(57)【要約】  【課題】  半導体レーザ装置の使用中の装置故障、設備停止を引き起こす半導体レーザの劣化は、その予測および検知が困難である。  【解決手段】  半導体レーザ１を駆動させるレーザ駆動用電源２と、半導体レーザの駆動電圧を測定する電圧検出部３と、前記駆動電圧値をもとに所定の演算を行い半導体レーザの劣化レベルを算出する演算部４と、前記劣化レベルと所定の基準値とを比較する比較部５とを備え、比較部の結果により半導体レーザの良否判定を行う半導体レーザ劣化検出装置である。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも発光用ダイオードを有する半導体レーザで、前記半導体レーザを駆動させる電源と、前記半導体レーザの駆動電圧を測定する電圧検出部と、前記駆動電圧値をもとに所定の演算を行い前記半導体レーザの劣化レベルを算出する演算部と、前記劣化レベルと所定の基準値とを比較する比較部とを備え、前記比較部の結果により前記半導体レーザの良否判定を行う半導体レーザ劣化検出装置。
【請求項２】
劣化レベルは、半導体レーザの照射時の駆動電圧と、半導体レーザの新品または正常動作時に測定された駆動電圧との差であり、所定の基準値と前記劣化レベルを比較することにより前記半導体レーザの良否判定を行う請求項１記載の半導体レーザ劣化検出装置。
【請求項３】
劣化レベルは、半導体レーザの照射時の駆動電圧の経時変化率であり、所定の基準値と前記劣化レベルを比較することにより前記半導体レーザの良否判定を行う請求項１記載の半導体レーザ劣化検出装置。
【請求項４】
劣化レベルは、半導体レーザの照射開始直後に測定される駆動電圧のピーク値からの低下量であり、所定の基準値と前記劣化レベルを比較することにより前記半導体レーザの良否判定を行う請求項１記載の半導体レーザ劣化検出装置。
【請求項５】
劣化レベルは、半導体レーザの照射開始直後に測定される駆動電圧のピーク値以降の変化勾配であり、所定の基準値と前記劣化レベルを比較することにより前記半導体レーザの良否判定を行う請求項１記載の半導体レーザ劣化検出装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体レーザ劣化検出装置を備えた半導体レーザ装置。
【請求項７】
先に請求項４または請求項５記載の半導体レーザ劣化検出装置を用いて半導体レーザの良否を判定し、前記良否判定にて良品判定であったものを請求項２または請求項３記載の半導体レーザ劣化検出装置を用いてスクリーニングし、良否判定を行うことを特徴とする半導体レーザモジュール組み立て工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザの劣化検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザはＣＤ、ＤＶＤ、レーザプリンタといった民生機器から、樹脂溶着、金属溶接などの産業機器まで幅広く用いられている。
【０００３】
従来の半導体レーザの劣化検出装置としては、測定された駆動電流と光出力から、半導体レーザの有する微分効率を演算し、予め記憶されている初期微分効率との比較により、半導体劣化を検出するもの（例えば特許文献１参照）、製品検査時に検出された光検出器の受光出力を標準出力として記憶し、駆動中に検出される光検出器の受光出力と前記標準出力を比較することにより半導体レーザの劣化を検出するもの（例えば特許文献２参照）などがある。
【０００４】
このように駆動電流のモニタ値または光出力のモニタ値、あるいは両者の組み合わせにより半導体レーザの劣化を検出する装置が大半である。
【０００５】
半導体レーザの故障は、一定の光出力値に対応した駆動電流に調整するＡＰＣ制御（オートパワーコントロール）での駆動電流増加率、または一定の駆動電流に保持するＡＣＣ制御（オートカレントコントロール）での光出力変動、光出力低下率により判断することが一般的である。図１０はＡＰＣ制御時の半導体レーザ故障モード、図１１はＡＣＣ制御時の半導体レーザ故障モードを示す説明図である。半導体レーザの故障は図１０、図１１に示すように３つのタイプに分類される。
【０００６】
タイプ１の故障は、短い時間のレーザ出力で急激に駆動電流増大、または光出力低下するもので製造工程に起因して生じる初期故障である。主要因は半導体レーザ素子の表面コーティング不良、活性層内部の結晶欠陥など半導体レーザ素子製造時の不良である。
【０００７】
タイプ２の故障は、半導体レーザを組み込んだ装置を使用中において規定の期間中に要求された機能が果たせず、駆動電流増大、光出力低下するものである。主要因は半導体レーザ素子の表面コーティングにある微小な欠陥、半導体レーザ素子を冷却板（ヒートシンク）へ実装した際の微小なはんだボイド、レーザ装置を断続（パルス）運転させることによるはんだ部の熱疲労、半導体レーザ素子へ静電気あるいは過電流印加などである。
