(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底箱型の筐体の底板上に偏平な電子冷却素子の下面を接合させた状態で前記底板の下面側から加熱して、前記電子冷却素子を前記底板の所定位置にハンダ付け固定する段階と、
前記底板に固定された電子冷却素子の上面に、切欠きまたは穴を有する光半導体部品支持用の基板を載置するとともに、前記電子冷却素子の上面のうち、前記切欠きまたは穴から露出している部分を上方から押さえ付ける段階と、
前記筐体の下面側から加熱するとともに、前記基板を前記底板と平行な方向に揺すりながら該底板側に押し付けて、前記基板の下面と前記電子冷却素子の上面との間をハンダ付けする段階とを含む光学装置の組立て方法。
【請求項２】
有底箱型の筐体と、
前記筐体の底板上の所定位置に下面を接合させた状態でハンダ付け固定された略矩形の偏平な電子冷却素子と、
縦横の最大寸法が前記電子冷却素子の外形寸法とほぼ一致し、且つ、前記電子冷却素子に重ね合わせたときに該電子冷却素子の上面の一部を露出させるための切欠きまたは穴が設けられ、該切欠きまたは穴から前記電子冷却素子の上面の露出している部分を上方から押さえ付けた状態で該電子冷却素子上面に重なり合うようにしてハンダ付け固定された光半導体部品支持用の基板とを備えた光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置の組立て方法および光学装置において、電子冷却素子および光半導体部品支持用の基板を筐体内の所定位置に精度よく固定するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば各種光学機器の光源として使用されるレーザ光出力装置は、機器組み込に便利なように最小限度に小型化された筐体内に、レーザダイオード、レーザダイオードを冷却するためのペルチェ素子等の電子冷却素子、レーザ光出射用のレンズ等の部品がマウントされている。
【０００３】
このような小型化されたレーザ光出力装置は、従来から図１０に示すような方法によって組立てられていた。
【０００４】
即ち、図１０の（ａ）に示すように、加熱機１の上にセットされた箱型の筐体１０の底面１０ａの所定位置に、レーザダイオードを冷却するための矩形平板状のペルチェ素子等の電子冷却素子１１をマウント機２のアーム２ａによって押し付けるとともに、加熱機１によって筐体１０の下面側から加熱する。
【０００５】
電子冷却素子１１の上面および下面には、予めハンダ層１２、１３が設けられており、筐体１０の底面１０ａからの熱によって下面のハンダ層１３が溶け、加熱を停止すると、図１０の（ｂ）のように、筐体１０の底面１０ａと電子冷却素子１１の下面との間がハンダ（図示せず）を介して固定される。
【０００６】
なお、ハンダ層１２、１３の表面にはハンダの濡れ広がりを阻害する酸化膜があるため、電子冷却素子１１を筐体１０の底面に押し付ける際に前後方向に小刻みに揺すって（スクラブ操作という）この酸化膜を壊し、ハンダが濡れ広がるようにしている。
【０００７】
次に、図１０の（ｃ）に示すように、電子冷却素子１１と重なり合うように矩形平板状の外形を有し、レーザダイオード部品１４が上面側に予め固定された基板１５を、マウント機２のアーム２ａによって電子冷却素子１１の上面に重なり合うように載置し、前記同様にスクラブ操作しながら、電子冷却素子１１側に押し付けるとともに、加熱機１から熱を加える。なお、レーザダイオード部品１４は、レーザ光を出射するダイオードチップ１４ａとダイオードチップ１４ａを支持する支持体１４ｂとで構成されている。
【０００８】
この加熱により、電子冷却素子１１の上面側のハンダ層１２が溶け、図１０の（ｄ）のように、基板１５の下面側と電子冷却素子１１の上面側との間がハンダ（図示せず）を介して固定される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の組立て方法では、次のような問題があった。
【００１０】
