JPWO2019053794A1 - 制御装置、アレイ型センサ、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、各センサ素子の特性ばらつき、各選択トランジスタの特性ばらつき、各接続配線の抵抗ばらつき等により、同じ圧力に対し、各セル間で出力がばらついてしまう。このため、特許文献1に開示されアレイ型センサの出力は各セル間で不均一となる。
以下、アレイ型センサの第一実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
図2に示されるように、本実施形態において、アレイ部3は、16個の単位セル13を有する。単位セル13は、X方向に4列、Y方向に4列で、二次元に配列されている。
各単位セル13は、それぞれセンサ素子14と選択トランジスタ15とを有する。
各選択トランジスタ15のゲートは、ワード線11に接続されている。
各選択トランジスタ15のドレインは、ビット線12に接続されている。
各単位セル13において、選択トランジスタ15のソースは、センサ素子14に接続されている。
例えば、本実施形態では、センサ素子14は、圧力センサ素子であって、圧力を受けて変形すると、第一端と第二端との間の抵抗値が減少する素子である。
このため、図3に示されるように、センサ素子14は、可変抵抗と等価である。
本実施形態の場合、センサ素子14の第一端は、選択トランジスタ15のソースに接続されている。センサ素子14の第二端は、他のセンサ素子14と共通の接地電位であるグランドGNDに接続されている。
ワード線11は、X方向に延びる配線である。本実施形態では、WL0、WL1、WL2、WL3の4本のワード線11が、Y方向に並んでいる。各ワード線11は、Y方向について、それぞれ各単位セル13に対応する位置に設けられている。
ビット線12は、Y方向に延びる配線である。本実施形態では、BL0、BL1、BL2、BL3の4本のビット線12が、X方向に並んでいる。各ビット線12は、X方向について、それぞれ各単位セル13に対応する位置に設けられている。
本実施形態において、ワード線11とビット線12とは、直交して配置されている。
制御装置2は、第一セレクタ/ドライバ16と、第二セレクタ/ドライバ17と、読み出し/演算回路18と、不揮発記憶装置19と、を備える。
第二セレクタ/ドライバ17は、ビット線12のうち少なくとも1本を選択し、駆動する。具体的には、第二セレクタ/ドライバ17は、選択されたビット線12に読み出し電圧を印加する。
読み出し/演算回路18は、校正モードにおいて、2つ以上の基準入力に対する各単位セル13のセンサ出力を測定し(読み出し)、不揮発記憶装置19に送信し、基準データとして記憶させる。
読み出し/演算回路18は、測定モードにおいて、各単位セル13のセンサ出力を測定する(読み出す)。他方で、読み出し/演算回路18は、不揮発記憶装置19に記憶された基準データを読み出し、測定した各単位セル13のセンサ出力の補正演算を行う。
読み出し/演算回路18は、補正演算された各センサ出力を外部に出力する。
不揮発記憶装置19は、校正モードにおいて、2つ以上の基準入力に対する各単位セル13のセンサ出力を、基準データとして記憶する。
そして、不揮発記憶装置19に記憶された基準データは、測定モードにおいて、各単位セル13のセンサ出力の補正演算に用いられる。
本実施形態において、不揮発記憶装置19として、不揮発メモリが用いられる。
制御装置2の制御方法について説明する。
図4に示されるように、制御装置2は、まず校正モードとして、校正ステップST1を実施する。
校正ステップST1では、初めに無負荷の状態で、各単位セル13のセンサ出力を読み出し、基準データとして、不揮発記憶装置19に記憶する。
次に、各センサ素子14に基準の入力負荷を与え、各単位セル13のセンサ出力を読み出し、基準データとして、不揮発記憶装置19に記憶する。
校正ステップST1に続いて、制御装置2は、測定モードとして、測定ステップST2を実施する。
測定ステップST2では、まず、制御装置2は、各単位セル13の生のセンサ出力を取得する(ST2a:取得ステップ)。
