WO2018164321A1 - 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치 및 촉감 디스플레이 장치 - Google Patents

초음파를 이용하는 촉감 제공 장치 및 촉감 디스플레이 장치 Download PDF

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WO2018164321A1
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ultrasonic
tactile
ultrasonic waves
waves
wave
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PCT/KR2017/007165
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장동표
육순현
박관규
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한양대학교 산학협력단
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    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
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    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/043—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using propagating acoustic waves

Definitions

  • the present invention relates to a tactile feel providing device and a tactile display device, and more particularly, to a tactile feel providing device and a tactile display device using ultrasonic waves.
  • the frequency of the sound that can be heard by humans that is, a sound having a frequency higher than the audible frequency (20 to 20,000 Hz) is called an ultrasonic wave.
  • Ultrasonic waves can transmit signals that are inaudible to the human ear and are therefore used for focusing remote controls and cameras.
  • the ultrasonic wave since the ultrasonic wave has a short wavelength, it is widely used to accurately understand the form through the ultrasonic wave reflected from the object.
  • ultrasonic waves are used to grasp objects and terrain in the water, it is also used to diagnose the body.
  • Examples include a tactile display device that provides a touch with ultrasound, a brain stimulation device using ultrasound, an ultrasonic physiotherapy device, and the like.
  • the present tactile display using ultrasonic waves is arranged to form a focal point by adjusting the phases of each other while placing dozens of ultrasonic transducers. This superimposes the physical energies from each transducer.
  • An object of the present invention is to provide a tactile display device in which ultrasonic cells for emitting ultrasonic waves are arranged in an array and a tactile control method of such a tactile display device.
  • the present invention is to provide a haptic display device that can provide a haptic and miniaturized ultrasonic cell, and a tactile control method of the tactile display device.
  • the present invention is to provide a tactile feel providing device and method for providing a tactile feel to the user by adjusting the frequency of the ultrasonic waves so that the standing wave is formed in the tactile feel providing film that the user contacts.
  • the present invention is to provide a tactile feel providing apparatus using ultrasonic waves that can efficiently convert the ultrasonic energy into vibration energy, and can reduce the pain felt by the user by the ultrasonic energy.
  • a substrate An ultrasonic cell array formed on the substrate and emitting ultrasonic waves; A medium layer in which the ultrasonic waves progress from a lower surface to an upper surface direction; And a control unit for controlling ultrasonic emission of the ultrasonic cell array.
  • the step of radiating ultrasonic waves to the tactile providing film using the ultrasonic transmitter receiving ultrasonic waves reflected by one surface of the tactile providing film which the user contacts; And using the reflected ultrasonic waves, adjusting the frequency of the ultrasonic waves emitted to form a standing wave in the tactile providing film.
  • an ultrasonic radiation unit for emitting ultrasonic waves; And a touch providing film which vibrates by the ultrasonic wave and has a touch providing film formed such that one surface of the user's skin is roughened.
  • an ultrasonic cell for emitting ultrasonic waves and a medium layer for converting ultrasonic energy into kinetic energy it is possible to provide the user with a tactile energy, and by providing the ultrasonic cells in an array form, more detailed tactile information is provided. can do.
  • the part on which the tactile feel is provided on the tactile display can be realized in terms of points rather than dots.
  • the ultrasonic focusing unit by using the ultrasonic focusing unit, it is possible to efficiently provide tactile information while minimizing the ultrasonic cell.
  • the standing wave can be continuously formed in the tactile providing film.
  • ultrasonic energy can be efficiently converted into kinetic energy, and the power consumed for providing the tactile sense can be reduced.
  • the present invention by providing a tactile display device using the standing wave, it is possible to increase the kinetic energy conversion efficiency of the ultrasonic energy per ultrasonic cell, even if the phase of the ultrasonic cell is not controlled so that the focus of the ultrasonic wave emitted by the ultrasonic cell is formed as one As a result, the user can be efficiently touched.
  • the present invention by forming an air layer between the skin and the tactile providing film using the tactile providing film formed to rough one surface, it is possible to efficiently generate a vibration providing a tactile feel and to reduce the pain of the user.
  • FIG. 1 is a view showing a tactile display using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining an example of the use of the tactile display device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a view for explaining a relationship between an input image and an ultrasonic cell.
  • FIGS. 4 and 5 are views for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining a tactile control method of a tactile display device including an ultrasonic cell array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating an apparatus for providing a touch using ultrasound according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing a coupling relationship between the ultrasonic transmitter and the tactile providing film according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view for explaining a frequency control method of the control unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram for describing a tactile display device using ultrasonic waves according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a state where a user contacts a tactile display device employing a tactile display device according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a view for explaining a touch providing method using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a block diagram illustrating a device for providing a hand according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a view illustrating a tactile feel providing device according to another embodiment of the present invention.
  • 18 to 22 are views for explaining a pattern of a tactile providing film according to various embodiments of the present disclosure.
  • 23 and 24 are views for explaining a touch providing film according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a tactile display device using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view for explaining the use example of the tactile display device according to an embodiment of the present invention, the tactile feel of Figure 1
  • the cross section of a display apparatus is shown.
  • 3 is a view for explaining a relationship between an input image and an ultrasonic cell.
  • the tactile display device includes a substrate 110, an ultrasonic cell array 120, a medium layer 130, and a controller (not shown).
  • An ultrasonic cell array 120 in which a plurality of ultrasonic cells are arranged in an array form is formed on the substrate 110.
  • the ultrasonic cell array 120 includes an ultrasonic cell A and a plurality of ultrasonic cells, each of which radiates ultrasonic waves using an ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic cell may emit ultrasonic waves in the form of spherical or plane waves.
  • FIG. 1 an array of 8 horizontal and 8 vertical ultrasonic cells is illustrated as an embodiment, but the number of ultrasonic cells may be changed according to the size of the tactile display device.
  • the ultrasonic cell array 120 in which the ultrasonic cells are in contact with each other is illustrated in FIG. 1, according to the exemplary embodiment, the ultrasonic cells may be spaced apart from each other by a predetermined interval as illustrated in FIG. 2.
  • the substrate 110 may be larger than the total area of the ultrasonic cell array 120, and as shown in FIG. 2, the medium layer 130 surrounds the ultrasonic cell array protruding from the substrate 110. It can be formed to be. Alternatively, as shown in FIG. 1, the medium layer 130 may be formed on the ultrasonic cell array.
  • the user may feel a touch when the user touches a finger or the like on the upper surface 132 of the medium layer 130. As the ultrasonic energy is converted into kinetic energy, the user can feel the touch.
  • a part of the ultrasonic waves traveling inside the medium layer 130 is reflected by the upper surface of the medium layer, and the part is transmitted to the skin of the user who is in contact with the medium layer.
  • the medium layer vibrates due to the reflection of the ultrasonic waves, the user can feel the touch, and the ultrasonic energy is converted into kinetic energy by the impedance difference between the air layer and the medium layer between the user's contact skin and the medium layer. I can feel it.
  • the first to fourth ultrasonic cells 210 to 240 emit ultrasonic waves in the array of ultrasonic cells, and the medium layer 130 on the ultrasonic cells 210 to 240 radiates the ultrasonic waves.
  • the finger 250 is in contact with the upper surface 132 of the user, the user can feel the touch by the ultrasonic waves.
  • the points 251 to 254 where the user feels the touch in the medium layer 130 may correspond to the pixel to which the touch information is transmitted.
  • the resolution of the tactile display device may vary according to the size and number of arrangements of the ultrasonic cells.
  • the medium layer 130 may be an elastic body capable of vibrating by ultrasonic energy, and as an example, may be made of polydimethylsiloxane (PDMS) having a thickness of about 2 mm. In addition to the PDMS, silicon, acrylic, plastic, or the like may be used as the medium layer 130.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the controller controls the ultrasonic radiation of the ultrasonic cell array and may be formed on the substrate. More specifically, the controller may select an ultrasonic cell to emit ultrasonic waves from the ultrasonic cell array, and adjust the radiation power of ultrasonic waves emitted by the ultrasonic cells.
  • the tactile display device converts information in an image form into a tactile form, and in this case, an ultrasonic cell that emits ultrasonic waves corresponds to a pixel for transmitting tactile information.
  • the radiation power of the ultrasound may represent the material of the image.
  • the left quadrangle 311 is an image of a rough material among two quadrangles displayed in the image 310 of FIG. 3.
  • Right square 312 is an image of a smooth material.
  • the controller selects 12 shaded ultrasonic cells as the first ultrasonic radiation cells in the ultrasonic cell array 120 to transmit tactile information about the left quadrangle 311.
  • the controller selects eight ultrasonic cells marked with black dots as the second ultrasonic radiation cells in order to transmit tactile information about the right quadrangle 312.
  • the control unit adjusts the ultrasonic radiation power of the first ultrasonic radiation cell and the second ultrasonic radiation cell differently.
  • the controller may adjust the radiation power of each of the ultrasonic cells included in the first ultrasonic radiation cell or the second ultrasonic radiation cell differently. Tactile information on one image object can be provided to the user in more detail.
  • the user When a user moves a finger or the like to the medium layer 130, the user may feel the material of the left rectangle 311 or the right rectangle 312.
  • the left rectangle 311 or the right rectangle 312 moves to provide the user with a feeling of movement.
  • 311 or the first and second ultrasonic emission cells corresponding to the right quadrangle 312 may change over time.
  • the controller may sequentially select the first ultrasonic radiation cells in the right direction over time.
  • the tactile display device may be utilized as a tactile feedback device providing a tactile sense for a game, a movie, or a disabled person, and may be combined with an image display device to simultaneously provide tactile information and image information.
  • FIGS. 4 and 5 are views for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • the tactile display device further includes ultrasonic focusing units 410 and 510 positioned on the ultrasonic cell array and focus the ultrasonic waves.
  • the above-mentioned ultrasonic cells are preferably provided in a miniaturized form to provide more accurate tactile information, in which case there is a limit to improving the output of the ultrasonic waves.
  • the present invention uses the ultrasonic focusing unit to provide the same effect as when the output of the ultrasonic wave is increased without increasing the output of the ultrasonic wave. Since ultrasonic energy can be concentrated without being dispersed by the ultrasonic focusing unit, a small ultrasonic output can effectively provide a tactile touch.
  • the refractive index of the sound wave of the ultrasonic focusing unit 410 is different from the refractive index of the medium layer.
  • the direction of propagation of the sound wave which is a wave can be changed. Therefore, the ultrasonic wave passing through the ultrasonic focusing part can reach a medium layer having a different refractive index from the ultrasonic focusing part, and thus the direction of propagation can be changed. Ultrasound can be focused in one place.
