JP2004031964A - 光結合素子 - Google Patents

Abstract

【課題】廉価で、容易に構成されかつ取付が簡単であるのにもかかわらず爆発防止要求を満たしている光結合素子を提供すること。
【解決手段】光送信ダイオードおよび受光ダイオードは相互に間隔をおいて導体プレート上に配置されており、光導波路として、同じように導体プレート上に配置されたプラスチック体またはガラス体が設けられていることを特徴とする光結合素子。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つのフォトダイオードと光導波路を有する光結合素子（Ｏｐｔｏｋｏｐｐｌｅｒ）に関する。ここでこの２つのフォトダイオードのうち一方は光送信ダイオードとして、また他方は受光ダイオードとして設けられており、光送信ダイオードから送出された光が光導波路によって受光ダイオードに導かれる。
【０００２】
【従来の技術】
冒頭に記載した形式の光結合素子はしばしば、ディジタルのデータ伝送に使用される。すなわち例えば以下で説明するような爆発防止規則に基づいて、２つの回路が直流的に分割されなければならない場合に使用される。
【０００３】
様々な技術分野、例えば流量測定技術および充填レベル測定技術では、装置を使用する際にしばしば爆発防止を目的とした措置が取られなければならない。ここでは爆発防止に関連して異なって扱われるべき領域が相互に分けられなければならない。この種の分割は、殊に次のような測定装置に対して行われなければならない。すなわち別個の回路網線路を介して電気的エネルギーが供給され、通常は四線式装置と称される測定装置である。共通の線路を介して一方では電気的なエネルギー供給が行われ、他方ではデータ伝送が行われて別個の回路網線路が必要のない場合、上述の四線式装置と区別して二線式装置と称される。
【０００４】
上述した四線式装置では装置への電気的エネルギーの供給は、典型的に点火防止方式「安全性を高める（Ｅｒｈｏｅｈｔｅ　Ｓｉｃｈｅｒｈｅｉｔ）」の下で行われる。この点火防止方式「安全性を高める」では措置が講じられ、高い程度の安全性によって電気的な駆動手段の内部または外部で許容できない程高い温度および火花またはアークが発生する可能性が阻止される。このような部分ではこれらは通常の作動中には生じない。センサ面上、すなわち電磁誘導式流量測定装置では電極面上、またはコリオリ質量流量測定装置ではドライバおよびセンサコイルの面上の点火防止方式として、通常の場合は点火防止方式「自己安全性（Ｅｉｇｅｎｓｉｃｈｅｒｈｅｉｔ）」がある。この点火防止方式「自己安全性」では回路内のエネルギーが低く維持されて、点火能力を有する火花、アークまたは温度が生じない。すなわち点火防止方式「自己安全性」では短絡も、点火能力を有する火花、ひいては爆発につながらない。
【０００５】
点火防止方式「自己安全性」を実現させる方法は、いわゆる「バリヤ技術」にある。ここでは実質的に「安全なアース」に対して制限手段（Ｂｅｇｒｅｎｚｕｎｇｓｍａｓｓｎａｈｍｅ）が用いられる。しかしこのような「安全なアース」に関連して測定技術から見て、設けられたアースループによってノイズのリスクがもたらされる。さらにそれ故にエラーしやすい。なぜなら「安全なアース」の接続は相応する測定装置の使用者によって、その使用開始時に一般的に自身で保証されてなければならないからである。直流的に確実に分断された回路を使用することが有利であると判明している場合には、「安全なアース」に対する制限手段は必要ではない。
【０００６】
ここで四線式装置では、確実に直流的に分断された回路を介して一方では電気的エネルギーが伝送され、他方では典型的にはディジタルのデータ交換が行われる。電気的エネルギーは一般的に、確実に分断する伝送部を有するＤＣ／ＤＣ変換器を介して供給される。これに対してディジタルのデータ伝送は一般的に光結合素子を介して行われる。
【０００７】
