JP3984741B2

JP3984741B2 - 半導体レーザ駆動回路

Info

Publication number: JP3984741B2
Application number: JP33627698A
Authority: JP
Inventors: 裕也江幡; 素明川崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: JP2000164973A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザを駆動制御する、例えばレーザビームプリンタや複写機に好適な、半導体レーザ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず最初に、本発明の半導体レーザ駆動回路が適用される一般的なレーザビームプリンタ（以下、ＬＢＰと称する）について説明する。
【０００３】
従来、レーザビームを用いて画像出力を行うＬＢＰやデジタル複写機の画像形成装置は、一例として図７のような構成をしている。
【０００４】
図７中、フォトダイオード７０１は、レーザ光源としての半導体レーザ７０２が出力するレーザ光のモニタリングを行う。半導体レーザ７０２は半導体レーザ駆動回路７０３によって駆動される。光量制御回路７１３はモニタされた光量に基づいて半導体レーザ７０２への供給電流を制御し、フォトダイオード７０１からの出力が所定値となるように半導体レーザ駆動回路７０３を制御する。
【０００５】
ポリゴンミラー７０４は半導体レーザ７０２から照射されたレーザビームＩを偏光するためのものであり、モータ軸に固定されて図７中の矢印方向への回転を行い、感光ドラム７０５上にビームＩを走査する。ｆ‐θレンズ７０６は偏光されたレーザビームＩを感光ドラム７０５上に集光するものである。
【０００６】
受光ダイオードからなるビームディテクタ７０７はレーザビームＩにより感光ドラム７０５上の情報書き込み開始位置を検出し、水平同期信号発生回路７０８はビームディテクタ７０７の出力に基づいて水平同期信号Ｈｓｙｎｃを発生する。
【０００７】
ブランキング回路７０９は、水平同期信号Ｈｓｙｎｃに基づいて、次にビームディテクタ７０７がレーザビームＩを検出すべきタイミングで半導体レーザ７０２をオンさせるアンブランキング信号ＵＮＢＬを発生し、これをオア回路７１０に供給する。
【０００８】
画素変調データ発生源７１１は、水平同期信号Ｈｓｙｎｃに同期して画素クロックＳＣＫを発生し、さらに、この画素クロックＳＣＫに同期して、例えば８ビットで画素階調を表す画素変調データＤＶを出力する。
【０００９】
画素変調回路７１２は画素変調データ発生源７１から発生する画素変調データＤＶに基づいて、水平同期信号Ｈｓｙｎｃに同期して発生された画素クロックに同期してパルス幅変調された信号を発生する。
【００１０】
オア回路７１０にはアンブランキング信号ＵＮＢＬと共に画素変調回路７１２から供給されるパルス幅変調された画像信号も入力される。オア回路７１０からの出力が半導体レーザ駆動回路７０３に与えられ、これにより上記光量制御回路７１３によって設定された電流が半導体レーザ７０２に供給される。
【００１１】
このようなシステム構成により階調を表現することで、高精細な画像出力を得ることができる。
【００１２】
