JPH07131093A

JPH07131093A - 半導体レーザの制御方法

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Publication number: JPH07131093A
Application number: JP29393493A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Hashimoto; 良樹橋本; Bunichi Terawaki; 文一寺脇; Takehisa Sera; 岳久世良
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1995-05-19
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JP3347200B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザを、用途上要求されている機能
を果たしつつ半導体レーザを出来るだけ長期に亙り使用
すると共に、使用限界を的確に判別することの出来る半
導体レーザの制御方法の提供。【構成】オペレータがシステム操作部から半導体レー
ザを起動する指令を送るとＣＰＵが処理を開始し、安全
な範囲内の最大駆動電流Ｉm で半導体レーザを起動す
る。次いで、モニタ光検出器の出力Ｄm を取り込み、劣
化度判定基準データと照合する。モニタ光検出器の出力
が半導体レーザの寿命到来を表わしている場合には、ア
ラーム信号を生成して処理を中止する。劣化がそこまで
進んでいなければ、通常モードの制御パターンをＣ１〜
Ｃ４の中から選択し、その制御Ｍパターンの下で通常モ
ードによる半導体レーザの駆動電流を制御する。劣化が
進行するに従って、駆動電流の増加割合を大きくした制
御を行なって、ＣＣＤ検出出力を安定化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、工場の生産ライン等
における各種機器に使用される半導体レーザの制御方法
に関し、特に、半導体レーザの長期使用による劣化に即
応して最適な制御を行なう為の半導体レーザ制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種分野の工場の生産ライン等に
おいて、ロボットシステム、位置検出システム、数値制
御装置における倣い制御システム等におけるセンサ部そ
の他の用途で半導体レーザが使用されることが極めて多
くなっている。半導体レーザをそれらシステムに組み込
んで長期に亙って使用した場合には、当然のことなが
ら、素子の劣化が起ってくる。図１は、この長期使用に
よる半導体レーザ劣化の様子を駆動電流と光強度との関
係を単純化して描いたグラフである。

【０００３】図１において、横軸は駆動電流Ｉ、縦軸は
出射光強度Ｓを表わししている。ｆ1 〜ｆ4 のグラフは
劣化の進行により、立ち上がり電流値がＩ0 から漸増
し、同じ駆動電流で得られる光強度が低下することを表
わしている。また、Ｉd は素子の破壊を起こす電流値を
表わしており、Ｉm は安全に使用出来る実際的な駆動電
流値の最大値を表わしている。

【０００４】半導体レーザは、実際の場面では、Ｉm よ
りも小さな駆動電流の下で使用することが通常であり、
また、動作中に意図的に光強度を変化させることも多
い。図２は、そのような使用例としてレーザセンサによ
る段差部センシングを示したものである。

【０００５】図２（１）において、１はレーザで、その
出射光ビーム２は、ＰＬ１及びＰＬ２で形成される段差
部を走査し、ＣＣＤアレイからなる光検出部３で反射光
を観測し、画像処理装置を用いて照射点軌跡が解析さ
れ、段差位置Ｇが計測される。このように偏向ビームを
使用するケースでは、光検出部で適正な光量を確保する
為にレーザ１から出射される光強度Ｓを偏向角度位置θ
乃至照射点位置に応じて変化させる必要がある。図２
（２）は、その推移を例示的に示したグラフで、出射光
強度ＳをＳ1 〜Ｓ2 の間で変化させることによって最適
な段差部のセンシングが行なわれることを表わしてい
る。

