JP6124990B2

JP6124990B2 - 放熱構造及び光送受信器

Info

Publication number: JP6124990B2
Application number: JP2015502725A
Authority: JP
Inventors: 後藤　秀樹; 秀樹後藤; 樋村　直人; 直人樋村; 則行谷; 誠司羽下; 正佳田村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: US9594222B2; KR20150111998A; CN105009388A; CN105009388B; JPWO2014132524A1; US20150355425A1; WO2014132524A1; KR101755966B1

Description

この発明は、半導体光素子を搭載するステム、及び当該ステムにおいて当該半導体光素子を覆う円筒部を有する光分配器の熱を放熱する放熱構造、当該光分配器及び放熱構造を備えた光送受信器に関するものである。

光通信を行うデバイス（光分配器）では、性能向上とサイズダウンの市場ニーズに応えるため発熱密度が増加し、光分配器の熱を放熱する放熱構造が課題となっている。
そこで、例えば特許文献１に開示された技術では、樹脂と金属の熱伝導率の差を利用した放熱構造を光分配器に取り付けている。この放熱構造では、光分配器のステムを樹脂の伝熱部材で上下から挟み込み、ステム及び伝熱部材よりも熱膨張率が小さい金属のフレームにより上下の伝熱部材を連結することで、発熱時に樹脂が膨張するのを金属のフレームで抑えている。これにより、発熱時にステムと伝熱部材とが密着し、熱抵抗を減らすことで放熱効率を増加させている。

特開２００７−２７３４９７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、伝熱部材と筐体との接触面積が小さいために放熱効率が悪いという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、光分配器の熱を効率的に放熱することができる放熱構造及び光送受信器を提供することを目的としている。

この発明に係る放熱構造は、ステム及び円筒部の側面に沿った曲面形状であり当該ステム及び当該円筒部を嵌め込み可能な受熱面、及び第１の突没部が設けられた放熱面を有する伝熱部材と、光分配器及び伝熱部材を搭載し、第１の突没部と噛み合う第２の突没部が設けられた受熱面を有する筐体とを備え、第１の突没部と前記第２の突没部との間の隙間に放熱用部材を有するものである。

また、この発明に係る放熱構造は、ステム及び円筒部の側面に沿った曲面形状であり当該ステム及び当該円筒部を嵌め込み可能な受熱面、及び溝部が設けられた放熱面を有する伝熱部材と、光分配器及び伝熱部材を搭載し、溝部と噛み合う突起部が設けられた受熱面を有する筐体とを備え、第１の突没部と第２の突没部との間の隙間に放熱用部材を有するものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、伝熱部材と筐体との接触面積が増大することで放熱効率が増大し、光分配器の熱を効率的に放熱することができる。その結果、光分配器の高発熱密度化と筐体の小型化、高温化に対する動作温度範囲の拡大が実現できる。

この発明の実施の形態１に係る放熱構造の構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る放熱構造の構成を示す分解斜視図である。この発明の実施の形態１に係る放熱構造の別の構成を示す分解斜視図である。この発明の実施の形態１における伝熱部材及び筐体の突没部の別の形状を示す図である。この発明の実施の形態１における伝熱部材及び筐体の突没部の別の形状を示す図である。この発明の実施の形態１における伝熱部材と筐体との隙間を説明する図であり、（ａ）上面図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態２に係る放熱構造の構成を示す斜視図である。図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。この発明の実施の形態３に係る放熱構造の構成を示す分解斜視図である。この発明の実施の形態４に係る放熱構造の構成を示す分解斜視図である。この発明の実施の形態４に係る放熱構造の構成を示す斜視図である。図１１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る放熱構造２の構成を示す斜視図であり、図２は分解斜視図である。図１では、放熱構造２に光分配器１が収納された状態を示している。
まず、光分配器１の構成について説明する。
光分配器１は、ＣＡＮ型のパッケージを有するものであり、発熱する半導体光素子（不図示）を内蔵している。この半導体光素子としては、例えば半導体レーザ素子（レーザダイオード）等が挙げられる。また、光分配器１は受光素子を内蔵してもよい。

この光分配器１は、図１，２に示すように、半導体光素子を搭載するための円板状のステム１１と、ステム１１において半導体光素子を覆う金属製の円筒部１２とを有している。また、ステム１１には、半導体光素子への駆動電流の供給（または、受光素子からの信号の取り出し）等に用いられる複数のリードピン１３が、一部を除き当該ステム１１を貫通して設けられている。

