JP6811912B1

JP6811912B1 - レーザ光源装置およびレーザ光源装置の製造方法

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Publication number: JP6811912B1
Application number: JP2020548843A
Authority: JP
Inventors: 廣瀬　達朗; 達朗廣瀬
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: WO2021224963A1; JPWO2021224963A1

Abstract

複数の半導体レーザの発する熱を放熱するための構成として適した構成を持つレーザ光源装置を提供する。そのために、レーザ光源装置は、半導体レーザの配置を規定し、かつ半導体レーザの発する熱の放熱経路を構成するベース部材の複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、凹部は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において幹部に繋がり、複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含む。

Description

本開示は、レーザ光源装置およびレーザ光源装置の製造方法に関する。

近年、大ホールやデジタルシネマ向けの大型高輝度プロジェクタ、主に少人数の会議やプレゼンテーションに用いられる中小型プロジェクタ、および筐体に投射光学系と大型スクリーンを内蔵するプロジェクションモニタなどで、光源として半導体レーザを使用するものが商品化されている。半導体レーザは、プロジェクタおよびプロジェクションモニタで従来光源として用いられていたランプに対し、より広い色再現範囲を持つ、瞬時点灯が可能である、低消費電力である、および長寿命であるなどの利点を持つ。

一般には単一の半導体レーザの高輝度化には限界があるが、半導体レーザは、光を重畳させることで更なる高輝度化が可能となるという利点も併せ持つ。大画面への投射に用いられる大型高輝度プロジェクタで用いるため、複数の半導体レーザをアレイ状に配置した高出力半導体レーザ光源装置の開発が進められている。

しかし半導体レーザは、素子の温度が上昇するに従い電気―光変換効率が著しく低下し、さらに高温状態で出力し続けると劣化が促進され素子の寿命が短くなる傾向も持つため、所望の出力を得るために冷却性能の高い放熱構造を求められる。

特許文献１には、複数の半導体レーザが載置される伝熱部材に、隣接する半導体レーザを電気接続するためのフレキシブル基板を埋設し、放熱する構造が開示されている。また特許文献２には、同じく隣接する半導体レーザを接続するための基板を垂直に配置する構造が開示されている。

特開２０１１−０７６７８１号公報特開２０１２−００９７６０号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている構成は、複数の半導体レーザの発する熱を放熱するための構成としては必ずしも適していなかった。

本開示は、このような問題を解決するためのものであり、複数の半導体レーザの発する熱を放熱するための構成として適した構成を持つレーザ光源装置、および複数の半導体レーザの発する熱を放熱するための構成として適した構成を持つレーザ光源装置を製造する方法であるレーザ光源装置の製造方法を提供することを目的とする。

本開示のレーザ光源装置は、半導体レーザの配置の規定をし、かつ半導体レーザの発する熱の放熱経路を構成するベース部材と、ベース部材に対し、規定に従って配置された複数の半導体レーザと、複数の半導体レーザに接合される電気回路基板と、を備え、各複数の半導体レーザは電気端子部を備え、ベース部材の複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、凹部は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において幹部に繋がり、複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含み、電気回路基板は、少なくとも一部が凹部に配置されて、各複数の半導体レーザの電気端子部と、複数の枝部の領域で接合されており、各複数の半導体レーザはレーザ光を出射するチップと、チップの発する熱を半導体レーザの面であってベース部材と接する面である下面に伝える放熱経路を構成する放熱ブロックと、を備え、各複数の半導体レーザにおいて、放熱ブロックは、レーザ配置面の平面視において電気端子部の片側に配置されており、複数の枝部それぞれに対し、当該枝部によって位置決めされた半導体レーザは、レーザ配置面の平面視において当該半導体レーザの放熱ブロックの大半が枝部の先端部分の近傍において凹部を避けてベース部材と重なって位置するように配置されている、レーザ光源装置、である。

また、本開示のレーザ光源装置の製造方法は、半導体レーザの配置を規定し、かつ半導体レーザからの熱の放熱経路を構成するベース部材を準備し、複数の半導体レーザを準備し、複数の半導体レーザに接合される電気回路基板を準備し、半導体レーザ係止部とベース部材係止部とを備えるスペーサを準備し、ベース部材の複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、凹部は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において幹部に繋がり、複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含み、各複数の半導体レーザは電気端子部を備え、ベース部材と複数の半導体レーザと電気回路基板とを、複数の半導体レーザがベース部材に規定された位置に配置され、電気回路基板の少なくとも一部が凹部に配置され複数の半導体レーザそれぞれの電気端子部と複数の枝部の領域で接合されている、という状態になるように組み立て、半導体レーザ係止部は、複数の半導体レーザを、複数の半導体レーザの相対位置が規定に対応するように並べて係止し、ベース部材係止部は、半導体レーザ係止部が係止した複数の半導体レーザの位置がベース部材に対し規定に対応するようになる位置で、ベース部材を係止し、組み立てることは、スペーサの半導体レーザ係止部とベース部材係止部とを用いて、複数の半導体レーザの配置がベース部材に対し規定に対応するように、複数の半導体レーザとベース部材を配置することを含む、レーザ光源装置の製造方法、である。

本開示のレーザ光源装置および本開示のレーザ光源装置の製造方法において、ベース部材の複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、凹部は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において幹部に繋がり、複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含み、電気回路基板は、少なくとも一部が凹部に配置されて、各複数の半導体レーザの電気端子部と、複数の枝部の領域で接合されている。これにより、複数の半導体レーザの発する熱を放熱するための構成として適した構成を持つレーザ光源装置が提供される。

