JP2014035227A

JP2014035227A - 荷重センサ

Info

Publication number: JP2014035227A
Application number: JP2012175567A
Authority: JP
Inventors: Akito Toyoda; 章人豊田; Kenichi Sakai; 賢一酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-24

Abstract

【課題】低荷重領域の荷重の判別精度を向上させることができる荷重センサを提供する。
【解決手段】荷重センサは、有機トランジスタ２１が形成された半導体層２０の上に、硬い第１感圧導電ゴムシート３１及び軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２が順に積層されている。また、荷重センサは、硬い第１感圧導電ゴムシート３１に電気的に並列接続された並列抵抗３３を備えている。第１感圧導電ゴムシート３１及び第２感圧導電ゴムシート３２は印加される荷重の大きさに応じて抵抗値が変化する。そして、各ゴムシート３１、３２はそれぞれ硬さが異なるので、各ゴムシート３１、３２と並列抵抗３３の合成抵抗値は荷重の大きさに対して二段階で変化する。このため、合成抵抗値が変化する値に閾値を設定することで、なぞりと押込を確実に検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加される荷重の大きさに応じて抵抗値が変化する感圧導電ゴムシートを備えた荷重センサに関する。

従来より、有機トランジスタとこの有機トランジスタの上に配置された感圧導電ゴムシートとを備えたフレキシブル検知装置が、例えば特許文献１で提案されている。

このフレキシブル検知装置は、例えば荷重の検出に用いることができる。この場合、感圧導電ゴムシートに印加される荷重の大きさに応じて感圧導電ゴムシートの抵抗値が変化することを利用する。したがって、感圧導電ゴムシートに印加された荷重の大きさに応じた電流が有機トランジスタに流れるので、この電流の大きさに基づいて荷重の大きさを検知することができる。

特開２００５−１５０１４６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、感圧導電ゴムシートの印加荷重−抵抗の特性に起因して有機トランジスタの出力電流が図５のＲ１のように低荷重で急激に変化して低抵抗化し低抵抗化した後はすばやく飽和するので、荷重の変化を多段階で検出することが困難になってしまう。

具体的には、例えばフレキシブル検知装置が画面のタッチパネルの操作画面に用いられる操作系ＨＭＩ（Human Machine Interface）として用いられる場合、ユーザは指で画面をなぞったり、押し込んだりすることになる。従来の方法を用いた場合、感圧導電ゴムシートの抵抗が低荷重で急激に変化し、すばやく飽和するため、ユーザが指で画面をなぞる場合（以下、「なぞり」という。）の検出電圧と、押し込む場合（以下、「押込」という）の検出電圧の差が小さくなり（図６の上段グラフ）、ユーザの操作がなぞりなのか押込なのかの判別が困難になる。

そこで、なぞりを検出するスイッチと押込を検出するスイッチとの２個のスイッチを、荷重の掛かる方向に並べた構成が考えられる。この構成では、荷重を受けるスイッチ端子が荷重の掛かる方向に移動することで、スイッチ端子がなぞり用のスイッチのスイッチ板と押込用のスイッチのスイッチ板のいずれか一方に接触する構成である。このように、なぞりと押込の検出手段を分離することで、なぞりと押込の判別が確実になる。

しかし、２つのスイッチのスイッチ板の間には物理的な隙間がある。このため、荷重を受けたスイッチ端子が２つのスイッチ板の間に位置するとき、いずれのスイッチも反応しないので、荷重を検出することができない。すなわち、２個のスイッチを用いた構成では、抵抗値が取れない区間すなわち不感帯が存在し、そもそも荷重を連続的に検出することができないという問題があった。

なお、スイッチ端子が２つのスイッチ板の隙間に位置する場合、その後の押し込み方向がなぞりの方向なのか押込の方向なのかがわからない。このため、荷重に応じた処理の準備ができず、高速処理ができない。

本発明は上記点に鑑み、低荷重領域の荷重の判別精度を向上させることができる荷重センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、印加される荷重の大きさに応じて抵抗値が変化する第１感圧導電ゴムシート（３１）と、第１感圧導電ゴムシート（３１）の上層または下層に配置されると共に第１感圧導電ゴムシート（３１）に電気的に直列接続され、第１感圧導電ゴムシート（３１）とは硬さが異なり、印加される荷重の大きさに応じて抵抗値が変化する第２感圧導電ゴムシート（３２）と、を備えている。

