JP7153857B2 - レーザ光源ユニット - Google Patents

Description

本開示は、レーザ光源ユニットに関する。

従来から特許文献１に記載されているように、テレビ等の映像機器において半導体レーザ光源を設けて、そのレーザ光源の光を、光ファイバ等を通してスクリーンに照射させる構造が知られている。この構造では、ケースの側面部に吸気口と排気口とを設けると共に、ケースの内部にファンを設けて、吸気口から排気口に向かって気流を作り出している。

特開２０１１－１５５５４９号公報

ところで、半導体レーザ光源と、光ファイバとが結合された構造を有するレーザ光源ユニットを、屋外等の過酷環境下に常設して使用することが考えられる。この場合に、この構造の安全性及び長期信頼性を確保するために、レーザ光の外部への漏れを防止すると共に半導体レーザ光源及びその駆動電源回路の絶縁性を確保し、かつ、設置時及びメンテナンス時を含んで長期間にわたって、半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造を含む部分に、埃や水等の異物が侵入することを防止することが望まれる。特許文献１に記載されたレーザ光源及び光ファイバを含む構造は、半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造の配置空間が外部から十分に密閉されず、上記の課題を解決できない。

本開示の目的は、レーザ光源ユニットにおいて、レーザ光の外部への漏れを防止すると共に半導体レーザ光源及び駆動電源回路の絶縁性を確保し、かつ、長期間にわたって半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造を含む部分への異物の侵入を防止することである。

本開示に係るレーザ光源ユニットは、半導体レーザ光源と、半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造と、半導体レーザ光源を駆動する駆動電源回路と、を備え、半導体レーザ光源と駆動電源回路とは、金属製で略密閉された筐体内に筐体との間での絶縁性を確保した状態で設置されており、結合構造は、筐体内に設置されており、筐体には複数の側面部の少なくとも１つの側面部に開閉可能な扉部が配置される。

本開示に係るレーザ光源ユニットによれば、レーザ光の外部への漏れを防止すると共に半導体レーザ光源及び駆動電源回路の絶縁性を確保できる。さらに、長期間にわたって半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造を含む部分への異物の侵入を防止できる。

実施形態のレーザ光源ユニットの正面図である。 実施形態のレーザ光源ユニットを、図１の右側から見た図において、下側半部を断面にして内側の部品を省略して示す図である。 実施形態のレーザ光源ユニットを、斜め上側から見た透視斜視図である。 実施形態において、半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造を示す断面図である。 筐体上部における図３のＢ－Ｂ断面図である。 実施例１～５（（ａ）～（ｅ））を用いて、筐体上部の内部の空気の主な対流方向をシミュレーションした結果を示す図５に対応する図である。 筐体内における放熱空間体積の定義を説明するための透視斜視図である。 実施例１、実施例３及び実施例５を用いて、放熱空間体積と温度上昇率との関係を解析した結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示に係るレーザ光源ユニット及び照明装置の実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであるから、各構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。以下の説明において、具体的な形状、材料、数値、数量等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、レーザ光源ユニットの仕様に合わせて適宜変更することができる。以下で説明する複数の実施形態の各構成要素を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。以下では、すべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、実施形態のレーザ光源ユニット１０の正面図である。図２は、レーザ光源ユニット１０を、図１の右側から見た図において、下側半部を断面にして内側の部品を省略して示す図である。まず、図１、図２を用いて、レーザ光源ユニット１０を構成する筐体１２を説明する。以下の説明では、レーザ光源ユニット１０を設置した状態で、扉部１５側を前側とし、左右方向を、レーザ光源ユニット１０を前側から見た状態で定義する。

筐体１２は、前端（図１の紙面の表側端、図２の左側端）が開口する略直方体状の箱型の本体部１３と、筐体１２の前側の側面部１２ａに配置された扉部１５とを含む。図１、図２及び後述する図３、図４では、筐体１２の前後方向をＸで示し、左右方向をＹで示し、Ｘ，Ｙと直交する鉛直方向をＺで示している。筐体１２は、鉛直方向Ｚに長い直方体形状である。これにより、後述するように筐体１２の内側に配置したレーザ光源の放熱性を高くできる。また、筐体１２の外側面である外装面Ｆは、直方体の６つの側面部を持っている。

