JP6928840B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、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に関するものである。

従来、発光素子として複数の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。これらの発光装置は、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（特許文献１〜３参照）。

特許第５６９４７１１号公報 国際公開第２０１５／１１１７１１号 特開２０１７−５４９３１号公報

発光素子は、流れる電流に応じた強度の光を出力する。発光素子に流れる電流を制御する方法として、発光素子と直列にトランジスタを接続し、このトランジスタに印加する制御電圧を調整する方法が知られている。

しかしながら、発光素子は素子毎に電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）が異なる、すなわち、Ｉ−Ｌ特性には素子毎にばらつきがある。この場合、異なる発光素子に対して、トランジスタに印加する制御電圧を同じ値にして、発光素子に流れる電流を同じにしたとしても、得られる光出力が異なることとなり、所望の光出力が得られない場合があるという問題があった。特に、複数の発光素子を用いる場合、Ｉ−Ｌ特性のばらつきが累積するため、所望の光出力からのずれが大きくなる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、所望の光出力を好適に得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、互いに並列に接続され、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複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのそれぞれに印加する制御電圧を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、当該発光装置に指示された光出力強度を実現するように、前記複数のトランジスタのそれぞれに個別に前記制御電圧を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、前記複数のトランジスタのそれぞれのジャンクション温度が許容上限温度を超えないように、前記制御電圧を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、前記複数のトランジスタのそれぞれについてのジャンクション温度と前記制御電圧との関係を記憶する記憶部を備えており、前記制御部は、前記記憶された関係に従って前記制御電圧を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、前記発光素子の出力と前記制御電圧との関係を記憶する記憶部を備えており、前記制御部は、前記記憶された関係に従って前記制御電圧を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、前記直流電源の電圧を、前記発光素子を駆動可能な電圧よりも大きな電圧に制御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、前記複数のトランジスタのそれぞれの負荷を最大にする電流を回避するように、前記制御電圧を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、前記制御電圧を任意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、前記発光素子を複数有し、該複数の発光素子は、直列接続された複数の発光素子群を構成しており、前記複数のトランジスタは、前記複数の発光素子群に直列に接続されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、前記複数の発光素子群のそれぞれに直列接続された複数の電流モニタ部を備え、前記複数の電流モニタ部の抵抗値がそれぞれ異な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、本発明の一態様に係る発光装置を備え、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発光素子の制御方法は、指示された光出力強度を実現するように、互いに並列に接続され印加される制御電圧に応じて発光素子に流れる電流を制御する複数のトランジスタに、個別に前記制御電圧を設定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、前記複数のトランジスタのそれぞれのジャンクション温度が許容上限温度を超えないように、前記制御電圧を設定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、前記複数のトランジスタのそれぞれについてのジャンクション温度と前記制御電圧との関係に従って前記制御電圧を設定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、前記発光素子の出力と前記制御電圧との関係に従って前記制御電圧を設定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、前記発光素子に電流を供給する直流電源の電圧を、前記発光素子を駆動可能な電圧よりも大きな電圧に制御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、前記複数のトランジスタのそれぞれの負荷を最大にする電流を回避するように、前記制御電圧を設定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、前記制御部は、前記制御電圧を任意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素子の制御方法は、前記発光素子を複数有し、該複数の発光素子は、直列接続された複数の発光素子群を構成しており、前記複数のトランジスタは、前記複数の発光素子群に直列に接続されてい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、前記複数の発光素子群のそれぞれに直列接続された複数の電流モニタ部の抵抗値がそれぞれ異なることを特徴とする。

本発明によれば、所望の光出力を好適に得ることができるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る発光装置のブロック図である。 図２は、実施形態１に係る発光装置の具体例の回路図である。 図３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４は、２つのトランジスタに流れる電流Ｉ１、Ｉ２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５は、図４の等温線図において、電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせの一例を示す図である。 図６は、電流と温度との時間変化の一例を示す図である。 図７は、２つのトランジスタに流れる電流Ｉ１、Ｉ２とジャンクション温度との関係の別の一例を示す図である。 図８は、図７の等温線図である。 図９は、実施形態２に係る発光装置のブロック図である。 図１０は、実施形態３に係るファイバレーザ装置の模式図である。 図１１は、図１０における制御部のブロック図である。 図１２は、テーブルデータ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に係る発光装置のブロック図である。発光装置１０は、直流電源１と、発光素子部２−１〜２−Ｎと、トランジスタ３−１〜３−Ｎと、電流制御部４−１〜４−Ｎと、電流モニタ部５−１〜５−Ｎと、制御部６とを備えている。なお、Ｎは２以上の整数である。