放熱構造２は、光分配器１において発生する熱を、当該光分配器１及び放熱構造２が搭載される装置（光送受信器等）の外部へ放出するための構造である。この放熱構造２は、図１，２に示すように、伝熱部材２１及び筐体２２から構成されている。

伝熱部材２１は、光分配器１のステム１１及び円筒部１２を覆う大きさのブロック状の部材であり、単一部材又は複数部材から構成されている。単一の伝熱部材２１を備える場合には、例えば図１に示すような構成となる。また、複数の伝熱部材２１を備える場合には、例えば図３に示すような構成となる。

また、伝熱部材２１は、ステム１１の側面１１１に沿った曲面形状の受熱面２１１ａと、円筒部１２の側面１２１に沿った曲面形状の受熱面２１１ｂとから成る内壁を有している。この受熱面２１１ａ，２１１ｂは、光分配器１のステム１１及び円筒部１２を嵌め込み可能に構成されている。なお、受熱面２１１ａとステム１１の側面１１１との間及び受熱面２１１ｂと円筒部１２の側面１２１との間には、接着剤や放熱グリス等の放熱用部材が介在するか、又は溶接等による金属結合が施される。

また、伝熱部材２１は、受熱面２１１ａ，２１１ｂとは反対側の面（外壁）に、放熱面２１２ａ〜２１２ｃが設けられている。放熱面２１２ａ〜２１２ｃは、筐体２２に、直接又は放熱グリス等を介して接触し、光分配器１で発生した熱を筐体２２に伝えるための面である。また、筐体２２を設けず、光分配器１及び伝熱部材２１が搭載される装置（例えば光送受信器）、あるいは前記装置に搭載される部品が、放熱面２１２ａ，２１２ｂと互い違いに噛み合う突没部を含む筐体２２と同様の形状であってもよい。この場合、放熱面２１２ａ〜２１２ｃは、前記装置、あるいは前記部品に直接又は放熱グリス等を介して接触し、光分配器１で発生した熱を前記装置、あるいは前記部品に伝えるための面となる。
さらに、放熱面２１２ａ，２１２ｂには、筐体２２の受熱面２２２ａ，２２２ｂと互い違いに噛み合う突没部（第１の突没部）２１３ａ，２１３ｂが設けられている。この突没部２１３ａ，２１３ｂは、図１，２に示すように、ステム１１及び円筒部１２の軸心方向に沿った断面が凹凸形状に構成されている。

一方、筐体２２は、光分配器１及び伝熱部材２１を搭載するものであり、略コの字型の搭載部２２１が設けられている。また、この搭載部２２１の内壁には、伝熱部材２１の放熱面２１２ａ〜２１２ｃと対向する部分に、受熱面２２２ａ〜２２２ｃが設けられている。さらに、受熱面２２２ａ，２２２ｂには、伝熱部材２１の放熱面２１２ａ，２１２ｂの突没部２１３ａ，２１３ｂと互い違いに噛み合う突没部（第２の突没部）２２３ａ，２２３ｂが設けられている。この突没部２２３ａ，２２３ｂは、図１，２に示すように、ステム１１及び円筒部１２の軸心方向に沿った断面が凹凸形状に構成されている。

ここで、伝熱部材２１の放熱面２１２ａ，２１２ｂ及び筐体２２の受熱面２２２ａ，２２２ｂに、互い違いに噛み合う突没部２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂを設けることで、伝熱部材２１と筐体２２とが接触する表面積が増加し、伝熱部材２１の放熱面積と筐体２２の受熱面積とが増加する。
そして、一般的に単位時間当たりに接触面を通過する熱量（Ｑ）は、両接触面の温度（Ｔ＿放熱面−Ｔ＿受熱面）差と表面積（Ｂ）とに比例すると考えられる。そして、比例係数をｈとすれば、熱量（Ｑ）は下式（１）で表される。
Ｑ＝ｈ・（Ｔ＿放熱面−Ｔ＿受熱面）・Ｂ（１）
したがって、上記突没部２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂを設けることで、伝熱部材２１と筐体２２との接触面を通過する熱量が増え、放熱効率の増加が見込める。

なお、突没部２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂは、伝熱部材２１と筐体２２とが噛み合い、接触面積が増加する形態であればよい。よって、突没部２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂは、図２に示すような凹凸形状に限らず、例えば図４に示すようなジグザグ形状や、図５に示すような波線形状に構成してもよい。

