JP2009253220A - 光量検出回路、電気光学装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】光量検出の感度変化を防止する。
【解決手段】ソース電極ｄに対して正電圧がゲート電極に印加されることによって導通状態となるＴＦＴ１１と、ソース電極ｓおよびドレイン電極ｄに対して並列接続される容量素子１３とを具備し、第１、第２および第３期間において次のように動作する。すなわち、第１期間において、ゲート電極ｇに正電圧を印加するとともに、スイッチＳ１を閉じることによって容量素子１３の両端を短絡し、正電圧の印加を停止し、スイッチＳ１を開き、容量素子１３の短絡を開放した第２期間において、スイッチＳ２を閉じることによって容量素子１３の両端に基準電圧Ｖaを印加し、スイッチＳ２を開いた第３期間において、容量素子１３の両端の電圧変化に基づいてＴＦＴ１１への入射光量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば薄膜トランジスタを用いて光量検出を行う技術に関する。

携帯電話や個人向携帯端末（Personal Digital Assistance）などの電子機器に、液晶素子などをマトリクス状に配列させた電気光学装置が広く用いられている。この電気光学装置は、明るい状態から暗い状態まで様々な環境下で使用されるので、外光の光量を検出するとともに、その検出結果に合わせて表示画像を制御する構成となっている。
このような構成において、光量検出のための回路を電気光学装置と別体に設けると、実装するスペースが余計に必要となったり、電子機器の外装部に外光を検出するための開口部を設ける必要が生じたりするなどの問題が生じる。
そこで、電気光学装置の画素をスイッチングするトランジスタと共通プロセスによって、光量検出のための回路を形成して、電気光学装置それ自体で外光をも検出する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−２９８３２号公報（図１参照）

しかしながら、上記技術では、経年的に使用していると、光量検出の感度が次第に変化する、といった問題が指摘された。
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、経年的に使用しても、光量検出の感度の変化を防止した光量検出回路、電気光学装置および電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る光量検出回路にあっては、トランジスタと該トランジスタのソース電極とドレイン電極に並列接続される容量素子を具備し、前記トランジスタの前記ソース電極と前記ドレイン電極間をオフ状態にするオフ電圧を前記トランジスタのゲート電極へ、前記ソース電極と前記ドレイン電極に対して印加し、前記容量素子の両端に所定電圧を印加し、該所定電圧の印加を停止した期間において、前記容量素子の両端の電圧変化に基づいて前記トランジスタへの入射光量を検出する光量検出回路であって、前記光量を検出する期間外に前記ソース電極と前記ドレイン電極間をオン状態にするオン電圧を前記トランジスタのゲート電極へ、前記ソース電極と前記ドレイン電極に対して電圧を所定期間印加することを特徴とする。本発明によれば、トランジスタがオフ電圧にバイアスされ続けることがないので、感度の変化が防止される。

本発明において、前記トランジスタを複数有し、前記複数のトランジスタのうち、前記光量を検出するトランジスタを少なくとも一つを順番に選択し、該選択外の少なくとも一つのトランジスタのゲート電極に前記正のオン電圧を所定期間印加する構成としても良く、また前記複数のトランジスタのうち、前記光量を検出する期間外毎に順番にいずれかのトランジスタのゲート電極に前記オン電圧を印加せずに、他のトランジスタのゲート電極には前記オン電圧を印加する構成としても良い。これらの構成によれば、いずれも受光量を正確に検出することができるし、また、検出間隔も短くすることができる。
なお、本発明は、光量検出回路に限られず、所定の表示を行電気光学装置にも適用可能であるし、また、このような電気光学装置の表示を照明する光源と、前記光量検出回路により検出された受光量に応じて、前記光源による照明光を制御する照明制御回路と、を有する電子機器にも適用可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る光量検出回路について説明する。図１は、第１実施形態に係る光量検出回路の構成を示す図である。
この図に示されるように、光量検出回路１０は、ｎチャネル型の薄膜トランジスタ（（thin film transistor：以下「ＴＦＴ」と略称する）１１、パルス発生回路１２、容量素子１３、定電圧源１５、スイッチＳ１、Ｓ２を有する。
なお、ＴＦＴ１１としては、視感度特性の良好なアモルファスシリコン形が好ましい。

