JP2008177448A - 半導体レーザの冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ペルチェ素子を利用した半導体レーザの冷却機構において、冷却に必要な電力を削減する冷却機構を提供する。
【解決手段】半導体レーザの冷却装置において、半導体レーザ４を固定し放熱する放熱板７と、放熱板７上に設置される半導体レーザ４の反対面側に放熱ゲル８を介して設置される放熱フィン５と、放熱板７上で半導体レーザ４に近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器６と、放熱板７の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子３と、ペルチェ素子３を搭載する放熱枠９と、放熱枠９内に放熱フィン５を放熱板７から離間又は接触させるアクチュエータ１０と、を備え、温度検出器６の検出する所定の温度に基づいてアクチュエータ１０を駆動して放熱フィン５を放熱板７に接触または離間さす。
【選択図】図３

Description

本発明は、ペルチェ素子を備えた半導体レーザの冷却装置及び半導体レーザ冷却方法に関するものである。

従来、半導体レーザは、入力エネルギーに対する出力エネルギーの変換効率が大きいことから光学系を備えた各種の機器に使用されている。この半導体レーザは、その発振周波数、発振出力がその半導体レーザの動作温度の変化に依存して変化するという性質を有している。そこで、半導体レーザの発振出力を一定に保つために、温度制御装置の半導体レーザの発振周波数、動作温度を制御することが要求される。

この半導体レーザの温度制御をするために、温度制御装置において熱電効果型素子としてペルチェ素子が用いられている。半導体レーザの場合には、その注入電流によって半導体レーザそのものが発熱するために、半導体レーザの動作温度と設定温度との温度差に基づいて、動作温度を設定温度近づけるように熱電効果型素子を制御するものとする半導体レーザの冷却機構が提案されている。

図１２、１３を用いて提案されている半導体レーザの冷却機構について説明する。図１２は、従来の熱電効果型素子を有する温度制御装置の制御回路を示し、図１３はその熱電効果型素子に半導体レーザを取り付けて熱電変換器Ｋｚを構成した状態を示す概略図である。その制御回路は、比較回路１とコンプリメンタリーに構成されたトランジスタ２と熱電効果型素子２９から構成されており、熱電変換器Ｋｚはその熱電効果型素子２９の一方側に半導体レーザ４を設け、その他方側に放熱板５を設け、サーミスタ６を内蔵して構成される。サーミスタ６は、半導体レーザ４の動作温度Ｔｔを検出してその動作温度変換電圧Ｅｔに電圧変換する機能を有し、この動作温度変換電圧Ｅｒは、比較器１の一端子に入力される。この比較回路１の他端子に、設定温度Ｔｓに対応する基準電圧Ｅｓが入力される。比較器１は、この基準電圧Ｅｓとその動作温度変換電圧Ｅｒとを比較してその差分出力をトランジスタ２に向かって出力する。トランジスタ２は、トランジスタ２ａとトランジスタ２ｂとから構成され、Ｅｔ＞Ｅｓ（Ｔｔ＞Ｔｓ）の時には、熱電効果型素子２９によって半導体レーザ４が冷却されるようにトランジスタ２を通電制御し、Ｅｔ＜Ｅｓ（Ｔｔ＜Ｔｓ）の時には、熱電効果型素子２９によって半導体レーザ４が加熱されるようにトランジスタ２を通電制御し、これによって、半導体レーザ４の動作温度Ｔｔが設定温度Ｔｓに近づく方向に制御され、平衡状態に達する。
特開昭６２−１８８２９２号公報

しかしながら、従来構成の熱電変換器Ｋｚにおいて、熱電効果型素子２９は熱伝導性が悪く放熱板５に接着剤等により放熱板５に固定されていた。

半導体レーザを動作させた場合、半導体レーザを冷却するため常に熱電効果型素子に電力を供給する必要があった。その原因は、熱電効果型素子に電力を供給しない場合、熱電効果型素子は熱伝導性が悪いため、半導体レーザの発熱をヒートシンクに伝えることができず、半導体レーザの温度が上昇するからである。また複数の半導体レーザを蜜に設置し動作させた場合、発熱量の増加に伴い熱電効果型素子に供給する電力もさらに増加するため、熱電効果型素子で冷却のために必要な電力が大きくなり、効率的な放熱機構を構成し半導体レーザの温度を均一に保持する必要があるという課題があった。

