JP4123791B2 - 発光素子駆動装置および発光素子駆動システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電流を流して発光させる発光素子を駆動する発光素子駆動装置および発光素子駆動システムに関し、特に面発光型レーザ素子に代表される内部抵抗（シリーズ抵抗）が大きい発光素子の駆動に用いて好適な発光素子駆動装置および発光素子駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を光源とするレーザゼログラフィーの分野では、より高解像度化、より高速化の要求が強くなってきている。入力画像データに応じてレーザ素子の駆動をオン・オフ制御する速度（以下、変調速度と記す）には限度がある。レーザ光のビーム数を１本とした場合には、主走査方向の解像度のみならず、副走査方向の解像度をも上げようとすると、変調速度が犠牲にならざるを得ない。したがって、変調速度を上げずに副走査方向の解像度を上げるためには、レーザ光のビーム数を増すしかない。レーザ光のビーム数を例えば４本にした場合は、変調速度を１本の場合と同じと仮定すると、主走査・副走査方向の解像度を２倍に向上できる。
【０００３】
ところで、半導体レーザは、レーザ光が活性層と平行な方向に取り出される構造の端面発光型レーザ素子（以下、単に端面発光レーザと称す）と、レーザ光が活性層に垂直な方向に取り出される構造の面発光型レーザ素子（以下、単に面発光レーザと称す）とに大別される。従来、レーザゼログラフィーでは、レーザ光源として一般的に端面発光レーザが用いられていた。
【０００４】
しかしながら、レーザ光のビーム数を増やすという観点からすると、端面発光レーザは技術的に難しいとされており、構造上、端面発光レーザよりも面発光レーザの方がレーザ光のビーム数を増やすのに有利である。このような理由から、近年、レーザゼログラフィーの分野において、より高解像度化、より高速化の要求に応えるべく、レーザ光源として、多数のレーザ光ビームを出射可能な面発光レーザを用いた装置の開発が進められている。
【０００５】
ここで、従来、レーザゼログラフィーに用いられているレーザ駆動装置について説明する。このレーザ駆動装置としては、従来より、電圧駆動型、電流出力電圧駆動型および電流駆動型の３タイプに大別される。以下、各タイプのレーザ駆動装置について説明する。
【０００６】
先ず、電圧駆動型のレーザ駆動装置として、レーザ素子に印加する電圧を直接駆動回路側で制御する構成のものが知られている（例えば、特開平１１−６８１９８号公報参照）。このレーザ駆動装置は、ロジックゲートの電源電圧を直接制御することで光量を調整できるようになっているため、極めて安価に構成することができる。
【０００７】
次に、電流出力電圧駆動型のレーザ駆動装置として、電流源とレーザ素子とが直列に接続され、このレーザ素子に並列に接続される終端抵抗を用いて駆動電圧をレーザ素子の間近で発生させる構成のものが知られている（例えば、特開昭５９−１８９６４号公報参照）。このレーザ駆動装置の場合、出力が電流源より流れる電流であり、任意の電流を生成することは出力インピーダンスの低い電圧を多数生成するのに比較して容易である。
【０００８】
最後に、電流駆動型のレーザ駆動装置として、定電流回路で発生した電流を、電流スイッチでＯＮ／ＯＦＦ制御してレーザ素子に供給する構成のものが知られている（例えば、特開昭５７−１３７９０号公報参照）。従来、端面発光レーザの駆動には、この電流駆動型のレーザ駆動装置が一般的に使用されてきた。その理由は以下の通りである。
【０００９】
図２６に示すように、端面発光レーザでは印加電圧に対して駆動電流が指数関数的に増大していくため、電圧で制御しようとすると、バイアスポイントにより微分抵抗（ΔＶ／ΔＩ）が変動し、制御のための負帰還ループに非線型要素が入り込むため制御が難しくなる。これに対して電流で駆動すると、レーザ発振の閾値電流以上では、光量と電流とが比例するため負帰還ループが線形要素で構成されることになり、制御が容易となるためである。さらに、多数のレーザ素子を駆動しなければならない場合であっても、電流駆動であれば、比較的容易にレーザ素子ごとに電流源を設けることができるからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、レーザゼログラフィーに用いることができる面発光レーザと、従来の端面発光レーザとの駆動上の電気的な違いについて説明する。その違いは、図２６に示したように、従来の端面発光レーザではレーザ素子への印加電圧に対して電流が１００ｍＡ程度まで指数関数的に増大するのに対して、面発光レーザでは数１００μＡの小さな電流で電圧−電流特性が直線関係になることにある。
【００１１】
その理由は次の通りである。すなわち、面発光レーザをレーザゼログラフィーに用いる場合、レーザ光が拡散しないようにするためにシングルモードで発光させる必要があり、そのためには発光領域を絞らなければならない。発光領域を絞ることにより、接合面積が小さくなってしまい、図２７に示す面発光レーザの等価回路において、内部抵抗の抵抗値が高くなることに起因する。このため、小さい電流を流しただけで、電圧−電流特性が直線領域に入ってしまう。
【００１２】
一方、端面発光レーザの場合も、電流を増やしていくと、内部抵抗が原因で最終的に電圧−電流特性が直線になる。しかし、直線領域に入る電流値は、面発光レーザと比較すると一桁以上の違いがある。すなわち、端面発光レーザでは、図２８に示す等価回路において、内部抵抗の抵抗値が数１０Ωであるのに対して、面発光レーザでは、内部抵抗の抵抗値が数１００Ωとなり、一桁以上大きな値となっている。
【００１３】
面発光レーザではさらに、レーザゼログラフィーにおいて、より高解像度化、より高速化の要求に応えるべく、多数のレーザ光を発光する多数の発光部を具備した場合、多数の発光部を駆動しなければならないため駆動装置が大きくなる傾向にある。このため、図２９に示すように、引き回し配線の配線距離が長くなってしまう。また、図２９から明らかなように、多数の引き回し配線が並行に並ぶことになるため、寄生容量が大きくなったり、線間容量や共通インピーダンスによるクロストークが生じ易くなる。
【００１４】
変調速度の点から見ると、端面発光レーザの場合、内部抵抗の抵抗値が小さく（図２８を参照）、図３０に示すように、引き回し配線は短く、寄生容量が小さい。この結果、内部抵抗の抵抗値Ｒおよび寄生容量の容量値Ｃで決まる時定数τが小さいため、図３２に示すように、駆動電流波形の立ち上がり、立ち下がりは急峻になる。一方、面発光レーザの場合、上述したように、内部抵抗の抵抗値が大きく（図２７を参照）、しかも配線長が長く、隣接配線との寄生容量を含めた容量が大きいため、時定数τが大きくなる。したがって、図３１に示すように、駆動電流波形の立ち上がり、立ち下がりが非常に緩慢になる。
【００１５】
先述した従来例に係る電流駆動型レーザ駆動装置では、端面発光レーザの場合は１ｎｓｅｃ近くで立ち上がる。これに対して、面発光レーザの場合は時定数が端面発光レーザの時定数に比べて数１０倍になり、変調速度は数１０ＭＨｚ程度である。これは、発光するレーザ光のビーム数が多いにも拘わらず、全体的に変調速度が上がらないことを意味する。したがって、この変調速度を大幅に改善しなければ、レーザゼログラフィーにおいてそのレーザ光源として面発光レーザを使うメリットは生じない。
【００１６】
以上の観点から、多数のレーザ光ビームを出射可能な面発光レーザを駆動するには、電流駆動型駆動装置よりも電圧駆動型駆動装置の方が有利である。すなわち、電流駆動型駆動装置が理想的な電流源を持ち、電圧駆動型駆動装置が理想的な電圧源を持つと仮定すると、駆動対象としての内部抵抗Ｒｉを持つ発光素子の駆動端における浮遊容量Ｃに関してこれらに並列に、それぞれ、無限大、零の抵抗値Ｒｏを持つと考えられる。したがって、立ち上がり、立ち下がりの速度を定める時定数ＣＲの抵抗分Ｒは、ＲｏとＲｉの並列合成抵抗と見なせ、前者が発光素子の内部抵抗、後者が駆動装置側の抵抗値が支配的となる。また、電流出力電圧駆動型駆動装置の場合、電流出力をレーザ素子と並列に接続した抵抗に流し、その電圧降下でレーザ素子を駆動する方式もあるが、変調速度を上げるには並列抵抗の抵抗値を下げねばならず、その分消費電流が大幅に増大する。
【００１７】
ここで再度、先述した特開平１１−６８１９８号公報に記載の電圧駆動型レーザ駆動装置について考察する。この従来例に係る電圧駆動型レーザ駆動装置は、図３３に示すように、ＣＭＯＳのロジックゲート１０１を使い、グランドレベルと電源電圧との２つの電位を切り替えて抵抗１０２を介してレーザ素子１０３に印加するとともに、レーザ素子１０３から出力されるバック光をフォトダイオード１０４で受光し、その受光量に基づいてフィードバック回路１０５を介してロジックゲート１０１の電源電圧を直接制御することにより、レーザ素子１０３が所望の光量で発光するようにその光量制御を自動的に行う構成となっている。また、フィードバック回路１０５には、光量制御のための電圧源１０６が設けられている。
【００１８】
しかしながら、上記構成の従来例に係る電圧駆動型レーザ駆動装置では、ロジックゲート１０１とレーザ素子１０３との間に抵抗１０２を設けて実質的には電流駆動することで制御性を確保している。これにより、この従来例に係る電圧駆動型レーザ駆動装置で面発光レーザを駆動するとした場合には、面発光レーザとの間に介在する抵抗１０２が変調速度を抑える原因となるため、変調速度の高速化の妨げとなってしまう。
【００１９】
また、駆動の対象としている面発光レーザをレーザゼログラフィーに適用しようとした場合には、多数の発光部の各々について自動光量制御を行わなければならないため、駆動のためのロジックゲート１０１ごとに電圧源１０６を個別に設ける必要がある。さらに、通常、ロジックゲートの電源は共通になっていることから、複数のゲートを含む１個のＩＣで個別にレーザ（発光部）を制御することはできない。
【００２０】
またこのとき、電圧源１０６に要求される性能としては、出力インピーダンスが低くなければならない。そのためには、電源出力のデカップリングコンデンサをＩＣチップ内に設けたり、電源回路の出力インピーダンスを下げるためには一般的にバイアス電流を増加するなどの対策を講じる必要がある。しかしながら、デカップリングコンデンサを設けたり、バイアス電流を増加するなどの対策を講じた場合、実装上および消費電力の観点からＩＣチップを設計する上で大きな制約となる。
【００２１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、消費電力を増すことなく、かつＩＣ化の制約もなく、面発光レーザなどの発光素子を電圧駆動にて駆動し、変調速度の高速化を可能とした発光素子駆動装置および発光素子駆動システムを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発光素子駆動装置は、直流電流を流して発光させる面発光型レーザ素子の駆動端に対して、入力データに対応した電圧を実質的に直接印加することによって面発光型レーザ素子を駆動する構成となっている。かかる構成の発光素子駆動装置において、当該駆動装置とその駆動対象となる面発光型レーザ素子の駆動端との間には変調速度を抑える原因となる抵抗成分が介在しない。したがって、面発光型レーザ素子を実質的に直接電圧駆動できるため高い変調速度を実現できる。
【００２３】
特に、電圧源とこの電圧源と面発光型レーザ素子との間に挿入され入力データに基づいて制御されるスイッチ手段とを有し、電圧源の出力端から面発光型レーザ素子の駆動端までの抵抗値が面発光型レーザ素子の内部抵抗値よりも小さく設定された構成となっている。この構成により、スイッチ手段は電圧源から与えられる電圧を入力データに基づいて選択的に面発光型レーザ素子の駆動端に印加する。このとき、電圧の立ち上がり時定数は、電圧源の出力端から面発光型レーザ素子の駆動端までの抵抗と面発光型レーザ素子の内部抵抗との並列合成抵抗と、スイッチ手段と配線に起因する寄生容量との積で決定される。したがって、電圧源の出力端から面発光型レーザ素子の駆動端までの抵抗値が面発光型レーザ素子の内部抵抗値よりも小さいことで、面発光型レーザ素子の駆動電圧の立ち上がり時定数を小さくできる。なお、理想的な電圧源の出力抵抗はゼロである。
