JP2007158171A - 高熱伝導性シート及びレーザ光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱伝導性及び衝撃吸収性に優れる高熱伝導性シート及びその高熱伝導性シートを用いたレーザ光学装置を提供する。
【解決手段】 本発明にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマーに無機物の熱伝導用フィラーを含み、熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。また、本発明にかかるレーザ光学装置は、光学素子と、光学素子を配置する基体と、光学素子と基体との間にあってそれらと当接する高熱伝導性シートと、を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、高熱伝導性シート及びレーザ光学装置に関する。

近年、レーザ光を利用したレーザ光学機器は、例えば材料加工分野、光記録再生装置分野、医療装置分野など、利用技術分野が広がってきている。このようなレーザ光学装置は、レーザ光を発光・出射する例えば半導体レーザなどの発光素子や、レーザ光が受光される例えばレンズやミラーのような受光素子などの複数の光学素子を有している。

レーザ光学装置の基体に対する光学素子のそれぞれの配置は、高い精度が要求される。また、レーザの出力による光学素子の発熱は熱膨張などによる光学素子の配置に望ましくない変化を生じるため、光学素子を基体に当接し固定する材料として熱伝導性のよいインジウム箔が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。インジウム箔は熱伝導性に優れ、光学素子と基体との間に効率的な熱伝導を与え、光学素子を固定する材料としては好適であった。

しかしながら、インジウム箔は、弾性率が高く衝撃吸収性に劣るという欠点があった。
特開平１０−２２３９４５号公報

そこで、本発明の目的は、熱伝導性及び衝撃吸収性に優れる高熱伝導性シート及びその高熱伝導性シートを用いたレーザ光学装置を提供することにある。

本発明にかかる高熱伝導性シートは、
含フッ素エラストマーに無機物の熱伝導用フィラーを含み、
熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。

また、本発明にかかるレーザ光学装置は、
光学素子と、
前記光学素子を配置する基体と、
前記光学素子と前記基体との間に配置される前記高熱伝導性シートと、
を含む。

本発明の高熱伝導性シートによれば、含フッ素エラストマーを用いることで低弾性率で衝撃吸収性に優れ、熱伝導用フィラーを含むことで熱伝導度を向上せることができる。しかも、含フッ素エラストマーはレーザ出力時のアウトガスがほとんど発生しないため、レーザ光学装置にも用いることができる。特に、本発明のレーザ光学装置によれば、光学素子と基体との間で高熱伝導性シートを当接させることで、光学素子と基体との間に効率的な熱伝導を与えると共に、基体から光学素子への衝撃も吸収することができる。

本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａであることができる。

本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
含フッ素エラストマーは無架橋であることができる。

本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋであることができる。

本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、アルミニウム、銀、銅及び窒化アルミニウムから選択された少なくとも１種であることができる。

本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、平均粒径が１〜２００μｍであることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマーに無機物の熱伝導用フィラーを含み、熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。

本実施の形態に用いられる含フッ素エラストマーは、分子中にフッ素原子を含む合成ゴムであり、例えば、含フッ素アクリレートの重合体、フッ化ビニリデン系共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン共重合体（TFE-P）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロメチルビニルエーテル共重合体（TFE-PMVE）、含フッ素ホスファゼン系、含フッ素シリコーン系などがある。含フッ素エラストマーは、レーザ光の照射によってアウトガスの発生がほとんど無い。したがって、本実施の形態にかかる高熱伝導性シートをレーザ光学装置における光学素子と基体との間に配置してもアウトガスによる光学素子への悪影響がない。また、本実施の形態に用いられる含フッ素エラストマーは無架橋のまま用いることができる。架橋工程を必要としないので、製造が容易でありコストダウンとなるという効果を有する。また、無架橋であれば、含フッ素エラストマーを溶剤に混合してスクリーン印刷などの方法で基材に塗布することで膜化するなど加工性も高い。高熱伝導性及び衝撃吸収性を低下させなければ強度や耐熱性を向上させるために架橋させてもよい。さらに、含フッ素エラストマーを用いることで、光学素子や基体の形状に対応できる柔軟性があり、また、加工が容易である。

本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、無機物の熱伝導用フィラーを含むことで、含フッ素エラストマーでありながら、熱伝導度を１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋとすることができ、さらに好ましくは、５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋとすると加工性がよく市販用として低価格化が可能である。高熱伝導性シートの熱伝導度が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満だと光学素子からの熱を伝えるのには不十分であり、熱伝導度が５００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高熱伝導性シートを製造することは困難である。

