(57)【要約】【課題】光結合装置の高寿命化、及び小型化を実現可能な光結合装置、及び電子機器を提供する。【解決手段】本発明に係る光結合装置５０は、発光素子（ＬＥＤ）１，２と受光素子（フォトダイオード）３により信号を伝達する光結合装置であって、受光素子３が受光する光信号は、第１の発光素子１と、当該第１の発光素子１よりも応答速度が遅い第２の発光素子２から発光された合成光とし、第１の発光素子１は、合成光のうちの立ち上がり光を提供し、第２の発光素子２は、合成光のうち、立ち上がり光に対して追従するように連続的に、かつ入力信号に応じて継続的な光を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と受光素子により信号を伝達する光結合装置において、
前記受光素子が受光する光信号は、第１の発光素子と、当該第１の発光素子よりも応答速度が遅い第２の発光素子から発光された合成光とし、
前記第１の発光素子は、前記合成光のうちの立ち上がり光を提供し、
前記第２の発光素子は、前記合成光のうち、前記立ち上がり光に対して追従するように連続的に、かつ入力信号に応じて継続的な光を提供する光結合装置。
【請求項２】
前記受光素子は、前記合成光を一の受光面にて受光するものであることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項３】
前記第１の発光素子と前記第２の発光素子を駆動する発光素子駆動回路は、前記第１の発光素子に短い幅の電気信号パルスを送信し、前記第２の発光素子に、前記入力信号から導かれる電気信号パルスを送信することを特徴とする請求項１又は２に記載の光結合装置。
【請求項４】
前記第１の発光素子の発光層は、ＡｌＧａＡｓ系材料であり、
前記第２の発光素子の発光層は、ＧａＡｓ系材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光結合装置。
【請求項５】
前記第１の発光素子と前記第２の発光素子に入力する電気信号パルスは、同期させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光結合装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光結合装置を用いて信号伝達を行う電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合装置に関する。また、前記光結合装置を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光結合装置であるフォトカプラは、パッケージ内で電気を絶縁する仕組みをもつ電子部品であり、電源システムや高速通信システムなどの高速信号伝達に多用されている。
【０００３】
図３に、従来例に係る光結合装置の機能ブロック図を示す。光結合装置１００の入力側には、発光素子であるＬＥＤ１０１が設けられている。光結合装置１００の出力側には、受光素子であるフォトダイオード１０２、増幅回路１１１、１１２、抵抗１１３が設けられている。
【０００４】
発光素子１０１は、入力信号Ｓに伴って駆動する。ＬＤＥ１０１から発する光は、フォトダイオード１０２によって受信される。そして、受信された信号は、増幅回路１１１，１１２によって増幅される。出力端子ｃへの信号伝達は、発光素子１０１の発光の有無によりＨｉｇｈ若しくはＬｏｗが出力されることで行われる。
【０００５】
図４に、特許文献１に開示された光結合装置の機能ブロック図を示す。光結合装置２００の入力側には、パルス発生回路２１１、遅延回路２１２、発光素子駆動回路２１３、２個の発光素子であるＬＥＤ２０１，２０２が配設されている。一方、光結合装置２００の出力側には、２個の受光素子であるフォトダイオード２０３，２０４、演算回路２１４、パルス発生回路２１５が配設されている。
【０００６】
入力信号ｓ１は、発光素子駆動回路２１３に入力されるとともに、遅延回路２１２に入力され、さらにクロックパルス信号を発生するパルス発生回路２１１に入力されている。パルス発生回路２１１は、入力信号ｓ１と同期した高速のクロックパルス信号ｓ２を発生し、これを発光素子駆動回路２１３に入力する。遅延回路２１２は、入力信号ｓ１を、前記クロックパルス信号ｓ２の１／２パルス分の遅延を行った後、発光素子駆動回路２１３に入力する。発光素子駆動回路２１３は、これらの入力信号に基づき、２個の発光素子２０１，２０２のタイミングを異ならせて発光させている。
