JP5068443B2

JP5068443B2 - 光結合装置

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Publication number: JP5068443B2
Application number: JP2005306007A
Authority: JP
Inventors: 元晴貴志
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: EP1777843A2; US20070090307A1; US7476890B2; JP2007115908A; EP1777843A3

Description

本発明は、発光素子及び受光素子を備える光結合装置に関し、特に、発光素子からの発光量を制御することができる光結合装置に関する。

フォトカプラは、大きなコモンモードノイズの排除や安全の確保を目的として、工場やプラント、そして家電機器など様々な場所で用いられている。このフォトカプラは、例えば、入力信号に応じて発光する発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの発光素子と、入射光量に応じて出力電流が変化するフォトダイオードなどの受光素子とを光学的に結合し、入出力間を電気的に絶縁した構成を有している。

大きなコモンモードノイズは、特に電源電圧に１０００Ｖ以上の差がある、大電力の機器や高感度の電子機器が混在する工場やプラントのような場所において頻繁に発生する。また、近年では、このような工場などで用いられるＡＣサーボ、インバータをより高精度に制御する事が求められている。したがって、これを実現するため、フォトカプラの高ＣＭＲ（同相雑音信号抑圧：Common Mode Rejection）化、及び低パルス幅歪化が望まれており、さまざまな技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５に、特許文献１に記載の従来のフォトカプラ１の構成を示す。フォトカプラ１は、入力側の端子２から入力された電気信号を発光回路３で一旦光信号に変換し、出力側の受光回路４で再び電気信号に変換し、出力側の端子５から出力する。発光ダイオードなどの発光回路３上の発光素子と、フォトダイオードなどの受光回路４上の受光素子とは、相互に近接して対向配置され、それらの間のギャップには所定の誘電率を有する透光性樹脂６が充填され、さらに外側は遮光性樹脂７で封止されている。これにより、入力側回路と出力側回路とを電気的に遮断し、機器間が電気的に絶縁状態で信号の送受信を実現する。

図６に、特許文献１に記載の従来の受光回路４の構成を示す。図６に示すように、受光回路４は、発光素子からの光信号を受信するフォトダイオードＤ１に隣接して、その受光面がカソード電極で遮光されたダミーフォトダイオードＤ２が設けられた構成を有している。フォトダイオードＤ１、Ｄ２からの出力電流は、電流−電圧変換アンプＡ１、Ａ２でそれぞれ電圧変換される。電流−電圧変換アンプＡ１、Ａ２により変換された電圧は、ヒステリシスコンパレータ８で比較してパルスを波形整形して出力される。これにより、ＣＭＲ比を向上することができる。

さらに、受光回路４は、アンプに入力される電流のレベルが大きくなる程、インピーダンスが低下するインピーダンス可変回路Ｚ１、Ｚ２を備えている。このような構成とすると、電流信号Ｉｐｄが小さい場合、インピーダンス可変回路Ｚ１のインピーダンスが増加する。このとき、アンプの帯域は狭くなり、雑音の高周波成分は抑制されると共に、Ｚ１、Ｚ２は略同じ値となるので、電流−電圧変換アンプＡ１、Ａ２の特性がそろうため、ＣＭＲ比が向上する。一方、アンプの帯域が狭くなることで受信波形はなまるが、ヒステリシスコンパレータ８の閾値レベルは一定なので出力される。このため、パルス波形が変わってしまい、パルス幅歪が大きくなるという問題がある。逆に、電流信号Ｉｐｄが大きい場合、インピーダンス可変回路Ｚ１のインピーダンスが低下する。これにより、アンプの帯域は広くなるため、低パルス歪化を実現することができる。しかし、雑音の高周波成分は抑制されず、Ｚ１、Ｚ２の値が違ってくるため、電流−電圧変換アンプＡ１、Ａ２の特性がアンバランスとなり、ＣＭＲ比が悪化するという問題がある。