ＴＦＴ１１のソース電極ｓは、本実施形態において電圧ゼロの基準とする電位Ｇndに接地され、そのドレイン電極ｄが、容量素子１３の一端、スイッチＳ１の一端、および、スイッチＳ２の一端に、それぞれ接続されている。ＴＦＴ１１のゲート電極ｇには、パルス発生回路１２によるパルス信号Ｇpが供給される。
なお、パルス信号Ｇpは、ＴＦＴ１１をオン状態にするオン電圧（ＨレベルのＶgon）とオフ状態にするオフ電圧（ＬレベルのＶgoff）とのいずれかを取り得る。

定電圧源１５は、基準電圧Ｖaを出力するものであり、その正極端子がスイッチＳ２の他端に接続され、負極端子は電位Ｇndに接地されている。なお、容量素子１３の他端、および、スイッチＳ１の他端についても、電位Ｇndに接地されている。
また、本実施形態では、ＴＦＴ１１のドレイン電極（容量素子１３の一端）の電圧が信号Ｖdetとして出力される。なお、スイッチＳ１、Ｓ２の開閉については、図示省略した制御回路が、パルス発生回路１２によるパルス信号Ｇpの出力に合わせて制御する構成となっている。

次に、この光量検出回路１０の動作について説明する。図２は、この動作を説明するための各部の電圧波形を示す図である。
まず、パルス発生回路１２は、周期Ｆに対して１／１００程度のデューディ比でＨレベルとなるパルス信号Ｇpを出力する。

この構成において、タイミングｔ_１にてパルス信号ＧpがＨレベルとなるとともに、当該タイミングｔ_１からｔ_２までの期間にわたってスイッチＳ１が閉じる（オンする）。スイッチＳ１が閉じると、容量素子１３の両端が短絡するので、容量素子１３の充電電圧がゼロにリセットされる。このため、信号Ｖdetの電圧は電位Ｇndのゼロとなる。
続いて、タイミングｔ_２においてスイッチＳ１が開いた(オフさせた）後に、タイミングｔ_３からｔ_４までの期間にわたってスイッチＳ２が閉じる。これにより、容量素子１３には、定電圧源１５による基準電圧Ｖaが充電される。
そして、スイッチＳ２が開くタイミングｔ_４以降の期間において、オフ状態にあるＴＦＴ１１では、そのドレイン電極ｄからソース電極ｓに向かって、受光された光量に応じた漏れ電流Ｉaが流れる。このため、容量素子１３は、この漏れ電流Ｉaに応じて放電するので、信号Ｖdetは、基準電圧Ｖaから徐々にＧndに向かって低下する。

ここで、基準電圧Ｖaと電位Ｇndとの間でしきい値Ｖthを設定するとともに、タイミングｔ_４においてスイッチＳ２を開いてから、信号Ｖdetが当該しきい値Ｖthに達するまでの時間を計測することにより、バックライト制御回路３０は、ＴＦＴ１１で受光された光量を求めることができる。
例えば、ＴＦＴ１１で受光された光量が少なければ、漏れ電流Ｉaの値が小さくなるので、図２において実線で示されるように、信号Ｖdetの電位低下の度合いも小さくなり、当該しきい値Ｖthに達するまでの時間Ｔaは長くなる。一方、ＴＦＴ１１で受光された光量が多ければ、漏れ電流Ｉaの値が大きくなるので、信号Ｖdetの電位低下の度合いも大きくなり、当該しきい値Ｖthに達するまでの時間Ｔbは短くなる。

