JP2011210961A - 半導体発光素子制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザに直列にスイッチを配置し、このスイッチをオンオフして半導体レーザを発光させ、また発光を停止する半導体発光素子制御回路は、スイッチをオンにしたときに過渡的に大電流が流れて応答特性が劣化する。本発明は構成が簡単でかつ応答特性が劣化しない半導体発光素子制御回路を提供することを目的にする。
【解決手段】半導体レーザ３０に並列にスイッチ２１を配置し、半導体レーザ３０とスイッチ２１の並列回路に流れる電流を電流制御部２２で一定値に制御した。スイッチ２１をオフにすると半導体レーザ３０が発光し、オンにすると発光が停止するが、いずれも電流制御部２２が制御する電流は変化しないので、応答特性が劣化することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡単な構成で完全遮光が可能な半導体発光素子の制御回路に関し、特に半導体レーザに用いて好適な半導体発光素子制御回路に関するものである。

図４に、光量指令信号および出射オンオフ信号が入力され、これらの信号に基づいて半導体レーザを制御する制御回路の構成を示す。なお、この制御回路はアノードコモンの構成を有しており、半導体レーザに一定電流を印加するＡＣＣ（Automatic Current Control）方式で当該半導体レーザを制御する。

図４において、半導体レーザ１０のアノードは正電源＋Ｖに接続され、カソードはスイッチ１１の一端に接続される。スイッチ１１は出射オンオフ信号でそのオンオフが制御される。

スイッチ１１の他端はトランジスタ１２のコレクタに接続される。このトランジスタ１２のエミッタは抵抗１３の一端および差動増幅器１４の反転入力端子に接続される。抵抗１３の他端は負電源−Ｖに接続される。また、差動増幅器１４の非反転入力端子と負電源−Ｖの間には、光量指令信号Ｖｉｎが印加され、出力端子とトランジスタ１２のベースは接続される。

このような構成において、半導体レーザ１０を発光させるときは、光量指令信号Ｖｉｎに適切な電圧を設定し、スイッチ１１をオンにする。半導体レーザ１０には電流が流れ、この電流は抵抗１３にも流れる。このため、抵抗１３の両端には半導体レーザ１０に流れる電流値に応じた電圧が発生する。

差動増幅器１４は、抵抗１３に発生する電圧と光量指令信号Ｖｉｎが一致するようにトランジスタ１２を制御する。このため、半導体レーザ１０に流れる電流は一定値に保たれる。光量指令信号Ｖｉｎの電圧を同じ記号のＶｉｎで、抵抗１３の抵抗値をＲで表すと、半導体レーザ１０に流れる電流値Ｌｉは下記（１）式で表される。
Ｌｉ＝Ｖｉｎ／Ｒ ・・・・・・ （１）
光量指令信号Ｖｉｎの値を変えることにより、半導体レーザ１０に流れる電流値を可変することができる。

半導体レーザ１０の発光を停止するときは、スイッチ１１をオフにする。半導体レーザ１０はトランジスタ１２から切り離されるので、半導体レーザ１０には電流が流れず、発光は停止する。スイッチ１１によって半導体レーザ１０は切り離されるので、半導体レーザ１０は完全に遮光される。

図５に他の半導体レーザ制御回路の構成を示す。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図５において、半導体レーザ１０のカソードはトランジスタ１２のコレクタに直接接続される。また、トランジスタ１２のエミッタと差動増幅器１４の反転入力端子を結ぶ経路の途中に、出射オンオフ信号で制御されるスイッチ１５が配置される。

動作は図４とほぼ同じである。半導体レーザ１０を発光させるときは光量指令信号Ｖｉｎに適切な電圧を設定し、スイッチ１５をオンにする。図４と同じ理由で半導体レーザ１０には光量指令信号Ｖｉｎに応じた一定電流が流れ、発光する。

発光を停止するときは、スイッチ１５をオフにする。差動増幅器１４の負帰還路は遮断されるので、トランジスタ１２がオフになって半導体レーザ１０には電流が流れず、その発光は停止する。なお、スイッチ１５を差動増幅器１４の出力端子とトランジスタ１２のベースを接続する経路に配置してもよい。

