JP2010014719A

JP2010014719A - 光センサ及びそれを備える表示装置

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Publication number: JP2010014719A
Application number: JP2009170694A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Morosawa; 克彦両澤
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP5359641B2

Abstract

【課題】表示装置のバックライトの照度制御に特に好適な光センサ及びそれを備えた表示装置を提供すること。
【解決手段】ａ−ＳｉＴＦＴから構成されるトランジスタＴｒ１に光が照射されることによって出力される光電流信号Ｉｄを増幅回路によって増幅する。この増幅回路は、光電流信号Ｉｄを電圧に変換するトランジスタＴｒ２と、電圧増幅を行うトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４と電流増幅を行うトランジスタＴｒ５とを有し、何れもａ−ＳｉＴＦＴから構成されている。バックライトの照度制御は増幅回路によって増幅された電流に基づいて行われる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光の照度を検出する光センサ及びそれを備える表示装置に関する。

液晶表示装置のような非発光型の表示装置は、画素がマトリックス状に配列された表示部に外部から光を照射することによって表示を行っている。この外部からの光の照射方法としては表示装置の周囲の外光を利用する方法と、表示部の背面に光源（バックライト）を配し、バックライトによって表示部を照明する方法とがある。一般に、前者の表示装置は反射型の表示装置と呼ばれ、後者の表示装置は透過型の表示装置と呼ばれている。

ところで、透過型の表示装置における表示の見易さは、表示装置の周囲の明るさに応じて変化することが知られている。例えば、表示装置の周囲が暗ければ表示装置の見えは良好であるが、表示装置の周囲が明るくなると表示装置の見えが悪化してしまう。

そこで、特許文献１等では、表示装置の周囲からの光（外光）の照度を光センサによって検出し、検出した外光の照度に応じてバックライトの照度を制御して表示装置の見えを改善している。

また、このような光の照度を検出する光センサにおいて、小型で高ダイナミックレンジのセンサを得るための提案として、例えば特許文献２では、光センサを構成するフォトダイオードで検出される光電流信号をバイポーラトランジスタによって電流増幅している。

特開２０００−１１２３８２号公報特開２００３−７５２５２号公報

光センサを特許文献１で示したような表示装置の周囲明るさを検出するために用いる場合、光センサをアモルファスシリコン薄膜トランジスタ（以下、ａ−ＳｉＴＦＴと記す）で構成すれば、光センサと表示部とを同一工程で製造できる。ここで、ａ−ＳｉＴＦＴを用いた光センサは、ＴＦＴのゲート電極に負の電圧（例えば、−５Ｖ〜−１０Ｖ程度）を印加したときに光の照度に応じてＴＦＴのドレイン−ソース間に流れる電流（リーク電流と呼ばれる）を検出するものである。

