JP2017163041A - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光を光ファイバー内へ容易に導光することができ、かつ、気密封止された光源装置を提供する。【解決手段】光源装置は、基板10上に搭載された発光部と、発光部を覆うように基板に接合されたキャップ12と、発光部から出射した光をキャップの外に導光する第1の導光素子14aと、第1の導光素子14aの周囲に設けられた第1のフェルール14bとを備え、キャップは、発光部と対向する位置に開口部12aを有し、第1のフェルール14bは、開口部12aに挿入された状態で開口部12aの縁と接合されている。【選択図】図1

Description

本発明は、光源装置に関する。
従来、缶状の金属で形成されたパッケージ等の内部にレーザチップが搭載された光源装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の発光装置では、気密封止されたパッケージ内にレーザチップが搭載されている。レーザチップから出力されたレーザ光は、パッケージの内から外へ貫通する光学ロッドに直接導光されてパッケージ外に出力される。さらに、光学ロッドから出力された光は、光学レンズにより集光され、照射対象に照射される。
また、近年、光ファイバーを用いた光伝送方式が一般化しつつあり、パッケージ内のレーザチップから出力されたレーザ光を光ファイバーに導光する技術が望まれている。
特開2013−149449号公報
上述した従来の光源装置では、気密封止されたパッケージ内からレーザ光を直接光学ロッドに導光して光学レンズにより集光するため、レーザチップ、光学ロッドおよび光学レンズを正確に調芯する必要があった。また、レーザチップ、光学ロッドおよび光学レンズを正確に調芯するには、精密で複雑な装置構造が必要であった。したがって、光学レンズにより集光されたレーザ光を、さらに、細く柔らかい光ファイバー内へ導光することは困難であった。また、光学ロッドおよび光学レンズに代えて、光ファイバーをパッケージの内から外へ貫通して設けることにより、レーザチップから出力されたレーザ光を直接光ファイバーに導光しようとすると、パッケージの気密封止が不十分になるという問題があった。
そこで、本発明は、レーザ光を光ファイバー内へ容易に導光することができ、かつ、気密封止された光源装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る光源装置は、基板上に搭載された発光部と、前記発光部を覆うように前記基板に接合されたキャップと、前記発光部から出射した光を前記キャップの外に導光する第1の導光素子と、前記第1の導光素子の周囲に設けられた第1のフェルールとを備え、前記キャップは、前記発光部と対向する位置に開口部を有し、前記第1のフェルールは、前記開口部に挿入された状態で前記開口部の縁と接合されている。
本発明によると、レーザ光を光ファイバー内へ容易に導光することができ、かつ、気密封止された光源装置を提供することができる。
実施の形態1に係る光源装置の構成を示す外観斜視図である。 図1に示した光源装置のII−II線における断面図である。 実施の形態1に係る光源装置の各部を構成する材料の組み合わせを示す図である。 実施の形態1に係る光源装置の製造手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態2に係る光源装置の構成を示す断面図である。 実施の形態2に係る光源装置の使用方法の一例を示す概略図である。
以下の実施の形態では、レーザ光を光ファイバー内へ容易に導光することができ、かつ、気密封止された光源装置について説明する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る光源装置1について、図面を参照しながら説明する。
[1.光源装置の構成]
はじめに、光源装置1の構成について説明する。図1は、実施の形態1に係る光源装置の構成を示す外観斜視図である。図2は、図1に示した光源装置のII−II線における断面図である。
図1および図2に示すように、光源装置1は、ステム10と、発光部11と、キャップ12と、第1の導光部14とを備えている。
