DE112004000955T5

DE112004000955T5 - Optischer Sender

Info

Publication number: DE112004000955T5
Application number: DE112004000955T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Fujita
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2006-04-20
Also published as: CN100428507C; JPWO2004109814A1; WO2004109814A1; US20060124946A1; US7281860B2; CN1802756A

Abstract

Optischer Sender mit:
– einem Substrat mit einem Durchgangsloch; und
– einem auf einer Rückseite des Substrats angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt;
– wobei das Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Substrats zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zur Vorderseite des Substrats hin strahlt, das Durchgangsloch dergestalt ist, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne reflektiert zu werden aus dem Durchgangsloch austritt, und die anderen Lichtstrahlen aus dem Durchgangsloch austreten, nachdem sie an der Innenwand desselben reflektiert wurden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen optischen Sender. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung einen optischen Sender zum Senden eines optischen Signals unter Verwendung einer optischen Faser als Übertragungsmedium.
Hintergrundbildende Technik
Es sind optische Sender unter Verwendung einer Leuchtdiode als Lichtquelle und einer optischen Multimodefaser als Übertragungsmedium für Privat-Kommunikationsvorgänge, Kommunikationsvorgänge innerhalb von Motorfahrzeugen und dergleichen unter Verwendung eines LAN (Local Area Network) bekannt. Als bekannte Techniken in Zusammenhang mit der Erfindung sind die folgenden bekannt:

(1) Ein Fotohalbleiter-Bauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes aufweist: ein Paar von Leitungen, die einander zugewandt angeordnet sind; einen Metallbehälter mit einer reflektierenden Fläche, der am entfernten Ende einer der Leitungen angeordnet ist; ein Fotohalbleiter-Element, das auf der reflektierenden Fläche des Metallbehälters angeordnet ist, wobei eine Elektrode desselben mit einer der Leitungen verbunden ist; und einen Draht zum Verbinden der anderen Elektrode des Fotohalbleiter-Elements mit der anderen Leitung (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. Sho 58(1983)-56483 zu einem ungeprüften japanischen Patent.
(2) Ein Lichtemissionselement für Kopplung mit einer opti schen Faser, die, über ein transparentes Element, einen Lichtstrahl leitet, der von einem auf einem Lichtemissionselement-Träger angeordneten Lichtemissionselement-Chip emittiert wird, wobei dieses Lichtemissionselement dadurch gekennzeichnet ist, dass es über das transparente Element mit einem flachen, scheibenförmigen, zentralen Bereich und einem Umfangsbereich verfügt, wobei der flache, scheibenförmige, zentrale Bereich dem Lichtemissionselement-Chip zugewandt ist und der Umfangsbereich eine Dicke aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom Zentrum des transparenten Elements abnimmt (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. Sho 59(1984)-180515 zu einem ungeprüften japanischen Patent).
(3) Ein Halbleiter-Lichtemissionsbauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes aufweist: ein Gehäuse; ein in diesem untergebrachtes Lichtemissionselement; Leitungselemente zum Zuführen elektrischer Energie zum Lichtemissionselement von außen; einen am Gehäuse ausgebildeten Verbindungsbereich zum Verbinden einer optischen Faser mit demselben, wobei diese optische Faser einen vom Lichtemissionselement emittierten Lichtstrahl so führt, dass dieser über die mit dem Verbindungsbereich verbundene optische Faser abgestrahlt wird, und eine konkave, reflektierende Fläche, die der Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements zugewandt ist, um den von diesem emittierten Lichtstrahl zu reflektieren und dadurch denselben zu einer Licht reflektierenden Fläche der optischen Faser zu richten (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. Hei 1(1989)-241185 zu einem ungeprüften japanischen Patent).
(4) Bereichsfinder, die Abstände zu mehreren Punkten messen und dadurch gekennzeichnet sind, dass sie mehrere Lichtemissionsquellen und mindestens einen Fotoempfänger aufweisen, wobei die Lichtemissionsquelle aus Halbleiterchips besteht, die jeweils am Boden mehrerer in einem Leiterrahmen ausge bildeter Vertiefungen angebracht sind (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. Hei 3(1991)-188312 zu einem ungeprüften japanischen Patent).
(5) Ein Projektor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Folgendes aufweist: (i) ein halbes oder weniger als ein halbes Rotationsparaboloid, das dadurch erhalten wird, dass ein Rotationsparaboloid durch eine die Rotationsachse enthaltende Fläche geschnitten wird, wobei die Hälfte oder der Teil, der weniger als einer Hälfte entspricht, eine spiegelglatte Fläche in Form eines Paraboloids aufweist; und (ii) eine Lichtquelle, die nahe einem Brennpunkt so am Paraboloid angeordnet ist, dass der zentrale Lichtfluss des von der Lichtquelle emittierten Lichts auf diese spiegelglatte Fläche fällt (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. Sho 62(1987)-17721 zu einem ungeprüften japanischen Patent).
(6) Ein optisches Kopplungsbauteil zum Führen, zu einer Lichtempfangsfläche an einem entfernten Ende einer optischen Faser, eines von einem Lichtemissionselement emittierten Lichtstrahls, wobei die optische Faser so angeordnet ist, dass sie dem Lichtemissionselement zugewandt ist, und wobei dieses optische Kopplungsbauteil dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes aufweist: eine transmissive Lichtsammeleinrichtung, die zwischen dem Lichtemissionselement und der optischen Faser angeordnet ist, um es einem vom Lichtemissionselement emittierten Lichtstrahl zu ermöglichen, durch die transmissive Lichtsammeleinrichtung zu laufen, so dass er auf die optische Faser kollimiert wird; und eine reflektierende Lichtsammeleinrichtung, die um die transmissive Lichtsammeleinrichtung herum angeordnet ist und eine Lichtsammeleinrichtung mit einer reflektierenden Fläche zum Reflektieren eines vom Lichtemissionselement emittierten Lichtstrahls aufweist, damit der Lichtstrahl auf die optische Faser kollimiert wird, wobei die reflektierende Fläche der reflektierenden Lichtsammeleinrichtüng eine Rotationsellipsoidfläche ist, die zwei Brennpunkte bildet, wobei das Lichtemissionselement an einem der beiden angeordnet ist und wobei die Lichtempfangsfläche der optischen Faser am anderen Brennpunkt angeordnet ist (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. 2002-40299 zu einem ungeprüften japanischen Patent).
(7) Eine Konstruktion zum Montieren einer Leuchtdiode, mit: einem ersten Leiterrahmen mit einem Chipmontagesitz mit einem Lichtdurchdringungsloch, das durch einen Chipmontagesitz hindurch ausgebildet ist; einem LED-Chip, der so auf dem ersten Leiterrahmen montiert ist, dass eine Lichtemissionsfläche dieses LED-Chips dem Lichtdurchdringungsloch des ersten Leiterrahmens zugewandt ist; und einem zweiten Leiterrahmen, der mit einer Rückseitenelektrode des LED-Chips durch einen Draht verbunden ist, wobei die Konstruktion dadurch gekennzeichnet ist, dass der LED-Chip, der Draht und die entfernten Enden des ersten und des zweiten Leiterrahmens mit einem transparenten Harz bedeckt sind (siehe z. B. die Veröffentlichung Nr. Sho 60(1985)-12782 zu einem ungeprüften japanischen Patent).

Als üblicher optischer Sender für Kopplung an eine LED (Leuchtdiode) und eine optische Faser ist beispielsweise ein optischer Sender bekannt, wie er in der 21 dargestellt ist, der durch Spritzgießen hergestellt wird.
Der in der 21 dargestellte optische Sender 101 verfügt über einen Leiterrahmen 105, eine auf diesem angeordnete LED 103, ein Gießharz 109, das den Leiterrahmen 105 und die LED 103 bedeckt, eine Linse 104 aus demselben Harz wie dem, das das Gießharz 109 bildet, und eine optische Faser 102. Von der LED 103 abgestrahlte Lichtstrahlen werden durch die Linse 104 auf die optische Faser 102 kollimiert.
Jedoch besteht bei diesem optischen Sender ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, von der LED 103 abgestrahlte Lichtstrahlen mit hoher Effizienz in die optische Faser 102 zu koppeln.
Dieses Problem steht mit dem Fernfeldmuster (FFP) einer LED, wie es in der 22 dargestellt ist, in Zusammenhang. Das Fernfeldmuster einer LED ist nämlich ein Lambert-Muster, bei dem allgemein die Strahlungsintensität einer LED durch die Cosinusfunktion repräsentiert ist. Das Fernfeldmuster einer LED zeigt das Merkmal, dass ein Lichtstrahl von ihr einen weiten Strahlungswinkel im Vergleich zu einem solchen von einem Halbleiterlaser oder dergleichen aufweist. Aus diesem Grund kann beim in der 21 dargestellten optischen System, das durch Spritzgießen hergestellt wird, ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel, von von der LED 103 emittierten Lichtstrahlen, nicht in die Linse 104 gekoppelt werden, was zu Verlusten führt.
Eine Vorgehensweise betreffend dieses Problem besteht darin, die Linse 104 näher an die LED 103 zu bringen, um einen Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel in die Linse 104 zu koppeln. Wenn jedoch die Linse 104 näher an die LED 103 gebracht wird, führt dies zu einem Fehler dahingehend, in der Dickenrichtung des optischen Senders für Platz zu sorgen, der für einen Drahtbondvorgang einer Elektrode der LED 103 an den Leiterrahmen benötigt wird. Ferner erfordert es die obige Vorgehensweise, dass die Linse 104 eine verkürzte Brennweite aufweist (d. h., dass die Linse 104 eine abgeflachte Krümmung aufweist). Wenn all diese Punkte berücksichtigt werden, ist es schwierig, die Vorgehensweise des Heranbringens der Linse 104 näher an die LED 103 dazu zu verwenden, die Effizienz des Einkoppeln in die optische Faser 102 zu erhöhen.
Andererseits wurden verschiedene Verfahren zum Ändern des optischen Pfads eines Lichtstrahls mit einem großen Strahlungswinkel durch Reflektieren desselben an einem konkaven Spiegel zum Erhöhen des Nutzungsgrads der Lichtstrahlen vorgeschlagen.
Als üblicher optischer Sender unter Verwendung eines Konkavspiegels ist beispielsweise der in der 23 dargestellte bekannt.
Bei einem optischen Sender 201, wie er in der 23 dargestellt ist, verfügt ein Substrat 205 in einem Teil über einen konkaven Bereich. Der konkave Bereich dient als Konkavspiegel 108 mit hohem Reflexionsvermögen und einem Innendurchmesser, der von seiner Bodenflächenseite allmählich zu seiner Oberrandseite hin zunimmt. Eine LED 103 ist so angeordnet, dass die Rückseitenfläche derselben (abgewandt von einer Lichtemissionsfläche 106) mit der Bodenseitenfläche des konkaven Bereichs in Kontakt steht.
Von Lichtstrahlen, wie sie von der Lichtemissionsfläche 106 der LED 103 abgestrahlt werden, wird ein Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel am Konkavspiegel 108 so reflektiert, dass sich sein optischer Pfad zu einem nicht dargestellten entfernten Ende einer optischen Faser hin ändert. So kann selbst ein Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel effektiv genutzt werden.
Jedoch ist es bei einem optischen Sender unter Verwendung eines Konkavspiegels schwierig, den Kopplungswirkungsgrad zu erhöhen, während eine Miniaturisierung und eine Kostensenkung für ihn realisiert werden.
Dies bedeutet z. B., dass beim in der 23 dargestellten optischen Sender 201, wenn angenommen wird, dass die LED 103 in Form eines Würfels mit einer Höhe von 300 μm und einer Breite von 300 μm vorliegt, der Konkavspiegel 108 über einen Kegelwinkel Θ von 60° verfügt und der konkave Bereich an seiner Bodenflächenseite über einen Innendurchmesser ϕ von 500 μm verfügt, der konkave Bereich eine Tiefe T0 von ungefähr 1,3 mm und einen Innendurchmesser R0 von 2 mm an der Oberrandseite aufweisen muss, damit der Konkavspiegel 108 den optischen Pfad eines Lichtstrahls mit einem Strahlungswinkel von 45° oder mehr, der zu vom Zentrum der Lichtemissionsfläche 106 der LED 103 abgestrahlten Lichtstrahlen gehört, geändert wird. Im Ergebnis ist eine Linse mit einem Durchmesser ϕ von 2 mm oder mehr dazu erforderlich, die Lichtstrahlen, deren optische Pfade durch den Konkavspiegel 108 geändert wurden, zu kollimieren und dann in die optische Faser zu koppeln.
Wenn der Innendurchmesser des Konkavspiegels 108 auf der Seite, auf der abgestrahlte Lichtstrahlen ansteigen, d. h. an der Oberrandseite, den großen Wert von ungefähr ϕ 2 mm aufweist, besteht die Gefahr, dass dann, wenn eine Linse mit kurzer Brennweite zum Sammeln von Lichtstrahlen verwendet wird, dieselben nicht in die optische Faser gekoppelt werden können, da die NA in der Nähe der optischen Faser so groß wird, dass die Lichtstrahlen nicht in sie gekoppelt werden können. Wenn andererseits eine Linse mit großer Brennweite verwendet wird, um eine kleine Eintritts-NA zu nutzen, ist es schwierig, den optischen Sender mit der optischen Faser zu miniaturisieren.
Hierbei kann, wenn der Konkavspiegel 108 gekrümmt ist, der optische Sender geringfügig miniaturisiert werden, jedoch ist er immer noch größer als der in der 21 dargestellte. Ferner muss in einem Bereich des Konkavspiegels 108 für ein Drahtbonden der Elektrode der LED 103 ein Raum bereitgehalten werden, was den Herstellprozess verkompliziert und die Variation der Transmissionswirkungsgrade und damit die Variation der Menge des in die optische Faser gekoppelten Lichts vergrößert. D. h., dass abhängig von Genauigkeiten beim Ort und der Form des Konkavspiegels 108 die Richtung des Lichts variiert, was zu einer Variation des Transmissionswirkungsgrads führt, was die Variation der Menge des in die optische Faser gekoppelten Lichts vergrößert. Dadurch entsteht der Bedarf, den Dynamikbereich bei der optischen Transmission zu erhöhen. Auch muss das Substrat 205 den Konkavspiegel 108 enthalten, was zu hohen Kosten führt. Wie oben erläutert, ist es bei einem optischen Sender unter Verwendung eines Konkavspiegels insgesamt schwierig, den Kopplungswirkungsgrad zu erhöhen, während eine Miniaturisierung und eine Kostensenkung für den optischen Sender erzielt werden.
Abweichend von optischen Sendern mit einem Konkavspiegel sind solche mit einem parabolförmigen Spiegel für eine Verbesserung des Kopplungswirkungsgrads bekannt, nämlich ein solcher, bei dem ein Spiegel an einer Seite einer Linse vorhanden ist, und dergleichen. Diese optischen Sender sind dahingehend problematisch, dass die Anzahl der Komponenten erhöht ist, was zu einer Vergrößerung und einem Kostenanstieg der optischen Sender führt.
Andererseits ist ein optische Sender mit folgendem bekannt: (i) einem Leiterrahmen mit einer in diesem ausgebildeten Öffnung und (ii) einer LED mit einer Lichtemissionsfläche, die so an den Leiterrahmen anschließt, dass ein von der Lichtemissionsfläche emittierter Lichtstrahl durch die Öffnung läuft, um in eine optische Faser gekoppelt zu werden. Bei einem derartigen optischen Sender mit einer auf der Rückseite des Leiterrahmens angeordneten LED erfolgt auf der Rückseitenfläche, die von der Vorderseitenfläche des Leiterrahmens abgewandt ist, d. h. der Seite, auf der eine Linse vorhanden ist, ein Drahtbondvorgang. Im Ergebnis kann die Linse (oder die optische Faser) nahe an der LED angeordnet werden, ohne dass ein Raum zu berücksichtigen wäre. der für das oben genannte Drahtbonden erforderlich ist, so dass ein relativ hoher Kopplungswirkungsgrad erzielt werden kann.