また、ステム１１の側面１１１及び円筒部１２の側面１２１と、伝熱部材２１の受熱面２１１ａ，２１１ｂには上記のような突起部は設けず、伝熱部材２１の放熱面２１２ａ，２１２ｂと、筐体２２の受熱面２２２ａ，２２２ｂとに突没部２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂを設けることで、光分配器１の形状を変更することなく、放熱効率の増加を見込むことができる。

なお、放熱構造２において、発熱するステム１１及び当該ステム１１に接する円筒部１２と、筐体２２とを直接接触させる構造とすれば、伝熱部材２１と筐体２２との間に生じる隙間（空気）による放熱の妨げを減らすことができる。しかしながら、そのような構造をとることが難しい場合がある。

すなわち、光分配器１が光軸調整を要する場合、光分配器１の箱型部分（本体部分）１４に対してステム１１及び円筒部１２を軸心方向に垂直な方向（図２に示すｘ軸方向、ｙ軸方向）に動かす必要があり、この箱型部分１４に対するステム１１及び円筒部１２の位置ずれを考慮する必要があるからである。この位置ずれは、通常の寸法公差によるずれより大きくなる。寸法公差とは、基準寸法と全く同じ寸法で加工することが不可能な場合に、実際の寸法として許される最大値と最小値との差である。そして、上記位置ずれを考慮した上で、光分配器１と筐体２２とを組み立て可能とするためには、光分配器１と筐体２２との間に隙間が必要となる。しかし、この隙間は、接着剤や放熱グリス等で埋めるには大きすぎる。

一方、上記位置ずれが発生しても、ステム１１及び円筒部１２の形状は変化しない。そこで、本発明では、光分配器１と筐体２２との間に伝熱部材２１を配置し、ステム１１及び円筒部１２と伝熱部材２１との間に、可能な限り隙間ができないように構成した。これにより、隙間（空気）による放熱の妨げを減らすことができ、放熱効果を高めることができる。

なお、光軸調整による上記位置ずれ、及び各部（光分配器１、伝熱部材２１及び筐体２２）の寸法公差を考慮して、上記位置ずれ及び各部の寸法公差が最大値であっても、各部を組み立て可能とする必要がある。そこで、図６に示すように、伝熱部材２１と筐体２２との間に隙間を設けるように構成した。なお、隙間は、上記位置ずれ及び各部の寸法公差が最大値であっても各部同士がぶつからない値とする。

ここで、図６（ａ）に示すｚ軸方向の隙間は、上記各部を組み立て可能とするための隙間である。また、図６に示すｘ軸、ｙ軸方向の隙間は、ステム１１と円筒部１２の光軸調整公差（上記各部を組み立て可能とするための隙間も兼ねる）である。また、隙間は、放熱グリス等の放熱用部材により埋められる。
そして、放熱面２１２ａ〜２１２ｃが筐体２２と直接接触する場合とは、光軸調整公差、寸法公差（組立公差）が最大値（下限／上限値）の場合である。なお、放熱面２１２ａ〜２１２ｃが筐体２２と接触した場合には、熱が通りやすくなるため、放熱効率が上がる。

これにより、光分配器１の箱型部分１４と筐体２２との位置は一定に保ちつつ、箱型部分１４に対してステム１１及び円筒部１２の位置がずれる光分配器１を組み立て可能とすることができる。

一方、光軸調整が不要な光分配器１であれば、本発明を用いず、ステム１１及び円筒部１２と筐体２２とを直接接触させて、放熱効果を上げることも可能かとも考えられる。しかしながら、光軸調整が不要な光分配器１にて必要な光送信パワーを得るためには、一般的に部品サイズを大きくし、高価な光分配器とする必要がある。つまり、サイズダウンという市場ニーズに答えることができない。
それに対して、本発明の構成を適用することで、必要な光送信パワーを得るために光軸を調整する小型の光分配器１を用いた光送受信器を得ることができる。これにより、光送受信機のサイズダウンを実現可能となる。