このような熱伝導用フィラーとしては、含フッ素エラストマーの熱伝導度を効率よく向上させることができることから、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、含フッ素エラストマーとの混練加工性から粒子状であることが好ましい。特に、熱伝導性フィラーとしては、加工性に優れること、市場で入手しやすいことなどの点から、アルミニウム（例えば熱伝導度２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）、銀（例えば熱伝導度４２９Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（例えば熱伝導度４０１Ｗ／ｍ・Ｋ）及び窒化アルミニウム（例えば熱伝導度１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）から選択された少なくとも１種であることが好ましい。このような熱伝導用フィラーの平均粒径は、１〜２００μｍであることが好ましい。熱伝導用フィラーの平均粒径が１μｍ未満であると、フォノンの伝達が困難なため、熱伝導性を向上させにくい。また、熱伝導用フィラーの平均粒径は、高熱伝導性シートの厚さよりも小さいことが好ましく、例えば２００μｍ以下であることが好ましい。ただし、高熱伝導性シートの厚さは、その用途によって異なる。

本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマー１００重量部（ｐｈｒ）に対して、均一に分散された熱伝導用フィラーを１００〜９００重量部（ｐｈｒ）含むことが好ましく、さらに好ましくは２００〜８００重量部（ｐｈｒ）である。熱伝導用フィラーの配合量が１００重量部未満であると、レーザ光学装置における高熱伝導性シートとして好ましい熱伝導度が得られず、熱伝導用フィラーの配合量が９００重量部（ｐｈｒ）を超えると、エラストマーとの混練が困難となり好ましくない。

本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａであることが好ましい。高熱伝導性シートの３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１ＧＰａ未満であると、基体に光学素子を確実に固定することが難しくなり、２．０ＧＰａを超えると、衝撃吸収性が低くなり好ましくない。また、本実施の形態にかかる高熱伝導性シートの耐熱温度は、２００℃以上が好ましい。

本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、オープンロールを用いたオープンロール法、バンバリミキサ、インタナルミキサ、ニーダなどを用いた密閉式混練法、二軸押出機、三軸押出機などを用いた多軸押出し混練法などを用いて混練して得ることができる。ここでは、２本のロールを用いたオープンロール法を用いた例について述べる。

まず、回転する２本のオープンロールに、含フッ素エラストマーを巻き付け、バンク内に粒子状の熱伝導フィラーを加えて回転させ、例えば５回の薄通しを行なう。薄通しされた含フッ素エラストマーを所定の厚さ例えば２０μｍ〜１ｍｍにシート出しする。

このようにして得られたシートを、例えばプレス成形、押出成形、射出成形、トランスファー成形などの通常のエラストマーの加工法を用いて所望の形状に成形して高熱伝導性シートを得る。このとき、高熱伝導性シートを架橋する場合には、オープンロールによる混練の際に、架橋剤を混合させておくことで、例えばプレス成形時に架橋させて成形することができる。低弾性率を得るために、架橋させずに成形することが好ましい。このようにして得られた高熱伝導性シートは、熱伝導性フィラーによる高熱伝導性と、低弾性率による衝撃吸収性と、を有している。

本実施の形態にかかるレーザ光学装置は、光学素子と、前記光学素子を配置する基体と、前記光学素子と前記基体との間に配置される前記高熱伝導性シートと、を含む。

高熱伝導性シートは、レーザ光学装置において、基体と光学素子との間にあって、効率的な熱伝導を行なうと共に、基体に対し光学素子を確実に位置決め配置することができる。光学素子は、例えばレーザ光を発光・出射する例えば半導体レーザなどの発光素子や、レーザ光が受光される例えばレンズ、ミラー、フォトダイオードなどの受光素子などがあり、レーザ光学装置は、これらの複数の光学素子を高熱伝導性シートを介して基体例えば台座やフレームなどの所定箇所に配置・固定している。光学素子と高熱伝導性シートもしくは基体と高熱伝導性シートの間は、接着剤によって接着してもよいし、高熱伝導性シート自体が柔軟に変形可能であるため、光学素子を高熱伝導性シートに押し付けて固定してもよい。

本実施の形態にかかるレーザ光学装置において、光学素子と基体との間で高熱伝導性シートが効率よく熱伝導するので、レーザ光出力時に光学素子の熱を基体へと伝え、光学素子の温度上昇を抑えることができる。また、本実施の形態にかかるレーザ光学装置において、高熱伝導性シートは基体からの衝撃を吸収し、光学素子への衝撃を緩和することができる。しかも、高熱伝導性シートはレーザ高出力時においてもアウトガスが発生しないので、光学素子への悪影響もない。