薄膜トランジスタ(TFT)は、液晶ディスプレイなどの表示装置用の画素スイッチング素子として広く用いられている。こうしたTFTは、アモルファスや多結晶のシリコンを用いてガラス基板上に作成されている。シリコンを用いたTFTの作製に用いられるCVD装置は非常に高額であり、大面積化は製造コストの大幅な増加を伴う。
また、アモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは極めて高い温度で行われるため、プラスチック板等が使用できないといった制限があった。
しかしながら、昨今の印刷エレクトロニクス技術の発展により、フォトリソグラフィや真空プロセスを使用する製造方法では困難な大面積基板へTFTの形成が可能になる。
さらに、プロセス温度の低温化により、柔軟で軽量なプラスチック基板の利用も可能となり、TFTの新たな用途への応用展開が期待されている。
また、アレイ型センサが使用される状況と環境によっては、素子特性などは経年劣化する。この結果、検出精度が低下する。アレイ型センサでは、1つの単位セル13の劣化が、二次元の出力マップの欠陥を生じさせる。その結果、一般的な単素子のセンサよりも寿命が短くなってしまう。
両者において、電流は同じBL1を経由するものの、WL1が選択される場合に比べて、WL3が選択される場合、電流が流れる長さ(経路)は約2倍となる。
このため、配線抵抗の寄与が大きくなるため、同じ負荷入力に対し、WL1が選択される場合に比べて、WL3が選択される場合、検出される電流は低下する。
図5には、同じ入力負荷に対する、各単位セル13の出力特性を示した。標準的な単位セル13の出力#1に対し、配線抵抗の大きい単位セル13からの出力#2は小さい。
また、配線長の違いによる読み取り誤差を低減するためには、読み出し時に定電流源を用い、第二セレクタ/ドライバ17の反対側にも、読み出し用の第二セレクタ/ドライバを設置し、4端子法のようにビット線の電位を測定する手法も考えられる。しかしながら、回路は複雑になるが、補償されるのは配線抵抗分のばらつきのみで、センサ素子14、選択トランジスタ15などの製造ばらつきによる誤差は補償されない。
これ以下の諧調幅では、センサ出力特性の分布の裾が重なり、同じ入力負荷に対するセンサ応答が逆転して表現しまう場合が生じる。
さらに、前述したように、センサの集積度を上げ、より大面積のアレイ型センサシートでは、配線抵抗の場所依存性、及び、センサ素子14、選択トランジスタ15の製造プロセス時の場所依存性の影響により、一般的にはばらつきは大きくなる傾向にある。
アレイ型センサは、集積するセンサ数が多いほど、有効性が高まると考えられるが、諧調幅を保つためには、出力のばらつきに相当するσを小さくする必要があり、製造技術に対する要求は非常に高いものとなる。
このため、アレイ型センサ1は、予め校正モードにおいて、2点以上の標準負荷に対して、各単位セル13のセンサ素子14、選択トランジスタ15、配線抵抗などを含めた出力を、基準データとして不揮発記憶装置19に記憶させる。これにより、アレイ型センサ1は、測定モード時では、記憶した基準データをもとに補正した結果を演算して出力する。この結果、アレイ型センサ1は、センサ出力の正確度が向上し、センサ出力を、各セル間で均一とすることができる。
したがって、アレイ型センサ1において、より小さい諧調幅で二次元の物理情報を取得することが可能になり、有益性の高い二次元情報を取得することができる。
例えばアレイ型センサ1として、アレイ型圧力センサを構成した場合に、単位セルを順次スキャンすることで、多数点の圧力を計測し圧力マップを作成することができる。
したがって、センサ出力の正確度に優れている。
また、アレイを構成するセンサ出力のばらつきを実効的に小さくすることで、センサ出力の二次元マップの諧調幅を小さく設定することが可能となり、取得した二次元データの有用性が高い。
本実施形態では、入力の負荷に対して抵抗値が変化するセンサ素子14を用いている。
変形例として、入力の負荷に対して起電力を発生するセンサ素子を用いてもよい。負荷に対して起電力を発生するセンサ素子についても効果は同様である。
