JP4602193B2 - レーザ発生器の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば固体レーザ等の高出力レーザを安定駆動させるためのレーザ発生器の冷却構造に関する。

周知のように、固体レーザ等の高出力レーザは、外気温の変化や光学部品の発熱により熱歪が発生し、部品の位置・角度に狂いが生じやすい。また、レーザに用いる結晶その他の光学部品には温度に敏感な特性をもつものがあり、その周囲温度をある幅に整える必要がある。

以上のことから、上記のレーザ発生器は温度管理の精度が非常に厳しく、安定駆動させるためには冷却が不可欠である。従来のレーザ発生器には、一般に、冷却効率の高い液冷方式が採用されている。但し、圧縮機、ポンプなどを要するため、ある程度の設置スペースを必要とする（例えば特許文献１参照）。

ところで、近年、飛翔体に搭載するレーザレーダの開発が進められている。このレーザレーダに使用するレーザ発生器には、飛翔体の設置スペースが極めて限られているため、より小型化が要求される。したがって、設置スペースを要する液冷方式を採用することは極めて困難である。また、パイプ破損等による液漏れの問題もあるため、信頼性の面で空冷方式が要望されている。但し、空冷方式では、熱輸送量が小さいことから発熱密度の高いものを冷却することが困難で、周囲温度が上昇した場合に装置全体のような大容量の対象を冷却することが難しく、その対応策が課題となっている。
特開２００３−１８８４６２号公報

以上述べたように、従来のレーザ発生器では、低スペース効率、液漏れの畏れの面から液冷方式より空冷方式が要望される場合に、冷却効果の向上が強く要望されている。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、設置スペースの縮小を実現することができ、かつ十分な発熱対策を施して熱歪みを低減することのできる空冷方式によるレーザ発生器の冷却構造を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係るレーザ発生器の冷却構造は、第１及び第２の部品配置面の間にダクトを形成した定盤を用い、前記第１及び第２の部品配置面にそれぞれレーザ光生成のための光学部品を配置し、前記ダクトから前記光学部品の発熱分を排熱することを特徴とする。

また、前記光学部品の取付位置の前記ダクト内にヒートシンクを配置することを特徴とする。

また、前記光学部品の直下にペルチエ素子を配置して個別に温度管理を行うことを特徴とする。

また、前記定盤は、リブによって複数のダクトを形成することを特徴とする。

前記リブは、目の字形状であることを特徴とする。

また、前記定盤及びその配置部品を含む装置全体は筐体に収容され、前記ダクトの壁面及び前記筐体の表面を断熱材で覆い、前記装置全体を外気から断熱することを特徴とする。

さらに、前記第１及び第２の部品配置面の間で配線またはレーザ光を通過させるために、に前記ダクトを貫通するパイプを備えることを特徴とする。

さらに、前記レーザ光を通過させるためのパイプの両端には前記レーザ光を透過する窓が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、設置スペースの縮小を実現することができ、かつ十分な発熱対策を施して熱歪みを低減することのできる空冷方式によるレーザ発生器の冷却構造を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用されるレーザ発生器の構造を概略的に示す斜視図である。図１において、１１は全体を冷却するためのインバーなどの光学定盤である。この定盤１１上には、励起光入力の波長変換を行う波長変換部１２〜１４、入力された励起光を増幅する増幅部１５，１６、励起光に変調をかける変調部１７，１８、レーザ出力のビームを調整するビーム調整部１９，２０及びレーザビームの出射強度を制御する出射制御部２１が搭載される。

上記の構造では、各部品が定盤１１全体に広く一面に配置されるため、スペースの限られた場所への適用には不向きである。また、定盤の変形を防ぐため、剛性の高い支持構造が必要である。さらに、定盤全体を冷却することで個々の発熱部品を冷却することになるため、温度管理不要な箇所まで冷却することになり、装置全体が大型になる。

そこで、本発明では、第１の特徴として、図２に示すように、上記定盤１１のほぼ中央で折り返して両面構造とし、これによって占有面積を削減してスペース効率を向上させると共に、箱型構造による高剛性化を実現する。

次に、本発明では、第２の特徴として、定盤１１の内部をダクト化し、個々の発熱部品の直下にヒートシンクを配置する。この様子を図３に示す。図３において、（ａ）は定盤１１の表面側から見た斜視図、（ｂ）は定盤１１の裏面側から見た斜視図、（ｃ）は定盤１１の上面から見た上面図、（ｄ）は（ｃ）に示した上面図のＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図を示している。全体は図２に示すように筐体２２に収容し、周囲温度の影響を受けないように密閉構造とし、ダクト内のみを外気にさらすように開放しておく。これらの図から明らかなように、定盤１１の内部を例えば発熱部品Ｔの配置場所に合わせてダクトＤを形成することで、両面実装時の干渉を避けながら、効率的に発熱部品Ｔを配置することが可能である。また、定盤１１のダクト内部に発熱部品Ｔの取付箇所にそれぞれヒートシンクＨを配置して発熱部品Ｔと密閉を保持しつつ連結することで、発熱部品Ｔを個別に冷却することが可能となる。これにより、冷却が必要な部品に対する個別冷却が実現され、高効率な冷却効果が期待できる。

ここで、発熱部品の温度特性が発熱による影響を多大に受ける場合、図４に示すように、発熱部品Ｔの直下（ヒートシンクＨとの間）にペルチエ素子Ｐを配置し、個別に温度管理を行うものとする。このように、冷却が必要な箇所のみ冷却することで、冷却構造の小型化が実現されると共に、個別に冷却・温度設定することが可能となる。

