(57)【要約】【課題】発光素子からの光をできるだけ効率的に受光素子に伝える形状を有し、それにより発光素子の消費電力を抑制できるとともに、光結合素子の大きさを小型化できる光結合素子を提供する。【解決手段】発光素子の周囲を囲むように、内側を凹状に湾曲させた第１の光反射体が形成され、受光素子の周囲を囲むように、内側を凹状に湾曲させた第２の光反射体が形成され、第１の光反射体に囲まれた発光素子と、第２の光反射体に囲まれた受光素子とが対向して配置され、発光素子と受光素子との間に光透過性絶縁材料が配置されてなる光結合素子。【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とを含む光結合素子であって、
該発光素子の周囲を囲むように、内側を凹状に湾曲させた第１の光反射体が形成され、
該受光素子の周囲を囲むように、内側を凹状に湾曲させた第２の光反射体が形成され、
該第１の光反射体に囲まれた該発光素子と、該第２の光反射体に囲まれた該受光素子とが対向して配置され、
該発光素子と該受光素子との間に光透過性絶縁材料が配置されることを特徴とする、光結合素子。
【請求項２】
前記第１及び第２の光反射体は、光反射性樹脂から形成されるか、表面に光反射性コーティングをした絶縁成形体である、請求項１に記載の光結合素子。
【請求項３】
前記光透過性絶縁材料は、光透過性シリコーン樹脂、光透過性エポキシ樹脂、ガラス、及びポリイミドのうちのいずれか一以上からなる、請求項１又は２に記載の光結合素子。
【請求項４】
前記光透過性絶縁材料は、前記発光素子と前記受光素子との間の一部にのみ形成されており、それ以外の部分には空気が充填されている、請求項１〜３のいずれか一に記載の光結合素子。
【請求項５】
前記発光素子及び前記受光素子のうちの少なくとも１つが、光透過性シリコーン樹脂又は光透過性エポキシ樹脂で封止されている、請求項４に記載の光結合素子。
【請求項６】
前記光透過性シリコーン樹脂又は光透過性エポキシ樹脂の界面がレンズ面を構成する、請求項５に記載の光結合素子。
【請求項７】
前記光透過性シリコーン樹脂又は光透過性エポキシ樹脂の内部に配置される前記発光素子及び／又は前記受光素子は、前記レンズ面の焦点位置に配置された、請求項６に記載の光結合素子。
【請求項８】
前記光透過性絶縁材料は、ガラス板又はポリイミドフィルムからなる、請求項４に記載の光結合素子。
【請求項９】
前記第１の光反射体及び前記第２の光反射体によって前記発光素子と前記受光素子との間を密閉する空間を形成し、前記ガラス板又はポリイミドフィルムからなる光透過性絶縁材料が該密閉空間を２分割するように形成されるとともに、該密閉空間は中空である、請求項８に記載の光結合素子。
【請求項１０】
前記第１の反射体の内側面及び前記第２の反射体の内側面のうちの少なくとも１つが、放物面の一部を構成するように形成されており、前記発光素子及び前記受光素子のうちの少なくとも１つが、該放物面の焦点位置に配置されている、請求項１〜９のいずれか一に記載の光結合素子。
【請求項１１】
前記第１の反射体の内側面及び前記第２の反射体の内側面のうちの少なくとも１つが、楕円体面の一部を構成するように形成されており、前記発光素子及び前記受光素子のうちの少なくとも１つが、該楕円体面の焦点位置に配置されている、請求項１〜９のいずれか一に記載の光結合素子。
【請求項１２】
光結合素子の製造方法であって、
第１のリードフレーム上に、内側が光反射性の凹曲面を有するように形成した第１の光反射体を形成し、さらに該第１のリードフレーム上に発光素子をマウントする工程と、
第２のリードフレーム上に、内側が光反射性の凹曲面を有するように形成した第２の光反射体を形成し、さらに該第２のリードフレーム上に受光素子をマウントする工程と、
該発光素子をマウントした第１の光反射体と、該受光素子をマウントした第２の光反射体とを、板状又はフィルム状の光透過性絶縁体を挟んで対向させて接合する工程と、
を含む光結合素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトカプラ、フォトＭＯＳリレー等の、発光素子と受光素子を有する光結合素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＦＡ機器や電源等で低消費電力化、低コスト化が進んでいる。それに伴ってそれらに搭載される光結合素子を含む半導体部品にも低消費電力化／低コスト化の要求が強くなっている。
【０００３】
