KR100573675B1 - Joystick Pointing Apparatus of Non-contact Type Using Magnetic Sensor and Method for Generating Coordinate Axes thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 현재 사용되고 있는 접촉식 및 비 접촉식 포인팅 장치 혹은 죠이스틱을 간단한 구조로 소형화가 가능하고 자기센서를 이용하여 비 접촉식으로 제작하여 기존의 장치에 비하여 수명을 거의 영구적으로 개선하고 또한 스위치 기능을 부가하여 선택기능을 가진 조이스틱형 포인칭 장치 및 그의 방법에 관한 것이다.The present invention can be miniaturized with a simple structure of the contact and non-contact pointing device or the joystick currently used, and made non-contact by using a magnetic sensor to almost permanently improve the life and switch function compared to the existing device In addition, the present invention relates to a joystick type pointing device having a selection function and a method thereof.
본 발명은 하단부의 포인터가 자석 혹은 강자성체로 이루어지며 상단부의 핸들이 선회 가능하게 중간부분이 탄성적으로 지지된 조이스틱과, 상기 포인터의 하측에 근접 배치되어 있으며 조이스틱의 핸들 조작에 따라 포인터가 원점으로부터 이동할 때 이동된 지점의 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 발생하는 원칩형 2축 자기센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the lower end of the pointer is made of a magnet or a ferromagnetic material, and the upper end of the pointer is pivotally supported so that the middle part is elastically supported, and is disposed in close proximity to the lower side of the pointer. Characterized in that it consists of a one-chip type two-axis magnetic sensor for generating a magnetic vector signal in the X-axis and Y-axis direction of the moved point when moving.
죠이스틱, 포인팅 장치, 2축 자기센서, 비 접촉식, 원칩형Joystick, Pointing Device, 2-Axis Magnetic Sensor, Non-Contact, One-Chip
Description
도 1은 종래의 접속식 포인팅 장치(조이스틱)의 구성을 보여주는 사시도,1 is a perspective view showing the configuration of a conventional connected pointing device (joystick),
도 2는 홀 센서를 이용한 자기 검지식 포인팅 장치의 개략 블록도, 2 is a schematic block diagram of a magnetic sensing pointing device using a hall sensor;
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 조이스틱형 포인팅 장치의 개략적인 구성을 나타낸 단면도,3A and 3B are cross-sectional views showing the schematic configuration of a joystick-type pointing device according to the first and second embodiments of the present invention, respectively;
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 스위치를 구비한 포인팅 장치의 개략적인 구성을 나타낸 단면도,4A and 4B are sectional views showing the schematic configuration of a pointing device with a switch according to the third and fourth embodiments of the present invention, respectively;
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용되는 플럭스 게이트형 자기센서의 구성을 보여주는 개략 분해 사시도 및 연결 구성도,5A and 5B are schematic exploded perspective views and connection diagrams showing the configuration of the flux gate type magnetic sensor employed as the one-chip two-axis magnetic sensor of the present invention, respectively;
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용되는 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서의 동작원리를 설명하기 위한 구성도,6A and 6B are diagrams for explaining the operation principle of the magnetic sensor using the magnetic impedance effect employed as the one-chip two-axis magnetic sensor of the present invention, respectively.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용되는 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서의 구성을 보여주는 개략 분해 사시도 및 연결 구성도,7A and 7B are schematic exploded perspective views and connection diagrams showing the configuration of the magnetic sensor using the magnetic impedance effect employed as the one-chip two-axis magnetic sensor of the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 플럭스 게이트형 2축 자기센서 이용한 포인팅 장치의 구성을 보여주는 개략 블록도,8 is a schematic block diagram showing the configuration of a pointing device using a flux gate type two-axis magnetic sensor according to the present invention;
도 9는 자기센서로부터 얻어진 자기벡터로부터 포인터의 위치를 구하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.9 is an explanatory diagram for explaining a method for obtaining a position of a pointer from a magnetic vector obtained from a magnetic sensor.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *
20 ; 하우징 21 ; 조이스틱20;
21a ; 헤드(포인터) 21b ; 핸들21a; Head (pointer) 21b; handle
22,22a ; 지지부 22b ; 스프링 하우징22,22a;
23 ; 기판 24 ; 스위치23;
25 ; 여자코일 26 ; X축 픽업코일25;
27 ; Y축 픽업코일 28a,28b ; 차동 증폭기27; Y-
29 ; 신호처리부 30,30a,30b ; 자기센서29;
31 ; 자성체 코어 42 ; 검출코일31;
32a,32b,36a,36b,39a,39b,40,51,55,61,65 ; 기판32a, 32b, 36a, 36b, 39a, 39b, 40, 51, 55, 61, 65; Board
43 ; DC 바이어스 필드 코일 44a,44b,45a,45b ; 전극단자43; DC
46 ; 선형자성체 47 ; DC 바이어스부46; Linear
48 ; 교류전원 50 ; X축 자기센서48;
60 ; Y축 자기센서60; Y-axis magnetic sensor
본 발명은 자기센서를 이용한 비접촉식 조이스틱형 포인팅 장치 및 그의 좌 표발생방법에 관한 것으로, 특히 원칩형 2축 자기센서를 사용하여 비 접촉식으로 조이스틱 헤드의 위치를 벡터적으로 좌표를 검출함에 의해, 종래의 접촉식 및 비 접촉식 포인팅 장치보다 구조가 간단하고 극소형으로 제작이 가능하며, 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 자기센서를 이용한 비 접촉식 조이스틱형 포인팅 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-contact joystick-type pointing device using a magnetic sensor and a method of generating coordinates thereof, and in particular, by detecting the coordinates of the joystick head in a non-contact manner using a one-chip type 2-axis magnetic sensor, The present invention relates to a non-contact joystick-type pointing device using a magnetic sensor that is simpler in structure than the conventional contact and non-contact pointing device, can be manufactured in a small size, and can prolong the life significantly.
콘트롤 및 입력수단으로 사용되고 있는 포인팅 장치는 현재 주로 게임기에 다수 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터 및 핸드폰과 엠피쓰리(MP3) 플레이어 등에 사용이 확대되고 있고, 최근에는 핸드폰 등에 게임 등의 엔터테인먼트 기능이 강화되면서 포인팅 장치의 사용이 더욱 확대되고 있다. Pointing devices, which are used as controls and input means, are mainly used in game machines, and are increasingly used in laptop computers, mobile phones, MP3 players, and so on. The use of is expanding further.
하지만 현재 사용되고 있는 포인팅 장치 중 자기 검출 방식은 4개의 자기센서를 사용하므로 크기에 제한이 있으며 제조방법 또한 복잡하고, 기계적인 방법은 도전성 고무를 압박하여 통전 상태의 변화로 좌표를 읽어 들이므로 장치의 크기가 크고, 수명 또한 제한되어 있다. 따라서 현재 포터블 소형 장치(핸드폰, 엠피쓰리 플레이어 등)에 사용 가능한 소형의 포인팅 장치와 포인팅 장치의 수명 연장이 절실히 요구되고 있다. However, the magnetic detection method is currently limited in size because of the use of four magnetic sensors. The manufacturing method is also complicated, and the mechanical method presses the conductive rubber to read the coordinates as the state of energization changes. It is large in size and has a limited lifetime. Therefore, there is an urgent need for extending the life of small pointing devices and pointing devices that can be used in portable small devices (such as mobile phones and MP3 players).
이하에 도 1 및 도 2를 참고하여 종래의 포인팅 장치에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.Hereinafter, the pointing device will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2.
종래의 접촉식 포인팅 장치는 도 1과 같이 기판(1) 상에 4개의 스위치(3)를 형성해 두고 조이스틱(5)의 포인터(5a) 움직임에 의한 스위치(3)의 작동에 의해 포인팅하는 방법과, 빗살형의 전극 2세트를 형성해 두고, 그 상부로부터 도전성 고무 를 압박함으로써, 통전 상태를 변화시켜 좌표를 검출하는 것이 일반적이다.The conventional contact pointing device is a method of pointing by the operation of the switch (3) by forming the four switches (3) on the substrate (1) and moving the pointer (5a) of the joystick (5) as shown in FIG. In general, two sets of comb-shaped electrodes are formed, and the conductive rubber is pressed from the upper portion thereof to change the energized state to detect coordinates.
