In this study, an Impact-Resonant Actuator (IRA) that can increase the degree of reality and the sense of immersion by providing delicate haptic sensations is presented. In current mobile devices, to provide more information to the user in an effective manner, the application of a touch screen as the display has become common. In addition, haptic feedback is now available through vibrations on a virtual keypad. Although many conventional vibrotactile actuators have been developed for haptic feedback, including, Eccentric Rotary Motor (ERM) and Linear Resonant Actuator (LRA), they provide only simple vibration responses responding to the user’s on-screen touch. The problem is that various vibration patterns cannot be generated due to their limited working frequency range. Moreover, it is impossible to create crisp vibrotactile sensations that can mimic the sensation of a button due to the slow response time and long residual vibrations associated with current haptic feedback technology. The purpose of this study is to present a new mechanism for a novel haptic vibrotactile actuator operating within a wide frequency range. The proposed mechanism has a fast response time and is capable of very short residual vibrations such that it, can overcome the limitations of conventional vibrotactile actuators. The proposed Impact-Resonant Actuator (IRA) is stable in its initial states, but works by becoming unstable at both ends. Strong and fast impulses are generated through the action of bumping into a limiter component. To maximize the electrodynamic force while maintaining a limited size and low power consumption, optimal design of the magnetic flux path was accomplished. Through the optimal design process and FEM simulation, design variables could be determined. To predict the actuator’s behavior and performance, an analytical model for impact vibration was formulated. By analyzing this model, the feasibility of the design was verified. Finally, we implemented the actuator, which has dimensions of 9mm x 11mm x 3.2mm. Experiments were then conducted to assess the response time characteristics and frequency characteristics of the proposed actuator. The experimental results showed clearly that, compared to conventional vibrotactile actuators, the proposed actuator could create usable vibrations over a wide frequency range. In addition, the fast response at all working frequencies and the impulse form of the output, almost not occurring residual vibration, make the magnitude and frequency of the vibration controllable independently of each other. It was confirmed that a stronger impulse could be generated by amplified displacement near the resonant frequency. Thus, the proposed Impact-Resonant Actuator (IRA) demonstrated that it can enhance the sense of immersion for users by providing realistic button sensations and greater variety of haptic patterns.
본 논문은 모바일 기기와의 상호작용에 있어서, 섬세한 햅틱감각을 제공하여 실재감과 몰입감을 높일 수 있는 충격-공진 액츄에이터(Impact-Resonant Actuator)를 제안한다. 현재 모바일 디바이스에는 사용자에게 더 많은 정보를 효과적으로 제공하기 위해 터치스크린의 활용이 늘어나고 있고, 가상의 버튼에서 진동에 의한 햅틱 피드백이 사용자에게 제공된다. 이를 위해 편심모터(Eccentric Rotary Motor)나 선형공진모터(Linear Resonant Actuator)가 개발되어 널리 사용되고 있지만, 단순히 사용자의 on-screen touch에 반응해 단순진동응답만을 제공할 뿐, 응답속도가 느리고 여진이 길게 발생하며 좁은 주파수 영역에서만 진동을 생성할 수 있기 때문에, 진동패턴의 생성에 제약이 생기고, 버튼감응을 모사하기 위한 촉감(Crisp Sensation)을 생성할 수 없다. 이러한 기존의 햅틱 액츄에이터의 한계를 극복하기 위해서 반응속도가 빠르고, 여진이 거의 없는 진동을 광범위한 주파수 영역에서 생성할 수 있는 충격-공진 액츄에이터(Impact-Resonant Actuator)를 제안하였다. 제안하는 액츄에이터는 초기에 안정한 구조를 갖지만, 끝단에서 불안정하게 발산하여 리미터와의 충격에 의해 빠르고 강한 임펄스를 생성한다. 제한된 부피와 소비전력에서 구동력을 최대화시키기 위해 자속이동경로(Magnetic Flux Path)의 최적설계, FEM 해석을 통해 설계변수를 결정하였다. 또한 모바일 디바이스에 내장된 액츄에이터의 충격진동모델을 제시하고 해석하여 액츄에이터의 거동 및 성능을 예측해 설계의 타당성을 검증하였다. 최종적으로 가공된 액츄에이터의 실제 부피는 9mm x 11mm x 3.2mm이며 응답속도 및 주파수 특성을 파악하기 위한 실험을 진행하였다. 실험결과를 통해 제안하는 액츄에이터가 기존의 상용화된 모바일 기기용 햅틱 액츄에이터와 비교하여 넓은 가용 주파수 영역을 제공할 수 있음을 확인할 수 있었고, 구동 주파수 전 영역에서의 빠른 응답속도와 여진이 거의 발생하지 않는 임펄스 형태의 출력은 진동의 크기와 주파수를 독립적으로 제어할 수 있음을 보여주었다. 또한 공진주파수 근처의 영역에서 증폭된 변위에 의해 더 강한 임펄스를 생성할 수 있음을 확인하였다. 따라서 제안하는 충격-공진 액츄에이터(Impact-Resonant Actuator)는 실재감 있는 버튼클릭감응을 제시하고, 보다 풍부한 햅틱 패턴을 제공하여 모바일 기기의 사용자에게 몰입감을 높여줄 수 있는 가능성을 보여주었다.
