JP2020167383A - 発光装置、ファイバレーザ装置、統合発光装置、および発光素子の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トランジスタの温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる発光装置、ファイバレーザ装置、および発光素子の制御方法を提供すること。【解決手段】発光装置は、発光素子と、前記発光素子に電流を供給する直流電源と、印加される制御電圧に応じて前記発光素子に流れる電流を制御するトランジスタと、前記トランジスタに印加する前記制御電圧を、設定された電流値の電流が前記発光素子に流れるように制御電圧を設定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記トランジスタの温度指標情報に基づいて、前記制御電圧を、パルス幅変調電圧または直流電圧に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置、ファイバレーザ装置、統合発光装置、および発光素子の制御方法に関するものである。

従来、発光素子として半導体レーザダイオードを備えた発光装置が開示されている（特許文献１参照）。この発光装置は、ファイバレーザ装置において励起光源として使用されている。発光素子に流す駆動電流は、スイッチング素子を制御することによって変更されている。スイッチング素子の制御としてはパルス幅変調（ＰＷＭ）制御が用いられている。スイッチング素子はトランジスタでもよい。

特許第５６９４７１１号公報

トランジスタを本来の使われ方であるスイッチング動作、例えばＰＷＭ制御すると、トランジスタを流れる電流がパルス状になるので、トランジスタにおける電力損失が、ＤＣ電流のみで制御する場合よりも減り、トランジスタの発熱が抑制される場合がある。このパルス状電流は平滑回路を流れ、ある程度平滑化されて発光素子に供給される。しかしながら、ＰＷＭ制御によりトランジスタを流れる電流は電流値の時間変化が急峻であるので、誘導起電圧が発生する。特に、電流値が大きい場合は発生する誘導起電圧が高くなり、トランジスタを劣化させるなどの悪影響を与える場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、トランジスタの温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる発光装置、ファイバレーザ装置、統合発光装置、および発光素子の制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子に電流を供給する直流電源と、印加される制御電圧に応じて前記発光素子に流れる電流を制御するトランジスタと、前記トランジスタに印加する前記制御電圧を設定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記トランジスタの温度指標情報に基づいて、前記制御電圧を、パルス幅変調電圧または直流電圧に設定することを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記制御部は、設定された電流値の電流が前記発光素子に流れるように前記制御電圧を設定し、前記温度指標情報は、前記設定された電流値を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記制御部は、前記トランジスタの温度が所定の値以下となる様に、前記設定された電流値が第１電流値以上または前記第１電流値よりも小さい第２電流値以下の場合は、前記制御電圧を直流電圧に設定し、前記設定された電流値が前記第１電流値より小さく前記第２電流値より大きい場合は、前記制御電圧をパルス幅変調電圧に設定することを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記制御部は、前記トランジスタの温度が所定の値以下となる様に、前記設定された電流値が第１電流値以上の場合は、前記制御電圧を直流電圧に設定し、前記設定された電流値が前記第１電流値より小さい場合は、前記制御電圧をパルス幅変調電圧に設定することを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記トランジスタのジャンクション温度を検出する温度センサを備え、前記温度指標情報は、前記温度センサが検出した温度を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記制御部は、前記制御電圧をパルス幅変調電圧に設定している状態において、前記検出した温度が第１温度より高い場合は、当該状態よりも前記パルス幅変調電圧の波高値を現在値が高く、かつＤｕｔｙが低くなるように前記制御電圧を変更する、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記トランジスタのジャンクション温度を検出する温度センサを備え、前記温度指標情報は、前記温度センサが検出した温度を含み、前記制御部は、前記制御電圧を直流電圧に設定している状態において、前記検出した温度が第１温度より高い場合は、前記制御電圧の設定をパルス幅変調電圧に切り換えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、少なくとも２つ前記トランジスタを備え、前記制御部は、前記２つのトランジスタに印加する前記制御電圧を、互いに位相が逆のパルス幅変調された制御電圧に設定することを特徴とする。

本発明の一態様に係るファイバレーザ装置は、前記発光装置を備え、前記複数の発光素子は光増幅ファイバの励起光源であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る統合発光装置は、複数の前記発光装置と、前記複数の発光装置の制御部のそれぞれに、前記制御電圧に関する指示信号を出力する統合制御部と、を備え、前記統合制御部は、前記統合発光装置に対する光出力の要求値に応じて、前記制御部のそれぞれに、所定の条件にしたがった前記指示信号を出力することを特徴とする。

本発明の一態様に係る統合発光装置は、前記所定の条件は、前記制御電圧がパルス幅変調電圧に設定される前記発光装置の数が前記発光装置の全数よりも少なくなる条件であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る統合発光装置は、前記所定の条件は、前記制御電圧がゼロより大きい値に設定される前記発光装置における光変換効率の平均値が、前記発光装置の全部における光変換効率の平均値よりも高くなる条件であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る統合発光装置は、前記複数の発光装置が出力した光が入力される光増幅ファイバを有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光素子の制御方法は、トランジスタに印加する制御電圧を設定する設定工程と、前記制御電圧に応じて前記発光素子に流れる電流を制御する制御工程と、を含み、前記設定工程は、前記トランジスタの温度指標情報に基づいて、前記制御電圧を、パルス幅変調電圧または直流電圧に設定することを特徴とする。