【０００６】図１には、その範囲Ｓ1 〜Ｓ2 が例示的に
併記されている。これらのことから次のことが判る。（１）半導体レーザは、安全を損なわない駆動電流の最
大値Ｉm より、低い条件で駆動されることが殆どであ
る。（２）半導体レーザは、１つのアプリケーションにおけ
る動作中に短いサイクルでその光強度Ｓを変化させるよ
うに制御する場合が多い。（３）その場合、図１に示したように、半導体レーザは
劣化が進むとＩ−Ｓ特性が変わるので、劣化に進行に応
じて駆動電流電流推移を上方にシフトする必要がある。（４）但し、Ｉm を越えた駆動電流は流すべきではな
い。従って、図１，図２の事例では、レーザの劣化がｆ
3 で表わされるような状態に至った場合には、半導体レ
ーザ素子自体を交換すべきである。

【０００７】このような諸状況に適切に対処する為に
は、半導体レーザの劣化を確実に把握し、劣化の進行程
度に即応した駆動電流の制御を行いながら、半導体レー
ザの使用限界を的確に判定する必要があるが、これまで
のところ、そのような対応を可能にする実際的な手法が
知られていない。

【０００８】通常入手される半導体レーザ装置には、一
定位置で光強度をモニタする為の検出器（以下「モニタ
光検出器」と言う。）が付属装備されていが、上記述べ
た状況から、このモニタ光検出器の出力をそのまま監視
しても、レーザの劣化を適切にチェックすることは困難
である。また、モニタ光検出器の出力を一定に保つよう
な制御方式は、上記（２）の状況とは整合せず、適用不
可能である。

【０００９】従って、従来は、半導体レーザの劣化が進
み、システムの動作が不安定になって誤動作を起こす段
階に至って初めて半導体レーザを交換したり、あるい
は、そのような事故を回避する為に、安全な駆動電流
（上記Ｉm 以下）で使用可能な期間が残存しているにも
拘らず、無駄を覚悟して早めに半導体レーザを交換する
という事態を招いていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本願発明の目的は、上
記状況に適切に対応し得る半導体レーザの制御方法を提
供し、従来技術の問題点を克服することにある。即ち、
本願発明は、半導体レーザを用途上要求されている機能
を果たしつつ半導体レーザを出来るだけ長期に亙り使用
すると共に、使用限界を的確に判別することの出来る半
導体レーザの制御方法を提供することを企図するもので
ある。

【００１１】

【問題点を解決するための手段】本願発明は、上記技術
課題を解決する為の基本的な構成として、「半導体レー
ザの駆動電流を制御するモードとして、劣化判定を行な
う劣化チェックモードとアプリケーションに対応した通
常モードを有し、前記劣化チェックモードによる制御時
には、最大安全駆動電流に相当する駆動電流を前記半導
体レーザに供給すると共に、モニタ光検出器の出力に基
づいて、予め定められた通常モード用の複数の制御パタ
ーンの中から１つの制御パターンを選択する半導体レー
ザの制御方法。」を提供するもであり（請求項１）、ま
た、半導体レーザの寿命到来により的確に対処する為
に、上記方法に更に、「前記劣化チェックモードによる
制御時に最大安全駆動電流に相当する駆動電流が前記半
導体レーザに供給された際のモニタ光検出器の出力が予
め定められた限界値を下回っていた場合には、前記半導
体レーザの使用限界を表わす信号を生成する」という要
件を課したものである。

【００１２】

【作用】本願発明では、半導体レーザの駆動電流を制御
するモードとして、劣化判定を行なうチェックモードと
通常モードが設定される。前者においては、最大安全電
流を流してモニタ光検出器の検出出力をチェックし、劣
化の程度を判定する。

【００１３】劣化が著しく半導体レーザの寿命到来と判
定した場合には、アラーム信号を生成する。劣化がそこ
まで進んでいなければ、通常モードの予め設定された制
御パターンの中から選択し、その制御パターンの下で通
常モードによって半導体レーザの駆動電流を制御する。
劣化が進行するに従って、駆動電流の増加割合を大きく
した制御を行なって、ＣＣＤ検出出力を安定化させる。

【００１４】このような制御によって、半導体レーザを
用途上要求されている機能を果たしつつ出来るだけ長期
に亙り使用すると共に、使用限界を的確に判別すること
が可能となる。

