JP6383866B2 - 半導体レーザモジュールおよび3次元積層造形装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザモジュールおよび3次元積層造形装置に関する。
上記技術分野において、特許文献1には、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をレンズで集光して、光ファイバーに結合して、レーザ光を外部に照射する技術が開示されている。
特開2004−96088号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、半導体レーザ素子からの出力光の光ファイバーへの結合率の変動を抑制することができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体レーザモジュールは、
複数の半導体レーザ素子と、
光ファイバーと、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記光ファイバーへと集光する集光手段と、
前記半導体レーザ素子と、前記集光手段と、前記光ファイバーとが実装された筐体と、
を含む半導体レーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子と、前記筐体の天板との間に配置され、前記天板との間に前記レーザ光による熱を遮蔽するための空隙が形成されるように前記天板に設置された少なくとも1つの薄板を有する。
上記目的を達成するため、本発明に係る3次元積層造形装置は、
上記半導体レーザモジュールを用いた3次元積層造形装置である。
本発明によれば、半導体レーザ素子からの出力光の光ファイバーへの結合率の変動を抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す側面模式図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える天板および薄板の構成の一例を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える天板および薄板の構成の一例を示す部分拡大側面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の構成の一例を示す部分拡大側面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の構成の他の例を示す部分拡大側面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の構成のさらに他の例を示す部分拡大側面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の固定部の構成の一例を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の固定部の構成の他の例を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの前提技術の半導体レーザモジュールの構成を示す斜視模式図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体レーザモジュールの前提技術の半導体レーザモジュールの構成を示す側面模式図である。 本発明の第2実施形態に係る3次元積層造形装置の構成を示す図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態としての半導体レーザモジュール100について、図1を用いて説明する。半導体レーザモジュール100は、半導体レーザ素子から出射したレーザ光を集光レンズで集光して光ファイバーに入射させてモジュールの外部の標的に照射する装置である。
<前提技術>
図3Aおよび図3Bを参照して、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの前提技術の半導体レーザモジュール300について説明する。図3Aは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの前提技術の半導体レーザモジュール300の構成を示す斜視模式図である。図3Bは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの前提技術の半導体レーザモジュール300の構成を示す側面模式図である。
半導体レーザモジュール300は、複数の半導体レーザ素子301と、光ファイバー302と、リードピン304と、筐体305と、レンズ306,307と、光フィルタ309とを含む。そして、複数の半導体レーザ素子301と、光ファイバー302と、リードピン304と、レンズ306,307と、光フィルタ309とが、筐体305に収容され、実装され、半導体レーザモジュール300が形成される。
筐体305は、天板351を備える。なお、半導体レーザモジュール300の使用状態では、天板351は、接着やねじ止めなどにより筐体305に取り付けられ、これにより、筐体305は、封止される。よって、筐体305内部は密閉されるので、外部からは半導体レーザモジュール300の内部構造は見えない。また、半導体レーザモジュール300は、筐体305内部にごみなどが入らない構造となっている。そして、半導体レーザモジュール300は、複数の半導体レーザ素子301のそれぞれから出射されたレーザ光を集光して、レーザ光(レーザビーム)を外部の標的に対して照射する。
