実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、図面において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能である。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能である。
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様のヘッドフォン及びヘッドフォンシステムについて図1〜図17を用いて説明する。
本実施の形態では、ヘッドフォン及びヘッドフォンシステムを例に挙げて説明するが、本発明の一態様はこれらに限られない。本発明の一態様は、様々な音声出力装置に適用することができる。音声出力装置としては、例えば、ヘッドフォン、イヤホン(インイヤー型、カナル型、耳掛け型等)、補聴器、ヘッドセットが有する音声出力装置、ヘッドマウントディスプレイが有する音声出力装置等が挙げられる。なお、音声出力装置は外部機器と接続して音楽再生を行う機能、及び、単体で音楽再生を行う機能のうち、一方又は双方を有する。また、ヘッドマウントディスプレイのオプション機器として本発明の一態様のヘッドフォンを組み合わせてもよい。映像と音声を組み合わせることで、ヘッドマウントディスプレイの映像により没入感を得つつ、ヘッドフォンでの音声によりさらに没入感を高めてもよい。
本発明の一態様のヘッドフォンは、音出力部、処理部、記憶部、照明部、及び検出部を有する。
照明部は、ヘッドフォンの周囲に向けて発光することができる。
ヘッドフォンを装着して夜道などの暗い場所を徒歩もしくは自転車などで通行する際に、照明部を発光させることで、周囲を照らすことまたは周囲の人に自分の存在を知らせることが可能となる。これにより、ヘッドフォンの使用者は、安全を得ることができる。
処理部は、検出部が得た検出情報に応じて、照明部の発光を制御することができる。これにより、ヘッドフォンの利便性を高めることができる。
<ヘッドフォンの構成例1>
図1(A)に示すヘッドフォン10Aは、音出力部111、処理部112、記憶部113、電源部114、外部接続端子115、照明部121、及び光検出部123を有する。
ヘッドフォン10Aは、音出力部111から音を出力することができる。音出力部111は、例えば、外部接続端子115を介して接続された外部機器から供給される音声信号、または記憶部113に記憶されている音声信号などを音として再生することができる。
光検出部123は、ヘッドフォンの周囲の明るさを検出することができる。
光検出部123は、検出した光量に応じた検出信号を処理部112に供給する機能を有する。処理部112は、供給された検出信号を用いて演算を行う機能を有する。処理部112は、演算結果に応じた信号を照明部121に供給することで、照明部121の発光を制御することができる。
照明部121は、処理部から供給された信号に応じて発光することができる。
記憶部113は、処理部112が演算に用いるプログラム等を格納することができる。
電源部114は、音出力部111、処理部112、記憶部113、照明部121、及び光検出部123等に電力を供給することができる。
図2及び図3は、ヘッドフォン10Aが有する機能の一例を示すフロー図である。図2及び図3を用いて、光検出部123を用いた照明部121の制御動作を説明する。
ヘッドフォンは、光検出部123を用いて、照明部121の点灯及び消灯を行う機能を有することが好ましい。また、照明部121の点灯及び消灯を、ヘッドフォンの使用者が手動で行うことができると、好ましい。
図2は、光検出部123を用いて、照明部121の点灯及び消灯を行う例である。
まず、光検出部123で光量が検出される(ステップS11)。そして、光検出部123は、検出した光量に応じた検出信号を処理部112に供給する。
次に、処理部112は、供給された検出信号を用いて演算を行う(ステップS12)。処理部112は、記憶部113から読み出したプログラムを用いて演算を行うことができる。ステップS12では、処理部112が、「光検出部123が検出した光量は基準よりも少ないか」を判断する例を示す。
ステップS12において、光検出部123が検出した光量が基準よりも少ない(YES)と判断された場合、照明部121は発光する(ステップS13A)。処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は発光する。当該信号が供給される前の時点で、照明部121が発光していなかった場合、照明部121は発光を開始する。一方、照明部121が既に発光していた場合、照明部121は発光を続ける。
ステップS12において、光検出部123が検出した光量が基準以上である(NO)と判断された場合、照明部121は発光しない(ステップS13B)。処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は発光しない状態となる。当該信号が供給される前の時点で、照明部121が発光していなかった場合、照明部121はその状態を維持する。一方、照明部121が発光していた場合、照明部121は発光を終了する。
ステップS14A及びステップS14Bでは、処理部112に終了命令が供給されたかを、処理部112が判断する。
終了命令としては、ヘッドフォンの使用者が手動で機能または電源をオフ状態とすること、タイマーによりあらかじめ設定された時刻もしくは期間後に出力される信号等が挙げられる。
図2に示す動作は、光検出部123及び処理部112等に電力が供給されている間であればいつでも行うことができる。例えば、間隔を開けず繰り返し行う、一定の時間ごとに行う、回数を決めて行う等の動作条件を予め設定しておくことが可能であり、それに基づいて、動作を終了するか否かを判定してもよい。使用者が、動作の開始または終了を、手動で制御できてもよい。
ステップS14AまたはステップS14Bで、処理部112に終了命令が供給されていないと判断された場合は、ステップS11に戻り、光検出部123で光の検出を行う。
ステップS14Aで、処理部112に終了命令が供給されたと判断された場合は、処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は発光を終了する(ステップS15A)。そして、光検出部123を用いた照明部121の制御動作を終了する。
ステップS14Bで、処理部112に終了命令が供給されたと判断された場合は、光検出部123を用いた照明部121の制御動作を終了する。
ヘッドフォンは、光検出部123を用いて、照明部121が発光する際の輝度または色等を変える機能を有することが好ましい。また、照明部121が発光する際の輝度または色等を、ヘッドフォンの使用者が手動で変えることができると、好ましい。
図3は、光検出部123を用いて、照明部121が発する光の輝度または色等を変える例である。
まず、光検出部123で光量が検出される(ステップS21)。そして、光検出部123は、検出した光量に応じた検出信号を処理部112に供給する。
次に、処理部112は、供給された検出信号を用いて演算を行う(ステップS22)。ここでは、処理部112が、「光検出部123が検出した光量は基準よりも少ないか」を判断する例を示す。
ステップS22において、光検出部123が検出した光量が基準よりも少ない(YES)と判断された場合、処理部112は、照明部121が第1の条件で発光するように、照明部121に信号を供給する(ステップS23A)。
ステップS22において、光検出部123が検出した光量が基準以上である(NO)と判断された場合、処理部112は、照明部121が第2の条件で発光するように、照明部121に信号を供給する(ステップS23B)。
ステップS22では、光検出部123が検出した光量が基準と同じである場合に、照明部121が第2の条件で発光するとしたが、照明部121を第1の条件で発光させてもよい。つまり、処理部112は、「光検出部123が検出した光量は基準以下か」を判断してもよい。
第1の条件と第2の条件では、例えば、発光の輝度または色等の少なくとも一つが異なる。例えば、第2の条件は、第1の条件よりも高輝度とすることができる。つまり、薄暗い場所または明るい場所では、暗い場所よりも、照明部121が高輝度で発光する。これにより、薄暗い場所または明るい場所における、照明部121が周囲を照らす効果、または、周囲の人に存在を知らせる効果を高めることができる。
ステップS24では、処理部112に終了命令が供給されたかを、処理部112が判断する。
ステップS24で、処理部112に終了命令が供給されていないと判断された場合は、ステップS21に戻り、光検出部123で光量の検出を行う。
ステップS24で、処理部112に終了命令が供給されたと判断された場合は、処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は発光を終了する(ステップS25)。そして、光検出部123を用いた照明部121の制御動作を終了する。
<ヘッドフォンの構成例2>
図1(B)に示すヘッドフォン10Bは、音出力部111、処理部112、記憶部113、電源部114、通信部116、照明部121、及び姿勢検出部124を有する。
姿勢検出部124は、ヘッドフォンの姿勢(傾きまたは向き等)またはその変化量を検出することができる。
例えば、姿勢検出部124は検出した姿勢の変化量に応じた検出信号を処理部112に供給する機能を有する。処理部112は、供給された検出信号を用いて演算を行う機能を有する。処理部112は、演算結果に応じた信号を照明部121に供給することで、照明部121の発光を制御することができる。
図4は、ヘッドフォン10Bが有する機能の一例を示すフロー図である。図4を用いて、姿勢検出部124を用いた照明部121の制御動作を説明する。
ヘッドフォンは、姿勢検出部124を用いて、照明部121を点滅させる機能を有することが好ましい。また、ヘッドフォンの使用者が手動で、照明部121を点滅させることができると、好ましい。
照明部121を点滅させることで、周囲に合図を送ることができる。照明部121の点滅は、状況に応じた様々な意味の合図に利用することができる。
例えば、左右にそれぞれ照明部121を有するヘッドフォンの場合、一方の照明部121を点滅させることにより、方向(右または左)を示すことができる。つまり、照明部121を、方向指示器(ウインカー、ターンランプ等ともいう)として用いることができる。ヘッドフォンの使用者は、照明部121を点滅させることで、曲がる方向を周囲に知らせることができる。
図4は、姿勢検出部124を用いて、照明部121の点滅の開始及び終了を制御する例である。
まず、姿勢検出部124でヘッドフォンの姿勢の変化が検出される(ステップS31)。そして、姿勢検出部124は、検出した姿勢の変化量に応じた検出信号を処理部112に供給する。
次に、処理部112は、供給された検出信号を用いて演算を行う(ステップS32)。ステップS32では、処理部112が、「姿勢検出部124が検出した姿勢の変化量は基準よりも多いか」を判断する例を示す。
ステップS32において、姿勢検出部124が検出した姿勢の変化量が基準よりも多い(YES)と判断された場合、照明部121は点滅する(ステップS33A)。処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は点滅する。
ステップS32において、姿勢検出部124が検出した姿勢の変化量が基準以下である(NO)と判断された場合、照明部121は点滅しない(ステップS33B)。処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は点滅しない状態となる。当該信号が供給される前の時点で、照明部121が点滅していた場合、照明部121は点滅を終了する。当該信号が供給される前の時点で、照明部121が点滅してなかった場合、照明部121に、当該信号が供給される前の時点と同様の状態を維持させる(発光を続けさせる、または発光しない状態を維持させる)ことができる。
なお、照明部121が点滅する際、点滅を続ける期間または点滅する回数が決められていてもよい。所定の期間または所定の回数が経過した後、処理部112は照明部121に信号を供給し、照明部121における点滅を終了させてもよい。この場合、ステップS33Bでは、照明部121の点滅を終了させなくてもよい。
ステップS34A及びステップS34Bでは、処理部112に終了命令が供給されたかを、処理部112が判断する。図4に示す動作は、姿勢検出部124及び処理部112等に電力が供給されている間であればいつでも行うことができる。例えば、間隔を開けず繰り返し行う、一定の時間ごとに行う、回数を決めて行う等の動作条件が決められており、それに基づいて、動作を終了するか否かを判定してもよい。使用者が、動作の開始または終了を、手動で制御できてもよい。
ステップS34AまたはステップS34Bで、処理部112に終了命令が供給されていないと判断された場合は、ステップS31に戻り、姿勢検出部124で姿勢の変化量の検出を行う。
ステップS34Aで、処理部112に終了命令が供給されたと判断された場合は、処理部112から照明部121に信号が供給されることで、照明部121は点滅を終了する(ステップS35A)。そして、姿勢検出部124を用いた照明部121の制御動作を終了する。なお、点滅を続ける期間または点滅する回数が決められている場合は、所定の期間または回数が経過した際に点滅を終了させてもよい。
ステップS34Bで、処理部112に終了命令が供給されたと判断された場合は、姿勢検出部124を用いた照明部121の制御動作を終了する。
次に、ヘッドフォン10A及びヘッドフォン10Bの構成要素の詳細について、説明する。
[音出力部111]
音出力部111は、音を出力する機能を有する。音出力部111は、処理部112によって制御される。
音出力部111は、処理部112から供給された音声信号を音に変換し、ヘッドフォンの外部に出力することができる。
音出力部111は、例えば、スピーカ(音を出す部分のこと、ドライバーユニットともいう)及びコントローラを有する。
[処理部112]
処理部112は、供給された検出信号及びプログラムを用いて演算を行う機能と、演算結果に応じた信号を照明部121に供給する機能と、を有する。
処理部112は、例えば、演算回路、または中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)等を有する。
処理部112は、音出力部111、記憶部113、電源部114、照明部121、及び検出部(ヘッドフォン10Aであれば光検出部123、ヘッドフォン10Bであれば姿勢検出部124)等の各構成要素を制御する機能を有する。
処理部112と各構成要素とは、システムバスを介して信号の伝達が行われる。処理部112には、システムバスを介して接続された各構成要素から信号が入力される。処理部112は、入力された信号を処理し、各構成要素へ出力する信号を生成する。処理部112は、システムバスに接続された各構成要素を統括的に制御することができる。
処理部112には、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを用いることが好ましい。当該トランジスタはオフ電流が極めて低いため、当該トランジスタを記憶素子として機能する容量素子に流入した電荷(データ)を保持するためのスイッチとして用いることで、データの保持期間を長期にわたり確保することができる。この特性を、処理部112が有するレジスタ及びキャッシュメモリのうち少なくとも一方に用いることで、必要なときだけ処理部112を動作させ、他の場合には直前の処理の情報を当該記憶素子に待避させることにより、ノーマリーオフコンピューティングが可能となり、ヘッドフォンの低消費電力化を図ることができる。
処理部112は、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphics Processing Unit)等のマイクロプロセッサを有していてもよい。マイクロプロセッサは、FPGA(Field Programmable Gate Array)、FPAA(Field Programmable Analog Array)等のPLD(Programmable Logic Device)によって実現された構成であってもよい。処理部112は、プロセッサにより種々のプログラムからの命令を解釈し実行することで、各種のデータ処理及びプログラム制御を行うことができる。プロセッサにより実行しうるプログラムは、プロセッサが有するメモリ領域及び記憶部113のうち少なくとも一方に格納される。
処理部112はメインメモリを有していてもよい。メインメモリは、RAM(Random Access Memory)等の揮発性メモリ、及びROM(Read Only Memory)等の不揮発性メモリのうち少なくとも一方を有する。
RAMとしては、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)等が用いられ、処理部112の作業空間として仮想的にメモリ空間が割り当てられ利用される。記憶部113に格納されたオペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、プログラムモジュール、プログラムデータ、及びルックアップテーブル等は、実行のためにRAMにロードされる。RAMにロードされたこれらのデータ、プログラム、及びプログラムモジュールは、それぞれ、処理部112に直接アクセスされ、操作される。
ROMには、書き換えを必要としない、BIOS(Basic Input/Output System)及びファームウェア等を格納することができる。ROMとしては、マスクROM、OTPROM(One Time Programmable Read Only Memory)、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)等が挙げられる。EPROMとしては、紫外線照射により記憶データの消去を可能とするUV−EPROM(Ultra−Violet Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)、フラッシュメモリ等が挙げられる。
[記憶部113]
記憶部113は、例えば、処理部112が演算処理を実行するコンピュータプログラム、ルックアップテーブル等を有する。
記憶部113は、例えばフラッシュメモリ、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、PRAM(Phase change RAM)、ReRAM(Resistance RAM)、及びFeRAM(Ferroelectric RAM)等の不揮発性の記憶素子が適用された記憶装置、並びに、DRAM及びSRAM等の揮発性の記憶素子が適用された記憶装置等のうち少なくとも一つを有する。また、ハードディスクドライブ(Hard Disc Drive:HDD)及びソリッドステートドライブ(Solid State Drive:SSD)等の記録メディアドライブを有していてもよい。
ヘッドフォンは、有線または無線でデータの送受信が可能な記憶装置と、データの受け渡しを行ってもよい。HDDもしくはSSD等の記憶装置、または、フラッシュメモリ、ブルーレイディスク、もしくはDVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体と、処理部112と、は、コネクタ及び外部接続端子115、または、通信部116を介して、データの送受信が可能である。
記憶部113は、音声信号を記憶する機能を有してもよい。記憶部113に記憶された音声信号は、処理部112を介して音出力部111に供給される。
[電源部114]
