[논문]양방향 정전기력 구동 구조에 기반한 고출력 햅틱 진동 액추에이터 모듈 및 인터페이스 개발

김재익; 이재경; 박영환; 서정태; 양태헌

doi:10.17703/jcct.2021.7.1.662

양방향 정전기력 구동 구조에 기반한 고출력 햅틱 진동 액추에이터 모듈 및 인터페이스 개발
Development of high-power haptic vibration actuator module and interface based on bidirectional electrostatic force driving structure 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.7 no.1, 2021년, pp.662 - 667

김재익 (한국교통대학교 전자공학과) , 이재경 (한국교통대학교 전자공학과) , 박영환 (한국교통대학교 전자공학과) , 서정태 (한국교통대학교 전자공학과) , 양태헌 (한국교통대학교 전자공학과)

초록
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진동 햅틱 피드백은 최신 터치 디스플레이의 주요한 기능으로, 화면의 인터페이스와 상호 작용할 때 사용자의 조작성 및 몰입감을 크게 향상시킨다. 본 연구에선 정전기력 기반의 메커니즘을 적용하여 강한 진동 출력을 생성할 수 있으면서도, 얇은 평판 타입으로 제작이 가능하여 중대형 디스플레이의 뒷면에 탑재하기에 적합한 진동 햅틱 액추에이터를 제안하고자 한다. 제안된 액추에이터는 방사형 판스프링에 매달려 전기적으로 접지된 Mass를 이격 되어 있는 상하의 전극에 의해 정전기력으로 상하로 교번하여 진동력을 증폭시킬 수 있는 구조로 개발되었다. 성능평가 결과, 개발된 액추에이터가 2개 내장된 Bar-Type 모듈에서 170 Hz에서 최대 3.3g의 우수한 진동 출력을 보여, 중대형 터치 디스플레이에서 햅틱 피드백 제공에 대한 가능성이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vibrotactile feedback is a major function of the latest touch displays, which greatly improves the user's operability and immersion when interacting with the interface on the screen. In this study, we propose a vibrotactile actuator suitable for mounting on the back side of a mid- to large-sized display because it can generate a strong vibration output by applying an electrostatic force-based mechanism and can be manufactured in a thin flat panel type. The proposed actuator was developed in a structure capable of amplifying the vibration force by alternating up and down with electrostatic force by the upper and lower electrodes that are spaced apart from the electrically grounded mass suspended from a radial leaf spring. As a result of the performance evaluation, the developed bar-type module with two built-in actuators showed excellent vibration output of up to 3.3 g at 170 Hz, confirming the possibility of providing haptic feedback in medium and large touch displays.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1. 양방향 전극 기반 ERA의 작동원리 Figure 1. Operating principle of ERA based on double electrode
그림 그림 2. Bar-Type ERA 모듈과 부품별로 나열된 ERA Figure 2. Bar-Type ERA module and ERA listed by parts
그림 그림 3. ERA 2ch 컨트롤러와 ERA Bar-Type모듈 Figure 3. ERA 2ch controller and ERA Bar-Type module
그림 그림 4. Bar-Type ERA 모듈의 실험구성: (a) 동기화 된 ERA모듈의 가속도응답을 측정하기 위한 실험 세팅, (b) ERA모듈의 주파수 응답 Figure 4. Experimental setup of Bar-Type ERA module: (a) Experiment setting to measure the resonant frequency of synchronized ERA module, (b) Frequency response of ERA module
그림 그림 5. 햅틱 인터페이스 시스템: (a) 대형 터치 디스플레이와 Bar-Type ERA가 결합된 2자유도 시스템, (b) 햅틱 인터페이스 GUI 구성 Figure 5. Haptic Interface System: (a) Two degree of freed om system combined with a large touch display and Bar-Type ERA, (b) Haptic interface GUI configuration
그림 그림 6. 햅틱 인터페이스 시스템 성능평가: (a) 대형 디스플레이의 진동 가속도응답을 측정하기 위한 실험 구성, (b) LCD패널에서의 진동 가속도 응답, (c)햅틱 GUI를 통한 다양한 진동 패턴 구현(50ms, 150ms, 250ms) Figure 6. Haptic Interface System Performance Evaluation: (a) Experiment setting to measure vibration acceleration response of large display, (b) Vibration acceleration response in LCD panel, (c) Various vibration patterns through haptic GUI (50ms, 150ms, 250ms)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 정전기력 구동방식의 장점인 Form-Factor를적용하면서도구동력을현격히높일수 있도록, 판스프링에연결되어Ground가접지된Mass를이격되어있는상·하의전극이정전기력으로상하로 교번하여흔들어진동력을증폭시킬수있는새로운고 출력진동액추에이터를개발하였다.또한, 진동력을 급격히 높이기 위해, 상하진동시공진주파수를사용하였다.

