JP2010197066A - 圧力センサ及び圧力センサの圧力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的に圧力を検出できる圧力センサ及び圧力センサの圧力測定方法を提供する。
【解決手段】光学的圧力センサ１は、透明基板１３と、透明基板１３に対向して設けられ、透明基板１３と対向した面に反射面８６を備えた受圧板８０と、透明基板１３と受圧板８０の間に設けられ、受圧板８０に力が作用されると透明基板１３と受圧板８０との距離を変化させる弾性支持部６１〜６４と、透明基板１３上の、受圧板８０と対向する位置に設けられた複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…と、反射面８６に対して斜交いとなる平行光を反射面８６に向けて照射する光照射源５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサ及び圧力センサの圧力測定方法に関する。

近年、ロボット工学、メカトロシステムの発展に伴って、多くのセンサーシステムが開発されている。特に、人間の皮膚感覚に相当する触覚センサは重要な技術と考えられる。触覚センサは、感圧素子等の圧力センサをマトリクス状に配置したものである。このような触覚センサでは、何れかの圧力センサに圧力が作用すると、圧力が作用する位置とその圧力の大きさが検出される。

特開平１−２９１２９号公報

ところで、光学的に圧力を検出することが望まれている。
そこで、本発明は、光学的に圧力を検出できる圧力センサ及び圧力センサの圧力測定方法を提供することである。

以上の課題を解決するために、本発明によれば、基板と、前記基板に対向して設けられ、前記基板と対向した面に反射面を備えた受圧板と、前記基板と前記受圧板の間に設けられ、前記受圧板に力が作用されると前記基板と前記受圧板との距離を変化させる支持部と、前記基板上の、前記受圧板と対向する位置に設けられた複数の受光素子と、前記反射面に対して斜交いとなる平行光を前記反射面に向けて照射する光照射源と、を備えることとした。

好ましくは、前記反射面は、前記光照射源から照射された平行光を前記複数の受光素子が設けられた前記基板上面に向けて反射させる角度で前記受圧板に設けられている。
好ましくは、前記基板は透光性の部材からなり、前記複数の受光素子が、前記基板上に形成された遮光性の第一電極と、前記第一電極上に形成された透明な第一絶縁膜と、前記第一電極に対向した状態で前記第一絶縁膜上に形成された半導体膜と、前記半導体膜に接し、互いに離れた２つの不純物半導体膜と、前記２つの不純物半導体膜のうち一方の上に形成された第二電極と、前記２つの不純物半導体膜のうち他方の上に形成された第三電極と、前記半導体膜、前記不純物半導体膜、前記第二電極及び前記第三電極を被覆した透明な第二絶縁膜と、前記半導体膜に対向した状態で前記第二絶縁膜の上に形成された第四電極と、を有する。

以上の課題を解決するために、本発明によれば、基板と、前記基板に対向して設けられ、前記基板と対向した面に反射面を備えた受圧板と、前記基板と前記受圧板の間に設けられ、前記受圧板に力が作用されると前記基板と前記受圧板との距離を変化させる支持部と、前記基板上の、前記受圧板と対向する位置に設けられた複数の受光素子と、前記反射面に対して斜交いとなる平行光を前記反射面に向けて照射する光照射源と、を備える圧力センサの前記受圧板に力を作用させ、前記基板と前記受圧板との距離の変化にしたがって、前記複数の受光素子のうち前記反射面で反射した反射平行光を受光した受光素子の位置に基づいて、圧力を測定する。

本発明によれば、複数の受光素子のうち、反射面で反射した平行光を受光した受光素子の位置に基づいて、受圧板に作用した圧力を検出することができる。

本発明の実施形態における光学的圧力センサの分解斜視図である。 同実施形態における光学的圧力センサの概略断面図である。 同実施形態における光学的圧力センサに備わる光センサの画素を示した平面図である。 IV−IV矢視断面図である。 同実施形態における光学的圧力センサに備わる受圧板の下面図である。 同実施形態における光学的圧力センサの概略断面図である。 同実施形態において、受圧板から光センサまでの距離と、その光センサで取得された画像との関係を示した図面である。 同実施形態において、コントラストと圧力の関係を示したグラフである。 同実施形態における光学的圧力センサを用いた圧力測定装置の概略構成を示した図面である。 同実施形態において、光センサを駆動するための信号の推移を示したタイミングチャートである。 同実施形態において、圧力を算出する算出フローを示したものである。

