特許 7172445 光学ユニット及び光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-08

(45)【発行日】2022-11-16

(54)【発明の名称】光学ユニット及び光学装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20210101AFI20221109BHJP

【ＦＩ】

H01S5/022

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018202108

(22)【出願日】2018-10-26

(65)【公開番号】P2019140376

(43)【公開日】2019-08-22

【審査請求日】2021-07-26

(31)【優先権主張番号】P 2018020524

(32)【優先日】2018-02-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】廣居 正樹

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０９２３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５０１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７６８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２６９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２４７６１１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／４８－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の発光素子が配列した発光素子アレイと、前記複数の発光素子から放射された光の光路上に、前記発光素子アレイに対向して配置されるレンズアレイと、前記発光素子アレイと前記レンズアレイとの間に設けられ、前記発光素子アレイと前記レンズアレイとを固定する固定部と、を備えた光学モジュールと、
前記発光素子アレイよりも熱膨張係数が大きい部材と、
前記光学モジュールを、前記部材の一の面上に拘束する拘束部と、
を有し、
前記拘束部は、前記光学モジュールを前記一の面に平行な平面内で膨張収縮可能に拘束し、
前記光学モジュールは、第１の側面と、該第１の側面と交わる第２の側面と、該第１の側面と対向する第３の側面と、を有し、
前記部材は、前記第１の側面が突き当たる第１の突き当て部を有し、
前記第１の突き当て部と前記第１の側面が当接すると共に、前記第３の側面と前記部材との間に隙間が存在することを特徴とする光学ユニット。

【請求項2】

前記部材は、前記光学モジュールの前記第２の側面が突き当たる第２の突き当て部を有することを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。

【請求項3】

前記拘束部は、１箇所のみで前記光学モジュールを前記部材に固定するモジュール固定部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学ユニット。

【請求項4】

前記モジュール固定部材は、前記光学モジュールの前記第１の側面と前記第２の側面とが交わる角部を前記部材に固定することを特徴とする請求項３に記載の光学ユニット。

【請求項5】

前記拘束部は、前記光学モジュールの前記平面内での膨張に対して反発する反発部材を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学ユニット。

【請求項6】

前記反発部材は、前記光学モジュールを前記部材に押し付けて前記光学モジュールの前記平面に垂直な方向での位置を保持することを特徴とする請求項５に記載の光学ユニット。

【請求項7】

前記反発部材は、前記光学モジュールを前記部材の前記一の面および前記第１の突き当て部に押し付けることを特徴とする請求項５又は６に記載の光学ユニット。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学ユニットと、
前記発光素子から放射された光が入射する光学素子と、
を備えることを特徴とする光学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学ユニット及び光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

多色画像形成装置においては高速化が年々進むことで、オンデマンドプリンティングシステムとして簡易印刷に用いられるようになりつつあり、より高精細な画像品質が求められている。高精細化に関し、２次元の発光素子アレイを用いることで、感光体上での副走査間隔を記録密度の１／ｎにでき、単位画素をｎ×ｍの複数ドットのマトリクス構成とすることが可能である。

【0003】

最近、このような２次元の発光素子アレイを集光することで高出力レーザとして用いられる用途が考えられている。例えば、レーザ点火プラグの光源として用いられる。高出力レーザなどの光学部品として用いる場合、２次元の発光素子アレイからの光を効率良くかつ小スポットに集光することが望まれる。そのためには、２次元の発光素子アレイからの光を一度コリメートしてから集光することが有効である。この構成では、発光素子ごとにコリメートできるように、コリメートレンズは発光素子に接近した位置に設置され、２次元のレンズアレイを２次元の発光素子アレイ上に設けることが有効である。２次元の発光素子アレイと２次元のレンズアレイとを高精度に位置合わせするためには、２次元の発光素子アレイ上に直接２次元のレンズアレイをはんだ等により強固に固定することが望まれる。

【0004】

しかし、２次元の発光素子アレイと２次元のレンズアレイとの間には、材料の相違に起因する熱膨張係数の大きな相違が存在するため、その接合時の残留応力の影響で接合時や経時に接合部にひびが入ったり剥がれたりする。この残留応力を緩和する技術が特許文献１に記載されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された技術によれば所期の目的は達成できるものの、発光素子アレイ及びレンズアレイを含む光学モジュールを放熱部材に固定する方法については検討されていない。

【0006】

本発明は、光学モジュールを放熱部材等の熱膨張係数の大きい部材に取り付けた場合でも、レンズアレイと発光素子アレイとの接合後の熱負荷により接合部に生じる応力を抑制することができる光学ユニット及び光学装置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】

