JP3676136B2 - 光結合素子 - Google Patents
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- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば２チャンネルフォトカプラ等の複数の光結合部を有する光結合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＡ機器などにおける信号伝達用のインターフェース部には、外部機器との電気的絶縁が必要とされ、さらに外来ノイズの影響が大きい環境で使用されることからフォトカプラが用いられている。インターフェース部に用いられるフォトカプラには高速特性（高速信号伝達）が要求され、またインターフェース部には複数の入出力があることから、複数個のフォトカプラが必要とされており、一般に１つのパッケージ内に複数の光結合部を有する複数チャンネルタイプの光結合素子が使用されている。
【０００３】
複数チャンネルタイプの光結合素子の一例を図１及び図２に示す。
図１、図２に示す光結合素子（２チャンネルタイプ）では、高速特性をもたせるため、受光素子にバイポーラＩＣプロセスでフォトダイオードと光信号処理回路を１チップに集積した素子が使用されており、その受光素子（出力側、２次側素子）には、電源電圧印加端子Ｖｃｃ、ＧＮＤ端子及び出力端子Ｖｏの３つの外部接続部が設置されている。この例では、２個の受光素子２Ａ、２Ｂを備えているが、電源電圧印加端子ＶｃｃとＧＮＤ端子とは共有できるため、図３に示すように、受光素子２Ａと受光素子２Ｂの電源電圧印加端子Ｖｃｃから、同じ外部端子につながるリードフレーム３に金ワイヤで結線する、という結線法を採ることにより、３つの外部接続部を有する受光素子２Ａ、２Ｂを２個内蔵していながら、４つの外部端子、すなわち共有の電源電圧印加端子Ｖｃｃ、出力端子Ｖｏ1 （受光素子２Ａの出力端子Ｖｏ）、出力端子Ｖｏ2 （受光素子２Ｂの出力端子Ｖｏ）及び共通のＧＮＤ端子の計４つの外部端子だけで構成することが可能となる。
【０００４】
これは、各受光素子２Ａ、２Ｂから３つずつ端子を出して、２次側（出力側）の端子数を６とすると、合計１２ピンのパッケージとなってしまうが、端子の共通化をすることにより、２次側の端子数が４となり、合計８ピンのパッケージ（図１参照）で済むことになる。このように、製品の小型化及び低価格化を目的として、複数の光結合部を有する光結合素子では、一般的に受光素子のいくつかの端子を共通としている。
【０００５】
また、複数チャンネルタイプの光結合素子では、発光素子と受光素子との間に透明シリコーン樹脂を充填して光結合部を形成し、その周囲をエポキシ樹脂で封止した構造が一般的に用いられている。その一例を図４に示す。
【０００６】
図４に示す例では、互いに隣接する光結合部２４を透明シリコーン樹脂で形成しており、発光素子１から発せられた光が、透明シリコーン樹脂（光結合部２４）の内部を通過して受光素子２に直接到達し、また、発光素子１からの光の一部はシリコーン樹脂と周囲のエポキシ樹脂２５との界面で反射して受光素子２に到達する。このように、透明シリコーン樹脂間に充填されたエポキシ樹脂２５は、光結合部２間における相互の光信号の干渉（以下、クロストークと言う）を防止するために、片方のチャンネルから発せられた光が隣接の受光素子に届かないように、チャンネル間の光の透過を阻止する役目を果たしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２に示すような２チャンネルタイプの光結合素子において、入力端子Ｔ1 、Ｔ2 への入力信号に対しては、出力端子Ｔ7 から出力信号が出るように、また入力端子Ｔ3 、Ｔ4 への入力信号に対しては、出力端子Ｔ6 から出力信号が出るような構造が必要となる。
【０００８】
すなわち、入力端子Ｔ1 、Ｔ2 の入力信号は出力端子Ｔ6 の出力信号に何らかの影響（クロストーク）を及ぼさないようし、また入力端子Ｔ3 、Ｔ4 の入力信号は出力端子Ｔ7 の出力信号に何らかの影響を及ぼさないようにすることが必要であり、そのため、前記したように、光結合部を形成する透明シリコーン樹脂を各光結合部ごとに形成するとともに、互いに隣接する光結合部同士が接触しないように光結合部間に距離をあける、という方法を採らざるを得ず、このことが、リードフレームサイズの省面積化設計及びパッケージの小型化（省体積化）を行う際の制限項目となっていた。
