JP4083388B2

JP4083388B2 - 電子装置及び光出力制御装置並びに電子機器

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Publication number: JP4083388B2
Application number: JP2001051134A
Authority: JP
Inventors: 雅章石田; 秀利江間
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002252411A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子装置及びそれを用いた光出力制御回路並びに電子機器に係り、特に、発光素子の出力光を制御して出力するための電子装置及びそれを用いた光出力制御回路並びに電子機器に関する。
【０００２】
【従来技術】
ディジタル複写機、レーザプリンタ、光デイスク装置、光通信装置等は、光の作用を利用して静電潜像の形成や光ディスクへの情報の書き込み、情報の伝送を行なっている。このような装置は、光源として半導体レーザが用いられている。半導体レーザは、小型であり、かつ駆動電流により高速に直接変調を行う事が出来るので、近年、これらの装置の光源として広く使用されている。例えば、プリンタなどでは、図１６に示すように、発光素子１２のバイアス電流を受光素子１２で検出された検出信号に基づきサンプルホールド回路３０１、トランジスタＱ11、Ｑ12、抵抗Ｒ11、Ｒ12により一定値制御をする場合にも、同様の不具合が発生するが、バイアス電流の制御は、感光体を用いる複写機やプリンタにおいて、多く流す方が発光素子の光の応答が速くなるが、多すぎると本来、光をオフにしたいのにオフセット発光することになり、地汚れの原因になるため、出力光を所望の値に高精度に制御する必要があった。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザはその光出力・順方向電流特性が温度により著しく変化するので、半導体レーザの光出力を所望の値に設定しようとする場合に問題となる。この問題を解決するために、さまざまなＡＰＣ（automatic power control）回路、すなわち、自動パワー制御回路が提案されている。
【０００４】
このようなＡＰＣ回路は、例えば、特開平２−２０５３７９号公報に開示されている。特開平２−２０５３７９号公報には、光・電気負帰還ループを利用した半導体レーザの駆動・制御方式が記載されている。即ち、半導体レーザの光出力を受光素子によりモニタし、半導体レーザの光出力に比例する受光信号と発光レベル指令信号とが等しくなるように半導体レーザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループにより、半導体レーザの光出力を制御するものである。このような構成のＡＰＣ回路を用いることにより、高速・高精度・高分解能の点で有望といえる。
【０００５】
従来、このような光出力制御回路は、半導体レーザ及び受光素子を個別素子で構成し、回路基板上に形成されたＡＰＣ回路に配線パターン若しはハーネスで接続したり、または、半導体レーザに受光素子を内蔵して、回路基板上に形成されたＡＰＣ回路に配線パターン若しくはハーネスで接続するのが一般的であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、このような制御方式において、光・電気負帰還ループを高速に動作させようとする場合に、半導体レーザの光出力とこれをモニタしている受光信号との間の周波数特性が良好でない場合がある。このような場合には、光出力がオーバーシュートする等所望の光波形が得られなくなることがある等の問題点があった。
【０００７】
また、光・電気負帰還ループや受光素子出力及びサンプルホールド回路を用いた発光素子のバイアス電流制御回路においては、高精度に発光素子の光出力を制御しようとした場合に、発光素子光出力と受光素子受光信号とのリニアリティが良くない為、特にバイアス電流制御時に所望の光出力に制御できない場合がある等の問題点があった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、高精度・高速に帰還ループを構成できる電子装置及びそれを用いた光出力制御回路並びに電子機器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子装置は、発光素子からの入射光に応じた検出信号を出力する受光部と、前記入射光に対して前記検出信号が直線的に変化するように前記検出信号を補償する補償部と、入力信号と前記補償部で補償された前記検出信号とを比較し、その比較結果に基づいて前記発光素子の順方向電流を制御する制御回路部とを設けた構成とされている。
【００１０】
また、補償部は、受光部で検出された検出信号に基づいて補償を行なうことを特徴とする。
【００１１】
さらに、補償部は、受光部で検出された検出信号に対して所定の演算を行なう演算部と、演算部での演算結果に応じた補償信号を生成し、検出信号に重畳する補償信号生成部とから構成される。
【００１２】