上述のＬＢＰ内で使用される半導体レーザ駆動回路７０３はＩＣ回路内で構成され、半導体レーザ駆動回路７０３から出るレーザ駆動電流はＩＣ（集積回路）のピン（出力ピン）を通して半導体レーザ７０２に供給される。なお、このレーザ駆動電流はトランジスタのコレクタをその出力とするのが一般的な構成である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなＩＣ回路においては、その出力ピンによる影響を考慮する必要がある。特に、インダクタンスによる影響は、電流出力トランジスタのコレクタ容量とともにＬＣ回路を構成し、レーザ駆動電流波形にオーバーシュートやアンダーシュ―トを発生させる。
【００１４】
これにより、レーザ駆動電流波形には、図８に示すような振動が発生する。この振動の周期はほぼ
【００１５】
【数１】
２πｆ＝１／（ＬＣ）^1/2 …（１）
で表され、レーザ駆動電流の立ち上がり、および立ち下がりエッジが急峻な程、振動の振幅も大きくなる。この振動はそのエネルギーが回路内で消費されるにつれ、徐々に減衰していくが、このように歪んだ駆動電流を用いては、高精度な光量のレーザ光を得るのが難しい。また、この振動の周期は、レーザ駆動電流の周期とは相関が無いため、レーザ駆動電流の周波数が高くなるほど大きな問題となってくる。
【００１６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、その目的は、パルス電流に発生する振動を抑制したレーザ駆動パルス電流を得ることができ、歪みのない高精度な光量のレーザ光を得ることができる半導体レーザ駆動回路をＩＣ回路内で容易に構成できるようにすることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、入力されたレーザ変調信号に応じて半導体レーザに供給する電流を発生する半導体レーザ駆動回路において、入力信号を遅延させた出力信号を出力させる遅延回路を有し、所望のレーザ駆動電流値の１／Ｎ（Ｎは正の整数）の電流を発生するＮ個のレーザ駆動電流発生回路と、前記Ｎ個のレーザ駆動電流発生回路で発生された電流を前記半導体レーザに供給する端子と、Ｎ―１個の前記レーザ駆動電流発生回路は、Ｍ番目（Ｍ＜＝Ｎ、Ｍ＞１の整数）の前記レーザ駆動電流発生回路の入力信号が、Ｍ― 1 番目の前記駆動電流発生回路の入力信号、あるいは出力信号を用いるかを選択する選択手段と、を備え、前記選択手段での選択を制御することで、前記端子から供給される電流の立ち上がりにおける傾きの変化量が所定の比率となるように重み付けをすることを特徴とする。
【００１８】
ここで、好ましくは、前記レーザ駆動電流発生回路の前記遅延回路は、第一のトランジスタと第二のトランジスタを備え、前記入力信号は、前記第一のトランジスタのベースと前記第二のトランジスタのベースに入力され、前記第一のトランジスタのエミッタと前記第二のトランジスタのエミッタが接続され、該接続された接続点に電流源が接続され、さらに前記第一のトランジスタのコレクタと前記第二のトランジスタのコレクタは、各々抵抗に接続され、前記抵抗は電圧源に接続される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
本発明の一実施形態においては、上記の従来技術の欄で述べた振動を抑制するために、レーザ駆動電流の立ち上がり、および立ち下がりエッジを制御して、レーザ駆動電流の立ち上がりおよび立ち下がりエッジが急峻になるのを防ぐように構成している。
【００２５】
図１に本発明の一実施形態で用いる半導体レーザ駆動回路の回路構成を示す。まず、１０１〜１１０で示す駆動電流発生回路を説明する。図２に各駆動電流発生回路の構成の一例を示す。
【００２６】
