KR20060124066A - 압전 스위치 및 그 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치의 구조를 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 것으로, 압전 스위치를 압전체와; 압전체를 고정시키기 위한 캡(cap)과; 압전체 일면에 형성된 두 전극과; 상기 두 전극과 연결되어 압전체에서 발생한 전기적 신호를 압전 스위치의 구동 회로로 출력하는 두 금속 철편으로 구성하고, 압전 스위치 구동 회로를 압전 스위치의 출력 두 단자와 병렬로 연결되고, 일측이 접지되어 있는 제1저항과; 일측이 상기 제1저항의 다른 일측과 연결된 제2저항과; 상기 제2저항의 다른 일측과 연결되어 상기 제2저항을 통해 입력된 신호(전압)에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)을 출력하는 인버터와; 일측이 상기 인버터의 출력단자와 연결되고 다른 일측이 접지되어 있는 제3저항으로 구성함으로써, 스위치의 구조가 간단하고 공정이 쉬워 제작이 용이하며 압전체에서 나오는 전압의 방향에 관계없이 스위칭 동작을 수행할 수 있어 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

압전 스위치 및 그 구동 회로{PIEZOELECTRIC SWITCH AND DRIVING CIRCUIT THEREOF}

도1은 일반적으로 압전체에서 발생하는 전압의 시간에 다른 파형도.

도2는 본 발명에 따른 압전 스위치의 일 실시예 구조도.

도3a 내지 도3b는 본 발명의 압전 소자에 대한 일 실시예 구조도.

도4는 본 발명에 따른 압전 스위치 구동 회로도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

20:캡 31,32,33:전극

40:압전체 51,52:금속 철편

60:PCB 70:인버터

71:n-타입 FET 72:p-타입 FET

본 발명은 압전 스위치 및 그 구동 회로에 관한 것으로, 특히 스위치의 구조를 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 유기 되는 압전 효과를 가지며, 또한 압전체에 전압을 인가하면 재료에 변형이 발생하는 역 압전 특성도 가지고 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 일치 할 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 사용 할 수도 있다.

이와 같이 종래의 압전 스위치는 제조 시 외부의 힘에 의한 압전체의 변형 방향 및 압전체의 전기 쌍극자 방향 등을 고려하여 구조 설계를 하여야 하는 문제 점이 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 제거 될 때로서, 이것에 의해 압전체에 발생하는 전압의 형태는 도1에 보인 일 예와 같다.

도1을 참고하면, 11 지점이 압력이 가해진 시점으로 압전체에서는 압력에 의한 변형으로 12와 같은 파형의 전압이 발생하게 되고, 유기된 전압은 시간에 따라 점점 감소하며 이는 순간적으로 표면에 유도된 표면전하에 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(13 지점) 변형된 압전체가 원래의 형태로 복귀하게 되는데, 이때 압전체에는 파형 14와 같은 반대 전압이 유기된다. 따라서, 사용자가 매회 버튼 조작에 의해 나타나는 압전체의 출력 신호는 도1에 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 불가능하게 되는 문제점이 있었다. 즉, 종래의 압전 스위치는 제작 시 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 심각한 문제로 이어질 수 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로 압전 스위치를 압전체 일면 혹은 양면에 형성된 전극과, 상기 압전체의 하부면에 형성된 두 전극과 연결되어 전기적 신호를 구동회로로 전달하기 위한 두 금속 철편과, 상기 압전체 및 전극으로 이루어진 압전 소자를 고정시키기 위한 캡으로 구성함으로써, 스위치의 구조가 간단하고 공정이 쉬워 제작이 용이한 압전 스위치 및 그 구동 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 구동회로를 압전 스위치와 병렬 연결된 제1저항과, 인버터로 압전소자의 변형에 의해 발생되는 소정의 전압을 출력하는 제2저항과, 상기 압전 스위치에서 발생된 소정의 전압에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)을 출력하는 인버터를 포함하여 구성함으로써, 압전체에서 나오는 전압의 방향에 관계없이 스위칭 동작을 수행할 수 있어 신뢰성을 높일 수 있는 압전 스위치 및 그 구동 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 압전 스위치는 압전체와; 압전체를 고정시키기 위한 캡(cap)과; 압전체 일면에 형성된 두 전극과; 상기 두 전극과 연결되어 압전체에서 발생한 전기적 신호를 압전 스위치의 구동 회로로 출력하는 두 금속 철편으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 압전 스위치 구동 회로는 압전 스위치의 출력 두 단자와 병렬로 연결되고, 일측이 접지되어 있는 제1저항과; 일측이 상기 제1저항의 다른 일측과 연결된 제2저항과; 상기 제2저항의 다른 일측과 연결되어 상기 제2저항을 통해 입력된 신호(전압)에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)을 출력하는 인버터와; 일측이 상기 인버터의 출력단자와 연결되고 다른 일측이 접지되어 있는 제3저항으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