光結合素子は、電気信号を光信号に変換して信号伝達を行うものであり、電気的な絶縁が要求される回路や装置に用いられる。光結合素子は、一般に発光素子と受光素子を対向させ、これらの素子を透光性樹脂により光路を形成して結合し、さらに外部周辺を遮光性樹脂により外装モールドしてなる二重トランスファモールド構造をなしている。この発光素子で電気信号を光に変換し、受光素子への光伝達により信号を伝達し、受光素子で光信号を電気信号に再度変換することにより信号を伝達する。典型的な光結合素子構造を例として図９に示す。
【０００４】
発光素子としては、Ｇａ／Ａｓ等によるＬＥＤ素子が用いられることが多い。このようなＬＥＤ型発光素子は比較的脆い素子であるため、シリコーン樹脂で覆われている。これは、発光素子と受光素子との間に光透過性モールドを高圧で充填する際にかかる応力により、ＬＥＤ素子が損傷することを防ぐために、応力を吸収できるシリコーン樹脂が適しているためである。
【０００５】
受光素子としては、一般的にＳｉ系ＰＤ（フォトダイオード）の受光部分が配置されており、そこに入射した光が電気信号に変換される。硬い素子であり、ＬＥＤの様なシリコーン樹脂による保護は一般的には不要である。
【０００６】
例えば引用文献１には、上記のような構成の光結合素子が開示されている。また、引用文献２、３には、発光素子からの光を反射して受光素子に伝えるための斜面をモールド（ないしインナーパッケージ）に設けた光結合素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−２７９６８０号公報
【特許文献２】特開平１０−３００９９０号公報
【特許文献３】特開２００３−２３４５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発光素子にはＬＥＤが一般的に使用されるが、ＬＥＤは指向性が低い。即ち、ＬＥＤの側面と上面の両方から光が放射される。その為に、図１０に示すように、発光素子から放射された光が受光素子に伝達されずに消滅する光が多い。つまり信号伝達のために有効に用いられる光量が少ないため、発光素子として必要な出力は大きくなる。そのため発光素子には大きな電流を流す必要があり、消費電力の低減が困難であった。また受光素子も光信号を受信するために受光素子を大きくする必要があり、受光素子の小型化が困難で低コスト化の障壁となっている。
【０００９】
引用文献２、３に開示された、発光素子からの光を反射して受光素子に伝える斜面形状では、斜面が発光素子側にのみ形成されており、また平面的構成であるので必ずしも光を受光素子に伝える効率は高くないという問題がある。
【００１０】
本発明は、発光素子からの光をできるだけ効率的に受光素子に伝える形状を有し、それにより発光素子の消費電力を抑制できるとともに、光結合素子の大きさを小型化できる光結合素子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】
【００１１】
第１の視点において、本発明に係る光結合素子は、発光素子と受光素子とを含む光結合素子であって、該発光素子の周囲を囲むように、内側を凹状に湾曲させた第１の光反射体が形成され、該受光素子の周囲を囲むように、内側を凹状に湾曲させた第２の光反射体が形成され、該第１の光反射体に囲まれた該発光素子と、該第２の光反射体に囲まれた該受光素子とが対向して配置され、該発光素子と該受光素子との間に光透過性絶縁材料が配置される。
【００１２】
第２の視点において、本発明に係る光結合素子の製造方法は、第１のリードフレーム上に、内側が光反射性の凹曲面を有するように形成した第１の光反射体を形成し、さらに該第１のリードフレーム上に発光素子をマウントする工程と、第２のリードフレーム上に、内側が光反射性の凹曲面を有するように形成した第２の光反射体を形成し、さらに該第２のリードフレーム上に受光素子をマウントする工程と、該発光素子をマウントした第１の光反射体と、該受光素子をマウントした第２の光反射体とを、板状又はフィルム状の光透過性絶縁体を挟んで対向させて接合する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
このような構成の光結合素子により、発光素子の消費電力を抑制できるとともに、光結合素子全体の大きさを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１に係る光結合素子の断面模式構造図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光結合素子の動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１に係る光結合素子の製造工程断面図である。
