JPS5932906B2 - 電気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオプトカプラ（ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ）に関
するもので、更に詳しく言えば、絶縁分離特性を改善し
た電気的隔離用のオプトカプラに関する。

本明細書中において使用される「オプトカプラ」という
用語は、電気的に絶縁分離された入力素子によつて出力
素子を制御するため、赤外線および（または）紫外線の
ような近可視光をも含めた光の伝達に基づいて動作する
種々の広範囲の装置を意味する。かかるオプトカプラに
よれば、電気的接続の必要なしにシステム同士の結合が
可能となる。オプトカプラの重要な特性の一つとして、
絶縁破壊を引起こすことなく入力端子と出力端子との間
に維持し得る電位差が挙げられる。

多くの用途においては、入力端子と出力端子との間に印
加された数千ボルトの電位差に耐え得るようなオプトカ
プラが望まれている。かかる絶縁分離特性は理論的には
入力素子と出力素子との間の距離を増大させかつ（ある
いは）両者間に絶縁耐力の大きい材料を配置することに
よつて容易に達成できるけれども、オプトカプラの有用
性は絶縁分離特性ばかりでなく伝達特性（すなわち所定
の入力信号によつて生じる出力信号の大きさ）およびコ
ストにも依存する。オプトカプラの入力素子と出力素子
との間の距離を増大させれば、コストが高くなるはかり
でなく伝達特性に関する性能も低下する。なぜなら、入
力素子と出力素子との間の伝達路の減衰度は両者間の距
離の２乗に比例するからである。それ故、効率およびコ
ストの点から見れば、オプトカプラの入力素子と出力素
子との間の伝達路は伝達媒体の絶縁耐力が許す限り短か
くすることが望ましい。ところで絶縁破壊は、オプトカ
プラの入力素子と出力素子とを隔てる誘電体材料を通し
て起るばかりでなく、かかるオプトラプラを構成する異
種材料間の界面に沿つても起こるのが通例である。

実際、オプトカプラの入力素子と出力素子との間に絶縁
耐力の大きい透明な材料を使用すると同時に、周囲から
の光の侵入を防止しかつ環境からの保護および物理的な
強度を与えるような材料をオプトカプラの外被として使
用することが望まれる。なお、オプトカプラの外部包囲
材料に沿つて見た入力素子と出力素子との間の距離は内
部伝達材料を通して見た場合よりも大きいのが通例であ
るから、外部包囲材料の絶縁耐力は必ずしも内部伝達材
料ほど高くなつてもよい。用途によつては、オプトカプ
ラの伝達特性を更に向上させるため、入力素子によつて
放出されかつ出力素子によつて検知される放射に対して
反射性を有する追加の反射層が透明な伝達材料と不透明
な包囲材料との間に挿入されることがある。

かかる構造物はたとえば米国特許第４１７９６１９号明
細書中に例示されており、その内容を本明細書では引用
している。本発明に従つて簡単に述べれば、互いに離隔
したエミツタ素子および検出素子並びにそれらによつて
放出されかつ検知される放射に関して両者を結合する伝
達領域を含んだオプトカプラが提供される。

伝達領域はそれと同種または異種の材料から成る包囲領
域により取囲まれていて、両者間には界面が形成されて
いる。かかる界面には、それに沿つての電圧破壊に対す
る抵抗性を実質的に増大させるための破壊電圧向土手段
が配置されている。本発明の現時点において好適な実施
態様に従えば、不規則な形状を持つた多数の粒子を含む
粉砕ガラスフリツトが界面に配置される。

かかる粉砕ガラスフリツトは、界面に沿つてのアーク路
の長さを増大させることにより、本発明に基づくオプト
カプラの破壊電圧を実質的に土昇させる〇添付の図面に
関連してなされる以下の説明を読めば、本発明は最も良
く理解されよう。先ず第１図を見ると、従来技術に基づ
くオプトカツプラの断面図が示されている。

場合によつては第１図の装置はデユアルインライン形パ
ツケージに組込まれたオプトカプラから成ることもある
が、本発明はかかるパツケージに対して特に容易に適用
できる。第１図およびその他のオプトカプノラの必須構
成要素として、第１および第２の支持部材１６および１
８上に互いに離隔しながら配置された入力素子１２およ
び出力素子１４がある。

