JP2006049605A

JP2006049605A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2006049605A
Application number: JP2004229028A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kouda; 浩耕田; Hiroshi Suganuma; 寛菅沼; Koji Nakazato; 浩二中里
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2006-02-16
Also published as: US20060029114A1

Abstract

【課題】故障した半導体レーザモジュールの交換が容易にできると共に、レーザ出力の安定化、高出力化、長寿命化を維持しながら、結露の発生を防止することのできる半導体レーザ装置を得る。
【解決手段】複数の半導体レーザモジュール３と、半導体レーザモジュールを収容すると共に収容した該半導体レーザモジュールを外部に取り出し可能にする上面開口を有した容器本体１０と、容器本体の開口部に開閉可能に取り付けられた樹脂フィルム２２よりなる蓋体２０と、容器本体に収容された半導体レーザモジュールを冷却する冷却器８と、容器本体内を乾燥させる乾燥剤９と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結露対策を施した半導体レーザ装置に関するものである。

半導体レーザ装置に使用される半導体レーザモジュールは、レーザ出力と同時に発熱し、温度の上昇により出力される光強度の低下を来すので、一定の光強度を得るためには、冷却手段により低温かつ定温（例えば、２５℃若しくは３５℃の±１℃）に維持しなくてはならない。また、半導体レーザモジュールを冷却した場合は、周囲の状況によって冷却部分に結露を生じる虞があり、結露すると種々の故障の原因となるため、結露対策を講じる必要がある。

従来、結露対策としては、完全な気密封止構造の容器の中に半導体レーザモジュールを収容したり（例えば、特許文献１参照）、半導体レーザモジュールに閾値以下の電流を流し、モジュール自体の温度を上げて結露を解消したり（例えば、特許文献２参照）することが行われている。

特開昭５６−４２３８９号公報特開２０００−４０８５０号公報

しかし、例えば溶接等により完全な気密封止構造を実現した容器の中に半導体レーザモジュールを収容した場合、気密封止構造自体を作るのに溶接設備等を要するためコストがかかる上、容器の中の半導体レーザモジュールが故障したとき、故障したモジュールを交換することはほとんどできない。したがって、従来は、容器の中の半導体レーザモジュールが故障した時点で、装置全体の故障として扱い、処分しているのが現状であった。しかし、半導体レーザモジュールを１個だけ収容している場合はともかく、複数の半導体レーザモジュールを収容している場合は、１個の半導体レーザモジュールが故障したからといって、装置全部を故障扱いで処分するのは無駄が多い。

また、完全な気密封止構造を採る代わりに、半導体レーザモジュールに閾値以下の電流を供給してモジュールの温度を所定温度に維持するようにした場合は、所定の光出力強度が得られなかったり、所定の光出力強度が得られても、その代わりにレーザ装置の耐用年数が短縮してしまうことがあった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、故障した半導体レーザモジュールの交換が容易であると共に、レーザ出力の安定化、高出力化、長寿命化を維持しながら、結露の発生を防止することのできる、安価な構造の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、少なくとも１つ以上の半導体レーザモジュールと、前記半導体レーザモジュールを収容すると共に収容した該半導体レーザモジュールを外部に取り出し可能にする開口部を有した容器本体と、該容器本体の開口部に開閉可能に取り付けられた蓋体と、前記容器本体に収容された半導体レーザモジュールを冷却する冷却手段と、前記容器本体内を乾燥させる乾燥剤と、を具備したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、前記蓋体が透湿係数の小さな樹脂フィルムよりなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記樹脂フィルムの透湿係数が０．５ｇ／（ｍ²・日）以下であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２または３に記載の半導体レーザ装置において、前記樹脂フィルムが、前記容器本体内部の気体の体積変動に伴って変形し得る程度の可撓性を有していることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、前記蓋体が高い剛性を有した硬質の板材により構成されていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の半導体レーザ装置において、前記容器本体と前記蓋体との間にシール手段が設けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の半導体レーザ装置において、前記シール手段が、グリース、ペースト状シール材料、シールリングのうちの一つ、または、二つ以上の組み合わせよりなることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、前記容器本体が熱伝導性に優れた材料で形成されると共に、該容器本体内に断熱性の高い気体が充填されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、必要に応じて蓋体を開くことにより、容器本体の開口部を通して、容器の中の半導体レーザモジュールを自由に交換することができる。また、開いた蓋体を再び閉じれば、完全な気密密封ではないものの、容器本体内を再密封することができる。従って、故障した半導体レーザモジュールだけ交換して、他の故障していない半導体レーザモジュールや容器本体、冷却手段についてはそれぞれの寿命の限り長時間使用可能とするので、無駄が少ない。また、冷却手段と乾燥剤を具備するので、冷却によりレーザ出力の安定化、高出力化、長寿命化を維持しながら、乾燥剤により冷却部分に発生する結露を防止することができる。

