JP2001326410A - 半導体レーザ冷却装置 - Google Patents

半導体レーザ冷却装置

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JP2001326410A
JP2001326410A JP2000143374A JP2000143374A JP2001326410A JP 2001326410 A JP2001326410 A JP 2001326410A JP 2000143374 A JP2000143374 A JP 2000143374A JP 2000143374 A JP2000143374 A JP 2000143374A JP 2001326410 A JP2001326410 A JP 2001326410A
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cooling
heat sink
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coolant
laser
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Minoru Uehara
実 上原
Fumio Matsuzaka
文夫 松坂
Yoshihisa Yamauchi
淑久 山内
Seiji Fukutomi
誠二 福冨
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IHI Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ素子の冷却による結露を抑止可能な半
導体レーザ冷却装置を提供する。 【解決手段】 レーザダイオードバー１を積層したスタ
ック２に当接するヒートシンク３と、ヒートシンク３に
組み込んだ素子温度センサ４及び表面湿度センサ５と、
ヒートシンク３の内部の冷媒流路に対して冷却水を供給
する冷媒供給機構６と、各センサ４，５からの信号４
ｓ，５ｓ及び飽和水蒸気量のデータに基づき冷媒供給機
構６から冷媒流路への冷却流体供給量を制御するコント
ローラ７とを備え、スタック２の温度が結露発生値に近
いか否かをコントローラ７により判定して、冷媒流路へ
の冷却流体を供給する管路１２の流量調整弁１１の開度
を調整し、レーザダイオードバー１の冷却に起因した結
露を抑止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ冷却装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、材料の表面改質及び被膜除去など
の非接触加工を行なう一手段として、半導体レーザ加工
機を用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ加工機が
高出力である場合には、レーザ素子を冷却してレーザ光
の出射に伴う熱影響を回避する必要がある。
【０００４】しかしながら、半導体レーザ加工機周囲の
温度や湿度の条件によっては、結露が発生し、素子発光
面に付着した水滴が、レーザ光の出射を阻害してレーザ
素子を破壊したり、あるいは、素子電極付近に付着した
水滴が、給電回路を短絡することが懸念される。
【０００５】本発明は上述した実情に鑑みてなしたもの
で、レーザ素子の冷却による結露を抑止可能な半導体レ
ーザ冷却装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に記載の半導体レーザ冷却装置で
は、冷媒流路を有し且つレーザ素子に当接するヒートシ
ンクと、該ヒートシンクに組み込んだ素子温度センサ及
び表面湿度センサと、ヒートシンクの冷媒流路へ冷却流
体を送給する冷媒供給機構と、各センサからの信号及び
飽和水蒸気量のデータに基づき冷媒供給機構から冷媒流
路への冷却流体供給量を制御するコントローラとを備え
ている。
【０００７】本発明の請求項２に記載の半導体レーザ冷
却装置では、冷媒流路を有し且つレーザ素子に当接する
ヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込んだ素子温度
センサ及び表面湿度センサと、ヒートシンクの冷媒流路
へ冷却流体を送給する冷媒供給機構と、該冷媒供給機構
から冷媒流路へ送給される冷却流体の温度を検出する冷
却流体温度センサと、各センサからの信号及び飽和水蒸
気量のデータに基づき冷媒供給機構から冷媒流路への冷
却流体供給量を制御し且つ当該冷却流体の温度を制御す
るコントローラとを備えている。
【０００８】また、本発明の請求項３に記載の半導体レ
ーザ冷却装置では、冷媒流路を有し且つレーザ素子に当
接するヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込んだ素
子温度センサ及び表面湿度センサと、ヒートシンクの冷
媒流路へ冷却媒体を送給する冷媒供給機構と、該冷媒供
給機構から冷媒流路へ送給される冷却流体の温度を検出
する冷却流体温度センサと、各センサからの信号及び飽
和水蒸気量のデータに基づき冷媒供給機構から冷媒流路
への冷却流体の温度を制御するコントローラとを備えて
いる。
【０００９】更に、本発明の請求項４に記載の半導体レ
ーザ冷却装置では、ペルチェ冷却器を有し且つレーザ素
子に当接するヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込
んだ素子温度検出センサ及び素子表面湿度検出センサ
と、ペルチェ冷却器へ駆動電力を供給する冷却用電源
と、各センサからの信号及び飽和水蒸気量のデータに基
づき冷却用電源からペルチェ冷却器への駆動電力を制御
するコントローラとを備えている。
【００１０】本発明の請求項１あるいは請求項２に記載
の半導体レーザ装置のいずれにおいても、素子温度セン
サの信号によるレーザ素子の温度、表面湿度センサの信
号によるレーザ素子表面の湿度、並びに飽和水蒸気量の
データに基づき、レーザ素子の温度が結露発生値に近い
か否かをコントローラが判定して、冷媒流路への冷却流
体の供給を調整する。
【００１１】また、本発明の請求項３に記載の半導体レ
ーザ冷却装置においては、素子温度センサの信号による
レーザ素子の温度、表面湿度センサの信号によるレーザ
素子表面の湿度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づ
き、レーザ素子の温度が結露発生値に近いか否かをコン
トローラが判定して、冷媒供給機構から冷媒流路への冷
却流体の温度を調整する。
【００１２】更に、本発明の請求項４に記載の半導体レ
ーザ装置においては、素子温度センサの信号によるレー
ザ素子の温度、表面湿度センサの信号によるレーザ素子
表面の湿度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づき、レ
ーザ素子の温度が結露発生値に近いか否かをコントロー
ラが判定して、ペルチェ冷却器への駆動電力の供給を調
整する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
示例とともに説明する。
【００１４】図１は本発明の半導体レーザ冷却装置の実
施の形態の第１の例を示すもので、この半導体レーザ冷
却装置は、発光点が多数線状に並んだレーザダイオード
バー１を積層したスタック２に当接するヒートシンク３
と、該ヒートシンク３に組み込んだサーミスタなどの素
子温度センサ４及びセラミック容量型湿度センサなどの
表面湿度センサ５と、ヒートシンク３の内部の冷媒流路
に対して冷却水を供給する冷媒供給機構６と、コントロ
ーラ７とを備えている。
【００１５】ヒートシンク３は、銅など熱伝導性に優れ
た金属を構成素材としている。
【００１６】冷媒供給機構６は、ポンプ８から管路９を
経て送給される冷却水の温度を調整する冷却器１０と、
流量調整弁１１を有し且つ冷却器１０より送出される冷
却水をヒートシンク３の冷媒流路入口へ導く管路１２
と、ヒートシンク３の冷媒流路出口より排出される冷却
水を前記のポンプ８へ導く管路１３とによって構成され
ている。
【００１７】また、冷却器１０には、ヒートシンク３の
冷媒流路に対して送給すべき冷却水の温度を検出する冷
却水温度センサ１４が設けられている。
【００１８】コントローラ７は、素子温度センサ４から
の素子温度検出信号４ｓ、表面湿度センサ５からの表面
湿度検出信号５ｓ、及び予め入力されている飽和水蒸気
量のデータに基づき、スタック２の温度が結露発生値に
近いか否かを判定して前記の流量調整弁１１へ開度調整
信号１１ｓを出力する機能と、冷却水温度センサ１４か
らの冷却水温度検出信号１４ｓ、及び予め設定した冷却
水目標温度に基づき、現時点の冷却水の温度が適正であ
るか否かを判定して冷却器１０へ運転制御信号１０ｓを
出力する機能とを有している。
【００１９】更に、先に述べたスタック２には、レーザ
ダイオードバー１のそれぞれに電力を供給するための直
流電源１５が接続されている。
【００２０】図１に示す半導体レーザ冷却装置では、ポ
ンプ８を作動させると、冷却水が、管路９、冷却器１
０、管路１２、ヒートシンク３の冷媒流路、管路１３、
ポンプ８からなる閉回路を循環して、レーザダイオード
バー１を冷却する。
【００２１】このとき、コントローラ７が、センサ４，
５からの検出信号４ｓ，５ｓ、及び予め入力されている
飽和水蒸気量のデータに基づき、スタック２の温度が結
露発生値に近いか否かを判定し、また、センサ１４から