また、ＬＥＤは製造ばらつきや、経時変化、環境温度の変動で発光量がばらつくという問題を有している。発光量のばらつきは、すなわち、受光回路４で検出する電流信号（Ｉｐｄ）のバラツキを引き起こす。特許文献２には、光出力の一部をモニターして、光出力を安定化することが記載されている。しかしながら、これをフォトカプラに応用するという示唆はない。
特開２００２−３５２４９５号公報特開平９−１７２２２５号公報

このように、従来技術では、電流信号Ｉｐｄの変化に対し、ＣＭＲ比とパルス幅歪とがトレードオフにあるため、高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を両立できない問題点がある。フォトカプラの高速化に伴い、パルス幅歪の要求は１００ｎｓ以下から１０ｎｓ以下へと厳しくなってきており、従来技術ではこの要求を満たすのが困難になってきている。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、発光素子からの発光量を制御し、高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を同時に実現することができる光結合装置を提供することである。

本発明の第１の態様にかかる光結合装置は、発光素子と、入力信号に応じて前記発光素子に駆動信号を供給する駆動回路と、前記発光素子と対向配置され、前記発光素子から出力される光信号を受光し電気信号に変換して出力する受光回路とを有する光結合装置であって、前記駆動回路は、前記光信号の信号強度をモニターして、その信号強度を一定にするように制御するものである。このような構成とすることによって、高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を同時に実現することができる。

本発明の第２の態様にかかる光結合装置は、上記の光結合装置であって、前記発光素子と前記受光回路との間にハーフミラーを備え、前記光信号の一部を前記駆動回路に設けられた受光素子に入射させるものである。このような構成とすることによって、高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を同時に実現することができる。

本発明の第３の態様にかかる光結合装置は、上記の光結合装置であって、前記受光回路の表面上に設けられ、前記光信号の一部を反射させる反射板を備え、前記光信号の一部を前記駆動回路に設けられた受光素子に入射させるものである。このような構成とすることによって、高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を同時に実現することができる。

本発明の第４の態様にかかる光結合装置は、上記の光結合装置であって、前記発光素子はＬＥＤであり、前記受光素子はフォトダイオードであるものである。本発明は、このような場合に特に有効である。

本発明の第５の態様にかかる光結合装置は、上記の光結合装置であって、前記駆動回路は、前記受光素子と、前記受光素子で前記光信号の一部を受光して発生する光電流により駆動される第１の電流ミラー回路と、前記第１の電流ミラー回路の出力電流と定電流源との差分電流で駆動される第２の電流ミラー回路と、前記第２の電流ミラー回路の出力電流を前記入力信号でスイッチさせて前記発光素子をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ回路とを備えるものである。このような回路構成とすることにより、簡便に高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を同時に実現することができる。

本発明の第６の態様にかかる光結合装置は、上記の光結合装置であって、前記駆動回路は１チップで構成されているものである。

本発明の第７の態様にかかる光結合装置は、上記の光結合装置であって、前記受光回路は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続された第１のアンプ回路と、前記フォトダイオードと略同一の構成を有するダミーフォトダイオードと、前記ダミーフォトダイオードに接続される第２のアンプ回路と、前記第１のアンプ回路及び前記第２のアンプ回路の出力を入力する差動アンプとを備えるものである。このような構成とすることによって、さらに高ＣＭＲ化を実現することができる。

本発明によれば、高ＣＭＲ化と低パルス幅歪化を同時に実現することができる光結合装置を提供することが可能である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる光結合装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる光結合装置の一例であるフォトカプラ１００の構成を示す図である。図２は、フォトカプラ１００の受光回路の電気的構成を示す図である。図１に示すように、フォトカプラ１００は、入力側リードフレーム１０１、出力側リードフレーム１０２、発光ダイオード（以下、ＬＥＤとする）１０３、駆動回路１０４、受光回路１０５、ハーフミラー１０６、透光性樹脂１０７、遮光性樹脂１０８を有している。フォトカプラ１００は、入力側の端子から入力された電気信号を駆動回路１０４で一旦光信号に変換し、出力側の受光回路１０５で再び電気信号に変換し、出力側の端子から出力する。本実施の形態にかかるフォトカプラ１００は、ＬＥＤ１０３の発光量が一定になるように、ＬＥＤ１０３と受光回路１０５との間に半透過特性を持つハーフミラー１０６を内蔵している。

