(57)【要約】この発明による固体レーザ装置は、固体レーザ媒質を励起するレーザダイオードと、このレーザダイオードに一定電流を流す定電流源と、前記レーザダイオードの両端の電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段からの出力に基づき前記レーザダイオードの異常を検出する異常検出手段とを備えたことにより、フォトダイオードを用いることなく、レーザダイオードの異常検出を、装置を大型化・複雑化することなく、また、レーザ発振効率の低下を招くことなく行うことを可能としたものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ媒質を励起するレーザダイオードと、このレーザダイオードに一定電流を流す定電流源と、前記レーザダイオードの両端の電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段からの出力に基づき前記レーザダイオードの異常を検出する異常検出手段とを備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
固体レーザ媒質を励起する直列に接続された複数個のレーザダイオードと、これらのレーザダイオードに一定電流を流す定電流源と、前記レーザダイオードの両端の電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段からの出力に基づき前記レーザダイオードの異常を検出する異常検出手段とを備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項３】
電圧測定手段は、複数個のレーザダイオードの電圧を個別に測定し、その個別の測定電圧を異常検出手段へ出力するものであることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
電圧測定手段は、ｎ個（ｎは４以上の自然数）のレーザダイオードが接続された場合に、各ｍ個（ｍはｎより小さい自然数）のレーザダイオードの組の電圧を個別に測定し、その個別の測定電圧を異常検出手段へ出力するものであることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
異常検出手段は、レーザダイオードの異常を判断する電圧の基準値として上限設定値と下限設定値とが定められた有限の幅を有する正常範囲を設定され、電圧測定手段によるレーザダイオードの測定電圧が前記上限設定値以上または前記下限設定値以下である場合に、異常検出信号を出力するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
入力される電流値に基づき、異常検出手段に設定される測定電圧の正常範囲を変更する基準値変更手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、固体レーザ装置、特にそのレーザダイオードの異常検出に関するものである。
背景技術
第８図は従来の一般的な固体レーザ装置の構成を示している図である。レーザダイオード１に直流の電流を流すことにより発光させ、レーザ媒質２を励起し、全反射ミラー３と部分反射ミラー４間で共振を起こすことによって、レーザ光が得られる。このようにして得られたレーザ光を、拡大レンズ５，平行化レンズ６を用いて拡大，平行化し、光ファイバ入射レンズ７により光ファイバ８の端面に集光する。この集光されたレーザ光は、光ファイバ８内部を通過し、加工ヘッド９を通して、所定の位置に導光される。
第９図は、レーザダイオード１により固体レーザ媒質（以下適宜、「レーザ媒質」と記す）２を励起している部分の概略構成図である。複数のレーザダイオード１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）は、直流電源１０から直列に接続されており、導光路１１を介して、円柱状のレーザ媒質２に励起光を照射する。或いは導光路１１を用いずに直接、レーザ媒質４に励起光を照射することもある。レーザダイオード１の出力の制御は、電流によって行うため、ここで用いられる直流電源１０としては、電流制御の直流電源が多く用いられる。
また、レーザダイオード１は、１個の出力は数十Ｗレベルであるが、固体レーザ装置に全体として必要とされる出力は、数百Ｗから数ｋＷであるため、レーザダイオード１を、数十個直列に接続することも、珍しくない。
この例では、一方向よりレーザダイオード１の励起光を照射しているが、第１０図のように、レーザダイオード１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）を９０度毎に配置し、４方向より励起光をレーザ媒質２に照射することもある。
