JP4270441B2 - Light source module - Google Patents
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Description
本発明は、光ビームを出射する光源モジュールに関し、この光源モジュールは、例えば、半導体やガラスの基板、刷版等への光ビームによる描画に使用される。 The present invention relates to a light source module that emits a light beam, and this light source module is used for drawing with a light beam on, for example, a semiconductor or glass substrate or a printing plate.
従来より、半導体やガラスの基板、刷版等への描画に用いられる光源モジュールとして、CANパッケージの半導体レーザとコリメータレンズとが組み合わせたものが知られており、例えば、CANパッケージの光ビームの出射口のガラス窓の代わりにコリメータレンズが設けられた構造の光源モジュールが取付用の部材に取り付けられて利用されている。このような光源モジュールでは、CANパッケージのホルダの位置決め穴に取付用の部材に立設された位置決め用のピンを挿入して光源モジュールの位置決めを行い、また、ホルダの基準面を取付用の部材に当接させて出射する光ビームの方向が決定される。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a light source module used for drawing on a semiconductor or glass substrate, a printing plate, or the like, a combination of a semiconductor laser of a CAN package and a collimator lens has been known. A light source module having a structure in which a collimator lens is provided instead of the glass window of the mouth is used by being attached to a mounting member. In such a light source module, the light source module is positioned by inserting a positioning pin erected on the mounting member into the positioning hole of the holder of the CAN package, and the reference surface of the holder is used as the mounting member. The direction of the light beam emitted by being brought into contact with is determined.
また、特許文献1では、光源ユニットの一部を構成する光源取付用のステーに形成された孔の片側にCANパッケージの半導体レーザが設けられ、孔の内部にコリメータレンズが配置された構造が開示されている。特許文献1では、このような構造の光源モジュールが複数配列された光源ユニットが提案されている。
ところで、特許文献1に示されるような複数の光源モジュールを有する光源ユニットでは、複数の光ビームの出射位置および出射角度を精度良く揃えて決定する必要がある。また、CANパッケージの半導体レーザを光源に利用する場合には、CANパッケージから突出する電気端子に配線を直接はんだ付けする等して半導体レーザに電力を供給するため、この過程において既に決定されていた光ビームの出射位置および出射角度がずれてしまう可能性もある。
By the way, in a light source unit having a plurality of light source modules as disclosed in
さらには、光源ユニットを使用する際の振動や熱等の影響により、光ビームの出射位置および出射角度が経時変化により光源ユニットの製作時の位置および角度からずれる可能性がある。 Furthermore, due to the influence of vibration, heat, etc. when the light source unit is used, the light beam emission position and emission angle may deviate from the position and angle at the time of manufacturing the light source unit due to changes over time.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、取付板に対する光源モジュールからの光の出射位置および出射角度を精度良く決定することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to accurately determine an emission position and an emission angle of light from a light source module with respect to a mounting plate.
請求項1に記載の発明は、所定の取付板の開口に取り付けられる光源モジュールであって、光源と、前記光源からの光が入射するとともに前記取付板の前記開口に挿入されるレンズ部と、前記光源および前記レンズ部を保持する構造体とを備え、前記レンズ部が、光軸に平行であって前記開口に挿入される外側面を、嵌め合いにより前記取付板に対する相対的な光の出射位置を決定する位置基準面として備え、前記構造体が、前記レンズ部の周囲に設けられた前記光軸におよそ垂直な面であって前記取付板の主面に当接することにより前記取付板に対する相対的な光の出射角度を決定する角度基準面と、前記光源の前記レンズ部とは反対側において前記光軸にほぼ平行であって前記角度基準面へと向かう方向に押圧される被押圧部とを備え、前記被押圧部が、電力供給源に接続された電気プローブにより押圧されるとともに前記光源に接続された電気端子である。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光源モジュールであって、前記取付板が前記電力供給源に接続されており、前記位置基準面または前記角度基準面が、前記光源に接続されたもう1つの電気端子である。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光源モジュールであって、前記光源が半導体レーザである。 A third aspect of the present invention is the light source module according to the first or second aspect , wherein the light source is a semiconductor laser.
