JP7417813B2 - レーザモジュール - Google Patents
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Description
本開示は、レーザモジュールに関するものである。
特許文献１には、ヒートシンクと、サブマウントと、第１ブロック（第１の電極）と、絶縁層と、半導体レーザ素子と、接続部と、第２ブロック（第２の電極）と、を有する半導体レーザ装置が開示されている。
半導体レーザ素子は、正電極から負電極に向かって電流が流れると、発光面からレーザ光が出力される。半導体レーザ素子で生じた熱は、第１ブロック及び第２ブロックからヒートシンクに放熱される。
特許文献１の発明では、第１ブロックと第２ブロックとの間にシート状の絶縁層を挟み込むことで、第１ブロックと第２ブロックとを絶縁している。ここで、第１ブロックと第２ブロックとの間の熱伝導性を高めるために、第１ブロックと第２ブロックとの隙間をさらに小さくしたいという要望がある。
本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、第１ブロックと第２ブロックとの隙間を小さくしつつ絶縁性を確保できるようにすることにある。
第１の発明は、レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、前記レーザ素子の第１電極に電気的に接続された第１ブロックと、前記第１ブロックに対向して配置され、前記レーザ素子の第２電極に電気的に接続された第２ブロックと、を備え、前記第１ブロックにおける前記第２ブロックに対する対向面、又は前記第２ブロックにおける前記第１ブロックに対する対向面には、前記第１ブロック及び前記第２ブロックの重ね合わせ方向から見て、前記レーザ素子が配置された領域とは異なる領域に、複数の窪み部が形成され、前記窪み部には、絶縁性を有するスペーサ部材が配置され、前記スペーサ部材の一部は、前記窪み部から突出しており、前記スペーサ部材は、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間で挟持される。
第１の発明では、第１ブロックにおける第２ブロックに対する対向面、又は第２ブロックにおける第１ブロックに対する対向面には、複数の窪み部が形成される。窪み部は、第１ブロック及び第２ブロックの重ね合わせ方向から見て、レーザ素子が配置された領域とは異なる領域に形成される。窪み部には、絶縁性を有するスペーサ部材が配置される。スペーサ部材の一部は、窪み部から突出する。第１ブロックと第２ブロックとの間には、スペーサ部材が挟持される。
このような構成とすれば、第１ブロックと第２ブロックとの隙間を、スペーサ部材の窪み部からの突出量に基づいて設定することができる。これにより、第１ブロックと第２ブロックとの隙間を小さくしつつ絶縁性を確保することができる。
第２の発明は、第１の発明のレーザモジュールにおいて、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間には、絶縁性のペースト材が塗布されて絶縁層が設けられる。
第２の発明では、第１ブロックと第２ブロックとの間に絶縁性のペースト材を塗布して絶縁層を設けることで、第１ブロックと第２ブロックとの間で熱伝導しやすくなる。また、第１ブロックと第２ブロックとの隙間は、スペーサ部材によって規定されているので、ペースト材の厚みが不均一となることもない。
第３の発明は、第１又は２の発明のレーザモジュールにおいて、前記レーザ素子は、前記第１ブロック及び前記第２ブロックの重ね合わせ方向から見て、前記複数の窪み部のうち２つの前記窪み部同士を繋ぐ仮想直線上に配置される。
第３の発明では、２つの窪み部同士を繋ぐ仮想直線上にレーザ素子を配置することで、レーザ素子の近傍位置において、第１ブロックと第２ブロックとの隙間管理を精度良く行うことができる。
第４の発明は、第１～３の発明の何れか１つのレーザモジュールにおいて、前記スペーサ部材は、球状に形成される。
第４の発明では、スペーサ部材が球状に形成されているので、スペーサ部材を窪み部に嵌め込む際に、スペーサ部材の向きや姿勢を考慮する必要が無く、レーザモジュールの組み立て性が良好となる。
第５の発明は、第１～４の発明の何れか１つのレーザモジュールにおいて、前記スペーサ部材は、少なくとも３つ設けられる。
第５の発明では、スペーサ部材を少なくとも３つ設けることで、第１ブロックに対して第２ブロックを三点支持することができ、より正確に隙間管理を行うことができる。
