JP2010032378A - ３次元センサ用光導波路およびそれを用いた３次元センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化が可能である３次元センサ用光導波路およびそれを用いた３次元センサを提供する。
【解決手段】下記（α）の光導波路単層体Ｖが、その厚み方向に同軸的に複数積層されることにより、その積層された枠状の光導波路単層体Ｖの内側空間を測定用空間Ｈにした３次元センサ用光導波路Ｗ1 が形成されている。
（α）コア３Ａ，３Ｂと、このコア３Ａ，３Ｂを被覆した状態で形成されたオーバークラッド層４とを備え、全体が枠状に形成され、光を出射するコア３Ａの端部が上記枠状の内側の一側部に位置決めされ、上記出射された光を入射するコア３Ｂの端部が上記枠状の内側の他側部に位置決めされた光導波路単層体Ｖ。
【選択図】図１
【解決手段】下記（α）の光導波路単層体Ｖが、その厚み方向に同軸的に複数積層されることにより、その積層された枠状の光導波路単層体Ｖの内側空間を測定用空間Ｈにした３次元センサ用光導波路Ｗ1 が形成されている。
（α）コア３Ａ，３Ｂと、このコア３Ａ，３Ｂを被覆した状態で形成されたオーバークラッド層４とを備え、全体が枠状に形成され、光を出射するコア３Ａの端部が上記枠状の内側の一側部に位置決めされ、上記出射された光を入射するコア３Ｂの端部が上記枠状の内側の他側部に位置決めされた光導波路単層体Ｖ。
【選択図】図１
Description
本発明は、３次元センサ用光導波路およびそれを用いた３次元センサに関するものである。
３次元センサは、通常、測定対象物に向けて光や電波を出射し、その測定対象物で反射した光や電波を受信してコンピュータ等で演算処理することにより、上記測定対象物の３次元形状，位置，速度等の情報を得るものとなっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１６３４２９号公報
しかしながら、上記従来の３次元センサは、大きな装置であった。そのため、例えば、金融機関のＡＴＭ，駅の券売機，携帯ゲーム機等に用いられているタッチパネルに、指の触れ位置の検知手段として従来の３次元センサを取り付けることは、その３次元センサが本体（タッチパネル）よりも大きくなるおそれがあり、実用的でない。
また、３次元センサとして、本発明のように光導波路を用いたものは、従来なかった。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、小型化が可能である３次元センサ用光導波路およびそれを用いた３次元センサの提供をその目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、下記（α）の光導波路単層体が、その厚み方向に同軸的に複数積層され、積層された枠状の光導波路単層体の内側空間が測定用空間になっている３次元センサ用光導波路を第１の要旨とする。
（α）コアと、このコアを被覆した状態で形成されたオーバークラッド層とを備え、全体が枠状に形成され、光を出射するコアの端部が上記枠状の内側の一側部に位置決めされ、上記出射された光を入射するコアの端部が上記枠状の内側の他側部に位置決めされた光導波路単層体。
（α）コアと、このコアを被覆した状態で形成されたオーバークラッド層とを備え、全体が枠状に形成され、光を出射するコアの端部が上記枠状の内側の一側部に位置決めされ、上記出射された光を入射するコアの端部が上記枠状の内側の他側部に位置決めされた光導波路単層体。
また、本発明は、上記３次元センサ用光導波路と制御手段とを備え、上記３次元センサ用光導波路において、光を出射するコアの端部に光伝播する発光素子が、枠状の光導波路単層体の外側部に設けられ、光を入射するコアの端部から光伝播される受光素子が、枠状の光導波路単層体の外側部に設けられ、上記制御手段が、上記発光素子と受光素子とに、電気的に接続され、上記発光素子の発光を制御し、かつ、上記受光素子からの信号を受けて演算処理する３次元センサを第２の要旨とする。
すなわち、本発明の３次元センサ用光導波路は、上記枠状の光導波路単層体が厚み方向に同軸的に複数積層され、この積層された枠状の内側空間（枠で囲われた中空空間の、積層方向の連続からなる空間）が、測定対象物を配置したり通過させたりする測定用空間となっている。また、この３次元センサ用光導波路を用いた本発明の３次元センサは、上記枠状の光導波路単層体の外側部に上記発光素子，受光素子を設け、それら発光素子，受光素子を上記制御手段に電気的に接続したものとなっている。この３次元センサにおいて、枠状の光導波路単層体は薄形化および小形化が可能であり、発光素子，受光素子および制御手段も小型化が可能であるため、それらで構成される本発明の３次元センサは小形化が可能である。そして、本発明の３次元センサでは、上記枠状の光導波路単層体の、枠で囲われた中空空間において、上記制御手段からの信号に従って発光素子を発光させて光出射側のコアの端部から光を出射し、その光を光入射側のコアの端部に入射させる。この状態において、上記３次元センサ用光導波路の上記測定用空間に、測定対象物を配置したり通過させたりすると、その測定対象物が上記出射された光の一部を遮断するため、その遮断された部分を、上記受光素子で感知し、その信号を、上記発光素子への発光信号とともに、上記制御手段で演算処理することにより、上記測定用空間での上記測定対象物の３次元位置，傾き、速度，大きさ等の情報を得ることができる。
なお、本発明において「枠状」とは、枠が連続しているものだけでなく、その枠の一部が離れて不連続になっているものも含む意味である。例えば、四角形の「枠状」の場合、２つのＬ字状部を対向させ、四角形の「枠状」に配置したものも含む。
