JP2011159704A - 光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】外面に凹凸のある発熱部品とスライド嵌合される金属製カバーとを、効果的に熱結合させることによりバラツキのない安定した放熱機構を備えた光トランシーバを提供する。
【解決手段】光電変換と電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板２５の外側を、金属製カバー２４のスライド嵌合により覆った光トランシーバであって、電子部品群のうち放熱を必要とする発熱部品（ＴＯＳＡ）２１に対して、伝熱シート２２を挟んで放熱ブロック２３を装着し、放熱ブロック２３の外面を金属製カバー２４の内面に突出させた平坦な突出面２４ｂに圧接させたことを特徴とする。なお、放熱ブロックの内面形状は発熱部品１１の外面形状に対応した凹凸面を有し、伝熱シート２２は弾性体で形成されていることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信のための送受信光サブアセンブリを備えた光トランシーバに関し、特にその発熱部品からの放熱構造に関する。

光トランシーバは、光信号を送受信する光通信に用いられるもので、光信号を送信する送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）と光信号を受信する受信用光サブアセンブリ（RＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）が搭載されている。さらに、光トランシーバは、ＴＯＳＡやRＯＳＡにより電気信号を授受するための集積回路等の電子部品が回路基板に実装されて搭載されている。

光トランシーバ内に搭載される光部品や電子部品からの発熱は、放熱部材や金属筐体等を利用して放熱される。例えば、特許文献１には、発光素子を駆動するドライバ素子（発熱部品）からの熱を放熱シートと放熱ブロックにより、金属製のカバーに伝えて放熱することが開示されている。また、特許文献２には、ＴＯＳＡ、RＯＳＡからの熱を伝熱シートと放熱部材を介して外装用の金属製カバーの内面に面接触させて、放熱することが開示されている。

特許第３９２２１５２号公報 特開２００７−２２７７０７号公報

特許文献１に開示の放熱形態は、図８に示すような模式図で表すことができる。発熱部品１を、例えば、ＴＯＳＡとし、この発熱部品１に対して放熱シート（伝熱シートともいう）２を介して放熱ブロック３が配されるとする。そして、この発熱部品１および放熱ブロック３は、切起し片４ａが設けられた金属製のカバー４内にスライド嵌合させて収納される。この場合の放熱形態は、切起し片４ａのバネ性により放熱ブロック３の外面を押圧して接触し、放熱シート２を圧縮して発熱部品１からの熱をカバー４に伝導して放熱することとなる。このため、カバー４と放熱ブロック３間での熱伝導は、切起し片４ａの先端部分による接触を通して行われるので、放熱特性にバラツキが生じ易く不安定であり、放熱も十分とは言えない。

また、特許文献２に開示の放熱形態では、放熱ブロックに相当する放熱部材は、金属板を折り返した形状であるため、金属製のカバーと面で熱的に接触させることはできる。しかし、発熱部品が平坦でない凹凸を有する形状の場合は、発熱部品と放熱部材との間に介在させる伝熱シートの厚さを厚くして、凹凸形状による放熱部材間の空隙を埋める必要がある。伝熱シートは、弾力性を有するゴムや樹脂性のもので形成されるため、熱伝導性は金属で形成する放熱部材と比べてかなり小さい。このため、伝熱シートはできるだけ薄いものを使用することが好ましいが、特許文献２の構成では発熱部品と放熱部材間での熱伝導にバラツキが生じ易く、上記と同様に放熱が十分とは言えない。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、外面に凹凸のある発熱部品とスライド嵌合される金属製カバーとを、効果的に熱結合させることによりバラツキのない安定した放熱機構を備えた光トランシーバの提供を目的とする。

本発明による光トランシーバは、光電変換と電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板の外側を、金属製カバーのスライド嵌合により覆った光トランシーバであって、電子部品群のうち放熱を必要とする発熱部品に対して、伝熱シートを挟んで放熱ブロックを装着し、放熱ブロックの外面を金属製カバーの内面に突出させた平坦な突出面に圧接させたことを特徴とする。

