专利名称：三维传感器用光波导路和使用该光波导路的三维传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维传感器用光波导路和使用该光波导路的 三维传感器。
背景技术：
三维传感器通常朝向测量对象物射出光、电波，并接收被 该测量对象物反射的光、电波，在计算机等中进行运算处理， 从而获得上述测量对象物的三维形状、位置、速度等信息(例 如参照专利文献l )。
专利文献l:日本特开2007—163429号7>才艮 可是，上述以往的三维传感器是较大的装置。因此，将以 往的三维传感器安装在例如用于金融机构的ATM、车站的售票 机、便携式游戏机等的触摸面板上而用作检测手指的触摸位置 的检测部件，有可能因该三维传感器比触摸面板的主体还大而 不实用。
此外，如本发明这样将光波导路用作三维传感器是以往没 有过的。
发明内容
本发明是鉴于这样的背景而做成的，其目的在于提供一种 能小型化的三维传感器用光波导路和使用该光波导路的三维传 感器。
为了达到上述目的，本发明的第l技术方案是一种三维传 感器用光波导路，其包括沿厚度方向同轴层叠的多层框状光波 导路体和由层叠的光波导路体的内侧空间构成的测量用空间，其中，上述各光波导路体包括发光芯、受光芯、覆盖这些芯的
边缘中的 一 方内侧边缘上的光射出端部和定位于各框状光波导 路体的外侧边缘上的光入射端部，上述受光芯具有定位于各框 状光波导路体的相对内侧边缘中的另 一 方内侧边缘上的光入射 端部和定位于各框状光波导路体的外侧边缘上的光射出端部。
此外，本发明的第2技术方案是一种三维传感器，其包括 上述三维传感器用光波导路、控制部件、与上述发光芯的光入 射端部相关联地设于上述框状光波导路体的外侧部且向上述发 光芯射出光的发光元件、与上述受光芯的光射出端部相关联地 设于上述框状光波导路体的外侧部且自上述受光芯接受光的受 光元件，其中，上述控制部件与上述发光元件和受光元件电连 接，控制自上述发光元件发出的光，且运算处理由上述受光元 件接受到的信号。
即、本发明的三维传感器用光波导路沿厚度方向同轴层叠 有多层上述框状的光波导路体，该层叠的框状的内侧空间(由 在层叠方向上连续的被框围成的空心空间构成的空间)形成配 置测量对象物或使测量对象物通过的测量用空间。此外，使用 了该三维传感器用光波导路的本发明的三维传感器形成为在上 述框状光波导路体的外侧部设置上述发光元件和受光元件，将 这些发光元件和受光元件与上述控制部件进行电连接的构件。 在该三维传感器中，框状光波导路体能薄型化和小型化，发光 元件、受光元件和控制部件也能小型化，因此，由它们构成的 本发明的三维传感器能小型化。而且，在本发明的三维传感器 中，由上述框状光波导路体的框围成的空心空间中，按照来自 上述控制部件的发光信号使发光元件发光，自发光芯的光射出 端部射出光，使该光入射到受光芯的光入射端部。在该状态下，若在上述三维传感器用光波导路的上述测量用空间中配置测量 对象物或使测量对象物通过，则该测量对象物遮挡上述射出光 的一部分，因此，利用上述受光元件感知该净皮遮挡的部分，利 用上述控制部件运算处理该信号与向上述发光元件发送的发光 信号，从而能够获得上述测量用空间中的上述测量对象物的三 维位置、倾斜、速度、大小等信息。
另外，本发明的"框状"不仅是指框连续的构件，也包括该 框的一部分分离而变得不连续的构件。例如，在四边形的"框状"
的情况下，也包括使2个L字状部相对而配置成四边形的"框状" 的构件。
本发明的三维传感器用光波导路是将具有射出光的芯的 端部和入射该射出的光的芯的端部的多层框状的光波导路体沿 厚度方向同轴层叠而成的构件，该层叠的框状的光波导路体的 内侧空间形成配置测量对象物或使测量对象物通过的测量用空 间。此外，上述光波导路体能薄型化和小型化，因此层叠该光 波导路体而成的本发明的三维传感器用光波导路能小型化，使 用该三维传感器用光波导路的三维传感器也能小型化。
特别是在上述光波导路体中，在发光芯的光射出端部形成 为第l透镜部，该第l透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的俯 视呈圆弧状，上述上敷层的端缘形成为覆盖上述第1透镜部的 透镜面的状态，该上敷层的端部形成为第2透镜部，该第2透镜 部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的侧剖视呈圆弧状的情况下， 能在形成上敷层的时刻自动地使发光芯光射出端部的第l透镜 部与上覆层端部的第2透镜部成为位置对合的状态。因此，能 够不需要上述第l透镜部与第2透镜部的位置对合操作，能够提 高生产率。而且，利用上述第1透镜部 第2透镜部的折射作用， 能够抑制射出的光的发散，能够提高所获得的有关测量对象物的信息的准确性。