【0007】

光学ユニットの一態様は、複数の発光素子が配列した発光素子アレイと、前記複数の発光素子から放射された光の光路上に、前記発光素子アレイに対向して配置されるレンズアレイと、前記発光素子アレイと前記レンズアレイとの間に設けられ、前記発光素子アレイと前記レンズアレイとを固定する固定部と、を備えた光学モジュールと、前記発光素子アレイよりも熱膨張係数が大きい部材と、前記光学モジュールを、前記部材の一の面上に拘束する拘束部と、を有し、前記拘束部は、前記光学モジュールを前記一の面に平行な平面内で膨張収縮可能に拘束し、前記光学モジュールは、第１の側面と、該第１の側面と交わる第２の側面と、該第１の側面と対向する第３の側面と、を有し、前記部材は、前記第１の側面が突き当たる第１の突き当て部を有し、前記第１の突き当て部と前記第１の側面が当接すると共に、前記第３の側面と前記部材との間に隙間が存在することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

開示の技術によれば、光学モジュールを放熱部材等の熱膨張係数の大きい部材に取り付けた場合でも、レンズアレイと発光素子アレイとの接合後の熱負荷により接合部に生じる応力を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】光学ユニットの参考例を示す平面図である。

【図1B】光学ユニットの参考例を示す断面図である。

【図2】光学ユニットの参考例に含まれる発光デバイスを示す平面図である。

【図3】発光デバイスにおける接合時の残留応力の発生状態を示す図である。

【図4】発光デバイスの残留応力による影響を示す図である。

【図5A】第１の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図である。

【図5B】第１の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。

【図6A】第２の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図である。

【図6B】第２の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。

【図7A】第３の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図である。

【図7B】第３の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。

【図8A】第４の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図である。

【図8B】第４の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。

【図9A】第５の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図である。

【図9B】第５の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。

【図10】第６の実施形態に係るレーザ装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

【0011】

（参考例）
本願発明者は、光学ユニットにて接合部にひびや剥がれが発生する原因を究明すべく検討を行った。この検討の際に参考にした光学ユニットの参考例について説明する。図１Ａは、光学ユニットの参考例を示す平面図であり、図１Ｂは、光学ユニットの参考例を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。

【0012】

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、参考例の光学ユニット９００は、光学モジュール９６１、集光レンズ９５３、放熱部材９５８及びカバー９５９を含む。光学モジュール９６１は発光デバイス９６０、サブマウント９０４及びパッケージ基板９０８を含む。発光デバイス９６０は２次元の発光素子アレイ９０２、２次元のレンズアレイ９０１及び固定部９０３を含む。パッケージ基板９０８は、基部９０８ａ並びに基部９０８ａから互いに逆方向に延出したフランジ９０８ｂ及び９０８ｃを含む。放熱部材９５８に凹部９５８ａが形成されており、凹部９５８ａ内で光学モジュール９６１がフランジ９０８ｂの２箇所及びフランジ９０８ｃの２箇所で固定ねじ９１０により放熱部材９５８に固定されている。すなわち、光学モジュール９６１はパッケージ基板９０８の四隅４点を固定ねじ９１０で放熱部材９５８に固定されている。図１Ａでは、集光レンズ９５３及びカバー９５９を省略してある。

【0013】

図２は、発光デバイス９６０を示す平面図である。図２では、電気的な接合は省略してある。発光デバイス９６０では、発光素子ごとにコリメートするために、発光素子アレイ９０２とレンズアレイ９０１とを高精度に位置合わせしてある。エリア９０７は発光素子アレイ９０２の発光エリアを示し、エリア９０６はレンズアレイ９０１のコリメートエリアを示している。発光素子アレイ９０２及びレンズアレイ９０１は固定部９０３により４箇所で互いに固定されている。

【0014】

従来、特許文献１に記載された構成を採用しない場合、発光素子アレイ９０２とレンズアレイ９０１との間の熱膨張係数の大きな相違に起因して、これらの接合部にひび割れや剥離が生じることがある。ここで、接合部にひび割れが発生したり、剥がれたりする理由について、図３及び図４に基づき説明する。図３は、発光デバイス９６０における接合時の残留応力の発生状態を示す図である。図４は、発光デバイス９６０の残留応力による影響を示す図である。

【0015】

発光素子アレイ９０２とレンズアレイ９０１とは、はんだ等の固定部９０３により固定されている。このため、固定部９０３により接合する際の温度変化等により、図３に示すように、レンズアレイ９０１が撓み、固定部９０３に応力が発生する場合がある。

【0016】

発光素子アレイ９０２は一般的にＧａＡｓ基板を用いて形成されており、レンズアレイ９０１は一般的に石英基板を用いて形成されているため、図３に示すように、発光素子アレイ９０２の収縮がレンズアレイ９０１の収縮よりも大きくなる。なお、図３中の矢印の長さは、温度変化による収縮の大きさを示している。応力は常に作用しているため、接合時に加熱した状態から常温の状態に戻したときや経時に接合部でひび割れや破壊が発生するおそれがある。

【0017】

具体的には、発光デバイス９６０では、例えば、図４（ａ）に示すように、発光素子アレイ９０２にひび割れ９０９ａが発生する場合がある。また、例えば、図４（ｂ）に示すように、レンズアレイ９０１にひび割れ９０９ｂが発生する場合がある。また、例えば、図４（ｃ）に示すように、固定部９０３にひび割れ９０９ｃが発生する場合がある。

