JP6316371B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
感圧樹脂は、導電性粒子をシリコーンゴム等の絶縁樹脂内に分散させたものである。感圧樹脂では、圧力が加えられると、絶縁樹脂内において導電性粒子同士が接触することで、抵抗値が低下する。これにより、感圧樹脂に加えられた圧力を検知できる。
多数の薄膜トランジスタは、マトリクス状に配置されており、電極として機能する。これにより、圧力検出の高速化、高解像度化、低消費電力化が可能になる。
一般的に、感圧層の接触面積の変化を用いた圧力センサは、感圧層の圧力測定範囲が狭いという問題を有している。具体的には、圧力−電気抵抗特性では、圧力が低い範囲では電気抵抗の変化割合は大きいが、圧力が高い範囲では電気抵抗の変化割合が小さい。その理由は、圧力が高くなっていっても、途中から感圧層と電極との接触面積は大きくならず、つまり接触抵抗が圧力に追従しないからである。この結果、圧力が高い範囲では、感度が不足して圧力を正確に測定できない。
共通電極は、一面に広がって形成されている。
複数の増感電極は、共通電極に対向してマトリクス状に設けられている。
複数の山型感圧層は、複数の増感電極の共通電極側の上にそれぞれ形成されている。
複数の薄膜トランジスタは、複数の増感電極に対応して複数の増感電極の共通電極と反対側に設けられ、1又は隣接する2以上が1つの増感電極に接続される。
増感電極は、押圧力が共通電極に対して山型感圧層及び増感電極に向かって作用することによって共通電極と山型感圧層が接触する接触面が山型感圧層の平面視中心部から外側に広がっていくときに、接触面の外縁との距離が徐々に短くなる。
なお、「山型」とは、頂部(又は中心部)と周縁部とを有しており、ドーム形状、錐体形状、錐台形状を含む。山型の平面形状は、円、四角、その他の形状を含む。
また、「外側」とは、平面視において山型感圧層の中心部から離れる側を意味する。
さらに、山型感圧層の頂点部分の面積が小さくなっているので、低圧力範囲も正確に測定できる。
なお、増感電極の平面形状は円及び他の形状を含んでいるので、ここでの「径」とは、平面視中心から各方向の端までの長さを意味する。
この圧力センサでは、増感電極が山型感圧層からはみ出ることがないので、共通電極と増感電極が接触する可能性が少なくなる。
絶縁基材及び共通電極は伸縮性を有していてもよい。
(1)圧力センサの基本構成
図1〜図5を用いて、第1実施形態に係る圧力センサ1を説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。図2は、圧力センサの部分概略断面図である。図3は、圧力センサの下側電極部材の概略平面図である。図4は、増感電極と感圧層の模式的平面図である。図5は、圧力センサの等価回路図である。
圧力センサ1は、上側電極部材3を有している。上側電極部材3は、押圧力が作用する平面状の部材である。上側電極部材3は、絶縁フィルム7と、その下面に全面的につまり一面に広がって又はパターニングされて形成された共通電極9とを有している。
下側電極部材5は、複数の山型感圧層33を有している。複数の山型感圧層33は、複数の増感電極31の共通電極9側の上にそれぞれ形成されている。概略的に説明すれば、図2及び図4に示すように、山型感圧層33は増感電極31全体を覆っており、外径もわずかに大きい。したがって、平面視では増感電極31は山型感圧層33によって隠れている。
山型であることで、圧力に応じて共通電極9と山型感圧層33の接触面積が増加する。また、外周にいくほど山型感圧層33の厚みが小さくなり、抵抗値が下がる。言い替えると、低圧力のときは、山型感圧層33の頂点(半径方向中心)のみが共通電極9に接触しており接触面積が小さい。高圧力のときは、山型感圧層33の山型の中腹(半径方向中間部)又は麓(外周部)まで共通電極9が接触しており接触面積が大きい。
一例として、山型感圧層33の高さHは、広い範囲では5〜100μmであり、狭い範囲では10〜30μmである。山型感圧層33の径Lは、広い範囲では0.1〜1.0mmであり、狭い範囲では0.3〜0.6mmである。
共通電極9の領域が山型感圧層33に向かって押し下げられると、共通電極9と押し下げ領域に位置付けられている増感電極31が電気的に導通する。押し下げは、例えば、指、スタイラスペン、棒、手の平、足裏で行えばよい。電極ピッチは例えば0.3〜0.7mmである。
下側電極部材5は、複数の薄膜トランジスタ30(以下、「TFT30」という)を有している。各TFT30は、増感電極31の各々に対応して設けられており、電流値検出用の電極として機能する。
TFT30は、図1及び図2に示すように、ソース電極17と、ドレイン電極19と、ゲート電極21とを有している。TFT30は、トップゲート型である。ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を構成する材料は、特に限定されない。また、TFTはボトムゲート型であってもよい。
