(57)【要約】【課題】  使い勝手のよいレーザダイオード駆動回路とこの回路を用いたレーザ溶着電源を提供する。【解決手段】  本発明になるレーザダイオード駆動回路とレーザ溶着電源は、予め設定されたレーザ出力／駆動電流変換テーブルをもとにして、オペレータが設定するレーザ出力に対応したレーザダイオード駆動電流でレーザダイオードを駆動したときに検出されたレーザ出力を検出し、設定されたレーザ出力と検出されたレーザ出力との差分を算出し、この差分が予め定められた第１閾値と第２閾値との間あるときに前記変換テーブルの更新時期の到来を報知することを特徴とするものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードの駆動電流を検出し、フィードバック制御により前記レーザダイオードの駆動電流を制御することで設定されたレーザ出力を得るようにしたレーザダイオード駆動回路であって、
前記レーザダイオードのレーザ出力を検出するレーザ出力検出部と、
前記レーザダイオードの駆動電流を検出する駆動電流検出部と、
前記レーザダイオードの発光特性に基づいてレーザ出力と駆動電流との関係からなる発光特性保存部と、
前記発光特性保存部のデータを更新する基準となる第1閾値と前記レーザダイオードの駆動を停止する基準となる第１閾値より大きい値の第２閾値とを設定すること；別途設定されたレーザ出力を受けて前記発光特性保存部から駆動電流を読み出し、この駆動電流で前記レーザダイオードを駆動すること；このとき前記レーザ出力検出部からの検出レーザ出力を入力すること；前記設定レーザ出力と前記検出レーザ出力との差分を算出すること；この差分と第１閾値および第２閾値と比較して、この差分が第１閾値以上第２閾値未満のときは前記発光特性保存部のデータの更新時期の到来を報知し、第２閾値以上のときは前記レーザダイオードの駆動を停止することを実行する制御部と
を具備することを特徴とするレーザダイオード駆動回路。
【請求項２】
前記発光特性保存部は、前記レーザダイオードの発光特性に基づいて作成されたレーザ出力／駆動電流変換テーブルであることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード駆動回路。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザダイオード駆動回路を備えることを特徴とするレーザ溶着電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶着電源に係り、この電源に用いられるレーザダイオードの駆動電流を制御するレーザダイオード駆動回路、特にレーザダイオードの経年変化による劣化に対応する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロセス制御に光を使用しているアプリケーションでは、多くの場合照度を一定に維持することがきわめて重要である。一般にレーザダイオードを光源に使用して照度を得るには、最初に校正を行うが、光源は使用環境や時間の経過により劣化する。つまり、レーザダイオードは経年変化に伴って駆動電流に対する発光特性が劣化し光量が低下する。このため、工場出荷時点の発光量を、時間の経過によらず一定に保つことが求められる場合は発光をモニタする制御回路が必要で、照度が一定になるように発光源の駆動電流を制御しなければならない。このような方式は、正確な照度を測定する測光アプリケーション、サーボ機構で正確な光学的位置合わせを実現する制御アプリケーションのみならず、レーザ照射部の発熱を利用した溶着アプリケーションでも採用されている。
【０００３】
このような目的を持ったレーザダイオード駆動制御回路として、例えば特許文献１に開示されているＡＣＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式によるものと特許文献２に開示されているＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式によるものとが従来から知られている。また、特許文献３に開示されているようにＡＰＣ方式にレーザダイオード駆動電流の制限回路を付加するものも従来から知られている。
次に、この従来例によるレーザダイオード駆動制御回路を図２、図３及び図４を用いて説明する。
【０００４】
