WO2024049104A1 - 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치 - Google Patents

입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치 Download PDF

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WO2024049104A1
WO2024049104A1 PCT/KR2023/012558 KR2023012558W WO2024049104A1 WO 2024049104 A1 WO2024049104 A1 WO 2024049104A1 KR 2023012558 W KR2023012558 W KR 2023012558W WO 2024049104 A1 WO2024049104 A1 WO 2024049104A1
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WO
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input
rotation
shaft
magnetorheological fluid
rotating
Prior art date
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PCT/KR2023/012558
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English (en)
French (fr)
Inventor
김형준
김진기
지인식
Original Assignee
주식회사 씨케이머티리얼즈랩
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H19/00—Switches operated by an operating part which is rotatable about a longitudinal axis thereof and which is acted upon directly by a solid body external to the switch, e.g. by a hand
    • H01H19/02—Details
    • H01H19/08—Bases; Stationary contacts mounted thereon
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    • H01H19/00—Switches operated by an operating part which is rotatable about a longitudinal axis thereof and which is acted upon directly by a solid body external to the switch, e.g. by a hand
    • H01H19/02—Details
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H25/06—Operating part movable both angularly and rectilinearly, the rectilinear movement being along the axis of angular movement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H36/00—Switches actuated by change of magnetic field or of electric field, e.g. by change of relative position of magnet and switch, by shielding

Definitions

  • the present invention relates to input and rotation load modules, and input devices. More specifically, it relates to a hybrid type input and rotation load module and input device in which rotation torque can be adjusted by applying a magnetic field and input is possible.
  • a jog dial has a rotatable circular dial shape, and allows the user to select a certain function by rotating the dial clockwise/counterclockwise. When the user removes the force applied to the jog dial, the dial can be positioned in a specific position, allowing precise position movement.
  • Jog dials are gradually being applied to mice and home appliances, and are also being introduced to vehicles as the main input device for driver information systems (DIS) such as telematics terminals.
  • DIS driver information systems
  • the jog dial only provides rotational input, and there is a problem in that it is difficult to perform input in other ways.
  • the present invention unlike the conventional mechanical structure that generates a monotonous and single tactile pattern, generates various tactile patterns according to various input signals when rotating, allowing the user to feel diverse and luxurious, and provides a variety of tactile sensations when rotating.
  • the purpose is to provide an input and rotation load module and an input device that can input in addition to generating patterns.
  • an input and rotation load module and an input device have a built-in haptic function, can change rotation torque, reduce production costs, and facilitate miniaturization of the device.
  • the purpose is to
  • the purpose is to provide an input and rotation load module and an input device that can be applied to various purposes according to the shear characteristics or viscosity of magnetorheological fluid.
  • the above object of the present invention is to provide an input and rotational load module in which an input device is connected to a rotational load device, wherein the input device includes: a body portion; and an elastic portion disposed within the body portion and providing restoring force against pressure, wherein the input device is connected to the shaft of the rotary load device and is rotatable, and generates an input signal by pressing the body portion of the input device.
  • the input device may further include an input unit that receives an input by applying pressure to the body part.
  • the input unit includes a button, and the button can be pressed by pressing the body part.
  • the body portion includes: a fixed body to which the shaft of the rotating load device is connected; It may include a moving body disposed on top of the fixed body, capable of moving up and down in the Z-axis direction, covering the fixed body, and providing an internal space where the elastic part is disposed.
  • the flow body includes: an upper flow body covering the upper part of the internal space; It may include a side floating body that provides a first space for accommodating the fixed body, and where at least a portion of the outer peripheral surface of the fixed body is fitted onto the inner peripheral surface.
  • the side flow body may have a cylindrical shape.
  • At least one locking protrusion may be formed on the outer peripheral surface of the fixed body, and a guide groove may be formed on the inner peripheral surface of the side floating body corresponding to the locking protrusion of the fixed body.
  • the guide groove portion may be formed to have a predetermined length from the top of the inner peripheral surface of the side flow body to the central portion.
  • the elastic portion exerts a force to push the floating body upward based on the fixed body, and the catching protrusion of the fixed body is located at the lower end of the guide groove of the side floating body.
  • the movement range of the side flow body may be limited.
  • the predetermined length may be longer than the distance from the bottom of the side flow body to the input unit.
  • an elastic fixing part that secures the upper part of the elastic part may be formed on the lower surface of the upper moving body.
  • a shaft connection groove into which the shaft is inserted may be formed in the lower part of the fixed body.
  • the fixing body has an open top and provides a second space for accommodating the elastic part, and an elastic protrusion into which the elastic part is inserted may be formed in the second space.
  • a circuit unit that generates the input signal when the input unit detects an input caused by pressure of the body part; and a terminal unit connected to the circuit unit and transmitting power or signals.
  • the circuit unit may be disposed on an upper part of the rotating load device.
  • it may further include an encoder sensor unit that generates a rotation signal by sensing data on at least one of the rotation speed, rotation position, rotation direction, and rotation angle of the shaft of the rotation load device.
  • the input unit includes a Hall element that generates a Hall voltage when a magnetic field is applied or changed, and at least a portion of the lower part of the fluid body may include a magnetic portion. there is.
  • the distance between the input unit and the moving body can be calculated based on the intensity of the Hall voltage.
  • the above object of the present invention is to retrieve a menu item by rotating an input device connected to the shaft of a rotating load device (a); (b) selecting a specific menu item by pressing the body portion of the input device; This is achieved by a method of generating an input signal using an input and rotation load module.
  • the above object of the present invention is an input device that is connected to the shaft of a rotating load device and generates an input signal, comprising: a body portion; an elastic portion disposed within the body portion and providing restoring force against pressure; and an input unit that receives an input by applying pressure to the body unit, wherein the body unit includes: a fixed body to which the shaft of the rotating load device is connected; a moving body disposed on an upper part of the fixed body, capable of moving up and down in the Z-axis direction, covering the fixed body and providing an internal space in which the elastic unit is disposed, wherein the moving body is located at an upper part of the internal space; an upper flow body covering; An input device comprising: a side floating body that provides a first space for accommodating the fixed body and in which at least a portion of the outer peripheral surface of the fixed body is fitted on the inner peripheral surface; and generates an input signal by pressing the floating body. is achieved by
  • various tactile patterns are generated according to various input signals when rotating, allowing the user to feel a variety of and luxurious tactile sensations.
  • it also has the effect of enabling input.
  • a haptic function is built in, so rotational torque can be changed, production costs can be reduced, and the device can be easily miniaturized.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic exploded view of a magnetorheological fluid rotating load device according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a magnetorheological fluid rotating load device according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an enlarged view of portion VI of Figure 3.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the behavior of magnetorheological fluid in a gap space according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the torque according to the magnetic field of the magnetorheological fluid according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing magnetic force lines of a shaft made of magnetic material according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing the movement path of magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a schematic exploded view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a schematic cross-sectional view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic diagram showing the movement path of magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a schematic perspective view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic exploded view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic cross-sectional view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a schematic diagram showing the movement path of magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device according to the third embodiment of the present invention.
  • Figure 16 is a schematic exploded view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a schematic cross-sectional view of a magnetorheological fluid rotating load device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 18 is a schematic diagram showing the movement path of magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 19 is a schematic diagram showing a yoke portion and a rotating ring in which a fluid passage hole is formed according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 20 is a schematic diagram showing the shape of a magnetic chain in a fluid passage hole according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 21 is a graph showing torque values before and after forming a fluid passage hole according to an experimental example.
  • Figure 22 is a schematic diagram showing a pattern shape on a horizontal plane of a yoke portion and a rotating ring according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 23 is a schematic diagram showing the pattern shape and rotation process of the yoke portion and the rotation ring on the horizontal plane according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 24 is a graph showing the torque value according to the viscosity of the magnetorheological fluid according to an experimental example of the present invention.
  • Figure 25 is a graph showing the basic torque value adjusted for DC OFF-SET voltage according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 26 is a graph showing the rotation stop of the magnetorheological fluid rotating load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 27 is a graph showing the position recognition of the magnetorheological fluid rotation load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 28 is a graph showing the reverse rotation stop of the magnetorheological fluid rotating load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 29 is a graph showing the reverse rotation tactile release of the magnetorheological fluid rotating load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 30 is a schematic diagram showing the process of redistribution of magnetorheological fluid deposited by application of a pre-input signal according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 31 is a photograph of a magnetorheological fluid having a spike shape when a preliminary input signal is applied according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 32 is a graph showing the torque value according to the temperature of the magnetorheological fluid according to an experimental example of the present invention.
  • Figure 33 is a graph showing torque values when applied to an Anti-lock Brake System (ABS) system according to an embodiment of the present invention.
  • ABS Anti-lock Brake System
  • Figure 34 is a graph showing the signal applied to the coil unit and the corresponding torque according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 35 is a schematic diagram showing the rotation state of the shaft and the rotating ring and the rotation state when the rotating ring is separated according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 36 is a schematic diagram showing a method of measuring the state in which the rotating ring is separated from the shaft according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 37 is a graph showing the torque value when the rotating ring separates from the shaft according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 38 is a schematic diagram showing a magnetorheological fluid rotational load module according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 39 to 44 show states in which magnetorheological fluid rotational load devices according to various embodiments of the present invention are applied.
  • Figure 45 is a schematic perspective view showing an input and rotating load module in which an input device is connected to a rotating load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 46 is a schematic exploded view of an input and rotation load module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 47 is a schematic side cross-sectional view of an input and rotation load module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 48 is a schematic diagram showing input means of an input device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 49 is a schematic diagram showing the operation process of the input and rotation load module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 50 is a schematic diagram showing the input principle according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 51 is a schematic diagram showing an example of use of an input and rotation load module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a magnetorheological fluid rotating load device 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic exploded view of the magnetorheological fluid rotating load device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of the magnetorheological fluid rotating load device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an enlarged view of portion VI of Figure 3.
  • the magnetorheological fluid rotary load device 100 of the first embodiment includes a housing 110, a shaft 120, a coil portion 130, a yoke portion 140, and a rotating ring 150. , It includes a magnetorheological fluid 10, and may further include a cover part 180 and a bearing part 190.
  • the housing 110 provides a space (S) within which other components are placed.
  • the components of the magnetorheological fluid rotary load device 100 are disposed within the housing 110, and the magnetorheological fluid 10 may be filled in the remaining empty space within the housing 110.
  • the housing 110 may have a substantially cylindrical shape to provide a space S in which the shaft 120 and the rotating ring 150 can rotate, but the shaft 120 and the rotating ring 150 inside rotate. Any other shape is acceptable as long as it provides the space (S) to do so.
  • the housing (110: 111, 115) is a first housing that provides a space (S) in which the coil portion (130), the yoke portion (140), the rotating ring (150), and the magnetorheological fluid (10) are disposed therein. It may include a housing 111 and a second housing 115 that covers the upper part of the first housing 111 and seals the internal space S of the first housing 111.
  • the present invention has the advantage of completing the assembly of the magnetorheological fluid rotary load device 100 while sealing the magnetorheological fluid 10 with only the simple structure of the first and second housings 110 (111, 115).
  • the shaft 120 may be installed to be rotatable at the center of the housing 110.
  • the shaft 120 is formed to extend long in the vertical direction, and the rotating rings 150 (151, 152) can be rotated together by being inserted into the axial portions 123 and 124 of the shaft 120.
  • the shaft 120 and the rotating ring 150 may be formed integrally.
  • An edge portion 121 is formed at the top of the shaft 120, and a user grip means (not shown) such as a dial is inserted into the edge portion 121 to apply a rotational force to the axis of the shaft 120. can be delivered easily.
  • the lower part 124 of the shaft 120 is inserted into the through hole 159 of the rotation ring 152 located at the bottom of the rotation rings 150, so that the shaft 120 rotates so that the axis does not deviate from its position during rotation. It may be supported on ring 152.
  • the lower surface of the lower portion 124 of the shaft 120 may be spaced apart from the inner lower surface 113 of the first housing 111. That is, the lower part 124 of the shaft 120 does not penetrate to the bottom of the through hole 159 of the rotating ring 152, but can be inserted only to the middle part of the through hole 159.
  • the lower part 124 of the shaft 120 is floating in the air with respect to the inner lower surface 113 of the first housing 111, and the lower part 124 of the shaft 120 is the first housing 111.
  • Mechanical wear of the inner lower surface 113 of the housing 111 can be prevented.
  • the mechanical rotation torque can be significantly lowered when no magnetic field is applied.
  • the upper axis portion 122 of the shaft 120 located within the housing 110 may be supported by being inserted into the through hole 199 of the bearing portion 190. Accordingly, since the various axial parts 122, 123, and 124 of the shaft 120 are respectively inserted and supported in the bearing portion 190 and the rotating ring 150 (151, 152), the position of the axis of the shaft can be stably supported. there is.
  • the lower part 124 of the shaft 120 is fixed on its axis by the rotating ring 152, and the upper part 122 is fixed on its axis by the bearing part 190, so that the fixed axis of the shaft 120 is not twisted. It has the advantage of being able to provide pure haptic torque without distortion.
  • the coil unit 130 may be disposed inside the housing 110.
  • the coil unit 130 is preferably ring-shaped with an opening formed in a shape corresponding to the vertical inner wall 112 of the housing 110, but is not limited thereto.
  • the coil unit 130 is a solenoid coil that generates a magnetic field when current is applied.
  • the particles 11 of the magnetorheological fluid 10 can be arranged in the direction of the magnetic force lines or in the vertical direction to form a chain structure.
  • the chain structure may be formed between the fixed part and the rotating part of the magnetorheological fluid rotary load device 100 to provide torque to the rotating part. The specific rotation torque control process will be described later.
  • the yoke portion 140 may be fixedly installed within the housing 110.
  • the yoke unit 140 may be fixedly installed so that its outer surface faces the inner surface 131 of the opening of the coil unit 130.
  • the yoke portion 140 may have a shape that includes at least a first surface 143 and a second surface 144 (see FIG. 4) opposing the rotation rings 150 (151, 152), which will be described later.
  • the inner surface of the yoke portion 140 may include at least a first surface 143 and a second surface 144.
  • the yoke portion 140 has a first surface (143: 143a, 143b) opposing the outer peripheral surface (153: 153a, 153b) of the rotary ring (150: 151, 152) (see Figure 4) and a rotary ring ( 150: It may have a shape including a second surface (144: 144a, 144b) facing the rotation surface (154: 154a, 154b, 154c, 154d) of 151, 152 and perpendicular to the first surface (143). .
  • a through hole 149 through which the shaft 120 can pass may be formed in the center of the yoke portion 140.
  • the yoke portion 140 has a circular disk shape with a through hole 149 formed therein, and a vertical wall 146 is formed in a cylindrical shape in the vertical direction on the outer periphery of the circular disk, so that the cross section (see FIG. 3)
  • the shape may be approximately an 'H' shape excluding the through hole 149.
  • the rotating ring 150 may be seated in the inner space where the vertical wall 146 of the yoke portion 140 is formed.
  • the rotating ring 150 has an overall circular disk shape and may be connected to the shaft 120.
  • the rotating rings 150 (151, 152) may be fitted into the shaft 120 by forming a through hole 159 corresponding to the axial outer diameter of the shaft 120.
  • the rotating ring 150 may rotate relative to the fixed yoke portion 140 in conjunction with the rotation of the shaft 120.
  • a plurality of rotation rings (150: 151, 152) may be disposed inside the housing 110, and the rotation rings (150: 151, 152) may be connected to the shaft 120 at intervals from each other.
  • the gap maintaining portion 125 of the axis of the shaft 120 may be formed to have a predetermined thickness at the center so that the rotating rings 150 (151, 152) are spaced from each other and to have an outer diameter that is thicker than the axis of the shaft 120.
  • the through hole 149 of the yoke portion 140 may be formed to correspond to the outer diameter of the gap holding portion 155.
  • the gap holding portion 155 has a step and is formed integrally with the rotating ring 150, a method of sequentially inserting only the rotating ring 150 into the shaft 120 without the need to insert a separate spacer into the shaft 120. There is an advantage in that the mutual spacing between the rotating rings 150 can be maintained.
  • Figure 3 shows an example in which the yoke part 140 is disposed between two rotary rings (150: 151, 152). However, when there are three or more rotary rings, the number of yoke parts 140 increases or the yoke part 140 ) The shape can be changed corresponding to the number of rotating rings. At this time, the yoke portion 140 may be arranged alternately with the rotating ring 150 and stacked in the vertical direction.
  • the coil unit 130 is fixedly placed in the internal space (S) of the first housing 111, the rotary ring 150 and the yoke part 140 are stacked alternately, the shaft 120 is inserted, and the remaining rotary ring is After stacking (150) [additional yoke part 140 can also be stacked], assembly is completed by filling the magnetorheological fluid 10 and sealing the internal space S with the second housing 115. It can be.
  • the present invention has the advantage that rotational torque can increase as the number or size of the yoke portion 140 and the rotation ring 150 increases.
  • a simple process of alternately stacking the yoke portion 140 and the rotating ring 150 in the housing (110: 111, 115) and assembling the first and second housings (111, 115) by combining them with each other can produce magnetorheological fluid.
  • a cover part 180 may be further disposed on top of the yoke part 140.
  • the cover part 180 is disposed on the upper edge of the yoke part 140 to seal the internal space of the yoke part 140. Since the inner space of the yoke portion 140 is filled with the magnetorheological fluid 10, the cover portion 180 can be used to substantially seal the inner space (S) of the second housing 115 excluding the coil portion 130. You can.
  • the bearing portion 190 may be disposed on the cover portion 180 so that the axial portion 122 of the shaft 120 is inserted. And, as the second housing 115 is disposed on the coil portion 130, the cover portion 180, and the bearing portion 190, the internal space S of the housings 110 (111, 115) can be sealed.
  • a receiving step 117 may be formed on the lower surface of the second housing 115 to provide a space for the bearing unit 190 to be placed.
  • the bearing part 190 is supported on the outer circumference of the receiving step 117, and can be fixedly supported on the cover part 180 as the axial part 112 of the shaft 120 is inserted into the through hole of the bearing part 190. there is.
  • another bearing (not shown) may be inserted into the axis of the shaft 120 in the inner space of the housing 110.
  • a predetermined gap G is formed between the yoke part 140 and the rotating ring 150, and the gap G may be filled with the magnetorheological fluid 10. Specifically, between the first surface 143 of the yoke part 140 and the outer peripheral surface 153 of the rotating ring 150, and the second surface 144 of the yoke part 140 and the rotating surface of the rotating ring 150.
  • a gap (G) may be formed between (154).
  • the gap G may also be formed between the housing 110 and the yoke portion 140, and between the housing 110 and the rotating ring 150. As properties such as viscosity and rigidity of the magnetorheological fluid 10 filled in the gap G change, the rotational torque of the rotating ring 150 may change.
  • the magnitude of the torque (T) generated between the rotating ring 150 and the yoke portion 140 during the rotating movement of the rotating ring 150 is obtained from the shear stress and the contact area as follows.
  • T T c + T ⁇ + T f
  • T c is the controllable torque that occurs when the electric field or magnetic field is loaded
  • T ⁇ is the viscous torque due to the viscosity of the magnetorheological fluid 10 when the electric field or magnetic field is not applied
  • T f is This is frictional torque generated from mechanical elements. At no load, T c does not appear.
  • the magnetic field applied to the magnetorheological fluid 10 from the coil unit 130 that is, by controlling T c , the total torque (T) of the magnetorheological fluid rotating load device 100 is adjusted. It is characterized by being able to change freely.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the behavior of the magnetorheological fluid 10 in the gap G space according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 100 may further include a control unit 50 that controls the strength, frequency, waveform, etc. of the magnetic field generated in the coil unit 130.
  • the control unit 50 changes the magnetic field applied from the coil unit 130 to change the torque of the rotating ring 150. there is.
  • the gap (G) between the yoke portion 140 and the rotating ring 150 (or, the gap (G) between the housing 110, the yoke portion 140, and the rotating ring 150 )] can be filled with magnetorheological fluid 10.
  • the magnetorheological fluid 10 includes magnetic particles 11 and a fluid medium 12 in which the magnetic particles 11 are dispersed, such as oil or water.
  • the torque required for the shaft 120 to rotate may vary depending on the strength of the magnetic field, the coupling force of the magnetic chain, the friction shear force of the yoke portion 140 and the rotating ring 150, etc.
  • the housing 110 may include a magnetic portion
  • the shaft 120, the yoke portion 140, and the rotating ring 150 may also 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 size of the gap G is preferably 10 to 200 times the average diameter of the magnetic particles 11 in the magnetorheological fluid 10, and more preferably about 20 times. If the gap (G) is too small, the torque value at no load may increase, interference may occur when the components rotate, and assembly may be difficult. If the gap (G) is too large, it is disadvantageous to miniaturization of the device, and small Magnetic chains may not be sufficiently formed in a magnetic field.
  • the diameter of the magnetic particles 11 may be distributed between approximately 2 and 10 ⁇ m, and the average diameter may be approximately 5 ⁇ m.
  • the gap G may be at least 0.1 mm or more, and preferably, the gap G may be about 0.1 mm to 5 mm. Within this numerical range, the magnetic particles 11 form a magnetic chain in the direction of the magnetic force line, causing a change in the T c value sufficient to convey a change in tactile sensation to the user's hand.
  • Figure 6 is a graph showing the torque according to the magnetic field of the magnetorheological fluid according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows how torque changes depending on the strength of the applied magnetic field.
  • a corresponding torque of the shaft 120 may be generated.
  • the pattern in which the magnetic chain is formed between the yoke portion 140 and the rotating ring 150 may change, and the rotational torque of the shaft 120 connected to the rotating ring 150 may change. Accordingly, various patterns and tactile sensations can be provided to the user who rotates the shaft 120 of the magnetorheological fluid rotary load device 100.
  • control unit 50 may generate signals that convey various patterns of tactile sensations to the user based on data received from an external device, etc.
  • a signal for controlling the rotational torque of the shaft 120 may be generated based on an event generated from a display of an external device or audio.
  • the control unit 50 may transmit a pattern signal to the coil unit 130 based on event pattern data corresponding to the effect of the event and audio pattern data corresponding to the audio signal.
  • the magnetorheological fluid rotary load device 100 of the present invention when applied as a steering wheel in a racing game, a tactile change is made to the shaft 120 to correspond to the road surface condition during the event of the vehicle moving on the display. can be applied.
  • the torque value for rotating the shaft 120 may be applied differently depending on whether the driving mode is a comfort mode or a sports mode.
  • the sense of touch may be implemented in the magnetorheological fluid rotary load device 100 during the process of generating background music or sound effects in a game.
  • a torque value sufficient to stop the rotation of the shaft 120 connected to the mouse wheel may be applied when a warning sound effect is generated.
  • control unit 50 can control the operating frequency, intensity, waveform, etc. of the coil unit 130 to implement a tactile sensation with various patterns in addition to a tactile sensation based on a constant torque value. Embodiments of various control units 50 will be described later.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing magnetic force lines of a shaft made of magnetic material according to an embodiment of the present invention.
  • the behavior of the magnetic field lines (M, M') with respect to the magnetic field applied from the coil unit 130 appears differently depending on the material of the shaft 120.
  • the magnetic field applied from the coil unit 130 to the yoke unit 140 and the rotating ring 150 may generate magnetic force lines (M) in an upward direction perpendicular to the horizontal plane of the yoke unit 140 and the rotating ring 150.