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の光源モジュールであって、前記レンズ部がコリメータレンズを備える。 A fourth aspect of the present invention is the light source module according to any one of the first to third aspects, wherein the lens unit includes a collimator lens.
本発明では、取付板に対する光源モジュールからの光の出射位置および出射角度を精度良く決定することができる。また、光源モジュールからの光の出射位置および出射角度の経時変化を防止することができる。さらに、光源モジュールへの電力の供給構造を簡素化することができる。 In the present invention, the emission position and emission angle of light from the light source module with respect to the mounting plate can be determined with high accuracy. In addition, it is possible to prevent the light emission position and the light emission angle from the light source module from changing with time. Furthermore, the power supply structure to the light source module can be simplified.
請求項2の発明では、光源モジュールへの電力の供給構造を簡素化することができる。
In the invention of
図1は、本発明の一の実施の形態に係る光源モジュール1の構成を示す斜視図であり、図2ないし図5はそれぞれ、光源モジュール1の平面図、図1中の(+X)側からの正面図、左側面図および右側面図である。図1に示すように、光源モジュール1は、光ビームを出射する光源である半導体レーザのベアチップ(以下、単に「半導体レーザ」という。)11、半導体レーザ11からの光ビームが入射するレンズ部12、並びに、半導体レーザ11およびレンズ部12を保持する構造体(以下、「プラットフォーム」という。)13を備える。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a
半導体レーザ11は、図2および図3に示すように、サブマウント112に取り付けられた上で、例えば、はんだ付け等の方法によりプラットフォーム13の内部に実装される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
レンズ部12は、図2および図3中に一点鎖線にて示す光軸121を有するコリメータレンズ123(例えば、セルフォック(登録商標)レンズ)、および、コリメータレンズ123を内部に有する円筒形のレンズホルダ122を備え、レンズホルダ122の光軸121に平行なレンズ部外側面122aの中心軸は光軸121と高精度に一致する。すなわち、レンズ部12では、光軸121に垂直な面で切断した場合の断面の中心が光軸121と高精度に一致する。なお、レンズ部12はコリメータレンズ123そのもの(または側面がメタライズされたレンズ)でもよく、この場合、コリメータレンズ123の側面がレンズ部外側面122aとなる。
The
レンズ部12は、光軸121と半導体レーザ11から出射される光ビームの主光線とが高精度に一致するようにアライメント(位置決め)され、はんだ、ガラスパウダ、UV接着剤等を用いて、あるいはYAGレーザによる溶接によりプラットフォーム13に固定される。このとき、レンズ部12(の一部)はプラットフォーム13の外部に突出するよう固定され、光源モジュール1の取り付け位置を決定するための突起部となる。
The
プラットフォーム13は、熱伝導率が高く熱膨張率が低い材料、例えば、銅タングステン(CuW)等で形成され、レンズ部12の周囲の3方向(図5中のレンズ部12の(+X)側、(−X)側および(−Y)側)を囲むように略U字状に設けられた面131、および、半導体レーザ11の一方の電極(本実施の形態ではアノード)にワイヤ114を介してワイヤボンディング法により接続されたモジュール電極14を有し、面131は光軸121に垂直とされる。
The
モジュール電極14は、図3に示すように、半導体レーザ11のレンズ部12とは反対側であって面131の中央部近傍と対向する位置(すなわち、(+Z)へと延長した光軸121近傍)に配置され、モジュール電極14、半導体レーザ11、面131の中央部およびレンズ部12は光軸121に沿う方向にほぼ一直線状に並ぶ。図4に示すようにモジュール電極14は絶縁材15を介してプラットフォーム13から絶縁された状態で接合される。また、モジュール電極14および絶縁材15を除いたプラットフォーム13の表面には金メッキが施され、図2および図3に示すように、半導体レーザ11のもう一方の電極(本実施の形態ではカソード)にワイヤ113を介して接続される。
