JP6809101B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザを用いた光源装置に関する。

半導体レーザを用いた光源装置では、半導体レーザの高出力化が図られている。これに伴い、半導体レーザの発熱量が増えて高温になり、半導体レーザの寿命が短くなる問題が生じている。これに対処するため、冷却流体がその内部に流れるヒートシンクの上面に半導体レーザが固定されたレーザモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２３５５６７号公報

特許文献１に記載のレーザモジュールでは、ヒートシンクの内部に冷却流体が流れる流路を有し、これにより、ヒートシンクの上面に固定された半導体レーザを効果的に冷却することができる。しかし、流路スペースを確保するためにヒートシンクの上面が他の基板面よりも上方に位置していることに加え、その上面に半導体レーザが固定されており、更に半導体レーザの上面の電極にワイヤを接続する必要があるため、高さ方向でかなりの寸法を要する。
よって、半導体レーザがレーザモジュールの内部に効率良く配置されているとは言えず、レーザモジュールの高さ方向の寸法を小さくすることは困難であり、レーザモジュールの小型化にはおのずと限界がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高出力の半導体レーザを備えた場合であっても効果的に冷却が可能であって、かつ効率的な機器配置により小型化が可能な光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光源装置は、
上方に向かって隆起した隆起部を有し、前記隆起部に対応する領域において下方に向かって開口し冷却流体が流れる凹空間を有する基材と、
前記隆起部の頂面に取り付けられ、前記頂面から側方へ伸び、前記頂面と垂直をなす方向よりも前記頂面と平行をなす方向に高い熱伝導性を有する異方性熱伝導材料からなるベースプレートと、
前記ベースプレートの下面における前記隆起部から離れた領域に取り付けられた半導体レーザと、を備える。

上記の態様によれば、高出力の半導体レーザを備えた場合であっても効果的に冷却が可能であって、かつ効率的な機器配置により小型化が可能な光源装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る光源装置を模式的に示す側面断面図である。 本発明の実施形態に係る光源装置において、ベースプレート及び半導体レーザの配置に関する変形例を示す側面断面図（斜視図）である。 本発明の実施形態に係る光源装置において、半導体レーザの配線に関する１つの例を模式的に示す図であって、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は、半導体レーザを備えたベースプレートを示す（ａ）における矢視Ａ−Ａ平面図である。 本発明の実施形態に係る光源装置において、半導体レーザの配線に関するその他の例を模式的に示す図であって、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は、半導体レーザを備えたベースプレートを示す（ａ）における矢視Ｂ−Ｂ平面図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［本発明の１つの実施形態に係る光源装置］
はじめに、図１を参照しながら、本発明の１つの実施形態に係る光源装置５０の説明を行う。ここで図１は、光源装置５０を模式的に示す側面断面図である。図１では、水平な面に光源装置５０が載置されている場合を示す。

図１において、光源装置５０は、上方に向かって隆起した隆起部４を有し、隆起部４に対応する領域において下方に向かって開口し冷却流体が流れる凹空間６を有する基材２を備える。基材２は、隆起部４が設けられた底部２Ａと、底部２Ａの周囲を囲む側壁部２Ｂと、を有する。更に、底部２Ａ及び側壁部２Ｂで形成された空間を覆う蓋材８を備える。

基材２の下側には、基礎フレーム４０が備えられている。基礎フレーム４０には、仕切りプレート１２により仕切られた冷却流体の流路１４が設けられており、流路１４が隆起部４に設けられた凹空間６に対応する位置に配置されている。流路１４の周囲には、シール部材用の溝１６Ａが設けられており、この溝１６Ａにシール部材１６が挿入されている。つまり、基材２の下面の凹空間６の周囲には、シール部材１６が接触しており、これにより、流路１４内を流れる冷却流体が、基材２の底面及び基礎フレーム４０の上面の間から外部へ漏れるのを防いでいる。

シール部材１６を用いることにより、凹空間６の内部に冷却流体を確実に流すことができるとともに、メンテナンス性を向上させることができる。なお、シール部材１６としては、ゴム材料等の弾性材料から形成されたＯリングやパッキンを例示することができる。

本実施形態に係る光源装置５０では、冷却流体が基材２の下面側を流れるので、冷却流体が基材２の上面側に漏れて、短絡等により半導体レーザ２０を損傷させる虞がない。なお、図１では、冷却流体の流路１４を明確に示すため、基礎フレーム４０がある程度厚みのある形状で示してあるが、実際には、より薄く形成することができる。