  • the shaft 120 includes a magnetic material
  • the magnetic field applied from the coil portion 130 to the yoke portion 140 and the rotating ring 150 partially leaks in the direction of the shaft 120, forming magnetic force lines (M'). can be created. In this way, the crowding effect of the magnetic force lines (M) between the gaps (G) may be reduced due to the magnetic force lines (M') leaking in the axial direction of the shaft 120.
  • the present invention is characterized in that the shaft 120 includes a non-magnetic material.
  • Including a non-magnetic material includes being entirely composed of a non-magnetic material or only partially composed of a non-magnetic material.
  • the shaft 220 may be made of plastic. It can be seen that when the shaft 120 made of plastic is used, the torque value increases from 70 mN ⁇ m to 110 mN ⁇ m compared to the shaft 120 made of magnetic material.
  • At least a portion of the housing 110 may be made of a magnetic material to improve the crowding effect of the magnetic force lines (M). It is preferable that the portion of the housing 110 made of a magnetic material is adjacent to the yoke portion 140 and the rotating ring 150.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing the movement paths (LK1, LK2) of magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 100 has a structure in which a cover part 180 and a bearing part 190 are disposed on the upper part of the rotating ring (150: 151).
  • the magnetorheological fluid 10 existing in the gap G between the cover part 180 and the rotating ring 150:151 is the gap between the cover part 180 and the shaft 120, and the bearing part 190 and the shaft. It may leak through the gap in (120).
  • the gap path between the cover part 180 and the shaft 120 is indicated as LK1
  • the gap path between the bearing part 190 and the shaft 120 is indicated as LK2.
  • the magnetorheological fluid 10 flows out through the gap paths LK1 and LK2, it may have a negative effect on the rotational force of the bearing unit 190. In particular, if the magnetorheological fluid 10 flows out to the outside, the magnetorheological fluid in the rotating load device 100 may be affected. When the amount of fluid 10 changes, it is difficult to control the torque to the desired intensity, so sealing the magnetorheological fluid 10 is considered important. Hereinafter, we will further look at the sealing means of the magnetorheological fluid 10 through the magnetorheological fluid rotating load device 200 according to the second embodiment.
  • Figure 9 is a schematic exploded view of the magnetorheological fluid rotating load device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a schematic cross-sectional view of the magnetorheological fluid rotating load device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic diagram showing the movement path FP1 of the magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 4 are numbered 100 and 200, respectively, so that they correspond to each other.
  • each configuration in FIGS. 9 to 11 is replaced with the one described above with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the magnetorheological fluid rotary load device 200 of the second embodiment includes a housing 210, a shaft 220, a coil portion 230, a yoke portion 240, and a rotating ring 250. , includes a cover portion 280, a bearing portion 290, and magnetorheological fluid 10, and may further include means for preventing leakage of the magnetorheological fluid 10.
  • the housing 210, coil portion 230, yoke portion 240, and rotary ring 250 are substantially the same as the housing 110, coil portion 130, yoke portion 140, and rotary ring 150 described above. same.
  • the leak prevention means may be an O-ring (228).
  • O-ring 228 may be fitted on the outer peripheral surface of shaft 220.
  • An O-ring support groove 226 may be formed on the outer peripheral surface of the shaft 220, in particular, on the upper shaft portion 222 of the shaft 220 corresponding to the position of the bearing portion 290. Then, the O-ring 228 can be fitted to surround the O-ring support groove 226. Since the O-ring support groove 226 is a groove formed inward from the upper shaft portion 222 of the shaft, the O-ring 228 can be fitted so that it does not come off in the vertical direction.
  • the outer peripheral surface of the O-ring 228 may be in contact with the through hole 299 formed in the center of the bearing portion 290. Accordingly, it is possible to prevent the outflow of the magnetorheological fluid 10 by blocking the gap path LK2 between the bearing part 190 and the shaft 120 described above in FIG. 8 with the O-ring 228.
  • the leak prevention means may be a grease portion 229.
  • the grease portion 229 may be formed at the same location as the O-ring 228 described above.
  • the grease portion 229 may be coated within the groove of the O-ring support groove 226 of the shaft 220.
  • the gap path LK1 between the cover part 180 and the shaft 120 which is a path through which the magnetorheological fluid 10 described above in FIG. 8 can flow, between the bearing part 190 and the shaft 120
  • the grease portion 229 may be coated on the gap path LK2.
  • the grease portion 229 may also be coated in the gap between the top of the yoke portion 240 and the cover portion 280.
  • the leak prevention means may be a covering 285.
  • the covering 285 may be disposed on the inner side of the through hole 289 of the cover portion 280.
  • the bearing portion 290 may be disposed on the covering 285.
  • the bearing portion 190 is disposed on the upper surface of the cover portion 180 without a covering 285. Accordingly, a gap path LK1 (see FIG. 8) of magnetorheological fluid is formed between the cover portion 180 and the shaft 120.
  • LK1 see FIG. 8
  • the through hole 289 of the cover portion 280 is formed in a size corresponding to the outer diameter of the covering 285, and the covering ( The axis of the shaft 220 passes through the through hole 287 of 285.
  • the bearing portion 290 is closely arranged on the upper part of the covering 285 so that there is no gap between them. Accordingly, the gap path FP1 of the magnetorheological fluid is limited from the top of the rotating rings 250 and 251 to the outer surface of the covering 285. Since the gap path FP1 does not extend between the bearing part 290 and the shaft 220, magnetorheological fluid can be prevented from leaking to the outside.
  • the leak prevention means of the various embodiments described above may work in combination.
  • the magnetorheological fluid can be prevented from leaking to the outside.
  • Figure 12 is a schematic perspective view of a magnetorheological fluid rotating load device 300 according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic exploded view of the magnetorheological fluid rotating load device 300 according to the third embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic cross-sectional view of the magnetorheological fluid rotating load device 300 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 4 Only configurations different from the first embodiment of FIGS. 1 to 4 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 third embodiments are assigned reference numerals 100 and 300, respectively, which correspond to each other.
  • the magnetorheological fluid rotary load device 300 includes a housing 310, a shaft 320, a coil portion 330, a yoke portion 340, and a rotating ring 350, It may further include a cover part 380 and a bearing part 390.
  • the housing 310, coil part 330, cover part 380, and bearing part 390 may be substantially the same as the first embodiment of FIGS. 1 to 4 except for some differences in shape.
  • An edge portion 321 is formed at the top of the shaft 320, and a user grip means (not shown) such as a dial is inserted into the edge portion 321 to apply a rotational force to the axis of the shaft 320. can be delivered easily.
  • the axial diameter of the shaft 320 located within the housing 310 may become smaller toward the bottom or may remain the same. Accordingly, the assembly process can be performed by a simple process of inserting the shaft 320 from the top to the bottom with the rotating rings 350 (351 to 353) stacked.
  • the rotating rings (350: 351 to 353) are in contact with each other or are arranged in a vertical direction while maintaining a predetermined gap, and the shaft 320 is inserted into the through holes (357a, 357b, 357c) of the rotating rings (350). You can.
  • the lower part 325 of the shaft 320 is inserted into the through hole 359c of the rotary ring 353 located at the bottom of the rotary rings 350, so that the shaft 320 rotates so that the axis does not deviate from its position during rotation. It may be supported on the ring 353.
  • the lower surface of the lower portion 325 of the shaft 320 may be spaced apart from the inner lower surface of the first housing 311. That is, the lower part 325 of the shaft 320 does not penetrate to the bottom of the through hole 359c of the rotating ring 353, but can be inserted only to the middle part of the through hole 359c. Accordingly, the lower part 325 of the shaft 320 is in the form of floating relative to the inner lower surface of the first housing 311, and the lower part 325 of the shaft 320 is of the first housing 311. It can prevent mechanical wear against the inner lower surface.
  • the coil unit 330 may be disposed inside the housing 310.
  • the coil unit 330 is preferably ring-shaped with an opening formed in a shape corresponding to the vertical inner wall of the housing 310, but is not limited thereto.
  • Rotational torque can be controlled as the particles 11 of the magnetorheological fluid 10 are arranged in the direction of magnetic force lines to form a chain structure by the magnetic field formed in the coil unit 330.
  • the yoke portion 340 may be fixedly installed within the housing 310.
  • the yoke part 340 may be fixedly installed so that its outer surface faces the inner surface 331 of the opening of the coil part 330.
  • the yoke portion 340 may have a substantially cylindrical shape to provide a space in which the shaft 320 and the rotating ring 350 can rotate.
  • the yoke portion 340 preferably has an inner diameter larger than the outer diameter of the rotating ring 350.
  • At least one rotation ring 350 may be disposed in the inner space of the yoke portion 340.
  • the rotary rings (350: 351, 352, 353) are arranged in a stack, and the inner surface of the rotary rings (350: 351, 352, 353) and the yoke portion (340) forms a predetermined gap (G). It is possible to fill the magnetorheological fluid (10). Rotational torque can be controlled as the particles 11 of the magnetorheological fluid 10 are arranged in the direction of magnetic force lines to form a chain structure by the magnetic field formed in the coil unit 330. In this specification, three rotation rings (350: 351, 352, 353) are arranged, but the number of rotation rings (350) can be changed.
  • a cover part 380 may be further disposed on the top of the yoke part 340.
  • the cover part 380 is disposed on the upper edge of the yoke part 340 to seal the internal space of the yoke part 340. Since the inner space of the yoke portion 340 is filled with the magnetorheological fluid 10, the cover portion 380 can be used to substantially seal the inner space (S) of the second housing 315 excluding the coil portion 330. You can.
  • the magnetorheological fluid rotational load device 300 has the advantage of having a simpler structure and reducing manufacturing costs, so it can be applied considering the required strength of rotational torque and manufacturing costs. For example, it can be applied to fields where a weak rotation torque, such as a mouse wheel, is sufficient and manufacturing costs can be reduced.
  • Figure 15 is a schematic diagram showing the movement path LK3 of magnetorheological fluid according to the third embodiment of the present invention.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 300 has a structure in which a cover portion 380 and a bearing portion 390 are disposed on the rotating rings (350: 351), and the bearing portion Since the shaft 320 must be inserted into the through hole 399 of 390 and rotate, there may be a gap between the bearing portion 390 and the axial portion 322 of the shaft 320.
  • the magnetorheological fluid 10 present in the gap G between the cover part 380 and the rotating ring 350: 151 is the gap between the cover part 380 and the shaft 320, and the bearing part 390 and the shaft. It may leak through the gap in (320).
  • Figure 16 is a schematic exploded view of the magnetorheological fluid rotating load device 400 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a schematic cross-sectional view of the magnetorheological fluid rotating load device 400 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 18 is a schematic diagram showing the movement path FP2 of the magnetorheological fluid in the magnetorheological fluid rotating load device 400 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the same configurations in the third and fourth embodiments are numbered 300 and 400, respectively, so that they correspond to each other.
  • each configuration in FIGS. 16 to 17 is replaced with the one described above with reference to FIGS. 12 to 14.
  • the magnetorheological fluid rotary load device 400 of the fourth embodiment includes a housing 410, a shaft 420, a coil portion 430, a yoke portion 440, and a rotating ring 450. , a cover part 480, a bearing part 490, and a magnetorheological fluid 10, and may further include means for preventing the leakage of the magnetorheological fluid 10.
  • the housing 410, coil portion 430, yoke portion 440, and rotary ring 450 are substantially the same as the above-described housing 310, coil portion 330, yoke portion 340, and rotary ring 350. same.
  • the leak prevention means may be an O-ring (428).
  • the O-ring 428 is the same as the O-ring 228 of the second embodiment, and is inserted into the O-ring support groove 426 of the shaft 420, so detailed description is omitted.
  • the leak prevention means may be a grease portion 429.
  • the grease portion 429 may be formed at the same location as the O-ring 428 described above.
  • the grease portion 429 may be coated within the groove of the O-ring support groove 426 of the shaft 420.
  • the gap path LK3 between the cover part 380 and the shaft 320 which is a path through which the magnetorheological fluid 10 described above in FIG. 15 can flow, between the bearing part 390 and the shaft 320
  • a grease portion 429 may be coated on the gap path LK4.
  • the grease portion 429 may also be coated in the gap between the top of the yoke portion 340 and the cover portion 380.
  • the leak prevention means may be an extension hole 489 of the cover part 480.
  • the extension hole 489 may be formed to extend further to the inner surface compared to the through hole 389 of the cover part 380 of the existing third embodiment.
  • the existing through hole 389 is indicated by a dotted line
  • the extension hole 489 formed to extend further to the inner surface than the through hole 389 is indicated by a solid line.
  • the gap path FP2 of the magnetorheological fluid may become longer.
  • the gap path FP2 of the magnetorheological fluid extends from the upper part of the rotating rings 450 and 451 to the bearing portion 490.
  • the diameter of the through hole 389 of the cover part 380 is larger than or equal to the diameter of the through hole 399 of the bearing part 390. Accordingly, the gap path LK3 of the magnetorheological fluid (see FIG. 15) is formed between the cover part 380 and the shaft 320 in a right angle direction, or so that the side cross section has an ' ⁇ ' shape.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 400 of the fourth embodiment is a process in which the gap path FP2 of the magnetorheological fluid continues from the upper part of the rotating ring 450 (451) to the bearing portion 490. It becomes longer by the extension hole 489 extending in the inner side direction. Therefore, since the gap path FP2 of the magnetorheological fluid is formed in a detour direction or the side cross section has a ' ⁇ ' shape, it is possible to prevent the magnetorheological fluid from flowing out directly to the outside.
  • the leak prevention means may be the wing portion 427 of the shaft 420.
  • wings 427 may be formed on the outer peripheral surface of the shaft 420 to protrude laterally.
  • the wing portion 427 may be formed at a position that contacts the upper surface of the bearing portion 490 when the shaft 420 is inserted into the rotating ring 450, the bearing portion 490, etc. That is, the wing portion 427 may be formed in a position to cover the through hole 499 of the bearing portion 490.
  • the wing portion 427 covers the through hole 499 to prevent magnetorheological fluid from leaking between the bearing portion 490 and the shaft 420.
  • the leak prevention means of the various embodiments described above may work in combination.
  • magnetorheological fluid By combining the configuration of the O-ring 428, the grease part 429, the extension hole 489, and the wing part 427, magnetorheological fluid can be prevented from leaking to the outside.
  • the present invention can form various torque patterns according to the input signal of the magnetic field applied from the coil unit (130, 230, 330, 430), so that the user can feel various tactile sensations, and the state of the magnetorheological fluid (10)
  • the shear force according to the change By changing the shear force according to the change, the problem of wear is solved, and there is an advantage in that direct tactile sensation can be transmitted through the shafts (120, 220, 320, 420).
  • the present invention can control the characteristics of the magnetorheological fluid 10 to suit the purposes of various applications depending on the physical properties. For example, if a heavy touch is required, it is possible to apply a magnetorheological fluid with high viscosity.
  • Figure 19 is a schematic diagram showing the yoke portions 140, 240 and rotation rings 150, 250, and 350 in which fluid passage holes 147, 157, 247, 257, and 357a are formed according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 20 is a schematic diagram showing the shape of a magnetic chain in the fluid passage holes 147, 157, 247, 257, and 357a according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 21 is a graph showing torque values before and after forming a fluid passage hole according to an experimental example.
  • a plurality of fluid passage holes 147 and 247 may be formed in the yoke portions 140 and 240. Additionally, a plurality of fluid passage holes (157, 257, and 357a) may be formed in the rotating rings (150, 250, and 350). Additionally, like the rotary rings 150, 250, and 350, a plurality of fluid passage holes may be formed in the yoke rings 341 and 342.
  • the fluid passage holes (147, 157, 247, 257, 357a) are connected to the surfaces (144, 244) of the yoke portion (140, 240), the rotating surfaces (154, 254, 354) of the rotating rings (150, 250, 350), and It can be formed vertically through the same horizontal plane. Additionally, without being limited thereto, the fluid passage hole may be formed horizontally through a vertical surface such as the vertical walls 146 and 246.
  • the fluid passage hole 157 can further increase the length at which the magnetic particles 11 of the magnetorheological fluid 10 can form a vertical chain (G1 -> G2). That is, the length of the chain of magnetic particles 11 may be increased from the original thickness of the gaps G and G1 to the thickness of the fluid passage hole 157 to reach the gap G2. Accordingly, for the same load application, the amount of change in the T c value becomes larger, and the total torque can be increased.
  • the fluid passage hole (147, 157, 247, 257, 357a) ) may have a diameter of about 0.3 mm.
  • the fluid passage holes (147, 157, 247, 257, and 357a) have the effect of making the injection of the magnetorheological fluid (10) more uniform during the assembly process of the magnetorheological fluid rotary load device (100-400).
  • the chain of magnetic particles 11 may increase along the expanded surface area of the fluid passage hole 157'. That is, in addition to the chains of magnetic particles 11 being formed in the original gaps (G, G1) and the additional gap (G2) equal to the thickness of the fluid passage hole (157'), the inclination of the fluid passage hole (157') It can be further formed in the gap G3 extending from the true surface to the rotating surface 154 of the rotating ring 150 or the surface 144 of the yoke portion 140. In particular, the tilting direction may be formed along the rotation direction (R) of the rotation ring 150.
  • the inclined angle (a) can be set in consideration of the diameter, number, and strength of rotational torque of the fluid passage holes 157', but is preferably formed at an inclined angle (a) of 30° to 80°. If it is less than 30°, the fluid passage hole 157' penetrates too large a size on the horizontal plane, making it difficult to show the original effect of the fluid passage hole. If it is larger than 80°, the effect is almost the same as that of the vertical fluid passage hole 157. may not appear.
  • the fluid passage holes 157 and 157' may provide a space to form a chain of magnetic particles 11 having various sizes, lengths, and directions, such as gaps G, G1, G2, and G3.
  • Figure 22 is a schematic diagram showing the pattern shape of the yoke portion 140 and the rotating ring 150 on a horizontal plane according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 22 shows a schematic side cross-sectional view of the yoke portion 140 and the rotating ring 150.
  • a protruding pattern (P1) may be formed on the surface 144 of the yoke portion 140, or a protruding pattern (P2) may be formed on the rotating surface 154 of the rotating ring 150.
  • the protruding patterns P1 and P2 can increase the surface area between the yoke portion 140 and the rotating ring 150, allowing more magnetic chains to be formed. Accordingly, the rotational torque can be increased in the magnetorheological fluid rotational load device 100 of the same size.
  • the surface area is increased by increasing the surface roughness by roughening the surface of the protruding patterns (P1, P2), as well as the surface 144 of the yoke part 140 and the rotation surface 154 of the rotary ring 150.
  • the surfaces of the surface 144 of the yoke portion 140 and the rotating surface 154 of the rotating ring 150 are roughened to increase surface roughness to create gaps (G1, G2, G3) of various heights. may form.
  • the protruding patterns P1 and P2 may be formed on only one of the yoke portion 140 and the rotation ring 150, or on both. Additionally, the protruding patterns P1 and P2 may be formed to face each other or may be formed to be staggered.
  • Figure 23 is a schematic diagram showing the pattern shape and rotation process of the yoke portion 140 and the rotation ring 150 on a horizontal plane according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 23 shows a schematic plan view of the yoke portion 140 and the rotation ring 150.
  • the protruding patterns P3 and P4 may be formed in each region on the yoke portion 140 and the surfaces 144 and 154 of the rotating ring 150.
  • the formation area, formation interval, angle, etc. of the protruding patterns (P3, P4) can be freely changed.
  • the protruding patterns P3 and P4 are formed to face each other on the yoke part 140 and the rotation ring 150, and a total of eight may be formed radially at every 45°.
  • the user can rotate the shaft 120 clockwise based on point SP1.
  • the protruding patterns P3 and P4 face each other and a magnetic chain is formed within a short gap (corresponding to the distance between the protruding patterns), a relatively strong torque T1 can be applied.
  • a magnetic chain is formed within a relatively long gap (corresponding to the face distance between the yoke portion and the rotating ring) in the area where the protruding patterns (P3, P4) do not face each other.
  • a relatively weak torque (T2) may act. Because a weakened torque is applied from T1 to T2, the user can receive a sense of loosened rotation.
  • the protruding patterns (P3, P4) face each other again and a magnetic chain is formed within a short gap (corresponding to the distance between the protruding patterns), resulting in a relatively strong torque ( T1) can work. Because a weakened torque is applied from T2 to T1, the user can receive a tactile sensation of stronger rotation. In this way, while the user rotates the shaft 120, the user can receive a tactile sensation that the torque changes for each region.
  • Figure 24 is a graph showing the torque value according to the viscosity of the magnetorheological fluid according to an experimental example of the present invention.
  • the low viscosity was set to about 0.15 Pa ⁇ s
  • the high viscosity was set to about 0.4 Pa ⁇ s
  • the density was set to about 2.8 g/ml and 3.8 g/ml, respectively.
  • High viscosity/low viscosity may correspond to the content of magnetic particles. When the content of magnetic particles increases, the viscosity can be set to high, and when the content of magnetic particles decreases, the viscosity can be set to low.
  • the viscosity of the magnetorheological fluid 10 can be set to increase the maximum torque to the magnetorheological fluid rotation load device 100, and a safety lock function that prevents the user from rotating can be applied.
  • the safety lock function is a structural feature that increases the number and area (opposing area, surface area, etc.) of the rotation ring and yoke part, or reduces the gap (G), in addition to adjusting the viscosity. It can be implemented with changes. Additionally, the safety lock function can be implemented by applying a larger current to the coil part.
  • the safety lock function is a function in which the magnetorheological fluid rotational load device 100 prevents the user's general rotation operation to help the user's safety, and is characterized by having a larger torque value compared to general rotation operation. Since the user must recognize a torque value that is sufficiently distinct from a general rotation operation, it is desirable that the torque value generated when the safety lock function is implemented is at least 1.5 times greater than the average value of the torque value generated in a general rotation operation. For example, not only can it ensure safety by preventing dangerous operations while driving in a vehicle (for example, shifting the jog dial gear while driving), but it can also prevent unexpected operations by children while operating home appliances such as washing machines. there is.
  • Figure 25 is a graph showing the basic torque value adjusted for DC OFF-SET voltage according to an embodiment of the present invention.
  • control unit 50 may transmit a direct current offset signal to the coil unit 130 based on offset data corresponding to the operation mode received from the outside.
  • the control unit (50) may set the DC OFF-SET voltage to low or 0V as shown in the left drawing of FIG. 25. ) can transmit a direct current offset signal from the coil unit 130. Conversely, when the wheel must rotate heavily for detailed wheel operation, a DC offset signal can be transmitted from the control unit 50 to the coil unit 130 to increase the DC OFF-SET voltage, as shown in the right drawing of FIG. 25.
  • the DC OFF-SET voltage is changed depending on parking (P), driving (D), neutral (N), and reverse (R), and the intensity of vibration and torque is changed. can be provided differently. Accordingly, the user can easily change the driving mode or gear only by feel with his/her gaze forward, without the need to visually check the jog dial.
  • Figure 26 is a graph showing the rotation stop of the magnetorheological fluid rotation load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 27 is a graph showing the position recognition of the magnetorheological fluid rotation load device according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 50 may transmit a position recognition signal or a rotation stop signal to the coil unit 130.
  • the position recognition signal or the rotation stop signal may be a signal that implements a significant torque value in the coil unit 130.
  • These position recognition signals or rotation stop signals may be intermittent or may be continuous signals that are repeated several times.
  • the control unit 50 may transmit a position recognition signal or a rotation stop signal to the coil unit 130.
  • This position recognition signal or rotation stop signal is similar to the position recognition signal or rotation stop signal of FIG. 26, but the period during which the user feels the degree of rotation stop may be very short.
