KR20180130439A - 힘 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복잡한 구성을 필요로 하지 않고, 센서 면에 대해서 작용하는 센서 면에 평행한 힘을 검출할 수 있는 힘 검출 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 힘 검출 장치는, 감압 재료로 이루어지는 센서층을 가지는 압력 센서를 각각이 포함하고, 2차원상으로 배치된 복수의 센서 셀과, 감압 재료보다 단단하고, 인접하는 복수의 압력 센서의 복수의 센서층을 연결하는 힘 검출 기구를 가지고 있다.
본 발명에 따른 힘 검출 장치는, 감압 재료로 이루어지는 센서층을 가지는 압력 센서를 각각이 포함하고, 2차원상으로 배치된 복수의 센서 셀과, 감압 재료보다 단단하고, 인접하는 복수의 압력 센서의 복수의 센서층을 연결하는 힘 검출 기구를 가지고 있다.
Description
본 발명은, 감압 재료로 이루어지는 센서층을 가지는 힘 검출 장치에 관한 것이다.
소형 압력 센서 소자를 2차원 어레이 형상으로 배치하고 압력 분포 측정을 가능하게 한 압력 검출 장치가 알려져 있다. 이러한 압력 검출 장치에서는, 압력 센서 소자는 외부로부터 가해지는 압력에 따른 신호 전압을 출력한다. 또한 압력 검출 장치에서는, 많은 경우에 화상 표시용 패널에 있어서의 화소 구동과 마찬가지로 박막 트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor)를 이용하여 압력 센서 소자를 액티브 매트릭스 제어하는 것이 상정되어 있다(예를 들면 특허문헌 1을 참조).
액티브 매트릭스형 2차원 압력 센서에서는, 예를 들면 시프트 레지스트를 이용하여 액티브한 게이트 배선을 전환하여 읽어내는 압력 센서 소자를 순차적으로 변경함으로써 2차원 압력 분포 데이터를 취득한다. 이 동작을 상시 계속함으로써 시간에 따라 변하는 압력의 2차원 데이터를 취득할 수 있다.
상술한 것과 같은 2차원 압력 센서는, 예를 들면 인간을 모방한 로봇의 손끝 등에 있어서의 촉각 정보 등을 검출하는 센서로서의 응용이 기대되고 있다. 그러나 종래의 2차원 압력 센서에서는, 힘이 작용하는 접촉 면인 센서 면에 대해서 작용하는 힘 중에서 센서 면에 수직한 힘인 압력을 검출할 수는 있지만, 센서 면에 평행한 힘을 검출할 수 없었다.
예를 들면 센서 면에 접촉된 물체를 옆으로 끌거나 미끄러지게 한 경우, 센서 면에 대해서는 전단 응력과 마찰력 등 센서 면에 평행한 힘이 작용한다. 종래의 2차원 압력 센서로는, 이러한 센서 면에 평행한 힘을 검출할 수 없었다. 따라서 종래의 2차원 압력 센서를 이용하여 촉각 센서를 구축했다고 하더라도 센서 면에 접촉된 물체를 옆으로 끌거나 미끄러지게 하는 동작을 검출하는 것은 곤란하다고 생각된다.
본 발명은, 복잡한 구성을 필요로 하지 않고, 센서 면에 대해서 작용하는 센서 면에 평행한 힘을 검출할 수 있는 힘 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일관점에 따르면, 감압 재료로 이루어지는 센서층을 가지는 압력 센서를 각각이 포함하고, 2차원상으로 배치된 복수의 센서 셀과, 상기 감압 재료보다 단단하고, 인접하는 복수의 상기 압력 센서의 복수의 상기 센서층을 연결하는 힘 검출 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 힘 검출 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면 복잡한 구성을 필요로 하지 않고, 센서 면에 대해서 작용하는 센서 면에 평행한 힘을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치의 전체 구조를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출부의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 압력 센서에 대한 배치의 일례를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 압력 센서에 대한 배치의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 힘 검출 장치의 구조를 도시한 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른 힘 검출 장치를 이용하여 힘을 검출한 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 변형 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출부의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 압력 센서에 대한 배치의 일례를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 압력 센서에 대한 배치의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 힘 검출 장치의 구조를 도시한 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른 힘 검출 장치를 이용하여 힘을 검출한 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 변형 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 구조를 도시한 사시도이다.
<1 실시형태>
본 발명의 일 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 대하여 도 1 내지 도 4를 가지고 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치의 전체 구조를 도시한 개략도이다. 도 2는 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출부의 구조를 도시한 단면도이다. 도 3 및 도 4는 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 압력 센서에 대한 배치 예를 설명하는 도면이다.