本体部１３は、前端に開口部１３ａが形成され、扉部１５はその開口部１３ａを開閉可能に取り付けられる。具体的には、扉部１５は、本体部１３の左右方向Ｙ一端部（図１の右端部）において、図１に一点鎖線で示す回動軸Ｇを中心に回動可能にヒンジ等により取り付けられる。ヒンジは、筐体１２の鉛直方向Ｚに離れた複数位置に設けることができる。扉部１５の左右方向Ｙ他端部（図１の左端部）の前側面には操作部１６が露出している。ユーザは、その操作部１６を前側から押す等で扉部１５と本体部１３との係合状態を解除する。これにより、扉部１５の開放が可能となる。また、扉部１５が閉鎖された状態で筐体１２内は略密閉される。扉部１５が閉鎖された状態で、筐体１２内は完全に密閉されてもよい。本体部１３及び扉部１５は、鉄、鋼等の金属板等の金属製である。筐体１２は、裏側面（図１の紙面の裏側面、図２の右側面）が建物等の壁面にボルト等で固定される。壁面に凹部が形成され、その凹部の内側に筐体１２の裏側部分が埋め込まれることで、壁面に筐体１２が固定されてもよい。後述するように、筐体１２の底面１２ｂからは、外部に光ファイバ３０をまとめたものが導出されている。

図３は、実施形態のレーザ光源ユニット１０を、斜め上側から見た透視斜視図である。図４は、実施形態において、半導体レーザ光源２０及び光ファイバ３０の結合構造２１を示す断面図である。図５は、筐体１２上部における図３のＢ－Ｂ断面図である。図３～図５に示すように、レーザ光源ユニット１０は、上記の筐体１２と、複数の半導体レーザ光源２０と、複数の光ファイバ３０と、複数の半導体レーザ光源２０及び複数の光ファイバ３０の結合構造２１と、基板３５と、複数の駆動電源回路３７と、複数のヒートシンク４０とを含んでいる。以下では、半導体レーザ光源２０は、レーザ光源２０と記載する。

複数のレーザ光源２０、複数の結合構造２１、複数のヒートシンク４０、基板３５、及び複数の駆動電源回路３７は、筐体１２の内部に外部から略密閉された状態で筐体１２に支持されて配置される。複数のレーザ光源２０と複数の駆動電源回路３７とは、筐体１２内に筐体１２との間での絶縁性を確保した状態で設置されている。例えば、各レーザ光源２０及び各駆動電源回路３７と、筐体１２との間には樹脂等の絶縁材料製の部材が配置され、各レーザ光源２０及び各駆動電源回路３７とは筐体１２に支持される。

複数の光ファイバ３０は、まとめられた状態で筐体１２の下端の側面部である底面１２ｂから導出される。このために、筐体１２において光ファイバ３０が導出されるファイバ出口１２ｃは、底面１２ｂに設けられている。これにより、レーザ光漏れの安全性を高くできると共に、光ファイバ３０の筐体１２からの導出部分がレーザ光源ユニット１０を設置する作業者の足元近くになることで、光ファイバ３０の取り回し作業を容易に行える。さらに、光ファイバ３０の筐体１２からの導出部分の上側に筐体１２があることで、筐体１２が屋外に設置される場合に、筐体１２の光ファイバ出口１２ｃに雨水がかかりにくくなると共に、上から埃がつきにくくなる。複数の光ファイバ３０は筐体１２の内部で１本の光ファイバに結合された状態で底面１２ｂから導出されてもよい。

複数の光ファイバ３０の導出側の先端には例えば灯具ユニット（図示せず）が接続されることで、レーザ光源ユニット１０が照明装置を構成するために使用される。なお、レーザ光源ユニットの用途は、照明装置を構成することに限定しない。例えば、レーザ光源ユニットは、レーザ加工を行う加工装置を構成するために用いることもできる。

複数のレーザ光源２０は、筐体１２内において、左右方向Ｙに一列に並んで配置され、それぞれ下側にレーザ光を出射する。複数の光ファイバ３０は、その光ファイバ３０と組み合わされるレーザ光源２０に、結合構造２１で結合される。

