JP2015197878A - 位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路に対して荷重１３Ｎの強い押圧をかけても、光導波路のコアおよびアンダークラッド層が塑性変形せず、素早く元の形状に回復するようになっている位置センサを提供する。【解決手段】位置センサは、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に支持されオーバークラッド層３で被覆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た発光素子４と、上記線状のコア２の他端面に接続された受光素子５とを備えている。そして、上記コア２が、引張伸び３〜１０％の範囲の弾性域に設定されているとともに、上記アンダークラッド層１が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されている。【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、光路となる複数の線状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の光導波路を形成し、上記各コアの一端面に発光素子からの光を入射させ、各コア内を伝播してきた光を、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、上記コアの縦横配置部分に対応する、光導波路の表面の一部をペン先等で押圧すると、その押圧部分が押圧方向に凹んでコアがつぶれ（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、上記押圧部分の縦横位置（座標）を検知できるようになっている。

特開平８−２３４８９５号公報

しかしながら、上記コアの変形により、押圧位置を検知できたとしても、押圧が解除された後、コアが素早く元の形状に戻り、コア内の光の伝播も元の状態に戻らなければ、つぎの押圧に備えることができない。上記従来の位置センサでは、強い押圧（例えば荷重１３Ｎ）により、コアまたはアンダークラッド層が塑性変形し、その押圧を解除しても、元の形状に戻らないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光導波路に対して荷重１３Ｎの強い押圧をかけても、光導波路のコアおよびアンダークラッド層が塑性変形せず、その押圧を解除すると、素早く元の形状に回復するようになっている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、格子状に形成された複数の線状のコアと、このコアを支持するアンダークラッド層と、上記コアを被覆するオーバークラッド層とを有するシート状の光導波路と、この光導波路のコアの一端面に接続された発光素子と、上記コアの他端面に接続され上記発光素子から発せられコアを経て到達する光の受光素子とを備え、上記格子状のコア部分に対応する光導波路の表面部分が入力領域に形成され、その入力領域における押圧個所がその押圧による上記受光素子での受光強度の減衰により特定される位置センサであって、上記コアが、引張伸び３〜１０％の範囲の弾性域に設定されているとともに、上記コアを支持するアンダークラッド層が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されているという構成をとる。

本発明者らは、格子状のコアがアンダークラッド層に支持されたシート状の光導波路を有する位置センサにおいて、その光導波路に対する押圧が解除されると、その光導波路のコアおよびアンダークラッド層が素早く元の形状に回復するようにすべく、上記コアおよびアンダークラッド層の引張伸びに着目し、研究を重ねた。その結果、上記コアが、引張伸び３〜１０％の範囲の弾性域に設定されているともに、上記アンダークラッド層が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されていると、光導波路に対して荷重１３Ｎの強い押圧をかけても、光導波路のコアおよびアンダークラッド層が塑性変形せず、その押圧を解除した際に、素早く元の形状に回復することを見出し、本発明に到達した。

すなわち、光導波路では、コアがアンダークラッド層に支持された状態で形成されていることから、アンダークラッド層が変形していると、コアも変形した状態になるため、コアを元の形状に戻るようにしても足りず、コアだけでなく、アンダークラッド層も、元の形状に戻る必要がある。そのため、本発明では、コアとアンダークラッド層とを上記のように規定し、コアとアンダークラッド層とが迅速に復元するようにしている。なお、アンダークラッド層上には、オーバークラッド層も、コアを被覆した状態で形成されているが、コアとアンダークラッド層が元の形状に戻れば、コア内の光の伝播も元の状態に戻るため、仮にオーバークラッド層は変形したままでも、つぎの押圧に備えることができる。

本発明の位置センサは、格子状のコアがアンダークラッド層に支持されたシート状の光導波路を有し、上記コアが、引張伸び３〜１０％の範囲の弾性域に設定されているとともに、上記アンダークラッド層が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されている。そのため、光導波路に対して荷重１３Ｎの強い押圧をかけても、光導波路のコアおよびアンダークラッド層が塑性変形せず、その押圧を解除した際に、素早く元の形状に回復することができる。すなわち、本発明の位置センサは、つぎの押圧に迅速に備えることができ、押圧位置の連続的検知に優れている。

