JP2015088163A

JP2015088163A - 入力装置

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Publication number: JP2015088163A
Application number: JP2014098455A
Authority: JP
Inventors: 裕介清水; Yusuke Shimizu; 良真吉岡; Yoshimasa Yoshioka
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-05-07
Also published as: KR20160061321A; EP3026539A1; WO2015045570A1; CN105493012A; TW201512911A; US20160202787A1

Abstract

【課題】入力体の先端入力部の押圧や移動によるコアの割れを防止した光導波路を備えた入力装置を提供する。
【解決手段】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を備え、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の表面部分を入力領域とし、アンダークラッド層１の弾性率およびオーバークラッド層３の弾性率を、コア２の弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定することにより、入力領域における入力体の先端入力部の押圧や移動によるコア２の割れを防止するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学的な位置検出手段を備えた入力装置に関するものである。

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、そのシート状の位置センサの表面の一部を指等で押圧すると、その押圧部分のコアがつぶれ（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、上記押圧位置を検知できるようになっている。

特開平８−２３４８９５号公報

しかしながら、上記特許文献１のシート状の位置センサの表面に、ペン等の入力体で文字等を入力すると、場合によって、その入力体の先端入力部（ペン先等）により、上記光導波路を損傷することがある。すなわち、上記光導波路では、押圧によってコアを変形し易くして押圧位置を検知し易くするために、コアよりも上側に位置するオーバークラッド層の部分の厚みを薄く（例えば２００μｍ以下に）形成する場合がある。その場合、入力体の先端入力部による押圧時に、その押圧力が設定値（人の平均押圧力が１．５Ｎ程度であることを考慮して設定される値）よりも大きいと、線状のコアで囲まれたクラッドの四角形部分に、先端入力部が深く沈み込み、それが原因で、そのクラッド部分に割れが生じ、その割れが周囲のコアまで拡大することがある。また、押圧力が大きい状態のままでの先端入力部を移動させると、その先端入力部が線状のコアに引っ掛かり、それが原因で、そのコアに割れが生じることがある。これらのようにコアに割れが生じると、コア内を光が適正に伝播しなくなり、位置センサとしての機能を失う。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、入力体の先端入力部の押圧や移動によるコアの割れを防止した光導波路を備えた入力装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の入力装置は、格子状に形成された複数の線状のコアをシート状のアンダークラッド層およびオーバークラッド層により挟持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る発光素子と、上記コアの他端面に接続される受光素子とを備え、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、上記光導波路の格子状のコア部分に対応するオーバークラッド層の表面部分を入力領域とし、その入力領域における入力体の先端入力部による押圧位置を、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入力装置であって、上記アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率が、コアの弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定されて上記先端入力部の押圧によるコアの割れを防止するようになっているという構成をとる。

本発明者らは、入力装置にペン等の入力体で文字等を入力する際に、コアよりも上側に位置するオーバークラッド層の部分の厚みが２００μｍ以下に形成されていても、入力体の先端入力部の押圧や移動により光導波路のコアに割れが生じないようにすべく、光導波路の弾性率について研究を重ねた。その研究の過程で、前記従来技術におけるコアの割れは、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率が、コアの弾性率よりも大幅に小さい（コアの弾性率の５％以下）場合に、生じることを突き止めた。そして、その知見に鑑み、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率を、コアの弾性率に近づけることを着想し、さらに研究を重ねた結果、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率を、コアの弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定すると、入力体の先端入力部の押圧や移動によってコアに割れが生じないようになることを見出し、本発明に到達した。

本発明の入力装置では、光導波路のアンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率を、コアの弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定している。すなわち、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率を、コアの弾性率と同等ないし近い値に設定している。これにより、オーバークラッド層の表面の入力領域を、入力体の先端入力部で押圧したり、上記入力領域で上記先端入力部を移動させたりしても、オーバークラッド層もコアもアンダークラッド層も同様に変形し、コアに大きな応力がかからないようになっている。その結果、コアに割れが生じないようになる。例えば、線状のコアで囲まれた部分に対応するオーバークラッド層またはアンダークラッド層の四角形部分が、入力体の先端入力部による強い押圧により変形しても、コアに割れが生じないし、その強い押圧のまま入力体の先端入力部を移動させても、その先端入力部がコアに引っかかることがなく、コアに割れが生じない。