본 실시형태에 따른 힘 검출 장치는, 예를 들면, 액정 표시 장치, OLED(Organic Light Emitting Diode) 표시 장치 등의 터치 패널과 로봇의 손가락에 설치되어, 센서 면에 대해서 작용하는 센서 면에 평행한 힘을 검출하는 것이다.
본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)는, 도 1에 도시한 것과 같이 센서 어레이(10), 수직 주사 회로(20), 검출 회로(30), 제어부(40)를 가지고 있다.
센서 어레이(10)는, 복수 행(예를 들면 m행) 및 복수 열(예를 들면 n열)에 걸쳐서 2차원상으로 배치된 복수의 센서 셀(12)을 포함한다. 또한 m, n은 각각 2 이상의 정수이다. 센서 어레이(10)에 있어서, 복수의 센서 셀(12)은 예를 들면 정방 격자상 등의 직사각형 격자상으로 배치되어 있다.
각각의 센서 셀(12)은, 선택 트랜지스터(M)와, 압력을 측정 대상으로 하는 압력 센서(S)를 포함한다. 선택 트랜지스터(M)는, 예를 들면 박막 트랜지스터로 이루어진다. 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)는, 선택 트랜지스터(M)를 액티브 소자로 하는 액티브 매트릭스 구동 방식의 센서 장치이다.
압력 센서(S)는, 감압 재료로 이루어지는 센서층을 가지는 압력 센서이다. 압력 센서(S)로서는, 예를 들면 압력 변화에 수반되는 전기 저항값의 변화를 이용한 저항 변화형 압력 센서를 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 압력 센서(S)로서, 절연성 수지와, 절연성 수지에 분산된 도전성 필러를 포함하는 감압 도전성 재료를 가지는 압력 센서를 사용할 수 있고, 감압 도전성 재료로서는 감압 도전성 고무를 예시할 수 있다. 이러한 감압 도전성 재료에서는, 가해지는 압력의 크기에 따라서 도전성 필러의 접점 수가 변함으로써, 가해지는 압력의 크기에 따라서 전기 저항값이 변한다. 또한 압력 센서(S)로서, 미세한 요철이 형성된 전극에 대해서, 그 전극과의 접촉면에 미세한 요철이 형성된 감압 도전성 재료를 가지는 압력 센서를 사용할 수도 있다. 이러한 감압 도전성 재료에서는, 가해지는 압력의 크기에 따라서 미세한 요철에 의해 전극과의 접촉 면적이 변함으로써, 가해지는 압력의 크기에 따라서 전기 저항값이 변한다. 압력 센서(S)로서는 그 밖에 압전성 재료, 감압 도전성 재료를 사용한 압력 센서를 예시할 수 있다. 압력 센서(S)의 종류는, 검출해야 되는 힘의 범위 등에 따라서 적절히 선정할 수 있다.
인접하는 복수의 센서 셀(12)의 압력 센서(S)에 대해서는, 후술하는 것과 같이 힘 검출 기구(80)가 설치되어 있다. 압력 센서(S)에 대해서 공통된 힘 검출 기구(80)가 설치된 복수의 센서 셀(12)은, 힘 검출부(14)를 구성하고 있다. 힘 검출부(14)는, 힘 검출 장치(100)의 후술하는 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면에 평행한 힘을 검출하는 단위로 되어 있다.
센서 어레이(10)의 각 행에는, 행 방향으로 연장되어 구동 신호선(X)이 배치되어 있다. 도 1에는 제 1 행, 제 2 행, 제 3 행, 제 4 행, 제 5 행, ..., 제 m 행에 배치된 구동 신호선(X)을, 각각 구동 신호선 X1, X2, X3, X4, X5, ..., Xm으로 표기하고 있다. 구동 신호선 X1, X2, X3, X4, X5, ..., Xm은 수직 주사 회로(20)에 접속되어 있다.
센서 어레이(10)의 각 열에는, 열 방향으로 연장되어 출력 신호선(Y)이 각각 배치되어 있다. 도 1에는 제 1 열, 제 2 열, 제 3 열, ..., 제 n 열에 배치된 출력 신호선(Y)을, 출력 신호선 Y1, Y2, Y3, ..., Yn으로 표기하고 있다. 출력 신호선 Y1, Y2, Y3, ..., Yn은 검출 회로(30)에 접속되어 있다.
센서 셀(12)의 압력 센서(S)는, 일방 단자가 전원 전압선에 접속되어 있고, 타방 단자가 선택 트랜지스터(M)의 드레인 전극에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(M)의 소스 전극은, 대응하는 열의 출력 신호선(Y)에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(M)의 게이트 전극은, 대응하는 행의 구동 신호선(X)에 접속되어 있다.
