特許 6354422 感圧センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6354422

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】感圧センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/00 20060101AFI20180702BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/00 101Z

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-152878(P2014-152878)

(22)【出願日】2014年7月28日

(65)【公開番号】特開2016-31261(P2016-31261A)

(43)【公開日】2016年3月7日

【審査請求日】2017年6月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】凸版印刷株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001276

【氏名又は名称】特許業務法人 小笠原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 卓己

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５５−０４２０２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２９６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０６５０５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０３−２６９３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００７１４８２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／２０

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つ以上のシフトレジスタを含む走査駆動回路が形成された第１の基材と、
前記第１の基材が貼付実装され、前記走査駆動回路に接続された複数の駆動電極が形成された第２の基材と、
複数の検出電極が形成された第３の基材と、
前記第２の基材と前記第３の基材との間に積層された感圧導電材料層とを備え、
前記第２の基材は、前記複数の駆動電極が形成された側の面が前記第３の基材に面するように配置されており、前記第３の基材の前記第１の基材に面する箇所が刳り貫かれている、感圧センサ。

【請求項2】

前記走査駆動回路は、前記複数の駆動電極から電圧を印加する駆動電極を順次あるいは一括で選択でき、非選択状態の駆動電極は高インピーダンス状態で保持される、請求項１に記載の感圧センサ。

【請求項3】

前記第３の基材に貼付実装され、前記複数の検出電極に接続された１つ以上のシフトレジスタを有する出力選択回路が形成された第４の基材をさらに備える、請求項１または２に記載の感圧センサ。

【請求項4】

前記出力選択回路は、前記複数の検出電極から出力電圧を検出する検出電極を順次あるいは一括で選択でき、非選択状態の検出電極は高インピーダンス状態で保持される、請求項３に記載の感圧センサ。

【請求項5】

前記第３の基材は、前記第４の基材が貼付実装され、かつ前記複数の検出電極が形成された側の面が前記第２の基材に面するように配置されており、
前記第２の基材の前記第４の基材に面する箇所が刳り貫かれている、請求項３または４に記載の感圧センサ。

【請求項6】

前記シフトレジスタは、入力ＴＦＴと、転送ＴＦＴと、リセットＴＦＴと、シャントＴＦＴと、出力ＴＦＴとを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の感圧センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力を測定する感圧センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

可撓（フレキシブル）性を有する二枚のフィルム基材の相互間に、導電層が塗布された複数の行・列電極が交差する態様（パッシブマトリクス構造）で配置された感圧センサが知られている（例えば特許文献１参照）。この種の感圧センサは、圧力が加えられると、交差する態様で配置された導電層同士が接触し、これにより抵抗値が変化する。そして、この抵抗値の変化を検知することにより、加えられた圧力の面内分布を測定することができる。

【0003】

また近年、印刷プロセスで作製する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が注目を集めている（例えば非特許文献１参照）。ここで印刷プロセスとは、コーティングや印刷法（インクジェット、凸版、凹版、平版、孔版等）により、真空工程を用いずに半導体素子を作製する方法を指す。真空工程を多用するエレクトロニクス分野において、印刷プロセスは生産方式の革新技術として有望である。また、印刷プロセスで作製するＴＦＴは大面積、低コスト、低環境負荷、低温形成、フレキシブルといった可能性を持っていることが注目されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−５７９９２号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】「特集 次世代ディスプレイを実現するフレキシブル有機エレクトロニクス」、月刊ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、株式会社オプトロニクス、２０１１年５月号、第３０巻、第３５３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１を例とする従来の感圧センサでは、コスト的な理由や、可撓性を制限してしまう等の理由から、駆動回路ＩＣや検出回路ＩＣをフィルム上に実装できなかった。故にマトリクス状に形成した駆動回路及び検出回路の全配線をフィルム外部に引出し、外部回路（駆動、検出機能を有する）と接続する必要があったため、配線数の多いセンサを設計すると、接続端子や配線レイアウトのスペースが膨大となり、センサ設計の自由度を著しく低下させてしまうという問題が生じ、用途拡大の妨げとなっていた。

【0007】

本発明は、マトリクス状に形成した感圧センサを構成する回路の配線数が多く、かつ設計自由度の高い感圧センサを、可撓性を制限すること無く、低コストで提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明において、以下の特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。

【0009】

上記の目的を達成するための本発明の一局面は、１つ以上のシフトレジスタを含む走査駆動回路（スキャンドライバ）が形成された第１の基材と、第１の基材が貼付実装され、走査駆動回路に接続された複数の駆動電極が積層された第２の基材（上部マトリクスフィルム）と、複数の検出電極が積層された第３の基材（下部マトリクスフィルム）と、第２の基材と第３の基材との間に積層された感圧導電材料層とを備え、第２の基材は、複数の駆動電極が形成された側の面が第３の基材に面するように配置されており、第３の基材の第１の基材に面する箇所が刳り貫かれている、感圧センサである。

