JP7174230B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザを備えた光源装置に関する。

半導体レーザを備えた光源装置が様々な産業分野で用いられている。その中には、ヒートシンクとして機能する熱伝導率が高い材質で構成された底板、内面に金属膜が形成された樹脂製のパッケージ周壁及び蓋から構成されるパッケージ内に、半導体レーザが収納された半導体レーザモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－７０００７

特許文献１には、半導体レーザから出射された光のうち、外部へ出射されずにパッケージ内で反射を繰り返す光により、パッケージの内壁で発熱が生じたとしても、金属膜によりパッケージの樹脂部分へ熱が伝わることなく、ヒートシンクとして機能する底板から排出されることが記載されている。

半導体レーザからの光が直接照射される金属膜がパッケージ周壁及び蓋の内面に形成されている。ここで、半導体レーザの出力が大きい場合には、金属膜だけで吸収できない熱が、パッケージ周壁及び蓋の樹脂部分まで伝達される。これにより、パッケージを構成する樹脂の分解が生じ、有機ガスがパッケージ内に流入する可能性がある。半導体レーザは、有機ガスの環境下では信頼性低下が顕著に生じる。
また、特許文献１には、パッケージ周壁及び蓋と半導体レーザとの間に別体の遮蔽板を設けるとの記載もあるが、この場合には、別部材を用意することでコストが増し、生産工程も複雑になる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、信頼性が高く、低コストで製造可能な半導体レーザを備えた光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る光源装置は、
底部と周壁部とを備える基体と、
前記底部に配置された半導体レーザと、
前記周壁部の上面に接合され、前記基体とともに封止空間を形成するキャップと、
前記周壁部または前記キャップに設けられ、前記半導体レーザから出射された光を透過する透光部と、
前記封止空間内を前記周壁部の一方の内面から他方の内面まで横切る２つのリード端子と、
を備え、
前記半導体レーザが前記２つのリード端子の間の空間内に配置され、
前記透光部が、前記空間を前記半導体レーザからの光の光軸上に配置されている。

以上のように本発明では、信頼性が高く、低コストで製造可能な半導体レーザを備えた光源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置の模式的な斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置の模式的な底面図である。 図３のＶ－Ｖ断面図であって、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の内部構造を示す側面断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の模式的な斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の模式的な底面図である。 図８のＸ－Ｘ断面図であって、本発明の第２の実施形態に係る光源装置の内部構造を示す側面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な平面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。なお、以下に説明する光源装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示す場合があるが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態では前述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（第１の実施形態に係る光源装置）
はじめに、図１から図５を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の説明を行う。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図であり、図２は、その模式的な平面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の模式的な斜視図であり、図４は、その模式的な底面図である。図５は、図３のＶ－Ｖ断面図であって、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の内部構造を示す側面断面図である。

本実施形態に係る光源装置２は、底部６及び周壁部８を備える基体４と、底部６の上面６Ａに配置された半導体レーザ１０とを備える。また、光源装置２は、周壁部８の上面８Ｃに接合され、基体４とともに封止空間Ａを形成するキャップ１２を備える。
周壁部８は、底部６を囲むように底部６の側面に接合されている。例えば、底部６を熱伝導率の高い金属材料で構成し、周壁部８を樹脂材料で構成して、これらの部材を一体成型することにより、基体４を形成することができる。本実施形態では、上面視において、底部６や周壁部８は、四角形の外縁を有する形状を有しているが、これに限られるものではなく、円形やその他の多角形をはじめとするその他の任意の形状を有することができる。

更に、光源装置２は、周壁部８を備えており、この周壁部８には、半導体レーザ１０から出射された光を透過する透光部１４を備える。透光部１４は、半導体レーザ１０からの光の光軸上に配置されている。このような配置により、半導体レーザ１０から出射された光が直接透光部１４に入射し、透過するようになっている。

更に、光源装置２は、封止空間Ａ内を周壁部８の一方の内面８Ａから他方の内面８Ｂまで横切る２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂを備える。更に詳細に述べれば、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂは、周壁部８の外側から周壁部８を貫通して、周壁部８の一方の内面８Ａから封止空間Ａ内を横切って、周壁部８の他方の内面８Ｂまで達している。

半導体レーザ１０は、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂの間の空間内に配置されている。 リード端子１６Ａ、１６Ｂは、半導体レーザ１０の出射方向と略平行になるように配置され、リード端子１６Ａ、１６Ｂが半導体レーザ１０の側面部を囲むように配置されている。そして、リード端子１６Ａ、１６Ｂは、透光部１４が設けられた出射面となる周壁部８の他方の内面８Ｂまで延接している。

