JP2002368326A - Method of cooling laser diode module and light source consisting thereof - Google Patents
Method of cooling laser diode module and light source consisting thereofInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高出力光源、特
に、高い密度で配置された、個別に温度制御が可能な高
光出力の複数個のレーザダイオードモジュールからなる
光源およびレーザダイオードモジュールの冷却方法に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-output light source, and more particularly to a light source comprising a plurality of laser diode modules of high light output which can be individually controlled in temperature and arranged at high density, and a method of cooling the laser diode module. About.
【０００２】[0002]
【従来の技術】通常、レーザダイオードモジュールは、
光ファイバ通信、特に幹線系・ＣＡＴＶの信号光源やフ
ァイバアンプの励起光源として用いられている。このよ
うなレーザダイオードモジュールは、高出力および安定
動作を実現するために、ペルチェモジュールを内蔵し、
そのペルチェモジュール上部に搭載された金属基板上に
レーザダイオードチップ、フォトダイオードチップ、レ
ンズ等の光学部品、サーミスタ素子、インダクタ、抵抗
等の電気部品を配置している。2. Description of the Related Art Generally, a laser diode module is
It is used as a signal light source for optical fiber communication, especially for trunk line and CATV, and as an excitation light source for fiber amplifiers. Such a laser diode module incorporates a Peltier module to achieve high output and stable operation,
Optical components such as a laser diode chip, a photodiode chip, and a lens, and electric components such as a thermistor element, an inductor, and a resistor are arranged on a metal substrate mounted on the upper part of the Peltier module.
【０００３】なお、上述したペルチェモジュールは、熱
電半導体であり、直流の電流を流すと、ｐ型の半導体の
場合には、電流の流れる方向に熱が運ばれ、ｎ型半導体
の場合には電流と反対方向に熱が運ばれ、熱電半導体の
両側で温度差が生じる。ペルチェモジュールを使用した
冷却システムは、上述した温度差を利用して、低温側を
冷却に、高温側を放熱に使用している。The above-mentioned Peltier module is a thermoelectric semiconductor. When a DC current is passed, heat is transferred in the direction of current flow in the case of a p-type semiconductor, and the current is flowed in the case of an n-type semiconductor. Is transferred in a direction opposite to the above, and a temperature difference occurs on both sides of the thermoelectric semiconductor. The cooling system using the Peltier module uses the above-mentioned temperature difference to use the low-temperature side for cooling and the high-temperature side for heat radiation.
【０００４】図６および図７は、従来のレーザダイオー
ドモジュールからなる光源の一部分を示す図である。図
６に示すように、レーザダイオードモジュール１００の
（図示しない）ペルチエモジュールに熱的に接続して、
１または複数個のレーザダイオードモジュールがフィン
付ヒートシンク１０１に取り付けられている。図６に示
すように、このようにフィン付ヒートシンク１０１に取
り付けられたレーザダイオードモジュール１００は、外
周部にファン１０３を備えた筐体１０２の中に収容され
ている。FIGS. 6 and 7 show a part of a light source including a conventional laser diode module. As shown in FIG. 6, the laser diode module 100 is thermally connected to a Peltier module (not shown),
One or more laser diode modules are attached to the finned heat sink 101. As shown in FIG. 6, the laser diode module 100 attached to the finned heat sink 101 in this manner is housed in a housing 102 having a fan 103 on the outer periphery.
【０００５】図６および図７に示す従来のレーザダイオ
ードモジュールにおいては、レーザダイオードモジュー
ルの放熱は、筐体に取り付けられたファンによって生じ
る空気流で筐体内の熱を筐体外に放出し、筐体外の低温
の空気を取り入れることによって行われる。ファンによ
ると一定の風量で空気が流れるだけであるので、環境温
度の変化が生じたときは、ペルチェによってレーザダイ
オードモジュールの温度が制御される。In the conventional laser diode module shown in FIGS. 6 and 7, heat is radiated from the laser diode module by radiating heat inside the housing to the outside with the airflow generated by a fan attached to the housing. This is done by taking in cold air. According to the fan, only the air flows with a constant air volume, so that when the environmental temperature changes, the temperature of the laser diode module is controlled by the Peltier.
【０００６】近年、レーザダイオードモジュールの高出
力化に伴い、レーザダイオードモジュールの冷却能力と
温度環境信頼度（即ち、温度が変化した場合においても
正常に機能を継続する能力）に対する要求が厳しくなっ
ている。In recent years, as the output of the laser diode module has been increased, the requirements for the cooling capacity and the temperature environment reliability (that is, the ability to continue functioning normally even when the temperature changes) of the laser diode module have become strict. I have.
