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1. (WO2015145742) レーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置
Document

明 細 書

発明の名称 レーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006  

先行技術文献

特許文献

0007  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0008   0009   0010   0011  

課題を解決するための手段

0012   0013  

発明の効果

0014  

図面の簡単な説明

0015  

発明を実施するための形態

0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053  

産業上の利用可能性

0054  

請求の範囲

1   2   3   4  

図面

1   2   3   4  

明 細 書

発明の名称 : レーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置

技術分野

[0001]
 本発明は、レーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置に関する。

背景技術

[0002]
 レーザダイオードは、光学素子、電子部品等のレーザ装置を構成する部品の中で比較的寿命が短いことが知られている。また、レーザダイオードは、動作温度が高くなるにつれて、寿命が短くなることが知られている。このため、レーザダイオードを使用したレーザ装置では、レーザダイオードの寿命にレーザ装置の寿命が左右される。
[0003]
 複数のレーザダイオードを並列又は直列に接続することにより、高輝度のレーザビーム出力を得る方法においては、レーザダイオードを長寿命化させる手法が提案されている。
[0004]
 特許文献1では、複数のレーザダイオードを並列に接続し、高輝度のレーザビーム出力を得ている。いずれか1つのレーザダイオードが故障したことを受光手段が検知すると、故障したレーザダイオードの駆動電流をオフさせる。また、故障していないレーザダイオードの駆動電流を増やし、レーザダイオード全体の出力を一定に保持している。このため、レーザ装置の寿命が延びる。
[0005]
 特許文献2では、複数のレーザダイオードを直列に接続し、高輝度のレーザビーム出力を得ている。複数のレーザダイオードを任意のグループごとに直列に接続し、放熱がしやすい場所に配置されたレーザダイオードにおいては、駆動電流を大きくすることで大きな出力を得る。一方、放熱しにくい場所に配置されたレーザダイオードにおいては、駆動電流を小さくすることで小さい出力が得られるが、発熱が小さくなる。このため、複数のレーザダイオードの動作温度のムラが抑えられるため、レーザダイオードの寿命が平均化され、レーザ装置の寿命が延びる。
[0006]
 特許文献3に記載された励起光源装置は、複数のレーザダイオードが直列に接続されると共に、それぞれのレーザダイオードが、レーザダイオードよりも降下電圧が大きいバイパス回路と並列に接続されている励起光源回路と、励起光源回路全体での降下電圧の変化に基づいてレーザダイオードの故障を検出する故障検出回路とを備えている。

先行技術文献

特許文献

[0007]
特許文献1 : 特開2004-214225号公報
特許文献2 : 特開2013-8950号公報
特許文献3 : 特開2011-199079号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0008]
 しかしながら、特許文献1では、全てのレーザダイオードからの出力に対して、フォトダイオードなどの受光手段により出力を検知する必要がある。このため、受光手段を配置することによりコスト、調整手間が増加し、また、受光手段における出力損失が大きくなる。
[0009]
 また、特許文献2では、レーザダイオードの寿命バラツキにより、レーザダイオードが早く故障してしまった場合には、故障したレーザダイオードに無駄な電力を投入することになり、発熱量が増加してしまう。また、故障したレーザダイオードの発熱により、他の故障していないレーザダイオードの温度が上昇するおそれがあった。
[0010]
 また、特許文献3では、レーザダイオードの故障を検出するのみであり、レーザダイオードの長寿命化を図ることはできなかった。
[0011]
 本発明は、コストを低減し且つ無駄な発熱を減らしてレーザダイオード及びレーザ装置の長寿命化を図ることができるレーザダイオードの駆動回路及び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

[0012]
 上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザダイオードの駆動回路は、直列に接続された複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードの両端に印加される可変電圧源と、前記複数のレーザダイオードに対応して設けられ、各々のレーザダイオードの両端に接続され、前記レーザダイオードの故障を検出するとともに前記レーザダイオードをバイパスさせる複数のバイパス回路と、前記複数のバイパス回路からの前記レーザダイオードの故障時に前記可変電圧源の電圧値を低下させる電源電圧制御回路とを備える。
[0013]
 レーザ装置は、レーザダイオードの駆動回路と、前記複数のレーザダイオードの各々から出力されるレーザ光を合成する合波部と、前記合波部で合成されたレーザ光を収束する収束部とを備える。

発明の効果

[0014]
 本発明によれば、コストを低減し且つ無駄な発熱を減らしてレーザダイオード及びレーザ装置の長寿命化を図ることができるレーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0015]
[図1] 図1は本発明の実施形態に係るレーザダイオードの駆動回路を含むレーザ装置の構成を示す図である。
[図2] 図2は本発明の実施形態に係る実施例1のレーザダイオードの駆動回路内のショート故障検知回路及びバイパス回路の詳細を示す図である。
[図3] 図3は本発明の実施形態に係る実施例2のレーザダイオードの駆動回路内のショート故障検知回路、オープン故障検知回路及びバイパス回路の詳細を示す図である。
[図4] 図4は本発明の実施形態に係るレーザダイオードの駆動回路においてレーザダイオードが故障したときにレーザ駆動電圧を下げる例を示す図である。

