JP2007013111A - レーザー駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービームプリンター等における半導体レーザー駆動装置において、高画質化にともなう信号の高速化により、電源変動による放射ノイズの発生が問題となる。
【解決手段】基幹配線パターンから第１の配線パターンを介して接続されるレーザー駆動回路と、第２の配線パターンを介して接続される補償駆動装置とを備え、第１の配線パターンと第２の配線パターンとの間に、第１の配線パターンと第２の配線パターンに流れる信号の間における、同相信号成分に対するインピーダンスのみを選択的に高めるコモンモードチョークコイルを配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像形成装置の記録用光源に用いられる半導体レーザーの駆動装置を搭載するプリント回路基板のレーザー駆動回路に関するものである。

現在、画像形成装置には印刷速度の高速化と印刷画像の高画質化が要求されている。そのためレーザービームプリンター等における半導体レーザー駆動装置には、半導体レーザー素子の駆動周波数を高速化すること、及び半導体レーザー素子の個数を増加することが求められている。

一般にレーザー駆動回路は、発光回路を成す半導体レーザー素子、レーザー駆動用半導体装置及び半導体レーザー素子とレーザー駆動用半導体装置を接続する配線、基幹電源配線、基幹ＧＮＤ（グラウンド）配線、基幹電源配線と発光回路を接続する配線、基幹ＧＮＤ配線と発光回路を接続する配線により構成されている。発光回路では、１０ＭＨｚ程度の周波数で数十ｍＡ程度の電流を半導体レーザー素子に流し、半導体レーザーを点滅させることで、受け取った電気的データ信号を光学的データ信号に変換している。

しかしながら、半導体レーザー駆動回路に大量の高周波電流が流れると、発光回路に流れる電流にノイズ成分が生じる。すなわち、半導体レーザー素子、レーザー駆動用半導体装置、基幹電源配線、基幹ＧＮＤ配線、及び各配線の持つインピーダンスが原因で、発光回路においてリンギング等のノイズ成分が発生する。発生したノイズ成分はノイズ電流として基幹電源配線及び基幹ＧＮＤ配線へと伝播する。このノイズ電流は、半導体レーザー素子の発光電流の品質を劣化させるため、発光のタイミングや発光量の精度を低下させ、高画質化の要求に対する障害となる。さらに電源ケーブルが他の信号ケーブル等とＧＮＤ（グラウンド）を共通にしている場合には、上記ノイズ電流が他の信号ケーブルへ流入することも考えられる。

またレーザー駆動用半導体装置において高周波電流のＯＮ／ＯＦＦを行うと、基幹電源配線に流れる電流量が変動する。これにより電源電圧が変動し放射ノイズの発生要因となる。また前述のリンギング等のノイズ成分により、基幹電源の電圧レベルを瞬間的に変動してしまうため、より大きな放射ノイズの発生要因になっている。これらの放射ノイズの問題は、基幹配線が電源ケーブルと接続されている場合より顕著であり、電源ケーブルをアンテナ源として大量の放射ノイズが放射される。

特開昭６３−０４４７８２号公報（特許文献１）には、このような課題を解決する方法として、半導体レーザー素子とレーザー駆動半導体装置を接続する配線上にフィルタを配置することが記載されている。しかし駆動周波数が高速化するにつれ、フィルタ自身による発光電流波形の劣化が顕著となるため、高速化、高画質化、放射ノイズ低減を同時に満足することは非常に困難であった。

近年、ノイズ成分を抑制する方法として、補償回路を付加するのが一般的となっている。補償回路を付加したレーザー駆動回路の一例を図１２に示す。

基幹電源配線２から、補償素子１１と配線１２と補償半導体装置１３とから構成される補償回路１０は、半導体レーザー素子７と配線８とレーザー駆動半導体装置９とから構成される発光回路６と並列に配置されている。これにより補償回路１０は発光回路６と、お互いが相補的に駆動され、給電コンデンサ１の電流を定電流とする補償機能を果たす。従って基幹配線２を流れる電流を定電流とすることができるため、基幹配線の電源変動を抑制することができる。