【０００７】まず、冷却能力向上のためには、ペルチェ
モジュールを大型化したり、上部に搭載する金属基板の
高熱伝導材質化を図る必要があるが、ペルチェモジュー
ルの冷却能力向上に伴う温調タイム（目的の温度に達す
るまでの時間）の短縮により、ペルチェモジュール上部
に搭載した金属基板への温度ストレスも大きくなる。そ
のため、ペルチェモジュールと金属基板の熱膨張率差の
影響が大きくなり、両者を接着するソフトソルダの摺動
により亀裂剥離を生じさせるという問題が生じる。しか
も、ソフトソルダ特有のハンダクリープ現象も顕著にな
るため、ペルチェモジュールと金属基板とを接着させる
ソルダには、ビスマス錫（ＢｉＳｎ）等の低温ハードソ
ルダを用いる必要がある。上述した問題点を解決するた
めに、特開平１０−２００２０８に、２種類の金属材か
らなる金属基板を備えた半導体レーザモジュールが開示
されている。First, in order to improve the cooling capacity, it is necessary to increase the size of the Peltier module or to make the metal substrate mounted thereon a high heat conductive material. By shortening the time required to reach the target temperature, the temperature stress on the metal substrate mounted on the Peltier module also increases. For this reason, the influence of the difference in the coefficient of thermal expansion between the Peltier module and the metal substrate increases, and a problem arises in that cracking occurs due to sliding of a soft solder for bonding the two. Moreover, since the solder creep phenomenon peculiar to the soft solder becomes remarkable, it is necessary to use a low-temperature hard solder such as bismuth tin (BiSn) as the solder for bonding the Peltier module to the metal substrate. To solve the above-mentioned problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-200208 discloses a semiconductor laser module provided with a metal substrate made of two kinds of metal materials.
【０００８】[0008]
【発明が解決しょうとする課題】上述した先行技術によ
ると、個々のレーザダイオードモジュールにおける、ペ
ルチェモジュールの冷却性能の向上、および、ペルチェ
モジュールの信頼度を高めることが期待されている。し
かしながら、個々のレーザダイオードモジュールが更に
高出力化し、このように更に高出力化した多数のレーザ
ダイオードモジュールを高い密度で配置して使用する
と、チップとペルチェモジュールとの間に配置される金
属基板の熱伝導性を高めたり、熱膨張率の差を小さくす
るだけでは、レーザダイオードモジュールの高出力化、
それらの高い密度の配置にともなって発生する熱を処理
することができず、レーザダイオードモジュールの機能
を損傷してしまうという問題点がある。According to the prior art described above, it is expected that the cooling performance of the Peltier module and the reliability of the Peltier module in each laser diode module will be improved. However, each laser diode module has a higher output, and when a large number of laser diode modules having such a higher output are arranged and used at a high density, the metal substrate disposed between the chip and the Peltier module is required. Simply increasing the thermal conductivity or reducing the difference in the coefficient of thermal expansion will increase the output of the laser diode module,
There is a problem that the heat generated due to the high density arrangement cannot be processed, and the function of the laser diode module is damaged.
【０００９】即ち、各レーザダイオードモジュール自体
がサイズが小さい上に高発熱密度体であり、それらを複
数個実装することが求められる光励起用光源または光信
号光源として使用する場合には、レーザダイオードモジ
ュールの熱を放熱することが困難であった。一方、光励
起用光源または光信号光源は、更なる光出力の向上が求
められており、従来の方法では、レーザダイオードモジ
ュールのペルチェモジュールによる冷却が限界に達し
て、半導体素子の性能を１００％生かしきれない状態で
しか、使用することができなくなっている。That is, when each laser diode module is small in size and has a high heat generation density, and it is used as a light pumping light source or an optical signal light source that requires mounting a plurality of such laser diode modules, It was difficult to dissipate the heat. On the other hand, a light pumping light source or an optical signal light source is required to further improve the light output, and in the conventional method, the cooling by the Peltier module of the laser diode module reaches the limit, and the performance of the semiconductor device is fully utilized by 100%. It can only be used if it cannot be used.
【００１０】更に、ファンによって筐体内部の放熱を行
うときには、筐体内のレーザダイオードモジュールの設
置場所によって、放熱効率が変わるので、最も厳しい条
件のときを基準として熱設計が行われる。その結果、レ
ーザダイオードモジュールによってペルチェモジュール
の稼動率は異なり、非効率的であり、個々の寿命にも影
響するという問題点がある。Furthermore, when heat is dissipated inside the housing by the fan, the heat dissipation efficiency varies depending on the installation location of the laser diode module in the housing, so that the thermal design is performed based on the most severe conditions. As a result, there is a problem that the operation rate of the Peltier module differs depending on the laser diode module, which is inefficient and affects the life of each module.
【００１１】更に、波長の異なる複数個のレーザダイオ
ードモジュールを使用する際に、個々のレーザダイオー
ドモジュールの特性に応じて放熱を制御することができ
ないという問題点がある。上述したように、優れた放熱
性能を有するヒートシンクに実装された、光励起用光源
または光信号光源の出現が待望されている。Furthermore, when a plurality of laser diode modules having different wavelengths are used, there is a problem that heat radiation cannot be controlled in accordance with the characteristics of each laser diode module. As described above, the emergence of a light pumping light source or a light signal light source mounted on a heat sink having excellent heat dissipation performance is expected.
【００１２】従って、この発明の目的は、従来の問題点
を解決して、個々のレーザダイオードモジュールの特性
に応じて放熱を制御することができる、高い密度で配置
された、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュー
ルからなる光源を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the conventional problems and to control the heat radiation in accordance with the characteristics of each laser diode module. To provide a light source comprising a laser diode module.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した従
来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、
筐体全体の放熱管理ではなく、高い密度で配置された、
高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールのそれ
ぞれにファン付ヒートシンクを熱的に接続し、そして、
ペルチエモジュールおよびファンを制御する制御部を備
えることによって、個々のレーザダイオードモジュール
の特性に応じて、温度制御が可能になることが判明し
た。Means for Solving the Problems The present inventor has made intensive studies to solve the above-mentioned conventional problems. as a result,
It is not a heat dissipation management of the whole housing, but arranged at a high density,
Thermally connecting a heat sink with a fan to each of the plurality of laser diode modules having a high light output; and
It has been found that the provision of the control unit for controlling the Peltier module and the fan enables temperature control according to the characteristics of the individual laser diode modules.
