JP5166488B2 - レーザダイオードの寿命予測システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオードの駆動電流に基づいて該レーザダイオードの寿命が近いか否かを判定する、レーザダイオードの寿命予測システムに関する。

近年、様々な分野でレーザダイオードの利用が進められている。例えば、複数枚のフィルム状または板状部材を重ねて貼り合せる生産設備（例えば、ゴムタイヤの生産設備）では、レーザ光が遮られることのないようにフィルム状部材等を重ね合わせることにより、フィルム状部材等同士の位置ずれを防いでいる。また、医療現場で使用される各種機器においても、原点を可視化するためにレーザ光を使用している。

上記のような生産設備等で使用されるレーザダイオードは、通常、フォトダイオードとともにパッケージ化されて図１に示すレーザダイオード組立体２を構成している（例えば、非特許文献１参照）。同図に示すように、このレーザダイオード組立体２では、レーザダイオード２ａが、その一端面から出射窓に向けて特定波長の光を出射するとともに、該一端面の対向面からフォトダイオード２ｂに向けて、一端面から出射された光に比例した光量の光を出射する。そして、フォトダイオード２ｂは、レーザダイオード２ａの対向面からの光の光量、すなわち出射窓から出射された光の光量を検出し、適当な電気信号に変換する。

この構成によれば、レーザダイオード２ａが劣化して光量が減少した場合や周辺温度が変化して光量が増減した場合に、フォトダイオード２ｂからの電気信号を参照してレーザダイオード２ａの駆動電流を増減させるフィードバック制御を行うことができるので、出射窓から出射される光の光量を、規定光量に維持することができる。

ここで、半導体素子であるレーザダイオード２ａは、使用するにつれて徐々に劣化（経時劣化）し、最終的に、駆動電流を増やしても規定光量での発光ができない状態となる。このような状態は一般に「寿命」と呼ばれており、寿命となったレーザダイオード２ａ（レーザダイオード組立体２）は直ちに交換する必要がある。また、レーザダイオード２ａを交換するためには、生産設備等を長時間にわたって停止しなければならず、生産予定の見直し等を強いられる場合が多い。

そこで従来から、レーザダイオード２ａを使用した各分野では、レーザダイオード２ａに流れる駆動電流を常時モニターし、駆動電流が所定の劣化閾値電流を超えているか否かにより、レーザダイオード２ａの寿命が近いことを予測する技術が検討されている（例えば、特許文献１参照）。レーザダイオード２ａの寿命を予測することができれば、定期的なメンテナンスの際に、または他の部品の交換の際に、寿命が近づいているレーザダイオード２ａを交換しておくことができ、生産設備等の稼働率の低下を防ぐことができる。

"ＨＬ６３１２Ｇ／１３Ｇ ＡｌＧａＩｎＰレーザダイオード"、日本オプネクスト（株）、インターネット、＜http://www.opnext.com/jp/products/pdf/odj2_006_hl6312g_13g.pdf＞、２０１０年７月５日現在

特許第４０４６７７８号公報

ところで、レーザダイオード２ａの寿命には、上記経時劣化によるものと、静電気や電源ラインに重畳したノイズ等の外乱要因に起因した劣化によるものとがある。これらのうち後者は、レーザダイオード２ａの使用環境に何らかの改善を施さない限り、交換したばかりの新しいレーザダイオード２ａを劣化させ、再度の交換を強いる可能性がある。したがって、使用者にとって、レーザダイオード２ａの寿命が前者によるものなのか後者によるものなのかを知ることは極めて重要である。

しかしながら、上記特許文献１に記載されている従来の寿命予測システムは、経時劣化による寿命と外乱要因による寿命とを区別して、レーザダイオード２ａの寿命を予測することができなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とすることころは、単にレーザダイオードの寿命を予測して通知するだけでなく、レーザダイオードを劣化させる外乱要因が発生した場合はその旨も通知することができる、レーザダイオードの寿命予測システムを提供することにある。