【0018】

特許文献１に記載の構成によれば、これらのひび割れを抑制することができる。すなわち、３個以上の固定部９０３のうちの一部を残りのものとは異なる材料から構成することにより、これらのひび割れを抑制することができる。また、少なくとも一つの固定部９０３に応力吸収部材を設けることによっても、これらのひび割れを抑制することができる。

【0019】

発光素子アレイ９０２を構成する発光素子は高出力であり、発熱量が大きい。この熱を外部に放出させるために、光学ユニット９００では、光学モジュール９６１を放熱部材９５８に固定している。この光学ユニット９００では、図１Ｂに示すように、発光デバイス９６０がサブマウント９０４を介して発光素子アレイ９０２と同レベルの熱膨張係数を持つパッケージ基板９０８上に設けられて光学モジュール９６１が構成され、光学モジュール９６１が放熱部材９５８に固定され、集光レンズ９５３が取り付けられたカバー９５９により光学モジュール９６１が覆われている。

【0020】

しかしながら、この参考例の光学ユニット９００において、固定部９０３の材料を適切に選択しても、固定部９０３に応力吸収部材を設けても、発光デバイス９６０を含む光学モジュール９６１を放熱部材９５８に固定した上で信頼性試験における熱サイクル等の熱負荷を与えると、接合部にひびや剥がれが発生することがある。この原因を究明すべく、本願発明者が鋭意検討を重ねた結果、光学ユニット９００に組み込まれた状態で発光素子アレイ９０２に作用する熱応力は、光学ユニット９００に組み込まれず、光学モジュール９６１の単体の状態で発光素子アレイ９０２に作用する熱応力よりも著しく大きいことが明らかになった。すなわち、光学ユニット９００に組み込まれた状態では、放熱部材９５８及びカバー９５９の全体の熱膨張係数が、光学モジュール９６１全体の熱膨張係数よりも著しく大きく、かつ、光学モジュール９６１が放熱部材９５８に固定されているため、発光素子アレイ９０２が放熱部材９５８及びカバー９５９の熱応力の影響を大きく受けていることが明らかになった。そして、固定部９０３の工夫だけでは、このような大きな熱応力を十分に緩和できず、ひび割れや剥がれが生じてしまうのである。放熱部材９５８及びカバー９５９の総体積が光学モジュール９６１の体積よりも大きいことも、発光素子アレイ９０２に大きな熱応力が作用する一因である。更に、接合部にひびや剥がれが発生すると、発光素子アレイ９０２及びレンズアレイ９０１が、光軸方向や光軸方向に垂直な方向に相対的にずれるため、発光素子から放射されたレーザ光等の光がレンズの適切な場所を通過できなくなる。この結果、光学ユニット９００の光学特性が劣化してしまう。

【0021】

放熱効率の観点から、放熱部材９５８の材料としては、純度が高い銅が好ましが、銅の熱膨張係数は大きい。このため、純度が高い銅を放熱部材９５８に用いると、光学モジュール９６１との間に大きな熱膨張係数の差が生じる。熱膨張係数の差を小さくするために、銅合金又はセラミック等を放熱部材９５８に用いると、放熱効率が大きく低下してしまい、光学モジュール９６１の性能を十分に引き出せなくなる。このように、光学ユニット９００の参考例では、光学モジュール９６１の性能と固定部９０３の破壊耐性とがトレードオフの関係にある。

【0022】

なお、一般的な材料を用いた場合、レンズアレイ９０１の熱膨張係数は約１×１０^－６／℃、発光素子アレイ９０２の熱膨張係数は約６×１０^－６／℃、サブマウント９０４の熱膨張係数は約７×１０^－６／℃、パッケージ基板９０８の熱膨張係数は約７×１０^－６／℃である。その一方で、一般的な材料を用いた場合、放熱部材９５８の熱膨張係数は約１７×１０^－６／℃、カバー９５９の熱膨張係数は約２３×１０^－６／℃である。従って、参考例の光学ユニット９００では、放熱部材９５８及びカバー９５９の影響により、発光素子アレイ９０２の熱ひずみが非常に大きくなると考えられる。

【0023】

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。図５Ａは、第１の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図であり、図５Ｂは、第１の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。

【0024】

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１の実施形態に係る光学ユニット１００は、光学モジュール１６１、集光レンズ１５３、放熱部材１５８及びカバー１５９を含む。光学モジュール１６１は放熱部材１５８の一の面上に固定されている。光学モジュール１６１は発光デバイス１６０、サブマウント１０４及びパッケージ基板１０８を含む。発光デバイス１６０は２次元の発光素子アレイ１０２、２次元のレンズアレイ１０１及び固定部１０３を含む。パッケージ基板１０８は矩形の平面形状を有しており、基部１０８ａ並びに基部１０８ａから互いに逆方向に延出したフランジ１０８ｂ及び１０８ｃを含む。なお、図５Ａでは、集光レンズ１５３及びカバー１５９を省略してある。

