発光素子付光導波路および光学式タッチパネル
【課題】発光素子からの入力主路の幅が狭く、複数の分岐路から出射される光線の強度が大きい発光素子付光導波路を提供する。
【解決手段】発光素子付光導波路１０は、分岐点１６が主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなっている。この構造の発光素子付光導波路１０は、隣り合う分岐路１５の間にスペース（クラッド層）が無いため幅Ｗ１が狭くできる。また、分岐路１５が短かいため光伝送効率が良く、出射される光の強度が大きい。出射される光の均一性は従来の発光素子付光導波路と同等以上となる。
【解決手段】発光素子付光導波路１０は、分岐点１６が主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなっている。この構造の発光素子付光導波路１０は、隣り合う分岐路１５の間にスペース（クラッド層）が無いため幅Ｗ１が狭くできる。また、分岐路１５が短かいため光伝送効率が良く、出射される光の強度が大きい。出射される光の均一性は従来の発光素子付光導波路と同等以上となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子付光導波路およびそれを用いた光学式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一つの発光素子から複数の光線を生成するために、分岐構造を有する光導波路が知られている（例えば特許文献１）。このような光導波路は、光学式タッチパネルの座標入力領域に光線を出射するために、好適に用いられる。しかし、従来の発光素子付光導波路は、幅が広く、出射される光線の強度が小さいという問題点があった。
【０００３】
図６に、従来用いられている発光素子付光導波路６０の一例を示す。図６に示すように、従来用いられている発光素子付光導波路６０は、発光素子６１からの光を均一に分配するために、複数の分岐点６２が主路６３の導光方向６４に垂直な一直線上に設けられていた。この構造の発光素子付光導波路６０は、隣り合う分岐路６５の間にスペース（クラッド層）６６があるため、幅Ｗ３が広かった。また、分岐路６５が長いため光伝送効率が悪く、出射される光の強度が小さかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開２００６／０１８８１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の発光素子付光導波路は、幅が広く、出射される光線の強度が小さいという問題点があった。本発明は、幅が狭く、かつ出射される光線の強度が大きい発光素子付光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の発光素子付光導波路は、発光素子と、発光素子からの光を導いて複数の光線を生成するコアを含む光導波路とを有する発光素子付光導波路であって、コアは、主路と、主路から分岐点で分岐した複数の分岐路とを有し、分岐点は主路の導光方向に沿って順次設けられており、主路は発光素子から遠ざかるに従って幅が狭くなることを特徴とする。
（２）本発明の発光素子付光導波路は、コアがクラッド層に埋設されており、コアの屈折率がクラッド層の屈折率より高いことを特徴とする。
（３）本発明の発光素子付光導波路は、コアとクラッド層の最大屈折率差が、０．０２〜０．２であることを特徴とする。
（４）本発明の発光素子付光導波路は、クラッド層がアンダークラッド層とオーバークラッド層とからなり、コアはアンダークラッド層上に形成され、オーバークラッド層により埋設されていることを特徴とする。
（５）本発明の発光素子付光導波路は、クラッド層の、光線の出射先端部の側断面形状が略１／４円弧状の凸レンズであることを特徴とする。
（６）本発明の光学式タッチパネルは、座標入力領域と、座標入力領域を横断する光線を生成する発光素子付光導波路と、座標入力領域を横断した光線を受光する受光側光導波路と、受光側光導波路で受光した光線の強度を検出する受光素子群とを備えた光学式タッチパネルであって、発光素子付光導波路が上記に記載の発光素子付光導波路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光素子付光導波路のコア（主路）の最大幅Ｗ１（図１）を、従来の発光素子付光導波路６０の主路６３の幅Ｗ３よりも、例えば５０％以上狭くすることができ、かつ、出射される光線の強度を従来の発光素子付光導波路６０の約１０倍にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の発光素子付光導波路の一例の模式図
【図２】本発明の発光素子付光導波路の他の例の模式図
【図３】光学式タッチパネルの模式図
【図４】受光側光導波路の模式図
【図５】実施例の発光素子付光導波路の模式図
【図６】従来の発光素子付光導波路の模式図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本発明の発光素子付光導波路］
図１に本発明の発光素子付光導波路１０の一例を示す。図１に示すように、本発明の発光素子付光導波路１０は、発光素子１１と、発光素子１１からの光を導いて複数の光線を生成するコア１２を含む光導波路１３とを有する。コア１２は、主路１４と、主路１４から枝分かれした複数の分岐路１５とを有し、分岐路１５の端部から光線を出射する。各分岐路１５が主路１４から枝分かれする分岐点１６は、主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなる。主路１４の形状は、主路１４の導光方向１７に延びた一辺１４ａと、それに対向する他の辺１４ｂとのなす角度θが、好ましくは０．１°〜５°となるように設計される。
【００１０】
図１に示すように、本発明に用いる発光素子付光導波路１０は、分岐点１６が主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなる。この構造の発光素子付光導波路１０は、隣り合う分岐路１５の間に、従来の発光素子付光導波路６０のスペース６６（クラッド層）に相当する部分が無いため、主路１４の幅Ｗ１を５０％以上狭くできる。また、分岐路１５が短かいため光伝送効率が良く、出射される光の強度が大きい。出射される光の均一性は従来の発光素子付光導波路６０と比べて同等以上である。