仕切りプレート１２は、隆起部４に設けられた凹空間６の中にまで配置され、冷却流体は、図１の太矢印に示すように流れる。流路１４は、冷却流体の冷却装置が接続されており、これにより隆起部４を十分に冷却することができる。冷却効果を考えると、隆起部４を有する基材２は、銅やアルミニウムをはじめとする金属材料で形成されるのが好ましい。
また、冷却流体として水を例示することができるが、これに限られず、例えば、冷却流体としてアルコール等を用いて、気化熱を用いた冷却を行うこともできる。

隆起部４の頂面４Ａには、ベースプレート１０が頂面４Ａから側方（図面で右側）へ伸びるように取り付けられている。ベースプレート１０は、隆起部４の頂面４Ａと垂直をなす方向よりも頂面４Ａと平行をなす方向に高い熱伝導性を有する異方性熱伝導材料から形成されている。
ここで異方性熱伝導材料として、グラファイトや、グラファイトと銅やアルミニウムといった金属材料との複合材料を例示することができる。異方性熱伝導材料では、金属中においてグラファイト粒子の配向方向を整列させることにより、配向方向に沿って、銅や銀よりも高い熱伝導率を得ることができる。

隆起部４の頂面４Ａから側方（図面で右側）へ伸びたベースプレート１０の下面１０Ａにおいて、隆起部４から離れた領域に半導体レーザ２０が取り付けられている。なお、図１に示す実施形態では、ベースプレート１０の先端領域に半導体レーザ２０が取り付けられている。

半導体レーザ２０の発光面側の側壁部２Ｂには、透光性部材で形成された窓部４２が配置されている。これにより、半導体レーザ２０から出射された光は、窓部４２を介して光源装置５０の外部へ出力される。

以上のように、半導体レーザ２０は、基材２の底部２Ａ、底部２Ａの周囲を囲む側壁部２Ｂ、及びそれを覆う蓋材８により形成された密封空間に配置されているので、外部環境の影響を受けにくく、半導体レーザ２０の長寿命化が期待できる。
また、ベースプレート１０が頂面４Ａと平行をなす方向（つまり水平方向）に高い熱伝導性を有し、かつ半導体レーザ２０は、ベースプレート１０が隆起部４の頂面４Ａと接触する下面側に取り付けられているので、半導体レーザ２０で生じた熱を、水平方向の熱伝導により、冷却流体で冷却された隆起部４へ高い熱効率で流すことができる。よって、高出力の半導体レーザを備えた場合であっても効果的に冷却が可能であり、半導体レーザの長寿命化が図れる。

特に、本実施形態では、ベースプレート１０が、隆起部４の頂面４Ａの全面に接触している。これにより、ベースプレート１０は大きな冷却面積を確保することができるので、半導体レーザ２０をより効果的に冷却することができる。

更に、本実施形態では、ベースプレート１０が、基材２の底部２Ａから上側に隆起した隆起部４の頂面４Ａに取り付けられており、半導体レーザ２０が、そのベースプレート１０の下面１０Ａに取り付けられている。よって、隆起部４が隆起した空間を、半導体レーザ２０及びその配線のためのスペースとして有効に利用することができる。図３及び図４を参照しながら後述するように、半導体レーザ２０の上面（図１では下側）のＰ電極にワイヤを設ける必要があるが、そのためのスペースを、隆起部４が隆起した空間で確保することができる。

よって、半導体レーザ２０を、光源装置５０の内部空間に効率良く配置することができるとともに、ベースプレート１０の上側に半導体レーザ２０及びそのワイヤのためのスペースを要しないので、光源装置５０の高さ方向の寸法を小さくすることができる。
以上のように、本実施形態に係る光源装置５０では、高出力の半導体レーザ２０を備えた場合であっても効果的に冷却が可能であって、かつ効率的な機器配置により小型化が可能である。

なお、通常、半導体レーザ２０の発光試験を行うとき、蓋材８を取り外して行うが、半導体レーザ２０がベースプレート１０の下側に配置されているので、ベースプレート１０による遮光効果により、更なる遮光手段を用いずに発光試験を行うことができる。

＜ベースプレート及び半導体レーザの配置の変形例＞
次に、図２を参照しながら、ベースプレート及び半導体レーザの配置に関する変形例の説明を行う。ここで図２は、本発明の実施形態に係る光源装置において、ベースプレート及び半導体レーザの配置に関する変形例を示す側面断面図（斜視図）である。