本開示によれば、第１ブロックと第２ブロックとの隙間を小さくしつつ絶縁性を確保することができる。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
図１～図４に示すように、レーザモジュール１は、第１ブロック１０と、第２ブロック２０と、絶縁層３０と、レーザ素子４０と、サブマウント４５と、スペーサ部材５０と、を有する。
第１ブロック１０は、導電性を有する。第１ブロック１０は、主に銅（Ｃｕ）で構成される。第１ブロック１０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされる。第１ブロック１０には、図示しない水冷ジャケットが接続される。
第１ブロック１０の上面には、載置部１１が設けられる。載置部１１は、第１ブロック１０の上面の一部を窪ませることで形成される。載置部１１は、レーザ光ＬＢの出射方向（図１に矢印線で示す方向）の側の端部に設けられる。載置部１１には、レーザ素子４０と、サブマウント４５と、が配置される。レーザ光ＬＢは、レーザ素子４０から出射方向に照射される。
第１ブロック１０には、第１ネジ孔１２と、第２ネジ孔１３と、第１端子孔１４と、窪み部１５と、が設けられる。第１ネジ孔１２は、レーザ光ＬＢの出射方向と直交する方向に間隔をあけて２つ設けられる。２つの第１ネジ孔１２の間には、載置部１１が設けられる。
第２ネジ孔１３は、レーザ光ＬＢの出射方向５と直交する方向に間隔をあけて２つ設けられる。第２ネジ孔１３は、第１ネジ孔１２に対してレーザ光ＬＢの出射方向とは反対側に設けられる。
第１端子孔１４は、第１ブロック１０におけるレーザ光ＬＢの出射方向とは反対側の端部に設けられる。つまり、第１端子孔１４は、第１ブロック１０における載置部１１とは反対側の端部側に設けられる。第１端子孔１４は、ネジ孔で構成される。第１端子孔１４には、電源用の接続端子が接続される。
詳しくは後述するが、窪み部１５は、３つ設けられる。窪み部１５には、絶縁性を有するスペーサ部材５０が配置される。
絶縁層３０は、絶縁性を有する。絶縁層３０は、第１ブロック１０と第２ブロック２０との間に塗布された後で固化したペースト材によって構成される。絶縁層３０は、スペーサ部材５０が配置された後、第１ブロック１０の上面において載置部１１の周りを囲むように配置される。
レーザ素子４０は、下面が正電極４０ａ（第１電極）であり、上面が負電極４０ｂ（第２電極）である。レーザ素子４０は、正電極４０ａから負電極４０ｂに向かって電流が流れると、発光面からレーザ光ＬＢが出力される。
レーザ素子４０は、サブマウント４５に載置される。レーザ素子４０のレーザ素子４０の正電極４０ａは、サブマウント４５に電気的に接続される。レーザ素子４０及びサブマウント４５は、載置部１１に配置される。第１ブロック１０は、サブマウント４５を介してレーザ素子４０の正電極４０ａと電気的に接続する電極ブロックとしての機能を有する。レーザ素子４０の負電極４０ｂには、バンプ４８が設けられる（図４参照）。
バンプ４８は、導電性を有する。バンプ４８は、主に金（Ａｕ）で構成される。バンプ４８は、レーザ素子４０の負電極４０ｂ上に複数設けられる。
バンプ４８は、溶融によって先端が球状になった金ワイヤを負電極４０ｂに接触させ、超音波を与えることで負電極４０ｂに接合される。バンプ４８は、レーザ素子４０の負電極４０ｂと電気的に接続される。
第２ブロック２０は、導電性を有する。第２ブロック２０は、主に銅（Ｃｕ）で構成される。第２ブロック２０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされる。第２ブロック２０は、第１ブロック１０に対向して配置される。
第２ブロック２０は、レーザ素子４０及び絶縁層３０の上に設けられる。第２ブロック２０は、バンプ４８を介してレーザ素子４０と電気的に接続される。第２ブロック２０は、レーザ素子４０の負電極４０ｂと電気的に接続する電極ブロックとしての機能を有する。
第２ブロック２０は、第２ブロック２０の下面であって、レーザ素子４０に向かい合う領域以外の領域において、絶縁層３０と密着される。
第２ブロック２０には、第１貫通孔２２と、第２貫通孔２３と、第２端子孔２４と、が設けられる。第１貫通孔２２は、第１ブロック１０の第１ネジ孔１２に対応した位置に設けられる。第１貫通孔２２は、第１ブロック１０と第２ブロック２０とを締結する導電性ネジ３５の頭部が入り込めるようにザグリ孔で形成される。
第２貫通孔２３は、第１ブロック１０の第２ネジ孔１３に対応した位置に設けられる。
第２端子孔２４は、第２ブロック２０の中央部に設けられる。第２端子孔２４には、電源用の接続端子が接続される。