【０００８】
タイプ３の故障は、摩耗故障に属するものであり半導体レーザ素子内部の結晶欠陥が徐々に増大、電流注入に対するレーザ発光効率が次第に低下するものである。
【０００９】
これら、３つのタイプのうちタイプ１で示される半導体レーザの故障は、バーンインなどのスクリーニングによって取り除くことが一般に行われている。また、タイプ３で示される半導体レーザの故障は、半導体レーザ装置の必要な装置寿命に対して補償できるように設計を行うことで回避できる。
【００１０】
タイプ２の故障は、予測することが困難でしかも半導体レーザ装置の使用中に発生することから、大きな問題となる。したがって、タイプ２の故障を早く検知または事前に予測することは非常に重要である。
【００１１】
さらに、半導体レーザ装置の使用中における半導体レーザの劣化検出とともに、製造段階におけるスクリーニングによってタイプ２の故障を引き起こしそうな半導体レーザ素子を取り除くことが望まれている。一方で、スクリーニングは半導体レーザを装置に組み込む前にロット毎の抜き取り、場合によっては全数行われており、検査に必要な設備、工数など製品製造コストに占める割合は大きく、コスト低減化が求められている。
【特許文献１】特開平３−１８３１８１号公報
【特許文献２】特開２００２−３１９１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、高精度に半導体レーザの劣化を検出し、半導体レーザ装置の故障を未然に防ぐとともに、製造段階でのスクリーニング工程のコスト低減化も図ることができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の半導体レーザ劣化検出装置は、上記課題を解決するために、半導体レーザを駆動させる電源と、前記半導体レーザの駆動電圧を測定する電圧検出部と、前記駆動電圧値をもとに所定の演算を行い前記半導体レーザの劣化レベルを算出する演算部と、前記劣化レベルと所定の基準値とを比較する比較部とを備えている。そしてこの構成により、半導体レーザの劣化を判断し、劣化した半導体レーザを検出することができる。
【００１４】
また、本発明の半導体レーザ装置は、上記課題を解決するために、前記半導体レーザ劣化検出装置を備えている。そしてこの構成により、使用中の半導体レーザ劣化を検出し、半導体レーザ装置の故障を未然に防ぐことができる。
【００１５】
さらに、本発明の半導体レーザモジュール組み立て工程は、上記課題を解決するために、前記半導体レーザ劣化検出装置を備えている。そしてこの構成により、半導体レーザモジュール製造工程の製品検査時に半導体レーザの良否判定を行い、そして選別された良品に対しスクリーニングを実施して半導体レーザの劣化を検出し、半導体レーザのさらなる信頼性確保とスクリーニング工程の工数低減化が実現できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明は半導体の駆動電圧からその劣化の程度を推測し、基準値と比較することで半導体レーザの劣化検知を行うもので、半導体レーザ装置の故障を未然に防ぐとともに、製造段階でのスクリーニング工程のコスト低減化も図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の目的は各請求項に記載した構成を実施の形態の要部とすることにより達成できるので、以下には各請求項に対応する一実施例についての詳細を、表１と図１〜図９を参照して説明し、併せて効果を述べて本発明の実施の形態についての説明とする。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は請求項１記載の発明に対応する半導体レーザ劣化検出装置の構成を示すブロック図である。図１において、動作を兼ねた構成を説明すると、半導体レーザ１は発光用ダイオードを有し、接続端子へ電源供給を行えばレーザ発光するものである。レーザ駆動用電源２は半導体レーザ１に電源を供給し半導体レーザ１を駆動するものである。電圧検出部３は半導体レーザ１の接続端子より、駆動中の電圧を検出し、電圧値として出力するものである。
【００１９】
演算部４は電圧検出部３にて測定された半導体レーザ１の駆動電圧を用いて、半導体レーザ１の劣化の程度を表す劣化レベルを演算するものである。比較部５は、基準となる予め定められた所定の劣化レベルと、演算部４で求めた半導体レーザ１の劣化レベルを比較し、半導体レーザ１の劣化レベルを判断するとともに良否結果を出力するものである。
【００２０】
このように本実施の形態の発明は、半導体レーザの駆動電圧の経時変化または過渡変化に応じて、半導体レーザの劣化を判断するものであり、電圧計測という性格上、特別なセンサ類、調整あるいはメンテナンスなどを必要とせず容易かつ信頼性の高い半導体レーザの劣化検出を行うことができる。
【００２１】