本発明の３次元センサ用光導波路は、光を出射するコアの端部と出射された光を入射するコアの端部とを備えた、枠状の光導波路単層体を、厚み方向に同軸的に複数積層したものであり、その積層された枠状の光導波路単層体の内側空間が、測定対象物を配置したり通過させたりする測定用空間になっている。また、上記光導波路単層体は薄形化および小形化が可能であるため、その光導波路単層体を積層してなる本発明の３次元センサ用光導波路は小形化が可能となり、その３次元センサ用光導波路を用いた３次元センサも小形化が可能となる。
特に、上記光導波路単層体において、光を出射するコアの端部が第１レンズ部に形成され、その第１レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る平面視円弧状に形成され、上記オーバークラッド層の端部が上記第１レンズ部におけるレンズ面を被覆する状態に形成され、そのオーバークラッド層の端部が第２レンズ部に形成され、その第２レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る側断面視円弧状に形成されている場合には、オーバークラッド層を形成した時点で、コア端部の第１レンズ部とオーバークラッド層端部の第２レンズ部とを、自動的に位置合わせした状態にすることができる。このため、上記第１レンズ部と第２レンズ部との位置合わせ作業を不要にすることができ、生産性を向上させることができる。しかも、上記第１レンズ部と第２レンズ部の屈折作用により、出射する光の発散を抑制することができ、測定対象物に関して得られる情報の正確性を向上させることができる。
さらに、上記出射された光を入射するコアの端部が第３レンズ部に形成され、その第３レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る平面視円弧状に形成され、上記オーバークラッド層の他の端部が上記第３レンズ部のレンズ面を被覆する状態に形成され、そのオーバークラッド層の端部が第４レンズ部に形成され、その第４レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る側断面視円弧状に形成されている場合には、光出射側の上記第１および第２レンズ部と同様、オーバークラッド層を形成した時点で、第３レンズ部と第４レンズ部とを、自動的に位置合わせした状態にすることができ、生産性を向上させることができる。しかも、上記第３レンズ部と第４レンズ部の屈折作用により、入射光を絞って集束させてコア内に導くことができ、測定対象物に関して得られる情報の正確性を向上させることができる。
また、積層状態にある上側の枠状の光導波路単層体と下側の枠状の光導波路単層体とが、相互に枠をずらした状態に位置決めされている場合には、上側の光導波路単層体において出射される光の方向と下側の光導波路単層体において出射される光の方向とが、枠のずれによって相互に異なるようになる。このため、立体的な測定対象物を高さ位置によって、角度を変えて測定することができるようになる。これにより、測定対象物の形状の概略を得ることができる。すなわち、一つの光導波路単層体では、測定対象物に対して光が当たる部分の輪郭形状を得ることができる。その光導波路単層体が枠をずらさない状態（枠を揃えた状態）で複数積層されていると、全ての光導波路単層体において出射する光の方向が同じであるため、測定対象物に対してある一定の方向のみの、光が当たる部分の輪郭形状しか得られない。このため、、光が当たらない部分（影となる部分）等の形状は得ることはできない。これに対して、この発明のように、光導波路単層体が枠をずらした状態で複数積層されていると、測定対象物の高さ位置によって、異なる方向から光を当てることができるようになるため、測定対象物の高さ位置を変えて、異なる方向の輪郭形状を得ることができる。そして、それら複数の異なる方向の輪郭形状から測定対象物の形状の概略を得ることができる。
本発明の３次元センサは、小形化が可能な上記３次元センサ用光導波路において、枠状の光導波路単層体の外側部に発光素子，受光素子を設け、それら発光素子，受光素子を制御手段に電気的に接続したものとなっている。このため、本発明の３次元センサは、小形化が実現できるようになる。また、上記３次元センサ用光導波路の測定用空間に、測定対象物を配置したり通過させたりすると、上記測定用空間での測定対象物の３次元位置，傾き、速度，大きさ等の情報を得ることができる。
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
図１は、本発明の３次元センサ用光導波路の第１の実施の形態を示している。この実施の形態の３次元センサ用光導波路Ｗ1 は、四角形の枠状（連続した枠）に形成されている光導波路単層体Ｖが、その枠を揃えて、その厚み方向に同軸的に複数（図１では３層）積層された構造となっている。そして、上記光導波路単層体Ｖの、枠で囲まれた中空空間の連続からなる空間が、測定対象物を配置したり通過させたりする測定用空間Ｈとなっている。この実施の形態では、実際は、積層状態にある上側の光導波路単層体Ｖと下側の光導波路単層体Ｖとは接触しているが、図１では、理解し易くするため、隙間をあけて図示している。なお、図１において、鎖線で示す符号３Ａ，３Ｂは上記光導波路単層体Ｖ内において光の通路となるコアであり、その鎖線の太さがコア３Ａ，３Ｂの太さを示しているとともに、コア３Ａ，３Ｂの数を略して図示している。また、符号４は、上記コア３Ａ，３Ｂを被覆するオーバークラッド層である。
上記四角形の枠状の光導波路単層体Ｖは、図２（ａ）〔平面図〕で示すように、その四角形の枠状を構成する一方のＬ字形部分が、光出射側の光導波路部分Ａに形成され、他方のＬ字形部分が、光入射側の光導波路部分Ｂに形成されている。上記四角形の枠状の光導波路単層体Ｖは、四角形の枠状に形成されたアンダークラッド層（基体）２〔図２（ｃ）参照〕と、その表面に形成されたコア３Ａ，３Ｂと、これを被覆した状態でアンダークラッド層２の全体に積層形成されたオーバークラッド層４とからなる。上記複数のコア３Ａ，３Ｂは、光の通路となるものであり、上記各Ｌ字形部分の外側端縁部の所定部分ａ，ｂから、そのＬ字形部分の内側端縁部に、等間隔に並列状態で延びたパターンに形成されている。また、光出射側の光導波路部分Ａに形成されたコア３Ａの数と、光入射側の光導波路部分Ｂに形成されたコア３Ｂの数とは、同数になっている。さらに、光出射側のコア３Ａの端面と、光入射側のコア３Ｂの端面とは、対面した状態になっている。なお、図２（ａ）では、コア３Ａ，３Ｂを鎖線で示しており、その鎖線の太さがコア３Ａ，３Ｂの太さを示しているとともに、コア３Ａ，３Ｂの数を略して図示している。