ヘッドフォンは、電源部114を有することが好ましい。電源部114は、少なくとも電池を有する。電池としては、一次電池、二次電池、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池(リチウムイオンポリマー電池)等のリチウムイオン二次電池、リチウム空気電池、鉛蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池、固体電池、空気電池、亜鉛空気電池、コンデンサ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、ウルトラ・キャパシタ、スーパー・キャパシタ等が挙げられる。
電源部114は、例えば、ACアダプタを用いた有線方式、または、電界結合方式、電磁誘導方式、もしくは、電磁共鳴(電磁共振結合)方式等の無線給電方式により充電を行う構成とすることができる。
電源部114の構成例を図5に示す。
電源部114は、蓄電装置141、コントローラ142、及びアンテナ143を有する。電源部114は、アンテナ143を用いて、無線で蓄電装置141を充電する機能を有することが好ましい。
アンテナ143は、外部のアンテナ(例えば充電器のアンテナ144)から受電することができる。なお、受電の方式は、特に限定されない。
コントローラ142は、アンテナ143により受電した電力を、蓄電装置141に供給する電力に変換し、蓄電装置141に出力する機能を有する。例えば、コントローラ142は、ACDCコンバータとしての機能を有していてもよい。その場合、アンテナ143により受電した電力を、直流電力に変換し蓄電装置141に出力する。
コントローラ142を介して、蓄電装置141から処理部112等の各構成要素に電力を供給することができる。
蓄電装置141としては、例えば、電池の例として挙げた蓄電装置を用いることができる。
高エネルギー密度が実現できるリチウムイオン二次電池を用いることで、ヘッドフォンの軽量化及び小型化が図れるため、好ましい。
蓄電装置141としては、コイン型(単層偏平型)、円筒型、薄型、角型、封止型等の様々な形状の二次電池を用いることができる。また、正極、負極、及びセパレータが複数積層された構造、または正極、負極、及びセパレータが捲回された構造(捲回型)であってもよい。
蓄電装置141は可撓性を有することが好ましい。例えば、外装体にフィルムを用いることで、蓄電装置141の可撓性を高めることができる。外装体で囲まれる領域には正極、負極、及び電解質(または電解液)を少なくとも有する。
さらに、電源部114は、バッテリマネジメントユニット(BMU)を有していてもよい。BMUは電池のセル電圧もしくはセル温度データの収集、過充電及び過放電の監視、セルバランサの制御、電池劣化状態の管理、電池残量(State Of Charge:SOC)の算出、故障検出の制御等の少なくとも一つを行う。
ヘッドフォンは、外部接続端子115及び通信部116のうち少なくとも一方を有する。
ヘッドフォンは、有線または無線で接続された電子機器または電気機器等の外部機器から供給された音声信号を音に変換して再生することができる。また、ヘッドフォンは、有線で接続された外部機器から電力が供給されてもよい。電子機器及び電気機器としては、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、ポータブルCDプレイヤー、ラジオ、ICレコーダ、ステレオ、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)、パーソナルコンピュータ、コンピュータ用等のモニタ、DVD等の記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、デジタルビデオカメラ等のカメラ、パチンコ機等の大型ゲーム機、エレクトリック・ギター、エレクトリック・ベース等の電気楽器、シンセサイザー、電子オルガン等の電子楽器等が挙げられる。
[外部接続端子115]
ヘッドフォンは、ケーブルまたはコードを介して外部機器と接続することができる。例えば、外部接続端子115の一例であるプラグは、外部機器のヘッドフォン用端子に接続することができる。外部接続端子115の一例であるポートには、外部機器が有するプラグを接続することができる。
[通信部116]
通信部116では、FM変調でのアナログ伝送、Bluetooth(登録商標)、Wi−Fi(登録商標)等により通信規格化された無線通信、または赤外線通信等により、外部機器からデータを受信することができる。データとしては、例えば、音声データ、画像データ等が挙げられる。
[照明部121]
照明部121は、発光する機能を有する。照明部121は、処理部112によって制御される。
照明部121は、例えば、発光パネル及びコントローラを有する。
発光パネルには、点光源、線光源、面光源のいずれも用いることができる。
発光パネルは、例えば、無機EL(Electro Luminescence)素子、有機EL素子、発光ダイオード(LED)等の発光素子を有する。
照明部121は、少なくとも点灯及び消灯の切り替えが可能である。さらに、点滅が可能であってもよい。照明部121が複数の発光素子を有する場合、複数の発光素子はそれぞれ独立に駆動可能であることが好ましい。
[検出部]
検出部は、検出情報を取得する機能と、検出情報に応じた検出信号を処理部112に供給する機能を有する。
検出部は、例えば、センサ素子及びコントローラを有する(2つをまとめて、単に「センサ」とも呼ぶ)。
センサとしては、例えば、力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を有するセンサが挙げられる。
本実施の形態では、主に、光量または姿勢(傾度、方位など)を測定する機能を有するセンサについて説明する。
[光検出部123]
光検出部123は、ヘッドフォンが使用される環境の明るさを検知するセンサ(光センサ、照度センサなど)を有する。例えば、フォトダイオード等の光電変換素子を有することが好ましい。光検出部123は、受光した光量に応じた検出信号を処理部112に供給する。
[姿勢検出部124]
姿勢検出部124は、ヘッドフォンの姿勢(傾きまたは向き等)を検出する機能を有する。例えば姿勢検出部124としては、加速度センサ、角速度センサ(ジャイロセンサなど)、振動センサ、圧力センサ等を用いることができる。
または、姿勢検出部124は、撮像素子を含むカメラモジュールを有していてもよい。撮影した複数の画像の差分によって、ヘッドフォンの姿勢の変化を把握することができる。
<ヘッドフォンの構成例3>
図6(A)に示すヘッドフォン10Cは、音出力部111、処理部112、記憶部113、電源部114、外部接続端子115、通信部116、入力部117、照明部121、光検出部123、及び姿勢検出部124を有する。
図6(B)に示すヘッドフォン10Dは、ヘッドフォン10Cの構成に加え、生体センサ118、位置センサ119、及びモーションセンサ125を有する。
ヘッドフォン10C及びヘッドフォン10Dは、光検出部123及び姿勢検出部124の双方を有するため、光検出部123及び姿勢検出部124のそれぞれを用いて照明部121を制御することができる。ヘッドフォン10C及びヘッドフォン10Dは、例えば、図2〜図4に示した制御動作を行うことができる。
[入力部117]
入力部117としては、例えば、筐体に設けられた1つ以上のボタンもしくはスイッチ、またはその他の入力手段が接続可能な外部接続端子等が挙げられる。例えば、ヘッドフォン自体または照明部121の電源のオン/オフと関連付けられたスイッチのほか、音楽再生ボタン、音楽停止ボタン、曲送りボタン、曲戻しボタン、音量調節用ボタン、照明部121の調光用ボタン、カメラ撮影用ボタン等を有していてもよい。
入力部117は、タッチパネル及びコントローラを有していてもよい。例えば、ヘッドフォンの筐体にタッチパネルを設けることができる。
また、ヘッドフォンがカメラモジュールを有しており、ヘッドフォンの使用者がジェスチャーによって入力を行うことができてもよい。
[生体センサ118]
生体センサ118は、生体情報を取得する機能と、生体情報に応じた検出信号を処理部112に供給する機能を有する。
例えば、生体センサ118を用いて、ヘッドフォンが装着されているか否かを判断できると好ましい。
ヘッドフォンは、ヘッドフォンが人体に装着されたことを検知して、電源をオンにする(または音出力部111による音の出力が開始される)機能、及び、ヘッドフォンが人体から取り外されたことを検知して、電源をオフにする(または音出力部111による音の出力が停止される)機能を有することが好ましい。
例えば、処理部112は、生体センサ118が生体情報を取得していないとき、音出力部111における音の出力を停止する機能を有することが好ましい。
生体情報としては、心拍数、呼吸数、脈拍、体温、又は血圧等が挙げられる。
例えば、光学センサを用いて、毛細血管の収縮から心拍数を測定することができる。
ヘッドフォンが装着されたかどうかを、皮膚の電気伝導率から把握するセンサを用いて検知することで、ヘッドフォンの電源のオン、オフ動作を行うことができてもよい。
これらのセンサは、ヘッドフォンを装着した人の肌に触れる部分に実装されていることが好ましい。
[位置センサ119]
位置センサ119は、ヘッドフォンの位置情報を取得する機能と、位置情報に応じた検出信号を処理部112に供給する機能を有する。
ヘッドフォンは、例えば、GPS(Global positioning System)信号を受信できてもよい。
ヘッドフォンは、例えば、取得した位置情報に応じて、音楽を切り替える機能を有していてもよい。具体的には、マラソン及び競歩等のロードレースにおいて、スタート地点から所定の距離に、本発明の一態様のヘッドフォンを装着した選手が到達すると、音楽が切り替わる。これにより、選手は、スタート地点から所定の距離に到達したことを把握することができる。
ヘッドフォンは、生体情報及び位置情報を検知する機能と、これらの情報を送信する機能を有することが好ましい。例えば、ヘッドフォンは、使用者の体調の変化を検知し、外部機器に生体情報と位置情報を送信することができる。これにより、使用者が体調を崩した際又は事故に遭った際等に、使用者は迅速に救助等を受けることができる。
例えば、ヘッドフォンを、スマートフォン等の携帯情報端末と無線で接続することで電子メールの送受信等を行ってもよい。
[モーションセンサ125]
モーションセンサ125は、ヘッドフォンまたはヘッドフォンの使用者の動きを検知する機能と、動きに応じた検出信号を処理部112に供給する機能を有する。
モーションセンサ125は、例えば、加速度センサ及び角速度センサ等を有する構成とすることができる。
例えば、ヘッドフォンは、モーションセンサ125を用いて、ヘッドフォンの使用者の動作が変化したときに、音量の調整または音楽の切り替え等を行うことができる。
ヘッドフォンは、例えば、静止していた使用者が歩き始めたまたは走り始めた、と検知すると、音量が上がる(または下がる)、音楽が再生される(または停止する)、別の音楽が再生される等の処理を行うことができる。
<ヘッドフォンの構成例4>
図7に示すヘッドフォン10Eは、音出力部111、処理部112、記憶部113、電源部114、通信部116、入力部117、照明部121、検出部126、表示部171、音出力部173、音入力部174、及び通信部175を有する。
ヘッドフォン10Eは、通信機能を有し、単体で電子メールの送受信等が可能である。例えば、ヘッドフォン10Eは、音楽再生のほかに、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、インターネット通信、コンピュータゲーム等の種々のアプリケーションを実行できることが好ましい。
[表示部171]
表示部171は、表示を行う機能を有する。表示部171は、処理部112によって制御される。表示部171は、例えば、記憶部113に記憶されている画像データを表示することができる。表示部171は、例えば、無線通信により、コンピュータネットワークまたは電子機器から供給された画像データを表示することができる。表示部を有するヘッドフォンは、使用者に装着された状態で、ヘッドフォンを装着していない他者から無線通信により発光させる領域の制御、例えば左側のみ表示、右側のみ表示の指示を受けることができる。
表示部171は、コントローラ及び表示パネルを有する。表示パネルは、表示素子を有する。表示素子としては、無機EL素子、有機EL素子、LED等の発光素子、液晶素子、電気泳動素子、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子等が挙げられる。表示パネルは、タッチセンサを有するタッチパネルであると好ましい。ヘッドフォンを装着した使用者は、表示部にタッチ入力することで、表示のオンオフの切り替えや、表示の明るさを操作できる。なお、照明部121が表示を行う機能を有する場合、照明部121が表示部171を兼ねることができる。
[音出力部173]
音出力部173は、音を出力する機能を有する。音出力部173は、処理部112によって制御される。
音出力部173は、例えば、スピーカもしくは音声出力コネクタと、コントローラと、を有する。
前述の音出力部111は、ヘッドフォンの装着者に向けて、ヘッドフォンのイヤーパッドを介して音を出力する構成である。一方、音出力部173は、ヘッドフォンを装着していない人(ヘッドフォンの周囲にいる人、またはヘッドフォンを外した使用者)に向けて音を出力する構成である。音出力部173は、例えば、電話もしくはメール等の着信音、アラーム音等を出力することができる。または、音出力部173は、音出力部111で出力することができる音声信号と同様の音声信号を音として出力することができる。
[音入力部174]
音入力部174は、音を入力する機能を有する。音入力部174は、処理部112によって制御される。
音入力部174は、例えば、マイクロフォンもしくは音声入力コネクタと、コントローラと、を有する。
[通信部175]
通信部175は、ヘッドフォン10Eとコンピュータネットワークと、を接続させる機能を有する。コンピュータネットワークとしては、World Wide Web(WWW)の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、PAN(Personal Area Network)、LAN(Local Area Network)、CAN(Campus Area Network)、MAN(Metropolitan Area Network)、WAN(Wide Area Network)、GAN(Global Area Network)等が挙げられる。
通信部175は、例えば、アンテナを有する。
ヘッドフォンは、さらに他の通信部を有し、電話回線に接続する機能を有していてもよい。
<ヘッドフォンシステム>
本発明の一態様のヘッドフォンシステムは、ヘッドフォンと、携帯情報端末と、を有する。
携帯情報端末は、入力部及び通信部を有する。入力部は、入力された内容に応じた信号を通信部に供給する機能を有する。通信部は、供給された信号に応じた信号を、ヘッドフォンが有する通信部に供給する機能を有する。
使用者がヘッドフォンを装着したままの状態で、ヘッドフォンの入力部(タッチパネル、またはボタン等)から入力できる内容には制限がある。
本発明の一態様のヘッドフォンシステムは、携帯情報端末によってヘッドフォンの操作を行うことができる。これにより、使用者はヘッドフォンを装着したままの状態で、ヘッドフォンに対して、様々な入力、操作を行うことができる。
携帯情報端末としては、装着型情報端末(ウェアラブルデバイスともいう)であると好ましい。
装着型情報端末は、装着型でない携帯情報端末と異なり、手で持ち運ぶこと及び携帯情報端末を鞄等から取り出すことが不要となり、より簡単に、より素早く使用することが可能となる。また、スポーツ中等に使用することも可能であり、利便性が高い。
装着型情報端末としては、特に、スマートウォッチ等の腕装着型(腕時計型ともいう)情報端末であると好ましい。
図8に、携帯情報端末51と、ヘッドフォン52と、を有するヘッドフォンシステム50を示す。
携帯情報端末51は、処理部162、記憶部163、電源部164、入力部165、表示部171、音出力部173、音入力部174、通信部175、及び通信部177aを有する。
ヘッドフォン52は、ヘッドフォン10C(図6(A)参照)の構成に加え、通信部177bを有する。
携帯情報端末51の通信部177aと、ヘッドフォン52の通信部177bは、それぞれ、アンテナを有する。
通信部177a及び通信部177bの一方は、無線通信により、他方が送信した信号を受信することができる。
[処理部162]
処理部162は、例えば、演算回路、またはCPU等を有する。
処理部162は、携帯情報端末51の各構成要素を制御する機能を有する。
処理部162に適用することができる構成は、処理部112に適用することができる構成と同様である。
[記憶部163]
記憶部163は、処理部162にプログラムを供給する機能を有する。
記憶部163は、例えば、処理部162が演算処理を実行するコンピュータプログラム、ルックアップテーブル等を有する。
記憶部163に適用することができる構成は、記憶部113に適用することができる構成と同様である。
[電源部164]
電源部164は、少なくとも蓄電装置を有する。
電源部164は、例えば、ACアダプタを用いた有線方式、または、電界結合方式、電磁誘導方式、もしくは、電磁共鳴(電磁共振結合)方式等の無線給電方式により充電を行う構成とすることができる。
電源部164には、例えば、図5に示す電源部114の構成を適用することができる。
[入力部165]
入力部165に適用することができる構成は、入力部117に適用することができる構成と同様である。
ヘッドフォン52は、例えば、カメラモジュール等により、携帯情報端末51の位置を検出できると好ましい。携帯情報端末51の位置を検出することで、使用者の腕の動きを把握することができる。
使用者は腕の動きによって、ヘッドフォン52に合図を送ることができる。例えば、使用者の腕の動きに応じて、照明部121を点滅させることができる。
例えば、左右にそれぞれ照明部121を有するヘッドフォンにおいて、照明部121を方向指示器として用いる際に、使用者の腕の動きによって照明部121を制御することができる。具体的には、使用者の腕が右に大きく動いたときに、右側の照明部121を点滅させることで、右方向を示すことができる。同様に、使用者の腕が左に大きく動いたときに、左側の照明部121を点滅させることで、左方向を示すことができる。
<ヘッドフォン及びヘッドフォンシステムの構成例>
以下に示すヘッドフォン及びヘッドフォンシステムには、図1〜図8で説明した各構成を適宜適用することができる。
図9(A)に、ヘッドフォン70A及び腕装着型情報端末71Aを示す。ヘッドフォン70A及び腕装着型情報端末71Aは、それぞれ独立に使用することができる。また、ヘッドフォン70A及び腕装着型情報端末71Aは、1つのヘッドフォンシステムとして機能することができる。
ヘッドフォン70Aは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、2つの発光部154a、外部接続端子159、及び光検出部123を少なくとも有する。
図9(A)に示すバンド151は、それぞれ異なる筐体153と接続される2つの略円形の部分が、弧状の部分によって接続された形状をしている。バンド151の形状は、これに限られない。例えば、バンド151は、弧状の形状であり、連結部を介して筐体153と接続されていてもよい。または、バンド151は、弧状の形状であり、弧の端部で筐体153と接続されていてもよい。
図1等で説明したヘッドフォンの各構成要素は、主にバンド151及び筐体153のうち少なくとも一方の内部に配置される。
イヤーパッド152は、使用者の耳に触れる部分である。音出力部から出力された音は、イヤーパッド152を介して、使用者の耳に伝わる。
