JP2009218527A - レーザ樹脂溶着機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を分岐することなく、校正開始の単純操作をするだけで、装置内に有するレーザ出力値対駆動電流値テーブルの駆動電流値が自動校正されるレーザ樹脂溶着機の実現。
【解決手段】レーザ出力／駆動電流テーブル２のレーザ出力値を指定してレーザダイオード７を動作させ、光パワーメータ14で測定した値から指定値を減算する減算器13と、その差が許容値以下の時に前記テーブル２の駆動電流値を駆動電流検出器６の値に書き替える書き替え手段３と、差が許容値より大きいときに指定したレーザ出力と光パワーメータ14の指定値の比をとる比率算出手段11と、テーブル２の指定電流値に前記比の逆数を乗ずる電流算出手段10と、レーザダイオード７に流す電流値をその電流に変更する駆動電流値変更手段９を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを用いたレーザ樹脂溶着機におけるレーザ出力対駆動電流テーブルをレーザダイオードの経年劣化等による駆動電流対レーザ出力特性の変化に応じて、適時に校正するための技術に関する。

レーザ樹脂溶着は、樹脂材料にレーザ光を照射して発熱させ、その熱により樹脂を溶融させて接着するものであり、その接着の品質を保つにはレーザの出力が規定値であることが必要である。然るに半導体レーザは経年劣化があり、期間が経過すると同じ駆動電流を流してもレーザ出力が低下し溶着の品質を同一に保てないことになる。
また、温度によって出力が変動する性質もある。

そこで従来は、レーザ出力を一定にするために次のような方法が採られて来た。
その１は、レーザ出力の一部を分岐して光センサで受光し、光センサの出力する光電流を電圧に変換して、この電圧を基準値と比較し、その差が小さくなるように半導体レーザの駆動回路へ負帰還をかけて、レーザの光出力が一定になるようにするという方法である（例えば、特許文献１参照）。

その２は、一定期間毎にレーザ出力を光パワーメータで実際に測定し、出力設定値が複数点（Ｐ_１、Ｐ_２…Ｐ_Ｎ）ある場合に、各設定値を指定したときの実際の光パワーメータによる測定値がＰ′_１、Ｐ′_２…Ｐ′_Ｎであった場合に、その変動率Ｐ′_１／Ｐ_１、Ｐ′_２／Ｐ_２…Ｐ′_Ｎ／Ｐ_Ｎを算出し、それを拠り所にして実際に必要な出力値を得るように設定するという方法である（出願人、発明者の実地経験および見聞による）。
特公平７−９５６０８号公報（３頁６行〜下から２行、第１図）

しかしながら、その１の方法では、レーザ出力が光センサの方へ分岐させた分だけ弱くなるうえ、分岐比率がビームモードの影響を受け易く、また、光センサは応答性の速いフォトダイオード等の半導体センサを用いる必要があるが、そのため温度ドリフトの影響を受け易いという問題がある。

その２の方法は、分岐はせず、全レーザ出力を光パワーメータで測定するから分岐上の問題はなく、また光パワーメータは温度ドリフトの影響を受けないという利点はあるが、手間がかかるうえ、はや装置の出力設定パネルに表示されている数値とは異なる出力値となるため操作者が設定ミスを犯し易いという問題がある。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ユーザ或いは操作者は、校正開始の単純操作（例えば、釦を押すとかタッチキーをタッチするとか、スイッチを入れるとか）を行いさえすれば、装置内に持っている複数段階のレーザ出力値対駆動電流値のテーブルの駆動電流値が自動校正され、レーザダイオードに経年劣化があったとしてもなお当初からのテーブルのレーザ出力値を指定すれば、その通りの出力値が得られるレーザ樹脂溶着機を実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段構成を有する。
本発明の構成は、下記（イ）〜（ワ）の各手段からなる自己校正システムを具備することを特徴とするレーザ樹脂溶着機である。
（イ）自己校正動作を開始させるための開始操作手段
（ロ）レーザ出力値Ｐ_ｎとその出力値Ｐ_ｎを出力させるために定められた駆動電流値Ｉ_ｎが対応付けられてＮ段階に渡って、書き替え可能に記憶されているレーザ出力／駆動電流テーブル（１≦ｎ≦Ｎいずれも自然数）
（ハ）レーザダイオードに流すべき駆動電流を設定する駆動電流設定部
（ニ）前記駆動電流設定部の設定値を指定された値に変更設定する駆動電流値変更手段
（ホ）レーザダイオードに、駆動電流設定部に設定された値の電流を流すレーザ駆動部
（ヘ）レーザに実際に流れている駆動電流値Ｉ_ｏを測定するための駆動電流検出器
（ト）レーザ出力値Ｐ_ｏを測定するための光パワーメータ
（チ）前記テーブルの第ｎ段階目の電流値Ｉ_ｎに対応するテーブルのレーザ出力値Ｐ_ｎと、所定電流値でレーザを実際に駆動したときのレーザ出力値Ｐ_ｏとの差Ｐ_ｏ−Ｐ_ｎを算出する減算器
（リ）前記差の絶対値｜Ｐ_ｏ−Ｐ_ｎ｜が予め設定した許容値ｉ以下であるか、ｉより大きいかを判定する許容判定手段
（ヌ）光パワーメータの測定値Ｐ_ｏとＰ_ｎとの比Ｐ_ｏ／Ｐ_ｎを算出する比率算出手段
（ル）前記テーブルの電流値Ｉ_ｎを前記比率Ｐ_ｏ／Ｐ_ｎで除したＩ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏを算出する電流算出手段
（ヲ）前記テーブルの電流Ｉ_ｎを（ヘ）の駆動電流検出器で検出された電流値に書き替える書き替え手段
（ワ）上記（ロ）〜（ヲ）を手段として、次のフローチャートのステップＳ_２以下の動作を行わせるプログラム

