(57)【要約】      （修正有）【課題】熱による破壊を防止することが可能なＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法を提供する。【解決手段】銅とタングステンとを含む複合材料からなる一端有底筒形構造の筒形素材３０を用意しておき、その筒形素材３０の底壁１２の内面１２Ａを、筒形素材３０内に挿入可能なパンチ４５の加圧用底壁によって冷間で加圧する。加圧用底壁にはパンチ４５の軸方向に延びた複数のピン成形孔が貫通形成されているので、加圧用底壁によって加圧された筒形素材３０の底壁１２の内面１２Ａに複数の放熱用ピン１５が成形される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒壁の一端が底壁にて閉塞された一端有底筒形構造をなし、前記底壁の外面には、レーザー媒質としてのＹＡＧ結晶が固定されるＹＡＧ結晶固定部が備えられる一方、前記底壁の内面に複数の放熱ピンが備えられ、前記筒壁の開放端側から内部に冷却液が供給されることで前記ＹＡＧ結晶を冷却するＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法であって、
銅とタングステンとを含む焼結材料からなる一端有底筒形構造の筒形素材を用意し、
前記筒形素材内に挿入するパンチ端部にその軸方向に延びた複数のピン成形孔を形成しておき、前記筒形素材の前記底壁の内面を前記パンチで加圧することで、前記ピン成形孔により前記放熱用ピンを成形することを特徴とするＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法。
【請求項２】
前記放熱用ピンの直径は０．３〜０．４［ｍｍ］であり、
前記複合材料は、銅が２０〜３０質量％、タングステンが７０〜８０質量％であることを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法。
【請求項３】
前記パンチで前記放熱用ピンを成形する前に、ダイに形成された成形孔に前記筒形素材を挿入すると共に、そのダイには前記成形孔の奥面中央から突出して先端が円錐台形状になった円錐台突部を設けておき、前記パンチで前記放熱用ピンを成形する過程で、前記筒形素材の前記底壁のうち前記パンチと前記円錐台突部との間に挟まれた部分を塑性流動させることで、前記底壁の外面における前記放熱ピン群の反対位置に凹部を形成しかつその凹部の周りに環状突部を形成し、
前記放熱用ピンの成形後に、前記環状突部を除去する事で前記筒形素材の前記底壁の外面を平坦に加工することを特徴とする請求項１又は２に記載のＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒壁の一端が底壁にて閉塞された一端有底筒形構造をなし、底壁の外面にＹＡＧ結晶が固定され、筒壁の開放端側から内部に冷却液が供給されてＹＡＧ結晶を冷却するＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のＹＡＧレーザー用ヒートシンクとしては、底壁の内面に複数の放熱用ピンを設けて冷却効率を高めたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１４２２４２号公報（段落［００４７］〜［００５１］、第５図、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
放熱用ピンを形成する方法としては、一般的に切削加工が考えられるが、筒壁と底壁とを一体に備えた一端有底筒形構造の筒形素材の内面を切削加工することが困難であった。そのため、従来のＹＡＧレーザー用ヒートシンクは、筒壁と底壁とを別部品で構成しておき、底壁に放熱用ピンを切削加工にて形成した後で、それら底壁と筒壁とをろう付していた。ところが、近年のＹＡＧレーザーの高出力化に伴い、ＹＡＧ結晶の発熱量も大きくなる傾向にあり、その熱でろう付け部分が溶融してヒートシンクが破壊される虞があった。