JPH1197788A - 半導体レーザーの自動光量制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プリント速度の向上のため、半導体レーザに
フル点灯時とバイアス電流供給時の光量を一定とするＡ
ＰＣ回路のうち、バイアスＡＰＣ時に最適なバイアス電
流を供給する手段を提供することを課題とする。 【解決手段】 フル点灯時の光量とバイアス発光時の光
量を共に制御する半導体レーザーの自動光量制御回路に
おいて、外部からのオンオフ信号に基づいて、第１の電
流源で定められたフル点灯電流と第２の電流源で定めら
れたバイアス発光電流との間で半導体レーザーをオンオ
フ制御し、また、第１の区間では半導体レーザーをフル
点灯状態（オン）にし、第２の区間では半導体レーザー
をバイアス発光状態（オフ）にするような電流スイッチ
を有し、バイアス電流を一定とするための第２のアンプ
に、出力電圧が過大になるのを防止する電圧リミッタを
設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザーの
ＡＰＣ（Auto Power Control）回路に用いる半導体レー
ザーの自動光量制御回路に関するものである。

【０００２】特に、フル点灯時の光量とバイアス発光時
の光量を共に制御し、かつ間欠的にＡＰＣ動作を行う回
路において有効なものである。

【０００３】

【従来の技術】半導体レーザーの特定の温度に応じた一
般的な電流−光出力特性を、図２に示す。半導体レーザ
ーの光出力はスレッショルド電流（Ｉｔｈ）を越えたと
ころから急激に立ち上がり、そこからは電流に比例して
増加する。

【０００４】同図からわかるように、半導体レーザーの
光出力特性は温度変化に敏感なため、一定電流で駆動し
ていても、周囲の温度変化あるいは自己発熱等で、光出
力は大きく変動してしまう。

【０００５】この光出力の温度依存性に対応するため、
半導体レーザーのパッケージ中には、一般にモニターダ
イオードと呼ばれるフォトダイオードが組み込まれてお
り、これにより半導体レーザーの光出力をモニターして
駆動電流を制御すれば光出力を一定に保つことができる
ようになっている。

【０００６】上記のようなフィードバック機能を持つ半
導体レーザーの駆動回路をＡＰＣ回路と呼んでいる。

【０００７】ここで、デジタル複写機やＬＢＰ等のよう
に、半導体レーザーの光によって感光ドラム上に静電潜
像を形成し、それをトナーで現像して紙へ転写すること
により画像を形成する機器においては、半導体レーザー
の点灯タイミングが形成する画像によってまちまちであ
るため、一般に画像形成区間外に半導体レーザーのＡＰ
Ｃ区間を設け、レーザーを点灯させてキャリブレーショ
ンを行い、画像形成区間内ではＡＰＣ区間で定めた電流
値によって半導体レーザーをオン／オフさせて画像形成
を行っている。

【０００８】また、このように半導体レーザーを高速で
オン／オフさせる機器においては、半導体レーザーの光
出力の立ち上がりを速くするため、スレッショルド電流
より小さいバイアス電流を、半導体レーザーに常時流し
ておくのが一般的である。

【０００９】バイアス電流値は固定の場合もあるが、高
画質のデジタル複写機などでは、フル点灯時の電流だけ
でなく、バイアス発光時の電流をも制御するような２重
のＡＰＣ回路を設けている。バイアス電流は図２に示す
スレッショルド電流よりわずかに小さい電流を流してお
くことにより、発光開始の立ち上がりを高速に行うこと
ができる。

【００１０】

【発明が解決しようとしている課題】半導体レーザーの
バイアス発光領域（電流がＩｔｈより小さい領域）での
光量は、フル点灯時の光量に比べて非常に小さい（通常
１００分の１以下）ので、バイアス発光のキャリブレー
ションを行う際、モニター電圧を増幅するバイアス側の
アンプＢには大きなゲインを持たせなければならない。

【００１１】このため入力の大きいフル点灯時には、バ
イアス側のアンプＢの出力電圧は電源電圧で規制される
いっぱいまで振れてしまい、アンプの出力段トランジス
タはリニアな能動領域をはずれて飽和状態になる。

【００１２】その直後、バイアス発光状態にしてバイア
スＡＰＣをかけようとすると、アンプＢがリニアな状態
に戻るまでの時間（通常数マイクロ秒）、回路は正しい
動作ができない。

