(57)【要約】【課題】互いのカソードが共通接続された半導体レーザダイオードとモニタ用フォトダイオードとを備えてなる半導体レーザ素子のための駆動回路であって、単一電源で高速制御することが可能な半導体レーザ駆動回路等を提供する。【解決手段】レーザダイオード３０が発光すると、モニタ用フォトダイオード３１に電流が流れ、それに応じた電圧レベルＶｒと基準電圧レベルＶｒｅｆとに応じた制御信号が差動増幅器３４からＮＰＮ型トランジスタ３２に与えれてオン動作する。また、モニタ用フォトダイオード３１には逆バイアス電圧が印加されている。これにより、単一電源による高速なＡＰＣ制御が可能になる。【選択図】  図２
2005026371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いのカソードが共通接続された半導体レーザダイオードとモニタ用フォトダイオードとを備えてなる半導体レーザ素子のための半導体レーザ駆動回路であって、
前記半導体レーザダイオードのアノードが電源ライン側に接続され、前記モニタ用フォトダイオードのアノードが、当該モニタ用フォトダイオードに流れる電流量に応じた電圧を発生させる電圧発生手段を介してグランドライン側に接続され、
前記電源ラインと半導体レーザダイオードのアノードとの間、または、前記半導体レーザダイオード及び前記モニタ用フォトダイオードのカソードと前記グランドラインとの間に配されて、前記半導体レーザダイオードに供給される電流量を調整する電流制御素子と、
前記電圧発生手段で発生した電圧信号を受けて、その電圧信号レベルに応じた制御信号を前記電流制御素子の制御端子に与えて前記半導体レーザダイオードのレーザ光出力が所定レベルになるようフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
前記半導体レーザダイオード及び前記モニタ用フォトダイオードのカソードと前記グランドラインとの間に配されて、前記モニタ用フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加するバイアス手段とを備えてなる半導体レーザ駆動回路。
【請求項２】
前記電流制御素子は、前記半導体レーザダイオード及び前記モニタ用フォトダイオードのカソードと前記バイアス手段との間において当該バイアス手段に対して直列接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
【請求項３】
所定の検出領域に向けて光を出射する投光手段と、
前記検出領域からの光を受光する受光手段とを備えて前記受光手段での受光レベルに応じた検出動作を行う光電センサにおいて、
前記投光手段は、前記請求項１または請求項２記載の半導体レーザ駆動回路を備えて構成されていることを特徴とする光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ駆動回路及び光電センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、いわゆる透過型の光電センサでは、互いに対向する投光素子及び受光素子を備えて、投光素子から出射され受光素子に至るレーザ光の光路途中に存在する物体の遮光状態により変化する受光素子での受光量変化に基づいて当該物体の存在の検出や位置及び寸法等の測定を行うよう構成されている。こうした光電センサにおいて安定した検出等を行うには、投光素子からのレーザ光出力を一定に保つ必要がある。
【０００３】
このために、従来からＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御によって投光素子を駆動制御することでレーザ光出力を一定に保つ半導体レーザ駆動回路が備えられている。この半導体レーザ駆動回路は、上記投光素子としてのレーザダイオードと、このレーザダイオードと同一チップ内に実装されたモニタ用フォトダイオードとを備えて、レーザダイオードの投光量に応じてモニタ用フォトダイオードに流れる電流量に基づきレーザダイオードのレーザ光出力が所定レベルになるようフィードバック制御する構成となっている。
【０００４】
ところで、モニタ用フォトダイオードを内蔵したレーザダイオードには、レーザダイオードのカソードとモニタ用フォトダイオードのアノードが共通接続されたタイプもあるが、近年、互いのカソードが共通接続されたタイプ（以下、「カソードコモンタイプ」という）が主流になっており、大量生産により低コストで購入できる場合もある。
ここで、図４（Ａ）（Ｂ）には、カソードコモンタイプのレーザダイオードを使用した従来の半導体レーザ駆動回路の回路構成図である。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−２０２３４５号公報
