JP2011066089A - 半導体レーザ制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光ビームを同時に走査して高速に画像を形成しつつ、ＰＤにおける光量検出を高精度で行うことができる半導体レーザ制御装置及び画像形成装置に関する。
【解決手段】 複数の光源と、これらの光源の光量を検出する１つの検出部と、検出部において検出された光量に応じた信号と所定の光量に対応する制御信号とを比較し、光源に供給する電流を制御する光量制御手段を備え、複数の光源が８個以上の半導体レーザ素子によって構成され、各光源を点灯させて光量制御を行うときに検出部への過電防止手段として機能する電圧クランプ回路を有する半導体レーザ制御装置による。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル複写機およびレーザプリンタ等の書込系に用いられる光走査装置に適用される半導体レーザ制御装置及び同装置を用いた画像形成装置に関するものであって、詳しくは、複数の光ビームを同時に走査して高速に画像を形成するマルチビーム走査方式を備える半導体レーザ制御装置及び画像形成装置に関するものである。

従来の半導体レーザ制御装置を有する画像形成装置の例について説明をする。図７は電子写真プロセスを利用したレーザプリンタ、デジタル複写機等の一般的な画像形成装置の例を示す構成図である。図７において、光源である半導体レーザユニット１００９から出射されたレーザ光は、回転するポリゴンミラー１００３により偏向走査されて、走査レンズ（ｆθレンズ）１００２を介し、被走査媒体である感光体１００１上に光スポットを形成する。この光スポットによって感光体１００１が露光されて静電潜像が形成される。

このとき、位相同期回路１００６はクロック生成回路１００５により生成された変調信号を、ポリゴンミラー１００３により偏向走査されたレーザ光を検出するフォトディテクタ１００４に同期した位相に設定する。すなわち、位相同期回路１００６では、１ライン毎にフォトディテクタ１００４の出力信号に基づいて、位相同期のとられた画像クロック（画素クロック）が生成され、画像処理ユニット１００７とレーザ駆動回路１００８へ供給される。

このようにして、半導体レーザユニット１００９は、画像処理ユニット１００７で生成された画像データと位相同期回路１００６により、１ライン毎に位相が設定された画像クロックに従い、レーザ駆動回路１００８を介して半導体レーザの発光時間をコントロールし、被走査媒体である感光体１００１上に所定の静電潜像を形成する。

近年、印刷速度（画像形成速度）の高速化や画像の高画質化の要求に応じるべく、光偏向器であるポリゴンモータの高速化や、レーザ変調の基準クロックとなる画素クロックの高速化が図られてきた。しかし、どちらの高速化も限界が近づいてきており、さらなる印刷速度の高速化や画像の高画質化は困難となっていた。

上記の課題に対応するものとして、複数の光源を用いたマルチビームを採用し、同時に偏向できる光束を増やすことで、偏向器であるポリゴンモータの回転速度や、画素クロック周波数を低減させることが可能となり、高速にかつ安定した光走査及び画像形成を可能とした画像形成装置が知られている。

上記マルチビームを構成する光源には半導体レーザが用いられる。より具体的には、上記マルチビームを構成する光源としては、シングルビームのレーザチップを組み合わせる方法や、複数個の発光素子を一つのレーザチップに組み込んだＬＤアレイ（例えば面発光レーザアレイ）などを用いる方法が知られている。
上記ＬＤアレイ（例えば面発光レーザアレイ）などの半導体レーザは、きわめて小型であり、かつ駆動電流により高速に直接変調を行うことが出来るので、近年
レーザプリンタ等の光源として広く用いられている。

しかし、半導体レーザの駆動電流と光出力との関係は、温度により著しく変化する特性を有するので、半導体レーザの光強度を所望の値に設定しようとする場合に問題となる。これを解決して半導体レーザの利点を活かすため、様々なＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路が提案されている（例えば特許文献１，特許文献２，特許文献３を参照）。

ＡＰＣ回路には種々の方式を採用しているものがあるが、一例としては、半導体レーザの光出力（光量）を受光素子によりモニタし、パワー設定時間内では発光レベル信号と光出力に比例したモニタ電流に比例した信号とが等しくなるように、光・電気負帰還ループにより半導体レーザの順方向電流を制御するものがある。パワー設定時間外では、パワー設定時間内に設定した半導体レーザの順方向電流をサンプルホールド回路により保持し、光出力を所望の値に設定すると共に、順方向電流を変調信号に基づいて変調することにより、半導体レーザを変調信号に応じた点灯と消灯をさせる。