【００２４】
さらに、電圧源に流れる電流が面発光型レーザ素子に流れる電流よりも小さく設定された構成となっている。この構成により、電圧源に流れる電流が面発光型レーザ素子に流れる電流よりも小さいことで、高速駆動を実現する場合であっても、電圧源での消費電力が低く抑えられ、駆動装置全体の低消費電力化が図れるためＩＣ化が容易になる。因みに、エミッタフォロワ（または、ソースフォロワ）での駆動を考えた場合には、高速駆動を実現しようとすると、エミッタフォロワのトランジスタに面発光型レーザ素子に流す電流よりも大きな電流を流さなければならないため、駆動装置の消費電力が大きくなり、駆動装置のＩＣ化が困難になる。
【００２５】
そして、電圧源が出力を負帰還する負帰還ループを持ち、所定入力電圧を増幅するバッファアンプを有する構成となっており、バッファアンプが負帰還ループを持つことで、電圧源に流れる電流を面発光型レーザ素子に流れる電流よりも小さく設定できる。しかも、出力インピーダンスを無視できる程度に小さく設定できることから、負荷電流の有無によらずスイッチ手段の出力電位が一定に制御されるため、スイッチ手段のオン／オフに伴って駆動電圧が変動するのを防止できる。
【００２６】
さらに、電圧源がバッファアンプの出力に、スイッチ手段からみた面発光型レーザ素子の寄生容量の容量値よりも大きな容量値のデカップリングコンデンサを持つ構成となっており、当該デカップリングコンデンサは、バッファアンプの出力に一端が接続され、他端が接地されており、負帰還による出力インピーダンスの低減効果が周波数と共に減少するのを補償する。また、デカップリングコンデンサの容量値がスイッチ手段からみた面発光型レーザ素子の寄生容量の容量値よりも大きいことで、負荷の有無で出力電圧が変動するのを抑える。
【００２８】
請求項２記載の発光素子駆動装置は、請求項１記載の発光素子駆動装置において、バッファアンプの入力側に光量制御時の制御電圧を保持する入力側保持手段を有する構成となっている。かかる構成の発光素子駆動装置において、レーザゼログラフィーでのレーザ駆動のように、画像データによって面発光型レーザ素子の点灯と消灯とが制御され、その間光量制御ができないが、光量制御の電圧に対応した電圧が入力側保持手段に保持されていれば、これを基にして負帰還制御することなしに、画像データ領域（変調領域）で面発光型レーザ素子を所望の光量で変調することが可能になる。光量制御時の制御電圧を入力側保持手段に保持しておくことで、自動光量制御モードへの移行を速やかに行うことができる。
【００５５】
請求項３記載の発光素子駆動システムは、複数の面発光型レーザ素子に対応して複数設けられた請求項１記載の発光素子駆動装置と、複数の面発光型レーザ素子の光量を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に対応した電圧と基準電圧とを比較してその誤差分を増幅する誤差増幅手段とを備え、発光素子駆動装置の各々が誤差増幅手段の出力に基づいて面発光型レーザ素子を駆動する構成となっている。かかる構成の発光素子駆動システムにおいて、面発光型レーザ素子の光量を検出し、それを発光素子駆動装置の各々にフィードバックすることで、複数の面発光型レーザ素子の各光量が常に一定になるように制御できる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００５９】
［基本概念］
図１は、本発明に係る発光素子駆動装置の基本概念を示すブロック図である。ここでは、駆動の対象となる発光素子として、例えば、各々レーザ光を発光する多数（ｎ個）の発光部ＬＤ１〜ＬＤｎを有する面発光レーザ１１を用いた場合を例に採って示している。図１において、面発光レーザ１１のｎ個の発光部ＬＤ１〜ＬＤｎは、例えば各カソードが接地され、各アノードが駆動端となってスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各出力端子ｃにそれぞれ接続されている。
【００６０】
スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各一方の入力端子ａには、発光部ＬＤ１〜ＬＤｎをそれぞれ順バイアス状態にしかつレーザ発振閾値電圧よりも低いバイアス電圧Ｖｂｉａｓが第１の電圧源１２から共通に与えられる。スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各他方の入力端子ｂには、発光部ＬＤ１〜ＬＤｎをそれぞれ順バイアス状態にしかつレーザ発振閾値電圧以上の駆動電圧（制御電圧）Ｖ１〜Ｖｎが第２の電圧源（可変電圧源）１３から個別に与えられる。
【００６１】
第２の電圧源１３は、駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎをそれぞれ非反転（＋）入力とするオペアンプＯＰ１〜ＯＰｎを有し、その出力電位をその反転（−）入力として帰還する構成となっている。なお、基本的な考え方としては、オペアンプＯＰ１〜ＯＰｎを省略し、駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎを直接スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各他方の入力端子ｂに与える構成であっても良い。
【００６２】
スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓと駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎとを適宜切り替えて面発光レーザ１１の各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎに印加する。具体的には、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎに対して駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎを印加する前に、入力端子ａ側に切り替わった状態にあってレーザ発振閾値電圧よりも低いバイアス電圧Ｖｂｉａｓを各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎにあらかじめ印加しておき、その後に入力端子ｂ側に切り替わってレーザ発振閾値電圧以上の駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎを各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎに印加する。スイッチＳＷ１〜ＳＷｎとしては、例えばＣＭＯＳトランスファーゲートを用いる。
【００６３】
このように、面発光レーザ１１の発光部ＬＤ１〜ＬＤｎの駆動端（アノード）に対してスイッチＳＷ１〜ＳＷｎで選択した駆動電圧Ｖ１〜ＶｎをスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各出力端子ｃから直接印加して各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎを駆動することにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各出力端子と発光部ＬＤ１〜ＬＤｎの各駆動端との間には変調速度を抑える原因となる抵抗成分が存在しないため、高い変調速度を実現できる。
【００６４】
また、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎによってバイアス電圧Ｖｂｉａｓと駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎとを適宜切り替えて面発光レーザ１１の各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎに印加する、具体的には、レーザ消灯時には順バイアスであってレーザ発振閾値電圧よりも低い電圧をあらかじめ印加しておくことにより、変調時の印加電圧の振幅を小さく抑えることができるため、変調モードに迅速に移行できる。
【００６５】
しかも、各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎごとに駆動電圧Ｖ１〜Ｖｎを個別に制御してレーザ光量を均一化できるとともに、電圧源１２，１３さえ理想的であればスイッチＳＷ１〜ＳＷｎのスイッチング速度まで変調速度を上げることができる。スイッチＳＷ１〜ＳＷｎとしてサブミクロンＭＯＳによるトランスファーゲートを使用すれば、スイッチング時間（速度）を１ｎｓｅｃ以下とすることも可能である。その結果、面発光レーザ１１の各発光部ＬＤ１〜ＬＤｎに対して、個別の光量制御と高速変調とを両立できる面発光レーザ駆動装置を実現できる。
【００６６】
ここで、電圧源１２，１３が理想的であると仮定したが、ここで言う理想的な電圧源とは、周波数によらず出力インピーダンスが数１０Ω以下であるような電圧源である。
【００６７】
ところで、本発明に係る発光素子駆動装置は電圧駆動型であるが、回路素子を直接電圧で駆動すること自体は周知の技術である（例えば、特開昭５７−７６８８４号公報参照）。ここで、この周知技術に示されているような電圧駆動を想定してこれにスイッチＳＷを付加し、図２に示すように、スイッチＳＷの一方の入力端子ａにバイアス電圧Ｖｂｉａｓを、他方の入力端子ｂにエミッタフォロワのトランジスタＱを通して駆動電圧Ｖｄｒｉｖｅをそれぞれ与えることによって面発光レーザ（発光部）ＬＤを駆動する場合を考える。
【００６８】
ここでは、バイポーラトランジスタによるエミッタフォロワとしたが、これはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）によるソースフォロワや、アバランシェダイオードやツェナーダイオードなどの定電圧素子を使っても同様である。このような素子は等価的には、図３に示すように、電圧源Ｖｐと内部抵抗Ｒｐで表される。また、スイッチＳＷｄが切り替わった瞬間に電圧が変動しないようにデカップリングコンデンサＣを入れて駆動パルスの立ち上がり特性を改善することが通常行われる。
【００６９】
図３に示す等価回路において、エミッタフォロワのトランジスタＱに面発光レーザＬＤと同程度の電流を流した場合には、スイッチＳＷｄをＶｂ側（バイアス電圧側）→Ｖｐ側（駆動電圧側）→Ｖｂ側と切り替えると、図４の波形図に示すように、Ｖｂ側に切り替えた瞬間のＢ点電位が時定数Ｒｐ×Ｃで減少し、最終的に、面発光レーザＬＤへの電流によるスイッチＳＷｄの内部抵抗Ｒｓｗ１と内部抵抗Ｒｐでの電圧降下分だけ低い値となる。
【００７０】
このように、面発光レーザＬＤをＯＮした後にレーザ駆動電圧（Ｂ点の電位）が変動するのは、スイッチＳＷｄがＶｂ側に接続されていて電圧源Ｖｐが無負荷の状態になると、電圧源Ｖｐの内部抵抗Ｒｐによる電圧降下がなくなり、デカップリングコンデンサＣが電圧源Ｖｐの開放端子電圧によって充電されるためである。すなわち、電圧源Ｖｐの内部抵抗Ｒｐがあると、面発光レーザＬＤを点灯した瞬間にオーバーシュートを生じる。
【００７１】
また、エミッタフォロワ（または、ソースフォロワ）の場合には、高速駆動を実現しようとすると、エミッタフォロワのトランジスタＱに面発光レーザＬＤに流す電流よりも大きな電流を流さなければならないため、駆動装置の消費電力が大きくなってしまう。特に、発光部を多数有する面発光レーザの駆動を考えた場合には、発光部の数だけ用意されたエミッタフォロワのトランジスタＱの各々に大きな電流が流れることになり、駆動装置全体の消費電力も極めて大きなものとなるため、駆動装置のＩＣ化が困難になる。
【００７２】
これに対して、図５に１チャンネル分の回路構成を示す本基本概念に基づく技術では、図６に示す等価回路において、電圧源ＶｐとしてＡ点の電位を帰還することで、Ａ点のインピーダンスを無視できる程度に小さくしたオペアンプＯＰを使用している。また、負帰還による出力インピーダンスの低減効果は周波数と共に減少するため、その補償用にデカップリングコンデンサＣを接続する。
