JP2016111133A - 光源デバイス及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合時の残留応力の発生を抑制でき、長期に亘って高出力を維持できる光源デバイスを提供する。【解決手段】光源デバイス４は、複数の発光素子が配列した２次元の発光素子アレイ１４を含む発光部材１６と、複数の発光素子から射出された光の光路上にそれぞれ配置される複数の光学素子が配列した２次元の光学素子アレイ１８を含み、発光部材１６に対向して配置される光学部材２０とを備えている。発光素子アレイ１４が存在する発光エリア１４ａからレーザー光が射出される。複数の発光素子から射出された光は、レンズアレイ１８により発光素子ごとにコリメートされる。発光部材１６と光学部材２０とは、発光部材１６と光学部材２０との間に設けられ、発光部材１６と光学部材２０との間における両部材の対向する面に平行な方向（Ｘ方向）の移動及び互いに接近する方向（Ｙ方向）への移動を規制する位置決め部２２によって固定されている。位置決め部２２は、光学部材２０の中央部（ここでは中心）に位置している。【選択図】図２

Description

本発明は、光源デバイス及び光源装置に関する。

２次元の発光素子アレイから射出された光を集光することで、高出力レーザーとして用いることが可能であり、特許文献１に開示されているように、レーザー点火プラグの光源として用いられている。
このような光源デバイスをレーザー点火プラグとして用いるためには、２次元の発光素子アレイからの光を効率良く且つ小スポット状に集光しなければならない。そのためには２次元の発光素子アレイからの放射光を一度コリメートしてから集光することが有効である。
この場合、発光素子ごとにコリメートしなければならないため、コリメートレンズは発光素子に接近した位置に設置しなければならない。このため、２次元のレンズアレイを２次元の発光素子アレイ上に設けることが最も有効である。

２次元の発光素子アレイと２次元のレンズアレイとは高精度な位置合わせが要求され、そのためには２次元の発光素子アレイ上に直接２次元のレンズアレイを半田等により接合して位置がずれないように固定するのがよい。

しかしながら、この種の光源デバイスでは、２次元の発光素子アレイと２次元のレンズアレイとの材料が異なり、熱膨張係数が違うため、接合時の残留応力の影響で接合時や経時に接合部にヒビが入ったり剥がれたりするという不具合があった。
接合部にヒビが入ったり剥がれたりすると、２次元の発光素子アレイと２次元のレンズアレイとの位置がずれ、集光効率が低下して出力が低下する。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、接合時の残留応力の発生を抑制でき、長期に亘って高出力を維持できる光源デバイスの提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光源デバイスは、複数の発光素子が配列した発光素子アレイを含む発光部材と、前記複数の発光素子から射出された光の光路上にそれぞれ配置される複数の光学素子が配列した光学素子アレイを含み、前記発光部材に対向して配置される光学部材と、前記発光部材と前記光学部材との間に設けられ、前記発光部材と前記光学部材との間における両部材の対向する面に平行な方向の移動及び互いに接近する方向への移動を規制する位置決め部と、を有し、前記位置決め部は前記光学部材の中央部に位置する。

本発明によれば、接合時の残留応力の発生を抑制でき、長期に亘って高出力を維持できる光源デバイスを提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る光学装置の使用状態を示す概要図である。 第１の実施形態に係る光源デバイスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第１の実施形態に係る光源デバイスの光学部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第１の実施形態に係る光源デバイスの発光部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第２の実施形態に係る光源デバイスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第２の実施形態に係る光源デバイスの変形例を示す平面図である。 第３の実施形態に係る光源デバイスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第３の実施形態に係る光源デバイスの光学部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第３の実施形態に係る光源デバイスの発光部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第３の実施形態に係る光源デバイスの位置決め部の拡大図である。 第４の実施形態に係る光源デバイスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第４の実施形態に係る光源デバイスの光学部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 第４の実施形態に係る光源デバイスの発光部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。 第５の実施形態に係る光源デバイスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。である。 第５の実施形態に係る光源デバイスの光学部材を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。である。 光学装置の点火プラグへの適用例を示す概要図である。 従来の光源デバイスを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 従来の光源デバイスにおける接合時の残留応力の発生状態を示す図である。 残留応力による不具合を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１乃至図４に基づいて、第１の実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態に係る光学装置２は、光源デバイス４と、光源デバイス４から射出された光を対象物としての光ファイバ６のコア８に集光する集光光学系としての集光レンズ１０とを備えている。符号１２は、光ファイバ６のクラッドを示している。
光源デバイス４は、複数の発光素子が配列した２次元の発光素子アレイ１４を含む発光部材１６と、複数の発光素子から射出された光の光路上にそれぞれ配置される複数の光学素子が配列した２次元の光学素子アレイ（以下、「レンズアレイ」という）１８を含み、発光部材１６に対向して配置される光学部材２０とを備えている。
光学装置２は、発光素子アレイ１４からの光を効率良くかつ小スポット状に集光し、光ファイバ６に入射させる光学系である。