本発明は、半導体レーザに供給される電力により発生す熱を熱電効果型素子により効率よく排出し、半導体レーザの温度を設定温度に効率よく近づけることにより、熱電効果型素子で冷却するために必要な電力を削減することができる半導体レーザの冷却機構を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体冷却装置は、半導体レーザの冷却装置において、半導体レーザを固定し放熱する放熱板と、前記放熱板上に設置される半導体レーザの反対面側に放熱ゲルを介して設置される放熱フィンと、前記放熱板上で半導体レーザに近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器と、前記放熱板の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子と、前記ペルチェ素子を搭載する放熱枠と、前記放熱枠内に前記放熱フィンを前記放熱板から離間又は接触させるアクチュエータと、を備え、前記温度検出器の検出する所定の温度に基づいて前記アクチュエータを駆動して前記放熱フィンを前記放熱板に接触または離間さすことを特徴としたものである。

また、本発明の半導体冷却装置は、半導体レーザの冷却装置において、半導体レーザを固定し放熱する放熱板と、前記放熱板上に設置される半導体レーザの反対面側に放熱ゲルを介して設置される放熱フィンと、前記放熱板上で半導体レーザに近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器と、前記放熱板の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子と、前記ペルチェ素子を搭載する放熱ブロックと、前記温度検出器から検出される温度と所定の基準温度を比較する比較器と、前記比較器の出力に応じて前記放熱ブロックを駆動して前記ペルチェ素子を前記放熱板に接触又は離間させるモータと、前記モータを駆動するモータ制御回路と、を備え、前記ペルチェ素子は、前記温度検出器から検出される温度に基づいて駆動されるとともに、該ペルチェ素子の駆動時は、前記放熱フィンを前記放熱板から離間さすことを特徴としたものである。
また、本発明の半導体冷却方法は、半導体レーザを固定し放熱する放熱板と、前記放熱板上に設置される半導体レーザの反対面側に放熱ゲルを介して設置される放熱フィンと、前記放熱板上で半導体レーザに近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器と、前記放熱板の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子と、を有する半導体レーザの冷却方法において、前記半導体レーザの温度を検出し、前記検出温度に基づいて前記放熱フィンを前記放熱板に接触又は離間し、前記放熱フィンの離間時にペルチェ素子を駆動することを特徴としたものである。

温度検出手段の出力が、アクチュエータが反応して作動する温度以下の場合、ペルチェ素子に電力を供給しないこととするので、ペルチェ素子で冷却するために必要な電力を削減する。即ち、半導体レーザの発熱を複数の放熱経路から選択可能にすることで従来の課題を解決するもので、ペルチェ素子で冷却するために必要な電力を削減することができる半導体レーザの冷却装置及び冷却方法を提供することを目的とする。

以下に、本発明の半導体レーザの冷却装置及び冷却方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例における半導体レーザの冷却装置の構成を説明するための分解斜視図を示す。図２(a)は、本発明の実施例における放熱ゲル８が放熱板７と接触している状態のアクチュエータ１０の側面図を示す。図２(b)は、本発明の実施例における放熱ゲル８が放熱板７と接触していない状態のアクチュエータ１０の側面図を示す。図３(a)は、本発明の実施例における半導体レーザ４の冷却装置の放熱ゲル８が放熱板７と接触している状態の断面図を示す。図３（ｂ）は、本発明の実施例における半導体レーザ４の冷却装置の放熱ゲル８が放熱板７と接触していない状態の断面図を示す。

図４は、半導体レーザ４の冷却機構の数値解析モデルの構成斜視図を示すもので、本発明との比較のために従来使用されているモデルを示すものである。

図５は、本発明の実施例における半導体レーザ４の冷却機構の数値解析モデルの構成斜視図を示す。図６は、従来使用されている構成と本発明の実施例の消費電力を比較した解析結果を示す。図７は、２５℃環境で従来技術の構成と本発明の実施例の温度検出器であるサーミスタ６で検出される温度上昇の時間変化を比較した解析結果を示す。図８は、２７℃環境で従来技術の構成と本発明の実施例のサーミスタ６で検出される温度上昇の時間変化を比較した解析結果を示す。図９は、放熱板７と放熱ゲル８間の距離とサーミスタ温度の解析結果を示す。図１０は、アクチュエータ１０に利用されている形状記憶合金製ばね１３とSUSばね１４の温度と発生バネ力の関係を示す。

