JP2008147558A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性を確保した上で温度調整機能を持たせるとともに、部品点数の増大を抑制しつつ、レンズとの光軸中心を精度よく合わせることが可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ素子２０１は、絶縁性伝熱プレート２０２およびペルチェ素子２０４を順次介してベースプレート２０６上に配置され、レーザ素子２０１、絶縁性伝熱プレート２０２およびペルチェ素子２０４をハウジング２０５にて上から挟み込むようにしてベースプレート２０６上に固定し、ハウジング２０５は、ベースプレート２０６と実質的に同じ熱膨張係数を持つ樹脂材料から構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ装置に関し、特に、温度調節機能が設けられたレーザ素子をマウントする方法に適用して好適なものである。

従来のレーザ装置では、産業用やセンシング用として用いられる場合において、発光波長を固定したり、製造過程における発光波長のバラツキを補正したりする場合には、レーザ素子の温度をペルチェ素子などにて安定化させたり制御したりすることが行われている（特許文献１）。ここで、冷却機能を持たせることなく、カンケースの中にレーザ素子が収められたレーザパッケージを固定し、かつ温度制御を行うためのユニットをレーザマウントと呼ぶ。

図５は、従来のレーザ装置のマウント方法を示す斜視図である。
図５において、レーザ素子１０は電気駆動型のレーザであり、レーザ素子１０を収納するハウジングもしくは容器は全体としてシリンダ状であり、かつ全体としてシリンダ状の基部１２を具備する。３本のリード線がこの基部１２から延設されている。

レーザ素子１０は厚膜ハイブリッド回路として統合されており、導電通路１６、１８を具備した基板１４を有している。導電通路１６は厚膜度導電性インクと称される導電材料にて形成されており、導電性材料をその表面に形成したスルーホール（メッキ付スルーホールと称される）を介して延設されている。これらのスルーホールはレーザ素子１０のベース１２からのリード線を連結するため設けられものである。導電通路１８は３つのタイプの材料もしくはインクを有しており、それは、感温性の抵抗材料と、非感温性の抵抗材料と、導電性材料とである。感温性の抵抗材料は基板１４の後側における回路に沿って分布されている。この感温性材料もしくはインクは感温性抵抗（サーミスタ）２２として図示されている。非感温性の抵抗２４は感温性抵抗２２と直列に設けられている。抵抗２２、２４は導電性材料通路を介して分布型サーミスタ回路の端部のターミナル２６に接続されている。レーザ素子１０からの導電通路１６はターミナル２８に接続されている。これらのターミナル２６、２８は矩形をなす基板１４の一つのエッジに沿って直線上に配置されている。

レーザ素子１０は、電気的かつ熱的に導電性の材料（エポキシセメント）よりなる環状の導電通路に接続され、基板１４及び抵抗（サーミスタ）２２及び更には基板１４上の導電通路は厚膜インテギュレーテッドサーキットを構成している。
このチップは熱−電気型の冷却器３２に対して配置されており、この冷却器３２は矩形の部材であり、貫通開口を有しており、一連のソリッドステートの反対極性（ＰＮ）型の一連のシリコンエレメントによって構成されている。このタイプの熱−電気型の冷却器３２はこの分野では公知であり、市販品として入手が可能である。この型の冷却器３２はペルチェ冷却器と通常称されるものである。

レーザ素子１０のための電気的駆動機構はレーザ電力制御回路３４によって構成される。このレーザ電力制御回路３４もまた通常のものである。このレーザ電力制御回路３４はマウントの外側にあり、このレーザ電力制御回路３４はマウントを介して延びる配線によってターミナル２８に接続される。レーザ温度制御回路（ＬＴＣＣ）３６はターミナル２６に接続され、抵抗（サーミスタ）２２により検出されるレーザ素子１０の温度に応動するようになっている。