さらには、光分配器１はペルチェ素子を有することが一般的である。ペルチェ素子は、電力を消費する。それに対し、放熱構造２により放熱効率を上げることができる本発明を用いることで、ペルチェ素子を用いた冷却による消費電力を削減することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、ステム１１及び円筒部１２の側面１１１，１２１に沿った曲面形状であり当該ステム１１及び当該円筒部１２を嵌め込み可能な受熱面２１１ａ，２１１ｂ、及び突没部２１３ａ，２１３ｂが設けられた放熱面２１２ａ，２１２ｂを有する伝熱部材２１と、光分配器１及び伝熱部材２１を搭載し、当該伝熱部材２１の突没部２１３ａ，２１３ｂと噛み合う突没部２２３ａ，２２３ｂが設けられた受熱面２２２ａ，２２２ｂを有する筐体２２とを備えるよう構成したので、伝熱部材２１と筐体２２との接触面積が増大することで放熱効率が増大し、光分配器１の熱を効率的に放熱することができる。その結果、光分配器１の高発熱密度化と筐体２２の小型化、高温化に対する動作温度範囲の拡大が実現できる。

実施の形態２．
実施の形態２では、ステム１１及び円筒部１２が円筒形状であることを利用して、伝熱部材２１の突没部２１３ａ，２１３ｂ及び筐体２２の突没部２２３ａ，２２３ｂを当該円筒形状に合わせた曲面形状とした場合について示す。
図７はこの発明の実施の形態２に係る光分配器１の放熱構造２の構成を示す斜視図であり、図８は図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。図７，８において、図１，２に示す実施の形態１に係る放熱構造２と同様の構成については同一の符号を付して、異なる箇所についてのみ説明を行う。

実施の形態２における伝熱部材２１の突没部２１３ａ，２１３ｂは、図８に示すように、ステム１１及び円筒部１２の軸心に略垂直な断面が、当該ステム１１及び円筒部１２の側面１１１，１２１に沿った曲面形状に構成されている。また、実施の形態２における筐体２２の突没部２２３ａ，２２３ｂも同様に、ステム１１及び円筒部１２の軸心に略垂直な断面が、当該ステム１１及び円筒部１２の側面１１１，１２１に沿った曲面形状に構成されている。
これにより、実施の形態１の構成に対し、図８に示す斜線部５ａ，５ｂの分だけ放熱面積が拡大するため、放熱効率の増加が見込める。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、伝熱部材２１の放熱面２１２ａ，２１２ｂ及び筐体２２の受熱面２２２ａ，２２２ｂに突没部２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂを設けた場合について示した。それに対して、実施の形態３では、伝熱部材２１の放熱面２１２ｃに溝部２１４ａ，２１４ｂを設け、筐体２２の受熱面２２２ｃに当該溝部２１４ａ，２１４ｂと噛み合う突起部２２４ａ，２２４ｂを設けた場合について示す。
図９はこの発明の実施の形態３に係る光分配器１の放熱構造２の構成を示す分解斜視図である。なお図９では光分配器１の図示を省略している。図９において、図１，２に示す実施の形態１に係る放熱構造２と同一構成については同一の符号を付して、異なる箇所についてのみ説明を行う。

実施の形態３における伝熱部材２１には、突没部２１３ａ，２１３ｂに代えて、図９に示すように、放熱面２１２ｃに溝部２１４ａ，２１４ｂが設けられている。また、実施の形態３における筐体２２には、突没部２２３ａ，２２３ｂに代えて、受熱面２２２ｃに溝部２１４ａ，２１４ｂと噛み合う突起部２２４ａ，２２４ｂが設けられている。
これにより、伝熱部材２１の溝部２１４ａと筐体２２の突起部２２４ａとが噛み合い、溝部２１４ｂと突起部２２４ｂとが噛み合う。その結果、実施の形態１と同様に、伝熱部材２１と筐体２２との接触面積が増大することで放熱効率が増大し、光分配器１の熱を効率的に放熱することができる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３の構成において、ステム１１と伝熱部材２１とを接着した場合、接着剤の塗布状況により、伝熱効率が落ちる場合がある。また、接着剤が乾燥するまでに時間がかかるため、生産性が悪いという課題がある。そこで、実施の形態４では、図１０に示すように、板バネ３１を用いて円筒部１２を伝熱部材２１とともに挟み込んで固定することで、ステム１１を固定するようにした。

板バネ３１は、伝熱部材２１に取り付け可能に構成され、円筒部１２を伝熱部材２１とともに挟み込んで固定することで、ステム１１を固定するものである。この板バネ３１は、図１０に示すように、板部材をＬ字に折り曲げたものであり、長手方向の両端辺に伝熱部材２１の係り部２１５ａ，２１５ｂに引っ掛かる曲げ部３１１ａ，３１１ｂが設けられている。
また、伝熱部材２１には、板バネ３１の曲げ部３１１ａ，３１１ｂが引っ掛けられる係り部２１５ａ，２１５ｂが設けられている（図１２参照）。

