JP6393751B2 - プリント回路基板絶縁を用いた光アイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、プリント回路基板絶縁を用いた光アイソレータに関する。

光アイソレータは、オプトアイソレータ、オプトカプラ又はフォトカプラとの名でも知られているが、電磁波スペクトルにおける異なる周波数を用いて２つの絶縁された回路の間で電気信号を伝送する電気的装置である。回路間の絶縁により、大電圧又は大電流が誘導されることを防止することができ、あるいは、１つの回路内にある大電圧又は大電流がもう１つの回路へと入り込むことを防止することができる。一般的な光アイソレータは、測定可能な電力を回路間において伝達することができないが、絶縁された回路間において信号を伝達することはできる。一般に理解されている通り、光アイソレータは絶縁が必要となる多様な電子回路において広く利用されている。

光アイソレータを利用している１つの電子機器として特に、フィールド機器として知られているものがある。フィールド機器は、プロセス制御監視産業において多様な目的のために利用されている。通常、こうしたフィールド機器はフィールド向けに強化された筐体を有することで、屋外の比較的厳しい環境下に設置できるようにし、また、温度、湿度、振動及び機械的衝撃に関して極端な気象条件にも耐えうるようにしている。フィールド機器はまた、比較的低消費電力で動作するのが一般的である。例えば、現在入手可能なフィールド機器の中には、比較的低電圧（12〜42直流ボルト）で動作する周知の4-20mAループからすべての動作電力を受信するものがある。

米国特許第7019318号（US7019318 B2）

その内部でフィールド機器が稼働する環境は場合によっては、非常に不安定(volatile)な環境であることがある。環境の中には非常に不安定なため、マイクロジュール範囲のエネルギーを消散させるだけのスパークや、電子部品の表面温度がかなり高くなってしまうだけのことで、局所雰囲気を点火させて爆発に至ってしまうものがある。こうした環境のエリアは危険分類（Hazardous Classified）又は極限エリア（Ex areas）と称される。不用意な発火を防止する方法として、本質安全規格が開発されることで、フィールド機器のエネルギー及び温度を制限する手段が提供されてきた。本質安全要件に適合することで、誤った状態に陥ったとしても、回路又は機器そのものによる揮発性雰囲気への着火が確実に起こり得ないようにすることができる。

本質安全標準に適合させるために用いる１つの技術として、各要素を物理的バリアで分離するというものがある。分離の量は、物理バリアを形成するのに用いる特定の素材に依存する。要素間が本質安全規格に従って分離されている場合に、光アイソレータを用いて当該バリアを超えてデータを伝達することができる。

光アイソレータが提供される。光アイソレータは、第１の表面と、第１の表面とは反対側にある第２の表面とを有するプリント回路基板を含む。プリント回路基板は、当該基板内に部分的にのみ延びる凹部を有する。第１の光素子は活性面を有し、プリント回路基板の第１の表面に対して設置される。第２の光素子は活性面を有し、第２の表面に対して設置される。第２の光素子は、第１の光素子と相互作用するように構成されている。第１及び第２の光素子のうち少なくとも一つは、その活性面が、凹部の中に少なくとも部分的に配置されている。プリント回路基板の部分が、第１及び第２の光素子の間に割り込んで配置されるようになっている。

本発明の一実施形態に係る一対のオプトカプラを示す図である。 本発明の一実施形態に係る、オプトカプラ用の正確な間隔をプリント回路基板の中に形成するための好ましい配置を示す図である。 一対のオプトカプラを示す図であり、近接したオプトカプラ間におけるクロストークの潜在的可能性を示す図である。

本発明の実施形態に従い、光放出器及び赤外フォトダイオードといったような光検出器がプリント回路基板における反対側に分離して配置される。プリント回路基板の部分によって、光放出器及び光検出器が物理的に分離される。光放出器及び光検出器が動作することにより、プリント回路基板そのものを固体絶縁として利用したオプトカプラを形成する。回路要素保護のための60079-11における要件は、当該光放出器及び光検出器が例えば単一の集積回路(IC)パッケージのような密結合をしていない場合には考慮する必要はない。プリント回路基板の材料そのものが、要素同士を分離する要件を完全に満たすものとして利用される。従って、回路要素を保護する必要がなくなることで、回路要素の数、必要となる基板スペース及びコストを低減することができる。さらに、セクション10.11に記載されているその他の試験の多くはもはや適用外となるので、試験負荷もまた大きく低減される。

