KR20050111683A - 자기센서를 이용한 비접촉식 조이스틱형 포인팅 장치 및그의 좌표발생방법 - Google Patents

자기센서를 이용한 비접촉식 조이스틱형 포인팅 장치 및그의 좌표발생방법 Download PDF

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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.
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.

Description

자기센서를 이용한 비접촉식 조이스틱형 포인팅 장치 및 그의 좌표발생방법{Joystick Pointing Apparatus of Non-contact Type Using Magnetic Sensor and Method for Generating Coordinate Axes thereof}
본 발명은 자기센서를 이용한 비접촉식 조이스틱형 포인팅 장치 및 그의 좌표발생방법에 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.
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.
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.
이하에 도 1 및 도 2를 참고하여 종래의 포인팅 장치에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
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 고무를 압박함으로써, 통전 상태를 변화시켜 좌표를 검출하는 것이 일반적이다.
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.
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.
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.
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.
그러나, 상기한 종래의 자기 검출방식의 비 접촉식 포인팅 장치에서는 자기센서를 최소 4개를 사용해야 되기 때문에 조립성이 나쁘고, 소형화가 어려운 등의 문제가 있다.
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.
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.
상기 등록실용신안 이외에도 다수의 휴대폰용 조이스틱 장치가 제안되어 있으나, 이들은 모두 휴대폰 단말기에 일체로 적용되지 못하거나 또는 효과적인 조이스틱 기능을 제공하지 못하였다.
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.
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.
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.
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.
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.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면 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 자속 밀도의 변화를 검출하여 이동 지점의 X축 및 Y축 방향의 자기벡터 신호를 발생하는 원칩형 2축 자기센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치를 제공한다.
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.
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.
이 경우, 상기 탄성지지수단은 탄력성을 가지는 수지층 및 탄력성을 가지는 스프링 중 어느 하나로 이루어진다.
또한, 상기 포인터는 하단부가 뾰족한 형상을 가지며, 길이방향으로 착자되어 있는 것이 바람직하다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 본 발명의 포인팅 장치는 종래의 홀(Hall) 소자 또는 자기저항(MR) 소자로 이루어진 4개의 자기센서를 사용하는 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.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
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.
이하의 제1 내지 제4 실시예를 설명할 때 동일한 부분에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
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.
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.
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.
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.
제3 및 제4 실시예와 같이 결정용 스위치(24)를 구비할 경우, 퍼스널 컴퓨터의 마우스와 같이 좌표치와 결정 신호를 갖게 된다.
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.
상기 제1 내지 제4 실시예에서 조이스틱(21)은 외력에 의해 용이하게 변형되고, 그 외력을 제거하면 즉시 초기상태로 복귀하는 탄성력을 갖는 실리콘 수지 또는 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.
상기한 제1실시예와 같이 실리콘 수지를 이용하는 경우, 부품 개수가 감소하여 조립성의 향상과 소형화도 가능해진다.
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.
그러나, 소형으로 원칩화가 가능하다면 다른 어떤 자기센서도 채용이 가능하다.
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.
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.
상기 헤드(21a)에 사용되는 자석은 특별히 종류의 한정은 없지만, 통상 양산되어 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.
상기 헤드(21a)에 강자성체를 사용하는 경우 도시된 예에는 수직 방향으로 N극 및 S극이 위치하도록 착자가 되어 있으나, NS의 착자방향에 대해서는 특별히 제한되지 않는다.
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.
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.