Wenn jedoch nur die Öffnung durch den Leiterrahmen hindurch ausgebildet ist, damit ein Lichtstrahl durch diese laufen kann, ist es nicht möglich, einen Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel unter einem effektiven Winkel zur Linse zu führen. Daher ist es schließlich schwierig, einen Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel zu nutzen.
Indessen ist bei einem optischen Sender auch die Abfuhr von in einem Lichtemissionselement erzeugter Wärme von Bedeutung. Wenn der optische Sender eine schlechte Wärmeabfuhr zeigt, steigt die Temperatur eines Lichtemissionselement-Chips selbst an. Daher wird die Stärke eines elektrischen Stroms, der durch das Lichtemissionselement laufen darf, begrenzt, und für die Umgebung, in der optische Sender genutzt werden können, besteht eine Einschränkung, so dass es unmöglich ist, sie in Umgebungen zu nutzen, in denen die Temperatur hoch ist, wie Motorfahrzeugen und Herstellanlagen. Aus diesem Grund besteht Bedarf an einer Verringerung des Wärmewiderstands des LED-Chips und Elementen um diesen herum. Als Verfahren zum Verringern des Wärmewiderstands ist ein solches bekannt, bei dem der LED-Chip auf einem Substrat aus einem Material mit guter Wärmeabfuhr angeordnet wird. Jedoch besteht bei diesem Verfahren ein Problem dahingehend, dass der Wärmewiderstand des LED-Chips selbst nicht gesenkt werden kann und dass sich hohe Kosten und vergrößerte optische Sender ergeben.
Andererseits besteht beim in der 21 dargestellten herkömmlichen optischen Sender 101, bei dem eine Fläche der LED 103 mit dem Gießharz 109 bedeckt ist, ein Problem dahingehend, dass an der LED 103 große Wärmespannungen entstehen, wenn die Umgebungstemperatur variiert, und zwar aufgrund einer großen Differenz der linearen Ausdehung, wie sie im Wesentlichen zwischen der LED 103 und dem Gießharz 109 existiert. Zum Beispiel verfügt GaAs, wie es im Allgemeinen bei einer roten LED verwendet wird, über eine lineare Expansion von ungefähr 6 ppm/K, während das Material des transparenten Gießharzes, wie ein Epoxyharz oder dergleichen, eine lineare Expansion von 60 ppm/K bis 65 ppm/k aufweist, also Werte, die im Wesentlichen um eine Größenordnung größer sind. Aus diesem Grund besteht ein Problem dahingehend, dass in Umgebungen, in denen große Temperaturvariationen (z. B. von –40°C bis 110°) angetroffen werden, wie dies für in Fahrzeugen installierte Bauteile zu erwarten ist, auf die Lichtemissionsfläche der LED 103 große thermische Spannungen wirken, was den Lichtemissionszustand instabil macht oder die LED 103 zerstört, oder es wird aufgrund der Differenz der Werte der linearen Expansion zwischen einem Bonddraht und dem Epoxyharz dieser Bonddraht zerrissen. So ist es schwierig, hohe Zuverlässigkeit zu erzielen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung erfolgte unter diesen Umständen, und es ist eine Aufgabe derselben, einen optische Sender mit guter Wärmeabfuhr und hohem Kopplungswirkungsgrad zu schaffen. Dieser optische Sender kann auch miniaturisiert und billig hergestellt werden, und er kann über einen weiten Temperaturbereich genutzt und gelagert werden.
Durch die Erfindung ist Folgendes geschaffen: ein erster optischer Sender mit: einem Substrat mit einem Durchgangsloch; und einem auf einer Rückseite des Substrats angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbe reich verfügt; wobei das Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Substrats zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zur Vorderseite des Substrats hin strahlt, das Durchgangsloch dergestalt ist, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne reflektiert zu werden aus dem Durchgangsloch austritt, und die anderen Lichtstrahlen aus dem Durchgangsloch austreten, nachdem sie an der Innenwand desselben reflektiert wurden.
Beim ersten optischen Sender gemäß der Erfindung verfügt das Substrat über ein Durchgangsloch. Dieses Durchgangsloch verfügt über eine Innenwand. Das Durchgangsloch verfügt über einen Innendurchmesser, der von der Rückseitenfläche des Substrats zu seiner Vorderseitenfläche hin zunimmt. So kann von Lichtstrahlen, die vom Lichtemissionsbereich abgestrahlt werden, ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel an der Innenwand des Durchgangslochs zur Vorderfläche des Substrats hin reflektiert werden. Demgemäß kann der Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel, von den vom Lichtemissionselement abgestrahlten Lichtstrahlen, ebenfalls effektiv für optisches Koppeln in eine optische Faser oder dergleichen genutzt werden, was den Kopplungswirkungsgrad erhöht.
Das Lichtemissionselement ist an der Rückseite des Substrats so angeordnet, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt. So liegt der Lichtemissionsbereich des Lichtemissionselements nahe an der Innenwand des Durchgangslochs. Demgemäß ist es möglich, die Tiefe des Durchgangslochs, das bei der Reflexion eines Lichtstrahls mit großem Strahlungswinkel zur Vorderseite des Substrats eine Rolle spielt, auf ein Minimum zu reduzieren. Demgemäß kann eine Miniaturisierung des optischen Senders erzielt werden.
Das im Substrat ausgebildete Durchgangsloch dient als Leiter für vom Lichtemissionselement abgestrahlte Lichtstrahlen. So kann das Substrat, das ursprünglich als Leiterbahnkomponente genutzt wird, auch als optische Komponente genutzt werden. Demgemäß kann die Anzahl der Komponenten verringert werden, und der Herstellprozess kann vereinfacht werden. Demgemäß kann eine Kostensenkung des optischen Senders erzielt werden.
Das Lichtemissionselement ist so angeordnet, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt. So liegt der Lichtemissionsbereich als Wärmequelle nahe am Substrat als Wärmeabführmedium. Demgemäß ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 1 der Erfindung zeigt;
2 ist eine Draufsicht eines im optischen Sender verwendeten Lichtemissionselements;
3 ist eine Schnittansicht des Lichtemissionselements der 2;
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils des optischen Senders 1 der 1;
5 ist eine erläuternde Ansicht, bei der die Größe des optischen Senders 1 gemäß der Ausführungsform 1 mit derjeni gen eines herkömmlichen optischen Senders in derselben Figur verglichen ist;
6 ist eine Draufsicht eines Durchgangslochs, das in einem Leiterrahmen des optischen Senders der 1 ausgebildet ist;
7 ist eine Schnittansicht des Durchgangslochs der 6;
8 ist eine Draufsicht, die eine Modifizierung des Durchgangslochs zeigt;
9 ist eine Schnittansicht des Durchgangslochs der 8;
10 ist eine Draufsicht einer anderen Modifizierung des Durchgangslochs;
11 ist eine Schnittansicht des Durchgangslochs der 10;
12 ist eine Draufsicht, die noch eine andere Modifizierung des Durchgangslochs zeigt;
13 ist eine Schnittansicht des Durchgangslochs der 12;
14 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 2 der Erfindung zeigt;
15 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 3 der Erfindung;
16 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 4 der Erfindung;
17 ist eine Ansicht, die eine Rückseitenfläche eines Hilfsträgers in der 16 detailliert zeigt;
18 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 5 der Erfindung zeigt;
19 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 6 der Erfindung zeigt;
20 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 7 der Erfindung zeigt;
21 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines herkömmlichen optischen Senders zeigt;
22 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel eines Fernfeldmusters einer LED zeigt; und
23 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau des herkömmlichen optischen Senders zeigt.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Ein erster optischer Sender gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er mit Folgendem versehen ist: einem Substrat mit einem Durchgangsloch; und einem auf einer Rückseite des Substrats angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt; wobei das Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Substrats zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zur Vorderseite des Substrats hin strahlt, das Durchgangsloch dergestalt ist, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne reflektiert zu werden aus dem Durchgangsloch austritt, und die anderen Lichtstrahlen aus dem Durchgangsloch austreten, nachdem sie an der Innenwand desselben reflektiert wurden.
Bei der Erfindung bezeichnet der Begriff "abgestrahlter Lichtstrahl" einen Lichtstrahl, der vom Lichtemissionsbereich unter einem bestimmten Strahlungswinkel abgestrahlt wird.
Beim ersten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Substrat ein Leiterrahmen sein, der für Verbindung zu einer externen elektrischen Schaltung sorgt. Zu Beispielen von Leiterrahmen gehört ein solcher, wie er später bei der Ausführungsform 1 angegeben wird.
Beim ersten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Lichtemissionselement über eine Elektrode verfügen, die um den Lichtemissionsbereich vorhanden ist, wobei diese Elektrode elektrisch mit der Rückseite des Substrats verbunden ist.
Bei diesem Aufbau, bei dem die Elektrode um den Lichtemissionsbereich herum vorhanden ist, befindet sie sich in einem Fläche-Fläche-Kontakt mit der Rückseite des Substrats, das ein Wärmeabführmedium ist. Im Lichtemissionsbereich erzeugte Wärme kann daher schnell an das Substrat übertragen werden.
So ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements weiter verbessert.
Beim ersten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Durchgangsloch über einen ersten Innenwandbereich an der Rückseitenfläche des Substrats und einen zweiten Innenwandbereich an der Vorderseitenfläche des Substrats verfügen, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der zur Vorderseitenfläche des Substrats allmählich zunimmt, und wobei der zweite Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist. Bei diesem Aufbau kann das Durchgangsloch dadurch hergestellt werden, dass der zweite Innenwandbereich, der über einen größeren Innendurchmesser verfügt, hergestellt wird und dann der erste Innenwandbereich hergestellt wird. So ist die Bearbeitbarkeit des Durchgangslochs verbessert. Auch führt die Verwendung eines dicken Substrats zu einer Verbesserung der Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements.
Beim ersten optischen Sender gemäß der Erfindung kann die Innenwand des Durchgangslochs konkav gekrümmt sein. Bei diesem Aufbau kann der optische Pfad eines vom Lichtemissionselement abgestrahlten Lichtstrahls leicht verändert werden, so dass der Lichtstrahl im Wesentlichen orthogonal, unabhängig von seinem Strahlungswinkel, vom Substrat ansteigt. So kann der Kopplungswirkungsgrad weiter erhöht werden.
Beim ersten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Substrat eine Dicke von 50 bis 500 μm aufweisen. Mit diesem Aufbau kann eine Miniaturisierung des optischen Senders erzielt werden. Ein derartiges dünnes Substrat kann verwendet werden, da die Innenwand des Durchgangslochs nahe am Lichtemissionsbereich des Lichtemissionselements angeordnet ist, so dass die Tiefe des Durchgangslochs, die bei der Reflexion eines Lichtstrahls mit einem großen Strahlungswinkel zur Vorderseite des Substrats hin eine Rolle spielt, auf ein Minimum verringert werden kann.
Der erste optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein Hilfssubstrat verfügen, das so angeordnet ist, dass das Lichtemissionselement zwischen diesem und dem Substrat eingebettet ist, wobei das Lichtemissionselement an seiner vom Lichtemissionsbereich abgewandten Rückseite eine Rückseitenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem Hilfssubstrat verbunden ist. Bei diesem Aufbau bildet die Rückseitenelektrode des Lichtemissionselements einen Fläche-Fläche-Kontakt mit dem Hilfssubstrat. Im Lichtemissionsbereich erzeugte Wärme wird daher nicht nur vom Lichtemissionsbereich, sondern auch von der Rückseite abgeführt. So ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements weiter verbessert. Hierbei gehört zu Beispielen von Hilfssubstraten dasjenige, das später bei der Ausführungsform 3 angegeben wird.
Der erste optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein Einschlussharzelement verfügen, das an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um das Lichtemissionselement einzuschließen. Bei diesem Aufbau kann das Lichtemissionselement gegen Außenluft abgeschirmt werden, so dass seine Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit verzögert werden kann.
Beim obigen Aufbau, bei dem das Einschlussharzelement vorhanden ist, kann dieses aus einem Harz bestehen, das einen Füllstoff zum Verringern seiner linearen Expansion und zum Erhöhen seiner Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei diesem Aufbau, bei dem der Füllstoff im Harz enthalten ist, das das Einschlussharzelement bildet, können die lineare Expansion und die Wärmeleitfähigkeit des Harzes leicht geändert werden, um die thermischen Spannungen zu verringern, wie sie am Lichtemissionselement erzeugt werden, und um die Wärmeabfuhr desselben zu verbessern. Auch ist das Einschlussharzelement in einem anderen Bereich als dem optischen Pfad des optischen Elements vorhanden, so dass thermische Spannungen und die Wärmeabfuhr verbessert werden können, ohne dass die optischen Eigenschaften beeinträchtigt würden.
Der erste optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein transparentes Harz verfügen, das in das Durchgangsloch eingefüllt ist und die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements bedeckt. Bei diesem Aufbau, bei dem die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements mit dem transparenten Harz bedeckt ist, kann eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen aus dem später bei der Ausführungsform 1 genannten Grund aus dem Lichtemissionselement entnommen werden. Ferner kann die Lichtemissionsfläche gegen die Außenluft abgeschirmt werden, so dass ihre Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit verzögert werden kann.
Beim obigen Aufbau, bei dem das transparente Harz in das Durchgangsloch eingefüllt ist, kann der erste optische Sender ferner über eine Linse verfügen, die durch das in das Durchgangsloch eingefüllte transparente Harz so angeklebt ist, dass sie dem Durchgangsloch des Substrats zugewandt ist.
Beim obigen Aufbau, bei dem das transparente Harz in das Durchgangsloch eingefüllt ist, verfügt es vorzugsweise über eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A. Bei diesem Aufbau, bei dem das transparente Harz nachgiebig ist, können thermische Spannungen, wie sie am Lichtemissionselement erzeugt werden, verringert werden, so dass der erste optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann. Wenn eine Linse vorhanden ist, können an dieser erzeugte thermische Spannungen verringert werden, so dass der erste optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann.
Der erste optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein lichtdurchlässiges Harzelement verfügen, das an der Vorderflächenseite des Substrats so vorhanden ist, dass es in das Durchgangsloch eingefüllt ist, wobei es über eine Linse verfügt, die als Teil desselben ausgebildet ist, um Lichtstrahlen zu kollimieren, wie sie vom Lichtemissionselement abgestrahlt werden. Bei diesem Aufbau kann eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen aus dem später bei der Ausführungsform 1 genannten Grund aus dem Lichtemissionselement entnommen werden.
Bei der Konstruktion, bei der das lichtdurchlässige Harzelement an der Vorderseitenfläche des Substrats vorhanden ist, kann das Substrat über einen in seiner Vorderfläche ausgebildeten Harzeinfüllgraben verfügen, der mit dem Durchgangsloch in Verbindung steht, um den Fluss eines lichtdurchlässigen Harzes in das Durchgangsloch zu erleichtern, wenn das lichtdurchlässige Harzelement hergestellt wird.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist durch die Erfindung ein zweiter optischer Sender mit Folgendem geschaffen: einem Substrat mit einer Öffnung; einem am Substrat angebrachten Hilfsträger mit einem Durchgangsloch; und einem auf einer Rückseite des Hilfsträgers angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt; wobei das Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Hilfsträgers zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zur Vorderseite des Substrats hin strahlt, das Durchgangsloch dergestalt ist, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne reflektiert zu werden aus dem Durchgangsloch austritt, und die anderen Lichtstrahlen aus dem Durchgangsloch in die Öffnung des Substrats austreten, nachdem sie an der Innenwand desselben reflektiert wurden.
