JP2012063969A - 光導波路デバイスおよび光学式タッチパネル - Google Patents

Abstract

【課題】３次元タッチパネルで、物体の高さ方向の座標（ｚ座標）を光学的に検知できるようにする。ｚ座標を検知するため、電子ペンを使用、あるいはタッチの押圧強度を用いるが、不特定多数の人にも使用し易くする。
【解決手段】光学式タッチパネルは、複数の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃが積層された光導波路積層体１２の光の入射端を、２次元の発光素子１１に光結合した光導波路デバイス１７を、発光側に備える。複数の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃが積層された光導波路積層体１５の光の出射端を、２次元の受光素子１６に光結合した光導波路デバイス１８を、受光側に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学的に３次元検知の可能な光導波路デバイスと、それを用いた光学的に３次元検知の可能な光学式タッチパネルに関する。

発光素子からの光を、発光側光導波路を通して座標入力領域に導き、座標入力領域を通過した光を、受光側光導波路を通して受光素子に導く光学式タッチパネルが知られている（例えば特許文献１、２）。

特許文献１（USER INPUT DEVICE FOR A COMPUTER SYSTEM）の光学式タッチパネルでは、座標入力領域の光線を遮断する物体の２次元座標（ｘｙ座標）を検知することができる。また、特許文献２（タッチパネル用光導波路）の光学式タッチパネルでは、座標入力領域の光線を遮断する物体の２次元座標（ｘｙ座標）を検知することができる。

図８は特許文献２の光学式タッチパネル４０である。図８（ａ）に示すように、発光素子４１から出た光は、発光側光導波路４２を通って座標入力領域４３に出射する。座標入力領域４３を通過した光線４４は、受光側光導波路４５を通って受光素子４６に入る。図８（ｃ）に示すように、座標入力領域４３の下方には、画像表示装置４７が設けられる。

図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、発光側光導波路４２において、コア４８はクラッド４９に埋設される。また図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、受光側光導波路４５において、コア５０はクラッド５１に埋設される。光はコア４８、５０とクラッド４９、５１の境界面で全反射しながら、コア４８、５０の中を進行する。光がコア４８、５０とクラッド４９、５１の境界面で全反射するように、コア４８、５０の屈折率はクラッド４９、５１の屈折率より高く設定される。

図９は、特許文献２の光学式タッチパネル４０に用いられる発光側光導波路デバイスの斜視図である。発光側光導波路デバイスとは、発光側光導波路４２と発光素子４１とを結合したものをいう。発光領域５２が直線的に配列した１次元発光素子４１から出た光５３は、発光側光導波路４２のコア４８に入射する。コア４８を通った光は、コア４８の端（出射口）から、光線４４として座標入力領域４３に出射する。図９においては、説明のため発光側光導波路４２と発光素子４１を離して描いているが、実際は、発光側光導波路４２と発光素子４１は密着し、光結合している。

図１０は、特許文献２の光学式タッチパネル４０に用いられる受光側光導波路デバイスの斜視図である。受光側光導波路デバイスとは、受光側光導波路４５と受光素子４６とを結合したものである。座標入力領域４３を通過した光４４は、受光側光導波路４５のコア５０に入射する。コア５０を通った光はコア５０の端から出射し、受光領域５４が直線的に配列した１次元受光素子４６に入射する。図１０においては、説明のため受光側光導波路４５と受光素子４６を離して描いているが、実際は、受光側光導波路４５と受光素子４６は密着し、光結合している。

図８に示す特許文献２の光学式タッチパネル４０には、物体の高さ方向の座標（ｚ座標；座標入力領域４３の表面に垂直な方向の座標）を検知する手段が無い。そのため特許文献２の光学式タッチパネル４０では、座標入力領域４３の物体の高さ方向の座標（ｚ座標）を検知することはできない。同様に特許文献１の光学式タッチパネルでも、座標入力領域の物体の高さ方向の座標（ｚ座標）を検知することはできない。

座標入力領域の物体の３次元座標（ｘｙｚ座標）が検知できれば、様々な利用方法が考えられるため、３次元座標を検知できるタッチパネルが公開されている（例えば特許文献３〜７）。

特許文献３（３次元位置認識型タッチパネル装置）では、座標入力領域の周囲に、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に配列された複数のセンサーが設けられる（ｚ方向が高さ方向である）。特許文献３のタッチパネルは光学式タッチパネルである。これを用いて座標入力領域の光線を遮断する物体のｚ座標を検知する。特許文献３では、認識された３次元位置データの使用方法は詳しく述べられているが、センサーの構造については具体的な記載が無い。そのため、特許文献３では物体の３次元座標（ｘｙｚ座標）を検知する手段が明らかでない。