【００１４】この発明は、上記知見に基づいてなされた
ものであって、この発明のレーザダイオードモジュール
からなる光源の第１の態様は、レーザダイオードチップ
および光学機器を搭載する基板、および、前記基板と熱
的に接続されたペルチェモジュールを備えている、高い
密度で配置された、高光出力の複数個のレーザダイオー
ドモジュール、前記レーザダイオードモジュールのそれ
ぞれの前記ペルチェモジュールに熱的に接続されたファ
ン付ヒートシンク、および、前記ペルチエモジュールお
よび前記ファンを制御するファン用制御部を備えてい
る、レーザダイオードモジュールからなる光源である。The present invention has been made based on the above findings. A first aspect of a light source comprising a laser diode module according to the present invention is a substrate on which a laser diode chip and an optical device are mounted, and the substrate A plurality of laser diode modules having a high light output, comprising a Peltier module thermally connected to the Peltier module, and a fan thermally connected to each of the Peltier modules of the laser diode module. A light source including a heat sink and a laser controller that controls the Peltier module and the fan.
【００１５】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源の第２の態様は、前記レーザダイオードモジ
ュールの各々の光出力が１００ｍＷ以上である、レーザ
ダイオードモジュールからなる光源である。A second aspect of the light source comprising a laser diode module according to the present invention is a light source comprising a laser diode module, wherein the light output of each of the laser diode modules is 100 mW or more.
【００１６】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源の第３の態様は、前記制御部は、複数個のレ
ーザダイオードモジュールのぞれぞれの前記ペルチエモ
ジュールおよび前記ファンを電気的に個別に制御する、
レーザダイオードモジュールからなる光源である。In a third aspect of the light source comprising a laser diode module according to the present invention, the control unit electrically controls the Peltier module and the fan of each of the plurality of laser diode modules. ,
This is a light source composed of a laser diode module.
【００１７】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源の第４の態様は、前記レーザダイオードモジ
ュールの前記ペルチェモジュールと前記ファン付ヒート
シンクとの間にヒートパイプを更に備えている、レーザ
ダイオードモジュールからなる光源である。A fourth aspect of the light source comprising a laser diode module according to the present invention is a light source comprising a laser diode module, further comprising a heat pipe between the Peltier module of the laser diode module and the heat sink with a fan. It is.
【００１８】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源の第５の態様は、前記ファン付ヒートシンク
が、ファンとヒートシンクが一体型のヒートシンクから
なっている、レーザダイオードモジュールからなる光源
である。A fifth aspect of the light source comprising a laser diode module according to the present invention is a light source comprising a laser diode module, wherein the heat sink with a fan comprises a heat sink in which a fan and a heat sink are integrated.
【００１９】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源の第６の態様は、前記ヒートパイプが、前記
レーザダイオードモジュールの取り付け板に埋め込まれ
ている、レーザダイオードモジュールからなる光源であ
る。A sixth aspect of the light source comprising a laser diode module according to the present invention is a light source comprising a laser diode module, wherein the heat pipe is embedded in a mounting plate of the laser diode module.
【００２０】この発明のレーザダイオードモジュールの
冷却方法の第１の態様は、ペルチェモジュールを内蔵し
た複数個のレーザダイオードモジュールのそれぞれに個
別のファン付ヒートシンクを取り付け、前記ペルチェモ
ジュールおよび前記ファンを個別に電気的に制御して、
複数個のレーザダイオードモジュールの温度制御を行
う、レーザダイオードモジュールの冷却方法である。In a first aspect of the method for cooling a laser diode module according to the present invention, an individual heat sink with a fan is attached to each of a plurality of laser diode modules incorporating a Peltier module, and the Peltier module and the fan are individually separated. Electrically controlled,
This is a method for cooling a laser diode module, which controls the temperature of a plurality of laser diode modules.
【００２１】この発明のレーザダイオードモジュールの
冷却方法の第２の態様は、前記レーザダイオードモジュ
ールの前記ペルチェモジュールと、前記ファン付ヒート
シンクの間に更にヒートパイプを取り付ける、レーザダ
イオードモジュールの冷却方法である。A second aspect of the method for cooling a laser diode module according to the present invention is a method for cooling a laser diode module, further comprising attaching a heat pipe between the Peltier module of the laser diode module and the heat sink with a fan. .
