WO2016203789A1 - レーザ装置、及び、レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

レーザモジュール２がヒートシンク３上に設置されるレーザ装置１であって、レーザモジュール２のベースプレート２０は、外周部２０ｂがヒートシンク３にねじ止めされることで、ヒートシンク３の設置面３ｓ上に固定される。そして、ベースプレート２０の弾性力により、外周部２０ｂで囲まれるベースプレート２０の中心部２０ａには設置面３ｓに向かう方向の応力がかかることを特徴とする。

Description

レーザ装置、及び、レーザ装置の製造方法

　本発明は、レーザ装置、及び、レーザ装置の製造方法に関し、出射する光のパワーの経時的な変化を抑制する場合に好適なものである。

　レーザ装置に用いられるレーザモジュールの一つとして、レーザダイオードから出射する光が光ファイバを介して出射するレーザモジュールが知られている。このレーザモジュールでは、筐体内から筐体外に光ファイバが導出されており、筐体内には、レーザダイオード、ミラー、レンズ、光ファイバ等の光学部品が配置されている。それぞれのレーザダイオードから出射する光は、集光された後に光ファイバに入射して、筐体外において光ファイバから出射する。

　このようなレーザモジュールは、使用時に発熱する傾向があるため、レーザ装置内に搭載される際、一般的にヒートシンク上に設置される。下記特許文献１には、このようなレーザ装置が記載されている。当該文献に記載されているレーザモジュールの底板の底面は平板状に形成されており、レーザモジュールと設置するヒートシンクの設置面もまた平面状に形成されている。

特開２０１３－２５７３６２号公報

　ところで、レーザモジュールでは、一般的に、光学部品が搭載されたサブマウントが筐体の底板上に配置されている。このサブマウントは、使用時に温度が上昇する場合であっても光学部品同士の相対的位置が変化しないよう窒化アルミ等の線膨脹係数の比較的小さな材料から成る。一方、筐体は、一般に、取り扱いの容易性やコストの観点から銅等の比較的線膨脹係数の大きな材料から成る。このためサブマウントを筐体の底板にはんだ付けにより固定した後、サブマウント及び底板の温度が下がると、サブマウントよりも底板の収縮率が高いことに起因するバイメタル効果により、底板におけるサブマウントの中心付近がサブマウント側に盛り上がるようにして底板が撓む傾向がある。

　本発明者等の検討の結果、上記のように底板が変形したレーザモジュールをヒートシンクの平面状の設置面上に配置してねじ止めにより固定すると、レーザモジュールから出射する光のパワーが経時的に変化する傾向にあることが見出された。さらに、本発明者等の鋭意検討の結果、レーザモジュールの底板が平板状であっても、ヒートシンクの設置面が凹状とされる場合には、レーザモジュールを設置面上に配置してねじ止めにより固定すると、このような傾向があることが見出された。つまり、レーザモジュールをヒートシンクの設置面上に配置してねじ止めにより固定する際、レーザモジュールの底板における中心部とヒートシンクの設置面との距離が、当該底板の外周部とヒートシンクの設置面との距離よりも大きい場合に、上記傾向があることが見出された。このような傾向を防止するには、上記特許文献１に記載のように、レーザモジュールの底面及びヒートシンクの設置面が共に平面状に形成されれば良い。しかし、製造誤差等の問題から、双方を共に平面とすることは困難である。

　そこで、本発明は、出射する光のパワーの経時的な変化を抑制することができるレーザ装置、及び、レーザ装置の製造方法を提供することを目的とする。

　本発明者等は、上記のようにレーザモジュールをヒートシンク上に配置してねじ止めにより固定する際、レーザモジュールの底板における中心部とヒートシンクの設置面との距離が、当該底板における外周部とヒートシンクの設置面との距離よりも大きい場合に、レーザモジュールから出射する光のパワーが経時的に変化する原因について鋭意検討した。その結果、次のことが原因であるとの考えに至った。すなわち、底板は、上記のように撓んでいる場合において、ねじによる付勢力により、ねじ止めする前の状態からヒートシンクの設置面に沿った形状に変形する。このように変形すると、底板自身の弾性力により、底板のねじ止めされている部位が基準となり、当該部位よりも中心側の部位には設置面から離れる方向の応力がかかり、当該部位よりも外側の部位には設置面に向かう方向の応力がかかる。一般に、レーザモジュールの光学部品は、底板のねじ止めされる位置よりも中心部側に配置されている。しかし、底板には上記のような応力がかかるため、中心部がヒートシンクの設置面から持ち上がるようにして、底板が経時的に変形する。このため底板上に配置される光学部品間の相対的な位置がずれて、上記のようにレーザモジュールから出射する光のパワーが経時的に変化する。

　そこで、本発明のレーザ装置は、レーザモジュールがヒートシンク上に設置されるレーザ装置であって、前記レーザモジュールの底板は、外周部が前記ヒートシンクにねじ止めされることによって、前記ヒートシンクの設置面上に固定される。そして、前記底板の弾性力により、前記外周部で囲まれる前記底板の中心部には前記設置面に向かう方向の応力がかかることを特徴とするものである。

　このレーザ装置では、レーザモジュールがヒートシンクに固定された状態で、底板の中心部に設置面に向かう応力がかかるため、底板は、当該中心部が設置面側に移動するように変形しようとする。しかし、このような変形は、設置面により抑制される。このため底板は変形しづらい。こうして、本発明のレーザ装置は、出射する光のパワーの経時的な変化を抑制することができる。