ここで、図２（ｂ）〔図２（ａ）の丸部Ｃの拡大平面図〕，図２（ｃ）〔図２（ｂ）のＸ−Ｘ断面図〕に示すように、この実施の形態では、上記光出射側のコア３Ａの端部が、略扇形状の第１レンズ部３１に形成され、光入射側のコア３Ｂの端部が、略扇形状の第３レンズ部（３３）に形成され、両レンズ部３１（３３）は、対峙状態になっている。ただし、略扇形状等の形状は同一であるため、図２（ｂ），（ｃ）では、第１レンズ部３１およびその周辺と、第３レンズ部（３３）およびその周辺とを併せて記載している。すなわち、これら第１および第３レンズ部３１（３３）は、端面（図示の右側端面）に向かうにつれて徐々に拡幅して略扇形状をなし、その略扇形状における円弧面部が外側に向かって反る平面視円弧状のレンズ面３１ａ（３３ａ）に形成されている。上記第１および第３レンズ部３１（３３）を含むコア３Ａ（３Ｂ）は、均一厚みに形成されている。また、上記オーバークラッド層４は、上記コア３Ａ（３Ｂ）全体〔第１および第３レンズ部３１（３３）を含む〕を被覆した状態で、上記アンダークラッド層２の表面に、均一高さに形成されている。上記オーバークラッド層４も、アンダークラッド層２の上に、アンダークラッド層２と同じ四角形の枠状に形成され、その四角形の枠状の内側部分の枠に沿う端縁部が、光出射側では、第２レンズ部４２に形成され、光入射側では、第４レンズ部（４４）に形成されている。これら第２および第４レンズ部４２（４４）の端面は、図２（ｃ）に示すように、外側に向かって反る側断面視円弧状のレンズ面４２ａ（４４ａ）に形成されている。
つぎに、上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 を用いた３次元センサについて説明する。この３次元センサは、図３に示すように、上記四角形の枠状の各光導波路単層体Ｖにおいて、光出射側の光導波路部分Ａの外側端縁部の所定部分ａに、発光素子５が接続され、光入射側の光導波路部分Ｂの外側端縁部の所定部分ｂに、受光素子６が接続されている。また、上記発光素子５および受光素子６は、ＡＤＣ（Analog Digital Converter），マイクロプロセッサ等の制御手段７に電気的に接続されており、その制御手段により、上記発光素子５の発光が制御され、かつ、上記受光素子６からの信号が演算処理されるようになっている。なお、図３では、図２（ａ）同様、コア３Ａ，３Ｂを実線および鎖線で示しており、その実線および鎖線の太さがコア３Ａ，３Ｂの太さを示しているとともに、コア３Ａ，３Ｂの数を略して図示している。また、図３では、理解し易くするため、多数の光のうちの一部の光Ｓのみを示している。
上記３次元センサにより測定対象物を測定する際には、上記制御手段７から発光素子５に信号が送られ、その信号に従って発光素子５を発光させる。これにより、発光素子５から発光された光は、光導波路単層体Ｖにおける、光出射側の光導波路部分Ａのコア３Ａ内を、外側端縁部の所定部分ａから、内側端縁部に伝播する。そして、その内側端縁部で、図４（ａ）〔平面図〕，図４（ｂ）〔図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図〕に示すように、光Ｓが出射される。このコア３Ａの端部から出射される光Ｓは、その端部の第１レンズ部３１の略扇形状の形状により、その略扇形状の拡幅部の形状に沿って、略均一に拡がる。さらに、その光Ｓは、第１レンズ部３１の、レンズ面３１ａ形状（平面視円弧状）に起因する屈折作用により、光Ｓの進行方向に対して横方向（左右方向）〔図４（ａ）参照〕の発散が抑制される。そして、その光Ｓは、上記レンズ面３１ａに対応する幅広の状態で、オーバークラッド層４の内側部分に出射される。つづいて、その光Ｓは、オーバークラッド層４の端縁部の第２レンズ部４２の、レンズ面４２ａ形状（側断面視円弧状）に起因する屈折作用により、光Ｓの進行方向に対して縦方向（上下方向）〔図４（ｂ）参照〕の発散が抑制される。そして、その光Ｓは、第２レンズ部４２のレンズ面４２ａから出射される（図３参照）。すなわち、光出射側では、上記２つのレンズ部（第１レンズ部３１および第２レンズ部４２）の屈折作用により、光Ｓが、光Ｓの進行方向に対して横方向ないし縦方向の発散が抑制された状態で、上記第２レンズ部４２のレンズ面４２ａから出射する。そして、四角形の枠状の光導波路単層体Ｖの中空空間を進む。
他方、光導波路単層体Ｖにおける、光入射側の光導波路部分Ｂでは、上記四角形の枠状の光導波路単層体Ｖの中空空間を進んできた光Ｓは、図４（ａ），（ｂ）とは逆の順序で入射する。すなわち、光Ｓは、オーバークラッド層４の他の端部の第４レンズ部（４４）のレンズ面（４４ａ）から入射し、その第４レンズ部（４４）の、レンズ面（４４ａ）形状（側断面視円弧状）に起因する屈折作用により、光Ｓの進行方向に対して縦方向でさらに絞って集束される。そして、その光Ｓは、コア（３Ｂ）の端部の第３レンズ部（３３）の略扇形状の形状により、幅広になっているレンズ面（３３ａ）から、効率よく第３レンズ部（３３）に入射する。そして、その光Ｓは、第３レンズ部（３３）の、レンズ面（３３ａ）形状（平面視円弧状）に起因する屈折作用により、光Ｓの進行方向に対して横方向でさらに絞って集束される。すなわち、光入射側では、上記２つのレンズ部〔第４レンズ部（４４）および第３レンズ部（３３）〕の屈折作用により、光Ｓの進行方向に対して縦方向ないし横方向で集束した状態で、光Ｓが、コア（３Ｂ）の奥方向に進む。そして、その光Ｓは、図３に示すように、光導波路単層体Ｖにおける、光入射側の光導波路部分Ｂのコア３Ｂ内を、外側端縁部の所定部分ｂまで伝播し、受光素子６で受光される。その受光素子６は、受光した情報を信号に変え、上記制御手段７に伝達する。
