JPH088493A - 半導体レーザ装置における放熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体レーザ素子を冷却する際の放熱効率が
高く、しかも小型化が可能で可動性も向上させ得るよう
にする。 【構成】 半導体レーザ素子１を筒状部材１０の内部に
取付けると共に、筒状部材１０の外周囲に放熱フィン２
０を設け、この放熱フィン２０は、箔材２１を波状に形
成して筒状部材１０の軸方向に沿って通気可能にその筒
状部材１０の外周面に固着したものとする。筒状部材１
０の軸方向に沿って放熱フィン２０部分に空気を強制的
に流すための空冷ファン４０を、筒状部材１０の後端に
取付ける。放熱フィン２０の厚さ及び間隔を小さくする
ことが可能になり、放熱フィン２０の表面積を増大させ
ることができるので、放熱効率を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば電子部品のレー
ザ半田付け等に使用する半導体レーザ装置において発熱
体である半導体レーザ素子を冷却するための放熱構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザ素子から発光させた
レーザ光を用いて、例えば実装基板へのＩＣリードの半
田付け等を行うことが試みられている。このような半導
体レーザ装置においては、発光源である半導体レーザ素
子の発熱量が大きく、この半導体レーザ素子の動作温度
の変化によってレーザ光の波長が変動するので、その動
作温度を一定に保つ必要がある。

【０００３】そこで、例えば図７及び図８に示すような
半導体レーザ素子の放熱構造が検討されている。即ち、
金属筒５０の外周の円周方向もしくは軸方向に切削や型
抜きによって放熱フィン５１または５２を形成し、この
金属筒５０の内部に半導体レーザ素子５３を取付ける。
そして、円周方向の放熱フィン５１の場合は空冷ファン
５４を金属筒５０の横方向の近傍に配置し、軸方向の放
熱フィン５２の場合は空冷ファン５４を金属筒５０の軸
方向の近傍に配置して、金属筒５０を強制空冷すること
によって半導体レーザ素子５３を所定温度に冷却する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような放熱構造においては、金属筒５０の外周の放熱
フィン５１または５２を切削や型抜きによって形成する
ので、各々のフィン５１または５２の厚さ及び間隔を小
さくすることができない。このため、放熱フィン５１ま
たは５２の表面積を増大させることが難しく、放熱効率
を充分に上げることができないという問題があった。

【０００５】そして、上記の構造を用いる場合、放熱効
率が低いので、放熱フィン５１または５２を含めた金属
筒５０が大型化せざるを得ない上に、大型の空冷ファン
５４を用いる必要がある。特に、円周方向の放熱フィン
５１の場合には空冷ファン５４を金属筒５０の横側に設
置するので、金属筒５０を均一に冷却するのが難しい上
に、金属筒５０と空冷ファン５４とからなる冷却装置全
体のバランスが偏ってしまう。このように、金属筒５０
及び空冷ファン５４の大型化や配置上の制約等の点か
ら、半導体レーザ素子５３が取付けられた金属筒５０を
一つのユニットとして可動にするのが困難であるという
問題もあった。

【０００６】そこで本発明は、半導体レーザ素子を冷却
する際の放熱効率が高く、しかも小型化が可能で可動性
も向上させ得る半導体レーザ装置における放熱構造を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による半導体レーザ装置の放熱構造は、発熱
体である半導体レーザ素子を熱良導性の材料からなる筒
状部材の内部に取付けると共に、前記筒状部材の外周囲
に放熱フィンを設け、この放熱フィンが、熱良導性の材
料からなる箔材を波状に形成して前記筒状部材の軸方向
に沿って通気可能にその筒状部材の外周面に固着したも
のである。

【０００８】また、前記放熱構造において、前記筒状部
材の内周囲にその筒状部材の軸方向に沿って通気可能な
放熱フィンを設けたものである。

【０００９】また、前記放熱構造において、前記筒状部
材の軸方向に沿って少なくとも前記放熱フィン部分に冷
却用気体を強制的に流すための冷却ファンを、前記筒状
部材の端部に備えたものである。

