기존의 장단점을 균형 있게 고려한 마이크로 스위치의 혁신 설계

엔지니어링의 핵심은 크기, 무게, 전력, 비용, 성능 및 제조 가능성 등의 속성 간의 균형을 맞추는 기술과 예술의 조합입니다. 소형 부품의 설계자와 대형 시스템의 설계자 모두가 이러한 문제에 직면해 있습니다. 자동차 요구 사항을 충족하기 위해 소형 스위치 제품군을 재설계하는 과정을 자세히 살펴보면, 혁신의 초점과 설계 및 제조의 미묘함이 드러납니다.

자동차 리미트 스위치의 딜레마

순간 접점 스위치 및 래칭 스위치는 예전부터 있었던 기본적인 단일 기능 장치로, 그 설계 및 구현이 간단해 보일 수도 있습니다. 하지만 수많은 전기적, 기계적 요구 사항을 충족하고 안정적이며 대량으로 제조할 수 있는 스위치를 개발하는 일은 의외로 까다로운 작업입니다. 이러한 스위치는 크기, 접점 정격, 작동력, 작동 각도 등과 관련된 요구 사항을 충족해야 합니다.

Omron Corp.의 설계자들이 자동차 문이 열렸는지 닫혔는지를 표시하는 소형 스위치를 개발할 때 직면한 과제가 바로 이런 것이었습니다. 오늘날의 자동차 문은 그 어느 때보다 얇아지고 다양한 기능이 탑재되어 있기 때문에, 컴팩트한 폼 팩터가 매우 중요한 사안이었습니다.

따라서 푸시 버튼 동작이 몇 밀리미터를 넘지 않아야 스위치 구조상 액추에이터가 푸시 버튼에 접촉하지 않게 되며, 그렇지 않을 경우 단순히 문을 닫는 것만으로도 스위치가 손상될 수 있습니다. 신뢰성 문제와 열악한 운영 환경에서의 방수 및 방진에 대한 IP67 등급은 이러한 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

이러한 경우에 요구되는 스위치 유형을 스냅 동작 리미트 스위치라고 합니다. 내부 이동 범위가 제한되어 있고, 민감하며, 조절 가능한 플런저 또는 로드, 토글, 암 레버, 롤러, 콘, 리프, 회전식 액추에이터, 스프링, 위스커, 케이블 등 다양한 스타일로 제공됩니다. 오늘날의 밀폐형 초소형 스위치(예: Omron D2SW 제품군(그림 1))은 1930년대에 개발되어 여전히 널리 사용되고 있는 전통적인 마이크로 스위치로부터 파생되었습니다. 그 내부 설계와 작동 방식은 가전이나 벤치탑 계측기에 사용되는 On/Off 스위치와는 다릅니다.

그림 1: D2SW 제품군은 설계자들이 수십 년간 사용해 온 전통적인 스냅 작동 리미트 스위치의 예입니다. (이미지 출처: Omron Corp.)

Omron 팀은 레버를 사용한 수평 작동, 레버 없이 작동하는 방식, 각형 캠을 사용한 방식 등 기존의 스위치 작동 방식을 검토했습니다. 각각의 방식이 지닌 장점도 있었지만, 스위치 버튼을 누를 때의 각도 오프셋, 물리적인 부피, 장기적인 마모 지점 등과 관련된 수용하기 어려운 단점도 있었습니다.

새로운 사고방식의 등장

자동차 문(및 기타) 요구 사항을 충족하는 더 작고 안정적인 리미트 스위치 설계의 과제를 극복하기 위해, Omron 설계자는 NO D2EW-B03H 및 보완적인 NC D2EW-B02L과 같은 상시 개방(NO) 및 상시 폐쇄(NC) 스위치의 D2EW 제품군(그림 2)에 혁신적인 접근 방식을 채택했습니다. 이 콤팩트한 밀폐형 스위치는 다양한 방향과 각도로 작동할 수 있습니다.

그림 2: D2EW 초소형 밀폐형 스위치 제품군은 혁신적인 설계를 통해 다양한 작동 각도에서 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Corp.)

Omron 팀은 삼각형 모양의 버튼이 공간을 차지하는 레버 없이 수평으로 작동할 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 그런 다음, 버튼의 경사 각도를 최적으로 결정하여 위에서 안전하게 누를 수 있는 모양을 구현했습니다. 따라서 경사진 수평 캠 및 그와 관련된 공간과 복잡성 없이, 최소한의 스트로크 움직임으로 열고 닫을 수 있습니다.

이 버튼 설계는 레버 없이도 여러 각도에서 스위치를 조작할 수 있도록 해줍니다. 단 몇 밀리미터의 스트로크로 접점을 수평으로 열고 닫을 수 있으며(그림 3(위)), 수직 방향에서 누를 때도 작동할 수 있습니다(그림 3(아래)).

그림 3: D2EW 스위치의 버튼은 크기와 스트로크 거리를 최소화하도록 설계되었으며(상단) 위쪽, 비스듬히, 왼쪽 또는 오른쪽으로부터 작동될 수 있습니다(하단)(이미지 출처: Omron Corp.).

IP67 표준 충족

예기되었던 바와 같이, 이 새로운 버튼 모양은 새로운 문제를 일으켰습니다. 특이한 삼각형 모양의 푸시 버튼은 밀폐 봉인하기가 매우 어려웠습니다. 기존의 원형 푸시 버튼은 수지 리브가 버튼 쪽으로 기울어지고 고무 캡으로 물려 조여지는 열 코킹을 사용합니다. 그러나 D2EW 푸시 버튼은 원형 푸시 버튼에 비해 부피가 약 4배이므로, 고무 캡의 크기가 커져 수지 벽을 위한 공간이 남지 않게 됩니다.

솔루션은 시행착오를 분석함으로써 이루어졌습니다. 설계자들은 스냅 핏을 통해 케이스와 고무 캡을 시일하기로 했고, 여기에서 케이스와 덮개 사이에 고무 캡을 충분한 압력으로 끼워 IP67 요구 사항을 충족하도록 했습니다. 그러나 압력을 모든 방향으로 고르게 가할 수 있는 원형 캡과는 달리, 이 캡의 계란형 베이스로 인해 밀착도가 달라졌습니다. 이 문제를 해결하기 위해 팀은 버튼 샤프트를 최대한 원과 가깝게 만드는 모양을 고안했습니다. 또한 부하 변동을 보완하기 위해 고무 캡의 모양과 고무의 두께를 조정했습니다. 여러 달 동안 시행착오를 겪은 끝에 마침내 최적의 모양을 찾았습니다.

내부에도 변경 사항들이 있었습니다. D2EW 장치는 바닥에 슬라이더가 있는 푸시 버튼을 사용합니다. 이 슬라이더는 버튼을 누르면 옆으로 미끄러집니다. 이점이 바로 함께 움직이는 기존의 푸시 버튼 및 슬라이더와 다른 점입니다. 접촉면을 단일 표면에 통합하여 가장 적은 부품 소자로 접점을 개방 및 폐쇄할 수 있는, 조립하기 쉬운 구조가 구현되었습니다.

결론

D2EW 제품군은 고유하고 혁신적인 버튼 캡과 내부 설계를 통해, 액추에이터의 이동 거리는 수 밀리미터에 불과하지만 어느 각도에서라도 똑바로 눌러서 작동할 수 있습니다. 이러한 설계는 오늘날의 더 얇은 고밀집도 자동차 문에 매우 적합하며, 문이 쾅 닫히는 경우 및 기타 열악한 조건도 견딜 수 있도록 합니다.