特開 2024-67230 フォトカプラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024067230

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】フォトカプラ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/12 20060101AFI20240510BHJP

   G02B 6/43 20060101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

H01L31/12 E

G02B6/43

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022177140

(22)【出願日】2022-11-04

(71)【出願人】

【識別番号】390005049

【氏名又は名称】ヒロセ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(74)【代理人】

【識別番号】100168871

【弁理士】

【氏名又は名称】岩上 健

(72)【発明者】

【氏名】佐野 義昭

【テーマコード（参考）】

2H137

5F889

【Ｆターム（参考）】

2H137AA11

2H137AB05

2H137AB06

2H137AB11

2H137AC04

2H137BA01

2H137BA31

2H137BA33

2H137BB03

2H137BB12

2H137BB23

2H137BC55

2H137CC01

2H137DA02

2H137DA34

2H137HA00

5F889AB01

5F889AC11

5F889AC13

5F889AC21

5F889EA04

5F889GA01

(57)【要約】

【課題】信号の伝送速度の高速化や良好な絶縁耐圧を、単純な構造且つ低コストで実現可能なフォトカプラを提供する。
【解決手段】フォトカプラ１は、半導体レーザ８と、半導体レーザから出力された光を受光する受光素子１２と、半導体レーザから出力された光を受光素子へ伝送する光伝送路と、半導体レーザが実装される第１リードフレーム６ａと、受光素子が実装される第２リードフレーム６ｂであって、第１リードフレームと絶縁された第２リードフレームと、半導体レーザ及び受光素子を封止する樹脂部材１６であって、半導体レーザから出力された光を光伝送路に向けて反射する第１プリズム２０と、光伝送路を通過した光を受光素子に向けて反射する第２プリズム２２と、を有する樹脂部材と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザと、
前記半導体レーザから出力された光を受光する受光素子と、
前記半導体レーザから出力された光を前記受光素子へ伝送する光伝送路と、
前記半導体レーザが実装される第１リードフレームと、
前記受光素子が実装される第２リードフレームであって、前記第１リードフレームと絶縁された前記第２リードフレームと、
前記半導体レーザ及び前記受光素子を封止する樹脂部材であって、前記半導体レーザから出力された光を前記光伝送路に向けて反射する第１プリズムと、前記光伝送路を通過した光を前記受光素子に向けて反射する第２プリズムと、を有する前記樹脂部材と、
を備えるフォトカプラ。

【請求項2】

前記光伝送路は、前記樹脂部材と一体成型された光導波路、又は、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間に配置された光ファイバである、
請求項１に記載のフォトカプラ。

【請求項3】

前記半導体レーザは、前記第１リードフレームへの実装面とは反対側の発光面から光を出力する、請求項１又は２に記載のフォトカプラ。

【請求項4】

前記受光素子は、前記第２リードフレームへの実装面とは反対側の受光面において光を受光する、請求項３に記載のフォトカプラ。

【請求項5】

前記第１リードフレームと前記第２リードフレームとは、前記半導体レーザの実装面と前記受光素子の実装面とが同一平面内に位置するように配置される、
請求項４に記載のフォトカプラ。

【請求項6】

さらに、前記第１リードフレームに実装され、入力された電気信号に応じて前記半導体レーザを駆動する駆動回路を備える、請求項１又は２に記載のフォトカプラ。

【請求項7】

さらに、前記第２リードフレームに実装され、前記受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路を備える、請求項６に記載のフォトカプラ。

【請求項8】

前記駆動回路に入力される電気信号及び前記増幅回路から出力される電気信号は、差動電圧信号である、請求項７に記載のフォトカプラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入力された電気信号を内部において光信号に変換し、その光信号を電気信号に再変換して出力するためのフォトカプラに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、入力された電気信号を内部において光信号に変換し、その光信号を電気信号に再変換して出力するためのフォトカプラが使用されている（例えば、特許文献１参照）。フォトカプラにより、信号の入力側と出力側とを電気的に絶縁しながら、信号を伝達することができる。また、フォトカプラにおける発光素子と受光素子との相対的な位置精度を向上させるため、発光素子と受光素子とを同一の基板上に配置した光モジュールも提案されている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１０２９７９号公報

【特許文献2】特開２０１７－１０７０５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記の特許文献１に記載されているような従来のフォトカプラでは、半導体レーザと比較して応答性に劣るＬＥＤが発光素子として用いられているため、信号の高速化に対応することが難しい。また、発光素子と受光素子とが向かい合うように配置されているため、発光素子及び受光素子が接続された端子間の距離が近く、高い絶縁耐圧を得ることが難しい。また、上記の特許文献２に記載されているような光モジュールでは、光導波路を設置するための凹部を基板上に形成し、光導波路のコアやクラッド、反射膜等をその上に配置しなければならず、構造の複雑化やコスト増大を招く。