가설 설정

05g이다[3-4].LCD위에서의가속도응답을측정한 결과그림6(b)와같이149㎐에서1.5g-forces로공진 하며, LCD의무게에영향을받아진동력이감소하였음에도불구하고손끝에서감지가능한임계값보다30배 더큰진동출력을내는것을확인할 수 있다. 따라서 ERA가 햅틱 인터페이스에 충분히 강한 진동 감각을 제공할 수 있다는 것을 확인하였다.

제안 방법

ERA햅틱인터페이스의성능을평가하기위해그림 5(a)와 같이 LCD의 상면에 가속도계 센서(352C₆₆, PCBPIEZOTRONICSInc.)를부착하고, 전압 증폭기를 통해 센서의 소신호를 증폭시켜서 DAQ(Tektronix, DPO₂₀12B, SamplingRate:100MHz)가내장된Digital PhosphorOscilloscope로측정을진행하였다.이때블루 투스를통해50㎐~250㎐까지의주파수데이터를컨 트롤러에송신하여주파수를변경하여기록하고, 다양한진동패턴을확인하기위해주파수의Duration값을 50ms, 150ms250ms로변경하여실험을진행하였다.
(a)와같이Bar_Type의액추에이터모듈상단에가속도계센서 (352C66, PCBPIEZOTRONICSInc.)를부착하고, 전압 증폭기를 통해 센서의 소신호를 증폭시켜서 DAQ(Tektronix, DPO2012B, SamplingRate:100MHz) 가내장된DigitalPhosphorOscilloscope로측정을진 행하였다.
ERA햅틱인터페이스구현을위해그림5(a)와같이대형터치디스플레이를알루미늄으로제작된프레 임에단단히고정하고뒷면의프레임에는8채널컨트롤 보드, 2개의 Bar-Type ERA 모듈들을 결합하여 2 D.O.F진동출력시스템을구성하였다.액추에이터에서 진동이발생되면, 알루미늄프레임을통해LCD의표면으로진동이전달되도록설계되었다.
또 한, ERAtoggle버튼을추가하여해당위치의ERA를활성화또는비활성화를할수있도록하였다.10ms~ 2000ms범위의Duration값을설정가능한슬라이드 바GUI를2000ms이상올릴경우연속적인신호로변 경되어사용자가수동으로ERA를켜고끌수있게하 였다. 블루투스 통신을 통해 사용자가 설정한 주파수데이터를ERA컨트롤러로송신하여필요한주파수로 액추에이터가진동하도록GUI를설계하였다.
3g(100g 기준)이상의진동력이발생함을확인하였다.개발된시 스템에입력하는고전압신호를다양하게변화시킬수 있는최적화된소형High-Volt Controller를개발하여액추에이터와 하나의 모듈로 결합되도록 개발하였다. 개발된액추에이터는얇은구조의Form-factor를가지 고있고, 내구성이높으며, 충분한진동력을발생시킬수있어중대형인포메이션기기에서진동햅틱피드백 을제공할수있는가능성을충분히보여주었다.
전극은고정되어있기때문에이동가능한Mass는 고정된전극쪽으로최대한이동하고, 스프링의복원력을통해Mass를다시평형위치로복귀하게된다.높 은진동출력을발생시키기위해, 이 Mass 에 인력을 인가하는 전기신호의 주기를공진주파수에맞추어, 구동시최대의진동력이출력되도록시스템을설계하였 다.
좌측의 GUI들은 ERA의좌측신호만설정을변경하도록하고, 우측의 GUI들은우측신호만설정할수있도록개발되었다.또 한, ERAtoggle버튼을추가하여해당위치의ERA를활성화또는비활성화를할수있도록하였다.10ms~ 2000ms범위의Duration값을설정가능한슬라이드 바GUI를2000ms이상올릴경우연속적인신호로변 경되어사용자가수동으로ERA를켜고끌수있게하 였다.
입력된 신호가 Mass의구동변위를극대화하기위해서상·하전극에 사인파의반주기씩입력하여액추에이터를진동시켜줌 으로써상당히증폭된진동출력을생성할 수 있었다. 또한, 두개의액추에이터와고전압증폭·스위칭 회로부를 Bar-Type의하우징에내장하여, 단일 전극 액추에이터 보다 2배의 출력 진동력을 발생시킬 수 있는 Bar-TypeERA모듈을제작하였다.