本発明によれば、トランジスタの温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る発光装置の模式的な構成図である。 図２は、トランジスタに流れる電流とジャンクション温度との関係の一例を示す図である。 図３は、制御電圧の設定について説明する図である。 図４は、トランジスタおよび発光部に流れる電流を説明する図である。 図５は、実施形態１におけるジャンクション温度の一例を示す図である。 図６は、制御例１のフロー図である。 図７は、比較形態に係る発光装置の特性の一例を示す図である。 図８は、実施形態１に係る発光装置の特性の一例を示す図である。 図９は、実施形態１に係る発光装置の特性の別の一例を示す図である。 図１０は、実施形態２に係る発光装置の模式的な構成図である。 図１１は、制御例２のフロー図である。 図１２は、実施形態３に係る発光装置の模式的な構成図である。 図１３は、実施形態４に係るファイバレーザ装置の模式的な構成図である。 図１４は、実施形態５に係る、統合発光装置の一例であるファイバレーザ設備の模式的な構成図である。 図１５は、ＬＤの駆動電流と光出力および光変換効率との関係の一例を示す図である。 図１６は、第１発光装置における第１電流値と第２発光装置における第２電流値との組み合わせに対する、第１発光装置および第２発光装置における光変換効率の平均値のマップを示す図である。 図１７は、設定電流値の出力のための制御フローの一例を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複説明を省略する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る発光装置の模式的な構成図である。図１（ａ）に示すように、発光装置１０は、発光部１と、直流電源２と、トランジスタ３と、ＰＷＭ信号発生器４と、制御部５と、電流センサ６と、コンデンサ７ａ、７ｄと、ダイオード７ｂと、コイル７ｃと、を備えている。

発光部１は、１以上の発光素子を含んでおり、本実施形態では４つの発光素子が直列接続されて構成されている。発光素子は特に限定されないが、本実施形態では発光素子はＬＤであるとする。

直流電源２は、発光部１の各発光素子に電流を供給するように接続された公知の直流電源である。

トランジスタ３は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、本実施形態ではＮＭＯＳ型のＦＥＴである。トランジスタ３は、直流電源２と発光部１との間に設けられており、発光部１と直列接続している。トランジスタ３は、ゲートに印加される制御電圧に応じてドレイン−ソース電流が変化する。これにより、トランジスタ３は、印加される制御電圧に応じて、発光部１に流れる電流を制御する制御工程を実行することができる。

ＰＷＭ信号発生器４は、トランジスタ３に制御電圧を印加する制御電圧信号Ｓｇとして、パルス幅変調電圧である制御電圧信号（ＰＷＭ制御電圧信号）または直流電圧である制御電圧信号（ＤＣ制御電圧信号）をトランジスタ３のゲートに出力するように構成されている。

制御部５は、演算部と、記憶部とを備えている。演算部は、制御部５が実行する制御のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。記憶部は、演算部が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータ等が格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される部分と、演算部が演算処理を行う際の作業スペースや演算部の演算処理の結果等を記憶する等のために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される部分とを備えている。制御部５の制御機能は、演算部と記憶部の機能によりソフトウェア的に実現される。また、制御部５は適宜デジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）やアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を備えていてもよい。

制御部５は、ＰＷＭ信号発生器４に制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤを出力し、ＰＷＭ信号発生器４が出力する制御電圧信号Ｓｇの特性を設定する設定工程を行う。

制御電圧信号ＳｇがＰＷＭ電圧信号である場合を図１（ｂ）に示す。Ｖは電圧の波高値である。ｔはパルス電圧のパルス幅である。Ｔはパルス電圧の繰り返し周期であり、ｆは繰り返し周波数である。ＰＷＭ信号のＤｕｔｙはｔ／Ｔで定義される。なお、ｔ＝Ｔの場合は、Ｄｕｔｙが１００％となり、ＤＣ信号となる。制御部５がＰＷＭ信号発生器４に出力する制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤは、それぞれ波高値、繰り返し周期、Ｄｕｔｙを設定する信号である。ＰＷＭ信号発生器４は、制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤに基づいて設定された波高値、繰り返し周期、Ｄｕｔｙの制御電圧信号Ｓｇを出力する。制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤと、それによってトランジスタ３に流れる電流との関係は制御部５の記憶部に記憶されている。

電流センサ６は、発光部１のカソード側に直列接続されている。電流センサ６は、センス抵抗を備えており、センス抵抗による電圧降下量をモニタ信号Ｓｍとして制御部５に出力する。制御部５は、入力されたモニタ信号Ｓｍに基づいて発光部１に流れる電流の電流値を検知する。制御部５は、検知される電流値が一定になるようにＰＷＭ信号発生器４に出力する制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤを制御するフィードバック制御を行う。

コンデンサ７ａ、７ｄおよびダイオード７ｂは、発光部１と並列接続されており、コイル７ｃは、発光部１と直列接続されている。コンデンサ７ａ、７ｄおよびコイル７ｃは平滑回路を構成する。ダイオード７ｂはコイル７ｃに対する環流ダイオードとして機能する。

（トランジスタの発熱について）
発光部１のＬＤは近年高出力化しており、これに伴い供給すべき電流が大きくなってきている。供給すべき電流が大きくなるにつれてトランジスタ３の発熱量も大きくなる。

