JP2017045936A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体レーザ装置における各種部材、特に、波長変換部の位置ずれを最小限にとどめ、確実に固定された半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】基部１１と、半導体レーザ素子１２と、基部１１の上方に設けられ、その上方に設けられた凹部の底に貫通孔を有する蓋部１３と、凹部に配置され、蓋部１３の貫通孔の上方に、蓋部１３の貫通孔よりも径が小さい貫通孔を有し、蓋部１３と異なる熱膨張係数を有する保持部１４と、保持部１４の貫通孔に保持された波長変換部１５と、蓋部１３に固定され、保持部１４の上面を押さえる押え部１６とを有し、凹部の側面は、保持部１４の側面と離間し、凹部の側面と保持部１４の側面との間の少なくとも一部には緩衝材１７が配置されている。【選択図】図１Ａ
Description
本発明は、半導体レーザ装置に関する。
従来から、半導体レーザ素子と、波長変換部とを組み合わせた半導体レーザ装置が提案されており、波長変換部は、半導体レーザ素子の上方に配置されている。特許文献１では、波長変換部が落下しないようにするために、波長変換部は係止部材によってパッケージに押圧した状態で固定されている。
しかし、従来の半導体レーザ装置は、各部材の材料に起因する熱膨張率の差異によって、保持部の位置ずれが生じるおそれがある。そこで、本発明は、保持部の位置ずれを抑えることを課題とする。
本発明の一実施形態の半導体レーザ装置は、
基部と、
前記基部の上方に設けられた半導体レーザ素子と、
前記基部の上方に設けられ、前記半導体レーザ素子を収容し、上方に設けられた凹部の底に貫通孔を有する蓋部と、
前記凹部に配置され、前記蓋部の貫通孔の上方に前記蓋部の貫通孔よりも径が小さい貫通孔を有し、前記蓋部と異なる熱膨張係数を有する保持部と、
前記保持部の貫通孔に保持された波長変換部と、
前記蓋部に固定され、前記保持部の上面を押さえる押え部とを有し、
前記凹部の側面と前記保持部の側面とは離間しており、
前記凹部の側面と前記保持部の側面との間の少なくとも一部に緩衝材が配置されていることを特徴とする。
基部と、
前記基部の上方に設けられた半導体レーザ素子と、
前記基部の上方に設けられ、前記半導体レーザ素子を収容し、上方に設けられた凹部の底に貫通孔を有する蓋部と、
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前記凹部の側面と前記保持部の側面とは離間しており、
前記凹部の側面と前記保持部の側面との間の少なくとも一部に緩衝材が配置されていることを特徴とする。
本発明の一実施形態の半導体レーザ装置によれば、保持部の位置ずれを抑え、半導体レーザ素子からの光を確実に波長変換部に照射することができる。
以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する半導体レーザ装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態において説明する内容は、他の実施の形態にも適用可能である。
各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
実施形態１
この実施形態の半導体レーザ装置１０は、図１Ａ〜図１Ｄに示すように、
基部１１と、
基部１１の上方に設けられた半導体レーザ素子１２と、
基部１１の上方に設けられ、半導体レーザ素子１２を収容し、上方に設けられた凹部１３Ｄの底に貫通孔１３Ｃを有する蓋部１３と、
凹部１３Ｄに配置され、蓋部１３の貫通孔１３Ｃの上方に、蓋部１３の貫通孔１３Ｃよりも径が小さい貫通孔１４Ｃを有し、蓋部１３と異なる熱膨張係数を有する保持部１４と、
保持部１４の貫通孔１４Ｃに保持された波長変換部１５と、
蓋部１３に固定され、保持部１４の上面を押さえる押え部１６とを有する。
凹部１３Ｄの側面は、保持部１４の側面と離間している。また、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との間の少なくとも一部には、緩衝材１７が配置されている。
この実施形態の半導体レーザ装置１０は、図１Ａ〜図１Ｄに示すように、
基部１１と、
基部１１の上方に設けられた半導体レーザ素子１２と、
基部１１の上方に設けられ、半導体レーザ素子１２を収容し、上方に設けられた凹部１３Ｄの底に貫通孔１３Ｃを有する蓋部１３と、
凹部１３Ｄに配置され、蓋部１３の貫通孔１３Ｃの上方に、蓋部１３の貫通孔１３Ｃよりも径が小さい貫通孔１４Ｃを有し、蓋部１３と異なる熱膨張係数を有する保持部１４と、
保持部１４の貫通孔１４Ｃに保持された波長変換部１５と、
蓋部１３に固定され、保持部１４の上面を押さえる押え部１６とを有する。
凹部１３Ｄの側面は、保持部１４の側面と離間している。また、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との間の少なくとも一部には、緩衝材１７が配置されている。