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱による破壊を防止することが可能なＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係るＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法は、筒壁の一端が底壁にて閉塞された一端有底筒形構造をなし、底壁の外面には、レーザー媒質としてのＹＡＧ結晶が固定されるＹＡＧ結晶固定部が備えられる一方、底壁の内面には、複数の放熱ピンが備えられ、筒壁の開放端側から内部に冷却液が供給されてＹＡＧ結晶を冷却するＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法であって、銅とタングステンとを含む複合材料からなる一端有底筒形構造の筒形素材を用意し、筒形素材内に挿入可能なパンチにその軸方向に延びた複数のピン成形孔を形成しておき、筒形素材の底壁の内面をパンチで加圧して、ピン成形孔により放熱用ピンを成形するところに特徴を有する。ここで、「ＹＡＧ」とは、「Yttrium Aluminium Garnet（イットリウムアルミニウムガーネット）」の略である。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法において、放熱用ピンの直径は０．３〜０．４［ｍｍ］であり、焼結材料は、銅が２０〜３０質量％、タングステンが７０〜８０質量％であるところに特徴を有する。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法において、パンチで放熱用ピンを成形する前に、ダイに形成された成形孔に筒形素材を挿入すると共に、そのダイには成形孔の奥面中央から突出して先端が円錐台形状になった円錐台突部を設けておき、パンチで放熱用ピンを成形する過程で、筒形素材の底壁のうちパンチと円錐台突部との間に挟まれた部分を塑性流動させることで、底壁の外面における放熱ピン群の反対位置に凹部を形成しかつその凹部の周りに環状突部を形成し、放熱用ピンの成形後に、環状突部を除去する事で筒形素材の底壁の外面を平坦に加工するところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００８】
［請求項１及び２の発明］
上記のように構成した請求項１のＹＡＧレーザー用ヒートシンクの製造方法は、銅とタングステンとを含む焼結材料からなる一端有底筒形構造の筒形素材を用意しておき、その筒形素材の底壁の内面を、筒形素材内に挿入可能なパンチによって加圧する。パンチにはその軸方向に延びた複数のピン成形孔が形成されているので、パンチで加圧された筒形素材の底壁の内面に、複数の放熱用ピンが成形される。つまり、従来はＹＡＧレーザー用ヒートシンクの底壁と筒壁とをろう付けしていたのに対し、本発明では、底壁と筒壁とが一体構造になった筒形素材の底壁に冷間鍛造によって放熱用ピンを成形するから、ＹＡＧレーザー用ヒートシンクを一体構造にすることができ、従来のようなロウ付け破壊を防止することができる。これにより、冷却水の漏れを確実に防ぐと共に、コストを抑えることができる。さらに、冷間鍛造を行うことでＹＡＧレーザー用ヒートシンクの強度を向上させることができる。
【０００９】
レーザー発振時にはＹＡＧ結晶が発熱するため、これに伴いＹＡＧレーザー用ヒートシンクの温度も上昇する。ここで、ＹＡＧ結晶とＹＡＧレーザー用ヒートシンクの熱膨張率が大きく異なると、ＹＡＧ結晶の歪み、割れ、剥がれ等が生じ得る。これに対し、請求項２の発明のように、焼結材料における銅を２０〜３０質量％、タングステンを７０〜８０質量％とすれば、比較的高い熱伝導率を維持しつつ、ＹＡＧレーザー用ヒートシンクの熱膨張率をＹＡＧ結晶の熱膨張率に近づけることができ、上述したＹＡＧ結晶の不具合を防ぐことができる。
【００１０】
［請求項３の発明］
請求項３の発明によれば、パンチで放熱用ピンを成形する前に、筒形素材をダイに形成された成形孔に挿入しておき、筒形素材に挿入されたパンチによって、底壁の内面を加圧する。ここで、ダイの成形孔には、その奥面中央から突出して先端が円錐台形状になった円錐台突部が設けられており、パンチで放熱用ピンを成形するときの加圧力を円錐台突部にて受ける。そして、パンチで放熱用ピンを成形する過程で、筒形素材の底壁のうちパンチと円錐台突部との間に挟まれた部分を塑性流動させることで、底壁の外面における放熱ピン群の反対位置に凹部が形成されかつその凹部の周りに環状突部が形成される。つまり、放熱用ピンを、所謂、「分流鍛造法」によって冷間鍛造する。放熱ピン群を、分流鍛造法によって冷間鍛造することで、直径０．３〜０．４ｍｍという微細な放熱用ピンを成形することが可能となり、塑性流動性の低い素材（例えば、タングステンを含む焼結材）に対しても放熱用ピンを成形することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図４に基づいてＹＡＧレーザー発振器１０に備えたＹＡＧレーザー用ヒートシンク１１（以下、単に「ヒートシンク１１」という）について説明する。図１（Ａ）に示すように、ＹＡＧレーザー発振器１０は、ヒートシンク１１とＹＡＧチップ２０（本発明の「ＹＡＧ結晶」に相当する）とを一体に備えた構造をなしている。
