WO2024106904A1 - 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템 - Google Patents

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WO2024106904A1
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김형준
김진기
설원제
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주식회사 씨케이머티리얼즈랩
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Abstract

본 발명은 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 햅틱 놉 시스템은, 자성입자를 포함하는 유체를 적용한 햅틱 놉(knob) 시스템으로서, 바디부, 놉, 인코더 및 제어부를 포함하고, 상기 놉은 상기 바디부의 적어도 일부에 설치되며, 하우징; 상기 하우징 내에서 회전 가능하도록 설치되는 샤프트; 상기 샤프트에 연결되고 상기 샤프트의 회전에 연동되어 회전하는 적어도 하나의 회전 링; 상기 하우징의 내에 배치되는 코일부; 상기 하우징 내의 적어도 일부에 채워지고 자성입자를 포함하는 유체;를 포함하고, 상기 인코더는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나를 감지하며, 상기 제어부는 모드에 따라 상기 유체에 인가하는 자기장을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템
본 발명은 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자성입자를 포함하는 유체가 적용되고, 유체에 자기장을 인가함에 따라 회전 토크가 조절될 수 있는 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템에 관한 것이다.
주거형 주택과 사무실의 현관문 또는 내실문은 과거 한옥과는 달리 미닫이문 보다는 여닫이문이 많이 사용되고 있다. 여닫이문은 미적인 효과와 사용의 편리성 그리고 외부침입시 방어할 수 있는 안정성에 미닫이문보다 뛰어나다.
일반적으로 이런 여닫이문에는 원통형으로 되어 있는 회전식 문손잡이와 상하좌우로 작동되는 스틱식 문손잡이 등이 사용된다. 이런 회전식 문손잡이와 스틱식 문손잡이는 문의 내외측면에 각각 설치되어 있으며, 실내쪽에는 잠금 버튼을 사용하여 문을 잠그고 손잡이를 회전시켜 열 수 있도록 되어있으며, 실외쪽에는 열쇠를 사용하여 문을 잠그고 열 수 있도록 되어있다.
종래의 문손잡이는 사용자가 손잡이를 회전시켜 여는 기능만 수행할뿐 문을 잠그는 기능은 열쇠 또는 별도의 잠금 장치가 사용되어야 문제점이 있었다. 또한, 문손잡이의 회전 강도가 고정되어 있어 다양한 사용자들의 힘에 맞춰 회전되기가 어려운 문제점이 있었다.
한편, 문손잡이와 더불어 문이 회전되도록 문과 문틀 사이에 설치되는 힌지(경첩, hinge)도 문의 개폐 과정에서 동작 강도가 고정되어 있는 문제점이 있었다. 무거운 문이 닫히는 경우 별도의 속도 완충 수단이 없으면 너무 빨리 닫히게 되어 출입자가 부딪힐 우려가 있었다. 또한, 문이 열리는 회전 각도가 정해지지 않기 때문에 문이 벽에 충돌할 정도까지 열리게 되어 멈춤 수단이나 벽에 별도의 완충 수단을 설치해야하는 번거로움이 있었다.
본 발명은 회전 토크 조절, 회전 각도 조절이 가능한 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 회전 기능 외에 잠금 기능까지 포함하는 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기의 목적은, 자성입자를 포함하는 유체를 적용한 햅틱 놉(knob) 시스템으로서, 바디부, 놉, 인코더 및 제어부를 포함하고, 상기 놉은 상기 바디부의 적어도 일부에 설치되며, 하우징; 상기 하우징 내에서 회전 가능하도록 설치되는 샤프트; 상기 샤프트에 연결되고 상기 샤프트의 회전에 연동되어 회전하는 적어도 하나의 회전 링; 상기 하우징의 내에 배치되는 코일부; 상기 하우징 내의 적어도 일부에 채워지고 자성입자를 포함하는 유체;를 포함하고, 상기 인코더는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나를 감지하며, 상기 제어부는 모드에 따라 상기 유체에 인가하는 자기장을 제어하는, 햅틱 놉 시스템에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 모드에 따라 상기 샤프트의 회전 각도, 회전 토크 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트가 일정 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 회전 토크를 증가시키도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트의 일정 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 회전 토크가 증가되는 포인트를 복수 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 상기 포인트는 코드를 포함하고, 상기 제어부는 기설정된 코드의 조합에 대응하도록 상기 샤프트를 회전시킨 경우, 상기 바디부의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 햅틱 놉 시스템은, 사운드를 발생시키는 사운드부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 사운드부에서 발생하는 사운드의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트의 일정 각도 또는 특정 각도에 따라 상기 바디부가 다르게 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 햅틱 놉 시스템은 주변을 감지하는 센서부를 더 포함하며, 상기 센서부에서 특정 상황을 감지한 경우, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 토크를 제어하거나 상기 바디부의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 커질수록 회전 토크가 