近年、半導体レーザ装置では、高強度の光を出射するために、各種放熱対策が取られている。特に、直接レーザ光が照射され、発熱する波長変換部は、放熱性が良好な保持部で取り囲み、放熱性を向上させる必要がある。このとき、波長変換部を保持する保持部は波長変換部からの熱引きに加えて光の取出しを考慮して材料を選択する必要がある。これに対して、保持部が固定される蓋部は光の取出しを考慮する必要がないため、保持部と蓋部とは異なる材料により形成されることがある。この場合に、蓋部及び保持部の物質固有の熱膨張率の差異を考慮して、凹部の側面と保持部の側面とに隙間を設ける必要がある。このような保持部は、半導体レーザ装置の製造時には押え部によって蓋部に設けられた凹部に固定されているものの、半導体レーザ装置の駆動状況等に応じて、保持部及び蓋部が膨張及び収縮を繰り返すことにより、保持部の位置ずれ（図１Ａの左右方向へのずれ）が生じる場合がある。これにより、半導体レーザ素子からの光が波長変換部に入射されないおそれがある。
そこで、本実施形態においては、蓋部に設けられた凹部の側面と保持部の側面との間の少なくとも一部に、緩衝材を配置している。これにより、保持部の位置ずれを抑制することができるため、半導体レーザ素子からの光を波長変換部に確実に照射することができる。また、半導体レーザ装置の駆動、使用環境等による各種部材の熱膨張／収縮を十分に緩和して、蓋部や保持部の破損を抑制することができる。特に、近年の半導体レーザ装置の車載用の用途に起因して、より高出力が求められ、それに伴う駆動状況により波長変換部で発生する熱に対しても、保持部の位置ずれを抑えることができる。
〔蓋部１３〕
蓋部１３は、図１Ａに示すように、半導体レーザ装置１０において、後述する基部１１の上方に設けられている。
発振ピーク波長が３２０〜５３０ｎｍの範囲にある短波長の半導体材料を用いた半導体レーザ素子では、エネルギーが高く光密度が高いため、有機物を集塵させやすい。このため、通常、半導体レーザ素子を取り囲み、レーザ装置内の気密性を高め、防塵性を高めている。本実施形態では、蓋部１３は、半導体レーザ素子１２を囲む第１蓋部１３Ａと、第１蓋部１３Ａ上に配置される第２蓋部１３Ｂとからなるが、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとは、一体で形成されていてもよい。本実施形態では、図１Ａに示すように、第２蓋部１３Ｂが第１蓋部１３Ａの所定位置に固定されて、両者が一体化されている。本実施形態のように、蓋部１３を別体で形成して一体化することで、貫通孔１４Ｃと半導体レーザ素子１２からのレーザ光の焦点との位置合わせを行いながら蓋部１３を形成することができるため、レーザ光を確実に波長変換部１５に入射させることができる。
蓋部１３は、図１Ａに示すように、半導体レーザ装置１０において、後述する基部１１の上方に設けられている。
発振ピーク波長が３２０〜５３０ｎｍの範囲にある短波長の半導体材料を用いた半導体レーザ素子では、エネルギーが高く光密度が高いため、有機物を集塵させやすい。このため、通常、半導体レーザ素子を取り囲み、レーザ装置内の気密性を高め、防塵性を高めている。本実施形態では、蓋部１３は、半導体レーザ素子１２を囲む第１蓋部１３Ａと、第１蓋部１３Ａ上に配置される第２蓋部１３Ｂとからなるが、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとは、一体で形成されていてもよい。本実施形態では、図１Ａに示すように、第２蓋部１３Ｂが第１蓋部１３Ａの所定位置に固定されて、両者が一体化されている。本実施形態のように、蓋部１３を別体で形成して一体化することで、貫通孔１４Ｃと半導体レーザ素子１２からのレーザ光の焦点との位置合わせを行いながら蓋部１３を形成することができるため、レーザ光を確実に波長変換部１５に入射させることができる。
蓋部１３は、図１Ａに示すように、半導体レーザ素子１２から出射される光を通過させるための貫通孔１３Ｃを備える。貫通孔１３Ｃは、蓋部１３のほぼ中央に形成された凹部１３Ｄの底に配置されている。本実施形態では、第２蓋部１３Ｂに凹部１３Ｄが設けられている。
貫通孔１３Ｃは、凹部１３Ｄのほぼ中央に配置されている。貫通孔１３Ｃの大きさは、例えば、０．２ｍｍ〜３．５ｍｍが挙げられる。貫通孔１３Ｃは、第１蓋部の厚み方向において一定の径であってもよいし、下方から上方に向かって狭まる形状でもよい。本実施形態では、下方から上方に向かって狭まる形状としている。これにより、レーザ光を遮ることなく蓋部１３と保持部１４との接続面積を確保することができるため、波長変換部１５で生じる熱を蓋部１３に放散しやすくなる。
貫通孔１３Ｃは、凹部１３Ｄのほぼ中央に配置されている。貫通孔１３Ｃの大きさは、例えば、０．２ｍｍ〜３．５ｍｍが挙げられる。貫通孔１３Ｃは、第１蓋部の厚み方向において一定の径であってもよいし、下方から上方に向かって狭まる形状でもよい。本実施形態では、下方から上方に向かって狭まる形状としている。これにより、レーザ光を遮ることなく蓋部１３と保持部１４との接続面積を確保することができるため、波長変換部１５で生じる熱を蓋部１３に放散しやすくなる。
蓋部１３の材料は、特に限定されないが、金属からなるものが好ましく、例えば、後述する基部１１に対する固定、特に、溶接が可能な材料を用いるのが好ましい。例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｆｅからなる群より選択される一種を含んで構成することができる。なかでもＦｅを主成分とする材料からなるのが好ましく、ステンレス鋼、コバール、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ等からなるものがより好ましい。本願において溶接とは、２つの部材の接合部分が連続性を有して一体化されていることを意味する。
