(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードモジュール（２）と、電源（３）と、光学系（１１、１２）と、電圧検出部（５８）と、比較器（５９）と、シャットダウン回路（６０）と、保護回路と、を含んでいるレーザ加熱装置であって、
上記電源が、レーザダイオードモジュールに電流を供給するものであり、
上記光学系が、レーザダイオードモジュールから射出されるレーザ光を合焦させるものであり、
上記電圧検出部が、上記レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子間に印加される電圧を検出するものであり、
上記比較器が、上記電圧検出部において検出された電圧を基準値と比較し、該電圧が設定範囲外の場合に給電停止信号を出力するものであり、
上記シャットダウン回路が、比較器からの給電停止信号の入力に応じて電源からレーザダイオードモジュールへの給電を停止するものであり、
上記保護回路が、レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子とを短絡する配線上に設けられているスイッチであって、保護回路への給電時にオフになり、給電停止時にオンになる、Ｂ接型スイッチ回路と、該スイッチ回路への第１給電線と上記電源からレーザダイオードモジュールへの第２給電線との間に設けられ、第１給電線によるスイッチ回路への給電に応じて上記第２給電線を導通させるホトカプラと、を含んでおり、
上記電源がレーザダイオードモジュールへ給電を開始するのと同時に保護回路にも給電を開始するようになっている、
ことを特徴とするレーザ加熱装置。
【請求項２】
レーザダイオードモジュール（２）と、電源（３）と、光学系（１１、１２）と、電圧検出部（５８）と、比較器（５９）と、シャットダウン回路（６０）と、保護回路と、を含んでいるレーザ加熱装置であって、
上記電源が、レーザダイオードモジュールに電流を供給するものであり、
上記光学系が、レーザダイオードモジュールから射出されるレーザ光を合焦させるものであり、
上記電圧検出部が、レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子との間に印加される第１電圧を検出するものであり、
上記比較器が、上記電圧検出部において検出された第１電圧を基準値と比較し、該電圧が設定範囲外の場合に給電停止信号を出力するものであり、
上記保護回路が、上記電源からレーザダイオードモジュールが逆極性接続されていても破壊されない程の僅かな探査電流を流した場合に、上記電圧検出部によって検出される第２電圧が第１基準値よりも低い場合に回路内でショートが生じていると判断し、また、検出された第２電圧が別の第２基準値よりも高い場合には、回路内で断線している又はレーザダイオードモジュールが逆に接続されていると判断して、給電停止信号を出力するものであり、
上記シャットダウン回路が、上記比較器又は保護回路からの給電停止信号の入力に応じて電源からレーザダイオードモジュールへの給電を停止するものである、
ことを特徴とするレーザ加熱装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ加熱装置を用いて行うレーザ加熱方法であって、
上記電圧検出部によって、上記レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子間に印加される第１電圧を検出する工程と、
上記比較器によって、上記検出された第１電圧を基準値と比較し、該電圧が設定範囲外の場合に、上記シャットダウン回路へ給電停止信号を出力する工程と、
上記電源からレーザダイオードモジュールが逆極性接続されていても破壊されない程の僅かな探査電流を流す工程と、
上記探査電流が流されている間に、上記電圧検出部によって、レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子間に印加される第２電圧を検出する工程と、
検出される第２電圧が第１基準値よりも低い場合に回路内でショートが生じていると判断し、第２電圧が上記とは別の第２基準値よりも高い場合には、回路内で断線している又はレーザダイオードモジュールが逆に接続されていると判断して、上記シャットダウン回路へ給電停止信号を出力する工程と、
を含んでいることを特徴とするレーザ加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードより射出したレーザ光を集光し、当該集光したレーザ光により半田付けや溶接などの加熱処理を行うレーザ加熱装置、及び、レーザ加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザダイオード（以下、ＬＤと表す）より射出したレーザ光を集光し、当該集光したレーザ光により半田付けや溶接などの加熱処理を行うレーザ加熱装置が知られている。図９は、従来のレーザ加熱装置５００の構成を示す図である。レーザ加熱装置５００は、複数のＬＤを積み重ねてなるＬＤモジュール５０１、ＬＤモジュール５０１に電力を供給する電源５０２、ＬＤモジュール５０１の備える複数のＬＤが射出するレーザ光を視準化するコリメートレンズ５０３、及び、視準化されたレーザ光を集光する集光レンズ５０４で構成される。集光レンズ５０４で集光されたレーザ光は、合焦点に置かれる被加熱物５０５を加熱する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