　また、本発明のレーザ装置の製造方法は、レーザモジュールがヒートシンク上に設置されるレーザ装置の製造方法であって、前記レーザモジュールの底板を前記ヒートシンクの設置面上に配置する配置工程と、前記底板の外周部を前記ヒートシンクにねじ止めして、前記底板を前記設置面上に固定する固定工程と、を備える。そして、前記配置工程において前記底板が前記設置面上に配置された状態で、前記外周部と前記設置面との距離は、前記外周部で囲まれる前記底板の中心部と前記設置面との距離よりも大きく、前記固定工程において、前記ねじ止めによる付勢力により、前記外周部と前記設置面との距離が前記固定工程前よりも小さくなるように前記底板は撓むことを特徴とするものである。

　このようなレーザ装置の製造方法によれば、底板の弾性力により、底板の中心部に設置面に向かう方向の応力がかかるレーザ装置を製造することができる。従って、製造されたレーザ装置は、上記のように出射する光のパワーの経時的な変化を抑制することができる。

　また、上記レーザ装置、及び、上記レーザ装置の製造方法において、前記設置面は凸状とされることが好ましい。設置面が凸状とされることで、底板が平板状であっても、容易に底板に上記弾性力を付与することができる。

　或いは、上記レーザ装置の製造方法において、前記設置面は平面状に形成されており、前記固定工程前での前記底板は前記中心部が前記ヒートシンク側に凸状となるように湾曲していることが好ましい。

　この場合、一般にヒートシンクにおけるレーザモジュールの設置面は平面状とされるため、一般に流通しているヒートシンクを用いて、容易に底板に上記弾性力を付与することができる。また、レーザモジュールがヒートシンクに固定された状態で、底板はねじ止めによる付勢力で平板状に近い状態となる。従って、底板上に配置される光学部品の相対的位置等の光学的設計を容易に行うことができる。

　また、上記レーザ装置において、前記底板と前記設置面との間にグリスが介在することが好ましく、上記レーザ装置の製造方法において、前記配置工程において、グリスを介して前記底板を前記設置面上に配置することが好ましい。

　底板と設置面との間にグリスが介在することで、レーザモジュールからヒートシンクに熱を良好に伝導することができる。また、配置工程後において、底板の外周部と設置面との距離が底板の中心部と設置面との距離よりも大きいため、グリスを介して底板を設置面上に配置する場合に、固定工程において、不要なグリスを中心部から外周部に移動させながら、ねじ止めを行うことができる。このため、底板と設置面との間に介在するグリスを適切な量とすることができる。

　また、前記レーザモジュールは、前記底板上に配置されるサブマウントと、前記底板と前記サブマウントとの間に配置され前記底板と前記サブマウントとを固定するはんだと、を有し、前記はんだのヤング率は、前記底板のヤング率及び前記サブマウントのヤング率よりも小さく、前記はんだの外周部の厚みは、当該外周部に囲まれる前記はんだの中心部の厚みよりも大きいことが好ましい。

　このようなレーザモジュールでは、はんだの外周部の厚さが中心部の厚さよりも大きくされるため、はんだの外周部ははんだの中心部よりも変形し易い。ところで、ヒートシンクの設置面に固定された底板が熱応力等により変形する場合や、固定工程において底板が変形する場合に、底板とサブマウントとの相対的な位置ずれは、はんだの中心部よりもはんだの外周部の方が大きい。このため、上記のようにはんだの外周部がはんだの中心部よりも変形し易いことにより、クラック等が生じることを抑制することができる。

　この場合、前記はんだの前記中心部にはスペーサが配置されることが好ましい。

　はんだの中心部にスペーサが配置されることで、中心部におけるはんだの厚みが不要に大きくなることを抑制でき、はんだの外周部の厚みを大きくすることができる。

　或いはこの場合に、前記はんだの厚みは、前記はんだの前記中心部から前記はんだの前記外周部にかけて徐々に厚くなることが好ましい。

　このような構成によれば、底板とサブマウントとの位置ずれが大きくなるに従いはんだの厚みが増すため、適切にはんだが変形することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ装置を示す側面図である。 図１に示すレーザモジュールを示す斜視図である。 図２に示すレーザモジュールの蓋体を外した状態を示す図である。 図３に示す蓋体が外されたレーザモジュールの断面図である。 レーザ装置の製造方法の工程を示すフローチャートである。 配置工程後の様子を示す図である。 固定工程の様子を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ装置を示す図である。 配置工程後の様子を示す図である。 固定工程の様子を示す図である。 レーザモジュールの変形例を図４と同様に示す図である。

　以下、本発明に係るレーザ装置及びレーザ装置の製造方法の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、理解の容易のため、それぞれの図のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。

　（第１実施形態）
　＜レーザ装置＞
　図１は、本実施形態に係るレーザ装置を示す側面図である。図１に示すように、レーザ装置１は、レーザモジュール２とヒートシンク３とを主な構成として備える。

　まずレーザモジュールの説明をする。

　図２は、図１に示すレーザモジュール２を示す斜視図である。図２に示すように、本実施形態のレーザモジュール２は、ベースプレート２０及び蓋体３０から成る筐体と、筐体内に一方の端部が固定される光ファイバ５０を含む後述の光学部品と、一部の光学部品に電力を供給するコネクタ５５とを備えている。