この場合は、第一セレクタ/ドライバ16でワード線11を選択し、目的の単位セルの選択トランジスタ15をON状態にする。同時に、第二セレクタ/ドライバ17内のスイッチで目的のビット線12をON(クローズ)状態にし、読み出し/演算回路18で、電圧を読み取る。
変形例として、第一セレクタ/ドライバ16、第二セレクタ/ドライバ17、読み出し/演算回路18、及び不揮発記憶装置19のうち少なくとも一つが、アレイ型センサ1と分離されており、使用時にアレイ型センサ1と電気的に接続可能なように構成されてもよい。
以下、アレイ型センサの第二実施形態について説明する。
本実施形態のアレイ型センサは、第一実施形態と基本的に同じであるが、各演算が関数やルックアップテーブルを用いる点で異なる。
以下、アレイ型センサの第三実施形態について、図8を参照して説明する。
図8に示されるように、本実施形態において、アレイ部103は、16個の単位セル113を有する。単位セル113は、X方向に4列、Y方向に4列で、二次元に配列されている。
各単位セル113は、それぞれセンサ素子114と選択トランジスタ15とを有する。
単位ブロックBLK内の各単位セル113は、互いに機能が異なっている。
本実施形態では、単位ブロックBLK内の4個の単位セル113は、互いに機能が異なるセンサ素子114を有し、それぞれ圧力センサ、温度センサ、照度センサ、湿度センサを有する。
アレイ型センサ101は、単位セル113に選択トランジスタ15を備え、それぞれのセンサ素子が電気的に独立して動作でき、それぞれのセンサを高度に校正できる。このため、アレイ型センサ101は、広い面積でも高い精度で二次元情報が得ることができる。
アレイ型センサ101では、互いに検出する物理量が異なるセンサ素子が組み合わせられている。変形例として、検出される物理量は同じであるが、検出レンジの異なるセンサ素子が組み合わせられてもよい。
例えば、単位ブロックBLK内の4個の単位セル113は、互いに検出レンジの異なるセンサ素子を有してもよい。
入力の負荷に対して、センサ特性が線形である場合には、ダイナミックレンジを大きくすることは困難である。検出レンジに対して小さい入力負荷の場合、誤差が大きい。さらに、大きな入力の場合、誤差が入力レンジを逸脱してしまう可能性がある。
このような場合には、動作レンジが異なるセンサ素子を組み合わせて単位ブロックBLKを構成することによって、小さい入力負荷でも、大きな入力負荷でも、正確な出力を得ることができる。
以下、アレイ型センサの第四実施形態について、図9〜図12を参照して説明する。
フィルム基板81上に複数のゲート電極82が形成されている。
ゲート電極82は、電気的にワード線11に接続されている。
さらに、ゲート電極82を覆うように、ゲート絶縁膜83が形成されている。
ゲート絶縁膜83上には、チャネル長に応じた距離を隔ててソース電極84及びドレイン電極85の複数のペアが配置されている。
ドレイン電極85は電気的にビット線12に接続され、ゲート絶縁膜83上でゲート電極82と対向し、且つソース電極84、ドレイン電極85に電気的に接続するように、SWNTで構成されたSWNTチャネル86が複数個配置されている。
さらに、SWNTチャネル86に接するように、絶縁樹脂層87が設けられている。絶縁樹脂層87は、ドレイン電極85とSWNTチャネル86を覆うように形成され、ソース電極84の一部が開口されている。
ソース電極84の開口部と、感圧導電ゴムシート88は電気的に接続され、さらに感圧導電ゴムシート88上に金属ホイル89が積層され、金属ホイル89は、グランドGNDと電気的に接続されている。
以下、アレイ型センサの第五実施形態について、図14を参照して説明する。
本実施形態では、各単位セルがアレイで形成された大面積のフィルムを利用している。
フィルム基板200上に、各単位セルを有するアレイ部203が形成される。フィルム基板200上のアレイ部203の周辺には、第一セレクタ/ドライバ216、第二セレクタ/ドライバ217、読み出し/演算回路218、及び基準データを保持するための不揮発記憶装置219の機能を担うシリコン半導体が実装され、それぞれ電気的に接続されている。さらに、電源制御、あるいは、無線などの通信機能を有する補助周辺回路220を実装しても良い。
