JP2011233779A - 半導体光源駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力で高効率な生体安全性の高い半導体光源駆動回路を提供する。
【解決手段】半導体光源素子２と、半導体光源素子２を駆動するパルス幅変調駆動回路３と、を備えた半導体光源駆動回路において、半導体光源素子２から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子２の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段４を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体計測装置などに用いる半導体光源駆動回路に係り、特に、回路故障時においても眼や皮膚に安全な半導体光源駆動回路に関するものである。

ＬＤ（Laser Diode）などの半導体光源素子は、極めて小型で高出力が可能であり、駆動する電流あるいは電圧により高速に光出力（光強度）の変調を行うことができるという特長から、近年、分光計測の原理を用いた小型の生体計測装置（例えばパルスオキシメータ）などで用いられるようになってきている。

また、半導体光源素子は高速に光出力（光強度）の変調を行うことができるため、光源をパルス的な電流あるいは電圧で駆動することができる。よって、光出力（光強度）の制御を、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）方式を利用して行うことも可能である。ＰＷＭ方式の半導体光源駆動回路では、短パルス幅かつ大電流・高電圧の駆動により、半導体光源素子を高い効率で駆動することが可能であり、また、高精度な時間基準（クロック等）を利用して時間精度の高いパルス幅を作ることができるため、比較的容易に光出力（光強度）制御の精度を確保できるという特長がある。

しかし、半導体光源素子は、点光源でかつ高出力の光を発することができることから、故障時などに意図しない高出力の光が発光された場合、眼や皮膚に障害を及ぼす危険性がある。特に、半導体光源素子を高出力で用いてＳＮ比の高い計測を行う生体計測装置では、回路の故障などに起因して半導体光源素子の光出力（光強度）の制御が不可能となり高出力の光が発生してしまうと大変危険であり、半導体光源素子からの光が眼や皮膚に悪影響を及ぼさないよう生体安全性を確保することは、必須である。

従来の半導体光源駆動回路では、この問題を解決するため、単一故障に対して様々な保護回路（セーフティ回路）を用いている。

従来の半導体光源駆動回路で用いているセーフティ回路としては、抵抗あるいは電流・電圧制限素子などで、半導体光源素子の駆動電流・電圧の最大値を制限するもの（例えば、特許文献１参照）や、半導体光源素子に印加される電圧・電流を計測し、事前に設定された最大値を超えた場合に故障と判断して、半導体光源素子を駆動する駆動回路の電源を遮断、あるいは駆動回路と半導体光源素子の間の接続を遮断するものが知られている。また、半導体光源素子の光出力（光強度）を、駆動回路内に内蔵あるいは外付けされた受光素子で計測し、計測した光出力（光強度）が事前に設定された最大値を超えた場合に故障と判断して、駆動回路の電源を遮断、あるいは駆動回路と半導体光源素子の間の接続を遮断するものも知られている。

特表２００９−５３２７６７号公報

ところで、半導体光源素子を高効率で駆動し、かつ、生体計測装置などに適用した際にＳＮ比の高い計測を実現するためには、できるだけ半導体光源素子を高出力で駆動することが望ましい。

しかしながら、従来の半導体光源駆動回路では、半導体光源素子に流れる電流（あるいは印加される電圧）の最大値を制限するか、あるいは半導体光源素子の発光状態をモニタして光出力（光強度）の最大値を制限しており、いずれの場合も、結果的に半導体光源素子からの光出力（ＰＷＭ方式においては、利用できるパルス波高値）が大きく制限されてしまう。換言すれば、従来の半導体光源駆動回路では、半導体光源素子からの光出力（光強度）に上限を設けることで生体安全性を確保しており、当然ながら、設定した上限を超える高出力の光は得られない。

一方、半導体光源素子からの光による眼や皮膚への障害は、照射された光により発生する熱に起因する。この照射された光により発生する熱は、光出力（光強度）と照射時間の積、および光の波長で決定されるため、短時間（短パルス幅）であれば高出力の光を生体に照射しても安全といえる。

