JP3878869B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザのような半導体発光素子を用いた半導体発光装置に関し、例えば、微細加工処理や植物の栽培用等に利用されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体発光素子の一つである半導体レーザ素子を複数配列してなる半導体レーザアレイは、温度上昇により、レーザ出力が飽和してしまう。そこで、半導体レーザアレイを冷却するヒートシンクが半導体レーザアレイと共に用いられ、このような技術は、例えば、「O plus E 1999-2 Vol.21 No.2(P.173-178)」および特開平8-139479号に開示されている。これらの技術によると、半導体レーザアレイは、ヒートシンク内部に設けられた冷却水通路を流れる冷却水により冷却されることで、レーザ出力の飽和が防止される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、複数個の発光ユニットを含む半導体発光装置について、特に植物栽培装置への応用研究を行っており、上記文献に開示されているような技術を半導体発光装置に用いた場合について検討した結果、以下に示す知見を得た。
【０００４】
すなわち、半導体レーザアレイに電流を供給した場合、冷却水を介して電流が流れてしまうおそれがあり、この電流は冷却水を電気分解し酸素を発生させ、発生した酸素はヒートシンクの冷却水通路を錆びさせてしまう。そして、この錆の量が多くなると冷却水通路は水詰まりを起こしてしまう。つまり、冷却水を介して電流が流れた場合、冷却水通路が水詰まりを発生するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷却水通路での錆の発生を抑制することができ、冷却水通路の水詰まりを防止できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光装置は、少なくとも一部が導電性を有する導電性部位となっている冷却水通路が内部に設けられたヒートシンクに、複数の半導体発光素子を配列してなる発光素子アレイを搭載することにより、それぞれ構成されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の発光ユニットと、Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個の発光素子アレイを電流供給用接続線で電気的に直列接続し、半導体発光素子を発光させる電流を供給するための電力供給手段と、Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個のヒートシンクの内部に設けられた冷却水通路を導水配管で並列接続し、半導体発光素子を冷却する冷却水を供給するための冷却水供給手段とを備え、Ｍ個の発光ユニットのそれぞれについて、冷却水通路に対して入水側の導水配管において、冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第１の導電部材が、冷却水通路の入水側端部から所定距離だけ上流方向に離れて冷却水と接するように設けられるとともに、冷却水通路に対して出水側の導水配管において、冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第２の導電部材が、冷却水通路の出水側端部から所定距離だけ下流方向に離れて冷却水と接するように設けられ、電力供給手段の電流供給用接続線にそれぞれ接続される第１の電極、及び第２の電極が設けられて、半導体発光素子への電流は、第１の電極及び第２の電極の間でヒートシンクの導電性部位を介して供給され、第１の導電部材及び第２の導電部材は、第１の電極または第２の電極のいずれか一方に電気的に接続され、ヒートシンクの導電性部位を介して冷却水通路の導電性部位と電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
この半導体発光装置によれば、導水配管の上流方向または下流方向に離れて設けられた導電部材が冷却水通路の導電性部位と等電位にされるので、電流が導電部材と冷却水通路の導電性部位との間で流れ難くなり、Ｍ個の発光ユニット内での錆の発生が抑制され、冷却水通路の水詰まりが防止される。
【０００８】
また、本発明に係る半導体発光装置では、導電部材は筒形状に成形されると共に、絶縁性材料から形成された導水配管の途中に介在され、ヒートシンクの入水側端部または出水側端部における冷却水通路の導電性部位の断面積は、筒形状の導電部材の断面積より小さくされていることが好適である。この場合には、導電部材の断面積が冷却水通路の断面積よりも大きくなっているので、錆が導電部材で析出しても導電部材の水詰まりが発生し難くなる。
【０００９】
また、本発明に係る半導体発光装置では、ヒートシンクは導電性材料から成形されると共に、ヒートシンクの入水側端部または出水側端部には導電部材が取り付けられ、導電部材は導水配管の上流方向または下流方向に向かって拡径する略漏斗状に成形されていることが好適である。この場合には、導電部材が、ヒートシンクを介して冷却水通路と等電位にされるので、導電部材と冷却水通路との電気接続のための接続線等を不要にでき、さらに、導水配管の上流方向または下流方向に向かって拡径しているので、導電部材の拡径した部分に錆が析出し、導電部材の水詰まりが発生し難くなる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体発光装置では、半導体発光素子は半導体レーザ素子であることが好適であり、レーザ出力の飽和を良好に抑制可能となる。また、本発明に係る半導体発光装置では、上記に記載の半導体発光装置からの光を植物に照射して栽培することが好適であり、植物栽培のための長期間にわたって、安定した光照射が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素または相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る植物栽培装置４０の構成図であり、半導体発光素子（半導体レーザ）からの光Ｌを植物Ｐに照射して栽培するものである。図示の通り、第１イオン交換器４１は水道管４１Ａに接続され、蛇口４１Ｂを操作することで供給される水道水から塩素イオンなどを取り除き、これを冷却水供給管４２を介して冷却水タンク４３に供給する。冷却水タンク４３は、例えば、最大２ｔ（トン）の冷却水を貯留可能であり、冷却対象（後述する４つの発光パネル５２）に供給するための冷却水が通る入水管４４と、冷却対象から出て戻ってくる冷却水が通る出水管４８とが並列に接続されている。