図２中、入力パルス信号Ｐｉｎ１，Ｎｉｎ１はレーザ変調信号であり、互いに極性の反転した差動信号である。また、ＶＸはバンドギャップ電圧Ｖｂｇから作られる対環境に安定な電圧である。入力パルス信号Ｐｉｎ１，Ｎｉｎ１は互いにエミッタの接続されたトランジスタＱ２０１，Ｑ２０２のベースに入力される。このエミッタ接続点には、定電流源１２０１が接続される。トランジスタＱ２０１，Ｑ２０２のコレクタはそれぞれ、一方の端子が共に電圧ＶＸに接続された抵抗Ｒ２０１，Ｒ２０２と、トランジスタＱ２０３，Ｑ２０４のベースとに接続される。
【００２７】
トランジスタＱ２０３，Ｑ２０４のエミッタはそれぞれ電流源１２０２，１２０３およびトランジスタＱ２０５，Ｑ２０７のベースに接続され、トランジスタＱ２０３，Ｑ２０４および電流源１２０２，１２０３はバッファを構成する。
【００２８】
トランジスタＱ２０５、トランジスタＱ２０７のエミッタは互いに接続され、トランジスタＱ２０６のコレクタに接続される。トランジスタＱ２０５のコレクタ電流ＩｐはＩＣピンを介して半導体レーザＬＤに接続され、トランジスタＱ２０７のコレクタ電流ＩｓはＩＣピンを介して図１中の抵抗Ｒ１に接続される。
【００２９】
トランジスタＱ２０６のエミッタは抵抗Ｒ２０３を介して接地され、そのベースにはレーザ駆動電流制御信号Ｖｓが入力される。この電圧Ｖｓは、光量制御回路（図７の７１３参照）の出力電圧である。光量制御回路では通常、半導体レーザＬＤ（図７の７０２を参照）と対で構成されるフォトダイオードＰＤ（図７の７０１参照）の出力を受け、半導体レーザＬＤが所望の発光量になるように、一定期間毎にレーザ駆動電流制御信号である電圧Ｖｓを制御する。
【００３０】
入力パルス信号Ｐｉｎ１が”Ｈ”（ハイ）レベルのときは、トランジスタＱ２０５がオンし、電圧ＶｓによりトランジスタＱ２０６のコレクタに発生する電流がトランジスタＱ２０５のコレクタ電流Ｉｐとして半導体レーザＬＤに流れる。
【００３１】
逆に、入力パルス信号Ｐｉｎ１が”Ｌ”’（ロー）レベルのときは、トランジスタＱ２０７がオンし、トランジスタＱ２０６のコレクタに発生する電流がトランジスタＱ２０７のコレクタ電流Ｉｓとして抵抗Ｒ１に流れるため、レーザＬＤは発光を停止する。
【００３２】
この駆動電流発生回路においては、トランジスタＱ２０７がオンするときは、抵抗Ｒ１に捨て電流として電流が流れるが、このように駆動電流発生回路を差動回路として構成することにより、ノイズの影響は受けにくくなる。
【００３３】
図３は駆動電流発生回路の他の回路構成例を示す。図２の回路では、バイアス的にカソードコモンタイプのレーザを使用することはできないが、図３の回路を用いることにより、アノードコモンおよびカソードコモンの両タイプのレーザを使用することが可能となる。
【００３４】
図３中、入力パルス信号Ｐｉｎ１，Ｎｉｎ１は、互いにエミッタの接続されたトランジスタＱ３０１，Ｑ３０２のべースに入力される。これらエミッタ接続点には、定電流源１３０１が接続されている。トランジスタＱ３０１，Ｑ３０２のコレクタはそれぞれ、一方の端子が共に電圧Ｖｓに接続された抵抗Ｒ３０１，Ｒ３０２およびトランジスタＱ３０３，Ｑ３１２のベースとに接続される。トランジスタＱ３０３，Ｑ３１２のエミッタはそれぞれ、ダイオード接続されたトランジスタＱ３０４，Ｑ３１３のコレクタ・ベース接続点およびトランジスタＱ３０６，Ｑ３１０のベースに接続される。トランジスタＱ３０４，Ｑ３１３のエミッタは、さらにダイオード接続されたトランジスタＱ３０５，Ｑ３１４のコレクタ・ベース接続点に入力され、そのエミッタは一方の端子が共に接地された抵抗Ｒ３０３，Ｒ３０５およびｐｎｐトランジスタＱ３０７，Ｑ３１１のべースに接続される。
【００３５】
