(57)【要約】【課題】従来技術では長期間の経時変化に対応できず、また薄膜トランジスタの照度を測定するためのフォトセンサとして利用する場合、精度が低くすぎフォトセンサとして使用は困難であった。薄膜トランジスタの照度を測定するためのフォトセンサを利用する場合に、長期間に渡る経時変化を１％以下に抑え、小型高精度かつフォトセンサの出力の調整が出来るフォトセンサ回路及び液晶モジュールを提供する。【解決手段】フォトセンサのソース電極に交流電圧を印加して、ソース電極からドレイン電極に向かって流れる電荷と、前記薄膜トランジスタのドレイン電極からソース電極に向かって流れる電荷が、ほぼ等しくなるように駆動するようにした。また、それに伴い薄膜トランジスタが有する光感度及び光応答性の個体差を修正する機構を加えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶ディスプレイと、
バックライトと、
光応答性トランジスタを有するフォトセンサと、
前記トランジスタのソース電極とドレイン電極及びゲート電極に所定の電圧を印加して前記トランジスタを駆動し、照度を測定するフォトセンサ回路と、
を備え、
前記ゲート電極に印加する電圧は交流電圧であることを特徴とする液晶モジュール。
【請求項２】
前記フォトセンサ回路は、前記ゲート電極に印加する電圧を３つの電圧レベルで周期的に切り替える交流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の液晶モジュール。
【請求項３】
前記フォトセンサ回路は、
前記トランジスタの出力電流をＩ／Ｖ変換するオペアンプと、
前記出力電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
を備え、
前記３つの電圧レベルのうち第２の電圧レベルの期間にある所定のタイミングでＡ／Ｄ変換し、
前記トランジスタのソース電極とドレイン電極両端の電極に流れる電流値をＩ／Ｖ変換した電圧値を測定値とする請求項２記載の液晶モジュール。
【請求項４】
前記フォトセンサ回路は、前記ゲート電圧に印加する交流電圧の周期が０．１Ｈｚから１００Ｈｚであることを特徴とする請求項１ないし３に記載の液晶モジュール。
【請求項５】
前記フォトセンサ回路は、
前記トランジスタの出力電流をＩ／Ｖ変換して出力電圧にするオペアンプと、
前記出力電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
を備え、
前記Ａ／Ｄ変換器は前記３つの電圧レベルのうち少なくとも１つの電圧レベルを調整して前記トランジスタの個体差を調整する電位を出力することを特徴とする請求項２に記載の液晶モジュール。
【請求項６】
光応答性を有するトランジスタのソース電極とドレイン電極とゲート電圧のうちゲート電圧に交流電圧を印加する交流駆動工程と、
前記交流駆動工程から所定の待機時間の後に前記トランジスタの前記ソース電極またはドレイン電極の出力を測定するサンプリング工程と、
前記サンプリング工程により得られた出力電圧から照度を計算する演算工程と、
を有することを特徴とする光電流の測定方法。
【請求項７】
前記交流駆動工程において、前記トランジスタの前記ゲート電圧に３つの電圧レベルは周期的に印加される交流電圧である事を特徴とする請求項６に記載の光電流の測定方法。
【請求項８】
前記交流駆動工程において、前記３つの電圧レベルのうち第２の電圧レベルの期間にある所定のタイミングでＡ／Ｄ変換し、
前記トランジスタ両端の電極に流れる電流値をＩ／Ｖ変換した値を測定値とする請求項７記載の光電流の測定方法。
【請求項９】
前記交流駆動工程において、前記ゲート電圧に印加する交流電圧の周期が０．１Ｈｚから１００Ｈｚであることを特徴とする請求項６又は７に記載の光電流の測定方法。
【請求項１０】
