JP2016201395A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】使用されるＬＤの極性を統一することができ、極性の違いが存在することによって発生する、ＬＤの取り付け向きの間違いや部品管理の手間といった問題を解消したレーザモジュールを提供する。【解決手段】ヒートシンク１の任意の段のマウント面の一端側に設置されたＬＤユニット２の一端側に存在する電極と、任意の段より下段側のマウント面の他端側に設置されたＬＤユニット２の他端側に存在する電極とを、導電部材７によって電気的に接続する。【選択図】図７

Description

本発明はレーザモジュール、特に複数のＬＤ（レーザダイオード）が発するレーザを合成することで、高出力のレーザを得る構成のレーザモジュールに関するものである。

レーザは、その高いエネルギー密度を利用して、金属に代表される材料加工分野、医療分野など、様々な分野において用いられている。特に材料加工分野においては、加工時間の短縮などを目的として、レーザの高出力化がなされている。

材料加工分野において使用されるレーザの一種に、ＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）と呼ばれる構成のものが存在する。以下、ＤＤＬについて簡単に説明する。

ＤＤＬは特許文献１に記載されたような、複数のＬＤを組み合わせたモジュールを使用し、各ＬＤから放出されたそれぞれのレーザ光をレンズ等の集光部材を使用して１つのレーザ光に合成し、加工対象に直接照射する方式である。ＤＤＬを高出力化するには、使用するＬＤの個数を増やせばよい。

ＤＤＬにおいては、使用する全てのＬＤ、あるいはＬＤ群を複数のグループに分割して、各グループに属するＬＤを、電気的に直列に接続して、駆動電流を供給する構成を取ることが多い。
これは、ＬＤのレーザ出力が、ＬＤに流れる電流値に依存するためであり、各ＬＤの出力を均一にするために、各ＬＤに等しい電流を供給できる直列接続が採用される。

しかしながら、特許文献１に記載されたレーザモジュールでは、各ＬＤを直列に接続するために、奇数列と偶数列とでＬＤの極性を変えている。このため、レーザモジュールに使用する部品の管理において、極性を管理する必要がある。
レーザモジュールの高出力化のためにＬＤの個数を増やすと、この管理は煩雑になる。

加えて、極性が逆でも見た目が似ているため、レーザモジュールの組立工程において極性を確認する手間が発生すると共に、誤った極性のＬＤを使用して組立を行ってしまう恐れも存在する。

また、２種類存在するＬＤの極性の向きに対応できるよう、他の部品の設計、製造等を行う必要があり、部品点数の増加に伴う管理の煩雑さ、設計費用の増大といった問題も発生する。

特開２００７−１４２４３９号公報

本発明の課題は、使用されるＬＤの極性を統一することができ、極性の違いが存在することによって発生する上述の諸問題を解消したレーザモジュールを提供することである。

発明者は、レーザモジュールの構成を鋭意検討した結果、ヒートシンクの任意の段のマウント面の一端側に設置されたＬＤユニットの一端側に存在する電極と、該任意の段より下段側のマウント面の他端側に設置されたＬＤユニットの他端側に存在する電極とを、導電部材によって電気的に接続する構造を採用することにより、上記の問題を解決できることを見出した。

本発明のレーザモジュールは、階段状の複数のマウント面を有するヒートシンクと、該マウント面に設置された複数のＬＤユニットで構成されるレーザモジュールであって、
該ＬＤユニットは、ユニット台座上に少なくとも１つのＬＤを設けることで構成されており、
該ヒートシンクの上段側のマウント面に設置されたＬＤユニットから照射されるレーザ光が、該ヒートシンクの下段側のマウント面に設置されたＬＤユニットに遮られないように、該ＬＤユニットは該マウント面に設置されているとともに、
該ヒートシンクの任意の段のマウント面の一端側に設置されたＬＤユニットの該一端側に存在する電極と、該任意の段より下段側のマウント面の他端側に設置されたＬＤユニットの該他端側に存在する電極とが、導電部材によって電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明のレーザモジュールは、以下に示す優れた効果を有する。