【００１０】また、前記放熱構造において、前記筒状部
材における前記半導体レーザ素子の取付部を、前記筒状
部材よりも熱伝導率の大きい材料によって形成したもの
である。

【００１１】

【作用】上記のように構成された本発明によれば、筒状
部材の内部に取付けた半導体レーザ素子の冷却を行う場
合に、筒状部材の外周囲に設けた放熱フィンが、箔材を
波状に形成して筒状部材の軸方向に沿って通気可能にそ
の筒状部材の外周面に固着したものであるから、筒状部
材に放熱フィンを切削や型抜きによって形成したものに
比べて、フィンの厚さ及び間隔を小さくすることが可能
になる。これにより、放熱フィンの表面積を増大させる
ことができるので、放熱効率を大幅に高めることができ
ると共に、放熱フィンを含めた筒状部材の小型化が可能
になる。

【００１２】また、筒状部材の外周囲に加えて内周囲に
も放熱フィンを設けると、放熱効率をさらに高めること
ができる。この場合、内周囲の放熱フィンは筒状部材と
一体のものでもよいが、外周囲の放熱フィンと同様な構
成にすると、より放熱効果を高めることができる。

【００１３】なお、通常、冷却ファンにより筒状部材の
放熱フィン部分に冷却用気体例えば空気を流して強制空
冷するが、本発明による放熱フィンを有する筒状部材は
放熱効率が高いので、小型の冷却ファンを用いることが
可能になる。従って、冷却ファンを筒状部材の端部に設
けることによって、さらに放熱効果を高めることができ
ると共に、筒状部材と冷却ファンとが実質的に一つのユ
ニットになるので、全体の小型化と可動性の向上とを図
ることができる。

【００１４】さらに、筒状部材における半導体レーザ素
子の取付部を、筒状部材よりも熱伝導率の大きい材料に
よって形成すると、半導体レーザ素子から筒状部材への
熱伝導をより高めることができるので、放熱フィンによ
る放熱をさらに効果的に行うことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図１〜図６を
参照して説明する。

【００１６】まず、図３は本実施例における半導体レー
ザ装置の概略斜視図である。半導体レーザ素子１や集光
レンズ２等を内蔵した筒状部材１０が支持台１５に支持
されている。また、固体レーザ素子（例えばＹＡＧレー
ザ素子）３及びアウトプットミラー４がそれぞれ支持台
１６及び１７に支持されている。各支持台１５〜１７は
固定台１８に取付けられている。なお、筒状部材１０、
固体レーザ素子３、アウトプットミラー４等は、固定台
１８に設けられたケーシング１９によって覆われてい
る。

【００１７】そして、この半導体レーザ装置において
は、半導体レーザ素子１から出光された複数のレーザビ
ームが、集光レンズ２によって一つのビームにまとめら
れ固体レーザ素子３に入射される。固体レーザ素子３で
はＹＡＧの端面励起によってレーザの特性が整えられ、
波長変換されたレーザビームがアウトプットミラー４か
ら高出力のビームとして出光される。このレーザビーム
によって、例えば実装基板へのＩＣリードの半田付け等
が行われる。

【００１８】図１及び図２は前記筒状部材の第１実施例
における斜視図及び断面図である。なお、図１では筒状
部材の前端側とカバーとを省略している。発熱体である
半導体レーザ素子１が筒状部材１０の内部に配置されて
いる。筒状部材１０は熱伝導性の良い金属もしくは同等
の材料によって円筒状に形成され、本実施例では熱伝導
率が高くて軽量なアルミニウムを用いている。筒状部材
１０の内部の前端近傍に素子取付部１１が一体に形成さ
れ、この素子取付部１１上にペルチェ素子等の電子冷却
素子１２を介して素子載置台１３が設置されている。そ
して、素子載置台１３上に半導体レーザ素子１が配置さ
れている。半導体レーザ素子１の動作中、この半導体レ
ーザ素子１の熱は素子載置台１３、電子冷却素子１２及
び素子取付部１１を介して筒状部材１０に伝導される。
なお、本実施例における筒状部材１０は、長さが２００
ｍｍ程度、直径が１００ｍｍ程度である。また、筒状部
材１０の形状として本実施例では円筒形であるが、筒状
であれば円筒でなくてもよい。