即ち、基板１５をハンダ付け固定する際に電子冷却素子１１の下面と筐体１０の底面１０ａとの間のハンダも溶けるので、電子冷却素子１１は筐体１０に対して移動できる状態となり、しかも、前記した基板１５に対するスクラブ操作の力を受けて電子冷却素子１１が移動してしまい、加熱を停止したとき、電子冷却素子１１は図１１のように、元の固定位置から掛けはなれた位置に固定されてしまう。
【００１１】
この電子冷却素子１１の位置ずれは、冷却効率の低下を招くだけでなく、他の光学部品のマウントに支障をきたす。
【００１２】
これを解決するために、基板１５を固定する際に電子冷却素子１１と筐体１０との間のハンダが溶けないように、電子冷却素子１１の上面側のハンダ層１２と下面側のハンダ層１３の融点に差を設けることが考えられる。
【００１３】
即ち、上面側のハンダ層１２を融点が例えば１３８°Ｃのハンダによって形成し、下面側のハンダ層１３を融点が例えば１８３°Ｃのハンダによって形成し、電子冷却素子１１を筐体１０に固定する際には電子冷却素子１１の下面側のハンダ層１３が十分溶ける熱を加熱機１から加え、基板１５を固定する際には、電子冷却素子１１の下面側のハンダは溶けず、上面側のハンダ層１２だけが溶けるように加熱機１から熱を加えるようにする。
【００１４】
ところが、このように融点の低いハンダを用いて基板１５を固定した場合、装置動作時に内部に発生する熱や外部からの熱によってハンダが軟化し基板１５と電子冷却素子１１との間の結合力が弱くなり、弱い外力等で基板１５が剥がれる恐れがあり、装置の信頼性が低くなってしまう。また、加熱機１の温度管理が煩雑となる。
【００１５】
また、ハンダ層１２、１３の融点をともに高くする、例えば電子冷却素子１１の下面側のハンダ層１３の融点を２３０°Ｃ程度にして、上面側のハンダ層１２の融点を１８３°Ｃにすることも考えられるが、電子冷却素子１１のような半導体素子では内部の半導体同士が一般に２７０°Ｃ程度の融点の材料で結合されており、加熱機１から２３０°Ｃを超える高熱を加えると、電子冷却素子１１内の半導体の結合が切断されて故障してしまう。
【００１６】
このように、融点の異なるハンダを用いる方法では、別の問題が新たな発生してしまう。
【００１７】
このため、従来では、電子冷却素子１１の位置ずれをある程度見込んで、その周囲に余分なスペースを設けて、装置の小型化、高密度化を犠牲にしているのが現状であった。
【００１８】
本発明は、これらの問題を解決し、融点が異なるハンダを用いることなく、電子冷却素子の位置ずれを起こさずに基板を固定することができる光学装置の組立て方法および電子冷却素子および基板が所望の位置に正確に固定された信頼性の高い光学装置を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光学装置の組立て方法は、
有底箱型の筐体の底板上に偏平な電子冷却素子の下面を接合させた状態で前記底板の下面側から加熱して、前記電子冷却素子を前記底板の所定位置にハンダ付け固定する段階と、
前記底板に固定された電子冷却素子の上面に、切欠きまたは穴を有する光半導体部品支持用の基板を載置するとともに、前記電子冷却素子の上面のうち、前記切欠きまたは穴から露出している部分を上方から押さえ付ける段階と、
前記筐体の下面側から加熱するとともに、前記基板を前記底板と平行な方向に揺すりながら該底板側に押し付けて、前記基板の下面と前記電子冷却素子の上面との間をハンダ付けする段階とを含んでいる。
【００２０】
また、本発明の請求項２の光学装置は、
有底箱型の筐体と、
前記筐体の底板上の所定位置に下面を接合させた状態でハンダ付け固定された略矩形の偏平な電子冷却素子と、
縦横の最大寸法が前記電子冷却素子の外形寸法とほぼ一致し、且つ、前記電子冷却素子に重ね合わせたときに該電子冷却素子の上面の一部を露出させるための切欠きまたは穴が設けられ、該切欠きまたは穴から前記電子冷却素子の上面の露出している部分を上方から押さえ付けた状態で該電子冷却素子上面に重なり合うようにしてハンダ付け固定された光半導体部品支持用の基板とを備えている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図４は、本発明の組立て方法を用いて構成された光学装置であるレーザ光出力装置２０を示している。