【００１３】
入水管４４には、冷却水タンク４３から発光パネル５２側（上流側）に向かって、ポンプ４５、第１フィルタ４６および第２フィルタ４７の順で設けられている。ポンプ４５は、冷却水タンク４３に貯留されている冷却水を入水管４４と出水管４８とを介して、植物栽培装置４０内で循環させる流動源である。第１フィルタ４６は３００μｍ、第２フィルタ４７は６０μｍの微小孔を有し、冷却水に混入しているゴミ等を取り除く。
【００１４】
バイパス管４９は、ポンプ４５をバイパスするように冷却水タンク４３と入水管４４との間に接続されており、ポンプ４５から第１フィルタ４６の方向に向かって圧送される冷却水の一部を分岐させ、第２イオン交換器５０を介して冷却水タンク４３に戻す役割を持つ。第２イオン交換器５０は、ポンプ４５によって循環させられている冷却水の導電率を抑制するためのものであり、イオン交換可能な最大流量が制限されている。そのため、第２イオン交換器５０は、最大流量以上に冷却水が流れ込まないように入水管４４中ではなく、入水管４４から分岐されたバイパス管４９中に設けられている。
【００１５】
入水管４４は下流側の端部で４本の入水側親配管１０に分岐され、出水管は上流側の端部で同じく４本の出水側親配管１３に分岐され、４組の入水側と出水側の各親配管１０，１３の間には４個の各発光パネル５２が介在されている。そして、各出水側親配管１３にはそれぞれセンサ５１Ａが設けられて導電率計５１に接続されている。
【００１６】
図２は、図１に示される発光パネル５２の構成図である。入水側親配管１０に接続される入水側マニホールド１１は、互いに並列に配置されたＭ個のユニットＵ1〜ＵMをそれぞれ介して出水側マニホールド１２に接続されており、冷却水を各ユニットＵ1〜ＵMを介して出水側マニホールド１２に流入させる。出水側マニホールド１２は、出水側親配管１３に接続されており、導入した冷却水を出水側親配管１３に流入させる。
【００１７】
ユニットＵ1〜ＵMは、同一構成であるためユニットＵ1で代表させて説明すると、ユニットＵ1では、上流側から入水側配管（導水配管）１、半導体レーザユニット（発光ユニット）４および出水側配管（導水配管）６の順で接続されており、この順に冷却水が流れる。この入水側配管１および出水側配管６の途中には導電性部材で形成されたガード電極（導電部材）２がそれぞれ介在されており、ガード電極２と半導体レーザユニット４の導電性部位（後述する冷却水通路２３の導電性部位）とは、接続線３を介して電気的に接続され等電位にされている。
【００１８】
このようなＭ個のユニットＵ1〜ＵMの各半導体レーザユニット４は、電流供給用接続線５によって直列接続され発光駆動用の直流電流もしくはパルス電流が印加されている。このため、電流供給用接続線５および電源本体（図示せず）等は、Ｍ個の発光部位を直列接続して電流を供給するための電力供給手段として機能する。また、各半導体レーザユニット４は、入水側配管１および出水側配管６によって並列接続され発光部位（後述する半導体レーザアレイ２０）冷却用の冷却水が供給されている。このため、各配管１，６，１０，１１，１２，１３，４４，４８等は、並列に配管接続されたＭ個の発光部位を冷却する冷却水を供給するための冷却水供給手段として機能する。
【００１９】
図３は、図２に示す単一ユニットＵの斜視図である。半導体レーザユニット４は階段形状の箱体１４を有しており、この箱体１４は異なる高さの上面４ａ，４ｂを有している。低い方の上面４ｂと辺を共有する四角面である前方面４ｃには、蓋部４ｄが取り付けられており、低い方の上面４ｂからは電極２６，２７が上方に向かって伸びている。この電極２６，２７は、半導体レーザユニット４が有する発光部位に電流を供給するための導通部であり、電流供給用接続線５の先端の取付部５ａにネジ等が挿入されてそれぞれで固定されている。
【００２０】
また、電極２６には２本の接続線３が取付部５ａに挟まれて固定されており、この接続線３の他端側は、高い方の上面４ａに接続される入水側配管１および出水側配管６の途中に介在されるそれぞれガード電極２の表面にネジ止め固定されている。ガード電極２は、八角の筒体であって筒の内部が入水側配管１および出水側配管６とつながっており冷却水を流す役割を持つ。さらに、これらの要素１，２，４，６は、筒状の接続部７を介して冷却水が漏れ出さないように接続されている。
【００２１】
図４は、図３に示した半導体レーザユニット４のＩ−Ｉ矢印断面図である。半導体レーザユニット４は、各種要素を箱体１４の内部に収納しており、その箱体１４の上面４ａには、入水側配管１が接続されて冷却水を導入する入水孔１６、および、出水側配管６が接続されて冷却水を流出させる出水孔１７が設けられている。入水孔１６は入水通路１８とつながっており、入水通路１８は、半導体レーザユニット４内に導入した冷却水をヒートシンク２１，２２の内部に設けられた冷却水通路２３に流入させる。出水孔１７は出水通路１９とつながっており、出水通路１９は、冷却水通路２３から導入した冷却水を半導体レーザユニット４外に流出させる。この冷却水通路２３を流れる冷却水により、ヒートシンク２１，２２間に搭載されている半導体レーザアレイ２０は冷却される。また、冷却水通路２３は、少なくとも一部が導電性を有しており、この導電性部位の断面積（冷却水通路２３の面積）は、ガード電極２の断面積（筒内部の断面積）よりも小さくなっている。
