JP5153745B2 - 発光素子付光導波路、および、それを備えた光学式タッチパネル - Google Patents

Description

本発明は、一つの発光素子から複数の光線を生成するための新規な分岐構造を有する発光素子付光導波路に関する。また、その発光素子付光導波路を備えた光学式タッチパネルに関する。

従来、一つの発光素子から複数の光線を生成するための分岐構造を有する発光素子付光導波路が知られている（例えば、特許文献１）。この種の発光素子付光導波路は、光学式タッチパネルの座標入力領域に光線を出射するために、好適に用いられる。

図８に従来の分岐構造を有する、発光素子付光導波路４０を示す。従来の発光素子付光導波路４０は、発光素子４１からの光を各分岐路４６に分配するため、分岐点４２が、コア４３の主路４４の導光方向４５に直交する方向に設けられている。

このような構造の発光素子付光導波路４０は、隣り合う分岐路４６の間に間隙４７が必要であるため、主路４４の幅Ｗ_２が広くなるという問題があった（間隙４７にはクラッド層が充填されている）。また、各分岐路４６の長さの差が大きいため、分岐路４６間の光伝送効率に差が生じやすく、各分岐路４６から出射される光の強度が不均一になりやすいという問題もあった。

米国特許公開２００６／０１８８１９８号

従来の分岐構造を有する発光素子付光導波路４０は、分岐点４２が、主路４４の導光方向４５に直交する方向に設けられているため、主路４４の幅Ｗ_２が広いという課題がある。また、各分岐路４６の長さの差が大きいため、各分岐路４６から出射される光の強度が不均一になりやすいという課題がある。

本発明の目的は、従来よりも主路の幅が狭く、各分岐路から出射される光線の強度が均一である構造をもった、発光素子付光導波路を実現することである。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の発光素子付光導波路は、発光素子と、発光素子からの光を導いて複数の光線を生成するコアを含む光導波路とを有する発光素子付光導波路である。コアは、主路と、主路から複数の分岐点で分岐した複数の分岐路とを有する。主路は対向する二辺を有し、二辺のうち一辺は分岐点を備え、他辺は分岐点を備えない。複数の分岐点は、発光素子からの光が入射される主路の入射端面に直交する方向とほぼ平行な直線上に設けられる。「ほぼ平行」とは、各分岐点の載る直線と主路の入射端面に直交する方向との、真の平行方向からの外れが、０．１°未満であることをいう。主路は、発光素子から遠ざかるにしたがって幅が細くなる。分岐点を備えない他辺と、主路の入射端面に直交する方向とのなす角度θは、０．３°〜１．７°である。
（２）本発明の光学式タッチパネルは、本発明の発光素子付光導波路を備える。

本発明によれば、発光素子付光導波路のコアの主路の最大幅を、従来の発光素子付光導波路の主路の最大幅よりも、例えば４０％以上狭くすることができる。本発明の発光素子付光導波路の主路は２つの辺を有し、１つの辺は分岐点を備え、他の辺は分岐点を備えていない。本発明の発光素子付光導波路は、分岐点を備えていない側の辺と、主路の入射端面に直交する方向とのなす角度θを、０．３°〜１．７°の範囲にすることにより、各分岐路から出射される光線の強度を均一にすることが出来る。

本発明の光学式タッチパネルは、本発明の発光素子付光導波路を用いることにより、いわゆる額縁部分を狭くすることができる。

本発明の発光素子付光導波路の説明図 本発明の光学式タッチパネルの説明図 （ａ）本発明の発光素子付光導波路の一例の説明図、（ｂ）本発明の発光素子付光導波路の他例の説明図 光導波路内での光の伝播を示す説明図 受光素子付光導波路の説明図 本発明の発光素子付光導波路の光強度を測定するための構成図 本発明の発光素子付光導波路の実施例１の光強度分布グラフ 従来の発光素子付光導波路の説明図