発光装置１０において、直流電源２が印加する電圧をＶｐｏｗｅｒ、発光部１に流れる電流をＩとすると、Ｖｐｏｗｅｒは、たとえば、（発光部１の順方向電圧Ｖｆ（Ｉ））＋（トランジスタ３のドレイン−ソース電圧Ｖｄｓ）＋（電流センサ６による電圧降下）で表される。電流センサ６が抵抗値Ｒｓのセンス抵抗で構成されている場合、以下の式（１）が成り立つ。
Ｖｄｓ＝Ｖｐｏｗｅｒ−Ｖｆ（Ｉ）−Ｒｓ×Ｉ （１）
また、トランジスタ３の消費電力をＰとすると、Ｐは式（２）で表される。
Ｐ＝Ｉ×Ｖｄｓ （２）
すると、トランジスタ３のジャンクション温度Ｔｊは式（３）で表される。なお、Ｔｒはトランジスタ３のオン抵抗であり、Ｔｈｓは、トランジスタ３のジャンクション温度に対するヒートシンクの寄与を表すパラメータである。
Ｔｊ＝Ｐ×Ｔｒ＋Ｔｈｓ
＝Ｉ×Ｖｄｓ×Ｔｒ＋Ｔｈｓ
＝Ｉ×（Ｖｐｏｗｅｒ−Ｖｆ（Ｉ）−Ｒｓ×Ｉ）×Ｔｒ
＋Ｔｈｓ （３）

また、発光部１おける消費電力Ｗは、式（４）で表される。このＷは総光出力強度に対応する。
Ｗ＝Ｉ×Ｖｆ（Ｉ） （４）

ここで、発光部１に含まれるＬＤのＩ−Ｖ特性はリニアでは無いため、トランジスタ３におけるドレイン−ソース電圧ＶｄｓもＩに対してリニアでは無い。その結果、ＬＤのＩ−Ｌ特性やＶｐｏｗｅｒの条件によっては、電流に対してトランジスタ３の負荷が極大値を持つ場合がある。この場合、例えば図２に示すように、電流Ｉを横軸としてトランジスタ３のジャンクション温度を縦軸とするグラフにおいて、ジャンクション温度が極大値を持つ。このような場合、Ｉを例えば０Ａ〜１５Ａの範囲で調整するとき、Ｉの最大値、すなわち発光部１が最大光出力となるＩとトランジスタ３の負荷が最大となるＩとがずれることとなる。また、図２においてＴｌｉｍはトランジスタ３のジャンクション温度の許容上限温度を示している。ジャンクション温度が極大値のときに許容上限温度を超えてしまうことがある。

これに対して、発光装置１０では、図３に示すように、トランジスタ３のジャンクション温度に対してＴｌｉｍ以下の値である閾値Ｔｔｈが所定の温度として設定されている。そして、Ｔｔｈになる電流値のうち大きい方を第１電流値であるＩＨとし、小さい方を第２電流値であるＩＬとして、ＩＨ、ＩＬを一点鎖線で示す境界として、電流領域を領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割してトランジスタ３の制御を行なう。ＩＨ、ＩＬは制御部５の記憶部に記憶されており、適宜呼び出して使用される。

具体的には、制御部５は、外部から、発光部１に流すべき電流値の設定信号が入力され、その設定信号による電流値（設定電流値）をトランジスタ３の温度指標情報として、ＰＷＭ信号発生器４に所定の値の制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤを出力し、制御電圧信号Ｓｇを、ＰＷＭ電圧またはＤＣ電圧に設定する。

図４（ａ）は、設定電流値が領域Ａにある場合である。この場合、制御電圧信号ＳｇはＤＣ電圧とされる。その結果、トランジスタ３および発光部１に流れる電流は、実線で示すように設定電流値に相当する値のＤＣ電流となるが、ＩＬ以下なのでジャンクション温度はＴｔｈ以下となる。

図４（ｂ）は、設定電流値が領域Ｂにある場合である。この場合、制御電圧信号ＳｇはＰＷＭ電圧とされる。その結果、トランジスタ３に流れる電流は、ＰＷＭ電圧に応じてパルス幅がｔａであり、Ｈｉ状態とＬｏ状態とを繰り返す矩形パルス状の電流Ｉ１ａとなる。この場合、発光部１に流れる電流は平滑化されて、設定電流値に相当する値の電流Ｉ２ａのようになる。この場合、トランジスタ３に流れる電流はＩＬ以下またはＩＨ以上である。その結果、ジャンクション温度はＴｔｈ以下となる。

なお、図４（ｂ）に示すように、繰り返し周期を維持したままＰＷＭ電圧のパルス幅を広げると、トランジスタ３に流れる電流は、ＰＷＭ電圧に応じてパルス幅がｔａより大きいｔｂである矩形パルス状の電流Ｉ１ｂとなる。この場合、発光部１に流れる電流は平滑化されて、設定電流値に相当する値であり、かつ電流Ｉ１ａよりも大きい電流Ｉ２ｂのようになる。この場合も、トランジスタ３に流れる電流はＩＬ以下またはＩＨ以上であるので、ジャンクション温度はＴｔｈ以下となる。

図４（ｃ）は、設定電流値が領域Ｃにある場合である。この場合、制御電圧信号ＳｇはＤＣ電圧とされる。その結果、トランジスタ３および発光部１に流れる電流は、実線で示すように設定電流値に相当する値のＤＣ電流となるが、ＩＨ以上なのでジャンクション温度はＴｔｈ以下となる。

その結果、発光装置１０では、図５に示すように、設定電流が領域Ａ、領域Ｃにある場合、図３、４と同様にジャンクション温度がＴｌｉｍ以下となる。また、設定電流が領域Ｂにある場合、発光部１に流れる電流を領域Ｂの電流値としながらも、トランジスタ３には図４（ｂ）に示すように、領域Ａ、領域Ｃの値の電流が流れるようにすることができる。その結果、設定電流が領域Ｂにある場合でも、矢印で示すようにジャンクション温度をＴｌｉｍ以下とできる。これにより、トランジスタ３の温度をＴｌｉｍ以下に抑制することができる。

