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할바흐 자석 배열을 적용한 햅틱 액추에이터의 설계

초록/요약

스마트 기기 보급으로 터치스크린의 활용이 눈에 띄게 늘어나고 있는 추세이다. 이는 사용자에게 다양한 정보를 효과적으로 제공하고, 몰입감을 전달하기 위함이다. 디스플레이 상에 구현되는 가상의 키패드에서 사용자가 물리적인 피드백(Physical Feedback)을 받을 수 없기 때문에, 이를 위해 진동을 이용한 햅틱 피드백(Haptic Feedback) 방식이 소형 스마트 기기에 적용되고 있다. 햅틱 피드백은 휴대용 전자기기를 비롯하여 의료, 자동차 등의 산업 분야로 사용처가 확대되고 있다. 햅틱 기술에 사용되는 구동기로는 보이스 코일 모터(Voice coil motor, VCM) 또는 압전소자 등의 원리를 이용하여 진동을 발생 시켜 정보를 전달한다. 진동을 이용한 햅틱 액추에이터(Haptic actuator)가 소형 전자기기에 사용되는 이유는 액추에이터의 저 전력화, 소형화가 가능하며사용자에게 자극을 빠르게 전달할 수 있기 때문이다. 스마트 기기에서 가장 많이 사용되는 액추에이터는 편심 질량 모터(Eccentric Rotary Motor, ERM)과 선형 공진 모터 (Linear ResonantActuator, LRA)이다. 편심 질량 모터의 경우, 크기가 비교적 작아 널리 사용되나, 관성에 의해 발생되는 진동으로 사용자들이 서로 다른 진동의 패턴을 인지하기 힘들다. 압전소자 또는 솔레노이드를 이용한 액추에이터는 ERM에 비해 더 넓은 주파수 대역을 가지며, 반응 속도 또한 빠르다는 장점을 가지고 있다. 그러나 소형 전자기기에 적용되기엔 부피가 크며, 생산 단가가 ERM에 비해 높은 단점을 가지고 있다. 선형 공진 액추에이터 (Linear Resonant Actuator, LRA)의 경우, 공진주파수에서만 강한 진동을 발생하고, 사용할 수 있는 주파수 대역이 좁아 다양한진동패턴을 생성할 수 없다. 본 논문에서는 직육면체 형태의 선형 공진 액추에이터(Linear resonantactuator)로, 진동 가속도 및 진동 성능을 개선하는 연구를 진행한다. 다양한 햅틱 패턴 생성을 위해 기존 선형 공진 액추에이터에 비해 더 넓은 주파수 영역대에서 0.5 G 이상의 강한 진동을 생성한다. 진동 특성 측면에서는 기존 액추에이터의 응답속도를 개선하여, 다양한 진동을 만들어 내는 것이 목표이다. 본 연구 결과를 바탕으로, 스마트 기기 외에 군사 모의 훈련 시스템, 자동차, 의료 산업에 기여하고자 한다.

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목차

1. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.1.1 햅틱 연구 동향 2
1.2 기존 햅틱 액추에이터의 한계 3
1.3 연구 목적 및 개요 4
2. 선형 공진 액추에이터 5
2.1 선형 공진 액추에이터의 구조와 동작 원리 5
2.1.1 기존 선형 공진 액추에이터 구조 5
2.1.2 기존 선형 공진 액추에이터 타입의 동작 원리 7
2.2 개념 설계 8
2.2.1 할바흐 자석 배열 8
2.3 장치 구성 9
2.3.1 구동력 발생 원리 9
3. 햅틱 액추에이터의 설계 10
3.1 설계 목표 10
3.2 Modeling 11
3.2.1 제한 조건 13
3.3 유한요소 해석 14
3.3.1 자기장 해석 14
3.3.2 Coil Parameter 20
3.3.3 스프링 해석 24
4. 시스템 진동 예측 28
4.1 Simulink를 이용한 시스템 모델링 28
5. 햅틱 액추에이터 제작 34
5.1 액추에이터 제작 및 조립 34
5.2 측정 시스템 구성 37
5.2.1 Dummy mass 제작 37
5.2.2 Flexure Hinge Mechanism 검증 40
5.2.3 Actuator 가속도 측정 44
5.3 실험 결과 46
6. 결론 및 향후 과제 49
6.1 결론 49
6.2 향후 과제 51
참고 문헌 54
ABSTRACT 55

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