レーザダイオード１は、使用中に、短絡や断線などの異常が発生して電流が流れなくなり、レーザダイオード１から励起光が発生しなくなることがある。このような、ダイオード１から励起光が発生しなくなるような異常（以下適宜、「故障」と記す）状態を検出するため、従来は以下に述べるような方法を取っていた。
固体レーザ装置に用いられるレーザダイオード１は、１個で数十Ｗの熱量を呈する励起光を発生するが、画像形成用のｍＷオーダのレーザダイオード１の故障の検出では、第１１図のように、レーザダイオード１から発生した励起光を、フォトダイオード１６を用いて測定し、光量測定部１７，故障検出部１８により、故障の検出を行っている。
この構成のものでは、レーザダイオード１以外にフォトダイオード１６を設ける必要があるが、できるだけ効率よくレーザ媒質２を励起する必要があるため、レーザダイオード１をレーザ媒質２や導光路１１に近接して配置する。このため、フォトダイオード１６を配置する場所を確保することは、非常に困難であり、設計が難しい。また、レーザダイオード１から発生された励起光の一部をフォトダイオード１６に取り込む必要があり、レーザダイオード１から発生された励起光を全てレーザ媒質２に照射することができず、効率が落ちてしまう。
以上に述べたように、フォトダイオード１６等を配置する構成では、装置が複雑になり、且つ、照射効率が落ちるという問題点があるため、固体レーザ装置等に用いられるレーザダイオード１では、一般的にレーザダイオード１への入力電流により、レーザダイオード１からの励起光が照射されているかを判断している。具体的には、レーザダイオード１に流れている電流の状態を制御装置（図示せず）にフィードバックし、電流が流れなくなればレーザダイオード１の断線、過電流が流れればレーザダイオード１の短絡が生じたと判断して、レーザダイオード１から励起光が発生していないことを検出している。
第１２図として、レーザダイオードの電圧−電流の特性図を示す。上述の電流フィードバック方法において、電源として一般的に用いられている電流制御方式の電源を用いた場合、レーザダイオードが短絡しても、配線抵抗などにより抵抗値が０Ωとなることはなく、一定電流に制御しようとし（第１２図の点Ｅの状態になる）、また、過電流が流れることもなく、故障の検出ができないこととなる。また、断線状態となった場合は、電流が流れなくなり故障の検出はできるが、一般的には、大出力を得るために数十個直列にレーザダイオードを接続しているため、いずれか１個のレーザダイオードが断線した場合に、どのレーザダイオードが断線したかの特定が困難である。
このように、従来の固体レーザ装置では、一般的に用いられている電流制御方式の電流源を使用する限り、レーザダイオードの短絡による励起光の発生停止を検出できない。また、複数個のレーザダイオードがある場合、いずれのレーザダイオードが故障したのかの特定も困難である。
この発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、フォトダイオードを用いることなく、レーザダイオードが励起光を発生していない状態を検出し、同時に故障したレーザダイオードの特定が容易にできる固体レーザ装置を得るものである。
発明の開示
この発明は、固体レーザ媒質を励起するレーザダイオードと、このレーザダイオードに一定電流を流す定電流源と、前記レーザダイオードの両端の電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段からの出力に基づき前記レーザダイオードの異常を検出する異常検出手段とを備えた固体レーザ装置を提供するものである。
したがって、固体レーザ媒質及びレーザダイオードの近傍にフォトダイオード等の別部材を配置する必要が無く、装置を大型化・複雑化することなく、また、フォトダイオードに励起光の一部が吸収されること等によるレーザ発振効率の低下を招くことなく、レーザダイオードの異常を検出することができるものである。
また、この発明は、固体レーザ媒質を励起する直列に接続された複数個のレーザダイオードと、これらのレーザダイオードに一定電流を流す定電流源と、前記レーザダイオードの両端の電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段からの出力に基づき前記レーザダイオードの異常を検出する異常検出手段とを備えた固体レーザ装置を提供するものである。
したがって、複数個のレーザダイオードの異常検出を、装置を大型化・複雑化することなく、また、レーザ発振効率の低下を招くことなく、行うことができるものである。
また、この発明は、電圧測定手段が、複数個のレーザダイオードの電圧を個別に測定し、その個別の測定電圧を異常検出手段へ出力する固体レーザ装置を提供するものである。
したがって、レーザダイオードを２個以上直列に接続した場合において、異常を検出されたレーザダイオードがいずれのレーザダイオードであるのかを特定することができるものである。