金属、セラミック及びガラスを溶かして封止やろう付け、溶接等を行うには、数百Ｗ〜数ＫＷの高出力のレーザ加熱装置が必要となる。
【０００４】
ＬＤは、一般的にサージに対して弱い。高出力のレーザ加熱装置では発生するサージも大きくなるため、常時ＬＤをサージから保護しつつ、安定してレーザ光の光量を制御することが要求される。
【０００５】
一般的なＬＤの発光効率は約４０％であり、例えば、約４００Ｗの出力を得るには、１ＫＷ程度の電源が必要になる。サージの発生しない安定した出力の電源としてはドロッパ電源が挙げられる。しかし、ドロッパ電源は、出力効率が５０％以下と悪く、１ＫＷの電力を出力するには２ＫＷ級の大きなサイズのものを用いることが必要になり好ましくない。
【０００６】
上記の他、ＬＤは、配線の不良によるチャッタリングによって発生するサージにより壊れることもある。また、組立時に誤って逆極性に接続された場合には、僅か数１０ｍＡの電流が流れただけで壊れてしまう。
【０００７】
また、ＬＤは、通常のＩＣに比べて約１００倍以上も静電気に弱い。例えば、レーザ加熱装置の組立中に手が触れて静電気が印加されることにより壊れることがある。
【０００８】
また、高出力のレーザ加熱装置において、安定したレーザ出力を得るため、ＬＤを効率良く冷却できる水冷式の冷却機構を採用した場合、純度が低下して導電率が高くなった冷却水を介してアース電流がＬＤに流れ込み、ＬＤを壊すことがある。
【０００９】
上記サージや静電気からＬＤモジュールの備えるＬＤを保護するため、ツェナーダイオード等を用いる保護回路を採用することが考えられる。しかし、高出力のレーザ加熱装置にこれらの保護回路を適用した場合、回路内のコンデンサ成分が大きくなり、静電気やサージ電流が流れたときの応答性が悪くなってしまう。一方、ＬＤモジュールの応答性は、数ナノ秒と極めて早いため、上記のような保護回路では、静電気やサージからＬＤモジュールを効果的に保護することはできない。
【００１０】
また、ＬＤは、所定のしきい電流値以下では発光せず、実際にＬＤモジュールに供給している電流値をフィードバックしても、このフィードバックされてくる値に基づいてＬＤの発光量を正確に制御することはできない。
【００１１】
また、ＬＤの発光効率は、供給される電流値に応じて０％〜５０％と大きく変化する。このため、電流値のみの制御では常時適切な効率でＬＤを発光させることができない。
【００１２】
本発明の目的は、上記全ての問題に対処し、組立時及び組立後の駆動時にＬＤを電気的に保護しつつ安定したレーザ出力の制御を行う高出力のレーザ加熱装置、及び、レーザ加熱方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のレーザ加熱装置は、レーザダイオードモジュール（２）と、電源（３）と、光学系（１１、１２）と、電圧検出部（５８）と、比較器（５９）と、シャットダウン回路（６０）と、保護回路と、を含んでいるレーザ加熱装置であって、上記電源が、レーザダイオードモジュールに電流を供給するものであり、上記光学系が、レーザダイオードモジュールから射出されるレーザ光を合焦させるものであり、上記電圧検出部が、上記レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子間に印加される電圧を検出するものであり、上記比較器が、上記電圧検出部において検出された電圧を基準値と比較し、該電圧が設定範囲外の場合に給電停止信号を出力するものであり、上記シャットダウン回路が、比較器からの給電停止信号の入力に応じて電源からレーザダイオードモジュールへの給電を停止するものであり、上記保護回路が、レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子とを短絡する配線上に設けられているスイッチであって、保護回路への給電時にオフになり、給電停止時にオンになる、Ｂ接型スイッチ回路と、該スイッチ回路への第１給電線と上記電源からレーザダイオードモジュールへの第２給電線との間に設けられ、第１給電線によるスイッチ回路への給電に応じて上記第２給電線を導通させるホトカプラと、を含んでおり、上記電源がレーザダイオードモジュールへ給電を開始するのと同時に保護回路にも給電を開始するようになっている、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載のレーザ加熱装置は、レーザダイオードモジュール（２）と、電源（３）と、光学系（１１、１２）と、電圧検出部（５８）と、比較器（５９）と、シャットダウン回路（６０）と、保護回路と、を含んでいるレーザ加熱装置であって、上記電源が、レーザダイオードモジュールに電流を供給するものであり、上記光学系が、レーザダイオードモジュールから射出されるレーザ光を合焦させるものであり、上記電圧検出部が、レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子との間に印加される第１電圧を検出するものであり、上