KR20180048622A - 회로 구축 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 저전압 전원과 하나 이상의 전기적 활성 부재들 사이에서 연장되는 복수의 전기적으로 전도성이고 분리가능하며 기계적으로 상호 연결가능한 블록들로서, 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재들을 활성화하도록 전류가 흐를 수 있고 그에 의해 트리거가능한 동작이 별도의 데이터 라인과는 독립적으로 발생될 수 있는 폐쇄가능한 전기 블록으로 규정된 회로를 조립하는 방식으로 선택적으로 상호 연결되는, 상기 복수의 전기적으로 전도성이고 분리가능하며 기계적으로 상호 연결가능한 블록들을 포함하는 회로 조립 시스템을 제공하며, 상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 1 블록은 제 1 및 제 2 전기 전도성 말단 부재들을 포함하는 전기적으로 스위칭가능한 블록으로서 그에 의해 상기 활성화 전류가 상기 트리거가능한 동작에 응답하여 인접하고 전기 전도 관계에 있는 복수의 블록들 중 인접한 블록에 선택적으로 흐를 수 있게 된다.

Description

회로 조립 시스템

본 발명은 모듈러 요소들(modular elements)의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 회로 조립 시스템의 다른 전기 전도성 블록 또는 능동 소자를 통해 스위칭가능한 방식으로 전기의 흐름을 선택적으로 유도하는 완구 조립 요소들(이후, "블록"이라 칭함)을 분리가능하게 상호연결하는 것에 관한 것이다.

LEGO®에 의해 제공되는 조립 요소들(building elements)과 같은 연결가능한 블록들은 3 차원 구조들의 조립을 가능하게 하고, 고유한 교육적 경험을 제공할 수 있게 한다. 그러한 블록들을 갖고 노는 것은 3D 비전, 창의력, 엔지니어링, 롤-플레잉 등의 스킬을 개발시킨다. 일반적인 완구 블록들은 놀이의 가치를 높이기 위해 특정의 외형 또는 기계적 또는 전기적 기능을 갖는 전용 조립 요소들로 보완되어왔다. 그러한 기능들은 예를 들어, 모터, 스위치 및 램프뿐만 아니라, 센서들로부터의 입력을 받아들이고 수신된 센서 입력들에 응답하여 기능 요소들을 활성화할 수 있는 프로그램 가능 프로세서를 포함한다. 일부 경우에 있어서, 최신식의 전자 시스템이 상기 조립 요소들에 포함될 수 있으며, 이러한 것은 LEGO MINDSTORMS에 의해 제조된 ROBOTICS INVENTION SYSTEM 키트와 같은 프로그래밍가능한 로봇 구성, 원격 제어 작용 등을 가능하게 한다. 하지만, 이러한 키트들의 전자적인 측면은 사용자에 의해 용이하게 활용될 수 없으며, 여러 전자 부품들을 결합하는 것은 제한적일 수밖에 없다.

오늘날, 많은 연결가능한 장난감 블록들은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 비전도성 플라스틱 재료로 만들어진다. 이들은 두 개의 블록들이 서로 쉽게 연결될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 분리될 수 있도록 설계되었다. 많은 조립 키트들은 단순한 모양들을 가지고서 매우 정교한 3D 모델을 구성할 수 있게 한다. 일부 키트들은 모터, 조명 및 센서와 같은 전기 요소들을 기존 블록들에 기계식으로 부착함으로써 이들을 결합한다. 일부 경우에는 전기 부품들이 플라스틱 블록에 매립되거나 내장되어 있으며 다른 블록들에 직접 부착할 수 있게 한다.

그런 전자 세트에서, 모든 배선은 상기 구성의 일부가 아닌 통상의 전선에 의해 수행된다. 회로를 전기적으로 연결하는 것은 단순하며, 부품들(components) 각각에 전선들을 프러그-인하도록 단순화된 커넥터들이 제공된다. 상기 전선들이 일반적으로 쌍을 이루고 있으며 단지 구성 경험만으로 부품들을 함께 연결한다는 점에서 전기 회로는 사용자에게는 보이지 않는다. 사용자가 전자공학 또는 전기 회로에 대해 충분히 학습하지 않기 때문에 교육 경험은 제한적이며; 더욱이 얽히게(entangled) 될 수 있고 기계적인 이동을 제한할 수 있으며 시각적으로 불쾌감을 줄 수 있는 실제 전선들을 연결해야할 필요성으로 인해 교유적 경험은 제한적이 된다. 더욱이, 그러한 요소들은 커패시터, 코일, 저항기 등과 같은 기본적인 전자 부품을 포함하지 않는다. 과학적 교육 키트들은 전자 키트들로서 제공될 수 있다. 이들은 일반적으로 특정 테마 기반의 독립형 키트들을 포함하며, 여기에서 사용자 경험은 특정 기능을 수행하는 전기 회로를 연결하는 것을 수반한다. 그러한 키트들의 예는 태양 에너지 키트(태양으로 전원이 공급되는 자동차), 전기 분수, 전기 경보 장치, 전기 터빈 등을 포함한다. 많은 키트들은 전선들이 직접적으로 또는 기계 장치(스프링)를 통해 연결된 플라스틱 보드를 사용한다. 전기 부품들은 상기 보드에 기계적으로 부착될 수 있다. 하지만 그러한 전자 키트들은 제한적이며, 이는 전류가 흐르는 경로가 시각적으로 명확하지 않은 방식으로 부품들을 배치하고 전선들을 연결하는 것으로 사용자 경험이 제한되기 때문이다. 결과적으로 회로 구조와 그 기능을 완전히 감추는 일반적으로 전선들의 얽힘(entanglement)이 있게 된다. 따라서 교육적 가치와 학습 경험은 제한적일 수밖에 없다. 더욱이, 각 키트의 부품들은 다른 셋업들이나 다른 키트들에 사용될 수 없으며, 일반적으로는 이들이 디자인된 특정 키트로만 제한된다.