以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は光学的圧力センサ１の分解斜視図であり、図２は光学的圧力センサ１の断面図である。
図１に示すように、この光学的圧力センサ１は、光センサ１０、平行光照射源５０、遮光板５５、弾性支持部６１〜６４、受圧板８０及び反射ミラー８５を有する。

〔遮光板〕
遮光板５５は、光センサ１０の下面に対向するように設けられている。外乱光が遮光板５５によって遮られることによって、外乱光が光センサ１０の下面に入射しないようになっている。

〔平行光照射源〕
平行光照射源５０は、遮光板５５に設けられている。平行光照射源５０は、光センサ１０の下方から光センサ１０の下面に向けて平行光ビームを発するものである。ここで、平行光照射源５０は光源及びコリメータレンズ等を有し、前記光源から発した光束がコリメータレンズによって平行光ビームに変換される。

また、平行光照射源５０から発した平行光は、光センサ１０の複数の画素が配列された領域の外側において光センサ１０の下面に入射し、光センサ１０の下面から上面へ透過して、光センサ１０の上面から上方に出射する。

〔光センサ〕
図１〜図４を用いて光センサ１０について説明する。図３は、光センサ１０の１画素を示した平面図である。図４は、図３に示されたIV−IVに沿った面の矢視断面図である。

光センサ１０は、透明基板１３と、ボトムゲート絶縁膜２２と、トップゲート絶縁膜２９と、保護絶縁膜３２と、表面電極３３とを積層してなる。透明基板１３は、ガラス基板（例えば、石英ガラス製の基板）、プラスチック基板（例えば、ポリカーボネート又はＰＭＭＡ製の基板）その他の絶縁性基板である。ボトムゲート絶縁膜２２、トップゲート絶縁膜２９及び保護絶縁膜３２は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜である。表面電極３３は、導電性及び光透過性を有し、例えば酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）からなる。

この光センサ１０については、ダブルゲートトランジスタ２０が受光素子（光電変換素子）として利用され、１画素につき１つのダブルゲートトランジスタ２０が設けられている。複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が透明基板１３上において二次元アレイ状に、特にマトリクス状に配列されている。これらダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が保護絶縁膜３２によってまとめて被覆されている。

また、この光センサ１０については、ダブルゲートトランジスタ２０のアドレス指定をすべく、複数本のボトムゲートライン４１，４１，…、複数本のソースライン４２，４２，…、複数本のドレインライン４３，４３，…及び複数本のトップゲートライン４４，４４，…が形成されている。ボトムゲートライン４１，４１，…は、互いに平行となって横方向に延在するとともに、透明基板１３とボトムゲート絶縁膜２２との間に形成されている。ソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…は、互いに平行となって縦方向に延在するとともに、ボトムゲート絶縁膜２２とトップゲート絶縁膜２９との間に形成されている。ソースライン４２とドレインライン４３は交互に配列されている。トップゲートライン４４，４４，…は、互いに平行となって横方向に延在するとともに、トップゲート絶縁膜２９と保護絶縁膜３２との間に形成されている。なお、図２において、ボトムゲートライン４１は、トップゲートライン４４によって隠れている。

ダブルゲートトランジスタ２０は、ボトムゲート電極２１、半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５、不純物半導体膜２６、ソース電極２７、ドレイン電極２８及びトップゲート電極３１等を有する。

