JP5493321B2 - 薄膜センサ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜プロセスにて作成される薄膜センサを用いた薄膜センサ装置に関する。
アモルファスシリコンやポリシリコン等から構成される薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を応用して作成される薄膜センサが知られている。この種の薄膜センサは、ガラス基板上等に形成できるため、例えばLCD(液晶ディスプレイ)等の表示装置と同一基板上に形成することも可能である。このため、薄膜センサに関して各種の応用例が提案されている。例えば、特許文献1においては、薄膜トランジスタを用いた光センサに関する提案がなされている。
ここで、特許文献1において提案されているような従来の薄膜プロセスを応用した光センサは、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を検出するものである。この出力電流は、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薄膜センサを光センサとして利用するためには、光センサからの電流を増幅してから取り出すことが望ましい。このため、通常、薄膜センサを用いる場合には、薄膜センサの作成プロセスとは別プロセスで作成された増幅回路を接続した薄膜センサ装置として用いることが多い。
特開平3−82171号公報
ここで、従来の薄膜センサ装置においては、薄膜センサから出力される電流が増幅回路に入力される際に、各種のノイズ電流が混入することが知られている。薄膜センサの出力電流がノイズ電流に対して十分大きければ、多少のノイズ電流の混入は問題にはならないが、実際には薄膜センサの素子サイズの制約から、薄膜センサの出力電流を必要以上に大電流とすることができず、ノイズ電流が非常に大きな問題となっている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、薄膜センサの出力電流に混入するノイズ電流の影響を除去できる薄膜センサ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の態様の薄膜センサ装置は、検出部にて検出された検出電流を出力する電流出力端子を有する電流出力型の薄膜センサと、電位レベルが時間的に変動する信号が供給される信号配線と前記電流出力端子との間に介在するように設けられたシールド配線とを具備し、前記薄膜センサは、前記シールド配線と前記電流出力端子との間に、接地電位と異なる一定の電位に設定される制御端子と電源用の接続端子とを有し、前記シールド配線は前記制御端子と前記接続端子の何れかに接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、薄膜センサの出力電流に混入するノイズ電流の影響を除去できる薄膜センサ装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1(a)、図1(b)は、本発明の一実施形態に係る薄膜センサ装置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。なお、本実施形態においては、薄膜センサを光センサに応用した例について説明する。
図1(a)に示すように、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。
表示パネル10は、図1(b)に示すように、表示部が形成されるガラス基板10aとコモン電極が形成されるガラス基板10bとを液晶層を介して貼り合わせることで構成されている。
ガラス基板10aには、表示部11と、ゲートドライバ12と、ソースドライバ13と、クロスパッド14とが実装されている。そして、表示部11は、配線12aを介してゲートドライバ12に接続されるとともに、配線13aを介してソースドライバ13に接続されている。また、ゲートドライバ12は、配線12bを介してフレキシブルプリント基板(FPC)40に接続されている。同様に、ソースドライバ13は、配線13bを介してFPC40に接続されている。また、クロスパッド14は配線(COM配線)14aを介してFPC40に接続されている。さらに、表示部11の背面にバックライト15が配されている。
表示部11は、複数の走査線Sと複数のデータ線Dと各走査線Sと各データ線Dの各交点近傍に形成されたa−SiのTFT11aと該TFT11aに接続された液晶層LC等からなる画素が配されて構成されている。この液晶層LCはTFT11aに接続された画素電極とガラス基板10bに形成されたコモン電極とによって挟持されている。このような構成の画素は液晶層LCに印加される電圧に応じてガラス基板10aの背面に配されたバックライト15からの光の透過率を変化させるものである。
ゲートドライバ12は、走査線Sに接続されたTFT11aをオン状態又はオフ状態とするための走査信号を走査線Sの1行毎に印加する。このゲートドライバ12はFPC40を介して印加される水平制御信号に基づいて動作する。また、ソースドライバ13は、データ線Dに表示データに応じた階調レベルに対応した画素信号を印加する。このソースドライバ13はFPC40を介して印加される垂直制御信号に基づいて動作する。
ゲートドライバ12によってTFT11aがオン状態とされると、TFT11aを介してデータ線Dに印加された画素信号が画素電極に印加される。この画素電極と共通電極との電位差に応じた電圧が液晶層LCに印加されることによって液晶層LCの光の透過率が変化する。これにより表示パネル10おいて階調表示を行うことが可能である。
クロスパッド14は、ガラス基板10bに形成されたコモン電極と電気的に接続されるように構成されており、FPC40を介して供給されるコモン電圧(COM電圧)をコモン電極に供給する。
