JP2019204939A - Laser apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の光源からの光を結合して光ファイバに出力するレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device that combines light from a plurality of light sources and outputs the combined light to an optical fiber.
レーザを高出力化するために、複数の光源からの光を結合させた光を光ファイバ等の受光装置に入射させる発光装置が知られている(特許文献1)。 In order to increase the output of a laser, a light emitting device is known in which light obtained by combining light from a plurality of light sources is incident on a light receiving device such as an optical fiber (Patent Document 1).
この発光装置は、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ等を光源とし、各光源からの光をレンズやプリズム等の光学系を用いて光ファイバに結合する方法を採用している。 This light emitting device employs a method in which a light emitting diode (LED), a semiconductor laser, or the like is used as a light source, and light from each light source is coupled to an optical fiber using an optical system such as a lens or a prism.
しかしながら、複数の光源からの光を結合して高出力化しつつ、集光性を向上して高輝度化を図る場合、各光源から生成されるコリメート光のビーム径や出射方向の調整精度を高める必要がある。このため、光源毎に、それぞれレンズを調整しなければならない。 However, when the light from multiple light sources is combined to increase the output and the light collection is improved to increase the brightness, the adjustment accuracy of the beam diameter and emission direction of the collimated light generated from each light source is increased. There is a need. For this reason, the lens must be adjusted for each light source.
この場合、光を入射する光ファイバと、光ファイバのコア部へ集光するレンズとの位置を先に固定し、レンズへの光の入射状態を各光源毎に微調整する場合、各光源は同一平面上に位置しない。このため、各光源の排熱面を1つの大きなヒートシンクに接触させて排熱することが困難であった。 In this case, when the position of the optical fiber that enters the light and the lens that condenses the light to the core of the optical fiber is fixed first, and the light incident state on the lens is finely adjusted for each light source, They are not on the same plane. For this reason, it has been difficult to exhaust heat by bringing the exhaust heat surface of each light source into contact with one large heat sink.
図8は、従来のレーザ装置の概略構成図である。図9は、従来のレーザ装置の光源取付部の詳細図である。各光源1a〜1cは、光ファイバ6への結合効率が最適となるようにそれぞれ異なる角度に調整されている。図9に示す例では、光源1cの取付角度θ1が光源1a,1bの取付角度θ3,θ2よりも大きく調整されている。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a conventional laser device. FIG. 9 is a detailed view of a light source mounting portion of a conventional laser device. Each of the
この状態で、光源1cの排熱面11cとヒートシンク8の吸熱面との隙間t1が0になるようにヒートシンク8を取り付けると、光源1bとヒートシンク8との隙間t2と光源1aとヒートシンク8との隙間t3は、0よりも大きくなるため、隙間をグリスや熱伝導シートで埋める必要がある。
In this state, when the
また、光源1a〜1cに関しても、排熱面11a〜11cとヒートシンク8の吸熱面を平行にすることは難しいため、やはりグリス等で隙間を埋めなければならない。グリスやシートの熱伝導率は、ヒートシンク8の素材として用いられる銅やアルミニウムと比べて1/100程度であり、この隙間が大きくなることは、光源の放熱特性が著しく低下する原因となる。
In addition, regarding the
また、各光源の組立作業が煩雑になり、光源から発生するアウトガスが問題になる可能性があった。 Further, the assembly work of each light source becomes complicated, and outgas generated from the light source may become a problem.
本発明の課題は、個別に角度調整された複数の光源の排熱を効率よく行うことができるレーザ装置を提供する。 An object of the present invention is to provide a laser apparatus that can efficiently exhaust heat from a plurality of light sources whose angles are individually adjusted.
本発明に係るレーザ装置の請求項1は、上記課題を解決するために、複数の光源と、前記複数の光源の各光源から発生する熱を排熱し、前記各光源の排熱面の角度に合わせて3次元造形されたヒートシンクとを備えることを特徴とする。 According to a first aspect of the laser apparatus of the present invention, in order to solve the above problem, heat generated from each of the light sources and the light sources of the plurality of light sources is exhausted, and the angle of the heat exhaust surface of each of the light sources is set. And a heat sink which is three-dimensionally shaped.
請求項2では、前記ヒートシンクは、青色レーザを銅粉末に照射して前記銅粉末を溶融及び凝固させることにより直接造形されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the heat sink is formed directly by irradiating the copper powder with a blue laser to melt and solidify the copper powder.