特に、上記コアの弾性率が、１Ｍ〜１０ＧＰａの範囲内に設定されている場合には、入力体の先端入力部が接するオーバークラッド層の弾性率を、入力体による入力にとって適正にすることができ、書き味が良好になる。

また、上記光導波路が、アンダークラッド層の表面部分に、コアが埋設されて、上記アンダークラッド層の表面とコアの頂面とが面一に形成され、それらアンダークラッド層の表面とコアの頂面とを被覆した状態で、オーバークラッド層が形成された構造を有している場合には、その光導波路の構造と上記弾性率の設定とが相俟って、入力体の先端入力部による押圧位置を検知し易くなっている。

本発明の入力装置の一実施の形態を模式的に示し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその要部拡大断面図である。上記入力装置の使用状態を模式的に示す拡大部分断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、上記入力装置を構成する光導波路の製法を模式的に示す説明図である。本発明の入力装置の他の実施の形態を構成する光導波路を模式的に示す要部拡大断面図である。上記入力装置の変形例を模式的に示す要部拡大断面図である。（ａ）〜（ｆ）は、上記入力装置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。（ａ），（ｂ）は、上記格子状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。

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、本発明の入力装置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。この実施の形態の入力装置は、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、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。また、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。また、図１（ａ）の矢印は、光の進む方向を示している。

そして、上記光導波路Ｗにおいて、アンダークラッド層１の弾性率およびオーバークラッド層３の弾性率が、コア２の弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定されている。このことが、本発明の大きな特徴である。これにより、アンダークラッド層１およびオーバークラッド層３の弾性率を、コア２の弾性率と同等ないし近い値に設定している。そのため、オーバークラッド層３の表面の入力領域を押圧したときに、オーバークラッド層３もコア２もアンダークラッド層１も同様に変形し、コア２に大きな応力がかからないようになる。その結果、コア２に割れが生じないようになる。なお、アンダークラッド層１の弾性率とオーバークラッド層３の弾性率とは、同値でも同値でなくてもよい。上記アンダークラッド層１の弾性率およびオーバークラッド層３の弾性率が、コア２の弾性率を上回る（コア２の弾性率の１００％を上回る）と、コア２の周辺が硬くなるため、押圧に対し、コア２が適正に変形し難くなり、押圧位置を正確に検知し難くなる。先に述べたように、上記アンダークラッド層１の弾性率およびオーバークラッド層３の弾性率が、コア２の弾性率に対し低すぎる（コア２の弾性率の５％以下）と、押圧によりコア２等に割れが生じる。

また、この実施の形態では、上記光導波路Ｗは、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が形成されたシート状のものとなっている。このような特定構造の光導波路Ｗは、オーバークラッド層３を均一厚みにすることができることから、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の弾性率の設定と相俟って、入力体の先端入力部による押圧位置を検知し易くなっている。また、上記のような構造の光導波路Ｗの場合、各層の厚みは、例えば、アンダークラッド層１が１〜２００μｍ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。

上記入力装置は、例えば、図２に断面図で示すように、テーブル等の平面台３０の上に載置されて、上記入力領域に、ペン等の入力体１０で文字等の情報を書き込むようにして使用される。そして、その書き込みにより、光導波路Ｗのオーバークラッド層３の表面が、ペン先等の先端入力部１０ａで押圧される。それにより、ペン先等の先端入力部１０ａによる押圧部分では、コア２が、ペン先等の先端入力部１０ａに沿って、アンダークラッド層１に沈むように曲がる。そして、そのコア２の曲がった部分から、光の漏れ（散乱）が発生する。そのため、ペン先等の先端入力部１０ａで押圧されたコア２では、受光素子５での光の検出レベルが低下し、その光の検出レベルの低下から、ペン先等の先端入力部１０ａの位置（座標）やその移動軌跡を検知することができる。

ここで、先に述べたように、アンダークラッド層１の弾性率およびオーバークラッド層３の弾性率が、コア２の弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定されていることから、ペン先等の先端入力部１０ａによる押圧時に、オーバークラッド層３もコア２もアンダークラッド層１も同様に変形し、コア２に大きな応力がかからないようになる。そのため、例えば、線状のコア２で囲まれた部分に対応するオーバークラッド層３およびアンダークラッド層１の四角形部分が、入力体１０の先端入力部１０ａによる強い押圧により変形しても、コア２に割れが生じないし、その強い押圧のまま入力体１０の先端入力部１０ａを移動させても、その先端入力部１０ａがコア２に引っかかることがなく、コア２に割れが生じない。その結果、入力装置としての機能を維持することができる。