・使用するＬＤ、及びＬＤユニットの極性を全て統一することができる。

・極性の管理、確認が不要になり、これらの手間を省けると共に、極性を誤ってレーザモジュールを組立てしまう恐れもなくなる。

・同一設計のＬＤユニットを使用することができるため、設計費を抑制できる共に、
同一設計品を複数生産することで、コストダウン効果を狙うことができる。

・以上の結果、ＬＤユニットの個数を増やした高出力レーザモジュールを得る際、生産性、コスト面に優れたものを得ることができる。

本発明の基本的構成である。 本発明に使用するヒートシンクの一例である。 本発明に使用するＬＤユニットの一例である。 本発明に使用するＬＤの一例である。 隣り合うＬＤユニットの接続方法である。 導電部材収容部、冷却管とＬＤの位置関係の説明図である。 本発明の実施例である。 隣り合うＬＤユニットの接続方法の具体例である。

以下、本発明のレーザモジュールの態様について図１を参照しながら述べる。図１はヒートシンク上にＬＤユニットを横２列、縦５列設けた場合の本発明である。列の数は、所望するレーザモジュール出力に応じて増減して良い。

図１において、１はヒートシンク、２はＬＤユニット、６ａ、６ｂは電極、７は導電部材である。
本発明で特徴的なことは、ヒートシンク１の任意の段のマウント面の一端側に設置されたＬＤユニット２の一端側に存在する電極６ａと、該任意の段より下段側のマウント面の他端側に設置されたＬＤユニット２の他端側に存在する電極６ｂとが、導電部材７によって電気的に接続されていることである。

ヒートシンク１の任意の段のマウント面の一端側に設置されたＬＤユニット２の一端側に存在する電極６ａと、該任意の段より下段側のマウント面の他端側に設置されたＬＤユニット２の他端側に存在する電極６ｂとを、導電部材７によって電気的に接続することにより、各ＬＤユニット２の極性を統一した状態で、直列に接続することができる。

各ＬＤユニット２の極性を統一できることで、ＬＤユニット２をヒートシンク１のマウント面に設置する際に、極性を間違えて取り付けてしまうミスを防げる。加えて、組立時に極性の向きに注意する必要も無くなるので、組立作業の生産性も向上する。また、ＬＤユニット２を極性によって分類・管理する必要もなくなるため、部品管理の面でも手間を減らすことができる。

導電部材７としては、通常は電気導体に絶縁材を被覆した電線に、接続端子を設けたものを使用すれば良い。必要に応じて金属板など、その他の導電部材を使用しても良い。導電部材がレーザモジュールを構成する他の部品と接触し、動作に影響が発生する場合は、適宜絶縁材を設けるなどして対応すれば良い。

図２は本発明に使用するヒートシンク１の一例である。
全体として階段状に形成されており、各段にはＬＤユニットを設置するマウント面が形成されている。段差は、上段側のマウント面に設置されたＬＤユニット２から照射されるレーザ光が、下段側のマウント面に設置されたＬＤユニット２に遮られない高さに設定されている。

ヒートシンク１の材料としては熱伝導性に優れた銅、アルミニウムなどの材料を使用すれば良い。

図３は本発明に使用するＬＤユニット２の一例である。ＬＤユニット２はユニット台座３上に、少なくとも１つのＬＤ５が設けられた構成を取る。
図３はＬＤ５を３つ設けた場合であり、ＬＤ台座４を介して、ＬＤ５がユニット台座３上に設けられている。ＬＤ台座４はユニット台座３と一体に成型しても、別部品として構成しても良い。また、ＬＤ５はユニット台座３に対して絶縁されている。

本発明で用いるＬＤ５の一例を図４に示す。ＬＤ５はサブマウント上にＬＤ素子と、これを駆動する電流を供給する正極、負極を設けた構成を有する。この構成は一例であり、本発明に使用されるＬＤ５は、本発明の技術的思想の範囲において他の構成を取っても良い。

ユニット台座３、ＬＤ台座４の材料としては熱伝導性に優れた銅、アルミニウムなどの材料を使用すれば良い。

ＬＤユニット２にＬＤ５が複数設けられている際、ＬＤユニット２内において、各ＬＤ５はボンディングワイヤ（図示せず）で直列に接続される。また、ＬＤユニット２には電極６が設けられ、マウント面上で隣り合うＬＤユニット２、もしくは導電部材７、あるいはＬＤを駆動する電源装置との電気的接続に利用される。また、電極６はＬＤ台座４に対して絶縁されている。