請求項3では、前記ヒートシンクは、前記各光源の排熱面の形状を計測して得られた前記形状の3次元データに基づき3次元造形されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the heat sink is three-dimensionally formed based on the three-dimensional data of the shape obtained by measuring the shape of the heat removal surface of each light source.
請求項4は、前記複数の光源に対応して設けられ、前記複数の光源からの各出射光をコリメートする複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズに対応して設けられ、一対の前記光源と前記コリメートレンズとを保持し且つ前記コリメートレンズのコリメート光の出射位置と出射角度を調整する複数のホルダと、前記複数のホルダを保持するハウジングと、出射位置と出射角度が調整された各コリメート光を集光する集光部とを備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, a plurality of collimating lenses provided corresponding to the plurality of light sources, collimating each light emitted from the plurality of light sources, and provided corresponding to the plurality of collimating lenses, the pair of the light sources A plurality of holders that hold the collimating lens and adjust the collimating light exit position and exit angle of the collimator lens, a housing that holds the plurality of holders, and each collimator with the exit position and exit angle adjusted. And a condensing part for condensing light.
請求項5は、複数の光源と、前記複数の光源の各光源から発生する熱を排熱するヒートシンクと、前記複数の光源の各光源からの各出射光の出射位置と出射角度を調整する複数のホルダと、前記各光源の排熱面と前記ヒートシンクの吸熱面との間に配置され、前記各光源の排熱面に個別に接触する1以上の第1熱伝達部材と、前記1以上の第1熱伝達部材が面接触して挿入される穴部が形成され前記ヒートシンクの吸熱面と面接触する1以上の第2熱伝達部材とを備えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, a plurality of light sources, a heat sink that exhausts heat generated from each light source of the plurality of light sources, and a plurality of light sources that adjust the emission position and emission angle of each light emitted from each light source of the plurality of light sources. The one or more first heat transfer members that are disposed between the heat exhaust surface of each light source and the heat sink surface of the heat sink, and individually contact the heat exhaust surface of each light source; A hole portion into which the first heat transfer member is inserted in surface contact is formed, and one or more second heat transfer members in surface contact with the heat absorption surface of the heat sink are provided.
請求項6は、前記第1熱伝達部材は、円筒ブロックからなり、前記第2熱伝達部材は、プレートからなる。 According to a sixth aspect of the present invention, the first heat transfer member is a cylindrical block, and the second heat transfer member is a plate.
本発明によれば、光源の排熱面の角度に合わせてヒートシンクを3次元造形することにより、光源の取り付け角度に合わせたヒートシンクを形成することができる。これにより、各光源とヒートシンク間は、直接接合されるため、熱抵抗を極限まで小さくすることができ、複数の光源を効果的に冷却できる。このため、個別に角度調整された複数の光源の排熱を効率よく行うことができる。 According to the present invention, it is possible to form a heat sink that matches the mounting angle of the light source by three-dimensionally shaping the heat sink according to the angle of the heat exhaust surface of the light source. Thereby, since each light source and a heat sink are joined directly, thermal resistance can be made to the minimum and a plurality of light sources can be cooled effectively. For this reason, exhaust heat of a plurality of light sources whose angles are individually adjusted can be efficiently performed.
以下、本発明のレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a laser apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1のレーザ装置の概略構成図である。図1に示すレーザ装置は、複数の光源1と、複数のホルダ2と、複数のコリメートレンズ3と、ハウジング4と、集光レンズ5と、光ファイバ6とを備えている。
Example 1
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a first embodiment of the present invention. The laser apparatus shown in FIG. 1 includes a plurality of
複数の光源1は、例えば、発光ダイオード(LED)又はレーザダイオード(LD)等からなり、各々の光源1が略等間隔に配置されている。複数の光源1は、図1の例では5個であるが、これに限定されることなく、複数の光源1の数はその他の数であってもよい。
The plurality of