特に、上記コアおよびアンダークラッド層が、エポキシ樹脂製である場合には、それらコアおよびアンダークラッド層を、それぞれ上記引張伸びの範囲で弾性域に設定することが、容易にできる。

また、上記オーバークラッド層が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されている場合は、光導波路に対して荷重１３Ｎの強い押圧をかけても、オーバークラッド層が塑性変形せず、その押圧を解除した際に、素早く元の形状に回復することができる。そのため、上記押圧を解除した際に、光導波路の表面（オーバークラッド層の表面）から、素早く押圧跡を無くすことができる。

本発明の位置センサの第１の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。 上記位置センサの使用状態を模式的に示す断面図であり、（ａ）は押圧状態であり、（ｂ）は押圧を解除した状態である。 （ａ）〜（ｄ）は、光導波路の製法を模式的に示す説明図である。 本発明の位置センサの第２の実施の形態を模式的に示す拡大断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、上記位置センサにおける格子状のコアの交差形態を模式的に示す拡大平面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記格子状のコアの交差部における光の進路を模式的に示す拡大平面図である。

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第１の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に支持されオーバークラッド層３で被覆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た発光素子４と、上記線状のコア２の他端面に接続された受光素子５とを備えている。そして、上記コア２が、引張伸び３〜１０％の範囲で弾性域にあるとともに、上記アンダークラッド層１が、引張伸び５〜１４０％の範囲で弾性域にある。なお、この実施の形態では、オーバークラッド層３も、上記アンダークラッド層１と同様、引張伸び５〜１４０％の範囲で弾性域にある。

また、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。そして、格子状のコア２の部分に対応するオーバークラッド層３の表面部分が、入力領域となっている。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。

上記のように、格子状のコア２がアンダークラッド層１およびオーバークラッド層３で挟持されたシート状の光導波路Ｗを有する位置センサにおいて、上記コア２が、引張伸び３〜１０％の範囲で弾性域にあるとともに、上記アンダークラッド層１が、引張伸び５〜１４０％の範囲で弾性域にあることが、本発明の大きな特徴である。このような光導波路Ｗを有することにより、上記入力領域の部分に１３Ｎの強い押圧荷重をかけても、上記コア２およびアンダークラッド層１は、弾性を維持した状態で変形し、上記押圧を解除すると、それ自体の復元力により、素早く元の形状に回復することができる。その形状回復性の観点から、好ましくは、上記コア２が、引張伸び５〜１０％の範囲で弾性域にあり、上記アンダークラッド層１が、引張伸び１５〜１００％の範囲で弾性域にあることである。また、この実施の形態では、オーバークラッド層３も、上記アンダークラッド層１と同様、引張伸び５〜１４０％の範囲で弾性域にあるため、上記押圧を解除した際に、光導波路Ｗの表面（オーバークラッド層３の表面）から、素早く押圧跡を無くすことができる。

すなわち、上記位置センサによる押圧位置の検知は、例えば、図２（ａ）に断面図で示すように、位置センサを、アンダークラッド層１の裏面が机３０等の硬い物の表面に接するようにして載置した状態で、オーバークラッド層３の入力領域の部分を、ペン先１０ａ等で押圧したときに、その押圧位置を検知することでなされる。このとき、上記のように、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の特定の弾性域により、それらコア２およびアンダークラッド層１は、弾性を維持した状態で凹む。そして、図２（ｂ）に断面図で示すように、上記押圧を解除したとき、上記のように、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の特定の弾性域により、光導波路Ｗが素早く元の平坦な形状に回復するようになっているため、上記位置センサは、つぎの押圧に迅速に備えることができ、押圧位置の連続的検知に優れたものとなっている。なお、上記押圧位置の検知は、上記入力領域の表面に、樹脂フィルム，紙等を介して行ってもよい。

