JP5261270B2 - 光電変換素子付光導波路および光学式タッチパネル - Google Patents

光電変換素子付光導波路および光学式タッチパネル Download PDF

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Description

本発明は、光学式タッチパネルに好適に用いられる、光電変換素子付光導波路、および、光学式タッチパネルに関する。
図5に、従来の光電変換素子付光導波路30の一例を示す(例えば特許文献1)。従来の光電変換素子付光導波路30は、光を伝播する複数のコア31と、コア31を支持するアンダークラッド層32と、コア31を埋設するオーバークラッド層33と、光電変換素子34とを備える。オーバークラッド層33は、側断面形状が略1/4円弧状である、凸レンズ部33aを有する。
図6(a)は、従来の光電変換素子付光導波路30を、発光側に用いた場合の模式図である。この場合、光電変換素子34として、電気信号を光信号に変換する発光素子を用いる。コア31の後端31bが、光電変換素子34の光の出射点と光結合している。光電変換素子34から出射した光(点線)は、コア31に入射し、コア31を伝播した光は、コア31の先端31aから、オーバークラッド層33内に出射する。コア31の先端31aから出射した発散光は、凸レンズ部33aで平行光36となり、外部に出射する。
図6(b)は、従来の光電変換素子付光導波路30を、受光側に用いた場合の模式図である。この場合、光電変換素子34として、光信号を電気信号に変換する受光素子を用いる。光電変換素子付光導波路30の凸レンズ部33a表面に入射した、幅の広い平行光37は、凸レンズ部33aにより、オーバークラッド層33内でコア31の先端31aに集中し、コア31に入射する。コア31を伝播した光は、コア31の後端31bに光結合した光電変換素子34に入射し、その後、電気信号に変換される。ここで「光結合」とは、光電変換素子34からコア31へ、またはコア31から光電変換素子34へ、光が効率よく伝播する結合をいう。
このような光電変換素子付光導波路30は、光学式タッチパネルに好適に用いられる。図7(a)は、従来の光電変換素子付光導波路30を、光学式タッチパネル40の発光側に用いたときの模式図である。また、図7(b)は、従来の光電変換素子付光導波路30を、光学式タッチパネル40の受光側に用いたときの模式図である。図7(a)、図7(b)に示すように、従来の光電変換素子付光導波路30を用いた光学式タッチパネル40においては、光電変換素子付光導波路30に付属した光電変換素子34や、付随する回路(図示しない)が、表示パネル43の表面側に配置される。そのため、光学式タッチパネル40の額縁42や、その付近の段差を小さくすることが困難である。なお座標入力領域41は、表示パネル43の表面である。
特開2008−203431号公報
従来の光電変換素子付光導波路30を用いた光学式タッチパネル40では、光電変換素子付光導波路30に付属した光電変換素子34や、付随する回路などが、表示パネル43の表面側に配置される。そのため、光学式タッチパネル40の額縁42や、額縁42付近の段差を小さくすることが困難である。本発明により、座標入力領域41周辺の額縁42の寸法や、額縁42付近の段差の小さい光学式タッチパネルに適した光電変換素子付光導波路が提供される。また、その光電変換素子付光導波路を搭載した光学式タッチパネルが提供される。
本発明の光電変換素子付光導波路は、オーバークラッド層に、厚みの厚い厚肉部と、厚みの薄い薄肉部を有する。本発明の光電変換素子付光導波路は、厚肉部において光の出射、入射をおこなう。また、薄肉部において、アンダークラッド層を内側にして、光導波路を屈曲させることができる。本発明の光電変換素子付光導波路は、光学式タッチパネルに実装したとき、表示パネルの裏面側に、光電変換素子や付属回路を配置することができる。そのため、座標入力領域周辺の額縁の寸法や、額縁付近の段差を小さくすることができる。
本発明の要旨は以下の通りである。
(1)本発明の光電変換素子付光導波路は、光が伝播する複数のコアと、コアを支持するアンダークラッド層と、コアを埋設するオーバークラッド層とを有する光導波路に、光電変換素子が光結合した光電変換素子付光導波路である。オーバークラッド層は、光の出射部または入射部となる先端に凸レンズ部を有する厚肉部と、厚肉部よりも厚みの薄い薄肉部とで構成される厚みの異なる少なくとも2つの領域を有する。コアは端部に全反射ミラーを備える。光導波路は薄肉部において、アンダークラッド層を内側にして屈曲可能である。光電変換素子は、全反射ミラーを介してコアと光結合するように、薄肉部に配置される。
(2)本発明の光電変換素子付光導波路は、薄肉部における光導波路の厚みが、50μm〜200μmである。
(3)本発明の光電変換素子付光導波路は、アンダークラッド層およびオーバークラッド層が、エポキシ系紫外線硬化樹脂から形成される。