　蓋体３０は、プレス加工によって金属板から作製されており、トッププレート３１と、枠体３２と、鍔部３３とから成る。トッププレート３１は、筺体の天板となる部位であり、平板状の部材からなる。枠体３２は、トッププレート３１の周縁においてトッププレート３１に垂直に連結される部位である。また、枠体３２には、光ファイバ５０を筺体内から筺体外へ導出するための切り欠きおよびコネクタ５５を筺体内から筺体外へ導出するための切り欠きが形成されている。鍔部３３は、枠体３２のトッププレート３１側とは反対側において、枠体３２に連結される部位であり、トッププレート３１と平行な方向に枠体３２の外側に広がるように延在している。また、鍔部３３には、複数のねじ孔が形成されている。

　図３は、図２に示すレーザモジュールの蓋体３０を外した図である。なお、図３では破線で光の様子が示されている。なお、図３ではベースプレート２０における鍔部３３が位置する部位を破線で示している。

　図２、図３に示すように、ベースプレート２０は、筐体の底板となる底面が平面状のプレートであり、本実施形態では平板状の部材である。ベースプレート２０は金属から成り、ベースプレート２０を構成する金属としては銅やステンレススチール等を挙げることができる。ベースプレート２０には、蓋体３０をねじ止めするためのねじ孔２１が複数形成されており、ねじ孔２１よりも外周側にさらにねじ孔２２が複数形成されている。このねじ孔２２は、ベースプレート２０をヒートシンク３にねじ止めするための孔である。

　ベースプレート２０上には、サブマウント４０が固定されている。サブマウント４０は、平板状の基板であり、ベースプレート２０よりも線膨脹係数が小さな材料から成る。例えば、ベースプレート２０が銅から成る場合、サブマウント４０は窒化アルミからなる。このようにサブマウント４０が小さい線膨脹係数の材料から成る理由は、サブマウント４０上には光学部品が配置されるため、使用時において光学部品が発する熱によりサブマウント４０が膨張してレーザモジュール２の光学的特性が変化することを抑制するためである。

　サブマウント４０上には、光ファイバ５０を含む光学部品が固定されている。本実施形態の光学部品は、レーザダイオード１１、コリメートレンズ１６、ミラー１３、第１集光レンズ１４、第２集光レンズ１５、光ファイバ５０を含んで構成される。

　光源である複数のレーザダイオード１１は、複数の半導体層が積層されて成るファブリペロー構造を有する素子であり、例えば波長が９００ｎｍ帯のレーザ光を出射する。それぞれのレーザダイオード１１は、レーザマウント１２上にはんだ等により固定されており、レーザマウント１２を介してサブマウント４０上に固定されている。レーザマウント１２は、レーザダイオード１１の高さを調整するための台であり、それぞれのレーザマウント１２は、サブマウント４０における外周側の位置に例えばはんだ付け等により固定されている。なお、このようにレーザマウント１２がサブマウント４０と別体とされて、レーザマウント１２がサブマウント４０上に固定されても良いが、レーザマウント１２がサブマウント４０と一体に成型されても良い。或いは、レーザダイオード１１の高さ調整が不要の場合、このレーザマウント１２は省略されても良い。

　コリメートレンズ１６は、それぞれのレーザダイオード１１に対応してレーザマウント１２上に配置されている。コリメートレンズ１６は、レーザダイオード１１から出射する光のファスト軸方向の光、スロー軸方向の光をコリメートするレンズであり、一般的にファスト軸方向の光をコリメートするレンズ、スロー軸方向の光のコリメートするレンズの組み合わせからなる。またコリメートレンズ１６は、レーザダイオード１１と共にレーザマウント１２上に接着等により固定されている。なお、上記のようにレーザマウント１２が省略される場合、コリメートレンズ１６は、レーザダイオード１１と共にサブマウント４０上に固定される。

　ミラー１３は、それぞれのレーザダイオード１１に対応してサブマウント４０上に配置されている。それぞれのミラー１３は、対応するレーザダイオード１１から出射しコリメートレンズ１６でコリメートされた光を反射して、ミラー１３に入射する光に対してサブマウント４０の面方向に沿って垂直に出射するよう調整されている。本実施形態のミラー１３は、プリズムから構成されており、サブマウント４０上に接着剤により固定されている。なお、ミラー１３は、反射膜が形成されたガラス体のように、プリズム以外から構成されても良い。

　また、第１集光レンズ１４及び第２集光レンズ１５は、それぞれシリンドリカルレンズから成り、サブマウント４０に接着により固定されている。第１集光レンズ１４は、それぞれのミラー１３で反射される光をファスト軸方向に集光し、第２集光レンズ１５は、第１集光レンズ１４から出射する光をスロー軸方向に集光する。こうして、第２集光レンズ１５から出射する光は所定の位置において光を集光する。なお、第２集光レンズ１５から出射する光が所望の位置で集光しない場合には、第２集光レンズ１５から出射する光を集光する集光レンズが更にサブマウント４０上に配置されても良い。

