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KR102306795B1 - 콘텍 압력 센싱 장치 및 전자 기기 - Google Patents

콘텍 압력 센싱 장치 및 전자 기기 Download PDF

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KR102306795B1
KR102306795B1 KR1020190150792A KR20190150792A KR102306795B1 KR 102306795 B1 KR102306795 B1 KR 102306795B1 KR 1020190150792 A KR1020190150792 A KR 1020190150792A KR 20190150792 A KR20190150792 A KR 20190150792A KR 102306795 B1 KR102306795 B1 KR 102306795B1
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KR
South Korea
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frame
pressure
sensor
sensing device
pressure sensing
Prior art date
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KR1020190150792A
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전동환
김성수
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(재)한국나노기술원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치는, 판 형상을 가지며, 적어도 일부에 자기장을 갖는 프레임; 및 압력에 의해 상기 프레임이 변형됨에 따라 변화하는 상기 자기장의 세기를 감지하는 자기 센서를 포함한다.

Description

콘텍 압력 센싱 장치 및 전자 기기{CONTACT PRESSURE SENSEING DEVICE AND ELECTRONICE APPARATUS}
본 발명은 압력 센싱 장치 및 전자 기기에 관한 것이다.
센서는 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 특히 사물 인터넷의 발달로 인해 그 응용 분야가 더욱 많아지고 있는 실정이다.
그 중에서 압력 센서는 저항 변화(스트레인 게이지), 정전용량 변화, 압전 현상을 이용하는 것 등이 있으나, 감도가 현저히 낮고 소형화하기에도 불리하다.
이와 관련하여, 공개특허공보 제10-2019-0032124호는, 상시 탄압상태에서 터치에 의해 탄성변형 가능한 터치 플레이트; 상기 터치 플레이트에 부착되어 연동하는 스트레인 게이지; 및 상기 스트레인 게이지로부터 터치 플레이트의 미세 변위를 감지하여 사용자의 터치로 인식하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지를 이용한 포스 터치 센서를 개시한다.
그러나, 상기 포스 터치 센서는 물리적 버튼을 필요로 하여 구조가 크고, 감도가 낮아 단위 면적당 큰 압력을 받아야 한다.
공개특허공보 제10-2019-0032124호
본 발명은 간단한 구조를 가지면서도 적은 압력으로도 콘텍 감지가 가능한 압력 센싱 장치 및 전자 기기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치는, 판 형상을 가지며, 적어도 일부에 자기장을 갖는 프레임; 및 압력에 의해 상기 프레임이 변형됨에 따라 변화하는 상기 자기장의 세기를 감지하는 자기 센서를 포함한다.
상기 압력 센싱 장치는, 상기 감지된 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있다.
상기 프레임의 자기장은 상기 프레임의 면에 수직으로 형성될 수 있다.
상기 프레임은 디스플레이 장치의 화면일 수 있다.
상기 프레임은 디스플레이 장치의 화면을 둘러싸는 것일 수 있다.
상기 프레임은, 지지체 및 상기 지지체 상에 형성된 자성체를 포함할 수 있다.
상기 프레임은 적어도 일부가 자성체일 수 있다.
상기 자기 센서는, 압력에 의해 상기 프레임이 변형될 때 최대 변위 지점에서 빗겨난 곳에 위치할 수 있다.
상기 압력 센싱 장치는, 지자기를 측정하기 위한 지자기 센서를 더 포함하고, 상기 판단부는, 상기 자기 센서에 의해 감지된 값을 상기 지자기 센서에 의해 측정된 값을 이용하여 보정한 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단할 수 있다.
상기 프레임은 원소주기율표상의 제Ⅱ족, 제Ⅲ족, 제Ⅳ족, 제Ⅴ족, 제Ⅵ족 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 자기 센서는, 홀 센서, 리드 스위치(reed switch), 자기저항(MR: MagnetoResistive) 센서, 홀(Hall) 소자, 거대자기저항(GMR: Giant MagnetoResistive) 센서 중 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 기기는, 판 형상을 가지며, 적어도 일부에 자기장을 갖는 프레임; 압력에 의해 상기 프레임이 변형됨에 따라 변화하는 상기 자기장을 감지하는 자기 센서; 상기 감지된 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단하는 판단부; 및 상기 판단부의 판단 결과에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동부를 포함한다.
상기 전자 기기는 디스플레이 장치이고, 상기 프레임은 상기 디스플레이 장치의 화면이고, 상기 구동부는 상기 판단부의 판단 결과에 기초하여 상기 화면의 전원을 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 간단한 구조를 가지면서도 적은 압력으로도 감지가 가능한 압력 센싱 장치 및 전자 기기가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 압력 센싱 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 자기 센서에서 발생하는 기전력의 계산시 참고 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치에서 최대 변위에 다른 기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전자 기기의 구성을 나타내는 도면이다.