ボトムゲート電極２１は透明基板１３とボトムゲート絶縁膜２２との間に形成されている。半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５、不純物半導体膜２６、ソース電極２７及びドレイン電極２８はボトムゲート絶縁膜２２とトップゲート絶縁膜２９との間に形成されている。トップゲート電極３１はトップゲート絶縁膜２９と保護絶縁膜３２との間に形成されている。

ボトムゲート電極２１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに透明基板１３上に形成されている。横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極２１が共通のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

半導体膜２３は、ボトムゲート電極２１に対向した状態でボトムゲート絶縁膜２２の上に形成されている。半導体膜２３は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されている。半導体膜２３は、アモルファスシリコンからなる。半導体膜２３は、チャネル層となるものである。

チャネル保護膜２４は、半導体膜２３の中央部上に形成されている。チャネル保護膜２４は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされたものである。チャネル保護膜２４は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜２４は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜２３を保護するものである。半導体膜２３に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近を中心に発生する。

不純物半導体膜２５，２６は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜２５は、半導体膜２３の一部に重なるように形成されている。不純物半導体膜２５の一部は、チャネル保護膜２４に重なっている。不純物半導体膜２６は、半導体膜２３の別の部分に重なるように形成されている。不純物半導体膜２６の一部は、チャネル保護膜２４に重なっている。不純物半導体膜２５，２６は互いに離れている。不純物半導体膜２５，２６は、ｎ型の不純物を含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

ソース電極２７は、不純物半導体膜２５に重なっている。ドレイン電極２８は、不純物半導体膜２６に重なっている。ソース電極２７及びドレイン電極２８はダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極２７は共通のソースライン４２と一体となって形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体なって形成されている。ソース電極２７、ドレイン電極２８、ソースライン４２及びドレインライン４３は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

トップゲート電極３１は、半導体膜２３に対向した状態でトップゲート絶縁膜２９の上に形成されている。トップゲート電極３１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとにトップゲート絶縁膜２９上に形成されている。横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極３１が共通のトップゲートライン４４と一体となって形成されている。トップゲート電極３１及びトップゲートライン４４は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

トップゲート電極３１の上に保護絶縁膜３２が成膜され、保護絶縁膜３２の上に表面電極３３が成膜されている。表面電極３３が接地されており、電荷が表面電極３３によって放電されるから、静電破壊の防止が図られている。

以上のように構成された光センサ１０は、ダブルゲートトランジスタ２０の間において光を透過させる光透過型のものである。つまり、透明基板１３、ボトムゲート絶縁膜２２、トップゲート絶縁膜２９、保護絶縁膜３２及び表面電極３３が透明であるため、光が光センサ１０の下から透明基板１３に入射したものとしても、ダブルゲートトランジスタ２０の間において透明基板１３、ボトムゲート絶縁膜２２、トップゲート絶縁膜２９、保護絶縁膜３２及び表面電極３３を透過して、表面電極３３の表面から上へ出射する。同様に、光が光センサ１０の上から表面電極３３に入射したものとしても、ダブルゲートトランジスタ２０の間において表面電極３３、保護絶縁膜３２、トップゲート絶縁膜２９、ボトムゲート絶縁膜２２及び透明基板１３を透過して、透明基板１３の下面から下へ出射する。ここで、光センサ１０の下から透明基板１３に入射した光は、ボトムゲート電極２１によって遮られるので、半導体膜２３の下方から半導体膜２３に直接入射しない。一方、光センサ１０の上から表面電極３３に入射した光は、表面電極３３、保護絶縁膜３２、トップゲート電極３１、トップゲート絶縁膜２９及びチャネル保護膜２４が透明であるため、半導体膜２３に入射する。

また、複数のダブルゲートトランジスタ２０が配列された領域の外側には、ボトムゲート電極２１が形成されていない。そのため、平行光照射源５０から発した平行光ビームが、複数のダブルゲートトランジスタ２０が配列された領域の外側に入射すると、光センサ１０の下面から上面へ透過して、光センサ１０の上面から上方に出射する。

