KR200303191Y1 - 정전용량 스위치 - Google Patents

Abstract

접촉불량이 발생하지 않을 뿐 아니라 오동작을 방지할 수 있는 정전용량 스위치에 대해 개시한다. 본 고안의 정전용량 스위치의 가장 큰 특징은, 센서전극과 절연체 내면과의 사이에 도전성 탄성체가 설치되어 압착됨으로써 전기적 접촉불량을 방지할 수 있다는 것이다. 또한, 터치부에 도전성 패드를 형성하여 스위치의 오동작도 방지할 수 있다.

Description

정전용량 스위치 {Capacitive switch}

본 고안은 스위치에 관한 것으로, 특히 인체의 손가락 등의 접촉에 의한 정전용량 신호로 키입력을 수행하는 정전용량 스위치에 관한 것이다.

전기기기 등의 온/오프나 작동변경 등의 신호를 입력시키기 위하여, 적당한 힘을 가하여 접점을 이동시켜야 했던 종래의 스위치와는 달리, 인체에 어느 정도 축적되어 있는 정전기를 이용하여 스위치의 노브(knob)에 접촉이 되기만 하면 인체의 정전기를 스위치 내부의 회로로 보내어 제어신호를 발생시키는 터치 스위치가 현재 널리 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 정전 스위치는 금속 등의 전도체로 이루어진 노브가 사용자에게 접촉될 수 있도록 외부에 노출되어야 하며, 이 노브와 센서회로부가 전기적으로 연결되어 있으므로 사용자가 노브에 접촉할 때에 정전기가 발생하여 사용자의 불쾌감을 야기할 염려가 있다. 또한, 센서회로부가 전기적으로 연결되는 노브가 외부에 노출되어야만 하므로 장치의 설계 및 설치가 불편하다는 문제점도 갖는다. 따라서, 한국 특허출원 제1999-37918호에서는, 상기한 문제점들을 해결하기 위해, 도 1a에 도시된 정전용량 스위치에 대해 개시한 바 있다. 도 1a는 종래기술에 따른 정전용량 스위치의 개념도이다. 도 1a를 참조하면, 절연체로 이루어진 스위치의 외부 케이스(20)의 외부 표면에는 터치 스위치의 위치 및 기능을 사용자가 알 수 있도록 언어 또는 소정 디자인의 기호가 프린팅된 터치부(미도시)가 형성되어 있으며, 상기 터치부의 내면에는 소정 거리를 두고 금속박(21)이 설치된다. 따라서, 스위치의 외부 케이스(20)에는 돌출 또는 함입되거나 표면과 다른 재질을 갖는 부분이 존재하지 않는다. 이러한 구조의 스위치에서, 인체가 외부 케이스(20)에 접촉하게 되면, 외부 케이스(20)와 금속박(21) 사이에 형성된 정전용량에 의해 흐르는 전류를 신호처리부(22)에서 입력받아 마이컴(23)에서 인식가능한 형태로 변환하기 위해 신호처리한다.

이와 같은 정전용량 스위치를 어레이형으로 확장할 경우의 단면도를 도 1b에 도시하였다. 도 1b를 참조하면, 도시된 구조는, 외부 케이스(20)의 저면에 3개의 금속박(21)이 형성되어 있으므로, 3개의 정전용량 스위치를 포함하는 정전용량 스위치 어레이임을 알 수 있다. 금속박(21)의 상부의 외부 케이스(20) 상면이 터치부(C)에 해당한다. 따라서, 인체의 근접에 의해 증가하는 정전용량 신호는, 도전성 막대(60)와, 인쇄 회로기판(40)의 일면에 형성된 센서전극(70)과, 인쇄 회로기판(40)을 관통하는 도전통로(80)를 차례로 거쳐 인쇄 회로기판(40)의 타면에 형성된 신호처리부나 마이컴 등의 센서회로부(50)로 입력된다. 그런데, 이와 같은 정전용량 스위치 어레이에서는, 외부 케이스(20)와 인쇄 회로기판(40) 사이의 거리에 의해 결정되는 금속박(21)과 센서전극(70) 사이의 거리가 각 정전용량 스위치마다 동일하지 않게 제작되거나, 스위치의 장기간 사용에 따라 외부 케이스(20)가 휘어져서 금속박(21)과 센서전극(70) 사이의 거리가 각 정전용량 스위치마다 달라질 수가 있다. 이러한 경우, 정전용량 신호가 접촉 불량에 의해 제대로 전달되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 도 1b에서 설명되지 않은 참조번호 30은 외부 케이스(20)에서 연장된 고정돌기이며, 참조번호 32는 고정돌기(30)를 인쇄 회로기판(40)에 고정하기 위한 고정용 너트이다.

