JP2006278361A - Semiconductor light-emitting device module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば照明装置に使用される半導体発光装置モジュールに関し、特に光出力の温度補償技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device module used in, for example, a lighting device, and more particularly to a temperature compensation technique for light output.
一般的に、発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光素子では光出力が大きくなればなるほど温度が上昇し、温度上昇による光出力の低下が大きくなる。特に半導体レーザの場合には閾値電流が有るので温度による光出力変動が大きく、場合によっては点灯しなくなってしまう。 In general, in a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser, the temperature increases as the light output increases, and the decrease in the light output due to the temperature increase increases. In particular, in the case of a semiconductor laser, since there is a threshold current, the light output fluctuation due to temperature is large, and in some cases, the light does not turn on.
このため、放射光の一部を受光素子によって受光し、その光出力をモニタして駆動電流を変化させることによって、光出力を一定化させる従来技術がある(第1の従来技術)。 For this reason, there is a conventional technique in which a part of the radiated light is received by a light receiving element, the light output is monitored and the drive current is changed to make the light output constant (first conventional technique).
また、図11に示す発光回路100を半導体レーザ装置に設けた構成が特許文献1に開示されている(第2の従来技術)。この第2の従来技術によれば、半導体レーザ(の発光部)101aに直列に、負の温度抵抗係数を有するサーミスタ158を設けて、サーミスタ158の抵抗変化によって駆動電流を変える。
A configuration in which a
また、特許文献2には、入力にサーミスタが接続されかつ出力にトランジスタのベースが接続されたオペアンプを用い、サーミスタの温度変化でトランジスタのベース電圧を変化させることによって、半導体レーザの電流値を変える技術が開示されている(第3の従来技術)。
In
上述の第1の従来技術では発光素子からの放射光の一部をモニタするための光学的部品等が必要であるので、小型化および低価格化を推進しにくいという問題がある。 The first prior art described above requires an optical component or the like for monitoring a part of the emitted light from the light emitting element, and therefore there is a problem that it is difficult to promote downsizing and cost reduction.
また、上述の第2および第3の従来技術ではサーミスタが具体的にどこに配置されているかの言及が見当たらないが、一般的手法によればサーミスタは駆動のための回路基板が置かれている装置内の雰囲気の温度を検知し、その検知結果に基づいて温度補償を行っていると考えられる。 Further, in the second and third prior arts mentioned above, there is no mention of where the thermistor is specifically arranged. However, according to a general method, the thermistor is a device on which a circuit board for driving is placed. It is considered that the temperature of the inside atmosphere is detected and temperature compensation is performed based on the detection result.
装置内の雰囲気温度を検知して駆動電流を変化させると、発光素子自体の温度変化に対して適切なフィードバックをしているわけではないので、光出力を一定に制御することは困難である。すなわち、このような雰囲気温度に基づく光出力制御によれば、発光素子に非常に大きな熱容量および高放熱性を有する放熱装置が設けられ、かつ、当該発光素子の他に熱源が無く、かつ、雰囲気温度が発光素子の温度に比例する、という特殊な状況下でなければ、正確な光出力制御はできない。 If the drive current is changed by detecting the ambient temperature in the apparatus, it is difficult to control the light output to be constant because appropriate feedback is not given to the temperature change of the light emitting element itself. That is, according to the light output control based on such an ambient temperature, the light emitting element is provided with a heat dissipation device having a very large heat capacity and high heat dissipation, and there is no heat source other than the light emitting element, and the atmosphere Exact light output control is not possible unless the temperature is proportional to the temperature of the light emitting element.
また、第2の従来技術(図11参照)のようにサーミスタ158を発光素子の駆動電流が流れる経路に直列に挿入すると、サーミスタ158に駆動電流が流れるためサーミスタ自体が発熱源となる。このため、さらに光出力制御が困難になる。
In addition, when the
なお、サーミスタが雰囲気温度を検知する場合のみならず、他の熱源の温度を検知することによって間接的に発光素子の温度変化を検知する方法についても、上述と同様の問題点があると言える。 Note that it can be said that not only the thermistor detects the ambient temperature but also the method of detecting the temperature change of the light emitting element indirectly by detecting the temperature of another heat source has the same problem as described above.
本発明は、このような問題にかんがみてなされたものであり、適切なフィードバック制御によって温度補償がされて正確な定出力が可能でありかつ小型化・低価格化が可能な半導体発光装置モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and a semiconductor light-emitting device module that is capable of temperature compensation through appropriate feedback control, enables accurate constant output, and can be reduced in size and price. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために本発明は、半導体発光装置モジュールにおいて、回路基板と、前記回路基板に熱的に接続された半導体発光素子を含む半導体発光装置と、前記回路基板に熱的に接続された温度検知器を含み、前記温度検知器による検知温度に基づいて前記半導体発光素子の出力を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor light emitting device module, a semiconductor light emitting device including a circuit board, a semiconductor light emitting element thermally connected to the circuit board, and a thermal connection to the circuit board. And a control circuit that controls the output of the semiconductor light emitting element based on the temperature detected by the temperature detector.