【０００７】
一方、演算回路２１４では、２個の発光素子２０１，２０２による信号と同期をとりながら、２個の受光素子２０３，２０４で交互に信号を受信することにより、この２個の受光素子２０３，２０４を対として信号を転送するようになっている。光結合装置２００は、このように１パッケージ内に発光素子と受光素子の対を２組作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−７３６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光結合装置においては、発光素子の積算発光時間の増加に伴う経時劣化によって、回路動作上必要とされる最低限の電流が供給できなくなる。すなわち、出力端子ｃから信号が伝達されなくなってしまう。
【００１０】
上記特許文献１においては、２個の発光素子を交互に利用することにより、図３の光結合装置に比して、発光素子の早期劣化を抑制することができる。しかしながら、昨今の小型化のニーズに伴って、上記特許文献１よりも小型化を実現可能な光結合装置が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光結合装置は、発光素子と受光素子により信号を伝達する光結合装置であって、前記受光素子が受光する光信号は、第１の発光素子と、当該第１の発光素子よりも応答速度が遅い第２の発光素子との合成光とし、前記第１の発光素子は、前記合成光のうちの立ち上がり光を提供し、前記第２の発光素子は、前記合成光のうち、前記立ち上がり光に対して追従するように連続的に、かつ入力信号に応じて継続的な光を提供するものである。
【００１２】
本発明によれば、上記第１の発光素子と、第２の発光素子とを利用することにより、各発光素子の発光時間を短縮させることができる。その結果、光結合装置の高寿命化を図ることができる。
【００１３】
上記特許文献１においては、２個の発光素子の開始と停止を異なるタイミングで行うための遅延回路を設ける必要があった。一方、本発明によれば、異なる２つの発光素子を同時に駆動させ、合成光を使用しているため、遅延回路を設ける必要がない。また、合成光を受光素子に受光させることにより、受光素子の構成を上記特許文献１に比して簡便化することができる。従って、回路構成の縮小化を図ることが可能である。
【００１４】
本発明に係る電子機器は、上記光結合装置を用いて信号伝達を行うものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光結合装置の高寿命化、及び小型化を実現可能な光結合装置、及び電子機器を提供することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る光結合装置の機能ブロック図。
【図２Ａ】実施形態に係る光結合装置の入力信号Ｓの駆動電圧波形を示すタイミングチャート図。
【図２Ｂ】実施形態に係る光結合装置のＬＥＤ１、ＬＥＤ２の電流波形を示すタイミングチャート図。
【図２Ｃ】実施形態に係る光結合装置のＬＥＤ１、ＬＥＤ２及びこれらの合成波形に対する発光波形を示すタイミングチャート図。
【図３】従来例に係る光結合装置の機能ブロック図。
【図４】特許文献１に開示された光結合装置の機能ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る光結合装置の機能ブロック図である。光結合装置５０の入力側には、同図に示すように、発光素子駆動回路１１、発光素子である第１のＬＥＤ１及び第２のＬＥＤ２を備える。一方、光結合装置５０の出力側には、受光素子であるフォトダイオード３、増幅器１２、１３、抵抗１４を搭載した受光ＩＣを具備する。
【００１９】
入力信号Ｓ１は、入力端子ａを介して発光素子駆動回路１１に入力される。発光素子駆動回路１１は、入力端子ａの他、ＧＮＤ端子ｂ、第１のＬＥＤ１及び第２のＬＥＤ２に接続されている。発光素子駆動回路１１は、入力信号Ｓ１に基づいて第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２に電気信号パルスを供給する。
【００２０】