［発光素子付光導波路］
図１に示すように、本発明の発光素子付光導波路１０は、発光素子１１と光導波路１２を有する。光導波路１２は発光素子１１からの光を導くコア１３を含む。コア１３は主路１４と複数の分岐路１５を有する。各分岐路１５は各分岐点１６で主路１４から分岐する。主路１４は２つの辺１４ａ、１４ｂを有し、１つの辺１４ａは分岐点１６を備えているが、他の辺１４ｂは分岐点１６を備えていない。

この構造の発光素子付光導波路１０は、隣り合う分岐路１５の間に、従来のような間隙を置く必要が無いため、主路１４の最大幅Ｗ_１を狭くすることができる。また、各分岐路１５の長さの差が少ないため、各分岐路１５間の光伝送効率に差が生じにくく、各分岐路１５から出射される光の強度を均一にすることができる。

［光学式タッチパネル］
好ましい実施形態において、図２に示すように、本発明の発光素子付光導波路１０は、光学式タッチパネル２０の発光側光導波路２１および発光素子２２として用いられる。

光学式タッチパネル２０は、座標入力領域２３と、発光側光導波路２１と、発光素子２２と、受光側光導波路２４と、受光素子２５とを備える。発光側光導波路２１は、座標入力領域２３を横断する光線２６を生成する。受光側光導波路２４は、座標入力領域２３を横断した光線２６を受光する。受光素子２５は、受光側光導波路２４で受光した光線２６の強度を検出する。

光学式タッチパネル２０は、座標入力領域２３を通過する光線２６の一部を指やペンなどで遮断すると、受光素子２５の一部に入る光の強度が低下するため、指やペンなどの位置座標を認識することができる。

従来の光導波路を発光側光導波路として用いた場合、例えば、対角１２．１インチの光学式タッチパネルで３ｍｍ程度の解像度を得るためには、コアの主路の幅は、約１７０本の分岐路と、各分岐路間の間隙の合計となる。

一方、本発明の発光素子付光導波路１０を、同じ対角１２．１インチの光学式タッチパネルに用いた場合、各分岐路１５間の間隙が必要ないため、コア１３の主路１４の幅Ｗ_１は、従来品と比較して最大で４０％以上も狭くすることができる。

［発光素子］
本発明の発光素子付光導波路１０に用いられる発光素子１１は、光導波路１２を通って座標入力領域２３を横断する光線２６を生成するものであれば、任意のものが用いられる。

発光素子１１は、好ましくは、発光ダイオードまたは半導体レーザーであり、さらに好ましくは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）である。ＶＣＳＥＬは、基板の垂直方向に光を共振させ、基板の垂直方向に光を出射させるため、光伝送に優れる。

発光素子１１から出射される光の波長は、好ましくは、近赤外線領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）のいずれかである。

［光導波路］
本発明の発光素子付光導波路１０に用いられる光導波路１２は、発光素子１１からの光を導いて複数の光線を生成するコア１３を含む。コア１３の主路１４側の入射端面１４ｃは、通常、発光素子１１と光学的に結合され、発光素子１１からの光が入射される（光結合という）。

光結合の方法は、特に制限はないが、例えば、発光素子１１の光強度分布の中心位置とコア１３の中心が一致するように調整する方法や、光路変換ミラーを用いる方法がある。光路変換ミラーとしては、例えば、ダイシング加工で形成されたＶ型の溝が用いられる。

コア１３は、主路１４と複数の分岐路１５を有する。各分岐路１５は、各分岐点１６で主路１４から分岐する。主路１４は２つの辺１４ａ、１４ｂを有し、１つの辺１４ａは複数の分岐点１６を備えているが、他の辺１４ｂは分岐点１６を備えていない。

本明細書において「分岐点１６」とは、隣り合う分岐路１５の側壁が合流する部分をいう。また、「導光方向１７」とは、図４に示すように、コア１３内を伝播する光１９の進行方向をいうが、以下の説明では、図１に示すように、コア１３から分岐路１５が分岐する前の主路１４内での光の進行方向のうち主路１４の入射端面１４ｃに直交する方向のことを指すものとする。