【００７３】
このように、全周波数帯域に亘って出力インピーダンス（＝内部抵抗）を無視できるようにした電圧源を接続すると、負荷電流の有無によらずＢ点の電位が一定に制御されていることから、図７に示すように、スイッチＳＷｄのＯＮ／ＯＦＦに伴う駆動電圧の変動は防止できる。
【００７４】
また、フィードバックによって電圧が安定化された電圧源出力端子にデカップリングコンデンサＣが接続されていることにより、負荷の有無で出力電位が変わらないため、レーザ点灯時のオーバーシュートを防止できる。デカップリングコンデンサＣには、その容量値をスイッチＳＷｄからみた面発光レーザＬＤの駆動端の寄生容量の容量値よりも大きく設定することで、電圧変動の抑制効果を持たせることができる。
【００７５】
また、レーザ点灯時の駆動パルス（電圧パルス）の立ち上がり時定数τは、電圧源出力端子から面発光レーザＬＤの駆動端までの抵抗、即ち図６に示す等価回路でのスイッチＳＷｄの内部抵抗Ｒｓｗ１と面発光レーザＬＤの内部抵抗Ｒｌｄとの合成並列抵抗の抵抗値と、スイッチＩＣと配線に起因する寄生容量Ｃｓの容量値との積で決定される。したがって、少なくとも電圧源出力端子から面発光レーザＬＤの駆動端までの抵抗値を面発光レーザＬＤの微分抵抗値（数１００Ω）よりも小さく設定することで、レーザ点灯時の駆動パルスの立ち上がり時定数τを小さく（短く）することができる。
【００７６】
ここで、寄生容量Ｃｓの容量値は、ＩＣの入出力容量にプリント基板配線での寄生容量の容量値を加えて数１０ｐＦ程度となるため、立ち上がりを１ｎｓｅｃ程度にするためには１００Ω以下にする必要があるが、最近のＣＭＯＳトランジスタをスイッチに使用すれば容易にオン抵抗として数１０Ωが実現できるため変調速度には何ら障害とはならない。
【００７７】
さらに、本基本概念に基づく技術においては、第２の電圧源１３を構成するオペアンプＯＰに流れる電流を、面発光レーザＬＤに流れる電流よりも小さく設定した構成を採っていることから、発光部を多数有する面発光レーザの高速駆動を実現する場合であっても、個々のオペアンプＯＰでの消費電力を低く抑えることができ、駆動装置全体の低消費電力化が図れるため容易にＩＣ化できる。
【００７８】
ここで、オペアンプＯＰに流れる電流とは、オペアンプＯＰの最終段を構成するトランジスタに流れる平均電流である。また、第２電圧源１３においては、オペアンプＯＰに負帰還を施す回路構成を採ることで、オペアンプＯＰの最終段を構成するトランジスタに流れる平均電流を、面発光レーザＬＤに流れる電流よりも小さく設定するようにしている。
【００７９】
［第１実施形態］
図８は、本発明の第１実施形態に係る発光素子駆動装置、例えば面発光レーザ駆動装置を用いた駆動システムの構成例を示す回路図である。本実施形態では、例えば３６個の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６を有する面発光レーザ２１を駆動対象の発光素子として用いている。
【００８０】
図８において、本実施形態に係る面発光レーザ駆動システムは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを発生する第１の電圧源２２、駆動電圧（制御電圧）を発生する第２の電圧源（可変電圧源）２３および面発光レーザ２１の光量を検出する光量検出回路２４を有する構成となっており、第１の電圧源２２および第２の電圧源２３が図１の第１の電圧源１２および第２の電圧源１３にそれぞれ対応している。
【００８１】
第１の電圧源２２で発生されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓは、発光部（レーザ）ＬＤが消灯時に当該発光部ＬＤに印加する電圧を決めており、変調速度を上げるために発光部ＬＤが発光しない条件でなるべく高い電圧に設定されている。通常は、複数の発光部のうちの最も低いレーザ発振閾値電圧を基準にこれよりもわずかに低い電圧に設定される。
【００８２】
第２の電圧源２３は、アンプ２３１、可変抵抗ＶＲ、バッファ２３２、スイッチＳＷ１、面発光レーザ２１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６にそれぞれ対応して設けられた３６チャンネル（ｃｈ）分の駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６、スイッチＳＷｆｂ１〜ＳＷｆｂ３６およびコンデンサＣｆｂ１〜Ｃｆｂ３６を有する構成となっている。
【００８３】
アンプ２３１は、目標とするレーザパワーに対応して設定された基準電圧Ｖｒｅｆを非反転（＋）入力とし、光量検出回路２４からスイッチＳＷ１を介して供給される検出信号を反転（−）入力としている。スイッチＳＷｆｂ１〜ＳＷｆｂ３６とコンデンサＣｆｂ１〜Ｃｆｂ３６とは面発光レーザ２１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６にそれぞれ対応して設けられたものであり、スイッチＳＷｆｂ１とコンデンサＣｆｂ１、スイッチＳＷｆｂ２とコンデンサＣｆｂ２、………という具合に、それぞれアンプ２３１の反転入力端子と出力端子との間に直列に接続されている。
【００８４】
可変抵抗ＶＲはアンプ２３１の出力端子とバイアス電圧Ｖｂｉａｓが与えられるバイアスラインＬとの間に接続されている。バイアスラインＬとグランドとの間にはコンデンサＣ１が接続されている。そして、アンプ２３１の出力電圧は、可変抵抗ＶＲおよびバッファ２３２を通して駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６に制御電圧Ｖｃｏｎｔとして与えられる。また、駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６には、バイアスラインＬを経由してバイアス電圧Ｖｂｉａｓが共通に与えられる。
【００８５】
なお、本例では、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを３６ｃｈ分の駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６の全てに対して共通に与えるとしたが、面発光レーザ２１の３６個の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６間でレーザ発振閾値電圧に大きなばらつきがある場合には、電圧値の異なるバイアス電圧Ｖｂｉａｓを複数用意し、発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６個々に、あるいはレーザ発振閾値電圧が近いもの同士をグループにして各グループごとに最適に近い電圧値のバイアス電圧Ｖｂｉａｓを与えるようにすることも可能である。これによれば、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを３６ｃｈ分設ける場合に比較して回路構成を複雑化することなく、レーザ発振閾値電圧のばらつきに対応することができる。
【００８６】
３６ｃｈ分の駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６は、全て同じ回路構成となっている。したがって、その具体的な回路構成については、１ｃｈ分の駆動制御回路２３３の回路構成を拡大して示す図９を用いて説明する。なお、駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６は、図１のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ（ｎ＝３６）を含む構成となっている。
【００８７】
図９から明らかなように、駆動制御回路２３３は、アンプ２３５、抵抗Ｒ１、３個のコンデンサＣｓｈ，Ｃｐ，Ｃｌｄ、８個のスイッチＳＷｓｈ，ＳＷｐ，ＳＷｎ，ＳＷｓｈｐ，ＳＷｓ，ＳＷｄ，ＳＷｃ，ＳＷｅおよび３個の電流源Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を有する構成となっている。
【００８８】
抵抗Ｒ１の一端には、第２の電圧源２３から供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔが与えられる。スイッチＳＷｓｈは、その入力端が抵抗Ｒ１の他端に接続され、その出力端がアンプ２３５の反転入力（−）端子に接続されている。コンデンサＣｓｈは、アンプ２３５の反転入力端子とグランドとの間に接続されている。アンプ２３５の非反転（＋）入力端子はノードＮ１に接続されている。なお、ここでは、アンプ２３５の反転入力端子側にスイッチＳＷｓｈを接続したが、スイッチＳＷｓｈで発生するスイッチングノイズや、スイッチＳＷｓｈや抵抗Ｒ１に起因するリークを避けるために、スイッチや抵抗の接続順序や形態を変更することも可能である。
【００８９】
電流源Ｉ１およびスイッチＳＷｐは、電源ＶｃｃとノードＮ１との間に直列に接続されている。電流源Ｉ１は、その電流Ｉｐがアンプ２３５の出力電圧によって制御される。スイッチＳＷｎおよび電流源Ｉ２は、ノードＮ１とグランドとの間に直列に接続されている。スイッチＳＷｐおよびスイッチＳＷｎは、ノーマルクローズのスイッチである。
【００９０】
電流源Ｉ３およびスイッチＳＷｓは、電源Ｖｃｃと面発光レーザ２１の発光部ＬＤのアノードが接続されるノードＮ２との間に直列に接続されている。スイッチＳＷｓｈｐは、その一方の端子がアンプ２３５の出力に、その他方の端子が電流源３にそれぞれ接続されている。コンデンサＣｐは、電源ＶｃｃとスイッチＳＷｓｈｐの他方の端子との間に接続されている。電流源Ｉ１〜Ｉ３は、例えばカレントミラー回路によって構成される。
【００９１】
スイッチＳＷｃおよびコンデンサ（デカップリングコンデンサ）Ｃｌｄは、ノードＮ２とグランドとの間に直列に接続されている。スイッチＳＷｄは、その一方の入力端子ｂがノードＮ１に、その出力端子ｃがノードＮ２にそれぞれ接続され、その他方の入力端子ａには第１の電圧源２１からバイアス電圧Ｖｂｉａｓが与えられる。スイッチＳＷｅは、ノードＮ１とコンデンサＣｌｄおよびスイッチＳＷｃの接続点との間に接続されている。
【００９２】
再び図８において、光量検出回路２４は、面発光レーザ２１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６が発するレーザ光を検出する光検出器として、例えばフォトダイオードＰＤを用いている。このフォトダイオードＰＤは、そのカソードが電源Ｖｃｃに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードには抵抗Ｒの一端が接続されている。抵抗Ｒの他端は接地されている。フォトダイオードＰＤのアノードと抵抗Ｒの一端との接続点には、アンプ２４１の非反転入力端子が接続されている。この反転入力端子には、スイッチＳＷ２を介して先述した基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。アンプ２４１は、その反転入力端子と出力端子とが接続された構成となっている。
【００９３】
かかる構成の光量検出回路２４は、フォトダイオードＰＤが面発光レーザ２１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６が発するレーザ光を検出することで、その光量に応じた検出信号を出力する。この光量検出回路２４の検出信号、即ちアンプ２４１の出力信号は、先述した第２の電圧源２３におけるアンプ２３１の反転入力端子にスイッチＳＷ１を介して供給される。すなわち、光量検出回路２４の検出信号を第２の電圧源２３を経由して駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６に帰還することで、面発光レーザ２１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６の各レーザパワーを、基準電圧Ｖｒｅｆで規定されるパワーになるように制御する自動光量制御（以下、ＡＰＣ：オートパワーコントロールと記す）を行うフィードバック系が構成されている。