図６に、他の半導体レーザ制御回路の構成を示す。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この制御回路は、カソードコモンの構成を有している。

図６において、抵抗１３の一端は正電源＋Ｖに接続され、他端はトランジスタ１２のコレクタおよび差動増幅器１４の反転入力端子に接続される。トランジスタ１２のエミッタはスイッチ１１の一端に接続される。このスイッチ１１の他端は半導体レーザ１０のアノードに接続される。半導体レーザ１０のカソードは負電源−Ｖに接続される。スイッチ１１は出射オンオフ信号で制御される。差動増幅器１４の出力端子とトランジスタ１２のベースは接続され、正電源＋Ｖと差動増幅器１４の非反転入力端子との間には、光量指令信号Ｖｉｎが印加される。

動作は図４の半導体レーザ制御回路とほぼ同じである。半導体レーザ１０を発光させるときは、光量指令信号Ｖｉｎに適切な電圧を設定し、スイッチ１１をオンにする。半導体レーザ１０に流れる電流は抵抗１３にも流れ、その両端に電圧を発生させる。差動増幅器１４は、抵抗１３に発生した電圧と光量指令信号Ｖｉｎが一致するように、トランジスタ１２を制御する。半導体レーザ１０に流れる電流値Ｌｉは、前記（１）式で与えられる。

半導体レーザ１０の発光を停止するときは、スイッチ１１をオフにする。半導体レーザ１０はトランジスタ１２から切り離されるのでその発光は停止し、完全に遮光される。

なお、図４と同じように、トランジスタ１２のエミッタと半導体レーザ１０のアノードを直結し、差動増幅器１４の負帰還経路、すなわちトランジスタ１２のコレクタと差動増幅器１４の反転入力端子を結ぶ経路、あるいは差動増幅器１４の出力端子とトランジスタ１２のベースを結ぶ経路中にスイッチ１５を配置するようにしてもよい。

特許文献１には、図４と同様な構成を有する半導体レーザ駆動回路が記載されている。特許文献１の図１において、オペアンプ１１ｍ、トランジスタ１２ｍ、抵抗４ｍは、それぞれ図４の差動増幅器１４、トランジスタ１２、抵抗１３に相当する。

特開２００７−２４２７９８号公報

しかしながら、このような半導体レーザ制御回路には、次のような課題があった。図４または図６の制御回路では、スイッチ１１がオフのときに抵抗１３には電流が流れないので、差動増幅器１４は最大電流を流すようにトランジスタ１２を制御している。この状態でスイッチ１１をオンにすると、半導体レーザ１０には過渡的に大きな電流が流れ、その後光量指令信号Ｖｉｎで指定された電流値に整定する。このため、オーバーシュートが発生して、応答特性が劣化するという課題があった。

図５の制御回路のように差動増幅器１４の負帰還路中にスイッチ１５を入れる構成では応答特性が劣化することはないが、スイッチ１５がオフのときは回路の動作が安定しないので、安定させるための回路が別途必要になり、構成が複雑になるという課題があった。

スイッチを用いないで、光量指令信号Ｖｉｎを０にすることによって半導体レーザ１０の発光を停止することもできるが、差動増幅器１４のオフセット電圧の影響によって半導体レーザ１０に微少な電流が流れ、その出射光を完全に遮光することができないという課題があった。

細胞観察の励起光として半導体レーザを用いる場合、出射オンオフ信号によって半導体レーザの発光を停止するときに完全に遮光されないと正確な観察を行うことができない。このため、このような用途に光量指令信号Ｖｉｎを０にして半導体レーザ１０の発光を停止する制御回路を用いることができないという課題もあった。

特許文献１に記載された発明は広い温度範囲で半導体レーザを正常動作させることを目的とするものであり、オフのときに出射光を完全遮光するという本願発明の課題の１つを解決するものではない。