なお、光センサ１０として、透明なものを用いたが、透明でない受光素子（例えば、フォトダイオードを画素としたＣＣＤ型光センサ又はＣＭＯＳ型光センサ）を用いてもよい。この場合、平行光照射源５０の設置位置は、光センサ１０の上であって受圧板８０の下側であることが望ましい。

〔弾性支持部〕
図１に示すように、弾性支持部６１〜６４が光センサ１０の上面（表面電極３３の表面）の周辺部上に接合されている。これら弾性支持部６１〜６４が矩形枠状に配置され、これら弾性支持部６１〜６４が複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…を囲い、弾性支持部６１〜６４の内側において複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が配置されている。弾性支持部６１〜６４は、ゴム等からなる。

なお、弾性支持部６１〜６４が光センサ１０の上面に設けられている必要はない。例えば、光センサ１０よりも厚い弾性支持部６１〜６４が光センサ１０全体を囲うようにして遮光板５５の上に設けられていてもよい。

〔受圧板〕
受圧板８０は、光センサ１０の上面に対向した状態で弾性支持部６１〜６４の上に接合されている。受圧板８０が弾性支持部６１〜６４によって支持されることによって、受圧板８０の下面と光センサ１０の上面が離れている。受圧板８０は剛体であり、受圧板８０の弾性率は弾性支持部６１〜６４の弾性率よりも十分に大きい。そのため、受圧板８０の上面から下に圧力が作用することによって、受圧板８０の曲げは殆ど生じず、弾性支持部６１〜６４が圧縮される。

図５は、受圧板８０の下側を示した図面である。受圧板８０は低反射性及び遮光性を有している。具体的には、受圧板８０の下面が黒色に塗られており、黒色に塗られた部分によって光の反射が抑えられているとともに、光の透過が抑えられている。

受圧板８０の下面には、平行光照射源５０から発した平行光を光センサ１０の上面に向けて反射させる反射ミラー８５が設けられている。反射ミラー８５の設置位置は、平行光照射源５０から発した平行光と交わる位置である。即ち、反射ミラー８５は、平行光照射源５０から照射された平行光をダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が設けられた透明基板１３上に向けて反射させる角度で受圧板８０に設けられている。従って、平行光照射源５０から発した平行光は、反射ミラー８５の反射面８６で反射する。また、平行光照射源５０から発した平行光の光軸は反射面８６に対して斜交いに交わり、反射面８６への平行光の入射角（入射角は、反射面８６の法線を基準とした角度である。）がゼロ°ではない。なお、反射面８６は、曲面ではなく、平面であることが望ましい。

〔光学的圧力センサの圧力測定原理〕
平行光照射源５０から発した光は上述のように光センサ１０を透過し、反射ミラー８５の反射面８６で反射し、反射平行光がスポットライトとして光センサ１０の上面に入射し、複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のうち何れかに反射平行光が照射される。ここで、反射平行光が照射されたダブルゲートトランジスタ２０は反射平行光を検出し、他のダブルゲートトランジスタ２０は反射平行光を検出しない。

この際、光センサ１０が駆動されると、各ダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３において受光した光量が電気信号に変換される。これにより、固体撮像デバイス１０によって画像が取得される。なお、光センサ１０の駆動回路及び駆動方法については、後述する。

反射平行光が照射されたダブルゲートトランジスタ２０では、半導体膜２３に対しての受光量が大きく、他のダブルゲートトランジスタ２０では、半導体膜２３に対しての受光量が小さい。そのため、固体撮像デバイス１０によって取得される画像は、反射平行光が照射されたダブルゲートトランジスタ２０に対応する部分が光輝度（例えば、白色）となり、他の部分が低輝度（例えば、黒色）となる像である。

一方、図６に示すように、受圧板８０の上面から下に圧力が作用すると、弾性支持部６１〜６４が圧縮される。受圧板８０に対する圧力が大きい程、弾性支持部６１〜６４の圧縮量が大きく、受圧板８０の下面と光センサ１０の上面との距離が小さい。