このような配置により、半導体レーザ１０から、底部６の上面６Ａ及びリード端子１６Ａ、１６Ｂの側面と略平行な方向に光が出射され、周壁部８に設けられた透光部１４に入射し、透光部１４を透過して、光源装置２の外部へ出射される。

半導体レーザ１０から出射された光は、透光部１４を透過して光源装置２の外部へ出射されるが、一部の光は、透光部１４により封止空間Ａ内側に反射される。もし、この反射光が、樹脂材料から構成される基体４の周壁部８に直接入射すると、周壁部８が早期に劣化する可能性がある。

本実施形態では、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂが、封止空間Ａ内を周壁部８の一方の内面８Ａから他方の内面８Ｂまで横切っており、半導体レーザ１０が２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂの間の空間内に配置され、透光部１４が半導体レーザ１０からの光の光軸上に配置されている。よって、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂによる遮蔽効果で、透光部１４から反射された光や更に反射された光が直接周壁部８に入射することを効果的に抑制することができる。これにより、周壁部８に特別な耐熱樹脂材料を用いることなく、レーザ光による劣化を抑制することが可能となる。また、リード端子１６Ａ、１６Ｂにより半導体レーザ１０からの光を遮光するので、別体の部品を設ける必要がなく、低コスト化が実現できる。

特に、本実施形態では、透光部１４が周壁部８に設けられ、半導体レーザ１０から出射された光が直接透光部１４に入射するが、周壁部８の他方の内面８Ｂまで延接したリード端子１６Ａ、１６Ｂにより、透光部１４から反射された光や更に反射された光が、直接周壁部８に入射することを効果的に抑制することができる。

更に、一方の内面８Ａや他方の内面８Ｂを含む周壁部８の内壁に反射層３０を設けることができる。これにより、リード端子１６Ａ、１６Ｂのみでは反射や吸収しきれなかった光が樹脂層に照射されることを防止でき、信頼性を向上させることができる。なお、短絡防止のため、反射層３０はリード端子１６Ａ、１６Ｂと接触しないように設けられる必要がある。この反射膜３０は、周壁部８の内壁の中で、光が出射される透光部の近傍や、後述する反射ミラー４０の近傍に設けられることがより効果的である。

底部６は、半導体レーザ１０による発熱を効率的に放熱するヒートシンクとして機能させる観点から、熱伝導率の高い金属材料から形成されることが好ましい。具体的には、銅又は銅合金が挙げられ、表面に金めっき等が施されていてもよい。ただし、底部６に用いられる材料は、これに限られるものではなく、アルミニウムをはじめとするその他の任意の金属材料を採用することができる。更に、底部６は、温度条件によっては、比較的熱伝導率の高い樹脂材料やセラミック等の材料で形成することもできる。
放熱のために、底部６の下面６Ｂは、ヒートシンク付きの放熱プレート等の放熱器に取り付けることが好ましい。放熱器と底部６の下面６Ｂとは、グリス等によって接続することができる。

周壁部８は、底部６、透光部１４、リード端子１６Ａ、１６Ｂと、一体成型する観点から樹脂材料から構成されることが好ましい。使用する樹脂材料として、例えば、エポキシ系、フェノール系等の熱硬化性樹脂や、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド（ＰＩ）等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。

透光部１４は、透光性を有する部材であればよく、ホウケイ酸ガラスなどのガラス製のものが好ましい。透光部１４の半導体レーザ１０側の面には、反射防止膜が設けられているのが好ましい。

リード端子１６Ａ、１６Ｂは、電気伝導率、熱伝導率の高い金属材料から形成されることが好ましい。具体的には、銅又は銅合金が挙げられる。表面に金めっき等が施されていてもよい。本実施形態に係るリード端子１６Ａ、１６Ｂは、四角形の断面形状を有する。ただし、これに限られるもではなく、透光部１４から反射された光が直接周壁部８に入射することを防ぐ観点から、半導体レーザ１０の両側の側面は平面であるのが好ましいが、それを満たす範囲において任意の断面形状を有することができる。

本実施形態では、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂの端面が他方の内面８Ｂと接するように配置されているが、これに限られるものではなく、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂが、他方の内面８Ｂから周壁部８の内部にまで延びている場合もあり得る。更に、他方の内面８Ｂ側においても、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂが周壁部８の外側に突き出ている場合、つまり、周壁部８の両側において、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂが周壁部８を貫通している場合もあり得る。