したがって、特にＰＷＭ方式の半導体光源駆動回路では、パルス幅（照射時間）を短くすれば光出力（光強度）が大きくても生体安全性を確保できることとなり、従来のように単純に光出力（光強度）に上限を設けるのではなく、生体安全性を維持しつつも高出力を実現できる半導体光源駆動回路が望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＰＷＭ方式の半導体光源駆動回路において、高出力で高効率な生体安全性の高い半導体光源駆動回路を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、半導体光源素子と、該半導体光源素子を駆動するパルス幅変調駆動回路と、を備えた半導体光源駆動回路において、前記半導体光源素子から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、前記半導体光源素子の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段を備えた半導体光源駆動回路である。

前記強制発光停止手段は、前記半導体光源素子からの光の一部を受光し、前記半導体光源素子から出力される光の光出力に応じた電圧の電気信号を出力する受光回路と、該受光回路からの電気信号を増幅して出力する増幅回路と、該増幅回路で増幅された電気信号を一定時間幅で積分した積分値を出力する積分回路と、該積分回路から出力された積分値が所定のしきい値以上であるとき、停止信号を出力する比較回路と、該比較回路から停止信号を受信した際に、前記半導体光源素子へ供給される電源を遮断する光源電源遮断回路と、を備えてもよい。

前記半導体光源素子を複数有し、前記パルス幅変調駆動回路は、複数の前記半導体光源素子を時分割で発光させるようにされ、前記受光回路は、１つの受光素子で複数の前記半導体光源素子からの光を受光するようにされ、前記増幅回路は、基準となる波長λｒにおける利得Ｇ（λｒ）が１とされ、かつ、現在発光している半導体光源素子の波長がλであるとき、利得Ｇ（λ）が下式
Ｇ（λ）＝１／｛Ｒ（λ）・Ｓ（λ）｝
但し、Ｒ（λ）：波長λでの波長λｒからの受光素子感度比
Ｓ（λ）：波長λでの波長λｒからの生体安全上許容される光出力比
に設定されてもよい。

本発明によれば、高出力で高効率な生体安全性の高い半導体光源駆動回路を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る半導体光源駆動回路の概略構成図である。 図１の半導体光源駆動回路の具体的な回路構成を示す回路図である。 図２の半導体光源駆動回路において、両ＬＤの駆動電流（接点ｅを流れる電流）の一例を示すグラフ図である。 図２の半導体光源駆動回路において、受光回路から出力される電気信号の波形の一例を示すグラフ図である。 図２の半導体光源駆動回路において、増幅回路から出力される電気信号の波形の一例を示すグラフ図である。 図２の半導体光源駆動回路において、積分回路から出力される電気信号の波形の一例を示すグラフ図である。 図２の半導体光源駆動回路において、何らか異常が発生し、その後電源遮断された場合の、受光回路から出力される電気信号の波形の一例を示すグラフ図である。 図２の半導体光源駆動回路において、何らか異常が発生し、その後電源遮断された場合の、増幅回路から出力される電気信号の波形と、積分回路から出力される電気信号の波形の一例を示すグラフ図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る半導体光源駆動回路の概略構成図である。

図１に示すように、半導体光源駆動回路１は、複数の半導体光源素子（光源素子）２と、半導体光源素子２を駆動するパルス幅変調駆動回路（以下、ＰＷＭ駆動回路という）３と、半導体光源素子２から出力される光の光出力（光強度）を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子２の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段４と、を主に備える。

半導体光源素子２は、例えばＬＤからなる。ここでは、発光する光の波長が異なるｎ個の半導体光源素子２（波長λ１〜λｎ）を備える場合を説明する。

ＰＷＭ駆動回路３は、ｎ個の半導体光源素子２を時分割で発光させるようにされ、複数の半導体光源素子２を同時に発光させないようにされる。このＰＷＭ駆動回路３は、外部の制御装置から、発光させる半導体光源素子２と光出力（光強度）の指示を受けて、半導体光源素子２のいずれかにピーク電流値（電流パルスの波高値）が一定の駆動電流を流すようにされる。ＰＷＭ駆動回路３における変調周波数は、計測の用途に応じて事前に定められ、ＰＷＭ駆動回路３は、変調周波数で定まる発光周期内での発光と非発光のデューティ比（発光時間／（発光時間＋非発光時間））を可変して光出力（光強度）を制御するようにされる。また、ＰＷＭ駆動回路３は、故障を検知した際に、半導体光源素子２の駆動を停止するようにされる。