上記の放熱ブロックの内面形状は発熱部品の外面形状に対応した凹凸面を有し、上記の伝熱シートは弾性体で形成されていることが好ましい。また、金属製カバーの突出面の段部、または、放熱ブロックが前記段部に当接する先端部の少なくとも一方が、滑らかな傾斜面で形成されていることが好ましい。

本発明によれば、放熱ブロックと金属製カバーの突出面とを面接触で確実に接触させることができ、かつ、上記の金属製カバーの突出面で伝熱シートを圧縮し、発熱部品と放熱ブロックとを効果的に熱結合させることができる。また、放熱ブロックの装着面を発熱部品の外面形状に対応した形状とすることにより、放熱特性にバラツキがなく、放熱性に優れた光トランシーバを実現することができる。

本発明の概略を説明する模式図である。 本発明による光トランシーバの一例を説明する図である。 図２の放熱機構の詳細を示す部分図である。 本発明の光トランシーバに用いるカバーの一例を示す図である。 本発明の光トランシーバに用いる放熱ブロックの一例を示す図である。 本発明の光トランシーバの放熱部の一例を説明する図である。 本発明の光トランシーバに用いる放熱ブロックの他の例を示す図である。 従来技術を説明する図である。

図１により本発明の概略を説明する。図中、10は光トランシーバ、１１は発熱部品（ＴＯＳＡ）、１２は伝熱シート、１３は放熱ブロック、１４はカバー、１４ａはカバー内面、１４ｂは突出面、１４ｃは段部、１４ｄはガイド部を示す。
図１は、本発明による光トランシーバの放熱部を模式的に示したもので、発熱部品１１は、例えば、発光素子（レーザダイオード）が実装されたＴＯＳＡに相当するものであり、カバー１４は、光トランシーバの電子部品群が実装されている回路基板等の外側を覆う金属製カバーに相当するものである。

発熱部品（ＴＯＳＡ）１１の発熱部近傍には、少なくとも厚み方向にエラストマのような弾性のある伝熱シート１２を介して放熱ブロック１３が装着され、発熱部品（ＴＯＳＡ）１１からの熱は、金属あるいはセラミック等の熱伝導性のよい非弾性の放熱ブロック１３に伝熱され、カバー１４を放熱板として放熱される。このため、カバー１４は放熱性のよい金属製で形成され、放熱ブロック１３と面接触でかつ密接された状態で熱が伝導されるように、カバー内面１４ａに対して、内側に突出する平坦な突出面１４ｂが設けられている。

また、カバー内面１４ａから突出面１４ｂ上に放熱ブロック１３が容易に乗り上げることができるように、放熱ブロック１３が当接する段部１４ｃを滑らかに面（例えば、円弧状または傾斜状の面）とするのが好ましい。なお、段部１４ｃに当接する放熱ブロック１３側の先端部を滑らかな面としてもよい。さらに、カバー１４の嵌合口は、放熱ブロック１３がカバー１４内にスムーズに案内されるように、拡開されたガイド部１４ｄとされているのが好ましい。

上述の構成において、図１（Ａ）の状態から、カバー１４内に発熱部品（ＴＯＳＡ）１１と共に伝熱シート１２と放熱ブロック１３を挿着する場合、図１（Ｂ）に示すように、放熱ブロック１３は拡開されたガイド部１４ｄに案内されて、カバー１４内にスムーズに挿入される。この後、図１（Ｃ）に示すように、放熱ブロック１３の外面（上面）は、カバー内面１４ａに接する状態で挿入される。次いで、更なる押し込みにより、図１（Ｄ）に示すように、伝熱シート１２を圧縮して放熱ブロック１３は突出面１４ｂに乗り上げられる。

この結果、伝熱シート１２は弾性的に発熱部品１１と放熱ブロック１３とに密接して、発熱部品１１からの熱を放熱ブロック１３に良好に伝熱する。そして、放熱ブロック１３に伝導された熱は、カバー１４の平坦な突出面１４ｂとの密接した面接触と圧接とにより、カバー１４から効率よく放熱される。

