TW201543309A - 位置感測器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種位置感測器，其形成為：即使對光波導施加荷重13N的強力按壓，光波導的芯材以及下包覆層也不會塑性變形，並可很快地回復至原本的形狀。此位置感測器具備有使格子狀的芯材被四角形片狀的下包覆層支撐並被上包覆層被覆的四角形片狀的光波導、被連接在構成上述格子狀芯材的線狀芯材的一個端面上的發光元件，及被連接在上述線狀芯材的另一個端面上的受光元件。並且，將上述芯材設定成拉伸伸長率在3~10%範圍的彈性範圍中，並且將上述下包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中。

Description

位置感測器 發明領域

本發明是有關於一種以光學方式檢測按壓位置的位置感測器。

發明背景

迄今，已有用光學方式檢測按壓位置的位置感測器的方案被提出(參照例如，專利文獻1)。此感測器是形成為，將成為光路之複數條線狀的芯材(core)配置在縱橫方向上，並藉由以包覆層(clad)覆蓋這些芯材的周緣部，就能形成片狀的光波導，且使來自發光元件的光入射至上述各個芯材的一個端面，並藉由受光元件在各個芯材的另一個端面檢測在各個芯材內傳播的光。並且，當對應上述芯材的縱橫配置部分，以筆尖等按壓光波導之表面的一部分時，該按壓部分就會在按壓方向上凹陷而將芯材壓扁(使按壓方向的芯材的截面積變小)，而在該按壓部分的芯材上，在上述受光元件上的光的檢測位準會降低，藉此，可以檢測上述按壓部分的縱橫位置(座標)。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本專利特開平8-234895號公報

發明概要

但是，藉由上述芯材的變形，即使可以檢測到按壓位置，如果在解除按壓後，芯材仍無法很快地回復至原本的形狀，且芯材內的光的傳播也無法回復至原本的狀態，就無法預備進行下一個按壓。在上述以往的位置感測器中具有的問題為：藉由強力的按壓(例如荷重13N)，芯材或下包覆層會塑性變形，導致即使解除該按壓，也無法回復至原本的形狀。

本發明是有鑑於這樣的情況而作成的，其目的在於提供一種位置感測器，其形成為：即使對光波導施加荷重13N的強力按壓，光波導的芯材以及下包覆層也不會塑性變形，且可在解除該按壓後，很快地回復至原本的形狀。

為了達成上述目的，本發明的位置感測器，是具備光波導、發光元件及受光元件的位置感測器，該光波導是呈片狀並具有形成為格子狀之複數條線狀的芯材、支撐這些芯材的下包覆層，及被覆上述芯材的上包覆層，該發光元件係連接於該光波導之芯材的一端面上、該受光元件係連接於上述芯材之另一端面上且為從上述發光元件發出並經過芯材而到達之光的受光元件，並做成以下之構成：將上述芯材設定成拉伸伸長率在3~10%範圍的彈性範圍 中，並且將支撐上述芯材的下包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中，並將對應於上述格子狀之芯材部分之光波導的表面部分形成為輸入區域，且藉由該按壓而造成在上述受光元件上之受光強度的衰減來確定該輸入區域中的按壓處。

本發明的發明人們，在具有格子狀芯材被下包覆 層支撐的片狀光波導的位置感測器上，當解除對該光波導的按壓時，為了讓該光波導的芯材以及下包覆層很快地回復至原本的形狀，於是將重點放在上述芯材以及下包覆層的拉伸伸長率，反覆進行了研究。其結果發現，當將上述芯材設定成拉伸伸長率在3~10%範圍的彈性範圍中，並且將上述下包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中時，即使對光波導施加荷重13N的強力按壓，光波導的芯材以及下包覆層仍不會產生塑性變形，且可在解除該按壓時，很快地回復至原本的形狀，因而達成了本發明。