の検出信号１４ｓ、及び予め設定した冷却水目標温度に
基づき、現時点の冷却水の温度が適正であるか否かを判
定する。
【００２２】スタック２の温度が低下して、結露発生値
に近くなると、コントローラ７から流量調整弁１１にそ
の開度を小さくする開度調整信号１１ｓが出力され、ヒ
ートシンク３への冷却水の流量を制限する。
【００２３】これにより、スタック２の温度低下が回避
され、各レーザダイオードバー１の結露が抑止される。
【００２４】また逆に、スタック２の温度が著しく上昇
した場合には、コントローラ７から流量調整弁１１にそ
の開度を大きくする開度調整信号１１ｓが出力され、ヒ
ートシンク３への冷却水の流量を補い、各レーザダイオ
ードバー１の温度上昇を抑制する。
【００２５】更に、現時点での冷却水の温度が、冷却水
目標温度の上限値あるいは下限値を逸脱すると、コント
ローラ７から冷却器１０へ運転制御信号１０ｓが出力さ
れ、冷却水の温度が補正される。
【００２６】このように、図１に示す半導体レーザ冷却
装置では、素子温度検出信号４ｓによるスタック２の温
度、表面湿度検出信号５ｓによるスタック２表面の湿
度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づき、スタック２
の温度が結露発生値に近いか否かをコントローラ７が判
定して、ヒートシンク３の冷媒流路への冷却流体の供給
を調整するので、レーザダイオードバー１の冷却に起因
した結露を抑止することが可能となる。
【００２７】また、結露の抑止にあたって、レーザダイ
オードバー１への電力供給量を調整しないので、レーザ
光の出射が不本意に変化することがない。
【００２８】図２は本発明の半導体レーザ冷却装置の実
施の形態の第２の例を示すもので、図中、図１と同一の
符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２９】この半導体レーザ冷却装置は、スタック２
に当接し且つ素子温度センサ４及び表面湿度センサ５が
組み込まれたヒートシンク３と、該ヒートシンク３の内
部の冷媒流路に対して冷却水を供給する冷媒供給機構２
６と、コントローラ２７とを備えている。
【００３０】冷媒供給機構２６は、ポンプ８から管路９
を介して送給される冷却水の温度を調整する冷却昇温器
２０と、開閉弁２１を有し且つ冷却昇温器２０より送出
される冷却水をヒートシンク３の冷媒流路入口へ導く管
路２２と、ヒートシンク３の冷媒流路出口より排出され
る冷却水を前記のポンプ８へ導く管路２３とによって構
成されている。
【００３１】また、冷却昇温器２０には、ヒートシンク
３の冷媒流路へ送給すべき冷却水の温度を検出する冷却
水温度センサ２４が設けられている。
【００３２】コントローラ２７は、素子温度センサ４か
らの素子温度検出信号４ｓ、表面湿度センサ５からの表
面湿度検出信号５ｓ、及び予め入力されている飽和水蒸
気量のデータに基づき、スタック２の温度が結露発生値
に近いか否かを判定する機能と、冷却水温度センサ２４
からの冷却水温度検出信号２４ｓに基づき、現時点の冷
却水の温度が適正であるか否かを判定して冷却昇温器２
０へ運転制御信号２０ｓを出力する機能とを有してい
る。
【００３３】図２に示す半導体レーザ冷却装置では、ポ
ンプ８を作動させると、該ポンプ８から送出される冷却
水が、管路９、冷却昇温器２０、管路２２、ヒートシン
ク３の冷媒流路、管路２３、ポンプ８からなる閉回路を
循環して、レーザダイオードバー１を冷却する。
【００３４】このとき、コントローラ２７が、センサ
４，５からの検出信号４ｓ，５ｓ、及び予め入力されて
いる飽和水蒸気量のデータに基づき、スタック２の温度
が結露発生値に近いか否かを判定し、また、センサ２４
からの冷却水温度検出信号２４ｓに基づき、現時点の冷
却水の温度が適正であるか否かを判定する。
【００３５】スタック２の温度が低下して、結露発生値
に近付くと、コントローラ２７から冷却昇温器２０に冷
却水温度を高くする冷却水温度検出信号２０ｓが出力さ
れ、ヒートシンク３へ供給すべき冷却水を昇温させる。
【００３６】これにより、スタック２の温度低下が回避
され、各レーザダイオードバー１の結露が抑止される。
【００３７】また逆に、スタック２の温度が著しく上昇
した際には、コントローラ２７から冷却昇温器２０に冷
却水温度を低くする冷却水温度検出信号２０ｓが出力さ
れ、ヒートシンク３へ供給すべき冷却水を冷却し、各レ
ーザダイオードバー１の温度上昇を抑制する。
【００３８】このように、図２に示す半導体レーザ冷却
装置では、素子温度検出信号４ｓによるスタック２の温
度、表面湿度検出信号５ｓによるスタック２表面の湿
度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づき、スタック２