半導体レーザ素子301は、高出力の半導体レーザ素子であり、例えば、10W以上の高出力レーザ光を出射する。また、半導体レーザ素子301は、例えば、900nm〜1000nmの波長のレーザ光を出射する。さらに、半導体レーザモジュール300から出射されるレーザ光の出力を高くしたい場合には、半導体レーザ素子301の数を増やすか、または、半導体レーザ素子301の出力を上げることで実現できる。
光ファイバー302は、例えば、所定のコア径およびクラッド径を有するマルチモード光ファイバーであるが、これには限定されず、シングルモード光ファイバーであってもよい。また、光ファイバー302の開口数(NA:Numerical Aperture)は、例えば、0.15〜0.22であるが、これには限定されない。
リードピン304は、ボンディングワイヤ(不図示)を介して半導体レーザ素子301に電力を供給する。半導体レーザ素子301に供給される電力は、一定電圧であっても、変調電圧であってもよい。
レンズ306,307は、例えば、シリンドリカルレンズであり、半導体レーザ素子301から出射されたレーザ光を集光し、光ファイバー302に結合する。また、レンズ306,307の光ファイバー302に対する配置位置は、半導体レーザ素子301から出射されたレーザ光が、所定の結合率で光ファイバー302に結合するように、調整されている。
光フィルタ309は、レンズ306,307と光ファイバー302との間に設置されている。このフィルタ309は、半導体レーザモジュール300を、例えばファイバーレーザの励起光源として使用する場合、ファイバーレーザから半導体レーザモジュール300に入射する戻り光を遮断する目的で設置される。光フィルタ309は、ローパスフィルタであり、例えば、1060nm〜1080nmの波長のレーザ光を反射し、900nm〜1000nmの波長のレーザ光を透過する。したがって、光フィルタ309は、半導体レーザ素子301が出射したレーザ光を透過するとともに、1060nm〜1080nmの波長の半導体レーザモジュールの外部からのレーザ光が、半導体レーザ素子301に対して、照射されることを防止する。光フィルタ309は、光フィルタ309で反射されたレーザ光が、再度光ファイバー302に戻らないように、レーザ光の光軸に対して角度を付けて配置されている。
以上のように構成された半導体レーザモジュール300において、半導体レーザ素子301の端面から漏れた光や、光ファイバー302に入射されなかった光などが迷光として、筐体305の天板351や側壁、底面などに照射される。そして、迷光などが照射された部分は加熱され、この部分の温度が上昇する。
また、半導体レーザ素子301自体も発熱しており、この熱が天板351や側壁、底面などに伝搬し、天板351などが加熱される。ここで、筐体305の底面部分や側壁部分はヒートシンクなどの冷却媒体に接続されているので、底面部分や側壁部分は、迷光などが当たっても、熱をヒートシンク側に逃がすことができるので、温度は上昇しにくい。
一方、天板351はヒートシンクから遠く熱抵抗が大きいので、迷光などが照射されると加熱され、天板351の温度が上昇し、天板351が伸び、膨張する。天板351が伸びるなどすると、筐体305全体が歪む。
光ファイバー302に対してレーザ光を誘導する調整は非常にシビアであり、筐体305が僅かでも歪むと、レーザ光の光ファイバー302への集光位置がずれる。その結果、半導体レーザ素子301から出射されたレーザ光の光ファイバー302に対する結合率が変わり、半導体レーザモジュール300から出てくる光の量が変わるので、レーザ光の出力が変化(低下)する。
<本実施形態の技術>
次に本実施形態に係る半導体レーザモジュールについて、図1乃至図2Gを用いて説明する。図1は、本実施形態に係る半導体レーザモジュール100の構成を説明する側面模式図である。
図1に示すように、半導体レーザモジュール100は、半導体レーザ素子101と、光ファイバー102と、薄板103と、リードピン104と、筐体105と、レンズ106,107,108と、光フィルタ109とを含む。そして、複数の半導体レーザ素子101と、光ファイバー102と、リードピン104と、レンズ106,107,108と、光フィルタ109とが筐体105に実装され、半導体レーザモジュール100が形成される。
半導体レーザ素子101のそれぞれから出力されたレーザ光は、筐体105内のレンズ106,107,108および光フィルタ109を含んで構成される光学系を経由して、光ファイバー102へと結合する。そして、光ファイバー102へ結合したレーザ光は、半導体レーザモジュール100の外部へと出射される。
薄板103は、筐体105の内部に配置され、天板151の内面側に取り付けられている。より詳細には、薄板103は、半導体レーザ素子101と天板151との間、つまり、半導体レーザ素子101と対向する位置に設けられている。そして、薄板103と天板151との間には空隙131が形成されている。なお、薄板103は、筐体105の側壁の内面側に設けてもよい。さらに、薄板103は、天板151の内面側と、筐体105の側壁の内面側との両方に設けてもよいし、筐体105の底面の内面側に設けてもよい。また、薄板103は、半導体レーザ素子101に対向する位置に設けられている例で説明をしたが、薄板103は、例えば、レンズ106,107,108や光フィルタ109に対向する位置に設けられていてもよい。この場合、薄板103は、1つでも、複数でもよい。
