JP4860227B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザを備えた半導体レーザ装置に関し、詳しくは、半導体レーザが気密容器に収容されている半導体レーザ装置に関するものである。

一般に半導体レーザは、湿度の高い雰囲気下に置かれると出力が低下し、極端な場合には破壊する恐れもある。また、半導体レーザは、その作動に伴い高温を発生するため、強制的に冷却する必要がある。

そこで、従来、半導体レーザを備えたレーザ加工装置においては、低湿度に保持された気密容器中に半導体レーザが収容されている。また、半導体レーザには強制冷却用の電子冷却素子が添設され、この電子冷却素子の放熱面にはヒートシンクが接続されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−３４２７７９号公報（段落番号３８、段落番号３９、図３、図４）

ところで、特許文献１に記載されたレーザ加工装置のような半導体レーザ装置においては、半導体レーザが気密容器から完全に絶縁されていないため、半導体レーザが気密容器側の静電気の影響を受けて破壊する恐れがある。

そこで、本発明は、簡易な構造により半導体レーザを湿度および静電気の影響から保護することができる半導体レーザ装置を提供することを課題とする。

本発明に係る半導体レーザ装置は、気密容器内に収容される半導体レーザと、この半導体レーザに添設される電子冷却素子とを備えた半導体レーザ装置であって、気密容器を収容する装置筺体と、半導体レーザと電子冷却素子との間に配置された伝熱板と、気密容器の底板部に形成された下部開口において電子冷却素子に接続され、気密容器を介して装置筺体の内部に吊り下げられたヒートシンクと、底板部に取り付けられ、下部開口を気密に塞ぐ絶縁部材と、を備え、装置筺体の天板に形成された上部開口には、点検蓋が着脱自在に設置されており、気密容器は、上部開口に嵌め込まれ、気密容器の上面は、点検蓋により気密に塞がれることを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ装置では、気密容器内に収容された半導体レーザは、絶縁部材および伝熱板により気密容器外の湿度の影響から遮断されて保護される。同時に半導体レーザは、絶縁部材により気密容器側の静電気の影響から遮断されて保護される。また、電子冷却素子にはヒートシンクが接続されており、このヒートシンクが気密容器を介して装置筺体の内部に吊り下げられていると、ヒートシンクの放熱効率の向上により電子冷却素子の放熱効率が向上し、半導体レーザの冷却効率が向上する。

本発明に係る半導体レーザ装置によれば、気密容器内に収容された半導体レーザを絶縁部材および伝熱板により気密容器外の湿度の影響から遮断して保護することができ、同時に半導体レーザを絶縁部材により気密容器側の静電気の影響から遮断して保護することができる。その結果、半導体レーザの長寿命化を達成することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ装置の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は第１実施形態に係る半導体レーザ装置の外観を示す斜視図、図２は図１に示した半導体レーザ装置の上部のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図である。

まず、図１〜図４を参照して本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ装置を説明する。この半導体レーザ装置は、例えば樹脂溶着、ハンダ付け、ロウ付け、熱処理などに使用される半導体レーザ加熱装置として構成されており、図１に示すようなタワー型の装置筺体１を備えている。

装置筺体１の正面上部には操作パネル１Ａが配設され、装置筺体１の上面の天板１Ｂには長方形の点検蓋１Ｃが着脱自在に設置されている。そして、装置筺体１の内部には、後述する半導体レーザを収容した気密容器２や半導体レーザを冷却する電子冷却素子の放熱用のヒートシンク３の他、半導体レーザおよび電子冷却素子を駆動するためのＬＤ電源、ＤＣ電源、制御基板、コントローラ、温度調節器などが収容されている。

図２に示すように、装置筺体１の天板１Ｂには気密容器２を嵌め込むための開口１Ｄが形成されており、この開口１Ｄの周囲には支持段部１Ｅが形成されている。一方、気密容器２は、上面が点検蓋１Ｃで覆われるボックス状を呈し、その上部外周には天板１Ｂの支持段部１Ｅ上に重なって支持される鍔部２Ａが形成されている。そして、気密容器２の鍔部２Ａ上には枠状の開口プレート２Ｂを介して点検蓋１Ｃが重ねられている。

