(57)【要約】【課題】長期間にわたって安価に安定して半導体レーザ素子の冷却を行うことのできる半導体レーザモジュールを提供する。【解決手段】半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の上面に導電性部材を介して導通可能に接合された上面側電極体と、前記半導体レーザ素子の下面に導電性部材を介して導通可能に接合された下面側電極体と、前記上面側電極体と下面側電極体との間に挟まれた絶縁板と、前記上面側電極体に対して冷媒を噴出させる上面側冷媒噴出ユニットと、前記下面側電極体に対して冷媒を噴出させる下面側冷媒噴出ユニットと、を少なくとも備えて成る半導体レーザモジュールとする。【選択図】図１
2018074079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の上面に導電性部材を介して導通可能に接合された上面側電極体と、
前記半導体レーザ素子の下面に導電性部材を介して導通可能に接合された下面側電極体と、
前記上面側電極体と下面側電極体との間に挟まれた絶縁板と、
前記上面側電極体に対して冷媒を噴出させる上面側冷媒噴出ユニットと、
前記下面側電極体に対して冷媒を噴出させる下面側冷媒噴出ユニットと、
を少なくとも備えて成ることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記上面側冷媒噴出ユニットが、
前記上面側電極体に対して冷媒を噴出させる複数の噴出ノズルを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記上面側冷媒噴出ユニットが、
前記噴出ノズルを介して噴出された冷媒を回収する回収手段と、
前記回収手段にて回収された冷媒を再び前記噴出ノズルに送る環流手段と、
を有する冷媒供給装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記下面側冷媒噴出ユニットが、
前記下面側電極体に対して冷媒を噴出させる複数の噴出ノズルを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記下面側冷媒噴出ユニットが、
前記噴出ノズルを介して噴出された冷媒を回収する回収手段と、
前記回収手段にて回収された冷媒を再び前記噴出ノズルに送る環流手段と、
を有する冷媒供給装置を備えることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記導電性部材が、ハンダに用いられるハンダ材から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記冷媒が、水，油，ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子より赤外線を照射する半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザモジュールは高出力化が進み、価格の低減と相まってその用途が多岐にわたり利用範囲も拡大の一途を辿っている。
赤外線の照射手段として従来より用いられているランプ加熱方式の赤外線照射手段は、赤外線ランプの寿命が短いという欠点に加え、大きな集光鏡が必要であるため、長寿命で小型化が可能な半導体レーザモジュールへの転換が増えている。
【０００３】
半導体レーザモジュールは小型化が可能であるが、これは小さなデバイスから大きなエネルギーを取り出せることを意味する。また赤外線ランプに比べて高効率であることも半導体レーザモジュールの利点である。
【０００４】
赤外線ランプとして一般的なハロゲンランプやキセノンランプなどは、光エネルギーとして取り出すことのできるエネルギー量は２０〜３０％程度とされている。これに対して半導体レーザモジュールでは５０％にも達する。それでもなお、残りの５０％は熱として放出されてしまうため、安定して長時間利用するためには、この熱を効率良く取り除くことが重要である。
【０００５】
熱の除去法として、これまで最も多用されているのは、マイクロチャンネルと呼ばれる方式であり、細い管中に冷媒を流すことで効率的に冷却するものである。未公開ではあるが、本出願人は既にこのようなマイクロチャンネルを備えた半導体レーザモジュールを発明している。すなわち、このようなマイクロチャンネルを備えた半導体レーザモジュール１００は、図３に示したように、半導体レーザ素子１１２と、この半導体レーザ素子１１２の上面１１２ａに導電板１２０を介して導通可能に接合された電極体１１８と、半導体レーザ素子１１２の下面１１２ｂに同じく導電板１１６を介して導通可能に接合された電極体１１４と、を備え、さらに電極体１１８と電極体１１４との間には、絶縁板１４０が挿入されている。