なお、載置部１１の深さ（高さ）は、レーザ素子４０、サブマウント４５、バンプ４８、及び絶縁層３０のそれぞれの厚さを考慮して設定される。
第１ブロック１０と第２ブロック２０とは、導電性ネジ３５によって締結される。導電性ネジ３５は、第２ブロック２０の第１貫通孔２２と、第１ブロック１０の第１ネジ孔１２とに差し込まれる。
導電性ネジ３５と第２ブロック２０との間には、絶縁部材３６が設けられる（図４参照）。これにより、第１ブロック１０と第２ブロック２０とを、互いに電気的に絶縁された状態で締結することができる。
また、第１ブロック１０と第２ブロック２０とは、図示しない絶縁性ネジによって、互いに電気的に絶縁された状態で締結される。絶縁性ネジは、第２ブロック２０の第２貫通孔２３と、第１ブロック１０の第２ネジ孔１３とに差し込まれる。
なお、絶縁性ネジの代わりに、導電性ネジ３５と絶縁部材３６を用いても構わない。また、導電性ネジ３５と絶縁部材３６の代わりに絶縁性ネジを用いても構わない。
このような構成のレーザモジュール１では、レーザ素子４０の正電極４０ａから負電極４０ｂに向かって電流が流れると、レーザ素子４０の側面の発光面からレーザ光ＬＢが出力される。このとき、レーザ素子４０で生じた熱は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０へ伝わって放熱される。
〈第１ブロック及び第２ブロックの隙間管理について〉
ところで、レーザ素子４０が高温になると、レーザ出力の低下などの性能劣化が起こるおそれがある。そのため、レーザ素子４０で生じた熱を効率良く伝熱及び放熱して、レーザ素子４０の性能をより安定化させたいという要望がある。
ところで、レーザ素子４０が高温になると、レーザ出力の低下などの性能劣化が起こるおそれがある。そのため、レーザ素子４０で生じた熱を効率良く伝熱及び放熱して、レーザ素子４０の性能をより安定化させたいという要望がある。
そこで、本実施形態のレーザモジュール１では、第１ブロック１０と第２ブロック２０との間の熱伝導性を高めるために、第１ブロック１０と第２ブロック２０との隙間を小さくしつつ絶縁性を確保できるような構造としている。
具体的に、図２及び図３に示すように、第１ブロック１０における第２ブロック２０に対する対向面（図２で上面）には、複数の窪み部１５が形成される。窪み部１５は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０の重ね合わせ方向から見て、レーザ素子４０が配置された領域とは異なる領域に形成される。
図３に示す例では、窪み部１５は、３つ設けられる。３つの窪み部１５のうちの２つは、２つの第１ネジ孔１２よりも幅方向外側で且つレーザ光ＬＢの出射方向側に設けられる。これにより、レーザ素子４０は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０の重ね合わせ方向から見て、２つの窪み部１５同士を繋ぐ仮想直線５５上に配置される。
残り１つの窪み部１５は、第２ネジ孔１３よりもレーザ光ＬＢの出射方向とは反対側で且つ第１ブロック１０の幅方向中央位置に設けられる。このように、３つの窪み部１５は、二等辺三角形の頂点部に設けられる。窪み部１５には、スペーサ部材５０が配置される。
スペーサ部材５０は、絶縁性を有する部材で構成される。スペーサ部材５０は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で構成される。スペーサ部材５０は、球状に形成される。このように、スペーサ部材５０を球状に形成することで、スペーサ部材５０を窪み部１５に嵌め込む際に、スペーサ部材５０の向きや姿勢を考慮する必要が無く、レーザモジュール１の組み立て性が良好となる。
なお、図２に示す例では、第１ブロック１０の上面に窪み部１５が形成され、第１ブロック１０の窪み部１５にスペーサ部材５０が配置された構成としているが、この形態に限定するものではない。例えば、第２ブロック２０の下面に窪み部１５が形成され、第２ブロック２０の窪み部１５にスペーサ部材５０が配置された構成としてもよい。
図５に示すように、スペーサ部材５０の一部は、窪み部１５から突出する。第１ブロック１０と第２ブロック２０との間には、スペーサ部材５０が挟持される。これにより、第１ブロック１０と第２ブロック２０との隙間を、スペーサ部材５０の窪み部１５からの突出量に基づいて設定することができる。また、絶縁層３０を構成するために塗布したペースト材の厚みが不均一となることもなく、第１ブロック１０と第２ブロック２０との隙間を小さくして熱伝導性を良好としつつ絶縁性を確保することができる。