図４に示すように、結合構造２１は、レーザ光源２０が支持されるケース状の光源支持部２２と、光源支持部２２に結合され、光ファイバ３０を保持するファイバ支持部２３とを含む。光源支持部２２の内側には、光学系２４が配置されてもよい。

レーザ光源２０は、レーザ光を放射する半導体レーザ素子を有する。レーザ光源２０は、例えば青色光を含むレーザを発生させ、光ファイバ３０を用いて灯具ユニット側にレーザ光を供給する。各レーザ光源２０は、下側に向かってレーザ光を出力する。各レーザ光源２０の光軸方向は、筐体１２の高さ方向である鉛直方向Ｚと平行である。

レーザ光源２０は、筐体１２内に配置された駆動電源回路３７（図３）から電力を供給されて駆動される。駆動電源回路３７は、筐体１２から導出される電源ケーブル（図示せず）を介して商用交流電源に接続される。駆動電源回路３７は、商用交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換してレーザ光源２０に出力する。駆動電源回路３７は、制御装置（図示せず）により制御される。図３では、複数のレーザ光源２０に対応して駆動電源回路３７が１つずつ、レーザ光源２０より上側に配置されている。図３では、駆動電源回路を模式的に直方体で示しているが、実際には回路を形成するように複数の素子である電気部品が配置される。複数の駆動電源回路３７は、例えば、前後方向Ｘに対し直交する平面に沿って配置された回路基板（図示せず）上に配置される。回路基板は、筐体１２の内部の裏側端部（図３の紙面の裏側端部、図５の右端部）付近に配置される。なお、駆動電源回路として、複数のレーザ光源２０で共通の１つの駆動電源回路のみが筐体１２内に配置されていてもよい。

制御装置は、プログラムを実行することによって、本開示のレーザ光源ユニット１０の主体の機能を実現する。制御装置は、プログラムに従って動作するプロセッサを主なハードウェア構成として備える。プロセッサは、プログラムを実行することによって、上記機能を実現することができれば、その種類は問わない。プロセッサは、集積回路（ＩＣ）または大規模集積回路（ＬＳＩ）を含む１つまたは複数の電子回路で構成される。複数の電子回路は、１つのチップに集積されていてもよく、複数のチップに設けられていてもよい。複数のチップは、１つの装置に集約されていてもよく、複数の装置に備えられていてもよい。また、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なＲＯＭ、光ディスク、ハードディスクドライブ等の非一時的記憶媒体に記憶される。プログラムは、記憶媒体に予め格納されていてもよく、インターネット等を含む広域通信網を介して記憶媒体に供給されてもよい。

さらに、制御装置は、駆動電源回路３７を制御することによって、各レーザ光源２０に対する供給電流を制御し、各レーザ光源２０の点灯の切換、及び発光強度の調節を行う。

図４に示すように、光学系２４は、コリメートレンズ２５、バンドパスフィルタ２６、及び集光レンズ２７を含む。コリメートレンズ２５、バンドパスフィルタ２６、及び集光レンズ２７は、レーザ光源２０から出射されるレーザ光の光路Ｌ１上に配置される。

コリメートレンズ２５は、レーザ光源２０から放出されたレーザ光を平行光に変換する。コリメートレンズ２５とレーザ光源２０とは別体としても一体としてもよい。

バンドパスフィルタ２６は、コリメートレンズ２５を透過したレーザ光から特定の波長帯の光を抽出する。集光レンズ２７は、バンドパスフィルタ２６を通過したレーザ光を集光し、光ファイバ３０の一端面（図４の上端面）に入射させる。

レーザ光源２０から出射されたレーザ光は、光ファイバ３０の一端面に入射され、光ファイバ３０の他端面（図示せず）から、例えば灯具ユニット（図示せず）に入射される。灯具ユニットは、レーザ光源ユニット１０からのレーザ光を非可干渉性の光に変換して放射する。例えば灯具ユニットは、波長変換素子の一方の面にレーザ光が入射され、反対側の面から、レーザ光とは異なる波長帯の照明光、例えば白色光の照明光が出射される透過型の照明器具である。例えば、灯具ユニットは、波長変換素子から出射された光を光学部材に放射する。