　光ファイバ５０は、パイプ状のホルダ５１に挿通されて、ホルダ５１に固定されている。本実施形態では、光ファイバ５０の光の入射端となる一端がホルダ５１から僅かに導出されている。ホルダ５１はファイバマウント５２に固定され、ファイバマウント５２はサブマウント４０に固定されている。光ファイバ５０の一端は、第２集光レンズ１５から出射する光が、コアに入射可能な位置とされる。なお、本実施形態では、光ファイバ５０はホルダ５１に接着剤やはんだ付けにより固定されており、ホルダ５１はファイバマウント５２に接着されることで固定され、ファイバマウント５２はサブマウント４０に接着により固定されている。

　コネクタ５５は、一対の棒状の導体から形成されており、それぞれの導体は一対のコネクタホルダ５６に固定されている。それぞれのコネクタホルダ５６は、サブマウント４０に接着されて固定されている。コネクタ５５の一方の導体は、コネクタ５５に最も近いレーザダイオード１１と図示しない金線により接続されており、それぞれのレーザダイオード１１は図示しない金線によりデイジーチェーン接続されている。また、コネクタ５５から最も離れたレーザダイオード１１は、コネクタ５５の他方の導体に図示しない金線により接続されている。

　図４は、図３に示す蓋体が外されたレーザモジュールの断面図である。なお、図４は理解の容易のため、特定のレーザダイオード１１から出射する光の光路に沿った図３の断面図としている。

　図３、図４に示すように、本実施形態のレーザモジュール２では、ベースプレート２０とサブマウント４０との間において、サブマウント４０の中心部にスペーサ４３が配置されている。サブマウント４０の中心部は、本実施形態ではサブマウント４０の中心を含む領域であり、サブマウント４０の外周縁を含む外周部に囲まれる。サブマウント４０のベースプレート２０側の底面の全面がはんだ付けされて、サブマウント４０がベースプレート２０に固定されている。従って、はんだ４５の外周とサブマウント４０の外周とは概ね一致し、スペーサ４３ははんだ４５の外周部４５ｂに囲まれる中心部４５ａに配置されている。なお、上記のように、レーザダイオード１１は、サブマウント４０の外周側の位置に配置されているため、本実施形態では、サブマウント４０を平面視する場合に、レーザダイオード１１とスペーサ４３とは互いに重なっていない。

　スペーサ４３は、平板状の部材であり、スペーサ４３の周囲を囲むはんだ４５の厚みよりも薄い厚みとされている。本実施形態では、スペーサ４３とベースプレート２０との間、及び、スペーサ４３とサブマウント４０との間のはんだ４５により、スペーサ４３はベースプレート２０及びサブマウント４０に固定され、ベースプレート２０とスペーサ４３とサブマウント４０とが一体とされている。このようにスペーサ４３が配置されることで、はんだ４５の外周部４５ｂの厚みは、スペーサ４３が配置される中心部４５ａにおけるはんだ４５の厚みよりも大きくされている。

　また、スペーサ４３は、例えば、鉄、銅、ステンレススチール等の金属から成り、はんだ４５よりも熱伝導性が高い材料から成ることが好ましく、また、はんだ４５よりもヤング率が大きい材料から成ることが好ましい。また、上記のようにスペーサ４３ははんだ４５によりベースプレート２０に固定されているが、スペーサ４３がベースプレート２０と同じ材料から成る場合、ベースプレート２０を作製する際に削り出しによりスペーサ４３をベースプレート２０上に形成して、ベースプレート２０とスペーサ４３とを一体としても良い。

　このように複数の光学部品が配置されたサブマウント４０は、蓋体３０とベースプレート２０上との間の空間に配置されている。蓋体３０は、ベースプレート２０のそれぞれのねじ孔２１と蓋体３０の鍔部に形成されたねじ孔とに螺入される複数のねじ２５により、図２に示すようにベースプレート２０に固定される。なお、特に図示しないが、本実施形態では、ベースプレート２０と蓋体３０の鍔部３３との間にシリコーン樹脂が介在して、ベースプレート２０と鍔部３３との間の気密が保たれている。

　また、このように蓋体３０が筐体のベースプレート２０上に配置された状態で、図２に示すように、ホルダ５１が光ファイバ５０と共に蓋体３０に形成された切り欠きから導出し、当該切り欠きにおけるホルダ５１と枠体３２との間には、ブッシュ３５が配置されて、ホルダ５１と枠体３２との間の隙間が埋められている。こうして、切り欠きにおける枠体３２と光ファイバとの間の隙間はブッシュ３５により封止されている。ブッシュ３５は、少なくとも枠体３２と接する部位が弾性変形可能な構成とされる。このようなブッシュ３５の構成としては、例えば、枠体３２と接する部位、ベースプレート２０と接する部位及びホルダ５１と接する部位が変性シリコーン樹脂を主成分とする接着性の樹脂からなり、当該接着性の樹脂で囲まれる部位がポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）等の硬質な樹脂から成ることが挙げられる。なお、ブッシュ３５全体が弾性変形可能な樹脂から構成されても良い。

　また、上記のように蓋体３０がベースプレート２０上に配置された状態で、コネクタ５５が蓋体３０の切り欠きから導出し、コネクタ５５と枠体３２との間に図示せぬブッシュが配置されて、切り欠きにおける枠体３２とコネクタ５５との間の隙間が当該ブッシュにより封止されている。このブッシュは、ブッシュ３５と同様の樹脂からなる。

