(57)【要約】冷媒の導入口及び排出口として１対の開口部を有し、一方の開口部から他方の開口部に向かって冷媒流路が平面視で左右対称に形成されている。この冷媒流路における発熱体と熱的に接続される領域に整合する領域に、冷媒流路の底面から上方に向かって又は上面から下方に向かって横断面が小さくなる末広がりの形状を有する突起が形成されている。この突起が形成された放熱板と、平板状の他の放熱板とを接合してヒートシンクを組み立てる。これにより、熱効率及び信頼性が優れ、低コストのヒートシンクと、それを使用したレーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置が得られる。
2004076952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記突起により前記冷媒の流れが乱されることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記突起は、前記流路の底面から上方に向かって横断面が小さくなることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記突起は、前記流路の上面から下方に向かって横断面が小さくなることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記突起の横断面の外縁の一部が曲線により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記突起の横断面の形状が円、楕円又は前記溶媒の流れに対して流線形であることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記突起は、他方の放熱板に接触していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記一方の放熱板は、前記導入口から導入された冷媒が夫々の流路に分離して前記特定の領域を通過した後、前記排出口から排出される形状の一対の流路を有し、前記特定の領域には前記冷媒が合流するのを防ぐ分離部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項９】
前記流路は、前記導入口に接する第１の領域と、前記第１の領域と前記特定の領域との間の第２の領域と、を有し、前記第２の領域の幅は前記第１の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１０】
前記流路の内面の少なくとも一部は曲面により形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１１】
前記一方の放熱板に形成された冷媒流路の少なくとも一部のパターンと整合するパターンの冷媒流路が、他方の放熱板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１２】
前記流路が化学エッチング法により形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１３】
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には７０質量％以上のニッケルを含有するニッケル含有層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１４】
前記ニッケル含有層がめっき法により形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のヒートシンク。
【請求項１５】
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には厚さが５０ｎｍ以上の銅の酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１６】
前記発熱体がレーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のヒートシンクと、このヒートシンクに固定された固定治具と、前記ヒートシンクの一方の放熱板に固定されたレーザダイオードと、を有することを特徴とするレーザモジュール。
【請求項１８】
１又は複数個のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクにおける前記流路が形成されていない領域には１又は複数個のヒートシンクを挿通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿通されたネジが前記固定治具に螺合されることにより前記ヒートシンクが前記固定治具に固定されていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザモジュール。
【請求項１９】
前記固定治具には、前記ヒートシンクに冷媒を供給する流路が形成されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載のレーザモジュールと、前記レーザモジュールが発振するレーザ光により励起されてレーザ光を発振するレーザロッドと、を有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２１】
請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載のレーザモジュールを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２２】
請求項２０に記載のレーザ装置を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、冷媒を流動することにより発熱体を冷却するヒートシンク、レーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置に関し、特に、レーザダイオードを冷却するのに適したヒートシンク、レーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】  Ｎｄ：ＹＡＧレーザの励起用又は直接加工用の光源として使用されているレーザダイオードは、電気から光への変換効率が５０％程度であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの光源として使用した場合、レーザ光の出力と同等以上の熱が発生する。一般に、レーザダイオードは、温度が上昇すると耐久性及び変換効率が低下する等の問題が生じるため、冷却性能が高いヒートシンクを取り付けて温度上昇を抑制している。また、近時、金属の溶接又は切断加工用として高出力のレーザが求められており、それに伴い、レーザダイオードの高出力化が進められ、レーザ光を発生する活性領域を横方向にアレイ状に形成したタイプのレーザダイオード等が開発されている。このようなレーザダイオードアレイの大きさは、通常、幅が１０ｍｍ、共振器の長さが１．０乃至１．５ｍｍ、厚さが１００乃至１５０μｍ程度であり、出力が２０乃至６０Ｗ程度である。このレーザダイオードアレイから出力されるレーザ光の波長は温度によって変化するため、より均一な波長の光を発生するためには、横方向の温度を一定に保たなければならない。また、レーザダイオードの寿命を延ばすためには、より低温に冷却することが望ましい。
そこで、高出力化されたレーザダイオードアレイを、効率よく均一な温度に冷却するためのヒートシンクが検討されている。前記レーザダイオードアレイ用のヒートシンクとしては、従来、冷媒を流すタイプのものが使用されており、例えば、同一平面上に夫々独立した導入口及び排出口を有する２本の流路が設けられたヒートシンクが提案されている（例えば、特開平８−１３９４７８号公報（第２−３頁、第１図）参照。）。このヒートシンクは、レーザダイオードアレイと接触する面の下部領域における流路に屈曲部を形成することにより、この領域の熱変換効率を向上し、温度を均一化している。
また、熱伝導性の高い金属材料からなる放熱板を３乃至５枚積層し、それらを夫々接合することにより、冷媒が流れる流路を上下２層構造にしたヒートシンクが提案されている（例えば、米国特許第５１０５４２９号明細書、米国特許第５１０５４３０号明細書、独国特許出願公開第４３１５５８０号明細書参照）。この上下に形成された流路は、レーザダイオードアレイと接触する面の下部領域に形成された複数個の孔又はマイクロチャンネルにより連結されて、１本の流路になっている。更に、下部に位置する流路から冷媒を供給し、上部に位置する流路から冷媒を排出する２層構造の流路を有し、レーザダイオードアレイと接触する領域において下部に位置する流路から上部位置する流路へ冷媒が噴出する構造のヒートシンクも提案されている（例えば、特開平８−１３９４７９号公報  （第２−３頁、第１−２図）参照。）。
前記積層構造のヒートシンクにおいては、導入口から注入された冷媒を複数の流路に分けて均一な温度及び流速でレーザダイオードアレイと接触する面の下部領域まで導き、その領域に形成されている上下方向に通じる流路を介して上層の放熱板に形成されている複数の流路に導き、その上層の流路から排出口に導く構造にしたヒートシンクが提案されている（例えば、特開平１０−２０９５３１号公報参照。）。この従来技術においては、化学エッチングにより流路を形成する方法についても考案されている。また、導入口から注入された冷媒を均等の圧力で上下を結ぶ流路に導くためのフィンを設けたヒートシンクも提案されている（例えば、国際公開第００／１１９２２号パンフレット（第５−７頁、第２Ａ−２Ｃ図）参照。）。更にまた、各放熱板を積層することによる圧力損失や低流速度の問題を解決するための中間層を設けたヒートシンクも提案されている（例えば、特開２００１−１６０６４９号公報（第３−５頁、第１図）参照。）。
しかしながら、高出力レーザへのニーズが高まり、それらに使用されるレーザダイオードの数も増加しており、前記レーザダイオードを冷却するヒートシンクの低コスト化及び高信頼性化への要望が高まっているが、従来のヒートシンクには以下に示すような問題がある。
従来のヒートシンクにおける流路は、冷媒の流れの方向を急峻に変化させたり、又は径が急激に細くなったりするものであるため、冷媒が流路を通過する際の圧力損失が大きいという問題がある。特に、２層構造の流路を上下に結ぶ流路がマイクロチャンネル、マイクロスリット、又は細管アレイの部分においては、冷媒の圧力損失が大きくなる。冷媒の圧力損失が大きいと、流路内にかかる圧力の負荷が大きくなるため、液漏れ等が発生する可能性が高くなる。また、複数個のヒートシンクを使用する用途においては、冷媒を送り出すために高性能なポンプが必要になるため、コストが増加する。更に、流路の形状が複雑であると、流路の幅が広がったり、何本かの流路に分岐したりする部分では流速が遅くなり、冷却性能が低下するという問題もある。流路を細くして流速を向上させる手段があるが、そうすると前述の圧力損失が大きくなってしまう。更にまた、分岐及び合流の部分が多く形状が複雑な流路は、各層の接合面における接合不良により冷媒が漏洩する危険があり、設計も複雑になるため好ましくない。
また、従来のヒートシンクは、上層、下層及びそれらの間に配置される中間層に溶媒が通過するための流路が形成されている積層構造が主流である。積層構造のヒートシンクを製造する際は、３乃至５枚の放熱板を積層して、それらを接合しなければならないため、単層構造のものに比べコストが高くなる。しかしながら、単層構造で流路を形成すると、十分な冷却性能を持ったヒートシンクが得られない。そこで、特許文献１では、同一平面上に２つの独立した屈曲流路を設けたヒートシンクが提案されているが、このヒートシンクは注水口と排水口が夫々設けられているため、冷媒を供給する手段が複雑になってしまう。また、流路が屈曲しているために、溶媒の圧力損失が大きくなってしまうという問題点もある。
更に、冷媒として水を使用する場合、流路中に腐食が生じるという問題もある。金属材料によりヒートシンクを形成した場合、冷媒である水の中に酸素が混入すると腐食の原因になる。また、ヒートシンクが発熱体を駆動させる電極も兼ねている場合には、ヒートシンク中に大電流が流れることになり、電触に対しても耐久性が必要になる。しかしながら、従来のヒートシンクにおいては、腐食については考慮されていないのが現状である。
【発明の開示】
本発明の目的は、熱効率及び信頼性に優れ、低コストで製造可能なヒートシンク、レーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置を提供することにある。
本願第１発明に係るヒートシンクは、２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記突起により前記冷媒の流れが乱されることを特徴とする。
本発明においては、冷媒が前記突起に接触することより前記流路を流動する冷媒の流れに乱流が生じる。冷媒の流れに乱流が生じると、渦運動により冷媒の混合が行われて放熱板から冷媒への熱量の移動が促進されるため、層流に比べて冷却効率が増加する。また、本発明のヒートシンクは、２枚の放熱板により構成されており、接合部が少ないため、接合不良による冷媒の漏れ等の発生率を低減することができ、更に製造コストも低減することができる。
前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられていることが好ましい。
前記突起は、前記流路の底面から上方に向かって又は前記流路の上面から下方に向かって横断面が小さくなることが好ましい。本発明においては、前記突起を流路の上面又は底面に向かうに従い横断面が小さくなる形状にすることにより、前記流路を流動する冷媒が上下方向に撹拌される効果が高くなり、冷却効率を向上することができる。
また、前記突起の横断面の外縁の一部は曲線により形成されていることが好ましい。更に、前記突起の横断面の形状は、円、楕円又は前記溶媒の流れに対して流線形であることが好ましい。本発明においては、前記突起の形状を円、楕円又は前記溶媒の流れに対して流線形にすることにより、横断面が矩形又は多角形である場合に比べて突起により生じる乱流に起因する圧力損失を抑制することができる。