上記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寿命予測システムは、光量が規定光量となるように制御されたレーザダイオードと、レーザダイオードの駆動電流を検出する電流センサと、検出された駆動電流に基づいてレーザダイオードの寿命が近いか否かの判定を行う寿命判定部と、判定の結果を通知する通知部とを備えた、レーザダイオードの寿命予測システムであって、検出された駆動電流の増加傾向に基づいて、レーザダイオードを劣化させる外乱要因の発生を検出する外乱要因検出部と、外乱要因検出部によって外乱要因の発生が検出されたか否かを記憶する記憶部と、レーザダイオードの周辺温度を検出する温度センサとをさらに備え、通知部は、記憶部を参照し、外乱要因の発生が検出されている場合と検出されていない場合とで異なった通知をい、寿命判定部は、レーザダイオードに所定の劣化閾値電流を超える駆動電流が流れた時間の累積時間が、周辺温度毎に予め定められている閾値時間を越えた場合に、レーザダイオードの寿命が近いとの判定を行うことを特徴とする。

この構成では、駆動電流の増加傾向に基づいてレーザダイオードを劣化させる外乱要因の発生が検出され、その検出結果に応じた通知がなされる。したがって、使用者は、外乱要因の発生を知ることができ、使用環境を改善するなどの必要な対策をとることができる。すなわち、外乱要因によって交換したばかりのレーザダイオードがすぐに劣化し、頻繁に交換を強いられるのを防ぐことができる。
なお、上記の用語「外乱要因」は、静電気や電源ラインに重畳したノイズに限定されず、経時劣化を超える速さでレーザダイオードの劣化を進行させるあらゆる要因を含むものとする。

上記レーザダイオードの寿命予測システムは、電流センサが、一定時間おきに駆動電流を検出し、外乱要因検出部が、検出された最新の駆動電流と直前の駆動電流との差電流が所定の増加閾値電流値を超えた場合に、外乱要因の発生を検出するよう構成することができる。

本発明によれば、単にレーザダイオードの寿命を予測して通知するだけでなく、レーザダイオードを劣化させる外乱要因が発生した場合はその旨も通知することができる、レーザダイオードの寿命予測システムを提供することができる。

レーザダイオード組立体の部分断面斜視図である。 本発明に係るレーザダイオードの寿命予測システムの一例を示すブロック図である。 本発明に係る寿命予測フローのフローチャートである。 レーザダイオードの駆動電流の変化の具体例を示すグラフである。 レーザダイオードの駆動電流の変化の他の具体例を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るレーザダイオードの寿命予測システムの好ましい実施形態について説明する。

［システム構成］
図２に、本発明に係るレーザダイオードの寿命予測システムのブロック図を示す。同図に示すように、寿命予測システム１は、図１に示すレーザダイオード組立体２と、レーザダイオード２ａを駆動して発光させる駆動回路３と、レーザダイオード組立体２の周辺に設けられた温度センサ９と、レーザダイオード２ａの駆動電流が流れるライン上に設けられた電流センサ１０と、使用者にレーザダイオード２ａの寿命が近いことを通知する通知部１１と、制御部４とを備えている。

また、制御部４は、マイコンと、好ましくは不揮発性を有するメモリと、マイコン上で実行されるコンピュータプログラムとから構成されたもので、外乱要因検出部５と、記憶部６と、寿命判定部７と、設定値記憶部８とを含んでいる。このうち、設定値記憶部８には、使用者によって入力された規定光量に関する設定値や、後述する増加閾値電流値、劣化閾値電流値が記憶されている。

駆動回路３は、設定値記憶部８に記憶されている規定光量に関する設定値と、フォトダイオード２ｂから出力されたレーザダイオード２ａの光量に関する電気信号とを参照し、規定光量で発光するようにフィードバック制御によりレーザダイオード２ａを駆動する。本実施形態では、レーザダイオード２ａのアノード側に駆動回路３が接続され、レーザダイオード２ａのカソード側は接地されているので、レーザダイオード２ａの実際の光量が規定光量よりも低い場合、駆動回路３は、出力電圧を上昇させることによりレーザダイオード２ａの駆動電流を増加させる。