【００９４】
次に、上記構成の本実施例に係る面発光レーザ駆動回路の回路動作について、図８および図９を用いて説明する。そのタイミングチャートを図１０に示す。なお、図１０のタイミングチャートには、１回のＡＰＣモードで面発光レーザ２１の３６個の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６についてＡＰＣを順に実行し、これを４回分繰り返した後、変調モードに移行する場合を例に採って示している。
【００９５】
また、図１０のタイミングチャートにおいては、第２の電圧源２３のスイッチＳＷｆｂおよびスイッチＳＷ１、駆動制御回路２３３のスイッチＳＷｓｈ，ＳＷｐ，ＳＷｎ，ＳＷｓｈｐ，ＳＷｓ，ＳＷｄ，ＳＷｃ，ＳＷｅ、並びに光量検出回路２４のスイッチＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦ制御する各スイッチングパルスについては正論理で、また識別を容易にするために各スイッチと同一符号を付して示している。
【００９６】
駆動制御回路２３３において、スイッチＳＷｄは端子ａ側に接続された図示の状態がＯＦＦ、端子ｂ側に接続された状態がＯＮとする。スイッチＳＷｃは面発光レーザ２１の発光部ＬＤがＯＮしたときにアノード電位が速やかに規定電位となるように同時にＯＮ状態となる。さらに、発光部ＬＤがＯＦＦするときにはスイッチＳＷｅをＯＮすることで、発光部ＬＤをＯＮしたときのアノード電圧をデカップリングコンデンサＣｌｄに充電する。
【００９７】
先ず、電源投入（ＰｏｗｅｒＯＮ）後、時刻Ｔ０−でスイッチＳＷｆｂ１、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷｓｈ、スイッチＳＷｓ、スイッチＳＷｓｈｐおよびスイッチＳＷｄがＯＮ状態、スイッチＳＷｐ、スイッチＳＷｎ、スイッチＳＷｃおよびスイッチＳＷｅがＯＦＦ状態となる。このとき、電流源Ｉ３の電流ＩｓがスイッチＳＷｓを経由して発光部ＬＤ１に流れる。これにより、発光部ＬＤ１が点灯する。
【００９８】
発光部ＬＤ１が点灯すると、そのレーザ光を光量検出回路２４のフォトダイオードＰＤが受光し、フォトダイオードＰＤにはその光量に応じた電流が流れる。このフォトダイオードＰＤに流れる電流は抵抗Ｒにより電圧に変換され、アンプ２４１で増幅されて発光部ＬＤ１のレーザパワーに応じた検出電圧として出力される。
【００９９】
この検出電圧は第２の基準電圧源２３に供給され、スイッチＳＷ１を経由してアンプ（誤差増幅器）２３１の反転入力となる。アンプ２３１は、この検出電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差分（誤差電圧）を増幅して出力する。アンプ２３１の出力電圧は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓとの差電圧が可変抵抗ＶＲで分圧された電圧として得られ、バッファ２３２を経由してｃｈ１の駆動制御回路２３３−１に供給される。
【０１００】
駆動制御回路２３３−１、即ち図９に示す駆動制御回路２３３において、バッファ２３２を経由して入力された制御電圧Ｖｃｏｎｔは、抵抗Ｒ１およびスイッチＳＷｓｈを介してアンプ（オペアンプ）２３５に供給される。アンプ２３５はその入力電圧に応じて電流源Ｉ１の電流Ｉｐを制御することで、発光部ＬＤ１のレーザパワーを制御する。このフィードバック制御により、最終的には、光量検出回路２４の検出電圧が基準電圧Ｖｒｅｆと一致して収束する。以上の一連の制御がＡＰＣ（自動光量制御）である。
【０１０１】
このあと、スイッチＳＷｆｂ１、スイッチＳＷｓｈｐおよびスイッチＳＷｓｈをＯＦＦすると、そのときのそれぞれの制御電圧が直列に接続されているコンデンサＣｆｂ１、コンデンサＣｐおよびコンデンサＣｓｈに保持される。このときコンデンサＣｆｂ１、コンデンサＣｐおよびコンデンサＣｓｈに保持される電圧はそれぞれｃｈ１でのアンプ２３１の出力電圧、発光部ＬＤ１に対する駆動電流を設定する制御電圧およびそのときの発光部ＬＤ１の端子電圧となる。
【０１０２】
以上の動作を面発光レーザ２１の発光部ＬＤの数（本例では、３６個）だけ連続的に繰り返すことにより、３６チャンネル分の駆動制御回路２３３−１〜２３３−３６の全制御電圧を、アンプ２３１の反転入力端子と出力端子との間に接続された３６個のコンデンサＣｆｂ１〜Ｃｆｂ３６に保持する。そして、３６チャンネルのＡＰＣを終了したら、スイッチＳＷ１をＯＦＦにするとともに、スイッチＳＷｆｂ１をＯＮ状態にしてｃｈ１での制御電圧をアンプ２３１の出力電圧として次のＡＰＣに備える。
【０１０３】
また、次のＡＰＣまでは光量検出回路２４のスイッチＳＷ２をＯＮし、アンプ２４１の出力電圧が変調期間の間基準電圧Ｖｒｅｆになるようにしておく。これにより、次のＡＰＣ開始時にフォトダイオードＰＤの検出出力が定常状態になるのに要する時間を短縮できる。この結果、次にＡＰＣが開始されたときに各ノードは先程の光量制御時の最終電圧から負帰還制御が行われるため、必ずしも一回の制御で最終電圧まで収束させる必要がない。このことは、特にレーザ光を主走査方向に走査する光学走査系にポリゴンミラーを用いたレーザゼログラフィーでは重要で、間欠的に制御を行うことで感光体に対する不要な露光を防止し、感光体の劣化を抑えることができる。
【０１０４】
第２の電圧源２３において、アンプ２３１の出力端子に一端が接続された可変抵抗ＶＲは負帰還のゲインを調整するために設けられたものであり、負帰還ループの安定性と精度を両立できるようにその抵抗比、即ちアンプ２３１の出力電圧とバイアス電圧Ｖｂｉａｓとの差電圧の分圧比が設定される。
【０１０５】
また、可変抵抗ＶＲの他端がバイアス電圧ＶｂｉａｓのバイアスラインＬに接続されているが、これは発光部ＬＤの端子電圧がレーザ発振閾値電圧以上で制御されているための処置である。このようにすることで、負帰還ループのゲインを小さくしてもバッファ２３２に供給する電圧が、レーザ発振閾値電圧よりも低くなり、制御不能となることを防止している。なお、ここでは、可変抵抗ＶＲの他端にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを与えるとしたが、別に電源を設けて当該電源から所定の電源電圧を与えるようにしても良く、このようにすることで、より細かく制御することもできる。
【０１０６】
図９に示す駆動制御回路２３３において、コンデンサ（デカップリングコンデンサ）ＣｌｄはスイッチＳＷｄがＯＮとなり、発光部ＬＤに電流が流れた瞬間にスイッチＳＷｃをＯＮして発光部ＬＤの端子電圧が速やかに本来の駆動電圧となるようにしている。しかし、コンデンサＣｌｄの容量値は限られているので、コンデンサＣｌｄだけではいずれ端子電圧は低下してレーザ光量も低下する。これを補償するために、負帰還したアンプ２３５がスイッチＳＷｄを経由して接続されている。したがって、コンデンサＣｌｄの容量値はアンプ２３５の応答速度から決められる。
【０１０７】
通常、ＣＭＯＳオペアンプでは応答するのに１μｓｅｃ程度の時間が必要なため、アンプ２３５としてＣＭＯＳオペアンプを用いる場合には、１μｓｅｃでコンデンサＣｌｄの端子電圧が落ちる程度が許容変動以内となるように設定する。具体的には、面発光レーザ２１の駆動電流が１ｍＡであるならば、電圧変動は１／Ｃ×１ｍＡ×１μｓｅｃ＝１／Ｃ×１０^-9となる。
【０１０８】
許容光量変動を２％とし、面発光レーザ２１の内部抵抗を５００Ωとし、光量許容変動に対する電圧変動が１０ｍＶと仮定すると、コンデンサＣｌｄの容量Ｃとして０．１μＦが必要となる。しかしこの値は本駆動装置全体を１チップのＩＣに収めようとすると大きすぎる。また、このようなコンデンサを例えばＩＣチップの外部に接続するなどして実現できたとしても、アンプ２３５の出力電位、即ち内部の制御電位が負荷変動によって変化するためスイッチＳＷｄがＯＮした瞬間に発光部ＬＤの端子電圧は変動する。そして、負帰還が収束するまでの間２％とは言え電圧源出力が不安定となる。
【０１０９】
この対策として、スイッチＳＷｄと同期してスイッチＳＷｓをＯＮさせ、レーザ駆動電流、即ち電流源Ｉ３の電流Ｉｓを、補償電流として発光部ＬＤの駆動端（アノード）に流し込むようにしている。このようにすると、アンプ２３５からの出力電流変動、即ち電圧源の出力電流変動がスイッチＳＷｄの状態に関わらず小さく抑えられるため、スイッチＳＷｄがＯＮした際の負荷変動による電圧源の過渡的な電圧変動を防止することができる。さらにこのようにすると、コンデンサＣｌｄが発光部ＬＤの端子電圧を維持する時間は電流源Ｉ３が発光部ＬＤの駆動端に電流を流し始める時間までとなる。
【０１１０】
電流源Ｉ３を図１１のＭＯＳトランジスタＭ１０で構成した場合には、その応答性はオペアンプの応答性に比べてはるかに速いため、それだけコンデンサＣｌｄへの負担が小さくなる。その結果、コンデンサＣｌｄの容量値を小さくすることが可能となる。また、レーザ駆動電流が電流源Ｉ３から供給されるため、スイッチＳＷｄやスイッチＳＷｃのＯＮ抵抗による電圧変動は無視できるレベルまで小さくすることが可能となる。ここで必要なコンデンサＣｌｄの容量としては、レーザ端子に接続されている寄生容量を充電すれば良いため、寄生容量の１００倍から１０００倍程度となる。
【０１１１】
なお、図１０のタイミングチャートにおいて、例えば時刻Ｔ１を例にとると、時刻Ｔ１に対して僅かに位相が前後にずれた２つの時刻Ｔ１−，Ｔ１＋を示しているが、これらの時刻Ｔ１−，Ｔ１＋は標準の動作タイミングとなる時刻Ｔ１での動作に対して回路動作上、Ｓ／Ｈ（サンプルホールド）回路などオーバーラップして欲しくない動作に対するタイミングを表している。
【０１１２】
図１１は、図９に示す駆動制御回路２３３の具体的な回路構成を示す回路図であり、アンプ２３５およびスイッチＳＷｓｈ，ＳＷｐ，ＳＷｎ，ＳＷｓｈｐ，ＳＷｓ，ＳＷｄ，ＳＷｃ，ＳＷｅを、ＭＯＳトランジスタを用いて実現した場合を示している。なお、ここでは、図９に示す駆動制御回路２３３におけるスイッチＳＷｓｈ、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣｓｈについては省略して示している。また、図１１において、図９と同等部分には同一符号を付して示している。
【０１１３】
図１１において、アンプ２３５は、ソースが互いに接続されて差動対をなすＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２と、そのソース共通接続点とグランドとの間に接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ３と、差動対トランジスタＭ１，Ｍ２の各ドレインと電源Ｖｃｃとの間に接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ５とからなる通常のオペアンプの差動アンプで構成されている。
【０１１４】
上記構成のアンプ２３５において、ＭＯＳトランジスタＭ１のゲートには、抵抗Ｒ１およびスイッチＳＷｓｈを経由した制御電圧Ｖｃｏｎｔが与えられ、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートにはノードＮ１の電位が与えられる。ＭＯＳトランジスタＭ３は、そのゲートが一定電圧Ｖｇによってバイアスされることによって定電流回路を構成している。ＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ５は能動負荷であり、各ゲートが共通に接続されかつトランジスタＭ５がゲートとドレインが共通に接続されることによってカレントミラー回路を構成している。
【０１１５】
電源ＶｃｃとノードＮ１との間にはＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ６，Ｍ７が直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ６は電流源Ｉ１を構成しており、そのゲートにはアンプ２３５におけるＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン出力が与えられる。ＭＯＳトランジスタＭ７はスイッチＳＷｐを構成しており、そのゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｐｎを反転したスイッチングパルスＳＷｐｎＸが印加される。