증가하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 햅틱 놉 시스템은, 사운드를 발생시키는 사운드부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 사운드부에서 발생하는 사운드의 크기를 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명의 상기의 목적은, 자성입자를 포함하는 유체를 적용한 햅틱 힌지(hinge) 시스템으로서, 제1 바디부, 제2 바디부, 힌지, 인코더 및 제어부를 포함하고, 상기 힌지는 상기 제1 바디부로부터 상기 제2 바디부가 회전 가능하도록 상기 제1 바디부 및 상기 제2 바디부 사이에 개재되며, 하우징; 상기 하우징 내에서 회전 가능하도록 설치되는 샤프트; 상기 샤프트에 연결되고 상기 샤프트의 회전에 연동되어 회전하는 적어도 하나의 회전 링; 상기 하우징의 내에 배치되는 코일부; 상기 하우징 내의 적어도 일부에 채워지고 자성입자를 포함하는 유체;를 포함하고, 상기 인코더는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나를 감지하며, 상기 제어부는 모드에 따라 상기 유체에 인가하는 자기장을 제어하는, 햅틱 힌지 시스템에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 모드에 따라 상기 샤프트의 회전 각도, 회전 토크 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트가 일정 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 회전 토크를 증가시키도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 커질수록 회전 토크가 증가하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 햅틱 힌지 시스템은 주변을 감지하는 센서부를 더 포함하며, 상기 센서부에서 특정 상황을 감지한 경우, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 토크를 제어하거나 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 센서부가 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부와 특정 대상체의 거리를 감지하여, 상기 제어부가 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부와 상기 특정 대상체가 충돌하지 않도록 상기 샤프트의 회전 토크를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 기설정된 각도를 넘어가면 회전이 멈추도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부는 전자기기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 기설정된 각도를 넘어가면 상기 전자기기가 동작하도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 회전 토크 조절, 회전 각도 조절이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 회전 기능 외에 잠금 기능까지 포함하는 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템을 제공할 수 있는 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 자기유변유체 회전부하 장치가 적용된 햅틱 놉(knob) 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 46은 본 발명의 여러 실시예에 따른 놉의 동작 방식을 나타내는 개략도이다.
도 47 및 도 48은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 놉 시스템이 적용된 도어의 동작 방식을 나타내는 개략도이다.
도 49는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치가 적용된 햅틱 힌지(hinge) 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 50은 본 발명의 여러 실시예에 따른 힌지의 동작 방식을 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
1500: 햅틱 놉 시스템
1500': 햅틱 힌지 시스템
1510: 놉, 힌지
1512: 샤프트
1520: 인코더
1550, 1560: 바디부
1570: 제어부
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 자기유변유체 회전부하 장치가 적용된 햅틱 놉(knob) 시스템(1500)을 나타내는 개략도이다.
상술한 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)를 놉(knob)에 적용할 수 있다. 이하에서는, 문(door; 1550)의 손잡이(1501)에 적용되는 놉(1510)을 예로 들어 설명하나, 놉(1510)은 도 38 내지 도 44에서 예시된 전자기기, 가전제품 등의 손잡이 회전이 필요한 장치에 대해 제한없이 적용할 수 있다.
도 45를 참조하면, 햅틱 놉 시스템(1500)은 놉(1510), 인코더(1520), 바디부(1550), 제어부(1570)을 포함할 수 있다.
놉(1510)은 놉의 틀이면서 자기유변유체와 전자석을 포함하는 고정자, 중앙의 회전축을 따라 회전하는 회전자, 자기유변유체가 담긴 공간, 그리고 자기장을 가하는 코일로 구성될 수 있다. 놉(1510)은 상술한 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용될 수 있으며, 상기 놉(1510)의 고정자(틀), 회전자, 자기유변유체가 담긴 공간, 코일은, 각각 자기유변유체 회전부하 장치(100~400))의 하우징(110~410), 샤프트(120~420), 자기유변유체(10)가 수용되는 갭(G), 코일부(130~430)가 동일하게 적용될 수 있다.
인코더(1520)는 놉(1510)의 샤프트(1512)와 결합되어 놉(1510)의 샤프트(1512) 축의 회전 속도, 위치(회전 각도), 방향에 대한 데이터를 감지할 수 있다. 인코더(1520)는 도 38의 인코더 센서(500)와 동일하게 적용될 수 있다.