前記突起は、他方の放熱板に接触していることが好ましい。本発明においては、前記突起を他方の放熱板に接触させることにより、この突起を介して２枚の放熱板に熱を拡散させることが可能になり、また冷媒の撹拌効果を向上させることも可能になるため、冷却効率を向上させることができる。
前記一方の放熱板は、前記導入口から導入された冷媒が夫々の流路に分離して前記特定の領域を通過した後前記排出口から排出される形状の一対の流路を有し、前記特定の領域には前記冷媒が合流するのを防ぐ分離部材が設けられていることが好ましい。本発明においては、前記分離部材を設けることにより、前記発熱体により加熱された冷媒が前記特定の領域において混ざり合い、熱変換効率が低下するのを防ぐことができる。
前記流路は、前記導入口に接する第１の領域と、前記第１の領域と前記特定の領域との間の第２の領域と、を有し、前記第２の領域の幅は前記第１の幅よりも狭いことが好ましい。本発明においては、前記特定の領域に接する流路の幅をその上流の流路より狭くすることで、前記特定の領域に流れ込む冷媒の流速を加速することができ、それにより冷却効率を向上させることができる。
前記流路の内面の少なくとも一部は曲面により形成されていることが好ましい。本発明においては、前記流路の内面を曲面により形成することで、前記特定の領域以外で生じる乱流を抑制し、流速の低下及び圧力損失を防ぐことができる。
前記一方の放熱板に形成された冷媒流路と特定領域のうち、冷媒流路の少なくても一部と同じパターンの冷媒流路を他方の放熱板にも形成して流路の断面積を大きくすることで、流路の圧力損失を低減して冷却効率を向上させることができる。
また、前記流路は化学エッチング法により形成されたものであることが好ましい。本発明においては、化学エッチング法を使用することにより、例えば、放熱板にマスキングをしてエッチング液に浸漬することにより、一度に同じ深さの流路を形成することができる。その結果、流路の内面を曲面にすることが容易になる。
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には少なくとも７０質量％以上のニッケルを含有するニッケル含有層が形成されていることが好ましい。本発明においては、前記ニッケル層を形成することにより、前記放熱板の腐食を防止し、信頼性を向上することができる。また、前記ニッケル含有層はめっき法により形成することができる。
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には少なくても厚さ５０ｎｍ以上の銅の酸化膜が形成されていることにより、前記放熱板の腐食を抑制し、信頼性を向上することができる。また、前記銅の酸化膜は、酸素を含む雰囲気中でヒートシンクを加熱することで形成してもよい。
前記発熱体は例えばレーザダイオードである。
本願第２発明に係るレーザモジュールは、前記ヒートシンクと、このヒートシンクに固定された固定治具と、このヒートシンクの一方の放熱板に固定されたレーザダイオードと、を有することを特徴とする。本発明においては、接合部が少ない前記ヒートシンクを使用することにより、冷媒漏れの発生率が少なく、信頼性の高いレーザモジュールを低コストで製造することができる。
前記レーザモジュールは、１又は複数個のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクにおける前記流路が形成されていない領域には１又は複数個のヒートシンクを挿通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿通されたネジが前記固定治具に螺合されることにより前記ヒートシンクが前記固定治具に固定されていることが好ましい。
また、前記固定治具には、前記ヒートシンクに冷媒を供給する流路が形成されていることが好ましい。
本願第３発明に係るレーザ装置は、前記レーザモジュールと、前記レーザモジュールが発振するレーザ光により励起されてレーザ光を発振するレーザロッドと、を有することを特徴とする。本発明においては、前記レーザモジュールを使用することにより、信頼性が高いレーザ装置を低コストで製造することができる。
本願第４発明に係るレーザ加工機は、前記レーザモジュールを有することを特徴とする。本発明においては、前記レーザモジュールを使用することにより、信頼性が高いレーザ加工機を製造することができる。
本願第５発明に係るレーザ加工機は、前記レーザ装置を有することを特徴とする。本発明においては、前記レーザ装置を使用することにより、長期間安定してレーザダイオードを冷却することができるため、ランニングコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】  図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。
図２は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
図３は図２に示すＡ−Ａ線による断面図である。
図４は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板に形成される突起を示す断面図である。
図５（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板に形成される突起の形状を示す断面図であり、図４に示すＢ−Ｂ線による断面図に相当する。
図６は本発明のヒートシンクにおける流路の第１の変形例を示す平面図である。
図７は本発明のヒートシンクにおける流路の第２の変形例を示す平面図である。
図８は本発明のヒートシンクにおける流路の第３の変形例を示す平面図である。
図９は本発明のヒートシンクにおける流路の第４の変形例を示す平面図である。
図１０（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１０（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。
図１１は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
図１２（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１２（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。
図１３は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
図１４は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを縦方向に積層する場合の構成を示す斜視図である。
図１５は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを５段積層した場合の構造を示す斜視図である。
図１６は本発明の第４の実施形態に係るレーザモジュールを示す断面図である。
図１７は本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。
図１８は本発明の第６の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
図１９は本発明の第１実施例のヒートシンクに形成された突起を示す断面図である。
図２０は特許文献７で提案された従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。
図２１は特許文献８で提案された従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。
図２２（ａ）は特許文献４で提案された従来のヒートシンクを示す断面図であり、図２２（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図である。
図２３は第１の実施形態に係るヒートシンクの第２の放熱板に流路を形成したものを示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態に係るヒートシンクについて添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクについて説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。また、図２は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図であり、図３は図１（ａ）及び図２に示すＡ−Ａ線による断面図である。更に、図４は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクに形成された突起の形状を示す断面図であり、図５（ａ）乃至（ｃ）は図４に示すＢ−Ｂ線による断面図である。本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷媒が流動する流路２が形成された第１の放熱板１と、この第１の放熱板１に接合される第２の放熱板６とからなる。この第２の放熱板６は平板状であり、流路は形成されていない。
第１の放熱板１には、冷媒を注入する導入口及び溶媒を排出する排出口となる２つの開口部３ａ及び開口部３ｂが第１の放熱板１の長手方向に並ぶように形成されている。また、第１の放熱板１には、開口部３ｂから開口部３ｂに向かって一対の流路２が形成されている。流路２は、開口部３ｂから第１の放熱板１の長辺方向に分離し、第１の放熱板１の長辺に沿って夫々開口部３ｂ方向に延び、短辺付近で開口部３ｂ方向に折り返して開口部３ｂに達している。この流路２は、図３に示すように、断面が半円状である溝形状を有するものである。
更に、流路２の折り返し部付近には突起４が左右夫々５個ずつ形成されている。この突起４における第２の放熱板６及び第１の放熱板１に対して垂直方向の断面は、図４に示すように、第１の放熱板１側から第２の放熱板６側になるに従い細くなる末広がりの形状であることが好ましい。突起４における第２の放熱板６及び第１の放熱板１に対して平行方向の断面（図４に示すＢ−Ｂ線による断面）は、例えば、円形（図５（ａ）参照）、楕円形（図５（ｂ）参照）又は流線形（図５（ｃ）参照）である。更にまた、第１の放熱板１には、この第１の放熱板１の開口部３ｂ側の短辺の中央部から第１の放熱板１の長手方向に延びるセパレート棒５が設けられている。
なお、第１の放熱板１に形成された流路２と同様の形状のパターンが、図２３に示すように第２の放熱板６に形成されていてもよい。
次に、本実施形態のヒートシンクの製造方法について説明する。本実施形態のヒートシンクを構成する放熱板１及び放熱板２の材料としては、銅等の熱伝導性の高い板状の金属材料に、流路２、突起４及びセパレート棒５等を形成し、第１の放熱板１とする。その形成方法としては、例えば、銅板を流路２、突起４及びセパレート棒５の形状にマスキングした後、等方的な化学エッチングを施す等の方法を適用することができる。次に、図１（ａ）に示す第１の放熱板１の上部に図１（ｂ）に示す平板状の第２の放熱板６を接合して、図２に示すヒートシンクを組み立てる。
次に、上述の如く構成された本実施形態のヒートシンクの動作について説明する。本実施形態のヒートシンクにおいては、レーザダイオードアレイ等の発熱体８は、第２の放熱板６の発熱体接合部７の位置に接合される。この発熱体接合部７は、第１の放熱板１上の突起４が形成されている領域に整合する。また、発熱体８を冷却する際は、例えば、開口部３ａを導入口とし、開口部３ｂを排出口とし、開口部３ａから水等の冷媒を注入する。注入された冷媒は、左右に分かれて流路２に流れ込み、突起４の直前の流路が細くなる部分で流速が加速される。その後、突起４にぶつかることにより乱流が生じ、冷媒の流速は局所的に加速されるとともに、渦運動により冷媒が混合され、放熱板から冷媒への熱量の移動が促進される。このように、突起により冷媒の混合効果を高めることにより、流路２に接する放熱板から効率的に熱を奪うことができる。また、セパレート棒５は左右の流路を流れる冷媒を整流する役目を担う。突起４が形成された領域を通り過ぎた冷媒は、セパレート棒５により整流されて、流路２に続く開口部３ｂから排出される。本実施形態のヒートシンクにおいては、開口部３ａを導入口、開口部３ｂを排出口としているが、これに限定するものではなく、開口部３ｂを導入口とし、開口部３ａを排出口にしてもよい。
本実施形態のヒートシンクにおいては、開口部３ｂから流路２が左右に分かれて形成されており、この左右の流路が発熱体８との熱的接続領域である発熱体接合領域７の下部領域において合流することを妨げるセパレート棒５が設けられている。このような水路構造とすることにより、左右の流路に分かれた冷媒は、発熱体接合領域７を通過する際に温度が上昇するが、混ざり合うことなく開口部３ｂから排出されるため、ヒートシンク内の冷媒の熱交換効率が向上し、冷却性能を向上させることができる。
また、本実施形態のヒートシンクにおいては、発熱体接合領域７の下部領域に相当する流路に複数個の突起４を形成し、更にこのこの突起４の断面形状を末広がりの形状とすることで、流路を流れる冷媒の上下方向の攪拌効果を促進することができ、冷却性能を向上させることができる。この末広がりになっている突起構造の先端部は流路壁面に接触しているため、流路断面積の減少による流速の低下を防ぎ、流路の上下方向の攪拌効果をさらに促進させて冷却効果を高めることができる。更にまた、冷媒を注入する孔に続く流路の断面積を一度小さくしてから突起を形成している領域に冷媒を流し込むような形状にすることで、冷媒の流速を加速することができ、冷却効率が向上する。