ところで、一般にａ−ＳｉＴＦＴのリーク電流は、非常に小さいため、上記特許文献１において提案されているようなバックライトの照度制御にａ−ＳｉＴＦＴの光センサを利用するためには、光センサからのリーク電流を増幅してから取り出すことが望ましい。ここで、上記特許文献２において提案されている手法は、光センサからの出力電流を、バイポーラトランジスタを用いて増幅するものである。したがって、上記特許文献２の手法を用いる場合、ａ−ＳｉＴＦＴとバイポーラトランジスタとでは製造工程が異なるため、表示部と光センサとを同一工程で製造することはできず、製造工程の増加は避けられない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、表示装置のバックライトの照度制御に特に好適な光センサ及びそれを備えた表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の光センサは、外光を受光し、受光した前記外光の照度に応じた光電流信号を出力する光電変換部と、前記光電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号を増幅する電圧増幅部と、前記増幅された電圧信号に応じた電流信号を出力する電流増幅部とを具備し、前記光電変換部と、前記電流電圧変換部と、前記電圧増幅部と、前記電流増幅部とはそれぞれ単一又は複数の薄膜トランジスタから構成されていることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、本発明の第２の態様の表示装置は、薄膜トランジスタを有してなる複数の画素が配列され、前記複数の画素に入射する光の透過を制御して画像の表示を行う表示部と、前記複数の画素を照明するための照明光を照射する照明部と、前記表示部に入射する外光を受光し、受光した前記外光の照度に応じた光電流信号を出力する光電変換部と、前記光電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号を増幅する電圧増幅部と、前記増幅された電圧信号に応じた電流信号を出力する電流増幅部とを有し、前記光電変換部と、前記電流電圧変換部と、前記電圧増幅部と、前記電流増幅部とがそれぞれ単一又は複数の薄膜トランジスタから構成される光センサと、前記光センサから出力される前記電流信号に基づいて前記照明光の照度を制御する制御部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、表示装置のバックライトの照度制御に特に好適な光センサ及びそれを備えた表示装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光センサを備えた表示装置の一例としての液晶表示装置の全体構成を示す図である。バックライトコントローラの内部構成を示すブロック図である。光センサの回路構成を示す図である。ＴＦＴの光照射時のゲート電圧Ｖｇ−ドレイン電流Ｉｄ特性を示す図である。図３の回路に対するシミュレーション結果を示す図である。ＴＦＴの断面図を示す図である。ＴＦＴの折り曲げ構造について示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光センサを備えた表示装置の一例としての液晶表示装置の全体構成を示す図である。図１に示す表示装置は、表示パネル１０と、光センサ２０と、バックライトコントローラ３０とを有している。ここで、図１に示す表示装置は、バックライトを用いて表示を行う透過型の表示装置であれば必ずしも液晶表示装置でなくとも良い。

表示パネル１０は、表示部１１及びドライバ１２が実装されたガラス基板上にフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１３が接続されるとともに、表示部１１の背面にバックライト１４が配されて構成されている。表示部１１は、ａ−ＳｉのＴＦＴと液晶層等からなる画素が配されて構成されている。表示部１１の各画素は、ドライバ１２からの電圧印加を受けて光の透過率を変化させる特性を有し、この特性を利用して階調表示を行う。ドライバ１２は、ＦＰＣ１３を介して入力される表示データに基づいて表示部１１に電圧印加を行う。ＦＰＣ１３は、外部の図示しない電源等と表示パネル１０とを接続している。バックライト１４は、例えばＬＥＤとＬＥＤからの光を表示部１１に導く導光板等から構成され、表示部１１の背面から光照射を行う。

光センサ２０は、表示パネル１０のガラス基板上に実装され、表示部１１の周囲の明るさ（表示部１１に入射する外光の照度）を検出し、検出した外光の照度に応じた電流信号Ｉｏｕｔをバックライトコントローラ３０に出力する。なお、光センサ２０の詳細については後述する。

バックライトコントローラ３０は、光センサ２０からの電流信号Ｉｏｕｔを取り込み、取り込んだ電流信号の大きさに応じてバックライト１４の照度を制御する。

図２は、バックライトコントローラ３０の内部構成を示すブロック図である。図２に示すように、バックライトコントローラ３０は、Ｉ−Ｖ変換部３１と、レベル変換部３２と、ＬＥＤドライバ３３とを有している。Ｉ−Ｖ変換部３１は、光センサ２０からの電流信号Ｉｏｕｔを電圧信号Ｖｏｕｔ（Ｖｏｕｔ＝−Ｉｏｕｔ×Ｒ）に変換する。レベル変換部３２は、Ｉ−Ｖ変換部３１において得られた電圧信号Ｖｏｕｔをレベル変換（ゲイン調整）する。ＬＥＤドライバ３３は、レベル変換部３２で得られた電圧信号に従ってバックライト１４のＬＥＤを駆動するための電圧を生成して、バックライト１４に供給する。このＬＥＤドライバ３３は、光センサ２０によって検出される外光の照度が強い場合にはＬＥＤの照度を高くするようにＬＥＤの駆動電圧を上昇させる。これによって表示部１１の見えを改善する。一方、光センサ２０によって検出される外光の照度が弱い場合にはＬＥＤの照度を低くするようにＬＥＤの駆動電圧を降下させる。これによって低消費電力化を図る。

