JP2014197363A

JP2014197363A - 位置センサ

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Publication number: JP2014197363A
Application number: JP2013087939A
Authority: JP
Inventors: 裕介清水; Yusuke Shimizu; 良真吉岡; Yoshimasa Yoshioka
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP6026346B2; CN105027047A; WO2014136471A1; US9811211B2; KR20150123816A; TW201435690A; US20150378517A1; CN105027047B; TWI602103B; EP2947554A1

Abstract

【課題】文字等の情報をペン等の入力体で入力する際に、その入力体を持つ手の小指やその付け根部分等の不要部分が感知されないようにした位置センサを提供する。【解決手段】位置センサＡは、シート状のアンダークラッド層１の表面に、複数の線状のコア２を格子状に配置形成し、これらコア２を被覆した状態でオーバークラッド層３をシート状に形成したシート状の光導波路Ｗと、コア２の一端面に接続される発光素子４と、コア２の他端面に接続される受光素子５とを備え、コア２の弾性率が、アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の弾性率よりも大きく設定され、シート状の光導波路Ｗの表面を押圧したときに、その押圧方向のコア２の断面の変形率が、オーバークラッド層３およびアンダークラッド層１の断面の変形率よりも小さくなるようになっている。【選択図】図１

Description

本発明は、押圧位置を光学的に検知する位置センサに関するものである。

従来より、押圧位置を光学的に検知する位置センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このものは、光路となる複数のコアを縦横方向に配置し、それらコアの周縁部をクラッドで覆うことによりシート状に形成し、上記各コアの一端面に発光素子からの光を入射させ、各コア内を透過してきた光を、各コアの他端面で受光素子により検出するようになっている。そして、そのシート状の位置センサの表面の一部を指等で押圧すると、その押圧部分のコアがつぶれ（押圧方向のコアの断面積が小さくなり）、その押圧部分のコアでは、上記受光素子での光の検出レベルが低下することから、上記押圧位置を検知できるようになっている。

一方、文字等を入力する入力装置として、感圧式タッチパネルとディスプレイとを有するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このものは、上記感圧式タッチパネル上に文字等をペンで入力すると、そのペン先による加圧位置を上記感圧式タッチパネルが感知して上記ディスプレイに出力し、そのディスプレイに上記入力した文字等を表示するようになっている。

特開平８−２３４８９５号公報特開２００６−１７２２３０号公報

一般に、紙の上にペン等の筆記具で文字等を書く場合、その筆記具を持つ手の小指やその付け根部分（小指球）等も、その紙の表面に接触する。

そのため、上記特許文献１のシート状の位置センサの表面に、ペン等の筆記具で文字等を入力すると、ペン先だけでなく、その筆記具を持つ手の小指やその付け根部分等も上記シート状の位置センサを押圧することから、入力した文字等だけでなく、不要な上記小指やその付け根部分等も検知される。

上記特許文献２の入力装置に文字等を入力する場合も同様に、上記感圧式タッチパネルが、ペン先による加圧位置だけでなく、その筆記具を持つ手の小指やその付け根部分等による加圧位置を感知するため、入力した文字等だけでなく、不要な上記小指やその付け根部分等も、ディスプレイに表示される。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、文字等の情報をペン等の入力体で入力する際に、その入力体を持つ手の小指やその付け根部分等の不要部分が感知されないようにした位置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、本発明の位置センサは、シート状のアンダークラッド層の表面に、複数の線状のコアを格子状に配置形成し、これらコアを被覆した状態でオーバークラッド層をシート状に形成したシート状の光導波路と、上記コアの一端面に接続される発光素子と、上記コアの他端面に接続される受光素子とを備え、それ自体の表面の任意の個所への押圧による、コアの光伝播量の変化によって、押圧個所を特定するシート状の位置センサであって、上記コアの弾性率が、上記アンダークラッド層の弾性率および上記オーバークラッド層の弾性率よりも大きく設定され、上記シート状の光導波路の表面の押圧状態で、その押圧方向のコアの断面の変形率が、オーバークラッド層およびアンダークラッド層の断面の変形率よりも小さくなるようになっているという構成をとる。

