JP4142099B2 - 冷却レーザダイオードアレイモジュール組立体 - Google Patents

Description

詳細な説明
技術分野
本願発明は、複数のレーザダイオードアレイから成る組立体およびその冷却システムの分野に関する。
レーザダイオードアレイ組立体の適用分野は多くあり、２つの主要なグループに分類することができる：それは、
− 各ダイオードからのレーザ放射が、直接用いられ（光学系によって整形されるか又はファイバで搬送されるビーム）、実質上、医療用セクタ及び工業用セクタ（マーキング）に関連した適用分野と；
− 各ダイオードからのレーザ放射が、例えば、希土類（Nd,Er,Tm,Ho,Yb,Pr,Ce,...）のイオン又はCr,Co及び類似のイオンをドーピングした酸化物又はフッ化物等の結晶性材料の光ポンピング、染料類及び非線形効果媒体との相互作用（調波（harmonics）の発生、パラメトリック増幅器類又は発振器類）等のレーザ材料の光ポンピングの如く、レーザ媒体（エネルギー蓄積媒体又は非線形効果媒体）の光ポンピングに用いられる適用分野と；である。
従来技術
レーザダイオードアレイ類及び一般的用語ではレーザダイオードは、約２５〜３３%の光／電気効率を有する。従って、発熱による電力損失は、消費電力の６６〜７５%に相当する。連続２０ワットアレイでは、能動容積（半導体）は、一般に、極めて小さく（マイクロメートルのディメンション）、典型的には、０．５〜１mm³であり、一方、熱力密度（thermal power density）は、６０と１６０kW/cm³の間である。アレイは、一般には、幾つかの機能：
− 堅固な、機械的支持機能、
− 電気的機能（陽極部）、
− 高熱伝導率による、熱的機能
を有するところの、（真鍮又は銅製の）ベース部に溶接される。
市販されている全てのレーザダイオードアレイでは、熱伝導は、基板及び一般には陽極ベース部を通して、底部から起こる。このベース部は、半導体における熱力を除去し且つ温度上昇を限定するために冷却源と接触されていなければならない。上方部分（陰極部）の接続は、一般に、適切な熱伝導度を確保できず、周囲空気の自然対流によって熱交換が起こる。
冷却源を作るには、金属（真鍮又は銅）の冷ボックス、又はペルチエ効果熱電対の何れかを使うことができる。
これらの処置は、アレイベース部と冷却源間の良好な接触を保証し、接触熱抵抗を最小にするものである。ペルチエ効果の技術は、低電力の用途において及びダイオード数が限定される時に広く用いられている。連続電力アレイ（典型的には、平均で２１ワット）にこの技術が使われている例はない。
いわゆる”マイクロチャンネル”技術は、米国特許第５ １０５ ４２９号明細書と米国特許第５ １０５ ４３０号明細書に記載されている。この技術は、それぞれがダイオードアレイをマイクロチャンネル冷却付き基板に配置したモジュール類の組立に基づいており、二次元放射構造を形成するものである。
諸改善又は諸変更は、構造の内部アーキテクチャ、スタック（積層）の構成又は冷却液循環の方法に関連して、行われてきた。マイクロチャンネル構造による冷却原理はそのままで、伝導材料のフィンのネットワークを装備すれば大きい交換表面（ラジエータ）の利点がある。該材料は、実際の半導体又は、シリコン、銅又はダイヤモンドのような、十分な熱伝導を有する材料であってよい。
マイクロチャンネルラジエータは、自律モジュールを包含するべく各アレイベース部に組み込んでよく、又はアレイの組立群（二次元組立の表面）に共通であってもよい。
マイクロチャンネル技術の適用分野は、アレイのスタック群のそれである。幅１cm以上のアレイスタックによって、数平方センチメートルの放射面積を得ることが可能となる。これは、表面放射ダイオードのネットワークと連結して最も広く用いられる代替例である。以下に示した理由から、マイクロチャンネルの方法の開発は極めて細かい注意を要する。
第一に、このマイクロチャンネルの方法は、高度に複雑なエッチング技術があって始めて実行できるものである。チャンネルのサイズも５０〜１５０ミクロンの間隔で約１００ミクロンである。それ故、冷却液は、マイクロチャンネルのネットワークを詰まらせないよう細心の注意をもって濾過しなければならない。これは、毎分約１リットルという妥当な液体流量に対して、（４バールを越える）高圧を呈する著しい圧力損失となる。
最後に、光ポンピングの場合、マイクロチャンネルの既知スタックでは、例えば、円筒状の形状をもっている媒体をポンピングすることはできない。従来からの技術として、スタック形にアレイ群を組み立てることと、それらを水箱と接触している後部から冷却することがある。この技術は、疑似連続（quasi-continuous）放射アレイ群について、即ち、１〜４ワットという平均電力について、対処できるに過ぎない。
米国特許第５ ０３１ １８４号明細書では、半導体ポンピングダイオード冷却装置が記述されている。この装置は、それ自体がベース部上に置かれている、ペルチエ素子上の組立を含む故、複雑な構造となる。その系の組立に関して、特にベース部に関する部品類とジョイント類の保持については、何らの情報も与えられていない。
当該装置では、特に、下部及び両サイドから位置決めすることは実施が困難なため、その系のシーリング（密封）と機械的強度を保証できるようにすることは困難であろうと思われる。さらに、熱膨張が生じて機械的応力が発生することがあり、これらを前述の組立内で抑えることは困難である。
熱的観点から、その機能が十分な熱交換係数によって充分な熱除去を確保することであるところの、２つの水冷系の間にペルチエ素子がサンドイッチされる時は、米国特許第５ ０３１ １８４号明細書の装置では、ペルチエ素子によって最終的に半導体の温度を調整することは極めて困難であろうと思われる。この原理は単一素子に用いてよいが、２素子には使えない、何故なら、第一ペルチエ素子の効果は、第二素子に帰結し、第二ペルチエ素子がその欠陥を補償して、同じ結果を第三素子に生じ、等々となるからである。
本発明の説明
本発明の目的は、各アレイによって消費される熱エネルギーの除去のため、そしてエミッタの自動温度調節、即ちダイオードの放射波長の安定のために必要な冷却システムが組み込まれた複数のレーザダイオードアレイから成る線形でかつモジュラー式の組立体を提供することである。
したがって、本発明は、複数のＮ型レーザダイオードアレイ（N laser diode arrays）から成る組立体であって：
− 各ダイオードは、陽極部を形成し且つ孔部が形成されたベース部の端部に組み立てられており、全ての孔は各ダイオードアレイの線形組立体を冷却するための液体循環用のチャンネルを規定し、一つのアレイによって構成される各モジュール、ベース部及び陰極部は、フラット状のジョイントによって、それぞれ隣接するモジュールから分離され、