光学部材は、照明光の配光を制御する。光学部材としては、例えば照明光を拡散する拡散部材、照明光を集光する集光部材等がある。これにより、灯具ユニットは、レーザ光を非可干渉性の光に変換して放射する。複数の光ファイバ３０は、１つの灯具ユニットに接続された構成に限定せず、１つの光ファイバ３０ごとに１つの灯具ユニットが接続されてもよい。なお、灯具ユニットは透過型の場合に限定せず、レーザ光が入射される波長変換素子の入射側と同じ側の面から白色光等の照明光が出射される反射型としてもよい。

さらに、各光ファイバ３０におけるレーザ光源２０に対する結合側端部である一端部（図４の上端部）は、そのレーザ光源２０に対し、鉛直下方に位置する。これにより、レーザ光源２０の光出射側が下側に向くので、レーザ光源ユニット１０の施工時等におけるレーザ光漏れに対する安全性を高くできるとともに、レーザ光源２０の出射部に水や埃等の異物が浸入しにくくなる。

さらに、図３に示すように、筐体１２の内部で、レーザ光源２０の鉛直方向Ｚ下側には、各光ファイバ３０のうち、筐体１２内に配置された部分の余裕代として設けられている余剰部分を取り回すためのファイバ収容空間Ｓ１と、余剰部分の取り回しのための部材（図示せず）とが設けられる。このようにレーザ光源２０の下側に光ファイバ３０の余剰部分を配置する場合には、レーザ光源２０が筐体１２の下端部に配置されにくくなる。この場合でも、本例の場合には、筐体１２を鉛直方向に長い直方体状としているので、後述のように筐体１２において、レーザ光源２０及びヒートシンク４０の上側に、空気の自然対流が生じやすい放熱空間Ｓ２を配置しやすくなる。これにより、レーザ光源２０の放熱性を高くできる。

複数のレーザ光源２０の後面側（図３の紙面の裏側）にはそれぞれ１つずつヒートシンク４０が配置される。ヒートシンク４０は、ヒートシンク４０と組み合わされるレーザ光源２０に熱的に接続される。ヒートシンク４０は、板状の本体部４１と、鉛直方向Ｚに対し平行に設けられた複数の板状のフィン４２とが一体に設けられる。複数のフィン４２は、本体部４１の後側から互いに平行に突出し、左右方向Ｙに並んで配置される。ヒートシンク４０は、アルミニウム合金等の高い熱伝導性を有する金属により形成される。これにより、レーザ光源２０がヒートシンク４０により放熱されて冷却される。図５に示すようにヒートシンク４０は、筐体１２の内部の後側面にほぼ接触する位置にある。また、レーザ光源２０は、前後方向（図５の左右方向）の略中央位置にある。

図５に示すように、筐体１２の内側における、複数のレーザ光源２０の配列方向である左右方向Ｙに対し直交するＸＺ平面に沿う断面上において、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上方には、筐体１２の外装面Ｆに沿った放熱経路１７を有する放熱空間Ｓ２が配置される。図５では、一点鎖線矢印αにより、放熱経路１７における主となる自然対流方向を示している。レーザ光源２０が温度上昇することで、レーザ光源２０から伝熱されるヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ真上の空気は、外装面Ｆに沿って上昇する。これにより筐体１２の上端部内で空気の温度は高くなっている。そして、筐体１２の上端部内の空気が筐体１２を介して外部の空気と熱交換を行うことで上端部内の空気は冷やされ、それに伴ってヒートシンク４０の真上から離れた位置で下降する。下降した空気は、レーザ光源２０及びヒートシンク４０の近くで暖められて再びヒートシンク４０の真上から上昇する。これによって、図５の一点鎖線矢印αで示すように空気が自然対流する。特に、図５の例では、ヒートシンク４０及びレーザ光源２０の上側で前後方向の略中央位置には鉛直方向Ｚに沿うＹＺ平面に沿って基板３５が配置される。基板３５は、回路に対しての接触防止の機能を担うために、筐体１２の内部で、駆動電源回路３７より扉部１５側（図５の左側）に固定される。また、この基板３５を回路基板として、ヒートシンク４０側（図５の右側）には熱源としての駆動電源回路３７等の回路が配置されてもよい。これにより、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上方には、駆動電源回路３７が配置される。基板３５は、対流を筐体１２の壁面に沿わせるための障害物としての仕切り部に相当する。この状態で、レーザ光源２０は、駆動電源回路３７よりも鉛直方向Ｚ下側に存在する。これにより、レーザ光源２０の発熱による温度上昇と筐体１２を介しての外部との熱交換によって生じる筐体１２内部の空気の主となる対流方向が、外装面Ｆにより沿いやすくなる。このように、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上方に、筐体１２の外装面Ｆに沿った放熱経路１７を有する放熱空間Ｓ２が配置されるので、筐体１２を介して筐体１２内外での空気の熱伝達性が高くなる。これにより、筐体１２の内側に配置したレーザ光源２０の放熱性を高くできる。なお、図５では、基板３５の裏面側で放熱経路１７が、駆動電源回路３７の前端（図５の左端）と基板３５との間を通過するように示しているが、放熱経路１７が駆動電源回路３７の内部の複数の電気部品の間を通過してもよい。