【００２２】
半導体レーザアレイ２０は複数個の半導体レーザ素子を配列させたものであり、ヒートシンク２１，２２の導電性部位を介して電流が供給され、各半導体レーザ素子はこの電流によりレーザ光Ｌを出力する。
【００２３】
さらに、この電流は第１の導電体２４および第２の導電体２５も介して流れる。第１の導電体２４は、ヒートシンク２１を挟んで半導体レーザアレイ２０の反対側でヒートシンク２１と接して設けられ、ヒートシンク２１と接する面の反対側で電極２６と接している。同様に、第２の導電体２５は、ヒートシンク２２を挟んで半導体レーザアレイ２０の反対側でヒートシンク２２と接して設けられ、ヒートシンク２２と接する面の反対側で電極２７と接している。
【００２４】
また、半導体レーザユニット４は、電極２６を挟んで電極２７の反対側に設けられた第１の絶縁体２８、電極２６とヒートシンク２１との間であって第１の導電体２４と異なる位置に設けられた第２の絶縁体２９、ヒートシンク２１，２２間であって半導体レーザアレイ２０と異なる位置に設けられた第３の絶縁体３０およびヒートシンク２２と電極２７との間であって第２の導電体２５と異なる位置に設けられた第４の絶縁体３１を有している。これら各絶縁体２７〜３１は、ゴム等で形成されて電流供給用接続線５および電極２６，２７を経て流れてくる電流を遮断すると共に冷却水通路２３の水密性を維持している。
【００２５】
このような半導体レーザユニット４を有する発光パネル５２内では、冷却水を介して電流が流れる場合がある。その理由の一つには、各半導体レーザユニット４の半導体レーザアレイ２０間の電位差が大きな値を有する場合が挙げられ、これを図５を参照して詳しく説明する。
【００２６】
図５は、水の導電率を一定にしたときの電流−電位特性を示すグラフであり、水に浸した２本の電極の電位差を変化させ電流値を測定した結果である。ここでの電極間の距離は３ｍｍであり、水の導電率は４５μＳ／ｃｍである。図示の通り、電位差の値が大きくなるほど電極間を流れる電流が有する電流値は大きくなる傾向がある。また、このグラフでは、導電率を一定にしているが、この導電率を上昇させると電極間を流れる電流が有する電流値は大きくなる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る植物栽培装置４０での錆の析出について説明する。先ず、ポンプ４５が起動されて冷却水が配管を介して植物栽培装置４０内を循環し、電流が各半導体レーザユニット４の半導体レーザアレイ２０に供給されてレーザ光Ｌが出力される。
【００２８】
この発光パネル５２では、Ｍ個の半導体レーザアレイ２０が電気的に直列接続であるため、各半導体レーザアレイ２０間には、電位差が生じている。また、各冷却水通路２３が入水側配管１および出水側配管６で並列接続である。そのため、各半導体レーザアレイ２０間の電位差が大きい場合や冷却水の導電率が上昇した場合には、冷却水を介して電流が流れる。
【００２９】
ガード電極２は各半導体レーザユニット４の冷却水通路２３の導電性部位と電気的に接続されており冷却水と接しているため、この冷却水を介して流れる電流は、各ユニットＵ1〜ＵMのガード電極２間で半導体レーザユニット４を介することなく流れる。逆に、各半導体レーザユニット４の冷却水通路２３の導電性部位がガード電極２と電気的に接続されて等電位にされるため、半導体レーザユニット４を挟む２つのガード電極２間には電流が流れない。
【００３０】
このように本実施形態によれば、入水側配管１の上流方向または出水側配管６の下流方向に離れて設けられたガード電極２が冷却水通路２３の導電性部位と等電位にされるので、電流がガード電極２と冷却水通路２３の導電性部位との間で流れ難くなり、Ｍ個の半導体レーザユニット４内での錆の発生が抑制され、冷却水通路２３の水詰まりが防止される。
【００３１】
さらに、本実施形態によれば、ガード電極２の断面積が冷却水通路２３の導電性部位の断面積よりも大きくなっているので、錆がガード電極２で析出してもガード電極２の水詰まりが発生し難くなる。
【００３２】
次に、本実施形態の第一変形例を図６を参照して説明する。図６は、図３に示すユニットＵに代わる第一の変形構成を示す斜視図である。ここでは、ガード電極２の代わりに接続管（導電部材）３２が用いられている。それ以外は、図３に示す構成と同様である。
【００３３】
接続管３２は、導電性の部材で形成された筒形状体であって、冷却水通路２３の入水側端部から上流方向に所定距離だけ離れて冷却水と接するように設けられている。詳しくは、接続管３２は、半導体レーザユニット４の入水孔１６と入水側配管１との間および半導体レーザユニット４の出水孔１７と出水側配管６との間に設けられている。
【００３４】
さらに、接続管３２は、ガード電極２と同様に、接続線３が表面に巻き付けられて冷却水通路２３の導電性部位と電気的に接続にされている。また、断面積の関係についてもガード電極２と同様である。
【００３５】
以上のように、第一変形例によれば、ガード電極２を用いたときと同様に、Ｍ個の半導体レーザユニット４内での錆の発生が抑制され、冷却水通路２３の水詰まりが防止される。
【００３６】
次に、本実施形態の第二変形例を図７を参照して説明する。図７は、図３に示すユニットＵに代わる第二の変形構成を示す斜視図である。この例では、入水側配管１の上流側に、または、出水側配管６の下流側に向かってそれぞれ拡径された略漏斗形状をなす漏斗状接続管３３が設けられ、この漏斗状接続管３３は、半導体レーザユニット４の入水孔１６と入水側配管１との間および半導体レーザユニット４の出水孔１７と出水側配管６との間に設けられている。
【００３７】
さらに、漏斗状接続管３３は、ガード電極２と同様に、接続線３が表面に巻き付けられて冷却水通路２３の導電性部位と電気的に接続にされている。また、漏斗状接続管３３の縮径された部分の断面積は、冷却水通路２３の断面積よりも大きい。他の構成については、図３に示すユニットＵの構成と同様である。