請求項２の発明によれば、蓋体の少なくとも主要部分を透湿係数の小さな樹脂フィルムで構成しているので、金属や板状樹脂等の高剛性の硬質の材料で蓋体を構成する場合に比べて、蓋体を容器の形状に合わせて変形させやすく、容器の密封が容易にできるし、容器からの蓋体の取り外しも容易にできる。従って、半導体レーザモジュールの交換作業性が一層向上する。また、樹脂フィルムで構成することにより蓋体を安価に製作できるので、半導体レーザモジュールの交換時に使い捨てにしても、費用の無駄が少ない。なお、蓋体は、硬質の材料で構成して開口部の周縁に装着される枠部に、樹脂フィルムの周囲を固着させたものとしてもよいが、樹脂フィルム自身の周縁部を枠部として成形し、容器に装着できるようにしてもよい。また、装着の際に接着剤等で枠部と容器本体を固着すれば、高い再密封性を確保することができる。

請求項３の発明によれば、一般的な使用条件において、冷却部分への結露の発生を有効に防ぐことができる。

請求項４の発明によれば、蓋体を構成する樹脂フィルムが容器本体内部の気体の体積変化に合わせて変形するので、装置の内外での圧力差がほとんど生じない。その結果、容器が完全に気密に封止されていなくても、外気の侵入が抑制され、内部に侵入する水蒸気量が低減され、それにより、乾燥剤の使用量や交換頻度を減らせる。

請求項５の発明によれば、蓋体を高い剛性の硬質の板材で構成したので、加工しやすいし、取り扱いやすくなる。

請求項６の発明によれば、容器本体と蓋体との間にシール手段が設けられているので、高い密封性を保つことができる。

請求項７の発明によれば、シール手段が、グリース、ペースト状シール材料、シールリングのうちの一つまたは二つ以上の組み合わせよりなるので、次の効果を期待できる。即ち、グリースやペースト状シール材料を用いた場合は、容器本体と蓋体の合わせ面に塗るだけで再密封が可能である。また、シールリングを用いた場合は、容器本体と蓋体の合わせ面に挟むだけで再密封が可能である。また、それらの二つ以上の組み合わせを用いた場合は、相乗効果により、一層の密封性向上を図ることができる。

請求項８の発明によれば、容器本体内に断熱性の高い気体を充填することにより、冷却手段による冷熱の容器本体側への逃げを極力防ぐことができ、容器本体が冷えることでその外周に結露が生じるのを防ぐことができる。また、冷熱の逃げを抑制できるので、冷熱を有効に半導体レーザモジュールを冷やすことに使うことができる。また、容器本体を熱伝導性に優れた材料で形成することにより、冷却手段として例えばペルチェ素子を用いた場合、その高温部に生じる熱を容器本体を通して外部に逃がすことができる。また、容器本体は冷却手段の高温部の熱により比較的高温に維持されるため、容器本体の外周への結露の発生を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の半導体レーザ装置の構成図で、（ａ）は蓋体を外した状態を示す平面図、（ｂ）は蓋体を取り付けた状態を示す側断面図である。また、図２は蓋体の構成を示す斜視図である。

