(57)【要約】【課題】  レーザダイオードに導電接続されたスイッチ素子を複数個配設してなるレーザダイオード用電源において、簡単且つ安価な構成で、スイッチ素子の冷却性能が高く、その絶縁性も担保することができるレーザダイオード用電源と、そのレーザダイオード用電源を用いたレーザ装置を提供する。【解決手段】  第１ヒートシンク３と第２ヒートシンク５との間に放熱絶縁シート４を介在させて絶縁性を担保する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードに導電接続されたスイッチ素子を複数個配設して成るレーザダイオード用電源であって、
複数個の前記スイッチ素子が表面に実装された第１ヒートシンクと、
該第１ヒートシンクに取り付けられた第２ヒートシンクと、を有し、
前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとは電気的に絶縁されている
ことを特徴とするレーザダイオード用電源。
【請求項２】
前記第１ヒートシンクは、前記スイッチ素子よりも熱抵抗の小さい金属により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード用電源。
【請求項３】
前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとの間には、放熱性を有した絶縁材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザダイオード用電源。
【請求項４】
前記第１ヒートシンクは、複数の前記スイッチ素子の平面積よりも広い平面積とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のレーザダイオード用電源。
【請求項５】
個々の前記スイッチ素子と前記第１ヒートシンクとは導電接続されており、前記第１ヒートシンクは、前記スイッチ素子の外部回路と接続させる電極として構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザダイオード用電源。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のレーザダイオード電源を備えることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートシンク冷却方式を採用するレーザダイオード用電源（以下、ＬＤ用電源と記載する）、およびこのＬＤ用電源を用いてレーザ光を出力するレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＤ用電源が接続されたダイオードから発光されるレーザ光により、発振ファイバーや固体レーザの媒質を励起し、その発振ファイバーや固体レーザの媒質のレーザ光を出力するレーザ装置において、ＬＤ用電源を構成するスイッチ素子は、装置の小型化の要請から、基板やその他の素子が密集する中に複数個を並列させて配設されている。よって、ＬＤ用電源にはスイッチ素子複数個分の熱が発生する。そして、その熱が逃げにくい構成であれば、ＬＤ用電源の加熱による誤動作等が問題となっていた。そこで、前記ＬＤ用電源の放熱手段として、ヒートシンクを用いてＬＤ用電源を構成するスイッチ素子を冷却するヒートシンク冷却方式が採用されている（特許文献１）。
【０００３】
図５は、このようなヒートシンク１０３を備えたＬＤ用電源１０１のスイッチ素子１０２の一従来例を示している。スイッチ素子１０２は、例えば銅やそのメッキ物等からなる金属製の取付部１０２ｂが本体１０２ａに配設された構成となっている。このスイッチ素子１０２は、前記取付部１０２ｂに絶縁性が付与されていないので、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃu）等の金属材を用いて形成されたヒートシンク１０３に対し、例えば、シリコンにフィラーを混入させた放熱絶縁シート１０５を介在させてねじ１０６により取り付けられている。これにより、スイッチ素子１０２とヒートシンク１０３の間の絶縁性が担保された状態で、スイッチ素子１０２の放熱冷却がなされている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３４５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように構成されたスイッチ素子１０２の冷却構造を備えたＬＤ用電源１０１において、その放熱効率を向上させるための方法としては、放熱絶縁シート１０５をより高性能なものとしたり、ヒートシンク１０３の温度を下げることが考えられる。しかしながら、何れの方法も高コストとなるといった問題がある。