일 예로, 인코더(1520)는 회전하는 샤프트(1512)의 일정한 기준이 되는 각도 대비 회전축의 각도를 감지할 수 있다. 인코더(1520)에서 감지한 데이터를 기초로 제어부(1570)는 놉(1510)의 코일부[코일부(130~430)에 대응]에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 이에 따라, 특정 각도, 또는 각도 구간에 대해서 샤프트(1512)의 회전에 저항 토크가 작용됨에 따라 햅틱 효과를 발생시킬 수 있다.
다른 예로, 인코더(1520)는 샤프트(1512)의 회전 속도, 회전 가속도를 감지하여, 이에 따라 변화하는 햅틱 효과를 발생시킬 수 있다. 회전 속도가 일정 각속도 이상일 경우 인코더(1520)에서 감지한 데이터를 기초로 제어부(1570)은 코일부에 일정한 세기의 전류를 인가하거나, 각속도와 비례하는 세기의 전류를 인가할 수도 있다. 또는, 회전 각도와 무관하게 시간에 따른 햅틱 효과가 나타나도록 코일부에 전류를 인가할 수도 있다.
바디부(1550)는 놉(1510) 및 인코더(1520)가 설치되는 대상체로 제공될 수 있다. 본 실시예에서 바디부(1550)는 문(1550)으로 제공되고, 문틀(1560)을 기준으로 문(1550)이 회전하거나 잠금/잠금해제가 수행될 수 있다.
또한, 제어부(1570)는 인코더(1520)에서 감지한 데이터를 전달받을 수 있다. 이를 기초로 제어부(1570)는 놉(1510)의 코일부[코일부(130~430)에 대응]를 제어하여 자기유변유체(10)로 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 또는, 제어부(1570)는 기설정된 값에 따라 놉(1510)을 단독으로 제어할 수도 있다. 또한, 제어부(1570)는 인코더(1520)에서 감지한 데이터를 기초로 바디부(1550)의 동작을 제어할 수도 있다.
한편, 햅틱 놉 시스템(1500)은 사운드부(1580), 센서부(1585)를 더 포함할 수 있다.
사운드부(1580)는 놉(1510)의 회전 동작에 따라 사운드를 발생시킬 수 있다.
센서부(1585)는 햅틱 놉 시스템(1500)의 주변을 감지할 수 있다. 일 예로, 센서부(1585)는 거리 감지 센서를 포함하여, 놉(1510) 또는 바디부(1550)와 특정 대상체(OB)[도 48 참조]와의 거리를 감지할 수 있다. 다른 예로, 센서부(1585)는 카메라를 포함하여 놉(1510) 또는 바디부(1550)의 주변을 촬영할 수 있다.
도 46은 본 발명의 여러 실시예에 따른 놉의 동작 방식을 나타내는 개략도이다. 도 47 및 도 48은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 놉 시스템이 적용된 도어의 동작 방식을 나타내는 개략도이다.
놉 동작 방식은 다양하게 적용될 수 있다. 예를 들어, (a) 멈춤쇠(Detents), (2) 보안(자물쇠), (3) 느낌 변화, (4) 알림 방식 등으로 적용될 수 있다.
도 46의 (a)를 참조하면, 멈춤쇠(Detents) 모드로 햅틱 놉 시스템(1500)을 사용하는 경우가 예시된다. 멈춤쇠는 놉(1510)의 일정한 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 저항 토크를 발생시킬 수 있다. 복수의 단계, 또는 복수의 각도 포인트에 따라 저항 토크가 급격히 증가할 수 있다. 인코더(1520)는 놉(1510)의 회전 각도를 감지하고, 제어부(1570)는 기설정된 각도에 대응하여, 일정한 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 코일부로 강한 세기의 전류를 인가하여 회전 토크를 증가시키도록 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(1570)는 일정 각도(또는, 특정 각도)마다 회전 토크가 증가되는 포인트를 복수 생성할 수 있다. 도 46의 (a)처럼 -3 ~ 3에 이르는 7단계로 포인트를 생성할 수 있다. 놉(1510)의 샤프트(1512)가 회전하면서 각 포인트 위치에 맞춰지는지 여부를 인코더(1520)가 감지할 수 있다. 샤프트(1512)가 각 포인트 위치에 도달하면 인코더(1520)는 제어부(1570)로 신호를 보내고, 제어부(1570)에서 코일부로 강한 세기의 전류를 인가할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 -3 ~ 3에 이르는 각 단계에서 회전이 일시적으로 멈추는 햅틱 효과를 제공받게 된다. 이러한 기능은 사용자에게 놉(1510)의 회전 각도를 촉각적으로 인식하게 하여, 일정한 각도를 돌리고 있다는 정보를 비가시적으로 사용자에게 전달할 수 있는 효과가 있다. 또한, 각 단계의 사이에서도 해당 단계보다는 약한 세기의 회전 토크를 주기적/비주기적으로 발생시켜, 각 단계의 사이에서 회전 정도에 대한 정보를 추가적으로 제공할 수 있다.