また、この発明は、電圧測定手段が、ｎ個（ｎは４以上の自然数）のレーザダイオードが接続された場合に、各ｍ個（ｍはｎより小さい自然数）のレーザダイオードの組の電圧を個別に測定し、その個別の測定電圧を異常検出手段へ出力する固体レーザ装置を提供するものである。
したがって、レーザダイオードを多数直列に接続した場合において、異常を検出されたレーザダイオードがいずれの組に含まれるレーザダイオードであるのかを特定することができるものである。
また、この発明は、異常検出手段が、レーザダイオードの異常を判断する電圧の基準値として上限設定値と下限設定値とが定められた有限の幅を有する正常範囲を設定され、電圧測定手段によるレーザダイオードの測定電圧が前記上限設定値以上または前記下限設定値以下である場合に、異常検出信号を出力する固体レーザ装置を提供するものである。
したがって、レーザダイオードの両端に発生する電圧は、流す電流値により、また、個体差により異なるものであるが、判断の基準値に上限設定値と下限設定値とを設定し幅を持たせることにより、本来正常であるレーザダイオードに対して誤って異常と判断することを防止できるものである。
また、この発明は、入力される電流値に基づき、異常検出手段に設定される測定電圧の正常範囲を変更する基準値変更手段を備えた固体レーザ装置を提供するものである。
したがって、電流値が常に変化するような場合においても、本来正常であるレーザダイオードに対して誤って異常と判断することを防止できるものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１図は、この発明の第１の実施の形態による固体レーザ装置の要部構成図である。直流電源１０にレーザダイオード１が接続されている。このレーザダイオード１から発生する励起光は、固体レーザ媒質２に照射される。また、レーザダイオード１には、レーザダイオード１の電圧を測定するための配線が実施されており、レーザダイオード１の電圧は、電圧測定部１２にて測定される。電圧測定部１２にて測定された電圧は、異常検出手段としての故障判定部１３に送られ、予め設定されている上限設定値，下限設定値と比較される。故障と判定されると、故障判定部１３から故障信号を出力する。
第２図は、第１図に示した電圧測定部１２の構成図である。レーザダイオード１からの配線は、絶縁アンプ１２ａにより絶縁されている。その後、適当な電圧に調整するためのゲイン調整アンプ１２ｂを介して、故障判定部１３に送られる。
第３図は、第１図に示した故障判定部１３の構成図である。電圧測定部１２から送られてきたレーザダイオード１の電圧は、電圧上限比較部１３ａにより、上限設定値Ｖ２と比較され、上限設定値Ｖ２以上の場合は、故障信号を外部に出力する。また、電圧測定部１２から送られてきたレーザダイオード１の電圧は同時に、電圧下限比較部１３ｂにより、下限設定値Ｖ１と比較され、下限設定値Ｖ１以下の場合は、上記と同様に、故障信号を外部に出力する。
次に、この固体レーザ装置の動作について説明をする。
直流電源１０によってレーザダイオード１に電流が流される。この入力電流によって、レーザダイオード１の電圧−電流特性によって決まる一定の電圧がレーザダイオード１の両端間に発生する。両端間に発生した電圧は、電圧測定部１２に取り込まれ、絶縁アンプ１２ａによって、主回路電源と絶縁される。絶縁されたレーザダイオード１の両端電圧は、ゲイン調整アンプ１２ｂにより適当な電圧に調整される。
適当な値に調整されたレーザダイオード１の電圧は、故障判定部１３内の電圧上限比較部１３ａにおいて、上限設定値Ｖ２と比較される。調整されたレーザダイオード１の両端電圧が、上限設定値Ｖ２以上の場合は、故障信号を外部に出力する。また、このレーザダイオード１の電圧は、電圧下限比較部１３ｂにおいて下限設定値Ｖ１とも比較され、下限設定値Ｖ１以下の場合も、上述の場合と同様に、故障信号を外部に出力する。
例えば、レーザダイオード１が開放となっていた場合、レーザダイオード１の両端には、第１２図に点Ｄで示すように、電源電圧がかかることになる。したがって、電圧の上限設定値Ｖ２を電源電圧より低めに設定しておくことにより、開放状態を検出することができる。逆に、レーザダイオード１が短絡した場合は、レーザダイオード１の両端電圧は、第１２図に点Ｅで示すように、０Ｖとなる。したがって、下限設定値Ｖ１を０Ｖより少し高めに設定しておくことにより、短絡状態を検出することができる。
レーザダイオード１は、第１２図の点Ａと点Ｆとで示すように、流す電流値により両端に発生する電圧が変化する。また、同一の値の電流を流しても、第１２図の点Ａと点Ｂとで示すように、個々のレーザダイオードの個体差によっても両端に発生する電圧が変化する。このため、判定値として、上限設定値Ｖ２，下限設定値Ｖ１を設け、第１２図にＶｒとして範囲を示すように、正常と判断する値に幅を持たせ、より正確にレーザダイオード１の故障を検出することができる。