強制発光停止手段４は、半導体光源素子２からの光の一部を受光し、半導体光源素子２から出力される光の光出力（光強度）に応じた電圧の電気信号を出力する受光回路５と、受光回路５からの電気信号を増幅して出力する増幅回路６と、増幅回路６で増幅された電気信号を一定時間幅で積分した積分値を出力する積分回路７と、積分回路７から出力された積分値が所定のしきい値以上であるとき、停止信号（カットオフ信号）を出力する比較回路８と、比較回路８から停止信号を受信した際に、半導体光源素子２へ供給される電源を遮断する光源電源遮断回路（遮断回路）９と、を備える。

つまり、強制発光停止手段４は、半導体光源素子２から出力される光の光出力（光強度）を電圧に換算し、その電圧換算値を一定時間幅で積分した積分値（光出力（光強度）を一定時間幅で積分した上述の時間積に相当）を求め、その積分値が所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子２の発光を強制的に停止させるものである。

受光回路５は、各半導体光源素子２と光学的に結合し、各半導体光源素子２から発光された光の一部を受光して、各々の半導体光源素子２から出力される光出力（光強度）に応じた電気信号を出力する１つの受光素子（図示せず）と、受光素子からの電気信号を電圧に変換する電圧変換用抵抗（図示せず）とからなる。受光素子は、例えばＰＤ（Photo Diode）からなり、受光する光の波長により感度が異なる受光感度特性（分光感度特性）を有する。

受光回路５から出力された電気信号は、増幅回路６とＰＷＭ駆動回路３に出力される。ＰＷＭ駆動回路３は、受光回路５から出力された電気信号を用いて、半導体光源素子２の光出力（光強度）をモニタするようにされる。つまり、半導体光源駆動回路１は、複数の半導体光源素子２の光出力（光強度）を一括して１つの受光素子でモニタする構成となっている。なお、各半導体光源素子２ごとに、対応する受光素子を設けることも考えられるが、この場合、各受光素子が対応する半導体光源素子２以外の半導体光源素子２からの光を受光しないように構成する必要が生じ、構造が複雑となり、コストも高くなる。よって、本実施の形態では、複数の半導体光源素子２の光出力（光強度）を一括して１つの受光素子で受光することとする。

増幅回路６は、受光回路５から出力された電気信号を、現在発光している半導体光源素子２の波長における受光素子の受光感度特性と生体安全性とに応じた利得で、増幅（あるいは減衰）するものである。増幅回路６は、ＰＷＭ駆動回路３より利得の指示を受け、その指示に従った利得で受光回路５からの電気信号を増幅（あるいは減衰）するようにされる。

本実施の形態では、増幅回路６で受光回路５からの電気信号を増幅する際の利得は、基準となる波長λｒにおける利得Ｇ（λｒ）が１とされ、かつ、現在発光している半導体光源素子の波長（発光波長）がλであるとき、利得Ｇ（λ）が下式
Ｇ（λ）＝１／｛Ｒ（λ）・Ｓ（λ）｝
但し、Ｒ（λ）：波長λでの波長λｒからの受光素子感度比
Ｓ（λ）：波長λでの波長λｒからの生体安全上許容される光出力比
に設定される。Ｒ（λ）、Ｓ（λ）は、現在発光している半導体光源素子２の波長λによって定まる定数である。なお、基準となる波長λｒについては、計測の用途に応じて適宜設定してよく、例えば、ｎ個の半導体光源素子２のうちの１つの半導体光源素子２の波長を、基準となる波長λｒとして用いてもよい。

