(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却素子を備える温度調整手段を有するとともに、後段の機器に送信する放送信号を生成する半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御装置において、
前記半導体発光素子の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出結果を参照して、前記半導体発光素子の温度が、第１の閾値を上限とし、所定の基準値を中心とする所定の範囲内に収まるように前記温度調整手段を制御する温度制御手段と、
前記半導体発光素子の出力光の強度が所定の範囲内に収まるように出力制御する出力光制御手段と、
前記温度制御手段の故障に起因する前記半導体発光素子の異常な温度上昇が前記温度検出手段によって検出された場合に前記出力光制御手段の出力制御を一時的に解除して、前記出力光の強度を低下させる異常時制御手段とを有し、
前記異常時制御手段は、前記半導体発光素子の出力光の強度が、前記半導体発光素子の出力光を用いる前記後段の機器において異常が発生しない強度を最低値として、その最低値を下回らないとともに、前記半導体発光素子の温度が、前記所定の基準値より大きい値であって前記半導体発光素子から前記出力光が出力されなくなる温度である破損温度よりも小さい値を有する第２の閾値を超えないように、前記半導体発光素子に供給される電流を制御することで前記出力光の強度を段階的に減少させる制御を行う、
ことを特徴とする半導体発光素子制御装置。
【請求項２】
前記温度検出手段によって前記半導体発光素子の異常な温度上昇が検出された場合には、前記異常時制御手段は、異常の発生を通知することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体レーザ素子のような半導体発光素子は、出力光強度および出力波長が、半導体発光素子の温度に依存して変化するため、素子温度を一定に保つように制御する必要がある。特許文献１には、ペルチェ素子によって半導体発光素子の温度を一定に保つための技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１６７１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示された技術では、例えば、操作ミスや不具合等によってペルチェ素子が正常に動作しない場合、半導体発光素子が加熱する場合がある。そのような場合には、半導体発光素子の経年変化を早めたり、破損を招いたり、場合によっては、動作不良を生じて半導体発光素子から光が出力されなくなったりするという問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は、温度異常が発生した場合でも半導体発光素子の故障を確実に防ぐことが可能な半導体発光素子制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、冷却素子を備える温度調整手段を有するとともに、後段の機器に送信する放送信号を生成する半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御装置において、前記半導体発光素子の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果を参照して、前記半導体発光素子の温度が、第１の閾値を上限とし、所定の基準値を中心とする所定の範囲内に収まるように前記温度調整手段を制御する温度制御手段と、前記半導体発光素子の出力光の強度が所定の範囲内に収まるように出力制御する出力光制御手段と、前記温度制御手段の故障に起因する前記半導体発光素子の異常な温度上昇が前記温度検出手段によって検出された場合に前記出力光制御手段の出力制御を一時的に解除して、前記出力光の強度を低下させる異常時制御手段とを有し、前記異常時制御手段は、前記半導体発光素子の出力光の強度が、前記半導体発光素子の出力光を用いる前記後段の機器において異常が発生しない強度を最低値として、その最低値を下回らないとともに、前記半導体発光素子の温度が、前記所定の基準値より大きい値であって前記半導体発光素子から前記出力光が出力されなくなる温度である破損温度よりも小さい値を有する第２の閾値を超えないように、前記半導体発光素子に供給される電流を制御することで前記出力光の強度を段階的に減少させる制御を行う、ことを特徴とする。
このような構成によれば、温度異常が発生した場合でも半導体発光素子の故障を確実に防ぐことが可能となる。
【０００７】
