JPWO2016181489A1 - Laser equipment - Google Patents
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Abstract
第1トランジスタ及び第2トランジスタは差動対を構成する。受光素子はレーザ発光素子の光の一部を受光する。変換器は受光素子の出力をレーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する。比較器は変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第1電圧を第1トランジスタのベースに印加する。出力制御部は変換器で変換された電圧に基づきレーザ発光素子の光出力を一定制御するために電流源を制御する。第2トランジスタのベースには第2電圧が印加され、第1トランジスタ及び第2トランジスタには第1電圧と第2電圧との差に応じて電流源の電流を分配した電流が流れ、比較器は、変換器で変換された電圧が異常電圧を超えた場合に第1電圧を低下させる。The first transistor and the second transistor constitute a differential pair. The light receiving element receives a part of the light of the laser light emitting element. The converter converts the output of the light receiving element into a voltage proportional to the output of the laser light emitting element. The comparator compares the voltage converted by the converter with the abnormal voltage and applies the first voltage to the base of the first transistor as an output. The output control unit controls the current source in order to constantly control the light output of the laser light emitting element based on the voltage converted by the converter. A second voltage is applied to the base of the second transistor, and a current that distributes the current of the current source according to the difference between the first voltage and the second voltage flows through the first transistor and the second transistor. The first voltage is lowered when the voltage converted by the converter exceeds the abnormal voltage.
Description
本発明は、異常出力を安全に遮断する機構を備えたレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser apparatus provided with a mechanism for safely blocking abnormal output.
レーザ製品によって使用者に障害が発生することを防止するために、国際電気基準(IEC)に基づき、「レーザ製品の安全基準」JISC6802が規定されている。この国際電気基準は、レーザ製品を危険度に応じてクラス分けしており、単一故障条件においても、そのクラスを保障することを要求している。 In order to prevent a user from being damaged by a laser product, a “laser product safety standard” JIS C6802 is defined based on the International Electrical Standard (IEC). This international electrical standard classifies laser products according to the degree of risk and requires that the class be guaranteed even in a single failure condition.
特許文献1に記載されたレーザポインタは、出力一定制御において、フィードバックに使用するモニタ出力が低下した際の異常出力を抑制するために、モニタ出力が所定値を下回ったことを検出し、レーザダイオードへの電源電圧の印加を遮断させている。しかしながら、光出力を可変させて使用する場合には、モニタ出力の下限値を決定することが困難である。 The laser pointer described in Patent Document 1 detects that the monitor output has fallen below a predetermined value in order to suppress abnormal output when the monitor output used for feedback decreases in constant output control. Application of power supply voltage to is interrupted. However, when the optical output is varied and used, it is difficult to determine the lower limit value of the monitor output.
この問題を解決する方法として、特許文献2が知られている。特許文献2に記載されたレーザ光発生装置は、出力を一定に制御するとともに、2つの異常光量検出部を備え、2つの異常光量検出部のどちらかが所定レベル以上の光量となったことを検出して、レーザダイオードへの電源電圧の印加を遮断させている。これにより、レーザ出力が上昇した時の異常のみを検出することができる。
しかしながら、特許文献1及び特許文献2では、以下のような問題がある。即ち、単一故障時に所定のレーザクラスを保持するためには、各クラスの被曝放出限界(AEL)に達する前にレーザ出力を停止するか又は許容レベル以下に低下させる必要がある。
However, Patent Document 1 and
このとき、レーザ出力の許容される放出持続時間は、レーザダイオードのクラス、波長及び単一故障時の過渡的な出力に依存する。人体に影響のないとされるクラス1の場合には、数μsもしくはそれ以下の遮断速度が必要になる可能性がある。 At this time, the allowable emission duration of the laser output depends on the laser diode class, wavelength, and transient output at the time of a single failure. In the case of class 1 that does not affect the human body, a cut-off speed of several μs or less may be required.
しかしながら、レーザダイオードの特性やノイズ特性に慎重なアプリケーションでは、一般的には、複数のデカップリングコンデンサによって、電源とレーザ駆動部とを分離している。特許文献1,2のように、レーザダイオードへの電圧の印加を遮断する方式では、電源遮断後も、複数のデカップリングコンデンサにより構成されたコンデンサバンクからの過渡電流が持続する可能性がある。
However, in an application that is careful about the characteristics and noise characteristics of the laser diode, the power source and the laser drive unit are generally separated by a plurality of decoupling capacitors. As in
仮に、10Vに充電された1μFのコンデンサが1μsの間に1V放電すると、過渡的に1Aの電流が流れる。この電流によりレーザ出力が持続された場合、所定のレーザクラスを逸脱する。場合によっては、人体に影響するおそれがある。 If a 1 μF capacitor charged to 10 V discharges 1 V during 1 μs, a current of 1 A flows transiently. When the laser output is sustained by this current, it deviates from a predetermined laser class. In some cases, the human body may be affected.