(4)本発明の光電変換素子付光導波路は、凸レンズ部の側断面形状が略1/4円弧状である。
(5)本発明の光電変換素子付光導波路は、コアが、アンダークラッド層およびオーバークラッド層よりも屈折率が高い。コアの屈折率とアンダークラッド層およびオーバークラッド層の屈折率の差は、0.02〜0.2である。
(6)本発明の光学式タッチパネルは、上記の光電変換素子付光導波路を搭載した光学式タッチパネルであって、光電変換素子が表示パネルの裏面側に配置される。
本発明の光電変換素子付光導波路を用いることによって、座標入力領域周辺の額縁の寸法や、額縁付近の段差の小さい光学式タッチパネルを実現することができる。
本発明の光電変換素子付光導波路の模式図。 (a)本発明の光電変換素子付光導波路を、発光側に用いた場合の模式図。(b)本発明の光電変換素子付光導波路を、受光側に用いた場合の模式図。 (a)本発明の光電変換素子付光導波路を、光学式タッチパネルの発光側に用いたときの模式図。(b)本発明の光電変換素子付光導波路を、光学式タッチパネルの受光側に用いたときの模式図。 本発明の光学式タッチパネルの模式図。 従来の光電変換素子付光導波路の模式図。 (a)従来の光電変換素子付光導波路を、発光側に用いた場合の模式図。(b)従来の光電変換素子付光導波路を、受光側に用いた場合の模式図。 (a)従来の光電変換素子付光導波路を、光学式タッチパネルの発光側に用いたときの模式図。(b)従来の光電変換素子付光導波路を、光学式タッチパネルの受光側に用いたときの模式図。
[光電変換素子付光導波路]
図1に、本発明の光電変換素子付光導波路10の一例を示す。本発明の光電変換素子付光導波路10は、光を伝播する複数のコア11と、コア11を支持するアンダークラッド層12と、コア11を埋設するオーバークラッド層13と、光電変換素子14とを備える。オーバークラッド層13は、側断面形状が略1/4円弧状である凸レンズ部13aを有する。
図1に示す、本発明の光電変換素子付光導波路10は、一つの実施形態として、並列に配置された複数のコア11の先端11aにて、光の出射または入射を行なう。
本発明の光電変換素子付光導波路10は、オーバークラッド層13に、厚みの厚い厚肉部13bと、厚みの薄い薄肉部13cを有する。光の出射および入射は、厚肉部13bの先端の凸レンズ部13aにておこなわれる。薄肉部13cは剛性が低いため、アンダークラッド層12を内側にして、図示の矢印方向に屈曲させることができる。薄肉部13cにおける、アンダークラッド層12と、コア11と、オーバークラッド層13の合計の厚みt1は、剛性を低くするため、50μm〜200μmであることが好ましい。なお、オーバークラッド層13の厚みを、全て薄肉部13cの厚みt1とすると、凸レンズ部13aが薄くなりすぎるので、凸レンズ部13aにより出射光を平行化する機能(後述)、および、入射光をコア11に集光する機能(後述)が不十分になるおそれがある。また、光学式タッチパネルに光電変換素子付光導波路10を搭載したとき、座標入力領域を通る光が極端に表示パネルに近くなり、画面に付着した埃などによる誤動作の原因となる。そのためオーバークラッド層13には、厚みの厚い厚肉部13bが必要である。
本発明の光電変換素子付光導波路10は、コア11の末端に、全反射ミラー15をさらに有する。全反射ミラー15は、コア11の端部を、光が全反射する角度で切断し、切断面を鏡面に仕上げたものである。全反射ミラー15は、光電変換素子14の光出射部または光入射部の直下にある。全反射ミラー15は、典型的には、コア11の光伝播方向と切断面が45°をなす45°ミラーである。全反射ミラー15の設けられる部分のオーバークラッド層13の厚みt2は、薄いことが好ましい。全反射ミラー15の設けられる部分の、オーバークラッド層13の厚みt2が厚い場合、光は、光電変換素子14とコア11との間のオーバークラッド層13内で拡散、減衰しやすくなり、光結合の効率が低下するおそれがある。
図2(a)は、本発明の光電変換素子付光導波路10を、発光側に用いた場合の模式図である。この場合、光電変換素子14として、電気信号を光信号に変換する発光素子を用いる。光電変換素子14から出射した光(点線)は、オーバークラッド層13の薄肉部13cを横切って、コア11に垂直に入射した後、全反射ミラー15で全反射して、コア11の伝播方向に進む。コア11を伝播した光は、コア11の先端11aからオーバークラッド層13内に出射する。コア11の先端11aから出射した発散光は、オーバークラッド層13の凸レンズ部13aで平行光16になり、外部に出射する。
図2(b)は、本発明の光電変換素子付光導波路10を、受光側に用いた場合の模式図である。この場合、光電変換素子14として、光信号を電気信号に変換する受光素子を用いる。光電変換素子付光導波路10の、凸レンズ部13a表面に入射した幅の広い平行光17は、凸レンズ部13aにより、オーバークラッド層13内で、コア11の先端11aに集中し、コア11に入射する。コア11を伝播した光(点線)は、全反射ミラー15で全反射して、光電変換素子14に向かう方向に進み、光電変換素子14に入射し、その後、電気信号に変換される。