상기 접촉식 포인팅 장치에 있어서는 스위치 혹은 도전성 고무를 압박하여 입력하고 있기 때문에 반복 입력 등에 의해 스위치 및 도전성 고무의 열화를 피할 수 없어 수명이 짧다는 문제가 생기고 있다.In the above contact type pointing device, since a switch or conductive rubber is pressed in and inputted, deterioration of the switch and the conductive rubber cannot be avoided due to repeated input and the like, resulting in a short service life.
또한, 종래의 자기 검출방식의 비 접촉식 포인팅 장치는 도 2와 같이 4개의 자기센서(예를 들어, 홀(Hall) 소자 또는 자기저항(MR) 소자)(11a-11d)로 이루어지며, 이 4개의 자기센서(11a-11d)는 X축 및 Y축에 따라서 2개씩 대칭으로 배치되어 있고, X축 및 Y축 상의 중앙 부근에는 조이스틱의 헤드에 장착된 자석이 근접 배치되어 있다. In addition, the conventional non-contact pointing device of the magnetic detection method is composed of four magnetic sensors (for example, Hall element or magnetoresistance (MR) element) 11a-11d as shown in FIG. The four
따라서 조이스틱이 조작되어 헤드의 자석이 이동하면, 이 자석의 이동에 따른 자계의 변화에 의해 X축의 2개의 자기센서(11a,11b)의 2 출력 전압(Va,Vb)과, Y축의 2개의 자기센서(11c,11d)의 2 출력 전압(Vc,Vd)이 각각 변화되어 발생되고, 이들 X축 및 Y축 방향의 4 출력 전압(Va-Vd)은 각각 차동증폭기(12a,12b)에서 차동적으로 증폭된다. Therefore, when the joystick is operated to move the magnet in the head, the two output voltages Va and Vb of the two
상기 자기 검출방식의 포인팅 장치에서는 이 자석이 X축 및 Y축 상의 원점에 있을 때의 출력이 0이 되도록 설정되어 있으므로, 자석이 이동을 하면 차동 증폭기(12a,12b)로부터 자석의 변형된 위치에 대응하는 출력이 발생하여, 그 출력을 이용하여 검출제어부(13)와 출력제어부(14)를 거치면서 이동된 위치의 좌표를 산출하게 된다.In the magnetic detection method of the pointing device, the output of the magnet is set to 0 when the magnet is at the origin on the X and Y axes, so that when the magnet moves, the magnet is moved from the
그러나, 상기한 종래의 자기 검출방식의 비 접촉식 포인팅 장치에서는 자기 센서를 최소 4개를 사용해야 되기 때문에 조립성이 나쁘고, 소형화가 어려운 등의 문제가 있다.However, the above-described non-contact pointing device of the conventional magnetic detection method has problems such as poor assembly and difficulty in miniaturization since at least four magnetic sensors must be used.
상기와 같이 종래의 포인팅 장치는 노트북 컴퓨터 및 핸드폰과 엠피쓰리(MP3) 플레이어 등과 같은 소형 포터블 장치에 일체로 적용하기에는 큰 사이즈를 갖고 있고, 특히 최근에는 핸드폰 등에 게임 등의 엔터테인먼트 기능이 강화되면서 조이스틱과 같은 게임 조작이 편리한 포인팅 장치의 채택이 요구되고 있으나, 이를 충족시킬 수 있는 제품이 아직 구현되지 못하고 있었다.As described above, the conventional pointing device has a large size to be integrated into a small portable device such as a notebook computer, a mobile phone, and an MP3 player. In particular, in recent years, a joystick and It is required to adopt a pointing device that is easy to operate the same game, but a product capable of satisfying this has not yet been implemented.
이에 실용신안등록 제0308528호에는 휴대폰 단말기의 리셉터클에 착탈식으로 결합이 가능한 조이스틱 장치가 제안되어 있고, 실용신안등록 제0313362호에는 단말기의 방향버튼부에 형성된 암나사산에 조이스틱을 착탈식으로 결합하여 사용할 수 있는 게임조작이 편리한 휴대폰이 제안되어 있다.Accordingly, Utility Model Registration No. 0308528 proposes a joystick device that can be detachably coupled to a receptacle of a mobile phone terminal, and Utility Model Registration No. 0313362 can be used by detachably connecting a joystick to a female thread formed on a direction button of the terminal. There is proposed a mobile phone which can be easily operated.
상기 등록실용신안 이외에도 다수의 휴대폰용 조이스틱 장치가 제안되어 있으나, 이들은 모두 휴대폰 단말기에 일체로 적용되지 못하거나 또는 효과적인 조이스틱 기능을 제공하지 못하였다.In addition to the registered utility model, a number of joystick devices for mobile phones have been proposed, but none of them have been applied integrally to a mobile phone terminal or provide an effective joystick function.
한편, 일본국 특개평 9-43322호 및 11-118892호와 한국 공개특허공보 제2002-30244호 등에 제안되어 있는 플럭스 게이트형 미세자계검출센서는 2축의 자기센서를 구비하고 있다. 상기 플럭스 게이트형 미세자계검출센서, 즉 지자기 센서는 관측 지점에서 수평면상의 미세한 지자기 벡터의 2축 성분을 검출하여, 이로부터 자(磁)방위를 산출함에 의해 차량의 카 네비게이션 또는 휴대전화의 방위를 표시하는 데 이용되고 있다.On the other hand, the flux gate type micro-magnetic field detection sensors proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-43322 and 11-118892 and Korean Unexamined Patent Publication No. 2002-30244 are provided with two-axis magnetic sensors. The flux gate type micro-magnetic field sensor, that is, the geomagnetic sensor, detects the biaxial components of the fine geomagnetic vector on the horizontal plane at the observation point, and calculates the magnetic orientation therefrom to adjust the orientation of the car navigation or the mobile phone of the vehicle. It is used to display.
이에 본 발명자들은 상기 지자기 센서는 이를 다층 인쇄회로기판을 이용하여 구현할 경우 원칩형으로 소형화가 가능하다는 점을 인식하고, 이를 조이스틱형 포인팅 장치로 구현하는 방법을 연구하여 본 발명에 이르게 되었다.Accordingly, the present inventors have recognized that the geomagnetic sensor can be miniaturized to a one-chip type when the geomagnetic sensor is implemented using a multilayer printed circuit board, and studies the method of implementing the same by using a joystick pointing device.
따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 원칩형 2축 자기센서를 사용하여 비 접촉식으로 조이스틱 헤드(포인터)의 위치를 벡터적으로 좌표를 검출함에 의해, 종래의 접촉식 및 비 접촉식 포인팅 장치보다 구조가 간단하고 극소형으로 제작이 가능하며, 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 원칩형 자기센서를 이용한 비 접촉식 포인팅 장치 및 그의 좌표발생방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and its object is to use a one-chip two-axis magnetic sensor to detect the coordinates of the joystick head (pointer) in a non-contact manner, It provides a non-contact pointing device using a one-chip type magnetic sensor and a coordinate generating method thereof, which is simpler in structure than the conventional contact and non-contact pointing device, can be manufactured in a small size, and can greatly extend the life. There is.
