JP5448258B2 - フォトセンサ - Google Patents

Description

技術分野は、フォトセンサおよびその駆動方法に関する。

タッチパネル内の画素に設けるフォトセンサの回路として、非特許文献１において、図５に示す２つの構成が提案されている。

Ｃ．Ｂｒｏｗｎ ｅｔ ａｌ．，"Ａ ２．６ ｉｎｃｈ ＶＧＡ ＬＣＤ ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｐｕｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ １−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ａｃｔｉｖｅ−Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ"，ＩＳＳＣＣ Ｄｉｇ．Ｔｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ，ｐｐ１３２−１３３，Ｆｅｂ．，２００７

図５（Ａ）に示すフォトセンサの回路は、第１のトランジスタ５０１乃至第３のトランジスタ５０３、フォトダイオード５０４、保持容量５０５、高電位線５０６、リセット信号線５０７、低電位線５０８、読み出し信号線５０９および出力信号線５１０から構成されている。

続いて、この回路の動作について説明する。最初にリセット動作として、リセット信号線５０７の電位を高電位”Ｈ”とし、読み出し信号線５０９の電位を低電位”Ｌ”とする。すると、第２のトランジスタ５０２のゲート電位は、高電位線５０６の電位ＶＤＤとなる。

次に、フォトダイオード動作として、リセット信号線５０７の電位を低電位”Ｌ”とし、読み出し信号線５０９の電位を低電位”Ｌ”とする。すると、フォトダイオード５０４に入射する光の強度に応じて、第２のトランジスタ５０２のゲート電位は変化する。すなわち、フォトダイオード５０４に入射する光が強いほど、第２のトランジスタ５０２のゲート電位は低電位線５０８の電位ＶＳＳに近づき、フォトダイオード５０４に入射する光が弱いほど、第２のトランジスタ５０２のゲート電位は高電位線５０６の電位ＶＤＤに近づく。

次に、読み出し動作として、リセット信号線５０７の電位を低電位”Ｌ”とし、読み出し信号線５０９の電位を高電位”Ｈ”とする。すると、第２のトランジスタ５０２のゲート電位に応じた電位が、出力信号線５１０に出力される。すなわち、フォトダイオード５０４に入射する光が強いほど、出力信号線５１０の電位は低くなり、フォトダイオード５０４に入射する光が弱いほど、出力信号線５１０の電位は高くなる。

図５（Ｂ）に示すフォトセンサの回路は、トランジスタ５１１、フォトダイオード５１２、保持容量５１３、高電位線５１４、読み出し信号線５１５、リセット信号線５１６および出力信号線５１７から構成されている。

続いて、この回路の動作について説明する。最初にリセット動作として、読み出し信号線５１５の電位を第１の低電位ＶＳＳとし、リセット信号線５１６の電位を第１の低電位ＶＳＳより高い第２の高電位ＶＤＤＲとする。すると、トランジスタ５１１のゲート電位は、第２の高電位ＶＤＤＲからフォトダイオード５１２の順電圧降下Ｖｆを減じた電位（ＶＤＤＲ−Ｖｆ）となる。

次に、フォトダイオード動作として、読み出し信号線５１５の電位を第１の低電位ＶＳＳとし、リセット信号線５１６の電位を第２の低電位ＶＳＳＲとする。すると、フォトダイオード５１２に入射する光の強度に応じて、トランジスタ５１１のゲート電位は変化する。すなわち、フォトダイオード５１２に入射する光が強いほど、トランジスタ５１１のゲート電位は第２の低電位ＶＳＳＲに近づき、フォトダイオード５１２に入射する光が弱いほど、トランジスタ５１１のゲート電位は（ＶＤＤＲ−Ｖｆ）に近づく。

次に、読み出し動作として、読み出し信号線５１５の電位を第１の高電位ＶＤＤとし、リセット信号線５１６の電位を第２の低電位ＶＳＳＲとする。すると、トランジスタ５１１のゲート電位は、保持容量５１３により、理想的には（ＶＤＤ−ＶＳＳ）分だけ上昇し、トランジスタ５１１のゲート電位に応じた電位が出力信号線５１７に出力される。すなわち、フォトダイオード５１２に入射する光が強いほど、出力信号線５１７の電位は低くなり、フォトダイオード５１２に入射する光が弱いほど、出力信号線５１７の電位は高くなる。

図５（Ａ）に示すフォトセンサの回路構成は、３つのトランジスタを必要としている。したがって、タッチパネルの画素に図５（Ａ）に示す回路構成のフォトセンサを設ける場合には、フォトセンサの面積が増大し、画素の開口率が低下するという問題がある。

