WO2024010326A1 - 햅틱 입력 장치 - Google Patents

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WO2024010326A1
WO2024010326A1 PCT/KR2023/009392 KR2023009392W WO2024010326A1 WO 2024010326 A1 WO2024010326 A1 WO 2024010326A1 KR 2023009392 W KR2023009392 W KR 2023009392W WO 2024010326 A1 WO2024010326 A1 WO 2024010326A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
input device
shaft
case
haptic input
magnetic circuit
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/009392
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김형준
김진기
지인식
Original Assignee
주식회사 씨케이머티리얼즈랩
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020230085959A external-priority patent/KR20240004116A/ko
Application filed by 주식회사 씨케이머티리얼즈랩 filed Critical 주식회사 씨케이머티리얼즈랩
Publication of WO2024010326A1 publication Critical patent/WO2024010326A1/ko

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer

Definitions

  • the present invention relates to haptic input devices. More specifically, it relates to a haptic input device that can provide a haptic tactile sensation while a user inputs data through an input device.
  • Computer input devices such as keyboard, mouse, touch pad, touch pen, and tablet provide input in applications and cursor control on the display.
  • haptic feedback may be provided to the user.
  • a joystick, mouse, gamepad, steering wheel, or other device may provide a haptic sensation to the user based on events or interactions occurring on the display, such as in a game or other application program.
  • button-type input devices such as keyboard and mouse
  • button-type input devices have the problem of providing only the repulsion force of elastic means such as springs as feedback in response to the user's application of external force. In other words, there was a limitation in that it could not provide feedback to users in various ways and only provided the same tactile sensation.
  • the purpose of the present invention is to provide a haptic input device that can provide a tactile sensation to a user and provide various types of tactile sensations.
  • the purpose of the present invention is to provide a haptic input device that can be configured to be small and thin in size and can be driven with low energy.
  • the above object of the present invention is a haptic input device that provides a haptic touch to a user, comprising: a case portion providing an internal space; a shaft portion with one end exposed to the outside and the other end located in the interior space of the case portion; a magnetic circuit portion disposed on at least one side of the shaft portion and forming a magnetic circuit; an elastic portion in contact with the other end of the shaft portion and providing a restoring force to the shaft portion;
  • a haptic input device including a magnetorheological fluid filled at least part of the internal space.
  • control unit that controls the magnetic circuit formed by the magnetic circuit unit may be further included.
  • the case unit includes: a first case disposed at an upper portion and having a shaft passage hole through which the shaft passes; and a second case disposed at the lower portion and providing the internal space in which the magnetorheological fluid is accommodated.
  • the second case may include a receiving portion in which the magnetorheological fluid and the elastic portion are accommodated.
  • the pressing portion includes at least a magnetic portion
  • the magnetic circuit portion is formed in the XY plane direction
  • one end and the other end of the magnetic circuit portion are on the receiving portion and the second case. It is supported and can be placed in the interior space.
  • control unit includes a control circuit unit; and a control terminal unit that transmits power to the control circuit unit, wherein the control circuit unit is disposed in the interior space, and at least a portion of the control terminal unit is exposed to the outside of the case unit.
  • a knob may be connected to one end of the shaft portion.
  • a switch portion may be further disposed inside the receiving portion, and a pressing portion that presses the switch portion may be formed to protrude on the other end of the shaft portion.
  • the other end of the shaft portion may include a compression portion that compresses at least the elastic portion, and a flow portion, which is a space through which the magnetorheological fluid can move, may be formed between the compression portions.
  • magnetic force lines may be formed from the first pole of the magnetic circuit part to the second pole through the compression part.
  • a locking portion is formed on a side of the shaft portion, and the locking portion may limit the driving range of the shaft portion to the lower surface of the shaft passage hole of the first case.
  • the yoke portion is disposed in the inner space of the second case and provides a second inner space.
  • the magnetorheological fluid is filled in the second internal space of the yoke part, the upper part of the second internal space is sealed with the first case, and the second internal space of the yoke part is filled with the magnetorheological fluid.
  • a haptic input device the lower part of which is sealed with the second case.
  • the magnetic circuit part may be disposed in a space between the yoke part and the second case.
  • the elastic part may be disposed in the second internal space, and the other end of the shaft part may be inserted into the elastic part.
  • a locking portion is further formed on a side of the shaft portion, the locking portion is formed to have a width corresponding to the width of the second internal space, and the inner surface of the yoke portion is The shaft can be guided to drive in the Z-axis direction in the second internal space.
  • the side portion may be further extended downward from the end of the locking portion.
  • the side portion includes at least a magnetic portion, and based on the Z-axis direction, magnetic force lines extend from the upper portion of the magnetic circuit portion to the lower portion of the magnetic circuit portion via the engaging portion and the side portion. This can be formed.
  • a locking portion is formed on a side of the shaft portion, is disposed lower than the locking portion, surrounds the outer circumference of the shaft portion, and is disposed on an upper portion of the receiving portion to allow the magnetorheological fluid to flow into the locking portion. It may further include a protector portion that prevents leakage from the receiving portion.
  • the protector part is made of an elastic material, and when force is applied to one end of the shaft part in a downward direction, the locking part compresses the protector part and the shaft part can move downward.
  • the plurality of elastic parts may be arranged in the receiving part to be horizontal in the XY plane direction.
  • the magnetic circuit unit includes a first pole and a second pole that generate a magnetic field; It may include a first core inserted into the first pole, and a second core inserted into the second pole.
  • the magnetic circuit unit connects the outer sides of the first core and the second core, and may further include a magnetic border portion surrounding the outer sides of the first pole and the second pole. You can.
  • the lower surface of the magnetic border portion may be supported on the inner step of the case portion.
  • the magnetic border portion includes at least a magnetic portion, and, based on the Z-axis direction, extends from the top of the magnetic circuit portion to the lower portion of the magnetic circuit portion via the shaft portion and the magnetic border portion.
  • Magnetic force lines can be formed up to.
  • the size can be small and thin, and it can be driven with less energy.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a haptic input device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing a haptic input device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic exploded perspective view showing a haptic input device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the driving process of the haptic input device according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the shape of magnetic force lines between the magnetic circuit portion and the shaft portion of the haptic input device according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic perspective view showing a haptic input device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic cross-sectional view showing a haptic input device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic exploded perspective view showing a haptic input device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a schematic diagram showing the driving process of the haptic input device according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing a magnetic circuit of a haptic input device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic perspective view showing a haptic input device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a schematic cross-sectional view showing a haptic input device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic exploded perspective view showing a haptic input device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic cross-sectional view showing a different side from Figure 12.
  • Figure 15 is a schematic diagram showing the driving process of the haptic input device according to the third embodiment of the present invention.
  • Figure 16 shows a no-load test graph of a haptic input device according to an experimental example of the present invention.
  • Figure 17 shows a load test graph of a haptic input device according to an experimental example of the present invention.
  • R2, R7 receiving space of receiving part
  • the haptic input devices 100 and 200 of the present invention can provide a haptic tactile sensation when a user performs an input operation by applying an external force.
  • the haptic input devices 100 and 200 of the present invention can be applied without limitation to input devices that allow a user to input by pressing a keyboard, mouse, or button.
  • Figure 1 is a schematic perspective view showing a haptic input device 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing the haptic input device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic exploded perspective view showing the haptic input device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the haptic input device 100 includes a case portion (110: 111, 115), a shaft portion 120, a magnetic circuit portion 130, and an elastic portion ( 140), and may include a magnetorheological fluid (M).
  • a control unit 160, a knob 170, a switch unit 180, etc. may be further included.
  • the case portions 110 are housings of the haptic input device 100 and may provide an internal space (R1) for storing other components.
  • the case unit 110 may include a first case 111 disposed at the upper portion and a second case 115 disposed at the lower portion. As the first case 111 and the second case 115 are connected or fitted together, an internal space R1 may be formed.
  • the case portion 110 may be formed of a material such as SUS or PC (polycarbonate).
  • the first case 111 may be provided in a substantially hexahedral shape with an open bottom.
  • a shaft passage hole 112 may be formed in the upper surface 111a of the first case 111 so that the shaft 120 can move up and down in the Z-axis direction.
  • the side surface 111b of the second case 111 may be shaped to fit into the second case 115 . Accordingly, the internal space R1 can be closed except for the shaft passage hole 112.
  • the second case 115 may be provided in a substantially hexahedral shape with an open top.
  • a control hole 116 may be formed on the side of the second case 115 to allow the control terminal 165 of the control unit 160 to pass through.
  • a receiving portion 117 may be formed in the internal space R1 of the second case 115.
  • the receiving portion 117 may be formed in the form of a tube or pillar with an open top.
  • the accommodating part 117 may be formed in the shape of a tube or pillar with the upper and lower parts open.
  • the accommodation unit 117 may provide an accommodation space R2 in the same direction as the extension direction (Z-axis direction) of the shaft unit 120.
  • the shape, that is, the inner diameter, of the receiving space R2 of the receiving part 117 may be formed to correspond to the outer diameter of the shaft part 120. Therefore, when the shaft unit 120 operates in the Z-axis direction, there is an advantage that the shaft unit 120 can operate without deviating from its axis within the accommodation space R2.
  • the height of the accommodation space R2 is preferably less than the length of the shaft portion 120 disposed in the internal space R1 of the case portion 110 in the Z-axis direction.
  • the magnetorheological fluid (M) may be filled in the receiving space (R2) of the receiving portion (117).
  • Magnetorheological fluid (M) includes magnetic particles and a fluid-type medium such as oil or water in which magnetic particles are dispersed.
  • the magnetorheological fluid M is preferably disposed in a sealed state by the shaft portion 120 within the receiving space R2.
  • an elastic portion 140 may be disposed in the receiving space R2 of the receiving portion 117.
  • a switch unit 180 may be further disposed in the accommodation space R2 of the accommodation unit 117.
  • the shaft portion 120 may be provided to directly transmit a haptic tactile sensation as a repulsive force to the application of an external force to the user.
  • the shaft portion 120 may be formed to extend approximately in the Z-axis direction.
  • One end (upper end) of the shaft part 120 may be exposed to the outside of the case part 110, and the other end (lower end) may be located in the internal space R1 of the case part 110.
  • One end (upper end) of the shaft portion 120 may be exposed to the outside of the case portion 110 through the shaft passage hole 112.
  • the flat cross-sectional shapes of the shaft passage hole 112 and the shaft portion 120 are formed to correspond, so that when the shaft portion 120 passes through the shaft passage hole 112 from bottom to top based on the Z-axis direction, the case portion 110 It is desirable that the internal space (R1) of is closed.
  • a sealing member (not shown) may be further inserted around the shaft passage hole 112 and the shaft portion 120.
  • a knob 170 may be connected to one end of the shaft portion 120.
  • the knob 170 expands the area of the surface with which the user touches the haptic input device 100 and can serve to better deliver a haptic sense of touch to the user.
  • a connection hole 173 may be formed in the knob 170 to communicate with the fastening hole 122 formed in the upper surface 121 of the shaft portion 120.
  • the shaft portion 120 and the knob 170 can be fastened to each other by assembling fastening means 175 such as screws and bolts into the connection hole 173 and the fastening hole 122.
  • a locking portion 124 may be formed on the side of the shaft portion 120.
  • the locking portion 124 may be formed to protrude in the lateral direction (XY plane forming direction) of the shaft portion 120.
  • the locking portion 124 may limit the upper limit of the driving range of the shaft portion 120 so that the shaft portion 120 does not escape to the outside through the shaft passage hole 112. It is preferable that the locking portion 124 protrudes toward the side of the shaft portion 120 so as not to enter the receiving space R2.
  • the locking portion 124 is preferably formed on both sides of the shaft portion 120 and contacts the lower surface of the shaft passage hole 112 (or the inside of the upper surface 111a of the first case 111). If 120 extends to the lower surface of the shaft passage hole 112 (or the inside of the upper surface 111a of the first case 111), it may be formed only on one side of the shaft portion 120.
  • the other end (lower end) of the shaft portion 120 may include a compression portion 125 that compresses at least the elastic portion 140.
  • a flow portion (S1) which is a space in which the magnetorheological fluid (M) can move, may be formed at the other end of the shaft portion (120). That is, the other end portion of the shaft portion 120 excluding the space where the moving portion S1 is formed may be provided as the compression portion 125.