このように、ＴＦＴ１１で受光された光量は、信号Ｖdetがしきい値Ｖthに達するまでの時間に反映されるので、当該計測時間を、テーブルを参照して受光量に変換する等によって、ＴＦＴ１１への受光量を求めることができる。
なお、ここでは、信号Ｖdetがしきい値Ｖthに達するまでの時間を計測しているが、タイミングｔ_４から所定の時間だけ経過した時点におけるＶdetの電圧を計測しても良いし、ＴＦＴ１１のドレイン・ソース電極間に流れる電流を直接計測するようにしても良い。
いずれにしても、信号Ｖdetの電圧変化に基づいてＴＦＴ１１で受光された光量を求めることができる。
また、スイッチＳ１とその制御は必ずしも必要ではない。スイッチＳ１は、容量素子１３の両端の電圧を速やかに０Ｖにする目的で設けられているが、ＴＦＴ１１がオン状態になれば、ＴＦＴ１１を介して、容量素子１３の両端の電圧は０Ｖになるから、このときに流れる電流の影響が無ければ、スイッチＳ１を省略しても構わない。

ここで、本実施形態に係る光量検出回路１０の有利性を説明する前に、比較となる従来構成について説明する。図１１は、この従来構成を示す図である。
この図に示されるように、ＴＦＴ１１のゲート電極ｇは、ソース電極ｓの電位Ｇndよりも低位側の負のオフ電圧に常時バイアスされている。この構成において、まず、スイッチＳwを閉じて、容量素子１３に基準電圧Ｖaを充電させ、次に、スイッチＳwを開くと、容量素子１３に充電された電圧Ｖaは、ＴＦＴ１１の漏れ電流に応じた放電によって徐々に低下する。したがって、容量素子１３に充電された電圧を信号Ｖdetとして監視することによって、例えば、スイッチＳwをオフしてから信号Ｖdetがしきい値Ｖthに低下するまでの時間を計測することによって、ＴＦＴ１１への受光量を求めることができる。
しかしながら、ＴＦＴ１１に負のオフ電圧をバイアスし続けると、光量と漏れ電流量と関係が経年的に変化する、すなわち、感度が変化（劣化）してしまう、という問題が生じた。

これに対して第１実施形態では、ＴＦＴ１１に正のオン電圧を間欠的に印加するので、負のオフ電圧をバイアスし続けることによる感度の変化を防止することが可能となる。

＜第１実施形態の課題＞
ところで、第１実施形態では、ＴＦＴ１１に正のオン電圧を間欠的に印加することによって、感度の変化を防止することが可能となったものの、受光量を正確に検出するためには時間を要する、あるいは、短い時間間隔で受光量を検出できない、といった点が筆者らの研究で見出された。

この点について詳述する。薄膜トランジスタは、ゲート電極／絶縁層／半導体層という層構造で形成されるので、ＴＦＴ１１の等価回路は、図３に示されるように、ゲート電極と半導体層とが絶縁層を介して対向するチャネル領域を容量Ｃtrとし、半導体層であるドレイン・ソース電極の間を抵抗Ｒtrとみなすことができる。
ここで、ＴＦＴ１１を構成する半導体層のうち、チャネル領域の中心に相当する地点をＶtrとしたとき、当該地点Ｖtrからドレイン電極ｄまでの抵抗分と、当該地点Ｖtrからソース電極ｓまでの抵抗分は、それぞれ抵抗Ｒtrの半分ずつのＲtr／２と表すことができる。