前記交流駆動工程は、前記３つの電圧レベルのうち少なくとも１つの電圧レベルを調整して前記トランジスタの個体差を調整することを特徴とする請求項７に記載の光電流の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器などに用いられる液晶ディスプレイの輝度を調節するための光応答性を有する薄膜トランジスタを光検出素子として利用するフォトセンサに係るフォトセンサ回路及び前記回路を有する液晶モジュールに関する。さらに詳細には、薄膜トラジスタの経時変化を長期間に渡って抑えるフォトセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、薄膜トランジスタは、半導体材料としてａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）やｐｏｌｙ−Ｓｉ（多結晶シリコン）が用いられ、ゲート絶縁膜としてプラズマＣＶＤ成膜のＳｉＮやＳｉＯ２が用いられる。この薄膜トランジスタは、ゲート電極にバイアスストレスが印加された状態で長期間駆動することで、ゲート絶縁膜、あるいはゲート絶縁膜と半導体膜の界面へのキャリアの注入が生じ、Ｖｔｈ（閾値電圧）のシフトが生じることが知られており、これが経時変化を引き起こす。他にも、前記薄膜トランジスタには光感度及び光応答性の個体差を有していることが知られている。
【０００３】
従来、この種の経時変化を抑制する技術としては、特許文献１にある、薄膜トランジスタのゲート電極に電圧を印加して、薄膜トランジスタをオン状態あるいはオフ状態に駆動する駆動手段を備え、任意の期間、ゲート電極に対して、薄膜トランジスタをオフ状態にする電圧の平均の極性とは逆極性の電圧を印加することにより、短時間（１０数分）内での経時変化を１０％以内に抑えられるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４７１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような技術ではゲート電極に印加されるバイアスストレスを抑制することは出来ても、バイアスストレス自体を解消することは出来ない。つまり、数ヶ月以上に渡る長期間の経時変化には対応できない。したがってトランジスタ、主に薄膜トランジスタを用いて照度を測定するフォトセンサのような高精度の品質と長期間の安定した性能を求められる場合、精度が低いのと長期利用に適さないという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題であるゲート電圧に印加されるバイアスストレスを抑制するのではなく、解消するものである。本発明を利用することによりトランジスタ、主に薄膜トランジスタを用いて照度を測定するフォトセンサのように高精度を求められる場合において、長期間に渡る経時変化を１％以下に抑え、光感度及び光応答性の個体差を調整できる小型高精度のフォトセンサ回路及び液晶モジュールを提供することが可能となる。また、それに伴い薄膜トランジスタが有する光感度及び光応答性の個体差の修正をする機構を加えることで、より良いフォトセンサ回路及び液晶モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を講じた。
【０００８】
（１）光検出素子として利用する薄膜トランジスタが有するゲート電極に３つの電圧レベルを周期的に切り替える駆動回路を備えた。
【０００９】
（２）前記駆動回路は前記３つの電圧レベルを印加する期間を同じ長さで周期的に切替えて駆動するようにした。以後この駆動を交流駆動と呼ぶ。
【００１０】
（３）前記交流駆動の周期は、０．１Ｈｚから１００Ｈｚの周期で駆動するようにした。
【００１１】
（４）前記トランジスタの出力電流をＩ／Ｖ変換するオペアンプを備え、前記Ｉ／Ｖ変換された電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を備えるようにした。
【００１２】
（５）前記Ａ／Ｄ変換器は、前記３つの電圧レベルの内第１の電圧レベルが立ち上がった時をトリガとして、第２の電圧レベルの期間に、第１の電圧レベルの期間プラス前記オペアンプの増幅率を決める抵抗Ｒとノイズを抑制するためのコンデンサＣにより算出される時定数τを元にしたタイミングでＡ／Ｄ変換し、前記トランジスタ両端の電極に流れる電流値をＩ／Ｖ変換した値を検出値とするようにした。