− 各ベース部には、第二の孔部が形成されているとともに、全ての第二の孔部には、各アレイが動作位置に並置されたときに整列配置されるようにされ、
− 二つの保持フランジが、各アレイの線形組立体の両端部に配置され、前記各フランジは、第二の孔全てを介して組立体を貫通するネジによって締結されていることを特徴とする。
この装置によって、機械的及び熱的な機能の最適な統合が可能となる。
したがって、本発明によれば、複数のレーザダイオードから成る線形に組み立てられた組立体が可能になると同時に、組立体の熱伝導抵抗（thermal resistance）の低下を可能にするベース部の直接冷却を保証することができるのである。冷却により、一方では、各アレイで消費される熱エネルギーを排除し、他方では、ダイオードの放射波長を安定化させることが可能となる。二つの隣接した各モジュール間にフラット状ジョイント又はガスケットが配置されているため、冷却液のシーリングのみならず、各モジュール間の電気的絶縁が確保されることとなる。
前述の線形組立体即ち装置によって、細長又は円柱形状を有するレーザ媒体のポンピングが可能となる。
二つの保持用又は止め用フランジは、複数アレイから成る線形組立体の両端に配置されており、固定手段（全ての第二の孔部とネジ）によって必要な機械的強度を確保することができる。ネジは、両フランジを締結することができる。このネジは、組立体を貫通するとともに、絶縁用外被で外周部が覆われているものとすることができる。
各ダイオードアレイに電力供給するための電気接続手段を設けることができる。
例えば、直列供給とすることができ、この場合、各アレイと結合された陽極部は隣接アレイの陰極部に接続される。
【図面の簡単な説明】
本発明の諸々の特徴と利点は、下記の説明から推察することができる。この説明は、例示的であって且つ非限定的実施例に関し、本発明によるダイオードアレイ群の組立体を示す添付の単一図面を参照するものである。
発明の実施の形態の詳細な説明
図１は、冷却システムが組み込まれた複数のレーザダイオードアレイ（laser diode arrays）の線形モジュラー式組立体の実施形態を示す。組立体は、並置された組立てられた（単一組立体）、複数の同一部品（単位モジュール）から構成されている。
各レーザダイオードアレイ４（主要寸法：幅１cm、奥行き０．５〜０．６mm、高さ０．１〜０．２mm）は、現行においては陽極ベース部とされているとともに、アレイの幅よりも僅かに大きな幅を有するベース部６に溶接されている。ベース部は、例えば、銅又は真鍮等の金属から形成されているとともに、任意に、電解堆積法によって、ろう付による溶接を可能にする金及びニッケルのコーティングにより覆われている。各アレイからの放射は、数ミクロン又は数十ミクロンの寸法を有するグループ状に組立てられた（半導体間の）接合面５で生ずる。
アレイ４は、ベース部の幅方向に完全に貫通した２つの孔部１０、１２を有するベース部６の端部８の１つに取付けられている。第一の孔部１０は、アレイと冷却液との間の充分な熱交換を保証できるようにアレイ４の位置にできるだけ近づけて配置されているとともに、冷却液の循環に用いられている。前記第一孔部１０は、例えば、直径２mmを有するとともに、アレイ４から２．５mm以内に配置されており、これにより、充分な熱交換が確保されることになる。その熱交換は、乱流状態の液体による強制対流により行われる。孔部１０の直径および液体の流量は、好ましくは、圧力損失が最適化されるように定められる。好ましくは、液体は、圧力損失が最適化されるように循環される。
例えば５．２mmの直径を有し且つ中央に形成された前記第二の孔部１２は、各モジュールを相互に保持するネジが挿通可能とされている。
各陽極部６に対応して陰極部１４が設けられているとともに、絶縁体１６は、陽極部６と陰極部１４との間に配置されている。
図において、単位モジュール２０，２２，２４，２６は、直線状に並置されている。各モジュールは、それぞれ隣接するモジュールに対して複数のジョイント３２，３４，３６，３８によって分離されている。各ジョイントにおいて、各ベース部に形成された各孔部１０，１２に対応する孔部によって、冷却液の循環が自由に行われるとともに、組立体を確実に保持する固定手段４２が自由に挿通されることになる。隣接した各陰極部間の電気絶縁は、陰極部が陽極部よりも幅が狭いということで確保されている。
各ジョイントは、一方では、各アレイ間の相互電気絶縁を確保し、他方では、図に矢印４４で示されている冷却液の循環に対して組立体のシーリングを保証するものである。
液体は、各単位モジュールの全てを同一方向に通過し、組立体により、複数のベース部と複数のジョイントとから成る連続体を通る液体の循環が自動的に確保されることとなる。
組立体は、冷却液の入口部及び出口部として機能する二つのフランジ４６，４８を両端部において使用することにより保持される。これら二つのフランジは、各モジュールを互いに保持する固定手段４２によって組立体と一体化して保持される。図示した実施の形態において、各フランジは、組立体を貫通するネジ４２で締結されている。前記ネジは、各モジュール間の相互電気絶縁を確保するために、絶縁用外被でその外周部が覆われている。
本発明による線形組立体により、各ダイオードアレイに対して、相互に電気的に独立して（電力）供給することができる。
したがって、様々な方式の電気接続、特に、各アレイ（ベース部）の陽極部をその隣の陰極部に接続する直列方式の供給を考えることができる。何れの解決手段が採られようと、組立体の後面に取り付けられたコネクタ５０によって実施することができる。このコネクタは、絶縁性材料（例えばDelrin又はLucoflex）から作ることができ、そのコネクタに、所望の組立体および供給される電流に適合する大きさと形状を有する複数の金属コネクタに対して接続されている。電気接続は、絶縁ブロックを介して、陽極部及び陰極部における金属ネジ５２を用いて行われる。
上述した装置は、例えば、約１リットル／分という水の流量に対して約０．７℃/Wの低い熱伝導抵抗によって、連続配置された電力アレイ（continuous power arrays）の冷却を効果的に行うことを保証するものである。
さらに、追加的な支持体を何ら必要とせずに、アレイ相互間の機械的組立が確実になされるので、自律的なものとされる。
最後に、前記装置は、モジュール構造であるという利点を有しており、例えば１〜約１０個とされた多数の単位モジュールの組立を可能にするものである。