このような構成によれば、半導体発光素子での発熱は回路基板を介して温度検知器に伝達されるので、温度検知器によって検知された温度(変化)は半導体発光素子の温度(変化)にほぼ等しい。このため、制御回路は、半導体発光素子の温度に基づいて当該発光素子の出力を制御することになる。したがって、雰囲気温度や半導体発光素子の発熱に関係した他の熱源の温度を検知して出力制御する構成に比べて、適切なフィードバック制御ができ、その結果、正確な定出力が可能となる。さらに、半導体発光素子からの出力光をモニタして定出力化する構成に比べて、そのようなモニタのための光学部品を設ける必要がないので、発明に係る半導体発光装置モジュールは構成が簡単であり、その結果、小型化・低価格化を図ることができる。また、一般的に半導体発光装置(の半導体発光素子)は放熱やサージ電流等に留意を要するが、半導体発光装置モジュールによれば、半導体発光装置(の半導体発光素子)と制御回路とがモジュール化されているので、取り扱いが簡単である。 According to such a configuration, since the heat generated in the semiconductor light emitting element is transmitted to the temperature detector via the circuit board, the temperature (change) detected by the temperature detector is the temperature (change) of the semiconductor light emitting element. Almost equal. For this reason, the control circuit controls the output of the light emitting element based on the temperature of the semiconductor light emitting element. Therefore, as compared with the configuration in which the output is controlled by detecting the ambient temperature or the temperature of another heat source related to the heat generation of the semiconductor light emitting element, it is possible to perform appropriate feedback control, and as a result, accurate constant output is possible. Furthermore, compared to the configuration in which the output light from the semiconductor light emitting element is monitored and the output is made constant, there is no need to provide an optical component for such monitoring, so the semiconductor light emitting device module according to the invention has a simple configuration. As a result, downsizing and cost reduction can be achieved. In general, a semiconductor light emitting device (semiconductor light emitting element) requires attention to heat dissipation, surge current, etc., but according to a semiconductor light emitting device module, the semiconductor light emitting device (semiconductor light emitting element) and a control circuit are modularized. It is easy to handle.
また、前記回路基板よりも高い熱伝導率を有する熱伝導部品をさらに備え、前記熱伝導部品を介して前記半導体発光素子が前記回路基板に熱的に接続されていることが好ましい。 In addition, it is preferable that a heat conductive component having a higher thermal conductivity than the circuit board is further provided, and the semiconductor light emitting element is thermally connected to the circuit board through the heat conductive component.
このような発明によれば、半導体発光素子での発熱は熱伝導部品を介して回路基板に伝達される。特に熱伝導部品の熱伝導率は回路基板に比べて高いので、熱伝導部品において、回路基板における場合よりも速やかに熱が広がる。このため、回路基板全体に速やかに熱を伝えることができ、半導体発光素子から温度検知器へ確実に熱を伝達できる。また、熱伝導部品において熱が広がるので、当該熱伝導部品を用いないで回路基板において熱が広がる構成と比べて、温度検知器の配置位置の自由度が高くなる。また、熱伝導部品において熱が速やかに広がるので、熱伝導および温度検知器の配置位置に依存した温度検知のタイムラグを減少させることができ、定出力が安定的に得られる。 According to such an invention, heat generated in the semiconductor light emitting device is transmitted to the circuit board via the heat conducting component. In particular, since the heat conductivity of the heat conducting component is higher than that of the circuit board, heat spreads more quickly in the heat conducting component than in the circuit board. For this reason, heat can be quickly transmitted to the entire circuit board, and heat can be reliably transmitted from the semiconductor light emitting element to the temperature detector. In addition, since heat spreads in the heat conduction component, the degree of freedom in the arrangement position of the temperature detector is higher than a configuration in which heat is spread in the circuit board without using the heat conduction component. In addition, since heat spreads quickly in the heat conduction component, the time lag of temperature detection depending on the heat conduction and the position of the temperature detector can be reduced, and a constant output can be stably obtained.
また、前記半導体発光装置は、前記半導体発光素子が搭載され前記熱伝導部品に圧入された金属ステムをさらに含むことが好ましい。 The semiconductor light emitting device preferably further includes a metal stem on which the semiconductor light emitting element is mounted and press-fitted into the heat conducting component.