【００１３】
（６）前記トランジスタのゲートに３つの電圧レベルを印加するＤ／Ａ変換器を備え、
前記Ｄ／Ａ変換器は前期３つの電圧レベルの内一つの電圧レベルを調整して、前記薄膜トランジスタの光感度および光応答性の個体差を調整するようにした。
【発明の効果】
【００１４】
上記フォトセンサ回路によれば、薄膜トランジスタに流れる入射する光の量（照度）に応じた電流である光電流によりゲート電極に印加されるバイアスストレスが、ゲート電極に掛ける電圧を変動させることにより、ゲート電極にかかるソース電極とドレイン電極との相対電位が変化し、ゲート電極に印加されたバイアスストレスが解消される。そのためゲート絶縁膜やゲート絶縁膜と半導体膜の界面へのキャリアの注入により発生するＶｔｈ（閾値電圧）のシフトの影響を抑えることができる。その結果、長期間に渡る経時変化を１％以下に抑え、薄膜トランジスタの光感度及び光応答性の個体差が修正可能な小型高精度のフォトセンサ回路を提供できる。さらに、３つの電圧レベルを印加することで、照度測定のタイミングでフォトセンサに流れる電流が安定しやすくなり、フォトセンサの個体差を調整する手間を緩和することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る（ａ）液晶モジュール及び（ｂ）回路構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のフォトセンサ１のゲート駆動波形を示す３種類の図である。
【図３】本発明のオペアンプ８の出力電圧波形を示す図である。
【図４】本発明の照度測定の工程に関するフローチャート１１とゲート駆動波形１２およびオペアンプ出力波形１３のタイミングを示す図である。
【図５】フォトセンサにおける電流の経時変化を示す３種類の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
現在この種の携帯機器に採用される表示素子やフォトセンサ回路、液晶モジュールは薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で構成された物が多い。それらはパネルの一角に光応答性を有するＴＦＴを構成し、これをフォトセンサ１としている。
【００１７】
フォトセンサ１には、ソース電極とドレイン電極とゲート電極の３つの電極から成り立つ。ソース電極の電位はドレイン電極の電位よりも高く設定しており、それぞれ所定の電位になるように定電圧電源やオペアンプ等が用いられている。ゲート電極には３つの電位レベルを有する周期的な交流波形が印加されている。
ソース電極とゲート電極の電位差またはドレイン電極とゲート電極の電位差が一定であると、ゲート電圧にバイアスストレスが発生する。このバイアスストレスを解消するためにはソース電極とゲート電極の電位差またはドレイン電極とゲート電極の電位差が一定でなく、時間経過と共に変動するようにすることが有効である。
本発明ではゲート電極に加える電位を時間と共に３種類の電圧レベルを設けることにより、前記バイアスストレスを解消することが出来る。バイアスストレスにより生じていた経時変化の影響を１％以下に抑えることができ、本発明の課題が解決される。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例に係るフォトセンサ回路の構成及び液晶モジュールを示すブロック図である。ここで、図１の構成を説明する。図１（ａ）において、液晶モジュール３１は、フォトセンサ１とフォトセンサ回路３０、バックライト２１に液晶ディスプレイ２を具備する。図１（ａ）の構成は一例であり、前記フォトセンサ回路３０に液晶駆動制御を行なわせず、別途液晶駆動用回路などを備えても良い。  図１（ｂ）において、外部の光はフォトセンサ１により入力される。