JP7487771B2 - 光源装置、プロジェクタ、機械加工装置、光源ユニットおよび光源装置の調整方法 - Google Patents

光源装置、プロジェクタ、機械加工装置、光源ユニットおよび光源装置の調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、光源装置、プロジェクタ、機械加工装置、光源ユニットおよび光源装置の調整方法に関する。
レーザ加工機や照明装置等に用いられるレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ装置は、半導体レーザ光源を有する複数のＬＤコリメートユニットと、複数のＬＤコリメートユニットが固定されたＬＤホルダと、半導体レーザ光源からの熱を放出させるヒートシンクとを備える。
特開２０１７－０８５０２１号公報
特許文献１に記載のレーザ装置では、ＬＤホルダに各ＬＤコリメートユニットが溶接等により固定されているため、例えば１つの半導体レーザ光源が故障して、使用不可となった場合、レーザ装置全体を交換しなければならない。そのため、交換作業が大掛かりとなるという問題があった。
本発明の目的は、光源ユニットの交換を要する場合、その交換が容易となる光源装置、プロジェクタ、機械加工装置、光源ユニットおよび光源装置の調整方法を提供することにある。
本発明の態様は、それぞれレーザ光を発する発光素子と、該発光素子を収納するパッケージとを有する複数の光源部と、該光源部を複数支持する支持板と、を有し、二次元アレイ状に配列した複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットが配置される表面を有するベース基板と、
前記ベース基板に対して、前記支持板を着脱自在に固定する固定部材と、
を備える光源装置に関する。
本発明の態様は、上記の光源装置を備えるプロジェクタに関する。
本発明の態様は、上記の光源装置を備える機械加工装置に関する。
本発明の態様は、レーザ光を発する発光素子と、該発光素子を収納するパッケージとを有する光源部と、
前記光源部を複数支持する支持板と、を有し、
前記支持板は、前記支持板を固定するための固定部材が通る貫通孔を有する光源ユニットに関する。
本発明の態様は、レーザ光を出射する複数の光源ユニットと、前記複数の光源ユニットが配置される表面を有するベース基板と、前記光源ユニットから出射したレーザ光を整形する光学系と、を備えた光源装置を調整する方法であって、
前記複数の光源ユニットは、それぞれ、複数の光源部と、該複数の光源部を支持する支持板とを有し、
前記ベース基板から前記支持板を取り外し、これにより、前記光源ユニットを交換する工程を有する光源装置の調整方法に関する。
例えば発光素子に故障等の不具合が生じると、目的部位へのレーザ光の照射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニットの交換を要する。本発明によれば、この光源ユニットの交換をする際には、固定部材を操作するという簡単な作業で、当該交換を容易に行うことができる。
本発明の光源装置の実施形態を示す概略構成図である。 図１に示す光源装置の主要部の斜視図である。 図１に示す光源装置の主要部の分解斜視図である。 図３中の二点鎖線で囲まれた領域［Ａ］の拡大図のである。 図４中のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の光源装置の調整方法における各工程を順に示す図である。
図１～図６を参照して、本発明の光源装置、プロジェクタ、機械加工装置、光源ユニットおよび光源装置の調整方法の実施形態について説明する。なお、以下では、説明の都合上、図１中の右側および図２～図５中の下側を「光軸方向上流側（または左側）」、図１中の左側および図２～図５中の上側を「光軸方向下流側（または右側）」と言う。また、光軸方向上流側については、単に「上流側」、光軸方向下流側については、単に「下流側」と言うことがある。また、図１～図５中では、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定する。一例として、Ｘ軸とＹ軸を含むＸＹ平面がベース基板と平行となっており、Ｚ軸が発光素子の光軸方向となっている。