したがって、ＴＦＴ１１の等価回路は、ゲート電極ｇを入力とし、ソース電極ｓおよびドレイン電極ｄを出力とする微分回路として表すことができる。いま、ゲート電極ｇに印加されるパルス信号Ｇpが、図４に示されるように、オフ電圧からオン電圧に変化したとき、半導体層の地点Ｖtrでは、その電圧変化方向と同じ正側に向かう微分電圧波形が発生する。
ここで、ＴＦＴ１１は、ゲート電極ｇにオン電圧が印加されてオン状態にあるから、ドレイン電極ｄおよびソース電極ｓの間の抵抗は、極めて小さい。このため、ＴＦＴ１１の微分回路における時定数が小さいので、地点Ｖtrは、速やかに電位Ｇndに収束する。
次に、パルス信号Ｇpが、オン電圧からオフ電圧に変化したとき、半導体層の地点Ｖtrでは、その電圧変化方向と同じ負側に向かう微分電圧波形が発生する。ＴＦＴ１１は、ゲート電極ｇにオフ電圧が印加されてオフ状態にあるから、ドレイン電極ｄおよびソース電極ｓの間の抵抗は、極めて大きい。このため、ＴＦＴ１１の微分回路における時定数が大きくなるので、地点Ｖtrが定常状態の電位Ｇndに収束するまでの時間は、極めて長くなる。そしてまた、この時間は受光量によって変化してしまう。

パルス信号Ｇpがオフ電圧に変化した後において、地点Ｖtrが電位Ｇndに収束せずに、電圧Ｖerrだけ負側にシフトした状態では、ＴＦＴ１１の等価回路における容量Ｃtrに電圧が残留している。容量Ｃtrに電圧が残留した状態で、スイッチＳ２を閉開させると、容量素子１３における放電減衰特性が、地点Ｖtrが電位Ｇndにある場合にスイッチＳ２を閉開させた場合と比較して異なり、受光量を正確に検出できなくなってしまう。
したがって、受光量を正確に検出するためには、パルス信号Ｇpをオン電圧からオフ電圧に変化させたときに、容量Ｃtrに残留する電圧がゼロとみなせる程度にまで十分に減衰してから、スイッチＳ２を閉開させる必要があるので、受光量を検出するのに時間を要する、または、短い時間間隔で受光量を検出できないのである。
そこで、このような第１実施形態の欠点を解消した第２および第３実施形態について順番に説明する。

＜第２実施形態＞
まず、第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る光量検出回路の構成を示す図であり、図６は、その動作図である。
これらの図に示されるように、第２実施形態に係る光量検出回路は、２つのＴＦＴ１１ａ、１１ｂを有している。そして、ＴＦＴ１１ａ、１１ｂのゲート電極に、正のオン電圧のパルス信号Ｇpa、Ｇpbが周期Ｆ毎に交互に印加されるとともに、スイッチＳa、Ｓbによって、正のオン電圧が印加された方のＴＦＴのドレイン電極が容量素子１３の一端から開放される一方、正のオン電圧が印加されなかった方のＴＦＴのドレイン電極ｄが容量素子１３の一端に接続される構成となっている。
この構成では、スイッチＳ２が閉じたときに容量素子１３に充電された電圧Ｖaは、スイッチＳ２が開いた後、ゲート電極に正のオン電圧が印加されなかった方のＴＦＴの漏れ電流に応じて放電する。

したがって、この構成では、ゲート電極に印加されるパルス信号Ｇpがオン電圧からオフ電圧に変化してから時間が十分に経過したＴＦＴを用いて受光量を検出することができるとともに、この検出動作を、２つのＴＦＴ１１ａ、１１ｂで周期Ｆ毎に交互に切り替えながら実行するので、受光量を検出するのに時間を要する、または、短い時間間隔で受光量を検出できない、といった欠点を解消することができる。