記比較器が、上記電圧検出部において検出された第１電圧を基準値と比較し、該電圧が設定範囲外の場合に給電停止信号を出力するものであり、上記保護回路が、上記電源からレーザダイオードモジュールが逆極性接続されていても破壊されない程の僅かな探査電流を流した場合に、上記電圧検出部によって検出される第２電圧が第１基準値よりも低い場合に回路内でショートが生じていると判断し、また、検出された第２電圧が別の第２基準値よりも高い場合には、回路内で断線している又はレーザダイオードモジュールが逆に接続されていると判断して、給電停止信号を出力するものであり、上記シャットダウン回路が、上記比較器又は保護回路からの給電停止信号の入力に応じて電源からレーザダイオードモジュールへの給電を停止するものである、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載のレーザ加熱方法は、請求項２に記載のレーザ加熱装置を用いて行うレーザ加熱方法であって、上記電圧検出部によって、上記レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子間に印加される第１電圧を検出する工程と、上記比較器によって、上記検出された第１電圧を基準値と比較し、該電圧が設定範囲外の場合に、上記シャットダウン回路へ給電停止信号を出力する工程と、上記電源からレーザダイオードモジュールが逆極性接続されていても破壊されない程の僅かな探査電流を流す工程と、上記探査電流が流されている間に、上記電圧検出部によって、レーザダイオードモジュールの給電端子と接地端子間に印加される第２電圧を検出する工程と、検出される第２電圧が第１基準値よりも低い場合に回路内でショートが生じていると判断し、第２電圧が上記とは別の第２基準値よりも高い場合には、回路内で断線している又はレーザダイオードモジュールが逆に接続されていると判断して、上記シャットダウン回路へ給電停止信号を出力する工程と、を含んでいることを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（１）発明の概要
本発明のレーザ加熱装置は、電源から供給される電圧が所定の範囲外になったときに、瞬時に給電を停止するシャットダウン回路を備える。これにより、レーザダイオード（以下、ＬＤと記す）モジュールを構成するＬＤの一部が劣化又は壊れた場合に生じる電圧変動に対して他のＬＤを効果的に保護する。
【００３５】
また、本発明のレーザ加熱装置は、電源が接続されていない場合、又は、電源からの給電が停止している時にＬＤモジュールの電源端子と接地端子を短絡するＢ接型のリレースイッチを備える。これにより、組立時における静電気からＬＤを効果的に保護することができる。
【００３６】
また、本発明のレーザ加熱装置では、所定の値の電流を所定のデューティ比のパルス波として出力する電源を採用する。ＬＤの出力制御は、電流値の値、及び、パルス波のデューティ比を制御して行う。例えば、上記パルスのデューティ比を半分にすれば、倍の値の電流を使用することができる。この特性を利用することで、供給する電流値をＬＤの発光効率の良い値に維持した状態でＬＤの発光量を正確に制御することができる。これにより、高効率かつ安定した出力制御を実現する。これにより、当該レーザ加熱装置を用いて行う加熱処理の精度を向上することができる。
【００３７】
（２）実施の形態１
(2-1)全体構成
図１は、実施の形態に係る高出力レーザ加熱装置１の全体構成を示す図である。レーザ加熱装置１は、ＬＤヘッド２と、当該ＬＤヘッド２に電力を供給する電源３より成る。ＬＤヘッド２より射出されるレーザ光４は、所定の位置に配されている被加熱物５を照射加熱する。また、ＬＤヘッド２は、外部に、ＬＤ冷却用の冷却水を所定の温度にまで冷却する冷蔵室３３、及び、冷蔵室３３において冷却された冷却水をＬＤヘッド２に給水する給水装置３０を備える。なお、電源３は、外来ノイズによる影響を無くすため、上記ＬＤヘッド２及び電源３等を備えるレーザ加熱装置１本体の接地配線からも完全に絶縁されている。
【００３８】
図２の（ａ）は、ＬＤヘッド２及び電源３内の構成を示す横断面図であり、図２の（ｂ）は、ＬＤヘッド２を上から見た図である。
まず、ＬＤヘッド２及び電源３の備える端子について説明する。ＬＤヘッド２は、ＬＤモジュール１０への給電端子２０ａ、ファン１８及びリレー２４への給電端子２５ａ、接地端子２０ｂ，２５ｂ、温度センサ２１に接続される端子２２を備える。これに対して電源３は、給電端子５０ａ，５１ｂ、接地端子５０ｂ，５１ｂ、給電停止信号入力端子５２，５３を備える。
【００３９】
ＬＤヘッド２の給電端子２０ａは、電源３の給電端子５０ａに接続される。ＬＤヘッド２の給電端子２５ａは、電源３の給電端子５１ａに接続される。ＬＤヘッド２の接地端子２５ｂは、電源３の接地端子５１ｂに接続される。ＬＤヘッド２の接地端子２０ｂは、電源３の接地端子５０ｂに接続される。ＬＤヘッド２の端子２２は、電源３の給電停止信号入力端子５２に接続される。また、電源３の残りの給電停止信号入力端子５３は、給水装置３０の端子３５に接続されている。
【００４０】
