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JP2009038081A - 半導体レーザ駆動回路およびレーザ溶着電源 - Google Patents

半導体レーザ駆動回路およびレーザ溶着電源 Download PDF

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JP2009038081A JP2007198787A JP2007198787A JP2009038081A JP 2009038081 A JP2009038081 A JP 2009038081A JP 2007198787 A JP2007198787 A JP 2007198787A JP 2007198787 A JP2007198787 A JP 2007198787A JP 2009038081 A JP2009038081 A JP 2009038081A
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孝英 重松
Toshiya Takei
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Nippon Avionics Co Ltd
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Abstract

【課題】 プロファイルを自由に設定できる半導体レーザ駆動回路を提供する。
【解決手段】 本発明になる半導体レーザ駆動回路は、フィードバック制御することでレーザ出力を予め定められた設定値になるようにしながらレーザ光を照射することで被照射物を加工する半導体レーザの駆動回路であって、前記設定値は、前記半導体レーザのレーザ出力に対応したレーザ駆動電流値であって、レーザ照射時間の関数であること、を特徴とするものである。そして、この設定値は、レーザ照射経過時間とその時点のレーザ出力とからなる指定値を受けて、レーザ照射経過時間の順にこれらのレーザ出力を直線で結び、この間を線形補間してレーザ出力を算出して、この算出値を対応するレーザ駆動電流値に変換して設定されることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を被対象物に照射することで被対象物を溶着させるレーザ溶着装置に用いられるレーザ溶着電源に係り、特に半導体レーザ駆動回路に関するものである。
従来、例えば光デバイス素子や水晶振動子などの電子部品を実装した電子部品パッケージの気密封止においては、蓋体を電子部品パッケージに被せて、電子部品パッケージと蓋体との重ね合わせ部分に蓋体側からレーザを照射することで電子部品パッケージに蓋体を溶着している。
このような用途ばかりでなく、２種の部材を溶着する場合にもレーザ溶着が用いられている。このレーザ溶着に用いられるレーザ光としてはパルス状の不連続光のもの（以下、パルスレーザともいう。）と同一出力の連続光のものが知られている（特許文献１、２参照）。また、パルス状のレーザ光を連続的に発生させて、出力値の異なる連続光とするものも知られている（特許文献３参照）。
特許文献１には、内部に発電要素などが収納された角型ケースと蓋板をレーザ溶接する際に、まず所定の箇所に仮止め溶接を行った後に、角型ケースと蓋板からなるワークが搭載されたテーブルを所定量ずつ移動させつつレーザビームを照射することで角型ケースと蓋板を封止する技術が開示されている。このときの溶接対象が金属であることから、大きな出力が必要であるためレーザ光はパルスレーザである。
一方、特許文献２には、溶接対象がセラミックなどでなる電子部品パッケージにコバールなどでなる蓋板を被せたものが開示されている。そして、この場合は、レーザ光の出力を連続的かつ一定のものとし、レーザ光照射位置移動手段により、蓋板の全周囲に渡ってレーザ光を照射して電子部品パッケージを気密封止するものである。
そして、特許文献３には、複数の半導体レーザを用いて、この半導体レーザを順次駆動させて各半導体レーザの出力パルスの大きさと時間幅とが連続した加工条件対応する大きさと時間幅からなるような出力パルスのレーザ光を得る技術が開示されている。