亦即，在光波導中，因為芯材是以受到下包覆層 支撐的狀態被形成，所以當下包覆層變形時，芯材也會成為已變形狀態，因此即使做到讓芯材回復至原本的形狀還是不夠的，而是不只芯材，連下包覆層也必須回復至原本的形狀。因此，在本發明中，會如上所述地限定芯材與下包覆層，以做成使芯材與下包覆層迅速地復原。再者，雖然在下包覆層之上，上包覆層也是以被覆芯材的狀態被形成，但是只要芯材與下包覆層回復至原本的形狀，芯材內的光的傳播也會回復至原本的狀態，因此，即使假設上包 覆層仍原樣保持在已變形的狀態，仍然可以預備進行接下來的按壓。

本發明的位置感測器，具有格子狀之芯材被下包覆層所支撐的片狀光波導，且將上述芯材設定成拉伸伸長率在3~10%範圍的彈性範圍中，將上述下包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中。因此，即使對光波導施加荷重13N的強力按壓，光波導的芯材以及下包覆層仍不會塑形變形，且可在解除該按壓後，很快地回復至原本的形狀。亦即，本發明的位置感測器，可迅速地預備進行接下來的按壓，在按壓位置的連續檢測上是優異的。

特別是，在上述芯材以及下包覆層為環氧樹脂製的情況中，可以很容易地將這些芯材以及下包覆層，分別以上述拉伸伸長率的範圍來設定在彈性範圍中。

又，將上述上包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中時，即使對光波導施加荷重13N的強力按壓，上包覆層也不會產生塑性變形，且可在解除該按壓時，很快地回復至原本的形狀。因此，在解除上述按壓時，按壓痕跡可很快地從光波導的表面(上包覆層的表面)消失。

1‧‧‧下包覆層

2‧‧‧芯材

2a‧‧‧壁面

3‧‧‧上包覆層

4‧‧‧發光元件

5‧‧‧受光元件

10a‧‧‧筆尖

30‧‧‧桌子

W‧‧‧光波導

G‧‧‧間隙

d‧‧‧寬度

圖1是模式地表示本發明之位置感測器的第1實施形態，(a)為其平面圖，(b)為其放大剖面圖。

圖2是模式地表示上述位置感測器之使用狀態的剖面 圖，(a)為按壓狀態，(b)為已解除按壓的狀態。

圖3(a)至(d)是模式地表示光波導之製法的說明圖。

圖4是模式地表示本發明之位置感測器的第2實施形態之放大剖面圖。

圖5(a)至(f)是模式地表示上述位置感測器的格子狀的芯材之交叉形態之放大平面圖。

圖6(a)、(b)是模式地表示上述格子狀的芯材的交叉部中的光之行進路線的放大平面圖。

用以實施發明之形態

接著，根據圖式詳細地說明本發明之實施形態。

圖1(a)是表示本發明的位置感測器之第1實施形態的平面圖，圖1(b)為將其中央部的剖面放大之圖。此實施形態的位置感測器具備有使格子狀的芯材2被四角形片狀的下包覆層1所支撐並被上包覆層3被覆的四角形片狀的光波導W、被連接在構成上述格子狀的芯材2的線狀芯材2之一個端面上的發光元件4，及被連接在上述線狀芯材2之另一個端面上的受光元件5。並且，上述芯材2是以拉伸伸長率3~10%的範圍位於彈性範圍中，且上述下包覆層1是以拉伸伸長率5~140%的範圍位於彈性範圍中。再者，在此實施形態中，上包覆層3也與上述下包覆層1同樣，是以拉伸伸長率5~140%的範圍位於彈性範圍中。

又，從上述發光元件4所發出的光，會形成為通過上述芯材2之中，並在上述受光元件5被接收。並且，對 應於格子狀的芯材2之部分的上包覆層3的表面部分會成為輸入區域。再者，在圖1(a)中，是以虛線表示芯材2，且以虛線的粗細表示芯材2的粗細。又，在圖1(a)中，是將芯材2的數量縮減而圖示。並且，圖1(a)的箭頭，是表示光的前進方向。