このような構成によれば、半導体発光素子を搭載しているステムは金属製なので、かつ、ステムが熱伝導部品に圧入されているので(すなわちステムが熱伝導部品に接触しているので)、半導体発光素子での発熱が金属ステムを介して熱伝導部品へ速やかにかつ確実に伝達され、その結果、半導体発光素子での発熱を温度検知器へ速やかにかつ確実に伝えることができる。 According to such a configuration, the stem on which the semiconductor light emitting element is mounted is made of metal, and the stem is press-fitted into the heat conducting component (that is, the stem is in contact with the heat conducting component). Heat generated in the semiconductor light emitting element is quickly and reliably transmitted to the heat conducting component via the metal stem. As a result, heat generated in the semiconductor light emitting element can be transmitted to the temperature detector quickly and reliably.
また、前記制御回路は、前記半導体発光素子へ定電流を供給する定電流供給部と、前記温度検知器を有しており、前記検知温度に基づいて変動する補償電流を前記半導体発光素子へ供給する、補償電流供給部と、を含み、前記定電流と前記補償電流との合計電流を前記半導体発光素子へ供給することが好ましい。 Further, the control circuit includes a constant current supply unit that supplies a constant current to the semiconductor light emitting element and the temperature detector, and supplies a compensation current that varies based on the detected temperature to the semiconductor light emitting element. And a compensation current supply unit, wherein a total current of the constant current and the compensation current is preferably supplied to the semiconductor light emitting element.
このような構成によれば、温度検知器に流れる電流は半導体発光素子に流れる電流(定電流と補償電流との合計電流)よりも小さいので、温度検知器に流れる電流と半導体発光素子に流れる電流とが同じである構成と比べて、温度検知器自体の発熱を抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度をより正確に検知することができ、したがって適切なフィードバック制御によってより正確な定出力が可能となる。 According to such a configuration, since the current flowing through the temperature detector is smaller than the current flowing through the semiconductor light emitting element (the total current of the constant current and the compensation current), the current flowing through the temperature detector and the current flowing through the semiconductor light emitting element Compared with a configuration in which the temperature detector is the same, heat generation of the temperature detector itself can be suppressed. For this reason, the temperature of the semiconductor light emitting element can be detected more accurately, and therefore, a more accurate constant output can be achieved by appropriate feedback control.
また、前記温度検知器は、温度上昇に伴って抵抗値が減少する負性のサーミスタであることが好ましい。このような構成によれば、半導体発光素子の発熱は回路基板を介してサーミスタに伝えられるので、半導体発光素子の温度が上昇するとサーミスタの温度が上昇し、その結果、サーミスタの抵抗は減少する。このような特性を利用することによって、当該サーミスタを有する補償電流供給部は半導体発光素子の温度を知ることができ、補償電流を生成することができる。 The temperature detector is preferably a negative thermistor whose resistance value decreases as the temperature rises. According to such a configuration, the heat generation of the semiconductor light emitting element is transmitted to the thermistor via the circuit board. Therefore, when the temperature of the semiconductor light emitting element rises, the temperature of the thermistor rises, and as a result, the resistance of the thermistor decreases. By utilizing such characteristics, the compensation current supply unit having the thermistor can know the temperature of the semiconductor light emitting element and can generate a compensation current.
また、前記温度検知器は、前記回路基板上にアッセンブリされていることが好ましい。このような構成によれば、回路基板とは別の箇所に温度検知器を配置した場合には必要な温度検知器と回路基板上の回路パターンとを結ぶ配線部材が不要である。したがって、半導体発光装置モジュールの小型化・低価格化を図ることができる。 The temperature detector is preferably assembled on the circuit board. According to such a configuration, when the temperature detector is arranged at a location different from the circuit board, a wiring member that connects the necessary temperature detector and the circuit pattern on the circuit board is not necessary. Therefore, it is possible to reduce the size and price of the semiconductor light emitting device module.
また、前記温度検知器と前記回路基板との間に充填された熱伝導剤をさらに備えることが好ましい。このような構成によれば、温度検知器と回路基板との間の熱伝達をより確実にできる。 Moreover, it is preferable to further include a heat conductive agent filled between the temperature detector and the circuit board. According to such a configuration, heat transfer between the temperature detector and the circuit board can be more reliably performed.
また、前記回路基板は、前記熱伝導部品の側に向いた第1表面を含んでおり、前記熱伝導部品は、前記回路基板の側に向いた第2表面を含んでおり、前記第1表面と前記第2表面とが互いの全面が対面するように、前記回路基板と前記熱伝導部品とが配置されていることが好ましい。このような構成によれば、熱伝導部品から回路基板への熱伝達について十分な熱伝達面積が確保できると同時に半導体発光装置モジュールの小型化を図ることができる。 The circuit board includes a first surface facing the heat conducting component, and the heat conducting component includes a second surface facing the circuit board, and the first surface. It is preferable that the circuit board and the heat conducting component are arranged so that the entire surface of the second surface and the second surface face each other. According to such a configuration, a sufficient heat transfer area can be secured for heat transfer from the heat conducting component to the circuit board, and at the same time, the semiconductor light emitting device module can be downsized.
