JP5163116B2 - 半導体レーザ駆動装置及びその半導体レーザ駆動装置を備えた画像形成装置 - Google Patents
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Description
半導体レーザが急激に発光し始めるときのしきい値電流Ithや、所望のレーザ出力に必要となるしきい値電流Ith以上の領域を対象とした発光電流Iηは、製造工程のばらつきによって半導体レーザごとにばらつく。ただし、発光電流Iηに対して半導体レーザの発光量は直線的に増加するため、半導体レーザにおける発光電流と発光量は常に比例関係にある。
このような半導体レーザ駆動装置による光量制御の場合、バイアス電流Ibiは、しきい値電流Ithよりも小さい値で、かつ該しきい値電流Ithに近い値であるほど、画像形成時における半導体レーザの入力パルス信号に対する応答特性が良くなることが知られていた。このため、通常、バイアス電流Ibiは、しきい値電流Ithよりも若干小さい値に設定されていた。
第1に、複数の基準電圧とサンプルホールド回路でしきい値電流Ithを検出してバイアス電流Ibiを設定するものがあった(例えば、特許文献1参照。)。この場合、アナログ的に容量に電荷を保存するサンプルホールド回路を使用する方式では、ホールド期間のリーク電流によるバイアス電流Ibiの変動が懸念される。特に、ホールド期間が長くなった場合にリーク電流による誤差が大きくなるという問題があった。
図13において、バイアス電流制御回路からしきい値電流以下のバイアス電流が設定され、スイッチ電流制御回路からスイッチ電流が設定されるものとし、スイッチ電流は発光量に比例する設定になっているものとする。設定発光量には幅があり、発光電流設定範囲は、1.25mA〜5mAであるとする。例えば、発光量の設定分解能が0.5%以下になるようにするためには、発光電流の設定分解能が0.5%以下である必要があった。
D/Aコンバータは、ビット数が大きくなるほど要求される出力精度が高くなる。概算で、1ビット増えると半導体集積回路(IC)上のデバイス面積は2倍になる。前記のような40ビームのマルチビームレーザを駆動する場合、10ビットのD/Aコンバータを同一IC上に40個必要になり、チップサイズやコストの増大要因になっていた。
入力された信号に応じた値の共通スイッチ電流を生成する共通スイッチ電流生成回路部と、
該共通スイッチ電流生成回路部で生成された共通スイッチ電流を基にして、入力された信号に応じた値の前記スイッチ電流を生成する、前記各半導体レーザに対応して設けられた各スイッチ電流生成回路部と、
入力された制御信号に応じて、対応する該スイッチ電流生成回路部で生成されたスイッチ電流の対応する前記半導体レーザへの出力制御を行う各スイッチ回路部と、
前記バイアス電流を生成して対応する前記半導体レーザに出力する各バイアス電流生成回路部と、
前記各半導体レーザの発光量の検出を行い、該検出した各発光量が所望の値になるように前記共通スイッチ電流生成回路部、前記各スイッチ電流生成回路部及び前記各スイッチ回路部の動作制御を行う制御回路部と、
を備えるものである。
前記各半導体レーザの発光量の検出を行い、検出した光量に応じた電流を生成して出力する受光素子と、
該受光素子から出力された電流を電圧に変換して出力する電流‐電圧変換回路と、
該電流‐電圧変換回路からの出力電圧をA/D変換して出力するA/D変換回路と、
該A/D変換回路からの出力信号から前記各半導体レーザの発光量の検出を行い、該検出した各発光量が所望の値になるように前記共通スイッチ電流生成回路部、前記各スイッチ電流生成回路部及び前記各スイッチ回路部の動作制御を行う制御回路と、
を備えるようにした。
図1に示すように、マルチビームレーザを使用した場合、所望の発光量を得るために必要となる駆動電流は、製造ばらつきによってシングルビームレーザの場合と同様にレーザ素子ごとに大きくばらつく。しかし、同じレーザ素子内の各半導体レーザは同じ工程で製造されているため、該半導体レーザ間のばらつきはレーザ素子ごとのばらつきよりも小さくなる。具体的には、駆動電流に対する発光量の比率である微分効率は、レーザ製造工程のばらつきによってレーザ素子ごとには0.5W/A〜1W/A程度ばらつく。これに対して、レーザ素子内の異なる半導体レーザ間の微分効率のばらつきは±10%程度である。
図2は、本発明の第1の実施の形態における半導体レーザ駆動装置の構成例を示したブロック図である。
図2において、半導体レーザ駆動装置1は、複数のレーザ光ビームを出射することができるマルチビームレーザ等のようなレーザ素子を構成するレーザダイオードからなる各半導体レーザLD1〜LDn(nは、n>1の整数)に対して、それぞれ所望の光量が得られるように駆動制御を行うものである。
スイッチ電流生成回路SI1〜SInは、それぞれD/Aコンバータで構成され、制御回路4から対応して入力されるデジタルデータ信号CODE1〜CODEnに応じた、共通スイッチ電流Iswcに比例するスイッチ電流Isw1〜Iswnを生成して出力する。すなわち、スイッチ電流生成回路SI1〜SInは、入力されたデジタルデータ信号CODE1〜CODEnに応じた比例定数α1〜αnを前記共通スイッチ電流Iswcに乗算してスイッチ電流Isw1〜Iswnを生成する。
