(57)【要約】  第１トランジスタ及び第２トランジスタは差動対を構成する。受光素子はレーザ発光素子の光の一部を受光する。変換器は受光素子の出力をレーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する。比較器は変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第１電圧を第１トランジスタのベースに印加する。出力制御部は変換器で変換された電圧に基づきレーザ発光素子の光出力を一定制御するために電流源を制御する。第２トランジスタのベースには第２電圧が印加され、第１トランジスタ及び第２トランジスタには第１電圧と第２電圧との差に応じて電流源の電流を分配した電流が流れ、比較器は、変換器で変換された電圧が異常電圧を超えた場合に第１電圧を低下させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動対を構成する第１トランジスタ及び第２トランジスタと、
前記第１トランジスタのコレクタ電極に接続されたレーザ発光素子と、
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタのエミッタ電極に接続された電流源と、
前記レーザ発光素子の光の一部を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力を前記レーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する変換器と、
前記変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第１電圧を前記第１トランジスタのベース電極に印加する比較器と、
前記変換器で変換された電圧に基づき前記レーザ発光素子の光出力を一定制御するために前記電流源を制御する出力制御部とを備え、
前記第２トランジスタのベース電極には第２電圧が印加され、前記第１トランジスタ及び第２トランジスタには前記第１電圧と前記第２電圧との差に応じて前記電流源の電流を分配した電流が流れ、前記比較器は、前記変換器で変換された電圧が前記異常電圧を超えた場合に前記第１電圧を低下させ、前記レーザ発光素子に流れる電流を遮断するレーザ装置。
【請求項２】
差動対を構成する第１トランジスタ及び第２トランジスタと、
前記第１トランジスタのコレクタ電極に接続されたレーザ発光素子と、
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタのエミッタ電極に接続された電流源と、
前記レーザ発光素子の光の一部を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力を前記レーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する変換器と、
前記変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第１電圧を前記第１トランジスタのベース電極に印加する比較器と、
前記電流源に流れる電流を一定に制御する電流制御部とを備え、
前記第２トランジスタのベース電極には第２電圧が印加され、前記第１トランジスタ及び第２トランジスタには前記第１電圧と前記第２電圧との差に応じて前記電流源の電流を分配した電流が流れ、前記比較器は、前記変換器で変換された電圧が前記異常電圧を超えた場合に前記第１電圧を低下させ、前記レーザ発光素子に流れる電流を遮断するレーザ装置。
【請求項３】
前記比較器からの電圧を所定の電圧である前記第１電圧に変換するとともに、変換された前記第１電圧と外部からの電圧信号とのアンドをとり、アンド出力を前記第１トランジスタのベース電極に印加するレベル変換器を備える請求項１又は２記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常出力を安全に遮断する機構を備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ製品によって使用者に障害が発生することを防止するために、国際電気基準（ＩＥＣ）に基づき、「レーザ製品の安全基準」ＪＩＳＣ６８０２が規定されている。この国際電気基準は、レーザ製品を危険度に応じてクラス分けしており、単一故障条件においても、そのクラスを保障することを要求している。【０００３】