　次にヒートシンク３及びレーザモジュール２の設置について説明する。

　図１に示すようにヒートシンク３は、レーザモジュール２が設置される設置面３ｓを有している。本実施形態では、この設置面３ｓは、レーザモジュール２のベースプレート２０よりも面積が大きく、凸面状の曲面とされる。また、設置面３ｓには、ベースプレート２０を固定するための図示せぬねじ孔が形成されている。さらにヒートシンク３の内部には、水冷パイプ等といった図示しない冷却機構が配置されている。

　レーザ装置１では、このようなヒートシンク３の設置面３ｓ上にレーザモジュール２のベースプレート２０が配置されて、図１に示すように固定されている。具体的には、ベースプレート２０の外周部２０ｂに形成されたねじ孔２２及びヒートシンクの設置面３ｓに形成されたねじ孔にねじ４が螺入されることで、ベースプレート２０はヒートシンク３の設置面３ｓ上に固定される。また、この状態においてベースプレート２０のヒートシンク側の面である底面は、概ね凸状の設置面３ｓに沿っている。前述のようにベースプレート２０の底面は平面状とされるが、ベースプレート２０の外周部２０ｂが上記のようにねじ止めされることにより、ベースプレート２０は、底面が設置面に沿うように撓んでいる。このため、ベースプレート２０の弾性力により、図１において矢印で示すように、ベースプレート２０の中心部２０ａには設置面３ｓに向かう方向の応力がかかり、当該中心部２０ａを囲むベースプレート２０の外周部２０ｂには設置面から離れる方向の応力がかかる。

　なお、ベースプレート２０はヒートシンク３の設置面３ｓ上に固定された状態において、設置面３ｓとベースプレートとの間にはグリス５が介在している。グリス５は、熱伝導性に優れる方が好ましい。このようなグリスとしては、熱伝導性の高いフィラー入りのグリスが挙げられ、例えばTIMTRONICS社製の耐熱性・高熱伝導グリスSilver Ice 710NSやArctic Silver社製のAS-05等を挙げることができる。これらのグリスは熱伝導性の高い銀フィラーが多量に含まれているため、一般的に粘度が高くなる傾向にある。粘度が高いグリスを底板とヒートシンクの間に使用する場合、粘度の低いグリスを使用する場合よりも、ベースプレート２０の中心部２０ａにグリスが留まり易く、継時的なベースプレートの変形の抑制が助長される。

　次にレーザ装置１の動作について説明する。

　レーザ装置１のレーザモジュール２において、コネクタ５５からそれぞれのレーザダイオード１１に所望の電力が供給されると、図３に示すように、それぞれのレーザダイオード１１は、それぞれのレーザダイオード１１に対応するそれぞれのコリメートレンズ１６に向かって光を出射する。この光は、上記のように例えば波長が９００ｎｍ帯のレーザ光とされる。それぞれのコリメートレンズ１６では、レーザダイオード１１から出射する光をコリメートして出射する。それぞれのコリメートレンズ１６から出射した光は、対応するそれぞれのミラー１３に入射する。それぞれのミラー１３は、入射する光を反射して、ミラー１３に入射する光に対して、ベースプレート２０の面方向に沿った垂直な方向に出射する。ミラー１３から出射した光は第１集光レンズ１４に入射して、第１集光レンズ１４により光のファスト軸方向が集光される。第１集光レンズ１４から出射する光は、第２集光レンズ１５に入射して、第２集光レンズ１５により光のスロー軸方向が集光される。第２集光レンズ１５により集光された光は、光ファイバ５０のコアに入射して、光ファイバ５０を伝搬する。こうして、光ファイバ５０の他端から光が出射する。

　このとき、レーザモジュール２は発熱する傾向にある。この熱の多くはレーザダイオード１１から発生する。レーザダイオード１１で発生する熱の多くはサブマウント４０、はんだ４５を介して筐体の底板であるベースプレート２０に伝達する。ベースプレート２０に伝達する熱は、ベースプレート２０が搭載されるヒートシンク３に伝達しベースプレート２０は冷却される。このとき本実施形態では、上記のようにベースプレート２０とヒートシンク３との間にグリス５が介在するため、光学部品で発生する熱をベースプレート２０を介してヒートシンク３に伝導し易くしている。

　以上説明したように本実施形態のレーザ装置１では、上記のように、レーザモジュール２がヒートシンク３に固定された状態で、ベースプレート２０の中心部２０ａにおいては設置面３ｓに向かう応力がかかる。また、ベースプレート２０の外周部２０ｂにおいて設置面から離れる方向の応力がかかる。このため、ベースプレート２０は、中心部２０ａが設置面３ｓ側に移動すると共に外周部２０ｂが設置面から離れる方向に移動するように変形しようとする。しかし、このような変形は、中心部２０ａにおいては設置面３ｓによって抑制され、外周部２０ｂにおいてはねじによって抑制される。従って、ベースプレート２０は変形しづらい。このため、本発明のレーザ装置は、出射する光のパワーの経時的な変化を抑制することができる。