수직 주사 회로(20)는, 디코더와 시프트 레지스터로 구성된다. 수직 주사 회로(20)는, 구동 신호선 X1, X2, X3, X4, X5, ..., Xm에, 구동 신호 PTX1, PTX2, PTX3, PTX4, PTX5, ..., PTXm을 각각 공급한다. 이들 구동 신호(PTX)는, 구동 신호선(X)에 접속된 선택 트랜지스터(M)의 구동 신호이다. 이런 의미에서 수직 주사 회로(20)는, 선택 트랜지스터(M)의 구동 회로이기도 하다. 예를 들면 선택 트랜지스터(M)가 N형 트랜지스터인 경우, 구동 신호(PTX)가 하이 레벨일 때 대응하는 행의 선택 트랜지스터(M)는 온 상태가 된다. 또한 구동 신호(PTX)가 로우 레벨일 때 대응하는 행의 선택 트랜지스터(M)는 오프 상태가 된다.
검출 회로(30)는, 출력 신호선 Y1, Y2, Y3, ..., Yn의 전압을 검출하고, 압력 센서(S)의 전기 저항값 출력을 검출하기 위한 회로이고, A/D 컨버터, 저항 등을 포함하는 것이다. 검출 회로(30)에 의해 검출된 압력 센서(S)의 전기 저항값 출력에 기초하여, 압력 센서(S)에 의한 측정값인 압력값을 산출하는 것이 가능해진다.
제어부(40)는, 수직 주사 회로(20) 및 검출 회로(30)에 접속되어 있다. 제어부(40)는, 여러 가지 연산, 제어, 판별 등의 처리를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)를 가지고 있다. 또한 제어부(40)는, CPU에 의해 실행되는 다양한 프로그램, CPU가 참조할 데이터 베이스 등을 격납하는 ROM(Read Only Memory)을 가지고 있다. 또한 제어부(40)는, CPU가 처리 중인 데이터와 입력 데이터 등을 일시적으로 격납하는 RAM(Random Access Memory)을 가지고 있다.
제어부(40)는, CPU가 프로그램을 실행함으로써, 도시하지 않은 제어 회로 등을 통하여 수직 주사 회로(20) 및 검출 회로(30)의 동작과 그 타이밍을 제어한다. 또한 제어부(40)는, CPU가 프로그램을 실행함으로써, 검출 회로(30)에 의해 검출된 압력 센서(S)의 전기 저항값의 출력에 기초하여, 힘 검출 장치(100)의 센서 면에 가해지는 힘의 방향 및 크기를 구하는 처리부로서 기능한다.
여기서 복수의 센서 셀(12)에 의해 구성되는 힘 검출부(14)의 구조 일례에 대하여 도 2를 가지고 설명한다.
도 2에 도시한 것과 같이, 기판(60) 상에는 선택 트랜지스터(M)의 게이트 전극(62)이 형성되어 있다. 또한 기판(60) 상에는, 구동 신호선(X)이 형성되어 있다. 게이트 전극(62)은, 구동 신호선(X)과 일체적으로 형성되고 구동 신호선(X)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 기판(60) 상에는, 전원 전압선(64)이 형성되어 있다. 또한 기판(60)은, 기판상 부재 외에 시트상 부재, 필름상 부재도 포함하는 것으로, 그 재료로서는 TFT를 형성할 수 있는 모든 재료를 채용할 수 있다. 또한 기판(60)은, 유연성을 가지는 플렉서블한 것이어도 되고, 유연성을 가지지 않는 경질인 것이어도 된다.
게이트 전극(62) 상에는, 게이트 절연층(66)이 형성되어 있다. 게이트 절연층(66)은, 구동 신호선(X) 상, 전원 전압선(64) 상 및 기판(60) 상에도 형성되어 있고, 층간 절연층으로서도 기능하고 있다.
게이트 전극(62) 상에는, 게이트 절연층(66)을 통하여 반도체층(68)이 형성되어 있다. 반도체층(68)의 양측 게이트 절연층(66) 상에는, 선택 트랜지스터(M)의 소스 전극(70S) 및 드레인 전극(70D)이 반도체층(68)에 접촉되도록 형성되어 있다. 또한 게이트 절연층(66) 상에는, 출력 신호선(Y)이 형성되어 있다. 소스 전극(70S)은, 출력 신호선(Y)과 일체적으로 형성되고 출력 신호선(Y)에 전기적으로 접속되어 있다.
이렇게 해서 기판(60) 상에는 게이트 전극(62), 소스 전극(70S) 및 드레인 전극(70D)을 가지는 선택 트랜지스터(M)가 형성되어 있다. 반도체층(68), 소스 전극(70S), 드레인 전극(70D) 및 출력 신호선(Y)이 형성된 게이트 절연층(66) 상에는, 층간 절연층(72)이 형성되어 있다.