【０１１６】
ノードＮ１とグランドとの間にはＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ８，Ｍ９が直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ８はスイッチＳＷｎを構成しており、そのゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｐｎが印加される。ＭＯＳトランジスタＭ９は電流源Ｉ２を構成しており、そのゲートには一定のバイアス電圧Ｖｇが与えられている。これらトランジスタＭ６〜Ｍ９もオペアンプとなっており、前段のアンプ２３５と共に２段のオペアンプを構成している。
【０１１７】
電源ＶｃｃとノードＮ１との間にはさらにＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ１０，Ｍ１１が直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１０は電流源Ｉ３を構成している。ＭＯＳトランジスタＭ１１はスイッチＳＷｓを構成し、そのゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｓを反転したスイッチングパルスＳＷｓＸが印加される。ＭＯＳトランジスタＭ１０のゲートと電源Ｖｃｃとの間にはコンデンサＣｐが接続されている。
【０１１８】
ＭＯＳトランジスタＭ６，Ｍ１０の各ゲート間には、ＰＭＯＳトランジスタＭ１２およびＮＭＯＳトランジスタＭ１３が並列に接続されている。これらＭＯＳトランジスタＭ１２，Ｍ１３はトランスファーゲートを構成し、ＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｓｈｐを反転したスイッチングパルスＳＷｓｈｐＸが印加され、ＭＯＳトランジスタＭ１３のゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｓｈｐが印加される。
【０１１９】
ここで、ＭＯＳトランジスタＭ６のゲートに印加される制御電圧は、ＣＭＯＳトランスファーゲート（Ｍ１２，Ｍ１３）を経由してＭＯＳトランジスタＭ１０のゲートにも印加され、ＡＰＣ時には、ＭＯＳトランジスタＭ１０で面発光レーザ２１の発光部ＬＤを駆動する。このとき、制御電圧はコンデンサＣｐに保持される。また、ＭＯＳトランジスタＭ１０，Ｍ１１については、望ましくはデュアルゲートＭＯＳトランジスタで構成する。これにより、両トランジスタＭ１０，Ｍ１１の接続部でのソース-ドレインの寄生容量を最小にできるため、トランジスタＭ１０で構成される電流源Ｉ３の立ち上がり速度（応答速度）を速くすることができる。
【０１２０】
ノードＮ１とノードＮ２との間にはＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ１４が接続され、Ｖｂｉａｓ電源とノードＮ２との間にはＰｃｈトランジスタＭ１５が接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１４，Ｍ１５はスイッチＳＷｄを構成し、ＭＯＳトランジスタＭ１４のゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｄを反転したスイッチングパルスＳＷｄＸが印加され、ＭＯＳトランジスタＭ１５のゲートにはスイッチングパルスＳＷｄが印加される。
【０１２１】
ノードＮ１とノードＮ２との間にはさらにＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ１６，Ｍ１７が直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１６はスイッチＳＷｅを構成し、そのゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｅを反転したスイッチングパルスＳＷｅＸが印加される。ＭＯＳトランジスタＭ１７はスイッチＳＷｃを構成し、そのゲートには図１０に示すスイッチングパルスＳＷｃを反転したスイッチングパルスＳＷｃＸが印加される。
【０１２２】
ＭＯＳトランジスタＭ１６のドレイン（ＭＯＳトランジスタＭ１７のソース）とグランドとの間にはコンデンサＣｌｄが接続されている。ここで、電流源Ｉ３はオペアンプによる電圧源に比較して圧倒的に速いことから、コンデンサＣｌｄで電圧変動を抑える寄与が小さくなるため、コンデンサＣｌｄの容量値を小さくすることができる。なお、Ｖｂｉａｓ電源は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを発生するための図８に示す第１の電圧源２２に相当する。
【０１２３】
アンプ２３５のＭＯＳトランジスタＭ２のドレインとＭＯＳトランジスタＭ２のゲート（ノードＮ１）との間には、抵抗Ｒ０およびコンデンサＣｃが直列に接続されている。抵抗Ｒ０はオペアンプ、即ちアンプ２３５の構成によるが、容量負荷による発振を防止するために設けられている。また、コンデンサＣｃは位相補償用のコンデンサである。
【０１２４】
ここで必要なことは、ノードＮ１の電位がオペアンプの入力側に負帰還されていて、ノードＮ１のインピーダンスが無視できるくらい小さくなっていることである。オペアンプの構成を工夫したり、容量負荷を発振なしに接続するための既存の技術はこの中に含まれるものである。
【０１２５】
なお、本実施例に係る面発光レーザ駆動装置では、面発光レーザ２１の発光部ＬＤのアノードを駆動端としており、アノードから駆動電流を流し込むことによって駆動するようになっている。このため、上記構成の駆動制御回路２３３においては、電流源として発光部ＬＤのアノードに対して電流を掃き出すタイプ（いわゆるソース）の構成を採る必要があることから、アンプ２３５の電流源をＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ３で、能動負荷をＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ５でそれぞれ構成している。
【０１２６】
しかしながら、この回路構成に限られるものではなく、アンプ２３５を構成するＭＯＳトランジスタを逆導電型とし、カレントミラー回路を用いて電流の向きを反転することにより、発光部ＬＤのアノードに対して電流を掃き出すタイプの電流源を構成することも可能である。その変形例に係る駆動制御回路２３３′の回路構成を図１２に示す。
【０１２７】
先の構成例に係る駆動制御回路２３３のアンプ２３５において、差動アンプがＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２、定電流回路がＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ３、カレントミラー回路がＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ５でそれぞれ構成されているのに対し、本変形例に係る駆動制御回路２３３′のアンプ２３５′では、差動アンプがＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ２１，Ｍ２２、定電流回路がＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ２３、カレントミラー回路がＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ２４，Ｍ２５でそれぞれ構成されている
【０１２８】
ＭＯＳトランジスタＭ２４，Ｍ２５の各ゲートにはさらに、ＮｃｈＭＯＳトランジスタＭ２６のゲートが接続されている。このＭＯＳトランジスタＭ２６は、ＭＯＳトランジスタＭ２４，Ｍ２５と共にカレントミラー回路を構成している。このカレントミラー回路は、アンプ２３５′に流れる電流の向きを反転して取り出している。この電流は、ゲートとドレインとが接続されたダイオード接続のＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ２７によって電圧に変換され、制御電圧としてＰｃｈＭＯＳトランジスタＭ１０のゲートに与えられる。
【０１２９】
上述したように、第１実施形態に係る面発光レーザ駆動装置においては、シングルモードで発光する面発光レーザは内部抵抗が大きい（端面発光レーザに比較して一桁以上大きい）ことに着目し、この面発光レーザの駆動端（本例では、アノード）を実質的に直接電圧駆動するようにしたことにより、その駆動端との間には変調速度を抑える原因となる抵抗成分が介在しないため、変調速度を高速化できる。
【０１３０】
そして、例えばレーザゼログラフィーの分野において、そのレーザ光源として多数のレーザ光ビームを出射する面発光レーザを用い、この面発光レーザの駆動に本実施形態に係る駆動装置を用いて面発光レーザの微分抵抗値（数１００Ω）よりも小さい出力インピーダンスの電圧源で駆動することにより、より高解像度化、より高速化に大きく寄与できることになる。
【０１３１】
一例として、２４００ｄｐｉ、２５６階調、３６ビームを想定した場合のプリント速度の電圧源出力インピーダンス依存性を図１３に示す。同図から明らかなように、電圧源出力インピーダンスが数１００Ωよりも小さくなるにつれて、プリント速度をより高速化でき、１０Ω程度で極めて高いプリント速度が得られることがわかる。
【０１３２】
ところで、面発光レーザに対して電圧印加による電圧駆動を続けた場合には、図１４の波形図に示すように、電圧を印加した後時間が経過するにつれて面発光レーザに流れる電流が増大し、面発光レーザの光量は流れる電流に依存するためその光量が時間の経過につれて増大する。すなわち、電圧を印加した後、レーザ素子の温度が上昇するにつれて、同一の光量を与える端子電圧が低下しているところへ同じ電圧を印加し続けることによって駆動電流が増大し、その結果レーザ素子の光量も増大する。この光量変動は、例えばレーザゼログラフィーの分野において、形成画像の画質低下の一因となる。この点に鑑み、電圧駆動と電流駆動とを併用するようにしたのが、以下に説明する本発明の第２実施形態に係る発光素子駆動装置である。
【０１３３】
［第２実施形態］
図１５は、本発明の第２実施形態に係る発光素子駆動装置、例えば面発光レーザ駆動装置を用いた駆動システムの構成例を示す回路図である。本実施形態においても、例えば３６個の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６を有する面発光レーザ３１を駆動対象の発光素子として用いている。
【０１３４】
図１５において、本実施形態に係る面発光レーザ駆動システムは、面発光レーザ３１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６の各々に対応して設けられた３６ｃｈ分の駆動制御回路３２−１〜３２−３６と、面発光レーザ３１の光量を検出する光量検出回路３３と、この光量検出回路３３の検出結果を駆動制御回路３２−１〜３２−３６に帰還するフィードバック系を構成する誤差増幅回路３４と、駆動制御回路３２−１〜３２−３６の制御を行う制御回路３５とを有する構成となっている。
【０１３５】
３６ｃｈ分の駆動制御回路３２−１〜３２−３６は、全て同じ回路構成となっている。すなわち、駆動制御回路３２（３２−１〜３２−３６）は、図１５に原理的に示すように、前段に電圧駆動手段、後段に電流駆動手段をそれぞれ有している。同図には、電圧駆動手段の典型例として、出力端子から反転入力端子に負帰還ループを持つと共に、非反転入力端子の入力側に光量制御時（ＡＰＣ時）の制御電圧を保持する入力側保持手段としてのコンデンサを持ち、さらに出力側にその出力電圧を保持する出力側保持手段としてのコンデンサを持つバッファアンプを示す。