また、本開示のレーザ光源装置の製造方法においては、ベース部材の複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、凹部は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において幹部に繋がり、複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含み、各複数の半導体レーザは電気端子部を備え、ベース部材と複数の半導体レーザと電気回路基板とを、複数の半導体レーザがベース部材に規定された位置に配置され、電気回路基板の少なくとも一部が凹部に配置され複数の半導体レーザそれぞれの電気端子部と複数の枝部の領域で接合されている、という状態になるように組み立てる。これにより、複数の半導体レーザの発する熱を放熱するための構成として適した構成を持つレーザ光源装置を製造する方法であるレーザ光源装置の製造方法、が提供される。

本開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態に係るレーザ光源装置の構成を示す分解斜視図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の上面図である。図２のＡ−Ａ断面における断面図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の半導体レーザの構成概要を示す斜視図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の半導体レーザの内部構造を示す断面図である。実施の形態に係るレーザ光源装置のレーザダイオードチップの構造を示す断面図である。実施の形態に係るレーザ光源装置のベース部材を示す斜視図である。実施の形態に係るレーザ光源装置のコア部の構成概要を示す斜視図である。実施の形態に係るレーザ光源装置のコア部の構成概要を示す上面図である。図９のＢ−Ｂ断面における断面図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の製造途中の状態を示す図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の製造途中の状態を示す図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の製造途中の状態を示す図である。実施の形態に係るレーザ光源装置の製造途中の状態を示す図である。

＜Ａ．実施の形態＞
＜Ａ−１．構成・動作＞
本実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、レーザ光源装置１００の構成を示す分解斜視図である。また図２は、レーザ光源装置１００の上面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。

図１、図２、図３に示すように、レーザ光源装置１００は、複数の半導体レーザ１０を備えている。実施の形態においては、８個の半導体レーザ１０が２列×４行でアレイ状に配置されている構造を例示する。

レーザ光源装置１００について詳しく説明する前に、まず、半導体レーザ１０について説明する。図４は半導体レーザ１０の斜視図であり、図５は半導体レーザ１０の内部構造を示す断面図である。半導体レーザ１０は、チップ１１、放熱ブロック１３、ステム１４、電気端子部１５、ＣＡＮ１６およびガラス窓１７を備えている。

チップ１１はレーザ光を出射する。チップ１１には図６に示されるように発光層１２が形成されており、発光層１２の端面から図６の矢印の方向にレーザ光が出射される。発光層１２で導出されるレーザ光は、図５に示されるように、ガラス窓１７を透過して図中矢印の方向に出射される。チップ１１において特にその発光層１２端面が、結露、粉塵などの影響を受けて性能が劣化するため、ステム１４、ＣＡＮ１６およびガラス窓１７によって封止することにより、その影響を排除している。

チップ１１は、ステム１４上に固定された放熱ブロック１３の側面に取り付けられており、レーザ光が出射される際にチップ１１の発する熱は、放熱ブロック１３、ステム１４を通じて半導体レーザ１０の外部に排出される。つまり、放熱ブロック１３は、チップ１１の発する熱を半導体レーザ１０の面であって後述のベース部材２０と接する面である下面に伝える放熱経路を構成する。また、放熱ブロック１３は、下面の平面視において電気端子部１５の片側に配置されている。

電気端子部１５は、チップ１１と半導体レーザ１０の外部の回路とを導通させて外部から電力を供給しチップ１１を発光させるための部材である。チップ１１の封止に影響を与えないように、電気端子部１５は、外部から電力を供給するための導通部をステム１４から突き出させた構成でガラス封止されている。

図４に示すように、ステム１４は円筒形状をなし、その円筒形状側面にノッチ１８が設けられている。つまり、半導体レーザ１０は、後述のベース部材２０と接する面である下面に対する側面にノッチ１８を備える。図４においては３箇所のノッチ１８を持つ半導体レーザ１０を例示している。チップ１１および放熱ブロック１３は、ステム１４の円筒外径およびノッチ１８を基準にその位置が定められている。これにより、半導体レーザ１０をレーザ光源装置１００に組み付ける際は、ステム１４およびノッチ１８を基準に載置することにより、レーザ光の出射位置を精度良く位置決めすることが可能となる。

次に、レーザ光源装置１００について説明する。図１、図２、図３に示すように、レーザ光源装置１００は、コア部１００ａと、スペーサ４０、およびレンズ５０とを備える。

図１に示されるように、コア部１００ａは、半導体レーザ１０と、ベース部材２０と、電気回路基板３０とを備える。

図８はコア部１００ａの斜視図、図９はコア部１００ａの上面図、図１０は図９のＢ−Ｂ断面図である。なお説明のため、図８、図９、図１０では１列の半導体レーザ１０のみ図示し、他方１列の半導体レーザ１０については記載を省略している。

ベース部材２０は、半導体レーザ１０の配置の規定（以下、レーザ配置規定と呼ぶ）をし、かつ半導体レーザ１０の発する熱の放熱経路を構成する。ベース部材２０の複数の半導体レーザ１０を配置する面であるレーザ配置面には凹部２３が設けられている。

凹部２３は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部２４と、レーザ配置規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において幹部２４に繋がり、複数の半導体レーザ１０の位置決めをする複数の枝部２５と、を含む。