この方式では、半導体レーザの高速変調が可能となるが、半導体レーザの光出力を常時制御しているわけではないため、外乱などにより容易に光出力が変動してしまう。また外乱として半導体レーザのドゥループ特性があり、光出力に数％の誤差を生じてしまう。特許文献２には、この点を改良する方式が示されている。

また、特許文献３には、レーザの発光パワーを制御する際、レーザの発光状態を受光素子によりモニタし、受光素子のモニタ電流を電流−電圧変換回路により電圧信号に変換して出力信号とし、この出力信号をレーザ駆動回路（レーザ駆動制御回路）にフィードバックしてレーザが適正なパワーで発光するように制御し、パルス発光時におけるフォトダイオードの出力信号の波形なまりの補償を行う例が示されている。

マルチビーム構成では、複数のレーザ光源それぞれについて光量補正を行う必要がある。つまり、複数個のレーザ光源からの出射光の光量を検出する光検出器が必要となる。光検出器には、全てのマルチビーム光源が入射可能な光検出器を１つ用いて、各光源の発光時間に差を設け、入射された光ビームに応じた検出信号に基づいて発光制御を行う方式が取られている。

ところが、このようなマルチビーム構成は、光源が１つの構成と比較すると、光検出器への入射光量がマルチビーム光源の数だけ増加することになる。入射光量が増加すると検出器による検出レベルが大きくなり、半導体レーザの光強度を所定の値に設定することが困難になる。
また、所定のレベル以上の光量が光検出器に入射されることで、光検出器からの信号が大きくなりすぎて、光量制御回路の制御レベルを超えてしまうおそれがある。

これらの課題に対応するために、複数本の光ビームの光量の総和を検出する総光量検出手段を用いて光量調整を行う装置が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。当該装置では複数本の光ビームの光量の総和により光量調整を行うため、１光源あたりの光量制御を高精度に行うことは難しく、光量検出パターンが複数必要なことから、光量検出時間もかかってしまう。
また複数光源での複数の点灯パターン制御が必要になるなど回路構成が複雑となる。

従来の半導体レーザ制御装置の構成の例を図９乃至１２に示す。図９は単体の半導体レーザＬＤ１０と、ＬＤ１０の発光量を検出するＰＤ２０と、ＰＤ２０の検出電流を電圧に変換する可変抵抗ＶＲ３０及び抵抗Ｒ４０と、ＰＤ２０の検出信号（可変抵抗ＶＲ３０と抵抗４０によって検出電流から変換された電圧）をＡ／Ｄ変換するＡＤＣ５０と、ＡＤＣ５０の出力からＬＤ１０の発光電流制御信号を生成するＣＰＵ６０と、ＣＰＵ６０からの発光電流制御信号をＤ／Ａ変換するＤＡＣ７０と、ＤＡＣ７０の出力値に基づいてＬＤ１０に駆動電流を与える電流源８０とを有してなる半導体レーザ制御装置の例である。

図９に示した半導体レーザ制御装置によれば、ＬＤ１０の発光レベルに応じた検出電流がＰＤ２０を流れ、検出電流に比例した検出電圧に基づいてＡＤＣ５０、ＣＰＵ６０、ＤＡＣ７０を介してＬＤ１０へフィードバック制御することにより、ＬＤ１０の発光レベルを制御することができる。ＰＤ２０の検出電流はＬＤ１０の発光レベルに比例しており、可変抵抗ＶＲ３０の抵抗値を変更することで、ＡＤＣ５０への検出電圧レベルを調整することができる。

図１０は、図９に示した半導体レーザ制御装置の光源を複数（図１０においては光源を４個）にした例を示している。図９に示した半導体レーザ制御装置は、発光光源は１個であるためＰＤ２０で検出する光量の範囲は、ＬＤ１個の光量範囲のみである。図１０に示す半導体レーザ制御装置は、４個の光源であるＬＤ１１、ＬＤ１２、ＬＤ１３、ＬＤ１４が同時発光する場合、ＰＤ２０で検出する光量の範囲はＬＤ１個の光量範囲の４倍となる。例えばＬＤ１個あたり０．５ｍＷ〜２ｍＷの範囲で発光制御するとき、０．５ｍＷから８ｍＷの範囲で光量が変化することになる。

図１１は、図９及び図１０に示した半導体レーザ制御装置においてＡＤＣ５０、ＣＰＵ６０、ＤＡＣ７０で構成される光量制御回路部を、アナログ／デジタルサンプルホールド回路で構成した例である。
図１１に示す構成において、電源電圧ＶＣＣ９０が５Ｖであって、ＡＤＣ５０に入力される検出電圧が３Ｖと仮定した場合、１つのＬＤが発光したときは、所望の３Ｖが得られるが、４つのＬＤが全部同時に発光したときは、これらのよる光が全てＰＤ２０に入射され所望の検出電圧を得ることが出来ない。