コア１３の主路１４の最大幅Ｗ_１は、光学式タッチパネルの大きさにもよるが、例えば、５００μｍ〜１０，０００μｍである。主路１４の高さ（厚さ）は、好ましくは、３０μｍ〜１００μｍである。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、各分岐点１６は、一直線上に載っており、その直線は、主路１４の導光方向１７にほぼ平行である。「ほぼ平行」とは、各分岐点１６の載る直線と主路１４の導光方向１７との、真の平行方向からの外れが、０．１°未満であることをいう。

各分岐点１６の載る直線が、主路１４の導光方向１７にほぼ平行であるような光導波路１２の構造として、例えば、図３（ａ）に示すような、主路１４の、分岐点１６を備えた辺１４ａが、導光方向１７に平行でない構造がある。また、例えば、図３（ｂ）に示すような、主路１４の、分岐点１６を備えた辺１４ａが、導光方向１７にほぼ平行な構造がある。

主路１４は、主路１４の導光方向１７に沿って、発光素子１１から遠ざかるにしたがい、幅が細くなる。主路１４の、分岐点１６を備えない側の辺１４ｂと、主路１４の導光方向１７とのなす角度θは、０．３°〜１．７°であり、好ましくは０．３°〜１．５°であり、さらに好ましくは０．４°〜１．０°である。

主路１４の、分岐点１６を備えない側の辺１４ｂと主路１４の導光方向１７とのなす角度θが０．３°未満であると、各分岐路１５から出射される光線の強度を均一にすることが難しい。

また、前記の角度θが１．７°を超えると、主路１４の最大幅Ｗ_１が広くなり、従来の分岐構造を有する発光素子付光導波路４０の主路４４の幅Ｗ_２に近くなるため、本発明の効果が十分に得られない。

主路１４の、分岐点１６を備えない側の辺１４ｂと、主路１４の導光方向１７とのなす角度θを、０．３°〜１．７°とすることにより、各分岐路１５から出射される光線の強度を均一にすることと、主路１４の最大幅Ｗ_１を狭くすることを両立させることができる。

１つの主路１４から枝分かれする分岐路１５の本数は、光学式タッチパネルの大きさにもよるが、好ましくは、４０本〜５００本である。隣り合う分岐点１６の、導光方向１７の間隔は、好ましくは、１００μｍ〜１，０００μｍである。コア１３（主路１４および分岐路１５）の断面形状は、特に制限はないが、パターニング性に優れた台形または矩形が好ましい。このような構成の光導波路１２は、光線の出射特性が優れている。

コア１３は、通常、クラッド層１８に埋設され、クラッド層１８よりも屈折率の高い材料により形成される。コア１３を形成する材料は、好ましくは、パターニング性の優れた紫外線硬化樹脂である。

紫外線硬化樹脂としては、アクリル系紫外線硬化樹脂、エポシキ系紫外線硬化樹脂、シロキサン系紫外線硬化樹脂、ノルボルネン系紫外線硬化樹脂、ポリイミド系紫外線硬化樹脂などが挙げられる。

クラッド層１８は、通常、コア１３よりも屈折率の低い材料により形成される。クラッド層１８の材料は、ガラス、シリコン、金属、樹脂など、特に制限はない。クラッド層１８は単層でもよいし、多層でもよい。クラッド層１８が２層の場合は、アンダークラッド層とオーバークラッド層とから形成される。クラッド層１８の厚みｔは、好ましくは、５μｍ〜２０μｍである。

コア１３とクラッド層１８との最大屈折率差は、好ましくは、０．０１以上であり、さらに好ましくは、０．０２〜０．２である。コア１３およびクラッド層１８を形成する樹脂の屈折率は、樹脂に導入する有機基の種類や含有量によって、適宜増加ないし減少させることができる。

例えば、環状芳香性の基（フェニル基など）を樹脂分子中に導入するか、あるいは、環状芳香性の基の、樹脂分子中の含有量を増大させることにより、樹脂の屈折率を増大させることができる。