ベース部材２０は、上部材としてのヒートスプレッダ２１と、下部材としての放熱プレート２２で構成される。ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２は、例えばそれぞれ平板状である。

レーザ光源装置１００において、複数の半導体レーザ１０は、ベース部材２０のレーザ配置面に、幹部２４の延在している方向である第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向に沿って、複数の列および複数の行をなすように配置されている。これにより、プロジェクタ用光源として適した光線を提供することが可能となる。

図７、図８、図９に示すように、ヒートスプレッダ２１はＵ字状切欠きを持つ長方形の平板であり、２枚のヒートスプレッダ２１のＵ字状切欠きが平行に向き合い、かつ、一定の距離を保つように放熱プレート２２上に対称に配置されている。ヒートスプレッダ２１のＵ字状切欠きは、個々の半導体レーザ１０の電気端子部１５に相対する位置に設けられている。このような配置によって、ベース部材２０においては、第１の方向に並ぶ半導体レーザ１０の２つの列の中間に、列に平行かつ列の長さとほぼ等しい幹部２４と、幹部２４と同じ深さであり、当該２つの列に含まれる半導体レーザ１０それぞれの直下に繋がり、当該２つの列に含まれる半導体レーザ１０それぞれの位置決めをする枝部２５が構成される。これにより、簡易な構成で、各半導体レーザ１０に電気回路基板３０を接合できる。枝部２５は、半導体レーザ１０と比べ、幹部２４の延在方向の幅が狭い。

図８、図９に示すように、電気回路基板３０は、フレキシブル基板３０ａとコネクタ３０ｂを備える。フレキシブル基板３０ａはアレイ状に配列された半導体レーザ１０を直列に接続するための配線パターンを持つ。

フレキシブル基板３０ａは、コネクタ３０ｂとの導通を行う中央の主配線パターンと個々の半導体レーザ１０への給電に繋がる枝状配線パターンからなっている。電気回路基板３０のフレキシブル基板３０ａは、少なくとも一部が凹部２３に配置されて、各複数の半導体レーザ１０の電気端子部１５と、枝部２５の領域で接合されている。フレキシブル基板３０ａには電気端子孔３１が設けられており、各電気端子部１５は電気端子孔３１に通されている。フレキシブル基板３０ａが個々の半導体レーザ１０の電気端子部１５にそれぞれ接続されることにより、コネクタ３０ｂから全ての半導体レーザ１０に通電することが可能となる。

つまり、図９、図１０に示すように、枝部２５は、半導体レーザ１０のステム１４から突き出した電気端子部１５を内包するため、半導体レーザ１０のステム１４は、ヒートスプレッダ２１に密着して載置されることが可能となる。複数の枝部２５それぞれに対し、当該枝部２５によって位置決めされた半導体レーザ１０は、レーザ配置面の平面視において当該半導体レーザ１０の放熱ブロック１３の大半が枝部２５の近傍において凹部２３を避けてベース部材２０と重なって位置するように配置されている。これにより、半導体レーザ１０において放熱ブロック１３、ステム１４を通じて排出されるチップ１１での発熱は、さらにヒートスプレッダ２１、放熱プレート２２へと放熱経路を構成される。放熱プレート２２はプロジェクタの冷却器に接続され、半導体レーザ１０は適切な温度に保たれる。なお、レーザ配置面の平面視における放熱ブロック１３の大半とは、レーザ配置面の平面視における放熱ブロック１３の面積の７０パーセント以上であり、望ましくは、放熱ブロック１３の面積の８０パーセント以上、さらに望ましくは、放熱ブロック１３の面積の９０パーセント以上である。

チップ１１からの放熱経路の特徴を説明するため、図９において、放熱ブロック１３、ステム１４の配置を破線で示す。ステム１４とヒートスプレッダ２１との接触面において、枝部２５は、放熱ブロック１３から遠ざかる方向に向かってＵ字の開放部を持つように構成されている。つまり、放熱ブロック１３は、枝部２５の先端部分の近傍に配置されている。また、枝部２５は、半導体レーザ１０と比べ、幹部２４の延在方向の幅が狭く、幹部２４の延在方向についての電気端子部１５の両側で、当該電気端子部１５を備える半導体レーザ１０が、ベース部材２０と接している。つまり、放熱ブロック１３により近い距離に、ステム１４とヒートスプレッダ２１が接触面を広く持つことが可能となる。このため放熱ブロック１３からの放熱経路が放熱ブロック１３の近くでより広くなり、熱拡散の効率が高まるため、半導体レーザ１０とベース部材２０の間の熱抵抗が小さくなり、チップ１１の温度が低減される。

図１１に示されるように、スペーサ４０には、ステム１４の外形が納まる段付き穴４１が設けられている。後述の製造方法において、半導体レーザ１０は電気端子部１５を上向きにして段付き穴４１に挿入される。スペーサ４０は、段付き穴４１の側面に、ステム１４に形成されたノッチ１８（図４参照）と嵌合し、半導体レーザ１０の動きを規制する、半導体レーザ係止部としてのリブ４２を備えている。リブ４２は、複数の半導体レーザ１０を、複数の半導体レーザ１０の相対位置が、ベース部材２０による半導体レーザ１０の配置の規定に対応するように並べて係止する。これにより、簡易な構成で、半導体レーザ係止部が実現される。

ベース部材係止部は、半導体レーザ係止部が係止した複数の半導体レーザ１０の位置がベース部材２０に対しレーザ配置規定に対応するようになる位置で、ベース部材２０を係止する。このように、スペーサ４０により複数の半導体レーザ１０の相対位置を定めることが可能である。部品点数の少ない簡素な構成により部品相互の配置精度を高めることができ、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