そして、従来の半導体レーザ劣化検出装置に用いられてきた光出力をモニタする光学センサ（例えばフォトダイオードなど）、それに付随するレンズ類、調整機構などの必要が無くなるため、半導体レーザ装置の製造コスト低減化にも大きな効果がある。
【００２２】
（実施の形態２）
本実施の形態は、請求項２記載の発明に対応する半導体レーザ劣化検出装置に関するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成と作用効果を奏するところについては詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００２３】
図２は半導体レーザを稼働させた際における光出力の経時変化を示す図である。本実施の形態に使用した半導体レーザは、発光スポットがアレイ化された高出力型で、半導体レーザ素子の冷却は水冷により一定に保たれている。また、本実施の形態における半導体レーザの駆動条件はレーザＯＮを１秒、レーザＯＦＦを１秒としたパルス運転である。図２に示すように、本実施の形態の駆動条件では約１２００時間にて半導体レーザが発光しなくなり、故障となった。
【００２４】
図３は図２で示した結果を、半導体レーザにおける駆動電圧の経時変化で表した結果の図である。図３に示した駆動電圧の経時変化は、半導体レーザのＯＮ時における予め定められた区間の平均電圧をプロットしたものである。図３から明らかなように半導体レーザの劣化に伴い接合層のリーク電流が徐々に増加するため、駆動電圧が次第に低下する。すなわち、駆動電圧の経時変化からその低下量を監視すれば、半導体レーザの劣化検出が可能となる。
【００２５】
そこで本実施の形態では、図１の比較部５が駆動電圧の低下量１０ｍＶを半導体レーザが劣化したと判断する基準値とし、前記基準値と半導体レーザの初期状態における駆動電圧Ｖ0および半導体レーザ使用時の駆動電圧Ｖ1の差を演算部４が半導体レーザ１の劣化レベルとして求め、比較部５は前記基準値と前記劣化レベルをレーザ使用中に逐次比較し、基準値より劣化レベルが増大したことをもって半導体レーザが劣化したと判断するものである。
【００２６】
なお、上記実施の形態では半導体レーザの劣化レベルを駆動電圧そのものの変化で判定するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、図４は図３に示した駆動電圧の経時変化について、駆動電圧Ｖ0を１００％として整理し直した図である。半導体レーザ１が劣化したと判断する基準値を０．６％とすれば、図３において説明したことと同じ半導体レーザの劣化検出ができる。半導体レーザはロットなどにより個体差を有するため、図４に示した比率を用いた劣化判定の方が、より汎用的に利用することができる。
【００２７】
また、本実施の形態に示した数値は、あくまで実施例の説明のため表記したもので本発
明を限定するものではなく、使用する半導体レーザと駆動条件に応じて決定されるものである。
【００２８】
（実施の形態３）
本実施の形態は、請求項３記載の発明に対応する半導体レーザ劣化検出装置に関するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成と作用効果を奏するところについては詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００２９】
図５は、図３と同じ半導体レーザの駆動電圧の経時変化を示す図である。図５において、区間Ａでは駆動電圧の経時変化率は１０００時間あたり−１０ｍＶであり、半導体レーザが故障した１２００時間近傍の区間Ｂではその低下率も大きくなり１０００時間あたり−３０ｍＶである。
【００３０】
そこで本実施の形態では、この半導体レーザ１の駆動電圧の経時変化率を図１の演算部４で半導体レーザの劣化レベルとして求め、比較部５が予め決められた基準値と比較し、基準値よりも駆動電圧の低下率が大きいと判断することで、半導体レーザの劣化を検出するものである。例えば劣化の基準値を１０００時間あたり−２５ｍＶと設定すれば、図５に示すように半導体レーザが故障する以前、区間Ｂにおいて半導体レーザ故障を検出することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態に示した数値は、あくまで実施例の説明のため表記したもので本発明を限定するものではなく、使用する半導体レーザと駆動条件に応じて決定されるものである。
【００３２】
（実施の形態４）
本実施の形態は、請求項４記載の発明に対応する半導体レーザ劣化検出装置に関するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成と作用効果を奏するところについては詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００３３】