【０１３６】
また、電流駆動手段としては、電圧駆動手段の出力に対応して制御電圧が与えられる定電流源を示す。この定電流源は、制御電圧に応じて供給電流が制御される。例えば、定電流源がＦＥＴで構成される場合、ＦＥＴのゲート電圧を制御することによって実現される。
【０１３７】
図１５では、原理的に、電圧駆動手段と電流駆動手段のそれぞれの出力と発光素子としてのレーザ素子ＬＤとの間に設けられたスイッチ手段により、入力データに基づいて電圧駆動手段による電圧駆動と電流駆動手段による電流駆動とが切り換えられる。
【０１３８】
次に、図９と実質的に同一で、表現形式が異なり、図１５よりも実際的な図１６の回路図を用いて、１ｃｈ分の駆動制御回路３２の具体的な回路構成について説明する。
【０１３９】
図１６から明らかなように、駆動制御回路３２は、面発光レーザ３１の発光部ＬＤを電圧駆動する電圧駆動回路４１と、面発光レーザ３１の発光部ＬＤを電流駆動する電流駆動回路４２と、電圧駆動回路４１による電圧駆動と電流駆動回路４２による電流駆動とを切り換えるスイッチ回路４３とを有する構成となっている。ここで、スイッチ回路４３は、当該スイッチ回路４３をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御回路３５（図１５を参照）と共に、入力データに基づいて電圧駆動回路４１による電圧駆動と電流駆動回路４２による電流駆動とを切り換える切換手段を構成している。
【０１４０】
電圧駆動回路４１は、光量制御時（ＡＰＣ時）の電圧に対応した電圧、即ち誤差増幅回路３４（図１５を参照）の出力電圧を選択的に取り込むスイッチ４１１と、このスイッチ４１１で取り込んだ電圧を保持するコンデンサ４１２と、このコンデンサ４１２の保持電圧を非反転（＋）入力とするオペアンプ４１３と、このオペアンプ４１３の出力電圧をバッファリングするバッファ４１４と、このバッファ４１４の出力電圧を選択的に出力するスイッチ４１５と、このスイッチ４１５の出力電圧を保持するコンデンサ４１６と、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを発生するバイアス電圧源４１７とを有する構成となっている。
【０１４１】
この電圧駆動回路４１は、当該電圧駆動回路４１の出力電圧、即ちコンデンサ４１６に保持された電圧がスイッチ回路４３を経由してオペアンプ４１３にその反転（−）入力として負帰還される構成となっている。なお、電圧駆動回路４１の出力電圧は、面発光レーザ３１の発光部ＬＤを順バイアス状態にしかつレーザ発振閾値電圧以上の電圧値に設定される。また、バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、面発光レーザ３１の発光部ＬＤを順バイアス状態にしかつレーザ発振閾値電圧よりも低い電圧値に設定される。
【０１４２】
電流駆動回路４２は、オペアンプ４１３の出力電圧を反転するインバータ４２１と、このインバータ４２１の出力電圧を選択的に取り込むスイッチ４２２と、このスイッチ４２２で取り込んだ電圧を保持するコンデンサ４２３と、このコンデンサ４２３に保持された電圧に対応した電流を出力する定電流源４２４とを有する構成となっている。
【０１４３】
スイッチ回路４３は、電圧駆動回路４１の出力端、即ちコンデンサ４１６の出力端とノードＮ２との間に接続されたスイッチ４３１と、電流駆動回路４２３の出力端、即ち定電流源４２４の出力端とノードＮ２との間に接続されたスイッチ４３２と、ノードＮ２と面発光レーザ３１の発光部ＬＤの駆動端との間に接続されたスイッチ４３３と、発光部ＬＤの駆動端とバイアス電圧源４１７の出力端との間に接続されたスイッチ４３４とを有する構成となっている。ここで、電圧駆動回路４１のコンデンサ４１６に保持された電圧は、スイッチ４３１を経由してオペアンプ４１３に負帰還されることになる。
【０１４４】
上記構成の駆動制御回路３２において、電圧駆動回路４１のスイッチ４１１，４１５、電流駆動回路４２のスイッチ４２２およびスイッチ回路のスイッチ４３１〜４３４は、図１５に示す制御回路３５により、パルスデータである入力データに基づいてＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる。
【０１４５】
また、この駆動制御回路３２は、基本的に、第１実施形態における駆動制御回路２３３（図９を参照）と同じ構成となっている。すなわち、図１６と図９との対比において、図１６の電圧駆動回路４１が図９のアンプ２３５およびその周辺回路に対応し、図１６の電流駆動回路４２が図９の電流源Ｉ３およびその周辺回路に対応し、図１６のスイッチ回路４３が図９のスイッチＳＷｃ，ＳＷｄ，ＳＷｓに対応している。
【０１４６】
図１６において、定電流源４２４はＰＭＯＳトランジスタを記号化したものであり、制御電圧はＰＭＯＳトランジスタのゲート電圧に対応する。このため、制御電圧を上げると電流は減少し、下げると電流は増大する。このように、制御電圧に対する電流の変化が、ＮＭＯＳトランジスタを用いた電流源とは逆になるため、同図では、インバータ（反転増幅器）４２１で制御電圧を反転するようにしている。
【０１４７】
図９においては、アンプ２３５の出力で電流源１１を反転することなく制御しているため、ノードＮ１の電圧をアンプ２３５に帰還する際に非反転入力側に入力しているのに対して、図１６においては、インバータ４２１が挿入されていることで、ノードＮ２の電位は誤差増幅器４１３の反転入力側に帰還しているが、図９、図１６いずれにおいても負帰還がかかっている点において二つの回路は同一である。
【０１４８】
再び図１５において、誤差増幅回路３４は、光量制御時（ＡＰＣ時）にＯＮ状態となるスイッチ３４１と、目標とするレーザパワーに対応して設定された基準電圧Ｖｒｅｆを非反転（＋）入力とし、光量検出回路３３からスイッチ３４１を介して供給される検出信号を反転（−）入力とする誤差増幅器３４２と、誤差増幅器３４２の出力を当該誤差増幅器３４２にその反転入力として負帰還する負帰還ループ３４３とを有する構成となっている。
【０１４９】
負帰還ループ３４３は、面発光レーザ３１のＡＰＣ時の誤差増幅器３４２の出力電圧に対応した電圧を保持するコンデンサＣｆｂ１〜Ｃｆｂ３６と、これらコンデンサＣｆｂ１〜Ｃｆｂ３６に対してそれぞれ直列に接続されたスイッチＳＷｆｂ１〜ＳＷｆｂ３６とを、駆動制御回路３２−１〜３２−３６の数に対応して有する構成となっている。
【０１５０】
光量検出回路３３は、面発光レーザ３１の発光部ＬＤ１〜ＬＤ３６が発するレーザ光を検出する光検出器として、例えばフォトダイオードＰＤを用いている。この光量検出回路３３としては、第１実施形態における光量検出回路２４と全く同じ回路構成のものを用いることができる。
【０１５１】
次に、上記構成の第２実施形態に係る面発光レーザ駆動システムにおける駆動制御回路３２の回路動作について、図１７のタイミング波形図に基づいて各動作モードに対応した図１８〜図２１の動作説明図を用いて説明する。図１７のタイミング波形図において、（Ａ）は入力データ（パルスデータ）、（Ｂ）は面発光レーザ３１の端子電圧、（Ｃ）は面発光レーザ３１の温度、（Ｄ）は面発光レーザ３１の光量の各波形を示している。
【０１５２】
駆動制御回路３２の回路動作の制御は、制御回路３５の制御の下に入力データに基づいて行われる。図１７のタイミング波形図において、入力データであるパルスデータ（Ａ）の立ち上がり期間では、制御回路３５は、図１８に示すように、スイッチ４３１，４３２，４３３をＯＮ状態、スイッチ４１１，４１５，４２２，４３４をＯＦＦ状態にする。これにより、コンデンサ４１６に保持されていた電圧が、スイッチ４３１およびスイッチ４３３を介して面発光レーザ３１の発光部ＬＤに印加される。
【０１５３】
その結果、パルスデータ（Ａ）の立ち上がり期間では、電圧駆動回路４１による電圧駆動となる。多数のレーザ光を出射可能な面発光レーザを駆動する場合には、従来技術で述べたように、電流駆動よりも電圧駆動の方が有利であり、パルスデータ（Ａ）の立ち上がりに応答して瞬時に面発光レーザ３１を発光駆動できることになる。なお、電圧駆動回路４１による電圧駆動の期間は、パルスデータの最小パルス幅以下に設定される。これにより、いかなるパルス幅のパルスデータに対してもその立ち上がり（または、立ち下がり）に応答してレーザ駆動を確実に行えることになる。
【０１５４】
また、パルスデータ（Ａ）の立ち上がり期間では、電圧駆動回路４１による電圧駆動に切り換えると同時に、スイッチ４３２のＯＮ状態にすることによって電流駆動回路４２による電流駆動も選択する。これにより、定電流源４２４からはコンデンサ４２３に保持されている電圧に応じて電流が出力され、この電流がスイッチ４３２およびスイッチ４３３を介して面発光レーザ３１の発光部ＬＤに供給される。このときの定電流源４２４の電流は、第１実施形態での補償電流として面発光レーザ３１の発光部ＬＤに流れる。
【０１５５】
このように、パルスデータ（Ａ）の立ち上がり期間での電圧駆動時に、定電流源４２４の電流を補償電流として面発光レーザ３１の発光部ＬＤに流し込むことにより、オペアンプ４１３の出力電流変動がスイッチ４３３の状態に関わらず小さく抑えられるため、当該スイッチ４３３がＯＮした際の負荷変動による過渡的な電圧変動を防止することができる。
【０１５６】
面発光レーザ３１の発光駆動が開始されると、面発光レーザ３１の発光部ＬＤには電流が流れるため、面発光レーザ３１が発熱し、面発光レーザ３１の温度（Ｃ）は時間が経過するにつれて上昇する。
【０１５７】
パルスデータ（Ａ）の立ち上がり期間が過ぎると、制御回路３５は、図１９に示すように、スイッチ４３２，４３３をＯＮ状態、スイッチ４１１，４１５，４２２，４３１，４３４をＯＦＦ状態にする。これにより、コンデンサ４２３の保持電圧に応じて定電流源４２４から出力される電流が、スイッチ４３２およびスイッチ４３３を介して面発光レーザ３１の発光部ＬＤに供給される。その結果、パルスデータ（Ａ）の立ち上がり以降では、電流駆動回路４２による電流駆動となる。
【０１５８】
この電流駆動により、面発光レーザ３１の発光部ＬＤには定電流源４２４から出力される一定の電流が流れることになる。これにより、面発光レーザ３１の端子電圧（Ｂ）は徐々に低下する。このとき、面発光レーザ３１の温度（Ｃ）が時間の経過に伴って上昇するものの、面発光レーザ３１には一定の電流が流れており、この電流によって面発光レーザ３１の光量（Ｄ）が決まるため、パルスデータ（Ａ）の立ち上がり以降も電圧駆動を続ける場合のような、面発光レーザ３１の光量（Ｄ）の変動を防止できる。
【０１５９】
次に、パルスデータ（Ａ）の立ち下がり期間では、制御回路３５は、図２０に示すように、スイッチ４１５，４３１，４３４をＯＮ状態、スイッチ４１１，４２２，４３２，４３３をＯＦＦ状態にする。これにより、バイアス電圧源４１７から発せられるバイアス電圧Ｖｂｉａｓがスイッチ４３４を介して面発光レーザ３１の発光部ＬＤに印加される（電圧駆動）。
【０１６０】
このように、レーザ消灯時に、順バイアスであってレーザ発振閾値電圧よりも低いバイアス電圧Ｖｂｉａｓをあらかじめ印加しておくことで、変調時の印加電圧の振幅を小さく抑えることができるため、変調モードに迅速に移行できる。また、パルスデータ（Ａ）の立ち下がり期間を過ぎても、継続してバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加しておくことで、上述したように、次の立ち上がり時に印加電圧振幅を小さく抑えることができる。
【０１６１】
以上が変調期間における電圧駆動モード、電流駆動モードおよびレーザ消灯モードの各回路動作であるが、変調期間に入る前には、面発光レーザ３１の光量を自動的に制御するＡＰＣモードの回路動作が行われる。
【０１６２】
このＡＰＣモードでは、制御回路３５は、図２１に示すように、スイッチ４１１，４２２，４３２，４３３をＯＮ状態、スイッチ４１５，４３１，４３４をＯＦＦ状態にする。このとき、光量検出回路３３から面発光レーザ３１の光量に応じて出力される検出電圧は誤差増幅回路３４に供給される。このとき、誤差増幅回路３４において、ｃｈ１のスイッチＳＷｆｂ１がＯＮ状態にあり、入力された検出電圧はスイッチ３４１を介して誤差増幅器３４２にその反転入力として与えられる。