  • the compression portion 125 may correspond to the edge of the elastic portion 140 to compress the elastic portion 140.
  • the elastic portion 140 may have a shape that at least corresponds to the edge of the spring so as to press it.
  • the flat cross-section (XY plane) shape of the compression portion 125 is shown as an 'H' shape, but if the moving portion S1 is formed and the elastic portion 140 can be compressed, The form is not limited.
  • the compression portion 125 may be a portion that is subjected to shear force, resistance force, torque, and changes in stiffness during driving in the Z-axis direction due to the formation of a magnetic chain of the magnetorheological fluid M.
  • the shaft portion 120 or the compression portion 125 may include a magnetic portion. Including a magnetic portion includes being entirely composed of a magnetic material or only partially composed of a magnetic material.
  • the magnetic material may include iron, nickel, cobalt, ferrite (Fe 3 O 4 ), or alloys thereof, and metals that are nitrided, oxidized, carbonized, or silicided.
  • the shaft 120 may be formed of a material such as cold rolled steel sheet (SPCC).
  • a pressing portion 127 may be further formed on the other end (lower end) of the shaft portion 120.
  • the pressing portion 127 presses the switch portion 180 disposed on the bottom surface of the receiving portion 117 without direct contact with the elastic portion 140 during the process of the compressing portion 125 compressing the elastic portion 140. It is provided so that you can
  • the pressing portion 127 may be formed to protrude downward on an area of the XY surface different from the pressing portion 125. From another perspective, when the elastic part 140 is provided as a spring with an empty interior, the pressing part 127 may be formed to protrude into the empty space inside the elastic part 140.
  • the magnetic circuit unit 130 may form a magnetic circuit for changing the behavior of the magnetorheological fluid (M).
  • the magnetic circuit unit 130 may generate a magnetic field, which is a magnetic circuit, using a control signal or control power received from the control unit 160.
  • the magnetic circuit unit 130 may use means to control the direction of the magnetic field.
  • the magnetic circuit unit 130 includes a solenoid coil and can change the direction of the magnetic field by controlling the direction of the flowing current.
  • the magnetic circuit unit 130 may be disposed on at least one side of the shaft unit 120 within the internal space R1 of the case unit 110.
  • the magnetic circuit portion 130 is preferably formed along the XY plane direction so that magnetic force lines can be formed in the XY plane direction from the side of the shaft portion 120.
  • the magnetic circuit unit 130 is arranged to be spaced apart from the left and right sides of the shaft unit 120, but the magnetic circuit unit 130 may optionally be placed on only one side of the shaft unit 120.
  • the magnetic circuit unit 130 may be further disposed on one side other than the left and right sides of the shaft unit 120.
  • One end 137 of the magnetic circuit unit 130 may be supported on the receiving part 117, and the other end 135 may be supported on the second case 115. Specifically, one end 137 of the magnetic circuit unit 130 may be supported by being inserted into the support hole 119 formed on the side wall of the receiving unit 117. The other end 135 may be supported by providing a predetermined step on the inner wall of the second case 115, or may be supported by being attached to the inner wall of the second case 115.
  • the first pole 131 and the second pole 132 of the magnetic circuit unit 130 may be provided as magnets.
  • the first pole 131 and the second pole 132 may include a coil and may be provided to include a solenoid electromagnet.
  • the magnetic circuit unit 130 may be provided to include a permanent magnet.
  • the first and second poles 131 and 132 may be arranged at intervals from each other so as to be parallel to the horizontal direction (XY direction). It is preferable that the first pole 131 and the second pole 132 have different polarities so as to form closed-loop magnetic force lines (MF) (see FIG. 5).
  • the first pole 131 may be the N pole and the second pole 132 may be the S pole.
  • the other end 135 of the magnetic circuit unit 130 is electrically connected to the control unit 160 to receive power.
  • the other end 135 of the magnetic circuit unit 130 may serve as the core of the first and second poles 131 and 132.
  • One end 135 of the magnetic circuit part 130 is inserted into the support hole 119 of the receiving part 117 so that the magnetic circuit part 130 is arranged in the horizontal direction, and at the same time, the magnetorheological fluid (M) in the receiving part 117
  • the support hole 119 can be blocked so that it is sealed.
  • one end 135 of the magnetic circuit portion 130 may include a magnetic portion. Accordingly, magnetic force lines MF can be better formed along the first and second poles 131 and 132, one end 135, and the shaft portion 120 (or compression portion 125).
  • the elastic portion 140 may be disposed in the receiving space R2 of the receiving portion 117.
  • the elastic portion 140 may contact and support the lower portion (or compression portion 125) of the shaft portion 120.
  • the elastic portion 140 provides a haptic tactile sensation through resistance when the user applies an external force (P) (see FIG. 4) to the top of the shaft portion 120 or the knob 170, and responds to the user's external force (P).
  • P external force
  • the elastic part 140 is preferably provided in the form of a coil spring, and a known rubber dome or other elastic means may be provided.
  • the material of the elastic portion 140 may include piano steel wire such as SWP.
  • the control unit 160 may be provided to control the magnetic circuit formed by the magnetic circuit unit 130.
  • the control unit 160 includes a control circuit unit 161 that transmits a control signal or control power to the magnetic circuit unit 130, and a control unit that receives power from an external power supply means (not shown) and transmits it to the control circuit unit 161. It may include a terminal unit 165.
  • the control circuit unit 161 may be disposed in the internal space R1 of the case unit 110.
  • the control terminal unit 165 extends from the control circuit unit 161 and may pass through the control hole 116 and be exposed to the outside of the case unit 110.
  • the switch unit 180 may be disposed within the receiving unit 117. When the switch unit 180 is pressed from the pressing unit 127 of the shaft unit 120, the switch unit 180 may transmit an input signal to a device connected to the haptic input device 100. The signal from the switch unit 180 may be transmitted to the control unit 160. The control unit 160 may control the formation of a magnetic circuit in the magnetic circuit unit 130 by further considering the input signal from the switch unit 180.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the driving process of the haptic input device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the shape of magnetic force lines (MF) between the magnetic circuit unit 130 and the shaft unit 120 of the haptic input device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • MF magnetic force lines
  • the magnetic circuit unit 130 is formed in the horizontal plane (XY plane) direction, and the coils of the first pole 131 and the second pole 132 may be wound to have opposite polarities. . Accordingly, the magnetic circuit can also be formed in a horizontal direction corresponding to the formation direction of the magnetic circuit portion 130. Additionally, since the pressing portion 125 may also be formed of a magnetic material, it may contribute to forming magnetic force lines MF in the horizontal direction. As shown in FIG. 5, the magnetic force lines MF can form a magnetic loop along the first pole 131 - the compression portion 125 - the second pole 132.
  • the shaft portion 120 compresses the elastic portion 140.
  • the elastic portion 140 may be compressed (140 -> 140') and provide a repulsive force corresponding to the inherent elastic force to the user.
  • magnetic particles in the magnetorheological fluid (M) can form a magnetic chain in the direction of the magnetic force lines (MF) (M -> M').
  • the magnetic chain may be formed to approximately reach one side of the shaft portion 120 from the inner wall of the receiving portion 117 where the magnetorheological fluid M is accommodated.
  • the magnetic chain may be formed within the moving part S1 of the shaft part 120, to one side of the shaft part 120 (or one side of the compression part 125), and to the inner wall of the receiving part 117. . Resistance may be applied to driving the shaft portion 120 in the Z-axis direction due to the formation of a magnetic chain by magnetic force lines (MF).
  • a magnetic chain is formed in the horizontal plane (XY plane) direction perpendicular to the driving direction of the shaft unit 120, and resistance may be applied in the Z-axis driving direction of the shaft unit 120.
  • the resistance force applied while the shaft unit 120 is driven in the Z-axis may vary depending on the strength of the magnetic field, the coupling force of the magnetic chain, etc. Users can be provided with haptic tactile sensations depending on the type, pattern, and intensity of resistance.
  • the shaft unit 120 may return to the upward direction due to the restoring force of the elastic unit 140.
  • Figure 6 is a schematic perspective view showing a haptic input device 200 according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic cross-sectional view showing a haptic input device 200 according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic exploded perspective view showing the haptic input device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 5 Only configurations different from the first embodiment of FIGS. 1 to 5 will be described, and the same configurations will be replaced with those described above. It may be noted that the same configurations in the first and second embodiments are numbered 100 and 200, respectively, so that they correspond to each other.
  • each configuration in FIGS. 6 to 8 is replaced with the one described above with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the haptic input device 200 includes a case portion (210: 211, 215), a shaft portion 220, a magnetic circuit portion 230, and an elastic portion ( 240), a yoke portion 250, and a magnetorheological fluid (M).
  • a control unit 260, a switch unit 280, etc. may be further included.
  • the haptic input device 200 of the second embodiment has a reduced size and simpler structure than the haptic input device 100 of the first embodiment.
  • the case portions 210 are housings of the haptic input device 200 and may provide an internal space R5 for storing other components.
  • the first case 211 may be provided in a substantially flat shape with a shaft passing hole 212 formed therein.
  • the second case 215 may be provided in a substantially hexahedral shape with an open top.
  • a communication hole 216 which is a passage through which the control unit 260 and the magnetic circuit unit 230 can be electrically connected, may be formed on the side of the second case 215.
  • the magnetic circuit unit 230 may be disposed in the internal space R5 of the second case unit 215.
  • the magnetic circuit unit 230 may be provided in a surrounding form to correspond to the inner surface of the second case unit 215.
  • the magnetic circuit unit 230 may be provided in a cylindrical shape with a central space R3.
  • the magnetic circuit unit 230 may be provided as a coil wound along the inner surface of the second case unit 215.
  • the haptic input device 200 of the second embodiment may further include a yoke portion 250.
  • the yoke portion 250 may be disposed in the internal space R5 of the second case 215. More specifically, the yoke unit 250 may be disposed in the intermediate space R3 of the magnetic circuit unit 230.
  • the yoke portion 250 may provide a second internal space (R4).
  • the yoke portion 250 may be provided in a surrounding form to correspond to the inner surface of the magnetic circuit portion 230.
  • the yoke portion 250 may be formed in a tube or pillar shape to have a second internal space R4.
  • the yoke portion 250 may be formed of the same material as the case portion 210, such as SUS or PC (polycarbonate).
  • the yoke portion 250 may provide a second internal space R4 in the same direction as the extension direction (Z-axis direction) of the shaft portion 220.
  • the shape, that is, the inner diameter, of the second internal space R4 of the yoke part 250 may be formed to correspond to the outer diameter of the shaft part 220. Accordingly, when the shaft unit 220 operates in the Z-axis direction, there is an advantage in that the axis of the shaft unit 220 can be operated without deviating within the second internal space R4.
  • Magnetorheological fluid (M) may be filled in the second internal space (R4). So that the magnetorheological fluid M can be sealed, the height of the second internal space R4 may correspond to the height of the second case 215.
  • the inner space (R5) of the second case (215) is divided by the yoke portion (250) into a space where the magnetic circuit portion (230) is disposed and a second inner space (R4) where the magnetorheological fluid (M) is disposed. You can. Therefore, there is an advantage in that the magnetic particles of the magnetorheological fluid M can be prevented from directly attaching to the magnetic circuit unit 230.
  • the magnetic circuit unit 230 and the yoke unit 250 are sequentially disposed in the internal space (R5) of the second case 215, and the magnetorheological fluid (M) is placed in the second internal space (R4) of the yoke unit 250.
  • the shaft part 220 can be inserted into the elastic part 240.
  • the first case 211 can be fitted onto the second case 215 to seal the inner space R5 and the upper part of the second inner space R4.
  • the upper portion 211a of the first case 211 is in contact with the upper portion of the yoke portion 250 and the upper edge of the second case 215, thereby sealing the space where the magnetic circuit portion 230 is disposed.
  • the lower portion 211b of the first case 211 is in contact with the upper portion of the yoke portion 250 to seal the second internal space R4.
  • the upper end 221 of the shaft portion 220 is exposed to the outside of the case portion 210 through the shaft passage hole 212, and the lower end portion 225 may be inserted into the elastic portion 240.
  • a locking portion 223 may be formed on the side of the shaft portion 220.
