JP6461436B1 - 熱電クーラー内蔵型ステム - Google Patents

Abstract

表面に光学モジュールなどの温度制御対象体を搭載した第１のステム部材（１、１ａ）と、前記第１のステム部材（１、１ａ）と対向する第２のステム部材（２）と、前記第１のステム部材（１、１ａ）と前記第２のステム部材（２）とに挟まれた前記温度制御対象体を制御する熱電クーラー（５）と、を備えた熱電クーラー内蔵型ステムとするとともに、前記第１のステム部材（１、１ａ）と前記第２のステム部材（２）間の空間を、熱伝導率が低い絶縁性樹脂（６）で充填した。

Description

この発明は光学モジュールの温度制御機能を実現する熱電クーラー内蔵型ステムに関するものである。

従来の熱電クーラー（以下ではＴＥＣ：Thermoelectric Coolerと呼ぶこともある）及び光学構成要素を備えた同軸冷却光学モジュールにおいては、ステム上面（アイレットの上面と呼ぶこともある）にＴＥＣを搭載し、ＴＥＣ上面に光学部品やその他の部品を積み上げて実装し、同軸冷却光学モジュールの構成にしている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＴＥＣの上面に部品を実装するボックスタイプの光ファイバモジュールの構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、ペルチェ素子に光源として用いる発光素子の取り付けを容易にした構成が開示されている（例えば、特許文献３参照）。また、リード電極周縁の突起部との干渉をなくし、高周波伝播損失を少なくする光素子用ステムの構成が開示されている（例えば、特許文献４参照）。さらに、既存のＣＡＮパッケージを使用して、ペルチェ素子をステムの下に配置して素子全体を冷却する構成が開示されている（例えば、特許文献５参照）。

特開２００６−２１０９３５号公報 特開平９−３２５２４７号公報 特開２０１４−１５７８９８号公報 特開２００７−１５０１８２号公報 特開２００５−５０８４４号公報

従来の方法では、熱電クーラーそのものに光学部品を積み上げていく必要があるため、搭載部品による応力などにより、光学部品の光軸が安定せず、光路の変動など、光軸に関する光学部品の特性に影響を与える可能性がある。また、熱電クーラーの熱電素子に対する応力も大きいため、落下の衝撃や振動などの外乱によって熱電クーラーが破壊されることがあるという問題点があった。

この問題点について、図８を用いて、以下さらに詳しく説明する。光学モジュールを構成する場合には、例えば図８に示すように、熱電クーラー５の真上の位置に、光学部品７を搭載する必要がある。この場合、ステム２０からの高さが高くなり、その姿勢が不安定な状態となり易いため、熱ストレスなどにより、光学部品７の一部品であるＬＤチップ１０の光軸がずれやすくなるなど、光軸に関する不具合が懸念される。

また、熱電クーラー５に対して、光学部品７に使用した積み上げ部品の自重がかかるため、振動や衝撃が加わった際に、熱電クーラー５に加わる応力が大きくなり、熱電クーラー５の支柱となる熱電素子５ａの破壊や、熱電クーラー５の基板５ｂとステム２０の接合部分からの剥離が発生しやすくなる。
特に、熱電クーラー５とステム２０を導電性樹脂でボンディングしている場合は、衝撃による剥離の可能性が高くなる。

なお、ＬＤチップに電気信号を供給するリード３ａ、および熱電クーラー５に電気信号を供給するリード３ｂは、ステム２０の上面から突出してステム２０に取り付けられている。また、リード３ｂは、接続ポイント部４で、熱電クーラー５の基板５ｂと接続されている。

上述の課題を解決するため、本発明においては、ＣＡＮタイプの光学モジュールの温度制御機能を、ステムの一機能として実現する熱電クーラー内蔵型ステムであって、特に、部材に対する応力変動などによる光軸の位置変動など、光軸に関する特性変動の発生を抑制する熱電クーラー内蔵型ステムを実現することを目的とする。また、特に、外気の影響による熱電クーラーの破壊を抑制するため、ステムの一部材に内蔵した構成部品の延伸輪郭線が熱電クーラーを取り囲むよう構成した熱電クーラー内蔵型ステムを実現することを目的とする。