Der zweite optische Sender gemäß der Erfindung liefert denselben Effekt, wie er durch den ersten optischen Sender geliefert wird, bei dem das Durchgangsloch im Substrat ausgebildet ist. Abweichend vom Substrat reicht der Hilfsträger aus, wenn er von solcher Größe ist, dass das Lichtemissionselement darauf angeordnet werden kann, so dass die Materialmenge für den Hilfsträger geringer sein kann. Daher beeinflusst selbst die Verwendung eines teuren Materials für den Hilfsträger die Kosten nicht wesentlich, sondern es wird eher ein günstiger Effekt dahingehend geschaffen, dass die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements verbessert wird.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung kann eine Differenz der linearen Expansion zwischen dem Hilfsträger und dem Lichtemissionselement kleiner als die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Substrat und dem Lichtemissionselement gemacht werden. Bei diesem Aufbau ist das Lichtemissionselement nahe am Hilfsträger angeordnet, der über eine lineare Expansion ähnlich derjenigen des Lichtemissionselements verfügt. Im Ergebnis können am Hilfsträger erzeugte thermische Spannungen verringert werden, so dass der erste optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung kann der Hilfsträger aus Silicium bestehen, das anisotrop geätzt wird, um das Durchgangsloch auszubilden. Bei diesem Aufbau kann das Durchgangsloch mit einer Innenwand versehen werden, deren Ebenengenauigkeit und damit auch Reflexionsvermögen hervorragend ist.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Substrat ein Leiterrahmen sein, der für eine Verbindung zu einer externen elektrischen Schaltung sorgt.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Lichtemissionselement über eine Elektrode verfügen, die um den Lichtemissionsbereich vorhanden ist und elektrisch mit der Rückseite des Hilfsträgers verbunden ist. Bei diesem Aufbau, bei dem die Elektrode um den Lichtemissionsbereich herum vorhanden ist, befindet sie sich in Fläche-Fläche-Kontakt mit der Rückseite des Hilfsträgers, der ein Wärmeabführmedium ist. Im Lichtemissionsbereich erzeugte Wärme kann daher schnell an den Hilfsträger übertragen werden. So ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements weiter verbessert.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung, bei dem das Durchgangsloch einen ersten Innenwandbereich, der an der Rückseitenfläche des Hilfsträgers vorhanden ist, und einen zweiten Innenwandbereich verfügen kann, der an der Vorderseitenfläche desselben vorhanden ist, weist der erste Innenwandbereich einen Innendurchmesser auf, der allmählich zur Vorderseitenfläche des Hilfsträgers zunimmt, und der zweite Innenwandbereich weist einen Innendurchmesser auf, der, größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist. Bei diesem Aufbau kann das Durchgangsloch dadurch hergestellt werden, dass der zweite Innenwandbereich mit dem größeren Innendurchmesser hergestellt wird und dann der erste Innenwandbereich hergestellt wird. So ist die Bearbeitbarkeit des Durchgangslochs verbessert. Auch kann durch Verwenden eines dicken Hilfsträgers die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements verbessert werden.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung kann die Innenwand des Durchgangslochs konkav gekrümmt sein. Bei diesem Aufbau kann der optische Pfad eines vom Lichtemissionselement abgestrahlten Lichtstrahls leicht so geändert werden, dass er unabhängig von seinem Strahlungswinkel im Wesentlichen rechtwinklig vom Substrat aufsteigt. So kann der Kopplungswirkungsgrad weiter erhöht werden.
Beim zweiten optischen Sender gemäß der Erfindung verfügt der Hilfsträger über eine Dicke von 50 bis 500 μm. Mit diesem Aufbau kann eine Miniaturisierung des optischen Senders erzielt werden. Der Grund, weswegen ein derartig dünner Hilfsträger verwendet werden kann, ist derselbe wie der beim ersten optischen Sender, bei dem das Durchgangsloch im Substrat ausgebildet ist.
Der zweite optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein Hilfssubstrat verfügen, das so angeordnet ist, dass das Lichtemissionselement zwischen diesem und dem Hilfsträger eingebettet ist, wobei das Lichtemissionselement an seiner Rückseite, die vom Lichtemissionsbereich abgewandt ist, über eine Rückseitenelektrode verfügt, die elektrisch mit dem Hilfssubstrat verbunden ist. Bei diesem Aufbau steht die Rückseitenelektrode des Lichtemissionselements in Fläche-Fläche-Kontakt mit dem Hilfssubstrat. Im Lichtemissionsbereich erzeugte Wärme wird nicht nur von diesem sondern auch von der Rückseite abgeführt. So ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements weiter verbessert.
Der zweite optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein Einschlussharzelement an der Rückseitenfläche des Substrats zum Einschließen des Hilfsträgers und des Lichtemissionselements verfügen. Bei diesem Aufbau können das Lichtemissionselement und der Hilfsträger gegen die Außenluft abgeschirmt werden, so dass ihre Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit verzögert werden kann.
Beim obigen Aufbau, bei dem das Einschlussharzelement vorhanden ist, kann dieses aus einem Harz bestehen, das einen Füllstoff enthält, um die lineare Expansion des Einschlussharzelements zu verringern und seine Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Bei diesem Aufbau, bei dem der Füllstoff im Harz enthalten ist, das das Einschlussharzelement bildet, können die lineare Expansion und die Wärmeleitfähigkeit des Harzes leicht geändert werden, um thermische Spannungen zu verringern, wie sie am Lichtemissionselement und am Hilfsträger erzeugt werden, und um die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements und des Hilfsträgers zu verbessern. Auch ist das Einschlussharzelement in einem anderen Bereich als dem des optischen Pfads des optischen Elements vorhanden, so dass thermische Spannungen und die Wärmeabfuhr verbessert werden können, ohne dass optische Eigenschaften beeinträchtigt würden.
Der zweite optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein transparentes Harz verfügen, das in das Durchgangsloch und die Öffnung eingefüllt ist und die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements bedeckt. Bei diesem Aufbau, bei dem die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements mit dem transparenten Harz bedeckt ist, kann eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen aus dem später bei der Ausführungsform 1 genannten Grund aus dem Lichtemissionselement entnommen werden. Ferner kann die Lichtemissionsfläche gegen die Außenluft abgeschirmt werden, so dass ihre Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit verzögert werden kann.
Beim obigen Aufbau, bei dem das transparente Harz in das Durchgangsloch und die Öffnung gefüllt ist, kann der zweite optische Sender ferner über eine Linse verfügen, die so mit dem in das Durchgangsloch und die Öffnung eingefüllten transparenten Harz verbunden ist, dass sie der Öffnung des Substrats zugewandt ist.
Beim obigen Aufbau, bei dem das transparente Harz in das Durchgangsloch und die Öffnung eingefüllt ist, verfügt das transparente Harz vorzugsweise über eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A. Bei diesem Aufbau, bei dem das transparente Harz nachgiebig ist, können thermische Spannungen, wie sie am Lichtemissionselement erzeugt werden, verringert werden, so dass der zweite optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann. Wenn eine Linse vorhanden ist, können an ihr erzeugte thermische Spannungen verringert werden, so dass der zweite optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann.
Der zweite optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein lichtdurchlässiges Harzelement verfügen, das an der Vorderseitenfläche des Substrats so vorhanden ist, dass es in das Durchgangsloch und die Öffnung gefüllt ist, wobei es über eine als Teil desselben ausgebildete Linse zum Sammeln von vom Lichtemissionselement abgestrahlten Lichtstrahlen verfügt. Bei diesem Aufbau kann aus dem später bei der Ausführungsform 1 genannten Grund eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen vom Lichtemissionselement entnommen werden.
Beim Aufbau, bei dem das lichtdurchlässige Harzelement an der Vorderseitenfläche des Substrats vorhanden ist, kann dieses über einen in seiner Vorderseite ausgebildeten Harzeinfüllgraben verfügen, der mit der Öffnung in Verbindung steht, um den Fluss eines lichtdurchlässigen Harzes in die Öffnung und in das mit ihr in Verbindung stehende Durchgangsloch bei der Herstellung des lichtdurchlässigen Harzelements zu erleichtern.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform ist durch die Er findung ein dritter optische Sender mit Folgendem geschaffen: einem Substrat mit einem ersten Durchgangsloch; einem am Substrat angebrachten Hilfsträger mit einem zweiten Durchgangsloch; und einem auf einer Rückseite des Hilfsträgers angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt; wobei das erste Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Leiterrahmens zu dessen Vorderseitenfläche hin zunimmt, das zweite Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Trägers zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich im zweiten Durchgangsloch frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zu einer Vorderseite des Substrats strahlt, das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch dergestalt sind, dass ein Teil der Lichtstrahlen aus dem ersten Durchgangsloch austritt, ohne reflektiert zu werden und die anderen Lichtstrahlen aus dem ersten Durchgangsloch austreten, nachdem sie an der Innenwand des Substrat und/oder der Innenwand des Hilfsträger reflektiert wurden.
Der dritte optische Sender gemäß der Erfindung liefert denselben Effekt, wie er mit dem ersten optischen Sender erzielt wird, bei dem das Durchgangsloch alleine im Substrat ausgebildet ist, oder durch den zweiten optischen Sender, bei dem das Durchgangsloch alleine im Hilfsträger ausgebildet ist. Insbesondere weil die zwei Durchgangslöcher verschiedene Formen erhalten können, wobei die Form jedes Durchgangslochs abhängig vom Strahlungsmuster des Lichtemissionselements ausgewählt wird, ist es möglich, einen Effekt dahingehend zu erzielen, dass der Transmissionswirkungsgrad weiter verbessert ist. Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung steht das erste Durchgangsloch mit dem zweiten Durchgangsloch in Verbinung, und vorzugsweise verfügt das erste Durchgangsloch über einen minimalen Innendurchmesser, der mit dem maximalen Innendurchmesser des zweiten Durchgangslochs übereinstimmt oder geringfügig größer ist.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Hilfsträger und dem Lichtemissionselement kleiner als die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Substrat und dem Lichtemissionselement eingestellt werden. Bei diesem Aufbau ist das Lichtemissionselement nahe am Hilfsträger mit einer linearen Expansion ähnlich derjenigen des Lichtemissionselements angeordnet. Im Ergebnis können am Hilfsträger erzeugte thermische Spannungen verringert werden, so dass der erste optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann ein zwischen der Innenwand des ersten Durchgangslochs und einer optischen Achse des Lichtemissionselements ausgebildeter Winkel kleiner als ein Winkel eingestellt werden, der zwischen der Innenwand des zweiten Durchgangslochs und der optischen Achse des Lichtemissionselements ausgebildet ist. Bei diesem Aufbau wird von Lichtstrahlen, wie sie vom Lichtemissionsbereich abgestrahlt werden, ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel auf die Innenwand des zweiten Durchgangslochs gestrahlt, während ein Lichtstrahl mit einem kleinen Strahlungswinkel auf die Innenwand des ersten Durchgangslochs gestrahlt wird. Durch Einstellen des zwischen der Innenwand des ersten Durchgangslochs und der optischen Achse des Lichtemissionselements gebildeten Winkels auf einen kleineren Wert als dem des Winkels zwischen der Innenwand des zweiten Durchgangslochs und der optischen Achse des Lichtemissionselements können die optischen Pfade sowohl eines Lichtstrahls mit einem großen Strahlungswinkel als auch eines Lichtstrahls mit einem kleinen Strahlungswinkel, wie sie vom Lichtemissionselement emittiert werden, rechtwinklig in Bezug auf die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements geändert werden. So kann ein hoher Transmissionswirkungsgrad erzielt werden.
Beim dritten optische Sender gemäß der Erfindung kann der Hilfsträger aus Silicium bestehen, das zum Ausbilden des Durchgangslochs anisotrop geätzt ist. Bei diesem Aufbau kann der Hilfsträger mit einer Innenwand mit hervorragender Ebenengenauigkeit und damit Reflexionsvermögen versehen werden.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Lichtemissionselement über eine um den Lichtemissionsbereich herum vorhandene Elektrode verfügen, die elektrisch mit der Rückseite des Hilfsträgers verbunden ist. Bei diesem Aufbau, bei dem die Elektrode um den Lichtemissionsbereich herum vorhanden ist, steht sie in Fläche-Fläche-Kontakt mit der Rückseite des Hilfsträgers, der ein Wärmeabführmedium ist. Im Lichtemissionsbereich erzeugte Wärme kann daher schnell an den Hilfsträger übertragen werden. So ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements weiter verbessert.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das Substrat ein Leiterrahmen sein, um für eine Verbindung zu einer externen elektrischen Schaltung zu sorgen.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das erste Durchgangsloch über einen ersten Innenwandbereich an der Rückseitenfläche des Substrats und einen zweiten Innenwandbereich an der Vorderseitenfläche desselben verfügen, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der zur Vorderseitenfläche des Substrats allmählich zunimmt, und wobei der zweite Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der größer als der maximale Innen durchmesser des ersten Innenwandbereichs ist. Bei diesem Aufbau kann das erste Durchgangsloch dadurch hergestellt werden, dass der zweite Innenwandbereich mit größerem Innendurchmesser hergestellt wird und dann der erste Innenwandbereich hergestellt wird. So ist die Bearbeitbarkeit des ersten Durchgangslochs verbessert. Auch kann durch Verwenden eines dicken Substrats die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements verbessert werden.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann das zweite Durchgangsloch über einen ersten Innenwandbereich an der Rückseitenfläche des Hilfsträgers und einen zweiten Innenwandbereich an der Vorderseitenfläche desselben verfügen, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der allmählich zur Vorderseitenfläche des Hilfsträgers zunimmt, und wobei der zweite Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist. Bei diesem Aufbau kann das zweite Durchgangsloch dadurch hergestellt werden, dass der zweite Innenwandbereich mit größerem Innendurchmesser hergestellt wird und dann der erste Innenwandbereich hergestellt wird. So ist die Bearbeitbarkeit des zweiten Durchgangslochs verbessert. Auch kann durch Verwenden eines dicken Hilfsträgers die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements verbessert werden.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung kann die Innenwand des ersten Durchgangslochs oder des zweiten Durchgangslochs konkav gekrümmt sein. Bei diesem Aufbau kann der optische Pfad eines vom Lichtemissionselement abgestrahlten Lichtstrahls leicht so geändert werden, dass er unabhängig von seinem Strahlungswinkel im Wesentlichen rechtwinklig vom Substrat ansteigt. So kann der Kopplungswirkungsgrad weiter verbessert werden.
Beim dritten optischen Sender gemäß der Erfindung können das Substrat und der Hilfsträger jeweils über eine Dicke von 50 bis 500 μm verfügen. Mit diesem Aufbau kann eine Miniaturisierung des optischen Senders erzielt werden. Der Grund, weswegen ein derartig dünner Hilfsträger und ein derartig dünnes Substrat verwendet werden können, ist derselbe wie im Fall des ersten optischen Senders, bei dem das Durchgangsloch im Substrat ausgebildet ist.
Der dritte optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein Hilfssubstrat verfügen, das so angeordnet ist, dass das Lichtemissionselement zwischen ihm und dem Hilfsträger eingebettet ist, wobei das Lichtemissionselement an seiner vom Lichtemissionsbereich abgewandten Rückseite über eine Rückseitenelektrode verfügt, die elektrisch mit dem Hilfssubstrat verbunden ist. Bei diesem Aufbau steht die Rückseitenelektrode des Lichtemissionselements in Fläche-Fläche-Kontakt mit dem Hilfssubstrat. Im Lichtemissionsbereich erzeugte Wärme wird nicht von diesem sondern auch von der Rückseite abgeführt. So ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements weiter verbessert.