図１は、本発明の一実施形態に係る一対のオプトカプラを示す図である。（２）オプトカプラ100は、光放出器102及び光検出器104をプリント回路基板106の互いに反対の面に配置することによって形成されている。図１に示す実施形態では、光放出器102は赤外フォトダイオード（赤外発光ダイオード）であり、プリント回路基板106のボア部110内部に受け入れられている半球状部分108を有している。さらに、当該実施形態においては、光検出器104はPINダイオードである。この配置は、一対の協働する光素子であって、少なくとも１つの光素子（この場合では光放出器）がプリント回路基板106の凹部の中に少なくとも部分的に配置された活性面を有しているもの、を示していると考えてよい。本発明の一実施形態では、ボア部又は凹部110は、表面112がその終端部となっており、凹部110の側壁は好ましくは約90°の角度で表面112と接している。表面112はプリント回路基板106の表面114から少なくとも0.2mm離れており、当該0.2mmとは、60079-11規格における300V耐圧のための付録Fに適合するための固体材料の最小要件である。光検出器104は表面114付近に配置されることで、光放出器102から放出され表面112を通過する光が光放出器104に検出されるようになっている。こうして、放出器102及び検出器104が協働してオプトカプラを形成するようになっている。理解されるように、光放出器102及び光検出器104の当該配置により（光放出器から光検出器への）単一方向の信号通信が提供される。従って、プリント回路基板106を渡っての双方向通信を提供するためには、第２のオプトカプラ121を提供し、第２のオプトカプラ121が実質的にオプトカプラ100の逆となっているようにすればよい。詳細には、オプトカプラ121は、プリント回路基板106のボア部又は凹部118内部へと延びている光放出器116を含む。凹部118は表面120において終端しており、表面120はプリント回路基板106の表面122から最小固体絶縁寸法（0.2mm）だけ離れている。光検出器124は、一実施形態では、表面122付近に設置されることで、表面120を通過する光が光検出器124に検出されるようになっている。こうして、光放出器116及び光検出器124は第２のオプトカプラを構成し、当該第２のオプトカプラがオプトカプラ100と協働することで、プリント回路基板106を通じた双方向通信が提供される。

図１は、プリント回路基板106を示しており、プリント回路基板106は６つの異なる銅製層126,128,130,132,134及び136を有し、当該各層はプリント回路基板(PCB)材料119によって分離され、凹部110,118の部分では離れており、あるいは凹部110,118によって60079-11規格の付録Fに従う最小固体材料幅の間隔を与えるようになっている。詳細には、図１の実施形態では、当該間隔は最小で0.2mmである。光放出器102は凹部110内へと延びることで、光放出器102のドーム部108が表面112に近接するようになっている。このように近接していることによって、オプトカプラ100の信号対雑音比が増大し、全体の電力を低減することが可能となる。本発明の実施形態は一般にプリント回路基板の凹部の中に配置されている光放出器の部分について説明するが、これに代えて、あるいは同時に、光検出器もまた凹部の中に配置されていてもよいということに注意されたい。しかしながら、こうした全ての構成において、少なくとも１つの活性面（光放出器のドーム部又は光検出器の検出界面）がプリント回路基板の凹部内に配置されている。

適切に位置調整されている場合、光検出器は自身の真反対側に配置されている光放出器からの信号を受信するはずである。一実施形態では、光検出器は（ドーム部108といったような）光放出器のドーム部の中心部に合わせて位置調整された活性面を有する。