一般に、長寿命化等の理由で、液晶の駆動には交流駆動(液晶層LCに印加される電圧の極性を所定期間毎に変動させる)が必須である。この交流駆動のために、画素信号の電位レベルとコモン電圧の電位レベルとを例えば1フレーム毎(表示部11の1画面分の表示期間毎)に変動させる。
バックライト15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10a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に出力する電流出力型の薄膜センサである。この光センサ20は画素を構成するTFT11aと同様の薄膜プロセスによって製作することが可能である。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とフレキシブルプリント基板(FPC)50を介して接続されている。この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15の輝度を制御する。
FPC40は、外部の図示しない電源や制御信号の印加回路等と表示パネル10とを接続している。FPC50は、光センサ20とバックライトコントローラ30とを接続している。
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から入力される電流信号Ioutを電圧信号Vout(Vout=−Iout×R)に変換する。ここで、I−V変換部31は、単なる電流−電圧変換だけを行うものではなく、増幅回路としても機能する。即ち、Rの値を大きくすることにより、光センサ20から出力される電流信号が微小であっても大きな電圧信号を取り出すことが可能である。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15のLED15aを駆動するための電圧を生成して、バックライト15に供給する。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に比例するように、LED15aの駆動電圧を制御する。LED15aの駆動電圧の変化は連続的であっても離散的であってもよい。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LED15aの輝度が高くなるようにLED15aの駆動電圧が上昇する。これによって表示部11の見えを改善することができる。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LED15aの輝度が低くなるようにLED15aの駆動電圧が降下する。これによって低消費電力化を図ることができる。
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)20aから構成されている。図3に示すように、TFT20aのゲート電極は光センサ20における制御端子である。図3において、TFT20aのゲート電極はFPC50上に設けられた接続端子50cに例えば異方性導電膜を介して接続され、接続端子50cは、FPC50上に設けられた配線を介してバックライトコントローラ30の内部に設けられた負の電圧源Vg(例えば所定の基準電位GNDに対して−10Vの電圧源)に接続されている。また、TFT20aのソース電極は光センサ20における電源用の接続端子である。図3において、TFT20aのソース電極はFPC50上に設けられた接続端子50bに接続され、接続端子50bはFPC50上に設けられた配線を介してバックライトコントローラ30の内部に設けられた正の電圧源Vd(例えば所定の基準電位GNDに対して+10Vの電圧源)に接続されている。また、TFT20aのドレイン電極は光センサ20における電流出力端子である。図3において、TFT20aのドレイン電極はFPC50上に設けられた接続端子50aに接続され、接続端子50aはFPC50上に設けられた配線を介してバックライトコントローラ30のI−V変換部31に接続されている。
なお、接続端子50aと、接続端子50bと、接続端子50cとはそれぞれ例えば絶縁膜によって絶縁されているものである。
図4は、光センサ20を構成するTFT20aの断面図を示す図である。図4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4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やSiN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4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。真性a−Si層104は、後述する如く、受光量に対応した検出電流を出力する検出部の機能を有する。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4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。
このような構成において、TFT20aのゲート電極に−10V程度の負電圧が印加されているときにTFT20aの真性a−Si層104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電流出力端子であるTFT20aのドレイン電極から出力される。図5は、TFTへの光照射時のゲート電圧Vg−ドレイン電流Id特性を示している。この電流Idを検出することでTFTを光センサとして用いることが可能である。なお、TFT20aのチャネル長Lを小さくするか又はチャネル幅Wを長くすることで電流出力端子から出力される電流Idを大きくすることが可能である。