【特許文献２】
特許第２５４０８５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述したようにカソードコモンタイプは、レーザダイオード１とモニタ用フォトダイオード２とのカソードが共通接続された構成である。従って、図４（Ａ）の回路では、それらのカソードをグランドライン３に接続して、プラス電源４との間にレーザダイオード１を接続し、マイナス電源５との間にモニタ用フォトダイオード２を接続する構成になっている。従って、この回路では、プラス電源４とマイナス電源５の２つの電源が必要であり、電源回路が複雑化し実装面積が増えて装置全体の小型化の妨げやコストアップを招くおそれがある。
【０００７】
これに対して、同図（Ｂ）の回路は、マイナス電源を使用せずにプラス電源４だけの単一電源で構成されている。しかしながら、この回路では、モニタ用フォトダイオード２に逆方向電圧がかかっていない無バイアス状態になっているので、このモニタ用フォトダイオード２が光を受けてもその受光量に対して線形的な電流が即座に流れず、モニタ用フォトダイオード２と並列接続された抵抗６の負荷電圧の立ち上がりが遅れ、高速なＡＰＣ制御が行えないという欠点がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、互いのカソードが共通接続された半導体レーザダイオードとモニタ用フォトダイオードとを備えてなる半導体レーザ素子のための駆動回路であって、単一電源で高速制御することが可能な半導体レーザ駆動回路及び光電センサを提供するところにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る半導体レーザ駆動回路は、互いのカソードが共通接続された半導体レーザダイオードとモニタ用フォトダイオードとを備えてなる半導体レーザ素子のための半導体レーザ駆動回路であって、半導体レーザダイオードのアノードが電源ライン側に接続され、モニタ用フォトダイオードのアノードが、当該モニタ用フォトダイオードに流れる電流量に応じた電圧を発生させる電圧発生手段を介してグランドライン側に接続され、電源ラインと半導体レーザダイオードのアノードとの間、または、半導体レーザダイオード及びモニタ用フォトダイオードのカソードとグランドラインとの間に配されて、半導体レーザダイオードに供給される電流量を調整する電流制御素子と、電圧発生手段で発生した電圧信号を受けて、その電圧信号レベルに応じた制御信号を電流制御素子の制御端子に与えて半導体レーザダイオードのレーザ光出力が所定レベルになるようフィードバック制御するフィードバック制御手段と、半導体レーザダイオード及びモニタ用フォトダイオードのカソードとグランドラインとの間に配されて、モニタ用フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加するバイアス手段とを備えてなるところに特徴を有する。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体レーザ駆動回路において、電流制御素子は、半導体レーザダイオード及びモニタ用フォトダイオードのカソードとバイアス手段との間において当該バイアス手段に対して直列接続されているところに特徴を有する。
【００１１】
請求項３の発明に係る光電センサは、所定の検出領域に向けて光を出射する投光手段と、検出領域からの光を受光する受光手段とを備えて受光手段での受光レベルに応じた検出動作を行う光電センサにおいて、投光手段は、請求項１または請求項２記載の半導体レーザ駆動回路を備えて構成されていることを特徴とするところに特徴を有する。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、半導体レーザダイオードからの光を受けて、その受光量に応じた電流がモニタ用フォトダイオードに流れ、その電流量に応じたレベルの電圧が電圧発生手段に発生する。そして、その電圧レベルに応じた制御信号（例えば電圧発生手段で発生する電圧レベルと、半導体レーザダイオードの設定レーザ出力に対応する基準電圧レベルとのレベル差に応じた制御信号）がフィードバック制御手段から電流制御素子に与えられ、これにより半導体レーザダイオードのレーザ光出力が所定レベル（上記設定レーザ出力）になるよう制御される。
このような構成であれば、単一電源で半導体レーザダイオードのレーザ光出力をフィードバック制御することができる。また、モニタ用フォトダイオードはバイアス手段によって逆バイアス電圧（逆方向電圧）が印加されるから、モニタ用受光素子の受光量変化に対して線形的な電流をモニタ用フォトダイオードに流すことができ、高速のフィードバック制御を行うことができる。