また、本発明は、受光部、及び補償部、並びに制御回路部は、一体もしくは同一集積回路上に構成とする。
【００１３】
本発明によれば、補償部で、受光部で入射光に応じて検出された検出信号を入射光に対して直線的に変化するように補償することにより、発光部での発光光量によらず、発光光量をリニアリティに制御できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例のブロック構成図、図２は本発明の第１実施例の電子装置の構成図を示す。
【００１５】
本実施例の光出力制御回路１は、電子装置１１及び発光素子１２から構成される。電子装置１１は、発光素子１２から発光された光の一部を検出して、その検出信号を補償した後、補償信号により発光指示信号を制御し、発光素子１２に供給する。
電子装置１１は、特許請求の範囲の受光部に相当する受光素子２１及び特許請求の範囲の補償部に相当するリニアリティ補償回路２２、制御回路部に相当する比較増幅回路２３を含む構成とされている。受光素子２１及びリニアリティ補償回路２２並びに比較増幅回路２３は、図２に示すように同一の半導体チップ３１上に形成されている。半導体チップ３１は、パッケージ３２に格納されている。パッケージ３２からは、少なくとも入力端子Ｔin、出力端子Ｔout、電源端子Ｔsが延出されている。
【００１６】
なお、本実施例では、受光素子２１と比較増幅回路２３を同一の半導体チップ３１上に形成したが、受光素子２１と比較増幅回路２３とを別々の半導体チップ３１で構成し、同一パッケージに収容するようにしてもよい。
【００１７】
図３は本発明の第１実施例の変形例の電子装置の構成図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００１８】
本変形例は受光素子２１を半導体チップ４１に搭載し、電子装置２２を半導体チップ４２に搭載し、半導体チップ４１と半導体チップ４２とを基板４３上に搭載し、同一パッケージ３２内に収納した構成とされている。
【００１９】
図３に示す変形例においても、受光素子と比較増幅回路２３との距離は、同一パッケージ３１内であるので、配線長や寄生容量と比較して十分小さく、図２に示す構成のものと同様の効果を奏する。
【００２０】
受光素子２１には、電源端子Ｔsから駆動電圧が印加される。受光素子２１は、発光素子１２からの光に一部を受光し、受光光量に応じた検出信号をリニアリティ補償回路２２に供給する。リニアリティ補償回路２２は、受光素子２１の入射光に対する検出信号の特性が直線的に変化するように検出信号を補償する。
【００２１】
図４は受光素子の入射光に対するモニタ電流の特性を示す図である。
【００２２】
一般に発光素子１２の光出力と受光素子２１の検出信号、例えば、モニタ電流との比であるモニタ電流効率は、図４に実線で示すように光出力の大きさに関係なく一定であることが理想である。ところが実際の受光素子２１は、特に光出力の小さい領域においてモニタ電流効率が一定にはならない。つまり、モニタ電流のリニアリティが悪い。
【００２３】
これは、受光素子２１の構造などによるものであり、受光素子２１の構造などにより、図４に破線で示すように光出力が小さくなっていくのに従いモニタ電流効率が減少する場合と、図４に一点鎖線で示すように光出力が小さくなっていくのに従いモニタ電流効率が増加する場合とがある。
【００２４】
図４に破線で示すように光出力が小さくなっていくのに従いモニタ電流効率が減少するには、小さい光出力P0で制御しようとすると、本来流れるべきモニタ電流より小さい電流しか流れない事により、光出力P0より大きい光出力値に制御されてしまう。
【００２５】
また、図４に一点鎖線で示すように光出力が小さくなっていくのに従いモニタ電流効率が増加する場合には、小さい光出力P0を制御しようとすると、本来流れるべきモニタ電流より大きい電流が流れる事により、P0より小さい光出力値に制御されてしまう。
【００２６】
リニアリティ補償回路２２は、上記図４に破線又は一点鎖線で示す受光素子２１に特有の特性を図４に実線で示す特性となるように補償する。
【００２７】
一方、入力端子Ｔinには、発光レベル指令信号が入力される。入力端子Ｔinに入力された発光レベル指令信号は、比較増幅回路２３に供給される。
【００２８】
比較増幅回路２３は、リニアリティ補償回路２２からの検出信号に応じて発光レベル指令信号を制御する。比較増幅回路２３で制御された信号は、出力端子Ｔoutから出力される。出力端子Ｔoutには、発光素子１２が接続される。発光素子１２は、例えば、半導体レーザから構成されており、アノードに定電圧が印加され、カソードが出力端子Ｔoutに接続されている。
【００２９】
発光素子１２には、出力端子Ｔoutの出力信号に応じた駆動電流が流れる。発光素子１２は、駆動電流に応じた光を発光する。発光素子１２から発光された光は、感光ドラム、光ディスク、光ファイバ等の光入射対象に供給されるとともに、一部が受光素子２１に入射される。
【００３０】
発光素子１２、受光素子２１、リニアリティ補償回路２２、比較増幅回路２３は、光・電気負帰還ループを形成しており、比較増幅回路２３は受光素子２１に誘起された発光素子１２の光出力に比例した光起電流に比例する検出信号と、発光レベル指令信号とを比較して、その結果により発光素子１２の順方向電流を、受光信号と発光レベル指令信号とが等しくなるように制御する。