図１は、本発明の実施例における冷却機構の構成を示しており、半導体レーザ４は半導体が銅製ブロックに接着剤等で固定された構成になっており、その半導体レーザ４が放熱板７にねじで固定されており、放熱板７に接着剤等でペルチェ素子３が固定されている。ペルチェ素子３の反対面に放熱枠９が接着剤等で固定され、放熱枠９の中央部のくぼみ部内側にアクチュエータ１０が接着剤等で固定されている。アクチュエータ１０の軸は放熱フィン１１の中央部で固定されており、放熱ゲル８は放熱フィン１１に接着剤等で固定されている。ファン１２はシャーシ（図示略）により固定されており、放熱フィン１１の後方に配置される構成となっている。図２に示すようにアクチュエータ１０は、形状記憶合金で作成されたばね１３と、SUSで作成されたばね１４が、中央に枠がある軸１６の枠の左側と右側にそれぞれ取り付けた後、フレーム１５のSUSばね１４側の孔（図示略）に軸１６を通し、フレーム１５を形状記憶合金製ばね１３側に力を加えることにより、フレーム１５の形状記憶合金製ばね１３側の孔（図示略）に軸１６を通すことにより軸１６に、形状記憶合金製ばね１３、SUSばね１４、フレーム１５を取り付けた後、EリングA２４にてフレーム１５を固定する構成となっている。フレーム１５は形状記憶合金製ばね１３に熱を早く伝えるため、熱伝導率が高い銅、アルミを用いることが望ましい。形状記憶合金製ばね１３は、例えば図２（ａ）のような低温の状態では密着巻きの形状をしており、形状記憶合金製ばね１３の発生バネ力がSUSばね１４の発生バネ力より小さくなるよう設定されており、軸１６が左に押される構成になっている。高温になると図２（ｂ）のように形状記憶合金製ばね１３が伸ばされたような形状となり、形状記憶合金製ばね１３の伸ばされた形状によるばねの発生バネ力がSUSばね１４を縮めたときの発生バネ力より大きくなるためSUSばね１４が縮み、軸１６が右に押される構成になっている。アクチュエータ１０を構成するばねは、形状記憶効果のある材料であれば同様の効果が得られる。

図３に示すように半導体レーザ４は、ねじ（図示略）により1個あるいは複数個が放熱板７に固定されている。サーミスタ６も同様に放熱板７の中央部に接着剤により固定されている。放熱板７の半導体レーザ４が固定されている反対面にペルチェ素子３が接着剤等により固定され、そのペルチェ素子３の反対面に放熱枠９が接着剤等により固定されている。放熱枠９の内部にアクチュエータ１０を構成しているフレーム１５が接着剤又はねじで固定されている。アクチュエータ１０を構成している軸１６に、放熱フィン１１のフィン中央部を組み込んだ後でEリングB２７により固定される。放熱フィン１１は放熱枠９の外周部と接触しており、接触している部分にはグリス等が塗布してありスライド可能な状態で保持される。放熱フィン１１と放熱板７の間には放熱ゲル８が放熱フィン１１に接着剤等で固定されている。ファン１２が放熱フィン１１の後方にシャーシにより固定され配置されている。ペルチェ素子３はサーモモジュールとも呼ばれる。放熱板７は、半導体レーザ４の熱を効率良く伝えるために熱伝導率が高い銅や、アルミであることが望ましい。放熱ゲル８は、放熱板７と放熱フィン１１が接触する際、隙間に空気が入り伝熱の妨げになることを防ぐために設置されるものであり、熱を効率良く伝えるため熱伝導率が高いものが望ましい（例えば株式会社ジェルテック製α―ゲル）。ペルチェ素子３は、良く知られているように、直流電圧の印加により、一方の面が放熱面となり、他方が吸熱面となる。放熱枠９は、ペルチェ素子３の放熱面の熱を放熱フィン１１とアクチュエータ１０に伝えるために熱伝導率が高い銅や、アルミであることが望ましい。放熱フィン１１は、放熱するため熱伝導率の高く、またアクチュエータによりスライドさせるため比較的軽量なアルミであることが望ましく、アクチュエータ１０が設置される部分が凹になっている。

