KR102495996B1 - 홀 센서를 이용한 스위칭 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 영구자석(permanent magnet)으로 구성된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 전자석(electro-magnet)으로 구성된다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 마그네트 내면에 설치되는 격벽(400)과, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 영구자석(permanent magnet)으로 구성되고, 상기 마그네트의 내면에 격벽(400)이 설치된다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 전자석(electro-magnet)으로 구성되고, 상기 마그네트의 내면에 격벽(400)이 설치된다.

Description

홀 센서를 이용한 스위칭 소자{SWITCHING DEVICE USING HALL SENSOR}

본 발명은 스위칭 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플레이트의 물리적 눌림에 의한 미세한 자기장의 변화를 검출하고, 검출된 자기장의 변화로부터 스위칭 신호를 출력할 수 있는 스위칭 소자에 관한 것이다.

최근 통신기술의 발달로, 스마트폰, 태블릿, PMP 등과 같은 휴대 단말기들이 널리 사용되고 있다.

휴대 단말기에는 사용자의 입력명령을 받기 위한 소자들이 설치된다. 입력 소자로서, 디스플레이 플레이트의 상부에 설치되는 터치 플레이트, 휴대 단말기의 측면에 설치되는 전원 버튼, 볼륨 버튼이 설치될 수 있다. 전원버튼과 볼륨버튼으로는 감압센서가 주로 사용되며, 감압센서는 손가락의 압력을 검출하여 스위칭 동작을 수행한다.

감압센서를 설치하기 위하여, 케이스의 소정의 영역에 스위칭 버튼을 설치하여야 한다. 케이스에 홈을 형성하고, 형성된 홈에 스위칭 버튼을 설치할 경우, 케이스와 버튼 사이에는 틈이 발생하게 되고, 이 틈 사이로 물, 먼지와 같은 이물질이 낄 수 있다.

공개특허공보 제10-2015-0031968호, 단말기 공개특허공보 제20-2012-0007707호, 측면 터치 센서를 특징으로 하는 휴대 단말기 공개특허공보 제10-2020-0009164호, 전자 장치 공개특허공보 제10-2016-0149982호, 입력장치를 구비한 전자장치

본 발명은 압전 물성을 이용하지 않고, Hall 물성을 이용한 스위칭 소자를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 외력에 의한 플레이트의 물리적 변화를 자기장을 통해 검출하고, 이를 기초로 스위칭 동작을 구현하는 스위칭 소자를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 휴대 단말기의 측면 플레이트에 스위칭 버튼을 형성할 때, 스위칭 버튼 주변에 틈을 형성하지 않는 스위칭 소자를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 기존의 기계식 버튼 또는 감압식 버튼과 달리 기계적 스트레스를 발생하지 않아 고장율이 낮음으로써 높은 신뢰성을 가지는 스위칭 소자를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 영구자석(permanent magnet)으로 구성된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 전자석(electro-magnet)으로 구성된다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 마그네트 내면에 설치되는 격벽(400)과, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 영구자석(permanent magnet)으로 구성되고, 상기 마그네트의 내면에 격벽(400)이 설치된다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 소자는, 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 전자석(electro-magnet)으로 구성되고, 상기 마그네트의 내면에 격벽(400)이 설치된다.

본 발명에 따른 전자석(electro-magnet)은 적층코일기판 또는 권선형 코일로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 플레이트는 소정의 탄성을 갖는 재료가 선택될 수 있다.

본 발명의 실시예에 다른 홀 센서는 플레이트의 움직임에 따른 자속을 검출한다.

본 발명에 따르면, 플레이트의 미세한 움직임에 따른 자속의 변화를 검출하는 홀 센서를 구비하고, 상기 홀 센서로부터 검출된 자속의 변화로부터 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

또한 본 발명은 마그네트와 홀 소자 사이에 격벽을 설치함으로써, 측면 방향의 자속을 차단하고 수직방향의 자속밀도를 높일 수 있다. 이에 따라 홀 소자의 센싱력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 소자의 구성도이다.
도 2는 플레이트 상면을 손가락으로 누르는 동작을 나타낸 것이다.
도 3은 물체의 종류에 따른 자기력선의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 적층회로기판으로 마그네트를 형성한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 코일형으로 마그네트를 형성한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 소자의 구성도이다.
도 7은 플레이트의 위치변화에 따른 자속의 변화량과 변화율을 나타낸 것이다.
도 8은 자석과 전자석을 썼을 경우의 Hall 센서 상의 자속의 변화를 나타난 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.