【0005】

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、信号の伝送速度の高速化や良好な絶縁耐圧を、単純な構造且つ低コストで実現可能なフォトカプラを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の１つの実施形態に係るフォトカプラは、半導体レーザと、半導体レーザから出力された光を受光する受光素子と、半導体レーザから出力された光を受光素子へ伝送する光伝送路と、半導体レーザが実装される第１リードフレームと、受光素子が実装される第２リードフレームであって、第１リードフレームと絶縁された第２リードフレームと、半導体レーザ及び受光素子を封止する樹脂部材であって、半導体レーザから出力された光を光伝送路に向けて反射する第１プリズムと、光伝送路を通過した光を受光素子に向けて反射する第２プリズムと、を有する樹脂部材と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、フォトカプラにおける信号の伝送速度の高速化や良好な絶縁耐圧を、単純な構造且つ低コストで実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係るフォトカプラの斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係るフォトカプラの側断面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るフォトカプラの半導体レーザ及び受光素子が実装されたリードフレームの斜視図である。

【図4】本発明の実施形態の変形例に係るフォトカプラの側断面図である。

【図5】本発明の実施形態の変形例に係るフォトカプラの斜視図である。

【図6】本発明の実施形態の変形例に係るフォトカプラの側断面図である。

【図7】本発明の実施形態の変形例に係るフォトカプラの斜視図である。

【図8】本発明の実施形態の変形例に係るフォトカプラの側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、実施形態を説明するための全ての図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、各実施形態（変形例も含む）は、独立して説明されているが、互いの構成要素を組み合わせて、フォトカプラを構成することを排除するものではない。

【0010】

［フォトカプラの構成］
まず、図１乃至図３を参照して、本発明の一実施形態に係るフォトカプラの構成について、具体的に説明する。図１は、本実施形態に係るフォトカプラの斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係るフォトカプラの側断面図である。図３は、本発明の実施形態に係るフォトカプラの半導体レーザ及び受光素子が実装されたリードフレームの斜視図である。各図において、フォトカプラの長手方向（長さ方向）を「Ｘ」と表記し、フォトカプラの短手方向（幅方向又は左右方向）を「Ｙ」と表記し、フォトカプラの高さ方向（又は上下方向）を「Ｚ」と表記している。

【0011】

本実施形態のフォトカプラは、外部から入力された電気信号を内部において光信号に変換し、その光信号を電気信号に再変換して外部に出力する。図１に示すように、フォトカプラ１は、プリント基板に実装されるリード２と、信号の光電気変換を行うための素子等を収容するパッケージ４とを有する。リード２は、プリント基板への実装方式に応じて任意の形状とすることができるが、本実施形態では、表面実装用にリード２がガルウィング状に形成されている。パッケージ４は、例えば遮光性を有する樹脂により形成され、パッケージ４の内外の光の通過を遮断するようになっている。

【0012】

図２及び図３に示すように、リード２はパッケージ４の内部においてリードフレーム６を形成している。リードフレーム６は、電気信号の入力側のリード２から延びる第１リードフレーム６ａと、電気信号の出力側のリード２から延びる第２リードフレーム６ｂとを含む。これらの第１リードフレーム６ａと第２リードフレーム６ｂとは、互いに接触しないように離間して配置され、電気的に絶縁されている。

【0013】

第１リードフレーム６ａには、半導体レーザ８と、半導体レーザ８を駆動する駆動回路を含む駆動デバイス１０とが実装されている。本実施形態の半導体レーザ８は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、第１リードフレーム６ａへの実装面とは反対側の発光面（図２における下面）から垂直にレーザビームを出力する。駆動デバイス１０は、例えば、ＶＣＳＥＬドライバを含み、入力側のリード２を介して入力される差動電圧信号に応じて、半導体レーザ８を駆動するように構成されている。

【0014】

第２リードフレーム６ｂには、受光素子１２と、受光素子１２から出力された電気信号を増幅する増幅回路を含む増幅デバイス１４とが実装されている。本実施形態の受光素子１２は、フォトダイオードであり、第２リードフレーム６ｂへの実装面とは反対側の受光面（図２における下面）において光を受光する。増幅デバイス１４は、例えば、トランスインピーダンスアンプ／リミッティングアンプ（ＴＩＡ／ＬＡ）を含み、受光素子１２から出力された電気信号を増幅して、出力側のリード２を介して差動電圧信号を出力するように構成されている。