開口プレート２Ｂは、支持段部１Ｅの下面側から鍔部２Ａの上面にねじ止めされており、この開口プレート２Ｂの上面には点検蓋１Ｃの周縁部が上方からねじ止めされている。このような開口プレート２Ｂの上面および下面には、シール用のＯリングＯＲ１，ＯＲ２が予め装着されており、上方のＯリングＯＲ１は点検蓋１Ｃの下面に密着し、下方のＯリングＯＲ２は鍔部２Ａの上面に密着している。

気密容器２の底板部２Ｃの中央部には略正方形の開口２Ｄが形成されている。この開口２Ｄの周囲の底板部２Ｃの上面には、図３に示すような略正方形の枠状に形成された絶縁部材６が底板部２Ｃの下面側からねじ止めされており、この絶縁部材６の上面には、図３に示すような略正方形の板状に形成された伝熱プレート７が上方からねじ止めされている。このような絶縁部材６の上面および下面には、シール用のＯリングＯＲ３，ＯＲ４が予め装着されており、上方のＯリングＯＲ３は伝熱プレート７の下面に密着し、下方のＯリングＯＲ４は底板部２Ｃの上面に密着している。

すなわち気密容器２は、図２に示すように、開口プレート２ＢにＯリングＯＲ１を介して密着する点検蓋１Ｃにより上面が気密に塞がれ、かつ、底板部２ＣにＯリングＯＲ４を介して密着する枠状の絶縁部材６と、この絶縁部材６にＯリングＯＲ３を介して密着する伝熱プレート７とによって底板部２Ｃの開口２Ｄが気密に塞がれている。

このような気密容器２の壁面の一部には除湿素子２Ｆが組付けられ、気密容器２の内部には、半導体レーザ４が収容されており、気密容器２の外部には、半導体レーザ４を強制冷却するための電子冷却素子５と、この電子冷却素子５の放熱用のヒートシンク３とが配置されている。

ここで、除湿素子２Ｆは、湿気を直接電気分解して除去する多孔質性の固体高分子電解質膜を備えた素子であり、例えば菱彩テクニカ株式会社製のＭＤＬ−５が用いられる。この除湿素子２Ｆは、気密容器２の壁面の一部を構成しており、装置筺体１内に収容されたＤＣ電源から供給される直流電圧により作動し、気密容器２内の湿気を気密容器２外に放出する。

半導体レーザ４は、図示しない光ファイバーを介してレーザ光が装置筺体１の外部に導出されるファイバー出力型のものである。この半導体レーザ４は、伝熱プレート７の上面に接着やねじ止めなどの適宜の手段によって密着状態で固定されている。なお、伝熱プレート７は、アルミニウム合金や銅合金などの熱伝導性の高い金属材料で構成されている。

電子冷却素子５は、装置筺体１内に収容された温度調節器（図示省略）から供給される電流によりペルチェ効果を発揮するペルチェ素子で構成されている。この電子冷却素子５は、伝熱プレート７を介して半導体レーザ４を冷却するように、ペルチェ効果により温度低下する吸熱面が伝熱プレート７の下面に接触して半導体レーザ４に添設されている。そして、ペルチェ効果により温度上昇する電子冷却素子５の放熱面には、板状の絶縁部材である絶縁プレート８を介してヒートシンク３が接続されている。

ヒートシンク３は、例えばアルミニウム合金で構成されており、上部の厚板状の本体部３Ａから相互に平行に下方に突出する複数の放熱フィン３Ｂと、本体部３Ａの上部から左右に突出する一対の固定片３Ｃ，３Ｃとを有する。そして、このヒートシンク３には、複数の放熱フィン３Ｂの間に冷却風を流通させる冷却ファン９が付設されている（図４参照）。