スペーサ４０は、枠体４３および凸部４４を備えており、ヒートスプレッダ２１は枠体４３、凸部４４によって係止される。つまり、枠体４３および凸部４４はベース部材係止部として働く。凸部４４は、少なくとも一部はベース部材２０の凹部２３に進入しており、凹部２３の内部からベース部材２０に接してベース部材２０のレーザ配置面の面内方向の動きを係止する。これにより、製造時に、スペーサ４０を用いて、複数の半導体レーザ１０に対しベース部材２０の位置を定めることが可能であり、部品点数の少ない簡素な構成により部品相互の配置精度を高めることができ、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

図３に示されるように、電気回路基板３０はレーザ配置面に平行なように配置されており、電気回路基板３０は、スペーサ４０の凸部４４に接するよう配置されている。これにより、製造時に、凸部４４に載せることで、複数の半導体レーザ１０に対し電気回路基板３０の位置を定めることが可能であり、部品点数の少ない簡素な構成により部品相互の配置精度を高めることができ、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。電気回路基板３０がレーザ配置面に平行なように配置されていることで、電気回路基板３０がレーザ配置面に垂直に配置されている場合と比べ、電気端子部１５を短くすることができる。電気回路基板３０がレーザ配置面に平行なように配置されていることで、電気回路基板３０がレーザ配置面に垂直に配置されている場合と比べ、製造時に、凸部４４により容易に電気端子部１５と電気回路基板３０の相対位置を定めることができる。

レンズ５０は、複数の半導体レーザ１０から出射されるレーザ光をビーム成形するためのものである。レンズ５０は、スペーサ４０の上に載置され、例えば接着剤によりスペーサ４０に固定され、複数の半導体レーザ１０から出射されるレーザ光がレンズ５０を通過する位置に保持されている。半導体レーザ１０から出射されたレーザ光は、レーザ光源装置１００においては図３の図中矢印の方向に出射されることとなる。出射されたレーザ光は、レンズ５０によりビーム成形および光軸傾き補正をなされる。これにより、レーザ光源装置１００は高輝度プロジェクタ用光源として適した光線を提供することが可能となる。

スペーサ４０とベース部材２０とは、ねじまたは接着剤により固定されている。

実施の形態においては、ベース部材２０は、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２がハンダ付けされることにより構成されている。電気回路基板３０の少なくとも一部が配置される凹部２３は、放熱プレート２２の面である上部材配置面のヒートスプレッダ２１が接合されていない部分と、上部材配置面上の選択的な領域に固定されたヒートスプレッダ２１と、により形成されている。このような構成により、ベース部材２０に溝形状を製作するための切削加工等の材料除去工程が平易となるため、より安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。また、例えばヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２が共に平板状であることにより、ベース部材２０の作成がより平易となり、より安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

また、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２の接合は、薄く均一なハンダ接合をもってなされている。ハンダ合金の熱伝導率は、数十Ｗ／ｍ・Ｋであり、一般的な伝熱材料である放熱グリースや放熱接着剤の熱伝導率である数Ｗ／ｍ・Ｋに比べて十分大きい。そのため、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２の接合部の接触熱抵抗が小さくなり、より冷却効率の高いレーザ光源装置１００を提供できる。

また一般に、熱源に近い箇所で熱を拡散しやすくすることにより、より冷却効率を高めることが可能である。例えばヒートスプレッダ２１に熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋと大きな炭素繊維で構成されるグラファイト系材料を使用し、放熱プレート２２に熱伝導率４００Ｗ／ｍ・Ｋである純銅を用いることにより、ヒートスプレッダ２１、放熱プレート２２の両者に純銅を使用するよりも、より高い放熱効率を持つことが可能である。このように、ヒートスプレッダ２１の熱伝導率が、放熱プレート２２の熱伝導率よりも大きいことで、放熱プレート２２に熱伝導率以外の観点から使用しやすい部材を用いつつ、高い放熱効率を容易に実現できる。

レーザ光源装置１００においては、電気端子部１５と電気回路基板３０の接合、および半導体レーザ１０とベース部材２０の接合も、ハンダを用いてなされている。電気端子部１５と電気回路基板３０の接合、および半導体レーザ１０とベース部材２０の接合が、例えばそれぞれ同一の組成のハンダを用いて行われていれば、製造時に同じハンダペーストを用いて一度の昇温プロセスで同時にそれぞれの接合を行うことができ、製造時の工程を少なくして、安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

また、レーザ光源装置１００においては、ベース部材２０は、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２の接合がハンダによりなされている。電気端子部１５と電気回路基板３０の接合、半導体レーザ１０とベース部材２０の接合、およびヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２の接合が同一の組成のハンダを用いて行われていれば、製造時に同じハンダペーストを用いて一度の昇温プロセスで同時にそれぞれの接合を行うことができ、製造時の工程を少なくして、安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

＜Ａ−２．製造方法＞
次に、レーザ光源装置１００の製造方法について説明する。図１１、図１２はレーザ光源装置１００製造の途中での状態を示す分解斜視図および上面図である。