他方、例えば、直鎖または環状脂肪性の基（メチル基、ノルボルネン基など）を樹脂分子中に導入するか、あるいは、直鎖または環状脂肪性の基の、樹脂分子中の含有量を増大させることにより、樹脂の屈折率を減少させることができる。

光導波路１２の構造は、プラズマを用いたドライエッチング法、転写法、露光現像法、フォトブリーチ法などの任意の方法により、作製することができる。

［座標入力領域］
本発明において座標入力領域２３とは、発光側光導波路２１から生成される光線２６が横断する領域をいう。本発明の光学式タッチパネル２０は、座標入力領域２３を横断する光線２６を、指やペンで遮ることにより、座標入力を行なう。

座標入力領域２３は、代表的には、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイの表示画面である。座標入力領域２３の前面は空間でもよいし、耐傷性を増すために、表面にガラス板やアクリル板を備えてもよい。ガラス板やアクリル板の表面には、ＡＲ（アンチリフレクション）処理やＡＧ（アンチグレア）処理が施されていてもよい。

［受光側光導波路］
本発明に用いられる受光側光導波路２４は、座標入力領域２３を横断した光線２６を受光するものであれば、特に制限はない。図５に示すように、受光素子付光導波路３０は、好ましくは、複数のコア３１と、コア３１を埋設するクラッド層３４とを有する。受光素子付光導波路３０において、コア３１の一方の端部は座標入力領域２３に向けて配置され、コア３１の他方の端部は、受光素子３３と光学的に結合される。

光導波路を用いた光学式タッチパネルの解像度は、原理上、受光素子３３に光学的に結合（光結合）する受光側光導波路３２のコア３１の本数によって決まる。このため、コア３１は複数本必要である。しかし、発光側光導波路１２は、座標入力領域２３に平行光２６を出射できればよいので、発光素子１１と光結合する部分のコア１３の主路１４は１本でよい。

［受光素子］
本発明に用いられる受光素子３３は、光信号を電気信号に変換する機能を有し、受光側光導波路３２で受光した光の強度を検出する。受光素子３３により検出される光の波長は、好ましくは、近赤外線領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）のいずれかである。

受光素子３３の構造は、受光部（例えばフォトダイオード）を横一列に並べた、一次元イメージセンサが好ましい。このような受光素子３３としては、ＣＭＯＳイメージセンサや、ＣＣＤイメージセンサが挙げられる。

［実施例１］
＜クラッド層形成用ワニス調製＞
（成分Ａ）脂環骨格を有するエポキシ系紫外線硬化樹脂（アデカ社製ＥＰ４０８０Ｅ） １００重量部
（成分Ｂ）光酸発生剤（サンアプロ社製ＣＰＩ−２００Ｋ） ２重量部
上記の成分を混合してクラッド層形成用ワニスを調製した。

＜コア形成用ワニスの調製＞
（成分Ｃ）フルオレン骨格を含むエポキシ系紫外線硬化樹脂（大阪ガスケミカル社製オグソールＥＧ） ４０重量部
（成分Ｄ）フルオレン骨格を含むエポキシ系紫外線硬化樹脂（ナガセケムテックス社製ＥＸ−１０４０） ３０重量部
（成分Ｅ）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 ３０重量部（特開２００７−０７０３２０実施例２に準じて合成）
上記成分Ｂ １重量部
乳酸エチル ４１重量部
上記の成分を混合してコア形成用ワニスを調製した。

＜発光素子付光導波路作製＞
厚み１８８μｍのポリエチレンナフタレートフィルムの表面に、クラッド層形成用ワニスを塗布し、紫外線を１，０００ｍＪ／ｃｍ^２照射し、次に８０℃で５分間加熱処理をして、厚み２０μｍのアンダークラッド層を得た。波長８３０ｎｍにおける、アンダークラッド層の屈折率は１．５１０であった。

