JP2009262427A - レーザ樹脂溶着機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザダイオードの経年劣化により光出力値が低下して来ても、校正開始の１操作だけで自動校正が行われ、出力値を指示するだけでその出力値が得られるレーザ樹脂溶着機の実現。
【解決手段】レーザダイオード11の電流対出力特性曲線のうち、直線近似が可能な範囲内で２つの電流値点Ｉ_１とＩ_２を選んで校正用電流値指示手段２から駆動電流設定部５へ設定指示し、その電流をレーザダイオード11に流したときの出力値Ｐ_１とＰ_２を光パワーメータ９で測定し、このＩ_１、Ｐ_１とＩ_２、Ｐ_２の２組の値から係数算出器８で近似直線式の１次係数および定数を求め、Ｐを変数とするＩの直線式をレーザ出力設定関数器４に設定し、レーザ出力値指示手段３から出力値を指示すると、その出力に必要な電流値が駆動電流設定部５へ設定されるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザを用いたレーザ樹脂溶着機におけるレーザダイオードの経年劣化等による駆動電流対レーザ出力特性の変化に応じて、レーザダイオード出力対駆動電流の近似関数の係数を補正し、経年劣化があっても、指定した通りのレーザダイオード出力が得られるようにする技術分野に属する。

レーザ樹脂溶着は、樹脂材料にレーザ光を照射して発熱させ、その熱により樹脂を溶融させて接着するものであり、その接着の品質を保つにはレーザの出力が規定値であることが必要である。然るに半導体レーザは経年劣化があり、期間が経過すると同じ駆動電流を流してもレーザ出力が低下し溶着の品質を同一に保てないことになる。
また、温度によって出力が変動する性質もある。

そこで従来は、レーザ出力を一定にするために次のような方法が採られて来た。
その１は、レーザ出力の一部を分岐して光センサで受光し、光センサの出力する光電流を電圧に変換して、この電圧を基準値と比較し、その差が小さくなるように半導体レーザの駆動回路へ負帰還をかけて、レーザの光出力が一定になるようにするという方法である（例えば、特許文献１参照）。

その２は、一定期間毎にレーザ出力を光パワーメータで実際に測定し、出力設定値が複数点（Ｐ_１、Ｐ_２…Ｐ_Ｎ）ある場合に、各設定値を指定したときの実際の光パワーメータによる測定値がＰ′_１、Ｐ′_２…Ｐ′_Ｎであった場合に、その変動率Ｐ′_１／Ｐ_１、Ｐ′_２／Ｐ_２…Ｐ′_Ｎ／Ｐ_Ｎを算出し、それを拠り所にして実際に必要な出力値を得るように設定するという方法である（出願人、発明者の実地経験および見聞による）。
特公平７−９５６０８号公報（３頁６行〜下から２行、第１図）

しかしながら、その１の方法では、レーザ出力が光センサの方へ分岐させた分だけ弱くなるうえ、分岐比率がビームモードの影響を受け易く、また、光センサは応答性の速いフォトダイオード等の半導体センサを用いる必要があるが、そのため温度ドリフトの影響を受け易いという問題がある。

その２の方法は、分岐はせず、全レーザ出力を光パワーメータで測定するから分岐上の問題はなく、また光パワーメータは温度ドリフトの影響を受けないという利点はあるが、手間がかかるうえ、はや装置の出力設定パネルに表示されている数値とは異なる出力値となるため操作者が設定ミスを犯し易いという問題がある。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ユーザ或いは操作者は、校正開始の単純操作（例えば、釦を押すとかタッチキーをタッチするとか、スイッチを入れるとか）を行いさえすれば、装置内に持っているレーザダイオード出力対駆動電流の近似関数の係数が自動校正され、レーザダイオードに経年劣化があったとしてもなおレーザ出力値を指定すれば、その通りの出力値が得られるレーザ樹脂溶着機を実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段構成を有する。
本発明の構成は、下記（イ）〜（リ）の各手段を具備することを特徴とする校正手段付レーザ樹脂溶着機である。
（イ）校正動作を開始するための校正開始手段
（ロ）レーザダイオードに流す駆動電流値を設定する駆動電流設定部
（ハ）校正開始手段に対する校正開始操作により、前記駆動電流設定部に対し、校正用の２つの電流値Ｉ_１とＩ_２（Ｉ_２＞Ｉ_１）を時を異ならせて設定指示する校正用電流値指示手段
（ニ）レーザダイオードに、前記駆動電流設定部に設定された値の電流を流すレーザ駆動部
（ホ）レーザダイオードに実際に流れている電流値を検出測定する駆動電流検出器
（へ）レーザダイオードに前記電流値Ｉ_１およびＩ_２を流したときのレーザダイオードのＩ_１およびＩ_２に対する出力パワーＰ_１およびＰ_２を測定する光パワーメータ
（ト）前記駆動電流検出器からの検出電流値Ｉ_１およびＩ_２と前記光パワーメータからの出力パワー値Ｐ_１およびＰ_２を受けて、次の数式
Ｐ＝ａＩ＋ｂ
のＩおよびＰに（Ｉ_１、Ｐ_１）および（Ｉ_２、Ｐ_２）を代入して係数ａおよび定数ｂを算出する係数算出器
（チ）所望のレーザ出力値を指示するレーザ出力値指示手段
（リ）前記係数算出器で算出された係数ａと定数ｂとを受け、前記数式の変換式である次の数式
Ｉ＝（Ｐ−ｂ）／ａ
により、前記レーザ出力値指示手段で指示されたレーザダイオード出力Ｐを出力させるために必要な電流値Ｉを算出し、前記電流値Ｉ_１、Ｉ_２の設定が終了した後の前記駆動電流設定部へ電流値Ｉを設定するレーザ出力設定関数器

