特許 7542174 レーザモジュール

(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】2024-08-22

(45)【発行日】2024-08-30

(54)【発明の名称】レーザモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20240823BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

H01S5/024

H01L23/46 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022505079

(86)(22)【出願日】2021-02-10

(86)【国際出願番号】 JP2021004886

(87)【国際公開番号】W WO2021176978

(87)【国際公開日】2021-09-10

【審査請求日】2023-08-08

(31)【優先権主張番号】P 2020036980

(32)【優先日】2020-03-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】大森 弘治

(72)【発明者】

【氏名】多田 昌浩

(72)【発明者】

【氏名】内田 貴史

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１６６７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２０９８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５３０５２２６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４ －２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３－２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７－２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、
前記レーザ素子が載置される載置面を有する第１ブロックと、
前記第１ブロックにおける前記載置面とは反対側に重ね合わされた第２ブロックとを備え、
前記第１ブロック及び前記第２ブロックの間には、冷却媒体が流れる内部流路が設けられ、
前記第１ブロックは、前記載置面の反対側の面から立設し且つ互いに間隔をあけて前記内部流路に配置された複数のフィンを有し、
前記第２ブロックは、重ね合わせ方向から見て、前記複数のフィンの間に開口して前記内部流路に冷却媒体を供給する複数の供給孔を有し、
前記第２ブロックは、前記供給孔が開口する面よりも前記内部流路側に突出する突出部を有し、
前記突出部における前記フィンに対向する面は、前記供給孔に向かうにつれて突出高さが小さくなるように傾斜している、レーザモジュール。

【請求項2】

請求項１において、
前記第２ブロックは、前記内部流路から冷却媒体を排出する排出孔を有し、
前記排出孔は、重ね合わせ方向に対して傾斜した方向に延び、
前記第１ブロックは、前記内部流路を流れる冷却媒体を前記排出孔の開口位置に向かって案内するガイド部を有する、レーザモジュール。

【請求項3】

請求項２において、
前記ガイド部は、前記第１ブロックにおける前記内部流路の側壁部で構成され、
前記側壁部は、前記載置面の反対側の面に対して直角又は鈍角をなす方向に延びている、レーザモジュール。

【請求項4】

請求項１において、
前記フィンの先端部は、前記突出部の傾斜面に対応して傾斜している、レーザモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザモジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、レーザ素子などの発熱体の冷却に用いる水冷式の放熱器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１には、上部放熱板、中間放熱板及び下部放熱板が上下３層に積層されており、中間放熱板の連通孔における水入口と水出口との間に形成された折返し水路を冷却水が流れることで、中間放熱板の受熱端部を冷却するようにした構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－２９４７６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、レーザ素子が高温になると、レーザ出力の低下などの性能劣化が起こるおそれがある。そのため、レーザ素子で生じた熱をさらに効率良く放熱して、レーザ素子の性能をより安定化させたいという要望がある。

【0006】

本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱できるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の発明は、レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、前記レーザ素子が載置される載置面を有する第１ブロックと、前記第１ブロックにおける前記載置面とは反対側に重ね合わされた第２ブロックとを備え、前記第１ブロック及び前記第２ブロックの間には、冷却媒体が流れる内部流路が設けられ、前記第１ブロックは、前記載置面の反対側の面から立設し且つ互いに間隔をあけて前記内部流路に配置された複数のフィンを有し、前記第２ブロックは、重ね合わせ方向から見て、前記複数のフィンの間に開口して前記内部流路に冷却媒体を供給する複数の供給孔を有し、前記第２ブロックは、前記供給孔が開口する面よりも前記内部流路側に突出する突出部を有し、前記突出部における前記フィンに対向する面は、前記供給孔に向かうにつれて突出高さが小さくなるように傾斜している。

【0008】

第１の発明では、第１ブロックの載置面にレーザ素子が載置される。第１ブロックには、載置面の反対側の面から複数のフィンが立設している。複数のフィンは、互いに間隔をあけて内部流路に配置される。第２ブロックには、内部流路に冷却媒体を供給する複数の供給孔が形成される。複数の供給孔は、第１ブロック及び第２ブロックの重ね合わせ方向から見て、複数のフィンの間に開口している。