この場合、抵抗Ｒ４０の値が一定だとすると、検出電圧は、理論上１ｃｈの場合の4倍の１２Ｖになるが、実際にはＰＤ２０やＡＤＣ５０の保護ダイオードなどの働きによって電源電圧ＶＣＣ以上になることはない。しかし、これによってＰＤ２０を劣化させたり、ＡＤＣ５０の入力部を劣化させたり若しくは損傷させる場合がある。

このような過電圧を防止する構成を有する半導体レーザ制御装置も知られている（例えば、特許文献５を参照）。図１２に特許文献５に記載の半導体レーザ制御装置の例を示す。図１２における半導体レーザ制御装置は、電圧検出端子にツェナーダイオード２００を接続する事により過電圧を防止するものである。ツェナー電圧を例えば４Vに設定する事により、電圧検出端子が４V以上になることを防止し、ＡＤＣ５０やＰＤ２０を保護するとともに、ＰＤ２０の逆電圧を１Ｖ以上取る事による特性安定化とＰＤ２０自体が逆電圧を有することを防止している。

ツェナーダイオードを用いた場合、複数の光源を点灯させた状態から１つの光源のみを点灯させた状態に遷移したときに、ＰＤ２０の検出信号のレベルが安定するまで、時間を要する。例えば、１０光源がそれぞれ１ｍＷで点灯するようなマルチビーム構成の場合は、時定数が大きくなり、応答時間が５０μｓ程度となる。
なお、「複数光源点灯した状態」とは、有効画像領域内で画像データの書き込みを複数光源点灯させて行う状態のことを示している。「１光源のみ点灯した状態」とは、各光源にＡＰＣ制御を行うため１光源ずつ点灯する状態のことを示している。

ツェナーダイオードを用いた構成は上記のように、時定数が大きい。したがって、１光源あたりの光量検出時間が短くなる場合があり、高速かつ高精度が求められる画像形成装置においては、十分とは言えない場合がある。

上記のように光量が安定するまでに時間を要する原因は、ＰＤの飽和現象にある。ここで、図を用いてＰＤの飽和現象の説明をする。図１３は、ＰＤを用いた光検出器の構成例を示す図である。図１３において、ＰＤに光が入射すると入射光量とＰＤの効率に応じたＰＤ電流ｉｐｄが抵抗Ｒｐｄに流れる。この抵抗ＲｐｄによってＰＤが光を検出したことで電流ｉｐｄが電圧に変換され、出力電圧Ｖｏｕｔとなる。この出力電圧に応じて、図示しない制御回路による光源の光量調整を行う。

図１３は、ＰＤの電源電圧をＶＣＣとし、ＰＤに係る電圧を逆電圧Ｖｐｄで示している。逆電圧ＶｐｄはＶＣＣから出力電圧Ｖｏｕｔを引いた値となる。すなわち、ＶＰＤ＝ＶＣＣ−Ｖｏｕｔとなる。

一般的なＰＤの受光感度は０．５（Ａ／Ｗ）程度であるため、光量制御回路で光量調整を高精度に行うためには、制御電圧となる出力電圧Ｖｏｕｔを大きくする必要がある。そのため、抵抗Ｒｐｄは１ｋΩから１００ｋΩ程度のかなり大きい抵抗値のものを用いることとなる。
例えば、ＰＤの受光感度が０．５（Ａ／Ｗ）、光量制御に必要な制御電圧が１Ｖ以上であって、光検出器の受光量を２ｍＷとすると、抵抗Ｒｐｄは１ｋΩ以上のものが必要となる。このように、制御用電圧となる出力電圧ＶｏｕｔがＰＤ電流と抵抗によって規定されるため、逆電圧ＶｐｄはＶＣＣ−ｉｐｄ×Ｒｐｄとなる。したがって、逆電圧Ｖｐｄを保持するためには、ＰＤ電流ｉｐｄと抵抗Ｒｐｄは小さいことが望ましい。