이하에 도 5a 및 도 5b를 참고하여 상기한 제1 내지 제4 실시예에 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용된 플럭스 게이트형 자기센서의 구성을 설명한다.
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.
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.
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.
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.
상기 자성체 코어(31)는 Co계 비정질(amorphous), 퍼멀로이(Permalloy), 슈퍼멀로이 중 어느 하나로 이루어진다.
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.
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.
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.
따라서, 상기 플럭스 게이트형 자기센서(30a)에서 자성체 코어(31)는 원형뿐 아니라 사각형상을 이루는 것도 가능하다.
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.
자성체 코어(31)가 사각형상일 때 상기와 같은 이유로 출력신호의 최대값과 최소값의 차이가 크게 되어 자기센서의 감도 및 분해능이 더 높게 나타난다.
한편, 이하에 도 6a 및 도 6b와, 도 7a 및 도 7b를 참고하여 상기한 원칩형 2축 자기센서로서 채용 가능한 교류자기저항형 자기센서의 구성을 설명한다.
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.
도 6a 및 도 6b와 같이, 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서(30b)는 4단자법과 2단자 코일방법 중 어느 하나의 방법으로 구현될 수 있다.
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.
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.
도 7a 및 도 7b에 도시된 자기센서 구조는 4단자법을 이용하여 자기센서를 구현한 것이나, 어떤 방법을 사용해도 좋다.
이하에 본 발명에 따른 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 자기센서 구조를 상세하게 설명한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 연결패드(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.
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.
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.
따라서, 외부자기장이 자성체의 축방향으로 변화하게 되면 자화값의 방향도 외부자기장에 따라 변하게 되며, 이로 인하여 투자율도 변하게 되고, 그 결과 자성체의 자기 임피던스도 변하게 된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하에 도 8 및 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 비 접촉식 포인팅 장치의 동작에 대하여 설명한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하에 X축 및 Y축 자기벡터 값으로부터 이동된 점의 X 및 Y 좌표를 구하는 방법에 대하여 도 9를 참고하여 상세하게 설명한다.
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.
그리고 P1 위치의 θ1 값은 아래와 같은 수학식 2에 의하여 구할 수 있다.
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.
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.
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.
상기한 실시예에 있어서는 포인터의 이동수단이 스틱 형태의 조이스틱으로 이루어진 조이스틱형 포인팅 장치를 예시하였으나, 본 발명은 포인터의 이동수단으로 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.
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.
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.
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.
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.
도 1은 종래의 접속식 포인팅 장치(조이스틱)의 구성을 보여주는 사시도,
도 2는 홀 센서를 이용한 자기 검지식 포인팅 장치의 개략 블록도,
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 조이스틱형 포인팅 장치의 개략적인 구성을 나타낸 단면도,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 스위치를 구비한 포인팅 장치의 개략적인 구성을 나타낸 단면도,
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용되는 플럭스 게이트형 자기센서의 구성을 보여주는 개략 분해 사시도 및 연결 구성도,
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용되는 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서의 동작원리를 설명하기 위한 구성도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 원칩형 2축 자기센서로 채용되는 자기 임피던스 효과를 이용한 자기센서의 구성을 보여주는 개략 분해 사시도 및 연결 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 플럭스 게이트형 2축 자기센서 이용한 포인팅 장치의 구성을 보여주는 개략 블록도,
도 9는 자기센서로부터 얻어진 자기벡터로부터 포인터의 위치를 구하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
20 ; 하우징 21 ; 조이스틱
21a ; 헤드(포인터) 21b ; 핸들
22,22a ; 지지부 22b ; 스프링 하우징
23 ; 기판 24 ; 스위치
25 ; 여자코일 26 ; X축 픽업코일
27 ; Y축 픽업코일 28a,28b ; 차동 증폭기
29 ; 신호처리부 30,30a,30b ; 자기센서
31 ; 자성체 코어 42 ; 검출코일
32a,32b,36a,36b,39a,39b,40,51,55,61,65 ; 기판
43 ; DC 바이어스 필드 코일 44a,44b,45a,45b ; 전극단자
46 ; 선형자성체 47 ; DC 바이어스부
48 ; 교류전원 50 ; X축 자기센서
60 ; Y축 자기센서