ここで、気密容器２の底板部２Ｃの下面には、ヒートシンク３の固定片３Ｃ，３Ｃを貫通する複数のスタッドボルトＳＢが突設されており、これらのスタッドボルトＳＢに螺合するナットＮによってヒートシンク３の固定片３Ｃ，３Ｃが気密容器２の底板部２Ｃの下面に固定されている。

こうしてヒートシンク３が装置筺体１の内部に吊り下げられ、ヒートシンク３の本体部３Ａが絶縁プレート８を介して電子冷却素子５の放熱面に接触している。なお、半導体レーザ４の冷却効率を高めるため、半導体レーザ４、伝熱プレート７、電子冷却素子５、絶縁プレート８およびヒートシンク３の相互の接触面には、伝熱性ペーストが塗布されている。

以上のように構成された第１実施形態の半導体レーザ装置では、気密容器２の開口プレート２ＢにＯリングＯＲ１を介して密着する点検蓋１Ｃによって気密容器２の上面が気密に塞がれている。また、気密容器２の底板部２ＣにＯリングＯＲ４を介して密着する枠状の絶縁部材６と、この絶縁部材６にＯリングＯＲ３を介して密着する伝熱プレート７とによって気密容器２の底板部２Ｃの開口２Ｄが気密に塞がれている。このため、気密容器２内に収容された半導体レーザ４は、気密容器２外の湿気の影響から完全に遮断されて保護される。

同時に半導体レーザ４は、気密容器２の底板部２Ｃと伝熱プレート７との間に介設される絶縁部材６と、ヒートシンク３と電子冷却素子５との間に介設される絶縁プレート８とによって気密容器２側の静電気の影響から完全に遮断されて保護される。

すなわち、第１実施形態の半導体レーザ装置によれば、気密容器２内に収容された半導体レーザ４を気密容器２外の湿度の影響から遮断して保護し、同時に気密容器２側の静電気の影響から遮断して保護することができ、その結果、半導体レーザ４の長寿命化を達成することができる。

また、電子冷却素子５には複数の放熱フィン３Ｂを有するヒートシンク３が絶縁プレート８を介して接続されており、このヒートシンク３が装置筺体１の内部に吊り下げられているため、ヒートシンク３の放熱効率の向上により電子冷却素子５の放熱効率を向上させて半導体レーザ４の冷却効率を向上させることができる。

さらに、ヒートシンク３の固定片３Ｃ，３Ｃが複数のスタッドボルトＳＢおよびナットＮを介して気密容器２の底板部２Ｃに固定されるため、ヒートシンク３の吊下げ強度を向上することができる。

続いて、図５〜図１１を参照して本発明の第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態に係る半導体レーザ装置を説明する。なお、各実施形態の半導体レーザ装置の説明において、第１実施形態の半導体レーザ装置と略同様の構造部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図５〜図７に示す第２実施形態の半導体レーザ装置は、前述した第１実施形態の半導体レーザ装置における枠状の絶縁部材６をこれに対応する枠状の絶縁部材２１に変更したものである。この第２実施形態の半導体レーザ装置においては、合成樹脂製の複数の止めねじ２２が気密容器２の底板部２Ｃの下面側から絶縁部材２１を貫通して伝熱プレート７にねじ込まれており、伝熱プレート７は、絶縁部材２１および止めねじ２２を介して絶縁された状態で気密容器２の底板部２Ｃ上に固定されている。

複数の止めねじ２２は、枠状の絶縁部材２１の内周側を貫通しており、絶縁部材２１の上面および下面に装着されるＯリングＯＲ３およびＯリングＯＲ４は、各止めねじ２２と干渉しないように絶縁部材２１の外周側に配置されている。