本発明は、単一故障条件においても、異常出力を高速に遮断することができ、所定のレーザクラスを保障することができるレーザ装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a laser device that can shut off abnormal output at high speed even under a single failure condition and can guarantee a predetermined laser class.
上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、差動対を構成する第1トランジスタ及び第2トランジスタと、前記第1トランジスタのコレクタ電極に接続されたレーザ発光素子と、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのエミッタ電極に接続された電流源と、前記レーザ発光素子の光の一部を受光する受光素子と、前記受光素子の出力を前記レーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する変換器と、前記変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第1電圧を前記第1トランジスタのベース電極に印加する比較器と、前記変換器で変換された電圧に基づき前記レーザ発光素子の光出力を一定制御するために前記電流源を制御する出力制御部とを備え、前記第2トランジスタのベース電極には第2電圧が印加され、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタには前記第1電圧と前記第2電圧との差に応じて前記電流源の電流を分配した電流が流れ、前記比較器は、前記変換器で変換された電圧が前記異常電圧を超えた場合に前記第1電圧を低下させ、前記レーザ発光素子に流れる電流を遮断する。 In order to solve the above problems, a laser device according to the present invention includes a first transistor and a second transistor that form a differential pair, a laser light emitting element connected to a collector electrode of the first transistor, and the first transistor. A current source connected to emitter electrodes of one transistor and the second transistor; a light receiving element that receives a part of the light of the laser light emitting element; and a voltage in which an output of the light receiving element is proportional to an output of the laser light emitting element A converter that converts the voltage converted by the converter to an abnormal voltage and applies a first voltage to the base electrode of the first transistor as an output, and the converter converts the voltage An output control unit for controlling the current source to control the light output of the laser light emitting element based on the voltage, and a second voltage is applied to the base electrode of the second transistor. Applied to the first transistor and the second transistor is a current that distributes the current of the current source according to a difference between the first voltage and the second voltage, and the comparator converts the current by the converter. When the applied voltage exceeds the abnormal voltage, the first voltage is lowered to cut off the current flowing through the laser light emitting element.
本発明によれば、第1トランジスタ及び第2トランジスタの差動対の電流切り替えで異常出力の遮断を制御する。このため、コンデンサバンクからの異常放電は発生せず、僅かな差動電圧で電流が切り替わるので、高速に電流を遮断することができる。従って、単一故障条件においても、異常出力を高速に遮断することができ、所定のレーザクラスを保障することができる。 According to the present invention, the interruption of abnormal output is controlled by switching the current of the differential pair of the first transistor and the second transistor. For this reason, abnormal discharge from the capacitor bank does not occur, and the current is switched with a slight differential voltage, so that the current can be interrupted at high speed. Therefore, even in a single failure condition, abnormal output can be shut off at high speed, and a predetermined laser class can be guaranteed.
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。第1の実施形態に係るレーザ装置は、図1に示すレーザダイオードLDの異常出力を高速に遮断し、レーザダイオードLDの所定のレーザクラスを保障するものである。(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser apparatus according to the first embodiment of the present invention. The laser apparatus according to the first embodiment shuts off the abnormal output of the laser diode LD shown in FIG. 1 at high speed and ensures a predetermined laser class of the laser diode LD.
レーザ装置は、レーザダイオードLD、電源VLD、トランジスタQ1,Q2、抵抗R1〜R4、電流源11、フォトダイオードPD、I−V変換器6、比較器7、レベル変換器8、オートパワーコントローラ(APC)9を備えている。
The laser device includes a laser diode LD, a power supply VLD, transistors Q1 and Q2, resistors R1 to R4, a
レーザダイオードLDのアノードには電源VLDが接続され、レーザダイオードLDのカソードには抵抗R1を介してバイポーラ型のトランジスタQ1のコレクタ電極が接続されている。 The power source VLD is connected to the anode of the laser diode LD, and the collector electrode of the bipolar transistor Q1 is connected to the cathode of the laser diode LD via the resistor R1.
