KR20210015621A - 힘 센서 및 힘 검출 장치 - Google Patents

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KR20210015621A
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카츠요시 히라키
노리유키 카와시마
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명의 과제는, 검출 감도가 더욱 향상된 힘 센서 및 힘 검출 장치를 제공하는 것이다.
일 실시형태에 따른 힘 센서는, 몸체와, 몸체 상에 서로 간극을 사이에 두고 배치된 복수의 전극과, 간극을 덮도록 복수의 전극 상에 배치되며, 인가된 응력에 따라서 전기 저항이 변하는 감압 재료를 포함하는 감압층과, 간극 중 적어도 일부 상에, 감압층에 접하도록 배치된 가압 부재와, 감압층 및 가압 부재 상에, 가압 부재를 덮도록 배치된 보호층을 가진다.

Description

힘 센서 및 힘 검출 장치 {Force Sensor And Force Detecting Apparatus}
본 발명은 힘 센서 및 힘 검출 장치에 관한 것이다.
접촉 압력 및 전단력을 검출하는 힘 센서를 포함하는 힘 검출 장치가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1을 참조). 특허문헌 1의 힘 검출 장치에 사용되고 있는 힘 센서는, 감압 재료 및 3개 이상의 전극을 가지며, 감압 재료를 통한 각 전극간 전기 저항값으로부터 접촉 압력 및 전단력을 검출한다.
특허문헌 1: 일본특허공개공보 2018-200280 호
상술한 것과 같은 힘 센서는, 접촉 검출, 촉각 정보 등 여러 가지 용도로 사용될 수 있다. 힘 센서를 이와 같은 여러 가지 용도에 적용할 때 한층 더 큰 고감도화가 요구되는 경우가 있다.
본 발명의 목적은, 상술한 과제를 감안하여, 검출 감도가 더욱 향상된 힘 센서 및 힘 검출 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 몸체와, 상기 몸체 상에 서로 간극을 사이에 두고 배치된 복수의 전극과, 상기 간극을 덮도록 상기 복수의 전극 상에 배치되고, 인가된 응력에 따라서 전기 저항이 변하는 감압 재료를 포함하는 감압층과, 상기 간극 중 적어도 일부 상에, 상기 감압층에 접하도록 배치된 가압 부재와, 상기 감압층 및 상기 가압 부재 상에, 상기 가압 부재를 덮도록 배치된 보호층을 가지는 힘 센서가 제공된다.
본 발명에 따르면, 검출 감도를 더욱 향상시킨 힘 센서 및 힘 검출 장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 검출 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀을 포함하는 셀 어레이의 회로 구성을 설명하는 평면도이다.
도 3a는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀의 평면도이다.
도 3b는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀의 전기 저항값의 대소 관계와 힘의 방향의 대응 관계를 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 센서 및 종래의 힘 센서에 인가된 하중에 대한 전기 저항값을 도시한 그래프이다.
도 6a는, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 6b는, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 6c는, 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 6d는, 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 7a는, 본 발명의 다른 변형 실시형태에 따른 센서 셀의 평면도이다.
도 7b는, 본 발명의 다른 변형 실시형태에 따른 센서 셀의 평면도이다.
도 7c는, 본 발명의 다른 변형 실시형태에 따른 센서 셀의 평면도이다.
<제 1 실시형태>
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 힘 센서 및 힘 검출 장치에 대하여 도 1 내지 도 5를 가지고 설명한다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다. 도 2는, 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀을 포함하는 셀 어레이의 회로 구성을 설명하는 평면도이다. 도 3a는, 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀의 평면도이다. 도 3b는, 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서 센서 셀의 전기 저항값의 대소 관계와 힘의 방향의 대응 관계를 도시한 도면이다.
본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)는, 도 1 및 도 2에 도시한 것과 같이 센서 어레이(10)와, 게이트선 구동 회로(20), 검출 회로(30), 전원선 구동 회로(40), 제어부(50)를 가지고 있다.
센서 어레이(10)는, 복수 행(예를 들면 m행) 및 복수 열(예를 들면 n열)에 걸쳐서 이차원상으로 배치된 복수의 센서 셀(60)을 포함한다. 또한 m, n은, 각각 2 이상의 정수이다. 센서 어레이(10)에 있어서, 복수의 센서 셀(60)은, 예를 들면 도 1 및 도 2에 도시한 것과 같은 정방격자상 등 직사각형 격자상으로 배치되어 있다.
각각의 센서 셀(60)은, 각각 제 1 액티브 소자 및 제 2 액티브 소자인 2개의 선택 트랜지스터(M1, M2)와, 감압 재료를 사용한 힘 센서(S)를 포함한다. 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)는, 선택 트랜지스터(M1, M2)를 액티브 소자로 하는 액티브 매트릭스 구동 방식 센서 장치이다.
힘 센서(S)는, 4개의 전극(62A, 62B, 62C, 62D)과, 4개의 전극(62A, 62B, 62C, 62D) 상에 형성된 감압 재료를 포함하는 감압층(64)과, 후술하는 가압 부재(66)를 가진다.
전극(62A, 62B, 62C, 62D)은, 서로 개별 독립된 제 1 전극, 제 2 전극, 제 3 전극 및 제 4 전극을 구성하고 있다. 전극(62A, 62B, 62C, 62D)은, 각각 기판 상에 형성되어 있다. 전극(62A, 62B, 62C, 62D)의 각각은, 이웃하는 전극과 소정의 간극을 사이에 두고 배치되어 있다. 두 전극간 간극의 거리는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 50 μm 내지 450 μm 정도로 할 수 있다.
감압층(64)은, 전극(62A, 62B, 62C, 62D) 상에 각 간극을 덮도록 형성되어 있다. 감압층(64)은, 예를 들면 인가된 응력에 따라서 전기 저항값이 변하는 감압 재료로 구성되어 있다.
감압층(64)은, 예를 들면 전극(62A, 62B)이 늘어선 행 방향(제 1 방향) 및 전극(62A, 62C)이 늘어선 열 방향(제 2 방향)을 따르는 두 쌍의 변을 갖는 거의 직사각형 형상의 평면 형상을 가지고 있다. 또한 감압층의 평면 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고, 여러 가지 형상을 채용할 수 있다. 또한 감압층(64)의 각 변의 길이도 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 100 μm 내지 1500 μm 정도의 사이로 할 수 있다.