ステム10は、例えば金属で構成された基板である。ステム10は、熱伝導がよいこと、溶接が可能であること、メッキ性、接合する相手との線膨張係数の相性がよいこと等の点から、Fe系合金(SUS、SF材等)、Ni系合金(コバール等)、Cu系合金(黄銅等)により形成されている。また、ステム10の表面には、メッキが施されている。メッキ材料としては、例えばNi−Auメッキを用いてもよい。なお、ステム10は、本発明における基板の一例である。
発光部11は、例えば、半導体レーザダイオードである。発光部11は、例えば500nm以下の短波長光を出力する半導体レーザダイオードである。発光部11が短波長光を出力する半導体レーザダイオードである場合、光源装置1は、半導体レーザダイオードの共振器の破損を防ぐために気密封止することが必要である。発光部11は、例えば、ステム10の上に配置されたブロック上に、出射方向が所定の方向となるように載置されている。本実施の形態に係る発光部11は、後に詳述するように、出射方向がキャップ12の開口部12aに配置された第1の導光部14の第1の導光素子14aの方向となるように載置されている。
キャップ12は、ステム10上に搭載された発光部11を覆うように、ステム10に接合された金属キャップである。キャップ12は、例えば、抵抗溶接(プロジェクション溶接)によりステム10に接合されている。キャップ12は、精密切削できること、溶接が可能であること、接合する相手との線膨張係数の相性がよいこと等の点から、例えばFe系合金(SUS、SF材等)、Ni系合金(コバール等)等の金属で構成されている。
また、キャップ12は、ステム10に接合されたときにステム10と対向する面に、開口部12aを有している。開口部12aには、後に詳述する第1の導光部14が配置されている。これにより、光源装置1は気密封止されている。
第1の導光部14は、第1の導光素子14aと、第1のフェルール14bとを有している。第1のフェルール14bは、第1の導光素子14aの周囲に設けられている。
第1の導光素子14aは、例えば石英ガラスで構成された光ファイバー、石英ガラスにNiおよびAuをコーティングした光ファイバーである。第1の導光素子14aの一端は、発光部11と対向し、発光部11と対向する第1の導光素子14aの先端は、発光部11に向かって細くなっている。第1の導光素子14aの先端は、発光部11の出射口(図示せず)と近接した位置に配置される。また、発光部11から出力されるレーザ光の照射方向と、第1の導光素子14aの長尺方向は略一致している。これにより、発光部11から出力されたレーザ光は、第1の導光素子14aに容易に導光される。
第1のフェルール14bは、第1の導光素子14aを囲むように第1の導光素子14aの周囲に設けられている。第1のフェルール14bは、接合部材20aにより第1の導光素子14aと接合されている。第1のフェルール14bは、長尺の第1の導光素子14aを補強および保護するために被せるキャップであり、例えばジルコニア等のセラミック焼結体、SUS等の金属で構成されている。発光部11と対向する第1のフェルール14bの先端は、第1の導光素子14aの先端と同様、発光部11に向かって細くなっている。
また、第1のフェルール14bは、キャップ12に設けられた開口部12aの周縁に、接合部材20bにより接合されている。第1のフェルール14bを接合部材20bによりキャップ12の開口部12aの縁に接合するので、接合部材20bを使用しない場合に比べて光源装置1の気密封止を精度よく行うことができる。なお、接合部材20aは、接合部材20bよりも融点が高い。これにより、接合部材20aにより第1の導光素子14aと第1のフェルール14bとを接合した後、接合部材20aの融点よりも低い温度で、接合部材20bにより第1のフェルール14bとキャップ12の開口部12aの縁とを接合することができる。したがって、先に接合した接合部材を後の工程で再び溶融することがないため、精度のよい接合を行うことができる。なお、接合部材20aおよび接合部材20bは、それぞれ本発明における第2の接合部材および第1の接合部材の一例である。
接合部材20aおよび接合部材20bとしては、融点および接合する対象物との線膨張係数の相性等の点から、例えば低融点ガラス、はんだ等が用いられる。ここでいう低融点とは、例えば200℃〜600℃程度の融点をいう。
