JP2016051257A - 位置センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】光の伝播効率の向上を図ることができる位置センサを提供する。
【解決手段】複数の線状のコア2からなる格子状部分2Aと、この格子状部分2Aの各コア2から延設されてその格子状部分2Aの外周に沿った状態で配置された外周部分2Bとを備えたシート状のコアパターン部材を有する略四角形シート状の光導波路Wと、2個の発光素子4と、2個の受光素子5とを備えている。格子状部分2Aの縦方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア2の一端面および他端面、ならびに格子状部分2Aの横方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア2の一端面および他端面は、それぞれ、略四角形シート状の光導波路Wの四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めされており、外周部分2Bのコア2の上記二つの一端面にそれぞれ1個の発光素子4が接続され、外周部分2Bのコア2の上記二つの他端面にそれぞれ1個の受光素子5が接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】複数の線状のコア2からなる格子状部分2Aと、この格子状部分2Aの各コア2から延設されてその格子状部分2Aの外周に沿った状態で配置された外周部分2Bとを備えたシート状のコアパターン部材を有する略四角形シート状の光導波路Wと、2個の発光素子4と、2個の受光素子5とを備えている。格子状部分2Aの縦方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア2の一端面および他端面、ならびに格子状部分2Aの横方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア2の一端面および他端面は、それぞれ、略四角形シート状の光導波路Wの四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めされており、外周部分2Bのコア2の上記二つの一端面にそれぞれ1個の発光素子4が接続され、外周部分2Bのコア2の上記二つの他端面にそれぞれ1個の受光素子5が接続されている。
【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。
本出願人は、これまでに、押圧位置を光学的に検知する位置センサを提案している(例えば、特許文献1参照)。このものは、図4に示すように、シート状のコアパターン部材を四角形シート状のアンダークラッド層11とオーバークラッド層13とで挟持した四角形シート状の光導波路W1を有している。上記コアパターン部材は、複数の線状の光路用のコア12を縦横に配置してなる格子状部分12Aと、この格子状部分12Aのコア12から延設されてその格子状部分12Aの外周に沿った状態で配置された外周部分12Bとを備えている。また、上記コアパターン部材の外周部分12Bのコア12の一端面に、発光素子14が接続され、それの他端面に、受光素子15が接続されている。そして、上記発光素子14から発光された光は、コア12の中を、その発光素子14に接続された外周部分12Bから格子状部分12Aを経て反対側の外周部分12Bを通り、上記受光素子15で受光されるようになっている。上記格子状部分12Aに対応するオーバークラッド層13の表面部分(図4の中央に一点鎖線で示す長方形部分)が、位置センサの入力領域13Aとなっている。
そして、入力する際には、上記入力領域13Aを、例えば入力用のペン先で押圧することが行われる。それにより、その押圧部分のコア12が変形し、そのコア12の光伝播量が低下する。そのため、上記押圧部分のコア12では、上記受光素子15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。
一般に、この種の位置センサでは、発光素子および受光素子が電気回路基板に実装されており、その電気回路基板をできる限りコンパクト化して製造コストの低減を図る観点から、発光素子と受光素子とを近づけて配置することが技術常識となっている。実際、図4に示す上記位置センサでは、発光素子14も受光素子15も、四角形シート状の光導波路W1の四角形状の一辺(図4では下端辺)に設けられており、両素子14,15を近づけた配置にしている。
また、一般に、この種の位置センサでは、製造コストの観点から、発光素子および受光素子の個数をできる限り少なくすることが技術常識となっている。実際、図4に示す上記位置センサでは、それぞれ1個ずつ用いられている。
しかしながら、上記のように、製造コストの点で、発光素子14および受光素子15の配置および個数に制限があることから、外周部分12Bのコア12の長さ〔素子14,15から格子状部分12A(入力領域13A)までの光の伝播距離〕が長くなっている。そのため、光の伝播効率の点では、不利な構造となっている。この点で上記位置センサは改良の余地がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光の伝播効率の向上を図ることができ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、複数の線状のコアからなる格子状部分と、この格子状部分のコアから延設されてその格子状部分の外周に沿った状態で配置された外周部分とを備えたシート状のコアパターン部材を、2層のシート状のクラッド層で挟持した略四角形シート状の光導波路と、この光導波路のコアに接続された発光素子および受光素子とを備え、上記発光素子で発光された光が、上記光導波路のコアを経て、上記受光素子で受光され、上記コアパターン部材の格子状部分に対応するそれ自体の表面部分を入力領域とし、その入力領域における押圧位置を、その押圧により変化したコアの光伝播量によって特定する位置センサであって、上記格子状部分の縦方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面および他端面、ならびに上記格子状部分の横方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面および他端面が、それぞれ、上記略四角形シート状の光導波路の四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めされ、上記外周部分のコア自体の上記二つの一端面にそれぞれ1個の発光素子が接続され、上記外周部分のコア自体の上記二つの他端面にそれぞれ1個の受光素子が接続されているという構成をとる。