本発明に係る熱電クーラー内蔵型ステムは、
表面に温度制御対象体が搭載されるとともに、内部に樹脂により環状にモールドされ、環状の外側部分が外気の温度の影響を直接受ける環状樹脂モールド部を有する第１のステム部材と、
前記第１のステム部材の裏面側に配置され、前記第１のステム部材との間に前記温度制御対象体の温度制御を行う熱電クーラーを挟み込む第２のステム部材と、
前記熱電クーラーを取り囲むとともに、前記第１のステム部材および前記第２のステム部材間に充填された絶縁性樹脂と、
前記第２のステム部材を貫通して前記第１のステム部材に繋がるとともに、前記温度制御対象体に電気信号を供給するリードと、
前記第２のステム部材を貫通し、前記熱電クーラーの電極であるアノードとカソードに接合される前記リードとは別のリードと、
を備え、
前記環状樹脂モールド部が前記第１のステム部材の厚さ方向に貫通して設けられていることにより、前記第１のステム部材は、前記環状樹脂モールド部のリングの外側に配設される第１のステム部材外側と、前記環状樹脂モールド部のリングの内側に配設される第１のステム部材内側とに、熱的に分離されているとともに、前記熱電クーラーは、前記環状樹脂モールド部のリングの内側直下の位置に全体が配置されていることを特徴とするものである。

本発明の熱電クーラー内蔵型ステムは、ステム上面における搭載部品の高さサイズを小さくすることが可能であり、部品に及ぼす応力変動を減少させることにより光学モジュールの光軸に関する特性変動への影響を抑制できる。また、内蔵する熱電クーラーを、落下の衝撃、あるいは振動などの外乱から保護することができる。さらに、熱電クーラーを熱電クーラー内蔵型ステムの外部から制御できるとともに、周囲温度の影響を受けにくい構造とすることで、熱電クーラーによる温度コントロール範囲を広げることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムに光学モジュールを搭載した図である。 本発明の実施の形態２に係る熱電クーラー内蔵型ステムの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムに対する外気の影響を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る熱電クーラー内蔵型ステムに対する外気の影響を説明するための図である。 図３の熱電クーラー内蔵型ステムの第１のステム部材の構造を詳しく説明するための上面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱電クーラー内蔵型ステムの一例を示す図である。 本発明の課題を説明するための図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムについて、図を基にして以下説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムの一例を示す図である。また図２は本発明の実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムに光学モジュールを搭載した図である。
図１において、光学モジュールなどの温度制御対象体を搭載するための円板状の第１のステム部材１のすぐ下側には、この光学モジュールを適切な温度に冷却するための熱電クーラー５（以下、ＴＥＣ５と呼ぶこともある。ＴＥＣ：Thermoelectric Cooler）が、第１のステム部材１と対向して同軸上に配置された円板状の第２のステム部材２の、上面に搭載されている。ここで、熱電クーラー５は、第１のステム部材１および第２のステム部材２の表面に、半田付けや導電性樹脂などの導電性材料で接合されている。

また、上記第１のステム部材１と第２のステム部材２には、上記光学モジュールに電気信号を供給するリード３ａが、２つのステムの軸方向に貫通して設けられている。そして、図２に示すように、このリード３ａは、第１のステム部材１の上面に突き出ていることにより、第１のステム部材１の上面に搭載される光学部品７の一構成部品であるＬＤ（レーザダイオード、Laser Diodeの略）チップ１０と、（図示しない）Ａｕワイヤなどで接続することにより、外部からの動作の制御が可能となる。
また、上記の熱電クーラー５に電気信号を供給するリード３ｂが、第２のステム部材２を貫通して設けられ、接続ポイント部４で、熱電クーラー５の基板５ｂと接続されている。

また、熱電クーラー５の電極である（図示しない）アノードとカソードは、上記の接続ポイント部４において、上記リード３ｂと半田などにより接合されている。これにより、上記アノードとカソードの２つの端子は、熱電クーラー５の外部からの制御用端子（電極）として用いることができる。

さらに、上記第１のステム部材１と第２のステム部材２との間には、熱伝導率の小さい絶縁性樹脂６が、第１のステム部材１と第２のステム部材２の間のスペースを埋め尽くすように充填されるか、あるいは、熱電クーラー５を取り囲むように充填されている。

これにより、熱電クーラー５が発生する熱の影響を、第１のステム部材１と第２のステム部材２との間で分ける役割を果たしている。また、このことに加え、落下の衝撃や振動などによる外乱から熱電クーラー５を保護する役割を果たしている。

