JP4636606B2 - レーザダイオードモジュール収容体 - Google Patents

Description

本発明は、温度制御可能なレーザダイオードモジュール収容体に関する。

例えば、特許文献１，２は、温度制御を行うレーザダイオードモジュールを開示する。
しかしながら、いずれの文献に開示されたレーザダイオードモジュールも、構造が複雑であり、製造が難しく、高価である。
特開平５−９０６９８号公報 特開２００３−１４２７６６号公報

本発明は、上述した背景からなされたものであり、製造が容易でかつ安価で、温度制御手段を有さないアンクールドレーザダイオードモジュールに対して効果的な温度制御が可能なレーザダイオードモジュール収容体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかるレーザダイオードモジュール収容体は、熱移動素子と、伝熱板と、断熱ケースと、レーザダイオードモジュールと、熱結合部材と、温度検出素子と、熱移動制御回路と、密閉部材とを有するレーザダイオードモジュール収容体であって、前記断熱ケースは、前記レーザダイオードモジュールと、前記熱結合部材と、前記温度検出素子とを収容して断熱し、前記熱結合部材と前記伝熱板との間に前記熱移動素子を受け入れ、前記伝熱板に取り付けられて、前記熱結合部材と、前記熱移動素子と、前記伝熱板とを熱的に結合させ、前記熱結合部材は、前記レーザダイオードモジュールと、前記温度検出素子とを、さらに熱的に結合し、前記密閉部材は、前記熱移動素子の周囲に配設され、前記伝熱板と前記断熱ケースとの間で、前記熱移動素子を密閉し、前記温度検出素子は、前記熱結合部材の温度を検出し、前記熱移動制御回路は、前記検出された温度に基づいて、前記熱移動素子による熱の移動を制御する。

好適には、前記断熱ケースは、前記レーザダイオードモジュールの基板が取り付けられて閉じられる第１の開口部と、前記光ファイバーを通して閉じられる第２の開口部と、前記熱移動素子を受け入れ、前記密閉部材と、前記伝熱板とにより閉じられる第３の開口部とを有する。

好適には、前記温度検出手段は、前記熱結合の温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタであって、前記熱移動素子は、流される電流に応じて、前記熱結合部材と前記伝熱板との間で双方向に熱を移動させうるペルチェ素子であって、前記熱移動制御回路は、前記サーミスタの抵抗値が一定になるように、前記ペルチェ素子に流す電流を制御する。

本発明によれば、製造が容易で、レーザダイオードモジュールに対して効果的な温度制御が可能なレーザダイオードモジュール収容体を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

［レーザ送信ユニット１］
図１は、本発明にかかるレーザ送信ユニット１の構成を示す斜視図である。
図２，図３は、図１に示したレーザダイオードモジュール収容体２の構成を示す第１，第２の斜視図である。
図４は、図１〜図３に示したレーザダイオードモジュール収容体２の外形を示す第１の図であって、（Ａ）は、レーザダイオードモジュール収容体２をレーザダイオードモジュール基板（ＬＤＭＰＣＢ）３側から見た斜視図であり、（Ｂ）は、光ファイバ１０６側から見た斜視図である。
図５は、図１〜図３に示したレーザダイオードモジュール収容体２の外形を示す第２の図であって、レーザダイオードモジュール収容体２の上面図、正面図、下面図、左側図面および右側図面を示す。
図６は、図２などに示したＬＤＭＰＣＢ３の構成、および、ＬＤＭＰＣＢ３による温度制御を示す図である。

図１に示すように、レーザ送信ユニット１は、レーザダイオードモジュール収容体２、ヒートシンク１００、および、点線で示すレーザーダイオードモジュール（ＬＤＭ）駆動回路３０および温度制御回路３２などを含むメインプリント基板（メインＰＣＢ）１０２などから構成される。
図２，図３に示すように、レーザダイオードモジュール収容体２は、レーザダイオードモジュール（ＬＤＭ）２００、コネクタ２３２を有するＬＤＭＰＣＢ３、ペルチェ素子２３４、断熱ケース２１０、サーミスタ２３８、伝熱板２４０、サラネジ２４２、防湿パッキング２４４、レーザダイオードモジュール取り付け部材（ＬＤＭ取り付け部材）２４６、ナベネジ２４８、および、アース金具２５０から構成される。