図６は、従来のレーザ装置のマウント方法を示す断面図である。
図６において、図５のレーザ素子１０及び基板１４を有した厚膜フィルムハイブリッド回路はマウントプレート６２の空所６０内に配置されるように図示される。マウントプレート６２は絶縁材料にて形成される。この絶縁材料としてはエポキシが適当であるが、切削加工が可能でかつ成形が可能でしかも熱的かつ電気的に絶縁性を有するセラミック（例えばグラス−マイカ複合物）でもよい。このマウントプレート６２は３つの座ぐり孔６４及び３つの貫通孔６６を形成している。座ぐり孔６４は相互に１２０゜だけ離間しており、貫通孔６６についても同様である。

空所６０は後方を面した前壁７０と前方を面した肩部７２とを有し、これらの前壁７０と肩部７２とはマウントの光学的軸７４に直交した基準面に配置されている。レーザ素子１０は光が放出されるポート７６を有する。このポート７６は基板１４から離間する方向（後方）を向いており、かつレーザ光はこのポートを介して投影される。

光学的アッセンブリ７８は肩部７２上に取り付けられ、一方インテギュレーテッドサーキット、特にレーザ素子１０の取り付け（インデックスもしくは位置決め）は、レーザ素子が壁面７０に突き当り、光学的アッセンブリ７８が肩部７２に突き当り拘束を受けることによって行なわれる。従って、光学的アッセンブリ７８及びレーザ素子１０は光学軸に直交する同一平面に拘束を受ける。レーザ素子１０より低温の光学的アッセンブリ７８が同一平面にあることにより熱勾配の影響は最小となる。その結果、レーザ素子１０を光学的アッセンブリ７８に対して軸方向にシフトせしめる膨張もしくは収縮の影響がキャンセルされる。光学的軸７４は、光学的アッセンブリ７８の外側胴８４に対して伸縮自在な内部胴８２内のレンズユニット８０の軸線ともなっている。マウントが対称配置であるため横方向のシフトは防止される。

内部胴８２及び外側胴８４は異質の材料にて形成される。内部胴８２及び外側胴８４は焦点調整ノブ８６によって係合するようにスプリング付勢を受けている。焦点調整ノブ８６は外側胴８４の前端にねじ込まれている。圧縮スプリング８８は内部胴８２及び外側胴８４及び内部胴８２の肩部９０、９２間に配置されている。内部胴８２及び外側胴８４が異なった材料によって作られていることから、光学的軸７４に沿った収縮及び膨張が起こるが、このような収縮及び膨張は圧縮スプリング８８によって許容されるものである。ガラス製のカバープレート９４は内側胴８２の後端に配置され、必要であれば光学的長の修正を行なうことができる。キー−スロット構造９６、９８は内側胴の回転を防止すると共に、光学的軸線に沿ったその並進運動を制限している。

ボルト９９は貫通孔６６内を延びており、光学的アッセンブリ７８を取り付けプレートに取り付けている。この取り付けに先だって、移動プレートが熱交換器１００に取り付けられる。この熱交換器１００は基部１０２を備え、この基部１０２から熱交換エレメントもしくはフィン１０４が延設される。これらのフィン１０４は垂直もしくは半径方向のプレートとしてもよく、ロッドとすることも普通である。基部１０２は壁１０８を形成するボス１０６を有する。この壁１０８の表面は気冷却器３２に対して配置され、冷却器３２を厚膜ハイブリッド回路の基板１４に対してサンドイッチしている。サーミスタ回路は冷却器３２の向き合った側面の一方の側面の周囲に分布している。極度に薄い熱伝導性の熱パッドが冷却器３２の向き合った側面上に、この間に形成される空間や隙間を充填するように配置されており、前面側における冷却器３２とインテギュレーテッドサーキットとの間及び後面側における冷却器と熱交換器１００との間の熱抵抗を減少させることができる。

熱絶縁材料（好ましくはウレタン発泡体）より成るＵ字型のブロック１１２、１１４が冷却器３２の周囲に配置され、長い距離に渡っての対流的な熱循環を防止し、レーザ素子１０／インテギュレーテッドサーキット及び冷却器２１を組立体の残りの部分から遮断している。リード線２６は基板１４のエッジから延びており、冷却器３２のリード線はそのターミナルからそのエッジに沿ってパッド１１４の上部を横切りマウントプレート６２の通路を介して延びている。リード線が通過するこれらの通路は絶縁コンパウンドによって埋められており、レーザ素子１０の厚膜ハイブリッド回路、基板１４及び冷却器３２からの熱の漏洩を防止し、リード線２６、ターミナル２８並びに熱−電気冷却器３２からのリード線にかかる応力を緩和している。マウントプレート６２はボルト１１８によって熱交換器のベースプレート１０２に取り付けられ、このボルト１１２は座ぐり孔６４内に延びている。
このようなレーザマウントにおいて、温度調整が可能なことと、レンズとの位置関係、特にレンズとレーザ素子１０の光軸中心が温度によって移動しないことなどが必要となる。

