(57)【要約】【課題】光導波路が小さな押圧力で凹み、かつ、押圧が解除されると、光導波路が素早く元の形状に回復するようになっている位置センサを提供する。【解決手段】位置センサは、格子状のコア２が四角形シート状のアンダークラッド層１とオーバークラッド層３とで挟持された四角形シート状の光導波路Ｗと、この光導波路Ｗのアンダークラッド層１の裏面に設けられた弾性層Ｒと、上記格子状のコア２を構成する線状のコア２の一端面に接続された発光素子４と、上記線状のコア２の他端面に接続された受光素子５とを備えている。そして、上記弾性層Ｒは、デュロメータ硬さが２０〜４０の範囲内と低く設定されているとともに、反発弾性率が７０％以上と高く設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状に形成された複数の線状のコアをクラッド層で被覆したシート状の光導波路と、この光導波路のコアの一端面に接続された発光素子と、上記コアの他端面に接続された受光素子とを備え、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、上記格子状のコア部分に対応する光導波路の表面部分を入力領域とし、その入力領域における押圧個所を、その押圧による上記受光素子での受光強度の減衰により特定する位置センサであって、上記格子状のコア部分に対応する光導波路の裏面部分に、デュロメータ硬さが２０〜４０の範囲内で反発弾性率が７０％以上の弾性層が設けられていることを特徴とする位置センサ。
【請求項２】
上記弾性層の厚みが、０．０２〜２．００ｍｍの範囲内に設定されている請求項１記載の位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来より、押圧位置を光学的に検知する位置センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このものは、光路となる複数の線状のコアを縦横方向に配置し、それらコアの周縁部をクラッドで覆うことによりシート状の光導波路を形成し、上記各コアの一端面に発光素子からの光を入射させ、各コア内を伝播してきた光を、各コアの他端面で受光素子により検出するようになっている。そして、上記コアの縦横配置部分に対応する、光導波路の表面の一部をペン先等で押圧すると、その押圧部分が押圧方向に凹んでコアがつぶれ（押圧方向のコアの断面積が小さくなり）、その押圧部分のコアでは、上記受光素子での光の検出レベルが低下することから、上記押圧部分の縦横位置（座標）を検知できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２３４８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記位置センサの光導波路の厚みは、一般に約１ｍｍ以下と非常に薄いことから、上記光導波路が、机等の硬い物の上に直接接していると、ペン先等による押圧に対し、凹み難くなっている。押圧の検知感度を向上させる点では、上記光導波路が小さな押圧力で凹むことが要求される。一方、ペン先等による押圧が解除される（入力が終了する）と、つぎの押圧に備えるために、光導波路が素早く元の平坦な形状に回復することが要求される。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光導波路が小さな押圧力で凹み、かつ、押圧が解除されると、光導波路が素早く元の形状に回復するようになっている位置センサの提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の位置センサは、格子状に形成された複数の線状のコアをクラッド層で被覆したシート状の光導波路と、この光導波路のコアの一端面に接続された発光素子と、上記コアの他端面に接続された受光素子とを備え、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、上記格子状のコア部分に対応する光導波路の表面部分を入力領域とし、その入力領域における押圧個所を、その押圧による上記受光素子での受光強度の減衰により特定する位置センサであって、上記格子状のコア部分に対応する光導波路の裏面部分に、デュロメータ硬さが２０〜４０の範囲内で反発弾性率が７０％以上の弾性層が設けられているという構成をとる。
【０００７】
本発明者らは、シート状の光導波路を有する位置センサにおいて、その光導波路が小さな押圧力で凹み、かつ、押圧が解除されると、その光導波路が素早く元の形状に回復するようにすべく、上記光導波路の裏面に弾性層を設けることを着想した。すなわち、その弾性層の弾性を利用して、上記のように凹み易くするとともに形状回復を速めるようにした。そして、その特性を適正化すべく、上記弾性層の硬さと反発弾性率について、研究を重ねた。その結果、上記弾性層のデュロメータ硬さを２０〜４０の範囲内と低く設定し、かつ、上記弾性層の反発弾性率を７０％以上と高く設定すると、その弾性層上の光導波路が小さな押圧力で凹み、かつ、押圧が解除されると、その光導波路が素早く元の形状に回復することを見出し、本発明に到達した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の位置センサは、格子状のコア部分に対応する光導波路の裏面部分に、弾性層が設けられており、その弾性層のデュロメータ硬さが２０〜４０の範囲内と低く設定されている。そのため、入力領域である、格子状のコア部分に対応する光導波路の表面部分を押圧したときに、その押圧力が小さくても、その押圧方向に光導波路が凹み易くなっている。すなわち、本発明の位置センサは、押圧の検知感度に優れている。さらに、上記弾性層は、反発弾性率が７０％以上と高く設定されている。そのため、上記押圧を解除したときに、光導波路が素早く元の平坦な形状に回復し、つぎの押圧に迅速に備えることができる。すなわち、本発明の位置センサは、押圧位置の連続的検知にも優れている。