このような状態において、図５に示すように、上記四角形の枠状の光導波路単層体Ｖの中空空間の連続からなる空間（３次元センサ用光導波路Ｗ1 の測定用空間Ｈ）に、測定対象物Ｍ1 を配置したり通過させたりすると、上記測定用空間Ｈにおいて、その測定対象物Ｍ1 が光Ｓの一部を遮断する。このため、その遮断された部分を、上記受光素子６（図３参照）で感知し、その信号を、上記発光素子５（図３参照）への発光信号とともに、上記制御手段７（図３参照）で演算処理することにより、上記測定用空間Ｈでの上記測定対象物Ｍ1 の３次元位置，傾き、速度，大きさ等の情報を得ることができる。
この３次元センサは、光導波路（光導波路単層体Ｖ）を用いていることにより、小形化することができるため、例えば、タッチパネルにおける指の触れ位置の検知手段として用いることができる。この場合、上記四角形の枠状の３次元センサ用光導波路Ｗ1 を、タッチパネルの四角形のディスプレイの画面を囲むようにして、その画面周縁部の四角形に沿って設置する。そして、指でディスプレイの画面に触れると、図６に示すように、上記指（測定対象物）Ｍ2 の先端は上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 の測定用空間Ｈの上端開口から下端開口まで通過し、しかも、その指Ｍ2 は長いものであるため、上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 における全層の光導波路単層体Ｖで、出射した光Ｓの一部を遮断する。この場合、上記３次元センサは、ディスプレイの画面に触れたものが指Ｍ2 であると判断し、その触れ位置に表示された操作等を行えるようにする。他方、ディスプレイの画面に、塵埃，水滴等がある場合は、図５に示すように、その塵埃，水滴等（図５に示す測定対象物Ｍ1 に相当）により、上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 における下側の層の光導波路単層体Ｖのみで、出射した光Ｓの一部が遮断される。このような場合は、上記３次元センサは、指Ｍ2 （図６参照）がディスプレイの画面に触れていないと判断し、操作等を行えないようにすることができる。すなわち、上記塵埃，水滴等による誤作動を防止することができる。
特に、この実施の形態では、光出射側に、第１および第２レンズ部３１，４２が形成されているため、３次元センサ用光導波路Ｗ1 の測定用空間Ｈにおいて、光Ｓが進行方向に対して横方向ないし縦方向の発散を抑制された状態で格子状に走った状態となる。このため、測定対象物Ｍ1 に関して得られる情報の正確性を向上させることができる。
また、この実施の形態では、光入射側に、光Ｓ絞って集束させる上記第３および第４レンズ部（３３），（４４）が形成されているため、光出射側の第１および第２レンズ部３１，４２において光Ｓを絞った状態で出射しなくても、光伝送効率を向上させることができ、測定対象物Ｍ1 に関して得られる情報の正確性を向上させることができる。
つぎに、上記３次元センサに用いる３次元センサ用光導波路Ｗ1 の製造方法の一例について説明する。なお、この説明において参照する図７（ａ）〜（ｄ）ないし図８（ａ）〜（ｄ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す、第１〜第４レンズ部３１，４２，３３，４４およびその周辺部分を中心にその製造方法を図示している。また、これらの形状等は、光出射側と光入射側とで同一であるため、それらを併せて記載している。
まず、上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 における光導波路単層体Ｖを製造する際に用いる平板状の基台１〔図７（ａ）参照〕を準備する。この基台１の形成材料としては、例えば、ガラス，石英，シリコン，樹脂，金属等があげられる。また、基台１の厚みは、例えば、２０μｍ〜５ｍｍの範囲内に設定される。
ついで、図７（ａ）に示すように、上記基台１上の所定領域に、アンダークラッド層２の形成材料である、感光性樹脂が溶媒に溶解しているワニスを塗布する。上記感光性樹脂としては、例えば、感光性エポキシ樹脂等があげられる。上記ワニスの塗布は、例えば、スピンコート法，ディッピング法，キャスティング法，インジェクション法，インクジェット法等により行われる。そして、それを５０〜１２０℃×１０〜３０分間の加熱処理により乾燥させる。これにより、アンダークラッド層２に形成される感光性樹脂層２ａを形成する。
つぎに、上記感光性樹脂層２ａを照射線により露光する。上記露光用の照射線としては、例えば、可視光，紫外線，赤外線，Ｘ線，α線，β線，γ線等が用いられる。好適には、紫外線が用いられる。紫外線を用いると、大きなエネルギーを照射して、大きな硬化速度を得ることができ、しかも、照射装置も小型かつ安価であり、生産コストの低減化を図ることができるからである。紫外線の光源としては、例えば、低圧水銀灯，高圧水銀灯，超高圧水銀灯等があげられ、紫外線の照射量は、通常、１０〜１００００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲内に設定される。
上記露光後、光反応を完結させるために、加熱処理を行う。この加熱処理は、通常、８０〜２５０℃×１０秒〜２時間の範囲内で行う。これにより、上記感光性樹脂層２ａをアンダークラッド層２に形成する。アンダークラッド層２（感光性樹脂層２ａ）の厚みは、通常、１〜５０μｍの範囲内に設定される。