【0015】

第１リードフレーム６ａと第２リードフレーム６ｂとは、半導体レーザ８の実装面と受光素子１２の実装面とが同一平面内に位置し、半導体レーザ８と受光素子１２とがフォトカプラ１の長手方向Ｘに沿って整列するように配置される。

【0016】

また、図２に示すように、パッケージ４の内部において、第１リードフレーム６ａに実装された半導体レーザ８及び駆動デバイス１０と、第２リードフレーム６ｂに実装された受光素子１２及び増幅デバイス１４とは、一体の樹脂部材１６により封止されている。

【0017】

樹脂部材１６は、各種電子部品を実装した第１リードフレーム６ａ及び第２リードフレーム６ｂを金型のキャビティ内の所定位置に配置した後、溶融樹脂をキャビティに充填し硬化させることによって形成される。樹脂部材１６の材料としては、光透過性の高い樹脂、例えばエポキシ樹脂などの硬化性樹脂が用いられる。また、樹脂部材１６の成形方式としては、例えばトランスファー成形を利用することができる。

【0018】

樹脂部材１６には、半導体レーザ８から出力された光を受光素子１２へ伝送する光伝送路として、光導波路１８のコア１８ａが形成されると共に、半導体レーザ８から出力された光を光導波路１８に向けて反射する第１プリズム２０と、光導波路１８を通過した光を受光素子１２に向けて反射する第２プリズム２２とが、光導波路１８のコア１８ａと一体に形成されている。

【0019】

第１プリズム２０は、半導体レーザ８の発光面からレーザビームが射出される光軸上に配置され、入射した光を受光素子１２に向かう方向（長手方向Ｘ）に反射するように形成されている。図２の例では、第１プリズム２０は半導体レーザ８の発光面の下方に位置し、受光素子１２の方向に向かって約４５度傾斜している。第１プリズム２０の反射面２０ａは、平面でもよく、半導体レーザ８からの入射光を集束させる集光面（凹面）に形成してもよい。

【0020】

第２プリズム２２は、光導波路１８の光軸上に配置され、光導波路１８から入射した光を受光素子１２の受光面に向かう方向に反射するように形成されている。図２の例では、第２プリズム２２は受光素子１２の受光面の下方に位置し、半導体レーザ８の方向に向かって約４５度傾斜している。第２プリズム２２の反射面２２ａは、平面でもよく、光導波路１８からの入射光を集束させる集光面（凹面）に形成してもよい。

【0021】

光導波路１８のコア１８ａは、第１プリズム２０と第２プリズム２２との間を、フォトカプラ１の長手方向Ｘに沿って延びるように形成される。図２の例では、光導波路１８のコア１８ａは、第１プリズム２０と第２プリズム２２との間を左右に延びるように形成されている。また、受光素子１２の受光面に入射する光の損失を低減し、受光素子１２から十分な出力電流を得られるようにするため、光導波路１８を通過して第２プリズム２２に入射する光の径が受光素子１２の受光面より小さくなるように、光導波路１８のコア径が設定される。なお、光導波路１８のコア１８ａを囲む空間が、光導波路１８のクラッド１８ｂを形成している。このように光伝送路を設けることにより、信号の伝送距離（即ち第１リードフレーム６ａと第２リードフレーム６ｂとの距離）を自由に伸ばすことができるので、所望の絶縁耐圧に応じた伝送距離の設定が可能になる。

【0022】

上記のように構成された本実施形態のフォトカプラ１において、入力側のリード２から第１リードフレーム６ａを介して駆動デバイス１０に電気信号が入力されると、その電気信号に応じて駆動デバイス１０が半導体レーザ８を駆動し、電気信号から変換された光信号のレーザビームが半導体レーザ８の発光面から垂直に射出される。射出された光信号は、第１プリズム２０に入射し、第１プリズム２０の反射面２０ａで反射されて光導波路１８の光軸方向に向きを変え、光導波路１８のコア１８ａに入る。さらに、光導波路１８のコア１８ａを通過した光信号は、第２プリズム２２に入射し、第２プリズム２２の反射面２２ａで反射されて受光素子１２の受光面の方向に向きを変え、受光面に入射する。受光素子１２は、入射した光信号に応じた電気信号を増幅デバイス１４に出力する。増幅デバイス１４は、受光素子１２から出力された電気信号を増幅し、第２リードフレーム６ｂを介して出力側のリード２から電気信号を出力する。