また、ヒートシンク３の固定片３Ｃ，３Ｃは、スタッドボルトＳＢが貫通するスペーサ２３を介して底板部２Ｃの下面に固定されている。

このような構造を有する第２実施形態の半導体レーザ装置では、気密容器２の底板部２ＣにＯリングＯＲ４を介して密着する枠状の絶縁部材２１と、この絶縁部材２１にＯリングＯＲ３を介して密着する伝熱プレート７とによって気密容器２の底板部２Ｃの開口２Ｄが気密に塞がれているため、気密容器２内に収容された半導体レーザ４は、気密容器２外の湿気の影響から完全に遮断されて保護される。

同時に半導体レーザ４は、気密容器２の底板部２Ｃと伝熱プレート７との間に介設される絶縁部材２１と、この絶縁部材２１を貫通する合成樹脂製の止めねじ２２と、ヒートシンク３と電子冷却素子５との間に介設される絶縁プレート８とによって気密容器２側の静電気の影響から完全に遮断されて保護される。

従って、第２実施形態の半導体レーザ装置によっても、第１実施形態の半導体レーザ装置と同様の作用効果を奏することができる。

図８〜図１０に示す第３実施形態の半導体レーザ装置は、前述した第１実施形態の半導体レーザ装置における枠状の絶縁部材６および絶縁プレート８を廃止し、その代わりに板状の絶縁部材である絶縁プレート３１を設けたものである。

第３実施形態の半導体レーザ装置においては、気密容器２の底板部２Ｃの下面に突設された複数のスタッドボルトＳＢが合成樹脂製の絶縁プレート３１の周縁部を貫通すると共に、この絶縁プレート３１の周縁部からヒートシンク３の固定片３Ｃ，３Ｃを貫通している。

そして、各スタッドボルトＳＢに螺合するナットＮによって絶縁プレート３１が気密容器２の開口２Ｄを塞いで底板部２Ｃの下面に固定されると共に、ヒートシンク３の本体部３Ａが絶縁プレート３１に固定されている。この固定状態ではヒートシンク３の本体部３Ａの上面が絶縁プレート３１の下面に圧接しており、絶縁プレート３１の上面には、電子冷却素子５、伝熱プレート７および半導体レーザ４が順次接合されている。

ここで、気密容器２の底板部２Ｃの開口２Ｄを気密に塞ぐように、絶縁プレート３１の上面には、底板部２Ｃの下面に密着するＯリングＯＲ５と、電子冷却素子５の下面の放熱面に密着するＯリングＯＲ６とが予め装着されている。

このような構造を有する第３実施形態の半導体レーザ装置では、気密容器２の底板部２ＣにＯリングＯＲ５を介して密着する絶縁プレート３１によって気密容器２の底板部２Ｃの開口２Ｄが気密に塞がれているため、気密容器２内に収容された半導体レーザ４は、気密容器２外の湿気の影響から完全に遮断されて保護される。

同時に半導体レーザ４は、気密容器２の底板部２Ｃに接触する絶縁プレート３１によって気密容器２側の静電気の影響から完全に遮断されて保護される。従って、第３実施形態の半導体レーザ装置によっても、第１実施形態の半導体レーザ装置と同様の作用効果を奏することができる。

図１１に示す第４実施形態の半導体レーザ装置は、前述した第１実施形態の半導体レーザ装置における絶縁部材６をこれに対応する枠板状の絶縁枠板部材４１に変更すると共に、ヒートシンク３の固定片をカギ形の断面形状の固定片３Ｄ，３Ｄとしたものである。

第４実施形態の半導体レーザ装置においては、気密容器２の底板部２Ｃと、底板部２Ｃの上面に重ねられた絶縁枠板部材４１の外周部と、底板部２Ｃの下面に重ねられたヒートシンク３の固定片３Ｄとがその下面側からねじ込まれたボルトＢによって相互に連結固定されている。そして、気密容器２の開口２Ｄ内に配置された伝熱プレート７の外周部と、その上面に臨む絶縁枠板部材４１の内周部とが相互にねじ止めされている。

ここで、気密容器２の底板部２Ｃの開口２Ｄを気密に塞ぐように、絶縁枠板部材４１の外周部の下面には各ボルトＢを囲んで底板部２Ｃの上面に密着する複数のＯリングＯＲ７が予め装着され、伝熱プレート７の外周部の上面にはその外周に沿って絶縁枠板部材４１の内周部の下面に密着するＯリングＯＲ８が予め装着されている。