図１１において、スペーサ４０は、レンズ５０が載置される面が下になる向きで配置されている。

レーザ光源装置１００の製造方法は、ベース部材２０を準備し、複数の半導体レーザ１０を準備し、複数の半導体レーザ１０に接合される電気回路基板３０を準備し、スペーサ４０を準備し、レンズ５０を準備することを含む。また、レーザ光源装置１００の製造方法においては、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とレンズ５０は、以下の第１の組立工程から第６の組立工程により組み立てられる。特に、レーザ光源装置１００の製造方法においては、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とは、以下の第１の組立工程から第５の組立工程により組み立てられる。

第１の組立工程においては、複数の半導体レーザ１０は電気端子部１５を上向きにしてスペーサ４０の段付き穴４１に挿入される。リブ４２により半導体レーザ１０の動きは規制される。複数の半導体レーザ１０は、それぞれの相対的な位置がレーザ配置規定に対応するように配置される。このように、スペーサ４０により複数の半導体レーザ１０の相対位置を定めることで、部品点数の少ない簡素な構成により部品相互の配置精度を高めることができるため、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

次に、第２の組立工程において、ヒートスプレッダ２１が半導体レーザ１０の上部に配置される。ヒートスプレッダ２１は枠体４３、凸部４４によって係止される。またヒートスプレッダ２１の半導体レーザ１０と接触する位置には、あらかじめハンダペーストが塗布されている。

図１３、図１４はさらに製造工程が進んだ状態を示す分解斜視図および断面図である。第３の組立工程においては、半導体レーザ係止部を用いて係止された複数の半導体レーザ１０に対し、凸部４４の上に電気回路基板３０を載せて、複数の半導体レーザ１０に対する電気回路基板３０の位置決めを行う。また、電気端子部１５がフレキシブル基板３０ａのパターンに挿入される。電気端子部１５とフレキシブル基板３０ａの接合部には、あらかじめハンダペーストが塗布されている。電気回路基板３０がスペーサ４０の凸部４４の上に置かれることにより、ステム１４とフレキシブル基板３０ａとの間に空隙が形成される。後の工程である電気端子部１５とフレキシブル基板３０ａのハンダ付け工程において、この空隙によりフレキシブル基板３０ａがステム１４に接触しないため、接続短絡を防止することができ、信頼性の高いレーザ光源装置１００を提供することが可能となる。

第４の組立工程においては、放熱プレート２２がヒートスプレッダ２１の上部に配置される。ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２とが互いに接触する位置には、あらかじめハンダペーストが塗布されている。この際、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２とは、凹部２３が、放熱プレート２２の面である上部材配置面のヒートスプレッダ２１が接合されていない部分と、上部材配置面上の選択的な領域に固定されたヒートスプレッダ２１と、により形成されるように、ヒートスプレッダ２１を上部材配置面上の選択的な領域に配置する。

第５の組立工程としてなされるハンダ付け工程では、ハンダ融点以上に昇温された後、常温まで降温される。塗布されたハンダペーストが溶融することにより、半導体レーザ１０とヒートスプレッダ２１の間、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２の間がそれぞれ接合される。その際、図１４に示されるように、半導体レーザ１０、ヒートスプレッダ２１は図中矢印の上方向、すなわち、放熱プレート２２に押し付ける方向への加圧がなされ、各々の部品の間のハンダの厚さが薄く均一に保たれる。また同時に、電気端子部１５と電気回路基板３０もハンダ接合され、半導体レーザ１０への通電が可能となる。半導体レーザ１０とヒートスプレッダ２１との間、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２との間、電気端子部１５と電気回路基板３０との間にそれぞれ同じ組成のハンダペーストを用いることで、１度の昇温プロセスにより同時にそれぞれの接合を同時に行うことができる。放熱プレート２２には穴２６が設けられており、ハンダ付け工程において発生するフラックスの揮発成分が滞留することなく、外部に排出される。

第６の組立工程においては、スペーサ４０とベース部材２０が、接着剤またはねじにより固定される。また、レンズ５０は、スペーサ４０の上に載置され、接着剤によりスペーサ４０に接着される。

上記の第２の組立工程および第４の組立工程において、ヒートスプレッダ２１および放熱プレート２２は、相対的な位置がレーザ配置規定に対応する複数の半導体レーザ１０が、ヒートスプレッダ２１および放熱プレート２２が接合されてできるベース部材２０に対しレーザ配置規定に対応するような位置になるように、配置される。

上記のように、レーザ光源装置１００の製造方法においては、半導体レーザ１０の配置を規定し、かつ半導体レーザ１０からの熱の放熱経路を構成するベース部材２０を準備し、複数の半導体レーザ１０を準備し、複数の半導体レーザ１０に接合される電気回路基板３０を準備する。また、レーザ光源装置１００の製造方法においては、上記の第１から第５の組立工程により、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とを、複数の半導体レーザ１０がベース部材２０に規定された位置に配置され、電気回路基板３０の少なくとも一部が凹部２３に配置され複数の半導体レーザ１０それぞれの電気端子部１５と複数の枝部２５の領域で接合されている、という状態になるように組み立てる。これらにより、複数の半導体レーザ１０の発する熱を伝熱部材を通して放熱するのに適した構造を持つレーザ光源装置１００を製造する方法であるレーザ光源装置の製造方法が提供される。

上記のレーザ光源装置１００の製造方法において、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とを組み立てることは、スペーサ４０の半導体レーザ係止部とベース部材係止部とを用いて、複数の半導体レーザ１０の配置がベース部材２０に対しレーザ配置規定に対応するように、複数の半導体レーザ１０とベース部材２０を配置することを含む。スペーサ４０により複数の半導体レーザ１０およびベース部材２０の相対位置を定めることで、部品点数の少ない簡素な構成により部品相互の配置精度を高めることができ、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