【００１９】そして、筒状部材１０の外周囲に放熱フィ
ン２０が設けられている。この放熱フィン２０は、放熱
性及び熱伝導性の良い金属もしくは同等の材料からなる
箔材２１を波状に形成したものである。本実施例ではア
ルミニウムの箔材を用いている。強制空冷のために箔材
２１は筒状部材１０の軸方向に沿って通気可能に配置さ
れ、箔材２１の谷底接触部２１ａが筒状部材１０の外周
面に熱伝導性を損なわないように固着されている。な
お、箔材２１の前端近傍には多数の通気孔２２が設けら
れている。

【００２０】放熱フィン２０は、箔材２１を予め波状に
形成するか、或いは波状に形成しながら、筒状部材１０
の外周に巻付けることによって作製することができる。
また、特に波形状は弾性伸縮性を有するので、波状の箔
材２１を予め円筒状に巻いておき、その弾性を利用して
筒状部材１０の外周に挿通させてもよい。なお、箔材２
１の波形状としては、図示した山型以外に三角形等の波
状でもよく、さらに、ラジエター等に用いられているよ
うな蛇腹形状でもよい。

【００２１】筒状部材１０と放熱フィン２０との熱伝導
性を損なわないように、筒状部材１０の外周面と箔材２
１の谷底接触部２１ａとは全て固着するのが好ましい。
この固着方法の一つとして、例えば筒状部材１０と箔材
２１と同様の組成成分を有するろう材を用いて、加熱炉
内でろう付けする方法がある。

【００２２】このように箔材２１を波状に形成した放熱
フィン２０は、筒状部材１０に放熱フィンを切削や型抜
きによって形成したものに比べて、箔材２１を用いるこ
とにより厚さを薄くすることができ、波状のピッチを調
節することにより間隔を狭くすることができる。これに
より、放熱フィン２０の表面積を大幅に増大させること
ができる。

【００２３】次に、放熱フィン２０の外側は円筒状のカ
バー３０によって覆われている。カバー３０はネジ部３
０ａにより筒状部材１０のフランジ部１０ａに螺合され
ている。筒状部材１０と放熱フィン２０との間には多数
の空気流路を有するが、カバー３０が設けられることに
よって、放熱フィン２０とカバー３０との間にも多数の
空気流路が形成されることになる。また、カバー３０の
前端近傍には多数の通気孔３１が設けられている。

【００２４】さらに、筒状部材１０の後端に空冷ファン
４０が取付アダプタ４１を介して取付けられている。取
付アダプタ４１は空冷ファン４０から放熱フィン２０部
分に空気を導く開口部４２を有し、ネジ部４１ａにより
カバー３０に螺合されている。

【００２５】上記のように構成された放熱構造におい
て、空冷ファン４０によって筒状部材１０の放熱フィン
２０部分に対して空気を送入または吸引して強制空冷す
る。放熱フィン２０の前端近傍において空気は通気孔２
２及び３１を介して外部に対して排出または吸入され
る。なお、本実施例では、放熱フィン２０の前端側を筒
状部材１０のフランジ部１０ａ近傍に位置させて、空気
の流れがレーザ発光の方向に向かないようにしてあるの
で、これら放熱フィン２０の前端側と筒状部材１０のフ
ランジ部１０ａとの間に隙間を設けて空気を出入りさせ
てもよい。また、本実施例では、放熱フィン２０の外側
をカバー３０によって覆っているので、空気を放熱フィ
ン２０部分に効果的に流すことができると共に、箔材２
１による放熱フィン２０を損傷等から保護することがで
きる。