【００１５】

【実施例】図３は、図２に示したような段差部検知を行
なうレーザセンサの光源としての半導体レーザ装置に本
願発明を適用する際に使用されるのレーザセンサ／画像
処理システムの構成を例示した要部ブロック図である。
システム全体はレーザセンサ制御装置１０、画像処理装
置２０、システム操作部３０から構成されている。レー
ザセンサ制御装置１０の主要部は、レーザ発振器（図示
省略）を駆動するレーザ駆動回路１１、半導体レーザの
パッケージに内蔵されたモニタ光検出器１２、レーザビ
ームを偏向させる為のミラー駆動処理部１３及びレーザ
ビームの反射光を観測するＣＣＤカメラ１４から構成さ
れている。

【００１６】一方、画像処理装置２１は、マイクロプロ
セッサからなる演算処理装置（以下、ＣＰＵという。）
１１を有し、該ＣＰＵ２１には、ＡＤ変換回路を含む入
出力装置（Ｉ／Ｏ）２２、画像処理プロセッサ、フレー
ムメモリ等を含む画像処理部（ＤＳＰ）２３、レーザセ
ンサを含むシステム全体を動作させるプログラム、画像
処理用のプログラムや関連データ等を格納するＲＯＭ及
びＲＡＭから構成されたメモリ２４及びキーボード、液
晶ディスプレイ等を備えたシステム操作部３０がバス２
５を介して接続されている。

【００１７】入出力装置２２には、レーザセンサ制御装
置１０が接続されており、各種指令及び反射データが、
適宜内部のＡＤ変換回路を介し、画像処理装置２０との
間でやりとりされる構成となっている。

【００１８】なお、ＣＣＤカメラの捉えた画像や画像処
理部のフレームメモリから呼び出された画像を視認する
為のＴＶモニタを入出力装置２２を介して接続すること
もできる（図示省略）。また、入出力装置２２にはロボ
ット等の外部装置（図示省略）がアプリケーションに応
じて接続される。

【００１９】以上のシステム構成及び機能は、従来のレ
ーザセンサ／画像処理装置システムと基本的に変わると
ころはないが、本実施例では特に、図４（１），（２）
に示したテーブルデータ（数値等はあくまで例示的なも
のである。）、図５のフローチャートに記された操作と
処理を実行する為のプログラム及び関連所要データが画
像処理装置２０のメモリ２４に格納されている。以下、
図２に例示したアプリケーションをベースとして、特に
図４及び図５を参照しつつ、本実施例における操作及び
処理の手順について説明する。

【００２０】先ず、オペレータがシステム操作部３０か
ら半導体レーザ２を起動する指令を送るとＣＰＵ２１が
処理を開始し、安全な範囲内の最大駆動電流Ｉm （図１
を参照）で半導体レーザ２を起動する（チェックモー
ド；ステップＳＴ１）。

【００２１】次いで、モニタ光検出器１２の出力Ｄm を
取り込み（ステップＳＴ２）、図１（２）のデータと照
合する（ステップＳＴ３）。

【００２２】モニタ光検出器１２の出力Ｄm が７９．９
以下であれば、半導体レーザ２の交換が必要な状態まで
劣化が進行したと判断し（ステップＳＴ４）、アラーム
信号を生成（ステップＳ１２）して処理を中止する。劣
化がそこまで進んでいなければ、図４（２）のルールに
従って通常モードの制御パターンをＣ１〜Ｃ４の中から
選択し（ステップＳＴ５）、その制御パターンの下で通
常モードによって半導体レーザの駆動電流を制御する
（ステップＳＴ６）。