ディジタルのデータ伝送用に使用される光結合素子が爆発防止に充分であるように、いわゆる空気−沿面距離に対する最低間隔が必要とされる。従って例えば電圧が最大３７５Ｖに制限されている場合、すなわち例えば２３０Ｖの交流電流網を介して供給が行われる場合、直流的に分断された回路間の間隔は１０ｍｍの沿面距離または１ｍｍの確固な絶縁部にならなければならない。しかしこれによって、次のような特定の光結合素子しか使用することができない。すなわち光送信ダイオードと受光ダイオードの間で少なくとも１ｍｍの確固な絶縁部を遵守し、絶縁層の安全技術上最大の温度が保証されており、導体プレート上に前述した１０ｍｍの沿面距離の間隔が遵守されており導体プレート上にそれが取り付けられている、特別な許可を有する光結合素子である。ここで導体プレート上の少なくとも１０ｍｍの沿面距離の間隔は、殊に光結合素子のピン間隔並びに導体プレート上のパッドの間隔に関係する。しかし上述の要求を満たす光結合素子はかなり高価であり、殆どの場合に配線された構成素子として存在するので、取り付けるのにコストがかかる。このような光結合素子は上述した必要な間隔および付加的な防止措置のために一般的に大きな構造形を有し、さらに少なくとも１ｍｍの絶縁間隔が原因で不良な光結合を示す。従ってこの種の光結合素子はほとんどの場合に迅速にデータを伝送することができない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、廉価で、容易に構成されかつ取付が簡単であるのにもかかわらず爆発防止要求を満たしている光結合素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、光送信ダイオードおよび受光ダイオードは相互に間隔をおいて導体プレート上に配置されており、光導波路として、同じように導体プレート上に配置されたプラスチック体またはガラス体が設けられていることを特徴とする光結合素子によって解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
プラスチック体またはガラス体として構成された光導波路によって、光送信ダイオードから送出された光が、全反射の原理に基づいて受光ダイオードに導かれる。これによって光送信ダイオードおよび受光ダイオードを基本的に任意に配置することができる。ここで従来の光結合素子のように、光送信ダイオードの放射領域を受光ダイオードの受光領域へ配向する、すなわち光送信ダイオードと受光ダイオードを相互に向かい合わせることもできる。しかし本発明の有利な構成では光送信ダイオードの放射領域と受光ダイオードの受光領域とが導体プレートから離れて配向されている。すなわち、有利には相互に平行に、光導波路から見て上方を指し示す。これと相応して表面取付の枠内でフォトダイオードを導体プレート上に容易に載置することができる。しかもフォトダイオード相互の面倒な方向づけを行う必要はない。
【００１１】
光導波路用の材料として、基本的には全ての公知のガラス材料またはプラスチック材料が使用可能である。しかし爆発の危険性がある領域で使用する場合には光導波路用の材料の不燃性ないしは少なくとも難燃性が保証されていなければならず、またこれと並んでいずれにせよ相応の温度耐性が保証されていなければならない。本発明の有利な発展形態では、光導波路はポリカーボネートから製造される。さらに射出形成方式で光導波路を製造するのは特に効果的であることが判明している。
【００１２】
プラスチック体またはガラス体として構成されている光導波路は、光送信ダイオードから送出された光が、プラスチック体またはガラス体の１つまたは複数の壁部での全反射によって受光ダイオードに入射することを保証する。このことは、一方ではこの構造体（Ｋｏｅｒｐｅｒ）の材料として光波長の使用時に典型的には空気である周辺に対して充分に高い屈折率を有する材料を使用し、他方では次のような、構造体のジオメトリックな形状を選択することによって実現される。すなわち光送信ダイオード、受光ダイオードおよびプラスチック体ないしガラス体からなる構成を用いる場合、光送信ダイオードから送出された光が構造体の境界面に生じたときに、境界面の垂線に対して測定された全反射の境界角度をそれぞれ越えるようなジオメトリックな形状である。言い換えるとプラスチック体またはガラス体として形成された光導波路に関しては、光導波路の材料が自身の周囲よりも光学的に濃く（すなわち光をより漏らさず）、光送信ダイオードから放射された光が光導波路内で常にできるだけ束になって境界面に入射することが保証されていないければならない。
【００１３】
その他の点では、柔軟なファイバー（Ｆａｓｅｒ）ではなく、本発明と相応に固定されたプラスチック体ないしはガラス体が光導波路として設けられていることによって、光の光導波路への入力結合も容易になる。殊にファイバーとして構成された光導波路の光送信ダイオードへの手間のかかる方向づけを省くことができる。同じことが光導波路から受光ダイオードへの光の出力結合についても言える。すなわちここで基本的に光を受光ダイオード上にフォーカシングするするフォーカシング装置は必要ない。しかし本発明の有利な発展形態では、フォーカシング装置が設けられ、このフォーカシング装置によって光送信ダイオードから送出された光が受光ダイオード上にフォーカシングされる。ここでフォーカシング装置は有利には光導波路に直接的に一体的に成形（ａｎｇｅｆｏｒｍｔ）される。すなわち例えばプラスチック体ないしはガラス体に直接的に成形されたレンズとして構成される。
