JP4055694B2 - レーザ駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体レーザの光出力の一定駆動に用いられるレーザ駆動回路に関するものである。

従来、この種のレーザ駆動回路は、種々提案されまた市販されている。例えば、半導体レーザの光出力を一定に駆動する機能を有するＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路を設けたレーザ駆動回路では、ＡＰＣ回路に半導体レーザの動作電流を制御する動作電流制御素子を備えている。このレーザ駆動回路内に２つのＡＰＣ回路を設け、それぞれのＡＰＣ回路に備える動作電流制御素子を半導体レーザとともに直列に接続すると、一方のＡＰＣ回路内の素子が故障した状態になって動作電流制御素子が短絡しても他方の動作電流制御素子により半導体レーザの動作電流を制御することができる。

なお、特許文献１には、内部受光素子（以下ＰＤとする）の異常と、外部ＰＤの異常を直ちに検知した上で半導体レーザ（以下ＬＤとする）をオフしてレーザ走査装置を停止させる半導体レーザ装置が開示されている。この半導体レーザ装置は、内部ＰＤ又は外部ＰＤのいずれかが劣化された場合でも、ＡＰＣ回路部での動作によってＬＤに過大電流を供給することがなくなり、ＬＤの劣化ないし破損を防止することが可能になる。
特開２０００−２０６４３５号公報（第３頁−第７頁、第２図）

ＪＩＳ規格では、レーザ駆動回路内の動作電流制御素子（能動素子）が単一で故障しても半導体レーザの過大出力が起きてはならないと定められている。しかしながら、上記従来のレーザ駆動回路などは、２つの動作電流制御素子を半導体レーザとともに直列に接続するものの、２つのＡＰＣ回路に電力を供給する電源が共通であるので、この電源が電圧異常により電圧が上昇した場合に、動作電流制御素子を駆動する制御素子など回路内で共通の素子のいずれかが故障し、両方の動作電流制御素子が正常に動作せず、半導体レーザの過大出力が発生するという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、電源が電圧異常により電圧が上昇した状態になったとしても、半導体レーザの過大出力を防止し安定な光出力を継続することができるレーザ駆動回路を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、半導体レーザと、前記半導体レーザから発光された光を受光しその受光量に基くモニター電流を出力する受光素子とを備えるとともに、前記半導体レーザの動作電流を制限する動作電流制御素子と前記モニター電流値が前記半導体レーザの光出力を決定するための基準値になるように前記動作電流制御素子を制御する光量制御素子とを含むＡＰＣ回路を複数備え、前記複数のＡＰＣ回路に含まれる全ての動作電流制御素子及び前記半導体レーザが直列に接続され、前記複数のＡＰＣ回路のそれぞれに、前記基準値を作るための電源を１つずつ別個に設けることを特徴とする。

この構造では、並列に接続される複数のＡＰＣ回路がそれぞれ別の電源から基準値を作るので、電源が電圧異常により電圧が上昇した状態になったとしても、他の電源により駆動するＡＰＣ回路により、半導体レーザの過大出力を防止し安定な光出力を継続することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の動作電流制御素子のそれぞれ又は全体の両端電圧を検出し、前記両端電圧と予め前記動作電流制御素子の短絡時の電圧として設定された比較電圧との比較を行い、前記両端電圧が前記比較電圧より低い場合に前記動作電流制御素子の少なくとも１つが短絡していることを報知する短絡検出回路を備えることを特徴とする。この構造では、複数の動作電流制御素子にそれぞれ短絡検出回路を備え、動作電流制御素子が短絡した場合に、短絡している動作電流制御素子を検出し報知するので、他の正常な動作電流制御素子に短絡等の故障が発生する前に、短絡した動作電流制御素子の交換等の処置を行うことができ、半導体レーザの過大出力を防止することができる。

本発明によれば、電源が電圧異常により電圧が上昇した状態になったとしても、半導体レーザの過大出力を防止し安定な光出力を継続することができる。

（実施形態１）
先ず、実施形態１の基本的な構成について図１〜４を用いて説明する。

実施形態１のレーザ駆動回路は、複数のＡＰＣ回路にそれぞれ別の電源を設けて半導体レーザの光出力を制御するものであり、図１に示すように、半導体レーザ１と、受光素子２と、電流−電圧変換回路３と、ＡＰＣ回路４ａ，４ｂと、電源５とを備える。