【００２６】この強制空冷の際、放熱フィン２０の表面
積が充分に大きく、放熱効率が極めて高いので、筒状部
材１０即ち半導体レーザ素子１を効果的に冷却すること
ができる。これにより、半導体レーザ素子１の動作温度
を一定に保つことができ、極めて安定したレーザ発光を
行うことができる。また、放熱効率が高いので、放熱フ
ィン２０を含めた筒状部材１０を小型化することができ
る。

【００２７】また、空冷ファン４０を筒状部材１０の軸
方向の後端近傍に配置してもよいが、放熱ファン２０に
よる放熱効率が高いので、空冷ファン４０として小型の
ものを用いることができる。従って、特に空冷ファン４
０を筒状部材１０の後端に取付けることによって、放熱
効果をさらに高めることができると共に、筒状部材１０
と空冷ファン４０とが実質的に一体化するので、全体を
コンパクトにすることができる。そして、空冷ファン４
０を備えた筒状部材１０を一つの発光ユニットとするこ
とができるので、その可動性も大幅に向上させることが
できる。

【００２８】なお、筒状部材１０の素子取付部１１と半
導体レーザ素子１の素子載置台１３との間に介在させた
電子冷却素子１２は、特に半導体レーザ素子１を室温以
下に冷却する場合に用いると効果的であるが、通常は、
半導体レーザ素子１から筒状部材１０に熱が良く伝わる
ように、熱導伝性グリース等を用いて素子載置台１３を
素子取付部１１上に設置したものであってよい。

【００２９】さらに、筒状部材１０における素子取付部
１１は、筒状部材１０の一部として一体に形成されてい
るが、この素子取付部１１の部分をさらに熱伝導率の大
きい材料によって筒状部材１０とは別に形成してもよ
い。例えば本実施例のように筒状部材１０にアルミニウ
ムを用いた場合、これよりも熱伝導率の大きい素材であ
る銅を用いることができる。これによって、半導体レー
ザ素子１から筒状部材１０への熱伝導がより高められ、
放熱フィン２０による放熱効果がさらに向上する。

【００３０】さらに、筒状部材１０における素子取付部
１１の上方には、対称状に膨出部１１′が一体に形成さ
れている。この膨出部１１′は必ずしも必要でないが、
取付部１１と膨出部１１′とを対称状にすると、筒状部
材１０の熱膨張が均一になるので、精度の面で好まし
い。また、取付部１１と膨出部１１′とが対称状である
と、膨出部１１′側を素子取付部としてもよいので、筒
状部材１０の作製が簡単になると共に組立性も向上す
る。

【００３１】次に、図４は第２実施例における断面図で
ある。上記第１実施例では放熱フィン２０部分のみに空
気を流したが、この第２実施例では筒状部材１０の内部
にも空気を流すものである。この場合、空冷ファン４０
の取付アダプタ４１には、筒状部材１０の外側の放熱フ
ィン２０部分と内側部分との両方に空気が流れるよう
に、開口部４２と開口部４３とを設けている。この例に
よれば、さらに放熱効率を高めることができる。

【００３２】次に、図５は第３実施例における断面図で
ある。上記第２実施例のように筒状部材１０の内側も冷
却する場合において、筒状部材１０の内周囲にも放熱フ
ィン２０′を設けたものである。この例によれば、さら
に効率よく冷却を行うことができる。内周囲の放熱フィ
ン２０′は前述した外周囲の放熱フィン２０と同様な構
成にすると効果的であるが、切削や型抜きによって筒状
部材１０と一体に形成してもよい。

【００３３】次に、図６は第４実施例における断面図で
ある。上記第１〜第３実施例では半導体レーザ素子１を
筒状部材１０の前端近傍に配置したが、この第４実施例
では半導体レーザ素子１を筒状部材１０の後端近傍に配
置したものである。そして、半導体レーザ素子１から出
射されるレーザ光に対する光学系部品、例えば集光レン
ズ２、固体レーザ素子３、アウトプットミラー４等を、
筒状部材１０の内部で前端に向かって順次配置してい
る。この例によれば、筒状部材１０の内部空間を有効に
利用することによって、光学系部品を含めた発光ユニッ
トの全長を短縮化することができる。