スイッチSW1〜SWnは、制御回路4から出力された制御信号SC1〜SCnに応じてスイッチングを行い、オンして導通状態になると対応するスイッチ電流生成回路SI1〜SInから出力されたスイッチ電流Isw1〜Iswnを対応する半導体レーザLD1〜LDnに出力する。
制御回路4は、A/Dコンバータ12から入力されたデジタルデータ信号CODEaに基づいて、半導体レーザLD1〜LDnがそれぞれ所望の光量になるようにデジタルデータ信号CODEc,CODE1〜CODEn及び制御信号SC1〜SCnをそれぞれ生成して出力する。
図3において、まず最初に、制御回路4は、ステップS1で、共通スイッチ電流Iswcが0になるようにデジタルデータ信号CODEcを生成して出力すると共に、スイッチSW1〜SWnをそれぞれオフさせて遮断状態にし、更にバイアス電流生成回路BI1〜BInに対してバイアス電流Ib1〜Ibnの出力を停止させる。次に、制御回路4は、ステップS2で、比例定数α1が設定範囲の中心値になるようにデジタルデータ信号CODE1を生成して出力し、ステップS3で、バイアス電流生成回路Bi1に対してバイアス電流Ib1を出力させた後、ステップS4で、スイッチSW1をオンさせて導通状態にする。
図4において、まず最初に、制御回路4は、ステップS11で、共通スイッチ電流Iswcが0になるようにデジタルデータ信号CODEcを生成して出力すると共に、スイッチSW1〜SWnをそれぞれオフさせて遮断状態にし、更にバイアス電流生成回路BI1〜BInに対してバイアス電流Ib1〜Ibnの出力を停止させる。次に、制御回路4は、ステップS12で、共通スイッチ電流Iswcが前記図3のようにして記憶した前記平均値になるように、デジタルデータ信号CODEcを生成して共通スイッチ電流生成回路2に出力する。
図5において、まず最初に、制御回路4は、ステップS21で、スイッチSW1〜SWnをそれぞれオフさせて遮断状態にすると共に、バイアス電流生成回路BI1〜BInに対してバイアス電流Ib1〜Ibnの出力を停止させ、共通スイッチ電流Iswcが、前記図3のようにして記憶した前記平均値になるように、デジタルデータ信号CODEcを生成して共通スイッチ電流生成回路2に出力すると共に、前記図4のようにして記憶した各比例定数α1〜αnになるように、デジタルデータ信号CODE1〜CODEnを生成して対応するスイッチ電流生成回路SI1〜SInに出力する。
一方、前記説明では、バイアス電流生成回路BI1〜BInは、所定のバイアス電流Ib1〜Ibnを出力するようにしていたが、消灯時に常時、半導体レーザにしきい値電流付近の電流を流した場合、おおよそ500μW以下の半導体レーザのLED発光によって感光体が反応し、いわゆる地肌汚れが発生する可能性がある。更に、常時、半導体レーザにしきい値電流付近の電流を流すことにより、半導体レーザの寿命が短くなる可能性もある。
共通スイッチ電流生成回路2において、NMOSトランジスタMB0〜MB10はカレントミラー回路を形成しており、NMOSトランジスタMB0〜MB10において、各ソースはそれぞれ接地電圧に接続され、各ゲートは接続されて該接続部はNMOSトランジスタMB10のドレインに接続されている。
スイッチ電流生成回路SIkにおいて、PMOSトランジスタMC0〜MC7は、共通スイッチ電流生成回路2のPMOSトランジスタM1と共にカレントミラー回路を形成しており、PMOSトランジスタMC0〜MC7において、各ソースはそれぞれ電源電圧Vccに接続され、各ゲートは接続されて該接続部はPMOSトランジスタM1のゲートに接続されている。また、PMOSトランジスタMC0〜MC7の各ドレインは、対応するPMOSトランジスタMD0〜MD7のソースに接続され、PMOSトランジスタMD0〜MD7の各ドレインは接続され、該接続部は、スイッチ電流生成回路SIkの出力端をなし、半導体レーザLDkのアノードに接続されている。
(表1)
半導体レーザLD1〜LD3に供給されるバイアス電流Ib1〜Ib3がすべて1mAで等しく、デジタルデータ信号CODEcが示すコードが512でデジタルデータ信号CODE1〜CODE3が「1000000b」のときに各スイッチ電流Isw1〜Isw3はそれぞれ2mAになるとする。
(表2)
図11において、共通スイッチ電流生成回路2は、PMOSトランジスタMA0〜MA9,MB0〜MB10、NMOSトランジスタM2,ME1〜MEn及び定電流源21で構成されている。また、スイッチ電流生成回路SI1〜SInは、それぞれPMOSトランジスタM1、MC0〜MC7及びMD0〜MD7で構成されている。
図12において、マルチビームレーザLDより照射されるレーザ光は、高速で定速回転する回転多面鏡(ポリゴンミラー)51で偏向され、結像レンズとしてのfθレンズ52を通り、感光体53の表面に集光結像する。偏向されたレーザ光は、感光体53が回転する方向と直交する方向(主走査方向)に露光走査され、画像信号のライン単位の記録を行う。感光体53の回転速度と記録密度に対応した所定の周期で主走査を繰り返すことによって、感光体53の表面上に画像(静電潜像)が形成される。
2 共通スイッチ電流生成回路
3 光量検出回路
4 制御回路
11 電流‐電圧変換回路