【０００９】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、リードフレームサイズの省面積化設計及びパッケージの小型化が可能な構造の複数チャンネル方式の光結合素子の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の光結合部を有する光結合素子において、１次側の発光素子及び２次側の受光素子の周囲にそれぞれ透明シリコーン樹脂が形成され、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂が石英ガラスを介して光学的に連結され、これら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂及び石英ガラスによって光結合部が構成されていることによって特徴づけられる。
【００１５】
この発明の光結合素子によれば、１次側の発光素子及び２次側の受光素子に形成した透明シリコーン樹脂を石英ガラスを介して光学的に連結しているので、光結合部を透明シリコーン樹脂のみで形成する場合と比較して、光パスの体積を小さくすることができる。これによりリードフレームのサイズを小さくしても、クロストークを防止するための距離を十分に確保することが可能になり、従来の構造（図４）と比べて光結合部間の距離を短くすることができる。
【００１６】
この発明の光結合素子に用いる石英ガラスの形状は、特に限定はされないが、例えば、円柱、球あるいは立方体等を挙げることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図５は本発明の光結合素子の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図ある。
【００１９】
図５に示す光結合素子は、図４に示したものと同様に２チャンネルタイプフォトカプラであって、２対の発光素子１（発光ダイオード）と受光素子２（受光素子集積素子等）とがリードフレーム３に互いに対向した状態で実装されている。
【００２０】
各発光素子１と受光素子２との間には透明シリコーン樹脂が充填されており、この部分が光結合部４となっている。そして、この例では、互いに隣接する光結合部４間の中央位置に、ポリイミド系フィルムに遮光用の着色を施した絶縁遮光性フィルム５を設けたところに特徴があり、このように絶縁遮光性フィルム５によって２つの光結合部４間を分離しておくことで、それら光結合部４間が遮光されるので、２つの光結合部４を近接して配置しても、クロストークが発生することを防止することができる。
【００２１】
なお、この実施形態では、絶縁遮光体として、ポリイミド系フィルムに遮光用の着色を施した絶縁遮光性フィルム５を用いているが、これに替えて、遮光用の着色が施された石英ガラス板等を光結合部４間に設置しても、同様な効果を得ることができる。
【００２２】
図６は本発明の光結合素子の他の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【００２３】
図６に示す実施形態は、図５の構造において、絶縁遮光性フィルム５を光結合部４間の中央位置に位置決め・固定するための凸部３１を、受光素子２側のリードフレーム３に設けたところに特徴があり、このような凸部３１を設けておくと、光結合部４を形成する透明シリコーン樹脂の注入時において、絶縁遮光性フィルム５に位置ずれが生じることがなくなり、絶縁遮光性フィルム５を光結合部間の中央の最適な位置に正確に固定することができる。
【００２４】
なお、そのような凸部３１に替えて、位置決め・固定用の凹部をリードフレーム３に設けておいてもよい。また、凸部や凹部に替えて、絶縁遮光性フィルム５をエポキシ樹脂によってリードフレーム３に固定するという方法を採用してもよい。
【００２５】
ここで、以上の凸部や凹部あるいはエポキシ樹脂による固定等の構成は、絶縁遮光体として、遮光用の着色が施された石英ガラス板等を用いる場合にも、適用できることは言うまでもない。
【００２６】
図７は本発明の光結合素子の別の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【００２７】
図７に示す光結合素子は、２チャンネルタイプフォトカプラであって、２対の発光素子１（発光ダイオード）と受光素子２（受光素子集積素子等）とがリードフレーム３に互いに対向した状態で実装されている。
【００２８】
その１次側の発光素子１及び２次側の受光素子２の周囲にはそれぞれ透明シリコーン樹脂６、７が形成されており、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂６、７が、円柱形状の石英ガラス８（絶縁透光体）を介して光学的に連結され、これら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂６、７及び石英ガラス８によって光結合部１４が構成されている。
【００２９】