第１のＬＥＤ１及び第２のＬＥＤ２は、入力された電気信号パルスに基づいて、それぞれ発光する。これらの光は、受光素子である共通のフォトダイオード３にて受光される。そして、受光された信号は、増幅回路１２、１３によって増幅される。出力端子ｃへの信号伝達は、第１のＬＥＤ１及び第２のＬＥＤ２からの合成光の有無によりＨｉｇｈ若しくはＬｏｗが出力されることで行われる。
【００２１】
発光素子駆動回路１１に入力された入力信号Ｓ１は、短い幅の電気信号パルスＳ２に変換され、この電気信号パルスＳ２が第１のＬＥＤ１に送信される。そして、第１のＬＥＤ１において光パルス信号Ｓ３に変換される。また、発光素子駆動回路１１に入力された入力信号Ｓ１から導かれる電気信号パルスＳ４を、第１のＬＥＤ１に入力されるタイミングに合わせて第２のＬＥＤ２に送信する。そして、第２のＬＥＤ２において光パルス信号Ｓ５に変換される。フォトダイオード３は、第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２から発光される合成光（光パルス信号Ｓ３，Ｓ５）を受光することになる。
【００２２】
第１のＬＥＤ１には、応答速度の速い高速駆動可能なものを適用する。一方、第２のＬＥＤ２は、応答速度の点において、第１のＬＥＤ１よりも遅いものを適用する。第１のＬＥＤ１は、合成光のうちの立ち上がり部分の光（以下、「立ち上がり光」と云う）を提供する。一方、第２のＬＥＤ２は、合成光のうち、立ち上がり光に追従して継続的に発光する光を提供する。
【００２３】
第１のＬＥＤ１は、例えば、発光層としてＡｌＧａＡｓを備えるものを好適に利用できる。第２のＬＥＤ２は、例えば、発光層としてＧａＡｓを備えるものを好適に利用できる。発光層としてＡｌＧａＡｓを適用すると、発光層としてＧａＡｓを適用する場合に比して、注入キャリアの再結合速度が速くなる。その結果、高速応答が可能となる。その一方で、発光層としてＡｌＧａＡｓを適用すると、Ａｌを含むことに起因して、酸化による劣化が早くなる。その結果、発光層としてＡｌＧａＡｓを適用すると、寿命が短くなってしまう。そこで、高速応答性を示す第１のＬＥＤ１の発光タイミングを、合成光のうちの立ち上がり部分のみとする。これにより、積算発光時間を大幅に抑制することが可能となる。
【００２４】
なお、第１のＬＥＤ１の発光層としてＡｌＧａＡｓを、第２のＬＥＤ２の発光層としてＧａＡｓを適用した場合には、発光波長が異なる。このため、フォトダイオードの受光面を同一とした場合には、受光感度が大なり小なり異なるものとなる。そこで、受光感度が異なることを考慮した上で、受光ＩＣを駆動させるのに十分な電流をフォトダイオードから供給できるように適宜設計する。
【００２５】
次に、図２Ａ〜図２Ｃに示すタイミングチャートを参照して本実施形態の光結合装置５０の動作を説明する。図２Ａは、入力信号Ｓ１の駆動電圧波形を示すタイミングチャート図である。図２Ｂは、上から、第１のＬＥＤ１に入力される電流波形を示すタイミングチャート図、第２のＬＥＤ２に入力される電流波形を示すタイミングチャート図である。さらに、図２Ｃは、上から順に、第１のＬＥＤ１が発光する光パルス信号波形のタイミングチャート図、第２のＬＥＤ２が発光する光パルス信号波形のタイミングチャート図、第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２の合成光波形のタイミングチャート図を示す。
【００２６】
第１のＬＥＤ１には、図２Ｂに示すように、入力信号Ｓ１の立ち上がりに合わせて急激にＯＮ動作させ、その後すぐにＯＦＦ状態とする電気信号パルスが入力される。一方、第２のＬＥＤ２は、図２Ｂに示すように、入力信号Ｓ１に対して、立ち上がり／立下り時にオーバーシュート、アンダーシュートをかけて駆動させるとともに、振幅を最小とし、動作時間の短縮を図る。第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２への入力タイミングは、発光素子駆動回路１１によって同じタイミングとする。
【００２７】
受光側は、光パルス信号Ｓ３、光パルス信号Ｓ５を1つのフォトダイオード３にて受光して電気信号に変換する。次いで、演算回路１２、１３に入力し、信号を増幅させて出力端子Ｃより出力する。
【００２８】
