JP2008118357A

JP2008118357A - ヒートパイプ内蔵光トランシーバ

Info

Publication number: JP2008118357A
Application number: JP2006298998A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Kurashima; 宏実倉島
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】
発光素子の放熱手段としてシート形状のヒートパイプを用いて、生産性が高く低コストの光トランシーバを提供する
【解決手段】
本発明に係る光トランシーバは、発光素子の発熱を放熱する手段として、ＴＯＳＡおよび筐体に接続したシート状のヒートパイプを用い、前記ヒートパイプとＴＯＳＡとは圧入部品の押圧力により接触が保持され、前記ヒートパイプと筐体とは押さえバネの押圧力によって接触が保持されることによって、それぞれ熱的に接続される構造を提供する。これによって、ＴＯＳＡまたは発光素子パッケージとヒートパイプが予めロウ付けによって接続された高価な部品は不要である。さらに、ヒートパイプと回路基板または筐体などとの熱的な接続を実現するために、はんだ付けやロウ付けなどの熟練を要して手間がかかる加工は不要なため効率的な生産性が得られる構造を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の発熱を放熱する手段としてヒートパイプを内蔵する光トランシーバに関するものである。

光トランシーバは、光送信器と光受信器が一体化されたものである。
光送信器は、内部に発光素子を搭載する発光サブアセンブリ（以下、ＴＯＳＡ）と送信回路と、外部端子を備える。ＴＯＳＡは、略円筒形状をしており、発光素子を有する発光素子パッケージを備える。送信回路は、前記外部端子から入力される電気信号に基づいて前記発光素子を駆動する。光受信器は、内部に受光素子を搭載する受光サブアセンブリ（以下、ＲＯＳＡ）と受信回路と、外部端子を備える。ＲＯＳＡは、略円筒形状をしており受光素子を有する受光素子パッケージを備える。受信回路は、前記受光素子の出力に基づいて、外部端子へ電気信号を出力する。光コネクタを光トランシーバのレセプタクルに接続するとき、前記光コネクタに付属する２本の光ファイバは、それぞれ、前記発光素子および前記受光素子と光結合する。

光トランシーバに対する市場の主な要求は、光トランシーバの小型化、伝送速度の高速化、伝送の長距離化、低価格化である。小型化の要求に応えるために、内部に組み込まれる部品は、一層、高密度に実装される。また、伝送速度を高速化するために、内部回路の動作周波数は、より高くなる。さらに、伝送の長距離化のために、発光素子の光出力が高出力化される。これらの要求を満たしながら低価格で光トランシーバを提供することが求められる。

前記の要求は、いずれも光トランシーバの内部の発熱を大きくする要因となっている。光トランシーバの内部が発熱によって高温にさらされた場合、発光素子の発光効率が低下する。一般に、発光素子の光出力は、ＴＯＳＡに備えられているモニタＰＤにより監視されている。この監視によって、発光素子の発熱による発光効率の低下や、発光素子の劣化による光出力の低下が検出された場合には、発光素子の駆動電流を増やすことによって光出力の安定化を図る。しかし、このことは発光素子の発熱をさらに増やす要因となり、その結果、発光素子の動作が不安定になる。

そこで、特許文献１では、発光素子が発生する熱を外部に放出すべく、発光素子パッケージと回路基板との間、または、発光素子パッケージと光トランシーバの筐体との間にヒートパイプを設けて放熱を図ることが提案されている。特許文献１に開示された光トランシーンバは、図６に示すように、発光素子２が発生する熱を放出するために、発光素子２と回路基板５の間ヒートパイプ１を備える。発光素子２の発熱は、ヒートパイプ１によって、光トランシーバの回路基板５へ効率よく熱輸送される。ヒートパイプ１は、発光素子２と筐体との間に備えられる場合もある。