特許文献４（電子ペンおよびタッチパネル装置）では、座標入力領域の周囲に、水平方向（ｘ方向、ｙ方向）に配列された複数のセンサーが設けられる。特許文献４のタッチパネルは光学式タッチパネルである。しかし高さ方向（ｚ方向）に配列されたセンサーはない。従ってこのタッチパネル装置では、ｚ座標を光学的に検知することはできない。その代わり電子ペンにかかる筆圧や電子ペンの傾きを検出し、ｚ方向の押圧力を計算し、ｚ方向の押圧力をｚ座標に換算して、電子ペンの３次元座標（ｘｙｚ座標）を検知する。特許文献４のタッチパネル装置では専用の電子ペンを使用しなければならない。そのため、このタッチパネル装置は、不特定多数の人が使用するタッチパネル装置、例えばＡＴＭや自動券売機には向いていない。

特許文献５（タッチパネル入力方法及び装置）では、表面弾性波タッチパネルを用いる。表面弾性波タッチパネルではタッチの押圧力を検知する事が出来る。そこでタッチの押圧力をｚ座標に換算して、物体の３次元座標（ｘｙｚ座標）を検知する。そのため利用者は、タッチの押圧強度をタッチパネルの設定に合致するように調整しなければならない。押圧強度の調整を不特定多数の人に求めることは難しい。また過大な押圧はタッチパネルの故障の原因となる。

特許文献６（タッチパネル式入力装置）では、抵抗膜式タッチパネルの裏面に感圧センサーを設ける。押圧位置（ｘｙ座標）は抵抗膜式タッチパネルの通常の機能により検知する。押圧力と押圧時間を感圧センサーにより検知し、押圧力と押圧時間をｚ座標に換算する。このｚ座標を押圧位置（ｘｙ座標）とあわせて、物体の３次元座標（ｘｙｚ座標）を検知する。利用者はタッチの押圧力と押圧時間を、タッチパネルの設定に合致するように調整しなければならない。押圧力と押圧時間の調整を不特定多数の人に求めることは難しい。また過大な押圧強度はタッチパネルの故障の原因となる。画像表示装置の表示性能が低下しやすい抵抗膜式タッチパネルに、更に感圧センサーを付加すると、画像表示装置の表示性能が一層低下する可能性がある。

特許文献７（３次元タッチパネル）では、座標入力領域の４隅に設けた圧力センサーにより、座標入力領域に印加された荷重を検知する。４個の圧力センサーの出力から、座標入力領域を押圧した物体の位置（ｘｙ座標）と押圧力を計算する。押圧力をｚ座標に換算して、物体の３次元座標（ｘｙｚ座標）を検知する。利用者はタッチの押圧強度を、タッチパネルの設定に合致するように調整しなければならない。押圧強度の調整を不特定多数の人に求めることは難しい。また過大な押圧強度はタッチパネルの故障の原因となる。

ＵＳ ６，３５１，２６０ Ｂ１ 特開２００８−１８１４１１号公報 特開平８−２１２００５号公報 特開２００６−９２４１０号公報 特開平１０−１３３８１８号公報 特開２００６−３９７４５号公報 特開２００６−１２６９９７号公報

以上の問題を解決するため、本発明は次のことを目的とする。
（１）物体の３次元位置座標（ｘ、ｙ、ｚ座標）を光学的に検知できる光導波路デバイスを提供する。
（２）前記の光導波路デバイスを用いて、物体の３次元の位置座標（ｘ、ｙ、ｚ座標）を光学的に検知できる光学式タッチパネルを提供する。

（１）本発明の光導波路デバイス（受光側）は光導波路積層体を有する。光導波路積層体は複数の光導波路の少なくとも一部が積層されてなる。光導波路積層体は光の入射端と出射端を備える。光導波路積層体の光の出射端は、受光領域が２次元的に配置された２次元の受光素子に光結合する。
（２）本発明の光導波路デバイス（受光側）においては、光の出射端において、複数の光導波路が密着して積層される。また光の入射端において、複数の光導波路が互いに間隔を隔てる。
（３）本発明の光導波路デバイス（発光側）は光導波路積層体を有する。光導波路積層体は複数の光導波路の少なくとも一部が積層されてなる。光導波路積層体は光の入射端と出射端を備える。光導波路積層体の光の入射端は、発光領域が２次元的に配置された２次元の発光素子に光結合する。
（４）本発明の光導波路デバイス（発光側）においては、光の入射端において、複数の光導波路が密着して積層される。また光の出射端において、複数の光導波路が互いに間隔を隔てる。
（５）本発明の光学式タッチパネルは、上記（１）または（２）の光導波路デバイスを受光側の光導波路デバイスとして備える。また、本発明の光学式タッチパネルは、上記（３）または（４）の光導波路デバイスを、発光側の光導波路デバイスとして備える。本発明の光学式タッチパネルは、発光側光導波路デバイスから出射され、受光側光導波路デバイスに入射する複数の光線層を、座標入力領域に備える。複数の光線層は座標入力領域の表面に平行であり、互いに間隔を隔てる。

