光直接点弧型半導体装置

【目的】微弱な光信号によっても安全に光直接点弧型半導体装置を駆動させることができる、信頼性の高い光直接点弧型半導体装置を提供すること。
【構成】Ｌ字形状ライトガイド１のテーパ比率を減少させ、Ｌ字形状ライトガイド１での光信号伝送効率を向上させることにより、光直接点弧型半導体装置全体としての光信号伝送効率を向上させることが可能となる光直接点弧型半導体装置。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光直接点弧型半導体装置に関し、光直接点弧型半導体装置外部からの半導体装置制御用光信号をいかに効率良く伝達するかということに関する。特に半導体装置制御用の光信号を伝達するライトガイドを半導体装置内に保持する光直接点弧型半導体装置において、光直接点弧型半導体装置の総合の光伝送効率を向上するのに好適なライトガイドの形状に関する。
【０００２】光直接点弧型半導体装置の一種である光直接点弧型サイリスタは従来の電気点弧型サイリスタと比較し、主回路と制御回路との電気的絶縁性が優れており、制御回路を簡略化することができ、電磁誘導によるノイズに対して強く、誤動作が少ないなどの利点を有する。このため、近年、光直接点弧型サイリスタはこれらの利点を発揮することができる高電圧直流送電変換装置用として使用、実用化されている。
【０００３】
【従来の技術】ここで、従来の光直接点弧型サイリスタの一例を図２及び図３を用いて詳細に説明する。図２は光直接点弧型半導体素子の断面図である。光直接点弧型半導体素子９は、熱膨張係数がシリコンの値と近似しているタングステン等の金属板１０を介してアノード外部電極１１に固定されている。アノード外部電極１１はセラミック等の絶縁円筒８を介してカソード外部電極１２と光直接点弧型半導体素子９を気密封止して固定できるようになっている。光直接点弧型半導体装置外部の発光体からの光信号を伝送する光ファイバ束３は、光ファイバ束支持体１４により保護，支持され、絶縁円筒８の一部を貫通して気密に固着されている金属筒６により光透過窓２に光学的に結合される。光透過窓２は、例えば銀−ろう材などを用いて金属筒６に気密封着される。以上の様な構成にて外部発光体から伝送された光信号は、光透過窓を透過した後、Ｌ字形状のライトガイド１により光直接点弧型半導体素子９の光感応部１３に導かれる。このような構成になる光直接点弧型半導体装置は、例えば特公昭63−59549 号公報により公知となっている。ここで解決しなければならない課題は、光直接点弧型半導体装置外部からの半導体装置制御用光信号をいかに効率良く伝達するかということにある。
【０００４】図３は光直接点弧型半導体装置光導入部の詳細寸法図及びＬ字形状ライトガイドの光信号入力端での光強度分布のモデル図である。光直接点弧型半導体装置外部からの光信号を伝達するファイバ束３は単芯光ファイバの束として構成され、その径はφＤ₁である。ライトガイド３からでた光束の径は、光ファイバ束出口から距離ＬだけはなれたＬ字形状のライトガイド１の入り口端の位置で、φＤ₂になる。このため、従来構造ではファイバ束３からの出射光を全てライトガイド１へ入射させるため、Ｌ字形状のライトガイド１の入り口径φＤ₃をφＤ₂よりも大きくする構造としていた。Ｌ字形状のライトガイド１は所定の最小光入力を得るために出力端の径を光直接点弧型半導体素子９の構造から決定される値φＤ₄(図示せず）にする必要があり、一般にφＤ₃≧φＤ₄のテーパ形状としている。しかしながらこのテーパ形状の比率が大きいとＬ字形状のライトガイド１の光伝送効率が低下してしまい、結果として光直接点弧型半導体装置全体としての光伝送効率が低下してしまうため、光直接点弧半導体装置としての光点弧感度が低下する欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光直接点弧型半導体装置に関し、特に、半導体装置制御用の光信号を伝達するライトガイドを半導体装置内に保持し、外部からの光信号を高効率で伝送することにより、最小光点弧入力を低減できる構造を有する光直接点弧型半導体装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するために、本発明においては、前記Ｌ字形状のライトガイドの光信号入力端の径φＤ₃を光ファイバの束の径φＤ₁よりも小さくすることにより、Ｌ字形状ライトガイドのテーパ比率を小さくし、Ｌ字形状ライトガイドでの光信号伝送効率を向上させ、光直接点弧型半導体装置全体として、光信号を高効率で伝送可能な構造としている。