特開２００２−１１１１１６号公報

上記特許文献１に開示された事例では、ヒートパイプ１は、ＴＯＳＡ３を構成する部品の一部であって、発光素子パッケージ１９が備えるリードピンと略同形状である。ヒートパイプ１と発光素子パッケージ１９の接続は、一般にロウ付け、ガラス封止が考えられる。また、上記特許文献１に示された構造においては、ヒートパイプ１と回路基板５、または、ヒートパイプ１と筐体９との接続は、一般に、ロウ付け、半田付け、溶接が考えられる。

光トランシーバの小型化と低価格化への市場の期待に応えるためには、小型化された光トランシーバに、ＴＯＳＡ、ＲＯＳＡ、送信回路、受信回路と、ヒートパイプを生産性良く組み込む必要がある。しかしながら、ヒートパイプの組み込み作業において、ヒートパイプを発光素子パッケージに接続するには、ロウ付け、ガラス封止などを行う必要があり加工工数、加工コストが増大する。また、光トランシーバへヒートパイプを備えたＴＯＳＡを組み込む際には、光トランシーバの小さなパッケージの中で、ヒートパイプと回路基板、または、ヒートパイプと筐体とを半田付けまたはロウ付けなどによって接続する必要があり、これらの作業は手間と熟練を要し、生産性やコストの面で改善の余地が残る。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、安価な部品を用いて、かつ、生産性が高いヒートパイプ内蔵光トランシーバを提供することを目的とする。

本発明は、発光素子の発熱を放熱する手段としてヒートパイプを用い、半田付けやロウ付けを必要とせずにＴＯＳＡおよび筐体にそれぞれ接触して効率的に組み込むことができるシート形状のヒートパイプを用いた構造を特徴とする光トランシーバに関するものである。

すなわち、本発明に係る光トランシーバにおいては、ヒートパイプとＴＯＳＡ、および、ヒートパイプと筐体とは、押圧によって接触が保持されるために、はんだ付けやロウ付けなどの熟練と手間を要する加工は不要なため生産性が高い。

本発明によれば、発光素子の放熱手段としてヒートパイプを備え、生産性が高く低コストの光トランシーバを提供できる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係る光トランシーバの断面図である。
光トランシーバは、光送信器２２と光受信器２３が一体化されて成る。
光送信器２２は、発光サブアセンブリ（以下、ＴＯＳＡ）３と送信回路２４と外部端子６を備える。

ここで、ＴＯＳＡ３は、略円筒形状をしており、発光素子２とモニタＰＤ１０を搭載する発光素子パッケージ１９を備える。またＴＯＳＡ３は、略円筒状の外周部にフランジ１４を備える。図には記載されていない光コネクタが、光トランシーバのレセプタクル７に結合されると、この光コネクタに付属する光ファイバと、発光素子２が光結合する。また、モニタＰＤ１０は、発光素子２の光出力を監視して送信回路２４へ出力する。

送信回路２４は、回路基板５上に実装されており、光送信器２２が備える外部端子６から入力される電気信号に基づいて発光素子２を駆動する。このとき、送信回路２４は、モニタＰＤ１０の出力に応じて、発光素子２の光出力が所定の値となるように制御する。

次に、光受信器２３は、受光サブアセンブリ（以下、ＲＯＳＡ）４と受信回路２５と、外部端子１０を備える。
ＲＯＳＡ４は、略円筒形状をしており、受光素子２１を有する受光素子パッケージ２０を備える。また、ＲＯＳＡ４は、その略円筒形状の外周部にフランジ１４を備える。図には記載されていない光コネクタが、光トランシーバのレセプタクル７に結合すると、この光コネクタに付属する光ファイバと、受光素子２１は光結合する。

受信回路２５は、回路基板５上に実装されており、受光素子２１の出力に基づいて、外部端子６へ電気信号を出力する。光トランシーバは、光送信器２２と光受信器２３を本体８に収容し、筐体９で覆うことで一体化したものである。