また、第１感圧導電ゴムシート（３１）及び第２感圧導電ゴムシート（３２）のうちの硬いゴムシートに電気的に並列接続された並列抵抗（３３）を備えている。

さらに、第１感圧導電ゴムシート（３１）、第２感圧導電ゴムシート（３２）、及び並列抵抗（３３）の合成抵抗値に基づき、荷重の大きさに応じた検出信号を出力する検出手段（２１、６０）を備えていることを特徴とする。

これによると、硬さが異なる２つの感圧導電ゴムシート（３１、３２）の抵抗値の変化によって合成抵抗値が二段階で変化するので、合成抵抗値が変化する荷重領域に閾値を設けることができる。すなわち、検出したい荷重領域に応じた閾値を設定できるので、荷重の種類を高精度で検出することができる。したがって、なぞり、押し込みの判別精度を向上させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るセンサ装置の断面図である。図１に示す荷重センサの等価回路図である。有機トランジスタへの選択信号、押下力、及び検出電圧Ｖ４の各信号波形を示した図である。有機トランジスタのＶｄｓ−Ｉｄの特性図である。押下力に対する抵抗値の変化を示した図である。力と検出電圧Ｖ４との関係を示した図である。本発明の第２実施形態に係るセンサ装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、荷重センサは、基板１０と、半導体層２０と、感圧導電ゴム部３０と、不導体フィルム４０と、が積層されて構成されている。このうち、基板１０は、シリコン基板、やガラス基板や、樹脂基板等である。

半導体層２０は、有機トランジスタ２１が形成された層である。具体的には、基板１０の上にゲート電極２２が形成されており、ゲート絶縁膜２３がこのゲート電極２２を覆うように基板１０の上に形成されている。また、ゲート絶縁膜２３の上に離間してドレイン電極２４とソース電極２５が形成されている。このドレイン電極２４とソース電極２５との間に有機材料の有機半導体部２６が設けられ、ドレイン電極２４、ソース電極２５、及び有機半導体部２６を覆う保護膜２７が形成されている。

保護膜２７には当該保護膜２７を貫通してソース電極２５に接触するビア２８が設けられており、このビア２８は保護膜２７の上に形成された第１電極２９と電気的に接触している。すなわち、ソース電極２５は、ビア２８を介して第１電極２９に電気的に接続されている。

感圧導電ゴム部３０は、半導体層２０の上に配置された第１感圧導電ゴムシート３１と、この第１感圧導電ゴムシート３１の上に配置された第２感圧導電ゴムシート３２と、を備えて構成されている。第１感圧導電ゴムシート３１は第１電極２９を覆うように保護膜２７の上に配置されている。

この感圧導電ゴム部３０は、印加される荷重に応じて厚みが変化すると共に厚みに応じて抵抗値が変化する。すなわち、第１感圧導電ゴムシート３１の厚みと第２感圧導電ゴムシート３２の厚みがそれぞれ変化することで、感圧導電ゴム部３０の合成抵抗値が変化する。後で説明するが、この合成抵抗値に基づいて荷重の大きさが検出される。

第１感圧導電ゴムシート３１は、第２感圧導電ゴムシート３２よりも硬いゴムシートである。また、各ゴムシート３１、３２は、シリコーンにグラファイトが添加されて形成されたものである。これら各ゴムシート３１、３２の厚みは例えば０．５ｍｍである。

さらに、感圧導電ゴム部３０は、各ゴムシート３１、３２の接触面と上述の第１電極２９との間に接続された並列抵抗３３を有している。つまり、並列抵抗３３は、硬い第１感圧導電ゴムシート３１に電気的に並列接続されている。なお、図１では、並列抵抗３３の等価回路のみを示しているが、実際には基板１０上の所定の領域に配線抵抗として形成されている。

第２感圧導電ゴムシート３２の上には第２電極３４が形成されている。この第２電極３４は図示しない電源に接続されている。

不導体フィルム４０は第２電極３４の上に形成された保護フィルムである。この不導体フィルムは、第２電極３４から下層の構造を例えばユーザの指から保護する役割を果たす。

以上が、本実施形態に係る荷重センサの構成である。なお、荷重センサには、有機トランジスタ２１に流れる電流を検出するための図示しない電流検出用抵抗も基板１０上の所定の領域に形成されている。また、有機トランジスタ２１及び電流検出用抵抗は感圧導電ゴム部３０のうちの最下層の第１感圧導電ゴムシート３１のさらに下層に位置している。