増幅回路６より出力される電気信号は、受光素子の受光感度特性による影響が補正され、かつ、基準となる波長λｒに対する生体安全性の比を考慮した利得で増幅されたものである。よって、例えば、異なる波長の半導体光源素子２について増幅回路６より出力される電気信号の電圧値が同じとなった場合、各半導体光源素子２は瞬時的には同一の生体安全性を有していることになる。

積分回路７は、例えば抵抗と容量から構成されるものであり、増幅回路６からの電気信号を一定時間幅で積分した積分値（事前に定められた一定時間の範囲内での積分値）を出力する。増幅回路６より出力される電気信号は、上述のように、受光素子の受光感度特性による影響が補正され、かつ、基準となる波長λｒに対する生体安全性の比を考慮した利得で増幅されたものであるから、積分回路７で得られる積分値は、波長による生体安全性への影響を考慮した時間積に相当するといえる。

比較回路８は、必要とする安全基準に応じて事前に定めた所定のしきい値（上限値）以上の入力が積分回路７からなされたときに、異常事態で安全上の問題があるとして、停止信号を出力するものである。比較回路８には、積分回路７からの積分値の信号と、上述の所定のしきい値に相当する一定電圧の信号とが入力され、積分値の信号と一定電圧の信号とを比較し、積分値の信号として入力される電圧値が、一定電圧の信号として入力される電圧値以上であれば、停止信号を出力するようにされる。

光源電源遮断回路９は、比較回路８から停止信号を受信した際に、半導体光源素子２へ供給される電源を強制的に遮断する（半導体光源素子２への電源供給を強制的に遮断する）ものである。電源１０は、光源電源遮断回路９を介して各半導体光源素子２に電源供給するようにされる。また、電源１０は、光源電源遮断回路９を介さずに、受光回路５の受光素子に電源供給するようにされる。

また、比較回路８から出力された停止信号は、ＰＷＭ駆動回路３にも入力されるよう構成される。ＰＷＭ駆動回路３は、停止信号を受信した際に、半導体光源素子２の駆動を停止すると共に、何らかの異常があったことを外部の制御装置や回路に通知するようにされる。なお、ＰＷＭ駆動回路３自体が故障した場合は、半導体光源素子２の駆動を停止できないことも考えられるが、光源電源遮断回路９で半導体光源素子２に供給される電源を強制的に遮断するので、結果的に半導体光源素子２からの光出力は停止される。

ここで、一例として、半導体光源素子２を２つ用いた場合の半導体光源駆動回路１の具体的な回路構成について、図２を用いて説明する。

図２に示す半導体光源駆動回路１では、電源（ＶＣＣ）１０は、光源電源遮断回路９を構成する光源電源遮断用トランジスタ２１を介して、半導体光源素子２であるＬＤ２２ａ，２２ｂのアノードに接続される。ＬＤ２２ａ，２２ｂのカソードは、光源素子駆動用トランジスタ２３ａ，２３ｂを介してグランドに接続される。

光源素子駆動用トランジスタ２３ａ，２３ｂは、ＬＤ２２ａ，２２ｂに流れる電流を制御するトランジスタであり、ＰＷＭ駆動回路３からの電圧信号（駆動信号）を受けてＬＤ２２ａ，２２ｂに流れる電流を制御するものである。ＰＷＭ駆動回路３は、図示しない外部の制御装置から光出力（光強度）と駆動の指示を受けて、要求された光出力（光強度）に応じてＬＤ２２ａ，２２ｂと対応する光源素子駆動用トランジスタ２３ａ，２３ｂに、デューティ比を変えたパルス的な駆動信号を出力するようにされる。

電源（ＶＣＣ）１０と光源電源遮断用トランジスタ２１間の接点ａには、受光回路５の受光素子であるＰＤ２４のカソードが接続され、ＰＤ２４のアノードは、電圧変換用抵抗２５を介してグランドに接続される。ＰＤ２４は、ＬＤ２２ａ，２２ｂと光学的に結合されており、ＬＤ２２ａ，２２ｂからの光の一部を受光するようにされる。

