KR101787752B1 - 국부진동이 가능한 햅틱장치 및 햅틱장치의 국부진동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동기의 배치 및 주파수 제어의 방법을 개선하여 햅틱장치의 원하는 위치를 진동시키거나 진동 위치를 조절할 수 있는 국부진동이 가능한 햅틱장치에 관한 것으로, 패널 및 상기 패널에 진동을 전달하는 진동기를 포함하고, 상기 진동기에서 출력되는 진동의 주파수를 상기 패널의 1차 공진 주파수 이하의 영역에서 조절함으로써, 상기 진동기가 배치된 부위에서 상기 패널의 중심부까지의 진동위치가 제어되는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 햅틱장치 패널의 테두리측에 배치되는 진동기의 주파수 조절을 통해 패널의 진동 위치를 정확하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

Description

국부진동이 가능한 햅틱장치 및 햅틱장치의 국부진동 방법 {HAPTTIC APPARATUS AND METHOD OF PARTIAL VIBRATION}

본 발명은 햅틱장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 진동기의 배치 및 주파수 제어의 방법을 개선하여 햅틱장치의 원하는 위치를 진동시키거나 진동 위치를 조절할 수 있는 국부진동이 가능한 햅틱장치 및 그 국부진동 방법에 관한 것이다.

최근 인터페이스의 감성적인 구현 조작성 향상에 대한 요청에 따라 터치윈도우를 구비하는 디스플레이 장치의 보급이 확대되고 있다. 터치윈도우는 마우스와 유사한 포인터 입력장치로, LED나 LCD와 같은 화상표시장치와 연동되어서 움직인다.

상기 터치윈도우는 손으로 직접 위치를 지정하거나 스타일러스 펜과 같은 전용 입력도구를 사용하여 터치윈도우에 접촉한 상태로 포인터를 이동하고 특정 동작을 통해 원하는 지시사항을 입력할 수 있는 장치이다.

이러한 터치윈도우는 주로 시각과 청각을 중심으로 사용자의 감각을 자극하여 직관적인 사용이 가능하도록 하였으나, 최근에는 촉각을 이용한 햅틱(Haptic) 기술을 적용하는 장치가 점점 증가하고 있다.

이러한 햅틱기술은 모바일장치, 모니터나 텔레비전과 같은 디스플레이가 구비된 장치에 광범위하게 적용되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 모바일 장치에 적용된 터치스크린을 나타내는 도면이다. 모바일장치(1)의 전면은 대부분 화상의 구현과 터치입력을 위한 액정표시장치인 터치스크린(2)이 배치되는데, 터치스크린(2)에 나타난 명령을 수행하기 위해 화상에 포인터가 배치되어 사용자의 동작에 따라 움직이게 되고, 원하는 메뉴나 위치에 도달하게 되면 손가락 등으로 두드리는 등의 동작을 통해 명령을 수행하게 된다.

상기 터치스크린(2)의 감성적인 조작성을 향상하기 위해 진동을 발생하는 장치인 진동기(미도시)를 구비하게 되는데, 일반적으로 모바일장치(1)의 본체 내부에 수용되어 본체나 윈도우에 진동을 전달한다.

사용자가 손가락이나 스타일러스 펜 등을 이용하여 특정 부위를 터치함으로써 명령을 입력하면, 정격전압이 흐르는 진동기에 의해 진동이 발생하여 사용자는 진동을 느끼게 된다.

진동기는 진동모터나 선형 액추에이터와 같은 장치가 사용될 수 있고, 이러한 진동기는 스크린이나 본체로 진동을 전달하게 된다.

그런데, 이러한 진동기를 통해서는 단순히 진동을 전달하는 데 그칠 뿐, 햅틱장치의 본래적 의미에 따른 세밀하고 정확한 진동을 제어할 수 있는 기술 개발은 미미한 실정이다.