전극(62A, 62B, 62C, 62D)은, 감압층(64)의 네 모서리에 위치하도록 배치되어 있다. 도 2에서는, 전극(62A, 62B, 62C, 62D)이, 각각 감압층(64)의 좌측 상부 모서리, 우측 상부 모서리, 좌측 하부 모서리 및 우측 하부 모서리에 배치되어 있는 경우를 도시하고 있다.
전극(62A, 62B, 62C, 62D) 상에 감압층(64)이 형성되어 있는 측의 면은, 접촉된 물체에 의해 작용하는 힘을 검출하는 힘 검출면인 센서면(70)이다. 센서면(70)에는, 복수의 감압층(64)이 노출되어 있어도 되고, 복수의 감압층(64)을 포함하는 센서면(70)을 보호하는 보호층(67)이 형성되어 있어도 된다.
센서 어레이(10)의 각 행에는, 행 방향으로 연장되어, 제 1 액티브 소자인 선택 트랜지스터(M1)를 구동하기 위한 제 1 구동 신호선인 복수의 제 1 게이트선(GL1a, GL2a, …, GLma)이 배치되어 있다. 또한 센서 어레이(10)의 각 행에는, 행 방향으로 연장되어, 제 2 액티브 소자인 선택 트랜지스터(M2)를 구동하기 위한 제 2 구동 신호선인 복수의 제 2 게이트선(GL1b, GL2b, …, GLmb)이 배치되어 있다. 제 2 게이트선(GL1b, GL2b, …, GLmb)은, 각각 제 1 게이트선(GL1a, GL2a, …, GLma)에 대응해서 배치되어 있다. 제 1 게이트선(GL1a, GL2a, …, GLma) 및 제 2 게이트선(GL1b, GL2b, …, GLmb)은, 게이트선 구동 회로(20)에 접속되어 있다. 또한 이하에서는, 제 1 게이트선을 '제 1 게이트선(GLia)'으로 적당히 표기하고, 제 2 게이트선을 '제 2 게이트선(GLib)'으로 적당히 표기한다. 단, i는 1 ≤ i ≤ m을 만족하는 정수이다.
센서 어레이(10)의 각 열에는, 열 방향으로 연장되어, 출력 신호선인 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)이 배치되어 있다. 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)은, 각각 검출 회로(30)에 포함되는 저항(R)의 일단에 접속되어 있다. 저항(R)의 타단은, 접지 전압(VS)의 접지 전압선에 접속되어 있다. 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)과 저항(R)의 일단 사이의 접속 노드에는, 검출 회로(30)에 포함되는 A/D 컨버터(68)의 입력 단자 측이 접속되어 있다. 또한 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)을 A/D 컨버터에 접속하는 구성은, 도 2에 도시한 구성에 한정되는 것은 아니고, 여러 가지 구성을 채용할 수 있다. 예를 들면 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)을, 멀티플렉서를 통해서 단일 A/D 컨버터의 입력에 접속하는 구성을 채용할 수 있다. 이하에서는, 데이터선을 '데이터선(DLj)'으로 적당히 표기한다. 단, j는 1 ≤ j ≤ n을 만족하는 정수이다.
또한 센서 어레이(10)의 각 열에는, 열 방향으로 연장되어, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)이 배치되어 있다. 또한 센서 어레이(10)의 각 열에는, 열 방향으로 연장되어, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)에 대응해서, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)이 배치되어 있다. 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna) 및 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)은, 전원선 구동 회로(40)에 접속되어 있다. 또한 이하에서는, 제 1 전원선을 '제 1 전원선(VLja)'으로 적당히 표기하고, 제 2 전원선을 '제 2 전원선(VLjb)'으로 적당히 표기한다. 단, j는 1 ≤ j ≤ n을 만족하는 정수이다.
제 i 행, 제 j 열에 위치하는 센서 셀(60)에 있어서의 힘 센서(S)의 전극(62A, 62B, 62C, 62D), 선택 트랜지스터(M1, M2)는, 각각 다음과 같이 접속되어 있다.
즉, 선택 트랜지스터(M1)의 게이트 전극은, 대응하는 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(M1)의 소스 전극은, 대응하는 제 j 열의 데이터선(DLj)에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(M1)의 드레인 전극은, 전극(62A)에 접속되어 있다.
또한 선택 트랜지스터(M2)의 게이트 전극은, 대응하는 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(M2)의 소스 전극은, 대응하는 제 j 열의 데이터선(DLj)에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(M2)의 드레인 전극은, 전극(62D)에 접속되어 있다.
또한 전극(62C)은, 대응하는 제 j 열의 제 1 전원선(VLja)에 접속되어 있다. 전극(62B)은, 대응하는 제 j 열의 제 2 전원선(VLjb)에 접속되어 있다.
게이트선 구동 회로(20)는, 디코더 또는 시프트 레지스터를 포함하여 구성된다. 게이트선 구동 회로(20)는, 제 1 게이트선(GLia)에 구동 신호(Pia)를 공급한다. 또한 게이트선 구동 회로(20)는, 제 2 게이트선(GLib)에 구동 신호(Pib)를 공급한다. 구동 신호(Pia)는, 제 1 게이트선(GLia)에 접속된 선택 트랜지스터(M1)의 구동 신호이다. 또한 구동 신호(Pib)는, 제 2 게이트선(GLib)에 접속된 선택 트랜지스터(M2)의 구동 신호이다. 이와 같이 게이트선 구동 회로(20)는, 선택 트랜지스터(M1, M2)를 구동하는 구동 회로이다. 예를 들면 선택 트랜지스터(M1, M2)가 N형 트랜지스터인 경우, 구동 신호(Pia, Pib)가 하이 레벨일 때, 대응하는 제 i 행의 선택 트랜지스터(M1, M2)는 온 상태가 된다. 또한 구동 신호(Pia, Pib)가 로우 레벨일 때, 대응하는 제 i 행의 선택 트랜지스터(M1, M2)가 오프 상태가 된다.