なお、本発明において、「変形率」とは、押圧方向における、コア，オーバークラッド層およびアンダークラッド層の押圧前の各厚みに対する、押圧時の各厚みの変化量の割合をいう。

本発明者らは、複数の線状のコアが格子状に配置形成されたシート状の光導波路を有する位置センサの表面に、文字等の情報をペン等の入力体で入力する際に、その入力体を持つ手の部分が感知されないようにすべく、上記コアの光伝播について、研究を重ねた。その研究の過程で、従来のように、ペン先やペンを持つ手の圧力でコアがつぶれる（断面積が小さくなる）ようにするのではなく、逆に、上記圧力でコアがつぶれないよう（断面積が保持されるよう）にすることを着想した。そこで、コアの弾性率を、アンダークラッド層の弾性率およびオーバークラッド層の弾性率よりも大きく設定した。すると、ペン先の部分も手の部分も、オーバークラッド層とアンダークラッド層とが押圧方向につぶれるように変形し、コアは、断面積を保持したまま、ペン先や手の部分に沿って、アンダークラッド層に沈むように曲がった。そして、コアの曲がり具合は、ペン先の部分では急な曲がりであり、手の部分では緩やかな曲がりであった。その結果、ペン先の部分のコアでは、コアの急な曲がりが原因で、コアからの光の漏れ（散乱）が発生し、手の部分のコアでは、コアの曲がりが緩やかであるため、上記光の漏れ（散乱）が発生しないことがわかった。すなわち、ペン先の部分のコアでは、受光素子での光の検出レベル（受光量）が低下し、手の部分のコアでは、その検出レベルが低下しないのである。この光の検出レベルの低下から、ペン先の位置を検知することができ、その検出レベルが低下しない手の部分は、押圧されていない状態と同じになり、感知されないことを見出し、本発明に到達した。

本発明の位置センサは、コアの弾性率が、アンダークラッド層の弾性率およびオーバークラッド層の弾性率よりも大きく設定されている。そのため、光導波路のオーバークラッド層の表面を押圧したときに、その押圧方向のコアの断面の変形率が、オーバークラッド層およびアンダークラッド層の断面の変形率よりも小さくなり、押圧方向のコアの断面積が保持される。そして、上記位置センサの表面に、文字等の情報をペン等の入力体で入力すると、ペン先等の先端入力部による押圧部分では、コアの曲がり具合が入力体の先端入力部に沿った急なものとなり、コアからの光の漏れ（散乱）が発生し、入力体を持つ手の部分による押圧部分では、コアの曲がり具合が手に沿った緩やかなものとなり、上記光の漏れ（散乱）が発生しないようにすることができる。そのため、ペン先等の先端入力部で押圧されたコアでは、受光素子での光の検出レベルが低下し、入力体を持つ手で押圧されたコアでは、その検出レベルが低下しないようにすることができる。そして、その光の検出レベルの低下から、ペン先等の先端入力部の位置を検知することができ、その検出レベルが低下しない手の部分は、押圧されていない状態と同じになるため、感知されないようにすることができる。

本発明の位置センサの一実施の形態を模式的に示し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその拡大断面図である。（ａ）は、入力体により押圧された上記位置センサの状態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、手により押圧された上記位置センサの状態を模式的に示す断面図である。