【０００６】
また、放熱絶縁シート１０５を薄くし、ヒートシンク１０３の冷却作用をスイッチ素子１０２の部分に効果的に及ぼさせることも考えられるが、その場合には、スイッチ素子１０２とヒートシンク１０３との間において、いわゆる絶縁破壊が生じるおそれがある。
【０００７】
本発明は、前述したような課題を解決するためになされたもので、複数個のスイッチ素子を用いたＬＤ用電源およびそのＬＤ用電源を用いたレーザ装置において、簡単且つ安価な構成で、スイッチ素子の冷却性能が高く、その絶縁性も担保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明に係る第１の態様のＬＤ用電源は、レーザダイオードに導電接続されたスイッチ素子を複数個配設して成るレーザダイオード用電源であって、  複数個の前記スイッチ素子が表面に実装された第１ヒートシンクと、  該第１ヒートシンクに取り付けられた第２ヒートシンクと、を有し、  前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとは電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の態様のＬＤ用電源は、第１の態様のＬＤ用電源において、前記第１ヒートシンクは、前記スイッチ素子よりも熱抵抗の小さい金属により形成されていることを特徴とする。
【００１０】
さらに、第３の態様のＬＤ用電源は、第１または第２の態様のＬＤ用電源において、前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとの間には、放熱性を有した絶縁材が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
またさらに、第４の態様のＬＤ用電源は、第１乃至第３のいずれかの態様のＬＤ用電源において、前記第１ヒートシンクは、複数の前記スイッチ素子の平面積よりも広い平面積とされていることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の態様のＬＤ用電源は、第１乃至第４のいずれかの態様のＬＤ用電源において、個々の前記スイッチ素子と前記第１ヒートシンクとは導電接続されており、前記第１ヒートシンクは、前記スイッチ素子の外部回路と接続させる電極として構成されていることを特徴とする。
【００１３】
そして、本発明に関するレーザ装置は、 前述の第１乃至第５のいずれかの構成のＬＤ用電源を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の態様のＬＤ用電源によれば、第１ヒートシンクと第２ヒートシンクとを電気的に絶縁させて取り付けることにより、第１ヒートシンクに実装されたスイッチ素子の絶縁性を担保することができる。
【００１５】
その際、第２の態様のＬＤ用電源のように、第１ヒートシンクをスイッチ素子よりも熱抵抗の小さい金属材により形成することで、熱交換性を確実に向上させることができる。
【００１６】
また、第３の態様のＬＤ用電源のように、第１ヒートシンクと第２ヒートシンクとの間に放熱性を有した絶縁材を介在させることで、電気的絶縁を担保し、ＬＤ用電源の加熱を防止することができる。
【００１７】
そして、第４の態様のＬＤ用電源のように、第１ヒートシンクを複数のスイッチ素子の平面積（放熱部が形成されている場合には、その放熱部をも含むスイッチ素子の平面積）よりも広い平面積となるように形成することで、放熱効果をより確実に向上させることができる。
【００１８】
そして、第５の態様のＬＤ用電源は、個々のスイッチ素子と第１ヒートシンクとを導電接続し、この第１ヒートシンクを電極として用いて大電流を供給したとしても、電気的抵抗が小さいので、冷却作用を劣化させることがない。
【００１９】
さらに、本発明のレーザ装置は、前述の第１乃至第５のいずれかの態様のＬＤ用電源を備えることで、スイッチ素子の加熱を原因とする誤動作を回避して、安定した駆動を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１（Ａ）は本発明の第１実施形態のＬＤ用電源の全体構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、そのＢ−Ｂ断面図である。また、図２は、第１実施形態のＬＤ用電源の要部構成を示す断面説明図である。
【００２１】
