(57)【要約】      （修正有）【課題】光導波路に用いる光学部品点数が少なく、組み立てと調整が容易な光学式タッチパネルの提供。【解決手段】光学式タッチパネル１０はレンズ形状部がオーバークラッド層１８ａ、１８ｂと一体化しているため（レンズ一体型オーバークラッド層を備えた光導波路）、レンズの組み付け、光軸合わせが不要であり、レンズの位置ずれのおそれもない。そのため優れた光伝送効率や耐衝撃性が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標入力領域と、発光素子および受光素子と、前記発光素子に結合した発光側光導波路と、前記受光素子に結合した受光側光導波路とを有する光学式タッチパネルであって、
前記発光側光導波路の出射端と受光側光導波路の入射端は前記座標入力領域を隔てて対向しており、
前記発光側光導波路および受光側光導波路はアンダークラッド層と、前記アンダークラッド層上のコアと、前記コアおよび前記アンダークラッド層を覆うオーバークラッド層とを有し、
前記アンダークラッド層およびオーバークラッド層は前記コアよりも屈折率が低く、
前記発光側光導波路のオーバークラッド層の出射端と前記受光側光導波路のオーバークラッド層の入射端の少なくとも一方はレンズ形状をなすことを特徴とする光学式タッチパネル。
【請求項２】
前記発光側光導波路のコア端部から出射した光線は前記オーバークラッド層出射端のレンズ形状部により前記受光側光導波路入射端を指向する平行光線になり、前記受光側光導波路入射端に入射した前記平行光線は前記オーバークラッド層入射端のレンズ形状部によりコア端部を指向する収束光線になることを特徴とする請求項１に記載の光学式タッチパネル。
【請求項３】
前記オーバークラッド層出射端および入射端のレンズ形状部は、側断面が略１／４円弧の長尺レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式タッチパネル。
【請求項４】
入出力インターフェースをさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学式タッチパネル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の光学式タッチパネルを備えたことを特徴とするコンピュータ装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の光学式タッチパネルの製造方法であって、前記アンダークラッド層の表面に前記コアをパターンニングした後、前記コアを覆うモールド型を前記アンダークラッド層表面にかぶせ、前記モールド型内に前記オーバークラッド層を形成する材料を注入し、固化または硬化させて前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする光学式タッチパネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶パネルなどの表示画面（座標入力領域）とその周囲に設けられた発光素子、受光素子、光導波路からなり、指やペンでの座標入力が可能な光学式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路とマイクロレンズを備えた光学式タッチパネル（座標入力装置）が従来から知られている（例えば特許文献１）。光導波路は軽量で高速信号伝送が可能であるため、将来各種電子デバイスに利用されることが期待されている。しかし従来の光学式タッチパネルはミラーやレンズなどの多数の光学部品を用いるため、組み立てと調整が複雑であった。また光学部品の位置ずれが生じやすいため光伝送効率の優れたものが得られないことがあった。
【特許文献１】特開２００４−２９５６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は光導波路を備えた光学式タッチパネルであって、用いる光学部品点数が少なく、組み立てと調整が容易な光学式タッチパネルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者が鋭意検討した結果、オーバークラッド層の先端部をレンズ形状にした光導波路（レンズ一体型オーバークラッド層を備えた光導波路）により、少ない部品点数で優れた光伝送特性を有する光学式タッチパネルが得られることが分かった。
【０００５】