  • the position recognition signal or rotation stop signal of FIG. 27 may be a signal that returns to a signal that implements a general rotation torque value of the shaft 120 after an intermittent or continuous signal. Accordingly, the user can recognize the position by feeling resistance only at a specific position during rotation of the shaft 120.
  • Figure 28 is a graph showing the reverse rotation stop of the magnetorheological fluid rotating load device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 29 is a graph showing the reverse rotation tactile release of the magnetorheological fluid rotating load device according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 50 may transmit a rotation stop signal to the coil unit 130.
  • the rotation stop signal may be a signal that implements a significant torque value in the coil unit 130.
  • the rotation stop signal may correspond to the torque value generated when the safety lock function described above in FIG. 24 is implemented. It is desirable that the torque value generated through the rotation stop signal is at least 1.5 times greater than the average torque value generated during general rotation operation.
  • These rotation stop signals may be intermittent or may be continuous signals that are repeated several times. Accordingly, the user can only drive in the forward rotation direction (RF), and can receive a tactile sensation in which driving in the reverse rotation direction (RR) is blocked.
  • the coil unit 230 is connected to the magnetorheological fluid 10. It can be controlled not to apply a magnetic field. Since the magnetic field applied by the coil unit 230 is 0 when rotating in the reverse rotation direction (RR), the shaft 220 may be able to rotate without resistance without being subjected to torque due to the formation of a magnetic chain. Accordingly, the user can only receive the tactile sensation when driving in the forward rotation direction (RF), and can receive the tactile sensation in a released state when driving in the reverse rotation direction (RR).
  • Figure 30 is a schematic diagram showing the process of redistribution of magnetorheological fluid deposited by application of a pre-input signal according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 31 is a photograph of a magnetorheological fluid having a spike shape when a preliminary input signal is applied according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 100 When applying the magnetorheological fluid 10, sedimentation of the magnetic particles 11 within the fluid 12 may be a problem. Since the magnetic particles sink downward over time, if the magnetic particles are not evenly distributed inside the housing 110, the magnetic chain cannot be properly formed. Alternatively, as the magnetorheological fluid rotating load device 100 is continuously used, the magnetic particles 11 may be concentrated in a specific portion of the gap G between the yoke portion 140 and the rotating ring 150. For example, in the device 100 of the first embodiment, the yoke portion 140 and the outer portion of the rotating ring 150 are close to the solenoid coil portion 130, so many chains are formed, and on the axis of the shaft 120.
  • the magnetic particles 11 may be concentrated only in a specific area within the gap G, and the magnetic particles 11 may be deposited and concentrated in the lower area of the housing 110. If the magnetorheological fluid rotary load device 100 is operated immediately in this state, a torque of a size different from the preset size may appear.
  • the control unit 50 performs a It is characterized by transmitting a pre-input signal in the form of a spike, pulse, sine wave, etc. to the coil unit 130. If the magnetorheological fluid rotating load device 100 is not operated for more than a set time, the control unit 50 may transmit a preliminary input signal to the coil unit 130 before operation.
  • the preliminary input signal is distinguished from the input signal constituting the magnetic chain described above in FIG. 5.
  • the preliminary input signal is a signal in which the magnetic particles in the magnetorheological fluid 10 move to form an incomplete or complete chain shape in at least one of the vertical or horizontal directions within the gap G, and must have a specific frequency, waveform, etc. It may be a signal for applying a strong magnetic field in singular or plural form.
  • the preliminary input signal is a magnetic particle extending from the lower surface of the gap G (for example, the upper surface of the rotating ring 150) to the upper surface of the gap G (for example, the lower surface of the yoke unit 140). There is no need for (11) to be a signal that constitutes a complete magnetic chain.
  • Figure 31 illustrates various spike shapes that are incomplete chain shapes due to magnetic particles.
  • the settled particles 11 in the magnetorheological fluid 10 form an imperfect chain shape such as a spike shape in the direction of the magnetic field, and at the same time or immediately after, the magnetic field The application may be canceled or only a weak magnetic field may be applied. Accordingly, the shape of the spike, etc. may be released, and the magnetic particles 11, which had an imperfect chain shape, such as the spike, may spread and redistribute within the gap G.
  • control unit 50 controls the magnetic chain formed at the lowest height in the gap G between the yoke part 140 and the rotating ring 150 when the operating voltage V 1 of the magnetorheological fluid rotating load device 100 is applied. If it is determined that the height is lower than the height of the gap (G), the preliminary input signal voltage V 2 can be applied larger than V 1 to resolve this.
  • Figure 32 is a graph showing the torque value according to the temperature of the magnetorheological fluid according to an experimental example of the present invention.
  • the control unit 50 controls the strength and pattern of the magnetic field to offset the decrease in torque due to the temperature increase when the temperature rises compared to the initial operating temperature. Therefore, the torque intensity at the initial operating temperature can be maintained even at high temperatures. Accordingly, there is an advantage of ensuring uniformity of the torque value regardless of the external temperature environment such as summer or winter.
  • Figure 33 is a graph showing torque values when applied to an Anti-lock Brake System (ABS) system according to an embodiment of the present invention.
  • ABS Anti-lock Brake System
  • the magnetorheological fluid rotating load device of the present invention may increase torque by stacking the yoke portion 140 and the rotating ring 150 in multiple layers or increasing the surface area, and the yoke rings 141 and 142 Torque can also be increased by stacking multiple layers of the rotating ring 150 or increasing the surface area. Accordingly, the magnetorheological fluid rotation load device can be applied to an object that requires a large torque.
  • the object may be a means of transportation such as a vehicle, and the magnetorheological fluid rotating load device may be a braking device such as a brake.
  • the present invention adopts a complex structure and several components like a conventional mechanical braking device to change various torque values by changing the strength and pattern of the magnetic field applied from the coil unit without the need for control to change various torque values instantaneously. It can be implemented. Accordingly, the magnetorheological fluid rotating load device of the present invention can be applied to an Anti-lock Brake System (ABS) system to implement torque changes as shown in FIG. 33.
  • ABS Anti-lock Brake System
  • the vehicle may lose braking power and slip due to inertial force (driving speed) on the ground.
  • inertial force driving speed
  • the ABS system can maximize friction by repeatedly generating short moments when the maximum static friction operates and continuously generates the point at which static friction changes into kinetic friction.
  • the conventional ABS system requires an additional ABS modulator, which includes a pump that controls hydraulic pressure and pressure reduction in the brake, and an accumulator, and has limitations in speeding up the pattern in which the static friction force operates.
  • the magnetorheological fluid rotating load device of the present invention has the advantage of being able to implement an ABS system with a simple configuration that controls the intensity and period of magnetic field application.
  • the wheel slip rate when the vehicle suddenly brakes, can be maintained at a level of 20% to improve the inability to steer the vehicle due to the vehicle's wheel lock.
  • Slip rate (%) can be calculated as ⁇ V(vehicle speed)-V(wheel speed) ⁇ /V(wheel speed).
  • the braking device to which the present invention is applied has the advantage of being able to improve durability problems caused by repeated hydraulic brake control, enable accurate brake control, and prevent frequent breakdowns of the ABS modulator.
  • Figure 34 is a graph showing the signal applied to the coil unit and the corresponding torque according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 50 may transmit a pattern signal to the coil unit 130 based on event pattern data corresponding to the effect of an event received from the outside or audio pattern data corresponding to an audio signal.
  • pattern signals may be in the form of pulse, sine, triangle, sawtooth, etc.
  • the form and intensity of the torque displayed by the magnetorheological fluid 10 may appear differently in response to various pattern signals applied to the coil unit 130. For example, even if the same pulse-shaped pattern signal is applied to the coil unit 130, if the duty cycle increases, a blunt tactile sensation can be transmitted, and if the duty cycle decreases, a sharp tactile sensation can be transmitted. Even in pattern signals in the form of sine, triangle, or sawtooth, as the wavelength and period become longer, a blunt tactile sensation can be transmitted, and as the wavelength and period become shorter, a sharper tactile sensation can be transmitted.
  • the control unit 50 may temporarily remember the user's editing position, cursor position, etc. And, when the user returns to the memorized editing position after performing an operation in another position, the control unit 50 sets a pattern on the coil unit 130 to provide a distinct different operating feel when the cursor reaches the memorized editing position. Signals can be transmitted. As shown in Figure 26, when the memorized editing position is reached, a position recognition signal or a rotation stop signal can be transmitted. Alternatively, it is possible to provide convenience so that the user can easily find the editing position by transmitting a pattern signal that becomes increasingly stronger as the memorized editing position is gradually reached.
  • the control unit 50 when an event transition that moves various programs, applications, slides, pages, etc. occurs within the display, the control unit 50 provides a distinct tactile sensation between movements based on event transition data corresponding to the event transition. can be provided. For example, on the title page of a document, the DC OFF-SET voltage can be increased to provide a strong torque sensation as shown in Figure 25, and on the body page, the DC OFF-SET voltage can be lowered to provide a weak torque sensation.
  • the torque value when acquiring items during game play, when the game character encounters resistance such as water, sand, or mud while moving, or when climbing a ladder or rope, the torque value may change in response to mouse scrolling. You can.
  • an alarm tactile sensation is provided through mouse scrolling when a certain amount of time has elapsed, thereby eliminating the inconvenience of the user visually checking the certain time through the display.
  • control unit 50 can greatly control the strength of the magnetic field applied to the magnetorheological fluid by the coil unit 130. As shown in Figure 25, the DC OFF-SET voltage can be increased to provide strong torque so that the wheel rotates heavily.
  • Figure 35 is a schematic diagram showing the rotation state of the shaft 120 and the rotation ring 150 and the rotation state when the rotation ring 150 is separated according to an embodiment of the present invention.
  • the axis of the shaft 120 may be inserted and connected to the through hole 159 of the rotating ring 150.
  • the shaft 120 and the rotary ring 150 are interconnected, when the shaft 120 rotates, the rotary ring 150 also rotates. Since the rotating ring 150 receives resistance due to the chain structure of the magnetorheological fluid during the rotation process, when the magnetorheological fluid rotating load device 100 is used for a long time or a strong torque is applied to the rotating ring 150, the shaft ( A case may occur where the rotating ring 150 is separated from 120).
  • the rotation rings 150 (151, 152) are shown in a state where they are separated from the shaft 120 and do not rotate.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 100 has a structure in which it is difficult to immediately check the connection state of the shaft 120 and the rotating ring 150 because the inside is sealed by the housing 110. Therefore, a method for checking the connection state of the shaft 120 and the rotating ring 150 without disassembling the magnetorheological fluid rotating load device 100 is considered.
  • Figure 36 is a schematic diagram showing a method of measuring the state in which the rotating ring 150 is separated from the shaft 120 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 37 is a graph showing the torque value when the rotating ring 150 is separated from the shaft 120 according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetorheological fluid rotation load device 100, PC 60, rotation motor 70, and torque sensor 80 are prepared.
  • the PC 60 can control the magnetorheological fluid rotation load device 100 and the rotation motor 70 and collect values measured by the torque sensor 80.
  • the rotation motor 70 may be connected to the shaft 120 of the magnetorheological fluid rotation load device 100 to transmit the rotational force of the motor to the shaft 120.
  • the torque sensor 80 can measure the torque value received when the shaft 120 rotates.
  • a constant current was controlled to be transmitted to the coil unit 130 through the control unit 50.
  • the magnetorheological fluid rotary load device 100 used the two rotary rings 150 (151, 152) of the first embodiment.
  • a DC input signal was applied to the coil unit 130 so that the DC torque value could be maintained while maintaining a high torque value.
  • Input DC current of 1A was continuously applied for more than 1 hour.
  • the torque value was measured assuming that the rotating ring 150 was separated from the shaft 120.
  • damage to the shaft 120 and the rotating ring 150, or damage to the housing occurred. Even if structural defects occur due to damage to the yoke portion 110 and the yoke portion 140, the torque value may rapidly decrease.
  • the coil unit 130 applies a magnetic field of constant intensity to the magnetorheological fluid 10.
  • the torque value of the magnetorheological fluid 10 is measured to have decreased by about 30% or more compared to the initial torque value of the magnetorheological fluid 10, it can be determined that a structural defect has occurred in the magnetorheological fluid rotary load device 100.
  • the initial torque value may be stored in advance in the control unit 50 and used as a reference for comparing torque values.
  • a torque sensor may be further installed to check for structural defects during use of the magnetorheological fluid rotary load device 100.
  • a torque sensor may be added to the encoder sensor 500 of FIG. 38, which will be described later.
  • the control unit 50 can receive the torque value in real time and compare it with the initial torque value to determine whether there is a structural defect. If it is determined that the structure is defective, the control unit 50 may provide a structural defect notification to a display or PC connected to the magnetorheological fluid rotating load device 100.
  • the magnetorheological fluid rotating load device 100 may be further provided with a structural defect display unit (not shown) such as an LED, so that the control unit 50 displays a structural defect notification signal on the structural defect display unit, allowing the user to immediately confirm the structural defect. You can do it.
  • the torque value is about (100/N) % or more than the initial torque value. If it is measured to have fallen, it can be determined that a structural defect has occurred in the magnetorheological fluid rotating load device 100. For example, when five rotating rings are used, when one ring is separated and only four rings are connected to the shaft, if the torque value is measured to have decreased by more than about 20%, it is considered that a structural defect has occurred. It can be determined.
  • Figure 38 is a schematic diagram showing a magnetorheological fluid rotational load module according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetorheological fluid rotation load module may be a combination of the magnetorheological fluid rotation load device 300 and the encoder sensor 500.
  • the encoder sensor 500 which combines the bearing section 390 with an encoder that senses data about rotation speed, position, and direction, is used as a magnetorheological fluid. It can be coupled to the rotating load device 300.
  • Figures 39 to 44 show states in which magnetorheological fluid rotational load devices according to various embodiments of the present invention are applied.
  • Magnetorheological fluid rotational load devices and rotational load modules can be applied to all devices equipped with a dial or wheel.
  • magnetorheological fluid rotation load devices 100 to 400 are applied to user interfaces (UIs) 610 such as washing machines 600 and microwave ovens, and dials (shafts) are installed at positions corresponding to various driving modes. 120 ⁇ 420)] can be positioned, and various tactile sensations can be provided depending on the driving mode. For example, when a washing machine is set to a normal wash mode, it may provide a soft spinning feel, but when set to a powerful washing mode, it may provide a spinning feel with strong torque.
  • a magnetorheological fluid rotation load device 100 to 400 is applied to the wheel 710 of the mouse 700, so that the torque of operating the wheel 710 changes depending on the usage environment to provide various haptic tactile sensations. You can. For example, when a crisis situation occurs during a game, the torque for driving the wheel 710 may become stronger. In addition, as shown in the figure below in FIG.
  • the mouse 900 may include a separate dial 910 in addition to buttons and a wheel.
  • the dial 910 is provided with magnetorheological fluid rotation load devices 100 to 400 to set various driving modes of the mouse 900.
  • the dial 910 itself can be used as an input means in parallel with the buttons and wheel of the mouse 900, and a haptic tactile sensation can be provided by a change in rotational torque during the input process.
  • the vehicle control unit 1000 may include a dial-type shift unit 1010 or a driving mode selection unit 1010.
  • the vehicle control unit 1000 may further include a display 1020 to display the driving state of the vehicle, and may further include a button unit 1030 to set auxiliary driving options.
  • the dial-type transmission unit 1010 or the driving mode selection unit 1010 is provided to change various driving modes of the vehicle by applying the magnetorheological fluid rotation load devices 100 to 400.
  • the dial-type shift unit 1010 may provide a tactile sense of torque changing when changing P (park), D (drive), N (neutral), or R (reverse), etc. to apply the shift.
  • the rotation torque value is controlled to rapidly increase, thereby implementing a safety lock function.
  • the driving mode selection unit 1010 may apply a different rotation torque value depending on whether the driving mode is a comfort mode or a sports mode.
  • a laptop 1100 or a computer may further include a function unit 1110 such as a wheel on a touch pad located below the keyboard.
  • the keyboard may further include a functional unit 1120 such as a separate wheel.
  • Magnetorheological fluid rotational load devices 100 to 400 are applied to the functional units 1110 and 1120, so that the torque for manipulating the wheel 710 varies depending on the usage environment, thereby providing various haptic tactile sensations.
  • magnetorheological fluid rotation load devices 100 to 400 may be applied to the axis 1210 of the steering wheel 1200 for a racing game or the steering wheel 1200 for a vehicle.
  • the steering wheel 1200 for a racing game may provide a tactile change by changing the rotational torque of the magnetorheological fluid rotary load devices 100 to 400 to correspond to the road surface condition while the vehicle is moving on the game screen.
  • a torque value for rotating the steering wheel 1200 may be applied differently depending on whether the driving mode is a comfort mode or a sports mode.
  • buttons for turning on/off the tactile haptic function or adjusting settings may be further provided on the mouse, keyboard, steering wheel, vehicle, home appliance, etc.
  • a settings window is provided on the control screen (PC screen, smartphone screen, etc.) where the mouse, keyboard, steering wheel, vehicle, home appliance, etc. are connected, so that the tactile haptic function can be turned on/off or the haptic strength, pattern, etc. can be set.
  • the present invention can create various patterns according to various input signals when the rotary load device rotates, which has the effect of giving the user a diverse and luxurious tactile feel.
  • the present invention can change the rotational torque, reduce production costs, facilitate miniaturization of the device, and enable various applications suitable for purposes by using the shear characteristics or viscosity of the magnetorheological fluid.
  • Figure 45 is a schematic perspective view showing the input and rotation load module 1500 in which the input device 1300 is connected to the rotation load device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 46 is a schematic exploded view of the input and rotation load module 1500 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 47 is a schematic side cross-sectional view of the input and rotation load module 1500 according to an embodiment of the present invention.
  • the configuration of the input and rotation load module 1500 as the input device 1300 is connected to the magnetorheological fluid rotation load device 100 of the first embodiment described above will be described as an example.
  • the rotating load device 100 can be replaced with the magnetorheological fluid rotating load devices 200, 300, and 400 of the second, third, and fourth embodiments described above.
  • the input device 1300 can be connected to the rotating load device 100.
  • the input device 1300 may function as a knob inserted into the shaft 120 of the rotary load device 100.
  • a force for rotating the shaft 120 can be transmitted.
  • input can be performed by pressing the input device 1300 in the vertical direction (Z-axis direction).
  • the control unit 50 may provide a sense of touch by controlling the rotational torque of the shaft 120.
  • input signals can be transmitted from the circuit unit 1350 and the input unit 1360 to the processing unit 60 to perform input.
  • the control unit 50 and the processing unit 60 may be provided to transmit signals to each other.
  • the input device 1300 may include body portions 1310, 1320, and 1330 and an elastic portion 1340. In addition, it may further include a circuit unit 1360, an input unit 1360, and an encoder sensor unit 1370.
  • the body portions 1310, 1320, and 1330 may include floating bodies 1310 and 1320 and fixed bodies 1330.
  • the floating bodies 1310 and 1320 may be placed on top of the fixed body 1330.
  • the floating bodies 1310 and 1320 may cover the fixed body 1330 and provide an internal space where the elastic portion 1340 is disposed.
  • the floating bodies 1310 and 1320 may move downward along the Z-axis when the user presses them, and may be pushed up by the elastic force of the elastic portion 1340 and move upward along the Z-axis when the pressure is released.
  • the flow bodies 1310 and 1320 may include an upper flow body 1310 and a side flow body 1320.
  • the upper floating body 1310 constitutes the upper surface of the input device 1300 and may correspond to a portion that the user presses for input.
  • the upper flow body 1310 may cover the upper part of the internal space where the elastic part 1340 is disposed. Additionally, the upper moving body 1310 may substantially correspond to a portion that applies a pressing force to the upper part of the elastic portion 1340.
  • An elastic fixing part 1312 to which the upper part of the elastic part 1340 is fixed may be formed on the lower surface of the upper moving body 1310.
  • the elastic fixing part 1312 may protrude from the lower surface of the upper flow body 1310 and be custom-inserted into the hollow area of the spring-like elastic part 1340.
  • the side floating body 1320 constitutes the outer peripheral side of the input device 1300 and may correspond to a portion that the user turns for rotation.
  • an input may be performed by holding the side flow body 1320 and pressing it in the vertical direction (Z-axis direction).
  • the side flow body 1320 is preferably cylindrical in shape.
  • the side flow body 1320 may be integrally connected to the edge of the upper flow body 1310.
  • the side floating body 1320 may provide a first space R1 to accommodate the fixed body 1330.
  • the side flow body 1320 has an open shape from top to bottom, and its interior may be provided as a first space (R1).
  • the side flow body 1320 may have at least one guide groove 1325 formed at a predetermined interval on the inner circumferential surface.
  • the guide groove portion 1325 may be formed at a position corresponding to the locking protrusion 1335 of the fixing body 1330, which will be described later.
  • the guide groove 1325 may be formed to have a predetermined length H (see FIG. 47) from the top of the inner surface of the side flow body 1320 to the center.
  • the lower end of the guide groove 1325 is formed to be stepped, so that the locking protrusion 1335 is caught at the lower end of the guide groove 1325, thereby restricting the movement path.
  • the fixed body 1330 may be connected to the shaft 120 of the rotating load device 100.
  • the fixed body 1330 does not move according to the user's press, but may be provided to transmit rotational force to the shaft 120 when the user inputs rotation.
  • a shaft connection groove 1331 into which the shaft 120 is inserted may be provided at the lower part of the fixed body 1330.
  • the fixed body 1330 has a shape in which only the upper part is open and the lower part is closed, and its interior may be provided as a second space (R2).
  • the elastic portion 1340 may be disposed in the second space R2.
  • An elastic protrusion 1332 into which the elastic part 1340 can be inserted and connected may be formed in the lower part of the second space R2.
  • the elastic protrusion 1332 may be provided to be custom-inserted into the hollow area of the spring-like elastic portion 1340. Accordingly, the upper part of the elastic part 1340 is connected to the elastic fixing part 1312 of the upper moving body 1310, and the lower part of the elastic part 1340 is connected to the elastic protrusion 1332 of the fixed body 1330. , there is an effect in that the elastic portion 1340 is not separated and its position can be stably maintained even in the process of compressing/recovering the shape of the elastic portion 1340.
  • At least one locking protrusion 1335 may be formed on the outer peripheral surface of the fixing body 1330 at a predetermined interval.
  • the locking protrusion 1335 may correspond to the position of the guide groove 1325. Since the fixed body 1330 has an outer diameter smaller than the inner diameter of the side flow body 1320, it can be inserted into the first space R1 of the side flow body 1320. As the fixing body 1330 is inserted into the first space R1, the locking protrusion 1335 can move only within the position where the guide groove 1325 is formed. Therefore, the movement range of the side floating body 1320 (or the floating body 1310, 1320) from the fixed body 1330 in the Z-axis direction may be limited to a predetermined length (H) where the guide groove portion 1325 is formed. there is. Since input can be performed to the input unit 1360 through the lower surface of the side flow body 1320, the predetermined length H is formed to be longer than the distance from the bottom of the side flow body 1320 to the input unit 1360. desirable.
  • the guide groove portion 1325 may extend by a predetermined length (H) in the Z-axis direction and may be formed to have a fixed width in the X and Y directions.
  • the catching protrusion 1335 may be formed to have a width corresponding to the width of the guide groove portion 1325. Accordingly, when the movable bodies 1310 and 1320 are pressed on the fixed body 1330, the movable bodies 1310 and 1320 may move separately from the fixed body 1330 in the Z-axis direction, but the fixed body 1330 When rotating the moving bodies 1310 and 1320 on the screen, the moving bodies 1310 and 1320 and the fixed body 1330 can rotate together.