【００１１】
図２に、本発明の発光素子付光導波路２０の他の例を示す。本発明の他の例の発光素子付光導波路２０は、発光素子２１と、発光素子２１からの光を導いて複数の光線を生成するコア２２を含む光導波路２３とを有する。コア２２は、主路２４と、主路２４から枝分かれした複数の分岐路２５とを有し、分岐路２５の端部から光線を出射する。各分岐路２５が主路２４から枝分かれする分岐点２６は、主路２４の導光方向２７に沿って順次設けられており、主路２４は発光素子２１から遠ざかるに従って幅が狭くなる。
【００１２】
本発明の一例の発光素子付光導波路１０との違いは、主路２４の形状において、主路２４の導光方向２７に延びた一辺２４ａと、それに対向する他の辺２４ｂとが平行であることである。この形状によっても主路２４の幅Ｗ２を狭くすることができる。
【００１３】
［光学式タッチパネル］
図３に示すように、好ましい実施形態において、本発明の発光素子付光導波路は、光学式タッチパネル３０の発光側光導波路３１および発光素子３４として用いられる。この光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２と、座標入力領域３２を縦方向および横方向に横断する光線３３を生成する発光素子３４および発光側光導波路３１と、座標入力領域３２を横断した光線３３を受光する受光側光導波路３５と、受光側光導波路３５で受光した光線３３の強度を検出する受光素子群３６とを備える。受光素子群３６は複数の受光素子の集合体である。
【００１４】
このような光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２を通過する光線３３の一部が指やペンで遮断されると、受光素子群３６に入る光の強度が低下する。これを検知することで、指やペンの座標位置が認識される。
【００１５】
従来の発光素子付光導波路６０を発光側光導波路３１および発光素子３４として用いた場合、例えば、対角サイズが１０．４インチの光学式タッチパネル３０で、３ｍｍ程度の解像度を得るためには、コアの主路６３の幅Ｗ３は、約４０本分の分岐路６５と、各分岐路６５間のスペース６６とを合計した幅となる。
【００１６】
一方、本発明の発光素子付光導波路１０を用いた場合、コア１２の主路１４の幅Ｗ１は、最も広い位置で、約４０本分の分岐路１５の合計の幅なので、従来の発光素子付光導波路６０より約５０％狭くすることができる。
【００１７】
［発光素子］
本発明に用いられる発光素子３４は、光導波路３１を通って座標入力領域３２を横断する光線３３を生成するものであれば、任意のものが用いられる。
【００１８】
発光素子３４は、好ましくは発光ダイオードまたは半導体レーザーであり、さらに好ましくはＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）である。ＶＣＳＥＬは、基板面に対して垂直方向に光を共振させ、面と垂直方向に光を出射させることができるため、光伝送効率が高い。
【００１９】
発光素子３４から出射される光の波長は、好ましくは近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）のいずれかである。
【００２０】
［発光素子付光導波路］
図１に示すように、本発明の発光素子付光導波路１０に用いられる光導波路１３は、発光素子１１からの光を導いて複数の光線を生成するコア１２を含む。コア１２は、主路１４と、主路１４から分岐した複数の分岐路１５とを有する。各分岐路１５が主路１４から分岐する分岐点１６は、主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなるように形成されている。
【００２１】
コア１２の主路１４側の端部１４ｃは、通常、発光素子１１と光学的に結合（光結合）される。光結合方法は、特に制限はないが、例えば、発光素子１１の光強度分布の中心位置がコア１２の中心と一致するように調整する方法や、光路変換ミラーを用いる方法が挙げられる。光路変換ミラーは、例えばダイシング加工によるＶ溝である。
【００２２】
コア１２の主路１４の最大幅Ｗ１は、光学式タッチパネル３０のサイズや解像度にもよるが、例えば５００μｍ〜５０００μｍである。主路１４の幅Ｗ１は、発光素子１１から遠ざかるに従って狭くなる。主路１４の形状は、主路１４の導光方向１７に延びた一辺１４ａと、それに対向する他の辺１４ｂとのなす角度θが、好ましくは０．１°〜５°となるように設計される。
【００２３】
主路１４から分岐する分岐路１５の本数は、光学式タッチパネル３０のサイズや解像度にもよるが、好ましくは３０本〜５００本であり、さらに好ましくは５０本〜２００本である。主路１４の導光方向１７に沿って設けられた、隣り合う分岐点１６の間隔は、好ましくは１００μｍ〜２０００μｍである。分岐路１５の最大幅は、好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。
【００２４】
コア１２の、導光方向１７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。断面におけるコア１２の高さ（コア１２の厚み）は、好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。
【００２５】
以上の構成の発光素子付光導波路１０は、光線３３の出射特性に優れている。
【００２６】
コア１２は、通常、クラッド層１８に埋設されており、クラッド層１８より屈折率の高い材料からなる。コア１２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、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。
【００２７】