本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の光学式タッチパネルは、座標入力領域と、発光素子および受光素子と、発光素子に結合した発光側光導波路と、受光素子に結合した受光側光導波路とを有する光学式タッチパネルであって、発光側光導波路の出射端と受光側光導波路の入射端は座標入力領域を隔てて対向しており、発光側光導波路および受光側光導波路はアンダークラッド層と、アンダークラッド層上のコアと、コアおよびアンダークラッド層を覆うオーバークラッド層とを有し、アンダークラッド層およびオーバークラッド層はコアよりも屈折率が低く、発光側光導波路のオーバークラッド層の出射端と受光側光導波路のオーバークラッド層の入射端の少なくとも一方はレンズ形状をなすことを特徴とする。
（２）本発明の光学式タッチパネルは、発光側光導波路のコア端部から出射した光線はオーバークラッド層出射端のレンズ形状部により受光側光導波路入射端を指向する平行光線になり、受光側光導波路入射端に入射した平行光線はオーバークラッド層入射端のレンズ形状部によりコア端部を指向する収束光線になることを特徴とする。
（３）本発明の光学式タッチパネルは、オーバークラッド層出射端および入射端のレンズ形状部が、側断面が略１／４円弧の長尺レンズであることを特徴とする。
（４）本発明の光学式タッチパネルは、入出力インターフェースをさらに備えたことを特徴とする。
（５）本発明のコンピュータ装置は、上記の光学式タッチパネルを備えたことを特徴とする。
（６）本発明の光学式タッチパネルの製造方法は、上記の光学式タッチパネルの製造方法であって、アンダークラッド層の表面にコアをパターンニングした後、コアを覆うモールド型をアンダークラッド層表面にかぶせ、モールド型内にオーバークラッド層を形成する材料を注入し、固化または硬化させてオーバークラッド層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の光学式タッチパネルはレンズがオーバークラッド層と一体化しているため、レンズの組み付け、光軸合わせが不要であり、レンズの位置ずれのおそれもない。そのため優れた光伝送効率や耐衝撃性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
［光学式タッチパネル］
本発明の光学式タッチパネル１０は図１（断面図）に示すように座標入力領域１１と、発光素子１２および受光素子１３と、発光素子１２に結合した発光側光導波路１４と、受光素子１３に結合した受光側光導波路１５とを有する。発光側光導波路１４の出射端部１９ａと受光側光導波路１５の入射端部１９ｂは座標入力領域１１を隔てて対向している。発光側光導波路１４と受光側光導波路１５はアンダークラッド層１６ａ、１６ｂと、アンダークラッド層１６ａ、１６ｂ上のコア１７ａ、１７ｂと、コア１７ａ、１７ｂおよびアンダークラッド層１６ａ、１６ｂを覆うオーバークラッド層１８ａ、１８ｂとを有する。アンダークラッド層１６ａ、１６ｂおよびオーバークラッド層１８ａ、１８ｂはコア１７ａ、１７ｂよりも屈折率が低い。発光側光導波路１４のオーバークラッド層１８ａの出射端部１９ａと受光側光導波路１５のオーバークラッド層１８ｂの入射端部１９ｂはレンズ形状（レンチキュラーレンズの１／２の形状）になっている。
【０００８】
本発明の光学式タッチパネル１０は発光素子１２と受光素子１３を備える。発光側光導波路１４はコア１７ａの末端部が発光素子１２に結合される。発光素子１２としては例えば垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が用いられる。受光側光導波路１５はコア１７ｂの末端部が受光素子１３に結合される。受光素子１３としては例えばＣＭＯＳセンサが用いられる。
【０００９】
本発明の光学式タッチパネル１０においては、発光素子１２からの光（点線）は発光側光導波路１４を通り、その先端部１９ａから出射し、座標入力領域１１を横断して受光側光導波路１５の先端部１９ｂに入射し、受光側光導波路１５を通って受光素子１３に達する。座標入力領域１１を通過する光の一部を指やペンが遮断すると、受光素子１３に入る光の強度が低下する。これを検知することで指やペンの位置座標が認識される。
【００１０】
発光側光導波路１４のコア１７ａ端部から出射した光線はある程度の拡がり角を有しているが、オーバークラッド層１８ａ先端部１９ａのレンズ形状部により受光側光導波路１５を指向する平行光線２０になる。受光側光導波路１５に入射した平行光線２０はオーバークラッド層１８ｂ先端部１９ｂのレンズ形状部によりコア１７ｂ端部を指向する収束光線になる。このようにして発光素子１２から出射された光線は途中で拡散しないで効率よく受光素子１３に達する。
【００１１】