第１蓋部１３Ａは、第２蓋部１３Ｂと同じ材料によって形成されていてもよいし、異なる材料によって形成されていてもよい。好ましくは、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとは鉄を主成分とする材料により形成する。こうすることで、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとを確実に固定することができる。
第１蓋部１３Ａは、第２蓋部１３Ｂと同じ材料によって形成されていてもよいし、異なる材料によって形成されていてもよい。好ましくは、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとは鉄を主成分とする材料により形成する。こうすることで、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとを確実に固定することができる。
蓋部１３の形状は、例えば、有底の筒型（円柱又は多角形柱等）、錐台型（円錐台又は多角形錐台等）又はドーム型及びこれらの変形形状が挙げられる。第２蓋部１３Ｂの下面１３Ｅ（図１Ｃ参照）及び第１蓋部１３Ａの上面１３Ｆ（図１Ａ参照）は、半導体レーザ装置において水平面を構成するように平坦面であることが好ましく、特に、後述する基部１１に対して平行であることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１２からの光と、波長変換部１５との位置合わせが容易になる。
凹部１３Ｄの側面は、凹部１３Ｄの底面と垂直であってもよいが、下方から上方に向かって広がるように傾斜しているのが好ましく、下方から上方に向かって広がるように階段状に設けられていることがさらに好ましい。本実施形態では、凹部１３Ｄの側面は、下方から上方に向かって広がるように階段状に設けられている。つまり、凹部１３Ｄの側面は、蓋部１３の上面（本実施形態では第２蓋部１３Ｂの上面）と凹部の底面との間に中間面を備え、凹部１３Ｄにおいて中間面よりも下方の内径が中間面よりも上方の内径よりも小さくなっている。この階段状の側面によって、緩衝材を凹部１３Ｄから外に出るのを抑制しやすくなる。階段状の段差を構成する側面（中間面よりも下方の側面及び中間面よりも上方の側面）は、例えば、底面に対して垂直であってもよいし、下方から上方に向かって広がるような傾斜を有していてもよい。また、階段状の段差を構成する側面間の面（中間面）は、底面に対して平行な平坦面とすることができる。階段状の角部は面取り等されていてもよい。
上述した波長変換部１５で発生する熱による蓋部１３及び保持部１４の熱膨張／収縮を考慮して、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面とは離間し、両者間に隙間が存在する。隙間Ｄ（図１Ｄ参照）は、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは１５μｍ以上とすることができる。これにより、蓋部１３と保持部１４とが膨張しても蓋部１３又は保持部１４が破損するのを抑えることができる。隙間Ｄは、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下とすることができる。これにより、凹部１３Ｄが必要以上に大きくなることで半導体レーザ装置が大きくなるのを防止することができる。ここでいう隙間Ｄとは、保持部１４の側面と凹部１３Ｄの側面との最短距離を指す。
凹部１３Ｄの側面の段差が２以上存在する場合には、保持部１４が収容される段差によってかこまれる領域は、最下部でもよいし（図１Ｃ参照）、中間部でもよい。本実施形態では、図１Ｃに示すように、保持部１４は最下部に配置され、保持部１４の下面と凹部１３Ｄの底面とが接続されている。これにより、保持部１４と蓋部１３との接続面積を確保することができるため、保持部１４から蓋部１３に放熱しやすくなる。
凹部１３Ｄの側面の段差が２以上存在する場合には、保持部１４が収容される段差によってかこまれる領域は、最下部でもよいし（図１Ｃ参照）、中間部でもよい。本実施形態では、図１Ｃに示すように、保持部１４は最下部に配置され、保持部１４の下面と凹部１３Ｄの底面とが接続されている。これにより、保持部１４と蓋部１３との接続面積を確保することができるため、保持部１４から蓋部１３に放熱しやすくなる。
凹部１３Ｄの底面は、略平坦であってもよいが、本実施形態では、図１Ｄに示すように、貫通孔１３Ｃの近傍において一部に溝１８が配置されている。この溝１８によって、後述する保持部１４との間に配置する緩衝材１７が、貫通孔１３Ｃにまで到達することを防止することができる。溝１８は、上面視において、複数に分断されていてもよいし、貫通孔１３Ｃの外周を取り囲むように全周にわたって繋がっていてもよい。本実施形態では、溝１８を全周にわたって繋がるように設けている。これにより、緩衝材１７が貫通孔１３Ｃにまで到達するのを確実に防止することができる。
第２蓋部１３Ｂは、その外側面において、段差１３Ｇ（図１Ｄ参照）を有することが好ましい。この段差１３Ｇにおいて、第２蓋部１３Ｂを第１蓋部１３Ａに固定することができる。本実施形態では、溶接により第１蓋部１３Ａに第２蓋部１３Ｂを固定している。段差１３Ｇは、第１蓋部１３Ａの外周近傍まで設けられているのが好ましい。これにより、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとの接続面積を確保することができるため波長変換部１５で生じる熱を放出しやすくなる。また、第１蓋部１３Ａと第２蓋部１３Ｂとの溶接が容易になる。