また、図５（Ｂ）に示すフォトセンサの回路構成は、トランジスタは１つでよいが、第１の低電位ＶＳＳ、第２の低電位ＶＳＳＲおよび第２の高電位ＶＤＤＲの３つの電位それぞれを、トランジスタ５１１が非導通となる範囲で設定しなくてはならない。また、読み出し動作時のトランジスタ５１１のゲート電位、ｋ×（ＶＤＤ−ＶＳＳ）＋ＶＳＳＲ乃至ｋ×（ＶＤＤ−ＶＳＳ）＋（ＶＤＤＲ−Ｖｆ）（ｋ：保持容量７１３による容量結合の効率）は、トランジスタ５１１が導通となる範囲で設定しなくてはならない。したがって、各種電位の設定が煩雑になるという問題に加え、特に、（ＶＤＤ−ＶＳＳ）を大きくする必要があり、低電圧動作が難しいという問題がある。

上記の問題点にかんがみ、画素の開口率の低下を抑え、かつ、低電圧動作が容易であるフォトセンサの提供を課題とする。

フォトセンサは、１つのフォトダイオードと２つのトランジスタとを有し、一方のトランジスタは、フォトダイオードの生成する電気信号を増幅する機能を有し、もう一方のトランジスタは、増幅された電気信号を信号線に出力するか否かを選択する機能を有する。

画素の開口率の低下を抑え、かつ、低電圧動作が容易であるフォトセンサを提供できるという効果がある。

画素を示す回路図 タッチパネルを示すブロック図 画素１列分のフォトセンサ読み出し回路を示す回路図 フォトセンサの読み出し動作を示すタイミングチャート 従来のフォトセンサを示す回路図

以下、開示される発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。ただし、発明は以下の説明に限定されず、その発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その態様および詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、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。

（実施の形態）
タッチパネルの一構成例について、図２を基に説明する。図２に示すタッチパネル１００は、画素回路１０１、表示素子制御回路１０２およびフォトセンサ制御回路１０３から構成される。画素回路１０１は、行列方向にマトリクス状に配置された複数の画素１０４を有する。各々の画素１０４は、表示素子１０５およびフォトセンサ１０６を有する。

表示素子１０５は、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）、保持容量、液晶層を有する液晶素子などを有する。薄膜トランジスタは、保持容量への電荷の注入もしくは排出を制御する機能を有する。保持容量は、液晶層に印加する電圧に相当する電荷を保持する機能を有する。液晶層に電圧を印加することで偏光方向が変化することを利用して、液晶層を透過する光の明暗（階調）を作ることで、画像表示が実現される。液晶層を透過する光には、光源（バックライト）によって液晶表示装置の裏面から照射される光を用いる。

カラー画像表示を行う方式として、カラーフィルタ方式があげられる。これは、液晶層を透過した光がカラーフィルタを通過することで、特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の階調を作る方式である。

また、カラー画像表示を行う別の方式として、フィールドシーケンシャル方式があげられる。これは、バックライトを特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の光源で構成して各色を順次点灯する方式である。フィールドシーケンシャル方式では、各色の光源が点灯している期間に、液晶層を透過する光の明暗を作ることで、当該色の諧調を作ることができる。

以上、表示素子１０５が液晶素子を有する場合について説明したが、表示素子１０５は、発光素子などの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子であり、具体的には発光ダイオード、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等があげられる。

フォトセンサ１０６は、フォトダイオードなど、受光することで電気信号を発する機能を有する素子と、薄膜トランジスタと、を有する。なお、フォトセンサ１０６が受光する光は、バックライトからの光が、被検出物に照射された際の反射光を利用する。

表示素子制御回路１０２は、表示素子１０５を制御するための回路である。表示素子制御回路１０２は、表示素子駆動回路１０７および１０８から構成される。表示素子駆動回路１０７は、ビデオデータ信号線などの信号線（ソース信号線）を介して、表示素子１０５に信号を入力する。表示素子駆動回路１０８は、走査線（ゲート信号線）を介して表示素子１０５に信号を入力する。

走査線側の表示素子駆動回路１０８は、特定の行に配置された画素１０４が有する表示素子１０５を選択する機能を有する。また、信号線側の表示素子駆動回路１０７は、選択された行の画素１０４が有する表示素子１０５に任意の電位を与える機能を有する。走査線側の表示素子駆動回路１０８により高電位が印加されると、表示素子１０５における薄膜トランジスタは導通状態となり、信号線側の表示素子駆動回路１０７により与えられる電荷が表示素子１０５に供給される。

フォトセンサ制御回路１０３は、フォトセンサ１０６を制御するための回路である。フォトセンサ制御回路１０３は、信号線側のフォトセンサ読み出し回路１０９および走査線側のフォトセンサ駆動回路１１０から構成される。走査線側のフォトセンサ駆動回路１１０は、特定の行に配置された画素１０４が有するフォトセンサ１０６を選択する機能を有する。また、信号線側のフォトセンサ読み出し回路１０９は、選択された行の画素１０４が有するフォトセンサ１０６の出力信号を取り出す機能を有する。