また、本実施形態では、２つの窪み部１５同士を繋ぐ仮想直線５５上にレーザ素子４０を配置することで、レーザ素子４０の近傍位置において、第１ブロック１０と第２ブロック２０との隙間管理を精度良く行うことができる。
また、３つの窪み部１５を、二等辺三角形の頂点部に設け、窪み部１５にスペーサ部材５０を配置したことで、第１ブロック１０に対して第２ブロック２０を三点支持することができ、より正確に隙間管理を行うことができる。
《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
本実施形態では、スペーサ部材５０を３つ設けることで、第２ブロック２０を三点支持するようにした構成について説明したが、この形態に限定するものではない。例えば、スペーサ部材５０を４つ以上設けることで、第２ブロック２０を四点以上で支持するようにしてもよい。
本実施形態では、スペーサ部材５０の材質として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）などを用いることができる。
また、スペーサ部材５０の材質として、テフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ（Polyether Ether Ketone）、ガラスなどを用いることもできる。
また、絶縁層３０を構成するペースト材の材質として、接着樹脂を用いることができる。例えば、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。
また、ペースト材の材質として、含有フィラーを用いることができる。例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化亜鉛（Ｚｎ３Ｎ２）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の何れかを含むフィラーを用いることができる。
以上説明したように、本開示は、第１ブロックと第２ブロックとの隙間を小さくしつつ絶縁性を確保することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
１ レーザモジュール
１０ 第１ブロック
１５ 窪み部
２０ 第２ブロック
３０ 絶縁層
４０ レーザ素子
４０ａ 正電極（第１電極）
４０ｂ 負電極（第２電極）
５０ スペーサ部材
５５ 仮想直線
ＬＢ レーザ光
１０ 第１ブロック
１５ 窪み部
２０ 第２ブロック
３０ 絶縁層
４０ レーザ素子
４０ａ 正電極（第１電極）
４０ｂ 負電極（第２電極）
５０ スペーサ部材
５５ 仮想直線
ＬＢ レーザ光
Claims (5)
- レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、
前記レーザ素子の第１電極に電気的に接続された第１ブロックと、
前記第１ブロックに対向して配置され、前記レーザ素子の第２電極に電気的に接続された第２ブロックと、を備え、
前記第１ブロックにおける前記第２ブロックに対する対向面、又は前記第２ブロックにおける前記第１ブロックに対する対向面には、前記第１ブロック及び前記第２ブロックの重ね合わせ方向から見て、前記レーザ素子が配置された領域とは異なる領域に、複数の窪み部が形成され、
前記窪み部には、絶縁性を有するスペーサ部材が配置され、
前記スペーサ部材の一部は、前記窪み部から突出しており、
前記スペーサ部材は、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間で挟持される
レーザモジュール。 - 請求項１のレーザモジュールにおいて、
前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間には、絶縁性のペースト材が塗布されて絶縁層が設けられる
レーザモジュール。 - 請求項１のレーザモジュールにおいて、
前記レーザ素子は、前記第１ブロック及び前記第２ブロックの重ね合わせ方向から見て、前記複数の窪み部のうち２つの前記窪み部同士を繋ぐ仮想直線上に配置される
レーザモジュール。 - 請求項１の何れか１つのレーザモジュールにおいて、
前記スペーサ部材は、球状に形成される
レーザモジュール。 - 請求項１～４の何れか１つのレーザモジュールにおいて、
前記スペーサ部材は、少なくとも３つ設けられる
レーザモジュール。
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