  • the ultrasound focusing unit may have a shape in which ultrasound may be concentrated separately from the refractive index.
  • the ultrasound focusing unit may be an acoustic lens 510 having a convex shape as shown in FIG. 5. In this case, the acoustic lens 510 needs to be different from the refractive index of the medium layer.
  • the ultrasound may be focused using a shape of one surface on which the ultrasound is radiated from the ultrasound cell.
  • the ultrasonic wave may be focused similarly to the principle that the light reflected by the concave mirror collects in one place.
  • the ultrasonic focusing unit by using the ultrasonic focusing unit, it is possible to efficiently provide tactile information while minimizing the ultrasonic cell.
  • FIG. 6 is a view for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • the ultrasound focusing part 600 is positioned between the ultrasound cell array and the medium layer, and includes a first focusing part 610 and a second focusing part 620.
  • the first focusing part 610 is located on the ultrasonic cell, and the second focusing part 620 surrounds the first focusing part 610.
  • the first focusing part 610 and the second focusing part 620 may be formed of a medium having different speeds of sound waves.
  • each of the first focusing part 610 and the second focusing part 620 may be made of PDMS and silicon, or may be made of PDMS and air. Therefore, the ultrasonic waves radiated from the ultrasonic cells may be transmitted only through the first focusing unit 610.
  • the first focusing unit 610 may have a shape in which a width decreases closer to the medium layer 130. Therefore, the ultrasonic wave traveling in the first focusing unit 610 may be a first focusing unit ( According to the shape of 610, the closer the medium layer is, the more the pressure of the sound increases and can be focused.
  • FIG. 7 is a view for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention.
  • the tactile display device may emit ultrasonic waves in units of preset ultrasonic cell groups. That is, as described in FIG. 1, the controller may control the ultrasonic wave to be radiated in units of ultrasonic cells or to radiate the ultrasonic wave in units of preset ultrasonic cell groups as illustrated in FIG. 7.
  • the controller may control the ultrasonic wave to be radiated in units of ultrasonic cells or to radiate the ultrasonic wave in units of preset ultrasonic cell groups as illustrated in FIG. 7.
  • one ultrasonic cell forms one pixel that provides a tactile sense.
  • an ultrasonic cell group is formed.
  • One pixel is provided to provide a tactile feel.
  • FIG. 7 an embodiment in which three ultrasonic cell groups 710, 720, and 730 are set and the ultrasonic cell group includes four ultrasonic cells will be described. However, the number of ultrasonic cell groups and the number of ultrasonic cells constituting the ultrasonic cell group are described. It may vary depending on the embodiment.
  • the controller may adjust the direction of the ultrasonic radiation of the ultrasonic cells constituting the ultrasonic cell group to adjust the direction of the ultrasonic beam and the ultrasonic focal length.
  • the focal length of the ultrasonic waves 711 formed by the first ultrasonic cell groups 710 is longer than the focal lengths of the ultrasonic waves 712 and 713 formed by the second and third ultrasonic cell groups 720 and 730. The longer the difference in the radiation timing of the ultrasonic cells, the longer the focal length.
  • the directions of the ultrasonic beams formed by the first to third ultrasonic cell groups 710, 720, and 730 are different from each other. Specifically, based on the ultrasonic beam 711 formed by the first ultrasonic cell group 710, the ultrasonic beam formed by the second ultrasonic cell group 720 is deviated to the right, and the third ultrasonic cell group 730 is provided. The ultrasonic beam formed by is biased to the left. The second ultrasonic cell group 720 sequentially radiates ultrasonic waves from the leftmost ultrasonic cell, and the third ultrasonic cell group 730 sequentially radiates ultrasonic waves from the rightmost ultrasonic cells.
  • FIG. 8 is a view for explaining a tactile display device according to another embodiment of the present invention, in which the embodiments described with reference to FIGS. 6 and 7 are combined.
  • a first focusing part 810 is positioned on each ultrasonic cell group 830, and a second focusing part 820 surrounds the first focusing part 810.
  • the second focusing part 820 is represented on the upper side of the arbitrary straight line 840, and the second focusing part 820 is on the lower side. ) Is removed.
  • a medium layer is formed on the ultrasonic focusing part including the first and second focusing parts 810 and 820.
  • FIG. 9 is a view illustrating a tactile control method of a tactile display apparatus including an ultrasonic cell array according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the tactile control method according to the present invention may be performed by a controller of a tactile display apparatus.
  • the tactile display device receives the coordinate information and the tactile information of the image (S910), that is, receives the input.
  • the tactile information may include at least one of material information and depth information about the image.
  • the coordinate information may be information corresponding to the position of the ultrasonic cell.
  • the tactile display apparatus determines an ultrasonic cell to emit ultrasonic waves (S920), and adjusts the ultrasonic radiation timing or the radiation power of the ultrasonic cell in which ultrasonic radiation is determined according to the tactile information (S930).
  • Ultrasonic waves propagate inside the medium layer formed on the ultrasonic cell array, and the user may feel the touch.
  • the tactile display device may select the hatched ultrasound cell and the ultrasound cell in which dots are displayed through the coordinate information of the quadrangle images 311 and 312.
  • the ultrasonic cell for expressing the touch of the left rectangular image 311, which is a rough material may emit ultrasonic waves with a stronger power than the ultrasonic cell for expressing the touch of the right rectangular image 312, which is a smooth material.
  • the focal length formed by the ultrasonic cell for expressing the tactile sense of the right square image 312 having a relatively deep value may be longer than the focal length formed by the ultrasonic cell for expressing the tactile feel of the left rectangular image 311. .
  • the tactile display device may adjust the ultrasonic radiation timing or the radiation power in units of ultrasonic cell groups or ultrasonic cells.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating an apparatus for providing a tactile sense using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a coupling relationship between an ultrasonic transmitter and a tactile providing membrane according to an embodiment of the present invention.
  • the haptic apparatus includes an ultrasonic transmitter 1010, a tactile providing film 1020, and a controller 1030.
  • the ultrasonic transmitter 1010 radiates the ultrasonic wave 1040, and the tactile providing film 1020 vibrates by the ultrasonic wave 1040.
  • the tactile providing film 1020 vibrates by ultrasonic waves, when the user comes into contact with one surface of the tactile providing film 1020, the user may feel the touch.
  • the tactile provision film 1020 is preferably an elastic body capable of vibrating by ultrasonic energy.
  • the tactile providing film 1020 provides the same function as the medium layer 130 described in FIG. 1.
  • the controller 1030 adjusts the frequency of the ultrasonic waves so that standing waves are formed inside the tactile providing film 1020, and the ultrasonic transmitter 1010 generates ultrasonic waves according to the frequency adjusted by the controller 1030. It can radiate.
  • the tactile provision film 1020 is combined with the ultrasonic transmitter 1010 and positioned in the radial direction 2020 of the ultrasonic wave 1040. Ultrasonic waves emitted to the tactile providing film 1020 travel in the radial direction 1120 of the ultrasonic wave 1040 inside the tactile providing film 1020 and are reflected by one surface 1110 of the tactile providing film 1020. As the ultrasonic waves are reflected, the tactile providing film 1020 may vibrate.
  • a standing wave may be formed in the tactile providing film 1020 by the reflected wave, and the controller 1030 may adjust the frequency of the ultrasonic wave to allow the standing wave to be formed in the tactile providing film 1020.
  • the controller 1030 adjusts the frequency of the ultrasonic waves so that the standing wave can be continuously formed in the tactile providing film 1020.
  • ultrasonic energy when the standing wave is formed inside the tactile providing film 1020, ultrasonic energy can be efficiently converted into kinetic energy for vibrating the tactile providing film 1020. Can be reduced.
  • the ultrasonic energy can be efficiently converted into kinetic energy for vibrating the tactile providing film 1020
  • a plurality of ultrasonic transmitting units emit radiation. Even if the ultrasonic wave is not controlled to form one focal point, the ultrasonic wave can be efficiently provided to the user.
  • FIG. 12 is a view for explaining a frequency control method of the control unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 (a) is a view showing standing waves formed inside the tactile providing film 1020 in a state where the user is not in contact
  • FIGS. 12 (b) and 12 (c) show that the user's skin has a tactile providing film
  • 10 is a diagram showing standing waves formed in the tactile providing film 1020 in a state of being in contact with one surface of the 1020.
  • the arrow on the left side of the tactile providing film 1020 indicates the radiation direction of the ultrasonic waves.
  • the user contacts one surface 1210 of the tactile providing film 1020, and the ultrasonic transmitter 1010 is coupled to the other surface 1220.
  • Equation 1 When the thickness of the tactile providing film is L, the wavelength ⁇ of the standing wave formed inside the tactile providing film can be calculated as shown in [Equation 1].
  • Equation 1 n is a natural number and may be determined according to an embodiment.
  • the speed of the ultrasonic wave can be calculated by multiplying the frequency and the wavelength of the ultrasonic wave.
  • the controller 1030 uses the speed of the ultrasonic waves propagating through the tactile providing film 1020 and the thickness of the tactile providing film 1020, so that standing waves are generated inside the tactile providing film 1020 as shown in FIG. 12A.
  • the frequency of the ultrasound can be determined so that it can be formed.
  • the controller 1030 adjusts the frequency of the ultrasonic waves so that standing waves can be formed inside the tactile providing film according to the displacement of one surface of the tactile providing film generated when the user contacts the tactile providing film.
  • the tactile providing film 1020 is an elastic body, when an external force is applied to one surface of the tactile providing film 120 by the user's contact, one surface is compressed and L is variable.
  • the controller 1030 adjusts the frequency to form a standing wave according to the distance between the ultrasonic transmitter 1010 and one surface of the tactile providing film 1020.
  • Equation 1 when L decreases, the wavelength of the standing wave should also be reduced, and the speed of the ultrasonic wave is constant, so that the controller 1030 increases the frequency of the ultrasonic wave as the wavelength of the standing wave decreases.
  • the wavelength of the standing wave may be increased as shown in FIG.
  • the controller 1030 may reduce the frequency of the ultrasonic wave by increasing the wavelength of the standing wave, whereby the standing wave may be formed inside the tactile providing film 1020.
  • the tactile provision device may further include an ultrasonic receiver for receiving ultrasonic waves reflected from one surface of the tactile providing film 1020, and the ultrasonic receiver may be configured in a module form together with the ultrasonic transmitter 1010. Can be.
