温度制御方法および波長変換レーザ装置

【課題】電源投入直後に温度制御対象の温度が目標温度よりも行き過ぎて高くなることを抑制する。構成を簡単化する。
【解決手段】設定温度（Ｔｓ’）と対象温度（Ｔｘ）の偏差（ΔＴ）に基づいてペルチェ素子（２７）をＰＩＤ制御するＰＩＤ回路（２５）と、電源投入時には環境温度（Ｔｃ）を設定温度（Ｔｓ’）とし次いで所定の時定数の一次遅れの関数で環境温度（Ｔｃ）から目標温度（Ｔｓ）へと設定温度（Ｔｓ’）を変化させる温調回路（２０）とを具備する。
【効果】偏差（ΔＴ）が常に小さな値に維持されるから過積分により電源投入直後に対象温度（Ｔｘ）が目標温度（Ｔｓ）よりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。構成を簡単化でき、電池駆動などの小型でポータブルな波長変換レーザ装置においても有用である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御方法および波長変換レーザ装置に関し、さらに詳しくは、電源投入直後に温度制御対象の温度が目標温度よりも行き過ぎて高くなることを抑制できると共に構成を簡単化することが出来る温度制御方法および波長変換レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長変換された光出力を一定レベル以上に保つため、半導体レーザや非線形光学素子を含む光共振器を所定の温度範囲に保つよう温度制御を行う「波長変換レーザー」が知られている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
他方、偏差が比例帯相当の偏差幅より大きいときは積分動作をオフし、偏差が偏差幅内では０〜１の範囲で且つ偏差が小さいほど大きな係数として偏差を係数倍して積分動作させる「ＰＩＤ調節計の積分動作のカット方法」が知られている（例えば特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平８−１７１１０６号公報
【特許文献２】特開平８−１６２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の波長変換レーザ装置における温度制御方法としてはＰＩ制御もしくはＰＩＤ制御が一般的に用いられている。このＰＩ制御もしくはＰＩＤ制御による温度制御では、電源投入時に設定温度と<-制御対象温度の偏差が大きい場合は、偏差が小さくなってくる頃すなわち設定温度に<-制御対象温度が到達する頃には積分動作による操作量が過大になるため、制御に行き過ぎ量が生じてしまう(∵アンダーシュートも考慮するため)。
しかし、光出力を一定に保つ制御を行う場合，制御対象温度に過大な行き過ぎ量が生じると，光出力が一定レベルを上回る温度領域から逸脱し，一時的な出力低下を招く。これは電源投入直後から光出力の安定性を必要とする用途では特に問題となる。また、<-制御対象温度に対して光出力がヒステリシス特性をもつような場合、一時的に行き過ぎた制御対象温度が定常状態，すなわち設定温度に達しても一定レベル以上の出力が得られなくなるという問題が起こる。
【０００５】
他方、特許文献２の技術を利用すれば、立上り時に積分動作がオフになるため、制御対象の温度が設定温度より行き過ぎて高くなるのを抑制できる。この抑制効果は、比例帯相当の偏差幅が小さい方が高くなる。
しかし、(∵波長変換レーザ装置の光共振器 ⇒ 比例動作が大きくできないではないから)比例動作をあまり大きくできないような熱負荷では、比例帯相当の偏差幅はある程度の大きさを持ってしまうため、十分な抑制効果を得ることが出来ない問題点がある。
【０００６】
また、特許文献２では、積分動作を制御する係数を偏差に応じて連続的に変化させる構成になっている。