【0023】

［変形例］
次に、図４乃至図８を参照して、本実施形態の変形例について説明する。図４は、本実施形態の第１の変形例に係るフォトカプラ１の側断面図である。図５は、本実施形態の第２の変形例に係るフォトカプラ１の斜視図である。図６は、本実施形態の第２の変形例に係るフォトカプラ１の側断面図である。図７は、本実施形態の第３の変形例に係るフォトカプラ１の斜視図である。図８は、本実施形態の第３の変形例に係るフォトカプラ１の側断面図である。

【0024】

上記の実施形態では、光伝送路として、光導波路１８のコア１８ａが第１プリズム２０及び第２プリズム２２と一体に樹脂部材１６に形成されていると説明したが、樹脂部材１６とは別の部材により光伝送路を設けることもできる。例えば、図４の第１の変形例に示すように、光伝送路として光ファイバ２４を設けることができる。光ファイバ２４は、第１プリズム２０と第２プリズム２２との間を、フォトカプラ１の長手方向Ｘに沿って延びるように配置される。図４の例では、光ファイバ２４は、第１プリズム２０と第２プリズム２２との間を左右に延びるように配置されている。この第１の変形例において、光信号のレーザビームが半導体レーザ８の発光面から垂直に射出されると、射出された光信号は、第１プリズム２０に入射し、第１プリズム２０の反射面２０ａで反射されて光ファイバ２４の光軸方向に向きを変え、光ファイバ２４のコアに入る。さらに、光ファイバ２４のコアを通過した光信号は、第２プリズム２２に入射し、第２プリズム２２の反射面２２ａで反射されて受光素子１２の受光面の方向に向きを変え、受光面に入射する。光伝送路として光ファイバ２４を用いる場合、上記の実施形態のように光導波路１８を樹脂部材１６に一体に形成したときのコア径よりも光ファイバ２４のコア径を小さくすることができる。これにより、光ファイバ２４を通過した後に第２のプリズムを介して受光素子１２の受光面に入射する光の径を、より容易に受光面よりも小さくすることができ、受光素子１２の受光面に入射する光の損失を低減することができる。

【0025】

また、上記の実施形態では、パッケージ４の外側に突出したリード２がガルウィング状に形成され、フォトカプラ１がプリント基板に表面実装される例を説明したが、図５及び図６の第２の変形例に示すように、プリント基板上に配置されたソケット２６にフォトカプラ１をはめ込むことにより、フォトカプラ１が実装されるように構成することもできる。この第２の変形例では、図６に示すように、ソケット２６が電気信号の入力側の電極２８と出力側の電極２８とを備えている。フォトカプラ１のリード２の端部は、パッケージ４の側面に沿うように折り曲げられており、フォトカプラ１がソケット２６にはめ込まれたときにソケット２６の電極２８に圧接される電極パッド３０を形成する。

【0026】

また、上記の第２の変形例では、フォトカプラ１は、１枚のプリント基板上に配置されたソケット２６にはめ込まれることにより実装されるが、図７及び図８の第３の変形例に示すように、対向する２枚のプリント基板（例えば主基板３２と拡張基板３４（メザニン））の一方に配置された、入力側の電極２８を備えた入力側ソケット３６と、他方に配置された出力側の電極２８を備えた出力側ソケット３８とのそれぞれにはめ込まれることにより実装されるようにしてもよい。この第３の変形例では、図８に示すように、フォトカプラ１のリード２の端部は、パッケージ４の底面（図８においては下側の面）に沿うように折り曲げられており、フォトカプラ１が入力側ソケット３６と出力側ソケット３８のそれぞれにはめ込まれたときに、各ソケット３６、３８の電極２８に圧接される電極パッド３０を形成している。上記のとおり、フォトカプラ１の入力側のリード２と出力側のリード２とは電気的に絶縁されているので、入力側ソケット３６が配置された基板と出力側ソケット３８が配置された基板とが電気的に絶縁された状態で、フォトカプラ１により両基板の間で信号を伝送することができる。

【0027】

［作用及び効果］
次に、上述した本実施形態及び変形例に係るフォトカプラ１の作用及び効果について説明する。

【0028】

本実施形態に係るフォトカプラ１は、半導体レーザ８と、半導体レーザ８から出力された光を受光する受光素子１２と、半導体レーザ８から出力された光を受光素子１２へ伝送する光伝送路と、半導体レーザ８が実装される第１リードフレーム６ａと、受光素子１２が実装される第２リードフレーム６ｂであって、第１リードフレーム６ａと絶縁された第２リードフレーム６ｂと、半導体レーザ８及び受光素子１２を封止する樹脂部材１６であって、半導体レーザ８から出力された光を光伝送路に向けて反射する第１プリズム２０と、光伝送路を通過した光を受光素子１２に向けて反射する第２プリズム２２と、を有する樹脂部材１６と、を備える。