トランジスタＱ３０７，Ｑ３１１のコレクタは共に接地され、そのエミッタはトランジスタＱ３０６，Ｑ３１０のエミッタに接続される。また、トランジスタＱ３０６，Ｑ３１０のコレクタは共に電源に接続される。トランジスタＱ３０６，Ｑ３０７およびＱ３１０，Ｑ３１１のエミッタ接続点はトランジスタＱ３０８，Ｑ３０９のベースに入力される。トランジスタＱ３０８，Ｑ３０９のエミッタは互いに接続され、抵抗Ｒ３０４を介して接地される。トランジスタＱ３０８のコレクタはＩＣピンを介して半導体レーザＬＤに接続される。トランジスタＱ３０９のコレクタはＩＣピンを介して図１中の抵抗Ｒ１に接続される。
【００３６】
この図３の駆動電流発生回路において、入力パルス信号Ｐｉｎ１が“Ｈ”レベル（Ｎｉｎ１が“Ｌ”レベル）のとき、トランジスタＱ３０８はオン，トランジスタＱ３０９はオフする。また、入力パルス信号Ｐｉｎ１がＬレベル（Ｎｉｎ１が“Ｈ”レベル）のときは、トランジスタＱ３０９がオン，トランジスタＱ３０８がオフする。このスイッチング動作により、抵抗Ｒ３０４を流れる電流が選択的にレーザ駆動パルス電流Ｉｐとして半導体レーザＬＤに供給されることで、半導体レーザＬＤは発光する。
【００３７】
このレーザ駆動パルス電流Ｉｐの電流値は電圧Ｖｓによって決まる。すなわち、抵抗Ｒ３０４の抵抗値をＲ、トランジスタのベース・エミッタ電圧をＶｂｅとすれば、
【００３８】
【数２】
Ｉｐ＝（Ｖｓ−３＊Ｖｂｅ）／Ｒ …（２）
で求まる。この電圧Ｖｓは図２と同様に、そのレベルは異なるが、光量制御回路の出力電圧である。従って、電圧Ｖｓは一定期間毎に半導体レーザＬＤが所望の発光量となるように制御される。
【００３９】
また、トランジスタＱ３０６，Ｑ３０７およびトランジスタＱ３１０，Ｑ３１１をプッシュ・プル構成とし、この出力点のインピーダンスが常時低くなるようにしているので、出力パルス電流Ｉｐの立ち下がり特性が改善される。
【００４０】
なお、本駆動電流発生回路にカソードコモンレーザを接続するときは、図４に示すように回路を構成する。図４において、半導体レーザＬＤの最大発光量を決定する電流源の電流値Ｉｄを光量制御回路の出力Ｖｓで制御して、駆動電流発生回路からのレーザ駆動パルス電流Ｉｐをこの電流Ｉｄから引くことで、半導体レーザＬＤは発光を停止する。従って、レーザ変調信号Ｐｉｎ１，Ｎｉｎｌはアノードコモンレーザを使用する場合の反転信号となる。
【００４１】
上述した図２または図３に示すような駆動電流発生回路を複数個用いて図１に示すように半導体レーザ駆動回路を構成することで、出力電流のリンギングを抑制する。本発明の実施形態では、駆動電流発生回路を１０個用いている。ただし、各駆動電流発生回路ブロックの出力電流値は、全体の出力電流値のｌ／１０である。なお、ここでは、駆動電流発生回路ブロックを１０個用いていると説明しているが、実際の回路構成時には１０個に限定されるものではなく、任意の個数のブロックを用いて回路を構成することができることは勿論である。
【００４２】
次に、この図１の回路の動作を説明する。図１では、スイッチ１１１〜１２８の状態により、各駆動電流発生回路ブロック１０１〜１１０の入力信号Ｐｉｎ１，Ｎｉｎ１は、最初の駆動電流発生回路１０１を除いて、１つ手前の駆動電流発生回路の入力信号を用いるか、あるいは出力信号（図２または図３中のＰｏｕｔ１，Ｎｏｕｔ１）を用いるかのいずれかを選択できる。
【００４３】
すなわち、図２または図３中のトランジスタＱ２０１、Ｑ２０２、抵抗Ｒ２０１，Ｒ２０２、電流源１２０１、またはトランジスタＱ３０１，Ｑ３０２，Ｒ３０１，抵抗Ｒ３０２，１３０１で構成されたコンパレータの遅延を利用し、エッジ部での電流の重み付けを変えることで、エッジコントロールをする。この時の遅延量は、ＩＣ製造プロセス（集積回路製造工程）により左右されるが、約数１０〜数１００ｐＳ（ピコ秒）程度である。なお、図面右側のスイッチ１１１〜１１９はそのスイッチ制御信号Ｓｄ１〜Ｓｄ９が“Ｌ”の時にオンする。図面左側のスイッチ１２０〜１２８はそのスイッチ制御信号Ｓｄ１〜Ｓｄ９が“Ｌ”のときに図４の黒丸側接点を選択する。