上記のような特性を有するコア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、上記弾性域の設定容易性の観点から、例えば、エポキシ樹脂等があげられる。そして、光導波路Ｗの作製容易性の観点から、上記エポキシ樹脂等は、感光性樹脂とすることが好ましい。コア２の屈折率は、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。その屈折率の調整は、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。

また、この実施の形態の光導波路Ｗは、シート状のアンダークラッド層１の表面部分に、格子状のコア２が埋設されて、上記アンダークラッド層１の表面とコア２の頂面とが面一に形成され、それらアンダークラッド層１の表面とコア２の頂面とを被覆した状態で、シート状のオーバークラッド層３が形成されたものとなっている。このような構造の光導波路Ｗは、オーバークラッド層３を均一厚みにすることができることから、上記入力領域における押圧位置を検知し易くなっている。各層の厚みは、例えば、アンダークラッド層１が１０〜５００μｍの範囲内、コア２が５〜１００μｍの範囲内、オーバークラッド層３が１〜２００μｍの範囲内に設定される。

また、コア２の弾性率は、アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の弾性率以上に設定されていることが好ましい。その理由は、弾性率の設定がその逆であると、コア２の周辺が硬くなるため、オーバークラッド層３の入力領域の部分を押圧するペン先等の面積よりもかなり広い面積の光導波路Ｗの部分が凹み、押圧位置を正確に検知し難くなる傾向にあるからである。そこで、各弾性率としては、例えば、コア２の弾性率は、１〜１０ＧＰａの範囲内に設定され、オーバークラッド層３の弾性率は、０．１〜１０ＧＰａの範囲内に設定され、アンダークラッド層１の弾性率は、０．１〜１ＧＰａの範囲内に設定されることが好ましい。この場合、コア２の弾性率が大きいため、小さな押圧力では、コア２はつぶれない（コア２の断面積は小さくならない）ものの、押圧によりコア２がアンダークラッド層１に沈み込むように凹むため〔図２（ａ）参照〕、その凹んだ部分に対応するコア２の曲がった部分から光の漏れ（散乱）が発生し、そのコア２では、受光素子５〔図１（ａ）参照〕での光の検出レベルが低下することから、押圧位置を検知することができる。

つぎに、上記光導波路Ｗの製法の一例について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、オーバークラッド層３を均一厚みのシート状に形成する。ついで、図３（ｂ）に示すように、そのオーバークラッド層３の上面に、コア２を、突出した状態で所定パターンに形成する。つぎに、図３（ｃ）に示すように、そのコア２を被覆するように、上記オーバークラッド層３の上面に、アンダークラッド層１を形成する。そして、図３（ｄ）に示すように、その得られた構造体を上下逆にし、アンダークラッド層１を下側、オーバークラッド層３を上側にする。このようにして、上記光導波路Ｗが得られる。なお、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、それぞれの形成材料に応じた製法により作製される。

図４は、本発明の位置センサの第２の実施の形態の中央部の断面を拡大した図である。この実施の形態では、光導波路Ｗの構造が、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と上下逆になっている。すなわち、均一厚みのシート状のアンダークラッド層１の表面に、コア２が突出した状態で所定パターンに形成され、そのコア２を被覆した状態で、上記アンダークラッド層１の表面に、オーバークラッド層３が形成されたものとなっている。それ以外の部分は、図１（ｂ）に示す第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。そして、この実施の形態の位置センサも、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。

なお、上記各実施の形態において、格子状のコア２の各交差部は、通常、図５（ａ）に拡大平面図で示すように、交差する４方向の全てが連続した状態に形成されているが、他でもよい。例えば、図５（ｂ）に示すように、交差する１方向のみが、隙間Ｇにより分断され、不連続になっているものでもよい。上記隙間Ｇは、アンダークラッド層１またはオーバークラッド層３の形成材料で形成されている。その隙間Ｇの幅ｄは、０を超え（隙間Ｇが形成されていればよく）、通常、２０μｍ以下に設定される。それと同様に、図５（ｃ），（ｄ）に示すように、交差する２方向〔図５（ｃ）は対向する２方向、図５（ｄ）は隣り合う２方向〕が不連続になっているものでもよいし、図５（ｅ）に示すように、交差する３方向が不連続になっているものでもよいし、図５（ｆ）に示すように、交差する４方向の全てが不連続になっているものでもよい。さらに、図５（ａ）〜（ｆ）に示す上記交差部のうちの２種類以上の交差部を備えた格子状としてもよい。すなわち、本発明において、複数の線状のコア２により形成される「格子状」とは、一部ないし全部の交差部が上記のように形成されているものを含む意味である。