【００１３】この問題を回避するため、バイアス発光状
態に入ってからバイアスＡＰＣをかけてバイアス電流を
決定するまで、十分な待ち時間を設ける必要があった。

【００１４】しかしながら、機器のプリントスピードを
上げようとすると、レーザー光の走査速度を上げる必要
があり、それに伴って画像区間外の時間も短くなるた
め、半導体レーザーのＡＰＣを行う時間も短くせざるを
得ない。このため、上記の待ち時間を十分確保すること
が難しくなってきた。

【００１５】本発明は、プリント速度の向上のため、半
導体レーザにフル点灯時とバイアス電流供給時の光量を
一定とするＡＰＣ回路のうち、バイアスＡＰＣ時に十分
な待ち時間を要することなく、最適なバイアス電流を供
給する手段を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するた
め、本発明の半導体レーザーＡＰＣ回路においては、モ
ニター電圧を増幅するバイアス側のアンプに、出力段が
飽和しないようにするための電圧リミッタを設けた。

【００１７】これにより、半導体レーザーをフル点灯状
態からバイアス発光状態に移行させた直後でも、モニタ
ー電圧を増幅するアンプがすばやくリニアな動作状態に
なるので、すぐにバイアスＡＰＣ回路を動作させること
ができ、バイアス光量のキャリブレーションにかかる時
間を短縮できる。

【００１８】本発明は、具体的には、フル点灯時の光量
とバイアス発光時の光量をモニターダイオードの受光電
圧を帰還して共に制御する半導体レーザーの自動光量制
御回路において、外部からのオン／オフ信号に基づい
て、第１の電流源で定められたフル点灯電流供給と第２
の電流源で定められたバイアス発光電流供給との間で前
記半導体レーザーをオン／オフ制御し、且つ時間的に第
１の区間では半導体レーザーをフル点灯状態（オン）に
し、第２の区間では半導体レーザーをバイアス発光状態
（オフ）にする電流スイッチを有し、前記バイアス発光
電流を一定とする帰還ループの第２のアンプに出力電圧
が過大になるのを防止する電圧リミッタを設けたことを
特徴とする。

【００１９】また、フル点灯時の光量とバイアス発光時
の光量を共に制御する半導体レーザーのＡＰＣ（Auto P
ower Control）回路において、半導体レーザーと、モニ
ターダイオードと、前記モニターダイオードの電流出力
をモニター電圧に変換する手段と、前記モニター電圧を
増幅する第１のアンプと、第１の基準電圧を供給する第
１の基準電圧源と、前記第１のアンプの出力電圧と前記
第１の基準電圧とを比較して、第１の制御電圧を生成す
る第１の比較回路と、所定の第１の区間では前記第１の
制御電圧を通し、それ以外では直前の電圧を保持する第
１のトラックホールド回路と、前記第１のトラックホー
ルド回路の出力電圧に従って半導体レーザーのフル点灯
時の電流を決定する第１の電流源と、前記モニター電圧
を増幅する第２のアンプと、第２の基準電圧を供給する
第２の基準電圧源と、前記第２のアンプの出力電圧と前
記第２の基準電圧とを比較して、第２の制御電圧を生成
する第２の比較回路と、所定の第２の区間では前記第２
の制御電圧を通し、それ以外では直前の電圧を保持する
第２のトラックホールド回路と、前記第２のトラックホ
ールド回路の出力電圧に従って半導体レーザーのバイア
ス発光時の電流を決定する第２の電流源と、外部からの
オンオフ信号に基づいて、前記第１の電流源で定められ
たフル点灯電流と前記第２の電流源で定められたバイア
ス発光電流との間で前記半導体レーザーをオンオフ制御
し、また、前記第１の区間では前記半導体レーザーをフ
ル点灯状態（オン）にし、前記第２の区間では前記半導
体レーザーをバイアス発光状態（オフ）にするような電
流スイッチを有し、前記第２のアンプに、出力電圧が過
大になるのを防止する電圧リミッタを設けたことを特徴
とする。

【００２０】さらに、上記半導体レーザーの自動光量制
御回路において、前記第２のアンプは、オペアンプの非
反転増幅回路から成り、前記電圧リミッタは、前記オペ
アンプの出力端子にアノードを接続し、前記オペアンプ
のマイナス入力端子にカソードを接続した、直列のダイ
オードアレイから成ることを特徴とする。

【００２１】また、上記半導体レーザーの自動光量制御
回路において、前記電圧リミッタは、前記オペアンプの
出力端子にカソードを接続し、前記オペアンプのマイナ
ス入力端子にアノードを接続したツェナーダイオードか
ら成ることを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】

［実施形態１］本実施形態の半導体レーザーＡＰＣ回路
のブロック図を図３に示し、詳細に説明する。ここで
は、フル点灯時の光量とバイアス発光時の光量を共に制
御する半導体レーザーのＡＰＣ回路の一例を、図３に示
す。

