(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ素子と、該ペルチェ素子からの熱伝導を促進する伝熱部材と、該ペルチェ素子により温度調整される被温調対象物と、該ペルチェ素子の吸熱または発熱面を該被温調対象物に接触させ両者を相互に弾性的に押圧して接触面方向には互いに拘束することなく固定保持する弾性押圧部と、からなる温度調整装置において、該弾性押圧部は板ばねと該板ばねを該伝熱部材に固定する固定部材からなり、該弾性押圧部を複数箇所に設けたことを特徴とする温度調整装置。
【請求項２】
ペルチェ素子と、該ペルチェ素子からの熱伝導を促進する伝熱部材と、該ペルチェ素子により温度調整される被温調対象物と、該ペルチェ素子の吸熱または発熱面を該被温調対象物に接触させ両者を相互に弾性的に押圧して接触面方向には互いに拘束することなく固定保持する弾性押圧部と、からなる温度調整装置において、該弾性押圧部はつるまきばねと該つるまきばねと被温調対象物を貫通して該伝熱部材に固定する固定部材からなり、該弾性押圧部を複数箇所に設けたことを特徴とする温度調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ素子を用いて温度制御を行う場合のペルチェ素子の固定方法に関し、レーザ機器、光学機器、精密機器、通信機器、家電機器その他における温度制御に広く適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
例えばレーザ機器、光学機器、精密機器、電子機器、通信機器、家電機器等における局部冷却や比較的小規模の冷却、温度制御にペルチェ素子がしばしば利用されている。
【０００３】
具体的な例を挙げると、例えば、波長変換固体レーザ装置に用いられるＫＮｂＯ３等の非線形光学素子は、温度によって位相整合条件が変化するので、常に安定した出力を得るには、非線形光学素子の温度を一定にコントロールする必要がある。またレーザ発振素子の特性の安定化や共振器用ミラーの間隔の安定化等のためにも精密な温度制御が要求される。
【０００４】
ペルチェ素子は、熱電効果を有するＰ型、Ｎ型のペルチェ素子材料を電気及び熱の良導体を介して対にして単位の冷却構体を構成したもので、電流の方向により一端が吸熱、発熱面を形成し、通常、吸熱面を温度制御側のヒートシンクに、発熱面を放熱板に接触固定させて用いられるが、ペルチェ素子とヒートシンクとの接触面及びペルチェ素子と放熱板との接触面は良好な熱接触を保ち、接触面での熱抵抗を極力小さくしなければならない。
従来このペルチェ素子とヒートシンクまたは放熱体とのこれらの接触面は熱伝導性の接着剤で接合固定したり、ねじで締め付けて両者間を押圧固定して熱接触させる方法がよく用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ペルチェ素子を熱伝導性の接着剤で固定する方法では、ペルチェ素子と熱接触体との熱膨張係数の違いにより、そりを生じて局部的に熱接触が不良となったり、ペルチェ素子自体にクラックや破損等の損傷を生じることがあった。
またネジで締め付ける方法では、締め付け具合の調整が難しく、締め付けが緩すぎるとペルチェ素子がずれたり、強過ぎるとペルチェ素子を破壊するおそれがあった。
【０００６】
また、例えば図５のような光学系をペルチェ素子で温度調整する場合、従来の方法（熱伝導性接着剤）ではペルチェ素子とベースの熱膨張係数の違いにより、そりを生じて光学軸がずれてしまったり、共振器長が変化してしまう。
本発明は、上記のような問題点を解消し、ペルチェ素子の固定が安定な温度調整装置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】
上記の目的を達成するため、本発明に係る温度調整装置は、ペルチェ素子と、該ペルチェ素子からの熱伝導を促進する伝熱部材と、該ペルチェ素子により温度調整される被温調対象物と、該ペルチェ素子の吸熱または発熱面を該被温調対象物に接触させ両者を相互に弾性的に押圧して接触面方向には互いに拘束することなく固定保持する弾性押圧部と、からなる温度調整装置において、該弾性押圧部は板ばねと該板ばねを該伝熱部材に固定する固定部材、或いは、つるまきばねと該つるまきばねと被温調対象物を貫通して該伝熱部材に固定する固定部材からなり、該弾性押圧部を複数箇所に設けたことを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の温度調整装置の実施態様について説明する。
図１は、本発明の温度調整装置の基本的実施形態を示し、放熱板となる良熱伝導性の平面基板（ベース）１の上にペルチェ素子２が載置され、さらにペルチェ素子２の上に良熱伝導性平板のヒートシンク３が載置されてペルチェ冷却積層体１−２−３が構成されている。ヒートシンク３の表面は、この積層体を互いに密着させるための弾性押圧部材４ａの一端により押圧され、弾性押圧部材４ａの他端は固定部材４ｂによりベース１に固定されている。この弾性押圧部４により、ペルチェ素子２の吸熱発熱両面はヒートシンク３、ベース１にそれぞれ押圧接触固定させられる。