図６は、半導体レーザの照射開始近傍における駆動電圧の過渡変化を示す図である。図６に示すように駆動電圧の過渡変化は半導体レーザの照射開始直後にピークをとり、以降安定となる。図６では縦軸の電圧表示について、駆動電圧ピークを１００％として表している。この駆動電圧の変化特性は、半導体レーザ素子の劣化あるいは素子のはんだ実装状態を反映しており、劣化が進行する、または実装不良があるとピーク値からの低下量が大きくなる。
【００３４】
図６の実線で示した駆動電圧波形Ａは正常な半導体レーザであり、駆動電圧のピークから３０ｍｓ後の電圧低下量ＶAは０．８３％であった。一方、波線で示した駆動電圧波形Ｂははんだ実装に微小ボイドがあった半導体レーザであり、駆動電圧のピークから３０ｍｓ後の電圧低下量ＶBは１．０２％であった。
【００３５】
そこで本実施の形態では、図１の演算部４で半導体レーザ照射開始直後に測定される駆動電圧のピーク値からの低下量を半導体レーザの劣化レベルとして求め、比較部５が予め決められた基準値と比較し、基準値よりも駆動電圧の低下量が大きいと判断することで、半導体レーザの劣化を検出するものである。
【００３６】
本実施の形態においては、図６に示すように半導体レーザ劣化を判定する基準値Ｖrefを１．０％とした。これにより、駆動電圧波形Ｂで示される半導体レーザの劣化検知が可能と半導体レーザの良否判定が可能となる。
【００３７】
半導体レーザの実装はんだ部分に微小なボイドが発生している場合、図１０、図１１で示したタイプ２による故障を引き起こす場合があり、本発明を製造工程に用いれば製品出荷前の選別に対し有効である。さらに本発明はこれまで行われてきたスクリーニングよりも短時間での半導体レーザの良品選別が可能となる。
【００３８】
（実施の形態５）
本実施の形態は、請求項５記載の発明に対応する半導体レーザ劣化検出装置に関するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成と作用効果を奏するところについては詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００３９】
図７は、半導体レーザの照射開始近傍における駆動電圧の過渡変化を示す図で、図６と同じものである。図７の実線で示した駆動電圧波形Ａは正常な半導体レーザであり、波線で示した駆動電圧波形Ｂは実装不良があった半導体レーザである。図７から明らかなように、区間ｔにおける両波形の変化勾配は異なる。
【００４０】
そこで本実施の形態では、この駆動電圧波形ＡとＢの変化勾配を図１の演算部４で半導体レーザの劣化レベルとして求め、比較部５が予め決められた基準値と比較し、基準値よりも変化勾配が大きいと判断することで、半導体レーザの劣化を検出するものである。
【００４１】
次に示す（表１）は図７で示した半導体レーザの駆動電圧における半導体レーザ劣化の検出結果である。
【００４２】
【表１】
2005057069.tif 000003
【００４３】
本実施の形態では半導体劣化を判定する基準値を１０ｍｓあたり−０．４２％としている。表中、半導体レーザＡは図７で駆動電圧波形Ａに、半導体レーザＢは同図で駆動電圧波形Ｂに対応し、それぞれ区間ｔにおける変化勾配は１０ｍｓあたり−０．３６％、−０．４７％となる。表１に示した結果から明らかなように、基準値よりも変化勾配が大きい半導体レーザＢは、劣化有りと判定される。
【００４４】
以上のように本実施の形態によれば、半導体レーザの照射開始直後に測定される駆動電圧のピーク値以降の変化勾配と、所定の基準値を比較することにより半導体レーザの良否判定を行うことができ、さらに本実施の形態は、これまで行われてきたスクリーニングよりも短時間での半導体レーザの良品選別が可能となる。
【００４５】
また、実施の形態４にも記したとおり、半導体レーザの実装はんだ部分に微小なボイドが発生している場合、図１０、図１１で示した半導体レーザのタイプ２による故障を引き起こす場合があり、本実施の形態を製造工程に用いれば製品出荷前の選別に対し有効であ
る。
【００４６】
（実施の形態６）
本実施の形態は、請求項６記載の発明に対応する半導体レーザ装置に関するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成と作用効果を奏するところについては詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００４７】
図８は本実施の形態における半導体レーザ装置を示すブロック図である。半導体レーザ６はレーザ駆動用電源８により電源が供給され、レーザ冷却装置９により冷却されることにより、利用可能な状態となる。レーザ冷却装置９は水冷の場合のチラー、ペルチェ素子などを指し、自然放熱の場合などレーザ冷却装置を必要としないこともある。半導体レーザ劣化検出装置７は、実施の形態１から実施の形態５までに説明したいずれかのものであり、半導体レーザ６の接続端子より駆動電圧を測定し、この演算結果から半導体レーザ劣化を検出するもので、半導体レーザの劣化検出があった場合には警告を出力する。