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（ａ）は、本発明の位置センサの一実施の形態を示す平面図であり、図１（ｂ）は、その中央部の断面を拡大した図である。この実施の形態の位置センサＡは、格子状のコア２が四角形シート状のアンダークラッド層１とオーバークラッド層３とで挟持された四角形シート状の光導波路Ｗと、上記格子状のコア２を構成する線状のコア２の一端面に接続される発光素子４と、上記線状のコア２の他端面に接続される受光素子５とを備えている。そして、上記発光素子４から発光された光は、上記コア２の中を通り、上記受光素子５で受光されるようになっている。また、上記コア２の弾性率が、上記アンダークラッド層１の弾性率および上記オーバークラッド層３の弾性率よりも大きく設定されている。これにより、上記四角形シート状の光導波路Ｗの表面を押圧したときに、その押圧方向のコア２の断面の変形率が、オーバークラッド層３およびアンダークラッド層１の断面の変形率よりも小さくなるようになっている。なお、図１（ａ）では、コア２を鎖線で示しており、鎖線の太さがコア２の太さを示している。また、図１（ａ）では、コア２の数を略して図示している。そして、図１（ａ）の矢印は、光の進む方向を示している。

すなわち、図２（ａ），（ｂ）に断面図で示すように、上記位置センサＡをテーブル等の平面台３０の上に載置し、位置センサＡの表面の、格子状のコア２に対応する領域に、手２０に持ったペン等の入力体１０で文字等の情報を書き込む等して入力すると、ペン先等の先端入力部１０ａによる押圧部分〔図２（ａ）参照〕も手２０の小指やその付け根部分（小指球）等による押圧部分〔図２（ｂ）参照〕も、その押圧方向の断面では、弾性率の小さいオーバークラッド層３とアンダークラッド層１とがつぶれるように変形し、弾性率の大きいコア２は、断面積を保持したまま、先端入力部１０ａや手２０の部分に沿って、アンダークラッド層１に沈むように曲がる。

そして、先端入力部１０ａによる押圧部分では、図２（ａ）に示すように、その先端入力部１０ａが尖っていることから、コア２の曲がり具合が急なものとなり、コア２からの光の漏れ（散乱）が発生する〔図２（ａ）の二点鎖線の矢印参照〕。一方、入力体１０を持つ手２０による押圧部分では、図２（ｂ）に示すように、その手２０が上記先端入力部１０ａと比較してかなり大きくて丸くなっていることから、コア２の曲がり具合が緩やかなものとなり、上記光の漏れ（散乱）が発生しない（光はコア２内を漏れることなく進む）〔図２（ｂ）の二点鎖線の矢印参照〕。そのため、先端入力部１０ａで押圧されたコア２では、受光素子５での光の検出レベルが低下し、入力体１０を持つ手２０で押圧されたコア２では、その検出レベルが低下しないようにすることができる。そして、その光の検出レベルの低下から、先端入力部１０ａの位置（座標）を検知することができる。その検出レベルが低下しない手２０の部分は、押圧されていない状態と同じであるため、感知されない。

なお、上記入力体１０は、上記のように位置センサＡの表面を押圧できればよく、インク等で用紙に書き込める筆記具だけでなく、インク等で用紙に書き込めない単なる棒体でもよい。また、上記押圧が解除される（先端入力部１０ａが移動したり書き込み等の入力が終了したりする）と、上記アンダークラッド層１，コア２およびオーバークラッド層３は、各自の復元力により、元の状態〔図１（ｂ）参照〕に戻る。そして、上記コア２の、アンダークラッド層１への沈み込み深さＤは、最大で２０００μｍまでとすることが好ましい。それを超えると、上記アンダークラッド層１，コア２およびオーバークラッド層３が元の状態に戻らなくなったり、光導波路Ｗに割れが発生したりするおそれがある。

ここで、上記コア２，アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の弾性率等について、より詳しく説明する。

上記コア２の弾性率は、１ＧＰａ〜１０ＧＰａの範囲内であることが好ましく、より好ましくは、２ＧＰａ〜５ＧＰａの範囲内である。コア２の弾性率が１ＧＰａを下回ると、ペン先等の先端入力部１０ａの形状により、その先端入力部１０ａの圧力で、コア２の断面積が保持されない（コア２がつぶれる）場合があり、先端入力部１０ａの位置を適正に検知できないおそれがある。一方、コア２の弾性率が１０ＧＰａを上回ると、先端入力部１０ａの圧力によるコア２の曲がりが、その先端入力部１０ａに沿った急な曲がりにならずに緩やかな曲がりになる場合がある。そのため、コア２からの光の漏れ（散乱）が発生せず、受光素子５での光の検出レベルが低下しなくなることから、先端入力部１０ａの位置を適正に検知できないおそれがある。なお、コア２の寸法は、例えば、厚みが５〜１００μｍの範囲内、幅が５〜５００μｍの範囲内に設定される。