また補償回路１０に発生するリンギングは、発光回路６に発生するリンギングとちょうど逆位相となる。そのため、第１の配線４と第２の配線５の分岐点３において、発光回路６を流れる電流のリンギングは補償回路１０を流れる電流のリンギングにより相殺される。これにより、リンギングの発生を抑制することができるため、発光回路６における半導体レーザー素子の発光電流の品質を高め、より高精度な発光を実現することができる。
特開昭６３−０４４７８２号公報

しかしながら図１２に示したレーザー駆動回路の場合、発光回路６と補償回路１０は等しい電気特性を示すことが必須となる。すなわち、発光回路６と補償回路１０の電気特性が少しでもずれると、本来相殺されるべきリンギング等のノイズ成分が、逆に足し合わされ、より多くのノイズ成分を発生することとなるためである。従って、配線４のインピーダンスＺ４と、配線５のインピーダンスＺ５は、全く等しく設計しなければならなかった。もしくは配線４と５を極力短くすることで、配線インピーダンスＺ４とＺ５の値を極力０にしなければならなかった。

しかしながら、半導体レーザー素子の位置は、半導体レーザー素子から出力されるレーザー光を加工するための光学系の位置により、優先的に決定される。そのため、高画質化の要求から配線の自由度が著しく制限されているため、配線４と５の長さ等を任意に設計することは非常に困難である。

また、従来は１色あたり１〜２個であった半導体レーザー素子が、高画質化の要求から近年４個に増加しつつあり、レーザー回路基板上に配置すべき部品、配線の数が大きく増加している。一方で、レーザー光の光軸は、レーザー回路基板を周囲の金属筐体と固定することで、安定化が図られている。そのため、配線自由度を向上させるために基板サイズを大きくすると、振動耐性が劣化し、光軸方向にぶれが生じ易くなり、高画質化の要求に応えることができない。

また、半導体レーザー素子７と補償素子１１は全く同じ部品ではないため、発光回路６のインピーダンスＺ６と、補償回路１０のインピーダンスＺ１０の値は、僅かながら異なる値となる。このインピーダンスの差は、１０ＭＨｚ程度である駆動周波数では、大きな問題とならない値であるが、６０ＭＨｚ程度までの高速化が望まれている今日では、大きな問題となる。そのため、図１２に示したレーザー駆動回路では、駆動周波数の高速化の要求に充分応えることができない。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザービームプリンター等における半導体レーザー駆動装置の高速化と高画質化の要求に応えつつ、放射ノイズも抑制できるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるレーザー駆動回路は、基幹配線パターンに接続される第１及び第２の配線パターンと、前記第１の配線パターンに接続され、半導体レーザー素子と該半導体レーザー素子を駆動する駆動回路とを備える第１の回路と、前記第２の配線パターンに接続され、補償素子と補償駆動装置とを備える第２の回路と、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンに接続され、前記第１の配線パターン及び前記第１の回路に流れる信号と、前記第２の配線パターン及び前記第２の回路に流れる信号の間における、同相信号成分に対するインピーダンスのみを選択的に高めるインピーダンス制御手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、上記の実施形態をレーザービームプリンター等における半導体レーザー駆動用のプリント回路板に使用した場合、印刷速度の高速化、印刷画像の高画質化の要求に応え、かつ放射ノイズを低減することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体レーザー駆動装置を搭載したプリント回路基板のレーザー駆動回路の構成を示す図である。尚、図１において図１３と同じ部材には同じ符号を使用している。