또한, 진동기의 배치 위치에 따라 스크린의 부위마다 서로 다른 크기의 진동이 발생하는 경우가 많고, 설계배치의 문제로 인해 스크린보다는 기기의 본체부위에서 더 큰 진동이 발생하는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 햅틱장치의 원하는 부위에 진동이 가능한 범위의 주파수 형태를 설정함으로써 패널의 국부진동과 진동 위치의 이동이 가능한 국부진동이 가능한 햅틱장치와 햅틱장치의 국부진동 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 햅틱장치의 전 영역에 걸쳐 원하는 위치에 국부진동이 가능하도록 진동기의 종류 및 배치관계를 개선함으로써 국부진동과 진동 위치의 이동 및 바람직하지 않은 부위의 진동을 제거할 수 있는 햅틱장치와 햅틱장치의 국부진동 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 패널 및 상기 패널에 진동을 전달하는 진동기를 포함하고, 상기 진동기에서 출력되는 진동의 주파수를 상기 패널의 1차 공진 주파수 이하의 영역에서 조절함으로써, 상기 진동기가 배치된 부위에서 상기 패널의 중심부까지의 진동위치가 제어되는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 햅틱장치 패널의 테두리측에 배치되는 진동기의 주파수 조절을 통해 패널의 진동 위치를 정확하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 진동기는 상기 패널의 테두리를 따라 3개 이상이 배치되고, 각각의 진동기로부터 발생하는 진동을 통해 상기 패널의 특정 위치에 진동을 제어할 수 있는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 복수의 진동기를 통해 패널의 원하는 위치에 진동을 국부화시킬 수 있고, 또한 진동 위치를 이동시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 패널은 직사각형의 평판 형상으로 이루어지고, 상기 진동기는 상기 패널의 각각의 테두리부의 중심부위에 진동을 전달하도록 배치되는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 각각의 테두리부의 중심이 진동점이 되므로 정확한 위치에 진동을 제어할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 패널은 직사각형의 평판 형상으로 이루어지고, 상기 진동기는 상기 패널의 각각의 모서리부에 진동을 전달하도록 배치되는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 각각의 모서리 부위가 진동점이 되므로, 햅틱장치의 전 영역에 걸쳐 정확한 진동 위치 제어가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 진동기에 인가되는 전압의 주파수는 삼각 파형인 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 삼각 파형의 형태를 적절하게 선택하여 1차 공진주파수 성분이 없는 진동이 발진될 수 있으므로 정확한 진동 위치 제어가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 삼각 파형의 대칭비는 스펙트럼 분석시 상기 패널의 1차 공진 주파수에 해당하는 주파수 성분이 나타나지 않는 모양에서 선택되는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 정확한 국부진동이 가능한 가진 주파수의 모양 선택이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 복수의 진동기로부터의 진동은 상호간에 보강하거나 상쇄되어 상기 패널의 특정부위를 진동하거나 진동을 제거하는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 복수의 진동기를 통해 원하는 위치나 영역에 원하는 크기의 진동을 나타낼 수 있고, 바람직하지 않은 부위의 진동을 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 복수의 진동기 중 어느 하나의 진동기는 상기 패널의 특정부위를 진동하고, 나머지 진동기 중 적어도 어느 하나의 진동기는 나머지 부위의 진동을 상쇄하여 제거하는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 바람직하지 않은 부위의 진동을 제거하여 촉감을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 진동기는 압전식 진동기인 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 진동효율이 높으며 주파수에 따른 제어가 정확하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 진동기는 진동빔의 양단이 지지되는 바이모프 방식의 압전식 진동기인 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 구조가 단순하고 진동효율이 우수하다.

또한, 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는, 상기 진동빔은 상기 패널의 테두리부의 하면측에 평행하게 배치되고, 상기 진동빔의 중심부가 상기 테두리부의 중심에 진동을 전달하도록 연결되는 국부진동이 가능한 햅틱장치를 제공한다. 따라서, 변위가 가장 큰 진동기의 부위가 테두리부의 중심에 진동을 전달하므로 패널의 진동 성능이 높고 진동의 제어가 정확히 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법은, 패널의 1차 공진 주파수를 결정하는 단계, 상기 패널 테두리부의 하면에 진동기를 연결하는 단계 및 상기 진동기를 상기 1차 공진 주파수 이하의 주파수로 진동시켜 상기 패널의 중심부와 상기 테두리부 사이의 특정 위치를 진동하는 단계를 포함하는 햅틱장치의 국부진동 방법을 제공한다. 따라서, 다양한 종류의 패널에 원하는 위치의 진동 제어가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법은, 상기 진동기를 연결하는 단계에서 테두리부에 복수의 진동기가 연결되고, 상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 두 개 이상의 진동기를 진동시켜 상기 패널의 특정 위치를 진동하는 햅틱장치의 국부진동 방법을 제공한다. 따라서, 패널의 다양한 위치에 진동을 발생할 수 있고, 진동의 위치를 이동시켜 촉감 성능의 향상이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법은, 상기 진동기를 연결하는 단계에서 각각의 테두리부에 진동기가 연결되고, 상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 하나의 진동기는 상기 패널을 진동하고, 나머지의 진동기 중 적어도 어느 하나의 진동기는 상기 패널의 특정 위치를 제외한 부위의 진동을 상쇄하여 제거하는 햅틱장치의 국부진동 방법을 제공한다. 따라서, 바람직하지 않은 부위의 진동을 제거할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법은, 상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 진동기를 시차를 두고 주파수를 변화하면서 진동시켜 진동 위치를 이동하는 단계를 더 포함하는 햅틱장치의 국부 진동 방법을 제공한다. 따라서, 진동위치를 이동시켜 햅틱 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법은, 상기 진동기를 연결하는 단계에서 테두리부에 복수의 진동기가 연결되고, 상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 어느 하나의 진동기를 진동시켜 특정 위치를 진동시킨 이후, 시차를 두고 다른 하나의 진동기를 진동시켜 진동 위치를 이동하는 단계를 더 포함하는 햅틱장치의 국부진동 방법을 제공한다. 따라서, 원하는 모양으로 진동 위치를 이동시킴으로써 다양한 느낌의 진동을 전달할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법은, 상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 진동기에 인가되는 전압을 삼각 파형의 주파수로 입력하는 단계를 더 포함하는 패널의 국부진동 방법을 제공한다. 따라서, 1차 공진 주파수 성분을 제거한 입력 진동이 사용될 수 있으므로 정확한 국부진동이 가능한 이점이 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치와 햅틱장치의 국부진동 방법은, 햅틱장치 패널의 1차 고유 주파수 범위 이내에서 가진 주파수를 설정하고 진동이 전달되는 위치를 햅틱장치의 가장자리에 배치함으로써 원하는 위치에 진동을 발생시키거나 이동시킬 수 있어 사용자의 감각적인 만족감이 극대화될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 터치스크린을 구비한 모바일장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 햅틱장치 패널의 고유 주파수를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 개념에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 진동 영역의 이동을 도식적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 개념에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 패널의 모서리에 진동기가 배치된 경우의 진동 영역을 도식적으로 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 개념에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 패널의 테두리에 진동기가 배치된 경우의 진동 영역을 도식적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 진동기 위치의 예를 도시한 평면도.
도 7은 입력 파형이 사각파인 경우를 시간 영역에서 나타낸 그래프.
도 8은 입력 파형이 사각파인 경우를 주파수 영역에서 스펙트럼 분석하여 나타낸 그래프.
도 9는 입력 파형이 완전 비대칭의 삼각파인 경우를 시간 영역에서 나타낸 그래프.
도 10은 입력 파형이 완전 비대칭의 삼각파인 경우를 주파수 영역에서 스펙트럼 분석하여 나타낸 그래프.
도 11은 입력 파형이 비대칭의 삼각파인 경우를 시간 영역에서 나타낸 그래프.
도 12는 입력 파형이 비대칭의 삼각파인 경우를 주파수 영역에서 스펙트럼 분석하여 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 상하방향으로의 진동위치가 이동하는 개념을 나타낸 평면도.
도 14는 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 좌우방향으로의 진동위치가 이동하는 개념을 나타낸 평면도.
도 15는 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 상방 및 측방으로의 진동위치가 이동하는 개념을 나타낸 평면도.
도 16은 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 원형으로의 진동위치가 이동하는 개념을 나타낸 평면도.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치 및 햅틱장치의 국부진동 방법을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 햅틱장치에 배치되는 패널의 고유 주파수를 나타내는 그래프이다.

