JP6569236B2

JP6569236B2 - レーザダイオード駆動回路及びレーザレーダ装置

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Publication number: JP6569236B2
Application number: JP2015029601A
Authority: JP
Inventors: 太田　充彦; 充彦太田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-02-18
Also published as: JP2016152336A

Description

本発明は、レーザダイオード駆動回路及びレーザレーダ装置に係り、特に、レーザダイオードを発光させるレーザダイオード駆動回路及びレーザレーダ装置に関する。

従来、インダクタを介して放電コンデンサを充電しておき、その電荷をレーザダイオードに流すことで短パルスを生成するレーザ光生成回路が知られている（特許文献１）。このレーザ光生成回路では、電流制限抵抗を排除し、低消費電力化と小型化を図っている。

特開２０１０−１３９２９５号公報

レーザレーダにおいては、短パルス・高出力のレーザ光が必要である。発光の持続時間が長い長パルスであれば、測距の距離分解能が低下するし、光出力が低い低出力であれば測距可能距離が短くなる。

レーザダイオードで高出力のレーザ光を得ようとすると、大電流を流さなければならないが、電流が大きくなればなるほど、短時間でのオンオフが難しくなる。特に、短時間でのオフが難しい。

そこで、コンデンサに充電しておいた電荷をレーザダイオードに流すことで発光させるという駆動方法がある。この方法は、コンデンサの電荷が無くなれば電流が止まり発光が停止するため、短パルスを作りやすいという利点がある。しかしながら、高出力を得るには、コンデンサに多くの電荷を充電しておく必要があり、充電電圧が高くなる。そのため、電源電圧も高電圧（例えば２００Ｖ）が必要になる、という問題がある。

この高電圧を発生させる回路を別途設けると、それだけ回路が複雑化し、部品点数が増えコストアップ要因となる。

本発明では、高電圧の電源電圧を用いない簡易な回路構成で、短パルス及び高出力のレーザ光を出力することができるレーザダイオード駆動装置及びレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明のレーザダイオード駆動回路は、直流電源、インダクタ、電流の逆流を防止するための電流逆流防止素子、コンデンサ、及び前記コンデンサの放流電流により発光するレーザダイオードを直列に接続した直列回路と、一端が、前記電流逆流防止素子と前記コンデンサとの間に接続され、かつ、オンオフにより、前記インダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフを制御するための制御回路と、を含んで構成されている。

第１の発明によれば、前記スイッチング素子をオンすることにより、インダクタに電流を流し、スイッチング素子をオフすることにより、電流逆流防止素子を介して、インダクタの起電力により、コンデンサを充電する。そして、スイッチング素子をオンすることにより、レーザダイオードを発光させる。

このように、インダクタの起電力により、コンデンサを高電圧に充電することができるため、高電圧の電源電圧を用いない簡易な回路構成で、短パルス及び高出力のレーザ光を出力することができる。

また、第１の発明の制御回路は、前記コンデンサを充電するときに、前記スイッチング素子をオフにし、前記レーザダイオードを発光させるときに、前記スイッチング素子をオンするように制御することができる。

第２の発明のレーザダイオード駆動回路は、直流電源、インダクタ、電流の逆流を防止するための電流逆流防止素子、コンデンサ、及び前記コンデンサの放流電流により発光するレーザダイオードを直列に接続した直列回路と、一端が、前記電流逆流防止素子と前記コンデンサとの間に接続され、かつ、オンオフにより、前記レーザダイオードに流れる電流及び前記インダクタに流れる電流をスイッチングする第１のスイッチング素子と、一端が、前記インダクタと前記電流逆流防止素子との間に接続され、かつ、オンオフにより、前記インダクタに流れる電流をスイッチングする第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御回路と、を含んで構成されている。

第２の発明によれば、前記第１のスイッチング素子をオフにすると共に、前記第２のスイッチング素子をオンオフすることにより、インダクタに電流を流した後に、電流逆流防止素子を介して、インダクタの起電力により、コンデンサを充電することを繰り返す。そして、前記第２のスイッチング素子をオフにすると共に、前記第１のスイッチング素子をオンすることにより、レーザダイオードを発光させる。

また、第２の発明の制御回路は、前記コンデンサを充電するときに、前記第１のスイッチング素子をオフにすると共に、前記第２のスイッチング素子のオンオフを繰り返し、前記レーザダイオードを発光させるときに、前記第２のスイッチング素子をオフにすると共に、前記第１のスイッチング素子をオンするように制御することができる。