【０００７】
【作用】前記Ｌ字形状のライトガイドの光信号入力端の径φＤ₃を光ファイバの束の径φＤ₁よりも小さくすることにより、光直接点弧型半導体装置外部からの光信号は光ファイバ束を介して伝達され、光透過窓を通過した後、Ｌ字形状ライトガイドに伝達時、その伝送光量が減少してしまう。
【０００８】しかしながら、Ｌ字形状ライトガイドの光信号入力端での光強度分布は、図３のようであり、光束が全体としてφＤ₂まで広がったとしても、半値幅径φＤ₅は光ファイバ束の径φＤ₁程度である。したがってＬ字形状のライトガイドの入力端の径φＤ₃をφＤ₂からφＤ₁に小さくしても、Ｌ字形状のライトガイドに伝達される光信号の減少はわずかである。
【０００９】一方、Ｌ字形状のライトガイドの光信号入力端の径φＤ₃を光ファイバ束の径φＤ₁よりも小さくすることは、Ｌ字形状ライトガイドのテーパ比率を減少させ、Ｌ字形状ライトガイドでの光信号伝送効率を向上させることになる。その結果、光直接点弧型半導体装置全体としての光信号伝送効率を向上させることができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１，図２及び図３R>３を用いて説明する。
【００１１】図１は、本発明にしたがって、光信号導入用の光透過窓２及び半導体素子の光感応部に光信号を伝達するＬ字形状のライトガイド１を半導体装置内部に具備した光直接点弧型半導体装置の光信号導入部の断面図である。
【００１２】光透過窓２は光直接点弧型半導体装置の絶縁円筒８の一部を貫通して、予め、これと熱膨張係数が近似している例えばＦｅＮｉＣｒ合金からなる金属筒６の内部に、例えば銀−ロウ材を用いて、固着される。金属筒６もまた、例えば銀−ロウ材を用いて絶縁円筒８に気密に封着されている。
【００１３】Ｌ字形状のライトガイド１は、光透過窓２と光学的に結合させるため、固定具４及び固定具５により固定され、光透過窓２が固着されている金属筒６に接続される。固定具４は、光直接点弧型半導体装置の駆動時に発生する熱応力によりＬ字形状のライトガイド１が破損しないようにこれと熱膨張係数の近似した例えばＦｅ−Ｎｉ合金等の材料からなり、一方、固定具５は成形が容易で、弾力性があり比較的強度の高い熱可塑性樹脂よりなる物質で構成される。
【００１４】ここで、前記作用の項で説明した例を図４R>４，図５，図６を用いて示す。Ｐ₁は、光ファイバ３からの光信号の出力値であり、Ｐ₂はＬ字形状のライトガイド１への入力値，Ｐ₃はＬ字形状のライトガイド１からの出力値である。光ファイバ３から出力された光信号は光透過窓２を介し半導体装置内部に伝達されるが、光透過窓２の径は光ファイバ３の光ファイバ束の径φＤ₁より十分大きく全光信号を半導体装置内部に伝達することが出来る。一方、光透過窓２を透過した光信号は半導体装置内部の光ファイバ１の入力端に到達したときにはその径はφＤ₂までに広がることになる。したがって光ファイバ１の入力端の径φＤ₃を十分に大きくすることによりＰ₂／Ｐ₁を、即ち光ファイバ３からＬ字形状のライトガイド１への光信号伝送効率を向上させることが出来る。
【００１５】一方、光ファイバ３に入力された光信号は、光ファイバ３内部を伝搬し半導体素子９の受光部１３に到達するが、光ファイバ３の出力端の径φＤ₄は半導体素子９の構造から決定される値に制限されてしまう。一般に光ファイバ３の出力端の径φＤ₄は光ファイバ束の径φＤ₁より小さく、ライトガイド１の入力端径φＤ₃と出力端の径φＤ₄の関係はφＤ₃＞φＤ₄とライトガイド１をテーパ形状にする必要がある。
【００１６】ここでは、光ファイバ束３の出口径φＤ₁と光ファイバ１の出口端の径φＤ₄の比率が１.３３：１の場合につき例示する。光ファイバ束の径φＤ₁と光ファイバ１の入力端の径φＤ₃が等しく、光ファイバ１の入力端φＤ₃と出力端の径φＤ₄の比率が１：０.７５の場合、光ファイバ束３の出口から光ファイバ１の入口への光伝送効率をＰ₂／Ｐ₁＝１，光ファイバ１の入力端から出力端への光伝送効率をＰ₃／Ｐ₂＝１とし、全体の伝送効率を（Ｐ₂／Ｐ₁）×（Ｐ₃／Ｐ₂）＝１×１＝１とする。