ＬＤＭ２００は、スリーブ２０２および取り付け金具２０４を含む。
断熱ケース２１０には、光ファイバ用開口部２１４、ＬＤＭ用開口部２１２およびペルチェ素子用開口部２１６と、ネジ溝を有し、サラネジ２４２を受け入れる２つのネジ受入部２１８と、同様に、ナベネジ２４８を受け入れる２つのネジ受入部２２０とが設けられている。
なお、ヒートシンク１００、ＬＤＭＰＣＢ３およびメインＰＣＢ１０２のアースパターンは、高周波用のアース（図示せず）に接続されている。
レーザ送信ユニット１は、これらの構成部分により、ＬＤＭ２００の温度制御を行いつつ、メインＰＣＢ１０２から入力される送信信号を、光学的な信号（レーザ光線）に変換して、光ファイバ１０６に対して送出する。

図２，図３中に点線Ａ，Ａ’を付して示すように、アース金具２５０と、ＬＤＭ取り付け部材２４６と、ＬＤＭ２００の取り付け金具２０４とは、ナベネジ２４８により、断熱ケース２１０のネジ受入部２２０に対してとも締めされ、これらの構成部分は、断熱ケース２１０の内部に収容され、固定される。
また、ペルチェ素子２３４は、その周囲が防湿パッキング２４４に囲われて、断熱ケース２１０のペルチェ素子用開口部２１６から受け入れられ、ＬＤＭ取り付け部材２４６の底面と、伝熱板２４０との間に挟まれるように収容される。

また、点線Ｂ，Ｂ’を付して示すように、伝熱板２４０が、サラネジ２４２により、断熱ケース２１０のネジ受入部２１８に対して固定されると、ペルチェ素子２３４は、防湿パッキング２４４と断熱ケース２１０と伝熱板２４０とにより密閉され、ペルチェ素子２３４とＬＤＭ取り付け部材２４６とは押し当てられて、熱的に結合される。
また、ＬＤＭ２００の取り付け金具２０４を、高周波的なアースから切り離すと、ＬＤＭ２００の動作特性が劣化する可能性があるので、点線Ｃ，Ｃ’を付して示すように、アース金具２５０に設けられた突起は、ＬＤＭＰＣＢ３に設けられた高周波接地用孔３００に挿入されて半田付けされ、ＬＤＭＰＣＢ３の高周波用のアースに接続される。
このように、ＬＤＭ２００の取り付け金具２０４は、アース金具２５０、ＬＤＭＰＣＢ３、メインＰＣＢ１０２およびヒートシンク１００を介して高周波的にアースされ、ＬＤＭ２００の動作特性は、良好に保たれる。

こららの構成部分が組み合わされたときのレーザダイオードモジュール収容体２の外形は、図１，図４（Ａ），（Ｂ），図５に示す通りである。
図６に示すように、メインＰＣＢ１０２から入力される送信信号は、高周波的に接地されたＬＤＭＰＣＢ３を経由して、ＬＤＭ２００に入力される。
このように、送信信号が、ＬＤＭ２００に、ＬＤＭＰＣＢ３を介して入力されると、メインＰＣＢ１０２から直接入力されるときに比べて、より安定した高周波特性が得られる。
また、メインＰＣＢ１０２上の温度制御回路３２およびＬＤＭ駆動回路３０は、サーミスタ２３８と、コネクタ２３２を介して接続される。