図１０は、アクチュエータ１０に利用されている形状記憶合金製ばね１３とSUSばね１４の温度と発生バネ力の関係を示したもので、温度に応じて発生バネ力が変化し３０℃未満では発生バネ力は３００ｇ以下であり、３０℃以上になると５００ｇ以上の発生バネ力となるよう設定されている。斜線部分はSUSばねの図３（ａ）の伸びた場合から、図３（ｂ）の縮んだ場合までの発生バネ力を示している。

次に、アクチュエータ１０の動作を図２を用いて説明する。一例として消費電力が６Ｗでレーザ出力の効率が２０パーセントの半導体レーザ４を４個、厚み３ｍｍ、１００ｍｍ角の銅製の放熱板７にねじにて固定し、熱伝導率が３（Ｗ／ｍ・Ｋ）で厚み１ｍｍの放熱ゲル８を、厚み方向４０ｍｍ、１００ｍｍ角のアルミ製放熱フィン１１に接着剤等で固定されている。放熱フィン１１は放熱の効率を上昇させるために表面を黒色アルマイト処理したフィンで構成されている。図３（ａ）は、半導体レーザ４の動作時、サーミスタ６の出力が３０℃未満である場合の構成であり、図１０に示すようにアクチュエータ１０に利用されている形状記憶合金製ばね１３は３０℃未満では、発生バネ力は３００ｇ以下であるのに対し、SUSばね１４の発生バネ力は約３００ｇであり、SUSばね１４の発生バネ力が大きいため、形状記憶合金製ばね１３が縮み、SUSばね１４が伸びる。この時、アクチュエータ１０の軸１６は、放熱フィン１１と固定されているため、アクチュエータ１０は、放熱フィン１１と放熱ゲル８を放熱板７へ引き寄せ、放熱ゲル８は放熱板７と接触する。この時、放熱ゲル８はフィン１１と放熱板７が接触する際の衝撃を吸収すると同時に、放熱フィン１１と放熱板７の間に空気のかみこみを減少させることで、放熱フィン１１と放熱ゲル８と放熱板７の間で熱の伝わりが悪くなることを防ぐ。このような構成にすることにより、所望温度以下の場合、熱伝導率の低いペルチェ素子３を通して放熱板７の熱を放熱するのではなく、放熱板７から直接熱伝導率のよい放熱ゲル８を通して放熱するので、ペルチェ素子３への電力供給が不要であるとともに、ペルチェ素子３からの発熱がないので、消費電力の削減ができる。

図３（ｂ）は、温度センサーのサーミスタ６で検出される温度が３０℃以上である場合の構成である。半導体レーザ４で発生した熱は放熱板７を経てペルチェ素子３で吸熱され、吸熱された熱はペルチェ素子３の吸熱した面と反対側の面から放熱され放熱枠９を経てアクチュエータ１０に伝わる。アクチュエータ１０に利用されている形状記憶合金製ばね１３は３０℃以上になると、図１０に示すように発生バネ力が大きくなるよう設定されており、３０℃で伸びた際約５００ｇの発生バネ力がある。そのため、形状記憶合金製ばね１３が密着状態から図２（ｂ）の伸びた状態となり、そのとき発生するばね力は約５００ｇ以上となり、形状記憶合金製ばね１３の発生バネ力がSUSばね１４の発生バネ力４００ｇ強より大きくなるため、形状記憶合金製ばね１３が伸び、SUSばね１４が縮むことで軸１６が放熱フィン１１を移動させる。放熱フィン１１はアクチュエータ１０の軸１６にEリング２４、２７にて取り付けられており、軸１６が放熱板７より離れる方向に移動するので、放熱フィン１１は、放熱板７から約３ｍｍ離れる。放熱板７と離れた放熱フィン１１には、ペルチェ素子３から放熱された熱が放熱枠９の側面から放熱フィン１１の側面を経て、放熱フィン１１に伝わり、その放熱フィン１１の熱は、ファン１２で強制空冷される。これによって、半導体レーザ４で発生した熱を放熱し、半導体レーザ４の温度上昇を制御することができると同時に、ペルチェ素子３の冷却効率を下げることなく冷却することができる。