　また、本実施形態では、ヒートシンク３の設置面３ｓが凸状の形状とされているため、底面が平面状のレーザモジュール２に対して容易に弾性力を付与することができる。また、上記のように、サブマウント４０の線膨脹係数がベースプレート２０の線膨脹係数よりも小さい場合、サブマウント４０をベースプレート２０上にはんだ付けすると、線膨脹係数の差により、ベースプレート２０の中心がサブマウント側に反る形状となる傾向がある。このような場合であっても、凸状の設置面３ｓの曲率をベースプレート２０の底面の曲率よりも大きくすることで、ベースプレート２０の中心部２０ａに設置面３ｓに向かう方向の応力がかかるようにすることができる。

　また、ベースプレート２０がヒートシンク３上に配置されても、レーザダイオード１１が発する熱により、サブマウント４０及びベースプレート２０の温度は上昇する傾向にある。このときサブマウント４０とベースプレート２０の線膨脹係数が異なると、はんだ４５の中心部４５ａ付近ではサブマウント４０とベースプレート２０との相対的な位置が然程変化しないが、はんだ４５の外周部４５ｂ付近ではサブマウント４０とベースプレート２０との相対的な位置が変化し易い。しかし、本実施形態のレーザモジュール２では、中心部４５ａにスペーサ４３が配置されることで、はんだ４５の外周部４５ｂの厚みがはんだ４５の中心部４５ａの厚みよりも大きくされている。このため、はんだ４５は、中心部４５ａよりも外周部４５ｂで変形し易く、ベースプレート２０及びサブマウント４０よりもヤング率の小さなはんだ４５が外周部４５ｂで変形することで、はんだ４５にクラックが入ることが抑制される。

　また、スペーサ４３がベースプレート２０及びサブマウント４０にはんだ４５により固定されるため、サブマウント４０とベースプレート２０とをスペーサ４３を介して強固に固定することができる。また、サブマウント４０、スペーサ４３、ベースプレート２０が接続されるため、サブマウント４０、スペーサ４３、ベースプレート２０の何れかが接続されない場合と比べて、サブマウント４０からベースプレート２０にかけての熱伝導性が向上する。従って、サブマウント４０の温度が上昇する場合であっても、熱をベースプレート２０から外部に放出し易くすることができる。

　＜レーザ装置の製造方法＞
　次に図１に示すレーザ装置の製造方法について説明する。図５はレーザ装置１の製造方法の工程を示すフローチャートである。図５に示すように、本実施形態のレーザ装置１の製造方法は、配置工程Ｐ１と、固定工程Ｐ２とを備える。

　（配置工程Ｐ１）
　まず配置工程Ｐ１を行う。本工程は、レーザモジュール２をヒートシンク３上に配置する工程である。

　本工程では、まず、図２～図４に示すレーザモジュール２を準備する。前述のようにレーザモジュール２のベースプレート２０の底面は平面状とされる。また、図１に示すヒートシンク３を準備する。前述のようにヒートシンク３の設置面３ｓは、凸面状とされる。

　次に、準備したレーザモジュール２のベースプレート２０の底面及びヒートシンク３の設置面３ｓの少なくとも一方にグリス５を塗布する。そして、グリス５を介してレーザモジュール２をヒートシンク３の設置面３ｓ上に配置する。このときベースプレート２０に形成されたねじ孔２２と設置面３ｓに形成されたねじ孔とが重なるようにする。このように配置することで、ベースプレート２０全体が設置面３ｓと重なる。こうして図６に示すように、レーザモジュール２がヒートシンク３上に配置された状態となる。

　上記のようにベースプレート２０の底面が平面状とされ、設置面３ｓが凸面状とされるため、ベースプレート２０が設置面３ｓ上に配置された状態で、図６に示すように、ベースプレート２０の外周部２０ｂと設置面３ｓとの距離は、ベースプレート２０の中心部２０ａと設置面３ｓとの距離よりも大きくなる。

　（固定工程Ｐ２）
　次に、固定工程Ｐ２を行う。本工程は、レーザモジュール２をヒートシンク３に固定する工程である。

　本工程では、まず、図７に示すように、ヒートシンク３の設置面３ｓ上に配置されたレーザモジュール２のベースプレート２０のねじ孔２２にねじ４を挿入して、当該ねじ４をヒートシンク３のねじ孔に螺入する。その後、ねじ４を締め付けて、ベースプレート２０を設置面３ｓに沿うように撓ませる。そして、ベースプレート２０の外周部２０ｂがねじ４の付勢力で設置面３ｓに押圧された状態とする。

　こうして図１に示すレーザ装置１を得る。

　以上説明したように、本実施形態のレーザ装置１の製造方法によれば、ベースプレート２０の弾性力により、ベースプレート２０の中心部２０ａに設置面３ｓに向かう方向の応力がかかるレーザ装置を製造することができる。従って、製造されたレーザ装置１は、上記のように出射する光のパワーの経時的な変化を抑制することができる。

　また、設置面３ｓが凸状とされることで、ベースプレート２０の底面が平板状の一般的なレーザモジュール２を用いても、容易にベースプレート２０に上記弾性力を付与することができる。

　また、配置工程Ｐ１後において、ベースプレート２０の外周部２０ｂと設置面３ｓとの距離がベースプレート２０の中心部２０ａと設置面３ｓとの距離よりも大きいため、固定工程Ｐ２において、不要なグリス５を中心部２０ａ側から外周部２０ｂに移動させながら、ねじ止めを行うことができる。このため、ベースプレート２０と設置面３ｓとの間に介在するグリス５を適切な量とすることができる。

