This thesis presents a smart haptic actuator which can increase the degree of realism or immersion in interacting with mobile devices. One of the most dominant factors in developing haptic actuators for mobile devices is the ability to create a variety of vibrotactile sensation in limited size. Haptic actuators allow users to experience the same sensation as if they touch a real object. Therefore, the mobile devices based on the haptic actuator can be a solution for creating the sense of the manipulation on touch screen which are difficult to generate button sensation. Even though many conventional haptic actuators with low power consumption can be easily embedded into mobile devices, the haptic actuator can hardly generate sufficient vibrotactile sensation due to the limited frequency range. Another problem is that it is not easy to create crispy vibrotactile sensation with conventional haptic actuators due to the residual vibration in the actuators. To solve these problems, the smart actuator combined with a sensor and a vibrotactile actuator is proposed. The proposed actuator, which is based on electrodynamics and piezoelectric effects, consists of the two main parts : (1) a closed flux path which is combining fluxes due to a solenoid coil and a permanent magnet and (2) a stroke sensing which measures actuating strokes. Due to the proposed structure, we decreases leakage flux and increases electrodynamic force in comparison with structures of conventional vibrotactile actuators. Increased electrodynamic force can lift up the vibration amplitude according to each frequency, and then expand the frequency range. Optimal design of the flux path is another one of the most important factors to increase electrodynamic force in limited size. The length of initial air gap between the moving part including permanent magnets and the fixed part of soft magnetic materials with the solenoid coil is decided to increase the driving force and space-efficiency. We conceptually design the actuating system and apply the feedback controller to reduce residual vibrations. After that we implemented actuator having dimensions in the order of 3mm x 6.8mm x 16.8 mm. Experiments are conducted with a hardware evaluation system to measure the frequency response of the implemented actuator and verify the performance due to feedback control by stroke sensing signals. Experimental results clear show that the proposed haptic actuator can create a wider frequency range of vibration than conventional actuators. Furthermore, the result verifies that we can reduce the residual vibrations in the actuating system.
본 논문은 모바일 기기(Mobile Devices)와의 상호작용(Interaction)에 있어서 실제감과 몰입감을 높여주기 위해 햅틱 효과(Haptic Effects)를 생성할 수 있는 스마트 햅틱 액츄에이터(Smart Haptic Actuator)를 제안한다. 모바일 기기에서 사용되는 햅틱 액츄에이터는 제약된 소형의 부피에서 얼마나 풍부한 진동촉감(Vibrotactile Sensation)을 발생할 수 있는 지가 그 성능을 나타내는 중요한 지표이다. 햅틱 액츄에이터는 사용자에게 실제의 물체를 직접 만지는 듯한 촉감을 제공할 수 있기 때문에, 이를 이용하여 전면의 터치 스크린이 장착된 모바일 기기에서 버튼 감을 제공하고 조작감을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 상용화되어 널리 사용되는 햅틱 액츄에이터인 편심모터(ERM)나 선형 공진모터(LRA)는 저전력과 소형의 부피의 특징에 의해 모바일 기기에 쉽게 장착될 수 있다. 하지만 제한된 좁은 주파수 영역의 진동만을 생성할 수 있기 때문에 충분한 진동촉감을 생성하는 데에 한계가 있다. 그리고 진동을 생성하였을 시에 원치 않는 잔 진동(Residual Vibrations)이 존재하여 진동 패턴의 생성에 제약이 생기고, 버튼감응을 모사하기 위한 촉감(Crisp Sensation)을 생성하기 어렵다. 이러한 기존 햅틱 액츄에이터의 한계를 해결하고자 센서 결합형 진동촉감 액츄에이터를 제안한다. 제안하는 액츄에이터는 전기역학(Electrodynamics)과 압전효과(Piezoelectric Effects)를 기반으로 하며, 크게 두 가지의 파트로 구성된다. 즉, (1) 영구자석과 솔레노이드 코일로부터의 자속을 교번시켜주는 폐자로(Closed Flux Path) 부, (2) 구동 변위를 감지하는 스트로크 센싱(Stroke Sensing) 부가 바로 그것이다. 기존 VCM(Voice Coil Motor)의 구조를 가지는 모바일용 햅틱 액츄에이터와 비교하였을 시, 제안하는 구조는 누설 자속을 줄여서 구동력을 강화할 수 있다. 증가된 구동력은 각 주파수 성분에 해당하는 진동력의 크기를 키우고, 결국 가용 주파수영역을 넓힐 수 있다. 또한, 부피 등의 설계 제약사항 내에서 구동력을 최대화 시키기 위해 제안하는 자로(Flux path)의 모델링과 최적 설계(Optimal Design)를 진행하였다. 영구자석을 포함하는 가동부와 연자성체와 솔레노이드 코일로 구성된 고정부 사이의 초기 공극은 공간효율성과 구동이 가능하도록 결정되었다. 제안하는 액츄에이터의 성능을 예측하기 위해, 구동 시스템을 개념적으로 설계하고 잔 진동을 포함하는 진동의 형상을 제어하기 위한 되먹임 제어기(Feedback Controller)를 적용하였다. 최종적으로 가공된 액츄에이터의 실 부피는 3mm x 6.8mm x 16.8mm이다. 제안하는 액츄에이터의 주파수 응답 특성을 파악하고 스트로크 센싱 신호를 이용한 되먹임 제어의 성능을 평가하기 위한 하드웨어 평가 시스템이 구성되었고 이를 기반으로 실험을 진행하였다. 실험의 결과는 제안하는 햅틱 액츄에이터가 기존의 사용화된 모바일용 햅틱 액츄에이터와 비교하여 넓은 가용 주파수 영역을 제공할 수 있는 성능을 명쾌하게 확인시켜 주었다. 또한, 잔진동을 제거하고 진동의 형상을 제어할 수 있는 것을 실험적으로 검증하였다. 따라서 제안하는 스마트 액츄에이터는 보다 풍부한 햅틱 효과를 생성하여 모바일 기기를 이용하는 사용자에게 몰입감과 실제감을 높여줄 수 있는 가능성을 제시하였다.