본 발명의 다른 목적은 종래의 자기검출식 포인팅 장치에 비하여 고감도의 원칩형 2축 자기센서를 사용함에 의해 조이스틱에 결합되는 자석을 초소형으로 제작하거나 자석이 아닌 자기적 성질을 뛰는 강자성체를 사용하여 제조가 용이하고 또한 소형화가 가능한 포인팅 장치를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to manufacture a magnet coupled to a joystick by using a highly sensitive one-chip two-axis magnetic sensor as compared to a conventional magnetic detection pointing device, or to manufacture a ferromagnetic material having excellent magnetic properties instead of a magnet. It is to provide a pointing device that can be easily and miniaturized.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 홀(Hall) 소자 또는 자기저항(MR) 소자로 이루어진 4개의 자기센서를 사용하는 자기검출식 포인팅 장치에 비하여 원칩형 자기센서를 사용하여 장치의 크기 및 조립성을 향상시킨 포인팅 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is the size and assembly of the device using a one-chip type magnetic sensor as compared to a magnetic detection pointing device using four magnetic sensors consisting of conventional Hall elements or magnetoresistive (MR) elements. It is to provide a pointing device with improved.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면 본 발명은 하 단부의 포인터가 자석 혹은 강자성체로 이루어지며 상단부의 핸들이 선회 가능하게 중간부분이 탄성적으로 지지된 조이스틱과, 상기 포인터의 하측에 근접 배치되어 있으며 조이스틱의 핸들 조작에 따라 포인터가 원점으로부터 이동할 때 이동된 지점의 자속 밀도의 변화를 검출하여 이동 지점의 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 발생하는 원칩형 2축 자기센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention is a joystick having a lower end of the pointer is made of a magnet or a ferromagnetic material and the middle portion is elastically supported so that the handle of the upper end is pivotable, and the pointer One-chip 2-axis that is located close to the bottom and detects the change of magnetic flux density of the moved point when the pointer moves from the origin by operating the handle of the joystick and generates magnetic vector signals in the X and Y-axis directions of the moving point. It provides a non-contact pointing device, characterized in that consisting of a magnetic sensor.
본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 원칩 형태로 일체로 형성되어 본체의 기판 상에 설치되며 각각 X축 및 Y축 방향의 자속 밀도의 변화를 검출하기 위한 X축 및 Y축 방향 자기센서와, 자석 혹은 강자성체로 이루어진 하단부 포인터가 X축 및 Y축 방향 자기센서에 의해 정의되는 X-Y 평면의 원점에 근접하여 위치 설정되며 하우징에 탄성적으로 유동 가능하게 지지된 조이스틱으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치를 제공한다.According to a second aspect of the present invention, the present invention is integrally formed in the form of a single chip and is installed on a substrate of a main body, respectively, for detecting a change in magnetic flux density in the X-axis and Y-axis directions, respectively. And a lower end pointer made of a magnet or a ferromagnetic material is positioned close to the origin of the XY plane defined by the X- and Y-axis magnetic sensors, and is composed of a joystick supported elastically flowable in the housing. Provided is a contactless pointing device.
본 발명은 상기 조이스틱의 포인터를 포함한 일부분을 내측에 수용하기 위한 하우징과, 상기 하우징의 상부에 조이스틱을 중간부분을 탄성적으로 유동 가능하게 지지하기 위한 탄성지지수단을 더 포함하며, 상기 포인터는 외력이 인가되지 않은 상태일 때 헤드가 X축 및 Y축 방향 자기센서에 의해 정의되는 X-Y 평면의 원점에 위치 설정된다.The present invention further includes a housing for accommodating a portion including the pointer of the joystick therein, and elastic support means for supporting the joystick in an elastically movable manner on the upper portion of the housing, wherein the pointer has an external force. When it is not applied, the head is positioned at the origin of the XY plane defined by the magnetic sensors in the X-axis and Y-axis directions.
이 경우, 상기 탄성지지수단은 탄력성을 가지는 수지층 및 탄력성을 가지는 스프링 중 어느 하나로 이루어진다.In this case, the elastic support means is made of any one of a resin layer having elasticity and a spring having elasticity.
또한, 상기 포인터는 하단부가 뾰족한 형상을 가지며, 길이방향으로 착자되 어 있는 것이 바람직하다.In addition, the pointer has a lower end pointed shape, preferably magnetized in the longitudinal direction.
상기 2축 자기센서는 X축 및 Y축 방향의 자속 밀도의 변화를 검출하기 위한 X축 및 Y축 방향 자기센서로 구성되며, 상기 자기센서는 플럭스 게이트형 자기센서와 교류자기저항소자 중 어느 하나로 구성된다.The two-axis magnetic sensor is composed of an X-axis and a Y-axis magnetic sensor for detecting a change in magnetic flux density in the X-axis and Y-axis directions, wherein the magnetic sensor is any one of a flux gate type magnetic sensor and an AC magnetoresistive element. It is composed.
더욱이, 본 발명의 포인팅 장치는 상기 조이스틱의 조작에 따라 포인팅 장치를 채용하고 있는 시스템 본체에 대한 사용자의 결정신호를 입력하기 위한 신호발생수단으로서, 조이스틱의 상하방향 조작에 따라 결정신호를 발생하는 스위치를 더 포함할 수 있다.Furthermore, the pointing device of the present invention is a signal generating means for inputting a user's decision signal to the system main body employing the pointing device according to the operation of the joystick, and a switch for generating the decision signal according to the up and down operation of the joystick. It may further include.
또한, 상기 비접촉식 포인팅 장치는 포인터의 이동 지점에 대한 자기장 변화에 따라 상기 X축 및 Y축 방향 자기센서로부터 발생된 X축 및 Y축 자기성분을 각각 차동 증폭하여 포인터가 이동된 지점의 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 발생하기 위한 제1 및 제2 차동 증폭기와, 상기 제1 및 제2 차동 증폭기의 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 신호 처리하여 포인터가 이동된 지점의 좌표를 생성하기 위한 신호처리수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the non-contact pointing device differentially amplifies the X-axis and Y-axis magnetic components generated from the X-axis and Y-axis magnetic sensors according to the change of the magnetic field with respect to the point of movement of the pointer, respectively, Coordinates of the point where the pointer is moved by signal-processing the first and second differential amplifiers for generating the magnetic vector signal in the Y-axis direction, and the magnetic vector signals in the X- and Y-axis directions of the first and second differential amplifiers. Characterized in that it further comprises a signal processing means for generating a.
본 발명의 다른 특징에 따르면, X축 및 Y축 방향의 2축 자기센서를 구비한 포인팅 장치의 좌표발생방법은 사용자의 조이스틱 핸들 조작에 의해 조이스틱의 하단부에 위치한 자석 또는 자성체로 이루어진 포인터를 X-Y 좌표의 원점으로부터 이동시키는 단계와, 상기 포인터의 이동에 따라 이동된 지점의 자기장 변화에 따라 X축 및 Y축 방향의 2축 자기센서로부터 X축 및 Y축 자기성분을 검출하는 단계와, 상기 X축 및 Y축 자기성분을 각각 차동 증폭하여 포인터가 이동된 지점의 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 발생하는 단계와, 상기 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 신호 처리하여 포인터가 이동된 지점의 좌표를 발생하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to another feature of the invention, the coordinate generating method of the pointing device having a two-axis magnetic sensor in the X-axis and Y-axis direction is a pointer made of a magnet or magnetic material located on the lower end of the joystick by the user's joystick handle operation XY coordinate Detecting the X-axis and Y-axis magnetic components from the 2-axis magnetic sensors in the X-axis and Y-axis directions according to the change in the magnetic field of the point moved in accordance with the movement of the pointer; And differentially amplifying the Y-axis magnetic components to generate magnetic vector signals in the X- and Y-axis directions at the point where the pointer is moved, and processing the magnetic vector signals in the X- and Y-axis directions to move the pointer. And generating a coordinate of the point.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 X축 및 Y축 자기센서를 구비한 비접촉식 포인팅 장치의 좌표발생방법은 전극단자를 통하여 각각 X축 및 Y축 자기센서의 제1 및 제2 선형 자성체에 각각 권선된 제1 및 제2 DC 바이어스 필드 코일에 DC 바이어스 전압을 인가하고, 각각 제1 및 제2 입력전극단자를 통하여 제1 및 제2 선형 자성체에 교류전류를 인가하는 단계와, 자석으로 이루어진 조이스틱의 포인터가 X-Y 좌표의 원점으로부터 다른 위치로 이동하는 경우 각각 제1 및 제2 출력전극단자로부터 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서의 검출전압을 측정하는 단계와, 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서로부터 출력되는 검출전압을 이용하여 차동 증폭기로부터 X축 및 Y축 자기벡터의 크기를 측정하는 단계와, 상기 측정된 X축 및 Y축 자기벡터로부터 조이스틱의 위치 이동된 점의 좌표를 구하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to another feature of the invention, the coordinate generating method of the non-contact pointing device having an X-axis and Y-axis magnetic sensor using the magnetic impedance (MI) effect is the first of the X-axis and Y-axis magnetic sensor through the electrode terminal, respectively And applying a DC bias voltage to the first and second DC bias field coils wound around the second linear magnetic material, and applying an alternating current to the first and second linear magnetic materials through the first and second input electrode terminals, respectively. And detecting the detected voltages of the X-axis and Y-axis magnetic sensors in proportion to the change of the magnetic impedance from the first and second output electrode terminals, respectively, when the pointer of the magnet joystick moves from the origin of the XY coordinates to another position. And measuring the magnitudes of the X- and Y-axis magnetic vectors from the differential amplifier by using the detection voltages output from the X- and Y-axis magnetic sensors in proportion to the change of the magnetic impedance. And calculating the coordinates of the moved point of the joystick from the measured X-axis and Y-axis magnetic vectors.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 원칩형 2축 자기센서를 사용하여 비 접촉식으로 조이스틱 헤드, 포인터의 위치를 벡터적으로 좌표를 검지함에 의해, 종래의 접촉식 및 비 접촉식 포인팅 장치보다 구조가 간단하고 극소형으로 제작이 가능하며, 수명을 획기적으로 연장할 수 있다.As described above, in the present invention, by using the one-chip type two-axis magnetic sensor to detect the coordinates of the joystick head and the pointer in a non-contact manner, the structure is simpler than the conventional contact and non-contact pointing device. It can be manufactured in a very small size, and the life can be prolonged dramatically.