図７は、従来のレーザ装置のマウント方法のその他の例（ＴＯＰＴＩＣＡ社製）を示す斜視図である。
図７において、レーザ素子３０３は、立方体のアルミブロック３０２に収容され、このアルミブロック３０２の四方にはペルチェ素子３０４ａ〜３０４ｄが配置され、これらペルチェ素子３０４ａ〜３０４ｄを介してハウジング３０１に固定されることで、断熱性と冷却性が確保されている。
特開平５−２１８５９６号公報

しかしながら、図５および図６のレーザマウント方法では、断熱性を確保し、光軸を合わせるために、レーザ素子１０の配線に使われるサーミスタを薄膜化し、レーザ素子１０の背面にヒートシンクを配置するとともに、エポキシなどの樹脂材料で構成されたマウントプレート６２が用いられる。このため、アルミ容器に収容されたレーザ素子１０とマウントプレート６２との熱膨張係数が異なるとともに、構造上の部品点数が多くなることから、レーザ素子１０の光軸合わせが困難になるという問題があった。

また、図７のレーザマウント方法では、レーザ素子３０３がペルチェ素子３０４ａ〜３０４ｄによって支持されるとともに、アルミブロック３０２との間に熱膨張係数の差異が発生する。このため、ペルチェ素子３０４ａ〜３０４ｄの厚み方向の寸法公差や加熱・冷却による熱膨張によって、レンズとレーザ素子３０２の光軸中心が合わなかったり、レンズとレーザ素子３０２の光軸中心がずれたりするという問題があった。

また、図７のレーザマウント方法では、４枚のペルチェ素子３０４ａ〜３０４ｄを使用するため、消費電力が大きく、装置に組み込むことが困難であるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、断熱性を確保した上で温度調整機能を持たせるとともに、部品点数の増大を抑制しつつ、レンズとの光軸中心を精度よく合わせることが可能なレーザ装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載のレーザ装置によれば、リード端子が設けられた容器内に封入されたレーザ素子と、前記レーザ素子の温度を検出する温度検出手段と、前記リード端子を通す貫通穴が形成され、前記レーザ素子の温度を調節する温度調節手段と、前記温度検出手段が埋め込まれ、熱伝達を行う絶縁性伝熱プレートと、前記温度調節手段および前記絶縁性伝熱プレートを順次介して前記レーザ素子が搭載され、前記温度調節手段の放熱を行うベースプレートと、前記レーザ素子、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記温度調節手段を挟み込むようにして前記レーザ素子、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記温度調節手段を前記ベースプレート上に固定するハウジングとを備え、前記ベースプレートは熱伝導性金属材料から構成され、前記ハウジングは前記ベースプレートと実質的に同じ熱膨張係数を持つ樹脂材料から構成されることを特徴とする。

また、請求項２記載のレーザ装置によれば、前記ハウジングはポリフェニレンサスファイドから構成されることを特徴とする。
また、請求項３記載のレーザ装置によれば、前記リード端子は、少なくとも前記温度調節手段、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記ベースプレートとの接触部分については絶縁性チューブで被覆されていることを特徴とする。
また、請求項４記載のレーザ装置によれば、前記リード端子は、少なくとも前記温度調節手段、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記ベースプレートとの接触部分については絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、レーザ素子を固定するハウジングを樹脂材料から構成した場合においても、温度調節手段の放熱を行うベースプレートとハウジングの熱膨張係数を実質的に等しくすることができる。このため、ベースプレートとハウジングとの熱膨張係数の差異に起因する合わせずれを伴うことなく、レーザ素子、絶縁性伝熱プレートおよび温度調節手段をベースプレート上に固定することが可能となり、断熱性を確保した上で温度調整機能を持たせるとともに、部品点数の増大を抑制しつつ、レンズとの光軸中心を精度よく合わせることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す断面図である。
図１において、レーザ素子２０１は、絶縁性伝熱プレート２０２およびペルチェ素子２０４を順次介してベースプレート２０６上に配置され、レーザ素子２０１、絶縁性伝熱プレート２０２およびペルチェ素子２０４はハウジング２０５にて上から挟み込まれるようにしてベースプレート２０６上に固定されている。