而且，受光芯的光入射端部形成为第3透镜部，该第3透镜 部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的俯视呈圆弧状，上述上敷层 的另 一端缘形成为覆盖上述第3透镜部的透镜面的状态，该上 敷层的端部形成为第4透镜部，该第4透4竟部的透4竟面形成为朝 向外侧鼓起的侧剖视呈圆弧状的情况下，与发光侧的上述第1 透镜部与第2透镜部相同，能够在形成上敷层的时刻自动地使 第3透镜部与第4透镜部成为位置对合的状态，能够提高生产 率。而且，利用上述第3透镜部与第4透镜部的折射作用，能够 使入射光收拢而聚集后导入到芯内，能够提高所获得的有关测 量对象物的信息的准确性。
此外，在将处于层叠状态的光波导路体使框以规定轴线为 中心线相互错开的状态定位的情况下，由于框的错开，自各光 波导路体的发光芯射出的光的方向相互不同。因此，能够根据 高度位置改变角度地测量立体的测量对象物。由此，能够获得 测量对象物的大致形状。即，在一个光波导路体中，能够获得 光对测量对象物照射部分的轮廓形状。若使该光波导路体的框 以没有错开的状态(框对齐的状态)层叠多层，则由于所有的 自光波导路体的发光芯射出的光的方向都相同，因此只能获得 相对于测量对象物的某个恒定的方向的、光照射部分的轮廓形 状。因此，无法获得光没有照射到的部分(阴影部分)等的形 状。对此，若如本发明这样的以使框错开的状态层叠多层光波 导路体，则由于能够根据测量对象物的高度位置来从不同方向 照射光，所以能够通过改变测量对象物的高度位置来获得不同 方向的轮廓形状。而且，能够由上述多层不同方向的轮廓形状 获得测量对象物的大致形状。
本发明的三维传感器是，在能小型化的上述三维传感器用光波导路中，在框状的光波导路体的外侧部设置发光元件和受 光元件，利用控制部件电连接上述发光元件和受光元件而形成 的。因此，本发明的三维传感器能够实现小型化。此外，若在 上述三维传感器用光波导路的测量用空间中配置测量对象物或 使测量对象物通过，则能够获得在上述测量用空间中的测量对 象物的三维位置、倾斜、速度、大小等信息。
图l是示意性地表示本发明的三维传感器用光波导路的第 l实施方式的立体图。
图2是示意性地表示构成上述三维传感器用光波导路的光 波导路体，(a)是其俯视图，(b)是(a)的用圏部C圏起来的 芯的端部的放大俯视图，(c)是(b)的X-X剖视图。
图3是示意性地表示使用了上述三维传感器用光波导路的 三维传感器的立体图。
图4是示意性地表示上述光波导路体的光的射出状态，(a) 是其俯视图，(b)是(a)的X-X剖视图。
图5是示意性地表示上述三维传感器的测量对象物的测量 方法的说明图。
图6是示意性地表示将上述三维传感器用作触摸面板的手 指的接触位置的检测部件的情况的说明图。
图7的(a) (d)是示意性地表示上述三维传感器用光波 导路的制造方法的说明图。
图8的(a) ~ ( d)是接着示意性地表示上述三维传感器用 光波导路的制造方法的说明图。
图9是示意性地表示本发明的三维传感器用光波导路的第 2实施方式的俯一见图。
具体实施例方式
接着，基于附图详细地说明本发明的实施方式。
图l表示本发明的三维传感器用光波导路的第l实施方式。
在该实施方式的三维传感器用光波导路Wi是将形成为四边形
的框状(连续的框)的光波导路体v将其框对齐地沿其厚度方
向同轴层叠多层(图1中为3层)的构造。而且，上述光波导路 体V的、由用框围成的连续的空心空间构成的空间形成配置测 量对象物或使测量对象物通过的测量用空间H。在该实施方式 中，实际上处于层叠状态的光波导路体V是相接触的，但在图l 中，为了便于理解，隔开间隙地进行图示，另外，在图l中， 用虚线表示的附图标记3A、 3B分别是在上述光波导路体V内作 为光的通路的发光芯和受光芯，该虚线的粗细表示芯3A、 3B 的粗细，并且省略了芯3A、 3B的数量而进行图示。此外，附图 标记4是覆盖上述芯3A、 3B的上敷层。