すなわち、本発明の位置センサは、従来の技術常識を打破したものであり、製造コストを犠牲にしてまでも、光の伝播効率の向上を優先させ、発光素子および受光素子をそれぞれ2個ずつ用い、さらに、それら素子を略四角形シート状の光導波路の四角形状の各角部に分散配置している。それにより、それら素子から格子状部分(入力領域)までのコアの長さの短縮を可能としている。その結果として、発光素子から受光素子までのコアの長さ(光の伝播距離)を短縮し、上記光の伝播効率の向上を図っている。
本発明の位置センサは、格子状部分の縦方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面および他端面、ならびに上記格子状部分の横方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面および他端面が、それぞれ、上記略四角形シート状の光導波路の四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めされており、上記コア自体の各端面に接続された各素子は、略四角形シート状の光導波路の四角形状の各角部に分散配置されている。そのため、素子から格子状部分(入力領域)までのコアの長さの短縮を可能とし、結果として、発光素子から受光素子までのコアの長さ(光の伝播距離)を短縮し、上記光の伝播効率を向上させることができる。また、入力領域を広くしたり、その入力領域における押圧位置の検知精度を向上させたりする場合、コアの本数を多くする必要があるが、上記のように、発光素子および受光素子をそれぞれ2個用いているとともに、光の伝播距離を短縮していることから、コアの中を伝播する光の強度をあまり弱めることなく、コアの増加に容易に対応することができる。さらに、上記コアと各素子との接続により、上記格子状部分の縦方向と横方向とで、個別に光の強度を調整することができる。それにより、縦方向と横方向とで光の強度を等しくし、押圧位置の検知性を向上させることができる。
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(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は、略四角形シート状の光導波路Wと、この光導波路Wの四角形状の隣り合う二つの角部分〔図1(a)では上側の二つの角部分〕に配置された2個の発光素子4と、残りの二つの角部分〔図1(a)では下側の二つの角部分〕に配置された2個の受光素子5とを備えている。この位置センサにおいて、上記素子4,5の数および配置が本発明の大きな特徴である。
上記光導波路Wは、略四角形シート状のアンダークラッド層1の表面に、複数の線状の光路用のコア2からなる格子状部分2Aと、この格子状部分2Aのコア2から延設されてその格子状部分2Aの外周に沿った状態で配置された外周部分2Bとを備えたシート状のコアパターン部材が形成され、そのコアパターン部材を被覆した状態で、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。そして、上記格子状部分2Aの縦方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア自体2の一端面および他端面、ならびに上記格子状部分2Aの横方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア自体2の一端面および他端面が、それぞれ、上記略四角形シート状の光導波路Wの四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めされている。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、また、格子状部分2Aのコア2の数を略して図示している。また、図1(a)の矢印は、光の進む方向を示している。
そして、上記コアパターン部材の格子状部分2Aの縦方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア自体2の一端面に、1個の発光素子4が接続され、それの他端面に、1個の受光素子5が接続されており、上記格子状部分2Aの横方向のコア2が延設された外周部分2Bのコア自体2の一端面に、残りの1個の発光素子4が接続され、それの他端面に、残りの1個の受光素子5が接続されている。このような位置センサにおいて、上記発光素子4から発光された光は、コア2の中を、その発光素子4に接続された外周部分2Bから格子状部分2Aを経て反対側の外周部分2B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、上記コアパターン部材の格子状部分2Aに対応するオーバークラッド層3の表面部分〔図1(a)の中央に一点鎖線で示す長方形部分〕が、入力領域3Aとなっている。
上記位置センサは、先に述べた大きな特徴のように、発光素子4および受光素子5をそれぞれ2個ずつ用い、さらに、それら素子4,5を略四角形シート状の光導波路Wの四角形状の各角部に分散配置している。そのため、それら素子4,5から格子状部分2A(入力領域3A)までのコア2の長さの短縮を可能としている。その結果として、発光素子4から受光素子5までのコア2の長さ(光の伝播距離)を短縮し、上記光の伝播効率を向上させることができる。
しかも、この実施の形態では、発光素子4が2個用いられていることから、従来技術(図4参照)と異なり、発光素子4からのコア2を、格子状部分2Aの縦方向と横方向の2方向(XY方向)に分岐させる必要がない。そのため、1個の発光素子4から格子状部分2Aの縦方向に、残りの1個の発光素子4から格子状部分2Aの横方向に、それぞれ、光を伝播させることができる。それにより、この実施の形態では、特に、発光素子5から格子状部分2A(入力領域3A)までのコア2の長さ(光の伝播距離)を短くすることができる。
さらに、従来技術(図4参照)では、上記のように、1個の発光素子14からのコア12を、格子状部分12Aの縦方向と横方向の2方向(XY方向)に分岐させる必要があるため、その分岐を要していた部分(図4では左側の外周部分12B)に対応する光導波路W1の周縁部分F1の幅(額縁幅)が大きくなっている。それに対し、この実施の形態では、上記分岐が不要であるため、その分岐部分に相当する外周部分〔図1(a)では上側の外周部分〕2Bの幅を小さくすることができ、その外周部分2Bに対応する光導波路の周縁部分Fの幅(額縁幅)も小さくすることができる。その結果、上記位置センサの省スペース化を図ることができる。