上記のように、レーザ光源装置１００の製造方法においては、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とを組み立てることは、半導体レーザ係止部を用いて係止された複数の半導体レーザ１０に対し、凸部４４の上に電気回路基板３０を載せて、複数の半導体レーザ１０に対する電気回路基板３０の位置決めを行うことを含む。スペーサ４０により複数の半導体レーザ１０および電気回路基板３０の相対位置を定めることで、部品点数の少ない簡素な構成により部品相互の配置精度を高めることができ、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

ベース部材２０を準備することは、ヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２とを準備することと、上記第４の組立工程と第５の組立工程によって、凹部２３が、放熱プレート２２の面である上部材配置面のヒートスプレッダ２１が接合されていない部分と、上部材配置面上の選択的な領域に固定されたヒートスプレッダ２１と、により形成されるように、ヒートスプレッダ２１を上部材配置面上の選択的な領域に接合することと、を含む。これにより、ベース部材２０の作成が平易となり、より安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

第２の組立工程、第３の組立工程、第４の組立工程、および第５の組立工程で説明されたように、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とを組み立てることにおいては、電気回路基板３０と複数の半導体レーザ１０それぞれの電気端子部１５との接合と、複数の半導体レーザ１０とベース部材２０との接合と、は、それぞれハンダペーストを用いて、１度の昇温プロセスにより同時に行われる。これにより、工程を少なくして、安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

また、第２の組立工程、第３の組立工程、第４の組立工程、および第５の組立工程で説明されたように、ベース部材２０と複数の半導体レーザ１０と電気回路基板３０とを組み立てることにおいては、電気回路基板３０と複数の半導体レーザ１０それぞれの電気端子部１５との接合と、複数の半導体レーザ１０とベース部材２０との接合と、放熱プレート２２とヒートスプレッダ２１との接合と、は、それぞれハンダペーストを用いて、１度の昇温プロセスにより同時に行われる。これにより、工程を少なくして、安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

＜Ａ−３．効果＞
レーザ光源装置１００において、ベース部材２０の複数の半導体レーザ１０を配置する面に設けられた凹部２３は、レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部２４と、レーザ配置規定に応じて形成され、第１の方向と交差する第２の方向において２４幹部に繋がり、複数の半導体レーザ１０の位置決めをする複数の枝部２５と、を含み、電気回路基板３０は、少なくとも一部が凹部２３に配置されて、各複数の半導体レーザ１０の電気端子部１５と、複数の枝部２５の領域で接合されている。これにより、レーザ光源装置１００は、複数の半導体レーザ１０の発する熱を放熱するための構成として適した構成を持つ。

レーザ光源装置１００において、複数の半導体レーザ１０は、ベース部材２０のレーザ配置面に、幹部２４の延在している方向である第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向に沿って、複数の列および複数の行をなすように配置されている。これにより、レーザ光源装置１００を用いてプロジェクタ用光源として適した光線を提供することが可能となる。

レーザ光源装置１００においては、第１の方向に並ぶ半導体レーザ１０の２つの列の中間に、列に平行かつ列の長さとほぼ等しい幹部２４と、当該２つの列に含まれる半導体レーザ１０それぞれの直下に繋がり、当該２つの列に含まれる半導体レーザ１０それぞれの位置決めをする枝部２５が構成されている。これにより、簡易な構成で、各半導体レーザ１０に電気回路基板３０を接合できる。

レーザ光源装置１００においては、放熱ブロック１３の大半が、枝部２５の近傍において凹部２３を避けてベース部材２０と重なって位置するように配置されている。これにより、レーザ光源装置１００の動作時に、半導体レーザ１０は適切な温度に保たれる。

レーザ光源装置１００において、放熱ブロック１３は、枝部２５の先端部分の近傍に配置されている。これにより、放熱ブロック１３により近い距離に、半導体レーザ１０とベース部材２０が接触面を広く持ち、レーザ光源装置１００の動作時のチップ１１の温度が低減される。

レーザ光源装置１００において、枝部２５は、半導体レーザ１０と比べ、幹部２４の延在方向の幅が狭い。これにより、放熱ブロック１３により近い距離に、半導体レーザ１０とベース部材２０が接触面を広く持ち、レーザ光源装置１００の動作時のチップ１１の温度が低減される。

レーザ光源装置１００において、ベース部材２０の凹部２３は、放熱プレート２２の面である上部材配置面のヒートスプレッダ２１が接合されていない部分と、上部材配置面上の選択的な領域に固定されたヒートスプレッダ２１と、により形成されている。このような構成により、より安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

レーザ光源装置１００において、ヒートスプレッダ２１の熱伝導率が、放熱プレート２２の熱伝導率よりも大きい。これにより、放熱プレート２２に熱伝導率以外の観点から使用しやすい部材を用いつつ、高い放熱効率を容易に実現できる。

レーザ光源装置１００においては、電気端子部１５と電気回路基板３０の接合、および半導体レーザ１０とベース部材２０の接合は、例えばそれぞれ同一の組成のハンダを用いて行われている。これにより、製造時の工程を少なくして、安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

レーザ光源装置１００においては、電気端子部１５と電気回路基板３０の接合、半導体レーザ１０とベース部材２０の接合、およびヒートスプレッダ２１と放熱プレート２２の接合は、例えば同一の組成のハンダを用いて行われている。これにより、製造時の工程を少なくして、安価なレーザ光源装置１００を提供することが可能である。