次に、ＰＤに入射される光パルスのレベルと、それに対応する出力電圧の関係を図１４に示す。図１４（ａ）に示すように、ＰＤに入射される入射光パルスＰ１によって発生する出力電圧Ｖｏｕｔ１は、電源電圧Ｖｃｃより低い値であるので、逆電圧Ｖｐｄが確保されており、光パルスＰ１のＯＮ−ＯＦＦに追従して出力電圧Ｖｏｕｔ１も変動させることができる。
しかし、図１４（ｂ）に示すように、ＰＤに入射される入射光パルスＰ２によって発生する出力電圧Ｖｏｕｔ２が、電源電圧Ｖｃｃとほぼ同じ値であるときは、逆電圧Ｖｐｄが小さくなりＰＤが飽和するので、入射光パルスＰ２がＯＦＦした後においても、出力電圧Ｖｏｕｔ２はすぐに応答せず、遅延時間ｔｄが経過したのちに、減衰する。

図１５において、ＰＤへの入射光を発する光源の数と遅延時間ｔｄの関係をグラフで示す。図１５は横軸が光源数であって、縦軸が遅延時間ｔｄを表している。仮に、Ｒｐｄが３ｋΩ、ＰＤの電源電圧ＶＣＣが５Ｖ、ＰＤの受光感度が０．５（Ａ／Ｗ）、光源１つあたりの発光量が最小３ｍＷから最大６ｍＷであり、光学系での光源端面から光検出器までの透過率が０．１であるならば、光検出器に入射する光量は０．３ｍＷから０．６ｍＷとなる。
この条件において光源数が８個の場合、最小光量におけるＰＤへの入射量は２．４ｍＷとなる（０．３×８）。このとき、ＰＤに流れる電流Ｉｐｄは１．２ｍＡになるので、出力電圧Ｖｏｕｔは３．６Ｖとなる。したがって逆電圧は１．４Ｖとなって、ＰＤ信号の遅延時間は数μｓ程度となる。
一方、最大光量のときは、ＰＤへの入射光量が４．８ｍＶになり（０．６×８）、ＰＤに流れる電流Ｉｐｄは２．４ｍＡになるので、出力電圧Ｖｏｕｔは７．２Ｖとなり、逆電圧が確保できずＰＤは飽和状態となる。このときの遅延時間は１０μｓ以上となる。

このように、光源数が多い画像形成装置で、多くの光源が点灯した状態となると、ＰＤの逆電圧が小さくなり、飽和状態から復帰するまでのディレイ時間が大きくなってしまう。

次に、ＰＤが飽和したときのＡＰＣ時間への影響について図１６を用いて説明する。ＡＰＣとは、Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌの略であって、半導体レーザの光量を調整する技術をいう。ＡＰＣ時間とは、半導体レーザの光量を調整するための時間をいう。

図１６（ａ）は、複写機での同期信号、画像信号、出力電圧Ｖｏｕｔ、ＡＰＣ信号の関係の例を示す。図１６の同期信号は図７のフォトディテクタ１００４で検出される同期信号を示している。画像信号は感光体１００１上で走査される光ビームの光量信号を示す。出力電圧Ｖｏｕｔは、半導体レーザユニット１００９から出射される光ビームを、例えばビーム出射方向で光の一部を反射して光検出器に導光するフロントモニタ方式で検出される場合や、レーザユニット内部に実装されているバックモニタＰＤを用いて検出される場合がある。ＰＤには全光源のビームが入射するので、光源数が多いほど入射する光量が大きくなる。
ＡＰＣ信号は画像領域の終端とフォトディテクタ１００４で検出される次の同期信号との間で、光源の光量調整を行うタイミングの信号である。

従来、複写機などで用いる半導体レーザによる光源の数は多くても４個程度であった。モニタ電流が光源１個あたり最大で０．８ｍＡとすると、光源が４個になるとモニタ電流は最大３．２ｍＡとなる。このときＰＤ抵抗Ｒｐｄを１ｋΩ、電源電圧ＶＣＣを５Ｖとすると、逆電圧は１．８ｖとなる。よって、光量が大きくてもＰＤが飽和することがなく、ＡＰＣ時間を確保することができる。

図１６（ａ）はＰＤが飽和していないときの例であって、例えば４光源による書き込みの場合を示している。このとき有効走査領域内で画像信号がＯＮ状態であった場合にも、出力電圧Ｖｏｕｔは画像信号に対しほぼ遅れることなく応答するので、有効走査領域終了時にＯＦＦとなって、有効走査領域終了後から次の同期信号が入るまで時間をＡＰＣ可能な時間ｔａｐｃ１を確保することができる。よって従来の４光源程度の系においてはＰＤの飽和は問題とならなかった。