如上所述，在具有格子狀之芯材2被下包覆層1 以及上包覆層3夾持的片狀光波導W的位置感測器中，使上述芯材2位於拉伸伸長率3~10%範圍的彈性範圍中，並且使上述下包覆層1位於拉伸伸長率5~140%範圍的彈性範圍中的作法，是本發明的重大特徵。藉由具有這樣的光波導W，即使對上述輸入區域的部分施加13N的強力按壓荷重，上述芯材2以及下包覆層1可以在維持有彈性的狀態下變形，並在解除上述按壓後，即藉由其自身的復原力很快地回復至原本的形狀。從其形狀回復性的觀點來看，較理想的是，使上述芯材2以拉伸伸長率5~10%的範圍位於彈性範圍中，且使上述下包覆層1以拉伸伸長率15~100%的範圍位於彈性範圍中。又，在此實施形態中，由於上包覆層3也與上述下包覆層1同樣，是以拉伸伸長率5~140%的範圍位於彈性範圍中，所以當解除上述按壓時，按壓痕跡可很快地從光波導W的表面(上包覆層3的表面)消失。

亦即，上述位置感測器的按壓位置的檢測是例 如，如圖2(a)的剖面圖所示，在將位置感測器設成以下包覆層1的背面接觸桌子30等硬物的表面而載置的狀態下，以筆尖10a等按壓上包覆層3的輸入區域的部分時，就可以檢測 該按壓位置。此時，如上所述，藉由芯材2、下包覆層1以及上包覆層3的特定的彈性範圍，該等芯材2以及下包覆層1會以維持有彈性的狀態凹陷。然後，如圖2(b)的剖面圖所示，在解除上述按壓時，如上所述，藉由芯材2、下包覆層1以及上包覆層3的特定的彈性範圍，就能使光波導W很快地回復至原本的平坦形狀，因此上述位置感測器成為可迅速地預備進行接下來的按壓，在按壓位置的連續檢測上優異之感測器。再者，上述按壓位置的檢測，也可以在上述輸入區域的表面上隔著樹脂薄膜、紙等而進行。

可作為具有如上所述之特性的芯材2、下包覆層1 以及上包覆層3的形成材料，從上述彈性範圍的設定容易性的觀點來看，可以列舉出例如環氧樹脂等。並且，從光波導W的製作容易性的觀點來看，上述環氧樹脂等宜為感光性樹脂。芯材2的折射率是被設定為比下包覆層1以及上包覆層3的折射率還要大。其折射率的調整，可由例如調整各個形成材料之種類的選擇和組成比例而進行。

又，這個實施形態的光波導W是形成為，在片狀 的下包覆層1的表面部分埋設格子狀的芯材2，而將上述下包覆層1的表面與芯材2的頂面形成在同一個平面上，並以被覆這些下包覆層1的表面與芯材2的頂點的狀態，形成片狀的上包覆層3。這種構造的光波導W，因為可以將上包覆層3做成均一厚度，所以可以容易地檢測出上述輸入區域中的按壓位置。可將各層的厚度設定為例如，下包覆層1在10~500μm的範圍內，芯材2在5~100μm的範圍內，上包覆 層3在1~200μm的範圍內。

又，芯材2的彈性率，較理想的是設定在下包覆 層1以及上包覆層3的彈性率以上。其理由是因為，當彈性率的設定與其相反時，就會由於芯材2的周邊變硬，而使相較於按壓上包覆層3之輸入區域部分的筆尖等的面積還要大之面積的光波導W之部分凹陷，會有變得難以正確地檢測按壓位置的傾向。於是，作為各個彈性率，較理想的是例如，將芯材2的彈性率設定在1~10GPa的範圍內，將上包覆層的3的彈性率設定在0.1~10GPa的範圍內，將下包覆層1的彈性率設定在0.1~1GPa的範圍內。此時，由於芯材2的彈性率較大，因此在較小的按壓力下，芯材2並不會被壓扁(芯材2的剖面積不會變小)，但是由於藉由按壓，芯材2會以下沈至下包覆層1的方式凹陷[參照圖2(a)]，所以會從對應該凹陷部分的芯材2之彎曲部分發生光的洩漏(散射)，且在該芯材2上，會因為在受光元件5[參照圖1(a)]上的光之檢測位準降低，而能夠檢測按壓位置。