さらに、本例の場合には、筐体１２は、鉛直方向Ｚに長い直方体形状であるので、レーザ光源２０及びヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上側に広い放熱空間Ｓ２を形成しやすくなる。これにより、レーザ光源２０の放熱性をより高くできる。

上記のように筐体１２内において、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上方に放熱空間Ｓ２を配置する構造を実現するためには、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上方に十分な広さを確保することと、外装面Ｆに沿った放熱経路１７上に対流を阻害する障害物がないことが必要である。さらに、対流を外装面Ｆに沿わせるための仕切り部が配置されることと、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上方に熱源が配置されることとの一方または両方があることが、外装面Ｆに沿って放熱経路１７を形成しやすくなる面から好ましい。

上記のレーザ光源ユニット１０によれば、レーザ光源２０と、駆動電源回路３７とが、金属製で略密閉された筐体１２内に筐体１２との間での絶縁性を確保した状態で設置される。また、結合構造２１が筐体１２内に設置される。また、筐体１２の側面部１２ａに開閉可能な扉部１５が配置される。これにより、レーザ光の外部への漏れを防止すると共にレーザ光源２０及び駆動電源回路３７の絶縁性を確保できる。さらに、長期間にわたってレーザ光源２０及び光ファイバ３０の結合構造２１を含む部分への異物の侵入を防止できる。さらに、ヒートシンク４０が筐体１２内に配置されるので、レーザ光源の放熱部のみを筐体の外部に配置する構造と異なり、筐体１２を簡素化できる。また、レーザ光源の放熱部のみを筐体の外部に配置する構造では、筐体において放熱部が貫通する部分を、樹脂ペーストを用いて密閉する必要があるが、この場合には、樹脂ペーストが光ファイバの端面に光集塵を招く可能性がある。本例の構成によれば、放熱部であるヒートシンク４０が筐体１２内に配置されるので、このような不都合が生じない。

また、複数の熱源であるレーザ光源２０の放熱性を向上させる面から、複数のレーザ光源２０が並んだ方向と直交する断面上において、筐体１２の外装面Ｆに沿う対流方向を持つ放熱経路１７が形成されることが好ましい。例えば、本例のように、複数のレーザ光源２０が、左右方向Ｙに沿って並んでいる場合には、左右方向Ｙに対し直交するＸＺ平面内で、空気の自然対流が、レーザ光源２０の位置と筐体１２内の上端部とを結ぶ鉛直方向Ｚ長さが大きい環状に生じることが好ましい。また、この場合に、ヒートシンク４０のフィン４２が鉛直方向Ｚに対し平行に設けられることが、ヒートシンク４０と対流した空気とを熱交換しやすくする面から好ましい。より具体的には、各フィン４２が、複数のレーザ光源２０が並んだＹ方向と直交するＸＺ平面に平行であることが好ましい。

なお、後述の図６（ｃ）（ｄ）に示す実施例３、実施例４のように、実施形態の別例として、レーザ光源２０（図４）に相当する熱源Ｍ１を筐体１２の外装面Ｆの近傍に配置することもできる。この場合も、外装面Ｆに沿って放熱経路１７が形成されやすい。より具体的には、筐体１２の内側で熱源Ｍ１が、鉛直方向Ｚに対し直交する方向、例えば前後方向Ｘにおいて偏って配置されると、外装面Ｆに沿って放熱経路１７が形成されやすい。

