JP2016062159A

JP2016062159A - 位置センサ

Info

Publication number: JP2016062159A
Application number: JP2014187704A
Authority: JP
Inventors: 良真吉岡; Yoshimasa Yoshioka; 裕介清水; Yusuke Shimizu; 柴田　直樹; Naoki Shibata; 直樹柴田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2016-04-25
Also published as: TW201614457A; WO2016043048A1

Abstract

【課題】格子状のコアの中を伝播する光のスペクトル強度の、縦方向と横方向との差を容易に小さくす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、光導波路Ｗの四角形状の一辺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。

特許第５５１３６５６号公報

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。

そして、押圧位置を適正に検知するためには、上記コアパターン部材の格子状部分１２Ａにおいて、縦方向のコア１２と横方向のコア１２とで、伝播する光のスペクトル強度を略等しくし、その差が小さくなるようにする必要がある。そのため、そうなるように、上記外周部分１２Ｂのコア１２の配置等が設計されている。しかしながら、コア１２等の形成材料の品質のばらつき，製造過程での寸法のばらつき等により、縦方向と横方向とで、上記光のスペクトル強度が大きく異なることがある。その光のスペクトル強度の差が許容範囲を超えると、押圧位置を適正に検知することができないことがある。その場合、上記コアパターン部材の外周部分１２Ｂのコア１２の配置等を再設計する等して、上記縦横のスペクトル強度を調整し、その差を許容範囲内にすることが行われる。

しかしながら、上記再設計等にはコストを要する。しかも、先に述べたように、製造コストの観点から、発光素子１４および受光素子１５の配置に制限があり、そのため、上記外周部分１２Ｂのコア１２の配置等の工夫にも限度がある。そのことから、縦横のスペクトル強度の調整に手間がかかる等する。これら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、格子状のコアの中を伝播する光のスペクトル強度の、縦方向と横方向との差を容易に小さくす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の一端面および他端面が、上記略四角形シート状の光導波路の四角形状の一辺に位置決めされ、上記外周部分のコア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、押圧位置の検知性を優先させ、発光素子および受光素子をそれぞれ２個ずつ用いている。そして、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ている。それにより、コアパターン部材の格子状部分において、光のスペクトル強度を、縦方向と横方向とで個別に調整可能にして、両者の差を小さくし、押圧位置の検知性を向上させている。このようにすると、上記光のスペクトル強度の差が大きい場合の再設計等が不要となり、その分のコストを低減することができる。そして、結果的に、犠牲にした製造コストを取り戻すことも可能である。

本発明の位置センサは、発光素子および受光素子がそれぞれ２個ずつ用いられており、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の一端面に、１個の発光素子が接続され、それの他端面に、１個の受光素子が接続され、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の一端面に、残りの１個の発光素子が接続され、それの他端面に、残りの１個の受光素子が接続されている。そのため、上記格子状部分のコアの中を伝播する光のスペクトル強度を、その格子状部分の縦方向と横方向とで、個別に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スペクトル強度の差が発生しても、容易にその差を小さくすることができ、押圧位置を適正に検知することができるようになる。さらに、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の一端面および他端面が、上記略四角形シート状の光導波路の四角形状の一辺に位置決めされているため、上記２個ずつの発光素子および受光素子の、上記コアとの接続から、それら素子は、略四角形シート状の光導波路の四角形状の一辺に配置されている。そのため、それら素子は、互いに近い位置に配置されている。このことから、素子の個数を増やしても、それら素子を実装する電気回路基板のコンパクト化が可能であり、製造コストを抑制することができる。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、発光素子および受光素子をそれぞれ２個用いているため、コアの中を伝播する光のスペクトル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。

（ａ）は、本発明の位置センサの一実施の形態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、その中央部分の拡大断面図である。（ａ）〜（ｆ）は、上記位置センサにおける格子状部分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、上記格子状部分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。従来の位置センサを模式的に示す平面図である。

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の四角形状の一辺〔図１（ａ）では下端辺〕に配置された２個の発光素子４および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２の一端面および他端面が、上記略四角形シート状の光導波路Ｗの四角形状の一辺〔図１（ａ）では下端辺〕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個ずつ用いており、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を接続している。そのため、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スペクトル強度の差が発生しても、容易にその差を小さくすることができ、押圧位置を適正に検知することができるようになる。上記スペクトル強度の差は、１ｄＢ以下であることが好ましい。

さらに、上記発光素子４および受光素子５は、２個ずつ用いられ、従来の位置センサ（図４参照）よりもその個数が増えているものの、それら素子４，５は、略四角形シート状の光導波路Ｗの四角形状の一辺に配置されており、互いに近い位置にある。そのため、素子４，５の個数が増えても、それら素子４，５を実装する電気回路基板（図示せず）のコンパクト化が可能であり、製造コストを抑制することができる。

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、発光素子４および受光素子５をそれぞれ２個用いているため、コア２の中を伝播する光のスペクトル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。

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２Ａ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。

〔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。

〔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、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、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、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）。

上記受光素子で受光する光のスペクトル強度について、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光のスペクトル強度の、縦方向と横方向との差は、実施例が１ｄＢ、比較例が５ｄＢであり、実施例の方が比較例よりも小さかった。

本発明の位置センサは、それを構成する光導波路の格子状のコアにおいて、伝播する光のスペクトル強度の、縦方向と横方向との差を小さくす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

Claims

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の一端面および他端面が、上記略四角形シート状の光導波路の四角形状の一辺に位置決めされ、上記外周部分のコア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。