融点が200℃〜300℃の接合部材20aおよび接合部材20bとしては、鉛ガラスを用いてもよい。鉛ガラスは、環境面の問題があるものの、低融点という点からは本実施の形態に係る光源装置1において有効である。また、融点が300℃〜400℃の接合部材20aおよび接合部材20bとしては、Agガラスを用いてもよい。Agガラスは、融点は低いが化学的に不安定であり信頼性に劣るものの、低融点という点からは本実施の形態に係る光源装置1において有効である。また、融点が400℃〜600℃の接合部材20aおよび接合部材20bとしては、例えば、ガラス粉末と有機バインダーとを混合したガラスペーストを用いてもよい。ガラスペーストを用いた場合、ガラスペーストを加熱すると有機バインダーは揮発しガラス成分だけが残る。ガラス成分が溶融した後さらに冷却することで、接合部材20aまたは接合部材20bを間に挟む2つの接合対象物を接合することができる。
また、ステム10には、リード端子16が設けられている。リード端子16は、例えば、光源装置1の外部から発光部11を発光させるための電力を与えるための端子である。
図3は、実施の形態1に係る光源装置1の各部を構成する材料の組み合わせを示す図である。
図3に示す構成1では、第1の導光素子14aとして石英ガラス、接合部材20aとして第1の低融点ガラス、第1のフェルール14bとしてジルコニア、接合部材20bとして第2の低融点ガラス、キャップ12としてFe系合金(SUS)を用いている。
ここで、接合部材20aを構成する第1の低融点ガラスは、接合部材20bを構成する第2の低融点ガラスよりも融点が高いものを用いる。例えば、第2の低融点ガラスとして、融点が300℃〜400℃のAgガラス、第1の低融点ガラスとして、融点が400℃〜600℃のガラスペーストを用いてもよい。ガラスペーストは、例えばガラス粉末と有機バインダーとを混合したペーストである。
また、構成2では、第1の導光素子14aとして石英ガラス、接合部材20aとして第2の低融点ガラス、第1のフェルール14bとしてジルコニア、キャップ12としてFe系合金(SUS)を用いている。
なお、本構成では、接合部材20bを用いずに、キャップ12を構成する金属と第1のフェルール14bを構成するセラミックスとの熱膨張の差を利用した圧縮方法により光源装置1を気密封止している。
また、構成3では、第1の導光素子14aとして石英ガラスにNiおよびAuをコーティングしたメタライズド石英ガラス、接合部材20aおよび20bとしてはんだ、第1のフェルール14bとしてジルコニア、キャップ12としてFe系合金(SUS)を用いている。
ここで、接合部材20aを構成するはんだは、接合部材20bを構成するはんだよりも融点が高いものを用いてもよい。
[2.光源装置の製造方法]
次に、光源装置1の製造方法について説明する。図4は、実施の形態1に係る光源装置1の製造手順の一例を示すフローチャート4である。なお、以下に示す光源装置1の製造手順では、一例として上述した構成1の場合について説明する。
はじめに、図4に示すように、ステム10に発光部11を配置する(ステップS11)。まず、ステム10の上に発光部11を取り付けるためのブロック10aを配置する。ブロック10aの配置位置は、発光部11がブロック10aに取り付けられたときに発光部11から出力されるレーザ光が第1の導光素子14aに導光される位置に配置する。そして、ブロック10aの上に発光部11を配置する。このとき、発光部11から出力されるレーザ光の出射方向が、キャップ12の開口部12aに配置された第1の導光部14の第1の導光素子14aの方向となるように配置する。
次に、ステム10にキャップ12を溶接する(ステップS12)。ステム10とキャップ12との間は、抵抗溶接(プロジェクション溶接)により溶接する。キャップ12に電流を流しジュール熱を発生させ、キャップ12のステム10側の縁を溶解させる。同時に、キャップ12をステム10に加圧する。これにより、キャップ12をステム10に接続する。なお、ステム10とキャップ12との接合は、抵抗溶接に限らず、他の溶接方法を用いてもよいし、溶接以外の接続方法を用いてもよい。