図１に示す実施形態では、ベースプレート１０の先端領域に半導体レーザ２０が取り付けられているが、これに限られるものではない。半導体レーザ２０は、少なくとも隆起部４から離れた領域に配置されていればよく、半導体レーザ２０からの出射光がサブマウント２２及びベースプレート１０によって遮蔽されない位置に、すなわち図２に示すように、ベースプレート１０の先端から少し離れた領域に配置されている場合もあり得る。なお、本実施形態では、半導体レーザ２０は、絶縁層から形成されたサブマウント２２を介してベースプレート１０に取り付けられている。

図１に示す実施形態では、ベースプレート１０が、隆起部４の頂面４Ａの全面に接触しているが、これに限られるものではなく、用途や配置によっては、ベースプレート１０が、隆起部４の頂面４Ａの一部の領域に接触している場合もあり得る。

更に、図１に示す実施形態では、隆起部４の頂面４Ａの裏面側において、ベースプレート１０が伸びる方向（図面で左右方向）に冷却流体を流しているが、これに限られるものではなく、図２の太矢印に示すように、凹空間６の断面と直交する方向（図面と垂直な方向）に冷却流体を流すこともできる。

（光源装置における半導体レーザの配線）
次に、図３及び図４を参照しながら、光源装置における半導体レーザの配線に関する説明を行う。ここで、図３は、本発明の実施形態に係る光源装置において、半導体レーザの配線に関する１つの例を模式的に示す図であって、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における矢視Ａ−Ａ平面図であり半導体レーザを備えたベースプレートを示す。図４は、半導体レーザの配線に関するその他の例を模式的に示す図であって、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における矢視Ｂ−Ｂ平面図であり、半導体レーザを備えたベースプレートを示す。なお、図３及び図４では、基材２より下側に配置された部材の記載は省略されている。

＜半導体レーザの配線に関する１つの例＞
図３に示す光源装置５０は、上記の実施形態と同様に、上方に向かって隆起した隆起部４を有し、隆起部４に対応する領域において下方に向かって開口し冷却流体が流れる凹空間６を有する基材２と、隆起部４の頂面４Ａに取り付けられ、頂面４Ａから側方へ伸びるベースプレート１０と、ベースプレート１０の下面における隆起部４から離れた領域に取り付けられた半導体レーザ２０とを備える。また、基材２は、隆起部４が設けられた底部２Ａと、底部２Ａの周囲を囲む側壁部２Ｂと、底部２Ａ及び側壁部２Ｂで形成された空間を覆う蓋材８を備える。

ベースプレート１０は、水平方向に高い熱伝導率を有する異方性熱伝導材料から構成されるので、ベースプレート１０は、水平方向に高い電気伝導率を有する。そこで、図３に示す配線例では、ベースプレート１０が、半導体レーザ２０のＮ電極側の導通の役割（リードピンの役割）を果たしている。つまり、半導体レーザ２０は、サブマウント等を介さず、図面右側に示すベースプレート１０上に直接載置され、半導体レーザ２０の底面側のＮ電極２０Ｂ及びベースプレート１０が電気的に繋がっている。

そして、ベースプレート１０は、隆起部４を越えて、半導体レーザ２０が取り付けられた側と反対側に伸びており、図面左側に示す端部は、側壁部２Ｂの開口を越えて外部まで伸びている。外部まで伸びたベースプレート１０の端部は、外部配線の負極側と電気的に繋がっている。
これにより、ベースプレート１０を介して、半導体レーザ２０のＮ電極２０Ｂと外部配線の負極側とが電気的に繋がっている。

ベースプレート１０の表面には、絶縁体膜３２を介して、配線として機能するＰ側パッド３０Ａが形成されている。Ｐ側パッド３０ＡはＬ字形の平面形状を有し、図面右側の端部近傍において、Ｐ側パッド３０Ａは、Ｐ側ワイヤ２４Ａにより、半導体レーザ２０の上面側に配置されたＰ電極２０Ａと電気的に繋がっている。窓部４２に対向して複数の半導体レーザが並んで設置されている場合には、それぞれの半導体レーザにＰ側ワイヤ２４Ａが接続し、Ｐ側パッド３０Ａに電気的に繋げることができる。複数の半導体レーザが並んで設置されている場合は、具体的には個々の半導体レーザがベースプレートに設置されていてもよいし、同一の基板上に複数の半導体レーザが搭載された１つのレーザバーがベースプレートに設置されていてもよい。Ｐ側パッド３０Ａの図面左側に示す端部は、側壁部２Ｂの開口を越えて外部まで伸びている。外部まで伸びたＰ側パッド３０Ａの端部は、外部配線の正極側と電気的に繋がっている。
これにより、半導体レーザ２０のＰ電極２０Ａは、Ｐ側パッド３０Ａ及びＰ側ワイヤ２４Ａを介して、外部配線の正極側に電気的に繋がっている。なお、ベースプレート１０のうち、隆起部４の頂面と接する部分は、絶縁体膜３２とＰ側パッド３０Ａとが設けられていない部分であることが、半導体レーザの冷却の点で好ましい。

