JP6720502B2 - レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機や照明装置等に用いられ、光ファイバに結合するためのレーザ装置の製造方法に関し、特に、光源の放熱技術に関する。

複数の半導体レーザ（レーザダイオードＬＤ）を用いてレーザを高輝度化したレーザ装置が知られている。このレーザ装置は、コリメートされた複数のレーザ光を偏光方向の違いを利用して光軸方向を揃えて、集光光学系を介して多数のレーザビームを合成してファイバに入力することで高輝度化を図っている。

この場合、半導体レーザとコリメート光学系とをユニットとして組み立て、半導体レーザの位置及び角度を微調整することによって、集光光学系を利用してレーザを高輝度化することができる（特許文献１）。

特許文献１では、レーザを高輝度化するために複数の半導体レーザを用いているため、複数の半導体レーザを効率良く放熱する必要があった。

特開２００７−１７９２５号公報

しかしながら、半導体レーザの温度が上昇すると、半導体レーザの出力効率が低下し、半導体レーザの寿命が低下する。このため、一般的には、半導体レーザに隣接して大きなヒートシンク（放熱器）を取り付け、ヒートシンクにより半導体レーザを放熱していた。

しかし、半導体レーザとコリメート光学系のユニットの角度を調整するため、半導体レーザを保持するホルダ（以下、ＬＤホルダ）と、半導体レーザ及びコリメートレンズとを一体化したＬＤコリメートユニットとに、段差が発生する。このため、ＬＤホルダとヒートシンク間の接触面積が減るため、ヒートシンクを介して半導体レーザを効率的に放熱することができなかった。

このため、ＬＤホルダとヒートシンク間に生じた空間に、シリコングリスや金属ペースト等の放熱グリス、高熱伝導素材を用いることもあった。

しかしながら、放熱グリス、高熱伝導素材は、金属に比較して、熱伝導率が悪く、しかも空間の高さ、即ち隙間が一定ではなかった。このため、隙間を埋め尽くせず、半導体レーザを安定して放熱することができなかった。

本発明の課題は、半導体レーザを安定して放熱することができるレーザ装置の製造方法を提供することにある。

本発明に係るレーザ装置の製造方法は、上記課題を解決するために、併設された複数の半導体レーザをホルダで固定し、前記複数の半導体レーザ及び前記ホルダを読み取ることで得られる前記ホルダに対する前記複数の半導体レーザの凹凸部の凹凸情報を得て、前記凹凸情報に基づき３Ｄプリンタにより前記複数の半導体レーザを放熱させるためのヒートシンクの表面に前記複数の半導体レーザの凹凸部に対応する凸凹部を積層造形することを特徴とする。

本発明によれば、ヒートシンクに形成された凸凹部を、複数の半導体レーザの凹凸部に嵌合させて、ヒートシンクを複数の半導体レーザ及びホルダに取り付ける。従って、ホルダとヒートシンク間の隙間を埋め尽くすことができ、安定して放熱することができる。

本発明の実施例１のレーザ装置に設けられたＬＤコリメートユニットとＬＤホルダとヒートシンクとの断面図である。 本発明の実施例１のレーザ装置に設けられた凹凸情報読取装置と３Ｄプリンタの構成を示す図である。 本発明の実施例１のレーザ装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明のレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１のレーザ装置に設けられたＬＤコリメートユニットとＬＤホルダとヒートシンクとの断面図である。図１に示す実施例１のレーザ装置は、併設された複数の半導体レーザ１１と、複数の半導体レーザ１１を固定するＬＤホルダ１４と、複数の半導体レーザ１１を放熱させるためのヒートシンク１５とを備えている。

図１に示す複数の半導体レーザ１１は、４個であるが、４個に限定されることはなく、その他の数であっても良い。複数の半導体レーザ１１は、所定間隔毎に配置され、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。

複数の半導体レーザ１１に対応して複数のコリメートレンズ１２が配置されているコリメートレンズ１２は、半導体レーザ１１からのレーザ光をコリメートする。

半導体レーザ１１とコリメートレンズ１２とは、ＬＤコリメートユニット１３として一体化されている。複数の半導体レーザ１１に対応して、複数のＬＤコリメートユニット１３が設けられている。

ＬＤホルダ１４は、複数のＬＤコリメートユニット１３を溶接等により固定している。このとき、半導体レーザ１１とコリメートレンズ１２の角度を調整するため、ＬＤホルダ１４と、ＬＤコリメートユニット１３とに段差が発生する。この段差、即ち、ＬＤホルダ１４の表面に対して複数の半導体レーザ１１の凹凸部１１ａが発生する。

金属製のヒートシンク１５の面の内の、ＬＤホルダ１４及びＬＤコリメートユニット１３と対向する面には、複数の半導体レーザ１１の凹凸部１１ａに嵌合する凸凹部２３ａ，２３ｂが形成されている。