次に、第1の導光素子14aの周囲に第1のフェルール14bを接合する(ステップS13)。第1の導光素子14aと第1のフェルール14bとを接合する接合部材20aには、例えば、上述した第1の低融点ガラスを用いる。第1の低融点ガラスは、融点が400℃〜600℃のガラスペーストである。ガラス成分からなる粉末と有機バインダーとを混合したガラスペーストを、第1の導光素子14aの周囲に塗布する。その後、第1のフェルール14bに設けられた貫通孔に第1の導光素子14aを挿入する。このとき、第1の導光素子14aと第1のフェルール14bとの間には、ガラスペーストが充填されている。そして、第1の導光素子14aおよび第1のフェルール14bを加熱する。これにより、ガラスペーストを構成する有機バインダーは揮発し、ガラス成分だけが残る。残ったガラス成分は、加熱により溶融しており、溶融後に冷却することで固化する。このとき、第1の導光素子14aと第1のフェルール14bとは、固化したガラスにより接合される。
次に、ステム10に接合されたキャップ12の内部に、Nガスを充填する。なお、ステム10に接合されたキャップ12の内部に充填する気体は、Nガスに限らず、例えばAr等の不活性ガスであればよい。
続けて、キャップ12の開口部12aの縁に第1のフェルール14bを接合する(ステップS14)。キャップ12の開口部12aの縁と第1のフェルール14bとを接合する接合部材20bには、例えば、上述した第2の低融点ガラスを用いる。第2の低融点ガラスは、融点が300℃〜400℃のAgガラスである。
Agガラスを第1のフェルール14bの周囲に塗布した後、キャップ12の開口部12aに第1のフェルール14bを挿入する。このとき、第1のフェルール14bの先端が発光部11と対向するように、第1のフェルール14bの挿入深さを調整する。キャップ12の開口部12aの縁と第1のフェルール14bとの間には、Agガラスが充填されている。そして、加熱することによりAgガラスは溶融し、溶融後さらに冷却することで固化する。このとき、第1のフェルール14bは、キャップ12の開口部12aの縁に、固化したAgガラスにより接合される。
以上の手順により、発光部11を光源装置1のステム10と、キャップ12と、キャップ12の開口部12aの縁に接合された第1のフェルール14bとにより、封止することができる。
なお、第1の導光素子14aの周囲に第1のフェルール14bを接合する工程(ステップS13)は、キャップ12の開口部12aの縁に第1のフェルール14bを接合する工程(ステップS14)よりも後に行ってもよい。この場合、キャップ12の開口部12aの縁に第1のフェルール14bを接合する接合部材20bの融点を、第1の導光素子14aと第1のフェルール14bとを接合する接合部材20aの融点よりも高くしてもよい。すなわち、接合部材20bおよび接合部材20aのうちの融点が高い方を用いる接合工程を、接合部材20bおよび接合部材20aのうちの融点が低い方を用いる接合工程よりも先に行ってもよい。高い融点の接合部材を用いる接合工程を先に行い、低い融点の接合部材を用いる接合工程を後に行うので、後に行う接合工程は、先に行う接合工程よりも低い接合温度で行うことができる。したがって、先に接合した接合部材を後の工程で再び溶融することがないため、精度のよい接合を行うことができる。
また、接合部材20bおよび接合部材20aは、上述した製造手順ではそれぞれAgガラスおよびガラスペーストを用いたが、他の材料を用いてもよい。例えば、接合部材20bとして鉛ガラス、接合部材20aとしてAgガラスを用いてもよい。また、接合部材20bとしてはんだ、接合部材20aとしてAgガラスを用いてもよい。
また、第1のフェルール14bとキャップ12の開口部12aの縁とは、接合部材20bを用いずに、キャップ12を構成する金属と第1のフェルール14bを構成するセラミックスとの熱膨張の差を利用した圧縮方法により接合してもよい。
また、本実施の形態に係る光源装置1では、ステム10にキャップ12を溶接した後、第1のフェルール14bをキャップ12の開口部12aの縁に接合したが、第1のフェルール14bをキャップ12の開口部12aの縁に接合した後、ステム10にキャップ12を溶接してもよい。
[3.効果等]
以上、本実施の形態に係る光源装置1によると、ステム10とキャップ12と、キャップ12の開口部12aの縁に接合された第1のフェルール14bにより、光源装置1を気密封止することができる。また、第1の導光素子14aの周囲に第1のフェルール14bが接合されているので、第1の導光素子14aと発光部11との位置を精度よく合わせることができる。これにより、発光部11から出力されるレーザ光を第1の導光素子14aに容易に導光することができる。