검출 회로(30)는, 데이터선(DLj)의 전압을 계측함으로써 힘 센서(S)에 있어서의 전극간 전기 저항값을 검출하기 위한 검출부로서 기능하는 회로이다. 검출 회로(30)는, 상술한 것과 같은 저항(R), A/D 컨버터(68) 등을 포함한다. A/D 컨버터(68)의 입력 노드의 전압은, 저항(R)의 이미 알려진 전기 저항값과 힘 센서(S)에 있어서의 전극간 전기 저항값의 비에 따라서 변한다. 따라서 검출 회로(30)는, A/D 컨버터(68)로부터 출력된 전압 신호로부터 힘 센서(S)에 있어서의 전극간 전기 저항값을 산출할 수 있다. 또한 전기 저항값이 변한 전극의 조합을 바탕으로 힘의 방향을 판별할 수도 있다. 이와 같이 해서 검출 회로(30)에 의해 검출된 힘 센서(S)에 있어서의 전극간 전기 저항값을 바탕으로, 힘 센서(S)에 의해 검출되는 힘의 방향 및 크기를 구하는 것이 가능해진다.
전원선 구동 회로(40)는, 제 1 전원선(VLja)에 전원 전압(VD)을 공급하거나, 또는 제 1 전원선(VLja)에 전원 전압(VD)을 공급하지 않고 하이 임피던스로 할 수 있다. 이하에서는, 제 1 전원선(VLja)에 전원 전압(VD)을 공급하는 것을 '제 1 전원선(VLja)을 온 상태로 한다', 제 1 전원선(VLja)을 하이 임피던스로 하는 것을 '제 1 전원선(VLja)을 오프 상태로 한다' 등으로 부르는 경우가 있다. 또한 전원선 구동 회로(40)는, 제 2 전원선(VLjb)에 전원 전압(VD)을 공급해서 제 2 전원선(VLjb)을 온 상태로 하거나, 또는 제 2 전원선(VLjb)을 하이 임피던스로 해서 오프 상태로 할 수 있다.
제어부(50)는, 게이트선 구동 회로(20), 검출 회로(30) 및 전원선 구동 회로(40)에 접속되어 있다. 제어부(50)는, 여러 가지 연산, 제어, 판별 등의 처리를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)를 가지고 있다. 또한 제어부(50)는, CPU에 의해 실행되는 다양한 프로그램, CPU가 참조하는 데이터 베이스 등을 격납하는 기억 장치, 예를 들면 ROM(Read Only Memory)을 가지고 있다. 또한 제어부(50)는, CPU가 처리 중인 데이터, 입력 데이터 등을 일시적으로 격납하는 기억 장치, 예를 들면 RAM(Random Access Memory)을 가지고 있다. 또한 제어부(50)는, 힘 검출 장치(100)에 일체적으로 내장된 것이어도 되고, 개별로 독립된 컴퓨터 장치에 의해 그 기능이 실현되는 것이어도 된다.
제어부(50)는, CPU가 프로그램을 실행함으로써, 도시하지 않은 제어 회로 등을 통해서 게이트선 구동 회로(20), 검출 회로(30) 및 전원선 구동 회로(40)의 동작과 그 타이밍을 제어한다. 또한 제어부(50)는, CPU가 프로그램을 실행함으로써, 검출 회로(30)에 의해 검출된 힘 센서(S)의 전기 저항값의 출력을 바탕으로, 힘 검출 장치(100)의 센서면에 가해지는 힘의 방향 및 크기를 구하는 처리부로서 기능한다.
힘 검출 장치(100)의 센서면(70)에 물체가 접촉하면, 센서면(70)에 평행한 힘이 작용하는 경우가 있다. '센서면(70)에 평행한 힘'에는, 센서면(70)에 평행한 성분을 포함하는 것과 같은 힘, 즉, 센서면에 대해서 경사진 방향으로 작용하는 힘도 포함된다. 구체적으로는, 센서면(70)에 대해서 작용할 수 있는 센서면(70)에 평행한 힘에는, 예를 들면 전단력, 마찰력 등이 포함된다.
이와 같이 센서면(70)에 평행한 힘이 작용하는 경우, 공통된 감압층(64)에 접촉하는 복수의 전극(62A, 62B, 62C, 62D)을 가지는 힘 센서(S)에 있어서, 센서면(70)에 평행한 힘의 방향에 따라 감압층(64)에 작용하는 압력에 분포가 생길 수 있다. 따라서 복수의 전극(62A, 62B, 62C, 62D)간 전기 저항값에는, 상대적인 대소 관계가 발생할 수 있다. 힘 센서(S)에 있어서의 전기 저항값의 대소 관계는, 센서면(70)에 평행한 힘의 방향과 대응시킬 수 있다. 더욱이 전극(62A, 62B, 62C, 62D)간 전기 저항값을 바탕으로, 센서면(70)에 평행한 힘의 크기를 구할 수 있다.
도 3a에 도시한 것과 같이, 힘 센서(S)에서는, 전극(62A)과 전극(62B)간의 전기 저항값(RAB), 전극(62A)과 전극(62C)간의 전기 저항값(RAC), 전극(62B)과 전극(62D)간의 전기 저항값(RBD) 및 전극(62C)과 전극(62D)간의 전기 저항값(RCD)이 규정된다. 이들 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)에는, 센서면(70)에 평행한 힘의 방향에 따라서 상대적인 대소 관계가 발생한다.
도 3a에 도시된 힘 센서(S)의 지면에 평행한 센서면(70)에 대해서, 센서면에 평행한 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, 도 3b에 도시한 것과 같다. 또한 기호 '~'는, 기호를 사이에 둔 양측의 전기 저항값이 거의 동등한 것을 나타내고 있다.
즉, 센서면(70)에 대해서, 지면의 상측으로부터 하측으로, 수직으로 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RCD < RAC ~ RBD < RAB가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 하측으로부터 상측으로, 수직으로 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RAB < RAC ~ RBD < RCD가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 좌측으로부터 우측으로, 평행하게 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RBD < RAB ~ RCD < RAC가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 우측으로부터 좌측으로, 평행하게 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RAC < RAB ~ RCD < RBD가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 좌측 상부로부터 우측 하부로, 45 ° 대각선으로 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RAB ~ RAC < RBD ~ RCD가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 우측 하부로부터 좌측 상부로, 45 ° 대각선으로 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RAB ~ RAC < RBD ~ RCD가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 우측 상부로부터 좌측 하부로, 45 ° 대각선으로 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RAC ~ RCD < RAB ~ RBD가 된다.