미국 특허 3,346,775, 미국 특허 3,553,883, 미국 특허 4,556,393, 미국 특허 6,805,605 호 및 CH 455606A와 같은 일부 선행 기술의 공보들이 전도성 완구 블록들을 제공하기 위한 다양한 구성들을 개시한다. 하지만, 그러한 구성들은 접촉부들 또는 전도성 핀들이 완구 블록들 내부에 매립되어야 할 것을 필요로 한다.

미국 특허 8,821,182는 스냅 결합 부품(snap-together parts)을 사용하여 기계적 구조를 만들고 상기 구조 내에 통합된 전자 회로를 만드는데 요구되는 원리들을 설명하기 위한 3차원 전기 기계 시스템을 개시한다. 하지만, 이러한 시스템은 교육적으로 유익한 정보를 주고 스스로 시작된 동작이 트리거될 수 있게 하는 어떠한 센서들도 없다.

US 2013/0343025는 전문 지식 없이 프로그래밍 및 회로 조립의 논리를 가르치는 모듈형 전자 조립 시스템을 개시한다. 모듈형 블럭 조립 시스템은 사전 조립되고 상호 연결된 인쇄 회로 기판으로 구성된다. 전원, 신호 및 접지 라인들이 모든 모듈들 사이에서 이들 전반에 걸쳐 상호 연결되어, 복수의 부품들이 병렬로 상기 라인들에 연결된다. 각 블록은 하나 이상의 이산 기능(discrete functions)을 수행하며, 상기 블록들은 결합되어 더 큰 회로들을 생성한다. 일부 블록들은 외부 이벤트에 응답하고, 일부는 사전 프로그래밍되고, 다른 블록들은 전류를 통과시키거나 차단한다. 상기 전류는 예를 들어 센서 모듈이 제 1 모듈과 제 2 모듈 사이에 배치될 때 영향을 받게 된다.

이러한 모듈형 전자 조립 시스템은 논리 회로들이 어떻게 구성되는지에 대한 이해에 기여하지만, 사용자들은 전기 부품들을 식별할 수 없거나 또는 전자 조립 시스템에 포함된 수많은 부품들로 인해 전기가 어떻게 흐르는지를 학습할 수 없다. 센서 검출에 대한 응답으로 스위칭 이벤트가 발생하면, 상기 스위치를 재설정하기 위해 신호 라인을 통해 데이터가 전송되고 전자 조립 시스템의 복잡성에 더 추가된다.

따라서, 본 발명의 목적은 인접한 블록들 또는 능동 요소들을 통해 전기의 흐름을 선택적으로 지시할 수 있는 완구용 블록(toy block)을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전원에 부가하여 독립적인 데이터 라인을 필요로 하지 않고 어린이 개시의 트리거링 동작을 용이하게 하는 전기적으로 스위칭가능한 완구용 블록을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유선 연결을 사용하지 않고서 전기 부품들을 상호 연결하고 분리할 수 있는 교육용 도구를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 어린이 사용자가 시각적으로 직감적인 방식으로 전기 부품들을 식별하여 분리하고 전기 회로들의 기본을 학습할 수 있도록 하는 교육 도구를 제공는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.

본 발명은, 저전압 전원과 하나 이상의 전기적 활성 부재들 사이에서 연장되며, 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재들을 활성화하도록 전류가 흐를 수 있고 그에 의해 트리거가능한 동작(triggerable action)이 별도의 데이터 라인과는 독립적으로 발생될 수 있는 폐쇄가능한 전기 블록으로 규정된 회로(closable electric block-defined circuit)를 조립하는 방식으로 선택적으로 상호 연결되는 복수의 전기적으로 전도성이고 분리가능하며 기계적으로 상호 연결가능한 블록들을 포함하는 회로 조립 시스템(circuit building system)을 제공하며, 상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 1 블록은 제 1 및 제 2 전기 전도성 말단 부재들(electrically conductive terminal members)을 포함하는 전기적으로 스위칭가능한 블록으로서 그에 의해 상기 활성화 전류가 상기 트리거가능한 동작에 응답하여 인접하고 전기 전도 관계에 있는 복수의 블록들 중 인접한 블록에 선택적으로 흐를 수 있게 된다.

상기 회로 조립 시스템은 일반적으로 회로의 원리를 설명하기 위한 교육용 도구이지만 반드시 그런 것은 아니다. 블록들 각각은 예를 들어 저항기 블록, 배터리 블록, 전도성 블록 및 전기적으로 스위칭가능한 블록과 같이, 식별가능하고 분리가능한 전기 블록 유도 회로의 단일 전기 부품으로 구성될 수 있다. 사용자는 상기 회로를 폐쇄하기 위해 사용자가 선택한 구성에 따라 복수의 블록들이 만족스럽게 상호 연결될 때 하나 이상의 전기적 활성 부재가 활성화되고 상기 회로를 개방하기 위해 상기 블록들 중 하나가 제거될 때 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재가 비활성화되는 것을 확인한다.

사용자는 트리거가능한 동작의 원인을 학습할 뿐만 아니라 사용자가 시작하거나 센서에 응답하는 트리거가능한 동작에 대해 믿을 수 있는 만족감을 얻을 수 있다.

상기 스위치가능한 블록은 또한 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 사이에 활성화 전류의 흐름을 허용하기 위해 트리거가능한 동작에 응답하는 동작 메커니즘을 포함한다.

한 양태에서, 상기 동작 메커니즘은 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들에 각각 전기적으로 연결된 제 1 및 제 2 분리가능한 접촉부들과, 상기 제 1 및 제 2 접촉부들 사이에 개재된 자화가능한 스위치를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 접촉부들은 상기 자화가능한 스위치에 아주 근접하게 된 영구 자석의 자기장의 영향 하에 폐쇄가능하게 되고 상기 자화가능한 스위치로부터 상기 영구 자석을 멀리 떨어지게 함에 따라 개방가능하게 된다.