（１）本発明の光学式タッチパネルは、物体の高さ方向の座標も光学的に検知するので、座標入力領域を押圧する必要が無く、故障のおそれが少ない。
（２）本発明の光学式タッチパネルは特別な入力手段（電子ペンなど）を必要とせず、通常のタッチパネルのように指で入力できる。
（３）本発明の光学式タッチパネルは、不特定多数の人が利用する入力装置、例えばＡＴＭや自動券売機に適している。
（４）従来のＡＴＭや自動券売機は２次元的な座標入力しかできなかったが、本発明の光学式タッチパネルを用いたＡＴＭや自動券売機は、３次元的な座標入力が出来る。

本発明の光学式タッチパネルの平面図 （ａ）本発明の光学式タッチパネルのＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｂ）本発明の光学式タッチパネルのＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）本発明の光学式タッチパネルのＣ−Ｃ線に沿った断面図 本発明の光導波路デバイス（発光側）の斜視図 本発明の光導波路デバイス（受光側）の斜視図 （ａ）本発明の光導波路デバイス（発光側）の平面図、（ｂ）本発明の光導波路デバイス（発光側）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｃ）本発明の光導波路デバイス（発光側）のＢ−Ｂ線に沿った断面図 （ａ）本発明の光導波路デバイス（受光側）の平面図、（ｂ）本発明の光導波路デバイス（受光側）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｃ）本発明の光導波路デバイス（受光側）のＢ−Ｂ線に沿った断面図 （ａ）本発明の光学式タッチパネルにおいて、物体の３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）座標を検知する方法の説明図、（ｂ）本発明の光学式タッチパネルにおいて、物体の３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）座標を検知する方法の説明図、（ｃ）本発明の光学式タッチパネルにおいて、物体の３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）座標を検知する方法の説明図 （ａ）従来の光学式タッチパネルの平面図、（ｂ）従来の光学式タッチパネルのＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｃ）従来の光学式タッチパネルのＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｄ）従来の光学式タッチパネルのＣ−Ｃ線に沿った断面図 従来の光学式タッチパネルに用いられる発光側光導波路デバイスの斜視図 従来の光学式タッチパネルに用いられる受光側光導波路デバイスの斜視図

図１は本発明の光学式タッチパネル１０の一例の平面図である。図１に示すように、発光素子１１から出た光は、発光側光導波路積層体１２を通って座標入力領域１３に出射する。座標入力領域１３を通過した光線１４は、受光側光導波路積層体１５に入射し、受光側光導波路積層体１５を通って受光素子１６に入る。
本発明の光学式タッチパネル１０は、本発明の光導波路デバイス１７（発光側）と、本発明の光導波路デバイス１８（受光側）を備える。本明細書では、発光側光導波路積層体１２と発光素子１１とを結合したものを発光側の光導波路デバイス１７という。また受光側光導波路積層体１５と受光素子１６とを結合したものを受光側の光導波路デバイス１８という。図２（ｂ）に示すように、座標入力領域１３の下部には画像表示装置１９がある。

図２は、本発明の光学式タッチパネル１０に用いられる、発光側の光導波路デバイス１７および受光側の光導波路デバイス１８の断面図である。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、受光側光導波路積層体１５の光導波路１５ａにおいて、コア２２ａはクラッド２３ａに埋設される。また光導波路１５ｂにおいて、コア２２ｂはクラッド２３ｂに埋設される。また光導波路１５ｃにおいて、コア２２ｃはクラッド２３ｃに埋設される。光はコア２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、クラッド２３ａ、２３ｂ、２３ｃの境界面で全反射しながら、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの中を進行する。コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの屈折率はクラッド２３ａ、２３ｂ、２３ｃの屈折率より高い。

図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、発光側光導波路積層体１２の光導波路１２ａにおいて、コア２０ａはクラッド２１ａに埋設される。光導波路１２ｂにおいて、コア２０ｂはクラッド２１ｂに埋設される。光導波路１２ｃにおいて、コア２０ｃはクラッド２１ｃに埋設される。光はコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、クラッド２１ａ、２１ｂ、２１ｃの境界面で全反射しながら、コア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの中を進行する。コア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの屈折率はクラッド２１ａ、２１ｂ、２１ｃの屈折率より高い。