図１に示す光源装置１は、光軸方向上流側から下流側に向かって順に配置された、装置本体１０と、光学系２０とを備えている。後述するように、光源装置１は、例えば、プロジェクタや機械加工装置に適用することができる。以下、各部の構成について説明する。
装置本体１０は、複数の光源ユニット２と、複数の光源ユニット２が一括して収納、配置されるハウジング３と、ハウジング３に対して各光源ユニット２を固定する固定部材４とを備える。
各光源ユニット２は、配置箇所が異なること以外は、同じ構成であるため、１つの光源ユニット２について代表的に説明する。
光源ユニット２は、レーザ光ＬＢを出射するよう構成されている。具体的には、図４、図５に示すように、光源ユニット２は、複数の光源部２１と、複数の光源部２１を一括して支持する支持板２２とを有する。
図５に示すように、各光源部２１は、発光素子２３と、パッケージ２４と、コリメータ２５と、連結部２６とを有する。
発光素子２３は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）を有し、レーザ光ＬＢを発することができる。発光素子２３は、外部電源等と電気的な接続がされる端子２３１を有する。端子２３１は、Ｚ軸方向負側に突出する。
発光素子２３は、パッケージ２４内に収納されている。パッケージ２４は、いわゆるＣＡＮ型パッケージであり、発光素子２３（光源部２１）の光軸方向と平行な中心軸を有する円筒状をなす。このようなパッケージ２４は、例えば、後述する支持板２２上での光源部２１の稠密配置に寄与する。
発光素子２３の光路中、すなわち、発光素子２３の下流側には、コリメータ２５が配置されている。コリメータ２５は、レーザ光ＬＢをＺ軸方向に平行な平行光とするレンズである。なお、光源ユニット２では、各発光素子２３からのレーザ光ＬＢが、所定のビーム径となるように、発光素子２３の光軸とコリメータ２５の光軸が略一致するように調整されている。この調整は、光源ユニット２がハウジング３内に収納される以前に行われる。
連結部２６は、パッケージ２４と、コリメータ２５とを連結する部材である。連結部２６は、円筒状をなし、パッケージ２４の内側に、当該パッケージ２４と同心的に配置されている。
図３、図４に示すように、支持板２２上には、３つの光源部２１が支持されている。支持板２２に支持される光源部２１の配置数は、３つの場合の他に、図１、図２に示すように、２つの場合もある。なお、支持板２２に支持される光源部２１の配置数は、２つまたは３つに限定されず、例えば、支持板２２の大きさや光源部２１の大きさ等の諸条件にもよるが、４つ以上であってもよい。
光軸方向、すなわち、Ｚ軸方向正側から見たときに、支持板２２は、矩形状であり、特に、本実施形態では、一対の長辺２２１と一対の短辺２２２とを有する長方形である。なお、各長辺２２１は、Ｘ軸方向と平行であり、各短辺２２２は、Ｙ軸方向と平行である。
そして、光軸方向から見たときに、支持板２２上では、全ての光源部２１が、支持板２２の平行な２辺である一対の長辺２２１に沿って、稠密に配置されている。これにより、支持板２２、１枚当たりの光源部２１の配置数をできる限り多くしつつ、光源ユニット２の小型化を図ることができる。また、小型化された光源ユニット２は、容易に把持される程度の大きさとなる。これにより、例えば、ハウジング３のベース基板３１に対する光源ユニット２の交換作業を容易に行うことができる。
支持板２２は、金属材料で構成される。これにより、発光素子２３がレーザ光ＬＢを発した際に生じる熱を、支持板２２を介して、ベース基板３１に放出することができる。これにより、光源ユニット２は、放熱性に優れる。なお、支持板２２を構成する金属材料としては、特に限定されず、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導率（熱伝導性）が比較的高い金属材料を用いることができる。
なお、支持板２２は、発光素子２３に対するコリメータ２５の位置調整が可能に構成されているのが好ましい。これにより、コリメータ２５から出射される平行光の出射角度を調整することができる。
図１に示すように、ハウジング３は、ベース基板３１と、側壁部３２とを有する。