【００１４】
光送信ダイオードおよび受光ダイオードを導体プレート上に取り付ける際に、発明の有利な発展形態では光導波路も導体プレート上に固定される。ここで有利には、導体プレート上に相互に間隔をおいて配置されたフォトダイオード間に光導波路を固定することが考えられる。ここで光導波路は導体プレートと接着される。これと付加的または択一的に、例えば光導波路の、断面で長方形または正方形の脚部を導体プレート内の円形の孔にはめこむことによって導体プレート上で光導波路のプレス嵌めを行うことができる。これに付加的または択一的に光導波路の脚部に係止フックを設けることができる。この係止フックによって脚部を導体プレート内に設けられた孔に係止する、すなわち孔内にスナップ嵌合することができる。
【００１５】
光送信ダイオードおよび受光ダイオードが作動するスペクトル領域は次の限りにおいて基本的に任意である。すなわち光送信ダイオードのスペクトル領域が受光ダイオードのスペクトル領域に合わせられ、このようなスペクトル領域内で光導波路が光導波路として効果的、すなわち全反射を示してかつ充分に透過性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖ）である限り任意である。しかし本発明の有利な発展形態では、光送信ダイオードおよび受光ダイオードは赤外のスペクトル領域で作動する。なぜならこれによって周辺光によるノイズがほぼ除去されるからである。このようなノイズの除去は本発明の有利な発展形態では、受光ダイオードが可視のスペクトル領域において効果を有するフィルタを有することでさらに向上される。
【００１６】
すなわち全体として本発明による光結合素子は非常に簡単に、すなわち従来のフォトダイオードによって製造可能であるということが言える。ここで必要な光導波路は同じように困難をもたらすものではない。すなわち例えば簡単なゲオメトリック形状を有するプラスチック体からなる。このような構成部分は従来の導体プレート上に取付られるので、本発明による光結合素子を特に完全に、導体プレートの実装（Ｂｅｓｔｕｅｃｋｕｎｇ）時に製造することができる。ここでこの実装は有利には表面取り付けのプロセス内で行われる。
【００１７】
詳細には本発明の光結合素子を構成し、改善する多くの方法がある。このため請求項１に従属する請求項並びに、図面に関連した本発明の有利な実施例の以下の詳細な説明を参照されたい。図面では、唯一の図に本発明の有利な実施例に相応する光結合素子が示されている。ここでこの光結合素子は導体プレート上に固定されている。
【００１８】
図示されている、本発明の有利な実施例に相応する光結合素子は、２つのフォトダイオード１、２を有する。すなわち光送信ダイオード１と受光ダイオード２を有する。光送信ダイオード１と受光ダイオード２の間には光導波路３が配置されている。この光導波路は光送信ダイオード１から送出された光を受光ダイオード２に導く。光導波路３とは、フォトダイオード１、２によって使用される赤外光に対して透過性の、材料番号がＰＣＶ　２３０２であるポリカーボネートから成るプラスチック体のことである。
【００１９】
図から分かるように、光導波路３は簡単なジオメトリックな形状を有し、次のように形成されている。すなわち光導波路がフォトダイオード１、２の間で導体プレート４上に固定され、一方で光送信ダイオード１の所定の構成のもとで、他方で受光ダイオード２の構成のもとで光送信ダイオード１から送出された赤外光を受光ダイオード２上に導くように形成されている。このため光導波路３は、相互に対向している外部領域によって光送信ダイオード１および受光ダイオード２を覆う。これらのダイオードは、その放射領域ないし受光領域が導体プレート４から離れて上方を指すように導体プレート４上に固定されている。
【００２０】
光送信ダイオード１から受光ダイオード２に導く矢印が示しているように、光送信ダイオード１から送出された光は光導波路３内で、全反射の境界角度を超えた角度で光送信ダイオード１の放射方向に対して充分に傾斜して延在する光導波路３の境界面に生じる。光導波路３内での再度の反射後、一度反射された光の拡散方向に対して同じように充分に傾斜して延在する境界面に光りが現れ、その後、受光ダイオード２に達する。
【００２１】