図１において、半導体レーザ装置１は、容器本体１０の中に半導体レーザモジュール３を収容して、容器本体１０を蓋体２０で気密密封して構成される。
容器本体１０は、上面が開放した直方体形の箱であり、蓋体２０はその上面開口を塞ぐものである。容器本体１０の内部には、アルミニウムや銅等の伝熱良導体で構成された伝熱ホルダ２に保持された状態で、複数（図では１２個）の半導体レーザモジュール３が決められた配置で収容されている。

各半導体レーザモジュール３には、一端側に、各半導体レーザモジュール３の出力光をガイドして一つに束ねて出力する光ファイバ４が、他端側に、各半導体レーザモジュール３に電力を供給する電気配線５がそれぞれ接続されている。また、モジュール３の内部には、半導体レーザ素子、素子からの出力光を光ファイバ入力端へ集光するレンズ（いずれも図示せず）が設けられている。

このように複数の半導体レーザモジュール３の光を束ねて出力することにより、１個のレーザモジュールでは得られない高パワー密度、広パワー分布のレーザ光が得られるようになる。また、半導体レーザモジュール３は、１０００〜１００００時間のスケールで同じ電流での出力が徐々に低下するが、本実施の形態のように、複数個のレーザ光を束ねて出力する構成を採れば、特定の半導体レーザモジュール３の出力低下を他の半導体レーザモジュール３の出力増大により補うという制御を行うことができ、結果的に故障率を下げられる利点がある。

また、特定の半導体レーザモジュール３の出力低下が他の半導体レーザモジュール３の出力増大により補い切れない場合は、出力低下した半導体レーザモジュール３のみを交換し、全体の使用を継続することができる。単数の半導体レーザモジュール３を使用している場合は、半導体レーザモジュール３の故障を全体故障として扱いがちであったが、複数の半導体レーザモジュール３を使用している場合は、交換によるメリットが出てくる。従って、特に複数個の半導体レーザモジュール３を収容した半導体レーザ装置１では、半導体レーザモジュール３の交換が容易にできることが求められる。本実施の形態では、容器本体１０の上面を全面開口としてあるので、蓋体２０を外し、その開口部を通して半導体レーザモジュール３の交換が容易にできる。

また、半導体レーザモジュール３は、連続して一定の光強度を得る場合、高温・大電流で使用する場合、光出力時に低温かつ定温に維持する必要があることから、本実施の形態では、容器本体１０の底部に冷却器（冷却手段）８を設けている。冷却器８には、冷媒等を必要としないペルチェ素子（他の冷却手段でも勿論よい）が用いられており、装置の小型化が図られている。ペルチェ素子よりなる冷却器８は、低温部を伝熱ホルダ２に接触させ、また、高温部を容器本体１０に接触させて固定されている。したがって、冷却器８の高温部の熱は、容器本体１０に伝わり、環境中に放出される。容器本体１０は、このように冷却器８の高温部の熱を効率良く放散するために、金属等の熱伝導性の良好な材料により構成されているのが望ましい。

また、伝熱ホルダ２は、冷却器８で発生した冷熱を半導体レーザモジュール３に効率良く伝える役目を果たすものであり、半導体レーザモジュール３の特に発熱源であるレーザ素子の周辺と密着するような形状に形成されている。そして、伝熱ホルダ２と半導体レーザモジュール３の隙間には、伝熱性のよいグリース等が充填されている。また、伝熱ホルダ２と冷却器８の低温部との接触面、および冷却器８の高温部と容器本体１０との接触面にも、伝熱性のよいグリース等が塗られている。