【００２３】同図において、１は半導体レーザー、２は
半導体レーザー１の光量を受光するモニターダイオー
ド、３はモニターダイオード２の電流出力をモニター電
圧に変換するための抵抗、４，５はモニター電圧を必要
なレベルにまで増幅する増幅器（アンプＦ、アンプ
Ｂ）、６，７はフル点灯とバイアス電流供給とに対応し
た基準電圧源（ＶｒｅｆＦ、ＶｒｅｆＢ）、８，９は増
幅されたモニター電圧と基準電圧を比較して制御電圧を
作るための比較回路（コンパレータＦ、コンパレータ
Ｂ）、１０，１１は所定の区間では比較回路の出力電圧
を通し、それ以外では直前の電圧を保持するトラックホ
ールド回路（トラックホールドＦ、トラックホールド
Ｂ）、１２はトラックホールドＦの出力電圧によって制
御され半導体レーザー１のフル点灯時の電流を決定する
電流源Ｆ、１３はトラックホールドＢの出力電圧によっ
て制御され半導体レーザーのバイアス発光時の電流を決
定する電流源Ｂ、１４は外部からのレーザーオンオフ信
号に従って開閉する電流スイッチである。

【００２４】次に、スイッチ１４の状態における電流の
流れについて説明する。まず、電流スイッチ１４が同図
のａ側にたおれている時、レーザーはフル点灯状態で、
電流源Ｆ１２からの電流（ＩＦ）が半導体レーザー１に
流れる。逆に、電流スイッチ１４が同図のｂ側にたおれ
ている時は、バイアス発光状態で、電流源Ｆ１２の電流
（ＩＦ）から電流源Ｂ１３の電流（ＩＢ）を引いた量の
電流が、半導体レーザー１に流れる。

【００２５】半導体レーザー１を高速でオン／オフさせ
るため、このように電流を引く構成になっている。この
電流スイッチ１４は、実際にはＮＰＮトランジスタ２個
によるエミッタ共通の差動スイッチ構成になっている。
半導体レーザー１に電流を流し出すようなスイッチにす
ると、ＰＮＰトランジスタを使わなければならず、スイ
ッチング速度が遅い。

【００２６】以下、この図３に示す半導体レーザーＡＰ
Ｃ回路の動作を説明する。画像形成装置の感光体を走査
する際の画像形成中の画像区間外で、まず電流スイッチ
１４をａ側にたおして、半導体レーザー１をフル点灯状
態にする。

【００２７】それから、トラックホールドＦ１０を素通
し状態にして、アンプＦ４の出力電圧がＶｒｅｆＦ６に
等しくなるように電流源Ｆ１２を制御して、フル点灯の
キャリブレーションを行う。

【００２８】フル点灯のキャリブレーションが完了した
後、トラックホールドＦ１０をホールド状態にして、電
流源Ｆ１２の電流ＩＦを固定する。

【００２９】次に電流スイッチ１４をｂ側にたおして、
半導体レーザー１をバイアス発光状態にする。

【００３０】それから、トラックホールドＢ１１を素通
し状態にして、アンプＢ５の出力電圧がＶｒｅｆＢ７に
等しくなるように電流源Ｂ１３を制御して、バイアス発
光のキャリブレーションを行う。

【００３１】バイアス発光のキャリブレーションが終了
した後、トラックホールドＢ１１をホールド状態にし
て、電流源Ｂ１３の電流ＩＢを固定する。

【００３２】［実施形態２］本実施形態の半導体レーザ
ーＡＰＣ回路のブロック図を図１に示し、詳細に説明す
る。図１は、本発明の特徴を最もよく表す図面であり、
同図において、１から１４までの構成要素、動作は、上
記従来例において説明した図３の各要素、動作と略同一
であり、重複する説明を省略する。

【００３３】同図において、１５はアンプＢの出力段ト
ランジスタの飽和を防止するための電圧リミッタであ
る。

【００３４】本実施形態のアンプＢと電圧リミッタの部
分を、具体的な回路で書いたものを図４に示す。同図に
示すように、アンプＢはオペアンプの非反転増幅回路で
あり、非反転入力端子にモニターダイオード２の出力電
圧を受け、反転入力端子に出力端からの帰還抵抗と電圧
リミッタ用４個のダイオードとを接続して、複数のダイ
オードからなる部分が電圧リミッタとして働く。