なお、レーザダイオード２ａの光量は、経時劣化により、累積発光時間が増加するにつれて徐々に低下する。したがって、レーザダイオード２ａの駆動電流は、駆動回路３のフィードバック制御下で徐々に増加する。

温度センサ９は、レーザダイオード組立体２（レーザダイオード２ａ）の周辺温度を検出し、該周辺温度に応じた電気信号を制御部４に向けて出力する。電流センサ１０は、レーザダイオード２ａのカソード側に設けられ、レーザダイオード２ａの駆動電流を一定時間おきに検出するとともに、該駆動電流に応じた電気信号を制御部４に向けて出力する。駆動電流の検出間隔は、例えば１０秒である。なお、電流センサ１０は、レーザダイオード２ａのアノード側に設けることもできる。

制御部４の外乱要因検出部５は、電流センサ１０によって検出された駆動電流を参照するとともに、該駆動電流の増加傾向に基づいて、レーザダイオード２ａを急速に劣化させる外乱要因の発生を検出する。具体的には、外乱要因検出部５は、電流センサ１０が検出した最新の駆動電流と直前に検出した駆動電流（例えば、１０秒前のもの）との差電流が、設定値記憶部８に予め記憶されている増加閾値電流値を超えている場合に、外乱要因の発生を検出する。

上記検出手法には種々の変形例が考えられる。例えば、最新の３つの駆動電流（現在、１０秒前、２０秒前の駆動電流）の平均値と、さらにその前に検出された３つの駆動電流（３０秒前、４０秒前、５０秒前の駆動電流）の平均値との差電流により、外乱要因の発生を検出してもよい。要は、経時劣化による緩やかな傾きよりも急峻な傾きをもって駆動電流が増加したことを検出できるものであれば、検出手法はどのようなものであってもよい。

なお、外乱要因検出部５が参照するのは駆動電流であって、外乱要因（ノイズ等）自体ではないので、外乱要因検出部５によって外乱要因の発生を直接的に検出することはできない。しかしながら、駆動電流の異常な変動は何らかの外乱要因が発生したことによるものである蓋然性が高い。そこで、本発明では、駆動電流の増加傾向に基づいて、外乱要因の発生を間接的に検出することとしている。

制御部４の記憶部６は、外乱要因検出部５によって外乱要因の発生が検出されたか否かを記憶する。記憶部６は不揮発性を有していることが好ましい。

寿命判定部７は、温度センサ９によって検出されたレーザダイオード２ａの周辺温度と、電流センサ１０によって検出されたレーザダイオード２ａの駆動電流と、設定値記憶部８に予め記憶されている劣化閾値電流値および閾値時間に基づいて、レーザダイオード２ａの寿命が近いか否かを判定する。より詳しくは、寿命判定部７は表１または表２のようなテーブルを有し、設定値記憶部８に予め記憶されている劣化閾値電流値を超える駆動電流が流れた時間の累積時間（以下、「劣化累積時間」という）が、周辺温度毎に予め定められている閾値時間を超えると、寿命が近いとの判定を行う。

例えば、設定値記憶部８に予め記憶されている劣化閾値電流値が８０ｍＡ、周辺温度が４０℃で、表１のテーブルを用いて判定をする場合は、８０ｍＡを超える駆動電流が流れた劣化累積時間が５０時間を越えると寿命が近いとの判定がなされる。また、劣化閾値電流値が１００ｍＡ、周辺温度が２０℃で、表２のテーブルを用いて判定を行う場合は、１００ｍＡを超える駆動電流が流れた劣化累積時間が８０時間を越えると寿命が近いとの判定がなされる。周辺温度が高いほど閾値時間を短くしているのは、周辺温度が高くなるにつれてレーザダイオード２ａの経時劣化が速く進行するためである。

通知部１１は、寿命判定部７による判定の結果を使用者に通知する。この際、通知部１１は記憶部６を参照し、レーザダイオード２ａを劣化させる外乱要因の発生が検出されている場合とされていない場合とで異なった通知をする。このため、通知部１１は、少なくとも３種類の通知をする必要がある。すなわち、通知部１１は、（１）寿命が近づいていない、（２）寿命が近いが外乱要因の発生は検出されていない、（３）寿命が近く外乱要因の発生が検出されている、の３つの状態を区別して使用者に通知する必要がある。

