JPS583450A - 光結合形ｐｎｐｎ通話路スイツチ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電話回−線の切替えを必要とする電話装置に
おいて回線の切替を小型な回路で、がっ、小さな通話損
失で実現する光結合形ＰＮＰＮ通話路スイッチ回路に関
するものである。

第１図は、ＰＥＸ等に使用されている機械式スイッチを
用いた従来の電話回線切替回路（機械式通話路スイッチ
回路）の構成図であシ、１，２，３．４は電話線１．５
は電話線１，２から成る電話回線、６は電話線３，４か
ら成る電話回線、７−１．７−２は機械式スイッチ素子
、８はスイッチ交叉点１．９は電話機である。この回路
では各交叉点において、機械式スイッチ素子、　７−１
．７−２の１組のスイッチを同時に駆動し切替えを行な
うものである。しかし、この回路ではスイッチ素子の駆
動は通常、電磁駆動のため回路が大型化、大重量化する
欠点がある。

また、切替時に切替前が出るためサービス性が悪い欠点
もある。

又、電話機９は、近年、サービスの多様化に伴って、回
転ダイヤル式電話機に代って、押ボタンダイヤル式電話
機が多く使用されつつある。第２図は押ボタンダイヤル
式電話機の要部回路構成図であシ、１１はフックスイッ
チ、１２はダイオードブリッジ、１３は押ボタンダイヤ
ル回路、１４は押ボタンスイッチ、１５はカーボン送話
器、１６は受話器、１７は電話機回路である。押ボタン
ダイヤル回路１３は近年ＬＳＩで栴成される傾向にある
が、この電源は電話線から供電される。従って、電圧の
極性は一定であることが必要とされる。一方、電話回線
Ｌ１，１４の極性は一定ではなく、電話局内の交換機の
交換動作により極性は変化する。そこで、電話回線の極
性を一定化するだめのダイオードブリッジ１２が設けら
れている。また、押ボタンダイヤル式電話機に盟らず、
回路の中゛にＬＳＩ等を使用する電子化電話端末では極
性の一定化を行なう必要が増々強くなってきている。

以上のような背景から近年、小型、軽誉で、かつ、電話
回線の切替と同時に極性の一定化を行なう電子化された
通話路スイッチが望まれている。

第６図は、この−例を示す。同図において、１８は極性
の一定化を行なうためのダイオードブリッジ、１８−１
〜１８−４はダイオード、１９−１．１９−２　　は光
駆動形高耐圧ＰＮＰＮスイッチ素子、２１はこれを駆動
するためのＩＬＥＤ、２０は第２図の回路においてダイ
オードブリッジ１２を省略しフックスィッチ１１ト電話
機回路１７０部分から成る電話機を示すものである。こ
の通話路スイッチ回路では、各電話機の中のダイオード
ブリッジを省略する代シにスイッチマトリックスの前段
にダイオードブリッジ１８を配置したものであシ、局線
はダイオードブリッジ１８の交流端子（大刀端子）にス
イッチマトリックスの入線はダイオードブリッジ１８の
直流端子（出力端子）に接続されている。一般に、スイ
ッチマトリックスは集線化されておシ、すなわち、電話
局側の回線数は端末（電話機側）の回線数よシ少ないた
めダイオードブリッジはスイッチ”マトリックスの前段
に配置することによって小数化が図れる効果がある。し
かし、この回路は次のような欠点がある。

第４図は、通話中の１同線を取シ出して示したものであ
るが、２個のダイオード１８−１　、１８−２と２個の
ＰＮＰＮ素子１９−１．１９−２の直列回路になってお
シ、第１図の回路において電話機９に第２図示のものを
用いた通話回路と比べるとＰＮＰＮ素子が２個直列に余
分に入っていることになる。ＰＮＰＮ索子はオン状態に
おいて０．９Ｖ程度の電圧降下があるので、°２個では
１．ｓｒ＠度の電圧降下になる。これは見かけ上、電話
局の直流電源電圧が低下したことに相当し直流電流が減
少する。どの点について電話回線の直流等価回路＋ある
第５図を用いて詳細に説明゛すると、同図において、Ｅ
Ｐは直流電源電圧（国内では４８Ｖ　）’ｔ　Ｒｒａｌ
ｔａｙ　　は交換機の加入者発呼検出用リレーの直流抵
抗（国内では４４０Ω）。

