JP2015135842A

JP2015135842A - 光接続構造

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Publication number: JP2015135842A
Application number: JP2014005628A
Authority: JP
Inventors: 素範宮成; Motonori Miyanari
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-07-27

Abstract

【課題】構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度を良好にすることが可能な光接続構造を提供する。
【解決手段】光接続構造は、発光素子３とレンズ部材５とを含んで光学的な接続を行う構造であり、具体的には、凹部１１に収容配置され且つワイヤ１３を介して電気的に接続される発光素子３と、この発光素子３に対向配置されるレンズ部材５との間に、屈折率が空気よりも高く且つレンズ部材５よりも低い透明樹脂６を充填してなる光接続構造である。発光素子３とレンズ部材５との間は、透明樹脂６の充填により空気の存在しない状態に埋められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子とレンズ部材とを含んで光学的な接続を行う構造、すなわち光接続構造に関する。

光通信を行うために、従来より光素子モジュールが用いられる。下記特許文献１には、光素子モジュールについての技術が開示される。ここで図４を参照しながら簡単に説明をすると、光素子モジュール１０１は、ベース部材１０２と、光素子１０３と、レンズ部材１０４と、筒部材１０５とを備えて構成される。ベース部材１０２は、樹脂成形品であって、所定深さの凹部１０６を有する。この凹部１０６の底には、電極１０７〜１０９が樹脂モールドされる。光素子１０３は、接続部１１０を有し、この接続部１１０と電極１０８とが電気的に接続される。また、光素子１０３は、ワイヤ１１１を介して電極１０７に電気的に接続される。

レンズ部材１０４は、レンズ本体１１２と、このレンズ本体１１２に一体化する蓋状固定部１１３とを有する。レンズ本体１１２は、光素子１０３に対向する位置に配置される。蓋状固定部１１３は、ベース部材１０２の凹部１０６を覆うことができるように形成される。また、蓋状固定部１１３は、ベース部材１０２の凹部開口端に固定することができるように形成される。筒部材１０５は、光ファイバ挿入穴１１４と、レンズ本体１１２の位置に合わせて形成される貫通穴１１５とを有する。

例えば、光素子１０３が発光素子であるとすると、光素子１０３から出射した光は、空間１１６（空気１１７、又は劣化防止のために封入されたガス）を介してレンズ本体１１２に入射する。そして、レンズ本体１１２を透過してレンズ本体１１２から出射した光は、空間１１８（空気１１９）を介して図示しない光ファイバに入射する。以上により、発光素子（光素子１０３）と、図示しない光ファイバは、光学的に接続される。尚、光素子１０３が受光素子である場合には、上記と逆の状態で光学的な接続が行われる。

特開２０１１−２１５３０４号公報

図５（ａ）は、上記従来技術である光素子モジュール１０１の要部を模式化したものである。図示の如く、光素子１０３とレンズ部材１０４とを備える。光素子１０３とレンズ部材１０４との間には、距離Ａが存在する。また、光素子１０３とレンズ部材１０４との間には、空気１１７、又は劣化防止のために封入されたガスが満たされる。

光素子１０３とレンズ部材１０４との間に空気１１７又はガスが満たされた状態において、例えば、光素子１０３が発光素子である場合、発光素子の出射パターン、レンズ部材１０４の屈折率や大きさ、レンズ部材１０４から出射後のビーム径に制約があると、その制約のために距離Ａは特定の値を選択するしかなかった。その結果、距離Ａが非常に短くなる場合には、発光素子のワイヤボンディング（ワイヤ１１１）や、図５（ｂ）に示す大きな部品１２０がレンズ部材１０４に干渉（破線の円１２１、１２２参照）してしまい、距離Ａでレンズ部材１０４を配置することができないという問題点につながった。

対策として、距離Ａを特定の値にせず、発光素子のワイヤボンディング高さ以上にすることや、大きな部品１２０の高さ以上にすることが考えられるが、このような対策では、出射角の大きな発光素子が使えなかったり、レンズ部材１０４の出射直後のビーム形状が大きくなってしまったりするという、光学性能を犠牲にした別な問題点が生じてしまうことになる。