세탁기의 기능 선택을 위한 조그 다이얼과 유사하게, 놉이 문손잡이에 적용되는 경우 문이 열리는 방식에서 다양한 기능이 적용될 수 있다. 일 예로, 1 단계로 맞추면 무음으로 문이 열리고, 2 단계로 맞추면 작은 소리가 나면서 문이 열리며, 3단계로 맞추면 큰 소리가 나면서 문이 열릴 수 있다. 다른 예로, -1 단계로 맞추면 무음으로 문에 잠금 기능이 실행되고, -2 단계로 맞추면 작은 소리가 나면서 문에 잠금 기능이 실행되며, -3 단계로 맞추면 큰 소리가 나면서 문에 잠금 기능이 실행될 수 있다. 제어부(1570)는 각 단계에 따라 놉(1510)의 회전 토크 제어 외에 사운드부(1580)를 제어하여 사운드를 발생시킬 수 있다.
다른 예로, 도 47의 (a)와 같이, 1 단계로 맞춰 놉(1510)을 회전(R1)하면 문(1550)이 문틀(1560)로부터 A1 각도만큼 열리게 될 수 있다. 또한, 도 47의 (b)와 같이 3 단계로 맞춰 놉(1510)을 회전(R2)하면 문(1550)이 문틀(1560)로부터 A1 각도보다 큰 A2 각도만큼 열리게 될 수 있다. 이 경우 문(1550) 및 문틀(1560)에 별도의 구동 수단(미도시)이 연결되어 문(1550)이 개폐되도록 할 수 있고, 제어부(1570)가 구동 수단을 제어할 수 있다.
도 46의 (b)를 참조하면, 보안(자물쇠) 모드로 햅틱 놉 시스템(1500)을 사용하는 경우가 예시된다.
상술한 바와 같이, 멈춤쇠 모드에서 제어부(1570)는 일정 각도(또는, 특정 각도)마다 회전 토크가 증가되는 포인트를 복수 생성할 수 있다. 각 포인트는 코드를 포함할 수 있다. 코드는 해당 포인트의 위치에 대한 정보를 포함할 수 있다. 보안(자물쇠) 모드는 멈춤쇠 기능과 더불어 회전방향(시계, 반시계)과 회전 정도의 조합으로 보안 기능을 수행할 수 있다.
일 예로, 비밀번호가 1, 3, -2라면 사용자는 1 단계, 3 단계, -2 단계로 순차적으로 놉(1510)을 회전시켜 비밀번호에 일치시켜야 문을 열 수 있다. 제어부(1570)는 1 단계, 3 단계, -2 단계에 대응하는 각각의 코드의 조합을 기저장할 수 있다. 제어부(1570)는 1, 3, -2에 대응하는 코드의 조합을 만족하도록 놉(1510)이 회전된 경우, 바디부(1550)의 동작을 제어할 수 있다. 문(1550)의 경우, 코드의 조합이 만족되면 제어부(1570)는 문(1550)이 문틀(1560)로부터 잠금이 해제되도록 동작을 제어할 수 있다. 이러한 문(1550)의 잠금 해제는 도 49 이하에서 후술할 힌지(1505)와 조합되어 수행될 수도 있다. 놉(1510)의 회전으로 코드의 조합이 만족되면 힌지(1505)에서 자기장의 세기를 약하게 하여 힌지(1505)의 회전 저항이 약해지도록하여 문(1550)이 문틀(1560)로부터 자유롭게 회전할 수 있게 하는 것이다. 한편, 바디부(1550)의 동작이 제어되면서 동시에 사운드부(1580)에서 사운드를 발생시킬 수도 있다.
이 경우, 햅틱 놉 시스템(1500)은 지문자국이 남는 디지털 도어를 대체한 스마트 보안 놉으로 제공될 수 있다. 또한, 스마트 보안 놉은 기계식 자물쇠와 달리 회전으로 인한 소음일 발생하지 않는 이점이 있다.