【００３１】
次にリニアリティ補償回路２２の詳細を図面とともに説明する。
【００３２】
図５は本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の具体例を示す図である。
【００３３】
まず、図５に示す電子装置３１のリニアリティ補償回路３２は、図４に一点鎖線で示す特性を補償するための回路であり、定電流源３３から構成される。定電流源３３は、受光素子２１と比較増幅回路２３との接続点と、端子Ｔs2との間に接続されており、端子Ｔs2に印加される電圧に応じて所定の電流を生成する。
【００３４】
定電流源３３で生成される定電流は、発光素子１２からの出力光量に応じて予め設定されており、受光素子２１からの検出信号が所定の入射光量で所定のレベルになるように補償される電流が出力されるように設定されている。
【００３５】
図６は本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の変形例の構成図を示す。
図６に示す電子装置４１のリニアリティ補償回路４２は、図４に破線で示す特性を補償するための回路であり、定電流源４３から構成される。定電流源４３は、受光素子２１と比較増幅回路２３との接続点と、接地との間に接続されており、受光素子２１から比較増幅回路２３に供給される電流から所定の電流を引き込む。
【００３６】
定電流源４３で生成される定電流は、発光素子１２からの出力光量に応じて予め設定されており、受光素子２１からの検出信号が所定の入射光量で所定のレベルになるように補償される電流が出力されるように設定されている。
【００３７】
なお、図５、図６に示す電子装置３１、４１のリニアリティ補償回路３２、４２は、所定の出力光量に対してのみ補償が有効であるが、受光素子１２の検出信号に応じて補償量を可変することにより、種々の出力光量で有効に補償可能とするようにもできる。
【００３８】
図７に本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の第２変形例の構成図を示す。
【００３９】
図７に示す電子装置５１のリニアリティ補償回路５２は、電流検出部５３、割算部５４、電流生成回路５５を含む構成とされている。電流検出部５３は、受光素子２１からの検出信号、すなわち、モニタ電流Ｉdpを検出し、モニタ電流に応じた信号を割算部５４に供給する。
【００４０】
図８は割算部の回路構成図を示す。
【００４１】
割算部５４は、図８に示すように抵抗Ｒ１、Ｒ２、オペアンプ５６、乗算器６７から構成され、電流検出部５３からの検出信号を割算した出力が得られる。割算部５４の出力は、電流生成部５５に供給される。このため、割算部５３の出力は、電流検出部５３の検出信号に応じて異なる信号が出力される。
【００４２】
電流生成部５５は、割算部５４の出力に応じた電流を生成する。電流生成部５５で生成された電流は、受光素子２１の検出信号、すなわち、モニタ電流Idpに加算されて比較増幅回路２３に供給される。
【００４３】
なお、図８において、乗算器５７の入力をＸ、乗数をｋＹ、出力をＺ’とすると、
Ｚ’＝ｋＸＹ
という関係から、
Ｉ２＝Ｚ’／Ｒ２＝ｋ×(ＸＹ／Ｒ２)
また、Ｉ１＝Ｚ／Ｒ１であり、Ｉ１＋Ｉ２＝０であるので出力Ｘは、
Ｘ＝−(１／ｋ)×(Ｚ／Ｙ)
となる。つまり、出力ＸにはＹに反比例した出力が得られる。
【００４４】
図８において、モニタ電流に反比例する電流を生成し補償電流Ｉとすれば、この補償電流は、モニタ電流が小さい時は大きな値となり、モニタ電流が大きくなるに従って小さくなってモニタ電流が十分大きい場合にはほぼ０と見なせることより、この電流をモニタ電流に加減する事により、モニタ電流のリニアリティの補償を行う事が可能である。
【００４５】
本変形例によれば、モニタ電流に応じて補償量が可変され、発光素子１２の出力光量に応じた最適の補償量で補償を行なえる。
【００４６】
図９は本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の第３変形例の構成図を示す。同図中、図７と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４７】
図９に示る電子装置６１は、割算部５４に代えて、対数演算部６３を設けた構成とされている。
【００４８】
図１０は対数演算部の回路構成図を示す。
【００４９】
対数演算部６３は、抵抗Ｒ３、オペアンプ６４、ダイオード６５を含む構成とされ、電流検出部５３からの検出信号の所定の係数βに応じた対数値を出力する。このため、対数演算部６３の出力は、電流検出部５３の検出信号に応じて異なる信号が出力される。対数演算部６３から出力された信号は、電流生成部５５に供給される。
【００５０】
電流生成部５５は、対数演算部６３の出力に応じた電流を生成する。電流生成部５５で生成された電流は、受光素子２１の検出信号、すなわち、モニタ電流Idpに加算されて比較増幅回路２３に供給される。
【００５１】
対数演算部６３において、ダイオード６５の順方向電流Ｉｆは、
Ｉｆ＝Ｉｓ・exp(Ｖｆ／ＶT)