発明を実施するための形態

[0016]
 以下、本発明の実施形態に係るレーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置が、レーザ加工装置に適用される場合について、図面を参照しながら詳細に説明される。
[0017]
 本発明の実施形態に係るレーザ装置は、レーザダイオードの駆動回路を含み、図1に示すように、励起光を出射する直列に接続された複数のレーザダイオード11a~11cの各々から出力されるレーザ光を合波部18で合成して加工対象物21に照射し該加工対象物21を加工する。合波部18で合成されたレーザ光は、光ファイバ19を通り、収束レンズ20(本発明の収束部に対応)で収束されて加工対象物21に照射される。
[0018]
 レーザダイオードの駆動回路は、以下のように構成される。レーザダイオード11aのアノードには抵抗R1を介して可変電圧源10の正極が接続され、可変電圧源10の負極は接地されている。
[0019]
 レーザダイオード11cのカソードにはN型のMOSFET13の一端が接続され、MOSFET13の他端は接地されている。MOSFET13は、複数のレーザダイオード11a~11cに定電流を流す。
[0020]
 レーザダイオード11aの両端にはバイパス回路12aが接続されている。バイパス回路12aは、レーザダイオード11aに故障が発生したときに、レーザダイオード11aを介さずに電流をバイパスさせ且つレーザダイオード11aの故障を検知したことを示す第1故障検知信号をモニタ回路15に出力する。
[0021]
 レーザダイオード11bの両端にはバイパス回路12bが接続されている。バイパス回路12bは、レーザダイオード11bに故障が発生したときに、レーザダイオード11bを介さずに電流をバイパスさせ且つレーザダイオード11bの故障を検知したことを示す第2故障検知信号をモニタ回路15に出力する。
[0022]
 レーザダイオード11cの両端にはバイパス回路12cが接続されている。バイパス回路12cは、レーザダイオード11cに故障が発生したときに、レーザダイオード11cを介さずに電流をバイパスさせ且つレーザダイオード11cの故障を検知したことを示す第3故障検知信号をモニタ回路15に出力する。
[0023]
 モニタ回路15は、バイパス回路12a~12cに接続され、バイパス回路12a~12cから送られてくる故障検知信号をモニタし、故障検知信号の数、即ち、故障したレーザダイオードの数をマイクロコンピュータ17に出力する。モニタ回路15は、バイパス回路12に流れる電流により発生する電圧値を検出するオペアンプなどである。
[0024]
 マイクロコンピュータ17は、モニタ回路15から送られてくる故障したレーザダイオードの数に対応する電圧値、即ちレーザダイオードの順方向降下電圧VFに、故障したレーザダイオードの数を乗じた電圧値を電源電圧制御回路14に出力する。電源電圧制御回路14は、マイクロコンピュータ17から送られてくるレーザダイオードの順方向降下電圧VFに、故障したレーザダイオードの数を乗じた電圧値だけ可変電圧源10の電圧を下げる。
[0025]
 電流制御回路16は、マイクロコンピュータ17から送られてくる故障したレーザダイオードの数に応じて、MOSFET13の定電流を制御する。電流制御回路16は、トランジスタに流すベース電流の大小を制御する方式や、FETのゲート電圧の大小を制御する方式により、一定電流を流す回路である。
[0026]
 図2は本発明の実施形態に係る実施例1のレーザダイオードの駆動回路内のショート故障検知回路及びバイパス回路の詳細を示す図である。図2では、レーザダイオード11aについてのショート故障検知回路及びバイパス回路の構成を示したが、レーザダイオード11b,11cについてのショート故障検知回路及びバイパス回路の構成も同様である。
[0027]
 レーザダイオード11aのアノードには、ダイオード22のアノードが接続され、ダイオード22のカソードはコンパレータ23の非反転入力端子(+端子)に接続されている。レーザダイオード11aのカソードは、コンパレータ23の反転入力端子(-端子)に接続されている。ダイオード22とコンパレータ23とでレーザダイオード11aのショート(短絡)故障を検出するショート故障検知回路を構成する。
[0028]
 コンパレータ23の出力端子は、P型のMOSFETQ1のゲートGとモニタ回路15とに接続されている。MOSFETQ1のソースSは、レーザダイオード11aのアノードとダイオード22のアノードとに接続されている。MOSFETQ1のドレインDは、レーザダイオード11aのカソードに接続されている。MOSFETQ1は、レーザダイオード11aが故障したときにレーザダイオード11aを介さずに電流をパイバスさせる。
[0029]
 次に、このように構成される実施形態の実施例1のレーザダイオードの駆動回路の動作を図2を参照しながら詳細に説明する。
[0030]
 まず、通常の状態では、可変電圧源10→抵抗R1→レーザダイオード11a→レーザダイオード11b→レーザダイオード11c→MOSFET13の経路で電流が流れる。レーザダイオードの順方向降下電圧を2V、ダイオードの順方向降下電圧を0.6Vとすると、コンパレータ23の+端子電圧は-端子電圧よりも約1.4V大きくなり、コンパレータ23の出力はHレベルとなる。このとき、バイパス回路12a内のMOSFETQ1はオフとなるため、バイパス回路12aには電流は流れない。
[0031]
 一方、レーザダイオード11aがショート故障した場合には、レーザダイオード11aの順方向降下電圧が略0Vとなり、ダイオード22の順方向降下電圧(例えば0.6V)よりも小さくなる。このとき、コンパレータ23の出力はLレベルとなり、バイパス回路12aのMOSFETQ1はオンするので、バイパス回路12aに電流が流れる。
[0032]
 また、コンパレータ23から出力されるLレベルは、レーザダイオード11aのショート故障検知信号としてモニタ回路15に出力され、ショート故障検知信号はマイクロコンピュータ17に送られる。従って、レーザダイオード11aの故障を検知することができる。 
[0033]
 次に、図3を参照しながら、実施例2のレーザダイオードの駆動回路内のショート故障検知回路、オープン故障検知回路及びバイパス回路の構成を説明する。図3に示す実施例2では、図2に示す実施例1に対して、さらに、オープン故障検知回路31を備えたことを特徴とする。ショート故障検知回路30は、図2に示す構成と略同じであるが、コンパレータ23の出力端子がアンド回路34に接続されている点が異なる。