前記フォトセンサはゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有している。前記フォトセンサ１のドレイン電極は−１Ｖに設定されている定電圧電源に接続し、前記フォトセンサ１のソース電極はオペアンプ８の‐端子に接続している。交流駆動波形３はＣＰＵ６により出力されるデジタル信号をアナログ信号へ変換するためのＤ／Ａ変換器５を経由して生成される。前記ＣＰＵ６から出るデジタル信号が前記Ｄ／Ａ変換器５によりアナログ電位となり、前記アナログ電位が前記フォトセンサ１のゲート電位に印加される。前記フォトセンサ１より出力された電流信号は前記ソース電極から前記オペアンプ８へ入力される。前記オペアンプ８の−端子と前記オペアンプ８の出力端子にはコンデンサ９と固定抵抗１０が並列に接続される。前記コンデンサ９は後述する液晶ディスプレイ２から放射されるノイズを除去するために設置され、決定される増幅率で前期オペアンプ８は前記フォトセンサ１より出力された電流信号を電圧信号へと変換する。前記オペアンプ８の＋端子にはリファレンス電圧７が接続され、前記オペアンプ８によりフォトセンサ１のソース電極が前記リファレンス電圧７と同電位になるように動作する。ここで、リファレンス電圧は０Ｖとし、ソース電位も０Ｖで動作し前期電流信号が測定される。前記コンデンサ９、前記固定抵抗１０、前記オペアンプ８をまとめて電流電圧変換回路３２と呼ぶ。前記オペアンプ８から出力された電圧信号はＡ／Ｄ変換器４によりデジタル信号に変換される。前記デジタル信号はＣＰＵ６へ入力される、前期ＣＰＵ６において入力信号を演算し、照度を算出する。演算により得られた照度からバックライトの発光信号が出力され、Ｄ／Ａ変換器３３によりアナログ信号へ変換される。ここで、前記回路構成でフォトセンサ１を除いた構成をフォトセンサ回路３０と呼ぶ。図１（ｂ）のフォトセンサ回路３０に具備されるＣＰＵ６は前記Ｄ／Ａ変換器３３を経由し図１（ａ）の液晶モジュール３１上に構成されるバックライト２１に接続される。前記Ｄ／Ａ変換器３３より出力されるアナログ信号によりバックライト２１が駆動される。バックライト２１を駆動することにより、液晶モジュール３１上のバックライト２１の上面に層状に形成されている液晶ディスプレイ２の輝度の調整が可能となる。
【００２０】
図２は本発明のフォトセンサ１のゲート駆動波形を示す図である。図２（ａ）ではフォトセンサ１のゲート電極に印加する電圧波形を表している。図の縦軸はゲート電極の電圧を表し、横軸は時間を表す。前記フォトセンサ１のゲート電極にかかる電圧のことをゲート電圧と呼ぶ。電圧波形は３種類のパターンが周期的に繰り返されている。前記フォトセンサ１のゲート電極に印加する電圧が−１Ｖであるゲート電圧が高い高電圧期間４０と、前記フォトセンサ１のゲート電極に印加する電圧が−３Ｖであるゲート電圧が中の中電圧期間４１と、前記フォトセンサ１のゲート電極に印加する電圧が−５Ｖであるゲート電圧が低い低電圧期間４２の３種類で前記フォトセンサ１のゲート電極を駆動している。図２（ｂ）の図の見方は同様である。図２（ａ）との相違点として、中電圧期間４３が−２Ｖとなっている。図２（ａ）の中電圧期間４１の−３Ｖよりも図２（ｂ）の中電圧期間４３の方が１Ｖ高い値に設定されている。図２（ｃ）も同様に、中電圧期間４４は−４Ｖとなっており、図２（ａ）の中電圧期間４１と比べて１Ｖ低い値に設定されている。詳細の説明については後述する。
【００２１】
図３は本発明のオペアンプ８の出力電圧波形を示す図である。縦軸は電圧、横軸は時間を表す。この図３は図２（ａ）フォトセンサ１のゲート駆動波形ａに対応して同期した波形となっている。電圧が０．２Ｖから２Ｖへと変化する出力電圧波形が高い高出力期間４５は高電圧期間４０に対応する。電圧が２Ｖから０．９Ｖへ変化する出力電圧波形が中の中出力期間４６は中電圧期間４１に対応する。電圧が０．９Ｖから０．２Ｖまで変化する出力電圧波形が低い、低出力期間４７は低電圧期間４２に対応する。これらの３つの期間が前記オペアンプ８の出力電圧波形では周期的に繰り返されている。図２（ａ）に示されるゲート駆動波形ａとは異なり、オペアンプ８の出力電圧波形は立ち上がりがゆるやかな波形となっている。