【００４４】
図１に示した状態では電流の重み付けを１，２，４，２，１としている。この重み付けの度合いは、信号Ｓｄ１〜Ｓｄ９によりコントロールする。この時のパルス電流の立ち上がりの様子を図５の曲線（ａ）に示す。時刻ｔ０で入力信号Ｐｉｎ１，Ｎｉｎ１は立ち上がりはじめ、ｔ１までは駆動電流発生回路１０１にのみ所望の出力電流の１／１０の電流が流れる。
【００４５】
時刻ｔ１〜ｔ２までは駆動電流発生回路１０１に加え、駆動電流発生回路１０２、１０３にも電流が流れる。従って、この過程では、所望の出力電流の３／１０の電流が半導体レーザＬＤに流れている。
【００４６】
時刻ｔ２〜ｔ３までは、さらに駆動電流発生回路１０４〜１０７に電流が流れ、半導体レーザＬＤに供給される電流は所望の電流の７／１０となり、時刻ｔ３〜ｔ４までは駆動電流発生回路１０８〜１０９に電流が流れることで、半導体レーザＬＤには所望の電流値の９／１０の電流が供給されている。
【００４７】
時刻ｔ４経過後は、駆動電流発生回路１１０に電流が流れ、最終的な出力パルス電流Ｉｐを得る。
【００４８】
なお、図５の曲線（ｂ）は電流の重み付けを４，３，２，１とした場合、図５の曲線（ｃ）は重み付けを行わなかった場合のパルス電流の立ち上がりの様子を示している。
【００４９】
図６は、図１の半導体レーザ駆動回路の各駆動電流発生回路１０１〜１１０として、図３に示す駆動電流発生回路を用いて、カソードコモンタイプの半導体レーザを駆動したときの、上記の各重み付け時の半導体レーザＬＤの供給電流のシミュレーション波形を示す。この波形特性は、レーザＬＤに流し込む電流Ｉｄを１００ｍＡ、パルス電流の振幅を９０ｍＡとしたときのものである。
【００５０】
図６からも容易に理解できるように、電流重み付けを行ってパルス電流を発生させることで、電流波形はより理想的なものが得られる。なお、図６においては、レーザ駆動電流のハイレベルに振動が発生している。これは、図３において、トランジスタＱ３０８がオフのときである。このときには、トランジスタＱ３０８のコレクタ容量とピンの誘導成分により形成されたＬＣ回路の影響が、パルス電流に発生している。逆に、トランジスタＱ３０８がオンの時には、ＬＣ回路で発生した振動がコレクタ・ベース接合容量を介して、抵抗Ｒ３０４にフィードバックされるため、振動は抑制されるものと考えられる。従って、この時は、トランジスタＱ３０８がオフの時ほどの振動は発生しない。
【００５１】
また、本実施形態では、スイッチ１１ｌ〜１２８およびスイッチ制御データＳｄ１〜Ｓｄ９を用いて重み付けを任意に設定可能としているが、回路規模の縮小のために重み付け量を固定して回路を構成してもかまわない。
【００５２】
上述のように、本実施形態では、駆動電流発生回路を複数用いて、レーザ変調信号を遅延させ、これにより出力電流の振動を抑制するようにしたので、駆動電流発生回路の回路構成自体はレーザ変調信号を遅延させることができるものであればよく、この回路構成としては本実施形態のものに特に限定されるものではない。
【００５３】
また、上記のように、パルス電流発生時に電流重み付けを行ってパルス電流を得るようにしたので、ＩＣピンの誘導成分により発生するパルス電流の振動成分を抑制したパルス電流を得ることができ、これにより歪みのない高精度な光量のレーザ光を得ることができる。
【００５４】
（他の実施の形態）