【００１２】
ＹＡＧチップ２０は、薄板形状をなしている。ＹＡＧチップ２０は、レーザー発光元素を含む円板状のドープＹＡＧ２１が中央部に配置され、その周囲がレーザー発光元素を含まないアンドープＹＡＧ２２で囲まれた構造をなしている。また、ＹＡＧチップ２０のうち、ヒートシンク１１に対する固着面には、レーザー光を全反射する金属反射膜が形成されている。
【００１３】
ヒートシンク１１は、銅とタングステンとを含む焼結材料（詳細には、銅が２０〜３０質量％、タングステンが７０〜８０質量％）で構成されており、一端有底の円筒形構造をなしている。ヒートシンク１１のうち、筒壁１３の開放端１３Ａ側には、側方に張り出したフランジ１３Ｆが形成されており、そのフランジ１３Ｆには、図示しない取付ネジ用の螺旋孔１３Ｂが複数形成されている。ヒートシンク１１のうち、筒壁１３の内周面には、抜き勾配が設けられており、底壁１２の内面１２Ａから筒壁１３の開放端１３Ａに向かうに従って内径が僅かに拡径している。さらに、ヒートシンク１１の底壁１２の外面１２Ｂ（本発明の「ＹＡＧ結晶固定部」に相当する）は、ヒートシンク１１の軸方向と直交した平滑面となっている。
【００１４】
そして、ヒートシンク１１の底壁１２の外面１２Ｂには、ＹＡＧチップ２０が固着されている。
【００１５】
ヒートシンク１１の内側には、冷却水を供給するための供給管１４が遊嵌されている。供給管１４はヒートシンク１１と同軸上に配置され、先端部が底壁１２の内面１２Ａの中央に突き合わされている。
【００１６】
ところで、ヒートシンク１１の底壁１２の内面１２Ａには、複数の放熱用ピン１５が起立形成されている。各放熱用ピン１５は円柱状をなしており、底壁１２の内面１２Ａの中心部分と外周寄り部分とを除く略全体に分散配置されている（図２参照）。各放熱用ピン１５は、例えば、直径Ｄ１が０．４［ｍｍ］、高さＨ１が１．０［ｍｍ］となっている（図１（Ｂ）参照）。なお、放熱用ピン１５の直径Ｄ１は０．３〜０．４［ｍｍ］の範囲で、高さＨ１は０．３〜１．０［ｍｍ］の範囲で適宜変更してもよい。なお、図１及び図３では、説明の便宜のため、放熱用ピン１５の高さがヒートシンク１１における実際の寸法比よりも大きくして示されている。
【００１７】
以上がＹＡＧレーザー発振器１０及びヒートシンク１１に関する説明であり、次に作用について説明する。ＹＡＧレーザー発振器１０の励起光源（図示せず）は、ＹＡＧレーザー発振器１０の側方に配置されており、ＹＡＧチップ２０（アンドープＹＡＧ２２）の側面から入射した光は、ドープＹＡＧ２１に到達する。すると、ドープＹＡＧ２１からヒートシンク１１とは反対側に向かってレーザー光が発射される。レーザー光を発射する際にＹＡＧチップ２０は発熱するが、ヒートシンク１１によって冷却される。
【００１８】
即ち、供給管１４によってヒートシンク１１の内側に供給された冷却水は、図１（Ａ）の二点鎖線矢印に示したように、隣り合った放熱用ピン１５，１５同士の間に形成された狭小な流路を通過して、底壁１２の内面１２Ａの中心部から外周方向に向かい、ヒートシンク１１の筒壁１３の内周面と供給管１４の外周面との間を通って、ヒートシンク１１の外部に排出される。そして、ヒートシンク１１の底壁１２の内面１２Ａに複数の放熱用ピン１５を形成したことで、放熱用ピン１５を有しないものに比べて冷却水との接触面積が大きくなり、ＹＡＧチップ２０を効果的に冷却することができる。また、ヒートシンク１１の筒壁１３の内周面がテーパー状をなしており、筒壁１３の内周面と供給管１４の外周面との間の隙間が、ヒートシンク１１の開放端１３Ａに向かって広くなっているので、スムーズに冷却水を排出することができる。
【００１９】