図１に示すように、入力側リードフレーム１０１と出力側リードフレーム１０２とは、絶縁状態を保った形で対向配置され、遮光性樹脂１０８に固定されている。入力側リードフレーム１０１上には、発光素子であるＬＥＤ１０３がダイボンディングされている。また、入力側リードフレーム１０１には、駆動回路１０４がワイヤボンディングされている。駆動回路１０４は、入力信号に応じて、ＬＥＤ１０３を高速に発光／消光させる（スイッチングさせる）。ＬＥＤ１０３は、駆動回路１０４の出力端子に金線などのワイヤにより電気的に接続されている。一方、出力側リードフレーム１０２には、受光回路１０５がワイヤボンディングされている。受光回路１０５は、外部へ信号を出力する。

図２に示すように、受光回路１０５には、ＬＥＤ１０３からの光信号を受光するフォトダイオード１０９、ダミーフォトダイオード１０９ｄ、電流−電圧変換アンプ１１０、電流−電圧変換アンプ１１０ｄ、コンパレータ１１１が設けられている。フォトダイオード１０９には電流−電圧変換アンプ１１０が接続されており、ダミーフォトダイオード１０９ｄには電流−電圧変換アンプ１１０ｄが接続されている。ダミーフォトダイオード１０９ｄは、フォトダイオード１０９に隣接して設けられている。

フォトダイオード１０９とダミーフォトダイオード１０９ｄとは、同一形状、同一容量で、相互に特性の等しい、略同一の構成を有している。ダミーフォトダイオード１０９ｄは、その受光面がカソード電極で遮光されている。フォトダイオード１０９、ダミーフォトダイオード１０９ｄからの出力電流は、電流−電圧変換アンプ１１０、１１０ｄでそれぞれ電圧変換され、差動アンプであるコンパレータ１１１に入力される。コンパレータ１１１は、この電圧を相互に比較して、フォトダイオード１０９からの出力をパルス信号に波形整形して出力する。これにより、同相のノイズ成分が除去され、ＣＭＲ比を向上することができる。

図１に示すように、ＬＥＤ１０３及び駆動回路１０４とフォトダイオード１０９との間には、透光性樹脂１０７が設けられている。したがって、ＬＥＤ１０３とフォトダイオード１０９とは、それぞれの光軸が合うように、透光性樹脂１０７を挟んで対向配置される。また、図１に示すように、ＬＥＤ１０３及び駆動回路１０４とフォトダイオード１０９との間に配置されている透光性樹脂１０７中には、ハーフミラー１０６が設けられている。ハーフミラー１０６は、半透過特性を有する薄膜である。ハーフミラー１０６は、図１中矢印で示すように、ＬＥＤ１０３から出射される光の一部を透過させ、受光回路１０５側に出射する。したがって、受光回路１０５に設けられているフォトダイオード１０９は、この透過光に応じた電流信号Ｉｐｄ２を生成する。また、ハーフミラー１０６は、図１中破線矢印で示されるように、ＬＥＤ１０３から出射される光の一部を反射し、駆動回路１０４側に出射する。すなわち、ハーフミラー１０６は、光を２つの方向に分割して出射する方向を制御する光学素子である。このように、ハーフミラー１０６が設けられていることにより、ＬＥＤ１０３から出射された光のハーフミラー１０６での反射光を用いて、ＬＥＤ１０３の駆動電流を制御することができる。これについては後に詳述する。

また、ハーフミラー１０６は絶縁性を有しており、入・出力間の絶縁性を低下させることがない。また、ハーフミラー１０６は、求められる半透過特性と絶縁耐圧特性などに応じて、材質、厚みなどを適宜選択することができる。