クラッド層１８は、通常、コア１２よりも屈折率の低い材料からなる。クラッド層１８の材料は、ガラス、シリコン、金属、樹脂などであり、特に制限はない。クラッド層１８は単層でもよいし、多層でもよい。多層の場合は、通常、アンダークラッド層とオーバークラッド層とから形成される。クラッド層１８の厚みｔは、好ましくは５μｍ〜２０μｍである。
【００２８】
コア１２とクラッド層１８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１２およびクラッド層１８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と含有量を変えることによって、適宜、大きく、または、小さくすることができる。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多くすることにより、屈折率を大きくすることができる。他方、例えば直鎖または脂肪族性の基（メチル基、ノルボルネン基など）を樹脂分子中に導入するか、あるいは樹脂分子中の含有量を多くすることにより、屈折率を小さくすることができる。
【００２９】
光導波路１３の構造は、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することができる。
【００３０】
［座標入力領域］
本発明の光学式タッチパネル３０において、座標入力領域３２とは、発光側光導波路３１から生成される光線３３が横断する領域をいう。本発明の光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２を通過する光線３３の一部を指やペンなどで遮ることにより、座標入力を行なう。
【００３１】
座標入力領域３２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の表示画面である。座標入力領域３２の前面は、空間でもよいし、ガラスパネルやアクリル板を設けてもよい。ガラスパネルやアクリル板は表示画面の耐傷性を増す。ガラスパネルやアクリル板の表面には、アンチリフレクション（ＡＲ）処理やアンチグレア（ＡＧ）処理が施されていてもよい。
【００３２】
［受光側光導波路］
図４に、本発明に用いられる受光側光導波路４０の一例を示す。本発明に用いられる受光側光導波路４０は、座標入力領域３２を横断した光線３３を受光するものであれば、特に制限はない。受光側光導波路４０は、好ましくは図４に示すように、複数のコア４１と、コア４１を埋設するクラッド層４２とを有する。受光側光導波路４０は、コア４１の一方の端部が座標入力領域３２に向けて配置され、コア４１の他方の端部は、複数の受光素子４３と光学的に結合される。
【００３３】
原理上、光導波路を用いた光学式タッチパネル３０の解像度は、受光素子４３と光学的に結合（光結合）する受光側光導波路４０の、コア４１の本数とピッチとによって決まる。このため、受光素子４３と光結合するコア４１は複数本必要である。
【００３４】
しかし、発光側光導波路１３は、座標入力領域３２に平行光を出射できればよいため、発光素子１１と光結合する端部１４ｃにおいて、コア１２は１本でよい。
【００３５】
［受光素子］
本発明に用いられる受光素子４３は、光信号を電気信号に変換し、受光側光導波路４０で受光した光線３３の強度を検出するものである。受光素子４３により検出される光線３３の波長は、好ましくは近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）のいずれかである。
【００３６】
複数の受光素子４３の集合体である受光素子群３６の構造は、受光部（例えばフォトダイオード）を横一列に並べた一次元イメージセンサーが好ましい。このような受光素子群３６としては、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。
【００３７】
［用途］
光学式タッチパネル３０の用途は、特に制限はなく、パソコンモニター、ＡＴＭ、券売機、ゲーム機、タブレットＰＣ、ＯＡ機器、ＦＡ機器などに広く用いられる。
【実施例】
【００３８】
［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
上記の成分を混合してクラッド層形成用ワニスを調製した。
【００３９】
［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 ３０重量部（特開２００７−０７０３２０実施例２に準じて合成）
・上記成分Ｂ １重量部
・乳酸エチル ４１重量部
上記の成分を混合してコア形成用ワニスを調製した。
【００４０】
［発光素子付光導波路の作製］
厚み１８８μｍのポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムの表面に、上記のクラッド層形成用ワニスを塗布し、紫外線を１０００ｍＪ／ｃｍ２照射し、次に８０℃で５分間加熱処理をして、図５に示す、厚み２０μｍのアンダークラッド層５１を得た。波長８３０ｎｍにおける、アンダークラッド層５１の屈折率は１．５１０であった。
【００４１】
アンダークラッド層５１の表面に、上記のコア形成用ワニスを塗布し、１００℃で５分間乾燥処理をしてコア層を形成した。次に、所定のパターンが印刷されたフォトマスクをコア層に被せ（ギャップ１００μｍ）、紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ２照射し、さらに１００℃で１０分間加熱処理をした。
【００４２】
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、１２０℃で５分間加熱処理をして、コア５２のパターンを形成した。コア５２は主路５３（最大幅Ｗ１＝２０３０μｍ、高さ５０μｍ）と、主路５３の導光方向５４に沿って順次枝分かれした７０本の分岐路５５（幅５５μｍ、高さ５０μｍ）とからなる。波長８３０ｎｍにおける、コア５２の屈折率は１．５９２であった。
【００４３】