한편, 상기 구조의 정전용량 스위치에서는, 외부 케이스(20)에 터치부(C)가 형성되지만 이는 외부 케이스(20)와 마찬가지의 절연체이므로 사용자의 손가락이 터치부(C)의 중앙이 아닌 주변부를 터치하는 경우에 유기되는 정전용량이 기준값을 넘지 못해서 스위치가 작동하지 않는 오동작이 발생할 염려도 있다.

또한, 신호 전달에 강체의 도전성 막대(60)를 사용할 경우, 정전용량 스위치를 장기간 사용함에 따른 충격전달에 의해, 인쇄 회로기판(40)이 손상될 우려도 있다.

더욱이, 센서전극에 유기되는 정전용량은 외부 케이스의 유전율이나 외부 케이스에 충전된 전기적 필드의 영향을 받으므로 인체의 접근 거리에 따른 정전용량의 변화율이 변화하여, 스위치의 오작동이 발생할 우려도 있다.

따라서, 본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는, 외부 케이스와 인쇄 회로기판 사이의 거리가 위치에 따라 서로 달라지더라도 어레이형 구조에서 개별 스위치의 접촉불량이 발생하지 않는 정전용량 스위치를 제공하는 데 있다.

본 고안의 다른 기술적 과제는, 정전용량 스위치를 장기간 사용하여 외부 케이스에 지속적인 충격이 가해져도 센서회로부를 포함하는 인쇄 회로기판에 손상을 가하지 않는 구조를 가진 정전용량 스위치를 제공하는 데 있다.

본 고안의 또 다른 기술적 과제는, 사용자의 손가락이 터치부의 중앙을 정확하게 터치하지 못해도 정상적으로 작동할 수 있는 정전용량 스위치를 제공하는 데 있다.

도 1a는 종래기술에 따른 정전용량 스위치의 개념도;

도 1b는 종래기술에 따른 정전용량 스위치를 어레이형으로 확장할 경우의 단면도; 및

도 2a 내지 도 2c는 본 고안의 실시예들에 따른 정전용량 스위치의 어레이를 나타낸 개략적 단면도들;

도 3은 도 2c에 도시된 실시예에서의 보조 커패시턴스(Caux_r), 가변 커패시턴스(Cs), 기준 커패시턴스(Cref) 및 센서 보조 커패시턴스(Caux_s)의 연결관계를 나타낸 도면이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

20 … 외부 케이스

21 … 금속박

40 … 인쇄 회로기판

50 … 센서회로부

60 … 도전성 막대

70 … 센서전극

72 … 도전성 패드

74 … 보조전극

80, 82 … 도전통로

90 … 제1 도전성 탄성체

92 … 제2 도전성 탄성체

상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 고안의 정전용량 스위치는, 기준전극에 의해 발생하는 기준 정전용량과, 센서전극과 인체 등의 근접에 의해 발생하는 가변 정전용량의 크기 차이에 의해 작동하는 것으로서, 일면에 터치부가 마련된 절연체 외부 케이스와; 상기 터치부의 반대측의 상기 외부 케이스의 타면에 접촉하도록 위치한 제1 도전성 탄성체와; 상기 제1 도전성 탄성체와 전기적으로 연결되는 센서전극과; 상기 센서전극과 전기적으로 연결되어 상기 정전용량 변화신호를 처리하는 센서회로부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 고안에 있어서, 상기 가변 정전용량이 확실하게 유기될 수 있도록, 상기터치부에 도전성 패드를 설치하는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 도전성 패드로서 상기 절연체 외부 케이스에 코팅된 니켈층을 사용할 수 있다.

본 고안에 있어서, 상기 센서전극 근방의 이격된 위치에 마련된 보조전극과; 상기 보조전극과 전기적으로 연결되는 동시에 상기 외부 케이스의 타면에 접촉하도록 설치된 제2 도전성 탄성체와; 상기 보조전극과 상기 기준전극을 전기적으로 연결하는 수단을 더 구비하여도 좋다. 이 경우, 상기 제2 도전성 탄성체가 중공의 실린더 형태를 가지며, 상기 제1 도전성 탄성체가 상기 제2 도전성 탄성체의 중공부에 들어가도록 위치하도록 설치하여도 좋다.