【００２２】
これらの図に示しているように、レーザ光出力装置２０の筐体２１は、略長方形の底板２２と、底板２２の上面の前後に対向するように立設された前板２３および後板２４と、前板２３の左右の縁と後板の左右の縁の間を連結するようにして底板２２上に立設された側板２５、２６とによって構成されている。
【００２３】
なお、底板２２は側板２５、２６よりも長く形成され、その前端および後端には、筐体２１を他の部材に固定するためのフランジ部２７が形成されている。
【００２４】
前板２３の中央にはレーザ光を出射させるための出射口２８が設けられており、側板２５、２６の上部には、リード端子ブロック２９が設けられている。
【００２５】
リード端子ブロック２９は、筐体２１の側板２５、２６の上部側において、側板２５、２６を貫通するように取り付けられた絶縁体からなる端子基板２９ａと、この端子基板２９ａを水平に貫通して一端側を筐体２１内に突出させ、他端側を筐体２１の側方に延びるように突出させた複数のリード端子２９ｂによって構成されている。
【００２６】
底板２２の上面２２ａのほぼ中央には、矩形で偏平なペルチェ素子等の電子冷却素子３０がその下面側を底板２２の上面２２ａに接合させた状態でハンダ付け固定されている。
【００２７】
電子冷却素子３０の上面側には第１の基板３５がハンダ付け固定されている。第１の基板３５は、縦横の最大寸法が電子冷却素子３０の外形寸法とほぼ一致する略矩形状に形成されており、その後端側にはＵ字状の切欠き３６が設けられている。
【００２８】
第１の基板３５は、電子冷却素子３０と互いの四隅部分を一致させるように重なり合った状態で電子冷却素子３０の上にハンダ付け固定されており、電子冷却素子３０の上面のうち、第１の基板３５の切欠き３６の部分だけが露出している。
【００２９】
第１の基板３５の上面側の前部には、光半導体部品としてレーザダイオード部品４０が溶接によって固定されている。レーザダイオード部品４０は、横長角柱状の支持体４０ａを有し、支持体４０ａの上面にレーザダイオード４０ｂが設けられている。
【００３０】
レーザダイオード部品４０の支持体４０ａの前面側には、レーザダイオード４０ｂから出射されたレーザ光を平行光に収束させて筐体２１の出射口２８から出射させるレンズブロック４２が固定されている。
【００３１】
第１の基板３５の上面側の後部には、切欠き３６を覆うようにして、第２の基板４５が溶接固定されている。
【００３２】
第２の基板４５の上には、レーザダイオード４０ｂからレンズブロック４２側に出射されるレーザ光の強度をモニタするための光半導体部品としてレーザダイオード４０ｂから背面側に出射される光を受光するフォトダイオード部品５０が固定されている。
【００３３】
フォトダイオード部品５０は、前面側が傾斜した台形状の支持体５０ａを有し、支持体５０ａの傾斜した前面にフォトダイオード５０ｂが設けられている。
【００３４】
電子冷却素子３０、レーザダイオード４０ｂおよびフォトダイオード５０ｂは、筐体２１内においてリード端子ブロック２９の各リード端子２９ｂにボンディングワイヤー（図示せず）を介して接続されている。なお、筐体２１の上面側は矩形平板状のカバー５５によって覆われている。
【００３５】
次に、このレーザ光出力装置２０の組立て方法について説明する。
なお、以下に説明する組立て方法では、予め図示しない別の組立て工程において、第１の基板３５、レーザダイオード部品４０およびレンズブロック４２を一体化しておいてから、筐体２１に組み込む場合について説明するが、第１の基板３５のみ、あるいはレーザダイオード部品４０が上面に予め固定された第１の基板３５を筐体２１に組み込んでから他の部品を組み込むようにしてもよい。
【００３６】