発光素子部２−１〜２−Ｎは、少なくとも１つの発光素子を備えている。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レーザダイオード（ＬＤ）であるとする。直流電源１は、各発光素子部２−１〜２−Ｎに接続されており、各発光素子部２−１〜２−Ｎにそれぞれ電流Ｉ１〜ＩＮを供給する。

トランジスタ３−１〜３−Ｎは、本実施形態では電圧制御型のトランジスタである電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。各トランジスタ３−１〜３−Ｎは、各発光素子部２−１〜２−Ｎに直列に接続されており、かつ互いには並列に接続されている。各トランジスタ３−１〜３−Ｎは、ゲートに印加される制御電圧に応じてドレイン−ソース電流を調整できる。各ドレイン−ソース電流は電流Ｉ１〜ＩＮに相当する。これにより、各トランジスタ３−１〜３−Ｎは、印加される制御電圧に応じて、各発光素子部２−１〜２−Ｎの発光素子に流れる電流を制御することができる。

各電流モニタ部５−１〜５―Ｎは、各発光素子部２−１〜２−Ｎおよび各トランジスタ３−１〜３−Ｎに直列に接続されており、各発光素子部２−１〜２−Ｎの発光素子に流れる電流をモニタし、そのモニタ結果を示すモニタ信号を、破線矢印で示すように各電流制御部４−１〜４−Ｎに出力する。

制御部６は、各トランジスタ３−１〜３−Ｎに印加する制御電圧の設定信号を、破線矢印で示すように各電流制御部４−１〜４−Ｎに出力する。また、制御部６は直流電源１の電圧を制御することができる。また、制御部６は、外部から、発光装置１０に対する光出力強度の指示信号を受け付ける。発光装置１０に対する光出力強度の指示信号とは、発光装置１０の発光素子部２−１〜２−Ｎから出力させるレーザ光の総強度（総光出力強度）を発光装置１０に指示する信号である。

制御部６は、演算部と、記憶部とを備えている。演算部は、制御部６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６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６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。

各電流制御部４−１〜４−Ｎは、各電流モニタ部５−１〜５―Ｎからのモニタ信号と、制御部６からの設定信号とが入力されて、これらの信号に応じて、破線矢印で示すように、各トランジスタ３−１〜３−Ｎに印加する制御電圧を出力する。すなわち、制御部６は、設定信号によって、各トランジスタ３−１〜３−Ｎに印加する制御電圧を制御することができる。

図２は、発光装置１０の具体例の回路図である。発光装置１０Ａは、直流電源１Ａと、発光素子部２Ａ−１、２Ａ−２と、トランジスタ３Ａ−１、３Ａ−２と、電流制御部４Ａ−１、４Ａ−２と、電流モニタ部５Ａ−１、５Ａ−２と、制御部６と、ツェナーダイオード７とを備えている。

直流電源１Ａは公知の直流電源である。発光素子部２Ａ−１、２Ａ−２は、それぞれ、ＬＤが直列接続されて発光素子群を構成しているものである。トランジスタ３Ａ−１、３Ａ−２は、それぞれ、ｎチャネルのＦＥＴであり、ドレインが発光素子部２Ａ−１または２Ａ−２に接続され、ソースが電流モニタ部５Ａ−１または５Ａ−２側に接続されている。電流制御部４Ａ−１、４Ａ−２は、それぞれ、オペアンプであり、出力端子がトランジスタ３Ａ−１または３Ａ−２のゲートに接続されている。電流モニタ部５Ａ−１、５Ａ−２は、それぞれ、センス抵抗と電流分岐部とで構成されており、電流分岐部で分岐した電流信号が電流制御部４Ａ−１または４Ａ−２のオペアンプの反転入力端子に入力されるように接続されている。制御部６は、電流制御部４Ａ−１および４Ａ−２のオペアンプの非反転入力端子に、それぞれの制御電圧の設定信号を入力するように接続されている。ツェナーダイオード７は、発光素子部２Ａ−１、２Ａ−２、トランジスタ３Ａ−１、３Ａ−２、電流制御部４Ａ−１、４Ａ−２に掛かる電圧を安定化するために設けられている。