【図４】本発明の実施例１に係る光結合素子の製造工程断面図である。
【図５】本発明の実施例２に係る光結合素子の断面模式構造図である。
【図６】本発明の実施例４に係る光結合素子の断面模式構造図である。
【図７】本発明の実施例４に係る光結合素子の製造工程断面図である。
【図８】本発明の実施例４に係る光結合素子の製造工程断面図である。
【図９】関連技術に係る光結合素子の断面模式構造図である。
【図１０】関連技術に係る光結合素子の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の視点において、前記第１及び第２の光反射体は、光反射性樹脂から形成されるか、表面に光反射性コーティングをした絶縁成形体であることが好ましい。
【００１６】
また、前記光透過性絶縁材料は、光透過性シリコーン樹脂、光透過性エポキシ樹脂、ガラス、及びポリイミドのうちのいずれか一以上からなることが好ましい。
【００１７】
また、前記光透過性絶縁材料は、前記発光素子と前記受光素子との間の一部にのみ形成されており、それ以外の部分には空気が充填されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記発光素子及び前記受光素子のうちの少なくとも１つが、光透過性シリコーン樹脂又は光透過性エポキシ樹脂で封止されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記光透過性シリコーン樹脂又は光透過性エポキシ樹脂の界面がレンズ面を構成することが好ましい。
【００２０】
また、前記光透過性シリコーン樹脂又は光透過性エポキシ樹脂の内部に配置される前記発光素子及び／又は前記受光素子は、前記レンズ面の焦点位置に配置されることが好ましい。
【００２１】
また、前記光透過性絶縁材料は、ガラス板又はポリイミドフィルムからなることが好ましい。
【００２２】
また、前記第１の光反射体及び前記第２の光反射体によって前記発光素子と前記受光素子との間を密閉する空間を形成し、前記ガラス板又はポリイミドフィルムからなる光透過性絶縁材料が該密閉空間を２分割するように形成されるとともに、該密閉空間は中空（空気層）であることが好ましい。
【００２３】
また、前記第１の反射体の内側面及び前記第２の反射体の内側面のうちの少なくとも１つが、放物面の一部を構成するように形成されており、前記発光素子及び前記受光素子のうちの少なくとも１つが、該放物面の焦点位置に配置されていることが好ましい。
【００２４】
また、前記第１の反射体の内側面及び前記第２の反射体の内側面のうちの少なくとも１つが、楕円体面の一部を構成するように形成されており、前記発光素子及び前記受光素子のうちの少なくとも１つが、該楕円体面の焦点位置に配置されていることが好ましい。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
以下の図面を参照して本発明のいくつかの実施例に係る光結合素子を説明する。図３は、本発明の実施例１に係る光結合素子の断面図である。発光素子１０の周囲を囲むように光反射樹脂からなる光反射体１１を凹状に形成し、また受光素子２０を囲むように光反射樹脂からなる光反射体２１を凹状に形成している。光反射体１１、２１の内側は凹曲面となっており、光を反射するようになっている。この凹形状は、できるだけ光を受光素子２０の方向に向けるように構成される。
【００２６】
このように形成した発光素子１０と受光素子２０を対向させて配置した状態で、光透過性絶縁材料（「透光性絶縁体」ともいう）である光透過性エポキシ樹脂３０（１次モールド）により全体を封入している。（光透過性）エポキシ樹脂３０は、光反射体１１、２１の内面側に封入されている。この光反射体１１、２１と（光透過性）エポキシ樹脂３０により光路を形成して結合し、さらに外部周辺を遮光性樹脂４０により外装モールド（２次モールド）してなる二重トランスファモールド構造を形成している。
【００２７】
発光素子１０は、リードフレーム１２の上に配置されており、ボンディングワイヤ１５でリードフレーム１２に接続されている。また発光素子２０は、リードフレーム２２の上に配置されており、ボンディングワイヤ２５でリードフレーム２２に接続されている。リードフレームと各素子の接続は公知の方法で行うことができる。さらに、発光素子１０の周囲は、光透過性エポキシ樹脂３０を封入する際の圧力を緩和するとともに、電気的絶縁性を向上させるために光透過性のシリコーン樹脂１３で密封封止されている。
【００２８】