Ｒムｎ−は電話回線の直流抵抗（国内では電話回線に割
り当てられた伝送損失ｉ　７ｄｎであシ、これを一般に
広く用いられている電話用０゜４φｍｍの銅線で直流抵
抗に換算すると約９４０Ωとなる）。

”ｌｄｉｏｄｍは２個直列のダイオードの電圧降下、２
ＶＦ　ＰＮＰＮは２個直列のｐｓｉｓ素子の電圧降下、
ＲｔｇＱは第２図においでダイオードブリッジ１２ヲ省
略した直流抵抗（９０Ω）である。第３図の回線に流れ
る電流は、 ・・・・・・・・・（１） 一方、第１図の回路において電話＠９に第２図示のもの
を用いた回路に流れる電流は、 −３１，４ｙｒＡ　　　−＝”　（２１従って、第３図
の回路において２個直列のＰＮＰＮ　。

素子に起因する直流電流の減少は、’　１．２　ｗｎＡ
程度になる。既存の電話機では、一般に送話器には力゛
−ボン送話器を使用している□が、カーボン送話器の原
理は、直流電流をバイアスしておき、音圧による抵抗の
変化を電流変化に変調するものなので、直流バイアス電
流の大きさによって出力が天きく一化する。直流電流の
低下に伴なう通話損失′は、直流電流に対して低下量が
小さい場合には近似的で与えられる。ここで、′Ｉ０は
直流電流ＪΔ４は低下量である。

いま、前記のように第６図の回路を用いることによって
、約５０ｍＡの直流電流が１．２ｔｇＡ低下したとする
とこれによる電話損失ｆｌｏｐｓ−Ａはとなる。

以上は、電圧降下の増大に伴なう損失であるが、一方、
第５図の回路を交流的に評価するとさらに損失は増大す
る。・すなわち、第６図の１回線を交流的な等価回路で
おきかえると近似的に第６図で表わされる。ダイオード
及びオン状態にあるＰＮＰＮ素子には微分抵抗があるの
で、これらの和をＺｚｗｒｉｔｃｈ（ダイオード２測子
ＰＮＰＮ素子２個＝２００．ダイオード２個＝１０Ω）
とおくと通話損失１１ｏｚｚ　−Ｂ　　ｉｉ近似的に次
式で与えられる。

いｔ、電話端末の標準的なインピーダンスヲｚｏ＝６０
０Ωとし、ダイオード及びｐＮｐ　ｙ素子の微分抵抗を
通常の素子を例にとシ共に１個幽ヤ５Ωとすとすると、
第５図の回路では、 ムＩ＃−Ｂ　：　０．１４　ｄＢ （第６図） となる。

一方、第１３図の回路において、電話機９として第２図
示のものを用いた回路では、 である。従って、第３図の回路は０．０７ｄＢ　程度損
失が大きく、前記、電圧降下の増大に伴なう損失と合わ
せると０．４２ｔＬＢ程度損失が大きくなる。これは、
第１図の回路において電話機９に第２図示のものを用い
た回路に比べて、スイッチの損失は６倍も大きいことを
示すものである。

第７図は、前記の欠点を解決すべく考案された従来の光
駆動形ＰＮＰＮ素子を使用したブリッジ接続形通話路ス
イッチの回路構成図であシ、２３−１〜２３−４は光駆
動形ＰＮＰＮ素子、２４はそれを駆動するためのＬＥＤ
でおる。この回路の特徴は、ＰＮＰＮ素子をブリッジ接
続した回路で通話路スイッチを構成することによって通
話路の切替と同時に極性の一定化を実現するものである
。第８図は、通話回路の１つを取り出して示したもので
あるが、１つの通話回路は、ＰＮＰＮ素子２個の直列回
路で構成されるため、第６図の回路に比べ電圧降下が小
さく、この点だけからは伝送特性は有利と考えられる。