接著，針對上述光波導W的製法的其中一例進行 說明。首先，如圖3(a)所示，將上包覆層3形成為均一厚度的片狀。其次，如圖3(b)所示，在該上包覆層3的上表面，以將芯材2突出的狀態形成為預定圖形。接著，如圖3(c)所示，以被覆該芯材2的方式，在上述上包覆層3的上表面形成下包覆層1。並且，如圖3(d)所示，將所得到的構造體上下顛倒，將下包覆層1作為下側，將上包覆層3作為上側。 像這樣地進行，就可以得到上述光波導W。再者，上述下 包覆層1、芯材2以及上包覆層3，都是透過對應各自的形成材料的製法而被製作。

圖4是將本發明的位置感測器的第2實施形態的 中央部的剖面放大之圖。在此實施形態中，光波導W的構造，是形成為與如圖1(b)所示之第1實施形態上下顛倒。亦即，是形成為以下的構造：在均一厚度的片狀下包覆層1的表面上，以使芯材2突出的狀態形成預定圖形，並在被覆該芯材2的狀態下，在上述下包覆層1的表面上形成上包覆層3。除此以外的部分，則與圖1(b)所示之第1實施形態相同，且對同樣的部分皆附加相同的符號。並且，此實施形態的位置感測器，也可產生與圖1(b)所示之第1實施形態同樣的作用、效果。

再者，在上述各個實施形態中，雖然格子狀的芯 材2的各個交叉部，通常是如圖5(a)的放大平面圖所示，形成為交叉的4個方向全部都是連續的狀態，但也可以是其他形式。例如，也可以是如圖5(b)所示，只有交叉的1個方向被間隙G所切斷，而成為不連續之形式。上述間隙G，是以下包覆層1或者是上包覆層3的形成材料所形成。該間隙G的寬度d，是設定在超過0(只要有形成間隙G即可)，且通常是在20μm以下。與此同樣地，也可以如圖5(c)、(d)所示，將交叉的2個方向[圖5(c)是相對向的2個方向，圖5(d)是相鄰的2個方向]形成為不連續之形式，也可以如圖5(e)所示，將交叉的3個方向形成為不連續之形式，且還可以如圖5(f)所示，將交叉的4個方向全部都形成為不連續之形式。此外， 也可以做成具備了圖5(a)至(f)所示之上述交叉部中的2種以上之交叉部的格子狀。亦即，在本發明中，所謂的以複數條線狀的芯材2所形成的「格子狀」，意思包含將一部分乃至全部的交叉部以如上述的形式形成之形式。

其中尤以，當如圖5(b)至(f)所示，將交叉之至少 1個方向做成不連續時，就可以減少光的交叉損失。亦即，如圖6(a)所示，在交叉的4個方向全部都連續的交叉部上，當將注意力放在該交叉的1個方向[在圖6(a)為向上方向]時，則入射到交叉部之光的一部分會到達與該光前進而來之芯材2為直交的芯材2的壁面2a，且在該壁面上的反射角度大，所以會穿透芯材2[參照圖6(a)的兩點鏈線的箭頭]。 像這樣的光的穿透，在交叉的與上述相反側的方向[在圖6(a)中為向下方向]上也會發生。相對於此，如圖6(b)所示，如果交叉的1個方向[在圖6(b)中為向上方向]藉由間隙G而成為不連續，則會形成上述間隙G與芯材2的界面，且在圖6(a)中穿透芯材2之光的一部分在上述界面上的反射角度會變小，因此不會有穿透的情形，而會在該界面上反射，且繼續在芯材2中前進[參照圖6(b)的兩點鏈線的箭頭]。依此，如先前所述，當將交叉的至少1個方向做成不連續時，就可以減少光的交叉損失。