  • the locking portion 223 may be formed to protrude in the lateral direction (XY plane forming direction) of the shaft portion 220.
  • the locking portion 223 may limit the upper limit of the driving range of the shaft portion 220 so that the shaft portion 220 does not escape to the outside through the shaft passage hole 212. It is preferable that the catching portion 223 protrudes toward the side of the shaft portion 220 so as not to enter the interior of the elastic portion 240.
  • the locking portion 223 is preferably formed on both sides of the shaft portion 220 and contacts the lower surface of the shaft passage hole 212 (or the inside of the lower portion 211b of the first case 211). If 220 extends to the lower surface of the shaft passage hole 212 (or the inside of the lower portion 211b of the first case 211), it may be formed only on one side of the shaft portion 220.
  • the locking portion 223 may be formed to have a width corresponding to the width of the second internal space R4. Accordingly, the shaft portion 220 can be smoothly driven along the Z-axis direction without the axis being tilted in the second internal space R4.
  • the side portion 227 may be further extended downward from both ends of the engaging portion 223.
  • the side portion 227 may be disposed outside the elastic portion 240, and the lower portion 225 may be inserted into the elastic portion 240. Accordingly, the elastic portion 240 can be compressed through the lower surface of the engaging portion 223. That is, except for the portion where the lower end portion 225 and the side portion 227 extend from the lower surface of the catching portion 223, the remaining portion may be in contact with the elastic portion 240.
  • the inner surface of the yoke part 250 can guide the shaft part 220 to drive along the Z-axis direction without deviating in the XY direction in the second internal space R4.
  • the lower part 225 and the side part 227 of the shaft part 220 substantially form a magnetic chain of magnetorheological fluid (M), thereby maintaining shear force, resistance force, torque, and changes in stiffness during driving in the Z-axis direction. It may be the part that is affected.
  • M magnetorheological fluid
  • at least one of the lower part 225 and the side part 227 of the shaft part 220 may include a magnetic part.
  • the control unit 260 may be provided to control the magnetic circuit formed by the magnetic circuit unit 230.
  • the control unit 260 may be disposed on the outer surface of the case unit 210 and may be electrically connected to the magnetic circuit unit 230 through the communication hole 216.
  • a pressing part (not shown) that can press the switch part 280 may be further formed on the lower part 225 of the shaft part 220.
  • Figure 9 is a schematic diagram showing the driving process of the haptic input device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing the magnetic circuit of the haptic input device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the magnetic circuit unit 230 may be formed in a vertical (Z-axis) direction along the side of the second case 215 .
  • a magnetic circuit may be formed approximately from bottom to top so as to pass through the central space R3 of the magnetic circuit unit 230.
  • the locking portion 223 and the side portion 227 of the shaft portion 220 may also be formed of a magnetic material, they may contribute to forming magnetic force lines MF in the vertical (Z-axis) direction. As shown in FIG. 10, the magnetic force lines MF can form a magnetic loop along the upper part of the magnetic circuit part 230 - the locking part 223, the side part 227 - the lower part of the magnetic circuit part 230.
  • the shaft 220 compresses the elastic portion 240 .
  • the elastic portion 240 may be compressed (240 -> 240') and provide a repulsive force corresponding to the inherent elastic force to the user.
  • magnetic particles in the magnetorheological fluid (M) can form a magnetic chain in the direction of the magnetic force lines (MF) (M -> M').
  • the magnetic chain may be formed to approximately reach one side of the shaft portion 220 from the inner wall of the second internal space R4 (or yoke portion 250) in which the magnetorheological fluid M is accommodated.
  • the magnetic chain may be formed from one side of the lower end 225 of the shaft portion 220 to one side of the side portion 227. Resistance may be applied to driving the shaft portion 220 in the Z-axis direction due to the formation of a magnetic chain by magnetic force lines (MF).
  • a magnetic chain is formed in the horizontal plane (XY plane) direction perpendicular to the driving direction of the shaft part 220, and resistance may be applied to the Z-axis driving direction of the shaft part 220.
  • the resistance force applied while the shaft unit 220 is driven in the Z-axis may vary depending on the strength of the magnetic field, the coupling force of the magnetic chain, etc. Users can be provided with haptic tactile sensations depending on the type, pattern, and intensity of resistance.
  • the shaft unit 220 can return to the upward direction due to the restoring force of the elastic unit 240.
  • Figure 11 is a schematic perspective view showing a haptic input device 300 according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a schematic cross-sectional view showing a haptic input device 300 according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic exploded perspective view showing the haptic input device 300 according to the third embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic cross-sectional view showing a different side from Figure 12.
  • the haptic input device 300 includes a case portion (310: 311, 315), a shaft portion 320, a magnetic circuit portion 330, and an elastic portion ( 340), and may include a magnetorheological fluid (M).
  • a control unit 360, a knob 370, etc. may be further included.
  • the haptic input device 300 of the third embodiment has a minimum size and increased driving/resistance torque compared to the haptic input device 300 of the first embodiment.
  • the case portions 310 are housings of the haptic input device 300 and may provide an internal space R6 for storing other components.
  • the first case 311 may be provided in a substantially hexahedral shape with an open bottom and a shaft passage hole 312 formed therein.
  • the second case 315 may be provided in a substantially hexahedral shape with an open top.
  • a communication hole 316 which is a passage through which the control unit 360 and the magnetic circuit unit 330 can be electrically connected, may be formed on the side of the second case 315.
  • a receiving portion 317 may be formed in the internal space R6 of the second case 315.
  • the receiving portion 317 may be formed in the form of a tube or pillar with an open top, or a tube or pillar with open top and bottom.
  • the accommodating part 317 may be formed in the shape of a tube or pillar with the upper and lower parts open.
  • the accommodating part 317 may provide an accommodating space R7 in the same direction as the extension direction (Z-axis direction) of the shaft part 320.
  • the shape, that is, the inner diameter, of the receiving space R7 of the receiving part 317 may be formed to correspond to the outer diameter of the shaft part 320. Accordingly, when the shaft unit 320 operates in the Z-axis direction, there is an advantage in that the axis of the shaft unit 320 can be operated without deviating within the accommodation space R7.
  • the height of the accommodation space R7 is preferably provided to be less than the length in the Z-axis direction of the shaft portion 320 disposed in the internal space R6 of the case portion 310.
  • the magnetorheological fluid (M) may be filled in the receiving space (R7) of the receiving portion (317). Additionally, an elastic portion 340 may be disposed in the receiving space R7 of the receiving portion 317. Additionally, optionally, a switch unit (not shown) may be further disposed in the accommodation space R7 of the accommodation unit 317.
  • the shaft portion 320 is substantially the same as the shaft portion 120 of the first embodiment.
  • the protector unit 390 may be disposed to surround the outer circumference of the shaft unit 320.
  • the protector unit 390 has an insertion hole 392 and can be inserted into the shaft unit 320 through the insertion hole 392.
  • the protector unit 390 may be formed of an elastic material.
  • the protector unit 390 may be formed of an elastic material such as silicone, silicone rubber, rubber, or polymer, and may preferably be formed of a silicone material.
  • the protector unit 390 may have at least wrinkles 391.
  • the protector unit 390 may have a variable vertical length through its elastic material properties and shape having wrinkles 391. When the protector unit 390 is extended in the Z-axis direction, the wrinkles 391 may be straightened, and when the protector unit 390 is compressed, more wrinkles 391 may be formed.
  • the protector portion 390 may be disposed below the engaging portion 324 formed on the side of the shaft portion 320. Additionally, the protector part 390 may be disposed on the upper part of the receiving part 317. Accordingly, the magnetorheological fluid M filled in the receiving space R7 of the receiving part 317 can be prevented from leaking to the outside of the receiving part 317.
  • the outer circumferential shape of the protector portion 390 is formed to approximately correspond to the outer circumferential shape of the receiving portion 317.
  • the central portion corresponding to the receiving portion 317 may be formed in the form of an open tube or pillar.
  • a flow portion (S2) which is a space in which the magnetorheological fluid (M) can move, may be formed in the shaft portion 320. That is, the other end portion of the shaft portion 320 excluding the space where the moving portion S2 is formed can be used to compress the elastic portion 340.
  • the magnetic circuit unit 330 may be provided in a form surrounding the shaft unit 320 within the internal space R6 of the case unit 110.
  • the first pole 331 and the second pole 332 are arranged to be spaced apart from the left and right sides of the shaft portion 320, but optionally, the first pole 331 and the second pole 332 are placed on only one side of the shaft portion 320.
  • a pole 331 or a second pole 332 may be disposed.
  • a third pole, etc. may be further disposed on one side other than the left and right sides of the shaft portion 320.
  • the first pole 331 and the second pole 332 include a coil and may be provided to include a solenoid electromagnet.
  • the first pole 331 and the second pole 332 are disposed throughout the vertical length of the interior space (R6) so as to form magnetic force lines (MF) (see FIG. 15) throughout the vertical direction of the interior space (R6).
  • MF magnetic force lines
  • the first pole 331 and the second pole 332 may be inserted into the first core 335 and the second core 336, respectively. Additionally, a magnetic border portion 337 may be interposed to electrically/magnetically connect the first core 335 and the second core 336 to each other.
  • the magnetic border portion 337 may form an outer border of the magnetic circuit portion 330.
  • the magnetic border portion 337 may be provided in a structure that surrounds the outside of the first pole 331 and the second pole 332 and connects the outside of the first core 335 and the second core 336 to each other. there is.
  • the magnetic border portion 337 may be formed horizontal to the XY plane direction.
  • the lower surface of the magnetic border portion 337 may be supported on the inner step 319 of the second case portion 315.
  • the magnetic circuit portion 330 can be stably disposed in the inner space R6.
  • the magnetic border portion 337 may include at least a magnetic portion.
  • the first core 335 and the second core 336 may also include at least a magnetic portion.
  • the magnetic force lines MF may be formed along the formation direction (XY plane direction) of the magnetic border portion 337 in addition to the vertical direction (Z-axis direction) of the internal space R6. Since the magnetic force lines (MF) are formed over a wider range in the internal space (R6), the shaft 320 can be subjected to greater forces such as shear force, resistance force, torque, and stiffness change while driving in the Z-axis direction.
  • the elastic portion 340 may be disposed in the receiving space R7 of the receiving portion 317.
  • One or more elastic parts 340 may be disposed in the receiving space R7.
  • the elastic part 340 is a cylindrical spring and the width of the receiving space R7 in the X-axis or Y-axis direction is larger than the diameter of the elastic part 340, the elastic part 340 is (R7) It may shake unstable within. At this time, unstable shaking can be compensated for by arranging a plurality of elastic parts 340 in the receiving space R7 so that they are horizontal in the XY plane direction. Referring to FIG.
  • the shaft 320 is not biased toward one area while driving in the Z-axis direction. This can prevent it from shaking.
  • the elastic part 340 can be inserted into the lower part of the receiving part 317 or connected and fixed so that the elastic part 340 is more stably disposed in the receiving space R7.
  • the upper part of the elastic part 340 may be fitted into the lower part of the shaft 320, or may be connected and fixed.
  • Figure 15 is a schematic diagram showing the driving process of the haptic input device 300 according to the third embodiment of the present invention.
  • the first pole 331 and the second pole 332 of the magnetic circuit unit 330 may be formed in the vertical direction (Z-axis direction) in the internal space R6. Accordingly, the magnetic circuit (or magnetic force line (MF)) may also be formed in a vertical direction corresponding to the formation direction of the magnetic circuit portion 330. Additionally, since the shaft 320 and the magnetic border portion 337 may also be formed of a magnetic material, they may contribute to the formation of magnetic force lines MF in the horizontal direction. For example, as shown in the right drawing of FIG. 15, the magnetic field lines (MF) are the upper part of the first pole 331/second pole 332 - the shaft part 320 and the magnetic border part 337 - the first pole 131. /A magnetic loop can be formed along the lower part of the second pole 132.
  • the magnetic field lines MF are the upper part of the first pole 331 - the upper part of the second pole 332 - the second pole ( Bottom of 332) -
  • a magnetic loop may be formed along the bottom of the first pole 331.
  • the shaft portion 320 compresses the elastic portion 340.
  • the elastic portion 340 may be compressed (340 -> 340') and provide a repulsive force corresponding to the inherent elastic force to the user.