한 양태에서, 상기 동작 메커니즘은 휴면 상태 및 활성 상태 모두에서 동작가능한 논리 회로들로 구성된 집적 회로를 포함하고, 상기 활성화 전류는 상기 논리 회로들이 상기 활성 상태로 설정될 때 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재들을 활성화하기에 충분한 크기로 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 사이에서 상기 동작 메커니즘에 의해 전달된다. 트리거링 명령(triggering command)이 상기 논리 회로들에 의해 수신될 때 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재들을 활성화하기 위해 필요한 것보다는 작지만 트리거가능한 동작의 수행을 가능하게 하기에는 충분히 높은 크기로, 상기 논리 회로들이 상기 휴면 상태로 설정될 때 누설 전류(leakage current)가 상기 블록 규정 회로를 통해 연속적으로 흐를 수 있다.

한 양태에서, 상기 집적 회로는 프로세서, 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 사이에 개재되며 또한 상기 프로세서에 연결된 스위칭 유닛, 및 상기 제 1 말단 부재로부터 수신되고 상기 제 2 말단 부재로 전송되는 전류를 상기 휴면 상태 크기로 감소시키기에 충분히 높은 저항을 갖는 제한 저항기(limiting resistor)를 포함한다. 상기 프로세서는 상기 활성화 전류가 상기 제 2 말단 부재에 의해 수신되도록 상기 제한 저항기를 바이패싱하기 위해 재구성 명령을 상기 스위칭 유닛에 전송하도록 동작가능하다.

한 양태에서, 상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 2 블록은 인접한 제 1 또는 제 2 블록을 서로 간에 인접하고 전기 전도적 관계로 유지하도록 제 1 및 제 2 말단 부재들 및 하나 이상의 접촉 강화 부재들을 포함한다. 상기 제 2 블록은 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들을 서로 간에 전기적으로 절연시키기 위해 비-전도성 재료로 만들어진 중앙 부분을 가질 수 있다.

한 양태에서, 상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 2 블록은 전체 전도성 블록(wholly conductive block)이고, 인접한 제 1 또는 제 2 블록을 서로 간에 인접하고 서로 전기 전도적 관계를 유지하도록 하나 이상의 접촉 강화 요소들을 더 포함한다.

한 양태에서, 상기 회로 조립 시스템은 상기 논리 회로들과 데이터 통신하는 단거리 범위 수신기(short-range receiver)를 더 포함하며, 트리거링 명령, 예를 들어 RF 또는 IR 명령이 상기 논리 회로들로 원격으로 전송가능하다. 상기 단거리 범위 수신기에는 상기 집적 회로가 제공될 수 있거나, 제 1 블록과 상호 연결가능한 제 3 블록 내에 수납될 수 있다.

한 양태에서, 상기 트리거링 명령은 센서로부터 프로세서로 전송가능하다. 상기 센서는 상기 제 1 블록과 상호 연결가능한 제 4 블록 내에 수납되거나, 또는 제 1 블록 내에 수납될 수 있다.

한 양태에서, 상기 저전압 전원은 배터리 또는 DC 변압기이다.

한 양태에서, 상기 전기 블록-규정된 회로는 복수의 병렬 서브-회로들을 포함하며, 상기 복수의 서브-회로들 각각은 상기 활성화 전류를 선택적으로 전달가능하게 하는 대응하는 전기적으로 스위칭가능한 블록을 포함한다. 제 1 서브-회로는 제 2 서브-회로와 연관된 제 2 전기적 활성 부재와 다른 제 1 전기적 활성 부재를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 상호 연결가능하고 전기 전도성인 블록의 상부로부터의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전도성 블록의 하부로부터의 분해 사시도이다.
도 3은 전류 흐름을 방지하는 블록 배열을 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3의 블록 배열에 추가하여 전류를 전기적으로 활성인 부재로 흐르게 하는 블록 배열을 개략적으로 도시한다.
도 5는 전기적으로 스위칭가능한 블록의 인터페이스 요소 내에 수납되는 자화가능한 스위치를 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 5의 자화가능한 스위치를 사용하여 전기적으로 활성인 부재에 전력을 공급하기 위한 블록 배열을 개략적으로 도시한다.
도 7은 저항기 블록을 사용하여 전기적으로 활성인 부재에 전원을 공급하기 위한 블록 배열을 개략적으로 도시한다.
도 8은 2개의 배터리 부재들을 사용하여 전기적으로 활성인 부재에 전원을 공급하기 위한 블록 배열을 개략적으로 도시한다.
도 9는 2개의 전기적으로 활성인 부재들에 전원을 공급하기 위한 블록 배열을 개략적으로 도시한다.
도 10은 집적 회로를 포함하는 전기적으로 스위칭가능한 블록을 개략적으로 도시한다.
도 11은 도 10의 집적 회로의 예시적인 전기 배선도이다.

본 발명은 전기적 스위칭 기능을 제공하는 새로운 해체가능하게 상호 연결가능한 완구 블록에 관한 것이다. 전기적으로 스위치가능한 블록으로 구조물을 조립하는 어린이 사용자는 전기 회로들의 근본을 학습하게 하는 교육적 활동과 연계되는 것은 물론 제어된 운동이나 빛 또는 소리의 방출과 같이 원하는 전기적으로 야기된 작용을 시작할 수 있는 만족감을 얻게 될 것이다.