又，在上述各個實施形態中，雖然上包覆層3也 與上述下包覆層1同樣，設成以拉伸伸長率5~140%的範圍位於彈性範圍中，但是上包覆層3也可以是表示其他的彈性特性之層。

此外，在上述各個實施形態中，在下包覆層1的 下表面上，也可以設有橡膠層等的彈性層。此時，在解除按壓後，下包覆層1、芯材2以及上包覆層3將不只利用其本身的回復力，還可以利用上述彈性層的彈性力，而回復到原本的形狀。又，也可以將下包覆層1做成由和上述彈性層相同的形成材料所形成之層，而將由該等下包覆層1與彈性層所構成之積層體視為一個層來操作。

接著，和比較例一起來說明實施例。但是，本發明並不受限於實施例。

突施例

[芯材、下包覆層以及上包覆層的形成材料]

如後述的表1所示，準備4種用以形成芯材的環氧樹脂，並且準備3種用以形成包覆層(下包覆層以及上包覆層)的環氧樹脂。然後，使用這些環氧樹脂之中的至少1種，分別調製出要在實施例1至5以及比較例1至3中使用的芯材以及包覆層的形成材料。在該調製中，適當地使用了光酸產生劑、乳酸乙酯(溶劑)等。

[芯材以及包覆層的拉伸伸長率]

使用上述各個形成材料，製作出芯材以及包覆層的板狀試驗片[0.5mm×20mm×0.05mm(厚度)]。然後，使用拉伸壓縮試驗機(TECHNO GRAPH TG-1kN)來測量各個試驗片的拉伸伸長率。將其結果表示於後述的表1中。

[光波導的製作]

首先，在玻璃製基材的表面上，使用上述包覆層的形 成材料，藉由旋轉塗佈法形成上包覆層。此上包覆層的厚度為25μm。

接著，在上述上包覆層的表面上，使用上述芯材 的形成材料，藉由光刻(photolithography)法形成格子狀的芯材。此芯材的寬度為30μm，厚度為50μm。再者，用拉伸伸長率超過10%的材料就無法對芯材進行圖形生成。

接著，以被覆上述芯材的方式，在上述上包覆層 的上表面，使用上述下包覆層的形成材料，藉由旋轉塗佈法形成下包覆層。此下包覆層的厚度為500μm。

然後，將上述上包覆層從上述玻璃製基材剝離。其次，透過接著劑，將上述下包覆層黏著在鋁板的表面上。像這樣進行，即可在鋁板的表面上，透過接著劑製作出光波導。

[位置感測器的製作]

在上述光波導的芯材的一個端面上連接發光元件(Optowell公司製，XH85-S0603-2s)，並在芯材的另一個端面上連接受光元件(日商濱松光子學(Hamamatsu Photonics)公司製，s10226)，以製作出實施例1至5以及比較例1至3的位置感測器。

[位置感測器的評價：連續檢測(形狀回復性)]

在上述各個位置感測器的輸入區域的表面，隔著PET薄膜(厚50μm)載置紙(厚度80μm)。然後，在該紙的表面上未施加荷重的狀態下，以上述受光元件觀測接收光譜。接著，在上述紙的表面，以前端直徑為0.5mm的原子筆尖 施加9.8N的荷重，並以上述受光元件觀測接收光譜。其次，解除上述原子筆尖的荷重之後，緊接著測量上述接收光譜回復到無荷重狀態下的接收光譜的時間。然後，將該回復時間少於7.1ms(CMOS掃描速度)的，評價為位置感測器的連續檢測(形狀回復性)優異並畫○，將回復時間為7.1ms以上的，評價為位置感測器的連續檢測(形狀回復性)差並畫×，表示在下述的表1中。再者，在比較例1至3中，藉由施加上述荷重，會產生塑形變形，且即使解除該荷重，形狀也沒有回復。