次に、ヒートシンク１５に凸凹部２３ａ，２３ｂを積層造形する処理について、図２を参照しながら説明する。

実施例１のレーザ装置は、図２に示すように、凹凸情報読取装置２１、３Ｄプリンタ２２を有している。３Ｄプリンタ２２は、本発明の積層造形装置に対応する。

凹凸情報読取装置２１は、スキャナ装置であり、複数の半導体レーザ１１及びＬＤホルダ１４を読み取ることにより複数の半導体レーザ１１の凹凸部１１ａに対応する凹凸情報を得る。

３Ｄプリンタ２２は、凹凸情報読取装置２１で得られた凹凸情報に基づきヒートシンク１５の表面に、複数の半導体レーザ１１の凹凸部１１ａに対応する凸凹部２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂを図２に示すように、積層造形する。従って、ＬＤホルダ１４とＬＤコリメートユニット１３間の段差に合致したヒートシンク１５が得られる。

なお、凹部２３ａと凸部２３ｂとは、水平であるが、凹部２４ａ，２４ｂは、僅かに傾斜している。これは、半導体レーザ１１とコリメートレンズ１２の角度を調整するために、凹部２４ａ，２４ｂが傾斜されている。

また、ＬＤホルダ１４とＬＤコリメートユニット１３間の段差は、これらを製作する毎に、異なるので、その段差に合致したヒートシンク１５を３Ｄプリンタ２２を用いて製作する。

次に、３Ｄプリンタ２２により積層造形された凸凹部２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂを有するヒートシンク１５を、複数の半導体レーザ１１の凹凸部１１ａに嵌合させて、複数の半導体レーザ１１及びＬＤホルダ１４に取り付ける。

従って、ＬＤホルダ１４とヒートシンク１５間の隙間を埋め尽くすことができる。これにより、半導体レーザ１１を安定して放熱することができる。

また、ヒートシンク１５の凹凸加工処理において誤差等があった場合でも、ＬＤホルダ１４とヒートシンク１５間の距離をほぼ一定に保つことができる。このため、薄いインジウムシートや炭素繊維シート等のシート状の高熱伝導素材をＬＤホルダ１４とヒートシンク１５間に、挟むことで、半導体レーザ１１を効率よく放熱することができる。

あるいは、ＬＤホルダ１４とヒートシンク１５間に、シリコングリスや金属ペースト等の放熱グリスからなるペースト状の高熱伝導材を薄く塗布してもよい。

また、半導体レーザ１１の温度が低下し、半導体レーザ１１の出力効率が向上するので、半導体レーザ１１の長寿命化を図ることができる。このため、レーザ装置を小型化及び軽量化することができる。

次に、図３は、本発明の実施例１のレーザ装置の概略構成を示す図である。図３に示すレーザ装置は、ＬＤコリメートユニット１３、ＬＤホルダ１４、ヒートシンク１５、集光光学系２５と、光ファイバ２６とを備える。

ＬＤコリメートユニット１３、ＬＤホルダ１４、及びヒートシンク１５は、図１に示したそれらと同じであるので、ここでは、それらの説明は、省略する。

集光光学系２５は、集光レンズ等からなり、複数のＬＤコリメートユニット１３からの複数のレーザ光を集光する。光ファイバ２６は、集光光学系２５により集光された複数のレーザ光を入射して伝送する。

このような構成のレーザ装置によれば、集光光学系２５により複数のレーザ光を光ファイバ２６に入射させるので、高輝度化されたレーザ光を得ることができる。

また、ヒートシンク１５に凹凸部２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂが形成されているので、凹凸部２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂによりＬＤホルダ１４とヒートシンク１５間の隙間を埋め尽くすことができ、半導体レーザ１１を安定して放熱することができる。

本発明に係るレーザ装置は、特に、レーザ加工装置、レーザ照明装置、レーザ露光装置、レーザ計測、レーザ医療等に適用可能である。

１１ ＬＤ（半導体レーザ）
１２ コリメートレンズ
１３ ＬＤコリメートユニット
１４ ＬＤホルダ
１５ ヒートシンク
１６ 高熱伝導素材
２１ 凹凸情報読取装置
２２ ３Ｄプリンタ
２３ａ，２４ａ，２４ｂ 凹部
２３ｂ 凸部
２５ 集光光学系
２６ ファイバ

Claims (3)

1. 併設された複数の半導体レーザをホルダで固定し、
   前記複数の半導体レーザ及び前記ホルダを読み取ることで得られる前記ホルダに対する前記複数の半導体レーザの凹凸部の凹凸情報を得て、
   前記凹凸情報に基づき３Ｄプリンタにより前記複数の半導体レーザを放熱させるためのヒートシンクの表面に前記複数の半導体レーザの凹凸部に対応する凸凹部を積層造形することを特徴とするレーザ装置の製造方法。
2. 前記ホルダと前記ヒートシンクとの間にシート状の高熱伝導素材を挟むことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置の製造方法。
3. 前記ホルダと前記ヒートシンクとの間にペースト状の高熱伝導素材を塗布したことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置の製造方法。

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