  • the elastic portion 1340 may provide a restoring force to restore the input device 1300 upward when it is pressed downward. Specifically, the elastic portion 1340 may provide restoring force against the pressure of the fluid bodies 1310 and 1320.
  • the elastic portion 1340 may be provided in the form of a coil spring.
  • the elastic portion 1340 can be made of SWP tension spring, piano steel wire, etc. In addition, as long as it is a means that restores the shape against compression, known elastic means such as rubber domes in addition to springs can be applied without limitation.
  • Figure 48 is a schematic diagram showing input means of the input device 1300 according to an embodiment of the present invention.
  • the circuit unit 1350 may generate an input signal when the input unit 1360 detects input due to pressure of the fluid bodies 1310 and 1320.
  • the circuit unit 1350 may be provided as an FPCB (1351).
  • the circuit unit 1350 may be placed on top of the rotating load device 100.
  • a terminal unit 1355 that can receive power from an external power supply means (not shown) or transmit a signal may be connected to the circuit unit 1350.
  • the input signal generated in the circuit unit 1350 may be transmitted to the processing unit 60 through the terminal unit 1355 to process the input.
  • the input unit 1360 can generate an input signal by actually receiving the press when the user presses the input device 1300.
  • the input unit 1360 may include a button.
  • the input unit 1360 may be provided as a switch, a tact switch, a dome switch, etc.
  • the input unit 1360 may be disposed on the circuit unit 1350 at a position where it can come into contact with the lower edge portion 1327 (see FIG. 48) of the side flow body 1320. Since the side floating body 1320 is provided in a cylindrical shape and the lower edge portion 1327 is provided in a ring shape, the lower edge portion 1327 is provided at any position where the input device 1300 rotates at 360°. It may correspond to the part immediately above (1360). Therefore, even if the input device 1300 rotates infinitely, there is an effect that it is not affected by contact with the input unit 1360. In addition, even if the input device 1300 rotates infinitely, there are no obstacles to the line connection, so there is no need to provide a separate line connecting the input device 1300 and the circuit unit 1350.
  • the encoder sensor 1370 may correspond to the encoder sensor 500 described above in FIG. 38.
  • the encoder sensor 1370 may generate a corresponding rotation signal by sensing data about the rotation speed, rotation position, rotation direction, rotation angle, etc. of the shaft 120 of the rotation load device 100.
  • the rotation signal generated from the encoder sensor 1370 may also be transmitted to the signal unit 60 through the terminal unit 1355, and may also be transmitted to the control unit 50 to control the shaft of the rotary load device 100 based on the rotation signal.
  • the rotational torque of 120) can also be controlled.
  • the input unit 1360 detects linear input in the Z-axis direction of the moving bodies 1310 and 1320, and the encoder sensor 1370 can detect rotational input during rotation.
  • the input device 1300 may have a diameter of about 32 mm.
  • the distance (stroke) that the input device 1300 moves for input may be about 2.5 mm.
  • Figure 49 is a schematic diagram showing the operation process of the input and rotation load module 1500 according to an embodiment of the present invention.
  • the fixed body 1330 of the input device 1300 is inserted into the shaft 120, and the locking protrusion 1335 of the fixed body 1330 is connected to the guide groove of the side floating body 1320. Since it is inserted into 1325, the input device 1300 is substantially directly connected to the shaft 120.
  • a rotation signal can be input through the shaft 120.
  • a tactile sensation of rotation can be received from the rotating load device 100.
  • the elastic unit 1340 is disposed within the fixed body 1330 and may apply a force to push the moving bodies 1310 and 1320 upward based on the fixed body 1330.
  • the lower ends of the side floating body 1320 and the fixed body 1330 may be located at substantially the same height.
  • the fixed body 1330 remains in its position, and the elastic portion 1340 is compressed (1340 -> 1340'), making it a moving body. Only (1310, 1320) can move down (D).
  • the lower part 1327 of the side flow body 1320 presses the input unit 1360 to generate an input signal.
  • the fluid bodies 1310 and 1320 may return to their original positions due to the restoring force of the elastic portion 1340.
  • Figure 50 is a schematic diagram showing the input principle according to another embodiment of the present invention.
  • the input unit 1360 does not provide a button and may include a Hall element.
  • a Hall sensor using the Hall Effect principle may be used as a Hall element.
  • the Hall effect is briefly explained as follows. First, a current (Iref) flows in the conductor, and free electrons move in the opposite direction of the current. When a magnetic field (Bp) is applied or approached here, the free electrons moving due to the Hall effect receive Lorentz force according to Fleming's left-hand rule and their direction of movement is bent.
  • At least a portion of the lower portion 1327 of the side flow body 1320 may include a magnetic portion.
  • the magnetic portion can also be provided by coupling a permanent magnet to the lower portion 1327 of the side flow body 1320.
  • the present invention may perform input processing based on the distance PD from the input unit 1360 even if the side flow body 1320 does not directly contact the input unit 1360.
  • the input unit 1360 may include a button and a Hall element at the same time, so that input processing may be performed by combining the two methods.
  • Figure 51 is a schematic diagram showing an example of use of the input and rotation load module 1500 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 51 illustrates the display (DP) and the input and rotation load module 1500 in a separate form, but it goes without saying that the display (DP) and the input and rotation load module 1500 can be configured as one body.
  • the user can search for menu items that appear on the display DP.
  • Menu items can be searched by rotating the input device 1300, and haptic feedback about the rotation can be provided in the process of rotating the input device 1300.
  • haptic feedback such as music beats can be provided in the media menu
  • haptic feedback such as mobile phone vibration can be provided in the phone menu.
  • the user can search for menu items and then select and execute a specific menu item.
  • a specific menu item can be executed by pressing the input device 1300.
  • the settings menu can be executed by pressing the input device 1300.
  • the input and rotation load module 1500 of the present invention has the effect of enabling button-type input in addition to rotation. This can be applied without limitation to all fields that require rotation input and button input, such as home appliances such as ovens and washing machines, mouse wheels, keyboard wheels, wheels in electronic products, and car jogs, as described above in FIGS. 39 to 44.

Landscapes

  • Fluid-Damping Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 입력 및 회전부하 모듈은, 회전부하 장치에 입력 장치가 연결된 입력 및 회전부하 모듈로서, 상기 입력 장치는, 바디부; 및 상기 바디부 내에 배치되고 가압에 대해 복원력을 제공하는 탄성부;를 포함하고, 상기 회전부하 장치의 샤프트에 상기 입력 장치가 연결되어 회전가능하며, 상기 입력 장치의 상기 바디부를 가압하여 입력 신호를 생성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치
본 발명은 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자기장을 인가함에 따라 회전 토크가 조절될 수 있고, 입력이 가능한 하이브리드 방식의 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치에 관한 것이다.
조그 다이얼이란 회전 가능한 원형 다이얼 형태를 가지고, 사용자가 시계/반시계 방향으로 다이얼을 회전시켜 소정의 기능을 선택하도록 된 것이다. 사용자가 조그 다이얼에 가하던 힘을 제거하면 특정 위치에 다이얼이 자리잡게 될 수 있어 정교한 위치 이동을 수행할 수 있다.
조그 다이얼은 마우스, 가전제품 등에 점차 적용이 확대되어가고 있으며, 텔레매틱스 단말기와 같은 운전자 정보 시스템(DIS; Driver Information System)의 메인 입력장치로 차량에도 도입되는 추세이다.
종래의 기계식 조그 다이얼은 기어 물림에 의해 동작한다. 이에 따라, 종래의 기계식 조그 다이얼의 회전 촉감은 기어 물림에 의한 단일 촉감으로 회전 또는 사용 모드에 따른 다양한 촉감을 표현할 수 없는 한계가 있다. 또한, 기계식 조그 다이얼은 기어 물림에 따른 정해진 회전 토크를 가질 뿐, 회전 토크를 자유자재로 변화시킬 수 없는 한계가 있다. 모터 등의 구동 수단을 더 구비하여 회전 토크를 제어하거나 햅틱 기능을 제공하기 위한 별도의 진동 모터를 추가한다 하더라도 이를 위한 부품과 장치들이 추가되어야 하기 때문에, 생산원가가 상승하고 장치의 부피가 커지게 되는 문제점을 내포한다.
또한, 조그 다이얼은 회전 입력만을 제공하며, 다른 방식으로의 입력은 수행하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 종전의 기계식 구조로는 단조롭고 단일한 촉감 패턴이 발생되는 것과 달리, 회전 시 다양한 입력 신호에 따라 다양한 촉감 패턴이 발생되어, 사용자 촉감을 다양하고 고급스럽게 느끼게 할 수 있고, 회전 시 다양한 촉감 패턴을 발생하는 것에 더하여 입력까지 가능한 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 햅틱 기능이 내장되어, 회전 토크를 변화시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며, 장치의 소형화가 용이한 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기유변유체의 전단 특성이나 점도를 이용하여 목적에 맞는 다양한 적용이 가능한 입력 및 회전부하 모듈, 및 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기의 목적은, 회전부하 장치에 입력 장치가 연결된 입력 및 회전부하 모듈로서, 상기 입력 장치는, 바디부; 및 상기 바디부 내에 배치되고 가압에 대해 복원력을 제공하는 탄성부;를 포함하고, 상기 회전부하 장치의 샤프트에 상기 입력 장치가 연결되어 회전가능하며, 상기 입력 장치의 상기 바디부를 가압하여 입력 신호를 생성할 수 있는, 입력 및 회전부하 모듈에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입력 장치는, 상기 바디부의 가압에 의해 입력을 적용받는 입력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입력부는 버튼을 포함하고, 상기 바디부의 가압에 의해 상기 버튼의 누름을 적용받을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바디부는, 상기 회전부하 장치의 샤프트가 연결되는 고정 바디; 상기 고정 바디의 상부에 배치되어 Z축 방향으로 상하 이동 가능하고, 상기 고정 바디를 커버하며 상기 탄성부가 배치되는 내부 공간을 제공하는 유동 바디;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유동 바디는, 상기 내부 공간의 상부를 커버하는 상부 유동 바디; 상기 고정 바디를 수용하는 제1 공간을 제공하고, 내주면 상에 상기 고정 바디의 외주면의 적어도 일부가 끼워지는 측부 유동 바디;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측부 유동 바디는 원기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고정 바디의 외주면 상에 적어도 하나의 걸림 돌기가 형성되고, 상기 고정 바디의 걸림 돌기에 대응하는 상기 측부 유동 바디의 내주면 상에 안내 홈부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 안내 홈부는 상기 측부 유동 바디의 내주면 상부로부터 중앙부까지 소정 길이로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄성부는 상기 고정 바디를 기준으로 상기 유동 바디를 상부로 미는 힘을 작용하고, 상기 고정 바디의 상기 걸림 돌기는 상기 측부 유동 바디의 상기 안내 홈부의 하단에 걸림에 따라 상기 측부 유동 바디의 이동 범위를 제한할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소정 길이는 상기 측부 유동 바디의 하단으로부터 상기 입력부까지의 거리보다 길 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 유동 바디의 하부면 상에는 상기 탄성부의 상부가 고정되는 탄성 고정부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고정 바디의 하부에는 상기 샤프트가 끼워지는 샤프트 연결홈이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고정 바디는 상부가 개방되고, 상기 탄성부를 수용하는 제2 공간을 제공하며, 상기 제2 공간에는 상기 탄성부가 삽입되는 탄성 돌출부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입력부에서 상기 바디부의 가압에 의한 입력을 감지하면 상기 입력 신호를 생성하는 회로부; 및 상기 회로부에 연결되고 전력 또는 신호를 전달하는 단말부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회로부는 상기 회전부하 장치의 상부에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전부하 장치의 샤프트의 회전 속도, 회전 위치, 회전 방향, 회전 각도 중 적어도 어느 하나에 대한 데이터를 센싱하여 회전 신호를 생성하는 인코더 센서부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입력부는 자기장이 인가 또는 변화되면 홀 전압(hall voltage)이 생성되는 홀 소자를 포함하고, 상기 유동 바디의 하부의 적어도 일부는 자성 부분을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 홀 전압의 세기로 상기 입력부와 상기 유동 바디와의 거리를 산출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 상기의 목적은, (a) 회전부하 장치의 샤프트에 연결된 입력 장치를 회전시켜 메뉴 항목을 검색하는 단계; (b) 상기 입력 장치의 상기 바디부를 가압하여 가압하여 특정 메뉴 항목을 선택하는 단계;를 포함하는, 입력 및 회전부하 모듈을 사용한 입력 신호 생성 방법에 의해 달성된다.
그리고, 본 발명의 상기의 목적은, 회전부하 장치의 샤프트에 연결하여 입력 신호를 생성하는 입력 장치로서, 바디부; 상기 바디부 내에 배치되고 가압에 대해 복원력을 제공하는 탄성부; 및 상기 바디부의 가압에 의해 입력을 적용받는 입력부;를 포함하고, 상기 바디부는, 상기 회전부하 장치의 샤프트가 연결되는 고정 바디; 상기 고정 바디의 상부에 배치되어 Z축 방향으로 상하 이동 가능하고, 상기 고정 바디를 커버하며 상기 탄성부가 배치되는 내부 공간을 제공하는 유동 바디;를 포함하며, 상기 유동 바디는, 상기 내부 공간의 상부를 커버하는 상부 유동 바디; 상기 고정 바디를 수용하는 제1 공간을 제공하고, 내주면 상에 상기 고정 바디의 외주면의 적어도 일부가 끼워지는 측부 유동 바디;를 포함하고, 상기 유동 바디를 가압하여 입력 신호를 생성하는, 입력 장치에 의해 달성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 종전의 기계식 구조로는 단조롭고 단일한 촉감 패턴이 발생되는 것과 달리, 회전 시 다양한 입력 신호에 따라 다양한 촉감 패턴이 발생되어, 사용자 촉감을 다양하고 고급스럽게 느끼게 할 수 있고, 회전 시 다양한 촉감 패턴을 발생하는 것에 더하여 입력까지 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 햅틱 기능이 내장되어, 회전 토크를 변화시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며, 장치의 소형화가 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자기유변유체의 전단 특성이나 점도를 이용하여 목적에 맞는 다양한 적용이 가능한 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 분해도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 단면도이다.
도 4는 도 3의 VI 부분을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 공간에서 자기유변유체의 거동을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자기장에 따른 토크를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 재질 샤프트의 자기력선을 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치에서 자기유변유체의 이동 경로를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 분해도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치에서 자기유변유체의 이동 경로를 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 분해도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치에서 자기유변유체의 이동 경로를 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 분해도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 개략 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치에서 자기유변유체의 이동 경로를 나타내는 개략도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 통과홀이 형성된 요크부, 회전 링을 나타내는 개략도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 통과홀에서 자기 체인의 형태를 나타내는 개략도이다.
도 21은 일 실험예에 따른 유체 통과홀 형성 전후 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 요크부, 회전 링의 수평면 상 패턴 형태를 나타내는 개략도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 요크부, 회전 링의 수평면 상 패턴 형태 및 회전 과정을 나타내는 개략도이다.
도 24는 본 발명의 일 실험예에 따른 자기유변유체의 점도에 따른 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC OFF-SET 전압에 대해 조정된 기본 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 회전 정지를 나타내는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 위치 인지를 나타내는 그래프이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 역회전 정지를 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 역회전 촉감 해제를 나타내는 그래프이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비입력신호(Pre-Input Signal) 인가로 침전된 자기유변유체가 재분산되는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비입력신호 인가시 자기유변유체가 스파이크 형상을 가지는 사진이다.
도 32는 본 발명의 일 실험예에 따른 자기유변유체의 온도에 따른 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 ABS(Anti-lock Brake System) 시스템에 적용시의 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일부로 인가되는 신호 및 이에 대한 토크를 나타내는 그래프이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트와 회전 링의 회전 상태 및 회전 링의 이탈 시 회전 상태를 나타내는 개략도이다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 링이 샤프트로부터 이탈되는 상태를 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 링이 샤프트로부터 이탈시의 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 모듈을 나타내는 개략도이다.
도 39 내지 도 44는 본 발명의 여러 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치가 적용된 상태를 나타낸다.
도 45는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전부하 장치에 입력 장치가 연결된 입력 및 회전부하 모듈을 나타내는 개략 사시도이다.
도 46은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈의 개략 분해도이다.
도 47은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈의 개략 측단면도이다.
도 48은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 장치의 입력 수단들을 나타내는 개략도이다.
도 49는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈의 동작 과정을 나타내는 개략도이다.
도 50은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력 원리를 나타내는 개략도이다.
도 51은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈의 사용예를 나타내는 개략도이다.
<부호의 설명>
10: 자기유변유체
50: 제어부
100~400: 자기유변유체 회전부하 장치
110~410: 하우징
120~420: 샤프트
130~430: 코일부
140~440: 요크부
150~450: 회전 링
1300: 입력장치
1310: 상부 유동 바디
1320: 측부 유동 바디
1330: 고정 바디
1340: 탄성부
1350: 회로부
1360: 입력부
1370: 인코더 센서
1500: 입력 및 회전 부하 모듈
G: 갭
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 개략 사시도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 개략 분해도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 개략 단면도이다. 도 4는 도 3의 VI 부분을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(100)는 하우징(110), 샤프트(120), 코일부(130), 요크부(140), 회전 링(150), 자기유변유체(10)를 포함하고, 커버부(180) 및 베어링부(190)를 더 포함할 수 있다.
하우징(110)은 내부에 다른 구성요소가 배치되는 공간(S)을 제공한다. 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 구성요소들이 하우징(110) 내에 배치되고, 자기유변유체(10)는 하우징(110) 내의 나머지 빈 공간에 채워질 수 있다. 하우징(110)은 샤프트(120), 회전 링(150)이 회전할 수 있는 공간(S)을 제공하도록, 대략 원통 형상을 가질 수 있으나, 내부에 샤프트(120), 회전 링(150)이 회전할 수 있는 공간(S)을 제공하는 범위 내라면 다른 형상이라도 무방하다.
일 예로, 하우징(110: 111, 115)은 코일부(130), 요크부(140), 회전 링(150) 및 자기유변유체(10)가 내부에 배치되는 공간(S)을 제공하는 제1 하우징(111), 및 제1 하우징(111)의 상부를 커버하여 제1 하우징(111)의 내부 공간(S)을 밀폐하는 제2 하우징(115)을 포함할 수 있다.
제1 하우징(111)의 공간(S)에 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 구성요소들과 자기유변유체(10)가 배치된 후, 제1 하우징(111)의 개방된 상부가 제2 하우징(115)으로 커버됨에 따라 내부가 밀폐될 수 있다. 본 발명은, 제1, 2 하우징(110: 111, 115)의 간단한 구조만으로 자기유변유체(10)를 밀폐시키면서 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 조립을 완료할 수 있는 이점이 있다.
샤프트(120)는 하우징(110)의 중심에서 회전 가능하도록 설치될 수 있다. 샤프트(120)는 수직 방향으로 길게 연장되어 형성되고, 회전 링(150: 151, 152)들이 샤프트(120)의 축 부분(123, 124)에 끼워져서 같이 회전될 수 있다. 또는, 샤프트(120)와 회전 링(150)이 일체로 형성될 수도 있다.
샤프트(120)의 상단에는 에지부(121)가 형성되고, 샤프트(120) 상단에 다이얼 등의 사용자 그립 수단(미도시)을 에지부(121)에 삽입하여 샤프트(120)의 축에 회전 힘을 용이하게 전달하도록 할 수 있다.
샤프트(120)의 하단 부분(124)은 회전 링(150)들 중 가장 아래에 위치한 회전 링(152)의 관통홀(159)에 삽입되어, 샤프트(120)가 회전 중에 축의 위치가 벗어나지 않게 회전 링(152)에 지지될 수 있다. 샤프트(120)의 하단 부분(124)의 하부면은 제1 하우징(111)의 내측 하부면(113)과는 이격될 수 있다. 즉, 샤프트(120)의 하단 부분(124)이 회전 링(152)의 관통홀(159)의 하부까지 관통되지 않고 관통홀(159)의 중간 부분까지만 삽입될 수 있다. 따라서, 샤프트(120)의 하단 부분(124)은 마치 제1 하우징(111)의 내측 하부면(113)을 기준으로 공중에 떠있는 형태로서, 샤프트(120)의 하단 부분(124)이 제1 하우징(111)의 내측 하부면(113)과 기계적으로 마모되는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 샤프트(120)와 제1 하우징(111), 회전 링(150)들 간에 마찰이 최소화 되므로, 자기장을 가하지 않은 경우에 기계적인 회전 토크를 현저하게 낮출 수 있는 효과도 있다.
한편, 하우징(110) 내에서 위치되는 샤프트(120)의 상단 축 부분(122)은 베어링부(190)의 관통홀(199)에 삽입되어 지지될 수 있다. 이에 따라, 샤프트(120)의 여러 축 부분(122, 123, 124)이 각각 베어링부(190) 및 회전 링(150: 151, 152)에 삽입 지지되므로, 샤프트의 축의 위치가 안정적으로 지지될 수 있다. 샤프트(120)의 하단 부분(124)은 회전 링(152)에 의해 축이 고정되고, 상단 부분(122)은 베어링부(190)에 의해 축이 고정되므로 샤프트(120)의 고정축이 틀어지지 않고, 순수한 햅틱 토크를 왜곡없이 제공할 수 있는 이점이 있다.
코일부(130)는 하우징(110)의 내측에 배치될 수 있다. 하우징(110) 내부에 균일하게 자기장을 인가할 수 있도록, 코일부(130)도 하우징(110)의 수직 내벽(112)에 대응하는 형상으로 개구부가 형성된 링 형상인 것이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다. 코일부(130)는 솔레노이드 코일로서 전류가 인가되면 자기장이 형성된다. 형성된 자기장에 의해 자기유변유체(10)의 입자(11)들이 자기력선의 방향 또는 수직 방향으로 배열하여 체인 구조를 형성할 수 있다. 체인 구조는 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 고정된 부분과 회전하는 부분 사이에 형성되어 회전하는 부분에 대한 토크를 제공할 수 있다. 구체적인 회전 토크 제어 과정에 대해서는 후술한다.
요크부(140)는 하우징(110) 내에 고정되게 설치될 수 있다. 요크부(140)는 외측면이 코일부(130)의 개구부 내측면(131)에 대향하도록 고정되게 설치될 수 있다.
요크부(140)는 적어도 후술할 회전 링(150: 151, 152)에 대향하는 제1 면(143) 및 제2 면(144)[도 4 참조]을 포함하는 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 요크부(140)의 내측면은 적어도 제1 면(143) 및 제2 면(144)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 요크부(140)는 회전 링(150: 151, 152)의 외주면(153: 153a, 153b)[도 4 참조]에 대향하는 제1 면(143: 143a, 143b) 및 회전 링(150: 151, 152)의 회전 면(154: 154a, 154b, 154c, 154d)에 대향하고 제1 면(143)에 수직인 제2 면(144: 144a, 144b)을 포함하는 형상을 가질 수 있다. 요크부(140)의 중심에는 샤프트(120)가 관통할 수 있는 관통홀(149)이 형성될 수 있다.
다른 관점으로, 요크부(140)는 관통홀(149)이 형성된 원형 디스크 형상에 더하여, 원형 디스크의 외주에서 수직 방향으로 원통 형상으로 수직벽(146)이 형성되어, 단면(도 3 참조)의 형태가 관통홀(149)을 제외하면 대략 'H' 형상일 수 있다. 상호 대응하는 표면적을 높일 수 있도록, 요크부(140)의 수직벽(146)이 형성된 내측 공간으로 회전 링(150)이 안착될 수 있다.