図２は、上記の放熱機構を適用した光トランシーバの一例を示し、図２（Ａ）はカバー嵌合前の状態を示し、図２（Ｂ）はカバー嵌合後の状態を示す図である。図中、２０は光トランシーバ、２１は発熱部品（ＴＯＳＡ）、２２、２２’は伝熱シート、２３は放熱ブロック、２４はカバー、２４ａはカバー内面、２４ｂは突出面、２４ｃは段部、２４ｄはガイド部、２５は回路基板、２６は放熱板、２７はベース、２８はタブ板、２９はレセプタクル部を示す。

光トランシーバ２０は、ＴＯＳＡ２１とＲＯＳＡ（図示されず）を並列に並べて配置し、筐体の一部を形成するベース２７、漏洩電波のシールド機能をもたせたタブ板２８、光ケーブルコネクタとの接続を形成するレセプタクル部２９等により位置決めして構成される。ＴＯＳＡとＲＯＳＡのリードピンは、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）等により、回路基板２５に電気的に接続される。回路基板２５には、ＴＯＳＡ及びＲＯＳＡとの電気信号の授受を行うための、集積回路素子（ＩＣ）やその他の電子部品等が実装されている。

実装部品であるＴＯＳＡ，ＲＯＳＡ及びＩＣ等の発熱部品からの熱は、光トランシーバの外周部を覆う金属製のカバー２４やベース２７に伝導されて放熱される。例えば、特に発熱量が大きいＴＯＳＡ２１に対しては、図１で説明したと同様な伝熱シート２２と放熱ブロック２３が用いてカバー２４に伝熱される。また、必要に応じて伝熱シート２２’によりベース２７にも伝熱される。その他、回路基板上に実装されたＩＣ等の発熱部品からの熱は、放熱板２６等を用いてカバー２４に伝熱させて放熱させることができる。なお、放熱板２６は、例えば、金属製の板材を折り曲げて一体に形成されていて、回路基板２５上の電子部品の発熱を、カバー２４に伝熱する機能を備えている。

光トランシーバ２０の金属製のカバー２４は、ＴＯＳＡ、ＲＯＳＡや回路基板の組付け後に、外装用として全体を覆うようにスライド嵌合するもので、その嵌合口のガイド部２４ｄは、嵌合とスライド操作がスムーズに行えるようにテーパ状に形成される。なお、カバー２４の先端部分には、レセプタクル部２９等に係合させて嵌合をラッチさせるラッチ手段２４ｅ（図４参照）が設けられている。上記の放熱ブロック２３や放熱板２６が接触する部分は、カバー内面２４ａより内側に突出する突出面２４ｂで形成される。また、この突出面２４ｂの段部２４ｃは、突出面２４ｂ上に放熱ブロック２３あるいは放熱板２６が乗り上げやすいように、滑らかな形状（例えば傾斜面、弧状面）で形成される。なお、放熱ブロック２３あるいは放熱板２６側において、その当接する先端部を滑らかな形状としてもよい。

図３は、特に、動作特性が温度依存性で発熱量が大きいＴＯＳＡ２１の放熱機構を拡大して示した図で、図３（Ａ）→図３（Ｃ）の形態で、カバー２４が組み付けられる。ＴＯＳＡ２１の発熱部であるステム部近傍の上方の半周部に、後述する放熱ブロック２３が伝熱シート２２を介して装着される。なお、放熱ブロック２３の装着は、カバー２４が嵌合されていない状態では固定されておらず、仮保持の状態である。また、必要に応じてステム部近傍の反対側の下側にも伝熱シート２２’を配し、ベース２７から放熱させるようにしてもよい。

放熱ブロック２３は、金属またはセラミック等の熱伝導性のよい硬質の材料で成形加工される。一方、伝熱シート２２は、例えば、エラストマのような弾性を有するシリコーンゴムに、金属やセラミック粒子等の熱伝導性の微粒子を混入して熱伝導率を高めた弾力性を有する樹脂シートで形成される。伝熱シート２２は、放熱ブロック２３とＴＯＳＡ２１間の凹凸のある空隙を埋めるように弾性変形し、ＴＯＳＡ２１からの熱を放熱ブロック２３に良好に伝熱する。