図２では、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃがそれぞれ３層であるが、これは一例である。本発明の光学式タッチパネル１０では、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃは２層以上あればよく、最大層数の制限はない。また、受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃは２層以上あればよく、最大層数の制限はない。本発明の光学式タッチパネル１０に用いられるとき、図２に示すように、発光側光導波路積層体１２の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃの層数と、受光側光導波路積層体１５の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの層数は等しい。

発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの層数が少ない場合、発光側光導波路積層体１２および受光側光導波路積層体１５の製造は容易である。しかし光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃのｚ方向（画像表示装置１９の表面に垂直な方向）の層数が少なくなる。通常、光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃのｚ方向の層数は、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃの層数、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの層数と等しい。発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの層数が多い場合、発光側光導波路積層体１２および受光側光導波路積層体１５の製造は難しくなる。しかし光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃのｚ方向の層数を多くすることができる。

図２（ａ）に示すように、受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃのコア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの一端は、受光素子１６に光結合する。図２（ａ）に示すように受光側光導波路積層体１５において、受光素子１６に結合する部分では、光導波路１５ａ、光導波路１５ｂ、光導波路１５ｃが密着して積層している。受光素子１６から離れたところでは、光導波路１５ａ、光導波路１５ｂ、光導波路１５ｃは密着しておらず、各層の間に隙間２４がある。隙間２４は、図２（ｂ）に示すｚ方向の光線間距離ｐｚ（ｚ方向ピッチ）を適切な大きさに調整するため設けられる。ｚ方向の所望の光線間距離ｐｚが小さい場合、隙間２４は無くても良い。その場合、光導波路１５ａ、光導波路１５ｂ、光導波路１５ｃが全面的に密着して積層する。

図２（ｃ）に示すように、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃのコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの一端は発光素子１１に光結合する。図２（ｃ）に示すように発光側光導波路積層体１２において、発光素子１１に結合する部分では、光導波路１２ａ、光導波路１２ｂ、光導波路１２ｃが密着して積層している。発光素子１１から離れたところでは、光導波路１２ａ、光導波路１２ｂ、光導波路１２ｃは密着しておらず、各層の間に隙間２５がある。隙間２５は、図２（ｂ）に示すｚ方向の光線間距離ｐｚ（ｚ方向ピッチ）を適切な大きさに調整するため設けられる。ｚ方向の所望の光線間距離ｐｚが小さい場合、隙間２５は無くても良い。その場合、光導波路１２ａ、光導波路１２ｂ、光導波路１２ｃが全面的に密着して積層する。

図２（ｂ）に示すように、発光側の光導波路１２ａのコア２０ａから出射した光線１４ａは、座標入力領域１３を横切り、受光側の光導波路１５ａのコア２２ａに入射する。発光側の光導波路１２ｂのコア２０ｂから出射した光線１４ｂは、座標入力領域１３を横切り、受光側の光導波路１５ｂのコア２２ｂに入射する。発光側の光導波路１２ｃのコア２０ｃから出射した光線１４ｃは、座標入力領域１３を横切り、受光側の光導波路１５ｃのコア２２ｃに入射する。

本発明の光学式タッチパネル１０において、第１層の発光側の光導波路１２ａが、第１層の受光側の光導波路１５ａに対応する。第２層の発光側の光導波路１２ｂが、第２層の受光側の光導波路１５ｂに対応する。第３層の発光側の光導波路１２ｃが、第３層の受光側の光導波路１５ｃに対応する。この対応関係は、光導波路の層数が４以上の場合も同様である。通常、光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃは座標入力領域１３の表面に平行である。各光導波路のｚ方向の間隔（ｚ方向ピッチ；ｚ方向の光線間距離ｐｚに対応する）は、等間隔でも良いし、等間隔でなくても良い。

図３は本発明の光導波路デバイス１７（発光側）の斜視図である。発光領域２６を２次元的に配置した２次元の発光素子１１から出た光２７は、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃのコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃに入射する。コア２０ａ、２０ｂ、２０ｃを通った光は、コア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの端（出射口）から座標入力領域１３に出射し、光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃとなる。

図示しないが、２次元の発光素子１１は、発光領域２６を個別に配置したものに限らず、光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ側の面全体が発光するものでもよい。光学式タッチパネルに用いた場合、２次元の発光素子１１が、発光領域２６を個別に配置したものでも、面全体が発光するものでも、光線をさえぎる物体の座標検知能力に差は無い。

図３においては、説明のため、発光側光導波路積層体１２と発光素子１１を離して描いているが、実際には、発光側光導波路積層体１２と発光素子１１は密着し光結合している。

図３の光導波路デバイス１７においては、光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃが３層ある。従ってコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの光の出射口は３次元的（ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向）に配列する。座標入力領域１３に出射する光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、高さ方向（ｚ方向）に３層に分かれる。３層からなる光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、発光素子１１と光結合する部分では、密着していてｚ方向の隙間がない。このことは発光素子１１のサイズを小さくする上で有利である。発光素子１１のサイズを小さくすると、発光素子１１のコストを下げられる。