図２は本実施例１における光の伝達を模式的に表したものである。発光素子１０で電気信号を光に変換し、放射された光は透光性樹脂１３、３０を透過し、また光反射体１１、２１に反射されながら受光素子２０に効率的に伝達される。光反射体１１、２１の内側は凹曲面となっており、光を反射するようになっている。この凹形状は、できるだけ光を受光素子２０の方向に向けるように構成される。受光素子２０に伝達された光信号は受光素子２０で電気信号に再度変換される。
【００２９】
できるだけ効率的に発光素子１０からの光を受光素子２０に伝達するためには、例えば光反射体１１の内面を放物面（放物線を回転させてできる曲面）状に形成し、その焦点位置に発光素子１０の発光部分を配置する。すると光反射体１１内面で反射された光は平行になり受光素子２０の方向へ向かう。受光素子側の光反射体２１においても同様に放物面状に形成し、焦点位置に受光部分を配置すると受光部分に光が集光される。
【００３０】
また、光反射体１１、２１の内側の凹曲面は、それぞれ楕円体面の一部を構成するように形成することも好ましい。楕円体面とは、一つの軸を中心に楕円を回転してできる回転楕円体を構成する曲面である。さらに、発光素子１０と、受光素子２０（のうちの少なくとも１つ）はその回転楕円体の（２つの）焦点位置にそれぞれ配置することが好ましい。こうすることにより、発光素子１０から発射した光を、光反射体１１、２１の内側の凹曲面に反射させて受光素子２０に直接集中させることができる。
【００３１】
もちろんこのように曲面や配置関係を厳密かつ正確に構成しなくとも集光能力を高めることができるが、できるだけこのような構成に近づけることが好ましい。
【００３２】
図３、図４を参照し、実施例１に係る光結合素子の製造方法について説明する。まず図３（ａ）に示すように、発光素子及び受光素子ともにそれぞれリードフレーム１２、２２を用意し、図３（ｂ）のように内側が凹状に窪んだ光反射体１１、２１を、例えばトランスファモールド成形により形成する。なお断面図では図示しないが、素子をマウントする位置には光反射体を形成しない。光反射体としては例えばエポキシ樹脂等の公知の光反射樹脂を用いて形成することができる。それ以外にも、成形しやすい材料で形状を形成した後、表面を絶縁性かつ光反射性にコーティングしたものを用いてもよい。
【００３３】
次に図３（ｃ）に示すように、光反射体を形成していないリードフレーム上に発光素子１０、受光素子２０をそれぞれマウントし、ボンディングワイヤ１５、２５で接続する。さらに図３（ｄ）に示すように、発光素子１０の周囲を光透過性のシリコーン樹脂でポッティングして密封し、熱硬化する。これは発光素子を、下記の１次モールド時の圧力から保護するためである。
【００３４】
次に図４（ｅ）に示すように、上記工程で得られた発光素子と受光素子を対向させた状態で、光透過性エポキシ樹脂でトランスファモールド成形により全体を封止する。これを１次モールドという。次いで図４（ｆ）に示すように、さらに全体を遮光性樹脂でトランスファモールド成形により封止する。これを２次モールドという。遮光性樹脂としては、カーボン等を混入したエポキシ樹脂等が用いられる。
【００３５】
従来技術では発光素子（ＬＥＤ）の側面から放射された光は遮光性樹脂への吸収などで光信号として受光素子へ伝達されることなく消滅してしまうが、実施例１では発光素子１０と受光素子２０それぞれの周辺に光反射体１１、２１が配置されて、発光素子（ＬＥＤ）１０の側面から放射された光も光反射体１１、２１で反射されて受光素子２０まで伝達されて光信号として寄与する。光伝達効率が向上することで、発光素子の発光パワーを抑制して低消費電力化が可能となる。また受光素子の受光部面積を小さくすることが可能で、小型化とともにコスト低減が可能となる。
【００３６】
（実施例２）
実施例１では、対向配置した光反射体１１、２１の内側空間に光透過性絶縁樹脂を充填しているが、樹脂を充填しないで空気層のままにしたものを実施例２に示す。図５は、本発明の実施例２に係る光結合素子の概略断面図である。
【００３７】
実施例１と異なる点は、実施例１が光反射体１１、２１の内側空間に光透過性エポキシ樹脂を充填しているのに対し、図５に示す実施例２では、光反射体１１、２１を対向させた状態で接着剤５１などを用いて接着密閉し、内部は樹脂ではなく空気層のままとする構造である。発光素子部分と受光素子部分との間の電気的絶縁のために、図５では発光素子１０の周囲を光透過性絶縁材料である光透過性シリコーン樹脂１３で封止している。その他の構成は実施例１と同じである。
【００３８】
この構造によれば、１次モールドで封止する工程が不要となる。このような構造によっても、発光素子１０からの光は効率よく受光素子２０に伝達され、さらに途中の光路には樹脂ではなく空気が充填されているので、光の減衰を低減させることができ、実施例１に比べて光のさらなる有効利用を図ることができる。さらに１次モールドによる封止が不要となる（２重モールド構造とする必要がない）ため、光結合素子全体の大きさを小型化することが可能となる。