特開平１１−２４５０６６号公報 特開２００６−２０５２１６号公報 特開平８−３２１６５１号公報
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されているような方法ではレーザ溶着するときに、溶着部分が直線部分である場合や等速度で照射位置が変動するときには問題はないが、曲線部分で照射位置変動速度が異なるときには溶着結果が不均等になるという欠点があった。
また、特許文献３に記載されている方法では、複数の半導体レーザが必要であり、それらをそれぞれ所望の時間幅のパルス出力としなければならず、複雑な制御が必要となるという欠点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、１つの半導体レーザを用いて容易に溶着時間とレーザ光出力を設定できる半導体レーザ駆動回路とこの半導体レーザ駆動回路を用いたレーザ溶着電源を提供することを目的とする。
本発明になる半導体レーザ駆動回路は、フィードバック制御することでレーザ出力を予め定められた設定値になるようにしながらレーザ光を照射することで被照射物を加工する半導体レーザの駆動回路であって、前記設定値は、前記半導体レーザのレーザ出力に対応したレーザ駆動電流値であって、レーザ照射時間の関数であること、を特徴とするものである。
また、本発明になる半導体レーザ駆動回路の設定値は、レーザ照射経過時間とその時点のレーザ出力とからなる指定値を受けて、レーザ照射経過時間の順にこれらのレーザ出力を直線で結び、この間を線形補間してレーザ出力を算出して、この算出値を対応するレーザ駆動電流値に変換して設定されることを特徴とするものである。
また、本発明になる半導体駆動回路は、前記半導体レーザ駆動回路であって、半導体レーザ駆動電流を検出する検出部と、この検出部で検出された駆動電流値と前記設定された電流値とを比較し、前記半導体レーザ駆動電流を設定された電流値とする帰還制御部と、を具備することを特徴とするものである。
また、本発明になる半導体レーザ駆動回路のレーザ駆動電流記検出部の電流センサはホール素子からなることを特徴とするものである。
また、本発明になる半導体レーザ駆動回路の帰還制御部はＰＩＤ制御部からなることを特徴とするものである。
さらに、本発明になるレーザ溶着電源は、前記半導体レーザ駆動回路を備えていることを特徴とするものである。
本発明になる半導体レーザ駆動回路を用いることにより、半導体レーザからレーザ照射時間の関数からなるレーザ駆動電流値で規定されたレーザ出力を得ることができる。この規定されたレーザ出力は、各指定点間を線形補間して求めているので、連続性を保持しつつ変化させることができる。従って、レーザ照射移動方向が直線の場合やレーザ照射位置の移動速度が一定の場合だけでなく、移動方向が曲線の場合や移動速度が一定でない場合もそれぞれのレーザ照射位置で均等なレーザ加熱が可能となる（請求項１ないし請求項５）。
本発明になるレーザ溶着電源を用いることにより、上記のようにそれぞれのレーザ照射位置で均等なレーザ加熱が可能となるから、レーザ光に対して透過性を備える樹脂と吸収性の樹脂から部材を均質に溶着できる（請求項６）。
次に本発明について図を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明になる半導体レーザ駆動回路の要部ブロック図、図２は、この半導体レーザ駆動回路のレーザ照射経過時間とレーザ出力との関係を表示したレーザ出力プロファイル図、図３、４は本発明になるレーザ溶着装置を用いて電子部品パッケージを気密封止する様子を示す概念図である。
図１において、１は電流制御部９の制御を受けて所定の出力のレーザ光を照射する半導体レーザダイオード、２は例えばホール素子などであり、半導体レーザダイオード１の駆動電流を電圧として検出する検出部、３は検出部２で検出された電圧を予め決められた増幅度で増幅してフィードバックする電流フィードバック部、４は電流フィードバック部３からの電圧を所定のサンプリング周波数でアナログ電圧からデジタル電圧に変換するＡ／Ｄ変換部である。検出部２では半導体レーザダイオード１の駆動電流を直接検出せずに電圧を検出している。これは検出部２に使用されているホール素子はその特性からホール素子の制御電流（駆動電流と等しい）に比例した出力電圧が得られるので次元と絶対値は異なるが、実質的に駆動電流を検出しているに等しいことになるからである。