如图2的(a)(俯视图)所示，上述四边形的框状的光波 导路体V中，构成其四边形的框状的一L字形部分形成为发光侧 的光波导路部分A,另一 L字形部分形成为受光侧的光波导路部 分B。上述四边形的框状的光波导路体V由形成为四边形的框状 的下敷层(基体)2 (参照图2的(c))、形成于下敷层的表面 的发光芯3A、受光芯3B和以覆盖发光芯3A、受光芯3B的状态 层叠形成于整个下敷层2上的上敷层4。上述多个芯3A、 3B是 作为光的通路的构件，形成自上述各L字形部分的外侧端缘部 的规定部分a、 b以等间隔并列的状态延伸到该L字形部分的内 侧端缘部的图案。此外，形成在发光侧的光波导路部分A上的 发光芯3 A的数量和形成在受光侧的光波导路部分B上的受光芯 3B的数量是相同的。而且，发光侧的芯3A的光射出端面与受光侧的芯3B的光入射端面成为相面对的状态。另外，在图2的(a) 中，用虚线表示芯3A、 3B，其虚线的粗细表示芯3A、 3B的粗 细，并且省略了芯3A、 3B的数量而进行图示。
在此，如图2的(b)(图2的(a)的圈C的放大俯视图)、 图2的(c)(图2的(b)的X-X剖视图)所示，在该实施方式中， 上述发光侧的芯3A的光射出端部形成为大致扇形状的第l透镜 部31,受光侧的芯3B的光入射端部形成为大致扇形状的第3透 镜部33 (图中加括号表示)。如图2的(a)所示，两透镜部31、 33形成相面对的状态。但是，由于大致扇形状等的形状是相同 的，所以在图2的(b)、 (c)中， 一并表示第1透镜部31以及其 周边、第3透镜部33以及其周边。即，上述第l和第3透镜部31、 33形成随着朝向端面(图2的(b)中的右侧端面)去而逐渐宽 度扩大的大致扇形状，该大致扇形状的圓弧面部形成为朝向外 侧鼓起的俯视呈圆弧状的透镜面31a、 33a。包括上述第1和第3 透镜部31、 33的芯3A、 3B形成均匀的厚度。此外，上述上敷 层4以覆盖整个上述芯3A、 3B (包括第l和第3透镜部31、 33) 的状态，在上述下敷层2的表面形成为均匀的高度。上述上敷 层4也形成为与下敷层2相同的四边形的框状，沿着该四边形的 框状的内侧部分的框的边缘部在发光侧形成为第2透镜部42， 在受光侧形成为第4透镜部44。如图2的(c)所示，上述第2和 第4透镜部42、 44的端面形成为朝向外侧鼓起的侧剖视呈圓弧 状的透镜面42a、 44a。
接着，对使用了上述三维传感器用光波导路Wi的三维传感 器进行说明。如图3所示，该三维传感器在上述四边形的框状 的各光波导路体V中，在发光侧的光波导路部分A的外侧端缘部 的规定部分a上连接有发光元件5，在受光侧的光波导路部分B 的外侧端缘部的规定部分b上连接有受光元件6。此外，上述发光元件5和受光元件6与ADC ( Analog Digital Converter )、微
处理器等控制部件7电连接，利用该控制部件控制上述发光元 件5的发光，且运算处理来自上述受光元件6的信号。另外，在 图3中，与图2的(a)相同，用虚线表示芯3A、 3B，其虚线的 粗细表示芯3A、 3B的粗细，并且省略了芯3A、 3B的数量而进 行图示。此外，在图3中，为了便于理解，仅表示多束光中的 一部分光S。
在利用上述三维传感器测量测量对象物时，从上述控制部 件7向发光元件5发送发光信号，按照该信号使发光元件5发光。 由此，由发光元件5发出的光自外侧端缘部的规定部分a在光波 导路体V的发光侧的光波导路部分A的发光芯3A内传送至内侧 端缘的光射出端部。而且，如图4的(a)(俯视图)、图4的(b)
(图4的(a)的X-X剖视图)所示，通过该内侧端缘的光射出 端部射出光S。自该发光芯3A的光射出端部射出的光S利用其端 部的第l透镜部31的大致扇形状的形状，沿着该大致扇形状的 宽度扩大部的形状大致均匀地扩大宽度。而且，利用第l透镜 部31的、透镜面31a形状(俯视呈圆弧状)引起的折射作用来 抑制该光S相对于光S的前进方向的横向(左右方向)(参照图4 的(a))上的发散。然后，该光S以对应于上述透镜面31a的宽 度的状态，发射到上敷层4的内侧。接着，利用由上敷层4的内 侧端缘部的第2透镜部42的透镜面42a的形状(侧剖视呈圆弧 状)引起的折射作用来抑制该光S相对于光S的前进方向纵向的
(上下方向)(参照图4的(b))上的发散。然后，由第2透镜 部42的透镜面42a射出(参照图3)该光S。即，在发光侧，利 用上述2个透镜部(第1透镜部31和第2透镜部42)的折射作用， 光S在相对于光S的前进方向的横向或纵向上的发散被抑制的 状态下，由上述第2透镜部42的透镜面42a射出。然后，在四边形的框状的光波导路体V的空心空间中前进。