  • the displacement of one surface of the tactile provision film 1020 may be estimated using ultrasonic waves reflected by one surface.
  • the controller 1030 may estimate a distance between the ultrasonic transmitter and one surface by using a time of arrival (ToA) algorithm using a time taken for the transmitted ultrasonic wave to be reflected and received.
  • ToA time of arrival
  • the controller 1030 may adjust the frequency of the ultrasonic waves according to the power of the reflected ultrasonic waves. That is, the controller 1030 may determine that the displacement of one surface of the tactile providing film is changed according to the power of the ultrasonic wave reflected and received.
  • the reflected wave shows the maximum power when the reflected ultrasonic wave is received by the ultrasonic receiver in a state overlapping the traveling wave. If the reflected ultrasonic waves do not overlap with the traveling waves, the power of the reflected waves received by mutual interference may be weakened. That is, the frequency of the ultrasonic wave when the power of the ultrasonic wave reflected from one surface of the tactile providing film becomes maximum can be viewed as an ultrasonic wave capable of forming a standing wave inside the tactile providing film 1020.
  • the ultrasonic transmitter 1010 sequentially emits ultrasonic waves whose frequency is adjusted at predetermined intervals. According to the displacement of one surface of the tactile providing film 1020, the power of the signal received by the ultrasonic receiver is changed for each frequency, and the controller 1030 sets the frequency of the ultrasonic wave representing the maximum power among the received ultrasonic waves as the frequency for forming the standing wave. You can decide.
  • the ultrasonic transmitter 1010 may periodically radiate an ultrasonic wave for providing a touch and an ultrasonic wave for determining a standing wave frequency.
  • the standing wave can be continuously formed in the tactile providing film.
  • FIG. 13 is a view illustrating a tactile display device using ultrasonic waves according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a view of a user touching a tactile display device employing a tactile display device according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the state.
  • the haptic apparatus described in FIG. 11 may be employed in the tactile display of FIG. 13 in the form of an array.
  • the ultrasonic cell array 1310 emits or receives ultrasonic waves. At least one of the ultrasonic cells includes an ultrasonic radiator for emitting ultrasonic waves and an ultrasonic receiver for receiving reflected ultrasonic waves. That is, the ultrasonic cell may include an ultrasonic transmitter or an ultrasonic receiver, or may include both an ultrasonic transmitter and a receiver.
  • the tactile provision film 1320 is formed on the ultrasonic cell array 1310 and vibrates by ultrasonic waves to provide a tactile touch to a user who contacts one surface.
  • the controller 1330 adjusts the frequency of the ultrasonic waves so that standing waves are formed inside the tactile providing film 1320.
  • the control unit 1330 may be formed on a substrate and combined with the ultrasonic cell array 1310 or allocated and combined for each ultrasonic cell array.
  • the tactile display device has a form in which the above-described tactile providing device is arranged, and a tactile providing film is integrally provided. Therefore, the controller 1330 adjusts the frequency in the same manner as the above-described tactile provision apparatus, but adjusts the frequency for each ultrasonic cell.
  • FIG. 14 illustrates a form in which more ultrasonic cells are arranged in comparison with FIG. 13.
  • the area of the tactile providing film 1420 is large, and thus, a region where a user's contact occurs and a region where the contact is not occurred. It may be mixed on the tactile providing film, and the thickness of the tactile providing film 1420 may be reduced in the region where the contact of the user occurs. Therefore, the controller adjusts the frequency of the ultrasonic waves emitted by the ultrasonic cells 1431 to 1436 located under the region where the user has touched according to the displacement of one surface of the tactile providing film 1420.
  • the controller determines the distance between the ultrasonic cells 1431 to 1436 and one surface of the tactile providing film 1420 by using the reflected ultrasonic waves, or in consideration of the power of the ultrasonic waves that are reflected and received. 1431 to 1436 may be adjusted.
  • the ultrasonic receiver may not be included in all ultrasonic cells, but may be included only in some of the ultrasonic cells in the preset area. Only a portion of the ultrasonic cells in the preset area may sequentially emit ultrasonic waves whose frequency is adjusted at predetermined intervals to determine standing wave frequencies.
  • ultrasonic cells included in the first zone are the first to third ultrasonic cells 1431 to 1433
  • the ultrasonic cells included in the second zone are the fourth to sixth ultrasonic cells 1434 to 1436.
  • Ultrasonic receivers may be included only in the second ultrasonic cell 1432 and the fifth ultrasonic cell 1435, or only the second ultrasonic cell 1432 and the fifth ultrasonic cell 1435 may be set at predetermined intervals to determine the standing wave frequency. In this way, the frequency-controlled ultrasound may be sequentially emitted.
  • the controller may adjust the frequency of the ultrasonic waves emitted by the first to third ultrasonic cells 1431 to 1433 according to the ultrasonic signal received by the second ultrasonic cell 1432, and the ultrasonic waves received by the fifth ultrasonic cell 1435.
  • the frequency of the ultrasonic waves emitted by the fourth to sixth ultrasonic cells 1434 to 1436 may be adjusted according to the signal.
  • the controller 1330 may determine the displacement of one surface of the tactile providing film using the reflected ultrasonic waves, and detect the area where the displacement occurs as the area of the tactile providing film that the skin of the user contacts. .
  • the controller 1330 may determine an ultrasound cell to emit ultrasound from among ultrasound cells positioned under an area of the tactile providing film 1320 in contact with the user's skin. According to the number of ultrasonic cells to emit ultrasonic waves, the degree of touch felt by the user may vary, and the controller 1330 may adjust the degree of tactile feeling by adjusting the number of ultrasonic cells to emit ultrasonic waves.
  • the controller 1330 may control all or some of the ultrasonic cells 1431 to 1436 to emit ultrasonic waves, thereby adjusting the degree of tactile feeling felt by the user.
  • the kinetic energy conversion efficiency of the ultrasonic energy per ultrasonic cell can be increased, even if the phase of the ultrasonic cell is not controlled so that the focus of the ultrasonic wave emitted by the ultrasonic cell is formed as one. As a result, the user can be efficiently touched.
  • a tactile display device including a plurality of ultrasonic cells has been described as an embodiment.
  • the tactile display device may be used in a form including one ultrasonic cell.
  • the tactile display described in FIG. 11 is provided.
  • the device may be utilized as a tactile display device.
  • 15 is a view for explaining a touch providing method using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
  • the tactile provision method according to the present invention may be performed in the tactile provision device and the tactile display device described with reference to FIGS. 10 to 14.
  • the haptic apparatus radiates the ultrasonic waves to the tactile providing film by using the ultrasonic transmitting unit (S1510), and receives the ultrasonic waves reflected by one surface of the tactile providing film contacted by the user (S1520).
  • the tactile provision device adjusts the frequency of the emitted ultrasonic waves by using the reflected ultrasonic waves. At this time, the tactile providing device adjusts the frequency of the ultrasonic waves emitted to form a standing wave in the tactile providing film (S1530).
  • the haptic apparatus may adjust the frequency of the ultrasonic wave according to the distance between the ultrasonic transmitter and one surface. That is, the tactile provision device may determine the distance between the ultrasound transmitter and one surface by using the received ultrasound and adjust the frequency of the ultrasound according to the determined distance.
  • the haptic apparatus may adjust the frequency of the ultrasonic waves by using the power of the received ultrasonic waves.
  • the tactile providing apparatus may sequentially radiate ultrasonic waves whose frequency is adjusted at a predetermined interval to determine the standing wave frequency.
  • the tactile providing apparatus may output a frequency of ultrasonic waves representing the maximum power among the received ultrasonic waves. It can be determined by the frequency for standing wave formation.
  • 16 is a block diagram illustrating a device for providing a hand according to another embodiment of the present invention.
  • the haptic apparatus according to the present invention may include an ultrasonic radiator 1610 and a tactile providing film 1620.
  • the haptic apparatus according to the present invention can be employed in various devices that need to provide tactile sensations, and can be employed in tactile display apparatuses as an example.
  • the ultrasonic radiator 1610 radiates the ultrasonic wave 1630 at a preset frequency, and the tactile providing film 1620 vibrates by the ultrasonic wave 1630.
  • the tactile providing film 1620 vibrates by ultrasonic waves, when the user comes into contact with the tactile providing film 1620, the user may feel the touch.
  • the tactile provision film 1620 is preferably an elastic body capable of vibrating by ultrasonic energy.
  • the tactile provision film 1620 is formed such that one surface of the user's skin is roughened. When roughness is formed on one surface of the tactile providing film 1620, an air layer may be formed between the skin and one surface when the user's skin and the tactile providing film 1620 are in contact with each other. In comparison, a significant amount of air layer can be formed between the skin and one side. Ultrasonic energy may be converted into kinetic energy for vibrating the touch providing film 1620 by the air layer, and pain, heat, and the like, which a user may feel by ultrasonic waves, may be reduced.
  • the tactile providing film 1620 and the air layer having a large impedance difference from the skin exist between the tactile providing film 1620 and the skin, so that ultrasonic waves are reflected at the interface between the tactile providing film 1620 and the air layer and are tactile.
  • the providing film 1620 may be vibrated.
  • the ultrasonic waves may be reflected at the interface between the tactile providing layer 1620 and the air layer, thereby blocking the ultrasonic energy transmitted to the skin.
  • the amount of air is fine even when no air layer is formed between the tactile providing film 1620 and the skin or an air layer is formed.
  • the ultrasonic energy since a large proportion of the ultrasonic energy is transmitted to the skin through the tactile providing film 1620, the ultrasonic energy may not be efficiently converted into vibration energy, and the degree of pain, heat, etc. felt by the user may be increased by the ultrasonic wave. .
  • the vibration can be efficiently generated and the pain of the user can be reduced.
  • the roughness of the tactile providing film may be variously formed in a manufacturing process, and as an example, a pattern may be formed on one surface of the tactile providing film to form an air layer between the skin and one surface when the skin comes in contact with the tactile providing film. Can be. Such a pattern will be described in more detail with reference to FIGS. 18 to 22.
  • 17 is a view illustrating a tactile feel providing device according to another embodiment of the present invention.
  • the tactile providing film 1620 is coupled to the ultrasonic radiator 160 and positioned in the radial direction 1720 of the ultrasonic wave.
  • the ultrasonic radiator 1610 may be an ultrasonic transducer, and may generate and amplify the ultrasonic waves to radiate the ultrasonic waves to the tactile providing film 1620.
  • One surface of the tactile providing film 1620 that the user's skin contacts is roughly formed as described above, and may include a pattern.