TFT30は、ソース電極17、ドレイン電極19及び有機半導体23を覆うように形成された第1絶縁膜25を有している。
TFT30は、第1絶縁膜25の上面に形成されゲート電極21を覆う第2絶縁膜27を有している。
複数の増感電極31は、第2絶縁膜27の上面に形成されている。増感電極は、第1絶縁膜25及び第2絶縁膜27を貫通する貫通孔に形成された導電部29を介して、TFT30に接続されている。
圧力センサ1は、回路部(図示せず)を有している。回路部は、ドレイン電極19、ソース電極17及び共通電極9を制御するものであり、例えば、共通電極9、ソース電極17に所定電圧を印加する電源電圧と、ソース−ドレイン間の電流値に応じた信号を発生して外部の信号処理装置へ出力する電流検出回路とを有している。外部の信号処理装置は、回路部から送られてきた信号に基づいて、押圧位置及び押圧力を検出する。
図6〜図9を用いて、押圧動作及び圧力測定動作を説明する。図6〜図8は、圧力が作用した状態での圧力センサの概略断面図である。図9は、圧力センサの圧力と電気抵抗変化率との関係を示すグラフである。
圧力が加えられると、山型感圧層33の抵抗が低下する。電圧電源により一定の電圧を加えたときのソース−ドレイン間の電位差は、ドレイン電極19と直列に接続された山型感圧層33の抵抗値に依存する。その結果、ソース−ドレイン間の電位差が大きくなり、流れる電流量が増加する。したがって山型感圧層33に与える押圧力と電流量とを予め取得しておけば、信号処理装置(図示せず)は、電流量に応じた信号の変化を読み取ることで、圧力センサ1に印加される圧力量(押圧力)を検知できる。
図7では、上側電極部材3に中くらいの力F2が作用しており、したがって共通電極9は、山型感圧層33の中心部からさらに外周側の部分にも接触する。つまり、共通電極9と山型感圧層33の接触面が広がっている。
図8では、上側電極部材3に大きな力F3が作用しており、したがって共通電極9は、山型感圧層33のさらに外周側の部分まで接触している。つまり、共通電極9と山型感圧層33の接触面がさらに広がっている。
また、絶縁フィルム7と共通電極9が伸縮性を有することで、圧力がなくなったときに絶縁フィルム7と共通電極9が復元する性能が向上する。この結果、繰り返し測定の再現性が向上する。
一般的に、絶縁フィルム7及び共通電極9に圧力が加わると大面積の撓みが発生するが、複数の小面積の感圧層及び電極に集中して荷重が作用することになり、その場合に絶縁フィルム7と共通電極9にクラックや変形が発生するというおそれがあった。しかし、本実施形態では、絶縁フィルム7と共通電極9が伸縮性を有することで、山型感圧層33に共通電極9にクラックや変形が生じにくい。この結果、圧力センサ1の信頼性が向上する。
なお、上記のように柔らかく薄い基材を上部に持ってきた場合は、上部電極9が山型感圧層33山の麓まで完全に接触した場合にそれ以上接触面積は変化しなくなるので圧力測定範囲は狭くなるが、接触面積の差が大きいので圧力の分解能が大きくなる。なお、基材の厚みや硬さは、測定したい範囲に応じて適宜選択される。
本実施形態では、低圧力の領域において、高い変化率が得られ、つまり高感度である。また、本実施形態では、高圧力の領域において、所定の抵抗の変化率が得られ、つまり圧力を測定可能である。以下、その理由を説明する。
増感電極31は、共通電極9に対して山型感圧層33に向かって押圧力が作用することによって共通電極9と山型感圧層33が接触する接触面が山型感圧層の平面視中心部から外側に広がっていくときに、接触面の外縁との距離が徐々に短くなる形状を有している。このことは、図6の距離H1、図7の距離H2、図8の距離H3が徐々に短くなっていることから明らかである。
距離H1は例えば25μmであり、H3は例えば10μmである。このように図8の状態では図6及び図7の状態に比べて、抵抗値が小さくなり、したがって電流値が大きくなる。
以上の構成により、高圧力が作用すると、例えば図8に示すように、共通電極9と山型感圧層33が接触する接触面の外縁が、低圧力が作用した場合(例えば、図7)に比べて外側にある状態になる。この状態では、増感電極31と接触面の外縁との距離が短くなっているので、共通電極9と増感電極31と間で短い導電パスが確保されている。したがって、圧力が高い範囲でも、感度が不足せず、圧力を正確に測定できる。つまり、圧力センサ1において、正確に測定できる圧力測定範囲を広く確保できる。
また、比較例1では増感作用がないので、抵抗値が本実施形態に比べて大きくなる問題がある。
比較例3では、アクティブマトリクス方式ではなく、共通電極に対向してベタ電極が設けられている。また、高圧力が作用しているときに、抵抗の変化率が0%に近くなり、つまり圧力を測定できない。