본 발명에서 햅틱장치는 터치에 의해 진동 피드백을 전달하거나 진동을 출력하는 패널을 포함한다. 이하, 본 발명의 개념에서는 상기 햅틱장치의 패널은 진동방식의 햅틱기술이 적용된 패널 형태라면 다양한 디스플레이 방식의 터치스크린 또는 단순히 디스플레이만 구현하는 패널에도 적용되며, 또한 영상이 구현되지 않는 경우라도 햅틱기술에 의해 진동에 의한 촉감이 전달되는 다양한 패널의 형태에 적용될 수 있음에 유의하여야 한다. 또한, 상기 패널은 일반적으로 평판 형상으로 이루어지지만, 햅틱장치의 전체 형상에 따라 곡면 또는 입체 형상 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있음은 물론이다.

햅틱장치의 패널은 외관에서 평판 형상으로 이루어지지만, 다양한 소재와 부품이 결합되어 이루어져 있으므로, 복수의 공진 주파수(Resonant frequency)를 가지는 것이 일반적이다.

따라서, 도 2에는 햅틱장치의 패널이 여러 단계의 주파수 영역대에서 공진 주파수를 가지는 모습이 나타난다. 이때, 가장 낮은 주파수 영역대에서의 공진 주파수를 1차 공진 주파수(A)로 정의한다. 도 2의 그래프에서 가로축은 주파수(Frequency)를 나타내고 세로축은 크기(Magnitude)를 의미한다.

그래프에서 주파수의 변화에 따라 그 진폭이 비약적으로 크게 나타나는 부분 즉, 공진하는 부분이 공진 주파수를 의미하고, 도면에서 1차 공진 주파수(A)는 약 257Hz에서 나타난다.

다만, 도 2에 나타난 공진 주파수는 선택된 햅틱장치에 대한 예시이며, 햅틱장치의 재질, 배치관계 및 질량에 따라 다른 범위의 1차 공진 주파수가 나타날 수 있다. 또한, 상기 햅틱장치의 패널이 케이스, 브라켓 또는 주변장치와 결합되는 경우, 상기 주파수는 패널 자체의 공진 주파수를 의미할 수 있고, 결합된 부재들과의 계(System) 전체의 공진 주파수를 의미할 수도 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 개념에 따라 상기한 1차 공진 주파수는 햅틱장치의 국부진동을 위해 의미를 가지며, 이러한 개념은 도 3을 기초로 구체적으로 설명된다.

도 3은 본 발명의 햅틱장치의 주파수에 따른 진동 영역의 이동을 도식적으로 나타내는 도면이다.

햅틱장치의 패널(10)은 대략 직사각 형상의 판재로서, 도 3에서는 상면에서 바라본 모습을 도시한다. 이하, 도시된 바를 기준으로 진동기(20)가 배치된 하측의 가장자리를 제1테두리(11)로 정의하고, 그로부터 반시계 방향으로 각각의 가장자리를 제2테두리(12), 제3테두리(13) 및 제4테두리(14)로 정의하여 사용한다. 다만, 상기 햅틱장치의 패널(10)은 원형이나 다각형상 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있음은 물론이다.

본 발명의 개념에 따라 진동기(20)로부터 출력되는 가진 주파수는 1차 공진 주파수 이하의 영역에서 조절된다.