【０００９】
特に、上記弾性層の厚みが、０．０２〜２．００ｍｍの範囲内に設定されている場合には、上記弾性層の厚みを薄くしつつ、光導波路の凹み性および形状回復性をより良好にすることができる。そのため、本発明の位置センサは、薄型化しつつ、押圧の検知感度および連続的検知により優れたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の位置センサの第１の実施の形態を模式的に示し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその拡大断面図である。
【図２】上記位置センサの使用状態を模式的に示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、上記位置センサの製法を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明の位置センサの第２の実施の形態を模式的に示す拡大断面図である。
【図５】本発明の位置センサの第３の実施の形態を模式的に示す拡大断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は、上記位置センサにおける格子状のコアの交差形態を模式的に示す拡大平面図である。
【図７】（ａ）は、連続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り、（ｂ）は、不連続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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１（ａ）は、本発明の位置センサの第１の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、格子状のコア２が四角形シート状のアンダークラッド層１とオーバークラッド層３とで挟持された四角形シート状の光導波路Ｗと、この光導波路Ｗのアンダークラッド層１の裏面に設けられた弾性層Ｒと、上記格子状のコア２を構成する線状のコア２の一端面に接続された発光素子４と、上記線状のコア２の他端面に接続された受光素子５とを備えている。そして、上記弾性層Ｒは、デュロメータ硬さが２０〜４０の範囲内と低く設定されているとともに、反発弾性率が７０％以上と高く設定されている。
【００１３】
また、上記発光素子４から発光された光は、上記コア２の中を通り、上記受光素子５で受光されるようになっている。そして、格子状のコア２の部分に対応するオーバークラッド層３の表面部分が、入力領域となっている。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の太さを示している。また、図１（ａ）では、コア２の数を略して図示している。そして、図１（ａ）の矢印は、光の進む方向を示している。
【００１４】
上記のように、シート状の光導波路Ｗを有する位置センサにおいて、格子状のコア２の部分に対応する光導波路Ｗの裏面部分（この実施の形態ではアンダークラッド層１の裏面部分）に、デュロメータ硬さが２０〜４０の範囲内と低く、反発弾性率が７０％以上と高い弾性層Ｒが設けられていることが、本発明の大きな特徴である。このような弾性層Ｒが設けられていることにより、上記入力領域の部分を押圧したときに、その押圧力が小さくても、上記弾性層Ｒの低いデュロメータ硬さを利用して、押圧方向に光導波路Ｗが凹み易くなっており、また、上記押圧を解除したときに、上記弾性層Ｒの高い反発弾性率を利用して、光導波路Ｗが素早く元の平坦な形状に回復するようになっている。
【００１５】
すなわち、上記位置センサによる押圧位置の検知は、例えば、図２に断面図で示すように、位置センサを、弾性層Ｒが机３０等の硬い物の表面に接するようにして載置した状態で、オーバークラッド層３の入力領域の部分を、ペン先１０ａ等で押圧したときに、その押圧位置を検知することでなされる。このとき、上記のように、弾性層Ｒの低いデュロメータ硬さを利用して、押圧力が小さくても光導波路Ｗが凹み易くなっているため、上記位置センサは、押圧の検知感度に優れたものとなっている。また、上記押圧を解除したとき、上記のように、弾性層Ｒの高い反発弾性率を利用して、光導波路Ｗが素早く元の平坦な形状に回復するようになっているため、上記位置センサは、つぎの押圧に迅速に備えることができ、押圧位置の連続的検知に優れたものとなっている。なお、上記押圧位置の検知は、上記入力領域の表面に、樹脂フィルム，紙等を介して行ってもよい。
【００１６】
上記のような特性を有する弾性層Ｒの形成材料としては、例えば、シリコーンゴム，エポキシゴム等があげられる。また、上記弾性層Ｒの厚みは、その弾性層Ｒ自体を薄くしつつ、光導波路Ｗの凹み性および形状回復性をより良好にする観点から、０．０２〜２．００ｍｍの範囲内に設定されることが好ましい。その理由は、弾性層Ｒが薄すぎると、光導波路Ｗの凹み性および形状回復性の効果が小さくなる傾向にあり、弾性層Ｒが厚すぎても、光導波路Ｗの凹み性および形状回復性の効果は充分に向上せず、過剰品質となる傾向にあるからである。
【００１７】
一方、上記光導波路Ｗは、この実施の形態では、図１（ｂ）に断面図で示すように、均一厚みのシート状のアンダークラッド層１の表面に、コア２が突出した状態で所定パターンに形成され、そのコア２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。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。その光導波路Ｗを構成する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、例えば、感光性樹脂，熱硬化性樹脂等があげられる。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。