보안기능의 핵심은 권한이 없는 자가 잠금을 해제할 수 있는 여지를 주지 않는 것이다. 단순한 비밀번호의 조합뿐 아니라, 본 햅틱 놉 시스템(1500)은 회전의 정도를 표시하는 멈춤쇠(detents)를 다양하게 변경할 수 있다. 일 예로, 도 46 (b)와 같이 -3 ~ 3 단계까지의 7단계의 코드를 조합하는 것 외에도 순간순간 단계의 개수(코드의 개수)를 변경할 수 있다. 단계의 개수는 샤프트(1512)의 회전 각도와도 대응하므로, 각도와 순서의 조합으로 발생하는 경우의 수를 매우 크게 만듦으로써 권한이 없는 자가 쉽게 그 조합을 맞추지 못하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 46의 (c)를 참조하면, 느낌 변화 모드로 햅틱 놉 시스템(1500)을 사용하는 경우가 예시된다. 느낌 변화는 놉(1510)의 회전 각도, 회전 속도에 따라 변화하는 저항 토크를 발생시킬 수 있다.
여기서, 저항 토크의 세기는 기준 각도로부터 회전하는 각도, 회전하는 속도에 상응하는 세기로 조절할 수 있다. 인코더(1520)는 기준 각도로부터 점차 증가하거나, 점차 감소하는 신호를 제어부(1570)로 전달하고, 제어부(1570)는 신호에 기초하여 놉(1510)의 코일부를 제어할 수 있다. 따라서, 사용자는 놉(1510)을 바라보지 않고도 회전 토크의 세기를 햅틱 촉감으로 제공받으며 기준 각도로부터 얼마만큼 회전시켰는지에 대한 정보를 얻을 수 있다.
일 예로, 햅틱 놉 시스템(1500)을 음향 장치의 소리크기 제어 놉으로 적용한 경우, 회전 각도를 크게하거나 회전 속도를 크게할 수록 더 큰 음량으로 설정할 수 있다. 그리고, 사용자는 음량이 변경된 정도를 시각으로 확인할 필요없이 촉각으로 느낄 수 있다. 차량의 소리크기를 제어하는 경우라면, 운전자는 전방을 주시할 필요성이 높으므로, 햅틱 촉감으로 음량이 조절된 정도를 파악할 수 있어 주행 안정성이 높아질 수 있다.
도 46의 (d)를 참조하면, 알림 모드로 햅틱 놉 시스템(1500)을 사용하는 경우가 예시된다. 알림은 놉(1510)의 저항 토크를 톱니 형태로 제공하거나, 회전하는 과정에서 특정 알림을 주는 형태로 제공할 수 있다. 놉(1510)을 회전시키고 문(1550)을 열거나 닫는 과정에서, 문 뒤에 비상 상황 또는 특정 상황에 대한 알림을 저항 토크로서 제공할 수 있다. 이때 저항 토크의 시간, 각도에 따른 변화는 각각의 상황에 맞춘 특정한 형상을 가지는 파형을 가질 수 있다. 제어부(1570)에 각 상황에 따른 파형이 기저장될 수 있다.
일 예로, 도 48과 같이, 사용자가 실내에서 실외로 나오려고 놉(1510)을 회전시켜 문(1550)을 여는 중에 문 뒤에 짐, 사람 등의 특정 대상체(OB)가 있을 수 있다. 문(1550)과 대상체(OB)와의 충돌을 막기 위해 놉(1510)의 저항 토크를 톱니 형태, 특정 알림을 주는 형태로 제공하여 사용자가 문(1550)을 여는 것을 멈추도록 할 수 있다. 센서부(1585)는 대상체(OB)와의 거리를 감지하거나, 대상체(OB)를 촬영하는 등의 방법으로 특정 상황이라는 신호를 제어부(1570)로 전달할 수 있다. 한편, 사운드부(1580)에서 사운드 발생을 더하여 알림을 더 수행할 수도 있다. 각각의 상황에 따라 다른 사운드가 발생될 수 있음은 물론이다.
도 49는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 회전부하 장치가 적용된 햅틱 힌지(hinge) 시스템(1500')을 나타내는 개략도이다. 이하에서는 별도의 설명이 없는 한, 도 45에서 상술한 사항이 그대로 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
상술한 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)를 힌지(hinge) 에 적용할 수 있다. 이하에서는, 문(door; 1550)과 문틀(1560)의 회전 수단(1505)에 적용되는 힌지(1510)를 예로 들어 설명하나, 힌지(1510)는 어느 하나의 대상체에 대해 일축을 기준으로 회전하는 회전체에 대해 제한없이 적용할 수 있다.