【００３８】
このように、第二変形例によれば、漏斗状接続管３３が、入水側配管１の上流方向または出水側配管６の下流方向に向かって拡径しているので、錆は漏斗状接続管３３の拡径された部分に析出し、漏斗状接続管３３の水詰まりが発生し難くなる。
【００３９】
次に、本実施形態の第三変形例について図８を参照して説明する。図８は、図３に示すユニットＵに代わる第三の変形構成を示す斜視図である。この例では、ガード電極２の代わりに、ヒートシンク２１の入水側端部または出水側端部に取り付けられ、ヒートシンク２１を介して冷却水通路２３と電気的に接続されている接続管３２が用いられている。そのため、この例では、接続線３による電気接続が不要になっている。なお、ここでのヒートシンク２１は、そのすべてが導電性材料で形成されている。他の構成については、図３に示すユニットＵの構成と同様である。
【００４０】
このように、第三変形例によれば、接続管３２が、ヒートシンク２１を介して冷却水通路２３と等電位にされるので、接続管３２と冷却水通路との電気接続のための接続線等を不要にできる。
【００４１】
なお、本発明については、各種変形が可能である。例えば、入水側および出水側の導電部材は、ステンレス等の錆が析出しにくい材料で形成されていても良い。この場合には、導電部材での錆の発生も軽減される。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、導水配管の上流方向または下流方向に離れた導電部材が冷却水通路の導電性部位と等電位にされているので、電流が導電部材と冷却水通路の導電性部位との間で流れ難くなり、Ｍ個の発光ユニット内での錆の発生は抑制され、冷却水通路の水詰まりは防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る植物栽培装置４０の構成図である。
【図２】図１に示される発光パネル５２の構成図である。
【図３】図２に示す単一ユニットＵの斜視図である。
【図４】半導体レーザユニット４の詳細な構成を示すＩ−Ｉ断面図である。
【図５】水の導電率を一定にしたときの電流−電位特性を示すグラフである。
【図６】図３に示すユニットＵに代わる第一の変形構成を示す斜視図である。
【図７】図３に示すユニットＵに代わる第二の変形構成を示す斜視図である。
【図８】図３に示すユニットＵに代わる第三の変形構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…入水側配管、２…ガード電極、４…半導体レーザユニット、５…電流供給用接続線、６…出水側配管、２０…半導体レーザアレイ、２１，２２…ヒートシンク、２３…冷却水通路、３２…接続管、３３…漏斗状接続管、５２…発光パネル。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザのような半導体発光素子を用いた半導体発光装置に関し、例えば、微細加工処理や植物の栽培用等に利用されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体発光素子の一つである半導体レーザ素子を複数配列してなる半導体レーザアレイは、温度上昇により、レーザ出力が飽和してしまう。そこで、半導体レーザアレイを冷却するヒートシンクが半導体レーザアレイと共に用いられ、このような技術は、例えば、「O plus E 1999-2 Vol.21 No.2(P.173-178)」および特開平8-139479号に開示されている。これらの技術によると、半導体レーザアレイは、ヒートシンク内部に設けられた冷却水通路を流れる冷却水により冷却されることで、レーザ出力の飽和が防止される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、複数個の発光ユニットを含む半導体発光装置について、特に植物栽培装置への応用研究を行っており、上記文献に開示されているような技術を半導体発光装置に用いた場合について検討した結果、以下に示す知見を得た。
【０００４】
すなわち、半導体レーザアレイに電流を供給した場合、冷却水を介して電流が流れてしまうおそれがあり、この電流は冷却水を電気分解し酸素を発生させ、発生した酸素はヒートシンクの冷却水通路を錆びさせてしまう。そして、この錆の量が多くなると冷却水通路は水詰まりを起こしてしまう。つまり、冷却水を介して電流が流れた場合、冷却水通路が水詰まりを発生するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷却水通路での錆の発生を抑制することができ、冷却水通路の水詰まりを防止できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光装置は、少なくとも一部が導電性を有する導電性部位となっている冷却水通路が内部に設けられたヒートシンクに、複数の半導体発光素子を配列してなる発光素子アレイを搭載することにより、それぞれ構成されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の発光ユニットと、Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個の発光素子アレイを電流供給用接続線で電気的に直列接続し、半導体発光素子を発光させる電流を供給するための電力供給手段と、Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個のヒートシンクの内部に設けられた冷却水通路を導水配管で並列接続し、半導体発光素子を冷却する冷却水を供給するための冷却水供給手段とを備え、Ｍ個の発光ユニットのそれぞれについて、冷却水通路に対して入水側の導水配管において、冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