次に、本実施形態のヒートシンク１１の製造方法を図３に基づいて説明する。まず、銅とタングステンとを前記した比率で含む複合材料からなり、筒壁１３と底壁１２とを一体に備えた一端有底の円筒形構造をなした筒形素材３０（図４（Ａ）参照）を用意する。筒形素材３０は、例えば、銅とタングステンの粉末を混合して金型に充填し一端有底の円筒形構造に成形して焼結したもの、或いは、タングステン粉末を金型に充填し一端有底の円筒形構造に成形して焼結し、その焼結体の空隙に溶かした銅を浸透（溶浸）させたものがよい。なお、用意する筒形素材３０の筒壁１３の内周面には、次の冷間鍛造工程に備えて、予め抜き勾配を形成しておくことが好ましい。
【００２０】
次いで、冷間鍛造工程により底壁１２の内面１２Ａに放熱用ピン群１５，１５，・・・を形成する。即ち、筒形素材３０に対して潤滑処理を施してから、図３（Ｂ）に示すように、筒形素材３０をダイ４０に設けられた成形孔４１に挿入する。このとき、成形孔４１の奥部には先端部が成形孔４１の奥面中央から突出しかつ円錐台形状をなしたノックアウトパンチ４２（本発明の「円錐台形状突部」に相当する）が待機しており、そのノックアウトパンチ４２の先端面に筒形素材３０の底壁１２のうち外面１２Ｂの中央部が当接する。この状態で、成形孔４１の上方からパンチ４５を降下させて筒形素材３０の筒壁１３内へと挿入する。
【００２１】
ここで、図３（Ａ）に示すように、パンチ４５は、一端有底筒形のパンチ本体４５Ａと、パンチ本体４５Ａの中空部分に嵌合された軸状コア４５Ｂとからなる。パンチ本体４５Ａは、筒形素材３０内に挿入可能な加圧用円筒体４６の下端を加圧用底壁４７で閉塞してなり、その加圧用底壁４７には、パンチ４５の軸方向に延びた複数のピン成形孔４８が貫通形成されている。なお、ピン成形孔４８は、例えば、直径０．４［ｍｍ］の円形である。一方、軸状コア４５Ｂは、中実の円柱形をなしパンチ本体４５Ａの加圧用円筒体４６に挿入嵌合されかつ加圧用底壁４７の内面に突き当てられている。
【００２２】
筒形素材３０の底壁１２の内面１２Ａを、パンチ４５の加圧用底壁４７によって加圧すると、筒形素材３０の底壁１２のうち、パンチ４５とノックアウト４２とで挟まれた部分が塑性変形することにより、底壁１２の内面１２Ａに放熱用ピン群１５，１５，・・・が起立形成される（図４（Ｃ）参照）。また、放熱用ピン群１５，１５，・・・が成形される過程で、底壁１２のうちパンチ４５とノックアウトパンチ４２とで挟まれた部分が、前方（成形孔４１の奥側）に押し出されるように塑性流動することで、底壁１２の外面１２Ｂの中央に凹部３１が形成され、その周囲に環状突部３２が形成される。つまり、放熱用ピン群１５，１５，・・・を、所謂、「分流鍛造法」によって冷間鍛造する。放熱用ピン１５を「分流鍛造法」によって冷間鍛造することにより、直径０．４［ｍｍ］の微細な放熱用ピン１５を、塑性流動性の低いタングステンを含む複合材料（具体的には、タングステンを含む焼結材）に対しても成形することが可能になる。放熱用ピン群１５，１５，・・・の成形が完了したら、ノックアウトパンチ４２を直動させて、筒形素材３０をダイ４０の成形孔４１から押し出す。
【００２３】
ここで、パンチ４５のピン成形孔４８に筒形素材３０の底壁１２の一部を塑性流動させて放熱用ピン１５を成形する場合には、ピン成形孔４８内の空気をパンチ４５の外部に逃がす必要がある。そのためには、例えば、図３（Ｂ）に示すパンチ１４５のように、一端有底筒形の中空構造をなし加圧用底壁４７に複数のピン成形孔４８が貫通形成されたもの（パンチ本体４５と同一構造のもの）や、図３（Ｃ）に示すパンチ２４５のように、中実の円柱体２４５Ａの軸方向に複数のピン成形孔４８が貫通したレンコン構造のものが考えられる。しかしながら、これら中空構造やレンコン構造のものでは、加圧用底壁４７が筒形素材３０から受ける加圧反力に屈してドーム状に変形したり、ピン成形孔４８が座屈するという問題が起こり得る。これに対し、図３（Ａ）に示すパンチ４５のように、一端有底筒形のパンチ本体４５Ａの内側に軸状コア４５Ｂを挿入嵌合したものでは、ピン成形孔４８内の空気を軸状コア４５Ｂとパンチ本体４５Ａとの間の隙間から逃がすことができかつ、加圧用底壁４７が軸状コア４５Ｂにて補強されるので上述した問題も解消することができる。以上が、冷間鍛造工程の説明である。
【００２４】