なお、上記コア２の弾性率は、１Ｍ〜１０ＧＰａの範囲内に設定されることが好ましい。これにより、入力体１０の先端入力部１０ａが接するオーバークラッド層３の弾性率を、入力体１０による入力にとって適正にすることができ、書き味を良好にすることができる。

そして、上記先端入力部１０ａによる押圧が解除される（入力が終了する）と、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は、各自の復元力により、元の状態〔図１（ｂ）参照〕に戻る。なお、上記コア２の、アンダークラッド層１への沈み込み深さＤは、最大で２０００μｍまでとすることが好ましい。それを超えると、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が元の状態に戻らなくなったり、光導波路Ｗに割れが発生したりするおそれがある。

さらに、上記入力装置は、その入力装置を制御するＣＰＵ（中央処理装置）（図示せず）を備えており、そのＣＰＵには、上記受光素子５での光の検出レベルの低下から、ペン先等の先端入力部１０ａの位置や移動軌跡を特定するプログラムが組み込まれている。そして、例えば、上記先端入力部１０ａの位置や移動軌跡を示すデータは、電子データとしてメモリ等の記憶手段に保存（記憶）される。

また、その記憶手段に保存（記憶）されたメモ等の情報は、再生用端末（パーソナルコンピュータ，スマートフォン，タブレット型端末等）を利用して再生（表示）することができ、さらに、上記再生用端末に記憶させることもできる。この場合、上記再生用端末と上記入力装置とは、例えば、マイクロＵＳＢケーブル等の接続ケーブルで接続される。なお、上記記憶手段のメモリへの保存（記憶）は、例えば、ｐｄｆ等の汎用性のあるファイル形式で行われる。

つぎに、上記光導波路Ｗの製法について説明する。上記光導波路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、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。すなわち、まず、図３（ａ）に示すように、オーバークラッド層３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、そのオーバークラッド層３の上面に、コア２を、突出した状態で所定パターンに形成する。つぎに、図３（ｃ）に示すように、そのコア２を被覆するように、上記オーバークラッド層３の上面に、アンダークラッド層１を形成する。そして、図３（ｄ）に示すように、その得られた構造体を上下逆にし、アンダークラッド層１を下側、オーバークラッド層３を上側にする。このようにして、上記光導波路Ｗが得られる。

また、上記コア２の屈折率は、上記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。そして、上記弾性率および屈折率の調整は、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。

なお、上記光導波路Ｗの構造は、上記実施の形態の他でもよく、例えば、図４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が形成された構造のものとしてもよい。

また、図５に断面図で示すように、上記光導波路Ｗのアンダークラッド層１の裏面に、ゴム層等の弾性層Ｒを設けてもよい。なお、図５では、図１（ｂ）に断面図を示す光導波路Ｗに弾性層Ｒを設けたが、図４に断面図を示す光導波路Ｗに弾性層Ｒを設けても同様である。この場合、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の復元力が弱くなったり、それらが元々復元力の弱い材料からなるものであったりしても、上記弾性層Ｒの弾性力を利用して、上記弱い復元力を補助し、入力体１０の先端入力部１０ａ（図２参照）による押圧が解除された後、元の状態に戻すことができる。上記弾性層Ｒは、例えば、厚みが２０〜２０００μｍの範囲内、弾性率が０．１Ｍ〜１ＧＰａの範囲内に設定される。

また、上記入力体１０は、上記のように光導波路Ｗを押圧できればよく、例えば、インク等で用紙に書き込める筆記具でも、インク等が出ない単なる棒体でもよい。

そして、上記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（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。