この実施形態の光結合素子によれば、１次側と２次側のリードフレーム３の中央位置に石英ガラス８を介在させているので、１次側と２次側に形成する透明シリコーン樹脂６、７の粘度により、その部分の形状を図７に示すようなスリムな形状とすることが可能となり、光パスの体積を小さくすることができる。従って図４に示した構造と比較して、リードフレーム３のサイズを小さくしても、クロストークを防止するための距離を十分に確保することが可能になる。
【００３０】
なお、この実施形態に用いる石英ガラスの形状としては、円柱のほか、球あるいは立方体等を挙げることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光結合素子によれば、１次側の発光素子及び２次側の受光素子の周囲に透明シリコーン樹脂を形成するとともに、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂を石英ガラスを介して光学的に連結して光結合部を構成しているので、光パスの体積を小さくすることができる。これにより、隣接する素子間の距離を短くしても、クロストークを防止するための距離を十分に確保することが可能となり、パッケージの小型化及び実装時の省面積化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の複数チャンネルタイプの光結合素子の外観形状を示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。
【図２】従来の複数チャンネルタイプの光結合素子の内部結線図である。
【図３】従来の複数チャンネルタイプの光結合素子の受光側リードフレームのレイアウトを示す図である。
【図４】従来の複数チャンネルタイプの光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の別の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 受光素子
３ リードフレーム
３１ 凸部
４，１４ 光結合部
５ 絶縁遮光性フィルム（絶縁遮光体）
６、７ 透明シリコーン樹脂
８ 石英ガラス（絶縁透光体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば２チャンネルフォトカプラ等の複数の光結合部を有する光結合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＡ機器などにおける信号伝達用のインターフェース部には、外部機器との電気的絶縁が必要とされ、さらに外来ノイズの影響が大きい環境で使用されることからフォトカプラが用いられている。インターフェース部に用いられるフォトカプラには高速特性（高速信号伝達）が要求され、またインターフェース部には複数の入出力があることから、複数個のフォトカプラが必要とされており、一般に１つのパッケージ内に複数の光結合部を有する複数チャンネルタイプの光結合素子が使用されている。
【０００３】
複数チャンネルタイプの光結合素子の一例を図１及び図２に示す。
図１、図２に示す光結合素子（２チャンネルタイプ）では、高速特性をもたせるため、受光素子にバイポーラＩＣプロセスでフォトダイオードと光信号処理回路を１チップに集積した素子が使用されており、その受光素子（出力側、２次側素子）には、電源電圧印加端子Ｖｃｃ、ＧＮＤ端子及び出力端子Ｖｏの３つの外部接続部が設置されている。この例では、２個の受光素子２Ａ、２Ｂを備えているが、電源電圧印加端子ＶｃｃとＧＮＤ端子とは共有できるため、図３に示すように、受光素子２Ａと受光素子２Ｂの電源電圧印加端子Ｖｃｃから、同じ外部端子につながるリードフレーム３に金ワイヤで結線する、という結線法を採ることにより、３つの外部接続部を有する受光素子２Ａ、２Ｂを２個内蔵していながら、４つの外部端子、すなわち共有の電源電圧印加端子Ｖｃｃ、出力端子Ｖｏ1 （受光素子２Ａの出力端子Ｖｏ）、出力端子Ｖｏ2 （受光素子２Ｂの出力端子Ｖｏ）及び共通のＧＮＤ端子の計４つの外部端子だけで構成することが可能となる。
【０００４】
これは、各受光素子２Ａ、２Ｂから３つずつ端子を出して、２次側（出力側）の端子数を６とすると、合計１２ピンのパッケージとなってしまうが、端子の共通化をすることにより、２次側の端子数が４となり、合計８ピンのパッケージ（図１参照）で済むことになる。このように、製品の小型化及び低価格化を目的として、複数の光結合部を有する光結合素子では、一般的に受光素子のいくつかの端子を共通としている。
【０００５】
また、複数チャンネルタイプの光結合素子では、発光素子と受光素子との間に透明シリコーン樹脂を充填して光結合部を形成し、その周囲をエポキシ樹脂で封止した構造が一般的に用いられている。その一例を図４に示す。
【０００６】