ベース基板３１は、平板状をなし、その厚さ方向がＺ軸方向と平行に配置される。これにより、ベース基板３１は、Ｚ軸方向正側に臨む表面３１１を有する。そして、表面３１１上には、複数の光源ユニット２が二次元アレイ状に配列される。また、隣り合う光源ユニット２同士は、ベース基板３１上で密接して配置される。さらに、ベース基板３１上の全光源部２１は、ハニカム状に（つまり、六方稠密に）配列された状態となっている。このような配置（配列）により、光源装置１は、高出力のレーザ光照射装置となる。
なお、支持板２２は、ベース基板３１よりも薄い。これにより、発光素子２３からの熱は、支持板２２を介してベース基板３１に迅速に伝達される。従って、迅速な放熱が可能となる。
ベース基板３１の縁部からＺ軸方向側に向かって突出して形成されている。光軸方向、すなわち、Ｚ軸方向正側から見たときに、側壁部３２は、複数の光源ユニット２を囲んでいる。
図２、図３に示すように、光源ユニット２の支持板２２は、ベース基板３１に対して、固定部材４によって着脱自在に固定される。図４に示すように、固定部材４は、締結部材であり、本実施形態では六角穴付きボルト（以下単に「ボルト」と言う）４１である。ボルト４１は、頭部（ねじ頭）４２と、ねじ部（雄ねじ部）４３とを有する。
また、支持板２２は、固定部材４、すなわち、ボルト４１のねじ部４３が通る貫通孔２２３を有する。そして、ボルト４１のねじ部４３を貫通孔２２３に通した状態で、当該ねじ部４３を、ベース基板３１の雌ねじ（図示せず）に螺合させることができる。これにより、光源ユニット２をベース基板３１に固定することができる。また、ボルト４１を緩めることにより、ボルト４１のねじ部４３とベース基板３１の前記雌ねじとの螺合が解除される。これにより、光源ユニット２をベース基板３１から離脱させることができる。なお、ボルト４１を締結したり、緩めたりする作業は、例えば、六角レンチを用いることにより、容易に行われる。
図４に示すように、ボルト４１は、光源部２１と干渉しないように、隣接する光源部２１の隙間に４つ配置される。これにより、光源部２１を稠密に配置しつつも、光源ユニット２をベース基板３１に安定して強固に固定することができる。なお、ボルト４１の配置数（使用数）は、４つに限定されず、例えば、支持板２２の大きさ等にもよるが、２つ、３つまたは５つ以上であってもよい。
光学系２０は、各光源ユニット２から出射した各レーザ光ＬＢを整形することができる。図１に示すように、光学系２０は、集光レンズ２０１と、光ファイバ２０２とを備える。
集光レンズ２０１は、ハウジング３の外側で、各コリメータ２５に対して、下流側に配置されている。集光レンズ２０１は、各レーザ光ＬＢを光ファイバ２０２に向けて集光するレンズである。集光レンズ２０１は、レーザ光ＬＢが入射する入射面２０１ａと、レーザ光ＬＢが出射する出射面２０１ｂとを有する。入射面２０１ａは、湾曲した凸面で構成されている。出射面２０１ｂは、平面で構成されている。
レーザ光ＬＢの光路上であって、集光レンズ２０１に対して下流側には、光ファイバ２０２が配置されている。光ファイバ２０２は、長尺状をなし、入射面２０２ａとなる上流側の端面と、出射面２０２ｂとなる下流側の端面とを有する。入射面２０２ａには、集光レンズ２０１によって集光された各レーザ光ＬＢが一括して入射される。このレーザ光ＬＢは、光ファイバ２０２内を通過して出射面２０２ｂまで導かれ、当該出射面２０２ｂから出射することができる。光ファイバ２０２としては、特に限定されず、例えば、光ファイバ、光導波路等を用いることができる。
例えば発光素子２３に故障やコリメータ２５に損傷等の不具合が生じると、光ファイバ２０２へのレーザ光ＬＢの入射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニット２の交換を要する。この光源ユニット２の交換をする際には、前述したボルト４１を緩めて外すという簡単な作業で、当該光源ユニット２をハウジング３から容易に取り外す（離脱させる）ことができる。