しかし、波長変換レーザ装置において駆動系も含めたレーザヘッドの構造を単純化したい場合などでは、プログラマブルな回路素子を搭載することは難しく、汎用もしくは専用のディスクリート素子を用いてできる限りコンパクトな回路構成にしなくてはならないので、積分動作を制御する係数を偏差に応じて連続的に変化させる構成とすることは現実的ではない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、電源投入直後に温度制御対象温度が設定温度よりも行き過ぎて高くなることを抑制できると共に構成を簡単化することが出来る温度制御方法および波長変換レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の観点では、本発明は、設定温度（Ｔｓ’）と対象温度（Ｔｘ）の偏差（ΔＴ）に基づくＰＩＤ制御により対象温度（Ｔｘ）を制御する温度制御方法であって、対象の電源投入時には環境温度（Ｔｃ）を前記設定温度（Ｔｓ’）とし、次いで所定の時定数の一次遅れの関数で前記環境温度（Ｔｃ）から目標温度（Ｔｓ）へと前記設定温度（Ｔｓ’）を変化させることを特徴とする温度制御方法を提供する。
上記第１の観点による温度制御方法では、対象温度（Ｔｘ）が環境温度（Ｔｃ）に一致している電源投入時は、環境温度（Ｔｃ）が設定温度（Ｔｓ’）になるため、偏差（ΔＴ）が０になる。電源投入後は、対象温度（Ｔｘ）が変化するが、一次遅れの関数の時定数を適正に設定すれば対象温度（Tx）の変化とほぼ同じ変化速度で設定温度（Ｔｓ’）が目標温度（Ｔｓ）に変化してゆくから、偏差（ΔＴ）が常に小さな値に維持されつつ対象温度（Ｔｘ）が目標温度（Ｔｓ）に収束してゆくことになる。このように、偏差（ΔＴ）が常に小さな値に維持されるから、電源投入直後に過積分により対象温度（Ｔｘ）が目標温度（Ｔｓ）よりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。また、構成を簡単化することが出来る。
【０００９】
第２の観点では、本発明は、半導体レーザ（１）と、前記半導体レーザ（１）によって励起され基本波光を出力する固体レーザ媒質（３）および前記基本波光を波長変換する非線形光学素子（４）を含む光共振器（６）と、前記半導体レーザ（１）および前記光共振器（６）を加熱しうる発熱手段（２７）と、前記半導体レーザ（１）および前記光共振器（６）の温度である対象温度（Ｔｘ）を検知する対象温度検知手段（２８）と、設定温度（Ｔｓ’）と前記対象温度（Ｔｘ）の偏差（ΔＴ）に基づいて前記発熱手段（２７）をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御手段（２５，２６）と、電源投入時には環境温度（Ｔｃ）を前記設定温度（Ｔｓ’）とし次いで所定の時定数の一次遅れの関数で前記環境温度（Ｔｃ）から目標温度（Ｔｓ）へと前記設定温度（Ｔｓ’）を変化させる設定温度制御手段（２１，２２，２３）とを具備したことを特徴とする波長変換レーザ装置（１００，１００’）を提供する。
上記第２の観点による波長変換レーザ装置（１００，１００’）では、対象温度（Ｔｘ）が環境温度（Ｔｃ）に一致している電源投入時は、環境温度（Ｔｃ）が設定温度（Ｔｓ’）になるため、偏差（ΔＴ）が０になる。電源投入後は、対象温度（Ｔｘ）が変化するが、一次遅れの関数の時定数を適正に設定すれば対象温度（Tx）の変化とほぼ同じ変化速度で設定温度（Ｔｓ’）が目標温度（Ｔｓ）に変化してゆくから、偏差（ΔＴ）が常に小さな値に維持されつつ対象温度（Ｔｘ）が目標温度（Ｔｓ）に収束してゆくことになる。このように、偏差（ΔＴ）が常に小さな値に維持されるから、過積分により電源投入直後に対象温度（Ｔｘ）が目標温度（Ｔｓ）よりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。また、一次遅れ関数は簡単な回路構成で実現できるので、構成を簡単化でき、電池駆動などの小型でポータブルな波長変換レーザ装置においても有用である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の温度制御方法および波長変換レーザ装置によれば、電源投入直時に温度制御対象温度が設定温度よりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。また、構成を簡単化することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１に係る波長変換レーザ装置１００を示す説明図である。