第１の導電部材が、冷却水通路の入水側端部から所定距離だけ上流方向に離れて冷却水と接するように設けられるとともに、冷却水通路に対して出水側の導水配管において、冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第２の導電部材が、冷却水通路の出水側端部から所定距離だけ下流方向に離れて冷却水と接するように設けられ、電力供給手段の電流供給用接続線にそれぞれ接続される第１の電極、及び第２の電極が設けられて、半導体発光素子への電流は、第１の電極及び第２の電極の間でヒートシンクの導電性部位を介して供給され、第１の導電部材及び第２の導電部材は、第１の電極または第２の電極のいずれか一方に電気的に接続され、ヒートシンクの導電性部位を介して冷却水通路の導電性部位と電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
この半導体発光装置によれば、導水配管の上流方向または下流方向に離れて設けられた導電部材が冷却水通路の導電性部位と等電位にされるので、電流が導電部材と冷却水通路の導電性部位との間で流れ難くなり、Ｍ個の発光ユニット内での錆の発生が抑制され、冷却水通路の水詰まりが防止される。
【０００８】
また、本発明に係る半導体発光装置では、導電部材は筒形状に成形されると共に、絶縁性材料から形成された導水配管の途中に介在され、ヒートシンクの入水側端部または出水側端部における冷却水通路の導電性部位の断面積は、筒形状の導電部材の断面積より小さくされていることが好適である。この場合には、導電部材の断面積が冷却水通路の断面積よりも大きくなっているので、錆が導電部材で析出しても導電部材の水詰まりが発生し難くなる。
【０００９】
また、本発明に係る半導体発光装置では、ヒートシンクは導電性材料から成形されると共に、ヒートシンクの入水側端部または出水側端部には導電部材が取り付けられ、導電部材は導水配管の上流方向または下流方向に向かって拡径する略漏斗状に成形されていることが好適である。この場合には、導電部材が、ヒートシンクを介して冷却水通路と等電位にされるので、導電部材と冷却水通路との電気接続のための接続線等を不要にでき、さらに、導水配管の上流方向または下流方向に向かって拡径しているので、導電部材の拡径した部分に錆が析出し、導電部材の水詰まりが発生し難くなる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体発光装置では、半導体発光素子は半導体レーザ素子であることが好適であり、レーザ出力の飽和を良好に抑制可能となる。また、本発明に係る半導体発光装置では、上記に記載の半導体発光装置からの光を植物に照射して栽培することが好適であり、植物栽培のための長期間にわたって、安定した光照射が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素または相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る植物栽培装置４０の構成図であり、半導体発光素子（半導体レーザ）からの光Ｌを植物Ｐに照射して栽培するものである。図示の通り、第１イオン交換器４１は水道管４１Ａに接続され、蛇口４１Ｂを操作することで供給される水道水から塩素イオンなどを取り除き、これを冷却水供給管４２を介して冷却水タンク４３に供給する。冷却水タンク４３は、例えば、最大２ｔ（トン）の冷却水を貯留可能であり、冷却対象（後述する４つの発光パネル５２）に供給するための冷却水が通る入水管４４と、冷却対象から出て戻ってくる冷却水が通る出水管４８とが並列に接続されている。
【００１３】
入水管４４には、冷却水タンク４３から発光パネル５２側（上流側）に向かって、ポンプ４５、第１フィルタ４６および第２フィルタ４７の順で設けられている。ポンプ４５は、冷却水タンク４３に貯留されている冷却水を入水管４４と出水管４８とを介して、植物栽培装置４０内で循環させる流動源である。第１フィルタ４６は３００μｍ、第２フィルタ４７は６０μｍの微小孔を有し、冷却水に混入しているゴミ等を取り除く。
【００１４】
バイパス管４９は、ポンプ４５をバイパスするように冷却水タンク４３と入水管４４との間に接続されており、ポンプ４５から第１フィルタ４６の方向に向かって圧送される冷却水の一部を分岐させ、第２イオン交換器５０を介して冷却水タンク４３に戻す役割を持つ。第２イオン交換器５０は、ポンプ４５によって循環させられている冷却水の導電率を抑制するためのものであり、イオン交換可能な最大流量が制限されている。そのため、第２イオン交換器５０は、最大流量以上に冷却水が流れ込まないように入水管４４中ではなく、入水管４４から分岐されたバイパス管４９中に設けられている。
【００１５】
入水管４４は下流側の端部で４本の入水側親配管１０に分岐され、出水管は上流側の端部で同じく４本の出水側親配管１３に分岐され、４組の入水側と出水側の各親配管１０，１３の間には４個の各発光パネル５２が介在されている。そして、各出水側親配管１３にはそれぞれセンサ５１Ａが設けられて導電率計５１に接続されている。
【００１６】
図２は、図１に示される発光パネル５２の構成図である。入水側親配管１０に接続される入水側マニホールド１１は、互いに並列に配置されたＭ個のユニットＵ1〜ＵMをそれぞれ介して出水側マニホールド１２に接続されており、冷却水を各ユニットＵ1〜ＵMを介して出水側マニホールド１２に流入させる。出水側マニホールド１２は、出水側親配管１３に接続されており、導入した冷却水を出水側親配管１３に流入させる。
【００１７】
ユニットＵ1〜ＵMは、同一構成であるためユニットＵ1で代表させて説明すると、ユニットＵ1では、上流側から入水側配管（導水配管）１、半導体レーザユニット（発光ユニット）４および出水側配管（導水配管）６の順で接続されており、この順に冷却水が流れる。この入水側配管１および出水側配管６の途中には導電性部材で形成されたガード電極（導電部材）２がそれぞれ介在されており、ガード電極２と半導体レーザユニット４の導電性部位（後述する冷却水通路２３の導電性部位）とは、接続線３を介して電気的に接続され等電位にされている。