アンダークラッド層の表面に、コア形成用ワニスを塗布し、１００℃で５分間乾燥処理をして、コア層を形成した。次に、所定のパターンが印刷されたフォトマスクをコア層に被せて（ギャップ１００μｍ）、紫外線を２，５００ｍＪ／ｃｍ^２照射し、さらに１００℃で１０分間加熱処理をした。

次にコア層の紫外線未照射部分を、γ−ブチロラクトン水溶液で溶解除去し、１２０℃で５分間加熱処理をして、コアのパターンを形成した。パターンニングされたコアは主路（最大幅２，７８０μｍ、高さ５０μｍ）と、主路の導光方向（入射端面に直交する方向）に沿って、順次枝分かれした２７４本の分岐路（幅１５μｍ、高さ５０μｍ）とからなる。主路の、分岐点を備えた側の辺は、主路の導光方向（入射端面に直交する方向）に平行である（図３（ｂ）の構造）。波長８３０ｎｍにおける、コアの屈折率は１．５９２であった。

次に、コア全体を覆うように凹型モールド（石英製）を配置し、凹型モールドの内部にクラッド層形成用ワニスを充填した。凹型モールドの表面（外側）から、紫外線を２，０００ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、８０℃で５分間加熱処理をし、その後、凹型モールドを剥離した。これにより、先端部の側断面形状が、ほぼ１／４円弧状の凸レンズ（曲率半径１．５ｍｍ）であるような、厚み１ｍｍのオーバークラッド層を形成した。波長８３０ｎｍにおける、オーバークラッド層の屈折率は１．５１０であった。

次に、コアの主路側の入射端面に、波長８５０ｎｍの光を出射する発光素子（オプトウェル社製ＶＣＳＥＬ）を、紫外線硬化樹脂を介して結合し、発光素子付光導波路を作製した。

図１に示すように、この発光素子付光導波路１０に含まれるコア１３は、主路１４と、主路１４から枝分かれした複数の分岐路１５とを有する。主路１４は２つの辺１４ａ、１４ｂを有し、一方の辺１４ａには分岐点１６があり、他方の辺１４ｂには分岐点がない。主路１４は、発光素子１１に結合された入射端面１４ｃから遠ざかるに従って、幅Ｗ_１が狭くなる。主路１４の、分岐点１６を備えた側の辺１４ａは、主路１４の導光方向１７に平行である。主路１４の、分岐点を備えていない側の辺１４ｂと、主路１４の導光方向１７とのなす角度θは、０．６°である。

［実施例２］
フォトマスクを変更して、主路１４の、分岐点を備えていない側の辺１４ｂと、主路１４の導光方向１７とのなす角度θを、０．４°とした。これ以外は実施例１と同様にして、発光素子付光導波路１０を作製した。

［実施例３］
フォトマスクを変更して、主路１４の、分岐点を備えていない側の辺１４ｂと、主路１４の導光方向１７とのなす角度θを、１．０°とした。これ以外は実施例１と同様にして、発光素子付光導波路１０を作製した。

［比較例１］
フォトマスクを変更して、図８に示すような、主路４４と、分岐点４２が主路４４の導光方向４５に直交するように配置された２７４本の分岐路４６とを含むコア４３を形成した。コア４３の主路４４の最大幅Ｗ_２は８，２０５μｍ、高さは５０μｍであり、分岐路４６の幅は１５μｍ、高さは５０μｍであり、隣り合う分岐路４６間の間隙４７は１５μｍ（×２７３個）である。これ以外は実施例１と同様にして、発光素子付光導波路４０を作製した。

［比較例２］
フォトマスクを変更して、主路１４の、分岐点を備えていない側の辺１４ｂと、主路１４の導光方向１７とのなす角度θを、０．２°とした。これ以外は実施例１と同様にして、発光素子付光導波路１０を作製した。

［評価１］
実施例１〜３、および比較例１で得られた発光素子付光導波路の、コアの主路の最大幅を、表１に示す。実施例１〜３の発光素子付光導波路は、比較例１の発光素子付光導波路よりも、コア主路の最大幅が４０％以上狭いことがわかる。