図１において１は給電コンデンサ、２は基幹電源配線、２２は基幹ＧＮＤ配線である。４は第１の配線であり、５は第２の配線である。第１の配線４と第２の配線５は、基幹電源配線２の分岐点３において、並列に配置されている。第１の配線４と第２の配線５との間には、このコモンチョークコイル１４が配置されている。第１の配線４は、このコモンチョークコイル１４により、第３の配線４ａと第４の配線４ｂに分けられている。第２の配線５は、コモンチョークコイル１４により、第５の配線５ａと第６の配線５ｂに分けられている。

６は第１の配線４に接続された発光回路であり、半導体レーザー素子７と第７の配線８とレーザー駆動用半導体装置９とから構成されている。また１０は第２の配線５に接続された補償回路であり、補償素子１１と第８の配線１２と補償半導体装置１３とから構成されている。発光回路６と補償回路１０も並列に配置され、ともにグラウンド配線パターンに接続されている。補償素子１１は半導体レーザー素子７と電気的特性ができるだけ等しくなるように構成されている。また配線８と配線１２、及びレーザー駆動用半導体装置及び補償半導体装置１３は、同じ部品を使用している。なお、図１においては、配線２，４，５，８，１２をあたかも電線のように示しているが、実際上これらはプリント基板上の導体パターンにより形成されている。

図１において、発光電流と補償電流は配線４と配線５を相補的に流れる。従って、理想的には逆相成分のみが流れていることになる。しかしながらリンギング等のノイズ成分が発生すると、配線４と配線５に同相成分の電流が流れることとなる。すなわち発光電流と補償電流のうち、逆相成分は発光動作に関わり、同相成分はノイズ成分を意味する。

コモンチョークコイル１４は、発光回路６と補償回路１０の分岐点３から発光回路６へと流れる発光電流と、補償回路１０へと流れる補償電流において、逆相成分はインピーダンス値が低く、同相成分についてはインピーダンス値が高くなるよう機能する。従ってコモンモードチョークコイル１４により、ノイズ成分のみを選択的除去することができる。この様にしてリンギング等のノイズ成分を除去することで、半導体レーザー素子の発光の品質を向上させ、また基幹電源配線２における電圧の変動を抑えることができるため、放射ノイズの発生を抑制することができる。

図９にコモンモードチョークコイルの等価回路図を示す。図９において、ＡからＣへ流れる電流と、ＢからＤに流れる電流について、互いに同一方向へ流れる成分が同相成分であり、互いに逆方向へ流れる成分が逆相成分である。図１０に同相成分と逆相成分の概念図を示す。図１０においてＡからＣへ流れる電流は、図１における基幹配線２から発光回路６へと流れる発光電流をイメージしており、ＢからＤに流れる電流は、基幹配線２から補償回路１０へと流れる補償電流をイメージしている。

コモンチョークコイル１４により、配線４と配線５の間には結合作用が働くため、逆相成分に対するインピーダンス特性Ｚdifferentialに対して、同相成分に対するインピーダンス特性Ｚcommonは、数十倍大きくなっている。従って、このコモンモードチョークコイル１４を用いることで、同相成分のみを選択的に除去することができる。

（実験例１）
本実施形態による効果を説明するために、図１に示すレーザー駆動回路のシミュレーションを行なった。給電コンデンサ１の容量値は０.１μＦ、半導体レーザー素子７は駆動周波数は２０ＭＨｚのＤＬ３０３８（三洋電機株式会社製）、補償素子１１は１０Ωの抵抗、レーザー駆動半導体素子９と補償半導体素子１３はＭ６１８８１ＦＰ（三菱電機株式会社製）とし、追加配置したコモンモードチョークコイル１４はＡＣＭ２５２０−６０１−２Ｐ（ＴＤＫ製）とした。また上記部品を接続する配線２、４、５、８、１２の構成を図２に示す。図２において、１５は絶縁体からなる基板本体、１６は基板本体１５の表面に配置された導体からなる配線パターン、１７は基板本体１５の裏面に配置された導体層である。なお、配線２、４、５、８、１２の配線長を図３に示す。尚、第１の配線４と第２の配線５の配線長は、近年の配線自由度が著しく制限されてきているおり、配線長を等しくすることは困難である。