次に、コア５２全体を覆うように凹型モールド（石英製）を配置し、凹型モールドの内部にクラッド層形成用ワニスを充填した。凹型モールドの表面から、紫外線を２０００ｍＪ／ｃｍ２照射して、８０℃で５分間加熱処理をし、凹型モールドを剥離した。これにより、図５に示すような、先端部５６ａの側断面形状がほぼ１／４円弧状の凸レンズ（曲率半径１．５ｍｍ）である、厚み１ｍｍのオーバークラッド層５６を形成した。波長８３０ｎｍにおける、オーバークラッド層５６の屈折率は１．５１０であった。
【００４４】
次に、コア５２の主路５３の端部５３ｃに、波長８５０ｎｍの光を出射する発光素子５７（オプトウェル社製 ＶＣＳＥＬＬ）を、紫外線硬化樹脂を介して結合し、発光素子付光導波路５０を作製した。
【００４５】
図５に示すように、この発光素子付光導波路５０に含まれるコア５２は、主路５３と、主路５３から分岐した複数の分岐路５５とを有する。主路５３は、発光素子５７に結合された端部５３ｃから遠ざかるに従って、幅Ｗ１が狭くなるように形成されている。主路５３の導光方向５４に延びた一辺５３ａと、それに対向する他の辺５３ｂとのなす角度θは、０．８°である。
【００４６】
［受光側光導波路の作製］
フォトマスクを変更して、コア４１を図４に示すような形状にした（分岐路を形成しなかった）こと以外は、実施例の発光素子付光導波路５０と同様の方法で、受光側光導波路４０を作製した。受光側光導波路４０は、７０本のコア４１と、コア４１を埋設するクラッド層４２とを有する。
【００４７】
［光学式タッチパネルの作製］
上記の発光素子付光導波路５０と受光側光導波路４０とを各２個ずつ準備した。各受光側光導波路４０のコア４１の末端には、複数の受光素子４３（ＴＡＯＳ社製 ＣＭＯＳリニアセンサーアレイ）を、紫外線硬化樹脂を介して結合した。これらの光導波路を、図３に示すように、対角サイズ１０．４インチの座標入力領域３２を囲むように配置して、光学式タッチパネル３０を作製した。この光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２の光線を指で遮ると、座標認識が可能であった。
【００４８】
［比較例］
フォトマスクを変更して、図６に示すような、主路６３（合計幅Ｗ３＝４８８５μｍ、高さ５０μｍ）と、分岐点６２が主路６３の導光方向６４に垂直な一直線上にある７０本の分岐路６５（幅５５μｍ、高さ５０μｍ、スペース６６が１５μｍ×６９個）とを含むコアを形成した。それ以外は、実施例と同様の方法で、発光素子付光導波路６０を作製した。この発光素子付光導波路６０を用いたこと以外は、実施例と同様の方法で、光学式タッチパネル３０を作製した。
【００４９】
［評価］
表１は、実施例および比較例の発光素子付光導波路のコアの最大幅Ｗ１、Ｗ３と、それらを用いた光学式タッチパネル３０の受光素子群３６で検出した光強度の平均値（相対強度）を示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
［測定方法］
［屈折率］
クラッド層形成用ワニスと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、プリズムカプラー（サイロン社製）を用いて屈折率を測定した。
【００５２】
［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）を用いて断面切削し、切削面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製）で観察して、コア幅、コア高さを測定した。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 発光素子付光導波路
１１ 発光素子
１２ コア
１３ 発光側光導波路
１４ 主路
１４ａ 主路の一辺
１４ｂ 主路の他辺
１４ｃ 主路の端部
１５ 分岐路
１６ 分岐点
１７ 導光方向
１８ クラッド層
２０ 発光素子付光導波路
２１ 発光素子
２２ コア
２３ 光導波路
２４ 主路
２４ａ 主路の一辺
２４ｂ 主路の他辺
２５ 分岐路
２６ 分岐点
２７ 導光方向
３０ 光学式タッチパネル
３１ 発光側光導波路
３２ 座標入力領域
３３ 光線
３４ 発光素子
３５ 受光側光導波路
３６ 受光素子群
４０ 受光側光導波路
４１ コア
４２ クラッド層
４３ 受光素子
５０ 発光素子付光導波路
５１ アンダークラッド層
５２ コア
５３ 主路
５３ａ 主路の一辺
５３ｂ 主路の他辺
５３ｃ 主路の端部
５４ 導光方向
５５ 分岐路
５６ オーバークラッド層
５６ａ オーバークラッド層の先端部
５７ 発光素子
６０ 発光素子付光導波路
６１ 発光素子
６２ 分岐点
６３ 主路
６４ 導光方向
６５ 分岐路
６６ スペース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子付光導波路およびそれを用いた光学式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一つの発光素子から複数の光線を生成するために、分岐構造を有する光導波路が知られている（例えば特許文献１）。このような光導波路は、光学式タッチパネルの座標入力領域に光線を出射するために、好適に用いられる。しかし、従来の発光素子付光導波路は、幅が広く、出射される光線の強度が小さいという問題点があった。
【０００３】
図６に、従来用いられている発光素子付光導波路６０の一例を示す。図６に示すように、従来用いられている発光素子付光導波路６０は、発光素子６１からの光を均一に分配するために、複数の分岐点６２が主路６３の導光方向６４に垂直な一直線上に設けられていた。この構造の発光素子付光導波路６０は、隣り合う分岐路６５の間にスペース（クラッド層）６６があるため、幅Ｗ３が広かった。また、分岐路６５が長いため光伝送効率が悪く、出射される光の強度が小さかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開２００６／０１８８１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の発光素子付光導波路は、幅が広く、出射される光線の強度が小さいという問題点があった。本発明は、幅が狭く、かつ出射される光線の強度が大きい発光素子付光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の発光素子付光導波路は、発光素子と、発光素子からの光を導いて複数の光線を生成するコアを含む光導波路とを有する発光素子付光導波路であって、コアは、主路と、主路から分岐点で分岐した複数の分岐路とを有し、分岐点は主路の導光方向に沿って順次設けられており、主路は発光素子から遠ざかるに従って幅が狭くなることを特徴とする。