本発明のレーザ樹脂溶着機は、使用しているレーザダイオードの駆動電流対レーザダイオード出力特性が図１の曲線Ａのような特性である場合、直線近似が可能な範囲において、これを数式１のような１次関数に置き換える。

そして、係数ａ、定数ｂを定めるべく直線近似可能な範囲内で、２点の駆動電流値Ｉ_１とＩ_２を設定し、Ｉ_１を流したときのレーザダイオード出力がＰ_１１、Ｉ_２を流したときのレーザダイオード出力がＰ_１２とした場合、これを数式１に代入して
Ｐ_１１＝ａＩ_１＋ｂ
Ｐ_１２＝ａＩ_２＋ｂ
この２式より
ａ＝（Ｐ_１２−Ｐ_１１）／（Ｉ_２−Ｉ_１）
ｂ＝（Ｐ_１１Ｉ_２−Ｐ_１２Ｉ_１）／（Ｉ_２−Ｉ_１）
を求め、これを数式１に代入した数式２からＩを変数Ｐの関数とする数式３を求め、これにより所望のレーザダイオード出力Ｐを指定すれば、そのために流すべき電流値が得られるようになっている。

このことは、レーザダイオードが経年劣化により出力が低下して図１の曲線Ｂのようになったとしても、この曲線Ｂについて、校正を行えば、曲線Ａについて述べたことと全く同じことが行われ、数式３のＰ_１１をＰ_２１に置き換え、Ｐ_１２をＰ_２２に置き換えた数式４が得られる。

今、レーザダイオードの出力をＰ_ｄとしたいとき、経年劣化前であれば図１の曲線Ａに対応する数式３の直線によって駆動電流がＩ_ａとなり、経年劣化を校正した後は、曲線Ｂに対応する数式４の直線によって同じＰ_ｄに対する駆動電流はＩ_ｂとなり劣化を補うべくＩ_ａより大きな値となる。

以上のように、本発明のレーザ樹脂溶着機によれば、校正開始手段に対する開始操作のみで、経年劣化が自動校正されるので、操作者は、所望のレーザダイオード出力値を指定するだけで指定した通りの出力が得られるという効果がある。

校正開始操作手段はワンタッチ操作が可能なものとし、ワンタッチ後一定時間内に自動校正され、使用可能状態に自動復帰するようにしておくのが最良の形態である。
これに伴って、レーザダイオードから出力されるレーザ光は、校正時には校正開始操作と連動して光パワーメータに向くようにし、校正完了後は樹脂溶着機としての使用方向に復帰するようにしておくのが最良の実施形態である。

以下、本発明のレーザ樹脂溶着機の実施例を図面を参照して説明する。
図２は、本発明レーザ樹脂溶着機におけるレーザダイオードの経年劣化に対する校正手段の機能ブロック図である。
校正開始ボタン１を押すと、校正用電流値指示手段２は、駆動電流設定部５へまず電流値Ｉ_１を指示設定する。
この電流値Ｉ_１は、図１の駆動電流対レーザダイオード出力特性において、特性曲線のうち直線近似が可能な範囲における直線との交点のうち下の交点の電流値である。

この電流値が設定されるとレーザ駆動部６は、レーザ駆動用直流電源ユニット７からレーザダイオード１１へ電流Ｉ_１を流すようにする。レーザ駆動部６とレーザダイオード１１の間には、実際にレーザダイオード１１に流れる電流を検出し測定する駆動電流検出器１０が設けられている。
レーザダイオード１１に駆動電流が流れるとレーザ光を発し、このレーザ光は、通常使用時には溶着しようとする樹脂に向けて照射されるが、校正動作中は光パワーメータ９へ向けて照射される。光パワーメータは測定したレーザダイオード出力値Ｐ_１を係数算出器８へ送出する。駆動電流検出器１０もこのときの測定電流値Ｉ_１を係数算出器８へ送出する。