イヤーパッド152は、例えば、スポンジ、樹脂、人工皮革、革、布等を用いて作製することができる。
筐体153は、スピーカの少なくとも一部を覆うことができる。筐体153の内部にスピーカを有することが好ましい。
筐体153は、例えば、プラスチック、木材、アルミもしくはチタン等の金属、ステンレス鋼等の合金を用いて作製することができる。
発光部154aは、筐体153の側面に設けられている。発光部154aは、発光を行う機能を有する。発光部154aが有する発光パネルは、照明部121が有する発光パネルに相当する。発光部154aが有する発光パネルは、表示部171が有する発光パネルを兼ねていてもよい。
発光部154aは、曲面を有する。発光部154aには、曲面を有する発光パネルを用いることが好ましい。例えば、EL素子を用いた発光パネルを用いることが好ましい。EL素子を用いることで、信頼性が高く、可撓性を有する発光パネルを作製することができる。また、発光パネルの薄型化、軽量化が可能となる。可撓性を有する発光パネルは、曲面を有する筐体に沿わせて配置することができる。これにより、筐体に用いる意匠を損なうことなく発光パネルを配置することができる。
発光部154aの形状は特に限定されない。例えば、四角形等の多角形状、円形状、楕円形状等が挙げられる。
外部接続端子159は、ケーブルまたはコードを介して外部機器と接続することができる。
光検出部123は、ヘッドフォンの周囲の明るさを検知することができる位置に配置される。光検出部123の数に限定はない。
ヘッドフォン70Aは、光検出部123を、バンド151の筐体153と接続される略円形の部分に有する。
また、ヘッドフォン70Aは、姿勢検出部を有していてもよい。例えば、右側の発光部154aと、左側の発光部154aを、方向指示器として用いてもよい。
腕装着型情報端末71Aは、筐体7000、表示部7001、操作キー7005(電源スイッチ、または操作スイッチを含む)、外部接続端子7006、バンド7018、留め金7019等を有することができる。ベゼル部分を兼ねる筐体7000に搭載された表示部7001は、非矩形状の表示領域を有している。表示部7001は、時刻を表すアイコン7020、その他のアイコン7021等を表示することができる。
腕装着型情報端末71Aは、例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像等)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻等を表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信または受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。
腕装着型情報端末71Aは、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。これにより、ヘッドフォン70Aと相互通信することができる。
図9(B)に、ヘッドフォン70B及び腕装着型情報端末71Bを示す。ヘッドフォン70B及び腕装着型情報端末71Bは、それぞれ独立に使用することができる。また、ヘッドフォン70B及び腕装着型情報端末71Bは、1つのヘッドフォンシステムとして機能することができる。
ヘッドフォン70Bは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、2つの発光部154a、外部接続端子159、及び光検出部123を少なくとも有する。
ヘッドフォン70Bは、ヘッドフォン70Aとは、光検出部123の配置が異なる。ヘッドフォン70Bは、バンド151の弧状の部分に光検出部123を有する。
腕装着型情報端末71Bは、表示部7001、バンド7801、外部接続端子7802、操作ボタン7803等を有する。バンド7801は、筐体としての機能を有する。また、腕装着型情報端末71Bは、可撓性を有するバッテリ7805を搭載することができる。バッテリ7805は例えば表示部7001又はバンド7801と重ねて配置してもよい。
表示部7001は、例えば、曲率半径0.01mm以上150mm以下で曲げることができる表示パネルを有することが好ましい。表示部7001はタッチセンサを有することが好ましい。これにより、指等で表示部7001に触れることで腕装着型情報端末71Bを操作することができる。
バンド7801、表示部7001、及びバッテリ7805は可撓性を有する。そのため、腕装着型情報端末71Bを所望の形状に湾曲させることが容易である。
操作ボタン7803は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除等、様々な機能を持たせることができる。例えば、腕装着型情報端末71Bに組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン7803の機能を自由に設定することもできる。
表示部7001に表示されたアイコン7804に指等で触れることで、アプリケーションを起動することができる。
腕装着型情報端末71Bは、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。これにより、ヘッドフォン70Bと相互通信することができる。
腕装着型情報端末71Bは外部接続端子7802を有していてもよい。外部接続端子7802を有する場合、外部機器(ヘッドフォン70Bを含む)とコネクタを介して直接データのやりとりを行うことができる。また、外部接続端子7802を介して充電を行うこともできる。腕装着型情報端末71Bの充電動作は、外部接続端子を介さずに非接触電力伝送により行ってもよい。
図10(A)に、ヘッドフォン70Cを示す。ヘッドフォン70Cは、本発明の一態様のヘッドフォンシステムに適用することができる。
ヘッドフォン70Cは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、2つの発光部154a、2つの発光部154b(図10(A)では一方のみを図示する)、及び外部接続端子159を少なくとも有する。
ヘッドフォン70Cは、検出部(図示せず)が検出した検出情報に応じて、2つの発光部154aの発光を制御することができる。なお、以降の構成において、検出部を図示していない場合も同様に、ヘッドフォンは、検出部が検出した検出情報に応じて、1つ以上の発光部154aの発光を制御することができる。
発光部154aは、筐体153の側面に設けられている。
発光部154bは、バンド151の筐体153と接続される略円形の部分に設けられている。発光部154bは、照明部121が有する発光パネル、及び表示部171が有する表示パネルのうち少なくとも一方に相当する。
発光部154bは、平面であってもよく、曲面を有していてもよい。発光部154bには、EL素子を用いた発光パネルを用いることが好ましい。EL素子を用いることで、信頼性が高く、薄型、軽量な発光パネルを作製することができる。さらに、可撓性を有する発光パネルを作製することができるため、バンド151の曲面を有する部分または曲げる部分に発光部154bを配置することも可能となる。
図10(B)に、ヘッドフォン70Dを示す。ヘッドフォン70Dは、本発明の一態様のヘッドフォンシステムに適用することができる。
ヘッドフォン70Dは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、2つの発光部154c(図10(B)では一方のみを図示する)、外部接続端子159、及び2つのカメラ192を少なくとも有する。
ヘッドフォン70Dは、左右のカメラ192を用いて、ヘッドフォンの姿勢の検出、または腕装着型情報端末の位置の検出等を行うことができる。
発光部154cは、バンド151の筐体153と接続される略円形の部分に設けられている。発光部154cは、照明部121が有する発光パネルに相当する。さらに、発光部154cは、表示部171が有する表示パネルを兼ねていてもよい。
発光部154cは、平面であってもよく、曲面を有していてもよい。発光部154cには、EL素子を用いた発光パネルを用いることが好ましい。EL素子を用いることで、信頼性が高く、薄型、軽量な発光パネルを作製することができる。さらに、可撓性を有する発光パネルを作製することができるため、バンド151の曲面を有する部分または曲げる部分に発光部154cを配置することも可能となる。
図11(A)に、ヘッドフォン75Aを示す。ヘッドフォン75Aは、本発明の一態様のヘッドフォンシステムに適用することができる。
ヘッドフォン75Aは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、1つの発光部154a、2つの発光部154b(図11(A)では一方のみを図示する)、及び2つの連結部191を少なくとも有する。
発光部154aは、バンド151の弧状の部分に設けられている。
バンド151の弧状の部分に設けられる発光部154aは、可撓性を有する発光パネルを有することが好ましい。可撓性を有する発光パネルは、ヘッドフォンの曲がる部分に設けることが可能である。よって、ヘッドフォンに、大面積の発光部を設けることができる。したがって、使用者の周囲を照らす効果または周囲の人に存在を知らせる効果を高めることができる。
発光部154bは、筐体153の略円形の部分に設けられている。
連結部191は、バンド151と筐体153とを接続する機能を有する。連結部191の長さが可変であると、使用者に合わせて、ヘッドフォン75Aの形状を変えることができるため、好ましい。
図11(B)に、ヘッドフォン75Bを示す。ヘッドフォン75Bは、本発明の一態様のヘッドフォンシステムに適用することができる。
ヘッドフォン75Bは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、2つの発光部154c(図11(B)では一方のみを図示する)、及び2つの連結部191を少なくとも有する。
発光部154cは、筐体153の略円形の部分に設けられている。
図12(A)に示すヘッドフォンは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153、2つの発光部154a、2つの生体センサ156、及び2つのヒンジ193を有する。
発光部154aは、筐体153の側面に設けられている。1つの筐体153は、発光部154aを2つ以上有していてもよい。例えば、図12(A)がヘッドフォンのおもて側(正面側)である場合、ヘッドフォンの裏側(背面側)にも、筐体153は発光部154aを有していてもよい。
生体センサ156は、使用者の肌に触れる位置に設けられる。図12(A)では、生体センサ156が左右に設けられている例を示すが、生体センサ156は少なくとも1か所設けられていればよい。
ヘッドフォンは、ヒンジ193を有すると、折りたたみが容易となり好ましい。
図12(B)に示すヘッドフォンは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153a、1つの筐体153b、及び3つの発光部154aを有する。
発光部154aは、2つの筐体153aの側面及び筐体153bの側面に設けられている。3つの発光部154aが有する発光パネルは、それぞれ、照明部121が有する発光パネルに相当する。3つの発光部154aのうち少なくとも一つが有する発光パネルは、表示部171が有する発光パネルを兼ねていてもよい。
2つの筐体153aは、それぞれ、スピーカを内部に有する。
図1等で説明したヘッドフォンの構成要素は、それぞれ、バンド151、筐体153a、及び筐体153bうちいずれかの内部に配置される。
図12(C−1)に示すヘッドフォンは、バンド151、2つのイヤーパッド152、2つの筐体153a、1つの筐体153b、姿勢検出部124(図示せず)、及び5つの発光部を有する。図12(C−1)に示すヘッドフォンは、発光部154a、発光部154aL、及び発光部154aRを、それぞれ、少なくとも1つ有する。5つの発光部のうち残りの2つは、両方が発光部154aである、または一方が発光部154aLであり他方が発光部154aRである。
発光部は、2つの筐体153aの側面及び筐体153bの側面に設けられている。5つの発光部が有する発光パネルは、それぞれ、照明部121が有する発光パネルに相当する。5つの発光部のうち少なくとも一つが有する発光パネルは、表示部171が有する発光パネルを兼ねていてもよい。
図12(C−2)に、姿勢検出部124の検出結果と、各発光部の発光状態の対応例を示す。
発光部154aは、姿勢検出部124の検出結果によらず、発光する。姿勢検出部124が、検出動作を行っていない(またはヘッドフォンの姿勢に変化がない)とき、発光部154aL及び発光部154aRは、発光しない。
姿勢検出部124が、ヘッドフォンが右に傾いていることを検知したとき、発光部154aRは、点滅する。姿勢検出部124が、ヘッドフォンが左に傾いていることを検知したとき、発光部154aLは、点滅する。
図12(C−3)に、姿勢検出部124の検出結果と、各発光部の発光状態の対応例を示す。
発光部154aは、姿勢検出部124の検出結果によらず、発光する。姿勢検出部124が、検出動作を行っていない(またはヘッドフォンの姿勢に変化がない)とき、発光部154aL及び発光部154aRは、発光する。
姿勢検出部124が、ヘッドフォンが右に傾いていることを検知したとき、発光部154aRは点滅し、発光部154aLは発光を停止する。姿勢検出部124が、ヘッドフォンが左に傾いていることを検知したとき、発光部154aLは点滅し、発光部154aRは発光を停止する。
姿勢検出部124の検出結果と、各発光部の発光状態の対応は、上記の例に限られない。例えば、ヘッドフォンが右を向く、左を向く等の動作を検知してもよい。
図13(A)に示すヘッドフォンは、バンド151、イヤーパッド152、筐体153、発光部154a、蓄電装置155、操作ボタン157、及びタッチパッド158を少なくとも有する。
発光部154aは、バンド151の弧状の部分に沿って設けられている。
蓄電装置155は、バンド151の弧状の部分に沿って設けられている。
ヘッドフォンは、可撓性を有する蓄電装置を有することが好ましい。可撓性を有する蓄電装置は、ヘッドフォンの曲がる部分に設けることが可能である。よって、ヘッドフォンの内部に、大面積の蓄電装置を配置することができる。したがって、1回の充電により長時間の使用が可能なヘッドフォンを実現することができる。
蓄電装置155は、発光部154aと重なる部分を有していてもよい。
操作ボタン157は、バンド151の略円形の部分に設けられている。操作ボタン157が配置される位置は特に限定されない。例えば、バンド151または筐体153の表面の任意の位置に設けることができる。
タッチパッド158は、バンド151の略円形の部分に設けられている。タッチパッド158が配置される位置は特に限定されない。例えば、バンド151または筐体153の表面の任意の位置に設けることができる。
図13(B)に示すヘッドフォンは、バンド151の弧状の部分に、発光部154aが複数設けられている例である。
図13(C)に示すヘッドフォンは、バンド151の弧状の部分及び略円形の部分のそれぞれに、蓄電装置155が設けられている例である。なお、ヘッドフォンの曲がらない部分に位置する蓄電装置155の可撓性は問わない。
図13(D)に示すヘッドフォンは、バンド151の弧状の部分から略円形の部分にまで、蓄電装置155が設けられている例である。また、バンド151に円形の発光部154cが設けられている例である。
図13(E)に示すヘッドフォンは、蓄電装置155と発光部154cが重ならない例である。また、バンド151に四角形の発光部154cが設けられている例である。
図13(F)に示すヘッドフォンは、2つの蓄電装置155のうち、一方が発光部154cと重なり、他方が発光部154cと重ならない例である。
図14(A)に示すヘッドフォンは、バンド151、イヤーパッド152、筐体153、発光部154a、発光部154b、及び操作ボタン157を少なくとも有する。
図14(B)に示すヘッドフォンは、バンド151、イヤーパッド152、筐体153、発光部154a、及び発光部154bを少なくとも有する。
図14(C)に示すヘッドフォンは、バンド151、イヤーパッド152、筐体153、及び発光部154cを少なくとも有する。
図14(C)では、発光部154cがバンド151の弧状の部分から略円形の部分まで広く形成されている。例えば、発光部154cは、一部が照明用途、他の一部が表示用途で用いられてもよい。
図14(D)、(E)に示すヘッドフォンは、バンド151、イヤーパッド152、筐体153、発光部154b、及び2つの蓄電装置155を少なくとも有する。
ヘッドフォンは、一部を携帯情報端末180として取り外すことができる(図14(E))。ヘッドフォンには、収納部189が設けられている。収納部189の凹部に携帯情報端末180を収納することができる。収納部189は、さらに、携帯情報端末180を覆うカバーを有していてもよい。
2つの蓄電装置のうち、一方は、バンド151の弧状の部分に設けられている。他方は、携帯情報端末180の内部に設けられている。携帯情報端末180は、発光部154b及び蓄電装置155を有する。
例えば、携帯情報端末180は、図8に示す携帯情報端末51と同様の構成を有する。ヘッドフォンは、ヘッドフォン52と同様の構成を有する。
携帯情報端末180は、ヘッドフォンから取り外された状態で、発光部154bを展開し、より広い面積で表示を行うことができてもよい。
図15(A)〜(G)に、可撓性を有する表示部7001を有する携帯情報端末の一例を示す。
表示部7001は、可撓性を有する表示パネル(タッチパネルを含む)を用いて作製される。例えば、曲率半径0.01mm以上150mm以下で曲げることができる表示パネル等を適用できる。また、表示部7001はタッチセンサを備えていてもよく、指等で表示部7001に触れることで携帯情報端末を操作することができる。
図15(A)は、携帯情報端末の一例を示す斜視図であり、図15(B)は、携帯情報端末の一例を示す側面図である。携帯情報端末180Aは、筐体7501、表示部7001、引き出し部材7502、操作ボタン7503等を有する。
携帯情報端末180Aは、筐体7501内にロール状に巻かれた可撓性を有する表示部7001を有する。引き出し部材7502を用いて表示部7001を引き出すことができる。
携帯情報端末180Aは内蔵された制御部によって映像信号を受信可能で、受信した映像を表示部7001に表示することができる。携帯情報端末180Aにはバッテリが内蔵されている。また、筐体7501にコネクタを接続する端子部を備え、映像信号及び電力を有線により外部から直接供給する構成としてもよい。
操作ボタン7503によって、電源のON、OFF動作、または表示する映像の切り替え等を行うことができる。なお、図15(A)〜(C)では、携帯情報端末180Aの側面に操作ボタン7503を配置する例を示すが、これに限られず、携帯情報端末180Aの表示面と同じ面(おもて面)または裏面に配置してもよい。
図15(C)には、表示部7001を引き出した状態の携帯情報端末180Aを示す。この状態で表示部7001に映像を表示することができる。また、表示部7001の一部がロール状に巻かれた図15(A)の状態と表示部7001を引き出した図15(C)の状態とで、携帯情報端末180Aが異なる表示を行う構成としてもよい。例えば、図15(A)の状態のときに、表示部7001のロール状に巻かれた部分を非表示とすることで、携帯情報端末180Aの消費電力を下げることができる。
なお、表示部7001を引き出した際に表示部7001の表示面が平面状となるように固定するため、表示部7001の側部に補強のためのフレームを設けていてもよい。
なお、この構成以外に、筐体にスピーカを設け、映像信号と共に受信した音声信号によって音声を出力する構成としてもよい。