図２は、凹部110,118を形成する好ましい方法を示す図である。通常、ボア部はドリルビット150といったようなドリルビットを用いて形成され、ドリルビット150が先細形状端部152を有することにより、結果として先細形状端面154が形成される。しかしながら、先細形状端面154は実際のところ、当該境界を通過する電磁スペクトルを曲げてしまうか、あるいは屈折させてしまう。従って、電磁信号156は拡散されてしまい、光検出器ダイ158の電気的応答は減衰されてしまう。好ましい実施形態においては、平底ビット160が用いられる。ビット160は実質的に平坦である端部162を有する。これにより結果として、ボア部164が、ボア部164の側壁に対してほぼ直角となる端部166を有するようになる。平坦表面166によって、この空間を通過して回路基板界面に至る信号が当初の方向を維持することができるようになり、屈折したりあるいは何らかの影響を受けたりすることがなくなる。こうして、信号168は光検出器ダイ170まで直進通過して進むことで、光検出器ダイ158の場合と比べてより大きな応答を得るようにすることができる。別の例示の構成では、ドリルビットは凹面形状の端部を有している。

本発明の実施形態において、プリント回路基板の材料及びその他の要因によって起こる信号減衰を低減するために、様々な方法を採用することができる。特に、プリント回路基板の材料を除去するに際して、同時に製造上の公差を考慮した際の空間配置要求を満たすのに充分な材料を残しておくようにしてよい。さらに、光放出器及び光検出器の素子を、信号強度及び光学散乱パターンに応じて選択してよい。さらに、光素子の活性面の間のソルダーマスクは省略してよい。最後に、図２を参照して説明しているように、平坦な先端を有するドリルビットを用いて対向するボア部を形成する手法を採用してよい。これら種々の設計上の考慮事項の任意のもの又は全てを協働させることで、効率的に本質安全規格に適合することができ且つ回路基板のフットプリントを小さく保つことのできる、複数のディスクリート部品（個別部品）で形成されたオプトカプラを提供することができる。

理解されるように、ディスクリート部品を用いてプリント回路基板106を渡る絶縁確保された双方向通信を提供するために近接したオプトカプラを形成すると、不必要な信号又は浮遊信号を慎重に抑止しない場合に、オプトカプラ間にクロストークが発生してしまうことがある。クロストークが存在しうる主要な態様が２つある。図３は、当該２つの主要なクロストークのチャネルを示す図である。第１のクロストークのチャネルは、破線180で示されるように基板表面に沿ったものである。この場合、光放出器102からの赤外照射が基板表面122に沿って直接、光検出器124へと伝わることができてしまう。この第１のクロストーク形態は、光放出器102及び光検出器124の間の間隔を広げることによって低減することができる。しかしながら、これら要素間の間隔を広げることは、貴重なプリント回路基板のスペースを消費してしまうことになるため、望ましくない。より好ましい解決策として、光検出器124を覆う不透明なカバーを追加することで、クロストーク照射180を光検出器124が受信することのないようにすることが挙げられる。こうした不透明カバーの１つの好ましい形態として、光検出器124の周囲に、及び／又は光検出器124を覆うように、不透明な樹脂（potting）を設けることができる。当該不透明樹脂にはさらに、光検出器124に対する周辺光の影響を除外するという追加の利点も存在する。材料には例えば、エポキシ又はシリコンRTVが含まれる。

図３に示される第２のクロストークチャネルは、参照番号182として示されている。詳細には、当該クロストークチャネルは、プリント回路基板の材料内部を通過する赤外照射によって発生するものである。当該クロストークチャネルは、銅製の層126,128,130,132,134,136を互いに近くに配置して、当該照射光が基板の内部を通過する際により迅速に拡散させるようにすることで、低減することができる。さらに、当該銅製の複数の層を光放出器のある凹部の近くに配置することで、光検出器から散乱して逃げる信号の量を低減することができる。これにより、銅製の層における開口部のサイズを減らすことができ、従って、クロストークチャネル182をブロックすることができる。さらに、当該凹部の内部壁部を処理することで、光放出器から光検出器への信号伝達を促進し、及び／又は、当該処理することでクロストークを低減させることができる。例えば、放出器のドームの周囲にスリーブを挿入するようにしてもよいし、凹部そのものをコーティングする、又は、信号伝達を促進する材料で処理するようにしてもよい。

本発明の実施形態は一般的に、非常にコンパクトなオプトカプラ配置であってフィールド機器又はその他の電子機器に対する本質安全規格を容易に満たすことができるものを提供する。本発明の実施形態に係るオプトカプラは125kHzにおける信号接続を提供可能であり、場合によっては250kHzという高い値でも信号接続の提供が可能であると考えられる。