우선, 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 압전 스위치의 구조를 단순화하여 가격 경쟁력을 높이고, 압전체의 분극 방향 및 변형 방향과 무관하게 외부 압력이 가해지거나 제거 될 때 신호를 모두 출력 할 수 있는 것을 그 요지로 한다.

이때, 상기 압전 스위치는 압전체의 일면 혹은 양면에 전극이 형성된 압전 소자와, 상기 압전 소자의 두 전극과 각각 연결되며 탄성을 갖는 금속 도전체(철편)와, 상기 압전소자를 고정시키기 위한 캡으로 구성되는데, 외부 회로(구동 회로)와 연결되어 스위치로서 작용하는 PCB 회로 및 부품을 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는 금속 도전체와 연결되는 두 전극이 압전체의 일면에 형성되고, 다른 일면에 또 다른 하나의 전극이 형성될 수 있다.

이런 구성을 갖는 본 발명의 압전 스위치는 단일 또는 어레이로 구성되어 각종 키패드로서 사용될 수 있고, 가정용 및 산업용으로 광범위하게 사용할 수 있다.

도2는 본 발명에 따른 압전 스위치의 구조를 도시한 일 실시예로서, 도시한 것과 같이 압전체(40)와, 압전체(40)의 일면(하부면) 혹은 양면(상하부면)에 형성된 전극(31 내지 33)과, 상기 압전체(40)와 전극(31 내지 33)으로 구성된 압전 소자를 고정시키기 위한 캡(cap)(20)과, 상기 압전체(40)의 하부면에 형성된 두 전극(32, 33)과 연결되어 압전체(40)에서 발생한 전기적 신호를 외부 회로(구동 회로)로 출력하는 두 금속 철편(51, 52)으로 구성되는데, 상기 두 금속 철편(51, 52)은 회로 부품들이 연결된 PCB(60)에 고정된다.

상기 캡(20)의 재질은 외부의 압력에 의해 내부에 접촉된 압전체(40)를 변형시킬 수 있도록 미소한 탄성 변형이 이루어지는 재료로 이루어지는데, 일 예로 플라스틱 혹은 금속재가 될 수 있다.

상기 압전체(40)는 일반적으로 사용되는 세라믹 압전체를 사용하는데, 본 발 명에서는 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등과 같은 압전 폴리머 재료도 사용할 수 있으나 이 경우 사용 온도 등이 제한되므로 한정된 적용 분야에 사용 할 수 있다.

상기 금속 철편(51, 52)은 압전체(40)의 하부면에 형성된 전극(32, 33)과 각각 접촉 할 때 접촉 저항이 생기지 않도록 탄성을 가진 것을 사용하여 접촉 시 적절한 힘이 가해지도록 한다.

상기 압전소자에 구성된 전극은 압전체의 하부면 혹은 상하부면에 전극이 형성되는데, 본 발명에서는 두 가지 경우에 대한 일 예를 들어 설명한다.