半導体レーザ素子101から出力されたレーザ光による迷光や戻り光などは、薄板103に照射され、天板151の薄板103に覆われた部分には直接照射されない。つまり、薄板103は、迷光や戻り光などの照射や、これらによる熱を遮蔽する。したがって、迷光により天板151が加熱され難くなり、天板151の温度上昇を抑制できる。そして、天板151の薄板103に覆われた部分は、加熱されないので、天板151の伸びや反り返り、膨張などを抑制できるので、筐体105全体として歪み難くなる。
薄板103の大きさは、天板151の全体を覆う大きさであってもよいし、天板151の一部を覆う大きさであってもよい。また、薄板103の大きさは、複数の半導体レーザ素子101を覆う大きさであってもよい。さらに、薄板103の形状は、矩形形状や円形形状、多角形形状などであってもよく、また、これらのうちのいくつかを組み合わせた形状であってもよい。
薄板103は、金属であり、好ましくは、アルミニウム(Al)や銅(Cu)、鉄(Fe)などであってもよいが、これらには限定されない。また、薄板103は、天板151や筐体105の素材よりも熱膨張係数が小さいものが好ましい。
図2Aは、本実施形態に係る半導体レーザモジュール100の備える天板151および薄板103の構成を示す平面図である。図2Bは、本実施形態に係る半導体レーザモジュール100の備える天板151および薄板103の構成を示す部分拡大側面図である。
図示したように、薄板103は、天板151の中央から右側部分を覆う位置に配置されている。そして、薄板103の面積は、天板151の面積の約2/3を覆う面積となっているが、薄板103の面積はこれには限定されない。例えば、薄板103の面積は、天板151の面積と同じ面積であってもよいし、天板151の面積よりも小さい面積であってもよい。
また、薄板103の形状は、矩形形状となっているが、薄板103の形状はこれには限定されない。薄板103の形状は、例えば、円形形状や多角形形状などであってもよく、さらに、矩形形状、円形形状または多角形形状のうちのいくつかを組み合わせた形状であってもよいし、これらの全てを組み合わせた形状であってもよい。
薄板103の厚みは、0.1mm〜0.2mmが好ましいが、これには限定されない。
薄板103は、固定部231で天板151に固定されている。薄板103の天板151への固定は、例えば、固定部231を接着剤(熱硬化接着材、紫外線(UV)接着剤など)で接着したり、ねじ止めしたりして行われる。接着は、例えばゴムや樹脂系の接着剤などを用いてもよいが、これに限定されるものではない。また、スポット溶接やYAG溶接などにより固定してもよい。さらに、はんだ付けやろう付け、粘着テープなどで固定してもよい。また、薄板103は、両端部が折り曲げられて、折曲部232を形成している。このように薄板103の両端に折曲部232を設けたことにより、薄板103と天板151との間に空隙131が形成される。なお、折曲部232は、薄板103の一方の端部に形成してもよい。
薄板103は、2か所の固定部231で天板151に固定されているので、薄板103の熱が天板151には伝わり難くなる。なお、薄板103は、1つの固定部231または3つ以上の固定部231で天板151に固定されてもよい。
図2Cは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の構成の一例を示す部分拡大側面図である。図示したように、薄板103を2枚横方向に並べるように配置してもよい。また、配置する枚数は2枚には限定されず、3枚以上並べてもよい。
図2Dは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の構成の他の例を示す部分拡大側面図である。薄板103は、側面から見て波状の形状としてもよい。また、ここに示した以外にも、半導体レーザモジュール100の例えば、光ファイバー102を設けた側から見て、薄板103は、上または下に向かって凸形状であってもよく、様々な形状とすることができる。
図2Eは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板103の構成のさらに他の例を示す部分拡大側面図である。薄板103は、側面から見て湾曲した形状であってもよい。
図2Fは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の固定部の構成の一例を示す平面図である。図2Fに示したように、固定部231の一部を取り除いたものであってもよい。つまり、図2Aに示した固定部231の一部(図2Gの点線部分)を切り取ったものであってもよい。この場合、薄板103は、4か所の固定部231で天板151に固定される。
図2Gは、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの備える薄板の固定部の構成の他の例を示す平面図である。図2Gに示したように、薄板103は、2か所の固定部231で天板151に固定してもよい。この場合、2つの固定部231は、対角線上の位置に配置されているが、互いに正対する位置(1点鎖線)に配置されていてもよい。