なお、第１のステム部材１と第２のステム部材２とを貫通するリード３ａは、第１のステム部材１および第２のステム部材２の適宜の同一半径上、ほぼ等間隔に離されて４箇所設置され、絶縁性樹脂６と共に、熱電クーラー５を保護するための補強材となる。

次に、図２を用いて、第１のステム部材１の上面に熱電クーラー５以外の部品が構成される場合の、本実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムの作用について説明する。
この図に示すように、第１のステム部材１の上面に熱電クーラー５以外の部品である光学部品７を搭載した例である。第１のステム部材１の上面に光学部品７を搭載しているため、ステムからの部品の高さを、熱電クーラー５の高さ分だけ減らすことが可能となる。
従って、図８に示した、熱電クーラー５に直接、光学部品７を設置する場合に比較して、光学部品７の一部品であるＬＤチップ１０の光軸の、熱ストレスなどによる角度ずれが抑制されるため、この光軸に関する不具合の発生率を減らすことができる。

また、熱電クーラー５は、その周囲を熱伝導率が小さい絶縁性樹脂６で覆われていることに加え、第２のステム部材２および第１のステム部材１の双方のステムを貫通するリード３ａで補強されるため、耐衝撃性や耐振動性を、より向上させることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムにおいては、ステム上面の搭載部品の高さを低くできることにより、上述のような光軸に関する特性変動を抑制できる。また、第１のステム部材と第２のステム部材の間に樹脂を充填して、熱電クーラーを直に覆う、又は熱電クーラーの周囲を覆うこと、及び、第１のステム部材あるいは第２のステム部材を貫通するリード３ａ、あるいは第２のステム部材を貫通するリード３ｂを設けることにより、衝撃や振動などの外乱から熱電クーラーを保護することが可能である。

以上において、熱電クーラーは、第１のステム部材１あるいは第２のステム部材２と、半田や導電性樹脂などを用いて接続され、熱電クーラーの動作を制御するために、熱電クーラーに電流を供給するためのリード３ｂは、第２のステム部材２を貫通し、その上面へ突き出した形になっている。ここで、熱電クーラーの電極であるアノード端子、カソード端子と、リード３ｂとの接続は、半田付けなどの溶接により行われる。

一方、第１のステム部材１に搭載する部品である、光学部品７の一部品であるＬＤチップ１０の動作制御のため、電流を供給するためのリード３ａは、第１のステム部材１と第２のステム部材２の双方を貫通して設けられており、光学部品７に対する振動などの外乱を抑制する役割も兼ねている。

また、第１のステム部材（外周）と第２のステム部材(外周)間の空間（第１のステム部材の下面と、第２のステム部材の上面と、これら２つの部材の外周同士を繋ぐ曲面とで囲まれた円筒形状体の内部の空間）は、絶縁性樹脂の充填により補強されており、この絶縁性樹脂の形成は、熱電クーラーを取り囲むようにするか（この場合には絶縁性樹脂と熱電クーラーとの間に隙間が生じている）、熱電クーラーの支柱となる熱電素子５ａの部分も充填して埋め尽くすか、のいずれの方法でも形成することが可能である。この絶縁性樹脂は、熱伝導率が小さく、絶縁性のあるものである。これらによって、温度コントロールが可能な機能をもった熱電クーラー内蔵型ステムを形成することが可能となる。

以上をまとめると、本実施の形態１に係る熱電クーラー内蔵型ステムは、上記の文献による発明またはその組み合わせとは、特に以下の点で明確に異なる特徴を持つ。
１つ目は、ステムの外部に熱電クーラーを配置する従来の技術とは異なり、単体のステムの一部として冷却機能を有する熱電クーラーを持つ形態としたものであることである。２つ目は、熱電クーラーの周囲に絶縁性樹脂を形成したことにより、熱電クーラー内蔵型ステムとして構成していることである。３つ目は、熱電クーラーの保護のために、ステムを貫通するリードを利用していることである。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る熱電クーラー内蔵型ステムについて、図３を基にして以下説明する。
実施の形態１で説明した熱電クーラー内蔵型ステムとの違いは、図３に示すように、第１のステム部材１ａに、樹脂によりリング状にモールドされた領域である環状樹脂モールド部８が形成されている点である。この環状樹脂モールド部８は、熱電クーラーの機能を向上させるためにこの第１のステム部材１ａに形成されたものである。この実施の形態２に係る熱電クーラー内蔵型ステムについて、以下詳しく説明する。