半導体レーザ１は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）からなり、図２に示すように、後述の第１電源５ａから電圧Ｖｃｃが印加され駆動電流が流れて光を出力する。

受光素子２は、半導体レーザ１から出力された光を受光しその受光量に基くモニター電流を電流−電圧変換回路３に出力する。受光素子２は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）からなり、半導体レーザ１のパッケージ内に組み込まれている。

電流−電圧変換回路３は、例えば、抵抗３０からなり、モニター電流による抵抗３０の両端電圧をモニター電圧とする電流−電圧変換を行い、このモニター電圧を後述の光量制御素子４１ａ，４１ｂに出力する。具体的には、抵抗３０（図３では３３０Ω）は、これより抵抗値が小さい抵抗３１（図３では２００ｋΩ）と直列に接続され、後述の第１電源５ａから電圧Ｖｃｃが印加される。抵抗３０は、モニター電流が小さいと流れる電流が小さいので両端電圧が低く、モニター電流が大きいとモニター電流が流れて電流が大きくなるので両端電圧が高くなる。

ＡＰＣ回路４ａ，４ｂは、図２に示すように、それぞれ動作電流制御素子４０ａ，４０ｂと光量制御素子４１ａ，４１ｂとを備えるとともに、電源５とアース間に、可変抵抗４２ａ，４２ｂ、抵抗４３ａ，４３ｂ及び抵抗４４ａ，４４ｂを直列に接続して備え、半導体レーザ１の光出力を一定に駆動する機能を有する。また、２つのＡＰＣ回路４ａ，４ｂは、図１に示すように、それぞれ単独で所定の動作を行うように並列に接続される。

可変抵抗４２ａ及び抵抗４３ａ，４４ａは、後述の第１電源５ａから印加される電圧Ｖｃｃを分圧して基準電圧を生成し、可変抵抗４２ｂ及び抵抗４３ｂ，４４ｂは、後述の第２電源５ｂから印加される電圧Ｖｒｅｆを分圧して基準電圧を生成する。基準電圧は、半導体レーザ１が過大出力とならない範囲で光出力を決定し、この範囲内で可変抵抗４２ａ，４２ｂの抵抗値を変更することにより調整される。

光量制御素子４１ａ，４１ｂは、例えば、オペアンプ４１０ａ，４１０ｂからなり、モニター電圧が半導体レーザ１の光出力を決定するために電源電圧Ｖｃｃ又はＶｒｅｆを分圧した基準電圧になるように動作電流制御素子４０ａ，４０ｂを制御する。光量制御素子４１ａ，４１ｂは、例えば、モニター電圧が基準電圧より低い場合は、半導体レーザ１の光出力を大きくしてモニター電圧が大きくなるように、また、モニター電圧が基準電圧より高い場合は、モニター電圧が小さくなるように動作電流制御素子４０ａ，４０ｂを駆動して、モニター電圧と基準電圧とを一致させるように制御を行う。光量制御素子４１ａ，４１ｂは、例えば、オペアンプ４１０ａ，４１０ｂを用いた場合、正入力端に基準電圧、負入力端にモニター電圧を入力し、基準電圧とモニター電圧との比較結果に基いた電圧を出力する。この出力電圧は、抵抗４６ａ，４６ｂにより電流に変換されて動作電流制御素子４０ａ，４０ｂに入力される。モニター電圧が基準電圧より低い場合は、出力電圧を高くし動作電流制御素子４０ａ，４０ｂを駆動し半導体レーザ１の光出力を大きくしてモニター電圧を大きくする。これに対して、モニター電圧が基準電圧より高い場合は、出力電圧を低くしモニター電圧を小さくする。

動作電流制御素子４０ａ，４０ｂは、例えば、トランジスタ４００ａ，４００ｂからなり、半導体レーザ１及び抵抗４５と直列に接続して備え、半導体レーザ１の動作電流を制御する。例えば、動作電流制御素子４０ａ，４０ｂに、トランジスタ４００ａ，４００ｂを用いた場合、ベースには光量制御素子４１ａ，４１ｂの出力電圧に基いた電流が入力し、このベース電流が大きくなると半導体レーザ１の動作電流であるコレクタ電流は大きくなる。上記コレクタ電流の最大値は、ＡＰＣ回路４ａ，４ｂの制限電流となり、半導体レーザ１の動作電流を制限し光出力を制限する。これに対して、ベース電流が小さくなるとコレクタ電流は小さくなり半導体レーザ１の光出力は小さくなる。ベース電流が更に小さく、又は、流れなくなると、半導体レーザ１の光出力が止まる。