図１に戻って説明を続ける。制御部６は、発光装置１０に指示された総光出力強度を実現するように各トランジスタ３−１〜３−Ｎに個別に制御電圧を設定する。このように、各トランジスタ３−１〜３−Ｎに個別に制御電圧を設定することによって、発光素子部２−１〜２−Ｎに含まれるＬＤのＩ−Ｌ特性のばらつきにかかわらず、指示された総光出力強度を実現することができ、所望の光出力を好適に得ることができる。

なお、制御部６は、指示された総光出力強度を実現するために各発光素子部２−１〜２−Ｎに流すべき電流Ｉ１〜ＩＮと、電流Ｉ１〜ＩＮを流すために各トランジスタ３−１〜３−Ｎに個別に設定する制御電圧との組み合わせについてのデータを記憶しており、この組み合わせのデータに基づいて制御電圧を設定する。このような組み合わせのデータは、例えば、事前実験によって取得し、記憶部に記憶させることができる。

（トランジスタの発熱について）
ところで、近年、ＬＤの高出力化に伴い電流Ｉ１〜ＩＮが大きくなってきている。電流Ｉ１〜ＩＮが大きくなるにつれてトランジスタ３−１〜３−Ｎの発熱量も大きくなる。

また、図１の発光装置１０において、直流電源１が印加する電圧をＶｐｏｗｅｒとすると、Ｖｐｏｗｅｒは、例えば、（発光素子部２−１の順方向電圧Ｖｆ（Ｉ１））＋トランジスタ３−１のドレイン−ソース電圧Ｖｄｓ１）＋（電流モニタ部５−１による電圧降下）で表される。電流モニタ部５−１が、図２の電流モニタ部５Ａ−１のように抵抗値Ｒｓ１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。
Ｖｄｓ１＝Ｖｐｏｗｅｒ−Ｖｆ（Ｉ１）−Ｒｓ１×Ｉ１ （１）
また、トランジスタ３−１の消費電力をＰ１とすると、Ｐ１は式（２）で表される。
Ｐ１＝Ｉ１×Ｖｄｓ１ （２）
すると、トランジスタ３−１のジャンクション温度Ｔｊ１は式（３）で表される。なお、Ｔｒ１はトランジスタ３−１のオン抵抗であり、Ｔｈｓ１は、トランジスタ３−１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。
Ｔｊ１＝Ｐ１×Ｔｒ１＋Ｔｈｓ１
＝Ｉ１×Ｖｄｓ１×Ｔｒ１＋Ｔｈｓ１
＝Ｉ１×（Ｖｐｏｗｅｒ−Ｖｆ（Ｉ１）−Ｒｓ１×（Ｉ１））×Ｔｒ１
＋Ｔｈｓ１ （３）
式（１）〜（３）は、他の発光素子部２−２〜２−Ｎ、トランジスタ３−２〜３−Ｎ、電流モニタ部５−２〜５−Ｎについても成り立つ。

また、Ｎ＝２とすると、発光素子部２−１、２−２における消費電力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＝Ｉ１×Ｖｆ（Ｉ１）＋Ｉ２×Ｖｆ（Ｉ２） （４）
なお、トランジスタ３−１、３−２が同じ電気的特性であり、これらのジャンクション温度をＴｊとすると、例えば、最急降下法（ラクアンジェの未定係数法）により、Ｗを決める点（Ｉ１、Ｉ２）でＴｊを最小にする点を求めることができる。すなわち、式（５）〜（８）を満たすＩ１、Ｉ２が解である。
Ｌ（Ｉ１、Ｉ２、λ）
＝Ｔｊ＋λ（Ｗ−Ｉ１×Ｖｆ（Ｉ１）＋Ｉ２×Ｖｆ（Ｉ２）） （５）
δＬ（Ｉ１、Ｉ２、λ）／δＩ１＝０ （６）
δＬ（Ｉ１、Ｉ２、λ）／δＩ２＝０ （７）
δＬ（Ｉ１、Ｉ２、λ）／δλ＝０ （８）