発光素子アレイ１４を出た光は発光素子ごとに放射角を持ったレーザー光であるが、レンズアレイ１８を通ることによってコリメートされ、平行光になる。
コリメートされた光は集光レンズ１０によってスポット状に集光され、集光された光は光ファイバ６のコア８に入射する。

本実施形態に係る光源デバイス４の構成を説明する前に、図１７乃至図１９に基づいて、従来の光源デバイスの構成について説明する。
図１７に示すように、光源デバイス１００は、複数の発光素子が配列した２次元の発光素子アレイ１０２を含む発光部材１０４と、複数の発光素子から射出された光の光路上にそれぞれ配置される複数の光学素子が配列した２次元のレンズアレイ１０６を含み、発光部材１０４に対向して配置される光学部材１０８とを備えている。
発光素子ごとにコリメートしなければならないため、発光素子アレイ１０２とレンズアレイ１０６は、高精度に位置合わせを行っている。
エリア１０２ａは発光素子アレイ１０２の発光エリアを示し、エリア１０６ａはレンズアレイ１０６のコリメートエリアを示している。
発光部材１０４と光学部材１０８は、固定材（接合材）１１０により４箇所で固定されている。

しかしながら、発光素子アレイ１０２とレンズアレイ１０６の材料が異なり熱膨張係数が違うため、接合時の残留応力の影響で、接合時や経時に接合部にヒビ割れが入ったり剥がれたりするという不具合があった。図１８及び図１９に基づいてその理由を説明する。
発光素子アレイ１０２とレンズアレイ１０６は、一般的に半田などの固定材１１０で固定される。
このため、固定時の温度から常温に戻るときに、熱膨張率の違いから、図１８に示したように、レンズアレイ１０６が撓み、固定材１１０の部分に応力が発生する。
図中矢印の長さは熱による収縮の大きさを示している。

ここでの発光素子アレイ１０２はＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）基板に形成され、レンズアレイ１０６は石英基板に形成されているため、発光素子アレイ１０２の方が、収縮が大きくなる。
応力は常に掛かっているため、接合時常温に戻したときや経時的に固定部分でヒビ割れや破壊が起きる可能性がある。
図１９に、そのモードを示している。
図１９（ａ）は発光素子アレイ１０２の基板にヒビ割れ１１２ａが入った様子を、（ｂ）はレンズアレイ１０６の基板にヒビ割れ１１２ｂが入った様子を、（ｃ）は接合材１１０にヒビ割れ１１２ｃが入った様子を表わしている。

図２乃至図４に基づいて、第１の実施形態に係る光源デバイス４を具体的に説明する。なお、電気的な接合及び発光素子アレイ１４と冷却部材との固定は省略してある。
図２に示すように、発光部材１６では、発光素子アレイ１４が存在する発光エリア１４ａからレーザー光が射出される。複数の発光素子から射出された光は、レンズアレイ１８により発光素子ごとにコリメートされる。
符号１８ａは発光素子アレイ１４からのレーザー光をコリメートするためのレンズが存在するコリメートエリアを示している。

発光部材１６と光学部材２０とは、発光部材１６と光学部材２０との間に設けられ、発光部材１６と光学部材２０との間における両部材の対向する面に平行な方向（Ｘ方向）の移動及び互いに接近する方向（Ｙ方向）への移動を規制する位置決め部２２によって固定されている。
位置決め部２２は、光学部材２０の中央部（ここでは中心）に位置している。