다음의 설명은 직선으로 된 블록에 관한 것이지만, 본 발명은 임의의 다른 크기 또는 형상의 블록에도 적용가능하다는 것을 이해할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라, 분해도로 도시된 상호 연결가능한 전기 전도성인 블록(10)을 도시한다. 블록(10)은 L 자형 프로파일을 가지며 그 상부 정사각형 표면(4)으로부터 상향으로 돌출하는 수컷 결합 요소(male engagement elements)(3)를 갖는 중앙부(5), 표면(4) 아래에서 중앙부(5)에 결합되는 직사각형 인터페이스 요소(7)로서 그 하부 표면(9)에 암컷 결합 요소(8)가 구성되는 상기 직사각형 인터페이스 요소(7), 및 인터페이스 요소(7)의 2개의 길이 방향의 단부들(longitudinal ends)(12, 14)에 각각 고정가능한 2개의 대향하는 전기적 전도성 말단 부재들(16, 18)을 포함한다. 말단 부재(16, 18)에 고정가능한 것 외에도, 인터페이스 요소(7)는 이하에서 설명되는 바와 같이, 일반적으로 전기 스위칭 능력을 용이하게 하기 위한 회로를 내부에 수용하도록 중공(hollow)이 될 수 있지만, 반드시 그렇지는 않다.

본 명세서에서 "상위(upper)" 및 "하위(below)"와 같은 방향 용어는 특정의 배향(orientation)과 관련하지만, 임의의 다른 상대적 배향도 또한 본 발명의 범위 내에 있음이 이해될 것이다.

수컷 및 암컷 결합 요소들은 당업자에게 널리 공지된 임의의 유형일 수 있고, 도시된 수컷 결합 요소의 일부 또는 전부는 암컷 결합 요소로 대체될 수 있고, 또는 도시된 암컷 결합 요소의 일부 또는 전부는 수컷 결합 요소로 대체될 수 있다.

말단 부재들(16, 18) 각각은 폐쇄된 길이 방향으로 배향된 외벽(19), 인터페이스 요소(7)의 대응하는 길이 방향의 단부를 수용하기 위한 개방된 길이 방향으로 배향된 내측 단부(21), 및 개방 단부(21)의 개구를 한정하는 평행한 측벽들(23, 24)을 갖는다. 수컷 결합 요소들(3)은 또한 말단 부재들(16 및 18)의 상부 표면으로부터 상방으로 돌출한다. 말단 부재들(16 및 18)에 인터페이스 요소(7)를 고정하기 위해, 인터페이스 요소의 각각의 길이 방향 단부는 그 상부면 및 측면에 오목 부들(13 및 17)이 각각 구성되고, 그에 의해 말단 부재의 내면으로부터 돌출하는 상보적인 돌출부들(27, 28)이 결합가능하게 된다. 블록(10)은 인터페이스 요소(7)가 말단 부재들(16 및 18)에 고정된 후에 모놀리식 조립체가 된다.

말단 부재들(16 및 18)은 공동 계류중인 국제공보번호 WO 2015/033340에 개시된 방식에 의해 전기 전도성 부재로 변환될 수 있다. 즉, 이들은 베이스 플라스틱 재료로 만들어질 수 있고 예를 들어 세 개의 분리된 구리, 니켈 및 크롬 층들과 같이 우수한 전기 전도성을 갖는 하나 이상의 금속 전도성 층들로 코팅될 수 있으며, 이러한 것은 예를 들어 전기 도금 기술, 말단 부재들의 부분들을 마스킹하는 리소그래피 기술, 에칭 기술에 의해, 또는 접착제 또는 기계적 부착에 의해 이루어진다. 상기 코딩의 전체 두께는 1~100 미크론의 범위일 수 있으며, 부식에 강하고 금속 광택이 있다.

대안적으로, 말단 부재들(16 및 18)은 단일 금속 및 이에 따라 전기 전도성 층으로 이루어질 수 있거나, 상기 말단 부재들의 벽들 내에 매립된 전기 전도성 핀들을 가질 수 있다.

중앙 부분(5) 및 인터페이스 요소(7)는 바람직하게는, 말단 부재들(16 및 18)을 서로 간에 전기적으로 절연하기 위해 예를 들어 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 비전도성 플라스틱 재료로 제조된다. 상기 절연된 인터페이스 요소(7)는 따라서 전기 전도성 블록(10)에 두 개의 분리된 채널들을 제공하며, 이들 각각을 통해 상이한 극성의 전류가 흐를 수 있다.

말단 부재들(16 및 18)은 또한 공동 계류중인 국제공보번호 WO 2015/033340에 또한 개시된 바와 같이, 길이 방향으로 인접한 블록들을 접촉 상태로 유지하기 위해 가요성이며 측면으로 이격된 접촉 강화 요소들(32 및 33)로 형성될 수 있다. 접촉 강화 요소들(32 및 33)은 외벽(19)에 연결되는 가요성이며 탄성인 암(arm)으로서 구성될 수 있지만, 그 주변부의 대부분은 통상적으로 외벽으로부터 비스듬하게 연장되는 배치로 편향되도록 외벽(19)으로부터 분리된다. 적절한 베이스플레이트(baseplate) 상에 하나가 그 다음에 위치되는 두 개의 길이 방향으로 인접한 블록들 사이에 통상적으로 존재하는 전도 저항성 갭(conduction resisting gap)에도 불구하고, 상기 갭으로 돌출하는 접촉 강화 요소들은 두 개의 길이 방향으로 인접한 블록들의 두 개의 말단 부재들을 서로 간에 인접하고 전기 전도성 관계로 설정한다.

접촉 강화 요소(37)는 또한 두 개의 측면으로 인접한 블록들의 두 개의 말단 부재들 각각을 서로 간에 인접하고 전기 전도성 관계로 설정하도록 측면으로 배향된 측벽(24)에 가요성을 갖고 연결될 수 있다.

서론으로서, 도 3 및 도 4는 전기적으로 스위칭가능한 블록(15)을 사용하여 어린이 사용자에 의해 구성가능한 전기 회로를 도시한다. 도 3에는 불완전한 회로가 도시되어 있고, 도 4는 도 3의 블록 배열을 보완하여 상기 회로를 폐쇄하고 부품을 활성화하는 블록 배열을 도시한다.