【０００６】
そして、上下の電極体１１８，１１４にそれぞれ冷媒送通穴１２４を設け、この冷媒送通穴１２４内に冷媒供給手段１２６を介して冷媒（例えば水，油，ガス）を供給し、これにより半導体レーザ素子１１２で生じた熱を導電板１２０，１１６を介して除去するようにしている。
なお図３中、符号１２８は、冷媒送通穴１２４と冷媒供給手段１２６とをつなぐ接続パイプ１２８である。
【０００７】
このようなマイクロチャンネル方式の半導体レーザモジュール１００は、高効率な水冷構造となっているため、運転経費が少なくて済むという利点がある（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願２０１５−０４６０９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら半導体レーザモジュールの出力が数百ワットと高出力化が進むと、このようなマイクロチャンネル方式では、冷却が間に合わないケースがある。さらにマイクロチャンネル方式は、１年程度で交換が必要であり、交換の度に半導体レーザモジュールの使用を停止する必要がある。
【００１０】
なお、マイクロチャンネル方式は、一般的に円形断面の冷媒送通穴１２４中に冷媒として水を流すと、冷媒送通穴１２４の中心部は水が流れるものの、冷媒送通穴１２４の内壁に接する部分の水は殆ど動かず、円形断面内に水流勾配が発生する。
【００１１】
この内壁に接して動かない部分の水は、冷媒送通穴１２４の材料である銅などの金属材料に比べて熱伝導性が桁違いに低いので、冷却構造上では熱の絶縁体として作用してしまう。
【００１２】
マイクロチャンネル方式は、この水の絶縁体として作用する部分をできるだけ少なくし、冷却効率を向上させることを目指した構造となっているが、それでも冷媒送通穴１２４の内壁近傍には、流れずに熱の絶縁体となってしまっている水が存在し、高出力な半導体レーザモジュール１００では、冷却が間に合わない大きな理由となっている。
【００１３】
マイクロチャンネル方式に採用されている冷媒送通穴１２４の径を小さくする、または水圧を高くして水の流れを速くすれば、内壁近傍の水によって形成される熱の絶縁体部分を少なくすることができるが、冷媒送通穴１２４の径を小さくしすぎると今度は水量が少なくなり、冷却効果が小さくなってしまう。それでも必要な水量を稼ごうとすると、水圧をさらに高圧にする必要に迫られ、半導体レーザモジュール１００が高額化，大型化してしまう。さらに細い冷媒送通穴１２４は、詰まりなどのトラブルが発生し易く、長期間の安定した連続運転が困難である。
したがって、このようなマイクロチャンネル方式に替わり、長期間にわたって安価に安定して冷却が可能な新たな半導体レーザモジュールが求められているのが実情である。
【００１４】
本発明はこのような実情に鑑みなされたものであって、長期間にわたって安価に安定して半導体レーザ素子の冷却を行うことのできる半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前述した従来技術における問題点を解決するために発明されたものであって、
本発明の半導体レーザモジュールは、
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の上面に導電性部材を介して導通可能に接合された上面側電極体と、
前記半導体レーザ素子の下面に導電性部材を介して導通可能に接合された下面側電極体と、
前記上面側電極体と下面側電極体との間に挟まれた絶縁板と、
前記上面側電極体に対して冷媒を噴出させる上面側冷媒噴出ユニットと、
前記下面側電極体に対して冷媒を噴出させる下面側冷媒噴出ユニットと、
を少なくとも備えて成ることを特徴とする。
【００１６】
このように、冷媒を直接冷却対象である上面側電極体および下面側電極体に吹き付ければ、導電性部材を介して高効率に半導体レーザ素子の冷却を行うことができる。しかも本発明の半導体レーザモジュールは、簡単な構造で高効率に半導体レーザ素子の冷却を行うことができるため、長期間にわたって安価に安定して半導体レーザ素子の冷却を行うことができる。
【００１７】
また、本発明の半導体レーザモジュールは、
前記上面側冷媒噴出ユニットが、
前記上面側電極体に対して冷媒を噴出させる複数の噴出ノズルを有することを特徴とする。
さらに、本発明の半導体レーザモジュールは、
