KR100651851B1 - 압전 스위치 및 그 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분극의 방향이나 변형의 방향을 고려하지 않는 압전 스위치 및 그 구동 회로에 관한 것이다.

본 발명은 압전체, 외부의 압력을 인지하고, 상기 압전체를 고정하는 캡, 상기 압전체의 일측에 형성되는 복개의 전극, 상기 복수개의 전극과 각각 연결되는 복수개의 금속 철편, 상기 복수개의 금속 철편이 고정되고 상기 금속 철편과 회로 부품들이 연결되는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 압전 스위치는 소자의 구조가 종래의 소자에 비해 간단하여 공정이 쉽고 분극의 방향이나 변형의 방향을 고려치 않아도 된다.

또한 구동회로는 압전체에서 나오는 전압의 방향에 관계없이 스위칭 동작을 할 수 있고, 사용자의 일회 버튼 동작에 의해 2회의 신호를 출력하므로 사용자의 편이성 및 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 압전 스위치는 가정용 가전기기 및 산업용 기기등에의 단일 스위치 또는 어레이로도 신뢰성있게 사용할 수 있다.

압전체, 압전 스위치

Description

압전 스위치 및 그 구동 회로{A piezoelectric switch and drive circuit of Piezoelectric switch}

도 1은 압전체에서 발생하는 전압의 시간에 따른 파형도.

도2는 본 발명에 따른 압전 스위치의 구조도.

도 3은 본 발명에 따른 압전 스위치의 제1 실시예의 구조도.

도 4는 본 발명에 따른 압전 스위치의 제2 실시예의 구조도.

도 5는 본 발명에 따른 압전 스위치 구동 회로도.

도 6은 본 발명에 따른 압전 스위치 구동 회로의 제1 실시예도.

도 7은 본 발명에 따른 압전 스위치 구동 회로의 제2 실시예도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101 : 캡 22 : 압전체

21,23,24 : 전극 32,33 : 금속 철편

61 : 인쇄 회로 기판(PCB) 62 : 연결 패드

본 발명은 압전 스위치 및 그 구동 회로에 관한 것으로, 특히 스위치의 구조 를 단순화하여 공정이 쉽고 가격 경쟁력을 높일 수 있으며, 압전체에서 발생한 전압의 방향(극성)과 관계없이 압전 스위치의 동작을 수행할 수 있는 압전 스위치 및 그 구동 회로에 관한 것이다.

최근 압전체를 이용한 압전 스위치의 적용 분야가 매우 다양해지면서 수요 증대 및 관련 기술의 발전이 빠르게 진행되고 있는 실정이다. 압전 스위치는 단일 스위치 뿐만 아니라 여러 개의 스위치를 배열한 어레이 형태의 키패드에 주로 쓰이며, 스위치 소자의 구조도 매우 다양한 형태를 이룬다.

압전 스위치 소자의 가장 큰 문제는 구조의 복잡성과 제조상의 어려움을 갖는데, 압전체는 재료의 변형에 따라 표면에 전하가 유기되는 압전 효과를 가지며, 또한 압전체에 전압을 인가하면 재료에 변형이 발생하는 역 압전 특성도 있다.

압전 재료에서 압전 효과를 크게 얻으려면 초기에 압전체에 전압을 인가하여 내부의 전기 쌍극자의 방향을 일정하게 정렬을 시켜 주어야 하는데, 쌍극자의 정렬 방향에 따라 변형시 전압의 방향이 결정된다. 즉, 변형의 방향이 전기 쌍극자의 방향과 일치할 때에는 변형을 가한 표면에 음전하가 발생하고, 반대로 변형의 방향이 쌍극자의 방향과 반대 일 경우에는 그 표면에 양전하가 발생하게 된다. 그리고 역 압전 효과의 경우에는 인가된 전기장의 방향에 따라 재료의 변형 방향이 반대가 된다. 따라서, 변형의 방향을 주기적으로 바꾸어 줄 수 있다면, 표면에 교류전압을 얻을 수 있고, 반대로 교류의 전압을 인가한다면, 주기적인 변형이 발생하여 압전체를 진동자로 사용할 수도 있다.