1차 공진 주파수가 의미를 가지는 이유는, 1차 공진 주파수보다 높은 영역에서의 공진 주파수가 설정되는 경우, 진동기로부터 출력되는 가진 주파수가 설정된 공진 주파수 이하의 영역에서 조절되므로, 설정된 공진 주파수 이하의 범위에서 공진 주파수가 나타나는 되면 이하 살펴볼 바와 같이 설정된 공진 주파수 이하에서 패널의 중심부에 진동 위치가 도달하게 되고, 결국 진동 위치의 제어에 적절하지 않게 됨을 의미하기 때문이다.

보다 구체적으로는, 도 6의 (a)와 같이, 가진 주파수가 1차 공진 주파수에 대해 상대적으로 낮을 때는 햅틱장치의 패널(10)의 상면에서 진동이 가장 크게 일어나는 진동 중심(31)은 진동점(41)에 인접한 부위에서 나타난다.

도 6의 (b)는 (a)의 경우보다 가진 주파수를 높였을 때의 진동 중심(31)과 진동 영역(30)을 나타내는데, 상대적으로 진동 중심(31)이 제1테두리(11)에서 햅틱장치의 패널(10)의 중심부 방향으로 이동하였음을 이해할 수 있다.

도 6의 (c)는 가진 주파수가 1차 공진 주파수와 같을 때의 진동을 나타내는데, 진동 중심(31)이 햅틱장치의 패널(10)의 중심부와 일치하게 된다.

즉, 햅틱장치의 패널(10) 상에서 진동 중심(31)은 주파수가 낮을 때는 진동점(41)에 인접하여 형성되고, 주파수가 높아질수록 햅틱장치의 패널(10)의 중심 방향으로 이동하며, 주파수가 1차 공진 주파수와 일치하는 경우에는 패널의 중심부에 진동 중심(31)이 형성된다.

따라서, 진동기(20)의 가진 주파수를 햅틱장치의 패널(10)의 1차 공진 주파수 이하의 영역에서 조절함으로써, 햅틱장치의 패널(10)의 테두리부에서 중심부까지 진동 영역을 이동시켜 진동위치를 제어할 수 있는 개념이 제시된다.

또한, 도 4는 진동점이 모서리부위에 형성될 때의 진동을 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 4에서는 진동점이 제1테두리(11)와 제4테두리(14)에 의해 형성되는 모서리의 부위에 형성되고, 이 경우 진동 중심(31)은 가진 주파수가 낮을 때는 햅틱장치의 패널(10)의 모서리 부위에 인접하여 형성되고, 주파수가 높아질수록 햅틱장치의 패널(10)의 중심부 측으로 이동하게 된다.

한편, 도 5는 진동점이 높이방향의 테두리부위에 형성될 때의 진동을 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 5에서는 진동점이 제2테두리(12)의 중심에 위치하게 되고, 이 경우 진동 중심(31)은 가진 주파수가 낮을 때는 제2테두리(12)에 인접하여 형성되고, 주파수가 높아질수록 햅틱장치의 패널(10)의 중심부 측으로 이동하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치의 진동기의 배치를 나타내는 평면도이다.

도 6의 (a)는 진동점들이 각각의 테두리의 중심에 형성될 때의 진동기의 배치를 나타내고, (b) 및 (c)는 진동점들이 모서리에 형성될 때의 진동기의 배치에 대한 예를 나타낸다.

본 발명의 개념에 따라, 햅틱장치의 패널(10)의 특정 위치에 진동을 발생하기 위해서는 3개 이상의 진동기가 배치된다. 따라서, 각각의 진동기로부터의 진동을 사용하여, 원하는 위치에 진동을 발생시키거나 진동 위치를 이동할 수 있게 된다.

바람직하게는 상기 진동기는 4개가 배치되고, 햅틱장치의 패널(10)이 직사각 형상을 이루는 경우 진동기에 의한 진동 중심인 진동점은 각각의 테두리 또는 모서리에 형성될 수 있다.

상기 진동기는 특정한 부위에 진동점을 형성할 수 있다면 진동 모터 또는 선형 진동기 등 다양한 진동기 중에서 선택되어 사용될 수 있지만, 정밀한 진동제어가 가능한 압전소자(Piezoelectric element) 방식의 진동기가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 압전방식의 진동기는 압전 또는 자기 비틀림 효과를 이용하여 진동부의 진동을 얻는 방식으로서, 본 발명의 개념에 따른 진동기의 경우 압전소자에 단부가 지지되어 가진하는 진동빔 방식의 압전진동기(PZT beam actuator)가 사용된다.

상기 진동빔 방식의 진동기는 일단부가 지지되는 일단 지지방식이 적용될 수도 있지만, 더욱 바람직하게는 진동효율을 극대화하면서도 정확한 진동 제어가 가능하도록 하기 위해 양단 지지방식의 바이모프 압전(Bimorph PZT) 진동기가 사용된다.

또한, 상기 바이모프 압전 진동기에서 진동점은 진동빔의 중심부위에서 변위가 가장 크게 일어나기 때문에 진동기 중심부에 형성된다. 더욱 정확하게는, 상기 햅틱장치의 패널(10)과 바이모프 압전 진동기의 중심부가 상호 연결되어 진등을 전달하고 이 점이 상기한 진동점이 되는 것이다.