図５における解析モデルでは、熱伝導にほとんど寄与しないアクチュエータ１０は省いて数値解析を行っている。以降に示す図６、図７、図８、図９は数値解析により算出した結果を示す。図７に示すように、２５℃の環境温度での従来技術と本発明の実施例を比較すると、本発明の実施例の場合、温度検出器のサーミスタ６で検出される温度が３０℃以下となりペルチェ素子３を駆動しない。なぜならば半導体レーザ４の熱は放熱板７を経て、熱伝導性のよい放熱ゲル８、放熱フィン１１を経てファン１２により放出されるので、サーミスタ６で検出される温度が３０℃まで上昇しないためである。ペルチェ素子３による冷却を行う必要がないため、ペルチェ素子３を駆動するための電力を供給する必要がない。図８に示すように、２７℃の環境温度での従来技術と本発明の実施例を比較すると、本発明の実施例は温度検出器であるサーミスタ６の温度が３０℃上昇するまでに６０秒の時間を要しており、３０℃上昇するまではペルチェ素子３に電力は供給されないので消費電力を削減し、サーミスタ６の温度が３０℃以上になる６０秒後以降はペルチェ素子３に電力を供給し、冷却することでサーミスタ６の温度を３０℃に保つ。また、図６に示すように従来技術と比較して本発明の実施例では環境温度が２０℃から２５℃環境では、半導体レーザ４の熱は放熱板７を経て、熱伝導性のよい放熱ゲル８、放熱フィン１１を経てファン１２により放出されるので、ペルチェ素子３に電力を供給する必要がないが、従来技術では２０℃から２５℃環境でも半導体レーザ４の熱は放熱板７を経て熱伝導性の悪いペルチェ素子３、放熱フィン１１を経て、ファン１２により放熱されるので、半導体レーザ４の放熱性能が悪くペルチェ素子３に電力を供給して冷却を行わなければ半導体レーザ４の温度が上昇する。それ故、本発明の構成においては周囲環境温度２０℃から２５℃において、ペルチェ素子３は電力を供給しなくてよいので、消費電力を削減することが可能である。

２５℃以上では温度検出器であるサーミスタ６で検出される温度が３０℃以上になるため、ペルチェ素子３に電力が供給されるが、ペルチェ素子３の冷却効率は従来技術と同じである。ペルチェ素子３に電力を供給する場合、放熱ゲル８と放熱板７の距離が小さいとペルチェ素子３の放熱面から放熱された熱が放熱ゲル８及び放熱フィン１１に伝わりその熱が放熱板７に戻り、放熱板７の温度が上昇し効率が悪くなるため一定以上の距離離す必要がある。図９に示すように、放熱ゲル８と放熱板７の距離は、３ｍｍ以下では放熱板７に空気を経て戻る熱が多いことがわかる。そのため、放熱ゲル８と放熱板７の距離は３ｍｍ以上離す必要がある。放熱ゲル８の熱伝導率は３（Ｗ／ｍ・Ｋ）だが、放熱ゲル８を挟む放熱板７は銅製であり、熱伝導率は３９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、放熱フィン１１はアルミ製であり、熱伝導率は１９３（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、放熱ゲル８の熱伝導率が放熱板７と放熱フィン１１と比較して非常に小さいことがわかる。放熱ゲル８の厚みを増加させるほど温度検出器であるサーミスタ６で検出される温度が増加していくため、放熱ゲル８の厚みは薄いことが望ましいことはいうまでもない。

以上のように本実施例においては、形状記憶合金を利用したアクチュエータ１０を設け、半導体レーザ４が取り付けられた放熱板７と放熱フィン１１及び放熱ゲル８を着脱可能にしたことで、温度検出器であるサーミスタ６で検出される温度が基準温度より低い場合、ペルチェ素子３に電力を供給せずに放熱フィン１１とファン１２で放熱を行うことで消費電力を削減し、サーミスタ６の出力が大きい場合、ペルチェ素子３に電力を供給し、形状記憶合金を利用したアクチュエータ１０を作動させ、放熱フィン１１を放熱板７と分離することでペルチェ素子３の冷却効率を下げることなく、冷却を行うことが可能となる。