이와 같이 종래의 압전 스위치는 제조시 외부의 힘에 의한 압전체의 변형 방 향 및 압전체의 전기 쌍극자 방향 등을 고려하여 구조 설계를 하여야 하는 문제점이 있었다. 또한, 압전 스위치의 구동을 위한 신호 처리 회로 설계에 있어서도 주로 사용하는 FET극성과 압전 스위치에서 나오는 신호의 극성을 고려한 설계를 하여야 하는 번거로움이 있었다. 예를 들어 사용자가 손가락으로 스위치의 버튼을 1회 누르는 동작을 할 경우, 압전체에는 두 번의 변형이 일어나게 된다. 즉, 압전체에 압력이 가해질 때와 가해진 압력이 제거될 때로서, 이것에 의해 압전체에 발생하는 전압의 형태는 도 1과 같다.

도 1을 참고하면, 11지점이 압력이 가해진 시점으로 압전체에서는 압력에 의한 변형으로 12와 같은 파형의 전압이 발생하게 되고, 유기된 전압은 시간에 따라 점점 감소하며 이는 순간적으로 표면에 유도된 표면 전하에 의한 전하의 불균형을 해소하기 위해 유도된 전하와 반대 극성을 가진 전하가 발생하기 때문이다. 따라서, 압전체에 지속적으로 압력이 가해지더라도 초기에 12와 같은 전압 파형이 발생하고 이내 없어진다.

한편 사용자가 스위치 버튼에서 손을 떼는 순간(13지점) 변형된 압전체가 원래의 형태로 복귀하게 되는데, 이때 압전체에는 파형 14와 같은 반대 전압이 유기된다. 따라서, 사용자가 매회 버튼 조작에 의해 나타나는 압전체의 출력 신호는 도 1에 보인 것과 같은 전압이 주기적으로 나오게 되고, 사용자는 이 신호 중 하나를 선택하여 이용하도록 회로상의 FET종류 및 구동 방법 등을 정하여 제작한다.

그러나, 초기의 압전체의 분극 방향이 반대로 정렬되었거나 변형의 방향이 반대 일 경우에는 전압의 방향이 반대로 나오게 되고, 이에 따른 FET의 동작도 불 가능하게 되는 문제점이 있었다. 즉, 종래의 압전 스위치는 제작시 압전체의 분극 방향, 외부 힘에 의한 압전 소자의 변형 방향, 발생 전압의 극성, 원하는 신호의 출력 동작, 전압의 방향에 따라 사용되는 FET의 종류 등 매우 많은 것을 설계 단계에서 고려하여야 한다.

또한 압전 스위치의 장기 사용에 의한 외캡의 유격 발생, 사용자의 부정확한 버튼 조작 등으로 압전체의 변형에 왜곡 현상이 생길 수 있는데, 이 경우에는 전압의 발생 방향이 처음 설계와는 정 반대로 나오는 경우가 실제 사례로서 발생하고 있으며, 이는 스위치의 오동작을 유발하는 치명적인 경우로서 압전 스위치 및 사용 제품의 신뢰성에 매우 심감한 문제로 이어질 수 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 분극의 방향이나 변형의 방향을 고려하지 않는 압전 스위치 및 그 구동 회로를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압전체, 외부의 압력을 인지하고, 상기 압전체를 고정하는 캡, 상기 압전체의 일측에 형성되는 복개의 전극, 상기 복수개의 전극과 각각 연결되는 복수개의 금속 철편, 상기 복수개의 금속 철편이 고정되고 상기 금속 철편과 회로 부품들이 연결되는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

상기 압전체의 재료는 세라믹인 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한 다.

상기 압전체의 재료는 폴리 바이닐 디 플루오라이드(Polyvinyl difluoride)인 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

상기 복수개의 전극은 금속 페이스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

상기 복수개의 전극과 각각 연결되는 복수개의 금속 철편은 탄성을 가짐으로써 상기 전극과 접촉시 접촉 저항이 생기지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

상기 압전체의 상기 복수개의 전극이 형성되는 일측과 다른 일측에 또 다른 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

상기 복수개의 전극은 두개임을 특징으로 하는 압전 스위치를 제공한다.