【００１８】
このようなＭ個のユニットＵ1〜ＵMの各半導体レーザユニット４は、電流供給用接続線５によって直列接続され発光駆動用の直流電流もしくはパルス電流が印加されている。このため、電流供給用接続線５および電源本体（図示せず）等は、Ｍ個の発光部位を直列接続して電流を供給するための電力供給手段として機能する。また、各半導体レーザユニット４は、入水側配管１および出水側配管６によって並列接続され発光部位（後述する半導体レーザアレイ２０）冷却用の冷却水が供給されている。このため、各配管１，６，１０，１１，１２，１３，４４，４８等は、並列に配管接続されたＭ個の発光部位を冷却する冷却水を供給するための冷却水供給手段として機能する。
【００１９】
図３は、図２に示す単一ユニットＵの斜視図である。半導体レーザユニット４は階段形状の箱体１４を有しており、この箱体１４は異なる高さの上面４ａ，４ｂを有している。低い方の上面４ｂと辺を共有する四角面である前方面４ｃには、蓋部４ｄが取り付けられており、低い方の上面４ｂからは電極２６，２７が上方に向かって伸びている。この電極２６，２７は、半導体レーザユニット４が有する発光部位に電流を供給するための導通部であり、電流供給用接続線５の先端の取付部５ａにネジ等が挿入されてそれぞれで固定されている。
【００２０】
また、電極２６には２本の接続線３が取付部５ａに挟まれて固定されており、この接続線３の他端側は、高い方の上面４ａに接続される入水側配管１および出水側配管６の途中に介在されるそれぞれガード電極２の表面にネジ止め固定されている。ガード電極２は、八角の筒体であって筒の内部が入水側配管１および出水側配管６とつながっており冷却水を流す役割を持つ。さらに、これらの要素１，２，４，６は、筒状の接続部７を介して冷却水が漏れ出さないように接続されている。
【００２１】
図４は、図３に示した半導体レーザユニット４のＩ−Ｉ矢印断面図である。半導体レーザユニット４は、各種要素を箱体１４の内部に収納しており、その箱体１４の上面４ａには、入水側配管１が接続されて冷却水を導入する入水孔１６、および、出水側配管６が接続されて冷却水を流出させる出水孔１７が設けられている。入水孔１６は入水通路１８とつながっており、入水通路１８は、半導体レーザユニット４内に導入した冷却水をヒートシンク２１，２２の内部に設けられた冷却水通路２３に流入させる。出水孔１７は出水通路１９とつながっており、出水通路１９は、冷却水通路２３から導入した冷却水を半導体レーザユニット４外に流出させる。この冷却水通路２３を流れる冷却水により、ヒートシンク２１，２２間に搭載されている半導体レーザアレイ２０は冷却される。また、冷却水通路２３は、少なくとも一部が導電性を有しており、この導電性部位の断面積（冷却水通路２３の面積）は、ガード電極２の断面積（筒内部の断面積）よりも小さくなっている。
【００２２】
半導体レーザアレイ２０は複数個の半導体レーザ素子を配列させたものであり、ヒートシンク２１，２２の導電性部位を介して電流が供給され、各半導体レーザ素子はこの電流によりレーザ光Ｌを出力する。
【００２３】
さらに、この電流は第１の導電体２４および第２の導電体２５も介して流れる。第１の導電体２４は、ヒートシンク２１を挟んで半導体レーザアレイ２０の反対側でヒートシンク２１と接して設けられ、ヒートシンク２１と接する面の反対側で電極２６と接している。同様に、第２の導電体２５は、ヒートシンク２２を挟んで半導体レーザアレイ２０の反対側でヒートシンク２２と接して設けられ、ヒートシンク２２と接する面の反対側で電極２７と接している。
【００２４】
また、半導体レーザユニット４は、電極２６を挟んで電極２７の反対側に設けられた第１の絶縁体２８、電極２６とヒートシンク２１との間であって第１の導電体２４と異なる位置に設けられた第２の絶縁体２９、ヒートシンク２１，２２間であって半導体レーザアレイ２０と異なる位置に設けられた第３の絶縁体３０およびヒートシンク２２と電極２７との間であって第２の導電体２５と異なる位置に設けられた第４の絶縁体３１を有している。これら各絶縁体２７〜３１は、ゴム等で形成されて電流供給用接続線５および電極２６，２７を経て流れてくる電流を遮断すると共に冷却水通路２３の水密性を維持している。
【００２５】
このような半導体レーザユニット４を有する発光パネル５２内では、冷却水を介して電流が流れる場合がある。その理由の一つには、各半導体レーザユニット４の半導体レーザアレイ２０間の電位差が大きな値を有する場合が挙げられ、これを図５を参照して詳しく説明する。
【００２６】
図５は、水の導電率を一定にしたときの電流−電位特性を示すグラフであり、水に浸した２本の電極の電位差を変化させ電流値を測定した結果である。ここでの電極間の距離は３ｍｍであり、水の導電率は４５μＳ／ｃｍである。図示の通り、電位差の値が大きくなるほど電極間を流れる電流が有する電流値は大きくなる傾向がある。また、このグラフでは、導電率を一定にしているが、この導電率を上昇させると電極間を流れる電流が有する電流値は大きくなる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る植物栽培装置４０での錆の析出について説明する。先ず、ポンプ４５が起動されて冷却水が配管を介して植物栽培装置４０内を循環し、電流が各半導体レーザユニット４の半導体レーザアレイ２０に供給されてレーザ光Ｌが出力される。
【００２８】
この発光パネル５２では、Ｍ個の半導体レーザアレイ２０が電気的に直列接続であるため、各半導体レーザアレイ２０間には、電位差が生じている。また、各冷却水通路２３が入水側配管１および出水側配管６で並列接続である。そのため、各半導体レーザアレイ２０間の電位差が大きい場合や冷却水の導電率が上昇した場合には、冷却水を介して電流が流れる。
【００２９】