As shown in FIG. 3, the
光源モジュール1では、電力供給源からプラットフォーム13の表面およびモジュール電極14を介して供給される電力により半導体レーザ11から光ビームが出射され、この光ビームがレンズ部12に入射し、光軸121に平行な平行光とされてレンズ部12から出射される。
In the
図6は、複数(本実施の形態では9個)の光源モジュール1を備える光学ユニット2の構造を示す分解斜視図である。図6では、図示の便宜上、光源モジュール1を3個だけ描いている。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing the structure of the
光学ユニット2は、複数の光源モジュール1の光ビームの出射側に、光源モジュール1が挿入される複数の取付開口201が形成された取付板20(後述の2つの板22,23からなる。)、および、複数の取付開口201に対応する複数の開口211が形成されたユニット基部21を備える。取付板20は、複数の光源モジュール1がそれぞれ挿入される複数の位置決め開口221がエッチングにより所定の位置に精度良く形成された薄膜状の位置決め板22、および、位置決め開口221に対応する位置に位置決め開口221より僅かに大きい開口231が形成された角度決め板23を有する。取付開口201は位置決め開口221および開口231を重ね合わせたものであり、角度決め板23の(+Z)側の面は複数の光源モジュール1が配置される平面である配置面232となっている。
The
光学ユニット2は、配置面232との間で複数の光源モジュール1を挟み込んで複数の光源モジュール1を配置面232側へと押圧する押圧部30をさらに備え、押圧部30は、複数の光源モジュール1と当接する部位に設けられて複数の光源モジュール1にそれぞれ電力を供給する電気端子である複数の電気プローブ24(3つのみ図示)、電気プローブ24が挿入される複数の開口251が形成された放熱シート25、開口251に対応する複数の開口261が形成されるとともに開口261に挿入される電気プローブ24を保持するプローブ保持板26、複数の電気プローブ24が当接する配線基板27、および、放熱器28(例えば、水冷ジャケットや空冷ファン、ペルチェ素子等)を備える。電気プローブ24は略円柱状であって内部にバネを有し、長手方向から圧縮するように力を加えることにより弾性収縮する。
The
光学ユニット2が組み立てられる際には、まず、位置決め板22が、光源モジュール1が挿入される側とは反対側の面にてユニット基部21の基準面212に当接して取り付けられ、角度決め板23が、基準面212との間で位置決め板22を挟んでユニット基部21に取り付けられる。角度決め板23の厚さは0.1mmないし0.2mmであり、薄い位置決め板22をユニット基部21との間に挟んで補強する補強板としての機能も有する。
When the
続いて、複数の光源モジュール1の複数のレンズ部12が取付板20の取付開口201に挿入される。位置決め板22の位置決め開口221は、中心がレンズ部12の光軸121と精度良く一致し、内径がレンズ部外側面122aと精度良く嵌め合うように形成されており、位置決め開口221に挿入されるレンズ部外側面122aは、嵌め合いにより取付板20に対する相対的な光軸121の位置、すなわち、光ビームの出射位置を決定する基準面(以下、レンズ部外側面122aを「位置基準面122a」という。)となっている。
Subsequently, the plurality of
また、取付板20を構成する角度決め板23の配置面232は平坦度の高い平面として形成されており、複数の光源モジュール1のレンズ部12の周囲に設けられた光軸121に垂直な面131(図5参照)は、配置面232にそれぞれ当接することにより、取付板20に対する相対的な光ビームの出射角度(出射方向)(取付板20の法線に対する傾斜角度および傾斜方向を指す。)を決定する基準面(以下、面131を「角度基準面131」という。)とされる。
Further, the
以上のように、複数の光源モジュール1が取付板20(すなわち、位置決め板22および角度決め板23)に取り付けられることにより、複数の光源モジュール1のそれぞれの光学ユニット2に対する相対的な位置が、レンズ部12(の位置基準面122a)と位置決め開口221との嵌め合いにより決定され、光源モジュール1から出射される光ビームの出射方向が、光源モジュール1(の角度基準面131)が配置面232に当接することにより決定される。
As described above, by attaching the plurality of
次に、放熱シート25およびプローブ保持板26の複数の開口251および開口261が、それぞれ光源モジュール1のモジュール電極14と位置合わせされ、配置面232との間で複数の光源モジュール1を挟んでユニット基部21に取り付けられる(取り付け用のネジ等の図示を省略している。)。複数の開口251および開口261のそれぞれに電気プローブ24が光源モジュール1のレンズ部12の光軸121にほぼ平行に挿入され、電器プローブ24の先端が光源モジュール1のモジュール電極14に当接する。