층간 절연층(72) 상에는, 압력 센서(S)의 한 쌍의 전극(74, 76)이 간격을 두고 병렬로 형성되어 있다. 전극(74)은, 층간 절연층(72)에 형성된 비아(74a)를 통하여 드레인 전극(70D)과 전기적으로 접속되어 있다. 또한 전극(76)은, 층간 절연층(72) 및 게이트 절연층(66)에 형성된 비아(76a)를 통하여 전원 전압선(64)에 전기적으로 접속되어 있다.
층간 절연층(72)의 한 쌍의 전극(74, 76)을 포함하는 영역 상에는, 한 쌍의 전극(74, 76)을 덮으며 한 쌍의 전극(74, 76)에 접촉되도록 센서층(78)이 형성되어 있다. 센서층(78)의 구성 재료는, 상술한 압력 인가에 수반되어 전기 저항값이 변하는 감압 도전성 재료 등의 감압 재료이다. 센서층(78)은, 예를 들면 정방형상 등 직사각형 형상의 평면 형상을 가지고 있다. 또한 센서층(78)의 평면 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고 직사각형 형상 이외에 원 형상 등 여러 가지 평면 형상을 채용할 수 있다.
이렇게 해서 층간 절연층(72) 상에, 한 쌍의 전극(74, 76) 및 센서층(78)을 가지는 압력 센서(S)가 형성되어 있다. 전극(74, 76)은, 각각 센서층(78)에 접촉되고 센서층(78)에 전기적으로 접속되어 있다.
인접하는 복수의 압력 센서(S)의 센서층(78) 상에는, 인접하는 복수의 압력 센서(S)의 복수의 센서층(78)에 걸치듯이 힘 검출 기구(80)가 형성되어 있다. 힘 검출 기구(80)는, 센서층(78)을 구성하는 감압 재료보다 단단한 재료로 구성되어 있다. 힘 검출 기구(80)의 구성 재료는, 센서층(78)을 구성하는 감압 재료보다 단단한 재료라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 플라스틱, 고무 등이다. 플라스틱, 고무 등으로 이루어지는 힘 검출 기구(80)는, 예를 들면 접착제 등에 의해 복수의 센서층(78)의 표면에 접착되어 고정되어 있다.
이렇게 해서, 인접하는 복수의 압력 센서(S)의 복수의 센서층(78)이, 공통된 힘 검출 기구(80)로 연결되어 있다.
힘 검출 기구(80)는, 예를 들면 기판(60)의 판 면에 대해서 수직인 방향으로 기판(60)으로부터 이간됨에 따라서 폭이 좁아지는 입체 형상을 가지고 있다. 이와 같은 입체 형상을 가지는 힘 검출 기구(80)는, 기판(60)의 판 면에 대해서 대각 상방을 향한 경사면(80a)을 가지고 있다. 이러한 경사면(80a)을 가짐으로써, 후술하는 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘을 더욱 확실히 검출할 수 있다.
힘 검출 기구(80)의 입체 형상으로서는, 예를 들면 센서층(78) 측을 저면으로 하는, 사각뿔대 등의 각뿔대, 원뿔대 등 뿔대 형상의 입체 형상과, 사각뿔 등의 각뿔, 원뿔 등 뿔 형상의 입체 형상을 예시할 수 있다. 힘 검출 기구(80)의 입체 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고 여러 가지 형상을 채용할 수 있다.
또한 힘 검출 기구(80)의 입체 형상은, 상기 형상에 한정되는 것은 아니고 여러 가지 형상을 채용할 수 있다. 예를 들면 힘 검출 기구(80)의 입체 형상은, 기판(60)의 판 면에 대해서 수직인 방향의 위치에 의해 폭이 변하지 않는 판상, 시트상, 기둥상의 입체 형상을 채용할 수도 있다.
힘 검출 장치(100)에서는, 이렇게 해서 힘 검출 기구(80)가 형성된 측의 면이, 접촉된 물체에 의해 작용하는 힘을 검출하는 힘 검출면인 센서 면(82)으로 되어 있다. 센서 면(82)에는 복수의 힘 검출 기구(80)가 노출되어 있어도 되고, 복수의 힘 검출 기구(80)를 포함한 센서 면(82)을 보호하는 수지 재료 등으로 이루어지는 보호층(도시하지 않음)이 형성되어 있어도 된다. 센서 면(82)에 복수의 힘 검출 기구(80)가 노출되어 있음으로써, 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘을 높은 감도로 검출할 수 있다.