【００３９】
なお、発光素子１０の周囲をシリコーン樹脂１３で密封しているが、１次モールド形成による圧力を受けることがないので、例えば光透過性エポキシ樹脂で絶縁封止してもよく、あるいは発光素子側ではなく受光素子側で同様に封止する構成としてもよい。もちろん両方の素子側を封止してもよい。
【００４０】
（実施例３）
実施例１、２において発光素子側（又は受光素子側）を光透過性シリコーン樹脂で封止しているが、この樹脂の形状として、界面部分をレンズ状に形成することにより、発光素子から発光した光が集光されて受光素子側に向かうようにすることができる（図示せず）。そのためには、樹脂のレンズ形状の焦点位置に発光素子を配置することが好ましい。さらに、受光素子側も同様に光透過性樹脂でレンズ形状を形成して封止し、受光素子をそのレンズの焦点位置に配置することで受光素子に光を集中させることができる（図示せず）。あるいは、発光素子側のレンズ状界面の焦点位置に受光素子を配置する構成とすることも考えられる（図示せず）。
【００４１】
（実施例４）
図６に、本発明の実施例４に係る光結合素子の断面図を示す。この構成では、発光素子１０と受光素子２０をそれぞれ含む光反射体１１、２１を対向させる。そして発光素子１０側の反射体１１と受光素子２０側の反射体２１とに間に光透過性絶縁材料であるガラス板やポリイミドフィルムからなる光透過性絶縁体５０を配置して光路を形成した状態で密閉結合し、外部周辺を遮光性樹脂４０により封止する。光反射体１１、２１の内面は、他の実施例と同様に凹曲面で構成されている。光反射体１１、２１で囲まれた内部空間は中空（空気層）である。
【００４２】
このような構成により、発光素子１０からの光を受光素子２０側に効率よく伝達することができる。２つの素子間の電気的絶縁は、間に配置したガラス板又はポリイミドフィルム等により確保するため、素子自体を絶縁性樹脂で封止する必要はない。また１次モールドがなく、光路が空気層であるため光の有効利用を図ることができるとともに、全体を小型化することができる。
【００４３】
図７、８を参照して、実施例４に係る光結合阻止の製造方法を説明する。まず図７（ａ）に示すように、発光素子及び受光素子ともにそれぞれリードフレーム１２、２２を用意し、図７（ｂ）のように内側が凹状に窪んだ光反射体１１、２１を、例えばトランスファモールド成形により形成する。なお断面図では図示しないが、素子をマウントする位置には光反射体を形成しない。光反射体としては例えば公知の光反射樹脂を用いて形成することができる。それ以外にも、形成しやすい材料で形状を形成した後、表面を光反射性にコーティングしたものを用いてもよい。
【００４４】
次に図７（ｃ）に示すように、光反射体を形成していないリードフレーム位置に発光素子１０、受光素子２０をそれぞれマウントし、ボンディングワイヤ１５、２５で接続する。ここまでは実施例１の製造方法と同じである。
【００４５】
次に図７（ｄ）に示すように、光透過性絶縁体５０であるガラス板又はポリイミドフィルム等を、接着剤により発光素子１０をマウントした光反射体１１に、かぶせるように接着する。このとき、絶縁のために内部が密閉されるようにする必要がある。
【００４６】
さらに図８（ｅ）に示すように、受光素子２０をマウントした光反射体２１を、光透過性絶縁体５０であるガラス板又はポリイミドフィルム等の反対側に位置合わせして向かい合わせ、同じように密閉されるように接着剤５１で接着する。最後に、図８（ｆ）に示すように、遮光性樹脂４０を用いて光結合素子全体を、例えばトランスファモールド成形により封止（２次モールド）して完成する。
【００４７】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  発光素子
１１  （発光素子側の）光反射体
１２  （発光素子側の）リードフレーム
１３  光透過性シリコーン樹脂
１５  （発光素子側の）ボンディングワイヤ
２０  受光素子
２１  （受光素子側の）光反射体
２２  （受光素子側の）リードフレーム
２５  （受光素子側の）ボンディングワイヤ
３０  光透過性エポキシ樹脂
４０  遮光性樹脂
５０  光透過性絶縁体
５１  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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