本発明の光電変換素子付光導波路10は、光学式タッチパネルに好適に用いられる。図3(a)は、本発明の光電変換素子付光導波路10を、光学式タッチパネル20の、発光側に用いたときの模式図である。また、図3(b)は、本発明の光電変換素子付光導波路10を、光学式タッチパネル20の、受光側に用いたときの模式図である。
本発明の光電変換素子付光導波路10においては、オーバークラッド層13の薄肉部13cを、アンダークラッド層12を内側にして、屈曲させることができる。これにより、本発明の光電変換素子付光導波路10は、図3(a)、図3(b)に示すように、光学式タッチパネル20の表示パネル21の端部21aに、表示パネル21の表面側から裏面側にかけて、巻き付けることができる。その際、コア11は2ヶ所で直角に曲げられるが、図示のように、コア11に適度の曲率を持たせれば、光の伝播に問題は生じない。
図3(a)の場合、光を外部に出射する、オーバークラッド層13の凸レンズ部13aは、表示パネル21の表面側にあるが、光電変換素子14および付属回路(図示しない)は、表示パネル21の裏面側に配置される。
図3(b)の場合、光が外部から入射する、オーバークラッド層13の凸レンズ部13aは、表示パネル21の表面側にあるが、光電変換素子14および付属回路(図示しない)は、表示パネル21の裏面側に配置される。
いずれの場合も、オーバークラッド層13に比べて、サイズの大きい光電変換素子14および付属回路を、表示パネル21の裏面側に納めることができる。これにより、光学式タッチパネル20の額縁部分の寸法や、その付近の段差を小さくすることができる。
[コア]
本発明に用いられるコア11は、アンダークラッド層12およびオーバークラッド層13よりも屈折率が高く、伝播する光の波長で透明度の高い、任意の材料から形成される。コア11を形成する材料は、好ましくは、パターニング性に優れた紫外線硬化樹脂である。紫外線硬化樹脂としては、好ましくは、アクリル系紫外線硬化樹脂、エポキシ系紫外線硬化樹脂、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。
コア11の、光を伝播する方向に垂直な断面の形状は、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。コア11の、光を伝播する方向に垂直な断面の底辺の幅(コア幅)は、好ましくは30μm〜500μmである。コア11の、光を伝播する方向に垂直な断面の高さ(コア高さ)t3(図1)は、好ましくは30μm〜100μmである。
[アンダークラッド層]
本発明に用いられるアンダークラッド層12は、コア11よりも屈折率が低い任意の材料から形成される。アンダークラッド層12を形成する材料は、特に制限はないが、屈曲性と成形性に優れたエポキシ系紫外線硬化樹脂が好ましい。
コア11とアンダークラッド層12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。このような屈折率差のとき、光はコア11内を低損失で伝播する。
上記の紫外線硬化樹脂の屈折率は、紫外線硬化樹脂に導入する有機基の種類と含有量を変化させることにより、適宜、大きく、または小さくすることができる。紫外線硬化樹脂の屈折率は、例えば、環状芳香族性の基(フェニル基など)を樹脂分子中に導入することにより、大きくすることができる。あるいは、樹脂分子中の、環状芳香族性の基の含有量を増加させることにより、大きくすることができる。他方、紫外線硬化樹脂の屈折率は、例えば、直鎖または環状脂肪族性の基(メチル基、ノルボルネン基など)を樹脂分子中に導入することにより、小さくすることができる。あるいは、樹脂分子中の、直鎖または環状脂肪族性の基の含有量を増加させることにより、小さくすることができる。
アンダークラッド層12の厚みt4(図1)は、好ましくは、10μm〜50μmである。
[オーバークラッド層]
本発明に用いられるオーバークラッド層13は、厚みの異なる少なくとも2つの領域、すなわち少なくとも、厚肉部13bと薄肉部13cを有する。オーバークラッド層13を形成する材料は、好ましくは、アンダークラッド層12と同一の材料である。
オーバークラッド層13の、薄肉部13cの厚みt2(図1)は、好ましくは、10μm〜160μmである。オーバークラッド層13の、厚肉部13bの厚みt5(図1)は、好ましくは、300μm〜1500μmである。オーバークラッド層13の、厚肉部13bの厚みt5(図1)と、薄肉部13cの厚みt2(図1)との差t6(図1)は、好ましくは、140μm〜1490μmである。