【0025】

発光デバイス１６０では、発光素子ごとにコリメートするために、発光素子アレイ１０２とレンズアレイ１０１とが高精度に位置合わせされ、はんだ等の固定部１０３を用いて４箇所で互いに接合されている。発光素子アレイ１０２に２次元の発光エリア１０７が含まれ、レンズアレイ１０１に２次元のコリメートエリア１０６が含まれる。発光デバイス１６０は、はんだ等を用いてサブマウント１０４に接合され、サブマウント１０４は、はんだ等を用いてパッケージ基板１０８に接合されている。例えば、固定部１０３に用いられるはんだはＳｎＡｇＣｕ系はんだ等のＰｂフリーはんだであり、発光素子アレイ１０２とサブマウント１０４との接合に用いられるはんだはＡｕＳｎはんだであり、サブマウント１０４とパッケージ基板１０８との接合に用いられるはんだはＳｎＡｇＣｕ系はんだ等のＰｂフリーはんだである。

【0026】

放熱部材１５８に、平面形状が矩形で側面１４１～１４４を備えた凹部１５８ａが形成されており、側面１４１と側面１４２とが交わる頂点に逃げ部１１５が形成されている。凹部１５８ａの底面、側面１４１及び１４３の対並びに側面１４２及び１４４の対は互いに直交しており、凹部１５８ａの底面がＸＹ平面にあり、側面１４１及び１４３がＹＺ平面にあり、側面１４２及び１４４がＺＸ平面にある直交３軸を定義することができる。光学モジュール１６１の平面形状はパッケージ基板１０８の平面形状と一致し、パッケージ基板１０８は、それぞれが側面１４１～１４４と対向する側面１３１～１３４を有する。側面１３１は、第１の突き当て基準面である側面１４１に当接し、側面１３２は、第２の突き当て基準面である側面１４２に当接している。また、側面１３３と側面１４３との間、及び側面１３４と側面１４４との間に隙間が存在する。突き当て基準面（側面１４１及び１４２）は突き当て部の一例である。

【0027】

パッケージ基板１０８は側面１４１と側面１４２とが交わる頂点の近傍で、固定ねじ１１０を用いて放熱部材１５８に固定されている。この頂点の対角に位置する頂点の近傍において、板ばね１１１が固定ねじ１１２により放熱部材１５８に取り付けられている。固定ねじ１１０は拘束部またはモジュール固定部材の一例であり、板ばね１１１および固定ねじ１１２は、拘束部または反発部材の一例である。板ばね１１１の押し付け力は、例えば６０Ｎである。板ばね１１１は、フランジ１０８ｃを凹部１５８ａの底面に押し付けると共に、パッケージ基板１０８を側面１４１に押し付ける。従って、板ばね１１１は、光学モジュール１６１のＸＹ平面内での膨張に対して反発しつつ、光学モジュール１６１のＺ軸方向での位置を保持する。板ばね１１１から光学モジュール１６１に作用する力は、放熱部材１５８を基準として、光学モジュール１６１のＺ軸方向の位置が保持されつつ、ＸＹ平面内での膨張及び収縮が可能な程度である。また、例えば、パッケージ基板１０８と放熱部材１５８との間には熱伝導グリスが塗布されており、パッケージ基板１０８と放熱部材１５８との間に熱伝導性及び潤滑性が付与されている。

【0028】

図５Ｂに示すように、発光素子アレイ１０２から放射された光は発光素子ごとに放射角を持ったレーザ光であるが、２次元のレンズアレイ１０１を通過する際にコリメートされ、平行光になる。コリメートされた光はカバー１５９に設けられた集光レンズ１５３によってスポット状に集光される。そして、集光された光は、例えば、光ファイバ１５６の一端に入射し、光ファイバ１５６の他端から放射される。例えば、光ファイバ１５６は、中心部のコア１５４と、その周囲を覆うクラッド１５５とを含む二層構造になっており、集光レンズ１５３で集光された光がコア１５４に入射し、コア１５４内を伝播する。

【0029】

発光素子アレイ１０２は光の放射に付随して発熱する。レンズアレイ１０１と発光素子アレイ１０２との間の熱膨張係数の差に起因して固定部１０３に作用する応力は、特許文献１に記載された構成や、固定部１０３に応力吸収部材を含ませることで緩和することができる。また、純度が高い銅等、放熱効率が高く、熱膨張係数が大きい材料が放熱部材１５８に用いられたとしても、放熱部材１５８の熱ひずみは発光素子アレイ１０２にほとんど影響を及ぼさない。これは、光学モジュール１６１と放熱部材１５８とが固定ねじ１１０によって一点のみで互いに連結されており、板ばね１１１は、光学モジュール１６１を放熱部材１５８に押し付ける一方で、放熱部材１５８を基準とした光学モジュール１６１の相対的な膨張及び収縮を妨げないからである。従って、発光素子アレイ１０２の温度変化に伴って放熱部材１５８が光学モジュール１６１よりも大きく膨張したり、収縮したりしても、光学モジュール１６１は放熱部材１５８の膨張及び収縮の影響をほとんど受けず、放熱部材１５８の膨張又は収縮に起因する接合部のひび割れ及び剥がれを防止することができる。また、光学モジュール１６１の熱膨張は固定ねじ１１０の位置を起点とし、光学モジュール１６１の熱収縮は固定ねじ１１０の位置を収束点とする。従って、熱膨張及び熱収縮のサイクルが生じても、光学モジュール１６１の放熱部材１５８を基準とする位置は一定に保持される。