しかし、このスイッチには以下に述べる大きな欠点があ
シ実用上問題がある。

通話路スイッチを構成する従来の光駆動形ＰＮＰＮ素子
の素子構造を第９図、第１０図に示す。第９図はラテラ
ル形の素子構造、第１０図はパーティカル形の素子構造
である。第９図において、２５はＮ形シリコン層１．２
６は５ｉＯｆＨ等の透明な絶縁性の膜。

２７はＡＲなどの１．極、５０．４ｄ　ＬＥＤから発せ
られた光、ＡはＰＮＰＮ素子の陽極、Ｋは陰極、Ｇはゲ
ート電極、ＲＧ！はＰＮＰＮ素子が立上シの早い順方向
電圧で誤点弧する特性（ｄｎｔ％性と呼ぶ）を抑制し、
安定した信頼度を確保するための抵抗、すなわち、”／
ｌｔ酎量耐特性を向上させるためにゲート・カソード間
に挿入した抵抗でおる。また、第１０図において、２８
はＰ形シリコン層、２９は戸拡散層である。

図中、下の方から、Ｐ層、Ｎ層、Ｐ層、Ｎ層と縦形に素
子が形成されているためパーティカル形と呼はれている
。第１１図は第９，１０図を簡単化して示したものであ
る。

このＰＮＰＮ素子に光を照射したときの現象について述
べる。第１２図れ）〜（ｃ）はＰＮＰＮ素子のバンド構
造を示す図であシ、同図において、２４はＬＥＤ。

３１は電子、３２は正孔、３３は電子密度分布、３４は
正孔密度分布である。なお、第１２図（ｄ）に電子密度
分布の拡大図を示す。陽極、陰極に順方向に電圧を印加
し次場合のバンド構造は第１２図（α）に示すものとな
シ、電圧は、主に、接合Ｊ、に印加され空乏層はＮ層内
に広がっている。この空乏層領域をＪ茸、で示す。こζ
で、ＬＥＤ２４によって空乏層領域ｈａに光が照射され
ると空乏層領域ｈｐにはｔ子３１．正孔３２が発生する
。これらは、印加電圧によって矢印の方向に進み順方向
の光電れ電流となるが、同時に印加電圧を打ち消す方向
に電界を発生する。、この電界の強さは空乏層領域Ｊ２
．への照射光の強さに比例し、臨界値を越えると接合Ｊ
。

の電圧障壁はなくなシ第１２図（ｂ）に示すようにＰＮ
ＰＮ素子は動作状態になる。すなわち、光駆動形ｐｙｐ
ｙ素子においては、空乏層領域’ｚ、に効率良く光を照
射することが駆動特性を向上させることになる。

従って、従来の素子構造はこの点に工夫のポイントがあ
った。しかし、ＬＥＤ　２４が照射状態において、陽極
と陰極間に逆方向の電圧を印加したときの逆方向光もれ
電流については、これによる通話損失への検討がなされ
ていなかったため、素子構造にほとんど対策がとられて
いなかった。以下、前記逆方向光もれ電、流の通話損失
への影響について詳細にのべる。

第１２図（ｃ）はＰＮＰＮ素子に逆方向電圧を印加した
ときのバンド構造を示すものであシ、電圧は主に接合Ｊ
１に印加され空乏層はＮ層内に広がっている。

この空乏層領域をＪ＋１で示す。ここで、ＬＥＤ２４は
通常駆動特性を向上させるため空乏層領域Ｊ１．に集中
的に光を照射する構造になっているものの同時に空乏層
領域’ｌ、にも光が照射される。空乏層領域Ｊ１．に光
が照射されると、ここには電子、正孔対が発生し、印加
電圧によって矢印の方向に進み逆方向の光もれ電流にな
る。これをＩＬで示す。

