KR101490260B1 - 단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 진동 생성 방법 - Google Patents

단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 진동 생성 방법 Download PDF

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Abstract

구동 전원을 공급받아 진동을 발생하는 진동 발생 장치를 제공하는 단계; 상기 진동 발생 장치의 진동자의 진동을 제어하는 단계를 포함하는 진동 생성 방법으로서, 상기 진동자의 진동 제어는 진동자의 관성행렬 및 강성행렬을 시스템화하여 제어되고, 상기 관성행렬 및 강성행렬은 동시에 대각화를 만족하는 진동 생성 방법 및 이를 이용한 진동 발생 장치를 제공할 수 있다.

Description

단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 진동 생성 방법{MULTIDIRECTIONAL VIBRATION GENERATOR USING SINGLE VIBRATOR AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 그 진동 생성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동원의 주파수에 따라 다방향의 주파수로 진동 효과를 제공하는 단일 진동자 다방향의 진동 햅틱 피드백 장치 및 단일 진동자를 이용하여 햅틱 효과를 제공하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 햅틱 피드백(haptic feedback)은 키보드와 마우스, 조이스틱, 터치스크린 등과 같은 입력 장치를 통해 촉감과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술이다. 특히, 피부가 느끼는 촉감을 이용하는 촉각 피드백에 관한 기술은 비교적 구현하기가 용이하기 때문에, 핸드폰, PDA 등과 같은 휴대기기의 터치 컨트롤 인터페이스에 널리 적용되고 있다. 또한, 촉각 피드백은 기기의 조작감을 향상시키며 사용자에게 현실감과 몰입감을 제공하는 이점이 있어, 다양한 느낌의 촉감을 구현할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
이러한 추세에 발맞추어, 진동 발생 장치의 진동 효과를 다양화하기 위한 시도가 이루어지고 있으며, 특히, 진동 발생 장치에 복수의 주파수의 진동을 제공할 수 있는 멀티 모드 진동 발생 장치에 대한 개발이 필요하다.
도 9는 종래 기술에 따른 일반적인 햅틱 피드백 장치의 일례를 나타내고 있다. 도 9에 도시된 일반적인 햅틱 피드백 장치는 4개의 진동자(201, 202, 203, 204)를 사용하고, 사용자에 의해 특정 지점(200)이 터치되는 경우에, 터치된 특정 지점(200)을 기준으로 너비(211, 212) 및 높이(213, 214)를 측정하고, 계산하여, 각 진동자(201, 202, 203, 204)가 터치된 위치에 따라 다른 값을 갖도록 구성된다.
그러나, 이러한 장치는 다수의 진동자(201, 202, 203, 204)를 사용하기 때문에, 전체 장치 또는 시스템의 소형화가 어렵다는 단점이 있다.
또한, 도 10은 종래 기술에 따른 일반적인 햅틱 피드백 장치의 다른 일례를 나타내고 있다. 도 10에 기재된 햅틱 피드백 장치는 입력부(301), 제어부(304), 진동자 구동부(305), 제 1 진동자(302), 제 2 진동자(303)으로 구성되며, 상기 제 1 진동자(302) 및 제 2 진동자(303)는 진동자 구동부(305)의 구동신호가 가변됨에 따라 진동하여 진동 자극을 생성할 수 있다.
또한, 이러한 장치는 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 진동자의 특정 주파수에서 발생되는 진동 자극이 합성되어 나타난다. 즉, 제 1 진동자(302) 및 제 2 진동자(303)의 합성 진동은 제 1 진동주파수(f1)과 제 2 진동주파수(f2) 차이의 절대값(│f1-f2│)을 갖는 진동 주파수의 진동과, 제 1 진동주파수(f1)와 제 2 진동주파수(f2)의 평균값((f1+f2)/2)을 갖는 주파수의 진동의 합으로 나타난다.