【００２２】
図４は本発明の照度測定の工程に関するフローチャート１１とゲート駆動波形１２およびオペアンプ出力波形１３のタイミングを示す図である。図４（ａ）は照度測定の工程に関するフローチャート１１であり、（ｂ）は照度測定を説明するためのゲート駆動波形１２およびオペアンプ出力波形１３を表す。
説明するにあたり、先に図４（ｂ）から説明する。図４（ｂ）において、縦軸は電圧を表し中心線はグランドを示すＧＮＤであり、横軸は時間を表す。ソース電極からオペアンプ８に出力されたオペアンプ出力波形１３を図４ｂに表す。前記ゲート駆動波形１２は図２（ａ）、前記オペアンプ出力波形１３は図３にそれぞれ対応しており、詳細については図２及び図３の説明と同様である。ゲート駆動波形１２の電圧がＧＮＤ側に変化する符号１４は電圧波形の立ち上がりトリガ１４である。前記電圧波形の立ち上がりトリガ１４からあらかじめ設定した所定の待機時間はＷＡＩＴ１５である。また、符号１６は照度測定のタイミング１６であり、前記ＷＡＩＴ１５が経過した後のタイミングを表す。前記照度測定のタイミング１６においての出力電圧波形をサンプリングする。
図４（ａ）は図４（ｂ）にそれぞれ対応している照度測定の工程に関するフローチャートである。まず、Ｄ／Ａ変換器５から生成される交流波形でゲート電極を駆動し図２（ａ）のゲート電圧が高い高電圧期間４０に相当する電圧まで昇圧する図４（ａ）の交流駆動工程２２を行なう。次に、図４（ｂ）のＷＡＩＴ１５に対応するＷＡＩＴ２３の間待機する。前記ＷＡＩＴ２３が経過した後、図４（ｂ）の照度測定のタイミング１６において図４（ｂ）のオペアンプ出力波形１３の電圧波形をサンプリングする図４（ａ）のサンプリング工程２４を行なう。その後、出力されたアナログ信号をデジタル信号へと変換し、図４（ａ）演算工程２５において前記デジタル信号から照度を計算する。
また、ここでは図示していないが、図４（ａ）演算工程２５では図１（ａ）のバックライト２１を駆動するためのデジタル信号を出力する。デジタル信号をアナログ信号へ変換した後、バックライト２１を駆動し、図１（ａ）の液晶ディスプレイ２の輝度を調節することにより液晶の輝度を調節することが出来る。
ここでＷＡＩＴ１５の待機時間決定方法について説明をする。一例として図２（ａ）に基づいて説明する。ＷＡＩＴ１５は、図２（ａ）の高電圧期間４０に、オペアンプ８の増幅率を決める固定抵抗１０とノイズを抑制するためのコンデンサ９により算出される時定数τの１．４倍以上の時間を加えたものである。高電圧期間４０と中電圧期間４１の和以下のタイミングに設定する。
【００２３】
前記交流駆動波形３の周波数は液晶ディスプレイ２の表示素子の交流化反転周波数および前記Ａ／Ｄ変換器４の変換速度などとの兼ね合いから０．１Ｈｚから１００Ｈｚの周波数が最適である。
【００２４】
一般に薄膜トランジスタをフォトセンサとして使用する場合、光感度および光応答性の個体差が存在する。そのため本発明の実施例においては前記フォトセンサ１のゲート電極の電位をＤ／Ａ変換器５の出力により調整するようにした。この調整は本発明を用いた装置を量産する時に、前記測定値をモニタし前記ＣＰＵ６に調整した値を格納することにより実現する。
【００２５】
図５はフォトセンサ１に流れるセンサ電流の経時変化を示す図である。この図ではゲート電圧がそれぞれ、高状態の時、均等状態の時、低状態の時の３種類の状態についての説明を行なう。前述の３種類のゲート電圧の状態は以下の通りである。図２（ａ）の例での高電圧期間４０に相当する状態は高状態、低電圧期間４２に相当する状態は低状態という。また、高電圧期間４０と低電圧期間４２の間にセンサ電流が安定する特定の電圧に設定された状態は均等状態である。図５（ａ）ではゲート電圧が高状態の時のフォトセンサ電流の経時変化を示している。ゲート電圧を加えた直後から時間が経過するに従いフォトセンサ１に流れる電流が減少していき、ある一定の値へ漸近していく。図５（ｂ）ではゲート電圧が均等状態の時のフォトセンサ１に流れる電流の経時変化を示している。ここでは経過時間に依存せず、フォトセンサ１に流れる電流は一定となる。図５（ｃ）ではゲート電圧が低状態の時のフォトセンサに流れる電流の経時変化を示している。ゲート電圧を加えた直後から時間が経過するに従いフォトセンサ１に流れる電流は増加していき、ある一定の値へ漸近していく。