  • the user touches the touch providing film 1620 using a finger or the like the user may feel the touch by the vibrating touch providing film 1620.
  • the haptic apparatus may further include a controller 1710.
  • the controller 1710 controls the frequency, intensity, and the like of the ultrasonic waves. As the frequency, intensity, and the like of the ultrasonic waves are adjusted, the vibration pattern or the vibration frequency of the tactile providing film 1620 may vary, and the user may feel various kinds of tactile senses. Can be.
  • 18 to 22 are views for explaining a pattern of a tactile providing film according to various embodiments of the present disclosure.
  • the pattern formed on the tactile provision film may be an embossed pattern as shown in FIGS. 18 to 20 or an engraved pattern as shown in FIGS. 21 and 22. Alternatively, the embossed pattern and the engraved pattern may be used together.
  • one surface of the tactile provision film includes protrusions formed in a predetermined pattern, and the protrusions may be, for example, a triangle as shown in FIG. 18, a rectangle as shown in FIG. 18, or a curved shape as shown in FIG. 20. Can be. Alternatively, various types of embossed patterns not shown in the drawings may be formed on the tactile provision film.
  • an air layer 1820 may be formed between the skin 1810 of the user and the touch providing film 1620 by the protrusion. That is, one surface of the tactile providing film 1620 and the skin 1810 may be spaced apart by the protrusion, and the air layer 1820 may be formed in the spaced space.
  • one surface of the tactile providing film may include an intaglio portion formed in a predetermined pattern.
  • the intaglio portion may be one intaglio pattern as shown in FIG. 21 or a stepped pattern as shown in FIG. 22.
  • various types of intaglio patterns not shown in the drawing may be formed on the tactile providing film, according to an embodiment.
  • 23 and 24 are views for explaining a touch providing film according to another embodiment of the present invention.
  • the tactile providing film according to the present invention may include gas or liquid medium layers 2310 and 2410 therein, such as an air cap that is commonly used as a heat insulating material or a packaging material.
  • the medium layer may be an air layer.
  • the medium layer may be formed of a single layer as shown in FIG. 23 or a plurality of layers as shown in FIG. 24, and the shape or position of the medium layer may be random.
  • an air layer is not formed between one surface of the tactile providing film and the skin, but since an air layer is formed between a part of the tactile providing film and the skin, the surface of the tactile providing film and the skin The same effect as in the case where an air layer is formed therebetween can be provided.
  • the pattern formed on one surface of the tactile provision film described in FIGS. 18 to 22 may be applied to the tactile provision film of FIGS. 23 and 24.
  • the technical contents described above may be embodied in the form of program instructions that may be executed by various computer means and may be recorded in a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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Abstract

초음파를 방사하는 초음파 셀이 어레이 형태로 배치되며, 초음파 에너지를 운동 에너지로 변환하는 매질층을 이용하여 사용자에게 촉감을 제공하는 촉감 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 촉감 디스플레이 장치는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 초음파를 방사하는 초음파 셀 어레이; 하면에서 상면 방향으로 상기 초음파가 진행하는 매질층; 및 상기 초음파 셀 어레이의 초음파 방사를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

초음파를 이용하는 촉감 제공 장치 및 촉감 디스플레이 장치
본 발명은 촉감 제공 장치 및 촉감 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치 및 촉감 디스플레이 장치에 관한 것이다.
인간이 들을 수 있는 소리가 가지는 진동수, 즉 가청 진동수(20 ~ 20,000 Hz)보다 높은 진동수를 갖는 소리를 초음파(Ultrasonic wave)라고 한다.
초음파는 사람의 귀에 들리지 않는 신호를 전달할 수 있으므로, 리모콘이나 카메라의 초점을 맞추는 용도 등에 이용된다. 또한 초음파는 파장이 짧으므로, 물체에 부딪혀 반사되어 나오는 초음파를 통해 형태를 세밀하게 파악하기 위해 많이 이용된다. 특히, 물 속에서 음파가 잘 진행한다는 점을 이용하여, 물 속의 물체나 지형을 파악하기 위해 초음파가 사용되며, 몸 속을 진단하는 용도로도 사용된다.
한편, 최근에는 초음파를 이용하여 사용자에게 자극을 제공하는 다양한 장치들이 연구 개발되고 있다. 초음파로 촉감을 제공하는 촉감 디스플레이 장치, 초음파를 이용하는 뇌자극 장치, 초음파 물리 치료기 등이 그 예이다.
일반적으로 초음파를 이용한 초음파 촉감 디스플레이의 경우, 초음파의 감쇄, 상쇄 등의 성질로 인하여 높은 물리 에너지를 유도하기 위해서는 고강도 입력 에너지와 많은 수의 초음파 트랜스듀서가 필요하다. 따라서 현재 초음파를 이용한 촉감 디스플레이는 수십개의 초음파 트랜스듀서를 배치하는 동시에 각각의 위상을 조절하여 하나의 초점을 형성하도록 하고 있다. 이를 통해 각각의 트랜스듀서로부터 나오는 물리 에너지들을 중첩시킨다.
이러한 종래의 초음파 촉감 디스플레이의 경우, 물리자극을 유도하는 하나의 초점을 형성하기 위해 수십개의 초음파 트랜스듀서를 배치하며 높은 입력 에너지를 필요로 한다. 동시에 여러 개의 초점을 형성하는데 한계를 가지고 있으며, 그 수가 제한적이고, 하나의 초점을 형성하기 위해 일정 거리가 필요하기 때문에 초음파 촉감 디스플레이로부터 일정 거리가 떨어진 곳에서만 촉각 자극을 형성 할 수 있다. 여러 개의 트랜스듀서들을 통해 하나의 초점을 형성하기 위해서는 각각의 트랜스듀서들을 동시에 제어하여 위상을 일치시켜야 하는데, 이를 위해서는 복잡한 내부 제어 회로가 필요로 하며 따라서 소형화에 한계를 가지고 있다.
본 발명은 초음파를 방사하는 초음파 셀이 어레이 형태로 배치된 촉감 디스플레이 장치 및 이러한 촉감 디스플레이 장치의 촉감 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 초음파 셀을 소형화하면서도 효과적으로 촉감을 제공할 수 있는 촉감 디스플레이 장치 및 이러한 촉감 디스플레이 장치의 촉감 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 사용자가 접촉하는 촉감 제공막 내부에서 정상파가 형성되도록 초음파의 주파수를 조절하여, 사용자에게 촉감을 제공하는 촉감 제공 장치 및 방법, 촉감 디스플레이 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 초음파 에너지를 효율적으로 진동 에너지로 변환하고, 초음파 에너지에 의해 사용자가 느낄 수 있는 통증을 저감시킬 수 있는 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 초음파를 방사하는 초음파 셀 어레이; 하면에서 상면 방향으로 상기 초음파가 진행하는 매질층; 및 상기 초음파 셀 어레이의 초음파 방사를 제어하는 제어부를 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 초음파 송신부를 이용하여 촉감 제공막으로 초음파를 방사하는 단계; 사용자가 접촉하는 상기 촉감 제공막의 일면에 의해 반사된 초음파를 수신하는 단계; 및 상기 반사된 초음파를 이용하여, 상기 촉감 제공막 내부에서 정상파가 형성되도록 방사되는 초음파의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 제공 방법을 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 초음파를 방사하는 초음파 방사부; 및 상기 초음파에 의해 진동하며, 사용자의 피부가 접촉하는 일면이 거칠도록 형성된 촉감 제공막을 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 초음파를 방사하는 초음파 셀과, 초음파 에너지를 운동 에너지로 변환하는 매질층을 이용함으로써 사용자에게 촉감을 제공할 수 있으며, 초음파 셀을 어레이 형태로 배치함으로써 보다 세밀하게 촉감 정보를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 촉감 디스플레이 상에서 촉감이 제공되는 부분을 점이 아닌 면으로 구현할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 초음파 집속부를 이용함으로써, 초음파 셀을 소형화로 구현하면서도 효율적으로 촉감 정보를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 사용자의 접촉에 따라 촉감 제공막의 일면에서 발생하는 변위에 적응적으로 초음파의 주파수를 조절함으로써, 촉감 제공막에서 지속적으로 정상파가 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 정상파를 이용하여 촉감을 제공함으로써, 초음파 에너지가 효율적으로 운동 에너지로 변환될 수 있으며, 촉감 제공을 위해 소비되는 전력이 감소될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 정상파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치를 제공함으로써, 초음파 셀당 초음파 에너지의 운동 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 초음파 셀이 방사하는 초음파의 초점이 하나로 형성되도록 초음파 셀의 위상 제어하지 않더라도, 효율적으로 사용자에게 촉감을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 일면이 거칠도록 형성된 촉감 제공막을 이용하여 피부와 촉감 제공막 사이에 공기층을 형성함으로써, 촉감을 제공하는 진동을 효율적으로 생성할 수 있으며 사용자의 통증을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치의 사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 입력된 이미지와 초음파 셀의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 셀 어레이를 포함하는 촉감 디스플레이 장치의 촉감 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치를 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 송신부와 촉감 제공막의 결합 관계를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 주파수 조절 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감 제공 장치가 채용된 촉감 디스플레이 장치에 사용자가 접촉한 상태를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 제공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 제공 장치를 나타내는 블록도이다.
도 17 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 제공 장치를 설명하는 도면이다.
도 18 내지 도 22는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 촉감 제공막의 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 제공막을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치를 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치의 사용예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1의 촉감 디스플레이 장치의 단면을 나타낸다. 도 3은 입력된 이미지와 초음파 셀의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는 기판(110), 초음파 셀 어레이(120), 매질층(130) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
기판(110) 상에는 다수의 초음파 셀이 어레이 형태로 배치된 초음파 셀 어레이(120)가 형성된다.
초음파 셀 어레이(120)는 초음파 셀 A 및 다수의 초음파 셀을 포함하며, 초음파 셀 각각은 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파를 방사한다. 초음파 셀은 구면파 또는 평면파 형태의 초음파를 방사할 수 있다.
도 1에서는 가로 8개, 세로 8개 형태의 초음파 셀 어레이가 일실시예로서 도시되나, 초음파 셀의 개수는 촉감 디스플레이 장치의 크기에 따라서 변경될 수 있다. 또한 도 1에서는 초음파 셀들이 접촉한 형태의 초음파 셀 어레이(120)가 도시되나, 실시예에 따라서 초음파 셀들은 도 2에 도시된 바와 같이, 기 설정된 간격만큼 이격된 형태로 배치될 수 있다.