次に、図１の荷重センサの等価回路について図２及び図３を参照して説明する。図２に示されるように、電源５０とグランド５１との間には、電源５０側から軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２、硬い第１感圧導電ゴムシート３１、有機トランジスタ２１、電流検出用抵抗６０が直列接続されている。

また、硬い第１感圧導電ゴムシート３１には、並列抵抗３３が並列接続されている。有機トランジスタ２１のゲートには外部から選択信号が入力されるようになっている。図３に示されるように、選択信号はＶｓ［Ｖ］の矩形波である。選択信号が０［Ｖ］のときに、有機トランジスタ２１がＯＮする。

ここで、電源５０の電圧をＶｄｄ、軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２の抵抗値をＲ１、硬い第１感圧導電ゴムシート３１の抵抗値をＲ２、並列抵抗３３の抵抗値をＲ３、電流検出用抵抗６０の抵抗値をＲ４とする。また、Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３の合成抵抗値をＲｍとする。さらに、有機トランジスタ２１と電流検出用抵抗６０との間の電圧をＶ４とする。

このような回路構成によると、有機トランジスタ２１がＯＮしている間に、各ゴムシート３１、３２がユーザの指等によって押されると、図３に示されるように押下力が０［ｇｆ］から上昇する。そのとき、図３に示されるようにＶ４が変化する。したがって、このＶ４の電圧値で押下力を検出する。これが、図２の等価回路の基本的な動作である。

次に、図２の等価回路の具体的な動作について説明する。まず、各要素の電圧・電流の関係は以下のようになっている。

有機トランジスタ２１のゲート−ソース間の電圧をＶｇｓとすると、Ｖｇｓ＝Ｖｓ−Ｖｇ＝Ｖｄｄ−Ｉｄ×Ｒ４−Ｖｇと表される。Ｖｓは有機トランジスタ２１のソース電圧、Ｖｇはゲート電圧、Ｉｄはドレイン電流である。また、検出電圧であるＶ４は、Ｖ４＝Ｉｄ×Ｒ４と表される。

有機トランジスタ２１のソース−ドレイン間の電圧をＶｄｓとすると、Ｖｄｓ＝Ｖｓ−Ｖｄ＝Ｖｄｄ−Ｉｄ×（Ｒｍ＋Ｒ４）と表される。Ｖｄはドレイン電圧である。

そして、図４のＶｄｓ−Ｉｄの関係によると、Ｖｇｓ＝Ｖｇｓ１［Ｖ］、Ｖｇｓ２［Ｖ］、Ｖｇｓ３［Ｖ］（ただし、Ｖｇｓ１＜Ｖｇｓ２＜Ｖｇｓ３）のときのドレイン電流Ｉｄはソース−ドレイン間電圧Ｖｄｓが大きくなるとそれぞれ飽和する特性となっている。この特性では、Ｉｄの値は傾きが−１／（Ｒｍ＋Ｒ４）で変化する線形の直線で決まる。ソース−ドレイン間電圧Ｖｄｓの軸の切片はＶｄｄである。

感圧導電ゴム部３０が押下されない場合、各ゴムシート３１、３２の厚みはそれぞれ変化しないので、合成抵抗値Ｒｍは変化せずにＲｍ＋Ｒ４の値は最大値である。一方、感圧導電ゴム部３０が押下され、合成抵抗値Ｒｍが小さい値に変化すると、−１／（Ｒｍ＋Ｒ４）の分母が小さくなって線形の直線の傾きが大きくなり、ひいてはＩｄが大きな値となる。すなわち、合成抵抗値Ｒｍが大きい値から小さい値に変化すると、ドレイン電流Ｉｄが小さい値から大きい値に変化すると共に検出電圧Ｖ４が小さい値から大きい値に変化する。

感圧導電ゴム部３０の合成抵抗値Ｒｍは、図５に示されるように、各ゴムシート３１、３２の各抵抗値Ｒ１、Ｒ２の変化に基づいた抵抗値として変化する。なお、並列抵抗３３及び電流検出用抵抗６０の抵抗値をそれぞれ例えば１００ｋΩとしている。