図１６（ｂ）はＰＤが飽和したときの例であって、例えば８光源による書き込みの場合を示している。光源数を８個以上にすると高速印刷を行うことができるが、有効走査領域において全光源が点灯した場合の光量が非常に大きくなるので、既に説明をしたようにＰＤの逆電圧Ｖｐｄが小さくなってＰＤが飽和し、入射光への応答に遅れが生じる。
すなわち、画像信号の有効走査領域が終了しても、出力電圧Ｖｏｕｔは減衰せず、所定の遅延時間を経過した後に減衰する。そうすると、有効走査領域終了後から次の同期信号が入るまでの時間がＡＰＣ可能な時間となるのでなく、出力電圧Ｖｏｕｔが減衰してから次の同期信号が入るまでの時間がＡＰＣ可能な時間となる。

このように、出力電圧Ｖｏｕｔが画像信号に遅れて減衰すると、ＡＰＣ可能な時間ｔａｐｃ２が非常に短くなり、複数の光源において高精度なＡＰＣ制御を行うことが困難となる。

また、１光源点灯時にＡＰＣ制御を高精度に行えるようにするためにＰＤ抵抗Ｒｐｄを大きくすると、有効走査領域において全光源が点灯した場合の光量が大きいとＰＤの逆電圧が０Ｖに近くなり、ＰＤが飽和する。

ＰＤが飽和した後に、１光源点灯して光量調整するには、飽和が納まるまで待たなければならない。飽和が納まるまでの遅延時間は、例えば数１０μｓ程度である。この遅延時間によって、ＡＰＣ可能な時間が狭められるので、ＡＰＣ可能な時間ｔａｐｃ２はＬＤが飽和しない場合のＡＰＣ可能な時間ｔａｐｃ１に対して短くなる。
有効走査領域の終端と先端同期の間でＡＰＣが出来ない場合には、画像印字の時間内で光量調整が出来なくなり、画像領域内での光量安定性に問題が生じる。ＰＤが飽和してから復帰するまでの時間は入射光量に比例するため、光源数が大きくなるほど不利となる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであって、複数の光ビームを同時に走査して高速に画像を形成しつつ、ＰＤにおける光量検出を高精度で行うことができる半導体レーザ制御装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は、半導体レーザ制御装置であって、複数の光源と、これらの光源の光量を検出する１つの検出部と、前記検出部において検出された光量に応じた信号と所定の光量に対応する制御信号とを比較し、前記光源に供給する電流を制御する光量制御手段を備え、複数の光源が８個以上の半導体レーザ素子によって構成され、各光源を点灯させて光量制御を行うときに検出部への過電防止手段として機能する電圧クランプ回路を有することを主な特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、電圧クランプ回路がベース接地回路によって構成されていることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、上記ベース接地回路がバイポーラトランジスタによるものであることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、電圧クランプ回路がゲート接地回路によって構成されていることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、上記ゲート接地回路は、ＣＭＯＳトランジスタによるものであることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、電圧クランプ回路が、ダイオードアレイによって構成されることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、電圧クランプ回路が、クランプ電圧を調整するクランプ電圧調整回路をさらに有することを特徴とする。

また本発明の別の形態は、上記半導体レーザ制御装置に関するものであって、制御信号が、１Ｖ以上の電圧で与えられることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、光走査装置に関するものであって、半導体レーザ制御装置が上記のいずれかの半導体レーザ制御装置であることを特徴とする。

また本発明の別の形態は、画像形成装置に関するものであって、上記の光走査装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、光検出器である受光素子（フォトダイオード等）の出力信号の検出部に、電圧クランプ回路を用いることによって、複数の光源からの光が光検出器に入射され光量範囲が広くなっても、光量調整時間を十分に確保して高精度な光量制御をすることができる半導体制御装置を得ることができる。
また、本発明に係る半導体レーザ制御装置を画像形成装置に適用することで、濃度ムラを低減し、高精度な光量制御と画像形成ができる画像形成装置をえることができる。

本発明に係る半導体レーザ制御装置の例を示す回路図である。 本発明に係る半導体レーザ制御装置の別の例を示す回路図である。 本発明に係る半導体レーザ制御装置の別の例を示す回路図である。 本発明に係る半導体レーザ制御装置の別の例を示す回路図である。 本発明に係る半導体レーザ制御装置の別の例を示す回路図である。 本発明に係る半導体レーザ制御装置と従来の半導体レーザ制御装置の特性を比較するグラフである。 従来の画像形成装置の構成例を示す概略図である 本発明に係る画像処理装置の例を示す断面構成図である。 従来の半導体レーザ制御装置の例を示す回路図である。 従来の半導体レーザ制御装置の例を示す回路図である。 従来の半導体レーザ制御装置の別の例を示す回路図である。 従来の半導体レーザ制御装置のさらに別の例を示す回路である。 従来の半導体レーザ制御装置の光検出器の動作を説明する回路図である。 光パルスのレベルと光検出器の出力の関係を示すタイミングチャートである。 従来の半導体レーザ制御装置における光源数とＰＤの遅延時間の相関を表すグラフである。 従来の半導体レーザ制御装置の特性を表すグラフである。