【０００９】
弾性押圧部材４ａとしては、充分な強度、靱性と弾性係数を持つ板バネが最適であるが、つるまきバネ等も好適である。また両者を併用することも可能である。さらに磁気吸引力も単独に、或いは上記のバネと併用して利用可能である。なお、図１では、４ｂは単なる固定部材として示しているが、弾性力の調節機構を持たせておくことが望ましい。
【００１０】
弾性押圧部４は、図１では１個しか示されていないが、必要に応じて複数個分布して設けることが望ましい。これにより、押圧力の局部的集中を防止し、更に押圧力の２次元分布の均等性を向上することができる。弾性押圧部４は、ヒートシンク３の例えば各側面に沿って、数個程度ずつ設置してもよい。
【００１１】
次にこの発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図２は、本発明の温度調整装置を適用したＬＤ励起波長変換型固体レーザ装置の概略構成図である。図２において、光軸Ｌ上にＬＤ励起波長変換型固体レーザ装置を構成する各光学素子が所定の位置関係に配置されている。２０は励起光源となる半導体レーザ（レーザダイオードチップ、以下ＬＤチップという）、２１はＬＤチップ２０からのレーザ光を固体レーザ媒質に照射するための集光光学系である。２２はＬＤチップ２０からの照射光により基本波レーザ光を誘導放出する固体レーザ媒質であり、例えばＮｄ：ＹＡＧを用いる。固体レーザ媒質２２の入力側には上記基本波レーザ光及びその第二高調波（ＳＨ波）を全反射させるＨＲ高反射コーティング膜２３が形成されている。２４は固体レーザ媒質２２の基本波出力からＳＨ波を発生させるための非線形光学結晶であり、例えばＫＮｂＯ３を用いる。２５は上記の基本波を全反射させ且つＳＨ波を透過させる特性を有する波長選択性ミラーであり、凹面鏡面に上記目的の波長選択性のコーティングが施されている。２６はコリメートされた所定形状のレーザ光出力を得るためのコリメータレンズである。
【００１２】
ＬＤチップ２０から出射されたレーザビームは集光用レンズ２１によって固体レーザ媒質２２に集光照射されて、固体レーザ媒質２２から基本波が誘導放出され、この基本波が波長選択性ミラー２５により反射されて、同じ経路を逆にたどって固体レーザ媒質２２のＨＲ高反射コーティング膜２３で反射されるように構成され、これにより、固体レーザ媒質２２のＨＲ高反射コーティング膜２３と波長選択性ミラー２５との間に基本波に対するレーザ共振器が形成される。そして、固体レーザ媒質２２からの基本波が非線形光学結晶２４で波長変換されて得たＳＨ波のレーザビームが波長選択性ミラー２５を透過し、コリメータレンズ２６によりコリメートされて出射される。
【００１３】
次に本発明の温度調整装置を適用したＬＤ励起波長変換型固体レーザ装置の光学系の温度制御について説明する。３１は、ＬＤ励起波長変換型固体レーザ装置の共通のベースであり、充分な大きさと強度を持った良熱伝導性の滑らかな剛体金属平板で構成される。このベース３１上にペルチェ素子３２（３２Ａ、３２Ｂ）が載置され、さらにペルチェ素子３２上に光学系用のベース３３（３３Ａ、３３Ｂ）が載置されて、ペルチェ素子３２が共通のベース３１と光学系用のベース３３との間に、後述の方式により弾性的に押圧固定され、光学系が温度制御される。なお共通のベース３１と同様に、光学系用のベース３３は、熱伝導の良い滑らかな金属板剛体等によりそれぞれ形成され、一方、ベース３１は放熱板の機能も兼ねている。
【００１４】
ペルチェ素子３２、光学系用のベース３３は、図の如く、比較的小さい左側の部分３２Ａ、３３Ａと、比較大きな右側の部分３２Ｂ、３３Ｂとに分割され、光軸Ｌの方向に多少の間隔をおいて配置されている。左側のベース３３Ａ上にはＬＤチップ２０が配置され、右側のベース３３Ｂ上には他の光学要素等２１ないし２６が配置され、左右のベース３３Ａ、３３Ｂはそれぞれに適した独自温度に制御可能となる。従って、ＬＤチップ２０は、ベース３３Ａを介してペルチェ素子３２Ａにより温度コントロールされており、適切な波長のレーザビーム（例えば波長８６０ｎｍ付近の赤外光）を発生するように、チューニングされている。一方、非線形光学結晶２４は、ベース３３Ｂを介してペルチェ素子３２Ｂに取り付けられて、最も効率のよい波長変換が行われる温度にコントロールされている。
【００１５】
４０は上記光学系におけるペルチェ素子の固定のための弾性押圧部である。ベース３３Ａの側端部が十分な強度と靭性、弾性係数を有する金属板等の板バネ４１の一端により押圧されている。板バネ４１は上向きにふくらんだ形状に構成され、その他端には透孔（図示せず）が設けられ、ベース３１の端部表面に固定された段差付きねじ棒４３の上部のねじ部分がこの透孔に挿入されている。ねじ棒４３は、上部がねじに形成され、下部は比較的径の大きい円柱状に形成されており、中間の段差ストッパー部分に板バネ４１の他端を押し当て、ナット４２を締め付けることにより、板バネ４１の右端部が適宜十分な押圧力でベース３３Ａを下方に押圧し、ペルチェ素子３２をベース３１とベース３３Ａとの間に固定させるように構成されている。押圧力はナット４２とねじにより安定に維持されるとともに、必要に応じて時々調整することも可能である。なお、弾性押圧部４０は、ベース３３Ａの左側端面にのみ図示したが、適宜各端面に分布して設けられ、またベース３３Ｂの箇所にも、同様に必要数分布設置される（図４で詳述する）。