第１５図は、このような従来の光結合形ＰＮＰＮ素子を
用いたブリッジ接続形通話路スイッチ回路を示すもので
ある。スイッチ回路、を動作させる場合。

４つのｐｙｐｙ　索子には共に光を照射することになる
が、逆方向に電圧が印加されたＰＮＰＮ素子５５゜５６
には前記逆方向光もれ電流ＩＬが流れる。第１４図は第
１３図の等何回路を示すものである。前記逆方向光もれ
電流は２ＩＬの定電流パスで表わすことができる。これ
は、本来電話機２０に流れるべき電流が減少することを
意味するので、カーボン送話器の出力は低下し通話損失
と力る。この損失量は、（３）式よシ２ＩＬ＝１ｍＡ当
シ０．５　ｄＢ　＆度である。

従って、２ＩＬが約１．４＋ａＡ以上の場合、このもれ
電流に起因する通話損失は約０．４２　ｄＢ以上になシ
、第５図の回路の通話損失を上回ってしまう。従って、
第７図の回路が有効であるためには逆方向光もれ電流Ｉ
Ｌが少ないＰＮＰＮ素子を使用することがポイントにな
る。従来の素子構造で逆方向光もれ電流ＩＬを下げるた
めには、抵抗ＲＧＫを大きくし、ＰＮＰＮ素子の光感度
を上げ、少量の照射光で駆動するようにすればよい。し
かし、抵抗Ｒ，Ｋを大きくすることはｄγｄｔ耐量を下
げることを意味する。

電話端末用通話路スイッチでは雷サージ尋の立上り酸度
が大きい過電圧でスイッチが誤動作しないためにｄ′／
ｄｔ耐量が高いＰＮＰＮ素子が要求される。

一般には、１５０Ｖ程度の電圧で測定し、少なくとも２
００Ｖ／μｌｅｅ以上の’７ｄｔ耐量が必要と考えられ
る。従って、抵抗Ｒｏｔを大きくし、ＰＮＰＮ素子の光
感度を上は駆動電流を下げることによってＩＬを下ける
ととは不可能である。、従来のｐｘｐｙ索子では、前記
のｄｖ／／ｌｔ　耐量を保持させようとした場合、ＩＬ
は０．８〜１．２鴇Ａ程度となる。すなわち、２ＩＬ〉
１．４ｍＡとなる。従って、従来の光駆動形ＰＮＰＮ素
子を使用した第７図の回路によって、通話損失に関する
第６図の回路の欠点を補なうことは不可能であった。。

本発明はこのような従来の欠点を改善したものであり、
その目的は、陽極と陰極との間に逆方向に電圧を印加し
たときにその電圧が印加される接合にＰＮＰＮ　７１子
駆動用発光源からの光を照射しないような対策を施した
新しい素子構造の光駆動形ＰＮＰＮ素子を用い、これを
ブリッジ接続することによって、’７ｔＬｔ　耐量を損
うことなく、逆方向もれ電流に起因する通話損失を少な
くした光結合形ＰＮＰＮ通話路スイッチ回路を提供する
ことにある。

以下実施例について詳細に説明する。

第１５図は、本発明を構成するためのｐｐｉｐｙスイッ
チ素子の一実施例であシ、前記接合Ｊ、に光を照射しな
いために遮光膜３５を使用したものである。

この素子構造では、陽極Ａと陰極Ｉに逆方向に電圧を印
加した際主に電圧が印加される接合は接合Ｊ、のみなの
で、遮光膜５５は接合１ｍのみを榎い、接合１３への光
照射を妨けないことが大切である。