［評価２］
＜光強度測定用サンプル作製＞
フォトマスクを変更し、コア３１を図５の構造にして、受光素子付光導波路３０を作製した。コア３１の本数は２７４本であり、コア３１の幅は１５μｍであり、高さは５０μｍである。これ以外は実施例１と同様にして、受光素子付光導波路３０を作製した。

受光素子付光導波路３０の、受光側光導波路３２のコア３１の末端に、受光素子３３（浜松ホトニクス社製ＣＭＯＳリニアセンサーアレイ）を、紫外線硬化樹脂を介して光結合した。

光強度を測定するため、図６に示すように、作製した発光素子付光導波路１０と受光素子付光導波路３０を、座標入力領域を介さず、直接対向させた。受光素子３３の制御部を、フレキシブルプリント基板を介して、ＵＳＢ取り込みユニット（ナショナルインスツルメント社製）に接続し、ＵＳＢポートを介して、光強度をモニター可能なコンピュータに接続した。

発光素子付光導波路１０の発光素子１１から、波長８５０μｍ、強度７μＷの光を出射した。光は発光側光導波路１２、受光側光導波路３２を通過して、受光素子３３に達し、図７に示すような光強度分布が検出された。

得られた光強度分布の有効領域（立ち上がり、立ち下がり部分を除いた領域）における、光強度のばらつき（最大値−最小値）を表２に示す。実施例１〜３の発光素子付光導波路は、比較例２の発光素子付光導波路より、各分岐路から出射される光の均一性に優れていることがわかる。

［測定方法］
［屈折率］
クラッド層形成用ワニスとコア形成用ワニスを、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サンプルを作製し、プリズムカプラー（サイロン社製）を用いて屈折率を測定した。

［コア幅、コア高さ］
作製した光導波路をダイサー式切断機（ＤＩＳＣＯ社製ＤＡＤ５２２）を用いて断面切削し、切削面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製）で観察して、コア幅、コア高さを測定した。

本発明の発光素子付光導波路を用いた光学式タッチパネルの用途は、特に制限はないが、パソコンモニター、ＡＴＭ、ゲーム機、タブレットＰＣなどに用いられる。

１０ 発光素子付光導波路
１１ 発光素子
１２ 発光側光導波路
１３ コア
１４ 主路
１４ａ 主路の一辺
１４ｂ 主路の他辺
１４ｃ 主路の入射端面
１５ 分岐路
１６ 分岐点
１７ 導光方向
１８ クラッド層
１９ 光
２０ 光学式タッチパネル
２１ 発光側光導波路
２２ 発光素子
２３ 座標入力領域
２４ 受光側光導波路
２５ 受光素子
２６ 光線
３０ 受光素子付光導波路
３１ コア
３２ 受光側光導波路
３３ 受光素子
３４ クラッド層
４０ 発光素子付光導波路
４１ 発光素子
４２ 分岐点
４３ コア
４４ 主路
４５ 導光方向
４６ 分岐路
４７ 分岐路間の間隙

Claims (2)

1. 発光素子と、前記発光素子からの光を導いて複数の光線を生成するコアを含む光導波路とを有する発光素子付光導波路であって、
   前記コアは、主路と、前記主路から複数の分岐点で分岐した複数の分岐路とを有し、
   前記主路は対向する二辺を有し、前記二辺のうち一辺は前記分岐点を備え、他辺は前記分岐点を備えず、
   前記複数の分岐点は、前記発光素子からの光が入射される前記主路の入射端面に直交する方向とほぼ平行な直線上に設けられ、
   前記主路は、前記発光素子から遠ざかるにしたがって幅が細くなり、
   前記分岐点を備えない他辺と、前記主路の入射端面に直交する方向とのなす角度θは、０．３°〜１．７°であることを特徴とする、発光素子付光導波路。
2. 請求項１に記載の発光素子付光導波路を備えたことを特徴とする、光学式タッチパネル。

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