또한, 본 발명의 포인팅 장치는 종래의 홀(Hall) 소자 또는 자기저항(MR) 소자로 이루어진 4개의 자기센서를 사용하는 자기검출식 포인팅 장치에 비하여, 고감 도의 원칩형 2축 자기센서를 사용함에 의해 조이스틱에 결합되는 자석을 초소형으로 제작하거나 자석이 아닌 자기적 성질을 뛰는 강자성체를 사용할 수 있어 제조가 용이하고 또한 소형화가 가능하다.In addition, the pointing device of the present invention uses a highly sensitive one-chip type two-axis magnetic sensor as compared to a magnetic detection type pointing device using four magnetic sensors including a conventional Hall element or a magnetoresistive (MR) element. It is possible to manufacture a magnet coupled to the joystick in a very small form or to use a ferromagnetic material having excellent magnetic properties other than the magnet, making it easy to manufacture and miniaturization.
(실시예)(Example)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 조이스틱형 포인팅 장치의 개략적인 구성을 나타낸 단면도, 도 4a와 도 4b는 각각 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 스위치를 구비한 포인팅 장치의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.3A and 3B are cross-sectional views schematically illustrating a joystick-type pointing device according to the first and second embodiments of the present invention, respectively, and FIGS. 4A and 4B are the third and fourth embodiments of the present invention, respectively. Sectional drawing which shows schematic structure of the pointing device provided with the switch.
이하의 제1 내지 제4 실시예를 설명할 때 동일한 부분에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.In the following description of the first to fourth embodiments, the same parts will be denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
먼저, 도 3a를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 조이스틱형 포인팅 장치는 조이스틱(21)이 탄력 있는 실리콘 수지로 이루어진 지지부(22)에 의해 하우징(20)의 상부면에 선회 가능하게 고정되어 있고, 조이스틱(21)의 하단부에 위치한 헤드(21a)에 인접하여 원칩형 2축 자기센서(30)가 기판, 예를들어 이동통신 단말기와 같은 본체에 채용되는 인쇄회로기판(23)에 설치되어 있다.First, referring to FIG. 3A, in the joystick-type pointing device according to the first embodiment of the present invention, the
또한, 도 3b에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 조이스틱형 포인팅 장치는 조이스틱(21)이 스프링 하우징(22b) 내에 구비된 탄성 스프링으로 이루어진 지지부(22a)에 의해 하우징(20)의 상부면에 선회 가능하게 고정되어 있고, 조이스틱(21)의 하단부에 위치한 헤드(21a)에 인접하여 원칩형 2축 자기센서(30)가 기판(23)에 설치되어 있다.In addition, the joystick-type pointing device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3B has an upper portion of the
도 4a와 도 4b에 도시된 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 포인팅 장치는 상기한 제1 및 제2 실시예의 포인팅 장치에 추가로 결정용 스위치(24)를 구비한 것을 제외하고 상기 제1 및 제2 실시예의 포인팅 장치와 동일한 구조를 갖고 있다.The pointing device according to the third and fourth embodiments of the present invention shown in FIGS. 4A and 4B is provided with the
본래 포인팅 장치는 입력점의 좌표치를 출력하기 위한 장치이지만 스위치 기능을 부여함으로써 좌표치 뿐만 아니라 결정 기능을 부여한 포인팅 장치가 된다. 이 경우 조이스틱(21)을 수직방향으로 압입하여 제3실시예와 같이 조이스틱(21)의 헤드(21a)에 의해 스위치(24)를 작동시키거나 제4실시예와 같이 조이스틱(21)과 함께 상하로 연동하는 조작부(22c)에 의해 스위치(24)를 작동시킴으로써 스위치 기능을 만족하는 구조를 이룬다. 또한, 상기 스위치(24)의 장착 위치는 상기 예시한 것 이외에 조이스틱의 핸들(21b)이나 기타 다른 곳에 배치해도 좋다. Originally, the pointing device is a device for outputting a coordinate value of an input point, but by providing a switch function, the pointing device becomes a pointing device having a determination function as well as a coordinate value. In this case, the
제3 및 제4 실시예와 같이 결정용 스위치(24)를 구비할 경우, 퍼스널 컴퓨터의 마우스와 같이 좌표치와 결정 신호를 갖게 된다.When the
상기 스위치(24)로서는 누름 버튼 스위치 등 어떠한 스위치라도 상관없지만, 클릭감이 있어 누른 것을 확인하기 쉽고 스위치를 압입한 후에 자동 복귀하는 택틸(tactile) 스위치, 택트(tact) 스위치, 터치(touch) 스위치, 스트로크 스위치 등이 적절하다.The
상기 제1 내지 제4 실시예에서 조이스틱(21)은 외력에 의해 용이하게 변형되고, 그 외력을 제거하면 즉시 초기상태로 복귀하는 탄성력을 갖는 실리콘 수지 또 는 스프링으로 이루어진 탄성 지지부(22,22a)에 의해 중간 부분이 지지되어 있어, 사용자가 핸들(21b)을 원하는 위치로 이동한 후에 외력을 제거하면 바로 원위치로 복귀한다. 이러한 기능을 갖는 구조라면 어떤 주지된 구조도 적용될 수 있다.In the first to fourth embodiments, the
상기한 제1실시예와 같이 실리콘 수지를 이용하는 경우, 부품 개수가 감소하여 조립성의 향상과 소형화도 가능해진다.When the silicone resin is used as in the first embodiment described above, the number of parts is reduced, so that the assembly performance can be improved and the size can be reduced.
또한, 상기 원칩형 2축 자기센서(30)로서는 후술하는 바와 같이 칩 사이즈로 2축 자기센서의 형성이 용이한 플럭스 게이트형 자기소자와 교류자기저항 소자를 사용할 수 있다. 현재 상용화된 원칩형 2축 자기센서는 두께가 1mm 내외이고 크기가 3ㅧ3 내지 5ㅧ5mm 정도로 제작이 가능하므로 포인팅 장치의 극소형화와 휴대용 단말기에 일체로 적용하는 것이 가능하게 된다.As the one-chip two-axis
그러나, 소형으로 원칩화가 가능하다면 다른 어떤 자기센서도 채용이 가능하다.However, any other magnetic sensor can be employed as long as it can be miniaturized and one-chip.