ここで、発光素子部２−１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３−１で調整する電圧Ｖｄｓ１もＩ１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３−１の負荷が極大値を持つ場合がある。この場合、例えば図３に示すように、電流（Ｉ１）を横軸としてトランジスタ３−１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、Ｉ１を例えば０Ａ〜１５Ａの範囲で調整するとき、Ｉ１の最大値、すなわち発光素子部２−１が最大光出力となるＩ１とトランジスタ３−１の負荷が最大となるＩ１とがずれることとなる。このような現象は、他のトランジスタ３−２〜３―Ｎにおいても起こる。また、図３において破線はトランジスタ３−１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。

発光装置１０を、その総光出力強度を時間的に変化させて動作させる場合、電流Ｉ１〜ＩＮを中間的な値に設定するときがある。例えば、発光装置１０をファイバレーザの励起光源等に適用した場合、対象となる加工物に対して加工の仕上がりを改善するために中間的な総光出力強度を用いる場合がある。一方で、図３に示すように、トランジスタ３−１〜３−Ｎは、そのような中間的な値の場合に発熱量が最大となる場合があるため、トランジスタ３−１〜３―Ｎの熱設計が困難な場合がある。

トランジスタの負荷を低減するために、トランジスタを複数並列に接続して１つ当たりの負荷を低減したり、トランジスタに設けるヒートシンクを大型化して排熱量を増加させたりする方法も考えられるが、これらの方法は装置の大型化を招くので好ましくない。

そこで、制御部６は、各トランジスタ３−１〜３―Ｎのジャンクション温度が許容上限温度を超えないように、制御電圧を設定することが好ましい。

これを実施するために、制御部６は、各トランジスタ３−１〜３―Ｎについてのジャンクション温度と制御電圧との関係を記憶する記憶部を備えており、記憶された関係に従って制御電圧を設定することが好ましい。ジャンクション温度と制御電圧との関係は、各トランジスタ３−１〜３―Ｎの負荷を最大にする電流を回避する関係となっており、各トランジスタ３−１〜３―Ｎのジャンクション温度が許容上限温度を超えないような制御電圧となっている。このような制御電圧は、指示された総光出力強度を実現するための制御電圧でもある。これにより、指示された総光出力強度を実現しつつ、各トランジスタ３−１〜３―Ｎのジャンクション温度が許容上限温度を超えることを防止できる。

なお、制御部６は、直流電源１の電圧を、各発光素子部２−１〜２−Ｎの各ＬＤを駆動可能な電圧よりも大きな電圧に制御するが、各ＬＤを駆動可能な電圧よりも大きな電圧であれば、より低い電圧に制御することが好ましい。これにより、各トランジスタ３−１〜３―Ｎの負荷を低減することができる。

Ｎ＝２の場合を例として、電流Ｉ１、Ｉ２の設定例について説明する。図４は、トランジスタ３−１、３−２に流れる電流Ｉ１、Ｉ２とジャンクション温度Ｔｊとの関係の一例を示す図である。なお、ジャンクション温度Ｔｊとして、トランジスタ３−１、３−２のうち高温の方を示している。トランジスタ３−１、３−２のジャンクション温度の許容上限値は１５０℃程度であるとする。

図５は、図４の等温線図において、電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせの一例を示す図である。線Ｌ１は、所定の総光出力強度を実現する際の電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせを示す線であり、この線Ｌ１上に位置する電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせであれば、同じ総光出力強度が実現される。なお、このような線Ｌ１は通常円弧状であるが、略直線近似できるため、直線で示している。また、図５において、電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせで表される点Ｐ１を含む十字状領域（太線で示す）は、ジャンクション温度が許容上限値を超える領域である。

従来は、総光出力強度を増加させる場合、線Ｌ２で示すように、電流Ｉ１、Ｉ２を同じ値にしながら増加させていたが、この場合、点Ｐ１では許容上限温度を超えてしまっていた。

これに対して、制御部６は、指示された総光出力強度を実現しながら、各トランジスタ３−１、３−２のジャンクション温度が許容上限温度を超えないような制御電圧を設定する。例えば、十字領域の左下領域内では、総光出力強度を増加させる場合、線Ｌ３ａで示すように電流Ｉ１、Ｉ２をゼロの値から同じ値にしながら増加させる。