複数のコリメートレンズ3は、複数の光源1に対応して設けられ、複数の光源1に対向した位置に配置され、複数の光源1からの各出射光をコリメートする。
The plurality of collimating lenses 3 are provided corresponding to the plurality of
複数のホルダ2は、複数のコリメートレンズ3に対応して設けられ、各々のホルダ2は、金属や樹脂等からなり、一対の光源1とコリメートレンズ3とを保持し且つコリメートレンズ3のコリメート光の出射位置と出射角度を調整する光軸調整機構を有する。
The plurality of holders 2 are provided corresponding to the plurality of collimating lenses 3, and each holder 2 is made of metal, resin, or the like, holds the pair of
ハウジング4は、複数のホルダ2を保持するもので、金属や樹脂等からなる。ハウジング4の内部には、複数のコリメートレンズ3に対応する位置に集光レンズ5が配置されている。
The
集光レンズ5は、出射位置と出射角度が調整された各コリメートレンズ3からの出射光を集光して光ファイバ6に結合する。光ファイバ6は、集光レンズ5で集光された光を伝送する。
The condenser lens 5 condenses the outgoing light from each collimating lens 3 whose outgoing position and outgoing angle are adjusted, and couples it to the
図2は、光源1の排熱面にヒートシンク7を直接造形した実施例1のレーザ装置を示す。図3は、ヒートシンク造形前の実施例1のレーザ装置の斜視図である。図4は、実施例1のレーザ装置のヒートシンク7の斜視図である。
FIG. 2 shows the laser device of Example 1 in which the
図3に示すように、光源として、例えば、8つの光源1a〜1jが設けられ、8つの光源1a〜1jに対応して8つのホルダ2a〜2jが設けられている。また、図4に示すように、ヒートシンク7には、8つの光源1a〜1jに対応して8つのシンク部7a〜7jが設けられている。
As shown in FIG. 3, for example, eight
図2において、ハウジング4の先端にはホルダ2a〜2e(上段のみ図示)が突起しており、ホルダ2a〜2eの先端には、シンク部7a〜7e(上段のみ図示)を有するヒートシンク7が直接造形されている。ヒートシンク7にはファン9が取り付けられている。
In FIG. 2,
ヒートシンク7は、各光源1a〜1jから発生する熱を排熱し、各光源1a〜1jの排熱面の角度に合わせて3次元で直接造形されている。ヒートシンク7は、銅からなり、青色レーザを熱伝導性の高い銅粉末に照射して、銅粉末を溶融及び凝固させることにより、直接、3次元造形されている。
The heat sink 7 exhausts heat generated from the
ファン9は、ヒートシンク7を冷却する。なお、ファン9の代わりに、水冷システムを用いてヒートシンク7を冷却するようにしてもよい。
The
図5は、ヒートシンク7を直接造形した実施例1のレーザ装置の光源取付部の詳細図である。図5においても、図7に示す従来のレーザ装置と同様に、各光源1a〜1cは異なる角度に調整されている。図5では、各光源1a〜1cのみを示しているが、光源としては、10個の光源1a〜1j配置されている。10個の光源1a〜1jの各々は、図5に示す各光源1a〜1cと同様に構成されている。
FIG. 5 is a detailed view of the light source mounting portion of the laser apparatus of Example 1 in which the
図5において、ヒートシンク7に有するシンク部7a〜7cの間には溝部12a,12bが形成され、シンク部7a〜7cには各光源1a〜1cの3つの端子を収納する穴部10a〜10cが形成されている。各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17a〜17cとは接触している。
In FIG. 5,
図5に示すように、ヒートシンク7が各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cの角度に合わせて吸熱面17a〜17cが直接造形されているので、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17a〜17cとの隙間t11〜t13は、全て0になる。
As shown in FIG. 5, since the
このため、銅やアルミニウムと比べて熱伝導率の低いグリスやシートを用いる必要がなくなる。また、必要に応じて各光源1a〜1cを駆動するための配線用の穴や溝等もヒートシンク7に形成される。
For this reason, it is not necessary to use grease or a sheet having a lower thermal conductivity than copper or aluminum. In addition, wiring holes and grooves for driving the
このように実施例1のレーザ装置によれば、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cの角度に合わせて、ヒートシンク7を3次元造形することにより、光源1a〜1cの取り付け角度に合わせたヒートシンク7を形成することができる。
Thus, according to the laser apparatus of Example 1, according to the angle of the heat exhaust surfaces 11a-11c of each
これにより、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17a〜17cとが直接接合されるため、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17a〜17cとの間には隙間が存在しない。
Thereby, since the heat removal surfaces 11a-11c of each
このため、排熱面11a〜11cから吸熱面17a〜17cへ熱伝導効率が向上し個別に角度調整された複数の光源1a〜1cの排熱を効率良く行うことができる。
For this reason, heat conduction efficiency improves from the heat exhaust surfaces 11a to 11c to the
また、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cにヒートシンク7を直接造形することが困難である場合がある。この場合には、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cの形状を三次元測定器で計測して、排熱面11a〜11cの形状をヒートシンク7に転写し、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面の隙間が極小となるようにヒートシンク7を3次元造形しても良い。即ち、排熱面11a〜11cの形状を三次元測定器で計測し得られた形状の3次元データに基づき3次元造形したヒートシンク7を用いても良い。
Moreover, it may be difficult to form the
(実施例2)
図6は、本発明の実施例2のレーザ装置の概略構成図である。実施例2のレーザ装置は、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17との間に、円筒ブロック21a〜21cとプレート23a〜23cとを配置したことを特徴とする。なお、実施例2のレーザ装置においても、各光源は、異なる角度に調整されている。