　また、固定工程Ｐ２においてベースプレート２０が変形する場合に、ベースプレート２０とサブマウント４０との相対的な位置ずれは、はんだ４５の中心部４５ａよりもはんだ４５の外周部４５ｂの方が大きい。しかし、本実施形態では、レーザモジュール２におけるはんだ４５の外周部４５ｂの厚さがはんだ４５の中心部４５ａの厚さよりも大きくされ、はんだ４５の外周部４５ｂがはんだ４５の中心部４５ａよりも変形し易いことにより、はんだ４５にクラック等が生じることを抑制することができる。

　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図８を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

　図８は、本実施形態に係るレーザ装置を図１と同様の方法で示す図である。図８に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、ヒートシンク３の設置面３ｓが平面状である点において、第１実施形態のレーザ装置１と異なる。

　ただし、本実施形態においても、第１実施形態のレーザ装置１と同様にして、ベースプレート２０の弾性力により、図８に示すように、ベースプレート２０の中心部２０ａには設置面３ｓに向かう方向の応力がかかり、当該中心部２０ａを囲むベースプレート２０の外周部２０ｂには設置面３ｓから離れる方向の応力がかかる。

　次に本実施形態のレーザ装置１の製造方法について説明する。

　本実施形態のレーザ装置１の製造方法は、第１実施形態のレーザ装置１の製造方法と同様にして、配置工程Ｐ１と、固定工程Ｐ２とを備える。

　（配置工程Ｐ１）
　図９は、本工程後の様子を示す図である。図９に示すように、本実施形態で準備するレーザモジュール２は、ベースプレート２０が外側すなわちヒートシンク３側に凸形状とされる点において第１実施形態のレーザモジュール２と異なる。また、本実施形態で準備するヒートシンク３は、設置面３ｓが平面状である点において、第１実施形態のヒートシンク３と異なる。

　次に、第１実施形態の配置工程Ｐ１と同様に、レーザモジュール２のベースプレート２０の底面及びヒートシンク３の設置面３ｓの少なくとも一方にグリス５を塗布して、レーザモジュール２をヒートシンク３の設置面３ｓ上に配置する。こうして図８に示すように、レーザモジュール２がヒートシンク３上に配置された状態となる。

　本実施形態では、上記のようにベースプレート２０の底面が凸面状とされ、設置面３ｓが平面状とされため、ベースプレート２０が設置面３ｓ上に配置された状態で、図８に示すように、ベースプレート２０の外周部２０ｂと設置面３ｓとの距離は、ベースプレート２０の中心部２０ａと設置面３ｓとの距離よりも大きくなる。

　（固定工程Ｐ２）
　次に、第１実施形態と同様にして固定工程Ｐ２を行う。

　図１０は本工程の様子を示す図である。本実施形態においても、第１実施形態と同様に固定工程Ｐ２前においてベースプレート２０の外周部２０ｂと設置面３ｓとが離れているため、ねじ４を締め付けて、ベースプレート２０を設置面３ｓに沿うように撓ませる。そして、ベースプレート２０の外周部２０ｂがねじ４の付勢力で設置面３ｓに押圧された状態とする。

　こうして図８に示すレーザ装置１を得る。

　以上説明したように、本実施形態では、設置面３ｓは平面状に形成されており、固定工程Ｐ２前でのベースプレート２０は中心部２０ａがヒートシンク３側に凸状となるように湾曲している。従って、本実施形態のレーザ装置１の製造方法によれば、一般に流通している設置面が平面状のヒートシンクを用いて、容易にベースプレート２０に弾性力を付与することができる。また、レーザモジュール２がヒートシンク３に固定された状態で、ベースプレートはねじ止めによる付勢力で平板状に近い状態となる。従って、ベースプレート上に配置される光学部品の相対的位置等の光学的設計を容易に行うことができる。

　以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　例えば、第１実施形態では、配置工程Ｐ１にて準備するレーザモジュール２のベースプレート２０の底面は平面状であるとした。また、第２実施形態の配置工程Ｐ１で準備するレーザモジュール２のベースプレート２０の底面は凸状であるとした。しかし、本発明では、配置工程Ｐ１においてベースプレート２０が設置面３ｓ上に配置された状態で、ベースプレート２０の外周部２０ｂと設置面３ｓとの距離が、ベースプレート２０の中心部２０ａと設置面３ｓとの距離よりも大きければ良い。従って、このような条件を満たしていれば、第１実施形態の配置工程Ｐ１にて準備するレーザモジュール２のベースプレート２０の底面が湾曲していても良く、第２実施形態の配置工程Ｐ１にて準備するレーザモジュール２のベースプレート２０の底面が第２実施形態と異なる状態に湾曲していても良い。

　また、上記実施形態では、レーザモジュール２はサブマウント４０を有する構成とされたが、サブマウント４０は必須では無い。また、サブマウント４０を有する構成であっても、スペーサ４３は必須では無い。つまり、レーザモジュール２がサブマウント４０を有する場合であっても、はんだ４５の外周部４５ｂの厚みがはんだ４５の中心部４５ａの厚みよりも大きいという構成は必須では無い。ただし、はんだにクラックが入ることを抑制する観点から、サブマウント４０を有する場合には、はんだ４５のヤング率がベースプレート２０のヤング率及びサブマウント４０のヤング率よりも小さく、はんだ４５の外周部４５ｂの厚みがはんだ４５の中心部の厚みよりも大きいことが好ましい。