断熱ケース２１０は、断熱性が高い材料（例えばＡＢＳ）で作られ、その内部は、ＬＤＭ２００などの構成部分を収容したときに、収容したこれらの構成部分との間に空気層を形成して、収容した構成部分を良好に外部から断熱するような形状に形成される。
また、断熱ケース２１０は、光ファイバ１０６が通される光ファイバ用開口部２１４と、ＬＤＭ２００などを収容するためのＬＤＭ用開口部２１２と、ペルチェ素子２３４を受け入れて、ペルチェ素子２３４と、ＬＤＭ取り付け部材２４６の底面とを当接させるペルチェ素子用開口部２１６とが設けられる。

光ファイバ１０６は、その一端が、断熱ケース２１０内に収容されたＬＤＭ２００の金属ケースの出光窓（図示せず）に突き当てられて、ＬＤＭ２００が出力するレーザ光を受けることができるような位置に、光ファイバ用開口部から導き入れられる。
このように、その一端が断熱ケース２１０に導き入れられた光ファイバ１０６と、断熱ケース２１０との間に生じた光ファイバ用開口部２１４の隙間には、接着剤１０４が充填され、断熱ケース２１０の内部が密閉される。
なお、断熱ケース２１０には、金属メッキがされてもよく、断熱ケース２１０が金属メッキされ、さらに、メッキ部分が高周波的にアースされると、その内部に収容されたＬＤＭ２００が高周波的にシールドされるので、その動作特性が良好に保たれる。
また、金属メッキにより、断熱ケース２１０に金属光沢が生じると、その輻射率が１に近づいて、断熱性が向上する。

ＬＤＭ２００の電極２０６は、ＬＤＭＰＣＢ３およびメインＰＣＢ１０２に取り付けられ（図１参照）、メインＰＣＢ１０２からＬＤＭ２００に対して高周波的な信号が入力される。
ＬＤＭ２００とペルチェ素子２３４との間に挿入されるＬＤＭ取り付け部材２４６は、伝熱性が高い材料（例えば純銅）で作られ、ＬＤＭ２００とペルチェ素子２３４とを、熱的に良好に結合する。

また、ＬＤＭ取り付け部材２４６には、サーミスタ２３８が取り付けられ、サーミスタ２３８とＬＤＭ２００とは、ＬＤＭ取り付け部材２４６を介して熱的に結合される。
ヒートシンク１００には、伝熱性が高い材料（例えば純銅）で作られた伝熱板２４０が、メインＰＣＢ１０２の開口部を介して取り付けられ、ヒートシンク１００と伝熱板２４０とは熱的に結合され、必要に応じて、さらに、これらの間の電気的な導通が確保される。

既に述べたように、断熱ケース２１０の光ファイバ用開口部２１４は、光ファイバ１０６および接着剤１０４により密閉され、ペルチェ素子用開口部２１６は、防湿パッキング２４４および伝熱板２４０により密閉される。
同様に、ＬＤＭＰＣＢ３と、断熱ケース２１０のＬＤＭ用開口部２１２とは、接着剤などにより固定され、ＬＤＭ用開口部２１２は、ＬＤＭＰＣＢ３およびこの接着剤により密閉される。
このように、断熱ケース２１０の全ての開口部は密閉されるので、断熱ケース２１０内部の断熱性は良好に保たれ、また、断熱ケース２１０内部は、外気から遮断されるので、外部の湿度により内部の構成部分が劣化したり、入り込んだ湿気により結露したりするようなことはない。

以上のような構成により、レーザ送信ユニット１（図１）において、断熱ケース２１０に収容された構成部分が、ペルチェ素子２３４以外で外部と断熱され、ＬＤＭ２００、サーミスタ２３８、ペルチェ素子２３４、伝熱板２４０およびヒートシンク１００が熱的に結合される。
また、ＬＤＭ２００と、アース金具２５０と、ＬＤＭＰＣＭ３およびメインＰＣＢ１０２のアースパターン（図示せず）と、伝熱板２４０およびヒートシンク１００との間の電気的な導通が確保される。