12 A/Dコンバータ
SI1〜SIn スイッチ電流生成回路
BI1〜BIn バイアス電流生成回路
SW1〜SWn スイッチ
PD フォトダイオード
LD1〜LDn 半導体レーザ
Claims (12)
- 半導体レーザのしきい値電流以下のバイアス電流とスイッチ電流を加算した駆動電流により各半導体レーザを駆動し、該各半導体レーザの発光量が所望の値になるように該各半導体レーザに供給する電流を制御する半導体レーザ駆動装置において、
入力された信号に応じた値の共通スイッチ電流を生成する共通スイッチ電流生成回路部と、
該共通スイッチ電流生成回路部で生成された共通スイッチ電流を基にして、入力された信号に応じた値の前記スイッチ電流を生成する、前記各半導体レーザに対応して設けられた各スイッチ電流生成回路部と、
入力された制御信号に応じて、対応する該スイッチ電流生成回路部で生成されたスイッチ電流の対応する前記半導体レーザへの出力制御を行う各スイッチ回路部と、
前記バイアス電流を生成して対応する前記半導体レーザに出力する各バイアス電流生成回路部と、
前記各半導体レーザの発光量の検出を行い、該検出した各発光量が所望の値になるように前記共通スイッチ電流生成回路部、前記各スイッチ電流生成回路部及び前記各スイッチ回路部の動作制御を行う制御回路部と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ駆動装置。 - 前記制御回路部は、前記各半導体レーザの発光量を変える場合、前記共通スイッチ電流生成回路部に対して、前記共通スイッチ電流を該変化量に応じた値に変えさせることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記制御回路部は、前記各スイッチ電流生成回路部に対して、対応して設定された比例定数を前記共通スイッチ電流に乗算した値の前記スイッチ電流を生成させることを特徴とする請求項2記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記制御回路部は、前記各半導体レーザの発光量を変える場合、前記各スイッチ電流生成回路部に対して、前記各比例定数を該変化量に応じた値に変えさせることを特徴とする請求項3記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記制御回路部は、前記各比例定数の設定範囲がそれぞれ同じである場合、該各比例定数の平均値が該設定範囲の中心値になるように、前記共通スイッチ電流の電流値の決定を行うことを特徴とする請求項3又は4記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記制御回路部は、前記各比例定数の設定範囲がそれぞれ同じである場合、該各比例定数の最大値と最小値の中心値が該設定範囲の中心値になるように、前記共通スイッチ電流の電流値の決定を行うことを特徴とする請求項3又は4記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記共通スイッチ電流生成回路部は、D/Aコンバータで構成され、前記制御回路部から入力されたデジタルデータ信号に応じた値の前記共通スイッチ電流を生成することを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記各スイッチ電流生成回路部は、それぞれD/Aコンバータで構成され、前記共通スイッチ電流を基にして、前記制御回路部から入力されたデジタルデータ信号に応じた値の前記スイッチ電流をそれぞれ生成することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記各バイアス電流生成回路部は、それぞれD/Aコンバータで構成されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載の半導体レーザ駆動装置。
- 前記制御回路部は、
前記各半導体レーザの発光量の検出を行い、検出した光量に応じた電流を生成して出力する受光素子と、
該受光素子から出力された電流を電圧に変換して出力する電流‐電圧変換回路と、
該電流‐電圧変換回路からの出力電圧をA/D変換して出力するA/D変換回路と、
該A/D変換回路からの出力信号から前記各半導体レーザの発光量の検出を行い、該検出した各発光量が所望の値になるように前記共通スイッチ電流生成回路部、前記各スイッチ電流生成回路部及び前記各スイッチ回路部の動作制御を行う制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8又は9記載の半導体レーザ駆動装置。 - 前記共通スイッチ電流生成回路部、各スイッチ電流生成回路部、各スイッチ回路部、各バイアス電流生成回路部及び制御回路は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項10記載の半導体レーザ駆動装置。
- 請求項1から11のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置を備えた画像形成装置。
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