上記のような構成において基幹電源配線２に流れる電流をシミュレーションした結果を図４、図５に示す。図４は基幹電源配線２に流れる電流の周波数特性、図５は発光回路６と補償回路１０に流れる電流の時間変化をそれぞれ示す。

（比較例１）
比較のため図１２に示した従来のレーザー駆動回路における基幹配線に流れる電流を、実施例１と同様にシミュレーションし、その結果を図６、図７に示す。図６は基幹電源配線２に流れる電流の周波数特性、図７は発光回路６と補償回路１０に流れる電流の時間変化をそれぞれ示している。なお、各配線の配線長は図３に示した実験例１の場合と同一とする。

図４と図６を比較すると、図４における各周波数における電流の変動は、図６よりもはるかに小さくなっていることが分かる。また図５と図７を比較すると、図５における各信号のリンギングは図７に比べて大幅に抑制されていることがわかる。すなわち、実施例１は比較例１に比べて、半導体レーザー素子の発光精度を高精度に保つとともに、基幹電源の変動を抑え放射ノイズを大幅に抑制している。

より詳細に説明すると、図１２に示す比較例１では、第１の配線４のインピーダンスＺ４と発光回路６のインピーダンスＺ６の和ＺLaserと、第２の配線５のインピーダンスＺ５と補償回路１０のインピーダンスＺ１０の和ＺCompとに差がある。特に、第１の配線４の長さ（１７ｍｍ）と第２の配線５の長さ（１２ｍｍ）が支配的である。これにより、発光回路６のインピーダンスＺ６と補償回路１０のインピーダンスＺ１０が同じであったとしても、第１の配線４と第２の配線５の長さの違いによりインピーダンス和ＺLaserとＺCompに差が生じる。

このインピーダンスの差により、補償回路１０の補償機能が劣化し、発光回路６側で生じたノイズ成分が相殺されず、一部足し合わされることとなる。そして相殺されなかったノイズ成分は、基幹電源配線２及び基幹ＧＮＤ配線２２へと伝播するため、図６に示すように基幹電源配線を流れる電流にノイズ成分が生ずる。尚、第１の配線４と第２の配線５の配線長を等しくすれば、補償回路１０の補償機能が向上し、相殺されるノイズ電流が増加するため、ノイズ電流が低減されることは明らかである。しかしながら、前述したように、第１の配線４と第２の配線５の配線長を等しくすることは困難である。

これに対し、図１に示す実施例１では、コモンモードチョークコイル１４を配置することにより、配線４及び配線５に流れる電流に対する、逆相成分に対するインピーダンスは低く、同相成分に対するインピーダンスは高くなっている。 図８に基幹電源配線２から発光回路６へ流れる電流と、補償回路１０へと流れる電流とに対する、各周波数におけるインピーダンスのシミュレーション結果を示す。逆相成分に対するインピーダンスをＺdifferential、同相成分に対するインピーダンスをＺcommonとして示している。

図８から分かるように、同相成分に対するインピーダンスをＺcommonは、逆相成分に対するインピーダンスをＺdifferentialに比べてはるかに大きい値であることが分かる。従って基幹電源配線２から発光回路６及び補償回路１０に流れる電流の内、同相成分のみを精度良く選択的に削除することができ、リンギング等のノイズ成分を抑制することができる。

また、図１に示したレーザー駆動回路において、コモンチョークコイル１４は、配線４と配線５の間であれば、どこに配置してもその効果は変わらない。すなわち、配線４ａと配線５ａもしくは配線４ｂと配線５ｂ等しくする必要や、ある一定の関係を満たす必要は全くない。従って、高画質化の要求から配線の自由度が著しく制限されていたとしても、本実施の形態は容易に形成することが可能である。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、高速化、高画質化、放射ノイズ低減を同時に達成することが可能となる。