光学モジュール（図示しない）の各部品が実装される領域は、この図３に示す環状樹脂モールド部８の内側になっている。そして、この内側直下の位置に、熱電クーラー５の全体が配置されることで、熱電クーラー５により、第１のステム部材１ａを介して光学モジュールに熱を加えたり、逆に熱を下げたりすることが可能である。なお、上記の第１のステム部材１ａ内に設けられた上記環状樹脂モールド部８は、その環状の輪郭部分の前記絶縁性樹脂への延伸輪郭線１５（図３中の点線参照）が、前記熱電クーラーを取り囲むように構成されている。さらに好ましくは、前記複数のリード線３ａの軸心を通るリング線の内側位置に上記環状樹脂モールド部８は配置される。

この場合において、環状樹脂モールド部８が形成しているリングの外側部分は、外気の温度の影響を直接受けるため、環状樹脂モールド部８が無い場合には、熱電クーラー５が外気の影響を受けやすく、熱電クーラー５がその機能を十分に果たせなくなるケースが考えられる。このため、環状樹脂モールド部８を設けることで、熱電クーラー５に対する外気温度の影響を少なくしている。

次に、本実施の形態２の作用について説明する。
図４の実施の形態１で説明した熱電クーラー内蔵型ステムを使用した場合においては、外気３０が、光学モジュールに搭載したデバイスの温度より高温の場合、熱電クーラー５の上面を冷やすことで第１のステム部材１下面の温度が下がり、第１のステム部材１上面との温度差による熱伝導によって（図中の矢印参照）、第１のステム部材１の全体温度を下げるが、駆動したいデバイスの温度と外気３０の差が大きい場合、熱電クーラー５の機能が不足して温度が下がらないケースが想定される。

このため、図５に示すように、第１のステム部材１ａにリング状の環状樹脂モールド部８を設ける。そして、この環状樹脂モールド部８により、外気３０の影響を受けやすい第１のステム部材１ａを、環状樹脂モールド部８のリングの外側部分と、影響を受けにくい環状樹脂モールド部８のリングの内側部分とに分離した構成（以下で詳しく説明する）とすることで、熱電クーラー５が外気３０の温度の影響を受けにくくし、熱電クーラー５の能力を十分発揮させることが可能となる。

図６は、第１のステム部材１ａの構造をさらに詳しく説明するため、上記第１のステム部材１ａを上側から見た上面図である。
この図において、第１のステム部材１ａと第２のステム部材２を貫通するリード３ａは、リング状の環状樹脂モールド部８の外側のほぼ同じ半径位置に、互いに等間隔に離れて４個配置されている。また、この環状樹脂モールド部８は、第１のステム部材１ａの厚さ方向に貫通する形態で設けられている

従って、この環状樹脂モールド部８によって、第１のステム部材１ａは、第１のステム部材外側１２と第１のステム部材内側１１に、熱的に分離される。この結果、第１のステム部材内側１１の裏面に、その上面がボンディングされている熱電クーラー５（その輪郭位置を図中に点線で示す）により、第１のステム部材内側１１の部分を第１のステム部材外側１２と分離して、温度コントロールすることが可能である。

このように、第１のステム部材１ａに環状樹脂モールド部８を設け、周囲温度の影響を受けにくい構造とすることで、熱電クーラーによる温度コントロール範囲を広げることが可能となる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る熱電クーラー内蔵型ステムの一例について、図７を基にして以下説明する。
図７に示すように、本実施の形態の熱電クーラー内蔵型ステムは、第１のステム部材１ａと第２のステム部材２間に、補強棒９を、さらに追加して設けた構成とした点が、実施の形態２で説明した熱電クーラー内蔵型ステムと異なり、その他の構成は同じである。この補強棒９は、図に示すように、第１のステム部材１ａと第２のステム部材２を繋ぐように、これらのステムの半径位置において、各リードの配置位置よりもさらに外周側に、溶接により固定されて複数本設置されている。