【００１３】
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、バイアス手段（例えば、抵抗やツェナーダイオード）と電源ラインとの間には、電流制御素子と半導体レーザダイオードだけを接続する構成にすることが可能であり、これにより、上記抵抗の負荷電圧に応じた高いレベルの電圧を逆バイアス電圧としてモニタ用フォトダイオードに印加することができ、モニタ用フォトダイオードに流れる電流の立上がりをより高速にすることができる。
【００１４】
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、上記請求項１または請求項２記載の半導体レーザ駆動回路を利用することで、半導体レーザダイオードの駆動制御の高速化を図り、被検出物体（被測定物体）の検出（測定）応答速度を向上させることができる。また、プラス・マイナスの２つの電源を用いた従来の構成に比べて光電センサ全体の小型化を図ることも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１及び図２を参照しつつ説明する。
【００１６】
１．本実施形態に係る光電センサ及び半導体レーザ駆動回路の構成
（１）光電センサの全体構成
本実施形態に係る透過型光電センサ１０は、矩形スリット状に開口した投光窓１２から平行光を出射する投光部１１と、やはり矩形スリット状に開口した受光窓２２が形成された受光部２１とを対向して配置し、投光部１１の投光窓１２から出射され受光部２１の受光窓２２に入射する光の光路を検出可能領域Ｒ１（図１において破線で囲んだ部分）とし、その検出可能領域Ｒ１内に存在する検出物体の遮光状態により変化する受光部２１での受光量に基づいて、例えば検出物体の寸法等を測定するものである。
【００１７】
このうち投光部１１は、投光ケース１３内に、互いのカソードが共通接続されたレーザダイオード３０とモニタ用フォトダイオード３１とが同一パッケージ内に内包されてなる半導体チップ１４（本発明の「半導体レーザ素子」に相当）と、その半導体チップ１４の前方に投光レンズ１５とが備えられている。投光レンズ１５は、例えば全体として肉厚の半円板形状の凹凸レンズであって、その凸部分を投光窓１２側に向けて配置されており、放射状に広がるレーザダイオード３０からの光を対向する受光部２１側に向う平行光に変える。また、投光ケース１３のうち投光レンズ１５の前方の壁面には、スリット状に開口されると共に、例えばガラス等の透光部材１２ａで封鎖された投光窓１２が形成されている。
【００１８】
一方、受光部２１は、受光ケース２３内に、例えばフォトダイオード等の受光素子２４と、投光部１１からの平行光を収束する受光レンズ２５とが備えられている。また、受光ケース２３のうち受光レンズ２５の前方の壁面には、やはりスリット状に開口されると共に、例えばガラス等の透光部材２２ａで封鎖された受光窓２２が形成されている。これら投光部１１及び受光部２１は、それぞれの投光窓１２と受光窓２２とが互いのスリット形の長軸方向を一致させつつ対向するように配置される。
【００１９】
（２）半導体レーザ駆動回路の構成
こうした透過型光電センサ１０において安定した測定を行うには、レーザダイオード３０からのレーザ光出力を一定に保つ必要があり、そのための半導体レーザ駆動回路２６の構成が図２に示されている。
【００２０】
図２において符号１４は、上述した半導体チップである。このうち、レーザダイオード３０のアノードが電源ラインＬ１に接続され、カソード（モニタ用フォトダイオード３１のカソードとの共通接続点）には、本発明の「電流制御素子」として機能するＮＰＮ型トランジスタ３２のコレクタが接続されている。このＮＰＮ型トランジスタ３２は、エミッタが本発明の「バイアス手段」として機能するエミッタ抵抗３３を介してグランドラインＧに接続され、ベースが差動増幅器３４の出力端子に接続され、この差動増幅器３４からの制御信号レベルに応じてレーザダイオード３０に流れる電流量を制御するよう動作する。
【００２１】
一方、モニタ用フォトダイオード３１のアノードは、抵抗３５を介してグランドラインＧに接続されている。この抵抗３５の負担電圧は、モニタ用フォトダイオード３１に流れる電流量に応じた値になる。従って、この抵抗３５は本発明の「電圧発生手段」として機能する（以下、「受光電流検知抵抗３５」という）。そして、受光電流検知抵抗３５とモニタ用フォトダイオード３１との接続点の電圧レベルＶｒが上記差動増幅器３４の一方の入力に与えられるようになっている。また、差動増幅器３４の他方の入力は、抵抗３６を介して電源ラインＬ１に接続され、所定の基準電圧レベルＶｒｅｆが与えられるようになっている。これにより差動増幅器３４は、上記基準電圧レベルＶｒｅｆと、モニタ用フォトダイオード３１に流れる電流に応じて変化する電圧レベルＶｒとの差に応じたレベルの制御信号をＮＰＮ型トランジスタ３２のベースに与える。