초음파 셀로부터 방사된 초음파는 매질층(130) 내부를 진행하며, 매질층(130)의 하면(131)에서 상면(132) 방향으로 초음파가 진행한다. 실시예에 따라서, 기판(110)은 초음파 셀 어레이(120)의 전체 면적보다 넓을 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 매질층(130)은 기판(110)으로부터 돌출된 초음파 셀 어레이를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또는 도 1에 도시된 바와 같이, 매질층(130)은 초음파 셀 어레이 상에 형성될 수 있다.
초음파 셀로부터 초음파가 방사될 때, 사용자가 매질층(130)의 상면(132)에 손가락 등을 접촉하면 촉감을 느낄 수 있다. 초음파 에너지가 운동 에너지로 변환되면서, 사용자는 촉감을 느낄 수 있다.
매질층(130) 내부를 진행하는 초음파의 일부는 매질층의 상면에 의해 반사되며, 일부는 매질층에 접촉된 사용자의 피부로 전달된다. 초음파의 반사에 의해 매질층이 진동하면서, 사용자는 촉감을 느낄 수 있으며, 또한 사용자의 접촉 피부와 매질층 사이의 공기층과 매질층의 임피던스 차이에 의해 초음파 에너지가 운동 에너지로 변환되며 사용자는 촉감을 느낄 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 셀 어레이 중에서 제1 내지 제4초음파 셀(210 내지 240)이 초음파를 방사하며, 사용자가 초음파를 방사하는 초음파 셀 상(210 내지 240)의 매질층(130)의 상면(132)에 손가락(250)을 접촉하고 있는 경우, 초음파에 의해 사용자는 촉감을 느낄 수 있다. 이미지의 색상 정보가 화소 단위로 제공되는 것과 유사하게, 사용자가 매질층(130)에서 촉감을 느끼는 지점(251 내지 254)이 촉감 정보가 전달되는 화소에 대응된다고 볼 수 있다. 촉감 정보를 제공하는 관점에서, 초음파 셀의 크기, 배치 개수에 따라서 촉감 디스플레이 장치의 해상도는 달라질 수 있다.
매질층(130)은 초음파 에너지에 의해 진동할 수 있는 탄성체일 수 있으며, 일실시예로서 2mm 정도의 두께의 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 제조될 수 있다. PDMS 이외에도, 실리콘, 아크릴, 플라스틱 등이 매질층(130)으로 이용될 수 있다.
제어부는 초음파 셀 어레이의 초음파 방사를 제어하며, 기판 상에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부는 초음파 셀 어레이에서, 초음파를 방사할 초음파 셀을 선택하며, 초음파 셀이 방사하는 초음파의 방사 파워를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는 이미지 형태의 정보를 촉각 형태로 변환하여 표현할 수 있으며, 이 경우, 초음파를 방사하는 초음파 셀이 촉감 정보를 전달하는 화소에 대응된다. 그리고 초음파의 방사 파워는 이미지의 재질을 표현할 수 있다.
일예로서 도 3을 참조하여 설명하면, 도 3의 이미지(310)에 표시된 2개의 사각형 중, 좌측 사각형(311)은 거친 재질의 이미지이다. 우측 사각형(312)는 매끄러운 재질의 이미지이다. 이러한 이미지(310)에 대해 제어부는, 좌측 사각형(311)에 대한 촉감 정보를 전달하기 위해 초음파 셀 어레이(120)에서, 빗금친 12개의 초음파 셀들을 제1초음파 방사 셀로 선택한다. 그리고 제어부는 우측 사각형(312)에 대한 촉감 정보를 전달하기 위해, 검은 점이 표시된 8개의 초음파 셀들을 제2초음파 방사 셀로 선택한다. 또한 제어부는 좌측 사각형(311)과 우측 사각형(312)의 재질이 서로 다르므로, 제1초음파 방사 셀과 제2초음파 방사 셀의 초음파 방사 파워를 서로 다르게 조절한다.
만일, 좌측 사각형(311)이나 우측 사각형(312) 내에서도 재질이 다른 부분이 존재한다면, 제어부는 제1초음파 방사 셀이나 제2초음파 방사 셀에 포함되는 초음파 셀 각각의 방사 파워를 서로 다르게 조절함으로써, 하나의 이미지 객체에 대한 촉감 정보를 보다 세밀하게 사용자에게 제공할 수 있다.
사용자가 매질층(130)에 손가락 등을 접촉하여 움직이면, 좌측 사각형(311)이나 우측 사각형(312)의 재질을 느낄 수 있다. 또는 사용자가 매질층(130)에 손가락 등을 접촉하되 손가락 등을 움직이지 않고 고정시킨 상태에서, 좌측 사각형(311)이나 우측 사각형(312)이 이동하는 촉감을 사용자에게 제공하기 위해서, 좌측 사각형(311)이나 우측 사각형(312)에 대응되는 제1 및 제2초음파 방사 셀은 시간의 흐름에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 좌측 사각형(311)이 우측으로 이동하는 촉감을 사용자에게 제공하기 위해서, 제어부는 시간의 흐름에 따라 우측 방향으로 순차적으로 제1초음파 방사 셀을 선택할 수 있다.
제어부의 구체적인 제어 방법은 이하 도면에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
결국 본 발명에 따르면, 초음파를 방사하는 초음파 셀과, 초음파 에너지를 운동 에너지로 변환하는 매질층을 이용함으로써 사용자에게 촉감을 제공할 수 있으며, 초음파 셀을 어레이 형태로 배치함으로써 보다 세밀하게 촉감 정보를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는, 게임, 영화 또는 장애인을 위해 촉감을 제공하는 촉감 피드백 장치로 활용될 수 있으며, 영상 디스플레이 장치와 결합되어 촉감 정보와 영상 정보를 동시에 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는 초음파 셀 어레이 상에 위치하며, 초음파를 집속하는 초음파 집속부(410, 510)를 더 포함한다. 전술된 초음파 셀들은 보다 정밀한 촉감 정보 제공을 위해 소형화된 형태로, 제공되는 것이 바람직한데, 이 경우 초음파의 출력을 향상시키는데 한계가 있다.
따라서 본 발명은 초음파의 출력을 증가시키지 않으면서 초음파의 출력이 증가되는 경우와 동일한 효과를 제공하기 위해 초음파 집속부를 이용한다. 초음파 집속부에 의해 초음파 에너지가 분산되지 않고 집중될 수 있으므로, 작은 초음파 출력으로도 효과적으로 촉감을 제공할 수 있다.
일실시예로서, 초음파 집속부(410)의 음파의 굴절률은 매질층의 굴절률과 상이하다. 잘 알려진 바와 같이, 굴절률의 차이에 의해 파동인 음파의 진행 방향이 변경될 수 있으며, 따라서, 초음파 집속부를 통과한 초음파는 초음파 집속부와 굴절률이 상이한 매질층에 이르러 진행 방향이 변경될 수 있으며 결국, 초음파가 한곳으로 집중될 수 있다.
다른 실시예로서, 초음파 집속부는 굴절률과 별개로 초음파가 집중될 수 있는 형상일 수 있다. 일실시예로서, 초음파 집속부는 도 5에 도시된 바와 같이 볼록한 형태의 음향 렌즈(510)일 수 있다. 이 때 음향 렌즈(510)는 매질층의 굴절률과 상이할 필요가 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만 초음파 셀에서 초음파가 방사되는 일면의 형상을 이용하여 초음파를 집속시킬 수도 있다. 초음파 셀에서 초음파가 방사되는 일면이 초음파 셀의 내부 방향으로 들어간 오목한 형태인 경우, 오목 거울에 반사된 빛이 한 곳으로 모이는 원리와 유사하게 초음파가 집속될 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 초음파 집속부를 이용함으로써, 초음파 셀을 소형화로 구현하면서도 효율적으로 촉감 정보를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 초음파 집속부(600)는 초음파 셀 어레이와 매질층 사이에 위치하며, 제1집속부(610) 및 제2집속부(620)를 포함한다.
제1집속부(610)는 초음파 셀 상에 위치하며, 제2집속부(620)는 제1집속부(610)를 둘러싸는 형태이다. 제1집속부(610)와 제2집속부(620)는 진행하는 음파의 속도가 서로 다른 매질로 이루어질 수 있다. 일예로서, 제1집속부(610) 및 제2집속부(620) 각각은 PDMS 및 실리콘으로 이루어지거나 또는 PDMS 및 공기로 이루어질 수 있다. 따라서 초음파 셀에서 방사되는 초음파는 제1집속부(610)를 통해서만 전달될 수 있다.
제1집속부(610)는 일실시예로서, 매질층(130)에 가까울수록 폭이 감소하는 형태일 수 있으며, 따라서 제1집속부(610)의 내부를 진행하는 초음파는 제1집속부(610)의 형태에 따라 매질층에 가까워질수록 음향의 압력이 증대되며 집속될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는 기 설정된 초음파 셀 그룹 단위로 초음파를 방사할 수 있다. 즉, 제어부는 도 1에서 설명된 바와 같이, 초음파 셀 단위로 초음파가 방사되도록 제어하거나 또는 도 7과 같이 기 설정된 초음파 셀 그룹 단위로 초음파가 방사되되도록 제어할 수 있다. 초음파 셀 단위로 초음파가 방사될 경우, 도 1에서 설명된 바와 같이, 하나의 초음파 셀이 촉감을 제공하는 하나의 화소를 형성하며, 초름파 셀 그룹 단위로 초음파가 방사될 경우, 초음파 셀 그룹이 촉감을 제공하는 하나의 화소를 형성한다.
도 7에서는 3개의 초음파 셀 그룹(710, 720, 730)이 설정되고, 초음파 셀 그룹이 4개의 초음파 셀로 구성된 실시예가 설명되나, 초음파 셀 그룹의 개수 및 초음파 셀 그룹을 구성하는 초음파 셀의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
제어부는 초음파 셀 그룹을 구성하는 초음파 셀의 초음파 방사 시점을 조절하여, 초음파 빔의 방향과 초음파 초점 거리를 조절할 수 있다. 도 7에서 제1초음파 셀 그룹(710)에 의해 형성된 초음파(711)의 초점 거리는 제2 및 제3초음파 셀 그룹(720, 730)에 의해 형성된 초음파(712, 713)의 초점 거리보다 길다. 초음파 셀들의 방사 시점의 차이가 길어질수록 초점 거리는 길어질 수 있다.