従って、図５で示す構成及び状態の従来技術にあっては、構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度が悪いと言える。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度を良好にすることが可能な光接続構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の本発明の光接続構造は、凹部と、該凹部に収容配置され且つワイヤを介して電気的に接続される発光素子と、該発光素子からの光の出射方向に配置されるレンズ部材と、前記凹部に充填されて硬化する光透過性の透明樹脂と、を含み、該透明樹脂として空気の屈折率よりも高く且つ前記レンズ部材の屈折率よりも低い材料を用い、さらに、前記透明樹脂で前記発光素子と前記レンズ部材との間を前記空気の存在しない状態に埋めることを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の光接続構造において、前記レンズ部材としてボールレンズを含む非球面レンズを用いることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の接続構造において、前記凹部に収容配置される受光素子と、該受光素子へ光が入射するように配置される受光側レンズ部材とを更に含み、前記受光素子と前記受光側レンズ部材との間も前記透明樹脂にて前記空気の存在しない状態に埋めることを特徴とする。

請求項１に記載された本発明によれば、発光素子とレンズ部材との間に光学的に透明で屈折率が空気よりも高くなり且つレンズ部材よりも低くなる透明樹脂を充填することから、透明樹脂とレンズ面の境界での光の屈折効果を変化させることができるようになり、従来と同等のレンズ出射後の光出射パターンを確保しつつ、発光素子とレンズ部材との距離を長くすることができる。これにより、光学性能を犠牲にすることなく、発光素子とワイヤボンディングとの干渉や、比較的大きな部品との干渉を回避することができる。従って、本発明によれば、構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度を良好にすることができるという効果を奏する。

請求項２に記載された本発明によれば、レンズ部材として例えばボールレンズを用いることから、部品を集中して配置したり、光接続構造の小型化を図ることができるという効果を奏する。また、安価なボールレンズを用いることで、構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度を増すことができるという効果も奏する。

請求項３に記載された本発明によれば、受光素子とレンズ部材との間にも透明樹脂を充填することから、受光素子とレンズ部材との距離を長く取りつつ、集光による光接続を行うことができるという効果を奏する。

本発明の光接続構造を発光素子で示す模式図である。発光素子とレンズ間距離を透明樹脂の有無で示すグラフである。本発明の光接続構造を受光素子で示す模式図である。従来例の光接続構造を示す図である。図４を模式化した図である。

光接続構造は、光素子とレンズ部材とを含んで光学的な接続を行う構造であり、具体的には、凹部に収容配置され且つワイヤを介して電気的に接続される光素子と、この光素子に対向配置されるレンズ部材との間に、屈折率が空気よりも高く且つレンズ部材よりも低い透明樹脂を充填してなる光接続構造である。光素子とレンズ部材との間は、透明樹脂の充填により空気の存在しない状態に埋められる。

以下、図面を参照しながら実施例を説明する。図１は本発明の光接続構造を発光素子で示す模式図である。また、図２は発光素子とレンズ間距離を透明樹脂の有無で示すグラフ、図３は本発明の光接続構造を受光素子で示す模式図である。

本発明の光接続構造は、例えば光通信に用いられる光コネクタ（図示省略）に採用される。光コネクタは、様々な形態があるが、例えば自動車等の移動体に採用される車載用の光コネクタを一例に挙げて、以下に説明をする。

光コネクタは、光ファイバの端末に設けられるプラグタイプの光コネクタと、回路基板に実装されるレセプタクルタイプの光コネクタ（ピッグテールタイプの光コネクタも含む）とを備えて構成される。本発明の光接続構造は、レセプタクルタイプの光コネクタに採用される。

レセプタクルタイプの光コネクタは、光コネクタハウジングと、この光コネクタハウジングに形成された収容部に収容される送信用及び受信用の各光素子モジュールと、上記収容部に収容された各光素子モジュールを覆って保持するように収容部開口縁に嵌合するハウジングキャップと、各光素子モジュールの位置に合わせて設けられる導電性のシールドケースとを備えて構成される。

光コネクタハウジングは、絶縁性を有する樹脂成形品であって、光接続の際にプラグタイプの光コネクタが嵌合するコネクタ嵌合部と、上記収容部と、これらコネクタ嵌合部及び収容部を連通する貫通穴部とを有する。収容部には、ハウジングキャップに対する嵌合部が形成される。収容部に収容される各光素子モジュールは、本発明の光接続構造を含んで構成される。以下、光素子モジュールについて説明をする。

図１において、光素子モジュール１は、送信用のものであって、樹脂製の筐体２と、図示しない樹脂製の筒体と、発光素子３と、図示しないリードフレーム及びＩＣと、電子部品４と、レンズ部材５と、透明樹脂６とを備えて構成される。尚、本実施例において、図１中の矢印Ｐを前後方向、矢印Ｑを上下方向と定義するものとする（便宜上、方向を定義するものとする。一例であるものとする）。これにより、後述する光軸は、前後方向である矢印Ｐに沿うようになる。