以下、本発明に係る半導体レーザ制御装置及び画像形成装置の実施形態の例について、図を用いて説明をする。図１において、半導体レーザ制御装置１００は、複数個のＬＤ１０１乃至１０８と、ＬＤ１０１乃至１０８の発光量を検出するＰＤ１１０と、ＰＤ１１０の検出電流を検出電圧に変換する検出用抵抗である可変抵抗ＶＲ１２０及び抵抗Ｒ１３０と、電圧クランプ回路１４０と、ＰＤ２０の検出信号をＡ／Ｄ変換するＡＤＣ１５０と、ＡＤＣ１５０の出力信号を演算してＬＤ１０１乃至１０８の発光電流制御信号を生成するＣＰＵ１６０と、ＣＰＵ１６０からの発光電流制御信号をＤ／Ａ変換するＤＡＣ１７０と、ＤＡＣ１７０の出力値に基づいてＬＤ１０１乃至１０８に駆動電流を与える電流源１８１乃至１８８と、を有してなる。

ＬＤ１０１乃至１０８が発光すると、その光がＰＤ１１０に入射されて、この光量に応じた電流が可変抵抗ＶＲ１２０及び抵抗Ｒ１３０に流れて電圧に変換され出力電圧Ｖｏｕｔとなる。可変抵抗ＶＲ１２０は、レーザの効率や受光素子のばらつきによる出力電圧の変動範囲を調整するために用いられる。

出力電圧ＶｏｕｔはＡＤＣ１５０によってデジタルに変換され、ＣＰＵ１６０において所望の光量を示す制御信号と比較される。比較処理の結果はＤＡＣ１７０にてアナログ変換されて、ＬＤ１０１乃至１０８に電流を供給する電流源１８１乃至１８８の電流値を決定する。このようにして、ＬＤ１０１乃至ＬＤ１０８の光量の調整が行われる。

本実施例に係る半導体レーザ制御装置には、図１に示すとおり、出力電圧Ｖｏｕｔを所定の値で保持する電圧クランプ回路１４０を備えている。この電圧クランプ回路１４０によって、ＬＤ１０１乃至１０８が同時点灯することによってＰＤ１１０が飽和しそうになるときに、出力電圧Ｖｏｕｔをクランプ電圧Ｖｃｌによって保持し、ＰＤ１１０が飽和することを防止することができる。
これによって、ＰＤ１１０の応答をＬＤ１０１乃至１０８の点滅に対して遅れることなく行えるようにすることで、ＡＰＣ可能な時間を長くとることができるようになり、高速化と高精度化を実現する半導体レーザ制御装置を得ることができる。電圧クランプ回路１４０は図２に示すベース接地回路や、図３に示すゲート接地回路、図４に示すダイードアレイなどによって構成することができる。

図２において、ベース接地回路による電圧クランプ回路１４０の例を示す。出力電圧Ｖｏｕｔの制約電圧Ｖｃｌ（クランプ電圧Ｖｃｌともいう）としたとき、トランジスタのベース電位を制御することで、トランジスタのベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅをベース電位に加算したＶｂ＋Ｖｂｅが、Ｖｏｕｔの最大電圧として制限することができる。すなわち、ＰＤ１１０に入射する光量が増加してＶｏｕｔがＶｂ＋Ｖｂｅで決定されるクランプ電圧Ｖｃｌになったとき、トランジスタが動作状態となりＰＤ１２０から流れる電流がトランジスタに流れるので、ＶｏｕｔはＶｃｌ以上にならない。

上記の動作によって、光量が８光源点灯時から１光源点灯に変化した場合、電圧クランプ回路１４０の動作はＯＦＦになりＶｏｕｔが高速で応答することができるため、１光源点灯時の出力電圧Ｖｏｕｔがすぐに安定し、光量制御時間（ＡＰＣ可能時間）が増えて高精度な光量制御が可能となる。