図１および図２に示すように、第１実施形態のＬＤ用電源１においては、不図示のレーザダイオードに接続された複数個（図１（Ａ）においては６個）のスイッチ素子２が並列させて、その冷却性能を向上させるべく、第１ヒートシンク３に対し、絶縁物を介在させずにねじ６を用いて取付けられている。また、前記第１ヒートシンク３は、スイッチ素子２の絶縁性も担保するべく、冷媒通路９を通過する冷媒等で冷却される第２ヒートシンク４に対し、放熱絶縁シート５を介在させてねじ６を用いて取付けられている。なお、前記ねじ６は絶縁性を有する樹脂製ねじを用いる。
【００２２】
詳しくは、スイッチ素子２には、スイッチ素子本体２ａの平面積よりも広面積とされた、金属材からなる取付部２ｂが放熱部として取り付けられている。そして、スイッチ素子２は、ねじ６を用いて、その取付部２ｂを第１ヒートシンク３と接触させた状態で取り付けられている。なお、前記スイッチ素子２の第１ヒートシンク３に対する取り付け方法は前述のようなねじ止めに限らず、例えば、接着材を用いて直接貼着する方法であってもよい。また、第１ヒートシンク３とスイッチ素子２との間に高い熱伝導性を有したグリスの塗布膜を介在させてもよい。
【００２３】
そして、本実施形態において、第１ヒートシンク３は、熱交換性、放熱効率を確実に向上させるべく、それに接触するスイッチ素子２の取付部２ｂよりも熱抵抗の小さい金属材により形成されているとともに、その取付部２ｂが取り付けられているスイッチ素子２の平面積よりも広い平面積となるように形成されている。
【００２４】
例えば、前記取付部２ｂをスチール、Ａｌ−Ｓｉｃ等の金属材により形成した場合には、第１ヒートシンク３は、従来におけるヒートシンクと同様に、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃu）等の熱抵抗の小さい金属材により形成されているものを利用することができる。また、放熱絶縁シート５も、従来と同様の、例えば、シリコンにフィラーを混入させてなるものを利用することができる。
【００２５】
また、図３は、本発明の第２実施形態のＬＤ用電源の要部構成を示す断面説明図である。本実施形態において、ＬＤ用電源１の第１ヒートシンク３は、当該第１ヒートシンク３に形成された電極部３ａにスイッチ素子２の不図示の外部回路に接続されるハーネス７を接続させ、電極として作用するように構成されている。
【００２６】
詳しくは、前述の第１実施形態におけるＬＤ用電源のスイッチ素子２は、その端子２ｃを電気回路がプリント形成された基板８の電極端子部８ａに接続させて配設されている。そして、第１ヒートシンク３の電極部３ａに接続された前記ハーネス７は、前記基板８に貫通形成されたホール部８ｂを通して不図示の外部回路の接続端子部に接続されている。
【００２７】
このように、第１ヒートシンク３をスイッチ素子２の外部回路と接続させる電極として作用させる構成とした場合であっても、第１ヒートシンク３はそれに接触するスイッチ素子２の取付部２ｂよりも熱抵抗の小さい金属材により形成されているとともに、当該スイッチ素子２の平面積よりも広い平面積となるように形成されているので、電極としての第１ヒートシンク３に大電流を供給したとしてもその電気的抵抗が小さくなるため、元来のヒートシンクとしての冷却作用を十分発揮することができる。
【００２８】
また、放熱性が向上することで大電流を供給することが可能となれば、スイッチ素子の配設数を減らすことも可能となる。よって、結果として、ＬＤ用電源を小型に形成することも可能となる。
【００２９】
図４は前述の実施形態のＬＤ用電源１を搭載したレーザ装置１１の一実施形態を示している。
【００３０】
本実施形態のレーザ装置１１は、図４に示すように、レーザ光の進行方向において最上流にレーザ発振部として配設され、下流へ順に配設された光アイソレータ１２、入射ユニット１３、伝送用光ファイバ１４、出射ユニット１５および加工テーブル１６とともに、レーザ加工装置１７を構成している。
【００３１】
レーザ装置１１は、ファイバレーザ発振器２１およびＬＤ用電源１を有しており、このＬＤ用電源１として、前述の本実施形態のＬＤ用電源１が配設されている。
【００３２】
ファイバレーザ発振器２１は、電気光学励起部に配設されたＬＤ（レーザダイオード）３０と共振器を備える。共振器は、一対の共振ミラー２６，２８と、その間に配設された一対の光学レンズ３２、３４や発振ファイバ２２等の要素とからなる。発振ファイバ２２は、コアおよびクラッドからなり、コアを活性媒体とし、クラッドを励起用レーザ光ＭＢの伝播光路としている。また、共振器の下流側には、折り返しミラー３６、レーザ吸収体３８、ビームスプリッタ４０、集光レンズ４４、ＰＤ（フォトダイオード）４２を有する。共振ミラー２６、２８および折り返しミラー３６は部分反射ミラーである。
【００３３】