本発明のレーザ樹脂溶着機は、レーザ出力値Ｐ_ｎと、その出力値Ｐ_ｎを出力させるために定められた駆動電流値Ｉ_ｎが対応付けられてＮ段階に渡って（１≦ｎ≦Ｎ）、電流値の書き替えが可能に記憶されているテーブルを有し、このテーブルの出力値Ｐ_ｎに対応する駆動電流値を、実際にレーザ出力値を温度ドリフトの影響のない光パワーメータによって測定し、出力値Ｐ_ｎが一定の許容範囲内で得られる電流値に自動的に書き替えるようになっているので、レーザダイオードが経年劣化により過去と現時点の同一駆動電流に対する現在のレーザ出力値が低下していたとしても、テーブルの出力値Ｐ_ｎを校正前通りに指定すればＰ_ｎのレーザ出力が得られ、操作者による校正の手間も校正開始操作だけで殆ど要しないという効果がある。

また、レーザ出力の分岐も行っていないので分岐比率がビームモードの影響を受け易いとか、分岐光を受ける半導体センサの温度ドリフトの影響を受けるという問題が生じないという効果もある。

課題解決手段で挙げた各手段のうち、テーブルはＰＯＭを用い、各算出手段および判定手段はＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭによって実現するのが最良の実施形態である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のレーザ樹脂溶着機における自己校正システムの原理的な構成を示すブロック図である。
校正開始ボタン１が押されると、その信号はＣＰＵ８に伝達され、ＣＰＵ８は、レーザ出力／駆動電流テーブル２（以下単にテーブル２という）のレーザ出力値Ｐ_ｎを指定し、駆動電流設定部４に前記Ｐ_ｎに対応するテーブル２の電流値Ｉ_ｎを設定させる。
テーブル２には、レーザ出力値Ｐ_ｎを出力させるために定められた駆動電流値Ｉ_ｎがＰ_ｎに対応づけられてｎ＝１〜ＮのＮ段階に渡って記憶されている。

レーザ駆動部５は前記設定値Ｉ_ｎの電流をレーザダイオード７に流すよう駆動する。レーザ駆動部５とレーザダイオード７の途中にはレーザダイオード７に実際に流れている電流値を検出する駆動電流検出器６が設けられている。電流駆動されたレーザダイオード７からはレーザ光が出力される。このレーザ光は、樹脂溶着時には溶着対象の樹脂に向けられているが、校正時にはレーザ出力光の全てが光パワーメータ１４へ向けて照射される。光パワーメータ１４は基本的にはカロリーメータであり、レーザ光の照射による温度上昇を測定することによりレーザ光の出力Ｐ_ｏを測定する。ＰＤ（フォトダイオード）のような温度ドリフトの影響は受けにくい。

光パワーメータ１４の測定値Ｐ_ｏは減算器１３へ送られ、前記テーブル２のレーザ出力値Ｐ_ｎとの差Ｐ_ｏ−Ｐ_ｎが算出される。この差値は許容判定手段１２へ送られ、ここで差値の絶対値が予め定めた許容値ｉ以下であるか、ｉより大きいかが判定される。
判定結果はＣＰＵ８へ送られる。ＣＰＵ８では、差値が許容値ｉ以下である場合には、書き替え手段３に、テーブル２の電流値Ｉ_ｎを駆動電流検出器６で検出された電流値に書き替えさせるようにする。