図６は、実施例１～５（（ａ）～（ｅ））を用いて、筐体１２の上部における内部の空気の主な対流方向をシミュレーションした結果を示す図５に対応する図である。図６（ａ）に示す実施例１は、ヒートシンク４０の前側（図６（ａ）の左側）にレーザ光源２０（図４）に相当する熱源Ｍ１が熱的に接続され、その熱源Ｍ１が筐体１２の内部の前後方向Ｘ（図６（ａ）の左右方向）で中央位置にある。また、ヒートシンク４０は、筐体１２内部の後側面（図６（ａ）の右側面）にほぼ接触している。一方、熱源Ｍ１の上側には、前後方向Ｘの略中央位置に鉛直方向Ｚに沿う仕切り板Ｐが配置される。仕切り板Ｐは、基板であってもよい。実施例１では、図６（ａ）に砂地部で示す部分の温度が高くなる。これにより、主な対流方向が矢印Ｃ１で示すように、ヒートシンク４０の真上である後側（図６（ａ）の右側）上部から、外装面Ｆと仕切り板Ｐとに沿って上昇し、筐体１２の上端部で折り返して、筐体１２内部のヒートシンク４０の真上から離れた前側（図６（ａ）の左側）で、外装面Ｆと仕切り板Ｐとに沿って下降している。図６（ａ）に示すように、主な対流方向が外装面Ｆに沿っているので、実施例１によりレーザ光源２０の放熱性を向上できることを確認できた。

図６（ｂ）に示す実施例２は、図６（ａ）の実施例１に対して、仕切り板Ｐが省略される一方、駆動電源回路等に相当する他の熱源Ｍ２が、ヒートシンク４０の鉛直方向Ｚ上側に配置される。実施例２では、図６（ｂ）に砂地部で示す部分の温度が高くなることで、ヒートシンク４０の上側の温度上昇がより大きくなる。これにより、主な対流方向が矢印Ｃ２で示すように、外装面Ｆに沿って筐体１２の上端部で折り返すように形成されやすい。実施例２によっても、レーザ光源２０の放熱性を向上できることを確認できた。

図１～図５に示した実施形態は、図６（ａ）と図６（ｂ）との組み合わせに対応する。これにより、実施形態の効果を確認できた。

図６（ｃ）に示す実施例３は、ヒートシンク４０の前側（図６（ｃ）の左側）にレーザ光源２０に相当する熱源Ｍ１が配置され、その熱源Ｍ１が筐体１２内部の前側面にほぼ接触する位置にある。また、筐体１２内において、熱源Ｍ１及びヒートシンク４０の上側には障害物のない空間が形成される。実施例３では、図６（ｃ）に砂地部で示す部分の温度が高くなる。これにより、主な対流方向が矢印Ｃ３で示すように、ヒートシンク４０の真上である前側（図６（ｃ）の左側）上部から外装面Ｆに沿って上昇し、筐体１２の上端部で折り返して、筐体１２内部の後側（図６（ｃ）の右側）で、外装面Ｆに沿って下降している。主な対流方向が矢印Ｃ３で示すように外装面Ｆに沿っているので、実施例３によっても、レーザ光源２０の放熱性を向上できることを確認できた。

図６（ｄ）に示す実施例４は、図６（ｃ）の実施例３に対して、ヒートシンク４０が筐体１２の内部の前後方向Ｘ（図６（ｃ）の左右方向）で中央位置にある。これに伴って、熱源Ｍ１は、筐体１２内部の前側（図６（ｃ）の左側）に偏って配置される。実施例４では、図６（ｄ）に砂地部で示す部分の温度が高くなることで、主な対流方向が矢印Ｃ４で示すように前後方向Ｘの中央位置から前後方向Ｘの両側に分かれて、それぞれ外装面Ｆに沿って下降している。これにより、実施例４によっても、レーザ光源２０の放熱性を向上できることを確認できた。