レーザ光源装置１００は、半導体レーザ係止部およびベース部材係止部を備えるスペーサ４０を備える。これにより、製造時に簡易な構成で複数の半導体レーザ１０およびベース部材２０の配置を高めることができ、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

レーザ光源装置１００において、スペーサ４０の備える半導体レーザ係止部は、複数の半導体レーザ１０のノッチ１８に嵌合する複数のリブ４２である。これにより、半導体レーザ係止部が簡易な構成で実現される。

レーザ光源装置１００において、スペーサ４０の備えるベース部材係止部は、枠体４３および凸部４４であり、凸部４４の少なくとも一部はベース部材２０の凹部２３に進入しており、凹部２３の内部からベース部材２０に接してベース部材２０のレーザ配置面の面内方向の動きを係止する。これにより、ベース部材係止部が簡易な構成で実現される。

レーザ光源装置１００において、電気回路基板３０は、凸部４４に接するよう配置されている。これにより、製造時に、スペーサ４０を用いて、複数の半導体レーザ１０に対し電気回路基板３０の位置を定めることが可能であり、ビーム品質の良い高性能なレーザ光源装置１００を安価に提供することが可能となる。

レーザ光源装置１００は、複数の半導体レーザ１０から出射されるレーザ光をビーム成形するレンズ５０を備える。これにより、レーザ光源装置１００は高輝度プロジェクタ用光源として適した光線を提供することが可能となる。

本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。

１０半導体レーザ、１１チップ、１２発光層、１３放熱ブロック、１４ステム、１５電気端子部、１６ＣＡＮ、１７ガラス窓、１８ノッチ、２０ベース部材、２１ヒートスプレッダ、２２放熱プレート、２３凹部、２４幹部、２５枝部、２６穴、３０電気回路基板、３０ａフレキシブル基板、３０ｂコネクタ、３１電気端子孔、４０スペーサ、４１段付き穴、４２リブ、４３枠体、４４凸部、５０レンズ、１００レーザ光源装置、１００ａコア部。