本発明の目的は、簡単な構成でオフ時に出射光を完全に遮光でき、かつ応答特性が劣化しない半導体発光素子制御回路を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光量指令信号および出射オンオフ信号が入力され、これらの信号に基づいて半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御回路において、
前記半導体発光素子に並列に接続され、前記出射オンオフ信号によってそのオンオフが制御されるスイッチと、
前記光量指令信号が入力され、前記半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を制御する電流制御部と、
を備えたものである。構成が簡単で、かつ応答特性が劣化することがない。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記電流制御部を、
前記半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を検出する抵抗と、
前記光量指令信号および前記抵抗の両端電圧に関連する電圧が入力され、前記半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を制御する差動増幅器と、
前記差動増幅器によって制御されるトランジスタと、
で構成したものである。構成を簡単にすることができる。

請求項３記載の発明は、
光量指令信号および出射オンオフ信号が入力され、これらの信号に基づいて半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御回路において、
カレントミラー回路であって、
前記発光素子と並列に接続され、前記出射オンオフ信号によってその動作が制御される電流源と、
前記半導体発光素子と電流源の並列回路に流れる電流を検出する抵抗と、
を具備し、この抵抗に流れる電流と前記電流源の出力電流の値を同じにするカレントミラー回路と、
前記光量指令信号および前記抵抗の両端電圧に関連する電圧が入力され、前記半導体発光素子と電流源の並列回路に流れる電流を制御する電流制御部と、
を備えたものである。構成が簡単で、かつ応答特性が劣化することがない。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、
前記半導体発光素子として、半導体レーザを用いたものである。良好な応答特性と完全遮光が求められる半導体レーザに用いて好適である。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、３、４記載の発明によれば、半導体発光素子に並列にスイッチを設け、このスイッチによって半導体発光素子を発光させ、また発光を停止させると共に、電流制御部によって半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を光量指令信号で指定された電流に制御するようにした。またスイッチの代わりに前記並列回路に流れる電流を検出する抵抗に流れる電流値と同一の電流を出力する電流源を配置するようにした。

半導体発光素子が発光するときと発光を停止するときで電流制御部が制御する電流値は変化しないので、半導体発光素子に過渡的に大電流が流れて応答特性が劣化することがないという効果がある。

また、スイッチがオンし、電流源が動作するときは半導体発光素子に流れる電流は０になるので、半導体発光素子の発光量は０になり、完全遮光を実現することができるという効果もある。従って、細胞観察の励起光源のような完全遮光が要求される用途に用いることができる。

さらに、電流制御部の負帰還路を遮断する構成でないので、電流制御部の動作を安定化する付加回路が不要になる。このため、構成を簡単にすることができるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 本発明の他の実施例を示した構成図である。 本発明の他の実施例を示した構成図である。 従来の半導体レーザ制御回路の構成図である。 従来の半導体レーザ制御回路の構成図である。 従来の半導体レーザ制御回路の構成図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示した構成図である。図１において、２０は半導体レーザ制御回路であり、スイッチ２１、電流制御部２２、電源端子２６ａおよび２６ｂ、光量指令信号入力端子２７ａおよび２７ｂ、出力端子２８ａおよび２８ｂ、出射オンオフ信号入力端子２９で構成される。また、電流制御部２２は、抵抗２３、トランジスタ２４、差動増幅器２５で構成される。この実施例は、アノードコモンの構成を有している。

スイッチ２１の一端は電源端子２６ａおよび出力端子２８ａに接続され、他端は出力端子２８ｂおよびトランジスタ２４のコレクタに接続される。また、出力端子２８ａ、２８ｂには半導体レーザ３０が接続される。このため、スイッチ２１と半導体レーザ３０は並列に接続される。

トランジスタ２４のエミッタと抵抗２３の一端、および差動増幅器２５の反転入力端子は共通接続される。この抵抗２３の他端は電源端子２６ｂに接続される。光量指令信号入力端子２７ａは差動増幅器２５の非反転入力端子に接続され、同２７ｂは電源端子２６ｂに接続される。また、差動増幅器２５の出力端子はトランジスタ２４のベースに接続される。