또한, 센서면(70)에 대해서, 지면의 좌측 하부로부터 우측 상부로, 45 ° 대각선으로 향하는 힘이 작용한 경우, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계는, RAB ~ RBD < RAC ~ RCD가 된다.
이와 같이 각 힘 센서(S)에 있어서의 전극(62A, 62B, 62C, 62D)간 전기 저항값을 바탕으로, 센서면(70)에 평행한 힘의 방향을 구할 수 있고, 나아가서는 센서면(70)에 평행한 힘의 크기도 구할 수 있다. 또한 전극간 전기 저항값의 상대적인 대소 관계는, 감압층(64)을 구성하는 감압 재료, 감압층(64)의 구조, 형상 등에 따라서 다르다. 따라서 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 전극간 전기 저항값의 상대적인 대소 관계를 취득해 둠으로써, 감압층(64)의 설계에 의한 차이를 보상할 수 있다.
본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)는, 다음과 같이 해서 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)을 취득하고, 이들의 상대적인 대소 관계를 취득할 수 있다. 이하, 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)의 동작 시퀀스에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 따른 힘 검출 장치(100)의 센서면(70)에 대해서는, 물체가 접촉하고 센서면(70)에 평행한 힘이 작용하고 있다.
우선, 게이트선 구동 회로(20)로부터 구동 신호(Pia)를 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)에 공급하여 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)을 온 상태로 한다. 이로써 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)에 접속된 선택 트랜지스터(M1)를, 행 단위로 온 상태로 한다. 한편 다른 제 1 게이트선 및 제 2 게이트선은, 구동 신호가 공급되지 않은 오프 상태로 한다.
상술한 것과 같이 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)을 온 상태로 하는 동시에 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)에 전원 전압(VD)을 공급해서, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 온 상태로 한다. 한편 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 하이 임피던스로 해서, 제 2 전원선(VL1b, VL2a, …, VLnb)을 오프 상태로 한다.
상술한 것과 같이 해서, 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)을 온 상태, 다른 제 1 게이트선 및 제 2 게이트선을 오프 상태, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 온 상태, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 오프 상태로 한다. 이로써 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에는, 각각 제 i 행에 대응하는 센서 셀(60)에 있어서의 힘 센서(S)의 전극(62A)과 전극(62C)간의 전기 저항값(RAC)에 따른 전압이 출력된다. 검출 회로(30)는, 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에 출력된 전기 저항값(RAC)에 따른 전압을 검출한다. 이렇게 해서 검출부로서 기능하는 검출 회로(30)는, 제 i 행의 각 센서 셀(60)에 관해서, 전기 저항값(RAC)을 검출할 수 있다.
계속해서 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)의 온 상태, 다른 제 1 게이트선 및 제 2 게이트선의 오프 상태를 유지하면서, 제 1 전원선 및 제 2 전원선의 온오프 상태를 전환한다. 즉, 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 하이 임피던스로 해서, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 오프 상태로 한다. 한편 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)에 전원 전압(VD)을 공급해서, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 온 상태로 한다.
상술한 것과 같이 해서, 제 i 행의 제 1 게이트선(GLia)을 온 상태, 다른 제 1 게이트선 및 제 2 게이트선을 오프 상태, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 오프 상태, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 온 상태로 한다. 이로써 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에는, 각각 제 i 행에 대응하는 센서 셀(60)에 있어서의 힘 센서(S)의 전극(62A)과 전극(62B)간의 전기 저항값(RAB)에 따른 전압이 출력된다. 검출 회로(30)는, 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에 출력된 전기 저항값(RAB)에 따른 전압을 검출한다. 이렇게 해서 검출부로서 기능하는 검출 회로(30)는, 제 i 행의 각 센서 셀(60)에 관해서, 전기 저항값(RAB)을 검출할 수 있다.
계속해서 게이트선 구동 회로(20)로부터 구동 신호(Pib)를 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)에 공급해서, 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)을 온 상태로 한다. 이로써 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)에 접속된 선택 트랜지스터(M2)를, 행 단위로 온 상태로 한다. 한편 다른 제 2 게이트선 및 제 1 게이트선은, 구동 신호가 공급되지 않은 오프 상태로 한다.
상술한 것과 같이 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)을 온 상태로 하는 동시에 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)에 전원 전압(VD)을 공급해서 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 온 상태로 한다. 한편 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 하이 임피던스로 해서 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 오프 상태로 한다.
상술한 것과 같이 해서, 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)을 온 상태, 다른 제 2 게이트선 및 제 1 게이트선을 오프 상태, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 온 상태, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 오프 상태로 한다. 이로써 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에는, 각각 제 i 행에 대응하는 센서 셀(60)에 있어서의 힘 센서(S)의 전극(62C)과 전극(62D)간의 전기 저항값(RCD)에 따른 전압이 출력된다. 검출 회로(30)는, 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에 출력된 전기 저항값(RCD)에 따른 전압을 검출한다. 이렇게 해서 검출부로서 기능하는 검출 회로(30)는, 제 i 행의 각 센서 셀(60)에 관해서, 전기 저항값(RCD)을 검출할 수 있다.
계속해서 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)의 온 상태, 다른 제 2 게이트선 및 제 1 게이트선의 오프 상태를 유지하면서, 제 1 전원선 및 제 2 전원선의 온오프 상태를 전환한다. 즉, 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 하이 임피던스로 해서, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 오프 상태로 한다. 한편 전원선 구동 회로(40)에 의해, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)에 전원 전압(VD)을 공급해서, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 온 상태로 한다.
상술한 것과 같이 해서, 제 i 행의 제 2 게이트선(GLib)을 온 상태, 다른 제 2 게이트선 및 제 1 게이트선을 오프 상태, 제 1 전원선(VL1a, VL2a, …, VLna)을 오프 상태, 제 2 전원선(VL1b, VL2b, …, VLnb)을 온 상태로 한다. 이로써 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에는, 각각 제 i 행에 대응하는 센서 셀(60)에 있어서의 힘 센서(S)의 전극(62B)과 전극(62D)간의 전기 저항값(RBD)에 따른 전압이 출력된다. 검출 회로(30)는, 데이터선(DL1, DL2, …, DLn)에 출력된 전기 저항값(RBD)에 따른 전압을 검출한다. 이렇게 해서 검출부로서 기능하는 검출 회로(30)는, 제 i 행의 각 센서 셀(60)에 관해서, 전기 저항값(RBD)을 검출할 수 있다.