このような構造を有する第４実施形態の半導体レーザ装置では、気密容器２の底板部２Ｃに複数のＯリングＯＲ７を介して密着する絶縁枠板部材４１と、この絶縁枠板部材４１にＯリングＯＲ８を介して密着する伝熱プレート７とによって気密容器２の底板部２Ｃの開口２Ｄが気密に塞がれているため、気密容器２内に収容された半導体レーザ４は、気密容器２外の湿気の影響から完全に遮断されて保護される。

同時に半導体レーザ４は、気密容器２の底板部２Ｃと伝熱プレート７とを接続する絶縁枠板部材４１と、ヒートシンク３と電子冷却素子５との間に介設される絶縁プレート８とによって気密容器２側の静電気の影響から完全に遮断されて保護される。従って、第４実施形態の半導体レーザ装置によっても、第１実施形態の半導体レーザ装置と同様の作用効果を奏することができる。

本発明に係る半導体レーザ装置は、前述した各実施形態に限定されるものではない。例えば図２に示した第１実施形態の半導体レーザ装置は、図１２に示す構造に変形することができる。

ここで、装置筺体１は、本体部分１Ｆの上部に天板部１Ｇが溶接された構造を備えており、この天板部１Ｇには、図２に示した気密容器２が一体に形成されている。すなわち、図２に示した支持段部１Ｅを段部２Ｅとした気密容器２が一体に形成されている。この変形例においても、その他の構造は図２に示した構造と同様であるため、第１実施形態の半導体レーザ装置と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ装置の外観を示す斜視図である。 図１に示した半導体レーザ装置の上部の内部構造を示すＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図である。 図２に示した半導体レーザおよび伝熱プレートの形状を示す平面図である。 図２に示したヒートシンクの側面図である。 第２実施形態に係る半導体レーザ装置の上部の内部構造を示す図２に対応した縦断面図である。 図５に示した半導体レーザおよび伝熱プレートの形状を示す平面図である。 図５に示したヒートシンクの側面図である。 第３実施形態に係る半導体レーザ装置の上部の内部構造を示す図２に対応した縦断面図である。 図８に示した半導体レーザおよび伝熱プレートの形状を示す平面図である。 図８に示したヒートシンクの側面図である。 第４実施形態に係る半導体レーザ装置の上部の内部構造を示す図２に対応した縦断面図である。 第１実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す図２に対応した縦断面図である。

符号の説明

１ 装置筺体
１Ｂ 天板
１Ｃ 点検蓋
１Ｄ 開口
１Ｅ 支持段部
２ 気密容器
２Ａ 鍔部
２Ｂ 開口プレート
２Ｃ 底板部
２Ｄ 開口
３ ヒートシンク
４ 半導体レーザ
５ 電子冷却素子
６ 絶縁部材
７ 伝熱プレート（伝熱板）
８ 絶縁プレート
９ 冷却ファン
ＯＲ１〜ＯＲ８ Ｏリング

Claims (1)

1. 気密容器内に収容される半導体レーザと、この半導体レーザに添設される電子冷却素子とを備えた半導体レーザ装置であって、
   前記気密容器を収容する装置筺体と、
   前記半導体レーザと前記電子冷却素子との間に配置された伝熱板と、
   前記気密容器の底板部に形成された下部開口において前記電子冷却素子に接続され、前記気密容器を介して前記装置筺体の内部に吊り下げられたヒートシンクと、
   前記底板部に取り付けられ、前記下部開口を気密に塞ぐ絶縁部材と、
   を備え、
   前記装置筺体の天板に形成された上部開口には、点検蓋が着脱自在に設置されており、
   前記気密容器は、前記上部開口に嵌め込まれ、前記気密容器の上面は、前記点検蓋により気密に塞がれることを特徴とする半導体レーザ装置。

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