つづいて、電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせで示される点が十字領域に接近したら、線Ｌ３ｂのように十字領域内の点を取らずに左上領域に移動し、この左上領域内で、指示された総光出力強度となるような電流Ｉ１、Ｉ２とする。これにより、総光出力強度を連続的に増加させることができる。つづいて、総光出力強度を増加させる場合、左上領域内で増加させるが、例えば線Ｌ３ｃで示すように、電流Ｉ１を一定の小さい値として、電流Ｉ２のみを増加させることが好ましい。これにより、トランジスタ３−１の負荷を小さくできる。

つづいて、電流Ｉ２が例えば上限値に近づいたら、その後は例えば線Ｌ３ｄで示すように電流Ｉ２を一定としながら電流Ｉ１を増加させ、総光出力強度を増加させる。そして、電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせで示される点が十字領域に接近したら、線Ｌ３ｅのように十字領域内の点を取らずに右上領域に移動し、この右上領域内で、指示された総光出力強度となるような電流Ｉ１、Ｉ２とする。これにより、総光出力強度を連続的に増加させることができる。つづいて、総光出力強度を増加させる場合、右上領域内で増加させるが、例えば線Ｌ３ｆで示すように、電流Ｉ１、Ｉ２を同じ値にしながら増加させる。

以上の電流Ｉ１、Ｉ２の組合せで示される点を、線Ｌ３ａ〜Ｌ３ｆに沿って移動させるように電流Ｉ１、Ｉ２を変化させると、トランジスタ３−１、３−２のジャンクション温度が許容上限値を超えないようにして、総光出力強度を連続的に増加させることができる。

なお、線Ｌ３ａ〜Ｌ３ｆは単なる例示であって、指示された総光出力強度を実現し、電流Ｉ１、Ｉ２の組合せで示される点が十字領域に存在しないようにする条件の下で、電流Ｉ１、Ｉ２の組合せ（制御電圧の設定）は任意に設定することができる。特に、トランジスタ３−１、３−２の負荷が、総合的な観点からできるだけ小さく、好ましくは最も小さくなるように設定することが好ましい。

図６は、電流Ｉ１、Ｉ２とジャンクション温度との時間変化の一例を示す図である。線Ｌ４は従来のように電流Ｉ１、Ｉ２を同じ値として増加させながら光出力を増加させる場合を示すが、この場合、ＦＥＴ温度は線Ｌ６で示すように変化し、許容温度を超えている。

これに対して、制御部６は、電流Ｉ１、Ｉ２を時間ｔ２までは線Ｌ５のように同じ値とし、その後時間ｔ２〜ｔ４までは、線Ｌ５ａ、Ｌ５ｂのように個別に異なる値とし、時間ｔ４以降は線Ｌ５のように同じ値として変化させる。時間ｔ１〜ｔ４のときの電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせは、図５に図示されているようにする。なお、時間ｔ２〜ｔ４においても、総光出力強度が、従来の線Ｌ４のように電流を増加させた場合と同様に増加するようにする。すなわち、総光出力強度は、従来の線Ｌ４のような電流増加と線Ｌ５、Ｌ５ａ、Ｌ５ｂのような電流増加とのいずれの場合も、線Ｌ７で示すように増加するようにしている。この場合、ＦＥＴ温度はトランジスタ３−１については線Ｌ８、トランジスタ３−２については線Ｌ９で示すように変化し、いずれも許容温度を超えないようにできる。なお、この電流変化は、制御電圧（例えばオペアンプの出力電圧）で決まるので、図６の線Ｌ５、Ｌ５ａ、Ｌ５ｂで示すような時間変化をする制御電圧を、例えば制御部６のＤＡＣなどで生成することで実現可能である。

図７は、トランジスタ３−１、３−２に流れる電流Ｉ１、Ｉ２とジャンクション温度Ｔｊとの関係の別の一例を示す図である。図７に示す例では、電流モニタ部５−１と５−２の抵抗値（例えば、センス抵抗の抵抗値）を異なる値としている。具体的には、例えば電流モニタ部５−１のセンス抵抗の値を５０ｍΩとし、電流モニタ部５−２のセンス抵抗の値を５００ｍΩとする。これにより、電流モニタ部５−２での電圧降下が大きくなるので、トランジスタ３−２の負荷が小さくなり、トランジスタ３−１、３−２の発熱特性が互いに異なるものとなり、ジャンクション温度が極値を取る電流値および／または極値も互いに異なるものとなる。