更に、本実施形態のヒートシンクにおいては、第１の放熱板１に形成される流路２を上述の構成にすることで、流路２が形成された第１の放熱板１及び平板状の第２の放熱板６の２枚の放熱板を接合するだけでヒートシンクを製造することができるため、従来の複数層にわたって流路が形成されているヒートシンクの製造工程に比べ接合工程が少なくなり、製造コストを低減することができる。また、従来のヒートシンクに比べ、接合箇所が少なくなるため、接合不良により漏水する可能性も低減することができ、信頼性が向上する。
また、発熱体の冷却に関係しない冷媒の乱流は圧力損失を大きくし、流速を低減させてしまうため、極力抑制する必要がある。そこで、本実施形態のヒートシンクにおいては、流路の断面構造を矩形ではなく、曲線で囲まれた形状にしている。その結果、屈曲部での乱流を抑制することができる。この効果は、流路の一部だけが曲線で囲まれていても得られる。更に、流路を金属の等方エッチングで形成することで、ヒートシンクを形成する際に、一部が曲線となるＵ字形状とを形成することができる。この放熱板１に平板状の放熱板６を接合することにより、断面が半円形状を有する流路２を形成することができる。それにより、流路２の屈曲部で生じる乱流を抑制し、不要な圧力損失を抑制することが可能となる。また、流路の圧力損失が低いため接合界面にかかる負荷が小さくなり、ヒートシンクの耐水圧性に対する長期的な信頼性を高めることができる。
更に、前述の化学エッチング法により、放熱板１及び放熱板６の垂直方向に対する断面が末広がり形状を有する突起４及び流路２を短時間で安価に形成することが可能になる。突起４をこのような形状にすることで、その先端をエッチングすることなく放熱板１と放熱板６とを接合することができる。
なお、本実施形態のヒートシンクは、例えば、シリコン又は化合物半導体を使用した電子デバイス等のレーザダイオード以外の発熱体に対しても有効である。また、本実施形態のヒートシンクで使用される冷媒も、水以外のものも使用することができ、以下に示す実施形態についても同様である。
本実施形態における突起４の位置、向き及び個数は、図１（ａ）に示す構成に限定するものではなく、流路２の形状、製造方法、要求特性等に応じて適宜選択することができ、例えば、以下に示す形状にすることもできる。図６乃至９は、本実施形態のヒートシンクにおける流路形状の変形例を示す平面図である。図６に示す第１の変形例は、突起４が形成されている領域における流路の幅を太くし、更に突起４を１列に５個ずつ２列形成したものである。このような流路形状にすることで、面積の大きな発熱体を効率よく冷却することができる。
また、図７に示す第２の変形例は、突起４を放熱板の長辺側に配置したものである。この変形例においては、流速を高めるための突起２３を、乱流を促進するための突起４とは別に設けている。また、この変形例における流路２は、セパレート棒５により完全に分離されており、導入口から注入された冷媒は、流路２中で合流することなく排出口から排出される。このような流路形状にすることで、長い発熱体にも対応することができる。
更に、図８に示す第３の変形例は、左右の流路夫々に突起４を放熱板の長手方向と平行なるように並べて形成したものである。このような流路形状にすることで、ヒートシンクの相対する長辺側に夫々１個ずつ合計２個の発熱体を接合することができる。その際、１個の発熱体を冷却する能力は、短辺側に１個接合した場合の半分になる。これは、レーザダイオードの光を左右方向に出力させたい場合に有効である。
図９に示す第４の変形例は、Ｕ字型に流路２が形成され、その一方の端部に開口部３ａが、他方の端部に開口部３ｂが形成されているものである。これは、左右２本の流路が形成されたものより、単純な構造であるため、開口部３ａ及び開口部３ｂのどちらを導入口にしても全く同じ効果が得られる。
次に、本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクについて説明する。図１０（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。また、図１１は本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクは、前記第１の実施形態と同様の流路２が形成された放熱板１と、平板状の放熱板６とからなる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、第１の放熱板１に形成された流路２には、前記第１の実施形態と同様に突起４及びセパレート棒５が形成されている。本実施形態のヒートシンクにおいては、上部に配置される放熱板１に流路が形成されており、前記流路中の突起の横断面は、上面から底面に向かって小さくなる形状になっている。また、放熱板１及び放熱板６の中心部分には、冷媒を供給するための台にヒートシンクを固定するためのネジを挿入する貫通孔１７が形成されている。一方、第２の放熱板６には冷媒の注入及び排出のための開口部３ａ及び開口部３ｂが形成されている。また、第１の放熱板１及び第２の放熱板６の表面には、厚さ５μｍ程度のめっき層が形成されている。このめっき膜は、流路２、突起４、セパレート棒５等を含む放熱板の全ての表面に形成されている。更に、本実施形態のヒートシンクは、図１１に示すように、第２の放熱板６の上部に第１の放熱板が接合され、第１の放熱板１上に発熱体接合部７が設けられている。
従来のヒートシンクにおいては、放熱板の材料に銅又は銅合金を使用し、冷媒に水を使用した場合、ヒートシンクに錆が発生するという問題があった。そこで、本実施形態のヒートシンクにおいては、流路２の表面にめっき膜を設け、このめっき膜により、放熱板が腐食するのを防止している。このめっき膜の材料としては、例えば、放熱板の材料が銅又は銅合金である場合は、ニッケルであることが好ましく、特に、めっき膜中のニッケル含有量は７０質量％以上であることが好ましい。前記めっき膜にニッケル以外の材料を使用すると、銅とのガルバニック電流の効果で腐食が加速されてしまう恐れがある。銅とニッケルとはイオン化傾向の差が小さいためガルバニック電流の影響はなく、更にニッケルは硬いため、耐久性にも優れている。また、ヒートシンクをレーザモジュールの電極の一部として使用する場合、ヒートシンク全体に大電流が流れる。この場合も異種金属界面が存在すると腐食が発生するため、ヒートシンクの材料とイオン化傾向の近い金属によりめっき膜を形成することが好ましく、例えば、ヒートシンクの材料が銅又は銅合金の場合、めっき膜の材料はニッケルであることが好ましい。
めっき膜の代わりに銅の酸化膜を形成しても良い。銅の酸化は腐食の１種であるが、表層に酸化物が形成されると、水中においてそれ以上内部へ酸化することを抑制することが可能となるため、腐食を防止できる。
次に、本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクについて説明する。図１２（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１２（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。また、図１３は本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクは、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、前記第２の実施形態と同様に流路２、突起４及びセパレート棒５が形成された第１の放熱板１と、平板状の第２の放熱板６とからなり、第１の放熱板１及び第２の放熱板６の中心部分には、ヒートシンクに冷媒を供給するための台に固定するための貫通孔１７が形成されている。また、流路２の内面にはニッケルめっき層が形成されている。更に、本実施形態のヒートシンクには、放熱板１及び放熱板６の両方に、冷媒を注入及び排出するための開口部３ａ及び開口部３ｂが形成されている。これらの開口部３ａ及び開口部３ｂは、図１３に示すように、第１の放熱板１及び第２の放熱板６を接合してヒートシンクにした際には貫通孔になる。
次に、本実施形態のヒートシンクの動作について説明する。本実施形態のヒートシンクは、積層して使用される。図１４は本実施形態のヒートシンクを縦方向に積層した場合の構成を示す斜視図であり、図１５は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを５段積層した場合の構造を示す斜視図である。本実施形態のヒートシンクを積層する場合、最上層には図１１に示す構造のヒートシンク２０を配置し、２層目以降には図１３に示すヒートシンク１８を配置する。その際、各ヒートシンクの間には、冷媒の流路及び固定のための貫通孔が形成されたスペーサー１９を配置する。このようにしてヒートシンクを５層積層する場合、図１５に示すように、最上層のヒートシンク２０からヒートシンクを固定するネジ２１を貫通穴１７に通して冷媒を供給する治具２２に固定する。治具２２から供給された冷媒は、縦方向に連続している開口部３ａ又は開口部３ｂの一方を経由して各ヒートシンクに供給された後、開口部３ａ又は開口部３ｂの他方を経由して排出され、治具２２から排出される。
本実施形態のヒートシンクにおいては、開口部３ａ及び開口部３ｂを第１の放熱板１及び第２の放熱板６の両方に形成し、ヒートシンクを貫通させることで、複数個のヒートシンクを積層し、複数個のヒートシンクに冷媒を流動させることが可能になる。このようなスタック型のヒートシンクは、レーザダイオードを接合し、冷媒を供給するための流路を有する台に固定して、冷媒をこれらのヒートシンク中に流し、更にレーザダイオードを発振させるための電極をレーザダイオードとヒートシンクに接続し、このヒートシンクを電極の一部として利用して電流を流すことでレーザダイオードを発振させることができる。本実施形態のヒートシンクは高い冷却性能を有し、また、接合部分が少ないので冷媒が漏れる心配が非常に少ないため、信頼性の高いレーザモジュールを低コストで提供することができる。
また、本実施形態のヒートシンクは夫々が２枚の金属板から形成されており、その厚さは０．４℃／Ｗの冷却性能の場合は１．０ｍｍまで薄くすることが可能であり、従来の２段構造の流路を有するヒートシンクより薄型で同等の冷却性能を得ることができる。そのため、レーザダイオードアレイが接合されたヒートシンクを縦方向に積層したスタック型のレーザモジュールを作製する場合、従来のヒートシンクを使用する場合に比べて、縦方向の高さを低くすることができ、各レーザダイオードアレイから出力される光を１本の光ファイバーに導くことが容易になる。
次に、本発明の第４の実施形態に係るレーザモジュールについて説明する。図１６は前記第２の実施形態のヒートシンクを使用したレーザモジュールを示す断面図である。本発明の第４の実施形態に係るレーザモジュールは、前記第２の実施形態と同様の構造を有するヒートシンク３０の上面にレーザダイオード３１が接合され、このレーザダイオード３１の上部には、上部電極３３が接続されている。上部電極３３とヒートシンク３０との間にはレーザダイオード３１とほぼ同程度の厚さを有する絶縁スペーサー３２が配置されている。
次に本実施形態のレーザモジュールの動作について説明する。本実施形態のレーザモジュールにおいては、ヒートシンク３０が冷媒注入排出用台３４に固定され、冷媒注入排出用台３４に設けられた流路２を経由してヒートシンク３０に冷媒を流入する。本実施形態のレーザモジュールにおいては、ヒートシンク３０を構成する放熱板を導電性を有する材料にすることで、ヒートシンク３０を下部電極として使用することが可能になり、上部電極と下部電極とに電流を流すことによりレーザを発振させることができる。
本実施形態のレーザモジュールは、前記第２の実施形態のヒートシンクを使用しているため、水漏れの心配がなく、また、流路表面にニッケル層を設けているため腐食の発生率が低く、レーザダイオードの寿命である１００００万時間以上ランニング試験してもヒートシンクの冷却性能は劣化しない。更に、ヒートシンクの不具合によりモジュールを交換する必要がなくなるため、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。
次に、本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置について説明する。図１７は、本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置は、前記第５の実施形態のレーザモジュールを６個並べた６連レーザモジュール３５をＮｄ：ＹＡＧレーザロッド３６の励起光源に使用しているものであり、１対のレーザモジュール３５の間にＮｄ：ＹＡＧレーザロッド３６が配置されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド３６の前後には３７及び出力ミラー３９が配置されている。なお、図１７においては、２方向からＮｄ：ＹＡＧレーザロッドを励起する場合について示したが、本実施形態のレーザモジュール３５においては、３方向以上からＮｄ：ＹＡＧレーザロッドを励起してもよい。
次に、本実施形態のレーザ装置の動作について説明する。本実施形態のレーザ装置は、レーザモジュール３５からレーザ光３９が発振される。そのレーザ光３９はＮｄ：ＹＡＧレーザロッド３６に吸収され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド３９から発光した光がリアミラー３７と出力ミラー３８で共振してＮｄ：ＹＡＧレーザ光４０が発生する。
本実施形態のレーザ装置は、前記第２の実施形態のヒートシンクを使用したレーザモジュールを励起光源として使用しているため、長期的に安定したレーザ光を得ることが可能になり、メンテナンスコストを低減することができる。
次に、本発明の第６の実施形態に係るレーザ加工機について説明する。図１８は、前記第１の実施形態のヒートシンクを使用したレーザモジュールを搭載したレーザ装置を使用したレーザ加工機の構成を示す模式図である。図１８に示すように、本発明の第６の実施形態に係るレーザ加工機は、レーザ装置４１から出力される光を一度ファイバー４２に結合し、その後レンズ４３で集光して加工物４４に照射することで溶接及び切断を行うものである。本実施形態のレーザ加工機は、前記第１の実施形態のヒートシンクを使用することにより、レーザ装置の低コスト化を実現でき、またヒートシンクが原因となる装置の故障確率が大幅に低減するため、ランニングコスト及びメンテナンスコストを大きく低減することができる。