また、電源VLDには抵抗R2を介してバイポーラ型のトランジスタQ2のコレクタ電極が接続されている。トランジスタQ1とトランジスタQ2とは差動対を構成し、トランジスタQ1のエミッタ電極とトランジスタQ2のエミッタ電極とは、定電流を流す電流源11に接続されている。
The collector electrode of the bipolar transistor Q2 is connected to the power supply VLD via a resistor R2. The transistor Q1 and the transistor Q2 constitute a differential pair, and the emitter electrode of the transistor Q1 and the emitter electrode of the transistor Q2 are connected to a
トランジスタQ1のベース電極には抵抗R3の一端とレベル変換器8の出力端とが接続され、電圧V1が印加されている。トランジスタQ2のベース電極には抵抗R4の一端が接続され、電圧V2が印加されている。
One end of the resistor R3 and the output terminal of the
レーザダイオードLDは、本発明のレーザ発光素子に対応し、一般的に、駆動電流に比例してレーザ出力が増減する。 The laser diode LD corresponds to the laser light emitting element of the present invention, and generally the laser output increases or decreases in proportion to the drive current.
フォトダイオードPDは、本発明の受光素子に対応し、レーザダイオードLDのレーザ光の一部を検出する。I−V変換器6は、レーザダイオードLDで検出された出力電流をレーザダイオードLDの出力電流に比例した電圧に変換して、比較器7とAPC9に出力する。
The photodiode PD corresponds to the light receiving element of the present invention, and detects a part of the laser light of the laser diode LD. The IV
比較器7は、I−V変換器6からの変換電圧とレーザダイオードLDの異常出力に相当する異常電圧とを比較し、変換電圧が異常電圧以下である場合には、Hレベル(例えば5V)をレベル変換器8に出力し、変換電圧が異常電圧を超える場合には、Lレベル(例えば0V)をレベル変換器8に出力する。レベル変換器8は、比較器7からの出力電圧を所定の電圧V1に変換して電圧V1をトランジスタQ1のベース電極に出力する。
The
APC9は、本発明の出力制御部に対応し、出力一定制御を行うものであり、I−V変換器6からの変換電圧と基準電圧Vrefとに基づきレーザダイオードLDの光出力を一定制御するために、制御量である電流源11の電流Iopを生成制御する。
The
また、電流源11の電流Iopは、トランジスタQ1のエミッタ電流とトランジスタQ2のエミッタ電流との合計電流である。
The current Iop of the
次にこのように構成された第1の実施形態に係るレーザ装置の動作を説明する。まず、トランジスタQ1がオンし、トランジスタQ2がオフし、フォトダイオードPDの出力が異常出力でない場合について説明する。 Next, the operation of the laser apparatus according to the first embodiment configured as described above will be described. First, a case where the transistor Q1 is turned on, the transistor Q2 is turned off, and the output of the photodiode PD is not an abnormal output will be described.
この場合、比較器7は、I−V変換器6からの変換電圧とレーザダイオードLDの異常出力に相当する異常電圧とを比較し、変換電圧が異常電圧以下であるので、Hレベルをレベル変換器8を介してトランジスタQ1のベース電極に出力する。このため、トランジスタQ1はオンし続け、トランジスタQ2はオフし続けることになる。
In this case, the
また、バイポーラ型のトランジスタQ1,Q2が差動対で構成されるので、トランジスタQ1,Q2のエミッタ電流IE1,IE2は、差動入力電圧(V1−V2)に対して、図2に示すように変化する。即ち、トランジスタQ1,Q2のエミッタには、差動入力電圧(V1−V2)に応じて電流源11の電流Iopを分配した電流が流れる。差動入力電圧(V1−V2)が120mVであり、電流源11の電流Iopの約99%がトランジスタQ1側に流れることになる(図2のエミッタ電流E1)。従って、発光に寄与しない消費電流を低減する観点から、レーザダイオードLDの点灯時には差動入力電圧(V1−V2)が120mVよりも大きいことが望ましい。
Since the bipolar transistors Q1 and Q2 are configured as a differential pair, the emitter currents IE1 and IE2 of the transistors Q1 and Q2 are as shown in FIG. 2 with respect to the differential input voltage (V1-V2). Change. That is, a current obtained by distributing the current Iop of the
次に、フォトダイオードPDの出力が異常出力となった場合について説明する。ここで、回路の単一故障により、I−V変換器6からAPC9に入力される電圧が低下した場合には、I−V変換器6からの電圧が基準電圧Vref未満となるので、APC9は、制御量である電流源11の電流Iopを増加させる。
Next, a case where the output of the photodiode PD becomes an abnormal output will be described. Here, when the voltage input from the IV
このため、レーザダイオードLDに流れる電流が増加する。比較器7は、I−V変換器6からの変換電圧とレーザダイオードLDの異常出力に相当する異常電圧とを比較する。変換電圧が異常電圧を超えるので、比較器7は、Lレベル(例えば0V)をレベル変換器8を介してトランジスタQ1のベース電極に出力する。
For this reason, the current flowing through the laser diode LD increases. The
このため、トランジスタQ1のベース電極がLレベルに変化し、トランジスタQ1はオフする。このとき、差動入力電圧(V1−V2)が−120mVよりも小さくなると、図2から電流源11の電流Iopの約99%がトランジスタQ2側に流れることになるため(図2のエミッタ電流E2)、レーザダイオードLDは消灯する。