도 6의 (a)에서는 테두리부에 진동기가 배치된 예를 나타내는데, 바이모프 압전 진동기의 진동점이 각각의 테두리부의 중심에 형성된다.

각각의 테두리(11, 12, 13, 14)에는 진동기(21, 22, 23, 24)가 배치되고, 더욱 정확하게는 각각의 테두리부와 평행하게 진동빔이 배치된 진동기가 배치되고, 각각의 진동기의 중심부에서 햅틱장치의 패널(10)과 연결되어 진동점(41, 42, 43, 44)이 형성된다.

한편, 도 6의 (b) 및 (c)에서는 진동점이 모서리부에 형성된 것을 도시한 도면이다.

4개의 진동점은 도 6과 같이 각각의 테두리부의 중심에 형성되거나, 각각의 모서리부에 형성되는 경우 햅틱장치의 패널(10)의 특정 위치에서 국부진동 제어가 가능하다.

그런데, 상기 진동기(21, 22, 23, 24)가 선형 진동기, 진동모터나 일단 지지방식의 압전 진동기를 이용하는 경우에는 상기의 두 가지 경우에 모두 적용이 가능하나, 바이모프 압전 진동기를 사용하는 경우에는 도 6의 (b) 및 (c)와 같이 진동기의 배치에 어려움이 존재한다. 특히, 모바일장치와 같이 소형화가 요청되는 장치의 경우에는 바이모프 압전 진동기의 햅틱장치의 모서리부위 진동의 전달을 위한 배치는 적용되는 데 한계가 있다.

따라서, 바이모프 압전 진동기가 햅틱장치의 테두리부에 평행하게 배치되고, 그 중심에서 햅틱장치와 연결되어 각각의 테두리부의 중심에서 진동점을 형성하게 되는 것이 바람직하다.

다만, 바이모프 압전 진동기의 경우에도 각각의 모서리부에 배치될 수 있음은 물론이다.

상기에서 설명한 햅틱장치와 진동기의 배치에 따른 진동부위의 제어는 후술하기로 한다.

한편, 햅틱장치의 1차 공진 주파수를 이용한 정확한 진동 부위의 제어를 위해서는 진동기에 의해 전달되는 진동의 주파수의 파형을 고려할 필요가 있다. 이하, 압전소자에 인가되는 전압의 주파수를 기준으로 출력 주파수를 살펴본다.

도 7 및 도 8에서는 사각파형을 나타내고, 도 9 및 도 10에서는 대칭비가 1:0인 삼각파형을 나타내며, 도 11 및 도 12에서는 대칭비가 9:1인 삼각파형을 나타낸다.

도 7, 9 및 11에서 가로축은 초(Second) 스케일의 시간(Time)축을 나타내고, 세로축은 인가되는 입력의 전압(Volatage) 스케일의 크기(Amplitute)축을 나타낸다.

또한, 도 8, 10, 및 12는 y=f(t) 즉, 시간에 대한 전압의 함수를 주파수에 대한 크기의 함수 |Y(f)|로 변환한, 스펙트럼 분석의 그래프이다. 각각의 도면에서 우측 도면은 오실로스코프에 의한 스펙트럼 결과를 나타낸다.

도 7은 사각파(Square Wave)를 나타내는데, 여기서 주파수에 대한 함수로 나타낸 스펙트럼에서, 257Hz성분에 해당하는 주파수가 나타나게 된다. 이러한 모습은 도 8의 우측 도면의 점선 영역에서 명확하게 나타난다.

따라서, 사각파형을 진동기에 인가되는 전압의 주파수로 사용하는 경우, 햅틱장치의 진동은 이루어지나, 진동점의 진동의 주파수가 1차 공진 주파수 모드를 포함하게 되어 진동점과 실제 원하는 진동 중심의 진동의 차이가 없게 되므로 국부진동의 목적을 달성할 수 없다.

또한, 도 8은 삼각파(Ramp Wave)를 나타내는데, 특히 대칭비가 1:0인 즉, 100% 비대칭성을 가진 삼각 파형을 나타낸다. 이러한 완전 비대칭의 삼각파형의 스펙트럼 분석 결과를 나타내는 도 10을 살펴보면, 점선 영역에서 확인되듯이 257Hz의 주파수 성분이 나타나게 되고, 사각파와 마찬가지로 진동점의 진동의 주파수가 1차 공진 주파수 모드를 포함하게 되어 국부진동의 목적을 달성할 수 없다.

한편, 도 9는 삼각파형을 나타내는데, 특히 대칭비가 9:1인 경우를 나타낸다. 이 경우 스펙트럼 분석 결과를 살펴보면 257Hz의 주파수 성분이 나타나지 않게 되어, 원하는 국부진동의 목적을 달성할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 개념에 따라 국부진동이 가능한 햅틱장치의 진동 제어를 위한 입력 파형은 삼각파형이 바람직하다.

다만, 상기한 바와 같이 상기 1차 공진 주파수는 선택된 햅틱장치에 대한 예시이며, 햅틱장치나 햅틱장치의 패널의 재질, 배치관계 및 질량에 따라 다른 범위의 1차 공진 주파수가 나타날 수 있고, 이 경우 상기한 삼각파형의 대칭비는 수정되어야 한다.