【００２６】
ここで、ゲート電圧が均等状態の時について補足する。図５（ｂ）で示されるように経過時間に依存せず、フォトセンサ１に流れるセンサ電流が一定である状態を再現するためには、ゲート電圧に加える電位を図５（ｂ）のような状態になるように調整を加える必要がある。フォトセンサ１には個体差が存在するため、前記調整は各フォトセンサ１において個別に微調整を行なう必要がある。しかし、従来のようにゲート電極に一定の直流電圧をかけた状態ではゲート電極に図５（ｂ）のように電流の経時変化をなくすように微調整を行なうことは非常に困難であった。
【００２７】
しかし、本発明のようにフォトセンサ１のゲート電極に前述した３種類の異なる電圧レベルによる交流電圧を加えると、電流の経時変化がない図５（ｂ）の状態を実現することが実験により確認された。図５（ｂ）の状態を実現するにあたって、図２で示されるように中電圧期間４１の電圧を調整する必要があるが、その調整は従来のようにゲート電極に直流の電圧を加える場合に比べて容易に調整を行なうことができる。
【００２８】
また、ゲート電極に印加する電圧を制御することにより入力照度を調節する機構を取り付けることでより高精度のフォトセンサ１を実現することが出来る。
この一連の動作であるフローチャート１１を１回行なう毎にバックライト２１の輝度の調節に反映させる。１回ごとに行なわなくても、フローチャート１１を複数回行い照度の平均をとり、バックライト２１の輝度の変化を一定間隔で行うようにしても良い。
【００２９】
以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、フォトセンサを交流駆動しても入射する照度に応じた出力値を得ることができ、長期間駆動させてもゲート電極に一定のバイアスストレスが蓄積されにくくなる。それにより、ゲート絶縁膜あるいはゲート絶縁膜と半導体膜の界面へのキャリアの注入により発生する悪影響をキャンセルでき、長期間に渡る経時変化を１％以下に抑えることが可能となる。また、ゲート電極自体を調整する機構をつけることで入力照度を調整することが出来る。さらに、本発明のフォトセンサ回路を量産する時に個体差の調整を容易に行なうことができる。以上により、薄膜トランジスタを高精度の照度を測定し、長期間の使用にも耐えられるフォトセンサ回路及び液晶モジュールを容易に提供することができる。
【００３０】
本発明において実施したフォトセンサは薄膜トランジスタであったが、他のトランジスタでも良いことはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３１】
１  フォトセンサ
２  液晶ディスプレイ
３  交流駆動波形
４  Ａ／Ｄ変換器
５  Ｄ／Ａ変換器
６  ＣＰＵ
７  リファレンス電圧
８  オペアンプ
９  コンデンサ
１０  固定抵抗
１１  照度測定の工程に関するフローチャート
１２  ゲート駆動波形
１３  オペアンプ出力波形
１４  電圧波形の立ち上がりトリガ
１５  ＷＡＩＴ
１６  照度測定のタイミング
２１  バックライト
２２  交流駆動工程
２３  ＷＡＩＴ
２４  サンプリング工程
２５  演算工程
３０  フォトセンサ回路
３１  液晶モジュール
３２  電流電圧変換回路
３３  Ｄ／Ａ変換器
４０  高電圧期間
４１，４３，４４  中電圧期間
４２  低電圧期間
４５  高出力期間
４６  中出力期間
４７  低出力期間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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