전기적으로 스위칭가능한 블록(15)은 도 1의 블록(10)과 유사하게 구성되며, 두 개의 전기 전도성 말단 부재들 및 상기 두 개의 말단 부재들 사이에 개재된 중앙 인터페이스 요소로 구성된다. 또한, 전기적으로 스위칭가능한 블록(15)은 전기 회로의 어떤 원리를 어린이 사용자에게 시각적으로 나타내도록 상기 두 개의 말단 블록들 사이에 전류의 흐름을 선택적으로 허용하기 위해 상기 중앙 인터페이스 요소 내에 수용된 동작 메커니즘을 포함하며, 이에 대해서는 이후 기술될 것이다. 상기 전기 전도성 요소는 해칭으로 개략적으로 도시되어있다.

도 3의 블록 배열(40)에서, 두 개의 전기적으로 활성인 블록들, 예를 들어 낮은 전압 전원(예를 들면, 9V)을 생성하기 위한 배터리 블록(44) 및 도시된 바와 같은 프로펠러 블록(46) 또는 모터 및 광원과 같은 임의의 다른 적합한 전기적 활성 부품이 수용된 블록이 전기적으로 스위칭가능한 블록(15)과 인접하여 전기 전도성 관계로 배치된다. 인쇄 회로 기판 없이 구성될 수 있는 상기 전기적으로 활성인 블록들은 전기적으로 스위칭가능한 블록(15)과 결합하기 위한 적어도 하나의 접촉 강화 요소를 가질 수 있다. 원하는 경우, 배터리 블록(44)에는 전류 리미터(current limiter)가 제공될 수 있다. 낮은 전압의 DC 변압기와 같은 임의의 다른 저전압 전원도 또한 사용될 수 있다. 상기 전기적 활성 부품은 일반적으로 플라스틱 격실 내에 넣어지고, 상기 접촉 강화 요소에 전기적으로 연결되며, 이러한 것은 예를 들어 배선, 내장된 금속 도체들, 납땜, 또는 기계적 부착(mechanical attachment)(예를 들면, 나사를 사용)에 의해 이루어진다.

전기적으로 스위칭가능한 블록(15)이 배터리 블록(44) 및 프로펠러 블록(46) 모두와 전기 전도성 관계에 있더라도, 어린이 사용자는 당연히 상기 배터리로부터 상기 프로펠러로 전기의 흐름을 저지하는 중앙 절연 부분의 존재로 인하여 프로펠러(47)가 회전하기 않는다는 것을 알게 된다.

도 4의 블록 배열(41)에서, 전체 전도성 블록(49)은 전기적으로 스위칭가능한 블록(15)과 병렬로 위치되어, 블록들(15 및 49) 모두가 배터리 블록(44)과 프로펠러 블록(46) 사이에 개재되고 이들과 전기 전도성 관계에 있게 된다. 그러한 결합을 용이하게 하도록 배터리 블록(44) 및 프로펠러 블록(46) 각각에는 두 개의 접촉 강화 소자들이 구성될 수 있으며, 이러한 것은 두 개의 블록들과 동시에 인접하여 전기 전도성 관계에 있도록 하기 위한 것이다.

따라서, 전류는 점선으로 개략적으로 표시된 바와 같이, 말단 부재들(16 및 18)을 포함하는 전기적으로 스위칭가능한 블록(15), 프로펠라 블록(46) 및 전체 전도성 블록(49)을 연속적으로 통과한 후 배터리 블록(44)의 네가티브 단자(51)와 포지티브 단자(56) 사이에 흐를 수 있다. 상기 전류는 전체 전도성 블록(49)을 통하기보다는 전기적으로 스위칭가능한 블록(15)을 통해 반대 방향으로 흐른다. 전류의 흐름으로 인해, 프로펠러(47)가 회전하기 시작한다. 따라서, 어린이 사용자는 배터리 블록(44)과 프로펠러 블록(46) 사이의 폐쇄 회로의 형성으로 인해 프로펠러가 회전하는 것을 알게 된다.

인터페이스 요소(57)는 도 5에 개략적으로 도시된다. 자기화 스위치(magnetizable switch)(59), 예를 들어 리드 스위치(reed switch)가 인터페이스 요소(57)의 중공의 밀봉된 내부에 수용된다. 스위치(59)는 대향하는 전도성 요소들(52 및 53)에 연결되며, 인터페이스 요소의 고정(securement) 시에 상기 말단 부재들과 전기 접촉하게 된다. 결과적으로, 전류는 스위치(59)가 폐쇄될 때 전도성 요소들(52 및 53) 사이에서 흐를 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전체 전도성 블록(49)을 포함하는 블록 배열(42)은 인터페이스 요소(57)를 포함하는 전기적으로 스위칭가능한 블록(60)이 사용될 때 전기적으로 활성인 블록(46)에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 어린이 사용자가 인터페이스 요소(57)에 아주 근접하게 영구 자석(62)을 가져올 때, 접근하는 자기장을 감지하기 위한 센서로서 기능하는 2 개의 접촉부들이 함께 상기 스위치를 작동시켜 상기 회로를 폐쇄하게 되어, 프로펠러(47)를 회전시킨다. 그에 따라, 어린이 사용자에게는 직접적인 접촉없이 부품을 작동시키는 자기장의 활용을 이해하도록 하는 학습 도구가 제공되고, 동시에 트리거링 동작을 시작할 수 있다는 만족감을 얻게 된다.