図１１に板バネ３１装着時の斜視図を示し、図１２に図１１のＢ−Ｂ線拡大断面図を示す。板バネ３１は、円筒部１２が収納された伝熱部材２１に取り付けられる。この際、板バネ３１の曲げ部３１１ａ，３１１ｂを、伝熱部材２１の係り部２１５ａ，２１５ｂに引っ掛ける。これにより、板バネ３１は、円筒部１２を伝熱部材２１とともに挟み込んで固定する。なお、板バネ３１を取り付けた際に伝熱部材２１と当該板バネ３１とで形成される空間が、光分配器１の円筒部１２の直径より公差最悪時にも小さくなるように設計する。これにより、板バネ３１が撓み、常に円筒部１２に荷重を与えた状態で伝熱部材２１と密着させることができるため、伝熱効率が安定する。また、接着剤のように乾燥する時間が要らないため、生産性が向上する。
なお、板バネ３１は、伝熱部材２１に取り付けた際に撓んで円筒部１２に荷重を与える役目と、円筒部１２の熱を伝熱部材２１へ放熱する役目も持っているため、金属であることが望ましい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る放熱構造及び光送受信器は、光分配器の熱を効率的に放熱することができ、半導体光素子を搭載するステム、及び当該ステムにおいて当該半導体光素子を覆う円筒部を有する光分配器の熱を放熱する放熱構造、当該光分配器及び放熱構造を備えた光送受信器等に用いるのに適している。

１光分配器、２放熱構造、５ａ，５ｂ斜線部、１１ステム、１２円筒部、１３リードピン、１４箱型部分、２１伝熱部材、２２筐体、３１板バネ、１１１，１２１側面、２１１ａ，２１１ｂ，２２２ａ〜２２２ｃ受熱面、２１２ａ〜２１２ｃ放熱面、２１３ａ，２１３ｂ，２２３ａ，２２３ｂ突没部（第１，２の突没部）、２２４ａ，２２４ｂ突起部、２１４ａ，２１４ｂ溝部、２１５ａ，２１５ｂ係り部、２２１搭載部、３１１ａ，３１１ｂ曲げ部。

Claims

半導体素子を搭載するステム、及び当該ステムにおいて当該半導体素子を覆う円筒部を有する光分配器の熱を放熱する放熱構造であって、
前記ステム及び前記円筒部の側面に沿った曲面形状であり当該ステム及び当該円筒部を嵌め込み可能な受熱面、及び第１の突没部が設けられた放熱面を有する伝熱部材と、
前記光分配器及び前記伝熱部材を搭載し、前記第１の突没部と噛み合う第２の突没部が設けられた受熱面を有する筐体とを備え、
前記第１の突没部と前記第２の突没部との間の隙間に放熱用部材を有する
ことを特徴とする放熱構造。
前記第１，２の突没部は、前記ステム及び前記円筒部の軸心方向に沿った断面が凹凸形状である
ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
前記第１，２の突没部は、前記ステム及び前記円筒部の軸心方向に沿った断面がジグザグ形状である
ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
前記第１，２の突没部は、前記ステム及び前記円筒部の軸心方向に沿った断面が波線形状である
ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
前記第１，２の突没部は、前記ステム及び前記円筒部の軸心に略垂直な断面が、当該ステム及び当該円筒部の側面に沿った曲面形状である
ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
前記光分配器は、本体部分に対して前記ステム及び前記円筒部が軸心方向に略垂直な方向に動くことで光軸調整を行う
ことを特徴とする請求項１記載の放熱構造。
半導体素子を搭載するステム、及び当該ステムにおいて当該半導体素子を覆う円筒部を有する光分配器と、当該光分配器の熱を放熱する放熱構造とを備えた光送受信器であって、
前記放熱構造は、
前記ステム及び前記円筒部の側面に沿った曲面形状であり当該ステム及び当該円筒部を嵌め込み可能な受熱面、及び第１の突没部が設けられた放熱面を有する伝熱部材と、
前記光分配器及び前記伝熱部材を搭載し、前記第１の突没部と噛み合う第２の突没部が設けられた受熱面を有する筐体とを備え、
前記第１の突没部と前記第２の突没部との間の隙間に放熱用部材を有する
ことを特徴とする光送受信器。
前記光分配器は、本体部分に対して前記ステム及び前記円筒部が軸心方向に略垂直な方向に動くことで光軸調整を行う
ことを特徴とする請求項７記載の光送受信器。