図２は従来のＡＣＣ方式レーザダイオード駆動制御回路を示すブロック図である。図において、レーザダイオード２３ａには、ＦＥＴ駆動回路５１及び電流モニタ回路６１が直列に接続されて、そのレーザダイオード２３ａ、ＦＥＴ駆動回路５１及び電流モニタ回路６１間に所定の電源電圧Ｖｄｄが印加される。電流モニタ回路６１は、そのときの駆動電流Ｉをモニタすると共に電圧Ｖｍに変換し、電流制御回路７１はそのモニタ電圧Ｖｍと基準電圧源８１からの基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その差分により差動信号Ｖｄを出力して駆動電流Ｉを制御する。このように、レーザダイオード２３ａを流れる駆動電流Ｉを検出して制御することによって安定したレーザ光を得ることができる。
【０００５】
図３は従来のＡＰＣ方式レーザダイオード駆動制御回路を示すブロック図である。図において、レーザダイオード２３ｂには、ＦＥＴ駆動回路５２が直列に接続されて、そのレーザダイオード２３ｂ及びＦＥＴ駆動回路５２間に所定の電源電圧Ｖｄｄが印加される。フォトダイオード６２は、そのときのレーザダイオード２３ｂのレーザ光を受光し、そのモニタ電流Ｉｍは可変抵抗Ｒｍによってモニタ電圧信号Ｖｍに変換され差動回路７２に入力される。差動回路７２は、そのモニタ電圧信号Ｖｍと、基準電圧源８２からの基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その差分により差動信号Ｖｄを出力して駆動電流Ｉを制御する。このように、レーザダイオード２３ｂのレーザ光を検出して制御することによって安定したレーザ光を得ることができる。
【０００６】
図４は従来のＡＰＣ方式に電流制限回路が付加されているものである。図４において、２３ｃはレーザダイオード（ＬＤ）、５３はトランジスタ、６３は電流検出部、６５は比較部、９１は光出力制御部、７３は駆動電流制御部、６９は光検出部、Ｖｃｃは電源電圧である。
【０００７】
電流検出部６３は、トランジスタ５３を介してレーザダイオード２３ｃに供給される駆動電流を、図示を省略した抵抗等の電圧降下として検出するものであり、その検出信号を比較部６５に加える。比較部６５は、スイッチ等により設定或いはレジスタ等にセットされた設定リミット値と電流検出部６３からの検出信号と比較する。又光出力制御部９１は、レーザダイオード２３ｃの後方の出力光をフォトダイオード等からなる光検出部６９により検出した検出信号と基準値とを比較して、その出力光の検出信号が基準値となるように駆動電流制御部７３に制御信号を加える。
【０００８】
駆動電流制御部７３は、駆動電流が設定値を超えたことを示す比較部６５からの比較出力信号が加えられていない時は、光出力制御部９１からの制御信号に従ってトランジスタ５３を制御し、レーザダイオード２３ｃに供給する駆動電流を制御するものであり、それによって、レーザダイオード２３ｃの光出力が安定化される。比較部６５から比較出力信号が駆動電流制御部７３に加えられると、駆動電流制御部７３は、光出力制御部９１から駆動電流を増大することを示す制御信号が加えられても、トランジスタ５３を介して供給される駆動電流を制限する。従って、レーザダイオード２３ｃを過大電流から保護することができる。
【０００９】
【特許文献１】特公平４−５９７９８号公報
【特許文献２】特開平２−１５９７８０号公報
【特許文献３】特開平５−２５９５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、いずれの制御方式を採用した場合でも、本来検出しなければならないレーザ光が照射される点のレーザ出力を検出していない。つまり、ＡＰＣ方式の場合はレーザ出力の一部を検出しているに過ぎず、ＡＣＣ方式の場合にはレーザ出力の替わりにレーザダイオードの駆動電流を検出しているに過ぎない。そして、レーザダイオードは発光特性を有しており、この発光特性は経年変化等により変化することが知られている。
【００１１】