압전 스위치의 출력 전압을 입력으로 하는 커패시터, 상기 커패시터에 양의 전압이 인가된 경우, 양의 방향의 전류를 통과시키는 제1 단방향 전류 패스부와, 음의 방향의 전류를 통과시키는 제2 단방향 전류 패스부, 상기 커패시터에 음의 전압이 인가된 경우, 양의 방향의 방향의 전류를 통과시키는 제3 단방향 전류 패스부와, 음의 방향의 전류를 통과시키는 제4 단방향 전류 패스부, 상기 제1 단방향 전류 패스부와 제3 단방향 전류 패스부가 만나는 노드에 일측이 연결되고, 입력된 신호에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)를 출력하는 인버터, 상기 제2 단방향 전류 패스부와 제4 단방향 전류 패스부가 만나는 노드에 연결되는 제1 접지, 상기 인버터의 출력단자와 일측이 연결되고, 다른 일측이 접지되어 있는 제 1 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로를 제공한다.

상기 단방향 전류 패스부는 다이오드임을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로를 제공한다.

상기 인버터를 구성하는 p-타입 및 n-타입 FET의 소스단으로 상기 기 설정된 전압(Vcc)이 입력되는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로를 제공한다.

상기 커패시터와 일측이 연결되고, 타측이 상기 제1 단방향 전류 패스부와 제4 단방향 전류 패스부가 만나는 노드와 연결되는 제2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 압전 스위치는 소자의 구조가 종래의 소자에 비해 간단하여 공정이 쉽고 분극의 방향이나 변형의 방향을 고려치 않아도 된다.

또한 구동회로는 압전체에서 나오는 전압의 방향에 관계없이 스위칭 동작을 할 수 있고, 사용자의 일회 버튼 동작에 의해 2회의 신호를 출력하므로 사용자의 편이성 및 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 압전 스위치는 가정용 가전기기 및 산업용 기기등에의 단일 스위치 또는 어레이로도 신뢰성있게 사용할 수 있다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 압전 스위치의 구조를 나타낸다.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 압전 스위치는 압전체(22), 압전체의 양면 또는 한면에 형성된 전극(21)(23)(24), 상기 전극에 각각 접촉되는 금속 편, 상기 금속 편이 고정되고 이 금속편과 회로 부품들이 연결되는 인쇄 회로 기판(PCB,61)로 이루어져 있다. 그리고 상기 압전소자의 한쪽면이 고정되고 소자를 커버할 수 있는 캡(101)로 이루어져 있다.

상기 캡(101)은 플라스틱 또는 금속재도 무방하다. 외부의 압력에 대해 미세한 탄성 변형이 이루어지는 재료이면 내부에 접촉된 압전체를 변형시킬 수 있기 때문이다.

상기 압전체(22)는 일반적으로 사용되는 세라믹 압전체를 사용한다. 또는 본 발명에서는 폴리 바이닐 디 플루오라이드(Polyvinyl difluoride)를 사용할 수 있다. 다만 이 경우 사용 온도 등이 제한될 것이다.

상기 압전체의 상, 하부면에는 전극이 형성되어 있는데, 전극의 형성면에 따라 본 발명에서는 실시예를 각각 제안한다.

도 3은 본 발명에 따른 압전 스위치의 제1 실시예를 도시한다.

도 3을 참조하면, 압전 스위치는 압전체(22)의 동일한 한쪽 면에만 전극(23)(24)이 형성된다. 이는 그 자체로 하나의 커패시터 구조를 형성하게 된다. 또한 압전체를 지지하기 위한 목적으로 도전체가 아닌 구조물을 사용할 수도 있다. 전극(23)(24)의 재료는 금속 페이스트(paste)를 사용하여 형성한다. 그리고 상기 전극(23)(24)와 접촉하며, 전기적 신호를 전달할 수 있는 금속 철편(31)(32)을 형성한다. 금속 철편(31)(32)는 전극(23)(24)에 각각 접촉할 때 접촉 저항이 생기지 않도록 탄성을 가진 것을 사용하여 접촉시 적절한 힘이 가해지도록 한다. 상기 금속 철편(31)(32)는 스위치 회로가 형성되어 있는 인쇄 회로 기판(61)의 연결 패드 (62)에 고정된다. 이와 같은 구조의 압전 스위치는 압전체의 양면에 전극을 형성할 필요없이 한쪽 면에만 전극을 형성함으로써 공정이 간단해지는 장점이 있다. 같은 면에 두개의 전극을 형성하는 공정은 전극 형성용 마스크의 패턴만 다르므로 하나의 전극을 형성하는 공정과 같다.