また、ベース接地回路に用いるトランジスタをバイポーラトランジスタにすることで、より確実な高速動作を実現することができ、ＰＤ飽和状態からの復帰時間を短くすることが可能となる。
またクランプ電圧は図２のベース電位Ｖｂを決める抵抗Ｒｂ１とＲｂ２の分圧によって設定することが可能となる。また、抵抗Ｒｂ１とＲｂ２の一方を可変抵抗にすることでクランプ電圧Ｖｃｌを調整可能に構成することができる。
なお、電圧クランプ回路をゲート接地回路で構成した場合、動作速度はトランジスタの応答によるため、できる限り高速に応答するトランジスタを選定することが望ましい。

次に、電圧クランプ回路１４０をゲート接地回路で構成した実施例を図３に示す。動作原理はベース接地回路の場合と同様である。またバイポーラトランジスタを用いたベース接地回路の場合、逆トランジスタになってリーク電流が流れてしまうため、ベース接地回路としてＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを用いることにより、リーク電流がなく動作可能な電圧クランプ回路を実現できる。またリーク電流の影響が無く、高精度な光量調整が可能となる。

次に、電圧クランプ回路１４０をダイオードアレイで構成した実施例を図４に示す。図４に示すように、ダイオードを直列に接続して構成するダイオードアレイ１４３は、Ｖｏｕｔがダイオードの順方向電圧を加算した分より高くなると、ダイオード側に電流が流れるので、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の値以上になることがなく、この所定の値をクランプ電圧Ｖｃｌとすればよい。
図４に示す回路によれば、光量が８光源点灯から１光源点灯に変化した場合であっても、ダイオードアレイ１４３が動作ＯＦＦ状態となることで、Ｖｐｄは高速に応答できるため、１光源点灯時の電圧にすぐに安定し、光量制御時間が増えて高精度な光量制御を行うことができるようになる。
また、クランプ電圧Ｖｃｌはダイオードの順方向電圧や直列に接続するダイオードの数を調整することで所定の値に設定することができるようになる。

また、次に電圧クランプ回路１４０をベース接地回路で構成する別の実施例について図５を用いて説明する。図５において、電圧クランプ回路１４０のクランプ電圧Ｖｃｌを決定する方法として抵抗Ｒｂ１と可変抵抗ＶＲｂ１による抵抗分圧の例を示している。本実施例では、可変抵抗ＶＲｂ１の値を調整することにより、クランプ電圧Ｖｃｌを可変することができる。このため、ＰＤの感度ばらつきなどがある場合にも対応した電圧クランプ機能を実現することができる。

次に、図６を用いて本発明に係る半導体レーザ制御装置の動作について、従来例と比較しながら説明をする。図６（ａ）は、光源からＰＤ１４０に入射される光量の時間変化を示すグラフである。本実施例において、Ｒｐｄを３ｋΩ、最大光源数を８、１ＣＨあたり（１光源あたり）の発光量を６（ｍＷ）、光学系における光源端面から光検出器までの透過率を０．１、ＰＤ１４０の受光感度０．５（Ａ／Ｗ）、当該装置の電源電圧ＶＣＣを５Ｖとすると、１光源あたりのＰＤ１４０への入射光量は０．６ｍＷとなるので、８光源が点灯したときのＰＤ１４０への入射光量は４．８ｍＷとなる。図６における時間ｔ１において８光源を点灯し、時間t2において７光源を消灯して１光源のみを点灯させたままにし、時間ｔ３において全光源を消灯したときの光量の変化は図６（ａ）のようになる。

図１０において示した従来の半導体レーザ制御装置のように、電圧クランプ回路を備えていない半導体レーザ制御装置では、上記の点灯パターンにおける出力電圧Ｖｏｕｔが図６（ｂ）に示すようになる。この場合、１光源を光量Ｐ１で点灯したときは出力電圧が０．９Ｖになるので、８光源を点灯した場合、本来ならば出力電圧は７．２Ｖになる。しかし、電源電圧ＶＣＣなどの制限により出力電圧は電源電圧ＶＣＣと同等レベルになる。

このときの出力電圧Ｖｏｕｔは時間t2において電源電圧ＶＣＣとほぼ同等のレベルであって、この状態から１光源点灯状態に変更し光量がＰ１になったとしても、ＰＤ２０は飽和しているため、出力電圧Ｖｏｕｔが入射光量Ｐ１の変化に追従できない。そうすると、時間ｔ４までの遅延時間をもって入射光量Ｐ１の発光レベルに対応した電圧Ｖｏｕｔに遷移する。この遅延時間（ｔ４−ｔ２）は例えば上記の条件において、約４０μｓ程度となる。