図３に示すように、一方の部材である光学部材２０の中心には、発光部材１６側へ向けて突出する凸部２２ａが一体に形成されている。
図４に示すように、発光部材１６の凸部２２ａに対応する位置には固定部２２ｂが形成されている。
凸部２２ａと固定部２２ｂとにより位置決め部２２が構成され、凸部２２ａと固定部２２ｂとを半田などの固定材で接合することにより発光部材１６と光学部材２０とが一体化される。

このように、発光部材１６と光学部材２０とを中央部の１箇所で固定することにより、接合時に収縮しても接しているのは中心部の固定部分だけであるので、接合時の熱に起因した収縮差による応力の発生が防止され、接合部である位置決め部２２にヒビ割れが入ることは無くなる。
換言すれば、接合時の収縮差による応力を受ける接合部が存在しない。接合時の残留応力が存在しないので、接合時や経時に接合部である位置決め部２２にヒビが入ったり剥がれたりするという不具合もない。
位置決め部２２における接合自体は従来と変わらない。すなわち、半田などの固定材で接合でき、従来と比べて接合条件を変えなくても安定的な接合ができる。

位置決め部２２の位置は光学部材２０の中心に限定されない。発光部材１６と光学部材２０とを安定的に固定でき、且つ、接合時の残留応力の発生を回避できる光学部材２０の中央部と、発光素子アレイ１４の領域との間であればよい。
また、凸部２２ａを他方の部材である発光部材１６側に設け、固定部２２ｂを光学部材２０側に設ける構成としてもよい。
本実施形態では、位置決め部２２を発光部材１６又は光学部材２０と一体に形成する構成としたが、発光部材１６及び光学部材２０とは別の部材で形成してもよい（以下の他の実施形態において同じ）。

図５及び図６に第２の実施形態を示す。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、既にした構成上及び機能上の説明は適宜省略する（以下の他の実施形態において同じ）。
基本的な構造は第１の実施形態と同じである。異なる点は、図５に示すように、光学部材２０の中心部以外の周辺部と発光部材１６との間に、光学部材２０と発光部材１６とが離間しあるいは接近する方向（Ｙ方向）への移動を規制する変形可能な保持部２４が設けられていることである。
本実施形態では、保持部２４は、発光エリア１４ａ及びコリメートエリア１８ａの外側の部分で、光学部材２０の４辺の各中央部に配置されている。
保持部２４は、発光部材１６及び光学部材２０よりも変形しやすい材料で形成されている。

発光部材１６と光学部材２０は４箇所で保持部２４により接合されているが、接合時の収縮差による応力が発生しても保持部２４の変形特性により吸収される。よって、接合部にヒビ割れが入ることはなくなる。
また、振動などが加わっても、変形可能な保持部２４で保持しているので、外周部でも大きな変位は生じず、中央部の位置決め部２６に大きな力が加わることはなくなる。
本実施形態では中央部と周辺部の計５箇所で支持して固定する構成であるので、発光部材１６と光学部材２０との初期の位置決め状態を長期に亘って安定的に維持することができる。

図５では、保持部２４を光学部材２０の４辺の各中央部に配置する構成としたが、図６に示すように、光学部材２０の４隅に配置する構成としてもよい。
保持部２４の配置箇所は４箇所に限定されずその位置も限定されない。光学部材２０の周辺部において、発光部材１６との間の固定状態を安定的に維持できる範囲内で２箇所、３箇所、あるいは５箇所以上でもよい。

図７乃至図９に第３の実施形態を示す。
図７に示すように、本実施形態における位置決め部２６は、光学部材２０の中央部（ここでは中心）に一体に形成された凸部２６ａと、発光部材１６の凸部２６ａに対応する位置に形成された凹部２６ｂとから構成されている。図８に示すように、凸部２６ａの先端は球面状に形成され、図９に示すように、凹部２６ｂは円錐状に形成されている。
第１及び第２の実施形態と異なり、本実施形態における位置決め部２６の凸部２６ａと凹部２６ｂは接合されず、単に接触しているだけである。