また、図３に、上記複数のＡＰＣ回路４ａ，４ｂの一方の具体回路図を示す。ただし、図３では、図２におけるその一方のＡＰＣ回路４ａ，４ｂの符号ａ又はｂを省略してある。図３に示すように、例えば、ＡＰＣ回路４内の可変抵抗４２は２０ｋΩ、抵抗４３は３．３ｋΩ、抵抗４４は３３０Ω、抵抗４６は３．３ｋΩ、抵抗４５は１０Ωである。また、光量制御素子４１は、例えば、型番ＨＡ１６３０Ｓ０５のオペアンプであり、動作電流制御素子４０は、例えば、型番２ＳＤ２６２５のトランジスタである。そして、他方のＡＰＣ回路４ａ，４ｂも図３と略同様に構成される。

次に、上記の特性を有する２つのＡＰＣ回路４ａ，４ｂを並列に接続した場合の動作原理について、図４に示す半導体レーザ１の動作電流のタイミングチャートを用いて説明する。図４は、例えば、第１ＡＰＣ回路４ａの制限電流が第２ＡＰＣ回路４ｂの制限電流より大きくして第１ＡＰＣ回路４ａを保護用として用いている。図４（ａ）のように、第１ＡＰＣ回路４ａ及び第２ＡＰＣ回路４ｂの両方が正常な場合は、半導体レーザ１の動作電流は第２ＡＰＣ回路４ｂの制限電流と同じ大きさである。次に、第１ＡＰＣ回路４ａが故障し動作電流制御素子４０ａ（図２参照）が短絡した場合、第１ＡＰＣ回路４ａの制限電流が正常時よりも非常に大きくなるが、第２ＡＰＣ回路４ｂが正常であるので、半導体レーザ１の動作電流は一定値のままである。これに対して、図４（ｂ）に示すように、第２ＡＰＣ回路４ｂが故障し動作電流制御素子４０ｂ（図２参照）が短絡した場合、第２ＡＰＣ回路４ｂの制限電流が正常時よりも非常に大きくなるので、半導体レーザ１の動作電流は、正常時の第２ＡＰＣ回路４ｂの制限電流値から第１ＡＰＣ回路４ａの制限電流値に変化するものの正常な動作電流範囲である。このように、第１ＡＰＣ回路４ａ又は第２ＡＰＣ回路４ｂのいずれか一方が故障し動作電流制御素子４０ａ，４０ｂ（図２参照）が短絡した場合においても、半導体レーザ１の動作電流は、他方の正常に動作しているＡＰＣ回路４ａ，４ｂにより継続して制御される。

電源５（５ａ，５ｂ）は、図２に示すように、２つのＡＰＣ回路４ａ，４ｂにそれぞれ基準電圧を作るために設けられることを特徴とする。すなわち、第１電源５ａは電圧Ｖｃｃを印加して半導体レーザ１及び電流−電圧変換回路３を駆動するとともに、第１ＡＰＣ回路４ａの基準電圧を作り、第２電源５ｂは電圧Ｖｒｅｆを印加して第２ＡＰＣ回路４ｂの基準電圧を作る。ただし、図２においては、２つのＡＰＣ回路４ａ，４ｂ内の光量制御素子４１ａ，４１ｂは、１つの電源（第１電源５ａ）から電力供給されている。

実施形態１の正常時の動作について図２を用いて説明する。先ず、半導体レーザ１が小さな光出力である場合は、受光素子２の受光量も小さくモニター電圧は低い。このため光量制御素子４１ａ，４１ｂであるオペアンプ４１０ａ，４１０ｂでは基準電圧とモニター電圧との差が大きくなり、動作電流制御素子４０ａ，４０ｂであるトランジスタ４００ａ，４００ｂのベースには大きな電流が流れるので、半導体レーザ１の動作電流が大きくなり光出力が大きくなる。これに対して、半導体レーザ１が大きな光出力である場合は、受光素子２の受光量が大きいのでモニター電圧も大きい。このためオペアンプ４１０ａ，４１０ｂではモニター電圧が基準電圧よりも大きいので、トランジスタ４００ａ，４００ｂのベース電流は小さくなり動作電流も小さくなり光出力が小さくなる。