【0030】

ここで、光学モジュール１６１を放熱部材１５８に取り付ける方法について説明する。この方法では、先ず、パッケージ基板１０８をその裏面に熱伝導グリスを塗布した上で凹部１５８ａ内に載置する。次いで、パッケージ基板１０８をＸＹ平面内で移動させて、側面１３１を第１の突き当て基準面である側面１４１に突き当て、側面１３２を第２の突き当て基準面である側面１４２に突き当てる。このとき、パッケージ基板１０８の側面１３１と側面１３２とが交わる角部は逃げ部１１５に入り込み、側面１４１、側面１４２のいずれにも接触しない。その後、固定ねじ１１０を用いてフランジ１０８ｂを放熱部材１５８に一点のみで固定する。続いて、側面１３１が側面１４１に接し、側面１３２が側面１４２に接し、光学モジュール１６１の裏面が凹部１５８ａの底面に接した状態が保持されるように、板ばね１１１をフランジ１０８ｃにかける。このようにして、パッケージ基板１０８を、放熱部材１５８に対して高精度に位置合わせしながら取り付けることができる。

【0031】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図６Ａは、第２の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図であり、図６Ｂは、第２の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。図６Ｂは、図６Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。図６Ａでは、集光レンズ１５３及びカバー１５９を省略してある。第１の実施形態においては突き当て基準面を突き当て部としていたのに対し、第２の実施形態では突き当て基準ピンを突き当て部としている点で第１の実施形態と異なる。

【0032】

第２の実施形態に係る光学ユニット２００では、凹部１５８ａ内で、側面１４１の近傍に二つの第１の突き当て基準ピン２４１が設けられ、側面１４２の近傍に第２の突き当て基準ピン２４２が設けられている。二つの突き当て基準ピン２４１はＹ軸方向に並んで配置されている。パッケージ基板１０８の側面１３１が二つの突き当て基準ピン２４１に当接し、側面１３２が突き当て基準ピン２４２に当接している。板ばね１１１は、フランジ１０８ｃを凹部１５８ａの底面に押し付けると共に、パッケージ基板１０８を二つの突き当て基準ピン２４１に押し付ける。板ばね１１１から光学モジュール１６１に作用する力は、放熱部材１５８を基準として、光学モジュール１６１のＺ軸方向の位置が保持されつつ、ＸＹ平面内での膨張及び収縮が可能な程度である。なお、逃げ部１１５は設けられていない。突き当て基準ピン２４１及び２４２は突き当て部の一例である。他の構成は第１の実施形態と同様である。

【0033】

第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、発光素子アレイ１０２の温度変化に伴って放熱部材１５８が光学モジュール１６１よりも大きく膨張したり、収縮したりしても、光学モジュール１６１は放熱部材１５８の膨張及び収縮の影響をほとんど受けず、放熱部材１５８の膨張又は収縮に起因する接合部のひび割れ及び剥がれを防止することができる。また、光学モジュール１６１の熱膨張は固定ねじ１１０の位置を起点とし、光学モジュール１６１の熱収縮は固定ねじ１１０の位置を収束点とする。従って、熱膨張及び熱収縮のサイクルが生じても、光学モジュール１６１の放熱部材１５８を基準とする位置は一定に保持される。

【0034】

ここで、光学モジュール１６１を放熱部材１５８に取り付ける方法について説明する。この方法では、先ず、パッケージ基板１０８をその裏面に熱伝導グリスを塗布した上で凹部１５８ａ内に載置する。次いで、パッケージ基板１０８をＸＹ平面内で移動させて、側面１３１を二つの突き当て基準ピン２４１に突き当て、側面１３２を突き当て基準ピン２４２に突き当てる。このとき、突き当て基準ピン２４１は側面１４１から離間し、突き当て基準ピン２４２は側面１４２から離間しているため、パッケージ基板１０８の側面１３１と側面１３２とが交わる角部は側面１４１、側面１４２のいずれにも接触しない。その後、固定ねじ１１０を用いてフランジ１０８ｂを放熱部材１５８に一点のみで固定する。続いて、側面１３１が二つの突き当て基準ピン２４１に接し、側面１３２が突き当て基準ピン２４２に接し、光学モジュール１６１の裏面が凹部１５８ａの底面に接した状態が保持されるように、板ばね１１１をフランジ１０８ｃにかける。このようにして、パッケージ基板１０８を、放熱部材１５８に対して高精度に位置合わせしながら取り付けることができる。

【0035】

突き当て基準ピン２４１又は２４２の一方が設けられていなくてもよい。この場合、第１の実施形態のように、側面１３１が突き当て基準面としての側面１４１に当接するか、側面１３２が突き当て基準面としての側面１４２に当接して、光学モジュール１６１が位置決めされる。この場合に、第１の実施形態と同様に逃げ部１１５を設けてもよい。