도 7의 블록 배열(50)에서, 저항기 블록(66)이 스위치가능한 블록(60)과 전기적으로 활성인 블록(46) 사이에 위치된다. 저항기 블록(66)에서, 저항기는 그의 두 개의 대향하는 말단 부재들에 전기적으로 연결되고, 그 중 하나는 인접하는 스위치가능한 블록(60)의 말단 부재와 전기적으로 연결가능하다. 따라서, 전류는 저항기 블록(66)을 통해 한 방향으로 흐를 수 있고, 예를 들어 배터리 블록(44)의 네가티브 단자(51)(도 6)로부터 흐르는 전류를 도통시킨다. 전류는 저항기 블록(66)으로부터 전기적으로 활성인 블록(46)으로 흐른 다음 전기적으로 활성인 블록(46)으로부터 전체 전도성 블록(49)으로 흐른다. 회로를 완성하기 위해, 전류는 전체 전도성 블록(49)으로부터 배터리 블록(44)의 포지티브 단자로 흐를 수 있다.

어린이 사용자가 영구 자석(62)을 블록(60)의 인터페이스 요소에 아주 근접하게 가져 오면, 회로는 폐쇄되고, 어린이 사용자는 프로펠러(47)가 저항기 블록(66)의 영향으로 인해 도 6의 블록 배열보다 느린 속도로 회전한다는 것을 알게 된다. 다른 저항기 블록이 블록들(46 및 66) 사이에 위치될 때, 프로펠러(47)는 더 느린 속도로도 회전할 것이므로, 저항기는 더 작은 크기의 전류가 전기적으로 활성인 블록(46)으로 흐르게 한다는 것에 대한 어린이 사용자의 이해를 도울 수 있다.

한 실시예에서, 저항기 블록(66)은 전위차계를 포함하고, 그에 의해 어린이 사용자는 예를 들어 작은 다이얼에 의해 저항을 선택적으로 조절할 수 있고 그에 의해 원하는 출력을 제공할 수 있다.

따라서 각각의 부품을 용이하게 식별하고 분리할 수 있는 직렬 회로가 생성된다. 예를 들어 저항기 블록(66)과 같은 임의의 부품들이 제거되면, 회로는 개방되고 프로펠러(47)는 회전을 멈출 것이다. 제거된 부품은 프로펠러가 다시 회전하도록 용이하게 교체될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 어린이 사용자는 제 2 배터리 블록(44)을 추가하여 블록 배열(55)을 형성함으로써 프로펠러(47)가 더 빠른 속도로 회전하게 될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

어린이 사용자는 많은 상이한 유형의 전기 부분들 또는 다수의 주어진 부품을 직렬 회로에 부가할 수 있음을 이해할 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상호 연결된 블록들을 사용하는 회로는 임의의 원하는 구성을 취할 수 있다. 예를 들어, 도시된 블록 배열(65)은 점차적으로 증가하는 높이로 이루어질 수 있다. 블록 배열의 제 2 레벨에서 바닥 레벨까지 위치된 전체 전도성 블록(48)은 스위치가능한 블록(60)으로부터 흐르는 전류를 다음의 두 방향들로 분기할 수 있다: (1) 프로펠러(47)에 전원을 공급하고 그로부터 가장 하위 레벨에 위치된 전체 전도성 블록(49)을 통해 배터리 블록(44)으로 돌아가도록 하기 위한, 블록(46) 쪽의 방향, 및 (2) 가장 상위 레벨에 위치된 광 베어링 블록(light bearing block)(67)으로 전기를 전도하고 그로부터 배터리 블록(44)으로 돌아가도록 하기 위한, 그 각각이 상기 블록 배열의 상이한 레벨 상에 위치된 복수의 전체 전도성 블록들(48) 쪽의 방향. 이러한 블록 배열을 제공하기 위해, 배터리 블록(44)은 세 개의 말단 부재들로 구성될 수 있다. 복수의 전체 절연 블록들(63)이 또한 원하는 방향으로 전류의 흐름을 가져가기 위해 블록 배열(65) 전반에 걸쳐 선택적으로 위치된다.

다양한 블록들이 각 블록의 기능을 식별하는 것을 돕기 위해 색으로 코드화되거나 다른 적절한 방식으로 구별될 수 있다. 전류 흐름의 방향을 결정하는 데 있어 어린이 사용자를 돕기 위해 전류가 흐르는 각 블록에 조명이 켜지거나 임의의 다른 적절한 표시 수단이 제공될 수 있다.

도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이, 블록(70)은 더 복잡한 동작을 수행하기 위해 능동적으로 스위칭가능한 블록이 될 수 있다. 인터페이스 요소(77)는 미리 결정된 이벤트에 응답하여 회로를 폐쇄하도록 적응된 집적 회로(IC)(79)를 포함한다. 예를 들어, 타이밍 부품으로 구성된 IC(79)는 미리 결정된 시간에 회로를 폐쇄하도록 미리 프로그램될 수 있다. 대안적으로, IC(79)는 중심 부분의 상부 표면(4)에 형성된 개구를 통과하는 주변 광을 감지하기 위한 광학 센서와 같은 센서(72)를 포함한다. 놀이 조각 또는 관심 대상의 임의의 다른 물체가 상기 광학 센서 위를 통과할 때, 미리 결정된 어둠 레벨(predetermined level of darkness)이 감지되고 상기 회로는 폐쇄된다.

스위치가능한 블록(70)이 또한 필요한 부분만 변경하여 전술한 블록 배열의 임의의 구성과 함께 동작할 수 있다.

센서(72)가 스위치가능한 블록(70)과 통합된 것으로 도시되어 있지만, 상기 센서(72)는 상기 센서가 IC(79)와 데이터 통신하는 동안 블록(70)과 상호 접속가능한 별도의 블록으로서 구성될 수 있다.