Der dritte optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein Einschlussharzelement verfügen, das an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um den Hilfsträger und das Lichtemissionselement einzuschließen. Bei diesem Aufbau können das Lichtemissionselement und der Hilfsträger gegen die Außenluft abgeschirmt werden, so dass ihre Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit verzögert werden kann.
Beim obigen Aufbau, bei dem das Einschlussharzelement vorhanden ist, kann dieses aus einem Harz bestehen, das einen Füllstoff enthält, um die lineare Expansion des Einschlussharzelements zu verringern und seine Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Bei diesem Aufbau, bei dem der Füllstoff im Harz enthalten ist, das das Einschlussharzelement bildet, können die lineare Expansion und die Wärmeleitfähigkeit des Harzes leicht geändert werden, um thermische Spannungen zu verringern, wie sie am Lichtemissionselement und am Hilfsträger wirken, und um die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements und des Hilfsträgers zu verbessern. Auch ist das Einschlussharzelement in einem anderen Gebiet als dem optischen Pfad des optischen Elements vorhanden, so dass thermische Spannungen und die Wärmeabfuhr verbessert werden können, ohne dass die optischen Eigenschaften beeinträchtigt würden.
Der dritte optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein transparentes Harz verfügen, das in das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch eingefüllt ist und die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements bedeckt. Bei diesem Aufbau, bei dem die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements mit dem transparenten Harz bedeckt ist, kann aus dem Lichtemissionselement aus dem später bei der Ausführungsform 1 genannten Grund eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen entnommen werden. Ferner kann die Lichtemissionsfläche gegen die Außenluft abgeschirmt werden, so dass die Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit verzögert werden kann.
Beim obigen Aufbau, bei dem das transparente Harz vorhanden ist, kann der dritte optische Sender ferner über eine Linse verfügen, die durch das in das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch eingefüllte transparente Harz so angeklebt ist, dass sie dem ersten Durchgangsloch des Substrats zugewandt ist.
Beim obigen Aufbau, bei dem das transparente Harz vorhanden ist, verfügt dies vorzugsweise über eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A. Bei diesem Aufbau, bei dem das transparente Harz nachgiebig ist, können thermische Spannungen, wie sie am Lichtemissionselement erzeugt werden, verringert werden, so dass der erste optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann. Wenn eine Linse vorhanden ist, können an dieser erzeugte thermische Spannungen verringert werden, so dass der erste optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt werden kann.
Der dritten optische Sender gemäß der Erfindung kann ferner über ein lichtdurchlässiges Harzelement verfügen, das auf einer Vorderseitenfläche des Substrats so vorhanden ist, dass es in das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch eingefüllt ist, wobei es über eine als Teil seiner selbst ausgebildete Linse zum Sammeln von vom Lichtemissionselement abgestrahlten Lichtstrahlen verfügt. Bei diesem Aufbau kann aus dem Lichtemissionselement aus dem später bei der Ausführungsform 1 genannten Grund eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen entnommen werden.
Beim obigen Aufbau, bei dem das lichtdurchlässige Harzelement an der Vorderflächenseite des Substrats vorhanden ist, kann dieses über einen in seiner Vorderfläche ausgebildeten Harzeinfüllgraben verfügen, der mit dem ersten Durchgangsloch in Verbindung steht, um das Fließen eines lichtdurchlässigen Harzes in das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch, die damit in Verbindung stehen, bei der Herstellung des lichtdurchlässigen Harzelements zu erleichtern.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform ist durch die Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren nebeneinander angeordneten optischen Sendern, von denen jeder dergestalt ist, wie es oben dargelegt ist, geschaffen.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert angegeben.
Bei den Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszahlen Elemente mit gleichen Funktionen.
Ausführungsform 1
Die 1 ist eine erläuternde Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform 1 der Erfindung zeigt.
Der optische Sender 1 verfügt über ein Lichtemissionselement 3, eine Linse 4 und einen Leiterrahmen (ein Substrat) 5, der auf dem Lichtemissionselement 3 angeordnet ist.
Der Leiterrahmen 5 verfügt über ein Durchgangsloch 7, das an einer einer Lichtemissionsfläche (einem Lichtemissionsbereich) 6 des Lichtemissionselements 3 zugewandten Position ausgebildet ist. Das Durchgangsloch 7 ist so verjüngt, dass sein Innendurchmesser von einer Rückseitenfläche, an der das Lichtemissionselement 3 angeordnet ist, zu einer Vorderseitenfläche hin allmählich zunimmt. Das verjüngte Durchgangsloch 7 verfügt über eine als Verjüngungsspiegel 8 bezeichnete Innenwand.
Von Lichtstrahlen, wie sie vom Lichtemissionselement 3 abgestrahlt werden, läuft ein solcher mit einem kleinen Strahlungswinkel durch das Durchgangsloch 7, und er tritt in die Linse 4 ein, um gebrochen zu werden und in eine optische Faser 2 eingekoppelt zu werden. Ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel innerhalb der vom Lichtemissionselement 3 abgestrahlten Lichtstrahlen wird andererseits vom Verjüngungsspiegel 8 reflektiert, und er tritt in die Linse 4 ein, um gebrochen zu werden und in die optische Faser 2 gekoppelt zu werden.
Daher ermöglicht es selbst die Verwendung z. B. einer LED mit einem großen Strahlungswinkel als Lichtemissionselement 3, Lichtstrahlen vom Lichtemissionselement 3 mit hoher Effizienz in die optische Faser 2 zu koppeln.
Das Lichtemissionselement 3 ist so positioniert, dass seine Lichtemissionsfläche 6 dem Durchgangsloch 7 des Leiterrahmens 5 zugewandt ist, wobei es durch einen elektrisch leitenden Kleber wie eine Silberpaste oder ein Eutektikum von Gold und Zinn oder irgendwelche anderen Materialien mit dem Leiterrahmen 5 verbunden ist.
D. h., dass eine Elektrode (siehe z. B. eine p-Elektrode 15 in der 3) des Lichtemissionselements 3 auf der Seite der Lichtemissionsfläche 6 elektrisch kontinuierlich mit dem Leiterrahmen 5 verläuft. Der Leiterrahmen 5 verläuft elektrisch kontinuierlich mit einem Schaltungssubstrat, das nicht dargestellt ist.
Das Lichtemissionselement 3 ist mit einem Gießharz (lichtdurchlässiges Harzelement) 9 aus z. B. einem Epoxyharz oder einem Acrylharz bedeckt. Die Linse 4 besteht ebenfalls aus dem Gießharz 9.
Auch sind, zusätzlich zum Lichtemissionselement 3, ein Treiber-IC, der nicht dargestellt ist, zum Ansteuern desselben, und dergleichen, auf dem Leiterrahmen 5 angeordnet, und sie sind ebenfalls im Gießharz 9 eingeschlossen.
Wenn das Lichtemissionselement 3 ein solches mit einem relativ großen Strahlungswinkel, wie eine LED, ist, ist es vorzugsweise mit dem Gießharz 9 bedeckt, wie es in der 1 dargestellt ist.
Ein Lichtstrahl vom Lichtemissionselement 3 wird aufgrund des Unterschieds der Brechungsindizes zwischen der Oberflä che des Lichtemissionselements 3 und der Außenseite (Luft oder das Gießharz 9) gebrochen, bevor er abgestrahlt wird. Daher kann eine größere Menge an Lichtstrahlen entnommen werden, wenn das Lichtemissionselement 3 mit dem Gießharz 9 bedeckt ist, als dann, wenn es mit Luft bedeckt ist, dessen Brechungsindex kleiner ist. Dies, da der Winkel, unter dem Totalreflexion auftritt, größer ist, wenn das Lichtemissionselement 3 mit dem Gießharz 9 bedeckt ist.
Zum Beispiel wird durch Ändern des Brechungsindex der Außenseite von 1 auf 1,56 eine 2,4-fache Erhöhung der Menge an Lichtstrahlen vom Lichtemissionselement 3 erzielt. Daher wird durch Bedecken des Lichtemissionselements 3 mit dem Gießharz 9 der Nutzungswirkungsgrad für Lichtstrahlen erhöht. Auch ermöglicht es das Abschirmen des Lichtemissionselements 3, des Treiber-IC und anderer Komponenten gegen die Außenseite, eine Beeinträchtigung im Verlauf der Zeit zu verzögern.
Das Lichtemissionselement 3 ist vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) vom Oberflächenemissionstyp. Die 2 und 3 zeigen eine LED mit der herkömmlichen Doppelheterostruktur.
Wie es in der 3 dargestellt ist, ist eine n-Elektrode 11 auf der Unterseite eines n-Substrats 10 aus GaAs oder dergleichen hergestellt. auf dem n-Substrat 10 sind eine n-Mantelschicht 12, eine aktive Schicht 13, eine p-Mantelschicht 14 und eine p-Elektrode 15 in dieser Reihenfolge ausgebildet.
Wie es in den 2 und 3 dargestellt ist, ist in der p-Elektrode 15 eine Öffnung ausgebildet, durch die die Lichtemissionsfläche 6 frei liegt, und Lichtstrahlen werden von dieser emittiert.
Die Struktur und das Material des Lichtemissionselements 3 können abhängig von den Wellenlängen und den geforderten Eigenschaften beliebig gewählt werden. Nachfolgend erfolgt eine Erläuterung unter der Voraussetzung, dass das Lichtemissionselement 3 eine LED mit der in den 2 und 3 dargestellten Struktur ist. Jedoch kann die Erfindung selbstverständlich unter Verwendung eines Lichtemissionselements 3 von anderer Struktur realisiert werden.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das Durchgangsloch 7 im Leiterrahmen 5 über den Verjüngungsspiegel 8 verfügt, damit Lichtstrahlen mit großen Strahlungswinkeln von der Oberfläche des Leiterrahmens 5 nach oben laufen. Der Verjüngungsspiegel 8 ermöglicht es, den optischen Sender 1 zu miniaturisieren und seine Kosten zu senken, und er trägt auch dazu bei, den optischen Transmissionswirkungsgrad zu erhöhen, die Variation desselben zu verringern und die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements 3 zu verbessern. Nachfolgend erfolgt eine Erläuterung zu diesen Effekten.
Unter Bezugnahme auf die 1, 4 und 5 wird die Größe des optischen Senders 1 gemäß der Ausführungsform 1 mit derjenigen des herkömmlichen optischen Senders 201 der 23 zur Erläuterung verglichen. Die 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils des optischen Senders 1 der 1. Die 5 ist eine erläuternde Ansicht, bei der die Größe des in der 1 dargestellten optischen Senders 1 gemäß der Ausführungsform 1 mit derjenigen des in der 23 dargestellten herkömmlichen optischen Senders 201 in derselben Figur verglichen ist. In der 5 ist der herkömmliche optische Sender 201 durch gestrichelte Linien dargestellt.
Wie oben angegeben, ist beim in der 23 dargestellten herkömmlichen optischen Sender 201 das Folgende angenommen: die LED 103 liegt mit der Form eines Würfels mit einer Höhe von 300 μm und einer Breite von 300 μm vor; der Konkavspiegel 108 verfügt über einen Verjüngungsspiegel 0 von 60°; und der konkave Bereich verfügt über einen Innendurchmesser ϕ von 500 μm an seiner Bodenseitenfläche. Dann benötigt der konkave Bereich eine Tiefe T0 von ungefähr 1,3 mm und einen Innendurchmesser R0 von 2 mm an der Oberrandseite, damit der Konkavspiegel den optischen Pfad eines Lichtstrahls mit einem Strahlungswinkel von 45° oder mehr von Lichtstrahlen ändert, wie sie vom Zentrum der Lichtemissionsfläche 106 der LED 103 abgestrahlt werden.
Andererseits ergibt sich beim optischen Sender 1 gemäß der in der 1 dargestellten Ausführungsform 1, wenn eine Berechnung unter der Annahme erfolgt, dass das Durchgangsloch 7 an seiner Rückseitenfläche einen Innendurchmesser von ungefähr ϕ 100 μm aufweist und dass die anderen Bedingungen dieselben wie die beim in der 23 dargestellten Stand der Technik sind, dass, wie es in der 4 dargestellt ist, eine Dicke T1 des Leiterrahmens 5, die der Tiefe T0 (siehe die 23) des konkaven Bereichs beim Stand der Technik entspricht, 0,12 mm beträgt und der Innendurchmesser R1 des Durchgangslochs 7 an seiner Vorderseitenfläche, entsprechend dem Innendurchmesser R0 (siehe die 23) an der Oberrandseite des Stands der Technik entspricht, ungefähr 0,24 mm beträgt. So erzielt die Erfindung eine Verringerung sowohl der Dicke als auch der Größe auf ungefähr 1/10 im Vergleich zum Stand der Technik.
Wie es aus der 5 deutlich ist, kann, gemäß der Ausführungsform 1, bei der der Innendurchmesser R1 des Durchgangslochs 7 an der Vorderseitenfläche desselben den kleinen Wert von ungefähr 0,24 mm aufweisen kann, die Linse 4 (siehe die 1) zum Kollimieren von Lichtstrahlen auf die optische Faser ebenfalls einen verringerten Durchmesser aufweisen.
Demgemäß besteht ein hoher Designfreiheitsgrad für die Linse 4, was es einfach macht, eine Linse 4 mit idealem Funktionsvermögen hinsichtlich des Koppelns von Lichtstrahlen, die von der Vorderseitenfläche des Durchgangslochs 7 ansteigen, mit hohem Wirkungsgrad in die optische Faser 2 zu koppeln.
Auch verfügt der Leiterrahmen 5 im Allgemeinen über eine Dicke von ungefähr 0,25 mm, so dass der optische Sender 1 von derselben Größe wie der in der 21 dargestellte optische Sender 101 sein kann, der durch Spritzgießen hergestellt wird.
Andererseits besteht beim herkömmlichen, in der 23 dargestellten optischen Sender 201, bei dem der Innendurchmesser R0 des konkaven Bereichs an seiner Oberrandseite den großen Wert von ungefähr ϕ 2 mm aufweist, die folgende Möglichkeit: die Benutzung einer Linse mit kurzer Brennweite kann dazu führen, dass es nicht gelingt, Lichtstrahlen in die optische Faser zu koppeln, da die NA am Eingang der optischen Faser zu groß wird, während die Verwendung einer Linse mit großer Brennweite, um eine kleine Einfalls-NA zu nutzen, es erschwert, den optischen Sender mit der optischen Faser zu miniaturisieren. So ist es schwierig, den Kopplungswirkungsgrad zu erhöhen, während eine Miniaturisierung und eine Kostensenkung des optischen Senders erzielt werden.
Ferner existiert ein anderes Problem dahingehend, dass in einem Bereich des Konkavspiegels 108 ein Raum zum Drahtbonden einer Elektrode der LED 103 bereitgestellt werden muss, was den Herstellprozess verkompliziert.
Im Gegensatz dazu ist es, gemäß der Erfindung, bei der der Verjüngungsspiegel 8 sehr eng an der Lichtemissionsfläche 7 angeordnet ist und der Leiterrahmen 5 mit diesem Verjün gungsspiegel 8 versehen ist, möglich, den Transmissionswirkungsgrad zu erhöhen und den optischen Sender zu miniaturisieren.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Miniaturisierung des optischen Senders 1 zu erzielen, während die Effizienz des Koppelns aus dem Lichtemissionselement 3 in die optische Faser 2, was herkömmlicherweise schwierig ist, erhöht ist.