図１０に示すように、光学部材２０の凸部２６ａを発光部材１６の凹部２６ｂに嵌合すると、凸部２６ａの球面部が凹部２６ｂの内周面に隙間無く接触し、発光部材１６に対する光学部材２０の位置決めがなされる。
光学部材２０の周辺部と発光部材１６との間には、光学部材２０と発光部材１６とが離間しあるいは接近する方向（Ｙ方向）への移動を規制する変形可能な保持部２８が設けられている。
保持部２８は、第２の実施形態の保持部２４で用いた材料よりも変形しにくい材料、例えばアクリル系の紫外線硬化樹脂を用いている。
中心部の位置決め部２６は半田などの固定材で固定しなくてもよいので、保持部２８の材料は温度をかけないようなものを選択すれば、それほど変形しやすくなくてもよい。
すなわち、接合時の熱による残留応力を考慮する必要がないので、保持部２８には接合時の熱による残留応力を吸収する大きな変形性は要求されない。

このように中央部の１箇所で位置決めし、周辺部で保持する構成とすることにより、接合時の熱による残留応力の発生を防止できるとともに、発光部材１６と光学部材２０との初期の位置決め状態を長期に亘って安定的に維持することができる。

位置決め部２６は、凸部２６ａを発光部材１６側に形成し、凹部２６ｂを光学部材２０側に形成する構成としてもよい。
保持部２８の配置箇所は、第２の実施形態と同様に図７（ａ）に示す４箇所及び位置に限定されない。

図１１乃至図１３に第４の実施形態を示す。
基本的な構造は第３の実施形態と同じである。異なる点は、図１１等に示すように、光学部材２０の周辺部と発光部材１６との間に、発光部材１６と光学部材２０との間における両部材の対向する面に平行な方向（Ｒ方向）の回転及び互いに接近する方向（Ｙ方向）への移動を規制する支持部３０が設けられていることである。
支持部３０は、光学部材２０の周辺部におけるコリメートエリア１８ａの外側に、位置決め部２６とその両側に位置する保持部２８とを結んだ線（Ａ―Ａ線）上に位置するように配置されている。
支持部３０は、光学部材２０に一体に形成された凸部３０ａと、発光部材１６の凸部３０ａに対応する位置に形成された凹部３０ｂとから構成されている。
図１２に示すように、凸部３０ａの先端は球面状に形成され、図１３に示すように、凹部３０ｂは断面Ｖ字状に形成されている。

発光部材１６と光学部材２０は、中央部の位置決め部２６と周辺部の支持部３０とで位置決めされ、周辺部の保持部２８によって保持されている。
位置決め部２６と支持部３０との組み合わせによって、発光部材１６と光学部材２０との間が高精度に位置決めされ、支持部３０によってＲ方向の回転も規制されるので、組み付け時の調整もいらなくなり、調整が容易となる。
支持部３０は、凸部３０ａを発光部材１６側に形成し、凹部３０ｂを光学部材２０側に形成する構成としてもよい。
保持部２８の配置箇所は、第２の実施形態と同様に図１１（ａ）に示す４箇所及び位置に限定されない。

図１４及び図１５に第５の実施形態を示す。
基本的な構造は第４の実施形態と同じである。異なる点は、支持部３０とは別に、発光部材１６と光学部材２０との間における両部材の互いに接近する方向（Ｙ方向）への移動を規制する支持部３２が設けられていることである。
支持部３２は、光学部材２０の周辺部であって、コリメート領域１８ａの外側に配置されている。本実施形態では、Ａ−Ａ線と直交するＣ−Ｃ線上に位置するように配置されている。
発光部材１６の支持部３２に対応する部位には凹部は設けられていない。支持部３２は、位置決め部２６及び支持部３０と共に、発光部材１６と光学部材２０間のＹ方向の位置を規制する部材として機能する。
支持部３２は支持部３０の凸部３０ａと同様の形状を有し、その球面状の先端が発光部材１６の発光領域１４ａの外側の表面に接触する。

位置決め部２６、支持部３０及び支持部３２の３つの部材で発光部材１６と光学部材２０間のＹ方向の位置決めを行うことにより、位置決め精度を高めることができる。
支持部３２の位置は上記に限定されない。また、支持部３２は発光部材１６側に設けてもよい。