図８は、図７の等温線図であるが、トランジスタ３−２の負荷が小さくなったために、ジャンクション温度が許容上限値を超える領域は、図５に示す十字形状の領域から、縦軸に平行な帯状の領域（太線で示す）へと変化する。その結果、トランジスタ３−１、３−２のジャンクション温度が許容上限値を超えないようにできる電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせの選択肢が広がる。例えば、図８中で線Ｌ９または線Ｌ１０で示す、同じ総光出力強度が実現される電流Ｉ１、Ｉ２の組み合わせを選択する場合でも、図５の場合では選択できなかった組み合わせ、例えばＩ２＝６Ａとする組み合わせを選択できる。

（実施形態２）
図９は、実施形態２に係る発光装置のブロック図である。この発光装置１０Ｂは、図１に示す発光装置１０の構成において、Ｎ＝２とし、発光素子部２−１、２−２を発光素子部２に置き換え、トランジスタ３−１、３−２を発光素子部２に直列に接続する構成としたものである。

発光素子部２は、複数の発光素子を備えており、例えば複数のＬＤが直列接続されて複数の発光素子群を構成しているものである。

この発光装置１０Ｂにおいても、発光素子部２に含まれるＬＤのＩ−Ｌ特性のばらつきにかかわらず、指示された総光出力強度を実現することができ、所望の光出力を好適に得ることができる。また、各トランジスタ３−１、３−２のジャンクション温度が許容上限温度を超えないようにすることができる。

また、本実施形態においては、発光素子部２が複数の発光素子により構成される例を示したが、１つの発光素子により発光素子部を構成してもよい。

なお、図９は、Ｎ＝２として説明したが、Ｎを３以上の整数としても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施形態３）
図１０は、実施形態３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１０００は、レーザ加工用のファイバレーザ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、励起光を出力する発光装置である励起光源装置１０Ｃ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、光分岐カプラ７０と、フォトディテクタ（ＰＤ）８０とを備えている。

励起光源装置１０Ｃは、図１に示す発光装置１０と同様の構成を備えているが、発光素子部２−１〜２−Ｎをレーザモジュール２Ｃ−１〜２Ｃ−Ｎに置き換えたものである。これらのレーザモジュール２Ｃ−１〜２Ｃ−Ｎは、それぞれ、複数のＬＤが直列接続された発光素子群を含むものである。レーザモジュール２Ｃ−１〜２Ｃ−Ｎは光ファイバを介して励起光を出力する。励起光の波長は例えば９１５ｎｍである。

ＴＦＢ２０は、レーザモジュール２Ｃ−１〜２Ｃ−Ｎ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。光分岐カプラ７０は出力されたレーザ光の一部をＰＤ８０に向けて分岐し、残りの部分を、光ファイバを介して光合波カプラ１００１に出力する。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。

ＰＤ８０は、レーザ光の一部を受光してその受光強度に応じた電流信号を生成し、励起光源装置１０Ｃに出力する。また、励起光源装置１０Ｃは外部から設定信号が入力される。

励起光源装置１０Ｃは、図１の発光装置１０の制御部６に対応する制御部６Ｃを備える。制御部６Ｃは、図１１に示すように、設定光出力情報受信部６Ｃ１と、現在光出力情報受信部６Ｃ２と、ＦＥＴ温度情報受信部６Ｃ３と、情報処理部６Ｃ４と、テーブルデータ記憶部６Ｃ５と、電圧指示部６Ｃ６と、電流指示部６Ｃ７と、を備えている。

設定光出力情報受信部６Ｃ１は、ファイバレーザ装置１００のレーザ光出力の設定信号が入力され、その設定信号に含まれる設定光出力情報を取得する。現在光出力情報受信部６Ｃ２は、ＰＤ８０からの電流信号が入力され、その電流信号に含まれる現在の光出力情報を取得する。ＦＥＴ温度情報受信部６Ｃ３は、励起光源装置１０Ｃに含まれるＦＥＴ（図１のトランジスタ３−１〜３−Ｎに相当）が備えるサーミスタから、ＦＥＴの温度情報を取得する。