光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃを座標入力領域１３に出射する部分では、光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃの層間に隙間２５がある。隙間２５はｚ方向の光線間距離ｐ２（ｚ方向ピッチ）を適切な大きさに調整するため設けられる。ｚ方向の所望の光線間距離ｐ２が小さい場合、層間の隙間２５は無くてもよい。ｚ方向の光線間距離ｐ２を層毎に異ならせるときは、層毎に隙間２５の大きさ（ｚ方向ピッチ）を異ならせる。

図４は本発明の光導波路デバイス１８（受光側）の斜視図である。座標入力領域１３を通過した光線１４ａは、受光側の光導波路１５ａのコア２２ａの入射口に入射する。光線１４ｂは、受光側の光導波路１５ｂのコア２２ｂの入射口に入射する。光線１４ｃは、受光側の光導波路１５ｃのコア２２ｃの入射口に入射する。コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃを通った光はコア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの端（出射口）から出射して、受光領域２８が２次元的に配置された２次元の受光素子１６に入射する。

２次元の受光素子１６としては、ＣＣＤエリアイメージセンサーまたはＣＭＯＳエリアイメージセンサーが適している。図４においては、説明のため、受光側光導波路積層体１５と受光素子１６を離して描いているが、実際には、受光側光導波路積層体１５と受光素子１６は密着して光結合している。

図４においては、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの光出射口と、受光素子１６の受光領域２８が、１対１に対応するように描かれている。しかし、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの光出射口と、受光素子１６の受光領域２８は、１対１に対応しなくてもよい。コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの光出射口の配列ピッチよりも、受光素子１６の受光領域２８の配列ピッチの方が細かい場合、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの光出射口は受光素子１６の受光領域２８と部分的に対応する。この場合、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの光出射口と、受光素子１６の受光領域２８の光軸合わせは、１対１の対応の場合よりも容易になる。

図４の光導波路デバイス１８においては、光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃが３層ある。これを反映して、座標入力領域１３から入射する光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、高さ方向（ｚ方向）に３層に分かれる。光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの３つの層は、受光素子１６と光結合する部分では、密着していてｚ方向の隙間がない。これは受光素子１６のサイズを小さくする上で有利である。受光素子１６のサイズを小さくすると、受光素子１６のコストを下げられる。

光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃが座標入力領域１３から入射する部分では、３層の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃは層間に隙間２４がある。隙間２４はｚ方向の光線間距離ｐ４を適切な大きさに調整するため設けられる。ｚ方向の所望の光線間距離ｐ４が小さい場合、層間の隙間２４は無くてもよい。ｚ方向の光線間距離ｐ４を層毎に異ならせるときは、層毎に隙間２４の大きさ（ｚ方向ピッチ）を異ならせる。

本発明の光学式タッチパネル１０に、図３の発光側光導波路積層体１２を用いる場合、２次元の発光素子１１と光結合する部分で、コア２０ａ、２０ｂ、２０ｃのｚ方向のピッチｐ１は、５０μｍ〜３００μｍが適切である。光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃが座標入力領域１３に出射する部分で、コア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出射口のｚ方向のピッチｐ２（光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃのｚ方向のピッチに等しい）は、０．５ｍｍ〜５ｍｍが適切である。

本発明の光学式タッチパネル１０に、図４の受光側光導波路積層体１５を用いる場合、２次元の受光素子１６と光結合する部分で、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃのｚ方向のピッチｐ３は、５０μｍ〜３００μｍが適切である。光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃが座標入力領域１３から入射する部分で、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの入射口のｚ方向のピッチｐ４（光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃのｚ方向のピッチに等しい）は、０．５ｍｍ〜５ｍｍが適切である。

本発明の光学式タッチパネル１０において、図３に示す発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃのコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出射口のｚ方向のピッチｐ２と、図４に示す受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃのコア２２ａ、２２ｂ、２２ｃの入射口のｚ方向のピッチｐ４は、通常等しい。

図５は、本発明の光導波路デバイス１７（発光側）に用いられる発光側光導波路積層体１２の、光導波路１２ａのコア２０ａおよびクラッド２１ａの形状を示す説明図である。

図５（ａ）に示すように、コア２０ａの光の出射部２０ｐは、半円形のレンズ形状に作られている。半円形レンズ部分の厚さは、コア２０ａの他の部分と同じ厚さであるため、半円形レンズは平坦である。従ってこの半円形レンズは、厚さ方向のレンズ機能は無い。半円形レンズの働きにより、出射光線１４ａは横方向（ｘ方向またはｙ方向）に広がらない。