【００３５】オペアンプがリニアな領域で動作している
場合は、オペアンプの＋入力端子と−入力端子は同じ電
圧レベルであり、その電圧のゲイン倍（本実施形態では
１０１倍）の電圧が出力に得られる。

【００３６】半導体レーザー１がフル点灯状態になっ
て、そのフル点灯を受光したモニターダイオード２の電
流が増加してモニターダイオード２のアノード電圧が増
加して、アンプＢの入力電圧が大きくなり、オペアンプ
５の出力電圧が−端子の電圧を、複数（本実施形態では
４個）のダイオードの順方向電圧分以上に上回ろうとす
ると、電圧リミッタのダイオードが導通状態になり、瞬
時にこの非反転増幅回路のゲインを下げる。

【００３７】これにより、オペアンプ５の出力電圧の上
昇は抑えられ、オペアンプ５の出力段のトランジスタが
飽和状態になるのを防止できる。

【００３８】その後、半導体レーザー１がバイアス発光
状態になって入力電圧が小さくなり電圧リミッタのダイ
オードが導通しなくなると、非反転増幅回路はすみやか
に元のゲインを有するアンプとして動作するようにな
る。

【００３９】また、図５に示すように、複数のダイオー
ドの代わりにツェナーダイオードを用いても、同様なリ
ミッタ効果が得られる。

【００４０】以上により、本実施形態による半導体レー
ザ２のフル点灯時及びバイアス電流時のキャリブレーシ
ョンを感光体が走査される際の画像形成中の画像区間外
の期間にトラックホールドＦ，Ｂの増幅度を決定してお
き、半導体レーザ２のフル点灯時には、モニターダイオ
ード２の電圧をアンプＦ４で受けて増幅し、その増幅電
圧と基準電圧Ｆ６と比較増幅するコンパレータＦ８を介
して、フル点灯時の所定の区間では比較回路の出力電圧
を通し、それ以外のバイアス電流時では直前の電圧を保
持するトラックホールド回路１０でコンパレータＦ８の
出力電圧によって、電流源Ｆ１２を所定光量となるレー
ザ電流となるように制御する。また、そのモニターダイ
オード２の電圧をアンプＢ５で受けて出力トランジスタ
を飽和させないリミッタ増幅され、その増幅電圧と基準
電圧Ｂ７と比較増幅するコンパレータＢ９を介して、バ
イアス電流供給時の所定の区間では比較回路の出力電圧
を通し、それ以外のフル点灯時では直前の電圧を保持す
るトラックホールド回路１１でコンパレータＢ９の出力
電圧によって、電流源Ｂ１３を所定光量となるレーザ電
流となるように制御する。

【００４１】一方、半導体レーザ２のバイアス電流の供
給時には、電流源１２の電流は直前のフル点灯時の電流
と同値の電流を供給するように制御され、スイッチ１４
をｂ側に設定して、半導体レーザ１のバイアス電流時の
微小光量をモニターダイオード２で受け、そのアノード
電圧をアンプ５でフル増幅してコンパレータＢ９で基準
電圧Ｂ７と比較して、トラックホールドＢ１１でそのコ
ンパレータＢ９に応じた電流源Ｂ１３の電流を制御す
る。こうして、フル点灯時によるアンプＢ５の飽和状態
を回避し、バイアス電流供給制御を高速に行えるように
なる。

【００４２】［実施形態３］本実施形態は、構成は実施
形態２と略同一であり、電圧リミッタの回路が異なるも
のである。

【００４３】本実施形態のアンプＢと電圧リミッタの部
分の回路を図６に示す。実施形態１と同様にアンプＢは
オペアンプの非反転増幅回路である。本実施形態では、
電圧リミッタとしてアナログスイッチを用いている。こ
のアナログスイッチは、フル点灯のキャリブレーション
を行っている時だけ閉じられる。

【００４４】すなわち、フル点灯状態で入力電圧が大き
い時には、この非反転増幅回路のゲインを約１倍まで下
げ、オペアンプの出力段トランジスタが飽和するのを防
止している。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、フル点灯時の光量とバ
イアス発光時の光量を共に制御するような半導体レーザ
ーのＡＰＣ回路において、バイアス側のモニター電圧を
増幅するアンプに、出力段トランジスタが飽和しないよ
うにするための電圧リミッタを設けることにより、フル
点灯からバイアス発光に移行した直後でもモニター電圧
を増幅するアンプをすぐにリニアな動作状態にすること
ができ、バイアス光量のキャリブレーションにかかる時
間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の半導体レーザーＡＰＣ回
路のブロック図である。