始めに、図５の（ａ）に示すように、筐体２１を加熱機１の上にセットし、マウント機２のアーム２ａによって電子冷却素子３０を筐体２１の底板２２の上面２２ａの所定位置に載せて、加熱機１から熱を加えた状態で、電子冷却素子３０を前後方向に小刻みに揺すりながら（スクラブ操作）、底板２２側に押し付ける。
【００３７】
電子冷却素子３０の下面および上面には融点が等しい（例えば１８３°Ｃ）のハンダ層３１、３２が予め設けられており、ハンダ層３１が加熱機１からの熱によって溶けて電子冷却素子３０に対するスクラブ操作と押し付けにより電子冷却素子３０の下面と底板２２の間を埋めつくすようにして濡れ広がる。
【００３８】
この状態で加熱を停止すると、電子冷却素子３０と底板２２の間に薄く広がったハンダ（図示せず）が固まり、図５の（ｂ）のように、電子冷却素子３０が底板２２の上面の所定位置に固定される。なお、電子冷却素子３０の上面側のハンダ層３２も加熱によって一旦は溶けるが、加熱の停止によってそのまま固まる。
【００３９】
次に、レーザダイオード部品４０およびレンズブロック４２と一体化された第１の基板３５を、図５の（ｃ）のように、マウント機２のアーム２ａによって電子冷却素子３０と四隅同士がほぼ一致するように電子冷却素子３０の上面に載置するとともに、マウント機２の押さえ棒２ｂを第１の基板３５の切欠き３６部分を通過するように下降させて、図６の（ａ）のように、その先端をこの切欠き３６部分から露出している電子冷却素子３０の上面に当接させ、電子冷却素子３０を底板２２側に押し付ける。
【００４０】
そして、加熱機１によって熱を加えるとともに、第１の基板３５に対するスクラブ操作、即ち、図６の（ｂ）、（ｃ）のように、第１の基板３５を前後方向に小刻みに移動させる。
【００４１】
ここで、スクラブ操作のストロークは、押さえ棒２ｂが第１の基板３５の切欠き３６の内縁に当接しないように設定されている。
【００４２】
電子冷却素子３０の上面側のハンダ層３２は加熱機１からの熱を受けて溶け、スクラブ操作を伴う押し付けにより電子冷却素子３０の上面と底板２２の間を埋めつくすようにして濡れ広がる。
【００４３】
このとき、電子冷却素子３０の下面と底板２２との間のハンダも溶け、電子冷却素子３０はスクラブ操作による前後方向の力を受けるが、押さえ棒２ｂによって上方から底板２２側に押さえ付けられているので、最初に固定された位置から移動することはない。
【００４４】
したがって、この状態で加熱を停止すると、第１の基板３５と電子冷却素子３０の間のハンダおよび電子冷却素子３０と底板２２との間のハンダが固まり、図５の（ｄ）のように、第１の基板３５は電子冷却素子３０の上面に固定される。
【００４５】
ここで、前記したように電子冷却素子３０は最初に固定した位置から移動しないので、電子冷却素子３０と第１の基板３５とは、四隅同士が互いに一致し、接合面積が最大で冷却効率が最も高い状態で固定され、他の光学部品の組み込みに支障をきたす恐れもない。
【００４６】
このようにして、電子冷却素子３０および第１の基板３５を、筐体２１内の所望位置に固定した後には、図４に示したように、予めフォトダイオード部品５０が上面側に固定されている第２の基板４５を第１の基板３５の上面側の後部に溶接固定し、さらにリード端子ブロック２９を筐体２１の側板２５、２６に固定し、電子冷却素子３０、レーザダイオード４０ｂおよびフォトダイオード５０ｂと各リード端子２９ｂとの間をボンディング接続してから、筐体２１の上面側を覆うようにカバー５５を固定して、このレーザ光出力装置２０を完成させる。
【００４７】
このような組立て方法によって組み立てられたレーザ光出力装置２０は、電子冷却素子３０および第１の基板３５が所望の位置に正しく固定されており、電子冷却素子３０による冷却効率が高く、電子冷却素子３０の位置ずれを見込んだ余分なスペースを設ける必要がなく、さらに小型化、高密度化が可能となる。
【００４８】
また、融点が異なるハンダを用いずに済み、組立て時の温度管理が容易で、装置の信頼性も高い。
【００４９】