冷間鍛造工程に次いで、筒形素材３０の底壁１２の外面１２Ｂに形成された環状突部３２を除去して底壁１２の外面１２Ｂを平滑面にすると共に、筒壁１３の外周面を切削して薄肉にすることで、フランジ１３Ｆを形成する（本発明の「追加工工程」に相当する、図４（Ｄ）参照）。以上でヒートシンク１１が完成する。そして、ヒートシンク１１の底壁１２の外面１２ＢにＹＡＧチップ２０を固着させれば、ＹＡＧレーザー発振器１０が完成である。
【００２５】
このように、本実施形態のヒートシンク１１の製造方法では、銅とタングステンとを含む筒形素材３０の底壁１２の内面１２Ａを、筒形素材３０内に挿入可能なパンチ４５の加圧用底壁４７によって加圧する。加圧用底壁４７には、軸方向に延びた複数のピン成形孔４８が貫通形成されており、加圧用底壁４７によって加圧された筒形素材３０の底壁１２の内面１２Ａに、複数の放熱用ピン１５が成形される（冷間鍛造工程）。このように、本実施形態によれば、筒形素材３０の底壁１２の内面に冷間鍛造によって放熱用ピン群１５，１５，・・・が成形されるので、ヒートシンク１１の熱による破壊を防止することができる。また、従来のように筒壁と底壁とをろう付けしていないので、冷却水の漏れを確実に防ぐと共に、コストを抑えることができる。さらに、冷間鍛造を行うことでヒートシンク１１自体の強度を向上させることができる。
【００２６】
また、放熱用ピン１５を、所謂、「分流鍛造法」によって冷間鍛造するので、直径０．４［ｍｍ］という微細な放熱用ピン１５を、塑性流動性の低いタングステンを含む複合材料に対しても成形することが可能になる。
【００２７】
また、ヒートシンク１１（筒形素材３０）を構成する複合材料において、熱伝導性に優れる銅を２０〜３０質量％、熱膨張率の低いタングステンを７０〜８０質量％としたので、比較的高い熱伝導率を維持しつつ、ヒートシンク１１の熱膨張率をＹＡＧチップ２０の熱膨張率に近づけることができ、ＹＡＧチップ２０の歪み、割れ、剥がれ等の不具合を防ぐことができる。
【００２８】
また、筒形素材３０の筒壁１３の内周面に抜き勾配が形成され、底壁１２の内面１２Ａから筒壁１３の開放端１３Ａに向かうに従って拡径したテーパー状になっているので、冷間鍛造工程において、パンチ４５を筒形素材３０に挿抜する際の、筒壁１３の内周面とパンチ４５の外周面との間の摩擦を抑え、パンチ４５を筒形素材３０から垂直方向に抜き易くすることができる。また、抜くときの摩擦によって、成形された放熱用ピン１５に垂直方向以外の力がかからないようにすることができる。
【００２９】
［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００３０】
（１）前記実施形態では、パンチ４５をピン成形孔４８を備えたパンチ本体４５Ａとパンチ本体４５Ａに挿入嵌合された軸状コア４５Ｂとから構成していたが、パンチの材質と筒形素材３０の材質の組み合わせによっては、図３（Ｂ）に示す中空構造又は図３（Ｃ）に示すレンコン構造にしてもよい。
【００３１】
（２）前記実施形態では、追加工工程において、筒壁１３の外周面を切削してフランジ１３Ｆを形成していたが、フランジ１３Ｆを形成せずに、底壁１２の外面１２Ｂを平滑面にするだけでもよい。又は、放熱用ピン群を成形するための冷間鍛造工程を行う前に予め、筒形素材３０にフランジ１３Ｆを形成しておいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る（Ａ）ＹＡＧレーザー発振器の断面図、（Ｂ）放熱用ピンの拡大図
【図２】放熱用ピン群の平面図
【図３】（Ａ）パンチの断面図、（Ｂ）変形例に係るパンチの断面図、（Ｃ）変形例に係るパンチの断面図
【図４】（Ａ）筒形素材の断面図、（Ｂ）冷間鍛造工程を説明する図、（Ｃ）放熱用ピンが形成された状態の筒形素材の断面図、（Ｄ）追加工工程を説明する図
【符号の説明】
【００３３】
１０    レーザー発振器
１１    ヒートシンク（ＹＡＧレーザー用ヒートシンク）
１２    底壁
１２Ａ    底壁の内面
１２Ｂ    底壁の外面（ＹＡＧ結晶固定部）
１３    筒壁
１５    放熱用ピン
２０    ＹＡＧチップ（ＹＡＧ結晶）
３０    筒形素材
３１    凹部
３２    環状突部
４０    ダイ
４１    成形孔
４２    ノックアウトパンチ（円錐台形突部）
４５    パンチ
４８    ピン成形孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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