【0009】

このように、第１ブロックに複数のフィンを設けることで、第１ブロックの放熱面積を増やすようにしている。また、複数の供給孔から供給された冷却媒体を、複数のフィンの間に流すようにしている。

【0010】

これにより、レーザ素子で生じる熱を、複数のフィンから効率良く放熱することができる。

【0011】

第２の発明は、第１の発明において、前記第２ブロックは、前記内部流路から冷却媒体を排出する排出孔を有し、前記排出孔は、重ね合わせ方向に対して傾斜した方向に延び、前記第１ブロックは、前記内部流路を流れる冷却媒体を前記排出孔の開口位置に向かって案内するガイド部を有する。

【0012】

第２の発明では、第２ブロックに形成された排出孔は、第１ブロック及び第２ブロックの重ね合わせ方向に対して傾斜した方向に延びている。内部流路を流れる冷却媒体は、第１ブロックのガイド部によって、排出孔の開口位置に向かって案内される。

【0013】

これにより、排出孔に向かう冷却媒体の一部を、複数のフィンの間で循環させることができる。

【0014】

具体的に、内部流路を流れる冷却媒体は、ガイド部に案内されて排出孔に向かって流れる。排出孔は、重ね合わせ方向に対して傾斜しているから、排出孔に向かって流れた冷却媒体は、排出孔の内周面に衝突した後、排出孔の傾斜方向に沿って、排出孔の上流側及び下流側にそれぞれ分配されて流れる。

【0015】

一方、供給孔の周辺では、供給孔から冷却媒体を供給する際の流れによって負圧が生じている。そのため、排出孔の上流側に向かって流れた冷却媒体は、複数のフィンの間を通って、供給孔の開口位置まで戻り、内部流路を循環することとなる。

【0016】

ここで、供給孔から供給された冷却媒体は、第１ブロックにおける載置面の反対側の面に沿って流れ、フィンの基端側を冷却している。一方、排出孔から戻ってきた冷却媒体は、第２ブロックの上面に沿って流れ、フィンの先端部を冷却することとなる。

【0017】

これにより、フィンの全面に沿って冷却媒体を循環させることで、レーザ素子で生じる熱を、複数のフィンから効率良く放熱することができる。

【0018】

第３の発明は、第２の発明において、前記ガイド部は、前記第１ブロックにおける前記内部流路の側壁部で構成され、前記側壁部は、前記載置面の反対側の面に対して直角又は鈍角をなす方向に延びている。

【0019】

第３の発明では、ガイド部を、第１ブロックにおける内部流路の側壁部で構成している。そして、側壁部は、載置面の反対側の面に対して直角又は鈍角をなす方向に延びている。

【0020】

これにより、内部流路を流れて側壁部に衝突した冷却媒体を、側壁部から排出孔に向かってスムーズに案内することができる。

【0021】

第４の発明は、第１の発明において、前記第２ブロックは、前記供給孔が開口する面よりも前記内部流路側に突出する突出部を有し、前記突出部における前記フィンに対向する面は、前記供給孔に向かうにつれて突出高さが小さくなるように傾斜している。

【0022】

第４の発明では、第２ブロックに突出部が設けられる。突出部では、フィンに対向する面が、供給孔に向かうにつれて突出高さが小さくなるように傾斜している。

【0023】

これにより、内部流路を流れる冷却媒体の一部を、複数のフィンの間で循環させることができる。

【0024】

具体的に、複数のフィンの間を流れる冷却媒体は、突出部と第１ブロックとの隙間で流量が絞られることとなる。また、供給孔の周辺では、供給孔から冷却媒体を供給する際の流れによって負圧が生じている。

【0025】

そのため、複数のフィンの間を流れる冷却媒体の一部は、内部流路の下流側に流れ、残りが突出部の傾斜面に沿って供給孔の開口位置まで戻り、内部流路を循環することとなる。

【0026】

ここで、供給孔から供給された冷却媒体は、第１ブロックにおける載置面の反対側の面に沿って流れ、フィンの基端側を冷却している。一方、突出部の傾斜面に沿って流れる冷却媒体は、フィンの先端部を冷却することとなる。