特許文献１に記載されたレーザポインタは、出力一定制御において、フィードバックに使用するモニタ出力が低下した際の異常出力を抑制するために、モニタ出力が所定値を下回ったことを検出し、レーザダイオードへの電源電圧の印加を遮断させている。しかしながら、光出力を可変させて使用する場合には、モニタ出力の下限値を決定することが困難である。【０００４】
この問題を解決する方法として、特許文献２が知られている。特許文献２に記載されたレーザ光発生装置は、出力を一定に制御するとともに、２つの異常光量検出部を備え、２つの異常光量検出部のどちらかが所定レベル以上の光量となったことを検出して、レーザダイオードへの電源電圧の印加を遮断させている。これにより、レーザ出力が上昇した時の異常のみを検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２３５６９４号公報
【特許文献２】特開２００６−１８６１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、以下のような問題がある。即ち、単一故障時に所定のレーザクラスを保持するためには、各クラスの被曝放出限界（ＡＥＬ）に達する前にレーザ出力を停止するか又は許容レベル以下に低下させる必要がある。【０００７】
このとき、レーザ出力の許容される放出持続時間は、レーザダイオードのクラス、波長及び単一故障時の過渡的な出力に依存する。人体に影響のないとされるクラス１の場合には、数μｓもしくはそれ以下の遮断速度が必要になる可能性がある。【０００８】
しかしながら、レーザダイオードの特性やノイズ特性に慎重なアプリケーションでは、一般的には、複数のデカップリングコンデンサによって、電源とレーザ駆動部とを分離している。特許文献１，２のように、レーザダイオードへの電圧の印加を遮断する方式では、電源遮断後も、複数のデカップリングコンデンサにより構成されたコンデンサバンクからの過渡電流が持続する可能性がある。【０００９】
仮に、１０Ｖに充電された１μＦのコンデンサが１μｓの間に１Ｖ放電すると、過渡的に１Ａの電流が流れる。この電流によりレーザ出力が持続された場合、所定のレーザクラスを逸脱する。場合によっては、人体に影響するおそれがある。【００１０】
本発明は、単一故障条件においても、異常出力を高速に遮断することができ、所定のレーザクラスを保障することができるレーザ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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、差動対を構成する第１トランジスタ及び第２トランジスタと、前記第１トランジスタのコレクタ電極に接続されたレーザ発光素子と、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタのエミッタ電極に接続された電流源と、前記レーザ発光素子の光の一部を受光する受光素子と、前記受光素子の出力を前記レーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する変換器と、前記変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第１電圧を前記第１トランジスタのベース電極に印加する比較器と、前記変換器で変換された電圧に基づき前記レーザ発光素子の光出力を一定制御するために前記電流源を制御する出力制御部とを備え、前記第２トランジスタのベース電極には第２電圧が印加され、前記第１トランジスタ及び第２トランジスタには前記第１電圧と前記第２電圧との差に応じて前記電流源の電流を分配した電流が流れ、前記比較器は、前記変換器で変換された電圧が前記異常電圧を超えた場合に前記第１電圧を低下させ、前記レーザ発光素子に流れる電流を遮断する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１トランジスタ及び第２トランジスタの差動対の電流切り替えで異常出力の遮断を制御する。このため、コンデンサバンクからの異常放電は発生せず、僅かな差動電圧で電流が切り替わるので、高速に電流を遮断することができる。従って、単一故障条件においても、異常出力を高速に遮断することができ、所定のレーザクラスを保障することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置に設けられた第１及び第２トランジスタからなる差動対の差動入力電圧とエミッタ電流との関係を示す図である。