【００１７】先ず、光ファイバ１の入力端φＤ₃の径を光ファイバ束３の径φＤ₁より大きくした従来構造は、光ファイバ束３の出口径φＤ₁と光ファイバ１の入力端の径φＤ₃の比が０.９１：１の場合、光ファイバ１の入力端の径φＤ₃と出力端の径φＤ₄の比が１：０.６８となり、光ファイバ束３の出口端から光ファイバ１の入力端への光伝送効率は、Ｐ₂／Ｐ₁＝１.１，光ファイバ１の入力端から出力端への光伝送効率はＰ₃／Ｐ₂＝０.５８，総合の伝送効率はＰ₃／Ｐ₁＝(Ｐ₂／Ｐ₁)×（Ｐ₃／Ｐ₂）＝１.１×０.５８＝０.６４となる。
【００１８】次に、光ファイバ１の入力端の径φＤ₃を光ファイバ束３の径φＤ₁より小さくした本構造は、光ファイバ束３の出口径φＤ₁と光ファイバ１の入力端の径φＤ₃の比が１.１：１，光ファイバ１の入力端φＤ₃と出力端の径φＤ₄の比が１：０.８３となり、前記の構造に対して光ファイバ１のテーパ比率を小さくしている。本構造による光ファイバ束３の出口端から光ファイバ１の入力端への光伝送効率は、Ｐ₂／Ｐ₁＝０.９１と光ファイバ１の入力端の径を光ファイバ束３の径φＤ₁より大きくした前記の構造に比べて８３％に減少する（図５）。
【００１９】一方、光ファイバ１の入力端から出力端への光伝送効率はＰ₃／Ｐ₂＝１.４５と前記構造の０.５８に対し大幅に増加する（図６）ので、総合の伝送効率ではＰ₃／Ｐ₁＝（Ｐ₂／Ｐ₁）×（Ｐ₃／Ｐ₂）＝０.９１×１.４５＝１.３と２倍に向上する。
【００２０】以上、Ｌ字形状のライトガイド１の光信号入力端の径φＤ₃を光ファイバ束３の外径φＤ₁よりも小さくし、Ｌ字形状ライトガイド１のテーパ比率を減少させることにより、Ｌ字形状ライトガイド１での光信号伝送効率を大幅に向上させ、半導体装置全体としての光信号伝送効率の向上を図ることができる。
【００２１】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、Ｌ字形状ライトガイドのテーパ比率を減少させ、Ｌ字形状ライトガイド１での光信号伝送効率を向上させることにより、光直接点弧型半導体装置全体としての光信号伝送効率を向上させることが可能となる。その結果、微弱な光信号によっても安全に光直接点弧型半導体装置を駆動させることができる、信頼性の高い光直接点弧型半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光直接点弧型半導体装置の光信号導入部の断面図である。
【図２】光直接点弧型半導体装置の拡大断面図である。
【図３】本発明による光信号伝送効率向上の原理図である。
【図４】光信号の伝送効率を示す原理図である。
【図５】光ファイバ束３の外径φＤ₁とＬ字形状のライトガイド１の光信号入力端の径φＤ₃の径比による伝送効率を示す図である。
【図６】Ｌ字形状のライトガイド１の光信号入力端の径φＤ₃と出力端の径φＤ₄の径比による伝送効率を示す図である。
【符号の説明】
１…Ｌ字形状ライトガイド、２…光透過窓、３…光ファイバ束。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光直接点弧型半導体素子と、半導体素子の陽極及び陰極と電気的に接続される一対の外部電極と、前記外部電極と共に気密容器を形成し半導体素子を収納すると共に両外部電極間を電気的に絶縁する絶縁円筒と、上記気密容器に気密封止固定された光信号導入用の光透過窓及び一方の端部が前記光透過窓に光学的に接続され他方の端部が半導体素子の光感応部に光学的に接続されるライトガイドを具備する光直接点弧型半導体装置で、光信号が半導体素子外部のライトガイドから光透過窓を通して前記半導体素子内部の光感応部に光信号を導く伝送路となる前記ライトガイドが、光信号入力側の径より光信号出力側の径が小さいテーパ構造を有する構造において、前記ライトガイドの光信号入力側の径を、上記光直接点弧型半導体装置外部の発光体からの光信号を伝送する光ファイバの出力端の径より小さくすることを特徴とする光直接点弧型半導体装置。
【請求項２】前記ライトガイドは、光信号の伝送効率が優れた物質で構成されることを特徴とする請求項１記載の光直接点弧型半導体装置。
【請求項３】前記光透過窓の外径が前記光直接点弧型半導体装置外部の発光体からの光信号を伝送する光ファイバの出力端の光ファイバ束の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光直接点弧型半導体装置。

【図１】