  • magnetic particles in the magnetorheological fluid (M) can form a magnetic chain in the direction of the magnetic force lines (MF) (M -> M').
  • the magnetic chain may be formed to approximately reach one side of the shaft portion 320 from the inner wall of the receiving portion 317 where the magnetorheological fluid M is accommodated.
  • the magnetic chain may be formed within the moving part S2 of the shaft part 320, to one side of the shaft part 320, and to the inner wall of the receiving part 317. Resistance may be applied to driving the shaft portion 320 in the Z-axis direction due to the formation of a magnetic chain by magnetic force lines (MF).
  • a magnetic chain is formed in a direction horizontal (Z-axis direction) and a horizontal plane (XY plane) perpendicular to the driving direction of the shaft portion 320, and resistance is applied in the Z-axis driving direction of the shaft portion 120.
  • the resistance force applied while the shaft portion 320 is driven in the Z-axis may vary depending on the strength of the magnetic field, the coupling force of the magnetic chain, etc. Users can be provided with haptic tactile sensations depending on the type, pattern, and intensity of resistance.
  • the shaft unit 320 can return to the upward direction due to the restoring force of the elastic unit 340.
  • the locking portion 324 of the shaft portion 320 may compress the protector portion 390 (390 -> 390'). Since the compressed protector part 390' still surrounds the outer periphery of the shaft part 320, the magnetorheological fluid M can be prevented from leaking out of the receiving part 317.
  • the shaft portion 320 returns upward due to the restoring force of the elastic portion 340, and the protector portion 390' expands upward as the wrinkles 391 unfold again ( It can be 390' -> 390).
  • the protector part 390 is extended, the force pushing the locking part 324 upward increases, and the return speed may be faster than when only the elastic part 340 is used.
  • Figure 16 shows a no-load test graph of a haptic input device according to an experimental example of the present invention.
  • Figure 17 shows a load test graph of a haptic input device according to an experimental example of the present invention.
  • Figure 16 shows the size of the load over time in a state without a magnetic field applied, and
  • Figure 17 shows the size of the load over time in a state in which a magnetic field is applied to the magnetic circuit unit.
  • a test was performed on the haptic input device 300, and the drive stroke of the shaft portion 320 in the Z-axis direction was set to 5.0 mm, and the drive was repeated three times.
  • a load pattern of 2Hz and 5V was applied to the magnetic circuit unit 330.
  • FIG. 16 when a magnetic field is not applied, force due to resistance of the elastic portion 340 appears. A resistance of approximately 2.9N appears.
  • the magnetorheological fluid (M) forms a magnetic chain, so that the shaft 320 develops shear force, resistance force, torque, and shear force while driving in the Z-axis direction. It may be subject to additional effects such as changes in stiffness.
  • the maximum resistance in FIG. 17 is about 4.51N, and the difference from about 2.9N in FIG. 16, about 1.61N, is the haptic force value that is additionally applied as the magnetorheological fluid (M) forms a magnetic chain. You can confirm that it is. Additionally, it can be seen through FIG. 17 that the user can receive haptic force corresponding to the vibration pattern in the process of pressing the shaft 320. It is possible to provide various patterns of haptic force according to the magnetic field generated by the magnetic circuit unit 330.
  • the present invention has the effect of providing a tactile sensation to the user during the input process through an input device and providing a variety of tactile types.
  • the present invention has the effect of enabling the haptic input devices 100 and 200 to be implemented thinly and simply in a small size.
  • the haptic input device 100 of the present invention may be manufactured to have a width It can be manufactured as 20mm
  • the range of the drive stroke in which the shaft portion 120 is pressed may be about 2.5 mm.
  • the haptic input device 200 of the present invention can be manufactured to be about 8 mm It can be manufactured in mm
  • the range of the drive stroke in which the shaft portion 220 is pressed may be about 1.5 mm.
  • the haptic input device 300 of the present invention may be manufactured to have a width It can be manufactured to approximately 38mm
  • the range of the drive stroke in which the shaft portion 320 is pressed may be about 5 mm.
  • the present invention has the effect of providing a haptic tactile sensation with less energy by controlling resistance through the formation of a magnetic chain of the magnetorheological fluid (M) in addition to the elastic force and restoring force of the elastic portions 140, 240, and 340.
  • M magnetorheological fluid

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Abstract

본 발명은 햅틱 입력 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 햅틱 입력 장치는, 사용자에게 햅틱 촉감을 제공하는 햅틱 입력 장치로서, 내부 공간을 제공하는 케이스부; 일단이 외부에 노출되고 타단이 상기 케이스부의 내부 공간에 위치되는 샤프트부; 상기 샤프트부의 적어도 일측에 배치되고 자기회로를 형성하는 자기회로부; 상기 샤프트부의 타단에 접하고 상기 샤프트부에 복원력을 제공하는 탄성부; 상기 내부 공간의 적어도 일부에 채워지는 자기유변유체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

햅틱 입력 장치
본 발명은 햅틱 입력 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 사용자가 입력 장치를 통해 입력하는 과정에서 햅틱 촉감을 제공할 수 있는 햅틱 입력 장치에 관한 것이다.
다양한 전자 및 기계 장치를 사용할 때 자연스럽고 사용이 용이하며 정보 소통이 가능한 인터페이스에 대한 관심이 늘고 있다. 키보드, 마우스, 터치 패드, 터치 펜, 타블렛 등의 컴퓨터 입력장치는 어플리케이션에서의 입력, 디스플레이 상에서 커서 제어 등을 제공한다.
일부 인터페이스 장치에서 햅틱 피드백이 사용자에게 제공될 수 있다. 예컨대, 조이스틱, 마우스, 게임 패드, 스티어링 휠, 또는 기타 장치들은 게임 또는 다른 애플리케이션 프로그램에서와 같은 디스플레이에서 발생하는 이벤트 또는 상호작용을 근거로 사용자에게 햅틱 촉감을 제공할 수 있다.
한편, 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공할 수 있도록 터치 패드(touch pad) 또는 음성 인식에 의한 입력 방식이 증가하고 있다. 그럼에도 여전히 입력 장치로서 버튼식 입력장치, 예를 들어, 키보드와 마우스는 가장 많이 사용되는 수단이다. 하지만, 버튼식 입력장치들은 사용자의 외력 인가에 대한 피드백으로서, 스프링 등의 탄성 수단의 반발력만 제공하는 문제점이 있었다. 즉, 다양한 방식으로 사용자에게 피드백을 제공하지 못하고, 똑같은 촉감만 제공하는 한계가 있었다.
본 발명은 사용자에게 촉감을 제공할 수 있고, 촉감 형태를 다양하게 제공할 수 있는 햅틱 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 크기를 작고 얇게 구성할 수 있으며, 적은 에너지로 구동이 가능한 햅틱 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기의 목적은, 사용자에게 햅틱 촉감을 제공하는 햅틱 입력 장치로서, 내부 공간을 제공하는 케이스부; 일단이 외부에 노출되고 타단이 상기 케이스부의 내부 공간에 위치되는 샤프트부; 상기 샤프트부의 적어도 일측에 배치되고 자기회로를 형성하는 자기회로부; 상기 샤프트부의 타단에 접하고 상기 샤프트부에 복원력을 제공하는 탄성부; 상기 내부 공간의 적어도 일부에 채워지는 자기유변유체;를 포함하는, 햅틱 입력 장치에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기회로부가 형성하는 자기회로를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 케이스부는, 상부에 배치되고 상기 샤프트가 통과하는 샤프트 통과홀이 형성된 제1 케이스; 및 하부에 배치되고 상기 자기유변유체가 수용되는 상기 내부 공간을 제공하는 제2 케이스;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 케이스는 상기 자기유변유체 및 상기 탄성부가 수용되는 수용부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압착부는 적어도 자성 부분을 포함하고, 상기 자기회로부는 XY 면 방향으로 형성되고, 상기 자기회로부의 일단 및 타단은 상기 수용부 및 상기 제2 케이스 상에 지지되며 상기 내부 공간에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 제어 회로부; 및 상기 제어 회로부에 전력을 전달하는 제어 단말부;를 포함하고, 상기 제어 회로부는 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 제어 단말부는 적어도 일부가 상기 케이스부의 외부에 노출되는, 햅틱 입력 장치.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 샤프트부의 일단에 노브(knob)가 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수용부 내부에 스위치부가 더 배치되고, 상기 샤프트부의 타단 상에 상기 스위치부를 누르는 누름부가 돌출 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 샤프트부의 타단은, 적어도 상기 탄성부를 압착하는 압착부를 포함하고, 상기 압착부 사이에 상기 자기유변유체가 이동할 수 있는 공간인 유동부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, XY 면 방향을 기준으로, 상기 자기회로부의 제1 극에서부터 상기 압착부를 개재하여 상기 제2 극까지 자기력선이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 샤프트부의 측면 상에 걸림부가 형성되고, 상기 걸림부는 상기 제1 케이스의 상기 샤프트 통과홀의 하부면까지 상기 샤프트부의 구동 범위를 제한할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 케이스의 내부 공간에 배치되고 제2 내부 공간을 제공하는 요크부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 요크부의 상기 제2 내부 공간에 상기 자기유변유체가 채워지고, 상기 제2 내부 공간의 상부는 상기 제1 케이스로 밀폐되며, 상기 제2 내부 공간의 하부는 상기 제2 케이스로 밀폐되는, 햅틱 입력 장치.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 요크부와 상기 제2 케이스의 사이 공간에 상기 자기회로부가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 내부 공간에 상기 탄성부가 배치되고, 상기 탄성부에 상기 샤프트부의 타단이 삽입될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 샤프트부의 측면 상에 걸림부가 더 형성되고, 상기 걸림부는 상기 제2 내부 공간의 폭에 대응하는 폭을 가지도록 형성되며, 상기 요크부의 내측면은 상기 제2 내부 공간에서 상기 샤프트가 Z축 방향으로 구동하도록 안내할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 걸림부의 단부에서 아래로 사이드부가 더 연장형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사이드부는 적어도 자성 부분을 포함하고, Z축 방향을 기준으로, 상기 자기회로부의 상부에서부터 상기 걸림부 및 상기 사이드부를 개재하여 상기 자기회로부의 하부까지 자기력선이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 샤프트부의 측면 상에 걸림부가 형성되고, 상기 걸림부보다 하부에 배치되되 상기 샤프트부의 외주를 감싸고, 상기 수용부의 상부에 배치되어 상기 자기유변유체가 상기 수용부로부터 누출되는 것을 방지하는 프로텍터부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로텍터부는 탄성 재질로 형성되고, 상기 샤프트부의 일단에 하부 방향으로 힘이 가해지면, 상기 걸림부가 상기 프로텍터부를 압착하며 상기 샤프트부가 아래로 이동할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 상기 탄성부가 XY 면 방향으로 수평하도록 상기 수용부 내에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기회로부는, 자기장을 생성하는 제1 극 및 제2 극; 상기 제1 극에 끼워지는 제1 코어, 상기 제2 극에 끼워지는 제2 코어;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기회로부는 상기 제1 코어와 제2 코어의 외측을 상호 연결하되, 상기 제1 극 및 상기 제2 극의 외측변을 감싸는 자기테두리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기테두리부의 하면이 상기 케이스부의 내측 단차 상에 지지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기테두리부는 적어도 자성 부분을 포함하고, Z축 방향을 기준으로, 상기 자기회로부의 상부에서부터 상기 샤프트부 및 상기 자기테두리부를 개재하여 상기 자기회로부의 하부까지 자기력선이 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 사용자에게 촉감을 제공할 수 있고, 촉감 형태를 다양하게 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 크기를 작고 얇게 구성할 수 있으며, 적은 에너지로 구동이 가능한 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치의 구동 과정을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치의 자기회로부와 샤프트부 사이의 자기력선 형태를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치의 구동 과정을 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치의 자기 회로를 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치를 나타내는 개략 분해 사시도이다.
도 14는 도 12와 다른 측면을 나타내는 개략 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치의 구동 과정을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실험예에 따른 햅틱 입력 장치의 무부하 테스트 그래프를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일 실험예에 따른 햅틱 입력 장치의 부하 테스트 그래프를 나타낸다.