ところで、テーブル２のレーザ出力値Ｐ_ｎを指定したときには、その対応電流値はＩ_ｎであり、レーザダイオード７にはこの電流値を流すようにしているから駆動電流検出器６で検出される電流はＩ_ｎかそれに非常に近い値である。従って、この電流によってテーブル２のＩ_ｎを書き替えても結果的に殆ど替らないことになる。

次に、差値が許容値ｉより大きいときには、ＣＰＵ８は比率算出手段１１に比率Ｐ_ｏ／Ｐ_ｎを算出させ、次いで電流算出手段１０に、テーブル２の電流値Ｉ_ｎを比率Ｐ_ｏ／Ｐ_ｎで除した電流値Ｉ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏを算出させ、駆動電流設定部４の設定値を駆動電流値変更手段９によってＩ_ｎからＩ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏに変更させる。

これは例えば、レーザダイオード７に電流Ｉ_ｎを流したにもかかわらず、そのとき出力されたパワーＰ_ｏがＰ_ｎの例えば０．８であったならば、駆動電流をＩ_ｎ／０．８に増やすということである。そして再び光パワーメータ１４で測定した値Ｐ_ｏとＰ_ｎとの差を減算器１３で求めさせ、その差値が許容値ｉ以下であるかｉ以上であるかを許容判定手段１２で判定させ、許容値ｉ以下であるときには、レーザ出力／駆動電流テーブル２のＩ_ｎを書き替え手段３によって、Ｉ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏ（駆動電流検出器の検出電流）に書き替えさせる。即ち、レーザダイオードの経年劣化により、当初設定の電流Ｉ_ｎでは当初設定の出力値Ｐ_ｎが出力されなくなったことに対し、その低下の比率分だけテーブル２のＩ_ｎをＩ_ｎよりも増加した電流Ｉ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏに書き替えるということである。
こうすることにより、レーザダイオードの経年劣化後もテーブル２のＰ_ｎを指定すれば当初の通りＰ_ｎのレーザ出力が得られるということになる。

以上に対して、レーザダイオード７に対する駆動電流をＩ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏにしてもなお、そのときの光パワーメータの測定値Ｐ′_ｏとＰ_ｎとの差値が許容値ｉより大きいときには、再び比率算出手段１１でＰ′_ｏ／Ｐ_ｎを求め、電流算出手段１０でＩ_ｎＰ_ｎ／Ｐ′_ｏを算出し、駆動電流値変更手段９により、駆動電流設定部４の設定値をＩ_ｎＰ_ｎ／Ｐ′_ｏに変更し、以下同様のことを、光パワーメータ１４の測定値とＰ_ｎとの差値が許容値ｉ以下となるまで自動的に繰り返し、ｉ以下となったときに、書き替え手段３によってテーブル２のＩ_ｎを駆動電流検出器６の検出値に書き替える。

以上はテーブル２のレーザ出力値Ｐ_ｎについての校正であるから、それが終了したならばＣＰＵ８からの指令により次にレーザ出力値Ｐ_ｎ＋１について、以上述べた動作を行い、それが終了したならばＰ_ｎ＋２について行うというようにしてＰ_１からＰ_Ｎまでの校正が行われ、レーザ出力／駆動電流テーブル２についての全校正を完了することになる。

図１においては、電流算出手段１０、比率算出手段１１、許容判定手段１２、減算器１３等は、個別ブロックとして示しているが、これらで行われる演算はＣＰＵ８でＲＯＭ１５、ＲＡＭ１６を用いて行わせることができる。
また、書き替え手段３や駆動電流値変更手段の機能もＣＰＵ８に行わせることもできる。

図２は、本発明レーザ樹脂溶着機の自己校正システムの実際構成を示すブロック図である。図１と同一名称のものには同じ番号が付されている。
図１のＣＰＵ８、ＲＯＭ１５、ＲＡＭ１６は制御部１８としてまとめられている。図１の校正開始ボタン１は操作／表示部１９の中に設けられている。図１の駆動電流値変更手段９、電流算出手段１０、比率算出手段１１、許容判定手段１２、減算器１３は、図２では制御部１８の機能とされている。