上記オーバークラッド層３の弾性率は、０．１ＭＰａ以上１０ＧＰａ未満の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、１ＭＰａ以上５ＧＰａ未満の範囲内である。オーバークラッド層３の弾性率が０．１ＭＰａを下回ると、柔らかすぎて、ペン先等の先端入力部１０ａの形状により、その先端入力部１０ａの圧力で、破損する場合があり、コア２を保護することができなくなる。一方、オーバークラッド層３の弾性率が１０ＧＰａ以上であると、先端入力部１０ａや手２０の圧力によっても、つぶれるように変形しなくなり、コア２がつぶれ、先端入力部１０ａの位置を適正に検知できないおそれがある。なお、オーバークラッド層３の厚みは、例えば、１〜２００μｍの範囲内に設定される。

上記アンダークラッド層１の弾性率は、０．１ＭＰａ〜１ＧＰａの範囲内であることが好ましく、より好ましくは、１ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲内である。アンダークラッド層１の弾性率が０．１ＭＰａを下回ると、柔らかすぎて、ペン先等の先端入力部１０ａで押圧した後、元の状態に戻らず、連続的に行えない場合がある。一方、アンダークラッド層１の弾性率が１ＧＰａを上回ると、先端入力部１０ａや手２０の圧力によっても、つぶれるように変形しなくなり、コア２がつぶれ、先端入力部１０ａの位置を適正に検知できないおそれがある。なお、アンダークラッド層１の厚みは、例えば、２０〜２０００μｍの範囲内に設定される。

上記コア２，アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の形成材料としては、感光性樹脂，熱硬化性樹脂等があげられ、その形成材料に応じた製法により、光導波路Ｗを作製することができる。また、上記コア２の屈折率は、上記アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の屈折率よりも大きく設定されている。そして、上記弾性率および屈折率の調整は、例えば、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。なお、上記アンダークラッド層１として、ゴムシートを用い、そのゴムシート上にコア２を格子状に形成するようにしてもよい。

また、上記アンダークラッド層１の裏面に、ゴム層等の弾性層を設けてもよい。この場合、アンダークラッド層１，コア２およびオーバークラッド層３の復元力が弱くなったり、それらが元々復元力の弱い材料からなるものであったりしても、上記弾性層の弾性力を利用して、上記弱い復元力を補助し、入力体１０の先端入力部１０ａによる押圧が解除された後、元の状態に戻すことができる。

また、上記のように、ペン先等の先端入力部１０ａの位置のみが検出され、ペン等の入力体１０を持つ手２０が感知されないようにするためには、先端入力部１０ａによる押圧部分でのコア２の急な曲がりによる光の漏れ（散乱）量が重要である。そこで、例えば、ペン先等の先端入力部１０ａの曲率半径Ｒ（単位：μｍ）と、コア２の厚みＴ（単位：μｍ）との比Ａ（＝Ｒ／Ｔ）を用い、コア２とアンダークラッド層１およびオーバークラッド層３との間の屈折率差Δを規定すると、その屈折率差Δの最大値Δmax は、下記の式（１）のようになる。すなわち、屈折率差Δがこの最大値Δmax よりも大きいと、先端入力部１０ａで押圧しても、光の漏れ（散乱）量が少なく、受光素子５での光の検出レベルが充分に低下しないため、先端入力部１０ａの位置と手２０の位置との区別が困難になる。

一方、屈折率差Δの最小値Δmin は、下記の式（２）のようになる。すなわち、屈折率差Δがこの最小値Δmin よりも小さいと、手２０による押圧部分でも、光の漏れ（散乱）が発生し、先端入力部１０ａの位置と手２０の位置との区別が困難になる。