また、設定電流が領域Ｃにある場合は電流値が大きいので、トランジスタ３をＰＷＭ制御すると高い誘導起電圧が発生する場合があるが、発光装置１０ではＤＣ制御するので、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる。

実施形態１における制御部５の制御例を制御例１として、図６を参照して説明する。はじめに、制御部５は、設定信号が入力されると、その設定信号による電流値を取得する（ステップＳ１０１）。つづいて、制御部５は、取得した電流値を温度指標情報として、当該電流値が領域ＡまたはＣであるかどうかを判定する（ステップＳ１０２）。取得した電流値が領域ＡまたはＣである場合（ステップＳ１０２、Ｙｅｓ）、制御部５は設定された電流が発光部１に流れるようにＤＣ制御電圧を設定してＤＣ制御を実行し（ステップＳ１０３）、制御フローはステップＳ１０１に戻る。取得した電流値が領域ＡまたはＣではない、すなわち領域Ｂの場合（ステップＳ１０２、Ｎｏ）、制御部５は設定された電流が発光部１に流れるようにＰＷＭ制御電圧を設定してＰＷＭ制御を実行し（ステップＳ１０４）、制御フローはステップＳ１０１に戻る。

以上説明したように、実施形態１に係る発光装置１０によれば、トランジスタ３の温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる。

図７は、実施形態１に係る発光装置と同様の構成の比較形態に係る発光装置の特性の一例を示す図である。ただし、比較形態１では、図７（ａ）に示すように、トランジスタ３への制御電圧信号は時間が０、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６と経過するにつれてステップ状に増加するように制御しているが、ＰＷＭ制御ではなくＤＣ制御である。このような制御電圧の場合、発光部１に流れる電流は図７（ｂ）に示すように制御電圧の形状に応じてステップ状に増加する。その結果、トランジスタ３のジャンクション温度は、図７（ｃ）に示すように電流の変化に応じて図２と同様に変化し、Ｔｌｉｍを超える場合がある。

これに対して、図８は、実施形態１に係る発光装置１０の特性の一例を示す図である。図８（ａ）に示すように、トランジスタ３への制御電圧信号は時間が０〜ｔ２、ｔ４〜ｔ６では時間が経過するにつれてステップ状に増加するように制御している。一方、制御電圧信号は時間がｔ２〜ｔ３ではＰＷＭ制御電圧、ｔ３〜ｔ４ではｔ２〜ｔ３のときと繰り返し周期およびＤｕｔｙが同じで波高値が高いＰＷＭ制御信号であるように制御している。このような制御電圧の場合、発光部１に流れる電流は図８（ｂ）に示すように制御電圧の形状に応じてステップ状に増加するが、ｔ２〜ｔ３、ｔ３〜ｔ４ではＰＷＭ制御のためリップル状の電流となる。ここで、ｔ２〜ｔ３、ｔ３〜ｔ４では電流値はＩＬ以上ＩＨ以下である。しかし、図７（ｃ）の場合とは異なり、トランジスタ３のジャンクション温度は、図８（ｃ）に示すようにＴｌｉｍを超えないように変化する。

さらに、図９は、実施形態１に係る発光装置１０の特性の別の一例を示す図である。図９（ａ）に示すように、トランジスタ３への制御電圧信号は時間が０〜ｔ２、ｔ４〜ｔ６では時間が経過するにつれてステップ状に増加するように制御している。一方、制御電圧信号は時間がｔ２〜ｔ３ではＰＷＭ制御電圧、ｔ３〜ｔ４ではｔ２〜ｔ３のときと波高値が同じで繰り返し周期が短いＰＷＭ制御信号であるように制御している。このような制御電圧の場合、発光部１に流れる電流は図９（ｂ）に示すように制御電圧の形状に応じてステップ状に増加するが、ｔ２〜ｔ３、ｔ３〜ｔ４ではＰＷＭ制御のためリップル状の電流となる。ここで、ｔ２〜ｔ３、ｔ３〜ｔ４では電流値はＩＬ以上ＩＨ以下である。この例でも、図８（ｃ）の場合と同様に、トランジスタ３のジャンクション温度は、図９（ｃ）に示すようにＴｌｉｍを超えないように変化する。

（実施形態２）
図１０は、実施形態２に係る発光装置の模式的な構成図である。発光装置１０Ａは、図１に示す発光装置１０に温度センサ８を追加した構成を有する。

温度センサ８は、たとえばサーミスタを備えており、温度に応じた電流をモニタ信号Ｓｍｔとして制御部５に出力する。制御部５は、入力されたモニタ信号Ｓｍｔに基づいてトランジスタ３のジャンクション温度を検知する。

発光装置１０Ａでも、ＩＨ、ＩＬを境界として、電流領域を領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割してトランジスタ３の制御を行なう。発光装置１０Ａでは、さらに、温度センサ８が検出した温度も制御に用いられる。

制御部５は、設定電流値をトランジスタ３の温度指標情報に含まれる情報の一つとして、ＰＷＭ信号発生器４に所定の値の制御信号ＳＶ、Ｓｆ、ＳＤを出力し、制御電圧信号Ｓｇを、ＰＷＭ電圧またはＤＣ電圧に設定する。さらに、制御部５は、温度センサ８が検出した温度を制御に用いる。