ＬＥＤ１０３、駆動回路１０４、受光回路１０５、ハーフミラー１０６、透光性樹脂１０７は、入力側リードフレーム１０１と出力側リードフレーム１０２の端子部を除いて遮光性樹脂１０８により同一パッケージ内に封止されている。これにより、入力側回路（駆動回路１０４）と出力側回路（受光回路１０５）とを電気的に遮断して、絶縁した状態で信号の送受信を実現する。

ここで、本実施の形態にかかる駆動回路１０４について詳細に説明する。図３は、本実施の形態にかかる駆動回路１０４の構成を示す図である。図３に示すように、駆動回路１０４は、バイアス回路１１２、スイッチング回路１１３、インバータ回路１１４、電流増幅回路１１５、フォトダイオード電流増幅回路（以下、ＰＤ増幅回路とする）１１６、モニター用フォトダイオード（以下、モニター用ＰＤとする）１１７を有しており、１チップで構成されている。また、駆動回路１０４は、入力側リードフレーム１０１との接続のために、２つの電源供給用の端子(ＶＤＤ、ＧＮＤ)、信号入力用の端子(ＩＮ)、ＬＥＤ１０３に電流を供給するための端子(ＬＥＤ)の少なくとも４つの端子を有している。

駆動回路１０４は、端子ＶＤＤ１−ＧＮＤ１間の電圧を電源電圧として駆動される。インバータ回路１１４は、端子（ＩＮ）から供給される電圧信号によって、スイッチング回路１１３を駆動する。インバータ回路１１４の入力側は端子（ＩＮ）に接続されている。また、インバータ回路１１４の出力側はスイッチング回路１１３に接続されている。スイッチング回路１１３は、この電圧信号に基づいてＬＥＤ１０３のオン／オフを制御する。

バイアス回路１１２は、ＬＥＤ１０３を発光させるための一定の電流Ｉｒｅｆを供給する。電流増幅回路１１５は、電流ＩｉｎをＬＥＤ１０３を発光させるのに充分な電流量Ｉ４ｏｕｔにするカレントミラーである。ここでは、電流増幅回路１１５のカレントミラー比をα１とする。ＬＥＤ１０３は、スイッチング回路１１３がオンとなっている間に供給される電流Ｉｏｕｔに応じた発光量の光を出射する。

モニター用ＰＤ１１７は、ハーフミラー１０６により反射された反射光を電流Ｉｐｄ１ｉｎに変換する。すなわち、モニター用ＰＤ１１７は、反射光を検知する光検知部であり、検知信号となる電流Ｉｐｄ１ｉｎを出力する。ＰＤ増幅回路１１６は、モニター用ＰＤ１１７によって発生した電流Ｉｐｄ１ｉｎをＩｐｄ１ｏｕｔに変換するカレントミラーである。ＰＤ増幅回路１１６のカレントミラー比をα２とする。電流増幅回路１１５及びＰＤ増幅回路１１６は、バイアス回路１２に接続されている。

ここで、本実施の形態にかかるフォトカプラ１００動作について説明する。端子（ＩＮ）にＨＩレベルが入力されると、スイッチング回路１１３がオン状態となる。電流Ｉｉｎに応じて、所定の増幅率で増幅された電流ＩｏｕｔがＬＥＤ１０３に供給される。ＬＥＤ１０３は、この電流Ｉｏｕｔに応じた発光量の光を出射する。ＬＥＤ１０３から出射された光信号の一部は、ハーフミラー１０６を透過し、受光回路１０５に入射する。受光回路１０５に設けられているフォトダイオード１０９は、この透過光に応じた電流信号Ｉｐｄ２を生成する。