도3a는 압전 소자 구조에 대한 첫 번째 실시예를 보인 것으로, 압전체(40)의 하부면에 전기적으로 분리된 두 개의 전극(32, 33)이 형성되어 하나의 커패시터 구조를 형성한 것을 알 수 있다. 이런 구조의 압전 소자는 에폭시 등과 같은 접착제를 이용하여 압전체(40)의 상부면을 캡(20)에 부착하여 고정시킨다. 따라서, 이런 구조의 압전 소자는 압전체의 양면에 전극을 형성할 필요없이 한쪽면(하부면)에만 전극을 형성하기 때문에 공정이 간단해지는 장점이 있다. 즉, 두 개의 전극(32, 33)을 압전체의 일면에 형성하기 때문에 전극 형성용 마스크 패턴만 다르고 하나의 전극을 형성하는 공정과 동일하기 때문에 공정이 간단해진다.

도3b는 압전 소자 구조에 대한 두 번째 실시예를 보인 것으로, 압전체(40)의 양면에 전극(31 내지 33)을 형성하여 두 개의 커패시터 구조를 형성한 것을 알 수 있다. 즉, 압전체의 하부면에 전기적으로 분리된 두 개의 전극(32, 33)이 형성되고, 상부면에 하나의 전극(31)이 형성되어 전체적으로 두 개의 커패시터가 직렬로 연결된 형태로 이루어진다. 이때, 상기 압전체(40)의 상부면에 형성된 전극(31)은 압전체를 지지하면서 압전 소자를 캡(20) 내부에 고정시키는 역할을 한다. 그리고, 이런 구조의 압전 소자는 전기적으로 두 개의 커패시터가 직렬로 연결된 것과 같기 때문에 정전용량이 도3a에 비해 1/2로 작아지고, 이는 외부로부터 압전체에 큰 압력이 인가되었을 때 스위치 구동 회로에 구비된 FET의 게이트에 과전압이 입력되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

상기 도3에 도시한 일 예와 같은 구조를 갖는 압전 소자는 캡(20)에 부착되어 고정되고, 압전체 하부면에 형성된 두 개의 전극(32, 33)과 전기적으로 연결되고 소정의 탄성을 갖는 두 금속 철편(51, 52)을 통해 압전 스위치의 구동 회로와 연결된다.

도4는 본 발명에 따른 압전 스위치 구동 회로를 도시한 것으로, 다수의 저항(R1, R2, R3)과 소정의 구동 전압(Vcc)을 입력받는 인버터(70)로 구성된 것을 알 수 있다.

즉, 압전 스위치를 구성하는 두 금속 철편(51, 52)과 병렬로 연결되고, 일측이 접지되어 있는 제1저항(R1)과, 일측이 상기 제1저항(R1)의 다른 일측과 연결된 제2저항(R2)과, 상기 제2저항(R2)의 다른 일측과 연결되어 상기 제2저항(R2)을 통해 입력된 신호(전압)에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)을 출력하는 인버터(70)와, 일측이 상기 인버터(70)의 출력단자(Vout)와 연결되고 다른 일측이 접지되어 있는 제3저항(R3)으로 구성된다.

상기 인버터(70)는 n-타입 FET(71)와 p-타입 FET(72)로 구성되고, 상기 제2저항(R2)을 통해 입력된 압전 스위치의 출력 전압에 의해 상기 두 FET가 온/오프되 어 각 FET의 소스 단자로 입력된 기 설정된 전압(Vcc) 혹은 '0'을 두 FET의 공통 출력단자(Vout)인 드레인 단자로 출력한다. 물론, 상기 인버터(70)를 FET가 아닌 BJT를 이용하여 구성할 수도 있다는 것은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 자명하다.

그럼, 본 발명에 따른 구동 회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 압전 스위치가 구동 회로에 연결된 상태에서 압전 스위치의 캡(20)에 사용자의 손 누름 등과 같은 외부의 압력이 인가되면 캡의 내부에 고정된 압전 소자에 미소한 변형이 발생한다.