Next, the plurality of
続いて、コネクタ271およびケーブル291を介して電力供給源29と接続されている配線基板27が、複数の電気プローブ24のモジュール電極14に当接する先端とは反対側の端部と当接してプローブ保持板26に取り付けられる。電気プローブ24と当接する配線基板27の表面には、予め複数の電気プローブ24に対応する配線が形成されている。複数の電気プローブ24は、配線基板27と複数の光源モジュール1との間で押圧されて弾性収縮し、光源モジュール1を数10g重の力で角度決め板23の配置面232に向かって押圧する。より詳しくは、弾性収縮した電気プローブ24の片側の端部に当接して直接的に押圧される被押圧部でもあるモジュール電極14が、配線基板27を介して電力供給源29に接続された電気プローブ24によりレンズ部12の光軸121にほぼ平行であって角度基準面131へと向かう方向に押圧されることにより、角度基準面131が配置面232に対して押圧されて密着する。
Subsequently, the
このとき、光源モジュール1の半導体レーザ11の一方の電極(アノード)は、モジュール電極14、電気プローブ24および配線基板27を介して電力供給源29に電気的に接続される。また、半導体レーザ11のもう一方の電極(カソード)は、金メッキされたプラットフォーム13の角度基準面131を介して取付板20の配置面232に電気的に接続され、導電体である配置面232はコモンケーブル292を介して電力供給源29と接続される。すなわち、光源モジュール1のモジュール電極14および角度基準面131は、光源モジュール1の半導体レーザ11に接続されて半導体レーザ11に電力を供給する電気端子としての役割を担う。
At this time, one electrode (anode) of the
なお、光源モジュール1の位置基準面(レンズ部外側面)122a、および、これと嵌まり合う位置決め板22が導電体(例えば、薄膜金属板)である場合には、角度基準面131の代わりに位置基準面122aが光源モジュール1の一方の電気端子とされてもよい。この場合、半導体レーザ11の電極(カソード)は、光源モジュール1の金メッキされた表面を介して位置基準面122aに接続されてもよく、直接位置基準面122aにワイヤボンディング法等により接続されてもよい。また、位置決め板22と電力供給源29との接続は、角度決め板23を介してもよいし、直接行われてもよい。
In addition, when the position reference surface (lens part outer surface) 122a of the
光学ユニット2では、さらに、配線基板27の裏面(電気プローブ24と当接する配線が予め形成された主面とは反対側の面)に放熱器28が当接して取り付けられる。図7は、組み立てられた光学ユニット2の構造を示す断面図である。図示の便宜上、図7中には光源モジュール1が1個だけ描かれている。また、ユニット基部21および取付板20とプローブ保持部26および配線基板27とを連結するネジを一点鎖線にて記載している。
In the
上述のように、複数の光源モジュール1を使用する光学ユニット2では、取付板20に配置された複数の光源モジュール1が電気プローブ24により取付板20に押圧された上で電気プローブ24および取付板20を介して電力が供給され、精度良く決定された出射位置および出射角度にて複数の光ビームが出射される。このとき、複数の半導体レーザ11から大量の熱エネルギーが放出される。放出された熱エネルギーは、熱伝導率が高い銅タングステンで形成されたプラットフォーム13および放熱シート25を介して効率良くプローブ保持板26へと伝えられる。なお、既述のように銅タングステンは熱膨張率が低いため、半導体レーザ11から放出される熱エネルギーによる光源モジュール1の変形が抑制され、光ビームの出射位置および出射角度の変動が抑制される。
As described above, in the
プローブ保持板26に伝えられた熱エネルギーは配線基板27を介して放熱器28へと伝えられ、放熱器28により効率良く放熱される。プローブ保持板26および配線基板27を形成する材料としては、放熱性が高く、かつ、電力供給源29(図6参照)からの電力を電気プローブ24を介して光源モジュール1に供給するための絶縁性も兼ね備えた窒化アルミニウム(AlN)等のセラミックスやベリリア(酸化ベリリウム(BeO))等が好ましい。以上のように、光学ユニット2では、発熱の著しい高出力光源である半導体レーザ11を複数個使用した場合でも、光源から発生する熱エネルギーを光源モジュール1の後方(光ビームを出射する方向とは反対側)に配置される放熱器28へと効率良く伝えることにより、十分な放熱量を確保することができる。
The thermal energy transmitted to the