そのため、上記屈折率差Δは、最小値Δmin と最大値Δmax との間に設定することが好ましい。ここで、例えば、上記先端入力部１０ａの曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を１００〜１０００の範囲内、コア２の厚みＴ（単位：μｍ）を１０〜１００の範囲内、比Ａを１〜１００の範囲内とすると、屈折率差Δは、１．０×１０^-3〜７．９５×１０^-2の範囲内となる。なお、比Ａが１００を超える場合は、最小値Δmin を１．０×１０^-3（一定）とする。

そして、上記位置センサＡにより検知された先端入力部１０ａの位置、およびそれが連続した先端入力部１０ａの移動軌跡（文字や図等）は、例えば、電子データとして、メモリ等の記憶手段に記憶されたり、ディスプレイに送信されてそのディスプレイに表示されたりする。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるわけではない。

〔オーバークラッド層の形成材料〕
成分Ａ：エポキシ樹脂（四日市合成社製、エポゴーセーＰＴ）３０重量部。
成分Ｂ：エポキシ樹脂（ダイセル社製、ＥＨＰＥ３１５０）７０重量部。
成分Ｃ：光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ２００Ｋ）４重量部。
成分Ｄ：乳酸エチル（和光純薬社製）１００重量部。
これら成分Ａ〜Ｄを混合することにより、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〕
成分Ｅ：エポキシ樹脂（ダイセル社製、ＥＨＰＥ３１５０）８０重量部。
成分Ｆ：エポキシ樹脂（新日鉄化学社製、ＹＤＣＮ７００−１０）２０重量部。
成分Ｇ：光酸発生剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＳＰ１７０）１重量部。
成分Ｈ：乳酸エチル（和光純薬社製）５０重量部。
これら成分Ｅ〜Ｈを混合することにより、コアの形成材料を調製した。

〔アンダークラッド層の形成材料〕
成分Ｉ：エポキシ樹脂（四日市合成社製、エポゴーセーＰＴ）７５重量部。
成分Ｊ：エポキシ樹脂（三菱化学社製、ＪＥＲ１００７）２５重量部。
成分Ｋ：光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ２００Ｋ）４重量部。
成分Ｌ：乳酸エチル（和光純薬社製）５０重量部。
これら成分Ｉ〜Ｌを混合することにより、アンダークラッド層の形成材料を調製した。

〔光導波路の作製〕
ガラス製基材の表面に、上記オーバークラッド層の形成材料を用いて、スピンコート法により、オーバークラッド層を形成した。このオーバークラッド層の厚みは５μｍ、弾性率は１．２ＧＰａ、屈折率は１．５０３であった。

ついで、上記オーバークラッド層の表面に、上記コアの形成材料を用いて、フォトリソグラフィ法により、コアを形成した。このコアの厚みは３０μｍ、格子状部分のコアの幅は１００μｍ、ピッチは６００μｍ、弾性率は３ＧＰａ、屈折率は１．５２３であった。

つぎに、上記コアを被覆するように、上記オーバークラッド層の表面に、上記アンダークラッド層の形成材料を用いて、スピンコート法により、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（オーバークラッド層の表面からの厚み）は２００μｍ、弾性率は３ＭＰａ、屈折率は１．５０３であった。

そして、ＰＥＴ製基板（厚み１ｍｍ）の片面に、両面テープ（厚み２５μｍ）を貼着したものを準備した。ついで、その両面テープのもう一方の粘着面を上記アンダークラッド層の表面に貼着し、その状態で、上記オーバークラッド層を上記ガラス製基材から剥離した。