光トランシーバの本体８は、光送信器２２と光受信器２３を効率よく収容できるように、ＴＯＳＡ３、送信回路２４を搭載する回路基板５、外部端子６、ＲＯＳＡ４、受信回路２５を搭載する回路基板５を収容できる凸凹を備える。ここで、送信回路２２と受信回路２３は１枚の回路基板５に設けられてもよく、それぞれ個別の回路基板に設けられてもよい。

筐体９は、光送信器２２と光受信器２３を収容した本体８の開口を覆って保護する。筐体９は、略平板形状をしており、折り曲げ爪などの本体８との係止手段を供える。また、筐体９は、押さえバネ１８を備える。筐体９は、押さえバネ１８によって、後で述べるヒートパイプ１に接し、ヒートパイプ１の熱を吸熱して光トランシーバの外部へ放熱する機能を有する。したがって筐体９の材料は、銅合金などの熱伝導性が良好な金属が望ましい。

ヒートパイプ１は、前記ＴＯＳＡ３と前記筐体９とに接して、本体８に収容される。ヒートパイプ１は、ＴＯＳＡ３を経由して発光素子２と熱的に接続しており、ＴＯＳＡ３が備えるフランジ１４との接触面で発光素子２の発熱を吸熱する。また、ヒートパイプ１は、前で述べたように、筐体９との接触面を経由して筐体９へ放熱する。筐体９は、受けた熱を光トランシーバの外部へ放出する。後で詳細を述べるが、ヒートパイプ１は、銅合金の数十倍から数百倍の熱伝導率を有する構造をしており、ＴＯＳＡ３のフランジ１４を介して吸熱する発光素子２の発熱を効率よく筐体９へ伝えて光トランシーバの外部へ放出することができる。ヒートパイプ１は、ＴＯＳＡ３のフランジ１４との接触面と、筐体９との接触面とを有する略シート形状であり、本体８に形成された凹部へ収容される。

光トランシーバの伝送可能距離を長くするには、発光素子２の光出力を大きくする必要があり、したがって駆動電流も大きくなる。そのため発光素子２の発熱は大きくなり発光効率の低下を招く。モニタＰＤ１０の出力によって発光素子２の出力の低下を検知した送信回路２４は、発光素子２の光出力を安定化させるために駆動電流を増やすが、駆動電流が一定値を超えた場合は光送信器の故障と判断される。このように発光素子２の発熱は光送信器の動作を不安定にする原因となるため、効率的な放熱手段を備える必要がある。

そこで本発明に係る光トランシーバは、発光素子２が発生する熱を効率的に放熱する手段としてヒートパイプ１を用いる。図２は本実施例におけるヒートパイプ１の外観図である。

本実施例では、ヒートパイプ１は、シート状形状をしている。ヒートパイプ１は、良好な熱伝導を得るために、銅合金などの熱伝導性に優れる金属材料でできており、熱伝導方向に直角な断面積、すなわちヒートパイプ１の幅と厚みは大きいことが好ましい。しかしながら、光トランシーバの小さな本体８に収容しなくてはならないため、その幅は、光トランシーバの幅よりも小さくなければならない。厚みは、同じく光トランシーバの本体８への収容を考慮すると２ミリ以下が好ましい。ヒートパイプ１の長さは、後で述べる吸熱面と放熱面が確保されて、光トランシーバの本体８に収容できれば放熱効率へ及ぼされる影響は小さいため光トランシーバの全長からレセプタクル７を除いた長さか、それよりも短ければよい。

ヒートパイプ１は内部に空洞を有する。この空洞の中は、微量の液体（例えば、純水や代替フロンなど）が作動液として封入されている。空洞内には、さらに、繊維状の部材（例えば銅やアルミの線材）が封入されている。前記繊維状の部材は、作動液を空洞内で移動させるための毛細管現象を生じる手段である。前記繊維状の部材は一例であって、前記毛細管現象を生じる構造であれば繊維状に限定するものではない。