なお、第２実施形態では、２つのＴＦＴのうち、一方のゲート電極に正電圧のパルスを印加し、他方を受光量の検出に用いたが、ＴＦＴを３個以上としても良い。ＴＦＴを３個以上とする場合、例えば順番に１つずつ正のオン電圧のパルスを印加するとともに、正電圧のパルスを印加する直前のＴＦＴを受光量の検出に用いる構成とすれば良い。このような構成では、パルスを印加してから最も時間が経過したＴＦＴが受光量の検出に用いられるので、より正確に受光量を検出することが可能となる。
また、正電圧のパルスを２個以上のＴＦＴに同時に印加したり、２個以上のＴＦＴを同時に受光量の検出に用いたりしても良い。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係る光量検出回路の構成を示す図であり、図８は、その動作図である。
これらの図に示されるように、第２実施形態に係る光量検出回路は、２つのＴＦＴ１１ｅ、１１ｆが並列接続されるとともに、これらにＴＦＴ１１ｅ、１１ｆのゲート電極に、正電圧Ｇpa、Ｇpbが周期Ｆ毎に交互に印加される構成となっている。
ＴＦＴ１１ｅ、１１ｆの並列接続により、オフ時におけるソース・ドレイン間の抵抗が半分になり、微分回路における時定数が小さくなるので、負側の微分電圧が電位Ｇndに収束するまでの時間が短縮される。
しかも、第２実施形態と比較して、スイッチＳa、Ｓbが不要であるので、構成の簡易化を図った上で、受光量を検出するのに時間を要する、または、短い時間間隔で受光量を検出できない、といった欠点を解消することができる。

なお、第３実施形態において、２つのＴＦＴ１１ｅ、１１ｆを並列接続したが、この並列接続は、１つのＴＦＴのゲート電極を２つに分割した構成と等価である。
また、３以上のＮ個のＴＦＴを並列接続し、または、ゲート電極をＮ個に分割して、これらＮ個のゲート電極のうち、並列接続数（分割数）よりも少ない（Ｎ−１）個以下のゲート電極に正電圧のパルスを印加する構成であっても良い。

また、上述した第１乃至第３実施形態では、ＴＦＴ１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｅ、１１ｆ）をｎチャネル型として説明したがｐチャネル型としても良い。

＜電気光学装置＞
次に、上述した実施形態や、その応用・変形例に係る光量検出回路を適用した電気光学装置について説明する。図９は、この電気光学装置の構成を示す図である。
この図に示されるように、電気光学装置１は、光量検出回路１０を含む表示パネル１００、バックライト制御回路３０、白色ＬＥＤ５０を含む。
表示パネル１００は、特に図示しないが、マトリクス状に配列する複数の画素によって所定の表示を行うものであり、素子基板と対向基板との一対の基板を有し、このうち、素子基板には、画素をスイッチングするためのＴＦＴや画素電極が形成され、対向基板には、画素電極に対向するようなコモン電極が形成されて、互いの電極形成面が対向するように、かつ、液晶を挟持するように、一定の間隙を保って素子基板と対向基板とを貼り合わせた構成の液晶装置である。
ここで、表示パネル１００は、バックライトによる透過光と、外光による反射光との双方を変調させる半透過・半反射型であり、画素は図示しない駆動回路によって駆動される構成となっている。
なお、光量検出回路１０におけるＴＦＴ１１は、画素をスイッチングするＴＦＴと共通プロセスで形成しても良い。

バックライト制御回路３０（照明制御回路）は、光量検出回路１０から出力される信号Ｖdetのうち、タイミングｔ_４以降における電圧変化に基づいて、ＴＦＴ１１に入射した受光量（すなわち、表示パネル１００における周辺環境の明るさ）を求めて、白色ＬＥＤ５０に供給する電流を制御する。
なお、このバックライトの制御内容について例示すると、例えば、バックライト制御回路３０は、求めた受光量が予め定められた範囲（第１範囲）にあれば、当該受光量に対してバックライトの光量をリニアに制御する。これにより、周辺環境の明るさに応じてバックライトの照明光量、すなわち、画素を透過して視認される光量が増減されるので、透過重視の適切な表示が可能となる。
また、バックライト制御回路３０は、求めた受光量が上記第１範囲に対して受光量が多い方に隣接する範囲（第２範囲）にあれば、バックライトによる光量を最大値で一定となるように制御する。これにより、周辺環境がある程度明るいのであれば、透過光と反射光との双方を併せた適切な表示が可能となる。
さらに、バックライト制御回路３０は、求めた受光量が上記第２範囲を超えていれば、バックライトをオフさせるように制御する。これにより、周辺環境が過度に明るいときに反射重視の表示となるので、バックライトにより消費される電力を抑えることが可能となる。