この経年変化による発光特性の変化はＡＰＣ方式の場合はレーザ出力の一部を検出してフィードバック制御しているので変化に追随できるので問題にはならないが、レーザ検出部がレーザダイオードのレーザ出力の全てではないので、個々のレーザ光検出部の検出率に合わせた回路構成としなければならないという欠点があった。また、レーザ光の検出をフォトダイオードで行っているような場合にはフォトダイオードの受光特性が変化するという欠点があった。一方、ＡＣＣ方式の場合は発光特性に合わせた駆動電流でレーザダイオードを発光させているので、発光特性の変化の影響をそのまま受けてしまうという欠点があった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＡＣＣ方式とＡＰＣ方式の利点を考慮して、レーザダイオードのレーザ出力の制御方式としては個々のレーザダイオードの発光特性に応じたレーザ出力と駆動電流との関係からなる発光特性保存部を用いたＡＣＣ方式を採用し、併せてＡＰＣ方式の構成であるレーザ出力の一部を検出して、発光特性の変化を検出し、この検出結果の度合により、ＡＣＣ方式の前記発光特性保存部のデータを更新する時期の到来を報知することで信頼性の高いレーザダイオード駆動回路とこの回路を用いるレーザ溶着電源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】
【００１３】
請求項１に係る発明になるレーザダイオード駆動回路は、レーザダイオードの駆動電流を検出し、フィードバック制御により前記レーザダイオードの駆動電流を制御することで設定されたレーザ出力を得るようにしたレーザダイオード駆動回路であって、前記レーザダイオードのレーザ出力を検出するレーザ出力検出部と、前記レーザダイオードの駆動電流を検出する駆動電流検出部と、前記レーザダイオードの発光特性に基づいてレーザ出力と駆動電流との関係からなる発光特性保存部と、前記発光特性保存部のデータを更新する基準となる第1閾値と前記レーザダイオードの駆動を停止する基準となる第１閾値より大きい値の第２閾値とを設定すること；別途設定されたレーザ出力を受けて前記発光特性保存部から駆動電流を読み出し、この駆動電流で前記レーザダイオードを駆動すること；このとき前記レーザ出力検出部からの検出レーザ出力を入力すること；前記設定レーザ出力と前記検出レーザ出力との差分を算出すること；この差分と第１閾値および第２閾値と比較して、この差分が第１閾値以上第２閾値未満のときは前記発光特性保存部のデータの更新時期を報知し、第２閾値以上のときは前記レーザダイオードの駆動を停止する制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２に係る発明になるレーザダイオード駆動回路は、前記発光特性保存部を前記レーザダイオードの発光特性に基づいて作成されたレーザ出力／駆動電流変換テーブルとすることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に係る発明になるレーザ溶着電源は、請求項１または請求項２に係る発明になるレーザダイオード駆動回路を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前記のような構成を採用することとしたので、レーザダイオードのレーザ出力とこのレーザ出力を得るための駆動電流との関係からなる発光特性保存部のデータの更新時期が明確になるので、時時刻刻とレーザ出力を変化させなければならないような用途においてに不適切なレーザ出力を防止することができるレーザダイオード駆動回路とこの回路を用いるレーザ溶着電源を提供することができる（請求項１〜３）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に本発明について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明になるレーザダイオード駆動回路の１実施形態の要部ブロック図である。また、図１はレーザダイオードからのレーザ光を溶着対象物に照射することで本発明になるレーザ溶着電源の要部ブロック図でもある。
【００１８】
図１において、１は駆動電流制御信号によりレーザ駆動用直流電源ユニット２１からレーザダイオード２３に駆動電流を供給するレーザ駆動部、２は設定されたレーザ出力を得るための設定駆動電流とフィードバックされた検出駆動電流とを比較し、設定電流値とフィードバック電流値の差異をなくすようにレーザダイオード２３の駆動電流を制御する前記駆動電流制御信号を生成するレーザ出力制御部、３はレーザダイオード２３の駆動電流を検出し、この検出駆動電流をレーザ出力制御部２にフィードバックすると共にＣＰＵバス９を介して制御部４にフィードバックする駆動電流検出部である。
【００１９】
レーザ駆動部１は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴで構成し、レーザ出力制御部２では設定駆動電流と検出駆動電流の差分に応じて差分が大きいときにはより高い電圧の、差分が小さいときにはより低い電圧の駆動電流制御信号を生成し、この駆動電流制御信号の電圧に応じて前記パワーＭＯＳＦＥＴのゲートソース間の電圧を変化させることでレーザダイオード２３の駆動電流をリニアに変化させて設定した駆動電流になるようにする。