　図１１は、はんだ４５の外周部４５ｂの厚みがはんだ４５の中心部の厚みよりも大きいレーザモジュールの変形例を図４と同様に示す図である。なお、本変形例を説明するにあたり、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。図１１に示すように本変形例では、ベースプレート２０とサブマウント４０との間にスペーサ４３が配置されていない。このため、本実施形態ではサブマウント４０は、ベースプレート２０側の底面の全面がはんだ４５によりベースプレート２０に固定されている。この状態において、ベースプレート２０は、サブマウント４０の中心付近がサブマウント４０側に盛り上がるようにして僅かに反っている。従って、はんだ４５の外周部４５ｂの厚みは、はんだ４５の中心部４５ａにおけるはんだ４５の厚みよりも大きく、はんだ４５は、中心部４５ａから外周部４５ｂにかけて徐々に厚くされている。レーザモジュール２の発熱や、レーザモジュール２をヒートシンク３に設置することによる、ベースプレート２０とサブマウント４０との位置ずれの大きさは、はんだ４５の中心部４５ａからはんだ４５の外周部４５ｂにかけて徐々に大きくなる。従って、本変形例のようにはんだ４５の中心部４５ａから外周部４５ｂにかけてはんだ４５の厚みが徐々に厚くなることで、ベースプレート２０とサブマウント４０との位置ずれ量に応じてはんだ４５の変形のし易さを増すことができる。このため、本変形例のレーザモジュールを用いることにより、適切にはんだ４５が変形することができる。

　また、上記実施形態では、レーザモジュール２とヒートシンク３との間にグリス５が配置されたが、グリス５は必須の構成では無い。ただし、レーザモジュール２からヒートシンク３に熱を良好に伝導する観点から、グリス５が介在する方が好ましい。

　以上説明したように、本発明によるレーザ装置は、例えば、ファイバレーザ装置等の分野において使用することができる。

１・・・レーザ装置
２・・・レーザモジュール
３・・・ヒートシンク
４・・・ねじ
５・・・グリス
２０・・・ベースプレート
３０・・・蓋体
４０・・・サブマウント
４３・・・スペーサ
４５・・・はんだ
５０・・・光ファイバ
Ｐ１・・・配置工程
Ｐ２・・・固定工程

 

Claims (13)

1. 　レーザモジュールがヒートシンク上に設置されるレーザ装置であって、
   　前記レーザモジュールの底板は、外周部が前記ヒートシンクにねじ止めされることによって、前記ヒートシンクの設置面上に固定され、
   　前記底板の弾性力により、前記外周部で囲まれる前記底板の中心部には前記設置面に向かう方向の応力がかかる
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 　前記設置面は凸状とされる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 　前記底板と前記設置面との間にグリスが介在する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 　前記レーザモジュールは、前記底板上に配置されるサブマウントと、前記底板と前記サブマウントとの間に配置され前記底板と前記サブマウントとを固定するはんだと、を有し、
   　前記はんだのヤング率は、前記底板のヤング率及び前記サブマウントのヤング率よりも小さく、
   　前記はんだの外周部の厚みは、当該外周部に囲まれる前記はんだの中心部の厚みよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
5. 　前記はんだの前記中心部にはスペーサが配置される
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
6. 　前記はんだの厚みは、前記はんだの前記中心部から前記はんだの前記外周部にかけて徐々に厚くなる
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
7. 　レーザモジュールがヒートシンク上に設置されるレーザ装置の製造方法であって、
   　前記レーザモジュールの底板を前記ヒートシンクの設置面上に配置する配置工程と、
   　前記底板の外周部を前記ヒートシンクにねじ止めして、前記底板を前記設置面上に固定する固定工程と、
   を備え、
   　前記配置工程において前記底板が前記設置面上に配置された状態で、前記外周部と前記設置面との距離は、前記外周部で囲まれる前記底板の中心部と前記設置面との距離よりも大きく、
   　前記固定工程において、前記ねじ止めによる付勢力により、前記外周部と前記設置面との距離が前記固定工程前よりも小さくなるように前記底板は撓む
   ことを特徴とするレーザ装置の製造方法。
8. 　前記設置面は凸状に形成されている
   ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置の製造方法。
9. 　前記設置面は平面状に形成されており、
   　前記固定工程前での前記底板は前記中心部が前記ヒートシンク側に凸状となるように湾曲している
   ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置の製造方法。
10. 　前記配置工程において、グリスを介して前記底板を前記設置面上に配置する
    ことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
11. 　前記レーザモジュールは、前記底板上に配置されるサブマウントと、前記底板と前記サブマウントとの間に配置され前記底板と前記サブマウントとを固定するはんだと、を有し、
    　前記はんだのヤング率は、前記底板のヤング率及び前記サブマウントのヤング率よりも小さく、
    　前記はんだの外周部の厚みは、当該外周部に囲まれる前記はんだの中心部の厚みよりも大きい
    ことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のレーザ装置の製造方法。
12. 　前記はんだの前記中心部にはスペーサが配置される
    ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ装置の製造方法。
13. 　前記はんだの厚みは、前記はんだの前記中心部から前記はんだの前記外周部にかけて徐々に厚くなる
    ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ装置の製造方法。
    
     

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