簡便には、入力素子および出力素子（以後はそれぞれエ
ミツタ素子および検出素子と呼ぶこともある）に対する
電気的接触を達成するために役立つ導電性リードフレー
ムなどの一部によつて支持部材１６および１８を構成す
ればよい。なお、エミツタ素子および検出素子並びにリ
ードフレームの他の部分に対するその他の電気結線が設
けられることもあるが、図面を簡単にするためそれらの
結線や部分は省略してある。エミツタ素子と検出素子と
の間の電気的絶縁分離度を高めると同時に、エミツタ素
子から検出素子への効率のよい放射の伝達を可能にする
ため、エミツタ素子および検出素子を光透過性の伝達領
域で囲む。なお、シリコーンや透明エポキシ樹脂のごと
き透明な重合体、ガラス、または物質的および熱的に見
てエミツタ素子および検出素子に適合しかつ所要の絶縁
耐力および透過度を有するその他の任意適宜な材料から
伝達領域を構成するのが好都合である。

エミツタ素子と検出素子とを電気的に絶縁分離すると同
時に両者間における放射の伝達を可能にするようなその
他の技術も当業界において公知である。たとえば、本発
明の破壊電圧向上層が設置されている点を別にすれば第
４図のごとき構造も公知である。伝達領域２０は、所望
ならば、前記の米国特許第４１７９６１９号明細書中に
記載のごとくエミツタ素子から検出素子への光の伝達を
向上させるための放射反射性の外側部分を有していても
よい。場合によつてはかかる反射性の外側部分を有する
伝達領域２０は包囲領域２２によつて取囲まれている。
かかる包囲領域２２は装置に機械的強度を付与し、所望
ならば上記のごとき反射性を実現し、かつ好ましくはス
プリアス応答を生み出すことのある外部の放射から伝達
領域を隔離するのに役立つ。光感応性装置の場合、これ
は包囲領域２２用として不透明な材料を選ぶことによつ
て達成される。包囲領域２２は伝達領域２０と同種また
は異種の材料から成り得るが、いずれの場合にせよ、少
なくとも伝達領域２０と同じ構造特性を有するように、
好ましくはそれより実質的に大きい剛性および強度を有
するように選ばれる。包囲領域２２および伝達領域２０
のいずれもがシリコーンから成ることも多い。そのよう
な場合には、光の透過を防止するため包囲領域２２に不
透明な染料またはその他の適当な物質が添加され、かつ
また伝達領域２０より大きい構造強度が得られるように
包囲領域２２が形成される。領域２０および２２間の界
面２４は、かかる装置の入力端子と出力端子との間にお
ける最も弱い誘電路であることが多い。すなわち、かか
る誘電路の長さは大きいけれども、絶縁耐力を最大とす
るのに最も適した性質を有するとは言えないことが多い
。その理由としては幾つかの要因が考えられるのであつ
て、たとえば、かかる装置の内側部分と外側部分との結
合が不完全であること、界面に沿つて不純物が存在する
ために界面の絶縁耐力が低下すること、そしてまた極端
な場合には領域間に１つ以上の隙間が実際に存在し、そ
の中にたとえば水分が蓄積するために界面の絶縁耐力が
著しく低下することなどが挙げられる。第２図は本発明
の一実施態様に基づくオプトカプラの断面図であり、ま
た第３図は第２図中の界面の一部の拡大図である。