図15(D)〜(F)に、折りたたみ可能な携帯情報端末の一例を示す。図15(D)では、展開した状態、図15(E)では、展開した状態または折りたたんだ状態の一方から他方に変化する途中の状態、図15(F)では、折りたたんだ状態の携帯情報端末180Bを示す。携帯情報端末180Bは、折りたたんだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では、継ぎ目のない広い表示領域により一覧性に優れる。
表示部7001はヒンジ7602によって連結された3つの筐体7601に支持されている。ヒンジ7602を介して2つの筐体7601間を屈曲させることにより、携帯情報端末180Bを展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させることができる。
図15(G)に、折りたたみ可能な携帯情報端末の一例を示す。図15(G)では、表示部7001が外側になるように折りたたんだ状態の携帯情報端末180Cを示す。携帯情報端末180Cは表示部7001及び非表示部7651を有する。携帯情報端末180Cは、表示部7001が内側になるように折りたたむことができてもよい。携帯情報端末180Cを使用しない際に、表示部7001が内側になるように折りたたむことで、表示部7001の汚れ及び傷つきを抑制できる。
図16(A)、(B)に、折りたたまれた、本発明の一態様のヘッドフォンの例を示す。なお、本発明の一態様のヘッドフォンの折りたたみ方は、特に限定されない。
ヘッドフォンを使用しない際に、ヘッドフォンを折りたたんで小型化することができると、持ち運びが容易となり好ましい。
例えば、前述の通り、ヘッドフォンはヒンジを有し、所定の位置で曲げることができる構成とすることができる。
本発明の一態様のヘッドフォンには、それぞれ可撓性を有する、発光パネル、表示パネル、及び蓄電装置を適用することができる。そのため、バンド151の曲がる部分に、これらの少なくとも一つを配置することができる。
図16(A)は、バンド151の2か所をそれぞれ異なる曲率半径で曲げた例である。図16(B)は、バンド151の2か所を同じ曲率半径で曲げた例である。
ヘッドフォンの構成要素及びその配置によって、バンド151を繰り返し曲げることができる最小の曲率半径が決定される。バンド151の位置によって、繰り返し曲げることができる最小の曲率半径が異なる場合は、例えば、図16(A)に示すように、より小さな曲率半径で曲げることが可能な部分を曲げることで、ヘッドフォンの小型化が可能となる。繰り返し曲げることができる最小の曲率半径が、バンド151の位置によらず一定である場合は、例えば、図16(B)に示すように、左右対称に曲げることで、ヘッドフォンの小型化が可能となる。
図17(A)〜(F)に、本発明の一態様のヘッドフォンの装着例を示す。
本発明の一態様は、ネックバンド型、ヘッドバンド型、耳掛け型(クリップ型ともいう)等の様々な形態のヘッドフォンに適用できる。
図17(A)では、バンド151に発光部154aを有する、ネックバンド型のヘッドフォンを示す。
図17(B)では、バンド151に発光部154aを有する、ヘッドバンド型のヘッドフォンを示す。
図17(C)では、バンド151に発光部154aを有し、筐体153に発光部154bを有する、ネックバンド型のヘッドフォンを示す。
図17(D)では、筐体153に発光部154cを有する、ヘッドバンド型のヘッドフォンを示す。
図17(E)では、頭用と首用の2つのバンド151を有するヘッドフォンを示す。バンド151及び筐体153の少なくとも一方に発光部を設けることができる。
図17(F)では、帽子型のヘッドフォンを示す。帽子部161及び筐体153の少なくとも一方に発光部を設けることができる。帽子部161の材料は布であってもプラスチックであってもよく、例えばプラスチック材料を用いると帽子型はヘルメット型とも呼べる。例えば、プラスチック材料で形成された帽子型のヘッドフォンを装着した運転手がバイクなどの乗り物を運転する場合、右折、左折などをする前に頭を傾けるだけで加速度センサなどにより検知し、その動きに対応させて発光部を発光させれば、後方の他の運転手に前もって合図することができる。また、セパレートタイプとして、ヘルメットとヘッドフォンを別々に装着し、ヘルメットの外側または内側にヘッドフォンを配置できるようにしてもよい。ヘルメット型とする場合、スポーツ中等に使用することも可能であり、利便性が高い。ウインタースポーツにおいては、天候により霧、吹雪などの場合、視界が悪化するため、互いの位置を認識しにくいが、表示部または発光部を有するヘッドフォンを点灯させることで互いに位置を確認できる。また、モーターバイクレースのようなスポーツにおいては、レース中、互いの選手が近すぎる場合、互いのウインカーを確認できる車間距離を保つことが難しく、事故を未然に防ぐことが難しいが、表示部を有するヘッドフォンとヘルメットを組み合わせて装着することで、文字や色を表示することで互いにコミュニケーションが取れ、事故などを防げる。
以上のように、本発明の一態様のヘッドフォンは、照明部及び検出部を有する。ヘッドフォンは、外光の量または使用者の動作等に応じて、照明部の発光を制御することができる。これにより、ヘッドフォンの利便性を高めることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に適用可能な発光パネルの構成と作製方法について図18〜図34を用いて説明する。本実施の形態では、発光素子としてEL素子が適用された発光パネルを例に説明する。
図18(A)〜(D)に、一対の基板(基板371及び基板372)を有する発光パネルを示す。発光パネルは、発光部381及び駆動回路部382を有する。発光パネルには、FPC373が接続されている。FPC373は、基板371上の外部接続電極(図示しない)と電気的に接続されている。
図18(A)は、発光パネルの1辺に駆動回路部382を有する発光パネルの例である。
図18(B)、(C)は、発光パネルの2辺に駆動回路部382を有する発光パネルの例である。図18(B)では、対向する2辺に沿って駆動回路部382が設けられている。図18(C)では、発光パネルの短辺に沿って設けられた駆動回路部382と、長辺に沿って設けられた駆動回路部382とを有する。
図18(D)は、発光部381が円形の上面形状を有する発光パネルの例である。発光部381は、円形に限られず、多角形または楕円形等、様々な上面形状をとることができる。
また、発光パネルも、円形に限られず、多角形または楕円形等、様々な上面形状をとることができる。図18(D)の発光パネルの上面形状は、曲線の部分と直線の部分の双方を有する。
<構成例1>
図19に、カラーフィルタ方式が適用されたトップエミッション構造の発光パネル370の断面図を示す。
本実施の形態において、発光パネルは、例えば、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色の副画素で1つの色を表現する構成、R、G、B、W(白)の4色の副画素で1つの色を表現する構成、またはR、G、B、Y(黄)の4色の副画素で1つの色を表現する構成等が適用できる。色要素としては特に限定はなく、RGBWY以外の色を用いてもよく、例えば、シアンまたはマゼンタ等を用いてもよい。
発光パネル370は、基板371、接着層377、絶縁層378、複数のトランジスタ、容量素子305、導電層307、絶縁層312、絶縁層313、絶縁層314、絶縁層315、発光素子304、導電層355、スペーサ316、接着層317、着色層325、遮光層326、基板372、接着層375、及び絶縁層376を有する。
駆動回路部382はトランジスタ301を有する。発光部381は、トランジスタ302及びトランジスタ303を有する。
各トランジスタは、ゲート、ゲート絶縁層311、半導体層、ソース、及びドレインを有する。ゲートと半導体層は、ゲート絶縁層311を介して重なる。ゲート絶縁層311の一部は、容量素子305の誘電体としての機能を有する。トランジスタ302のソースまたはドレインとして機能する導電層は、容量素子305の一方の電極を兼ねる。
図19では、ボトムゲート構造のトランジスタを示す。駆動回路部382と発光部381とで、トランジスタの構造が異なっていてもよい。駆動回路部382及び発光部381は、それぞれ、複数の種類のトランジスタを有していてもよい。
容量素子305は、一対の電極と、その間の誘電体とを有する。容量素子305は、トランジスタのゲートと同一の材料、及び同一の工程で形成した導電層と、トランジスタのソース及びドレインと同一の材料、及び同一の工程で形成した導電層と、を有する。
絶縁層312、絶縁層313、及び絶縁層314は、それぞれ、トランジスタ等を覆って設けられる。トランジスタ等を覆う絶縁層の数は特に限定されない。絶縁層314は、平坦化層としての機能を有する。絶縁層312、絶縁層313、及び絶縁層314のうち、少なくとも一層には、水または水素等の不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。外部から不純物がトランジスタに拡散することを効果的に抑制することが可能となり、発光パネルの信頼性を高めることができる。
絶縁層314として有機材料を用いる場合、発光パネルの端部に露出した絶縁層314を通って発光素子304等に発光パネルの外部から水分等の不純物が侵入する恐れがある。不純物の侵入により、発光素子304が劣化すると、発光パネルの劣化につながる。そのため、図19に示すように、絶縁層314に無機膜(ここでは絶縁層313)に達する開口を設け、発光パネルの外部から水分等の不純物が侵入しても、発光素子304に到達しにくい構造とすることが好ましい。
図23(A)では、絶縁層314に上記の開口を設けていない場合の断面図を示す。図23(A)の構成のように、絶縁層314が発光パネル全面にわたって設けられていると、後述の剥離工程の歩留まりを高めることができるため、好ましい。
図23(B)では、絶縁層314が、発光パネルの端部に位置しない場合の断面図を示す。図23(B)の構成では、有機材料を用いた絶縁層が発光パネルの端部に位置しないため、発光素子304に不純物が侵入することを抑制できる。
発光素子304は、電極321、EL層322、及び電極323を有する。発光素子304は、光学調整層324を有していてもよい。発光素子304は、着色層325側に光を射出する、トップエミッション構造である。
トランジスタ、容量素子、及び配線等を、発光素子304の発光領域と重ねて配置することで、発光部381の開口率を高めることができる。
電極321及び電極323のうち、一方は、陽極として機能し、他方は、陰極として機能する。電極321及び電極323の間に、発光素子304の閾値電圧より高い電圧を印加すると、EL層322に陽極側から正孔が注入され、陰極側から電子が注入される。注入された電子と正孔はEL層322において再結合し、EL層322に含まれる発光物質が発光する。
電極321は、トランジスタ303のソースまたはドレインと電気的に接続される。これらは、直接接続されてもよいし、他の導電層を介して接続されてもよい。電極321は、画素電極として機能し、発光素子304ごとに設けられている。隣り合う2つの電極321は、絶縁層315によって電気的に絶縁されている。
EL層322は、発光性の物質を含む層である。
電極323は、共通電極として機能し、複数の発光素子304にわたって設けられている。電極323には、定電位が供給される。
発光素子304は、接着層317を介して着色層325と重なる。スペーサ316は、接着層317を介して遮光層326と重なる。図19では、発光素子304と遮光層326との間に隙間がある場合を示しているが、これらが接していてもよい。図19では、スペーサ316を基板371側に設ける構成を示したが、基板372側(例えば遮光層326よりも基板371側)に設けてもよい。
カラーフィルタ(着色層325)とマイクロキャビティ構造(光学調整層324)との組み合わせにより、発光パネルからは、色純度の高い光を取り出すことができる。光学調整層324の膜厚は、各画素の色に応じて変化させる。
着色層325は特定の波長帯域の光を透過する有色層である。例えば、赤色、緑色、青色、または黄色の波長帯域の光を透過するカラーフィルタ等を用いることができる。着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含まれた樹脂材料等が挙げられる。
なお、本発明の一態様は、カラーフィルタ方式に限られず、塗り分け方式、色変換方式、または量子ドット方式等を適用してもよい。
遮光層326は、隣接する着色層325の間に設けられている。遮光層326は隣接する発光素子からの光を遮光し、隣接する発光素子間における混色を抑制する。ここで、着色層325の端部を、遮光層326と重なるように設けることにより、光漏れを抑制することができる。遮光層326としては、発光素子からの発光を遮る材料を用いることができ、例えば、金属材料、または、顔料もしくは染料を含む樹脂材料等を用いてブラックマトリクスを形成することができる。なお、遮光層326は、駆動回路等の画素部以外の領域に設けると、導波光等による意図しない光漏れを抑制できるため好ましい。
図23(B)では、着色層325及び遮光層326を覆うオーバーコート329が設けられている例を示す。オーバーコート329は、着色層325に含有された不純物等の発光素子への拡散を防止することができる。オーバーコート329は、発光素子304からの発光を透過する材料から構成され、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等の無機絶縁膜、または、アクリル膜、ポリイミド膜等の有機絶縁膜を用いることができ、有機絶縁膜と無機絶縁膜との積層構造としてもよい。
また、接着層317の材料を着色層325及び遮光層326上に塗布する場合、オーバーコート329の材料として接着層317の材料に対して濡れ性の高い材料を用いることが好ましい。例えば、オーバーコート329として、ITO膜等の酸化物導電膜、または透光性を有する程度に薄いAg膜等の金属膜を用いることが好ましい。
オーバーコート329の材料に、接着層317の材料に対して濡れ性の高い材料を用いることで、接着層317の材料を均一に塗布することができる。これにより、一対の基板を貼り合わせた際に気泡が混入することを抑制でき、表示不良を抑制できる。
絶縁層378と基板371は接着層377によって貼り合わされている。また、絶縁層376と基板372は接着層375によって貼り合わされている。絶縁層376及び絶縁層378に防湿性の高い膜を用いることが好ましい。一対の防湿性の高い絶縁層の間に発光素子304及びトランジスタ等を配置することで、これらの素子に水等の不純物が侵入することを抑制でき、発光パネルの信頼性が高くなるため好ましい。
防湿性の高い絶縁膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の窒素と珪素を含む膜、及び、窒化アルミニウム膜等の窒素とアルミニウムを含む膜等が挙げられる。また、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等を用いてもよい。
例えば、防湿性の高い絶縁膜の水蒸気透過量は、1×10−5[g/(m2・day)]以下、好ましくは1×10−6[g/(m2・day)]以下、より好ましくは1×10−7[g/(m2・day)]以下、さらに好ましくは1×10−8[g/(m2・day)]以下とする。
接続部306は、導電層307及び導電層355を有する。導電層307と導電層355は、電気的に接続されている。導電層307は、トランジスタのソース及びドレインと同一の材料、及び同一の工程で形成することができる。導電層355は、駆動回路部382に外部からの信号や電位を伝達する外部入力端子と電気的に接続する。ここでは、外部入力端子としてFPC373を設ける例を示している。接続体319を介してFPC373と導電層355は電気的に接続する。
接続体319としては、様々な異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)及び異方性導電ペースト(ACP:Anisotropic Conductive Paste)等を用いることができる。
本発明の一態様の発光パネルが有する基板は、可撓性を有することが好ましい。可撓性を有する基板には、可撓性を有する程度の厚さのガラス、石英、樹脂、金属、合金、半導体等の材料を用いることができる。発光素子からの光を取り出す側の基板は、該光を透過する材料を用いる。例えば、可撓性を有する基板の厚さは、1μm以上200μm以下が好ましく、1μm以上100μm以下がより好ましく、10μm以上50μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下がさらに好ましい。可撓性を有する基板の厚さ及び硬さは、機械的強度及び可撓性を両立できる範囲とする。可撓性を有する基板は単層構造であっても積層構造であってもよい。
ガラスに比べて樹脂は比重が小さいため、可撓性を有する基板として樹脂を用いると、ガラスを用いる場合に比べて発光パネルを軽量化でき、好ましい。
基板には、靱性が高い材料を用いることが好ましい。これにより、耐衝撃性に優れ、破損しにくい発光パネルを実現できる。例えば、樹脂基板、または、厚さの薄い金属基板もしくは合金基板を用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて、軽量であり、破損しにくい発光パネルを実現できる。
金属材料及び合金材料は熱伝導性が高く、基板全体に熱を容易に伝導できるため、発光パネルの局所的な温度上昇を抑制することができ、好ましい。金属材料または合金材料を用いた基板の厚さは、10μm以上200μm以下が好ましく、20μm以上50μm以下であることがより好ましい。
金属基板または合金基板を構成する材料としては、特に限定はないが、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、または、アルミニウム合金もしくはステンレス等の金属の合金等を好適に用いることができる。半導体基板を構成する材料としては、シリコン等が挙げられる。
また、基板に、熱放射率が高い材料を用いると発光パネルの表面温度が高くなることを抑制でき、発光パネルの破壊、及び信頼性の低下を抑制できる。例えば、基板を金属基板と熱放射率の高い層(例えば、金属酸化物またはセラミック材料を用いることができる)の積層構造としてもよい。
可撓性及び透光性を有する材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリエーテルスルホン(PES)樹脂、ポリアミド樹脂(ナイロン、アラミド等)、ポリシロキサン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ABS樹脂、セルロースナノファイバー等が挙げられる。特に、線膨張係数の低い材料を用いることが好ましく、例えば、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、PET等を好適に用いることができる。また、繊維体に樹脂を含浸した基板(プリプレグともいう)、及び、無機フィラーを樹脂に混ぜて線膨張係数を下げた基板等を使用することもできる。
可撓性を有する基板としては、上記材料を用いた層が、装置の表面を傷等から保護するハードコート層(例えば、窒化シリコン層等)、押圧を分散可能な材質の層(例えば、アラミド樹脂層等)等の少なくとも一と積層されて構成されていてもよい。例えば、一対のハードコート層に樹脂フィルムが挟持されていてもよい。
接着層には、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、嫌気型接着剤等の各種硬化型接着剤を用いることができる。また、接着シート等を用いてもよい。