(Example 2)
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. The laser device according to the second embodiment is characterized in that cylindrical blocks 21a to 21c and plates 23a to 23c are arranged between the heat exhaust surfaces 11a to 11c of the
円筒ブロック21a〜21cは、本発明の1以上の第1熱伝達部材に対応し、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17との間に配置され、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cに個別に接触する。円筒ブロック21a〜21cは、金属、例えば、高熱伝導率を有する銅からなる。
The cylindrical blocks 21a to 21c correspond to one or more first heat transfer members of the present invention, and are disposed between the heat exhaust surfaces 11a to 11c of the
プレート23a〜23cは、本発明の1以上の第2熱伝達部材に対応し、円筒ブロック21a〜21cが面接触して挿入される穴部22a〜22cが形成され、ヒートシンク7の吸熱面17と面接触する。プレート23a〜23cは、金属、例えば、高熱伝導率を有する銅からなる。
The plates 23a to 23c correspond to one or more second heat transfer members of the present invention, and are formed with holes 22a to 22c into which the cylindrical blocks 21a to 21c are inserted in surface contact with the
プレート23a〜23cに形成された穴部22a〜22cと円筒ブロック21a〜21cの外周面とが嵌合して接触している。即ち、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cとヒートシンク7の吸熱面17とは、円筒ブロック21a〜21cとプレート23a〜23cにより熱的に接続している。
The holes 22a to 22c formed in the plates 23a to 23c and the outer peripheral surfaces of the cylindrical blocks 21a to 21c are fitted and in contact with each other. That is, the heat exhaust surfaces 11a to 11c of the
また、円筒ブロック21a〜21cとプレート23a〜23cとは、ねじによる締結や高熱伝導性を有する接着剤による接着、ロウ付け、溶接等により固定される。 The cylindrical blocks 21a to 21c and the plates 23a to 23c are fixed by fastening with screws, bonding with an adhesive having high thermal conductivity, brazing, welding, or the like.
このように構成された実施例2のレーザ装置によれば、円筒ブロック21a〜21cとプレート23a〜23c間は、嵌合して接触しているため、円筒ブロック21a〜21cと光源1a〜1c間と比べて十分に熱抵抗が小さくできる。このため、光源1a〜1cからヒートシンク7までの熱抵抗は、円筒ブロック21a〜21cと光源1a〜1c間の隙間の大きさに依存する。
According to the laser device of the second embodiment configured as described above, the cylindrical blocks 21a to 21c and the plates 23a to 23c are in contact with each other, and therefore, between the cylindrical blocks 21a to 21c and the
円筒ブロック21a〜21cと光源1a〜1c間の隙間t1〜t3は、図6に示すように、全て零になる。このため、光源1a〜1cの排熱面11a〜11cと円筒ブロック21a〜21cの吸熱面との角度差により生じる空間のみグリス等で埋めれば良い。
The gaps t1 to t3 between the cylindrical blocks 21a to 21c and the
また、円筒ブロック21a〜21cとプレート23a〜23c間は、嵌合して接触しているため、両部品間の隙間は、従来の光源放熱面とヒートシンク吸熱面に生じる隙間と比べて十分に小さい。 Further, since the cylindrical blocks 21a to 21c and the plates 23a to 23c are fitted and in contact with each other, the gap between the two parts is sufficiently smaller than the gap generated between the conventional light source heat dissipation surface and the heat sink heat absorption surface. .
また、各光源1a〜1cの排熱面11a〜11cの角度は、光軸調整により異なり、均一ではないが、円筒ブロック21a〜21cは、各光源1a〜1c毎に、他の光源の角度に依存することなく、隙間が最小となるように取り付けることができるため、従来と比較して複数の光源の排熱を効率よく行うことができる。
In addition, the angles of the heat exhaust surfaces 11a to 11c of the
図7は、本発明の実施例2の変形例のレーザ装置の概略構成図である。図7に示す実施例2の変形例のレーザ装置は、円筒ブロック21a〜21cの外周面に雄ねじからなるネジ部24aが形成され、プレート23a〜23cの内周面に雌ねじからなるネジ部25aが形成され、ネジ部24aとネジ部25aとが螺合している。 FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to a modification of the second embodiment of the present invention. In the laser apparatus according to the modification of the second embodiment shown in FIG. 7, screw portions 24 a made of male screws are formed on the outer peripheral surfaces of the cylindrical blocks 21 a to 21 c, and screw portions 25 a made of female screws are formed on the inner peripheral surfaces of the plates 23 a to 23 c. The screw portion 24a and the screw portion 25a are screwed together.