蓋部１３には、半導体レーザ素子１２と保持部１４との間に、例えば、レーザ光を集光させることのできるレンズ２０などの部材を設けてもよい。こうすることで、半導体レーザ素子１２からの光を貫通孔１３Ｃに入射させやすくなる。本実施形態では、第１蓋部１３の内側に第３蓋部を形成し、第３蓋部にレンズ２０を設けている。半導体レーザ素子１２が設けられている領域（第３蓋部の内部）は、第３蓋部、レンズ２０、及び基部１１により気密封止されている。なお、第１蓋部１３Ａにレンズ２０を設け、第１蓋部１３Ａ、レンズ２０、及び基部１１により気密封止してもよい。
〔保持部１４〕
保持部１４は、波長変換部１５を保持するための部材である。
保持部１４は、図１Ａ及び１Ｃに示すように、凹部１３Ｄに配置されている。貫通孔１３Ｃの上方において、貫通孔１３Ｃよりも径が小さい貫通孔１４Ｃを有する。
保持部１４は、波長変換部１５を保持するための部材である。
保持部１４は、図１Ａ及び１Ｃに示すように、凹部１３Ｄに配置されている。貫通孔１３Ｃの上方において、貫通孔１３Ｃよりも径が小さい貫通孔１４Ｃを有する。
保持部１４は、蓋部１３、特に、第２蓋部１３Ｂと異なる熱膨張係数を有する材料によって形成されている。保持部１４としては、セラミックス、金属、又はセラミックス及び金属の複合体などが挙げられ、好ましくはセラミックスを用いる。一般的に、セラミックスは熱伝導率が良好で、熱による膨張／収縮が小さいためである。また、蓋部１３が金属からなり、保持部１４がセラミックスからなる場合は、蓋部１３の熱膨張により保持部１４が破損するおそれが強くなり、保持部１４と蓋部１３との隙間の必要性が高くなるため、本実施形態による位置ずれ抑制の効果がより顕著となる。
セラミックスとしては、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ダイヤモンド、サーメット等を用いることができる。また、金属としては、タングステン、タンタル、モリブデン、コバール等の高融点金属などが挙げられる。なかでも、高熱伝導率で反射率の高い酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを含む材料により形成されたものが好ましい。
セラミックスとしては、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ダイヤモンド、サーメット等を用いることができる。また、金属としては、タングステン、タンタル、モリブデン、コバール等の高融点金属などが挙げられる。なかでも、高熱伝導率で反射率の高い酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを含む材料により形成されたものが好ましい。
保持部１４は、光を吸収しにくい、反射性の材料からなることが好ましい。ここで反射性とは、波長変換部１５からの光を好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上、さらに好ましくは８０％以上反射する材料である。また、保持部１４は、熱伝導性が良好な材料からなることが好ましい。ここで、熱伝導率が良好とは、熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ以上のものが好ましく、１０Ｗ／ｍ・ｋ以上、２５Ｗ／ｍ・ｋ以上がより好ましい。保持部１４は、耐熱性の良好な材料からなることが好ましい。ここで、耐熱性が良好とは、融点が数百℃以上のものが好ましく、１０００℃以上がより好ましい。
保持部１４の形状は、上述した貫通孔１４Ｃを備えるものであれば、例えば、平板状であってもよいし、凸部を有する板状であってもよいし、筐体形状、蓋部形状等、種々の形状とすることができる。
保持部１４の大きさ及び厚みは、使用目的、意図する作用／効果によって、適宜設定することができる。なかでも、強度を考慮すると、０．２０ｍｍ程度以上の厚みを有することが好ましく、半導体レーザ装置の小型化を考慮すると、２ｍｍ程度以下の厚みを有することが好ましい。
保持部１４の大きさ及び厚みは、使用目的、意図する作用／効果によって、適宜設定することができる。なかでも、強度を考慮すると、０．２０ｍｍ程度以上の厚みを有することが好ましく、半導体レーザ装置の小型化を考慮すると、２ｍｍ程度以下の厚みを有することが好ましい。
貫通孔１４Ｃは、上面視が円形、楕円形、三角形及び四角形等の多角形であってもよいが、特に円形又は略円形が好ましい。用いる光源からの光の形状に一致させるためである。本実施形態では、貫通孔１４Ｃの開口形状は円形である。保持部１４における貫通孔１４Ｃの形状は、柱状、錐形状又はこれらを組み合わせた形状であるものが好ましい。
貫通孔１４Ｃの大きさは、特に限定されず、例えば、半導体レーザ素子１２から出射される光を１本以上通過させる大きさであればよい。具体的には、半導体レーザ素子１２の種類にもよるが、直径又は幅が０．１０〜６．５ｍｍの範囲とすることが好ましい。
貫通孔１４Ｃの形状は、保持部１４の厚み方向において同じであってもよいし、下方から上方に向かって広がる形状でもよいし、これらを組み合わせた形状でもよい。好ましくは、下方から上方に向かって広がる形状とする。つまり、保持部１４の内側面が下方から上方に向かって広がっている。こうすることで、波長変換部１５から保持部１４の内側面に向かう光を上方へ反射させて取り出すことができる。よって、光の取出し効率を向上させることができる。貫通孔１４Ｃが下方から上方に向かって広がる形状であり、かつ開口形状が円である場合は、直径が０．１ｍｍ以上が好ましく、０．１５ｍｍ以上がより好ましく、１ｍｍ以下が好ましく、０．７ｍｍ以下がより好ましい。直径が０．１ｍｍ以上の場合には、半導体レーザ素子１２からの光を確実に貫通孔１４Ｃ内に入射させることができる。直径が１ｍｍ以下の場合には、貫通孔１４Ｃの上方（光出射側）における開口の大きさが大きくなることにより、半導体レーザ装置の輝度が低下するのを抑えることができる。貫通孔１４Ｃの広がりは、傾斜的又は段階的のいずれでもよい。貫通孔１４Ｃの大きさとは、保持部１４の内側面により規定される孔の大きさを指す。