具体的には、図５に示されるように、軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２の抵抗値Ｒ１は、第２感圧導電ゴムシート３２そのものが軟らかいので小さな押下力で抵抗値が急激に減少する。一方、硬い第１感圧導電ゴムシート３１の抵抗値Ｒ２は、小さな押下力では厚みが変化しにくいため、小さな押下力の範囲では抵抗値の変化は小さい。しかし、押下力がある程度大きくなると、硬い第１感圧導電ゴムシート３１の厚みが小さくなっていくので、これに伴って抵抗値Ｒ２も小さくなっていく。

そして、合成抵抗値Ｒｍは図５のように変化するＲ１及びＲ２に基づき、押下力が小さい領域では急激に減少するが、その後の押下力の増加に対して合成抵抗値Ｒｍはあまり変化せず、さらに押下力が増加すると再び合成抵抗値Ｒｍが減少する。さらに押下力が大きい領域では合成抵抗値Ｒｍはあまり変化しない。つまり、合成抵抗値Ｒｍは、押下力の大きさに対し、二段階で抵抗値が変化する。これを利用して、ユーザが不導体フィルム４０をなぞっているのか押し込んでいるのかを判定する。これについて、図６を参照して説明する。

まず、図６の上段の図は、感圧導電ゴム部３０を軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２のみで構成した場合の力と検出電圧Ｖ４との関係を示している。合成抵抗値Ｒｍが軟らかいゴム単一の厚みで決まるので、ユーザが指で感圧導電ゴム部３０を押し込むと容易に厚みが変化する。したがって、概ね１０００［ｇｆ］がなぞりと押込の境界としたとき、この範囲ではユーザが不導体フィルム４０をなぞっているのか押し込んでいるのかの区別が付かない。

また、図６の中段の図は、感圧導電ゴム部３０を硬い第１感圧導電ゴムシート３１のみで構成した場合の力と検出電圧Ｖ４との関係を示している。合成抵抗値Ｒｍが硬いゴム単一の厚みで決まるので、ユーザが指で感圧導電ゴム部３０を押し込んでも容易に厚みが変化しない。したがって、ユーザが不導体フィルム４０をなぞっていても、１００［ｇ］以下の力でなぞっている場合、押していないときとの電圧変化がほとんどない。したがって、なぞりを検出する下限の閾値を０．２５［Ｖ］とした場合、１００［ｇｆ］以下の力でなぞった場合には、なぞりを検出できない。より低い力の場合でもなぞりを検出するために、０．２５［Ｖ］より低い値をなぞりを検出する下限の閾値とすることもできるが、閾値を低く設定するとノイズなどで、触っていないときになぞりを検出するなど、ノイズに弱くなる。

これらに対し、図６の下段の図は、感圧導電ゴム部３０を硬い第１感圧導電ゴムシート３１と軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２とを積層し、第１感圧導電ゴムシート３１に並列に並列抵抗３３を挿入して構成した場合の力と検出電圧Ｖ４との関係を示している。すなわち、検出電圧Ｖ４は合成抵抗値Ｒｍに基づいて荷重の大きさに応じた電圧信号を示している。

上述の図５のように、合成抵抗値Ｒｍは力の大きさに対して二段階で変化するため、図６に示すように抵抗値が変化する荷重領域に２つの閾値の設定することができる。例えば、なぞりを検出する第１閾値を０．２５［Ｖ］とし、押込を検出する第２閾値を２．４５［Ｖ］としている。検出電圧Ｖ４がこれらの閾値を超えると、なぞり又は押込のいずれかを判定することができる。なぞりと押込の判定は、荷重センサの検出電圧Ｖ４をモニタする図示しない制御装置等が行う。

図６の下段の図のように、合成抵抗値Ｒｍが単一のゴムシートではなく、硬さが異なるゴムシート３１、３２で変化するので、なぞりを検出するための検出電圧Ｖ４と、押込を検出するための検出電圧Ｖ４と、を明確に区別することができる。このため、なぞりと押込をそれぞれ検出するための閾値を２つ設けることができ、なぞりと押込をそれぞれ精度良く検出することができる。つまり、制御装置等によりなぞりと押込をそれぞれ精度良く判別できるようにすることができる。