また、前記温度検知器は、前記半導体発光装置を前記回路基板に投影した領域に重なるように配置されていることが好ましい。このような構成によれば、半導体発光素子と温度検知器とが近接して配置されるので、半導体発光素子の発熱をより速やかに温度検知器に伝達できるし、当該発熱のより多くを温度検知器に伝達できる。さらに、そのような近接配置によって、外部から受ける影響(気流、熱照射など)を半導体発光素子と温度検知器とで同様にすることができる。その結果、定出力化をより正確に、より安定的に図ることができる。 Further, it is preferable that the temperature detector is disposed so as to overlap an area where the semiconductor light emitting device is projected onto the circuit board. According to such a configuration, since the semiconductor light emitting element and the temperature detector are arranged close to each other, the heat generated by the semiconductor light emitting element can be transmitted to the temperature detector more quickly, and more of the generated heat can be detected by the temperature. Can be transmitted to the vessel. Furthermore, the influence (airflow, heat irradiation, etc.) received from the outside can be made the same between the semiconductor light emitting element and the temperature detector by such close arrangement. As a result, constant output can be achieved more accurately and stably.
本発明によれば、適切なフィードバック制御によって温度補償がされて正確な定出力が可能でありかつ小型化・低価格化が可能な半導体発光装置モジュールを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor light-emitting device module that can be compensated for temperature by appropriate feedback control, can perform accurate constant output, and can be reduced in size and price.
図1および図2に本発明に係る半導体発光装置モジュールの一実施形態である半導体レーザ装置モジュール1の斜視図および平面図を示す。また、図3に半導体レーザ装置モジュール1が有する、半導体発光装置としての半導体レーザ装置20の斜視図を示す。さらに、図4に半導体レーザ装置モジュール1の断面図を示す。
1 and 2 are a perspective view and a plan view of a semiconductor
図1および図2に示すように、半導体レーザ装置モジュール1は、回路基板10と、回路基板10に搭載された各種部品(半導体レーザ装置20等)と、放熱板40(後述のように本発明に係る熱伝導部品としても働く)と、を含んでいる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor
回路基板10は例えばガラスエポキシ樹脂等の絶縁基板上に所定の回路パターン(または配線パターン)が形成されて成り、プリント基板とも呼ばれる。なお、図面の煩雑化を避けるため回路パターンの図示は省略している。図1等の例では、回路基板10を成す上記絶縁基板は、大略長方形の主表面10S,10Tを有する板状部材であり、当該板状部材の両短辺部中央に切り込みまたは切り欠きを有している。
The
図1,図2および図4に示すように、回路基板10の一方の主表面10S上に半導体レーザ装置20が搭載されており、回路基板10の他方の主表面10T上に、可変抵抗311と、半導体レーザ素子21の温度を検知するための温度検知器としてのサーミスタ321と、抵抗322と、PNP型のトランジスタ323と、ドライバIC(Integrated Circuit)38と、コネクタ39とが搭載されている(アッセンブリされている)。特にサーミスタ321は、温度の増加に伴って抵抗値が減少する負性の素子であり(後述の図7参照)、回路基板10に近接してアッセンブリされている。なお、回路基板10は厚さ方向に貫通した穴を有しており、当該穴に半導体レーザ装置20のリード端子25が挿入されており、当該リード端子25は主表面10Tの側において回路パターンに電気的に接続されている。なお、半導体レーザ装置20等による回路構成は後述する。
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the
ここで、図3および図4を参照して半導体レーザ装置20を説明する。半導体レーザ装置20は、本発明に係る半導体発光素子としての半導体レーザ素子(または半導体レーザチップ)21と、サブマウント22と、ステム23と、キャップ24と、リード端子25とを含んでいる。
Here, the