なお、本発明は、複数の機器（例えば、ホストコンピュータ、インターフェース機器、リーダ、プリンタなど）から構成されるシステムに適用しても、１つの機器からなる装置（例えば、プリンタ、複写機、ファクシミリ装置など）に適用してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動電流発生回路を複数用いて、レーザ変調信号を遅延させ、これにより出力電流の振動を抑制するようにし、またパルス電流発生時に電流重み付けを行ってパルス電流を得るようにしたので、ＩＣピンの誘導成分により、パルス電流に発生する振動を抑制したレーザ駆動パルス電流を得ることができ、歪みのない高精度な光量のレーザ光を得ることができる半導体レーザ駆動回路をＩＣ回路内で容易に構成できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の半導体レーザ駆動回路の回路構成を示すブロック図である。
【図２】図１の本発明の半導体レーザ駆動回路で使用する駆動電流発生回路の一例を示す回路図である。
【図３】図１の本発明の半導体レーザ駆動回路で使用する駆動電流発生回路の他の例を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施形態においてカソードコモンタイプの半導体レーザを使用したときの回路図である。
【図５】図１の本発明の半導体レーザ駆動回路を用いたときのパルス電流エッジの時間変化を示す特性図である。
【図６】図３の駆動電流発生回路で構成された図１の半導体レーザ駆動回路におけるレーザ駆動電流のシミュレーション波形を示す波形図である。
【図７】本発明の半導体レーザ駆動回路が適用される一般的なＬＢＰ（レーザビームプリンタ）の構成例を示すシステム構成図である。
【図８】図７のＬＢＰにおいてパルス電流に発生する振動を表す波形図である。
【符号の説明】
１０１〜１１０駆動電流発生回路
１１１〜１２８スイッチ
７０１フォトダイオード
７０２半導体レーザ
７０３半導体レーザ駆動回路
７０４ポリゴンミラー
７０５感光ドラム
７０６ｆ−θレンズ
７０７ビームディテクタ
７０８水平同期信号発生回路
７０９ブランキング回路
７１０オア回路
７１１画素変調データ発生源
７１２画素変調回路
７１３光量制御回路

Claims

入力されたレーザ変調信号に応じて半導体レーザに供給する電流を発生する半導体レーザ駆動回路において、
入力信号を遅延させた出力信号を出力させる遅延回路を有し、所望のレーザ駆動電流値の１／Ｎ（Ｎは正の整数）の電流を発生するＮ個のレーザ駆動電流発生回路と、
前記Ｎ個のレーザ駆動電流発生回路で発生された電流を前記半導体レーザに供給する端子と、
Ｎ―１個の前記レーザ駆動電流発生回路は、Ｍ番目（Ｍ＜＝Ｎ、Ｍ＞１の整数）の前記レーザ駆動電流発生回路の入力信号が、Ｍ― 1 番目の前記駆動電流発生回路の入力信号、あるいは出力信号を用いるかを選択する選択手段と、を備え、
前記選択手段での選択を制御することで、前記端子から供給される電流の立ち上がりにおける傾きの変化量が所定の比率となるように重み付けをすることを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
前記レーザ駆動電流発生回路の前記遅延回路は、
第一のトランジスタと第二のトランジスタを備え、
前記入力信号は、前記第一のトランジスタのベースと前記第二のトランジスタのベースに入力され、
前記第一のトランジスタのエミッタと前記第二のトランジスタのエミッタが接続され、該接続された接続点に電流源が接続され、さらに前記第一のトランジスタのコレクタと前記第二のトランジスタのコレクタは、各々抵抗に接続され、前記抵抗は電圧源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。