【発明の実施の形態】この発明のレーザダイオードモジ
ュールからなる光源の態様について図面を参照しながら
詳細に説明する。図１は、この発明の光源を構成する個
々のレーザダイオードモジュールの一例の概要を示す図
である。図１に示すように、レーザダイオードモジュー
ル１０は、半導体レーザ１１、第１レンズ１２、第２レ
ンズ１３、コア拡大ファイバ１４および気密ケース２０
を備えている。半導体レーザ１１は、第１レンズ１２と
の間に所定の間隔をおいて、ベース２１上にチップキャ
リア２２を介して設けられている。ベース２１は、気密
ケース２０内に設けた温度制御用のペルチェモジュール
２３の上方に配置されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a light source comprising a laser diode module according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of an example of each laser diode module constituting a light source according to the present invention. As shown in FIG. 1, the laser diode module 10 includes a semiconductor laser 11, a first lens 12, a second lens 13, an expanded core fiber 14, and an airtight case 20.
It has. The semiconductor laser 11 is provided on a base 21 via a chip carrier 22 at a predetermined distance from the first lens 12. The base 21 is disposed above a Peltier module 23 for temperature control provided in the airtight case 20.
【００２２】ベース２１は、主要部分が銅製で、第１レ
ンズ１２を設置する部分がステンレス製の複合材であ
る。ベース部材２１は、チップキャリア２２を挟んで第
１レンズ１２と対向する側にキャリア２４が固定され、
キャリア２２の半導体レーザ１１と対向する位置にモニ
タ用のフォトダイオード２４ａが設けられている。The base 21 is a composite material whose main part is made of copper and whose part where the first lens 12 is installed is made of stainless steel. The carrier 24 is fixed to the base member 21 on the side facing the first lens 12 with the chip carrier 22 interposed therebetween.
A monitoring photodiode 24 a is provided on the carrier 22 at a position facing the semiconductor laser 11.
【００２３】第１レンズ１２は、レンズホルダ１２ａに
コリメータレンズ１２ｂが保持されている。レンズホル
ダ１２ａは、ベース２１に溶接固定されている。コリメ
ータレンズ１２ｂは、高結合効率を得るために非球面レ
ンズが使用されている。第２レンズ１３は、レンズホル
ダ１３ａに上下部分を削り出した球レンズ１３ｂが保持
されている。レンズホルダ１３ａは、光軸に垂直な面内
で位置調整して気密ケース２０の後述する挿着円筒２０
ａに固定されている。The first lens 12 has a collimator lens 12b held by a lens holder 12a. The lens holder 12a is fixed to the base 21 by welding. As the collimator lens 12b, an aspheric lens is used to obtain high coupling efficiency. The second lens 13 holds a spherical lens 13b whose upper and lower portions are cut out by a lens holder 13a. The position of the lens holder 13a is adjusted in a plane perpendicular to the optical axis, and the later-described insertion cylinder 20 of the airtight case 20 is adjusted.
a.
【００２４】コア拡大ファイバ１４は、コアを拡大させ
た先端側が光軸に対して６°傾斜させて斜めに研磨され
るとともに研磨面に反射防止コーティングが施され、先
端側が金属筒１５内に接着されて保護されている。金属
筒１５は、調整部材１６の最適位置に溶接固定されてい
る。金属筒１５は、調整部材１６内でコア拡大ファイバ
１４の光軸方向に沿って前後方向にスライドさせたり、
光軸廻りに回転させることにって調整部材１６の最適位
置に調整される。なお、レーザダイオードモジュール
は、レーザダイオードチップの近傍に接着されたサーミ
スタ素子によってチップの温度を検出する。このように
検出された温度値をフィードバックしてペルチェモジュ
ールを駆動させることにより、レーザダイオードチップ
が配置された金属基板全体を冷却して、レーザダイオー
ドチップの温度を一定に保つ。The core-enlarged fiber 14 is polished obliquely with the enlarged core at an angle of 6 ° with respect to the optical axis, and has an anti-reflection coating on the polished surface. Being protected. The metal cylinder 15 is welded and fixed to an optimum position of the adjustment member 16. The metal tube 15 is slid in the front-rear direction along the optical axis direction of the core enlarged fiber 14 in the adjustment member 16,
By rotating around the optical axis, the adjustment member 16 is adjusted to the optimum position. In the laser diode module, the temperature of the chip is detected by a thermistor element bonded near the laser diode chip. By driving the Peltier module by feeding back the temperature value thus detected, the entire metal substrate on which the laser diode chip is disposed is cooled, and the temperature of the laser diode chip is kept constant.
【００２５】図２は、この発明のレーザダイオードモジ
ュールからなる光源を示す図である。図２に示すよう
に、この態様においては、搭載部３０の上に、搭載部の
短軸に並行に、６個のレーザダイオードモジュール１０
が配置されている。隣接するレーザダイオードモジュー
ル１０は、所定の距離だけ相互に離隔して、それぞれ、
搭載部の長軸に平行な３個のレーザダイオードモジュー
ルからなる、２組のレーザダイオードモジュール群を形
成している。このようにレーザダイオードモジュール１
０を配置することによって、密度の高いレーザダイオー
ドモジュールの配置が可能になる。FIG. 2 is a diagram showing a light source comprising the laser diode module of the present invention. As shown in FIG. 2, in this embodiment, six laser diode modules 10 are mounted on the mounting portion 30 in parallel with the short axis of the mounting portion.
Is arranged. Adjacent laser diode modules 10 are separated from each other by a predetermined distance,
Two laser diode module groups, each including three laser diode modules parallel to the long axis of the mounting portion, are formed. Thus, the laser diode module 1
By arranging 0, it is possible to arrange a laser diode module with high density.