【0036】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図７Ａは、第３の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図であり、図７Ｂは、第３の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。図７Ｂは、図７Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。図７Ａでは、集光レンズ１５３及びカバー１５９を省略してある。

【0037】

第３の実施形態に係る光学ユニット３００では、第１の実施形態における固定ねじ１１０、板ばね１１１及び固定ねじ１１２に替えて、板ばね３１１ａ～３１１ｄ及び固定ねじ３１２ａ～３１２ｄが設けられている。詳細には、凹部１５８ａ内で、側面１４１と側面１４２とが交わる頂点の近傍において、板ばね３１１ａが固定ねじ３１２ａにより放熱部材１５８に取り付けられ、側面１４２と側面１４３とが交わる頂点の近傍において、板ばね３１１ｂが固定ねじ３１２ｂにより放熱部材１５８に取り付けられ、側面１４３と側面１４４とが交わる頂点の近傍において、板ばね３１１ｃが固定ねじ３１２ｃにより放熱部材１５８に取り付けられ、側面１４４と側面１４１とが交わる頂点の近傍において、板ばね３１１ｄが固定ねじ３１２ｄにより放熱部材１５８に取り付けられている。フランジ１０８ｂに板ばね３１１ａ及び３１１ｄがかかり、フランジ１０８ｃに板ばね３１１ｂ及び３１１ｃがかかっている。板ばね３１１ａ及び３１１ｄは、フランジ１０８ｂを凹部１５８ａの底面に押し付けると共に、パッケージ基板１０８を板ばね３１１ｂ及び３１１ｃに押し付け、板ばね３１１ｂ及び３１１ｃは、フランジ１０８ｃを凹部１５８ａの底面に押し付けると共に、パッケージ基板１０８を板ばね３１１ａ及び３１１ｄに押し付ける。更に、側面１３１～１３４と側面１４１～１４４との間に、シリコーンゴム等の弾性部材３１６が設けられている。板ばね３１１ａ～３１１ｄは、光学モジュール１６１のＸＹ平面内での膨張に対して反発しつつ、光学モジュール１６１のＺ軸方向での位置を保持する。板ばね３１１ａ～３１１ｄは、拘束部または反発部材の一例である。また、弾性部材３１６は、光学モジュール１６１のＸＹ平面内での膨張に対して反発する。板ばね３１１ａ～３１１ｄ及び弾性部材３１６から光学モジュール１６１に作用する力は、放熱部材１５８を基準として、光学モジュール１６１のＺ軸方向の位置が保持されつつ、ＸＹ平面内での膨張及び収縮が可能な程度である。なお、逃げ部１１５は設けられていない。他の構成は第１の実施形態と同様である。

【0038】

第３の実施形態では、光学モジュール１６１と放熱部材１５８とが、互いに連結されておらず、板ばね３１１ａ～３１１ｄは光学モジュール１６１を基準とした放熱部材１５８の相対的な膨張及び収縮を妨げない。従って、第１の実施形態と同様に、発光素子アレイ１０２の温度変化に伴って放熱部材１５８が光学モジュール１６１よりも大きく膨張したり、収縮したりしても、光学モジュール１６１は放熱部材１５８の膨張及び収縮の影響をほとんど受けず、放熱部材１５８の膨張又は収縮に起因する接合部のひび割れ及び剥がれを防止することができる。さらに、板ばね３１１ａ～３１１ｄに加えて弾性部材３１６を備えることが好ましい。弾性部材３１６の作用により、光学モジュール１６１は＋Ｘ方向及び－Ｘ方向に同等に弾性変形する。従って、熱膨張及び熱収縮のサイクルが生じても、光学モジュール１６１の放熱部材１５８を基準とする位置は一定に保持される。

【0039】

ここで、光学モジュール１６１を放熱部材１５８に取り付ける方法について説明する。この方法では、先ず、パッケージ基板１０８をその裏面に熱伝導グリスを塗布した上で凹部１５８ａ内に載置する。次いで、パッケージ基板１０８を所定の位置までＸＹ面内で移動させる。その後、板ばね３１１ａ及び３１１ｂと板ばね３１１ｃ及び３１１ｄとが光学モジュール１６１を互いに押し付け合い、光学モジュール１６１の裏面が凹部１５８ａの底面に接した状態が保持されるように、板ばね３１１ａ及び３１１ｂをフランジ１０８ｂにかけ、板ばね３１１ｃ及び３１１ｄをフランジ１０８ｃにかける。続いて、側面１３１～１３４と側面１４１～１４４との間の隙間に弾性部材３１６を設ける。このようにして、パッケージ基板１０８を、放熱部材１５８に対して高精度に位置合わせしながら取り付けることができる。

【0040】

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図８Ａは、第４の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図であり、図８Ｂは、第４の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。図８Ｂは、図８Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。図８Ａでは、集光レンズ１５３及びカバー１５９を省略してある。