【図３】図３は本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【図４】図４は本発明の第３の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。第１の実施形態に係るレーザ装置は、図１に示すレーザダイオードＬＤの異常出力を高速に遮断し、レーザダイオードＬＤの所定のレーザクラスを保障するものである。
【００１５】
レーザ装置は、レーザダイオードＬＤ、電源ＶＬＤ、トランジスタＱ１，Ｑ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、電流源１１、フォトダイオードＰＤ、Ｉ−Ｖ変換器６、比較器７、レベル変換器８、オートパワーコントローラ（ＡＰＣ）９を備えている。
【００１６】
レーザダイオードＬＤのアノードには電源ＶＬＤが接続され、レーザダイオードＬＤのカソードには抵抗Ｒ１を介してバイポーラ型のトランジスタＱ１のコレクタ電極が接続されている。
【００１７】
また、電源ＶＬＤには抵抗Ｒ２を介してバイポーラ型のトランジスタＱ２のコレクタ電極が接続されている。トランジスタＱ１とトランジスタＱ２とは差動対を構成し、トランジスタＱ１のエミッタ電極とトランジスタＱ２のエミッタ電極とは、定電流を流す電流源１１に接続されている。
【００１８】
トランジスタＱ１のベース電極には抵抗Ｒ３の一端とレベル変換器８の出力端とが接続され、電圧Ｖ１が印加されている。トランジスタＱ２のベース電極には抵抗Ｒ４の一端が接続され、電圧Ｖ２が印加されている。
【００１９】
レーザダイオードＬＤは、本発明のレーザ発光素子に対応し、一般的に、駆動電流に比例してレーザ出力が増減する。
【００２０】
フォトダイオードＰＤは、本発明の受光素子に対応し、レーザダイオードＬＤのレーザ光の一部を検出する。Ｉ−Ｖ変換器６は、レーザダイオードＬＤで検出された出力電流をレーザダイオードＬＤの出力電流に比例した電圧に変換して、比較器７とＡＰＣ９に出力する。
【００２１】
比較器７は、Ｉ−Ｖ変換器６からの変換電圧とレーザダイオードＬＤの異常出力に相当する異常電圧とを比較し、変換電圧が異常電圧以下である場合には、Ｈレベル（例えば５Ｖ）をレベル変換器８に出力し、変換電圧が異常電圧を超える場合には、Ｌレベル（例えば０Ｖ）をレベル変換器８に出力する。レベル変換器８は、比較器７からの出力電圧を所定の電圧Ｖ１に変換して電圧Ｖ１をトランジスタＱ１のベース電極に出力する。
【００２２】
ＡＰＣ９は、本発明の出力制御部に対応し、出力一定制御を行うものであり、Ｉ−Ｖ変換器６からの変換電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとに基づきレーザダイオードＬＤの光出力を一定制御するために、制御量である電流源１１の電流Ｉｏｐを生成制御する。
【００２３】
また、電流源１１の電流Ｉｏｐは、トランジスタＱ１のエミッタ電流とトランジスタＱ２のエミッタ電流との合計電流である。  
【００２４】
次にこのように構成された第１の実施形態に係るレーザ装置の動作を説明する。まず、トランジスタＱ１がオンし、トランジスタＱ２がオフし、フォトダイオードＰＤの出力が異常出力でない場合について説明する。
【００２５】
この場合、比較器７は、Ｉ−Ｖ変換器６からの変換電圧とレーザダイオードＬＤの異常出力に相当する異常電圧とを比較し、変換電圧が異常電圧以下であるので、Ｈレベルをレベル変換器８を介してトランジスタＱ１のベース電極に出力する。このため、トランジスタＱ１はオンし続け、トランジスタＱ２はオフし続けることになる。
【００２６】
また、バイポーラ型のトランジスタＱ１，Ｑ２が差動対で構成されるので、トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ電流ＩＥ１，ＩＥ２は、差動入力電圧（Ｖ１−Ｖ２）に対して、図２に示すように変化する。即ち、トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタには、差動入力電圧（Ｖ１−Ｖ２）に応じて電流源１１の電流Ｉｏｐを分配した電流が流れる。差動入力電圧（Ｖ１−Ｖ２）が１２０ｍＶであり、電流源１１の電流Ｉｏｐの約９９％がトランジスタＱ１側に流れることになる（図２のエミッタ電流Ｅ１）。従って、発光に寄与しない消費電流を低減する観点から、レーザダイオードＬＤの点灯時には差動入力電圧（Ｖ１−Ｖ２）が１２０ｍＶよりも大きいことが望ましい。
【００２７】