<부호의 설명>
100, 200, 300: 햅틱 입력 장치
110, 210, 310: 케이스부
111, 211, 311: 제1 케이스
115, 215, 315: 제2 케이스
117, 317: 수용부
120, 220, 320: 샤프트부
130, 230, 330: 자기회로부
140, 240, 340: 탄성부
160, 260, 360: 제어부
170, 370: 노브
180, 280: 스위치부
250: 요크부
390: 프로텍터부
M: 자기유변유체
R1, R5, R6: 제2 케이스의 내부 공간
R2, R7: 수용부의 수용 공간
R3: 자기회로부의 중앙 공간
R4: 요크부의 제2 내부 공간
실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 햅틱 입력 장치(100, 200)는 사용자가 외력을 가하여 입력 동작을 수행할 때, 햅틱 촉감을 제공할 수 있다. 본 발명의 햅틱 입력 장치(100, 200)는 키보드, 마우스, 버튼 등 사용자가 눌러서 입력을 수행할 수 있는 입력 장치에 제한없이 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(100)를 나타내는 개략 사시도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(100)를 나타내는 개략 단면도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(100)를 나타내는 개략 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(100)는 케이스부(110: 111, 115), 샤프트부(120), 자기회로부(130), 탄성부(140), 자기유변유체(M)를 포함할 수 있다. 여기에, 제어부(160), 노브(170), 스위치부(180) 등을 더 포함할 수 있다.
케이스부(110: 111, 115)는 햅틱 입력 장치(100)의 하우징으로서, 다른 구성들을 수납하는 내부 공간(R1)을 제공할 수 있다. 케이스부(110)는 상부에 배치되는 제1 케이스(111)와 하부에 배치되는 제2 케이스(115)를 포함할 수 있다. 제1 케이스(111)와 제2 케이스(115)가 연결되거나 맞춰끼워짐에 따라 내부 공간(R1)이 형성될 수 있다. 케이스부(110)는 SUS, PC(폴리카보네이트) 등의 재질로 형성될 수 있다.
제1 케이스(111)는 대략 하부가 개방된 육면체 형상으로 제공될 수 있다. 제1 케이스(111)의 상면(111a)에는 샤프트(120)가 Z축 방향으로 상하운동 가능하도록 샤프트 통과홀(112)이 형성될 수 있다. 제2 케이스(111)의 측면(111b)은 제2 케이스(115)에 끼워지는 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 샤프트 통과홀(112)을 제외하고, 내부 공간(R1)이 폐쇄될 수 있다.
제2 케이스(115)는 대략 상부가 개방된 육면체 형상으로 제공될 수 있다. 제2 케이스(115)의 측면에는 제어부(160)의 제어 단말부(165)가 통과될 수 있도록 제어홀(116)이 형성될 수 있다.
그리고, 제2 케이스(115)의 내부 공간(R1)에는 수용부(117)가 형성될 수 있다. 수용부(117)는 상부가 개방된 관 또는 기둥 형태로 형성될 수 있다. 수용부(117)의 하부면이 제2 케이스(115)의 내측 하부면으로 대체될 경우에, 수용부(117)는 상하부가 개방된 관 또는 기둥 형태로 형성될 수 있다.
수용부(117)는 샤프트부(120)의 연장 방향(Z축 방향)과 동일한 방향으로의 수용 공간(R2)을 제공할 수 있다. 수용부(117)의 수용 공간(R2)의 형태, 즉, 내경은 샤프트부(120)의 외경에 대응하도록 형성될 수 있다. 따라서, 샤프트부(120)가 Z축 방향으로 동작할 때, 수용 공간(R2) 내에서 샤프트부(120)의 축이 벗어나지 않고 동작할 수 있는 이점이 있다. 수용 공간(R2)의 높이는 케이스부(110)의 내부 공간(R1)에 배치된 샤프트부(120) 부분의 Z축 방향의 길이보다는 적은 것이 바람직하다.
자기유변유체(M)가 수용부(117)의 수용 공간(R2)에 채워질 수 있다. 자기유변유체(M)는 자성 입자 및 자성 입자가 분산된 오일, 물 등 유체 형태의 매체를 포함한다. 자기유변유체(M)는 수용 공간(R2) 내에서 샤프트부(120)에 의해 밀폐된 상태로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 수용부(117)의 수용 공간(R2)에는 탄성부(140)가 배치될 수 있다. 또한, 선택적으로, 수용부(117)의 수용 공간(R2)에 스위치부(180)가 더 배치될 수 있다.
샤프트부(120)는 사용자에게 외력 인가에 대한 반발력으로서의 햅틱 촉감을 직접 전달하도록 제공될 수 있다. 샤프트부(120)는 대략 Z축 방향으로 연장 형성될 수 있다. 샤프트부(120)는 일단(상단부)이 케이스부(110)의 외부에 노출되고, 타단(하단부)가 케이스부(110)의 내부 공간(R1)에 위치될 수 있다. 샤프트부(120)는 샤프트 통과홀(112)을 통해 일단(상단부)이 케이스부(110)의 외부에 노출될 수 있다. 샤프트 통과홀(112)과 샤프트부(120)의 평단면 형상은 대응되도록 형성되어 샤프트부(120)가 샤프트 통과홀(112)을 Z축 방향 기준으로 아래에서 위로 통과하면, 케이스부(110)의 내부 공간(R1)이 폐쇄되는 것이 바람직하다. 긴밀한 폐쇄를 위해 샤프트 통과홀(112), 샤프트부(120)의 주변에 실링 부재(미도시)를 더 개재할 수 있다.
선택적으로, 샤프트부(120)의 일단에 노브(knob, 170)가 연결될 수 있다. 노브(170)는 사용자가 햅틱 입력 장치(100)에 접촉하는 면 넓이를 확장해주고, 사용자에게 햅틱 촉감을 더욱 잘 전달해주는 역할을 할 수 있다. 노브(170)에는 샤프트부(120)의 상부면(121)에 형성된 체결홀(122)과 연통되도록 연결홀(173)이 형성될 수 있다. 연결홀(173)과 체결홀(122)에 나사, 볼트 등의 체결 수단(175)을 조립하여 샤프트부(120)와 노브(170)를 체결할 수 있다.
샤프트부(120)의 측면 상에는 걸림부(124)가 형성될 수 있다. 걸림부(124)는 샤프트부(120)의 측면 방향(XY면 형성 방향)으로 돌출되게 형성될 수 있다. 걸림부(124)는 샤프트부(120)가 샤프트 통과홀(112)을 통해 외부로 이탈되지 않도록 샤프트부(120)의 구동 범위의 상한을 제한할 수 있다. 걸림부(124)는 수용 공간(R2)에 들어가지 않도록 샤프트부(120)의 측면 방향으로 돌출되는 것이 바람직하다. 걸림부(124)는 샤프트부(120)의 양 측면에 형성되어 샤프트 통과홀(112)의 하부면[또는, 제1 케이스(111)의 상면(111a) 내측]에 접하는 것이 바람직하나, 샤프트부(120)가 샤프트 통과홀(112)의 하부면[또는, 제1 케이스(111)의 상면(111a) 내측]에 걸리는 범위라면, 샤프트부(120)의 일 측면에만 형성될 수도 있다.
샤프트부(120)의 타단(하단부)에는 적어도 탄성부(140)를 압착하는 압착부(125)를 포함할 수 있다. 또한, 샤프트부(120)의 타단에는 자기유변유체(M)가 이동할 수 있는 공간인 유동부(S1)가 형성될 수 있다. 즉, 유동부(S1)가 형성된 공간을 제외한 샤프트부(120)의 타단 부분이 압착부(125)로 제공될 수 있다.
압착부(125)는 탄성부(140)를 압착할 수 있도록 탄성부(140)의 테두리에 대응할 수 있다. 예를 들어, 탄성부(140)가 스프링 형상이라면, 스프링의 테두리를 누를 수 있도록 적어도 테두리에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 일 실시예로, 본 명세서에는 압착부(125)의 평단면(XY면) 형상이 'H' 형상인 것으로 도시되어 있으나, 유동부(S1)가 형성되고 탄성부(140)를 압착할 수 있다면 그 형태는 제한되지 않는다.
또한, 압착부(125)는 실질적으로 자기유변유체(M)의 자기 체인의 형성에 의해, Z축 방향으로의 구동 중 전단력, 저항력, 토크, 강성 변화 등을 작용받는 부분일 수 있다. 자기 체인이 보다 잘 형성되도록, 샤프트부(120) 또는 압착부(125)는 자성 부분을 포함할 수 있다. 자성 부분을 포함하는 것은 전체가 자성 재질로 구성되거나, 일부만 자성 재질로 구성되는 형태를 포함한다. 자성 재질은 철, 니켈, 코발트, 페라이트(Fe3O4) 또는 이들의 합금과, 질화, 산화, 탄화, 규소화 등이 된 금속을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 샤프트(120)는 냉간 압연 강판(SPCC) 등의 재질로 형성될 수 있다.
샤프트부(120)의 타단(하단부)에는 누름부(127)가 더 형성될 수 있다. 누름부(127)는 압착부(125)가 탄성부(140)를 압착하는 과정에서 탄성부(140)와는 직접 접촉이 없이, 수용부(117) 바닥면에 배치되는 스위치부(180)를 누를 수 있도록 제공된다. 누름부(127)는 압착부(125)와 다른 XY면의 영역 상에서 하부로 돌출 형성될 수 있다. 다른 관점으로, 탄성부(140)가 내부가 빈 스프링으로 제공될 때, 누름부(127)는 탄성부(140)의 내부 빈 공간으로 돌출 형성될 수 있다.
자기회로부(130)는 자기유변유체(M)의 거동을 변화시키기 위한 자기회로를 형성할 수 있다. 자기회로부(130)는 제어부(160)로부터 전달받은 제어 신호 또는 제어 전력으로 자기회로인 자기장을 생성할 수 있다. 자기회로부(130)는 자기장의 방향을 제어할 수 있는 수단을 사용할 수 있다. 바람직하게는 자기회로부(130)는 솔레노이드 코일을 포함하여 흐르는 전류의 방향을 제어함에 따라 자기장의 방향을 변화시킬 수 있다.
자기회로부(130)는 케이스부(110)의 내부 공간(R1) 내에서 샤프트부(120)의 적어도 일측에 배치될 수 있다. 자기회로부(130)는 샤프트부(120)의 측면에서 XY 면 방향으로 자기력선을 형성할 수 있도록 XY 면 방향을 따라 형성되는 것이 바람직하다. 본 명세서에서는 샤프트부(120)의 좌측과 우측에 이격되도록 자기회로부(130)가 배치되는 예가 도시되나, 선택적으로 샤프트부(120)의 하나의 측에만 자기회로부(130)가 배치될 수 있다. 또는, 샤프트부(120)의 좌측면과 우측면 외에 다른 일측에 자기회로부(130)가 더 배치될 수도 있다.
자기회로부(130)의 일단(137)은 수용부(117)에 지지되고, 타단(135)은 제2 케이스(115) 상에 지지될 수 있다. 구체적으로, 자기회로부(130)의 일단(137)은 수용부(117)의 측벽에 형성된 지지홀(119)에 끼워져 지지될 수 있다. 타단(135)은 제2 케이스(115)의 내측벽에 소정의 단차를 마련하여 해당 단차 상에 지지되거나, 제2 케이스(115)의 내측벽에 부착되어 지지될 수 있다.
자기회로부(130)의 제1 극(131) 및 제2 극(132)은 자석으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 극(131), 제2 극(132)은 코일(coil)을 포함하고, 솔레노이드 전자석을 포함하도록 제공될 수 있다. 또는, 자기회로부(130)는 영구 자석을 포함하도록 제공될 수 있다. 제1, 2 극(131, 132)은 수평면 방향(XY 면 방향)에 평행하도록 상호 간격을 이루며 배치될 수 있다. 폐쇄 루프 형태의 자기력선(MF)[도 5 참조]을 형성할 수 있도록 제1 극(131)과 제2 극(132)은 상이한 극성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 극(131)은 N극, 제2 극(132)은 S극일 수 있다.
자기회로부(130)의 타단(135)은 제어부(160)와 전기적으로 연결되어 전력을 전달받을 수 있다. 자기회로부(130)의 타단(135)은 제1, 2 극(131, 132)의 코어(core)로 제공될 수 있다. 자기회로부(130)의 일단(135)은 수용부(117)의 지지홀(119)에 끼워져 자기회로부(130)가 수평면 방향으로 배치되도록 함과 동시에 수용부(117) 내의 자기유변유체(M)가 밀봉되도록 지지홀(119)을 막을 수 있다.