テーブルデータ記憶部６Ｃ５は、図１２に示すような、ファイバレーザ装置１００の光出力（図１２では単位はワット）に対する、Ｎ個のＦＥＴに対する制御電圧の設定値（図１２では単位はボルト）と、そのときのＦＥＴの温度（ジャンクション温度）（図１２では単位は℃）とを含むテーブルデータを記憶している。情報処理部６Ｃ４は、設定光出力情報受信部６Ｃ１、現在光出力情報受信部６Ｃ２、ＦＥＴ温度情報受信部６Ｃ３、テーブルデータ記憶部６Ｃ５から入力された情報またはデータを処理し、電圧指示部６Ｃ６と電流指示部６Ｃ７とに指示信号を出力する。

電圧指示部６Ｃ６は、直流電源１に対する電圧の指示信号を出力する。電流指示部６Ｃ７は、各ＦＥＴに流れる電流を指示するために、各ＦＥＴに対して設定する制御電圧を電流制御部（図１の電流制御部４−１〜４−Ｎに相当）に出力する。

制御部６Ｃにおいて実行される制御について説明する。まず、制御部６Ｃは、設定光出力情報に基づいて直流電源１に対する電圧を設定する。たとえば、設定光出力が低い場合には直流電源１に対する電圧も低く設定する。

つづいて、制御部６Ｃは、テーブルデータ記憶部６Ｃ５からテーブルデータを読み出し、設定光出力情報に基づいて各ＦＥＴに対する制御電圧を設定する。これにより、各ＦＥＴによってレーザモジュール２Ｃ−１〜２Ｃ−ＮのＬＤに適正な電流が流れ、各レーザモジュール２Ｃ−１〜２Ｃ−Ｎは適正な強度の励起光を出力し、ファイバレーザ装置１００の光出力が設定光出力となる。このとき、各ＦＥＴは、許容上限温度を超えないような組み合わせで電流が流れるように制御電圧が設定される。

なお、ＰＤ８０により得られた現在の光出力が、テーブルデータの値と異なるときは、テーブルデータのＦＥＴ電圧の値を、現在の光出力となるように組み合わせを組み換えて、書き換えてもよい。また、ＦＥＴ温度情報受信部６Ｃ３で得られたＦＥＴの温度が、テーブルデータの値と異なる（例えば、１０℃以上異なる）ときは、テーブルデータを、得られたＦＥＴの温度に書き換えてもよい。

上記実施形態では、記憶部が、複数のトランジスタのそれぞれについてのジャンクション温度と制御電圧との関係を記憶しており、制御部が、記憶された関係に従って制御電圧を設定する。しかし、本発明はこれに限らず、記憶部が、発光素子の出力と制御電圧との関係を記憶しており、制御部が、記憶された関係に従って制御電圧を設定してもよい。

なお、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。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 直流電源
２、２−１〜２−Ｎ 発光素子部
３−１〜３−Ｎ トランジスタ
４−１〜４−Ｎ 電流制御部
５−１〜５−Ｎ 電流モニタ部
６ 制御部
６Ｃ１ 設定光出力情報受信部
６Ｃ２ 現在光出力情報受信部
６Ｃ３ ＦＥＴ温度情報受信部
６Ｃ４ 情報処理部
６Ｃ５ テーブルデータ記憶部
６Ｃ６ 電圧指示部
６Ｃ７ 電流指示部
７ ツェナーダイオード
１０ 発光装置
２０、６０ ＴＦＢ
３０、５０ ＦＢＧ
４０ 光増幅ファイバ
７０ 光分岐カプラ
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

Claims (15)