たとえば、トランジスタ３は、個体差、経年劣化、周囲温度などの影響により、図２に示すような流れる電流に対すジャンクション温度の特性曲線が異なったり変動したりする場合がある。そこで、発光装置１０Ａでは、温度センサ８が検出した温度も制御に用いることで、ジャンクション温度の特性曲線についての個体差による相違や経年劣化、周囲温度などによる変動が大きくても、トランジスタ３のジャンクション温度を許容程度に抑制することができる。

温度センサ８が検出した温度を用いた制御は様々な態様にて行うことができる。

たとえば、制御部５は、設定された電流値が領域Ｂであり、制御電圧をＰＷＭ電圧に設定している状態において、検出した温度が第１温度より高い場合は、ＰＷＭ電圧の波高値が当該状態よりも高く、かつＤｕｔｙが当該状態よりも低くなるように制御電圧を変更してもよい。第１温度はたとえばＴｌｉｍである。検出した温度がＴｌｉｍより高い場合はトランジスタ３のジャンクション温度を低下させる必要がある。そこで、波高値を現在値よりも高くすることで、ＰＷＭ制御のＨｉ状態では電流値を領域Ｃにおける領域Ｂからより離れた電流値とでき、かつＰＷＭ制御のＬｏ状態では電流値を領域Ａにおける領域Ｂからより離れた電流値とできる。さらに、波高値を高くすると発光部１に流れる電流が増加するので、Ｄｕｔｙを低く変更する。これによって発光部１に流れる電流の電流値を維持しながらトランジスタ３のジャンクション温度を低下させることができる。

また、制御部５は、設定された電流値が領域ＡまたはＣであり、制御電圧をＤＣ電圧に設定している状態において、検出した温度が第１温度より高い場合は、制御電圧の設定をＰＷＭ電圧に切り換えてもよい。第１温度はたとえばＴｌｉｍである。検出した温度がＴｌｉｍより高い場合はトランジスタ３のジャンクション温度を低下させる必要がある。そこで、制御電圧の設定をＰＷＭ電圧に切り換えることによって、トランジスタ３のジャンクション温度を低下させることができる。この場合、当初は領域ＡまたはＣに設定されていたが検出した温度が第１温度以上になるような設定電流値を領域Ｂに変更してもよい。このような変更は、制御部５の記憶部に記憶されているＩＨやＩＬの値を更新することで実施できる。

実施形態２における制御部５の制御例を制御例２として、図１１を参照して説明する。はじめに、制御部５は、設定信号が入力されると、その設定信号による電流値を取得する（ステップＳ２０１）。つづいて、制御部５は、取得した電流値を温度指標情報として、当該電流値が領域ＡまたはＣであるかどうかを判定する（ステップＳ２０２）。取得した電流値が領域ＡまたはＣである場合（ステップＳ２０２、Ｙｅｓ）、制御フローはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３において、制御部５は、検出された温度が所定値（第１温度）以下であるかを判定する。所定値以下である場合（ステップＳ２０３、Ｙｅｓ）、制御部５は、設定された電流が発光部１に流れるようにＤＣ制御電圧を設定してＤＣ制御を実行し（ステップＳ２０４）、制御フローはステップＳ２０１に戻る。一方、取得した電流値が領域ＡまたはＣではないすなわち領域Ｂの場合（ステップＳ２０２、Ｎｏ）および、検出された温度が所定値より高い場合（ステップＳ２０３、Ｎｏ）、制御部５は設定された電流が発光部１に流れるようにＰＷＭ制御電圧を設定してＰＷＭ制御を実行し（ステップＳ２０５）、制御フローはステップＳ２０１に戻る。

以上説明したように、実施形態２に係る発光装置１０によれば、トランジスタ３の温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる。さらに、トランジスタ３の個体差による相違や経年劣化、周囲温度などによる変動が大きくても、トランジスタ３のジャンクション温度を許容程度に抑制することができる。

（実施形態３）
図１２は、実施形態３に係る発光装置の模式的な構成図である。図１２（ａ）に示すように、発光装置１０Ｂは、図１に示す発光装置１０にトランジスタ３Ｂ、ダイオード７Ｂｂと、コイル７Ｂｃ、コンデンサ７Ｂｄとを追加し、ＰＷＭ信号発生器４をＰＷＭ信号発生器４Ｂに置き換えた構成を有する。

トランジスタ３Ｂは、直流電源２と発光部１との間に設けられており、発光部１と直列接続している。また、トランジスタ３Ｂは、トランジスタ３と並列に接続されている。ダイオード７Ｂｂは、発光部１と並列接続されている。また、ダイオード７Ｂｂは、ダイオード７ｂと並列接続されている。コイル７Ｂｃは、発光部１と直列接続されている。また、コイル７Ｂｃは、コイル７ｃと並列接続されている。コンデンサ７Ｂｄは、コンデンサ７ｄと並列接続されている。コイル７Ｂｃは平滑回路を構成する。ダイオード７Ｂｂはコイル７Ｂｃに対する環流ダイオードとして機能する。

ＰＷＭ信号発生器４Ｂは、２つのトランジスタ３、３Ｂに印加する制御電圧を、図１２（ｂ）に示すように互いに位相が逆のＰＷＭ制御電圧に設定する。その結果、ＰＷＭ制御によって電流に発生するリップルが打ち消しあい、発光部１に流れる電流のリップルを図１３（ｂ）に示すように抑制することができる。

（実施形態４）
図１３は、実施形態４に係るファイバレーザ装置の模式図である。ファイバレーザ装置１０００は、レーザ加工用のファイバレーザ装置として構成されており、複数のファイバレーザ装置１００と、光合波カプラ１００１と、加工ヘッド１００２とを備えている。