係数算出器８ではこのＩ_１とＰ_１を一時記憶する。
それが終ると、校正用電流値指示手段２は、電流値Ｉ_２を指示設定する。この電流値Ｉ_２は図１において、直線近似が可能な範囲における直線との交点のうち、上の交点の電流値である。
以下、Ｉ_１のときと同様にして、駆動電流検出器１０からは測定電流値Ｉ_２が、また、光パワーメータ９からはレーザダイオード出力値Ｐ_２がそれぞれ係数算出器８へ送られ、一時記憶される。

係数算出器８では、一時記憶している（Ｉ_１、Ｐ_１）と（Ｉ_２、Ｐ_２）を数式１に代入して、連立１次方程式を立て、これより未知数である係数ａと定数ｂを算出する。
既知数となった係数ａと定数ｂはレーザ出力設定関数器４へ送出される。
これで校正動作が完了する。それ以後、駆動電流設定部５はレーザ出力設定関数器４からの電流値により駆動電流を設定することになる。
レーザ出力設定関数器４は、数式１をＩに関して解いた、Ｐを変数とする下記の数式５の演算機能を有している。

これは、レーザダイオードの出力値Ｐを入力すると出力値Ｐを得るためにレーザダイオードに流すべき電流Ｉが直線近似式で算出されるということである。
経年劣化により、レーザダイオードの特性曲線が図１の曲線Ａから曲線Ｂへのように変化してくると、校正を再度行うことにより、係数ａと定数ｂの値が変って来て、常に出力値Ｐを指示しさえすれば、流すべき必要な電流値Ｉが算出されることとなる。
所望のレーザダイオード出力値は、レーザ出力値指示手段３からレーザ出力設定関数器４へ入力され、数式５のＰに入ることになる。

以上のように、レーザダイオードに経年劣化があっても校正を行うことによって、レーザ出力値指示手段３から所望の出力値を入力しさえすれば、そのレーザ出力値を得るための駆動電流値が算出されて、その電流がレーザダイオードに流れ、所望のレーザダイオード出力が得られるということになる。

以上の機能ブロックのうち、校正開始ボタン１を押した後、決まった時間の間に電流値Ｉ_１と同Ｉ_２の設定指示を出す校正用電流値指示手段２や、駆動電流検出器１０からＩ_１、Ｉ_２の電流値データを受け、光パワーメータからＰ_１、Ｐ_２のデータを受けて、係数ａと定数ｂを算出する係数算出器８や、係数ａと定数ｂを含む１次関数によって、レーザ出力値を指示されるとその出力値に対応する駆動電流を算出して、駆動電流設定部５へ設定指示するレーザ出力設定関数器４等の動作は、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むＣＰＵによって行われる。

図３は、そのような実際の機器構成例を示したブロック図である。
校正開始ボタン１が押されると、その信号はバス２０を経由してＣＰＵ１７へ送られる。そうするとＣＰＵ１７はＲＡＭ１９に格納されている電流値Ｉ_１をバス２０を通じて、駆動電流設定部５へ送り設定させる。この情報がレーザ出力制御部１４を経て、レーザ駆動部６に達するとレーザ駆動部６はレーザ駆動用直流電源ユニット７からの電流Ｉ_１をレーザダイオード１１へ流すようにする。

駆動電流検出器１０は、レーザ駆動部６からレーザダイオード１１への途中で実際に流れている電流を検出し、その電流値をレーザ出力制御部１４と、バス２０を経由してＣＰＵ１７とへ送る。レーザ出力制御部１４は、駆動電流設定部５から設定電流値Ｉ_１の情報を受けており、駆動電流検出器１０からの電流値をＩ_１と比較し、Ｉ_１より小さければ大きくするように、逆にＩ_１より大きければ小さくするようにレーザ駆動部６を制御する。要するに、レーザダイオード１１に実際に流れる電流値が駆動電流設定部５に設定されたＩ_１に維持されるように負帰還制御をかけているということであり、本発明に必須の手段ではない。

こうして、レーザダイオード１１にＩ_１の駆動電流が流れるとレーザ光を発し、このレーザ光は、光ファイバーケーブル１６を経てレーザ射出ユニット１５へ送られ、ここから光パワーメータ９に入射される。
なお、光パワーメータ９へ入射させるのは校正のときだけであって、樹脂溶着のときは溶着対象である樹脂に向けられる。光パワーメータ９はレーザダイオード１１の出力パワーを測定し、その値をＰ_１としてバス２０を通じてＣＰＵ１７へ送る。