【００１８】
また、コア２の弾性率は、アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の弾性率以上に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、１〜１０ＧＰａの範囲内に設定され、オーバークラッド層３の弾性率は、０．１〜１０ＧＰａの範囲内に設定され、アンダークラッド層１の弾性率は、０．１〜１ＧＰａ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（図２参照）、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〔図１（ａ）参照〕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。
【００１９】
つぎに、上記位置センサの製法の一例について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、弾性層Ｒを均一厚みのシート状に形成する。ついで、図３（ｂ）に示すように、その弾性層Ｒの表面に、アンダークラッド層１を均一厚みのシート状に形成する。つぎに、図３（ｃ）に示すように、そのアンダークラッド層１の表面に、コア２を、突出した状態で所定パターンに形成する。そして、図３（ｄ）に示すように、そのコア２を被覆するように、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を形成する。その後、上記コア２の一端面に発光素子４を接続し、上記コア２の他端面に受光素子５を接続する〔図１（ａ）参照〕。このようにして、上記位置センサが得られる。なお、これら弾性層Ｒ等は、それぞれの形成材料に応じた製法により作製される。
【００２０】
図４は、本発明の位置センサの第２の実施の形態の中央部の断面を拡大した図である。この実施の形態では、光導波路Ｗの構造が、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と上下逆になっている。すなわち、シート状のアンダークラッド層１の表面部分に、格子状のコア２が埋設されて、上記アンダークラッド層１の表面とコア２の頂面とが面一に形成され、それらアンダークラッド層１の表面とコア２の頂面とを被覆した状態で、シート状のオーバークラッド層３が形成されたものとなっている。それ以外の部分は、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００２１】
そして、この実施の形態の位置センサも、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。さらに、この実施の形態の位置センサは、オーバークラッド層３が均一厚みになっていることから、入力領域における押圧位置を検知し易くなっている。
【００２２】
図５は、本発明の位置センサの第３の実施の形態の中央部の断面を拡大した図である。この実施の形態では、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態において、アンダークラッド層１が形成されていないものとなっており、弾性層Ｒの表面に直接、コア２およびオーバークラッド層３が形成されている。それ以外の部分は、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００２３】
そして、この実施の形態の位置センサも、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。さらに、この実施の形態の位置センサは、アンダークラッド層１が形成されていないことから、その分、弾性層Ｒの影響を受け易く、光導波路Ｗの凹み性および形状回復性により優れ、押圧の検知感度および連続的検知により優れたものとなっている。
【００２４】
なお、上記各実施の形態において、格子状のコア２の各交差部は、通常、図６（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６（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６（ｃ），（ｄ）に示すように、交差する２方向〔図６（ｃ）は対向する２方向、図６（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６（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６（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６（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。
【００２５】
なかでも、図６（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７（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７（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７（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７（ａ）では下方向〕でも発生する。これに対し、図７（ｂ）に示すように、交差する１方向〔図７（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７（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７（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。