【００２６】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源は、上述したように、高い密度で配置され
た、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュールか
らなる光源である。好ましくは、レーザダイオードモジ
ュールの各々の光出力が１００ｍＷ以上である。レーザ
ダイオードモジュールの配置密度は、物理的に配置可能
な限り密度を高めることができる。即ち、水平面だけで
なく、垂直方向にも配置することが可能である。The light source comprising a laser diode module according to the present invention is a light source comprising a plurality of laser diode modules having a high light output and arranged at a high density, as described above. Preferably, the light output of each of the laser diode modules is 100 mW or more. The arrangement density of the laser diode modules can be as high as physically possible. That is, it is possible to arrange not only in the horizontal plane but also in the vertical direction.
【００２７】この発明のレーザダイオードモジュールか
らなる光源は、レーザダイオードチップおよび光学機器
を搭載する金属基板、および、前記金属基板と熱的に接
続されたペルチェモジュールを備えている、高い密度で
配置された、高光出力の複数個のレーザダイオードモジ
ュール、前記レーザダイオードモジュールのそれぞれの
前記ペルチェモジュールに熱的に接続されたファン付ヒ
ートシンク、および、前記ペルチエモジュールおよび前
記ファンを制御する制御部を備えている、レーザダイオ
ードモジュールからなる光源である。A light source comprising a laser diode module according to the present invention is provided at a high density, comprising a metal substrate on which a laser diode chip and an optical device are mounted, and a Peltier module thermally connected to the metal substrate. A plurality of laser diode modules having high light output; a heat sink with a fan thermally connected to each of the Peltier modules of the laser diode module; and a control unit for controlling the Peltier module and the fan. , A light source comprising a laser diode module.
【００２８】図３は、ファン付ヒートシンクが取り付け
られたレーザダイオードモジュールを概略示す図であ
る。図３に示すように、レーザダイオードモジュールの
図示しないペルチェモジュールに熱的に接続されて、ヒ
ートシンク１２が取り付けられ、更に、ヒートシンク１
２にファン１３が取り付けられている。図示しない制御
部は、ペルチェモジュールおよびファンに接続されて、
ペルチェモジュールがレーザダイオードモジュールを冷
却するときに、ファンが動作して冷却を強化するように
設定される。FIG. 3 is a diagram schematically showing a laser diode module to which a heat sink with a fan is attached. As shown in FIG. 3, a heat sink 12 is attached by being thermally connected to a Peltier module (not shown) of the laser diode module.
2 is provided with a fan 13. The control unit (not shown) is connected to the Peltier module and the fan,
When the Peltier module cools the laser diode module, the fan is set to operate to enhance cooling.
【００２９】即ち、レーザダイオードチップの近傍に接
着されたサーミスタ素子によってチップの温度を検出
し、このように検出された温度値をフィードバックして
ペルチェモジュールを駆動させる。その際、サーミスタ
から受けた出力電圧と設定した所定の基準電圧とを比較
して、サーミスタの出力電圧が基準電圧よりも大きいと
き、ファンが動作状態になり、サーミスタの出力電圧が
基準電圧よりも小さいとき、ファンが停止状態になる。That is, the temperature of the chip is detected by a thermistor element bonded in the vicinity of the laser diode chip, and the detected temperature value is fed back to drive the Peltier module. At this time, the output voltage received from the thermistor is compared with a predetermined reference voltage, and when the output voltage of the thermistor is higher than the reference voltage, the fan is activated and the output voltage of the thermistor is higher than the reference voltage. When it is smaller, the fan is stopped.
【００３０】更に、この発明のレーザダイオードモジュ
ールからなる光源は、レーザダイオードモジュールのペ
ルチェモジュールとファン付ヒートシンクとの間にヒー
トパイプを更に備えていてもよい。図４は、ペルチェモ
ジュールとファン付ヒートシンクとの間にヒートパイプ
を備えているレーザダイオードモジュールを概略示す図
である。Further, the light source comprising the laser diode module of the present invention may further include a heat pipe between the Peltier module of the laser diode module and a heat sink with a fan. FIG. 4 is a view schematically showing a laser diode module including a heat pipe between a Peltier module and a heat sink with a fan.
【００３１】ヒートパイプ１４は、取り付け板１１また
は搭載部３０に埋め込まれている。ヒートパイプは、一
般に、密封された空洞部を有するコンテナを備えてお
り、空洞部に収容された作動液の相変態および移動によ
って熱の輸送が行われる。熱の一部は、ヒートパイプを
構成するコンテナの材質中を直接伝わって運ばれるが、
大部分の熱は、作動液による相変態と移動によって移動
される。The heat pipe 14 is embedded in the mounting plate 11 or the mounting portion 30. The heat pipe generally includes a container having a sealed cavity, and heat is transferred by phase transformation and movement of the working fluid contained in the cavity. Part of the heat is transmitted directly through the material of the container that constitutes the heat pipe,
Most of the heat is transferred by the phase transformation and transfer by the working fluid.