本実施形態では、図１Ａに示すように、貫通孔１４Ｃは、保持部１４の厚み方向で拡がる、つまり上方に広がる形状である。ここでは、貫通孔１４Ｃにおける下方の開口形状は円であり、その直径は０．２０ｍｍである。また、貫通孔１４Ｃにおける上方の開口形状も円であり、その直径は、０．６５ｍｍである。貫通孔の長さは、保持部１４の厚みと等しい。このような形状とすることにより、波長変換部１５に入射した光の戻り光を保持部１４の内側面によって反射させて、光出射側に効率的に取り出すことができる。
保持部１４の貫通孔１４Ｃ内には、反射膜が形成されていてもよい。反射膜として、保持部１４の内側面に波長変換された光を反射する波長選択性の膜又は金属膜を設けるのが好ましい。これにより、保持部１４の内側面に向かう光を反射させて取り出すことができる。
〔押え部１６〕
押え部１６は、保持部１４の上面を押さえるための部材であり、蓋部１３に固定されている。本実施形態では、図１Ｃに示すように、押え部１６は、蓋部１３の外側面と接触して固定される部位１６Ｂと、蓋部１３の外側面から、保持部１４の上面上にまで延長して、保持部１４の外周における上面を押える部位１６Ａとを有する。固定される部位１６Ｂは、筒状であり、蓋部１３の外側面を取り囲む。上面を押える部位１６Ａは、固定される部位１６Ｂから、複数個所にわたって、保持部１４の上面に延長する鉤状であってもよいが、保持部１４の外周の上面の全部を押える筒状であるものが好ましい。これによって、保持部を安定して固定することができる。
押え部１６は、保持部１４の上面を押さえるための部材であり、蓋部１３に固定されている。本実施形態では、図１Ｃに示すように、押え部１６は、蓋部１３の外側面と接触して固定される部位１６Ｂと、蓋部１３の外側面から、保持部１４の上面上にまで延長して、保持部１４の外周における上面を押える部位１６Ａとを有する。固定される部位１６Ｂは、筒状であり、蓋部１３の外側面を取り囲む。上面を押える部位１６Ａは、固定される部位１６Ｂから、複数個所にわたって、保持部１４の上面に延長する鉤状であってもよいが、保持部１４の外周の上面の全部を押える筒状であるものが好ましい。これによって、保持部を安定して固定することができる。
上面を押える部位１６Ａの保持部１４の外縁からの長さは、保持部１４における外縁から貫通孔１４Ｃまでの長さよりも短ければよく、例えば、保持部１４の全幅又は長さの１／５〜１／４０程度が挙げられる。前述の範囲以上とすることで、押え部１６により保持部１４を押圧しやすくなる。また、前述の範囲以下とすることで固定される部位１６Ｂから上面を押える部位１６Ａまでの距離を短くすることができるため、押え部１６が保持部１４によって押し上げられるのを抑制することができる。
押え部１６は、例えば、上述した蓋部１３で例示した材料と同様の材料によって形成することができ、好ましくは鉄を主成分とする材料により形成する。それにより、蓋部１３と押え部１６との固定に溶接を用いることができ、蓋部１３と押え部１６とを確実に固定することができる。
押え部１６は、溶接又は半田付けによって蓋部１３に固定することができる。本実施形態では、溶接によって両者を固定している。溶接により、両者の接合部分が連続性を有して一体化されるので、両者を強固に固定することができる。なお、接着剤を用いて蓋部１３に保持部１４を固定することもできるが、その場合は熱によって両者が伸縮することにより蓋部１３から保持部１４が外れる場合がある。しかし、押え部１６を用いれば、押え部１６が蓋部１３から外れない限り、蓋部１３から保持部１４が外れることはない。
〔緩衝材１７〕
緩衝材１７は、蓋部１３の凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との間の少なくとも一部に配置されている。つまり、緩衝材１７は、上面視において、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との少なくとも一部を埋めるように配置されている。緩衝材１７は、蓋部１３と保持部１４とが膨張及び収縮を繰り返すことにより起こる保持部１４の位置ずれ等を抑制するために機能させる部材である。
緩衝材１７は、蓋部１３の凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との間の少なくとも一部に配置されている。つまり、緩衝材１７は、上面視において、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との少なくとも一部を埋めるように配置されている。緩衝材１７は、蓋部１３と保持部１４とが膨張及び収縮を繰り返すことにより起こる保持部１４の位置ずれ等を抑制するために機能させる部材である。
緩衝材１７は、蓋部１３及び保持部１４よりもヤング率の小さい材料からなることが好ましい。つまり、緩衝材１７は、蓋部１３及び保持部１４よりも柔らかい材料からなることが好ましい。例えば、ヤング率が１５０ＧＰａ以下のものが挙げられる。それにより、蓋部１３及び保持部１４が膨張及び収縮を繰り返しても、緩衝材１７が変形するため、緩衝材１７自体の破損を抑制することができるとともに、保持部１４の位置ずれを抑制することができる。