本発明の実施形態は、オプトカプラの保証が必要となる任意の電子機器において利用することができる。一方で、本発明の実施形態は前述のような本質安全規格に適合する必要があるフィールド機器に対して特に有用である。

本発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の考え方及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えうることを理解できるはずである。以上の説明では光部品間を固体によって0.2mmだけ分離することを述べた。こうした構成は特に、本質安全領域と非本質安全領域との分離を与えることを目的とするものであるが、本発明はこうした構成に限定されない。同様の分離距離を用いて、本質安全区域を別の本質安全区域と分離するようにしてもよい。同様に、分離の要件及び設計上の制約に依存する形で、分離する量も0.2mmより大きくてもよいし、0.2mmよりも小さくてもよい。本発明は任意周波数の電磁放射に対して適用可能であり、当該任意周波数には可視光、赤外及び紫外放射が含まれる。半透明のフィラー（充填）媒体を光放出器とプリント回路カードとの間に適用して、異なる媒体層の間での屈折及び反射による減衰を低減するようにしてもよい。

100…光アイソレータ、114…第１の表面、122…第２の表面、106…プリント回路基板、110…凹部、104…第１の光素子、102…第２の光素子

Claims (29)

1. 第１の表面と、当該第１の表面とは反対側の第２の表面とを有し、内部に向けて部分的にのみ延びている凹部を有するプリント回路基板と、
   活性面を有し、前記プリント回路基板の前記第１の表面に対して設置されている第１の光素子と、
   活性面を有し、前記第２の表面に対して設置されており、前記第１の光素子と相互作用するよう構成されている第２の光素子と、を備え、
   前記第１及び第２の光素子のうち少なくとも一つが、その活性面を前記凹部の中に少なくとも部分的に配置されており、前記プリント回路基板の部分が前記第１の光素子及び前記第２の光素子の間に配置されており、
   前記プリント回路基板の前記第１の光素子及び前記第２の光素子の間の前記部分がフィールド機器における本質安全規格に適合しており、
   前記プリント回路基板が少なくとも１つのクロストーク制限層を有し、当該クロストーク制限層におけるクロストーク制限材料が、前記凹部から少なくとも最小間隔の距離だけ離れて配置されている光アイソレータ。
2. 前記凹部が丸く、且つ、端面を有している請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記端面が前記凹部の側壁に対して略直角で接する請求項２に記載の光アイソレータ。
4. 前記端面が平坦である請求項２に記載の光アイソレータ。
5. 前記第１の光素子が光放出器である請求項１に記載の光アイソレータ。
6. 前記光放出器が発光ダイオードである請求項５に記載の光アイソレータ。
7. 前記発光ダイオードが赤外発光ダイオードである請求項６に記載の光アイソレータ。
8. 前記光放出器が少なくとも部分的に前記凹部内に配置されている請求項５に記載の光アイソレータ。
9. 前記光放出器が、前記凹部の中に配置されているドーム部を有する請求項８に記載の光アイソレータ。
10. 前記第２の光素子が光検出器である請求項１に記載の光アイソレータ。
11. 前記光検出器がPINダイオードである請求項１０に記載の光アイソレータ。
12. 前記光検出器が不透明のカバーによって覆われている請求項１０に記載の光アイソレータ。
13. 前記第１及び第２の光素子の間に配置されている前記プリント回路基板の前記部分が、少なくとも、オプトカプラの本質安全規格のための最小間隔である請求項１に記載の光アイソレータ。
14. 前記最小間隔が少なくとも0.2mmである請求項１３に記載の光アイソレータ。
15. 前記光アイソレータがフィールド機器内に実装されている請求項１に記載の光アイソレータ。
16. 前記プリント回路基板の前記第１の光素子及び前記第２の光素子の間の前記部分はプリント回路基板材料で形成されている請求項１ないし１５のいずれかに記載の光アイソレータ。
17. 前記第１の表面は第１の区域に曝されるよう構成されており、前記第２の表面は第２の区域に曝されるよう構成されている請求項１ないし１６のいずれかに記載の光アイソレータ。