또한, 본 발명에서 채용하고 있는 플럭스 게이트형 자기소자와 교류자기저항 소자는 종래의 홀(Hall) 소자 또는 자기저항(MR) 소자로 이루어진 4개의 자기센서를 사용하는 자기검출식 포인팅 장치에 비하여, 고감도의 출력이 얻어진다.In addition, the flux gate type magnetic element and the AC magnetoresistive element employed in the present invention are compared with a magnetic detection type pointing device using four magnetic sensors composed of a conventional Hall element or a magnetoresistive (MR) element. High sensitivity output is obtained.
따라서, 본 발명에서는 고감도의 자기센서 채용에 따라 조이스틱(21)의 헤드(21a)에 결합되는 자석을 초소형으로 제작하거나 자석이 아닌 자기적 성질을 뛰는 강자성체를 사용할 수 있게 된다. 그 결과 조이스틱(21)의 제조가 용이하고 또한 전체적으로 소형화가 가능하다.Therefore, according to the present invention, a magnet coupled to the
상기 헤드(21a)에 사용되는 자석은 특별히 종류의 한정은 없지만, 통상 양산 되어 있는 페라이트계, 사마륨-코발트계, 네오디계 등 여러 가지 자석이 적용 가능하지만 상기한 바와 같이 적용하는 자기센서가 고감도이기 때문에 굳이 자석이 아닌 자기적인 성질을 가지는 강자성체도 가능하다. The magnet used in the
상기 헤드(21a)에 강자성체를 사용하는 경우 도시된 예에는 수직 방향으로 N극 및 S극이 위치하도록 착자가 되어 있으나, NS의 착자방향에 대해서는 특별히 제한되지 않는다. When the ferromagnetic material is used for the
또한, 자석 혹은 강자성체로 이루어지는 상기 헤드(21a)의 형상은 자기센서(30)와 근접해 있는 부분이 뾰족하여 자속이 모아지는 형태 즉, 원뿔, 사각뿔, 삼각뿔 등의 형태를 갖는 것이 공간분해능의 좋아져서 포인팅 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the shape of the
상기 자기센서(30)는 직교계의 2차원 평면상의 2축인 X축 및 Y축을 따라서 기판에 대칭으로 형성되어 있기 때문에 조이스틱(21)의 헤드(21a), 즉 포인터는 자기센서(30)의 중앙 부근에 배치되어야 한다.Since the
이하에 도 5a 및 도 5b를 참고하여 상기한 제1 내지 제4 실시예에 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용된 플럭스 게이트형 자기센서의 구성을 설명한다.Hereinafter, the configuration of the flux gate type magnetic sensor employed as the one-chip two-axis magnetic sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B.
도시된 바와 같이, 플럭스 게이트형 자기센서(30a)는 절연체 기판의 상부면에 연자기 특성이 우수한 재료로 이루어지며 원형상으로 패턴닝된 자성체 코어(31)가 형성된 제1기판(40)의 상/하부에 각각의 표면에 자성체 코어(31)의 외주를 토로이달 형태로 권선되어 자성체 코어를 자화시키기 위해 다수의 상측 및 하측 여자코일 패턴(33a,34a)이 비어홀(33b,34b)을 통하여 상호 연결되어 여자코일(25)(도 8 참조)을 형성하기 위한 제2 및 제3 기판(32a,32b)이 적층되어 있다.As shown, the flux gate type
또한, 각각 상기 제2 및 제3 기판(32a,32b)의 상하부에는 각각의 기판 표면에 원형 자성체 코어(31)를 수평으로 가로질러 권선되며 코어(31)의 접선에 직각을 이루도록 양측의 중간부로부터 방사상으로 휘어져 연장된 다수의 제1 및 제2 도전성 선형패턴(35a,37a)과, 서로 대응하는 위치에 있는 제1 및 제2 도전성 선형패턴(35a,37a)의 양 단부를 상기 제1기판 내지 제3 기판(40,32a,32b)을 통하여 상호 연결하기 위한 다수의 제1스루홀(35b,37b)을 구비하고, 조이스틱(21) 헤드(21a)의 변화에 따라 유도되는 2차 고조파의 X축 성분을 검출하기 위한 X축 픽업코일(26)을 형성하기 위한 제4 및 제5 기판(36a,36b)이 적층되어 있다.In addition, upper and lower portions of the second and
또한, 상기 제4기판(16a)의 상부와, 제3 기판(32b)과 제5기판(36b) 사이에는 각각의 표면에 원형 자성체 코어(31)를 수직으로 가로질러 권선되며 코어의 접선에 직각을 이루도록 양측의 중간부로부터 방사상으로 휘어져 연장된 다수의 제3 및 제4 도전성 선형패턴(38a,41a)과, 서로 대응하는 위치에 있는 제3 및 제4 도전성 선형패턴(38a,41a)의 양 단부를 상기 제1 내지 제4 기판(40,32a,32b,36a)을 통하여 상호 연결하기 위한 다수의 제2스루홀(38b,41b)을 구비하고, 조이스틱(21) 헤드(21a)의 변화에 따라 유도되는 2차 고조파의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 픽업코일(27)을 형성하기 위한 제6 및 제7 기판(39a,39b)이 적층되어 있다.In addition, between the upper portion of the fourth substrate 16a and the
즉, 제1기판(40)의 상측에는 상측 X축 픽업코일 패턴이 형성된 제4기판(36a), 상측 Y축 픽업코일 패턴이 형성된 제6기판(39a)의 순서로 적층되고, 제1기판(40)의 하측에는 하측 Y축 픽업코일 패턴이 형성된 제5기판(39b), 하측 X축 픽업코일 패턴이 형성된 제7기판(36b)의 순서로 적층된다.That is, the
상기 자성체 코어(31)는 Co계 비정질(amorphous), 퍼멀로이(Permalloy), 슈퍼멀로이 중 어느 하나로 이루어진다.The
상기와 같은 구조를 갖는 플럭스 게이트형 자기센서(30a)는 1차 코일인 여자코일(25)에 교류(AC)전류(10 kHz 이상)를 인가시켜 제1기판(40)의 자성체 코어(31)를 자기적으로 자화시킨 후, 2차 코일인 X축 및 Y축 픽업코일(26,27)에 유도되는 2차 고조파를 측정하여 사용하게 된다. The flux gate type
자석으로 이루어진 조이스틱(21)의 헤드(21a), 즉 포인터가 X축 및 Y축의 중앙 부분(원점)으로부터 이동하는 경우 2차 코일, 즉 X축 및 Y축 픽업코일(26,27)에 헤드의 위치에 대응하는 2차 고조파가 유도된다. 따라서, 이 2차 고조파를 신호 처리하여 조이스틱(21)의 위치 이동된 점의 좌표를 구하며, 이 과정에 대하여는 이후에 도 8을 참고하여 상세하게 설명한다.When the
한편, 픽업코일(26,27)에 출력신호를 주는 자속 변화의 근원이 되는 원형의 자성체 코어(31)는 형상자기이방성을 가지고 있어 자성체 코어의 길이방향이 자기적으로 자화 용이축을 가지게 되고 자성체 코어의 접선에 수직방향으로 자화 곤란축을 가지게 된다. 그 결과, 자성체 코어(31)의 길이방향과 외부자기장이 평행을 이루었을 때 자성체 코어(31) 내부에 유기되는 자속의 변화량이 최대가 되고 직각을 이루었을 때 최소가 된다. On the other hand, the circular
따라서, 상기 플럭스 게이트형 자기센서(30a)에서 자성체 코어(31)는 원형뿐 아니라 사각형상을 이루는 것도 가능하다. Therefore, in the flux gate type
또한, 상기 자기센서(30a)에서 상기 X축 및 Y축 픽업코일(26,27)은 서로 직교함과 동시에 각각 자속 변화 축을 이루는 원형 자성체 코어(31)의 접선에 직각을 이루는 방향으로 픽업코일의 양 단부 패턴이 형성되는 것이 상기 X축 검출성분이 최대 출력신호를 얻을 때 Y축 검출성분은 최소 출력신호가 발생되고, 상기 X축 검출성분이 최소 출력신호를 얻을 때 Y축 검출성분은 최대 출력신호가 발생된다.Further, in the
자성체 코어(31)가 사각형상일 때 상기와 같은 이유로 출력신호의 최대값과 최소값의 차이가 크게 되어 자기센서의 감도 및 분해능이 더 높게 나타난다.When the
한편, 이하에 도 6a 및 도 6b와, 도 7a 및 도 7b를 참고하여 상기한 원칩형 2축 자기센서로서 채용 가능한 교류자기저항형 자기센서의 구성을 설명한다.On the other hand, with reference to Figs. 6A and 6B, and Figs. 7A and 7B, the configuration of the AC magnetoresistive magnetic sensor that can be employed as the one-chip two-axis magnetic sensor described above will be described.