【００２０】
４は制御部で、ＣＰＵ４１とユーザインタフェース機能、レーザ出力制御機能、レーザ出力／駆動電流変換テーブル（以下、単に変換テーブルともいう。）作成／更新機能等を有するプログラムを格納するＲＯＭ４２およびプログラム実行時に必要なデータと変換テーブルを更新する基準となる第1閾値と前記レーザダイオードの駆動を停止する基準となる第１閾値より大きい値の第２閾値とを格納するＲＡＭ４３とからなる。
【００２１】
５は本発明になるレーザダイオード駆動回路を使用するために必要なスイッチや表示器からなる操作部、６はレーザダイオード２３の発光特性に基づいてレーザ出力と駆動電流との関係からなる発光特性保存部の１例である発光特性に合わせて作成されたレーザ出力と対応する駆動電流とからなるレーザ出力／駆動電流変換テーブルである。
【００２２】
７は操作／表示部５をオペレータが操作することにより所望のレーザ出力が設定されたときに制御部４の制御により、レーザ出力／駆動電流変換テーブル６から対応する駆動電流を読み出し、設定される駆動電流設定部、８はレーザダイオード２３の照射するレーザ出力のうち予め定められた一部を検出し、ＣＰＵバス９を介して制御部４に送出するレーザ出力検出部、９はＣＰＵ４１とＲＯＭ４２等のＣＰＵ４１とのデータの授受が必要なブロックとを接続するＣＰＵ４１のアドレスおよびデータバスからなるＣＰＵバスである。
【００２３】
次に、このようなレーザ溶着電源でもあるレーザダイオード駆動回路の動作について説明する。前述のようにレーザダイオード２３は個々のレーザダイオードで異なる発光特性を有しているので実際に使用するレーザダイオードの発光特性に合わせてレーザ出力／駆動電流変換テーブルを作成しておく必要がある。
【００２４】
［レーザ出力／駆動電流変換テーブルの作成］
レーザ出力／駆動電流変換テーブル６の作成について説明する。
実際にレーザ出力／駆動電流変換テーブル６を作成するために、適当な分解能を保持しながら駆動電流を設定しつつレーザ出力を検出していくのは大変な作業である。そこで、レーザダイオードのレーザ駆動電流とレーザ出力とがほぼ正比例する関係にあることに着目して、レーザダイオードの発光特性をレーザ駆動電流とレーザ出力との一次関数としてこの変換テーブルを作成する。
【００２５】
この実際のレーザ出力／駆動電流変換テーブル６の作成は例えば次のようにして実行する。
まず、光パワーメータを準備し、この光パワーメータに直接レーザダイオード２３からのレーザ光が照射されるような構成とする。
そして、前述のようにレーザダイオードの発光特性を線形なものとみなしているので、オペレータは適当な間隔の駆動電流Ｉ１、Ｉ２（Ｉ２＞Ｉ１）を設定する。なお、この駆動電流Ｉ１は実際に使用するレーザダイオード２３の最小レーザ出力を得るための駆動電流よりは大きく、駆動電流Ｉ２は最大レーザ出力を得るための駆動電流よりは小さい値とする。
【００２６】
したがって、駆動電流Ｉ１とＩ２との間を適当な分解能が得られる間隔で分割し、この間隔を用いてレーザダイオード２３の全ての発光領域における駆動電流を算出し、この駆動電流を用いてレーザ出力を算出してこの変換テーブル６を作成することができる。こうしてレーザ出力／駆動電流変換テーブル６が完成する。
なお、本例では発光領域全域で線形としているが、区分的に線形と仮定できる場合には区分毎に一次関数を求めることで変換テーブル６を作成することができる。
【００２７】
また、本例では２点しか測定しないので、測定結果をオペレータによる入力としたが、多点になるときは、光パワーメータに外部出力インターフェース（例えばＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ））が備えてあれば、このレーザダイオード駆動回路にも対応するインタフェースを備え、測定値の入力機能を制御部４に付加することで自動的に入力することができる。
【００２８】
このとき、同時にレーザダイオード２３から一部のレーザ出力を検出するレーザ出力検出部８を介してレーザ出力をＣＰＵ４１に読み込んでおく。こうすることで、実際の検出割合を正確に知ることができる。
【００２９】
［発光特性の劣化の検出］
次に、このように変換テーブル６が完成されたレーザダイオード駆動回路の動作を説明しながら発光特性の劣化にについて説明する。