【0010】

また、走査駆動回路（スキャンドライバ）は、複数の駆動電極から駆動電圧を印加する駆動電極を順次あるいは一括で選択でき、非選択状態の駆動電極は高インピーダンス状態で保持されてもよい。

【0011】

また、第３の基材に貼付実装され、複数の検出電極に接続された１つ以上のシフトレジスタを有する出力選択回路が形成された第４の基材をさらに備えてもよい。

【0012】

また、出力選択回路（データセレクタ）は、複数の検出電極から出力電圧を検出する検出電極を順次あるいは一括で選択でき、非選択状態の検出電極は高インピーダンス状態で保持されてもよい。

【0013】

また、第３の基材は、第４の基材が貼付実装され、かつ複数の検出電極が形成された面が第２の基材に面するように配置されており、第２の基材の第４の基材に面する箇所が刳り貫かれていてもよい。

【0014】

また、走査駆動回路、出力選択回路に含まれるシフトレジスタは、入力ＴＦＴと、転送ＴＦＴと、リセットＴＦＴと、シャントＴＦＴと、出力ＴＦＴとを含んでも良い。

【発明の効果】

【0015】

本発明により、マトリクス状に形成した感圧センサを構成する回路の配線数が多く、かつ設計自由度の高い感圧センサを、可撓性を制限すること無く、低コストで提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る感圧センサの構成図

【図2】本発明の一実施形態に係る感圧センサの回路構成図

【図3】本発明の一実施形態に係るスキャンドライバおよびデータセレクタのフィルム貼付構造の説明図

【図4】本発明の一実施形態に係る印刷ＴＦＴ層構造の説明図

【図5】本発明の一実施形態に係る引出し配線削減の概念説明図

【図6】本発明の一実施形態に係るシフトレジスタ（１段分）の回路説明図

【図7】本発明の一実施形態に係る入力信号ＣＫ＋及びＣＫ−の位相関係を説明した図

【図8】本発明の一実施形態に係る入力信号ＣＫ１及びＣＫ２のタイミングを説明した図

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明に係る感圧センサの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

【0018】

図１は、本発明に係る感圧センサの実施形態の構成を示す図である。図１の（ａ）は、感圧センサの初期状態と加圧状態とを示す断面図であり、図１の（ｂ）は、感圧センサの層及びフィルムを分解した斜視図である。この感圧センサは、１つ以上のシフトレジスタを備えるスキャンドライバ６（走査駆動回路）が形成された第１の基材と、スキャンドライバ６（走査駆動回路）に接続された複数の駆動電極１とが一方の面に積層された上部マトリクスフィルム４（第２の基材）と、複数の検出電極２が積層された下部マトリクスフィルム５（第３の基材）と、上部マトリクスフィルム４と下部マトリクスフィルム５との間に積層された感圧導電材料層３とを含む。また、下部マトリクスフィルム５上に積層された第４の基材には、複数の検出電極２に接続された１つ以上のシフトレジスタを備えるデータセレクタ７（出力選択回路）がさらに形成されている。駆動電極１と検出電極２とは、上部マトリクスフィルム４と下部マトリクスフィルム５とを積層した際に、平面視において交差する態様で配置されており、感圧導電材料層３を介したそれらの交差点各々が感圧センサの配列を構成する。なお、駆動電極１およびスキャンドライバ６は、上部マトリクスフィルム４の感圧導電材料層３と向き合う面に積層されている。なお、第１乃至第４の基材は可撓性を有するフィルム基材であることが好ましい。

【0019】

図２は、本発明に係る感圧センサの実施形態の回路構成を示す図である。スキャンドライバ６およびデータセレクタ７は、各々、ＴＦＴと薄膜キャパシタとで構成された回路であり、上部マトリクスフィルム４及び下部マトリクスフィルム５とは別のフィルム基材（第１の基材及び第４の基材）上に印刷プロセスを用いて積層して作製され、それぞれ上部マトリクスフィルム４及び下部マトリクスフィルム５に貼付実装されている。以下では、特に断らない限り、第１の基材とこれに積層されたスキャンドライバ６とを単にスキャンドライバ６と呼び、第４の基材とこれに積層されたデータセレクタ７とを単にデータセレクタ７と呼ぶ。

【0020】

スキャンドライバ６は、各駆動電極１を順次に選択し、選択された駆動電極１に駆動電圧Ｖ２を印加する機能を有する。非選択時の駆動電極１は高インピーダンス状態に保持される。入力信号ＳＴ１，ＣＫ１＋，ＣＫ１−，Ｖ１を全てＬレベル電圧にすることにより、全ての駆動電極１を同時に選択することもできる。