ついで、図７（ｂ）に示すように、上記アンダークラッド層２の表面に、コア３Ａ（３Ｂ）に形成される感光性樹脂層３ａを形成する。この感光性樹脂層３ａの形成は、図７（ａ）で説明した、アンダークラッド層２に形成される感光性樹脂層２ａの形成方法と同様にして行われる。なお、このコア３Ａ（３Ｂ）の形成材料は、上記アンダークラッド層２および後記のオーバークラッド層４〔図２（ｃ）参照〕の形成材料よりも屈折率が大きい材料が用いられる。この屈折率の調整は、例えば、上記アンダークラッド層２，コア３Ａ（３Ｂ），オーバークラッド層４の各形成材料の種類の選択や組成比率を調整して行うことができる。
つぎに、上記感光性樹脂層３ａの上方に、コア３Ａ（３Ｂ）のパターン〔第１および第３レンズ部３１（３３）を含む〕に対応する開口パターンが形成されている露光マスクを配置し、この露光マスクを介して上記感光性樹脂層３ａを照射線により露光した後、加熱処理を行う。この露光および加熱処理は、図７（ａ）で説明したアンダークラッド層２の形成方法と同様にして行われる。
つづいて、現像液を用いて現像を行うことにより、図７（ｃ）に示すように、上記感光性樹脂層３ａ〔図７（ｂ）参照〕における未露光部分を溶解させて除去し、アンダークラッド層２上に残存した感光性樹脂層３ａをコア３Ａ（３Ｂ）のパターンに形成する。上記現像は、例えば、浸漬法，スプレー法，パドル法等が用いられる。また、現像液としては、例えば、有機系の溶媒，アルカリ系水溶液を含有する有機系の溶媒等が用いられる。このような現像液および現像条件は、感光性樹脂組成物の組成によって、適宜選択される。
上記現像後、コア３Ａ（３Ｂ）のパターンに形成された残存感光性樹脂層３ａの表面等に残存する現像液を加熱処理により除去する。この加熱処理は、通常、８０〜１２０℃×１０〜３０分間の範囲内で行われる。これにより、上記コア３Ａ（３Ｂ）のパターンに形成された残存感光性樹脂層３ａを、コア３Ａ（３Ｂ）〔第１および第３レンズ部３１（３３）を含む〕に形成する。コア３Ａ（３Ｂ）（感光性樹脂層３ａ）の厚みは、通常、１０〜１００μｍの範囲内に設定され、コア３Ａ（３Ｂ）の幅〔第１および第３レンズ部３１（３３）の略扇形状の拡幅部以外〕は、通常、８〜５０μｍの範囲内に設定される。また、第１および第３レンズ部３１（３３）の略扇形状の拡幅部の中心角度（テーパ角度）は、通常、５°〜５０°の範囲内に設定され、上記第１および第３レンズ部３１（３３）のレンズ面３１ａ（３３ａ）の曲率半径が５０μｍを超え６０００μｍ未満に設定される。
そして、図７（ｄ）に示すように、そのコア３Ａ（３Ｂ）を被覆するように、上記アンダークラッド層２の表面に、オーバークラッド層４に形成される感光性樹脂を塗布し、感光性樹脂層（未硬化）４ａを形成する。このオーバークラッド層４に形成される感光性樹脂としては、例えば、上記アンダークラッド層２と同様の感光性樹脂があげられる。
ついで、図８（ａ）に示すように、オーバークラッド層４を四角形の枠状にプレス成形するための成形型２０を準備する。この成形型２０は、紫外線等の照射線を透過させる材料（例えば石英）からなり、上記第２および第４レンズ部４２（４４）を含むオーバークラッド層４の表面形状と同形状の型面２１からなる凹部が形成されている。そして、図８（ｂ）に示すように、上記成形型２０の型面（凹部）２１が上記コア３Ａ（３Ｂ）に対して所定位置に位置決めされるよう、上記感光性樹脂層４ａに対して成形型２０をプレスし、その感光性樹脂層４ａをオーバークラッド層４の形状に成形する。つぎに、その状態で、上記成形型２０を通して紫外線等の照射線を露光した後に加熱処理を行う。この露光および加熱処理は、図７（ａ）で説明したアンダークラッド層２の形成方法と同様にして行われる。その後、図８（ｃ）に示すように、脱型する。これにより、第２および第４レンズ部４２（４４）が形成された、四角形の枠状のオーバークラッド層４を得る。オーバークラッド層４の高さは、通常、５０〜２０００μｍの範囲内に設定される。また、上記第１レンズ部３１のレンズ面３１ａの曲率中心から上記第２レンズ部４２のレンズ面４２ａの曲率中心までの距離および上記第３レンズ部３３のレンズ面３３ａの曲率中心から上記第４レンズ部４４のレンズ面４４ａの曲率中心までの距離は、４００μｍを超え１００００μｍ未満に設定される。また、上記第２および第４レンズ部４２（４４）のレンズ面４２ａ（４４ａ）の曲率半径は、３００μｍを超え１００００μｍ未満に設定される。
このようにして、オーバークラッド層４の延長部として第２および第４レンズ部４２（４４）が形成されるため、オーバークラッド層４が形成された時点で、コア３Ａ（３Ｂ）端部の第１および第３レンズ部３１（３３）と、オーバークラッド層４の延長部からなる第２および第４レンズ部４２（４４）とが、位置決めされた状態となる。また、アンダークラッド層２とオーバークラッド層４とが同じ形成材料の場合は、アンダークラッド層２とオーバークラッド層４とは、その接触部分で同化する。
その後、図８（ｄ）に示すように、刃型を用いた打ち抜き等により、基台１とともにアンダークラッド層２等を四角形の枠状に切断する。これにより、基台１の表面に、上記アンダークラッド層２，コア３Ａ（３Ｂ）およびオーバークラッド層４〔第２および第４レンズ部４２（４４）を含む〕からなる、四角形の枠状の光導波路単層体Ｖが製造される。この光導波路単層体Ｖの厚みは、通常、５００〜５０００μｍの範囲内に設定される。そして、この光導波路単層体Ｖを、上記基台１から剥離する〔図２（ｃ）参照〕。
そして、図１に示すように、上記光導波路単層体Ｖを、その厚み方向に同軸的に複数積層する。この実施の形態では、上記光導波路単層体Ｖの枠を揃えて積層する。また、積層する際には、上側の枠状の光導波路単層体Ｖの下面または下側の枠状の光導波路単層体Ｖの上面に、接着剤を塗布する。このようにして、上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 を製造する。