교류자기저항형 자기센서(30b)는 자기 임피던스 효과(Magneto Impedance Effects)를 이용한 센서로서, 자기 임피던스 효과는 주로 비결정질 리본, 와이어 및 박막 등과 같은 고투자율의 선형 연자성 특성이 뛰어난 재료에서 주로 나타나는 현상으로, 외부 자기장의 변화에 따라 선형 자성체의 교류저항(임피던스)이 민감하게 변하는 현상이다.The AC magnetoresistive
도 6a 및 도 6b와 같이, 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서(30b)는 4단자법과 2단자 코일방법 중 어느 하나의 방법으로 구현될 수 있다.6A and 6B, the
먼저 4단자법은 도 6a와 같이 주로 고투자율 연자성 물질로 이루어진 선형 자성체를 자기장 열처리하여 원하는 이방성을 부여한 것을 이용하며, 선형 자성체(46)에 길이방향으로 차례대로 4개의 전극단자(44a,44b,45a,45b)를 형성하고, 선형 자성체(46)의 외주에 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(43)을 권취하여 DC 바이어스부(47)로부터 DC 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 바깥쪽 두 전극단자(44a,44b)에 교류전원(48)으로부터 교류전류(I)를 인가하고 안쪽의 두 전극단자(45a,45b)에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압(V)을 측정하는 방법이다.First, the four-terminal method uses a magnetic field heat treatment of a linear magnetic material mainly made of a high permeability soft magnetic material to provide desired anisotropy, as shown in FIG. 6A. Four
또한, 2단자 코일방법은 도 6b에 도시된 바와 같이 상기한 선형 자성체(46)의 양 끝단에 각각 전극단자(44a,44b)를 형성하고, 선형 자성체의 외주에 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(43)을 권취하여 DC 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 자성체(46)의 양 끝단의 전극단자(44a,44b)에 전류(I)를 인가하고, 선형 자성체 주위에 감긴 검출코일(42)에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압(V)을 측정하는 방법이다.In addition, in the two-terminal coil method, as illustrated in FIG. 6B,
도 7a 및 도 7b에 도시된 자기센서 구조는 4단자법을 이용하여 자기센서를 구현한 것이나, 어떤 방법을 사용해도 좋다. The magnetic sensor structure shown in FIGS. 7A and 7B is a magnetic sensor implemented using the four-terminal method, but any method may be used.
이하에 본 발명에 따른 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 자기센서 구조를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a micro magnetic sensor structure using the magnetic impedance (MI) effect according to the present invention will be described in detail.
본 발명의 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서는 Co 및 Fe 계 비결정질(amorphous), 퍼멀로이(permalloy), 슈퍼멀로이(supermalloy), 및 인바(invar) 등으로 연자성 특성이 뛰어난 재료를 자성체로 사용하게 되며, 자성체의 형상은 리본, 와이어, 박막 등의 선형 자성체를 사용한다. The magnetic sensor using the magnetic impedance effect of the present invention uses a material having excellent soft magnetic properties such as Co and Fe-based amorphous, permalloy, supermalloy, and invar as a magnetic material. For the shape of the magnetic material, linear magnetic materials such as ribbons, wires, and thin films are used.
자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 자기센서(30b)는 외부 자기장에 수평하게 위치되어 외부 자기장을 벡터적으로 감지하여 외부 자기장의 방향 및 크기를 측정하기 위해, 상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체(51)를 구비한 X축 자기센서(50)와, 자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체(59)와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체(69)를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자기센서(60)로 구성된다.The miniature
상기 X축 및 Y축 자기센서(50,60)는 각각 동일한 구조로 이루어지며, 상기 제1선형 자성체(59)와 제2선형 자성체(69)는 서로 직교방향으로 배치하여 적층된다.The X-axis and Y-axis
상기 X축 자기센서(50)는 각각 절연체로 이루어진 제1기판(51)과, 절연체로 이루어지며 상기 제1기판(51)의 상부에 적층된 제2기판(55)과, 자기장 열처리를 통하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시킨 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 상기 제1기판(51)의 상부면에 선형으로 형성된 선형 자성체(59)와, 상기 선형 자성체(59)의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드 코일(43)을 형성하도록 상기 제1기판(51)의 하부면과 제2기판(55)의 상부면에 선형 자성체(59)를 대략 직교하는 방향으로 서로 동일한 간격으로 배치되어 선형 자성체(10)를 따라 감겨있는 코일 또는 솔레노이드 형상을 이루게 패턴 형성되어 연결패드(58a,58b)와 스루홀(57a,57b)를 통하여 연결된 다수의 제1 및 제2 도전패턴(54a-54n, 56a-56n) 을 포함하고 있다.The X-axis
또한, 상기 X축 자기센서(50)는 상기 제1기판(51)에 형성된 선형 자성체(59)의 양단부에 각각 연장 형성되어 교류전류를 인가하기 위한 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b)와, 상기 선형 자성체(59)의 양단부에 각각 연장 형성되어 외부 자기장에 따른 선형 자성체(59)의 자기 임피던스에 비례하는 검출신호를 검출하기 위한 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d)를 포함하고 있다.In addition, the X-axis
상기 X축 자기센서(50)의 제조공정은 먼저, 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체를 준비하고, 상기 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 자성체를 제1기판(51) 위에 적층하고 패턴닝에 의해 선형 자성체(59)를 형성한다.In the manufacturing process of the X-axis
이어서, 상기 제1기판(51) 전체에 무전해 도금을 통하여 제1동박을 도금한 후, 제1동박을 패턴닝하여 선형 자성체(59)의 양단부에 자기 임피던스 측정을 위한 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b)와 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d)를 형성한다.Subsequently, after plating the first copper foil on the entire
그후, 상기 제1기판(51)의 하부면과 제2기판(55)의 상부면에 각각 제2 및 제3 동박을 적층한 후, 제1기판(51) 위에 제2기판(55)을 적층하고, 상기 제2 및 제3 동박을 패턴닝하여 선형 자성체(59)를 감싸는 코일 형상을 이루도록 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴(54a-54n, 56a-56n)을 형성한다. 이어서, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴(54a-54n, 56a-56n)의 양단부에 형성된 다수의 연 결패드(58a,58b)에 다수의 스루홀(57a,57b)을 형성한 후 도금(57c)을 통하여 대응하는 연결패드 및 스루홀을 상호 연결하여, 선형 자성체(59)의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(43)을 형성한다.Thereafter, the second and third copper foils are laminated on the lower surface of the
Y축 자기센서(60)는 X축 자기센서(50)와 동일한 방법으로 Y축의 제1 및 제2 기판(21,25)을 형성하며, 그후 상기 제1선형 자성체(59)와 제2선형 자성체(69)가 서로 직교방향으로 배치되도록 하여 적층시킨 후, 끝으로 X축 및 Y축 자기센서(50,60) 각각의 4전극단자(52a-52d,62a-62d)와 DC 바이어스 필드 코일(43)의 DC 바이어스 전압을 인가하기 위한 전극단자(55a,55b,64a,64b)를 센서의 상부면으로 인출하기 위한 스루홀과 도금을 실시하면 자기센서(30b)의 제작이 완성된다.The Y-axis
한편, 일반적으로 비결정질 리본으로 이루어진 선형 자성체(59,69)의 자기 임피던스는 선형 자성체의 수직방향의 투자율과 인가전류의 주파수 함수로 정의될 수 있으며, 투자율은 선형 자성체(59,69)의 길이방향에 수직한 방향의 자화값에 대한 투자율 성분으로 나타내어진다. On the other hand, the magnetic impedance of the linear
따라서, 외부자기장이 자성체의 축방향으로 변화하게 되면 자화값의 방향도 외부자기장에 따라 변하게 되며, 이로 인하여 투자율도 변하게 되고, 그 결과 자성체의 자기 임피던스도 변하게 된다.Therefore, when the external magnetic field changes in the axial direction of the magnetic body, the direction of the magnetization value also changes according to the external magnetic field, thereby changing the magnetic permeability, thereby changing the magnetic impedance of the magnetic body.