そして、新たな、すなわち、未使用の光源ユニット２を、前記不具合が生じていた光源ユニット２の位置に、取り付ける（装着する）ことができる。この未使用の光源ユニット２は、前記不具合が生じていた光源ユニット２と同じ状態でハウジング３内に固定されることとなる。これにより、交換後の光源ユニット２に対する位置調整等を省略することができ、固定状態の再現性が高い。従って、光源ユニット２の交換後に、光源装置１の使用を迅速に再開することができる。なお、未使用の光源ユニット２の装着も、前述したボルト４１を締め込むという簡単な作業で、容易に行われる。
以上のような着脱構成により、例えば発光素子２３やコリメータ２５、すなわち、光源部２１を１つずつ交換する場合に比べて、交換作業を容易かつ迅速に行うことができる。
以上のような光源装置１は、例えば、プロジェクタや機械加工装置に適用される。次に、光源装置１の適用例について説明する。
＜適用例１＞
光源装置１は、画像等をスクリーンに投影するプロジェクタに適用することができる。プロジェクタは、光源装置１を備える。この場合、光源装置１は、波長が互いに異なる赤系、緑系および青系のレーザ光ＬＢをそれぞれ照射するよう構成されている。これにより、光源装置１は、カラー画像を投影することができる。
＜適用例２＞
光源装置１は、レーザ加工を行う機械加工装置に適用することができる。機械加工装置は、光源装置１を備える。この場合、光源装置１は、波長が互いに異なる、例えば青系のレーザ光ＬＢをそれぞれ照射するよう構成されている。これにより、光源装置１は、例えば、レーザ加工を行うことができる。
次に、光源装置１を調整する方法について説明する。光源装置１の調整は、例えば、光源装置１が故障した際に行われる。
図６に示すように、本調整方法は、作動工程と、判定工程とを有し、これらの工程が順に行われる。
作動工程は、光源装置１を作動させて、使用する工程である。
判定工程は、光源ユニット２の故障または劣化を判定する工程である。この判定方法としては、特に限定されず、例えば、光源ユニット２の輝度の低下や、光源ユニット２を交換してからの経過時間等に基づいた方法等が挙げられる。また、光源ユニット２の故障または劣化があると判定された場合には、その旨を、例えば音声（アラーム）等で報知するのが好ましい。これにより、光源ユニット２の交換を促すことができる。
そして、判定工程は、光源ユニット２の故障または劣化していると判定されたときに、光源ユニット２を交換する交換工程を含む。交換工程では、前述したようにベース基板３１から支持板２２を取り外し、これにより、光源ユニット２が交換される。従って、本調整方法により、交換を要する光源ユニット２が判定され、当該判定された光源ユニット２を交換することができる。
以上、本発明の光源装置、プロジェクタ、機械加工装置、光源ユニットおよび光源装置の調整方法を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。また、光源装置、プロジェクタ、機械加工装置および光源ユニットを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
［態様］
上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
（第１項）一態様に係る光源装置は、
それぞれレーザ光を発する発光素子と、該発光素子を収納するパッケージとを有する複数の光源部と、該光源部を複数支持する支持板と、を有し、二次元アレイ状に配列した複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットが配置される表面を有するベース基板と、
前記ベース基板に対して、前記支持板を着脱自在に固定する固定部材と、
を備える。
例えば発光素子に故障等の不具合が生じると、目的部位へのレーザ光の照射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニットの交換を要する。第１項に記載の光源装置によれば、この光源ユニットの交換をする際には、固定部材を操作するという簡単な作業で、当該交換を容易に行うことができる。
（第２項）第１項に記載の光源装置において、
前記複数の光源ユニットは、前記ベース基板上で密接して配置され、
前記光源部の光軸方向から見たときに、全ての前記光源部が稠密に配置されている。