（２）本発明の発光素子付光導波路は、コアがクラッド層に埋設されており、コアの屈折率がクラッド層の屈折率より高いことを特徴とする。
（３）本発明の発光素子付光導波路は、コアとクラッド層の最大屈折率差が、０．０２〜０．２であることを特徴とする。
（４）本発明の発光素子付光導波路は、クラッド層がアンダークラッド層とオーバークラッド層とからなり、コアはアンダークラッド層上に形成され、オーバークラッド層により埋設されていることを特徴とする。
（５）本発明の発光素子付光導波路は、クラッド層の、光線の出射先端部の側断面形状が略１／４円弧状の凸レンズであることを特徴とする。
（６）本発明の光学式タッチパネルは、座標入力領域と、座標入力領域を横断する光線を生成する発光素子付光導波路と、座標入力領域を横断した光線を受光する受光側光導波路と、受光側光導波路で受光した光線の強度を検出する受光素子群とを備えた光学式タッチパネルであって、発光素子付光導波路が上記に記載の発光素子付光導波路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光素子付光導波路のコア（主路）の最大幅Ｗ１（図１）を、従来の発光素子付光導波路６０の主路６３の幅Ｗ３よりも、例えば５０％以上狭くすることができ、かつ、出射される光線の強度を従来の発光素子付光導波路６０の約１０倍にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の発光素子付光導波路の一例の模式図
【図２】本発明の発光素子付光導波路の他の例の模式図
【図３】光学式タッチパネルの模式図
【図４】受光側光導波路の模式図
【図５】実施例の発光素子付光導波路の模式図
【図６】従来の発光素子付光導波路の模式図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本発明の発光素子付光導波路］
図１に本発明の発光素子付光導波路１０の一例を示す。図１に示すように、本発明の発光素子付光導波路１０は、発光素子１１と、発光素子１１からの光を導いて複数の光線を生成するコア１２を含む光導波路１３とを有する。コア１２は、主路１４と、主路１４から枝分かれした複数の分岐路１５とを有し、分岐路１５の端部から光線を出射する。各分岐路１５が主路１４から枝分かれする分岐点１６は、主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなる。主路１４の形状は、主路１４の導光方向１７に延びた一辺１４ａと、それに対向する他の辺１４ｂとのなす角度θが、好ましくは０．１°〜５°となるように設計される。
【００１０】
図１に示すように、本発明に用いる発光素子付光導波路１０は、分岐点１６が主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなる。この構造の発光素子付光導波路１０は、隣り合う分岐路１５の間に、従来の発光素子付光導波路６０のスペース６６（クラッド層）に相当する部分が無いため、主路１４の幅Ｗ１を５０％以上狭くできる。また、分岐路１５が短かいため光伝送効率が良く、出射される光の強度が大きい。出射される光の均一性は従来の発光素子付光導波路６０と比べて同等以上である。
【００１１】
図２に、本発明の発光素子付光導波路２０の他の例を示す。本発明の他の例の発光素子付光導波路２０は、発光素子２１と、発光素子２１からの光を導いて複数の光線を生成するコア２２を含む光導波路２３とを有する。コア２２は、主路２４と、主路２４から枝分かれした複数の分岐路２５とを有し、分岐路２５の端部から光線を出射する。各分岐路２５が主路２４から枝分かれする分岐点２６は、主路２４の導光方向２７に沿って順次設けられており、主路２４は発光素子２１から遠ざかるに従って幅が狭くなる。
【００１２】
本発明の一例の発光素子付光導波路１０との違いは、主路２４の形状において、主路２４の導光方向２７に延びた一辺２４ａと、それに対向する他の辺２４ｂとが平行であることである。この形状によっても主路２４の幅Ｗ２を狭くすることができる。
【００１３】
［光学式タッチパネル］
図３に示すように、好ましい実施形態において、本発明の発光素子付光導波路は、光学式タッチパネル３０の発光側光導波路３１および発光素子３４として用いられる。この光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２と、座標入力領域３２を縦方向および横方向に横断する光線３３を生成する発光素子３４および発光側光導波路３１と、座標入力領域３２を横断した光線３３を受光する受光側光導波路３５と、受光側光導波路３５で受光した光線３３の強度を検出する受光素子群３６とを備える。受光素子群３６は複数の受光素子の集合体である。
【００１４】
このような光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２を通過する光線３３の一部が指やペンで遮断されると、受光素子群３６に入る光の強度が低下する。これを検知することで、指やペンの座標位置が認識される。
【００１５】
従来の発光素子付光導波路６０を発光側光導波路３１および発光素子３４として用いた場合、例えば、対角サイズが１０．４インチの光学式タッチパネル３０で、３ｍｍ程度の解像度を得るためには、コアの主路６３の幅Ｗ３は、約４０本分の分岐路６５と、各分岐路６５間のスペース６６とを合計した幅となる。
【００１６】
一方、本発明の発光素子付光導波路１０を用いた場合、コア１２の主路１４の幅Ｗ１は、最も広い位置で、約４０本分の分岐路１５の合計の幅なので、従来の発光素子付光導波路６０より約５０％狭くすることができる。