第１の発明の制御回路は、前記レーザダイオードの発光強度に対応する前記スイッチング素子のオン時間だけ、前記スイッチング素子をオンさせることができる。

第２の発明の制御回路は、前記レーザダイオードの発光強度に対応する前記第１のスイッチング素子のオン時間だけ、前記第１のスイッチング素子をオンさせ、前記レーザダイオードの発光強度に対応する前記第２のスイッチング素子のオン時間だけ、前記第２のスイッチング素子をオンさせることができる。

第３の発明のレーザレーダ装置は、上記のレーザダイオード駆動回路と、前記レーザダイオード駆動回路から発光されたレーザ光であって、対象物で反射されたレーザ光を受光し、前記レーザ光を含む光の受光に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された信号に基づいて、前記対象物までのレーザ光の飛行時間を求める演算部と、を含んで構成されている。

以上説明したように、本発明のレーザダイオード駆動回路及びレーザレーダ装置によれば、インダクタの起電力により、コンデンサを高電圧に充電することができるため、高電圧の電源電圧を用いない簡易な回路構成で、短パルス及び高出力のレーザ光を出力することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置の機能的構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の回路構成を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の回路構成を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るレーザダイオード駆動回路の動作を例示するタイミングチャートを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。

＜本発明の実施の形態の原理＞
インダクタには電流の変化を妨げる方向に起電力を発生する性質があるため、電流を切断することでより高い電圧を発生させることができる。この電圧を利用してコンデンサを充電すれば、電源電圧より高い電圧にコンデンサを充電することができる。このことにより、電源電圧を従来より低くできる。

また、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを構成しようとすると、インダクタとスイッチング素子、コンデンサなどが必要になるが、第１の実施の形態では昇圧のためのスイッチング素子とレーザダイオードの発光制御ためのスイッチング素子を別々に設ける必要がなく、１個のスイッチング素子で両方の役割を果たす。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置について説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置１００は、受光素子１０と、パルス整形部１２と、レーザダイオード駆動回路１４と、演算部１６と、出力部１８とを備えている。

受光素子１０は、レーザダイオード駆動回路１４により発光されたレーザ光が物体に反射したレーザ光を受光する。受光素子１０は光に反応して電気パルスをパルス整形部１２に出力する。

パルス整形部１２は、受光素子１０から入力される電気パルスを波形整形し、ストップ信号として、演算部１６に出力する。

レーザダイオード駆動回路１４は、レーザ光の発光を行うと同時に、演算部１６にスタート信号を出力する。

演算部１６は、レーザダイオード駆動回路１４によりレーザ光を発光する毎に、レーザ光の発光時刻から、受光素子１０においてレーザ光を受光するまでの飛行時間を計測して、出力部１８に出力する。このように、レーザ光の飛行時間が得られるため、対象物との距離を測定することができる。

レーザダイオード駆動回路１４は、図２に示すように、直流電源２０、インダクタ２２、直流電源２０に向かって電流が流れることを防止するためのダイオード２４、コンデンサ２６、及びコンデンサ２６の放流電流により発光するレーザダイオード２８を直列に接続した直列回路３０と、レーザダイオード２８と並列に接続されたダイオード３２と、

一端が、ダイオード２４とコンデンサ２６との間に接続され、他端が接地され、かつ、オンオフにより、インダクタ２２に流れる電流をスイッチングするスイッチング素子３４と、スイッチング素子３４のオンオフを制御するための制御回路３６とを備えている。

スイッチング素子３４は、本実施の形態では、バイポーラトランジスタで構成されている。なお、スイッチング素子３４として、電界効果トランジスタなどの他のスイッチング素子を用いてもよい。

制御回路３６は、コンデンサ２６を充電するときに、スイッチング素子３４をオフにするように制御する。また、制御回路３６は、レーザダイオード２８を発光させるときに、スイッチング素子３４をオンするように制御すると共に、スタート信号を演算部１６へ出力する。

また、制御回路３６は、レーザダイオード２８の発光強度に対応するスイッチング素子３４のオン時間だけ、スイッチング素子３４をオンさせるように制御する。

次に、レーザダイオード駆動回路１４の動作について説明する。

まず、図３、４に示すように、スイッチング素子３４をオンすることによって、直流電源２０からインダクタ２２に電流が流れるが、その電流値は時間と共に上昇する。電流の上限値は、直流電源２０と、インダクタ２２の内部抵抗と、スイッチング素子３４のオン抵抗によって決まる。

インダクタ２２に流れる電流値がある程度大きくなったところで、スイッチング素子３４をオフすると、インダクタ２２を流れる電流は急には０にならず、ダイオード２４、コンデンサ２６、ダイオード３２を流れて、コンデンサ２６を充電する。この電流を流す源は、インダクタ２２が蓄積していた磁気エネルギーである。