次に、実施形態１におけるＡＰＣ回路４ａ，４ｂの異常時の動作について説明する。第１ＡＰＣ回路４ａ内の可変抵抗４２ａ、トランジスタ４００ａ、オペアンプ４１０ａのいずれかが故障した場合に、トランジスタ４００ａのコレクターエミッタ間が短絡している状態になっても、第２ＡＰＣ回路４ｂが正常であるので、半導体レーザ１の過大出力は発生しない。同様に、第２ＡＰＣ回路４ｂ内の可変抵抗４２ｂ、トランジスタ４００ｂ、オペアンプ４１０ｂのいずれかが故障した場合に、トランジスタ４００ｂのコレクターエミッタ間が短絡している状態になっても、第１ＡＰＣ回路４ａが正常であるので、半導体レーザ１の過大出力は発生しない。

更に、実施形態１における電源５ａ，５ｂの異常時の動作について説明する。先ず、第２電源５ｂが故障して電圧が上昇した場合は、第２ＡＰＣ回路４ｂに不具合が発生しトランジスタ４００ｂのコレクターエミッタ間が短絡している状態になっても、第１ＡＰＣ回路４ａが正常であるので、半導体レーザ１の過大出力は発生しない。

次に、第１電源５ａが故障して電圧が上昇した場合は、第１ＡＰＣ回路４ａに不具合が発生しトランジスタ４００ａのコレクターエミッタ間が短絡している状態になっても、光量制御素子４１ｂ自体が正常に動作すると第２ＡＰＣ回路４ｂは正常であるので、半導体レーザ１の過大出力は発生しない。これに対して、第１電源５ａの故障により光量制御素子４１ａ，４１ｂ自体が動作しない状態になると、光量制御素子４１ａ，４１ｂの出力はオフとなるので、半導体レーザ１の光出力は停止するといった保護機能が働く。

以上、実施形態１によれば、半導体レーザ１の光出力を一定に駆動する動作を行うために設置された２つのＡＰＣ回路４ａ，４ｂがそれぞれ別の電源５ａ，５ｂから基準電圧を作る。これにより、一方の電源５ａ，５ｂが電圧異常による電圧の上昇、及び、ＡＰＣ回路４ａ，４ｂの能動素子である可変抵抗４２ａ，４２ｂ、光量制御素子４１ａ，４１ｂ及び動作電流制御素子４０ａ，４０ｂの故障のいずれかが単一に発生した場合でも、他方の正常な電源５ａ，５ｂにより基準電圧が作られる正常なＡＰＣ回路４ａ，４ｂにより、半導体レーザ１の過大出力を防止し安定な光出力を継続することができる。

なお、実施形態１の変形例として、それぞれ別の電源から電力が供給されるＡＰＣ回路を３つ以上設け、すべての動作電流制御素子と半導体レーザ１とを直列に接続してもよい。この構造では、複数のＡＰＣ回路又は電源が故障した場合においても他方の正常な動作を行うＡＰＣ回路により半導体レーザ１の過大出力を防止することができる。

また、実施形態１の他の変形例として、受光素子２は、半導体レーザ１とは別の位置に設けてもよい。

実施形態１の他の変形例として、半導体レーザ１又は電流−電圧変換回路３に電力を供給する電源を別に設けてもよい。

更に、実施形態１の他の変形例として、第２電源５ｂの電圧Ｖｒｅｆを可変としてもよい。このようにすると、基準電圧を可変にすることができ、半導体レーザ１の光出力の大きさを可変にすることができる。

実施形態１の他の変形例として、第１ＡＰＣ回路４ａの制限電流と第２ＡＰＣ回路４ｂの制限電流とを同じ値にしてもよい。

実施形態１の他の変形例として、第１電源５ａが光量制御素子４１ａを駆動し、第２電源が光量電源素子４１ｂを駆動してもよい。この構造では、一方の電源が故障しＡＰＣ回路内の光量制御素子自体が正常動作しない状態になっても、他の正常なＡＰＣ回路により、半導体レーザ１の過大出力を防止し安定な光出力を継続することができる。