본 명세서에 설명된 임의의 실시예는 본 출원에 설명된 임의의 다른 방법 또는 구성에 대하여 구현될 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.
명세서 및 청구범위에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면은 본 발명의 구성을 설명하기 위한 것에 불과하며, 실제의 비율과는 상이할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(1)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 센서 장치(1)는 판 형상을 가지며, 적어도 일부에 자기장을 갖는 프레임(110); 압력에 의해 상기 프레임이 변형됨에 따라 변화하는 상기 자기장의 세기를 감지하는 자기 센서(120); 및 상기 감지된 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단하는 판단부(130)를 포함한다.
프레임(110)은 적어도 일부가 자성체로 형성될 수 있다. 도 1에서 화살표는 프레임(110)에서 발생한 자속(magnetic flux)을 나타낸다.
자기 센서(120)는 홀 센서일 수 있다. 다만, 본 발명의 범위는 이에 한하지 않으며, 리드 스위치(reed switch), 자기저항(MR: MagnetoResistive) 센서, 홀(Hall) 소자, 거대자기저항(GMR: Giant MagnetoResistive) 센서 등 자기장의 변화를 감지할 수 있는 것이면 족하다.
판단부(130)는 자기 센서(120)에서 감지된 자기장 세기의 변화에 기초하여 프레임(110)에 압력이 인가되었는지 여부를 판단한다.
도 2는 도 1의 압력 센싱 장치(1)의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)는 프레임에 압력이 가해지기 전의 상태를 나타내고, 도 2의 (b)는 프레임에 압력이 가해졌을 때의 상태를 나타낸다. 도 2에서 설명의 편의를 위해 판단부는 생략하였다.
도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 자기장은 프레임의 면에 수직으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 프레임에 압력이 가해지면 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 프레임이 변형되며, 이에 따라 자기장 세기(자속 밀도)가 변화한다.
도 3은 자기 센서에서 발생하는 기전력의 계산시 참고 도면이다.
자기 센서가 홀 센서일 때에서 발생하는 기전력의 크기 VH는 하기의 식에 의해 계산될 수 있다.
VH = h × i × B sinα …(1)
여기서, h는 프레임의 재료, 크기 등에 의해 결정되는 상수이고, i는 프레임의 길이 방향을 따라 흐르는 전류의 크기이고, B는 압력이 가해지기 전 자기장의 세기이다. α는 압력에 의해 변형된 프레임의 곡선 형상을 직선으로 근사하였을 때 변형된 프레임의 단부로부터 최대 변위 지점을 잇는 직선과, 압력이 가해지기 전의 프레임이 이루는 각도이다.
프레임의 길이를 2L이라 하고, 최대 변위 지점이 프레임의 길이 방향의 중간 지점이라고 가정할 때, α는 다음의 식을 만족한다.
α = tan-1(d/L) …(2)
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치에서 최대 변위에 다른 기전력의 크기를 나타내는 그래프이다. 도 4에서 자기장의 세기는 100 G, 민감도(sensitivity) 60μV/G이다.
도 4를 참조하면, L이 50mm, 최대 변위 d가 1mm일 때 기전력이 120mv인 것을 알 수 있다. 통상 기전력이 열 전압, 즉 300K에서 26mV보다 크면 감지 가능함을 고려할 때, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치는 최대 변위가 1mm 이하인 경우에도 충분히 감지 가능한 기전력을 제공함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(2)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 압력 센싱 장치(2)는 프레임(210), 자기 센서(220) 및 판단부(230)를 포함하며, 판단부(230)는 판단부(130)와 동일하다.
자기 센서(220)는, 압력에 의해 프레임(210)이 변형될 때 최대 변위 지점에서 빗겨난 곳, 예를 들어 프레임(210)의 단부에 위치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 자기 센서(120, 220)는 압력에 의해 프레임(110, 210)이 변형됨에 따라 변화하는 자기장의 세기를 감지한다. 이때, 프레임(110, 210)은 판 형상이기 때문에, 최대 변위 지점으로부터 멀어질수록 자기장에 세기(자속 밀도)가 많이 감소한다. 따라서, 자기 센서(220)가 최대 변위 지점에서 빗겨난 곳에 위치함으로써, 자기장 세기의 변화량(감소량)이 커져 감지의 정밀도를 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프레임(310)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 프레임(310)은, 지지체(311) 및 지지체 상에 형성된 자성체(312)를 포함할 수 있다. 지지체는 비자성체일 수 있다. 본 실시예에서 지지체(311)의 길이와 자성체(312)의 길이는 동일하다. 도 1의 프레임(110)이 전체가 동일한 물질로 형성되어 있는 반면, 본 실시예의 프레임(310)은 두 종류의 물질로 구성된 점이 상이하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프레임(410)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 프레임(410)은, 지지체(411) 및 지지체의 일부 상에 형성된 자성체(412)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 자성체(412)가 지지체(411)의 일부 영역에만 형성된 점이 도 6의 프레임(310)과 상이하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(5)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 압력 센싱 장치(5)는 프레임(510), 자기 센서(520), 판단부(530) 및 지자기 센서(540)를 포함할 수 있다.
