JP6325639B1 - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
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。
また、複数の個別電極には圧力が集中して壊れやすいので、圧力センサの耐久性が高くない。
本発明の他の目的は、圧力センサの耐久性を高くすることにある。
共通電極は、第1絶縁基材の主面に広がって形成されている。
第2絶縁基材は、第1絶縁基材の主面に対向して配置されている。
複数の個別電極は、第2絶縁基材の第1絶縁基材側の主面に、共通電極に対向して敷き詰められたように設けられている。
感圧層は、複数の個別電極及び共通電極の少なくとも一方の上に積層されている。
複数の薄膜トランジスタは、複数の個別電極に対応して第2絶縁基材の主面と反対側に設けられ、1又は隣接する2以上が1つの個別電極に接続される。
第1個別スペーサ及び第2個別スペーサは、第2絶縁基材の主面において複数の個別電極の間に配置され、共通電極に対向する。
第2個別スペーサは、第1個別スペーサより高く形成されている。
複数の個別電極は、低圧用個別電極と、高圧用個別電極とを有している。低圧用個別電極は、周囲の第1個別スペーサ及び第2個別スペーサの配置によって、第1絶縁基材と第2絶縁基材が接近するように低圧力が作用するだけで共通電極と導通するように設定されている。高圧用個別電極は、周囲の第1個別スペーサ及び第2個別スペーサの配置によって、第1絶縁基材と第2絶縁基材が接近するように低圧力が作用するときに共通電極と導通せずに、高圧力が作用するときに共通電極と導通するように設定されている。
この圧力センサでは、圧力が低い場合は、低圧用個別電極のみが共通電極と電気的に導通する。これにより、低圧用個別電極を介して感圧層の抵抗変化(つまり、圧力)を正確に測定できる。このとき、第1個別スペーサ及び第2個別スペーサの配置によって高圧用個別電極が低圧用個別電極に比べて共通電極に電気的に接触しないので、高圧用個別電極は共通電極に対して電気的に導通しない。そして、圧力が高くなれば、低圧用個別電極に加えて高圧用個別電極が共通電極と電気的に導通する。これにより、高圧用個別電極を介して感圧層の抵抗変化(つまり、圧力)を正確に測定できる。高圧用個別電極は、電気抵抗を正確に測定可能な圧力測定範囲が、低圧用個別電極のそれよりも高圧力側にシフトしているからである。
(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〜図3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4は、圧力センサの部分概略断面図である。図5は、圧力センサの下側電極部材の概略平面図である。
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(第1絶縁基材の一例)と、その下面(主面の一例)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、複数の個別電極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、山型感圧層33は個別電極31全体を覆っており、外径もわずかに大きい。したがって、平面視では個別電極31は山型感圧層33によって隠れている。
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。
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、個別電極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〜図4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。
複数の個別電極31は、第2絶縁膜27(第2絶縁基材の一例)の上面に形成されている。個別電極は、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。
ゲート電圧を入力したTFT30のドレイン電極19に電圧を印加すると、山型感圧層33の抵抗に対応するドレイン電流が流れる。そして、山型感圧層33に加わる圧力が高くなると抵抗が下がるので、ドレイン電流の増加が検出される。圧力センサ1上のTFT30を掃引してゲート電圧を加えドレイン電流を測定することにより、シート表面の圧力分布を観測できる。
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1〜図3に示すように、下側電極部材5の上面には、個別電極31及び山型感圧層33の間に、複数の個別スペーサ(ダミー電極ともいう)、具体的には、第1個別スペーサ35Aと第2個別スペーサ35Bが形成されている。
第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bは、山型感圧層33と同じく山型形状である。第1個別スペーサ35Aは、山型感圧層33と同じ高さであり、共通電極9との間に隙間を有している。ただし、第1個別スペーサ35Aは、山型感圧層33より高くてもよい。
第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの高さ、個別電極31における隙間は広い範囲から適宜設定可能である。例えば、0〜数十μmであり、数μmオーダーや十数μmオーダーでもよい。
第2個別スペーサ35Bは第1個別スペーサ35Aより高い。具体的には、山型感圧層33の高さが20μmのとき、第1個別スペーサ35Aの高さは、20〜70μmの範囲であり、第2個別スペーサ35Bの高さは、25〜125μmの範囲である。また、第1個別スペーサ35Aの高さと第2個別スペーサの35Bの高さの比は、1.07〜3.75の範囲である。そのため、第2個別スペーサ35Bは、共通電極9に当接又は近接している。以上の構造により、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。
なお、第1個別スペーサ35Aと第2個別スペーサ35Bの形状が山型であるので、山型感圧層33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、個別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7では、図の上側半分の領域又は下側半分の領域では、個別電極31と、第1個別スペーサ35A又は第2個別スペーサ35Bとは、交互に並んで配置されている。つまり、各領域では、個別電極31同士は行方向及び列方向のいずれにも互いに隣接していない。また、各領域では、個別スペーサ同士は、行方向及び列方向のいずれにも互いに隣接していない。ただし、図7では、領域の境界において、個別電極31同士が図上下方向に隣接しており、第1個別スペーサ35Aと第2個別スペーサ35Bが図上下方向に隣接している。