このような通知部１１としては、種々のものが考えられる。例えば、消灯状態と点灯状態と点滅状態とが切り替え可能なＬＥＤや、消灯状態と点灯状態が切り替え可能な２つのＬＥＤや、液晶ディスプレイ等が通知部１１として使用できるが、これらは単なる一例である。

［寿命予測フロー］
続いて、図３に示すフローチャートを参照しつつ、交換された新たなレーザダイオード２ａが最初に発光してから、使用者に該レーザダイオード２ａの寿命が近いことが通知されるまでの流れについて説明する。

駆動回路３のフィードバック制御下で新たなレーザダイオード２ａが発光すると、寿命判定部７が発光時間の積算を開始し（ステップＳ１）、次いで累積発光時間がレーザダイオード２ａの保証時間を超えているか否かの判定を行う（ステップＳ２）。ここで、「保証時間」とは、通常の使用、すなわち経時劣化のみでは寿命とならないことがメーカーによって保証されている時間のことをいう。

ステップＳ２において未だ保証時間を超えていないと判断した場合、寿命判定部７は駆動電流が劣化閾値電流を超えているか否かの判定を行う（ステップＳ３）。

ステップＳ３において駆動電流が劣化閾値電流を超えているとの判定がなされると、外乱要因検出部５は駆動電流の増加傾向が所定の条件を満たすか否かを判定する。例えば、外乱要因検出部５は、電流センサ１０が検出した最新の駆動電流と直前に検出した駆動電流（例えば、１０秒前のもの）との差電流が、設定値記憶部８に予め記憶されている増加閾値電流値を超えているか否かにより上記判定を行う。

言い換えると、ステップＳ２〜Ｓ４では、累積発光時間が保証時間に達していないにもかかわらず、劣化閾値電流を超える大きな駆動電流が流れ、しかも駆動電流の増加傾向が経時劣化による駆動電流の通常の増加傾向に比べて急であった場合に、外乱要因の発生が検出される。

ステップＳ４において所定の条件（差電流＞増加閾値電流値）を満たすとの判定がされると、記憶部６は、外乱要因の発生が検出されたことを記憶する（ステップＳ５）。

保証時間を越えるまで劣化閾値電流を超える駆動電流が検出されなかった場合は、ステップＳ６に進み、寿命判定部７は駆動電流が劣化閾値電流を超えているか否かの判定をする（ステップＳ６）。ステップＳ６は、駆動電流が劣化閾値電流を超えるまで繰り返し実行される。そして、超えているとの判定がなされると、ステップＳ７が実行される。

図３に示すように、ステップＳ４の条件を満たさない場合やステップＳ５が実行された後も、ステップＳ７が実行される。つまり、劣化閾値電流を超える駆動電流が検出されると、ステップＳ７が実行される。

寿命判定部７は、ステップＳ７で劣化累積時間の積算を開始した後に、劣化累積時間が所定の閾値時間を超えているか否かの判定を行う（ステップＳ８）。なお、閾値時間は、前記のとおり、レーザダイオード２ａの周辺温度毎に予め定められている。

ステップＳ８で、劣化累積時間が所定の閾値時間を超えているとの判定がされると、通知部１１は、記憶部６を参照して外乱要因の発生が検出されているか否かを判定する（ステップＳ９）。そして、その判定結果に応じて、通知部１１は異なった通知を行う（ステップＳ１０、Ｓ１１）。

例えば、通知部１１が１つのＬＥＤからなる場合、通知部１１は、ＬＥＤを点滅させることにより「経時劣化による寿命」の通知を行い（ステップＳ１０）、ＬＥＤを点灯させることにより「外乱要因による寿命」の通知を行う（ステップＳ１１）。また、色が異なる２つのＬＥＤによって通知部１１が構成されている場合、通知部１１は、一方のＬＥＤを点灯させることによりステップＳ１０の通知を行い、他方のＬＥＤを点灯させることによりステップＳ１１の通知を行う。