Beim optischen Sender 1 gemäß der Ausführungsform 1 kann das Durchgangsloch 7 durch gleichzeitiges Ätzen oder Stanzen mit der Strukturierungsverarbeitung für den Leiterrahmen 5 hergestellt werden, ohne dass es zu einem Kostenanstieg käme. Demgemäß kann der optische Sender billig erhalten werden.
Hierbei ist es bevorzugt, gleichzeitig mit der Herstellung des Durchgangslochs 7, ein nicht dargestelltes Referenzloch zum Positionieren des Lichtemissionselements 3, der Linse 4 und der optischen Faser 2 in Bezug aufeinander auszubilden. Unter Verwendung dieses Referenzlochs als Referenz beim Zusammenbauen des optischen Senders 1 ist es möglich, das Durchgangsloch 7, das Lichtemissionselement 3, die Linse 4 und die optische Faser 2 in Bezug zueinander zu positionieren.
Als Nächstes erfolgt eine Erläuterung zum Durchgangsloch 7. Der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 des Leiterrahmens 5 ist an der Rückseitenfläche vorzugsweise geringfügig größer oder geringfügig kleiner als der Durchmesser der Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3. Ob der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 größer oder kleiner gemacht wird, wird abhängig davon entschieden, ob der Erhöhung des Transmissionswirkungsgrads höhere Priorität gegeben wird, oder einer Verringerung der Variation desselben.
Wenn einer Erhöhung des Transmissionswirkungsgrads höhere Priorität gegeben wird, ist es bevorzugt, den Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 an der Rückseitenfläche größer als den Durchmesser der Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 zu machen. Wenn der Durchmesser der Lichtemissionsfläche 6 z. B. ϕ 70 μm beträgt, wird der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 an der Rückseitenfläche auf ungefähr 100 μm eingestellt. So ist gewährleistet, dass selbst dann, wenn das Lichtemissionselement 3 seine Position in Bezug auf das Durchgangsloch 7 verliert, von der Lichtemissionsfläche 6 emittierte Lichtstrahlen nicht durch den Leiterrahmen 5 ausgeblendet werden, so dass alle von der Lichtemissionsfläche 6 emittierten Lichtstrahlen genutzt werden können.
Andererseits ist es, wenn einer Verringerung der Variation des Transmissionswirkungsgrads eine höhere Priorität eingeräumt wird, bevorzugt, den Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 an der Rückseitenfläche geringfügig kleiner als den Durchmesser der Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 zu machen. Wenn der Durchmesser der Lichtemissionsfläche 6 z. B. ϕ 70 μm beträgt, wird der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 an der Rückseitenfläche auf 50 μm eingestellt. Dies gewährleistet, dass selbst dann, wenn das Lichtemissionselement 3 seine Position verliert, die Menge der durch das Durchgangsloch 7 laufenden Lichtstrahlen weniger variiert, so dass die Variation des Transmissionswirkungsgrads verringert werden kann.
Auch kann beim optischen Sender 1 gemäß der Ausführungsform 1 der Verjüngungsspiegel 8 näher an der Lichtemissionsfläche 6 angeordnet werden, als dies beim in der 23 dargestellten herkömmlichen optischen Sender der Fall ist. Dies gewährleistet, dass selbst dann, wenn das Lichtemissionselement 3 seine Position verliert, die Position, an der ein Lichtstrahl ansteigt, weniger variiert, so dass die Variation betreffend die Effizienz des Einkoppelns von Lichtstrahlen in die Linse 4 und die optische Faser 2 verringert werden kann.
Zu Beispielen von Formen des Durchgangslochs 7 gehören die in den 6 bis 13 dargestellten.
Das in den 6 und 7 dargestellte Durchgangsloch 7 verfügt, wie das in der 1 dargestellt, über einen Verjüngungsspiegel 8 mit linearem Querschnitt.
Ein Verjüngungsspiegel 8 mit linearem Querschnitt ist einfach zu bearbeiten, und er gewährleistet, dass hinsichtlich vom Lichtemissionselement 3 emittierte Lichtstrahlen der optische Pfad selbst eines Lichtstrahls mit großem Strahlungswinkel geändert werden kann.
Hierbei beträgt der Verjüngungswinkel Θ (siehe die 3) vorzugsweise ungefähr 40° bis 80°, um zum Fernfeldmuster der vom Lichtemissionselement 3 emittierten Lichtstrahlen zu passen. Der optimale Verjüngungswinkel wird abhängig vom Fernfeldmuster der vom verwendeten Lichtemissionselement 3 emittierten Lichtstrahlen bestimmt.
Ferner verfügt der Verjüngungsspiegel 8 vorzugsweise über einen gekrümmten (d. h. konkaven) Querschnitt, wie es in den 8 und 9 dargestellt ist.
Wenn z. B. der Verjüngungsspiegel 8 über einen paraboloidförmigen Querschnitt verfügt und die Lichtemissionsfläche 6 im Brennpunkt des Paraboloids angeordnet ist, ist es möglich, den optischen Pfad eines vom Lichtemissionselement 3 abgestrahlten Lichtstrahls unabhängig von seinem Strahlungswinkel im Wesentlichen rechtwinklig zum Leiterrahmen 5 zu gestalten. Eine derartige gekrümmte Form kann z. B. durch Ätzen des Leiterrahmens 5 von einer Seite her erzielt werden.
Auch verfügt das Durchgangsloch 7 vorzugsweise über die in den 10 und 11 dargestellte Form. Das Durchgangsloch 7 beinhaltet nämlich vorzugsweise einen Verjüngungsspiegelbereich (erster Innenwandbereich) 8 an der Rückseitenfläche des Leiterrahmens 5 sowie einen vergrößerten Lochbereich (zweiter Innenwandbereich) 17 an der Vorderseitenfläche des Leiterrahmens 5. Der Verjüngungsspiegelbereich 8 verfügt über einen Innendurchmesser, der zur Vorderseitenfläche des Leiterrahmens 5 allmählich zunimmt. Der vergrößerte Lochbereich 17 verfügt über einen Innendurchmesser, der größer als der maximale Innendurchmesser des Verjüngungsspiegelbereichs 8 ist.
Beim in den 10 und 11 dargestellten Durchgangsloch 7 zeigt der vergrößerte Lochbereich 17 die Effekte der Verbesserung einer Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements 3 und einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Verjüngungsspiegels 8.
D. h., dass es schwierig ist, das Durchgangsloch 7 herzustellen, wenn die Dicke des Leiterrahmens 5 viel größer als der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 an der Rückseitenfläche ist, der, wie oben angegeben, ungefähr 100 μm beträgt. Demgegenüber besteht, wenn die Dicke des Leiterrahmens 5 größer wird, ein größerer Vorteil hinsichtlich der Wärmeabfuhr am Lichtemissionselement 3 und am Treiber-IC zum Ansteuern desselben.
So wird durch Herstellen des vergrößerten Lochbereichs 17 im Leiterrahmen 5 an dessen Vorderseitenfläche die Verarbeitung des Verjüngungsspiegelbereichs 8 erleichtert, und der Lei terrahmen 5 kann über eine größere Dicke verfügen, was zu einer Verbesserung der Wärmeabfuhr führt. Der vergrößerte Lochbereich 17, der durch keinerlei Lichtstrahl beleuchtet wird, spielt keinerlei optische Rolle.
Es ist bevorzugt, in der Vorderseitenfläche des Leiterrahmens 5 einen Harzeinfüllgraben 18 auf solche Weise auszubilden, dass er mit dem Durchgangsloch 7 in Verbindung steht, wie es in den 12 und 13 dargestellt ist.
D. h., dass das Herstellen des Harzeinfüllgrabens 18 die Schwierigkeit beseitigt, die dadurch entsteht, dass das Harz in das Durchgangsloch 7 für Formeinschluss durch das Gießharz 9, wie es in der 1 dargestellt ist, fließt. So wird der Formeinschluss gewährleistet. Der in den 10 und 11 dargestellte vergrößerte Lochbereich 17 liefert denselben Effekt, wie er durch den Harzeinfüllgraben 18 erzielt wird.
Ferner ist es bevorzugt, die Dicke und den Verjüngungswinkel des Leiterrahmens 5 so einzustellen, dass ein Lichtstrahl nur einmal vom Verjüngungsspiegel 8 reflektiert wird. Im Fall eines sogenannten optischen Wellenleiters oder dergleichen unter Ausnutzung einer Anzahl von Reflexionen wird durch diese ein größerer Verlust erzeugt, und die Länge (entsprechend der Dicke des Leiterrahmens 5) nimmt zu, was zu einer Vergrößerung von Bauteilen führt.
Gemäß der Erfindung kann die Form des Durchgangslochs 7 auf verschiedene Weisen modifiziert werden, wie oben beschrieben, wobei jedoch die Tiefe desselben vorzugsweise auf 50 bis 500 μm eingestellt wird.
D. h., dass, gemäß der Erfindung, da der Verjüngungsspiegel 8 nahe an der Lichtemissionsfläche 6 angeordnet werden kann, das Durchgangsloch 7 für einen ausreichenden Effekt beim Ändern des optischen Pfads eines Lichtstrahls mit großem Strahlungswinkel selbst dann sorgt, wenn die Tiefe des Durchgangslochs 7 klein ist.
Auch muss, gesehen von der Vorderseite oder der Rückseite des Leiterrahmens 5 her, das Durchgangsloch 7 nicht notwendigerweise kreisförmig sein, sondern es kann elliptisch oder rechteckig sein. Das Durchgangsloch 7 verfügt vorteilhafterweise über eine andere Form als eine Kreisform, wenn z. B. eine Verformung des Fernfeldmusters von Lichtstrahlen vom Lichtemissionselement 3 vorliegt.
Gemäß der Erfindung ist, wie oben beschrieben, das Lichtemissionselement 3 an der Rückseitenfläche des Leiterrahmens 5 angeordnet. Das Durchgangsloch 7 verfügt im Wesentlichen über einen verjüngten Querschnitt in solcher Weise, dass sein Innendurchmesser von der Rückseitenfläche des Leiterrahmens allmählich zu dessen Vorderseitenfläche hin zunimmt.
Auch ist der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 an der Rückseitenfläche kleiner eingestellt, als es der Größe des Chips des Lichtemissionselements 3 entspricht. Da der Innendurchmesser des Durchgangslochs 7 im Vergleich zur Größe des Chips des Lichtemissionselements 3 verringert ist, ist die Kontaktfläche zwischen dem Lichtemissionselement 3 und dem Leiterrahmen 5 erhöht.
Zum Verbessern der Wärmeabfuhr vom Lichtemissionselement 3 ist es wesentlich, dass es so angeordnet ist, dass die Lichtemissionsfläche 7 dem Leiterrahmen 5 zugewandt ist und dass zwischen ihm und dem Leiterrahmen 5 eine große Kontaktfläche existiert.
D. h., dass der Wärmewiderstand des n-Substrats 10 zu einem Problem wird, wenn die in den 2 und 3 dargestellte LED als Lichtemissionselement 3 verwendet wird.
Wenn Wärme von der Rückseitenfläche (Seite der n-Elektrode 11) der LED abgeführt wird, wird in der aktiven Schicht 13 erzeugte Wärme über das n-Substrat 10 und ferner die n-Elektrode 11 in den Leiterrahmen 5 und dergleichen abgeführt, die aus einem Material mit guter Wärmeabfuhr bestehen.
Da das n-Substrat 10 im Allgemeinen aus einem Material mit hohem Wärmewiderstand, wie GaAs, besteht, zeigt die LED selbst eine schlechte Wärmeabfuhr, was zu einer erhöhten Temperatur der aktiven Schicht 13 führt.
Demgegenüber kann bei der Erfindung, bei der die Lichtemissionsfläche 7 dem Leiterrahmen 5 zugewandt ist, in der aktiven Schicht 13 erzeugte Wärme über die p-Mantelschicht 14 und dann die p-Elektrode 15 in den Leiterrahmen 5 abgeführt werden. Im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit von z. B. GaAs, die 45 W/m·K beträgt, hat diejenige des Leiterrahmens 5 (Kupfer) den hohen Wert von ungefähr 360 W/m·K. Ferner ist, da die p-Mantelschicht 14 und die p-Elektrode 15 jeweils über eine Dicke von ungefähr einigen μm verfügen, die Wärmeabfuhr im Vergleich zum Fall wesentlich verbessert, bei dem Wärme über das n-Substrat 10 mit einer Dicke von einigen 100 μm abgeführt wird.
Das Lichtemissionselement 3 und der Leiterrahmen 5 sind vorzugsweise z. B. durch einen Kleber mit hoher Leitfähigkeit, wie eine Silberpaste, oder durch ein Eutektikum von entweder Gold und Zinn oder aus anderen Materialien miteinander verbunden. Auch sind, unter Klebern mit hoher Leitfähigkeit, bevorzugtere solche, die für ausreichenden thermischen Kontakt mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder einem Material in Form einer dünnen Schicht sorgen und auch die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Leiterrahmen 5 und dem Lichtemissionselement 3 absorbieren.
Hierbei ist es erforderlich, ein Anhaften des Klebers an der Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 zu vermeiden. Es kann vorab eine dünne Schicht des Klebers auf einer anderen Fläche des Lichtemissionselements 3 als der Lichtemissionsfläche 6 durch Fotolithografie oder eine andere Technik so hergestellt werden, dass ein Anhaften des Klebers an der Lichtemissionsfläche 6 vermieden wird. Alternativ können, wenn ein Eutektikum entweder aus Gold und Zinn oder aus anderen Materialien verwendet wird, das Lichtemissionselement 3 und der Leiterrahmen 5 dadurch miteinander verbunden werden, dass die Oberfläche des Leiterrahmens 5 mit Gold plattiert wird und auf der p-Elektrode 15 des Lichtemissionselements 3 ein Gold-Zinn-Film hergestellt wird, gefolgt von einem Thermokompressionsbonden.
Nachfolgend erfolgt eine Erläuterung zu jeder Komponente.
Die optische Faser 2 ist vorzugsweise eine optische Multimodefaser wie eine optische Kunststofffaser (POF: optische Polymerfaser) oder eine optische Quarzglasfaser (GOF: optische Glasfaser).
Der Kern der POF besteht aus Kunststoff mit hervorragenden optischen Transmissionseigenschaften, wie PMMA (Polymethylmethacrylat) oder Polycarbonat, und ihr Mantel besteht aus einem Kunststoff mit kleinerem Brechungsindex als dem des Kunststoffs des Kerns.
Bei einer POF ist es einfacher als bei einer GOF, den Durchmesser des Kerns von ungefähr 200 ì m auf ungefähr 1 mm zu erhöhen, wodurch es einfacher ist, die Kopplung zum optischen Sender zu verbessern. Demgemäß ist es möglich, eine billige optische Übertragungsstrecke zu erhalten.
Alternativ kann die optische Faser 2 eine PCF (polymer clad fiber = Faser mit Polymermantel) sein, bei der der Kern aus Quarzglas besteht und der Mantel aus einem Polymer besteht.
Andererseits ist eine GOF teurer als eine POF, wobei jedoch eine GOF unter kleineren Übertragungsverlusten leidet, und sie für ein weiteres Übertragungsband als eine POF sorgt. Demgemäß ist es, wenn eine GOF als Übertragungsmedium verwendet wird, möglich, eine optische Übertragungsstrecke zu erhalten, die für Kommunikation über einen größeren Abstand und für höhere Kommunikationsgeschwindigkeiten sorgen kann.
Das Lichtemissionselement 3 ist vom Oberflächenemissionstyp, und es kann eine Leuchtdiode (LED), ein Oberflächenemittierender Laser (VCSEL) oder dergleichen sein.
Die Wellenlänge des Lichtemissionselements 3 ist vorzugsweise eine solche, die für einen kleineren Verlust bei der Transmission von Lichtstrahlen in der verwendeten optischen Faser 2 sorgt.