회전 링(150)은 전체적으로 원형 디스크 형상을 가지고 샤프트(120)에 연결될 수 있다. 회전 링(150: 151, 152)은 샤프트(120)의 축 외경에 대응하는 관통홀(159)이 형성되어 샤프트(120)에 끼워질 수 있다. 고정 배치된 요크부(140)에 대해 회전 링(150)은 샤프트(120)의 회전에 연동되어 상대적으로 회전할 수 있다.
복수의 회전 링(150: 151, 152)이 하우징(110) 내부에 배치될 수 있고, 회전 링(150: 151, 152)들이 상호 간격을 이루어 샤프트(120)에 연결될 수 있다. 샤프트(120) 축의 갭 유지부(125)는 회전 링(150: 151, 152)들이 상호 간격을 이루도록 가운데에서 소정의 두께를 가지며 샤프트(120)의 축보다 두꺼운 외경을 가지도록 형성될 수 있다. 요크부(140)의 관통홀(149)은 갭 유지부(155)의 외경에 대응하도록 형성될 수 있다. 갭 유지부(155)는 단차를 가지면서 회전 링(150)과 일체로 형성되기 때문에, 별도의 스페이서를 샤프트(120)에 끼울 필요없이 회전 링(150)만 순차적으로 샤프트(120)에 끼우는 방법으로, 회전 링(150)들의 상호 간격을 유지하도록 할 수 있는 이점이 있다.
도 3에서는 두개의 회전 링(150: 151, 152) 사이에 요크부(140)가 배치되는 예를 도시하나, 회전 링이 세개 이상이 되면 요크부(140)의 개수도 늘어나거나 요크부(140) 형상이 회전 링의 개수에 대응하여 변경될 수 있다. 이때, 요크부(140)는 회전 링(150)과 교대로 배치되면서 수직 방향으로 적층되는 배치 형태를 가질 수 있다. 제1 하우징(111)의 내부 공간(S)에 코일부(130)를 고정 배치하고, 회전 링(150)과 요크부(140)를 교대로 적층, 샤프트(120)를 삽입, 및 나머지 회전 링(150)[추가로 요크부(140)의 적층도 가능]을 적층한 후, 자기유변유체(10)를 채우고, 제2 하우징(115)으로 내부 공간(S)을 밀폐시키는 과정으로 조립이 완료될 수 있다.
본 발명은 요크부(140)와 회전 링(150)의 개수가 늘어나거나, 사이즈가 커질수록 회전 토크가 증가할 수 있는 이점이 있다. 또한, 하우징(110: 111, 115) 내에 요크부(140)와 회전 링(150)을 교대로 적층하고, 제1, 2 하우징(111, 115)을 상호 결합하여 조립하는 간단한 공정으로 자기유변유체 회전 부하 장치(100)를 구성할 수 있는 이점이 있다. 자기유변유체 회전 부하 장치(100)를 간단한 공정으로 구성할 수 있으므로, 사용 목적에 맞는 토크값을 갖추기 위한 사이즈 변화에 유연하게 대응할 수 있는 이점이 있다.
요크부(140)의 상단에 커버부(180)가 더 배치될 수 있다. 커버부(180)는 요크부(140) 상단의 테두리 상에 배치되어 요크부(140)의 내부 공간을 밀폐할 수 있다. 요크부(140)의 내부 공간에 자기유변유체(10)가 채워지므로, 실질적으로 커버부(180)는 코일부(130)를 제외한 제2 하우징(115)의 내부 공간(S)을 밀폐하는데 사용할 수 있다.
커버부(180) 상에는 샤프트(120)의 축 부분(122)이 삽입되도록 베어링부(190)가 배치될 수 있다. 그리고, 코일부(130), 커버부(180), 베어링부(190) 상에 제2 하우징(115)이 배치되면서 하우징(110: 111, 115)의 내부 공간(S)이 밀폐될 수 있다. 제2 하우징(115)의 하부면에는 베어링부(190)가 배치될 공간을 제공하도록 수용단차(117)가 형성될 수 있다. 베어링부(190)는 외주가 수용단차(117)에 지지되고, 베어링부(190)의 관통홀에 샤프트(120)의 축 부분(112)이 삽입됨에 따라 커버부(180) 상에서 고정 지지될 수 있다. 이 외에, 하우징(110) 내부 공간에서 샤프트(120)의 축에 다른 베어링(미도시)이 삽입될 수도 있다.
요크부(140)와 회전 링(150) 사이에는 소정의 갭(G)이 형성되고, 갭(G)에 자기유변유체(10)가 채워질 수 있다. 구체적으로, 요크부(140)의 제1 면(143)과 회전 링(150)의 외주면(153) 사이, 및 요크부(140)의 제2 면(144)과 회전 링(150)의 회전 면(154) 사이에 갭(G)이 형성될 수 있다. 갭(G)은 하우징(110)과 요크부(140), 하우징(110)과 회전 링(150) 사이에도 형성될 수 있다. 갭(G)에 채워지는 자기유변유체(10)의 점도, 강성 등 특성이 변화함에 따라 회전 링(150)의 회전 토크가 변화할 수 있게 된다.
회전 링(150)의 회전 운동에서 회전 링(150)과 요크부(140) 사이에 발생하는 토크(T)의 크기는 전단응력과 접촉면적으로부터 다음과 같이 구해진다.
T = Tc + Tη + Tf
여기서, Tc는 전기장, 자기장 부하 시 발생하는 제어토크(controllable torque), Tη은 전기장, 자기장이 가해지지 않을 때 자기유변유체(10)의 점성으로 인한 점성 토크(viscous torque), Tf는 기계적 요소에서 발생하는 마찰토크(frictional torque)이다. 무부하 시 Tc는 나타나지 않게 된다.
따라서, 본 발명에서는 코일부(130)에서 자기유변유체(10)에 인가하는 자기장을 제어함에 따라, 즉, Tc를 제어함에 따라 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 전체 토크(T)를 자유자재로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭(G) 공간에서 자기유변유체(10)의 거동을 나타내는 개략도이다.
자기유변유체 회전부하 장치(100)는 코일부(130)에서 발생되는 자기장의 세기, 주파수, 파형 등을 제어하는 제어부(50)를 더 포함할 수 있다. 사용자가 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 샤프트(120)를 회전시킬 때, 제어부(50)는 코일부(130)에서 인가하는 자기장을 변화시켜, 회전 링(150)의 토크를 변화시킬 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 요크부(140)와 회전 링(150) 사이의 갭(G)[또는, 하우징(110)과 요크부(140) 및 회전 링(150) 사이의 갭(G)]에는 자기유변유체(10)가 채워질 수 있다. 자기유변유체(10)는 자성 입자(11) 및 자성 입자(11)가 분산된 오일, 물 등 유체 형태의 매체(12)를 포함한다.
도 5에서 자기장이 인가되지 않는 경우(No Magnetic Field), 자성 입자(11)는 매체(12)에 분산된 상태를 나타낸다. 즉, 무부하 시 Tc = 0 이므로, T = Tη + Tf 로 고정된 값을 가진다. 반대로, 자기장이 인가되는 경우(Magnetic Field Applied), 자성 입자(11)들은 자기력선의 방향으로 자기 체인을 형성할 수 있다. 체인은 대략 회전 링(150)의 일면에서부터 요크부(140)의 일면에 닿을 정도로 형성될 수 있다. 이에 따라, Tc 값이 나타나므로, T = Tc + Tη + Tf 로 토크가 증가하며, Tc 값의 변화에 따라 전체 토크가 변화될 수 있다. 이에 따라, 샤프트(120)가 회전하기 위해 필요한 토크는 자기장의 세기, 자기 체인의 결합력, 요크부(140)와 회전 링(150)의 마찰 전단력 등에 의해 변화할 수 있다. 자기 체인이 보다 잘 형성되도록, 적어도 하우징(110)은 자성 부분을 포함할 수 있고, 샤프트(120), 요크부(140), 회전 링(150)도 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.
갭(G)의 크기는 자기유변유체(10) 내의 자성 입자(11) 직경 평균값의 10배 내지 200배인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20배 정도일 수 있다. 갭(G)이 너무 작으면 무부하 시의 토크 값이 커지거나, 구성들이 회전할 때 간섭이 생길 수 있으며, 조립이 어려운 문제가 있고, 갭(G)이 너무 커지면 장치의 소형화에 불리하고, 작은 자기장에서 자기 체인이 충분히 형성되지 않을 수 있다. 예를 들어, 자성 입자(11)들의 직경은 약 2 ~ 10 ㎛에 분포될 수 있으며, 직경의 평균값은 약 5㎛일 수 있다. 이때, 갭(G)은 적어도 0.1mm 이상일 수 있고, 바람직하게, 갭(G)은 약 0.1mm 내지 5mm 일 수 있다. 이 수치 범위 내에서 자성 입자(11)들이 자기력선의 방향으로 자기 체인을 형성하여 사용자의 손에 촉감의 변화를 전달할 정도의 Tc 값 변화를 유발할 수 있게 된다.
또한, 자기유변유체(10) 내의 자성 입자(11)가 많을수록 자기 체인을 강하게 형성하여 회전부하 장치에서 발생할 수 있는 최대 토크가 증가하며, 자기유변유체(10) 내에서 자성 입자(11)는 바람직하게는 60 ~ 95 wt% 일 수 있다. 자성 입자(11)가 60wt%보다 적으면 최대 토크의 크기가 적어져 사용자가 느끼기에 충분한 촉감, 강성 전달이 이루어지지 않을 수 있고, 95wt%보다 크면 너무 많은 자성 입자(11)에 의해 무부하 시의 토크 값이 커질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자기장에 따른 토크를 나타내는 그래프이다.
도 6에는 가해지는 자기장의 세기에 따라 토크가 변화하는 형태가 도시된다. 코일부(130)에서 교류 자기장을 인가하면, 이에 대응하는 샤프트(120)의 토크가 발생할 수 있다. 자기장의 패턴에 따라 요크부(140)와 회전 링(150) 사이에서 자기 체인이 형성되는 패턴이 변화되고, 회전 링(150)과 연결된 샤프트(120)의 회전 토크가 변화될 수 있다. 이에 따라, 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 샤프트(120)를 회전하는 사용자에게 다양한 패턴 및 촉감을 제공할 수 있다.
한편, 제어부(50)는 외부의 장치 등으로부터 수신한 데이터에 기초하여 사용자에게 다양한 패턴의 촉각을 전달하는 신호를 생성할 수 있다. 외부 장치의 디스플레이에서 생성되는 이벤트, 또는 오디오에 기초하여 샤프트(120)의 회전 토크를 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 제어부(50)는 이벤트의 효과에 대응되는 이벤트 패턴 데이터, 오디오 신호에 대응하는 오디오 패턴 데이터에 기초하여 코일부(130)로 패턴 신호를 전달할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 자기유변유체 회전부하 장치(100)가 레이싱 게임의 스티어링 휠로서 적용된 경우, 디스플레이에서 차량이 이동하는 이벤트가 수행되는 과정에서 노면 상태에 대응하도록 샤프트(120)에 촉감 변화가 적용될 수 있다. 또는, 레이싱 게임에서 주행모드가 컴포트, 스포츠 모드인지에 따라서 샤프트(120)가 회전하는 토크 값이 다르게 적용될 수 있다.
다른 예를 들어, 게임에서 배경음악이나, 효과음이 발생하는 과정에서 자기유변유체 회전부하 장치(100)에 촉각이 구현될 수 있다. 자기유변유체 회전부하 장치(100)가 마우스 휠로 적용된 경우, 경고의 효과음이 발생할 때 마우스 휠과 연결된 샤프트(120)의 회전이 정지될 정도의 토크 값이 적용될 수 있다.
이 외에, 제어부(50)는 코일부(130)의 동작 주파수, 세기, 파형 등을 제어하여 일정한 토크 값에 의한 촉각 외에 다양한 패턴을 가지는 촉각이 구현되도록 할 수 있다. 다양한 제어부(50)의 실시예에 대해서는 후술한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 재질 샤프트의 자기력선을 나타내는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 샤프트(120)의 재질에 따라서 코일부(130)로부터 인가된 자기장에 대한 자기력선(M, M')의 거동이 다르게 나타난다. 코일부(130)로부터 요크부(140)와 회전 링(150)에 인가된 자기장은 요크부(140)와 회전 링(150)의 수평면에 수직하는 상부 방향으로 자기력선(M)을 생성할 수 있다. 한편, 샤프트(120)가 자성체 재질을 포함하는 경우 코일부(130)로부터 요크부(140)와 회전 링(150)에 인가된 자기장이 샤프트(120) 방향으로 일부 누설되어 자기력선(M')을 생성할 수 있다. 이렇게 샤프트(120)의 축 방향으로 누설되는 자기력선(M')에 의해 갭(G) 사이에서의 자기력선(M)의 밀집 효과가 떨어질 수 있다.
따라서, 본 발명은 샤프트(120)가 비자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다. 비자성 재료를 포함하는 것은 전체가 비자성 재질로 구성되거나, 일부만 비자성 재질로 구성되는 형태를 포함한다. 특히, 일부만 비자성 재질로 구성되는 경우, 적어도 하우징(110) 내에 위치하는 샤프트(120)의 부분[예를 들어, 축 부분(122, 123, 124, 125)은 비자성 재질로 구성될 필요가 있다. 일 실시예에 따르면, 샤프트(220)는 플라스틱 재질을 사용할 수 있다. 플라스틱 재질의 샤프트(120)를 사용한 경우 자성 재료를 사용하는 샤프트(120)의 경우보다 토크 값이 70mN·m에서 110mN·m으로 상승함을 확인할 수 있다. 한편, 하우징(110)은 자기력선(M)의 밀집 효과를 향상시키기 위해 적어도 일부가 자성 재질로 구성될 수 있다. 하우징(110)의 자성 재질로 구성되는 일부는 요크부(140) 및 회전 링(150)에 인접한 부분인 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(100)에서 자기유변유체의 이동 경로(LK1, LK2)를 나타내는 개략도이다.
도 8을 참조하면, 제1 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(100)는 회전링(150: 151) 상부에 커버부(180) 및 베어링부(190)가 배치되는 구조이다. 다만, 베어링부(190)의 관통홀(199)에 샤프트(120)가 끼워져 회전해야 하므로, 베어링부(190)와 샤프트(120)의 축 부분(122) 사이에 틈이 있을 수 있다. 커버부(180)와 회전링(150: 151) 사이의 갭(G)에 존재하는 자기유변유체(10)는 커버부(180)와 샤프트(120)의 틈, 및 베어링부(190)와 샤프트(120)의 틈으로 유출될 수 있다. 도 8에는 자기유변유체(10)의 유출되는 갭 경로 중 커버부(180)와 샤프트(120) 사이의 갭 경로를 LK1, 베어링부(190)와 샤프트(120) 사이의 갭 경로를 LK2로 나타낸다.
자기유변유체(10)가 갭 경로(LK1, LK2)를 통해 유출되면 베어링부(190)의 회전력에 악영향을 줄 수 있고, 특히, 외부로 유출되어 자기유변유체 회전부하 장치(100) 내의 자기유변유체(10)의 양이 변하면 원하는 세기로 토크의 제어가 되기 어려우므로, 자기유변유체(10)의 밀봉이 중요하게 고려된다. 이하에서는 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(200)를 통해 자기유변유체(10)의 밀봉 수단을 더 살펴본다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(200)의 개략 분해도이다. 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(200)의 개략 단면도이다. 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(200)에서 자기유변유체의 이동 경로(FP1)를 나타내는 개략도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 4의 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 9 내지 도 11의 각각의 구성은 도 1 내지 도 4를 통해 위에서 설명한 것으로 갈음한다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 제2 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(200)는 하우징(210), 샤프트(220), 코일부(230), 요크부(240), 회전 링(250), 커버부(280), 베어링부(290), 자기유변유체(10)를 포함하고, 자기유변유체(10)의 유출 방지 수단을 더 포함할 수 있다. 하우징(210), 코일부(230), 요크부(240), 회전 링(250)은 상술한 하우징(110), 코일부(130), 요크부(140), 회전 링(150)과 실질적으로 동일하다.
일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 오링(O-ring; 228)일 수 있다. 오링(228)은 샤프트(220)의 외주면 상에 끼워질 수 있다. 샤프트(220)의 외주면 상, 특히, 베어링부(290)의 위치에 대응하는 샤프트(220)의 상단 축 부분(222)에는 오링 지지홈(226)이 형성될 수 있다. 그리고, 오링 지지홈(226)을 감싸도록 오링(228)이 끼워질 수 있다. 오링 지지홈(226)은 샤프트 상단 축 부분(222)에서 내측으로 형성된 홈이므로, 오링(228)이 상하 방향으로 이탈되지 않도록 끼워질 수 있다.
샤프트(220)에 오링(228)이 끼워지면, 오링(228)은 베어링부(290)의 중앙부에 형성된 관통홀(299)에 그 외주면이 접촉될 수 있다. 이에 따라, 도 8에서 상술한 베어링부(190)와 샤프트(120) 사이의 갭 경로(LK2)를 오링(228)으로 막아서 자기유변유체(10)의 유출을 막을 수 있게 된다.
또한, 일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 그리스(grease)부(229)일 수 있다. 그리스부(229)는 상술한 오링(228)과 동일한 위치에 형성될 수 있다. 그리스부(229)는 샤프트(220)의 오링 지지홈(226)의 홈 내에 코팅될 수 있다. 또는, 도 8에서 상술한 자기유변유체(10)가 유출될 수 있는 경로인, 커버부(180)와 샤프트(120) 사이의 갭 경로(LK1), 베어링부(190)와 샤프트(120) 사이의 갭 경로(LK2)에 그리스부(229)가 코팅될 수 있다. 또는, 요크부(240) 상단과 커버부(280) 사이의 틈에도 그리스부(229)가 코팅될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 커버링(285)일 수 있다. 커버링(285)은 커버부(280)의 관통홀(289)에서 내측면 내에 배치될 수 있다. 그리고, 커버링(285) 상부에 베어링부(290)가 배치될 수 있다. 제1 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(100)는 커버링(285) 없이 커버부(180)의 상면에 베어링부(190)가 배치된다. 따라서, 자기유변유체의 갭 경로(LK1)[도 8 참조]가 커버부(180)와 샤프트(120) 사이에 형성된다. 반면에, 도 11을 참조하면, 제2 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(200)는 커버부(280)의 관통홀(289)이 커버링(285)의 외경과 대응하는 크기로 형성되고 커버링(285)의 관통홀(287)을 샤프트(220)의 축이 통과하게 된다. 커버링(285)의 상부에는 베어링부(290)가 긴밀하게 배치되어 상호 틈이 생기지 않는다. 따라서, 자기유변유체의 갭 경로(FP1)는 회전 링(250: 251)의 상부로부터 커버링(285)의 외측면까지로 제한된다. 갭 경로(FP1)는 베어링부(290)와 샤프트(220)의 사이까지 연장되지 않으므로 자기유변유체가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 여러 실시예의 유출 방지 수단이 복합적으로 작용할 수 있다. 오링(288), 그리스부(229) 및 커버링(285)의 구성을 조합하여 자기유변유체가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(300)의 개략 사시도이다. 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(300)의 개략 분해도이다. 도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(300)의 개략 단면도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 4의 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.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 자기유변유체 회전부하 장치(300)는 하우징(310), 샤프트(320), 코일부(330), 요크부(340), 회전 링(350)을 포함하고, 커버부(380), 베어링부(390)를 더 포함할 수 있다. 하우징(310), 코일부(330), 커버부(380), 베어링부(390)는 일부 형상의 차이 외에는 도 1 내지 도 4의 제1 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.
샤프트(320)의 상단에는 에지부(321)가 형성되고, 샤프트(320) 상단에 다이얼 등의 사용자 그립 수단(미도시)을 에지부(321)에 삽입하여 샤프트(320)의 축에 회전 힘을 용이하게 전달하도록 할 수 있다.
하우징(310) 내에 위치하는 샤프트(320)의 축 직경은 하부로 갈수록 작아지거나 동일할 수 있다. 이에 따라 회전 링(350: 351~353)들을 적층한 상태에서 샤프트(320)를 상부에서 하부로 삽입하는 간단한 공정으로 조립 과정을 수행할 수 있다. 회전 링(350: 351~353)들은 상호 접촉하거나, 소정 간격을 유지하면서 수직 방향으로 배치되고, 회전 링(350)들의 관통홀(357a, 357b, 357c)에 샤프트(320)가 삽입된 상태일 수 있다.
샤프트(320)의 하단 부분(325)은 회전 링(350)들 중 가장 아래에 위치한 회전 링(353)의 관통홀(359c)에 삽입되어, 샤프트(320)가 회전 중에 축의 위치가 벗어나지 않게 회전 링(353)에 지지될 수 있다. 샤프트(320)의 하단 부분(325)의 하부면은 제1 하우징(311)의 내측 하부면과는 이격될 수 있다. 즉, 샤프트(320)의 하단 부분(325)이 회전 링(353)의 관통홀(359c)의 하부까지 관통되지 않고 관통홀(359c)의 중간 부분까지만 삽입될 수 있다. 따라서, 샤프트(320)의 하단 부분(325)은 마치 제1 하우징(311)의 내측 하부면을 기준으로 떠 있는 형태로서, 샤프트(320)의 하단 부분(325)이 제1 하우징(311)의 내측 하부면과 기계적으로 마모되는 것을 방지할 수 있다.
코일부(330)는 하우징(310)의 내측에 배치될 수 있다. 하우징(310) 내부에 균일하게 자기장을 인가할 수 있도록, 코일부(330)도 하우징(310)의 수직 내벽에 대응하는 형상으로 개구부가 형성된 링 형상인 것이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다. 코일부(330)에서 형성하는 자기장에 의해 자기유변유체(10)의 입자(11)들이 자기력선의 방향으로 배열하여 체인 구조를 형성함에 따라 회전 토크를 제어할 수 있다.
요크부(340)는 하우징(310) 내에 고정되게 설치될 수 있다. 요크부(340)는 외측면이 코일부(330)의 개구부 내측면(331)에 대향하도록 고정되게 설치될 수 있다. 요크부(340)도 하우징(310)처럼 샤프트(320), 회전 링(350)이 회전할 수 있는 공간을 제공하도록, 대략 원통 형상을 가질 수 있다. 요크부(340)는 회전 링(350)의 외경보다 큰 내경을 갖는 것이 바람직하다.
적어도 하나의 회전 링(350)은 요크부(340)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 회전 링(350: 351, 352, 353)은 적층 배치되고, 회전 링(350: 351, 352, 353)과 요크부(340)의 내측면이 소정의 갭(G)을 형성하여 갭(G)에 자기유변유체(10)가 채워지도록 할 수 있다. 코일부(330)에서 형성하는 자기장에 의해 자기유변유체(10)의 입자(11)들이 자기력선의 방향으로 배열하여 체인 구조를 형성함에 따라 회전 토크를 제어할 수 있다. 본 명세서에서는 세개의 회전 링(350: 351, 352, 353)이 배치되는 형태를 예시하나, 회전 링(350)의 개수는 변경될 수 있다.
한편, 요크부(340)의 상단에 커버부(380)가 더 배치될 수 있다. 커버부(380)는 요크부(340) 상단의 테두리 상에 배치되어 요크부(340)의 내부 공간을 밀폐할 수 있다. 요크부(340)의 내부 공간에 자기유변유체(10)가 채워지므로, 실질적으로 커버부(380)는 코일부(330)를 제외한 제2 하우징(315)의 내부 공간(S)을 밀폐하는데 사용할 수 있다.