［温度制御］
以下、図６を参照して、レーザダイオードモジュール収容体２における温度制御を説明する。
ペルチェ素子２３４は、温度制御回路３２から供給される電流の方向および電流値に従って、熱を、ヒートシンク１００からＬＤＭ取り付け部材２４６およびＬＤＭ２００の方向に移動させ、または、ＬＤＭ２００およびＬＤＭ取り付け部材２４６からヒートシンク１００の方向に、熱を逆に移動させる。
また、ＬＤＭ２００と熱的に結合されたサーミスタ２３８は、ＬＤＭ２００の温度変化によって抵抗値が変化するので、印加される電圧が一定であるときには、ＬＤＭ２００の温度変化に従ってその電流値が変化する。
コネクタ２３２を介してサーミスタ２３８に接続される温度制御回路３２は、サーミスタ２３８に流れる電流の値（サーミスタ２３８の抵抗値）を検出し、検出した電流値（抵抗値）が常に一定になるように、ペルチェ素子２３４に供給する電流の方向およびその値を制御することにより、ＬＤＭ２００の温度を、ほぼ一定に保つ。

つまり、サーミスタ２３８に流れる電流の値が、基準値よりも少なくなったときには、温度制御回路３２は、ＬＤＭ２００からヒートシンク１００に熱を移動させ、ＬＤＭ２００を冷却する。
反対に、サーミスタ２３８に流れる電流の値が、基準値よりも多くなったときには、温度制御回路３２は、ヒートシンク１００からＬＤＭ２００に熱を移動させ、ＬＤＭ２００を加熱する。
このように、温度制御回路３２が、ＬＤＭ２００の温度を常に一定に保つので、レーザ送信ユニット１の外部の温度にかかわらず、ＬＤＭ２００の特性は、ほぼ一定に保たれる。

［レーザ送信ユニット１の長所］
以下、レーザ送信ユニット１の長所を説明する。
温度制御回路３２（図６）により、ＬＤＭ２００の温度が常に一定に保たれるので、ＬＤＭ２００の特性は変化せず、常に良好に保たれる。
また、ＬＤＭには、ペルチェ素子を内蔵することにより、その温度特性を良好に保つように構成されたものもあるが、このような構成を採るＬＤＭは、一般に高価である。
これに対して、レーザ送信ユニット１に用いられているＬＤＭ２００は、ペルチェ素子を内蔵しない安価なものであるが、ＬＤＭ２００と熱的に結合されたペルチェ素子２３４を用いた温度制御を行うので、レーザ送信ユニット１においては、ペルチェ素子内蔵の高価なＬＤＭを用いたときと同等以上の温度特性が得られる。

また、レーザ送信ユニット１においては、ＬＤＭ２００とペルチェ素子２３４とが、取り付け部材２４６を介して熱的に密に結合されるので、ペルチェ素子２３４が小型で済み、消費電力も少なくて済む。
また、ＬＤＭ２００は、アース金具２５０などを介して高周波的にアースされているので、その特性が高く保たれうる一方、ＬＤＭ取り付け部材２４６以外では外部との断熱が保たれるので、温度制御が効率よく行われうる。

また、断熱ケース２１０の内部は密閉されているので、湿気が断熱ケース２１０に入り込むことに起因するＬＤＭ２００の結露による不具合が発生しない。
また、レーザ送信ユニット１の各構成部分（ＬＤＭ２００およびＬＤＭ取り付け部材２４６など）は、小型で、取り付けおよび取り外しがしやすい汎用のモジュールとして生産されうる。
従って、レーザ送信ユニット１に多くの品種があるときにも、多くの品種の間で同じ部品が共用されうるので、多くの品種のレーザ送信ユニット１が、安価に製造されうる。