상술한 동작을 제 1 행부터 제 m 행에 대해서 순차적으로 수행함으로써, 센서 어레이(10)에 있어서의 각 센서 셀(60)에 대해서, 검출부로서 기능하는 검출 회로(30)가, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)을 개별로 검출해서 취득한다. 제어부(50)는, 각 센서 셀(60)에 대해서, 취득된 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)을 바탕으로, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 방향 및 크기를 구한다. 즉, 제어부(50)는, 각 센서 셀(60)에 대해서, 취득된 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계를 바탕으로, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 방향을 구한다. 또한 제어부(50)는, 각 센서 셀(60)에 대해서, 취득된 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)을 바탕으로, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 크기를 구한다.
제어부(50)는, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)의 상대적인 대소 관계와, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 방향의 관계에 관한 데이터 베이스를 기억 장치에 저장하고 있다. 제어부(50)는, 이와 같은 데이터 베이스를 참조하여, 각 센서 셀(60)에 관해서, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 방향을 구할 수 있다.
또한 제어부(50)는, 전기 저항값(RAB, RAC, RBD, RCD)과, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 크기의 관계에 관한 데이터 베이스를 기억 장치에 저장하고 있다. 제어부(50)는, 이와 같은 데이터 베이스를 참조하여, 각 센서 셀(60)에 관해서, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 크기도 구할 수 있다.
더욱이 제어부(50)는, 근방의 복수의 센서 셀(60)에 관해서, 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 방향 및 크기의 검출 결과를 이용하여 통계적인 처리를 수행할 수도 있다. 예를 들면 제어부(50)는, 2 x 2, 3 x 3 등 복수의 센서 셀(60)에 관해서, 센서면(70)에 평행한 힘의 방향 및 크기의 검출 결과를 평균화할 수 있다. 이로써 센서면(70)에 대해서 작용하는 센서면(70)에 평행한 힘의 검출 결과에 있어서의 오차를 저감할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 실시형태에 따른 힘 검출 장치에 있어서의 센서 셀(60)의 단면 구조를 설명한다. 도 4는, 도 3a에 있어서의 센서 셀(60)의 A-A 구간에 따른 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 4에 도시된 단면에 있어서, 센서 셀(60)은, 몸체(81), 차광막(83), 버퍼층(85), 선택 트랜지스터(M2), 중간층(87), 평탄화층(89), 힘 센서(S), 뱅크(69), 보호층(67)을 포함한다. 차광막(83)은, 몸체(81) 상의 일부에 배치된다. 버퍼층(85)은, 차광막(83) 상부를 포함한 몸체(81) 상에 배치된다. 몸체(81)는, 기판상 부재 이외에 시트상 부재, 필름상 부재도 포함하는 것으로, 그 재료로서는 모든 재료를 채용할 수 있다. 또한 몸체(81)는, 플렉서블한 것도 되고, 경질인 것도 된다. 몸체(81)의 재료로서, 예를 들면 수지, 유리 등을 사용할 수 있다. 차광막(83)은, 빛을 투과하지 않는 재료를 포함한다. 빛을 투과하지 않는 재료의 예로서는, 예를 들면 전이금속, 규소 등을 들 수 있다. 버퍼층(85)은 절연성 재료를 포함한다. 절연성 재료의 예로서는, 예를 들면 산화물, 질화물 등을 들 수 있다.
선택 트랜지스터(M2)는, 몸체(81) 상에, 차광막(83) 및 버퍼층(85)을 개재하여 배치된다. 선택 트랜지스터(M2)는, 예를 들면 박막 트랜지스터로 이루어지고, 활성층(91)과 게이트 절연층(93), 게이트 전극(95), 제 1 주전극(97), 제 2 주전극(99)을 가진다. 활성층(91)은, 예를 들면 규소 등의 반도체 재료를 포함하고, 버퍼층(85) 상에 배치된다. 게이트 절연층(93)은, 예를 들면 산화물, 질화물 등의 절연성 재료를 포함하고, 활성층(91) 상에 배치된다. 게이트 전극(95)은, 선택 트랜지스터(M2)의 제어 전극으로서 기능한다. 게이트 전극(95)은, 예를 들면 알루미늄, 구리 등의 도전성 재료를 포함하며, 활성층(91) 상방에, 게이트 절연층(93)을 개재하여 배치된다.
중간층(87)은, 게이트 전극(95) 및 게이트 절연층(93) 상에 배치된다. 중간층(87)은, 선택 트랜지스터(M2) 등 중간층(87)보다 하방 부재의 보호 및 절연성 확보 기능을 가진다. 중간층(87)은, 예를 들면 산화물, 질화물 등의 절연성 재료를 포함한다.
제 1 주전극(97)은, 선택 트랜지스터(M2)의 소스 전극 또는 드레인 전극 중 일방이고, 제 2 주전극(99)은, 선택 트랜지스터(M2)의 소스 전극 또는 드레인 전극 중 타방이다. 제 1 주전극(97) 및 제 2 주전극(99)은, 예를 들면 알루미늄, 구리 등 도전성 재료를 포함한다. 제 1 주전극(97) 및 제 2 주전극(99)의 각각은, 중간층(87) 상부로부터 컨택홀을 통해서 활성층(91)의 일부로 연장되는 동시에 활성층(91)과 전기가 통하도록 배치된다. 제 1 주전극(97) 및 제 2 주전극(99) 상에는, 평탄화층(89)이 배치된다. 평탄화층(89)은, 예를 들면 산화물, 질화물 등 절연성 재료를 포함하며, 선택 트랜지스터(M2)의 상층 표면을 평탄화한다.
힘 센서(S)는, 평탄화층(89) 상에 배치된다. 도 4에 도시된 단면에 있어서, 힘 센서(S)는, 전극(62C, 62D)과 감압층(64), 가압 부재(66)를 가진다.
전극(62C, 62D)은, 서로 소정의 거리 간극을 사이에 두고 평탄화층(89) 상에 배치된다. 전극(62D)은, 평탄화층(89)을 관통하는 컨택트홀을 통해서 제 2 주전극(99)과 접속되어 있다. 전극(62C, 62D)은, 예를 들면 티탄, 알루미늄 등의 도전성 재료를 포함한다. 전극(62C, 62D) 상에는, 감압층(64)이 배치되는 영역을 획정하는 뱅크(69)가 배치된다. 뱅크(69)는, 예를 들면 산화물, 질화물 등의 절연성 재료를 포함한다. 또한 전극(62D)은, 제 2 주전극(99)을 대신하여 제 1 주전극(97)과 접속되어 있어도 된다.