図１においてはレーザダイオード７の出力光は直接光パワーメータ１４に照射されているが、両者の配置によっては、レーザダイオード７の射出光を光ファイバーケーブル２３によって伝送し、その先端に設けられたレーザ射出ユニット１７から光パワーメータ１４へ照射する。レーザ駆動用直流電源ユニット２５は、図１では図示省略されているが、レーザ駆動部５がレーザダイオード７を駆動する直流電流を供給している電源である。駆動電流検出器６は、現実にレーザダイオードに流れている電流値を検出するものであり、これよりバス２０へ送られているのは｜Ｐ_ｏ−Ｐ_ｎ｜が許容値以下のときに、レーザ出力／駆動電流テーブル２の電流値Ｉ_ｎを書き替えるためである。同時にレーザ出力制御部２４へ送られているのは、レーザダイオードに実際に流れる電流を駆動電流設定部４に設定された電流値が維持されるように負帰還をかけているものである。

図２では、レーザ駆動用直流電源ユニット２５、レーザダイオード７、レーザ射出ユニット１７、光パワーメータ１４を除いた部分をレーザ駆動制御部２１としてまとめている。

図３は、図２でレーザ駆動制御部内の制御部１８で行わせている大部分の演算をレーザ駆動制御部２１の外に設けたシーケンサ２２で行わせその結果をバス２０に送るようにしたものである。

本発明のレーザ樹脂溶着機における自己校正システムの原理的な構成を示すブロック図である。 本発明のレーザ樹脂溶着機の自己校正システムの実際構成の第１の例を示すブロック図である。 本発明のレーザ樹脂溶着機の自己校正システムの実際構成の第２の例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 校正開始ボタン
２ レーザ出力／駆動電流テーブル
３ 書き替え手段
４ 駆動電流設定部
５ レーザ駆動部
６ 駆動電流検出器
７ レーザダイオード
８ ＣＰＵ
９ 駆動電流値変更手段
１０ 電流算出手段
１１ 比率算出手段
１２ 許容判定手段
１３ 減算器
１４ 光パワーメータ
１５ ＲＯＭ
１６ ＲＡＭ
１７ レーザ射出ユニット
１８ 制御部
１９ 操作／表示部
２０ バス
２１ レーザ駆動制御部
２２ シーケンサ
２３ 光ファイバーケーブル
２４ レーザ出力制御部
２５ レーザ駆動用直流電源ユニット

Claims (1)

1. 下記（イ）〜（ワ）の各手段からなる自己校正システムを具備することを特徴とするレーザ樹脂溶着機。
   （イ）自己校正動作を開始させるための開始操作手段
   （ロ）レーザ出力値Ｐ_ｎとその出力値Ｐ_ｎを出力させるために定められた駆動電流値Ｉ_ｎが対応付けられてＮ段階に渡って、書き替え可能に記憶されているレーザ出力／駆動電流テーブル（１≦ｎ≦Ｎ いずれも自然数）
   （ハ）レーザダイオードに流すべき駆動電流を設定する駆動電流設定部
   （ニ）前記駆動電流設定部の設定値を指定された値に変更設定する駆動電流値変更手段
   （ホ）レーザダイオードに、駆動電流設定部に設定された値の電流を流すレーザ駆動部
   （ヘ）レーザに実際に流れている駆動電流値Ｉ_ｏを測定するための駆動電流検出器
   （ト）レーザ出力値Ｐ_ｏを測定するための光パワーメータ
   （チ）前記テーブルの第ｎ段階目の電流値Ｉ_ｎに対応するテーブルのレーザ出力値Ｐ_ｎと、所定電流値でレーザを実際に駆動したときのレーザ出力値Ｐ_ｏとの差Ｐ_ｏ−Ｐ_ｎを算出する減算器
   （リ）前記差の絶対値｜Ｐ_ｏ−Ｐ_ｎ｜が予め設定した許容値ｉ以下であるか、ｉより大きいかを判定する許容判定手段
   （ヌ）光パワーメータの測定値Ｐ_ｏとＰ_ｎとの比Ｐ_ｏ／Ｐ_ｎを算出する比率算出手段
   （ル）前記テーブルの電流値Ｉ_ｎを前記比率Ｐ_ｏ／Ｐ_ｎで除したＩ_ｎＰ_ｎ／Ｐ_ｏを算出する電流算出手段
   （ヲ）前記テーブルの電流Ｉ_ｎを（ヘ）の駆動電流検出器で検出された電流値に書き替える書き替え手段
   （ワ）上記（ロ）〜（ヲ）を手段として、次のフローチャートのステップＳ_２以下の動作を行わせるプログラム
   

   

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