このような遅延時間の発生はマルチビーム書き込みの光走査装置で光量制御を行う上で、制御時間の制約となってしまう。

また、図１２において示した従来の半導体レーザ制御装置のように、電圧クランプ回路ではなく、ツェナーダイオードを用いた半導体レーザ制御装置では、上記の点灯パターンにおける出力電圧Ｖｏｕｔが図６（ｃ）に示すようになる。ツェナーダイオード２００のツェナー電圧をＶｚとしたとき、出力電圧ＶＯｕｔの最大値はＶｚとなる。
ツェナーダイオードを用いて出力電圧Ｖｏｕｔを制限する場合、ＰＤが飽和状態にならないため、ＰＤ飽和による遅延時間は低減できる。

しかしながら、ツェナーダイオード２００自身の寄生容量（約１０００ｐＦ程度）が大きいために、１光源あたりの発光レベルに相当するＶｏｕｔに安定するまでの時間が、例えば４０μｓ程度となるため、マルチビーム書き込みの光走査装置で光量制御を行う上では、ＡＰＣ時間の制約となってしまう。

図６（ｄ）に本発明に係る半導体レーザ制御装置の動作パターンを示す。本発明に係る半導体レーザ制御装置は、電圧クランプ回路を備えている。

電圧クランプ回路１４０のクランプ電圧Ｖｃｌが、出力電圧Ｖｏｕｔの最大値となり、ＶｏｕｔがＶｃｌ以上の値になることはない。ＰＤの入射光量のパターンが図６（ａ）であれば、ＰＤが飽和状態にならないため、ＰＤ飽和による遅延時間は低減できる。

さらに、ツェナーダイオードのように寄生容量が大きくないために、１光源あたりの発光レベルに相当するＶ１に安定するまでの時間はきわめて短くなる（例えば０．２μｓ）。
したがって、マルチビーム書き込みの光走査装置で光量制御を行う上で、制御時間の制約となることはない。

次に本発明に係る半導体レーザ制御装置を適用した画像形成装置の実施例を、図８を参照しながら説明する。
被走査面である感光体ドラム９０１の周囲には感光体を高圧に帯電する帯電チャージャ９０２、光走査装置９００により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像ローラ９０３、現像ローラにトナーを供給するトナーカートリッジ９０４、ドラムに残ったトナーを掻き取り備蓄するクリーニングケース９０５が配置される。感光体ドラムへは上記したように１面毎に複数ラインによって同時に潜像記録が行われる。記録紙は給紙トレイ９０６から給紙コロ９０７により供給され、レジストローラ対９０８により副走査方向の記録開始のタイミングに合わせて送りだされ、感光体ドラムを通過する際に転写チャージャ９０６によってトナーが転写され、定着ローラ９０９で定着して排紙ローラ９１２により排紙トレイ９１０に排出される。本発明に係る半導体レーザ制御装置を上記画像形成装置に適用することにより、高精度な半導体レーザの光量制御が可能となり、高画質な画像を得ることができる。

１００ 半導体レーザ制御装置
１１０ フォトダイオード（ＰＤ）
１４０ 電圧クランプ回路

特開平１１−２９８０７９号公報 特開平２−２０５０８６号公報 特開平５−１２１８０５号公報 特許第３５０３３０１号公報 特開２００８−２３３１１５号公報

Claims (10)

1. 複数の光源と、これらの光源の光量を検出する１つの検出部と、前記検出部において検出された光量に応じた信号と所定の光量に対応する制御信号とを比較し、前記光源に供給する電流を制御する光量制御手段を備えた半導体レーザ制御装置であって、
   上記複数の光源は８個以上の半導体レーザ素子によって構成され、
   各光源を点灯させて光量制御を行うときに上記検出部への過電防止手段として機能する電圧クランプ回路を有することを特徴とする半導体レーザ制御装置。
2. 上記電圧クランプ回路は、ベース接地回路によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ制御装置。
3. 上記ベース接地回路は、バイポーラトランジスタによるものであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ制御装置。
4. 上記電圧クランプ回路は、ゲート接地回路によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ制御装置。
5. 上記ゲート接地回路は、ＣＭＯＳトランジスタによるものであることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ制御装置。
6. 上記電圧クランプ回路は、ダイオードアレイによって構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ制御装置。
7. 上記電圧クランプ回路のクランプ電圧を調整するクランプ電圧調整回路をさらに有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体レーザ制御装置。
8. 上記制御信号は、１Ｖ以上の電圧で与えられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体レーザ制御装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体レーザ制御装置を有することを特徴とする光走査装置。
10. 請求項９記載の光走査装置を有することを特徴とする画像形成装置。

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