【００３２】レーザダイオードモジュールが取り付けら
れるヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構
成するコンテナの材質中を伝わってきた熱により、作動
液が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動す
る。ファン付ヒートシンク１２が取り付けられた放熱側
では、ファンによって作動液の蒸気は冷却され再び液相
状態に戻る。液相に戻った作動液は再び吸熱側に移動す
る。このような作動液の相変態や移動によって、熱の移
動がなされる。On the heat absorption side of the heat pipe to which the laser diode module is attached, the working fluid evaporates due to heat transmitted through the material of the container constituting the heat pipe, and the vapor moves to the heat radiation side of the heat pipe. On the heat radiation side where the heat sink with fan 12 is attached, the steam of the working fluid is cooled by the fan and returns to the liquid state again. The working fluid that has returned to the liquid phase moves to the heat absorbing side again. Heat is transferred by such phase transformation and movement of the working fluid.
【００３３】ヒートパイプ３１は、丸型ヒートパイプま
たは偏平ヒートパイプからなっていてもよい。即ち、レ
ーザダイオードモジュールの各々が、図１に示すよう
に、レーザダイオードチップ１１および光学機器１２を
搭載する金属基板２１、および、金属基板２１と熱的に
接続されたペルチェモジュール２３を備えており、ペル
チェモジュール２３には、更に、ヒートパイプ１４の吸
熱部が熱的に接続されている。この発明のレーザダイオ
ードモジュールからなる光源においては、レーザダイオ
ードモジュール１０のそれぞれにヒートパイプ１４が熱
的に接続されている。The heat pipe 31 may be a round heat pipe or a flat heat pipe. That is, as shown in FIG. 1, each of the laser diode modules includes a metal substrate 21 on which the laser diode chip 11 and the optical device 12 are mounted, and a Peltier module 23 thermally connected to the metal substrate 21. Further, a heat absorbing portion of the heat pipe 14 is thermally connected to the Peltier module 23. In the light source including the laser diode module of the present invention, a heat pipe 14 is thermally connected to each of the laser diode modules 10.
【００３４】ヒートパイプが埋め込まれる取り付け板１
１に所定の孔部を形成し、孔部の内面は、錫または金等
のハンダとの濡れ性が良好な金属によってメッキ処理さ
れる。孔部に埋め込まれるヒートパイプの表面は、ハン
ダ接合に良好な上述したと同一の金属によって、予めメ
ッキ処理が施こすとよい。このようにメッキ処理が施さ
れたヒートパイプ１４を孔部埋め込み、ハンダ接合す
る。その結果、熱抵抗を増加させる空気層を完全に除去
することができ、熱抵抗を小さくすることができる。な
お、ヒートパイプと孔部との間に空気層がわずかでも残
留すると、局部的に断熱層を形成し、熱抵抗が大きくな
り、ヒートパイプの熱輸送性能が著しく低下する。Mounting plate 1 in which heat pipe is embedded
1, a predetermined hole is formed, and the inner surface of the hole is plated with a metal such as tin or gold having good wettability with solder. The surface of the heat pipe embedded in the hole is preferably pre-plated with the same metal as described above, which is good for solder bonding. The heat pipe 14 thus plated is buried in the hole and soldered. As a result, the air layer that increases the thermal resistance can be completely removed, and the thermal resistance can be reduced. Note that even if a small amount of the air layer remains between the heat pipe and the hole, a heat insulating layer is locally formed, the thermal resistance increases, and the heat transport performance of the heat pipe is significantly reduced.
【００３５】個々のレーザダイオードモジュールの実装
にあたっては、ヒートパイプが埋め込まれた位置に最も
近くなるように、レーザダイオードモジュールの中央部
が位置するような構造が望ましい。その結果、レーザダ
イオードモジュールからの排熱を、高い効率でヒートパ
イプに熱移動することができる。更に、この発明のレー
ザダイオードモジュールからなる光源においては、ファ
ン付ヒートシンクが、ファンとヒートシンクが一体型の
ヒートシンクからなっていてもよい。図５は、ファンと
ヒートシンクが一体型のヒートシンクが取り付けられた
レーザダイオードモジュールを概略示す図である。図５
に示すように、個々のレーザダイオードモジュールに
は、図示しないペルチェモジュールと熱的に接続して、
ファンとヒートシンクが一体型のヒートシンクが取り付
けられている。ヒートシンクは、例えば、アルミダイキ
ャスト製のヒートシンクを用いることができる。ファン
は、例えば、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ、高さ１０ｍｍの
ＤＣ１２Ｖのブラシレスファンを使用することができ
る。上述した取り付け板は、例えば、厚さ３ｍｍのアル
ミニウム製の板で、ヒートパイプは、例えば、φ４ｍｍ
の厚さ２ｍｍ、長さ２００ｍｍの偏平ヒートパイプを用
いることができる。ヒートパイプは、銅製の偏平ヒート
パイプが好ましく、作動液として、水を使用することが
できる。ヒートパイプ内には、作動液の還流を容易にす
るために、ウイックを配置してもよい。In mounting each laser diode module, it is desirable that the laser diode module be located at the center so as to be closest to the position where the heat pipe is embedded. As a result, the waste heat from the laser diode module can be transferred to the heat pipe with high efficiency. Further, in the light source including the laser diode module according to the present invention, the heat sink with the fan may be constituted by a heat sink in which the fan and the heat sink are integrated. FIG. 5 is a view schematically showing a laser diode module to which a heat sink in which a fan and a heat sink are integrated is attached. FIG.