ただし、増感電極31は、山型感圧層33の径に対して30%以上、50%以上の長さの径を有していれば十分である。
なお、増感電極の平面形状は円形及び他の形状を含んでいるので、ここでの「径」とは、平面視中心から各方向の端を意味する。
絶縁フィルム7、絶縁フィルム15としては、ポリカーボネート系、ポリアミド系、若しくは、ポリエーテルケトン系などのエンジニアリングプラスチック、又は、アクリル系、ポリエチレンテレフタレート系、若しくは、ポリブチレンテレフタレート系などの樹脂フィルムを用いることができる。
絶縁フィルム7に伸縮性を要求する場合は、例えばウレタンフィルム、シリコン、ゴムである。絶縁フィルム7及び絶縁フィルム15は、電極を印刷して乾燥するので耐熱性を有する材料が好ましい。
山型感圧層33は、例えば感圧インキからなる。感圧インキは、外力に応じて対向する電極との接触抵抗が変化することよって圧力検出を可能にする材料である。感圧インキ層は、塗布により配置できる。感圧インキ層の塗布方法としては、スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、又はフレキソ印刷などの印刷法、又はディスペンサによる塗布を用いることができる。
図10〜図19を用いて、圧力センサ1の製造方法を説明する。図10〜図19は、圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。
最初に、図10〜図18を用いて、下側電極部材5の製造方法の各ステップを説明する。
図11に示すように、例えばフォトリソグラフィー法によって電極材料37の一部を除去することで、フィルム露出部39を形成する。また、これにより、ソース電極17とドレイン電極19を形成する。なお、ソース電極17とドレイン電極19の形成手法は特に限定されない。
図13に示すように、ソース電極17、ドレイン電極19及び有機半導体23が形成された面を覆うように、第1絶縁膜25を形成する。
図14に示すように、第1絶縁膜25の上面において有機半導体23の上方に、ゲート電極21を形成する。ゲート電極21の形成手法は公知の技術である。
図16に示すように、第1絶縁膜25と第2絶縁膜27にレーザによってドレイン電極19に至る貫通孔を形成し、そこに導電材料を埋めることで導電部29を形成する。
図18に示すように、増感電極31の上に山型感圧層33を印刷法によって形成する。
図19に示すように、印刷法によって絶縁フィルム7の一面に共通電極9を形成する。なお、絶縁フィルム7の一面に例えばスパッタリングによって共通電極9の材料を形成し、続いてフォトリソグラフィー法によって共通電極9を形成してもよい。
最後に、上側電極部材3と下側電極部材5とを接着剤からなる額縁状の額縁スペーサ13(図2)を介して貼り合わせることで、圧力センサ1を完成させる。
前記実施形態では増感電極31と山型感圧層33は行と列が完全にそろったマトリクス形状であったが、広い意味でのマトリクス形状に配置されていればよい。
図20に示す例では、増感電極31A及び山型感圧層33Aの平面レイアウトは、多角形(例えば、六角形、平行四辺形)の繰り返し格子である。
図21に示す例では、増感電極31B及び山型感圧層33Bの平面レイアウトは、均一に並んでおらず、複数箇所に隙間が形成されている。
前記実施形態では増感電極31と山型感圧層33の平面形状は共に円であったが、特に限定されない。
図22に示す例では、増感電極31C及び山型感圧層33Cの平面形状は四角形である。これらの平面形状は、三角形、その他の多角形でもよい。
前記実施形態では共通電極9は山型感圧層33に直接接触するようになっていたが、他の層を介して接触してもよい。
図23に示す例では、共通電極9に感圧層35が形成されている。この場合、圧力が作用すれば、感圧層35が山型感圧層33に接触する。
前記実施形態では、山型感圧層33はドーム形状であって側面形状は半円形状であったが、特に限定されない。ただし、所望の効果を得るためには、共通電極9と段階的に接触することを目的として、山型感圧層33は高さが所定以上であることが必要である。また、共通電極を外周側の側面部に接触させるためには、山型感圧層33は傾斜角度が所定以下であることが必要である。
図25に示す例では、山型感圧層33Eは円錐台形状であって、側面形状は台形である。台形の場合は、頂上部は斜面部より面積が十分に小さい必要がある。
図26に示す例では、山型感圧層33Fの上部のみがドーム形状になっている。
図27に示す例では、山型感圧層33Gの上部のみが円錐になっている。
図28に示す例では、山型感圧層33Hの上部のみが錐台になっている。
前記実施形態では、増感電極と山型感圧層の平面形状は概ね同じであったが、両者は異なっていてもよい。特に増感電極の形状を変更することで、抵抗値変化量をコントロールできる。