また、本発明の一側面は、前記温度検出手段によって前記半導体発光素子の異常な温度上昇が検出された場合には、前記異常時制御手段は、異常の発生を通知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、温度異常が発生した場合でも半導体発光素子の故障を確実に防ぐことが可能な半導体発光素子制御装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子制御装置の構成例を示す図である。
【図２】図１に示す制御部の構成例を示す図である。
【図３】図１に示す半導体発光素子の駆動電流と温度との関係を示す図である。
【図４】図１に示す制御部において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
（Ａ）実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子制御装置の構成例を示す図である。この図１に示すように半導体発光素子制御装置１０は、半導体発光素子１１、出力光強度検出部１２、サーミスタ１３、ペルチェ素子１４、制御部１５、および、駆動部１６を有している。ここで、半導体発光素子１１は、半導体レーザまたはＬＥＤ（Light Emitting Diode）等によって構成される。出力光強度検出部１２は、半導体発光素子１１から出力される光の強度を検出し、制御部１５に通知する。サーミスタ１３は、半導体発光素子１１の温度を検出し、制御部１５に通知する。ペルチェ素子１４は、制御部１５の制御に応じて半導体発光素子１１を冷却または加熱する。制御部１５は、出力光強度検出部１２の出力に基づいて駆動部１６を制御して半導体発光素子１１の発光強度を制御するとともに、サーミスタ１３の出力に基づいてペルチェ素子１４を制御して半導体発光素子１１の温度を制御する。駆動部１６は、制御部１５の制御に基づいて半導体発光素子１１に駆動電流を供給し、レーザ光を出力させる。なお、図１に示す実施形態では、半導体発光素子１１から出力されたレーザ光は、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器内で原子を励起させる光エネルギーとして使用される。なお、これ以外の用途、例えば、信号を重畳する用途に用いても良い。
【００１４】
図２は、図１に示す制御部１５の詳細な構成例を示すブロック図である。図２に示すように制御部１５は、温度制御部１５ａ、異常時制御部１５ｂ、および、出力光制御部１５ｃを有している。
【００１５】
ここで、温度制御部１５ａは、サーミスタ１３の出力に基づいてペルチェ素子１４を制御し、半導体発光素子１１の温度を制御する。出力光制御部１５ｃは出力光強度検出部１２の出力に基づいて駆動部１６を制御し、半導体発光素子１１に所望の強度のレーザ光を出力させる。異常時制御部１５ｂは、サーミスタ１３の出力に基づいて異常を検出し、異常が検出された場合には、出力光制御部１５ｃを制御し、半導体発光素子１１に供給される電流を、例えば、段階的に減少させ出力強度を減少させる。
【００１６】
つぎに、本発明の実施形態の動作について説明する。以下では、正常な場合と異常な場合に分けて説明する。まず、正常な場合について説明する。正常な場合には、半導体発光素子１１の出力光の強度に対する制御と、半導体発光素子１１の温度に対する制御が独立して実行される。すなわち、半導体発光素子１１から出力されたレーザ光の一部は、分岐されて出力光強度検出部１２に入射される。出力光強度検出部１２は、半導体発光素子１１から出力されて分岐された一部のレーザ光の強度を検出し、出力光制御部１５ｃに通知する。出力光制御部１５ｃは、出力光強度検出部１２から供給された信号に基づいて駆動部１６を制御し、レーザ光の強度が所定の範囲内（例えば、＋２０ｄＢｍ±１ｄＢｍ）に収まるように制御を行う。なお、半導体発光素子１１から出力光強度検出部１２に供給されるレーザ光の分岐比率は既知である（例えば、１／１００程度である）ため、この分岐比率と、出力光強度検出部１２の出力に基づいて、半導体発光素子１１から出力される全レーザ光の強度を推定することができる。一方、温度制御部１５ａはサーミスタ１３からの出力に基づいてペルチェ素子１４を制御し、半導体発光素子１１が所定の温度範囲内（例えば、２５℃±５℃）に収まるように制御を行う。
【００１７】