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。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（ＡＤＥＫＡ社製、ＥＰ４０８０Ｅ）
成分ｂ：光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ１０１Ａ）
これら成分ａ，ｂ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ｃ：エポキシ樹脂（ダイセル社製、ＥＨＰＥ３１５０）
成分ｄ：エポキシ樹脂（東都化成社製、ＫＩ−３０００−４）
成分ｅ：光酸発生剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＳＰ１７０）
成分ｆ：乳酸エチル（和光純薬工業社製、溶剤）
これら成分ｃ〜ｆ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〕
つぎのようにして、光導波路を作製した。このとき、光導波路を構成するオーバークラッド層等の厚みおよび弾性率は、下記の表１に示した値とした。なお、弾性率の調整は、上記成分ａ，ｂ、成分ｃ，ｄの含有量を調整することにより行った。また、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。

すなわち、まず、ガラス製基材の表面に、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。

ついで、上記オーバークラッド層の上面に、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、コアを直線パターンに突出形成した。

つぎに、上記コアを被覆するように、上記オーバークラッド層の上面に、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。

そして、上記オーバークラッド層を上記ガラス製基材から剥離した。ついで、接着剤を介して、アルミニウム板の表面に、上記アンダークラッド層を接着した。このようにして、アルミニウム板の表面に、接着剤を介して、光導波路〔図１（ｂ）参照〕を作製した。

〔比較例〕
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として、下記のものを用い、コアの形成材料として、上記実施例と同様のものを用い、上記実施例と同様にして、光導波路を作製した。このとき、光導波路を構成するオーバークラッド層等の厚みおよび弾性率は、下記の表２に示した値とした。なお、弾性率の調整は、下記成分ｇ，ｈの含有量を調整することにより行った。

〔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ｇ：エポキシ樹脂（三菱化学社製、ＹＬ７４１０）
成分ｈ：エポキシ樹脂（三菱化学社製、ＪＥＲ１００７）
成分ｉ：光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ１０１Ａ）
これら成分ｇ〜ｉ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。

〔光導波路の評価〕
オーバークラッド層の表面の任意の１０個所において、ボールペンの先端（先端直径０．５ｍｍ）で、下記の表１，２に示す荷重をかけた状態で文字を書いた。その結果、オーバークラッド層にもコアにもアンダークラッド層にも割れが生じなかったものを合格と評価し○を、それらいずれかに割れが生じたものを不合格と評価し×を、下記の表１，２に示した。

上記表１，２の結果から、実施例１〜９の光導波路は、大きな押圧力に対する耐割れ性に優れ、比較例１，２の光導波路は、その耐割れ性に劣ることがわかる。そして、その結果の違いは、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率と、コアの弾性率との差に依存していることがわかる。

また、上記実施例１〜９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に断面図で示すものとしても、上記実施例１〜９と同様の傾向を示す評価結果が得られた。

また、上記実施例１〜９では、アンダークラッド層の弾性率とオーバークラッド層の弾性率とを同値としたが、コアの弾性率の１０〜１００％の範囲内で、両弾性率を異なるように設定しても、上記実施例１〜９と同様の傾向を示す評価結果が得られた。

さらに、アンダークラッド層の下面に、ゴム層を設け、そのゴム層を、厚み２０〜２００００μｍの範囲内、弾性率０．１Ｍ〜１ＧＰａの範囲内に設定した場合でも、上記実施例１〜９と同様の傾向を示す評価結果が得られた。

本発明の入力装置は、文字等の情報をペン等の入力体で入力する際の押圧力が大きい場合でも、光導波路に割れが生じないようにし、入力装置としての機能を維持する場合に利用可能である。

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

Claims

格子状に形成された複数の線状のコアをシート状のアンダークラッド層およびオーバークラッド層により挟持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る発光素子と、上記コアの他端面に接続される受光素子とを備え、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、上記光導波路の格子状のコア部分に対応するオーバークラッド層の表面部分を入力領域とし、その入力領域における入力体の先端入力部による押圧位置を、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入力装置であって、上記アンダークラッド層およびオーバークラッド層の弾性率が、コアの弾性率の１０〜１００％の範囲内に設定されて上記先端入力部の押圧によるコアの割れを防止するようになっていることを特徴とする入力装置。
上記コアの弾性率が、１Ｍ〜１０ＧＰａの範囲内に設定されている請求項１記載の入力装置。
上記光導波路が、アンダークラッド層の表面部分に、コアが埋設されて、上記アンダークラッド層の表面とコアの頂面とが面一に形成され、それらアンダークラッド層の表面とコアの頂面とを被覆した状態で、オーバークラッド層が形成された構造を有している請求項１または２記載の入力装置。