另一方面，在光波导路体V中的受光侧的光波导路部分B 中，穿过上述四边形的框状的光波导路体V的空心空间而进来 的光S以与图4的(a)、 ( b)相反的顺序入射。即，光S自上敷 层4的内端缘的第4透镜部44的透镜面44a入射，利用该第4透镜 部44的透镜面44a的形状(侧剖视呈圆弧状)而引起的折射作 用来使光S在相对于前进方向的纵向上进一步收拢而被聚集。 然后，该光S利用受光芯3 B的光入射端部的第3透镜部3 3的大致 扇形状的形状而从宽度变宽的透镜面33a高效率地入射到第3 透镜部33内。然后，利用该第3透镜部33的透镜面33a的形状(俯 视呈圆弧状)而引起的折射作用来使该光S在相对于光S的前进 方向的横向上进一步收拢而被聚集。即，在受光侧，利用上述 2个透镜部(第4透镜部44和第3透镜部33 )的折射作用来使光S 在相对于光S的前进方向的横向或纵向上聚集的状态下向受光 芯(3B)的内侧前进。然后，如图3所示，该光S在光波导路体 V中的受光侧的光波导路部分B的受光芯3B内传送到外侧端缘 部的规定部分b上，由受光元件6受光。该受光元件6将接受到 的光的信息改变成信号，传递到上述控制部件7中。
如图5所示，在这样的状态下，在由上述四边形的框状的 光波导路体V的连续空心空间构成的空间(三维传感器用光波 导路W i的测量用空间H )中配置测量对象物M i或使测量对象物 Mi通过时，在上述测量用空间H中，该测量对象物Mi遮挡光S 的一部分。因此，用上述受光元件6 (参照图3 )感知该被遮挡 的部分，并且利用上述控制部件7 (参照图3 )运算处理该感知 到的信号以及向上述发光元件5 (参照图3)发射的发光信号， 从而能够获得上述测量用空间H中的上述测量对象物Mi的三 维位置、倾斜、速度、大小等信息。该三维传感器通过使用光波导路(光波导路体V)而能够 小型化，因此，例如能够用作触摸面板中检测手指的接触位置 的检测部件。此时，使上述四边形的框状的三维传感器用光波
导路Wi围绕触摸面板的四边形的显示器的画面地沿该画面周 缘部的四边形设置。然后，在用手指接触显示器的画面时，如
图6所示，上述手指(测量对象物)M2的顶端从上述三维传感 器用光波导路Wi的测量用空间H的上端开口通过到下端开口 ， 而且，该手指M2是长的，所以在上述三维传感器用光波导路 Wi的整个层的光波导路体V中遮挡射出的光S的一部分。此时，
上述三维传感器判断为与显示器的画面相接触的是手指M2，并
欲进行该接触位置所显示的操作等。另一方面，在显示器的画 面上有灰尘、水滴等的情况下，如图5所示，该灰尘、水滴等 (相当于图5所示的测量对象物Mi)仅遮挡从上述三维传感器 用光波导路W i的下侧层的光波导路体V射出的光S的 一 部分。 在这样的情况下，上述三维传感器判断为手指M2 (参照图6) 未与显示器的画面相接触，不能进行操作等。即，能够防止由 上述灰尘、水滴等带来的误动作。
特别是在该实施方式中，在发光侧形成有第l和第2透镜部 31、 42,所以在三维传感器用光波导路Wi的测量用空间H中， 光S成为以相对于前进方向的横向或纵向上的发散被抑制的状 态下沿格子状前进的状态。因此，能够提高所获得的有关测量 对象物Mi的信息的准确性。
此外，在该实施方式中，在受光侧形成有使光S收拢而聚 集的上述第3和第4透镜部33、 44,因此即使在发光侧的第l和 第2透镜部31、 42中，不以收拢的状态射出光S,也能够提高光 的传送效率，能够提高所获得的有关测量对象物Mi的信息的准 确性。接着，说明在上述三维传感器中使用的三维传感器用光波
导路Wi的制造方法的一例。另外，该说明中参照的图7的(a) (d)或图8的(a) (d)图示了以在图2的(a) (c)中 所示的第1 第4透4竟部31、 42、 33、 44以及其周边部分为中心 的制造方法。此外，由于上述透镜部的形状等在发光侧和受光 侧相同，所以一并表示发光侧和受光侧。
首先，准备好制造上述三维传感器用光波导路Wi的光波导 路体V时所用的平板状的基台1 (参照图7的(a))。作为该基台 l的形成材料，例如可以采用玻璃、石英、硅、树脂、金属等。 另外，基台l的厚度，例如设定在20〃 m 5mm的范围内。
接着，如图7的(a)所示，在上述基台l上的规定区域涂 敷作为下敷层2的形成材料的、将感光树脂溶解在溶剂中而形 成的清漆。作为上述感光树脂，例如可以列举出感光环氧树脂 等。涂敷上述清漆的方法，例如可采用旋涂法、浸渍法、浇铸 法、注射法、喷墨法等。然后，对其进行50 120。CxlO 30分 钟的加热处理，使其干燥。这样，形成作为下敷层2的感光树 脂层2a。
接着，用照射线对上述感光树脂层2a进行曝光。作为上述 曝光用的照射线例如可采用可见光、紫外线、红外线、X射线、 a射线、i3射线、y射线等。最好采用紫外线。这是因为在采 用紫外线时，通过照射较大的能量能够得到较快的固化速度， 而且照射装置也小型且便宜，能够降低生产成本。作为紫外线 光源例如可以采用低压水银灯、高压水银灯、超高压水银灯等。 紫外线照射量通常设定在10 10000mJ/cm2的范围内。