[0034]
 オープン故障検知回路31は、差動増幅回路32、コンパレータ33とを備える。差動増幅回路32は、レーザダイオード11aの端子間電圧を増幅してコンパレータ33の反転入力端子に出力する。
[0035]
 コンパレータ33は、差動増幅回路32から出力される電圧が非反転端子に印加される電圧Vset以上であるときにHレベルをアンド回路34に出力し、差動増幅回路32から出力される電圧が電圧Vset未満であるときにLレベルをアンド回路34に出力する。電圧Vsetは、レーザダイオード11aがショート故障した時に、コンパレータ33がHレベルとなり、且つレーザダイオード11aがオープン故障した時に、コンパレータ33がLレベルとなる電圧に設定される。
[0036]
 次に、図3に示すショート故障検知回路、オープン故障検知回路及びバイパス回路の動作を説明する。
[0037]
 まず、レーザダイオード11aがオープン故障した場合には、レーザダイオード11aの両端電圧はレーザダイオードの順方向降下電圧よりも大きい電圧となり、差動増幅回路32からコンパレータ33の反転入力端子に出力される電圧は、電圧Vsetよりも大きくなる。このため、コンパレータ33はLレベルをアンド回路34に出力するので、MOSFETQ1がオンしてバイパス回路12aに電流が流れる。
[0038]
 また、アンド回路34からのLレベルがオープン故障検知信号としてモニタ回路15に出力されるので、マイクロコンピュータ17はレーザダイオード11aがオープン故障したことを検知することができる。
[0039]
 また、レーザダイオード11aがショート故障した場合には、実施例1で説明したように、コンパレータ23からLレベルがアンド回路34に出力されるので、アンド回路34からLレベルがMOSFETQ1に出力されて、MOSFETQ1がオンしてバイパス回路12aに電流が流れる。
[0040]
 なお、レーザダイオード11aが故障していない場合には、ショート故障検知回路30内のコンパレータ23の出力は、前述したようにHレベルとなる。一方、差動増幅回路32からの電圧は、電圧Vsetよりも小さいので、コンパレータ33は、Hレベルをアンド回路34に出力する。このため、MOSFETQ1はオフとなり、バイパス回路12aには電流は流れない。
[0041]
 次に、図4を参照しながら、レーザダイオードが故障したときにレーザ駆動電圧を下げる具体例を説明する。
[0042]
 例えば、レーザダイオード11bが故障した場合には、バイパス回路12bがレーザダイオード11bを介さずに電流をバイパスさせ、モニタ回路15は、レーザダイオード11bが故障したことを検知して、マイクロコンピュータ17に出力する。
[0043]
 マイクロコンピュータ17は、レーザダイオード11bの順方向効果電圧VFを電源電圧制御回路14に出力する。電源電圧制御回路14は、マイクロコンピュータ17から送られてくるレーザダイオード11bの順方向効果電圧VFだけ、可変電圧源10の電圧を下げる。
[0044]
 従って、図4に示すように、レーザダイオード11bが故障した場合、レーザ駆動に用いる電圧源の電圧値を下げることができ、MOSFET13に印加される電圧が増加しない。この結果、レーザ装置の発熱が減り、レーザ装置の長寿命化を図ることができる。
[0045]
 また、電源電圧制御回路14は、図4に示すように、レーザダイオード11a~11cの故障時のレーザダイオードの電源電圧の減少量Vdcを、レーザダイオード11a~11cの順方向降下電圧VFよりも小さい値に設定しても良い。即ち、故障時のレーザダイオードの電源電圧の減少量Vdcは、順方向降下電圧VFのバラツキを考慮して最小値にする。
[0046]
 また、電源電圧制御回路14に例えば、可変DCDCコンバータを用いることができる。可変DCDCコンバータの設定可能な電圧値が離散的である場合、MOSFET13に印加される余分な電圧が最も小さくなるように、マイクロコンピュータ17により可変電圧源10の電圧値を決定する。あるいは、可変DCDCコンバータに代えて、レーザダイオードの故障数に応じて、DCDCコンバータの出力電圧が異なるものを使用することもできる。
[0047]
 さらに、バイパス回路12a~12cにバイパスされた電流により生ずるバイパス回路12a~12cの順方向降下電圧は、レーザダイオード11a~11cの順方向降下電圧(VF例えば2V)に比べて小さく、例えば10mVとする。バイパス回路12a~12cの電圧降下は10mVより大きくてよい。
[0048]
 また、実施形態では、レーザダイオードの数は3つとしたが、レーザダイオードは、2つ以上であれば良い。
[0049]
 このように実施形態のレーザダイオードの駆動回路及びレーザ装置によれば、直列に接続された複数のレーザダイオード11a~11cの両端に印加される可変電圧源10と、複数のレーザダイオード11a~11cに対応して設けられ、各々のレーザダイオード11a~11cの両端に接続され、前記レーザダイオード11a~11cの故障を検出するとともにレーザダイオード11a~11cをバイパスさせる複数のバイパス回路12a~12cと、前記複数のバイパス回路12a~12cからのレーザダイオードの故障の数に応じて、前記可変電圧源10の電圧値を低下させる電源電圧制御回路14とが備えられる。
[0050]
 可変電圧源10の初期の電源電圧を例えばVcc、故障したレーザダイオードの数をn、レーザダイオードの順方向降下電圧をVFとすると、故障したレーザダイオードの数nに応じて、電源電圧を例えば、Vcc-(n×VF)だけ下げる。
[0051]
 これにより、レーザダイオード故障時のトランジスタなどの電流制御素子に印加される電圧VCEの増加分をVFよりも小さく抑えられ、レーザダイオード故障時の電流制御素子の発熱を抑制することができる。また、レーザダイオードが故障した場合にもレーザ装置の長寿命化を図ることができる。
[0052]
 また、受光手段素子を設けないので、コストを低減できる。また、故障したレーザダイオードに流れる電流をバイパスさせることで、無駄な発熱を減らし、他のレーザダイオードの寿命を長くすることができる。
[0053]
 なお、本発明のレーザダイオードの駆動回路は、前記したレーザ加工装置へ適用されるのに留まらず、例えば、レーザ照明装置への適用も可能である。