５は所望の数のレーザ照射経過時間とその時点のレーザ出力とからなる指定値を入力し、この指定値をもとにしてレーザ照射経過時間の順にこれらのレーザ出力を直線で結び、この間を線形補間してレーザ出力を算出して、この算出値を対応するレーザ駆動電流値に変換し、さらに検出部２のレーザ駆動電流と検出電圧の対応に応じた電圧を算出するプロファイル設定部、６はプロファイル設定部５からのレーザ照射経過時間対レーザ出力に対応した電圧からなるプロファイルをテーブル形式で記憶する設定プロファイルテーブルである。この実施の形態ではプロファイルは１種類の場合についてだけ説明しているが、複数のプロファイルを設定することもできる。
７はＡ／Ｄ変換部４からの検出電圧と設定プロファイルテーブル６からの設定電圧とを受けて差分を算出し、この差分をなくすように比例、積分、微分制御により必要な制御データを算出するＰＩＤ制御部、８はＰＩＤ制御部７からの制御データを受けてアナログの制御信号に変換するＤ／Ａ変換部、９は主にＭＯＳＦＥＴからなり、半導体レーザダイオード１に応じた電源電圧ＶｃｃとＤ／Ａ変換部８からのアナログ制御信号とを受けて、このアナログ制御信号で前記ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間の電圧を変化させることで、半導体レーザダイオード１の駆動電流となる前記ＭＯＳＦＥＴのドレインソース間の電流を制御する電流制御部である。なお、１０はレーザ溶着対象である。
図２において、Ｐ１〜Ｐ６はプロファイル設定部に入力する指定値である。Ｐｉは（ｔｉ，ＰＷＲｉ）（ｉ＝１〜６の正の整数）で指定され、ｔｉはレーザ照射経過時間、ＰＷＲｉはその時点でのレーザ出力である。指定されないレーザ照射経過時間のレーザ出力は前記したように隣接する指定値間を直線で結び、線形補間して求める。図２の５つの実線の線分がこの直線に当る。
図３において、５１は前記半導体レーザ駆動回路によりレーザ光出力を制御するように構成されたレーザ溶着装置、６１は上面開口部を有し、その凹部６２に電子部品を実装するレーザ光に対して吸収性を有する樹脂からなるケース、６３はケース６１の上面開口部を覆うレーザ光に対して透過性を有する蓋体である。ケース６１と蓋体６３とで電子部品パッケージ６５を構成する。
図４において、四隅が丸みを帯びた線はレーザ溶着装置５１からのレーザ光が照射される軌跡であり、矢印はレーザ光の軌跡の移動方向を示す。なお、この丸みを帯びた位置ではレーザ照射位置移動速度を直線の位置と比較して遅くするので、溶着の均一性を高めるためにレーザ光の出力を低下させる。
次に、本発明になる半導体レーザダイオード駆動回路の動作を図３に示す電子部品パッケージ６５をレーザ溶着装置５１を用いて樹脂溶着することを例にとって説明する。
［プロファイルの設定］
プロファイルの設定に先立って、レーザ溶着装置５１と電子部品パッケージ６５を用いて、実験的にレーザ照射位置を図４の矢印付き実線のように移動させながら、蓋体６３とケース６１を溶着させて、気密封止が可能である程度に均一な溶着ができるプロファイルを決定する。
こうして決定されたプロファイルを直線近似できる複数の線分に区分し、これらの線分の両端における（ｔｎ，ＰＷＲｎ）を求める。ただし、ｔｎはレーザ照射経過時間（ｎは自然数）、ＰＷＲｎはレーザ出力（ｎは自然数）である。
そして、（ｔｎ，ＰＷＲｎ）を指定値として入力する。
この入力された指定値を受けて、前記の通りプロファイルを設定する。
［溶着作業］
まず、公知の搬送、位置合わせ手段を用いてケース６１を所定の載置台に載置し、ケース６１の上面開口部を覆うように蓋体６３を被せる。
そして、レーザ溶着装置５１からレーザ光を電子部品パッケージ６５に照射しつつ、その間実験時と同じようにレーザ光の照射位置を図４の矢印付き実線のように移動させる。
この照射位置の移動も公知の手段により行う。
レーザ照射開示時の動作から説明する。