【００１７】
［発光素子］
本発明に用いられる発光素子３４は、光導波路３１を通って座標入力領域３２を横断する光線３３を生成するものであれば、任意のものが用いられる。
【００１８】
発光素子３４は、好ましくは発光ダイオードまたは半導体レーザーであり、さらに好ましくはＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）である。ＶＣＳＥＬは、基板面に対して垂直方向に光を共振させ、面と垂直方向に光を出射させることができるため、光伝送効率が高い。
【００１９】
発光素子３４から出射される光の波長は、好ましくは近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）のいずれかである。
【００２０】
［発光素子付光導波路］
図１に示すように、本発明の発光素子付光導波路１０に用いられる光導波路１３は、発光素子１１からの光を導いて複数の光線を生成するコア１２を含む。コア１２は、主路１４と、主路１４から分岐した複数の分岐路１５とを有する。各分岐路１５が主路１４から分岐する分岐点１６は、主路１４の導光方向１７に沿って順次設けられており、主路１４は発光素子１１から遠ざかるに従って幅が狭くなるように形成されている。
【００２１】
コア１２の主路１４側の端部１４ｃは、通常、発光素子１１と光学的に結合（光結合）される。光結合方法は、特に制限はないが、例えば、発光素子１１の光強度分布の中心位置がコア１２の中心と一致するように調整する方法や、光路変換ミラーを用いる方法が挙げられる。光路変換ミラーは、例えばダイシング加工によるＶ溝である。
【００２２】
コア１２の主路１４の最大幅Ｗ１は、光学式タッチパネル３０のサイズや解像度にもよるが、例えば５００μｍ〜５０００μｍである。主路１４の幅Ｗ１は、発光素子１１から遠ざかるに従って狭くなる。主路１４の形状は、主路１４の導光方向１７に延びた一辺１４ａと、それに対向する他の辺１４ｂとのなす角度θが、好ましくは０．１°〜５°となるように設計される。
【００２３】
主路１４から分岐する分岐路１５の本数は、光学式タッチパネル３０のサイズや解像度にもよるが、好ましくは３０本〜５００本であり、さらに好ましくは５０本〜２００本である。主路１４の導光方向１７に沿って設けられた、隣り合う分岐点１６の間隔は、好ましくは１００μｍ〜２０００μｍである。分岐路１５の最大幅は、好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。
【００２４】
コア１２の、導光方向１７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。断面におけるコア１２の高さ（コア１２の厚み）は、好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。
【００２５】
以上の構成の発光素子付光導波路１０は、光線３３の出射特性に優れている。
【００２６】
コア１２は、通常、クラッド層１８に埋設されており、クラッド層１８より屈折率の高い材料からなる。コア１２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、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。
【００２７】
クラッド層１８は、通常、コア１２よりも屈折率の低い材料からなる。クラッド層１８の材料は、ガラス、シリコン、金属、樹脂などであり、特に制限はない。クラッド層１８は単層でもよいし、多層でもよい。多層の場合は、通常、アンダークラッド層とオーバークラッド層とから形成される。クラッド層１８の厚みｔは、好ましくは５μｍ〜２０μｍである。
【００２８】
コア１２とクラッド層１８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１２およびクラッド層１８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と含有量を変えることによって、適宜、大きく、または、小さくすることができる。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多くすることにより、屈折率を大きくすることができる。他方、例えば直鎖または脂肪族性の基（メチル基、ノルボルネン基など）を樹脂分子中に導入するか、あるいは樹脂分子中の含有量を多くすることにより、屈折率を小さくすることができる。
【００２９】
光導波路１３の構造は、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することができる。
【００３０】
［座標入力領域］
本発明の光学式タッチパネル３０において、座標入力領域３２とは、発光側光導波路３１から生成される光線３３が横断する領域をいう。本発明の光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２を通過する光線３３の一部を指やペンなどで遮ることにより、座標入力を行なう。
【００３１】
座標入力領域３２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の表示画面である。座標入力領域３２の前面は、空間でもよいし、ガラスパネルやアクリル板を設けてもよい。ガラスパネルやアクリル板は表示画面の耐傷性を増す。ガラスパネルやアクリル板の表面には、アンチリフレクション（ＡＲ）処理やアンチグレア（ＡＧ）処理が施されていてもよい。
【００３２】
［受光側光導波路］
図４に、本発明に用いられる受光側光導波路４０の一例を示す。本発明に用いられる受光側光導波路４０は、座標入力領域３２を横断した光線３３を受光するものであれば、特に制限はない。受光側光導波路４０は、好ましくは図４に示すように、複数のコア４１と、コア４１を埋設するクラッド層４２とを有する。受光側光導波路４０は、コア４１の一方の端部が座標入力領域３２に向けて配置され、コア４１の他方の端部は、複数の受光素子４３と光学的に結合される。
【００３３】