このような実施例2の変形例のレーザ装置によっても、実施例2のレーザ装置の効果と同様な効果が得られる。 The effect similar to that of the laser device of the second embodiment can be obtained by the laser device of the modification of the second embodiment.
なお、本発明は、実施例1,2のレーザ装置に限定されるものではない。実施例1,2のレーザ装置では、円筒ブロックを用いたが、これに代えて、例えば、多角形状のブロックを用いてもよい。 In addition, this invention is not limited to the laser apparatus of Example 1,2. In the laser devices of the first and second embodiments, the cylindrical block is used. However, for example, a polygonal block may be used instead.
本発明は、分析、計測、医療、光情報処理、レーザディスク等に使用されるレーザ装置に適用可能である。 The present invention is applicable to laser devices used for analysis, measurement, medical care, optical information processing, laser discs, and the like.
1,1a〜1j 光源
11a〜11c 排熱面
2,2a〜2j ホルダ
3 コリメートレンズ
4 ハウジング
5 集光レンズ
6 光ファイバ
7,8 ヒートシンク
7a〜7j シンク部
9 ファン
10a〜10j 穴部
11a〜11c 排熱面
12a〜12c 溝部
17a〜17c 吸熱面
21a〜21c 円筒ブロック
22a〜22c 穴部
23a〜23c プレート
24a〜24c,25a〜25c ネジ部
1, 1a to 1j
Claims (6)
前記複数の光源の各光源から発生する熱を排熱し、前記各光源の排熱面の角度に合わせて3次元造形されたヒートシンクと、
を備えることを特徴とするレーザ装置。 Multiple light sources;
A heat sink that exhausts heat generated from each light source of the plurality of light sources, and is three-dimensionally shaped according to the angle of the heat exhaust surface of each light source;
A laser device comprising:
前記複数のコリメートレンズに対応して設けられ、一対の前記光源と前記コリメートレンズとを保持し且つ前記コリメートレンズのコリメート光の出射位置と出射角度を調整する複数のホルダと、
前記複数のホルダを保持するハウジングと、
出射位置と出射角度が調整された各コリメート光を集光する集光部と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のレーザ装置。 A plurality of collimating lenses that are provided corresponding to the plurality of light sources and collimate each light emitted from the plurality of light sources;
A plurality of holders that are provided corresponding to the plurality of collimating lenses, hold a pair of the light sources and the collimating lenses, and adjust a collimating light emitting position and an emitting angle of the collimating lenses;
A housing holding the plurality of holders;
A condensing unit that condenses each collimated light whose exit position and exit angle are adjusted;
The laser device according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
前記複数の光源の各光源から発生する熱を排熱するヒートシンクと、
前記複数の光源の各光源からの各出射光の出射位置と出射角度を調整する複数のホルダと、
前記各光源の排熱面と前記ヒートシンクの吸熱面との間に配置され、前記各光源の排熱面に個別に接触する1以上の第1熱伝達部材と、
前記1以上の第1熱伝達部材が面接触して挿入される穴部が形成され前記ヒートシンクの吸熱面と面接触する1以上の第2熱伝達部材と、
を備えることを特徴とするレーザ装置。 Multiple light sources;
A heat sink for exhausting heat generated from each light source of the plurality of light sources;
A plurality of holders for adjusting an emission position and an emission angle of each emitted light from each light source of the plurality of light sources;
One or more first heat transfer members disposed between the heat exhaust surface of each light source and the heat absorption surface of the heat sink and individually contacting the heat exhaust surface of each light source;
One or more second heat transfer members that are in contact with the heat-absorbing surface of the heat sink by forming a hole into which the one or more first heat transfer members are inserted in surface contact;
A laser device comprising:
前記第2熱伝達部材は、プレートからなることを特徴とする請求項5記載のレーザ装置。
The first heat transfer member comprises a cylindrical block,
The laser device according to claim 5, wherein the second heat transfer member is a plate.
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