감압층(64)은, 전극(62C, 62D)의 간극 상인 동시에 또한 뱅크(69)에 의해 획정된 영역에 배치된다. 감압층(64)은, 인가되는 압력의 변화에 따라서 전기 저항값이 변하는 감압 재료를 포함한다. 구체적으로는, 감압층(64)을 구성하는 감압 재료로서, 실리콘 고무 등의 절연성 수지와, 절연성 수지 내에 분산된 니켈, 산화 티탄, 산화 주석 등 도전성 필러를 포함하는 감압 도전성 재료가 예시된다. 이러한 감압 도전성 재료에서는, 인가되는 힘의 크기에 따라서 도전성 필러간 접점 수가 변하고, 접점 수에 따라서 전기 저항값이 변한다.
본 실시형태에 있어서, 가압 부재(66)는 기둥상을 이루고 있다. 가압 부재(66)는, 감압층(64) 상에 감압층(64)의 일부분과 접하도록 배치된다. 또한 가압 부재(66)와 감압층(64)의 접촉 면적은, 감압층(64)의 상면 면적보다 작다. 또한 가압 부재(66)와 감압층(64)은, 전극(62C, 62D)의 간극 중 적어도 일부 상에 있어서 서로 접하도록 배치되어 있다.
이와 같이 가압 부재(66)를 배치함으로써, 물체 접촉에 의해 힘 센서(S)에 힘이 인가되었을 때 가압 부재(66)의 하방에 위치하는 부분인 감압층(64)에 응력을 집중시킬 수 있다. 가압 부재(66)는, 전극(62C, 62D)의 간극 중 적어도 일부 상에 있어서 감압층(64)과 접해 있기 때문에, 전극(62C, 62D)의 간극 근방에 배치된 감압층(64)에 응력이 집중된다. 이러한 응력 집중에 의해, 상대적으로 작은 힘의 인가에 대해서도 전극(62C, 62D)의 간극 근방에 배치된 감압층(64)의 전기 저항값의 변화량이 크다. 또한 간극 근방에 배치된 부분의 감압층(64)은, 힘 센서(S)의 검출 감도에 크게 기여한다. 따라서 본 실시형태에 따른 가압 부재(66)는, 힘 센서(S)의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
가압 부재(66)와 감압층(64)은, 전극(62C, 62D)의 간극 중심 상에 있어서 접해 있는 것이 보다 바람직하다. 이로써 감압층(64)에 응력을 더욱 집중시킬 수 있고, 힘 센서(S)의 검출 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
가압 부재(66)는, 감압층(64)의 감압 재료보다 높은 탄성률을 가지는 것이 보다 바람직하다. 이로써 가압 부재(66)의 변형을 적게 하고, 감압층(64)의 변형을 크게 할 수 있으므로, 감압층(64)에 응력을 더욱 집중시킬 수 있고, 힘 센서(S)의 검출 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 가압 부재(66)는, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 재료로 구성할 수 있다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트는, 실리콘 고무 등을 주성분으로 하는 감압 도전성 재료에 비해서 높은 탄성률을 가지므로 상술한 탄성률의 관계가 실현된다.
힘 센서(S)의 감압층(64) 및 가압 부재(66) 상에는, 가압 부재(66)와 접하도록 보호층(67)이 배치된다. 보호층(67)은, 센서 셀(60)의 표면 전체를 보호하기 위한 층이다. 물체가 보호층(67)에 접촉하면 물체 접촉에 의해 발생된 힘이, 가압 부재(66)을 통해서 간극 근방에 배치된 감압층(64)에 인가된다. 이와 같이 보호층(67)은, 센서 셀(60)의 보호 기능에 더하여, 물체의 접촉에 의해 발생된 힘을 전달하는 기능을 가지고 있다.
보호층(67)은, 가압 부재(66)와 동일한 재료로 구성할 수도 있고, 또한 다른 재료로 구성할 수도 있다. 그러나 보호층(67)은, 가압 부재(66)와 동일한 정도 또는 가압 부재(66)보다 큰 탄성률을 가지는 것이 바람직하다. 또한 보호층(67)의 두께는, 가압 부재(66)의 높이보다 작은 것이 바람직하다. 이들 구성에 의하면, 물체의 접촉에 의해 발생된 힘이 보호층(67)에서 분산 또는 흡수되어 힘 센서의 검출 감도가 저하되는 것을 피할 수 있다.
본 실시형태에 따른 힘 센서(S)를 사용한 실험 결과를, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는, 본 실시형태에 따른 힘 센서(S) 및 본 실시형태의 힘 센서로부터 가압 부재(66)를 생략한 비교예에 따른 힘 센서에 대해서 다양한 하중을 인가했을 때 전기 저항값의 변화를 도시한 그래프이다. 도 5에 있어서, 실선으로 접속되어 있는 데이터는 본 실시형태에 따른 힘 센서(S)의 전기 저항값을 나타내고 있고, 파선으로 접속되어 있는 데이터는 비교예에 따른 힘 센서의 전기 저항값을 나타내고 있다. 그래프가 나타낸 실험 결과에 따르면, 본 실시형태에 따른 힘 센서(S)에 있어서는, 인가된 힘에 대한 전기 저항값의 변화율(전기 저항값의 기울기)이, 비교예에 따른 힘 센서와 비교해서 큰 것으로 이해된다. 이는, 비교예에 따른 힘 센서에서는 인가된 힘이 감압층 전체로 분산되는 데에 비해서, 본 실시형태에 따른 힘 센서(S)에서는, 가압 부재(66)에 의해, 인가된 힘이 전극(62C, 62D)의 간극 근방에 배치된 감압층(64)에 집중되기 때문이다. 이와 같이 본 실시형태에 따르면, 도 5에 도시된 것과 같이, 인가된 힘에 대한 전기 저항값의 변화율이 커지기 때문에 검출 감도가 더욱 향상된 힘 센서 및 힘 검출 장치가 제공된다.