なお、前記説明では、電子冷却素子３０の上面の一部を露出させるために第１の基板３５の一端側にＵ字状の切欠き３６を設けていたが、図７に示す第１の基板３５のように、中央部に矩形（多角形、真円、楕円、長円でもよい）の穴３７を設け、この穴３７から電子冷却素子３０の上面の一部を露出させて、前記同様にマウント機２の押さえ棒２ｂをこの穴３７を通して電子冷却素子３０の上面に当接して押さえ付けるようにしてもよい。
【００５０】
また、図８に示す第１の基板３５のように、一端側の両隅に切欠き３６ａ、３６ｂを設け、この切欠き３６ａ、３６ｂから露出する電子冷却素子３０の上面を２本の押さえ棒２ｂ、２ｂで押さえ付けるようにしたり、図９に示す第１の基板３５のように、中央部の両側に切欠き３６ａ、３６ｂを設け、この切欠き３６ａ、３６ｂから露出する電子冷却素子３０の上面を２本の押さえ棒２ｂ、２ｂで押さえ付けるようにしてもよい。
【００５１】
また、以上の説明は、光学装置としてレーザ光を出射するレーザ光出射装置についてのものであったが、本発明は、レーザ光を出射するレーザ光出射装置だけに限らずに、筐体の底板上にハンダ付け固定した電子冷却素子の上面に、光半導体部品支持用の基板がハンダ付け固定される他の光学装置についても同様に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学装置の組立て方法では、筐体の底面にハンダ付け固定された電子冷却素子の上面に、切欠きまたは穴を有する光半導体部品支持用の基板をスクラブ操作によってハンダ付け固定する際に、電子冷却素子の上面のうち切欠きまたは穴から露出している部分を筐体の底板側に押し付けるようにしている。
【００５３】
このため、スクラブ操作による電子冷却素子の位置ずれが発生せず、電子冷却素子および基板を所望の位置に正確に固定することができる。
【００５４】
また、融点が異なるハンダを用いずに済み、ハンダ付けの際の温度管理が容易となる。
【００５５】
また、本発明の光学装置では、光半導体部品支持用の基板は、その縦横の最大寸法が電子冷却素子の外形寸法とほぼ一致し、且つ、電子冷却素子に重ね合わせたときに電子冷却素子の上面の一部を露出させるための切欠または穴が設けられており、その切欠または穴から電子冷却素子の上面の露出している部分を上方から押さえ付けた状態で電子冷却素子上面に重なり合うようにしてハンダ付け固定されている。
【００５６】
このため、切欠または穴から露出した電子冷却素子の表面の一部を押さえながら、電子冷却素子上に基板をハンダ付け固定することが可能となり、電子冷却素子および基板が所望の位置に正確に固定された信頼性の高いものとすることができる。
【００５７】
また、電子冷却素子の位置ずれを見込んだ余分なスペースを設ける必要がなく、さらに小型化、高密度化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の外観を示す斜視図
【図２】実施形態の平面図
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図
【図４】実施形態の要部の分解斜視図
【図５】実施形態の組立て方法を説明するための概略正面図
【図６】実施形態の組立て方法を説明するための概略平面図
【図７】基板の変形例を示す図
【図８】基板の変形例を示す図
【図９】基板の変形例を示す図
【図１０】従来の組立て方法を説明するための概略側面図
【図１１】従来の組立て方法によって生じる問題を説明するための概略側面図
【符号の説明】
１  加熱機
２  マウント機
２ａ  アーム
２ｂ  押さえ棒
２０  レーザ光出力装置
２１  筐体
２２  底板
２８  出射口
２９  リード端子ブロック
３０  電子冷却素子
３１、３２  ハンダ層
３５  第１の基板
３６  切欠き
４０  レーザダイオード部品
４５  第２の基板
５０  フォトダイオード部品
５５  カバー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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