以上のような配線により、半導体レーザ２０のＰ電極２０Ａ及びＮ電極２０Ｂは、それぞれ外部配線と電気的に繋がっている。なお、図３に示すように、Ｐ側パッド３０Ａが備えられたベースプレート１０は、側壁部２Ｂの開口において、封止材１８によりシールされており、半導体レーザ２０は気密な空間に配置されている。

図３に示す配線例では、Ｐ側ワイヤ２４Ａは、１８０度湾曲させるため、ある程度の高さ寸法を要するが、半導体レーザ２０がベースプレート１０の下面側に取り付けられているので、隆起部４によるスペースを有効利用することができ、光源装置５０の高さ方向の寸法を抑制できる。よって、ベースプレート１０が、半導体レーザ２０の冷却だけでなく、半導体レーザ２０の電極２０Ａ、２０Ｂと電気的に繋がったリードの機能も果たすので、ベースプレート１０を有効活用して、光源装置５０内の効率的な配置が図れる。

＜半導体レーザの配線に関するその他の例＞
次に、図４に示す半導体レーザの配線に関するその他の例の説明を行う。光源装置５０は、上記の実施形態と同様に、上方に向かって隆起した隆起部４を有し、隆起部４に対応する領域において下方に向かって開口し冷却流体が流れる凹空間６を有する基材２と、隆起部４の頂面４Ａに取り付けられ、頂面４Ａから側方へ伸びるベースプレート１０と、ベースプレート１０の下面における隆起部４から離れた領域に取り付けられた半導体レーザ２０とを備える。また、基材２は、隆起部４が設けられた底部２Ａと、底部２Ａの周囲を囲む側壁部２Ｂと、底部２Ａ及び側壁部２Ｂで形成された空間を覆う蓋材８を備える。

図４に示す配線例では、ベースプレート１０が導通の役割を果たしておらず、半導体レーザ２０は、絶縁体からなるサブマウント２２を介して、ベースプレート１０に取り付けられている。サブマウント２２には、導電層からなるＰ側パッド３４Ａ及びＮ側パッド３４Ｂが設けられている。なお、Ｐ側パッド３４Ａ及びＮ側パッド３４Ｂは、互いに十分絶縁されている。

ベースプレート１０の両側（図４（ｂ）で上下両側）には、導電性材料から構成されたＰ側リードピン３６Ａ及びＮ側リードピン３６Ｂが配置されている。Ｐ側リードピン３６Ａ及びＮ側リードピン３６Ｂは、それぞれ、図面右側の半導体レーザ２０の近傍から、隆起部４を越えて、半導体レーザ２０側と反対側に伸びており、図面左側に示す端部は、側壁部２Ｂの開口を越えて外部まで伸びている。外部まで伸びたＰ側リードピン３６Ａ及びＮ側リードピン３６Ｂは、それぞれ外部配線の正極側及び負極側と電気的に繋がっている。

半導体レーザ２０の上面側のＰ電極２０Ａは、Ｐ側ワイヤ２４Ａにより、Ｐ側パッド３４Ａに電気的に繋がっている。更に、Ｐ側パッド３４Ａは、Ｐ側ワイヤ２６Ａにより、Ｐ側リードピン３６Ａに電気的に繋がっている。これにより、半導体レーザ２０のＰ電極２０Ａは、Ｐ側リードピン３６Ａ、Ｐ側パッド３４Ａ及びＰ側ワイヤ２４Ａ、２６Ａを介して、外部配線の正極側と電気的に繋がっている。また窓部４２に対向して複数の半導体レーザが並んで設置されている場合には、それぞれの半導体レーザにＰ側ワイヤ２４Ａが接続し、Ｐ側パッド３０Ａに電気的に繋げることができる。