また、接着層には乾燥剤を含んでいてもよい。例えば、アルカリ土類金属の酸化物(酸化カルシウム、酸化バリウム等)のように、化学吸着によって水分を吸着する物質を用いることができる。または、ゼオライトまたはシリカゲル等のように、物理吸着によって水分を吸着する物質を用いてもよい。乾燥剤が含まれていると、水分等の不純物が機能素子に侵入することを抑制でき、発光パネルの信頼性が向上するため好ましい。
また、接着層に屈折率の高いフィラーまたは光散乱部材を含ませることで、発光素子からの光取り出し効率を向上させることができる。例えば、酸化チタン、酸化バリウム、ゼオライト、ジルコニウム等を用いることができる。
発光素子としては、自発光が可能な素子を用いることができ、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでいる。例えば、発光ダイオード(LED)、有機EL素子、無機EL素子等を用いることができる。
発光素子は、トップエミッション型、ボトムエミッション型、デュアルエミッション型のいずれであってもよい。光を取り出す側の電極には、可視光を透過する導電膜を用いる。また、光を取り出さない側の電極には、可視光を反射する導電膜を用いることが好ましい。
可視光を透過する導電膜は、例えば、酸化インジウム、ITO、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛(ZnO)、ガリウムを添加したZnO等を用いて形成することができる。また、金、銀、白金、マグネシウム、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、パラジウム、もしくはチタン等の金属材料、これら金属材料を含む合金、またはこれら金属材料の窒化物(例えば、窒化チタン)等も、透光性を有する程度に薄く形成することで用いることができる。また、上記材料の積層膜を導電膜として用いることができる。例えば、銀とマグネシウムの合金とITOの積層膜等を用いると、導電性を高めることができるため好ましい。また、グラフェン等を用いてもよい。
可視光を反射する導電膜は、例えば、アルミニウム、金、白金、銀、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、もしくはパラジウム等の金属材料、またはこれら金属材料を含む合金を用いることができる。また、上記金属材料または合金に、ランタン、ネオジム、またはゲルマニウム等が添加されていてもよい。また、アルミニウムとチタンの合金、アルミニウムとニッケルの合金、アルミニウムとネオジムの合金、アルミニウム、ニッケル、及びランタンの合金(Al−Ni−La)等のアルミニウムを含む合金(アルミニウム合金)、銀と銅の合金、銀とパラジウムと銅の合金(Ag−Pd−Cu、APCとも記す)、銀とマグネシウムの合金等の銀を含む合金を用いてもよい。銀と銅を含む合金は、耐熱性が高いため好ましい。さらに、アルミニウム合金膜に接する金属膜または金属酸化物膜を積層することで、アルミニウム合金膜の酸化を抑制することができる。該金属膜、金属酸化物膜の材料としては、チタン、酸化チタン等が挙げられる。また、上記可視光を透過する導電膜と金属材料からなる膜とを積層してもよい。例えば、銀とITOの積層膜、銀とマグネシウムの合金とITOの積層膜等を用いることができる。
電極は、それぞれ、蒸着法またはスパッタリング法を用いて形成することができる。そのほか、インクジェット法等の吐出法、スクリーン印刷法等の印刷法、またはメッキ法を用いて形成することができる。
EL層322は少なくとも発光層を有する。EL層322は、複数の発光層を有していてもよい。EL層322は、発光層以外の層として、正孔注入性の高い物質、正孔輸送性の高い物質、正孔ブロック材料、電子輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、またはバイポーラ性の物質(電子輸送性及び正孔輸送性が高い物質)等を含む層をさらに有していてもよい。
EL層322には低分子系化合物及び高分子系化合物のいずれを用いることもでき、無機化合物を含んでいてもよい。EL層322を構成する層は、それぞれ、蒸着法(真空蒸着法を含む)、転写法、印刷法、インクジェット法、塗布法等の方法で形成することができる。
発光素子304は、2種類以上の発光物質を含んでいてもよい。これにより、例えば、白色発光の発光素子を実現することができる。例えば2種類以上の発光物質の各々の発光が補色の関係となるように、発光物質を選択することにより白色発光を得ることができる。例えば、R(赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、またはO(橙)等の発光を示す発光物質、またはR、G、Bのうち2以上の色のスペクトル成分を含む発光を示す発光物質を用いることができる。例えば、青の発光を示す発光物質と、黄の発光を示す発光物質を用いてもよい。このとき、黄の発光を示す発光物質の発光スペクトルは、緑及び赤のスペクトル成分を含むことが好ましい。また、発光素子304の発光スペクトルは、可視領域の波長(例えば350nm以上750nm以下、または400nm以上800nm以下等)の範囲内に2以上のピークを有することが好ましい。
また、発光素子304は、EL層を1つ有するシングル素子であってもよいし、電荷発生層を介して積層されたEL層を複数有するタンデム素子であってもよい。
また、本発明の一態様では、量子ドット等の無機化合物を用いた発光素子を適用してもよい。量子ドット材料としては、コロイド状量子ドット材料、合金型量子ドット材料、コア・シェル型量子ドット材料、コア型量子ドット材料等が挙げられる。例えば、カドミウム(Cd)、セレン(Se)、亜鉛(Zn)、硫黄(S)、リン(P)、インジウム(In)、テルル(Te)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)、アルミニウム(Al)等の元素を有していてもよい。
発光パネルが有するトランジスタの構造は特に限定されない。例えば、プレーナ型のトランジスタとしてもよいし、スタガ型のトランジスタとしてもよいし、逆スタガ型のトランジスタとしてもよい。また、トップゲート型またはボトムゲート型のいずれのトランジスタ構造としてもよい。または、チャネルの上下にゲート電極が設けられていてもよい。
トランジスタに用いる半導体材料の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体(微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、または一部に結晶領域を有する半導体)のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタ特性の劣化を抑制できるため好ましい。
トランジスタに用いる半導体材料は特に限定されず、例えば、第14族の元素、化合物半導体または酸化物半導体を半導体層に用いることができる。代表的には、シリコンを含む半導体、ガリウムヒ素を含む半導体、またはインジウムを含む酸化物半導体等を適用できる。
特に、トランジスタのチャネルが形成される半導体に、酸化物半導体を適用することが好ましい。特にシリコンよりもバンドギャップの大きな酸化物半導体を適用することが好ましい。シリコンよりもバンドギャップが広く、かつキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジスタのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。
例えば、上記酸化物半導体として、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。より好ましくは、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、Ce、HfまたはNd等の金属)で表記される酸化物を含む。
トランジスタに用いる半導体材料として、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)を用いることが好ましい。CAAC−OSは非晶質とは異なり、欠陥準位が少なく、トランジスタの信頼性を高めることができる。また、CAAC−OSは結晶粒界が確認されないという特徴を有するため、大面積に安定で均一な膜を形成することが可能で、また可撓性を有する発光パネルを湾曲させたときの応力によってCAAC−OS膜にクラックが生じにくい。
CAAC−OSは、膜面に対して、結晶のc軸が概略垂直配向した結晶性酸化物半導体のことである。酸化物半導体の結晶構造としては他にナノスケールの微結晶集合体であるナノ結晶(nc:nanocrystal)等、単結晶とは異なる多彩な構造が存在することが確認されている。CAAC−OSは、単結晶よりも結晶性が低く、ncに比べて結晶性が高い。
また、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することもできる。
発光パネルが有する絶縁層には、有機絶縁材料または無機絶縁材料を用いることができる。樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、シロキサン樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。無機絶縁膜としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜、及び酸化ネオジム膜等が挙げられる。
発光パネルが有する導電層には、それぞれ、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、もしくはタングステン等の金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いることができる。または、酸化インジウム、ITO、タングステンを含むインジウム酸化物、タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、チタンを含むインジウム酸化物、チタンを含むITO、インジウム亜鉛酸化物、ZnO、ガリウムを添加したZnO、またはシリコンを含むインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いてもよい。また、不純物元素を含有させる等して低抵抗化させた、多結晶シリコンもしくは酸化物半導体等の半導体、またはニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、グラフェンを含む膜を用いることもできる。グラフェンを含む膜は、例えば膜状に形成された酸化グラフェンを含む膜を還元して形成することができる。また、不純物元素を含有させた酸化物半導体等の半導体を用いてもよい。または、銀、カーボン、もしくは銅等の導電性ペースト、またはポリチオフェン等の導電性ポリマーを用いて形成してもよい。導電性ペーストは、安価であり、好ましい。導電性ポリマーは、塗布しやすく、好ましい。
<構成例1の作製方法例>
可撓性を有する発光パネルを作製する際、可撓性を有する基板上に発光素子を形成する方法としては、例えば、可撓性を有する基板上に、発光素子を直接形成する第1の方法と、可撓性を有する基板とは異なる耐熱性の高い基板(以下、作製基板と記す)上に発光素子を形成した後、作製基板と発光素子とを剥離して、可撓性を有する基板に発光素子を転置する第2の方法と、がある。
例えば、可撓性を有する程度に薄い厚さのガラス基板のように、発光素子の作製工程でかける温度に対して耐熱性を有する基板を用いる場合には、第1の方法を用いると、工程が簡略化されるため好ましい。
また、第2の方法を適用することで、作製基板上で高温をかけて形成した透水性の低い絶縁膜等を、可撓性を有する基板に転置することができる。したがって、透水性が高く、耐熱性が低い有機樹脂等を、可撓性を有する基板の材料として用いても、可撓性を有し、信頼性が高い発光パネルを作製できる。
図20〜図22を用いて構成例1の作製方法の一例を説明する。図20〜図22は、発光パネル370の発光部381の作製方法を説明する断面図である。
まず、図20(A)に示すように、作製基板401上に剥離層403を形成する。次に、剥離層403上に被剥離層を形成する。ここで、剥離層403上に形成する被剥離層は、図19における絶縁層378から発光素子304までの各層である。
作製基板401には、少なくとも作製工程中の処理温度に耐えうる耐熱性を有する基板を用いる。作製基板401としては、例えばガラス基板、石英基板、サファイア基板、半導体基板、セラミック基板、金属基板、樹脂基板、プラスチック基板等を用いることができる。
なお、量産性を向上させるため、作製基板401として大型のガラス基板を用いることが好ましい。例えば、第3世代(550mm×650mm)以上第10世代(2950mm×3400mm)以下のガラス基板、またはこれよりも大型のガラス基板を用いることが好ましい。
作製基板401にガラス基板を用いる場合、作製基板401と剥離層403との間に、下地膜として、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜等の絶縁膜を形成すると、ガラス基板からの汚染を防止でき、好ましい。
剥離層403は、タングステン、モリブデン、チタン、タンタル、ニオブ、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、シリコンから選択された元素、該元素を含む合金材料、または該元素を含む化合物材料等を用いて形成できる。シリコンを含む層の結晶構造は、非晶質、微結晶、多結晶のいずれでもよい。また、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、In−Ga−Zn酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。剥離層403に、タングステン、チタン、モリブデン等の高融点金属材料を用いると、被剥離層の形成工程の自由度が高まるため好ましい。
剥離層403は、例えばスパッタリング法、プラズマCVD法、塗布法(スピンコーティング法、液滴吐出法、ディスペンス法等を含む)、印刷法等により形成できる。剥離層403の厚さは例えば1nm以上200nm以下、好ましくは10nm以上100nm以下とする。
剥離層403が単層構造の場合、タングステン層、モリブデン層、またはタングステンとモリブデンの混合物を含む層を形成することが好ましい。また、タングステンの酸化物もしくは酸化窒化物を含む層、モリブデンの酸化物もしくは酸化窒化物を含む層、またはタングステンとモリブデンの混合物の酸化物もしくは酸化窒化物を含む層を形成してもよい。なお、タングステンとモリブデンの混合物とは、例えば、タングステンとモリブデンの合金に相当する。
また、剥離層403として、タングステンを含む層とタングステンの酸化物を含む層の積層構造を形成する場合、タングステンを含む層を形成し、その上に酸化物で形成される絶縁膜を形成することで、タングステン層と絶縁膜との界面に、タングステンの酸化物を含む層が形成されることを活用してもよい。また、タングステンを含む層の表面を、熱酸化処理、酸素プラズマ処理、亜酸化窒素(N2O)プラズマ処理、オゾン水等の酸化力の強い溶液での処理等を行ってタングステンの酸化物を含む層を形成してもよい。プラズマ処理及び加熱処理は、それぞれ、酸素、窒素、亜酸化窒素単独、あるいは該ガスとその他のガスとの混合気体雰囲気下で行ってもよい。上記プラズマ処理または加熱処理により、剥離層403の表面状態を変えることで、剥離層403と後に形成される絶縁膜との密着性を制御することが可能である。
なお、作製基板と被剥離層の界面で剥離が可能な場合には、剥離層を設けなくてもよい。例えば、作製基板としてガラスを用い、ガラスに接してポリイミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカーボネート、アクリル等の有機樹脂を形成する。次に、レーザ照射または加熱処理を行うことで、作製基板と有機樹脂の密着性を向上させる。そして、有機樹脂上に絶縁膜及びトランジスタ等を形成する。その後、先のレーザ照射よりも高いエネルギー密度でレーザ照射を行う、または、先の加熱処理よりも高い温度で加熱処理を行うことで、作製基板と有機樹脂の界面で剥離することができる。また、剥離の際には、作製基板と有機樹脂の界面に液体を浸透させて分離してもよい。
なお、該有機樹脂を、装置を構成する基板として用いてもよいし、該有機樹脂を除去し、被剥離層の露出した面に接着剤を用いて別の基板を貼り合わせてもよい。
または、作製基板と有機樹脂の間に金属層を設け、該金属層に電流を流すことで該金属層を加熱し、金属層と有機樹脂の界面で剥離を行ってもよい。
絶縁層378は、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜等を用いて、単層または積層で形成することが好ましい。
絶縁層378は、スパッタリング法、プラズマCVD法、塗布法、印刷法等を用いて形成することが可能であり、例えば、プラズマCVD法によって成膜温度を250℃以上400℃以下として形成することで、緻密で非常に防湿性の高い膜とすることができる。なお、絶縁層378の厚さは10nm以上3000nm以下、さらには200nm以上1500nm以下が好ましい。
また、図20(B)に示すように、作製基板411上に剥離層413を形成する。次に、剥離層413上に被剥離層を形成する。ここで、剥離層413上に形成する被剥離層は、図19における絶縁層376、遮光層326、及び着色層325である。
作製基板411、剥離層413、及び絶縁層376には、それぞれ、作製基板401、剥離層403、及び絶縁層378に用いることができる材料を適用することができる。
次に、図20(C)に示すように、作製基板401と作製基板411とを、接着層317を用いて貼り合わせる。
次に、図21(A)に示すように、作製基板401と絶縁層378とを分離する。なお、作製基板401と作製基板411のどちらを先に分離してもよい。
作製基板401と絶縁層378とを分離する前に、レーザ光または鋭利な刃物等を用いて、剥離の起点を形成することが好ましい。絶縁層378の一部にクラックを入れる(膜割れまたはひびを生じさせる)ことで、剥離の起点を形成できる。例えば、レーザ光の照射によって、絶縁層378の一部を溶解、蒸発、または熱的に破壊することができる。
そして、形成した剥離の起点から、物理的な力(人間の手または治具で引き剥がす処理、基板に密着させたローラーを回転させることで分離する処理等)によって絶縁層378と作製基板401とを分離する。図21(A)の下部に、絶縁層378から分離された剥離層403と作製基板401を示す。その後、図21(A)に示すように、露出した絶縁層378と、基板371とを、接着層377を用いて貼り合わせる。
なお、基板371として好適に用いることができるフィルムの両面には、剥離フィルム(セパレートフィルム、離型フィルムともいう)が設けられている場合が多い。基板371と絶縁層378を貼り合わせる際には、基板371に設けられた一方の剥離フィルムのみを剥がし、他方の剥離フィルムは残したままにしておくことが好ましい。これにより、後の工程での搬送及び加工が容易となる。図21(A)では、基板371の一方の面に剥離フィルム398が設けられている例を示す。
次に、図21(B)に示すように、作製基板411と絶縁層376とを分離する。図21(B)の上部に、絶縁層376から分離された剥離層413と作製基板411を示す。そして、露出した絶縁層376と、基板372とを、接着層375を用いて貼り合わせる。図21(B)では、基板372の一方の面に剥離フィルム399が設けられている例を示す。
次に、図22(A)に示すように、剥離フィルム398を剥離する。そして、図22(B)に示すように、剥離フィルム399を剥離する。なお、剥離フィルム398、399を剥離する順は問わない。