在上述曝光后，为了结束光反应而进行加热处理。该加热 处理通常在80 250。CxlO秒 2小时的范围内进行。这样，使上 述感光树脂层2a形成为下敷层2。下敷层2 (感光树脂层2a)的厚度通常设定在l 50;um的范围内。
接着，如图7的(b)所示，在上述下敷层2的表面形成作 为芯3A、 3B的感光树脂层3a。该感光树脂层3a的形成与在图7 的(a )中说明的形成下敷层2的感光树脂层2 a的形成方法相同。 另外，该芯3A、 3B的形成材料，采用折射率大于上述下敷层2 和后述上敷层4(参照图2的(c))的形成材料的折射率的材料。 例如，可以通过对上述下敷层2、芯3A、 3B、上敷层4的各个 形成材料的种类进行选择、对该各形成材料的组成比例进行调 整来调整该折射率。
接着，在上述感光树脂层3a的上方配置曝光掩模，该曝光 掩模上形成有与芯3A、 3B的图案(包括第l和第3透镜部31、 33)对应的开口图案。隔着该曝光掩模，用照射线对上述感光 树脂层3a进行曝光后，进行加热处理。该曝光和加热处理与在 图7的(a)中说明的下敷层2的形成方法相同地进行。
接着，用显影液进行显影，如图7的(c)所示，使上述感 光树脂层3a (参照7 (b))中的未曝光部分溶解而将其去除， 将残存在下敷层2上的感光树脂层3a形成为芯3A、 3B的图案。 上述显影，例如可采用浸渍法、喷射法、搅拌法等。另外，作 为显影液例如可采用有机溶剂、含有碱性水溶液的有机溶剂等。 根据感光树脂组合物的成分适当选择显影液和显影条件。
在上述显影后，通过加热处理去除残留在形成为芯3A、 3B 的图案的残存感光树脂层3a的表面等上的显影液。该加热处 理，通常是在80 12(TCxlO 30分钟的范围内进行。这样，将 形成为上述芯3A、 3B的图案的残存感光树脂层3a形成为芯3A、 3B (包括第l和第3透镜部31、 33)。芯3A、 3B(感光树脂3a) 的厚度，通常设定在10~100# m的范围内，芯3A、 3B的宽度 (第1和第3透镜部31、 33的大致扇形状的宽度扩大部以外)通常设定在8 50g m的范围内。此外，第1和第3透镜部31、 33 的大致扇形状的宽度扩大部的中心角度(锥角度)通常设定在 5。 50。的范围内，上述第l和第3透镜部31、 33的透镜面31a、 33a的曲率半径设定为大于50/z m且小于6000# m。
并且，如图7的(d)所示，在上述下敷层2的表面涂敷形 成上敷层4的感光树脂，形成感光树脂层(未固化)4a，以覆 盖该芯3A、 3B。作为形成该上敷层4的感光树脂，例如可以举 出与上述下敷层2相同的感光树脂。
接着，如图8的(a)所示，准备用于将上敷层4压制成形 为四边形的框状的成形模20。该成形模20由可使紫外线等照射 线透过的材料(例如石英)构成，形成有由与具有上述第2和 第4透镜部42、 44的上敷层4的表面形状相同形状的才莫面21构成 的凹部。而且，如图8的(b)所示，将上述成形模20的模面(凹 部)21相对于上述芯3A、 3B定位于规定位置地用成形模20给 上述感光树脂层4a加压，使该感光树脂层4a成形为上敷层4的 形状。接着，在该状态下，在利用紫外线等照射线透过上述成 形模20对上述感光树脂层4a进行曝光之后进行加热处理。该曝 光和加热处理与以图7的(a)说明的下敷层2的形成方法同样 地进行。之后，如图8的(c)所示，进行脱模。由此，获得形 成有第2和第4透镜部42、 44的四边形的框状的上敷层4。上敷 层4的高度通常设定在50 2000/zm的范围内。此外，将上述第 l透镜部31的透镜面31a的曲率中心到上述第2透镜部42的透镜 面42a的曲率中心的距离以及从上述第3透镜部33的透镜面33a 的曲率中心到上述第4透4竟部44的透4竟面44a的曲率中心的距 离设定为大于400g m且小于10000w m。此外，上述第2和第4 透镜部42、44的透镜面42a、44a的曲率半径设定为大于300〃 m 且小于10000 v m。这样一来，由于作为上敷层4的延长部来形成第2和第4透 镜部42、 44,因此在形成上敷层4的时刻，芯3A、 3B的端部的 第l和第3透镜部31、 33和由上敷层4的延长部构成的第2和第4 透镜部42、 44成为被定位的状态。此外，下敷层2和上敷层4 为相同的形成材料的情况下，下敷层2和上敷层4在它们的接触 部分同化。
之后，如图8的(d)所示，通过采用刀模的沖切等将下敷 层2等与基台l一起切断成四边形的框状。这样，在基台l的表 面制造由上述下敷层2、芯3A、 3B和上敷层4 (包括第2和第4 透4竟部42、 44)构成的四边形的框状的光波导^各体V。该光波 导路体V的厚度通常设定为500 5000/im的范围内。然后，将 该光波导路体V从上述基台l剥离下来(参照图2的(c))。