なお、個別電極31に山型感圧層33が形成されていることで山の頂点に圧力が集中することが想定されるが、複数の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bを設けることで複数の頂点に圧力を分散できる。その結果、圧力センサ1の耐久性が向上する。
この個別電極31は、4つの第1個別スペーサ35Aによって四方が囲まれている。この個別電極31の斜め方向4カ所には、個別電極31が配置されている。つまり、この個別電極31の周囲8カ所は全て同じ高さの構造になっている。以上の結果、この個別電極31は、低圧力測定用の個別電極31(低圧用個別電極の一例)になっている。
以上の結果、複数の高圧用の個別電極31が図の下側領域に配置され高圧エリアを形成して、1個の中圧用の個別電極31が図の上下全体に配置され、一対の低圧用の個別電極31が図の上側部分領域に配置されて低圧エリア形成している。
より詳細に説明すれば、各個別電極31は、周囲にある第2個別スペーサ35Bの密度、距離、高さによって、いずれの圧力範囲に対応するかが決定される。つまり、各個別電極31は、周囲にある第2個別スペーサ35Bの数が少ない等の理由によって「低圧での接触しやすさ」が高ければ、低圧力であっても共通電極9に導通する。また、例えば、各個別電極31は、周囲にある第2個別スペーサ35Bの数が多い等の理由によって「低圧での接触しやすさ」が低ければ、低圧力では共通電極9に導通せず、高圧力になってから共通電極9に導通する。
図8を用いて、押圧動作及び圧力測定動作を説明する。図8は、圧力センサの圧力と電気抵抗の関係を示すグラフである。
図8に示すように、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。
上側電極部材3に中くらいの力が作用して共通電極9が中圧用の個別電極31(具体的には、山型感圧層33)にも接触している。そのため、図8に示すように、当該個別電極31に対応するTFT30からの出力によって、中圧力を正確に測定できる。
以上に述べたように、各電極の抵抗変化の割合が十分に高い領域が荷重に応じてずらされているので、低圧力、中圧力、高圧力のいずれであっても正確に測定できる。
押圧領域では、いずれの押圧箇所であっても低圧用の個別電極31と、中圧用の個別電極31と、高圧用の個別電極31とが最低押圧面積内に含まれるように並べられている。「最低押圧面積」とは、予定される押圧物(例えば、指、ペン)が圧力センサを押したときに必ず押されると想定される最低限の面積である。
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。
第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bとしては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、若しくは、シリコーン系樹脂のような樹脂の印刷層又は塗布層を用いることができる。
図9〜図19を用いて、圧力センサ1の製造方法を説明する。図9〜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9〜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10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12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13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15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17に示すように、個別電極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4)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。
前記実施形態では個別電極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20を用いて、そのような実施形態を説明する。図20は、個別電極及び個別スペーサの平面形状を示す模式的平面図である。
図20では、個別電極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。
図21を用いて、個別電極31と第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配列パターンの変形例を説明する。図21は、個別電極と個別スペーサの平面位置関係を示す概略平面図である。
図21では、個別電極31と第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bとは、交互に並んで配置されている。つまり、個別電極31同士は行方向及び列方向のいずれにも互いに隣接していない。また、個別スペーサ同士は、行方向及び列方向のいずれにも互いに隣接していない。
図21では、第2個別スペーサ35Bが図上下方向真ん中で左右に直線状に配置されている。そのため、第2個別スペーサ35Bに挟まれた個別電極31(「高」の字)が高圧用になり、第2個別スペーサ35Bに挟まれてはいないが第2個別スペーサ35Bに隣接して配置された個別電極31(「中」の字)が中圧用になり、第2個別スペーサ35Bから離れた個別電極31(「低」の字)が低圧用になる。
この実施形態においても、低圧用の個別電極31は、周囲の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配置によって、低圧力が作用するだけで共通電極9と導通するように設定されている。高圧用の個別電極31は、周囲の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配置によって、低圧力又は中圧力が作用するときに共通電極9と導通せずに、高圧力が作用するときに共通電極9と導通するように設定されている。中圧用の個別電極31は、周囲の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配置によって、低圧力が作用するときに共通電極9と導通せずに、中圧力が作用するときに共通電極9と導通するように設定されている。
