JP2018200280A - 力検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑な構成を必要とすることなく、センサ面に対して作用するセンサ面に平行な力を検出することができる力検出装置を提供する。【解決手段】力検出装置は、３つ以上の電極と、３つ以上の電極上に形成され、感圧材料からなるセンサ層とを有する力センサと、力センサの３つ以上の電極のうちの２組以上の電極の間の電気抵抗値を検出する検出部とを有している。【選択図】図２

Description

本発明は、感圧材料からなるセンサ層を有する力検出装置に関する。
小型の圧力センサ素子を２次元アレイ状に配置して圧力分布の測定を可能にした圧力検出装置が知られている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。このような圧力検出装置では、圧力センサ素子は、外部から加わる圧力に応じた信号電圧を出力する。また、圧力検出装置では、多くの場合に画像表示用パネルにおける画素の駆動と同様、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）を用いて圧力センサ素子をアクティブマトリックス制御することが想定されている（例えば、特許文献１を参照）。
アクティブマトリックス型２次元圧力センサでは、例えばシフトレジスタを用いてアクティブなゲート配線を切り換えて読み出す圧力センサ素子を順次変更することにより、２次元の圧力分布データを取得する。この動作を常時継続することで、時間変化する圧力の２次元データを取得することができる。
一方、接触圧力及びせん断力を測定するセンサ装置として、接触圧力測定部とせん断力測定部とを備えた４ゲージ法ブリッジ回路を構成したものが知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載されたセンサ装置において、せん断力測定部は、片面側電極における櫛型電極と対面側電極における櫛形電極との櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に圧力変換素子を挟み込んで構成されている。
また、光ファイバブラッググレーティングによる歪みセンサにより圧力を測定する技術が知られている（特許文献３参照）。また、ピエゾ抵抗カンチレバーからなるＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサを組み合わせて用いることにより、せん断力や圧力を測定する技術が知られている（特許文献４参照）。
特開平１０−０７０２７８号公報 特許第５６８８７９２号公報 特開２００７−２６３９３７公報 特許第５５６１６７４号公報
NanotechJapan Bulletin Vol.6, No.3, 2013, pp.6-7
上述したような２次元圧力センサは、例えば、人間を模したロボットの指先等における触覚情報等を検出するセンサとしての応用が期待されている。しかしながら、従来の２次元圧力センサでは、力が作用する接触面であるセンサ面に対して作用する力のうち、センサ面に垂直な力である圧力を検出することはできるが、センサ面に平行な力を検出することができなかった。
例えば、センサ面に接触した物体を横に引いたり、滑らせたりした場合には、センサ面に対しては、せん断力や摩擦力等のセンサ面に平行な力が作用する。従来の２次元圧力センサでは、かかるセンサ面に平行な力を検出することができなかった。このため、従来の２次元圧力センサを用いて触覚センサを構築したとしても、センサ面に接触した物体を横に引いたり、滑らせたりする動作を検出することは困難であると考えられる。
せん断力等の接触面に平行な力の方向や大きさに関する情報は、例えばロボットの指先が物体を把持する場面等において重要な情報である。例えば、ロボットの指先が把持する物体がずれようとしている場合に、ずれの方向が重力方向若しくはその逆方向、又は重力方向と直交する方向であるかが分かれば、把持する力を強めるのか、弱めるのか、又は維持するのかを判定して制御することができる。
一方、特許文献１に記載されたセンサ装置では、対向する２層の櫛形電極の位置を精度よく合わせて形成することは必ずしも容易ではないと考えられる。また、一方、特許文献３に記載された技術のようにセンサデバイスとして光ファイバを用いるものは、デバイスの小型化に適さないと考えられる。さらに、特許文献４に記載された技術のように、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサの直交３軸方向に対応するセンサを用いるものは、構成が複雑で製造コストも高くなると考えられる。
本発明は、複雑な構成を必要とすることなく、センサ面に対して作用するセンサ面に平行な力を検出することができる力検出装置を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、３つ以上の電極と、前記３つ以上の電極上に形成され、感圧材料からなるセンサ層とを有する力センサと、前記力センサの前記３つ以上の電極のうちの２組以上の電極の間の電気抵抗値を検出する検出部とを有することを特徴とする力検出装置が提供される。
本発明によれば、複雑な構成を必要とすることなく、センサ面に対して作用するセンサ面に平行な力を検出することができる。
図１は、本発明の第１実施形態による力検出装置の全体構造を示す概略図である。 図２は、本発明の第１実施形態による力検出装置におけるセンサセルを含むセルアレイの構造を示す平面図である。 図３は、本発明の第１実施形態による力検出装置におけるセンサセルの電気抵抗値を説明する平面図である。 図４は、本発明の第１実施形態による力検出装置におけるセンサセルの各電気抵抗値の大小関係と力の方向との対応関係を示す図である。 図５は、本発明の第２実施形態による力検出装置におけるセンサセルを含むセルアレイの構造を示す平面図である。 図６は、背景技術による２次元圧力センサのセンサセルを含むセルアレイの構造を示す平面図である。 図７は、背景技術による２次元圧力センサのセンサセルの電気抵抗値を説明する平面図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による力検出装置について図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による力検出装置の全体構造を示す概略図である。図２は、本実施形態による力検出装置におけるセンサセルを含むセルアレイの構造を示す平面図である。図３は、本実施形態による力検出装置におけるセンサセルの電気抵抗値を説明する平面図である。図４は、本実施形態による力検出装置におけるセンサセルの各電気抵抗値の大小関係と力の方向との対応関係を示す図である。