次に、異常が発生した場合の動作について説明する。例えば、ペルチェ素子１４が故障したり、温度制御部１５ａが故障したりした場合には、半導体発光素子１１の冷却ができなくなるため、半導体発光素子１１の温度が上昇する。半導体発光素子１１は、温度が高くなると、例えば、設定された波長の光を出力しなくなったり、正常に動作しなくなったりする。そして、最悪の場合には、半導体発光素子１１が破損し、レーザ光が出力されなくなる。レーザ光が出力されなくなると、ケーブルテレビ等の放送では、停波等の重大事故を招来してしまう。
【００１８】
このような事態を回避するために、本実施形態では、サーミスタ１３の検出温度が所定の温度を超過した場合には、異常時制御部１５ｂが異常と判定し、出力光制御部１５ｃを制御し、半導体発光素子１１の出力光強度を低下させる。例えば、ペルチェ素子１４が故障し、半導体発光素子１１の温度が上昇し、４５℃を超えた場合には、異常時制御部１５ｂは、何らかの異常が発生したと判定し、出力光制御部１５ｃを制御し、半導体発光素子１１の出力光強度を、出力光制御部１５ｃの通常の制御にかかわらず、例えば、０．５ｄＢｍ低下させる。なお、２０ｄＢｍから０．５ｄＢｍ低下させることで、出力光の強度を約１０％程度低下させることができる。
【００１９】
この結果、半導体発光素子１１の発熱量が低下するので、例えば、ペルチェ素子１４が故障した場合であっても、半導体発光素子１１の温度がクリティカルな強度に達するのを防ぐことができる。なお、このような制御は、サーミスタ１３によって検出される半導体発光素子１１の温度が異常である場合に継続して実行され、半導体発光素子１１の出力光強度は段階的に減少する。これにより、半導体発光素子１１の温度が正常な範囲内に収まるまで制御が繰り返される。なお、半導体発光素子１１の出力光強度の下限は、例えば、後段の機器が動作可能な強度に設定する。例えば、放送信号の場合には、放送が継続可能な強度、具体的には、後段の機器がエラーを生じない強度、または、エラーレートが所定の値以下になる強度に設定することができる。もちろん、後段の機器が動作可能な強度であれば、これ以外の判定基準を用いるようにしてもよい。
【００２０】
図３は半導体発光素子１１の出力光強度Ｐと、温度Ｔとの関係を模式的に示す図である。この図に示すように、出力光強度Ｐが増加すると温度Ｔも増加する。なお、この図３において、Ｔｈは温度の閾値である。また、Ｐｍｉｎは、出力光強度の下限に対応し、具体的には、後段の機器が動作可能な出力光強度を示す。温度の異常が検出された場合には、Ｔｈを下回るとともに、Ｐｍｉｎを上回るように制御がなされる。
【００２１】
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、ペルチェ素子１４または温度制御部１５ａ等の故障によって、半導体発光素子１１の温度が、所定の閾値を上回った場合には、異常時制御部１５ｂが異常の発生を検出し、出力光制御部１５ｃの制御にかかわらず、半導体発光素子１１の出力光強度を後段の機器が動作可能な範囲内で低下させる。これにより、半導体発光素子１１が過熱によって破損し、停波等の重大事故が発生することを回避できる。
【００２２】
次に、図３を参照して、図１に示す制御部１５において実行される処理の詳細について説明する。図３に示すフローチャートの処理が開始されると、以下の処理が実行される。
【００２３】
ステップＳ１０では、温度制御部１５ａは、サーミスタ１３の出力に基づいて半導体発光素子１１の温度Ｔを検出する。
【００２４】
ステップＳ１１では、温度制御部１５ａは、ステップＳ１０で検出された温度Ｔに基づいて、ペルチェ素子１４を制御する。例えば、温度制御部１５ａは、温度Ｔが所定の範囲内に収まるように制御を行う。一例としては、温度Ｔが２５℃±５℃の範囲内に収まるように制御を行う。なお、前述の範囲は一例であってこれ以外の範囲に設定してもよい。
【００２５】
ステップＳ１２では、出力光制御部１５ｃは、出力光強度検出部１２の出力に基づいて半導体発光素子１１の出力光強度Ｌを検出する。
【００２６】
ステップＳ１３では、出力光制御部１５ｃは、ステップＳ１２で検出された出力光強度Ｌに基づいて、駆動部１６が半導体発光素子１１に供給する駆動電流を制御する。例えば、出力光制御部１５ｃは、出力光強度Ｌが所定の範囲内に収まるように制御を行う。一例として、出力光強度Ｌが２０ｄＢｍ±１ｄＢｍの範囲内に収まるように制御を行う。なお、前述の範囲は一例であってこれ以外の範囲に設定してもよい。
【００２７】
ステップＳ１４では、異常時制御部１５ｂは、ステップＳ１０で検出された温度Ｔが所定の閾値Ｔｈ未満であるか否かを判定し、閾値Ｔｈ未満であると判定した場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）にはステップＳ１０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）にはステップＳ１５に進む。例えば、閾値Ｔｈが４５℃に設定されている場合、４５℃未満の場合にはステップＳ１０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、４５℃以上の場合にはステップＳ１５に進む。