【0021】

データセレクタ７は、各検出電極２から出力電圧を検出する電極を順次に選択する機能を有する。非選択時の検出電極２は高インピーダンス状態に保持される。入力信号ＳＴ２，ＣＫ２＋，ＣＫ２−，Ｖ１を全てＬレベル電圧にすることにより、全ての検出電極を同時に選択することもできる。

【0022】

スキャンドライバ６及びデータセレクタ７内にある静電気保護素子８は、ＴＦＴのゲート端子を浮遊端子とすることによって形成できる浮遊ゲートＴＦＴ型保護素子である。

【0023】

本実施形態ではｐ型ＴＦＴを用いているが、ｎ型を用いても良い。その場合は入出力信号の位相が反転することになる。

【0024】

図３は、スキャンドライバ６及びデータセレクタ７の貼付構造を説明する図である。スキャンドライバ６及びデータセレクタ７に余分な圧力が加わらないように、図３の（ａ）に示すように、下部マトリクスフィルム５は、データセレクタ７及び複数の駆動電極１が積層された面が上部マトリクスフィルム４に面するように積層されており、上部マトリクスフィルム４のデータセレクタ７に面する箇所が刳り貫かれている。また、図３の（ｂ）に示すように、上部マトリクスフィルム４は、スキャンドライバ６及び複数の駆動電極１が積層された面が下部マトリクスフィルム５に面するように積層されており、下部マトリクスフィルム５のスキャンドライバ６に面する箇所が刳り貫かれている。

【0025】

図４は、スキャンドライバ６及びデータセレクタ７に用いるＴＦＴの層構造を説明する図である。可撓性を有するフィルム基材９（第１の基材及び第４の基材に相当）と、ゲート電極層１０と、ゲート絶縁層１１と、ソース・ドレイン電極層１２と、半導体層１４と、半導体保護層１５と、層間絶縁層１６と、層間配線層１７とを備える。フィルム基材を除く全ての層は凸版印刷法、反転オフセット印刷法、グラビア印刷法、スクリーン印刷法等の各種印刷方法を用いて形成することが可能である。印刷方法を用いれば真空成膜方法に比べて低温環境下で形成し易いため、フィルム等の可撓性を有する基材に形成することが容易である。

【0026】

図５は、引出し配線削減の概念を説明する図である。図５の（ａ）に示すように、従来技術に係る配線引出し形態では、ｍ行ｎ列マトリクスの場合、ｍ＋ｎ本の配線を外部へ引出す必要があった。

【0027】

本実施形態に係る引出し配線は、図５の（ｂ）に示すように、引出し配線数は１０本になる（ＣＯＭ，Ｖ１，Ｖ２，ＳＴ１，ＳＴ２，ＣＫ１＋，ＣＫ１−，ＣＫ２＋，ＣＫ２−，ＶＯＵＴ）。この形態では、引出し配線数がｍ及びｎに依存しないため、マトリクスのｍ及びｎが大きくなる程、引出し配線削減効果が大きくなる。

【0028】

次に、スキャンドライバ６及びデータセレクタ７の構成単位であるシフトレジスタ（１段分）について詳細に説明する。

【0029】

図６は、シフトレジスタ（１段分）の回路構成及び動作を説明する図である。図７は、入力信号ＣＫ＋及び−の位相関係を説明した図である。シフトレジスタは、保持キャパシタ２３に入力信号（電位／電荷）を注入（充電）する機能を有する入力ＴＦＴ１８と、次段の入力ＴＦＴ１８へ信号（電位／電荷）を転送する機能を有する転送ＴＦＴ１９と、保持キャパシタから電荷を放出（放電）する機能を有するリセットＴＦＴ２０と、非選択期間（ＴＲＮがＨレベルの期間）において、ＯＦＦしている転送ＴＦＴ１９から漏れる電荷をＶ１へ排出する機能を有するシャントＴＦＴ２１と、選択期間（ＴＲＮがＬレベルの期間）のみＶ２をＯＵＴに出力し、非選択期間はＯＵＴを高インピーダンス状態にする機能を有する出力ＴＦＴ２２と、入力信号（電位／電荷）を保持する機能を有する保持キャパシタ２３と、ＴＲＮの電位を安定させる機能を有する安定化キャパシタ２４とを備える。シャントＴＦＴ２１は、転送ＴＦＴ１９に比べて、サイズ（チャネル幅／チャネル長）を１／１０以下程度に小さく設計することが望ましい。