【００２２】
２．本実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の動作
次に、本発明に係る半導体レーザ駆動回路２６の動作について説明する。
上記回路の電源ラインＬ１にプラス電源電圧レベルＶｃｃが印加されると、当初、モニタ用フォトダイオード３１はレーザダイオード３０からの光をまだ受けていないから、差動増幅器３４の入力に与えられる電圧レベルＶｒは基準電圧レベルＶｒｅｆに比べて低い。従って、差動増幅器３４の出力に連なるベースの電圧レベル（以下、「ベース電圧レベルＶｂ」）は高いレベルとなりＮＰＮ型トランジスタ３２がオン動作し、これに応じた電流量がレーザダイオード３０に流れてレーザダイオード３０が発光を開始する。ここで、エミッタ抵抗３３にも電流が流れて、ＮＰＮ型トランジスタ３２のエミッタ電圧レベルＶｅは、電源電圧レベルからレーザダイオード３０での電圧降下分Ｖｄを差し引いた電圧レベル（＝Ｖｃｃ−Ｖｄ）と略同一レベルになり、これがモニタ用フォトダイオード３１及び受光電流検知抵抗３５に与えられることになる。つまり、モニタ用フォトダイオード３１に逆バイアス電圧（逆方向電圧）が印加されるのである。なお、この逆バイアス電圧レベルは、ＡＰＣ制御中において変動するが、レーザダイオード３０からモニタ用フォトダイオード３１に流れ込む電流量は、ＮＰＮ型トランジスタ３２に流れ込む電流量に比べて微々たるものである。従って、上記逆バイアス電圧の変動に影響されることなく、モニタ用フォトダイオード３１が受けた受光量に応じた電流量を電圧発生手段としての受光電流検知抵抗３５に流すことができる。つまり、電圧レベルＶｒは、逆バイアス電圧レベルの変動にほとんど影響されることはない。
【００２３】
一方、モニタ用フォトダイオード３１には、レーザダイオード３０の発光により光を受けてその受光量に応じた電流が流れる。ここで、上述したようにモニタ用フォトダイオード３１には逆バイアス電圧が印加されているから、モニタ用フォトダイオード３１に流れる電流量レベルは、このモニタ用フォトダイオード３１が光を受けたときから急速に立上がり、以後、受光量変化に対してリニアに変動することになる。そして、この受光量変化に対してリニアに変動する電圧レベルＶｒが差動増幅器３４の入力に与えられる。
【００２４】
そして、レーザダイオード３０のレーザ光出力が高くなると、モニタ用フォトダイオード３１での受光量が増加し、電圧レベルＶｒと基準電圧レベルＶｒｅｆとの差が小さくなってくると、差動増幅器３４からの制御信号レベルが低下して、ＮＰＮ型トランジスタ３２のベース電圧レベルＶｂが低下して、レーザダイオード３０に流れる電流量を増加させる。逆に、レーザダイオード３０の発光量が低下すると、電圧レベルＶｒと基準電圧レベルＶｒｅｆとの差が大きくなってＮＰＮ型トランジスタ３２のベース電圧レベルＶｂが高くなり、レーザダイオード３０に流れる電流量を増加させる。これにより、レーザダイオード３０のレーザ光出力を設定された一定のレベルに保つことができる。
【００２５】
３．本実施形態の効果
以上のような構成であれば、互いのカソードが共通接続されたレーザダイオード３０とモニタ用フォトダイオード３１を備えてなる、カソードコモンタイプの半導体チップ１４であっても、単一電源でＡＰＣ制御を行うことができる。しかも、モニタ用フォトダイオード３１には逆バイアス電圧が印加されているから、上述の無バイアス状態の回路構成に比べて、レーザダイオード３０の発光量変化、モニタ用フォトダイオード３１の受光量変化に対して線形的な電流をモニタ用フォトダイオード３１に流すことができ、高速のフィードバック制御を実現させることができる。
【００２６】
更に、本実施形態では、バイアス手段としてのエミッタ抵抗３３と電源ラインＬ１との間には、ＮＰＮ型トランジスタ３２とレーザダイオード３０だけを接続する構成になっているから、エミッタ抵抗３３の負荷電圧に応じた高いレベルの電圧を逆バイアス電圧としてモニタ用フォトダイオード３１に印加することができ、モニタ用フォトダイオード３１に流れる電流の立上がりをより高速にすることができる。
【００２７】