【００２８】
ステップＳ１５では、異常時制御部１５ｂは、図示しないアラームを発報する。これにより、管理者が異常の発生に気づくことができる。
【００２９】
ステップＳ１６では、異常時制御部１５ｂは、出力光制御部１５ｃを制御して半導体発光素子１１の出力光強度を一定量低下させる。例えば、異常時制御部１５ｂは、半導体発光素子１１の出力光強度を０．５ｄＢｍ低下させる。このように、半導体発光素子１１の出力光強度を一定量低下させることにより、半導体発光素子１１の発熱量を抑え、過熱を防止することができる。なお、２０ｄＢｍから０．５ｄＢｍ低下させることで、出力光の強度を約１０％程度低下させることができるため、ペルチェ素子１４が動作しない場合でも、温度をある程度低下させることができる。
【００３０】
ステップＳ１７では、異常時制御部１５ｂは、出力光強度検出部１２の出力を参照し、半導体発光素子１１の出力光強度Ｌを検出する。
【００３１】
ステップＳ１８では、異常時制御部１５ｂは、サーミスタ１３の出力を参照し、半導体発光素子１１の温度Ｔを検出する。
【００３２】
ステップＳ１９では、異常時制御部１５ｂは、ステップＳ１８で検出した温度Ｔが温度の閾値Ｔｈｔを超えるか否か（Ｔ＞Ｔｈｔ）を判定し、閾値Ｔｈｔを超える場合（ステップＳ１９：Ｙｅｓ）には、ステップＳ２０に進み、それ以外の場合（ステップＳ１９：Ｎｏ）には、ステップＳ２１に進む。例えば、閾値Ｔｈｔが４０℃である場合に、温度Ｔが４１℃である場合にはステップＳ２０に進む。なお、閾値ＴｈｔはステップＳ１４の閾値Ｔｈと同じ値としてもよい。ステップＳ１４においてＮｏと判定される場合は、回路または素子が異常を呈しているときであるため、そのような場合には回路または素子の交換が必要になる。ステップＳ１５以降の処理（異常時処理）は、回路または素子の交換がなされるまでの一時的な動作であるので、この処理では（１）後段の機器で異常が発生せず、また、（２）半導体発光素子１１が破損しないことが重要であるため、閾値Ｔｈｔとしては、例えば、交換までに要する時間を考慮して決めることができる。つまり、交換までの時間が短い場合には、後段の機器への影響を考慮して、閾値Ｔｈｔをある程度大きい値に設定することができる。また、交換までに時間を要する場合には閾値Ｔｈｔをある程度小さい値に設定することで、交換までに半導体発光素子１１が破損しないようにすることができる。
【００３３】
ステップＳ２０では、異常時制御部１５ｂは、出力光制御部１５ｃを制御して、半導体発光素子１１の出力を低減する。例えば、異常時制御部１５ｂは、半導体発光素子１１の出力を０．５ｄＢｍ低減させる。
【００３４】
ステップＳ２１では、異常時制御部１５ｂは、ステップＳ１７で検出した出力光強度Ｌが所定の閾値Ｔｈｌ未満（Ｌ＜Ｔｈｌ）であるか否かを判定し、所定の閾値Ｔｈｌ未満であると判定した場合（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）にはステップＳ２２に進み、それ以外の場合（ステップＳ２１：Ｎｏ）にはステップＳ２３に進む。
【００３５】
ステップＳ２２では、異常時制御部１５ｂは、出力光制御部１５ｃを制御して半導体発光素子１１の出力光強度を増加させる。例えば、異常時制御部１５ｂは、半導体発光素子１１の出力を０．５ｄＢｍ増加させる。もちろん、これ以外の値でもよい。一般的に、温度制御による温度の変化は時定数が大きいことから、温度変化は緩慢である。一方、出力制御による出力光強度の変化は、温度制御に比較すると時定数が小さいことから、出力光強度の変化は迅速である。このため、ステップＳ２０での低減量よりも、ステップＳ２２での増加量を少なく設定してもよい。例えば、ステップＳ２０での低減量を０．５ｄＢｍとした場合、ステップＳ２２の増加量を０．１ｄＢｍとすることができる。もちろん、これ以外の値に設定してもよいことはいうまでもない。
【００３６】
ステップＳ２３では、異常時制御部１５ｂは、異常時の処理を終了するか否かを判定し、処理を終了しないと判定した場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）にはステップＳ１７に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）には処理を終了する。例えば、故障した回路や素子が交換された場合には処理を終了し、それ以外の場合にはステップＳ１７に戻って同様の処理を繰り返す。