また、容器本体１０の内部の適当な箇所には乾燥剤９が配置されている。乾燥剤９には、例えば低廉なシリカゲルが使用されている。乾燥剤９は、気密性が不十分な箇所から侵入した水蒸気を吸収し、冷却器８が結露しない程度に内部気体を乾燥した状態に維持する役目を果たす。例えば、本半導体レーザ装置１を空調のある室内で使用する場合、半導体レーザ装置１の周囲の外気は、例えば４０℃、湿度８０％まで高温多湿になり得る。この温度での露点は３５℃であるため、それ以下の温度に半導体レーザモジュール３を冷却すると、半導体レーザモジュール３に結露を生じ、錆、漏電等の故障の原因となり得る。従って、冷却される部分の露点が冷却温度以下になる湿度まで乾燥させる。

以上のように、容器本体１０には、冷却器８を介して伝熱ホルダ２、半導体レーザモジュール３が固定され、さらに、容器本体１０の上部開口が蓋体２０で覆われている。この場合の蓋体２０は、図２に示すように、樹脂フィルム２２を主要部分として構成されている。即ち、蓋体２０が、容器本体１０の開口周縁に装着される硬質材料の枠部２１と、該枠部２１に周囲が固着された透湿係数の小さな樹脂フィルム２２とにより構成されている。

また、樹脂フィルム２２は、容器本体１０の内部気体の体積変化に伴って変形しやすいように、例えば、ドーム形状に成形された上で容器本体１０に固定されている。これにより、内部気体が温度変化により体積変化を起こしても、樹脂フィルム２２が変形することによって、内圧が外気圧と等しい状態で維持され、気密性が完全でなくとも、外気の侵入が低減され、外からの水蒸気の侵入が最小限に抑制される。従って、必要な乾燥剤９の含有量を低減することができる。なお、樹脂フィルム２２の形状を蛇腹状にしても、変形しやすさを確保することができる。

また、樹脂フィルム２２には、透湿度が低いことが求められる。例えば、以下の条件を仮定してみる。
・容器本体の寸法：２００ｍｍ×２００ｍｍ×２０ｍｍ＝８００，０００ｍｍ³
・樹脂フィルムの寸法：２００×２００＝０．０４ｍ²
・外気の条件：４０℃、湿度８５％
・冷却器の温度：１５℃〜４０℃の温度変化で内気が結露しない湿度は２５％
・シリカゲル量：容器内容量の１０％→８０，０００ｍｍ³→８０ｇ
※ＪＩＳーＺ０７０１に定めるシリカゲルＡ型の吸湿率（＠２５％）は概ね１６％なので、総吸水量は８０ｇ×１６％＝１３ｇ
・交換期間：１年
以上の条件より、
・１日当たりの吸水量≦１３ｇ÷３６５日＝０．０３５［ｇ／日］
・樹脂フィルムの単位面積当たりの１日の透湿量≦０．０３５［ｇ／日］÷０．０４ｍ²≒１［ｇ／（ｍ²・日）］
となる。

したがって、材料としては、ポリオレフィン系樹脂（透湿量＝０．２〜０．６［ｇ／（ｍ²・日）］）や、ＰＥＴ等の一般的なシリカ（ＳｉＯ₂）、アルミ等をコーティングした材料（透湿量＝０．１〜０．２［ｇ／（ｍ²・日）］）などが、透湿度が低く好適であると言える。例えば、透湿係数が０．５ｇ／（ｍ²・日）以下の樹脂フィルム２２を用いれば、一般的な使用条件において、冷却部分への結露の発生を有効に防ぐことができると考えられる。

このように主要部分を樹脂フィルム２２により構成された蓋体２０は、接着剤等により容器本体１０の上面に固定され、容器本体１０と蓋体２０で包まれた内部は概ね密封されている。また、半導体レーザモジュール３に接続された光ファイバ４や電気配線５は、容器本体１０の壁を貫通して引き出されており、導出部分は接着剤１１等により概ね密封されている。また、容器本体１０の内部には、断熱性の高い気体を充填しておくのがよい。