（第２の実施形態）
図１１は本発明の第２の実施形態におけるレーザー駆動回路である。第１の実施形態においては、発光回路６及び補償回路１０と基幹電源配線２の間にコモンモードチョークコイル１４を配置した。これに対して第２の実施形態では、発光回路６及び補償回路１０と基幹ＧＮＤ配線２の間にコモンモードチョークコイル１４を配置している。尚図１１において図１と同じ部材には同じ符号を付している。

図１１においても、コモンモードチョークコイル１４は、基幹ＧＮＤ配線２２から発光回路６及び補償回路１０に流れる電流の内、同相成分のみを精度良く選択的に削除することができる。これにより、リンギング等のノイズ成分を抑制し高速化、高画質化、放射ノイズ低減を同時に達成している。

更に、第２の実施形態によれば、周囲の金属筐体をアンテナとする放射ノイズの低減も可能である。基幹配線２がＧＮＤ配線である場合に、基幹配線２を流れるノイズ電流は、基板ＧＮＤと周囲の金属筐体とを接続する金属スペーサ−を通じて、周囲の金属筐体へと流入する。このため上記電源ケーブルに加えて、周囲の金属筐体もアンテナとして作用し、放射ノイズが増加する。しかし本実施形態によれば、補償機能を強化することで、基幹配線２を流れるノイズ電流そのものを抑制できる。このため、電源ケーブルをアンテナとする放射ノイズに加え、周囲の金属筐体をアンテナとする放射ノイズの低減も可能である。

本発明の第１の実施形態に係わるレーザー駆動回路を示す図である。 プリント配線板の断面図である。 実験例１における配線パターンのサイズを示す図である。 実験例１における基幹配線電流の周波数特性を示す図である。 実験例１における発光回路電流、及び補償回路電流の時間変化を示す図である。 比較例１における基幹配線電流の周波数特性を示す図である。 比較例１における発光回路電流、及び補償回路電流の時間変化を示す図である。 コモンモードチョークコイルの周波数特性を示した図である。 コモンモードチョークコイルの等価回路図である。 同相成分と逆相成分の概念図である。 第２の実施形態に係わるレーザー駆動回路を示す図である。 従来のレーザー駆動回路を示す図である。

符号の説明

１ 給電コンデンサ
２ 基幹電源配線
３ 分岐点
４ 第１の配線
５ 第２の配線
６ 発光回路
７ 半導体レーザー素子
８ 第３の配線
９ 発光回路駆動半導体素子
１０ 補償回路
１１ 補償素子
１２ 第４の配線
１３ 補償回路駆動半導体素子
１４ コモンモードチョークコイル
１５ 基板本体
１６ 配線パターン
１７ 導体層
２２ 基幹ＧＮＤ配線

Claims (5)

1. 基幹配線パターンに接続される第１及び第２の配線パターンと、
   前記第１の配線パターンに接続され、半導体レーザー素子と該半導体レーザー素子を駆動するレーザー駆動装置とを備える第１の回路と、
   前記第２の配線パターンに接続され、補償素子と補償駆動装置とを備える第２の回路と、
   前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンに接続され、前記第１の配線パターン及び前記第１の回路に流れる信号と、前記第２の配線パターン及び前記第２の回路に流れる信号の間における、同相信号成分に対するインピーダンスのみを選択的に高めるインピーダンス制御手段と、
   を具備することを特徴とするレーザー駆動回路。
2. 前記インピーダンス制御手段は、コモンモードチョークコイルであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動回路。
3. 前記基幹配線パターンが、基幹電源パターンであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動回路。
4. 前記基幹配線パターンが、基幹グラウンドパターンであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動回路。
5. 前記第１の回路は前記半導体レーザー素子を発光させる発光回路であり、前記第２の回路は前記発光回路と同等の電気特性を有する補償回路であり、前記レーザー駆動装置と前記補償駆動装置はお互いが相補的に駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動回路。

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