カバー２４は、図２で説明したように、その嵌合口のガイド部２４ｄを拡開形状に形成して、スライド嵌合をスムーズに行えるようにし、図３（Ａ）の状態から図３（Ｂ）の状態に移動させる。これにより、放熱ブロック２３の外面は、カバー内面２４ａに接して外部への飛び出しが阻止されるようにして保持される。続いて、図３（Ｂ）の状態から図３（Ｃ）の状態に、カバー２４の嵌合が進行されると、放熱ブロック２３の外面は、カバー内面２４ａより内側に突出する突出面２４ｂに乗り上げて、圧接力を伴って接触すると共に、伝熱シート２２は弾性的に圧縮される。

図３（Ｃ）の状態では、カバーの平面状の突出面２４ｂに放熱ブロック２３の外面が乗り上げることにより、カバー２４の突出面２４ｂの押圧により放熱ブロック２３の傾きが自動的に修正されて、密接した面接触で圧接される。この結果、放熱ブロック２３とカバー２４との間の熱結合する接触面積が増加すると共に、バラツキのない安定した接触で、良好な熱伝導が形成される。また、伝熱シート２２は、カバー２４の突出面２４ｂの押圧により圧縮を受け、放熱ブロック２３とＴＯＳＡ２１間の細かな空隙部分も埋めて、ＴＯＳＡ２１と放熱ブロック２３間の熱伝導をさらに良好にすることができる。

図４は、本発明の光トランシーバに用いるカバー２４の一例を示す図である。カバー２４は、金属板をプレス加工あるいは板金加工して形成され、放熱ブロックや放熱板が接触される壁側（例えば、上壁側）には、カバー内面から内側に突出する突出面２４ｂが形成される。また、回路基板等が嵌合される嵌合口部分は、カバー２４の嵌合装着がスムーズが行える拡開形状のガイド面２４ｄで形成され、この他、カバーの嵌合装着を係止するラッチ手段２４ｅ等が形成されている。

図５は、本発明の光トランシーバに用いる放熱ブロック２３の一例を示す図である。放熱ブロック２３は、熱伝導性のよい金属（例えば、銅系金属、アルミニウム系金属）や熱伝導性のよいセラミックス（例えば、窒化アルミ、窒化珪素セラミックス）で形成される。放熱ブロック２３は、光トランシーバのカバーに接する外面側と、実装される発熱部品と接する内面側とを有しているが、外面側は上記カバーの平面状の突出面に、直接に面接触する平坦面２３ａとされる。また、この平坦面２３ａの先端部２３ｂ（カバーの嵌合時に、突出面の段部と当接する端部）は、滑らかなテーパ状あるいは弧状の面とされる。

放熱ブロック２３の内面側は、伝熱シートを挟んでＴＯＳＡ（発熱部品）に熱結合されるが、ＴＯＳＡの発熱部近傍は円形の外面で、しかも外径が異なる凹凸面を有している（図６参照）ため、平板状や矩形状の放熱ブロックでは均一な熱結合が難しい。このため、放熱ブロック２３の内面側は、ＴＯＳＡの外形の形状に見合った弧状の凹凸面２３ｃで形成するのが好ましい。

なお、放熱ブロック２３は、この凹凸面２３ｃとＴＯＳＡ２１との間には圧縮可能な伝熱シートを挟んで装着されるので、凹凸面２３ｃの加工精度はあまり高くなくてもよい。このため、放熱ブロック２３は、ダイカストのような金型を用いた安価な方法で形成することができ、必要に応じて機械加工を行うこともできる。また、凹凸面２３ｃの中心部分に基準面２３ｄを設けて、伝熱シートの圧縮量や寸法を管理することにより、熱伝導のバラツキ等を低減するが好ましい。