前記下面側冷媒噴出ユニットが、
前記下面側電極体に対して冷媒を噴出させる複数の噴出ノズルを有することを特徴とする。
【００１８】
このように複数の噴出ノズルから冷媒を噴出させるようにすれば、半導体レーザ素子の熱を効率的に奪うことができる。
【００１９】
また、本発明の半導体レーザモジュールは、
前記上面側冷媒噴出ユニットが、
前記噴出ノズルを介して噴出された冷媒を回収する回収手段と、
前記回収手段にて回収された冷媒を再び前記噴出ノズルに送る環流手段と、
を有する冷媒供給装置を備えることを特徴とする。
さらに、本発明の半導体レーザモジュールは、
前記下面側冷媒噴出ユニットが、
前記噴出ノズルを介して噴出された冷媒を回収する回収手段と、
前記回収手段にて回収された冷媒を再び前記噴出ノズルに送る環流手段と、
を有する冷媒供給装置を備えることを特徴とする。
【００２０】
このように冷媒を回収し、回収された冷媒を再び用いるようにすれば、半導体レーザモジュールをコンパクトに纏めることができる。
【００２１】
また、本発明の半導体レーザモジュールは、
前記導電性部材が、ハンダに用いられるハンダ材から成ることを特徴とする。
このようにハンダ材から成れば、入手が容易であるとともに、半導体レーザ素子の熱を効率的に奪うことができる。
【００２２】
また、本発明の半導体レーザモジュールは、
前記冷媒が、水，油，ガスのいずれかであることを特徴とする。
このような冷媒であれば、半導体レーザ素子の熱を効率的に奪うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、上面側電極体に対して冷媒を噴出させる上面側冷媒噴出ユニットおよび下面側電極体に対して冷媒を噴出させる下面側冷媒噴出ユニットを備えることにより、長期間にわたって安価に安定して半導体レーザ素子の冷却を行うことのできる半導体レーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の半導体レーザモジュールの一実施形態における概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の半導体レーザモジュールの上面側冷媒噴出ユニットおよび下面側冷媒噴出ユニットの側面方向からの概略図である。
【図３】図３は、従来の半導体レーザモジュールにおける概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子に電流を流すことでレーザ光を外部に出力するものである。
【００２６】
図１に示したように、本発明の実施形態における半導体レーザモジュール１０は、半導体レーザ素子１２と、この半導体レーザ素子１２の上面１２ａに導電性部材１４を介して導通可能に接合された上面側電極体１６と、半導体レーザ素子１２の下面１２ｂに同じく導電性部材１８を介して導通可能に接合された下面側電極体２０と、を備え、さらに上面側電極体１６と下面側電極体２０との間で、半導体レーザ素子１２の側方には、絶縁板２２が挿入されている。
【００２７】
ここで半導体レーザ素子１２は、一般的にはガリウム，ヒ素，リン，インジウムなどの素材を規定の割合に混合し、これをガリウムヒ素の基板上に気相合成法で製膜した単結晶からなることが好ましい。このような製造方法で得られた半導体レーザ素子１２は、機械的強度は高いものの、強い劈開性があり、割れ易い特性を有している。また劈開性を利用し、特定の方位に劈開することによって得られる面が光学面としてレーザ光の共振器の役割をなしている。
【００２８】
半導体レーザ素子１２の大きさとしては、例えば幅１０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ程度、奥行き３ｍｍ程度、出射されるレーザ光が幅１０ｍｍ，厚さ（高さ）０．１ｍｍ程度であり、光学面から発光し、直ちに３５〜４５°程度で広がるものを用いることができる。
【００２９】
また導電性部材１４，１８は、上面側電極体１６および下面側電極体２０から供給される大電流を安定的に半導体レーザ素子１２に供給するとともに、半導体レーザ素子１２から発せられる熱を効率良く排熱するため、高い熱伝導性を有し、経年劣化の生じ難い材質からなることが望ましい。具体的には金板、もしくはハンダ材からなることが望ましい。さらに導電性部材１４，１８の厚みは１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３０】
また導電性部材１４，１８は、劈開性の強い半導体レーザ素子１２に機械的歪をできるだけ生じさせないため、軟性を有することが望ましい。