18. 第１の表面と、当該第１の表面とは反対側の第２の表面と、を有し、内部に向けて部分的にのみ延びている第１の凹部と、内部に向けて部分的にのみ延びている第２の凹部と、を有するプリント回路基板と、
    前記第１の表面において前記第１の凹部に近接して設置され、当該第１の凹部の中に少なくとも部分的に配置されている活性面を有する第１の光放出器と、
    前記第２の表面において前記第１の凹部に近接して設置される第１の光検出器であって、当該第１の光検出器及び前記第１の光放出器の間に配置された前記プリント回路基板の第１の部分によって、前記第１の光放出器から離れて配置されている第１の光検出器と、
    前記第１の表面において前記第２の凹部に近接して設置されている第２の光検出器と、
    前記プリント回路基板内における、前記第１の凹部及び／又は前記第２の凹部に近接した少なくとも１つの層であって、信号の特定の電磁スペクトルにおいて当該信号が想定されている伝送パスから外れる際の減衰を与える、少なくとも１つの層と、
    前記第２の表面において前記第２の凹部に近接して設置される第２の光放出器であって、当該第２の光放出器及び前記第２の光検出器の間に配置された前記プリント回路基板の第２の部分によって、前記第２の光検出器から離れて配置されている第２の光放出器と、を備え、
    前記第１の部分及び前記第２の部分がフィールド機器における本質安全規格に適合している回路配置。
19. 減衰を低減するための、前記第１の光放出器と前記プリント回路基板との間にある半透明フィラー媒体を含む請求項１８に記載の回路配置。
20. 前記プリント回路基板内における、前記第１の凹部及び前記第２の凹部に近接した複数の層であって、信号の特定の電磁スペクトルにおいて当該信号が想定されている伝送パスから外れる際の減衰を与える、複数の層を含む請求項１８に記載の回路配置。
21. 前記第１の凹部内に、特定の電磁スペクトルに対して非透過性を有する中空円筒構造を含む請求項１８に記載の回路配置。
22. 前記プリント回路基板が、互いにそれぞれ独立に分離されている複数の回路層を含む請求項１８に記載の回路配置。
23. 前記第１の部分及び前記第２の部分はプリント回路基板材料で形成されている請求項１８ないし２２のいずれかに記載の回路配置。
24. 前記第１の表面は第１の区域に曝されるよう構成されており、前記第２の表面は第２の区域に曝されるよう構成されている請求項１８ないし２３のいずれかに記載の回路配置。
25. 回路要素を分離する方法であって、
    プリント回路基板の第１の面に第１の電気部品群を配置することと、
    前記プリント回路基板の第２の面に第２の電気部品群を配置することと、
    前記プリント回路基板の前記第１の面に、前記第２の面へと向けて前記プリント回路基板内を部分的に通過して延びる凹部を形成することと、
    前記凹部の中に、活性面を有し、前記第１の電気部品群に接続される第１の光素子を設置することと、
    前記プリント回路基板の第２の面に、活性面を有し、前記第１の光素子と相互作用するように構成され、前記第２の電気部品群に接続される第２の光素子を設置することと、を備え、
    前記プリント回路基板の部分が前記第１の光素子及び前記第２の光素子の間に配置されており、
    前記プリント回路基板の前記第１の光素子及び前記第２の光素子の間の前記部分がフィールド機器における本質安全規格に適合しており、
    前記プリント回路基板が少なくとも１つのクロストーク制限層を有し、当該クロストーク制限層におけるクロストーク制限材料が、前記凹部から少なくとも最小間隔の距離だけ離れて配置されている方法。
26. 前記第１の光素子がダイオードである請求項２５に記載の方法。
27. 前記凹部を形成することが、前記プリント回路基板を部分的にドリルで穴あけすることを備える請求項２５に記載の方法。
28. 前記プリント回路基板の前記第１の光素子及び前記第２の光素子の間の前記部分はプリント回路基板材料で形成されている請求項２５ないし２７のいずれかに記載の方法。
29. 前記第１の面は第１の区域に曝されるよう構成されており、前記第２の面は第２の区域に曝されるよう構成されている請求項２５ないし２８のいずれかに記載の方法。