또한, 압착부(125)와 마찬가지로, 자기회로부(130)의 일단(135)은 자성 부분을 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1, 2 극(131, 132), 일단(135), 샤프트부(120)[또는, 압착부(125)]를 따라 자기력선(MF)이 보다 잘 형성될 수 있다.
탄성부(140)는 수용부(117)의 수용 공간(R2)에 배치될 수 있다. 탄성부(140)는 샤프트부(120)의 하부[또는, 압착부(125)]에 접하고 이를 지지할 수 있다. 탄성부(140)는 사용자가 샤프트부(120)의 상단 또는 노브(170)에 외력(P)[도 4 참조]을 인가할 때, 저항력에 의한 햅틱 촉감을 제공하고, 사용자의 외력(P) 인가가 해제되면 샤프트부(120)를 상부 위치로 복귀시키는 복원력을 제공할 수 있다. 탄성부(140)는 코일 스프링 형태로 제공되는 것이 바람직하며, 공지의 러버돔, 기타 탄성 수단이 제공될 수도 있다. 일 예로, 탄성부(140)의 재질은 SWP와 같은 피아노 강선을 포함할 수 있다.
제어부(160)는 자기회로부(130)가 형성하는 자기회로를 제어하도록 제공될 수 있다. 제어부(160)는 실질적으로 자기회로부(130)에 제어 신호 또는 제어 전력을 전달하는 제어 회로부(161) 및 외부의 전력 공급 수단(미도시)로부터 전력을 공급받아 제어 회로부(161)에 전달하는 제어 단말부(165)를 포함할 수 있다. 제어 회로부(161)는 케이스부(110)의 내부 공간(R1)에 배치될 수 있다. 제어 단말부(165)는 제어 회로부(161)로부터 연장되고 제어홀(116)을 통과하여 케이스부(110)의 외부로 노출될 수 있다.
스위치부(180)는 수용부(117) 내에 배치될 수 있다. 스위치부(180)는 샤프트부(120)의 누름부(127)로부터 눌러짐에 따라 입력 신호를 햅틱 입력 장치(100)와 연결된 장치에 대해 입력 신호를 전달할 수 있다. 스위치부(180)의 신호는 제어부(160)로 전달될 수도 있다. 제어부(160)는 스위치부(180)의 입력 신호를 더 고려하여 자기회로부(130)에서의 자기회로 형성을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(100)의 구동 과정을 나타내는 개략도이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(100)의 자기회로부(130)와 샤프트부(120) 사이의 자기력선(MF) 형태를 나타내는 개략도이다
도 4 및 도 5를 참조하면, 자기회로부(130)는 수평면(XY면) 방향으로 형성되고, 제1 극(131) 및 제2 극(132)의 코일이 반대 극성을 가지도록 감겨질 수 있다. 이에 따라, 자기회로도 자기회로부(130)의 형성 방향에 대응하게 수평면 방향으로 형성될 수 있다. 또한, 압착부(125)도 자성 재질로 형성될 수 있으므로, 자기력선(MF)이 수평면 방향으로 형성되는데 기여할 수 있다. 도 5와 같이 자기력선(MF)은 제1 극(131) - 압착부(125) - 제2 극(132)을 따라 자기 루프(magnetic loop)를 형성할 수 있게 된다.
도 4와 같이, 사용자가 샤프트부(120)[또는, 노브(170)]에 외력(P)을 가하여 누르면, 샤프트부(120)가 탄성부(140)를 압착한다. 자기장이 인가되지 않고, 자기력선(MF)이 형성되지 않은 경우, 탄성부(140)는 압착되면서(140 -> 140') 고유의 탄성력에 대응하는 반발력을 사용자에게 제공할 수 있다.
자기장이 인가되고, 자기력선(MF)이 형성된 경우, 자기유변유체(M) 내의 자성 입자들은 자기력선(MF)의 방향으로 자기 체인을 형성(M -> M')할 수 있다. 자기 체인은 대략 자기유변유체(M)가 수용된 수용부(117)의 내측벽에서부터 샤프트부(120)의 일측에 닿을 정도로 형성될 수 있다. 또는, 자기 체인은 샤프트부(120)의 유동부(S1) 내에서 샤프트부(120)의 일측[또는, 압착부(125)의 일측], 수용부(117)의 내측벽까지 형성될 수 있다. 자기력선(MF)에 의한 자기 체인의 형성으로 샤프트부(120)의 Z축 방향으로 구동에 저항이 가해질 수 있다. 즉, 샤프트부(120)의 구동 방향에 수직한 수평면(XY면) 방향으로 자기 체인이 형성되며, 샤프트부(120)의 Z축 구동 방향으로의 저항이 가해질 수 있다. 샤프트부(120)가 Z축으로 구동하는 과정에서 작용하는 저항력은 자기장의 세기, 자기 체인의 결합력 등에 의해 변화할 수 있다. 사용자는 저항의 형태, 패턴, 세기 등에 따라서 햅틱 촉감을 제공받을 수 있다.
사용자의 외력(P) 인가가 해제되고, 자기회로부(130)의 자기장 인가도 해제되면, 탄성부(140)의 복원력에 의해 샤프트부(120)는 위 방향으로 복귀할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(200)를 나타내는 개략 사시도이다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(200)를 나타내는 개략 단면도이다. 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(200)를 나타내는 개략 분해 사시도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 5의 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하고 동일한 구성은 앞에서 설명한 것으로 대체한다. 제1 실시예와 제2 실시예에서 동일한 구성은 도면부호가 100번대, 200번대인 것으로 상호 대응됨을 참조할 수 있다. 이하에, 별도의 설명이 없는 한 도 6 내지 도 8의 각각의 구성은 도 1 내지 도 5를 통해 위에서 설명한 것으로 갈음한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(200)는 케이스부(210: 211, 215), 샤프트부(220), 자기회로부(230), 탄성부(240), 요크부(250), 자기유변유체(M)를 포함할 수 있다. 여기에, 제어부(260), 스위치부(280) 등을 더 포함할 수 있다. 제2 실시예의 햅틱 입력 장치(200)는 제1 실시예의 햅틱 입력 장치(100)보다 사이즈를 감소시키고, 구조를 보다 간단하게 한 것이다.
케이스부(210: 211, 215)는 햅틱 입력 장치(200)의 하우징으로서, 다른 구성들을 수납하는 내부 공간(R5)을 제공할 수 있다. 제1 케이스(211)는 샤프트 통과홀(212)이 형성된 대략 평판 형태로 제공될 수 있다. 제2 케이스(215)는 대략 상부가 개방된 육면체 형상으로 제공될 수 있다. 제2 케이스(215)의 측면에는 제어부(260)와 자기회로부(230)가 전기적으로 연결될 수 있는 통로인 연통홀(216)이 형성될 수 있다.
자기회로부(230)는 제2 케이스부(215)의 내부 공간(R5)에 배치될 수 있다. 자기회로부(230)는 제2 케이스부(215) 내측면에 대응하도록 둘러진 형태로 제공될 수 있다. 자기회로부(230)는 중앙 공간(R3)을 가지도록 통 형상으로 제공될 수 있다. 자기회로부(230)는 제2 케이스부(215)의 내측면을 따라 감겨진 코일로 제공될 수 있다.
제2 실시예의 햅틱 입력 장치(200)는 요크부(250)를 더 포함할 수 있다. 요크부(250)는 제2 케이스(215)의 내부 공간(R5)에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 요크부(250)는 자기회로부(230)의 중간 공간(R3)에 배치될 수 있다. 요크부(250)는 제2 내부 공간(R4)을 제공할 수 있다. 요크부(250)는 자기회로부(230)의 내측면에 대응하도록 둘러진 형태로 제공될 수 있다. 요크부(250)는 제2 내부 공간(R4)을 가지도록 관 또는 기둥 형태로 형성될 수 있다. 요크부(250)는 케이스부(210)와 동일한 SUS, PC(폴리카보네이트) 등의 재질로 형성될 수 있다.
요크부(250)는 샤프트부(220)의 연장 방향(Z축 방향)과 동일한 방향으로의 제2 내부 공간(R4)을 제공할 수 있다. 요크부(250)의 제2 내부 공간(R4)의 형태, 즉, 내경은 샤프트부(220)의 외경에 대응하도록 형성될 수 있다. 따라서, 샤프트부(220)가 Z축 방향으로 동작할 때, 제2 내부 공간(R4) 내에서 샤프트부(220)의 축이 벗어나지 않고 동작할 수 있는 이점이 있다.
자기유변유체(M)가 제2 내부 공간(R4)에 채워질 수 있다. 자기유변유체(M)가 밀폐될 수 있도록, 제2 내부 공간(R4)의 높이는 제2 케이스(215)의 높이에 대응할 수 있다. 요크부(250)에 의해 제2 케이스(215)의 내부 공간(R5)이 자기회로부(230)가 배치되는 공간과, 자기유변유체(M)가 배치되는 제2 내부 공간(R4)으로 구획될 수 있다. 따라서, 자기유변유체(M)의 자성입자들이 자기회로부(230)에 직접 붙는 것이 방지될 수 있는 이점이 있다.
제2 케이스(215)의 내부 공간(R5)에 자기회로부(230), 요크부(250)를 순차적으로 배치하고, 요크부(250)의 제2 내부 공간(R4)에 자기유변유체(M), 탄성부(240), 스위치부(280)를 배치한 후, 샤프트부(220)를 탄성부(240)에 삽입할 수 있다. 그리고, 제1 케이스(211)를 제2 케이스(215) 상에 끼워맞춰 내부 공간(R5) 및 제2 내부 공간(R4)의 상부를 밀폐할 수 있다. 제1 케이스(211)의 상부(211a)가 요크부(250) 상부 및 제2 케이스(215)의 상부 테두리와 접하여 자기회로부(230)가 배치되는 공간을 밀폐할 수 있다. 그리고 제1 케이스(211)의 하부(211b)가 요크부(250)의 상부에 접하여 제2 내부 공간(R4)을 밀폐할 수 있다.
샤프트부(220)는 상단부(221)가 샤프트 통과홀(212)을 통해 케이스부(210)의 외부에 노출되고, 하단부(225)가 탄성부(240)에 삽입될 수 있다. 그리고, 샤프트부(220)의 측면 상에는 걸림부(223)가 형성될 수 있다. 걸림부(223)는 샤프트부(220)의 측면 방향(XY면 형성 방향)으로 돌출되게 형성될 수 있다. 걸림부(223)는 샤프트부(220)가 샤프트 통과홀(212)을 통해 외부로 이탈되지 않도록 샤프트부(220)의 구동 범위의 상한을 제한할 수 있다. 걸림부(223)는 탄성부(240)의 내부로 들어가지 않도록 샤프트부(220)의 측면 방향으로 돌출되는 것이 바람직하다. 걸림부(223)는 샤프트부(220)의 양 측면에 형성되어 샤프트 통과홀(212)의 하부면[또는, 제1 케이스(211)의 하부(211b) 내측]에 접하는 것이 바람직하나, 샤프트부(220)가 샤프트 통과홀(212)의 하부면[또는, 제1 케이스(211)의 하부(211b) 내측]에 걸리는 범위라면, 샤프트부(220)의 일 측면에만 형성될 수도 있다.
걸림부(223)는 제2 내부 공간(R4)의 폭에 대응하는 폭을 가지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 샤프트부(220)가 제2 내부 공간(R4)에서 축이 기울어지지 않은 채 Z축 방향을 따라 부드럽게 구동할 수 있다. 걸림부(223)의 양단에서 아래로 사이드부(227)가 더 연장형성될 수 있다. 사이드부(227)는 탄성부(240)의 외측에 배치되고, 하단부(225)는 탄성부(240)에 삽입될 수 있다. 이에 따라, 걸림부(223)의 하부면을 통해 탄성부(240)를 압착할 수 있다. 즉, 걸림부(223)의 하부면에서 하단부(225)와 사이드부(227)가 연장되는 부분을 제외하고, 나머지 부분이 탄성부(240)와 접촉할 수 있다. 요크부(250)의 내측면은 제2 내부 공간(R4)에서 샤프트부(220)가 XY면 방향으로 이탈하지 않고, Z축 방향을 따라 구동하도록 안내할 수 있다.