そして、本実施形態に係る荷重センサを用いることにより、当該荷重センサを利用した制御装置の高速処理が可能となる。すなわち、ユーザは例えば画面を指でなぞることでカーソルを動かして自分の希望のボタンを選択するという操作を行う場合、なぞりを検出してカーソルの位置を把握することで制御装置がユーザの次の動作を予測することが可能となる。これにより、ユーザがなぞりから押込動作を行ったときに制御装置において必要な処理があれば、制御装置がその処理の準備を予め行うことができるので、制御装置は高速処理を行うことができるという利点もある。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、有機トランジスタ２１及び電流検出用抵抗６０が特許請求の範囲の「検出手段」に対応する。また、検出電圧Ｖ４の電圧信号が特許請求の範囲の「検出信号」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図７に示されるように有機トランジスタ２１が基板１０上に複数形成されている。これにより、荷重センサの分解能が向上する。

そして、第１感圧導電ゴムシート３１は、複数の有機トランジスタ２１毎すなわち分解能に応じた平面サイズに分離されている。「分離」とは、第１感圧導電ゴムシート３１が物理的に分割された状態である。分離された各第１感圧導電ゴムシート３１は隣同士が互いに接触している。なお、軟らかい第２感圧導電ゴムシート３２は分解能に関係なく１枚のゴムシートになっている。

このような構成により、１つの有機トランジスタ２１に対応した第１感圧導電ゴムシート３１が隣の有機トランジスタ２１に対応した第１感圧導電ゴムシート３１と一体的に繋がっていない。このため、隣同士の第１感圧導電ゴムシート３１が連動して動きにくくなる。したがって、１つの有機トランジスタ２１が隣の有機トランジスタ２１の上方に位置する第１感圧導電ゴムシート３１の厚みの影響を受けないで検出電圧Ｖ４を出力することができ、ひいてはなぞりまたは押込の判定精度を向上させることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された荷重センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、第１感圧導電ゴムシート３１と第２感圧導電ゴムシート３２との間には、並列抵抗３３に接続される電極層が設けられていても良い。

また、各ゴムシート３１、３２は、どちらが上層に位置していても良い。さらに、感圧導電ゴム部３０は上述の２層に限らず、硬さが異なる感圧導電ゴムシートが３層以上で構成されていても良い。これにより、押下力に対する合成抵抗値Ｒｍを三段階で変化させることができ、よりなぞりと押込の高精度な判定が可能となる。このように、感圧導電ゴム部３０は、少なくとも硬さが異なる感圧導電ゴムシートが２層積層されていれば良い。もちろん、各ゴムシートが３層以上であっても、各ゴムシートの間に電極層がそれぞれ設けられていても良い。

第２実施形態では、最下層の第１感圧導電ゴムシート３１を分解能に応じて複数に分離した構成が示されたが、上層の第２感圧導電ゴムシート３２も分解能に応じて複数に分離しても構わない。これにより、第２実施形態で得られる効果をさらに向上できる。

２１有機トランジスタ（検出手段）
３１第１感圧導電ゴムシート
３２第２感圧導電ゴムシート
３３並列抵抗
６０電流検出用抵抗（検出手段）

Claims

印加される荷重の大きさに応じて抵抗値が変化する第１感圧導電ゴムシート（３１）と、
前記第１感圧導電ゴムシート（３１）の上層または下層に配置されると共に前記第１感圧導電ゴムシート（３１）に電気的に直列接続され、前記第１感圧導電ゴムシート（３１）とは硬さが異なり、印加される荷重の大きさに応じて抵抗値が変化する第２感圧導電ゴムシート（３２）と、
前記第１感圧導電ゴムシート（３１）及び前記第２感圧導電ゴムシート（３２）のうちの硬いゴムシートに電気的に並列接続された並列抵抗（３３）と、
前記第１感圧導電ゴムシート（３１）、前記第２感圧導電ゴムシート（３２）、及び前記並列抵抗（３３）の合成抵抗値に基づき、前記荷重の大きさに応じた検出信号を出力する検出手段（２１、６０）と、
を備えていることを特徴とする荷重センサ。
前記検出手段（２１、６０）は、前記第１感圧導電ゴムシート（３１）及び前記第２感圧導電ゴムシート（３２）のうち最下層に位置するゴムシートの下層に位置し、
前記第１感圧導電ゴムシート（３１）及び前記第２感圧導電ゴムシート（３２）のうち最下層に位置するゴムシートは、前記検出手段（２１、６０）の分解能に応じた大きさに分離されていることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
前記第２感圧導電ゴムシート（３２）は、前記第１感圧導電ゴムシート（３１）よりも硬い感圧導電ゴムシートであると共に、前記第１感圧導電ゴムシート（３１）の上層に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の荷重センサ。