以上のように、本発明の一態様では、発光パネルを構成する機能素子等は、全て作製基板上で形成するため、精細度の高い発光パネルを作製する場合においても、可撓性を有する基板には、高い位置合わせ精度が要求されない。よって、簡便に可撓性を有する基板を貼り付けることができる。また、高温をかけて機能素子等を作製できるため、信頼性の高い発光パネルを実現できる。
<構成例2>
図24(A)に、カラーフィルタ方式が適用された発光パネルの断面図を示す。なお、以降の構成例では、先の構成例と同様の構成については、詳細な説明を省略する。
図24(A)に示す発光パネルは、基板371、接着層377、絶縁層378、複数のトランジスタ、導電層307、絶縁層312、絶縁層313、絶縁層314、絶縁層315、発光素子304、導電層355、接着層317、着色層325、基板372、及び絶縁層376を有する。
駆動回路部382はトランジスタ301を有する。発光部381は、トランジスタ303を有する。
各トランジスタは、2つのゲート、ゲート絶縁層311、半導体層、ソース、及びドレインを有する。2つのゲートは、それぞれ、絶縁層を介して半導体層と重なる。図24(A)では、各トランジスタに、半導体層を2つのゲートで挟持する構成を適用した例を示している。このようなトランジスタは他のトランジスタと比較して電界効果移動度を高めることができ、オン電流を増大させることができる。その結果、高速動作が可能な回路を作製することができる。さらには、回路の占有面積を縮小することができる。オン電流の大きなトランジスタを適用することで、発光パネルを大型化または高精細化し配線数が増大しても、各配線における信号遅延を低減することができ、表示の輝度のばらつきを低減することができる。図24(A)では、電極321と同一の材料、及び同一の工程で、一方のゲートを作製する例を示す。
発光素子304は、着色層325側に光を射出する、ボトムエミッション構造である。
発光素子304は、絶縁層314を介して着色層325と重なる。着色層325は、発光素子304と基板371の間に配置される。図24(A)では、着色層325を絶縁層313上に配置する例を示す。図24(A)では、遮光層及びスペーサを設けない例を示す。
<構成例3>
図24(B)に、塗り分け方式が適用された発光パネルの断面図を示す。
図24(B)に示す発光パネルは、基板371、接着層377、絶縁層378、複数のトランジスタ、導電層307、絶縁層312、絶縁層313、絶縁層314、絶縁層315、スペーサ316、発光素子304、接着層317、基板372、及び絶縁層376を有する。
駆動回路部382はトランジスタ301を有する。発光部381は、トランジスタ302、トランジスタ303、及び容量素子305を有する。
各トランジスタは、2つのゲート、ゲート絶縁層311、半導体層、ソース、及びドレインを有する。2つのゲートは、それぞれ、絶縁層を介して半導体層と重なる。図24(B)では、各トランジスタに、半導体層を2つのゲートで挟持する構成を適用した例を示している。図24(B)では、絶縁層313と絶縁層314の間に、一方のゲートを作製する例を示す。
発光素子304は、基板372側に光を射出する、トップエミッション構造である。図24(B)では、発光素子304が光学調整層を有さない例を示す。絶縁層376は、発光素子304の封止層として機能する。
接続部306は、導電層307を有する。導電層307は接続体319を介してFPC373と電気的に接続する。
<応用例>
本発明の一態様では、タッチセンサが搭載された発光パネル(入出力装置またはタッチパネルともいう)を作製することができる。
本発明の一態様のタッチパネルが有する検知素子(センサ素子ともいう)に限定は無い。指またはスタイラス等の被検知体の近接または接触を検知することのできる様々なセンサを、検知素子として適用することができる。
例えばセンサの方式としては、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、光学方式、感圧方式等様々な方式を用いることができる。
本実施の形態では、静電容量方式の検知素子を有するタッチパネルを例に挙げて説明する。
静電容量方式としては、表面型静電容量方式、投影型静電容量方式等がある。また、投影型静電容量方式としては、自己容量方式、相互容量方式等がある。相互容量方式を用いると、同時多点検出が可能となるため好ましい。
本発明の一態様のタッチパネルは、別々に作製された発光パネルと検知素子とを貼り合わせる構成、発光素子を支持する基板及び対向基板の一方または双方に検知素子を構成する電極等を設ける構成等、様々な構成を適用することができる。
<構成例4>
図25(A)は、タッチパネル300の斜視概略図である。図25(B)は、図25(A)を展開した斜視概略図である。なお明瞭化のため、代表的な構成要素のみを示している。図25(B)では、一部の構成要素(基板330、基板372等)を破線で輪郭のみ明示している。
タッチパネル300は、入力パネル310と、発光パネル370とを有し、これらが重ねて設けられている。
入力パネル310は、基板330、電極331、電極332、複数の配線341、及び複数の配線342を有する。FPC350は、複数の配線341及び複数の配線342の各々と電気的に接続する。FPC350にはIC351が設けられている。
発光パネル370は、対向して設けられた基板371と基板372とを有する。発光パネル370は、発光部381及び駆動回路部382を有する。基板371上には、配線383等が設けられている。FPC373は、配線383と電気的に接続される。FPC373にはIC374が設けられている。
配線383は、発光部381や駆動回路部382に信号や電力を供給する機能を有する。当該信号や電力は、外部またはIC374から、FPC373を介して、配線383に入力される。
図26に、タッチパネル300の断面図の一例を示す。図26では、発光部381、駆動回路部382、FPC373を含む領域、及びFPC350を含む領域等の断面構造を示す。さらに、図26では、トランジスタのゲートと同一の導電層を加工して形成された配線と、トランジスタのソース及びドレインと同一の導電層を加工して形成された配線とが交差する交差部387の断面構造を示している。
基板371と基板372とは、接着層317によって貼り合わされている。基板372と基板330とは、接着層396によって貼り合わされている。ここで、基板371から基板372までの各層が、発光パネル370に相当する。また、基板330から電極334までの各層が入力パネル310に相当する。つまり、接着層396は、発光パネル370と入力パネル310を貼り合わせているといえる。または、基板371から絶縁層376までの各層が、発光パネル370に相当する。そして、基板330から基板372までの各層が入力パネル310に相当する。つまり、接着層375が、発光パネル370と入力パネル310を貼り合わせているともいえる。
図26に示す発光パネル370の構成は、図19に示す発光パネルと同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。
<入力パネル310>
基板330の基板372側には、電極331及び電極332が設けられている。ここでは、電極331が、電極333及び電極334を有する場合の例を示している。図26中の交差部387に示すように、電極332と電極333は同一平面上に形成されている。絶縁層395は、電極332及び電極333を覆うように設けられている。電極334は、絶縁層395に設けられた開口を介して、電極332を挟むように設けられる2つの電極333と電気的に接続している。
基板330の端部に近い領域には、接続部308が設けられている。接続部308は、配線342と、電極334と同一の導電層を加工して得られた導電層とを積層して有する。接続部308は、接続体309を介してFPC350が電気的に接続されている。
基板330は、接着層391によって絶縁層393と貼り合わされている。構成例1の作製方法と同様に、入力パネル310も、作製基板上で素子を作製し、作製基板を剥離した後、基板330に素子を転置することで作製することができる。または、基板330上に直接、絶縁層393及び素子等を形成してもよい(図27(A)参照)。
<構成例5>
図27(A)に示すタッチパネルは、接着層391を有していない点、及び、トランジスタ301、302、303、及び容量素子305の構成が異なる点で、図26に示すタッチパネルと異なる。
図27(A)では、トップゲート構造のトランジスタを示す。
各トランジスタは、ゲート、ゲート絶縁層311、半導体層、ソース、及びドレインを有する。ゲートと半導体層は、ゲート絶縁層311を介して重なる。半導体層は、低抵抗化された領域348を有していてもよい。低抵抗化された領域348は、トランジスタのソース及びドレインとして機能する。
絶縁層313上に設けられた導電層は引き回し配線として機能する。該導電層は、絶縁層313、絶縁層312、及びゲート絶縁層311に設けられた開口を介して、領域348と電気的に接続している。
図27(A)では、容量素子305が、半導体層と同一の半導体層を加工して形成した層と、ゲート絶縁層311と、ゲートと同一の導電層を加工して形成した層の積層構造を有する。ここで、容量素子305の半導体層の一部には、トランジスタのチャネルが形成される領域347よりも導電性の高い領域349が形成されていることが好ましい。
領域348及び領域349は、それぞれ、トランジスタのチャネルが形成される領域347よりも不純物を多く含む領域、キャリア濃度の高い領域、または結晶性が低い領域等とすることができる。
本発明の一態様の発光パネルには、図27(B)〜(D)に示すトランジスタ848を適用することもできる。
図27(B)に、トランジスタ848の上面図を示す。図27(C)は、本発明の一態様の発光パネルの、トランジスタ848のチャネル長方向の断面図である。図27(C)に示すトランジスタ848は、図27(B)における一点鎖線X1−X2間の断面に相当する。図27(D)は、本発明の一態様の発光パネルの、トランジスタ848のチャネル幅方向の断面図である。図27(D)に示すトランジスタ848は、図27(B)における一点鎖線Y1−Y2間の断面に相当する。
トランジスタ848はバックゲートを有するトップゲート型のトランジスタの一種である。
トランジスタ848では、絶縁層772に設けた凸部上に半導体層742が形成されている。絶縁層772に設けた凸部上に半導体層742を設けることによって、半導体層742の側面もゲート743で覆うことができる。すなわち、トランジスタ848は、ゲート743の電界によって、半導体層742を電気的に取り囲むことができる構造を有している。このように、導電膜の電界によって、チャネルが形成される半導体膜を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。また、s−channel構造を有するトランジスタを、「s−channel型トランジスタ」もしくは「s−channelトランジスタ」ともいう。
s−channel構造では、半導体層742の全体(バルク)にチャネルを形成することもできる。s−channel構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流を得ることができる。また、ゲート743の電界によって、半導体層742に形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、s−channel構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。
バックゲート723は絶縁層378上に設けられている。
絶縁層729上に設けられた導電層744aは、ゲート絶縁層311、絶縁層728、及び絶縁層729に設けられた開口747cにおいて、半導体層742と電気的に接続されている。また、絶縁層729上に設けられた導電層744bは、ゲート絶縁層311、絶縁層728、及び絶縁層729に設けられた開口747dにおいて、半導体層742と電気的に接続されている。
ゲート絶縁層311上に設けられたゲート743は、ゲート絶縁層311及び絶縁層772に設けられた開口747a及び開口747bにおいて、バックゲート723と電気的に接続されている。よって、ゲート743とバックゲート723には、同じ電位が供給される。また、開口747a及び開口747bは、どちらか一方を設けなくてもよい。また、開口747a及び開口747bの両方を設けなくてもよい。開口747a及び開口747bの両方を設けない場合は、バックゲート723とゲート743に異なる電位を供給することができる。
なお、s−channel構造を有するトランジスタに用いる半導体としては、酸化物半導体、または、多結晶シリコン、もしくは単結晶シリコン基板等から転置された単結晶シリコン等のシリコン等が挙げられる。
<構成例6>
図28に示すタッチパネルは、ボトムエミッション型の発光パネルと、入力パネルと、を接着層396で貼り合わせた例である。
図28の入力パネルは、絶縁層393を有さず、基板330上に直接、電極331及び電極332等が設けられている点で図27の構成と異なる。
<構成例7>
図29に示すタッチパネルは、塗り分け方式が適用された発光パネルと、入力パネルと、を接着層375で貼り合わせた例である。
図29の発光パネルは、図24(B)の構成と同様である。
図29の入力パネルは、基板392上に絶縁層376を有し、絶縁層376上に電極334及び配線342を有する。電極334及び配線342は、絶縁層395で覆われている。絶縁層395上には、電極332及び電極333を有する。基板330は接着層396によって基板392と貼り合わされている。
<構成例8>
図30は、一対の可撓性を有する基板(基板371及び基板372)の間に、タッチセンサ及び発光素子304を有する例である。可撓性を有する基板を2枚とすることで、タッチパネルの薄型化、軽量化、さらにはフレキシブル化が可能となる。
図30の構成は、構成例1の作製方法例において、作製基板411上に形成する被剥離層の構成を変えることで、作製することができる。構成例1の作製方法例では、作製基板411上の被剥離層として、絶縁層376、着色層325、及び遮光層326を形成した(図20(B))。
図30に示す構成を作製する場合は、絶縁層376を形成した後、絶縁層376上に電極332、電極333、及び配線342を形成する。次に、これら電極を覆う絶縁層395を形成する。次に、絶縁層395上に電極334を形成する。次に、電極334を覆う絶縁層327を形成する。そして、絶縁層327上に、着色層325及び遮光層326を形成する。そして、作製基板401と貼り合わせ、各作製基板を剥離し、可撓性を有する基板を貼り合わせることで、図30に示す構成のタッチパネルを作製することができる。
<構成例9>
図31(A)、(B)は、タッチパネル320の斜視概略図である。
図31(A)、(B)において、入力パネル318は、基板372に設けられている。また、入力パネル318の配線341及び配線342等は、発光パネル379に設けられたFPC373と電気的に接続する。
このような構成とすることで、タッチパネル320に接続するFPCを1つの基板側(ここでは基板371側)にのみ配置することができる。また、タッチパネル320に2以上のFPCを取り付ける構成としてもよいが、図31(A)、(B)に示すように、タッチパネル320には1つのFPC373を設け、FPC373から、発光パネル379と入力パネル318の両方に信号を供給する構成とすると、より構成を簡略化できるため好ましい。
IC374は入力パネル318を駆動する機能を有していてもよいし、入力パネル318を駆動するICをさらに設けてもよい。または、入力パネル318を駆動するICを基板371上に実装してもよい。
図32は、図31におけるFPC373を含む領域、接続部385、駆動回路部382、及び発光部381の断面図である。
接続部385には、配線342(または配線341)の1つと、導電層307の1つとが、接続体386を介して電気的に接続している。
接続体386としては、例えば導電性の粒子を用いることができる。導電性の粒子としては、有機樹脂またはシリカ等の粒子の表面を金属材料で被覆したものを用いることができる。金属材料としてニッケルまたは金を用いると接触抵抗を低減できるため好ましい。またニッケルをさらに金で被覆する等、2種類以上の金属材料を層状に被覆させた粒子を用いることが好ましい。また接続体386として弾性変形もしくは塑性変形する材料を用いることが好ましい。このとき導電性の粒子は図32に示すように上下方向に潰れた形状となる場合がある。こうすることで接続体386と、これと電気的に接続する導電層との接触面積が増大し、接触抵抗が低減できるほか、接続不良等の不具合の発生を抑制できる。
接続体386は接着層317に覆われるように配置することが好ましい。例えば硬化前の接着層317に、接続体386を分散させておけばよい。接着層317が設けられる部分に接続部385を配置することで、図32のように接着層317を発光素子304上にも配置する構成(固体封止構造ともいう)だけでなく、例えば中空封止構造の発光パネル、液晶表示パネル等、接着層317を周辺に用いる構成であれば同様に適用することができる。
図32では、光学調整層324が電極321の端部を覆わない例を示す。図32では、スペーサ316が駆動回路部382にも設けられている例を示す。
<構成例10>
図33(A)に示すタッチパネルは、タッチセンサを構成する電極等と、基板372との間に遮光層326が設けられている。具体的には、絶縁層376と絶縁層328の間に遮光層326が設けられている。絶縁層328上には、電極332、電極333、配線342等の導電層と、これらを覆う絶縁層395と、絶縁層395上の電極334等が設けられている。また、電極334及び絶縁層395上に、絶縁層327が設けられ、絶縁層327上に着色層325が設けられている。
絶縁層327及び絶縁層328は、平坦化膜としての機能を有する。なお、絶縁層327及び絶縁層328は、それぞれ不要であれば設けなくてもよい。
このような構成とすることで、タッチセンサを構成する電極等よりも基板372側に設けられた遮光層326によって、当該電極等が使用者から視認されてしまうことを抑制することができる。したがって、厚さが薄いだけでなく、表示品位が向上したタッチパネルを実現することができる。
また、図33(B)に示すように、タッチパネルは、絶縁層376と絶縁層328の間に遮光層326aを有し、かつ、絶縁層327と接着層317の間に遮光層326bを有していてもよい。遮光層326bを設けることで、光漏れをより確実に抑制することができる。
<構成例11>
図34(A)に発光パネルの上面図を示す。図34(A)における一点鎖線X1−Y1間の断面図を図34(B)に示す。図34(A)における一点鎖線X2−Y2間の断面図を図34(C)に示す。図34(A)における一点鎖線X3−Y3間の断面図を図34(D)に示す。
図34(A)〜(D)に示す発光パネルは、基板901、絶縁層903、補助電極921(補助配線ともいう)、発光素子930、絶縁層925、接着層927、導電層911、導電層912、乾燥剤913、及び基板991を有する。
基板901及び基板991は、それぞれ可撓性を有することが好ましい。
発光素子930はボトムエミッション型のEL素子であり、具体的には、基板901上に可視光を透過する下部電極931を有し、下部電極931上にEL層933を有し、EL層933上に可視光を反射する上部電極935を有する。