샤프트부(220)의 하단부(225)와 사이드부(227)는 실질적으로 자기유변유체(M)의 자기 체인의 형성에 의해, Z축 방향으로의 구동 중 전단력, 저항력, 토크, 강성 변화 등을 작용받는 부분일 수 있다. 자기 체인이 보다 잘 형성되도록, 샤프트부(220)의 하단부(225), 사이드부(227)는 중 적어도 어느 하나는 자성 부분을 포함할 수 있다.
제어부(260)는 자기회로부(230)가 형성하는 자기회로를 제어하도록 제공될 수 있다. 제어부(260)는 케이스부(210)의 외측면에 배치될 수 있고, 연통홀(216)을 통해 자기회로부(230)와 전기적으로 연결될 수 있다.
선택적으로, 샤프트부(220)의 하단부(225) 상에는 스위치부(280)를 누를 수 있는 누름부(미도시)가 더 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(200)의 구동 과정을 나타내는 개략도이다. 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(200)의 자기 회로를 나타내는 개략도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 자기회로부(230)는 제2 케이스(215)의 측면을 따라 수직(Z축) 방향으로 형성될 수 있다. 자기회로부(230)의 중앙 공간(R3)을 통하도록 대략 아래에서 위로 자기회로가 형성될 수 있다. 또한, 샤프트부(220)의 걸림부(223), 사이드부(227)도 자성 재질로 형성될 수 있으므로, 자기력선(MF)이 수직(Z축) 방향으로 형성되는데 기여할 수 있다. 도 10과 같이 자기력선(MF)은 자기회로부(230)의 상부 - 걸림부(223), 사이드부(227) - 자기회로부(230)의 하부를 따라 자기 루프를 형성할 수 있게 된다.
도 9와 같이, 사용자가 샤프트부(220)의 상단부(221)에 외력(P)을 가하여 누르면, 샤프트부(220)가 탄성부(240)를 압착한다. 자기장이 인가되지 않고, 자기력선(MF)이 형성되지 않은 경우, 탄성부(240)는 압착되면서(240 -> 240') 고유의 탄성력에 대응하는 반발력을 사용자에게 제공할 수 있다.
자기장이 인가되고, 자기력선(MF)이 형성된 경우, 자기유변유체(M) 내의 자성 입자들은 자기력선(MF)의 방향으로 자기 체인을 형성(M -> M')할 수 있다. 자기 체인은 대략 자기유변유체(M)가 수용된 제2 내부 공간(R4)[또는, 요크부(250)]의 내측벽에서부터 샤프트부(220)의 일측에 닿을 정도로 형성될 수 있다. 또는, 자기 체인은 샤프트부(220)의 하단부(225)의 일측에서 사이드부(227)의 일측까지 형성될 수 있다. 자기력선(MF)에 의한 자기 체인의 형성으로 샤프트부(220)의 Z축 방향으로 구동에 저항이 가해질 수 있다. 즉, 샤프트부(220)의 구동 방향에 수직한 수평면(XY면) 방향으로 자기 체인이 형성되며, 샤프트부(220)의 Z축 구동 방향으로의 저항이 가해질 수 있다. 샤프트부(220)가 Z축으로 구동하는 과정에서 작용하는 저항력은 자기장의 세기, 자기 체인의 결합력 등에 의해 변화할 수 있다. 사용자는 저항의 형태, 패턴, 세기 등에 따라서 햅틱 촉감을 제공받을 수 있다.
사용자의 외력(P) 인가가 해제되고, 자기회로부(230)의 자기장 인가도 해제되면, 탄성부(240)의 복원력에 의해 샤프트부(220)는 위 방향으로 복귀할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(300)를 나타내는 개략 사시도이다. 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(300)를 나타내는 개략 단면도이다. 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(300)를 나타내는 개략 분해 사시도이다. 도 14는 도 12와 다른 측면을 나타내는 개략 단면도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 5의 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하고 동일한 구성은 앞에서 설명한 것으로 대체한다. 제1 실시예와 제3 실시예에서 동일한 구성은 도면부호가 100번대, 300번대인 것으로 상호 대응됨을 참조할 수 있다. 이하에, 별도의 설명이 없는 한 도 11 내지 도 14의 각각의 구성은 도 1 내지 도 5를 통해 위에서 설명한 것으로 갈음한다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(300)는 케이스부(310: 311, 315), 샤프트부(320), 자기회로부(330), 탄성부(340), 자기유변유체(M)를 포함할 수 있다. 여기에, 제어부(360), 노브(370) 등을 더 포함할 수 있다. 제3 실시예의 햅틱 입력 장치(300)는 제1 실시예의 햅틱 입력 장치(300)보다 사이즈를 최소한으로 키우면서 구동/저항 토크를 크게 한 것이다.
케이스부(310: 311, 315)는 햅틱 입력 장치(300)의 하우징으로서, 다른 구성들을 수납하는 내부 공간(R6)을 제공할 수 있다. 제1 케이스(311)는 샤프트 통과홀(312)이 형성된 대략 하부가 개방된 육면체 형상으로 제공될 수 있다. 제2 케이스(315)는 대략 상부가 개방된 육면체 형상으로 제공될 수 있다. 제2 케이스(315)의 측면에는 제어부(360)와 자기회로부(330)가 전기적으로 연결될 수 있는 통로인 연통홀(316)이 형성될 수 있다.
그리고, 제2 케이스(315)의 내부 공간(R6)에는 수용부(317)가 형성될 수 있다. 수용부(317)는 상부가 개방된 관 또는 기둥 형태, 또는 상하부가 개방된 관 또는 기둥 형태로 형성될 수 있다. 수용부(317)의 하부면이 제2 케이스(315)의 내측 하부면으로 대체될 경우에, 수용부(317)는 상하부가 개방된 관 또는 기둥 형태로 형성될 수 있다.
수용부(317)는 샤프트부(320)의 연장 방향(Z축 방향)과 동일한 방향으로의 수용 공간(R7)을 제공할 수 있다. 수용부(317)의 수용 공간(R7)의 형태, 즉, 내경은 샤프트부(320)의 외경에 대응하도록 형성될 수 있다. 따라서, 샤프트부(320)가 Z축 방향으로 동작할 때, 수용 공간(R7) 내에서 샤프트부(320)의 축이 벗어나지 않고 동작할 수 있는 이점이 있다. 수용 공간(R7)의 높이는 케이스부(310)의 내부 공간(R6)에 배치된 샤프트부(320) 부분의 Z축 방향의 길이보다는 적은 값으로 제공되는 것이 바람직하다.
자기유변유체(M)가 수용부(317)의 수용 공간(R7)에 채워질 수 있다. 또한, 수용부(317)의 수용 공간(R7)에는 탄성부(340)가 배치될 수 있다. 또한, 선택적으로, 수용부(317)의 수용 공간(R7)에 스위치부(미도시)가 더 배치될 수 있다.
샤프트부(320)는 제1 실시예의 샤프트부(120)와 실질적으로 동일하다. 여기에 더하여, 샤프트부(320)의 외주를 감싸도록 프로텍터부(390)가 배치될 수 있다. 프로텍터부(390)는 삽입홀(392)을 가지며, 삽입홀(392)에 샤프트부(320)에 삽입될 수 있다. 프로텍터부(390)는 탄성 재질로 형성될 수 있다. 프로텍터부(390)는 실리콘, 실리콘 러버, 고무, 폴리머 등의 탄성 재질로 형성될 수 있고, 바람직하게는 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 프로텍터부(390)는 적어도 주름(391)을 가질 수 있다. 프로텍터부(390)는 탄성 재질 특성 및 주름(391)을 가지는 형태를 통해 수직 길이가 가변될 수 있다. 프로텍터부(390)가 Z축 방향으로 신장되면 주름(391)이 펴지고, 압축되면 주름(391)이 더 형성될 수 있다.
프로텍터부(390)는 샤프트부(320)의 측면 상에 형성된 걸림부(324)의 아래에 배치될 수 있다. 또한, 프로텍터부(390)는 수용부(317)의 상부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 수용부(317)의 수용 공간(R7)에 채워진 자기유변유체(M)가 수용부(317)의 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
자기유변유체(M)의 누출을 효율적으로 막을 수 있도록, 프로텍터부(390)의 외주 형태는 대략 수용부(317)의 외주형태에 대응하도록 형성되는 것이 바람직하다. 수용부(317)와 대응하는 중앙부가 개방된 관 또는 기둥 형태로 형성될 수 있다.
샤프트부(320)에는 자기유변유체(M)가 이동할 수 있는 공간인 유동부(S2)가 형성될 수 있다. 즉, 유동부(S2)가 형성된 공간을 제외한 샤프트부(320)의 타단 부분이 탄성부(340)를 압착하는데 사용될 수 있다.
자기회로부(330)는 케이스부(110)의 내부 공간(R6) 내에서 샤프트부(320)를 감싸는 형태로 제공될 수 있다. 본 명세서에서는 샤프트부(320)의 좌측과 우측에 이격되도록 각각 제1 극(331), 제2 극(332)이 배치되는 예가 도시되나, 선택적으로 샤프트부(320)의 하나의 측에만 제1 극(331) 또는 제2 극(332)이 배치될 수 있다. 또는, 샤프트부(320)의 좌측면과 우측면 외에 다른 일측에 추가로 제3 극 등이 더 배치될 수도 있다.
제1 극(331), 제2 극(332)은 코일(coil)을 포함하고, 솔레노이드 전자석을 포함하도록 제공될 수 있다. 내부 공간(R6)의 수직 방향 전체에 걸쳐 자기력선(MF)[도 15 참조]을 형성할 수 있도록 제1 극(331), 제2 극(332)은 내부 공간(R6)의 수직 길이 전체에 배치되도록 코일이 감겨진 형태일 수 있다.
제1 극(331), 제2 극(332)은 각각 제1 코어(335), 제2 코어(336)에 끼워질 수 있다. 그리고, 제1 코어(335)와 제2 코어(336)를 상호 전기적/자기적으로 연결하도록 자기테두리부(337)가 개재될 수 있다. 자기테두리부(337)는 자기회로부(330)의 외곽 테두리를 구성할 수 있다. 자기테두리부(337)는 제1 극(331) 및 제2 극(332)의 외측을 감싸면서, 제1 코어(335)와 제2 코어(336)의 외측을 상호 연결하는 구조로 제공될 수 있다.
자기테두리부(337)는 XY면 방향과 수평하게 형성될 수 있다. 자기테두리부(337)의 하면이 제2 케이스부(315)의 내측 단차(319) 상에 지지될 수 있다. 자기테두리부(337)가 내측 단차(319) 상에 지지되면서 자기회로부(330)가 안정적으로 내부 공간(R6)에 배치될 수 있다.
또한, 샤프트(320)와 마찬가지로, 자기테두리부(337)는 적어도 자성 부분을 포함할 수 있다. 제1 코어(335), 제2 코어(336)도 마찬가지로 적어도 자성 부분을 포함할 수 있다. 이에 따라, 내부 공간(R6)의 수직 방향(Z축 방향) 외에 자기테두리부(337)의 형성 방향(XY면 방향)을 따라서도 자기력선(MF)이 형성될 수 있다. 자기력선(MF)이 내부 공간(R6)에서 보다 넓은 범위에 형성되므로, 샤프트(320)가 Z축 방향으로의 구동 중에 전단력, 저항력, 토크, 강성 변화 등을 보다 큰 힘으로 작용받을 수 있게 된다.
탄성부(340)는 수용부(317)의 수용 공간(R7)에 배치될 수 있다. 하나 또는 복수의 탄성부(340)가 수용 공간(R7)에 배치될 수 있다. 일 예로, 탄성부(340)가 원기둥 형태의 스프링이고, 수용 공간(R7)의 X축 또는 Y축 방향으로의 폭이 탄성부(340)의 직경보다 클 경우, 탄성부(340)가 수용 공간(R7) 내에서 불안정하게 흔들릴 수 있다. 이때, 탄성부(340)를 XY면 방향으로 수평하도록 수용 공간(R7) 내 복수로 배치하여 불안정한 흔들림을 보완할 수 있다. 도 14를 참조하면, 두 개의 탄성부(340a, 340b)가 각각 샤프트(320)의 하부 좌측 영역, 하부 우측 영역을 지지함에 따라 샤프트(320)가 Z축 방향으로 구동 중에 어느 한 영역으로 치우치거나 흔들리는 것을 방지할 수 있다. 한편, 탄성부(340)가 보다 안정정으로 수용 공간(R7)에 배치되도록 수용부(317)의 하부에 탄성부(340)를 끼우거나, 연결 고정할 수 있다. 또한, 탄성부(340)의 상부가 샤프트(320)의 하부에 끼워지거나, 연결 고정되게 할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 햅틱 입력 장치(300)의 구동 과정을 나타내는 개략도이다.