電源端子２６ａには正電源＋Ｖが印加され、同２６ｂには負電源−Ｖが印加される。また、光量指令信号入力端子２７ａおよび２７ｂには光量指令信号Ｖｉｎが印加される。さらに、出射オンオフ信号入力端子２９には出射オンオフ信号Ｖｃが印加される。スイッチ２１はこの出射オンオフ信号Ｖｃでそのオンオフが制御される。

次に、この実施例の動作を説明する。半導体レーザ３０を発光させるときは、スイッチ２１をオフにする。正電源＋Ｖから流入した電流は半導体レーザ３０、トランジスタ２４、抵抗２３を流れる。このため、半導体レーザ３０は発光する。

半導体レーザ３０を流れる電流は抵抗２３に流れる。このため、抵抗２３両端にはこの電流に比例する電圧が発生する。差動増幅器２５は入力された光量指令信号Ｖｉｎと抵抗２３の両端電圧が一致するように、トランジスタ２４を制御する。このため、半導体レーザ３０に流れる電流は、前記（１）式で表される定電流Ｌｉになる。光量指令信号Ｖｉｎの電圧を変えることにより、半導体レーザ３０に流れる電流Ｌｉを可変することができる。

半導体レーザ３０の発光を停止するときは、スイッチ２１をオンにする。正電源＋Ｖから流入した電流は半導体レーザ３０には流れず、スイッチ２１を流れる。このため、半導体レーザ３０の発光は停止する。電流制御部２２は、スイッチ２１に流れる電流の値が前記（１）式のＬｉになるように制御する。

この実施例では、スイッチ２１がオフのときは半導体レーザ３０に電流が流れ、オンのときはスイッチ２１に電流が流れる。このため、スイッチ２１と半導体レーザ３０の並列回路に流れる電流は、スイッチ２１のオンオフに関わらず一定値になる。

差動増幅器２５は抵抗２３両端の電圧に基づいて電流を制御する。前述したように、スイッチ２１がオンオフしても抵抗２３に流れる電流は変化しないので、電流制御部２２の動作は変化しない。このため、スイッチ２１をオフしたときに半導体レーザ３０に過大電流が流れて応答性が劣化することがない。

また、スイッチ２１のオン時の抵抗は半導体レーザ３０の等価抵抗に比べてきわめて小さいので、スイッチ２１をオンにすると全ての電流はスイッチ２１を流れ、半導体レーザ３０に流れる電流は０になる。このため、半導体レーザ３０を完全に遮光することができる。

さらに、図５従来例のように差動増幅器２５の負帰還路を遮断する構成でないので、差動増幅器２５の動作を安定させる回路を別途付加する必要がない。このため、構成が複雑になることもない。

図２に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例はカソードコモンの構成を有している。

図２において、４０は半導体レーザ制御回路であり、スイッチ２１、電流制御部４１、電源端子２６ａおよび２６ｂ、光量指令信号入力端子２７ａおよび２７ｂ、出力端子２８ａおよび２８ｂ、出射オンオフ信号入力端子２９で構成される。電流制御部４１は、抵抗２３、トランジスタ２４、差動増幅器２５で構成される。

電源端子２６ａ、２６ｂにはそれぞれ正電源＋Ｖ、−Ｖが印加され、光量指令信号入力端子２７ａおよび２７ｂには光量指令信号Ｖｉｎが印加される。また、出射オンオフ信号入力端子２９には出射オンオフ信号Ｖｃが印加される。スイッチ２１はこの出射オンオフ信号Ｖｃでそのオンオフが制御される。

抵抗２３の一端および光量指令信号入力端子２７ａは電源端子２６ａに接続される。抵抗２３の他端はトランジスタ２４のエミッタおよび差動増幅器２５の反転入力端子に接続される。差動増幅器２５の非反転入力端子は光量指令信号入力端子２７ｂに接続され、その出力端子はトランジスタ２４のベースに接続される。