As shown in the figure, each laser diode module is thermally connected to a Peltier module (not shown),
A heat sink with an integral fan and heat sink is attached. As the heat sink, for example, an aluminum die-cast heat sink can be used. As the fan, for example, a DC12V brushless fan having a length of 50 mm × a width of 50 mm and a height of 10 mm can be used. The above-mentioned mounting plate is, for example, an aluminum plate having a thickness of 3 mm, and the heat pipe is, for example, φ4 mm.
A flat heat pipe having a thickness of 2 mm and a length of 200 mm can be used. The heat pipe is preferably a flat heat pipe made of copper, and water can be used as the working fluid. A wick may be provided in the heat pipe to facilitate the reflux of the working fluid.
【００３６】[0036]
【実施例】この発明のレーザダイオードモジュールから
なる光源を実施例によって、説明する。アルミニウム製
の縦１３０ｍｍ×横１９０ｍｍ×高さ２０ｍｍの搭載部
を調製した。搭載部３０の上に、搭載部の短軸に並行
に、６個のレーザダイオードモジュール１０を配置し
た。隣接するレーザダイオードモジュール１０は、所定
の距離だけ相互に離隔して、それぞれ、搭載部の長軸に
平行な３個のレーザダイオードモジュールからなる、２
組のレーザダイオードモジュール群を形成している。個
々のレーザダイオードモジュールには、図３に示すよう
に、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのＤＣ１２
Ｖのブラシレスファン付のアルミダイキャスト製のヒー
トシンクを取り付けた。取り付けに際しては、レーザダ
イオードモジュールのペルチェモジュールとヒートシン
クが熱的に接続されるようにした。更に、ファンの作動
状態を制御する、ペルチェモジュールおよびファンと接
続された（図示されない）制御部を取り付けた。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A light source comprising a laser diode module according to the present invention will be described with reference to embodiments. A mounting portion made of aluminum and having a length of 130 mm, a width of 190 mm, and a height of 20 mm was prepared. Six laser diode modules 10 were arranged on the mounting section 30 in parallel with the short axis of the mounting section. Adjacent laser diode modules 10 are separated from each other by a predetermined distance and each include three laser diode modules parallel to the long axis of the mounting portion.
A set of laser diode modules is formed. As shown in FIG. 3, each laser diode module has a DC12 having a length of 50 mm × width of 50 mm and a height of 10 mm.
An aluminum die-cast heat sink with a V brushless fan was attached. Upon mounting, the Peltier module of the laser diode module and the heat sink were thermally connected. Further, a control unit (not shown) connected to the Peltier module and the fan for controlling the operation state of the fan was installed.
【００３７】搭載部に配置された個々のレーザダイオー
ドモジュールの光出力は１００ｍＷであった。ヒートパ
イプ内には、作動液として水が封入され、ウイックが配
置されている。上述したウイックは、ヒートパイプ内壁
を溝状に形成したり、ワイヤを配置するなどして設ける
ことができる。このようにして作製された、個々のレー
ザダイオードモジュールにおけるペルチェモジュールお
よびファンを電気的に制御する、この発明のレーザダイ
オードモジュールからなる光源を作動させたところ、２
００ｍＷ以上の高い光出力を得ることができ、レーザダ
イオードモジュールを２４．９〜２５．１℃の範囲内の
温度に維持することができた。上述したように、個々の
レーザダイオードモジュールの特性に応じて制御するこ
とによって、飛躍的に向上させた上で、ヒートパイプ適
用上の従来の懸念であった、低熱抵抗の状態での安全性
と、低温での凍結膨張破壊の危険性を払拭することを合
わせもつことが可能となった。その結果、数百ｍＷ以上
の高出力ＬＤＭを用いた光出力光源の性能を大幅に向上
させることができる。The light output of each laser diode module disposed on the mounting portion was 100 mW. In the heat pipe, water is sealed as a working fluid, and a wick is arranged. The above-mentioned wick can be provided by forming the inner wall of the heat pipe in a groove shape or arranging a wire. When the light source including the laser diode module of the present invention, which electrically controls the Peltier module and the fan in each of the laser diode modules manufactured as described above, was operated.
A high light output of 00 mW or more could be obtained, and the laser diode module could be maintained at a temperature in the range of 24.9 to 25.1 ° C. As mentioned above, by controlling according to the characteristics of each laser diode module, it has been dramatically improved, and the safety in the state of low thermal resistance, which has been a conventional concern in the application of heat pipes, It has become possible to eliminate the risk of freeze-expansion breaking at low temperatures. As a result, the performance of an optical output light source using a high-output LDM of several hundred mW or more can be greatly improved.
【００３８】[0038]
【発明の効果】この発明によると、個々のレーザダイオ
ードモジュールの特性に応じて放熱を制御することがで
きる、高い密度で配置された、高光出力の複数個のレー
ザダイオードモジュールからなる光源を提供することが
できる。従って、この発明によると、高い密度で配置さ
れた、周波数の異なる高光出力の複数個のレーザダイオ
ードモジュールからなる光源を提供することができ、産
業上利用価値が高い。According to the present invention, there is provided a light source comprising a plurality of laser diode modules arranged at a high density and having a high light output capable of controlling heat radiation in accordance with the characteristics of each laser diode module. be able to. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a light source comprising a plurality of laser diode modules arranged at a high density and having a high light output with different frequencies, and has a high industrial value.