도 3은, 힘 검출 기구(80)의 압력 센서(S)에 대한 배치의 일례를 설명하는 도면이다. 도 3(a)는, 압력 센서(S)의 센서층(78)을 도시한 평면도이다. 도 3(b)는, 압력 센서(S)에 대해서 설치된 힘 검출 기구(80)를 도시한 평면도이다. 도 3(c)는, 압력 센서(S)에 대해서 힘 검출 기구(80)가 배치된 상태를 도시한 평면도이다.
도 3(a)에 도시한 것과 같이, 복수의 압력 센서(S)의 센서층(78)은, 각각 예를 들면 정방형상 등 직사각형 형상의 평면 형상을 가지고 있다. 복수의 센서층(78)은, 행 방향 및 열 방향으로 격자상으로 배설되어 있다.
한편 도 3(b)에 도시한 것과 같이 복수의 힘 검출 기구(80)는, 각각 예를 들면 정사각뿔대 형상의 입체 형상을 가지고 있다. 복수의 힘 검출 기구(80)의 각각의 정방형상 저면은, 예를 들면 행 방향 및 열 방향에 있어서의 2 x 2인 합계 4개의 인접하는 센서층(78)을 포함하는 면적을 가지고 있다. 복수의 힘 검출 기구(80)는, 행 방향 및 열 방향으로 격자상으로 배설되어 있다.
도 3(c)에 도시한 것과 같이 복수의 힘 검출 기구(80)는, 각각 행 방향 및 열 방향에 있어서의 2 x 2인 합계 4개의 센서층(78) 상에 배치되고, 접착제 등에 의해 각 센서층(78)의 표면에 고정되어 있다. 이렇게 해서 행 방향 및 열 방향에 있어서의 2 x 2인 합계 4개의 인접하는 센서층(78)이, 공통된 1개의 힘 검출 기구(80)로 연결되어 있다.
도 4는, 힘 검출 기구(80)의 압력 센서(S)에 대한 배치의 다른 예를 설명하는 도면이다. 도 4(a)는, 압력 센서(S)의 센서층(78)을 도시한 평면도이다. 도 4(b)는, 압력 센서(S)에 대해서 설치되는 힘 검출 기구(80)를 도시한 평면도이다. 도 4(c)는, 압력 센서(S)에 대해서 힘 검출 기구(80)가 배치된 상태를 도시한 평면도이다.
도 3(b)의 경우와 마찬가지로 도 4(a)에 도시한 것과 같이, 예를 들면 정방형상 등 직사각형 형상의 평면 형상을 가지는 복수의 압력 센서(S)의 센서층(78)이, 행 방향 및 열 방향으로 격자상으로 배설되어 있다.
한편 도 4(b)에 도시한 것과 같이 복수의 힘 검출 기구(80)는, 각각 예를 들면 저면 및 상면이 모두 장방형상인 사각뿔대 형상의 입체 형상을 가지고 있다. 복수의 힘 검출 기구(80)의 각각의 장방형상 저면은, 예를 들면 행 방향 및 열 방향에 있어서의 2 x 1 또는 1 x 2인 합계 2개의 인접하는 센서층(78)을 포함하는 면적을 가지고 있다. 복수의 힘 검출 기구(80)는, 각각 그 장축 방향이 행 방향 또는 열 방향을 따르도록 배설되어 있다.
도 4(c)에 도시한 것과 같이 복수의 힘 검출 기구(80)는, 각각 행 방향 및 열 방향에 있어서의 2 x 1 또는 1 x 2인 합계 2개의 센서층(78) 상에 배치되고, 접착제 등에 의해 각 센서층(78)의 표면에 고정되어 있다. 이렇게 해서 행 방향 및 열 방향에 있어서의 2 x 1 또는 1 x 2인 합계 2개의 인접하는 센서층(78)이, 공통된 1개의 힘 검출 기구(80)로 연결되어 있다.
또한 상술한 것과 같이 이차원적으로 배설된 복수의 힘 검출 기구(80)는, 서로 별개로 독립적으로 분리되어 있는 것이어도 되고, 서로 일체적으로 연속되어 있는 것이어도 된다. 서로 일체적으로 연속되어 있는 복수의 힘 검출 기구(80)의 경우와 비교해서, 서로 별개로 독립적으로 분리되어 있는 복수의 힘 검출 기구(80)의 경우, 다른 힘 검출 기구(80)에 작용하는 힘에 의한 영향을 저감하면서 각 힘 검출 기구(80)에 작용하는 힘을 검출할 수 있다. 한편 서로 별개로 독립적으로 분리되어 있는 복수의 힘 검출 기구(80)의 경우와 비교해서 서로 일체적으로 연속되어 있는 복수의 힘 검출 기구(80)의 경우, 더욱 간편하게 복수의 힘 검출 기구(80)를 형성할 수 있다.