ヒートパイプ１は、第１の部分１３と第２の部分２６を有する。図２に示すヒートパイプ１では、第１の部分と第２の部分は一体であるが別部品を組み合わせて構成してもよい。また、内部の空洞は、少なくとも第２の部分２６に設けられる。
第１の部分１３は、略円筒形状のＴＯＳＡ３が矢印Ａの方向から挿入される貫通孔１１とＲＯＳＡ４が矢印Ａの方向から挿入される貫通孔１２を備える。貫通孔１１および貫通孔１２の内径は、それぞれ略円筒形状のＴＯＳＡ３およびＲＯＳＡ４の外径よりも大きく、ＴＯＳＡ３およびＲＯＳＡ４が備えるフランジ１４の外径よりも小さい。したがってＴＯＳＡ３およびＲＯＳＡ４を、それぞれ貫通孔１１および貫通孔１２へ挿入するとき、ＴＯＳＡ３およびＲＯＳＡ４のフランジ１４が、折り曲げ面に接してそれ以上の挿入は制限される。このように、ヒートパイプ１は、その第１の部分１３に備える貫通孔１１および貫通孔１２の周辺で、ＴＯＳＡ３およびＲＯＳＡ４それぞれのフランジ１４と接触する。ＴＯＳＡ３が備える発光素子２の発熱は、フランジ１４を経由して、フランジ１４に接触しているシートパイプ１の第１の部分１３へ伝熱することになる。次に、第２の部分２６は、筐体９が備える押さえバネ８と接し、筐体９と熱的に接続される。

ヒートパイプ１の第１の部分１３は、発光素子２の発熱を、ＴＯＳＡ３のフランジ１４を介して吸熱する。ヒートパイプ１は、第１の部分１３で吸熱した熱を矢印Ｂに示す方向に第２の部分２６へ熱輸送を行なう。ヒートパイプ１の第２の部分２６は、筐体９が備える押さえバネ８との接触部を経て、筐体９へ放熱する。筐体９に伝わった熱は光トランシーバ外部へ放出される。このように発光素子２の発熱が、筐体９から光トランシーバの外部へ放出されるまでの熱伝導経路において、ヒートパイプ１が最も長い伝熱経路となる。

したがって、このヒートパイプ１の熱抵抗を引き下げることは、発光素子２の発熱を効率よく放出することに直結する。ヒートパイプ１は、吸熱部分に近い場所では、温度が高いため、空洞内に封止された作動液が蒸発して空洞内に拡散する。一方、放熱部分に近い場所では相対的に温度が低いため、空洞内に拡散した作動液が凝結する。ここで液化した作動液は、空洞内に備えられた繊維状の物質による毛細管現象によって空洞内を移動して、ふたたび吸熱部分に近い場所へ戻る。この循環作用によってヒートパイプ１の熱伝導率は、銅合金など熱伝導率が高い金属のさらに５０〜１００倍の熱伝導率を示し、発光素子２の放熱へのヒートパイプ１の効果は大きい。たとえば、吸熱部分が７０℃のとき、作動液として純水を用いて、空洞内の真空度を約6hPaにすることにより純水の気化が促進され、空洞内で作動液が循環を開始して熱輸送が行われる。
本実施例では、ヒートパイプ１と筐体９は押さえバネ８を介して熱的に接続されているが、この熱的接続は、たとえばヒートパイプ１と筐体９の直接接触、ネジ締結などによっても実現でき、押さえバネに限定するものではない。

図３に、本発明に係る光トランシーバの組み立て図の概略を示す。光トランシーバの組み立ては以下の５つの手順で構成される。すなわち；
本体８へヒートパイプ１を矢印Ｂの方向から装着する手順１。；
次にＴＯＳＡ３をＴＯＳＡ貫通孔１１へ挿入して本体８へ装着し、同様にＲＯＳＡ４をＲＯＳＡ貫通孔１２へ挿入して本体８へ装着する手順２；
次に圧入部品１７を本体８に設けられた圧入孔１５へ圧入する手順３；
さらに回路基板５を本体８へ装着した後、ＴＯＳＡ３およびＲＯＳＡ４の端子と回路基板５に設けられた内部端子とを接続する手順４；
最後に、本体８へ筐体９などを固定する手順５；
の５つの手順である。