緩衝材１７としては、例えば樹脂又は共晶はんだを用いることができ、好ましくは樹脂を用いる。樹脂としては、例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂を用いることができ、好ましくはシリコーン系樹脂を用いる。
本実施形態では、基部１１に溶接することを考慮して金属からなる蓋部１３を用い、波長変換部１５からの放熱性を考慮してセラミックスからなる保持部１４を用い、シリコーン系樹脂からなる緩衝材１７を用いている。蓋部１３が金属からなり保持部１４がセラミックスからなる場合は、両者の熱膨張率差が大きいため、保持部１４の位置ずれが大きくなるが、本実施形態のように入手が容易でヤング率の小さいシリコーン樹脂を緩衝材１７として用いることで保持部１４の位置ずれを抑制することができる。
緩衝材１７は、上面視において、例えば、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との隙間の全部、つまり、凹部１３Ｄの全周にわたって配置（図２参照）されていてもよいが、図１Ｂに示したように、複数の箇所に設けられていることが好ましい。複数の箇所に設けられることにより、貫通孔１３Ｃ内に緩衝材１７が入るのを抑制しやすくなる。また、保持部１４と凹部１３Ｄの底面とに隙間がないかどうかを確認しやすくなる。保持部１４と凹部１３Ｄの底面とに隙間があると保持部１４と凹部１３Ｄの底面との接続面積が減るため放熱性が低下する。このため、保持部１４と凹部１３Ｄとの確実な接続を確認することが好ましい。接続の確認は、例えば、保持部１４の下方から空気を吸引し、空気が吸引又は検出されなければ接続されていると判断できる。しかし緩衝材１７が全周に配置されている場合、緩衝材１７により空気の流れが遮断されるため、結果として空気が検出されず、保持部１４と凹部１３Ｄとに隙間が存在しても、接続と判断されることがある。これに対し、緩衝材１７を複数の箇所に配置することにより、緩衝材１７により空気の流れが遮られることがないため、保持部１４と凹部１３Ｄの底面とが接続されているかどうかを確実に判断することができる。
緩衝材１７は、３か所以上に設けられているのが好ましく、本実施形態では６か所に設けられている。このとき、隣り合う緩衝材１７間の距離がほぼ同等になるように緩衝材１７を配置することが好ましい。これにより、保持部１４の位置ずれによる波長変換部１５の位置ずれを容易に防止することができる。
また、緩衝材１７は、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との間の隙間の高さ方向の全部に配置されていてもよいし、高さ方向の一部にのみ配置されていてもよい。特に、下方に配置されていることが好ましい。
緩衝材１７は、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との隙間に配置する限り、凹部１３Ｄの底面と保持部１４の下面との間にも配置されていてもよい。これによって、押え部１６による押圧と相まって、各部材による熱膨張／収縮を緩衝材１７で吸収することができる。
また、緩衝材１７は、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との間の隙間の高さ方向の全部に配置されていてもよいし、高さ方向の一部にのみ配置されていてもよい。特に、下方に配置されていることが好ましい。
緩衝材１７は、凹部１３Ｄの側面と保持部１４の側面との隙間に配置する限り、凹部１３Ｄの底面と保持部１４の下面との間にも配置されていてもよい。これによって、押え部１６による押圧と相まって、各部材による熱膨張／収縮を緩衝材１７で吸収することができる。
本実施形態によれば、蓋部１３と保持部１４との間にこのような緩衝材１７が配置され、保持部１４の上面が押え部１６により確実に押えられている。これにより、半導体レーザ装置の駆動、使用環境等による熱サイクルが負荷される場合であっても、また、蓋部１３と保持部１４等とが異なる材料によって形成されている場合であっても、その物質固有の熱膨張率の差異に起因する、例えば、横方向の位置ずれを、緩衝材１７によって抑制することができる。さらに、縦方向の位置ずれを押え部１６によって抑制することができる。
〔波長変換部１５〕
波長変換部１５は、保持部１４の貫通孔１４Ｃ内に配置されている。波長変換部１５は、透光性の母材に蛍光体を分散させたものによって形成してもよい。また、蛍光体を焼結して形成してもよい。蛍光体を焼結して形成する場合は、蛍光体だけを焼結してもよいし、蛍光体と焼結助剤との混合物を焼結してもよい。透光性の母材及び焼結助剤は、無機材料が好ましい。放熱性、耐光性、及び耐熱性を考慮して、透光性の母材としては、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス等を用いることができる。焼結助剤としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン等を用いることができる。