【００１６】
上記構成においては、ペルチェ素子の熱接触面が接着材により接合されていないので、ペルチェ素子と熱接触部材との間は接触面方向には直接には互いに拘束されず、温度変化等によりそりを生じて、熱接触の不良が発生したり、ペルチェ素子に損傷を生じるおそれはない。またネジにより直接締め付ける場合のようにペルチェ素子を破壊するおそれもない。従って、光学系全体としても、所期の性能を安定に保持することができる。
【００１７】
図３の（Ａ）、（Ｂ）は、ペルチェ素子の押圧固定部４０の他の実施形態を示し、（Ａ）図では、図２のねじ棒４３の代わりにねじ棒４４を用い、板バネ４１と共通のベース３１との間に板バネ４１に比べて比較的強いつるまきバネ４５をねじ４４を包囲して設置したものである。これにより、図２と同様の効果を得るとともに、図２の場合よりもナット４２の可動範囲を長くし、押圧力の調整範囲を拡大することができる。
【００１８】
図３の（Ｂ）は、共通のベース３１の端部にねじ部材４８を固定するか、またはねじ込み可能に構成し、光学系用のベース３３の側端部にねじ部材４８が自由に通る孔を設け、ねじ部材４８の頭部４６とベース３３との間に適当な強さのつるまきバネ４７を挿入して、ベース３１とベース３３とをペルチェ素子３２の方向に弾性的に押圧するようにしたものである。なお、ねじ部材４８の頭部４６の代わりにナットを用いてもよい。（Ｂ）の構成によれば、上記図３の（Ａ）や図２と同様の機能を達成できると共に、これらよりやや簡単な構成にできる。
【００１９】
図４は図２、図３における弾性押圧部４０の配置位置の実施形態を示す。長手方向の両端部に各弾性押圧部４０Ａないし４０Ｄ、および側面に４０Ｅないし４０Ｈを設けてもよい。或いは両者併せて設けてもよいが、いずれにしても、光学要素の配置及び動作に支障とならず、かつ熱接触面における弾性押圧力の２次元分布ができるだけ均等になるように設置位置、設置数を選定する。
【００２０】
以上のように、本発明により、良好かつ安定な熱接触をペルチェ素子と熱接触部材との間に保ちながら、ペルチェ素子を固定することができる温度調整装置を構成することができる。
なお、上記の実施形態では、ＬＤチップからの出力光により、固体レーザ媒質を励起するとともに、固体レーザ媒質を含む共振器内に非線型光学素子を配置し、固体レーザ媒質から誘導放出される基本波を波長変換して得られる第二高調波を波長選択性ミラーを介して外部に出力するＬＤ励起固体レーザ装置に適用した場合について説明したが、ＬＤチップからの基本波レーザ光を非線形光学結晶に照射し、これにより波長変換して得られた第二高調波のレーザ光出力を得るタイプのレーザ装置の光学系等に等に適用することも可能であり、また他のレーザ機器、光学機器、精密機器、通信機器、家電機器その他における温度制御に広く適用可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、弾性部材により一定の力で固定できると同時に、厚さ方向に熱膨張した場合においても、一定の力で固定できるので、緩みや締め付け過ぎによる破壊を生じない。また、横方向の熱膨張に関してもペルチェ素子が上下の材料に接着されていないので、熱膨張係数の違いによるそりや素子へのダメージを気にする必要がない。また、熱接触面に接着剤等が介在しないので、接触面における熱抵抗も殆ど生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度調整装置の概略的構成図である。
【図２】本発明の温度調整装置の具体的実施形態を示す。
【図３】本発明の温度調整装置の要部の弾性押圧部の他の実施形態を示す。
【図４】本発明の温度調整装置の要部弾性押圧部の配置例を示す。
【図５】従来の温度調整装置の一例を示す。
【符号の説明】
１…ベース
２…ペルチェ素子
３…ヒートシンク
４…弾性押圧部
４ａ…弾性押圧部材
４ｂ…固定部材
２０…ＬＤチップ
２２…固体レーザ媒質
２３…ＨＲ高反射コーティング膜
２４…非線形光学結晶
２５…波長選択性ミラー
３１、３３、３３Ａ、３３Ｂ…ベース
３２、３２Ａ、３２Ｂ…ペルチェ素子
４０（４０Ａ〜４０Ｈ）…弾性押圧部
４１…板バネ
４２…ナット
４３、４４…ねじ棒
４５、４７…つるまきバネ
４８…ねじ部材
Ｌ…光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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