それぞれの手順と構造を詳細に述べると、手順１において、本体８にはヒートパイプ１が所定の位置に簡便に装着できるように、上面から下面にむかってヒートパイプ１を挿入できる溝１６が形成されている。溝１６にはヒートパイプ１の第１の部分１３が挿入されて所定位置に保持される。そのため、溝１６の幅はヒートパイプ１の第１の部分の厚さとほぼ同じかわずかに大きい。

手順２では、本体８に装着されたヒートパイプ１のＴＯＳＡ貫通孔１１とＲＯＳＡ貫通孔１２へ、ＴＯＳＡ３とＲＯＳＡ４を矢印Ｃの方向から挿入する。前に述べたようにＴＯＳＡ貫通孔１１の孔径は、ＴＯＳＡ３の外径より大きいがフランジ１４の外径よりも小さいため、ＴＯＳＡ３のフランジが、ヒートパイプ１の第１の部分に接して、ストッパーとなる。ヒートパイプ１の第１の部分と、フランジ１４とが接触する部分は、発光素子２の放熱経路となるため組み立て後も良好な熱的接触が維持されなければならない。

そこで、手順３では、圧入部品１７を本体８に設けられた圧入孔１５へ圧入する。圧入部品１７は、フランジ１４に接して押圧する面を有するくさび形状をしている。前記押圧の反力は、圧入部品１７の前記押圧面と反対側の面が圧入孔１５の内壁によって支えられる。圧入部品１７を圧入孔１５へ圧入をすることによって前記押圧面がフランジ１４に接して、圧入部品１７をさらに深く圧入をおこなうにしたがって前記押圧面がフランジ１４を矢印Ｃの方向へ押しつける力が働く。圧入部品１７を所定位置まで圧入し固定することによってフランジ１４と第１の部分１３との良好な熱的接触が保持される。ＲＯＳＡ４も同様に圧入部品１７によってそのフランジ１４が第１の部分１３へ接触、保持される。

図４は、前記手順３で述べた圧入部品１７によって、ＴＯＳＡ３のフランジ１４をヒートパイプ１の第１の部分１３へ接触、保持している構造を拡大して示す。本体８の溝１６にヒートパイプ１の第１の部分１３を挿入して装着する。ＴＯＳＡ３を矢印Ｃの方向にＴＯＳＡ貫通孔１１へ挿入する。フランジ１４が第１の部分１３に接触する。圧入部品１７を、本体８が備える圧入孔１５へ挿入する。フランジ１４の、第１の部分１３と接する面と反対側の面が、圧入部品の押圧面と接する。圧入部品１７を圧入孔１５へ圧入することによって、圧入部品１７の押圧面がフランジ１４を矢印Ｃの方向へ押し付ける力が働き、フランジ１４と第１の部分１３の接触が保持される。

手順４では、回路基板を本体８へ装着する。回路基板５上に実装された送信回路２４とＴＯＳＡ３のリードピンを電気的に接続する。接続手段として、回路基板上５に設けられた電極パッドとＴＯＳＡ３が備えるリードピンを半田付けすることが考えられる。同様に回路基板５上に実装された受信回路２６とＲＯＳＡ４のリードピンを接続する。

最後に、手順５では、本体８の下面に底板を装着し、また、本体８の上面には筐体９を装着する。このとき、筐体９は、押さえバネ１８がヒートパイプ１の第２の部分に接触して押し付け、本体８に固定される。固定手段は筐体９が備える折り曲げ爪を、本体８が備える穴に挿入して折り曲げることが一例として考えられる。