그리고 제1 내지 제3초음파 셀 그룹(710, 720, 730)에 의해 형성된 초음파 빔의 방향은 서로 다르다. 구체적으로 제1초음파 셀 그룹(710)에 의해 형성된 초음파 빔(711)을 기준으로, 제2초음파 셀 그룹(720)에 의해 형성된 초음파 빔은 오른쪽으로 치우쳐저 있으며, 제3초음파 셀 그룹(730)에 의해 형성된 초음파 빔은 왼쪽으로 치우쳐 형성된다. 제2초음파 셀 그룹(720)은 가장 좌측의 초음파 셀부터 순차적으로 초음파를 방사하며, 제3초음파 셀 그룹(730)은 가장 우측의 초음파 셀부터 초음파를 순차적으로 방사한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6 및 도 7에서 설명된 실시예가 결합된 형태이다.
도 8에서, 각각의 초음파 셀 그룹(830) 상에 제1집속부(810)가 위치하며, 제2집속부(820)는 제1집속부(810)를 둘러싼다. 도 8에서는 제1집속부(810)의 형상을 노출시켜 표현하기 위해, 임의의 직선(840)을 기준으로 위쪽에는 제2집속부(820)가 표현되어 있으며, 아래쪽에는 제2집속부(820)가 제거되어 있다.
제1 및 제2집속부(810, 820)를 포함하는 초음파 집속부 상에 매질층이 형성된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 셀 어레이를 포함하는 촉감 디스플레이 장치의 촉감 제어 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명에 따른 촉감 제어 방법은 촉감 디스플레이 장치의 제어부에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는 이미지의 좌표 정보 및 촉감 정보를 수신(S910) 즉, 입력받는다. 촉감 정보는 이미지에 대한 재질 정보 및 깊이 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 좌표 정보는 초음파 셀의 위치에 대응되는 정보일 수 있다.
촉감 디스플레이 장치는 좌표 정보에 따라서, 초음파를 방사할 초음파 셀을 결정(S920)하며, 촉감 정보에 따라서, 초음파 방사가 결정된 초음파 셀의 초음파 방사 시점 또는 방사 파워를 조절(S930)한다. 초음파는 초음파 셀 어레이 상에 형성된 매질층 내부를 진행하고, 사용자는 촉감을 느낄 수 있다.
도 3을 참조하면, 사각형 이미지(311, 312)에 대한 좌표 정보를 통해 촉감 디스플레이 장치는 빗금친 초음파 셀과 점이 표시된 초음파 셀을 선택할 수 있다. 그리고 거친 재질인 좌측 사각형 이미지(311)의 촉감을 표현하기 위한 초음파 셀은 매끈한 재질인 우측 사각형 이미지(312)의 촉감을 표현하기 위한 초음파 셀보다 강한 파워로 초음파를 방사할 수 있다. 그리고 또한 상대적으로 깊이 값이 큰 우측 사각형 이미지(312)의 촉감을 표현하기 위한 초음파 셀이 형성하는 초점 거리는 좌측 사각형 이미지(311)의 촉감을 표현하기 위한 초음파 셀이 형성하는 초점 거리보다 길 수 있다.
다시 도 9로 돌아가, 단계 S930에서 촉감 디스플레이 장치는 기 설정된 초음파 셀 그룹 단위 또는 초음파 셀 단위로 초음파 방사 시점 또는 방사 파워를 조절할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치를 나타내는 블록도이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 송신부와 촉감 제공막의 결합 관계를 도시하는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 초음파 송신부(1010), 촉감 제공막(1020) 및 제어부(1030)를 포함한다.
초음파 송신부(1010)는 초음파(1040)를 방사하며, 촉감 제공막(1020)은 초음파(1040)에 의해 진동한다.
촉감 제공막(1020)이 초음파에 의해 진동함으로써, 사용자가 촉감 제공막(1020)의 일면에 접촉하면 촉감을 느낄 수 있다. 촉감 제공막(1020)은 초음파 에너지에 의해 진동할 수 있는 탄성체인 것이 바람직하다. 촉감 제공막(1020)은 도 1에서 설명된 매질층(130)과 동일한 기능을 제공한다.
제어부(1030)는 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파(standing wave)가 형성되도록, 초음파의 주파수를 조절하며, 초음파 송신부(1010)는 제어부(1030)에 의해 조절된 주파수에 따른 초음파를 생성하여 방사할 수 있다.
촉감 제공막(1020)은 초음파 송신부(1010)와 결합되어, 초음파(1040)의 방사 방향(2020)에 위치한다. 촉감 제공막(1020)으로 방사되는 초음파는 촉감 제공막(1020) 내부에서 초음파(1040)의 방사 방향(1120)으로 진행하고, 촉감 제공막(1020)의 일면(1110)에 의해 반사된다. 초음파가 반사되면서 촉감 제공막(1020)이 진동할 수 있다.
그리고 이러한 반사파에 의해 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파가 형성될 수 있는데, 제어부(1030)는 초음파의 주파수를 조절함으로써, 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파가 형성될 수 있도록 한다. 사용자가 촉감 제공막(1020)에 접촉할 경우, 촉감 제공막(1020)의 두께가 변하며, 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파가 형성되기 위해서는 촉감 제공막(1020)의 두께에 따라서 초음파의 주파수가 가변될 필요가 있기 때문에, 제어부(1030)는 촉감 제공막(1020) 내부에서 지속적으로 정상파가 형성될 수 있도록 초음파의 주파수를 조절한다.
촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파가 형성될 경우, 초음파 에너지가 효율적으로 촉감 제공막(1020)을 진동시키는 운동 에너지로 변환될 수 있기 때문에, 본 발명에 따르면, 촉감 제공을 위해 소비되는 전력이 감소될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 초음파 에너지가 효율적으로 촉감 제공막(1020)을 진동시키는 운동 에너지로 변환될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 촉감 제공 장치가 촉감 디스플레이 장치에 적용될 경우, 복수의 초음파 송신부가 방사하는 초음파가 하나의 초점을 형성하도록 제어하지 않더라도, 사용자에게 효율적으로 촉감을 제공할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 주파수 조절 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12(a)는 사용자가 접촉하지 않은 상태에서 촉감 제공막(1020) 내부에 형성되는 정상파를 도시하는 도면이며, 도 12(b) 및 도 12(c)는 사용자의 피부가 촉감 제공막(1020)의 일면에 접촉한 상태에서 촉감 제공막(1020) 내부에 형성되는 정상파를 도시하는 도면이다. 도 12에서 촉감 제공막(1020) 좌측의 화살표는 초음파의 방사 방향을 나타낸다. 촉감 제공막(1020)의 일면(1210)에 사용자가 접촉하며, 타면(1220)에 초음파 송신부(1010)가 결합된다.
도 12에서는 이해를 돕기 위해, 촉감 제공막의 실제 두께, 초음파의 실제 주파수 및 파장 등을 고려하지 않고, 개념적으로 설명하기로 한다.
촉감 제공막의 두께가 L이라고 할 때, 촉감 제공막 내부에 형성되는 정상파의 파장(λ)은 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 n은 자연수로서 실시예에 따라서 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2017007165-appb-M000001
그리고, 초음파의 속도는 초음파의 주파수와 파장의 곱셈으로 계산될 수 있다.
따라서, 제어부(1030)는 촉감 제공막(1020)에서 진행하는 초음파의 속도와, 촉감 제공막(1020)의 두께를 이용하여, 도 12(a)와 같이 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파가 형성될 수 있도록 초음파의 주파수를 결정할 수 있다.
[수학식 1]에 따르면, L이 가변할 경우, 정상파의 파장이 변할 수 있고, 초음파의 속도는 일정하므로, 따라서 L의 변화에 따라 초음파의 주파수를 조절할 필요가 있다. 따라서, 제어부(1030)는, 사용자가 촉감 제공막에 접촉할 때 발생하는 촉감 제공막의 일면의 변위에 따라서, 촉감 제공막 내부에서 정상파가 형성될 수 있도록 초음파의 주파수를 조절한다. 전술된 바와 같이, 촉감 제공막(1020)은 탄성체이며, 따라서, 사용자의 접촉에 의해 촉감 제공막(120)의 일면에 외력이 가해지면, 일면이 압축되고 L이 가변되기 때문이다.
도 12(b) 및 도 12(c)를 참조하여 설명하면, 사용자의 피부가 촉감 제공막(1020)의 일면에 접촉하면, 일면이 압축되고, 따라서 초음파가 반사되는 촉감 제공막의 일면과, 초음파 송신부 사이의 거리(L)가 감소한다. 이에, 제어부(1030)는 초음파 송신부(1010)와 촉감 제공막(1020) 일면의 거리에 따라서, 정상파가 형성될 수 있도록 주파수를 조절한다.
[수학식 1]에 따라서, L이 감소하면, 정상파의 파장도 감소되어야 하며, 초음파의 속도는 일정하므로, 제어부(1030)는 정상파의 파장이 감소하는만큼 초음파의 주파수를 증가시킨다.
또는 [수학식 1]에 따라서, L이 감소하더라도 n이 함께 감소하는 경우, 도 12(b)와 같이 정상파의 파장이 증가될 수 있다. 이 때 제어부(1030)는 정상파의 파장이 증가하는만큼 초음파의 주파수를 감소시킴으로써, 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는, 촉감 제공막(1020)의 일면에서 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신부를 더 포함할 수 있으며, 초음파 수신부는 초음파 송신부(1010)와 함께 모듈 형태로 구성될 수 있다.
그리고 촉감 제공막(1020) 일면의 변위는, 일면에 의해 반사되는 초음파를 이용하여 추정될 수 있다. 일실시예로서, 제어부(1030)는 송신된 초음파가 반사되어 수신되는데까지 걸리는 시간을 이용하는 ToA(Time of Arrival) 알고리즘을 이용하여, 초음파 송신부와 일면의 거리를 추정할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 제어부(1030)는 반사되는 초음파의 파워에 따라서 초음파의 주파수를 조절할 수 있다. 즉, 제어부(1030)는 반사되어 수신되는 초음파의 파워에 따라서 촉감 제공막의 일면의 변위가 달라지는 것으로 판단할 수 있다.
정상파는 주파수와 진폭이 동일한 진행파와 반사파가 중첩하여 형성되기 때문에, 반사되는 초음파가 진행파와 중첩된 상태로 초음파 수신부에 의해 수신될 때 최대 파워를 나타낸다. 반사되는 초음파가 진행파와 중첩되지 않으면, 상호 간섭에 의해 수신되는 반사파의 파워가 약해질 수 있다. 즉, 촉감 제공막의 일면에서 반사된 초음파의 파워가 최대가 될 때의 초음파의 주파수를, 촉감 제공막(1020) 내부에서 정상파를 형성시킬 수 있는 초음파로 볼 수 있다.