この波長変換レーザ装置１００は、励起レーザ光を発生する半導体レーザ１と、励起レーザ光を集光する集光レンズ系２と、励起レーザ光の入射面に反射面が形成され且つ励起レーザ光により励起されて基本波光を発生する固体レーザ媒質３と、基本波光が入射すると第２高調波光を発生する非線形光学素子４と、固体レーザ媒質３の反射面との間で光共振器６を形成する反射面を持つ出力側ミラー５と、出力側ミラー５から外部へ出力される出力レーザ光の一部を透過すると共に残りを分岐するビームスプリッタ７と、分岐光を受光し電気信号に変換するホトダイオード８と、ペルチェ素子２７と対象温度センサ２８とを有し半導体レーザ１および光共振器６の温調を行うための温調ユニット９と、半導体レーザ１に駆動電流を供給する半導体レーザ駆動回路１２と、ペルチェ素子２７に駆動電流を供給するペルチェ素子駆動回路２６と、環境温度Ｔｃを検知する環境温度センサ２９と、対象温度センサ２８で検知した対象温度Ｔｘが目標温度Ｔｓに一致するようにペルチェ素子駆動回路２６を制御する温調回路２０と、ホトダイオード８で受光する分岐光の強度が一定になるように半導体レーザ駆動回路１２を制御すると共に温調回路２０に目標温度Ｔｓを与える制御部１１とを具備している。
【００１３】
温調回路２０は、目標温度Ｔｓと環境温度Ｔｃの温度差を出力する差分器２１と、差分器２１の出力を所定の時定数の一次遅れの関数で伝達する一次遅れ回路２２と、一次遅れ回路２２の出力に環境温度Ｔｃを加えて設定温度Ｔｓ’とする加算器２３と、設定温度Ｔｓ’と対象温度Ｔｘの偏差ΔＴを出力する差分器２４と、偏差ΔＴが０になるようにペルチェ素子駆動回路２６をＰＩＤ制御するＰＩＤ回路２５とを含んでいる。
【００１４】
電源投入時からの経過時間をｔとし、半導体レーザ１および光共振器６の持つ熱時定数に対応させた一次遅れの関数の時定数をτとするとき、設定温度Ｔｓ’は次式で示される。
Ｔｓ’＝（Ｔｓ−Ｔｃ）｛１−exp(−ｔ／τ)｝＋Ｔｃ
【００１５】
図２は、設定温度Ｔｓ’の変化を示すグラフである。
電源投入時はＴｓ’＝Ｔｃとなり、次いで時定数τでＴｓ’＝ＴｃからＴｓ’＝Ｔｓまで変化する。
【００１６】
図３は、実機での対象温度の変化の実測結果を示すグラフである。
実線はτ＝９秒、点線はτ＝８秒、破線はτ＝７秒とした結果である。二点鎖線は電源投入と同時にＴｓ’＝Ｔｓとした場合の比較例である。
比較例では対象温度Ｔｘが目標範囲Ｔｓよりも大きく行き過ぎて高くなっているが、τ＝９秒，τ＝８秒，τ＝７秒のいずれも比較例より改善されている。従って、τ＝９秒〜７秒の範囲に設定すれば、電源投入直時に温度制御対象温度が設定温度よりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。
【００１７】
図４は、実機での対象温度の変化の別の実測結果を示すグラフである。
実線はτ＝９秒、点線はτ＝８秒、破線はτ＝７秒とした結果である。二点鎖線は電源投入と同時にＴｓ’＝Ｔｓとした場合の比較例である。
比較例では対象温度Ｔｘが目標範囲Ｔｓよりも大きく行き過ぎて高くなっているが、τ＝９秒，τ＝８秒，τ＝７秒のいずれも比較例より改善されている。従って、τ＝９秒〜７秒の範囲に設定すれば、電源投入直時に温度制御対象温度が設定温度よりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。
【００１８】
実施例１の波長変換レーザ装置１００によれば次の効果が得られる。
（１）対象温度Ｔｘが環境温度Ｔｃに一致している電源投入時は、環境温度Ｔｃが設定温度Ｔｓ’になるため、偏差ΔＴが０になる。電源投入後は、対象温度Ｔｘが変化するが、時定数τを適正に設定すれば対象温度Txの変化とほぼ同じ変化速度で設定温度Ｔｓ’が目標温度Ｔｓに変化してゆくから、偏差ΔＴが常に小さな値に維持されつつ対象温度Ｔｘが目標温度Ｔｓに収束してゆくことになる。このように、偏差ΔＴが常に小さな値に維持されるから、過積分により電源投入直後に対象温度Ｔｘが目標温度Ｔｓよりも行き過ぎて高くなることを抑制できる。
（２）一次遅れ回路２２は簡単な回路構成で実現できるので、構成を簡単化でき、電池駆動などの小型でポータブルな波長変換レーザ装置においても有用である。
【実施例２】
【００１９】
図５は、実施例２に係る波長変換レーザ装置１００’を示す説明図である。