まず、ステム23は、例えば金属から成り、土台部230と、当該土台部230から突出した部分である素子搭載部(またはチップ搭載部)231とに大別される。図3および図4の例では、土台部230は円板状部材(大略円形の主表面を有する板状部材)から成り、周縁に切り込みまたは切り欠きを有している。なお、土台部230の周縁部をつば部232を呼ぶことにする。ステム23の素子搭載部231上にサブマウント22が配置されており、当該サブマウント22上に発光源である半導体レーザ素子21が配置されている(ダイボンドされている)。すなわち、半導体レーザ素子21はサブマウント22を介してステム23の素子搭載部231上に搭載されている。ここで、サブマウント22は高熱伝導材料、例えば炭化珪素(SiC)等のセラミックから成る。なお、サブマウント22を設けずに半導体レーザ素子21を直接、素子搭載部231上に搭載(ダイボンド)しても構わない。
First, the
半導体レーザ素子21を搭載した状態の素子搭載部231にキャップ24が被せられており、当該キャップ24はステム23の土台部230に結合されている。キャップ24は例えば金属製の器状部材(図3の例では円柱状をしている)から成り、当該キャップ24内に半導体レーザ素子21が収容されている。キャップ24には窓部241が設けられており、当該窓部241を通して半導体レーザ素子21からの出力光が出射される。
A
そして、キャップ24内の半導体レーザ素子21を外部回路と電気的に接続させるべくリード端子25が設けられている。リード端子25の一端はキャップ24内において例えば不図示の金属ワイヤーによって半導体レーザ素子21と電気的に接続されており、リード端子25の他端はステム23の土台部230を介してキャップ24外へ引き出されている。なお、既述のように、リード端子25は回路基板10の穴に挿入され、リード端子25の上記他端は回路基板10の主表面10T側に形成された回路パターンに電気的に接続されている(図4参照)。
Lead
放熱板40は例えばアルミニウムや銅などの金属の板状部材から成り、当該放熱板40は、図1および図4に示すように回路基板10の主表面(第1表面)10Sと放熱板40の一方の主表面(第2表面)40Sとが向き合いかつ接触するように配置されている。詳細には、放熱板40の主表面40Sの輪郭または外周の形状は回路基板10の主表面10Sのそれと大略等しく(したがって大略長方形をしている)、放熱板40と回路基板10とは長方形の長辺同士が近接するまたは重なるようにかつ短辺同士が近接するまたは重なるように配置されている。すなわち、放熱板40と回路基板10とは主表面40Sの全面と主表面10Sの全面とが互いに対面するように配置されている。なお、放熱板40は回路基板10と同様の位置に同様の切り込みまたは切り欠きを有している。
The
図1および図4に示すように、放熱板40には回路基板10上の半導体レーザ装置20に対応する位置に当該放熱板40の厚さ方向に貫通する穴40Hが形成されており、当該孔40H内に半導体レーザ装置20が配置されている。このとき、当該穴40Hに半導体レーザ装置20のステム23のつば部232が圧入されており(圧力を加えて押し込まれており)、穴40H内において放熱板40とステム23のつば部232とが接触している。なお、図1および図4の例では、平面視において穴40Hはステム23の土台部230の輪郭または外周と大略同じ円形をしている。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
半導体レーザ装置モジュール1では、半導体レーザ素子21での発熱が次のようにサーミスタ321に伝達する。まず、サブマウント22(図4参照)は例えば高熱伝導材料であるセラミックから成るので、半導体レーザ素子21での発熱はサブマント22を介して速やかにかつ確実にステム23へ伝達される。さらに、ステム23は例えば金属から成るので、伝達された熱はステム23の全体に速やかにかつ確実に伝達される。そして、ステム23は放熱板40の穴40Hに圧入されているので(したがって穴40H内において放熱板40とステム23とが接触しているので)、ステム23から放熱板40へ速やかにかつ確実に熱が伝わる。また、放熱板40は例えば金属製なので、伝達された熱は放熱板40の全体に速やかに広がる。さらに、放熱板40は回路基板10に対面しているので、放熱板40から回路基板10(の樹脂基板)へ熱が伝達する。なお、かかる点からみれば放熱板40は熱伝導部品としても働いていると言える。そして、回路基板10上に当該回路基板10に近接してアッセンブリされたサーミスタ321へ熱が伝達される。
In the semiconductor
このように、半導体レーザ装置モジュール1では、半導体レーザ素子21、サブマウント22、ステム23、放熱板40、回路基板10およびサーミスタ321が順次熱的に接続されて熱伝達経路を形成しており、これによって半導体レーザ素子21での発熱が回路基板321上のサーミスタ321へ速やかにかつ確実に伝達される。
Thus, in the semiconductor
ここで、「熱的に接続された」形態とは、熱伝導可能に配置された形態をいい、部材同士が接触している形態のみならず、熱伝導可能である限り部材間にすき間や他の部材が介在する形態をも含むものとする。このとき、半導体レーザ素子21はサブマウント22、ステム23および放熱板40を介して回路基板10に熱的に接続されており、(後述するようにサーミスタ321本体部と回路基板10との間にはすき間が生じる場合あるが)サーミスタ321は回路基板10に熱的に接続されている、と言える。
Here, the “thermally connected” form means a form arranged so as to be able to conduct heat, not only a form in which the members are in contact with each other, but also a gap between the members as long as heat conduction is possible. The form in which the member is interposed is also included. At this time, the
次に、図5に半導体レーザ装置モジュール1の制御回路30の回路図を示す。制御回路30は上述の半導体レーザ素子21と、可変抵抗311と、サーミスタ321と、抵抗322と、PNP型のトランジスタ323とを含み、駆動電源33に接続されて成る。駆動電源33は例えばコネクタ39(図2参照)を介して接続される。なお、半導体レーザ素子21はドライバIC38(図2参照)にも接続されるが、図5の回路図では省略している。