以下、光センサ２０の詳細について説明する。図３は、本実施形態における光センサ２０の回路構成を示す図である。図３に示す光センサ２０は、ａ−Ｓｉの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）から構成されるトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ５を有している。

トランジスタＴｒ１は、制御端子であるゲート端子が負の電圧源−Ｖに接続され、電流路であるドレイン端子及びソース端子のうち一方が第１の接続点である点Ａに接続され、他方が接地されている。このトランジスタＴｒ１は、図４に示すようなＴＦＴの光照射時のゲート電圧Ｖｇ−ドレイン電流Ｉｄ特性を利用して光の照度を検出する光電変換部である。図４に示すように、ＴＦＴは、ゲート端子に負電圧（例えば−５Ｖ〜−１０Ｖ程度）が印加されているときに光照射がなされると、その光の照度に応じた光電流信号が流れる特性を有している。この光電流信号を検出することによりＴＦＴを光センサとして用いることが可能である。

しかしながら、光照射によってＴＦＴを流れるドレイン電流（リーク電流）は、図４にも示すように非常に小さいのでこのままではバックライト１４の照度制御に用いることが困難である。そこで、本実施形態では、トランジスタＴｒ１を流れる電流Ｉｄを増幅してからバックライトコントローラ３０に供給する。以下、このための増幅回路について説明する。

トランジスタＴｒ２は、電流路であるドレイン端子及びソース端子のうち一方が制御端子であるゲート端子とともに正の電圧源＋Ｖに接続され、他方が点Ａに接続されている。このトランジスタＴｒ２は、トランジスタＴｒ１とともにインバータ回路を形成しており、光照射によってトランジスタＴｒ１にリーク電流が流れたときに、リーク電流に応じた電位を点Ａに発生させる電流電圧変換部である。

トランジスタＴｒ３は、制御端子であるゲート端子が点Ａに接続され、電流路であるドレイン端子及びソース端子のうち一方が第２の接続点である点Ｂに接続され、他方が接地されている。また、トランジスタＴｒ４は、電流路であるドレイン端子及びソース端子のうちの一方が制御端子であるゲート端子とともに正の電圧源＋Ｖに接続され、他方が点Ｂに接続されている。これらトランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４とは、インバータ回路を形成しており、点Ａに発生した電位を反転増幅した電位を点Ｂに発生させる電圧増幅部である。

トランジスタＴｒ５は、制御端子であるゲート端子が点Ｂに接続され、電流路であるドレイン端子及びソース端子のうち一方が正の電圧源＋Ｖに接続され、他方が出力端子としてバックライトコントローラ３０に接続されている。

図３の構成において、トランジスタＴｒ１に光照射がなされると、その光の照度に応じたドレイン電流（リーク電流）Ｉｄが流れる。トランジスタＴｒ１に電流が流れると、それに伴って点Ａの電位が変化する。図３の構成において、点Ａの電位は、Ｉｄが増加すると下降し、Ｉｄが減少すると上昇する。また、点Ａの電位が変化すると点Ｂの電位も変化する。図３の構成において、点Ｂの電位は、点Ａの電位が下降すると上昇し、上昇すると下降する。さらに、点Ｂに電位が発生すると、トランジスタＴｒ５を流れる電流Ｉｏｕｔの大きさも変化する。図３の構成において、出力電流Ｉｏｕｔは、点Ｂの電位が上昇すると増加し、点Ｂの電位が下降すると減少する。

即ち、図３の構成では、トランジスタＴｒ１に照射される光の照度が大きくなる（Ｉｄが大きくなる）と出力電流Ｉｏｕｔは増加し、小さくなると減少する。このようにしてトランジスタＴｒ１の出力電流が増幅される。