なおここでは、光量検出回路１０において検出した周辺環境の明るさに応じて、液晶装置のバックライトの照射光量を制御する構成としたが、例えば有機ＥＬ素子等の自発光素子を用いた表示装置においても、暗い場所において表示素子の発光光量を減らして、防眩性を向上させたり、消費電力を軽減したりすることが可能となる。

＜電子機器＞
次に、上述した実施形態に係る光量検出回路１０を有する電気光学装置１を適用した電子機器について説明する。図１０は、この電気光学装置を用いた携帯電話１２００の構成を示す図である。
この図に示されるように、携帯電話１２００は、複数の操作ボタン１２０２のほか、受話口１２０４、送話口１２０６とともに、上述した電気光学装置１を備えるものである。なお、電気光学装置のうち、表示パネル１００に相当する部分以外の構成要素については外観としては現れない。

なお、電気光学装置１が適用される電子機器としては、図１０に示される携帯電話の他にも、デジタルスチルカメラや、フォトストレージ、ノートパソコン、液晶テレビ、ビューファインダ型（または、モニタ直視型）のビデオレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等などが挙げられる。そして、これらの各種電子機器の表示装置として、上述した電気光学装置１が適用可能であることは言うまでもない。

第１実施形態に係る光量検出回路の構成を示す図である。 同光量検出回路の動作説明図である。 同光量検出回路におけるトランジスタの等価回路図である。 第１実施形態の問題点を説明するための図である。 第２実施形態に係る光量検出回路の構成を示す図である。 同光量検出回路の動作説明図である。 第２実施形態に係る光量検出回路の構成を示す図である。 同光量検出回路の動作説明図である。 実施形態に係る光量検出回路が適用される電気光学装置を示す図である。 同電気光学装置が適用された携帯電話の構成を示す図である。 従来の光量検出回路の構成を示す図である。

符号の説明

１…電気光学装置、１０…光量検出回路、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｅ、１１ｆ…ＴＦＴ、１２…パルス発生回路、１３…容量素子、１５…定電圧源、５０…ＬＥＤ、１００…表示パネル、１２００…携帯電話

Claims (5)

1. トランジスタと該トランジスタのソース電極とドレイン電極に並列接続される容量素子を具備し、
   前記トランジスタの前記ソース電極と前記ドレイン電極間をオフ状態にするオフ電圧を前記トランジスタのゲート電極へ、前記ソース電極と前記ドレイン電極に対して印加し、前記容量素子の両端に所定電圧を印加し、
   該所定電圧の印加を停止した期間において、前記容量素子の両端の電圧変化に基づいて前記トランジスタへの入射光量を検出する光量検出回路であって、
   前記光量を検出する期間外に前記ソース電極と前記ドレイン電極間をオン状態にするオン電圧を前記トランジスタのゲート電極へ、前記ソース電極と前記ドレイン電極に対して電圧を所定期間印加する
   ことを特徴とする光量検出回路。
2. 前記トランジスタを複数有し、
   前記複数のトランジスタのうち、前記光量を検出するトランジスタの少なくとも一つを順番に選択し、該選択外の少なくとも一つのトランジスタのゲート電極に前記正のオン電圧を所定期間印加する
   ことを特徴とする請求項１記載の光量検出回路。
3. 前記トランジスタを複数有し、
   前記複数のトランジスタのうち、前記光量を検出する期間外毎に順番にいずれかのトランジスタのゲート電極に前記オン電圧を印加せずに、他のトランジスタのゲート電極には前記オン電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光量検出回路。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光量検出回路を有し、所定の表示を行う
   ことを特徴とする電気光学装置。
5. 請求項４に記載の電気光学装置と、
   前記電気光学装置の表示を照明する光源と、
   前記光量検出回路により検出された受光量に応じて、前記光源による照明光を制御する照明制御回路と、
   を有することを特徴とする電子機器。

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