以下、本発明の実施例を本発明の範囲から外れる比較例と比較して、その特性を評価した結果について説明する。
先ず、本発明の第１実施例として、図１及び図２に示す第１の実施形態と同様の構造であり、縦が２５ｍｍ、横が１１ｍｍ、厚さが２．５ｍｍのヒートシンクを作製した。本実施例においては、放熱板には銅板を使用し、前記銅板に化学エッチングにより深さ０．５ｍｍの流路を形成して第１の放熱板とした。そして、このヒートシンクの発熱体接合部７に発熱体８としてアレイの長さが１０ｍｍ、共振器長さが１．３ｍｍ、厚さが１３０μｍであり、５０Ｗで８０８ｎｍの光を出力するレーザダイオードアレイを接合し、冷媒として２５℃の冷却水を循環させてその冷却性能を調べた。その際、導入口は開口部３ａとし、排出口は開口部３ｂとした。その結果、熱抵抗は０．２５℃／Ｗであり、レーザダイオードアレイの各発光点から出力される波長のばらつきも±１ｎｍ以内に収まっていた。また、接合されたレーザダイオードアレイの温度は±３℃以内に冷却されており、従来の積層構造のヒートシンクと同等以上の性能が得られた。更に、導入口及び排出口を入れ換えて同様の試験を行ったところ、冷却性能の差は５％以内であった。更にまた、本実施例のヒートシンクは、１枚の銅板をエッチング加工することにより第１の放熱板を形成することができ、それを銅板と接合することにより製造することができるため、製造コストを従来のヒートシンクの半分以下にすることができた。
また、ヒートシンクの大きさを、縦を１５乃至２５ｍｍ、横を１０乃至１２ｍｍ、厚さを１乃至３ｍｍの範囲で変化させて同様の実験を行ったところ、縦及び横の長さを変化させた場合における冷却効率は±１０％以内で一致した。一方、厚さが３ｍｍの場合においては０．２０℃／Ｗの熱抵抗が得られた。この熱抵抗の値は、放熱板である銅板の厚さが薄くなるに従い上昇し、厚さが１ｍｍのヒートシンクにおいては０．３０℃／Ｗであった。
次に、本発明の第２実施例として、突起４の形状、位置及び向きを変化させたヒートシンクを作製してその冷却性能を調べた。本実施例のヒートシンクは、突起４の形状が異なる以外は、図１及び図２に示す第１の実施形態のヒートシンクと同様にした。先ず、第１の放熱板１及び第２の放熱板６に対して垂直方向の断面が、前記第１実施形態と同様に末広がり状（図４参照）、柱状（図１９（ａ）参照）及び平板に接触していない形状１６（図１９（ｂ）参照）である突起を形成したヒートシンクを作製し、その冷却性能を調べた。その結果、図４に示す末広がりの柱状形状の突起を有するヒートシンクが、他の形状の突起を形成したヒートシンクに比べて冷却性能が１０％以上高かった。次に、第２の放熱板１及び第１の放熱板２と平行方向における断面の形状が図５（ａ）に示す円形状、図５（ｂ）に示す楕円状、図５（ｃ）に示す流線形状のものは、流路中を流れる冷媒の流れに対して圧力損失が最小になるような向きに調整した場合の圧力損失が０．０２Ｍｐａ以下になり、夫々の冷却性能も０．３０℃／Ｗ以下であり、従来の積層構造のヒートシンクと同等以上の熱変換効率を有するヒートシンクが得られた。
次に、本発明の第３の実施例として、第１の実施例と同様の大きさの厚さ２．５ｍｍのヒートシンクで、第２の放熱板を図Ａに示すように、第１の放熱板１に形成された流路２と同じパターンで深さ０．１５ｍｍの流路を施すことにより、圧力損失が２０％低減し、流量が増加したことにより熱抵抗を０．２０℃／Ｗ程度まで下げることができた。
また、図５（ｂ）に示す形状を有する突起の個数及び大きさを変えた場合における熱抵抗の変化を調べた。その結果、前記流路の底面又は上面において、各突起が占める面積が同じである場合、突起の横断面を大きくするよりも突起の数を多くする方が冷却効率は向上した。また、前記流路の底面又は上面における前記突起が占める割合が８０％を超えると圧力損失が上昇して冷却性能が低下した。更に、前記流路の底面又は上面における前記突起が占める割合が２０％以下になると突起が形成されていない場合と同等の冷却性能しか得られなかった。
次に、本発明の第３実施例として、放熱板の材料として銅板を使用、前記第１の実施形態を同様の構造で、流路２の表面に厚さ５μｍのニッケルめっき層を形成したヒートシンク、流路２の表面に厚さ５μｍの金めっき層を形成したヒートシンク、厚さ５μｍのニッケルめっき層を形成した後厚さ１μｍの金めっき層を形成したヒートシンク、及びめっき層を形成せずに流路表面が銅であるヒートシンクを作製した。耐食性試験として、これらのヒートシンクに２５℃の食塩水を５０時間循環させ、その後内部を観察した。その結果、ニッケルめっき層のみを形成したヒートシンクの腐食面積は、流路２の表面が銅のヒートシンクの（１／５）、金めっき層を形成したヒートシンクの（１／３）、ニッケルメッキ層の上に金めっき層を形成したヒートシンクの（１／２）であった。
また、ニッケルメッキ層の変わりに銅の酸化膜を１００ｎｍ形成したものも用意し、冷却水を流して流路の圧力損失の変化を長期的に測定し、腐食が進行して圧力損失の変化が始まる時間を測定したところ、銅の酸化膜を施したものはニッケルめっき層を施したものとは同程度で約３０００時間、銅だけのものは約１５００時間で圧力損失が上昇しはじめ、銅の酸化膜はニッケルめっき層と同程度で銅だけの場合の２倍の耐腐食性があった。
次に、本発明の第１の比較例として、前記特許文献７で提案された流路が２層構造である従来のヒートシンクを作製した。図２０は、特許文献７で提案された従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。このヒートシンクは、流路を形成した放熱板１０１を上下に２枚と、中間層の流路を形成した放熱板１２５の１枚の合計３枚の放熱板から形成されている。開口部１０３から流路１０２に注入された冷媒は、冷媒を整流するためのフィン１２４で分散された後、中間層の縦方向に流路に結合され、再びフィンで整流された後に開口から排出される。この構造のヒートシンクは、中間層の流路が狭いため圧力損失が大きく、また、流路の幅が広がることにより流速が低下する。更に、３枚の放熱板全てに流路を形成する必要があるため作製コストがかかる。よって、本発明のヒートシンクの方が、圧力損失が少なく、流速が早いため、冷却性能に勝り、コスト及び信頼性の点でも優れていた。
次に、本発明の第２の比較例として、前記特許文献８で提案された流路が２層である従来のヒートシンクを作製した。図２１は、特許文献８で提案された従来のヒートシンクの構造を示す斜視図である。このヒートシンクは、開口部を設けた平板の放熱板１０１を上下に１枚ずつ、及び中間層として貫通した流路を形成した放熱板１２６を３枚の計５枚の放熱板から形成されている。開口部１０３から流路１０２に注入された冷媒は、中間層の放熱板間で形成される流路を上下左右に流れた後、注入側とは反対側の開口部１０３から排出される。このヒートシンクは、貫通穴を加工した５枚の放熱板を使用する必要があるため製造コストがかかり、放熱板間の接合界面も多いので、液漏れ等の信頼性に課題がある。また、ヒートシンク全体を冷却する効果は高いが、発熱体を接合する部分１０７の下部だけを集中して冷却することは困難である。よって、本発明のヒートシンクの方がコスト、信頼性及び冷却性能の点で優れていた。
次に、本発明の第３の比較例として、前記特許文献５で提案された同一平面状に流路が形成されている従来のヒートシンクを作製した。図２２（ａ）は特許文献５で提案された従来のヒートシンクの構造を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。このヒートシンクは、独立した導入口及び排出口を有する２本の流路１０２と、発熱体１０８を接合する発熱体接合部１０７と整合する領域に、対向した２本の屈曲した流路１２７が形成されている。導入口から注入された冷媒は、夫々の流路に形成された屈曲部を通過後に排出口から排出される。このヒートシンクは構造がシンプルであるが、屈曲部での圧力損失が大きく、また、２本の流路への冷媒の注入と排出を別々に行う必要があるため、冷媒を供給するための台の構造が複雑になってしまう。そのため、本発明のヒートシンクの方が、圧力損失が小さく、冷却効率が優れていた。
以上詳述したように本発明によれば、放熱板に形成された流路に突起を設けることにより、前記流路を流動する冷媒に乱流が生じ、冷媒の渦運動による混合が行われ、放熱板から冷媒への熱量の移動効率が向上して冷却効率が増加する。また、前記突起を前記流路の底面から上方に向かって又は上面から下方に向かって横断面が小さくなる形状にすることにより、前記冷媒が上下方向に撹拌されてより冷却効率が向上する。前記流路をこのような形状にすることで、従来の２層構造の流路と同等以上の冷却性能を有する単層構造の流路が実現でき、流路が形成された放熱板及び平板状の放熱板によりヒートシンクを構成することができる。それにより、ヒートシンクにおける接合箇所が少なくなるため、信頼性が向上し、更に製造コストを低減することができる。
【産業上の利用可能性】  本発明は高出力レーザを効率的に冷却するヒートシンクとして、有益である。
【図１】
2004076952.tif 000003
【図２】
2004076952.tif 000004
【図３】
2004076952.tif 000005
【図４】
2004076952.tif 000006
【図５】
2004076952.tif 000007
【図６】
2004076952.tif 000008
【図７】
2004076952.tif 000009
【図８】
2004076952.tif 000010
【図９】
2004076952.tif 000011
【図１０】
2004076952.tif 000012
【図１１】
2004076952.tif 000013
【図１２】
2004076952.tif 000014
【図１３】
2004076952.tif 000015
【図１４】
2004076952.tif 000016
【図１５】
2004076952.tif 000017
【図１６】
2004076952.tif 000018
【図１７】
2004076952.tif 000019
【図１８】
2004076952.tif 000020
【図１９】
2004076952.tif 000021
【図２０】
2004076952.tif 000022
【図２１】
2004076952.tif 000023
【図２２】
2004076952.tif 000024
【図２３】
2004076952.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成16年7月26日(2004.7.26)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補正後）  ２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられており、前記突起は、前起流路の底面から上方に向かって横断面が小さくなり、前記突起の横断面の外縁の一部が曲線により形成されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
（補正後）２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられており、前記突起は、前記流路の上面から下方に向かって横断面が小さくなり、前記突起の横断面の外縁の一部が曲線により形成されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（補正後）  前記突起の横断面の形状が円、楕円又は前記溶媒の流れに対して流線形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
【請求項７】
（補正後）  前記突起は、他方の放熱板に接触していることを特徴とする請求項１、２又は６に記載のヒートシンク。
【請求項８】
（補正後）  前記一方の放熱板は、前記導入口から導入された冷媒が夫々の流路に分離して前記特定の領域を通過した後、前記排出口から排出される形状の一対の流路を有し、前記特定の領域には前記冷媒が合流するのを防ぐ分離部材が設けられていることを特徴とする請求項１、２、６又は７に記載のヒートシンク。
【請求項９】
（補正後）  前記流路は、前記導入口に接する第１の領域と、前記第１の領域と前記特定の領域との間の第２の領域と、を有し、前記第２の領域の幅は前記第１の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１、２、６、７又は８に記載のヒートシンク。
【請求項１０】
（補正後）  前記流路の内面の少なくとも一部は曲面により形成されていることを特徴とする請求項１、２、６、７、８又は９に記載のヒートシンク。
【請求項１１】
（補正後）  前記一方の放熱板に形成された冷媒流路の突起を設けた特定領域以外の少なくとも一部のパターンと整合するパターンの冷媒流路が、他方の放熱板に形成されていることを特徴とする請求項１、２、６、７、８、９又は１０に記載のヒートシンク。
【請求項１２】
（補正後）  前記流路が化学エッチング法により形成されたものであることを特徴とする請求項１、２、６、７、８、９、１０又は１１に記載のヒートシンク。
【請求項１３】
（補正後）  前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には７０質量％以上のニッケルを含有するニッケル含有層が形成されていることを特徴とする請求項１、２、６、７、８、９、１０、１１又は１２に記載のヒートシンク。
【請求項１４】
前記ニッケル含有層がめっき法により形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のヒートシンク。
【請求項１５】