つぎに、上記３次元センサ用光導波路Ｗ1 を用いての３次元センサの製造方法について説明する。すなわち、図３に示すように、上記四角形の枠状の各光導波路単層体Ｖにおいて、光出射側の光導波路部分Ａの外側端縁部の所定部分ａに、発光素子５を接続し、光入射側の光導波路部分Ｂの外側端縁部の所定部分ｂに、受光素子６を接続する。また、上記発光素子５および受光素子６を、制御手段７に電気的に接続する。このようにして、上記３次元センサを製造する。
図９は、本発明の３次元センサ用光導波路の第２の実施の形態を示す平面図である。この実施の形態の３次元センサ用光導波路Ｗ2 は、上記第１の実施の形態の３次元センサ用光導波路Ｗ1 （図１参照）において、積層状態にある上側の枠状の光導波路単層体Ｖと下側の枠状の光導波路単層体Ｖとが、相互に枠をずらした状態に位置決めされている。それ以外の部分は、上記第１の実施の形態と同様であり、同様の部分には、同じ符号を付している。
この実施の形態の３次元センサ用光導波路Ｗ2 を用いた３次元センサでは、光導波路単層体Ｖの積層位置（高さ位置）によって、出射する光の方向が異なる。このため、測定対象物を高さ位置によって、角度を変えて測定することができる。これにより、測定対象物の形状の概略を得ることができる。
上記各実施の形態において、３次元センサ用光導波路Ｗ1 ，Ｗ2 の大きさは、それ自体に光導波路を用いるため、小形化することができる。また、光出射側と光入射側とで光伝送ができれば、その大きさに上限はない。測定対象物Ｍ1 の大きさ，その移動範囲等に対応して適宜設定すればよい。例えば、上記第１の実施の形態のように、３次元センサ用光導波路Ｗ1 をタッチパネルのディスプレイに設置する場合、四角形の枠状の光導波路単層体Ｖの縦と横の長さは、それぞれ３０〜３００ｍｍ程度、枠幅は、１ｍｍ〜３０ｍｍ程度に設定され、また、上記光導波路単層体Ｖの積層数は、２層以上、３次元センサ用光導波路Ｗ1 の総厚みは、１ｍｍ以上に設定される。
また、光Ｓを出射するコア３Ａ（光Ｓを入射するコア３Ｂ）の数も、測定対象物Ｍ1 の大きさ，その移動範囲等に対応して適宜設定すればよい。例えば、上記第１の実施の形態のように、３次元センサ用光導波路Ｗ1 をタッチパネルのディスプレイに設置する場合、光Ｓを出射するコア３Ａの数は、１層の光導波路単層に２０〜１００本程度に設定される。
なお、上記各実施の形態では、積層状態にある上側の光導波路単層体Ｖと下側の光導波路単層体Ｖとは接触させたが、スペーサーを介する等して、間隔をあけて積層してもよい。その間隔も、測定対象物Ｍ1 の大きさ，その移動範囲等に対応して適宜設定すればよい。
また、上記各実施の形態では、光導波路単層体Ｖを四角形の枠状としたが、その四角形の枠状の光導波路単層体Ｖを構成する２つのＬ字形の光導波路部分Ａ，Ｂを別体にしてもよい。その製造方法としては、上記四角形の枠状に切断するのに代えて、２つのＬ字形に切断すればよい。また、上記光導波路単層体Ｖの枠状の形状は、四角形だけでなく、他の多角形でもよいし、円形でもよい。
そして、上記各実施の形態では、コア３Ａ，３Ｂ端部の第１および第３レンズ部３１，３３を略扇形状に形成したが、３次元センサとして光出射側と光入射側との間で適正に光伝送を行うことができれば、上記第１および第３レンズ部３１，３３を均一幅で形成してもよい。
また、光入射側では、上記第３および第４レンズ部３３，４４〔図２（ａ）〜（ｃ）参照〕を形成せず、光入射側のコア３Ｂの端面をオーバークラッド層４の端面から露出させてもよい。この場合、光伝送効率を向上させる観点から、光入射側のコア３Ｂの端面に光が集束した状態で入射するよう、光出射側の第１および第２レンズ部３１，４２において光を絞って出射させることが好ましい。逆に、光出射側の上記第１および第２レンズ部３１，４２を形成せず、光入射側の上記第３および第４レンズ部３３，４４を形成した状態にしてもよい。この場合、光出射側のコア３Ａの端面をオーバークラッド層４の端面から露出させる。
さらに、３次元センサとして光出射側と光入射側との間で適正に光伝送を行うことができれば、上記第１〜第４レンズ部３１，４２，３３，４４は形成しなくてもよい。この場合、光出射側のコア３Ａの端面および光入射側のコア３Ｂの端面をオーバークラッド層４の端面から露出させる。
また、上記各実施の形態では、感光性樹脂を用いてアンダークラッド層２を形成したが、これに代えて、アンダークラッド層２として作用する樹脂フィルムを準備し、それをそのままアンダークラッド層２として用いてもよい。また、アンダークラッド層２に代えて、金属フィルム（金属材），金属薄膜（金属材）が表面に形成された基板等を、コア３Ａ，３Ｂがその表面に形成される基体として用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、上記基台１から光導波路単層体Ｖを剥離して積層したが、剥離することなく、基台１の表面に形成された状態で積層してもよい。
つぎに、実施例について説明する。但し、本発明は、これに限定されるわけではない。
〔アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料〕
下記の一般式（１）で示されるビスフェノキシエタノールフルオレングリシジルエーテル（成分Ａ）３５重量部、脂環式エポキシ樹脂である３’，４’−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）（成分Ｂ）４０重量部、（３’，４’−エポキシシクロヘキサン）メチル−３’，４’−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート（ダイセル化学社製、セロキサイド２０８１）（成分Ｃ）２５重量部、４，４’−ビス〔ジ（βヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液（成分Ｄ）２重量部とを混合することにより、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料を調製した。