例えば、レーザダイオード１ａとレーザダイオード１ｂとの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性が、それぞれ第１２図に示すようになっているとすれば、下限設定値としてＶ１，上限設定値としてＶ２を設定することにより、短絡時や断線時に、それぞれ点Ｅ或いは点Ｄに移ることにより、レーザダイオード１ａ及び１ｂの故障を検出することができる。
また、上限設定値Ｖ２及び下限設定値Ｖ１を設けることによりダイオード１の短絡，開放のみではなく、第１２図に示すレーザダイオード１ｃのように、電圧−電流特性が大きく異なるレーザダイオードの場合、点が点Ｃに移るため、電圧−電流特性の異なるレーザダイオード１の検出などにも利用することができる。これは、電流値が一定の場合に電圧値が異なるレーザダイオード１を検出できることを意味しており、レーザダイオード１から発生する励起光の量の違いを検出できることを意味する。
この実施の形態では、レーザダイオード１は、１個の場合を示しているが、２個以上直列に接続されても動作については同様である。上限設定値は、電源電圧より少し低めに設定することにより、複数個のレーザダイオードのうちの１個でも開放となった場合は、故障を検出することが可能である。下限設定値の設定方法は次のようにすると、レーザダイオード１個の短絡を検出することができる。例えば、レーザダイオードを４個直列につなぎ、レーザダイオード１個の電圧を２Ｖと仮定すると、レーザダイオード４個直列であるので、全レーザダイオードの電圧は、８Ｖとなる。４個のレーザダイオードのうち１個が短絡した場合、全レーザダイオードの電圧は、６Ｖとなる。従って、レーザダイオード１個の短絡を検出したい場合は、下限設定値を７Ｖにすればよい。このように、上限設定値，下限設定値を適当に設定することにより、２個以上直列にレーザダイオードを接続した場合でも、レーザダイオード１個の異常を検出することができる。
実施の形態２．
上述の第１の実施の形態で述べたように、２個以上直列に接続した場合に特定のレーザダイオード１の異常を検出するように上限設定値，下限設定値を設定することができる。しかし、直列に接続するレーザダイオード１が多くなる場合は、次の理由で、いずれか１個のみのレーザダイオード１の故障の検出が難しくなる。このため、別の方法でいずれか１個のみのレーザダイオード１の故障を検出する必要がある。
第１２図に示すように、個々のレーザダイオード１は同じ電流値であっても両端に発生する電圧が異なる。このため、直列に接続するレーザダイオード１の個数が多くなると、正常と判断する範囲を広めにとらなければならない。例えば、個々のレーザダイオード１の電圧が正常状態で、２Ｖから２．３Ｖまでばらついているとすると、このレーザダイオード１を１０個直列に接続した場合、全レーザダイオード１の電圧は、２０Ｖから２３Ｖまでの範囲内の値になる。したがって、正常と判断する範囲を２０Ｖから２３Ｖに設定しなければならない。一方、１０個直列に接続したレーザダイオード１の両端に発生する電圧が全て２．３Ｖであった場合、そのうち１個が短絡したとすると、全体の電圧は、２３Ｖ−２．３Ｖ＝２０．７Ｖとなる。しかし、正常範囲は２０Ｖから２３Ｖまでの範囲で設定されているため、２０．７Ｖは、正常な範囲の電圧であると判断されてしまい、この場合、いずれか１個のみのレーザダイオード１の故障を検出することはできない。
第４図は、この発明の第２の実施の形態による固体レーザ装置の要部構成図である。直流電源（図示せず）にレーザダイオード１（１−１，１−２，・・・，１−ｎ）がｎ個直列に接続されている。複数のレーザダイオード１に対して個別に、電圧測定部２２において電圧を測定し、故障判定部２３において、個々のレーザダイオード１について個別に故障を判定する。この実施の形態のものによる、レーザダイオードに対する測定，検出動作も、基本的には上述の第１の実施の形態のものの動作と同様であるが、個々のレーザダイオード１の故障判定を行っているため、故障信号を各レーザダイオード１対応で出力することにより、故障したレーザダイオード１の特定が可能となる。
この第２の実施の形態のものの場合は、個々のレーザダイオード１の電圧を測定しているため、第１の実施の形態で説明したレーザダイオード１個の場合と同様に、上限値および下限値を設定すれば、２個以上直列に接続した場合にも、いずれか１個、特定のレーザダイオード１の故障を検出することができる。
実施の形態３．
第５図は、この発明の第３の実施の形態による固体レーザ装置の要部構成図である。直流電源１０にレーザダイオード１がｎ個直列に接続されている。このレーザダイオード１を、複数個を一組（この例ではｍ個を一組としている）としてその一組毎の電圧を電圧測定部３２において電圧を測定し、故障判定部３３において、レーザダイオード１の一組毎について故障を判定する。この実施の形態の装置の測定，検出動作も、基本的には上述の第１及び第２の実施の形態のものの動作と同様である。
第３の実施の形態のものは、上述の第２の実施の形態のものに比べて、測定するための配線や制御装置を少なくすることができる。そのうえ、ｍ個を次の様に選定すれば、第２の実施の形態のものとほぼ同様の機能を実現できる。