【0030】

各段のシフトレジスタにはクロック信号ＣＫが転送ＴＦＴ１９に、ハイレベル定電圧源Ｖ１がリセットＴＦＴ２０に接続されており、ＣＫがハイレベルのタイミングで入力信号ＩＮのローレベルパルスが入力ＴＦＴ１８に入力されると、ＩＮからＣＫ半周期分遅れたローレベルパルス信号ＴＲＮを転送ＴＦＴ１９より出力する。ＴＲＮパルスにより出力ＴＦＴ２２が駆動され、ＯＮ状態になる。ＴＲＮパルスを出力した直後には、ＲＳＴパルスをリセットＴＦＴ２０に入力し、ノードＮＡで保持していたローレベル電位をハイレベルにリセットする必要がある。

【0031】

図６の単段シフトレジスタを図２に示す様に直列多段に接続（隣接する前段ＯＵＴと後段ＩＮを接続し、さらに後段ＯＵＴを前段ＲＳＴにも接続する）し、奇数段と偶数段各々に図７に示す位相が反転しているクロック信号ＣＫ＋とＣＫ−とを接続し、初段ＩＮと終段ＲＳＴとにトリガパルス信号ＳＴを入力することにより（初段ＩＮと終段ＲＳＴとのパルスタイミングが同時になるように、総段数に応じてパルス周期を調節する必要がある）、各駆動電極及び各検出電極に順次走査パルスを印加する回路を実現できる。

【0032】

図８は、スキャンドライバ６及びデータセレクタ７の入力信号ＣＫ１及びＣＫ２のタイミングを説明した図である。なお、入力信号ＳＴ１及びＳＴ２のパルス幅は、入力信号ＣＫ１及びＣＫ２の半周期相当が望ましい。

【0033】

湿式成膜が原則である印刷プロセスでは、真空工程とフォトリソグラフィを用いる他の半導体プロセスと比較して、微細形状のパターニング制約が厳しい。従って、多数のＴＦＴが複雑に接続する回路を作製することは比較的不向きといえる。この事情を鑑み、図６のシフトレジスタでは、必要最小限の構成素子（入力ＴＦＴ１８、転送ＴＦＴ１９、リセットＴＦＴ２０、出力ＴＦＴ２２）に、シャントＴＦＴ２１と、キャパシタを追加したシンプルな回路構成としている。

【0034】

以上で開示した実施形態によれば、感圧センサの可撓性を損なうことなく、外部への引出配線数を削減することができ、接続端子や配線レイアウトのスペースを削減できるので、駆動電極及び検出電極の本数を増やすことが容易となる。

【0035】

また、スキャンドライバ６及びデータセレクタ７を駆動電極１及び検出電極２を形成する基材とは異なる基材上にそれぞれ形成し、貼り付ける構成とするにより、感圧センサの基材（上部マトリクスフィルム４及び下部マトリクスフィルム５）のサイズに依存することなく作製できるようになり、多種多様なサイズ／形状の感圧センサ作製への対応が容易となる。

【0036】

また、上部マトリクスフィルム４と下部マトリクスフィルム５とを貼り合せる際に、下部マトリクスフィルム５のスキャンドライバ６に面する箇所及び上部マトリクスフィルム４のデータセレクタ７に位置する箇所をそれぞれ刳り貫いておくことにより、スキャンドライバ６及びデータセレクタ７に余分な圧力をかけることがなくなり、断線等の回路破損の発生を防止することができる。

【0037】

また、スキャンドライバ６、データセレクタ７に含まれるシフトレジスタは、入力ＴＦＴと、転送ＴＦＴと、リセットＴＦＴと、シャントＴＦＴと、出力ＴＦＴとを含む必要最小限の回路構成とすることにより、回路構造が複雑にならずに印刷プロセスで安価に作製することができる。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は、エレクトロニクス、ロボテクス、機械工学等の分野への応用が期待できる。

【符号の説明】

【0039】

１ 駆動電極
２ 検出電極
３ 感圧導電材料層
４ 上部マトリクスフィルム（第２の基材）
５ 下部マトリクスフィルム（第３の基材）
６ スキャンドライバ（走査駆動回路）
７ データセレクタ（出力選択回路）
８ 静電気保護素子（浮遊ゲートＴＦＴ型）
９ フィルム基材
１０ ゲート電極層
１１ ゲート絶縁層
１２ ソース・ドレイン電極層
１４ 半導体層
１５ 半導体保護層
１６ 層間絶縁層
１７ 層間配線層
１８ 入力ＴＦＴ
１９ 転送ＴＦＴ
２０ リセットＴＦＴ
２１ シャントＴＦＴ
２２ 出力ＴＦＴ
２３ 保持キャパシタ
２４ 安定化キャパシタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】