（補正後）  前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には厚さが５０ｎｍ以上の銅の酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１、２、６、７、８、９、１０、１１又は１２に記載のヒートシンク。
【請求項１６】
（補正後）  前記発熱体がレーザダイオードであることを特徴とする請求項１、２、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５に記載のヒートシンク。
【請求項１７】
（補正後）  請求項１、２、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５又は１６に記載のヒートシンクと、このヒートシンクに固定された固定治具と、前記ヒートシンクの一方の放熱板に固定されたレーザダイオードと、を有することを特徴とするレーザモジュール。
【請求項１８】
１又は複数個のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクにおける前記流路が形成されていない領域には１又は複数個のヒートシンクを挿通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿通されたネジが前記固定治具に螺合されることにより前記ヒートシンクが前記固定治具に固定されていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザモジュール。
【請求項１９】
前記固定治具には、前記ヒートシンクに冷媒を供給する流路が形成されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載のレーザモジュール。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載のレーザモジュールと、前記レーザモジュールが発振するレーザ光により励起されてレーザ光を発振するレーザロッドと、を有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２１】
請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載のレーザモジュールを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２２】
請求項２０に記載のレーザ装置を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月26日(2005.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられており、前記突起は、前記流路の底面から上方に向かって横断面が小さくなり、前記突起の横断面の外縁の一部が曲線により形成されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられており、前記突起は、前記流路の上面から下方に向かって横断面が小さくなり、前記突起の横断面の外縁の一部が曲線により形成されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項３】
前記突起の横断面の形状が円、楕円又は前記溶媒の流れに対して流線形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記突起は、他方の放熱板に接触していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記一方の放熱板は、前記導入口から導入された冷媒が夫々の流路に分離して前記特定の領域を通過した後、前記排出口から排出される形状の一対の流路を有し、前記特定の領域には前記冷媒が合流するのを防ぐ分離部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記流路は、前記導入口に接する第１の領域と、前記第１の領域と前記特定の領域との間の第２の領域と、を有し、前記第２の領域の幅は前記第１の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記流路の内面の少なくとも一部は曲面により形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記一方の放熱板に形成された冷媒流路の突起を設けた特定領域以外の少なくとも一部のパターンと整合するパターンの冷媒流路が、他方の放熱板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項９】
前記流路が化学エッチング法により形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１０】
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には７０質量％以上のニッケルを含有するニッケル含有層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１１】
前記ニッケル含有層がめっき法により形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のヒートシンク。
【請求項１２】
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には厚さが５０ｎｍ以上の銅の酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１３】
前記発熱体がレーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のヒートシンクと、このヒートシンクに固定された固定治具と、前記ヒートシンクの一方の放熱板に固定されたレーザダイオードと、を有することを特徴とするレーザモジュール。
【請求項１５】
１又は複数個のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクにおける前記流路が形成されていない領域には１又は複数個のヒートシンクを挿通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿通されたネジが前記固定治具に螺合されることにより前記ヒートシンクが前記固定治具に固定されていることを特徴とする請求項１４に記載のレーザモジュール。
【請求項１６】
前記固定治具には、前記ヒートシンクに冷媒を供給する流路が形成されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載のレーザモジュール。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載のレーザモジュールと、前記レーザモジュールが発振するレーザ光により励起されてレーザ光を発振するレーザロッドと、を有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項１８】
請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載のレーザモジュールを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載のレーザ装置を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を流動することにより発熱体を冷却するヒートシンク、レーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置に関し、特に、レーザダイオードを冷却するのに適したヒートシンク、レーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザの励起用又は直接加工用の光源として使用されているレーザダイオードは、電気から光への変換効率が５０％程度であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの光源として使用した場合、レーザ光の出力と同等以上の熱が発生する。一般に、レーザダイオードは、温度が上昇すると耐久性及び変換効率が低下する等の問題が生じるため、冷却性能が高いヒートシンクを取り付けて温度上昇を抑制している。また、近時、金属の溶接又は切断加工用として高出力のレーザが求められており、それに伴い、レーザダイオードの高出力化が進められ、レーザ光を発生する活性領域を横方向にアレイ状に形成したタイプのレーザダイオード等が開発されている。このようなレーザダイオードアレイの大きさは、通常、幅が１０ｍｍ、共振器の長さが１．０乃至１．５ｍｍ、厚さが１００乃至１５０μｍ程度であり、出力が２０乃至６０Ｗ程度である。このレーザダイオードアレイから出力されるレーザ光の波長は温度によって変化するため、より均一な波長の光を発生するためには、横方向の温度を一定に保たなければならない。また、レーザダイオードの寿命を延ばすためには、より低温に冷却することが望ましい。
【０００３】
そこで、高出力化されたレーザダイオードアレイを、効率よく均一な温度に冷却するためのヒートシンクが検討されている。前記レーザダイオードアレイ用のヒートシンクとしては、従来、冷媒を流すタイプのものが使用されており、例えば、同一平面上に夫々独立した導入口及び排出口を有する２本の流路が設けられたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１（特開平８−１３９４７８号公報（第２−３頁、第１図））参照。）。このヒートシンクは、レーザダイオードアレイと接触する面の下部領域における流路に屈曲部を形成することにより、この領域の熱変換効率を向上し、温度を均一化している。
【０００４】
また、熱伝導性の高い金属材料からなる放熱板を３乃至５枚積層し、それらを夫々接合することにより、冷媒が流れる流路を上下２層構造にしたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献２（米国特許第５１０５４２９号明細書）、特許文献３（米国特許第５１０５４３０号明細書）、特許文献４（独国特許出願公開第４３１５５８０号明細書）参照）。この上下に形成された流路は、レーザダイオードアレイと接触する面の下部領域に形成された複数個の孔又はマイクロチャンネルにより連結されて、１本の流路になっている。更に、下部に位置する流路から冷媒を供給し、上部に位置する流路から冷媒を排出する２層構造の流路を有し、レーザダイオードアレイと接触する領域において下部に位置する流路から上部位置する流路へ冷媒が噴出する構造のヒートシンクも提案されている（例えば、特許文献５（特開平８−１３９４７９号公報  （第２−３頁、第１−２図））参照。）。
【０００５】
前記積層構造のヒートシンクにおいては、導入口から注入された冷媒を複数の流路に分けて均一な温度及び流速でレーザダイオードアレイと接触する面の下部領域まで導き、その領域に形成されている上下方向に通じる流路を介して上層の放熱板に形成されている複数の流路に導き、その上層の流路から排出口に導く構造にしたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献６（特開平１０−２０９５３１号公報）参照。）。この従来技術においては、化学エッチングにより流路を形成する方法についても考案されている。また、導入口から注入された冷媒を均等の圧力で上下を結ぶ流路に導くためのフィンを設けたヒートシンクも提案されている（例えば、特許文献７（国際公開第００／１１９２２号パンフレット（第５−７頁、第２Ａ−２Ｃ図））参照。）。更にまた、各放熱板を積層することによる圧力損失や低流速度の問題を解決するための中間層を設けたヒートシンクも提案されている（例えば、特許文献８（特開２００１−１６０６４９号公報（第３−５頁、第１図））参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１３９４７８号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】米国特許第５１０５４２９号明細書
【特許文献３】米国特許第５１０５４３０号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第４３１５５８０号明細書
【特許文献５】特開平８−１３９４７９号公報  （第２−３頁、第１−２図）
【特許文献６】特開平１０−２０９５３１号公報
【特許文献７】国際公開第００／１１９２２号パンフレット（第５−７頁、第２Ａ−２Ｃ図）
【特許文献８】特開２００１−１６０６４９号公報（第３−５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、高出力レーザへのニーズが高まり、それらに使用されるレーザダイオードの数も増加しており、前記レーザダイオードを冷却するヒートシンクの低コスト化及び高信頼性化への要望が高まっているが、従来のヒートシンクには以下に示すような問題がある。
【０００８】
従来のヒートシンクにおける流路は、冷媒の流れの方向を急峻に変化させたり、又は径が急激に細くなったりするものであるため、冷媒が流路を通過する際の圧力損失が大きいという問題がある。特に、２層構造の流路を上下に結ぶ流路がマイクロチャンネル、マイクロスリット、又は細管アレイの部分においては、冷媒の圧力損失が大きくなる。冷媒の圧力損失が大きいと、流路内にかかる圧力の負荷が大きくなるため、液漏れ等が発生する可能性が高くなる。また、複数個のヒートシンクを使用する用途においては、冷媒を送り出すために高性能なポンプが必要になるため、コストが増加する。更に、流路の形状が複雑であると、流路の幅が広がったり、何本かの流路に分岐したりする部分では流速が遅くなり、冷却性能が低下するという問題もある。流路を細くして流速を向上させる手段があるが、そうすると前述の圧力損失が大きくなってしまう。更にまた、分岐及び合流の部分が多く形状が複雑な流路は、各層の接合面における接合不良により冷媒が漏洩する危険があり、設計も複雑になるため好ましくない。