즉, 상기 진동기에 인가되는 입력 전압의 주파수의 파형의 대칭비는, 스펙트럼 분석시 햅틱장치 또는 디스플레이 계(System)의 1차 공진 주파수 영역의 성분이 나타나지 않는 모양에서 선택될 수 있는 것이다.

다만, 특정 파형을 가진 주파수에서 스펙트럼 분석시 1차 공진 주파수 영역보다 낮은 주파수에서 큰 크기를 가지고, 1차 공진 주파수 영역의 성분이 상대적으로 작은 크기를 나타낸다면 이러한 파형의 주파수는 입력 파형으로서 사용될 수 있다.

또한, 1차 공진 주파수 영역의 성분이 나타나지 않는 경우라면 삼각파형과 다른 형상의 주파수를 입력파형으로 선택할 수 있음은 물론이다.

도 13 내지 도 16은 본 발명의 개념에 따라 햅틱장치의 진동 위치 제어를 하는 다양한 예를 나타내는 평면도이다.

도 13은 진동 중심이 제1테두리에서 제3테두리방향으로 이동하는 것을 나타내는 평면도이다.

상술한 바와 같이, 햅틱장치의 패널(10)은 하측에서부터 반시계 방향으로 제1테두리(11), 제2테두리(12), 제3테두리(13) 및 제4테두리(14)를 구비하고 진동기(21, 22, 23, 24)가 각각의 테두리부에 평행하게 배치된다. 또한, 상기 진동기는 중심부에서 상기 테두리부들과 연결되어 진동점(41, 42, 43, 44)를 형성한다.

여기서, 'X'로 표시된 부위는 진동 중심(31) 즉, 원하는 진동위치를 나타내며, 화살표는 진동 중심(31)의 이동 경로를 나타낸다.

진동 중심을 제1테두리(11)에서 제3테두리(13) 측으로 이동하는 과정을 설명하면, 제1진동기(21)를 햅틱장치의 패널(10)의 1차 공진 주파수보다 작은 영역에서 점점 주파수를 높여가며 진동을 전달하면 제1테두리(11)에 인접하여 형성된 진동 중심(31)이 점차적으로 햅틱장치의 패널(10)의 중심부로 이동하게 된다.

제1진동기(21)의 가진 주파수가 1차 공진 주파수와 같아지면 진동 중심(31)은 패널의 중심부에 위치하게 되고, 이때 제1진동기(21)에 인가되는 전압을 차단하고 제3진동기(23)에 인가되는 전압의 주파수를 1차 공진 주파수로부터 점점 낮춰가면, 중심부에 형성된 진동 중심(31)은 점차적으로 제3테두리(13) 측으로 이동하게 된다.

진동 중심(31)을 제3테두리(13)로부터 제1테두리(11) 측으로 이동시키는 방법은 상기한 바와 역순이므로 이하 생략한다.

또한, 도 14는 제2테두리와 제4테두리 사이에서 진동 중심이 이동하는 모습을 나타내는 평면도이다.

도 13의 예에서 설명한 바와 마찬가지로 제2진동기(22)와 제4진동기(24)의 가진 주파수를 1차 공진 주파수 이하의 영역에서 조절하면, 진동 중심은 제2테두리(12)와 제4테두리(14) 사이 즉, 가로 방향으로 이동할 수 있게 된다.

또한, 도 15는 제1테두리와 제2테두리 사이에서 진동 중심이 이동하는 모습을 나타내는 평면도이다.

제1테두리(11) 측에서 진동 중심(31)이 햅틱장치의 패널(10)의 중심부까지 이동하는 과정은 도 13의 예와 같지만, 진동 중심(31)이 패널의 중심부에 도달한 경우, 제2진동기(22)의 가진 주파수를 1차 공진 주파수로부터 점점 낮춰가는 과정을 통해 제2테두리(12) 방향으로 진동 위치를 이동시킬 수 있게 되는 것이다.

이러한 과정에 따라 이동하는 진동의 경로는 대략 'ㄱ'자 내지는 반전된 'ㄱ'자 형상을 하게 된다.

또한, 도 16은 진동 중심이 원형으로 이동하는 모습을 나타내는 평면도이다.

햅틱장치의 패널(10)의 중심부에서 제3테두리(13) 측으로 소정 거리 이격된 부위에 진동 중심(31)이 형성되도록 제3진동기(23)에 소정 주파수의 전압을 인가하고, 시간 간격을 두고 제2진동기(22)에 동일한 전압을 인가하고, 순차적으로 제1진동기(21) 및 제4진동기(24)로 진동하는 방식으로 진동 위치를 이동시키면, 시간 차이를 두고 진동 중심(31)이 시계방향으로 이동하게 된다.

상기와 같은 진동 위치를 연결하면 사각 형상을 이루게 되지만, 상기와 같이 진동 중심(31)이 이동하는 경우 촉감적으로는 진동위치가 회전하는 것으로 인지될 수 있음에 유의하여야 한다.

한편, 상기에서는 1개의 진동기에 의해 원하는 위치를 진동하거나 순차적으로 진동 위치를 이동시키는 경우가 설명되었지만, 2개 이상의 진동기에 의한 진동의 간섭을 이용하여 진동을 보강 또는 상쇄하는 방법이 제안된다.