図34(A)〜(D)に示す発光パネルでは、基板901上に絶縁層903を介して発光素子930が設けられている。絶縁層903上に設けられた補助電極921は下部電極931と電気的に接続する。絶縁層903上に設けられた導電層911は、下部電極931と電気的に接続する。図34(A)、(C)に示すように、導電層911の一部は露出しており、端子として機能する。絶縁層903上に設けられた導電層912は、上部電極935と電気的に接続する。図34(A)、(D)に示すように、導電層912の一部は露出しており、端子として機能する。下部電極931の端部は絶縁層925で覆われている。また、下部電極931を介して補助電極921を覆う絶縁層925が設けられている。なお、補助電極921は設けなくてもよい。
発光素子930は、基板901、基板991、及び接着層927により封止されている。発光パネルの封止方法は限定されず、例えば、固体封止であっても中空封止であってもよい。例えば、接着層927には、ガラスフリット等のガラス材料、または、二液混合型の樹脂等の常温で硬化する硬化樹脂、光硬化性の樹脂、もしくは熱硬化性の樹脂等の樹脂材料を用いることができる。封止された空間929は、窒素またはアルゴンの不活性な気体で充填されていてもよく、PVC(ポリビニルクロライド)樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)樹脂、EVA(エチレンビニルアセテート)樹脂等の樹脂で充填されていてもよい。また、樹脂内に乾燥剤が含まれていてもよい。
基板991に接して乾燥剤913が設けられている。図34(A)〜(D)に示す発光パネルはボトムエミッション型であるため、光取り出し効率を低下することなく、空間929に乾燥剤913を配置することができる。乾燥剤913を有することで、発光素子930の寿命を延ばすことができ、好ましい。
本実施の形態で示す発光パネルは、可撓性を有する基板を用いることで、可撓性を有する構成とすることができる。可撓性を有する構成とすれば、可撓性を有する部位を少なくとも一部有するヘッドフォンまたは携帯情報端末に実装することができ、ヘッドフォンまたは携帯情報端末の変形に合わせて発光パネルを曲げることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様に適用可能な蓄電装置について、図35〜図38を用いて説明する。なお、本発明の一態様における蓄電装置は、本実施の形態で例示する構成に限られず、様々な形状、形態を適用することができる。
本実施の形態では、リチウムイオン二次電池を例に説明するが、本発明の一態様はこれに限られない。本発明の一態様は、電池、一次電池、二次電池、リチウム空気電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池、固体電池、空気電池、亜鉛空気電池、コンデンサ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、ウルトラ・キャパシタ、スーパー・キャパシタ等に適用してもよい。
本発明の一態様において、蓄電装置は、電力供給源(以下、送電装置ともいう)と接触していない状態において、対象物(以下、受電装置ともいう)に対して給電を行う(非接触給電、ワイヤレス給電等ともいう)方式で、給電することができる。非接触給電の方式としては、磁界共鳴方式、電磁誘導方式、静電誘導方式等が挙げられる。
図35(A)に、電池ユニット500を示す。図35(A)では、電池ユニット500の一例として、薄型の二次電池の形態を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、捲回体を用いた二次電池、または円筒型もしくはコイン型の二次電池を、本発明の一態様のヘッドフォンに適用してもよい。
図35(A)に示すように、電池ユニット500は、正極503、負極506、セパレータ507、及び外装体509を有する。電池ユニット500は、正極リード510及び負極リード511を有してもよい。
図36(A)、(B)に、図35(A)における一点鎖線A1−A2間の断面図の一例をそれぞれ示す。図36(A)、(B)には、正極503と負極506を1組用いて作製した電池ユニット500の断面構造をそれぞれ示す。
図36(A)、(B)に示すように、電池ユニット500は、正極503、負極506、セパレータ507、電解液508、及び外装体509を有する。セパレータ507は、正極503と負極506の間に挟まれている。外装体509で囲まれた領域は、電解液508で満たされている。
正極503は、正極活物質層502と、正極集電体501とを含む。負極506は、負極活物質層505と、負極集電体504とを含む。活物質層は、集電体の片面または両面に形成することができる。セパレータ507は、正極集電体501と負極集電体504の間に位置する。
電池ユニットは、正極及び負極をそれぞれ1つ以上有する。例えば、電池ユニットは、複数の正極及び複数の負極からなる積層構造とすることもできる。
図37(A)に、図35(A)における一点鎖線A1−A2間の断面図の別の例を示す。また、図37(B)に図35(A)における一点鎖線B1−B2間の断面図を示す。
図37(A)、(B)には、正極503と負極506を複数組用いて作製した電池ユニット500の断面構造を示す。電池ユニット500が有する電極層数に限定はない。電極層数が多い場合には、より多くの容量を有する蓄電装置とすることができる。また、電極層数が少ない場合には、薄型化でき、可撓性に優れた蓄電装置とすることができる。
図37(A)、(B)では、正極集電体501の片面に正極活物質層502を有する正極503を2つと、正極集電体501の両面に正極活物質層502を有する正極503を2つと、負極集電体504の両面に負極活物質層505を有する負極506を3つ用いる例を示す。つまり、電池ユニット500は、6層の正極活物質層502と、6層の負極活物質層505を有する。なお、図37(A)、(B)では、セパレータ507が袋状の例を示すが、これに限定されず、セパレータ507は短冊状であっても、蛇腹状であってもよい。
次に、図35(B)に、正極503の外観図を示す。正極503は、正極集電体501及び正極活物質層502を有する。
また、図35(C)に、負極506の外観図を示す。負極506は、負極集電体504及び負極活物質層505を有する。
ここで、正極503及び負極506は、積層される複数の正極同士または複数の負極同士を電気的に接続するために、タブ領域を有することが好ましい。また、タブ領域には電極リードを電気的に接続することが好ましい。
図35(B)に示すように、正極503は、タブ領域281を有することが好ましい。タブ領域281の一部は、正極リード510と溶接されることが好ましい。タブ領域281は正極集電体501が露出する領域を有することが好ましく、正極集電体501が露出する領域に正極リード510を溶接することにより、接触抵抗をより低くすることができる。また、図35(B)ではタブ領域281の全域において正極集電体501が露出している例を示すが、タブ領域281は、その一部に正極活物質層502を有してもよい。
図35(C)に示すように、負極506は、タブ領域282を有することが好ましい。タブ領域282の一部は、負極リード511と溶接されることが好ましい。タブ領域282は負極集電体504が露出する領域を有することが好ましく、負極集電体504が露出する領域に負極リード511を溶接することにより、接触抵抗をより低くすることができる。また、図35(C)ではタブ領域282の全域において負極集電体504が露出している例を示すが、タブ領域282は、その一部に負極活物質層505を有してもよい。
なお、図35(A)では、正極503と負極506の端部が概略揃っている例を示すが、正極503は、負極506の端部よりも外側に位置する部分を有していてもよい。
電池ユニット500において、負極506の正極503と重ならない領域の面積は小さいほど好ましい。
図36(A)では、負極506の端部が、正極503の内側に位置する例を示す。このような構成とすることにより、負極506を全て正極503と重ねる、または負極506の正極503と重ならない領域の面積を小さくすることができる。
または、電池ユニット500において、正極503と負極506の面積は概略同じであることが好ましい。例えば、セパレータ507を挟んで向かい合う正極503と負極506の面積は、概略同じであることが好ましい。例えば、セパレータ507を挟んで向かい合う正極活物質層502の面積と負極活物質層505の面積は概略同じであることが好ましい。
例えば、図37(A)、(B)に示すように、正極503のセパレータ507側の面の面積と負極506のセパレータ507側の面の面積は概略同じであることが好ましい。正極503の負極506側の面の面積と負極506の正極503側の面の面積を概略同じとすることにより、負極506の正極503と重ならない領域を小さくする(あるいは理想的にはなくす)ことができ、電池ユニット500の不可逆容量を減少させることができるため好ましい。または、図37(A)、(B)に示すように、正極活物質層502のセパレータ507側の面の面積と負極活物質層505のセパレータ507側の面の面積は概略同じであることが好ましい。
また、図37(A)、(B)に示すように、正極503の端部と負極506の端部は概略揃うことが好ましい。また、正極活物質層502と負極活物質層505の端部は概略揃うことが好ましい。
また、図36(B)では、正極503の端部が、負極506の内側に位置する例を示す。このような構成とすることにより、正極503を全て負極506と重ねる、または正極503の負極506と重ならない領域の面積を小さくすることができる。負極506の端部が正極503の端部よりも内側に位置すると、負極506の端部に電流が集中してしまう場合がある。例えば、負極506の一部に電流が集中することで、負極506上にリチウムが析出してしまうことがある。正極503の負極506と重ならない領域の面積を小さくすることで、負極506の一部に電流が集中することを抑制できる。これにより、例えば、負極506上へのリチウムの析出が抑制でき、好ましい。
図35(A)に示すように、正極リード510は、正極503に電気的に接続することが好ましい。同様に、負極リード511は、負極506に電気的に接続することが好ましい。正極リード510及び負極リード511は外装体509の外側に露出し、外部との電気的接触を得る端子として機能する。
または、正極集電体501及び負極集電体504は、外部との電気的接触を得る端子の役割を兼ねることもできる。その場合は、電極リードを用いずに、正極集電体501及び負極集電体504の一部を外装体509から外側に露出するように配置してもよい。
また、図35(A)では、正極リード510と負極リード511は、電池ユニット500の同じ辺に配置されているが、図38に示すように、正極リード510と負極リード511を電池ユニット500の異なる辺に配置してもよい。このように、本発明の一態様の電池ユニットは、電極リードを自由に配置することができるため、設計自由度が高い。よって、蓄電装置を用いた製品の設計自由度を高めることができる。また、蓄電装置を用いた製品の生産性を高めることができる。
以下では、電池ユニットの構成要素について、詳述する。
≪集電体≫
集電体は、蓄電装置内で顕著な化学変化を引き起こさずに高い導電性を示す限り、特別な制限はない。正極集電体及び負極集電体には、例えば、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、マンガン等の金属、これらの合金、または焼結した炭素等をそれぞれ用いることができる。または、銅もしくはステンレス鋼を炭素、ニッケルもしくはチタン等で被覆して用いてもよい。または、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデン等の耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。または、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で集電体を形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。
正極集電体の表面または負極集電体の表面では、電解液との不可逆な反応が生じる場合がある。よって、正極集電体及び負極集電体は、それぞれ、電解液との反応性が低いことが好ましい。例えば、正極集電体または負極集電体にステンレス等を用いることにより、電解液との反応性をより低くすることができる場合があり、好ましい。
また、正極集電体及び負極集電体には、それぞれ、箔状、板状(シート状)、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状、多孔質状、及び不織布を包括する様々な形態の形状を適宜用いることができる。さらに、活物質層との密着性を上げるために、正極集電体及び負極集電体は、それぞれ、表面に細かい凹凸を有していてもよい。また、正極集電体及び負極集電体は、それぞれ、厚みが5μm以上30μm以下のものを用いるとよい。
また、集電体の表面の一部にアンダーコート層を設けてもよい。ここでアンダーコート層とは、集電体と活物質層との接触抵抗の低減、または集電体と活物質層との密着性向上のための被覆層をいう。なお、アンダーコート層は、集電体の一面全体に形成されていなくてもよく、島状に(部分的に)形成されていてもよい。また、アンダーコート層が活物質として容量を発現しても構わない。アンダーコート層としては、例えば炭素材料を用いることができる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、黒鉛等を用いることができる。また、アンダーコート層として、金属層、炭素及び高分子を含む層、並びに金属及び高分子を含む層を用いることもできる。
≪活物質層≫
活物質層は、活物質を含む。活物質とは、キャリアであるイオンの挿入・脱離に関わる物質のみを指すが、本明細書等では、活物質が含まれている層を活物質層と呼ぶ。活物質層には活物質に加えて導電助剤及び結着剤が含まれていてもよい。
正極活物質層は、1種類以上の正極活物質を有する。負極活物質層は、1種類以上の負極活物質を有する。
正極活物質及び負極活物質は、蓄電装置の電池反応の中心的役割を担いキャリアイオンの放出及び吸収を行う物質である。蓄電装置の寿命を高めるためには、活物質が、電池反応の不可逆反応に係る容量が小さい材料であることが好ましく、充放電効率の高い材料であることが好ましい。
正極活物質には、リチウムイオン等のキャリアイオンの挿入及び脱離が可能な材料を用いることができる。正極活物質としては、例えば、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、スピネル型の結晶構造、NASICON型の結晶構造を有する材料等が挙げられる。
例えば、正極活物質として、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、V2O5、Cr2O5、MnO2等の化合物を材料として用いることができる。
オリビン型の結晶構造を有する材料としては、リチウム含有複合リン酸塩(一般式LiMPO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上))が挙げられる。一般式LiMPO4の代表例としては、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFeaNibPO4、LiFeaCobPO4、LiFeaMnbPO4、LiNiaCobPO4、LiNiaMnbPO4(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFecNidCoePO4、LiFecNidMnePO4、LiNicCodMnePO4(c+d+eは1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等の化合物が挙げられる。
例えば、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)は、安全性、安定性、高容量密度、高電位、初期酸化(充電)時に引き抜けるリチウムイオンの存在等、正極活物質に求められる事項をバランスよく満たしているため、好ましい。
正極活物質としてLiFePO4を用いることにより、過充電等の外部負荷に対しても安定で、安全性の高い蓄電装置を実現することができる。よって、例えば、持ち運びを行うモバイル機器、または身体に身に着けるウェアラブル機器等に用いる蓄電装置として、特に優れている。
層状岩塩型の結晶構造を有する材料としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、LiNiO2、LiMnO2、Li2MnO3、LiNi0.8Co0.2O2等のNiCo系(一般式は、LiNixCo1−xO2(0<x<1))、LiNi0.5Mn0.5O2等のNiMn系(一般式は、LiNixMn1−xO2(0<x<1))、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等のNiMnCo系(NMCともいう。一般式は、LiNixMnyCo1−x−yO2(x>0、y>0、x+y<1))が挙げられる。さらに、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、Li2MnO3−LiMO2(MはCo、NiまたはMn)等も挙げられる。
特に、LiCoO2は、容量が大きいこと、LiNiO2に比べて大気中で安定であること、LiNiO2に比べて熱的に安定であること等の利点があるため、好ましい。
スピネル型の結晶構造を有する材料としては、例えば、LiMn2O4、Li1+xMn2−xO4(0<x<2)、LiMn2−xAlxO4(0<x<2)、LiMn1.5Ni0.5O4等が挙げられる。
LiMn2O4等のマンガンを含むスピネル型の結晶構造を有する材料に、少量のニッケル酸リチウム(LiNiO2、またはLiNi1−xMxO2(0<x<1)(M=Co、Al等))を混合すると、マンガンの溶出を抑制する、電解液の分解を抑制する等の利点があり好ましい。
または、正極活物質として、一般式Li(2−j)MSiO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上、0≦j≦2)等のリチウム含有複合ケイ酸塩を用いることができる。一般式Li(2−j)MSiO4の代表例としては、Li(2−j)FeSiO4、Li(2−j)NiSiO4、Li(2−j)CoSiO4、Li(2−j)MnSiO4、Li(2−j)FekNilSiO4、Li(2−j)FekColSiO4、Li(2−j)FekMnlSiO4、Li(2−j)NikColSiO4、Li(2−j)NikMnlSiO4(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、Li(2−j)FemNinCoqSiO4、Li(2−j)FemNinMnqSiO4、Li(2−j)NimConMnqSiO4(m+n+qは1以下、0<m<1、0<n<1、0<q<1)、Li(2−j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等の化合物が挙げられる。
または、正極活物質として、AxM2(XO4)3(A=Li、Na、Mg、M=Fe、Mn、Ti、V、Nb、Al、X=S、P、Mo、W、As、Si)の一般式で表されるNASICON型化合物を用いることができる。NASICON型化合物としては、Fe2(MnO4)3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3等が挙げられる。
または、正極活物質として、Li2MPO4F、Li2MP2O7、Li5MO4(M=Fe、Mn)の一般式で表される化合物、FeF3等のペロブスカイト型フッ化物、TiS2、MoS2等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物、テルル化物)、LiMVO4(M=Mn、Co、Ni)等の逆スピネル型の結晶構造を有する材料、バナジウム酸化物系(V2O5、V6O13、LiV3O8等)、マンガン酸化物、有機硫黄化合物等の材料を用いることができる。