【図１】図１は、この発明の光源を構成するレーザダイ
オードモジュールの一例の概要を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of an example of a laser diode module constituting a light source according to the present invention.
【図２】図２は、この発明のレーザダイオードモジュー
ルからなる光源を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a light source including the laser diode module of the present invention.
【図３】図３は、ファン付ヒートシンクが取り付けられ
たレーザダイオードモジュールを概略示す図である。FIG. 3 is a view schematically showing a laser diode module to which a heat sink with a fan is attached.
【図４】図４は、ペルチェモジュールとファン付ヒート
シンクとの間にヒートパイプを備えているレーザダイオ
ードモジュールを概略示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a laser diode module including a heat pipe between a Peltier module and a heat sink with a fan.
【図５】図５は、ファンとヒートシンクが一体型のヒー
トシンクが取り付けられたレーザダイオードモジュール
を概略示す図である。FIG. 5 is a view schematically showing a laser diode module to which a heat sink in which a fan and a heat sink are integrated is attached.
【図６】図６は、従来のレーザダイオードモジュールか
らなる光源を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a light source including a conventional laser diode module.
【図７】図７は、従来のレーザダイオードモジュールか
らなる光源を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a light source including a conventional laser diode module.
１０．レーザダイオードモジュール １１．半導体レーザ １２．第１レンズ １３．第２レンズ １４．コア拡大ファイバ １５．金属筒 １．調整部材 ２０．気密ケース ２１．ベース ２２．チップキャリア ２３．ペルチェモジュール ２４．キャリア ３０．搭載部 ３１．取り付け板 ３２．ヒートシンク ３３．フィン ３４．ヒートパイプ ３５．ファン一体型ヒートシンク 10. Laser diode module 11. Semiconductor laser 12. First lens 13. Second lens 14. Core expanded fiber 15. Metal tube 1. Adjusting member 20. Airtight case 21. Base 22. Chip carrier 23. Peltier module 24. Carrier 30. Mounting part 31. Mounting plate 32. Heat sink 33. Fins 34. Heat pipe 35. Fan integrated heat sink
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/38 Ｈ０１Ｌ 23/38 23/427 23/46 Ｂ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 23/38 H01L 23/38 23/427 23/46 B
Claims (8)
搭載する基板、および、前記基板と熱的に接続されたペ
ルチェモジュールを備えている、高い密度で配置され
た、高光出力の複数個のレーザダイオードモジュール、
前記レーザダイオードモジュールのそれぞれの前記ペル
チェモジュールに熱的に接続されたファン付ヒートシン
ク、および、前記ペルチエモジュールおよび前記ファン
を制御するファン用制御部を備えている、レーザダイオ
ードモジュールからなる光源。1. A plurality of laser diode modules having a high density and a high light output, comprising: a substrate on which a laser diode chip and an optical device are mounted; and a Peltier module thermally connected to the substrate. ,
A light source comprising a laser diode module, comprising: a heat sink with a fan thermally connected to each of the Peltier modules of the laser diode module; and a fan control unit for controlling the Peltier module and the fan.
光出力が１００ｍＷ以上である、請求項１に記載のレー
ザダイオードモジュールからなる光源。2. A light source comprising a laser diode module according to claim 1, wherein the light output of each of said laser diode modules is 100 mW or more.
モジュールのぞれぞれの前記ペルチエモジュールおよび
前記ファンを電気的に個別に制御する、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からなる光源。3. The laser diode module according to claim 1, wherein the controller electrically controls the Peltier module and the fan of each of the plurality of laser diode modules. light source.
ルチェモジュールと前記ファン付ヒートシンクとの間に
ヒートパイプを更に備えている、請求項１から３に記載
のレーザダイオードモジュールからなる光源。4. A light source comprising a laser diode module according to claim 1, further comprising a heat pipe between said Peltier module of said laser diode module and said heat sink with fan.
ートシンクが一体型のヒートシンクからなっている、請
求項１から３に記載のレーザダイオードモジュールから
なる光源。5. A light source comprising a laser diode module according to claim 1, wherein said heat sink with a fan comprises an integral heat sink with a fan and a heat sink.
ドモジュールの取り付け板に埋め込まれている、請求項
４に記載のレーザダイオードモジュールからなる光源。6. A light source comprising a laser diode module according to claim 4, wherein said heat pipe is embedded in a mounting plate of said laser diode module.
ーザダイオードモジュールのそれぞれに個別のファン付
ヒートシンクを取り付け、前記ペルチェモジュールおよ
び前記ファンを個別に電気的に制御して、複数個のレー
ザダイオードモジュールの温度制御を行う、レーザダイ
オードモジュールの冷却方法。7. A plurality of laser diode modules each having a built-in Peltier module, a heat sink with a separate fan is attached to each of the plurality of laser diode modules, and the Peltier module and the fan are individually and electrically controlled to provide a plurality of laser diode modules. A method for cooling a laser diode module that performs temperature control.
ルチェモジュールと、前記ファン付ヒートシンクの間に
更にヒートパイプを取り付ける、請求項７に記載のレー
ザダイオードモジュールの冷却方法。8. The method for cooling a laser diode module according to claim 7, further comprising attaching a heat pipe between the Peltier module of the laser diode module and the heat sink with a fan.
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| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
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