JP4906126B2 - タッチパネル - Google Patents

Description

本発明はタッチパネル、特に光導波路と電磁誘導方式デジタイザを備えたタッチパネルに関する。

従来から、光導波路を備えたタッチパネルが知られている（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なため、将来、各種の電子デバイス、特に光学式のタッチパネルに利用されることが期待される。

しかし、従来のタッチパネルは、細い物（例えばペン）でも太い物（例えば指）でも入力できるように、光導波路のコア幅を狭くし、コアの本数を増やして、コアの密度を高くし、解像度を高くする必要があった。このため、光導波路が大型化し、ディスプレイユニットの周囲の「額縁」（フレーム）が広いという問題があった。
特開２００８−２０３４３１号公報

従来の光導波路を備えたタッチパネルは、解像度を高くすると額縁が広くなるという問題があった。本発明の課題は、額縁が狭いにもかかわらず、解像度が高いタッチパネルを実現することである。

本発明のタッチパネルは、発光側および受光側光導波路と電磁誘導方式デジタイザとを備える。本発明のタッチパネルは、高い解像度を必要とするときは、電子ペンによる位置座標の認識を電磁誘導方式デジタイザで行ない、高い解像度を必要としないときは、指による位置座標の認識を光導波路で行なう。これによって、狭額縁でありながら解像度が高く、さらに消費電力の低いタッチパネルが実現できる。

本発明のタッチパネルは、電子ペンによる位置座標の認識を電磁誘導方式デジタイザで行なう。電磁誘導方式デジタイザの解像度は高い（１ｍｍ以下）。従って、光導波路は、ペン入力を検出するほどの高い解像度（１ｍｍ程度）は不要であり、指による位置座標の認識ができる程度の解像度（５ｍｍ程度）があればよい。そのため、光導波路のコア密度を低くすることができる。

図１（ａ）は従来の受光側光導波路１０、図１（ｂ）は本発明に用いられる受光側光導波路２０の模式図である。従来の受光側光導波路１０において、受光した光はクラッド１１内に埋設されたコア１２内を伝わる。高い解像度を得るため、各コア１２は、図１（ａ）のように、分岐路を保持した状態で受光素子（図示しない）に結合される必要がある。

本発明に用いられる受光側光導波路２０においても、受光した光はクラッド２１内に埋設されたコア２２、２３内を伝わる。しかし、本発明に用いられる受光側光導波路２０は高い解像度を必要としないため、図１（ｂ）に示すように、コア分岐路群２２をコア主路２３に数本ずつ結合させて、受光した光線を受光素子（図示しない）に送ることができる。これによって、コア主路２３の本数が従来の１／５程度になり、受光側光導波路２０の幅Ｗを狭くすることができ、タッチパネルの額縁を狭くすることができる。

更に、本発明のタッチパネルは、コア分岐路群２２をコア主路２３に結合させることによって、強い光を受光素子（図示しない）に導くことができるので、出力の小さい発光素子（図示しない）を用いることができる。

また、電磁誘導方式デジタイザは、光導波路に比べて消費電力が少ないので、本発明のタッチパネルは消費電力が少ないという特徴がある。

本発明の要旨は次のとおりである。
（１）本発明のタッチパネルは、発光素子と、座標入力領域と、発光素子からの光を導いて座標入力領域を横断する光線を生成する発光側光導波路と、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の強度を検出する受光素子と、座標入力領域の下部に配置された電磁誘導方式デジタイザとを備えたタッチパネルであって、受光側光導波路は、コアと、コアを埋設するクラッドとを含み、コアは、光線を受光するように配置されたコア分岐路群と、コア分岐路群を結合して受光素子に光を導くコア主路とを有することを特徴とする。電磁誘導方式デジタイザは座標入力領域の下部に配置されるが、入力部以外の電源部や信号処理部などは必ずしも座標入力領域の下部に配置されなくてもよい。
（２）本発明のタッチパネルは、高い解像度を必要とするときは、電磁誘導方式デジタイザに電子ペンにより位置座標を入力し、高い解像度を必要としないときは、座標入力領域を横断する光線を指で遮ることにより位置座標を入力することを特徴とする。高い解像度とは、電子ペンの先端の太さ程度の解像度、つまり１ｍｍ程度の解像度を意味し、高い解像度を必要としないとは、人間の指の太さ程度の解像度、つまり５ｍｍ程度の解像度を意味する。