Claims

半導体レーザの配置の規定をし、かつ前記半導体レーザの発する熱の放熱経路を構成するベース部材と、
前記ベース部材に対し、前記規定に従って配置された複数の前記半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザに接合される電気回路基板と、
を備え、
各前記複数の半導体レーザは電気端子部を備え、
前記ベース部材の前記複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、
前記凹部は、前記レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、前記規定に応じて形成され、前記第１の方向と交差する第２の方向において前記幹部に繋がり、前記複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含み、
前記電気回路基板は、少なくとも一部が前記凹部に配置されて、各前記複数の半導体レーザの前記電気端子部と、前記複数の枝部の領域で接合されており、
各前記複数の半導体レーザはレーザ光を出射するチップと、前記チップの発する熱を前記半導体レーザの面であって前記ベース部材と接する面である下面に伝える放熱経路を構成する放熱ブロックと、を備え、
各前記複数の半導体レーザにおいて、前記放熱ブロックは、前記レーザ配置面の平面視において前記電気端子部の片側に配置されており、
前記複数の枝部それぞれに対し、当該枝部によって位置決めされた前記半導体レーザは、前記レーザ配置面の平面視において当該半導体レーザの前記放熱ブロックの大半が前記枝部の先端部分の近傍において前記凹部を避けて前記ベース部材と重なって位置するように配置されている、
レーザ光源装置。
請求項１に記載のレーザ光源装置であって、
前記複数の半導体レーザは、前記ベース部材の前記レーザ配置面に、前記第１の方向と、前記第２の方向に沿って、複数の列および複数の行をなすように配置されている、
レーザ光源装置。
請求項２に記載のレーザ光源装置であって、
前記幹部は、前記複数の列のうち行方向に隣接する２つの列の中間に位置しており、
前記凹部は、前記２つの列に含まれる前記半導体レーザそれぞれを位置決めする前記複数の枝部を含む、
レーザ光源装置。
請求項１から３のいずれかに記載のレーザ光源装置であって、
前記複数の枝部は、前記複数の半導体レーザと比べ、前記幹部の延在方向の幅が狭い、
レーザ光源装置。
請求項１から４のいずれかに記載のレーザ光源装置であって、
前記ベース部材は、下部材と上部材とを備え、
前記上部材は前記下部材の面である上部材配置面上の選択的な領域に接合されており、
前記凹部は、前記下部材の前記上部材配置面の前記上部材が接合されていない部分と、前記上部材配置面上の前記選択的な領域に接合された前記上部材と、により形成されており、
前記上部材の、前記下部材と逆側の面が前記レーザ配置面である、
レーザ光源装置。
請求項５に記載のレーザ光源装置であって、
前記上部材の熱伝導率が、前記下部材の熱伝導率よりも大きい、
レーザ光源装置。
請求項１から６のいずれかに記載のレーザ光源装置であって、
前記電気端子部と前記電気回路基板の電気的な接合および前記半導体レーザと前記ベース部材の接合が、同一の組成のハンダを用いてそれぞれなされている、
レーザ光源装置。
請求項５または６のいずれかに記載のレーザ光源装置であって、
前記電気端子部と前記電気回路基板の電気的な接合、前記複数の半導体レーザと前記上部材の接合、および前記上部材と前記下部材の接合が、同一の組成のハンダを用いてそれぞれなされている、
レーザ光源装置。
請求項１から８のいずれかに記載のレーザ光源装置であって、
半導体レーザ係止部およびベース部材係止部を備えるスペーサ、
をさらに備え、
前記半導体レーザ係止部は、前記複数の半導体レーザを、前記複数の半導体レーザの相対位置が前記規定に対応するように並べて係止し、
前記ベース部材係止部は、前記半導体レーザ係止部が係止した前記複数の半導体レーザの位置が前記ベース部材に対し前記規定に対応するようになる位置で、前記ベース部材を係止する、
レーザ光源装置。
請求項９に記載のレーザ光源装置であって、
各前記複数の半導体レーザは、前記半導体レーザの面であって前記ベース部材と接する面である下面に対する側面にノッチを備え、
前記半導体レーザ係止部は、各前記複数の半導体レーザの前記ノッチに嵌合する複数のリブである、
レーザ光源装置。
請求項９または１０に記載のレーザ光源装置であって、
前記ベース部材係止部は、前記ベース部材の前記レーザ配置面の面内方向の動きを係止する、前記スペーサの枠体と凸部を含み、
前記凸部は、少なくとも一部は前記ベース部材の前記凹部に進入しており、前記凹部の内部から前記ベース部材に接して前記ベース部材の前記レーザ配置面の面内方向の動きを係止する、
レーザ光源装置。
請求項１１に記載のレーザ光源装置であって、
前記電気回路基板は前記凸部に接している、
レーザ光源装置。
請求項９から１２のいずれかに記載のレーザ光源装置であって、
前記複数の半導体レーザから出射されるレーザ光をビーム成形するためのレンズをさらに備え、
前記レンズは、前記スペーサにより、前記複数の半導体レーザから出射されるレーザ光が前記レンズを通過する位置に保持されている、
レーザ光源装置。
半導体レーザの配置を規定し、かつ前記半導体レーザからの熱の放熱経路を構成するベース部材を準備し、
複数の前記半導体レーザを準備し、
前記複数の半導体レーザに接合される電気回路基板を準備し、
半導体レーザ係止部とベース部材係止部とを備えるスペーサを準備し、
前記ベース部材の前記複数の半導体レーザを配置する面であるレーザ配置面には凹部が設けられており、
前記凹部は、前記レーザ配置面の平面視で、第１の方向に延在して形成された幹部と、前記規定に応じて形成され、前記第１の方向と交差する第２の方向において前記幹部に繋がり、前記複数の半導体レーザの位置決めをする複数の枝部と、を含み、
各前記複数の半導体レーザは電気端子部を備え、
前記ベース部材と前記複数の半導体レーザと前記電気回路基板とを、前記複数の半導体レーザが前記ベース部材に規定された位置に配置され、前記電気回路基板の少なくとも一部が前記凹部に配置され前記複数の半導体レーザそれぞれの前記電気端子部と前記複数の枝部の領域で接合されている、という状態になるように組み立て、
前記半導体レーザ係止部は、前記複数の半導体レーザを、前記複数の半導体レーザの相対位置が前記規定に対応するように並べて係止し、
前記ベース部材係止部は、前記半導体レーザ係止部が係止した前記複数の半導体レーザの位置が前記ベース部材に対し前記規定に対応するようになる位置で、前記ベース部材を係止し、
前記組み立てることは、前記スペーサの前記半導体レーザ係止部と前記ベース部材係止部とを用いて、前記複数の半導体レーザの配置が前記ベース部材に対し前記規定に対応するように、前記複数の半導体レーザと前記ベース部材を配置することを含む、
レーザ光源装置の製造方法。
請求項１４に記載のレーザ光源装置の製造方法であって、
前記ベース部材係止部は、前記ベース部材の前記レーザ配置面の面内方向の動きを係止する、前記スペーサの枠体と凸部を含み、
前記凸部は、少なくとも一部が前記ベース部材の前記凹部に進入して、前記凹部の内部から前記ベース部材の前記レーザ配置面の面内方向の動きを係止するものであり、
前記組み立てることは、前記半導体レーザ係止部を用いて係止された前記複数の半導体レーザに対し、前記凸部の上に前記電気回路基板を載せて、前記複数の半導体レーザに対する前記電気回路基板の位置決めを行うことを含む、
レーザ光源装置の製造方法。
請求項１４または１５に記載のレーザ光源装置の製造方法であって、
前記ベース部材を準備することは、
下部材と上部材とを準備することと、
前記凹部が、前記下部材の面である上部材配置面の前記上部材が接合されていない部分と、前記上部材配置面上の選択的な領域に固定された前記上部材と、により形成されるように、前記上部材を前記上部材配置面上の前記選択的な領域に接合することと、
を含む、
レーザ光源装置の製造方法。
請求項１４から１６のいずれかに記載のレーザ光源装置の製造方法であって、
前記組み立てることにおいては、
前記電気回路基板と前記複数の半導体レーザそれぞれの前記電気端子部との接合と、前記複数の半導体レーザと前記ベース部材との接合と、は、それぞれハンダペーストを用いて、１度の昇温プロセスにより同時に行われる、
レーザ光源装置の製造方法。
請求項１６に記載のレーザ光源装置の製造方法であって、
前記組み立てることにおいては、
前記電気回路基板と前記複数の半導体レーザそれぞれの前記電気端子部との接合と、前記複数の半導体レーザと前記ベース部材との接合と、前記下部材と前記上部材との接合と、は、それぞれハンダペーストを用いて、１度の昇温プロセスにより同時に行われる、
レーザ光源装置の製造方法。