<제 2 실시형태>
도 6a는, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 센서 셀(60)의 단면 구조를 도시한 개략도이다. 본 실시형태에 있어서, 가압 부재(66)는, 볼록부(66A)와 보호부(66B)를 포함한다. 즉, 본 실시형태의 가압 부재(66)는, 제 1 실시형태의 보호층(67)의 기능을 겸비하고 있다. 기타 구성은 제 1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다.
볼록부(66A)는, 보호부(66B)와 동일한 재료를 포함한다. 또한 볼록부(66A)와 보호부(66B)는, 일체로 형성됨으로써 가압 부재(66)를 구성하고 있다. 볼록부(66A) 및 보호부(66B)의 재료는, 감압층(64)의 감압 재료보다 높은 탄성률을 가지는 것이 바람직하다. 볼록부(66A) 및 보호부(66B)는, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 재료로 구성할 수 있다.
볼록부(66A)는, 감압층(64) 상에 감압층(64)의 일부분과 접하도록 배치된다. 또한 볼록부(66A)와 감압층(64)의 접촉 면적은, 감압층(64)의 상면 면적보다 작다. 또한 볼록부(66A)와 감압층(64)은, 전극(62C, 62D)의 간극 중 적어도 일부 상에 있어서 서로 접하도록 배치되어 있다. 볼록부(66A)와 감압층(64)은, 전극(62C, 62D)의 간극 중심 상에 있어서 서로 접해 있는 것이 보다 바람직하다. 이들 구성에 의해, 제 1 실시형태와 동일하게 감압층(64)에 응력을 집중시킬 수 있고, 힘 센서(S)의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
보호부(66B)는, 센서 셀(60)의 표면 전체를 보호한다. 물체가 보호부(66B)에 접촉하면 물체의 접촉에 의해 발생된 힘이, 볼록부(66A)를 통해서 간극 근방에 배치된 감압층(64)의 근방에 인가된다. 보호부(66B)의 두께는 볼록부(66A)의 높이보다 작은 것이 바람직하다. 이로써 제 1 실시형태와 동일하게 물체의 접촉에 의해 발생된 힘이 보호층(67)에서 분산 또는 흡수되어 힘 센서의 검출 감도가 저하되는 것을 피할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 제 1 실시형태와 동일한 효과가 얻어지는 것에 더하여, 볼록부(66A)와 보호부(66B)를 일체로 형성해서 가압 부재(66)를 구성함으로써, 제조 공정을 삭감할 수 있다. 또한 본 실시형태의 구성에서는, 1개의 가압 부재(66)에 복수의 볼록부(66A)를 배열할 수 있다. 이로써 제 1 실시형태와 같이, 가압 부재(66)와 간극을 일대일로 정렬하는 구성과 비교해서, 본 실시형태에서는 볼록부(66A)와 간극의 정렬을 일괄 수행할 수 있다. 따라서 정렬 공정을 간략화 할 수 있다.
<제 3 실시형태>
도 6b는, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다. 본 실시형태에 있어서, 힘 센서(S)는 가압 부재(66C)를 가진다. 기타 구성은 제 1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다.
제 1 실시형태에 따른 힘 센서(S)가 갖는 가압 부재(66)는, 기둥상을 이루고 있다. 즉, 도 4에 도시된 단면에 있어서의 형상이 직사각형이다. 그러나 본 발명에 따른 가압 부재의 형상은 여기에 한정되지 않는다. 예를 들면 도 6b에 도시된 것과 같이, 본 실시형태에 따른 가압 부재(66C)는, 실질적으로 기둥상을 이루고 있다. 그러나 본 실시형태에서는, 가압 부재(66C)와 감압층(64)의 접촉 면적이 가압 부재(66C)와 보호층(67)의 접촉 면적보다 작다. 가압 부재(66C)와 감압층(64)의 접촉이 면접촉인 경우, 접촉 면적이 작을수록 응력을 집중시키는 효과가 크다. 그렇기 때문에 이와 같은 형상의 가압 부재(66C)를 사용함으로써, 가압 부재(66C)의 하방인 동시에 또한 전극(62C, 62D)의 간극 근방에 배치된 감압층(64)에, 인가된 힘을 효율적으로 집중시킬 수 있다. 따라서 본 실시형태에 따르면 힘 센서(S)의 한층 더 큰 고감도화가 실현 가능해진다.
<제 4 실시형태>
도 6c는, 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다. 본 실시형태에 있어서, 힘 센서(S)는, 가압 부재(66D)를 가진다. 기타 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.
도 6c에 도시된 것과 같이, 본 실시형태에 따른 가압 부재(66D)는, 반구상을 이루고 있다. 또한 가압 부재(66D)와 감압층(64)의 접촉 면적이 가압 부재(66D)와 보호층(67)의 접촉 면적보다 작다. 가압 부재(66D)는, 적어도 힘이 인가되지 않은 상태에 있어서 감압층(64)과 점접촉하고 있다. 본 실시형태에 따르면 이러한 형상의 가압 부재(66D)를 사용함으로써, 가압 부재(66D)의 하방인 동시에 또한 전극(62C, 62D)의 간극 근방에 배치된 감압층(64)에, 인가된 힘을 더욱 효율적으로 집중시킬 수 있다. 따라서 본 실시형태에 따르면, 힘 센서(S)의 한층 더 큰 고감도화가 실현 가능해진다.
<제 5 실시형태>
도 6d는, 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 센서 셀의 단면 구조를 도시한 개략도이다. 본 실시형태에 있어서, 힘 센서(S)는, 가압 부재(66E)를 가진다. 기타 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.
도 6d에 도시된 것과 같이, 본 실시형태에 따른 가압 부재(66E)는, 송곳 형상을 이루고 있다. 또한 가압 부재(66E)와 감압층(64)의 접촉 면적이 가압 부재(66E)와 보호층(67)의 접촉 면적보다 작다. 가압 부재(66E)는, 일정한 힘이 인가되었을 때에도 감압층(64)과의 점접촉을 유지한다. 본 실시형태에 따르면, 이러한 형상의 가압 부재(66E)를 사용함으로써, 가압 부재(66E)의 하방인 동시에 전극(62C, 62D)의 간극 근방에 배치된 감압층(64)에, 인가된 힘을 더욱 효율적으로 집중시킬 수 있다. 따라서 본 실시형태에 따르면, 힘 센서(S)의 한층 더 큰 고감도화가 실현 가능해진다.