原理上、光導波路を用いた光学式タッチパネル３０の解像度は、受光素子４３と光学的に結合（光結合）する受光側光導波路４０の、コア４１の本数とピッチとによって決まる。このため、受光素子４３と光結合するコア４１は複数本必要である。
【００３４】
しかし、発光側光導波路１３は、座標入力領域３２に平行光を出射できればよいため、発光素子１１と光結合する端部１４ｃにおいて、コア１２は１本でよい。
【００３５】
［受光素子］
本発明に用いられる受光素子４３は、光信号を電気信号に変換し、受光側光導波路４０で受光した光線３３の強度を検出するものである。受光素子４３により検出される光線３３の波長は、好ましくは近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）のいずれかである。
【００３６】
複数の受光素子４３の集合体である受光素子群３６の構造は、受光部（例えばフォトダイオード）を横一列に並べた一次元イメージセンサーが好ましい。このような受光素子群３６としては、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。
【００３７】
［用途］
光学式タッチパネル３０の用途は、特に制限はなく、パソコンモニター、ＡＴＭ、券売機、ゲーム機、タブレットＰＣ、ＯＡ機器、ＦＡ機器などに広く用いられる。
【実施例】
【００３８】
［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
上記の成分を混合してクラッド層形成用ワニスを調製した。
【００３９】
［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 ３０重量部（特開２００７−０７０３２０実施例２に準じて合成）
・上記成分Ｂ １重量部
・乳酸エチル ４１重量部
上記の成分を混合してコア形成用ワニスを調製した。
【００４０】
［発光素子付光導波路の作製］
厚み１８８μｍのポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムの表面に、上記のクラッド層形成用ワニスを塗布し、紫外線を１０００ｍＪ／ｃｍ２照射し、次に８０℃で５分間加熱処理をして、図５に示す、厚み２０μｍのアンダークラッド層５１を得た。波長８３０ｎｍにおける、アンダークラッド層５１の屈折率は１．５１０であった。
【００４１】
アンダークラッド層５１の表面に、上記のコア形成用ワニスを塗布し、１００℃で５分間乾燥処理をしてコア層を形成した。次に、所定のパターンが印刷されたフォトマスクをコア層に被せ（ギャップ１００μｍ）、紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ２照射し、さらに１００℃で１０分間加熱処理をした。
【００４２】
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、１２０℃で５分間加熱処理をして、コア５２のパターンを形成した。コア５２は主路５３（最大幅Ｗ１＝２０３０μｍ、高さ５０μｍ）と、主路５３の導光方向５４に沿って順次枝分かれした７０本の分岐路５５（幅５５μｍ、高さ５０μｍ）とからなる。波長８３０ｎｍにおける、コア５２の屈折率は１．５９２であった。
【００４３】
次に、コア５２全体を覆うように凹型モールド（石英製）を配置し、凹型モールドの内部にクラッド層形成用ワニスを充填した。凹型モールドの表面から、紫外線を２０００ｍＪ／ｃｍ２照射して、８０℃で５分間加熱処理をし、凹型モールドを剥離した。これにより、図５に示すような、先端部５６ａの側断面形状がほぼ１／４円弧状の凸レンズ（曲率半径１．５ｍｍ）である、厚み１ｍｍのオーバークラッド層５６を形成した。波長８３０ｎｍにおける、オーバークラッド層５６の屈折率は１．５１０であった。
【００４４】
次に、コア５２の主路５３の端部５３ｃに、波長８５０ｎｍの光を出射する発光素子５７（オプトウェル社製 ＶＣＳＥＬＬ）を、紫外線硬化樹脂を介して結合し、発光素子付光導波路５０を作製した。
【００４５】
図５に示すように、この発光素子付光導波路５０に含まれるコア５２は、主路５３と、主路５３から分岐した複数の分岐路５５とを有する。主路５３は、発光素子５７に結合された端部５３ｃから遠ざかるに従って、幅Ｗ１が狭くなるように形成されている。主路５３の導光方向５４に延びた一辺５３ａと、それに対向する他の辺５３ｂとのなす角度θは、０．８°である。
【００４６】
［受光側光導波路の作製］
フォトマスクを変更して、コア４１を図４に示すような形状にした（分岐路を形成しなかった）こと以外は、実施例の発光素子付光導波路５０と同様の方法で、受光側光導波路４０を作製した。受光側光導波路４０は、７０本のコア４１と、コア４１を埋設するクラッド層４２とを有する。
【００４７】
［光学式タッチパネルの作製］
上記の発光素子付光導波路５０と受光側光導波路４０とを各２個ずつ準備した。各受光側光導波路４０のコア４１の末端には、複数の受光素子４３（ＴＡＯＳ社製 ＣＭＯＳリニアセンサーアレイ）を、紫外線硬化樹脂を介して結合した。これらの光導波路を、図３に示すように、対角サイズ１０．４インチの座標入力領域３２を囲むように配置して、光学式タッチパネル３０を作製した。この光学式タッチパネル３０は、座標入力領域３２の光線を指で遮ると、座標認識が可能であった。
【００４８】
［比較例］
フォトマスクを変更して、図６に示すような、主路６３（合計幅Ｗ３＝４８８５μｍ、高さ５０μｍ）と、分岐点６２が主路６３の導光方向６４に垂直な一直線上にある７０本の分岐路６５（幅５５μｍ、高さ５０μｍ、スペース６６が１５μｍ×６９個）とを含むコアを形成した。それ以外は、実施例と同様の方法で、発光素子付光導波路６０を作製した。この発光素子付光導波路６０を用いたこと以外は、実施例と同様の方法で、光学式タッチパネル３０を作製した。
【００４９】
［評価］
表１は、実施例および比較例の発光素子付光導波路のコアの最大幅Ｗ１、Ｗ３と、それらを用いた光学式タッチパネル３０の受光素子群３６で検出した光強度の平均値（相対強度）を示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