図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、コア２０ａはアンダークラッド２１ｐ上に形成され、オーバークラッド２１ｑに埋設される。本明細書では、アンダークラッド２１ｐとオーバークラッド２１ｑを合わせて単にクラッド２１ａという。オーバークラッド２１ｑの光出射面２１ｒは、円筒を中心軸に沿って４等分したうちの１つ、つまり１／４円筒形状のレンズとなっている。１／４円筒レンズの働きにより、コア２０ａから出射した光は高さ方向（ｚ方向）に広がらない。

コア２０ａの出射部２０ｐが半円形レンズ形状であることにより、出射光線１４ａは横方向に広がらない。またオーバークラッド２１ｑの光出射面２１ｒが１／４円筒レンズであることにより、出射光線１４ａは縦方向に広がらない。この組合せにより本発明の光導波路デバイス１７（発光側）では、細い平行光線１４ａが得られる。光導波路１２ａについての以上の説明は、光導波路１２ｂ、光導波路１２ｃについても同様である。このため本発明の光導波路デバイス１７（発光側）は、光学式タッチパネル１０に好適に用いられる。

図６は、本発明の光導波路デバイス１８（受光側）に用いられる受光側光導波路積層体１５の、光導波路１５ａのコア２２ａおよびクラッド２３ａの形状を示す説明図である。

図６（ａ）に示すように、コア２２ａの光の入射部２２ｐは半円形のレンズ形状に作られている。半円形レンズ部分の厚さは、コア２２ａの他の部分と同じ厚さであるため、半円形レンズは平坦である。半円形レンズの働きにより、コア２２ａに入射した光線１４ａは、ｘｙ平面上でコア２２ａの中心に収束する。

図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、コア２２ａはアンダークラッド２３ｐ上に形成され、オーバークラッド２３ｑに埋設される。本明細書では、アンダークラッド２３ｐとオーバークラッド２３ｑを合わせて単にクラッド２３ａという。オーバークラッド２３ｑの光入射面２３ｒは、円筒を中心軸に沿って４等分したうちの１つ、つまり１／４円筒形状のレンズとなっている。１／４円筒レンズの働きにより、入射した光線１４ａは、ｚ方向についてコア２２ａの中心に収束する。

コア２２ａの入射部２２ｐが半円形レンズ形状であることにより、入射光線１４ａは横方向についてコア２２ａの中心に収束する。またオーバークラッド２３ｑの光入射面２３ｒが１／４円筒レンズであることにより、入射光線１４ａは高さ方向についてコア２２ａの中心に収束する。この組合せにより、本発明の光導波路デバイス１８（受光側）では、入射光線１４ａがコア２２ａの中心に収束する。これにより入射光線１４ａの利用効率が高くなる。光導波路１５ａについての以上の説明は、光導波路１５ｂ、光導波路１５ｃについても同様である。このため、本発明の光導波路デバイス１８（（受光側）は、光学式タッチパネル１０に好適に用いられる。

図７は、本発明の光学式タッチパネル１０において、物体３０の３次元座標すなわち（ｘ、ｙ、ｚ）座標を検知する方法の説明図である。図７（ａ）に示すように、物体３０が、第１層の光線１４ａをさえぎると、物体３０の（ｘ、ｙ）座標と共に、物体３０のｚ座標がｚ１であることが検知される。図７（ｂ）に示すように、物体３０が、第１層の光線１４ａと第２層の光線１４ｂをさえぎると、物体３０の（ｘ、ｙ）座標と共に、物体３０のｚ座標がｚ２であることが検知される。図７（ｃ）に示すように、物体３０が、第１層の光線１４ａと第２層の光線１４ｂと第３層の光線１４ｃをさえぎると、物体３０の（ｘ、ｙ）座標と共に、物体３０のｚ座標がｚ３であることが検知される。上記のいずれの段階でも、物体３０の（ｘ、ｙ）座標の検知方法は、従来の光学式タッチパネルと同様である。

図７に示すように、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃがそれぞれ３層の場合、物体３０のｚ座標はｚ１、ｚ２、ｚ３の３段階で検知される。

図示しないが、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃがそれぞれ２層の場合、物体３０のｚ座標はｚ１、ｚ２の２段階で検知される。同様に、発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、および受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃがそれぞれｎ層の場合（ｎは４以上の整数）、物体３０のｚ座標はｚ１、ｚ２、...、ｚｎのｎ段階で検知される。発光側の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃの層数と、受光側の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの層数は、ｚ方向の検知の必要な段数に応じて設定される。