For this reason, the base electrode of the transistor Q1 changes to L level, and the transistor Q1 is turned off. At this time, if the differential input voltage (V1−V2) becomes smaller than −120 mV, about 99% of the current Iop of the
このとき、例えば、レーザダイオードLDの点灯時の差動入力電圧(V1−V2)が120mVとなるようにレベル変換器8の出力電圧を調整すると、電圧V1が−240mV変化するだけで、レーザダイオードLDが点灯しないレベルまでトランジスタQ1側に流れる電流IE1を低下できる。また、レーザダイオードLDに流れる電流を遮断できる。このため、異常出力を高速に遮断することができる。
At this time, for example, when the output voltage of the
このように第1の実施形態に係るレーザ装置によれば、トランジスタQ1及びトランジスタQ2の差動対の電流切り替えで異常出力の遮断を制御する。このため、コンデンサバンクからの異常放電は発生せず、僅かな差動電圧で電流が切り替わるので、高速に電流を遮断することができる。従って、単一故障条件においても、異常出力を高速に遮断することができ、所定のレーザクラスを保障することができる。 As described above, according to the laser device of the first embodiment, the abnormal output is controlled by switching the current of the differential pair of the transistor Q1 and the transistor Q2. For this reason, abnormal discharge from the capacitor bank does not occur, and the current is switched with a slight differential voltage, so that the current can be interrupted at high speed. Therefore, even in a single failure condition, abnormal output can be shut off at high speed, and a predetermined laser class can be guaranteed.
(第2の実施形態)
図3は本発明の第2の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図3は本発明の第2の実施形態に係るレーザ装置は、図1に示す第1の実施形態に係るレーザ装置のレベル変換器8に代えて、レベル変換器AND8aを設けたことを特徴とする。(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a laser apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a laser device according to the second embodiment of the present invention, in which a level converter AND8a is provided instead of the
レベル変換器AND8aは、比較器7からの出力と外部からの電圧信号Vinとのアンドをとり、アンド出力をトランジスタQ1のベース電極に印加する。即ち、外部からの電圧信号Vinの電圧レベルにより、レーザダイオードLDのオン/オフを制御することができる。レーザダイオードLDがオンした時には、図1に示す第1の実施形態に係るレーザ装置により、異常出力を高速に遮断することができる。
The level converter AND8a takes the AND of the output from the
(第3の実施形態)
図4は本発明の第3の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。図4に示す第3の実施形態に係るレーザ装置は、図3に示す第2の実施形態に係るレーザ装置のAPC8に代えて、オートカレントコントロール(ACC)9を設けたことを特徴とする。(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a laser apparatus according to the third embodiment of the present invention. The laser apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 4 is characterized in that an auto current control (ACC) 9 is provided instead of the
ACC9は、本発明の電流制御部に対応し、電流一定制御を行うもので、電流源11に流れる電流を一定になるように制御を行う。レベル変換器AND8aは、比較器7からの出力と外部からの電圧信号Vinとのアンドをとり、アンド出力をトランジスタQ1のベース電極に印加する。即ち、外部からの電圧信号Vinの電圧レベルにより、レーザダイオードLDに流れる電流を高速にオン/オフを制御することができる。このため、レーザダイオードLDのデジタル変調時に利用される。
The
また、I−V変換器6の応答速度がレーザダイオードLDの変調速度と同程度である場合には、各々のオン時光出力に対して、図1及び図3の実施形態と同様の構成により、異常出力を高速に遮断することができる。
Further, when the response speed of the
また、レーザダイオードLDの変調速度がI−V変換器6の応答速度以上であっても、I−V変換器6の応答速度内でフィルタリングした電圧値を考慮して異常出力レベルを決定することができる。これにより、異常出力を高速に遮断することができる。
Even when the modulation speed of the laser diode LD is equal to or higher than the response speed of the
本発明は、レーザ製品の安全基準に準拠した単一故障要件を満足するレーザ装置に適用可能であり、特に、レーザ加工装置、レーザ照明装置等に適用可能である。 The present invention can be applied to a laser apparatus that satisfies a single failure requirement that complies with the safety standards of laser products, and is particularly applicable to a laser processing apparatus, a laser illumination apparatus, and the like.