図22を用いて、個別電極31と第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配列パターンの変形例を説明する。図22は、個別電極と個別スペーサの平面位置関係を示す概略平面図である。
図22では、個別電極31と第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bとは、交互に並んで配置されている。つまり、個別電極31同士は行方向及び列方向のいずれにも互いに隣接していない。また、個別スペーサ同士は、行方向及び列方向のいずれにも互いに隣接していない。
一対の第2個別スペーサ35Bは、図左右方向に離れて配置されている。そのため、第2個別スペーサ35Bの周囲の個別電極31(「高」の字)が高圧用になり、第2個別スペーサ35Bに挟まれてはいないが第2個別スペーサ35Bに隣接して配置された個別電極31(「中」の字)が中圧用になり、第2個別スペーサ35Bから離れた個別電極31(「低」の字)が低圧用になる。
この実施形態においても、低圧用の個別電極31は、周囲の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配置によって、低圧力が作用するだけで共通電極9と導通するように設定されている。高圧用の個別電極31は、周囲の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配置によって、低圧力又は高圧力が作用するときに共通電極9と導通せずに、高圧力が作用するときに共通電極9と導通するように設定されている。中圧用の個別電極31は、周囲の第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bの配置によって、低圧力が作用するときに共通電極9と導通せずに、中圧力が作用するときに共通電極9と導通するように設定されている。
前記実施形態では個別電極は平板形状であったが、山型形状であってもよい。図23を用いて、そのような実施形態を説明する。図23は、圧力センサの部分概略断面図である。
図23では、個別電極31Aは山型であって、その上面に山型感圧層33Aが積層されている。
前記実施形態では感圧層は個別電極の上に積層されていたが、上側電極部材に形成されていてもよい。図24を用いて、そのような実施形態を説明する。図24は、圧力センサの部分概略断面図である。
図24では、上側電極部材3Aにおいて、共通電極9の下面には感圧層33Bが形成されている。個別電極31Aは山型である。
前記実施形態のいずれも感圧層は上側電極部材及び下側電極部材の一方にのみ形成されていたが、感圧層は両部材に形成されて互いに対向してもよい。図25を用いて、そのような実施形態を説明する。図25は、圧力センサの部分概略断面図である。
図25では、個別電極31の上に山型感圧層33が形成されている。さらに、上側電極部材3Aにおいて、共通電極9の下面には感圧層33Bが形成されている。
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。
(1)前記実施形態では個別電極31と第1個別スペーサ35A及び第2個別スペーサ35Bは行と列が完全にそろったマトリクス状であったが、広い意味でのマトリクス状に配置されていればよい。
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。
(4)前記実施形態では個別電極は低圧用、中圧用、高圧用に分かれていたが、低圧・高圧の2種類であってもよいし、4種類以上であってもよい。
(6)前記実施形態では個別スペーサは個別電極及び感圧層とは異なる材料によって構成されていたが、個別スペーサは個別電極から電気的に独立していれば条件を満たすので、前記実施形態に限定されない。
例えば、個別スペーサは、個別電極と感圧層を有するものの、導電部29が省略された構造であってもよい。この場合は個別スペーサは、個別電極及び感圧層を形成する工程でそれらと同時に形成される。
また、個別スペーサは、導電部29と個別電極31と山型感圧層33を有するものの、導電部29がドレイン電極19に導通していない構造であってもよい。
また、個別スペーサ同士が、行方向及び列方向のいずれか又は両方に互いに隣接していてもよい。
(8)個別スペーサは、絶縁されている場合は、隣接する個別スペーサ又は個別電極と接触していてもよい。
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
30 :薄膜トランジスタ
31 :個別電極
33 :山型感圧層
35A :第1個別スペーサ
35B :第2個別スペーサ
Claims (3)
- 第1絶縁基材と、
前記第1絶縁基材の主面に広がって形成された共通電極と、
前記第1絶縁基材の前記主面に対向して配置された第2絶縁基材と、
前記第2絶縁基材の前記第1絶縁基材側の主面に前記共通電極に対向して敷き詰められたように設けられた複数の個別電極と、
前記複数の個別電極及び前記共通電極の少なくとも一方の上に積層された感圧層と、
前記複数の個別電極に対応して前記第2絶縁基材の前記主面と反対側に設けられ、1又は隣接する2以上が1つの個別電極に接続される複数の薄膜トランジスタと、
前記第2絶縁基材の前記主面において前記複数の個別電極の間に配置され、前記共通電極に対向する第1個別スペーサ及び第2個別スペーサと、
を備え、
前記第2個別スペーサは、前記第1個別スペーサより高く形成されており、
前記複数の個別電極は、周囲の前記第1個別スペーサ及び前記第2個別スペーサの配置によって前記第1絶縁基材と前記第2絶縁基材が接近するように低圧力が作用するだけで前記共通電極と導通するように設定された低圧用個別電極と、周囲の前記第1個別スペーサ及び前記第2個別スペーサの配置によって前記第1絶縁基材と前記第2絶縁基材が接近するように低圧力が作用するときに前記共通電極と導通せずに高圧力が作用するときに前記共通電極と導通するように設定された高圧用個別電極とを有している、
圧力センサ。 - 前記高圧用個別電極は前記第2個別スペーサと隣接している、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記高圧用個別電極は前記第2個別スペーサの間に挟まれている、請求項2に記載の圧力センサ。
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