ＰＤ２４と電圧変換用抵抗２５間の接点ｂには、増幅回路６が接続される。増幅回路６は、電子ボリューム（電子ＶＲ）２６の抵抗値に応じて、受光回路５からの電気信号（ＰＤ２４で受光した結果の電圧出力）の増幅あるいは減衰を行うアンプ２７を有する。電子ボリューム２６の抵抗値は、ＰＷＭ駆動回路３からの指示を受けて変化するようにされる。ＰＷＭ駆動回路３は駆動し発光させているＬＤ２２ａ，２２ｂの波長に応じて、電子ボリューム２６の抵抗値を変更させてアンプ２７の利得Ｇ（λ）を変化させる。なお、接点ｂと増幅回路６のアンプ２７間の接点ｃには、受光回路５からの出力をＰＷＭ駆動回路３でモニタするために、ＰＷＭ駆動回路３が接続されている。

増幅回路６には、積分回路７が接続される。積分回路７は、抵抗２８とコンデンサ２９とから構成され、増幅回路６から出力された電気信号を一定時間区間で積分した積分値を出力するようにされる。

積分回路７には、比較回路８が接続される。比較回路８は、ＤＡ変換器（ＤＡＣ）３０と比較器３１とを有しており、比較器３１には、積分回路７からの出力と、ＤＡ変換器３０からの出力とが入力されるよう構成される。ＤＡ変換器３０には、図示しない外部の制御装置が接続されており、その外部の制御装置が指示する電圧値の一定電圧の信号を比較器３１に入力するようにされる。比較器３１は、積分回路７から入力される積分値の信号の電圧値が、ＤＡ変換器３０から入力される一定電圧の信号の電圧値以上となったときに、停止信号（カットオフ信号）を出力するようにされる。

比較回路８には、光源電源遮断回路９である光源電源遮断用トランジスタ２１が接続される。また、比較回路８と光源電源遮断用トランジスタ２１間の接点ｄには、ＰＷＭ駆動回路３が接続され、比較回路８から出力された停止信号がＰＷＭ駆動回路３にも入力されるよう構成される。

次に、図２の半導体光源駆動回路１における動作を具体的に説明する。

ここでは、ＬＤ２２ａ，２２ｂとして波長の異なるもの（ＬＤ２２ａが発光する光の波長をλａ、ＬＤ２２ｂが発光する光の波長をλｂとする）を用い、ＰＷＭ駆動回路３にて、１０ｍｓ周期で２つのＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動を交互に繰り返すようにし、最初の５ｍｓはＬＤ２２ａを駆動し、後半５ｍｓはＬＤ２２ｂを駆動することとする。また、両ＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動時間の５ｍｓをさらに２つの時間区間に分け、最初の２．５ｍｓは変調周波数１ｋＨｚ（１ｍｓ周期）で、ＬＤ２２ａはデューティ比４０％、ＬＤ２２ｂはデューティ比２０％で駆動するものとし、その後の２．５ｍｓは両ＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動を休止し無発光期間とする。

このとき、ＬＤ２２ａ，２２ｂに流れる電流（ＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動電流、すなわち図２における接点ｅを流れる電流）の一例を図３に示す。図３における縦軸は電流、横軸は時間である。図３では、０秒にて発光を開始したときに、０〜２０ｍｓまでの間にＬＤ２２ａ，２２ｂに流れる電流を示しており、ＬＤ２２ａ，２２ｂには、ピーク値（パルス波高値）が１００ｍＡで等しく、デューティ比の異なる電流が流れる。ここでは簡単のため、駆動電流が同じ場合、両ＬＤ２２ａ，２２ｂからの光出力（光強度）も同じであるとする。