本実施形態による力検出装置は、例えば、液晶表示装置、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）表示装置等のタッチパネルや、ロボットの指に組み込まれて、センサ面に対して作用するセンサ面に平行な力を検出するものである。
本実施形態による力検出装置１００は、図１及び図２に示すように、センサアレイ１０と、ゲート線駆動回路２０と、検出回路３０と、電源線駆動回路４０と、制御部５０とを有している。
センサアレイ１０は、複数行（例えばｍ行）及び複数列（例えばｎ列）に渡って２次元状に配された複数のセンサセル６０を含む。なお、ｍ、ｎは、それぞれ２以上の整数である。センサアレイ１０において、複数のセンサセル６０は、例えば正方格子状等の矩形格子状に配置されている。
それぞれのセンサセル６０は、それぞれ第１アクティブ素子及び第２アクティブ素子である２つの選択トランジスタＭ１、Ｍ２と、感圧材料を用いた力センサＳとを含む。選択トランジスタＭ１、Ｍ２は、例えば、それぞれ薄膜トランジスタからなる。本実施形態による力検出装置１００は、選択トランジスタＭ１、Ｍ２をアクティブ素子とするアクティブマトリクス駆動方式のセンサ装置である。
力センサＳは、４つの電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄと、４つの電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ上に形成された感圧材料からなるセンサ層６４とを有している。
電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄは、互いに別個独立の第１電極、第２電極、第３電極及び第４電極を構成している。電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄは、それぞれ基板上に絶縁層を介して形成されている。センサ層６４は、それぞれ電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄを露出する開口部６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄが形成された絶縁層上に形成されており、開口部６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄを介して電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄに接触している。基板は、基板状部材のほか、シート状部材、フィルム状部材をも含むものであり、その材料としてはあらゆる材料を採用することができる。また、基板は、柔軟性を有するフレキシブルなものであってもよいし、柔軟性を有しない硬質なものであってもよい。
センサ層６４は、例えば、圧力変化に伴い電気抵抗値が変化する感圧材料から構成されている。より具体的には、センサ層６４を構成する感圧材料としては、絶縁性樹脂と、絶縁性樹脂に分散された導電性フィラーとを含む感圧導電性材料が例示される。このような感圧導電性材料では、加わる圧力の大きさに応じて導電性フィラーの接点数が変化することで、加わる圧力の大きさに応じて電気抵抗値が変化する。また、センサ層６４を構成する感圧材料として、微細な凹凸が形成された電極に対して、その電極との接触面に微細な凹凸が形成された感圧導電性材料を用いることもできる。このような感圧導電性材料では、加わる圧力の大きさに応じて微細な凹凸により電極との接触面積が変化することで、加わる圧力の大きさに応じて電気抵抗値が変化する。
センサ層６４は、例えば、行方向及び列方向に沿った２組の辺を有するほぼ矩形状の平面形状を有している。なお、センサ層６４の平面形状は、特に限定されるものではなく、種々の形状を採ることができる。
一方、電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄは、互いに同一の平面形状であって、センサ層６４よりも小さい平面形状を有している。電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄは、例えば、行方向及び列方向に沿った２組の辺を有するほぼ矩形状の平面形状を有している。なお、電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄの平面形状は、特に限定されるものではなく、種々の形状を採ることができる。
電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄは、２次元的に等間隔に配置されている。
電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄは、センサ層６４の四隅に位置するように配置されている。図２では、電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄが、それぞれセンサ層６４の紙面左上隅、紙面右上隅、紙面左下隅及び紙面右下隅に配置されている場合を示している。
こうして、電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ上にセンサ層６４が形成されている側の面が、接触した物体により作用する力を検出する力検出面であるセンサ面７０になっている。センサ面７０には、複数のセンサ層６４が露出していてもよいし、複数のセンサ層６４を含むセンサ面７０を保護する樹脂材料等からなる保護層（図示せず）が形成されていてもよい。