ファイバレーザ装置１００は、発光装置１０と、光合波器であるＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）２０と、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）３０と、光増幅ファイバ４０と、ＦＢＧ５０と、ＴＦＢ６０とを備えている。

発光装置１０の発光部１は光増幅ファイバ４０に対する励起光源であり、励起光を出力する。励起光の波長は例えば９１５ｎｍである。励起光の強度は外部から入力された設定信号に基づく設定電流値に応じた値である。

ＴＦＢ２０は、発光部１が出力する励起光を合波して出力する。ＦＢＧ３０は励起光を透過する。光増幅ファイバ４０は、励起光の波長で光励起される光増幅媒体（たとえばイッテルビウムイオン）を含んでおり、ＦＢＧ３０を透過した励起光によって光励起され、蛍光を発する。蛍光のうち所定の波長の成分は、ＦＢＧ３０とＦＢＧ５０とで構成される光共振器と光増幅ファイバ４０との作用によってレーザ発振し、レーザ光（例えば、１．１μｍ波長帯のレーザ光）としてＦＢＧ５０から出力される。光合波カプラ１００１は、各ファイバレーザ装置１００から出力されたレーザ光を合波し、デリバリファイバを介して加工ヘッド１００２に出力する。加工ヘッド１００２は合波されたレーザ光を加工対象に照射する。これによってレーザ加工が実行される。

ファイバレーザ装置１０００では、発光装置１０のトランジスタ３の温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる。その結果、ファイバレーザ装置１０００の信頼性が高くなる。

（実施形態５）
図１４は、実施形態５に係る、統合発光装置の一例であるファイバレーザ設備の模式図である。ファイバレーザ設備１０００Ａは、図１４に示すファイバレーザ装置１０００の構成に統合制御部１０１０を追加した構成を備える。

統合制御部１０１０は、各ファイバレーザ装置１００に設定信号を出力する。設定信号は設定電流値の情報を含む信号である。設定信号は制御電圧に関する指示信号の一例である。

統合制御部１０１０は、演算部１０１１と、記憶部１０１２と、入出力部１０１３とを備えている。演算部１０１１は、統合制御部１０１０が実行する制御のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。記憶部１０１２は、演算部１０１１が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータ等が格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される部分と、演算部が演算処理を行う際の作業スペースや演算部の演算処理の結果等を記憶する等のために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される部分とを備えている。統合制御部１０１０の制御機能は、演算部１０１１と記憶部１０１２との機能によりソフトウェア的に実現される。入出力部１０１３は各ファイバレーザ装置１００への設定信号の出力や上位装置からの指示信号の入力の受付などを行うインターフェイス部である。なお、統合制御部１０１０は適宜ＤＡＣやＡＤＣを備えていてもよい。なお、入出力部１０１３はマウスやキーボード等の操作機器と液晶ディスプレイ等の表示部とを備えていてもよい。

統合制御部１０１０は、上位装置からの指示信号や操作機器からの入力操作などにより、ファイバレーザ設備１０００Ａに対する光出力の要求値が入力される。光出力の要求値とは、たとえば加工ヘッド１００２から出力されるレーザ光のパワーに対する要求値である。

統合制御部１０１０は、光出力の要求値に応じて、光出力の要求値が実現されるように、各ファイバレーザ装置１００の制御部５のそれぞれに指示信号を出力する。すなわち、統合制御部１０１０は、要求値が実現されるために各ファイバレーザ装置１００の発光部１に流すことが必要な設定電流値を実現するための指示信号を出力する。

指示信号（設定電流値）は様々な所定の条件にしたがって決定することができる。たとえば、発光部１の光変換効率に関連する条件にしたがって決定することができる。光変換効率とは、発光部１に与えられ電力に対する、光に変換された電力の比である。

図１５は、ＬＤに流れる電流である駆動電流と、ＬＤの光出力および光変換効率との関係の一例を示す図である。曲線Ｐ、Ｑ、Ｒは、夫々異なるＬＤについての光出力および光変換効率との関係を示す。ＬＤは、駆動電流が増大するにしたがって光出力も増大するが、光変換効率についてはある駆動電流にて極大値をとるように変化する。図１５では、たとえば光変換効率が０．４５であれば光変換効率が高いと考えられる。なお、曲線Ｐ，Ｑ，Ｒで示される通り、ＬＤの特性のばらつきによって、図１５に示す、駆動電流に対するＬＤの光出力および光変換効率を示す曲線の形状は、ＬＤ毎に異なり、したがって発光装置１０毎で異なる。

統合制御部１０１０は、たとえば光出力の要求値を実現するために、各発光装置１０に対して等しい設定電流値を設定することもできるが、たとえば以下に説明するように、光変換効率が高くなるように決定してもよい。以下の説明では、簡単のために、ファイバレーザ装置１００が２つである場合について説明する。２つのファイバレーザ装置１００の発光装置をそれぞれ第１発光装置、第２発光装置と記載する。

