JP7037895B2

JP7037895B2 - データ絶縁伝送チップ

Info

Publication number: JP7037895B2
Application number: JP2017156830A
Authority: JP
Inventors: 淳志風間
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2037-08-15
Also published as: JP2019036117A

Description

本発明は、絶縁伝送に関し、特に、デジタルデータを高速に伝送することができる絶縁伝送チップに関する。

数百［Ｖ］を超える高電圧の電圧波形や、１［ｍＶ］に満たない微小電圧の電圧波形の測定に使用される測定器では、測定データを取得する測定データ取得部（入力部）と取得された測定データのデータ処理を行なうデータ処理部との間の電気的な絶縁が重要である。

例えば、高電圧波形の測定では、絶縁する事によりデータ処理部側の保護、ユーザの安全性を確保できる。また、微小電圧波形の測定では、非常に高い測定精度が要求されるため、絶縁する事によりコモンモード電圧のノイズの影響を軽減できる。

また、上記絶縁の重要性は、電圧測定の場合に限らず電流・抵抗・圧力・温度等の測定の場合も同様である。測定器の保護および測定精度の向上の観点から、これらの信号を絶縁しつつ伝送することが望まれる。

測定値やクロックなどのデジタル信号を絶縁伝送するデジタルデータ絶縁伝送装置として、トランスタイプ、コンデンサタイプ、ＲＦタイプ、ＧＭＲ（Giant Magnetic Resistance）素子タイプ、フォトカプラタイプ等が挙げられるが、いずれもＧｂｐｓ以上の伝送速度を得ることはできない。

特開２００８－０９７５６９号公報

近年、Ｇｂｐｓの伝送速度が可能なデジタルデータ絶縁伝送装置として、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を利用した光ＡＳＳＹモジュールが開発されている。図４は、ＶＣＳＥＬを利用した光ＡＳＳＹモジュール３００の構成例を示す図である。

本図に示すように、光ＡＳＳＹモジュール３００は、入力部３１１、レーザドライバ３１２、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly）ＶＣＳＥＬ３１３、光導波路である光ファイバ３２０、ＲＯＳＡ（Receiver Optical Sub-Assembly）ＶＣＳＥＬ３３１、リミッティングアンプ３３２、出力部３３３を備えている。

ＶＣＳＥＬを利用した光ＡＳＳＹモジュール３００は、主に高速信号を伝送するのに適しており、１０Ｇｂｐｓ以上の伝送も可能としている。外部インタフェースとしては、ＬＶＤＳ、Ｓ－ＬＣＤＳ、ＣＭＬ、ＰＥＣＬ等が使用される。ＶＣＳＥＬは、通常のレーザに比べ、安価に製造できるというメリットも有している。

しかしながら、ＶＣＳＥＬを利用した光ＡＳＳＹモジュール３００は、光ファイバを光導波路として用いており、多チャンネル化と小型化が難しいという課題がある。

そこで、本発明は、高速にデータの絶縁伝送を行なう装置において、多チャンネル化と小型化を可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のデータ絶縁伝送チップは、複数チャンネル分の入力部および出力部を備え、チャンネル毎に前記入力部と接続したＶＣＳＥＬ出光部と前記出力部と接続したＶＣＳＥＬ受光部とが、光を透過する絶縁層膜を挟んで配置され、全チャンネルの前記ＶＣＳＥＬ出光部と前記ＶＣＳＥＬ受光部と前記絶縁層膜とが一体的にモールドされていることを特徴とする。
ここで、前記ＶＣＳＥＬ出光部と前記ＶＣＳＥＬ受光部との間に光伝送路が形成され、隣接するチャンネルの光伝送路同士の間に、光をシールドする壁が形成されていてもよい。
また、絶縁層膜を挟む一対のレンズを備えてもよい。
また、前記絶縁層膜がレンズ形状であってもよい。

本発明によれば、高速にデータの絶縁伝送を行なう装置において、多チャンネル化と小型化が可能となる。

本実施形態に係る高速データ絶縁伝送チップの構成を示す図である。高速データ絶縁伝送チップの別構成例を示す図である。高速データ絶縁伝送チップの別構成例を示す図である。ＶＣＳＥＬを利用した光ＡＳＳＹモジュールの構成例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る高速データ絶縁伝送チップ１００の構成を示す図である。本図に示すように、高速データ絶縁伝送チップ１００は、１次側と２次側とで絶縁構造なっており、１パッケージ内に複数のチャンネルを構成し、樹脂でモールドした構造となっている。モールドに用いる樹脂は、絶縁性能に優れた材料を用いるものとする。