半導体レーザ２０は、底面側のＮ電極２０Ｂが、Ｎ側パッド３４Ｂ上に直接載置されて、Ｎ側パッド電極３４Ｂと電気的に繋がっている。更に、Ｎ側パッド３４Ｂは、Ｎ側ワイヤ２６Ｂにより、Ｎ側リードピン３６Ｂに電気的に繋がっている。これにより、半導体レーザ２０のＮ電極２０Ｂは、Ｎ側リードピン３６Ｂ、Ｎ側パッド３４Ｂ及びＮ側ワイヤ２６Ｂを介して、外部配線の負極側と電気的に繋がっている。

以上のような配線により、半導体レーザ２０のＰ電極２０Ａ及びＮ電極２０Ｂは、それぞれ外部配線と電気的に繋がっている。なお、図４に示すように、Ｐ側リードピン３６Ａ及びＮ側リードピン３６Ｂは、側壁部２Ｂの開口において、それぞれ封止材１８によりシールされており、半導体レーザ２０は気密な空間に配置されている。

図４に示す配線例では、ベースプレート１０の両側にＰ側リードピン３６Ａ及びＮ側リードピン３６Ｂが配置されているので、ベースプレート１０を側壁部２Ｂの外側まで伸ばす必要がない。また、リードピン３６Ａ、３６Ｂをベースプレート１０と、ベースプレートの面方向に水平な方向に並んで配置することにより、光源装置５０の高さ方向の寸法を抑えることができる。リードピンの取り出し方向は図４に限定されるものではなく、９０度回転した方向から取り出してもよい。

上記の実施形態では、半導体レーザ２０の上面側にＰ電極を備え、下面側にＮ電極を備えているが、これに限られるものではなく、例えば、半導体レーザ２０の一方の面にＰ電極及びＮ電極を備える場合も有り得る。また、Ｐ電極、Ｎ電極が反転して実装されてもよい。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 基材
２Ａ 底部
２Ｂ 側壁部
４ 隆起部
４Ａ 頂面
６ 凹空間
８ 蓋材
１０ ベースプレート
１０Ａ 下面
１２ 仕切りプレート
１４ 流路
１６ シール部材
１６Ａ 溝
１８ 封止材
２０ 半導体レーザ
２０Ａ Ｐ電極
２０Ｂ Ｎ電極
２２ サブマウント
２４Ａ Ｐ側ワイヤ
２６Ａ Ｐ側ワイヤ
２６Ｂ Ｎ側ワイヤ
３０Ａ Ｐ側パッド
３２ サブマウント
３４Ａ Ｐ側パッド
３４Ｂ Ｎ側パッド
３６Ａ Ｐ側リードピン
３６Ｂ Ｎ側リードピン
４０ 基礎フレーム
４２ 窓部
５０ 光源装置

Claims (6)

1. 水平な面に載置されている状態において、
   上方に向かって隆起した隆起部を有し、前記隆起部に対応する領域において下方に向かって開口し冷却流体が流れるための凹空間を有する基材と、
   前記隆起部の頂面に取り付けられ、前記頂面から側方へ伸び、前記頂面と垂直をなす方向よりも前記頂面と平行をなす方向に高い熱伝導性を有する異方性熱伝導材料からなるベースプレートと、
   前記ベースプレートの下面における前記隆起部から離れた領域に取り付けられた半導体レーザと、を備え、
   前記ベースプレートが、前記半導体レーザの一方の電極と電気的に繋がっており、
   前記ベースプレートの下面に絶縁膜を介して配線電極を有し、前記配線電極は、水平方向において、前記隆起部と前記半導体レーザとの間に設けられており、
   前記半導体レーザの他方の電極と前記配線電極とがワイヤにより電気的に繋がっていることを特徴とする光源装置。
   
2. 前記ベースプレートが、前記隆起部の前記頂面の全面に接触していることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
   
3. 前記基材の下面において、前記凹空間の周囲にシール部材が接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
   
4. 前記基材は、前記隆起部が設けられた底部と、前記底部の周囲を囲む側壁部と、を有し、
   前記底部及び前記側壁部で形成された空間を覆う蓋材を更に備える請求項１から３の何れか１項に記載の光源装置。
   
5. 前記半導体レーザを複数備えることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光源装置。
   
6. 前記ベースプレートが外部配線と電気的に繋がる電極として機能することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光源装置。