以下、アレイ型センサの第六実施形態について説明する。
測定モードでは、各センサ素子14からの生の出力に対して、あらかじめ不揮発記憶装置19に記憶した無負荷時、及び、基準の入力負荷時に得られたセンサ出力をもとに、読み出し/演算回路18で演算し、補正されたセンサ出力が外部に出力される。
本実施形態では、無負荷時と基準の入力負荷時でのセンサ出力を基準データとして不揮発記憶装置19に記憶している。変形例として、定期的な校正モードは、第二実施形態で述べているように、センサ応答特性を記述できる関数を一意に定義するパラメータや、ルックアップテーブルを利用した補正を行う場合に適用されてもよい。センサ応答特性を記述できる関数を一意に定義するパラメータや、ルックアップテーブルを利用した補正を行う場合でも、効果は同様で、アレイ型センサの耐用年数を向上させることができる。
第三〜第五実施形態においても、同様に、定期的な校正モードが実施されてもよい。
さらに、
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
2 制御装置
3 アレイ部
11 ワード線(第一配線)
12 ビット線(第二配線)
13 単位セル
14 センサ素子
15 選択トランジスタ
16 第一セレクタ/ドライバ
17 第二セレクタ/ドライバ
18 読み出し/演算回路
19 不揮発記憶装置
70 アレイ型感圧センサ
71 アレイ
72 感圧導電ゴム
73 アルミ箔
81 フィルム基板
82 ゲート電極
83 ゲート絶縁膜
84 ソース電極
85 ドレイン電極
86 SWNTチャネル
87 絶縁樹脂層
88 感圧導電ゴムシート
89 金属ホイル
101 アレイ型センサ
103 アレイ部
113 単位セル
114 センサ素子
200 フィルム基板
201 アレイ型センサ
203 アレイ部
216 第一セレクタ/ドライバ
217 第二セレクタ/ドライバ
218 演算回路
219 不揮発記憶装置
220 補助周辺回路
BLK 単位ブロック
GND グランド
Claims (14)
- センサ素子と選択トランジスタとを有する単位セルが二次元に配列されたアレイ部と、前記選択トランジスタのゲートに接続されている複数の第一配線と、前記選択トランジスタのソース及びドレインのどちらか一方に接続された複数の第二配線と、を備えるアレイ型センサを制御する制御装置であって、
前記複数の第一配線のうちの1本を選択し、駆動する第一セレクタ/ドライバと、
前記複数の第二配線のうちの少なくとも1本を選択し、駆動する第二セレクタ/ドライバと、
前記各単位セルの出力を読み出し、補正演算を行う読み出し/演算回路と、
基準データを記憶する不揮発記憶装置と、を備え、
校正モードでは、2つ以上の基準入力に対する前記各単位セルのセンサ出力を、前記基準データとして前記不揮発記憶装置に記憶し、
測定モードでは、前記各単位セルのセンサ出力を、前記不揮発記憶装置に記憶された前記基準データを用いて補正演算して出力する制御装置。 - 前記第一配線と前記第二配線とが直交して配置されている請求項1に記載の制御装置。
- 前記不揮発記憶装置が、センサの出力特性を表す関数の各項の係数を含み、前記関数を一意に決定づけるパラメータを記憶する請求項1又は請求項2に記載の制御装置。
- 前記不揮発記憶装置が、ルックアップテーブルを有し、
前記校正モードにおいて、3点以上の前記基準入力に対する前記各単位セルのセンサ出力を、前記ルックアップテーブルとして記憶し、
前記測定モードにおいて、前記ルックアップテーブルを参照し、前記各単位セルのセンサ出力を、補完して出力する請求項1又は請求項2に記載の制御装置。 - 前記単位セルとして、機能の異なる2種類以上のセンサ素子を用いて機能の異なる複数の単位セルを形成し、