以下、ＬＤヘッド２の内部構成について説明する。ＬＤヘッド２は、ＬＤモジュール１０、ＬＤモジュール１０より発光されるレーザ光を視準化する第１光学系１１、視準化されたレーザ光を集光する第２光学系１２、ＬＤモジュール１０の備えるＬＤ本体を冷却する水冷式のＬＤ冷却機構１３、並びに、ＬＤモジュール１０の備えるＬＤの発光端面、第１光学系１１、及び、第２光学系１２を冷却する空冷式の冷却機構１４を備える。
【００４１】
ＬＤモジュール１０は、５段に積層されたＬＤ１５ａ〜１５ｅを備える。ＬＤ１５ａ〜１５ｅの各々は、１cm×２μmの発光面を有し、波長８０５nmのレーザ光を定格８０Ｗで出力する。第１光学系１１は、ＬＤモジュール１０が備える５つのＬＤより射出されるレーザ光を、各々視準化するＨカットの円柱レンズ１１ａ〜１１ｅより構成される。第２光学系１２は、曲率の大きな面を第１光学系側に備える両凸状のアクロマチックレンズで構成される。第１光学系１１側に凸面を有するレンズを採用することにより、第１光学系１１から射出されたレーザ光が第２光学系１２のレンズにより反射されてＬＤに再入射し、該ＬＤが壊れることを防止する。
【００４２】
第２光学系１２のレーザ射出側には、一対の平行反射板９を備える。第２光学系１２を構成するアクロマチックレンズの焦点距離が３０mmであり、製造精度により最小のスポットサイズが３．３mm×０．３mmとなる場合、上記平行反射板９を設けることにより１０％程度の少ない光量損失で最小のスポットサイズを１．５mm×０．３mmまで絞り込むことができる。
【００４３】
なお、第１光学系１１及び第２光学系１２を構成するレンズは、８０５nmの反射損失が０．５％以下の狭帯域ＡＲコート、又は、反射損失０．７％以下の広帯域多層ＡＲコート（ＢＭＡＲコート）が施されている。
【００４４】
(2-2)水冷式の冷却機構
ＬＤモジュール１０は、５段に積層されたＬＤ１５ａ〜１５ｅを備える。各ＬＤの周りには、冷却水を循環させる細かな管（マイクロチャンネル）１６が設けられている。水冷式の冷却機構１３は、上記細かな管１６、当該ＬＤモジュール１０への給水管３１及び配水管３２、給水管３１へ冷却水を所定の吐出圧で給水する給水装置３０、並びに、冷蔵室３５により形成される。
【００４５】
ＬＤ１５ａ〜１５ｅの共通する電源端子１０ｃ及び接地端子１０ｄは、それぞれ給電端子２０ａ及び接地端子２０ｂに接続される。ＬＤモジュール１０内への冷却水の供給口１０ａ，排水口１０ｂは、それぞれＬＤヘッド２の外部に設けられている給水装置３０から伸びる給水管３１，排水管３２に接続されている。管３１，３２がＬＤヘッド２の外壁を貫通する箇所は気密封止されている。冷蔵室３３は、給水装置３０に戻ってきた冷却水を５℃まで冷却し、冷却後の冷却水を給水装置３０に戻す。給水装置３０は、冷蔵室３３において５℃に冷やされた冷却水を、絶対圧力３気圧の吐出圧で給水管３１に吐出する。これにより、ＬＤモジュール１０内の管に冷却水が循環してＬＤ１５ａ〜１５ｅの冷却が行われる。
【００４６】
(2-3)空冷式の冷却機構
空冷式の冷却機構１４は、上記冷却水の流れる給水管３１を利用する吸熱部１７、及び、ＬＤヘッド２内に気密封止されるアルゴンガスを循環させるファン１８により構成される。
【００４７】
ＬＤヘッド２は、気密封止されており、内部には冷却用の気体として、４Ｎ型９９．９９％以上の高純度アルゴンガスが、上記水冷式の冷却機構１３で用いる給水管３１内の圧力よりも高い絶対圧力で充填されている。このように、ＬＤヘッド２内の絶対圧力を給水管３１よりも高めに設定することで、給水管３１のシールが劣化した場合の冷却水の漏洩を防止することができる。
【００４８】
冷水の流れる給水管３１には、多数の吸熱板（アルミ冷却フィン）で構成される吸熱部１７が接合されている。吸熱部１７は、ＬＤヘッド２内に充填されているアルゴンガスから熱を奪い冷却する。また、吸熱部１７の側部には、ＬＤヘッド２内のアルゴンガスを循環させるファン１８が設けられている。第１光学系１１は、ＬＤモジュール１０の在る空間と第２光学系１２の在る空間とを繋ぐ通気孔１１ｆ，１１ｇを備える。上記ファン１８を駆動することにより、図１（ｂ）に矢印で示すように、ＬＤヘッド２内をアルゴンガスが循環し、ＬＤモジュール１０のレーザ光射出面、第１光学系１１の両面、及び、第２光学系１２のレーザ光の射出面の冷却が行われる。
【００４９】
(2-4)ＬＤ保護回路
ＬＤモジュール１０の電源端子１０ｃとＬＤヘッド２の給電端子２０ａを接続する配線上の点２３ａ、及び、ＬＤモジュール１０の接地端子１０ｄとＬＤヘッドの接地端子２０ｂとを接続する配線上の点２３ｂの間には、Ｂ接型のリレースイッチ１９が設けられている。Ｂ接型のリレースイッチ１９はリレー２４により切り換えられる。リレー２４は、ファン１８の給電端子２５ａ及び接地端子２５ｂに並列に接続されている。
【００５０】
電源３が未接続、又は、電源３からの給電が停止している場合、リレー２４のＢ接型リレースイッチ１９はオン状態にありＬＤモジュール１０の給電端子１０ｃ及び接地端子１０ｄは短絡される。一方、電源３がＬＤヘッド２に接続され、ファン１８への電力供給が開始するとリレー２４はＢ接型リレースイッチ１９を開放する。これにより、ＬＤモジュール１０への電力の供給が開始される。
上記構成を採用することにより、例えば、レーザ加熱装置１の組立時に、ＬＤモジュール１０を端子２０ａに印加される静電気から保護することができる。
【００５１】