상기 압전 소자에 변형이 발생하면 압전 소자의 표면에 전하가 유기되고, 그 유기된 전하에 의해 압전체(40) 하부면 혹은 양면에 형성된 전극(31 내지 33)에 전압이 발생한다.

상기 압전 소자의 전극에 발생된 전압은 압전체의 하부면에 형성된 전극(32, 33)과 맞닿은 금속 철편(51, 52)을 통해 구동 회로로 인가되고, 구동 회로의 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 거쳐 인버터(70)를 구성하는 두 FET(71, 72)의 공통 게이트단에 소정의 전압이 인가된다. 이때, 압전체(40)에서 발생한 소정의 전압이 양의 전압인 경우 n-타입 FET(71)와 p-타입 FET(72)가 각각 온, 오프되고, 압전체(40)에서 발생한 소정의 전압이 음의 전압인 경우 n-타입 FET(71)와 p-타입 FET(72)가 각각 오프, 온되어 기 설정된 전압(Vcc)을 출력한다. 그리고, 그 출력된 전압은 제3저항(R3)인 로드 저항에 걸리게 된다.

따라서, 본 발명의 구동 회로는 압전체의 분극 및 변형 방향에 관계없이 사 용자가 압전 스위치를 누르는 동작에 따라 스위칭 동작이 이루어지고, 스위치로부터 압력이 제거되는 동작에도 소정의 전압을 출력하기 때문에 스위치의 사용 용도에 따라 알고리즘을 설계하면 보다 신뢰성 있는 스위칭 동작을 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 구동 회로는 도3에 도시한 압전 소자의 두 가지 구조 뿐만 아니라 모든 압전 스위치에 적용되어 정확한 스위칭 동작을 수행할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 압전 스위치는 저가, 고성능의 압전 스위치로서 단일 스위치 소자 뿐만 아니라 키보드, 숫자판, 전화번호판 등 다수의 키로 이루어진 어레이 키패드에도 응용할 수 있고 또한, 고온에서도 특성이 변하지 않으므로 열악한 사용 환경에서도 광범위한 적용성을 가지고 용이하게 사용할 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 압전 스위치를 압전체 일면 혹은 양면에 형성된 전극과, 상기 압전체의 하부면에 형성된 두 전극과 연결되어 전기적 신호를 구동회로로 전달하기 위한 두 금속 철편과, 상기 압전체 및 전극으로 이루어진 압전 소자를 고정시키기 위한 캡으로 구성함으로써, 스위치의 구조가 간단하고 공정이 쉬워 제작이 용이한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 구동회로를 압전 스위치와 병렬 연결된 제1저항과, 인버터로 압전소자의 변형에 의해 발생되는 소정의 전압을 출력하는 제2저항과, 상기 압전 스위치에서 발생된 소정의 전압에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)을 출력하는 인버터를 포함하여 구성함으로써, 압전체에서 나오는 전압의 방향에 관계없이 스위칭 동작을 수행할 수 있어 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 압전체와;

   압전체를 고정시키기 위한 캡(cap)과;

   압전체 일면에 형성된 두 전극과;

   상기 두 전극과 연결되어 압전체에서 발생한 전기적 신호를 압전 스위치의 구동 회로로 출력하는 두 금속 철편으로 구성된 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 압전체의 다른 일면에 또 다른 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 스위치.
3. 압전 스위치의 출력 두 단자와 병렬로 연결되고, 일측이 접지되어 있는 제1저항과;

   일측이 상기 제1저항의 다른 일측과 연결된 제2저항과;

   상기 제2저항의 다른 일측과 연결되어 상기 제2저항을 통해 입력된 신호(전압)에 의해 온/오프되어 '0' 혹은 기 설정된 전압(Vcc)을 출력하는 인버터와;

   일측이 상기 인버터의 출력단자와 연결되고 다른 일측이 접지되어 있는 제3저항으로 구성된 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 인버터를 구성하는 p-타입 및 n-타입 FET의 소스단으 로 상기 기 설정된 전압(Vcc)이 입력되는 것을 특징으로 하는 압전 스위치 구동 회로.

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