또한 힘 검출 기구(80)의 형성 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 스크린 인쇄법과 잉크젯법 등에 의해 수지 등의 재료를 복수의 센서층(78) 상에 인쇄하여 형성하는 방법을 들 수 있다. 또한 예를 들면 수지 시트 등의 재료를 소정의 입체 형상으로 가공한 후에 센서층(78) 상에 접착하는 방법을 들 수 있다.
본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)는, 상술한 것과 같이 센서층(78)을 구성하는 감압 재료보다 단단한 재료로 구성되는 힘 검출 기구(80)가, 인접하는 복수의 압력 센서(S)의 복수의 센서층(78)에 걸치듯이 형성되어 있다.
힘 검출 장치(100)의 센서 면(82)에 물체가 접촉하면 도 2에서 화살표로 도시한 것과 같이 센서 면(82)에 대해서 센서 면(82)에 평행한 힘이 작용하는 경우가 있다. 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘에는, 센서 면(82)에 대해서 경사진 방향으로 작용하는 힘 중 센서 면(82)에 평행한 성분이 포함된다. 구체적으로는 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘에는, 예를 들면 전단 응력, 마찰력 등이 포함된다.
이와 같이 센서 면(82)에 평행한 힘이 작용하는 경우, 공통된 힘 검출 기구(80)로 연결된 복수의 센서층(78)을 가지는 복수의 압력 센서(S)는, 센서 면(82)에 평행한 힘에 기인하여 서로 다른 크기의 압력을 받고, 서로 다른 크기의 압력을 검출한다. 예를 들면 도 2에 도시한 것과 같이 지면 좌우 방향에 2개의 압력 센서(S)가 배설되어 있는 경우에 있어서, 지면 우측으로부터 좌측을 향하는 화살표 방향으로 힘이 센서 면(82)에 작용한 경우, 좌측의 압력 센서(S)보다 우측의 압력 센서(S)가 더욱 큰 압력을 검출한다.
이러한 압력 센서(S)의 출력은, 검출 회로(30)를 통하여 제어부(40)에 입력된다. 제어부(40)는, 공통된 힘 검출 기구(80)로 연결된 복수의 센서층(78)을 가지는 복수의 압력 센서(S)의 압력 출력에 기초하여, 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘의 방향 및 크기를 구할 수 있다.
예를 들면 제어부(40)는, 공통된 힘 검출 기구(80)로 연결된 복수의 센서층(78)을 가지는 복수의 압력 센서(S)의 출력과, 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘의 방향 및 크기의 관계에 관한 데이터 베이스를 기억 장치에 보존하고 있다. 제어부(40)는, 이러한 데이터 베이스를 참조하여, 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘의 방향 및 크기를 구할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태에 따르면, 복수의 센서층(78)이 힘 검출 장치(80)로 연결되어 있는 구성에 의해, 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘을 검출한다. 따라서 본 실시형태에 따르면 복잡한 구성을 필요로 하지 않고, 센서 면(82)에 대해서 작용하는 센서 면(82)에 평행한 힘을 검출할 수 있다.
<실시예>
다음으로 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치의 평가 결과에 대하여 도 5 및 도 6을 가지고 설명한다. 도 5는 실시예에 의한 힘 검출 장치의 구조를 도시한 개략도이다. 도 5(a)는 실시예에 의한 힘 검출 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다. 도 5(b)는 도 5(a)에 파선으로 도시한 원 내를 확대하여 도시한 단면도이다. 도 5(c)는 도 5(b)에 도시한 구조의 상면도이다. 도 5(d)는 힘 검출 기구의 배치 부분을 도시한 평면도이다. 도 6은 실시예에 따른 힘 검출 장치를 이용하여 힘을 검출한 결과를 도시한 도면이다.
도 5(a)에 도시한 것과 같이 실시예에 따른 힘 검출 장치(200)에서는, 유리 기판(260) 상에, 압력 센서 및 그 출력을 검출하기 위한 회로가 형성된 센서 필름(202)을 설치했다. 센서 필름(202)에 형성한 인접하는 복수의 압력 센서 상에는, 힘 검출 기구(280)를 설치했다. 유리 기판(260), 센서 필름(202) 및 힘 검출 기구(280)는, 라텍스 고무로 이루어지는 시트(204)로 덮었다. 센서 필름(202)의 회로는, 압력 센서의 출력을 검출하기 위한 프린트 회로판(PCB: Printed Circuit Board)에 접속했다.