また、ＬＤモジュール１０のＬＤ近傍には、所定の温度を越えた場合に、時定数０．１秒以下で高速に給電停止信号を出力する温度センサ２１が設けられている。温度センサ２１の信号出力線は、端子２２に接続されている。端子２２は、電源３の給電停止信号入力端子５２に接続されている。電源３内において、端子５２は、シャットダウン回路６０に接続されている。シャットダウン回路６０は、端子５２からの給電停止信号の入力に応じて、数１０ｎｓの応答速度のトランジスタスイッチ６２をオフに切り換える。これにより、ＬＤがオーバーヒートにより壊れるのを防止することができる。
【００５２】
また、給水装置３０は、冷却水の導電率が所定の基準値を超えた場合に給電停止信号を端子３５に出力する純度センサ（図示せず）を備える。端子３５は、電源３の給電停止信号入力端子５３に接続されている。電源３内において、端子５３は、シャットダウン回路６０に接続されている。シャットダウン回路６０は、端子５３からの給電停止信号の入力に応じて、数１０ｎｓの応答速度のトランジスタスイッチ６２をオフに切り換える。これにより、冷却水の純度低下に伴う導電率の増加によって、アース電流が冷却水を循環させる管１６，３１，３２を介してＬＤに印加され、ＬＤが壊れるのを防止することができる。
【００５３】
(2-5)電源
以下、電源３の構成について説明する。電源３は、ファン１８及びリレー２４用のＤＣ電源５６、及び、ＬＤモジュール１０用の定電圧源５７を備える。上記定電圧源５７には、絶縁型チョッパ方式、又は、絶縁型ＤＣＤＣ方式の定電圧電源を採用する。ＬＤ駆動中、ＬＤヘッド２内のＢ接型リレースイッチ１９の接触不良が原因でチャッタリングが生じると、電源３や供給電線のＬＣ成分により大きなハンチングが生じ、ＬＤモジュール１０の備える各ＬＤがダメージを受ける。このような事態を回避するため、電源３は、リレー２４への給電時にのみ端子５０ａと定電圧源５７を結ぶ回線を導通させ、リレー２４への給電停止に伴い直ちに端子５０ａへの回線を切断するハイパワー光ＭＯＳスイッチ５５を内蔵する。当該ハイパワー光ＭＯＳスイッチ５５は、定電圧源５７と給電端子５０ａを接続する線と、電源５６と端子５１ａとを接続する線との間に設けたホトカプラである。当該スイッチ５５は、電源５６と端子５１ａとの間に設けられる発光ダイオード５５ａ、及び、定電圧源５７と給電端子５０ａとの間であって、上記発光ダイオード５５ａの射出した光を受光可能な位置に設けられ、受光時にオンに切り換るフォトトランジスタ５５ｂで構成される。
【００５４】
図３は、ＬＤモジュール１０に供給される電流値とＬＤモジュール１０の給電端子１０ｃと接地端子１０ｄの間の電位差（以下、この電圧をＬＤ動作電圧という）の関係を示すグラフである。図示するように、ＬＤモジュール１０に供給する電流が１０Ａ〜１００Ａの範囲で変化する場合、ＬＤ動作電圧は８．５Ｖ〜９．５Ｖの範囲で連続的に変化する。なお、この値は、使用するＬＤ毎に異なるため事前に調べておく。
【００５５】
再び図２を参照する。電源３の備える電圧測定器５８は、給電端子５０ａと接地端子５０ｂ間の電位差を測定し、該測定値を比較器５９に出力する。比較器５９は、数ｎｓの応答速度のＥＣＬコンパレータであり、電圧測定器５８より入力される測定値が８．５Ｖ以下、又は、９．５Ｖ以上の場合には、数１０ｎｓの応答速度のシャットダウン回路６０に対して給電停止信号を出力する。シャットダウン回路６０の制御信号出力端子は、トランジスタスイッチ６２のゲート電極に接続されている。当該トランジスタスイッチ６２のソース電極は、電源３の接地端子５０ｂに接続され、ドレイン電極は接地されている。シャットダウン回路６０は、比較器５９からの給電停止信号の入力に応じて、数１０ｎｓの応答速度のトランジスタスイッチ６２をオフに切り換える。
【００５６】
当該構成を採用することで、ハイパワー光ＭＯＳスイッチ５５がオフの期間に電源５７の出力が高くなっても、上記スイッチ５５が再びオンされた時にＬＤモジュール１０に高電圧が印加されることを回避し、当該ＬＤモジュール１０が壊れるのを防ぐことができる。
【００５７】
上記比較器５９が給電停止信号を出力する範囲を、ＬＤの適正駆動範囲に設定する代わりに、ＬＤモジュール１０の備える複数のＬＤの内の１つが劣化又は壊れた場合に生じる電圧変動を検出可能な値に設定すれば、残りの正常なＬＤへの悪影響を最小限に留めることができる。一般的なＬＤは、数１０ｎｓ程度の瞬間では、定常電流が流れる場合に比べて１０倍以上のサージ電流に対する耐力を示す。上記構成を採用する電源３では、電圧の異常な変動の検出後、数１０ｎｓの間にシャットダウンを完了することができるため、ＬＤをサージから効果的に保護することができる。
【００５８】
なお、上記比較器５９とは別に、操作者により手動で作動状態に切り換えられ、定常動作前に電源５７より定格電流の数分の１の探査電流を流した際に、電圧測定器５８による測定値が基準値よりも低い場合には、回路内でショートが発生していると判断して給電停止信号をシャットダウン回路６０に出力し、一方、上記測定値が上記とは別の基準値よりも高い場合には、回路内で断線が発生している、あるいは、ＬＤモジュール１０が逆に接続されていると判断して給電停止信号をシャットダウン回路６０に出力する比較器５９’（図示せず）を備えるのが好ましい。これによりＬＤモジュール１０を逆極性に取り付けてしまった場合や配線不良が原因で起るＬＤの破壊を効果的に防ぐことができる。