また、ＬＥＤ１０３から出射された光信号の一部は、ハーフミラー１０６で反射され、駆動回路１０４に入射する。この反射光は、駆動回路１０４に設けられたモニター用ＰＤ１１７において、これに応じた電流信号Ｉｐｄ１ｉｎに変換される。上述したように電流増幅回路１１５及びＰＤ増幅回路１１６のカレントミラー比をそれぞれα１、α２とすると、IｏｕｔとIｐｄ１ｉｎの間に以下の関係が成り立つ。
Ｉｒｅｆ＝Ｉｉｎ＋Ｉｐｄ１ｏｕｔ
＝Ｉｏｕｔ・α１＋Ｉｐｄ１ｉｎ・α２・・・（１）

バイアス回路１１２から供給される電流Ｉｒｅｆは一定であるため、（１）式に示すように、モニター用ＰＤにより生成される電流Ｉｐｄ１ｉｎにより、ＬＥＤ１０３に供給される電流Ｉｏｕｔは制御される。例えば、ＬＥＤ１０３の発光量が大きくなると、ハーフミラー１０６における反射光は大きくなる。したがって、モニター用ＰＤ１１７により生成される電流Ｉｐｄ１ｉｎが大きくなる。この場合、駆動回路１０４は、ＬＥＤ１０３の発光パワーが小さくなるように、ＬＥＤ１０３に供給される電流Ｉｉｎが小さくなるように動作する。また、ＬＥＤ１０３の発光量が小さくなると、ハーフミラー１０６における反射光は小さくなる。したがって、モニター用ＰＤ１１７により生成される電流Ｉｐｄ１ｉｎも小さくなる。この場合、駆動回路１０４は、ＬＥＤ１０３の発光パワーが大きくなるように、ＬＥＤ１０３に供給される電流Ｉｉｎが大きくなるように動作する。

このように、ＬＥＤ１０３からの発光量に応じて、ＬＥＤ１０３へ供給される駆動電流Ｉｏｕｔが変化するため、ＬＥＤ１０３の発光量を一定にすることができる。これにより、フォトダイオード１０９で生成される電流信号Ｉｐｄ２は常に一定となる。したがって、例えば、高ＣＭＲ化のために、ゲインを高くし、帯域を狭くしても、受光回路１０５内のコンパレータの閾値の調整を行うだけで、低パルス歪化を比較的容易に実現することができる。従来、トレードオフの関係にあった高ＣＭＲ化と低パルス歪化を同時に実現することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について、図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態にかかるフォトカプラ１００の構成を示す図である。図４において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態では、実施の形態１で説明したように半透過特性を有するハーフミラー１０６を用いる代わりに、受光回路１０５上に反射特性を有する反射板１１８を設けている。

図４に示すように、本実施の形態にかかるフォトカプラ１００は、入力側リードフレーム１０１、出力側リードフレーム１０２、ＬＥＤ１０３、駆動回路１０４、受光回路１０５、透光性樹脂１０７、遮光性樹脂１０８、反射板１１８を有しており、反射板１１８以外の構成については実施の形態１において説明したように配置されている。反射板１１８は、反射特性を有する薄膜であり、例えば、誘電体膜を用いることができる。反射板１１８は、受光回路１０５のＬＥＤ１０３に対向する面上の一部に形成されている。また、反射板１１８は、それぞれの光軸が合うように配置されたＬＥＤ１０３とフォトダイオード１０９との間に入らないように配置されている。したがって、図４中矢印で示すように、ＬＥＤ１０３から出射される光の一部は直接、受光回路１０５に入射する。したがって、受光回路１０５に設けられているフォトダイオード１０９は、この入射光に応じた電流信号Ｉｐｄ２を生成する。

反射板１１８は、図４中破線矢印で示されるように、ＬＥＤ１０３から出射される光の一部を反射し、駆動回路１０４側に出射する。すなわち、反射板１１８は、光の進行方向を制御する光学素子である。このように、反射板１１８が設けられていることにより、ＬＥＤ１０３から出射された光の反射板１１８での反射光を用いて、ＬＥＤ１０３の駆動電流を制御することができる。