全反射が生じる、光導波路３のこのような境界面は平らであってもよい。しかし図示された本発明の有利な実施例ではこの境界面は湾曲している。すなわちここでは光導波路３は、少なくとも全反射に対して責任のある領域内でレンズ状である。このようなレンズ形状を除いて、光導波路３の中央領域では光導波路が平らに延在するのは、このようにして光導波路３、ひいては光結合素子の低い構造形態が全体的に得られるからである。
【００２２】
上述した爆発防止を保証するために光導波路３は、光送信ダイオード１が、受光ダイオード２から少なくとも１０ｍｍの間隔を有して導体プレート４上に配置されなければならないように寸法が決められている。前述し、図からも明らかであるように光送信ダイオード１および受光ダイオード２はここでそれぞれ次のように導体プレート４上に配置されている。すなわちその放射領域ないし光受信領域が導体プレート４から離れて上方に向かって配向されるように配置されている。フォトダイオード１、２のこのような配置は非常に簡単で、容易に表面取り付けの枠内で行うことができる。さらにこれによって、フォトダイオード１、２を導体プレート上に取り付けた後にこれらを後から方向づけする必要はほとんどない。すなわちフォトダイオード１、２を、この光結合素子に対して使用されるように直接的に取り付ることができる。
【００２３】
光導波路３を導体プレート４上に取り付けるのも非常に簡単である。なぜなら光導波路３は２つの脚部５によって、導体プレート４内のこれに相応する孔６内にはめ込まれるからである。光導波路３を導体プレート４上に固定するために図から分かるように脚部５の端部に係止フックが設けられる。この係止フックによって脚部５は孔６内に係止される。さらに択一的または付加的に接着層７によって示された接着部を導体プレート４上に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有利な実施例に相応する光結合素子をあらわす概略図である。
【符号の説明】
１　光送信ダイオード
２　受光ダイオード
３　光導波路
４　導体プレート
５　脚部
６　孔
７　接着層

Claims (11)

1. ２つのフォトダイオード（１，　２）および光導波路（３）を有する光結合素子であって、
   当該２つのフォトダイオード（１，　２）のうち一方は光送信ダイオード（１）として設けられており、他方は受光ダイオード（２）として設けられており、
   前記光送信ダイオード（１）から送出された光は前記光導波路（３）によって前記受光ダイオード（２）上に導かれる形式のものにおいて、
   前記光送信ダイオード（１）および受光ダイオード（２）は相互に間隔をおいて導体プレート（４）上に配置されており、
   前記光導波路（３）として、同じように導体プレート上に配置されたプラスチック体またはガラス体が設けられている、
   ことを特徴とする光結合素子。
2. 前記光導波路（３）は、前記光送信ダイオード（１）と前記受光ダイオード（２）との間で前記導体プレート（４）上に固定されている、請求項１記載の光結合素子。
3. 前記光送信ダイオード（１）の放射領域および／または前記受光ダイオード（２）の受光領域は前記導体プレート（４）から離れて配向されている、請求項１または２記載の光結合素子。
4. 前記光導波路（３）は、前記光送信ダイオード（１）および／または前記受光ダイオード（２）を少なくとも部分的に覆っている、請求項３記載の光結合素子。
5. 前記光導波路（３）は少なくとも部分的にレンズ状である、請求項４記載の光結合素子。
6. 前記光導波路（３）はポリカーボネートから製造されている、請求項５記載の光結合素子。
7. 前記光導波路（３）は射出成形方法で製造されている、請求項５または６記載の光結合素子。
8. フォーカシング装置が設けられており、当該フォーカシング装置によって、前記光送信ダイオード（１）から送出された光が前記受光ダイオード（２）上にフォーカシングされる、請求項１から７までのいずれか１項記載の光結合素子。
9. 前記フォーカシング装置は前記光導波路（３）に、有利にはレンズの形状で成形されている、請求項８記載の光結合素子。
10. 前記光送信ダイオード（１）および受光ダイオード（２）は赤外のスペクトル領域で作動する、請求項１から９までのいずれか１項記載の光結合素子。
11. 前記受光ダイオード（２）は、可視のスペクトル領域で効果を有するフィルタを有している、請求項１０記載の光結合素子。

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