下記の一般式（１）で示されるビスフェノキシエタノールフルオレングリシジルエーテル（成分Ａ）３５重量部、脂環式エポキシ樹脂である３’，４’−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）（成分Ｂ）４０重量部、（３’，４’−エポキシシクロヘキサン）メチル−３’，４’−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート（ダイセル化学社製、セロキサイド２０８１）（成分Ｃ）２５重量部、４，４’−ビス〔ジ（βヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液（成分Ｄ）２重量部とを混合することにより、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料を調製した。
〔コアの形成材料〕
上記成分Ａ：７０重量部、１，３，３−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝ブタン：３０重量部、上記成分Ｄ：１重量部を乳酸エチル２８重量部に溶解することにより、コアの形成材料を調製した。
上記成分Ａ：７０重量部、１，３，３−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝ブタン：３０重量部、上記成分Ｄ：１重量部を乳酸エチル２８重量部に溶解することにより、コアの形成材料を調製した。
〔３次元センサ用光導波路の作製〕
ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム〔１６０ｍｍ×１６０ｍｍ×１８８μｍ（厚み）〕の表面に、上記アンダークラッド層の形成材料をアプリケーターにより塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ2 の紫外線照射による露光を行った。つづいて、１００℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、アンダークラッド層を形成した。このアンダークラッド層の厚みを接触式膜厚計で測定すると２０μｍであった。また、このアンダークラッド層の、波長８３０ｎｍにおける屈折率は、１．５０２であった。
ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム〔１６０ｍｍ×１６０ｍｍ×１８８μｍ（厚み）〕の表面に、上記アンダークラッド層の形成材料をアプリケーターにより塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ2 の紫外線照射による露光を行った。つづいて、１００℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、アンダークラッド層を形成した。このアンダークラッド層の厚みを接触式膜厚計で測定すると２０μｍであった。また、このアンダークラッド層の、波長８３０ｎｍにおける屈折率は、１．５０２であった。
ついで、上記アンダークラッド層の表面に、上記コアの形成材料をアプリケーターにより塗布した後、１００℃×１５分間の乾燥処理を行った。つぎに、その上方に、コアのパターン（第１および第３レンズ部を含む）と同形状の開口パターンが形成された合成石英系のクロムマスク（露光マスク）を介して、プロキシミティ露光法にて４０００ｍＪ／ｃｍ2 の紫外線照射による露光を行った後、８０℃×１５分間の加熱処理を行った。つぎに、γ−ブチロラクトン水溶液を用いて現像することにより、未露光部分を溶解除去した後、１２０℃×３０分間の加熱処理を行うことにより、コアを形成した。コア端部の第１および第３レンズ部は、略扇形状とし、中心角度７°、レンズ面の曲率半径１６０μｍ、長さ２４６０μｍであった。また、コアの厚みは５０μｍ、幅（第１および第３レンズ部の略扇形状の拡幅部以外）は１５μｍであった。上記各寸法は、ＳＥＭ（電子顕微鏡）で測定した。また、このコアの、波長８３０ｎｍにおける屈折率は、１．５８８であった。
そして、コアを被覆するように、上記アンダークラッド層の表面に、オーバークラッド層の形成材料をアプリケーターにより塗布した。つぎに、オーバークラッド層形成用の石英製成形型を、第２および第４レンズ部のレンズ面の曲率半径（１５００μｍ）に対応して準備した。これら成形型には、オーバークラッド層の表面形状（第２および第４レンズ部を含む）と同形状の型面からなる凹部が形成されている。そして、第１レンズ部のレンズ面の曲率中心から第２レンズ部のレンズ面の曲率中心までの距離および第３レンズ部のレンズ面の曲率中心から第４レンズ部のレンズ面の曲率中心までの距離を２８００μｍに設定し、上記成形型をプレスした。つぎに、上記成形型を通して、２０００ｍＪ／ｃｍ2 の紫外線照射による露光を行った後、１２０℃×１５分間の加熱処理を行った。その後、脱型した。これにより、第２および第４レンズ部を含むオーバークラッド層を得た。このオーバークラッド層の高さをマイクロスコープ（キーエンス社製）で測定すると、その高さは１．５ｍｍであった。また、このオーバークラッド層の、波長８３０ｎｍにおける屈折率は、１．５０２であった。
そして、刃型を用いた打ち抜きにより、上記ＰＥＮフィルムとともに、２つのＬ字形の光導波路部分に切断し、ＰＥＮフィルム付きＬ字形光導波路部分（外形寸法：６６．３ｍｍ×７０．０ｍｍ、Ｌ字形の線幅：１０ｍｍ）を２つ（四角形の枠状のＰＥＮフィルム付き光導波路単層体）得た。
得られた２つのＰＥＮフィルム付きＬ字形光導波路部分を、ガラスエポキシ基板の表面に対向させ、四角形の枠状になるよう配置した。そして、対峙する光出射側のコアと光入射側のコアの光軸が一致するよう、マイクロスコープを用いて位置合わせを行った。同様にして、上記ＰＥＮフィルム付きＬ字形光導波路部分を、接着剤を介して、３層積層した。この状態で、紫外線硬化型接着剤を用いてガラスエポキシ基板の表面に接着固定した。その接触面は、上記ＰＥＮフィルムとした。このようにして、３層構造の３次元センサ用光導波路を作製した。