그러나, 이러한 장치는 도 11에 도시된 바와 같이, 특정 주파수가 아닌 진동 주파수, 즉, 제 1 진동주파수(f1)과 제 2 진동주파수(f2) 차이의 절대값(│f1-f2│)을 갖는 진동 주파수의 진동과, 제 1 진동주파수(f1)와 제 2 진동주파수(f2)의 평균값((f1+f2)/2)을 갖는 진동 주파수의 진동 이외에서 사용자가 원하는 형태의 진동이 발생하기 어렵고, 진동이 발생하더라도 그 크기는 매우 미약하다.
또한, 전술한 바와 같이, 두 개의 진동자를 사용하기 때문에, 전체 장치 또는 시스템의 소형화가 어렵다는 문제점을 여전히 포함한다.
다음으로, 도 12는 종래 기술에 따른 일반적인 햅틱 피드백 장치의 다른 일례로서, 특히, 단일의 진동 구동부를 포함하고 있다. 즉, 상기 장치는 구동 전원을 공급받아 전자기력을 발생하는 전자기회로부(404), 이러한 전자기회로부 상부에 배치되어 전자기력에 의해 진동하고 상기 구동 전원의 주파수에 따라 복수의 진동 주파수로 진동하는 구동부((403) 및 상기 전자기회로부 및 상기 구동부를 둘러싸고 있는 케이스부(400)로 구성된다.
그러나, 이러한 장치 역시, 도 13에 도시된 바와 같이, 서로 다른 고유 진동주파수 f1 및 f2를 가지는 2개의 진동 모드(예를 들어, X축 모드 또는 Y축 모드)를 구비하여, f1 및 f2가 합성된 형태의 파형으로 진동 효과가 구현되고, 고유 진동 주파수 이외에서 사용자가 원하는 형태의 진동이 발생하기 어렵고, 진동이 발생하더라도 그 크기는 매우 미약하다.
[종래기술문헌]
1. 한국공개특허출원 10-2010-0104975호
2. 한국등록특허 10-1097782호
3. 한국공개특허출원 10-2013-0010591호
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 하는 것으로, 단일 진동자를 이용하여 주파수를 변화시키는 것만으로 원하는 방향의 진동 운동을 생성할 수 있는 소형화가 가능한 단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 그 진동 생성 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 원하는 공진 주파수를 갖는 시스템을 직접 설계하고, 두 개 이상의 공진 주파수를 원하는 곳에 위치시켜, 공진점 뿐만 아니라 그 사이 주파수 대역에서도 원하는 형태의 진동 운동을 가능하게 하며, 구동 주파수 대역에서 균일한 진폭을 낼 수 있는 단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 그 진동 생성 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 구동 전원을 공급받아 진동을 발생하는 진동 발생 장치를 제공하는 단계; 상기 진동 발생 장치의 진동자의 진동을 제어하는 단계를 포함하는 진동 생성 방법으로서, 상기 진동자의 진동 제어는 진동자의 관성행렬 및 강성행렬을 시스템화하여 제어되고, 상기 관성행렬 및 강성행렬은 동시에 대각화를 만족하는 진동 생성 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 진동 발생 장치는 상기 진동자 양측에 각각 스프링 댐퍼 시스템이 상하로 병렬 배치된 4-바 메커니즘이고, 상기 진동자 중심으로부터 상부 스프링 댐퍼 시스템과 하부 스프링 댐퍼 시스템의 수직 거리는 동일하며, 상부 스프링 댐퍼 시스템의 강성계수(k1)와 하부 스프링 댐퍼 시스템의 강성계수(k2)는 동일한 진동 생성 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 진동자의 진동 주파수(ω)를 결정하고, 상기 상하부 스프링 댐퍼 시스템의 강성계수 및 수직 거리를 설계하여 진동자의 운동을 결정하는 진동 생성 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 진동 발생 장치의 진동자는 단일의 진동자인 것을 특징으로 하는 진동 생성 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 진동자 중심점 하부에 추가의 수직 스프링 댐퍼 시스템을 더 포함하고, 본 발명의 4-바 메커니즘은 편심 모터 또는 압전 진동체로 대체될 수 있는 진동 생성 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 구동 전원을 공급받아 전자기력에 의해 진동을 발생하는 진동 발생 장치로서, 상기 구동 전원을 공급받아 동력을 발생하는 모터, 상기 모터에 연결된 진동 프레임과 연결되며, 상기 모터의 주파수에 따라 진동하는 진동자, 및 상기 진동자 양측에 배치된 복수의 스프링 댐퍼 시스템을 포함하고, 전술한 진동 생성 방법을 이용하는 진동 발생 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 단일 진동자를 이용하여 주파수를 변화시키는 것만으로 원하는 방향의 진동 운동을 생성할 수 있는 진동 장치 또는 시스템의 소형화가 가능하다.