출력진동액추에이터를개발하였다.또한, 진동력을 급격히 높이기 위해, 상하진동시공진주파수를사용하였다.개발완료된햅틱액추에이터는2.
양방향전극기반ERA중앙의플레이트에 는Mass가평형위치에서멀어질때복원력을생성하 기위해10개의얇은방사형빔스프링과접지에연결 하기위한돌출부로구성되어있다.방사형스프링의공 진주파수를 인간의 피부에 있는 기계적 감각 수용기 (Mechanoreceptor)가가장민감하게반응하는150~160 ㎐범위내의주파수를갖도록설계하기위해, 수차례의 파라메트릭 시뮬레이션과 유한요소 해석(Finite elementanalysis)을연동하여스프링의Stiffness시뮬 레이션을수행한결과29g의Mass가장착된상태에서 스프링의강성이17.15kN/m가되도록설계되었다.
본 연구에서는 기존의 Voice coil 또는 피에조구동방식대신, 정전 기력으로 Mass를 상하로 흔들어 진동을발생시키는방식을채택하였다. 정전기력으로진동을발생시키는방식은구동력이코일이아닌얇은전극 에서생성됨으로, 얇은평판타입의디자인으로액추에이터로 제작 가능하여, 중대형 디스플레이의 뒷면에 탑재되기에 가장 적합한구조를가지기때문이다.
이러한장점에도불구하고, 정전기력eVoicecoil또는피에조구동방식에비해단위부피 에서단위에너지입력시발생시킬수있는구동력이 떨어져진동액추에이터로의활용성이주목받지못하 고있었다.본연구에서는정전기력구동방식의장점 인얇은평판타입의Form-Factor를적용하면서도구 동력을 현격히 높일 수 있도록, 판스프링에 연결되어 Ground가접지된Mass를이격되어있는상·하의전극 이정전기력으로상하로교번하여흔들어진동력을증 폭시킬수있는새로운고출력진동액추에이터와이를 기반으로한햅틱인터페이스개발을소개하고자한다.
10ms~ 2000ms범위의Duration값을설정가능한슬라이드 바GUI를2000ms이상올릴경우연속적인신호로변 경되어사용자가수동으로ERA를켜고끌수있게하 였다. 블루투스 통신을 통해 사용자가 설정한 주파수데이터를ERA컨트롤러로송신하여필요한주파수로 액추에이터가진동하도록GUI를설계하였다.
F진동출력시스템을구성하였다.액추에이터에서 진동이발생되면, 알루미늄프레임을통해LCD의표면으로진동이전달되도록설계되었다.제어회로는2개의 Bar-TypeERA모듈을제어할수있도록8채널로구 성되어있어사용자에게강한진동력을전달이가능하 고, 양쪽의ERA모듈을GUI를통해구동Phase등을제어하여진동의Flow및다양한진동패턴구현이가 능하며, 중대형터치디스플레이에서다양한햅틱피드백을제공할수있도록개발되었다.
)를부착하고, 전압 증폭기를 통해 센서의 소신호를 증폭시켜서 DAQ(Tektronix, DPO₂₀12B, SamplingRate:100MHz)가내장된Digital PhosphorOscilloscope로측정을진행하였다.이때블루 투스를통해50㎐~250㎐까지의주파수데이터를컨 트롤러에송신하여주파수를변경하여기록하고, 다양한진동패턴을확인하기위해주파수의Duration값을 50ms, 150ms250ms로변경하여실험을진행하였다. 파치니언소체는약150Hz~160㎐의진동에민감하 며 손끝에서 감지 가능한 진동의 최소 역치값은 약 0.
전극은 폴리이미드 필름으로 절연되도록 하였고, 스페이서를삽입하여Mass와전극사이에공간을확보하여Mass가상하운동이가능하도록설계 되었다.정전기력기반의구동방식은단위부피에서단 위에너지 입력 시 발생시킬 수 있는 구동력이 Voice CoilMotor및Piezo-ceramic방식등에비해떨어지는 단점이있다.
진동을 이용하여사 용자에게 촉감을 모사하는 진동촉감(Vibrotactile sensation) 기술은최근휴대용기기에서몰입감을높이기위한UX(UsereXperience)기 술중하나로자리잡았다.이에따라, 햅틱 기능을 제공하기 위해 최적화된 선형진동모터(Linear Resonant Actuator), TapticEngine 등이 모바일기기에 널리상용화되어왔다[1].