【００５９】
電源回路３は、上記トランジスタスイッチ６２の後段に、ソース電極が接地端子５０ｂに接続され、ドレイン電極が接地されているトランジスタスイッチ６３を備える。トランジスタスイッチ６３のゲート電極は、制御回路６１の制御信号の出力端子に接続されている。制御回路６１は、所定のタイミングでトランジスタスイッチ６３をオン又はオフして電源５７からＬＤヘッド２に供給される定常電流を所定のデューティ比のパルス状の電流に変換する。
【００６０】
図４は、ＬＤヘッド２へ供給する電流値に対するＬＤレーザ出力Ｐ（ｗ）及びＬＤの光変換効率η（％）の関係を示すグラフである。例えば、３５Ａの定常電流を供給して４０ｗの出力を得る替わりに、光変換効率ηが最高の５０％となる６０Ａ（定常電流供給時には８０ｗの出力）を給電すると共に、デューティ比を５０％に設定することで、１周期当たりの総発光量を同量に調節することができる。
【００６１】
なお、デューティ比は、単位期間内における発光時間の占める割合を増減することで、調節しても良いし、発光時間を固定し、発光する周期を増減することで調節するようにしても良い。何れの場合も、発光効率の良い状態でＬＤの単位時間当たりの発光量を制御することができる。
【００６２】
図５の（ａ）は、ＬＤモジュール１０に供給する電流値を階段状に増加すると共に、各段階の電流値でデューティ比を順に増加する場合を表すグラフである。例えば、０〜１秒間におけるＬＤの発光量は、３０Ａのパルス状の電流のデューティ比を例えば０％、１０％、２０％、…９０％と順に増加して制御する。図５の（ｂ）は、デューティ比４５％の時の電流の波形を示す。また、図５の（ｃ）は、デューティ比９０％の時の電流の波形を示す。図５の（ｂ）及び（ｃ）において０．９ｍｓ〜１．０ｍｓ，１．９ｍｓ〜２．０ｍｓに現れる０Ａの期間は、ＬＤの備えるコンデンサを充電するために必要な期間である。従って、本例ではデューティ比が９０％のときに出力が最大になる。
【００６３】
図６は、上記手法によりＬＤモジュール１０に供給するパルス状の電流値を固定し、単位時間当たりの繰り返し回数を０ＫＨｚから１ＫＨｚへと連続的に増加させた場合のレーザ出力の関係を示すグラフである。図示するように、デューティ比の増加に比例してレーザ出力は０％から９０％へと増加する。
【００６４】
図５及び図６より理解されるように、定電圧源５７の出力を段階的に増加すると共に、制御回路６１により各段階においてＬＤに供給されるパルス状の電流のデューティ比を所定の範囲内で連続して変化させることにより、単位時間当たりのＬＤ発光量を連続的に変化することができる。
【００６５】
（３）実施の形態２
以下、実施の形態２にかかるレーザ加熱装置２００について説明する。図７は、実施の形態２に係るレーザ加熱装置２００の構成を示す図である。レーザ加熱装置２００では、単位時間（例えば１秒）当たりのＬＤの発光回数（但し１回当たりのＬＤの発光時間は一定（例えば０．９ｍｓ））を制御することで、単位時間当たりのＬＤ発光量を制御する。なお、上記実施の形態１のレーザ加熱装置１と同じ構成物には同じ参照番号を付し、ここでの重複した説明は省く。
【００６６】
ＬＤモジュール２０１は、ＬＤモジュール１０のＬＤ１５ｅの光軸に対して４５℃傾けて配置された偏向ビームスプリッタ８４を備える。ビームスプリッタ８４は、ＬＤ１５ｅから射出されるレーザ光の９９％を透過し、残りの１％を下方に設ける光検出器８５に入射させる。光検出器８５は、発光性能の劣化していない初期のＬＤ１５ｅを、当該入射される光の強度で発光させる場合に、当該ＬＤ１５ｅに供給される電流値を表す信号を出力する。光検出器８５の信号出力線は、端子８６に接続されている。端子８６は、電源２０２の信号入力端子８０に接続されている。
【００６７】
また、ＬＤヘッド２０１は、給電端子２０ａとＬＤモジュール１０の給電端子１０ｄの間に電流量検出器８２を備える。電流量検出器８２は、電源２０２からＬＤモジュール１０へ供給されるパルス状の電流の単位時間当たりの量（電流値）を表す信号を出力する。電流量検出信号８２の信号出力線は端子８７に接続されている。端子８７は、電源２０２の信号入力端子８１に接続されている。
【００６８】
電源２０２は、所定の繰り返し周波数のパルス状の電流を生成する回路として、ＤＣ／ＡＣ変換器９８、トランス９９、及び、ＡＣ／ＤＣ変換器１００で構成される回路を備える。ＤＣ／ＡＣ変換器９８は、ＤＣ電源９７より供給されるＤＣ電源を、所定の振幅で、かつ、後に説明する周波数加減算器９６から出力されるＤＣＤＣ変換周波数信号により特定される周波数のＡＣ電源に変換する。ＤＣ／ＡＣ変換器９８により得られるＡＣ電源は、トランス９９を介してＡＣ／ＤＣ変換器１００において再びＤＣ電源に変換される。変換後のＤＣ電源は、ＤＣ／ＡＣ変換器９８により得られるＡＣ電源の周波数に応じた繰り返し周波数のパルス状の電流となる。なお、ＤＣ電源９７として、絶縁型チョッパ方式、又は、絶縁型ＤＣＤＣ方式の定電圧電源を採用しても良い。この場合、ＤＣ電源９７の出力を階段状に変化させたり、ＬＤモジュール１０に発光効率η％が最適となる値の電流が供給されるように調節することができる。
【００６９】