또한, 본 발명은 해석적 설계 기법에 기반하므로, 해석을 통해 얻는 공진 주파수를 이용하는 방법이 아니므로, 원하는 공진 주파수를 갖는 시스템을 직접 설계한다.
또한, 본 발명은 두 개 이상의 공진 주파수를 원하는 곳에 위치시켜, 공진점 뿐만 아니라 그 사이 주파수 대역에서도 원하는 형태의 진동 운동을 가능하게 하며, 구동 주파수 대역에서 균일한 진폭을 낼 수 있다.
또한, 본 발명의 진동 발생 장치 시스템은 공진점들 사이의 주파수 대역에서도 원하는 형태의 진동 운동을 균일한 진폭으로 얻어 가용 주파수 대역을 넓힐 수 있기 때문에, 주파수 변화에 따른 운동 방향 변화의 선형성이 크게 증가되며, 제어성이 용이해지며, 진동 발생 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 진동 발생 장치 시스템은 단일 진동자의 구동으로 다방향 진동이 구현되며, 단순한 속도 제어 시스템만을 필요로 하므로, 다양한 촉감의 전달이 필요한 모바일 기기 및 게임 기기 등의 햅틱 장치의 소형화에 큰 도움이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진동 발생 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 진동 발생 장치를 시스템적으로 모델링한 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치의 각 진동 주파수에 따른 진동의 방향 등을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치의 개념을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치에 있어서, 진동자의 주파수가 변함에 따라 나타나는 변위 운동을 그래프로서 나타낸 것이다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치에 있어서, 진동 발생 장치의 구동 주파수 증가에 따른 진동 중심점의 변화를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 진동 발생 장치의 다른 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 진동 발생 장치의 다른 일 실시 형태에 있어서, 진동자의 구동 주파수 증가에 따른 진동 중심점의 변화를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 9는 종래 기술에 따른 일반적인 햅틱 피드백 장치의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10은 종래 기술에 따른 일반적인 햅틱 피드백 장치의 다른 일례의 개념도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11은 도 10에 도시된 종래 기술에 따른 햅틱 피드백 장치의 각 진동자의 진동 자극이 합성된 것을 그래프로서 나타낸 것이다.
도 12는 종래 기술에 따른 일반적인 햅틱 피드백 장치의 다른 일례로서, 단일의 진동 구동부를 포함하는 햅틱 피드백 장치의 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시된 종래 기술에 따른 단일 진동자 햅틱 피드백 장치의 각 진동 주파수에 따른 진동 자극을 그래프로서 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 단일 진동자를 이용한 다방향 진동 발생 장치 및 그 진동 생성 방법에 대하여 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진동 발생 장치(1)를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 진동 발생 장치(1)는 모터(18)의 구동력을 공급받아, 진동자(12)가 진동되고, 이러한 진동이 출력부(13)를 통해 출력되는 것으로 이해될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 제어기(도시되지 않음)로부터 원하는 진동 방향에 대한 주파수가 결정되며, 제어신호가 앰프(도시되지 않음)를 통해 모터(18)로 전해진다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 모터(18)에는 순차적으로 크랭크(17), 커플러(16) 및 락커(19)가 기계적으로 연결되어 있으며, 상기 제어 신호를 통해 모터(18)가 구동되면, 모터의 진동이 순차적으로 크랭크(17), 커플러(16) 및 락커(19)를 진동시키게 된다.