도 49를 참조하면, 햅틱 힌지 시스템(1500')은 힌지(1510), 인코더(1520), 제1 바디부(1550), 제2 바디부(1560), 제어부(1570)을 포함할 수 있다. 그리고, 힌지(1510) 외에 두 제1, 2 바디부(1550, 1560)의 연결을 지지하는 보조 지지부(1540)를 더 포함할 수 있다.
힌지(1510)은 힌지의 틀이면서 자기유변유체와 전자석을 포함하는 고정자, 중앙의 회전축을 따라 회전하는 회전자, 자기유변유체가 담긴 공간, 그리고 자기장을 가하는 코일로 구성될 수 있다. 힌지(1510)는 상술한 자기유변유체 회전부하 장치(100~400)가 적용될 수 있으며, 상기 놉(1510)의 고정자(틀), 회전자, 자기유변유체가 담긴 공간, 코일은, 각각 자기유변유체 회전부하 장치(100~400))의 하우징(110~410), 샤프트(120~420), 자기유변유체(10)가 수용되는 갭(G), 코일부(130~430)가 동일하게 적용될 수 있다.
힌지(1510)는 샤프트(1512)(120-420)가 하우징(110~410)의 일측 또는 양측을 관통하는 형태로 적용될 수 있다. 또한, 힌지(1510)의 하우징(110~410)에는 제1 바디부(1550), 제2 바디부(1560)와 연결되는 면적을 확보하기 위한 대략 판 형태의 연결부(1514)가 더 연장 형성될 수 있다.
힌지(1510)는 제1 바디부(1550)[문(1550)] 또는 제2 바디부(1560)[문틀(1560)]에 설치될 수 있다. 힌지(1510)는 제1 바디부(1550)로부터 제2 바디부(1560)가 회전 가능하도록 제1 바디부(1550) 및 제2 바디부(1560) 사이에 개재될 수 있다. 힌지(1510)의 샤프트(1512)는 이웃하는 보조 지지부(1540)와 동축(coaxial)을 가질 수 있다. 보조 지지부(1540)는 일반적인 형태의 힌지로 제공될 수 있고, 제1, 2 바디부(1550, 1560) 사이에 개재될 수 있다.
인코더(1520)는 힌지(1510)의 샤프트(1512)와 결합되어 힌지(1510)의 샤프트(1512) 축의 회전 힘, 회전 속도, 위치(회전 각도), 방향에 대한 데이터를 감지할 수 있다.
도 50은 본 발명의 여러 실시예에 따른 힌지의 동작 방식을 나타내는 개략도이다.
힌지 동작 방식은 다양하게 적용될 수 있다. 예를 들어, (a) 멈춤쇠(Detents), (2) 열림/닫힘 느낌 조절, (3) 멈춤/충돌방지, (4) 부가기능 실행 방식 등으로 적용될 수 있다.
도 50의 (a)를 참조하면, 멈춤쇠(Detents) 모드로 햅틱 힌지 시스템(1500')을 사용하는 경우가 예시된다. 멈춤쇠는 힌지(1510)의 일정한 각도마다 또는 특정 각도에서 저항 토크를 발생시킬 수 있다. 복수의 단계, 또는 복수의 각도 포인트에 따라 저항 토크가 급격히 증가할 수 있다. 인코더(1520)는 힌지(1510)의 회전 각도를 감지하고, 제어부(1570)는 기설정된 각도에 대응하여, 일정한 각도마다 또는 특정 각도만큼 회전한 경우, 코일부로 강한 세기의 전류를 인가하여 회전 토크를 증가시키도록 제어할 수 있다. 사용자는 -3 ~ 3에 이르는 각 단계에서 문(1550)의 회전이 일시적으로 멈추는 햅틱 효과를 제공받게 된다. 이러한 기능은 사용자에게 놉의 경우와 유사하게 힌지(1510)의 회전 각도를 촉각적으로 인식하게 하여, 일정한 각도를 돌리고 있다는 정보를 비가시적으로 사용자에게 전달할 수 있는 효과가 있다. 또한, 각 단계의 사이에서도 해당 단계보다는 약한 세기의 회전 토크를 주기적/비주기적으로 발생시켜, 각 단계의 사이에서 회전 정도에 대한 정보를 추가적으로 제공할 수 있다.