【０１６３】
すると、誤差増幅器３４２は、光量検出回路３３の検出電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差分を増幅して出力する。この誤差増幅器３４２の出力電圧は駆動制御回路３２−１に供給される。この出力電圧は駆動制御回路３２−１、即ち図１６に示す駆動制御回路３２において、スイッチ４１１を経由してコンデンサ４１２に保持される。すると、オペアンプ４１３はコンデンサ４１２の保持電圧に基づいて、インバータ４２１およびスイッチ４２２を介して定電流源４２４の電流を制御する。
【０１６４】
これにより、定電流源４２４からスイッチ４３２およびスイッチ４３３を介して面発光レーザ３１の発光部ＬＤ１に供給される電流が変化し、結果として、ｃｈ１の発光部ＬＤ１のレーザパワーの制御が行われる。このフィードバック制御により、最終的には、光量検出回路３３の検出電圧が基準電圧Ｖｒｅｆと一致して収束する。以上の一連の制御がＡＰＣである。
【０１６５】
このあと、誤差増幅回路３４のスイッチＳＷｆｂ１、電流駆動回路４２のスイッチ４２２および電圧駆動回路４１のスイッチ４１１をＯＦＦすると、そのときのそれぞれの制御電圧がコンデンサＣｆｂ１、コンデンサ４２３およびコンデンサ４１２に保持される。このとき、コンデンサＣｆｂ１、コンデンサ４２３およびコンデンサ４１２に保持される電圧はそれぞれｃｈ１での誤差増幅器３４２の出力電圧、発光部ＬＤ１に対する駆動電流を設定する制御電圧およびそのときの発光部ＬＤ１の端子電圧に対応する電圧となる。
【０１６６】
以上の動作を面発光レーザ３１の発光部ＬＤの数（本例では、３６個）だけ連続的に繰り返すことにより、３６チャンネル分の駆動制御回路３２−１〜３２−３６の全制御電圧を、誤差増幅器３４２の反転入力端子と出力端子との間に接続された３６個のコンデンサＣｆｂ１〜Ｃｆｂ３６に保持する。そして、３６チャンネルのＡＰＣを終了したら、誤差増幅回路３４において、スイッチ３４１をＯＦＦにするとともに、スイッチＳＷｆｂ１をＯＮにしてｃｈ１での制御電圧を誤差増幅器３４２の出力電圧として次のＡＰＣに備える。
【０１６７】
上述したように、第２実施形態に係る面発光レーザ駆動装置においては、面発光レーザ３１を電圧駆動する電圧駆動回路４１と、面発光レーザ３１を電流駆動する電流駆動回路４２とを設け、電圧駆動回路４１による電圧駆動と電流駆動回路４２による電流駆動とを入力データに基づいて切り換えることで、電圧駆動による利点と電流駆動による利点とを効果的に組み合わせることができるため、より理想に近い駆動制御を実現できる。
【０１６８】
特に、入力データであるパルスデータの立ち上がり期間では電圧駆動回路４１による電圧駆動とし、立ち上がり以降では電流駆動回路４２による電流駆動に切り換えるようにしたことで、パルスデータの立ち上がりに応答して瞬時に面発光レーザ３１を発光駆動できるとともに、パルスデータの立ち上がり以降も電圧駆動を続ける場合のような、面発光レーザ３１の光量の変動を防止できる。
【０１６９】
ところで、先述したように、面発光レーザ３１は電流が流れることによって発熱し、その電流に応じて温度が上昇する。この面発光レーザ３１の温度の上昇に伴い、図１７のタイミング波形図から明らかなように、次に面発光レーザ３１を駆動する際に、光量（Ｄ）に温度変動分ΔＴに起因する光量ずれが発生することになる。通常の駆動制御では、この程度の光量ずれは問題にならないレベルのものであるが、より優れた駆動制御を実現するには、この温度変動分ΔＴの光量ずれも無い方が好ましい。この温度変動分ΔＴの光量ずれを補正する機能を備えるようにしたのが、以下に説明する本発明の第３実施形態に係る発光素子駆動装置である。
【０１７０】
［第３実施形態］
図２２は、本発明の第３実施形態に係る発光素子駆動装置、例えば面発光レーザ駆動装置における駆動制御回路の構成例を示す回路図であり、図中、図１６と同等部分には同一符号を付して示している。なお、第２実施形態に係る面発光レーザ駆動装置との違いは、駆動制御回路３２の構成が違うのみである。したがって、駆動システムを構築した場合には、基本的に、図１５と同じ構成となる。
【０１７１】
図２２において、電圧駆動回路４１および電流駆動回路４２がそれぞれ温度変動分ΔＴの光量ずれを補正する補正回路を備えている。具体的には、電圧駆動回路４１の補正回路は、誤差増幅器４１８とサンプルホールド回路４１９とから構成されている。誤差増幅器４１８には、その非反転（＋）入力として面発光レーザ３１の発光部ＬＤの端子電圧（検出電圧）が与えられる。
【０１７２】
ここで、面発光レーザ３１の発光部ＬＤに一定の電流が流れていると、発光部ＬＤの温度に応じてその端子電圧が変動することになる。具体的には、素子の温度が高くなると端子電圧が低下してくる。したがって、面発光レーザ３１の発光部ＬＤの端子電圧を検出することで、当該発光部ＬＤの温度をモニターできることになる。
【０１７３】
なお、発光部ＬＤの温度をモニターする手法としては、発光部ＬＤの端子電圧を検出する手法に限らず、例えば面発光レーザ３１の近傍にサーミスター等の温度検知手段を配置し、当該温度検知手段の検知出力を用いる手法などを採ることも可能である。ただし、発光部ＬＤの端子電圧を検出する手法の場合は、発光部ＬＤの温度をより迅速にかつより正確にモニターできる利点がある。
【０１７４】
サンプルホールド回路４１９は、サンプリングスイッチＳＷｓｈおよびホールドコンデンサＣｈからなり、発光部ＬＤの端子電圧をサンプリングスイッチＳＷｓｈでサンプリングし、そのサンプリング電圧をホールドコンデンサＣｈに保持する。このホールドコンデンサＣｈに保持された電圧は基準電圧となり、誤差増幅器４１８にその反転（−）入力として与えられる。誤差増幅器４１８の出力端は、コンデンサ４１２の開放端に接続されている。
【０１７５】
この電圧駆動回路４１の補正回路において、サンプリングスイッチＳＷｓｈは例えば先述したＡＰＣ期間に入る前のタイミングでＯＮすることで、発光部ＬＤの端子電圧をサンプリングする。このように、ＡＰＣ期間に入る前のタイミングでサンプリングを行うことで、面発光レーザ３１の温度が上昇する前の安定した端子電圧をサンプリングできる。そして、このサンプリング電圧を以降の補正処理に用いる。
【０１７６】
すなわち、誤差増幅器４１８は、面発光レーザ３１の発光部ＬＤの端子電圧を非反転入力として取り込み、ホールドコンデンサＣｈのホールド電圧、即ち基準電圧と逐次比較してその誤差増幅電圧をコンデンサ４１２の開放端に与える。これにより、コンデンサ４１２の保持電圧が誤差増幅電圧分だけシフトされる。すなわち、この誤差増幅電圧が補正値としてコンデンサ４１２の保持電圧に重畳される。そして、この補正された電圧が、面発光レーザ３１の発光駆動時に発光部ＬＤに印加される。
【０１７７】
一方、電流駆動回路４２の補正回路は、一端が電源Ｖｃｃに接続されたバイアス電流源４２５と、面発光レーザ３１の発光部ＬＤの端子電圧を非反転入力、バイアス電圧源４１７のバイアス電圧Ｖｂｉａｓを反転入力とする誤差増幅器４２６と、コンデンサ４２８およびスイッチ４２９からなり、誤差増幅器４２６の誤差増幅電圧をサンプルホールドするサンプルホールド回路４２７とを有し、このサンプルホールド回路４２７のコンデンサ４２８にホールドされたホールド電圧に応じてバイアス電流源４２５のバイアス電流Ｉｂｉａｓを制御する構成となっている。その結果、バイアス電流源４２５からは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓに対応したバイアス電流Ｉｂｉａｓが出力される。
【０１７８】
スイッチ回路４３は、バイアス電流源４２５の他端とノードＮ２との間に接続されたスイッチ４３５をさらに有している。このスイッチ４３５は、制御回路３５（図１５を参照）の制御の下に、入力データのオフ期間、即ちレーザ消灯期間において、入力データの立ち下げ期間の経過後の電流駆動時にＯＮ状態となる。このとき、スイッチ４３２は、制御回路３５の制御の下にＯＦＦ状態となる。
【０１７９】
これにより、レーザ消灯期間において、入力データの立ち下げ期間が経過した後の電流駆動時には、定電流源４２４からの駆動電流に代えて、バイアス電流源４２５からのバイアス電流Ｉｂｉａｓが面発光レーザ３１の発光部ＬＤに供給される。
【０１８０】
次に、温度変動分ΔＴの光量ずれを補正する補正回路を備えた上記構成の駆動制御回路３２の回路動作について図２３のタイミング波形図を用いて説明する。図２３のタイミング波形図において、（Ａ）は入力データ（パルスデータ）、（Ｂ）は面発光レーザ３１の端子電圧、（Ｃ）は面発光レーザ３１の温度、（Ｄ）は面発光レーザ３１の光量の各波形を示している。
【０１８１】
なお、面発光レーザ３１の発光期間に、入力データの立ち上がり期間で電圧駆動を行い、その後電流駆動に切り換える点については第２実施形態に係る駆動制御回路の場合と同じであるが、第３実施形態ではさらに、入力データ（Ａ）の立ち下がり期間でも電圧駆動を行った後、レーザの発光閾値電流以下の電流を流して電流駆動とする。このレーザ消灯期間では、電圧駆動回路４１の補正回路が動作し、温度変動分ΔＴの光量ずれを補正する動作が行われる。
【０１８２】
具体的には、誤差増幅器４１８が面発光レーザ３１の発光部ＬＤの端子電圧をホールドコンデンサＣｈのホールド電圧と比較し、その誤差増幅電圧をコンデンサ４１２の開放端に与える。すると、この誤差増幅電圧が補正値としてコンデンサ４１２の保持電圧に重畳され、これが補正された電圧として、図２３（Ａ）に示すように、面発光レーザ３１の発光部ＬＤに印加される。その結果、温度変動分ΔＴの光量ずれが補正され、温度変動分ΔＴが残存したとしても光量（Ｄ）が一定となる。
【０１８３】
レーザ素子の消灯期間が十分に長い場合には、次のパルスデータの立ち上がり電圧を補正するのは何ら問題ない。ところが、レーザゼログラフィーにおいて温度の高い領域で温度を制御しようとした場合には、レーザ素子が消灯する期間は短くなる。このような場合は、短い消灯期間に定電流駆動に移行できないことから、レーザ素子の温度変動を正しく検知できず、次のパルスデータの立ち上がり電圧を正しく補正できない。このような消灯期間が非常に短い場合、消灯時の温度変動は無視できるようになるため、レーザ素子が消灯する直前の点灯時のレーザ温度で立ち上がり時の電圧の補正を行うことができる。
【０１８４】
レーザ点灯時のレーザ温度変動はレーザ素子が定電流駆動されているため、消灯時と同様にレーザ素子の端子電圧の変動を検知することで知ることができる。しかし、消灯時と点灯時とでは、レーザ素子に流れている電流が異なるためレーザ素子の端子電位が異なる。そこで、消灯時であれば消灯時におけるレーザ端子電圧の変動と、点灯時であれば点灯時におけるレーザ端子電圧の変動とを交互に出力すれば良い。
【０１８５】
具体的には、自動光量制御（ＡＰＣ）時での点灯時のレーザ端子電圧と、このときのレーザ温度での消灯時のレーザ端子電圧とを検知しかつ保持しておき、これらを基準としてレーザ端子電圧から変調時にはこの保持された点灯時の電圧を差し引き、消灯時にはこの保持された消灯時の電圧を差し引くことで、点灯時、消灯時でのレーザ素子の温度変動を検知することができる。あるいは、点灯時ではレーザ端子電圧と保持された点灯時の電圧との差電圧を、消灯時ではレーザ端子電圧と保持された消灯時の電圧との差電圧を交互に出力させることで、同様に点灯時、消灯時でのレーザ素子の温度変動を検知することができる。
【０１８６】
図２２では、原理的に、入力側に基準電圧を保持するサンプルホールド回路を１系統持つ誤差増幅器４１８を１系統で示すが、前者を実現するには、例えば図２２と同様に誤差増幅器４１８は１系統で、この入力側に基準電圧を保持するサンプルホールド回路をオン時とオフ時とで２系統持つ構成とし、後者を実現するには、誤差増幅器４１８と同様にサンプルホールド回路を持ち、かつ選択的に出力できる誤差増幅器をオン時用とオフ時とで２系統持ち、その出力をワイヤードＯＲしてコンデンサ４１２の開放端に接続し、かつ当該コンデンサ４１２との接続点を抵抗を介して接地する構成が考えられる。
【０１８７】