第１６図は、第１５図の構造をラテラル形ＰＮＰＮ素子
に適用した場合の実施例を示す素子断面図であシ、第９
図と同一符号は同一部分を示し、６６は電極兼透光膜で
ある。同図において電極兼遮光膜３６は１．ｔｆｌ叫か
ら成シ、空乏層領域／１７を完全に徨うように大きくす
ることによって電極と遮光膜の機能を同時に実現したも
のである。２チラル形では、同図のように空乏層領域Ｊ
、とＪ■とは別々に照射されるので空乏層領域Ｊ１．を
完全に嶺ったとしても空乏層領域Ｊ２５の照射される面
積が減ることはなく、ＰＮＰＮ素子の駆動特性が劣化す
ることは少ない。実験によると、この素子構造によって
、第９図の場合に比べ駆動特性をはとんど劣化させるこ
となく、逆方向光もれ電流ＩＬを７０％以上も減少させ
ることができた。

第１７図は、本発明に用いるＰＮＰＮ素子の他の構成例
で、遮光膜としてｔ極以外の膜を用いた場合である。即
ち、図では、Ｎ形シリコン層２５の上を５ｉＯ１膜勢の
透明性絶縁膜２６で覆い、さらに、その上を遮光性膜５
０で覆ったものである。電極２７と遮光性膜５０が遮光
の働きをするものである。

遮光性膜５０としては塗料などを適用できる。

第１８図は、パーティカル形ＰＮＰＮ素子に第１５図の
構造を適用した実施例を示す素子断面図であシ、第１０
図と同一符号は同一部分を示す。本実施例は、Ｎ形シリ
コン層２５とＰ＋拡散層２９の接合Ｊ、のみを電極兼遮
光膜６６で徨った例である。パーティカル形では接合１
ｍが接合Ｊ、の下側にも広がっているため、接合Ｊ、を
照射する光によって、その下側にあるＮ形シリコン層２
５とＰ形シリコン層２８の接合Ｊ１も照射されることも
あシ゛、逆方向光もれ電流ＩＬを減少させることは２チ
ラル形に比べ不利である。しかし、照射光の波長を適当
に選び、またＮ形シリコく層２５の層の厚さを制御する
ことなどによって、光を空乏層領域Ｊ、ｓの深さの領域
で全て吸収させてしまい、Ｎ形シリコン層２５とＰ形シ
リコン層２８の接合まで達しないように設計すれば、前
記のようにＮ形シリコン層２５とＰ＋拡散層２９の接合
Ｊ、のみを遮光膜で覆った場合でも効果は十分現われる
。

第１９図は、遮光のためにＰＮＰＮ素子を収納するパッ
ケージに工夫を嵐した場合の例を示し、６７は／＜７ケ
ージ、５８は遮光板、３９はＬＥＤである。

本例では、遮光板３８が接合Ｊ、への光を遮断する。

第２０図は、遮光板を使用する他のＰＮＰＮ５Ｉｃ子の
実施例である。同図において、５１は遮光板で、斜線の
部分が遮光性、他の部分が透明になっておシ、接合Ｊ１
への光照射のみを阻止するものである。

また遮光板５１は絶縁性の材質で構成することによって
ＬＥＤ　３９とＰＮＰＮ素子との耐圧を向上させる役割
を持たせるとともできる。同、５２は、ＬＥＤ５９の位
置を固定する透明な保持板である。

第２１図は、逆方向光もれ電流抑制対策を施したＰＮＰ
Ｎ素子の更に別の例を表わす図であり、ＬＥＤ５３の発
光に鋭い指向性を持たせて、光が接合Ｊ。

を集中的に照射する一方、接合４には照射しないように
したものである。閘、４０は光の強度分布である。ＬＥ
Ｄに指向性を持たせることは、発光面をレンズ化するこ
とによって容易に可能である。

以上のような対策をとることによって、ＰＮＰＮ素子は
光駆動特性を変えることなく、即ち抵抗Ｒ，、を大きく
してｄｌｙｔｉｔ　耐量を低下させることなく逆方向光
もれ電流のみを少なくすることができる。