［測定方法］
［屈折率］
クラッド層形成用ワニスと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、プリズムカプラー（サイロン社製）を用いて屈折率を測定した。
【００５２】
［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）を用いて断面切削し、切削面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製）で観察して、コア幅、コア高さを測定した。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 発光素子付光導波路
１１ 発光素子
１２ コア
１３ 発光側光導波路
１４ 主路
１４ａ 主路の一辺
１４ｂ 主路の他辺
１４ｃ 主路の端部
１５ 分岐路
１６ 分岐点
１７ 導光方向
１８ クラッド層
２０ 発光素子付光導波路
２１ 発光素子
２２ コア
２３ 光導波路
２４ 主路
２４ａ 主路の一辺
２４ｂ 主路の他辺
２５ 分岐路
２６ 分岐点
２７ 導光方向
３０ 光学式タッチパネル
３１ 発光側光導波路
３２ 座標入力領域
３３ 光線
３４ 発光素子
３５ 受光側光導波路
３６ 受光素子群
４０ 受光側光導波路
４１ コア
４２ クラッド層
４３ 受光素子
５０ 発光素子付光導波路
５１ アンダークラッド層
５２ コア
５３ 主路
５３ａ 主路の一辺
５３ｂ 主路の他辺
５３ｃ 主路の端部
５４ 導光方向
５５ 分岐路
５６ オーバークラッド層
５６ａ オーバークラッド層の先端部
５７ 発光素子
６０ 発光素子付光導波路
６１ 発光素子
６２ 分岐点
６３ 主路
６４ 導光方向
６５ 分岐路
６６ スペース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子からの光を導いて複数の光線を生成するコアを含む光導波路とを有する発光素子付光導波路であって、
前記コアは、主路と、前記主路から分岐点で分岐した複数の分岐路とを有し、
前記分岐点は、前記主路の導光方向に沿って順次設けられており、
前記主路は、前記発光素子から遠ざかるに従って幅が狭くなることを特徴とする発光素子付光導波路。
【請求項２】
前記コアはクラッド層に埋設されており、前記コアの屈折率は、前記クラッド層の屈折率より高いことを特徴とする請求項１に記載の発光素子付光導波路。
【請求項３】
前記コアと前記クラッド層の最大屈折率差が、０．０２〜０．２であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子付光導波路。
【請求項４】
前記クラッド層がアンダークラッド層とオーバークラッド層とからなり、前記コアは前記アンダークラッド層上に形成され、前記オーバークラッド層により埋設されていることを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子付光導波路。
【請求項５】
前記クラッド層の、前記光線の出射先端部の側断面形状が略１／４円弧状の凸レンズであることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の発光素子付光導波路。
【請求項６】
座標入力領域と、
前記座標入力領域を横断する光線を生成する発光素子付光導波路と、
前記座標入力領域を横断した光線を受光する受光側光導波路と、
前記受光側光導波路で受光した光線の強度を検出する受光素子群とを備えた光学式タッチパネルであって、
前記発光素子付光導波路が、請求項１から５のいずれかに記載の発光素子付光導波路であることを特徴とする光学式タッチパネル。
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子からの光を導いて複数の光線を生成するコアを含む光導波路とを有する発光素子付光導波路であって、
前記コアは、主路と、前記主路から分岐点で分岐した複数の分岐路とを有し、
前記分岐点は、前記主路の導光方向に沿って順次設けられており、
前記主路は、前記発光素子から遠ざかるに従って幅が狭くなることを特徴とする発光素子付光導波路。
【請求項２】
前記コアはクラッド層に埋設されており、前記コアの屈折率は、前記クラッド層の屈折率より高いことを特徴とする請求項１に記載の発光素子付光導波路。
【請求項３】
前記コアと前記クラッド層の最大屈折率差が、０．０２〜０．２であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子付光導波路。
【請求項４】
前記クラッド層がアンダークラッド層とオーバークラッド層とからなり、前記コアは前記アンダークラッド層上に形成され、前記オーバークラッド層により埋設されていることを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子付光導波路。
【請求項５】
前記クラッド層の、前記光線の出射先端部の側断面形状が略１／４円弧状の凸レンズであることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の発光素子付光導波路。
【請求項６】
座標入力領域と、
前記座標入力領域を横断する光線を生成する発光素子付光導波路と、
前記座標入力領域を横断した光線を受光する受光側光導波路と、
前記受光側光導波路で受光した光線の強度を検出する受光素子群とを備えた光学式タッチパネルであって、
前記発光素子付光導波路が、請求項１から５のいずれかに記載の発光素子付光導波路であることを特徴とする光学式タッチパネル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１６９９４３（Ｐ２０１０−１６９９４３Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３０４４（Ｐ２００９−１３０４４）
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]