センサアレイ１０の各行には、行方向に延在して、第１アクティブ素子である選択トランジスタＭ１を駆動するための第１駆動信号線である複数の第１ゲート線ＧＬ１ａ、ＧＬ２ａ、…、ＧＬｍａが配されている。また、センサアレイ１０の各行には、行方向に延在して、第２アクティブ素子である選択トランジスタＭ２を駆動するための第２駆動信号線である複数の第２ゲート線ＧＬ１ｂ、ＧＬ２ｂ、…、ＧＬｍｂが配されている。第２ゲート線ＧＬ１ｂ、ＧＬ２ｂ、…、ＧＬｍｂは、それぞれ第１ゲート線ＧＬ１ａ、ＧＬ２ａ、…、ＧＬｍａに対応して配されている。第１ゲート線ＧＬ１ａ、ＧＬ２ａ、…、ＧＬｍａ、及び第２ゲート線ＧＬ１ｂ、ＧＬ２ｂ、…、ＧＬｍｂは、ゲート線駆動回路２０に接続されている。なお、以下では、第１ゲート線を「第１ゲート線ＧＬｉａ」と適宜表記し、第２ゲート線を「第２ゲート線ＧＬｉｂ」と適宜表記する。ただし、ｉは１≦ｉ≦ｍを満たす整数である。
センサアレイ１０の各列には、列方向に延在して、出力信号線であるデータ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎが配されている。データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎは、それぞれ検出回路３０に含まれる抵抗Ｒの一端に接続されている。抵抗Ｒの他端は、接地電圧ＶＳの接地電圧線に接続されている。データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎと抵抗Ｒの一端との間の接続ノードには、検出回路３０に含まれるＡ／Ｄコンバータ６８の入力端子側が接続されている。なお、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎをＡ／Ｄコンバータに接続する構成は、図２に示す構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。例えば、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎを、マルチプレクサを介して単一のＡ／Ｄコンバータの入力に接続する構成を採用することができる。以下では、データ線を「データ線ＤＬｊ」と適宜表記する。ただし、ｊは１≦ｊ≦ｎを満たす整数である。
また、センサアレイ１０の各列には、列方向に延在して、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａが配されている。また、センサアレイ１０の各列には、列方向に延在して、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａに対応して、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂが配されている。第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａ、及び第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂは、電源線駆動回路４０に接続されている。なお、以下では、第１電源線を「第１電源線ＶＬｊａ」と適宜表記し、第２電源線を「第２電源線ＶＬｊｂ」と適宜表記する。ただし、ｊは１≦ｊ≦ｎを満たす整数である。
第ｉ行、第ｊ列に位置するセンサセル６０における力センサＳの電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ、選択トランジスタＭ１、Ｍ２は、それぞれ次のように接続されている。
すなわち、選択トランジスタＭ１のゲート電極は、対応する第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａに接続されている。選択トランジスタＭ１のソース電極は、対応する第ｊ列のデータ線ＤＬｊに接続されている。選択トランジスタＭ１のドレイン電極は、電極６２Ａに接続されている。
また、選択トランジスタＭ２のゲート電極は、対応する第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂに接続されている。選択トランジスタＭ２のソース電極は、対応する第ｊ列のデータ線ＤＬｊに接続されている。選択トランジスタＭ２のドレイン電極は、電極６２Ｄに接続されている。
また、電極６２Ｃは、対応する第ｊ列の第１電源線ＶＬｊａに接続されている。電極６２Ｂは、対応する第ｊ列の第２電源線ＶＬｊｂに接続されている。
ゲート線駆動回路２０は、デコーダやシフトレジスタで構成される。ゲート線駆動回路２０は、第１ゲート線ＧＬｉａに駆動信号Ｐｉａを供給する。また、ゲート線駆動回路２０は、第２ゲート線ＧＬｉｂに駆動信号Ｐｉｂを供給する。駆動信号Ｐｉａは、第１ゲート線ＧＬｉａに接続された選択トランジスタＭ１の駆動信号である。また、駆動信号Ｐｉｂは、第２ゲート線ＧＬｉｂに接続された選択トランジスタＭ２の駆動信号である。このように、ゲート線駆動回路２０は、選択トランジスタＭ１、Ｍ２を駆動する駆動回路である。例えば、選択トランジスタＭ１、Ｍ２がＮ型トランジスタの場合、駆動信号Ｐｉａ、Ｐｉｂがハイレベルのとき、対応する第ｉ行の選択トランジスタＭ１、Ｍ２はオン状態になる。また、駆動信号Ｐｉａ、Ｐｉｂがローレベルのとき、対応する第ｉ行の選択トランジスタＭ１、Ｍ２がオフ状態になる。
検出回路３０は、データ線ＤＬｊの電圧を検出して、後述するように力センサＳにおける電極間の電気抵抗値の出力を検出するための検出部として機能する回路であり、上述のように抵抗Ｒ、Ａ／Ｄコンバータ６８等を含むものである。検出回路３０により検出された力センサＳにおける電極間の電気抵抗値の出力に基づき、力センサＳにより検出される力の方向及び大きさを求めることが可能となる。
電源線駆動回路４０は、第１電源線ＶＬｊａに電源電圧ＶＤを供給して第１電源線ＶＬｊａをオン状態とし、また、第１電源線ＶＬｊａをハイインピーダンスにしてオフ状態とする。また、電源線駆動回路４０は、第２電源線ＶＬｊｂに電源電圧ＶＤを供給して第２電源線ＶＬｊｂをオン状態とし、また、第２電源線ＶＬｊｂをハイインピーダンスにしてオフ状態とする。