또한, 상기와 같이 보조전극, 제2 도전성 탄성체 및 보조전극과 기준전극과의 전기적 연결수단을 갖춘 상태에서, 자신의 일단이 상기 센서전극에 연결됨으로써 상기 가변 정전용량과 병렬 연결되는 센서 보조 커패시터를 더 구비할 수도 있다. 이 때, 상기 센서 보조 커패시터는 상기 센서회로부에 마련된 칩 커패시터인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도면 중에서 동일 구성요소는 동일 참조번호로 나타내었으며, 중복적인 설명은 생략하기로 한다.

[제1 실시예]

도 2a에 도시된 본 실시예의 구조는 도 1b의 종래기술의 정전용량 스위치 어레이와 기본적으로는 유사하나, 본 실시예에서는 외부 케이스(20)의 저면에금속박(21)이 형성되어 있지 않으며, 정전용량 신호의 전달에 도전성 막대(60) 대신 제1 도전성 탄성체(90)를 사용한 점이 다르다. 제1 도전성 탄성체(90)로서 고무에 카본 블랙과 같은 도전성 미립자를 분산시켜 도전성을 갖도록 한 도전성 고무를 사용할 수 있는데, 이 경우 고무의 탄성을 그대로 유지하면서도 전류를 흐르게 할 수 있다. 제1 도전성 탄성체(90)로서 도전성 고무를 사용하면, 고무 특유의 탄성을 가지고 신축할 수 있으므로, 외부 케이스(20)와 인쇄 회로기판(40) 사이의 거리가 각 정전용량 스위치마다 동일하지 않게 제작되거나, 스위치의 장기간 사용에 따라 외부 케이스(20)가 휘어져서 외부 케이스(20)와 인쇄 회로기판(40) 사이의 거리가 각 정전용량 스위치마다 달라질 경우라도, 탄성에 의한 신축으로 인해 접촉 불량이 발생하지 않는다. 또한, 정전용량 스위치를 장기간 사용하여 외부 케이스(20)에 지속적인 충격이 가해져도, 그 충격을 제1 도전성 탄성체(90)가 완충시켜 주므로, 센서회로부(50)를 포함하는 인쇄 회로기판(40)에 손상이 발생하지 않는다.

[제2 실시예]

도 2b에 도시된 본 실시예의 구조는 제1 실시예의 구조와 거의 유사하나, 본 실시예에서는 외부 케이스(20)의 터치부(C)에 도전성 패드(72)가 형성되었다는 점이 다르다. 이와 같이 도전성 패드(72)를 터치부(C)에 설치한 이유는, 사용자의 손가락이 터치부(C)의 중앙을 정확하게 터치하지 못해도 도전성 패드(72)를 터치하기만 하면, 도전성 패드(72)와 제1 도전성 탄성체(90)를 양 전극으로 삼고, 외부 케이스(20)를 유전체로 삼는 커패시터에 의해 일정한 정전용량 신호가 발생하게 되므로 종래기술과 같은 오동작의 우려가 없다. 따라서, 손가락의 굵기나 접촉각도에따른 영향을 최소화하여 스위치의 오동작을 방지한다.

또한, 도전성 패드(72)가 커패시터의 일 전극으로 작용함에 따라, 손가락이나 전도성 물체가 도전성 패드(72)에 접근할 때, 정전용량의 변화량을 크게 할 수 있다. 즉, 스위치의 온/오프 커패시터의 임계값에서 변화의 기울기를 크게 만들 수 있어서, 스위치의 동작에 대해 확실한 정전용량 신호를 발생시킬 수 있다.

한편, 이와 같은 도전성 패드(72)는 다른 도전물질이나 회로에 전기적으로 연결되어 있지 않으므로, 전기적으로 부동적(electrically floating)이다. 따라서, 종래의 정전 터치 스위치의 금속 노브에서 문제로 작용했던, 정전기 발생의 문제는 생기지 않는다.

도전성 패드(72)는, 외부 케이스(20)에 니켈층을 스크린 프린팅 등의 방법으로 코팅함으로써 형성할 수 있으나, 그 형성방법이나 금속의 재질에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.