ビームスプリッタ４０は、ファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定の方向に反射させるミラーである。ＰＤ４２は、ビームスプリッタ４０による反射光の光路上に配設されている。集光レンズ４４は、ビームスプリッタ４０による反射光の光路上であってビームスプリッタ４０とＰＤ４２との間に配置されている。
【００３４】
次に、このレーザ装置１１の作用について説明する。
【００３５】
レーザ装置１１のＬＤ用電源１からファイバレーザ発振器２１のＬＤ３０に励起電流が供給されると、ＬＤ３０はポンピング用の励起用レーザ光ＭＢを発振する。ＬＤ３０から励起用レーザ光ＭＢが照射されると、共振ミラー２６は、ＬＤ３０側から入射した励起用レーザ光ＭＢを透過させるとともに、発振ファイバ２２側から入射した発振光線を全反射する。光学レンズ３２は励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ２２の一端面に集光入射させる。また、光学レンズ３４は、発振ファイバ２２の他端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートする。
【００３６】
発振ファイバ２２の一端面に入射した励起用レーザ光ＭＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２２の内部を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることによってコアのイオンを光励起する。これにより、コアの両端面から軸方向に所定の波長の発振光線が放出される。この発振光線が共振ミラー２６、２８の間を何度も行き来することによって共振増幅され、共振ミラー２８を透過したときに所定の波長のファイバレーザ光ＦＢが得られる。
【００３７】
共振ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３６をまっすぐ透過し、ビームスプリッタ４０を通ってから光アイソレータ１２に入射する。一方、所定の波長のファイバレーザ光ＦＢを得る前に励起用レーザ光ＭＢが光学レンズ３４および共振ミラー２８を透過した場合、折り返しミラー３６によってレーザ吸収体３８の方向に折り返される。
【００３８】
ビームスプリッタ４０は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部、たとえば１％、をフォトダイオード（ＰＤ）４２側に反射する。集光レンズ４４は反射されたファイバレーザ光ＦＢを集光し、フォトダイオード（ＰＤ）４２は反射したファイバレーザ光ＦＢを光電変換してレーザ出力の電気信号を出力する。この電気信号はファイバーレーザ光ＦＢの強さを一定に保つためのフィードバックとしてＬＤ用電源１に送られる。
【００３９】
そして、このように構成され、作用するレーザ装置１１において、そのＬＤ用電源１として前述の実施形態のＬＤ用電源１を採用することで、スイッチ素子２の加熱を原因とする誤動作を回避して、安定した駆動を確保することができる。
【００４０】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態のＬＤ用電源における全体構成を示す平面図（Ａ）と、Ｂ−Ｂ断面図（Ｂ）
【図２】本発明の第１実施形態のＬＤ用電源における要部構成を示す断面図
【図３】本発明の第２実施形態のＬＤ用電源における要部構成を示す断面図
【図４】本発明の第１実施形態のレーザー装置の構成を示すブロック図
【図５】従来のＬＤ用電源における要部構成を示す断面図
【符号の説明】
【００４２】
１  レーザダイオード（ＬＤ）用電源
２  スイッチ素子
２ａ  本体
２ｂ  取付部
２ｃ  端子
３  第１ヒートシンク
３ａ  電極部
４  第２ヒートシンク
５  放熱絶縁シート
６  ねじ
７  ハーネス
８  基板
８ａ  電極端子部
８ｂ  ホール部
９  冷却通路
１１  レーザ装置
１２  光アイソレータ
１３  入射ユニット
１４  伝送用光ファイバ
１５  出射ユニット
１６  加工テーブル  
１７  レーザ加工装置
２１  ファイバレザー発振器
２２  発振ファイバー
２４  電気光学励起部
２５  共振器
２６，２８  共振ミラー
３０  レーザダイオード
３２，３４  光学レンズ
３６  折り返しミラー
３８  レーザ吸収体
４０  ビームスプリッタ
４４  集光レンズ
４２  ＰＤ  フォトダイオード
【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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