図１６は、第１発光装置における設定電流値（第１電流値）と第２発光装置における設定電流値（第２電流値）との組み合わせに対する、第１発光装置および第２発光装置における光変換効率の平均値のマップを示す図である。図中、斜線を付した領域が、光変換効率の平均値が０．４５以上の領域である。破線Ｌ１は第１発光装置および第２発光装置に対して等しい設定電流値を設定する場合である。一方、破線Ｌ２は、第１発光装置および第２発光装置が略等しい光出力となる設定電流値を設定する場合である。第１発光装置および第２発光装置に対して設定電流値を設定する場合には、たとえば、破線Ｌ２上で光変換効率の平均値が０．４５以上となる条件にしたがうように、それぞれ異なる設定電流値を設定してもよい。または、破線Ｌ２上で光変換効率の平均値が最大となる条件にしたがうように、それぞれ異なる設定電流値を設定してもよい。また、図１６において、領域ＹＸ（Ｙ，Ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ）は、第１発光装置における設定電流値（第１電流値）と第２発光装置における設定電流値（第２電流値）が特定の値に各々設定された場合の発光装置の制御方法を示している。たとえば、Ｘ＝Ａ、Ｙ＝Ａの領域は領域ＡＡである。Ｘ＝ＡまたはＣの領域の場合、第１発光装置はＤＣ制御により発光し、Ｘ＝Ｂの領域の場合、第１発光装置はＰＷＭ制御により発光する。同様に、Ｙ＝ＡまたはＣの領域の場合、第２発光装置はＤＣ制御により発光し、Ｙ＝Ｂの領域の場合、第２発光装置はＰＷＭ制御により発光する。

統合制御部１０１０は、制御電圧がパルス幅変調電圧に設定される、すなわち図３における領域Ｂに設定電流値が設定される発光装置１０の数が、発光装置１０の全数よりも少なくなる条件で、設定電流値を設定することができる（第１条件）。複数の発光装置１０により所定の光出力の要求値を実現する場合、発光装置１０に流れる電流リップルを抑制する観点では、ＰＷＭ制御を実施する発光装置１０の数がより少ないほうが好ましい。なお、領域Ｂに設定電流値が設定される発光装置１０の数が、発光装置１０の全数の１／２よりも少なくなる条件とすることがより好ましく、発光装置１０の全数の１／３よりも少なくなる条件とすることがより好ましい。

図１７は、統合制御部１０１０における設定電流値の出力のための制御フローの一例を示す図である。はじめに、ステップＳ３０１において、統合制御部１０１０は、たとえば上位の装置から、光出力の要求値を取得する。

つづいて、ステップＳ３０２において、統合制御部１０１０は、領域Ｂに対応する設定電流値の発光装置１０の数が少ない組み合わせを算出する。この算出は、たとえば、記憶部１０１２に格納されたデータテーブルを利用して行われる。このデータテーブルは、各発光装置１０に含まれるＬＤについての、駆動電流に対する光変換効率や光出力や発熱量のデータを含む。演算部１０１１は記憶部１０１２に格納されたデータテーブルから必要なデータを読み出して演算を行う。

この演算は、たとえば以下のように行われる。発光装置１０がＮ個（Ｎは１より大きい整数。）ある場合、まず、光出力の要求値を実現しつつ全ての設定電流値を領域Ｂに対応しない設定電流値の組み合わせ（組み合わせ１）が存在するかを演算する。組み合わせ１が存在することが確認されたら演算は終了する。組み合わせ１が存在しないことが確認されたら、つぎに、光出力の要求値を実現しつつ１つの設定電流値のみを領域Ｂに対応する設定電流値とする組み合わせ（組み合わせ２）が存在するかを演算する。組み合わせ２が存在することが確認されたら演算は終了する。組み合わせ２が存在しないことが確認されたら、つぎに、光出力の要求値を実現しつつ２つの設定電流値のみを領域Ｂに対応する設定電流値とする組み合わせ（組み合わせ３）が存在するかを演算する。これを繰り返し、Ｎ−１個の発光装置１０を領域Ｂに対応する設定電流値とする組み合わせが存在しないことが確認されたら、Ｎ個全ての発光装置１０を領域Ｂに対応する設定電流値に設定する必要があるとして、演算は終了する。このように演算を繰り返すことによって、全ての発光装置１０を領域Ｂに対応する設定電流値設定しなくとも光出力の要求値を実現できる組み合わせが存在する場合には、領域Ｂに対応する設定電流値の発光装置１０の数が少ない組み合わせを算出することができる。

つづいて、ステップＳ３０３において、統合制御部１０１０は、各発光装置１０に設定電流値に対応する指示信号を出力する。その後フローは終了する。

また、所定の条件は、制御電圧がゼロより大きい値に設定される発光装置１０における光変換効率の平均値が所定の値、たとえば発光装置１０の全部における光変換効率の平均値よりも高くなる条件（第２条件）でもよい。制御電圧がゼロより大きい値に設定される発光装置１０とは、駆動電流を流す発光装置１０を意味する。このような条件によって、発光装置１０の全部に駆動電流を流すよりも、ファイバレーザ設備１０００Ａの全体としての光変換効率を高くすることができる。また、第１条件と第２条件とを組み合わせれば、光出力の要求値を実現し、誘導起電圧を抑制しつつ光変換効率を高くすることができる。より具体的にはたとえば、図１７に示す制御フローにおいて、ステップＳ３０２の前段、またはステップＳ３０２およびＳ３０３の間において、制御電圧がゼロより大きい値に設定される発光装置１０における光変換効率の平均値が所定の値以上となる条件（第２条件の一例、条件Ａ）を取得し、ステップＳ３０３において、ステップＳ３０２で算出された組み合わせおよび当該条件Ａの両方を満たす各発光装置１０の設定電流値に対応する指示信号を出力するようにしてもよい。このような場合、例えば夫々の光出力の要求値に対応付けて、条件Ａを満たす設定電流値の組み合わせを記憶部１０１２に夫々記憶しておき、必要に応じて参照するようにしてもよい。