電源２０２は、上記パルス状の電流発生回路の出力する電流を一定に制御してＬＤに供給する電流を一定に保持する電流フィードバック制御回路と、当該回路に更に、ＬＤへ供給している電流値から想定される発光量と実際の発光量との差を補正する発光量補正回路を追加する回路の２つの回路が選択できるように構成されている。上記電流フィードバック制御回路は、電流／周波数変換回路（図中、Ｉ／Ｆと表す）９４、波形記憶装置１５０に接続される電圧／周波数変換回路（図中、Ｖ／Ｆと表す）９５、及び、周波数加減算器９６で構成される。また、上記発光量補正回路は、上記回路に更に、加減算器９０、ΔＩ／周波数変換器（図中、ΔＩ／Ｆと表す）１１０、及び、加減算器１１１で構成される。これら使用する回路の切り換えは、レーザ加熱装置２００の使用者がスイッチ９３を切り換えることにより行う。電流フィードバック制御回路のみを使用する場合、スイッチ９３を端子９１に接続する。電流フィードバック回路と共に発光量補正回路も使用する場合、スイッチ９３を端子９２に接続する。
【００７０】
以下、スイッチ９３を端子９１に接続して実行する電流フィードバック制御について説明する。
電流／周波数変換器９４には、端子８１を介して電流量検出計８２の測定値が入力される。電流／周波数変換器９４は、入力される単位時間当たりの電流量を表す信号から特定されるＬＤに供給するパルス状の電流の単位時間当たりの繰り返し周波数を表す信号をフィードバック周波数信号として出力する。電源回路２０２の外部に設けられる波形記憶装置１５０は、例えば、図５（ａ）に示すようなヒートプロファイルを記憶しておき、当該ヒートプロファイルに対応する電圧信号を出力する。電圧／周波数変換器（図中、Ｖ／Ｆと記す）９５は、入力される電圧信号から特定される設定周波数信号を出力する。
【００７１】
なお、単位時間あたりに所定量の電流を流した際に電流／周波数変換器９４より出力されるフィードバック周波数信号と、単位時間あたりに上記所定量の電流を流すために波形記憶装置１５０より出力される電圧信号に対して電圧／周波数変換器９５から出力される設定周波数信号は、互いに同じになるように調整されている。
【００７２】
周波数加減算器９６は、上記電圧／周波数変換器９５から出力される設定周波数信号から、電流／周波数変換器９４から出力されるフィードバック周波数信号を減算し、減算結果に基づいて基準周波数を調整し、調整後の周波数を表す信号を、ＤＣ／ＤＣ変換周波数信号としてＤＣ／ＡＣ変換器９８に出力する。上述したように、ＤＣ／ＡＣ変換器９８は、ＤＣ電源９７より供給されるＤＣ電圧を、上記ＤＣ／ＤＣ変換周波数信号により特定される周波数のＡＣ電源に変換する。具体的には、上記設定周波数信号とフィードバック周波数信号が同じ場合には、基準周波数をそのまま表すＤＣ／ＤＣ変換周波数信号を出力する。設定周波数信号のほうがフィードバック周波数信号よりも大きい又は小さい場合には、その差に基づいて基準周波数を多く又は少なく調整し、調整後の周波数を表すＤＣ／ＤＣ変換周波数信号を出力する。
【００７３】
ＬＤ１５ａ〜１５ｅを発光させない場合、例えば、ＬＤ１個当たりのＬＤ不感帯電圧である１Ｖ弱を波形記憶装置１５０から出力することでＤＣ／ＤＣ変換周波数は低い値となり、電源２０２から出力されるＬＤ電流は数十mA以下に抑えられる。これにより、アイドリング時のロスを極めて小さくすることができる。
他方、出力を上げる必要のある場合には、波形記憶装置１５０より出力する電圧を上げ、ＤＣ／ＤＣ変換周波数を増加させることで、常に良好な効率でＬＤを発光させることができる。
【００７４】
以下、スイッチ９３が端子９２側に接続されている場合に実行するＬＤ１５ａ〜１５ｅの発光量の制御について説明する。
図８は、供給される電流値Ｉ（Ａ）に対するＬＤ１５ｅ（他のＬＤ１５ａ〜１５ｄについても同じ）のレーザ出力Ｐ（Ｗ）の関係を示すグラフである。実線で示すグラフは、発光性能の劣化前のＬＤ１５ｅの出力特性を示す。点線で示すグラフは劣化後のＬＤ１５ｅの出力特性を示す。図示するように、劣化したＬＤ１５ｅは、電流値Ｉ０の供給に対してレーザ出力Ｐ０だけ発光すべきところをＰ１（Ｐ０＞Ｐ１）しか発光しない。
【００７５】
発光量補正回路は、実際に供給している電流Ｉ0の値を、経時劣化に伴うＬＤ１５ｅの発光量の低下に応じてＩ1しか供給されていないように補正し、即ち、ＬＤ１５ｅの経時劣化に伴う発光量の低下に応じてフィードバック周波数信号の値を減算補正し、これによってＬＤ１５ａ〜１５ｅに供給する電流量をＩ0からΔＩだけ増加させるように働く。当該補正回路を用いることで、経時劣化によらずＬＤ１５ａ〜１５ｅの発光量を一定に維持することができる。
【００７６】
発光量補正回路は、加減算器９０、ΔＩ／周波数変換器（図中、ΔＩ／Ｆと表す）１１０、及び、加減算器１１１で構成される。加減算器９０は、電流量検出器８２による検出値から、光検出器８５の出力値を減算し、減算して得られる信号をΔＩ／周波数変換器１１０に出力する。ΔＩ／周波数変換器１１０は、入力される減算結果信号に比例して特定される補正周波数信号を出力する。加減算器１１１は、電流／周波数変換器９４より出力されるフィードバック周波数信号から、上記補正周波数信号を差し引いた信号を、経時劣化した実際のＬＤ１５ｅの発光量を反映させた信号として、周波数加減算器９６に出力する。