대상 데이터

적외선의조 사량따라고전압누설량을조절할수있는광다이오 드를통해, 액추에이터의전극과접지되어있는Mass 를 상하로 이동시킬 수 있는 정전기력을 발생시킨다. 광다이오드는전극한개에충전, 방전용다이오드2 개가필요하며Mass에이격된상하전극각각을위해 광다이오드가 총 4개가 배치되었다. 입력된 신호가 Mass의구동변위를극대화하기위해서상·하전극에 사인파의반주기씩입력하여액추에이터를진동시켜줌 으로써상당히증폭된진동출력을생성할 수 있었다.
양방향전극기반ERA의구성은그림2와 같이 스페이서, 전극, 관성Mass로총5개의레이어로구성되도록 설계되었다. 전극은 폴리이미드 필름으로 절연되도록 하였고, 스페이서를삽입하여Mass와전극사이에공간을확보하여Mass가상하운동이가능하도록설계 되었다.
제안된양방향전극기반정전기력공진액추에이터는(ERA:ElectrostaticResonantActuator)정전기평행 판액추에이터의원리를활용한다.그림1과같이방사 형빔스프링을통해상하로이동가능한관성Mass를 중심으로위아래에고정된전극으로구성되어있다.

성능/효과

개발된시 스템에입력하는고전압신호를다양하게변화시킬수 있는최적화된소형High-Volt Controller를개발하여액추에이터와 하나의 모듈로 결합되도록 개발하였다. 개발된액추에이터는얇은구조의Form-factor를가지 고있고, 내구성이높으며, 충분한진동력을발생시킬수있어중대형인포메이션기기에서진동햅틱피드백 을제공할수있는가능성을충분히보여주었다.향후, 이와같은얇은형태의진동햅틱액추에이터기술은 터치디스플레이뿐아니라, VR기반의웨어러블디바이스에까지도확장적용될수있는가능성을보여준다 [5].
또한, 진동력을 급격히 높이기 위해, 상하진동시공진주파수를사용하였다.개발완료된햅틱액추에이터는2.5kV의전압을 발생시키는소형앰프와스위칭용광다이오드기반제 어기를이용하여실험을수행하였고, 그 결과 제안하는 모듈의 공진은 170Hz에서발생하였고, 약3.3g(100g 기준)이상의진동력이발생함을확인하였다.개발된시 스템에입력하는고전압신호를다양하게변화시킬수 있는최적화된소형High-Volt Controller를개발하여액추에이터와 하나의 모듈로 결합되도록 개발하였다.
5g-forces로공진 하며, LCD의무게에영향을받아진동력이감소하였음에도불구하고손끝에서감지가능한임계값보다30배 더큰진동출력을내는것을확인할 수 있다. 따라서 ERA가 햅틱 인터페이스에 충분히 강한 진동 감각을 제공할 수 있다는 것을 확인하였다.
광다이오드는전극한개에충전, 방전용다이오드2 개가필요하며Mass에이격된상하전극각각을위해 광다이오드가 총 4개가 배치되었다. 입력된 신호가 Mass의구동변위를극대화하기위해서상·하전극에 사인파의반주기씩입력하여액추에이터를진동시켜줌 으로써상당히증폭된진동출력을생성할 수 있었다. 또한, 두개의액추에이터와고전압증폭·스위칭 회로부를 Bar-Type의하우징에내장하여, 단일 전극 액추에이터 보다 2배의 출력 진동력을 발생시킬 수 있는 Bar-TypeERA모듈을제작하였다.

후속연구

개발된액추에이터는얇은구조의Form-factor를가지 고있고, 내구성이높으며, 충분한진동력을발생시킬수있어중대형인포메이션기기에서진동햅틱피드백 을제공할수있는가능성을충분히보여주었다.향후, 이와같은얇은형태의진동햅틱액추에이터기술은 터치디스플레이뿐아니라, VR기반의웨어러블디바이스에까지도확장적용될수있는가능성을보여준다 [5].

참고문헌 (5)

D. Pyo, T. H. Yang, S. Ryu, and D. S. Kwon, "Novel linear impact-resonant actuator for mobile applications," Sensors Actuators A: Physical, vol. 233, pp. 460-471, 2015.

상세보기
TDK PowerHap Actuators, 2017. [Online]. https://product.tdk.com/info/en/products/sw_piezo/haptic/powerhap/index.html
Ryu, J. Psychophysical Model for Vibrotactile Rendering in Mobile Devices. Presence Teleoperators Virtual Environ. 2010, 19, 364-387.
Morioka, M.; Whitehouse, D.J.; Grin, M.J. Vibrotactile thresholds at the fingertip, volar forearm, large toe, and heel. Somatosens. Mot. Res. 2008, 25, 101-112.

상세보기
Y.-K. Jung, "Presentation Training System based on 3D Virtual Reality", The Journal of the Convergence on Culture Technology, vol. 4, no. 4, pp.309-316, 2018

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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