ここで、ＶT＝ｋＴ／ｑ、Ｉｓ：ダイオードＤの逆方向飽和電圧、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：電子の電荷、ＶT：熱電圧である。このＩｆの自然対数をとりまとめると、
Ｖｆ≒ＶT(lnＩｆ−lnＩｓ)
となる。またオペアンプ６４の入力はイマジナリアースであり、
Ｖｆ＝−Ｖ０＝−ＶT(lnＩｆ−lnＩｓ)
となるので、入力Ｖ１に対し、出力Ｖ０は負の対数出力となり、モニタ電流が小さい時は大きな値となり、モニタ電流が大きくなるに従って小さくなってモニタ電流が十分大きい場合にはほぼ０と見なせる補償電流を生成することが可能な構成を実現でき、図４に破線で示す特性を補正できる。
【００５２】
なお、上記変形例では、受光素子２１の検出信号、すなわち、モニタ電流をアナログ的に演算して、補償しているが、変換テーブルを用いて補償を行なうようにしてもよい。
【００５３】
図１１は本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の第４変形例の構成図を示す。
【００５４】
本変形例の電子装置７１のリニアリティ補償回路７２は、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器７３、変換テーブル７４、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器７５を含む構成とされている。受光素子２１の検出信号、すなわち、モニタ電流は、Ａ／Ｄ変換器７３でディジタルデータに変換される。変換テーブル７４には、受光素子２１の検出信号の補償後のディジタルデータが記憶されている。Ａ／Ｄ変換器７３で変換されたディジタルデータをアドレスとして変換テーブル７４が参照され、補償されたデータが出力される。変換テーブル７４から出力されたデータは、Ｄ／Ａ変換器７５でアナログ信号に変換されて比較増幅回路２３に供給される。
【００５５】
本変形例によれば、モニタ電流に応じて補償量が可変され、発光素子１２の出力光量に応じた最適の補償量で補償を行なえる。また、変換テーブル７４のデータを変更することにより、自由に補償が行なえるので、正確に補償を行なえる。
【００５６】
上記第１実施例によれば、受光素子２１及びリニアリティ補償回路２２並びに比較増幅回路２３が一体もしくは同一集積回路上に構成されており、直接光信号を集積回路内で受光する構成であるので、配線による速度低下、インピーダンス成分や寄生容量などによる周波数特性の劣化、配線に混入するノイズ等の影響を受ける事無く光・電気負帰還ループを構成することができ、よって、高速・高精度の光・電気負帰還ループを実現できる。また、外部に素子やハーネスや光ファイバーなどの配線を持たないので、高速・高精度の光・電気負帰還ループを低コストで実現することができる。また、リニアリティ補償回路２２により受光信号の効率のリニアリティを補償することにより高精度に光出力を制御できる。
【００５７】
なお、本実施例では、受光素子２１の検出信号、すなわち、モニタ電流を補償したが、発光レベル指令信号を補償するようにしてもよい。
【００５８】
図１２は本発明の第２実施例の構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５９】
本実施例の光出力制御回路１００は、電子装置１０１の構成が第１実施例とは相違している。本実施例の電子装置１０１は、発光レベル指令信号が入力される端子Ｔinと比較増幅回路２３との間にリニアリティ補償回路１０２を設けた構成としている。
【００６０】
リニアリティ補償回路１０２は、リニアリティ補償回路２２とは補償量が逆極性とされており、発光レベル指令信号を補償する構成とされている。
【００６１】
図１３に本発明の第３実施例の構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００６２】
本実施例の光出力制御回路１１０は、電子装置１１１の構成が、第１実施例とは相違する。本実施例の電子装置１１１は、発光素子１２、受光素子２１、リニアリティ補償回路２２、比較増幅回路２３からなる光・電気負帰還ループに加えて、発光レベル指令信号に応じて発光素子１２の順方向電流を駆動する電流変換器１１２を加えた構成を示す。
【００６３】
本実施例によれば、電流変換器１１２により発光レベル指令信号により発光素子１２の順方向電流を駆動できるので、発光素子１２を高速に駆動できる。
【００６４】
なお、本実施例では、受光素子２１の検出信号、すなわち、モニタ電流を補償したが、発光レベル指令信号を補償するようにしてもよい。
【００６５】
図１４に本発明の第４実施例の構成図を示す。同図中、図１２、図１３と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００６６】
本実施例の光出力制御回路１２０は、リニアリティ補正回路１０２により発光レベル指令信号を補償し、比較増幅回路２３に供給するとともに、電流変換器１１１２により発光素子１２を駆動するようにしている。本実施例によれば、第３実施例と同様の作用、効果を奏する。
【００６７】
図１５は本発明の第５実施例の構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００６８】