なかでも、図５（ｂ）〜（ｆ）に示すように、交差する少なくとも１方向を不連続とすると、光の交差損失を低減させることができる。すなわち、図６（ａ）に示すように、交差する４方向の全てが連続した交差部では、その交差する１方向〔図６（ａ）では上方向〕に注目すると、交差部に入射する光の一部は、その光が進んできたコア２と直交するコア２の壁面２ａに到達し、その壁面での反射角度が大きいことから、コア２を透過する〔図６（ａ）の二点鎖線の矢印参照〕。このような光の透過が、交差する上記と反対側の方向〔図６（ａ）では下方向〕でも発生する。これに対し、図６（ｂ）に示すように、交差する１方向〔図６（ｂ）では上方向〕が隙間Ｇにより不連続になっていると、上記隙間Ｇとコア２との界面が形成され、図６（ａ）においてコア２を透過する光の一部は、上記界面での反射角度が小さくなることから、透過することなく、その界面で反射し、コア２を進み続ける〔図６（ｂ）の二点鎖線の矢印参照〕。このことから、先に述べたように、交差する少なくとも１方向を不連続とすると、光の交差損失を低減させることができるのである。

また、上記各実施の形態では、オーバークラッド層３も、上記アンダークラッド層１と同様、引張伸び５〜１４０％の範囲で弾性域にあるとしたが、オーバークラッド層３は、他の弾性特性を示すものでもよい。

さらに、上記各実施の形態において、アンダークラッド層１の下面に、ゴム層等の弾性層を設けてもよい。この場合、押圧を解除した後、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、それ自体の復元力だけでなく、上記弾性層の弾性力をも利用して、元の形状に回復することができる。また、アンダークラッド層１を上記弾性層と同じ形成材料からなるものとし、それらアンダークラッド層１と弾性層とからなる積層体を一つの層として扱ってもよい。

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。

〔コア，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〕
後記の表１に示すように、コア形成用に４種類のエポキシ樹脂を準備するとともに、クラッド（アンダークラッド層およびオーバークラッド層）形成用に３種類のエポキシ樹脂を準備した。そして、これらエポキシ樹脂のうち少なくとも１種類を用い、実施例１〜５および比較例１〜３に用いる、コアおよびクラッドの形成材料をそれぞれ調製した。その調製には、光酸発生剤，乳酸エチル（溶剤）等を適宜用いた。

〔コアおよびクラッドの引張伸び〕
上記各形成材料を用い、コアおよびクラッドの板状試験片〔０．５ｍｍ×２０ｍｍ×０．０５ｍｍ（厚み）〕を作製した。そして、各試験片の引張伸びを、引張圧縮試験機（TECHNO GRAPH TG-1kN ）を用いて測定した。その結果を後記の表１に示した。

〔光導波路の作製〕
まず、ガラス製基材の表面に、上記クラッド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２５μｍ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、格子状のコアを形成した。このコアの幅は３０μｍ、厚みは５０μｍであった。なお、引張伸びが１０％を超える材料では、コアをパターン形成できなかった。

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上面に、上記クラッド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は５００μｍであった。

そして、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。ついで、接着剤を介して、アルミニウム板の表面に、上記アンダークラッド層を接着した。このようにして、アルミニウム板の表面に、接着剤を介して、光導波路を作製した。

〔位置センサの作製〕
上記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１〜５および比較例１〜３の位置センサを作製した。