図７は、受圧板８０に対する加圧状態と、光センサ１０によって取得された画像との関係を示したものである。図７から明らかなように、受圧板８０に対する圧力が大きくなる程、取得画像中の基準点から取得画像中の明点までの距離が小さい。取得画像中の明点は、反射平行光が照射されて反射平行光を検出したダブルゲートトランジスタ２０に対応する部分であり、取得画像中の基準点は、平行光照射源５０から発した光が光センサ１０を透過する位置に対応する部分である。

従って、受圧板８０に対する圧力は、反射平行光が照射されたダブルゲートトランジスタ２０の位置から、つまり、取得画像中の基準点から明点までの距離から定まる。

そこで、複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のうち反射平行光を検出したダブルゲートトランジスタ２０の位置から圧力を求めることができる。
また、取得画像を利用する場合には、取得画像の明点を検索し、その明点の位置を求め、基準点から明点までの距離を求め、その求めた距離から圧力を求めることができる。例えば、基準点から明点までの距離と圧力との関係を表した相関グラフ（例えば、図８参照）、相関式又は相関表を予め準備しておき、その相関グラフ、相関式又は相関表を利用して、求めた距離から圧力を求めることができる。

〔光センサの駆動回路及び駆動方法〕
図９は、光学的圧力センサ１を用いた圧力測定装置の概略構成を示した図面である。図９では、光センサ１０及びその駆動回路を示すとともに、光センサ１０によって取得された画像の明点の位置から圧力を求めるコントローラ７７等も示す。

光センサ１０のトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ７１の端子に接続され、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ７２の端子に接続され、ドレインライン４３，４３，…がパラレル−シリアル変換回路７３の端子に接続されている。また、光センサ１０のソースライン４２，４２，…が一定電圧源（Ｖｓｓ）に接続され、この例ではソースライン４２，４２，…が接地されている。トップゲートドライバ７１は、トップゲートライン４４，４４，…を１行目から順に選択する第一の走査ドライバである。ボトムゲートドライバ７２は、ボトムゲートライン４１，４１，…を１行目から順に選択する第二の走査ドライバである。

図１０は、光センサ１０を駆動するための信号の推移を示したタイミングチャートである。
トップゲートドライバ７１は、トップゲートライン４４，４４，…にリセットパルスを順次出力する。リセットパルスのレベルは＋１５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは、−１５〔Ｖ〕のローレベルである。トップゲートドライバ７１としては、シフトレジスタを用いることができる。リセットパルスが出力されている期間をリセット期間という。

ボトムゲートドライバ７２は、ボトムゲートライン４１，４１，…にリードパルスを順次出力する。リードパルスのレベルは＋１５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。ボトムゲートドライバ７２としては、シフトレジスタを用いることができる。リードパルスが出力されている期間をリード期間という。

トップゲートドライバ７１の水平走査周期（ある行にリセットパルスを出力してから次の行にリセットパルスを出力するまでの期間）と、ボトムゲートドライバ７２の水平走査周期（ある行にリードパルスを出力してから次の行にリードパルスを出力するまでの期間）とが等しい。また、ボトムゲートドライバ７２による走査の位相はトップゲートドライバ７１による走査の位相に対して遅れている。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。その遅れが、キャリア蓄積時間である。

具体的には、トップゲートドライバ７１が何れかの行のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後に、キャリア蓄積時間を経て、ボトムゲートドライバ７２が同じ行のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ７１及びボトムゲートドライバ７２が出力信号をシフトする。

パラレル−シリアル変換回路７３は、ボトムゲートドライバ７２によって選択された行のダブルゲートトランジスタ２０，２０…の出力値（電圧）を読み込み、読み込んだダブルゲートトランジスタ２０，２０…の出力値を順次出力するものである。具体的には、パラレル−シリアル変換回路７３は、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン４３，４３，…にパラレルでプリチャージパルスを出力するようになっている。プリチャージパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。プリチャージパルスが出力されている期間をプリチャージ期間という。