制御部５０は、ゲート線駆動回路２０、検出回路３０及び電源線駆動回路４０に接続されている。制御部５０は、種々の演算、制御、判別等の処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）を有している。また、制御部５０は、ＣＰＵによって実行される様々なプログラム、ＣＰＵが参照するデータベース等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）を有している。また、制御部５０は、ＣＰＵが処理中のデータや入力データ等を一時的に格納するＲＡＭ（Random Access Memory）を有している。なお、制御部５０は、力検出装置１００に一体的に内蔵されたものであってもよいし、別個独立のコンピュータ装置によりその機能が実現されるものであってもよい。
制御部５０は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、不図示の制御回路等を介してゲート線駆動回路２０、検出回路３０及び電源線駆動回路４０の動作やそのタイミングを制御する。また、制御部５０は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、検出回路３０により検出された力センサＳの電気抵抗値の出力に基づき、力検出装置１００のセンサ面に加わる力の方向及び大きさを求める処理部として機能する。
力検出装置１００のセンサ面７０に対しては、物体が接触して、センサ面７０に平行な力が作用する場合がある。センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力には、センサ面７０に対して傾斜した方向に作用する力のうちのセンサ面７０に平行な成分が含まれる。具体的には、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力には、例えば、せん断力、摩擦力等が含まれる。
このようにセンサ面７０に平行な力が作用する場合、共通のセンサ層６４に接触する複数の電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄを有する力センサＳにおいて、センサ面７０に平行な力の方向によってセンサ層６４に作用する圧力に分布が生じうる。このため、複数の電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄの間の電気抵抗値には、相対的な大小関係が生じうる。力センサＳにおける電気抵抗値の大小関係は、センサ面７０に平行な力の方向と対応付けることができる。また、さらには、電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄの間の電気抵抗値に基づき、センサ面７０に平行な力の大きさを求めることができる。
図３に示すように、力センサＳでは、電極６２Ａと電極６２Ｂとの間の電気抵抗値ＲＡＢ、電極６２Ａと電極６２Ｃとの間の電気抵抗値ＲＡＣ、電極６２Ｂと電極６２Ｄとの間の電気抵抗値ＲＢＤ及び電極６２Ｃと電極６２Ｄとの間の電気抵抗値ＲＣＤが規定される。これら電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの値には、センサ面７０に平行な力の方向によって相対的な大小関係が生じる。
図３に示す力センサＳの紙面に平行なセンサ面７０に対して、センサ面７０に平行な力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、図４に示すようにとおりになる。なお、記号「〜」は、両側の電気抵抗値がほぼ等しいことを示している。
すなわち、センサ面７０に対して紙面の上から下に垂直に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＣＤ＜ＲＡＣ〜ＲＢＤ＜ＲＡＢとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の下から上に垂直に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＡＢ＜ＲＡＣ〜ＲＢＤ＜ＲＣＤとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の左から右に平行に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＢＤ＜ＲＡＢ〜ＲＣＤ＜ＲＡＣとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の右から左に平行に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＡＣ＜ＲＡＢ〜ＲＣＤ＜ＲＢＤとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の左上から右下に斜め４５°に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＢＤ〜ＲＣＤ＜ＲＡＢ〜ＲＡＣとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の右下から左上に斜め４５°に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＡＢ〜ＲＡＣ＜ＲＢＤ〜ＲＣＤとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の右上から左下に斜め４５°に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＡＣ〜ＲＣＤ＜ＲＡＢ〜ＲＢＤとなる。
また、センサ面７０に対して紙面の左下から右上に斜め４５°に向かう力が作用した場合、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係は、ＲＡＢ〜ＲＢＤ＜ＲＡＣ〜ＲＣＤとなる。
このように、各力センサＳにおける電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄの間の電気抵抗値に基づき、センサ面７０に平行な力の方向を求めることができ、さらにはセンサ面７０に平行な力の大きさをも求めることができる。なお、電極間の電気抵抗値の相対的な大小関係は、センサ層６４を構成する感圧材料や、センサ層６４の構造、形状によって異なるため、予め実験やシミュレーションにより取得しておくことができる。