一方、図６（ｅ）に示す実施例５は、図６（ａ）の実施例１に対して、仕切り板Ｐが省略され、かつ、図６（ｂ）の実施例２とは異なり、熱源Ｍ１とは異なる他の熱源がヒートシンク４０の上側に配置されない。実施例５では、図６（ｅ）に砂地部で示す部分の温度が高くなる。具体的には、ヒートシンク４０の前側（図６（ｅ）の左側）に熱源Ｍ１が配置される一方、ヒートシンク４０の後端（図６（ｅ）の右端）が筐体１２にほぼ接触する。これにより、ヒートシンク４０の上部で前後方向Ｘに温度差が生じて、ヒートシンク４０の上側の空気が熱源Ｍ１側（図６（ｅ）の左側）で、反対側（図６（ｅ）の右側）より温度上昇しやすくなる。これにより、ヒートシンク４０の上側で空気が上昇しながら熱源Ｍ１側に引っ張られやすくなる。また、温度上昇した空気が前側で筐体１２に接触することで相対的に温度が高い後側に戻りながら上昇する。これにより、主な対流方向が矢印Ｃ５で示すようにＵ字形に曲がりながら上昇し、外装面Ｆに沿わない。筐体１２の上端部で温度低下した空気は左右方向Ｙにずれた位置で下降するが、左右方向Ｙに配置される他の部品等との関係で対流が停滞しやすくなるので対流性が低い。このため、筐体１２の内部と外部との熱交換に効果的な対流を十分に得られないので、実施例１～４の場合よりもレーザ光源２０の放熱性は低くなる。

一方、図６（ａ）の実施例１の場合には、ヒートシンク４０の上側の温度上昇した空気が熱源Ｍ１側（図６（ａ）の左側）に引っ張られることが、仕切り板Ｐによって抑制される。図６（ｂ）の実施例２の場合には、他の熱源Ｍ２によって、ヒートシンク４０の上側で空気の前後方向の温度差が抑制されるので、温度上昇した空気が熱源Ｍ１側（図６（ｂ）の左側）に引っ張られることが抑制される。これにより、図６（ａ）（ｂ）の実施例１，２では対流方向が外装面Ｆに沿いやすくなる。

次に、図７、図８を用いて、実施形態においてヒートシンク４０の上側に放熱空間Ｓ２（図３、図５）を形成したことによる放熱効果を確認するために行った解析結果を説明する。解析は、図６（ａ）に示す実施例１、図６（ｃ）に示す実施例３、及び図６（ｅ）に示す実施例５の３例を用いて、筐体１２内部における放熱空間体積と放熱空間内の温度上昇率との関係を比較した。温度上昇率は、熱源Ｍ１の発熱量Ｗに対する、放熱空間の単位時間における温度上昇量ＤＴの割合（ＤＴ／Ｗ）である。熱源Ｍ１の発熱量が一定の場合には、放熱空間体積の増大にしたがって温度上昇率ＤＴ／Ｗは低下する。その温度上昇率ＤＴ／Ｗの低下が大きくなるほど、放熱性能が高いことを意味する。

図７は、筐体１２内における放熱空間体積の定義を説明するための透視斜視図である。図７に示すように、本解析では、筐体１２の内部に熱源Ｍ１と、熱源Ｍ１に接触するヒートシンク４０とが配置された場合を想定する。本解析では、放熱空間体積は、筐体１２内において、閉鎖空間における熱源Ｍ１よりも鉛直方向上側にある部分の体積である。このとき、放熱空間Ｓａの最大高さＨは、熱源Ｍ１の上端から筐体１２の上端部内面までの長さである。

また、本解析の条件として、熱源Ｍ１の発熱量を５Ｗとし、放熱空間Ｓａ内で空気が自然対流され、筐体１２の外部の空気温度は３０℃とした。そして、実施例１，２，５において、放熱空間体積と放熱空間Ｓａ内の温度上昇率（ＤＴ／Ｗ）との関係を求めた。

図８は、実施例１、３、５を用いて、放熱空間体積と温度上昇率（ＤＴ／Ｗ）との関係を解析した結果を示している。図８で一点鎖線αは実施例１を示し、実線βは実施例３を示し、破線γは実施例５を示している。