ここで、トランジスタＴｒ５を流れる電流ＩｏｕｔとトランジスタＴｒ１を流れる電流Ｉｄとの比を図３の回路全体の電流増幅率とすると、この電流増幅率は各トランジスタのチャネル幅Ｗ又はチャネル長Ｌによって変化させることができる。例えば、図３の構成において、電圧源の電圧を±１２Ｖ、各トランジスタのチャネル長Ｌを６.２μｍとし、トランジスタＴｒ１としてチャネル幅Ｗが１０００００μｍ（＝１００ｍｍ）のＴＦＴを用いた場合には、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ５のチャネル幅Ｗをそれぞれ１６００μｍ、７４００μｍ、８０μｍ、１０００μｍとすると電流増幅率を約１００倍とすることができる。この設定での回路シミュレーションの結果を図５に示す。この回路シミュレーションでは、１０^−７オーダーのＩｄから１０^−５オーダーのＩｏｕｔが得られ、電流増幅率が約１００倍になっていることが分かる。なお、図４の例に比べてＩｄが大きいのは、トランジスタＴｒ１のチャネル幅Ｗが図４に比べて長いためである。

また、上述と同様のトランジスタＴｒ１を用いた場合に、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ５のチャネル幅Ｗをそれぞれ１２８００μｍ、７４０００μｍ、８０μｍ、８０００μｍとすると電流増幅率を約１０００倍とすることができ、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ５のチャネル幅Ｗをそれぞれ１６０μｍ、７４０μｍ、８０μｍ、１００μｍとすると電流増幅率を約１０倍とすることができる。

以下、図３に示す光センサ２０又は表示部１１の画素を構成するＴＦＴの構成について説明する。上述したように、本実施形態においては、光センサ２０と表示部１１の画素を構成するトランジスタとをａ−ＳｉのＴＦＴで構成する。したがって、これらのトランジスタを共通の製造工程で製造することが可能である。

図６は、光センサ２０又は表示部１１の画素を構成するＴＦＴの断面図を示す図である。図６に示すＴＦＴにおいて、表示パネル１０のガラス基板１０１上にはゲート電極１０２が形成されている。このゲート電極１０２は、例えばＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ等の金属膜をスパッタリングによってガラス基板１０１上に形成し、この金属膜をエッチングすることによって形成される。また、図６において、ゲート電極１０２が形成されたガラス基板１０１上にはＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘ等からなるゲート絶縁膜１０３が形成されている。ゲート絶縁膜１０３は、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成される。

また、図６において、ゲート絶縁膜１０３上には真性ａ−Ｓｉ層１０４とｎ^＋ａ−Ｓｉ層１０５とが形成されている。これら真性ａ−Ｓｉ層１０４とｎ^＋ａ−Ｓｉ層１０５は、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成される。また、真性ａ−Ｓｉ層１０４とｎ^＋ａ−Ｓｉ層１０５の間にはエッチングストッパ１０６が形成されている。

また、図６において、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層１０５上にはソース電極及びドレイン電極１０７が形成されている。これらソース電極及びドレイン電極１０７は、例えばＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ等の金属膜をスパッタリングによってｎ^＋ａ−Ｓｉ層１０５上に形成し、この金属膜をエッチングすることによって形成される。エッチングストッパ１０６は、ドレイン電極及びソース電極１０７を形成するためのエッチングの際に、真性ａ−Ｓｉ層１０４にダメージを与えないようにするために形成されるものである。

また、図６において、ドレイン電極及びソース電極１０７上には保護膜１０８が形成されている。

ここで、図６に示す真性ａ−Ｓｉ層１０４に光が照射されると光電変換により電流が発生する。この電流が上述のリーク電流である。ＴＦＴを表示部１１の画素として用いる場合にはこのリーク電流が発生しないように保護膜１０８によって真性ａ−Ｓｉ層１０４を遮光する。また、ＴＦＴを光センサ２０の光電変換部として用いる場合には真性ａ−Ｓｉ層１０４を遮光しないようにする。なお、チャネル長Ｌ又はチャネル幅Ｗを長くすることで光電変換によって発生するリーク電流を大きくすることが可能であるが、単純にこれらを長くしてしまうと光センサ２０の大型化は避けられない。