図５は、前記手順５において本体８へ筐体９を取り付ける工程を示している。矢印Ｄが示す方向に筐体９を光トランシーバの本体８へ装着するとき、筐体９に設けられた押さえバネ１８は、ヒートパイプ１の第２の部分２６に接触する。前記接触によって、ヒートパイプ１の第２の部分２６と筐体９はバネ１８を介して熱的に接続されるため、ヒートパイプ１から伝えられた熱は筐体９を通して光トランシーバの外部へ放熱される。以上の組み立て手順で光トランシーバが完成する。

本発明に係る光トランシーバは、放熱手段として、ＴＯＳＡおよび筐体に接触したシート状のヒートパイプを用い、前記ヒートパイプとＴＯＳＡとは圧入部品の押圧力により接触が保持され、前記ヒートパイプと筐体とは押さえバネの押圧力によって接触が保持されることによって、それぞれ熱的に接続される構造を提供する。これによって、ＴＯＳＡまたは発光素子パッケージとヒートパイプが予めロウ付けによって接続された高価な部品は不要である。さらに、ヒートパイプと回路基板または筐体などとの熱的な接続を実現するために、はんだ付けやロウ付けなどの熟練を要して手間がかかる加工は不要なため効率的な生産性が得られる構造を提供する。

本実施形態に係る光トランシーバの断面図。本実施形態に係るシート形状ヒートパイプの外観図。本実施形態に係る光トランシーバの組み立て図。本実施形態に係る光トランシーバのＴＯＳＡ固定部拡大図。本実施形態に係る光トランシーバの筐体の組み立て図。従来の実施例１

符号の説明

１…ヒートパイプ、２…発光素子、３…発光素子サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）、４…受光素子サブアセンブリ（ＲＯＳＡ）、５…回路基板５、６…外部端子、７…レセプタクル、８…本体、９…筐体、１０…モニタＰＤ、１１…ＴＯＳＡ貫通孔、１２…ＲＯＳＡ貫通孔、１３…第１の部分、１４…フランジ、１５…圧入孔、１６…（ヒートパイプ挿入）溝、１７…圧入部品、１８…押さえバネ、１９…発光素子パッケージ、２０…受光素子パッケージ、２１…受光素子、２２…光送信器、２３…光受信器、２４…送信回路、２５…受信回路、２６…第２の部分

Claims

光送信器と光受信器とヒートパイプと筐体を備える光トランシーバであって、
前記光送信器は、発光素子を搭載し、フランジを有するＴＯＳＡと、前記発光素子と電気的に接続された送信回路を備え、
前記光受信器は、受光素子を搭載し、フランジを有するＲＯＳＡと、前記受光素子と電気的に接続された受信回路を備え、
前記ヒートパイプは、シート形状であって、第１の部分と第２の部分を有し、前記第１の部分は前記ＴＯＳＡおよび前記ＲＯＳＡが備えるフランジと接し、前記第２の部分は筐体と接して配置されることを特徴とする光トランシーバ。
前記ヒートパイプは、その第１の部分に、略円筒状をしたＴＯＳＡおよびＲＯＳＡの外径よりも大きく、かつ、ＴＯＳＡおよびＲＯＳＡが備えるフランジの外径よりも小さな内径を有する一対の貫通孔を備え、前記ＴＯＳＡおよび前記ＲＯＳＡが前記貫通孔へ挿入されて、前記フランジは、前記第１の部分の貫通孔周辺の挿入方向と垂直な面に接していることを特徴とする請求項１に記載の光トランシーバ。
前記光トランシーバが備える少なくとも一対の圧入孔へ圧入された少なくとも一対の圧入部品が、
前記ＴＯＳＡおよび前記ＲＯＳＡが備えるフランジの、前記第１の部分と接する面と反対側の面を押圧して接することを特徴とする請求項１または２に記載の光トランシーバ。
前記筐体は、少なくともひとつのバネを備え、前記バネが前記第２の部分と接して配置されることを特徴とする請求項１または２または３に記載の光トランシーバ。