筐体２は、前面７、後面８、上面９、及び下面１０を有して例えば矩形のブロック形状に形成される（尚、下面１０は、図示しない回路基板に近い面であるものとする）。このような筐体２には、前面７を凹ませて凹部１１が形成される。凹部１１は、発光素子３及び電子部品４等の収容部として形成される。凹部１１の底１２には、図示しないリードフレームの一部が露出する。リードフレームは、筐体２の下面１０から脚状の部分が下方へ真っ直ぐにのびる形状に形成される。脚状の部分は、図示しない回路基板に電気的に接続固定される。リードフレームは、筐体２に対しインサート成形される。

本実施例における図示しない樹脂製の筒体は、貫通孔を有して筐体２の前面７に固定される蓋形状のベース部と、上記貫通孔の位置に合わせて設けられるフェルール案内用筒部とを一体に有する。貫通孔は、発光素子３やレンズ部材５の位置に合わせて配置形成される。フェルール案内用筒部は、プラグタイプの光コネクタに設けられたフェルールを挿通案内する部分として形成される。フェルール案内用筒部は、光素子モジュール１が光コネクタハウジングの収容部に収容されると、貫通穴部に挿通されて先端がコネクタ嵌合部に突出するように形成される。

発光素子３は、凹部１１の底１２に露出する図示しないリードフレームの一部に電気的に接続される。電気的な接続としては、従来同様、ワイヤ１３によるワイヤボンディングが採用される。尚、発光素子３の近傍には、電子部品４や図示しないＩＣ等もリードフレームに接続される。電子部品４やＩＣは、公知のものが採用される。

発光素子３から出射される（出力される）光１４（光信号）は、回路基板からの電気信号を変換することにより生成される。発光素子３としては、ＬＥＤやＶＣＳＥＬが一般的である。本実施例においては、伝送速度の高速化を図るためにＶＣＳＥＬが採用される。

レンズ部材５は、光透過性を有し且つレンズ機能を有する光学部品であって、ボールレンズ１５が採用される。尚、ボールレンズ１５に限らず、この他の非球面レンズをレンズ部材５として採用してもよいものとする。レンズ部材５は、本実施例において、保持部材１６により保持される。レンズ部材５は、発光素子３から出射される光１４を、発光素子３の光軸に沿ってコリメートすることができるような位置に配置される。レンズ部材５のサイズは、適宜選定されるものとする。

透明樹脂６は、凹部１１に充填されて硬化する光透過性の透明な樹脂であって、空気の屈折率（１．０）よりも高く、且つレンズ部材５の屈折率よりも低い材料が採用される。また、透明樹脂６は、発光素子３とレンズ部材５との間を、空気の存在しない状態に埋めるように充填される。本実施例においては、図示の如く、レンズ部材５の約半分が透明樹脂６に埋まるように充填される。

透明樹脂６は、発光素子３や電子部品４、図示しないＩＣ等を完全に埋めるように充填される。充填・硬化が完了すると、発光素子３や電子部品４、ＩＣ等は、透明樹脂６により保護される。

図２は、発光素子３とレンズ部材５との間の距離を透明樹脂６の有無でグラフ化したものであり、横軸はレンズ面半径（ｍｍ）を示す。また、縦軸は、発光素子３とレンズ部材５との間の距離（チップ−レンズ距離）を示す。

グラフから分かるが、レンズ面半径が０．５ｍｍの時は透明樹脂６の有無に差はないが、レンズ面半径が０．６ｍｍになると、透明樹脂６が「有」の方がチップ−レンズ距離を大きく取ることができる。また、レンズ面半径が０．７５ｍｍになると、「有」の方が更にチップ−レンズ距離を大きく取ることができる。つまり、レンズ出射後に同等の出射パターンを出力するために必要な発光素子３とレンズ部材５との間の距離は、透明樹脂６「有」の方が大きく取ることができる。

以上、図１及び図２を参照しながら説明してきたように、発光素子３とレンズ部材５との間に透明樹脂６を充填することから、透明樹脂６とレンズ部材５のレンズ面との境界での光１４の屈折効果を変化させることができるようになり、従来と同等のレンズ出射後の光出射パターンを確保しつつ、発光素子３とレンズ部材５との距離を長くすることができる。これにより、光学性能を犠牲にすることなく、発光素子３とワイヤボンディング（ワイヤ１３）との干渉や、比較的大きな部品である電子部品４との干渉を回避することができる。