［動作の具体例］
続いて、図４および図５を参照しつつ、上記寿命予測システム１の動作の具体例について説明する。なお、以下の具体例では、規定光量は１ｍＷ、劣化閾値電流値は８０ｍＡ、増加閾値電流値は１０ｍＡ、周辺温度は４０℃であり、表１のテーブルを用いて閾値時間を決定するものとする。また、交換したばかりのレーザダイオード２ａを１ｍＷの光量で発光させるためには、４０ｍＡの駆動電流が必要であるとする。

図４に示す具体例では、駆動電流が８０ｍＡを超えることなく保証時間が経過する。この間、ステップＳ２とステップＳ３が繰り返し実行される。そして、累積発光時間がｔ_１となって駆動電流が８０ｍＡを超えると、劣化累積時間が５０時間（表１参照）になるまでステップＳ８が繰り返し実行され、その後、累積発光時間ｔ_２において、ステップＳ１０の通知、すなわち、経時劣化による寿命が近い旨の通知が行われる。

一方、図５に示す具体例では、保証時間経過前の累積発光時間ｔ_３において８０ｍＡを超える駆動電流が検出され、しかも、直前に検出した駆動電流と最新の駆動電流との差電流（約２０ｍＡ）が１０ｍＡを超えているので、ステップＳ４の条件を満たし、ステップＳ５において記憶部６に外乱要因の発生が検出されたことが記憶される。その後、ステップＳ８が繰り返し実行され、累積発光時間ｔ_４において劣化累積時間が５０時間になると、ステップＳ１１の通知、すなわち、外乱要因による寿命が近い旨の通知が行われる。

以上、本発明に係るレーザダイオードの寿命予測システムの好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では閾値時間を周辺温度毎に定めたが、周辺温度に関係なく常に一定とし、温度センサ９を省略してもよい。ただし、高精度に寿命を予測するという観点からは、周辺温度毎に閾値時間を定めるのが好ましい。

また、上記実施形態では駆動電流の増加傾向に基づいて外乱要因の発生を検出したが、外乱要因による駆動電流の減少があり得る場合は、減少傾向に基づいて外乱要因の発生を検出してもよい。

１ 寿命予測システム
２ レーザダイオード組立体
２ａ レーザダイオード
２ｂ フォトダイオード
３ 駆動回路
４ 制御部
５ 外乱要因検出部
６ 記憶部
７ 寿命判定部
８ 設定値記憶部
９ 温度センサ
１０ 電流センサ
１１ 通知部

Claims (2)

1. 光量が規定光量となるように制御されたレーザダイオードと、前記レーザダイオードの駆動電流を検出する電流センサと、検出された前記駆動電流に基づいて前記レーザダイオードの寿命が近いか否かの判定を行う寿命判定部と、前記判定の結果を通知する通知部とを備えた、前記レーザダイオードの寿命予測システムであって、
   検出された前記駆動電流の増加傾向に基づいて、前記レーザダイオードを劣化させる外乱要因の発生を検出する外乱要因検出部と、
   前記外乱要因検出部によって前記外乱要因の発生が検出されたか否かを記憶する記憶部と、
   前記レーザダイオードの周辺温度を検出する温度センサと、をさらに備え、
   前記通知部は、前記記憶部を参照し、前記外乱要因の発生が検出されている場合と検出されていない場合とで異なった通知を行い、
   前記寿命判定部は、前記レーザダイオードに所定の劣化閾値電流を超える前記駆動電流が流れた時間の累積時間が、前記周辺温度毎に予め定められている閾値時間を越えた場合に、前記レーザダイオードの寿命が近いとの判定を行うことを特徴とする寿命予測システム。
2. 前記電流センサは一定時間おきに前記駆動電流を検出し、
   前記外乱要因検出部は、検出された最新の駆動電流と直前の駆動電流との差電流が所定の増加閾値電流値を超えた場合に、前記外乱要因の発生を検出することを特徴とする請求項１に記載の寿命予測システム。

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