【0041】

第４の実施形態に係る光学ユニット４００では、第１の実施形態における固定ねじ１１０、板ばね１１１及び固定ねじ１１２に替えて、中央固定ねじ４１７が設けられている。詳細には、放熱部材１５８の裏面に孔１５８ｂが形成され、孔１５８ｂ内に凹部１５８ａから突出する中央固定ねじ４１７が設けられている。そして、パッケージ基板１０８が中央固定ねじ４１７を用いて放熱部材１５８に固定されている。中央固定ねじ４１７は、拘束部またはモジュール固定部材の一例である。また、側面１３１～１３４と側面１４１～１４４との間に隙間が存在する。なお、逃げ部１１５は設けられていない。他の構成は第１の実施形態と同様である。

【0042】

第４の実施形態では、光学モジュール１６１と放熱部材１５８とが中央固定ねじ４１７によって一点のみで互いに連結されており、光学モジュール１６１を基準とした放熱部材１５８の相対的な膨張及び収縮は妨げられない。従って、第１の実施形態と同様に、発光素子アレイ１０２の温度変化に伴って放熱部材１５８が光学モジュール１６１よりも大きく膨張したり、収縮したりしても、光学モジュール１６１は放熱部材１５８の膨張及び収縮の影響をほとんど受けず、放熱部材１５８の膨張又は収縮に起因する接合部のひび割れ及び剥がれを防止することができる。

【0043】

第４の実施形態においても、純度が高い銅等、放熱効率が高く、熱膨張係数が大きい材料が放熱部材１５８に用いられたとしても、放熱部材１５８の熱ひずみは発光素子アレイ１０２にほとんど影響を及ぼさない。これは、光学モジュール１６１と放熱部材１５８とが中央固定ねじ４１７によって一点のみで互いに連結されているからである。従って、発光素子アレイ１０２の温度変化に伴って放熱部材１５８が光学モジュール１６１よりも大きく膨張したり、収縮したりしても、光学モジュール１６１は放熱部材１５８の膨張及び収縮の影響をほとんど受けず、放熱部材１５８の膨張又は収縮に起因する接合部のひび割れ及び剥がれを防止することができる。また、光学モジュール１６１の熱膨張は中央固定ねじ４１７の位置を起点とし、光学モジュール１６１の熱収縮は中央固定ねじ４１７の位置を収束点とする。従って、熱膨張及び熱収縮のサイクルが生じても、光学モジュール１６１の放熱部材１５８を基準とする位置は一定に保持される。

【0044】

ここで、光学モジュール１６１を放熱部材１５８に取り付ける方法について説明する。この方法では、先ず、パッケージ基板１０８をその裏面に熱伝導グリスを塗布した上で凹部１５８ａ内に載置する。次いで、パッケージ基板１０８を所定の位置までＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。その後、中央固定ねじ４１７を用いてパッケージ基板１０８を放熱部材１５８に一点のみで固定する。このようにして、パッケージ基板１０８を、放熱部材１５８に対して高精度に位置合わせしながら取り付けることができる。

【0045】

中央固定ねじ４１７の熱伝導率は放熱部材１５８の熱伝導率以上であることが好ましく、中央固定ねじ４１７の材料が放熱部材１５８の材料と同一であってもよい。中央固定ねじ４１７の材料は特に限定されないが、Ａｇ又はＣｕ等の熱伝導性が良好な材料が好ましい。ＣｕＷ及びＣｕＭｏ等の金属が用いられてもよく、ＡｌＮ、ＳｉＣ等の熱伝導性の優れたセラミックスが用いられてもよい。

【0046】

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。図９Ａは、第５の実施形態に係る光学ユニットを示す平面図であり、図９Ｂは、第５の実施形態に係る光学ユニットを示す断面図である。図９Ｂは、図９Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。図９Ａでは、集光レンズ１５３及びカバー１５９を省略してある。

【0047】

第５の実施形態に係る光学ユニット５００では、第４の実施形態に係る光学ユニット４００におけるパッケージ基板１０８と凹部１５８ａの側面との間に、シリコーンゴム等の弾性部材３１６が設けられている。他の構成は第４の実施形態と同様である。

【0048】

第５の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に、発光素子アレイ１０２の温度変化に伴って放熱部材１５８が光学モジュール１６１よりも大きく膨張したり、収縮したりしても、光学モジュール１６１は放熱部材１５８の膨張及び収縮の影響をほとんど受けず、放熱部材１５８の膨張又は収縮に起因する接合部のひび割れ及び剥がれを防止することができる。また、光学モジュール１６１の熱膨張は中央固定ねじ４１７の位置を起点とし、光学モジュール１６１の熱収縮は中央固定ねじ４１７の位置を収束点とする。更に、弾性部材３１６の作用により、光学モジュール１６１は＋Ｘ方向及び－Ｘ方向に同等に弾性変形する。従って、熱膨張及び熱収縮のサイクルが生じても、光学モジュール１６１の放熱部材１５８を基準とする位置は一定に保持される。