前記機能の異なる複数の単位セルが、二次元に配列されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記選択トランジスタの半導体材料が、単層カーボンナノチューブを含んでいる請求項1〜5のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記第一セレクタ/ドライバ、前記第二セレクタ/ドライバ、前記読み出し/演算回路、及び前記不揮発記憶装置のうち少なくとも一つが、前記アレイ型センサと分離されており、使用時に前記アレイ型センサと電気的に接続可能な請求項1〜6のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記単位セルの少なくとも一部が、印刷パターンである請求項1〜7のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記単位セルの少なくとも一部が、プラスチックフィルム上に形成されている請求項1〜8のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記不揮発記憶装置が不揮発メモリである請求項1〜9のいずれか一項に記載の制御装置。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の制御装置と、
前記アレイ部と、
前記第一配線と、
前記第二配線と、
を備えるアレイ型センサ。 - 請求項11に記載のアレイ型センサにおいて、
定期的に前記校正モードを実施し、前記不揮発記憶装置に記憶した前記基準データを書き換えるセンサ使用方法。 - センサ素子と選択トランジスタとを有する単位セルが二次元に配列されたアレイ部と、前記選択トランジスタのゲートに接続されている複数の第一配線と、前記選択トランジスタのソース及びドレインのどちらか一方に接続された複数の第二配線と、を備えるアレイ型センサを制御する制御装置であって、前記複数の第一配線のうちの1本を選択し、駆動する第一セレクタ/ドライバと、前記複数の第二配線のうちの少なくとも1本を選択し、駆動する第二セレクタ/ドライバと、前記各単位セルの出力を読み出し、補正演算を行う読み出し/演算回路と、基準データを記憶する不揮発記憶装置と、を備える制御装置の制御方法であって、
校正モードでは、2つ以上の基準入力に対する前記各単位セルのセンサ出力を、基準データとして不揮発記憶装置で記憶する校正ステップを実施し、
測定モードでは、前記各単位セルのセンサ出力を、前記不揮発記憶装置に記憶された前記基準データを用いて補正演算して出力する測定ステップを実施する制御方法。 - センサ素子と選択トランジスタとを有する単位セルが二次元に配列されたアレイ部と、前記選択トランジスタのゲートに接続されている複数の第一配線と、前記選択トランジスタのソース及びドレインのどちらか一方に接続された複数の第二配線と、を備えるアレイ型センサを制御する制御装置であって、前記複数の第一配線のうちの1本を選択し、駆動する第一セレクタ/ドライバと、前記複数の第二配線のうちの少なくとも1本を選択し、駆動する第二セレクタ/ドライバと、前記各単位セルの出力を読み出し、補正演算を行う読み出し/演算回路と、基準データを記憶する不揮発記憶装置と、を備える制御装置のコンピュータに、
校正モードでは、前記不揮発記憶装置に、2つ以上の基準入力に対する前記各単位セルのセンサ出力を、前記基準データとして記憶させる校正ステップと、
測定モードでは、前記読み出し/演算回路出力に、前記各単位セルのセンサ出力を、前記不揮発記憶装置に記憶された前記基準データを用いて補正演算させて出力させる測定ステップと、を実行させるプログラム。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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PCT/JP2017/032950 WO2019053794A1 (ja) | 2017-09-13 | 2017-09-13 | 制御装置、アレイ型センサ、センサ使用方法、制御方法及びプログラム |
Publications (1)
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