なお、ここでは、差し引く際の基準電圧として、自動光量制御（ＡＰＣ）時の電圧を保持して用いるとしたが、補正がゼロとなる条件であれば基準をＡＰＣでとるか、あるいはそれ以外でとるかは問題ではない。
【０１８８】
以上が変調期間における第３実施形態に係る駆動制御回路の動作であるが、第２実施形態に係る駆動制御回路と異なるのは次の点である。すなわち、レーザ消灯期間において、第２実施形態に係る駆動制御回路では、消灯期間の間継続してバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加しておくのに対して、第３実施形態に係る駆動制御回路では、一旦バイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加するが、その後図２２のバイアス電流源４２５を用いてバイアス電流を流して電流モードにし、レーザ素子の端子電圧の変化から温度を予測できるようにしている点が異なる。
【０１８９】
また、第２実施形態に係る駆動制御回路でのＡＰＣモードに続けてレーザ素子を消灯状態にして、図２２において、レーザ端子電圧を非反転入力とし、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを反転入力とした誤差増幅器４２６の出力でバイアス電流源４２５を駆動し、同時にサンプルホールド回路４２７の電源Ｖｃｃ側に接続されたコンデンサ４２８にそのときの制御電圧を充電し、誤差増幅器４２６の出力電圧が収束した時点でスイッチ４２７をＯＦＦ状態とする。これにより、バイアス電流源４２５には、レーザ端子電圧がほぼバイアス電圧Ｖｂｉａｓに一致するところのバイアス電流が設定されることになる。
【０１９０】
なお、バイアス電流源４２５としては、定電流源４２４と同様にＰＭＯＳトランジスタを想定しているため、ＰＭＯＳトランジスタのゲートに相当する制御端子に印加する電圧を上げるとバイアス電流源４２５の電流が減少し、下げると増大する。このことにより、変調期間でのレーザ消灯時にパルスデータの立ち下がり期間でレーザ端子電圧がバイアス電圧Ｖｂｉａｓになったのち、当該端子電圧の変動を最小にして速やかに電流モードに移行することができる。
【０１９１】
この結果、消灯してから短時間内にレーザ素子の温度モニターが可能な状態に移行でき、次の点灯時の電圧を補正することが可能になる。このことは、図２４の変調期間として示しているように、レーザゼログラフィーにおいて、特にハイライト時に非常に短い周期で短いパルスでレーザ素子を点灯駆動するときにも補正を有効にする上で重要である。
【０１９２】
上述したように、第３実施形態に係る面発光レーザ駆動装置における駆動制御回路３２では、電圧駆動回路４１および電流駆動回路４２がそれぞれ温度変動分ΔＴの光量ずれを補正する補正回路を備えることで、面発光レーザ３１の温度の上昇に伴って温度変動分ΔＴが残存したとしても、その温度変動分ΔＴに起因する光量ずれを確実に補正できるため、発光駆動時に光量（Ｄ）に温度変動分ΔＴのずれが生じることはない。以下、この温度変動の補正を伴う駆動をダイナミック駆動と称す。
【０１９３】
図２４に、ＡＰＣ期間、レーザ消灯期間および変調期間において面発光レーザ３１の光量（Ａ）、端子電圧（Ｂ）および温度（Ｃ）について実線で示すダイナミック駆動の場合と一点鎖線で示す定電圧駆動の場合とを比較した波形を示す。また、図２５に、変調期間を拡大して示した面発光レーザ３１の光量（Ａ）、端子電圧（Ｂ）および温度（Ｃ）の各波形を示す。これらの波形図から明らかなように、実線で示すダイナミック駆動を行うことにより、温度変動分ΔＴに起因する光量ずれを確実に補正できるため、一点鎖線で示す定電圧駆動の場合よりも光量（Ａ）が一定になっていることがわかる。
【０１９４】
なお、第３実施形態では、レーザ端子電圧からレーザ温度を検知してレーザ素子の温度依存性を補正する対象として、パルスデータの立ち上がり電圧を補正する方法について説明したが、補正の対象はレーザ特性のうち温度依存性を有する全ての特性を対象にしており、具体的には閾値電流や発光効率（ΔＰ：光量／ΔＩ：駆動電流）の温度依存性を補正するのにも適用することが可能である。
【０１９５】
また、上記各実施形態では、駆動対象の発光素子として、面発光レーザを用いた場合を例に採って説明したが、面発光レーザの駆動への適用に限られるものではなく、ＥＬ素子など内部抵抗が高い発光素子全般の高速駆動に対しても同様に適用可能である。
【０１９６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、直流電流を流して発光させる面発光型レーザ素子の駆動端に対し、入力データに対応した電圧を実質的に直接印加することによって面発光型レーザ素子を駆動することにより、駆動装置と面発光型レーザ素子の駆動端との間には変調速度を抑える原因となる抵抗成分が介在しないため、高い変調速度を実現できる。特に、電圧源とこの電圧源と面発光型レーザ素子との間に挿入され入力データに基づいて制御されるスイッチ手段とを有し、電圧源の出力端から面発光型レーザ素子の駆動端までの抵抗値が面発光型レーザ素子の内部抵抗値よりも小さいことにより、面発光型レーザ素子の駆動電圧の立ち上がり時定数を小さくできるため、面発光型レーザ素子の迅速な駆動が可能となる。さらに、電圧源に流れる電流が面発光型レーザ素子に流れる電流よりも小さく設定したことにより、高速駆動を実現する場合であっても、電圧源での消費電力が低く抑えられ、発光素子駆動装置全体の低消費電力化が図れるためＩＣ化が容易になる。
【０１９７】
また、負帰還ループを持つバッファアンプで電圧源を構成したことにより、出力インピーダンスを無視できる程度に小さくすることができることから、出力インピーダンスを下げるためにデカップリングコンデンサをＩＣ内に設けたり、バイアス電流を増加するなどの対策を講じる必要がないため、ＩＣ化の制約がなく、かつ消費電力を増すことなく、面発光型レーザ素子を電圧駆動できる。また、負荷電流の有無によらずスイッチ手段の出力電位を一定に制御できるため、当該スイッチ手段のＯＮ／ＯＦＦに伴って駆動電圧が変動するのを防止できる。
【０１９８】
さらに、バッファアンプの出力に、スイッチ手段からみた面発光型レーザ素子の寄生容量よりも大きなデカップリングコンデンサを持たせたことにより、当該デカップリングコンデンサは負帰還による出力インピーダンスの低減効果が周波数と共に減少するのを補償し、またその容量がスイッチ手段からみた面発光型レーザ素子の寄生容量よりも大きいことで、負荷の有無で出力電圧が変動するのを抑えることができるため、面発光型レーザ素子の点灯時のオーバーシュートを防止できる。
【０２００】
請求項２に係る発明によれば、光量制御時の制御電圧を入力側保持手段に保持しておくことにより、これを基にして負帰還制御することなしに、画像データ領域（変調領域）で面発光型レーザ素子を所望の光量で変調することが可能になるため、自動光量制御モードへの移行を速やかに行うことができる。
【０２２５】
請求項３に係る発明によれば、面発光型レーザ素子の光量を検出し、それを発光素子駆動装置の各々にフィードバックすることにより、複数の面発光型レーザ素子の各光量が常に一定になるように制御できるため、より正確な駆動制御が可能な発光素子駆動システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る発光素子駆動装置の基本概念を示すブロック図である。
【図２】 周知技術に係るエミッタフォロワを用いた電圧駆動回路を示す回路図である。
【図３】 図２の等価回路図である。
【図４】 図２の動作波形図である。
【図５】 本発明の基本概念に基づく電圧駆動回路を示す回路図である。
【図６】 図５の等価回路図である。
【図７】 図５の動作波形図である。
【図８】 本発明の第１実施形態に係る面発光レーザ駆動装置を用いた駆動システムの構成例を示す回路図である。
【図９】 １ｃｈ分の駆動制御回路の回路構成を示す回路図である。
【図１０】 本発明の第１実施形態に係る面発光レーザ駆動装置の回路動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】 １ｃｈ分の駆動制御回路の具体的な回路構成例を示す回路図である。
【図１２】 １ｃｈ分の駆動制御回路の具体的な回路構成の変形例を示す回路図である。
【図１３】 ２４００ｄｐｉ、２５６階調、３６ビームを想定した場合のプリント速度の電圧源出力インピーダンス依存性を示す図である。
【図１４】 電圧駆動の場合の各部の波形を示すタイミング波形図である。
【図１５】 本発明の第２実施形態に係る面発光レーザ駆動装置を用いた駆動システムの構成例を示す回路図である。
【図１６】 １ｃｈ分の駆動制御回路の回路構成を示す回路図である。
【図１７】 第２実施形態に係る面発光レーザ駆動装置の動作説明のためのタイミング波形図である。
【図１８】 電圧駆動時の等価回路図である。
【図１９】 電流駆動時の等価回路図である。
【図２０】 レーザ消灯時の等価回路図である。
【図２１】 ＡＰＣモード時の等価回路図である。
【図２２】 本発明の第３実施形態に係る面発光レーザ駆動装置における駆動制御回路の回路構成を示す回路図である。
【図２３】 第３実施形態に係る駆動制御回路の動作説明のためのタイミング波形図である。
【図２４】 ＡＰＣ期間、レーザ消灯期間および変調期間において面発光レーザの光量（Ａ）、端子電圧（Ｂ）および温度（Ｃ）についてダイナミック駆動と定電圧駆動とを比較したタイミング波形図である。
【図２５】 変調期間を拡大して示した面発光レーザの光量（Ａ）、端子電圧（Ｂ）および温度（Ｃ）の各波形を示すタイミング波形図である。
【図２６】 端面発光レーザと面発光レーザとのＶ−Ｉ特性を比較した図である。
【図２７】 面発光レーザの等価回路を示す図である。
【図２８】 端面発光レーザの等価回路を示す図である。
【図２９】 面発光レーザ駆動回路の配線を示す図である。
【図３０】 端面発光レーザ駆動回路の配線を示す図である。
【図３１】 面発光レーザの波形図である。
【図３２】 端面発光レーザの波形図である。
【図３３】 従来例に係る電圧駆動型レーザ駆動回路の回路構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１…面発光レーザ、１２，２２…第１の電圧源、１３，２３…第２の電圧源、２４，３３…光量検出回路、３２，３２−１〜３２−３６，２３３，２３３−１〜２３３−３６…駆動制御回路、３４…誤差増幅回路、３５…制御回路、４１…電圧駆動回路、４２…電流駆動回路、４３…スイッチ回路、２３１，３４２，４１８，４２６…誤差増幅器、２３５，２３５′，４１３ …オペアンプ

Claims (3)

1. 直流電流を流して発光させる面発光型レーザ素子を入力データに応じて駆動する発光素子駆動装置であって、
   出力を負帰還する負帰還ループを持ち、所定入力電圧を増幅するバッファアンプを有する電圧源と、
   該電圧源と前記面発光型レーザ素子との間に挿入され前記入力データに基づいて制御されるスイッチ手段とを備え、
   前記電圧源は、前記バッファアンプの出力に一端が接続され、他端が接地され、前記スイッチ手段からみた前記発光素子の寄生容量の容量値よりも大きな容量値のデカップリングコンデンサを持つ
   ことを特徴とする発光素子駆動装置。
2. 前記バッファアンプの入力側に、光量制御時の制御電圧を保持する入力側保持手段を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子駆動装置。
3. 複数の面発光型レーザ素子に対応して複数設けられた請求項１記載の発光素子駆動装置と、
   前記複数の面発光型レーザ素子の光量を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に対応した電圧と基準電圧とを比較してその誤差分を増幅する誤差増幅手段とを備え、
   前記発光素子駆動装置の各々が前記誤差増幅手段の出力に基づいて前記面発光型レーザ素子を駆動する
   ことを特徴とする発光素子駆動システム。

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