【００７７】
なお、上記ΔＩ／周波数変換器１１０は、入力される減算結果、即ち、電流量検出器８２による検出値から光検出器８５の出力値を差し引いた値が、所定のしきい値を越えた場合、一定の補正周波数信号を出力するように設定しておく。これにより、光検出器８５が壊れた場合に、フィードバック量が０になり、ＬＤ１５ａ〜１５ｅに急に大電流が流れ、ＬＤ１５ａ〜１５ｅが壊れることを防止することができる。
【００７８】
【発明の効果】
請求項１に記載のレーザ加熱装置は、シャットダウン回路により、ＬＤモジュールの給電端子と接地端子間の電位差が所定の範囲外になった際に、直ちにＬＤモジュールへの給電を停止することができる。これにより、配線不良等によりサージが発生した場合にＬＤが壊れるのを防止すると共に、ＬＤモジュールを構成するＬＤの一部が劣化又は壊れた場合に生じる電圧変動に対して他のＬＤを効果的に保護する。
更に、保護回路を備えたことで、電源からの給電時以外はＬＤモジュールの給電端子と接地端子を短絡しておくことができ、電源からＬＤモジュールと保護回路とへの給電開始時には、まず、Ｂ接型スイッチ回路をオフにしてＬＤモジュールの給電端子と接地端子との間を開放した後に、ＬＤモジュールへの給電を開始することができ、組立時等の給電開始時に静電気が印加されてＬＤモジュールのＬＤが壊れることを有効に防止することができる。
【００７９】
請求項２に記載のレーザ加熱装置は、シャットダウン回路により、ＬＤモジュールの給電端子と接地端子間の電位差が所定の範囲外になった際に、直ちにＬＤモジュールへの給電を停止することができる。これにより、配線不良等によりサージが発生した場合にＬＤが壊れるのを防止すると共に、ＬＤモジュールを構成するＬＤの一部が劣化又は壊れた場合に生じる電圧変動に対して他のＬＤを効果的に保護する。
更に、保護回路を備えたことで、通常の駆動前にＬＤが逆極性に接続されていないか、ＬＤモジュール内で配線がショート又は切断されていないかを調べることが可能となり、ＬＤモジュール内のＬＤの破壊を未然に防止することができる。
【００８０】
請求項３に記載のレーザ加熱方法は、ＬＤモジュールの給電端子と接地端子間の電位差が所定の範囲外になった際に、直ちにＬＤモジュールへの給電を停止することができる。これにより、配線不良等によりサージが発生した場合にＬＤが壊れるのを防止すると共に、ＬＤモジュールを構成するＬＤの一部が劣化又は壊れた場合に生じる電圧変動に対して他のＬＤを効果的に保護しながら、レーザ光による被加熱物の加熱を実行することができる。
更に、通常の駆動前にＬＤが逆極性に接続されていないか、ＬＤモジュール内で配線がショート又は切断されていないかを調べることが可能となり、ＬＤモジュール内のＬＤの破壊を未然に防止しつつ、レーザ光による被加熱物の過熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  レーザ加熱装置の全体構成図である。
【図２】  レーザ加熱装置の内部構成を示す図である。
【図３】  ＬＤの給電端子と接地端子間の電位差に対するＬＤに供給する電流値の関係を示すフラグである。
【図４】  ＬＤに供給する電流値に対するＬＤの発光効率η（％）を点線で示し、上記電流値に対するレーザ出力Ｐ（Ｗ）の関係を実線で示すグラフである。
【図５】  ＬＤに供給するパルス状の電流を示す図である。
【図６】  ＬＤに供給するパルス状の電流の単位時間当たりの繰り返し回数、即ちデューティ比を変更した場合のレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図７】  実施の形態２にかかるレーザ加熱装置の構成を示す図である。
【図８】  初期と劣化後のＬＤについての供給電流に対するレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図９】  従来のレーザ加熱装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２００  レーザ加熱装置、２  ＬＤヘッド、３  電源、４  レーザ光、５  被加熱物、１０  ＬＤモジュール、１０ａ  供給口、１０ｂ  排水口、１１  第１光学系、１２  第２光学系、１５ａ〜１５ｅ  ＬＤ、１７  吸熱部、１８  ファン、１９  Ｂ接型リレースイッチ、２１  温度センサ、２４  リレー、３０  給水装置、３３  冷蔵室、５５ａ  フォトダイオード、５５ｂ  フォトトランジスタ、５７  定電圧源、５９  比較器、６０  シャットダウン回路、６１  制御回路、６２，６３  スイッチングトランジスタ、８２  ９０，９６  加減算器、９３  スイッチ、９４  電流／周波数変換器、９５  電圧／周波数変換器、９８  ＤＣ／ＡＣコンバータ、１００  ＡＣ／ＤＣコンバータ。
【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】
0004330250.tif 000007
【図７】
0004330250.tif 000008
【図８】
0004330250.tif 000009
【図９】
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