また、正極活物質として、上記材料を複数組み合わせた材料を用いてもよい。例えば、上記材料を複数組み合わせた固溶体を正極活物質として用いることができる。例えば、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2とLi2MnO3の固溶体を正極活物質として用いることができる。
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、またはアルカリ土類金属イオンの場合、正極活物質として、上記リチウム化合物、リチウム含有複合リン酸塩、及びリチウム含有複合ケイ酸塩において、リチウムを、アルカリ金属(例えば、ナトリウム、カリウム等)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム、マグネシウム等)等のキャリアで置換した化合物を用いてもよい。
正極活物質の一次粒子の平均粒径は、例えば5nm以上100μm以下が好ましい。
また、例えば正極活物質としてオリビン型構造のリチウム含有複合リン酸塩を用いた場合には、リチウムの拡散経路が一次元であるため、リチウム拡散が遅い。よって、オリビン型構造のリチウム含有複合リン酸塩を用いた場合、充放電の速度を高めるためには正極活物質の平均粒径は、例えば好ましくは5nm以上1μm以下とするとよい。または、正極活物質の比表面積は、例えば好ましくは10m2/g以上50m2/g以下とするとよい。
オリビン構造を有する活物質では、例えば層状岩塩型の結晶構造を有する活物質等と比較して充放電に伴う構造変化がきわめて少なく、結晶構造が安定であるため、過充電等の動作に対しても安定であり、正極活物質として用いた場合に安全性の高い蓄電装置を実現することができる。
負極活物質としては、例えば炭素系材料、合金系材料等を用いることができる。
炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等がある。黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス系人造黒鉛、ピッチ系人造黒鉛等の人造黒鉛、球状化天然黒鉛等の天然黒鉛がある。また、黒鉛の形状としては鱗片状のもの及び球状のもの等がある。
黒鉛はリチウムイオンが黒鉛に挿入されたとき(リチウム−黒鉛層間化合物の生成時)にリチウム金属と同程度に卑な電位を示す(0.1以上0.3V以下 vs.Li/Li+)。これにより、リチウムイオン二次電池は高い作動電圧を示すことができる。さらに、黒鉛は、単位体積当たりの容量が比較的高い、体積膨張が小さい、安価である、リチウム金属に比べて安全性が高い等の利点を有するため、好ましい。
キャリアイオンがリチウムイオンである場合、合金系材料としては、例えば、Mg、Ca、Ga、Si、Al、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、In等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200mAh/gと高いため、蓄電装置の容量を高めることができる。このような元素を用いた合金系材料(化合物系材料)としては、例えば、Mg2Si、Mg2Ge、Mg2Sn、SnS2、V2Sn3、FeSn2、CoSn2、Ni3Sn2、Cu6Sn5、Ag3Sn、Ag3Sb、Ni2MnSb、CeSb3、LaSn3、La3Co2Sn7、CoSb3、InSb、SbSn等がある。
また、負極活物質として、SiO、SnO、SnO2、二酸化チタン(TiO2)、リチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12)、リチウム−黒鉛層間化合物(LixC6)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO2)、酸化モリブデン(MoO2)等の酸化物を用いることができる。ここで、SiOとは、珪素と酸素を有する化合物であり、珪素と酸素の原子数比を珪素:酸素=α:βとすると、αは、βの近傍の値を有することが好ましい。ここで近傍の値を有するとは、例えばαとβの差の絶対値が、βの値に対して好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下である。
また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の複窒化物である、Li3N型構造をもつLi3−xMxN(MはCo、NiまたはCu)を用いることができる。例えば、Li2.6Co0.4N3は大きな充放電容量(900mAh/g、1890mAh/cm3)を示し好ましい。
リチウムと遷移金属の複窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、正極活物質としてリチウムイオンを含まないV2O5、Cr3O8等の材料と組み合わせることができる。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも、あらかじめ正極活物質に含まれるリチウムイオンを脱離させることで、負極活物質としてリチウムと遷移金属の複窒化物を用いることができる。
また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)等の、リチウムと合金化反応を行わない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反応が生じる材料としては、さらに、Fe2O3、CuO、Cu2O、RuO2、Cr2O3等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn3N2、Cu3N、Ge3N4等の窒化物、NiP2、FeP2、CoP3等のリン化物、FeF3、BiF3等のフッ化物が挙げられる。
負極活物質の一次粒子の平均粒径は、例えば5nm以上100μm以下が好ましい。
正極活物質層及び負極活物質層は、それぞれ、導電助剤を有してもよい。
導電助剤としては、例えば炭素材料、金属材料、または導電性セラミックス材料等を用いることができる。また、導電助剤として繊維状の材料を用いてもよい。活物質層の総量に対する導電助剤の含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、1wt%以上5wt%以下がより好ましい。
導電助剤により、電極中に電気伝導のネットワークを形成することができる。導電助剤により、負極活物質どうしの電気伝導の経路を維持することができる。活物質層中に導電助剤を添加することにより、高い電気伝導性を有する活物質層を実現することができる。
導電助剤としては、例えば天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛、炭素繊維等を用いることができる。炭素繊維としては、例えばメソフェーズピッチ系炭素繊維、等方性ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維を用いることができる。また炭素繊維として、カーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブ等を用いることができる。カーボンナノチューブは、例えば気相成長法等で作製することができる。また、導電助剤として、例えばカーボンブラック(アセチレンブラック(AB)等)、グラファイト(黒鉛)粒子、グラフェン、フラーレン等の炭素材料を用いることができる。また、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金等の金属粉末もしくは金属繊維、または導電性セラミックス材料等を用いることができる。
薄片状のグラフェンは、高い導電性を有するという優れた電気特性、及び柔軟性並びに機械的強度という優れた物理特性を有する。そのため、グラフェンを、導電助剤として用いることにより、活物質間または活物質−集電体間の電気伝導率を高めることができる。
なお、本明細書において、グラフェンは、単層のグラフェン、または2層以上100層以下の多層グラフェンを含む。単層グラフェンとは、π結合を有する1原子層の炭素分子のシートのことをいう。また、酸化グラフェンとは、上記グラフェンが酸化された化合物のことをいう。
グラフェンは、接触抵抗の低い面接触を可能とするものであり、また、薄くても導電性が非常に高く、少ない量でも効率よく活物質層内で導電パスを形成することができる。
平均粒径の小さい活物質、例えば1μm以下の活物質を用いる場合には、活物質の比表面積が大きく、活物質同士を繋ぐ導電パスがより多く必要となる。このような場合には、導電性が非常に高く少ない量でも効率よく導電パスを形成することができるグラフェンを用いることが、特に好ましい。
正極活物質層及び負極活物質層は、それぞれ、結着剤を有してもよい。
本明細書中において、結着剤は、活物質と活物質を結着もしくは接着させる機能、及び、活物質層と集電体を結着もしくは接着させる機能のうち少なくとも一方を有する。また、結着剤は、電極または電池の作製中に、その状態が変化する場合がある。例えば、結着剤は、液体、固体、またはゲル等の少なくともいずれか一の状態をとることがある。また、結着剤は、電極または電池の作製中に、単量体(モノマー)から重合体(ポリマー)に変化する場合がある。
例えば、結着剤として水溶性の高分子を用いることができる。水溶性の高分子としては、例えば多糖類などを用いることができる。多糖類としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、再生セルロースなどのセルロース誘導体、または澱粉などを用いることができる。
また、結着剤として、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、スチレン・イソプレン・スチレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体などのゴム材料を用いることができる。これらのゴム材料は、前述の水溶性の高分子と併用して用いてもよい。これらのゴム材料は、ゴム弾性を有し、伸び縮みしやすいため、充放電に伴う活物質の膨張収縮、または電極の曲げなどに伴うストレスに強く、信頼性の高い電極を得ることができる一方で、疎水基を有し水に溶けにくい場合がある。このような場合には、水溶液中で粒子が水に溶解しない状態で分散するので、活物質層の形成に使用する溶剤を含む組成物(電極合剤組成物ともいう)を、塗布するために適した粘度にまで高めることが難しいことがある。この際に、粘度調整機能の高い水溶性高分子、例えば多糖類を用いると、溶液の粘度を適度に高める効果が期待できるうえに、ゴム材料と互いに均一に分散し、均一性の高い良好な電極、例えば電極膜厚または電極抵抗の均一性が高い電極を得ることができる。
または、結着剤として、PVdF、ポリスチレン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル(ポリメチルメタクリレート(PMMA))、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリアクリロニトリル(PAN)、エチレンプロピレンジエンポリマー、ポリ酢酸ビニル、ニトロセルロース等の材料を用いることができる。
結着剤は上記のうち二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
活物質層の総量に対する結着剤の含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、2wt%以上8wt%以下がより好ましく、3wt%以上5wt%以下がさらに好ましい。
≪電解液≫
電解液508の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましく、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート(VC)、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、スルホラン、スルトン等の1種、またはこれらのうちの2種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。
また、電解液の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体(常温溶融塩)を一つまたは複数用いることで、蓄電装置の内部短絡、または過充電等によって内部温度が上昇しても、蓄電装置の破裂または発火等を防ぐことができる。イオン液体は、カチオンとアニオンからなり、有機カチオンとアニオンとを含む。電解液に用いる有機カチオンとして、四級アンモニウムカチオン、三級スルホニウムカチオン、及び四級ホスホニウムカチオン等の脂肪族オニウムカチオン、並びにイミダゾリウムカチオン及びピリジニウムカチオン等の芳香族カチオンが挙げられる。また、電解液に用いるアニオンとして、1価のアミド系アニオン、1価のメチド系アニオン、フルオロスルホン酸アニオン、パーフルオロアルキルスルホン酸アニオン、テトラフルオロボレートアニオン、パーフルオロアルキルボレートアニオン、ヘキサフルオロホスフェートアニオン、またはパーフルオロアルキルホスフェートアニオン等が挙げられる。
また、上記の溶媒に溶解させる電解質としては、キャリアにリチウムイオンを用いる場合、例えばLiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiAlCl4、LiSCN、LiBr、LiI、Li2SO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C4F9SO2)(CF3SO2)、LiN(C2F5SO2)2等のリチウム塩を一種、またはこれらのうちの二種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。
また、蓄電装置に用いる電解液は、粒状のごみまたは電解液の構成元素以外の元素(以下、単に「不純物」ともいう。)の含有量が少ない高純度化された電解液を用いることが好ましい。具体的には、電解液に対する不純物の重量比を1%以下、好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.01%以下とすることが好ましい。
また、電解液にビニレンカーボネート(VC)、プロパンスルトン(PS)、tert−ブチルベンゼン(TBB)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、LiBOB等の添加剤を添加してもよい。添加剤の濃度は、例えば溶媒全体に対して0.1wt%以上5wt%以下とすることができる。
また、ポリマーを電解液で膨潤させたポリマーゲル電解質を用いてもよい。
ポリマーとしては、例えばポリエチレンオキシド(PEO)等のポリアルキレンオキシド構造を有するポリマー、PVdF、ポリアクリロニトリル等、及びそれらを含む共重合体等を用いることができる。例えばPVdFとヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体であるPVdF−HFPを用いることができる。また、ポリマーは、多孔質形状を有してもよい。
また、電解液に重合開始剤及び架橋剤を添加し、電解液をゲル化してもよい。例えば、イオン液体を構成するカチオンまたはアニオンに重合性の官能基を導入し、重合開始剤を用いてそれらを重合することで、イオン液体自体を重合してもよい。そして、重合したイオン液体を架橋剤によりゲル化してもよい。
また、電解液と組み合わせて、硫化物系もしくは酸化物系等の無機物材料を有する固体電解質、またはPEO(ポリエチレンオキシド)系等の高分子材料を有する固体電解質を用いてもよい。例えば、固体電解質を活物質層の表面に形成してもよい。また、固体電解質と電解液を組み合わせて用いる場合には、セパレータまたはスペーサの設置が不要となる場合がある。
また、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性等に対する安全性が高まる。また、蓄電装置の薄型化及び軽量化が可能である。例えば、ポリエチレンオキシド系、ポリアクリロニトリル系、ポリフッ化ビニリデン系、ポリアクリレート系、ポリメタクリレート系ポリマーを用いることができる。また、常温(例えば25℃)で電解液をゲル化できるポリマーを用いることが好ましい。または、シリコーンゲル等を用いてもよい。なお本明細書等において、例えばポリフッ化ビニリデン系ポリマーとは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含むポリマーを意味し、ポリ(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン)共重合体等を含む。
なおFT−IR(フーリエ変換赤外分光光度計)等を用いることで、上記のポリマーを定性分析することができる。例えばポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、FT−IRで得たスペクトルに、C−F結合を示す吸収を有する。またポリアクリロニトリル系ポリマーは、FT−IRで得たスペクトルに、C≡N結合を示す吸収を有する。
≪セパレータ≫
セパレータ507には、紙、不織布、ガラス繊維、セラミックス、あるいは、ナイロン(ポリアミド)、ビニロン(ポリビニルアルコール系繊維)、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンといった合成繊維等を用いることができる。セパレータ507は、単層構造であっても積層構造であってもよい。
より具体的には、セパレータ507には、例えば、フッ素系ポリマー、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、ポリウレタン系高分子、ポリフェニレンサルファイド、及びこれらの誘導体、セルロース、紙、不織布、ガラス繊維から選ばれる一種を単独で、または二種以上を組み合せて用いることができる。
≪外装体≫
外装体509は、電解液508と接する面、すなわち内側の面が電解液508と顕著な反応を生じないことが好ましい。また、電池ユニット500の外部から電池ユニット500内に水分が混入すると、電解液508の成分等と水との反応が生じる場合がある。よって外装体509は、水分の透過性が低いことが好ましい。
外装体509には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等を用いた膜上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のフィルムを用いることができる。このような三層構造とすることで、電解液または気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解液性を有する。外装体を内側に折り曲げて重ねて、または、2つの外装体それぞれの内面を向かい合わせて重ねて熱を加えることにより、内面の材料が融け2つの外装体を融着することができ、封止構造を作製することができる。
電池ユニット500は、可撓性を有する外装体509を用いることで、可撓性を有する構成とすることができる。可撓性を有する構成とすれば、可撓性を有する部位を少なくとも一部有するヘッドフォンまたは携帯情報端末に実装することができ、ヘッドフォンまたは携帯情報端末の変形に合わせて電池ユニット500を曲げることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。