図１１は、可動ステージ１７とペルチェ素子３を制御する回路を利用して放熱フィン１１を着脱可能にする構成の断面図である。図１０において、本発明の実施例１と異なりアクチュエータ１０が必要ないため放熱枠９の変わりにアクチュエータ１０が組み込まれていない放熱ブロック２３がペルチェ素子３に接着剤等により固定されている。放熱ブロック２３は、放熱枠９と同様に熱伝導率の高い、銅またはアルミであることが望ましい。放熱フィン７に可動ステージ１７が接着剤等で固定されており、その可動ステージ１８は、ステッピングモータ１９のシャフト２６にはスクリュー溝（図示略）が設けられており、そのスクリュー溝にはめ合うように可動ステージ１８が取り付けており、ステッピングモータ１９が回転することにより、スクリュー溝が回転し、その回転に伴って可動ステージ１８が移動するようになっている。ステッピングモータ１９の制御は、サーミスタ６の出力をサーミスタ温度検出回路２０で検出し、比較器２１により基準温度設定手段２５にて設定される基準温度と比較を行い、その比較結果に基づく出力信号によりステッピングモータ１９の駆動をモータ制御回路２８により制御する構成になっている。本実施例では、基準温度を３０度Ｃに設定し、温度センサーのサーミスタ６で検出される温度が３０℃以上の場合、基準温度設定手段２５で設定される基準温度より高温なため、ペルチェ素子駆動回路２２でペルチェ素子３に電力供給を行うと共に、ステッピングモータ１９をモータ制御回路２８により正転駆動させ、可動ステージ１７を放熱板７から遠ざかる方向に移動させ、固定されている放熱フィン７及び放熱ゲル３を放熱板７より約３ｍｍ離す。これにより実施例１におけるサーミスタ６が３０℃以上の場合と同様の効果を得ることができ、半導体レーザ４で発生した熱を放熱し、半導体レーザ４の温度上昇を制御することができると同時に、ペルチェ素子３の冷却効率を下げることなく冷却することができる。温度センサーのサーミスタ６で検出される温度が３０℃未満の場合、基準温度設定手段２５で設定される基準温度より低温なため、ペルチェ素子３を駆動させることはなく、ステッピングモータ１９をモータ制御回路２８により逆転駆動させ、可動ステージ１７を放熱板７に近づく方向に移動させ固定されている放熱フィン１１及び放熱ゲル８を放熱板７へ近づけ放熱ゲル８を放熱板７へ接触させ維持する。これにより本発明の実施例１におけるサーミスタ６が３０℃以下の場合と同様の効果を得ることができ、半導体レーザ４で発生した熱を放熱し、半導体レーザ４の温度上昇を防ぐことができると同時に、ペルチェ素子３に電力を供給しないため消費電力を削減することができる。

以上のように本実施例においては、ステッピングモータ１９を利用した可動ステージ１７を設け、半導体レーザ４が取り付けられた放熱板７と放熱フィン１１及び放熱ゲル８を着脱可能にしたことで、サーミスタ６の出力が小さい場合、ペルチェ素子３に電力を供給せずに放熱フィン１１とファン１２で放熱を行うことで消費電力を削減し、サーミスタ６の出力が大きい場合、ペルチェ素子３に電力を供給し、ステッピングモータ１９を利用した可動ステージ１７を作動させ、放熱フィン１１を放熱板７と分離することでペルチェ素子３の冷却効率を下げることなく冷却を行うことが可能となる。

本発明にかかる半導体レーザの冷却装置及び冷却方法は、サーミスタの出力に応じて放熱フィンを熱源から分離する機構を有し、冷却に必要となる消費電力を削減する半導体レーザの冷却機構として有用である。また、半導体レーザに限らず他の消費電力の大きい熱発生が問題となる半導体素子に適用できる。

本発明の実施例における半導体レーザの冷却装置の構成を示す斜視図 本発明の実施例１における半導体レーザの冷却装置のアクチュエータの構成図 本発明の実施例１における半導体レーザの冷却装置の断面を模式的に示す図 通常使用される半導体レーザの冷却機構の数値解析モデルの構成斜視図 本発明の実施例１における半導体レーザの冷却装置の数値解析モデルの構成斜視図 本発明の実施例における半導体レーザの冷却装置と通常使用される構成との消 費電力を比較した解析結果を示す図 ２５℃環境での本発明の実施例における半導体レーザの冷却装置と従来構成と の温度上昇の時間変化を比較した解析結果を示す図 ２７℃環境での本発明の実施例における半導体レーザの冷却装置と通常使用さ れる構成との温度上昇の時間変化を比較した解析結果を示す図 本発明の実施例における半導体レーザの冷却装置の放熱板と放熱ゲル間の距離とサーミスタ温度の解析結果を示す図 本発明の実施例１における半導体レーザの冷却装置のアクチュエータに利用 されている形状記憶合金製ばねとSUSばねの温度と発生バネ力との関係を示す図 本発明の実施例２における半導体レーザの冷却装置の構成図 従来技術の制御回路を示す図 従来技術の半導体レーザの冷却装置の構成図