ここで、レーザ素子２０１は、アルミニウムなどの熱伝導性金属材料から構成された円筒状の容器内に封入されている。そして、レーザ素子２０１を封入する容器の底には、リード端子２０９ａ、２０９ｂが延設され、レーザ素子２０１の位置合わせの基準となる円筒状の基部が設けられている。このレーザ素子２０１が封入された容器はカンタイプのパッケージを構成し、例えば、ＴＯ５．６やＴＯ９と呼ばれる形式のものを使用することができる。

また、絶縁性伝熱プレート２０２には、図２に示すように、レーザ素子２０１のリード端子２０９ａ、２０９ｂを通す貫通孔２０２ａ、２０２ｂがプレート面に垂直に形成されるとともに、温度センサ２０３を埋め込む開口部２０２ｃが側面に形成されている。そして、温度センサ２０３が絶縁性伝熱プレート２０２の開口部２０２ｃに埋め込まれ、シリコンなどの熱伝導性材料にて固定されている。なお、温度センサ２０３としては、例えば、温度に対して電気的特性が変化するサーミスタなどを用いることができる。

また、ペルチェ素子２０４には、図３に示すように、レーザ素子２０１のリード端子２０９ａ、２０９ｂを通す貫通孔２０４ａ、２０４ｂがプレート面に垂直に形成されている。
また、ハウジング２０５は、ベースプレート２０６と実質的に同じ熱膨張係数を持つ樹脂材料から構成され、ハウジング２０５を構成する樹脂材料として、例えば、アルミニウムの熱膨張係数＝２．４×１０^−５１／℃に近いポリフェニレンサスファイドを用いることができる。
また、ベースプレート２０６は、アルミニウムや銅などの熱伝導性金属材料から構成することができる。そして、ベースプレート２０６には、レーザ素子２０１に電源を供給するためのコネクタ２０７が埋め込まれ、コネクタ２０７には外部と電気的に接続するためにリード線２１０ａ、２１０ｂが設けられている。

そして、ベースプレート２０６上にペルチェ素子２０４および絶縁性伝熱プレート２０２を順次配置し、ベースプレート２０６、ペルチェ素子２０４および絶縁性伝熱プレート２０２を通してレーザ素子２０１のリード端子２０９ａ、２０９ｂをコネクタ２０７に接続することができる。そして、レーザ素子２０１、絶縁性伝熱プレート２０２およびペルチェ素子２０４が上から挟み込まれるようにしてハウジング２０５をベースプレート２０６上に結合することにより、レーザ素子２０１の中心軸の位置を調整しながら、レーザ素子２０１、絶縁性伝熱プレート２０２およびペルチェ素子２０４ｃをベースプレート２０６上に固定することができる。なお、ハウジング２０５をベースプレート２０６上に結合する方法としては、ネジ２０８にてハウジング２０５をベースプレート２０６にネジ止めすることができる。

なお、ベースプレート２０６、ペルチェ素子２０４および絶縁性伝熱プレート２０２をリード端子２０９ａ、２０９ｂと絶縁するために、リード端子２０９ａ、２０９ｂは、少なくともベースプレート２０６、ペルチェ素子２０４および絶縁性伝熱プレート２０２との接触部分については絶縁性チューブで被覆するようにしてもよいし、リード端子２０９ａ、２０９ｂに塗装などの表面処理を行うことで、リード端子２０９ａ、２０９ｂに絶縁性被膜を形成するようにしてもよい。