【0029】

このような本実施形態に係るフォトカプラ１によれば、半導体レーザ８及び受光素子１２を封止する樹脂部材１６が、半導体レーザ８から出力された光を光伝送路に向けて反射する第１プリズム２０と、光伝送路を通過した光を受光素子１２に向けて反射する第２プリズム２２とを有するので、半導体レーザ８及び受光素子１２の樹脂による封止と同時に第１プリズム２０及び第２プリズム２２を形成することができる。これにより、半導体レーザ８から受光素子１２へ光信号を伝送するための構造を、単純な構造及び少ない製造工程で実現することができ、フォトカプラ１における信号の伝送速度の高速化や良好な絶縁耐圧を、単純な構造且つ低コストで実現することができる。

【0030】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、光伝送路は、樹脂部材１６と一体成型された光導波路１８、又は、第１プリズム２０と第２プリズム２２との間に配置された光ファイバ２４である。したがって、光導波路１８を樹脂部材１６と一体成型することにより更なる構造の単純化・低コスト化を実現することができ、あるいは、光ファイバ２４を用いて光伝送路を構成することにより、光ファイバ２４を通過した後に第２のプリズムを介して受光素子１２の受光面に入射する光の径を容易に受光面よりも小さくすることができ、受光素子１２の受光面に入射する光の損失を低減することができる。

【0031】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、半導体レーザ８は、第１リードフレーム６ａへの実装面とは反対側の発光面から光を出力する。したがって、第１リードフレーム６ａに光を通過させる構造を設ける必要がなく、更なる構造の単純化・低コスト化を実現することができる。

【0032】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、受光素子１２は、第２リードフレーム６ｂへの実装面とは反対側の受光面において光を受光する。したがって、第２リードフレーム６ｂに光を通過させる構造を設ける必要がなく、更なる構造の単純化・低コスト化を実現することができる。

【0033】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、第１リードフレーム６ａと第２リードフレーム６ｂとは、半導体レーザ８の実装面と受光素子１２の実装面とが同一平面内に位置するように配置される。これにより、半導体レーザ８及び受光素子１２の高さ方向の位置を合わせて、光伝送路を直線的に形成することができ、光伝送路における損失を低減することができると共に、フォトカプラ１のパッケージ４の厚さを抑えることができる。

【0034】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、さらに、第１リードフレーム６ａに実装され、入力された電気信号に応じて半導体レーザ８を駆動する駆動回路を備える。これにより、駆動回路を内蔵した利便性・汎用性の高いフォトカプラ１を提供することができる。

【0035】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、さらに、第２リードフレーム６ｂに実装され、受光素子１２から出力された電気信号を増幅する増幅回路を備える。これにより、増幅回路を内蔵した利便性・汎用性の高いフォトカプラ１を提供することができる。

【0036】

また、本実施形態に係るフォトカプラ１では、駆動回路に入力される電気信号及び増幅回路から出力される電気信号は、差動電圧信号である。したがって、外来ノイズに強く信号の伝送速度の高速化が可能なフォトカプラ１を提供することができる。

【0037】

なお、本発明の個々の実施形態は、独立したものではなく、それぞれ組み合わせて適宜実施することができる。また、上述した実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、種々の形態で実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明に係るフォトカプラは、例えば、信号伝送等の用途に利用することができる。

【符号の説明】

【0039】

１ フォトカプラ
２ リード
４ パッケージ
６ リードフレーム
６ａ 第１リードフレーム
６ｂ 第２リードフレーム
８ 半導体レーザ
１０ 駆動デバイス
１２ 受光素子
１４ 増幅デバイス
１６ 樹脂部材
１８ 光導波路
１８ａ コア
１８ｂ クラッド
２０ 第１プリズム
２０ａ 反射面
２２ 第２プリズム
２２ａ 反射面
２４ 光ファイバ
２６ ソケット
２８ 電極
３０ 電極パッド
３２ 主基板
３４ 拡張基板（メザニン）
３６ 入力側ソケット
３８ 出力側ソケット
Ｘ 長手方向又は長さ方向
Ｙ 短手方向、幅方向又は左右方向
Ｚ 高さ方向又は上下方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】