図８の解析結果から、自然対流による熱源Ｍ１の放熱の場合には、放熱性能は熱交換の対象である放熱空間体積に強く影響されることが分かる。図６（ｅ）の実施例５のように、対流が停滞するような部品配置となった場合には放熱性能を十分に発揮できず、図８の破線γで示すように放熱性能は放熱空間の体積によりほぼ一義的に決定される。また、放熱空間として対流が停滞するような狭小な空間しか存在しない場合も、実施例５の解析結果と同様になる。

一方、図６（ａ）（ｃ）の実施例１，３のように、放熱空間Ｓ２内に外部との熱交換を促すように、筐体１２の外装面Ｆに沿う対流が促される場合であって、放熱空間体積に十分な大きさがある場合には、放熱性能が向上する。具体的には、実施例１のように、対流の方向を規制する仕切り板Ｐ（図６（ａ））が配置される場合には、図８の一点鎖線αで示すように放熱空間体積が増大する場合の温度上昇率ＤＴ／Ｗの低下が、実施例５よりも大きくなるので、放熱性能が向上する。また、仕切り板Ｐと同様の効果をもたらす部品や障害物が放熱空間に配置される場合も、放熱性能が向上する。

また、実施例３のように、熱源Ｍ１（図６（ｃ））の位置が中央よりも筐体１２内の壁面近くに配置される場合も、図８の実線βで示すように放熱空間体積が増大する場合の温度上昇率ＤＴ／Ｗの低下が、実施例５よりも大きくなるので、放熱性能が向上する。上記の図１～図５の実施形態は実施例１に対応するので、実施形態により放熱性能を向上できることを確認できた。

上記の実施形態において、図１、図２では、筐体１２の扉部１５が本体部１３の前側の側面部１２ａのみに配置される場合を説明したが、扉部は、前側の側面部１２ａ以外の側面部にも配置されることで、筐体に複数の扉部が配置されてもよい。また、扉部は、筐体の前側の側面部１２ａ以外に配置されてもよい。

１０ レーザ光源ユニット、１２ 筐体、１２ａ 側面部、１２ｂ 底面、１２ｃ 光ファイバ出口、１３ 本体部、１３ａ 開口部、１５ 扉部、１６ 操作部、１７ 放熱経路、２０ 半導体レーザ光源（レーザ光源）、２１ 結合構造、２２ 光源支持部、２３ ファイバ支持部、２４ 光学系、２５ コリメートレンズ、２６ バンドパスフィルタ、２７ 集光レンズ、３０ 光ファイバ、３５ 基板、３７ 駆動電源回路、４０ ヒートシンク、４１ 本体部、４２ フィン。

Claims (7)

1. 半導体レーザ光源と、
   前記半導体レーザ光源及び光ファイバの結合構造と、
   前記半導体レーザ光源を駆動する駆動電源回路と、を備え、
   前記半導体レーザ光源と前記駆動電源回路とは、金属製で略密閉された筐体内に前記筐体との間での絶縁性を確保した状態で設置されており、
   前記結合構造は、前記筐体内に設置されており、
   前記筐体には複数の側面部の少なくとも１つの側面部に開閉可能な扉部が配置される、
   レーザ光源ユニット。
2. 請求項１に記載のレーザ光源ユニットにおいて、
   前記筐体において前記光ファイバの出口は底面に設けられている、
   レーザ光源ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ光源ユニットにおいて、
   前記光ファイバにおける前記半導体レーザ光源に対する結合側端部は、前記半導体レーザ光源に対し、鉛直下方に位置する、
   レーザ光源ユニット。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ光源ユニットにおいて、
   前記半導体レーザ光源に熱的に接続されたヒートシンクを備え、
   前記ヒートシンクの鉛直方向上方には、前記筐体の外装面に沿った放熱経路を有する放熱空間が配置される、
   レーザ光源ユニット。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザ光源ユニットにおいて、
   前記筐体は、鉛直方向に長い直方体形状である、
   レーザ光源ユニット。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ光源ユニットにおいて、
   前記半導体レーザ光源に熱的に接続されたヒートシンクを備え、
   前記ヒートシンクは、鉛直方向に対し平行に設けられたフィンを含む、
   レーザ光源ユニット。
7. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ光源ユニットにおいて、
   前記半導体レーザ光源に熱的に接続されたヒートシンクを備え、
   前記ヒートシンクの鉛直方向上方に、熱源が配置されている、
   レーザ光源ユニット。

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