第１および２図並びに以下の説明においては、同じ構成
要素は同じ参照番号によつて表わされている。入力端子
１６および出力端子１８上にはエミツタ素子１２および
検出素子１４がそれぞれ取付けられている。かかるエミ
ツタ素子１２および検出素子１４は、電気信号を放射信
号に変換するものおよびそれと逆の作用をする任意公知
の素子であり得る。通例、可視域または近赤外域に固有
放射を有するエミツタ素子および検出素子が使用される
が、本発明がそれらだけに限定されないことは勿論であ
る。りード１６および１８は、簡便には、オプトカプラ
やその他の半導体装置（たとえば集積回路）を封入する
ために通例使用されるデユアルインライン形のパッケー
ジの一部で形成することが出来る。なお、エミツタ素子
１２および検出素子１４に対する接続を完成するため、
その他の金属要素（たとえば電線）から成る１つ以上の
リードが追加されることもある。しかし、それら自体は
本発明の一部を成すものではないので、図面を簡潔にす
るために省略する。エミツタ素子１２および検出素子１
４は、それらの固有波長に対して小さな減衰度を有する
ように選ばれた放射伝達領域２０によつて結合されてい
る。簡便には、伝達領域２０はシリコーンから成り得る
。そのような場合には、液状のシリコーンを配置した後
に硬化させればよい。なお、第２図は特定の尺度に従つ
て描かれたものではないのであつて、伝達領域２０の寸
法とパツケージの他の寸法との相対関係は本発明の実施
目的に関連した諸条件並びにその他の考慮事項に基づい
て決定すればよい。たとえば、エミツタ素子と検出素子
との間の放射の伝達を向上させるためには、伝達領域２
０はできるだけ小さいことが望ましい。他方、外側の境
界が長くなつて装置の絶縁耐力が増大する点から見れば
、伝達領域２０は大きいほど望ましいことになる。更に
また、エミツタ素子と検出素子との間における放躬の伝
達を向上させるため、伝達領域２０は前記の米国特許明
細書中に記載のごとく反射性の外側部分を含むこともあ
る。かかる反射性の外側部分が使用される場合、その部
分は伝達領域２０の残部と均質であつて両者間に境界の
存在しないことが好ましい。伝達領域２０は包囲領域２
２によつて取囲まれているが、本発明の好適な実施態様
に従えばこれもシリコーンから成る。包囲領域２２は実
質的に剛性の不透明な物体であることが好ましく、それ
を形成するには液状のシリコーンを成形硬化させるのが
好都合である。伝達領域２０はたとえ完全硬化状態にお
いても特に大きい剛性を示す必要はないが、包囲領域２
２はリード１６および１８を支持するのに十分な機械的
強度を得るため最終状態では剛性を有する必要がある。
さて本発明に従えば、記載のごときオプトカプラの絶縁
分離特性を向上させるため、伝達領域２０と包囲領域２
２との間の界面に絶縁耐力向上材料の層３０が設置され
る。

本発明の好適な実施態様に従えば、かかる層３０は伝達
領域２０と包囲領域２２との間の界面を横切づて配置さ
れたガラスまたはその他の絶縁材の不規則形状の粒子３
２の層から成り得る。なお、かかる粒子が領域２０およ
び２２のいずれか一方の内部にのみ存在するのではなく
各々の領域に少なくとも部分的に侵入していることを保
証する程度に不規則でありさえすれば、粒子の形状には
特に制限がない。絶縁耐力向上材料としては、ガラスフ
リツトが特に有効であることが判明している。粒子の大
きさにも特に制限がないが、約２００〜４００マイクロ
インチ程度の寸法を持つた粒子が良好な結果をもたらす
ことが判つた。粒子が大き過ぎると、粒子を付着させる
際における表面張力によつて粒子が伝達領域２０の内部
へ完全に引込まれてしまうことがある。まな、粒子が小
さ過ぎると絶縁分離電圧を向上させる効果が弱くなる。
ガラス粒子の形状には特に制限がないと述べたが、丸い
ガラスビーズは伝達領域２０を構成する材料によつて完
全に被覆される傾向があるために有効でないことが判つ
た。現時点において好適な材料は、アメリカ合衆国オハ
イオ洲クリーブランド市所在のゼネラル・エレクトリツ
ク社（ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣＯｌＴｌＰａ
ｎｙ）ランプガラス製品部門から入手可能なＧＥ３５ｌ
ガラスフリツトである。なお、本発明においてはその他
の粉砕ガラスも十分に有用であることが予想される。粉
砕ガラスおよびその他の不規則形状の絶縁材が好適であ
るとは原え、本発明に従つて使用すれば非絶縁材であつ
てもある程度の利益をもたらし得るように思われる。

従つて、ガラスに加えて絶縁耐力のやや劣る材料（たと
えば粉砕エポキシ樹脂、クルミ殼粉など）を使用し得る
ことが当業者には理解されよう。更にまた、伝達領域と
包囲領域との間の境界に沿つて互いに接触しないように
配置することにより、境界に沿つて見た場合に入力端子
と出力端子との間に高抵抗の通路を形成するのであれば
、導電性の粒子であつてもある程度の改善をもたらすこ
とが期待できる。なお、かかる非絶縁材によつて付加さ
れる静電容量が許容できない場合には絶縁材を使用すべ
きである。実質的な硬度を有するエポキシ樹脂や頃似の
材料を使用して伝達領域２０を形成する場合には、たと
えばサンドブラストやその他の適当な技術によりその表
面を粗面化してアーク路長を増大させることによつても
本発明の利点を得ることてできる。次に第４図を見ると
、本発明の別の実施態様に基づくオプトカプラが示され
ている。