第２項に記載の光源装置によれば、支持板、１枚当たりの光源部の配置数をできる限り多くしつつ、光源ユニットの小型化を図ることができる。
（第３項）第１項または第２項に記載の光源装置において、
前記光源部の光軸方向から見たときに、前記支持板は、矩形状であり、
前記複数の光源部は、前記支持板の平行な２辺に沿って稠密に配置されている。
第３項に記載の光源装置によれば、光源ユニットは、容易に把持される程度の大きさとなり、例えば、ベース基板に対する光源ユニットの交換作業を容易に行うことができる。
（第４項）第３項に記載の光源装置において、
前記固定部材は、隣接する前記光源部間に配置される締結部材である。
第４項に記載の光源装置によれば、締結部材として、例えばボルトを用いた場合、ベース基板に対する支持板の着脱作業を容易に行うことができる。
（第５項）第１項～第４項のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記支持板は、前記ベース基板よりも薄い。
第５項に記載の光源装置によれば、発光素子からの熱は、支持板を介してベース基板に迅速に伝達される。従って、迅速な放熱が可能となる。
（第６項）第１項～第５項のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記支持板は、金属材料で構成される。
第６項に記載の光源装置によれば、発光素子がレーザ光を発した際に生じる熱を、支持板を介して、ベース基板に放出することができる。これにより、光源ユニットは、放熱性に優れる。
（第７項）第１項～第６項のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記パッケージは、ＣＡＮ型パッケージである。
第７項に記載の光源装置によれば、例えば、支持板上における光源部の稠密配置に寄与する。
（第８項）第１項～第７項のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記発光素子の光路中に配置されたコリメータを有する。
第８項に記載の光源装置によれば、レーザ光を平行光とすることができ、そして、このレーザ光を前方に向けて十分に照射することができる。
（第９項）第８項に記載の光源装置において、
前記コリメータに対して、光軸方向下流側に配置され、前記各レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズに対して、前記光軸方向下流側に配置され、前記集光レンズによって集光された前記各レーザ光を導光して出射する光ファイバと、
を備える。
第９項に記載の光源装置によれば、例えば、光源装置をプロジェクタや機械加工装置に適用することができる。
（第１０項）一態様に係るプロジェクタは、
第１項～第９項のいずれか１項に記載の光源装置を備える。
例えば発光素子に故障等の不具合が生じると、目的部位へのレーザ光の照射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニットの交換を要する。第１０項に記載のプロジェクタによれば、この光源ユニットの交換をする際には、固定部材を操作するという簡単な作業で、当該交換を容易に行うことができる。
（第１１項）一態様に係る機械加工装置は、
第１項～第９項のいずれか１項に記載の光源装置を備える。
例えば発光素子に故障等の不具合が生じると、目的部位へのレーザ光の照射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニットの交換を要する。第１１項に記載の機械加工装置によれば、この光源ユニットの交換をする際には、固定部材を操作するという簡単な作業で、当該交換を容易に行うことができる。
（第１２項）一態様に係る光源ユニットは、
レーザ光を発する発光素子と、該発光素子を収納するパッケージとを有する光源部と、
前記光源部を複数支持する支持板と、を有し、
前記支持板は、前記支持板を固定するための固定部材が通る貫通孔を有する。
例えば発光素子に故障等の不具合が生じると、目的部位へのレーザ光の照射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニットの交換を要する。第１２項に記載の光源装置によれば、この光源ユニットの交換をする際には、固定部材を操作するという簡単な作業で、当該交換を容易に行うことができる。