[位置感測器的評價：彈性維持性]

在上述各個位置感測器的輸入區域的表面，隔著PET薄膜(厚50μm)載置紙(厚80μm)。然後，在該紙的表面上的某一個位置，用前端直徑為0.5mm的原子筆尖施加9.8N的荷重30次(每1次長達1秒鐘的荷重)之後，使用光學顯微鏡(KEYENCE公司製，WH-Z75)觀察已施加過該荷重後的表面部分。然後，將表面上沒有荷重痕跡的，評價為彈性維持性優異並畫○，將表面上有荷重痕跡的，評價為彈性維持性差並畫×，表示在下述的表1中。

[表1]

．EHPE3150：DAICEL公司製

．YL7410、Epikote1007：三菱化學公司製

．KI-3000-4：新日鐵化學公司製

．EP4080E：ADEKA公司製

從上述表1的結果可以得知，實施例1至5的位置感測器，當與比較例1至3的位置感測器相比較時，在連續檢測(形狀回復性)以及彈性維持性上均是優異的。並且可以得知，其結果的不同，是取決於在芯材以及包覆層之彈性範圍中的拉伸伸長率。

又，在上述實施例1至5中，即使改變上包覆層的彈性特性，仍然可以得到顯示與上述實施例1至5同樣傾向的連續檢測(形狀回復性)的評價結果。依此可以得知，該評 價結果是取決於在芯材以及下包覆層之彈性範圍中的拉伸伸長率。

此外，在上述實施例1~5中，雖然是在位置感測 器的輸入區域的表面，以隔著PET薄膜載置紙的狀態，對連續檢測(形狀回復性)以及彈性維持性進行了評價，但是即使在沒有載置這些PET薄膜以及紙的狀態下，仍然可以得到顯示與上述實施例1至5同樣傾向的評價結果。

又，在上述實施例1至5中，雖然將光波導做成圖 1(b)之剖面圖所示之形式，但是即使將光波導做成圖4的剖面圖所示之形式，仍然可以得到顯示與上述實施例1至5同樣傾向的評價結果。

在上述實施例中，雖然顯示了本發明的具體形 態，但是上述實施例僅為例示用，而非作為限定地被解釋之內容。並欲將對本發明所屬技術領域中具有通常知識者來說為明顯之各種變形，皆視為在本發明的範圍內。

產業上之可利用性

本發明的位置感測器，可應用在檢測按壓位置時，使按壓痕跡很快地消失而良好地進行連續檢測的情況中。

1‧‧‧下包覆層

2‧‧‧芯材

3‧‧‧上包覆層

4‧‧‧發光元件

5‧‧‧受光元件

W‧‧‧光波導

Claims (3)

1. 一種位置感測器，是具備光波導、發光元件及受光元件的位置感測器，該光波導是呈片狀並具有形成為格子狀之複數條線狀的芯材、支撐這些芯材的下包覆層，及被覆上述芯材的上包覆層，該發光元件係連接於該光波導之芯材的一端面上，該受光元件係連接於上述芯材之另一端面上且為從上述發光元件發出並經過芯材而到達之光的受光元件，該位置感測器的特徵在於，將上述芯材設定成拉伸伸長率在3~10%範圍的彈性範圍中，並且將支撐上述芯材的下包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中，並將對應於上述格子狀之芯材部分之光波導的表面部分形成為輸入區域，且藉由該按壓而造成在上述受光元件上之受光強度的衰減來確定該輸入區域中的按壓處。
2. 如請求項1之位置感測器，其中，上述芯材及下包覆層為環氧樹脂製。
3. 如請求項1或2之位置感測器，其中，是將上述上包覆層設定成拉伸伸長率在5~140%範圍的彈性範圍中。