オーバークラッド層13の薄肉部13cは剛性が低いので、光電変換素子付光導波路10は、薄肉部13cで屈曲可能である。さらに薄肉部13cにおいては、コア11と光電変換素子14との間のオーバークラッド層13の厚みt2(図1)が小さいため、ここを横切る光の拡散、減衰が少ない。これにより、コア11と光電変換素子14との間の光結合の効率を高くすることができる。
オーバークラッド層13の薄肉部13cは、オーバークラッド層13を切削して形成してもよいし、あらかじめそのような形状の金型を用いて成形してもよい。例えば、厚肉部13bと薄肉部13cを有するオーバークラッド層13は、所定の金型に液状樹脂を流し込み、固化または硬化させることにより、オーバークラッド層13を成形して得られる。
[光電変換素子]
本発明に用いられる光電変換素子は、電気信号を光信号に変換する発光素子、または光信号を電気信号に変換する受光素子である。
発光素子としては、発光側光導波路を通して、光学式タッチパネルの座標入力領域を横断する光線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。このような発光素子として、例えば、発光ダイオードや半導体レーザーが挙げられる。
受光素子は、受光側光導波路で受光した光の強度を検出する。受光素子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。このような受光素子としては、例えば、CMOSイメージセンサーや、CCDイメージセンサーが挙げられる。
[光学式タッチパネル]
図4に示すように、本発明の光学式タッチパネル20は、表示パネル21と、表示パネル21の表面の座標入力領域22と、座標入力領域22を横断する光23を生成する、発光側の光電変換素子付光導波路10aと、座標入力領域22を横断した光23を受光する、受光側の光電変換素子付光導波路10bとを備える。
本発明の光学式タッチパネル20に実装された、光電変換素子付光導波路10a、10bにおいては、発光側の光電変換素子14aと、受光側の光電変換素子14bが、表示パネル21の裏面側に配置される。これにより、座標入力領域22周辺の額縁24部分や、その付近の段差の小さい光学式タッチパネル20を実現することができる。
座標入力領域22とは、発光側の光電変換素子付光導波路10aから生成される光23が、横断する領域をいう。座標入力領域22は、代表的には、液晶ディスプレイパネルやプラズマディスプレイパネルなどの、表示パネル21の表示面である。座標入力領域22は、コア11の位置調整を正確に行ない易くするため、矩形であることが好ましい。座標入力領域22の前面(操作者側の面)は空間でもよいし、耐擦傷性を増すために、表面にガラスパネルやアクリル板を備えてもよい。
[実施例]
[クラッド層形成用ワニスの調製]
・(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
以上を混合して、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(特開2007−070320、実施例2に準じて合成) 30重量部
・上記成分B 1重量部
・乳酸エチル 41重量部
以上を混合して、コア形成用ワニスを調製した。
[光導波路の作製]
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1000mJ/cm照射した後、80℃で5分間加熱処理して、厚みt4=20μmのアンダークラッド層12を形成した。アンダークラッド層12の、波長830nmにおける屈折率は、1.510であった。
上記のアンダークラッド層12の表面に、上記のコア形成用ワニスを塗布し、100℃で5分間加熱処理してコア層を形成した後、コア層にフォトマスクを被せて、紫外線を2500mJ/cm照射し、さらに100℃で10分間加熱処理した。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て、幅20μm、高さt3=50μmのコア11を複数本形成した。コア11の、波長830nmにおける屈折率は、1.592であった。
図1に示す、オーバークラッド層13に、厚肉部13bと薄肉部13cが形成されるような内部形状の、石英製の型を用意した。上記のコアに上記の型を覆い被せ、その内部にクラッド層形成用ワニスを充填し、紫外線を2000mJ/cm照射した後、80℃で5分間加熱処理した。その後、型を剥離して、図1に示す、オーバークラッド層13に、厚肉部13bと薄肉部13cを有する光導波路を作製した。次に、コア11を含む薄肉部13cの先端を、ダイシングブレードによって主面に対して45°に切断し、コア11の先端に全反射ミラー15(45°ミラー)を形成した。
作製した光導波路は、オーバークラッド層13の薄肉部13cにおいて、アンダークラッド層12を内側にして、屈曲可能であった。