本実施例の光出力制御回路２００は、電子装置２０１の構成が第１実施例とは相違する。電子装置２０１は、受光素子２１、電流変換回路２０２、リニアリティ補償回路２０３、増幅回路２０４を含む構成とされている。電流変換回路２０２は、端子Ｔinからの発光レベル指令信号に電流を受光素子２１から引き込む。リニアリティ補償回路２０３は、受光素子２１から電流変換回路２０２に引き込まれる電流を図４に示される特性が実線に示す特性となるように補償する。
【００６９】
増幅回路２０４は、受光素子２１とリニアリティ補償回路２０３との接続点の電圧に応じた電流を出力端子Ｔoutから引き込み、発光素子１２を駆動する。
【００７０】
なお、上記光出力制御回路により制御された光は、デジタル複写機、レーザプリンタであれば、感光ドラム、光ディスク装置であれば、光学系を介して光ディスクに、また、光通信装置であれば、光ファイバや周囲の空間に出射されることになる。
【００７１】
また、上記光出力制御回路は、図１６に示すようなサンプルホールド回路を介して発光素子１２を駆動する場合にも有効である。
【００７２】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、補償部で、受光部で入射光に応じて検出された検出信号を入射光に対して直線的に変化するように補償することにより、発光部での発光光量によらず、発光光量をリニアリティに制御できるため、高精度に光出力を制御できる等の特長を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のブロック構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の電子装置の構成図である。
【図３】本発明の第１実施例の電子装置の変形例の構成図である。
【図４】受光素子の入射光に対するモニタ電流の特性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の具体例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の変形例の構成図である。
【図７】本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の第２変形例の構成図である。
【図８】割算部の回路構成図を示す。
【図９】本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の第３変形例の構成図である。
【図１０】対数演算部の回路構成図である。
【図１１】本発明の第１実施例のリニアリティ補償回路の第４変形例の構成図である。
【図１２】本発明の第２実施例の構成図である。
【図１３】本発明の第３実施例の構成図である。
【図１４】本発明の第４実施例の構成図である。
【図１５】本発明の第５実施例の構成図である。
【図１６】サンプルホールド回路を出力に用いた光出力制御回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１光出力制御回路
１１電子装置
１２発光素子
２１受光素子
２２リニアリティ補償回路
２３比較増幅回路

Claims

発光素子からの入射光に応じた検出信号を出力する受光部と、
前記入射光に対して前記検出信号が直線的に変化するように前記検出信号を補償する補償部と、
入力信号と前記補償部で補償された前記検出信号とを比較し、その比較結果に基づいて前記発光素子の順方向電流を制御する制御回路部とを有することを特徴とする電子装置。
前記補償部は、前記受光部で検出された前記検出信号に基づいて補償を行なうことを特徴とする請求項１記載の電子装置。
前記補償部は、前記受光部で検出された検出信号に対して所定の演算を行なう演算部と、前記演算部での演算結果に応じた補償信号を生成し、前記検出信号に重畳する補償信号生成部とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の電子装置。
前記受光部、及び前記補償部、並びに前記制御回路部は、一体もしくは同一集積回路上に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の電子装置。
発光素子と、
前記発光素子で発光された光の一部が入射し、該入射光に応じた検出信号を出力する受光部と、
前記入射光に対して前記検出信号が直線的に変化するように前記検出信号を補償する補償部と、
入力信号と前記補償部で補償された前記検出信号とを比較し、その比較結果に基づいて前記発光素子の順方向電流を制御する制御回路部とを有することを特徴とする光出力制御回路。
光を所定の照射対象に照射する電子機器において、
入力信号に応じて前記照射対象に照射すべき光を発光する発光素子と、
前記発光素子で発光された光の一部が入射し、該入射光に応じた検出信号を出力する受光部と、
前記入射光に対して前記検出信号が直線的に変化するように前記検出信号を補償する補償部と、
前記入力信号と前記補償部で補償された前記検出信号とを比較し、その比較結果に基づいて前記発光素子の順方向電流を制御する制御回路部とを有することを特徴とする電子機器。