ＬＤ２２ａ，２２ｂで発光した光をＰＤ２４で受光し、電圧変換用抵抗２５で電圧に変換した結果の電圧換算値（受光回路５から出力される電気信号）の一例を図４に示す。

図４において、２つのＬＤ２２ａ，２２ｂからの光出力（光強度）が同じであるにもかかわらず電圧換算値のピーク値に差が出るのは、ＰＤ２４の受光効率が波長により異なるためである。図４の例では、ＬＤ２２ａの発光時には電圧換算値（ピーク値）が５００ｍＶ、ＬＤ２２ｂの発光時には電圧換算値（ピーク値）が７５０ｍＶとなり、ＬＤ２２ｂが発光する光の波長λｂでは、ＬＤ２２ａが発光する光の波長λａと比べて受光効率が１．５倍になっている。ＬＤ２２ａが発光する光の波長λａを基準とすると、ＬＤ２２ｂが発光する光の波長λｂにおける受光素子感度比Ｒ（λｂ）は、Ｒ（λｂ）＝１．５となる。

ここで、ＬＤ２２ｂが発光する光の波長λｂでは、ＬＤ２２ａが発光する光の波長λａと比較して、同じ生体安全性を確保するためには８８．９％の光出力（光強度）しか許容できないものとする。この場合、ＬＤ２２ａが発光する光の波長λａを基準とすると、ＬＤ２２ｂが発光する光の波長λｂにおける生体安全上許容される光出力比（光強度比）Ｓ（λｂ）は、Ｓ（λｂ）＝０．８８９となる。

よって、ＬＤ２２ａが発光する光の波長λａを基準とした場合、増幅回路６における利得Ｇ（λ）は、ＬＤ２２ａの発光時にはＧ（λａ）＝１となり、ＬＤ２２ｂの発光時には、前述の式より、Ｇ（λｂ）＝１／（１．５×０．８８９）≒０．７５となる。よって、この場合、ＰＷＭ駆動回路３は、ＬＤ２２ａの発光時には利得が１倍、ＬＤ２２ｂの発光時には利得が０．７５倍となるように、電子ボリューム２６の抵抗値を制御する。

増幅回路６から出力される電気信号の波形の一例を図５に示す。図５と図４とを比較すると、図４ではＬＤ２２ｂの発光時の電圧換算値（ピーク値）が７５０ｍＶであるのに対して、図５では、ＬＤ２２ｂの発光時の電圧換算値が０．７５倍されてピーク値が５６０ｍＶになっている。

積分回路７では、増幅回路６から出力された電気信号を一定時間区間（ここでは５０ｍｓとする）で積分した積分値を出力している。積分回路７から出力される電気信号の波形の一例を図６に示す。

図６に示すように、時間が０秒の時点でＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動を開始しているため、積分回路７から出力される電気信号の電圧値（積分値）は、時間の経過に従い徐々に増大していき、事前に定めた積分回路の時定数（この場合５０ｍｓ）とＬＤ２２ａ，２２ｂのデューティ比によって決まる値に収束する。

比較回路８では、比較器３１にて、積分回路７から入力された電気信号の電圧値（積分値）と、ＤＡ変換器３０から入力された電圧値とを比較する。

ＤＡ変換器３０は、必要とする生体安全性の基準を満たせる範囲の電圧値を出力するように設定される。ここでは、基準としているＬＤ２２ａを連続発光させ、その光をＰＤ２４で受光し電圧変換用抵抗２５で電圧に変換し、その電圧変換値を５０ｍｓの時間区間で積分した積分値が１００ｍＶとなるまでが、生体に安全な範囲であったとする。この場合、ＤＡ変換器３０は電圧値１００ｍＶを出力するように設定される。

比較器３１は、積分値が１００ｍＶ以上となった場合（安全性に問題がある状態となった場合）、光源電源遮断回路９である光源電源遮断用トランジスタ２１をカットオフする停止信号を出力し、ＬＤ２２ａ，２２ｂへの電源供給を遮断、すなわち光出力を遮断する。これと同時に、比較器３１は、ＰＷＭ駆動回路３にも停止信号を出力し、ＰＷＭ駆動回路３に光出力を遮断したことを通知する。停止信号を受信したＰＷＭ駆動回路３は、何らかの異常があったものと判断してＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動を停止し、必要に応じて外部の制御装置等に異常が発生したことを伝達する。