上記特許文献１においては、２個の発光素子を交互に発光させるための遅延回路を設けており、出力側では２個の受光素子にて発光素子を受けて信号を伝達する構成となるため、大規模回路となってしまうという問題点があった。本実施形態においては、受光素子を１つとすることができる。受光側においては、例えば、図３に示した従来と同様の構成をそのまま利用することができる。また、第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２に入力するタイミングを、遅延回路を用いて異ならせる必要がない。このため、上記特許文献１に比して、光結合装置の小型化を実現することができる。
【００２９】
なお、上記特許文献１においては、２個の発光素子から発するそれぞれの光を１つの受光素子で受光する例も開示されている。しかしながら、上記特許文献１においては、１つの受光素子において、感度の異なる受光面を２つ形成し、それぞれの受光面において、別の発光素子からの光を受光するものであった。一方、本実施形態によれば、１つの受光素子において、１つの受光面にて第１のＬＥＤ１及び第２のＬＥＤ２の合成光を受信することができるので、受光素子自体の小型化を実現することも可能である。これらの結果、回路構成の縮小化を実現し、光結合装置の小型化を図ることができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、高速応答であるが寿命が相対的に短い第１のＬＥＤ１を、立ち上がり光のみとして利用することにより、第１のＬＥＤ１の積算発光時間を大幅に抑制することができる。また、入力信号Ｓ１の立ち上がり後のカプラ動作は、低速・高信頼性の第２のＬＥＤによって行う。このため、第１のＬＥＤ１の寿命を長くし、第２のＬＥＤ２と同等程度の寿命が確保することが可能となる。
【００３１】
しかも、本実施形態によれば、伝送される光パルス信号の立ち上がり時間は、高速応答が可能な第１のＬＥＤ１の立ち上がり時間となるので、高速動作を確保することができる。従って、高速/長寿命を維持しつつ、上記特許文献１より小型化を実現することができる。
【００３２】
なお、第２のＬＥＤ２に入力させる入力電気信号パルス信号として、入力信号Ｓ１と同一幅のパルスを用いる例を説明したが、発光素子駆動回路１１により任意のパルス幅に変更させることも可能である。また、第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２の入力タイミングを同じとする例について述べたが、第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤとして利用する発光層の立ち上がり時間等に応じて、これらに入力する電気信号パルスの入力タイミングを意図的にずらすように設定することも可能である。
【００３３】
また、第２のＬＥＤ２においては、入力信号Ｓ１に対して、立ち上がり／立下り時にオーバーシュート、アンダーシュートをかけて駆動させるとともに、振幅を最小とした例について説明したが、一例であって、用途に応じて、適宜、最適な波形となるように設計することができる。さらに、本実施形態においては、１パッケージ内に２つの発光素子と１つの受光素子を設ける例について説明したが、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、２つの発光素子と１つの受光素子からなる図１の構成を２組以上有する２チャンネル以上の光結合装置としてもよい。
【００３４】
また、第１の発光素子が提供する立ち上がり光として、短い幅のパルス幅を適用する例について述べたが、一例であって、合成光に対する立ち上がり光の割合は任意に設定可能である。また、出力側の構成例は、一例であって、ニーズや用途に応じて任意に変更可能であることは言うまでもない。また、発光素子として面発光レーザなどを適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１      第１のＬＥＤ
２      第２のＬＥＤ
３      フォトダイオード
１１    発光素子駆動回路
１２    増幅回路
１３    増幅回路
１４    抵抗
５０    光結合装置
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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