【0027】

これにより、フィンの全面に沿って冷却媒体を循環させることで、レーザ素子で生じる熱を、複数のフィンから効率良く放熱することができる。

【0028】

第５の発明は、第４の発明において、前記フィンの先端部は、前記突出部の傾斜面に対応して傾斜している。

【0029】

第５の発明では、フィンの先端部を、突出部の傾斜面に対応して傾斜させている。これにより、第１ブロックと第２ブロックとを重ね合わせた際に、フィンの先端部と突出部の傾斜面との隙間を小さくし、フィンの間に冷却媒体をスムーズに流すことができる。

【発明の効果】

【0030】

本開示によれば、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】図１は、本実施形態１に係るレーザモジュールの構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、レーザモジュールの構成を示す分解斜視図である。

【図3】図３は、第１ブロックの重ね合わせ面側の構成を示す斜視図である。

【図4】図４は、レーザモジュールの構成を示す平面断面図である。

【図5】図５は、レーザモジュールの構成を示す正面断面図である。

【図6】図６は、レーザモジュールの構成を示す側面断面図である。

【図7】図７は、本実施形態２に係るレーザモジュールの構成を示す分解斜視図である。

【図8】図８は、第１ブロックの重ね合わせ面側の構成を示す斜視図である。

【図9】図９は、レーザモジュールの構成を示す平面断面図である。

【図10】図１０は、レーザモジュールの構成を示す正面断面図である。

【図11】図１１は、レーザモジュールの構成を示す側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0033】

《実施形態１》
図１及び図２に示すように、レーザモジュール１は、第１ブロック１０と、第２ブロック２０と、第３ブロック３０と、レーザ素子４０と、絶縁層４５とを有する。

【0034】

第１ブロック１０は、導電性を有する。第１ブロック１０は、主に銅（Ｃｕ）で構成されている。第１ブロック１０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされている。

【0035】

第１ブロック１０は、載置面１１を有する。載置面１１は、第１ブロック１０の上面の一部が窪むことで形成されている。載置面１１は、第１ブロック１０の上面におけるレーザ光Ｌの出射方向（図１に矢印線で示す方向）の側の端部に設けられている。

【0036】

載置面１１には、導電性のサブマウント４１を介してレーザ素子４０が載置されている。サブマウント４１は、主に銅タングステン合金（ＣｕＷ）で構成されている。

【0037】

レーザ素子４０は、下面が正電極であり、上面が負電極である。レーザ素子４０は、正電極から負電極に向かって電流が流れると、発光面からレーザ光Ｌを出射する。

【0038】

レーザ素子４０の発光面は、第１ブロック１０の載置面１１の前端と略一致している。レーザ素子４０の正電極は、第１ブロック１０と電気的に接続されている。第１ブロック１０は、レーザ素子４０の正電極に電気的に接続する電極ブロックとしての機能を有する。

【0039】

第１ブロック１０の上面には、絶縁層４５が設けられている。絶縁層４５は、ポリイミドやセラミックなどで構成されている。

【0040】

第２ブロック２０は、第１ブロック１０における載置面１１とは反対側に重ね合わされている。第２ブロック２０は、主にステンレス（ＳＵＳ）で構成されている。第２ブロック２０では、ステンレス製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされている。

【0041】

詳しくは後述するが、第１ブロック１０及び第２ブロック２０の間には、冷却媒体が流れる内部流路１５が設けられている（図６参照）。

【0042】

第３ブロック３０は、導電性を有する。第３ブロック３０は、主に銅（Ｃｕ）で構成されている。第３ブロック３０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされている。

【0043】

第３ブロック３０は、レーザ素子４０及び絶縁層４５の上に設けられている。第３ブロック３０は、バンプ（図示せず）を介してレーザ素子４０と電気的に接続されている。第３ブロック３０は、レーザ素子４０の負電極に電気的に接続する電極ブロックとしての機能を有する。

【0044】

第１ブロック１０、第２ブロック２０、及び第３ブロック３０は、図示しないネジによって締結されている。このとき、第３ブロック３０は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０に対して電気的に絶縁された状態で締結される。

【0045】

このような構成のレーザモジュール１では、レーザ素子４０の正電極から負電極に向かって電流が流れると、レーザ素子４０の側面の発光面からレーザ光Ｌが出力される。このとき、レーザ素子４０で生じた熱は、第１ブロック１０、第２ブロック２０、及び第３ブロック３０へ伝わる。