ここで、異常発生時の動作を図７，８を用いて説明する。図７はＬＤ２２ａ，２２ｂに流れる電流（駆動電流）を示したものであり、図８は増幅回路６が出力する電気信号の波形と、積分回路７が出力する電気信号（積分値）の波形とを重ねて示したものである。

図７に示すように、発光開始から約４７ｍｓ経った時点で、何らかの異常により、ＬＤ２２ｂの発光が停止できなくなっている。ＬＤ２２ｂの発光が停止できなくなると、図８に示すように、積分回路７が出力する積分値が増加し、約４８ｍｓの時点でしきい値である１００ｍＶ以上となる。積分値が１００ｍＶ以上となると、比較回路８が停止信号を出力し、ＬＤ２２ａ，２２ｂへの電源供給が遮断される。その結果、図７に示すように、積分値が１００ｍＶ以上となった約４８ｍｓの時点で、ＬＤ２２ａ，２２ｂに流れる駆動電流が途絶えており、その後もＰＷＭ駆動回路３に異常が通知されたことにより、ＬＤ２２ａ，２２ｂの駆動が停止され、光出力が継続して遮断される。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体光源駆動回路１では、半導体光源素子２から出力される光の光出力（光強度）を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子２の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段４を備えている。

従来の光出力（光強度）に上限を設けるセーフティ回路では、設定した上限を超える高出力の光は得られなかったが、半導体光源駆動回路１によれば、光出力（光強度）に上限を設けるのではなく、実際の生体安全性を考慮した時間積の値に制限を設けているため、従来よりも高出力な半導体光源駆動回路１を実現でき、かつ、熱に起因する眼や皮膚への障害に対する高い生体安全性を確保することが可能になる。

また、従来の光出力（光強度）に上限を設ける方式では、設定した上限よりも小さい出力の光が長時間照射された場合については生体安全性を確保できなかったが、半導体光源駆動回路１によれば、時間積の値に制限を設けているため、小さい出力の光が長時間照射された場合についても、生体安全性を確保可能である。

よって、半導体光源駆動回路１によれば、半導体光源素子２からの光により眼や皮膚へ障害を及ぼしてしまうことを防止でき、かつ、半導体光源素子２を高効率で駆動し、生体計測装置などに適用した際にＳＮ比の高い計測を実現できる。

さらに、半導体光源駆動回路１では、ＰＷＭ方式を採用しているため、高精度の光出力安定性を有しており、短パルス幅かつ大電流・高電圧の駆動により、半導体光源素子２を高い効率で駆動することが可能である。なお、本発明は、パルス幅を制御することにより容易に照射時間を短くでき、かつ半導体光源素子２を高出力で駆動できるＰＷＭ方式の半導体光源駆動回路に特に好適であるが、これに限らず、ＰＷＭ方式でない半導体光源駆動回路にも適用可能である。

また、半導体光源駆動回路１では、複数の半導体光源素子２を時分割で発光させるようにすると共に、１つの受光素子で複数の半導体光源素子２からの光を受光するようにし、かつ、増幅回路６での利得を、基準となる波長λｒにおける利得Ｇ（λｒ）を１とし、かつ、現在発光している半導体光源素子２の波長がλであるとき、利得Ｇ（λ）を下式
Ｇ（λ）＝１／｛Ｒ（λ）・Ｓ（λ）｝
但し、Ｒ（λ）：波長λでの波長λｒからの受光素子感度比
Ｓ（λ）：波長λでの波長λｒからの生体安全上許容される光出力比
に設定している。

