이는 0.1G 이상일 수 있다. 또한, 진폭의 최고점의 높이의 차이가 0.1G 이상이 되는 최소 시간 간격은, 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간, 예를 들면, 30ms 이상으로 형성됨을 알 수 있다. 이와 같은 유형 A 및 B의 경우, 사용자가 두드림에 해당하는 촉각을 느낄 수 있음을 확인할 수 있었다.
반면 유형 C의 경우, 주기의 간격이, 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간, 예를 들면, 30ms 내로 좁게 형성될 뿐만 아니라, 점선으로 표시한 바와 같이, 진폭의 차이는 0.1G 미만으로 크게 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 사용자는 두드림이 아닌 일반적인 진동으로 감지할 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 촉각 액추에이터(10)를 두드림 모드로 작동시키기 위해서는, 20Hz 미만, 예를 들면, 15Hz 이하의 방형파가 인가될 수 있다. 다시 말하면, 방형파를 인가하더라도, 방형파의 주파수가 20Hz를 초과할 경우 정현파와 같은 파형을 보이므로 사용자는 두드림인 아닌 일반적인 진동으로 감지함을 알 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 내부에 수용 공간을 형성하는 하우징;
    상기 수용 공간의 상부를 커버하는 상부 케이스;
    상기 수용 공간 내에 배치되는 진동부;
    상기 하우징의 상측 및 상기 진동부를 연결하는 상측 탄성 부재;
    및
    상기 진동부를 구동하기 위한 자기장을 형성하는 코일을 포함하고,
    상기 상측 탄성 부재의 일 단부는, 상기 하우징의 측벽 중 상기 상부 케이스로부터 이격된 위치에 고정되는 촉각 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 하측 및 상기 진동부를 연결하는 하측 탄성 부재를 더 포함하고,
    상기 진동부는,
    상기 상측 탄성 부재 및 하측 탄성 부재에 각각 상하로 연결되고, 자성을 가지는 질량체;
    상기 질량체의 하측의 중앙에 설치되는 자석부; 및
    상기 자석부의 하면에 부착되는 폴피스를 포함하는 촉각 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 질량체는,
    상기 질량체의 상면의 테두리부로부터 하측으로 함몰 형성되는 제 1 단차부; 및
    상기 제 1 단차부로부터 하측으로 함몰 형성되는 제 2 단차부를 포함하고,
    상기 상측 탄성 부재는,
    상기 하우징의 상측에 고정되는 상측 탄성 고정부;
    상기 제 1 단차부에 끼워지는 상측 탄성 지지부; 및
    상기 상측 탄성 고정부 및 상측 탄성 지지부를 연결하는 상측 탄성 연결부를 포함하는 촉각 액추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상측 탄성 고정부는,
    상기 상부 케이스로부터, 상기 상부 케이스의 두께보다 더 큰 간격으로 이격되는 촉각 액추에이터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 질량체가 최대 높이에 도달할 경우, 상기 제 2 단차부는 상기 상측 탄성 연결부에 간섭되지 않는 것을 특징으로 하는 촉각 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질량체는, 상기 질량체의 하면의 테두리부로부터 상측으로 함몰 형성되는 제 3 단차부를 더 포함하고,
    상기 하측 탄성 부재는,
    상기 하우징의 하측에 고정되는 하측 탄성 고정부;
    상기 제 3 단차부에 끼워지는 하측 탄성 지지부; 및
    상기 하측 탄성 고정부 및 하측 탄성 지지부를 연결하는 하측 탄성 연결부를 포함하는 촉각 액추에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 질량체가 최저 높이에 도달할 경우, 상기 제 3 단차부는 상기 하측 탄성 연결부에 간섭되지 않는 것을 특징으로 하는 촉각 액추에이터.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 상측 탄성 고정부는,
    상기 상부 케이스로부터, 상기 상부 케이스의 두께보다 더 큰 간격으로 이격되는 촉각 액추에이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉각 액추에이터의 고유 진동수는 100~170Hz 사이에서 형성되는 촉각 액추에이터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    미리 설정된 복수 개의 구동 모드 중 어느 하나의 구동 모드를 결정하고, 상기 구동 모드에 따라서 상기 코일로 인가될 전류의 특성을 결정하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 구동 모드는, 일반 진동 모드 및 두드림 모드를 포함하고,
    상기 구동 모드가 일반 진동 모드이면, 상기 제어부는 50Hz~170Hz 사이의 주파수를 갖는 정현파를 상기 코일에 인가하고,
    상기 구동 모드가 두드림 모드이면, 상기 제어부는 1Hz 이상 20Hz 미만의 주파수를 갖는 방형파를 상기 코일에 인가하는 촉각 액추에이터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 두드림 모드에서 진동부는,
    50ms 간격 내에서 진동부의 누적 충격량이 3mNs 이상인 촉각 액추에이터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 두드림 모드에서 진동부의 진동력의 진폭의 크기는 시간의 흐름에 따라서 변화하고, 상기 진동부의 진동력의 진폭의 최고점의 높이의 차이가 0.1G 이상이 되는 최소 시간 간격은, 사람이 손끝에서 두 개의 자극을 구분할 수 있는 최소 시간 이상으로 형성되는 촉각 액추에이터.
  13. 내부에 수용 공간을 형성하는 하우징;
    상기 수용 공간의 상부를 커버하는 상부 케이스;
    상기 수용 공간 내에 배치되는 진동부;
    상기 하우징 및 진동부를 연결하는 탄성 부재;
    상기 진동부를 구동하기 위한 자기장을 형성하는 코일; 및
    상기 코일로 전류를 인가하고, 인가될 전류의 특성을 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부가 상기 코일에 1~20Hz 사이의 주파수를 갖는 방형파를 인가하면, 50ms 간격 내에서 상기 진동부의 누적 충격량이 3mNs 이상이 되는 것을 특징으로 하는 촉각 액추에이터.
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