信号線側のフォトセンサ読み出し回路１０９としては、アナログ信号であるフォトセンサ１０６の出力を、ＯＰアンプを用いてアナログ信号のままタッチパネル外部に取り出す構成、あるいはＡ／Ｄ変換回路を用いてデジタル信号に変換してからタッチパネル外部に取り出す構成を適用することができる。

図１は、画素１０４の回路図である。画素１０４は、トランジスタ２０１、保持容量２０２および液晶素子２０３を有する表示素子１０５ならびにフォトダイオード２０４、トランジスタ２０５およびトランジスタ２０６を有するフォトセンサを有する。

トランジスタ２０１は、ゲートがゲート信号線２０７に、ソースまたはドレインの一方がビデオデータ信号線２１０に、ソースまたはドレインの他方が保持容量２０２の一方の電極および液晶素子２０３の一方の電極に、それぞれ電気的に接続されている。保持容量２０２の他方の電極および液晶素子２０３の他方の電極は一定の電位に保たれている。液晶素子２０３は、一対の電極と、該一対の電極の間に液晶層を含む素子である。

トランジスタ２０１は、ゲート信号線２０７に高電位”Ｈ”が印加されると、ビデオデータ信号線２１０の電位を保持容量２０２および液晶素子２０３に印加する。保持容量２０２は、当該印加された電位を保持する。液晶素子２０３は、当該印加された電位により、光の透過率を変更する。

フォトダイオード２０４は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線２０８に、他方の電極がトランジスタ２０５のゲートに、それぞれ電気的に接続されている。トランジスタ２０５は、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線２１２に、ソースまたはドレインの他方がトランジスタ２０６のソースまたはドレインの一方に、それぞれ電気的に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲート信号線２０９に、ソースまたはドレインの他方がフォトセンサ出力信号線２１１に、それぞれ電気的に接続されている。

フォトセンサ１０６は、構成に必要なトランジスタが２つであり、構成に必要なトランジスタが３つ以上のフォトセンサと比較して、フォトセンサを設けるために必要となる面積は小さい。したがって、画素の開口率を損なうことなく、画素にフォトセンサを設けることができる。

次に、フォトセンサ読み出し回路１０９における画素１列分のフォトセンサ読み出し回路の構成について、図３に基づいて説明する。図３において、画素１列分のフォトセンサ読み出し回路３００は、ｐ型ＴＦＴ３０１、保持容量３０２、を有する。また、ｐ型ＴＦＴ３０１のゲートはプリチャージ信号線３０３と、ｐ型ＴＦＴ３０１のソースまたはドレインの一方および保持容量３０２の一方の電極はフォトセンサ出力信号線２１１と、それぞれ電気的に接続されている。

フォトセンサ読み出し回路３００は、画素１０４内におけるフォトセンサ１０６の動作に先立ち、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を基準電位に設定する。ここでは、プリチャージ信号線３０３の電位を低電位”Ｌ”とすることで、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を基準電圧である高電位に設定することができる。

保持容量３０２は、フォトセンサ出力信号線２１１の寄生容量が大きい場合には、設けなくてもよい。

なお、基準電位は、低電位とする構成も可能である。この場合、ｐ型ＴＦＴ３０１に換えてｎ型ＴＦＴを用いる。すると、プリチャージ信号線３０３の電位を高電位”Ｈ”とすることで、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を基準電圧である低電位に設定することができる。

次に、フォトセンサ１０６の読み出し動作について、図４のタイミングチャートに基づいて説明する。図４において、信号４０１は、フォトダイオードリセット信号線２０８の電位に相当する。信号４０２は、ゲート信号線２０９の電位に相当する。信号４０３は、ゲート信号線２１３の電位に相当する。信号４０４は、フォトセンサ出力信号線２１１の電位に相当する。また、信号４０５は、図３におけるプリチャージ信号線３０３の電位に相当する。

時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線２０８の電位（信号４０１）を高電位”Ｈ”とすると、フォトダイオード２０４が導通し、トランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２１３の電位（信号４０３）が高電位”Ｈ”となる。また、プリチャージ信号線３０３の電位（信号４０５）の電位を低電位”Ｌ”とすると、フォトセンサ出力信号線２１１の電位（信号４０４）は高電位”Ｈ”にプリチャージされる。

時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線２０８の電位（信号４０１）を低電位”Ｌ”とすると、フォトダイオード２０４の光電流により、トランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２１３の電位（信号４０３）が低下し始める。フォトダイオード２０４は、光が照射されると光電流が増大するので、照射される光の量に応じてトランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２１３の電位（信号４０３）は変化する。すなわち、トランジスタ２０５のソースとドレイン間の電流が変化する。