また、定盤１１に形成するダクトＤの構造は、図５（ａ）に示すように定盤１１の内部全体をくり抜いた構造としてもよいが、同図（ｂ），（ｃ）に示すように、リブ分割数を増加すると、剛性を高めることができる。さらに、同図（ｄ）に示すように、各リブを厚さの低い目の字フレームとすると、軽量化しつつ高剛性化を実現することが可能である。

したがって、上記実施形態の冷却構造によれば、定盤の両面構造によって設置スペースの縮小を実現することができ、かつ定盤にダクトを形成し、ダクト内に発熱素子毎にヒートシンクを取り付け、必要に応じて発熱素子の直下にペルチエ素子を配置して個別に温度管理するようにしているので、空冷であっても十分な発熱対策を施してレーザ出力の安定化を図ることができる。

以上、まとめると、以下のような作用・効果を奏する。

（１）空冷により、レーザ発振器に用いる光学部品または温度管理が必要な部品のみを冷却する。排熱は筐体、筐体の内部空気を介さず筐体外部へ排出する。光学部品は、線膨張係数の小さいベース（インバー、ＣＦＲＰ等）の上に配置する。空冷のため、コンプレッサー、冷媒等がなく、小型・軽量化が可能であり、液漏れの危険がない。

（２）光学部品配置面間にダクトを形成した定盤１１を用い、その両面に光学部品を配置する。これにより、スペース効率を高めることができる。

（３）冷却は間接空冷で行う。ダクトにヒートシンクを出し、光学部品は外気にさらされないようにする。また、温度が変動する外気で光学部品を一定温度に保つため、出力を制御したペルチエ素子を用いる。ペルチエ素子の発熱（吸熱）や外気温の変化による熱歪は、高剛性の定盤１１に対してヒートシンクＨの剛性を低くしてヒートシンクＨ側を変形させ、定盤１１の変形による光学部品の位置・角度変化を小さくする。温度を管理する対象の熱容量が小さいため、冷却機器が小型化でき、短時間で一定温度に到達できる。

上記実施形態において、さらに以下の構成を備えるといっそう効果的である。

まず、図６に示すように、定盤１１及びその配置部品を含む装置全体を筐体２２に収容する場合には、ダクトＤの壁面及び筐体２２の表面を断熱材２３で覆い、装置全体を外気から断熱する。このようにすれば、外気の温度変動が内部部品に与える影響を軽減することができる。

また、図６中に示すように、定盤１１の部品配置面の間に、ダクトＤを貫通するパイプ２４を備えるようにすれば、配線を通過させることが可能となる。

また、図７に示すように、定盤１１の部品配置面の間に形成されたパイプ２４をレーザ光の透過に利用することも可能である。この場合、パイプ２４の両端にはレーザ光を透過する窓２５ａ，２５ｂが形成されていると密閉構造を保持することが可能となる。 尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明が適用されるレーザ発生器の構造を概略的に示す斜視図。 本発明に係る冷却構造が適用されたレーザ発生器を概略的に示す斜視図。 本発明に係る冷却構造の主要構成を示す図。 本発明に係る冷却構造の個々の発熱素子に対して温度管理を行う手法を説明するための図。 本発明に係る冷却構造の定盤に形成するダクト構造を説明するための断面図。 本発明に係る冷却構造を有するレーザ発生器を外気から断熱するための構造とダクトを貫通するパイプを形成した様子を示す断面図。 本発明に係る冷却構造を有するレーザ発生器において、ダクトを貫通するパイプにレーザ光を透過させる場合に、パイプの両端に窓を形成した様子を示す断面図。

符号の説明

１１…定盤、１２〜１４…波長変換部、１５，１６…増幅部、１７，１８…変調部、１９，２０…ビーム調整部、２１…出射調整部、２２…筐体、２３…断熱材、２４…パイプ、２５ａ，２５ｂ…窓、Ｔ…発熱部品、Ｈ…ヒートシンク、Ｐ…ペルチエ素子。

Claims (6)

1. それぞれレーザ光生成のための光学部品が配置され、互いに表裏関係にある第１及び第２の部品配置面の間にリブ構造による複数のダクトを形成してなる定盤と、
   前記ダクト内に装着されるヒートシンクとを具備し、
   前記複数のダクトから前記光学部品の発熱分を排熱することを特徴とするレーザ発生器の冷却構造。
2. 前記光学部品の直下にペルチエ素子を配置して個別に温度管理を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ発生器の冷却構造。
3. 前記リブは、目の字形状であることを特徴とする請求項１記載のレーザ発生器の冷却構造。
4. さらに、前記定盤及びその配置部品を含む装置全体を収容する筐体と、前記複数のダクトの壁面及び前記筐体の表面を覆う断熱材とを備え、前記装置全体を外気から断熱することを特徴とする請求項１記載のレーザ発生器の冷却構造。
5. さらに、前記第１及び第２の部品配置面の間で配線またはレーザ光を通過させるために、に前記ダクトを通じて前記定盤を貫通するパイプを備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ発生器の冷却構造。
6. さらに、前記レーザ光を通過させるためのパイプの両端には前記レーザ光を透過する窓が形成されることを特徴とする請求項５記載のレーザ発生器の冷却構造。

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