【００３７】
以上の処理によれば、何らかの不具合によって半導体発光素子１１の温度が上昇し、所定の閾値Ｔｈを超えた場合には異常時の制御処理に移行し、出力光制御部１５ｃの通常制御を一時的に保留し、半導体発光素子１１の温度が所定の範囲内に収まるように制御を行うとともに、後段の機器に異常が発生しないように、光出力強度がＴｈｌ未満とならないように制御を行う。これにより、半導体発光素子１１から出力される出力光強度は、後段の機器が正常に動作する範囲内に保たれるとともに、半導体発光素子１１の安全な温度範囲内になるように制御がされる。
【００３８】
（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、出力光強度検出部１２を設け、その出力に基づいて半導体発光素子１１の駆動電流を制御するようにしたが、このような出力光強度検出部１２を設けないで、駆動電流の大きさに基づいて制御を行うようにしてもよい。例えば、ステップＳ１３の処理では駆動電流が所定の範囲内に収まるように制御を行うようにすれば良い。また、ステップＳ２１の処理では、駆動電流が所定の閾値Ｔｈｉ未満である場合には半導体発光素子の出力を増加させるようにすれば良い。
【００３９】
また、以上の実施の形態では、ステップＳ１０〜Ｓ１４の正常時の処理を外れた場合には、ステップＳ１５〜Ｓ２３の異常時の処理に移行し、正常時の処理には復帰しないようにしたが、例えば、所定の条件を満たした場合には正常時の処理に復帰するようにしてもよい。例えば、所定の条件として、半導体発光素子１１の温度が一定時間以上閾値Ｔｈ未満である状態が継続している場合とすることができる。
【００４０】
また、以上の実施の形態では、半導体発光素子１１として半導体レーザを例に挙げて説明したが、例えば、半導体発光素子１１としてＬＥＤを用いるようにしてもよい。
【００４１】
また、以上の実施の形態では、半導体発光素子１１から出力される光が放送信号として用いられる場合を例に挙げて説明したが、例えば、半導体発光素子１１から出力される光によって、光記録媒体に情報を記録するようにしてもよい。そのような使用状況の場合、半導体発光素子１１の破損を防ぎつつ、光記録媒体に情報を記録することができる。
【００４２】
また、以上の実施形態では、半導体発光素子１１の出力は段階的に増減するようにしたが、もちろん、連続的に増減するようにしてもよい。なお、段階的に増減させることで、制御を簡易化することができる。
【００４３】
また、以上の実施形態では、ステップＳ１０〜Ｓ１３では、温度制御を行った後に、出力制御を行うようにしたが、この順序を逆に設定することも可能である。同様に、ステップＳ１９〜Ｓ２２の処理では、温度制御を行った後に、出力制御を行うようにしたが、この順序を逆に設定することも可能である。
【００４４】
また、図３に示す出力と温度との関係は一例であって、グラフの形状が図３に示す形状以外であること（例えば、グラフが曲線ではなく直線である等）も想定される。なお、そのような場合であっても、温度の閾値Ｔｈと出力の最低値Ｐｍｉｎが存在し、これらを超えない、あるいは、下回らないように制御する必要がある。
【符号の説明】
【００４５】
１０  半導体発光素子制御装置
１１  半導体発光素子
１２  出力光強度検出部
１３  サーミスタ（温度検出手段）
１４  ペルチェ素子（温度調整手段）
１５  制御部
１５ａ  温度制御部（温度制御手段）
１５ｂ  異常時制御部（異常時制御手段、発報手段）
１５ｃ  出力光制御部（出力光制御手段）
１６  駆動部
【要約】
【課題】温度異常が発生した場合でも半導体発光素子の故障を確実に防ぐことが可能な半導体発光素子制御装置を提供する。
【解決手段】温度調整手段を有する半導体発光素子を制御する半導体発光素子制御装置において、半導体発光素子の温度を検出する温度検出手段（サーミスタ１３）と、温度検出手段の検出結果を参照して、半導体発光素子の温度が所定の範囲内に収まるように温度調整手段を制御する温度制御手段（温度制御部１５ａ）と、半導体発光素子の出力光の強度が所定の範囲内に収まるように出力制御する出力光制御手段（出力光制御部１５ｃ）と、温度検出手段によって半導体発光素子の温度異常が検出された場合、出力光制御手段の出力制御を一時的に解除して、出力光の強度を低下させる異常時制御手段（異常時制御部１５ｂ）と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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