本実施形態による力検出装置１００は、次のようにして電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤを取得してこれらの相対的な大小関係を取得することができる。以下、本実施形態による力検出装置１００の動作シーケンスについて説明する。
本実施形態による力検出装置１００のセンサ面７０に対しては、物体が接触して、センサ面７０に平行な力が作用している。
まず、ゲート線駆動回路２０から駆動信号Ｐｉａを第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａに供給して、第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａをオン状態とする。これにより、第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａに接続された選択トランジスタＭ１を、行単位でオン状態とする。一方、他の第１ゲート線及び第２ゲート線は、駆動信号が供給されていないオフ状態とする。
上記のように第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａをオン状態とするとともに、電源線駆動回路４０により、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａに電源電圧ＶＤを供給して、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオン状態とする。一方、電源線駆動回路４０により、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをハイインピーダンスとして、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオフ状態とする。
上記のようにして、第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａをオン状態、他の第１ゲート線及び第２ゲート線をオフ状態、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオン状態、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオフ状態とする。これにより、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎには、それぞれ第ｉ行の対応するセンサセル６０における力センサＳの電極６２Ａと電極６２Ｃとの間の電気抵抗値ＲＡＣに応じた電圧が出力される。検出回路３０は、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎに出力された電気抵抗値ＲＡＣに応じた電圧を検出する。こうして、検出部として機能する検出回路３０は、第ｉ行の各センサセル６０について、電気抵抗値ＲＡＣを検出することができる。
次いで、第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａのオン状態、他の第１ゲート線及び第２ゲート線のオフ状態を維持しつつ、第１電源線及び第２電源線のオンオフ状態を切り替える。すなわち、電源線駆動回路４０により、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをハイインピーダンスとして、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオフ状態とする。一方、電源線駆動回路４０により、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂに電源電圧ＶＤを供給して、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオン状態とする。
上記のようにして、第ｉ行の第１ゲート線ＧＬｉａをオン状態、他の第１ゲート線及び第２ゲート線をオフ状態、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオフ状態、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオン状態とする。これにより、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎには、それぞれ第ｉ行の対応するセンサセル６０における力センサＳの電極６２Ａと電極６２Ｂとの間の電気抵抗値ＲＡＢに応じた電圧が出力される。検出回路３０は、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎに出力された電気抵抗値ＲＡＢに応じた電圧を検出する。こうして、検出部として機能する検出回路３０は、第ｉ行の各センサセル６０について、電気抵抗値ＲＡＢを検出することができる。
次いで、ゲート線駆動回路２０から駆動信号Ｐｉｂを第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂに供給して、第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂをオン状態とする。これにより、第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂに接続された選択トランジスタＭ２を、行単位でオン状態とする。一方、他の第１ゲート線及び第２ゲート線は、駆動信号が供給されていないオフ状態とする。
上記のように第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂをオン状態とするとともに、電源線駆動回路４０により、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａに電源電圧ＶＤを供給して、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオン状態とする。一方、電源線駆動回路４０により、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをハイインピーダンスとして、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオフ状態とする。