スイッチ２１の一端はトランジスタ２４のコレクタに接続され、他端は電源端子２６ｂに接続される。スイッチ２１のオンオフは、出射オンオフ信号Ｖｃで制御される。また、出力端子２８ａ、２８ｂには半導体レーザ３０が接続される。このため、半導体レーザ３０とスイッチ２１は並列に接続される。

動作は図１実施例とほぼ同じである。スイッチ２１をオフにすると抵抗２３を流れる電流は半導体レーザ３０に流れ、半導体レーザ３０は発光する。スイッチ２１をオンにすると抵抗２３を流れる電流は全てスイッチ２１を流れ、半導体レーザ３０には流れない。このためは、半導体レーザ３０は完全に遮光される。

この実施例でも、スイッチ２１のオンオフに関わらず、抵抗２３に流れる電流値は一定である。このため、スイッチ２１のオフ時に半導体レーザ３０に過大な電流が流れ、応答特性が劣化することがない。

また、差動増幅器２５の動作を安定させるための付加回路は不要であり、かつオフ時の半導体レーザ３０の発光量を完全に遮光することができる。

図３に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例はアノードコモンの構成を有している。

図３において、５０は半導体レーザ制御回路であり、トランジスタ２４、差動増幅器２５、電源端子２６ａおよび２６ｂ、光量指令信号入力端子２７ａおよび２７ｂ、出力端子２８ａおよび２８ｂ、出射オンオフ信号入力端子２９、カレントミラー回路５１で構成される。また、カレントミラー回路５１には、電流源５２、スイッチ５３、および抵抗５４が含まれる。

カレントミラー回路は、基準となる電流と同じ値の電流を出力する回路であり、ベースが共通接続され、一方のトランジスタのベースとコレクタが接続された２つのトランジスタで構成された回路が知られている。一方のトランジスタにコレクタ電流を流すと、他方のトランジスタのコレクタにも同じ電流が流れる。

図３において、カレントミラー回路５１は、抵抗５４に流れる電流と同じ値の電流を電流源５２が出力するように構成されている。また、スイッチ５３を制御することにより、電流源５２を動作させて電流を出力し、また動作を停止させて電流を出力させないようにすることができる。スイッチ５３は出射オンオフ信号Ｖｃによって制御される。

電流源５２は出力端子２８ａ、２８ｂに接続される。この出力端子２８ａ、２８ｂには半導体レーザ３０が接続されるので、半導体レーザ３０と電流源５２は並列に接続される。

電流源５２の一端は電源端子２６ａおよび出力端子２８ａに接続され、他端はトランジスタ２４のコレクタおよび出力端子２８ｂに接続される。トランジスタ２４のエミッタは抵抗５４の一端および差動増幅器２５の反転入力端子に接続され、他端は電源端子２６ｂに接続される。この電源端子２６ｂは光量指令信号入力端子２７ｂにも接続される。

光量指令信号入力端子２７ａは差動増幅器２５の非反転入力端子に接続される。この差動増幅器２５の出力端子はトランジスタ２４のベースに接続される。差動増幅器２５とトランジスタ２４で電流制御部を構成している。

電源端子２６ａ、２６ｂにはそれぞれ正電源＋Ｖ、負電源−Ｖが印加される。また、光量指令信号入力端子２７ａおよび２７ｂには光量指令信号Ｖｉｎが、出射オンオフ信号入力端子２９には出射オンオフ信号Ｖｃが印加される。

半導体レーザ３０を発光させるときは、スイッチ５３を操作して電流源５２の電流出力を停止する。半導体レーザ３０に流れる電流は抵抗５４を流れる。差動増幅器２５は、抵抗５４両端の電圧が光量指令信号Ｖｉｎの電圧に等しくなるように、トランジスタ２４を制御する。

半導体レーザ３０の発光を停止するときは、スイッチ５３を操作して電流源５２を動作させ、電流を出力するようにする。前述したように、カレントミラー回路５１は抵抗５４に流れる電流と電流源５２の出力電流が同じ値になるように制御されるので、抵抗５４に流れる電流は全て電流源５２から供給され、半導体レーザ３０には電流が流れない。このため、半導体レーザ３０は発光を停止し、完全に遮光される。