また、上記位置センサの入力領域3Aを広くしたり、その入力領域3Aにおける押圧位置の検知精度を向上させたりする場合、コア2の本数を多くする必要があるが、上記位置センサでは、上記のように、発光素子4および受光素子5をそれぞれ2個用いているとともに、光の伝播距離を短縮していることから、コア2の中を伝播する光の強度をあまり弱めることなく、コア2の増加に容易に対応することができる。すなわち、上記位置センサは、入力領域3Aの拡大および押圧位置の検知精度の向上に容易に対応することができる。
さらに、上記のように、格子状部分2Aの縦方向と横方向の2方向(XY方向)それぞれに発光素子4および受光素子5を接続することにより、それら2方向の光を個別に制御することができる。それにより、縦方向と横方向とで光の強度を等しくし、押圧位置の検知性を向上させることができる。
そして、上記位置センサへの文字等の入力は、上記入力領域3Aに、直接または樹脂フィルムや紙等を介して、ペン等の入力体で文字等を書くことにより行われる。このとき、上記入力領域3Aがペン先等で押圧され、その押圧部分のコア2が変形し、そのコア2の光伝播量が低下する。そのため、上記押圧部分のコア2では、上記受光素子5での光の検出レベルが低下することから、上記押圧位置(XY座標)を検知できるようになっている。
また、上記光導波路Wでは、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3A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、1GPa以上10GPa以下の範囲内に設定され、オーバークラッド層3の弾性率は、0.1GPa以上10GPa未満の範囲内に設定され、アンダークラッド層1の弾性率は、0.1MPa以上1GPa以下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、押圧により光導波路Wが凹むため、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。
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、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。その屈折率および上記弾性率の調整は、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。そして、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。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。
さらに、上記実施の形態において、格子状部分のコア2の各交差部は、通常、図2(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2(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(零)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2(c),(d)に示すように、交差する2方向〔図2(c)は対向する2方向、図2(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2(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2(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2(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2(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3(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3(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3(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3(a)では下方向〕でも発生する。これに対し、図3(b)に示すように、交差する1方向〔図3(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3(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3(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。その結果、ペン先等による押圧位置の検知感度を高めることができる。
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。
〔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〕
成分a:エポキシ樹脂(三菱化学社製、YL7410)60重量部。
成分b:エポキシ樹脂(ダイセル社製、EHPE3150)40重量部。
成分c:光酸発生剤(サンアプロ社製、CPI101A)4重量部。
これら成分a〜c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。
成分a:エポキシ樹脂(三菱化学社製、YL7410)60重量部。
成分b:エポキシ樹脂(ダイセル社製、EHPE3150)40重量部。
成分c:光酸発生剤(サンアプロ社製、CPI101A)4重量部。
これら成分a〜c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〕
成分d:エポキシ樹脂(ダイセル社製、EHPE3150)90重量部。
成分e:エポキシ樹脂(三菱化学社製、エピコート1002)10重量部。
成分f:光酸発生剤(ADEKA社製、SP170)1重量部。
成分g:乳酸エチル(和光純薬工業社製、溶剤)50重量部。
これら成分d〜gを混合することにより、コアの形成材料を調製した。
成分d:エポキシ樹脂(ダイセル社製、EHPE3150)90重量部。
成分e:エポキシ樹脂(三菱化学社製、エピコート1002)10重量部。
成分f:光酸発生剤(ADEKA社製、SP170)1重量部。
成分g:乳酸エチル(和光純薬工業社製、溶剤)50重量部。
これら成分d〜gを混合することにより、コアの形成材料を調製した。
〔光導波路の作製〕
まず、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、略四角形状の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25μmとした。弾性率は240MPa、屈折率は1.496であった。なお、弾性率の測定は、粘弾性測定装置(TA instruments Japan Inc. 社製、RSA3)を用いた。