제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(300)는 회전 링(350)들 사이에 요크부가 제외되므로 제1 실시예보다 회전 토크는 감소될 수 있다. 반면, 자기유변유체 회전부하 장치(300)는 구조가 간단해지며 제조원가가 절감되는 이점이 있으므로, 필요한 회전 토크의 세기 및 제조원가를 고려하여 적용이 가능하다. 예를 들어, 마우스 휠처럼 약한 회전 토크를 가지면 충분하고 제조원가의 절감이 가능한 분야에 적용할 수 있다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기유변유체의 이동 경로(LK3)를 나타내는 개략도이다.
도 15를 참조하면, 제3 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(300)는 회전링(350: 351) 상부에 커버부(380) 및 베어링부(390)가 배치되는 구조이고, 베어링부(390)의 관통홀(399)에 샤프트(320)가 끼워져 회전해야 하므로, 베어링부(390)와 샤프트(320)의 축 부분(322) 사이에 틈이 있을 수 있다. 커버부(380)와 회전링(350: 151) 사이의 갭(G)에 존재하는 자기유변유체(10)는 커버부(380)와 샤프트(320)의 틈, 및 베어링부(390)와 샤프트(320)의 틈으로 유출될 수 있다. 도 15에는 자기유변유체(10)의 유출되는 갭 경로 중 커버부(380)와 샤프트(320) 사이의 갭 경로를 LK3, 베어링부(390)와 샤프트(320) 사이의 갭 경로를 LK4로 나타낸다. 이는 도 8에서 상술한 갭 경로(LK1, LK2)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 자기유변유체(10)의 밀봉을 위해 이하에서 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(400)를 통해 자기유변유체(10)의 밀봉 수단을 더 살펴본다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(400)의 개략 분해도이다. 도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(400)의 개략 단면도이다. 도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치(400)에서 자기유변유체의 이동 경로(FP2)를 나타내는 개략도이다. 이하에서는 도 12 내지 도 14의 제3 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하고 동일한 구성은 앞에서 설명한 것으로 대체한다. 제3 실시예와 제4 실시예에서 동일한 구성은 도면부호가 300번대, 400번대인 것으로 상호 대응됨을 참조할 수 있다. 이하에, 별도의 설명이 없는 한 도 16 내지 도 17의 각각의 구성은 도 12 내지 도 14를 통해 위에서 설명한 것으로 갈음한다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 제4 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(400)는 하우징(410), 샤프트(420), 코일부(430), 요크부(440), 회전 링(450), 커버부(480), 베어링부(490), 자기유변유체(10)를 포함하고, 자기유변유체(10)의 유출 방지 수단을 더 포함할 수 있다. 하우징(410), 코일부(430), 요크부(440), 회전 링(450)은 상술한 하우징(310), 코일부(330), 요크부(340), 회전 링(350)과 실질적으로 동일하다.
일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 오링(O-ring; 428)일 수 있다. 오링(428)은 제2 실시예의 오링(228)과 동일하고, 샤프트(420)의 오링 지지홈(426)에 끼워지므로 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 그리스(grease)부(429)일 수 있다. 그리스부(429)는 상술한 오링(428)과 동일한 위치에 형성될 수 있다. 그리스부(429)는 샤프트(420)의 오링 지지홈(426)의 홈 내에 코팅될 수 있다. 또는, 도 15에서 상술한 자기유변유체(10)가 유출될 수 있는 경로인, 커버부(380)와 샤프트(320) 사이의 갭 경로(LK3), 베어링부(390)와 샤프트(320) 사이의 갭 경로(LK4)에 그리스부(429)가 코팅될 수 있다. 또는, 요크부(340) 상단과 커버부(380) 사이의 틈에도 그리스부(429)가 코팅될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 커버부(480)의 연장홀(489)일 수 있다. 연장홀(489)은 기존의 제3 실시예의 커버부(380)의 관통홀(389)과 대비하여 내측면으로 더 연장되어 형성된 것일 수 있다. 도 16에는 기존의 관통홀(389)은 점선으로 표시하고, 관통홀(389)보다 내측면으로 더 연장되어 형성된 연장홀(489)을 실선으로 표시한다.
도 18을 참조하면, 연장홀(489)이 커버부(480)의 내측면 방향으로 연장 형성되기 때문에, 자기유변유체의 갭 경로(FP2)가 더 길어질 수 있다. 자기유변유체의 갭 경로(FP2)는 회전 링(450: 451) 상부로부터 베어링부(490)까지 이어지게 된다. 제3 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(300)는 커버부(380)의 관통홀(389)의 직경이 베어링부(390)의 관통홀(399)의 직경보다 크거나 동일한 정도이다. 따라서, 자기유변유체의 갭 경로(LK3)[도 15 참조]가 커버부(380)와 샤프트(320) 사이에 직각 방향으로, 또는, 측단면이 'ㄴ' 형상을 가지도록 형성된다. 반면에, 도 17을 참조하면, 제4 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(400)는 자기유변유체의 갭 경로(FP2)가 회전 링(450: 451) 상부로부터 베어링부(490)까지 이어지는 과정에서 내측면 방향으로 연장 형성된 연장홀(489)만큼 더 길어지게 된다. 따라서, 자기유변유체의 갭 경로(FP2)가 우회하는 방향으로, 또는, 측단면이 'ㄷ'형상을 가지도록 형성되므로, 자기유변유체가 곧바로 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 일 실시예에 따르면, 유출 방지 수단은 샤프트(420)의 날개부(427)일 수 있다. 도 16 및 도 18을 참조하면, 샤프트(420)의 외주면 상에 측면으로 돌출되도록 날개부(427)가 형성될 수 있다. 날개부(427)는 샤프트(420)를 회전 링(450), 베어링부(490) 등에 끼웠을때, 베어링부(490)의 상면에 접촉하는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 날개부(427)는 베어링부(490)의 관통홀(499)을 커버할 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 날개부(427)는 관통홀(499)을 커버하여 베어링부(490)와 샤프트(420)의 사이로 자기유변유체가 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 여러 실시예의 유출 방지 수단이 복합적으로 작용할 수 있다. 오링(428), 그리스부(429), 연장홀(489) 및 날개부(427)의 구성을 조합하여 자기유변유체가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
종래의 기계식 조그 다이얼은 단일 촉감만을 제공하여 다양한 사양자 모드에 따른 패턴의 다양성을 줄 수 없으며, 기계 동작에 의한 마모가 문제가 될 수 있다. 또한, 기계식 조그 다이얼 외에도 진동 모터 타입의 조그도 있지만 진동 모터 타입은 직접 촉감이 아닌 하부에 배치된 진동 모터를 통한 간접 촉감을 전달하므로 직접 촉감 전달에 비해 촉감 전달력이 떨어지게 된다.
반면, 본 발명은 코일부(130, 230, 330, 430)에서 인가하는 자기장의 입력 신호에 따라 다양한 토크 패턴을 형성할 수 있어 사용자가 다양한 촉감을 느낄 수 있고, 자기유변유체(10)의 상태 변화에 따라 전단력을 변화시키므로 마모에 대한 문제가 해소되며, 샤프트(120, 220, 320, 420)를 통해 직접적인 촉감 전달이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 자기유변유체(10)의 물성에 따라 다양한 어플리케이션의 목적에 맞춰 특성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 무거운 촉감이 요구되면 점도가 높은 자기유변유체의 적용 등이 가능하다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)이 형성된 요크부(140, 240), 회전 링(150, 250, 350)을 나타내는 개략도이다. 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)에서 자기 체인의 형태를 나타내는 개략도이다. 도 21은 일 실험예에 따른 유체 통과홀 형성 전후 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 19를 참조하면, 요크부(140, 240)에는 복수의 유체 통과홀(147, 247)을 형성할 수 있다. 또한, 회전 링(150, 250, 350)에도 복수의 유체 통과홀(157, 257, 357a)을 형성할 수 있다. 또한, 회전 링(150, 250, 350)과 마찬가지로 요크 링(341, 342)에도 복수의 유체 통과홀을 형성할 수 있다. 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)은 요크부(140, 240)의 면(144, 244), 회전 링(150, 250, 350)의 회전 면(154, 254, 354)과 같은 수평면 상에서 수직으로 관통 형성될 수 있다. 또한, 이에 제한되지 않고, 유체 통과홀은 수직벽(146, 246)과 같은 수직면 상에서 수평으로 관통 형성될 수도 있다.
도 20의 왼쪽 도면을 참조하면, 유체 통과홀(157)은 자기유변유체(10)의 자성 입자(11)들이 수직 체인을 형성할 수 있는 길이를 더 늘려줄 수 있다(G1 -> G2). 즉, 자성 입자(11)들의 체인의 길이가 원래 갭(G, G1)의 두께에서 유체 통과홀(157)의 두께만큼 더 추가되어 갭(G2)에 이르는 길이로 형성될 수 있다. 이에 따라, 동일한 부하 인가에 대해서 Tc 값의 변화량이 더 커지고, 전체 토크를 더 크게 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 요크부(140, 240, 340, 440), 회전 링(150, 250, 350, 450)의 직경이 약 10mm일 때, 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)의 직경은 약 0.3mm일 수 있다. 또한, 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)은 자기유변유체 회전부하 장치(100-400)의 조립 공정에서 자기유변유체(10)의 주입을 더욱 균일하게 하는 효과가 있다.
도 20의 오른쪽 도면을 참조하면, 유체 통과홀(157')은 반드시 수직(a=90°)으로 관통 형성되지 않고, 기울어진 각도(a)로 형성될 수 있다. 유체 통과홀(157')을 기울게 형성함에 따라, 보다 확장된 유체 통과홀(157')의 표면적을 따라 자성 입자(11)들의 체인이 늘어날 수 있다. 즉, 자성 입자(11)들의 체인이 원래 갭(G, G1), 유체 통과홀(157')의 두께만큼 더 추가된 갭(G2)에 형성되는 것에 더하여, 유체 통과홀(157')의 기울어진 면에서 회전 링(150)의 회전 면(154), 또는 요크부(140)의 면(144)까지 이르는 갭(G3)에 더 형성될 수 있게 된다. 특히, 기울어지는 방향은 회전 링(150)의 회전 방향(R)을 따라 형성할 수 있다.
기울어진 각도(a)는 유체 통과홀(157')의 직경, 개수, 회전 토크의 세기 등을 고려하여 설정될 수 있으나, 30° 내지 80° 기울어진 각도(a)로 형성되는 것이 바람직하다. 30°보다 작으면 유체 통과홀(157')이 수평면 상에서 너무 큰 크기로 관통되어 유체 통과홀의 본연의 효과를 나타내기 어렵고, 80°보다 크면, 수직인 유체 통과홀(157)과 거의 효과의 차이가 나타나지 않게 될 수 있다.
다른 관점으로, 유체 통과홀(157, 157')은 갭 G, G1, G2, G3 등 다양한 크기, 길이 및 방향을 가지는 자성 입자(11)의 체인을 형성하는 공간을 제공할 수 있다.
도 21을 참조하면, 10Hz, 100Hz로 부하를 인가할 때, 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)이 있는 경우 토크가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 심지어, 자기장이 인가되지 않는 무부하인 경우에도 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a)이 있을 때 토크가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 유체 통과홀(147, 157, 247, 257, 357a) 내에 자기유변유체(10)가 유입됨에 따라 점성토크 Tη 또는 마찰토크 Tf 값이 증가된 결과로 보인다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 요크부(140), 회전 링(150)의 수평면 상 패턴 형태를 나타내는 개략도이다. 도 22는 요크부(140), 회전 링(150)의 개략 측단면도를 나타낸다.
도 22를 참조하면, 요크부(140)의 면(144) 상에 돌출 패턴(P1)이 형성되거나, 회전 링(150)의 회전 면(154) 상에 돌출 패턴(P2)이 형성될 수 있다. 돌출 패턴(P1, P2)은 요크부(140)와 회전 링(150) 사이의 표면적을 늘려 보다 많은 자기 체인이 형성되도록 할 수 있다. 이에 따라, 동일한 사이즈의 자기유변유체 회전부하 장치(100)에서 회전 토크가 증가되도록 할 수 있다. 돌출 패턴(P1, P2)뿐 아니라 요크부(140)의 면(144), 회전 링(150)의 회전 면(154)의 표면을 거칠게 하여 표면 조도(surface roughness)를 높이는 방식으로 표면적을 늘려 보다 많은 자기 체인이 형성되도록 할 수도 있다. 또한, 요크부(140)의 면(144), 회전 링(150)의 회전 면(154)의 표면을 거칠게 하여 표면 조도(surface roughness)를 높이는 방식으로 다양한 높이의 갭(G1, G2, G3)을 형성할 수도 있다.
돌출 패턴(P1, P2)은 요크부(140), 회전 링(150) 중 어느 하나에만 형성될 수도 있고, 모두 형성될 수도 있다. 또한, 돌출 패턴(P1, P2)은 상호 마주보게 형성되거나, 엇갈리게 형성될 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 요크부(140), 회전 링(150)의 수평면 상 패턴 형태 및 회전 과정을 나타내는 개략도이다. 도 23은 요크부(140), 회전 링(150)의 개략 평면도를 나타낸다.
도 23을 참조하면, 돌출 패턴(P3, P4)은 요크부(140), 회전 링(150)의 면(144, 154) 상에서 영역 별로 형성될 수 있다. 돌출 패턴(P3, P4)의 형성 영역, 형성 간격, 각도 등은 자유롭게 변경 가능하다.
일 예로, 돌출 패턴(P3, P4)이 요크부(140), 회전 링(150) 상에 상호 마주보게 형성되되, 45°마다 총 8개가 방사형으로 형성될 수 있다. 첫번째 도면에서 사용자는 SP1 지점을 기준으로 샤프트(120)를 시계 방향으로 회전시킬 수 있다. 이때, 돌출 패턴(P3, P4)이 상호 마주보고 자기 체인이 짧은 갭(돌출 패턴 사이의 거리에 대응) 내에서 형성되므로 상대적으로 강한 토크(T1)가 작용할 수 있다. 이어서, 두번째 도면과 같이 SP2 지점에서 회전시키는 경우, 돌출 패턴(P3, P4)이 상호 마주보지 않는 영역에서는 자기 체인이 상대적으로 긴 갭(요크부와 회전 링의 면 거리에 대응) 내에서 형성되므로 상대적으로 약한 토크(T2)가 작용할 수 있다. T1에서 T2로 약해진 토크가 작용하므로 사용자는 회전이 느슨해진 촉각을 제공받을 수 있다. 이어서, 세번째 도면과 같이 SP3 지점까지 회전이 도달하는 경우, 다시 돌출 패턴(P3, P4)이 상호 마주보고 자기 체인이 짧은 갭(돌출 패턴 사이의 거리에 대응) 내에서 형성되므로 상대적으로 강한 토크(T1)가 작용할 수 있다. T2에서 T1으로 약해진 토크가 작용하므로 사용자는 회전이 단단해진 촉각을 제공받을 수 있다. 이와 같이, 사용자가 샤프트(120)를 회전하는 가운데, 토크가 영역 별로 변화되는 촉감을 제공받을 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실험예에 따른 자기유변유체의 점도에 따른 토크값을 나타내는 그래프이다. 일 예로, 저점도는 약 0.15Pa·s, 고점도는 약 0.4Pa·s로 설정하고, 밀도는 각각 약 2.8g/ml, 3.8g/ml로 설정하였다. 고점도/저점도 여부는 자성입자의 함량에 대응할 수 있다. 자성입자의 함량이 커지면 고점도로 설정되고, 자성입자의 함량이 적어지면 저점도로 설정될 수 있다.
도 24를 참조하면, 10Hz, 100Hz로 부하를 인가할 때, 고점도 자기유변유체(10)의 경우 토크가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 저점도에서 부하 전압을 10V 이상으로 크게 하여도 구현하기 어려운 토크 값을 고점도 자기유변유체(10)를 통해 구현할 수 있다. 다른 관점으로, 자성입자의 함량을 증대시켜 높은 토크 값을 구현할 수 있다.
일 예로, 5V 기준으로 저점도로는 1.5mN·m 보다 큰 토크를 구현하기 어렵지만, 고점도로는 2mN·m보다 큰 토크도 구현할 수 있다. 특히, 차량에서 12V의 부하 사용시에 구현 토크치를 최대한 증가시켜, 특정 상황(위험 상황, 주행 시 등)에서 회전부하 장치의 회전을 방지하는 응용도 가능하다. 이렇듯 자기유변유체(10)의 점도를 자기유변유체 회전부하 장치(100)에의 최대 토크를 증가시킬 수 있게 설정하여 사용자의 회전조작을 막는 안전 락(Safety Lock) 기능을 적용할 수 있다. 최대 토크값에서 사용자의 회전조작을 막을 정도의 범위라면, 안전 락 기능은 점도의 조절 외에도 회전 링과 요크부의 개수, 면적(대향 면적, 표면적 등)을 늘리거나, 갭(G)을 줄이는 구조적인 변경으로 구현 가능하다. 또한, 코일부에 보다 큰 전류를 인가하는 방법으로도 안전 락 기능을 구현할 수 있다.
안전 락 기능은 자기유변유체 회전부하 장치(100)가 사용자의 안전을 돕기 위해 사용자의 일반적인 회전조작을 막는 기능으로서, 일반적인 회전조작 대비 더 큰 토크값을 갖는 것을 특징으로 한다. 사용자는 일반적인 회전조작과 충분히 구별되는 토크값을 인지하여야 하므로, 안전 락 기능이 구현시에 발생하는 토크값은 일반적인 회전조작에서 발생하는 토크값의 평균치보다 1.5배 이상 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 차량에서 운전 중의 위험한 조작(예를 들어, 주행 중 조그 다이얼 기어의 변속)을 방지하여 안전을 담보할 수 있을 뿐 아니라, 세탁기 등 가전에서도 동작 중 아이들의 예상치 않은 조작을 방지할 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC OFF-SET 전압에 대해 조정된 기본 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 25를 참조하면, 제어부(50)는 외부로부터 수신하는 동작 모드에 대응되는 오프셋 데이터에 기초하여 코일부(130)로 직류 오프셋 신호를 전달할 수 있다.
예를 들어, 자기유변유체 회전부하 장치(100)를 마우스 휠에 적용시, 기본적인 휠 동작이 부드러워야 하는 경우, 도 25의 왼쪽 도면과 같이 DC OFF-SET 전압을 낮게 또는 0V가 되도록 제어부(50)에서 코일부(130)로 직류 오프셋 신호를 전달할 수 있다. 반대로, 세밀한 휠 동작을 위해 휠이 무겁게 회전해야 하는 경우, 도 25의 오른쪽 도면과 같이 DC OFF-SET 전압을 높게 되도록 제어부(50)에서 코일부(130)로 직류 오프셋 신호를 전달할 수 있다.
다른 예를 들어, 자기유변유체 회전부하 장치(100)를 차량에 적용시, 일반 주행 모드로 조그 다이얼(회전부하 장치)를 설정할 때 도 25의 왼쪽 도면과 같이 DC OFF-SET 전압을 낮게 또는 0V가 되도록 제어부(50)에서 코일부(130)로 직류 오프셋 신호를 전달하여 가벼운 진동, 적은 토크의 촉감을 제공할 수 있다. 반대로, 스포츠 주행 모드로 조그 다이얼을 설정할 때, 도 25의 오른쪽 도면과 같이 DC OFF-SET 전압을 높게 되도록 제어부(50)에서 코일부(130)로 직류 오프셋 신호를 전달하여 강한 진동, 강한 토크의 촉감을 제공할 수 있다.
또 한편, 차량에서 기어 변환을 위해 조그 다이얼을 돌리는 경우, 주차(P), 주행(D), 중립(N), 후진(R)에 따라 DC OFF-SET 전압을 다르게 하여, 진동, 토크의 강도를 다르게 제공할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 조그 다이얼을 육안으로 확인할 필요없이, 시선을 전방에 둔 상태에서 촉감으로만 주행 모드나 기어를 용이하게 변환할 수 있게 된다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 회전 정지를 나타내는 그래프이다. 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 위치 인지를 나타내는 그래프이다.
도 26을 참조하면, 제어부(50)는 샤프트(120)가 특정 회전 위치(L1)에 도달했다고 판단한 경우, 코일부(130)로 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호를 전달할 수 있다. 사용자가 일반적으로 샤프트(120)를 회전 시에 느끼는 토크 값과 구별될 수 있도록, 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호는 코일부(130)에서 현저한 크기의 토크 값을 구현할 정도의 신호일 수 있다. 이러한 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호는 단속적일 수 있고, 수 차례 반복되는 연속적인 신호일 수 있다.
도 27을 참조하면, 제어부(50)는 샤프트(120)가 특정 회전 위치(L2)에 도달했다고 판단한 경우, 코일부(130)로 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호를 전달할 수 있다. 이 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호는 도 26의 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호와 유사하나, 사용자가 회전의 정지된 정도를 느끼는 주기가 매우 짧을 수 있다. 도 27의 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호는 단속적, 연속적인 신호 이후에 일반적인 샤프트(120)의 회전 토크 값을 구현하는 신호로 복귀되는 신호일 수 있다. 따라서, 사용자는 샤프트(120)의 회전 중에 특정 위치에서만 저항을 느낌에 따라 위치를 인지할 수 있게 된다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 역회전 정지를 나타내는 그래프이다. 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치의 역회전 촉감 해제를 나타내는 그래프이다.
도 28을 참조하면, 제어부(50)는 샤프트(120)가 정회전 방향(RF)과 반대되는 역회전 방향(RR)으로 회전한다고 판단한 경우, 코일부(130)로 회전 정지 신호를 전달할 수 있다. 사용자가 일반적으로 샤프트(120)를 회전 시에 느끼는 토크 값과 구별될 수 있도록, 회전 정지 신호는 코일부(130)에서 현저한 크기의 토크 값을 구현할 정도의 신호일 수 있다. 회전 정지 신호는 도 24에서 상술한 안전 락 기능이 구현할때 발생하는 토크값과 대응될 수 있다. 회전 정지 신호를 통해 발생하는 토크값은 일반적인 회전조작에서 발생하는 토크값의 평균치보다 1.5배 이상 큰 것이 바람직하다. 이러한 회전 정지 신호는 단속적일 수 있고, 수 차례 반복되는 연속적인 신호일 수 있다. 따라서, 사용자는 정회전 방향(RF)으로의 구동만 가능하며, 역회전 방향(RR)으로의 구동이 차단된 촉각을 제공받을 수 있다.
도 29를 참조하면, 제어부(50)는 샤프트(220)가 정회전 방향(RF)과 반대되는 역회전 방향(RR)으로 회전한다고 판단한 경우, 코일부(230)가 자기유변유체(10)에 자기장을 인가하지 않도록 제어할 수 있다. 역회전 방향(RR)으로 회전할 시에 코일부(230)에서 인가하는 자기장은 0이므로, 샤프트(220)는 자기 체인의 형성에 의한 토크를 적용받지 않고 저항없이 회전일 가능할 수 있다. 따라서, 사용자는 정회전 방향(RF)으로 구동시에만 촉감을 제공받을 수 있고, 역회전 방향(RR)으로 구동시 촉감이 풀린 상태를 제공받을 수 있게 된다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비입력신호(Pre-Input Signal) 인가로 침전된 자기유변유체가 재분산되는 과정을 나타내는 개략도이다. 도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비입력신호 인가시 자기유변유체가 스파이크 형상을 가지는 사진이다.