<기타 변형 실시형태>
본 발명은, 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 더욱더 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 실시형태에서는, 힘 센서(S)가 구비하고 있는 전극의 개수는 4이다. 그러나 전극의 개수는 여기에 한정되는 것은 아니고, 2개 이상이면 된다. 예를 들면 도 7a 내지 도 7c에 도시된 것과 같이, 힘 센서(S)가 구비하고 있는 전극의 수가 2, 6 또는 8이어도 된다.
도 7a에 도시되어 있는 센서 셀(60)은, 2개의 전극(62E, 62F)을 가진다. 전극(62E, 62F)은, 소정의 간극을 사이에 두고 배치되어 있다. 감압층(64)은, 전극(62E, 62F) 상에 간극을 덮도록 배치되어 있다. 또한 도 7a의 변형 실시형태에 있어서, 가압 부재(66)는, 2개 전극의 간극 전체를 덮도록 배치되어 있다.
도 7b에 도시되어 있는 센서 셀(60)은, 6개의 전극(62G, 62H, 62I, 62J, 62K, 62L)을 가진다. 6개의 전극(62G, 62H, 62I, 62J, 62K, 62L) 각각은, 이웃하는 전극과 소정의 간극을 사이에 두고 배치되어 있다. 감압층(64)은, 전극(62G, 62H, 62I, 62J, 62K, 62L) 상에 각 간극을 덮도록 형성되어 있다. 또한 도 7b의 변형 실시형태에 있어서, 가압 부재(66)는, 6개 전극의 각 간극의 일부를 덮도록 배치되어 있다.
도 7c에 도시되어 있는 센서 셀(60)은, 8개의 전극(62M, 62N, 62O, 62P, 62Q, 62R, 62S, 62T)을 가진다. 8개의 전극(62M, 62N, 62O, 62P, 62Q, 62R, 62S, 62T) 각각은, 이웃하는 전극과 소정의 간극을 사이에 두고 배치되어 있다. 감압층(64)은, 8개의 전극(62M, 62N, 62O, 62P, 62Q, 62R, 62S, 62T) 상에 각 간극을 덮도록 형성되어 있다. 또한 도 7c의 변형 실시형태에 있어서, 가압 부재(66)는, 8개 전극의 각 간극의 일부를 덮도록 배치되어 있다.
또한 센서 셀(60)의 형상은 직사각형에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 도 7b 및 도 7c에 도시된 것과 같이 육각형 또는 원형이어도 된다.
본 발명은, 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에 있어서 적절히 변경이 가능하다. 예를 들면 제 3 실시형태 내지 제 5 실시형태에 있어서, 제 2 실시형태와 같이, 가압 부재와 보호층을 동일한 재료를 사용해서 일체로 형성하는 것도 가능하다.
상술한 것과 같은 힘 센서 및 힘 검출 장치는, 인간을 모방한 로봇의 손가락 끝 등에 있어서의 촉각 정보 등을 검출하는 촉각 검출 장치에 적용할 수 있다. 본 변형 실시형태에 따르면, 상술한 실시형태에 따른 검출 감도가 향상된 힘 센서를 사용함으로써, 고정밀도로 촉각 정보를 취득할 수 있는 촉각 검출 장치가 제공된다.
또한 상술한 것과 같은 힘 센서 및 힘 검출 장치는, 터치 패널에 있어서 패널 상의 접촉 검출에 적용할 수도 있다. 구체적으로는, 본 변형 실시형태에 따르면, 상술한 실시형태에 따른 검출 감도가 향상된 힘 센서를 사용함으로써, 고정밀도로 접촉을 검출할 수 있는 터치 패널이 제공된다.
60: 센서 셀
62A ~ 62T: 전극
64: 감압층
66: 가압 부재
67: 보호층
70: 센서면
100: 힘 검출 장치
S: 힘 센서
M1, M2: 선택 트랜지스터

Claims (20)

  1. 몸체와,
    상기 몸체 상에, 서로 간극을 사이에 두고 배치된 복수의 전극과,
    상기 간극을 덮도록 상기 복수의 전극 상에 배치되며, 인가된 응력에 따라서 전기 저항이 변하는 감압 재료를 포함하는 감압층과,
    상기 간극 중 적어도 일부 상에, 상기 감압층에 접하도록 배치된 가압 부재와,
    상기 감압층 및 상기 가압 부재 상에, 상기 가압 부재를 덮도록 배치된 보호층을 가지는 힘 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압 부재와 상기 보호층은 동일한 재료를 포함하는 힘 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재와 상기 보호층이 일체로 형성되어 있는 힘 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보호층의 두께가 상기 가압 부재의 높이보다 작은 힘 센서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 힘 센서.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 감압 재료가 실리콘 고무를 포함하는 힘 센서.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 상기 감압 재료보다 높은 탄성률을 가지는 힘 센서.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 상기 간극의 중심 상에 있어서 상기 감압층과 접해 있는 힘 센서.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재와 상기 감압층의 접촉 면적이, 상기 감압층의 상면의 면적보다 작은 힘 센서.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재와 상기 감압층의 접촉 면적이, 상기 가압 부재와 상기 보호층의 접촉 면적보다 작은 힘 센서.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 상기 감압층에 점접촉하고 있는 힘 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 반구상인 힘 센서.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 송곳 형상인 힘 센서.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 상기 감압층에 면접촉하고 있는 힘 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가압 부재가 기둥상인 힘 센서.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압 부재가, 상기 간극 전체를 덮도록 배치되어 있는 힘 센서.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 주전극 및 제 2 주전극을 가지고, 상기 몸체에 설치된 트랜지스터를 더욱 가지며,
    상기 제 1 주전극 및 상기 제 2 주전극 중 일방이 상기 복수의 전극 중 1개에 접속되어 있는 힘 센서.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하고,
    상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극에 대해서 제 1 방향으로 배치되어 있으며,
    상기 제 3 전극은 상기 제 1 전극에 대해서 제 2 방향으로 배치되어 있는 힘 센서.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 힘 센서와,
    상기 힘 센서의 상기 복수의 전극간의 전기 저항값을 검출하는 검출부를 가지는 힘 검출 장치.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 힘 센서가 복수개 배치된 센서 어레이와,
    상기 복수의 힘 센서의 각각이 갖는 상기 복수의 전극간의 전기 저항값을 검출하는 검출부를 가지는 터치 패널.
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