波長変換部１５は、保持部１４の貫通孔１４Ｃ内に配置されている。波長変換部１５は、透光性の母材に蛍光体を分散させたものによって形成してもよい。また、蛍光体を焼結して形成してもよい。蛍光体を焼結して形成する場合は、蛍光体だけを焼結してもよいし、蛍光体と焼結助剤との混合物を焼結してもよい。透光性の母材及び焼結助剤は、無機材料が好ましい。放熱性、耐光性、及び耐熱性を考慮して、透光性の母材としては、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス等を用いることができる。焼結助剤としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン等を用いることができる。
蛍光体としては、半導体レーザ素子１２からのレーザ光を吸収して、異なる波長の光に波長変換するものが選択される。用いる光源の出射光の波長、得ようとする光の色などを考慮して、公知のもののいずれをも用いることができる。例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）、ユウロピウムで賦活されたシリケート（（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４）、αサイアロン蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体（Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ）などが挙げられる。なかでも、耐熱性を有する蛍光体を用いることが好ましい。
波長変換部１５の厚みは、例えば、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度が挙げられ、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好ましい。波長変換部１５は、単層構造でもよいし、同じ又は異なる組成の材料の積層構造であってもよい。本実施形態では、白色発光の半導体レーザ装置を得るために、半導体レーザ素子１２として青色発光の半導体レーザ素子を用い、波長変換部１５としてセリウムで賦活されたＹＡＧと酸化アルミニウムとの焼結体上に、赤色発光の蛍光体を含有したガラスを積層したもの用いている。これにより、演色性に優れた白色光を得ることができる。波長変換部１５の上面は、保持部１４の上面と略一致することが好ましい。これにより、波長変換部１５から側方に光が広がらなくなるため、高輝度の半導体レーザ装置とすることができる。
保持部１４の貫通孔内において、波長変換部１５の上面又は下面の少なくとも一方に、透光性の部材が配置されていてもよい。例えば、酸化アルミニウム又は酸化ケイ素を含むセラミックスが挙げられる。このように、透光性の部材が、波長変換部１５の上面又は下面の少なくとも一方に接触して配置されることにより、波長変換部１５の放熱性を向上させることができる。
〔基部１１〕
基部１１は、半導体レーザ素子１２を適所に固定するために用いられる。ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁部材、又は金属の少なくともいずれか一方を含む材料を基部１１として用いることができるが、少なくとも蓋部１３と接する部分は金属により構成するのが好ましい。これにより、基部１１と蓋部１３とを溶接により固定することができるため、基部１１と蓋部１３とを確実に固定することができる。基部１１は、蓋部１３と同様の材料を用いることができる。
基部１１は、半導体レーザ素子１２を適所に固定するために用いられる。ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁部材、又は金属の少なくともいずれか一方を含む材料を基部１１として用いることができるが、少なくとも蓋部１３と接する部分は金属により構成するのが好ましい。これにより、基部１１と蓋部１３とを溶接により固定することができるため、基部１１と蓋部１３とを確実に固定することができる。基部１１は、蓋部１３と同様の材料を用いることができる。
基部１１の形状、大きさは、半導体レーザ装置に求められる形状及び大きさ等によって適宜調整することができる。平面形状としては、円形、楕円形、矩形等の多角形又はこれらに近似する形状のものが挙げられる。例えば、３ｍｍ〜１１ｍｍ程度の直径の円形で平板状のもの、又は基部１１の上面に凹部及び／又は凸部が設けられたもの等が挙げられる。厚みは、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度であることが好ましい。
基部１１には、通常、外部電源と接続するためのリード２１が設けられている。
基部１１には、通常、外部電源と接続するためのリード２１が設けられている。
〔半導体レーザ素子１２〕
半導体レーザ素子１２は、レーザ光を発振するものであり、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層を有する。半導体レーザ素子１２としては、例えば、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ〜４７０ｎｍ、より好ましくは４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するものを用いることができる。青色発光の半導体レーザ素子であれば、III−V族半導体（窒化物半導体）により形成されるものが好ましい。