而且，如图1所示，将上述光波导路体V沿其厚度方向同轴 层叠多层。在该实施方式中，对齐上述光波导路体V的框而进 行层叠。此外，在进行层叠时，在上侧的框状的光波导路体V
剂。这样，制造出上述三维传感器用光波导路Wi。
接着，说明使用上述三维传感器用光波导路W!的三维传感 器的制造方法。即，如图3所示，在上述四边形的框状的各光 波导路体V中，在发光側的光波导路部分A的外侧端缘部的规定 部分a上连接发光元件5，在受光侧的光波导路部分B的外侧端 缘部的规定部分b上连接有受光元件6。此外，上述发光元件5 和受光元件6与控制部件7电连接。这样，制造上述三维传感器。 图9是表示本发明的三维传感器用光波导路的第2实施方
式的俯视图。该实施方式的三维传感器用光波导路W2与上述第
l实施方式的三维传感器用光波导路Wi(参照图l)不同的是处 于层叠状态的光波导路体V以规定轴线为中心线，被定位成使框相互错位的状态。除此之外的部分与上述第l实施方式相同， 相同的部分标注相同的附图标记。
在使用了该实施方式的三维传感器用光波导路W2的三维
传感器中，由于光波导路体v的层叠位置(高度位置)不同， 射出的光的方向不同。因此，能够利用通过改变高度位置来改 变角度地测量测量对象物。由此，能够获得测量对象物的大致 形状。
在上述各实施方式中，因为三维传感器用光波导路Wb
W2使用光波导路(光波导路体V),所以能够小型化。此外，只
要发光侧和受光侧能够进行光传送即可，其大小没有上限。测
量对象物Mi的大小只要对应于其移动范围等地适当地设定即 可。例如，如上述第l实施方式那样，在将三维传感器用光波 导路Wi设置在触摸面板的显示器上时，四边形的框状的光波导 路体V的纵向和横向的长度分别设定在30 300mm左右，框宽 设定在lmm 30mm左右，此外，上述光波导3各体V的层叠数设 定为2层以上，三维传感器用光波导路Wi的总厚度设定为lmm 以上。
此外，发光芯3A(受光芯3B)的数量也只要对应于测量 对象物Mi的大小、其移动范围等地适当地设定即可。例如，如 上述第l实施方式那样，在将三维传感器用光波导路Wj殳置在 触摸面板的显示器上的情况下，发光芯3A的数量在各光波导路 体V上设定为20 100根左右。
另外，在上述实施方式中，处于层叠状态的光波导路体V 是相接触的，但也可以借助隔离件等隔开间隔地进行层叠。该 间隔也只要对应于测量对象物]Vh的大小、其移动范围等地适当 地设定即可。
此外，在上述各实施方式中，将光波导路体V做成了四边形的框状，-f旦也可以将构成该四边形的;f医状的光波导if各体V的2 个L字形光波导路A、 B相互独立的部件。作为其制造方法，也 可以代替切断成上述四边形的框状而切断成2个L字形。此外， 上述光波导路体V的框状的形状不仅可以是四边形，还可以是 其它的多边形，也可以是圆形。
而且，在上述各实施方式中，将芯3A、 3B的端部的第1和 第3透镜部31、 33形成为大致扇形状，但作为三维传感器只要 在发光侧和受光侧之间适当地进行光传送即可，也可以将上述 第1和第3透镜部31、 33形成为均匀的宽度。
此外，在受光侧也可以不形成上述第3和第4透镜部33、 44 (参照图2的(a) (c)),使受光侧的芯3B的光入射端面自上 敷层4的内侧面露出。此时，从提高光传送效率的观点出发， 优选光以聚集的状态入射到受光侧的芯3 B的光入射端面，以光 收拢的状态自发光侧的第l和第2透镜部31、 42射出。相反地， 也可以不形成发光侧的上述第l和第2透镜部31、 42而形成受光 侧的上述第3和第4透镜部33、 44的状态。此时，使发光侧的芯 3A的光射出端面自上敷层4的内侧面露出。
而且，作为三维传感器只要在发光侧和受光侧之间适当地 进行光传送即可，也可以不形成上述第1 第4透镜部31、 42、 33、 44。此时，使发光侧的芯3A的光射出端面和受光侧的芯3B 的光入射端面自上敷层4的内侧面露出。
另外，在上述各实施方式中，使用感光树脂形成了下敷层 2,但也可以替代感光树脂准备作为下敷层2而发挥作用的树脂 薄膜，将树脂薄膜直接作为下敷层2来使用。也可以替代下敷 层2，用金属薄膜(金属材料)、在表面形成有金属薄膜(金属 材料)的基板等用作将芯3A、 3B形成在其表面上的基体。
在上述各实施方式中，将光波导路体V从上述基台l上剥离下来而层叠，但也可以不进行剥离而以形成在基台l的表面上 的状态层叠。
接着，说明实施例。但是，本发明不限于实施例。 实施例
下敷层和上敷层的形成材料