（第１３項）一態様に係る光源装置の調整方法は、
レーザ光を出射する複数の光源ユニットと、前記複数の光源ユニットが配置される表面を有するベース基板と、前記光源ユニットから出射したレーザ光を整形する光学系と、を備えた光源装置を調整する方法であって、
前記複数の光源ユニットは、それぞれ、複数の光源部と、該複数の光源部を支持する支持板とを有し、
前記ベース基板から前記支持板を取り外し、これにより、前記光源ユニットを交換する工程を有する。
例えば発光素子に故障等の不具合が生じると、目的部位へのレーザ光の照射が困難または不可能となるおそれがあれる。このような場合、不具合が生じている光源ユニットの交換を要する。第１３項に記載の光源装置の調整方法によれば、この光源ユニットの交換をする際には、ベース基板から支持板を取り外すという簡単な作業で、当該交換を容易に行うことができる。
（第１４項）第１３項に記載の光源装置の調整方法において、
前記光源ユニットの故障または劣化を判定する工程をさらに有し、
前記光源ユニットの故障または劣化を判定する工程は、前記光源ユニットの故障または劣化していると判定されたときに、前記光源ユニットを交換する工程を含む。
第１４項に記載の光源装置の調整方法によれば、無駄なく光源ユニットを交換することができる。
１ 光源装置
２ 光源ユニット
２１ 光源部
２２ 支持板
２２１ 長辺
２２２ 短辺
２２３ 貫通孔
２３ 発光素子
２３１ 端子
２４ パッケージ
２５ コリメータ
２６ 連結部
３ ハウジング
３１ ベース基板
３１１ 表面
３２ 側壁部
４ 固定部材
４１ 六角穴付きボルト（ボルト）
４２ 頭部（ねじ頭）
４３ ねじ部（雄ねじ部）
１０ 装置本体
２０ 光学系
２０１ 集光レンズ
２０１ａ 入射面
２０１ｂ 出射面
２０２ 光ファイバ
２０２ａ 入射面
２０２ｂ 出射面
ＬＢ レーザ光

Claims (11)

  1. 複数の光源ユニットであって、
    各光源ユニットは、複数の光源部と、該複数の光源部を支持する支持板とを有し、
    各光源部は、それぞれレーザ光を発する発光素子と、該発光素子を収納するパッケージとを有する 複数の光源ユニットと、
    前記複数の光源ユニットが互いに密接して配置される表面を有するベース基板と、
    前記ベース基板に対して、前記光源部と干渉しないよう、隣接する前記光源部間に配置され、各支持板を着脱自在に固定する締結部材からなる固定部材と、
    を備えた光源装置
  2. 前記締結部材は、ボルトである請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記支持板は、前記ベース基板よりも薄い請求項１に記載の光源装置。
  4. 前記支持板は、金属材料で構成される請求項１に記載の光源装置。
  5. 前記パッケージは、ＣＡＮ型パッケージである請求項１に記載の光源装置。
  6. 前記発光素子の光路中に配置されたコリメータを有する請求項１に記載の光源装置。
  7. 前記コリメータに対して、光軸方向下流側に配置され、前記各レーザ光を集光する集光レンズと、
    前記集光レンズに対して、前記光軸方向下流側に配置され、前記集光レンズによって集光された前記各レーザ光を導光して出射する光ファイバと、
    を備える請求項６に記載の光源装置。
  8. 請求項１に記載の光源装置を備えるプロジェクタ。
  9. 請求項１に記載の光源装置を備える機械加工装置。
  10. 請求項１記載の光源装置を調整する方法であって、
    前記ベース基板から前記支持板を取り外し、これにより、前記光源ユニットを交換する工程を有する光源装置の調整方法。
  11. 前記光源ユニットの故障または劣化を判定する工程をさらに有し、
    前記光源ユニットの故障または劣化を判定する工程は、前記光源ユニットの故障または劣化していると判定されたときに、前記光源ユニットを交換する工程を含む請求項１０に記載の光源装置の調整方法。
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