도 5(b) 및 도 5(c)에 도시한 것과 같이 센서 필름(202) 상에는, 압력 센서(S)의 전극(274, 276)을 형성했다. 전극(274, 276) 상에는, 전극(274, 276)을 덮고 전극(274, 276)에 접촉하도록 감압 재료로 이루어지는 센서층(278)을 형성했다.
압력 센서(S)는, 도 5(d)에 도시한 것과 같이 x 방향(행 방향) 및 y 방향(열 방향)에 있어서 10 x 10인 합계 100개를 형성했다. 이하에서는, x 방향에 있어서의 위치 번호를 x, y 방향에 있어서의 위치 번호를 y로 하고 압력 센서(S)의 위치를 (x, y)로 나타낸다.
실시예 1로서, 아크릴 수지로 이루어지는 힘 검출 기구(280)를, (2, 1), (2, 2), (3, 1) 및 (3, 2)에 위치하는 4개의 압력 센서(S)의 센서층(278) 상에, 이들 센서층(278)에 걸치듯이 형성했다.
실시예 2로서, 우레탄폼으로 이루어지는 힘 검출 기구(280)를, (8, 1), (8, 2), (9, 1) 및 (9, 2)에 위치하는 4개의 압력 센서(S)의 센서층(278) 상에, 이들 센서층(278)에 걸치듯이 형성했다. 힘 검출 기구(280)를 구성하는 우레탄폼으로서는, PORON(등록상표) MX-48HF(ROGERS INOAC CORPORATION제)를 사용했다.
실시예 1, 2 모두에 있어서, 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시한 것과 같이 힘 검출 기구(280)는, 정사각뿔대 형상의 입체 형상을 가지는 것으로 했다. 또한 힘 검출 기구(280)는, 부직포(206)를 통하여 센서층(278) 상에 형성했다. 정사각뿔대 형상의 힘 검출 기구(280)의 높이(두께, t)는, 실시예 1에 있어서 2 mm로 설정하고, 실시예 2에 있어서 3 mm로 설정했다. 정사각뿔대 형상의 힘 검출 기구(280)의 상면 중 한 변의 길이(a)는, 실시예 1, 2 모두에 있어서 1 ~ 1.5 mm로 설정했다.
실시예 1, 2에 따른 힘 검출 기구(280)가 형성된 영역에 대해서, 센서 면에 대해서 센서 면에 평행한 힘을 작용시키고, 각 압력 센서(S)의 출력을 모니터했다. 센서 면에 평행한 힘의 방향으로서는, 도 5(d)의 지면 하측으로부터 상측을 향하는 방향인 -y 방향, 지면 상측으로부터 하측을 향하는 방향인 +y 방향, 지면 우측으로부터 좌측을 향하는 방향인 -x 방향 및 지면 좌측으로부터 우측을 향하는 방향인 +x 방향의 4방향으로 했다.
도 6은, 실시예 1, 2 각각에 대하여, 상기와 같이 센서 면에 대해서 센서 면에 평행한 힘을 작용시킨 경우의 복수의 압력 센서(S)의 출력을 수치로 도시한 것이다. 압력 센서(S)의 출력을 도시한 수치는 임의 단위의 수치로서, 값이 클수록 압력 센서(S)가 검출한 압력이 큰 것을 나타내고 있다.
-y 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 1에서는 (2, 1) 및 (3, 1)의 압력 센서(S)의 출력이, (2, 2) 및 (3, 2)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다. 동일하게 -y 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 2에서는 (8, 1) 및 (9, 1)의 압력 센서(S)의 출력이, (8, 2) 및 (9, 2)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다.
+y 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 1에서는 (2, 2) 및 (3, 2)의 압력 센서(S)의 출력이, (2, 1) 및 (3, 1)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다. 동일하게 +y 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 2에서는 (8, 2) 및 (9, 2)의 압력 센서(S)의 출력이, (8, 1) 및 (9, 1)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다.
-x 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 1에서는 (2, 1) 및 (2, 2)의 압력 센서(S)의 출력이, (3, 1) 및 (3, 2)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다. 동일하게 -x 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 2에서는 (8, 1) 및 (8, 2)의 압력 센서(S)의 출력이, (9, 1) 및 (9, 2)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다.
+x 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 1에서는 (3, 1) 및 (3, 2)의 압력 센서(S)의 출력이, (2, 1) 및 (2, 2)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다. 동일하게 +x 방향의 힘을 작용시킨 경우, 실시예 2에서는 (9, 1) 및 (9, 2)의 압력 센서(S)의 출력이, (8, 1) 및 (8, 2)의 압력 센서(S)의 출력보다 커졌다.