【００４８】
本実施の形態によれば、半導体レーザ装置は使用中の半導体レーザの劣化を検出し、装置故障を未然に防ぐことができる。また、特別なセンサ類、調整あるいはメンテナンスなどを必要とせず容易かつ信頼性の高い半導体レーザの劣化検出を行うことができる。
【００４９】
（実施の形態７）
本実施の形態は、請求項７記載の発明に対応する半導体レーザモジュール組み立て工程に関するものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１、２、３、４、５と同様の構成と作用効果を奏するところについては詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００５０】
図９は本発明の半導体レーザモジュール組み立て工程の流れを示すフローチャートである。製造された半導体レーザは、まずステップ（図面でＳと表示する）１０で示される半導体レーザ良否判定１により良品選別される。本ステップにおいては、本実施の形態４または実施の形態５に記載の半導体レーザ劣化検出装置が用いられる。
【００５１】
次にステップ１１ではステップ１０での良否判定結果に応じて半導体レーザを選別し、良品のみ次工程のステップ１２へ進める。ステップ１２では、前記良品であった半導体レーザに対し半導体レーザ良否判定２を用いて、さらに良品選別される。本ステップは、一般にスクリーニング検査工程と呼ばれるもので、実施の形態２または実施の形態３に記載の半導体レーザ劣化検出装置が用いられる。
【００５２】
次のステップ１３ではステップ１２での良否判定結果に応じて半導体レーザを選別し、良品のみを次のステップ１４で示される半導体レーザモジュールへの組み込みを行う。半導体レーザモジュールへの組み込みとは、集光に必要なレンズの取り付け、レーザ装置へのマウント、高出力化のためのスタック化などを指す。なお、ステップ１１、ステップ１３で良品と選別された半導体レーザの不良品はそれぞれステップ１５で半導体レーザモジュール組立て工程から除かれる。
【００５３】
このように本実施の形態によれば、高精度かつ安価に半導体レーザの良否判定ができるようになる。また、本実施の形態の特徴はステップ１０およびステップ１２で示した良否判定を先に行うことにある。すなわち、実施の形態４および実施の形態５に記載の半導体レーザ劣化検出装置によれば短時間での良否判定が可能となるため、これをスクリーニング工程より前に行うことで、より高精度の良品選別が可能となることのみならずスクリーニング工程のコスト削減が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の半導体レーザ劣化検出装置およびそれを備えた半導体レーザ装置と半導体レーザモジュール組み立て工程は、半導体レーザ装置の故障を未然に防ぐとともに、製造段階でのスクリーニング工程のコスト低減化も図ることができ、半導体レーザの劣化検出と、半導体レーザ装置および半導体レーザモジュール組み立て工程に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１〜５における半導体レーザ劣化検出装置を示すブロック図
【図２】同実施の形態２における半導体レーザ劣化検出装置の光出力の経時変化を示す図
【図３】同実施の形態２における半導体レーザ劣化検出装置の駆動電圧の経時変化と半導体レーザの劣化検知方法を示す図
【図４】同実施の形態２における半導体レーザ劣化検出装置の駆動電圧の経時変化と半導体レーザの劣化検知方法の他の例を示す図
【図５】同実施の形態３における半導体レーザ劣化検出装置の駆動電圧の経時変化と半導体レーザの劣化検知方法を示す図
【図６】同実施の形態４における半導体レーザ劣化検出装置の駆動電圧の過渡変化と半導体レーザの劣化検知方法を示す図
【図７】同実施の形態５における半導体レーザ劣化検出装置の駆動電圧の過渡変化と半導体レーザの劣化検知方法を示す図
【図８】本発明の実施の形態６における半導体レーザ装置を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態７における半導体レーザモジュール組み立て工程の動作の流れを示すフローチャート
【図１０】ＡＰＣ制御時の半導体レーザ故障モードを示す説明図
【図１１】ＡＣＣ制御時の半導体レーザ故障モードを示す説明図
【符号の説明】
【００５６】
１、６  半導体レーザ
２、８  レーザ駆動用電源
３  電圧検出部
４  演算部
５  比較部
７  半導体レーザ劣化検出装置
【図１】
2005057069.tif 000004
【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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