伝達絶縁層４６の両側にエミツタ素子４２および検出素
子４４が取付けられている。検出素子４４は出力端子４
８に接続されている一方、エミツタ素子４２は入力端子
５０に接続されている。一般的に言えば、入力端子５０
および出力端子４８は形状および機能の点で第１および
２図中の端子１６および１８と同時のものであるが、そ
の上におけるエミツタ素子および検出素子の特異な配置
が可能となるように改変されている。この場合にも、エ
ミツタ素子１２および検出素子１４に関連して前述した
ごとく、エミツタ素子４２および検出素子４４は同種の
素子から成るのが好都合である。これらの素子を第４図
のパツケージに適合させるため、形状および接触位置に
関して若干の改変が加えられることもある。伝達絶縁層
４６は、簡便には、エミツタ素子および検出素子との接
触に役立つ１つ以上のパターン形成した電極を持つたガ
ラス層から成り得る。内側の光透過性の伝達領域５２と
外側の包囲領域とは部分的に境界５６で隔てられている
。このような場合には、エミツタ素子４２から検出素子
４４への放射の伝達は主に伝達絶縁層４６を通して行わ
れるから、伝達領域５２の伝達度に関する要求条件は前
記の伝達領域２０の場合よりも実質的に緩和される。な
お、伝達絶縁層４６の両側にはエミツタ素子４２および
検出素子４４の主放出面および主検出面が向い合うよう
に素子４４および４４が取付けられることは自明であろ
う。伝達領域５２は前記のごとく反射性の外側部分を有
することもできるが、この場合におけるそれの必要性は
第１および２図の構造の場合ほど大きくなる。第４図を
見ればわかる通り、包囲領域５４と伝達領域５２との間
の境界５６はエミツタ素子および検出素子を完全には取
囲んでいない。

それにもかかわらず、かかる境界は高電圧分離用途では
入力端子と出力端子との間における絶縁破壊が最も起こ
り易い位置であることが判明している。第４図の装置の
境界５６に破壊電圧向上層を設置することは、第２図に
関連して前記に説明した通りである。すなわち、伝達領
域５２および包囲領域５４用として同様な材料が使用で
きると同時に、破壊電圧向上層を設置するために同様な
材料および方法を使用することができる。第５図は、本
発明に基づく絶縁分離特性の高いオプトカプラの製造方
法を示すフローチヤートである。