［アンダークラッドおよびオーバークラッドの材料］
脂環骨格を含むエポキシ樹脂（成分Ａ；アデカ社製ＥＰ４０８０Ｅ）１００重量部と、光酸発生剤（成分Ｂ；サンアプロ社製ＣＰＩ−２００Ｋ）２重量部を混合して、アンダークラッドおよびオーバークラッドの材料を調製した。

［コアの材料］
フルオレン骨格を含むエポキシ系樹脂（成分Ｃ；大阪ガスケミカル社製オグソールＥＧ）４０重量部と、フルオレン骨格を含むエポキシ系樹脂（成分Ｄ；ナガセケムテックス社製ＥＸ−１０４０）３０重量部と、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（成分Ｅ）３０重量部と、光酸発生剤（成分Ｂ；サンアプロ社製ＣＰＩ−２００Ｋ）１重量部を、乳酸エチル４０．８重量部に溶解させて、コアの材料を調製した。１，３，３−トリス（４−（２−（３−オキセタニル））ブトキシフェニル）ブタンは、特開２００７−０７０３２０実施例２に準じて合成した。

［光導波路の作製］
ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム（３００ｍｍ×３００ｍｍ×０．１８８ｍｍ）の表面に、アンダークラッドの材料をアプリケーターにより塗布した後、全面に１，０００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線露光を行なった。続いて８０℃、５分間の加熱処理を行ない、アンダークラッドを形成した。アンダークラッドの厚さを接触式膜厚計で測定したところ、厚さは２０μｍであった。またアンダークラッドの、波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５１０であった。

アンダークラッドの表面に、コアの材料をアプリケーターにより全面に塗布した後、１００℃、５分間の乾燥処理を行なった。

次に所定のパターンをもつ合成石英系のクロムマスク（フォトマスク）をコアの材料の膜にかぶせ、プロキシミティ露光（ギャップ１００μｍ）にて、２，５００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線露光を行なった。紫外線はｉ線バンドパスフィルターを通した。さらに１００℃、１０分間の加熱処理を行なった。

次にγ（ガンマ）−ブチロラクトン水溶液を用いて現像を行ない、コアの材料の膜の未露光部分を溶解除去し、コアのパターンを得た。さらに１２０℃、５分間の加熱処理を行なってコアを作製した。

コアの断面寸法をマイクロスコープで測定したところ、幅３０μｍ、高さ３０μｍであった。コアの、波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５９２であった。

コアおよびアンダークラッドにオーバークラッドの材料をアプリケーターで塗布した。次に、内面に１／４円筒レンズのネガ型をもつ石英製モールド型を、オーバークラッドの材料に押し付け、１／４円筒レンズをオーバークラッドの材料に転写した。オーバークラッドの材料全面に、２，０００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線露光を行なった。続いて８０℃、５分間の加熱処理を行ない、オーバークラッドの材料を硬化させた。オーバークラッドの材料の硬化後、石英製モールド型を離型した。オーバークラッドの、波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５１０であった。

［発光側光導波路デバイスの作製］
作製した３個の光導波路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを用いて、図３に示す３層の発光側光導波路積層体１２を作製した。発光素子１１と結合する部分におけるコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃのｚ方向のピッチｐ１は、１０５μｍであった。また光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃの出射部分におけるコア２０ａ、２０ｂ、２０ｃのｚ方向のピッチｐ２は、１．１ｍｍであった。

発光素子１１と光導波路積層体１２は、紫外線硬化型接着剤を用いて光結合した。発光素子１１の発光波長は８８０ｎｍである。

［受光側光導波路デバイスの作製］
作製した３個の光導波路１５ａ、１５ｂ、１５ｃを用いて、図４に示す３層の受光側光導波路積層体１５を作製した。受光素子１６と結合する部分における、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃのｚ方向のピッチｐ３は、１０５μｍであった。また、光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃの入射部分における、コア２２ａ、２２ｂ、２２ｃのｚ方向のピッチｐ４は、１．１ｍｍであった。

受光素子１６として、画素数が１０２４画素×１０２４画素、画素ピッチが縦１２μｍ、横１２μｍのＣＣＤエリアイメージセンサー（浜松ホトニクス社製）を用いた。受光素子１６と光導波路１５は、紫外線硬化型接着剤を用いて光結合した。

［光学式タッチパネルの作製］
上述の発光側の光導波路デバイス１７と受光側の光導波路デバイス１８を、図１のように対向させて、光学式タッチパネル１０を作製した。発光素子１１からの光が、発光側光導波路積層体１２、座標入力領域１３、受光側光導波路積層体１５を通って、受光素子１６に正しく入射するように調整した。この光学式タッチパネル１０の座標入力領域１３を通る光線１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、図２（ｂ）に示すように、ｚ方向に３層に分かれている。図７に示すように、３段階のｚ座標は、座標入力領域１３の表面から遠い方からｚ１、ｚ２、ｚ３である。