본 발명은 홀 센서를 이용한 스위칭 소자에 관한 것이다. 상기 홀 센서는 자기장 내의 도체에 전류가 흐르면, 자기장과 전류의 직각 방향으로 전압이 발생되는 전자소자를 말한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 소자의 구성도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 소자는 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함한다.

추가적으로 상기 마그네트와 홀 센서는 기재(substrate) 상에 설치될 수 있다. 이러한 구성에서, 스위칭 소자는 기재의 상부에 마그네트와 홀 센서를 설치되고, 마그네트와 홀 센서의 상측에 소정의 간격을 두고 플레이트가 설치될 수 있다.

상기 플레이트(plate, 100)는 휴대 단말기의 케이스 측면에 설치될 수 있다. 플레이트는 소정의 탄성을 갖는 금속 재료를 사용할 수 있다.

상기 플레이트(100)의 하측에는 소정 간격을 두고 마그네트(200)와 홀 센서(300)가 구비된다.

상기 마그네트(magnet, 200)는 자기장(magnetic field)을 형성한다. 상기 마그네트는 영구 자석(permanent magnet)일 수 있다. 실시예로서, 상기 마그네트의 상측과 하측은 서로 다른 자극을 가질 수 있다.

일반적으로, 자력과 자력이 미치는 공간을 표현하기 위하여 자기력선(lines of magnetic force)이 사용되는데, 소정의 영역을 수직으로 통과하는 자기력선의 량을 자속(magnetic flux)라 한다.

상기 홀 센서(hall sensor, 300)는 마그네트의 자속(magnetic flux)을 검출한다. 홀 센서는 자속을 검출하고, 검출된 자속에 비례하는 전압을 생성한다.

홀 센서는 홀 효과를 이용한 센서를 말한다. 홀 효과(hall effect)는 도체 또는 반도체 내부에 흐르는 전자의 이동방향에 수직한 방향으로 자기장을 가하게 되면, 금속 내부에 전하의 흐름에 수직한 방향으로 전위차(전압)이 발생되는 현상을 말한다.

도 2는 플레이트 상면을 손가락으로 누르는 동작을 나타낸 것인데, 플레이트는 손가락의 누름 압력에 따라 변형되고, 누름 압력을 제거하면 회복된다.

실시예로서, 플레이트가 누름 압력에 의해 마그네트의 상면으로 이동하면, 홀 센서로 인가되는 자속은 변화된다.

상기 회로부(circuit module, 미도시)는 전압 변동값이 소정의 기준값 이상인 경우 스위칭 신호를 출력한다.

도 3은 물체의 종류에 따른 자기력선의 변화를 나타낸 것이다.

도 3(a)는 금속(steel)에 의한 자기력선의 변화를 나타낸 것이고, 도 3(b)는 나무(wood)에 의한 자기력선의 변화를 나타낸 것이다.

물체가 자기장 내에 존재할 때, 물체가 자화되는 정도는 투자율로 설명된다.

〈수학식 1〉

여기서, Β는 자속밀도(magnetic flux density), μ는 투자율(magnetic permeability), Η는 자기장의 세기(magnetic field strength)이다.

서로 다른 투자율을 갖는 물체가 자기장 내에 존재할 경우, 자기력선의 왜곡은 달라지게 된다. 예컨대, 자기장에 금속(steel)과 나무(wood)를 놓았을 경우, 금속에 의해 자기력선의 왜곡은 나무에 의한 자기력선의 왜곡 보다 크다. 이처럼, 자기장 내에서 물체가 존재하게 되면, 물체 주변에는 자기력선이 변화하게 된다.

되돌아가, 도 2를 참조하면, 플레이트를 눌렀을 때, 플레이트의 면은 홀 센서와 가까워 지게 되며, 홀 센서는 플레이트의 이동변위에 따른 자속의 변화량을 검출한다.

본 발명에 따른 스위칭 소자는, 플레이트의 위치 변화에 의한 특정 영역에서의 자속의 변화를 검출하고, 검출된 자속의 변화를 기초로 스위칭 신호를 생성한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 소자는 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 소자는, 앞서 설명한 제1 실시예에 따른 스위칭 소자와 비교하여, 마그네트의 종류가 다르다.

제1 실시예에 따른 마그네트는 영구 자석(permanent magnet)으로 구성하였으나, 제2 실시예에 따른 마그네트는 전자석(electro-magnet)로 구성된다.

상기 제2 실시예에 따른 마그네트는 회로기판을 적층하여 구성할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 소자의 마그네트 구성도이다.