1. 複数の発光素子と、
   複数の前記発光素子に電流を供給する直流電源と、
   互いに並列に接続され、それぞれが複数の前記発光素子のうち対応する発光素子に直列接続しており、印加される制御電圧に応じて自身と前記対応する発光素子とに流れる電流をそれぞれ制御する複数のトランジスタと、
   複数の前記トランジスタのそれぞれに印加する制御電圧を制御する制御部と、
   当該発光装置に指示される総光出力強度と、前記制御電圧のそれぞれとの関係を記憶する記憶部と、
   を備え、
   複数の前記トランジスタは、それぞれ、前記制御電圧に応じた前記電流が増加するにつれてジャンクション温度が増加して許容上限温度を超えた極大値をとり、前記電流がさらに増加するとジャンクション温度が前記許容上限温度より低くなる特性を有し、
   前記制御部は、前記総光出力強度を実現するとともに、複数の前記トランジスタのそれぞれのジャンクション温度が許容上限温度を超えないように、前記記憶部を参照して複数の前記トランジスタのそれぞれに個別に前記制御電圧を設定し、
   前記総光出力強度が、複数の前記トランジスタのそれぞれの制御電圧が前記ジャンクション温度が極大となる前記制御電圧未満であって複数の前記トランジスタのそれぞれに流れる電流が等しい場合には前記ジャンクション温度が前記許容上限温度となる前記制御電圧、に対応する総光出力強度の所定値以上の場合、少なくとも１つの前記トランジスタを、前記ジャンクション温度が極大となる前記制御電圧を超え、当該トランジスタの前記ジャンクション温度が前記許容上限温度以下となる前記制御電圧を印加するように制御する
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記複数のトランジスタのそれぞれについてのジャンクション温度と前記制御電圧との関係を記憶する記憶部を備えており、
   前記制御部は、前記記憶された関係に従って前記制御電圧を設定することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記発光素子の出力と前記制御電圧との関係を記憶する記憶部を備えており、
   前記制御部は、前記記憶された関係に従って前記制御電圧を設定することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 前記制御部は、前記直流電源の電圧を、前記発光素子を駆動可能な電圧よりも大きな電圧に制御することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
5. 前記制御部は、複数の前記トランジスタのそれぞれの負荷を最大にする電流を回避するように、前記制御電圧を設定することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
6. 複数の前記発光素子は、直列接続された複数の発光素子群を構成しており、
   複数の前記トランジスタは、複数の前記発光素子群に直列に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発光装置。
7. 複数の前記発光素子群のそれぞれに直列接続された複数の電流モニタ部を備え、
   複数の前記電流モニタ部の抵抗値がそれぞれ異なることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 請求項１〜７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。
9. 印加される制御電圧に応じて、自身と複数の発光素子のうち対応する発光素子とに流れる電流をそれぞれ制御する互いに並列に接続された複数のトランジスタの当該印加される制御電圧のそれぞれと、前記複数の発光素子に指示される総光出力強度との関係を参照して、前記総光出力強度を実現するとともに、複数の前記トランジスタのそれぞれのジャンクション温度が許容上限温度を超えないように、複数の前記トランジスタのそれぞれに、個別に前記制御電圧を設定し、
   複数の前記トランジスタは、それぞれ、前記制御電圧に応じた前記電流が増加するにつれてジャンクション温度が増加して許容上限温度を超えた極大値をとり、前記電流がさらに増加するとジャンクション温度が前記許容上限温度より低くなる特性を有し、
   前記総光出力強度が、複数の前記トランジスタのそれぞれの制御電圧が前記ジャンクション温度が極大となる前記制御電圧未満であって複数の前記トランジスタのそれぞれに流れる電流が等しい場合には前記ジャンクション温度が前記許容上限温度となる前記制御電圧、に対応する総光出力強度の所定値以上の場合、少なくとも１つの前記トランジスタを、前記ジャンクション温度が極大となる前記制御電圧を超え、当該トランジスタの前記ジャンクション温度が前記許容上限温度以下となる前記制御電圧を印加するように制御する
   ことを特徴とする発光素子の制御方法。
10. 前記複数のトランジスタのそれぞれについてのジャンクション温度と前記制御電圧との関係に従って前記制御電圧を設定することを特徴とする請求項９に記載の発光素子の制御方法。
11. 前記発光素子の出力と前記制御電圧との関係に従って前記制御電圧を設定することを特徴とする請求項９に記載の発光素子の制御方法。
12. 前記発光素子に電流を供給する直流電源の電圧を、前記発光素子を駆動可能な電圧よりも大きな電圧に制御することを特徴とする請求項９に記載の発光素子の制御方法。
13. 複数の前記トランジスタのそれぞれの負荷を最大にする電流を回避するように、前記制御電圧を設定することを特徴とする請求項９に記載の発光素子の制御方法。
14. 複数の前記発光素子は、直列接続された複数の発光素子群を構成しており、
    複数の前記トランジスタは、複数の前記発光素子群に直列に接続されていることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一つに記載の発光素子の制御方法。
15. 複数の前記発光素子群のそれぞれに直列接続された複数の電流モニタ部の抵抗値がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子の制御方法。

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