또한, 상기 락커(19)는 락커 고정부(191)를 통해 진동 프레임(11)과 기계적으로 연결되며, 결과적으로, 모터(18)에서 시작된 진동은 진동 프레임(11)을 진동시킨다.
상기 진동 프레임(11)의 중앙에는 진동자(12)가 배치되어 있으며, 상기 진동자(12)는 진동자의 양 측단에 기계적으로 연결된 스프링(14) 및 댐퍼(15)를 통해 상기 진동 프레임(11)과 기계적으로 연결된다. 본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 스프링 및 댐퍼(14, 15)는 일측에 상하로 2개씩, 총 4개의 스프링 및 댐퍼(14, 15)를 사용하였다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 모터(18)와 4개의 스프링 및 댐퍼(14, 15)가 연결된 진동자(12)를 이용하였지만, 당업자라면 다른 형태의 진동 발생 메커니즘, 예를 들어, 편심 모터 또는 압전 진동자를 사용할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 진동 프레임(11)의 진동은 상기 스프링(14) 및 댐퍼(15)를 통해 진동자(12)에 전달되며, 여기에서, 상기 스프링(14) 및 댐퍼(15)는 특별히 한정되지 않고, 상기 진동 프레임(11)의 진동을 진동자(12)에 전달할 수 있는 탄성체이면 충분하다.
이 때, 진동자(12)의 진동은 스프링(14) 및 댐퍼(15)를 통해 전달받은 외력을 통해 진동되며, 힘 성분에 대한 주파수 응답 특성에 따라 진동자(12)의 진동이 발생된다.
또한, 상기 진동자(12)의 진동은 출력 연결부(131)를 통해 출력부(13)로 전달되며, 최종적으로 상기 출력부(13)를 통해 사용자가 진동을 느끼게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 진동 발생 장치를 시스템적으로 모델링한 것을 개략적으로 나타낸 것으로, 본 발명의 진동 발생 장치(1)의 주요 구성으로서, 진동 프레임(11), 진동자(12), 출력부(13), 스프링 및 댐퍼(14, 15), 모터(18)만을 개략적으로 나타내었다.
또한, 도 3은 상기 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치의 각 진동 주파수에 따른 진동의 방향 등을 개략적으로 나타내었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진동 발생 장치는 모터(18)의 주파수를 각각 3.98Hz, 4.93Hz, 5.41Hz 및 7.00Hz로 변화시켰을 때, 각각 다른 형태의 출력부(13)의 진동 방향이 관찰되었다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치의 개념을 수학적으로 설명하기 위해 그 개념도를 개략적으로 나타내었으며, 설명의 간이화를 위해, 진동 발생 장치(1)의 전체 구성 요소 중 모터(18), 진동 프레임(11), 진동자(12)를 도시하였고, 스프링 및 댐퍼(14, 15)는 이 기술분야에서 사용되는바와 같은 물리학적 기호로 도시하였다.
여기에서, 모터(18)의 진동수는 "ω", 상부 및 하부의 스프링 및 댐퍼(14, 15)의 탄성 계수는 각각 "k1", "k2" 로 나타내며, 진동자(12)의 질량은 "m"으로 나타내었다. 또한, 진동자(12)의 중심으로부터 상부 스프링 및 댐퍼까지의 수직 거리를 "h1", 하부 스프링 및 댐퍼까지의 수직 거리를 "h2"로 나타내었다.
이러한 시스템을 통한 관성 행렬 및 강성 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013061729979-pat00001
,
Figure 112013061729979-pat00002
여기에서, "k1 = k2", "h2 = -h1" 로 설정하면, 이 시스템의 고유 진동수와 모드 벡터를 하기 표와 같이 얻을 수 있다.
[표 1]
Figure 112013061729979-pat00003
또한, 상기 [표 1]에서, 원하는 "1" 과 "2"를 설정하고, 이를 만족하는 "k" 와 "h"를 정하여 스프링 및 댐퍼(14, 15)의 강성 및 설치 위치를 결정할 수 있다.