この一連の動作が終るとＣＰＵ１７は、次に電流値Ｉ_２を駆動電流設定部５へ設定させるようにする。そして、Ｉ_１を設定したときと同様にして駆動電流検出器１０で検出した電流値をＩ_２としてＣＰＵ１７へ送るとともに、光パワーメータ９で駆動電流Ｉ_２におけるレーザダイオード１１の出力パワーを測定し、その値をＰ_２としてＣＰＵ１７へ送る。
ＣＰＵ１７では、送られて来た電流値Ｉ_１とレーザ出力値Ｐ_１、および電流値Ｉ_２とレーザ出力値Ｐ_２の２組の数値を、レーザ出力値Ｐを変数とする駆動電流値Ｉの一次関数の数式１へ代入し、得られる連立１次方程式から未知数ａ、ｂを算出する。
これにより校正動作は終了する。この校正動作は校正開始ボタンを押してから一定の時間内に行われる。
ＣＰＵ１７には、数式１を電流Ｉについて解いた数式５が用意されており、前記算出されたａ、ｂは数式５のａ、ｂに入れられる。

以上の結果、出力値指示部２１から、レーザダイオード１１に出力させたい出力値を入力すると、ＣＰＵ１７は数式５によって算出した電流値を、バス２０を通じて駆動電流設定部５へ送り設定する。その結果、レーザダイオード１１にはこの電流値の駆動電流が流れ、出力値指示部２１で指定した値のレーザダイオード出力が得られることになる。

このように、本発明のレーザ樹脂溶着機では、レーザダイオードの経年劣化により、当初と同じ値の駆動電流を流しても当初と同じレーザ出力が得られなくなって来ても、校正開始ボタン１を押すという１操作を行うと、出力低下率の算出や、その低下率を用いた電流値の換算など行わなくとも、所望の出力値を出力値指示部２１から入力するだけで、所望の出力が得られるという利点がある。

本発明の原理を説明するための駆動電流対レーザダイオード出力特性図である。 本発明のレーザ樹脂溶着機における校正手段の機能ブロック図である。 本発明のレーザ樹脂溶着機の実際の機器構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 校正開始ボタン
２ 校正用電流値指示手段
３ レーザ出力値指示手段
４ レーザ出力設定関数器
５ 駆動電流設定部
６ レーザ駆動部
７ レーザ駆動用直流電源ユニット
８ 係数算出器
９ 光パワーメータ
１０ 駆動電流検出器
１１ レーザダイオード
１２ レーザ駆動制御部
１３ 制御部
１４ レーザ出力制御部
１５ レーザ射出ユニット
１６ 光ファイバーケーブル
１７ ＣＰＵ
１８ ＲＯＭ
１９ ＲＡＭ
２０ バス
２１ 出力値指示部

Claims (1)

1. 下記（イ）〜（リ）の各手段を具備することを特徴とする校正手段付レーザ樹脂溶着機。
   （イ）校正動作を開始するための校正開始手段
   （ロ）レーザダイオードに流す駆動電流値を設定する駆動電流設定部
   （ハ）校正開始手段に対する校正開始操作により、前記駆動電流設定部に対し、校正用の２つの電流値Ｉ_１とＩ_２（Ｉ_２＞Ｉ_１）を時を異ならせて設定指示する校正用電流値指示手段
   （ニ）レーザダイオードに、前記駆動電流設定部に設定された値の電流を流すレーザ駆動部
   （ホ）レーザダイオードに実際に流れている電流値を検出測定する駆動電流検出器
   （へ）レーザダイオードに前記電流値Ｉ_１およびＩ_２を流したときのレーザダイオードのＩ_１およびＩ_２に対する出力パワーＰ_１およびＰ_２を測定する光パワーメータ
   （ト）前記駆動電流検出器からの検出電流値Ｉ_１およびＩ_２と前記光パワーメータからの出力パワー値Ｐ_１およびＰ_２を受けて、次の数式
   Ｐ＝ａＩ＋ｂ
   のＩおよびＰに（Ｉ_１、Ｐ_１）および（Ｉ_２、Ｐ_２）を代入して係数ａおよび定数ｂを算出する係数算出器
   （チ）所望のレーザ出力値を指示するレーザ出力値指示手段
   （リ）前記係数算出器で算出された係数ａと定数ｂとを受け、前記数式の変換式である次の数式
   Ｉ＝（Ｐ−ｂ）／ａ
   により、前記レーザ出力値指示手段で指示されたレーザダイオード出力Ｐを出力させるために必要な電流値Ｉを算出し、前記電流値Ｉ_１、Ｉ_２の設定が終了した後の前記駆動電流設定部へ電流値Ｉを設定するレーザ出力設定関数器

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