Claims (3)
前記第1トランジスタのコレクタ電極に接続されたレーザ発光素子と、
前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのエミッタ電極に接続された電流源と、
前記レーザ発光素子の光の一部を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力を前記レーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する変換器と、
前記変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第1電圧を前記第1トランジスタのベース電極に印加する比較器と、
前記変換器で変換された電圧に基づき前記レーザ発光素子の光出力を一定制御するために前記電流源を制御する出力制御部とを備え、
前記第2トランジスタのベース電極には第2電圧が印加され、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタには前記第1電圧と前記第2電圧との差に応じて前記電流源の電流を分配した電流が流れ、前記比較器は、前記変換器で変換された電圧が前記異常電圧を超えた場合に前記第1電圧を低下させ、前記レーザ発光素子に流れる電流を遮断するレーザ装置。A first transistor and a second transistor constituting a differential pair;
A laser emitting element connected to the collector electrode of the first transistor;
A current source connected to emitter electrodes of the first transistor and the second transistor;
A light receiving element that receives a part of the light of the laser light emitting element;
A converter that converts the output of the light receiving element into a voltage proportional to the output of the laser light emitting element;
A comparator that compares the voltage converted by the converter with an abnormal voltage and applies the first voltage to the base electrode of the first transistor as an output;
An output control unit for controlling the current source in order to constantly control the light output of the laser light emitting element based on the voltage converted by the converter;
A second voltage is applied to a base electrode of the second transistor, and a current obtained by distributing a current of the current source to the first transistor and the second transistor according to a difference between the first voltage and the second voltage. When the voltage converted by the converter exceeds the abnormal voltage, the comparator reduces the first voltage and cuts off the current flowing through the laser light emitting element.
前記第1トランジスタのコレクタ電極に接続されたレーザ発光素子と、
前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのエミッタ電極に接続された電流源と、
前記レーザ発光素子の光の一部を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力を前記レーザ発光素子の出力に比例した電圧に変換する変換器と、
前記変換器で変換された電圧と異常電圧とを比較して出力として第1電圧を前記第1トランジスタのベース電極に印加する比較器と、
前記電流源に流れる電流を一定に制御する電流制御部とを備え、
前記第2トランジスタのベース電極には第2電圧が印加され、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタには前記第1電圧と前記第2電圧との差に応じて前記電流源の電流を分配した電流が流れ、前記比較器は、前記変換器で変換された電圧が前記異常電圧を超えた場合に前記第1電圧を低下させ、前記レーザ発光素子に流れる電流を遮断するレーザ装置。A first transistor and a second transistor constituting a differential pair;
A laser emitting element connected to the collector electrode of the first transistor;
A current source connected to emitter electrodes of the first transistor and the second transistor;
A light receiving element that receives a part of the light of the laser light emitting element;
A converter that converts the output of the light receiving element into a voltage proportional to the output of the laser light emitting element;
A comparator that compares the voltage converted by the converter with an abnormal voltage and applies the first voltage to the base electrode of the first transistor as an output;
A current control unit for controlling a current flowing through the current source to be constant,
A second voltage is applied to a base electrode of the second transistor, and a current obtained by distributing a current of the current source to the first transistor and the second transistor according to a difference between the first voltage and the second voltage. When the voltage converted by the converter exceeds the abnormal voltage, the comparator reduces the first voltage and cuts off the current flowing through the laser light emitting element.
The voltage from the comparator is converted to the first voltage, which is a predetermined voltage, and the AND of the converted first voltage and an external voltage signal is taken, and the AND output is the base electrode of the first transistor The laser device according to claim 1, further comprising a level converter for applying to the laser.
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