도 15를 참조하면, 자기회로부(330)의 제1 극(331), 제2 극(332)은 내부 공간(R6)에서 수직 방향(Z축 방향)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 자기회로[또는, 자기력선(MF)]도 자기회로부(330)의 형성 방향에 대응하게 수직 방향으로 형성될 수 있다. 또한, 샤프트(320), 자기테두리부(337)도 자성 재질로 형성될 수 있으므로, 자기력선(MF)이 수평면 방향으로도 형성되는데 기여할 수 있다. 일 예로, 도 15의 우측 도면과 같이 자기력선(MF)은 제1 극(331)/제2 극(332)의 상부 - 샤프트부(320) 및 자기테두리부(337) - 제1 극(131)/제2 극(132)의 하부를 따라 자기 루프(magnetic loop)를 형성할 수 있게 된다.
다른 예로, 제1 극(331)과 제2 극(332)이 반대 극성을 가지는 경우, 자기력선(MF)은 제1 극(331)의 상부 - 제2 극(332)의 상부 - 제2 극(332)의 하부 - 제1 극(331)의 하부를 따라 자기 루프가 형성될 수도 있다.
도 15와 같이, 사용자가 샤프트부(320)[또는, 노브(370)]에 외력(P)을 가하여 누르면, 샤프트부(320)가 탄성부(340)를 압착한다. 자기장이 인가되지 않고, 자기력선(MF)이 형성되지 않은 경우, 탄성부(340)는 압착되면서(340 -> 340') 고유의 탄성력에 대응하는 반발력을 사용자에게 제공할 수 있다.
자기장이 인가되고, 자기력선(MF)이 형성된 경우, 자기유변유체(M) 내의 자성 입자들은 자기력선(MF)의 방향으로 자기 체인을 형성(M -> M')할 수 있다. 자기 체인은 대략 자기유변유체(M)가 수용된 수용부(317)의 내측벽에서부터 샤프트부(320)의 일측에 닿을 정도로 형성될 수 있다. 또는, 자기 체인은 샤프트부(320)의 유동부(S2) 내에서 샤프트부(320)의 일측, 수용부(317)의 내측벽까지 형성될 수 있다. 자기력선(MF)에 의한 자기 체인의 형성으로 샤프트부(320)의 Z축 방향으로 구동에 저항이 가해질 수 있다. 즉, 샤프트부(320)의 구동 방향에 수평한 방향(Z축 방향) 및 수직한 수평면(XY면) 방향으로 자기 체인이 형성되며, 샤프트부(120)의 Z축 구동 방향으로의 저항이 가해질 수 있다. 샤프트부(320)가 Z축으로 구동하는 과정에서 작용하는 저항력은 자기장의 세기, 자기 체인의 결합력 등에 의해 변화할 수 있다. 사용자는 저항의 형태, 패턴, 세기 등에 따라서 햅틱 촉감을 제공받을 수 있다.
사용자의 외력(P) 인가가 해제되고, 자기회로부(330)의 자기장 인가도 해제되면, 탄성부(340)의 복원력에 의해 샤프트부(320)는 위 방향으로 복귀할 수 있다.
또한, 사용자의 외력(P)이 인가될 때, 샤프트부(320)의 걸림부(324)가 프로텍터부(390)를 압착(390 -> 390')할 수 있다. 압착된 프로텍터부(390')는 여전히 샤프트부(320)의 외주를 감싸고 있으므로 자기유변유체(M)가 수용부(317) 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 사용자의 외력(P) 인가가 해제되면, 탄성부(340)의 복원력에 의해 샤프트부(320)가 위 방향으로 복귀하면서, 프로텍터부(390')는 다시 주름(391)이 펴지면서 위로 신장(390' -> 390)될 수 있다. 프로텍터부(390)가 신장되면서 걸림부(324)를 위로 미는 힘이 더해지면서 탄성부(340)만을 사용할 때보다 복귀 속도가 빠르게 이루어질 수도 있다.
도 16은 본 발명의 일 실험예에 따른 햅틱 입력 장치의 무부하 테스트 그래프를 나타낸다. 도 17은 본 발명의 일 실험예에 따른 햅틱 입력 장치의 부하 테스트 그래프를 나타낸다. 도 16은 자기장을 인가하지 않은 상태, 도 17은 자기회로부에서 자기장을 인가한 상태에서의 시간별 부하의 크기를 나타낸다. 햅틱 입력 장치(300)에 대해서 테스트를 수행하였으며, 샤프트부(320)의 Z축 방향으로의 구동 스트로크를 5.0mm로 하여 3회 반복 구동하였다. 자기회로부(330)에 2Hz, 5V의 부하 패턴을 인가하였다.
도 16을 참조하면, 자기장을 인가하지 않은 상태에서는 탄성부(340)의 저항에 의한 힘 등이 나타난다. 약 2.9N의 저항력이 나타난다. 도 17을 참조하면, 자기장을 인가한 상태에서는 도 16의 저항력에 더하여 자기유변유체(M)가 자기 체인을 형성함에 따라, 샤프트(320)가 Z축 방향으로의 구동 중에 전단력, 저항력, 토크, 강성 변화 등을 추가로 작용받을 수 있다. 도 17의 최대 저항력은 약 4.51N이며, 도 16의 약 2.9N과의 차이인 약 1.61N이 자기유변유체(M)가 자기 체인을 형성한에 따라 추가로 작용받는 햅틱 포스(haptic force) 값임을 확인할 수 있다. 또한, 도 17을 통해 사용자는 샤프트(320)를 누르는 과정에서 진동 패턴에 대응하는 햅틱 포스를 제공받을 수 있음을 확인할 수 있다. 자기회로부(330)에서 생성하는 자기장에 따라 다양 패턴의 햅틱 포스를 제공할 수 있게 된다.
위와 같이, 본 발명은 입력 장치를 통해 입력하는 과정에서 사용자에게 촉감을 제공할 수 있고, 촉감 형태를 다양하게 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 작은 사이즈로 얇고 간단하게 햅틱 입력 장치(100, 200)를 구현할 수 있는 효과가 있다. 일 실시예에 따르면, 본 발명의 햅틱 입력 장치(100)는 노브(170)를 제외하고 가로 X 세로 X 두께가 약 20mm X 20mm X 13.5mm로 제조될 수 있고, 노브(170)를 포함하여 약 20mm X 20 mm X 22mm로 제조될 수 있다. 샤프트부(120)가 눌리는 구동 스트로크의 범위는 약 2.5mm 일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 본 발명의 햅틱 입력 장치(200)는 약 1.5mm의 높이를 가지는 노브를 제외하면 약 8mm X 8mm X 4.8mm로 제조될 수 있고, 노브를 포함하여 약 8mm X 8 mm X 6mm로 제조될 수 있다. 샤프트부(220)가 눌리는 구동 스트로크의 범위는 약 1.5mm 일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 본 발명의 햅틱 입력 장치(300)는 노브(370)를 제외하고 가로 X 세로 X 두께가 약 38mm X 40mm X 40mm로 제조될 수 있고, 노브(370)를 포함하여 약 38mm X 40 mm X 47.5mm로 제조될 수 있다. 샤프트부(320)가 눌리는 구동 스트로크의 범위는 약 5mm 일 수 있다.
또한, 본 발명은 탄성부(140, 240, 340)의 탄성력, 복원력에 더하여 자기유변유체(M)의 자기 체인 형성을 통해 저항을 제어함으로써 적은 에너지로 햅틱 촉감을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (20)

  1. 사용자에게 햅틱 촉감을 제공하는 햅틱 입력 장치로서,
    내부 공간을 제공하는 케이스부;
    일단이 외부에 노출되고 타단이 상기 케이스부의 내부 공간에 위치되는 샤프트부;
    상기 샤프트부의 적어도 일측에 배치되고 자기회로를 형성하는 자기회로부;
    상기 샤프트부의 타단에 접하고 상기 샤프트부에 복원력을 제공하는 탄성부;
    상기 내부 공간의 적어도 일부에 채워지는 자기유변유체;
    를 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기회로부가 형성하는 자기회로를 제어하는 제어부를 더 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케이스부는,
    상부에 배치되고 상기 샤프트가 통과하는 샤프트 통과홀이 형성된 제1 케이스; 및
    하부에 배치되고 상기 자기유변유체가 수용되는 상기 내부 공간을 제공하는 제2 케이스;
    를 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 케이스는 상기 자기유변유체 및 상기 탄성부가 수용되는 수용부를 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자기회로부는 XY 면 방향으로 형성되고, 상기 자기회로부의 일단 및 타단은 상기 수용부 및 상기 제2 케이스 상에 지지되며 상기 내부 공간에 배치되는, 햅틱 입력 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제어 회로부; 및 상기 제어 회로부에 전력을 전달하는 제어 단말부;를 포함하고,
    상기 제어 회로부는 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 제어 단말부는 적어도 일부가 상기 케이스부의 외부에 노출되는, 햅틱 입력 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트부의 일단에 노브(knob)가 연결되는, 햅틱 입력 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 수용부 내부에 스위치부가 더 배치되고,
    상기 샤프트부의 타단 상에 상기 스위치부를 누르는 누름부가 돌출 형성된, 햅틱 입력 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트부의 타단은, 적어도 상기 탄성부를 압착하는 압착부를 포함하고, 상기 압착부 사이에 상기 자기유변유체가 이동할 수 있는 공간인 유동부가 형성된, 햅틱 입력 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 샤프트부의 측면 상에 걸림부가 형성되고, 상기 걸림부는 상기 제1 케이스의 상기 샤프트 통과홀의 하부면까지 상기 샤프트부의 구동 범위를 제한하는, 햅틱 입력 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제2 케이스의 내부 공간에 배치되고 제2 내부 공간을 제공하는 요크부를 더 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 요크부의 상기 제2 내부 공간에 상기 자기유변유체가 채워지고, 상기 제2 내부 공간의 상부는 상기 제1 케이스로 밀폐되며, 상기 제2 내부 공간의 하부는 상기 제2 케이스로 밀폐되는, 햅틱 입력 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 요크부와 상기 제2 케이스의 사이 공간에 상기 자기회로부가 배치되는, 햅틱 입력 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 내부 공간에 상기 탄성부가 배치되고,
    상기 탄성부에 상기 샤프트부의 타단이 삽입되는, 햅틱 입력 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 샤프트부의 측면 상에 걸림부가 더 형성되고, 상기 걸림부는 상기 제2 내부 공간의 폭에 대응하는 폭을 가지도록 형성되며,
    상기 요크부의 내측면은 상기 제2 내부 공간에서 상기 샤프트부가 Z축 방향으로 구동하도록 안내하는, 햅틱 입력 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 걸림부의 단부에서 아래로 사이드부가 더 연장형성되는, 햅틱 입력 장치.
  17. 제4항에 있어서,
    상기 샤프트부의 측면 상에 걸림부가 형성되고,
    상기 걸림부보다 하부에 배치되되 상기 샤프트부의 외주를 감싸고, 상기 수용부의 상부에 배치되어 상기 자기유변유체가 상기 수용부로부터 누출되는 것을 방지하는 프로텍터부를 더 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 탄성부가 XY 면 방향으로 수평하도록 상기 수용부 내에 배치되는, 햅틱 입력 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 자기회로부는,
    자기장을 생성하는 제1 극 및 제2 극;
    상기 제1 극에 끼워지는 제1 코어, 상기 제2 극에 끼워지는 제2 코어;
    를 포함하는, 햅틱 입력 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 자기회로부는 상기 제1 코어와 제2 코어의 외측을 상호 연결하되, 상기 제1 극 및 상기 제2 극의 외측변을 감싸는 자기테두리부를 더 포함하는, 햅틱 입력 장치.
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