次に、フォトダイオードＰＤの出力が異常出力となった場合について説明する。ここで、回路の単一故障により、Ｉ−Ｖ変換器６からＡＰＣ９に入力される電圧が低下した場合には、Ｉ−Ｖ変換器６からの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ未満となるので、ＡＰＣ９は、制御量である電流源１１の電流Ｉｏｐを増加させる。
【００２８】
このため、レーザダイオードＬＤに流れる電流が増加する。比較器７は、Ｉ−Ｖ変換器６からの変換電圧とレーザダイオードＬＤの異常出力に相当する異常電圧とを比較する。変換電圧が異常電圧を超えるので、比較器７は、Ｌレベル（例えば０Ｖ）をレベル変換器８を介してトランジスタＱ１のベース電極に出力する。
【００２９】
このため、トランジスタＱ１のベース電極がＬレベルに変化し、トランジスタＱ１はオフする。このとき、差動入力電圧（Ｖ１−Ｖ２）が−１２０ｍＶよりも小さくなると、図２から電流源１１の電流Ｉｏｐの約９９％がトランジスタＱ２側に流れることになるため（図２のエミッタ電流Ｅ２）、レーザダイオードＬＤは消灯する。
【００３０】
このとき、例えば、レーザダイオードＬＤの点灯時の差動入力電圧（Ｖ１−Ｖ２）が１２０ｍＶとなるようにレベル変換器８の出力電圧を調整すると、電圧Ｖ１が−２４０ｍＶ変化するだけで、レーザダイオードＬＤが点灯しないレベルまでトランジスタＱ１側に流れる電流ＩＥ１を低下できる。また、レーザダイオードＬＤに流れる電流を遮断できる。このため、異常出力を高速に遮断することができる。
【００３１】
このように第１の実施形態に係るレーザ装置によれば、トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２の差動対の電流切り替えで異常出力の遮断を制御する。このため、コンデンサバンクからの異常放電は発生せず、僅かな差動電圧で電流が切り替わるので、高速に電流を遮断することができる。従って、単一故障条件においても、異常出力を高速に遮断することができ、所定のレーザクラスを保障することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図３は本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置は、図１に示す第１の実施形態に係るレーザ装置のレベル変換器８に代えて、レベル変換器ＡＮＤ８ａを設けたことを特徴とする。
【００３３】
レベル変換器ＡＮＤ８ａは、比較器７からの出力と外部からの電圧信号Ｖｉｎとのアンドをとり、アンド出力をトランジスタＱ１のベース電極に印加する。即ち、外部からの電圧信号Ｖｉｎの電圧レベルにより、レーザダイオードＬＤのオン／オフを制御することができる。レーザダイオードＬＤがオンした時には、図１に示す第１の実施形態に係るレーザ装置により、異常出力を高速に遮断することができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図４に示す第３の実施形態に係るレーザ装置は、図３に示す第２の実施形態に係るレーザ装置のＡＰＣ８に代えて、オートカレントコントロール（ＡＣＣ）９を設けたことを特徴とする。
【００３５】
ＡＣＣ９は、本発明の電流制御部に対応し、電流一定制御を行うもので、電流源１１に流れる電流を一定になるように制御を行う。レベル変換器ＡＮＤ８ａは、比較器７からの出力と外部からの電圧信号Ｖｉｎとのアンドをとり、アンド出力をトランジスタＱ１のベース電極に印加する。即ち、外部からの電圧信号Ｖｉｎの電圧レベルにより、レーザダイオードＬＤに流れる電流を高速にオン／オフを制御することができる。このため、レーザダイオードＬＤのデジタル変調時に利用される。
【００３６】
また、Ｉ−Ｖ変換器６の応答速度がレーザダイオードＬＤの変調速度と同程度である場合には、各々のオン時光出力に対して、図１及び図３の実施形態と同様の構成により、異常出力を高速に遮断することができる。
【００３７】
また、レーザダイオードＬＤの変調速度がＩ−Ｖ変換器６の応答速度以上であっても、Ｉ−Ｖ変換器６の応答速度内でフィルタリングした電圧値を考慮して異常出力レベルを決定することができる。これにより、異常出力を高速に遮断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、レーザ製品の安全基準に準拠した単一故障要件を満足するレーザ装置に適用可能であり、特に、レーザ加工装置、レーザ照明装置等に適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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