本発明は、電気的な信号を光学的な信号に変換するためのレーザダイオードモジュール収容体として利用可能である。

本発明にかかるレーザ送信ユニットの構成を示す斜視図である。 図１に示したレーザダイオードモジュール収容体の構成を示す第１の斜視図である。 図１に示したレーザダイオードモジュール収容体の構成を示す第２の斜視図である。 図１〜図３に示したレーザダイオードモジュール収容体の外形を示す第１の図であって、（Ａ）は、レーザダイオードモジュール収容体をレーザダイオードモジュール基板（ＬＤＭＰＣＢ）側から見た斜視図であり、（Ｂ）は、光ファイバ側から見た斜視図である。 図１〜図３に示したレーザダイオードモジュール収容体の外形を示す第２の図であって、レーザダイオードモジュール収容体の上面図、正面図、下面図、左側図面および右側図面を示す。 図２などに示したＬＤＭＰＣＢの構成、および、ＬＤＭＰＣＢによる温度制御を示す図である。

符号の説明

１・・・レーザ送信ユニット、
１００・・・ヒートシンク、
１０２・・・メインＰＣＢ、
２・・・レーザダイオードモジュール収容体、
２００・・・ＬＤＭ、
２０２・・・スリーブ、
２０４・・・取り付け金具、
２３２・・・コネクタ、
２３４・・・ペルチェ素子、
２１０・・・断熱ケース、
２３８・・・サーミスタ、
２４０・・・伝熱板、
２４２・・・サラネジ、
２４４・・・防湿パッキング、
２４６・・・ＬＤＭ取り付け部材、
２４８・・・ナベネジ、
２５０・・・アース金具、
３・・・ＬＤＭＰＣＢ、
３０・・・ＬＤＭ駆動回路、
３２・・・温度制御回路、

Claims (3)

1. 熱移動素子と、
   伝熱板と、
   断熱ケースと、
   レーザダイオードモジュールと、
   アース金具と、
   熱結合部材と、
   温度検出素子と、
   熱移動制御回路と、
   密閉部材と
   を有するレーザダイオードモジュール収容体であって、
   前記断熱ケースは、
   前記レーザダイオードモジュールと、前記熱結合部材と、前記温度検出素子とを収容して断熱し、前記熱結合部材と前記伝熱板との間に前記熱移動素子を受け入れ、前記伝熱板に取り付けられて、前記熱結合部材と、前記熱移動素子と、前記伝熱板とを熱的に結合させ、
   前記レーザダイオードモジュールを高周波接地させる基板がはめ込まれて閉じられる第１の開口部
   を有し、
   前記レーザーダイオードモジュールと前記断熱ケースとは、前記アース金具および前記熱結合部材を介して固定され、
   前記アース金具は、前記レーザーダイオードモジュールと前記基板とを接続して、前記レーザーダイオードモジュールを高周波接地させ、
   前記熱結合部材は、前記レーザダイオードモジュールと、前記温度検出素子とを、さらに熱的に結合し、
   前記密閉部材は、前記熱移動素子の周囲に配設され、前記伝熱板と前記断熱ケースとの間で、前記熱移動素子を密閉し、
   前記温度検出素子は、前記熱結合部材の温度を検出し、
   前記熱移動制御回路は、前記検出された温度に基づいて、前記熱移動素子による熱の移動を制御する
   レーザダイオードモジュール収容体。
2. 前記断熱ケースは、
   光ファイバーを通して閉じられる第２の開口部と、
   前記熱移動素子を受け入れ、前記密閉部材と、前記伝熱板とにより閉じられる第３の開口部と
   をさらに有する
   請求項１に記載のレーザダイオードモジュール収容体。
3. 前記温度検出手段は、前記熱結合の温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタであって、
   前記熱移動素子は、流される電流に応じて、前記熱結合部材と前記伝熱板との間で双方向に熱を移動させうるペルチェ素子であって、
   前記熱移動制御回路は、前記サーミスタの抵抗値が一定になるように、前記ペルチェ素子に流す電流を制御する
   請求項１または２に記載のレーザダイオードモジュール収容体。

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