도 4(a), 도 4(b)는 적층코일기판으로 마그네트를 형성한 것을 나타내고, 도 5는 권선형 코일로 마그네트를 형성한 것을 나타낸다. 제2 실시예에 따른 스위칭 소자의 마그네트는 적층코일기판 또는 권선형 코일로 이루어질 수 있다.

상기 적층코일기판은 코일 패턴(PL)이 형성된 패턴 기판(LCB)을 복수 개로 적층하여 구성될 수 있다. 상기 각각의 패턴 기판에 형성된 코일 패턴들은 땜납(solder)을 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 소자의 구성도이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 소자는 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 마그네트 내면에 설치되는 격벽(400)과, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함한다.

제3 실시예에 따른 스위칭 소자는, 앞서 설명한 제1 실시예에 따른 스위칭 소자와 비교하여, 마그네트의 내면에 격벽(400)이 추가로 구비된다.

상기 격벽(400)은 내측 방향 - 홀 센서가 위치한 방향 - 의 자속을 차단하고 상측 방향의 자속을 집중시킨다. 이에 따라 홀 센서에서 검출되는 자속을 증대시켜, 홀 센서의 센싱 능력을 상승시킬 수 있다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 소자는 누름 압력을 인가받는 플레이트(100)과, 상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와, 상기 마그네트 내면에 설치되는 격벽(400)과, 상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함한다.

제4 실시예에 따른 스위칭 소자의 마그네트는 전자석으로 이루어질 수 있으며, 상기 전자석은 앞서 설명한 제2 실시예의 전자석을 사용할 수 있다.

도 7은 플레이트의 위치변화에 따른 자속의 변화량과 변화율을 나타낸 것이다.

도 7의 왼쪽 그림은 자속의 변화량을 나타내며 플레이트가 Hall 센서에서 멀어질수록 자속이 약해지는 것을 알 수 있다. 여기서 파란색 라인은 격벽이 없는 경우이고 주황색은 격벽이 있는 경우이다. 격벽이 있는 경우 초기의 변화율이 심함을 도 7의 오른쪽 그림에서 알 수 있다.

도 8은 자석과 전자석을 썼을 경우의 Hall 센서 상의 자속의 변화를 나타난 그래프이다. 둘 다 초기 5마이크론의 거리 변화에도 홀 센서가 자속의 변화율을 충분히 검출할 수 있어 스위칭 소자로서의 사용이 가능함을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 플레이트
200 : 마그네트
300 : 홀 센서
400 : 격벽

Claims (8)

1. 소정의 탄성을 갖는 금속(steel) 재료로 이루어지고 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와,
   상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와,
   상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와,
   상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고,
   상기 마그네트는 영구자석(permanent magnet)으로 구성되고, 마그네트의 상측과 하측은 서로 다른 자극을 가지며,
   상기 홀 센서(300)는 플레이트(100)의 움직임에 따른 자속의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
   
2. 소정의 탄성을 갖는 금속(steel) 재료로 이루어지고 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와,
   상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와,
   상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와,
   상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고,
   상기 마그네트는 전자석(electro-magnet)으로 구성되고, 마그네트의 상측과 하측은 서로 다른 자극을 가지며,
   상기 홀 센서(300)는 플레이트(100)의 움직임에 따른 자속의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
   
3. 소정의 탄성을 갖는 금속(steel) 재료로 이루어지고 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와,
   상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가
   형성되는 마그네트(magnet, 200)와, 상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와,
   상기 마그네트 내면에 설치되는 격벽(400)과,
   상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고, 상기 마그네트는 영구자석(permanent magnet)으로 구성되고, 마그네트의 상측과 하측은 서로 다른 자극을 가지며,
   상기 홀 센서(300)는 플레이트(100)의 움직임에 따른 자속의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
   
4. 소정의 탄성을 갖는 금속(steel) 재료로 이루어지고 누름 압력을 인가받는 플레이트(plate, 100)와,
   상기 플레이트의 하측에 소정 간격으로 이격되어 설치되고 중앙에 공간부가 형성되는 마그네트(magnet, 200)와,
   상기 마그네트의 공간부에 설치되는 홀 센서(300)와,
   상기 마그네트 내면에 설치되는 격벽(400)과,
   상기 홀 센서로부터 출력되는 전압에 기초하여 스위칭 신호를 출력하는 회로부를 포함하고,
   상기 마그네트는 전자석(electro-magnet)으로 구성되고, 마그네트의 상측과 하측은 서로 다른 자극을 가지며,
   상기 홀 센서(300)는 플레이트(100)의 움직임에 따른 자속의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
   
5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 전자석(electro-magnet)은 적층코일기판 또는 권선형 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
   
   
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images