その他の所定の条件としては、たとえば、発光装置１０のうち、光変換効率の高い順に、その発光装置１０で光変換効率が所定値以上または最大値になる設定電流値を順次設定してもよい。この場合も、光出力の要求値を実現しつつファイバレーザ設備１０００Ａの全体としての光変換効率を高くすることができる。

なお、上記実施形態では、設定された電流値がＩＨ以上またはＩＬ以下の場合、すなわち領域Ａまたは領域Ｃの場合は、制御電圧をＤＣ電圧に設定し、設定された電流値がＩＨより小さくＩＬより大きい領域Ｂの場合は、制御電圧をＰＷＭ電圧に設定している。しかし、設定された電流値がＩＨ以上の領域Ｃの場合は、制御電圧をＤＣ電圧に設定し、設定された電流値がＩＨより小さい領域ＡまたはＢの場合は、制御電圧をＰＷＭ電圧に設定してもよい。このような制御を行ってもトランジスタの温度を許容程度に抑制するとともに、高い誘導起電圧の発生を抑制することができる。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施形態３に係る発光装置１０Ｂに、実施形態２に係る発光装置１０Ａと同様に温度センサ８を追加して、たとえば図１１に示すような制御を行ってもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 発光部
２ 直流電源
３、３Ｂ トランジスタ
４、４Ｂ ＰＷＭ信号発生器
５ 制御部
６ 電流センサ
７ａ コンデンサ
７ｂ、７Ｂｂ ダイオード
７ｃ、７Ｂｃ コイル
８ 温度センサ
１０、１０Ａ、１０Ｂ 発光装置
２０、６０ ＴＦＢ
３０、５０ ＦＢＧ
４０ 光増幅ファイバ
１００ ファイバレーザ装置
１０００ ファイバレーザ
１００１ 光合波カプラ
１００２ 加工ヘッド
Ａ、Ｂ、Ｃ 領域
Ｉ１ａ、Ｉ２ａ、Ｉ２ｂ 電流
ＳＤ、ＳＶ、Ｓｆ 制御信号
Ｓｇ 制御電圧信号
Ｓｍ、Ｓｍｔ モニタ信号

Claims (14)

1. 発光素子と、
   前記発光素子に電流を供給する直流電源と、
   印加される制御電圧に応じて前記発光素子に流れる電流を制御するトランジスタと、
   前記トランジスタに印加する前記制御電圧を設定する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記トランジスタの温度指標情報に基づいて、前記制御電圧を、パルス幅変調電圧または直流電圧に設定することを特徴とする発光装置。
2. 前記制御部は、設定された電流値の電流が前記発光素子に流れるように前記制御電圧を設定し、前記温度指標情報は、前記設定された電流値を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記制御部は、前記トランジスタの温度が所定の値以下となる様に、前記設定された電流値が第１電流値以上または前記第１電流値よりも小さい第２電流値以下の場合は、前記制御電圧を直流電圧に設定し、前記設定された電流値が前記第１電流値より小さく前記第２電流値より大きい場合は、前記制御電圧をパルス幅変調電圧に設定することを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記制御部は、前記トランジスタの温度が所定の値以下となる様に、前記設定された電流値が第１電流値以上の場合は、前記制御電圧を直流電圧に設定し、前記設定された電流値が前記第１電流値より小さい場合は、前記制御電圧をパルス幅変調電圧に設定することを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
5. 前記トランジスタのジャンクション温度を検出する温度センサを備え、
   前記温度指標情報は、前記温度センサが検出した温度を含む、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の発光装置。
6. 前記制御部は、前記制御電圧をパルス幅変調電圧に設定している状態において、前記検出した温度が第１温度より高い場合は、当該状態よりも前記パルス幅変調電圧の波高が高く、かつＤｕｔｙが低くなるように前記制御電圧を変更する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記制御部は、前記制御電圧を直流電圧に設定している状態において、前記検出した温度が第１温度より高い場合は、前記制御電圧の設定をパルス幅変調電圧に切り換える
   ことを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
8. 少なくとも２つ前記トランジスタを備え、前記制御部は、前記２つのトランジスタに印加する前記制御電圧を、互いに位相が逆のパルス幅変調された制御電圧に設定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の発光装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の発光装置を備え、前記発光素子は光増幅ファイバの励起光源であることを特徴とするファイバレーザ装置。
10. 請求項１〜８のいずれか一つに記載された複数の発光装置と、
    前記複数の発光装置の制御部のそれぞれに、前記制御電圧に関する指示信号を出力する統合制御部と、
    を備え、
    前記統合制御部は、前記統合発光装置に対する光出力の要求値に応じて、前記制御部のそれぞれに、所定の条件にしたがった前記指示信号を出力することを特徴とする統合発光装置。
11. 前記所定の条件は、前記制御電圧がパルス幅変調電圧に設定される前記発光装置の数が前記発光装置の全数よりも少なくなる条件であることを特徴とする請求項１０に記載の統合発光装置。
12. 前記所定の条件は、前記制御電圧がゼロより大きい値に設定される前記発光装置における光変換効率の平均値が、前記発光装置の全部における光変換効率の平均値よりも高くなる条件であることを特徴とする請求項１０に記載の統合発光装置。
13. 前記複数の発光装置が出力した光が入力される光増幅ファイバを有することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一つに記載の統合発光装置。
14. トランジスタに印加する制御電圧を設定する設定工程と、
    前記制御電圧に応じて前記発光素子に流れる電流を制御する制御工程と、
    を含み、前記設定工程は、前記トランジスタの温度指標情報に基づいて、前記制御電圧を、パルス幅変調電圧または直流電圧に設定することを特徴とする発光素子の制御方法。

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