また、レーザ素子２０１と絶縁性伝熱プレート２０２との間、絶縁性伝熱プレート２０２とペルチェ素子２０４との間、ペルチェ素子２０４とベースプレート２０６との間には、伝熱性を向上させるためにシリコングリースなどを充填するようにしてもよい。
そして、図４に示すように、温度安定化用ドライバにてペルチェ素子２０４に流す電流を調整し、温度センサ２０３の出力を確認しながらレーザ素子２０１の温度を制御することにより、レーザ素子２０１の発光波長を調整することができる。
そして、レーザ素子２０１がマウントされたレーザ装置は、例えば、煙道や排ガスなどの各種のガスの濃度測定などに用いられる光源として用いることができる。そして、レーザ素子２０１は絶縁性伝熱プレート２０２を介して加熱または冷却され、樹脂材料から構成されたハウジング２０５にて断熱することができる。

ここで、ハウジング２０５を構成する樹脂材料としてポリフェニレンサスファイドを用いることにより、レーザ素子２０１を固定するハウジング２０５を樹脂材料から構成した場合においても、ベースプレート２０６とハウジング２０５の熱膨張係数を実質的に等しくすることができる。このため、ベースプレート２０６とハウジング２０５との熱膨張係数の差異に起因する合わせずれを伴うことなく、レーザ素子２０１をベースプレート２０６上に固定することが可能となり、部品点数の増大を抑制しつつ、レンズとの光軸中心を精度よく合わせることが可能となる。
また、レーザ素子２０１の底面側にペルチェ素子２０４を配置することで、ペルチェ素子２０４を１個だけ用いた場合においても、レーザ素子２０１を効率よく加熱または冷却することができ、消費電力を低減することが可能となるとともに、レーザ装置の小型化および低価格化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す断面図である。 図２（ａ）は、図１の伝熱プレート２０２の概略構成を示す平面図、図２（ｂ）は、図１の伝熱プレート２０２の概略構成を示す断面図である。 図３（ａ）は、図１のペルチェ素子２０４の概略構成を示す平面図、図３（ｂ）は、図１のペルチェ素子２０４の概略構成を示す側面図、図３（ｃ）は、図１のペルチェ素子２０４の概略構成を示す裏面図である。 本発明の一実施形態に係る温度とレーザ素子の発光波長との関係を示す図である。 従来のレーザ装置のマウント方法を示す斜視図である。 従来のレーザ装置のマウント方法を示す断面図である。 従来のレーザ装置のマウント方法のその他の例を示す斜視図である。

符号の説明

２０１ レーザ素子
２０２ 絶縁性伝熱プレート
２０３ 温度センサ
２０４ ペルチェ素子
２０５ ハウジング
２０６ ベースプレート
２０７ コネクタ
２０８ ネジ
２０９ａ、２０９ｂ、２１０ａ、２１０ｂ リード線
２０２ａ、２０２ｂ、２０４ａ、２０４ｂ 貫通孔
２０２ｃ 開口部

Claims (4)

1. リード端子が設けられた容器内に封入されたレーザ素子と、
   前記レーザ素子の温度を検出する温度検出手段と、
   前記リード端子を通す貫通穴が形成され、前記レーザ素子の温度を調節する温度調節手段と、
   前記温度検出手段が埋め込まれ、熱伝達を行う絶縁性伝熱プレートと、
   前記温度調節手段および前記絶縁性伝熱プレートを順次介して前記レーザ素子が搭載され、前記温度調節手段の放熱を行うベースプレートと、
   前記レーザ素子、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記温度調節手段を挟み込むようにして前記レーザ素子、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記温度調節手段を前記ベースプレート上に固定するハウジングとを備え、
   前記ベースプレートは熱伝導性金属材料から構成され、前記ハウジングは前記ベースプレートと実質的に同じ熱膨張係数を持つ樹脂材料から構成されることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記ハウジングはポリフェニレンサスファイドから構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記リード端子は、少なくとも前記温度調節手段、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記ベースプレートとの接触部分については絶縁性チューブで被覆されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。
4. 前記リード端子は、少なくとも前記温度調節手段、前記絶縁性伝熱プレートおよび前記ベースプレートとの接触部分については絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。

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