상기 실시예 1, 2의 평가 결과에 의해, 센서층(278)에 걸치듯이 힘 검출 기구(280)가 형성된 복수의 압력 센서(S)의 출력이, 센서 면에 평행한 힘의 방향에 의해 다른 것이 확인되었다. 따라서 센서층(278)에 걸치듯이 힘 검출 기구(280)가 형성된 복수의 압력 센서(S)의 출력에 기초하여, 센서 면에 평행한 힘을 검출할 수 있다.
<변형 실시형태>
본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지 변형이 가능하다.
예를 들면 상기 실시형태에서는, 힘 검출 기구(80)가 사각뿔대 형상의 입체 형상을 가지는 경우를 예로 설명했지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 도 7(a) 및 도 7(b)는, 각각 변형 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 힘 검출 기구의 구조를 도시한 사시도이다. 도 7(a)에 도시한 것과 같이 힘 검출 기구(80)는, 예를 들면 직방체 형상의 입체 형상을 가지고 있어도 된다. 또한 도 7(b)에 도시한 것과 같이 구결 형상의 입체 형상을 가지고 있어도 된다.
또한 상기 실시형태에서는, 박막 트랜지스터 등의 선택 트랜지스터(M)를 액티브 소자로 하는 경우를 예로 설명했지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 선택 트랜지스터(M)를 대신하여, 예를 들면 MIM(Metal Insulator Metal) 다이오드 등 다른 액티브 소자를 사용할 수 있다. 각 센서 셀이, 메모리성을 가지는 소자를 구비하고 있어도 된다. 검출 회로(30)는, 예를 들면 전류 등 전압 이외의 방법으로, 출력 신호선 Y1, Y2, Y3, ..., Yn의 출력을 얻어도 된다.
또한 상기 실시형태에서는, 센서 어레이(10)에 있어서 복수의 센서 셀(12)이 직사각형 격자상으로 배치되어 있는 경우를 예로 설명했지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 복수의 센서 셀(12)은, 규칙적 또는 불규칙적으로, 2차원으로 배치할 수 있다.
10: 센서 어레이
12: 센서 셀
14: 힘 검출부
20: 수직 주사 회로
30: 검출 회로
40: 제어부
60: 기판
62: 게이트 전극
64: 전원 전압선
66: 게이트 절연층
68: 반도체층
70D: 드레인 전극
70S: 소스 전극
72: 층간 절연층
74: 전극
76: 전극
78: 센서층
80: 힘 검출 기구
82: 센서 면
100: 힘 검출 장치
S: 압력 센서
M: 선택 트랜지스터
12: 센서 셀
14: 힘 검출부
20: 수직 주사 회로
30: 검출 회로
40: 제어부
60: 기판
62: 게이트 전극
64: 전원 전압선
66: 게이트 절연층
68: 반도체층
70D: 드레인 전극
70S: 소스 전극
72: 층간 절연층
74: 전극
76: 전극
78: 센서층
80: 힘 검출 기구
82: 센서 면
100: 힘 검출 장치
S: 압력 센서
M: 선택 트랜지스터
Claims (10)
- 감압 재료로 이루어지는 센서층을 가지는 압력 센서를 각각이 포함하고, 2차원상으로 배치된 복수의 센서 셀과,
상기 감압 재료보다 단단하고, 인접하는 복수의 상기 압력 센서의 복수의 상기 센서층을 연결하는 힘 검출 기구를 가지는 힘 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 힘 검출 기구가, 상기 복수의 센서층 상에 상기 복수의 센서층에 걸치듯이 형성되어 있는 힘 검출 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 압력 센서가, 감압 도전성 재료로 이루어지는 상기 센서층과, 상기 센서층에 접촉되는 전극을 가지는 힘 검출 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 압력 센서가 형성된 기판을 가지고,
상기 힘 검출 기구가, 상기 기판의 판 면에 대해서 수직인 방향으로 상기 기판으로부터 이간됨에 따라서 폭이 좁아지는 입체 형상을 가지고 있는 힘 검출 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 힘 검출 기구가, 뿔대 형상의 입체 형상을 가지는 힘 검출 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
복수의 상기 힘 검출 기구를 가지고,
상기 복수의 힘 검출 기구가, 서로 별개로 독립적으로 분리되어 있는 힘 검출 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
복수의 상기 힘 검출 기구를 가지고,
상기 복수의 힘 검출 기구가, 서로 일체적으로 연속되어 있는 힘 검출 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 힘 검출 기구가, 플라스틱 또는 고무로 이루어지는 힘 검출 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 센서 셀 각각이, 액티브 소자를 포함하는 힘 검출 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 액티브 소자가 박막 트랜지스터인 힘 검출 장치.
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