本実施形態に係る半導体レーザ１０として、発振波長が紫外光領域から緑色光領域の窒化物半導体レーザ素子を例示できる。ただし、これに限られるものではなく、その他の波長域のその他の任意の半導体レーザ素子を採用することができる。
半導体レーザ１０は、サブマウント２０を介して底部６に設置するのが好ましい。サブマウント２０は、電気絶縁性が高く、熱伝導率の高い材料が好ましい。具体的には、窒化アルミニウムや炭化ケイ素を例示することができる。サブマウント２０は表面及び裏面に金属膜が設けられ、金属膜表面において、片面を半導体レーザ１０、もう一方の面を底部６と固着する。

図２に示すように、半導体レーザ１０の上面に配置された正電極とリード端子１６Ｂがワイヤ２２によって電気的に接続されており、半導体レーザ１０の下面に配置された負電極とリード端子１６Ａとがサブマウント２０に形成された配線を介してワイヤ２２によって電気的に接続されている。これにより、外部からの電力が、リード端子１６Ａ、１６Ｂ及びワイヤ２２を介して給電され、半導体レーザ１０が発光する。なお、図１及び図５では、他の部材を明確に示すため、ワイヤの表示を省略してある。
なお、半導体レーザ１０とリード端子１６Ａ、１６Ｂとの接続方法は上記に限られず、半導体レーザ１０の一方の面に配置された正負の電極とサブマウント２０がフリップチップ接続により接合され、サブマウント２０とリード端子１６Ａ、１６Ｂがワイヤ２２によって接続されていても良い。

本実施形態では、図１及び図５に示すように、一体成型された基体４に、周壁部８の一部として、リード端子１６Ａ、１６Ｂの側面に接する樹脂製の第１凸部４Ａ、及びリード端子１６Ａ、１６Ｂの下面および底部６の上面に接する樹脂製の第２凸部４Ｂが設けられている。これにより、一体成型された基体４（周壁部８）と、リード端子１６Ａ、１６Ｂとの密着性を上げることができ、信頼性の高い光源装置を実現できる。また、第２凸部４Ｂにより、リード端子１６Ａ、１６Ｂと底部６との短絡を防ぐとともに、十分な気密性を確保している。

更に、底部６、透光部１４及びリード端子１６Ａ、１６Ｂにおいて、周壁部８との接触面に凹凸が設けられていることが好ましい。これにより、一体成型するときの底部６、透光部１４及びリード端子１６Ａ、１６Ｂと周壁部８との間の接触面積を増やし、密着性を向上させることができ、これにより封止性能を向上させることができる。

（第２の実施形態に係る光源装置）
次に、図６から図１０を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る光源装置の説明を行う。図６は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図であり、図７は、その模式的な平面図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置の模式的な斜視図であり、図９は、その模式的な底面図である。図１０は、 図８のＸ－Ｘ断面図であって、本発明の第２の実施形態に係る光源装置の内部構造を示す側面断面図である。なお、図１０では、他の部材を明確に示すため、反射ミラーの表示を省略してある。

第２の実施形態に係る光源装置２’では、底部６の上面に半導体レーザ１０に隣接して、反射ミラー４０が設置され、透光部１４’が、周壁部８ではなく、キャップ１２に設けられている点で、上記の第１の実施形態に係る光源装置２と異なる。反射ミラー４０は、底部６の上面６Ａに対して、約４５度傾斜した反射面を有している。透光部１４は、反射ミラー４０からの反射光の光軸上に配置されている。

このような配置により、半導体レーザ１０から、底部６の上面及びリード端子１６Ａ、１６Ｂの側面と略平行な方向に光が出射され、反射ミラー４０に入射する。反射ミラー４０で、底部６の上面６Ａに対して略垂直な方向に反射された光は、キャップ１２に設けられた透光部１４’に入射し、透光部１４を透過して、光源装置２’の外部へ出射される。以上のように、本実施形態においても、透光部１４’は、半導体レーザ１０からの光の光軸上に配置されているといえる。

半導体レーザ１０から出射された光は、透光部１４’を透過して光源装置２の外部へ出射されるが、一部の光は、透光部１４’により封止空間Ａ内側に反射される。もし、この反射光が、樹脂材料から構成される基体４の周壁部８に直接入射すると、周壁部８が早期に劣化する可能性がある。

本実施形態においても、半導体レーザ１０が２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂの間の空間内に配置され、キャップに設けられた透光部１４’が、半導体レーザからの光の光軸上、特に、反射ミラー４０による反射光の光軸上に配置されている。よって、２つのリード端子１６Ａ、１６Ｂによる遮蔽効果で、透光部１４’から反射された光や更に反射された光が、直接周壁部８に入射することを効果的に抑制することができる。