上記各実施形態では、保持部の材料としてシリコン系接着剤、固定材（接合材）としてＡｕＳｎ（金錫）を用いている。保持部の材料としては変形可能であればそれ以外の材料でもよい。固定材も半田や有機系接着剤でもよい。
また、上記各実施形態では、位置決め部や支持部を、円錐溝やＶ字状溝に球面状の凸部を接触させる構成としたが、円柱溝や長穴溝に円柱状の凸部を嵌合させる構成としてもよい。

図１６に光学装置２を用いたレーザー加工機について説明する。
光学装置２の集光レンズ１０で集光されたレーザー光が固体レーザー媒質３６に入射すると、レーザー光は固体レーザー媒質３６で吸収され、固体レーザー媒質３６が励起される。
その結果、パルスレーザー光３９が出力ミラー４０から共振器外部に放射される。符号３８は可飽和吸収体を示している。

被加工物をテーブルに載置し、テーブルを駆動機構で移動させながら光学装置２からのレーザー光をテーブル上の被加工物に光学系により照射する構成とすることにより、レーザー加工機を構成することができる。
光学装置２と上記光学系とを組み合わせた構成でエンジン等に使用するレーザー点火プラグに用いることもできる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

４ 光源デバイス
６ 対象物としての光ファイバ
１０ 集光光学系としての集光レンズ
１４ 発光素子アレイ
１６ 発光部材
１８ 光学素子アレイ
２０ 光学部材
２４、２８ 保持部
２６ 位置決め部
２６ａ 凸部
２６ｂ 凹部
３０ 支持部
３０ａ 凸部
３０ｂ 凹部
３６ 対象物としての固体レーザー媒質

特表２０１３−５４５２８０号公報

Claims (10)

1. 複数の発光素子が配列した発光素子アレイを含む発光部材と、
   前記複数の発光素子から射出された光の光路上にそれぞれ配置される複数の光学素子が配列した光学素子アレイを含み、前記発光部材に対向して配置される光学部材と、
   前記発光部材と前記光学部材との間に設けられ、前記発光部材と前記光学部材との間における両部材の対向する面に平行な方向の移動及び互いに接近する方向への移動を規制する位置決め部と、
   を有し、
   前記位置決め部は前記光学部材の中央部に位置する光源デバイス。
2. 請求項１に記載の光源デバイスにおいて、
   前記発光部材と前記光学部材とが、前記位置決め部で接合されている光源デバイス。
3. 請求項１に記載の光源デバイスにおいて、
   前記光学部材の周辺部と前記発光部材との間に、前記光学部材と前記発光部材とが離間する方向への移動を規制する保持部が設けられ、
   前記保持部は、前記発光部材及び前記光学部材よりも変形しやすい材料で形成されている光源デバイス。
4. 請求項３に記載の光源デバイスにおいて、
   前記保持部は、前記発光素子アレイおよび前記光学素子アレイの領域の外側に位置する光源デバイス。
5. 請求項１に記載の光源デバイスにおいて、
   前記位置決め部は、前記発光部材と前記光学部材のいずれか一方に形成された凸部と、他方に形成され、前記凸部に嵌合する凹部とを有する光源デバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の光源デバイスにおいて、
   前記位置決め部は、前記光学部材の中央部と、前記発光部材との間に存在する光源デバイス。
7. 請求項１に記載の光源デバイスにおいて、
   前記光学部材の周辺部と前記発光部材との間に、前記発光部材と前記光学部材との間における両部材の対向する面に平行な方向の回転および互いに接近する方向への移動を規制する支持部が設けられている光源デバイス。
8. 請求項７に記載の光源デバイスにおいて、
   前記支持部は、前記発光素子アレイおよび前記光学素子アレイの領域の外側に位置する光源デバイス。
9. 請求項７又は８に記載の光源デバイスにおいて、
   前記支持部は、前記発光部材と前記光学部材のいずれか一方に形成された凸部と、他方に形成され、前記凸部に嵌合する凹部とを有する光源デバイス。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の光源デバイスと、
    前記光源デバイスから射出された光を対象物に集光する集光光学系と、
    を備える光学装置。

Images