第２２図はそのようにして逆方向もれ電流を抑制したＰ
　ＮＰＮ素子を用いて構成された本発明の光のように、
本発明は、それぞれ駆動用発光源２４と光学的に結合さ
れた４個の光駆動形ＰＮＰＮスイッチ素子を用いて整流
機能を有するブリッジを構成し、このブリッジの入力端
子に電話回線を接続し、その出力端子に電話機回路を接
続した光結合形ＰＮＰＮ通話路スイッチ回路において、
前記光駆動形ＰＮＰＮスイッチ素子として、陽極と陰極
との間に逆方向に電圧を印加したときにその電圧が印加
される接合へＰＮＰＮ素子駆動用発光源２４からの光照
射が抑制されるような対策を施したものを使用し■−も
のである。

第２５図は第２２図の一回線分の等価回路である。

逆方向もれ電流を抑制しておるので、スイッチの通話損
失は第１図の回路において電話機９に第２図示のものを
用いた回路と同等になシ、従来、通゛話路スイッチの電
子化に伴って問題となっていた通話損失の増大は本発明
によって解決できるものとなる。

以上説明したように本発明の通話路スイッチ回路は通話
損失が極めて少ないので、このスイッチを電子化ボタン
電話機や電子化ＰＢＸの通話路切替に適用した場合には
通話品質が良い装置が実現できる。また、このスイッチ
は集積化することにより小型化、経済化を図ることも可
能である。

図、第２図は押ボタンダイヤル式電話機の要部回路構成
図、第３図はＰＮＰＮ　３ｉ子を使用した従来の通話路
スイッチ回路の構成図、第４図は第３図における１通話
分の回路図、第５図は電話回線の直流等価回路、第６図
は通話路スイッチの交流等価回路、第７図は従来の光駆
動形ＰＮＰＮ素子を使用したブリッジ接続形通話路スイ
ッチの構成図、第８図はその１通話分の回路図、第９図
は従来９−）チラル形ＰＮＰＮ素子の断面構造図、第１
０図はバーチイカ・ル形ＰＮＰＮ素子の断面構造図、第
１１図は第９図及び第１０図を簡略化した図、第１２図
はＰＮＰＮ素子のバンド構造図、第１３図は従来の通話
路スイッチ回路の動作説明図、第１４図は第１３図示回
路の等価回路図、第１５図〜第２１図は本発明で用いる
光駆動形ＰＮＰＮ素子のそれぞれ異なる実施例を示す図
、第２２図は本発明の通話路スイッチ回路の実施例を表
わす回路図、第２３図はその等価回路図である。

１〜４は電話線、５，６は電話回線、２ｏは電話機、２
４はＬＥＤ、４１は光駆動形ＰＮＰＮ素子である。

特許出願人　日本電信電話公社 代理人　弁理士　玉蟲久五部　外３名 第１日 第２■ 第３図 第　　４１ｉ２１ １！Ｉ−ｔ １５　　図 １１１４１１　　４１−　　＊　　ｊｌ　　　＝”ＪＯ
Ａ””第６８ 第７■ ！　　１０　　図 第１１図 越 （ｂ＞　　　。

第１３１！１ 第１４図 第　１５　　図 嘔 第１６図 第　１７　　日 第１８図 第　２０　　図 ｗＪ２１　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. それぞれ駆動用発光源と光学的に結合された光結合形Ｐ
   ＮＰＮス、イツチ素子を４個使用して整流機能を有する
   ブリッジを揖成し該ブリッジの入力端子に電話回線を接
   続しその出力端子に電話機回路を接続した光結合形ＰＮ
   ＰＮ通話路スイッチ回路において、前記光結合形ＰＮＰ
   Ｎスイッチ素子の陽極と陰極間に逆方向電圧を印加した
   ときに電圧が印加される接合への前記駆動発光源の光照
   射が抑制される栴造を有していることを特徴とする光結
   合形ＰＮＰＮ通話路スイッチ回路。