ガード電極２は各半導体レーザユニット４の冷却水通路２３の導電性部位と電気的に接続されており冷却水と接しているため、この冷却水を介して流れる電流は、各ユニットＵ1〜ＵMのガード電極２間で半導体レーザユニット４を介することなく流れる。逆に、各半導体レーザユニット４の冷却水通路２３の導電性部位がガード電極２と電気的に接続されて等電位にされるため、半導体レーザユニット４を挟む２つのガード電極２間には電流が流れない。
【００３０】
このように本実施形態によれば、入水側配管１の上流方向または出水側配管６の下流方向に離れて設けられたガード電極２が冷却水通路２３の導電性部位と等電位にされるので、電流がガード電極２と冷却水通路２３の導電性部位との間で流れ難くなり、Ｍ個の半導体レーザユニット４内での錆の発生が抑制され、冷却水通路２３の水詰まりが防止される。
【００３１】
さらに、本実施形態によれば、ガード電極２の断面積が冷却水通路２３の導電性部位の断面積よりも大きくなっているので、錆がガード電極２で析出してもガード電極２の水詰まりが発生し難くなる。
【００３２】
次に、本実施形態の第一変形例を図６を参照して説明する。図６は、図３に示すユニットＵに代わる第一の変形構成を示す斜視図である。ここでは、ガード電極２の代わりに接続管（導電部材）３２が用いられている。それ以外は、図３に示す構成と同様である。
【００３３】
接続管３２は、導電性の部材で形成された筒形状体であって、冷却水通路２３の入水側端部から上流方向に所定距離だけ離れて冷却水と接するように設けられている。詳しくは、接続管３２は、半導体レーザユニット４の入水孔１６と入水側配管１との間および半導体レーザユニット４の出水孔１７と出水側配管６との間に設けられている。
【００３４】
さらに、接続管３２は、ガード電極２と同様に、接続線３が表面に巻き付けられて冷却水通路２３の導電性部位と電気的に接続にされている。また、断面積の関係についてもガード電極２と同様である。
【００３５】
以上のように、第一変形例によれば、ガード電極２を用いたときと同様に、Ｍ個の半導体レーザユニット４内での錆の発生が抑制され、冷却水通路２３の水詰まりが防止される。
【００３６】
次に、本実施形態の第二変形例を図７を参照して説明する。図７は、図３に示すユニットＵに代わる第二の変形構成を示す斜視図である。この例では、入水側配管１の上流側に、または、出水側配管６の下流側に向かってそれぞれ拡径された略漏斗形状をなす漏斗状接続管３３が設けられ、この漏斗状接続管３３は、半導体レーザユニット４の入水孔１６と入水側配管１との間および半導体レーザユニット４の出水孔１７と出水側配管６との間に設けられている。
【００３７】
さらに、漏斗状接続管３３は、ガード電極２と同様に、接続線３が表面に巻き付けられて冷却水通路２３の導電性部位と電気的に接続にされている。また、漏斗状接続管３３の縮径された部分の断面積は、冷却水通路２３の断面積よりも大きい。他の構成については、図３に示すユニットＵの構成と同様である。
【００３８】
このように、第二変形例によれば、漏斗状接続管３３が、入水側配管１の上流方向または出水側配管６の下流方向に向かって拡径しているので、錆は漏斗状接続管３３の拡径された部分に析出し、漏斗状接続管３３の水詰まりが発生し難くなる。
【００３９】
次に、本実施形態の第三変形例について図８を参照して説明する。図８は、図３に示すユニットＵに代わる第三の変形構成を示す斜視図である。この例では、ガード電極２の代わりに、ヒートシンク２１の入水側端部または出水側端部に取り付けられ、ヒートシンク２１を介して冷却水通路２３と電気的に接続されている接続管３２が用いられている。そのため、この例では、接続線３による電気接続が不要になっている。なお、ここでのヒートシンク２１は、そのすべてが導電性材料で形成されている。他の構成については、図３に示すユニットＵの構成と同様である。
【００４０】
このように、第三変形例によれば、接続管３２が、ヒートシンク２１を介して冷却水通路２３と等電位にされるので、接続管３２と冷却水通路との電気接続のための接続線等を不要にできる。
【００４１】
なお、本発明については、各種変形が可能である。例えば、入水側および出水側の導電部材は、ステンレス等の錆が析出しにくい材料で形成されていても良い。この場合には、導電部材での錆の発生も軽減される。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、導水配管の上流方向または下流方向に離れた導電部材が冷却水通路の導電性部位と等電位にされているので、電流が導電部材と冷却水通路の導電性部位との間で流れ難くなり、Ｍ個の発光ユニット内での錆の発生は抑制され、冷却水通路の水詰まりは防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る植物栽培装置４０の構成図である。
【図２】図１に示される発光パネル５２の構成図である。
【図３】図２に示す単一ユニットＵの斜視図である。
【図４】半導体レーザユニット４の詳細な構成を示すＩ−Ｉ断面図である。
【図５】水の導電率を一定にしたときの電流−電位特性を示すグラフである。
【図６】図３に示すユニットＵに代わる第一の変形構成を示す斜視図である。
【図７】図３に示すユニットＵに代わる第二の変形構成を示す斜視図である。
【図８】図３に示すユニットＵに代わる第三の変形構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…入水側配管、２…ガード電極、４…半導体レーザユニット、５…電流供給用接続線、６…出水側配管、２０…半導体レーザアレイ、２１，２２…ヒートシンク、２３…冷却水通路、３２…接続管、３３…漏斗状接続管、５２…発光パネル。
Claims (7)
- 少なくとも一部が導電性を有する導電性部位となっている冷却水通路が内部に設けられたヒートシンクに、複数の半導体発光素子を配列してなる発光素子アレイを搭載することにより、それぞれ構成されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の発光ユニットと、