【０００９】
また、従来のヒートシンクは、上層、下層及びそれらの間に配置される中間層に冷媒が通過するための流路が形成されている積層構造が主流である。積層構造のヒートシンクを製造する際は、３乃至５枚の放熱板を積層して、それらを接合しなければならないため、単層構造のものに比べコストが高くなる。しかしながら、単層構造で流路を形成すると、十分な冷却性能を持ったヒートシンクが得られない。そこで、特許文献１では、同一平面上に２つの独立した屈曲流路を設けたヒートシンクが提案されているが、このヒートシンクは注水口と排水口が夫々設けられているため、冷媒を供給する手段が複雑になってしまう。また、流路が屈曲しているために、冷媒の圧力損失が大きくなってしまうという問題点もある。
【００１０】
更に、冷媒として水を使用する場合、流路中に腐食が生じるという問題もある。金属材料によりヒートシンクを形成した場合、冷媒である水の中に酸素が混入すると腐食の原因になる。また、ヒートシンクが発熱体を駆動させる電極も兼ねている場合には、ヒートシンク中に大電流が流れることになり、電触に対しても耐久性が必要になる。しかしながら、従来のヒートシンクにおいては、腐食については考慮されていないのが現状である。
【００１１】
本発明の目的は、熱効率及び信頼性に優れ、低コストで製造可能なヒートシンク、レーザモジュール、レーザ装置及びレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願第１発明に係るヒートシンクは、２つの放熱板を重ねて構成されるヒートシンクにおいて、一方の放熱板には、他方の放熱板との重ね合わせ面に形成された凹部又は溝からなる冷媒流路と、この冷媒流路の特定の領域に点在するように設けられた１又は複数個の突起と、を有し、前記一方の放熱板及び他方の放熱板のうち少なくとも一方には冷媒の導入口及び排出口となる１対の開口部を有し、前記突起により前記冷媒の流れが乱されることを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、冷媒が前記突起に接触することより前記流路を流動する冷媒の流れに乱流が生じる。冷媒の流れに乱流が生じると、渦運動により冷媒の混合が行われて放熱板から冷媒への熱量の移動が促進されるため、層流に比べて冷却効率が増加する。また、本発明のヒートシンクは、２枚の放熱板により構成されており、接合部が少ないため、接合不良による冷媒の漏れ等の発生率を低減することができ、更に製造コストも低減することができる。
【００１４】
前記特定の領域は、冷却すべき発熱体が熱的に接続される領域に整合する位置に設けられていることが好ましい。
【００１５】
前記突起は、前記流路の底面から上方に向かって又は前記流路の上面から下方に向かって横断面が小さくなることが好ましい。本発明においては、前記突起を流路の上面又は底面に向かうに従い横断面が小さくなる形状にすることにより、前記流路を流動する冷媒が上下方向に撹拌される効果が高くなり、冷却効率を向上することができる。
【００１６】
また、前記突起の横断面の外縁の一部は曲線により形成されていることが好ましい。更に、前記突起の横断面の形状は、円、楕円又は前記冷媒の流れに対して流線形であることが好ましい。本発明においては、前記突起の形状を円、楕円又は前記冷媒の流れに対して流線形にすることにより、横断面が矩形又は多角形である場合に比べて突起により生じる乱流に起因する圧力損失を抑制することができる。
【００１７】
前記突起は、他方の放熱板に接触していることが好ましい。本発明においては、前記突起を他方の放熱板に接触させることにより、この突起を介して２枚の放熱板に熱を拡散させることが可能になり、また冷媒の撹拌効果を向上させることも可能になるため、冷却効率を向上させることができる。
【００１８】
前記一方の放熱板は、前記導入口から導入された冷媒が夫々の流路に分離して前記特定の領域を通過した後前記排出口から排出される形状の一対の流路を有し、前記特定の領域には前記冷媒が合流するのを防ぐ分離部材が設けられていることが好ましい。本発明においては、前記分離部材を設けることにより、前記発熱体により加熱された冷媒が前記特定の領域において混ざり合い、熱変換効率が低下するのを防ぐことができる。
【００１９】
前記流路は、前記導入口に接する第１の領域と、前記第１の領域と前記特定の領域との間の第２の領域と、を有し、前記第２の領域の幅は前記第１の幅よりも狭いことが好ましい。本発明においては、前記特定の領域に接する流路の幅をその上流の流路より狭くすることで、前記特定の領域に流れ込む冷媒の流速を加速することができ、それにより冷却効率を向上させることができる。
【００２０】
前記流路の内面の少なくとも一部は曲面により形成されていることが好ましい。本発明においては、前記流路の内面を曲面により形成することで、前記特定の領域以外で生じる乱流を抑制し、流速の低下及び圧力損失を防ぐことができる。
【００２１】
前記一方の放熱板に形成された冷媒流路と特定領域のうち、冷媒流路の少なくても一部と同じパターンの冷媒流路を他方の放熱板にも形成して流路の断面積を大きくすることで、流路の圧力損失を低減して冷却効率を向上させることができる。
【００２２】
また、前記流路は化学エッチング法により形成されたものであることが好ましい。本発明においては、化学エッチング法を使用することにより、例えば、放熱板にマスキングをしてエッチング液に浸漬することにより、一度に同じ深さの流路を形成することができる。その結果、流路の内面を曲面にすることが容易になる。
【００２３】
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には少なくとも７０質量％以上のニッケルを含有するニッケル含有層が形成されていることが好ましい。本発明においては、前記ニッケル層を形成することにより、前記放熱板の腐食を防止し、信頼性を向上することができる。また、前記ニッケル含有層はめっき法により形成することができる。
【００２４】
前記放熱板が銅又は銅合金からなり、前記流路における冷媒が接触する面には少なくても厚さ５０ｎｍ以上の銅の酸化膜が形成されていることにより、前記放熱板の腐食を抑制し、信頼性を向上することができる。また、前記銅の酸化膜は、酸素を含む雰囲気中でヒートシンクを加熱することで形成してもよい。
【００２５】
前記発熱体は例えばレーザダイオードである。
【００２６】
本願第２発明に係るレーザモジュールは、前記ヒートシンクと、このヒートシンクに固定された固定治具と、このヒートシンクの一方の放熱板に固定されたレーザダイオードと、を有することを特徴とする。本発明においては、接合部が少ない前記ヒートシンクを使用することにより、冷媒漏れの発生率が少なく、信頼性の高いレーザモジュールを低コストで製造することができる。
【００２７】
前記レーザモジュールは、１又は複数個のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクにおける前記流路が形成されていない領域には１又は複数個のヒートシンクを挿通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿通されたネジが前記固定治具に螺合されることにより前記ヒートシンクが前記固定治具に固定されていることが好ましい。
【００２８】
また、前記固定治具には、前記ヒートシンクに冷媒を供給する流路が形成されていることが好ましい。
【００２９】
本願第３発明に係るレーザ装置は、前記レーザモジュールと、前記レーザモジュールが発振するレーザ光により励起されてレーザ光を発振するレーザロッドと、を有することを特徴とする。本発明においては、前記レーザモジュールを使用することにより、信頼性が高いレーザ装置を低コストで製造することができる。
【００３０】
本願第４発明に係るレーザ加工機は、前記レーザモジュールを有することを特徴とする。本発明においては、前記レーザモジュールを使用することにより、信頼性が高いレーザ加工機を製造することができる。
【００３１】
本願第５発明に係るレーザ加工機は、前記レーザ装置を有することを特徴とする。本発明においては、前記レーザ装置を使用することにより、長期間安定してレーザダイオードを冷却することができるため、ランニングコストを低減することができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上詳述したように本発明によれば、放熱板に形成された流路に突起を設けることにより、前記流路を流動する冷媒に乱流が生じ、冷媒の渦運動による混合が行われ、放熱板から冷媒への熱量の移動効率が向上して冷却効率が増加する。また、前記突起を前記流路の底面から上方に向かって又は上面から下方に向かって横断面が小さくなる形状にすることにより、前記冷媒が上下方向に撹拌されてより冷却効率が向上する。前記流路をこのような形状にすることで、従来の２層構造の流路と同等以上の冷却性能を有する単層構造の流路が実現でき、流路が形成された放熱板及び平板状の放熱板によりヒートシンクを構成することができる。それにより、ヒートシンクにおける接合箇所が少なくなるため、信頼性が向上し、更に製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ線による断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板に形成される突起を示す断面図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板に形成される突起の形状を示す断面図であり、図４に示すＢ−Ｂ線による断面図に相当する。
【図６】本発明のヒートシンクにおける流路の第１の変形例を示す平面図である。
【図７】本発明のヒートシンクにおける流路の第２の変形例を示す平面図である。
【図８】本発明のヒートシンクにおける流路の第３の変形例を示す平面図である。
【図９】本発明のヒートシンクにおける流路の第４の変形例を示す平面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１０（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１２（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを縦方向に積層する場合の構成を示す斜視図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを５段積層した場合の構造を示す斜視図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係るレーザモジュールを示す断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図１９】本発明の第１実施例のヒートシンクに形成された突起を示す断面図である。
【図２０】特許文献７で提案された従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図２１】特許文献８で提案された従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図２２】（ａ）は特許文献４で提案された従来のヒートシンクを示す断面図であり、図２２（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図である。
【図２３】第１の実施形態に係るヒートシンクの第２の放熱板に流路を形成したものを示す平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    放熱板
２    流路
４    突起
５    セパレート棒
６    放熱板
７    発熱体接合部
８    発熱体
１６    形状
１７    貫通孔
１８    ヒートシンク
１９    スペーサー
２０    ヒートシンク
２１    ネジ
２２    治具
２３    突起
３０    ヒートシンク
３１    レーザダイオード
３２    スペーサー
３３    電極
３４    台
３５    レーザモジュール
３６    レーザロッド
３７    リアミラー
３８    ミラー
３９    レーザ光
３ａ    開口部
３ｂ    開口部
４０    レーザ光
４１    装置
４２    ファイバー
４３    レンズ
４４    加工物
１０１    放熱板
１０２    流路
１０３    開口部
１０７    接合部
１０７    部分
１０８    発熱体
１２４    フィン
１２６    放熱板
１２７    流路
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態に係るヒートシンクについて添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクについて説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。また、図２は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図であり、図３は図１（ａ）及び図２に示すＡ−Ａ線による断面図である。更に、図４は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクに形成された突起の形状を示す断面図であり、図５（ａ）乃至（ｃ）は図４に示すＢ−Ｂ線による断面図である。本発明の第１の実施形態に係るヒートシンクは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷媒が流動する流路２が形成された第１の放熱板１と、この第１の放熱板１に接合される第２の放熱板６とからなる。この第２の放熱板６は平板状であり、流路は形成されていない。
【００３６】