設定プロファイルテーブルから設定されたプロファイルデータが読み出される。このデータがＰＩＤ制御部７に入力されるが、このときＰＩＤ制御部７ではもう一方の入力であるＡ／Ｄ変換部４からの検出電圧が「０」であるから、差分は設定されたプロファイルデータそのものとなる。従って、このプロファイルデータがＤ／Ａ変換部８に入力され、ここでアナログ制御信号に変換されて電流制御部９に入力される。このアナログ制御信号は前記ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間の電圧を決定するので、それに応じてドレインソース間の電流が流れ、この電流が半導体レーザダイオード１の駆動電流ｉとなり、この電流に応じたレーザ光が照射される。
このとき、この駆動電流ｉは検出部２により電流に応じた電圧として検出されて電流フィードバック回路３に入力される。そして、ここで所定の増幅を受けＡ／Ｄ変換部４に入力され、デジタルデータに変換される。次にこのデジタルデータに変換された検出電圧はＰＩＤ制御部７に入力され、ここでもう１つの入力である設定プロファイルデータと比較され差分が算出される。そして、この差分を打ち消すような制御データが生成される。
この制御データがＤ／Ａ変換部８に入力される。ここでアナログ制御信号に変換され、電流制御部９に入力される。このアナログ制御信号が前記のようにＭＯＳＦＥＴのゲートソース間の電圧となるから、結局、フィードバック制御によりドレインソース間の電流が制御され、半導体レーザダイオード１の駆動電流が制御される。
このフィードバック制御は電子部品パッケージ６５の全周囲に渡ってレーザ照射が終了するまで継続される。つまり、この間設定プロファイルデータに従ってレーザ溶着装置５１からのレーザ光の出力が制御される。
以上のような手順により、設定されたプロファイルでレーザ照射が電子部品パッケージ６５の全周囲に渡って実行され、ケース６１と蓋体６３とが溶着し、電子部品パッケージ６５が気密封止される。
本発明になる半導体レーザ駆動回路の要部ブロック図である。 図１の半導体レーザ駆動回路のレーザ照射経過時間とレーザ出力との関係を表示したレーザ出力プロファイル図である。 本発明になるレーザ溶着装置を用いて電子部品パッケージを気密封止する様子を示す概念図である。 本発明になるレーザ溶着装置を用いて電子部品パッケージを気密封止する様子を示す概念図で、レーザ光の照射位置の移動を示す図である。
符号の説明
１ 半導体レーザダイオード、２ 検出部、３ 電流フィードバック部、
４ Ａ／Ｄ変換部、５ プロファイル設定部、６ 設定プロファイルテーブル、
７ ＰＩＤ制御部、８ Ｄ／Ａ変換部、９ 電流制御部、
５１ レーザ溶着装置、６１ ケース、６３ 蓋体

Claims (6)

  1. フィードバック制御することでレーザ出力を予め定められた設定値になるようにしながらレーザ光を照射することで被照射物を加工する半導体レーザの駆動回路であって、
    前記設定値は、前記半導体レーザのレーザ出力に対応したレーザ駆動電流値であって、レーザ照射経過時間の関数であることを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
  2. 前記設定値は、
    レーザ照射経過時間とその時点のレーザ出力とからなる指定値を受けて、レーザ照射経過時間の順にこれらのレーザ出力を直線で結び、この間を線形補間してレーザ出力を算出して、この算出値を対応するレーザ駆動電流値に変換して設定されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
  3. 前記半導体レーザ駆動回路であって、
    前記レーザ駆動電流を検出する検出部と、
    この検出部で検出された駆動電流値と前記設定された電流値とを比較し、前記半導体レーザ駆動電流を設定された電流値とする帰還制御部と、
    を具備することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
  4. 前記検出部の電流センサはホール素子からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
  5. 前記帰還制御部はＰＩＤ制御部からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
  6. 請求項１記載の半導体レーザ駆動回路を備えることを特徴とするレーザ溶着電源。
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