図8は、複数の光源モジュール1を備える光学ユニット2を利用したラスタ走査型の画像記録装置3の構造を示す図である。画像記録装置3の光学ユニット2には光源モジュール1が16個使用されている。その他の構成は図6と同様であり同符号を付す。
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a raster scanning type
画像記録装置3は、複数の光源モジュール1を有する光学ユニット2、アパーチャ板31、フィールドレンズ32、ズーム光学系33、および、これらの構成を保持するベース部34を備え、また、感材が塗布された版材を外側面に保持するドラム35を備える。画像記録装置3では、光学ユニット2から出射される複数の光ビームのビーム形状がアパーチャ板31により整形され、両側テレセントリック光学系であるフィールドレンズ32およびズーム光学系33によりドラム35上の版材の描画領域91に導かれる。版材に対する複数の光ビームの主走査はドラム35の中心軸を中心とする回転により行われ、副走査はドラム35の中心軸に平行な方向にベース部34を移動することにより行われる。画像記録装置3では、光学ユニット2において、出射される複数の光ビームが所定の出射位置および出射角度にて出射されるよう複数の光源モジュール1が精度良く配置されているため、高精度な描画が実現される。
The
以上のように、光源モジュール1では、位置基準面122aが取付板20の位置決め開口221に挿入されて嵌め合いにより取付板20に取り付けられることにより、取付板20に対する相対的な光ビームの出射位置を精度良く決定することができる。また、角度基準面131が取付板20の配置面232に当接することにより、取付板20に対する相対的な光ビームの出射角度を精度良く決定することができる。さらに、光ビームの出射箇所(レンズ部12の出射側の端面)、位置基準面122aおよび角度基準面131が近接して配置されているため、光ビームの出射位置および出射角度をより精度良く決定することができ、光源モジュール1自体も容易に製作することができる。
As described above, in the
また、光源モジュール1では、被押圧部であるモジュール電極14が押圧されて角度基準面131が取付板20の配置面232に押圧されることにより、光源モジュール1からの光ビームの出射位置および出射角度の経時変化を防止することができる。
Further, in the
さらに、光源モジュール1では、モジュール電極14および角度基準面131(または位置基準面122a)が半導体レーザ11に電力を供給する電気端子としての役割を果たすため、電力の供給構造を簡素化することができ、電気配線に拘束されずに光ビームの出射位置および出射角度を決定することができる。また、光源モジュール1の取付後に行われる電力の供給構造の接続(例えば、電気端子への配線のはんだ付け)も簡素化(もしくは省略)され、既に決定されている光ビームの出射位置および出射角度のずれを防止することができる。
Furthermore, in the
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、光源モジュール1の光源は半導体レーザ11に限定されず、発光ダイオード等の他の発光素子が光源として用いられてもよく、出射される光もビーム状のものには限定されない。レンズ部12に設けられるコリメータレンズ123は、ボールレンズ、ドラムレンズ等が用いられてもよい。さらに、コリメータレンズ123に代えて他のレンズがレンズ部12に設けられてもよい。プラットフォーム13も、要求される熱伝導率が満たされるのであればヘビーメタル等の他の材料で形成されてもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible. For example, the light source of the
光源モジュール1では、角度基準面131を角度決め板23に対して押圧する際に外部から直接的に押圧される被押圧部は、半導体レーザ11への電力の供給構造の簡素化という観点からモジュール電極14であることが好ましいが、他の方法で電力を供給することができる場合はモジュール電極14以外の他の部位であってもよい。
In the
角度基準面131は、レンズ部12の光軸121に対して完全に垂直である必要はなく、光ビームの所定の出射角度を決定することができるのであれば、およそ垂直に設けられるのみでよい。また、角度基準面131はレンズ部12の全周にわたって設けられてもよく、レンズ部12の周囲の複数箇所に設けられてもよい。
The
1 光源モジュール
11 半導体レーザ
12 レンズ部
13 プラットフォーム
14 モジュール電極
20 取付板
24 電気プローブ
29 電力供給源
121 光軸
122a 位置基準面
123 コリメータレンズ
131 角度基準面
201 取付開口
232 配置面
DESCRIPTION OF
Claims (4)
光源と、
前記光源からの光が入射するとともに前記取付板の前記開口に挿入されるレンズ部と、