第１の放熱板１には、冷媒を注入する導入口及び冷媒を排出する排出口となる２つの開口部３ａ及び開口部３ｂが第１の放熱板１の長手方向に並ぶように形成されている。また、第１の放熱板１には、開口部３ａから開口部３ｂに向かって一対の流路２が形成されている。流路２は、開口部３ａから第１の放熱板１の長辺方向に分離し、第１の放熱板１の長辺に沿って夫々開口部３ｂ方向に延び、短辺付近で開口部３ｂ方向に折り返して開口部３ｂに達している。この流路２は、図３に示すように、断面が半円状である溝形状を有するものである。
【００３７】
更に、流路２の折り返し部付近には突起４が左右夫々５個ずつ形成されている。この突起４における第２の放熱板６及び第１の放熱板１に対して垂直方向の断面は、図４に示すように、第１の放熱板１側から第２の放熱板６側になるに従い細くなる末広がりの形状であることが好ましい。突起４における第２の放熱板６及び第１の放熱板１に対して平行方向の断面（図４に示すＢ−Ｂ線による断面）は、例えば、円形（図５（ａ）参照）、楕円形（図５（ｂ）参照）又は流線形（図５（ｃ）参照）である。更にまた、第１の放熱板１には、この第１の放熱板１の開口部３ｂ側の短辺の中央部から第１の放熱板１の長手方向に延びるセパレート棒５が設けられている。
【００３８】
なお、第１の放熱板１に形成された流路２と同様の形状のパターンが、図２３に示すように第２の放熱板６に形成されていてもよい。
【００３９】
次に、本実施形態のヒートシンクの製造方法について説明する。本実施形態のヒートシンクを構成する放熱板１及び放熱板６の材料としては、銅等の熱伝導性の高い板状の金属材料に、流路２、突起４及びセパレート棒５等を形成し、第１の放熱板１とする。その形成方法としては、例えば、銅板を流路２、突起４及びセパレート棒５の形状にマスキングした後、等方的な化学エッチングを施す等の方法を適用することができる。次に、図１（ａ）に示す第１の放熱板１の上部に図１（ｂ）に示す平板状の第２の放熱板６を接合して、図２に示すヒートシンクを組み立てる。
【００４０】
次に、上述の如く構成された本実施形態のヒートシンクの動作について説明する。本実施形態のヒートシンクにおいては、レーザダイオードアレイ等の発熱体８は、第２の放熱板６の発熱体接合部７の位置に接合される。この発熱体接合部７は、第１の放熱板１上の突起４が形成されている領域に整合する。また、発熱体８を冷却する際は、例えば、開口部３ａを導入口とし、開口部３ｂを排出口とし、開口部３ａから水等の冷媒を注入する。注入された冷媒は、左右に分かれて流路２に流れ込み、突起４の直前の流路が細くなる部分で流速が加速される。その後、突起４にぶつかることにより乱流が生じ、冷媒の流速は局所的に加速されるとともに、渦運動により冷媒が混合され、放熱板から冷媒への熱量の移動が促進される。このように、突起により冷媒の混合効果を高めることにより、流路２に接する放熱板から効率的に熱を奪うことができる。また、セパレート棒５は左右の流路を流れる冷媒を整流する役目を担う。突起４が形成された領域を通り過ぎた冷媒は、セパレート棒５により整流されて、流路２に続く開口部３ｂから排出される。本実施形態のヒートシンクにおいては、開口部３ａを導入口、開口部３ｂを排出口としているが、これに限定するものではなく、開口部３ｂを導入口とし、開口部３ａを排出口にしてもよい。
【００４１】
本実施形態のヒートシンクにおいては、開口部３ｂから流路２が左右に分かれて形成されており、この左右の流路が発熱体８との熱的接続領域である発熱体接合部７の下部領域において合流することを妨げるセパレート棒５が設けられている。このような水路構造とすることにより、左右の流路に分かれた冷媒は、発熱体接合部７を通過する際に温度が上昇するが、混ざり合うことなく開口部３ｂから排出されるため、ヒートシンク内の冷媒の熱交換効率が向上し、冷却性能を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態のヒートシンクにおいては、発熱体接合部７の下部領域に相当する流路に複数個の突起４を形成し、更にこの突起４の断面形状を末広がりの形状とすることで、流路を流れる冷媒の上下方向の攪拌効果を促進することができ、冷却性能を向上させることができる。この末広がりになっている突起構造の先端部は流路壁面に接触しているため、流路断面積の減少による流速の低下を防ぎ、流路の上下方向の攪拌効果をさらに促進させて冷却効果を高めることができる。更にまた、冷媒を注入する孔に続く流路の断面積を一度小さくしてから突起を形成している領域に冷媒を流し込むような形状にすることで、冷媒の流速を加速することができ、冷却効率が向上する。
【００４３】
更に、本実施形態のヒートシンクにおいては、第１の放熱板１に形成される流路２を上述の構成にすることで、流路２が形成された第１の放熱板１及び平板状の第２の放熱板６の２枚の放熱板を接合するだけでヒートシンクを製造することができるため、従来の複数層にわたって流路が形成されているヒートシンクの製造工程に比べ接合工程が少なくなり、製造コストを低減することができる。また、従来のヒートシンクに比べ、接合箇所が少なくなるため、接合不良により漏水する可能性も低減することができ、信頼性が向上する。
【００４４】
また、発熱体の冷却に関係しない冷媒の乱流は圧力損失を大きくし、流速を低減させてしまうため、極力抑制する必要がある。そこで、本実施形態のヒートシンクにおいては、流路の断面構造を矩形ではなく、曲線で囲まれた形状にしている。その結果、屈曲部での乱流を抑制することができる。この効果は、流路の一部だけが曲線で囲まれていても得られる。更に、流路を金属の等方エッチングで形成することで、ヒートシンクを形成する際に、一部が曲線となるＵ字形状とを形成することができる。この放熱板１に平板状の放熱板６を接合することにより、断面が半円形状を有する流路２を形成することができる。それにより、流路２の屈曲部で生じる乱流を抑制し、不要な圧力損失を抑制することが可能となる。また、流路の圧力損失が低いため接合界面にかかる負荷が小さくなり、ヒートシンクの耐水圧性に対する長期的な信頼性を高めることができる。
【００４５】
更に、前述の化学エッチング法により、放熱板１及び放熱板６の垂直方向に対する断面が末広がり形状を有する突起４及び流路２を短時間で安価に形成することが可能になる。突起４をこのような形状にすることで、その先端をエッチングすることなく放熱板１と放熱板６とを接合することができる。
【００４６】
なお、本実施形態のヒートシンクは、例えば、シリコン又は化合物半導体を使用した電子デバイス等のレーザダイオード以外の発熱体に対しても有効である。また、本実施形態のヒートシンクで使用される冷媒も、水以外のものも使用することができ、以下に示す実施形態についても同様である。
【００４７】
本実施形態における突起４の位置、向き及び個数は、図１（ａ）に示す構成に限定するものではなく、流路２の形状、製造方法、要求特性等に応じて適宜選択することができ、例えば、以下に示す形状にすることもできる。図６乃至９は、本実施形態のヒートシンクにおける流路形状の変形例を示す平面図である。図６に示す第１の変形例は、突起４が形成されている領域における流路の幅を太くし、更に突起４を１列に５個ずつ２列形成したものである。このような流路形状にすることで、面積の大きな発熱体を効率よく冷却することができる。
【００４８】
また、図７に示す第２の変形例は、突起４を放熱板の長辺側に配置したものである。この変形例においては、流速を高めるための突起２３を、乱流を促進するための突起４とは別に設けている。また、この変形例における流路２は、セパレート棒５により完全に分離されており、導入口から注入された冷媒は、流路２中で合流することなく排出口から排出される。このような流路形状にすることで、長い発熱体にも対応することができる。
【００４９】
更に、図８に示す第３の変形例は、左右の流路夫々に突起４を放熱板の長手方向と平行なるように並べて形成したものである。このような流路形状にすることで、ヒートシンクの相対する長辺側に夫々１個ずつ合計２個の発熱体を接合することができる。その際、１個の発熱体を冷却する能力は、短辺側に１個接合した場合の半分になる。これは、レーザダイオードの光を左右方向に出力させたい場合に有効である。
【００５０】
図９に示す第４の変形例は、Ｕ字型に流路２が形成され、その一方の端部に開口部３ａが、他方の端部に開口部３ｂが形成されているものである。これは、左右２本の流路が形成されたものより、単純な構造であるため、開口部３ａ及び開口部３ｂのどちらを導入口にしても全く同じ効果が得られる。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクについて説明する。図１０（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。また、図１１は本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るヒートシンクは、前記第１の実施形態と同様の流路２が形成された放熱板１と、平板状の放熱板６とからなる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、第１の放熱板１に形成された流路２には、前記第１の実施形態と同様に突起４及びセパレート棒５が形成されている。本実施形態のヒートシンクにおいては、上部に配置される放熱板１に流路が形成されており、前記流路中の突起の横断面は、上面から底面に向かって小さくなる形状になっている。また、放熱板１及び放熱板６の中心部分には、冷媒を供給するための台にヒートシンクを固定するためのネジを挿入する貫通孔１７が形成されている。一方、第２の放熱板６には冷媒の注入及び排出のための開口部３ａ及び開口部３ｂが形成されている。また、第１の放熱板１及び第２の放熱板６の表面には、厚さ５μｍ程度のめっき層が形成されている。このめっき膜は、流路２、突起４、セパレート棒５等を含む放熱板の全ての表面に形成されている。更に、本実施形態のヒートシンクは、図１１に示すように、第２の放熱板６の上部に第１の放熱板が接合され、第１の放熱板１上に発熱体接合部７が設けられている。
【００５２】
従来のヒートシンクにおいては、放熱板の材料に銅又は銅合金を使用し、冷媒に水を使用した場合、ヒートシンクに錆が発生するという問題があった。そこで、本実施形態のヒートシンクにおいては、流路２の表面にめっき膜を設け、このめっき膜により、放熱板が腐食するのを防止している。このめっき膜の材料としては、例えば、放熱板の材料が銅又は銅合金である場合は、ニッケルであることが好ましく、特に、めっき膜中のニッケル含有量は７０質量％以上であることが好ましい。前記めっき膜にニッケル以外の材料を使用すると、銅とのガルバニック電流の効果で腐食が加速されてしまう恐れがある。銅とニッケルとはイオン化傾向の差が小さいためガルバニック電流の影響はなく、更にニッケルは硬いため、耐久性にも優れている。また、ヒートシンクをレーザモジュールの電極の一部として使用する場合、ヒートシンク全体に大電流が流れる。この場合も異種金属界面が存在すると腐食が発生するため、ヒートシンクの材料とイオン化傾向の近い金属によりめっき膜を形成することが好ましく、例えば、ヒートシンクの材料が銅又は銅合金の場合、めっき膜の材料はニッケルであることが好ましい。
【００５３】
めっき膜の代わりに銅の酸化膜を形成しても良い。銅の酸化は腐食の１種であるが、表層に酸化物が形成されると、水中においてそれ以上内部へ酸化することを抑制することが可能となるため、腐食を防止できる。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクについて説明する。図１２（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクの第１の放熱板を示す平面図であり、図１２（ｂ）は第２の放熱板を示す平面図である。また、図１３は本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクは、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、前記第２の実施形態と同様に流路２、突起４及びセパレート棒５が形成された第１の放熱板１と、平板状の第２の放熱板６とからなり、第１の放熱板１及び第２の放熱板６の中心部分には、ヒートシンクに冷媒を供給するための台に固定するための貫通孔１７が形成されている。また、流路２の内面にはニッケルめっき層が形成されている。更に、本実施形態のヒートシンクには、放熱板１及び放熱板６の両方に、冷媒を注入及び排出するための開口部３ａ及び開口部３ｂが形成されている。これらの開口部３ａ及び開口部３ｂは、図１３に示すように、第１の放熱板１及び第２の放熱板６を接合してヒートシンクにした際には貫通孔になる。
【００５５】
次に、本実施形態のヒートシンクの動作について説明する。本実施形態のヒートシンクは、積層して使用される。図１４は本実施形態のヒートシンクを縦方向に積層した場合の構成を示す斜視図であり、図１５は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンクを５段積層した場合の構造を示す斜視図である。本実施形態のヒートシンクを積層する場合、最上層には図１１に示す構造のヒートシンク２０を配置し、２層目以降には図１３に示すヒートシンク１８を配置する。その際、各ヒートシンクの間には、冷媒の流路及び固定のための貫通孔が形成されたスペーサー１９を配置する。このようにしてヒートシンクを５層積層する場合、図１５に示すように、最上層のヒートシンク２０からヒートシンクを固定するネジ２１を貫通孔１７に通して冷媒を供給する治具２２に固定する。治具２２から供給された冷媒は、縦方向に連続している開口部３ａ又は開口部３ｂの一方を経由して各ヒートシンクに供給された後、開口部３ａ又は開口部３ｂの他方を経由して排出され、治具２２から排出される。
【００５６】