従来の光学式タッチパネルは別々に作られた光導波路と光学部品（レンズやミラーなど）を光軸合わせしながら組み立てるものであったため、光学部品の光軸ずれが生じやすかった。光軸ずれが発生すると光の伝送効率が低下する。本発明の光学式タッチパネルはレンズ一体型オーバークラッド層を備えているため、光導波路と光学部品の組み立て、光軸合わせが不要である。またレンズの位置ずれの心配もないため優れた光伝送効率が得られ耐衝撃性も高い。
【００１２】
好ましい実施形態において本発明の光学式タッチパネル３０は図２（平面図）に示すように矩形の座標入力領域３１の周囲に光導波路３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが配置される。座標入力領域３１の隣り合う二辺には末端が発光素子３３に結合した発光側光導波路３２ａ、３２ｂが配置され、それに対向する二辺には末端が受光素子３４に結合した受光側光導波路３２ｃ、３２ｄが配置される。これにより本発明の光学式タッチパネル３０は二次元の座標認識が可能である。
【００１３】
［座標入力領域］
本発明において「座標入力領域」とは指やペンで座標入力を行なう領域をいう。座標入力領域は代表的には液晶パネルあるいはプラズマパネルの表示画面である。本発明の光学式タッチパネルは座標入力領域の周囲に配置された光導波路と発光素子、受光素子がセンサーとして機能し、座標入力領域にはセンサーが無い。そのため抵抗膜式タッチパネルや静電容量式タッチパネルとは異なり、座標入力領域にＩＴＯ膜のようなセンサーとなるオーバーレイ層は必要がない。座標入力領域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パネルやアクリル板を備えてもよい。座標入力領域にオーバーレイ層がないため液晶パネルやプラズマパネルの明るさや鮮明さが低下しない。
【００１４】
本発明の光学式タッチパネルは発光側光導波路先端のレンズ一体型オーバークラッド層によって座標入力領域を通過する光を受光側光導波路を指向する平行光線にしている。（なお本明細書で「平行光線」とは幾何学的に完全な平行光線以外にも近似的に平行な光線も含む。近似的とは１０°以内の拡がりをいう。）この結果座標入力領域を広くとることができ、より大型の光学式タッチパネルを作製することが可能になる。本発明の光学式タッチパネルの座標入力領域の大きさは、例えば対角２インチ〜５０インチが作製可能である。
【００１５】
［光導波路］
本発明に用いられる発光側および受光側光導波路は、アンダークラッド層と、アンダークラッド層上のコアと、コアおよびアンダークラッド層を覆うオーバークラッド層とを有する。発光側光導波路と受光側光導波路の少なくとも一方のオーバークラッド層の先端部はレンズ形状をなしている。
【００１６】
本発明に用いられるアンダークラッド層およびオーバークラッド層はコアよりも屈折率が低い材料からなる。アンダークラッド層の材料は、ガラス、シリコン、金属、樹脂など特に制限はない。アンダークラッド層とオーバークラッド層の材料は同一であることが好ましい。アンダークラッド層は単層であってもよいし、多層であってもよい。アンダークラッド層として液晶パネルやプラズマパネルに用いられるガラスパネルや光学フィルムを利用してもよい。アンダークラッド層の厚みは、好ましくは５μｍ〜１０ｍｍであり、より好ましくは２０μｍ〜５ｍｍである。
【００１７】
本発明に用いられるコアは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の高い材料からなる。コアを形成する材料は、好ましくはパターン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。
【００１８】
コアとアンダークラッド層およびオーバークラッド層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、アンダークラッド層、オーバークラッド層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。例えば環状芳香族性の基（フェニル基など）を樹脂分子中に導入するか、あるいは樹脂分子中の含有量を増加させることにより、樹脂の屈折率を大きくすることができる。逆に例えば直鎖または環状脂肪族系の基（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、あるいは樹脂分子中の含有量を増加させることにより、樹脂の屈折率を小さくすることができる。
【００１９】
コアの断面形状は特に制限はないが、パターンニング性に優れた台形または四角形が好ましい。コアの底辺における幅は、好ましくは１０μｍ〜５００μｍである。コアの高さは、好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。
【００２０】