프레임(510), 자기 센서(520) 및 판단부(530)는 프레임(110, 210, 310, 410), 자기 센서(120, 220) 및 판단부(130, 230)에 각각 대응한다.
압력 센싱 장치(5)는 지자기 센서(540)를 추가로 포함한다. 지자기 센서(340)는 지구상에 기본적으로 존재하는 지자기를 측정한다. 전술한 바와 같이, 자기 센서(520)에서 발생하는 기전력에는 자기장의 세기가 영향을 미치는데, 외부 압력에 의한 자기장 세기의 변화뿐만 아니라 지자기의 세기도 변화할 수 있다. 이에 따라 압력이 인가되지 않고 지자기 세기만이 변하였음에도 불구하고, 압력이 인가된 것으로 잘못 판단될 가능성이 있다.
판단부(530)는 자기 센서(520)에 의해 감지된 값을 지자기 센서(540)에 의해 측정된 값으로 보정한 값에 기초하여 압력의 인가여부를 판단한다. 판단부(530)는 압력이 인가되었는지를 판단할 때 지자기 세기의 변화를 고려함으로써 오류를 감소시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전자 기기(1000)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 전자 기기(1000)는 프레임(1010), 자기 센서(1020), 판단부(1030) 및 구동부(1050)를 포함하며, 도 9에 도시되지는 않았지만 지자기 센서를 더 포함할 수도 있다.
프레임(1010), 자기 센서(1020) 및 판단부(1030)는 프레임(110, 210, 310, 410, 510), 자기 센서(120, 220, 520) 및 판단부(130, 230, 530)에 각각 대응한다.
구동부(1050)는 판단부(1030)의 판단 결과에 따라 전자 기기를 구동한다.
예를 들어, 전자 기기(1000)는 스마트폰, 태블릿 PC와 같은 디스플레이 장치이고, 프레임(1010)은 디스플레이 장치의 화면일 수 있다. 사용자가 디스플레이 장치의 화면을 손가락으로 누르면, 자기 센서(1020)가 자기장 세기의 변화를 감지하고, 판단부(1030)는 자기장 세기의 변화에 기초하여 압력이 가해진 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라 구동부(1050)는 화면의 전원을 구동하는 구동신호를 생성함으로써 디스플레이 장치의 화면을 켤 수 있다.
전자 기기(1000)는 사용자의 제어를 위한 스위치(버튼)를 포함하며, 기능성 및 사용 편의성뿐만 아니라 미적 만족을 위해 스위치 형상의 최소화가 필요하다. 전술한 바와 같은 압력 센싱 장치(1, 2, 3)를 전자 기기(1000)에 적용하면, 전자 기기(1000)의 프레임의 강도가 세서 압력에 의한 변위가 작더라도 이를 계측할 수 있다. 또한, 압력 센싱 장치(1, 2, 3)는 구조가 간단하기 때문에 소형의 전자 기기(1000)에 적용이 용이하다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 판 형상을 가지며, 적어도 일부에 자기장을 갖는 프레임; 및
    압력에 의해 상기 프레임이 변형됨에 따라 변화하는 상기 자기장의 세기를 감지하는 자기 센서
    를 포함하고,
    상기 자기 센서는, 압력에 의해 상기 프레임이 변형될 때 최대 변위 지점에서 빗겨난 곳에 위치하는 압력 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지된 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단하는 판단부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 디스플레이 장치의 화면인 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 디스플레이 장치의 화면을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은,
    지지체 및
    상기 지지체 상에 형성된 자성체
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 적어도 일부가 자성체인 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  7. 삭제
  8. 제2항에 있어서,
    지자기를 측정하기 위한 지자기 센서;
    를 더 포함하고,
    상기 판단부는, 상기 자기 센서에 의해 감지된 값을 상기 지자기 센서에 의해 측정된 값을 이용하여 보정한 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 원소주기율표상의 제Ⅱ족, 제Ⅲ족, 제Ⅳ족, 제Ⅴ족, 제Ⅵ족 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 자기 센서는, 홀 센서, 리드 스위치(reed switch), 자기저항(MR: MagnetoResistive) 센서, 홀(Hall) 소자, 거대자기저항(GMR: Giant MagnetoResistive) 센서 중 하나인 것을 특징으로 하는 압력 센싱 장치.
  11. 판 형상을 가지며, 적어도 일부에 자기장을 갖는 프레임;
    압력에 의해 상기 프레임이 변형됨에 따라 변화하는 상기 자기장을 감지하는 자기 센서;
    상기 감지된 값에 기초하여 상기 프레임에 압력이 인가되었는지를 판단하는판단부; 및
    상기 판단부의 판단 결과에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동부;
    를 포함하는 디스플레이 장치로서,
    상기 프레임은 상기 디스플레이 장치의 화면이고,
    상기 자기 센서는, 압력에 의해 상기 프레임이 변형될 때 최대 변위 지점에서 빗겨난 곳에 위치하고,
    상기 구동부는 상기 판단부의 판단 결과에 기초하여 상기 화면의 전원을 구동하는 구동 신호를 생성하여 상기 화면의 전원을 온 또는 오프함으로써, 상기 프레임 및 상기 자기 센서와 함께 스위치로서 기능하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.



  12. 삭제
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