符号の説明

１ 比較回路
２ トランジスタ
３ ペルチェ素子
４ 半導体レーザ
５ 放熱フィン
６ サーミスタ
７ 放熱板
８ 放熱ゲル
９ 放熱枠
１０ アクチュエータ
１１ 放熱フィン
１２ ファン
１３ 形状記憶合金製ばね
１４ SUSばね
１５ フレーム
１６ 軸
１７ 放熱フィン
１８ 可動ステージ
１９ ステッピングモータ
２０ サーミスタ温度検出回路
２１ 比較器
２２ ペルチェ素子駆動回路
２３ 放熱ブロック
２４ EリングA
２５ サーミスタ設定温度
２６ シャフト
２７ EリングB
２８ モータ制御回路
２９ 熱電効果型素子

Claims (6)

1. 半導体レーザの冷却装置において、半導体レーザを固定し放熱する放熱板と、
   前記放熱板上に設置される半導体レーザの反対面側に放熱ゲルを介して設置される放熱フィンと、
   前記放熱板上で半導体レーザに近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器と、
   前記放熱板の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子を搭載する放熱枠と、
   前記放熱枠内に前記放熱フィンを前記放熱板から離間又は接触させるアクチュエータと、
   を備え、
   前記温度検出器の検出する所定の温度に基づいて前記アクチュエータを駆動して前記放熱フィンを前記放熱板に接触または離間さすことを特徴とする半導体レーザの冷却装置。
2. 前記アクチュエータは、二方向性形状記憶コイルばねとバイアスばねを直列に接続し、温度に反応して当該形状記憶バネが伸縮することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの冷却装置。
3. 前記放熱フィンは、前記放熱枠と接触し前記ペルチェ素子の発生する熱を放熱するとともに前記ペルチェ素子が駆動しないときは更に放熱板に放熱ゲルを介して接触することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの冷却装置。
4. 半導体レーザの冷却装置において、半導体レーザを固定し放熱する放熱板と、
   前記放熱板上に設置される半導体レーザの反対面側に放熱ゲルを介して設置される放熱フィンと、
   前記放熱板上で半導体レーザに近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器と、
   前記放熱板の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子を搭載する放熱ブロックと、
   前記温度検出器から検出される温度と所定の基準温度を比較する比較器と、
   前記比較器の出力に応じて前記放熱ブロックを駆動して前記ペルチェ素子を前記放熱板に接触又は離間させるモータと、
   前記モータを駆動するモータ制御回路と、
   を備え、
   前記ペルチェ素子は、前記温度検出器から検出される温度に基づいて駆動されるとともに、該ペルチェ素子の駆動時は、前記放熱フィンを前記放熱板から離間さすことを特徴とする半導体レーザ冷却装置。
5. 前記放熱フィンは、前記放熱ブロックと接触し前記ペルチェ素子の発生する熱を放熱するとともに前記ペルチェ素子が駆動しないときは更に放熱板に放熱ゲルを介して接触することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザの冷却装置。
6. 半導体レーザを固定し放熱する放熱板と、前記放熱板上に設置される半導体レーザの反対面側に放熱ゲルを介して設置される放熱フィンと、前記放熱板上で半導体レーザに近接して設置して該半導体レーザの周囲温度を検出する温度検出器と、前記放熱板の当該半導体レーザの対抗面位置に設置されるペルチェ素子と、を有する半導体レーザの冷却方法において、
   前記半導体レーザの温度を検出し、
   前記検出温度に基づいて前記放熱フィンを前記放熱板に接触又は離間し、
   前記放熱フィンの離間時にペルチェ素子を駆動することを特徴とする半導体レーザ冷却方法。
   

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