まず、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、略四角形状の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25μmとした。弾性率は240MPa、屈折率は1.496であった。なお、弾性率の測定は、粘弾性測定装置(TA instruments Japan Inc. 社製、RSA3)を用いた。
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用いて、フォトリソグラフィ法により、複数の線状のコアからなる格子状部分と外周部分とを備えたシート状のコアパターン部材を形成した。上記外周部分のコアの各端面は、上記アンダークラッド層の四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めした〔図1(a)参照〕。上記格子状部分(入力領域)の寸法は、縦210mm×横297mmとした。また、上記コアの幅は100μm、厚みは50μm、格子状部分における隣り合う平行な線状のコアとコアとの間の隙間の幅は500μmとした。弾性率は1.58GPa、屈折率は1.516であった。
つぎに、上記コアパターン部材を被覆するように、上記アンダークラッド層の表面に、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(コアの表面からの厚み)は40μmとした。弾性率は240MPa、屈折率は1.496であった。このようにして、略四角形シート状の光導波路を作製した。
〔位置センサの作製〕
2個の発光素子(Optowell社製、XH85-S0603-2s )と、2個の受光素子(浜松ホトニクス社製、s10226)とを準備した。そして、上記コアパターン部材の格子状部分の縦方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面に、1個の発光素子を接続し、それの他端面に、1個の受光素子を接続し、上記格子状部分の横方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面に、残りの1個の発光素子を接続し、それの他端面に、残りの1個の受光素子を接続した〔図1(a)参照〕。
2個の発光素子(Optowell社製、XH85-S0603-2s )と、2個の受光素子(浜松ホトニクス社製、s10226)とを準備した。そして、上記コアパターン部材の格子状部分の縦方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面に、1個の発光素子を接続し、それの他端面に、1個の受光素子を接続し、上記格子状部分の横方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面に、残りの1個の発光素子を接続し、それの他端面に、残りの1個の受光素子を接続した〔図1(a)参照〕。
〔比較例〕
上記実施例において、コアパターン部材の外周部分のコアの各端面は、上記アンダークラッド層の四角形状の一辺に位置決めした(図4参照)。また、発光素子および受光素子を1個ずつとし、格子状部分の縦方向および横方向が延設された外周部分の両方のコア自体の一端面に、1個の発光素子を接続し、それらの他端面に、1個の受光素子を接続した(図4参照)。
上記実施例において、コアパターン部材の外周部分のコアの各端面は、上記アンダークラッド層の四角形状の一辺に位置決めした(図4参照)。また、発光素子および受光素子を1個ずつとし、格子状部分の縦方向および横方向が延設された外周部分の両方のコア自体の一端面に、1個の発光素子を接続し、それらの他端面に、1個の受光素子を接続した(図4参照)。
上記発光素子の出力を0.76mWとした場合の、上記受光素子で受光する光の強度について、上記実施例と比較例とを比較した。その結果、上記コアパターン部材の格子状部分の縦方向の光の強度は、実施例が1160nW(伝播損失28.2dB)、比較例が232nW(伝播損失35.2dB)であり、横方向の光の強度は、実施例が900nW(伝播損失29.3dB)、比較例が162nW(伝播損失36.7dB)であった。
上記結果のように、受光する光の強度は、縦方向も横方向も、実施例の方が比較例よりも高いことから、実施例の方が比較例よりも、光伝播効率が高いことがわかる。なお、実施例では、縦方向および横方向それぞれに1個の受光素子が接続されているため、受光素子の位置を調整することにより、縦方向の光の強度(1160nW)を、横方向の光の強度(900nW)と同等に調整することができる。これに対し、比較例では、縦方向および横方向の両方で1個の受光素子が接続されているため、光の強度を縦方向と横方向とで同等にするという調整ができない。
本発明の位置センサは、それを構成する光導波路において、光の伝播効率の向上を図る場合に利用可能である。
W 光導波路
2 コア
2A 格子状部分
2B 外周部分
4 発光素子
5 受光素子
2 コア
2A 格子状部分
2B 外周部分
4 発光素子
5 受光素子
Claims (1)
- 複数の線状のコアからなる格子状部分と、この格子状部分のコアから延設されてその格子状部分の外周に沿った状態で配置された外周部分とを備えたシート状のコアパターン部材を、2層のシート状のクラッド層で挟持した略四角形シート状の光導波路と、この光導波路のコアに接続された発光素子および受光素子とを備え、上記発光素子で発光された光が、上記光導波路のコアを経て、上記受光素子で受光され、上記コアパターン部材の格子状部分に対応するそれ自体の表面部分を入力領域とし、その入力領域における押圧位置を、その押圧により変化したコアの光伝播量によって特定する位置センサであって、上記格子状部分の縦方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面および他端面、ならびに上記格子状部分の横方向のコアが延設された外周部分のコア自体の一端面および他端面が、それぞれ、上記略四角形シート状の光導波路の四角形状の、互いに異なる角部分に位置決めされ、上記外周部分のコア自体の上記二つの一端面にそれぞれ1個の発光素子が接続され、上記外周部分のコア自体の上記二つの他端面にそれぞれ1個の受光素子が接続されていることを特徴とする位置センサ。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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