先ず最初に、互いに離隔して配置された１組のエミツタ
素子および検出素子が用意される。かかるエミツタ素子
および検出素子は半導体素子であれば好都合で、その実
例としては発光ダイオードや赤外線発光ダイオードおよ
びそれに対応した半導体検出素子たとえばホトトランジ
スタやホトサイリスタなどが挙げられる。両者間に適当
な間隔を得るためには、たとえば、第１図に示されるご
とくエミツタ素子および検出素子をリードフレーム上に
取付けるか、あるいは第４図に示されるごとくエミツタ
素子および検出素子を伝達絶縁層に密着させればよい。
その他の方法は当業者にとつて自明であろう。次いで、
かかるエミツタ素子および検出素子が伝達媒体中に埋込
み又はカプセル封じされるが、それによつて包囲される
のはエミツタ素子および棟出素子の一部であつても全部
であつてもよい。また、エミツタ素子から検出素子への
放射の伝達を向上させるため、上記の伝達媒体が反射性
の外側部分を含んでいてもよい。この場合には、液状ま
たは半液状で配置した後に硬化させて固体または半固体
の状態にすることのできる伝達媒体を使用することが好
ましい。硬化後の伝達媒体は完全な剛性を有するもので
ある必要はない。事実、エミツタ素子および検出素子並
びにそれらに対する電気結線が温度サイクルに際して損
傷を受けるのを防止するためには、正常動作時の温度サ
イクルに際してはエミツタ素子や検出素子および電気結
線に異常な応力を生じることのない弾性のある伝達媒体
を使用することが好ましい場合もある。伝達媒体の配置
後、その表面に破壊電圧向上層が設置される。かかる破
壊電圧向上層の設置は表面がまだ液状あるいは少なくと
も粘着性である間に行うことが好ましく、そうすれば表
面に対する物理的付着が達成される。粉砕ガラスフリツ
トを使用する場合、伝達媒体はガラスフリツトがその中
に（不完全に）侵入する程度に軟質であることが好まし
い。フリツプ以外の材料を使用する場合には、破壊電圧
向上層の設置に際して伝達媒体の表面がそれを受容し得
ることが必要である。破壊電圧向上層の設置後、かかる
構造物が外被材料でカプセル封じされる。そのためには
、やはり液状の材料を配置してから硬化させることによ
り、剛性の外被を形成すればよい。かかる外被材料は、
外部の放射に対して不透明であると同時に装置の残りの
構成要素に対して物理的に適合し得ることが好ましい。
破壊電圧向上層と外被との協力によつて外被と伝達媒体
との間の境界は高い絶縁耐力を有する結果、境界に沿つ
て装置の入力端子と出力端子との間に絶縁破壊が起こる
ことは防止される。なお、破壊電圧向上層がフリツトか
ら成る場合、それの粒子は外被および伝達媒体の各々に
侵入していることが好ましい。第６図は、本発明に従つ
てオプトカプラにガラスフリツトを付着させるための流
動化装置の断面図である。かかる装置は供給口６２を備
えた本体６０から成つていて、供給口６２は圧縮空気供
給源に連結されている。多孔石のごとき多孔質材料の層
６４により、本体６０は下室６６と上室６８とに分けら
れている。供給口６２に連結された圧縮空気供給源によ
つて下室６６が加圧される結果、上室６８内のガラスフ
リツト７０は浮遊状態に保たれる。第５図に関連して説
明したごとくエミツタ素子および検出素子を伝達媒達中
に埋込んだ後、得られた構造物を上室６８内に導入して
浮遊状態のガラスフリツト７０に接触させれば、伝達媒
体の外面がフリツトで被覆される。第６図の装置は、本
明細書中に記載のオプトカプラや当業者にとつて自明の
その他のオプトカプラを含めた各種形態のオプトカプホ
に適合するよう容易に改造することができる。たとえば
、単一のリードフレーム上に多数のオプトカプラを同時
に形成する場合には、１個以上のかかるリードフレーム
を同時に収容し得るように第６図の装置を改増すれば、
部分的に形成された多数のオプトカプラ上に破壊電圧向
上層を安価に設置することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術に基づくオプトカプラの断面図、第２
および３図は本発明の一実施態様に基づく高電圧オプト
カプラの断面図であつて、第３図は伝達領域と包囲領域
との間の界面を詳細に示す第２図の素子の一部の拡大図
である。 第４図は本発明の別の実施態様に基づくオプトカプラの
断面図、第５図は本発明に基づく高電圧オプトカプラを
製造するための諸工程を示すフローチヤート、そして第
６図は本発明に従つて破壊電圧向土層を設置するための
装置の略図である。図中、１２はエミツタ素子、１４は
検出素子、１６は入力端子、１８は出力端子、２０は伝
達領域、２２は包囲領域、３０は破壊電圧向上層、３２
は不規則形状の粒子、４２はエミツタ素子、４４は検出
素子、４６は伝達絶縁層、４８は出力端子、５０は入力
端子、５２は伝達領域、５４は包囲領域、そして５６は
境界を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 別個に形成された内側絶縁部分および外側絶縁部分
   と両者間の境界とを有し、かつ前記境界が入力端子およ
   び出力端子と相交わつているような電気装置において、
   前記境界に沿つた前記電気装置の絶縁耐力を上昇させる
   ため、前記内側絶縁部分と前記外側絶縁部分との間に破
   壊電圧向上材料の層を配置したことを特徴とする電気装
   置。 ２ 前記破壊電圧向上材料の層が不規則形状の粒子の層
   から成る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 前記粒子が絶縁材の粒子から成る特許請求の範囲第
   ２項記載の装置。 ４ 前記破壊電圧向上材料の層が粉砕ガラスフリットの
   層から成る特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に
   記載の装置。 ５ 前記粉砕ガラスフリットの層が前記内側絶縁部分お
   よび前記外側絶縁部分の各々に侵入した粒子の層から成
   る特許請求の範囲第４項記載の装置。