図４に示す例では、互いに隣接する光結合部２４を透明シリコーン樹脂で形成しており、発光素子１から発せられた光が、透明シリコーン樹脂（光結合部２４）の内部を通過して受光素子２に直接到達し、また、発光素子１からの光の一部はシリコーン樹脂と周囲のエポキシ樹脂２５との界面で反射して受光素子２に到達する。このように、透明シリコーン樹脂間に充填されたエポキシ樹脂２５は、光結合部２間における相互の光信号の干渉（以下、クロストークと言う）を防止するために、片方のチャンネルから発せられた光が隣接の受光素子に届かないように、チャンネル間の光の透過を阻止する役目を果たしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２に示すような２チャンネルタイプの光結合素子において、入力端子Ｔ1 、Ｔ2 への入力信号に対しては、出力端子Ｔ7 から出力信号が出るように、また入力端子Ｔ3 、Ｔ4 への入力信号に対しては、出力端子Ｔ6 から出力信号が出るような構造が必要となる。
【０００８】
すなわち、入力端子Ｔ1 、Ｔ2 の入力信号は出力端子Ｔ6 の出力信号に何らかの影響（クロストーク）を及ぼさないようし、また入力端子Ｔ3 、Ｔ4 の入力信号は出力端子Ｔ7 の出力信号に何らかの影響を及ぼさないようにすることが必要であり、そのため、前記したように、光結合部を形成する透明シリコーン樹脂を各光結合部ごとに形成するとともに、互いに隣接する光結合部同士が接触しないように光結合部間に距離をあける、という方法を採らざるを得ず、このことが、リードフレームサイズの省面積化設計及びパッケージの小型化（省体積化）を行う際の制限項目となっていた。
【０００９】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、リードフレームサイズの省面積化設計及びパッケージの小型化が可能な構造の複数チャンネル方式の光結合素子の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の光結合部を有する光結合素子において、１次側の発光素子及び２次側の受光素子の周囲にそれぞれ透明シリコーン樹脂が形成され、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂が石英ガラスを介して光学的に連結され、これら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂及び石英ガラスによって光結合部が構成されていることによって特徴づけられる。
【００１５】
この発明の光結合素子によれば、１次側の発光素子及び２次側の受光素子に形成した透明シリコーン樹脂を石英ガラスを介して光学的に連結しているので、光結合部を透明シリコーン樹脂のみで形成する場合と比較して、光パスの体積を小さくすることができる。これによりリードフレームのサイズを小さくしても、クロストークを防止するための距離を十分に確保することが可能になり、従来の構造（図４）と比べて光結合部間の距離を短くすることができる。
【００１６】
この発明の光結合素子に用いる石英ガラスの形状は、特に限定はされないが、例えば、円柱、球あるいは立方体等を挙げることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図５は本発明の光結合素子の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図ある。
【００１９】
図５に示す光結合素子は、図４に示したものと同様に２チャンネルタイプフォトカプラであって、２対の発光素子１（発光ダイオード）と受光素子２（受光素子集積素子等）とがリードフレーム３に互いに対向した状態で実装されている。
【００２０】
各発光素子１と受光素子２との間には透明シリコーン樹脂が充填されており、この部分が光結合部４となっている。そして、この例では、互いに隣接する光結合部４間の中央位置に、ポリイミド系フィルムに遮光用の着色を施した絶縁遮光性フィルム５を設けたところに特徴があり、このように絶縁遮光性フィルム５によって２つの光結合部４間を分離しておくことで、それら光結合部４間が遮光されるので、２つの光結合部４を近接して配置しても、クロストークが発生することを防止することができる。
【００２１】
なお、この実施形態では、絶縁遮光体として、ポリイミド系フィルムに遮光用の着色を施した絶縁遮光性フィルム５を用いているが、これに替えて、遮光用の着色が施された石英ガラス板等を光結合部４間に設置しても、同様な効果を得ることができる。
【００２２】
図６は本発明の光結合素子の他の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【００２３】