【００２６】
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。
【実施例】
【００２７】
〔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。
【００２８】
〔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。
【００２９】
〔弾性層の形成材料〕
後記の表１に示すように、シリコーンゴムまたはエポキシゴムを適量用い、実施例１〜４および比較例１〜３に用いる、所定のデュロメータ硬さおよび反発弾性率を有する弾性層（厚み１２．５ｍｍ）を作製した。なお、デュロメータ硬さの測定は、デュロメータを用いた。また、反発弾性率の測定は、ＩＳＯ４６６２に準拠したＳｃｈｏｂ式反発弾性測定器を用いた。
【００３０】
〔位置センサの作製〕
上記各弾性層の表面に、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５０μｍ、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。
【００３１】
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、格子状のコアを形成した。このコアの幅は３０μｍ、厚みは５０μｍ、弾性率は１．５８ＧＰａ、屈折率は１．５１６であった。
【００３２】
つぎに、上記コアを被覆するように、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２５μｍ、弾性率は２４０ＭＰａ、屈折率は１．４９６であった。
【００３３】
そして、上記コアの一端面に、発光素子（Optowell社製、XH85-S0603-2s ）を接続し、コアの他端面に、受光素子（浜松ホトニクス社製、s10226）を接続し、実施例１〜４および比較例１〜３の位置センサを作製した。
【００３４】
〔位置センサの評価：検知感度（凹み性）〕
上記各位置センサの入力領域の表面に、ＰＥＴフィルム（厚み５０μｍ）を介して紙（厚み８０μｍ）を載置し、その紙の表面に、直径１．０ｍｍの短針で０．２４５Ｎの荷重をかけ、その短針の押し込み深さを測定した。その測定には、押し込み深さを測定装置（シチズン社製、ＣＨ−Ｒ１）を用いた。そして、押し込み深さが１０μｍを超えるものを、位置センサの検知感度（凹み性）に優れていると評価し○を、押し込み深さが１０μｍ以下のものを、位置センサの検知感度（凹み性）に劣ると評価し×を、下記の表１に示した。
【００３５】
〔位置センサの評価：連続的検知（形状回復性）〕
上記各位置センサの入力領域の表面に、ＰＥＴフィルム（厚み５０μｍ）を介して紙（厚み８０μｍ）を載置した。そして、その紙の表面に荷重をかけない状態で、上記受光素子にて受光スペクトルを観測した。ついで、上記紙の表面に、先端直径０．５ｍｍのボールペン先で９．８Ｎの荷重をかけ、上記受光素子にて受光スペクトルを観測した。つぎに、上記ボールペン先による荷重を解除し、その直後から上記受光スペクトルが無荷重状態での受光スペクトルに回復するまでの時間を測定した。そして、その回復時間が７．１ｍｓ（ＣＭＯＳスキャン速度）未満のものを、位置センサの連続的検知（形状回復性）に優れていると評価し○を、回復時間が７．１ｍｓ以上のものを、位置センサの連続的検知（形状回復性）に劣ると評価し×を、下記の表１に示した。なお、比較例１では、時間が経過しても、受光スペクトルが回復せず、押圧による凹みも元の形状に回復しなかった。その理由は、弾性層のデュロメータ硬さも反発弾性率も低過ぎるからである。
【００３６】
【表１】
2015197877.tif 000003
【００３７】
上記表１の結果から、実施例１〜４の位置センサは、検知感度（凹み性）にも連続的検知（形状回復性）にも優れているのに対し、比較例１〜３の位置センサは、そのいずれか一方のみが優れ、他方は劣っていることがわかる。そして、その結果の違いは、弾性層のデュロメータ硬さおよび反発弾性率に依存していることがわかる。
【００３８】
また、上記実施例１〜４において、弾性層の厚みを変えても、上記実施例１〜４と同様の傾向を示す評価結果が得られた。なかでも、弾性層の厚みが０．０２〜２．００ｍｍの範囲内のものは、弾性層自体を薄くしつつ、検知感度（凹み性）および連続的検知（形状回復性）をより良好にすることができた。
【００３９】
さらに、上記実施例１〜４では、位置センサの入力領域の表面に、ＰＥＴフィルムを介して紙を載置した状態で、検知感度（凹み性）および連続的検知（形状回復性）を評価したが、それらＰＥＴフィルムおよび紙を載置しない状態でも、上記実施例１〜４と同様の傾向を示す評価結果が得られた。
【００４０】
また、上記実施例１〜４では、光導波路を図１（ｂ）に断面図で示すものとしたが、光導波路を図４，図５に断面図で示すものとしても、上記実施例１〜４と同様の傾向を示す評価結果が得られた。なかでも、図５に示すものは、より高い評価を示した。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の位置センサは、押圧位置を検知する際に、検知感度を良好にするとともに、連続的感知を良好にする場合に利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｒ  弾性層
Ｗ  光導波路
１  アンダークラッド層
２  コア
３  オーバークラッド層
４  発光素子
５  受光素子
【図１】
2015197877.tif 000004
【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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