일반적으로 투자율은 이방성 방향의 각도가 길이방향에 수직한 방향에 대하여 커짐에 따라서 외부자기장이 '제로(0)' 근처에서 생기는 오목하게 생기는 딥(dip)이 작아지다가 없어지는 현상을 나타낸다. 본 발명에서는 투자율의 특성 중 외부 자기장이 '0' 주위에서 급격한 감소와 증가를 나타내는 선형 부분을 사용하며, 따라서 이러한 선형 부분은 이방성 방향의 각도가 길이방향의 수직방향에 대하여 제로에 가까울수록 좋다는 것을 알 수 있다. In general, the permeability represents a phenomenon in which the concave dip generated near the zero is reduced and disappeared as the angle in the anisotropic direction increases with respect to the direction perpendicular to the longitudinal direction. The present invention uses a linear portion of the magnetic permeability characteristic in which the external magnetic field shows a sharp decrease and increase around '0', so that the linear portion is better that the angle in the anisotropic direction is closer to zero with respect to the vertical direction in the longitudinal direction. Able to know.
그런데 통상적으로 리본형 비정질인 경우는 선형 자성체의 길이방향으로 일축 이방성을 갖도록 제조되므로, 따라서, 본 발명에서는 제조시에 선형 자성체에 미리 부여된 길이방향의 일축 이방성을 선형 자성체(59,69)의 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 바꾸기 위하여 자기장 열처리 방법을 통하여 선형 자성체의 이방성 방향의 각도를 제로에 가깝게 설정하고 있다.However, in the case of the ribbon-shaped amorphous material, since it is generally manufactured to have uniaxial anisotropy in the longitudinal direction of the linear magnetic body, in the present invention, therefore, the uniaxial anisotropy in the longitudinal direction previously given to the linear magnetic body in the manufacture of the linear
이 경우 상기 제1 및 제2 선형 자성체(59,69)에 대한 자기장 열처리는 선형 자성체의 길이에 수직방향으로 자기장을 인가하면서 선형 자성체(59,69)의 큐리 온도(Tc)보다 50℃ 정도 낮은 온도부터 큐리 온도(Tc) 사이의 온도영역에서 30분 내지 5시간 범위로 열처리하는 것에 의해 이루어지며, 그 결과 선형 자성체는 길이에 수직방향으로 이방성 방향이 인위적으로 변화되어, 투자율의 특성 중 외부 자기장이 '0' 주위에서 급격한 감소와 증가를 나타내는 선형 부분을 사용할 수 있게 된다.In this case, the magnetic field heat treatment of the first and second linear
또한, 상기 자기장 열처리를 실행함에 의해 선형 자성체의 이방성 방향 각도를 제로(0)에 가깝게 설정하며, 더욱이 센서의 출력이 (+) 및 (-) 외부 자기장의 균등한 변화범위에 대응하여 선형의 자기 임피던스 특성을 나타내도록 상기 DC 바이어스 필드의 인가에 의해 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 우측 방향으로 시프트 시킨다.In addition, by performing the magnetic field heat treatment, the anisotropic direction angle of the linear magnetic body is set to be close to zero, and the output of the sensor corresponds to a linear magnetic field corresponding to the equal range of change of the positive and negative external magnetic fields. By applying the DC bias field, the zero point of the external magnetic field in the magnetic impedance characteristic is shifted to the right direction to show the impedance characteristic.
상기와 같은 구조를 갖는 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 자기센서(30b)는 전극단자(55a,55b,64a,64b)를 통하여 DC 바이어스 필드 코일(43)에 DC 바이어스 전압을 인가하고, 각각 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b,62a,62b)를 통하여 선형 자성체(59,69)에 교류전류를 인가한 상태에서 각각 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d,62c,62d)로부터 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 검출전압을 측정하여 사용하게 된다.The ultra-small
따라서, 상기 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 중앙 부분(원점)에 자석으로 이루어진 조이스틱(21)의 헤드(21a), 즉 포인터가 근접해 있는 경우에 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 검출전압을 제로(0)로 보정하게 된다.Accordingly, when the
그러나, 외부에서 자기장, 즉 자석으로 이루어진 조이스틱(21)의 헤드(21a)가 원점으로부터 다른 위치로 이동하는 경우 헤드(21) 자석의 자기장에 의해 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 선형 자성체(59,69)에 대한 자화값, 투자율 및 교류저항(임피던스)이 민감하게 변경되고, 그 결과 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서(50,60)로부터 출력되는 검출전압을 이용하여 차동 증폭기(28a,28b)로부터 X축 및 Y축 자기벡터의 크기를 측정하게 되는 것이다. 상기 측정된 X축 및 Y축 자기벡터로부터 조이스틱(21)의 위치 이동된 점, 즉 포인터의 좌표를 구하는 과정에 대하여는 이후에 상세하게 설명한다.However, when the
상기한 실시예에서는 2축 자기센서로서 플럭스 게이트형 및 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 자기센서를 예시하였으나, 본 발명에서는 앞에서 예시한 구조 이외에도 초소형으로 원칩 형태로 집적될 수 있는 것이라면 주지된 다른 구조를 채용하는 것도 가능하며, 상기한 실시예에 제한되지 않는다.In the above-described embodiment, the magnetic sensor using the flux gate type and the magnetic impedance (MI) effect is illustrated as the two-axis magnetic sensor. However, in the present invention, in addition to the above-described structure, if the micro sensor can be integrated in a microchip in one chip form, other structures are well known. It is also possible to employ, and is not limited to the above embodiment.
이하에 도 8 및 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 비 접촉식 포인팅 장치의 동작에 대하여 설명한다.Hereinafter, an operation of the non-contact pointing device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
도 8은 본 발명에 따른 플럭스 게이트형 2축 자기센서 이용한 포인팅 장치의 전체 구성을 보여주는 개략 블록도이고, 도 9는 자기센서로부터 얻어진 자기벡터로부터 포인터의 위치를 구하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.FIG. 8 is a schematic block diagram showing an overall configuration of a pointing device using a flux gate type two-axis magnetic sensor according to the present invention, and FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a method of obtaining a pointer position from a magnetic vector obtained from a magnetic sensor. .