インダクタ２２が蓄積していた磁気エネルギーがなくなったところで充電電流が止まり、コンデンサ２６の充電動作は終了する。ここで、ダイオード２４の作用により、コンデンサ２６からインダクタ２２、直流電源２０に向かって電流が逆流することはない。このことによって、コンデンサ２６は電荷を蓄積した状態を保持することができる。

この状態で、スイッチング素子３４をオンすれば、コンデンサ２６に蓄積されていた電荷はレーザダイオード２８を通って放電され、この放電電流によってレーザダイオード２８が発光する。コンデンサ２６に蓄積されている電荷が無くなった時点で放流電流が０になり発光が停止する。

次に、スイッチング素子３４をオフすることによって、再度コンデンサ２６に電荷を蓄積することができる。以降、図５に示すように、上述した動作を繰り返す。

ただし、電源投入直後はコンデンサ２６に電荷が蓄積されていない状態でスイッチング素子３４をオンするため、このときはレーザダイオード２８に電流が流れず発光もない。このため、電源投入後に１回スイッチング素子３４をオンオフすることが好ましい。

上記図３〜図５は、動作波形を表すシミュレーション結果であり、レーザダイオードを流れる電流の半値幅は１．２ｎｓ程度であり、短パルスであることが図４から分かる。

また、レーザダイオード駆動回路１４は、レーザ光の発光強度を調整する場合、制御回路３６によってスイッチング素子３４のオン時間を、レーザの発光強度に対応して定められたオン時間とする。例えば、レーザ光の発光強度を小さくする場合には、図６に示すように、スイッチング素子３４のオン時間を短くすることにより、インダクタ２２に流れる電流値を小さくし、コンデンサ２６に充電される電荷の量を少なくすることができ、これによって、レーザの発光強度を小さくすることができる。

以上、説明したように、第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、インダクタの起電力により、コンデンサを高電圧に充電することができるため、高電圧の電源電圧を用いない簡易な回路構成で、短パルス及び高出力のレーザ光を出力することができる。

また、従来よりも低い電源電圧でレーザダイオードを駆動することができるようになり、車載機器で一般的な１２Ｖ電源でレーザダイオードを駆動できる。このことにより、レーザダイオードを駆動するために従来必要だった高電圧電源が不要になる。

また、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータで構成した高電圧電源と、レーザダイオードを駆動するためのコンデンサ、スイッチング素子で構成するときに比べ、回路構成を簡素化できる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、コンデンサに充電するためのスイッチング素子と、レーザダイオードを発光させるためのスイッチング素子とが別々に設けられている点が、第１の実施の形態と異なっている。

本発明の第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置について説明する。図７に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置のレーザダイオード駆動回路２１４は、直流電源２０、インダクタ２２、ダイオード２４、コンデンサ２６、及びレーザダイオード２８を直列に接続した直列回路３０と、ダイオード３２と、スイッチング素子３４と、一端が、インダクタ２２とダイオード２４との間に接続され、他端が接地され、かつ、オンオフにより、インダクタ２２に流れる電流をスイッチングするスイッチング素子２３４と、スイッチング素子３４、２３４のオンオフを制御するための制御回路２３６とを備えている。

スイッチング素子３４、２３４は、本実施の形態では、バイポーラトランジスタで構成されている。なお、スイッチング素子３４、２３４として、電界効果トランジスタなどの他のスイッチング素子を用いてもよい。

制御回路２３６は、コンデンサ２６を充電するときに、スイッチング素子３４をオフにしたまま、スイッチング素子２３４のオンオフを繰り返し、レーザダイオード２８を発光させるときに、スイッチング素子２３４をオフすると共に、スイッチング素子３４をオンするように制御する。また、制御回路２３６は、スイッチング素子３４をオンするときにスタート信号を演算部１６へ出力する。

また、レーザダイオード駆動回路２１４は、レーザ光の発光強度を調整する場合、制御回路２３６は、レーザダイオード２８の発光強度に対応するスイッチング素子３４のオン時間だけ、第１のスイッチング素子３４をオンさせ、レーザダイオード２８の発光強度に対応する第２のスイッチング素子２３４のオン時間だけ、第２のスイッチング素子２３４をオンさせるように制御する。例えば、レーザ光の発光強度を小さくする場合には、スイッチング素子３４、２３４のオン時間を短くすることにより、インダクタ２２に流れる電流値を小さくし、コンデンサ２６に充電される電荷の量を少なくすることができ、これによって、レーザの発光強度を小さくすることができる。あるいは、スイッチング素子２３４のオンオフを繰り返す回数を調整するようにしてもよい。