以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１〜６、比較例１〜４）
（１）高熱伝導性シートサンプルの作製
オープンロールに、表１に示す所定量の含フッ素エラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。含フッ素エラストマーに対して表１に示す量（重量部（ｐｈｒ））の粒子状のフィラーを投入し、混練した。さらに、薄通しを５回行い、厚さ１．５ｍにシート出しした。このシートを２５０℃で１分間プレス成形して、厚さ１．０ｍｍの実施例１〜６の無架橋の高熱伝導性シートを得た。なお、ここでは各物性を測定するためシート厚を１．０ｍｍとしたが、実際にレーザ光学装置に用いる場合には、２００μｍ程度である。

比較例１、２、４も実施例１〜６と同様にして混練、薄通し、プレス成形を行ない、厚さ１．０ｍｍのシートを得た。また、比較例３は、従来から用いられている厚さ１．０ｍｍのインジウムとした。

なお、含フッ素エラストマーＡとしてはデュポン・ダウ・エラストマー・ジャパン社製のバイトンＡ−５００を用い、含フッ素エラストマーＢとしては旭ガラス社製のアフラス１５０Ｅを用いた。また、比較例１のＥＰＤＭとしてはＪＳＲ社製のＥＰ２２を用い、比較例２のシリコーンゴムとしては信越シリコーン社製のＫＥ７５２−Ｕを用いた。さらに、銀粉Ａとしては平均粒径３５μｍのアトマイズ銀粒子を用い、銀粉Ｂとしては平均粒径１３μｍの電解銀粒子を用い、窒化アルミニウム粉としては平均粒径３０μｍの東洋アルミニウム社製の窒化アルミニウム粒子を用い、カーボンブラックとしては、ケッチェンブラックを用いた。また、フィラーの配合については、参考値として、シートサンプル中におけるフィラーの体積％も表１に示した。

（２）動的粘弾性率及び耐熱温度の測定
各シートのサンプルについて、３０℃におけるＥ’（動的粘弾性率）をＳＩＩ社製の動的粘弾性測定装置によって測定した。また、ＳＩＩ社製の熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって耐熱温度を測定した。耐熱温度の測定は、前記ＴＭＡを用いて、サンプルに２５ＫＰａの負荷をかけて、−１００℃〜３００℃の間で熱膨張を計測し、熱劣化の生じる温度を耐熱温度とした。これらの結果を表１に示す。

（３）熱伝導度の測定
各シートのサンプルについて、ブルカー・エイエックスエス社製のＬＦＡ４４７キセノンフラッシュアナライザーを用いてキセノンフラッシュ法で熱伝導度（単位はＷ／ｍ・Ｋ）を測定した。測定結果を表１に示す。

（４）アウトガスの測定
各シートのサンプルを２５０℃で１時間保持し、ガスクロマトグラフィーで発生したガスを検出した。この測定結果を表１に示す。表１において、ガスの発生が検出されなかった場合には「○」と記載し、ガスの発生が検出された場合には、「×」と記載した。

表１から、本発明の実施例１〜６によれば、以下のことが確認された。すなわち、実施例１〜６は比較例３のインジウム箔に比べて動的粘弾性率が低く、熱伝導度も同等もしくはそれ以上であることがわかった。実施例１〜６の銀粉や窒化アルミニウム粉は、比較例４のカーボンブラックに比べてシートの熱伝導度を大きくすることができ、熱伝導用フィラーとして好適であることがわかった。また、実施例１〜６の含フッ素エラストマーを用いた場合はアウトガスの発生が検出されなかったが、比較例１のＥＰＤＭは耐熱温度が１５０℃であり、分解された有機物が検出され、比較例２のシリコーンゴムは耐熱温度が２００℃であり、シロキサンの発生が検出された。

Claims (7)

1. 含フッ素エラストマーに無機物の熱伝導用フィラーを含み、
   熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである、高熱伝導性シート。
2. 請求項１において、
   ３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａである、高熱伝導性シート。
3. 請求項１または２において、
   含フッ素エラストマーは無架橋である、高熱伝導性シート。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記熱伝導用フィラーは、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである、高熱伝導性シート。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記熱伝導用フィラーは、アルミニウム、銀、銅及び窒化アルミニウムから選択された少なくとも１種である、高熱伝導性シート。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記熱伝導用フィラーは、平均粒径が１〜２００μｍである、高熱伝導性シート。
7. 光学素子と、
   前記光学素子を配置する基体と、
   前記光学素子と前記基体との間に配置される請求項１〜６のいずれかに記載の高熱伝導性シートと、
   を含む、レーザ光学装置。