ここで、本実施形態においては、光センサ20(特に電流出力端子であるTFT20aのドレイン端子)とコモン電極用の配線(COM配線)14aとの間にシールド配線21が設けられており、このシールド配線21と光センサ20の出力配線との間の電位差の関係が直流となるようにシールド配線21の電位を設定してする。本実施形態の例では、シールド配線21の電位レベルをグランド(GND)電位に固定している。なお、固定の電位であればGND電位でなくとも良い。また、出力が時間的に変動するようなセンサの近傍にシールド配線21を設ける場合には、時間変動するセンサの出力に対してシールド配線21の電位も変動させる。
以下、シールド配線21の作用について説明する。
比較のために、まず、シールド配線21を設けない場合について説明する。図6は、シールド配線21を設けない場合の光センサ20、FPC50、COM配線14a、バックライトコントローラ30(図にはI−V変換部31のみを示している)の等価回路図である。
図1に示す例において、光センサ20は、COM配線14aに隣接している。この場合、光センサ20の出力配線とCOM配線14aとは図6に示すように寄生容量Cを介して接続されていると考えられる。この場合、交流駆動のため等でCOM配線14aに印加されるCOM電圧のレベルが変動すると、この電位レベルの変動に応じたノイズ電流が寄生容量Cを介して光センサ20の出力電流に混入する。なお、寄生容量Cは、3次元静電解析等の手法によって求めることができる。例えば、対角2インチ程度の表示部11に光センサ20を設ける場合を考えると、図6の寄生容量Cはおよそ0.1fF〜1.0fF程度のオーダーとなる。また、交流駆動としてCOM電圧の電位レベルを1フレーム毎に変動させるフレーム反転駆動を用いたとすると、ノイズ電流Iは以下の式から求めることが可能である。
I=C×V×Ng×f0
ここで、f0はフレーム周波数、VはCOM電圧の電位変動幅、Ngは走査線Sの本数である。上式から、約10pA程度のノイズ電流Iが光センサ20の出力電流に混入してしまうことが分かる。このノイズ電流Iは図5に示したTFTに入射する光の照度が低い時にTFTに流れる電流Idとほぼ同じオーダーである。したがって、このようなリーク電流Iが光センサ20の出力電流に混入すると、光センサ20としてのS/Nが大きく損なわれることになる。
図7は、シールド配線21を設けた場合の光センサ20、FPC50、COM配線14a、バックライトコントローラ30(図にはI−V変換部31のみを示している)の等価回路図である。
光センサ20とCOM配線14aとの間にシールド配線21を介在させることにより、図7に示すようにCOM配線14aと光センサ20の出力配線との間の寄生容量Cが、COM配線14aとシールド配線21との間の寄生容量C1と、シールド配線21と光センサ20の出力配線との間の寄生容量C2とに分けられる。ここで、COM配線14aとシールド配線21との間の電位差はCOM電圧の変動に応じて時間的に変動するが、シールド配線21の電位はGND電位に固定されているため、シールド配線21と光センサ20の出力配線との間の電位差は時間的に変動しない。したがって、COM電圧の変動に伴うノイズ電流Iは寄生容量C1を介してシールド配線21に流れ、寄生容量C2を介して光センサ20の出力配線に流れることはない。
なお、シールド配線21の幅は幅広とするほど、ノイズ電流の混入防止効果を高めることができるが、実際には、シールド配線21の幅はCOM配線14aと同程度の幅で良い。これは、ノイズ電流の混入防止効果を高めるためには、COM配線14aとシールド配線21との間の容量結合を強める必要があるが、この容量結合の強さがシールド配線21とCOM配線14aの何れか小さいほうで制約されるためである。
以上説明したように、本実施形態によれば、光センサ20の出力配線とCOM配線14aとの間に、シールド配線21を配し、さらにシールド配線21と光センサ20の出力配線との間の電位差が時間的に変動しないようにシールド配線21の電位を設定している。これにより、COM配線14aに印加されるCOM電圧の変動によって生じるノイズ電流Iが光センサ20の出力に混入することを防止することが可能である。
ここで、上述の実施形態における例では、光センサ20がCOM配線14aの近傍に配置されている例について説明しているが、本実施形態の技術は光センサ20がCOM配線14aの近傍に配置される場合のみに限定されるものではない。即ち、光センサ20の近傍に配置される配線の電位レベルが時間的に変動する各種の場合に、本実施形態の技術を適用することが可能である。
[変形例1]
以下、本実施形態の変形例について説明する。上述の実施形態においては、シールド配線21を光センサ20とCOM配線14aとの間にのみ設けている。これに対し、図8に示すように、光センサ20を囲むようにシールド配線21を設けるようにしても良い。ただし、図8のようにして光センサ20を囲むようにシールド配線21を設ける場合、シールド配線21の一端は所定の電位(ここではGND電位)に固定しておく必要があるが、他端については開放状態としておく必要がある。これは、シールド配線21が回路ループを形成してしまうと、その中を時間変動する磁束が貫いた場合の磁気誘導による起電力が新たなノイズ電流の混入の原因となってしまうためである。
図8のような構成とすることにより、COM配線14aのみならず、光センサ20に近接する他のノイズ源からのノイズ電流の混入も防止することが可能である。
[変形例2]
上述した各例においては、シールド配線21の電位をGND電位に固定している。しかしながら、上述したようにシールド配線21の電位は時間的に変動しないのであれば、任意の電位に固定して良い。このため、例えば図9に示すようにしてシールド配線21を光センサ20の配線と共通に接続するようにしても良い。図9の例では、シールド配線21を光センサ20の制御端子と共通の接続端子50cに接続することでシールド配線21の電位をVgに固定している。シールド配線21を光センサ20の電源用の接続端子と共通の接続端子50bに接続するようにしても良い。