이에 초음파 송신부(1010)는, 기 설정된 간격으로 주파수가 조절된 초음파를 순차적으로 방사한다. 촉감 제공막(1020) 일면의 변위에 따라서 초음파 수신부에 수신되는 신호의 파워가 주파수 별로 달라지며, 제어부(1030)는 수신된 초음파 중, 최대 파워를 나타내는 초음파의 주파수를, 정상파 형성을 위한 주파수로 결정할 수 있다.
초음파 송신부(1010)는 촉감 제공을 위한 초음파와 정상파 주파수 결정을 위한 초음파를 주기적으로 방사할 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, 사용자의 접촉에 따라 촉감 제공막의 일면에서 발생하는 변위에 적응적으로 초음파의 주파수를 조절함으로써, 촉감 제공막에서 지속적으로 정상파가 형성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 촉감 제공 장치가 채용된 촉감 디스플레이 장치에 사용자가 접촉한 상태를 도시한 도면이다.
도 11에서 설명된 촉감 제공 장치는, 어레이 형태로 도 13의 촉감 디스플레이 장치에 채용될 수 있다.
초음파 셀 어레이(1310)는 초음파를 방사 또는 수신한다. 초음파 셀 중 적어도 하나는 초음파를 방사하는 초음파 방사부 및 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신부를 포함한다. 즉, 초음파 셀에는 초음파 송신부가 포함되거나 초음파 수신부가 포함될 수 있으며, 또는 초음파 송신부와 수신부가 모두 포함될 수 있다.
촉감 제공막(1320)은 초음파 셀 어레이(1310) 상에 형성되며, 초음파에 의해 진동하여, 일면에 접촉하는 사용자에게 촉감을 제공한다.
제어부(1330)는 촉감 제공막(1320) 내부에서 정상파가 형성되도록, 초음파의 주파수를 조절한다. 제어부(1330)는 실시예에 따라서, 기판 상에 형성되어 초음파 셀 어레이(1310)와 결합되거나 또는 초음파 셀 어레이 별로 할당되어 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 촉감 디스플레이 장치는 전술된 촉감 제공 장치가 배열된 형태이되, 촉감 제공막이 일체형으로 제공되는 형태이다. 따라서, 제어부(1330)는 전술된 촉감 제공 장치와 동일한 방법으로 주파수를 조절하되, 초음파 셀 별로 주파수를 조절한다.
도 14는 도 13과 비교하여 보다 많은 초음파 셀이 배치된 형태를 도시하고 있는데, 도 14에 도시된 바와 같이, 촉감 제공막(1420)의 면적이 넓으므로 사용자의 접촉이 발생한 영역과 그렇지 않은 영역이 촉감 제공막 상에 혼재할 수 있으며, 사용자의 접촉이 발생한 영역에서, 촉감 제공막(1420)의 두께가 감소할 수 있다. 따라서, 제어부는 사용자의 접촉이 발생한 영역 하부에 위치한 초음파 셀(1431 내지 1436)이 방사하는 초음파의 주파수를 촉감 제공막(1420)의 일면의 변위에 따라서 조절한다.
제어부는 전술된 바와 같이, 반사되는 초음파를 이용하여 초음파 셀(1431 내지 1436)과 촉감 제공막(1420)의 일면 사이의 거리를 판단하거나, 반사되어 수신되는 초음파의 파워를 고려하여, 초음파 셀(1431 내지 1436)의 주파수를 조절할 수 있다.
이 때, 초음파 셀이 매우 작게 형성된다고 하면, 사용자의 접촉이 발생한 영역에 위치한 대부분의 초음파 셀과 촉감 제공막의 일면 사이의 거리는 큰 차이가 없으므로, 모든 초음파 셀이 반사되는 초음파를 수신하여 모든 초음파 셀별로 거리 또는 파워를 판단하는 것은 비효율적일 수 있다. 따라서, 실시예에 따라서 초음파 수신부는 모든 초음파 셀에 포함되지 않고, 기 설정된 구역 내의 초음파 셀 중 일부에만 포함될 수 있다. 기 설정된 구역 내의 초음파 셀 중 일부만, 정상파 주파수 결정을 위해, 기 설정된 간격으로 주파수가 조절된 초음파를 순차적으로 방사할 수 있다.
예를 들어, 제1구역에 포함된 초음파 셀이 제1 내지 제3초음파 셀(1431 내지 1433)이며, 제2구역에 포함된 초음파 셀이 제4 내지 제6초음파 셀(1434 내지 1436)인 경우, 제2초음파 셀(1432) 및 제5초음파 셀(1435)에만 초음파 수신부가 포함될 수 있으며, 또는 제2초음파 셀(1432) 및 제5초음파 셀(1435)만 정상파 주파수 결정을 위해, 기 설정된 간격으로 주파수가 조절된 초음파를 순차적으로 방사할 수 있다.
제어부는 제2초음파 셀(1432)에서 수신된 초음파 신호에 따라 제1 내지 제3초음파 셀(1431 내지 1433)이 방사하는 초음파의 주파수를 조절할 수 있으며, 제5초음파 셀(1435)에서 수신된 초음파 신호에 따라 제4 내지 제6초음파 셀(1434 내지 1436)이 방사하는 초음파의 주파수를 조절할 수 있다.
다시 도 13으로 돌아가, 제어부(1330)는 반사되는 초음파를 이용하여, 촉감 제공막의 일면의 변위를 판단할 수 있고, 변위가 발생한 영역을 사용자의 피부가 접촉한 촉감 제공막의 영역으로 검출할 수 있다.
제어부(1330)는 사용자의 피부가 접촉한 촉감 제공막(1320)의 영역 아래에 위치한 초음파 셀들 중에서, 초음파를 방사할 초음파 셀을 결정할 수 있다. 초음파를 방사할 초음파 셀의 개수에 따라서, 사용자가 느끼는 촉감의 정도가 달라질 수 있으며, 제어부(1330)는 초음파를 방사할 초음파 셀의 개수를 조절함으로써, 촉감의 정도를 조절할 수 있다.
도 14를 참조하면, 예를 들어, 제어부(1330)는 초음파 셀(1431 내지 1436) 모두 또는 그 중 일부가 초음파를 방사하도록 제어함으로써, 사용자가 느끼는 촉감의 정도를 조절할 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, 정상파를 이용하여 촉감을 제공함으로써, 초음파 셀당 초음파 에너지의 운동 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있으므로, 초음파 셀이 방사하는 초음파의 초점이 하나로 형성되도록 초음파 셀의 위상 제어하지 않더라도, 효율적으로 사용자에게 촉감을 제공할 수 있다.
한편, 도 13에서는 복수의 초음파 셀을 포함하는 촉감 디스플레이 장치가 일실시예로서 설명되었는데, 촉감 디스플레이 장치는 하나의 초음파 셀을 포함하는 형태로 사용될 수도 있으며, 이 경우, 도 11에서 설명된 촉감 제공 장치가 촉감 디스플레이 장치로 활용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용하는 촉감 제공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 촉감 제공 방법은 도 10 내지 도 14에서 설명된 촉감 제공 장치 및 촉감 디스플레이 장치에서 수행될 수 있으며, 이하에서는 촉감 제공 장치의 촉감 제공 방법이 일실시예로서 설명된다.
본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 초음파 송신부를 이용하여 촉감 제공막으로 초음파를 방사(S1510)하고, 사용자가 접촉하는 촉감 제공막의 일면에 의해 반사된 초음파를 수신(S1520)한다.
그리고 촉감 제공 장치는 반사된 초음파를 이용하여, 방사되는 초음파의 주파수를 조절한다. 이 때, 촉감 제공 장치는 촉감 제공막 내부에서 정상파가 형성되도록 방사되는 초음파의 주파수를 조절(S1530)한다.
일실시예로서, 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 초음파 송신부와 일면 사이의 거리에 따라서 초음파의 주파수를 조절할 수 있다. 즉, 촉감 제공 장치는 수신된 초음파를 이용하여, 초음파 송신부와 일면 사이의 거리를 판단하고, 판단된 거리에 따라서, 초음파의 주파수를 조절할 수 있다.
또는 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 다른 실시예로서, 수신된 초음파의 파워를 이용하여 초음파의 주파수를 조절할 수 있다. 단계 S1510에서 촉감 제공 장치는 정상파 주파수 결정을 위해 기 설정된 간격으로 주파수가 조절된 초음파를 순차적으로 방사할 수 있으며, 단계 S1530에서 촉감 제공 장치는 수신된 초음파 중, 최대 파워를 나타내는 초음파의 주파수를, 정상파 형성을 위한 주파수로 결정할 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 제공 장치를 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 초음파 방사부(1610) 및 촉감 제공막(1620)을 포함한다. 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 촉감을 제공할 필요가 있는 다양한 디바이스에 채용될 수 있으며, 일예로서 촉감 디스플레이 장치에 채용될 수 있다.
초음파 방사부(1610)는 기 설정된 주파수의 초음파(1630)를 방사하며, 촉감 제공막(1620)은 초음파(1630)에 의해 진동한다.
촉감 제공막(1620)이 초음파에 의해 진동함으로써, 사용자가 촉감 제공막(1620)에 접촉하면 촉감을 느낄 수 있다. 촉감 제공막(1620)은 초음파 에너지에 의해 진동할 수 있는 탄성체인 것이 바람직하다.
촉감 제공막(1620)은 사용자의 피부가 접촉하는 일면이 거칠도록 형성된다. 촉감 제공막(1620)의 일면에 조도(roughness)가 형성됨으로써, 사용자의 피부와 촉감 제공막(1620)이 접촉할 때, 피부와 일면 사이에 공기층이 형성될 수 있으며, 조도가 형성되지 않는 경우와 비교하여 피부와 일면 사이에 상당한 양의 공기층이 형성될 수 있다. 이러한 공기층에 의해 초음파 에너지가 효율적으로 촉감 제공막(1620)을 진동시키는 운동 에너지로 변환될 수 있고, 초음파에 의해 사용자가 느낄 수 있는 통증, 열 등이 저감될 수 있다.
다시 설명하면, 촉감 제공막(1620) 및 피부와 임피던스 차이가 많이 나는 공기층이, 촉감 제공막(1620) 및 피부 사이에 존재함으로써, 초음파가 촉감 제공막(1620) 및 공기층의 경계면에서 반사되며 촉감 제공막(1620)을 진동시킬 수 있다. 그리고 초음파가 촉감 제공막(1620) 및 공기층의 경계면에서 반사됨으로써, 피부로 전달되는 초음파 에너지가 차단될 수 있다.