次に作用を説明する。
本半導体レーザ装置１は、必要に応じて蓋体２０を開くことにより、容器本体１０の上面開口を通して、中の半導レーザモジュール３を自由に交換することができる。また、開いた蓋体２０を再び閉じれば、完全な気密密封ではないものの、容器本体１０内を再密封することができる。従って、故障した半導体レーザモジュール３だけ交換して、他の故障していない半導体レーザモジュールや容器本体、冷却手段についてはそれぞれの寿命の限り長時間使用可能とするので、無駄が少ない。また、冷却器８と乾燥剤９を備えているので、冷却によりレーザ出力の安定化、高出力化、長寿命化を維持しながら、乾燥剤９により冷却部分に発生する結露を有効に防止することができる。

また、本実施の形態では、蓋体２０の少なくとも主要部分を透湿係数の小さな樹脂フィルム２２で構成しているので、金属や板状樹脂等の高剛性の硬質の材料で蓋体を構成する場合に比べて、蓋体２０を容器本体１０の形状に合わせて変形させやすく、容器本体１０の密封が容易にできるし、容器本体１０からの蓋体２０の取り外しも容易にできる。従って、半導体レーザモジュール３の交換作業性が一層向上する。

また、樹脂フィルム２２で構成することにより蓋体２０を安価に製作できるので、半導体レーザモジュール３の交換時に蓋体２０を使い捨てにしても、費用の無駄が少ない。新たに蓋体２０を装着する際には、接着剤等で枠部２１と容器本体１０を固着すれば、接着剤のシール機能により、高い再密封性を確保することができる。

また、蓋体２０を構成する樹脂フィルム２２が容器本体１０内部の気体の体積変化に合わせて変形するので、装置の内外での圧力差がほとんど生じず、その結果、容器本体１０が完全に気密に封止されていなくても、外気の侵入が抑制され、内部に侵入する水蒸気量が低減される。万一外気に伴って多少の水蒸気が侵入したとしても、水蒸気は乾燥剤９により吸収されるため、全く問題を生じる心配はない。

また、容器本体１０内に断熱性の高い気体を充填した場合は、冷却器８による冷熱の容器本体１０側への逃げを極力防ぐことができるので、容器本体１０が冷えることでその外周に結露が生じるのを防ぐことができる。また、冷熱の逃げを抑制できることから、冷熱を有効に半導体レーザモジュール３を冷やすことに使うことができ、冷却効率が良くなる。また、容器本体１０を熱伝導性に優れた材料で形成した場合は、冷却器８として用いたペルチェ素子の高温部の熱を容器本体１０を通して外部に有効に逃がすことができる。また、容器本体１０を比較的高温に維持することができるため、容器本体１０の外周への結露の発生を防止することができる。

なお、上記実施の形態では、蓋体２０は、樹脂フィルム２２と別の材料で枠部２１を構成して、樹脂フィルム２２の周囲をそれに接着剤等で固着する構成としたが、他の例として、図３に示すように樹脂フィルム２２自身の周縁部を枠部２１Ａとして成形して、この成形した蓋体２０Ａを容器本体１０に接着材２３等で固定して装着することもできる。

図４は本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ装置１Ｂの構成図で、（ａ）は蓋体を外した状態を示す平面図、（ｂ）は蓋体を取り付けた状態を示す側断面図である。

この半導体レーザ装置１Ｂでは、シールリング３１を用いて蓋体３０と容器本体１０の密封性を保っており、それ以外の点は図１の第１の実施の形態のものと全く同じである。したがって、同一部分、部位には同一符号を付して異なる点のみ説明する。

シールリング３１は、例えば断面円形のもので、材質はシリコーンゴムやバイトンゴムなどである。蓋体３０には、シールリング３１との気密性を高めるために、高い剛性の硬質の板体を使用している。材料はアルミニウム等の金属、アクリル等の樹脂、あるいはガラスなどである。アクリルやガラス等の透明材料であれば、内部の結露の有無が目視で確認できるので好適である。これらは材料特性あるいは厚みがあることにより、透湿度は無視できるほど低い。従って、外気は蓋体３０からの透湿ではなく、気密性が不完全な箇所より侵入する。蓋体３０は、何らかのクランプ手段により容器本体１０に固定する。