도 3을 참고하면, 진동기에 의해 소정의 진동 중심(31)이 형성되지만, 그 중심을 기준으로 주변에는 진동 영역(30)이 발생한다. 상기 진동 영역(30)은 진동 중심(31)에 비해 변위가 작지만, 진동 위치의 정확한 제어를 위해 상기 진동 중심(31) 외의 영역에서는 진동이 제거될 필요성이 제기된다.

따라서, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 하나의 진동기는 상기 패널을 진동하고, 나머지의 진동기 중 적어도 어느 하나의 진동기는 상기 패널의 특정 위치를 제외한 부위의 진동을 상쇄하여 제거할 수 있다. 이와 같이 상쇄하는 개념은 위상이 반대이고 동일한 크기의 주파수를 대향하는 부위에서 발진함으로써 이루어질 수 있다.

또한, 2개 이상의 진동기를 동시에 발진하여 간섭에 의한 파장의 보강을 통해 진동을 더욱 극대화할 수도 있다. 이러한 개념에 따르는 경우, 2개의 진동기에 의해 발생한 진동 영역(30)의 교차되는 부위에서는 진동이 보강되어 진동이 더욱 커지도록 할 수도 있고, 특정 점이 아닌 특정 라인 또는 영역을 따라 감지할 수 있는 진동이 발생하도록 제어할 수도 있음은 물론이다.

상기한 바와 같이, 햅틱장치 패널의 테두리부에 진동점을 형성하여 각각 1차 공진 주파수 이하의 범위에서 가진 주파수를 조정하게 되면, 햅틱장치의 원하는 위치에 진동을 발생시킬 수 있고, 진동 위치를 조절할 수 있으며 또한 2개의 부위 이상의 부위에서 멀티진동도 발생시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 개념에 따른 국부진동이 가능한 햅틱장치는 종래기술과 달리 패널의 대부분의 영역에 걸쳐서 원하는 위치에 진동을 발생시키거나 이동시킬 수 있어 사용자의 편의가 극대화되고 다양한 출력을 효과적으로 발생시킬 수 있는 이점을 가지게 된다.

다만, 본 발명의 실시예에서는 각각의 테두리의 중심에 진동위치가 설정되도록 진동기가 배치되지만, 더욱 정밀한 진동위치 제어를 위해 각각의 테두리에 진동기가 2개 이상이 배치될 수도 있고, 테두리부보다 중심부에 인접한 부위에도 진동점이 형성될 수도 있음은 물론이다.

한편, 본 발명의 개념에 따른 햅틱장치의 국부진동 방법을 상기된 바를 기초로 설명하면, 햅틱장치 패널의 1차 공진 주파수를 결정하는 단계, 상기 햅틱장치 패널 하면의 테두리부 중심에 진동기를 연결하는 단계 및 상기 진동기를 상기 1차 공진 주파수 이하의 주파수로 가진하여 상기 햅틱장치 패널의 중심부와 상기 테두리부 사이의 특정 위치를 진동하는 단계로 이루어질 수 있다. 따라서, 가진 주파수가 높아질수록 진동 위치는 테두리부에서 햅틱장치 패널의 중심부로 이동할 수 있게 된다. 이를 이용하면, 시차를 두고 가진 주파수를 변경함에 따라 진동 위치를 이동시키는 개념이 제공된다.

바람직하게는, 상기 진동기를 연결하는 단계에서 각각의 테두리부에 진동기가 연결되고, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 두 개의 진동기를 진동하여 상기 패널의 특정 위치를 진동하도록 할 수 있다. 이 경우, 복수의 진동기를 통하여 멀티진동이 가능하고 이를 이용하여 특정 라인이나 영역에만 진동을 발생하도록 할 수도 있다. 이를 통하여 서로 다른 진동기를 시차를 두고 진동시키면, 진동위치를 이동할 수 있게 되고, 햅틱장치의 전 영역에 걸쳐 원하는 모양으로 진동 위치를 이동시킬 수 있는 것이다.

또한, 상기 진동기를 연결하는 단계에서 각각의 테두리부에 진동기가 연결되고, 상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 하나의 진동기는 상기 패널을 진동하고, 나머지의 진동기 중 적어도 어느 하나의 진동기는 상기 패널의 특정 위치를 제외한 부위의 진동을 상쇄하여 제공한다.

더욱 구체적으로, 도 3을 참고하여 설명하면, 예를 들어 제1진동기(21)에 의해 제1테두리(11)와 패널의 중심부 사이에 형성된 진동은 진동 중심(31) 뿐만 아니라 진동 영역(30) 전반에 형성될 수 있다. 상기 진동 중심(31)에서만 감각할 수 있는 피크값의 진동이 나타나는 경우에는 진동 중심(31) 외의 영역에서의 진동은 무시될 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 이러한 바람직하지 않은 진동을 제거하여야 할 필요성이 있다. 제1진동기(21) 외의 진동기를 가진하여 상기 진동을 제거할 수 있고, 이때의 나머지 진동기의 주파수는 제1진동기(21)로 부터의 진동과 크기가 같고 위상이 반대인 주파수가 될 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 특정 위치를 진동하는 단계는 상기 진동기에 인가되는 전압을 삼각 파형의 주파수로 입력하는 단계를 더 포함함으로써 1차 공진 주파수 성분이 나타나는 주파수를 제거함으로써 정확한 진동이 가능하도록 할 수 있다.