本発明のタッチパネルは、額縁が狭いにもかかわらず、解像度が高い。また、従来のタッチパネルに比べて消費電力が少ない。

［タッチパネル］
図２に示すように、本発明のタッチパネル３０は、発光素子３１、座標入力領域３２、発光側光導波路３３、受光側光導波路３４、受光素子３５、電磁誘導方式デジタイザ３６を備える。発光側光導波路３３は、発光素子３１から出射された光を導いて、座標入力領域３２を横断する光線３７を生成する。受光側光導波路３４は、座標入力領域３２を横断した光線３７を受光する。受光素子３５は、受光側光導波路３４で受光した光の強度を検出する。電磁誘導方式デジタイザ３６は座標入力領域３２の下部に配置される。

電磁誘導方式デジタイザ３６の入力部は、駆動コイル層（図示しない）と検出コイル層（図示しない）を備える。駆動コイル層の発する所定周波数の電波による電磁誘導により、電子ペン（図示しない）内の共振回路が共振する。次にその共振信号が電子ペンから検出コイル層に送信される。このとき最大の受信レベルの得られた検出コイルの位置が、電子ペンの位置として認識される（例えば、特開２００８−１５８８９１号公報）。

実用的には、本発明のタッチパネルには、発光側光導波路３３、受光側光導波路３４を覆うように、額縁型筐体３８が配置される。

本発明のタッチパネルに用いられる受光側光導波路３４は、図１（ｂ）のように、クラッド２１に埋設されたコア２２、２３を含む。コア２２、２３は、光線を受光するように配置されたコア分岐路群２２と、コア分岐路群２２を結合して受光素子３５に光を導くコア主路２３からなる。

本発明のタッチパネル３０は、座標入力領域３２を通過する光の一部を指（程度の太さの物）が遮断すると、受光素子３５に入る光の強度が低下し、これを検知して指の位置座標が認識される。また、座標入力領域３２に電子ペン（座標指示器）で触れると、上述のメカニズムにより電子ペンの位置座標が認識される。

［発光素子］
本発明に用いられる発光素子３１としては、発光側光導波路３３を通って座標入力領域３２を横断する光線３７を生成するものであれば、任意のものが用いられる。

上記の発光素子３１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、面と垂直方向に出射させることができる。そのため光伝送効率に優れる。発光素子３１から出射される光は、好ましくは近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）の光である。

本発明のタッチパネル３０は、受光側光導波路３４において、コア分岐路群２２をコア主路２３に結合させた構造をなす（図１（ｂ））。これによって、受光素子３５に入る光の強度を強くできるので、従来より出力の小さい（例えば、０．１ｍＷ〜３ｍＷ）発光素子３１を用いることができる。

［座標入力領域］
本発明において「座標入力領域」３２とは、発光側光導波路３３から出射された光線３７が縦横に横断する領域をいう。座標入力領域３２の下部に、座標入力領域３２とほぼ同じ大きさの電磁誘導方式デジタイザ３６が配置される。本発明のタッチパネル３０は、座標入力領域３２を横断する光線３７を指で遮ることにより、指による座標入力を行なう。また、電磁誘導方式デジタイザ３６に電子ペン（図示しない）を触れることにより、電子ペンによる座標入力を行なう。座標入力領域３２の前面は何もない空間でもよいし、耐擦傷性を増すために、表面に透明なガラス板やアクリル板を設けてもよい。ガラス板やアクリル板の表面には、アンチレフレクション（ＡＲ）処理やアンチグレア（ＡＧ）処理が施されていてもよい。

［発光側光導波路］
本発明に用いられる発光側光導波路３３は、発光素子３１からの光を導いて座標入力領域３２を横断する光線を生成するものであれば、任意のものが用いられる。発光側光導波路３３は、好ましくは、コア群と、コア群を埋設するクラッドとを有する。コアの一端は、代表的には、発光素子３１からの光を導入するため、発光素子３１と光学的に結合される。コアの他端は、座標入力領域３２に光線３７を出射するため、座標入力領域３２の周囲に配置される。

コアは、通常、クラッド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。

発光側光導波路３３内のコアの本数は、タッチパネル３０の大きさに応じて適宜決定される。コアの断面形状に特に制限はないが、パターニング性に優れた台形または矩形が適している。コア幅（台形の場合は下辺）は、好ましくは、１０μｍ〜５００μｍである。コア高さ（上辺、下辺の各中点を結ぶ距離）は、好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。

クラッドは、通常、コアより屈折率の低い材料からなる。クラッドの材料は、ガラス、シリコン、金属、樹脂などであり、特に制限はない。クラッドは単層構造でも多層構造でもよい。多層構造の場合、典型的には、アンダークラッド層とオーバークラッド層からなる。クラッドの厚みは、好ましくは、５μｍ〜２０ｍｍである。

コアとクラッドの屈折率差は、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。コアおよびクラッド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、大きく、ないし、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増加させることにより、屈折率を大きくすることができる。