本発明に用いられるオーバークラッド層はコアより屈折率の低い材料で形成され、先端部がレンズ形状である。オーバークラッド層の材料に特に制限はないがレンズ成形性に優れた紫外線硬化樹脂が好ましい。紫外線硬化樹脂は例えば上述のコア材料から適宜選択できる。オーバークラッド層の最大厚みは好ましくは１０μｍ〜１０ｍｍであり、さらに好ましくは５０μｍ〜５ｍｍである。
【００２１】
オーバークラッド層の先端部に形成されたレンズ形状部は特に制限はないが、好ましくは凸レンズであり、さらに好ましくは図１に示すように側断面がほぼ１／４円弧の長尺凸レンズ（レンチキュラーレンズの１／２に相当）である。レンズの曲率半径は、好ましくは０．３ｍｍ〜５ｍｍであり、さらに好ましくは０．５ｍｍ〜３ｍｍである。
【００２２】
本発明に用いられる光導波路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される。オーバークラッド層の先端部をレンズ形状に成形するひとつの方法として、図３に示すようにアンダークラッド層４１の表面にパターンニングされたコア４２を作製した後、コア４２全体を覆うようにアンダークラッド層４１の表面にモールド型４３をかぶせて、そこにオーバークラッド層４４を形成する材料を注入して固化または硬化させ、その後モールド型４３を取り除く方法がある。
【００２３】
［光学式タッチパネルの製法］
本発明の光学式タッチパネルを製造するひとつの方法として、図４に示すようにまず二種類のＬ字型の光導波路５１ａ、５１ｂを作製する。次にこれら二つのＬ字型光導波路５１ａ、５１ｂを座標入力領域５２を隔てて互いに対向するように配置する。次に一方の光導波路５１ｂのコア末端部に発光素子５３を結合し、他方の光導波路５１ａのコア末端部に受光素子５４を結合する。この製造方法によれば露光現像法によって光導波路を作製する場合、比較的小面積のフォトマスクを用いて大面積の光学式タッチパネルを作製することができる。
【００２４】
本発明の光学式タッチパネルの製造方法はＬ字型光導波路を組み合わせる方法に限定されない。四個のＩ字型光導波路を組み合わせてもよいし、□の字型（額縁型）の光導波路を一度に作製してもよい。
【００２５】
［用途］
本発明の光学式タッチパネルの用途として、銀行のＡＴＭ、駅の券売機、図書館の検索端末、店舗のＰＯＳ端末、コピー機や生産設備の操作パネル、電子手帳、ゲーム機、携帯電話、カーナビゲーション、ＰＣ入力装置などが挙げられる。本発明の光学式タッチパネルは原理上レンズの位置ずれの心配がなく、従来の光学式タッチパネルに比べて耐衝撃性が高い。
【００２６】
本発明の光学式タッチパネルは好ましくは入出力インターフェースをさらに備える。入出力インターフェースは通常ドライバ回路を介して受光素子と連結される。入出力インターフェースに特に制限はないが、例えばシリアルポート、ＵＳＢポート、イーサネット（登録商標）などが用いられる。これらは有線でも無線でもよい。ＵＳＢポートは市販のＰＣに簡単に接続でき光学式タッチパネルに電源の供給ができるため好ましい。
【００２７】
図５は好ましい実施形態における本発明のコンピュータ装置６０の概略図である。本発明のコンピュータ装置６０は表示パネル６１と本体部６２と本発明の光学式タッチパネル６３を備え、本体部６２と光学式タッチパネル６３が入出力インターフェース６４を介して接続されてなる。
【実施例】
【００２８】
［クラッド形成用ワニスの調整］
・［成分Ａ］ビスフェノキシエタノールフルオレングリシジルエーテル；３５重量部、
・［成分Ｂ］脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）；４０重量部、
・［成分Ｃ］シクロヘキセンオキシド骨格を有する脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０８１）；２０重量部、
・［成分Ｄ］４，４‘−ビス［ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ］フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液；２重量部
を混合してクラッド形成用ワニスを調整した。
【００２９】
［コア形成用ワニスの調整］
・上記成分Ａ；７０重量部、
・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、
・上記成分Ｄ；１重量部
・乳酸エチル；３５重量部
を混合してコア形成用ワニスを調整した。
【００３０】