また、第1のフェルール14bは、接合部材20bにより開口部12aの縁に接合されていてもよい。これによれば、第1のフェルール14bを接合部材20bによりキャップの開口部12aの縁に接合するので、接合部材20bを使用しない場合に比べて光源装置1の気密封止を精度よく行うことができる。
また、第1のフェルール14bは、接合部材20bよりも融点が高い接合部材20aにより第1の導光素子14aと接合されていてもよい。これにより、接合部材20aにより第1の導光素子14aと第1のフェルール14bとを接合した後、接合部材20aの融点よりも低い温度で、接合部材20bにより第1のフェルール14bとキャップ12の開口部12aの縁とを接合することができる。したがって、接合部材20aを後の工程で再び溶融することがないため、精度のよい接合を行うことができる。
また、第1の導光素子14aの一端は発光部11と対向し、発光部11と対向する第1の導光素子14aの先端は、発光部11に向かって細くなっていてもよい。これにより、発光部11から出力されたレーザ光を、第1の導光素子14aに容易に導光することができる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2に係る光源装置2について説明する。図5は、本実施の形態に係る光源装置2の構成を示す断面図である。図6は、本実施の形態に係る光源装置2の使用方法の一例を示す概略図である。
本実施の形態に係る光源装置2が実施の形態1に示した光源装置1と異なる点は、光源装置2が、第1の導光素子14aから出射した光を導光する第2の導光素子30aを備えている点である。また、第2の導光素子30aは、第1の導光素子14aと対向する端部側の周囲に、第2のフェルール30bを有している。
図5に示すように、光源装置2は、ステム10と、発光部11と、キャップ12と、第1の導光部14と、第2の導光部30と、スリーブ32とを備えている。ステム10、発光部11、キャップ12および第1の導光部14については、実施の形態1に示した光源装置1と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。
第2の導光部30は、図5に示すように、第2の導光素子30aと第2のフェルール30bとを備えている。
第2の導光素子30aは、第1の導光素子14aと同様、例えば石英ガラスで構成された光ファイバー、石英ガラスにNiおよびAuをコーティングした光ファイバーである。
第2のフェルール30bは、第1のフェルール14bと同様、長尺の第1の導光素子14aを補強および保護するために被せるキャップであり、例えばジルコニア等のセラミック焼結体、SUS等の金属で構成されている。第2のフェルール30bは、長尺な第2の導光素子30aの先端から所定の長さの第2の導光素子30aの周囲に設けられている。
また、第2のフェルール30bは、スリーブ32により第1のフェルール14bに着脱可能に接続されている。より具体的には、図6に示すように、スリーブ32の一端は第1のフェルール14bに外嵌し、スリーブ32の他端には第2のフェルール30bが挿入される。これにより、第1の導光部14と第2の導光部30とが接続される。
スリーブ32は、第1のフェルール14bと第2のフェルール30bとを接続するための筒形のコネクタである。スリーブ32は、一端側の内径が第1のフェルール14bの外径と同一の形状および大きさを有している。また、スリーブ32は、他端側の内径が第2のフェルール30bの外径と同一の形状および大きさを有している。
スリーブ32を用いることにより、第1のフェルール14bと第2のフェルール30bとを容易に接続することができる。したがって、第1の導光素子14aと第2の導光素子30aとを位置精度よく接続することができる。
以上、本実施の形態に係る光源装置2は、第1の導光素子14aから出射した光を導光する第2の導光素子30aを備え、第2の導光素子30aは、第1の導光素子14aと対向する端部側の周囲に、第2のフェルール30bを有してもよい。これにより、スリーブ32により第2の導光部30を第1の導光部14に容易に接続することができる。したがって、第1の導光素子14aと第2の導光素子30aとを位置精度よく接続することができるので、発光部11から出力されたレーザ光を、第1の導光素子14aおよび第2の導光素子30aを通して遠方に伝送させることができる。