前記Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個の前記発光素子アレイを電流供給用接続線で電気的に直列接続し、前記半導体発光素子を発光させる電流を供給するための電力供給手段と、
前記Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個の前記ヒートシンクの内部に設けられた前記冷却水通路を導水配管で並列接続し、前記半導体発光素子を冷却する冷却水を供給するための冷却水供給手段とを備え、
前記Ｍ個の発光ユニットのそれぞれについて、
前記冷却水通路に対して入水側の前記導水配管において、前記冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第１の導電部材が、前記冷却水通路の入水側端部から所定距離だけ上流方向に離れて冷却水と接するように設けられるとともに、前記冷却水通路に対して出水側の前記導水配管において、前記冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第２の導電部材が、前記冷却水通路の出水側端部から所定距離だけ下流方向に離れて冷却水と接するように設けられ、
前記電力供給手段の前記電流供給用接続線にそれぞれ接続される第１の電極、及び第２の電極が設けられて、前記半導体発光素子への電流は、前記第１の電極及び前記第２の電極の間で前記ヒートシンクの導電性部位を介して供給され、
前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材は、前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方に電気的に接続され、前記ヒートシンクの導電性部位を介して前記冷却水通路の導電性部位と電気的に接続されていることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記第１の導電部材、及び前記第２の導電部材は筒形状に形成されると共に、絶縁性材料から形成された入水側の前記導水配管の途中、及び出水側の前記導水配管の途中にそれぞれ介在され、
前記ヒートシンクの前記冷却水通路の導電性部位の断面積は、前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の筒内部の断面積より小さくされていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。 - 前記第１の導電部材、及び前記第２の導電部材は筒形状に形成されると共に、前記発光ユニットの入水孔と入水側の前記導水配管との間に設けられた第１の接続管、及び前記発光ユニットの出水孔と出水側の前記導水配管との間に設けられた第２の接続管によってそれぞれ構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
- 前記第１の接続管、及び前記第２の接続管は、それぞれ入水側の前記導水配管の上流側に向かって拡径された略漏斗形状の第１の漏斗状接続管、及び出水側の前記導水配管の下流側に向かって拡径された略漏斗形状の第２の漏斗状接続管であることを特徴とする請求項３記載の半導体発光装置。
- 少なくとも一部が導電性を有する導電性部位となっている冷却水通路が内部に設けられたヒートシンクに、複数の半導体発光素子を配列してなる発光素子アレイを搭載することにより、それぞれ構成されたＭ個（Ｍは２以上の整数）の発光ユニットと、
前記Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個の前記発光素子アレイを電流供給用接続線で電気的に直列接続し、前記半導体発光素子を発光させる電流を供給するための電力供給手段と、
前記Ｍ個の発光ユニットがそれぞれ有するＭ個の前記ヒートシンクの内部に設けられた前記冷却水通路を導水配管で並列接続し、前記半導体発光素子を冷却する冷却水を供給するための冷却水供給手段とを備え、
前記Ｍ個の発光ユニットのそれぞれについて、
前記冷却水通路に対して入水側において、前記冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第１の導電部材が、前記冷却水通路の入水側端部よりも上流方向の所定位置に冷却水と接するように設けられるとともに、前記冷却水通路に対して出水側において、前記冷却水通路の導電性部位と電気的に接続された第２の導電部材が、前記冷却水通路の出水側端部よりも下流方向の所定位置に冷却水と接するように設けられ、
前記電力供給手段の前記電流供給用接続線にそれぞれ接続される第１の電極、及び第２の電極が設けられて、前記半導体発光素子への電流は、前記第１の電極及び前記第２の電極の間で前記ヒートシンクの導電性部位を介して供給され、
前記ヒートシンクはそのすべてが導電性材料で形成されると共に、前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材は、前記冷却水通路の前記入水側端部に取り付けられた第１の接続管、及び前記冷却水通路の前記出水側端部に取り付けられた第２の接続管によってそれぞれ構成され、前記ヒートシンクを介して前記冷却水通路と電気的に接続されていることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記半導体発光素子は半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体発光装置。
- 請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体発光装置からの光を植物に照射して栽培することを特徴とする植物栽培装置。
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