자기유변유체(10)를 적용함에 있어서, 유체(12) 내에서 자성 입자(11)의 침강이 문제될 수 있다. 시간이 지날수록 자성 입자가 아래로 가라앉기 때문에 하우징(110) 내부에 골고루 자성 입자가 분산되지 않는 경우 자기 체인이 제대로 형성될 수 없다. 또는, 자기유변유체 회전부하 장치(100)를 지속적으로 사용함에 따라 자성 입자(11)가 요크부(140)와 회전 링(150) 사이의 갭(G)에서 특정 부분에 집중될 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예의 장치(100)에서는 요크부(140), 회전 링(150)의 외곽 부분이 솔레노이드 코일부(130)에 근접하기 때문에 체인이 많이 형성되며, 샤프트(120) 축에 가까운 내측으로 갈수록 솔레노이드 코일부(130)에서 멀어지기 때문에 약한 자기장으로 인해 체인이 상대적으로 적게 형성될 수 있다. 이렇게 자성 입자(11)의 침전으로 인해 갭(G) 내에서 특정 영역에만 자성 입자(11)들이 몰릴 수 있고, 하우징(110)의 내에서도 하부 영역에 자성 입자(11)들이 침전되어 몰릴 수도 있다. 이 상태에서 곧바로 자기유변유체 회전부하 장치(100)를 동작하면, 기설정한 크기와 다른 크기의 토크가 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명은 자기유변유체 회전부하 장치(100) 내에서 자성 입자(11)가 침전된 경우 원활하게 재분산 시키기 위해, 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 동작 전, 제어부(50)에서 코일부(130)로 스파이크, 펄스, 사인파 등 형태의 예비입력신호(Pre-Input Signal)를 전달하는 것을 특징으로 한다. 제어부(50)는 자기유변유체 회전부하 장치(100)가 설정시간 이상 동작이 수행되지 않은 경우, 동작 전 코일부(130)로 예비입력신호를 전달할 수 있다.
예비입력신호는 도 5에서 상술한 자기 체인을 구성하는 입력신호와는 구분된다. 예비입력신호는 자기유변유체(10) 내의 자성입자가 이동하여 갭(G) 내에서 수직 또는 수평방향 중 적어도 어느 한 방향으로 불완전 또는 완전한 체인 형상을 이루는 신호로서, 특정 주파수, 파형 등을 가질 필요없이, 단수 또는 복수로 강한 세기의 자기장을 인가하는 신호일 수 있다. 또한, 예비입력신호는 갭(G)의 하부면[일 예로, 회전 링(150) 상부면]으로부터 갭(G)의 상부면[일 예로, 요크부(140) 하부면]까지 이어지도록 자성 입자(11)가 완전한 자기 체인을 구성하는 신호일 필요도 없다. 도 31에는 자성입자에 의한 불완전한 체인 형상인 다양한 스파이크 형상이 예시된다.
예비입력신호를 통해 코일부(130)에서 자기장이 인가되면 자기유변유체(10) 내의 침전된 입자(11)들이 자기장의 방향으로 스파이크 형상과 같은 불완전한 체인 형상을 이루게 되고, 동시에 또는 직후에, 자기장의 인가가 해제되거나 미약한 자기장만 인가될 수 있다. 이에 따라, 스파이크 등의 형상이 해제되고, 스파이크 등과 같이 불완전한 체인 형상을 이루던 자성 입자(11)들이 퍼지게 되면서 갭(G) 내에서 재분산되는 효과가 나타날 수 있다.
한편, 제어부(50)는 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 동작 전압 V1 인가시 요크부(140)와 회전 링(150) 사이의 갭(G)에서 가장 적은 높이로 형성되는 자기 체인의 높이가 갭(G)의 높이보다 낮다고 판단한 경우, 이를 해소하기 위한 예비입력신호 전압 V2를 V1보다 크게 하여 인가할 수 있다.
도 32는 본 발명의 일 실험예에 따른 자기유변유체의 온도에 따른 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 32를 참조하면, 5V 기준으로 자기유변유체의 점성, 전단응력의 특성 변화에 따라서 초기 상태(default 상태)보다 고온 상태(회전부하 장치의 작동 상태)가 될수록 점차 토크가 낮아짐을 확인할 수 있다. 따라서, 제어부(50)는 자기유변유체 회전부하 장치의 동작 온도를 감지한 후, 초기 동작 온도 대비 온도가 상승한 경우, 온도 상승에 따른 토크의 감소분을 상쇄할 수 있도록 자기장의 세기, 패턴 등을 제어하여 초기 동작 온도에서의 토크 세기를 고온 상태에서도 유지할 수 있다. 이에 따라, 여름, 겨울 등 외부의 온도 환경에 관계없이 토크값의 균일성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 ABS(Anti-lock Brake System) 시스템에 적용시의 토크값을 나타내는 그래프이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 자기유변유체 회전부하 장치는 요크부(140), 회전 링(150)을 복수층 적층하거나 표면적을 증가시켜 토크를 증가시킬 수도 있고, 요크 링(141, 142)과 회전 링(150)을 복수층 적층하거나 표면적을 증가시켜 토크를 증가시킬 수도 있다. 이에 따라, 큰 토크가 필요한 대상체에 자기유변유체 회전부하 장치를 적용할 수 있다. 대상체는 차량과 같은 운송 수단이 될 수 있고, 자기유변유체 회전부하 장치는 브레이크와 같은 제동 장치가 될 수 있다.
특히, 본 발명은 종래의 기계식 제동 장치처럼 복잡한 구조와 여러 부품을 채용하여 순간적으로 다양한 토크값을 변화시키도록 제어할 필요없이, 코일부에서 인가하는 자기장의 세기, 패턴의 변화만으로 다양한 토크값을 구현할 수 있다. 이에 따라, 도 33과 같은 토크 변화를 구현하도록 ABS(Anti-lock Brake System) 시스템에 본 발명의 자기유변유체 회전부하 장치를 적용할 수 있다.
차량이 급제동 할때 타이어가 순간적으로 잠김(Lock) 현상이 발생하면 자동차는 제동력을 상실하고 지면 위에서 관성력(주행속도)에 의해 미끄러질 수 있다. 차량의 미끄러짐이 발생하는 순간 최대 정지마찰력이 발생하고, 미끄러지면서부터는 마찰력이 상대적으로 적은 운동마찰력이 작용할 수 있다. ABS 시스템은 최대 정지마찰력이 작동하는 짧은 순간을 반복적으로 발생시켜, 정지마찰력이 운동마찰력으로 바뀌는 시점을 계속적으로 생성함에 따라 마찰력을 극대화할 수 있다.
종래의 ABS 시스템은 브레이크에 유압, 감압을 제어하는 펌프, 어큐뮬레이터 등을 포함하는 ABS 모듈레이터가 더 필요하고, 정지마찰력이 작동하는 패턴을 빠르게 하는데 한계가 있었다. 반면, 본 발명의 자기유변유체 회전부하 장치는 자기장이 인가되는 세기 및 주기를 제어하는 간단한 구성으로 ABS 시스템을 구현할 수 있는 이점이 있다.
일 실시예에 따르면, 차량의 급제동 시, 차량의 휠 락(Wheel Lock)에 의하여 차량 조향이 불가능한 점을 개선하기 위하여 휠 슬립율을 20% 수준으로 유지할 수 있다. 슬립율(%)은 {V(차량속도)-V(휠속도)}/V(휠속도) 로 산출될 수 있다.
본 발명이 적용된 제동 장치는, 반복되는 유압 브레이크 제어에 의한 내구성의 문제를 개선할 수 있고, 정확한 브레이크의 제어가 가능하며, ABS 모듈레이터의 잦은 고장을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일부로 인가되는 신호 및 이에 대한 토크를 나타내는 그래프이다.
제어부(50)는 외부로부터 수신하는 이벤트의 효과에 대응되는 이벤트 패턴 데이터 또는 오디오 신호에 대응되는 오디오 패턴 데이터에 기초하여 상기 코일부(130)로 패턴 신호를 전달할 수 있다. 이러한 패턴 신호는 펄스(pulse), 사인(sine), 트라이앵글(triangle), 톱니(sawtooth) 등의 형태일 수 있다. 코일부(130)로 인가한 여러 패턴 신호에 대응하여 자기유변유체(10)가 나타내는 토크의 형태, 세기 등은 상이하게 나타날 수 있다. 예를 들어, 코일부(130)에 동일한 펄스 형태의 패턴 신호를 인가하더라도, 듀티 사이클(duty cycle)이 커지면 뭉툭한 촉각을 전달할 수 있고, 듀티 사이클이 작아지면 날카로운 촉각을 전달할 수 있게 된다. 사인, 트라이앵글, 톱니 형태의 패턴 신호에서도 파장, 주기가 길어질수록 뭉툭한 촉각을 전달할 수 있고, 파장, 주기가 짧아질수록 날카로운 촉각을 전달할 수 있게 된다.
제어부(50)의 패턴 신호의 제어 및 도 25 내지 도 29에서 상술한 제어 과정을 통해 아래와 같은 여러 가지 응용을 할 수 있다.
예를 들어, PC, 태블릿 등과 같이 디스플레이를 구비한 전자 장치에서 사용자가 문서, 코딩 등의 작업을 수행하는 경우, 제어부(50)는 사용자는 편집 위치, 커서 위치 등을 임시로 기억할 수 있다. 그리고, 사용자가 다른 위치에서 작업을 수행한 후 기억된 편집 위치로 돌아올 때, 제어부(50)는 기억된 편집 위치에 커서가 도달한 경우 구분되는 다른 조작 촉감을 제공하도록 코일부(130)에 패턴 신호를 전달할 수 있다. 도 26처럼 기억된 편집 위치에 도달하면 위치 인지 신호 또는 회전 정지 신호를 전달할 수 있다. 또는, 기억된 편집 위치에 점차 도달할수록 점점 세지는 형태의 패턴 신호를 전달하여 사용자가 편집 위치를 쉽게 찾을 수 있도록 편의를 제공할 수 있다.
다른 예를 들어, 디스플레이 내에서 다양한 프로그램, 어플리케이션, 슬라이드, 페이지 등을 이동하는 이벤트 전환이 발생하는 경우, 제어부(50)는 이벤트 전환에 대응하는 이벤트 전환 데이터에 기초하여 이동 간에 있어서 구분되는 촉감을 제공할 수 있다. 가령, 문서의 제목 페이지에서는 도 25처럼 DC OFF-SET 전압을 높여 강한 토크의 촉감을 제공하고, 본문 페이지에서는 DC OFF-SET 전압을 낮추어 약한 토크의 촉감을 제공할 수 있다. 또는, 게임 플레이시에 아이템 획득을 하는 경우, 게임 캐릭터가 이동하는 과정에서 물, 모래, 진흙 등의 저항을 받는 경우, 사다리나 밧줄을 타고 오르는 등의 과정에서 마우스 스크롤에 대해 토크 값을 변화시킬 수 있다. 또는, 게임 플레이시에 특정 액션 발동 후 일정 시간이 필요한 경우, 일정 시간 경과 시 마우스 스크롤을 통해 알람 촉감을 제공함에 따라, 사용자가 시각적으로 디스플레이를 통해 일정 시간을 확인하는 번거로움을 해소시킬 수 있다.
또 다른 예를 들어, PC에서 마우스의 스크롤을 정밀하게 움직여야 하는 정밀 이벤트가 발생하는 경우, 제어부(50)는 코일부(130)에서 자기유변유체에 인가하는 자기장의 세기를 크게 제어할 수 있다. 도 25처럼 DC OFF-SET 전압을 높여 휠이 무겁게 회전하도록 강한 토크를 제공할 수 있다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트(120)와 회전 링(150)의 회전 상태 및 회전 링(150)의 이탈 시 회전 상태를 나타내는 개략도이다.
도 35의 위 도면을 참조하면, 샤프트(120)의 축은 회전 링(150)의 관통홀(159)에 삽입 연결될 수 있다. 샤프트(120)와 회전 링(150)이 상호 연결됨에 따라 샤프트(120)가 회전하면 회전 링(150)도 같이 회전하게 된다. 회전 링(150)은 회전 과정에서 자기유변유체의 체인 구조에 의한 저항을 받기 때문에, 자기유변유체 회전부하 장치(100)를 장시간 사용하거나, 회전 링(150)에 강한 토크가 가해지는 경우 샤프트(120)로부터 회전 링(150)이 이탈하는 경우가 발생할 수 있다.
도 35의 아래 도면을 참조하면, 샤프트(120)에 사용자가 힘을 전달하여 회전시키더라도, 회전 링(150: 151, 152)이 샤프트(120)로부터 이탈하여 회전하지 않는 상태가 도시된다. 이 경우, 회전 링(150)의 넓은 수평면에 대하여 자기유변유체의 체인 구조에 의한 저항이 제공되지 않으므로, 샤프트(120)를 통해 사용자에게 원하는 촉각이 제공될 수 없다. 한편, 자기유변유체 회전부하 장치(100)는 하우징(110)에 의해 내부가 밀폐됨에 따라 샤프트(120)와 회전 링(150)의 연결 상태를 즉시 확인하기 어려운 구조이다. 따라서, 자기유변유체 회전부하 장치(100)를 분해하지 않고 샤프트(120)와 회전 링(150)의 연결 상태를 확인할 수 있는 위한 방안이 고려된다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 링(150)이 샤프트(120)로부터 이탈되는 상태를 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다. 도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 링(150)이 샤프트(120)로부터 이탈시의 토크값을 나타내는 그래프이다.
도 36을 참조하면, 자기유변유체 회전부하 장치(100) 및 PC(60), 회전 모터(70), 토크 센서(80)를 준비한다. PC(60)는 자기유변유체 회전부하 장치(100) 및 회전 모터(70)를 제어하고, 토크 센서(80)에서 측정된 값을 수집할 수 있다. 회전 모터(70)는 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 샤프트(120) 부분과 연결하여 모터의 회전력을 샤프트(120)에 전달할 수 있다. 토크 센서(80)는 샤프트(120)가 회전할 때 받는 토크 값을 측정할 수 있다. 제어부(50)를 통해 코일부(130)로 일정한 전류가 전달되도록 제어하였다. 자기유변유체 회전부하 장치(100)는 제1 실시예의 회전 링(150: 151, 152)이 두 개인 것을 사용하였다. 높은 토크 값을 가지면서도 DC 토크값이 유지될 수 있도록, 코일부(130)에 DC 입력 신호를 인가하였다. 1A의 Input DC 전류를 1시간 이상 계속 인가하였다.
도 37의 첫번째 그래프를 참조하면, 샤프트(120)와 회전 링(150: 151, 152)이 정상적으로 연결된 상태인 경우에는 시간이 지나도 일정한 전류값 인가에 따른 일정한 토크 값이 나타난다.
도 37의 두번째 그래프를 참조하면, 샤프트(120)로부터 회전 링(150)이 1개 이탈한 경우에는 토크 값이 불연속하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 토크 값은 초기 값보다 약 35%가 감소한 것으로 나타난다.
도 37의 세번째 그래프를 참조하면, 샤프트(120)로부터 회전 링(150)이 2개 이탈한 경우에는 토크 값이 다시 불연속하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 토크 값은 초기 값보다 약 90%가 감소한 것으로 나타난다.
위의 경우는 샤프트(120)로부터 회전 링(150)이 이탈된 것을 상정하여 토크 값을 측정하였지만, 회전 링(150)의 이탈 외에, 샤프트(120), 회전 링(150)의 파손, 또는 하우징(110), 요크부(140) 등의 파손으로 인한 구조적인 불량이 발생하더라도 토크 값은 급격히 감소할 수 있다.
코일부(130)에 동일한 전류 또는 전압이 전달됨에 따라, 코일부(130)에서 일정한 세기의 자기장을 자기유변유체(10)에 인가하는 것을 상정한다. 여기에서 자기유변유체(10)의 초기의 토크 값보다 약 30% 이상 토크 값이 하락된 것으로 측정되면 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 구조적인 불량이 발생되었음을 판별할 수 있다. 초기의 토크 값은 제어부(50)에 미리 저장되어 토크 값을 대비하는데 기준으로 사용할 수도 있다.
자기유변유체 회전부하 장치(100)의 사용 중에 구조적인 불량을 체크할 수 있도록 토크 센서를 더 설치할 수 있다. 또는, 후술한 도 38의 인코더 센서(500)에 토크 센서를 더 부가할 수도 있다. 제어부(50)는 실시간으로 토크 값을 제공받아 초기의 토크 값과 비교하여 구조 불량 여부를 판별할 수 있다. 제어부(50)는 구조 불량인 것으로 판별되면 자기유변유체 회전부하 장치(100)와 연결된 디스플레이, PC 등에 구조 불량 알림을 제공할 수 있다. 또는, 자기유변유체 회전부하 장치(100)에 LED 등의 구조 불량 표시부(미도시)를 더 마련하여 제어부(50)가 구조 불량 표시부에 구조 불량 알림 신호를 표시함에 따라 사용자가 즉시 구조 불량을 확인하도록 할 수 있다.
한편, 회전 링(150)이 세개 이상의 N개인 경우를 고려하면, 동일한 전류 또는 전압을 자기유변유체(10)에 인가하는 것을 상정하여 초기의 토크 값보다 약 (100/N) % 이상 토크 값이 하락된 것으로 측정되면 자기유변유체 회전부하 장치(100)의 구조적인 불량이 발생되었음을 판별할 수 있다. 예를 들어, 회전 링을 5개 사용하는 경우, 하나의 링이 이탈되고 4개의 링만 샤프트에 연결된 상태일 때, 토크 값이 약 20% 이상 토크 값이 하락된 것으로 측정되면 구조 불량이 발생된 것으로 판별할 수 있다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 모듈을 나타내는 개략도이다.
자기유변유체 회전부하 장치(100~400)에 다양한 유닛을 결합하여 회전부하 모듈로서 응용이 가능하다. 일 실시예에 따르면, 자기유변유체 회전부하 모듈은 자기유변유체 회전부하 장치(300)에 인코더 센서(500)를 결합한 형태일 수 있다. 보통 베어링부(390)와 샤프트(320)를 결합하여 회전 마찰력을 줄이지만, 회전 속도, 위치, 방향에 대한 데이터를 센싱하는 인코더에 베어링부(390)을 결합한 인코더 센서(500)를 자기유변유체 회전부하 장치(300)에 결합할 수 있다.
도 39 내지 도 44는 본 발명의 여러 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치가 적용된 상태를 나타낸다.
자기유변유체 회전부하 장치, 회전부하 모듈은 다이얼(dial)이나 휠(wheel)이 장착된 디바이스에 모두 적용이 가능하다.
도 39를 참조하면, 세탁기(600), 전자레인지 등의 UI(user interface; 610)에 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용되어, 각종 구동 모드에 대응하는 위치에 다이얼[샤프트(120~420)]이 자리잡게 될 수 있고, 구동 모드에 따른 다양한 촉각을 제공할 수 있다. 일 예로, 세탁기에서 일반 세탁 모드로 설정시에는 부드러운 회전 촉감을 제공하다가, 강력 세탁 모드로 설정시에는 센 토크로서 회전 촉감을 제공할 수 있다.
도 40을 참조하면, 마우스(700)의 휠(710)에 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용되어 사용 환경에 따른 휠(710) 조작의 토크가 변화하여 다양한 햅틱 촉각을 제공할 수 있다. 일 예로, 게임 중에 위기 상황이 발생한 경우 휠(710)의 구동을 위한 토크가 강해질 수 있다. 또한, 도 40의 아래 도면과 같이 마우스 휠(710)을 이용하여 좌우로 움직이는 벽돌깨기 게임(800)을 할 때, 휠(710)을 상하방향으로 조작하여 좌우로 반사체(810)를 움직이는 중에, 휠을 상부 방향으로 구동하여 왼쪽 가장자리까지 반사체가 이동하여 더 이상 이동할 공간이 없을 때, 상부 방향으로 구동하는 마우스 휠(710)의 토크가 강해져 더 이상 조작이 어려울 수 있고, 하부 방향으로의 마우스 휠(710)의 구동만 허가될 수 있다. 또한, 반사체(810)에 공(820)이 반사되는 순간 휠(710)의 강성을 순간 변화시켜 공(820)이 반사되는 상태를 사용자에게 촉각으로 바로 제공할 수도 있다.
도 41을 참조하면, 마우스(900)는 버튼, 휠 외에 별도로 다이얼(910)을 포함할 수 있다. 다이얼(910)에는 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용되어 마우스(900)의 각종 구동 모드를 설정할 수 있게 제공된다. 또는 다이얼(910) 자체가 마우스(900)의 버튼, 휠과 병행하여 입력 수단으로서 사용될 수 있고, 입력 과정에서 회전 토크 변화에 의한 햅틱 촉각이 제공될 수 있다.
도 42를 참조하면, 차량 제어부(1000)는 다이얼식 변속부(1010) 또는 운전모드 선택부(1010)를 포함할 수 있다. 차량 제어부(1000)는 디스플레이(1020)를 더 포함하여 차량의 주행상태를 표시하고, 버튼부(1030)를 더 포함하여 보조적인 주행 옵션을 설정할 수 있다. 다이얼식 변속부(1010) 또는 운전모드 선택부(1010)는 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용되어 차량의 각종 운전 모드를 변경할 수 있게 제공된다. 일 예로, 다이얼식 변속부(1010)에서 P(주차), D(주행), N(중립), R(후진) 등의 변화시 토크가 변화하여 변속이 적용되는 것을 촉각으로 제공할 수 있다. 특히, D(주행) 중 갑자기 P(주차), R(후진)으로 다이얼식 변속부(1010)를 회전하려는 경우, 회전 토크 값이 급격히 커지도록 제어됨에 따라 안전 락 기능을 구현할 수 있다. 다른 예로, 운전모드 선택부(1010)에서 운전모드가 컴포트, 스포츠 모드인지에 따라서 회전 토크 값이 다르게 적용될 수 있다.
도 43을 참조하면, 노트북(1100) 또는 컴퓨터는 키보드 아래에 위치한 터치 패드에 휠과 같은 기능부(1110)를 더 포함할 수 있다. 또는, 키보드에 별도의 휠과 같은 기능부(1120)를 더 포함할 수 있다. 기능부(1110, 1120)에는 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용되어 사용 환경에 따른 휠(710) 조작의 토크가 변화하여 다양한 햅틱 촉각을 제공할 수 있다.
도 44를 참조하면, 레이싱 게임용 스티어링 휠(1200) 또는 차량용 스티어링 휠(1200)의 축(1210)에 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용될 수 있다. 일 예로, 레이싱 게임용 스티어링 휠(1200)은 게임 화면에서 차량이 이동하는 과정에서 노면 상태에 대응하도록 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)의 회전 토크 변화로 촉감 변화가 제공될 수 있다. 다른 예로, 레이싱 게임에서 주행모드가 컴포트, 스포츠 모드인지에 따라서 스티어링 휠(1200)이 회전하는 토크 값이 다르게 적용될 수 있다.
한편, 도 39 내지 도 44에서 상술한 여러 실시예에 있어서, 마우스, 키보드, 스티어링 휠, 차량, 가전 제품 등에 촉각 햅틱 기능을 On/Off 하거나 설정을 조절하는 버튼을 더 구비할 수 있다. 또는, 마우스, 키보드, 스티어링 휠, 차량, 가전 제품 등이 연결된 제어 화면(PC 화면, 스마트폰 화면 등)에서 설정창이 마련되어 촉각 햅틱 기능을 On/Off 하거나 햅틱 세기, 패턴 등을 설정할 수 있다.