の温度が結露発生値に近いか否かをコントローラ２７が
判定して、冷媒供給機構２６からヒートシンク３の冷媒
流路への冷却流体の供給を調整するので、レーザダイオ
ードバー１の冷却に起因した結露を抑止することが可能
なる。
【００３９】また、結露の抑止にあたって、レーザダイ
オードバー１への電力供給量を調整しないので、レーザ
光の出射が不本意に変化することがない。
【００４０】図３は本発明の半導体レーザ冷却装置の実
施の形態の第３の例を示すもので、図中、図１と同一の
符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００４１】この半導体レーザ冷却装置は、スタック２
に当接するヒートシンク１６と、該ヒートシンク１６に
組み込んだ素子温度センサ４及び表面湿度センサ５と、
供給電力に応じてヒートシンク１６を冷却するペルチェ
冷却器１７と、コントローラ１８とを備えている。
【００４２】ヒートシンク１６は、銅など熱伝導性に優
れた金属を構成素材としている。
【００４３】ペルチェ冷却器１７には、当該ペルチェ冷
却器１７へ駆動電力を供給するための冷却用電源１９が
接続されている。
【００４４】コントローラ１８は、素子温度センサ４か
らの素子温度検出信号４ｓ、表面湿度センサ５からの表
面湿度検出信号５ｓ、及び予め入力されている飽和水蒸
気量のデータに基づき、スタック２の温度が結露発生値
に近いか否かを判定して前記の冷却用電源１９へ電力調
整信号１９ｓを出力する機能を有している。
【００４５】図３に示す半導体レーザ冷却装置では、冷
却用電源１９を作動させ、ペルチェ冷却器１７に駆動電
力を供給すると、当該ペルチェ冷却器１７が、ヒートシ
ンク１６を介してレーザダイオードバー１を冷却する。
【００４６】このとき、コントローラ１８が、センサ
４，５からの検出信号４ｓ，５ｓ、及び予め入力されて
いる飽和水蒸気量のデータに基づき、スタック２の温度
が結露発生値に近いか否かを判定する。
【００４７】スタック２の温度が低下して、結露発生値
に近くなると、コントローラ１８から冷却用電源１９に
対して、ペルチェ冷却器１７への駆動電力を少なくする
電力調整信号１９ｓが出力される。
【００４８】これにより、スタック２の温度低下が回避
され、各レーザダイオードバー１の結露が抑止される。
【００４９】また逆に、スタック２の温度が著しく上昇
した場合には、コントローラ１８から冷却用電源１９に
対して、ペルチェ冷却器１７への駆動電力を多くする電
力調整信号１９ｓが出力され、各レーザダイオードバー
１の温度上昇を抑制する。
【００５０】このように、図３に示す半導体レーザ冷却
装置では、素子温度検出信号４ｓによるスタック２の温
度、表面湿度検出信号５ｓによるスタック２表面の湿
度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づき、スタック２
の温度が結露発生値に近いか否かをコントローラ１８が
判定して、ヒートシンク１６に付帯するペルチェ冷却器
１７への駆動電力の供給を調整するので、レーザダイオ
ードバー１の冷却に起因した結露を抑止することが可能
になる。
【００５１】また、結露の抑止にあたって、レーザダイ
オードバー１への電力供給量を調整しないので、レーザ
光の出射が不本意に変化することがない。
【００５２】なお、本発明の半導体レーザ冷却装置は、
上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得るこ
とは勿論である。
【００５３】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の半導体レー
ザ冷却装置によれば下記のような種々の優れた効果を奏
し得る。
【００５４】（１）本発明の請求項１あるいは請求項２
に記載の半導体レーザ装置のいずれにおいても、素子温
度センサの信号によるレーザ素子の温度、表面湿度セン
サの信号によるレーザ素子表面の湿度、並びに飽和水蒸
気量のデータに基づき、レーザ素子の温度が結露発生値
に近いか否かをコントローラが判定して、冷媒流路への
冷却流体の供給を調整するので、レーザ素子の冷却に起
因した結露の抑止を図ることができる。
【００５５】（２）本発明の請求項３に記載の半導体レ
ーザ装置においては、素子温度センサの信号によるレー
ザ素子の温度、表面湿度センサの信号によるレーザ素子
表面の湿度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づき、レ
ーザ素子の温度が結露発生値に近いか否かをコントロー
ラが判定して、冷媒供給機構から冷媒流路への冷却流体
の温度を調整するので、レーザ素子の冷却に起因した結
露の抑止を図ることができる。
【００５６】（３）本発明の請求項４に記載の半導体レ