〔位置センサの評価：連続的検知（形状回復性）〕
上記各位置センサの入力領域の表面に、ＰＥＴフィルム（厚み５０μｍ）を介して紙（厚み８０μｍ）を載置した。そして、その紙の表面に荷重をかけない状態で、上記受光素子にて受光スペクトルを観測した。ついで、上記紙の表面に、先端直径０．５ｍｍのボールペン先で９．８Ｎの荷重をかけ、上記受光素子にて受光スペクトルを観測した。つぎに、上記ボールペン先による荷重を解除し、その直後から上記受光スペクトルが無荷重状態での受光スペクトルに回復するまでの時間を測定した。そして、その回復時間が７．１ｍｓ（ＣＭＯＳスキャン速度）未満のものを、位置センサの連続的検知（形状回復性）に優れていると評価し○を、回復時間が７．１ｍｓ以上のものを、位置センサの連続的検知（形状回復性）に劣ると評価し×を、下記の表１に示した。なお、比較例１〜３では、上記荷重をかけることにより、塑性変形し、その荷重を解除しても、形状が回復しなかった。

〔位置センサの評価：弾性維持性〕
上記各位置センサの入力領域の表面に、ＰＥＴフィルム（厚み５０μｍ）を介して紙（厚み８０μｍ）を載置した。そして、その紙の表面の一カ所に、先端直径０．５ｍｍのボールペン先で９．８Ｎの荷重を３０回（１回につき１秒間の荷重）かけた後、その荷重をかけた表面部分を、光学顕微鏡（KEYENCE 社製、WH-Z75）を用いて観察した。そして、表面に荷重跡がないものを、弾性維持性に優れていると評価し○を、表面に荷重跡があるものを、弾性維持性に劣ると評価し×を、下記の表１に示した。

上記表１の結果から、実施例１〜５の位置センサは、比較例１〜３の位置センサと比較すると、連続的検知（形状回復性）および弾性維持性に優れていることがわかる。そして、その結果の違いは、コアおよびクラッドの弾性域にある引張伸びに依存していることがわかる。

また、上記実施例１〜５において、オーバークラッド層の弾性特性を変えても、上記実施例１〜５と同様の傾向を示す連続的検知（形状回復性）の評価結果が得られた。このことから、その評価結果は、コアおよびアンダークラッド層の弾性域にある引張伸びに依存していることがわかる。

さらに、上記実施例１〜５では、位置センサの入力領域の表面に、ＰＥＴフィルムを介して紙を載置した状態で、連続的検知（形状回復性）および弾性維持性を評価したが、それらＰＥＴフィルムおよび紙を載置しない状態でも、上記実施例１〜５と同様の傾向を示す評価結果が得られた。

また、上記実施例１〜５では、光導波路を図１（ｂ）に断面図で示すものとしたが、光導波路を図４に断面図で示すものとしても、上記実施例１〜５と同様の傾向を示す評価結果が得られた。

本発明の位置センサは、押圧位置を検知する際に、押圧跡を素早く無くし、連続的感知を良好にする場合に利用可能である。

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 (3)

1. 格子状に形成された複数の線状のコアと、このコアを支持するアンダークラッド層と、上記コアを被覆するオーバークラッド層とを有するシート状の光導波路と、この光導波路のコアの一端面に接続された発光素子と、上記コアの他端面に接続され上記発光素子から発せられコアを経て到達する光の受光素子とを備え、上記格子状のコア部分に対応する光導波路の表面部分が入力領域に形成され、その入力領域における押圧個所がその押圧による上記受光素子での受光強度の減衰により特定される位置センサであって、上記コアが、引張伸び３〜１０％の範囲の弾性域に設定されているとともに、上記コアを支持するアンダークラッド層が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されていることを特徴とする位置センサ。
2. 上記コアおよびアンダークラッド層が、エポキシ樹脂製である請求項１記載の位置センサ。
3. 上記オーバークラッド層が、引張伸び５〜１４０％の範囲の弾性域に設定されている請求項１または２記載の位置センサ。

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