この場合も、半導体レーザ３０の発光如何に関わらず、抵抗５４に流れる電流は同じ値になる。このため、半導体レーザ３０の発光開始時に過大電流が流れて応答特性が劣化することがない。

また、差動増幅器２５の負帰還経路を遮断する構成でないので、差動増幅器２５を安定させる付加回路が不要になり、構成が複雑になることがない。さらに、抵抗５４に流れる電流と電流源５２の出力電流は正確に同じ値になるようにされるので、オフ時に半導体レーザ３０を完全遮光することができる。

なお、図３ではアノードコモン構成としたが、図２のようにカソードコモンの構成とすることもできる。この場合、電流源５２と半導体レーザ３０の並列回路と抵抗５４を入れ替えればよい。

また、図３実施例ではスイッチ５３によって電流源５２を動作させ、また動作を停止させるようにしたが、出射オンオフ信号Ｖｃに関連する信号を電流源５２に入力して、動作を制御するようにしてもよい。

また、図１〜図３実施例では半導体レーザ３０を制御する制御回路としたが、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）など他の半導体発光素子の制御に適用することもできる。

また、スイッチ２１、５３としてＦＥＴ（Field Effect Transistor）、半導体リレー、メカニカルリレーなどを用いることができる。

また、図１、図２実施例では電流制御部２２として抵抗２３、トランジスタ２４、差動増幅器２５を用い、図３実施例ではトランジスタ２４、差動増幅器２５を用いたが、この構成に限られることはない。要は、光量指令信号で指定された定電流を流すように制御する構成であればよい。

さらに、図１〜図３実施例では抵抗２３、５４の両端電圧が光量指令信号の電圧に等しくなるように制御するようにしたが、抵抗２３、５４の両端電圧を分圧、増幅し、また定電圧を加算する電圧を差動増幅器２５に入力するようにしてもよい。要は、抵抗２３、５４の両端電圧に関連する電圧であればよい。

２０、４０、５０ 半導体レーザ制御回路
２１、５３ スイッチ
２２、４１ 電流制御部
２３、５４ 抵抗
２４ トランジスタ
２５ 差動増幅器
２６ａ、２６ｂ 電源端子
２７ａ、２７ｂ 光量指令信号入力端子
２８ａ、２８ｂ 出力端子
２９ 出射オンオフ信号入力端子
３０ 半導体レーザ
５１ カレントミラー回路
５２ 電流源

Claims (4)

1. 光量指令信号および出射オンオフ信号が入力され、これらの信号に基づいて半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御回路において、
   前記半導体発光素子に並列に接続され、前記出射オンオフ信号によってそのオンオフが制御されるスイッチと、
   前記光量指令信号が入力され、前記半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を制御する電流制御部と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子制御回路。
2. 前記電流制御部は、
   前記半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を検出する抵抗と、
   前記光量指令信号および前記抵抗の両端電圧に関連する電圧が入力され、前記半導体発光素子とスイッチの並列回路に流れる電流を制御する差動増幅器と、
   前記差動増幅器によって制御されるトランジスタと、
   で構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子制御回路。
3. 光量指令信号および出射オンオフ信号が入力され、これらの信号に基づいて半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御回路において、
   カレントミラー回路であって、
   前記発光素子と並列に接続され、前記出射オンオフ信号によってその動作が制御される電流源と、
   前記半導体発光素子と電流源の並列回路に流れる電流を検出する抵抗と、
   を具備し、この抵抗に流れる電流と前記電流源の出力電流の値を同じにするカレントミラー回路と、
   前記光量指令信号および前記抵抗の両端電圧に関連する電圧が入力され、前記半導体発光素子と電流源の並列回路に流れる電流を制御する電流制御部と、
   を具備したことを特徴とする半導体発光素子制御回路。
4. 前記半導体発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の半導体発光素子制御回路。

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