본 발명에서는 직사각 형상의 햅틱장치를 예로 설명하였지만, 상기한 바와 같이 상기 햅틱장치의 형상은 필요에 따라 다양한 형상으로 이루어질 수 있고, 적절한 위치에 진동기가 배치되고 개별 진동기의 주파수의 변화 및 상호간의 작용에 의하여 진동 위치를 제어할 수 있다. 또한, 햅틱장치는 다양한 종류의 영상이 표시되는 패널은 물론, 영상이 표시되지 않더라도 촉감을 제공하는 패널이라면 본 발명의 권리범위에 포함되어야 하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

10...햅틱장치 패널 11...제1테두리
12...제2테두리 13...제3테두리
14...제4테두리 20...진동기
21...제1진동기 22...제2진동기
23...제3진동기 24...제4진동기
30...진동 영역 31...진동 중심
41...제1진동점 42...제2진동점
43...제3진동점 44...제4진동점

Claims (17)

1. 패널; 및
   상기 패널에 진동을 전달하는 진동기;를 포함하고,
   상기 진동기에서 출력되는 진동의 주파수를 상기 패널의 1차 공진 주파수 이하의 영역에서 조절함으로써, 상기 진동기가 배치된 부위에서 상기 패널의 중심부까지의 진동위치가 제어되며,
   상기 패널의 1차 공진 주파수는 여러 단계의 주파수 영역대에 형성된 공진 주파수들 중 가장 낮은 주파수 영역대에서의 공진 주파수인 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 진동기는 상기 패널의 테두리를 따라 3개 이상이 배치되고, 각각의 진동기로부터 발생하는 진동을 통해 상기 패널의 특정 위치에 진동을 제어할 수 있는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 패널은 직사각형의 평판 형상으로 이루어지고,
   상기 진동기는 상기 패널의 각각의 테두리부의 중심부위에 진동을 전달하도록 배치되는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 패널은 직사각형의 평판 형상으로 이루어지고,
   상기 진동기는 상기 패널의 각각의 모서리부에 진동을 전달하도록 배치되는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동기에 인가되는 전압의 주파수는 삼각 파형인 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 삼각 파형의 대칭비는 스펙트럼 분석시 상기 패널의 1차 공진 주파수에 해당하는 주파수 성분이 나타나지 않는 모양에서 선택되는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 진동기로부터의 진동은 상호간에 보강하거나 상쇄되어 상기 패널의 특정부위를 진동하거나 진동을 제거하는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 진동기 중 어느 하나의 진동기는 상기 패널의 특정부위를 진동하고, 나머지 진동기 중 적어도 어느 하나의 진동기는 나머지 부위의 진동을 상쇄하여 제거하는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동기는 압전식 진동기인 국부진동이 가능한 햅틱장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 진동기는 진동빔의 양단이 지지되는 바이모프 방식의 압전식 진동기인 국부진동이 가능한 햅틱장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 진동빔은 상기 패널의 테두리부의 하면측에 평행하게 배치되고, 상기 진동빔의 중심부가 상기 테두리부의 중심에 진동을 전달하도록 연결되는 국부진동이 가능한 햅틱장치.
    
12. 패널의 1차 공진 주파수를 결정하는 단계;
    상기 패널 테두리부의 하면에 진동기를 연결하는 단계; 및
    상기 진동기를 상기 1차 공진 주파수 이하의 주파수로 진동시켜 상기 패널의 중심부와 상기 테두리부 사이의 특정 위치를 진동하는 단계를 포함하며,
    상기 패널의 1차 공진 주파수를 결정하는 단계에서 상기 패널의 1차 공진 주파수는 여러 단계의 주파수 영역대에 형성된 공진 주파수들 중 가장 낮은 주파수 영역대에서의 공진 주파수인 햅틱장치의 국부진동 방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 진동기를 연결하는 단계에서 테두리부에 복수의 진동기가 연결되고,
    상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 두 개 이상의 진동기를 진동시켜 상기 패널의 특정 위치를 진동하는 햅틱장치의 국부진동 방법.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 진동기를 연결하는 단계에서 각각의 테두리부에 진동기가 연결되고,
    상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 복수의 진동기 중 선택된 어느 하나의 진동기는 상기 패널을 진동하고, 나머지의 진동기 중 적어도 어느 하나의 진동기는 상기 패널의 특정 위치를 제외한 부위의 진동을 상쇄하여 제거하는 햅틱장치의 국부진동 방법.
    
15. 제12항에 있어서,
    상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 진동기를 시차를 두고 주파수를 변화하면서 진동시켜 진동 위치를 이동하는 단계;를 더 포함하는 햅틱장치의 국부 진동 방법.
    
16. 제12항에 있어서,
    상기 진동기를 연결하는 단계에서 테두리부에 복수의 진동기가 연결되고,
    상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 어느 하나의 진동기를 진동시켜 특정 위치를 진동시킨 이후, 시차를 두고 다른 하나의 진동기를 진동시켜 진동 위치를 이동하는 단계;를 더 포함하는 햅틱장치의 국부진동 방법.
    
17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 특정 위치를 진동하는 단계는, 상기 진동기에 인가되는 전압을 삼각 파형의 주파수로 입력하는 단계;를 더 포함하는 패널의 국부진동 방법.

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