Wenn z. B. eine POF als optische Faser 2 verwendet wird, kann die Wellenlänge des Lichtemissionselements 3 ungefähr 650 nm betragen, während dann, wenn eine GOF als optische Faser 2 verwendet wird, die Wellenlänge des Lichtemissionselements 3 ungefähr 850 nm betragen kann.
Der Leiterrahmen 5 wird dadurch erhalten, dass das Durchgangsloch 7 in einer dünnen Platte eines Metalls mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer oder Phosphorbronze, durch Ätzen, Pressen oder Schneiden hergestellt wird, gefolgt von einem Plattieren seiner Oberfläche mit Silber, Gold oder dergleichen, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erzielen.
Hierbei bedeutet der Leiterrahmen 5 eine dünne Platte aus einem Metall, das auf Komponenten wie dem Lichtemissionselement 3 und dem Treiber-IC angebracht wird und diese festhält, und das die Rolle des Übertragens von Elektrizität an jede Komponente spielt. Selbstverständlich kann der Leiterrahmen 5 durch verschiedene Substrate ersetzt werden, wie einen Sockel und ein gedrucktes Substrat.
Ausführungsform 2
Als optischer Sender gemäß einer Ausführungsform 2 wird eine Modifizierung des obigen optischen Senders gemäß der Ausführungsform 1 angegeben und unter Bezugnahme auf die 14 erläutert. Die 14 ist eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Struktur des optischen Senders gemäß der Ausführungsform 2 zeigt.
Wie es in der 14 dargestellt ist, ist beim optischen Sender 21 gemäß der Ausführungsform 2 die Linse 4 nicht aus dem Gießharz (Einschlussharzelement) 9 hergestellt. Das Gießharz 9 bedeckt nur die Rückseitenfläche des Leiterrahmens 5, auf der das Lichtemissionselement 3 angeordnet ist. Das Lichtemissionselement 3 und ein Treiber-IC 19 sind in das Gießharz 9 eingeschlossen und gegen Außenluft geschützt. Das Lichtemissionselement 3 und der Treiber-IC 19 sind durch einen Bonddraht 33 elektrisch miteinander verbunden (obwohl in der Realität mehrere Bonddrähte 33 vorhanden sind, ist dies in der Figur weggelassen).
Die Linse 4 kann eine Kugellinse aus Glas, einem Acrylharz oder dergleichen sein. Die Kugellinse als Linse 4 wird in Bezug auf das Durchgangsloch 7 des Leiterrahmens 5 positioniert und an diesen durch einen Kleber (transparentes Harz) 16 geklebt.
Der Kleber 16 besteht aus einem Material mit Transparenz im Wellenlängenbereich des Lichtemissionselements 3. Der Kleber 16 wird in das Durchgangsloch 7 eingefüllt, und er bedeckt die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements 3. Da das Durchgangsloch 7 mit dem Kleber 16 aufgefüllt ist, ist die Brechung im Vergleich zum Fall erhöht, bei dem Luft das Durchgangsloch bedeckt, so dass aus dem Lichtemissionselement 3 eine erhöhte Menge an Lichtstrahlen entnommen werden kann.
Der Kleber 16 besteht vorzugsweise aus einem nachgiebigen Material. Der Leiterrahmen 5 besteht aus einem Metall wie Kupfer, und so ist seine lineare Expansion im Allgemeinen deutlich verschieden von der des Klebers 16. Demgemäß wird, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, an den Grenzflächen zwischen dem Kleber 16 und dem Leiterrahmen 5 sowie zwischen dem Lichtemissionselement 3 und dem Kleber 16 eine große thermische Spannung erzeugt, und der Kleber 16 löst sich leicht. Unter Verwendung eines Klebers 16 aus z. B. einem nachgiebigen Material (d. h. einem Material mit kleinem Young-Modul) wie Silicon können thermische Spannungen verringert werden, um ein Ablösen des Klebers 16 zu vermeiden. Betreffend die Nachgiebigkeit des Klebers 16 verfügt dieser über eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A. Alternativ verfügt der Kleber 16 vorzugsweise über ein Young-Modul von 10 MPa oder weniger.
Ferner wird die Linse 4 vorzugsweise durch den nachgiebigen Kleber 16 angeklebt. Obwohl bei einer Änderung der Umgebungstemperatur thermische Spannungen auch an der Linse 4 erzeugt werden, dient die Nachgiebigkeit des Klebers 16 zum Verringern derselben, was ein Ablösen der Linse 4 erschwert.
Auch muss das Gießharz 9 nicht transparent sein, und z. B. können Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Materialien mit einer linearen Expansion ähnlich der des Lichtemissionselements 3 und der des Bonddrahts 33, sowie billige Materialien verwendet werden. Ein transparentes Gießharz (im Fall eines Epoxyharzes verfügt dies im Allgemeinen über eine lineare Expansion von 60 bis 65 ppm/K und eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,2 W/m·K) verfügt über eine größere lineare Expansion als das Lichtemissionselement 3 (im Fall von GaAs beträgt die lineare Expansion 6 ppm/K) und als der Bonddraht (im Fall von Gold beträgt die lineare Expansion ungefähr 14 ppm/K). So werden am Lichtemissionselement 3 und dem Bonddraht 33 große thermische Spannungen erzeugt. Aus diesem Grund ist das Harz für den Gießvorgang vorzugsweise ein Harz, das einen Füllstoff mit niedriger linearer Expansion, wie Siliciumoxid, enthält. Ein derartiges Harz kann ein Harz mit schwarzer Farbe (lineare Expansion: 15 bis 20 ppm/K, Wärmeleitfähigkeit: ungefähr 0,7 W/m·K) sein, wie es allgemein bei der Gehäuseherstellung von ICs verwendet wird, die keine optischen Eigenschaften benötigen. Derartige Harze sind in allgemeiner Verwendung und so billig verfügbar. Gemäß der Erfindung kann die Differenz der linearen Expansion zwischen sowohl dem Lichtemissionselement 3 als auch dem Bonddraht 33 und dem Gießharz 9 deutlich verringert werden, so dass am Lichtemissionselement 3 und am Bonddraht 33 erzeugte thermische Spannungen verringert werden können. Da der Füllstoff enthalten ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des Harzes selbst erhöht, mit dem Ergebnis, dass auch die Wärmeabfuhr für das Lichtemissionselement 3 und den Treiber-IC 19 verbessert werden kann. Demgemäß können die Funktionen und die Zuverlässigkeit des optischen Senders 1 weiter verbessert werden, und seine Kosten können weiter gesenkt werden. Beispielsweise kann ein Zerreißen des Drahts, das sich aus einer Differenz der linearen Expansion zwischen dem Leiterrahmen 5 und dem Gießharz 9 ergibt, verhindert werden.
Ausführungsform 3
Eine andere Modifizierung des obigen optischen Senders gemäß der Ausführungsform 1 wird als optischer Sender gemäß einer Ausführungsform 3 angegeben und unter Bezugnahme auf die 15 erläutert. Die 15 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils des optischen Senders gemäß der Ausführungsform 3.
Wie es in der 15 dargestellt ist, hat beim optischen Sender 31 gemäß der Ausführungsform 3 das Durchgangsloch 7 die in den 10 und 11 dargestellte Form.
Ein vom Lichtemissionselement emittierter Lichtstrahl wird am Verjüngungsspiegelbereich 8 reflektiert, ohne auf die Innenwand des vergrößerten Lochbereichs 17 gestrahlt zu werden, so dass der optische Pfad des Lichtstrahls geändert wird.
Wie oben angegeben, ermöglicht es dieser Aufbau, dass der Leiterrahmen 5 über erhöhte Dicke verfügt, so dass die Wärmeabfuhr verbessert ist und ferner der Effekt erzielt werden kann, dass das Gießharz (lichtdurchlässiges Harzelement) 9 oder der Kleber (transparentes Harz) 16 leicht in das Durchgangsloch 7 fließt.
Auch verfügt das Lichtemissionselement 3 an seiner von der Lichtemissionsfläche 6 abgewandten Rückseite über die Elektrode (siehe die n-Elektrode 11 in der 3), die durch einen elektrisch leitenden Kleber wie eine Silberpaste mit einem Rückseitenelektrode-Substrat (Hilfssubstrat) 22 verbunden ist.
Der Leiterrahmen 5 und das Rückseitenelektrode-Substrat 22 sind elektrisch jeweils mit einer nicht dargestellten elek trischen Schaltung verbunden, um eine Ein/Aus-Steuerung des Lichtemissionselements 3 auszuführen.
Das Rückseitenelektrode-Substrat 22 besteht aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium, Kupfer oder Phosphorbronze.
D. h., dass das Lichtemissionselement 3 nicht durch ein langgestrecktes Element wie einen Draht elektrisch angeschlossen ist. Stattdessen stehen die Elektrode (siehe die p-Elektrode 15 in der 3) des Lichtemissionselements 3 auf der Seite der Lichtemissionsfläche 6 und die zugehörige Elektrode auf der Rückflächenseite in einem Fläche-Fläche-Kontakt mit dem Leiterrahmen 5 bzw. dem Rückseitenelektrode-Substrat 22. Demgemäß kann durch das Lichtemissionselement 3 erzeugte Wärme effizient abgeführt werden, da die Wärmeabfuhr deutlich verbessert ist.
Bei der Ausführungsform 3 kann, wie bei der Ausführungsform 1, das Gießharz (lichtdurchlässiges Harzelement) an der Vorderseitenfläche des Leiterrahmens 5 so vorhanden sein, dass es in das Durchgangsloch 7 und den vergrößerten Lochbereich 17 eingefüllt ist, und über die Linse verfügen, die als integraler Teil des Gießharzes ausgebildet ist. Alternativ kann, wie bei der Ausführungsform 2, der Kleber (das transparente Harz) in das Durchgangsloch 7 und den vergrößerten Lochbereich 17 eingefüllt sein und die Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 bedecken, um die Linse so anzukleben, dass sie dem vergrößerten Lochbereich 17 zugewandt ist.
Ausführungsform 4
Noch eine andere Modifizierung des obigen optischen Senders gemäß der Ausführungsform 1 wird als optischer Sender gemäß einer Ausführungsform 4 angegeben und unter Bezugnahme auf die 16 erläutert. Die 16 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils eines optischen Senders gemäß der Ausführungsform 4 der Erfindung.
Wie es in der 16 dargestellt ist, ist beim optischen Sender 41 gemäß der Ausführungsform 4 das Lichtemissionselement 3 auf einem Hilfsträger 24 so angeordnet, dass dieser zwischen das Lichtemissionselement 3 und ein zweites Substrat 25 eingefügt ist.
Der Hilfsträger 24 verfügt über das Durchgangsloch 7 und den Verjüngungsspiegel 8, ähnlich denjenigen, die durch den Leiterrahmen 5 bei der Ausführungsform 1 gebildet sind. Das Lichtemissionselement 3 ist so positioniert, dass seine Lichtemissionsfläche 6 dem Durchgangsloch 7 zugewandt ist, und es ist an einer Rückseite des Hilfsträgers 24 angeordnet.
Das zweite Substrat 25 verfügt über ein Lichtemissionsloch (eine Öffnung) 26, die größer als das Durchgangsloch des Hilfsträgers 24 ist. Das Durchgangsloch des Hilfsträgers 24 steht mit dem Lichtemissionsloch des zweiten Substrats 25 in Verbindung.
Der Hilfsträger 24 hat denselben Effekt wie der Leiterrahmen 5, und er kann den optischen Transmissionswirkungsgrad aufgrund der Funktion des Verjüngungsspiegels 8 verbessern.
Dieser Aufbau ermöglicht es, die Größe des Elements mit dem Verjüngungsspiegel 8, d. h. die Größe des Hilfsträgers 24, geringfügig größer als die des Lichtemissionselements 3 zu halten. Daher werden selbst dann, wenn für den Hilfsträger 24 ein teures Material verwendet wird, die Kosten nicht wesentlich beeinflusst.
D. h., dass das Material des Hilfsträgers 24 ohne Einschränkungen und ohne Berücksichtigung der Kosten ausgewählt werden kann. So können z. B. durch Verwenden eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder eines Materials mit guter Bearbeitbarkeit das Funktionsvermögen und die Zuverlässigkeit des optischen Senders 41 weiter verbessert werden.
Der Hilfsträger 24 wird vorzugsweise dadurch erhalten, dass ein einkristallines Siliciumsubstrat durch anisotropes Ätzen bearbeitet wird.
Eine (111)-Ebene mit einem Winkel von 54,74° wird als glatte Fläche mit einem genauen Winkel z. B. durch Ätzen einer (100)-Ebene des einkristallinen Siliciums mit KOH (Kaliumhydroxid) erhalten.
D. h., dass der Verjüngungsspiegel 8 (siehe die 4), wie er durch Bearbeiten des Leiterrahmens 5 erhalten wird, einem Verjüngungsspiegel 8, der durch Bearbeiten von einkristallinem Silicium erhalten wird, hinsichtlich der Bearbeitungsgenauigkeit, der Ebenengenauigkeit und des Funktionsvermögens als reflektierende Fläche unterlegen ist.
Demgemäß kann, unter Verwendung eines Materials für den Hilfsträger 24, das für hohe Bearbeitungsgenauigkeit sorgen kann, wie einkristallines Silicium, der Verjüngungsspiegel 8 mit höherer Genauigkeit erhalten werden, ohne dass dies einen Kostenanstieg zur Folge hätte.
Wenn für den Hilfsträger 24 einkristallines Silicium verwendet wird, ist das Durchgangsloch 7 als Rechteckpyramide geformt. Für den Hilfsträger 24 können zusätzlich zu Si auch SiC, AiN und dergleichen verwendet werden.
Wenn der Hilfsträger 24 aus einem nicht leitenden Material besteht, wird eine Elektrode aus einem Metall, wie Aluminium, die nicht dargestellt ist, durch Abscheiden oder dergleichen auf der Rückseite des Hilfsträgers 24 hergestellt. Diese Elektrode wird so mit der Elektrode (siehe die p-Elektrode 15 in der 3), die um die Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 herum ausgebildet ist, verbunden, dass zwischen ihnen für eine elektrisch leitende Beziehung gesorgt ist. Alternativ kann der Hilfsträger 24 so mit dem zweiten Substrat 25 verbunden werden, dass zwischen ihnen für eine elektrisch leitende Beziehung gesorgt ist.
Die Differenz zwischen dem Hilfsträger 24 und dem Lichtemissionselement 3 wird hinsichtlich der linearen Expansion vorzugsweise kleiner als die Differenz zwischen dem zweiten Substrat 25 und dem Lichtemissionselement 3 hinsichtlich der linearen Expansion eingestellt. Im Allgemeinen kann eine deutliche Differenz der linearen Expansion zwischen dem Leiterrahmen 5 aus Kupfer oder dergleichen und dem Lichtemissionselement 3 aus GaAs oder dergleichen zu hohen thermischen Spannungen hervorgerufen durch eine Änderung der Umgebungstemperatur führen, was den Lichtemissionszustand des Lichtemissionselements 3 instabil macht. Durch Auswählen eines Materials für den Hilfsträger 24, das hinsichtlich der linearen Expansion weniger verschieden vom Lichtemissionselement 3 ist, können thermische Spannungen verringert werden, um dadurch ein stabiles Funktionsvermögen in einem weiten Temperaturbereich zu gewährleisten. Es ist bevorzugt, z. B. Si (lineare Expansion: 3 ppm/K) als Hilfsträger 24 zu verwenden, wenn als zweites Substrat 25 Kupfer (lineare Expansion: ungefähr 18 ppm/K) verwendet wird und GaAs (lineare Expansion: 6 ppm/K) als Lichtemissionselement 3 verwendet wird. Wie oben beschrieben, erleichtert die Verwendung von Si auch die Bearbeitung des Durchgangslochs 7.