Claims (16)

  1. 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 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  2. 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 장치.
  3. 제1항에 있어서, 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 설정되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄성지지수단은 탄력성을 가지는 수지층 및 탄력성을 가지는 스프링 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 포인터는 하단부가 뾰족한 형상을 가지며, 길이방향으로 착자되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 2축 자기센서는 X축 및 Y축 방향의 자속 밀도의 변화를 검출하기 위한 X축 및 Y축 방향 자기센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조이스틱의 조작에 따라 포인팅 장치를 채용하고 있는 시스템 본체에 대한 사용자의 결정신호를 입력하기 위한 신호발생수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 신호발생수단은 조이스틱의 상하방향 조작에 따라 결정신호를 발생하는 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기센서는 플럭스 게이트형 자기센서 또는 교류 자기저항소자 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플럭스 게이트형 자기센서는
    기판의 상부면에 연자기 특성이 우수한 재료로 이루어지며 사각형상 또는 원형상으로 패턴닝된 자성체 코어가 형성된 제1기판과;
    상기 제1기판의 상하부에 적층되며 각각의 표면에 자성체 코어의 각변을 토로이달 형태로 권선되어 자성체 코어를 자화시키기 위한 여자코일을 형성하기 위한 제2 및 제3 기판과;
    상기 제2 및 제3 기판의 상하부에 적층되고 각각의 표면에 다수의 제1 및 제2 도전성 선형패턴으로 이루어지며 자성체 코어의 X축 방향을 가로질러 권선되어 상기 포인터 이동에 의한 자기장 변화에 따라 유도되는 2차 고조파의 X축 성분을 검출하기 위한 X축 픽업코일을 형성하기 위한 제4 및 제5 기판과;
    각각 상기 제4기판의 상부와, 제3 기판과 제5기판 사이에 적층되고 각각의 표면에 다수의 제3 및 제4 도전성 선형패턴으로 이루어지며 자성체 코어의 Y축 방향을 가로질러 권선되어 상기 포인터 이동에 의한 자기장 변화에 따라 유도되는 2차 고조파의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 픽업코일을 형성하기 위한 제6 및 제7 기판으로 구성되며;
    상기 X축 및 Y축 픽업코일의 다수의 제1 및 제2 도전성 선형패턴과 다수의 제3 및 제4 도전성 선형패턴은 서로 직교상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 포인터의 이동에 따른 자기장 변화에 따라 상기 X축 및 Y축 픽업코일에 유도된 2차 고조파를 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 신호처리하여 포인터가 이동된 지점의 좌표를 발생하기 위한 신호처리수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 교류자기저항소자는
    상기 포인터 이동에 의한 자기장 변화에 따른 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자계검출센서와,
    자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 포인터 이동에 의한 자기장 변화에 따른 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자계검출센서와,
    각각 상기 제1 및 제2 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 제1 및 제2 DC 바이어스 필드 인가수단으로 구성되며,
    상기 제1 및 제2 선형 자성체는 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 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 신호처리하여 포인터가 이동된 지점의 좌표를 생성하기 위한 신호처리수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치.
  14. X축 및 Y축 방향의 2축 자기센서를 구비한 포인팅 장치의 좌표발생방법에 있어서,
    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 신호처리하여 포인터가 이동된 지점의 좌표를 발생하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치의 좌표발생방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 2축 자기센서는 플럭스 게이트형 자기센서로 이루어지고,
    상기 플럭스 게이트형 자기센서의 1차 코일인 여자코일에 교류전류를 인가시켜 자성체 코어를 자기적으로 자화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 포인팅 장치의 좌표발생방법.
  16. 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 X축 및 Y축 자기센서를 구비한 비접촉식 포인팅 장치의 좌표발생방법에 있어서,
    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 하는 비접촉식 포인팅 장치의 좌표발생방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100794762B1 (ko) * 2006-04-17 2008-01-21 양재우 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식전자조이스틱
KR100945439B1 (ko) * 2008-08-04 2010-03-05 주식회사 이노칩테크놀로지 포인팅 장치 및 이를 갖는 전자 장치
KR101241717B1 (ko) * 2012-06-14 2013-03-11 이태훈 비접촉식 조이스틱
WO2020159433A1 (en) * 2019-01-31 2020-08-06 Razer (Asia-Pacific) Pte. Ltd. Inductive joystick

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0718684B2 (ja) * 1989-10-25 1995-03-06 株式会社マコメ研究所 位置検出装置
JP3425672B2 (ja) * 1992-04-02 2003-07-14 株式会社緑測器 ジョイスティック
JPH06161655A (ja) * 1992-11-26 1994-06-10 Makome Kenkyusho:Kk ジョイスティック
JP4021037B2 (ja) 1998-03-05 2007-12-12 センサテック株式会社 スティックコントローラ
EP1380927B1 (en) * 2001-04-19 2008-12-31 Asahi Kasei EMD Corporation Pointing device

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100794762B1 (ko) * 2006-04-17 2008-01-21 양재우 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식전자조이스틱
KR100945439B1 (ko) * 2008-08-04 2010-03-05 주식회사 이노칩테크놀로지 포인팅 장치 및 이를 갖는 전자 장치
KR101241717B1 (ko) * 2012-06-14 2013-03-11 이태훈 비접촉식 조이스틱
WO2020159433A1 (en) * 2019-01-31 2020-08-06 Razer (Asia-Pacific) Pte. Ltd. Inductive joystick
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