また、第2のフェルール30bは、スリーブ32により第1のフェルール14bに着脱可能に接続されていてもよい。スリーブ32を用いることにより、第1のフェルール14bと第2のフェルール30bとを容易に接続することができる。したがって、第1の導光素子14aと第2の導光素子30aとを位置精度よく接続することができる。
以上、本発明の実施の形態に係る光源装置1および2について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施の形態では、接合部材20bの融点よりも接合部材20aの融点のほうが高いとしたが、接合部材20aの融点よりも接合部材20bの融点のほうが高いこととしてもよい。
また、上述した実施の形態では、第1のフェルール14bとキャップ12の開口部12aの縁とを第1の接合部材により接合することとしたが、第1のフェルール14bとキャップ12の開口部12aの縁とは、第1の接合部材を使用せずに、第1のフェルール14bを構成するセラミックスとキャップ12を構成する金属との熱膨張の差を利用した圧縮方法により接合してもよい。
また、上述した実施の形態では、ステム10にキャップ12を溶接した後、第1のフェルール14bをキャップ12の開口部12aの縁に接合したが、第1のフェルール14bをキャップ12の開口部12aの縁に接合した後、ステム10にキャップ12を溶接してもよい。
また、ステム10、第1の導光素子14a、第1のフェルール14b、キャップ12、接合部材20a、接合部材20b、第2の導光素子30a、第2のフェルール30b、スリーブ32の形状、大きさ、構成材料は、上述したものに限らず、適宜変更してもよい。
また、光源装置1の製造方法は、上述した製造工程に限らず、他の工程を備えていてもよい。
以上、一つまたは複数の態様に係る光源装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本発明は、発光装置、光源装置および車両用のヘッドランプ等に適用することができる。
1、2 光源装置
10 ステム(基板)
11 発光部
12 キャップ
14 第1の導光部
14a 第1の導光素子
14b 第1のフェルール
16 リード端子
20a 接合部材(第2の接合部材)
20b 接合部材(第1の接合部材)
30 第2の導光部
30a 第2の導光素子
30b 第2のフェルール
32 スリーブ

Claims (6)

  1. 基板上に搭載された発光部と、
    前記発光部を覆うように前記基板に接合されたキャップと、
    前記発光部から出射した光を前記キャップの外に導光する第1の導光素子と、
    前記第1の導光素子の周囲に設けられた第1のフェルールとを備え、
    前記キャップは、前記発光部と対向する位置に開口部を有し、
    前記第1のフェルールは、前記開口部に挿入された状態で前記開口部の縁と接合されている
    光源装置。
  2. 前記第1のフェルールは、第1の接合部材により前記開口部の縁に接合されている
    請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記第1のフェルールは、前記第1の接合部材よりも融点が高い第2の接合部材により前記第1の導光素子と接合されている
    請求項1または2に記載の光源装置。
  4. 前記光源装置は、前記第1の導光素子から出射した光を導光する第2の導光素子を備え、
    前記第2の導光素子は、前記第1の導光素子と対向する端部側の周囲に、第2のフェルールを有する
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の光源装置。
  5. 前記第2のフェルールは、スリーブにより前記第1のフェルールに着脱可能に接続されている
    請求項4に記載の光源装置。
  6. 前記第1の導光素子の一端は前記発光部と対向し、前記発光部と対向する前記第1の導光素子の先端は、前記発光部に向かって細くなっている
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の光源装置。
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