また、このような半導体レーザ駆動回路２６を透過型光電センサ１０に採用することにより、レーザダイオード３０の駆動制御の高速化を図り、被検出物体（被測定物体）の検出（測定）応答速度を向上させることができる。また、プラス・マイナスの２つの電源を用いた従来の構成に比べて投光部１１及び透過型光電センサ１０全体の小型化を図ることも可能である。
【００２８】
＜第２実施形態＞
図３は第２実施形態を示す。前記実施形態との相違は、主として電流制御素子としてＮＰＮ型トランジスタ３２の代わりにＰＮＰ型トランジスタ４０を採用した点及びバイアス手段の構成にあり、その他の点は前記第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【００２９】
図３には本実施形態に係る半導体レーザ駆動回路４３の構成が示されている。同図に示すように、電流制御素子としてのＰＮＰ型トランジスタ４０が電源ラインＬ１とレーザダイオード３０のアノードとの間に接続された構成になっている。また、電源ラインＬ１とグランドラインＧとの間には抵抗４１及びツェナーダイオード４２が直列接続されており、それらの接続点に、レーザダイオード３０とモニタ用フォトダイオード３１のカソードが接続されている。これにより、モニタ用フォトダイオード３１に並列接続されたツェナーダイオード４２に係るの定電圧Ｖｆに応じた電圧が逆バイアス電圧としてモニタ用フォトダイオード３１に印加されることになる。
【００３０】
このような構成であっても、上記第１実施形態と同様、カソードコモンタイプの半導体チップ１４を採用しつつ単一電源でＡＰＣ制御を行うことができる。しかも、モニタ用フォトダイオード３１には逆バイアス電圧が印加されているから、高速のフィードバック制御を実現させることができる。
また、このような半導体レーザ駆動回路２６を透過型光電センサ１０に採用することにより、レーザダイオード３０の駆動制御の高速化を図り、被検出物体（被測定物体）の検出（測定）応答速度を向上させることができる。また、プラス・マイナスの２つの電源を用いた従来の構成に比べて投光部１１及び透過型光電センサ１０全体の小型化を図ることも可能である。
【００３１】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記各実施形態では、上記半導体レーザ駆動回路２６を透過型光電センサ１０に適用した例を説明したが、勿論、反射型光電センサに適用してもよい。また、光電センサ以外に、例えば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）プレーヤやＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｓｉｏ  ＤｉｓｋまたはＤｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）プレーヤに備えられた光ピックアップ装置等やバーコードリーダに適用してもやはり同一の効果を得ることができる。
【００３２】
（２）上記各実施形態に対して、抵抗３６を可変抵抗として基準電圧レベルＶｒｅｆを変更することでレーザダイオード３０のレーザ光出力の設定レベルを調整できるようにしてもよい。
【００３３】
（３）第１実施形態において、エミッタ抵抗３３を可変抵抗にして、ＡＰＣ制御動作の速度を微調整できるようにしてもよい。
【００３４】
（４）上記各実施形態では、電流制御素子としてバイポーラトランジスタを採用したが、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電センサの全体構成図
【図２】その半導体レーザ駆動回路の構成図
【図３】第２実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成図
【図４】従来の半導体レーザ駆動回路の構成図
【符号の説明】
１０…透過型光電センサ
１１…投光部
１４…半導体チップ（半導体レーザ素子）
２１…受光部
２６，４３…半導体レーザ駆動回路
３０…レーザダイオード（半導体レーザダイオード）
３１…モニタ用フォトダイオード
３２…ＮＰＮ型トランジスタ（電流制御素子）
３３…エミッタ抵抗（バイアス手段）
３４…差動増幅器（フィードバック制御手段）
３５…抵抗（電圧発生手段）
４０…ＰＮＰ型トランジスタ
４２…ツェナーダイオード（バイアス手段）
Ｇ…グランドライン
Ｒ１…検出可能領域
Ｌ１…電源ライン
Ｖｂ…ベース電圧レベル
Ｖｅ…エミッタ電圧レベル
Ｖｆ…定電圧
Ｖｒ…電圧レベル
Ｖｒｅｆ…基準電圧レベル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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