【図２】半導体レーザーの電流−光出力特性を示すグラ
フである。

【図３】本発明の半導体レーザーＡＰＣ回路のブロック
図である。

【図４】本発明の実施形態１の電圧リミッタの回路図で
ある。

【図５】本発明の実施形態１のその他の電圧リミッタの
回路図である。

【図６】本発明の実施形態２の電圧リミッタの回路図で
ある。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ モニターフォトダイオード ３ 電流制限抵抗 ４ アンプＦ ５ アンプＢ ６ 基準電位Ｆ ７ 基準電位Ｂ ８ コンパレータＦ ９ コンパレータＢ １０ トラックホールドＦ １１ トラックホールドＢ １２ 電流源Ｆ １３ 電流源Ｂ １４ スイッチ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フル点灯時の光量とバイアス発光時の光
   量をモニターダイオードの受光電圧を帰還して共に制御
   する半導体レーザーの自動光量制御回路において、 外部からのオン／オフ信号に基づいて、第１の電流源で
   定められたフル点灯電流供給と第２の電流源で定められ
   たバイアス発光電流供給との間で前記半導体レーザーを
   オン／オフ制御し、且つ時間的に第１の区間では半導体
   レーザーをフル点灯状態（オン）にし、第２の区間では
   半導体レーザーをバイアス発光状態（オフ）にする電流
   スイッチを有し、前記バイアス発光電流を一定とする帰
   還ループの第２のアンプに出力電圧が過大になるのを防
   止する電圧リミッタを設けたことを特徴とする半導体レ
   ーザーの自動光量制御回路。
2. 【請求項２】 フル点灯時の光量とバイアス発光時の光
   量を共に制御する半導体レーザーのＡＰＣ（Auto Power
   Control）回路において、 半導体レーザーと、モニターダイオードと、 前記モニターダイオードの電流出力をモニター電圧に変
   換する手段と、 前記モニター電圧を増幅する第１のアンプと、 第１の基準電圧を供給する第１の基準電圧源と、 前記第１のアンプの出力電圧と前記第１の基準電圧とを
   比較して、第１の制御電圧を生成する第１の比較回路
   と、 所定の第１の区間では前記第１の制御電圧を通し、それ
   以外では直前の電圧を保持する第１のトラックホールド
   回路と、 前記第１のトラックホールド回路の出力電圧に従って半
   導体レーザーのフル点灯時の電流を決定する第１の電流
   源と、 前記モニター電圧を増幅する第２のアンプと、 第２の基準電圧を供給する第２の基準電圧源と、 前記第２のアンプの出力電圧と前記第２の基準電圧とを
   比較して、第２の制御電圧を生成する第２の比較回路
   と、 所定の第２の区間では前記第２の制御電圧を通し、それ
   以外では直前の電圧を保持する第２のトラックホールド
   回路と、 前記第２のトラックホールド回路の出力電圧に従って半
   導体レーザーのバイアス発光時の電流を決定する第２の
   電流源と、 外部からのオンオフ信号に基づいて、前記第１の電流源
   で定められたフル点灯電流と前記第２の電流源で定めら
   れたバイアス発光電流との間で前記半導体レーザーをオ
   ンオフ制御し、また、前記第１の区間では前記半導体レ
   ーザーをフル点灯状態（オン）にし、前記第２の区間で
   は前記半導体レーザーをバイアス発光状態（オフ）にす
   るような電流スイッチを有し、 前記第２のアンプに、出力電圧が過大になるのを防止す
   る電圧リミッタを設けたことを特徴とする半導体レーザ
   ーの自動光量制御回路。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の半導体レーザー
   の自動光量制御回路において、 前記第２のアンプは、オペアンプの非反転増幅回路から
   成り、 前記電圧リミッタは、前記オペアンプの出力端子にアノ
   ードを接続し、前記オペアンプのマイナス入力端子にカ
   ソードを接続した、直列のダイオードアレイから成るこ
   とを特徴とする半導体レーザーの自動光量制御回路。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   半導体レーザーの自動光量制御回路において、 前記電圧リミッタは、前記オペアンプの出力端子にカソ
   ードを接続し、前記オペアンプのマイナス入力端子にア
   ノードを接続したツェナーダイオードから成ることを特
   徴とする半導体レーザーの自動光量制御回路。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   半導体レーザーの自動光量制御回路において、 前記第２のアンプは、オペアンプの非反転増幅回路から
   成り、 前記電圧リミッタは、前記オペアンプの出力端子とマイ
   ナス入力端子の間に接続され、前記第１の区間でのみ導
   通するアナログスイッチから成ることを特徴とする半導
   体レーザーの自動光量制御回路。