IC(79)의 논리 회로들은 전류가 계속하여 흐르고 IC(79)가 활성일 때에만 사용자 상호작용을 감지하도록 동작한다. 블록(70)을 조작하는 사용자가 원할 때마다 트리거링 동작을 개시할 수 있게 하기 위해, IC(79)는 휴면 상태 및 활성 상태의 두 개의 상이한 상태들로 동작한다. 휴면 상태 동안, 작은 누설 전류가 상기 IC 내에 연속적으로 흐르고 센서(72)는 지속적으로 모니터링된다. 상기 누설 전류의 레벨은 상기 전기적 활성 부품을 활성화하는 데 필요한 것보다 작지만 트리거링 명령을 수신할 것으로 예상하면서 휴면 상태에 있는 IC(79)를 유지하기에는 충분히 높다. 상기 누설 전류는 통상적으로 1~3 mA 범위이다.

광 또는 소리 관련 명령과 같은 트리거링 명령이 이루어진 후에, IC(79)는 활성 상태로 설정되어, 스위치가능한 블럭(70)을 통해 전달된 전류가 상기 전기적 활성 부품을 활성화하기에 충분히 높은 크기가 되도록 한다.

상기 트리거링 명령은 IC(79)를 동작시키는 전용 애플리케이션이 실행되는 스마트폰과 같은 원격 제어 장치로부터 전송될 수 있다. 그러한 원격 동작을 수용하기 위해, IC(79)는 논리 회로들과 데이터 통신하는 데 있어 블루투스 송수신기와 같은 단거리 범위 송수신기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 논리 회로들과 데이터 통신하도록 설정될 수 있는 단거리 범위 송수신기는 스위치가능한 블록(70)과 상호 접속가능한 블록 내에 수용될 수 있다.

많은 상이한 전기적 활성 부품들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기적 활성 부품이 LED일 때, 제 1 저항기는 상기 LED와 직렬로 배치되어 상기 LED 수명을 증가시키도록 그에 전달되는 전류를 감소할 수 있고, 제 2 저항기는 상기 제 1 저항기와 병렬로 배치되어 상기 LED로 흐르는 전류를 더 감소시키고 그에 의해 휴면 상태에서의 활성화를 방지한다.

도 11은 어린이가 개시하는 트리거링 동작을 수행하기에 적합한 IC(89)에 대한 예시적인 전기 배선도를 도시한다. IC(89)는 표시등(81), 프로세서(82), 프로세서(82)에 병렬로 연결되고 제 1 말단 부재(83)로부터 전류를 수신하는 광 센서(84)와 마이크로폰(86), 제 1 말단 부재(83)와 제 2 말단 부재(85) 사이에 개재되고 또한 프로세서(82)에 연결되는 스위칭 유닛(92), 및 제한 저항기(98)를 포함한다. 광 센서(84) 및 마이크로폰(86) 중 하나만, 또는 임의의 다른 센서가 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 상기 센서는 또한 예를 들어 블록으로 구성된 IC(89)로부터 분리될 수 있다.

스위칭 유닛(92)은 제 1 말단 부재(83)로부터 수신된 전류를, 휴면 상태 값으로 상기 전류를 제한하기에 충분히 높은 저항을 갖는 제한 저항기(98)에 정상적으로 전달하기 위한 스위치(95)를 포함하여, 낮은 휴면 상태 전류가 상기 전기적 활성 부품을 활성화할 수 있도록 하지 않고서 제 2 말단 부재(85)로 흐르게 될 것이다. 제한 저항기(98)는 적어도 0.5 kOhm, 일반적으로는 1.5 kOhm보다 큰 저항으로서, 예를 들면 2.2 kOhm의 저항을 갖는다. 프로세서(82)는 제한 저항기(98)를 바이패스하고 제 1 말단 부재(83)로부터 수신된 비교적 높은 레벨의 전류를 제 2 말단 부재(85)로 전달하게 구성되도록 스위치(95)에 명령하여, 상기 센서들 중 하나로부터 트리거링 신호를 수신하는 데 응답하여 상기 전기적 활성 부품을 활성화하게 된다. 스위칭 유닛(92)은 또한 바람직하게는 전압 서지(voltage surges)를 방지하기 위해 광 트랜지스터(94)와 협력하여 광을 발생시키는 광 분리기(opto-isolator)를 일반적으로 LED(91)의 형태로 포함한다.

이러한 방식으로, 어린이에 의해 개시되고 센서에 반응하는 트리거링 동작을 생성하기에 적합한 회로가 별도의 데이터 소스를 필요로 하지 않고서 블록들을 탈착 가능하게 상호연결함으로써 유익하게 조립될 수 있다. 전기적으로 스위칭가능한 블록의 인터페이스 요소 내에 일반적으로 수용된 IC(89)가 제 1 말단 부재(83)와 제 2 말단 부재(85) 사이의 전류 경로 내에 위치되고 또한 센서로부터 수신된 신호에 응답하여 휴면 상태로부터 활성 상태로 전환가능하기 때문에, 무제한의 스위칭 동작들이 반복적으로 수행될 수 있다. 별도의 데이터 소스가 없는 종래의 회로 조립 시스템은 스위칭 동작 후에 전류의 흐름이 방해되는 위험을 받게 된다.

임의의 유형의 회로가 직렬 회로이든, 병렬 회로이든 또는 이들의 조합이든 관계없이 본 발명의 회로 조립 시스템으로 조립될 수 있다. 임의의 수의 상호 연결가능한 블록들 및 전기적 활성 부품들이 채용되어, 일반적으로 단일 전기 부품을 포함하는 각각의 블록이 식별되고 분리되고 탈착될 수 있는 교육 도구로서 기능하면서 사용자 선택된 구조들 및 사용자 선택된 트리거링된 동작들을 제공할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들이 예시의 방법으로 설명되었지만, 본 발명은 많은 수정, 변형 및 개조로 수행될 수 있고, 본 청구범위의 범위를 벗어나지 않고서 당업자의 범위 내에서 다수의 등가물들 또는 대안적인 해결책들을 사용하여 수행될 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (22)