本実施形態のヒートシンクにおいては、開口部３ａ及び開口部３ｂを第１の放熱板１及び第２の放熱板６の両方に形成し、ヒートシンクを貫通させることで、複数個のヒートシンクを積層し、複数個のヒートシンクに冷媒を流動させることが可能になる。このようなスタック型のヒートシンクは、レーザダイオードを接合し、冷媒を供給するための流路を有する台に固定して、冷媒をこれらのヒートシンク中に流し、更にレーザダイオードを発振させるための電極をレーザダイオードとヒートシンクに接続し、このヒートシンクを電極の一部として利用して電流を流すことでレーザダイオードを発振させることができる。本実施形態のヒートシンクは高い冷却性能を有し、また、接合部分が少ないので冷媒が漏れる心配が非常に少ないため、信頼性の高いレーザモジュールを低コストで提供することができる。
【００５７】
また、本実施形態のヒートシンクは夫々が２枚の金属板から形成されており、その厚さは０．４℃／Ｗの冷却性能の場合は１．０ｍｍまで薄くすることが可能であり、従来の２段構造の流路を有するヒートシンクより薄型で同等の冷却性能を得ることができる。そのため、レーザダイオードアレイが接合されたヒートシンクを縦方向に積層したスタック型のレーザモジュールを作製する場合、従来のヒートシンクを使用する場合に比べて、縦方向の高さを低くすることができ、各レーザダイオードアレイから出力される光を１本の光ファイバーに導くことが容易になる。
【００５８】
次に、本発明の第４の実施形態に係るレーザモジュールについて説明する。図１６は前記第２の実施形態のヒートシンクを使用したレーザモジュールを示す断面図である。本発明の第４の実施形態に係るレーザモジュールは、前記第２の実施形態と同様の構造を有するヒートシンク３０の上面にレーザダイオード３１が接合され、このレーザダイオード３１の上部には、上部電極３３が接続されている。上部電極３３とヒートシンク３０との間にはレーザダイオード３１とほぼ同程度の厚さを有する絶縁スペーサー３２が配置されている。
【００５９】
次に本実施形態のレーザモジュールの動作について説明する。本実施形態のレーザモジュールにおいては、ヒートシンク３０が冷媒注入排出用台３４に固定され、冷媒注入排出用台３４に設けられた流路２を経由してヒートシンク３０に冷媒を流入する。本実施形態のレーザモジュールにおいては、ヒートシンク３０を構成する放熱板を導電性を有する材料にすることで、ヒートシンク３０を下部電極として使用することが可能になり、上部電極と下部電極とに電流を流すことによりレーザを発振させることができる。
【００６０】
本実施形態のレーザモジュールは、前記第２の実施形態のヒートシンクを使用しているため、水漏れの心配がなく、また、流路表面にニッケル層を設けているため腐食の発生率が低く、レーザダイオードの寿命である１００００万時間以上ランニング試験してもヒートシンクの冷却性能は劣化しない。更に、ヒートシンクの不具合によりモジュールを交換する必要がなくなるため、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。
【００６１】
次に、本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置について説明する。図１７は、本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。本発明の第５の実施形態に係るレーザ装置は、前記第４の実施形態のレーザモジュールを６個並べた６連レーザモジュール３５をＮｄ：ＹＡＧレーザロッド３６の励起光源に使用しているものであり、１対のレーザモジュール３５の間にＮｄ：ＹＡＧレーザロッド３６が配置されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド３６の前後には３７及び出力ミラー３８が配置されている。なお、図１７においては、２方向からＮｄ：ＹＡＧレーザロッドを励起する場合について示したが、本実施形態のレーザモジュール３５においては、３方向以上からＮｄ：ＹＡＧレーザロッドを励起してもよい。
【００６２】
次に、本実施形態のレーザ装置の動作について説明する。本実施形態のレーザ装置は、レーザモジュール３５からレーザ光３９が発振される。そのレーザ光３９はＮｄ：ＹＡＧレーザロッド３６に吸収され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド３６から発光した光がリアミラー３７と出力ミラー３８で共振してＮｄ：ＹＡＧレーザ光４０が発生する。
【００６３】
本実施形態のレーザ装置は、前記第２の実施形態のヒートシンクを使用したレーザモジュールを励起光源として使用しているため、長期的に安定したレーザ光を得ることが可能になり、メンテナンスコストを低減することができる。
【００６４】
次に、本発明の第６の実施形態に係るレーザ加工機について説明する。図１８は、前記第１の実施形態のヒートシンクを使用したレーザモジュールを搭載したレーザ装置を使用したレーザ加工機の構成を示す模式図である。図１８に示すように、本発明の第６の実施形態に係るレーザ加工機は、レーザ装置４１から出力される光を一度ファイバー４２に結合し、その後レンズ４３で集光して加工物４４に照射することで溶接及び切断を行うものである。本実施形態のレーザ加工機は、前記第１の実施形態のヒートシンクを使用することにより、レーザ装置の低コスト化を実現でき、またヒートシンクが原因となる装置の故障確率が大幅に低減するため、ランニングコスト及びメンテナンスコストを大きく低減することができる。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例を本発明の範囲から外れる比較例と比較して、その特性を評価した結果について説明する。
【００６６】
先ず、本発明の第１実施例として、図１及び図２に示す第１の実施形態と同様の構造であり、縦が２５ｍｍ、横が１１ｍｍ、厚さが２．５ｍｍのヒートシンクを作製した。本実施例においては、放熱板には銅板を使用し、前記銅板に化学エッチングにより深さ０．５ｍｍの流路を形成して第１の放熱板とした。そして、このヒートシンクの発熱体接合部７に発熱体８としてアレイの長さが１０ｍｍ、共振器長さが１．３ｍｍ、厚さが１３０μｍであり、５０Ｗで８０８ｎｍの光を出力するレーザダイオードアレイを接合し、冷媒として２５℃の冷却水を循環させてその冷却性能を調べた。その際、導入口は開口部３ａとし、排出口は開口部３ｂとした。その結果、熱抵抗は０．２５℃／Ｗであり、レーザダイオードアレイの各発光点から出力される波長のばらつきも±１ｎｍ以内に収まっていた。また、接合されたレーザダイオードアレイの温度は±３℃以内に冷却されており、従来の積層構造のヒートシンクと同等以上の性能が得られた。更に、導入口及び排出口を入れ換えて同様の試験を行ったところ、冷却性能の差は５％以内であった。更にまた、本実施例のヒートシンクは、１枚の銅板をエッチング加工することにより第１の放熱板を形成することができ、それを銅板と接合することにより製造することができるため、製造コストを従来のヒートシンクの半分以下にすることができた。
【００６７】
また、ヒートシンクの大きさを、縦を１５乃至２５ｍｍ、横を１０乃至１２ｍｍ、厚さを１乃至３ｍｍの範囲で変化させて同様の実験を行ったところ、縦及び横の長さを変化させた場合における冷却効率は±１０％以内で一致した。一方、厚さが３ｍｍの場合においては０．２０℃／Ｗの熱抵抗が得られた。この熱抵抗の値は、放熱板である銅板の厚さが薄くなるに従い上昇し、厚さが１ｍｍのヒートシンクにおいては０．３０℃／Ｗであった。
【００６８】
次に、本発明の第２実施例として、突起４の形状、位置及び向きを変化させたヒートシンクを作製してその冷却性能を調べた。本実施例のヒートシンクは、突起４の形状が異なる以外は、図１及び図２に示す第１の実施形態のヒートシンクと同様にした。先ず、第１の放熱板１及び第２の放熱板６に対して垂直方向の断面が、前記第１実施形態と同様に末広がり状（図４参照）、柱状（図１９（ａ）参照）及び平板に接触していない形状１６（図１９（ｂ）参照）である突起を形成したヒートシンクを作製し、その冷却性能を調べた。その結果、図４に示す末広がりの柱状形状の突起を有するヒートシンクが、他の形状の突起を形成したヒートシンクに比べて冷却性能が１０％以上高かった。次に、第１の放熱板１及び第２の放熱板６と平行方向における断面の形状が図５（ａ）に示す円形状、図５（ｂ）に示す楕円状、図５（ｃ）に示す流線形状のものは、流路中を流れる冷媒の流れに対して圧力損失が最小になるような向きに調整した場合の圧力損失が０．０２Ｍｐａ以下になり、夫々の冷却性能も０．３０℃／Ｗ以下であり、従来の積層構造のヒートシンクと同等以上の熱変換効率を有するヒートシンクが得られた。
【００６９】
次に、本発明の第３の実施例として、第１の実施例と同様の大きさの厚さ２．５ｍｍのヒートシンクで、第２の放熱板を図２３に示すように、第１の放熱板１に形成された流路２と同じパターンで深さ０．１５ｍｍの流路を施すことにより、圧力損失が２０％低減し、流量が増加したことにより熱抵抗を０．２０℃／Ｗ程度まで下げることができた。
【００７０】
また、図５（ｂ）に示す形状を有する突起の個数及び大きさを変えた場合における熱抵抗の変化を調べた。その結果、前記流路の底面又は上面において、各突起が占める面積が同じである場合、突起の横断面を大きくするよりも突起の数を多くする方が冷却効率は向上した。また、前記流路の底面又は上面における前記突起が占める割合が８０％を超えると圧力損失が上昇して冷却性能が低下した。更に、前記流路の底面又は上面における前記突起が占める割合が２０％以下になると突起が形成されていない場合と同等の冷却性能しか得られなかった。
【００７１】
次に、本発明の第３実施例として、放熱板の材料として銅板を使用、前記第１の実施形態を同様の構造で、流路２の表面に厚さ５μｍのニッケルめっき層を形成したヒートシンク、流路２の表面に厚さ５μｍの金めっき層を形成したヒートシンク、厚さ５μｍのニッケルめっき層を形成した後厚さ１μｍの金めっき層を形成したヒートシンク、及びめっき層を形成せずに流路表面が銅であるヒートシンクを作製した。耐食性試験として、これらのヒートシンクに２５℃の食塩水を５０時間循環させ、その後内部を観察した。その結果、ニッケルめっき層のみを形成したヒートシンクの腐食面積は、流路２の表面が銅のヒートシンクの（１／５）、金めっき層を形成したヒートシンクの（１／３）、ニッケルメッキ層の上に金めっき層を形成したヒートシンクの（１／２）であった。
【００７２】
また、ニッケルメッキ層の変わりに銅の酸化膜を１００ｎｍ形成したものも用意し、冷却水を流して流路の圧力損失の変化を長期的に測定し、腐食が進行して圧力損失の変化が始まる時間を測定したところ、銅の酸化膜を施したものはニッケルめっき層を施したものとは同程度で約３０００時間、銅だけのものは約１５００時間で圧力損失が上昇しはじめ、銅の酸化膜はニッケルめっき層と同程度で銅だけの場合の２倍の耐腐食性があった。
【００７３】
次に、本発明の第１の比較例として、前記特許文献７で提案された流路が２層構造である従来のヒートシンクを作製した。図２０は、特許文献７で提案された従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。このヒートシンクは、流路を形成した放熱板１０１を上下に２枚と、中間層の流路を形成した放熱板１２５の１枚の合計３枚の放熱板から形成されている。開口部１０３から流路１０２に注入された冷媒は、冷媒を整流するためのフィン１２４で分散された後、中間層の縦方向に流路に結合され、再びフィンで整流された後に開口から排出される。この構造のヒートシンクは、中間層の流路が狭いため圧力損失が大きく、また、流路の幅が広がることにより流速が低下する。更に、３枚の放熱板全てに流路を形成する必要があるため作製コストがかかる。よって、本発明のヒートシンクの方が、圧力損失が少なく、流速が早いため、冷却性能に勝り、コスト及び信頼性の点でも優れていた。
【００７４】
次に、本発明の第２の比較例として、前記特許文献８で提案された流路が２層である従来のヒートシンクを作製した。図２１は、特許文献８で提案された従来のヒートシンクの構造を示す斜視図である。このヒートシンクは、開口部を設けた平板の放熱板１０１を上下に１枚ずつ、及び中間層として貫通した流路を形成した放熱板１２６を３枚の計５枚の放熱板から形成されている。開口部１０３から流路１０２に注入された冷媒は、中間層の放熱板間で形成される流路を上下左右に流れた後、注入側とは反対側の開口部１０３から排出される。このヒートシンクは、貫通穴を加工した５枚の放熱板を使用する必要があるため製造コストがかかり、放熱板間の接合界面も多いので、液漏れ等の信頼性に課題がある。また、ヒートシンク全体を冷却する効果は高いが、発熱体を接合する部分１０７の下部だけを集中して冷却することは困難である。よって、本発明のヒートシンクの方がコスト、信頼性及び冷却性能の点で優れていた。
【００７５】
次に、本発明の第３の比較例として、前記特許文献５で提案された同一平面状に流路が形成されている従来のヒートシンクを作製した。図２２（ａ）は特許文献５で提案された従来のヒートシンクの構造を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。このヒートシンクは、独立した導入口及び排出口を有する２本の流路１０２と、発熱体１０８を接合する発熱体接合部１０７と整合する領域に、対向した２本の屈曲した流路１２７が形成されている。導入口から注入された冷媒は、夫々の流路に形成された屈曲部を通過後に排出口から排出される。このヒートシンクは構造がシンプルであるが、屈曲部での圧力損失が大きく、また、２本の流路への冷媒の注入と排出を別々に行う必要があるため、冷媒を供給するための台の構造が複雑になってしまう。そのため、本発明のヒートシンクの方が、圧力損失が小さく、冷却効率が優れていた。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は高出力レーザを効率的に冷却するヒートシンクとして、有益である。
【国際調査報告】
2004076952.tif 000026
2004076952.tif 000027
2004076952.tif 000028
2004076952.tif 000029