１次側の第１電源１０１と第１接地１０２、２次側の第２電源１０３と第２接地１０４は、それぞれ独立しており、１次側と２次側とは電気的に完全に絶縁されている。

各チャンネルは、ＬＶＤＳ等の高速伝送に対応した差動入力構造の入力部１１１、レーザドライバ１１２、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly）ＶＣＳＥＬ１１３、光を透過する絶縁層膜１１４、ＲＯＳＡ（Receiver Optical Sub-Assembly）ＶＣＳＥＬ１１５、リミッティングアンプ１１６、差動出力構造の出力部１１７を備えている。リミッティングアンプ１１６は、単にアンプであってもよい。ＴＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１３の出光側と、ＲＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１５の受光側とが絶縁層膜１１４を挟んで対向するように配置する。

レーザドライバ１１２とＴＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１３とでＶＣＳＥＬ出光部を構成し、ＲＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１５とリミッティングアンプ１１６とでＶＣＳＥＬ受光部を構成している。各チャンネルは、伝送方向に直交する方向に並んでいる。

入力部１１１および出力部１１７の差動入出力ピンは、チャンネル間の干渉を防ぐため、ある程度の間隔を確保して配置する。

絶縁層膜１１４は、一般的に絶縁材料として使用されている樹脂を用いることができ、例えば、熱硬化性のフェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等とすることができる。また、ガラスや石英などの無機材料も絶縁層膜１１４として用いることができる。

データ伝送方向は、１次側から２次側方向のみならず、Ｃｈ－ｋのように、２次側から１次側方向の構成を含めてもよい。データ伝送速度は、ＶＣＳＥＬ（ＴＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１３、ＲＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１５）の特性に依存し、例えば、１００Ｍｂｐｓ～数Ｇｂｐｓの伝送が可能である。

本実施形態の高速データ絶縁伝送チップ１００は、光導波路として光ファイバを用いずに絶縁層膜１１４を用いているため、小型化が可能となっている。また、多チャンネル化も容易である。さらに、全体を一体的にモールドしたチップ形状となっているため、基板等への自動実装を容易に行なうことができる。

なお、図２に示すように、各チャンネルにおいて、絶縁層膜１１４を挟むように集光用のレンズ１１８を配置してもよい。また、チャンネル間で漏れ光による干渉を防ぐために、隣接するチャンネルの光伝送路（ＴＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１３とＲＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ１１５との間）の間に、光をシールドする壁１１９を形成してもよい。あるいは、図３に示すように、絶縁層膜１１４をレンズ形状等としてもよい。

高速データ絶縁伝送チップ１００を、例えば、測定器に用いることで、絶縁部に搭載されるＡＤコンバータの分解能を高めることができ、また、サンプリング速度を高速にすることが可能となる。すなわち、インバータ等の高電圧の測定対象に対して、高分解能で広帯域のデータ測定を行なうことが可能となる。

１００…高速データ絶縁伝送チップ、１０１…第１電源、１０２…第１接地、１０３…第２電源、１０４…第２接地、１１１…入力部、１１２…レーザドライバ、１１３…ＴＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ、１１４…絶縁層膜、１１５…ＲＯＳＡ＿ＶＣＳＥＬ、１１６…リミッティングアンプ、１１７…出力部、１１８…レンズ、１１９…壁

Claims

複数チャンネル分の入力部および出力部を備え、
チャンネル毎に前記入力部と接続したＶＣＳＥＬ出光部と前記出力部と接続したＶＣＳＥＬ受光部とが、光を透過する絶縁層膜を挟んで配置され、
全チャンネルの前記ＶＣＳＥＬ出光部と前記ＶＣＳＥＬ受光部と前記絶縁層膜とが一体的にモールドされていることを特徴とするデータ絶縁伝送チップ。
前記ＶＣＳＥＬ出光部と前記ＶＣＳＥＬ受光部との間に光伝送路が形成され、
隣接するチャンネルの光伝送路同士の間に、光をシールドする壁が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のデータ絶縁伝送チップ。
前記絶縁層膜を挟む一対のレンズを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のデータ絶縁伝送チップ。
前記絶縁層膜がレンズ形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のデータ絶縁伝送チップ。