他方、例えば、直鎖または環状脂肪族性の基（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増加させることにより、屈折率を小さくすることができる。

発光側光導波路は、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。

［受光側光導波路］
本発明に用いられる受光側光導波路３４は、座標入力領域３２を横断した光３７を受光し、受光素子３５に導くものである。受光側光導波路３４は、コア２２、２３と、コア２２、２３を埋設するクラッド２１を含む（図１（ｂ））。コア２２、２３は、光線を受光するように配置されたコア分岐路群２２、コア分岐路群２２を結合したコア主路２３を有する。

座標入力領域３２が矩形である場合、受光側光導波路３４は、図２に示すように、座標入力領域３２の発光側光導波路３３の配置された辺に対向する２辺に配置される。

受光側光導波路３４のコアおよびクラッドの材料、寸法、形状、屈折率差、作製方法は、上述の発光側光導波路３３と同様であることが好ましい。

コア分岐路群２２の一端は、代表的には、座標入力領域３２から光線３７を受光するため、座標入力領域３２の縁に配置される。コア主路２３の他端は、受光素子３５へ光を導くため、受光素子３５と光学的に結合される。

受光側光導波路３４におけるコア分岐路２２の本数は、タッチパネル３０の大きさに応じて適宜決定される。コア主路２３に結合するコア分岐路２２の本数は、タッチパネル３０の大きさに応じて適宜決定されるが、好ましくは３本〜２０本、より好ましくは５本〜１５本である。

受光側光導波路３４内の隣り合う２つのコア主路を、第ｎコア主路および第ｎ＋１コア主路とする。第ｎコア主路には第ｎコア分岐路群が属し、第ｎ＋１コア主路には第ｎ＋１コア分岐路群が属する。座標入力領域３２の縁において、第ｎコア分岐路群と第ｎ＋１コア分岐路群の、最も近接した分岐路同士の間隔を、例えば、３ｍｍ以上とすれば、指（程度の太さのもの）による座標認識はできるが、電子ペン（のような細いもの）では座標認識ができないような光学的解像度にすることができる。

［受光素子］
本発明に用いられる受光素子３５は、光信号を電気信号に変換し、受光側光導波路３４で受光した光の強度を検出するものである。受光素子３５により検出される光３７の波長は、好ましくは、近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）にある。受光素子３５の構造は、フォトダイオードを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３５として、ＣＭＯＳイメージセンサーやＣＣＤイメージセンサーなどが挙げられる。

［電磁誘導方式デジタイザ］
本発明に用いられる電磁誘導方式デジタイザ３６は、通常、電子ペン（座標指示器）と共に使用される。図３に示すように、電磁誘導方式デジタイザ４０の入力部は、視認側から、ディスプレイユニット４１、センサー板４２、シールド板４３を、この順に備える。電子ペンとセンサー板４２との間で生じた誘導信号を検出することによって、電子ペンの位置座標を認識する。原理的に、電子ペン以外のものの位置座標は認識しない。

ディスプレイユニット４１は、文字または画像を表示できる装置であれば、任意のものが用いられ、例えば、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が適切である。本発明においては、ディスプレイユニット４１の表示画面が、座標入力領域３２を兼ねることが好ましい。

センサー板４２は、通常、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に複数のアンテナコイルが組み込まれている。シールド板４３は、背面からの電磁ノイズを防ぐためのものである。電磁誘導方式デジタイザ４０は市販のものが利用でき、例えば、ワコム社から入手できる。

［用途］
本発明のタッチパネルの用途に特に制限はなく、パソコンモニター、ＡＴＭ、ゲーム機、タブレットＰＣなどに用いられる。

［実施例］
＜クラッド形成用ワニスの調製＞
下記成分を混合してクラッド形成用ワニスを調製した。
・（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。

＜コア形成用ワニスの調製＞
下記成分を混合してコア形成用ワニスを調製した。
・（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２００７−７０３２０号公報、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。

＜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１０００ｍＪ／ｃｍ^２照射した。その後、８０℃で５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１．５１０であった。

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５分間加熱処理して、コア層を形成した。次に、コア層にフォトマスクを被せ（ギャップ１００μｍ）、紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ^２照射した。次に１００℃で１０分間加熱処理した。次に紫外線の未照射部分をＹ−ブチロラクトン水溶液で溶解除去した。次に１２０℃で５分間加熱処理をして、幅２０μｍ、高さ５０μｍのコア主路と、コア主路に結合した１０本のコア分岐路群を複数本形成した。コアの、波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５９２であった。