도 4 본 발명에 따른 압전 스위치의 제2실시예를 도시한다.

도 4를 참조하면, 압전체(22)의 전극(23)(24)이 형성된 일측과 다른 측에 전극(21)을 형성하는 것이다. 전극(21)의 재료로는 통상 얇은 금속 판이 사용된다. 이는 압전체를 지지하면서 캡(101)의 내부에 압전 소자를 고정하기 위한 판으로 사용된다. 이것은 전극(21)을 형성함으로써 압전체(22)는 전극(23)(24)와 더불어 전기적으로 두개의 커패시터가 직렬로 연결된 것과 같은 효과를 나타낸다. 전기적 신호르 전달해 주기 위한 금속 철편(31)(32)은 상기의 제1실시예와 같이 전면에 설치된 두 전극(23)(24)에 각각 접촉되도록 인쇄 회로 기판(61)의 연결 패드(62)에 고정된다. 전극 면적이 같은 두개의 커패시터가 직렬로 연결된 경우에는 정전용량이 1/2로 작아진다. 이는 외부로부터 압전체에 큰 압력이 인가되었을때, 회로 내의 FET의 게이트 입력에 과전압이 인가되는 것을 방지해 주는 효과가 있다.

다음에는 압전 소자에서 출력되는 신호를 이용하여 스위치 동작을 하는 회로의 구성 및 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 5는 압전 스위치 구동 회로도를 나타내고, 도 6은 압전 스위치에 양의 전압이 인가된 경우의 회로도를 나타내고, 도 7은 압전 스위치에 음의 전압이 인가된 경우의 회로도를 나타낸다.

도 5, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 신호 처리 회로의 구성을 설명하면, 압전 소자에 유기된 전압을 인쇄 회로 기판(PCB : 61)상의 연결 패드(62)에 연결되어 저향(69)를 통하여 다이오드 브리지 회로의 다이오드(63)과(64)가 만나는 노드와 다이오드(65)와(66)이 만나는 노드에 각각 연결된다. 그리고 다이오드 (64)와(65)가 만나는 노드는 접지에 연결되고, 다이오드(63)과(66)이 만나는 노드는 n-채널 모스펫(67)에 연결된다. 부하저항(68)은 FET(67)의 소스에 연결되고 다른 끝단은 접지에 연결되어 있다.

상기와 같은 회로 구성에 의한 압전 스위치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저 캡(101)에 사용자의 손 흐름 등 외부의 압력이 인가되면 캡의 내부에 전면이 고정된 압전소자(22)에 미소한 변형이 발생하게 된다. 이에 따라 압전 소자의 표면에 전하가 유기되고, 상 하부 전극(21),(23) 및 (24)에 전압이 발생하게 된다. 발생된 전압은 도전체(31) 및 (32)에 의해 인쇄 회로 기판(PCB : 61)에 연결되어 하나의 회로 소자로서 작용하게 된다. 금속 철편(31) 및 (32)가 연결된 연결패드(62)는 저항(69)을 통하여 다이오드(63)과 (64)가 만나는 노드와 다이오드(65)와 (66)이 만나는 노드에 전압 신호를 준다.

압전체로부터 나오는 전압의 방향이 양의 전압일 경우에는 다이오드(63)과 (65)가 도통을 하게 되어, 도 6과 같은 회로가 되고, FET(67)의 게이트에 압전체로부터 발생하는 양의 전압이 인가되어 FET가 도통하게 되고, Vout은 양의 출력전압이 된다.