Die 17 zeigt ein Beispiel einer Rückflächenseite des Hilfsträgers 24 (Seite, auf der das Lichtemissionselement angeordnet ist). Ein Gold-Zinn-Film 34 ist durch Strukturieren um den Außenumfang des Durchgangslochs 7 ausgebildet. Dieser Gold-Zinn-Film 34 enthält 20 bis 30 Gew.% Zinn in Bezug auf Gold. Die p-Elektrode 25 (siehe die 2 und 3) des Lichtemissionselements 3 besteht andererseits aus einem dünnen Goldfilm. Durch Positionieren des Durchgangslochs 7 in Bezug auf die Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3, gefolgt von einem Erwärmen unter Ausübung von Druck, werden der Gold-Zinn-Film 34 und die p-Elektrode 15 dazu gezwungen, ein Eutektikum von Gold und Zinn zu bilden, so dass das Lichtemissionselement 3 an den Hilfsträger 24 gebondet werden kann. Das Lichtemissionselement 3 ist in der 17 durch gestrichelte Linien dargestellt. Mit dem Gold-Zinn-Film 34 ist eine erste Elektrode 35 elektrisch verbunden, die auch durch den zweiten Bonddraht 33 mit dem zweiten Substrat 25 verbunden ist. Eine zweite Elektrode 36 ist andererseits durch den Bonddraht 33 mit der n-Elektrode 11 des Lichtemissionselements 3 an dessen Rückseitenfläche verbunden, und sie ist auch durch den Bonddraht 33 mit dem zweiten Substrat 25 verbunden. So ist das Lichtemissionselement 3 über den Hilfsträger 24 elektrisch mit dem zweiten Substrat 25 verbunden.
Bei der Ausführungsform 4 kann, wie bei der Ausführungsform 1, das Gießharz (lichtdurchlässiges Harzelement) auf der Vorderseitenfläche des zweiten Substrat 25 so vorhanden sein, dass es in das Lichtemissionsloch 26 und das Durchgangsloch 7 eingefüllt ist und die Linse als integraler Teil des Gießharzes ausgebildet ist. Alternativ kann, wie bei der Ausführungsform 2, der Kleber in das Lichtemissionsloch 26 und das Durchgangsloch 7 eingefüllt sein, um die Linse so anzukleben, dass sie dem Lichtemissionsloch 26 zugewandt ist.
Ausführungsform 5
Eine noch andere Modifizierung des obigen optischen Senders gemäß der Ausführungsform 1 wird als optischer Sender gemäß einer Ausführungsform 5 angegeben und unter Bezugnahme auf die 18 erläutert. Die 18 ist eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Struktur des optischen Senders gemäß der Ausführungsform 5 zeigt.
Wie es in der 18 dargestellt ist, ist beim optischen Sender 51 gemäß der Ausführungsform 5 das Lichtemissionselement 3 so auf dem Hilfsträger 24 angeordnet, dass dieser zwischen das Lichtemissionselement 3 und ein drittes Substrat 27 eingefügt ist. Der Hilfsträger 24 verfügt über ein zweites Durchgangsloch 29, das, wie im Fall der Ausführungsform 4, mit einem zweiten Spiegel 32 versehen ist. Das dritte Substrat 27 verfügt auch über ein erstes Durchgangsloch 28, das, wie im Fall der Ausführungsform 1, mit einem ersten Spiegel 31 versehen ist. Das Lichtemissionselement 3 ist so positioniert, dass die Lichtemissionsfläche 6 dem zweiten Durchgangsloch 29 zugewandt ist, und es ist an der Rückseite des Hilfsträgers 24 angeordnet. Das zweite Durchgangsloch 29 des Hilfsträgers 24 steht mit dem ersten Durchgangsloch 28 des dritten Substrats 27 in Verbindung.
Da sowohl der erste Spiegel 31 als auch der zweite Spiegel 32 verwendet sind, ist die Dicke der Spiegel erhöht. Im Ergebnis können die optischen Pfade der Lichtstrahlen in erhöhtem Umfang verändert werden, wodurch der optische Transmissionswirkungsgrad erhöht wird. Der erste Spiegel 31 und der zweite Spiegel 32 sind vorzugsweise mit verschiedenen Formen versehen, um den optischen Transmissionswirkungsgrad zu erhöhen und es zu ermöglichen, die Form der Spiegel abhängig vom Strahlungszustand von vom Lichtemissionselement 3 emittierten Lichtstrahlen beliebig zu wählen.
Im Allgemeinen ist ein zwischen der Innenwand (erster Spiegel 31) des dritten Substrats 27 und einer Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 gebildeter Verjüngungswinkel Θ1 vorzugsweise größer als ein zwischen der Innenwand (zweiter Spiegel 32) des Hilfsträgers 27 und der Lichtemissionsfläche 6 des Lichtemissionselements 3 gebildeter Verjüngungswinkel Θ2 eingestellt. Dies, da zu vom Lichtemissionselement 3 emittierten Lichtstrahlen sowohl ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel als auch ein solcher mit einem kleinen Strahlungswinkel gehören, wie es in der 22 dargestellt ist.
Der zweite Spiegel 32, der näher an der Lichtemissionsfläche G angeordnet ist, empfängt einen Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel. Demgemäß ist der Verjüngungswinkel Θ2 des zweiten Spiegels 32 kleiner eingestellt. Der erste Spiegel 31 empfängt einen Lichtstrahl mit einem kleinen Strahlungswinkel. Daher ist der Verjüngungswinkel Θ1 des ersten Spiegels 31 größer eingestellt. So ist es gewährleistet, dass der optische Pfad eines an jedem Spiegel reflektierten Lichtstrahls im Wesentlichen parallel zur optischen Achse des Lichtemissionselements 3 geändert wird, um dadurch die Effizienz der Kopplung mit der optischen Faser zu verbessern.
Vorzugsweise ist der Verjüngungswinkel des ersten Spiegels 31 auf 70° bis 85° eingestellt, und derjenige des zweiten Spiegels 32 ist auf 40° bis 70° eingestellt. Da sowohl das Durchgangsloch des dritten Substrats 27 als auch dasjenige des Hilfsträgers 24 jeweils über einen Spiegel verfügen, ist die Dicke der Spiegel erhöht, so dass die optischen Pfade von Lichtstrahlen in einem weiteren Bereich von Strahlungswinkeln geändert werden können und die Winkel der Spiegel abhängig von den Strahlungswinkeln von vom Lichtemissionselement 3 emittierten Lichtstrahlen beliebig gewählt werden können, um dadurch einen hohen Nutzungswirkungsgrad zu erzielen.
Ferner erzeugt die Verwendung des Hilfsträgers 24 den Effekt einer Verringerung von am Lichtemissionselement 3 erzeugten thermischen Spannung wie im Fall der Ausführungsform 4. Der Hilfsträger 24 besteht vorzugsweise aus Si, wie im Fall der Ausführungsform 4.
Bei der Ausführungsform 5 kann, wie im Fall der Ausführungsform 1, das Formharz (lichtdurchlässiges Harzelement) an der Vorderseitenfläche des dritten Substrats 27 so vorhanden sein, dass es in das erste Durchgangsloch 28 und in das zweite Durchgangsloch 29 eingefüllt ist und über die Linse 4 verfügt, die als integraler Teil des Gießharzes ausgebildet ist. Alternativ kann, wie im Fall der Ausführungsform 2, der Kleber in das erste Durchgangsloch 28 und das zweite Durchgangsloch 29 eingefüllt sein, um die Linse so anzukleben, dass sie dem ersten Durchgangsloch 28 zugewandt ist.
Wie oben beschrieben, verwenden die optischen Sender 1, 21, 31, 41 und 51 gemäß den Ausführungsformen 1 bis 5 entweder das im Leiterrahmen 5 oder im Hilfsträger 24 ausgebildete Durchgangsloch 7, oder das im dritten Substrat 27 und im Hilfsträger 24 ausgebildete erste Durchgangsloch 28 bzw. das zweiten Durchgangsloch 29, um vom Lichtemissionselement 3 abgestrahlte Lichtstrahlen aufzurichten. So ist der optische Transmissionswirkungsgrad dieser optischen Sender erhöht, und die Wärmeabfuhr derselben ist verbessert, während eine Miniaturisierung und Kostensenkung dieser optischen Sender erzielt werden können. Die optischen Sender 1, 21, 31, 41 und 51 gemäß den Ausführungsformen 1 bis 5 sind lediglich Beispiele der Erfindung, und es können verschiedene Modifi zierungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Ausführungsform 6
Eine Anwendung des obigen optischen Senders gemäß der Ausführungsform 1 wird als optischer Sender gemäß einer Ausführungsform 6 angegeben und unter Bezugnahme auf die 19 erläutert. Die 19 ist eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Struktur der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 6 zeigt.
Wie es in der 19 dargestellt ist, bildet die Beleuchtungsvorrichtung 61 gemäß der Ausführungsform G der Erfindung eine Anwendung des oben beschriebenen optischen Senders 1 gemäß der Ausführungsform 1 (siehe die 1).
In der 19 strahlen Lichtemissionselemente 3a, 3b und 3c jeweils Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen, wie Lichtstrahlen in den drei Farben R, G und B (rot, grün und blau) ab.
Der optische Pfad eines von jedem der Lichtemissionselemente 3a, 3b und 3c emittierten Lichtstrahls wird durch den Verjüngungsspiegel 8 geändert, wie es bei der Ausführungsform 1 beschrieben ist.
Diese Lichtstrahlen laufen durch das Gießharz 9, um auf einen Lichtstreufilm 20 gestrahlt zu werden, wo die Lichtstrahlen dieser Farben gestreut und miteinander gemischt werden, um z. B. Licht weißer Farbe zu erhalten, das dann nach außen emittiert wird.
Wie es bei der Ausführungsform 1 beschrieben ist, kann, da der Leiterrahmen 5 mit dem Verjüngungsspiegel 8 verwendet wird, ein normalerweise nicht verwendbarer Lichtstrahl mit großem Strahlungswinkel effektiv genutzt werden, so dass der Lichtnutzungsgrad erhöht werden kann.
Ferner kann, da die Wärmeabfuhr verbessert ist, wie es oben angegeben ist, die Stärke des elektrischen Stroms, der durch das Lichtemissionselement 3 geschickt wird, erhöht werden. Dies ermöglicht es, dass die Beleuchtungsvorrichtung hohe Leuchtstärke aufweist, miniaturisiert werden kann und billig hergestellt werden kann. Abhängig von ihrer Anwendung kann die Beleuchtungsvorrichtung 61 über mehrere Gruppen von Lichtemissionselementen 3a, 3b und 3c verfügen.
Ausführungsform 7
Eine Modifizierung der obigen Beleuchtungsvorrichtung der Ausführungsform 6 ist als Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 7 angegeben, und sie wird unter Bezugnahme auf die 20 erläutert. Die 20 ist eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Struktur der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 7 zeigt.
Wie es in der 20 dargestellt ist, sind bei der Beleuchtungsvorrichtung 71 gemäß der Ausführungsform 7 alle Lichtemissionselement 3 so ausgebildet, dass sie Lichtstrahlen mit derselben Wellenlänge abstrahlen, wie Lichtstrahlen der Farbe Blau.
Von den Lichtemissionselementen 3 emittierte Lichtstrahlen treten in einen Leuchtstoff 23 ein, wo ein Teil der Lichtstrahlen in Lichtstrahlen der Farbe Gelb oder dergleichen gewandelt wird, die dann mit dem Rest der Lichtstrahlen der ursprünglichen Farbe gemischt werden, um zu Lichtstrahlen der Farbe Weiß oder dergleichen zu werden.
Alternativ können Lichtstrahlen der Farbe Weiß durch ein herkömmlich bekanntes Verfahren erhalten werden, z. B. unter Verwendung eines Lichtemissionselements 3, das einen ultravioletten Lichtstrahl emittiert, wobei dafür gesorgt wird, dass dieser ultraviolette Lichtstrahl durch Leuchtstoffe 23 für R, G und B läuft.
Bei der Ausführungsform 7 ist das Lichtemissionselement 3 kein unabhängiger Chip, wie es in der 19 dargestellt ist, sondern es verfügt über Lichtemissionsflächen 6, die in einem Array auf demselben Wafer vorhanden sind.
Die Lichtemissionsflächen 6 sind nicht nur in der in der Figur dargestellten Breitenrichtung, sondern auch in einer nicht dargestellten Tiefenrichtung angeordnet. Das Lichtemissionselement 3 ist mit mehreren zehn bis mehreren hundert Lichtemissionsflächen 6 versehen. Dies beseitigt das Erfordernis, unabhängige Chips anzubringen. Demgemäß kann die Beleuchtungsvorrichtung billig hergestellt werden, und sie kann miniaturisiert werden.
Auch sind beim Lichtemissionselement 3 die Elektrode (siehe die n-Elektrode 11 in der 3) jeweils abgewandt von den Lichtemissionsflächen Lichtstrahl vorhanden, und sie sind mit einem elektrisch leitenden Kleber wie Silberpaste mit dem Rückseitenelektrode-Substrat 22 verbunden.
Der Leiterrahmen 5 und das Rückseitenelektrode-Substrat 22 sind elektrisch mit einer nicht dargestellten elektrischen Schaltung verbunden, um eine Ein/Aus-Steuerung des Lichtemissionselements 3 auszuführen.
Das Rückseitenelektrode-Substrat 22 besteht aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium, Kupfer oder Phosphorbronze.
D. h., dass das Lichtemissionselement 3 nicht elektrisch durch ein langgestrecktes Element wie einen Draht angeschlossen ist. Stattdessen stehen die Elektrode (siehe die p-Elektrode 15 der 3) des Lichtemissionselements 3 auf der Seite der Lichtemissionsfläche 6 und die zugehörige Elektrode auf der Rückseitenfläche in Fläche-Fläche-Kontakt mit dem Leiterrahmen 5 bzw. dem Rückseitenelektrode-Substrat 22. Demgemäß kann vom Lichtemissionselement 3 erzeugte Wärme effizient abgeführt werden, so dass die Wärmeabfuhr deutlich verbessert sein kann.
Wie oben beschrieben, verwenden die Beleuchtungsvorrichtungen 61 und 71 gemäß der Ausführungsform 6 und der Ausführungsform 7 das im Leiterrahmen 5 ausgebildete Durchgangsloch zum Aufrichten von vom Lichtemissionselement 3 abgestrahlten Lichtstrahlen. Demgemäß ist der optische Transmissionsgrad dieser optischen Sender erhöht, und ihre Wärmeabfuhr ist verbessert, während eine Miniaturisierung und eine Kostensenkung für diese optischen Sender erzielt werden können. Die Beleuchtungsvorrichtungen 61 und 71 gemäß der Ausführungsform 6 und der Ausführungsform 7 sind lediglich Beispiele der Erfindung, und es können verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Die Beleuchtungsvorrichtungen 71 und 61 gemäß der Erfindung können in großem Umfang bei Hinterleuchtungen für Flüssigkristalldisplays, Lampen für Beleuchtungseinrichtungen, Autoscheinwerfer und Kamerablitzlichte sowie für universell verwendbare Lampen angewandt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Durch die Erfindung ist die unten angegebene industrielle Anwendbarkeit geschaffen.

(1) Das Substrat verfügt über ein Durchgangsloch. Dieses Durchgangsloch verfügt über eine Innenwand. Das Durchgangsloch verfügt über einen Innendurchmesser, der von der Rückseitenfläche des Substrats zu dessen Vorderseitenfläche hin zunimmt. So kann von Lichtstrahlen, wie sie vom Lichtemissionsbereich emittiert werden, ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel an der Innenwand des Durchgangslochs zur Vorderseite des Substrats reflektiert werden. Demgemäß kann auch ein Lichtstrahl mit einem großen Strahlungswinkel zur optischen Kopplung mit einer optischen Faser oder dergleichen effektiv genutzt werden, so dass der Kopplungswirkungsgrad erhöht ist.