半導体レーザ素子１２は、レーザ光を発振するものであり、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層を有する。半導体レーザ素子１２としては、例えば、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ〜４７０ｎｍ、より好ましくは４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するものを用いることができる。青色発光の半導体レーザ素子であれば、III−V族半導体（窒化物半導体）により形成されるものが好ましい。
半導体レーザ素子１２は、サブマウント１９を介して基部１１に固定することができる。サブマウント１９としては熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましい。こうすることで、半導体レーザ素子１２からの熱を放散しやすくなる。サブマウント１９としては、窒化アルミニウム、炭化珪素、珪素等を用いることができ、本実施形態では、窒化アルミニウムを用いている。
実施形態２
この実施形態では、図３Ａ及び３Ｂに示すように、第２蓋部３３Ｂの凹部３３Ｄの側面が階段状になっていない以外、実施形態１の半導体レーザ装置と実質的に同じ構成を有する。
本実施形態においても、横方向における保持部１４の位置ずれ等を防止することができる。
この実施形態では、図３Ａ及び３Ｂに示すように、第２蓋部３３Ｂの凹部３３Ｄの側面が階段状になっていない以外、実施形態１の半導体レーザ装置と実質的に同じ構成を有する。
本実施形態においても、横方向における保持部１４の位置ずれ等を防止することができる。
本発明の各実施形態の半導体レーザ装置は、前照灯等の車載用、バックライト光源、各種照明器具、ディスプレイ、広告、行き先案内等の各種表示装置、さらには、プロジェクタ装置の各種照明などに利用することができる。
１０ 半導体レーザ装置
１１ 基部
１２ 半導体レーザ素子
１３ 蓋部
１３Ａ 第１蓋部
１３Ｂ、３３Ｂ 第２蓋部
１３Ｃ 貫通孔
１３Ｄ、３３Ｄ 凹部
１３Ｅ 下面
１３Ｆ 上面
１３Ｇ 段差
１４ 保持部
１４Ｃ 貫通孔
１５ 波長変換部
１６ 押え部
１６Ａ 上面を押える部位
１６Ｂ 固定される部位
１７ 緩衝材
１８ 溝
１９ サブマウント
２０ レンズ
２１ リード
１１ 基部
１２ 半導体レーザ素子
１３ 蓋部
１３Ａ 第１蓋部
１３Ｂ、３３Ｂ 第２蓋部
１３Ｃ 貫通孔
１３Ｄ、３３Ｄ 凹部
１３Ｅ 下面
１３Ｆ 上面
１３Ｇ 段差
１４ 保持部
１４Ｃ 貫通孔
１５ 波長変換部
１６ 押え部
１６Ａ 上面を押える部位
１６Ｂ 固定される部位
１７ 緩衝材
１８ 溝
１９ サブマウント
２０ レンズ
２１ リード
Claims (13)
- 基部と、
前記基部の上方に設けられた半導体レーザ素子と、
前記基部の上方に設けられ、前記半導体レーザ素子を収容し、上方に設けられた凹部の底に貫通孔を有する蓋部と、
前記凹部に配置され、前記蓋部の貫通孔の上方に前記蓋部の貫通孔よりも径が小さい貫通孔を有し、前記蓋部と異なる熱膨張係数を有する保持部と、
前記保持部の貫通孔に保持された波長変換部と、
前記蓋部に固定され、前記保持部の上面を押さえる押え部とを有し、
前記凹部の側面と前記保持部の側面とは離間しており、
前記凹部の側面と前記保持部の側面との間の少なくとも一部に緩衝材が配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記緩衝材は、前記蓋部及び前記保持部よりもヤング率の小さい材料からなる請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記緩衝材は、樹脂又は共晶はんだからなる請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記保持部の貫通孔における下方の開口形状は円形であり、その直径が、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記保持部の貫通孔は、下方から上方に向かって広がる形状である請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記保持部はセラミックスからなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記保持部は酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムからなる請求項６に記載の半導体レーザ装置。
- 前記蓋部は金属からなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記蓋部は鉄を主成分とする材料からなる請求項８に記載の半導体レーザ装置。
- 上面視において、前記緩衝材は複数の箇所に設けられている請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記凹部の側面は、下方から上方に向かって広がるように階段状に設けられている請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記押え部は、前記蓋部に溶接されている請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記蓋部は、前記半導体レーザ素子を囲む第１蓋部と、前記第１蓋部上に配置され、前記凹部を備える第２蓋部とを有する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
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