【００２３】段差部検出に使用される本実施例の場合、
ＣＣＤ検出出力が５０．０（単位は例えばｍＡ）に維持
されるような制御が行なわれる。即ち、劣化が進行する
に従って、駆動電流の増加割合を大きくした制御が実行
される。なお、通常モードにおけるレーザ起動時の駆動
電流は適宜予め設定しておくか、あるいは、前回運転時
のデータを呼び出す方式とする。また、図４（１）及び
（２）のテーブルデータは、いかなる場合にも最大安全
駆動電流Ｉm が流されないような関係に定められてい
る。即ち、図４（１）において、Ｉm を越えて電流が増
加するようなケースは、ステップＳＴ４で未然に排除さ
れるようなデータ設定がなされるものとする（駆動電流
にリミットを設定し、それに到達した場合にステップＳ
１２へ向かう処理を採用することも考えられる）。

【００２４】以後は、ＣＣＤ検出出力を周期的にチェッ
クしながら、図４（１）との照合を繰り返し、半導体レ
ーザ２の光出力が図（２）に示されたような推移となる
ような制御が、処理の終了指令が出されるまで続行され
る（ステップＳＴ７〜１１）。

【００２５】以上、段差部の検出を例にとって説明した
が、他のアプリケーションにも特許請求の範囲に記載し
た技術思想を適用して、アプリケーションに応じたパタ
ーン教示が実行出来ることは明らかであろう。

【００２６】また、チェックモードの起動は、上記処理
とは別にシステム操作部３０からの指令入力によて、随
時実行出来るようにすることが好ましい。

【００２７】

【発明の効果】本願発明によれば、半導体レーザの劣化
が進みシステムの動作が不安定になって誤動作を起こす
段階に至る前に半導体レーザの寿命を的確に判定するこ
とが出来るから、半導体レーザを組み込んだシステムの
信頼性を向上させると共に、オペレータの保守負担を軽
減させる。また、本願発明は、用途上要求されている機
能を果たしつつ半導体レーザを出来るだけ長期に亙り使
用することを可能にしたので、経済的にも大きな利点を
与えるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】長期使用による半導体レーザ劣化の様子を駆動
電流と光強度との関係を単純化して描いたグラフであ
る。

【図２】（１）は、半導体レーザを用いたレーザセンサ
による段差部センシングの配置を示した図であり、
（２）は、センシング時の半導体レーザの光強度推移を
例示的に示したグラフである。

【図３】図２に示したような段差部検知を行なうレーザ
センサの光源としての半導体レーザ装置に本願発明を適
用する際に使用されるのレーザセンサ／画像処理システ
ムの構成を例示した要部ブロック図である。

【図４】（１）は、通常モード時の制御パターンの内容
を規定したテーブルデータであり、（２）は、チェック
モード時の制御パターンの選択ルールを規定したテーブ
ルデータである。

【図５】本実施例における画像処理装置のＣＰＵ処理の
概要を記したフローチャートである。

【符号の説明】

１半導体レーザ２レーザビーム３，１４ＣＣＤカメラ１０レーザセンサ制御装置１１レーザ駆動回路１２モニタ光検出器１３ミラー駆動処理部２０画像処理装置２１マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２２入出力装置２３画像処理部２４メモリ２５バス３０システム操作部Ｇ段差部位置ＰＬ１，ＰＬ２対象物面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザの駆動電流を制御するモー
ドとして、劣化判定を行なう劣化チェックモードとアプ
リケーションに対応した通常モードを有し、前記劣化チ
ェックモードによる制御時には、最大安全駆動電流に相
当する駆動電流を前記半導体レーザに供給すると共に、
モニタ光検出器の出力に基づいて、予め定められた通常
モード用の複数の制御パターンの中から１つの制御パタ
ーンを選択する半導体レーザの制御方法。
【請求項２】前記劣化チェックモードによる制御時に
最大安全駆動電流に相当する駆動電流が前記半導体レー
ザに供給された際のモニタ光検出器の出力が予め定めら
れた限界値を下回っていた場合には、前記半導体レーザ
の使用限界を表わす信号を生成することを特徴とする請
求項１に記載された半導体レーザの制御方法。