この補強棒９は、熱電クーラーに対する、第１のステム部材１と第２のステム部材２を貫通するリード、および絶縁性樹脂による外乱からの保護を、さらに強化するものであり、熱電クーラー５を衝撃や振動などの外乱から保護するための補強材の役割を果たすものである。

なお、この図では第１のステム部材に環状樹脂モールド部８が形成されている例で説明したが、これに限らず、実施の形態１で説明したように、第１のステム部材に環状樹脂モールド部８が形成されていないものであっても、外気の影響が少ない場合には、同様の効果を奏する。

次に、この実施の形態３に係る熱電クーラー内蔵型ステムの作用について説明する。
図７に示すように、第１のステム部材１ａと第２のステム部材２の間に補強棒９を設けることで、絶縁性樹脂による構造強度の面からの熱電クーラー５の保護に加え、構造強度の面からの保護が可能となる。これにより、第１のステム部材１ａと第２のステム部材２の内部に搭載される熱電クーラー５や接続ポイント部４を保護できる。

以上説明したように、本実施の形態に係る熱電クーラー内蔵型ステムにおいては、第１のステム部材１ａ、第２のステム部材２の間に搭載される部品を、衝撃や振動などの外乱から、さらに強化して保護できる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、以上においては、第１のステム部材と第２のステム部材が上下方向（重力方向）に設置されている例で説明したが、これに限らず、これらの部材が左右方向（重力方に垂直な方向）に設置されていてもよい。また、光学モジュールに電気信号を供給する複数のリードは、第２のステム部材を貫通している例で説明したが、これに限らず、第１のステム部材を貫通していない形態、すなわち、リード上端が、第１のステム部材の上面と同一面あるいは、ほぼ同一面であってもよい。また上記リードの本数は、図では４本の場合を例に示したが、これに限らず３本以上であれば、同様の効果を奏する。

１、１ａ 第１のステム部材、２ 第２のステム部材、３、３ａ、３ｂ リード、４ 接続ポイント部、５ 熱電クーラー、５ａ 熱電素子、５ｂ 基板、６ 絶縁性樹脂、７ 光学部品、８ 環状樹脂モールド部、９ 補強棒、１０ ＬＤチップ、１１ 第１のステム部材内側、１２ 第１のステム部材外側、１５ 延伸輪郭線、３０ 外気

Claims (5)

1. 表面に温度制御対象体が搭載されるとともに、内部に樹脂により環状にモールドされ、環状の外側部分が外気の温度の影響を直接受ける環状樹脂モールド部を有する第１のステム部材と、
   前記第１のステム部材の裏面側に配置され、前記第１のステム部材との間に前記温度制御対象体の温度制御を行う熱電クーラーを挟み込む第２のステム部材と、
   前記熱電クーラーを取り囲むとともに、前記第１のステム部材および前記第２のステム部材間に充填された絶縁性樹脂と、
   前記第２のステム部材を貫通して前記第１のステム部材に繋がるとともに、前記温度制御対象体に電気信号を供給するリードと、
   前記第２のステム部材を貫通し、前記熱電クーラーの電極であるアノードとカソードに接合される前記リードとは別のリードと、
   を備え、
   前記環状樹脂モールド部が前記第１のステム部材の厚さ方向に貫通して設けられていることにより、前記第１のステム部材は、前記環状樹脂モールド部のリングの外側に配設される第１のステム部材外側と、前記環状樹脂モールド部のリングの内側に配設される第１のステム部材内側とに、熱的に分離されているとともに、前記熱電クーラーは、前記環状樹脂モールド部のリングの内側直下の位置に全体が配置されていることを特徴とする熱電クーラー内蔵型ステム。
2. 前記第１のステム部材および前記第２のステム部材を貫通し、前記温度制御対象体に電気信号を供給するリードを複数備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電クーラー内蔵型ステム。
3. 前記熱電クーラーは、支柱となる熱電素子と、前記第１のステム部材および前記第２のステム部材にそれぞれ接合する基板と、を備え、前記熱電クーラーに電気信号を供給する別のリードに接続ポイント部を介して接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電クーラー内蔵型ステム。
4. 前記第１のステム部材と前記第２のステム部材とに繋がる補強棒を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電クーラー内蔵型ステム。
5. 前記第１のステム部材は、温度を変更するデバイスを搭載する部分と、温度を変更するデバイスを搭載しない部分とに分離された構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱電クーラー内蔵型ステム。

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