하지만, 촉감 제공막(1620)에 조도가 형성되지 않고 촉감 제공막(1620)의 일면이 매끄러우면, 촉감 제공막(1620)과 피부 사이에 공기층이 형성되지 않거나 공기층이 형성되더라도 공기양이 미세하여, 초음파 에너지 중 상당 비율이 촉감 제공막(1620)을 투과하여 피부로 전달되기 때문에, 초음파 에너지가 효율적으로 진동 에너지로 변환되지 못하며, 초음파에 의해 사용자가 느끼는 통증, 열 등의 정도가 심해질 수 있다.
이러한 현상은 공기 중으로 방사된 초음파가, 공기와 매질 특성이 상이한 벽이나 물체 등에 의해 반사되는 원리로 설명될 수 있다. 피부와 촉감 제공막(1620)은 매질 특성이 유사하기 때문에 피부와 촉감 제공막(1620) 사이에 공기층이 존재하지 않으면, 초음파 에너지가 촉감 제공막(1620)을 투과하여 피부로 전달되지만, 피부와 촉감 제공막(1620) 사이에 공기층이 존재하면, 초음파 에너지가 촉감 제공막(1620)을 투과하지 못하고, 공기층에 의해 반사되기 때문에 촉감 제공막(1620)의 진동 에너지가 더욱 증가할 수 있고, 피부로 전달되는 초음파 에너지 역시 감소할 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, 일면이 거칠도록 형성된 촉감 제공막을 이용하여 피부와 촉감 제공막 사이에 공기층을 형성함으로써, 효율적으로 진동을 생성할 수 있으며 사용자의 통증을 저감시킬 수 있다.
촉감 제공막의 조도는 제조 공정상 다양하게 형성될 수 있으며, 일실시예로서, 촉감 제공막의 일면에는, 피부와 촉감 제공막 일면의 접촉시 피부와 일면 사이에 공기층이 형성될 수 있는 패턴이 형성될 수 있다. 이러한 패턴에 대해서는 도 18 내지 도 22에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 17 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 제공 장치를 설명하는 도면이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 촉감 제공막(1620)은 초음파 방사부(160)와 결합되며, 초음파의 방사 방향(1720)에 위치한다. 초음파 방사부(1610)는 초음파 트랜스듀서일 수 있으며, 초음파를 생성 및 증폭하여 촉감 제공막(1620)으로 초음파를 방사할 수 있다.
사용자의 피부가 접촉하는 촉감 제공막(1620)의 일면은 전술된 바와 같이, 거칠게 형성되며, 패턴을 포함할 수 있다. 사용자가 손가락 등을 이용하여 촉감 제공막(1620)을 접촉하면, 진동하는 촉갑 제공막(1620)에 의해 촉감을 느낄 수 있다.
실시예에 따라서, 본 발명에 따른 촉감 제공 장치는 제어부(1710)를 더 포함할 수 있다.
제어부(1710)는 초음파의 주파수, 세기 등을 제어하며, 초음파의 주파수, 세기 등이 조절됨에 따라 촉감 제공막(1620)의 진동 패턴이나 진동 주파수가 달라질 수 있으며, 사용자는 다양한 종류의 촉감을 느낄 수 있다.
도 18 내지 도 22는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 촉감 제공막의 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
촉감 제공막에 형성되는 패턴은 도 18 내지 20과 같은 양각 패턴이거나 도 21 및 도 22와 같은 음각 패턴일 수 있다. 또는 양각 패턴과 음각 패턴이 함께 사용될 수도 있다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 촉감 제공막의 일면은 기 설정된 패턴으로 형성된 돌출부를 포함하며, 이러한 돌출부는 일실시예로서 도 18과 같은 삼각형, 도 19와 같은 사각형 또는 도 20과 같은 곡면 형상일 수 있다. 또는 실시예에 따라서, 도면에 도시되지 않은 다양한 형태의 양각 패턴이 촉감 제공막에 형성될 수도 있다.
도 18을 참조하면, 돌출부에 의해 사용자의 피부(1810)와 촉감 제공막(1620) 사이에 공기층(1820)이 형성될 수 있다. 즉, 돌출부에 의해 촉감 제공막(1620)의 일면과 피부(1810) 사이가 이격될 수 있고, 이격된 공간에 공기층(1820)이 형성될 수 있다.
도 21 내지 도 22를 참조하면, 촉감 제공막의 일면은 기 설정된 패턴으로 형성된 음각부를 포함할 수 있다. 이러한 음각부는 일실시예로서, 도 21과 같이, 하나의 음각 패턴이거나 또는 도 22와 같이, 계단 형상의 패턴일 수 있다. 또는 실시예에 따라서, 도면에 도시되지 않은 다양한 형태의 음각 패턴이 촉감 제공막에 형성될 수도 있다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉감 제공막을 설명하기 위한 도면이다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 본 발명에 따른 촉감 제공막은 단열재나 포장재로 많이 이용되는 에어캡(air cap)과 같이, 내부에 기체 또는 액체의 매질층(2310, 2410)을 포함할 수 있다. 기체 매질층이 형성된 경우, 매질층은 공기층일 수 있다.
매질층은 도 23과 같이, 단일 층으로 형성되거나 도 24와 같이 복수개의 층으로 형성될 수 있으며, 매질층의 형상이나 위치는 랜덤할 수 있다.
촉감 제공막 내부에 매질층이 형성된 경우, 전술된 바와 같이, 촉감 제공막의 일면과 피부 사이에 공기층이 형성되지는 않지만, 촉감 제공막의 일부와 피부 사이에 공기층이 형성되므로, 촉감 제공막의 표면과 피부 사이에 공기층이 형성되는 경우와 동일한 효과를 제공할 수 있다.
즉, 도 23을 참조하여 다시 설명하면, 촉감 제공막의 하부(2330)에 초음파 방사부가 결합되고 촉감 제공막의 상부(2320)에 피부가 접촉하는 경우, 촉감 제공막의 상부(2320)와 피부 사이에 공기층이 형성되지는 않지만, 촉감 제공막의 하부(2330)와 상부(2320) 사이에는 매질층(2310)이 존재하므로, 촉감 제공막의 하부(2330)를 통과한 초음파 에너지가 매질층(2310)에 의해 반사되므로, 촉감 제공막의 표면과 피부 사이에 공기층이 형성되는 경우와 동일한 효과가 제공될 수 있다.
한편, 실시예에 따라서, 도 18 내지 도 22에서 설명된 촉감 제공막의 일면에 형성된 패턴은, 도 23 및 도 24의 촉감 제공막에도 적용될 수 있다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 초음파를 방사하는 초음파 셀 어레이;
    하면에서 상면 방향으로 상기 초음파가 진행하는 매질층; 및
    상기 초음파 셀 어레이의 초음파 방사를 제어하는 제어부
    를 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    기 설정된 초음파 셀 그룹 단위로 초음파가 방사되거나 또는 초음파 셀 단위로 초음파가 방사되도록 제어하는
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 초음파 셀 어레이의 초음파 방사 파워 또는 초음파 방사 시점을 제어하는
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 셀에서 상기 초음파가 방사되는 일면은
    오목한 형태인
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 셀 어레이 상에 위치하며, 상기 초음파를 집속하는 초음파 집속부를 더 포함하며,
    상기 초음파는 상기 초음파 집속부를 통과하여 상기 매질층 내부에서 진행하는
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 초음파 셀 어레이와 상기 매질층 사이에 위치하는 상기 초음파 집속부는
    상기 초음파 셀 상에 위치하는 복수의 제1집속부; 및
    상기 제1집속부를 둘러싸며, 상기 제1집속부와 음파의 속도가 상이한 매질로 이루어진 제2집속부
    를 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1집속부는
    상기 매질층에 가까울수록 폭이 감소하는 형태인
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제1집속부 각각은
    기 설정된 초음파 셀 그룹 별로 배치된
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 초음파 집속부의 굴절률은
    상기 매질층의 굴절률과 상이한
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 매질층은
    상기 기판으로부터 돌출된 상기 초음파 셀 어레이를 둘러싸는
    초음파를 이용하는 촉감 디스플레이 장치.
  11. 초음파 송신부를 이용하여 촉감 제공막으로 초음파를 방사하는 단계;
    사용자가 접촉하는 상기 촉감 제공막의 일면에 의해 반사된 초음파를 수신하는 단계; 및
    상기 반사된 초음파를 이용하여, 상기 촉감 제공막 내부에서 정상파가 형성되도록 방사되는 초음파의 주파수를 조절하는 단계
    를 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 제공 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 초음파의 주파수를 조절하는 단계는
    상기 사용자가 상기 촉감 제공막에 접촉할 때 발생하는 상기 촉감 제공막의 일면의 변위에 따라서, 상기 주파수를 조절하는
    초음파를 이용하는 촉감 제공 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 초음파의 주파수를 조절하는 단계는
    상기 수신된 초음파를 이용하여, 상기 초음파 송신부와 상기 일면 사이의 거리를 판단하는 단계; 및
    상기 거리에 따라서, 상기 초음파의 주파수를 조절하는 단계
    를 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 제공 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 초음파의 주파수를 조절하는 단계는
    상기 반사된 초음파의 파워에 따라서, 상기 주파수를 조절하는
    초음파를 이용하는 촉감 제공 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 초음파를 방사하는 단계는
    기 설정된 간격으로 주파수가 조절된 초음파를 순차적으로 방사하며,
    상기 초음파의 주파수를 조절하는 단계는
    상기 수신된 초음파 중, 최대 파워를 나타내는 초음파의 주파수를, 상기 정상파 형성을 위한 주파수로 결정하는
    초음파를 이용하는 촉감 제공 방법.
  16. 초음파를 방사하는 초음파 방사부; 및
    상기 초음파에 의해 진동하며, 사용자의 피부가 접촉하는 일면이 거칠도록 형성된 촉감 제공막
    을 포함하는 초음파를 이용하는 촉감 제공 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 촉감 제공막의 일면은
    기 설정된 패턴으로 형성된 돌출부를 포함하는
    초음파를 이용하는 촉감 제공 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 돌출부는
    삼각형, 사각형 또는 곡면 형상인
    초음파를 이용하는 촉감 제공 장치.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 촉감 제공막의 일면은
    기 설정된 패턴으로 형성된 음각부를 포함하는
    초음파를 이용하는 촉감 제공 장치.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 촉감 제공막은
    상기 초음파 방사부와 결합되어, 상기 초음파의 방사 방향에 위치하는
    초음파를 이용하는 촉감 제공 장치.
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