光導波路の、オーバークラッド層13の薄肉部13cにおける、アンダークラッド層12とコア11とオーバークラッド層13の合計の厚みt1は、100μmであった。オーバークラッド層13の薄肉部13cの厚みt2は、30μmであった。オーバークラッド層13の厚肉部13bの厚みt5は、1000μmであった。
[光学式タッチパネルの作製]
上記の光導波路を4個用意し、額縁形に組み合わせて、額縁形光導波路を作製した。次に、額縁形光導波路を、表示パネルの座標入力領域の周囲に固定した。隣り合う2つの光導波路を発光側光導波路とし、コアの末端に、波長850nmの赤外光を出射する発光素子を、紫外線硬化接着剤を介して光学的に結合した。発光素子は、オプトウエル社製VCSELであった。
他の隣り合う2つの光導波路を受光側光導波路とし、コアの末端に受光素子を、紫外線硬化接着剤を介して光学的に結合した。受光素子は、TAOS社製CMOSリニアセンサーアレイであった。
このようにして作製した光学式タッチパネルは、発光素子の光の強度を100%とすると、座標入力領域を遮らないとき、受光素子で検知する光の強度は10%であった。また、座標入力領域を通過する光線を指で遮ると、その位置座標を正確に認識することができ、光学式タッチパネルとして動作することが確認できた。
[測定方法]
[屈折率]
クラッド層形成用ワニスおよび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た。プリズムカプラー(サイロン社製SPA−400)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)を用いて断面切断した。切断面をレーザー顕微鏡(キーエンス社製)を用いて観察し、コア幅、コア高さを測定した。
本発明の光学式タッチパネルは、ATM、券売機、FA装置、コピー機、POS端末、業務用ゲーム機などのタッチパネルに好適である。
10 光電変換素子付光導波路
10a 光電変換素子付光導波路(発光側)
10b 光電変換素子付光導波路(受光側)
11 コア
11a コアの先端
12 アンダークラッド層
13 オーバークラッド層
13a オーバークラッド層の凸レンズ部
13b オーバークラッド層の厚肉部
13c オーバークラッド層の薄肉部
14 光電変換素子
14a 光電変換素子(発光側)
14b 光電変換素子(受光側)
15 全反射ミラー
16 平行光(出射側)
17 平行光(入射側)
20 光学式タッチパネル
21 表示パネル
21a 表示パネルの端部
22 座標入力領域
23 光
24 額縁
30 光電変換素子付光導波路
31 コア
31a コアの先端
31b コアの後端
32 アンダークラッド層
33 オーバークラッド層
33a オーバークラッド層の凸レンズ部
34 光電変換素子
36 平行光(出射側)
37 平行光(入射側)
40 光学式タッチパネル
41 座標入力領域
42 額縁
43 表示パネル

Claims (6)

  1. 光が伝播する複数のコアと、前記コアを支持するアンダークラッド層と、前記コアを埋設するオーバークラッド層とを有する光導波路に、光電変換素子が光結合した光電変換素子付光導波路であって、
    前記オーバークラッド層は、光の出射部または入射部となる先端に凸レンズ部を有する厚肉部と、該厚肉部よりも厚みの薄い薄肉部とで構成される厚みの異なる少なくとも2つの領域を有し、
    前記コアは端部に全反射ミラーを備え、
    前記光導波路は前記薄肉部において、前記アンダークラッド層を内側にして屈曲可能であり、
    前記光電変換素子は、前記全反射ミラーを介して前記コアと光結合するように、前記薄肉部に配置されることを特徴とする光電変換素子付光導波路。
  2. 前記薄肉部における前記光導波路の厚みが、50μm〜200μmであることを特徴とする、請求項1に記載の光電変換素子付光導波路。
  3. 前記アンダークラッド層および前記オーバークラッド層が、エポキシ系紫外線硬化樹脂から形成されることを特徴とする、請求項1または2に記載の光電変換素子付光導波路。
  4. 前記凸レンズ部の側断面形状が略1/4円弧状である請求項1から3のいずれかに記載の光電変換素子付光導波路。
  5. 前記コアは前記アンダークラッド層および前記オーバークラッド層よりも屈折率が高く、前記コアの屈折率と前記アンダークラッド層および前記オーバークラッド層の屈折率の差は、0.02〜0.2であることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の光電変換素子付光導波路。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の光電変換素子付光導波路を搭載した光学式タッチパネルであって、前記光電変換素子が、表示パネルの裏面側に配置されることを特徴とする光学式タッチパネル。
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