図７に示すように、物体３０が、第１層の光線１４ａをさえぎると、物体３０の（ｘ、ｙ）座標と共に、物体３０のｚ座標がｚ１であることが検知された。次に物体３０が、第１層の光線１４ａと第２層の光線１４ｂをさえぎると、物体３０の（ｘ、ｙ）座標と共に、物体３０のｚ座標がｚ２であることが検知された。次に物体３０が、第１層の光線１４ａと第２の光線１４ｂと第３層の光線１４ｃをさえぎると、物体３０の（ｘ、ｙ）座標と共に、物体３０のｚ座標がｚ３であることが検知された。これにより本発明の光学式タッチパネル１０では、物体３０の３次元座標（ｘｙｚ座標）が光学的に検知できることが実証された。

［測定方法］
［屈折率］
アンダークラッドおよびオーバークラッドの材料を、それぞれシリコンウェハ上に、スピンコートにより成膜して、屈折率測定用フィルムを作製した。これらの屈折率測定用フィルムの屈折率を、プリズムカプラー（サイロン社製ＳＰＡ−４００）を用いて測定した。

［コアの幅、高さ］
作製した光導波路を、ダイサー式切断機（ＤＩＳＣＯ社製ＤＡＤ５２２）を用いて断面切断した。切断面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製）を用いて観察測定して、コアの幅、高さを求めた。

本発明の光導波路デバイスは、光学式タッチパネルに好適に用いられる。本発明の光学式タッチパネルは、不特定多数の人が取り扱う入力装置、例えばＡＴＭや自動券売機に適している。従来のＡＴＭや自動券売機は２次元の座標入力しかできなかったが、本発明の光学式タッチパネルを用いたＡＴＭや自動券売機は、３次元の座標入力が出来る。

１０ 光学式タッチパネル
１１ 発光素子
１２ 発光側光導波路積層体
１２ａ 光導波路
１２ｂ 光導波路
１２ｃ 光導波路
１３ 座標入力領域
１４ 光線
１４ａ 光線
１４ａ 光線
１４ｂ 光線
１４ｃ 光線
１５ 受光側光導波路積層体
１５ａ 光導波路
１５ｂ 光導波路
１５ｃ 光導波路
１６ 受光素子
１７ 光導波路デバイス
１８ 光導波路デバイス
１９ 画像表示装置
２０ａ コア
２０ｂ コア
２０ｃ コア
２０ｐ 出射部
２１ａ クラッド
２１ｂ クラッド
２１ｃ クラッド
２１ｐ アンダークラッド
２１ｑ オーバークラッド
２１ｒ 光出射面
２２ａ コア
２２ｂ コア
２２ｃ コア
２２ｐ 入射部
２３ａ クラッド
２３ｂ クラッド
２３ｃ クラッド
２３ｐ アンダークラッド
２３ｑ オーバークラッド
２３ｒ 光入射面
２４ 隙間
２５ 隙間
２６ 発光領域
２７ 光
２８ 受光領域
３０ 物体
４０ 光学式タッチパネル
４１ 発光素子
４２ 発光側光導波路
４３ 座標入力領域
４４ 光線
４５ 受光側光導波路
４６ 受光素子
４７ 画像表示装置
４８ コア
４９ クラッド
５０ コア
５１ クラッド
５２ 発光領域
５３ 光
５４ 受光領域

Claims (5)

1. 複数の光導波路の少なくとも一部が積層されてなる、光の入射端と出射端を備えた光導波路積層体の、前記光の出射端を、受光領域が２次元的に配置された、２次元の受光素子に光結合したことを特徴とする光導波路デバイス。
2. 前記光の出射端において、前記複数の光導波路は密着して積層され、前記光の入射端において、前記複数の光導波路は互いに間隔を隔てて構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路デバイス。
3. 複数の光導波路の少なくとも一部が積層されてなる、光の入射端と出射端を備えた光導波路積層体の、前記光の入射端を、発光領域が２次元的に配置された、２次元の発光素子に光結合したことを特徴とする光導波路デバイス。
4. 前記光の入射端において、前記複数の光導波路は密着して積層され、前記光の出射端において、前記複数の光導波路は互いに間隔を隔てて構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の光導波路デバイス。
5. 請求項１または２に記載の光導波路デバイスを、受光側光導波路デバイスとして備え、
   請求項３または４に記載の光導波路デバイスを、発光側光導波路デバイスとして備え、
   前記発光側光導波路デバイスから出射され、前記受光側光導波路デバイスに入射する複数の光線層を座標入力領域に備え、
   前記複数の光線層は前記座標入力領域の表面に平行であり、互いに間隔を隔てて設けられたことを特徴とする光学式タッチパネル。

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