時刻Ｃにおいて、ゲート信号線２０９の電位（信号４０２）を高電位”Ｈ”とすると、トランジスタ２０６が導通し、フォトセンサ基準信号線２１２とフォトセンサ出力信号線２１１とが、トランジスタ２０５および２０６を介して導通する。すると、フォトセンサ出力信号線２１１の電位（信号４０４）は、低下していく。なお、時刻Ｃ以前に、プリチャージ信号線３０３の電位（信号４０５）の電位を高電位”Ｈ”とし、フォトセンサ出力信号線２１１のプリチャージを終了させておく。ここで、フォトセンサ出力信号線２１１の電位（信号４０４）が低下する速さは、トランジスタ２０５のソースとドレイン間の電流に依存する。すなわち、フォトダイオード２０４に照射されている光の量に応じて変化する。

時刻Ｄにおいて、ゲート信号線２０９の電位（信号４０２）を低電位”Ｌ”とすると、トランジスタ２０６が遮断され、フォトセンサ出力信号線２１１の電位（信号４０４）は、時刻Ｄ以後、一定値となる。ここで、一定値となる値は、フォトダイオード２０４に照射されている光の量に応じて変化する。したがって、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を取得することで、フォトダイオード２０４に照射されている光の量を知ることができる。

なお、フォトダイオードリセット信号線２０８の電位およびゲート信号線２０９の電位は、トランジスタ２０５および２０６の導通、非導通を制御するために必要な電位とすることができる。

１００ タッチパネル
１０１ 画素回路
１０２ 表示素子制御回路
１０３ フォトセンサ制御回路
１０４ 画素
１０５ 表示素子
１０６ フォトセンサ
１０７ 表示素子駆動回路
１０８ 表示素子駆動回路
１０９ フォトセンサ読み出し回路
１１０ フォトセンサ駆動回路
２０１ トランジスタ
２０２ 保持容量
２０３ 液晶素子
２０４ フォトダイオード
２０５ トランジスタ
２０６ トランジスタ
２０７ ゲート信号線
２０８ フォトダイオードリセット信号線
２０９ ゲート信号線
２１０ ビデオデータ信号線
２１１ フォトセンサ出力信号線
２１２ フォトセンサ基準信号線
２１３ ゲート信号線
３００ 回路
３０１ ｐ型ＴＦＴ
３０２ 保持容量
３０３ プリチャージ信号線
４０１ 信号
４０２ 信号
４０３ 信号
４０４ 信号
４０５ 信号
５０１ 第１のトランジスタ
５０２ 第２のトランジスタ
５０３ 第３のトランジスタ
５０４ フォトダイオード
５０５ 保持容量
５０６ 高電位線
５０７ リセット信号線
５０８ 低電位線
５０９ 読み出し信号線
５１０ 出力信号線
５１１ トランジスタ
５１２ フォトダイオード
５１３ 保持容量
５１４ 高電位線
５１５ 読み出し信号線
５１６ リセット信号線
５１７ 出力信号線

Claims (3)

1. フォトダイオード、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを備えたフォトセンサであって、
   前記フォトダイオードは、一方の電極が第１の信号線に、他方の電極が前記第１のトランジスタのゲートに、それぞれ電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第２の信号線に、ソースまたはドレインの他方が前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方に、それぞれ電気的に接続され、
   前記第２のトランジスタは、ゲートが第３の信号線に、ソースまたはドレインの他方が第４の信号線に、それぞれ電気的に接続されており、
   前記第１の信号線は、前記フォトダイオードの一方の電極に、前記フォトダイオードを導通させる第１の電位と、前記フォトダイオードを非導通にする第２の電位を供給する機能を有し、
   前記フォトダイオードは、前記第１の電位が供給されている期間において、前記第１のトランジスタのゲートに、前記第１の電位に応じた電位を入力する機能を有し、
   前記フォトダイオードは、前記第２の電位が供給されている期間において、照射される光の量に応じて、前記第１のトランジスタのゲートの電位を変化させる機能を有することを特徴とするフォトセンサ。
2. 請求項１において、
   前記第１の信号線は、フォトダイオードリセット信号線であり、
   前記第２の信号線は、フォトセンサ基準信号線であり、
   前記第３の信号線は、ゲート信号線であり、
   前記第４の信号線は、フォトセンサ出力信号線であることを特徴とするフォトセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のフォトセンサを具備したタッチパネルであって、
   第３のトランジスタ及び容量素子を有し、
   前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第４の信号線に電気的に接続されており、
   前記容量素子の第１の電極は、前記第４の信号線に電気的に接続されていることを特徴とするタッチパネル。

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