図６に示す実施形態は、図５の構造において、絶縁遮光性フィルム５を光結合部４間の中央位置に位置決め・固定するための凸部３１を、受光素子２側のリードフレーム３に設けたところに特徴があり、このような凸部３１を設けておくと、光結合部４を形成する透明シリコーン樹脂の注入時において、絶縁遮光性フィルム５に位置ずれが生じることがなくなり、絶縁遮光性フィルム５を光結合部間の中央の最適な位置に正確に固定することができる。
【００２４】
なお、そのような凸部３１に替えて、位置決め・固定用の凹部をリードフレーム３に設けておいてもよい。また、凸部や凹部に替えて、絶縁遮光性フィルム５をエポキシ樹脂によってリードフレーム３に固定するという方法を採用してもよい。
【００２５】
ここで、以上の凸部や凹部あるいはエポキシ樹脂による固定等の構成は、絶縁遮光体として、遮光用の着色が施された石英ガラス板等を用いる場合にも、適用できることは言うまでもない。
【００２６】
図７は本発明の光結合素子の別の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【００２７】
図７に示す光結合素子は、２チャンネルタイプフォトカプラであって、２対の発光素子１（発光ダイオード）と受光素子２（受光素子集積素子等）とがリードフレーム３に互いに対向した状態で実装されている。
【００２８】
その１次側の発光素子１及び２次側の受光素子２の周囲にはそれぞれ透明シリコーン樹脂６、７が形成されており、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂６、７が、円柱形状の石英ガラス８（絶縁透光体）を介して光学的に連結され、これら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂６、７及び石英ガラス８によって光結合部１４が構成されている。
【００２９】
この実施形態の光結合素子によれば、１次側と２次側のリードフレーム３の中央位置に石英ガラス８を介在させているので、１次側と２次側に形成する透明シリコーン樹脂６、７の粘度により、その部分の形状を図７に示すようなスリムな形状とすることが可能となり、光パスの体積を小さくすることができる。従って図４に示した構造と比較して、リードフレーム３のサイズを小さくしても、クロストークを防止するための距離を十分に確保することが可能になる。
【００３０】
なお、この実施形態に用いる石英ガラスの形状としては、円柱のほか、球あるいは立方体等を挙げることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光結合素子によれば、１次側の発光素子及び２次側の受光素子の周囲に透明シリコーン樹脂を形成するとともに、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂を石英ガラスを介して光学的に連結して光結合部を構成しているので、光パスの体積を小さくすることができる。これにより、隣接する素子間の距離を短くしても、クロストークを防止するための距離を十分に確保することが可能となり、パッケージの小型化及び実装時の省面積化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の複数チャンネルタイプの光結合素子の外観形状を示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。
【図２】従来の複数チャンネルタイプの光結合素子の内部結線図である。
【図３】従来の複数チャンネルタイプの光結合素子の受光側リードフレームのレイアウトを示す図である。
【図４】従来の複数チャンネルタイプの光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の別の実施形態の光結合部の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 受光素子
３ リードフレーム
３１ 凸部
４，１４ 光結合部
５ 絶縁遮光性フィルム（絶縁遮光体）
６、７ 透明シリコーン樹脂
８ 石英ガラス（絶縁透光体）
Claims (2)
- 複数の光結合部を有する光結合素子において、１次側の発光素子及び２次側の受光素子の周囲にそれぞれ透明シリコーン樹脂が形成され、それら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂が石英ガラスを介して光学的に連結され、これら１次側と２次側の透明シリコーン樹脂及び石英ガラスによって光結合部が構成されていることを特徴とする光結合素子。
- 前記石英ガラスの形状が円柱、球または立方体であることを特徴とする請求項１記載の光結合素子。
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