そこで、本実施形態では、ＴＦＴを折り曲げ構造とすることにより光センサ２０の大型化を抑制しつつチャネル幅Ｗを長くして大きなリーク電流が得られるようにする。図７にＴＦＴの折り曲げ構造を示している。図７に示すように、ゲート電極１０２については１本の電極を折り曲げて形成する。ソース電極及びドレイン電極１０７については、折り曲げたゲート電極の間にソース電極はソース電極同士、ドレイン電極はドレイン電極同士で接続されるように形成する。このような構成にすることにより折り曲げ回数に応じてチャネル幅Ｗを長くすることが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、光センサ２０の光電変換部と増幅回路とを表示部１１の画素と同様のａ−ＳｉＴＦＴにより形成するので、光センサ２０と表示部１１とを同一の製造工程でガラス基板上に製造することが可能である。このため、液晶表示装置等のバックライトの照度制御に用いられる光センサに特に好適である。

また、ａ−ＳｉＴＦＴの光電変換部から出力される光電流をバックライトの照度制御等に利用可能なレベルまで増幅することができるので、安価なＩ−Ｖ変換部を利用して光電流を取り出すことが可能である。さらに、光センサからの出力電流が大きいので、外来ノイズ等をそれほど気にする必要もなくなる。

また、光センサ２０を構成する各ＴＦＴに折り曲げ構造を採用することにより、各ＴＦＴのチャネル長を長くしつつ、光センサ２０の大型化を抑制することが可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

１０…表示パネル、１１…表示部、１２…ドライバ、１３…フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、１４…バックライト、２０…光センサ、３０…バックライトコントローラ

Claims

外光を受光し、受光した前記外光の照度に応じた光電流信号を出力する光電変換部と、
前記光電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を増幅する電圧増幅部と、
前記増幅された電圧信号に応じた電流信号を出力する電流増幅部と、
を具備し、
前記光電変換部と、前記電流電圧変換部と、前記電圧増幅部と、前記電流増幅部とはそれぞれ単一又は複数の薄膜トランジスタから構成されていることを特徴とする光センサ。
前記薄膜トランジスタはアモルファスシリコンで構成された薄膜トランジスタであることを特徴と請求項１に記載の光センサ。
前記光電変換部は、制御端子が負電源に接続され、一方の電流路が第１の接続点に接続され、他方の電流路が接地された第１の薄膜トランジスタを有し、
前記電流電圧変換部は、制御端子及び一方の電流路が正電源に接続され、他方の電流路が前記第１の接続点に接続された第２の薄膜トランジスタを有し、
前記電圧増幅部は、制御端子が前記第１の接続点に接続され、一方の電流路が第２の接続点に接続され、他方の電流路が接地された第３の薄膜トランジスタと、制御端子及び一方の電流路が前記正電源に接続され、他方の電流路が前記第２の接続点に接続された第４の薄膜トランジスタとを有し、
前記電流増幅部は、制御端子が前記第２の接続点に接続され、一方の電流路が前記正電源に接続され、他方の電流路が出力端子に接続された第５の薄膜トランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
薄膜トランジスタを有してなる複数の画素が配列され、前記複数の画素に入射する光の透過を制御して画像の表示を行う表示部と、
前記複数の画素を照明するための照明光を照射する照明部と、
前記表示部に入射する外光を受光し、受光した前記外光の照度に応じた光電流信号を出力する光電変換部と、前記光電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号を増幅する電圧増幅部と、前記増幅された電圧信号に応じた電流信号を出力する電流増幅部とを有し、前記光電変換部と、前記電流電圧変換部と、前記電圧増幅部と、前記電流増幅部とがそれぞれ単一又は複数の薄膜トランジスタから構成される光センサと、
前記光センサから出力される前記電流信号に基づいて前記照明光の照度を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする表示装置。