容器本体１０内部の伝熱ホルダ２上には温度・湿度センサ１２が配置されており、容器本体１０内部の温度および湿度を測定している。これにより、温湿度が冷却部の露点を超えた時のレーザのＯＦＦ、一時的な冷却温度の上昇などの結露防止制御やシリカゲル交換の要否確認が可能になる。

なお、図５に示す第３の実施の形態の半導体レーザ装置１Ｃのように、シールリング３１の代わりに、グリース状、ペースト状のシール剤３２を、蓋体３０と容器本体１０の上端面に介在させてもよい。例えば、接着剤ではなく、真空用などのシリコーングリースや液状ガスケット等を用いた場合、これらは接着力がないか非常に弱いため、蓋体３０の取り外しが容易である。

また、容器本体１０と蓋体３０を固定するためのクランプ手段としては、図６に示すように、ネジ４１を用いてもよいし、図７に示すように、Ｌ形フック４２を容器本体１０側に取り付けておき、Ｌ形フック４２を回動させて蓋体３０をロックするようにしてもよい。

ネジ４１で止めた場合、ネジ４１を外して蓋体３０を開ければ、容易に内部の半導体レーザモジュール３の交換が可能である。また、Ｌ形フック４２で止めた場合も同様である。

このように、蓋体３０を高い剛性の硬質の板材で構成した場合、蓋体３０の加工がしやすいくなるし、取り扱いもやりやすくなる。また、シール手段として各種のものを使用できる利点もある。
なお、シール手段として、上記したシールリング３１やシール剤３２を単独で用いるのではなく、それらを組み合わせて用いて、一層の密封性向上を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ装置の構成図で、（ａ）は蓋体を外した状態を示す平面図、（ｂ）は蓋体を取り付けた状態を示す側断面図である。第１の実施の形態の半導体レーザ装置における蓋体の構成を示す斜視図である。他の蓋体の構成による半導体レーザ装置の側断面図である。本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ装置の構成図で、（ａ）は蓋体を外した状態を示す平面図、（ｂ）は蓋体を取り付けた状態を示す側断面図である。本発明の第３の実施の形態の側断面図である。第２、第３の実施の形態における蓋体と容器本体の固定の仕方の例を示す図である。図６と別の例を示す図である。

符号の説明

１，１Ｂ，１Ｃ半導体レーザ装置
３半導体レーザモジュール
８冷却器（冷却手段）
９乾燥剤
１０容器本体
２０，３０蓋体
２１枠部
２２樹脂フィルム
３１シールリング（シール手段）
３２シール剤（シール手段）

Claims

少なくとも１つ以上の半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールを収容すると共に収容した該半導体レーザモジュールを外部に取り出し可能にする開口部を有した容器本体と、
該容器本体の開口部に開閉可能に取り付けられた蓋体と、
前記容器本体に収容された半導体レーザモジュールを冷却する冷却手段と、
前記容器本体内を乾燥させる乾燥剤と、
を具備したことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記蓋体が透湿係数の小さな樹脂フィルムよりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記樹脂フィルムの透湿係数が０．５ｇ／（ｍ²・日）以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
前記樹脂フィルムが、前記容器本体内部の気体の体積変動に伴って変形し得る程度の可撓性を有していることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体レーザ装置。
前記蓋体が高い剛性を有した硬質の板材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記容器本体と前記蓋体との間にシール手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
前記シール手段が、グリース、ペースト状シール材料、シールリングのうちの一つ、または、二つ以上の組み合わせよりなることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
前記容器本体が熱伝導性に優れた材料で形成されると共に、該容器本体内に断熱性の高い気体が充填されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。