前記光源および前記レンズ部を保持する構造体と、
を備え、
前記レンズ部が、光軸に平行であって前記開口に挿入される外側面を、嵌め合いにより前記取付板に対する相対的な光の出射位置を決定する位置基準面として備え、
前記構造体が、
前記レンズ部の周囲に設けられた前記光軸におよそ垂直な面であって前記取付板の主面に当接することにより前記取付板に対する相対的な光の出射角度を決定する角度基準面と、
前記光源の前記レンズ部とは反対側において前記光軸にほぼ平行であって前記角度基準面へと向かう方向に押圧される被押圧部と、
を備え、
前記被押圧部が、電力供給源に接続された電気プローブにより押圧されるとともに前記光源に接続された電気端子であることを特徴とする光源モジュール。 A light source module attached to an opening of a predetermined mounting plate,
A light source;
A lens portion that receives light from the light source and is inserted into the opening of the mounting plate;
A structure for holding the light source and the lens unit;
With
The lens portion includes an outer surface that is parallel to the optical axis and inserted into the opening as a position reference surface that determines a light emission position relative to the mounting plate by fitting.
The structure is
An angle reference plane that determines a relative light emission angle with respect to the mounting plate by being in contact with the main surface of the mounting plate, which is a surface approximately perpendicular to the optical axis provided around the lens unit;
A pressed part that is substantially parallel to the optical axis on the side opposite to the lens part of the light source and pressed in a direction toward the angle reference plane;
Equipped with a,
The light source module pressed portion, wherein the Oh Rukoto the connected electrical terminal to the light source while being pressed by the connected electric probe to a power supply source.
前記取付板が前記電力供給源に接続されており、
前記位置基準面または前記角度基準面が、前記光源に接続されたもう1つの電気端子であることを特徴とする光源モジュール。 The light source module according to claim 1 ,
The mounting plate is connected to the power supply source;
The light source module, wherein the position reference surface or the angle reference surface is another electrical terminal connected to the light source.
前記光源が半導体レーザであることを特徴とする光源モジュール。 The light source module according to claim 1 or 2 ,
A light source module, wherein the light source is a semiconductor laser.
前記レンズ部がコリメータレンズを備えることを特徴とする光源モジュール。 The light source module according to any one of claims 1 to 3 ,
The light source module, wherein the lens unit includes a collimator lens.
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