〔３次元センサの作製〕
そして、上記３次元センサ用光導波路の各層において、光を出射する側のＬ字形光導波路部分の外側端縁部の所定部分に発光素子（ＶＣＳＥＬ）を接続し、光を入射させる側のＬ字形光導波路部分の外側端縁部の所定部分に受光素子（ＣＭＯＳリニアセンサアレイ）を接続した。さらに、上記発光素子および受光素子をマイクロプロセッサに電気的に接続した。このようにして、３次元センサを作製した。
そして、上記３次元センサ用光導波路の各層において、光を出射する側のＬ字形光導波路部分の外側端縁部の所定部分に発光素子（ＶＣＳＥＬ）を接続し、光を入射させる側のＬ字形光導波路部分の外側端縁部の所定部分に受光素子（ＣＭＯＳリニアセンサアレイ）を接続した。さらに、上記発光素子および受光素子をマイクロプロセッサに電気的に接続した。このようにして、３次元センサを作製した。
〔評価〕
そして、各発光素子から強度１．５ｍＷの光（波長８５０ｎｍ）を発光させたところ、各受光素子で光を検知できることを確認した。さらに、上記３層構造の３次元センサ用光導波路の測定用空間の上端開口から指先を入れ、上記ガラスエポキシ基板の表面まで到達させると、３層全ての光導波路単層体において、出射した光の一部が遮断された。また、上記ガラスエポキシ基板の表面に水滴を滴下すると、最下層の光導波路単層体において、出射した光の一部が遮断された。また、上記ガラスエポキシ基板の表面に発泡スチロール片（直径３ｍｍ）を置くと、最下２層の光導波路単層体において、出射した光の一部が遮断された。
そして、各発光素子から強度１．５ｍＷの光（波長８５０ｎｍ）を発光させたところ、各受光素子で光を検知できることを確認した。さらに、上記３層構造の３次元センサ用光導波路の測定用空間の上端開口から指先を入れ、上記ガラスエポキシ基板の表面まで到達させると、３層全ての光導波路単層体において、出射した光の一部が遮断された。また、上記ガラスエポキシ基板の表面に水滴を滴下すると、最下層の光導波路単層体において、出射した光の一部が遮断された。また、上記ガラスエポキシ基板の表面に発泡スチロール片（直径３ｍｍ）を置くと、最下２層の光導波路単層体において、出射した光の一部が遮断された。
上記結果から、上記３次元センサを、タッチパネルにおける指の触れ位置の検知手段として用いると、実施に指で触れたか否かを判断することができ、水滴，塵埃（発泡スチロール片）等による誤作動を防止することができることがわかる。
Ｖ 光導波路単層体
Ｗ1 ３次元センサ用光導波路
Ｈ 測定用空間
３Ａ，３Ｂ コア
４ オーバークラッド層
Ｗ1 ３次元センサ用光導波路
Ｈ 測定用空間
３Ａ，３Ｂ コア
４ オーバークラッド層
Claims (6)
- 下記（α）の光導波路単層体が、その厚み方向に同軸的に複数積層され、積層された枠状の光導波路単層体の内側空間が測定用空間になっていることを特徴とする３次元センサ用光導波路。
（α）コアと、このコアを被覆した状態で形成されたオーバークラッド層とを備え、全体が枠状に形成され、光を出射するコアの端部が上記枠状の内側の一側部に位置決めされ、上記出射された光を入射するコアの端部が上記枠状の内側の他側部に位置決めされた光導波路単層体。 - 上記光導波路単層体において、光を出射するコアの端部が第１レンズ部に形成され、その第１レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る平面視円弧状に形成され、上記オーバークラッド層の端部が上記第１レンズ部におけるレンズ面を被覆する状態に形成され、そのオーバークラッド層の端部が第２レンズ部に形成され、その第２レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る側断面視円弧状に形成されている請求項１記載の３次元センサ用光導波路。
- 上記光導波路単層体において、出射された光を入射するコアの端部が第３レンズ部に形成され、その第３レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る平面視円弧状に形成され、上記オーバークラッド層の他の端部が上記第３レンズ部のレンズ面を被覆する状態に形成され、そのオーバークラッド層の端部が第４レンズ部に形成され、その第４レンズ部におけるレンズ面が外側に向かって反る側断面視円弧状に形成されている請求項１または２記載の３次元センサ用光導波路。
- 積層状態にある上側の枠状の光導波路単層体と下側の枠状の光導波路単層体とが、相互に枠をずらした状態に位置決めされている請求項１〜３のいずれか一項に記載の３次元センサ用光導波路。
- 上記コアが、アンダークラッド材または金属材からなる基体の表面の所定部分に形成され、上記オーバークラッド層が、上記コアを被覆した状態で上記基体の表面に形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の３次元センサ用光導波路。
- 上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の３次元センサ用光導波路と制御手段とを備え、上記３次元センサ用光導波路において、光を出射するコアの端部に光伝播する発光素子が、枠状の光導波路単層体の外側部に設けられ、光を入射するコアの端部から光伝播される受光素子が、枠状の光導波路単層体の外側部に設けられ、上記制御手段が、上記発光素子と受光素子とに、電気的に接続され、上記発光素子の発光を制御し、かつ、上記受光素子からの信号を受けて演算処理することを特徴とする３次元センサ。
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