위와 같이 본 발명은, 회전부하 장치의 회전 시 다양한 입력 신호에 따라 다양한 패턴을 만들어 줄 수 있어 사용자 촉감을 다양하고 고급스럽게 느끼게 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 회전 토크를 변화시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며, 장치의 소형화가 용이하며, 자기유변유체의 전단 특성이나 점도를 이용하여 목적에 맞는 다양한 적용이 가능한 효과가 있다.
도 45는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전부하 장치(100)에 입력 장치(1300)가 연결된 입력 및 회전부하 모듈(1500)을 나타내는 개략 사시도이다. 도 46은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈(1500)의 개략 분해도이다. 도 47은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈(1500)의 개략 측단면도이다.
이하에서는, 입력 장치(1300)가 상술한 제1 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(100)에 연결됨에 따라 입력 및 회전부하 모듈(1500)을 구성하는 것을 예로 들어 설명한다. 다만, 회전부하 장치(100)는 상술한 제2, 3, 4 실시예의 자기유변유체 회전부하 장치(200, 300, 400)로 대체될 수 있음은 물론이다.
도 45 내지 도 47을 참조하면, 회전부하 장치(100)에 입력 장치(1300)를 연결할 수 있다. 입력 장치(1300)는 회전부하 장치(100)의 샤프트(120)에 삽입되는 노브(knob)로 작용할 수 있다. 입력 장치(1300)를 회전시켜 샤프트(120)를 회전시키는 힘을 전달할 수 있다. 또한, 입력 장치(1300)를 수직 방향(Z축 방향)으로 눌러서 입력을 수행할 수 있다. 입력 장치(1300)를 회전시키는 과정에서 제어부(50)는 샤프트(120)의 회전 토크를 제어하여 촉각을 제공할 수 있다. 또한, 입력 장치(1300)를 누르는 과정에서 회로부(1350) 및 입력부(1360)에서 입력 신호를 처리부(60)로 전달하여 입력을 수행할 수 있다. 제어부(50)와 처리부(60)는 상호 신호를 전달할 수 있게 제공될 수 있다.
도 46 및 도 47을 참조하면, 입력장치(1300)는 바디부(1310, 1320, 1330), 탄성부(1340)를 포함할 수 있다. 또한, 회로부(1360), 입력부(1360), 인코더 센서부(1370)를 더 포함할 수 있다.
바디부(1310, 1320, 1330)는 유동 바디(1310, 1320)와 고정 바디(1330)를 포함할 수 있다.
유동 바디(1310, 1320)는 고정 바디(1330)의 상부에 배치될 수 있다. 유동 바디(1310, 1320)는 고정 바디(1330)를 커버하면서 탄성부(1340)가 배치되는 내부 공간을 제공할 수 있다. 유동 바디(1310, 1320)는 사용자가 누름에 따라 Z축 아래 방향으로 이동하고, 누름이 해제되면 탄성부(1340)의 탄성력에 의해 밀어올려져 Z축 위 방향으로 이동하도록 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 유동 바디(1310, 1320)는 상부 유동 바디(1310) 및 측부 유동 바디(1320)를 포함할 수 있다.
상부 유동 바디(1310)는 입력 장치(1300)의 상부면을 구성하며, 사용자가 입력을 위해 누르는 부분에 대응할 수 있다. 상부 유동 바디(1310)는 탄성부(1340)가 배치되는 내부 공간의 상부를 커버할 수 있다. 또한, 상부 유동 바디(1310)는 실질적으로 탄성부(1340)의 상부에 누르는 힘을 작용하는 부분에 해당할 수 있다. 상부 유동 바디(1310)의 하부면 상에는 탄성부(1340)의 상부가 고정되는 탄성 고정부(1312)가 형성될 수 있다. 탄성 고정부(1312)는 상부 유동 바디(1310)의 하부면 상에서 돌출 형성되어, 스프링과 같은 탄성부(1340)의 중공 영역에 맞춤삽입되도록 제공될 수 있다.
측부 유동 바디(1320)는 입력 장치(1300)의 외주 측면을 구성하며, 사용자가 회전을 위해 돌리는 부분에 대응할 수 있다. 물론, 상부 유동 바디(1310) 대신 측부 유동 바디(1320)를 잡고 수직 방향(Z축 방향)으로 누르는 입력을 수행할 수도 있다. 회전의 용이성을 위해 측부 유동 바디(1320)의 형상은 원기둥 형상인 것이 바람직하다. 측부 유동 바디(1320)는 상부 유동 바디(1310)의 테두리와 일체로 연결될 수 있다.
측부 유동 바디(1320)는 고정 바디(1330)를 수용하는 제1 공간(R1)을 제공할 수 있다. 측부 유동 바디(1320)는 상부에서 하부까지 개방된 형상으로 내부가 제1 공간(R1)으로 제공될 수 있다. 측부 유동 바디(1320)는 내주면 상에 소정 간격을 가지고 적어도 하나의 안내 홈부(1325)가 형성될 수 있다. 안내 홈부(1325)는 후술할 고정 바디(1330)의 걸림 돌기(1335)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 안내 홈부(1325)는 측부 유동 바디(1320)의 내부면 상부로부터 중앙부까지 소정 길이(H)[도 47 참조]로 형성될 수 있다. 안내 홈부(1325)의 하단은 단차지게 형성되어, 걸림 돌기(1335)가 안내 홈부(1325)의 하단에서 걸리도록 하여 이동 경로를 경로를 제한할 수 있다.
고정 바디(1330)는 회전부하 장치(100)의 샤프트(120)에 연결될 수 있다. 고정 바디(1330)는 사용자의 누름에 따라서 이동하지는 않고, 사용자가 회전을 입력할때 샤프트(120)에 회전 힘을 전달하도록 제공될 수 있다. 고정 바디(1330)의 하부에는 샤프트(120)가 끼워지는 샤프트 연결홈(1331)이 제공될 수 있다.
고정 바디(1330)는 상부만 개방되고 하부가 막힌 형상으로 내부가 제2 공간(R2)으로 제공될 수 있다. 제2 공간(R2)에 탄성부(1340)가 배치될 수 있다. 제2 공간(R2)의 하부에는 탄성부(1340)가 삽입 연결될 수 있는 탄성 돌출부(1332)가 형성될 수 있다. 탄성 돌출부(1332)는 스프링과 같은 탄성부(1340)의 중공 영역에 맞춤삽입되도록 제공될 수 있다. 이에 따라, 탄성부(1340)의 상부는 상부 유동 바디(1310)의 탄성 고정부(1312)에 연결되고, 탄성부(1340)의 하부는 고정 바디(1330)의 탄성 돌출부(1332)에 연결되므로, 탄성부(1340)의 형상이 압축/복원되는 과정에서도 탄성부(1340)가 이탈되지 않고 안정적으로 위치가 유지될 수 있는 효과가 있다.
고정 바디(1330)의 외주면 상에는 소정 간격을 가지고 적어도 하나의 걸림 돌기(1335)가 형성될 수 있다. 걸림 돌기(1335)는 안내 홈부(1325)의 위치에 대응할 수 있다. 고정 바디(1330)는 외경이 측부 유동 바디(1320)의 내경보다 작게 형성되므로, 측부 유동 바디(1320)의 제1 공간(R1)에 삽입될 수 있다. 고정 바디(1330)가 제1 공간(R1)에 삽입되면서 걸림 돌기(1335)가 안내 홈부(1325)의 형성 위치 내에서만 이동할 수 있다. 따라서, 고정 바디(1330)로부터 측부 유동 바디(1320)[또는, 유동 바디(1310, 1320)]의 Z축 방향으로의 이동 범위는 안내 홈부(1325)가 형성된 소정 길이(H) 내로 제한될 수 있다. 측부 유동 바디(1320)의 하부면으로 입력부(1360)에 입력을 수행할 수 있으므로, 상기 소정 길이(H)는 측부 유동 바디(1320)의 하단으로부터 입력부(1360)까지의 거리보다는 길게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 안내 홈부(1325)는 Z축 방향으로 소정 길이(H)만큼 연장 형성되고, X, Y 방향으로는 고정된 폭을 가지고 형성될 수 있다. 걸림 돌기(1335)는 안내 홈부(1325)의 폭에 대응하는 폭을 가지고 형성될 수 있다. 이에 따라, 고정 바디(1330) 상에서 유동 바디(1310, 1320)를 누를때 Z축 방향으로는 유동 바디(1310), 1320)가 고정 바디(1330)와 별개로 이동할 수 있지만, 고정 바디(1330) 상에서 유동 바디(1310, 1320)를 회전시킬 때에는 유동 바디(1310), 1320)와 고정 바디(1330)가 같이 회전할 수 있게 된다.
탄성부(1340)는 입력장치(1300)가 아래 방향으로 눌러질 때 다시 위 방향으로 복원하는 복원력을 제공할 수 있다. 구체적으로, 탄성부(1340)는 유동 바디(1310, 1320)의 가압에 대해 복원력을 제공할 수 있다. 탄성부(1340)는 코일 스프링 형태로 제공될 수 있다. 탄성부(1340)는 SWP 인장 스프링, 피아노 강선 등을 사용할 수 있다. 이 외에도, 압축에 대해 형태가 복원이 되는 수단이라면 스프링 외에 러버돔 등 공지의 탄성 수단을 제한없이 적용 가능하다.
도 48은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 장치(1300)의 입력 수단들을 나타내는 개략도이다.
도 45 내지 도 48을 참조하면, 회로부(1350)는 입력부(1360)에서 유동 바디(1310, 1320)의 가압에 의한 입력을 감지하면 입력 신호를 생성할 수 있다. 회로부(1350)는 FPCB(1351)로 제공될 수 있다. 회로부(1350)는 회전부하 장치(100)의 상부에 배치될 수 있다. 회로부(1350)에는 외부의 전력 공급 수단(미도시)로부터 전력을 공급받거나 신호를 전달할 수 있는 단말부(1355)가 연결될 수 있다. 회로부(1350)에서 생성된 입력 신호는 단말부(1355)를 통해 처리부(60)로 전달되어 입력이 처리될 수 있다.
입력부(1360)는 사용자가 입력 장치(1300)를 누를때 실질적으로 누름을 적용받아 입력 신호를 생성할 수 있다. 입력부(1360)는 버튼을 포함할 수 있다. 입력부(1360)는 스위치, 택트 스위치(tact switch), 돔 스위치(dome switch) 등으로 제공될 수 있다.
사용자가 입력 장치(1300)를 누르면 측면 유동 바디(1320)의 하단이 입력부(1360)와 직접 접촉하여 버튼을 누름에 따라 입력 신호를 생성할 수 있다. 입력부(1360)는 회로부(1350) 상에서 측면 유동 바디(1320)의 하부 테두리 부분(1327)[도 48 참조]에 맞닿을 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 측면 유동 바디(1320)가 원기둥 형상으로 제공되고, 하부 테두리 부분(1327)을 링 형태로 제공되므로, 입력 장치(1300)가 360°로 회전하는 그 어떠한 위치에 있더라도 하부 테두리 부분(1327)은 입력부(1360)의 직상부에 대응될 수 있다. 따라서, 입력 장치(1300)가 무한회전 하더라도 입력부(1360)와 접촉에 영향받지 않는 효과가 있다. 또한, 입력 장치(1300)가 무한회전 하더라도 회선 연결에 방해요소가 없게 되어, 입력 장치(1300)와 회로부(1350)를 연결하는 별도의 회선을 구비할 필요가 없는 효과가 있다.
인코더 센서(1370)는 도 38에서 상술한 인코더 센서(500)에 대응할 수 있다. 인코더 센서(1370)는 회전부하 장치(100)의 샤프트(120)의 회전 속도, 회전 위치, 회전 방향, 회전 각도 등에 대한 데이터를 센싱하여 해당 회전 신호를 생성할 수 있다. 인코더 센서(1370)에서 생선한 회전 신호도 단말부(1355)를 통해 신호부(60)로 전달될 수 있고, 제어부(50)에도 전달되어 회전 신호에 기초하여 회전부하 장치(100)의 샤프트(120)의 회전 토크도 제어될 수 있다.
본 발명은 입력부(1360)가 유동 바디(1310, 1320)의 Z축 방향으로의 리니어한 입력을 감지하고, 인코더 센서(1370)는 회전시 회전 입력을 감지할 수 있게 된다. 일 실시예에 따르면, 회전부하 장치(100)의 직경이 60mm, 높이가 20mm일때, 입력 장치(1300)는 약 32mm의 직경을 가질 수 있다. 입력 장치(1300)가 입력을 위해 가동하는 거리(stroke)는 약 2.5mm일 수 있다.
도 49는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈(1500)의 동작 과정을 나타내는 개략도이다.
도 49의 왼쪽 도면을 참조하면, 입력 장치(1300)의 고정 바디(1330)가 샤프트(120)에 삽입되고, 고정 바디(1330)의 걸림 돌기(1335)가 측부 유동 바디(1320)의 안내 홈부(1325)에 삽입되므로, 입력 장치(1300)는 실질적으로 샤프트(120)와 직접 연결되는 형태이다. 입력 장치(1300) 또는 유도 바디(1310, 1320)를 회전시키면 샤프트(120)를 통해 회전 신호를 입력할 수 있다. 동시에, 회전부하 장치로(100)로부터 회전에 대한 촉감을 전달 받을 수 있다.
도 49의 오른쪽 도면을 참조하면, 탄성부(1340)는 고정 바디(1330) 내에 배치되어 고정 바디(1330)를 기준으로 유동 바디(1310, 1320)를 상부로 미는 힘을 작용할 수 있다. 측부 유동 바디(1320)와 고정 바디(1330)는 각각의 하단이 실질적으로 동일한 높이에 위치할 수 있다. 입력 장치(1300)의 회전을 멈추고(또는, 회전 중에) 입력 장치(1300)를 누르면 고정 바디(1330)는 위치가 그대로 있고, 탄성부(1340)가 압착되면서(1340 -> 1340') 유동 바디(1310, 1320)만 아래로 이동(D)할 수 있다. 측부 유동 바디(1320)의 하부(1327)가 입력부(1360)를 가압하여 입력 신호가 생성될 수 있다. 입력 장치(1300)의 가압을 해제하면 탄성부(1340)의 복원력에 의해 유동 바디(1310, 1320)가 원래 위치로 돌아올 수 있다.
도 50은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력 원리를 나타내는 개략도이다.
도 50에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입력부(1360)는 버튼을 제공하지 않고, 홀 소자를 포함할 수 있다. 홀 소자로 홀 이펙트(Hall Effect) 원리를 이용한 홀 센서(hall sensor)가 사용될 수 있다. 홀 이펙트를 간단히 설명하면 이하와 같다. 먼저, 도체에 전류(Iref)가 흐르고 있고 이때 자유전자는 전류의 반대방향으로 이동한다. 여기에 자기장(Bp)을 가하거나 접근시키게 되면 홀 이펙트에 의해 이동하던 자유전자가 플레밍의 왼손법칙에 따라 로렌츠 힘을 받고 이동방향이 휘게 된다. 홀 이펙트에 의해 전류의 흐름 방향에 대하여 수직한 방향으로 도체의 양단에 전위차가 발생하고 이러한 기전력에 의해 설치된 회로에는 홀 전압(hall voltage, Vhall)이 형성된다. 전류의 이동방향이 바뀌거나 자기장의 방향이 바뀌면 홀 이펙트와 홀 전압도 그에 따라 반대가 된다.
측부 유동 바디(1320)의 하부(1327)의 적어도 일부는 자성 부분을 포함할 수 있다. 자성 부분은 측부 유동 바디(1320)의 하부(1327)에 영구 자석을 결합하는 방법으로도 제공할 수 있다. 측부 유동 바디(1320)의 하부(1327)와 입력부(1360)의 거리(PD)가 변할때, 하부(1327)의 자성 부분이 홀 소자에 가하는 자기장의 세기, 방향이 변할 수 있다. 자기장이 인가되거나 변화되면 홀 전압도 변화할 수 있다. 따라서, 회로부(1350)에서 홀 전압의 변화를 처리부(60)로 전달하여 처리부(60)에서 입력부(1360)와 측부 유동 바디(1320)와의 거리를 산출할 수 있고, 거리에 따라서 입력 처리를 수행할 수 있다.
위와 같이, 본 발명은 측부 유동 바디(1320)가 직접 입력부(1360)에 접촉하지 않더라도, 입력부(1360)와의 거리(PD)에 기초하여 입력 처리를 수행할 수도 있다. 물론, 입력부(1360)가 버튼을 포함하고, 동시에 홀 소자를 포함하여 두 가지 방식을 병합하여 입력 처리를 수행할 수도 있다.
도 51은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 및 회전부하 모듈(1500)의 사용예를 나타내는 개략도이다. 도 51에는 디스플레이(DP)와 입력 및 회전부하 모듈(1500)이 분리된 형태를 예시하나, 디스플레이(DP)와 입력 및 회전부하 모듈(1500)이 일체로 구성될 수 있음은 물론이다.
도 51의 (a)를 참조하면, 사용자는 디스플레이(DP)에 나타나는 메뉴 항목을 검색할 수 있다. 입력 장치(1300)를 회전시켜 메뉴 항목을 검색할 수 있고, 입력 장치(1300)를 회전하는 과정에서 회전에 대한 햅틱 피드백을 제공받을 수 있다. 예를 들어, 미디어 메뉴에서는 음악 비트와 같은 햅틱 피드백, 전화 메뉴에서는 휴대폰 진동과 같은 햅틱 피드백 등을 제공받을 수 있다.
도 51의 (b)를 참조하면, 사용자는 메뉴 항목을 검색 후 특정 메뉴 항목을 선택 및 실행할 수 있다. 입력 장치(1300)를 눌러서 특정 메뉴 항목을 실행할 수 있다. 예를 들어, 입력 장치(1300)를 눌러서 설정 메뉴를 실행할 수 있다.
한편, 여러 메뉴 아이템을 선택해야 하는 경우에는 드래그(drag)와 같이 입력 장치(1300)를 누른 상태에서 회전을 할 수도 있다. 입력 장치(1300)를 누른 상태에서 회전을 마칠때까지 해당되는 복수의 메뉴 아이템이 선택될 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 입력 및 회전 부하 모듈(1500)은, 회전에 더하여 버튼식 입력도 가능한 효과가 있다. 이는 도 39 내지 도 44에서 상술한, 오븐, 세탁기 등 가전제품, 마우스 휠, 키보드 휠, 전자제품 내의 휠, 차량용 조그 등 회전 입력 및 버튼 입력이 필요한 모든 분야에 제한없이 적용 가능하다.
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. 회전부하 장치에 입력 장치가 연결된 입력 및 회전부하 모듈로서,
    상기 입력 장치는,
    바디부; 및
    상기 바디부 내에 배치되고 가압에 대해 복원력을 제공하는 탄성부;
    를 포함하고,
    상기 회전부하 장치의 샤프트에 상기 입력 장치가 연결되어 회전가능하며,
    상기 입력 장치의 상기 바디부를 가압하여 입력 신호를 생성할 수 있는, 입력 및 회전부하 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 장치는,
    상기 바디부의 가압에 의해 입력을 적용받는 입력부를 더 포함하는, 입력 및 회전부하 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력부는 버튼을 포함하고,
    상기 바디부의 가압에 의해 상기 버튼의 누름을 적용받는, 입력 및 회전부하 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 바디부는,
    상기 회전부하 장치의 샤프트가 연결되는 고정 바디;
    상기 고정 바디의 상부에 배치되어 Z축 방향으로 상하 이동 가능하고, 상기 고정 바디를 커버하며 상기 탄성부가 배치되는 내부 공간을 제공하는 유동 바디;
    를 포함하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동 바디는,
    상기 내부 공간의 상부를 커버하는 상부 유동 바디;
    상기 고정 바디를 수용하는 제1 공간을 제공하고, 내주면 상에 상기 고정 바디의 외주면의 적어도 일부가 끼워지는 측부 유동 바디;
    를 포함하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측부 유동 바디는 원기둥 형상인, 입력 및 회전 부하 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 고정 바디의 외주면 상에 적어도 하나의 걸림 돌기가 형성되고,
    상기 고정 바디의 걸림 돌기에 대응하는 상기 측부 유동 바디의 내주면 상에 안내 홈부가 형성된, 입력 및 회전 부하 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안내 홈부는 상기 측부 유동 바디의 내주면 상부로부터 중앙부까지 소정 길이로 형성되는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄성부는 상기 고정 바디를 기준으로 상기 유동 바디를 상부로 미는 힘을 작용하고, 상기 고정 바디의 상기 걸림 돌기는 상기 측부 유동 바디의 상기 안내 홈부의 하단에 걸림에 따라 상기 측부 유동 바디의 이동 범위를 제한하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 소정 길이는 상기 측부 유동 바디의 하단으로부터 상기 입력부까지의 거리보다 긴, 입력 및 회전 부하 모듈.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 상부 유동 바디의 하부면 상에는 상기 탄성부의 상부가 고정되는 탄성 고정부가 형성된, 입력 및 회전 부하 모듈.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 고정 바디의 하부에는 상기 샤프트가 끼워지는 샤프트 연결홈이 형성된, 입력 및 회전 부하 모듈.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 고정 바디는 상부가 개방되고, 상기 탄성부를 수용하는 제2 공간을 제공하며, 상기 제2 공간에는 상기 탄성부가 삽입되는 탄성 돌출부가 형성된, 입력 및 회전 부하 모듈.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 입력부에서 상기 바디부의 가압에 의한 입력을 감지하면 상기 입력 신호를 생성하는 회로부; 및
    상기 회로부에 연결되고 전력 또는 신호를 전달하는 단말부;
    를 포함하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 회로부는 상기 회전부하 장치의 상부에 배치되는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 회전부하 장치의 샤프트의 회전 속도, 회전 위치, 회전 방향, 회전 각도 중 적어도 어느 하나에 대한 데이터를 센싱하여 회전 신호를 생성하는 인코더 센서부를 더 포함하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  17. 제4항에 있어서,
    상기 입력부는 자기장이 인가 또는 변화되면 홀 전압(hall voltage)이 생성되는 홀 소자를 포함하고,
    상기 유동 바디의 하부의 적어도 일부는 자성 부분을 포함하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 홀 전압의 세기로 상기 입력부와 상기 유동 바디와의 거리를 산출하는, 입력 및 회전 부하 모듈.
  19. (a) 회전부하 장치의 샤프트에 연결된 입력 장치를 회전시켜 메뉴 항목을 검색하는 단계;
    (b) 상기 입력 장치의 상기 바디부를 가압하여 가압하여 특정 메뉴 항목을 선택하는 단계;
    를 포함하는, 입력 및 회전부하 모듈을 사용한 입력 신호 생성 방법.
  20. 회전부하 장치의 샤프트에 연결하여 입력 신호를 생성하는 입력 장치로서,
    바디부;
    상기 바디부 내에 배치되고 가압에 대해 복원력을 제공하는 탄성부; 및
    상기 바디부의 가압에 의해 입력을 적용받는 입력부;
    를 포함하고,
    상기 바디부는,
    상기 회전부하 장치의 샤프트가 연결되는 고정 바디;
    상기 고정 바디의 상부에 배치되어 Z축 방향으로 상하 이동 가능하고, 상기 고정 바디를 커버하며 상기 탄성부가 배치되는 내부 공간을 제공하는 유동 바디;
    를 포함하며,
    상기 유동 바디는,
    상기 내부 공간의 상부를 커버하는 상부 유동 바디;
    상기 고정 바디를 수용하는 제1 공간을 제공하고, 내주면 상에 상기 고정 바디의 외주면의 적어도 일부가 끼워지는 측부 유동 바디;
    를 포함하고,
    상기 유동 바디를 가압하여 입력 신호를 생성하는, 입력 장치.
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