産業上の利用可能性

[0054]
 本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置等の高出力レーザ装置に適用可能である。

請求の範囲

[請求項1]
 直列に接続された複数のレーザダイオードと、
 前記複数のレーザダイオードの両端に印加される可変電圧源と、
 前記複数のレーザダイオードに対応して設けられ、各々のレーザダイオードの両端に接続され、前記レーザダイオードの故障を検出するとともに前記レーザダイオードをバイパスさせる複数のバイパス回路と、
 前記複数のバイパス回路からの前記レーザダイオードの故障時に前記可変電圧源の電圧値を低下させる電源電圧制御回路と、
を備えるレーザダイオードの駆動回路。
[請求項2]
 前記電源電圧制御回路は、前記複数のバイパス回路からの前記レーザダイオードの故障の数に前記レーザダイオードの順方向降下電圧を乗算した値に基づき前記電圧源の電圧値を低下させる請求項1記載のレーザダイオードの駆動回路。
[請求項3]
 前記電源電圧制御回路は、前記レーザダイオードの故障時のレーザダイオードの電源電圧の減少量は、前記レーザダイオードの順方向降下電圧よりも小さい請求項1又は2記載のレーザダイオードの駆動回路。
[請求項4]
 請求項1乃至3のいずれか1項記載のレーザダイオードの駆動回路と、
 前記複数のレーザダイオードの各々から出力されるレーザ光を合成する合波部と、
 前記合波部で合成されたレーザ光を収束する収束部と、
を備えるレーザ加工装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]