従来の光出力（光強度）に上限を設ける方式では、波長の異なる複数の半導体光源素子を用いる場合には、波長による生体安全性の違いが考慮されず、一律に設定された上限により光出力（光強度）が制限される。よって、従来方式では、一番危険性の高い波長の光出力（光強度）に対して上限を設定するしかなく、危険性の低い他の波長の光出力（光強度）は、生体安全性と無関係に制限されることになり、過度に安全側となってしまう。特に、波長の異なる複数の半導体光源素子からの光を１つの受光素子でモニタして光出力（光強度）の最大値を制限する方式では、波長による受光素子の感度差も考慮されず、危険性の低い波長の光出力（光強度）が、生体安全性と無関係に大幅に制限されてしまうおそれがある。また、特に眼に対する生体安全性に関しては、可視波長の光であれば反射行動による防御が期待されるため、不可視波長の光より高い出力で照射しても相対的に安全な場合があり、可視光と不可視光を区別せずに一律の上限によって光出力（光強度）を制限する従来方式は、無駄が多いといえる。

これに対して、本実施の形態に係る半導体光源駆動回路１では、受光素子における受光感度特性を補正し、また、波長の違いによる生体安全性の違いを反映して増幅回路６での利得Ｇ（λ）を設定するようにしているため、波長の異なる複数の半導体光源素子２を用いる場合であっても、増幅回路６から出力される電気信号は、波長によらず生体安全性を適切に評価できる指標として用いることができ、これを一定時間幅で積分した積分値の値を監視することで、高い生体安全性を確保しつつ、各半導体光源素子２を高出力で駆動することが可能となる。

上記実施の形態では、比較回路８にて、一定電圧を出力する装置としてＤＡ変換器３０を用いたが、電圧を可変できない固定電圧源を用いるようにしてもよい。なお、固定電圧源の出力電圧値が、しきい値として設定する電圧値と異なる場合については、増幅回路６における増幅率（利得）を適宜調節し、固定電圧源の出力電圧値がしきい値となるよう調整すればよい。

本発明の半導体光源駆動回路１は、例えば、半導体光源素子２からの光を生体に照射して、特定波長における吸収から特定物質の濃度などを計測する生体計測機器などに適用される。生体計測機器の具体例としては、例えば、２つの波長（６６０ｎｍ、９４０ｎｍ）の光の吸収から酸化ヘモグロビンの割合を求めるパルスオキシメータなどが挙げられる。

１ 半導体光源駆動回路
２ 半導体光源素子
３ ＰＷＭ駆動回路（パルス変調駆動回路）
４ 強制発光停止手段
５ 受光回路
６ 増幅回路
７ 積分回路
８ 比較回路
９ 光源電源遮断回路
１０ 電源

Claims (3)

1. 半導体光源素子と、該半導体光源素子を駆動するパルス幅変調駆動回路と、を備えた半導体光源駆動回路において、
   前記半導体光源素子から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、前記半導体光源素子の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段を備えたことを特徴とする半導体光源駆動回路。
2. 前記強制発光停止手段は、
   前記半導体光源素子からの光の一部を受光し、前記半導体光源素子から出力される光の光出力に応じた電圧の電気信号を出力する受光回路と、
   該受光回路からの電気信号を増幅して出力する増幅回路と、
   該増幅回路で増幅された電気信号を一定時間幅で積分した積分値を出力する積分回路と、
   該積分回路から出力された積分値が所定のしきい値以上であるとき、停止信号を出力する比較回路と、
   該比較回路から停止信号を受信した際に、前記半導体光源素子へ供給される電源を遮断する光源電源遮断回路と、を備える請求項１記載の半導体光源駆動回路。
3. 前記半導体光源素子を複数有し、
   前記パルス幅変調駆動回路は、複数の前記半導体光源素子を時分割で発光させるようにされ、
   前記受光回路は、１つの受光素子で複数の前記半導体光源素子からの光を受光するようにされ、
   前記増幅回路は、基準となる波長λｒにおける利得Ｇ（λｒ）が１とされ、かつ、現在発光している半導体光源素子の波長がλであるとき、利得Ｇ（λ）が下式
   Ｇ（λ）＝１／｛Ｒ（λ）・Ｓ（λ）｝
   但し、Ｒ（λ）：波長λでの波長λｒからの受光素子感度比
   Ｓ（λ）：波長λでの波長λｒからの生体安全上許容される光出力比
   に設定される請求項２記載の半導体光源駆動回路。

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