第２の実施の形態のもののような特性のレーザダイオード１、すなわち、両端電圧のばらつきが２．０Ｖから２．３Ｖであるレーザダイオード、を１０個直列に接続した場合を例にとって説明する。１０個直列にして全体電圧を測定しただけでは、上述の第２の実施の形態で説明したように、１個のレーザダイオードのみが故障した場合、その故障を検出することはできない。しかし、第３の実施の形態のように５個づつに分けて測定した場合（ｍ＝５とする）、５個のレーザダイオードの全体電圧は、１０．０Ｖから１１．５Ｖである。したがって、正常範囲を１０．０Ｖから１１．５Ｖに設定しなければならない。一方、５個直列に接続したレーザダイオードがすべて２．３Ｖであるとして、そのうち１個のみが短絡したとすると、全体の電圧は、１１．５Ｖ−２．３Ｖ＝９．２Ｖとなる。よって、正常範囲外まで電圧が落ちるため、１個のみのレーザダイオードの故障を検出することができる。
第６図は、正常範囲として判断される電圧の範囲を投入される電流に応じて可変とした場合の故障判定部の概略構成図である。レーザダイオード１の電圧は、流している電流量によって変化する。第６図に示した故障判定部４３では、電圧上限比較部４３ａに入力される上限設定値Ｖ２及び電圧下限比較部４３ｂに入力される下限設定値Ｖ１は、それぞれ、基準値変更手段としての上限設定値変更演算部４３ｃ，下限設定値変更演算部４３ｄによって、入力される電流値に基づき、変更される。この場合の正常と判断される電圧の範囲を第７図に示す。
なお、レーザダイオード１が複数個の場合は、個々のレーザダイオード１に対して流している電流値により、それぞれ独立に上限設定値及び下限設定値を設定することもできる。
また、電流値以外に、レーザダイオード１の温度など、レーザダイオードの電圧を変化させる要因となりうる条件を、上限設定値及び下限設定値を可変するための入力条件とすると、さらに信頼性が向上する。
この発明によれば、レーザダイオードの電圧は、断線した場合には電源電圧まで上昇し、短絡した場合には０Ｖまで低下する。従って、予め設定した上限設定値と測定されたレーザダイオードの電圧とを比較し、上限設定値を超えた場合には断線と判断し、予め設定した下限設定値と測定されたレーザダイオードの電圧とを比較し、下限設定値に達しない場合には短絡と判断することができ、レーザダイオードの異常を検出することができる。
また、この発明によれば、固体レーザ媒質及びレーザダイオードの近傍にフォトダイオード等の別部材を配置する必要が無く、装置を大型化・複雑化することなく、また、フォトダイオードに励起光の一部が吸収されること等によるレーザ発振効率の低下を招くことなく、レーザダイオードの異常を検出することができるものである。
更に、レーザダイオードを２個以上直列に接続した場合において、個々のレーザダイオードの電圧を個別に測定することにより、異常を呈するレーザダイオードがいずれのレーザダイオードであるのかを特定することができるものである。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明にかかる固体レーザ装置は、例えば工業用レーザ加工機において用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の第１の実施の形態による固体レーザ装置の要部構成図である。
第２図は、この発明の第１の実施の形態による固体レーザ装置の電圧測定部の構成図である。
第３図は、この発明の第１の実施の形態による固体レーザ装置の故障判定部の構成図である。
第４図は、この発明の第２の実施の形態による固体レーザ装置の要部構成図である。
第５図は、この発明の第３の実施の形態による固体レーザ装置の要部構成図である。
第６図は、この発明の固体レーザ装置の別の故障判定部の概略構成図である。
第７図は、レーザダイオードの電圧−電流の特性図である。
第８図は、従来の一般的な固体レーザ装置の構成図である。
第９図は、従来の一般的な固体レーザ装置の要部構成図である。
第１０図は、別の従来の一般的な固体レーザ装置の要部構成図である。
第１１図は、従来の固体レーザ装置のレーザダイオードの故障検出の機構を説明するための概略構成図である。
第１２図は、レーザダイオードの電圧−電流の特性図である。
【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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【図１２】
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【国際調査報告】
2002056433.tif 000015
2002056433.tif 000016
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