Next, FIG. 5 shows a circuit diagram of the
図5に示すように、駆動電源33の高電位側出力には可変抵抗311を介して半導体レーザ素子21のアノードが接続されており、半導体レーザ素子21のカソードは駆動電源33の低位側出力に接続されている。なお、駆動電源33の低電位側出力は接地されている。また、駆動電源33の高電位側出力にはトランジスタ323のエミッタが接続されており、当該トランジスタ323のコレクタは半導体レーザ素子21のアノードに接続されている。トランジスタ323のエミッタとベースとの間には抵抗322が接続されており、当該ベースはサーミスタ321を介して駆動電源33の低位側出力に接続されている。
As shown in FIG. 5, the anode of the
ここで、図6および図7に半導体レーザ素子21の光出力および駆動電流の温度特性図を示す。図7にはサーミスタ321の抵抗値の温度特性も併せて図示している。なお、図6および図7の横軸の温度は、雰囲気温度ではなく、半導体レーザ素子21およびサーミスタ321の温度(より具体的にはケース温度)である。半導体レーザ素子21(を含む一般的な半導体レーザ素子)は、図6に示すように温度補償が無い場合には温度上昇に伴って光出力が減少し、また、図7に示すように温度上昇に伴って所定の光出力を得るために必要な駆動電流値が増大する。また、図7に示すように負性のサーミスタ321は温度上昇とともに抵抗値が減少する。このように半導体レーザ素子21の駆動電流とサーミスタ321の抵抗値とは温度変化に対して逆の傾向を示す。
Here, FIGS. 6 and 7 show temperature characteristics of the optical output and drive current of the
図5の制御回路30によれば、半導体レーザ素子21の温度が上昇すると、当該温度は回路基板10等を介してサーミスタ321に伝達するので、サーミスタ321の温度も上昇し、かかる温度上昇に伴ってサーミスタ321の抵抗値が下がる。サーミスタ321の抵抗値減少によってトランジスタ323のベース電圧が下がる。PNP型のトランジスタ321ではベース電圧が下がるとコレクタへの電流量I2が増加する。すなわち、サーミスタ321によって半導体レーザ素子21の温度が検知され、その検知温度に基づいて電流I2が変動する。
According to the
これに対して、半導体レーザ素子21および可変抵抗311は駆動電源33に直列に接続されているので、可変抵抗311が所定の抵抗値に調整された後は、可変抵抗311に流れる電流I1は一定である。
On the other hand, since the
したがって、制御回路30によれば半導体レーザ素子21に流れる駆動電流I0は可変抵抗311を流れる定電流I1とトランジスタ323のコレクタを流れる電流I2との合計(合成)電流であるので、電流I2の変動分だけ駆動電流I0が変動する。すなわち、半導体レーザ素子21の温度が上がると、電流I2が増加し、その分だけ駆動電流I0が増加する。図7について上述したように光出力を一定に保つために必要な電流は半導体レーザ素子21の温度上昇に伴って増加するが、その必要電流値の増加分を電流I2の増加によって供給することができ(図7参照)、その結果、図6に示すように光出力をほぼ一定に保つことができる。つまり、電流I2によって温度補償される。
Therefore, according to the
なお、制御回路30において、可変抵抗311(または当該可変抵抗311および駆動電源33から成る構成)を定電流供給部31と呼び、サーミスタ321と抵抗322とPNP型のトランジスタ323とから成る構成(またはこれらの要素321,322,323および駆動電源33から成る構成)を補償電流供給部32と呼び、電流I2を補償電流と呼ぶことにする。このとき、補償電流供給部32は、負性のサーミスタ321を有するので、半導体レーザ素子21の温度を知ることができ、補償電流I2を生成することができる。
In the
このような制御回路30によれば、サーミスタ321は半導体レーザ素子21とは直列に接続されておらず、サーミスタ321に流れる電流は半導体レーザ素子21に流れる電流I0(=定電流I1+補償電流I2)よりも小さい。このため、サーミスタと半導体レーザ素子とが直列に接続されて双方に流れる電流値が同じである構成(例えば第2の従来技術(図11参照))と比べて、サーミスタ321自体の発熱を抑制することができる。したがって、半導体レーザ素子21の温度をより正確に検知することができ、適切なフィードバック制御によってより正確な定出力が可能となる。
According to such a
特に半導体レーザ装置モジュール1によれば、既述のように、半導体レーザ素子21での発熱はサブマウント22、ステム23、放熱板40および回路基板10を介してサーミスタ311に伝達されるので、サーミスタ321によって検知された温度(変化)は半導体レーザ素子21の温度(変化)にほぼ等しい。このため、制御回路30は、半導体レーザ素子21の温度に基づいて当該半導体レーザ素子21の出力を制御することになる。したがって、雰囲気温度や半導体レーザ素子の発熱に関係した他の熱源の温度を検知して出力制御する構成(例えば第2および第3の従来技術)に比べて、適切なフィードバック制御ができ、その結果、正確な定出力が可能となる。すなわち、半導体レーザ素子21は自らの発熱によって光出力が変化するので(図6参照)、半導体レーザ装置モジュール1のように半導体レーザ素子21の温度を直接的に検知する構成が好ましい。
In particular, according to the semiconductor
さらに、半導体レーザ装置モジュール1によれば、半導体レーザ素子からの出力光をモニタして定出力化する構成(例えば第1の従来技術)に比べて、そのようなモニタのための光学部品等を設ける必要がないので、半導体レーザ装置モジュール1は構成が簡単であり、その結果、小型化・低価格化を図ることができる。