이와 같은 방법으로 설계된 시스템은 진동자(12)의 진동 주파수가 변함에 따라 하기와 같은 [수학식 2]으로 계산이 가능하다.
[수학식 2]
Figure 112013061729979-pat00004
여기에서, "p"는 락커 고정부(191)의 y좌표를 의미한다.
또한, 도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치 시스템에 있어서, 상기 [수학식 1], [수학식 2] 및 [표 1]의 과정을 통해, 진동자의 주파수가 변함에 따라 나타나는 변위 운동을 그래프로서 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, x축에 따른 변위 "dx" 와 y축에 따른 변위 "dy"를 합성하여, 전체 변위 "d"가 나타난다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 공진점 뿐만 아니라 그 사이 주파수 대역에서도 진동 운동이 나타남을 알 수 있으며, 전체 구동 주파수 대역에서 균일한 진폭이 나타남을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진동 발생 장치 시스템은 대역폭이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 진동 발생 장치에 있어서, 진동 발생 장치의 구동 주파수 증가에 따른 진동 중심점의 변화를 그래프로서 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 진동 발생 장치의 구동 주파수가 증가함에 따라, 진동 중심은 X=0인 Y축을 따라 위-아래-위의 형태로서 이동함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 진동 발생 장치의 다른 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시 형태에서는 진동자(12)의 하부에 Y축 방향으로 스프링을 추가하였다.
또한, 추가된 스프링의 강성 "k3"는 설계하고자 하는 세 번째 주파수 "ω3"을 고려하여 하기와 같은 식을 만족하도록 결정될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013061729979-pat00005
이러한 다른 일 실시 형태 설계에 의한 진동 중심 위치의 변화를 도 8에 도시하였으며, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시 형태는 3개의 진동 모드를 사용하여, 넓은 주파수 대역에 대하여 보다 더 다양한 진동 형태가 가능함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 진동 발생 장치
11 진동 프레임
12 진동자
13 출력부
131 출력 연결부
14 스프링
15 댐퍼
16 커플러
17 크랭크
18 모터
19 락커
191 락커 고정부

Claims (7)

  1. 구동 전원을 공급받아 진동을 발생하는 진동 발생 장치를 제공하는 단계;
    상기 진동 발생 장치의 진동자의 진동을 제어하는 단계를 포함하는 진동 생성 방법으로서,
    상기 진동자의 진동 제어는 진동자의 관성행렬 및 강성행렬을 시스템화하여 제어되고,
    상기 관성행렬 및 강성행렬은 동시에 대각화를 만족하며,
    상기 진동 발생 장치는 상기 진동자 양측에 각각 스프링 댐퍼 시스템이 상하로 병렬 배치된 4-바 메커니즘이고,
    상기 진동자 중심으로부터 상부 스프링 댐퍼 시스템과 하부 스프링 댐퍼 시스템의 수직 거리는 동일하며,
    상부 스프링 댐퍼 시스템의 강성계수(k1)와 하부 스프링 댐퍼 시스템의 강성계수(k2)는 동일하고,
    상기 진동자의 진동 주파수(ω)를 결정하며,
    상기 상하부 스프링 댐퍼 시스템의 강성계수 및 수직 거리를 설계하여 진동자의 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 진동 생성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 발생 장치의 진동자는 단일의 진동자인 것을 특징으로 하는 진동 생성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동자 중심점 하부에 추가의 수직 스프링 댐퍼 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 생성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 4-바 메커니즘은 편심 모터 또는 압전 진동체로 대체되는 것을 특징으로 하는 진동 생성 방법.
  7. 구동 전원을 공급받아 전자기력에 의해 진동을 발생하는 진동 발생 장치로서,
    상기 구동 전원을 공급받아 동력을 발생하는 모터,
    상기 모터에 연결된 진동 프레임과 연결되며, 상기 모터의 주파수에 따라 진동하는 진동자, 및
    상기 진동자 양측에 배치된 복수의 스프링 댐퍼 시스템을 포함하고,
    상기 진동 발생 장치는 제 1 항에 기재된 진동 생성 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 진동 발생 장치.
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