更に、図１０に示すように、底部６の上面６Ａからリード端子１６Ａ、１６Ｂの上面１６Ａ１、１６Ｂ１までの距離をＬ１、底部６の上面６Ａからキャップ１２の下面１２Ａ（つまり側壁部８の上面８Ｃ）までの距離をＬ２とすると、Ｌ１／Ｌ２ ＞ ０．７ であることが好ましく、Ｌ１／Ｌ２ ＞ ０．８であることがより好ましく、Ｌ１／Ｌ２ ＞ ０．９であることが更に好ましい。
これにより、透光部１４’から反射された光や更に反射された光が、直接周壁部８に入射することを更に確実に抑制することができる。

また、上記と同様に、一方の内面８Ａや他方の内面８Ｂを含む周壁部８の内壁に反射層３０を設けることにより、リード端子１６Ａ、１６Ｂのみでは反射や吸収しきれなかった光が樹脂層に照射されることを防止でき、信頼性を向上させることができる。

（第３の実施形態に係る光源装置）
次に、図１１及び図１２を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係る光源装置の説明を行う。図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図である。図１２は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な平面図である。図１１は、図１に対応する方向から見た斜視図であり、図１２は、図２に対応する方向から見た平面図である。

第３の実施形態に係る光源装置２’’では、上記の図１から図５に示す第１の実施形態に係る光源装置２の構成に加えて、半導体レーザ素子１０の出力をモニタするためにフォトダイオード５０を備えている。更に詳細に述べれば、フォトダイオード５０は、サブマウント６０を介して底部６の上面６Ａに設置されている。光源装置２’’は、フォトダイオード５０に給電するためのリード端子５６Ａ、５６Ｂを備える。フォトダイオード５０の上面に配置された電極とリード端子５６Ｂがワイヤ６２によって電気的に接続されている。フォトダイオード５０の下面に配置された電極とリード端子５６Ａとが、サブマウント６０の上面に形成された導電層を介してワイヤ６２によって電気的に接続されている。

その他の構成については、基本的に上記の第１の実施形態に係る光源装置２と同様なので、更なる説明は省略する。上記の図６から図１０に示す第２の実施形態に係る光源装置２’においても、同様にフォトダイオードを備えることができる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

本発明の光源装置は、プロジェクタ、液晶のバックライト用光源、照明用光源、各種インジケータ用光源、車載用光源、ディスプレイ用光源、信号機など、種々の光源に用いることができる。

符合の説明

２、２’、２’’ 光源装置
４ 基体
４Ａ 第１凸部
４Ｂ 第２凸部
６ 底部
６Ａ 上面
６Ｂ 下面
８ 周壁部
８Ａ 一方の内面
８Ｂ 他方の内面
８Ｃ 上面
１０ 半導体レーザ
１２ キャップ
１４、１４’透光部
１６Ａ リード端子
１６Ｂ リード端子
１６Ａ１ 上面
１６Ｂ１ 上面
２０ サブマウント
２２ ワイヤ
３０ 反射層
４０ 反射ミラー
５０ フォトダイオード
５６Ａ リード端子
５６Ｂ リード端子
６０ サブマウント
６２ ワイヤ
Ａ 封止空間

Claims (8)

1. 底部と周壁部とを備える基体と、
   前記底部の上面に配置された半導体レーザと、
   前記周壁部の上面に接合され、前記基体とともに封止空間を形成するキャップと、
   前記周壁部または前記キャップに設けられ、前記半導体レーザから出射された光を透過する透光部と、
   前記封止空間内を前記周壁部の一方の内面から他方の内面まで横切る２つのリード端子と、
   を備え、
   前記半導体レーザが前記２つのリード端子の間の空間内に配置され、
   前記底部の上面から前記半導体レーザの上面までの距離は、前記底部の上面から前記リード端子の上面までの距離より短く、
   前記透光部が、前記半導体レーザからの光の光軸上に配置されていることを特徴とする光源装置。
   
2. 前記透光部が前記周壁部に設けられ、前記半導体レーザから出射された光が直接前記透光部に入射することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
   
3. 前記透光部が前記キャップに設けられ、前記半導体レーザが出射した光が反射面で反射された後、前記透光部に入射することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
   
4. 前記底部の上面から前記リード端子の上面までの距離をＬ１、前記底部の上面から前記キャップの下面までの距離をＬ２とすると、
   Ｌ１／Ｌ２ ＞ ０．８
   の関係を有することを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
   
5. 前記周壁部の内壁に反射層が設けられ、前記反射層は前記リード端子と接触していないことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光源装置。
   
6. 前記基体に、前記リード端子の側面に接する第１凸部、及び前記リード端子の下面に接する第２凸部が設けられていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光源装置。
   
7. 前記底部、前記リード端子及び前記透光部において、
   前記周壁部との接触面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の光源装置。
   
8. 前記周壁部は樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の光源装置。

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