【0046】

ところで、レーザ素子４０が高温になると、レーザ出力の低下などの性能劣化が起こるおそれがある。そのため、レーザ素子４０で生じた熱を効率良く伝熱及び放熱して、レーザ素子４０の性能をより安定化させたいという要望がある。

【0047】

そこで、本実施形態のレーザモジュール１では、レーザ素子４０で生じる熱をより効率良く放熱できるような構造としている。

【0048】

図３に示すように、第１ブロック１０には、内部流路１５が設けられている。内部流路１５は、第１ブロック１０の下面の一部が窪むことで形成されている。内部流路１５は、載置面１１の反対側の面から後方（図６で左方）に向かって延びている。

【0049】

第１ブロック１０には、複数のフィン１２が設けられている。フィン１２は、第１ブロック１０における載置面１１の反対側の面から立設している。フィン１２は、板状に形成され、レーザ光Ｌの出射方向に沿って延びている。複数のフィン１２は、厚み方向に互いに間隔をあけて内部流路１５に配置されている。

【0050】

このように、第１ブロック１０に複数のフィン１２を設けることで、第１ブロック１０の放熱面積を増やすようにしている。なお、図４に示す例では、フィン１２を、平面視で第２ブロック２０の排出孔２２の一部に重なり合う位置まで延ばしているが、排出孔２２全体を横切るように延ばしてもよい。

【0051】

図４～図６に示すように、第２ブロック２０は、第１ブロック１０における載置面１１の反対側に重ね合わされている。第１ブロック１０及び第２ブロック２０の間には、内部流路１５が設けられる。

【0052】

第２ブロック２０は、複数の供給孔２１と、排出孔２２とを有する。複数の供給孔２１は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０の重ね合わせ方向から見て、複数のフィン１２の間に開口している。供給孔２１には、図示しないチラーユニットによって外部から冷却媒体が供給される。冷却媒体は、例えば水である。供給孔２１は、冷却媒体を内部流路１５に供給する。なお、図４～図６では、冷却媒体の流れを矢印線で示している。

【0053】

複数の供給孔２１から内部流路１５に供給された冷却媒体は、複数のフィン１２の間に供給され、内部流路１５の上面に沿って下流側に流れる。

【0054】

排出孔２２は、第２ブロック２０における内部流路１５の下流側に開口している。排出孔２２は、内部流路１５から外部に冷却媒体を排出して、冷却媒体を図示しないチラーユニットに戻す。

【0055】

排出孔２２は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０の重ね合わせ方向に対して傾斜した方向に延びている。図６に示す例では、排出孔２２は、左側に向かって斜め下方に傾斜している。排出孔２２は、重ね合わせ方向に対して、例えば４５°傾斜させればよい。

【0056】

第１ブロック１０は、ガイド部１６を有する。ガイド部１６は、内部流路１５を流れる冷却媒体を排出孔２２の開口位置に向かって案内する。ガイド部１６は、内部流路１５の下流側の側壁部で構成されている。ガイド部１６は、載置面１１の反対側の面に対して鈍角をなす方向に延びている。なお、ガイド部１６は、載置面１１の反対側の面に対して直角をなす方向に延びていてもよい。

【0057】

これにより、内部流路１５を流れてガイド部１６に衝突した冷却媒体を、ガイド部１６から排出孔２２に向かってスムーズに案内することができる。

【0058】

以上のように、本実施形態に係るレーザモジュール１によれば、内部流路１５から排出孔２２に向かう冷却媒体の一部を、複数のフィン１２の間で循環させることができる。

【0059】

具体的に、図６に示すように、内部流路１５を流れる冷却媒体は、ガイド部１６に案内されて排出孔２２に向かって流れる。排出孔２２は、重ね合わせ方向に対して傾斜しているから、排出孔２２に向かって流れた冷却媒体は、排出孔２２の内周面に衝突した後、排出孔２２の傾斜方向に沿って、排出孔２２の上流側及び下流側にそれぞれ分配されて流れる。排出孔２２の傾斜は、このような冷却媒体の流れを生じさせるために設けられている。