さらに半導体レーザ素子１２としては、構成が特に限定されるものではなく、一般的に公知のものを用いれば良いが、供給電流を効率良くレーザ光に変換することができ、十分な機械的強度を有するものを採用することが望ましい。
【００３１】
一方、上面側電極体１６および下面側電極体２０の材質としては、電極体として通常用いられる材質であれば特に限定されるものではないが、数百アンペアに達する大電流を安定的に供給することができ、半導体レーザ素子１２から生じる熱を排熱する役割も求められるため、銅であることが好ましい。
【００３２】
なお、図１に示した半導体レーザモジュール１０では、半導体レーザ素子１２の大きさと導電性部材１４，１８の大きさが略一致した大きさであるが、これに限定されるものではなく、例えば半導体レーザ素子１２よりも導電性部材１４，１８左右方向に大きく構成されていても良いものである。
【００３３】
なお絶縁板２２は、上面側電極体１６と下面側電極体２０との絶縁と、両者を挟持した際の間隔を規定するためのものであり、材質は例えば窒化アルミニウム，炭化ケイ素，酸化アルミニウムなどから成るものである。
【００３４】
ところで、図１に示した本発明の半導体レーザモジュール１０では、上面側電極体１６に対して冷媒３２を噴出させる上面側冷媒噴出ユニット２４と、下面側電極体２０に対して冷媒３２を噴出させる下面側冷媒噴出ユニット２６と、を備え、これにより積極的に半導体レーザ素子１２で生じた熱を排熱するようにしている。
【００３５】
上面側冷媒噴出ユニット２４および下面側冷媒噴出ユニット２６は、図１および図２に示したように、いずれも複数の噴出ノズル３０を備え、この噴出ノズル３０から冷媒３２を上面側電極体１６および下面側電極体２０に噴出させるように構成されている。
【００３６】
なお、噴出ノズル３０から噴出された冷媒３２は、冷媒供給装置４０の回収手段である回収管５０を介して冷媒供給装置４０内に回収され、冷媒供給装置４０内で冷却された後、環流手段である環流管５２を介して再び噴出ノズル３０に送られるようになっている。
【００３７】
冷媒供給装置４０としては、特に限定されるものではないが、例えばチラーが好適である。チラーであれば、確実に冷媒３２を所定温度まで冷却し、再度噴出ノズル３０へ冷媒３２を送ることができる。
【００３８】
また冷媒３２としては、水，油，ガスなど如何なるものでも良いものであるが、好ましくは水である。
ここで回収管５０は、冷媒３２を効率的に回収できるよう例えば内径１０〜１５ｍｍ程度のものを用いることが好ましい。
【００３９】
また、冷媒３２の噴出ノズル３０は、上面側電極体１６および下面側電極体２０を効率的に冷却可能とするよう、内径５〜８ｍｍ程度であることが好ましい。
これらの内径は特に限定されるものではないため、半導体レーザモジュール１０の大きさや冷却能力などに応じて適宜設定することが好ましい。
【００４０】
このように、本発明の半導体レーザモジュール１０は、上面側電極体１６に対して冷媒３２を噴出させる上面側冷媒噴出ユニット２４および下面側電極体２０に対して冷媒３２を噴出させる下面側冷媒噴出ユニット２６を備えることにより、従来のマイクロチャネル方式のように内壁近傍で冷媒（水）が停滞してしまうようなことがなく、長期間にわたって安価に安定して半導体レーザ素子１２の冷却を行うことができる。
【００４１】
以上、本発明の半導体レーザモジュール１０の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００４２】
１０    半導体レーザモジュール
１２    半導体レーザ素子
１２ａ  上面
１２ｂ  下面
１４    導電性部材
１６    上面側電極体
１８    導電性部材
２０    下面側電極体
２２    絶縁板
２４    上面側冷媒噴出ユニット
２６    下面側冷媒噴出ユニット
３０    噴出ノズル
３２    冷媒
４０    冷媒供給装置
５０    回収管
５２    環流管
１００    半導体レーザモジュール
１１２    半導体レーザ素子
１１２ａ  上面
１１２ｂ  下面
１１４    電極体
１１６    導電板
１１８    電極体
１２０    導電板
１２４    冷媒送通穴
１２６    冷媒供給手段
１２８    接続パイプ
１４０    絶縁板
【図１】
2018074079.tif 000003
【図２】
2018074079.tif 000004
【図３】
2018074079.tif 000005