上記のようにして、第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂをオン状態、他の第１ゲート線及び第２ゲート線をオフ状態、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオン状態、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオフ状態とする。これにより、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎには、それぞれ第ｉ行の対応するセンサセル６０における力センサＳの電極６２Ｃと電極６２Ｄとの間の電気抵抗値ＲＣＤに応じた電圧が出力される。検出回路３０は、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎに出力された電気抵抗値ＲＣＤに応じた電圧を検出する。こうして、検出部として機能する検出回路３０は、第ｉ行の各センサセル６０について、電気抵抗値ＲＣＤを検出することができる。
次いで、第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂのオン状態、他の第１ゲート線及び第２ゲート線のオフ状態を維持しつつ、第１電源線及び第２電源線のオンオフ状態を切り替える。すなわち、電源線駆動回路４０により、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをハイインピーダンスとして、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオフ状態とする。一方、電源線駆動回路４０により、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂに電源電圧ＶＤを供給して、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオン状態とする。
上記のようにして、第ｉ行の第２ゲート線ＧＬｉｂをオン状態、他の第１ゲート線及び第２ゲート線をオフ状態、第１電源線ＶＬ１ａ、ＶＬ２ａ、…、ＶＬｎａをオフ状態、第２電源線ＶＬ１ｂ、ＶＬ２ｂ、…、ＶＬｎｂをオン状態とする。これにより、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎには、それぞれ第ｉ行の対応するセンサセル６０における力センサＳの電極６２Ｂと電極６２Ｄとの間の電気抵抗値ＲＢＤに応じた電圧が出力される。検出回路３０は、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、……、ＤＬｎに出力された電気抵抗値ＲＢＤに応じた電圧を検出する。こうして、検出部として機能する検出回路３０は、第ｉ行の各センサセル６０について、電気抵抗値ＲＢＤを検出することができる。
上述した動作を第１行から第ｍ行について順次行うことにより、センサアレイ１０における各センサセル６０について、検出部として機能する検出回路３０が、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤを個別に検出して取得する。制御部５０は、各センサセル６０について、取得された電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤに基づき、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の方向及び大きさを求める。すなわち、制御部５０は、各センサセル６０について、取得された電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係に基づき、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の方向を求める。また、制御部５０は、各センサセル６０について、取得された電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤに基づき、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の大きさを求める。
例えば、制御部５０は、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤの相対的な大小関係と、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の方向との関係に関するデータベースを記憶装置に保持している。制御部５０は、このようなデータベースを参照して、各センサセル６０について、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の方向を求めることができる。
また、制御部５０は、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤと、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の大きさとの関係に関するデータベースを記憶装置に保持している。制御部５０は、このようなデータベースを参照して、各センサセル６０について、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の大きさをも求めることができる。
さらに、制御部５０は、近傍の複数のセンサセル６０について、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の方向及び大きさの検出結果を用いて統計的な処理を行うこともできる。これにより、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力の検出結果における誤差を低減することができる。例えば、行方向及び列方向における２×２、３×３等の複数のセンサセル６０について、センサ面７０に平行な力の方向及び大きさの検出結果を平均化して誤差を低減することができる。