本実施形態によれば、半導体レーザ素子からの出力光の光ファイバーへの結合率の変動を抑制することができる。また、薄板により迷光や戻り光が遮蔽されて筐体の天板が加熱されないので、筐体の天板が加熱により反り返り難くなり、筐体自体が歪み難くなるので光ファイバーへの結合率の変動が抑制される。
[第2実施形態]
次に本発明の第2実施形態に係る3次元積層造形装置について、図4を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る3次元積層造形装置400の構成を説明するための図である。なお、図4では、ここに示した構成以外の構成については、図が煩雑になるのを避けるため適宜省略している。なお、3次元積層造形装置400は、LMD(Laser Metal Deposition)型の3次元積層造形装置を例に説明をするが、パウダーベッド型の3次元積層造形装置であってもよい。
3次元積層造形装置400は、3次元積層造形物の材料である金属粉体などにレーザ光を照射して、金属粉体を溶融、凝固させて積層することにより造形台430上に3次元積層造形物420を造形する装置である。
図4に示したように、3次元積層造形装置400は、半導体レーザモジュール100と、造形台430と、材料貯蔵部450と、材料搬送管451と、制御部460と、ノズル470とを含む。また、材料貯蔵部450と、材料搬送管451と、ノズル470とは、材料供給部を構成する。
光源としての半導体レーザモジュール100は、レーザ光などの光線を発生させる。発生したレーザ光は、半導体レーザモジュール100や、不図示の鏡筒などにおいて光路が調整され、造形台430上に照射される。ノズル470は、ノズル470の先端からキャリアガス440を噴射して、造形台430上に3次元積層造形物420の材料を供給する。キャリアガス440は、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスであり、3次元積層造形物420の材料である金属粉体などを造形台430上に搬送するガスである。材料貯蔵部450は、3次元積層造形物420の材料を貯蔵し、材料搬送管451を通じて、圧送などにより、ノズル470に対して供給する。
制御部460は、半導体レーザモジュール100、材料貯蔵部450およびノズル470と接続されている。制御部460は、半導体レーザモジュール100を制御して、レーザ光の出力エネルギーや走査方向、走査速度、レーザ光の集束状態などを調整して、制御する。さらに、制御部460は、ノズル470および材料貯蔵部450を制御して、ノズル470の走査速度やノズル470からのキャリアガス440の噴射量などを調整し、材料の供給量を調整する。
本実施形態によれば、レーザ光の結合率が低下しない半導体レーザモジュールを用いるので、より精度の高い3次元積層造形物を造形することができる。
[他の実施形態]
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

Claims (9)

  1. 複数の半導体レーザ素子と、
    光ファイバーと、
    前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記光ファイバーへと集光する集光手段と、
    前記半導体レーザ素子と、前記集光手段と、前記光ファイバーとが実装された筐体と、
    を含む半導体レーザモジュールであって、
    前記半導体レーザ素子と、前記筐体の天板との間に配置され、前記天板との間に前記レーザ光による熱を遮蔽するための空隙が形成されるように前記天板に設置された少なくとも1つの薄板を有する半導体レーザモジュール。
  2. 前記薄板は、少なくとも一端部に折曲部を有し、前記折曲部を介して前記天板に設置されて、前記空隙が形成される請求項1に記載の半導体レーザモジュール。
  3. 前記薄板は、前記半導体レーザ素子と対向する位置に設けられている請求項1または2に記載の半導体レーザモジュール。
  4. 前記薄板は、前記天板の少なくとも一部を覆う大きさである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体レーザモジュール。
  5. 前記薄板は、前記複数の半導体レーザ素子を覆う大きさである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体レーザモジュール。
  6. 前記薄板は、矩形形状、円形形状または多角形形状である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体レーザモジュール。
  7. 前記薄板の厚みは、0.1mm〜0.2mmである請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体レーザモジュール。
  8. 前記薄板は、アルミニウム、である請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体レーザモジュール。
  9. 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体レーザモジュールを用いた3次元積層造形装置。
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