일 예로, 문 열림 상태 각도 조절이 가능하다. 도 46의 (a)처럼 -3 ~ 3에 해당되는 문의 열림 각도에서 문(1550)을 놓더라도 문(1550)이 그 회전 각도에서 멈출 수 있다. 도 50의 (a)처럼 문의 해당 열림 각도에서 제어부(1570)가 코일부에서 자기유변유체로 로 인가되는 전류를 크게 높이도록 제어함에 따라 힌지(1510)의 회전축이 회전되지 않게 저항 토크를 높일 수 있다.
도 50의 (b)를 참조하면, 열림/닫힘 느낌 조절 모드로 햅틱 힌지 시스템(1500')을 사용하는 경우가 예시된다.
힌지(1510)의 회전 각도에 따른 열림/닫힘 느낌 조절은 문의 여닫힘 프로파일을 조절하여 사용감의 변화를 조절할 수 있다. ①은 일정하게 높은 저항 토크를 유지하여 문이 천천히 열리고 닫히도록 할 수 있다. ②는 일정하게 낮은 저항 토크를 유지하여 문이 빠르게 열리고 닫히도록 할 수 있다. ③는 회전 각도가 커질수록 저항 토크를 커지도록 하여 문이 많이 열린 경우 천천한 속도부터 점점 빠르게 닫히도록 할 수 있다. ④는 회전 각도가 커질수록 저항 토크를 작아지도록 하여 문이 많이 열린 경우 빠른 속도부터 점점 느리게 닫히도록 할 수 있다. 이러한 기능은 문(1550)의 열림/닫힘 동작에 감성을 부여하여 사용자에게 문(1550)을 이용할 때의 일정한 느낌, 예를 들어 고급스러운 실내 분위기에 어울리는 문열림 느낌 등을 제공하는데 사용될 수 있다.
또한, 문(1550)의 회전 속도를 제어함으로써, 뒤따르는 사용자의 문(1550)과의 충돌을 예방하는 기능도 수행할 수 있다. 또한, 도 48과 같이, 힌지(1510)가 문(1550)을 회전하는 과정에서, 특정 상황이 발생하는 경우 문(1550)이 열리는 것을 멈추도록 할 수 있다. 센서부(1585)는 뒤따르는 사람[대상체(OB)]과의 거리를 감지하거나, 사람을 촬영하는 등의 방법으로 특정 상황이라는 신호를 제어부(1570)로 전달하여 문(1550)의 회전을 멈추거나 회전 속도가 느려지도록 할 수 있다. 한편, 사운드부(1580)에서 사운드 발생을 더하여 알림을 더 수행할 수도 있다. 각각의 상황에 따라 다른 사운드가 발생될 수 있음은 물론이다.
도 50의 (c)를 참조하면, 멈춤/충돌방지 모드로 햅틱 힌지 시스템(1500')을 사용하는 경우가 예시된다.
멈춤/충돌방지 모드에서, 제어부(1570)는 문(1550)이 열릴때 특정 각도를 넘어가는 각도를 인코더(1520)가 감지한 경우, 문(1550)이 더 회전되지 않게 멈출 수 있다. 일 예로, 차량용 문의 경우 '문콕' 방지를 위해 기설정된 특정 각도 이상을 넘어 회전되지 않도록 제어할 수 있다. 이러한 특정 각도는 고정되지 않고 사용자의 설정 변경으로 자유롭게 조절할 수 있다. 다른 예로, 센서부(1585)는 주차된 타 차량의 근접 여부를 감지하여 급격하게 문(1550)이 회전되지 않도록 하거나 멈추도록 제어하여 문콕 방지를 할 수 있다. 다른 예로, 문(1550)이 열릴때 벽[또는 대상체(OB)]의 근접 여부를 감지하여 문의 회전을 멈출 수 있으므로, 벽에 문이 부딪히는 충격을 완충하는 완충 수단을 별도로 구비할 필요가 없어지는 효과가 있다.
도 50의 (d)를 참조하면, 부가기능 실행 모드로 햅틱 힌지 시스템(1500')을 사용하는 경우가 예시된다.
부가기능 실행 모드는 힌지(1510)가 열리는 과정에서 특정 기능이 실행될 수 있다. 이러한 기능은 힌지(1510)의 동작을 외부 물체의 기능과 연결하는 스위치 역할을 할 수 있다. 일 예로, 노트북용 힌지(1510)에 적용되는 경우[바디부가 전자기기 포함한 경우], 노트북을 펼치는 동작 중 특정한 열린 각도(①, ②)에서의 멈춤 시간(③, ④)을 이용하여 펼쳐진 후의 특정 기능(앱)이 실행되도록 할 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템은 다양한 저항 토크의 변화에 따른 다양한 기능을 적용할 수 있다. 저항 토크의 세기는 코일에 가하는 전류의 세기로 결정된다. 따라서, 인코더에서 감지하는 각도에 따라 토크의 세기를 변화시키는 것이 가능하며, 장치의 회전 각도에 따른 토크 세기의 프로그램(토크 프로파일)이 가능하다. 또한 상황 변화에 따라 유연하게 프로파일을 변경 가능하다.