［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形成用ワニスを塗布し、紫外線を２０００ｍＪ／ｃｍ２照射した後１００℃で１５分間加熱処理して、厚み２０μｍのアンダークラッド層を形成した。アンダークラッド層の波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５４２であった。
【００３１】
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１５分間加熱処理してコア層を形成した。コア層にフォトマスクをかぶせて紫外線を４０００ｍＪ／ｃｍ２照射し、さらに８０℃で１５分間加熱処理した。コア層の紫外線未照射部分をＹ−ブチロラクトン水溶液で溶解除去し、１２０℃で３０分間加熱処理して、コア幅１５μｍ、コア高さ５０μｍのコアを図４のＬ字型光導波路の得られるようにパターンニングした。コアの屈折率は波長８３０ｎｍで１．５８８であった。
【００３２】
コア全体を覆うようにアンダークラッド層の表面に石英製モールド型をかぶせてクラッド形成用ワニスを注入した。モールド型を通してクラッド形成用ワニスに紫外線を２０００ｍＪ／ｃｍ２照射して１２０℃で３０分間加熱処理した。このようにして先端部の側断面形状がほぼ１／４円弧の長尺凸レンズ（レンチキュラーレンズの１／２の形状）を備えたオーバークラッド層を形成し、発光側および受光側Ｌ字型光導波路を作製した。凸レンズの曲率半径は１．５ｍｍ、オーバークラッド層の波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５４２であった。
【００３３】
［光学式タッチパネルの作製］
発光側Ｌ字型光導波路の一端部に発光素子として波長８５０ｎｍの光を出射するＶＣＳＥＬ（Ｏｐｔｗｅｌｌ社製）を紫外線硬化接着剤を介して結合した。受光側Ｌ字型光導波路の一端部に受光素子としてＣＭＯＳリニアセンサーアレイ（ＴＡＯＳ社製）を紫外線硬化接着剤を介して結合した。このようにして対角３インチの光学式タッチパネルを作製した。
【００３４】
［コンピュータ装置の作製］
光学式タッチパネルの受光素子の制御部をフレキシブルプリント基板を介してＵＳＢ型取り込みユニット（ナショナルインスツルメント社製）に接続し、ＵＳＢポートを介してコンピュータに接続し、図５に示すコンピュータ装置を作製した。
【００３５】
［評価］
光学式タッチパネルの発光素子から波長８５０ｎｍ、強度２ｍＷの光を出射した。光は発光側光導波路を通りその出射端から出射し、座標入力領域を格子状に横切って受光側光導波路の入射端に入射し、受光側光導波路を通り受光素子に到達した。図６は受光素子に達した光の強度分布を示す。グラフの横軸は受光素子の位置、縦軸は光の強度である。グラフ中のＸ軸は座標入力領域の横軸、Ｙ軸は座標入力領域の縦軸に対応する。
【００３６】
図６の光強度分布データを図７のように規格化した。光学式タッチパネルの座標入力領域を指でタッチし光をさえぎったところ、図８のように遮断された位置の光強度の低下が確認できた。これにより本発明の光学式タッチパネルで座標入力領域の指位置のＸＹ座標が認識できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の光学式タッチパネルの主要部断面図
【図２】本発明の光学式タッチパネルの主要部平面図
【図３】オーバークラッド層の成形方法の説明図
【図４】本発明の光学式タッチパネルの製法の説明図
【図５】本発明のコンピュータ装置の概略図
【図６】受光素子の光強度分布の図
【図７】規格化された受光素子の光強度分布の図
【図８】遮断された光強度分布を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１０  光学式タッチパネル
１１  座標入力領域
１２  発光素子
１３  受光素子
１４  発光側光導波路
１５  受光側光導波路
１６ａ、１６ｂ  アンダークラッド層
１７ａ、１７ｂ  コア
１８ａ、１８ｂ  オーバークラッド層
１９ａ、１９ｂ  先端部
２０  平行光線
３０  光学式タッチパネル
３１  座標入力領域
３２ａ、３２ｂ  発光側光導波路
３２ｃ、３２ｄ  受光側光導波路
３３  発光素子
３４  受光素子
４１  アンダークラッド層
４２  コア
４３  モールド型
４４  オーバークラッド層
５１ａ、５１ｂ  光導波路
５２  座標入力領域
５３  発光素子
５４  受光素子
６０  コンピュータ装置
６１  表示パネル
６２  本体部
６３  光学式タッチパネル
６４  入出力インターフェース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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