압전체로부터 나오는 전압의 방향이 음의 전압일 경우에는 다이오드(64)와 (66)이 도통하게 되어, 도 7과 같은 회로가 되고, FET(67)의 게이트에 양의 전압이 인가되어 FET가 도통하고 마찬가지로 Vout은 양의 출력전압이 된다. 따라서 본 발명의 압전 소자 구조 및 구동 회로는 압전체의 분극 및 변형 방향에 관계없이 사용자가 버튼을 누르는 동작시에 스위칭 동작이 이루어지는 장점이 있다. 또한 버튼으로부터 압력이 제거되는 동작을 구현할 수 있다. 그리고 상기 동작 방법은 앞의 두가지 실시예에 의한 압전소자의 구조에 모두 적용할 수 있으며, 압전체의 양면에 전극이 형성되어 있는 소자 구조의 압전 스위치용 구동 회로로도 사용할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 종래의 압전 스위치의 문제점을 개선하여 저가, 고성능의 압전 스위치로서 단일 스위치 소자뿐만 아니라, 키보드, 숫자판, 전화번호판 등 여러 개의 키(key)로 이루어진 어레이 키패드에도 응용할 수 있다. 또한 고온에서도 특성이 변하지 않으므로 열악한 사용환경에서도 광범위한 적용성을 가지고 용이하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고, 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 압전 스위치는 소자의 구조가 종래의 소자에 비해 간단하여 공정이 쉽고 분극의 방향이나 변형의 방향을 고려치 않아도 된다.

또한 구동회로는 압전체에서 나오는 전압의 방향에 관계없이 스위칭 동작을 할 수 있고, 사용자의 일회 버튼 동작에 의해 2회의 신호를 출력하므로 사용자의 편이성 및 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 압전 스위치는 가정용 가전기기 및 산업용 기기등에의 단일 스위치 또는 어레이로도 신뢰성있게 사용할 수 있다.

Claims (11)

1. 압전체;

   외부의 압력을 인지하고, 상기 압전체를 고정하는 캡;

   상기 압전체의 일측에 형성되는 복수개의 전극;

   상기 복수개의 전극과 각각 연결되는 복수개의 금속 철편;

   상기 복수개의 금속 철편이 고정되고 상기 금속 철편과 회로 부품들이 연결되는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압전체의 재료는 세라믹인 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 압전체의 재료는 폴리 바이닐 디 플루오라이드(Polyvinyl difluoride)인 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 복수개의 전극은 금속 페이스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 복수개의 전극과 각각 연결되는 복수개의 금속 철편은 탄성을 가짐으로써 상기 전극과 접촉시 접촉 저항이 생기지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 압전체의 상기 복수개의 전극이 형성되는 일측과 다른 일측에 또 다른 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 복수개의 전극은 두개임을 특징으로 하는 압전 스위치.
8. 압전 스위치의 출력 전압을 입력으로 하는 커패시터;

   상기 커패시터에 양의 전압이 인가된 경우, 양의 방향의 전류를 통과시키는 제1 단방향 전류 패스부와, 음의 방향의 전류를 통과시키는 제2 단방향 전류 패스부;

   상기 커패시터에 음의 전압이 인가된 경우, 양의 방향의 방향의 전류를 통과시키는 제3 단방향 전류 패스부와, 음의 방향의 전류를 통과시키는 제4 단방향 전류 패스부;

   상기 제1 단방향 전류 패스부와 제3 단방향 전류 패스부가 만나는 노드에 일 측이 연결되고, 입력된 신호에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)를 출력하는 인버터;

   상기 제2 단방향 전류 패스부와 제4 단방향 전류 패스부가 만나는 노드에 연결되는 제1 접지;

   상기 인버터의 출력단자와 일측이 연결되고, 다른 일측이 접지되어 있는 제 1 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 단방향 전류 패스부는 다이오드임을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 인버터를 구성하는 p-타입 및 n-타입 FET의 소스단으로 상기 기 설정된 전압(Vcc)이 입력되는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 커패시터와 일측이 연결되고, 타측이 상기 제1 단방향 전류 패스부와 제4 단방향 전류 패스부가 만나는 노드와 연결되는 제2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로.

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