通过将下述通式(1)所示的双苯氧乙醇药基缩水甘油醚
(成分A): 35重量份、脂环式环氧树脂即3'， 4'-环氧环己基甲 基3 ， 4-环氧己烯羧酸酯(大赛璐化学工业公司制造， CELLOXIDE2021P)(成分B): 40重量f分、(3'， 4'-环氧环己 烷)曱基3', 4'-环氧环己基羧酸酯(大赛璐化学工业公司制造， CELLOXIDE2081 )(成分C): 25重量份、和4， 4'-双[二 ( B 羟基乙氧基)苯基亚硫酸基]苯基硫酸-双-六氟锑酸盐的50%碳 酸丙二酯溶液(成分D): 2重量份混合，调制成下敷层和上敷 层的形成材料。化学式1
(式中，R1 R6全部是氢原子，n=l ) 芯的形成材料
将70重量份的上述成分A、 30重量份的1， 3, 3-三{4-[2-(3-氧杂环丁烷)]丁氧基苯基}丁烷、和1重量份的上述成分D, 溶解到28重量份的乳酸乙烷中，调制成芯的形成材料。 三维传感器用光波导路的制作利用涂敷器在聚萘二曱酸乙二酯(PEN )薄膜 (160mmxl60mmxl88/i m (厚度))的表面上涂布上述下敷 层的形成材料后，用2000mJ/cm2的紫外线照射进行曝光。接 下来，通过进行100。Cxl5分钟的加热处理，形成了下敷层。用 接触式膜厚计测量该下敷层的厚度为20/z m。另外，该下敷层 的波长830nm的折射率为1.502。
接着，利用涂敷器在上述下敷层的表面涂布上述芯的形成 材料，进行了 10(TCxl5分钟的干燥处理。接着，在其上方借助 形成有与芯的图案(包括第1和第3透镜部)相同形状的开口图 案的合成石英系的铬掩模(曝光掩模)，利用接近式曝光法用 4000mJ/cm2的紫外线照射进行曝光后，进行了 80°C x 15分钟的 加热处理。接着，通过使用y - 丁内酯水溶液进行显影，溶解 去除未曝光部分之后，通过进行120。Cx30分钟的加热处理，形 成了芯。芯端部的第l和第3透镜部形成大致扇形状，中心角度 7。、透镜面的曲率半径160Mm、长度是2460/zm。此外，芯的 厚度是50/im,宽度(第1和第3透镜部的大致扇形状的宽度扩 大部以外)是15y m。上述各尺寸用SEM (扫描电子显微镜) 测量。另外，该芯的波长830nm的折射率为1.588。
然后，利用涂敷器在上述下敷层的表面覆盖芯地涂布上敷 层的形成材料。接着，与第2和第4透镜部的透镜面的曲率半径 (1500gin)相对应地准备了形成上敷层用的石英制成形模。 上述成形模形成了具有与上敷层的表面形状(包括第2和第4透 镜部)相同形状的模面的凹部。而且，将从上述第l透镜部的 透镜面的曲率中心到第2透镜部的透镜面的曲率中心的距离以 及从第3透镜部的透4竟面的曲率中心到第4透镜部的透镜面的 曲率中心的距离设定为2800/i m,用上述成形模对上敷层材料 加压。然后，透过上述成形模，由2000mJ/cn^的紫外线照射、进行了曝光后，进行120。Cxl5分钟的加热处理。之后，进行了 脱模。由此，获得了包括第2和第4透镜部的上敷层。用显微镜 (KEYENCE CORPORATION制)测量该上敷层的高度，其 高度为1.5mm。该上敷层的波长830nm的折射率为1.502。
然后，通过采用刀模的冲切，与上述PEN薄膜一起将获得 的构造体切断成2个L字形光波导路部分，从而得到2个(带有 四边形的框状的PEN薄膜的光波导路体)带有PEN薄膜的L字 形光波导路部分(外形尺寸66.3mmx70.0mm、 L字形的线 宽度10mm)。
将所得到的2个带有PEN薄膜的L字形光波导路部分与玻 璃环氧基板的表面相面对地形成四边形的框状地配置。然后， 用显微镜进行了对位，使得相面对的发光侧的芯与受光侧的芯 的光轴重合。同样地，借助粘接剂层叠3层上述带有PEN薄膜 的L字形光波导路部分。在该状态下，用紫外线固化型粘接剂 连结固定于玻璃环氧基板的表面。该接触面作为最下位的光波 导路体的PEN薄膜。这样，制作了3层构造的三维传感器用光 波导路。
三维传感器的制作
然后，在三维传感器用光波导路的各层中，在发光侧的L 字形光波导路部分的外侧端缘部的少见定部分连结发光元件 (VCSEL ),在受光侧的L字形光波导路部分的外侧端缘部的规 定部分连结受光元件(CMOS线性传感器阵列)。而且，将上述 发光元件和受光元件与微处理器电连接。这样，制作了三维传 感器。 评价
能够确认如下使各发光元件发出强度1.5mW的光(波长 850nm)后用各受光元件能够检测到该光。而且，在自上述3层构造的三维传感器用光波导路的测量用空间的上端开口伸入