본 발명에 따른 비 접촉식 포인팅 장치는 자석 혹은 자성체로 이루어진 조이스틱(21)의 헤드(21a) 부분 바로 아래에 원칩 형태로 제조된 2축 자기센서(30a)가 위치된 구조를 갖고 있다. 헤드(21a)는 조이스틱(21)의 핸들(21b)을 조작함에 따라 상하좌우로 움직일 수 있고, 스위치 기능을 위해 수직으로 이동 가능한 구조를 가진다.The non-contact pointing device according to the present invention has a structure in which a biaxial
상기 포인팅 장치는 Z축 방향의 자계가 원점(0)에 대해 대칭, 즉 헤드 자석의 착자 방향이 수직 방향으로 되어 있고, 이 경우 출력이 0이 되도록 하고 있다.The pointing device is such that the magnetic field in the Z-axis direction is symmetric with respect to the
상기와 같은 구조를 갖는 플럭스 게이트형 자기센서(30a)는 1차 코일인 여자코일(25)에 교류전류(10 kHz 이상)를 인가시켜 제1기판(40)의 자성체 코어(31)를 자기적으로 자화시킨 후, 2차 코일인 X축 및 Y축 픽업코일(26,27)에 유도되는 2차 고조파를 측정하여 사용하게 된다.The flux gate type
이때 자석으로 이루어진 조이스틱(21)의 헤드(21a)가 X축 및 Y축의 중앙 부분(원점)에 근접해 있는 경우 X축 및 Y축 픽업코일(26,27)에 유도되는 2차 고조파는 0이 되는데, 이것은 X축 및 Y축 픽업코일(26,27) 각각과 제1기판(40)의 자성체 코어(31)와 겹치는 두 부분이 같은 크기의 자화값을 가지며 자화방향이 서로 달라 두 부분에서 유도되는 2차 고조파가 상쇄되기 때문이다. At this time, when the
그러나, 자석으로 이루어진 조이스틱(21)의 헤드(21a)(즉, 포인터)가 원점으로부터 위치 이동하여 자기장이 인가되게 되면 X축 및 Y축 픽업코일(26,27) 각각과 자성체 코어(31)가 겹치는 두 부분의 자화값은 차이를 가지게 되고, 이로 인해 2차 코일, 즉 X축 및 Y축 픽업코일(26,27)에 유도되는 2차 고조파는 0이 아닌 헤드(21a)의 이동된 위치에 대응하는 2차 고조파가 얻어지게 된다.However, when the
따라서, 이 서로 다른 2차 고조파 값을 도 8에 도시된 바와 같은 차동 증폭기(28a,28b)로 각각 차동 증폭하면, X축 및 Y축 자기벡터 값이 얻어지며, 상기 측정된 X축 및 Y축 자기벡터 값은 신호처리부(29)에서 신호 처리되어 조이스틱(21)의 이동된 점에 대한 X 및 Y 좌표가 구해진다.Therefore, by differentially amplifying these different second harmonic values with the
이하에 X축 및 Y축 자기벡터 값으로부터 이동된 점의 X 및 Y 좌표를 구하는 방법에 대하여 도 9를 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of obtaining the X and Y coordinates of the moved point from the X and Y axis magnetic vector values will be described in detail with reference to FIG. 9.
본 발명에 사용되는 자기센서(30)는 2축의 구조를 가지고 있으므로 도 9와 같이 X-Y평면으로 설명할 수 있다. 따라서 포인팅 장치의 포인터(즉, 헤드) 위치가 도 9의 P1 지점과 같이 자북(Y축 양의 방향)을 0이라 할 때 시계방향으로 θ1만큼의 회전각을 가지고 위치하였다고 가정하면, 센서의 X축의 자기벡터 검출값은 X1의 값을 가지며 Y축의 자기벡터 검출값은 Y1의 값을 가지게 된다. 따라서 P1 위치의 좌표는 θ1 값과 R1 값을 구하면 알 수 있게 된다. 따라서 P1 위치의 크기에 해당하는 R1은 아래의 수학식 1에 의해서 구할 수 있게 된다.Since the
그리고 P1 위치의 θ1 값은 아래와 같은 수학식 2에 의하여 구할 수 있다.The θ 1 value of the P 1 position can be obtained by
따라서 R1 값과 θ1 값이 결정되면 P1의 위치 역시 구할 수 있다. 마찬가지로 P1의 반대편 평면에 있는 P2 위치도 상기와 동일한 방법으로 쉽게 계산이 가능하다.Therefore, when the R 1 value and θ 1 value are determined, the position of P1 can also be obtained. Likewise, the position of P 2 in the plane opposite to P 1 can be easily calculated in the same manner as above.
한편, 본 발명에 의하면 포인터의 값이 좌표상에서 큰 값(원점에서 멀어질 때)을 가질수록 포인터의 자석 혹은 강자성체는 센서의 센싱 위치로부터 멀어지게 되므로 X 및 Y 자기 벡터 값은 작아지게 된다. 이에 따른 적절한 보정이 필요하다. Meanwhile, according to the present invention, as the value of the pointer has a large value (away from the origin) in coordinates, the magnet or ferromagnetic material of the pointer moves away from the sensing position of the sensor, so that the X and Y magnetic vector values become smaller. Appropriate correction is therefore required.
또한, 지구자기장과 같은 외부자기장과 포인팅 장치가 장착된 장치(휴대폰, 노트북, MP3 플레이어 등)내에 존재하는 자기장의 간섭에 의한 포인터의 오동작을 피하기 위해 포인터가 동작하기 전에 포인터가 정위치(X-Y 평면상의 원점)에 있을 때 자기값을 "0"으로 셋팅하는 작업도 필요하다. Also, in order to avoid the malfunction of the pointer due to the interference of the magnetic field present in the external magnetic field such as the earth magnetic field and the device equipped with the pointing device (mobile phone, laptop, MP3 player, etc.), the pointer is positioned in the correct position (XY plane). It is also necessary to set the magnetic value to "0" when it is at the zero point of the phase.
상기한 실시예에 있어서는 포인터의 이동수단이 스틱 형태의 조이스틱으로 이루어진 조이스틱형 포인팅 장치를 예시하였으나, 본 발명은 포인터의 이동수단으 로 하부에 포인터가 돌출되고 힌지축을 중심으로 선회 가능하게 지지된 구형상의 볼 또는 판 형태로 이루어질 수 있고, 포인터를 이동시킬 수 있는 구조라면 주지된 어떤 구조도 적용 가능하다.In the above embodiment, a joystick-type pointing device in which the moving means of the pointer is formed of a joystick in the form of a stick is illustrated. However, the present invention is a spherical shape in which a pointer protrudes below and is pivotally supported around the hinge axis as a moving means of the pointer. Any structure known in the art can be used as long as it can be in the form of a ball or plate on the top and can move the pointer.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 원칩형 2축 자기센서를 사용하여 비 접촉식으로 조이스틱 헤드의 위치를 벡터적으로 좌표를 검지함에 의해, 종래의 접촉식 및 비 접촉식 포인팅 장치보다 구조가 간단하고 극소형으로 제작이 가능하며, 수명을 획기적으로 연장할 수 있다.As described above, in the present invention, by using the one-chip type two-axis magnetic sensor to detect the coordinates of the joystick head in a non-contact manner vectorly, the structure is simpler than the conventional contact and non-contact pointing device, the pole It can be manufactured in a small size, and its life can be prolonged dramatically.
또한, 본 발명의 포인팅 장치는 종래의 홀(Hall) 소자 또는 자기저항(MR) 소자로 이루어진 4개의 자기센서를 사용하는 큰 사이즈의 자기검출식 포인팅 장치에 비하여, 고감도의 원칩형 2축 자기센서를 사용함에 의해 조이스틱에 결합되는 자석을 초소형으로 제작하거나 자석이 아닌 자기적 성질을 뛰는 강자성체를 사용할 수 있어 제조가 용이하고 또한 소형화가 가능하다.In addition, the pointing device of the present invention is a highly sensitive one-chip type two-axis magnetic sensor, compared to a large-sized magnetic detection type pointing device using four magnetic sensors made of a conventional Hall element or a magnetoresistive (MR) element. By using the magnet to be coupled to the joystick can be manufactured in a very small or non-magnet ferromagnetic material that has a magnetic property is easy to manufacture and can be miniaturized.
따라서, 본 발명은 두께가 1mm 내외이고 크기가 3ㅧ3 내지 5ㅧ5mm 정도의 원칩형으로 제작이 가능한 원칩형 2축 자기센서를 사용함에 의해 극 소형화가 가능하여 현재 다양한 응용이 실시되고 있는 휴대폰과 엠피쓰리 플레이어, 노트북, PDA 등에 적용 가능한 포인팅 장치를 제공할 수 있다. Accordingly, the present invention is possible to miniaturize by using a one-chip type 2-axis magnetic sensor that can be produced in a one-chip type of about 3 ㅧ 3 to 5 ㅧ 5mm in thickness and about 1mm in thickness, and is currently being applied to various mobile phones. And pointing devices applicable to MP3 players, notebooks, PDAs, and the like.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.In the above, the present invention has been illustrated and described with reference to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention is not limited to the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible by those who have the same.
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