通常は、図３（ａ）に示したように、電極６をＬＤユニット２の一端側と他端側に存在するＬＤ５に隣接するように設け、ボンディングワイヤで接続すれば良いが、本発明の技術的思想の範囲において、電極６の位置、形状などといった態様を適宜変更しても良い。
例えば、図３（ｂ）に示したように、ＬＤ５が有する正極あるいは負極を、直接電極６として使用することもできる。

通常、ＬＤユニット２には、ＬＤ５から照射されるレーザ光をコリメートするコリメートレンズを設けた構成とする。
コリメートレンズとして、図３に示したように速軸方向コリメートレンズ８と遅軸方向コリメートレンズ９が設けられるのが一般的である。
レーザ光を速軸方向コリメートレンズ８と遅軸方向コリメートレンズ９とを透過させてコリメートすることで、各ＬＤユニットから照射されたレーザ光を集光レンズで１つに合成する際に、合成後のレーザ光の径が不用意に増大し、エネルギー密度が低減することを防止できる。

速軸方向コリメートレンズ８は図３（ａ）に示したように、各ＬＤ５に対して共通のレンズを設けても良いし、図３（ｂ）に示したように各ＬＤ５に対して個別のレンズを設けても良い。
遅軸方向コリメートレンズ９についても、図３では各ＬＤ５に対して個別に設けているが、各ＬＤ５に対して共通のレンズを使用しても良い。

ヒートシンク１の同じ段上のマウント面で隣り合うＬＤユニット２間の電気的接続には、図５に示したようにコンタクト１０と称する所定の形状を有する導体板を使用する。
コンタクト１０の両端を電極６にそれぞれ接続して、隣り合うＬＤユニット２を電気的に接続する。
図５（ａ）は独立した部品として電極６を設けた場合、図５（ｂ）はＬＤ５の正極、負極を電極６として使用した場合の、コンタクト１０の設け方の一例である。

コンタクト１０を用いて隣り合うＬＤユニット２を電気的に接続する際、コンタクト１０に補助コンタクト１１を設けるのが好ましい。補助コンタクトとは、コンタクト１０の電気容量を増加させる機能を有する部品のことである。

補助コンタクト１１としては、金属ブロックなど、一定の体積を有する導電性物質が利用できる。コンタクト１０と補助コンタクト１１を電気的に接触させることで、コンタクト１０の体積が増加したと見なすことができ、結果としてコンタクト１０の電気容量が増加する。

高出力のレーザモジュールを駆動する際、駆動電流も大電流となる。補助コンタクト１１を設けて電気容量を増加させることにより、大電流が安定して流れるようになり、レーザモジュールの動作が安定する。
また、大電流によって発生するコンタクト１０における発熱を抑制することもできる。

本発明に使用するヒートシンク１としては、図２に示したような、マウント面に導電部材収容部１２を設けたものを使用するのが好ましい。
ヒートシンク１に導電部材収容部１２を設けて、導電部材７の一部を、一端側電極６ａと他端側電極６ｂを接続する途中で導電部材収容部１２に収容することで、以下の効果が得られる。

導電部材７を、ＬＤユニット群の上方を跨ぐように設ける場合と比較して、高さ寸法を抑えることができるので、レーザモジュールの小型化に寄与できる。
また、不意に導電部材７の位置が変化して、レーザ光が導電部材７に照射されて損傷することも防止できる。

ヒートシンク１に導電部材収容部１２を設ける際は、図６に示したように、レーザモジュールを真上から平面視した際に、ＬＤ５と重畳しない位置に設けるのが好ましい。
レーザ照射時にＬＤ５が発熱源となるが、導電部材収容部１２をこの位置とすることで、ＬＤ５とヒートシンク１の表面との間の伝熱距離が短くなるとともに、伝熱面積を多く取ることができるので、ＬＤ５の放熱を効率よく行うことができる。

さらに、ＬＤ５の放熱を促すために、冷媒を流すための冷却管１３をヒートシンク１に形成するのが好ましい。冷媒によってヒートシンク１を冷却することにより、ＬＤ５の放熱をより効率よく行うことができる。

冷却管１３を形成する際、冷却管１３の位置は、図６に示したように、レーザモジュールを真上から平面視した際に、ＬＤ５と重畳する位置に設けるのが好ましい。
冷却管１３をこの位置とすることで、ＬＤ５と冷却管１３との間の距離が短くなり、ＬＤ５の放熱をさらに効率よく行うことができる。