【0060】

一方、供給孔２１の周辺では、供給孔２１から冷却媒体を供給する際の流れによって負圧が生じている。そのため、排出孔２２の上流側に向かって流れた冷却媒体は、複数のフィン１２の間を通って、供給孔２１の開口位置まで戻り、内部流路１５を循環することとなる。

【0061】

ここで、供給孔２１から供給された冷却媒体は、第１ブロック１０における載置面１１の反対側の面に沿って流れ、フィン１２の基端側を冷却している。一方、排出孔２２から戻ってきた冷却媒体は、第２ブロック２０の上面に沿って流れ、フィン１２の先端部を冷却することとなる。

【0062】

これにより、フィン１２の全面に沿って冷却媒体を循環させることで、レーザ素子４０で生じる熱を、複数のフィン１２から効率良く放熱することができる。

【0063】

《実施形態２》
以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

【0064】

図７に示すように、レーザモジュール１は、第１ブロック１０と、第２ブロック２０と、第３ブロック３０と、レーザ素子４０と、絶縁層４５とを有する。詳しくは後述するが、第２ブロック２０は、内部流路１５側に突出する突出部２５を有する。

【0065】

図８に示すように、第１ブロック１０には、内部流路１５が設けられている。内部流路１５は、第１ブロック１０の下面の一部が窪むことで形成されている。

【0066】

第１ブロック１０には、複数のフィン１２が設けられている。フィン１２は、第１ブロック１０における載置面１１の反対側の面から立設している。フィン１２は、板状に形成され、レーザ光Ｌの出射方向に沿って延びている。複数のフィン１２は、厚み方向に互いに間隔をあけて内部流路１５に配置されている。フィン１２の先端部は、後述する突出部２５の傾斜面に対応して傾斜している。

【0067】

図９～図１１に示すように、第２ブロック２０は、第１ブロック１０における載置面１１の反対側に重ね合わされている。第１ブロック１０及び第２ブロック２０の間には、内部流路１５が設けられる。

【0068】

第２ブロック２０は、複数の供給孔２１と、排出孔２２とを有する。複数の供給孔２１は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０の重ね合わせ方向から見て、複数のフィン１２の間に開口している。供給孔２１は、冷却媒体を内部流路１５に供給する。なお、図９～図１１では、冷却媒体の流れを矢印線で示している。

【0069】

第２ブロック２０は、突出部２５を有する。突出部２５は、供給孔２１が開口する面よりも内部流路１５側に突出している。突出部２５におけるフィン１２に対向する面は、供給孔２１に向かうにつれて突出高さが小さくなるように傾斜している。

【0070】

排出孔２２は、第２ブロック２０における内部流路１５の下流側に開口している。排出孔２２は、内部流路１５から外部に冷却媒体を排出する。

【0071】

以上のように、本実施形態に係るレーザモジュール１によれば、内部流路１５を流れる冷却媒体の一部を、複数のフィン１２の間で循環させることができる。

【0072】

具体的に、図１１に示すように、複数のフィン１２の間を流れる冷却媒体は、突出部２５と第１ブロック１０との隙間で流量が絞られることとなる。また、供給孔２１の周辺では、供給孔２１から冷却媒体を供給する際の流れによって負圧が生じている。

【0073】

そのため、複数のフィン１２の間を流れる冷却媒体の一部は、内部流路１５の下流側に流れ、残りが突出部２５の傾斜面に沿って供給孔２１の開口位置まで戻り、内部流路１５を循環することとなる。

【0074】

ここで、供給孔２１から供給された冷却媒体は、第１ブロック１０における載置面１１の反対側の面に沿って流れ、フィン１２の基端側を冷却している。一方、突出部２５の傾斜面に沿って流れる冷却媒体は、フィン１２の先端部を冷却することとなる。

【0075】

これにより、フィン１２の全面に沿って冷却媒体を循環させることで、レーザ素子４０で生じる熱を、複数のフィン１２から効率良く放熱することができる。

【産業上の利用可能性】

【0076】

以上説明したように、本開示は、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

【符号の説明】

【0077】

１ レーザモジュール
１０ 第１ブロック
１１ 載置面
１２ フィン
１５ 内部流路
１６ ガイド部
２０ 第２ブロック
２１ 供給孔
２２ 排出孔
２５ 突出部
４０ レーザ素子
Ｌ レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】