具体的には、TFT30の抵抗に比べて山型感圧層33の抵抗が低すぎる場合は、増感電極31の面積を減らすことで山型感圧層33の抵抗(電流)を調整することが行われる。
図30に示す例では、山型感圧層33の平面形状が円であるのに対して、増感電極31Eの平面形状は三角形である。したがって、導電パスの短い部分は、加圧時に増感電極31Eの中心から各角に向かって外周側に広がっていく。
上述したように、いずれの場合も、増感電極31D〜31Fは、中心部から半径方向外側に延びる増感部を有している。増感部と山型感圧層の対応部分との関係は、第1実施形態記載の内容と同じである。つまり、増感電極31D〜31Fの増感部は、圧力が高くなるにつれて、中心部から半径方向外側に延びる部分と共通電極9との間の導電パスが短くなるように形成されている。
前記実施形態では、複数の山型感圧層33は互いに電気的に独立していたが、特に限定されない。
図32に示す例では、複数の山型感圧層33Iは互いに接触又は連続している。
図33に示す例では、山型感圧層33の間に、ダミー電極又はスペーサ41が形成されている。スペーサ41は、山型感圧層33と同じく山型形状である。スペーサ41は山型感圧層33より高い。したがって、非加圧時に共通電極9と山型感圧層33との間には隙間が確実に確保され、そのため山型感圧層33に作用する圧力をゼロにできる。図33では、スペーサ41は山型感圧層33から連続して形成されている。
なお、スペーサ41の形状が山型であるので、感圧層31の周囲上側の空間が比較的大きくなっており、そのため共通電極9が山型感圧層33に追従しやすい。ただし、スペーサの形状は山型に限定されず、上面が平面であってもよい。
図34に示す例では、スペーサ41は山型感圧層33から離れて形成されている。
前記実施形態では、各個別電極に薄膜トランジスタを対応させ、さらに各薄膜トランジスタの電流を検出していた。言い換えると、1つの増感電極に1つの薄膜トランジスタが接続されていた。
しかし、1つの増感電極に複数の薄膜トランジスタを対応させ、複数の薄膜トランジスタの電流を検出するようにしてもよい。具体的には、1つの増感電極に隣接する2以上の薄膜トランジスタが接続される。これにより検出される電流値が大きくなり、さらに、回路に冗長性をもたすことができる。
薄膜トランジスタの組み合わせパターンは複数可能であり、例えば、2×3、3×2、4×4、5×2でもよい。また、1つの圧力装置に複数の組み合わせパターンが存在してもよい。
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
3 :上側電極部材
5 :下側電極部材
7 :絶縁フィルム
9 :共通電極
13 :額縁スペーサ
15 :絶縁フィルム
17 :ソース電極
19 :ドレイン電極
21 :ゲート電極
23 :有機半導体
25 :第1絶縁膜
27 :第2絶縁膜
29 :導電部
30 :薄膜トランジスタ
31 :増感電極
33 :山型感圧層
35 :感圧層
Claims (6)
- 一面に広がって形成された共通電極と、
前記共通電極に対向してマトリクス状に設けられた複数の増感電極と、
前記複数の増感電極の前記共通電極側の上にそれぞれ形成された複数の山型感圧層と、
前記複数の増感電極に対応して前記複数の増感電極の前記共通電極と反対側に設けられ、1又は隣接する2以上が1つの増感電極に接続される複数の薄膜トランジスタと、を備え、
前記共通電極は、押圧力が前記共通電極に対して前記山型感圧層及び前記増感電極に向かって作用するときに、前記山型感圧層の形状に対して追従して接触するものであり、
前記増感電極は、押圧力が前記共通電極に対して前記山型感圧層及び前記増感電極に向かって作用することによって前記共通電極と前記山型感圧層が接触する接触面が前記山型感圧層の平面視中心部から外側に広がっていくときに、前記接触面の外縁との距離が徐々に短くなる、圧力センサ。
- 前記増感電極は、前記山型感圧層の径に対して30%以上の長さの径を有している、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記増感電極は、前記山型感圧層の径に対して50%以上の長さの径を有している、請求項2に記載の圧力センサ。
- 前記増感電極は、前記共通電極と前記山型感圧層が最大面積で接触可能な接触面の外縁近傍まで延びる径を有している、請求項3に記載の圧力センサ。
- 前記増感電極は、前記山型感圧層に完全に覆われている、請求項1〜4のいずれかに記載の圧力センサ。
- 前記共通電極の前記複数の増感電極と反対側に設けられた絶縁基材をさらに備え、
前記絶縁基材及び前記共通電極は伸縮性を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の圧力センサ。
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