Claims (3)

1. 第一の方向に配置された複数のモジュール（２０，２２，２４，２６）と、
   前記第一の方向に配置された前記複数のモジュールの両端部に配置された二つの保持フランジ（４６，４８）と、
   前記各モジュールをそれぞれ隣接するモジュールから分離するために、前記第一の方向に直交しかつ前記第一の方向に直交する第二の方向に平行なフラット状ジョイント（３２，３４，３６，３８）とが、
   これらを全て貫通するネジ（４２）によって締結されることにより構成されたモジュール組立体であって、
   前記各モジュールが、陽極部を形成するベース部（６）と、前記陽極部に接続されるとともに、前記ベース部の前記第一の方向に平行な面内で前記第二の方向における一端部に設けられたレーザーダイオードアレイ（４）と、前記レーザーダイオードアレイに接続された陰極部（１４）とを備え、
   前記各ベース部の前記一端部には、前記第一の方向に貫通した第一の孔部（１０）が形成されており、全ての前記第一の孔部は、前記各レーザーダイオードアレイを冷却するための液体循環用のチャンネルを規定し、
   前記各ベース部には、前記第一の孔部と離間して、前記第一の方向に貫通した第二の孔部（１２）が形成されているとともに、これら全ての前記第二の孔部は、前記各レーザーダイオードアレイが、一直線状に並置されたときに整列配置されるように形成されており、
   前記ネジは、前記第二の孔部全てを貫通することを特徴とするモジュール組立体。
2. 前記ネジは、絶縁用外被によって外周部が覆われていることを特徴とする請求項１記載のモジュール組立体。
3. 前記各レーザーダイオードアレイに電力供給するための電気手段（５０）を有することを特徴とする請求項１記載のモジュール組立体。

Images