【００３４】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されることなく、本発明
の技術的思想に基づいて各種の有効な変更並びに応用が
可能である。例えば、本実施例では空気により強制空冷
したが、より効果的な冷却用気体を用いてもよい。なお
本発明は、種々の半導体レーザ素子を用いた各種の半導
体レーザ装置における放熱構造に適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザ素子が取付けられた筒状部材の少なくとも
外周囲に設けた放熱フィンを、箔材を波状に形成して筒
状部材の軸方向に通気可能に外周面に固着したものとす
ることによって、フィンの厚さ及び間隔を小さくするこ
とが可能になり、フィンの表面積を増大させることがで
きるので、放熱効率を大幅に向上させることができる。
これにより、半導体レーザ素子を効果的に冷却すること
ができ、極めて安定したレーザ発光を行うことができ
る。

【００３６】また、放熱効率が高いので、放熱フィンを
含めた筒状部材の小型化が可能である上に、強制冷却す
る場合には冷却ファンの小型化が可能である。従って、
冷却ファンを筒状部材の端部に設けることによって、筒
状部材と冷却ファンとのバランスがよく、放熱効果をさ
らに高めることができると共に、筒状部材と冷却ファン
とを実質的に一つのユニットにすることができる。これ
により、全体の小型化と可動性の向上とを図ることがで
き、半導体レーザ装置の利用範囲を広げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における筒状部材及び空冷
ファンの斜視図である。

【図２】上記第１実施例における筒状部材及び空冷ファ
ンの断面図である。

【図３】本発明の実施例における半導体レーザ装置の概
略斜視図である。

【図４】本発明の第２実施例における筒状部材及び空冷
ファンの断面図である。

【図５】本発明の第３実施例における筒状部材及び空冷
ファンの断面図である。

【図６】本発明の第４実施例における筒状部材及び空冷
ファンの断面図である。

【図７】従来の放熱構造を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は断面図である。

【図８】従来の放熱構造を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ素子 ２ 集光レンズ ３ 固体レーザ素子 ４ アウトプットミラー １０ 筒状部材 １１ 素子取付部 １２ 電子冷却素子 １３ 素子載置台 ２０、２０′ 放熱フィン ２１ 箔材 ２１ａ 谷底接触部 ２２ 通気孔 ３０ カバー ３１ 通気孔 ４０ 空冷ファン ４１ 取付アダプタ ４２、４３ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 哲 相模原市淵野辺５−10−１ 新日本製鐵株 式会社エレクトロニクス研究所内 (72)発明者 大門 正博 相模原市淵野辺５−10−１ 新日本製鐵株 式会社エレクトロニクス研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱体である半導体レーザ素子を熱良導
   性の材料からなる筒状部材の内部に取付けると共に、前
   記筒状部材の外周囲に放熱フィンを設け、この放熱フィ
   ンが、熱良導性の材料からなる箔材を波状に形成して前
   記筒状部材の軸方向に沿って通気可能にその筒状部材の
   外周面に固着したものであることを特徴とする半導体レ
   ーザ装置における放熱構造。
2. 【請求項２】 前記筒状部材の内周囲にその筒状部材の
   軸方向に沿って通気可能な放熱フィンを設けたことを特
   徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置における放熱
   構造。
3. 【請求項３】 前記筒状部材の軸方向に沿って少なくと
   も前記放熱フィン部分に冷却用気体を強制的に流すため
   の冷却ファンを、前記筒状部材の端部に備えたことを特
   徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置にお
   ける放熱構造。
4. 【請求項４】 前記筒状部材における前記半導体レーザ
   素子の取付部を、前記筒状部材よりも熱伝導率の大きい
   材料によって形成したことを特徴とする請求項１記載の
   半導体レーザ装置における放熱構造。