この他、放熱ブロック２３の側面には、その装着の前後方向が間違わないように誤装着防止用の突起２３ｅを一体に設け、作業性を高めることができる。さらに、放熱ブロック２３の後端部（レセプタクル側）には、組付け時に放熱ブロック２３が円形状の装着面（例えば、ＴＯＳＡのステム部近傍）上で回転しないように回転防止用の突起２３ｆを設けておくようにしてもよい。

図６は、上述した放熱ブロック２３を、伝熱シート２２を介してＴＯＳＡ２１上に装着する状態を示している。ＴＯＳＡ２１は、レーザダイオード等の発光素子が実装されたステムを含むパッケージ部２１ａと、レセプタクル部に保持され光コネクタとの接続を形成するスリーブ部２１ｂを有している。伝熱シート２２および放熱ブロック２３は、パッケージ部２１ａの領域の上方側の半円周部分を覆うように装着され、放熱ブロック２３とＴＯＳＡ２１間の空隙は、弾性を有する伝熱シート２２で埋められる。

放熱ブロック２３の内面側の凹凸面２３ｃは、上述したように、ＴＯＳＡ２１のパッケージ部２１ａの凹凸面に対応した形状とすることにより、発熱面との熱結合面積を増加（例えば、半円状とする）させることも可能となる。また、放熱ブロック２３とＴＯＳＡ２１間の空隙を小さくすることが可能となり、この空隙に介在させる伝熱シート２２は、薄いものを用いることが可能となる。なお、伝熱シート２２の熱伝導率は、１〜２Ｗ／ｍＫ程度で、放熱ブロック２３と比べるとかなり低い。したがって、上記のように、伝熱シート２２の厚さは、可能な限り薄くし、放熱ブロック２３で空隙を満たして熱結合面積を増加させる構成とすることで、放熱効率を高めることができる。

なお、図２〜図６においては、光トランシーバのＴＯＳＡの放熱例で説明したが、同様な放熱機構は、ＴＯＳＡと並べて実装されるＲＯＳＡについても同様な放熱構造で、放熱させることができる。ただ、ＲＯＳＡの場合は、ＴＯＳＡと比べて発熱量が少ないので、上述のような放熱機構は省略することもできる。

なお、図７は、ＴＯＳＡとＲＯＳＡを共に放熱する場合の放熱ブロックの一例を示す図である。この場合、ＴＯＳＡ側とＲＯＳＡ側のパッケージ部に整合する弧状の凹凸面２３ｃ’を共通の放熱ブロック２３’の内面側に形成し、カバーと接触する平坦面２３ａ’および先端部２３ｂ’を共通にした一体形状で形成する。

１０，２０…光トランシーバ、１１，２１…発熱部品（ＴＯＳＡ）、２１ａ…パッケージ部、２１ｂ…スリーブ部、１２，２２，２２’…伝熱シート、１３，２３，２３’…放熱ブロック、２３ａ，２３ａ’…平坦面、２３ｂ，２３ｂ’…先端部、２３ｃ，２３ｃ’…凹凸面、２３ｄ…基準面、２３ｅ，２３ｆ…突起、１４，２４…カバー、１４ａ，２４ａ…カバー内面、１４ｂ，２４ｂ…突出面、１４ｃ，２４ｃ…段部、１４ｄ，２４ｄ…ガイド部、２４ｅ…ラッチ手段、２５…回路基板、２６…放熱板、２７…ベース、２８…タブ板、２９…レセプタクル部。

Claims (3)

1. 光電変換と電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板の外側を、金属製カバーのスライド嵌合により覆った光トランシーバであって、
   前記電子部品群のうち放熱を必要とする発熱部品に対して、伝熱シートを挟んで放熱ブロックを装着し、前記放熱ブロックの外面を前記金属製カバーの内面に突出させた平坦な突出面に圧接させたことを特徴とする光トランシーバ。
2. 前記放熱ブロックの内面形状は前記発熱部品の外面形状に対応した凹凸面を有し、前記伝熱シートは弾性体で形成され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。
3. 前記金属製カバーの突出面の段部、または、前記放熱ブロックが前記段部に当接する先端部の少なくとも一方が、滑らかな傾斜面で形成されてい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。

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