【0049】

板ばね１１１又は３１１ａ～３１１ｄに代えて、プランジャー等のコイルばねが用いられてもよい。板ばねの押し付け力は特に限定されず、例えば２０Ｎ～２００Ｎであることが好ましい。押し付け力が２０Ｎ未満であると、板ばねの作用を十分に得ることができない可能性があり、押し付け力が２００Ｎ超であると、光学モジュール１６１が過剰に放熱部材１５８に拘束される可能性がある。

【0050】

はんだの材料も上記のものに限定されず、ＳｎＣｕ系はんだ、ＳｎＣｕＮｉＰ系はんだ又は純Ｓｎ１００はんだが用いられてもよい。はんだに代えて、焼結金属又は熱伝導性の優れた樹脂接合材を用いて接合されていてもよい。焼結金属としては、焼結Ａｕ、焼結Ａｇ、焼結Ｃｕ、焼結Ｎｉ及び焼結Ｃｕ合金が挙げられる。熱伝導性の優れた樹脂接合材としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｌ系の粒子又はフィラーを含む樹脂接合材が挙げられる。

【0051】

固定部１０３については、４個の固定部１０３のうちの一部が残りのものとは異なる材料から構成されているか、又は少なくとも１個の固定部１０３に応力吸収部材が設けられていることが好ましい。

【0052】

光学モジュール１６１と放熱部材１５８との間の熱伝導グリスに代えて、熱伝導性の優れた弾性部材が用いられてもよい。光学モジュールの平面形状は長方形に限定されず、例えば円形であってもよい。光学モジュールの平面形状に拘わらず、板ばね等の反発部材は、平面視で、少なくとも光学モジュールの重心を間に挟む２点に配置されることが好ましい。

【0053】

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、光学ユニットを備えたレーザ装置に関する。レーザ装置は光学装置の一例である。図１０は、第６の実施形態に係るレーザ装置を示す図である。

【0054】

図１０に示すように、第６の実施形態に係るレーザ装置６００は、面発光レーザアレイ６０２、第１集光光学系６０３、光ファイバ６０４、第２集光光学系６０５及びレーザ共振器６０６を備えている。面発光レーザアレイ６０２及び第１集光光学系６０３が光学ユニット６０１に含まれ、光学ユニット６０１として、例えば光学ユニット１００、２００、３００、４００又は５００が用いられる。すなわち、例えば、面発光レーザアレイ６０２は発光素子アレイ１０２を含むことができ、第１集光光学系６０３はレンズアレイ１０１及び集光レンズ１５３を含むことができる。以下の説明では、面発光レーザアレイ６０２からの光の射出方向を＋Ｚ方向とする。

【0055】

面発光レーザアレイ６０２は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）である。例えば、面発光レーザアレイ６０２から射出される光の波長は８０８ｎｍである。

【0056】

面発光レーザアレイ６０２は、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイ６０２を励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。

【0057】

第１集光光学系６０３は、面発光レーザアレイ６０２から射出される光を集光する。

【0058】

光ファイバ６０４は、第１集光光学系６０３によって光が集光される位置にコアの－Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ２０４として、例えば、コア径が１．５ｍｍ、ＮＡが０．３９の光ファイバが用いられている。

【0059】

光ファイバ６０４を設けることによって、面発光レーザアレイ６０２をレーザ共振器６０６から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。

【0060】

光ファイバ６０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。

【0061】

第２集光光学系６０５は、光ファイバ６０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第２集光光学系６０５で集光された光は、レーザ共振器６０６に入射する。

【0062】

レーザ共振器６０６は、例えば、レーザ媒質及び可飽和吸収体を有するＱスイッチレーザであり、レーザ共振器６０６内で光が共振し増幅される。レーザ共振器６０６は光学素子の一例である。

【0063】

光学装置はレーザ装置に限定されない。例えば、光学装置が光学素子として受光素子を有していてもよい。例えば、光学ユニット１００、２００、３００、４００又は５００に含まれる発光素子から放射された光が測定対象物に照射され、測定対象物からの反射光または透過光が受光素子に入射してもよい。すなわち、光学装置が、光学ユニット１００、２００、３００、４００又は５００に含まれる発光素子から放射された光が、測定対象物を介して受光素子に入射する構成を備えていてもよい。

【符号の説明】

【0064】

１００、２００、３００、４００、５００ 光学ユニット
１０１ レンズアレイ
１０２ 発光素子アレイ
１０３ 固定部
１０４ サブマウント
１０８ パッケージ基板
１１０、１１２、３１２ａ～３１２ｄ 固定ねじ
１１１、３１１ａ～３１１ｄ 板ばね
１３１～１３４、１４１～１４４ 側面
１５８ 放熱部材
１５８ａ 凹部
１６０ 発光デバイス
１６１ 光学モジュール
２４１、２４２ 突き当て基準ピン
３１６ 弾性部材
４１７ 中央固定ねじ
６００ レーザ装置
６０１ 光学ユニット
６０２ 面発光レーザアレイ
６０３ 第１集光光学系
６０６ レーザ共振器

【先行技術文献】

【特許文献】

【0065】

【文献】特開２０１７－０９２２８７号公報

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】