Furthermore, according to the semiconductor
また、一般的に半導体発光装置(の半導体発光素子)は放熱やサージ電流等に留意を要するが、半導体発光装置モジュール1によれば、半導体発光装置20(の半導体発光素子21)、制御回路30、放熱板40等がモジュール化されているので、取り扱いが簡単である。
In general, the semiconductor light emitting device (the semiconductor light emitting element thereof) requires attention to heat dissipation, surge current, and the like. However, according to the semiconductor light emitting
また、放熱板40は、上述のように例えば金属製なので、回路基板10を成す例えばガラスエポキシ樹脂製の絶縁基板に比べて、約1000倍の熱伝導率を有している。半導体レーザ素子21での発熱は熱伝導部品としても働く放熱板40を介して回路基板10に伝達されるが、放熱板40へ伝達された熱は当該放熱板40において速やかに広がり、これにより回路基板10全体に速やかに熱を伝えることができるので、サーミスタ321の配置位置にかかわらず、半導体レーザ素子21からサーミスタ321へ確実に熱を伝達できる。このとき、放熱板40を用いないで回路基板10において熱を広げる構成と比べて、サーミスタ321の配置位置の自由度が高くなる。また、放熱板40において速やかに熱が広がるので、熱伝導およびサーミスタ321の配置位置に依存した温度検知のタイムラグを減少させることができ、定出力が安定的に得られる。なお、放熱板40を、ガラスエポキシ樹脂よりも熱伝導率が高い他の部材、例えばセラミック等で構成しても同様の効果が得られる。
Further, since the
このとき、上述のように放熱板40は回路基板10よりも熱伝導率が高いので、放熱板40へ伝達した熱は当該放熱板40の全面に広がり、回路基板10へは面的に(平面的に)伝達される。特に回路基板10の主表面(第1表面)10Sと放熱板40の主表面(第2表面)40Sとが互いの全面が対面し接触しているので、熱伝導部品としての放熱板40から回路基板10への熱伝達について十分な熱伝達面積が確保できる。しかも、これと同時に半導体レーザ装置モジュール1の小型化を図ることができる。すなわち、放熱板40は大きいほど放熱および熱伝導の点で好ましい一方で回路基板10(の主表面10S)よりも大きくなるとモジュール全体が大きくなってしまうところ、半導体レーザ装置モジュール1によればこれらを両立することができる。
At this time, since the
また、サーミスタ321が回路基板10上にアッセンブリされているので、すなわち回路基板10上の回路パターンを利用してサーミスタ321が制御回路30に組み込まれているので、回路基板10とは別の箇所にサーミスタ321を配置した場合に必要なサーミスタ321と回路基板10の回路パターンとを結ぶ配線部材が不要である。したがって、半導体発光装置モジュール1の小型化・低価格化を図ることができる。
Further, since the
ところで、サーミスタ321は、その形状によっては、回路基板10との間にすき間が生じて密着しない場合がある。そのような場合には、半導体レーザ装置モジュール1の一部拡大図である図8に示すように、サーミスタ321本体部と回路基板10との間のすき間にグリス等の熱伝導剤50を充填してもよい。これにより、サーミスタ321と回路基板10との間の熱伝達をより確実にできる。
By the way, depending on the shape of the
また、サーミスタ321を図9(平面図)および図10(断面図)に示す半導体レーザ装置モジュール1Bのように配置してもよい。なお、半導体レーザ装置モジュール1Bにおいてサーミスタ321の配置位置以外の構成は既述の半導体レーザ装置モジュール1と同様である。
Further, the
図9および図10に示すように、半導体レーザ装置モジュール1Bでは、サーミスタ321の全体が、半導体レーザ装置20を回路基板10に投影した領域20Aに重なるように配置されている。このような配置形態によれば、半導体レーザ素子21とサーミスタ321とが近接して配置されるので、半導体レーザ素子21の発熱をより速やかにサーミスタ321に伝達できるし、当該発熱のより多くをサーミスタ321に伝達できる。さらに、そのような近接配置によって、外部から受ける影響(気流、熱照射など)を半導体レーザ素子21とサーミスタ321とで同様にすることができる。その結果、定出力化をより正確に、より安定的に図ることができる。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the semiconductor
このとき、サーミスタ321の一部が上記領域20Aに重なるように配置しても構わないが、図9および図10に示すようにサーミスタ321の全体が上記領域20A内に収まるように配置した方が上述の効果をより顕著に得られる。なお、半導体レーザ装置モジュール1Bにおいてもサーミスタ321本体部と回路基板10との間のすき間にグリス等の熱伝導剤50(図8参照)を充填してもよい。
At this time, a portion of the
なお、半導体レーザ素子21に変えて、半導体発光素子として半導体ダイオード素子を適用して半導体発光装置モジュールを構成することもできる。また、サーミスタ321に変えて、温度検知器として熱電対を適用して半導体発光装置モジュールを構成することもできる。
Instead of the
1,1B 半導体レーザ装置モジュール(半導体発光装置モジュール)
10 回路基板
10S 主表面(第1表面)
20 半導体レーザ装置(半導体発光装置)
20A 領域
21 半導体レーザ素子(半導体発光素子)
23 金属ステム
30 制御回路
31 定電流供給部
32 補償電流供給部