ヒートシンク１に直接冷却管１３を設けることが困難な場合は、冷却管１３を設けた冷却板にヒートシンク１を設置した構造としても良い。この場合でも、冷却管１３の位置は、レーザモジュールを真上から平面視した際に、ＬＤ５と重畳する位置に設けるのが好ましい。

本発明の実施例として、図７に示す本発明のレーザモジュールを使用した、２ｋＷクラスのレーザ光を出力するレーザ装置を作成した。

ＬＤユニット２として、図３に示した、ＬＤ５を３個使用したものを使用する。
ＬＤ５は市販されている波長９１５ｎｍ、出力１２Ｗ、消費電圧１．８Ｖのものを使用し、ＬＤユニット２の１個当たりのレーザ出力を３６Ｗ、消費電圧５．４Ｖとした。

ＬＤユニット２に設けたＬＤ群の出射面の直近に、速軸方向コリメートレンズ８として第１のシリンドリカルレンズを設け、さらにユニット台座３の表面に遅軸方向コリメートレンズ９として第２のシリンドリカルレンズを設けた。
すなわち、ＬＤ５から照射されたレーザ光は速軸方向コリメートレンズ８、次いで遅軸方向コリメートレンズ９を透過して、コリメートされることになる。

ＬＤ台座４の両端に、ＬＤ５を駆動する電流を供給するための電極６を設けた。

以上のように構成したＬＤユニット２を６８個使用して、計算上２．４４８ｋＷのレーザ光を出力するレーザモジュールを構成する。ＬＤユニット２を設けるヒートシンク１として、ＬＤユニットを横４列に配置できるマウント面が階段状に１７段形成されているものを使用する。ヒートシンク１の材料は銅とした。

ヒートシンク１のマウント面の段差は、ＬＤユニット２を設けた際に、下段側に設けたＬＤユニット２が、上段側に設けたＬＤユニット２が照射するレーザ光を遮らない高さに設定する。

ヒートシンク１の最下段以外の各マウント面に、導電部材収容部１２として溝を設けた。
溝の位置は、レーザモジュールを真上から平面視した際に、ＬＤ５と重畳しない位置になるよう、各マウント面の手前寄りに設けた。

ヒートシンク１にはＬＤ５の冷却を促す冷媒を流すための冷却管１３も設けた。
冷却管１３は、レーザモジュールを真上から平面視した際に、ＬＤ５と重畳する位置になるよう、ヒートシンク１の奥から手前に向かって４本設けた。
冷却管１３は、冷媒を連続的に供給するポンプに接続される。

ヒートシンク１に設けた溝に、導電部材７として電線を収容した。ＬＤ駆動時の発熱を考慮し、電線は導体に耐熱性の高いシリコーンゴムを被覆したものを使用した。また、電線の両端には電極６との接続に使用する端子を設けた。

電線を溝に収容した後、マウント面にＬＤユニット２を固定した。
マウント面へのＬＤユニット２の固定には、予めマウント面にネジ穴、ユニット台座３に固定ネジが通る貫通孔を（共に図示せず）を設けておき、ネジ固定を使用した。

隣り合うＬＤユニット２を、銅板を所定の形状に加工したコンタクト１０で電気的に接続し、補助コンタクト１１として、銅のブロック材を、電気的に接触するよう各コンタクト１０上に固定した。

実施例に用いたコンタクト１０と補助コンタクト１１の具体的な固定方法を図８に示す。
なお、この固定方法は図７には図示していない。
予めマウント面（ヒートシンク１）にネジ穴、コンタクト１０と補助コンタクト１１には固定ネジが通る貫通孔を設けておき、ネジ固定によって固定した。なお、固定ネジとの短絡を防ぐため、貫通孔には絶縁処理が施される。

コンタクト１０とヒートシンク１が予期せぬ異物などによって短絡してしまうことを防ぐために、コンタクト１０とヒートシンク１の間には絶縁体としてセラミック製のリングを設けた。
また、固定ネジの頭と補助コンタクト１１との短絡を防ぐため、両者の間にも絶縁体としてセラミック製のリングを設けた。

図８に示したコンタクト１０と補助コンタクト１１の固定方法は一例であり、その他の固定方法を用いても良い。

コンタクト１０、補助コンタクト１１の固定が完了したら、図７に示したように、マウント面のＡ端側に設置したＬＤユニット２のＡ端側の電極６に、そのＬＤユニット２が設置されたマウント面の溝に収容された電線の端子を接続し、１つ下段のマウント面のＢ端側に設置したＬＤユニット２のＢ端側の電極に、１つ上段のマウント面の溝に収容された電線の端子を接続して、各段に設置されたＬＤユニット２を電気的に直列に接続した。