1. 저전압 전원과 하나 이상의 전기적 활성 부재들 사이에서 연장되며, 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재들을 활성화하도록 전류가 흐를 수 있고 그에 의해 트리거가능한 동작(triggerable action)이 별도의 데이터 라인과는 독립적으로 발생될 수 있는 폐쇄가능한 전기 블록으로 규정된 회로(closable electric block-defined circuit)를 조립하는 방식으로 선택적으로 상호 연결되는 복수의 전기적으로 전도성이고 분리가능하며 기계적으로 상호 연결가능한 블록들을 포함하는 회로 조립 시스템(circuit building system)으로서,
   상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 1 블록은 제 1 및 제 2 전기 전도성 말단 부재들을 포함하는 전기적으로 스위칭가능한 블록으로서 그에 의해 상기 활성화 전류가 상기 트리거가능한 동작에 응답하여 인접하고 전기 전도 관계에 있는 복수의 블록들 중 인접한 블록에 선택적으로 흐를 수 있게 되는, 회로 조립 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위치가능한 블록은 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 사이에 상기 활성화 전류의 흐름을 허용하기 위해 상기 트리거가능한 동작에 응답하는 동작 메커니즘을 포함하는, 회로 조립 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 동작 메커니즘은 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들에 각각 전기적으로 연결된 제 1 및 제 2 분리가능한 접촉부들과, 상기 제 1 및 제 2 접촉부들 사이에 개재된 자화가능한 스위치를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 접촉부들은 상기 자화가능한 스위치에 아주 근접하게 된 영구 자석의 자기장의 영향 하에 폐쇄가능하게 되고 상기 자화가능한 스위치로부터 상기 영구 자석을 멀리 떨어지게 함에 따라 개방가능하게 되는, 회로 조립 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 동작 메커니즘은 휴면 상태 및 활성 상태 모두에서 동작가능한 논리 회로들로 구성된 집적 회로를 포함하고, 상기 활성화 전류는 상기 논리 회로들이 상기 활성 상태로 설정될 때 상기 하나 이상의 전기적 활성 부재들을 활성화하기에 충분한 크기로 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 사이에서 상기 동작 메커니즘에 의해 전달되는, 회로 조립 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   트리거링 명령(triggering command)이 상기 논리 회로들에 의해 수신될 때 상기 하나 이상의 전기적으로 활성인 부재들을 활성화하기 위해 필요한 것보다는 작지만 상기 트리거가능한 동작의 수행을 가능하게 하기에는 충분히 높은 크기로, 상기 논리 회로들이 상기 휴면 상태로 설정될 때 누설 전류가 상기 블록 규정 회로를 통해 연속적으로 흐를 수 있는, 회로 조립 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 집적 회로는 프로세서, 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 사이에 개재되며 또한 상기 프로세서에 연결된 스위칭 유닛, 및 상기 제 1 말단 부재로부터 수신되고 상기 제 2 말단 부재로 전송되는 전류를 상기 휴면 상태 크기로 감소시키기에 충분히 높은 저항을 갖는 제한 저항기(limiting resistor)를 포함하는, 회로 조립 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 활성화 전류가 상기 제 2 말단 부재에 의해 수신되도록 상기 제한 저항기를 바이패싱하기 위해 재구성 명령을 상기 스위칭 유닛에 전송하도록 동작가능한, 회로 조립 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 트리거가능한 동작은 사용자에 의해 시작되는, 회로 조립 시스템.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 트리거가능한 동작은 상기 트리거링 명령이 센서로부터 상기 프로세서로 전송가능하도록 센서에 응답하는, 회로 조립 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 2 블록은 인접한 제 1 또는 제 2 블록을 서로 간에 인접하고 전기 전도적 관계로 유지하도록 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들 및 하나 이상의 접촉 강화 부재들을 포함하는, 회로 조립 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 블록은 상기 제 1 및 제 2 말단 부재들을 서로 간에 전기적으로 절연시키기 위해 비-전도성 재료로 만들어진 중앙 부분을 갖는, 회로 조립 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 전도성 블록들 중 제 2 블록은 전체 전도성 블록(wholly conductive block)이고, 인접한 제 1 또는 제 2 블록을 서로 간에 인접하고 서로 전기 전도적 관계를 유지하도록 하나 이상의 접촉 강화 요소들을 더 포함하는, 회로 조립 시스템.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 블록들 각각은 식별가능하고 분리가능한 전기 블록 유도 회로의 단일 전기 부품으로 구성되는, 회로 조립 시스템.
14. 제 6 항에 있어서,
    상기 트리거링 명령이 원격적으로 전송가능한 상기 논리 회로들과 데이터 통신하는 단거리 범위 수신기(short-range receiver)를 더 포함하는, 회로 조립 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 단거리 범위 수신기에는 상기 집적 회로가 제공되는, 회로 조립 시스템.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 단거리 범위 수신기는 상기 제 1 블록과 상호 연결가능한 제 3 블록 내에 수납되는, 회로 조립 시스템.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 단거리 범위 수신기는 송수신기인, 회로 조립 시스템.
18. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제 1 블록과 상호 연결가능한 제 4 블록 내에 수납되는, 회로 조립 시스템.
19. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제 1 블록 내에 수납되는, 회로 조립 시스템.
20. 제 1 항에 있어서,
    상기 저전압 전원은 배터리 또는 DC 변압기인, 회로 조립 시스템.
21. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 블록-규정된 회로는 복수의 병렬 서브-회로들을 포함하며, 상기 복수의 서브-회로들 각각은 상기 활성화 전류를 선택적으로 전달가능하게 하는 대응하는 전기적으로 스위치가능한 블록을 포함하는, 회로 조립 시스템.
22. 제 21 항에 있어서,
    제 1 서브-회로는 제 2 서브-회로와 연관된 제 2 전기적 활성 부재와 다른 제 1 전기적 활성 부재를 포함하는, 회로 조립 시스템.
    

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