（実施形態２）
実施形態２は、半導体レーザ１と、受光素子２と、電流−電圧変換回路３と、ＡＰＣ回路４と、電源５とを備える点では実施形態１と同様であるが、実施形態１にはない以下に記載の特徴部分がある。図２に示す動作電流制御素子４０ａ，４０ｂのそれぞれに、図５に示すように、短絡検出回路６ａ，６ｂが並列に接続する。短絡検出回路６ａ，６ｂは、差動増幅回路６０ａ，６０ｂと比較器６１ａ，６１ｂと報知器６２ａ，６２ｂとをそれぞれ備える。

次に、実施形態２の動作原理について説明する。先ず、動作電流制御素子４０ａ，４０ｂのそれぞれの両端電圧を差動増幅回路６０ａ，６０ｂで検出する。次に、検出した両端電圧と予め動作電流制御素子４０ａ，４０ｂの短絡時の電圧として設定された比較電圧とを比較器６１ａ，６１ｂでそれぞれ比較する。これらの比較結果より両端電圧が比較電圧より高い場合は動作電流制御素子４０ａ，４０ｂは短絡せずに正常に動作しているので報知されない。これに対して、両端電圧が比較電圧より低い場合は動作電流制御素子４０ａ，４０ｂは短絡しているので報知器６２ａ，６２ｂであるＬＥＤ６２０ａ，６２０ｂの点灯により視覚的に報知する。

動作電流制御素子４０ａ，４０ｂのいずれか一方が故障し短絡した場合においても半導体レーザ１の過大出力は発生しないので故障を検出することができないが、短絡検出回路６ａ，６ｂを備えると、上記のように故障した動作電流制御素子４０ａ，４０ｂを検出することができる。

以上、実施形態２によれば、２つの動作電流制御素子４０ａ，４０ｂにそれぞれ短絡検出回路６ａ，６ｂを接続し、動作電流制御素子４０ａ，４０ｂが短絡した場合に、動作電流制御素子４０ａ，４０ｂの短絡を検出し報知するので、他方の正常な動作電流制御素子４０ａ，４０ｂに短絡等の故障が発生する前に、短絡した動作電流制御素子４０ａ，４０ｂの交換等の処置を行うことができ、半導体レーザ１の過大出力を防止することができる。

なお、実施形態２の変形例として、１つの短絡検出回路が、直列に接続された複数の動作電流制御素子の全体電圧を両端電圧として検出してもよい。この構造では、短絡検出回路を１つ設けるだけでよいので、コストを低減することができる。

また、実施形態２の別の変形例として、報知器６２ａ，６２ｂとしてブザーを設けてもよい。この構造では、音によって報知することができる。

本発明による実施形態１のレーザ駆動回路のブロック図である。 同上の回路図である。 同上のＡＰＣ回路の回路図である。 同上の単一の故障発生時におけるタイミングチャートである。 本発明による実施形態２のレーザ駆動回路における動作電流制御素子の短絡検出回路ブロック図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ 受光素子
３ 電流−電圧変換回路
４ａ 第１ＡＰＣ回路
４ｂ 第２ＡＰＣ回路
４０ａ，４０ｂ 動作電流制御素子
４１ａ，４１ｂ 光量制御素子
５ａ 第１電源
５ｂ 第２電源
６ａ，６ｂ 短絡検出回路

Claims (2)

1. 半導体レーザと、前記半導体レーザから発光された光を受光しその受光量に基くモニター電流を出力する受光素子とを備えるとともに、
   前記半導体レーザの動作電流を制限する動作電流制御素子と前記モニター電流値が前記半導体レーザの光出力を決定するための基準値になるように前記動作電流制御素子を制御する光量制御素子とを含むＡＰＣ回路を複数備え、
   前記複数のＡＰＣ回路に含まれる全ての動作電流制御素子及び前記半導体レーザが直列に接続され、
   前記複数のＡＰＣ回路のそれぞれに、前記基準値を作るための電源を１つずつ別個に設けることを特徴とするレーザ駆動回路。
2. 前記複数の動作電流制御素子のそれぞれ又は全体の両端電圧を検出し、
   前記両端電圧と予め前記動作電流制御素子の短絡時の電圧として設定された比較電圧との比較を行い、
   前記両端電圧が前記比較電圧より低い場合に前記動作電流制御素子の少なくとも１つが短絡していることを報知する短絡検出回路を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ駆動回路。

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