この波長変換レーザ装置１００’は、励起レーザ光を発生する半導体レーザ１と、励起レーザ光を集光する集光レンズ系２と、励起レーザ光の入射面に反射面が形成され且つ励起レーザ光により励起されて基本波光を発生する固体レーザ媒質３と、基本波光が入射すると第２高調波光を発生する非線形光学素子４と、固体レーザ媒質３の反射面との間で光共振器６を形成する反射面を持つ出力側ミラー５と、出力側ミラー５から外部へ出力される出力レーザ光の一部を透過すると共に残りを分岐するビームスプリッタ７と、分岐光を受光し電気信号に変換するホトダイオード８と、ペルチェ素子２７と対象温度センサ２８とを有し半導体レーザ１および光共振器６の温調を行うための温調ユニット９と、半導体レーザ１に駆動電流を供給する半導体レーザ駆動回路１２と、ペルチェ素子２７に駆動電流を供給するペルチェ素子駆動回路２６と、対象温度センサ２８で検知した対象温度Ｔｘが設定温度Ｔｓ’に一致するようにペルチェ素子駆動回路２６を制御する温調回路２０’と、ホトダイオード８で受光する分岐光の強度が一定になるように半導体レーザ駆動回路１２を制御すると共に温調回路２０’に設定温度Ｔｓ’を与える制御部１１’とを具備している。
【００２０】
温調回路２０’は、設定温度Ｔｓ’と対象温度Ｔｘの偏差ΔＴを出力する差分器２４と、偏差ΔＴが０になるようにペルチェ素子駆動回路２６をＰＩＤ制御するＰＩＤ回路２５とを含んでいる。
【００２１】
制御部１１’は、マイクロプロセッサであり、電源投入時の対象温度Ｔｘを記憶し環境温度Ｔｃとして出力する環境温度メモリ２９’と、目標温度Ｔｓと環境温度Ｔｃの温度差を出力する差分器２１と、差分器２１の出力を所定の時定数の一次遅れの関数で伝達する一次遅れ要素２２’と、一次遅れ要素２２’の出力に環境温度Ｔｃを加えて設定温度Ｔｓ’とする加算器２３とを処理プログラムの機能として有している。
【００２２】
実施例２の波長変換レーザ装置１００’によれば、実施例１と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の波長変換レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。特に、乾電池で駆動する例えばレーザポインタに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。
【図２】実施例１に係る設定温度の変化を示すグラフである。
【図３】実施例１に係る対象温度の変化を示すグラフである。
【図４】実施例１に係る対象温度の変化を示す別のグラフである。
【図５】実施例２に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１半導体レーザ
２集光レンズ系
３固体レーザ媒質
４非線形光学素子
５出力側ミラー
６光共振器
７ビームスプリッタ
８ホトダイオード
９温調ユニット
１１，１１’ 制御部
１２半導体レーザ駆動回路
２０，２０’ 温調回路
２１，２４差分器
２２一次遅れ回路
２２’ 一次遅れ要素
２３加算器
２６ペルチェ素子駆動回路
２７ペルチェ素子
２８対象温度センサ
２９環境温度センサ
２９’ 環境温度メモリ
１００，１００’ 波長変換レーザ装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
設定温度（Ｔｓ’）と対象温度（Ｔｘ）の偏差（ΔＴ）に基づくＰＩＤ制御により対象温度（Ｔｘ）を制御する温度制御方法であって、対象の電源投入時には環境温度（Ｔｃ）を前記設定温度（Ｔｓ’）とし、次いで所定の時定数の一次遅れの関数で前記環境温度（Ｔｃ）から目標温度（Ｔｓ）へと前記設定温度（Ｔｓ’）を変化させることを特徴とする温度制御方法。
【請求項２】
半導体レーザ（１）と、前記半導体レーザ（１）によって励起され基本波光を出力する固体レーザ媒質（３）および前記基本波光を波長変換する非線形光学素子（４）を含む光共振器（６）と、前記半導体レーザ（１）および前記光共振器（６）を加熱しうる発熱手段（２７）と、前記半導体レーザ（１）および前記光共振器（６）の温度である対象温度（Ｔｘ）を検知する対象温度検知手段（２８）と、設定温度（Ｔｓ’）と前記対象温度（Ｔｘ）の偏差（ΔＴ）に基づいて前記発熱手段（２７）をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御手段（２５，２６）と、電源投入時には環境温度（Ｔｃ）を前記設定温度（Ｔｓ’）とし次いで所定の時定数の一次遅れの関数で前記環境温度（Ｔｃ）から目標温度（Ｔｓ）へと前記設定温度（Ｔｓ’）を変化させる設定温度制御手段（２１，２２，２３）とを具備したことを特徴とする波長変換レーザ装置（１００，１００’）。

【図１】