본 발명의 햅틱 놉 시스템 및 햅틱 힌지 시스템은 모터를 사용하지 않으므로, 가벼운 무게로 소형화에 용이하고, 빠른 응답속도 특성으로 즉각적인 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (18)

  1. 자성입자를 포함하는 유체를 적용한 햅틱 놉(knob) 시스템으로서,
    바디부, 놉, 인코더 및 제어부를 포함하고,
    상기 놉은 상기 바디부의 적어도 일부에 설치되며,
    하우징;
    상기 하우징 내에서 회전 가능하도록 설치되는 샤프트;
    상기 샤프트에 연결되고 상기 샤프트의 회전에 연동되어 회전하는 적어도 하나의 회전 링;
    상기 하우징의 내에 배치되는 코일부;
    상기 하우징 내의 적어도 일부에 채워지고 자성입자를 포함하는 유체;
    를 포함하고,
    상기 인코더는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나를 감지하며,
    상기 제어부는 모드에 따라 상기 유체에 인가하는 자기장을 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모드에 따라 상기 샤프트의 회전 각도, 회전 토크 중 적어도 어느 하나를 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트가 일정 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 회전 토크를 증가시키도록 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 일정 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 회전 토크가 증가되는 포인트를 복수 생성하는, 햅틱 놉 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 포인트는 코드를 포함하고,
    상기 제어부는 기설정된 코드의 조합에 대응하도록 상기 샤프트를 회전시킨 경우, 상기 바디부의 동작을 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 햅틱 놉 시스템은, 사운드를 발생시키는 사운드부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 사운드부에서 발생하는 사운드의 크기를 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 일정 각도 또는 특정 각도에 따라 상기 바디부가 다르게 동작하도록 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 햅틱 놉 시스템은 주변을 감지하는 센서부를 더 포함하며,
    상기 센서부에서 특정 상황을 감지한 경우, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 토크를 제어하거나 상기 바디부의 동작을 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 커질수록 회전 토크가 증가하도록 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 햅틱 놉 시스템은, 사운드를 발생시키는 사운드부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도에 따라 상기 사운드부에서 발생하는 사운드의 크기를 제어하는, 햅틱 놉 시스템.
  11. 자성입자를 포함하는 유체를 적용한 햅틱 힌지(hinge) 시스템으로서,
    제1 바디부, 제2 바디부, 힌지, 인코더 및 제어부를 포함하고,
    상기 힌지는 상기 제1 바디부로부터 상기 제2 바디부가 회전 가능하도록 상기 제1 바디부 및 상기 제2 바디부 사이에 개재되며,
    하우징;
    상기 하우징 내에서 회전 가능하도록 설치되는 샤프트;
    상기 샤프트에 연결되고 상기 샤프트의 회전에 연동되어 회전하는 적어도 하나의 회전 링;
    상기 하우징의 내에 배치되는 코일부;
    상기 하우징 내의 적어도 일부에 채워지고 자성입자를 포함하는 유체;
    를 포함하고,
    상기 인코더는 상기 샤프트의 회전 속도, 회전 각도 중 적어도 어느 하나를 감지하며,
    상기 제어부는 모드에 따라 상기 유체에 인가하는 자기장을 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모드에 따라 상기 샤프트의 회전 각도, 회전 토크 중 적어도 어느 하나를 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트가 일정 각도 또는 특정 각도를 회전할 때마다 회전 토크를 증가시키도록 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 커질수록 회전 토크가 증가하도록 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 햅틱 힌지 시스템은 주변을 감지하는 센서부를 더 포함하며,
    상기 센서부에서 특정 상황을 감지한 경우, 상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 토크를 제어하거나 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부의 동작을 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 센서부가 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부와 특정 대상체의 거리를 감지하여, 상기 제어부가 상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부와 상기 특정 대상체가 충돌하지 않도록 상기 샤프트의 회전 토크를 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 기설정된 각도를 넘어가면 회전이 멈추도록 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제1 바디부 또는 상기 제2 바디부는 전자기기를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 샤프트의 회전 각도가 기설정된 각도를 넘어가면 상기 전자기기가 동작하도록 제어하는, 햅틱 힌지 시스템.
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