また、パラレル−シリアル変換回路７３は、プリチャージパルスの出力後にリードパルスが出力されている時に、ボトムゲートドライバ７２によって選択された行のダブルゲートトランジスタ２０，２０…の出力値（電圧）をパラレルで入力する。そして、パラレル−シリアル変換回路７３は、パラレルで入力した出力値をシリアルで順次出力する。これにより、光センサ１０により画像入力がなされる。

トップゲートドライバ７１及びボトムゲートドライバ７２によって選択された何れかの行（以下、ｉ行目という）の各ダブルゲートトランジスタ２０の動作について詳細に説明する。
トップゲートドライバ７１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになっているリセット期間では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０について、半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極３１の電圧により反発して吐出される。

そして、トップゲートドライバ７１は、ｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後、半導体膜２３に光が入射することによって半導体膜２３内に生成された電子−正孔対のうちの正孔を電気的に捕捉するためのするための負電位（−１５〔Ｖ〕）をそのｉ行目のトップゲートライン４４に印加する。ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のトップゲート電極３１に負電位が印加されていると、半導体膜２３に入射した光量に従って半導体膜２３内に生成された電子−正孔対のうちの正孔がトップゲート電極３１の電界によって半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積される。

キャリア蓄積時間中に、パラレル−シリアル変換回路７３が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されているプリチャージ期間では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０においては、トップゲート電極３１に印加されている電位が負電位（−１５〔Ｖ〕）である。そうすると、この負電界によって半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積された正孔による電界は、必然的に負電界を完全に相殺して半導体膜２３のチャネル領域にｎチャネルを形成する程度の正電界には成り得ない。そうすると、ボトムゲート電極２１に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、ドレイン電極２８とソース電極２７との間にプリチャージパルスの電位差が生じても半導体膜２３にはチャネルが形成されず、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流が流れないため、ドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のドレイン電極２８に電荷がチャージされる。

パラレル−シリアル変換回路７３がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力しているリード期間では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のボトムゲート電極２１にハイレベルの電位が印加されているため、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０がオン状態になる。

リード期間においては、キャリア蓄積時間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３１の負電界を緩和するように働く。そのため、入射される光量が十分であってキャリアの量が十分であれば、ボトムゲート電極２１の正電界とあわせて半導体膜２３にｎチャネルが形成されて、ドレイン電極２８からソース電極２７に電流が流れるようになり、ドレイン電極２８の電荷が減少する。従って、リード期間では、ドレインライン４３，４３，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

キャリア蓄積時間において半導体膜２３に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間におけるドレイン電極２８の電荷減少レートが大きくなるとともに、リード期間においてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン４３，４３，…の電圧の減少傾向は、キャリア蓄積時間で半導体膜２３に入射した光量に深く関連する。

そして、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧（出力値）がパラレル−シリアル変換回路７３によって検出される。パラレル−シリアル変換回路７３は、ドレインライン４３，４３，…の電圧（出力値）をＶoutとして列順次に出力する。

そして、パラレル−シリアル変換回路７３から順次出力された出力値（電圧）が、増幅器７４に増幅され、Ａ／Ｄ変換器７５によって量子化されて、メモリ７６に記録される。これにより、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０の出力値が、線状の画像データとしてメモリ７６に記録される。

トップゲートドライバ７１及びボトムゲートドライバ７２によって他の行も選択されることによって、上述したｉ行目の動作が他の行にもなされる。そのため、１行目から順に線状の画像データがメモリ７６に記録されていくことで、光センサ１０の受光面における光量分布（二次元の画像データ）が取得される。

〔コントローラの機能〕
図１１は、コントローラ７７によって圧力を算出する算出フローを示したものである。
図１１に示すように、受圧板８０が加圧されて（ステップＳ１）、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びパラレル−シリアル変換回路７３によって光センサ１０が駆動されると、光センサ１０によって画像入力がなされ、その画像データがメモリ７６に記録される（ステップＳ２）。コントローラ７７は、明点移動量を比較し（ステップＳ３）、圧力を数値化し（ステップＳ４）、数値化された圧力を表示部７８に表示する（ステップＳ５）。