〔比較例〕
〔オーバークラッド層の形成材料〕
成分Ｍ：エポキシ樹脂（四日市合成社製、エポゴーセーＰＴ）４０重量部。
成分Ｎ：エポキシ樹脂（ダイセル社製、２０２１Ｐ）６０重量部。
成分Ｏ：光酸発生剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＳＰ１７０）４重量部。
これら成分Ｍ〜Ｏを混合することにより、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〕
成分Ｐ：エポキシ樹脂（四日市合成社製、エポゴーセーＰＴ）３０重量部。
成分Ｑ：エポキシ樹脂（ＤＩＣ社製、ＥＸＡ−４８１６）７０重量部。
成分Ｒ：光酸発生剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＳＰ１７０）４重量部。
これら成分Ｐ〜Ｒを混合することにより、コアの形成材料を調製した。

〔アンダークラッド層の形成材料〕
成分Ｓ：エポキシ樹脂（四日市合成社製、エポゴーセーＰＴ）４０重量部。
成分Ｔ：エポキシ樹脂（ダイセル社製、２０２１Ｐ）６０重量部。
成分Ｕ：光酸発生剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＳＰ１７０）４重量部。
これら成分Ｓ〜Ｕを混合することにより、アンダークラッド層の形成材料を調製した。

〔光導波路の作製〕
上記実施例と同様にして、同寸法の光導波路を作製した。ただし、弾性率は、オーバークラッド層が１ＧＰａ、コアが２５ＭＰａ、アンダークラッド層が１ＧＰａであった。また、屈折率は、オーバークラッド層が１．５０４、コアが１．５３２、アンダークラッド層が１．５０４であった。

〔位置センサの作製〕
上記実施例および比較例の各光導波路のコアの一端面に、発光素子（Optowell社製、XH85-S0603-2s ）を接続し、コアの他端面に、受光素子（浜松ホトニクス社製、s10226）を接続し、実施例および比較例の各位置センサを作製した。

〔位置センサの評価〕
上記各位置センサの表面に、ボールペンのペン先（曲率半径３５０μｍ）を荷重１．４７Ｎで押圧し、人の人指し指（曲率半径１ｃｍ）を荷重１９．６Ｎで押圧した。そして、上記受光素子での光の検出レベル（受光量）を、上記荷重をかけない場合と、かけた場合とで測定し、その減衰率を下記の式（３）にしたがって算出した。

その結果、実施例の位置センサでは、ペン先押圧時の減衰率が８０％、人指し指押圧時の減衰率が０％であった。それに対し、比較例の位置センサでは、ペン先押圧時の減衰率が６０％、人指し指押圧時の減衰率が５０％であった。

すなわち、実施例の位置センサでは、受光素子での光の検出レベルが、ペン先押圧時に低下し、人指し指押圧時に低下しないことから、ペン先の位置のみを検出することができ、人指し指の位置は、押圧されていない状態と同じであり、感知されないことがわかる。それに対し、比較例の位置センサでは、受光素子での光の検出レベルが、ペン先押圧時も人指し指押圧時も同程度に低下することから、ペン先の位置だけでなく、不要な人指し指の位置も検出されることがわかる。

本発明の位置センサは、ペン等の入力体を手に持って文字等を入力する際に、必要なペン先等の先端入力部の位置や移動軌跡のみ検出し、不要な手の位置等を感知しないようにする場合に利用可能である。

Ａ位置センサ
Ｗ光導波路
１アンダークラッド層
２コア
３オーバークラッド層
４発光素子
５受光素子

Claims

シート状のアンダークラッド層の表面に、複数の線状のコアを格子状に配置形成し、これらコアを被覆した状態でオーバークラッド層をシート状に形成したシート状の光導波路と、上記コアの一端面に接続される発光素子と、上記コアの他端面に接続される受光素子とを備え、それ自体の表面の任意の個所への押圧による、コアの光伝播量の変化によって、押圧個所を特定するシート状の位置センサであって、上記コアの弾性率が、上記アンダークラッド層の弾性率および上記オーバークラッド層の弾性率よりも大きく設定され、上記シート状の光導波路の表面の押圧状態で、その押圧方向のコアの断面の変形率が、オーバークラッド層およびアンダークラッド層の断面の変形率よりも小さくなるようになっていることを特徴とする位置センサ。