(2) Das Lichtemissionselement ist an der Rückseite des Substrats so angeordnet, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt. So befindet sich der Lichtemissionsbereich des Lichtemissionselements nahe an der Innenwand des Durchgangslochs. Demgemäß ist es möglich, die Tiefe des Durchgangslochs, die bei der Reflexion eines Lichtstrahls mit einem großen Strahlungswinkel zur Vorderseite des Substrats hin eine Rolle spielt, auf ein Minimum zu verringern. Demgemäß kann eine Miniaturisierung des optischen Senders erzielt werden.
(3) Das im Substrat ausgebildete Durchgangsloch dient als Führung für vom Verjüngungsspiegel abgestrahlte Lichtstrahlen. So kann das Substrat, das ursprünglich zur Verwendung als Leiterbahnkomponente dient, auch als optische Komponente genutzt werden. Demgemäß kann die Anzahl der Komponenten verringert werden, und der Herstellprozess kann vereinfacht werden. Demgemäß kann der optische Sender billig hergestellt werden.
(4) Das Lichtemissionselement ist so angeordnet, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt. So befindet sich der Lichtemissionsbereich als Wärmeerzeugungsquelle dicht am Substrat, das als Wärmeabführmedium wirkt. Demgemäß ist die Wärmeabfuhr des Lichtemissionselements verbessert.
(5) Das Lichtemissionselement und ein Bonddraht können in das einen Füllstoff enthaltende Gießharz eingeschlossen werden. So können thermische Spannungen, wie sie am Lichtemissionselement und am Bonddraht erzeugt werden, verringert werden. Ferner kann die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements mit einem nachgiebigen Harz bedeckt werden. Das Lichtemissionselement kann auf einem Hilfsträger mit einer linearen Expansion ähnlich seiner eigenen angeordnet werden. Demgemäß können am Lichtemissionselement erzeugte thermische Spannungen verringert werden, so dass der optische Sender über einen weiten Temperaturbereich genutzt und gelagert erden kann, wobei hohe Zuverlässigkeit erzielt wird.

ZUSAMMENFASSUNG
Durch die Erfindung ist ein optischer Sender zum Übertragen eines optischen Signals unter Verwendung einer optischen Faser als Übertragungsmedium geschaffen. Der optische Sender weist Folgendes auf: ein Substrat mit einem Durchgangsloch sowie ein auf einer Rückseite des Substrats angeordnetes Lichtemissionselement mit einem Lichtemissionsbereich. Das Durchgangsloch verfügt über eine Innenwand. Das Durchgangsloch weist einen Innendurchmesser auf, der von einer Rückseitenfläche des Substrats zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt. Das Lichtemissionselement ist so angeordnet, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt. Der Lichtemissionsbereich strahlt Lichtstrahlen zu einer Vorderseite des Substrats. Das Durchgangsloch ist dergestalt, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne Reflexion aus dem Durchgangsloch austritt, während die anderen Lichtstrahlen aus ihm austreten, nachdem sie an seiner Innenwand reflektiert wurden. Durch effektive Nutzung von Lichtstrahlenlicht mit großem Strahlungswinkel ist es möglich, den Kopplungswirkungsgrad des optischen Senders zu erhöhen und seine Wärmeabfuhr zu verbessern, während für ihn eine Miniaturisierung und eine Kostensenkung erzielt werden.

Claims

Optischer Sender mit: – einem Substrat mit einem Durchgangsloch; und – einem auf einer Rückseite des Substrats angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt; – wobei das Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Substrats zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zur Vorderseite des Substrats hin strahlt, das Durchgangsloch dergestalt ist, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne reflektiert zu werden aus dem Durchgangsloch austritt, und die anderen Lichtstrahlen aus dem Durchgangsloch austreten, nachdem sie an der Innenwand desselben reflektiert wurden.
Optischer Sender nach Anspruch 1, bei dem das Substrat ein Leiterrahmen ist, der für eine Verbindung zu einer externen elektrischen Schaltung sorgt.
Optischer Sender nach Anspruch 1, bei dem das Lichtemissionselement über eine Elektrode verfügt, die um den Lichtemissionsbereich herum vorhanden ist und elektrisch mit der Rückseite des Substrats verbunden ist.
Optischer Sender nach Anspruch 1, bei dem das Durchgangsloch einen ersten Innenwandbereich, der an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, und einen zweiten Innenwandbereich, der an der Vorderseitenfläche des Substrats vorhanden ist, aufweist, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der allmählich zur Vorderseitenfläche des Substrats hin zunimmt, und der zweite Innenwandbereich einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist.
Optischer Sender nach Anspruch 1, bei dem die Innenwand des Durchgangslochs konkav gekrümmt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 1, bei dem das Substrat eine Dicke von 50 bis 500 μm aufweist.
Optischer Sender nach Anspruch 1, ferner mit einem Hilfssubstrat, das so angeordnet ist, dass das Lichtemissionselement zwischen ihm und dem Substrat angeordnet ist, wobei das Lichtemissionselement an seiner Rückseite, die vom Lichtemissionsbereich abgewandt ist, eine Rückseitenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem Hilfssubstrat verbunden ist.
Optischer Sender nach Anspruch 1, ferner mit einem einschließenden Harzelement, das an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um das Lichtemissionselement einzuschließen.
Optischer Sender nach Anspruch 8, bei dem das einschließende Harzelement aus einem Harz besteht, das einen Füllstoff enthält, um die lineare Expansion des einschließenden Harzelements zu verringern und um seine Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Optischer Sender nach Anspruch 1, ferner mit einem transparenten Harz, das in das Durchgangsloch eingefüllt ist und die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements bedeckt.
Optischer Sender nach Anspruch 10, ferner mit einer Linse, die durch das in das Durchgangsloch gefüllte transparente Harz so angeklebt ist, dass sie dem Durchgangsloch des Substrats zugewandt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 10, bei dem das transparente Harz eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A aufweist.
Optischer Sender nach Anspruch 1, mit einem lichtdurchlässigen Harzelement, das an der Vorderseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um in das Durchgangsloch eingefüllt zu sein, und das eine Linse aufweist, die als zugehöriger Teil ausgebildet ist, um vom Lichtemissionselement abgestrahlte Lichtstrahlen zu sammeln.
Optischer Sender nach Anspruch 13, bei dem das Substrat über einen in seiner Vorderseite ausgebildeten Harzeinfüllgraben verfügt, der mit dem Durchgangsloch in Verbindung steht, um den Fluss eines lichtdurchlässigen Harzes bei der Herstellung des lichtdurchlässigen Harzelements in das Durchgangsloch zu erleichtern.
Optischer Sender mit: – einem Substrat mit einer Öffnung; – einem am Substrat angebrachten Hilfsträger mit einem Durchgangsloch; und – einem auf einer Rückseite des Hilfsträgers angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt; – wobei das Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Hilfsträgers zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich innerhalb des Durchgangslochs frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zur Vorderseite des Substrats hin strahlt, das Durchgangsloch dergestalt ist, dass ein Teil der Lichtstrahlen ohne reflektiert zu werden aus dem Durchgangsloch austritt, und die anderen Lichtstrahlen aus dem Durchgangsloch in die Öffnung des Substrats austreten, nachdem sie an der Innenwand desselben reflektiert wurden.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Hilfsträger und dem Lichtemissionselement kleiner als die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Substrat und dem Lichtemissionselement eingestellt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem der Hilfsträger aus Silicium besteht, das anisotrop geätzt ist, um das Durchgangsloch zu bilden.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem das Substrat ein Leiterrahmen ist, der für eine Verbindung zu einer externen elektrischen Schaltung sorgt.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem das Lichtemissionselement über eine Elektrode verfügt, die um den Lichtemissionsbereich herum vorhanden ist und elektrisch mit der Rückseite des Hilfsträgers verbunden ist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem das Durchgangsloch einen ersten Innenwandbereich, der an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, und einen zweiten Innenwandbereich, der an der Vorderseitenfläche des Hilfsträgers vorhanden ist, aufweist, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der allmählich zur Vorderseitenfläche des Substrats hin zunimmt, und der zweite Innenwandbereich einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem die Innenwand des Durchgangslochs konkav gekrümmt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, bei dem der Hilfsträger eine Dicke von 50 bis 500 μm aufweist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, ferner mit einem Hilfssubstrat, das so angeordnet ist, dass das Lichtemissionselement zwischen ihm und dem Hilfsträger angeordnet ist, wobei das Lichtemissionselement an seiner Rückseite, die vom Lichtemissionsbereich abgewandt ist, eine Rückseitenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem Hilfssubstrat verbunden ist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, ferner mit einem einschließenden Harzelement, das an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um den Hilfsträger und das Lichtemissionselement einzuschließen.
Optischer Sender nach Anspruch 24, bei dem das einschließende Harzelement aus einem Harz besteht, das einen Füllstoff enthält, um die lineare Expansion des einschließenden Harzelements zu verringern und um seine Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Optischer Sender nach Anspruch 15, ferner mit einem transparenten Harz, das in das Durchgangsloch und in die Öffnung eingefüllt ist und die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements bedeckt.
Optischer Sender nach Anspruch 26, ferner mit einer Linse, die durch das in das Durchgangsloch und in die Öffnung gefüllte transparente Harz so angeklebt ist, dass sie dem Durchgangsloch des Substrats zugewandt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 26, bei dem das transparente Harz eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A aufweist.
Optischer Sender nach Anspruch 15, mit einem lichtdurchlässigen Harzelement, das an der Vorderseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um in das Durchgangsloch und in die Öffnung eingefüllt zu sein, und das eine Linse aufweist, die als zugehöriger Teil ausgebildet ist, um vom Lichtemissionselement abgestrahlte Lichtstrahlen zu kollimieren.
Optischer Sender nach Anspruch 29, bei dem das Substrat über einen in seiner Vorderseite ausgebildeten Harzeinfüllgraben verfügt, der mit der Öffnung in Verbindung steht, um den Fluss eines lichtdurchlässigen Harzes in die Öffnung und in das mit dieser in Verbindung stehende Durchgangsloch bei der Herstellung des lichtdurchlässigen Harzelements zu erleichtern.
Optischer Sender mit: – einem Substrat mit einem ersten Durchgangsloch; – einem am Substrat angebrachten Hilfsträger mit einem zweiten Durchgangsloch; und – einem auf einer Rückseite des Hilfsträgers angeordneten Lichtemissionselement, das über einen Lichtemissionsbereich verfügt; – wobei das erste Durchgangsloch eine Innenwand aufweist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Leiterrahmens zu dessen Vorderseitenfläche hin zunimmt, das zweite Durchgangsloch eine Innenwand auf weist und es über einen Innendurchmesser verfügt, der von einer Rückseitenfläche des Trägers zu einer Vorderseitenfläche desselben zunimmt, das Lichtemissionselement so angeordnet ist, dass der Lichtemissionsbereich im zweiten Durchgangsloch frei liegt, der Lichtemissionsbereich Lichtstrahlen zu einer Vorderseite des Substrats strahlt, das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch dergestalt sind, dass ein Teil der Lichtstrahlen aus dem ersten Durchgangsloch austritt, ohne reflektiert zu werden und die anderen Lichtstrahlen aus dem ersten Durchgangsloch austreten, nachdem sie an der Innenwand des Substrat und/oder der Innenwand des Hilfsträger reflektiert wurden.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Hilfsträger und dem Lichtemissionselement kleiner als die Differenz der linearen Expansion zwischen dem Substrat und dem Lichtemissionselement eingestellt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem ein zwischen der Innenwand des ersten Durchgangslochs und einer optischen Achse des Lichtemissionselements gebildeter Winkel kleiner als ein Winkel eingestellt ist, der zwischen der Innenwand des zweiten Durchgangslochs und der optischen Achse des Lichtemissionselement gebildet ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem der Hilfsträger aus Silicium besteht, das anisotrop geätzt ist, um das Durchgangsloch zu bilden.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem das Lichtemissionselement über eine Elektrode verfügt, die um den Lichtemissionsbereich herum vorhanden ist und elektrisch mit der Rückseite des Hilfsträgers verbunden ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem das Substrat ein Leiterrahmen ist, der für eine Verbindung zu einer externen elektrischen Schaltung sorgt.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem das erste Durchgangsloch einen ersten Innenwandbereich, der an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, und einen zweiten Innenwandbereich, der an der Vorderseitenfläche des Hilfsträgers vorhanden ist, aufweist, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der allmählich zur Vorderseitenfläche des Substrats hin zunimmt, und der zweite Innenwandbereich einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem das zweite Durchgangsloch einen ersten Innenwandbereich, der an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, und einen zweiten Innenwandbereich, der an der Vorderseitenfläche des Hilfsträgers vorhanden ist, aufweist, wobei der erste Innenwandbereich über einen Innendurchmesser verfügt, der allmählich zur Vorderseitenfläche des Hilfsträgers hin zunimmt, und der zweite Innenwandbereich einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der maximale Innendurchmesser des ersten Innenwandbereichs ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem die Innenwand entweder des ersten Durchgangslochs oder des zweiten Durchgangslochs konkav gekrümmt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, bei dem das Substrat und der Hilfsträger eine Dicke von 50 bis 500 μm aufweisen.
Optischer Sender nach Anspruch 31, ferner mit einem Hilfssubstrat, das so angeordnet ist, dass das Lichtemissionselement zwischen ihm und dem Hilfsträger angeordnet ist, wobei das Lichtemissionselement an seiner Rückseite, die vom Lichtemissionsbereich abgewandt ist, eine Rückseitenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem Hilfssubstrat verbunden ist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, ferner mit einem einschließenden Harzelement, das an der Rückseitenfläche des Substrats vorhanden ist, um den Hilfsträger und das Lichtemissionselement einzuschließen.
Optischer Sender nach Anspruch 42, bei dem das einschließende Harzelement aus einem Harz besteht, das einen Füllstoff enthält, um die lineare Expansion des einschließenden Harzelements zu verringern und um seine Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Optischer Sender nach Anspruch 31, ferner mit einem transparenten Harz, das in das erste Durchgangsloch und in das zweite Durchgangsloch in die Öffnung eingefüllt ist und die Lichtemissionsfläche des Lichtemissionselements bedeckt.
Optischer Sender nach Anspruch 44, ferner mit einer Linse, die durch das in das erste Durchgangsloch und in das zweite Durchgangsloch und in die Öffnung gefüllte transparente Harz so angeklebt ist, dass sie dem ersten Durchgangsloch des Substrats zugewandt ist.
Optischer Sender nach Anspruch 44, bei dem das transparente Harz eine Härte von 50° oder weniger gemäß JIS-A aufweist.
Optischer Sender nach Anspruch 31, ferner mit einem lichtdurchlässigen Harzelement, das an einer Vorderseitenfläche des Substrats so vorhanden ist, dass es in das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch eingefüllt ist, wobei eine Linse als zugehöriger Teil dieses lichtdurchlässigen Harzelements ausgebildet ist, um vom Lichtemissionselement abgestrahlte Lichtstrahlen zu kollimieren.
Optischer Sender nach Anspruch 47, bei dem das Substrat über einen in seiner Vorderseite ausgebildeten Harzeinfüllgraben verfügt, der mit dem ersten Durchgangsloch in Verbindung steht, um den Fluss eines lichtdurchlässigen Harzes in dieses und in das zweite Durchgangsloch, die mit ihm in Verbindung stehen, bei der Herstellung des lichtdurchlässigen Harzelements zu erleichtern.