図9のような構成とすることにより、FPC50に必要な接続端子の数を低減させることが可能である。これにより、FPC50を小型化することが可能である。
[変形例3]
上述した実施形態及びその変形例では、薄膜センサを光センサとして利用する例について示している。しかしながら、本実施形態は薄膜センサを光センサとして利用した場合にのみ適用されるものではない。即ち、本実施形態は、検出部にて検出した対象物に関する検出電流を出力する電流出力型の各種の薄膜センサについて適用可能である。ここでは、その一例として薄膜センサを温度センサとして利用する例について説明する。
図10(a)は、温度センサを構成するTFTの断面図を示す図である。TFTを温度センサとして用いる場合には、図10(a)に示すように、保護膜108と遮光層109とによって真性a−Si層(検出部)104を遮光する。
a−Si TFTは、単結晶やポリシリコンのTFTに比べると電流の温度依存性が大きい。この電流の温度依存性は活性化エネルギーに関連している。さらに、活性化エネルギーは図10(b)に示すように、a−Si TFTのゲート電圧に依存している。図10(b)に示すように、ゲート電圧が大きい(TFTを流れる電流が大きい)領域よりもゲート電圧が小さい(TFTを流れる電流が小さい)領域のほうが、活性化エネルギーが大きいので、電流の温度依存性も強くなる。したがって、a−Si TFTを温度センサとして用いる場合にはTFTを流れる電流を小さくする、即ちゲート電圧を小さくしておくことが望ましい。なお、TFTを流れる電流を小さくしておくことにより、TFTの発熱による温度上昇も防ぐことが可能となるという効果も生じる。
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。
本発明の一実施形態に係る薄膜センサ装置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。 本発明の一実施形態における光センサの構成を示す図である。 光センサを構成するTFTの断面図を示す図である。 TFTへ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。 シールド配線を設けない場合の光センサ、FPC、COM配線、バックライトコントローラの等価回路図である。 シールド配線を設けた場合の光センサ、FPC、COM配線、バックライトコントローラの等価回路図である。 光センサを囲むようにシールド配線を形成する変形例を示す図である。 光センサと共通の接続端子にシールド配線を接続する変形例を示す図である。 TFTを温度センサとして利用する場合の変形例を示す図である。
符号の説明
10…表示パネル、10a…ガラス基板、10b…ガラス基板、11…表示部、11a…薄膜トランジスタ(TFT)、12…ゲートドライバ、13…ソースドライバ、14…クロスパッド、15…バックライト、12a,13a,14a…配線、20…光センサ、21…シールド配線、30…バックライトコントローラ、40,50…フレキシブルプリント基板(FPC)

Claims (10)

  1. 検出部にて検出された検出電流を出力する電流出力端子を有する電流出力型の薄膜センサと、
    電位レベルが時間的に変動する信号が供給される信号配線と前記電流出力端子との間に介在するように設けられたシールド配線と、
    を具備し、
    前記薄膜センサは、前記シールド配線と前記電流出力端子との間に、接地電位と異なる一定の電位に設定される制御端子と電源用の接続端子とを有し、
    前記シールド配線は前記制御端子と前記接続端子の何れかに接続されていることを特徴とする薄膜センサ装置。
  2. 前記シールド配線は、前記薄膜センサを囲むように延伸されていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜センサ装置。
  3. 前記シールド配線は一端が開放状態であることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜センサ装置。
  4. 前記シールド配線の幅は、少なくとも前記配線の幅と同じであることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の薄膜装置。
  5. 前記信号配線は、前記薄膜センサに隣接するように設けられていることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の薄膜装置。
  6. 前記薄膜センサ装置と同一基板上に前記薄膜センサ装置と別の回路が設けられていることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の薄膜センサ装置。
  7. 前記薄膜センサ装置は、画像を表示する表示装置に設けられ、前記別の回路は前記表示装置の駆動回路であることを特徴とする請求項に記載の薄膜センサ装置。
  8. 前記表示装置は液晶表示装置であって、前記配線は前記液晶表示装置のコモン電極用の配線であることを特徴とする請求項に記載の薄膜センサ装置。
  9. 前記薄膜センサは、照度の変化に従った電流を出力する光センサであることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の薄膜センサ装置。
  10. 前記薄膜センサは、温度の変化に従った電流を出力する温度センサであることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の薄膜センサ装置。
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