[제3 실시예]

도 2c에 도시된 본 실시예의 구조는 제2 실시예의 구조와 유사하나, 본 실시예의 구조는, 첫째, 센서전극(70) 근방의 이격된 위치에 보조전극(74)을 마련하고, 보조전극(74)과 전기적으로 연결되는 동시에 외부 케이스(20)의 내부면에 접촉하는 제2 도전성 탄성체(92)를 더 구비한다는 점과, 둘째, 자신의 일단이 센서전극(70)에 연결됨으로써 가변 정전용량과 병렬 연결되는, 칩 커패시터인 센서 보조 커패시터(미도시)를 더 구비한다는 점이 다르다. 보조전극(74)은 도전통로(82) 및 소정의 배선(미도시)에 의해 센서회로부(50) 내의 칩 커패시터의 형태로 존재하는 기준 커패시터의 기준전극과 전기적으로 병렬 연결되어 있다. 통상적으로, 센서전극(70)에 유기되는 정전용량은 외부 케이스(20)의 유전율이나 외부 케이스(20)에 충전된 전기적 필드의 경시적 변화의 영향을 받으므로 손가락이나 전도성 물체의 접근 거리에 따른 정전용량의 변화율 자체도 경시적으로 변할 수 있다. 그런데, 보조전극(74)과 제2 도전성 탄성체(92)에 의해 규정되는 보조 커패시턴스(Caux_r)는 인체나 전도성 물체의 접근에 의해 발생하는 가변 커패시턴스(Cs)와 동일한 경시적 변화경향을 가지게 된다. 따라서, 보조 커패시턴스(Caux_r)를 기준 커패시턴스(Cref)와 병렬로 연결하고, 가변 커패시턴스(Cs)와 병렬연결된 센서 보조 커패시터에 의해 발생하는 센서 보조 커패시턴스(Caux_s)를 채용하면, 칩 캐퍼시터들(기준 커패시터 및 센서 보조 커패시터)과 패턴 캐퍼시터들(가변 커패시터 및 보조 커패시터)의 경시적 변화가 각각 상쇄되어 경시적 변화의 영향에서 벗어날 수 있다. 또한, 외부에서 도전성 패드(72)를 향해 손가락이나 전도성 물체가 접근하더라도, 접근거리에 따른 정전용량의 변화를 비교적 일정하게 만들 수 있다. 이와 같은 보조 커패시턴스(Caux_r), 가변 커패시턴스(Cs), 기준 커패시턴스(Cref) 및 센서 보조 커패시턴스(Caux_s)의 연결관계를 도 3에 나타내었다.

한편, 보조전극과 제2 도전성 탄성체의 형태는 도 2c에 도시된 것에만 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제2 도전성 탄성체가 중공의 실린더 형태를 가지며, 제1 도전성 탄성체가 제2 도전성 탄성체의 중공부에 들어가도록 설치하여, 터치부(72)를 중심으로 대칭적인 구조를 가질 수도 있다.

이상과 같이 본 고안의 바람직한 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 고안은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 고안의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

본 고안에 따르면, 접촉불량이 발생하지 않을 뿐 아니라 오동작을 방지할 수 있는 정전용량 스위치를 제공할 수 있다.

Claims (7)

1. 기준전극에 의해 발생하는 기준 정전용량과, 센서전극과 인체 등의 근접에 의해 발생하는 가변 정전용량의 크기 차이에 의해 작동하는 정전용량 스위치에 있어서,

   일면에 터치부가 마련된 절연체 외부 케이스와;

   상기 터치부의 반대측의 상기 외부 케이스의 타면에 접촉하도록 위치한 제1 도전성 탄성체와;

   상기 제1 도전성 탄성체와 전기적으로 연결되는 센서전극과;

   상기 센서전극과 전기적으로 연결되어 상기 정전용량 변화신호를 처리하는 센서회로부;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가변 정전용량이 확실하게 유기될 수 있도록, 상기 터치부에 도전성 패드가 설치되는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 패드가 상기 절연체 외부 케이스에 코팅된 니켈층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 센서전극 근방의 이격된 위치에 마련된 보조전극과;

   상기 보조전극과 전기적으로 연결되는 동시에 상기 외부 케이스의 타면에 접촉하도록 설치된 제2 도전성 탄성체와;

   상기 보조전극과 상기 기준전극을 전기적으로 연결하는 수단;

   을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2 도전성 탄성체가 중공의 실린더 형태를 가지며, 상기 제1 도전성 탄성체가 상기 제2 도전성 탄성체의 중공부에 들어가도록 위치하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
6. 제4항에 있어서, 자신의 일단이 상기 센서전극에 연결됨으로써 상기 가변 정전용량과 병렬 연결되는 센서 보조 커패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
7. 제6항에 있어서, 상기 센서 보조 커패시터가, 상기 센서회로부에 마련된 칩 커패시터인 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.