このように、本実施形態によれば、複数の電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄと、感圧材料からセンサ層６４とを有する力センサＳにより、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力を検出する。したがって、本実施形態によれば、複雑な構成を必要とすることなく、センサ面７０に対して作用するセンサ面７０に平行な力を検出することができる。
一方、背景技術による２次元圧力センサでは、上述した本実施形態による力検出装置１００とは異なり、センサ面に対して作用するセンサ面に平行な力を検出することはできない。以下、この点について図６及び図７を用いて説明する。図６は、背景技術による２次元圧力センサのセンサセルを含むセルアレイの構造を示す平面図である。図７は、背景技術による２次元圧力センサのセンサセルの電気抵抗値を説明する平面図である。
２次元圧力センサ３００におけるセンサアレイ３１０は、図６に示すように、複数行（例えばｍ行）及び複数列（例えばｎ列）に渡って２次元状に配された複数のセンサセル３６０を含む。
それぞれのセンサセル３６０は、１つの選択トランジスタＭと、感圧材料を用いた圧力センサＳｂとを含む。圧力センサＳｂは、２つの電極３６２Ａ、３６２Ｂと、２つの電極３６２Ａ、３６２Ｂ上に形成された感圧材料からなるセンサ層３６４とを有している。センサ層３６４は、センサ層６４と同様の感圧導電性材料から構成される。
電極３６２Ａ、３６２Ｂは、それぞれ基板上に絶縁層を介して形成されている。センサ層３６４は、電極３６２Ａ、３６２Ｂを露出する開口部３６６が形成された絶縁層上に形成されており、開口部３６６を介して電極３６２Ａ、３６２Ｂに接触している。こうして、こうして、電極３６２Ａ、３６２Ｂ上にセンサ層６４が形成されている側の面が、接触した物体により作用する圧力を検出する圧力検出面であるセンサ面３７０になっている。
センサアレイ３１０の各行には、行方向に延在して、駆動信号線である複数のゲート線ＧＬ１、ＧＬ２、…、ＧＬｍが配されている。また、センサアレイ３１０の各列には、列方向に延在して、出力信号線であるデータ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎが配されている。データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎは、それぞれ検出回路に含まれる抵抗Ｒｂの一端に接続されている。抵抗Ｒｂの他端は、接地電圧ＶＳの接地電圧線に接続されている。データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎと抵抗Ｒｂの一端との間の接続ノードには、検出回路に含まれるＡ／Ｄコンバータ３６８の入力端子が接続されている。
第ｉ行、第ｊ列に位置するセンサセル３６０の電極３６２Ａ、３６２Ｂ、選択トランジスタＭは、それぞれ次のように接続されている。すなわち、選択トランジスタＭのゲート電極は、対応する第ｉ行のゲート線ＧＬｉに接続されている。選択トランジスタＭのソース電極は、対応する第ｊ列のデータ線ＤＬｊに接続されている。選択トランジスタＭのドレイン電極は、電極３６２Ａに接続されている。また、電極３６２Ｂは、電源電圧ＶＤが供給される共通電源線に接続されている。
上記のように構成される２次元圧力センサ３００の場合、圧力センサＳｂは、２つの電極３６２Ａ、３６２Ｂを有するのみである。このため、２次元圧力センサ３００では、図７に示すように、電極３６２Ａと電極３６２Ｂとの間の電気抵抗値ＲＡＣのみしか検出することができない。この結果、２次元圧力センサ３００では、センサ面３７０に対して垂直に作用する力、すなわち圧力を検出することはできても、本実施形態による力検出装置１００とは異なり、センサ面３７０に対してセンサ面３７０に平行に作用する力を検出することができない。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による力検出装置について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による力検出装置におけるセンサセルを含むセルアレイの構造を示す平面図である。なお、上記第１実施形態による力検出装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
本実施形態による力検出装置の基本的構成は、図１及び図２に示す第１実施形態による力検出装置１００の構成とほぼ同様である。本実施形態による力検出装置は、センサセル６０において、選択トランジスタＭ１、Ｍ２の第１及び第２ゲート線への接続、及び電極の第１及び第２電源線への接続が第１実施形態とは一部異なっている。
本実施形態による力検出装置２００では、センサアレイ１０において、第１実施形態のセンサセル６０と同様のセンサセル６０ａと、第１実施形態のセンサセル６０とは接続が異なるセンサセル６０ｂとが、行方向及び列方向に交互に配置されている。
第１実施形態のセンサセル６０とは接続が異なるセンサセル６０ｂが第ｘ行、第ｙ列に位置する場合、そのセンサセル６０ｂにおける力センサＳの電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ、選択トランジスタＭ１、Ｍ２は、それぞれ次のように接続されている。なお、ｘは１≦×≦ｍを満たす整数であり、ｙは１≦ｙ≦ｎを満たす整数である。
すなわち、選択トランジスタＭ１のゲート電極は、対応する第ｘ行の第１ゲート線ＧＬｘａに接続されている。選択トランジスタＭ１のソース電極は、対応する第ｙ列のデータ線ＤＬｙに接続されている。選択トランジスタＭ１のドレイン電極は、電極６２Ｂに接続されている。
また、選択トランジスタＭ２のゲート電極は、対応する第ｘ行の第２ゲート線ＧＬｘｂに接続されている。選択トランジスタＭ２のソース電極は、対応する第ｙ列のデータ線ＤＬｙに接続されている。選択トランジスタＭ２のドレイン電極は、電極６２Ｃに接続されている。