ここで、本実施の形態にかかるフォトカプラ１００動作について説明する。上述したように、端子（ＩＮ）にＨＩレベルが入力されると、スイッチング回路１１３がオン状態となる。電流Ｉｉｎに応じて、所定の増幅率で増幅された電流ＩｏｕｔがＬＥＤ１０３に供給される。ＬＥＤ１０３は、この電流Ｉｏｕｔに応じた発光量の光を出射する。ＬＥＤ１０３から出射された光信号の一部は、直接受光回路１０５に入射する。受光回路１０５に設けられているフォトダイオード１０９は、この入射光に応じた電流信号Ｉｐｄ２を生成する。

また、ＬＥＤ１０３から出射された光信号の一部は、反射板１１８で反射され、駆動回路１０４に入射する。この反射光は、駆動回路１０４に設けられたモニター用ＰＤ１１７において、これに応じた電流信号Ｉｐｄ１ｉｎに変換される。IｏｕｔとIｐｄ１ｉｎの間には、上述した（１）式の関係が成り立つ。したがって、バイアス回路１１２から供給される電流Ｉｒｅｆは一定であるため、（１）式に示すように、モニター用ＰＤ１１７により生成される電流Ｉｐｄ１ｉｎにより、ＬＥＤ１０３に供給される電流Ｉｉｎは制御される。このように、ＬＥＤ１０３からの発光量に応じて、ＬＥＤ１０３へ供給される駆動電流Ｉｏｕｔが変化するため、ＬＥＤ１０３の発光量を一定にすることができる。したがって、高ＣＭＲ化と低パルス歪化を同時に実現することができる。

実施の形態１にかかるフォトカプラの構成を示す図である。実施の形態１にかかるフォトカプラに用いられる受光回路の構成を示す図である。実施の形態１にかかるフォトカプラに用いられる駆動回路の構成を示す図である。実施の形態２にかかるフォトカプラの構成を示す図である。従来のフォトカプラの構成を示す図である。従来のフォトカプラに用いられる受光回路の構成を示す図である。

符号の説明

１００フォトカプラ
１０１入力側リードフレーム
１０２出力側リードフレーム
１０３発光ダイオード
１０４駆動回路
１０５受光回路
１０６ハーフミラー
１０７透光性樹脂
１０８遮光性樹脂
１０９フォトダイオード
１０９ｄダミーフォトダイオード
１１０、１１０ｄ電流−電圧変換アンプ
１１１コンパレータ
１１２バイアス回路
１１３スイッチング回路
１１４インバータ回路
１１５電流増幅回路
１１６フォトダイオード電流増幅回路
１１７ＬＥＤ光量モニター用フォトダイオード
１１８反射板

Claims

発光素子と、
入力信号に応じて前記発光素子に駆動信号を供給する駆動回路と、
前記発光素子と対向配置され、前記発光素子から出力される光信号を受光し電気信号に変換して出力する受光回路と、
前記受光回路の表面上に設けられ、前記光信号の一部を反射させ、前記光信号の一部を前記駆動回路に設けられた受光素子に入射させる反射板と、
を備え、
前記駆動回路は、前記受光素子に入射した前記光信号の信号強度をモニターして、その信号強度を一定にするように制御する光結合装置。
前記発光素子はＬＥＤであり、前記受光素子はフォトダイオードである請求項１に記載の光結合装置。
前記駆動回路は、
前記受光素子と、
前記受光素子で前記光信号の一部を受光して発生する光電流により駆動される第１の電流ミラー回路と、
前記第１の電流ミラー回路の出力電流と定電流源との差分電流で駆動される第２の電流ミラー回路と、
前記第２の電流ミラー回路の出力電流を前記入力信号でスイッチさせて前記発光素子をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ回路と、
を備える請求項１又は２に記載の光結合装置。
前記駆動回路は１チップで構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の光結合装置。
前記受光回路は、
フォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続された第１のアンプ回路と、
前記フォトダイオードと略同一の構成を有するダミーフォトダイオードと、
前記ダミーフォトダイオードに接続される第２のアンプ回路と、
前記第１のアンプ回路及び前記第２のアンプ回路の出力を入力する差動アンプと、
を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の光結合装置。