ＬＤユニット２を駆動する電源装置（図７では図示せず）には電圧２００Ｖのものを２台使用し、それぞれを上段側９段分のマウント面に設置されたＬＤユニット群と、下段側８段分のマウント面に設置されたＬＤユニット群に接続し、上段側と下段側とで別の電気系統となるように構成し、レーザモジュールを完成させた。

上段側と下段側とで電気系統を分けた理由は、使用する全てのＬＤユニット２を直列に接続すると消費電圧が３６７．２Ｖとなり、２００Ｖの電源装置では電圧が不十分となるからである。
電源装置の電圧を上げて、全てのＬＤユニット２を直列に接続した態様も考えられるが、実施例では電源装置の取扱いの容易さを考慮して、２００Ｖの電源装置を２台使用する態様を取った。

以上のようにして完成したレーザモジュールを、集光レンズを備えた筐体に収容し、ＬＤユニット群から照射された各レーザ光が集光レンズによって１点に集光されるよう構成して、レーザ装置を完成させた。

冷却管１３に冷媒として水を流しながらレーザ装置を駆動させ、装置から出射されたレーザ光の出力を計測し、２．２ｋＷの出力が得られることを確認した。計算上は２．４４８ｋＷの出力であるが、レンズの透過時に出力の一部が吸収されることなど、実使用環境における出力のロスなどを考慮すると、２ｋＷクラスのレーザ光を出力するレーザ装置として必要十分な出力を得ることができたと言える。

加えて、レーザ装置の駆動中、ＬＤ５及びレーザモジュールが過度に発熱することなく、動作・出力が安定していることも確認できた。

以上の通り、本発明によって生産性に優れると共に、必要十分な性能を有するレーザモジュールを得ることができた。

本発明のレーザモジュールは材料加工用のレーザ装置をはじめ、複数のＬＤユニットを階段状に並べた構成が必要となる各種のレーザ装置に利用できる。
また、以上の文中ではヒートシンクの各段のマウント面上に複数のＬＤユニットを設置する場合について述べたが、各段のマウント面上に設置するＬＤユニットが１つの場合でも本発明を適用することができる。

１ ヒートシンク
２ ＬＤユニット
３ ユニット台座
４ ＬＤ台座
５ ＬＤ（レーザダイオード）
６ 電極
６ａ 一端側の電極
６ｂ 他端側の電極
７ 導電部材
８ 速軸コリメートレンズ
９ 遅軸コリメートレンズ
１０ コンタクト
１１ 補助コンタクト
１２ 導電部材収容部
１３ 冷却管

Claims (6)

1. 階段状の複数のマウント面を有するヒートシンクと、該マウント面に設置された複数のレーザダイオード（ＬＤ）ユニットで構成されるレーザモジュールであって、
   該ＬＤユニットは、ユニット台座上に少なくとも１つのＬＤを設けることで構成されており、
   該ヒートシンクの上段側のマウント面に設置されたＬＤユニットから照射されるレーザ光が、該ヒートシンクの下段側のマウント面に設置されたＬＤユニットに遮られないように、該ＬＤユニットは該マウント面に設置されているとともに、
   該ヒートシンクの任意の段のマウント面の一端側に設置されたＬＤユニットの該一端側に存在する電極と、該任意の段より下段側のマウント面の他端側に設置されたＬＤユニットの該他端側に存在する電極とが、導電部材によって電気的に接続されていることを特徴とするレーザモジュール。
2. 該ヒートシンクのマウント面に導電部材収容部が設けられており、該導電部材の一部は、
   該一端側に存在する電極と該他端側に存在する電極を接続する途中で、該導電部材収容部に収容されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 該導電部材収容部は、該レーザモジュールを真上から平面視した際に、該レーザダイオードと重畳しない位置に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載のレーザモジュール。
4. 冷媒を流すための冷却管が、該ヒートシンクに形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
5. 冷媒を流すための冷却管が形成された冷却板上に、該ヒートシンクが設置されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
6. 該冷却管は、該レーザモジュールを真上から平面視した際に、該レーザダイオードと重畳する位置に設けられていることを特徴とする、請求項４または５に記載のレーザモジュール。

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