オペレータが操作／表示部５からレーザ出力を設定すると、制御部４はこの設定を読み込み、レーザ出力／駆動電流変換テーブル６から対応する駆動電流を読み出す。そして、制御部４はこの駆動電流を駆動電流設定部７に設定することで、この設定された駆動電流がレーザ出力制御部２に出力される。一方、レーザダイオード２３の駆動電流は駆動電流検出部３で検出され、制御部４に送られると共にレーザ出力制御部２にも送られる。
【００３０】
レーザ出力制御部２では設定された駆動電流と検出された駆動電流とが比較され、設定された駆動電流を流すような駆動電流制御信号が出力され、この駆動電流制御信号に応じて、レーザ駆動部１の駆動電流が変化する。このような駆動電流フィードバック制御が行われ、設定された駆動電流がレーザダイオード２３に流れるようになる。このようにしてレーザダイオード２３が設定された出力で発光し、レーザ光が溶着対象物に照射される。
このときレーザダイオード２３に流れる実際の駆動電流は前述のように駆動電流検出部３を介して制御部４に送られているので、制御部４は設定された駆動電流でレーザダイオード２３が駆動されていることを認識することができる。
【００３１】
一方、レーザダイオード２３からのレーザ出力の一部はレーザ出力検出部８により、常時検出され、その結果は制御部４に送られている。また、制御部４はこの検出されたレーザ出力がレーザダイオード２３からの全レーザ出力のうちどの程度の割合かを正確に知っているのでこの割合から算出することで全レーザ出力を正確に知ることができる。
このようにして、制御部４は設定した駆動電流と検出した駆動電流の差分がなくなった時の設定したレーザ出力と検出したレーザ出力を知ることができる。
【００３２】
この時点で、制御部４は設定したレーザ出力から検出したレーザ出力を減算し、この減算結果と予め決められた第１閾値と第２閾値と比較する。そして、減算結果が第１閾値以下であれば変換テーブル６を更新しなければならない程レーザダイオード２３の発光特性は劣化していないと判断する。一方、第１閾値を超え、第２閾値未満である場合は、レーザダイオード２３の発光特性の劣化が進行しているが、交換時期と判断するまでには至っていないと判断して変換テーブル６を更新時期の到来の報知を行う。
【００３３】
さらに、第２閾値を超えた場合は、レーザダイオード２３は発光特性の劣化が著しく、交換時期を向かえたと判断し、交換時期の到来を報知する。これらの報知は操作／表示部５に設けられた表示器（例えば発光ダイオード）を点灯させることで実現する。また、必要であれば、ブザーを設けて、ブザー音で報知することで警告効果を上げてもよい。
【００３４】
こうして、変換テーブル６の更新時期の到来が報知されたときには、オペレータはレーザ溶着電源（レーザダイオード駆動回路）の使用を中止し、変換テーブル６の更新を行う。
一方、交換時期の到来が報知されたときにも使用を中止し、このときはレーザダイオード２３の交換を行う。
【００３５】
なお、このような交換テーブル６の更新やレーザダイオード２３の交換を実際にレーザ溶着電源（レーザダイオード駆動回路）使用中に行う必要がないように、第１閾値と第２閾値とは実用上問題とはならないように設定しておく。
【００３６】
以上の説明では、レーザダイオード２３からの照射されるレーザ光を直接溶着対象に照射しているが、レーザダイオード２３からのレーザ光を先端に射出部を設けた光ファイバーケーブルで所定の位置まで導くようにすることで、ある程度自由な位置に置かれた溶着対象物を溶着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は本発明になるレーザダイオード駆動回路の要部ブロック図である。
【図２】従来のレーザダイオード駆動回路の１例である。
【図３】従来のレーザダイオード駆動回路の他の１例である。
【図４】従来のレーザダイオード駆動回路のもう１つの他の１例である。
【符号の説明】
【００３８】
１  レーザ駆動部
２  レーザ出力制御部
３  駆動電流検出部
４  制御部
５  操作／表示部
６  レーザ出力／駆動電流変換テーブル
７  駆動電流設定部
８  レーザ出力検出部
９  ＣＰＵバス
２１  レーザダイオード駆動用直流電源ユニット
２３  レーザダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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