ーザ装置においては、素子温度センサの信号によるレー
ザ素子の温度、表面湿度センサの信号によるレーザ素子
表面の湿度、並びに飽和水蒸気量のデータに基づき、レ
ーザ素子の温度が結露発生値に近いか否かをコントロー
ラが判定して、ペルチェ冷却器への駆動電力の供給を調
整するので、レーザ素子の冷却に起因した結露の抑止を
図ることができる。また、結露の抑止にあたって、レー
ザダイオードバーへの電力供給量を調整しないので、レ
ーザ光の出射が不本意に変化することがない。
【００５７】（４）本発明の請求項１乃至請求項４に記
載の半導体レーザ冷却装置のいずれにおいても、結露の
抑止にあたって、レーザ素子への電力供給量を調整しな
いので、レーザ光の出射が不本意に変化することがな
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ冷却装置の実施の形態の
第１の例を示す概念図である。
【図２】本発明の半導体レーザ冷却装置の実施の形態の
第２の例を示す概念図である。
【図３】本発明の半導体レーザ冷却装置の実施の形態の
第３の例を示す概念図である。
【符号の説明】
１ レーザダイオードバー（レーザ素子） ３ ヒートシンク ４ 素子温度センサ ４ｓ 素子温度検出信号 ５ 表面湿度センサ ５ｓ 表面湿度検出信号 ６ 冷媒供給機構 ７ コントローラ １４ 冷却水温度センサ １４ｓ 冷却水温度検出信号 １６ ヒートシンク １７ ペルチェ冷却器 １８ コントローラ １９ 冷却用電源 ２４ 冷却水温度センサ ２４ｓ 冷却水温度検出信号 ２６ 冷媒供給機構 ２７ コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 淑久 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 福冨 誠二 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 Ｆターム(参考） 5F073 BA09 EA29 FA11 FA25 FA26 GA14 GA23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒流路を有し且つレーザ素子に当接す
    るヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込んだ素子温
    度センサ及び表面湿度センサと、ヒートシンクの冷媒流
    路へ冷却流体を送給する冷媒供給機構と、各センサから
    の信号及び飽和水蒸気量のデータに基づき冷媒供給機構
    から冷媒流路への冷却流体供給量を制御するコントロー
    ラとを備えてなることを特徴とする半導体レーザ冷却装
    置。
  2. 【請求項２】 冷媒流路を有し且つレーザ素子に当接す
    るヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込んだ素子温
    度センサ及び表面湿度センサと、ヒートシンクの冷媒流
    路へ冷却流体を送給する冷媒供給機構と、該冷媒供給機
    構から冷媒流路へ送給される冷却流体の温度を検出する
    冷却流体温度センサと、各センサからの信号及び飽和水
    蒸気量のデータに基づき冷媒供給機構から冷媒流路への
    冷却流体供給量を制御し且つ当該冷却流体の温度を制御
    するコントローラとを備えてなることを特徴とする半導
    体レーザ冷却装置。
  3. 【請求項３】 冷媒流路を有し且つレーザ素子に当接す
    るヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込んだ素子温
    度センサ及び表面湿度センサと、ヒートシンクの冷媒流
    路へ冷却媒体を送給する冷媒供給機構と、該冷媒供給機
    構から冷媒流路へ送給される冷却流体の温度を検出する
    冷却流体温度センサと、各センサからの信号及び飽和水
    蒸気量のデータに基づき冷媒供給機構から冷媒流路への
    冷却流体の温度を制御するコントローラとを備えてなる
    ことを特徴とする半導体レーザ冷却装置。
  4. 【請求項４】 ペルチェ冷却器を有し且つレーザ素子に
    当接するヒートシンクと、該ヒートシンクに組み込んだ
    素子温度検出センサ及び素子表面湿度検出センサと、ペ
    ルチェ冷却器へ駆動電力を供給する冷却用電源と、各セ
    ンサからの信号及び飽和水蒸気量のデータに基づき冷却
    用電源からペルチェ冷却器への駆動電力を制御するコン
    トローラとを備えてなることを特徴とする半導体レーザ
    冷却装置。
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