従って、本発明によれば、従来と比べて構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度を良好にすることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、レンズ部材５として例えばボールレンズ１５を用いることから、部品を集中して配置したり、光接続構造の小型化を図ることができるという効果を奏する。さらに、安価なボールレンズ１５を用いることで、構成部材の配置や、光学設計等の設計自由度を増すことができるという効果も奏する。

尚、本発明は、光素子が上記のような発光素子３に限らないものとする。すなわち、図３に示す如くの光素子（後述する受光素子３３）であってもよいものとする。以下、簡単に構成等を説明する。

図３において、引用符号３１は光素子モジュールを示す。この光素子モジュール３１は、受信用のものであって、樹脂製の筐体３２と、図示しない樹脂製の筒体と、受光素子３３と、図示しないリードフレーム及びＩＣと、電子部品３４と、レンズ部材３５と、透明樹脂３６とを備えて構成される。

筐体３２は、この前面３７に凹部３８を有する。凹部３８の底３９には、図示しないリードフレームの一部が露出する。リードフレームは、筐体３２の下面４０から下方へ真っ直ぐのびる脚状の部分を有し、この脚状の部分が図示しない回路基板に電気的に接続固定される。図示しない樹脂製の筒体は、上記光素子モジュール１の筒体（図示省略）と同様に形成される。

受光素子３３は、凹部３８の底３９に露出する図示しないリードフレームの一部に電気的に接続される。電気的な接続としては、従来同様、ワイヤ４１によるワイヤボンディングが採用される。受光素子３３は、図示しない光ファイバからの光４２（光信号）を電気信号に変換する機能を有する。受光素子３３としては、ＰＤが採用される。

レンズ部材３５は、光透過性を有し且つレンズ機能を有する光学部品であって、ボールレンズ４３が採用される。尚、ボールレンズ４３に限らず、この他の非球面レンズをレンズ部材３５として採用してもよいものとする。レンズ部材３５は、本実施例において、保持部材４４により保持される。レンズ部材３５は、受光素子３３に向けて光４２を集光することができるような位置に配置される。レンズ部材３５のサイズは、適宜選定されるものとする。

透明樹脂３６は、凹部３８に充填されて硬化する光透過性の透明な樹脂であって、空気の屈折率（１．０）よりも高く、且つレンズ部材３５の屈折率よりも低い材料が採用される。また、透明樹脂３６は、受光素子３３とレンズ部材３５との間を、空気の存在しない状態に埋めるように充填される。透明樹脂３６は、図１の光素子モジュール１の透明樹脂６と同じものである。透明樹脂３６は、受光素子３３等を完全に埋めるように充填される。充填・硬化が完了すると、受光素子３３等は透明樹脂３６により保護される。

以上、図３を参照しながら説明してきたように、受光素子３３とレンズ部材３５との間にも透明樹脂３６を充填することから、受光素子３３とレンズ部材３５との距離を長く取りつつ、集光による光接続を行うことができるという効果を奏する。

本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。例えば、光素子モジュール１及び３１を一体化して一つのモジュール品としてもよいものとする。

１…光素子モジュール、２…筐体、３…発光素子、４…電子部品、５…レンズ部材、６…透明樹脂、７…前面、８…後面、９…上面、１０…下面、１１…凹部、１２…底、１３…ワイヤ、１４…光、１５…ボールレンズ、１６…保持部材、３１…光素子モジュール、３２…筐体、３３…受光素子、３４…電子部品、３５…レンズ部材（受光側レンズ部材）、３６…透明樹脂、３７…前面、３８…凹部、３９…底、４０…下面、４１…ワイヤ、４２…光、４３…ボールレンズ、４４…保持部材

Claims

凹部と、
該凹部に収容配置され且つワイヤを介して電気的に接続される発光素子と、
該発光素子からの光の出射方向に配置されるレンズ部材と、
前記凹部に充填されて硬化する光透過性の透明樹脂と、
を含み、
該透明樹脂として空気の屈折率よりも高く且つ前記レンズ部材の屈折率よりも低い材料を用い、
さらに、前記透明樹脂で前記発光素子と前記レンズ部材との間を前記空気の存在しない状態に埋める
ことを特徴とする光接続構造。
請求項１に記載の光接続構造において、
前記レンズ部材としてボールレンズを含む非球面レンズを用いる
ことを特徴とする光接続構造。
請求項１又は２に記載の接続構造において、
前記凹部に収容配置される受光素子と、該受光素子へ光が入射するように配置される受光側レンズ部材とを更に含み、前記受光素子と前記受光側レンズ部材との間も前記透明樹脂にて前記空気の存在しない状態に埋める
ことを特徴とする光接続構造。