更に具体的に説明する。
コントローラ７７はＣＰＵ及びＲＯＭを有する。コントローラ７７のＲＯＭには、基準点から明点までの距離（明点の位置）と圧力との関係を表した相関関係（例えば、図８に示す相関グラフ）が予め記録されている。そして、コントローラ７７は、ＣＰＵによって次のような処理を行う。

つまり、コントローラ７７は、メモリ７６に記録された取得画像の中から明点を検索し、その明点から基準点までの距離（明点の位置）を求める。このような処理が、図１１に示されたステップＳ３に相当する。なお、コントローラ７７は、メモリ７６に記録された取得画像の中から最も明るい画素を明点として検索する。

そして、コントローラ７７は、ＲＯＭに記録された相関関係を参照し、求めた距離に対応する圧力を求める。このような処理が、図１１に示されたステップＳ４に相当する。

そして、コントローラ７７は、求めた圧力を表示部７８に表示する。このような処理が、図１１に示されたステップＳ５に相当する。

１ 光学的圧力センサ
１０ 光センサ
１３ 透明基板
２０ ダブルゲートトランジスタ
２１ ボトムゲート電極
２２ ボトムゲート絶縁膜
２３ 半導体膜
２４ チャネル保護膜
２５，２６ 不純物半導体膜
２７ ソース電極
２８ ドレイン電極
２９ トップゲート絶縁膜
３１ トップゲート電極
３２ 保護絶縁膜
４１ ボトムゲートライン
４２ ソースライン
４３ ドレインライン
４４ トップゲートライン
５０ 平行光照射源
６１〜６４ 弾性支持部
８０ 受圧板
８５ 反射ミラー
８６ 反射面

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板に対向して設けられ、前記基板と対向した面に反射面を備えた受圧板と、
   前記基板と前記受圧板の間に設けられ、前記受圧板に力が作用されると前記基板と前記受圧板との距離を変化させる支持部と、
   前記基板上の、前記受圧板と対向する位置に設けられた複数の受光素子と、
   前記反射面に対して斜交いとなる平行光を前記反射面に向けて照射する光照射源と、を備えることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記反射面は、前記光照射源から照射された平行光を前記複数の受光素子が設けられた前記基板上面に向けて反射させる角度で前記受圧板に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記基板は透光性の部材からなり、
   前記複数の受光素子が、
   前記基板上に形成された遮光性の第一電極と、
   前記第一電極上に形成された透明な第一絶縁膜と、
   前記第一電極に対向した状態で前記第一絶縁膜上に形成された半導体膜と、
   前記半導体膜に接し、互いに離れた２つの不純物半導体膜と、
   前記２つの不純物半導体膜のうち一方の上に形成された第二電極と、
   前記２つの不純物半導体膜のうち他方の上に形成された第三電極と、
   前記半導体膜、前記不純物半導体膜、前記第二電極及び前記第三電極を被覆した透明な第二絶縁膜と、
   前記半導体膜に対向した状態で前記第二絶縁膜の上に形成された第四電極と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 基板と、前記基板に対向して設けられ、前記基板と対向した面に反射面を備えた受圧板と、前記基板と前記受圧板の間に設けられ、前記受圧板に力が作用されると前記基板と前記受圧板との距離を変化させる支持部と、前記基板上の、前記受圧板と対向する位置に設けられた複数の受光素子と、前記反射面に対して斜交いとなる平行光を前記反射面に向けて照射する光照射源と、を備える圧力センサの前記受圧板に力を作用させ、前記基板と前記受圧板との距離の変化にしたがって、前記複数の受光素子のうち前記反射面で反射した反射平行光を受光した受光素子の位置に基づいて、圧力を測定することを特徴とする圧力センサの圧力測定方法。

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