次に、レーザダイオード駆動回路２１４の動作について説明する。

まず、図８、９に示すように、スイッチング素子３４をオフし、スイッチング素子２３４をオンすることによって、直流電源２０からインダクタ２２に電流を流す。その電流値が時間と共に上昇し、ある程度の大きさになったところで、スイッチング素子３４をオフしたまま、スイッチング素子２３４をオフし、ダイオード２４を介して、コンデンサ２６を充電する。このようにスイッチング素子２３４により、スイッチング素子３４の動作とは独立にコンデンサ２６を充電することができる。

そして、スイッチング素子３４をオフしたまま、スイッチング素子２３４のオンオフを繰り返すことにより、図８に示すように、コンデンサ２６の充電電圧を昇圧できる。

この状態で、スイッチング素子２３４をオフし、スイッチング素子３４をオンすれば、コンデンサ２６に蓄積されていた電荷はレーザダイオード２８を通って放電され、この放電電流によってレーザダイオード２８が発光する。コンデンサ２６に蓄積されている電荷が無くなった時点で放流電流が０になり発光が停止する。

次に、スイッチング素子３４をオフし、スイッチング素子２３４のオンオフを繰り返すことによって、再度コンデンサ２６に電荷を蓄積することができる。以降、図１０に示すように、上述した動作を繰り返す。

上記図８〜図１０は、動作波形を表すシミュレーション結果であり、レーザダイオードを流れる電流の半値幅は３．５ｎｓ程度であり、短パルスであることが分かる。

また、スイッチング素子２３４を制御することにより、任意のタイミングでコンデンサ２６を充電できるため、電源投入直後にコンデンサ２６を充電することも可能である。

また、スイッチング素子２３４がオンしているタイミングでスイッチング素子３４をオンさせると、インダクタ２２に過大な電流が流れる場合があるため、過大電流を避けるためには、スイッチング素子３４、２３４が同時にオンにならないように制御することが好ましい。さらに、スイッチング素子２３４がオフしてから、スイッチング素子３４がオンするまでに一定時間間隔を空けるように制御することがより望ましい。

なお、第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

以上、説明したように、第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、インダクタの起電力により、コンデンサを高電圧に充電することができるため、高電圧の電源電圧を用いない簡易な回路構成で、短パルス及び高出力のレーザ光を出力することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上記の実施の形態においては、レーザダイオード駆動装置をレーザレーダ装置に用いる場合について説明したがこれに限定されるものではない。

１０受光素子
１２パルス整形部
１４、２１４レーザダイオード駆動回路
１６演算部
１８出力部
２０直流電源
２２インダクタ
２４ダイオード
２６コンデンサ
２８スイッチング素子
２８レーザダイオード
３０直列回路
３２ダイオード
３４、２３４スイッチング素子
３６、２３６制御回路
１００レーザレーダ装置

Claims

直流電源、インダクタ、電流の逆流を防止するための電流逆流防止素子、コンデンサ、及び前記コンデンサの放流電流により発光するレーザダイオードを順番に直列に接続した直列回路と、
一端が、前記電流逆流防止素子と前記コンデンサとの間に接続され、他端が接地され、かつ、オンオフにより、前記インダクタに流れる電流をスイッチングする第１のスイッチング素子と、
一端が、前記インダクタと前記電流逆流防止素子との間に接続され、他端が接地され、かつ、オンオフにより、前記インダクタに流れる電流をスイッチングする第２のスイッチング素子と、
前記コンデンサを充電するときに、前記第１のスイッチング素子をオフにすると共に、前記第２のスイッチング素子のオンオフを繰り返し、前記レーザダイオードを発光させるときに、前記第２のスイッチング素子をオフにすると共に、前記第１のスイッチング素子をオンするように制御する制御回路と、
を含むレーザダイオード駆動回路。
前記制御回路は、前記レーザダイオードの発光強度に対応する前記第１のスイッチング素子のオン時間だけ、前記第１のスイッチング素子をオンさせ、前記レーザダイオードの発光強度に対応する前記第２のスイッチング素子のオン時間だけ、前記第２のスイッチング素子をオンさせる請求項１記載のレーザダイオード駆動回路。
請求項１又は請求項２記載のレーザダイオード駆動回路と、
前記レーザダイオード駆動回路から発光されたレーザ光であって、対象物で反射されたレーザ光を受光し、前記レーザ光を含む光の受光に応じた信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された信号に基づいて、前記対象物までのレーザ光の飛行時間を求める演算部と、
を含むレーザレーダ装置。