手指尖，到达上述玻璃环氧基板的表面时，在3层所有的光波 导路体中，射出的光的一部分被遮挡。此外，若水滴滴下到上 述玻璃环氧基板的表面，在最下层的光波导路体中，射出的光 的一部分被遮挡。此外，若在上述玻璃环氧基板的表面上载置 泡沫苯乙烯片(直径3mm),则在最下2层的光波导路体中，射 出的光的一部分^皮遮挡。
从上述结果可知，若作为触摸面板的手指的接触位置的检 测部件使用上述三维传感器，能够判断实施中手指是否接触， 能够防止由水滴、灰尘(泡沫苯乙烯片)等造成的误动作。
权利要求
1.一种三维传感器用光波导路，包括沿厚度方向同轴层叠的多层框状光波导路体和由层叠的光波导路体的内侧空间构成的测量用空间，其特征在于，上述各光波导路体包括发光芯、受光芯、覆盖这些芯的上敷层，上述发光芯具有定位于各框状光波导路体的相对内侧边缘中的一方内侧边缘的光射出端部和定位于各框状光波导路体的外侧边缘的光入射端部，上述受光芯具有定位于各框状光波导路体的相对内侧边缘中的另一方内侧边缘的光入射端部和定位于各框状光波导路体的外侧边缘的光射出端部。
2. 根据权利要求l所述的三维传感器用光波导路，在上述光波导路体中，发光芯的光射出端部形成为第l透镜部，该第l透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的俯视呈圆弧状，上述上敷层的端缘形成为覆盖上述第l透镜部的透镜面的状态，该上敷层的端部形成为第2透镜部，该第2透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的侧剖视呈圆弧状。
3. 根据权利要求l所述的三维传感器用光波导路，在上述光波导路体中，受光芯的光入射端部形成为第3透镜部，该第3透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的俯视呈圆弧状，上述上敷层的另 一端缘形成为覆盖上述第3透镜部的透镜面的状态，该上敷层的端部形成为第4透镜部，该第4透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的侧剖视呈圆弧状。
4. 根据权利要求2所述的三维传感器用光波导路，在上述光波导路体中，受光芯的光入射端部形成为第3透镜部，该第3透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的俯视呈圆弧状，上述上敷层的另 一端缘形成为覆盖上述第3透镜部的透镜面的状态，该上敷层的端部形成为第4透镜部，该第4透镜部的透镜面形成为朝向外侧鼓起的侧剖视呈圆弧状。
5. 根据权利要求1 4中任一项所述的三维传感器用光波导路，处于层叠状态的光波导路体被定位成使框以规定轴线为中心线相互错开的状态。
6. 根据权利要求1~4中任 一 项所述的三维传感器用光波导路，上述芯形成在由下敷层材料或金属材料构成的基体的表面的规定部分上，上述上敷层以覆盖上述芯的状态形成在上述基体表面上。
7. 根据权利要求5中任一项所述的三维传感器用光波导路，上述芯形成在由下敷层材料或金属材料构成的基体的表面的规定部分上，上述上敷层以覆盖上述芯的状态形成在上述基体表面上。
8. —种三维传感器，其特征在于，包括上述权利要求1 ~ 7中任 一 项所述的三维传感器用光波导路；控制部件；发光元件，其与上述发光芯的光入射端部相关联地设于上述框状光波导路体的外侧部、且向上述发光芯射出光；受光元件，其与上述受光芯的光射出端部相关联地设于上述框状光波导路体的外侧部、且自上述受光芯接受光；上述控制部件与上述发光元件和受光元件电连接，控制自上述发光元件发出的光，且运算处理从上述受光元件接受到的信号。
全文摘要
本发明提供一种能够小型化的三维传感器用光波导路和使用该光波导路的三维传感器。该三维传感器用光波导路(W<sub>1</sub>)包括沿厚度方向同轴层叠的多层框状光波导路体(V)和由层叠的光波导路体(V)的内侧空间构成的测量用空间(H)，其中，上述各光波导路体(V)包括发光芯(3A)、受光芯(3B)、覆盖这些芯(3A、3B)的上敷层(4)，上述发光芯(3A)具有定位于各框状光波导路体(V)的相面对内侧边缘的一方的光射出端部和定位于各框状光波导路体(V)的外侧边缘的光入射端部，上述受光芯(3B)具有定位于各框状光波导路体(V)的相对内侧边缘的另一方的光入射端部和定位于各框状光波导路体的外侧边缘的光射出端部。
文档编号G02B6/12GK101639551SQ20091016067
公开日2010年2月3日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者十二纪行 申请人:日东电工株式会社