次に、上記の複数のコアの全体を覆うように、クラッド形成用ワニスを塗布して、ウェット厚み６０μｍの樹脂層を形成した。次に、樹脂層を８０℃で５分間加熱処理して、コア周辺に存在する気泡を除去した。次に、樹脂層に石英製の凹型モールドを押圧し、凹型モールドの内部にクラッド形成用ワニスを充填した。

次に、凹型モールドの外側から紫外線を２０００ｍＪ／ｃｍ^２照射して、８０℃で５分間加熱処理した。次に、凹型モールドを剥離し、先端部の側断面形状が略１／４円弧状の凸レンズを備えたオーバークラッド層を成形した。オーバークラッド層の厚みは１ｍｍ、波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５１０、凸レンズの曲率半径は１．５ｍｍであった。

得られた光導波路は、アンダークラッド層、コア、コアを覆うようにアンダークラッド層上に形成されたオーバークラッド層を備えるものであった。アンダークラッド層の厚みは２０μｍ、コアの幅は２０μｍ、高さは５０μｍ、オーバークラッド層の厚みは１ｍｍであった。

＜タッチパネルの作製＞
上記の光導波路を２つ用意し、一方を発光側光導波路３３、他方を受光側光導波路３４とした。発光側光導波路３３のコア主路の末端に、波長８５０ｎｍの光を出射する発光素子３１（オプトウェル社製ＶＣＳＥＬ）を、紫外線硬化接着剤を介して、光学的に結合した。受光側光導波路３４のコア主路の末端には、受光素子３５（ＴＡＯＳ社製ＣＭＯＳリニアセンサーアレイ）を、紫外線硬化接着剤を介して、光学的に結合した。これらの光導波路３３、３４を、図２に示すように、対角５インチの座標入力領域３２を囲むように配置した。

次に、座標入力領域３２の下部に電磁誘導方式デジタイザ３６（市販のタブレットＰＣ（ヒューレットパッカード社製ｃｏｍｐａｑ２７１０Ｐ）に使用されるもの）を配置し、タッチパネル３０を作製した。

このタッチパネル３０は、指でも電子ペンでも座標認識が可能であり、発光素子３１の出力を１ｍＷと低くしても、十分に座標認識が可能であった。

表１には、本発明の実施例のコア本数、コア全幅、光源出力と、比較例として電磁誘導方式デジタイザを備えていないタッチパネルを用い、実施例と同じ感度で座標認識が行なえるようにした場合の、コア本数、コア全幅、光源出力を示す。

表１における「コア本数、コア全幅」は、実施例の場合は受光素子に結合したコア主路２３（図１（ｂ））の本数と全幅、比較例の場合は受光素子に結合したコア１２（図１（ａ））の本数と全幅を示す。表１は縦軸（Ｙ軸）方向のコア本数、コア全幅であるが、横軸（Ｘ軸）方向もほぼ同様である。「光源出力」はＶＣＳＥＬの出力である。

［測定方法］
＜屈折率＞
クラッド形成用ワニス、コア形成用ワニスを、それぞれシリコンウエ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。

＜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）を用いて断面切断し、切断面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製）を用いて観察し、コア幅、コア高さを測定した。

従来の受光側光導波路、本発明に用いられる受光側光導波路の模式図 本発明のタッチパネルの断面図、平面図 電磁誘導方式デジタイザの模式図

符号の説明

１０ 受光側光導波路
１１ クラッド
１２ コア
２０ 受光側光導波路
２１ クラッド
２２ コア分岐路群
２３ コア主路
３０ タッチパネル
３１ 発光素子
３２ 座標入力領域
３３ 発光側光導波路
３４ 受光側光導波路
３５ 受光素子
３６ 電磁誘導方式デジタイザ
３７ 光線
３８ 額縁型筐体
４０ 電磁誘導方式デジタイザ
４１ ディスプレイユニット
４２ センサー板
４３ シールド板

Claims (2)

1. 発光素子と、座標入力領域と、前記発光素子からの光を導いて前記座標入力領域を横断する光線を生成する発光側光導波路と、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の強度を検出する受光素子と、座標入力領域の下部に配置された電磁誘導方式デジタイザとを備えたタッチパネルであって、
   前記受光側光導波路は、コアと、前記コアを埋設するクラッドとを含み、前記コアは、光線を受光するように配置されたコア分岐路群と、前記コア分岐路群を結合して前記受光素子に光を導くコア主路とを有し、前記コア主路に結合する前記コア分岐路の本数は３本〜２０本であることを特徴とするタッチパネル。
2. 高い解像度を必要とするときは、前記電磁誘導方式デジタイザに電子ペンにより位置座標を入力し、高い解像度を必要としないときは、前記座標入力領域を横断する光線を指で遮ることにより位置座標を入力することを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。

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