また、電極６２Ａは、対応する第ｙ列の第１電源線ＶＬｙａに接続されている。電極６２Ｄは、対応する第ｙ列の第２電源線ＶＬｙｂに接続されている。
本実施形態でも、第１及び第２ゲート線のオンオフ状態の切り替え、並びに第１及び第２電源線のオンオフ状態の切り替えを第１実施形態と同様に行うことができる。これにより、センサアレイ１０における各センサセル６０について、電気抵抗値ＲＡＢ、ＲＡＣ、ＲＢＤ、ＲＣＤを個別に取得することができる。なお、本実施形態では、動作シーケンスと、取得される電気抵抗値との対応関係が、上述した第１実施形態における対応関係とは異なることになる。
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、各力センサＳが、４つの電極６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄを有する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。力センサＳは、３つ以上の複数の電極を有するものであればよい。この場合において、各センサセル６０は、２つ以上の複数の選択トランジスタ等のアクティブ素子を有していればよい。３つ以上の電極を有することにより、２組以上の電極間の電気抵抗値を取得することができ、これらの電気抵抗値の相対的な大小関係に基づき、センサ面に対して作用するセンサ面に平行な力の方向を求めることができる。
また、上記実施形態では、薄膜トランジスタ等の選択トランジスタＭ１、Ｍ２をアクティブ素子とする場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。選択トランジスタＭに代えて、例えばＭＩＭ（Metal Insulator Metal）ダイオード等の他のアクティブ素子を用いることができる。各センサセルが、メモリ性を有する素子を備えていてもよい。検出回路３０は、例えば電流などの電圧以外の方法で、データ線ＤＬ１、ＤＬ２、…、ＤＬｎの出力を得てもよい。
また、上記実施形態では、選択トランジスタＭ１、Ｍ２にＮ型の薄膜トランジスタを適用したものであったが、これに限定されるものではない。選択トランジスタＭ１、Ｍ２にＰ型の薄膜トランジスタを適用したものであってもよい。Ｐ型の薄膜トランジスタを適用した場合、上記実施形態とは、ゲート駆動信号の論理が逆であり、センサセルに供給する電源電位と接地電位とが逆であるなどする。
また、上記実施形態では、センサアレイ１０において複数のセンサセル６０が矩形格子状に配置されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。複数のセンサセル６０は、規則的又は不規則的に２次元に配置することができる。
１０…センサアレイ
２０…ゲート線駆動回路
３０…検出回路
４０…電源線駆動回路
５０…制御部
６０、６０ａ、６０ｂ…センサセル
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ…電極
６４…センサ層
７０…センサ面
１００、２００…力検出装置
Ｓ…力センサ
Ｍ１、Ｍ２…選択トランジスタ
ＧＬｉａ…第１ゲート線
ＧＬｉｂ…第２ゲート線
ＶＬｊａ…第１電源線
ＶＬｊｂ…第２電源線
ＤＬｊ…データ線

Claims (11)

  1. ３つ以上の電極と、前記３つ以上の電極上に形成され、感圧材料からなるセンサ層とを有する力センサと、
    前記力センサの前記３つ以上の電極のうちの２組以上の電極の間の電気抵抗値を検出する検出部と
    を有することを特徴とする力検出装置。
  2. 前記力センサをそれぞれが含み、２次元状に配された複数のセンサセルを有する
    ことを特徴とする請求項１記載の力検出装置。
  3. 前記複数のセンサセルのそれぞれが、複数のアクティブ素子を含む
    ことを特徴とする請求項２記載の力検出装置。
  4. 前記アクティブ素子が、薄膜トランジスタである
    ことを特徴とする請求項３記載の力検出装置。
  5. 前記３つ以上の電極が、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第４電極とを含み、
    前記アクティブ素子が、前記第１電極に接続された第１アクティブ素子と、前記第４電極に接続された第２アクティブ素子とを含む
    ことを特徴とする請求項３又は４に記載の力検出装置。
  6. 前記第１アクティブ素子に接続され、前記第１アクティブ素子を駆動するための第１駆動信号線と、
    前記第２アクティブ素子に接続され、前記第２アクティブ素子を駆動するための第２駆動信号線とを有する
    ことを特徴とする請求項５記載の力検出装置。
  7. 前記第２電極に接続され、電源電圧を供給するための第１電源線と、
    前記第３電極に接続され、電源電圧を供給するための第２電源線とを有する
    ことを特徴とする請求項５又は６に記載の力検出装置。
  8. 前記第１アクティブ素子及び第２アクティブ素子に接続された出力信号線を有する
    ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の力検出装置。
  9. 前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極が、前記センサ層の四隅に位置するように配置され、
    前記検出部が、前記第１電極と前記第２電極との間、前記第１電極と前記第３電極との間、前記第２電極と前記第４電極との間、及び前記第３電極と前記第４電極との間の電気抵抗値を検出する
    ことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の力検出装置。
  10. 前記３つ以上の電極は、互いに同一の平面形状を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の力検出装置。
  11. 前記３つ以上の電極は、２次元的に等間隔に配置されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の力検出装置。
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