321 サーミスタ(温度検知器)
40 放熱板(熱伝導部品)
40S 主表面(第2表面)
50 熱伝導剤
I0 合計電流
I1 定電流
I2 補償電流
1,1B Semiconductor laser device module (semiconductor light emitting device module)
10 Circuit board 10S Main surface (first surface)
20 Semiconductor laser device (semiconductor light emitting device)
23
40 Heat sink (heat conduction component)
40S main surface (second surface)
50 Thermal Conductive Agent I0 Total Current I1 Constant Current I2 Compensation Current
Claims (9)
前記回路基板に熱的に接続された半導体発光素子を含む半導体発光装置と、
前記回路基板に熱的に接続された温度検知器を含み、前記温度検知器による検知温度に基づいて前記半導体発光素子の出力を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする半導体発光装置モジュール。 A circuit board;
A semiconductor light emitting device including a semiconductor light emitting element thermally connected to the circuit board;
A semiconductor light emitting device module comprising: a temperature detector thermally connected to the circuit board; and a control circuit for controlling an output of the semiconductor light emitting element based on a temperature detected by the temperature detector. .
前記熱伝導部品を介して前記半導体発光素子が前記回路基板に熱的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置モジュール。 A heat conductive component having a higher thermal conductivity than the circuit board;
The semiconductor light emitting device module according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting element is thermally connected to the circuit board via the heat conducting component.
前記半導体発光素子へ定電流を供給する定電流供給部と、
前記温度検知器を有しており、前記検知温度に基づいて変動する補償電流を前記半導体発光素子へ供給する、補償電流供給部と、を含み、
前記定電流と前記補償電流との合計電流を前記半導体発光素子へ供給することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体発光装置モジュール。 The control circuit includes:
A constant current supply unit for supplying a constant current to the semiconductor light emitting element;
A compensation current supply unit that includes the temperature detector and supplies a compensation current that varies based on the detection temperature to the semiconductor light emitting element;
4. The semiconductor light emitting device module according to claim 1, wherein a total current of the constant current and the compensation current is supplied to the semiconductor light emitting element. 5.
前記熱伝導部品は、前記回路基板の側に向いた第2表面を含んでおり、
前記第1表面と前記第2表面とが互いの全面が対面するように、前記回路基板と前記熱伝導部品とが配置されていることを特徴とする請求項2ないし請求項7のいずれかに記載の半導体発光装置モジュール。 The circuit board includes a first surface facing the heat conducting component;
The thermally conductive component includes a second surface facing the circuit board;
8. The circuit board and the heat conducting component are arranged such that the first surface and the second surface face each other. 8. The semiconductor light-emitting device module as described.
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