JPH08501902A

JPH08501902A - レーザダイオード駆動回路

Info

Publication number: JPH08501902A
Application number: JP6508806A
Authority: JP
Inventors: レイブン、アンソニー; リー、ロビン・マイケル
Original assignee: ダイオメド・リミテッド
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1993-09-10
Publication date: 1996-02-27
Also published as: US5734668A; AU4978093A; EP0664058A1; WO1994008370A1; GB9221104D0; ATE161363T1; DE69315851D1; EP0664058B1; CA2146555A1; DE69315851T2; AU674882B2

Abstract

(57)【要約】レーザダイオード（１）のレーザ出力は、ダイオード（１）を流れる電流によって制御される。レーザダイオード（１）は、駆動信号のパルス巾によって振幅が決定される平滑出力電圧を提供するように配設されたコンデンサＣおよび誘導子を典型的に含む平滑回路にパルス信号が供給されるモード切替駆動回路によって駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】レーザダイオード駆動回路本発明は、レーザダイオードの駆動回路に関する。レーザダイオードのレーザ出力は、そのダイオードを流れる電流によって制御される。これまで、レーザダイオードは、図１に示されるような線形制御回路によって制御されてきた。ダイオード１の所望レーザ出力を表示する外部制御信号は、演算増幅器３を介して、要求される出力電力を生成するためダイオード１を流れる電流を変える抵抗器と共に直列素子として作用するトランジスタ２に供給される。ダイオードの出力は、光検知器（フォトディテクタ）によって検知され、実際の出力値と所望出力値との間の誤差を最小にするためその出力を調整すべく外部制御信号と比較される演算増幅器の他の入力に帰還する。従って、このような駆動回路において、レーザダイオードの電流および電圧は、外部制御信号および帰還信号に従いトランジスタによって制御され、供給レールからの残余電圧が直列素子（トランジスタおよび抵抗器）において降下する。しかしながら、我々が発見したところによれば、これらの周知のレーザダイオード用駆動回路は、極めて効率的といえない。典型的に、レーザダイオードは、最大出力時、およそ２Ｖの電圧と０．５Ａの電流を有する。例えば５Ｖの電力供給があったとき、トランジスタおよび抵抗器を通過時に３Ｖ下がり、１．５Ｗの電力損失となる。従って、使われた２．５Ｗのうち、１Ｗだけレーザダイオードが使うことになり、極めて非効率的である。このような多量の電力が直列素子を通って熱となって消散するため、大きな熱沈下（シンク）が必要となる。この結果、回路は大型になる。上記の課題は、ビーム光が単一ダイオードから得られるものより実質的に大きい電力出力を提供するよう結合される複数のレーザダイオードが光源に設けられている場合に顕著となる。例えば国際公開第ＷＯ−９２／０２８４４号に記載されるように、体内移植可能なプローブなどの光ファイバ又は網膜レーザ治療用ファイバのためのポータブル光源に、１６個のレーザダイオード列が設けられている。この装置において、１６個の駆動回路をコンパクトなユニットに収容する必要があり、従って回路はできるだけ効率的かつコンパクトにしなければならない。周知の線形レーザダイオード駆動回路の別の課題は、ダイオードのスイッチを切る必要がある時に発現する。ほとんどの演算増幅器が多少のオフセット（残留偏差）公差不一致を有するため、ゼロの外部制御信号が、時々、小さな信号となって出力され、レーザダイオードが依然として励起されて低い電力出力を供給する。実際面においては、この課題を克服するため、ゼロ出力が必要な時は負の外部制御信号を使用する。しかし、これは理想的でなく、非常に低い出力或は正確な制御が要求される場合は難しい。従って、図１に示されるような周知のレーザ駆動回路は、典型的に３０〜４０％又はこれ以下の効率でしか作用せず、より高い電力出力を要求し、トランジスタおよび抵抗器における電力損失が故、大きなシンクが必要になり、回路が大規模なものになってしまう。このような回路は、素子のサイズが重要な要素となる、国際公開第ＷＯ−９２／０２８４４号に記載されるような用途には特に適さない。従って、本発明は、電力損失が最小限とされ、かつ、極めて低い或はゼロの出力時でもレーザの正確な制御が可能でコンパクトなレーザダイオード駆動回路を提供することを目的とする。この目的を達成するため、本発明は、レーザダイオードの駆動にモード切換式駆動回路を使用する。本発明は、一方において、モード切換式駆動回路に電気的に接続されたレーザダイオードを提供する。他方において、本発明は、モード切換型駆動回路を使用するステップから成るレーザダイオードの駆動方法を提供する。本発明は、更に、光ファイバと共に使用する光源ユニットであって、複数のレーザダイオードと、前記ダイオードから出射されたビーム光を束ね、その光束を光ファイバに導く光学手段とから成り、もって各レーザダイオードが前記ユニットに収納されたモード切換駆動回路によって駆動される光源ユニットにまで及ぶ。各種のモード切換型駆動回路が知られているが、レーザダイオードの使用において特別な利点をもたらす新たな出発を意味するものは未だ見られない。本書でいうモード切換型駆動回路は、駆動信号のパルス巾によって振幅が変わる平滑出力電圧を提供するように配設されたコンデンサおよび誘導子を典型的に含む平滑回路にパルス信号が供給されるものである。モード切換式駆動回路は、ずっと高い熱効率を有し、過剰電圧ダイオードと直列の素子において降下せず電力が熱として消散するので、何の冷却要素も必要とならず回路をずっと小さくできる。モード切換式駆動回路の更なる利点は、レーザダイオードがゼロ電力外部制御信号に応答して正確にスイッチをオフにできること、つまり駆動パルスなくしてレーザダイオードに電流が流れないことである。電圧オフセットによる影響を受けることもない。高周波スイッチング（開閉器）の使用は、好ましいものであり、平滑回路中の誘導子をサイズおよび数値の両方において小さくしてエネルギ蓄積能を極く小さくすることができる。駆動回路への入力電力がスイッチオフされると、レーザ放射を続けるレーザの能力は誘導子の蓄エネルギ次第となる。従って、インダクタンスが小さくなればなるほど、レーザはゼロ目標値（コマンド）信号入力に応答してレーザ放射を停止する。これは、医療機器にとって特に有利である。故障が検知された際に装置のスイッチが直ちに切れるようにすることが全ての医療用電気器具に求められる一般条件だからである。また、システムが１個の部材の故障によって危険となってはならないという国際基準（ＩＥＣ６０１）を医療製品が満足させることも条件となり、このような事態を回避するため追加の安全策をとらねばならない。図１に示される線形装置において、もしトランジスタが故障すると、ダイオードと抵抗器との間に短絡が起きてダイオードがハイパワーで作用する結果となる。これによってダイオードが破壊されない限り（これ自体も危険であるが）、高電力出力は患者にとって危険である。これまで、規則に従うため、このような問題を回避すベく駆動回路に安全監視要素を追加してきたが、これは全体サイズを更に大きくし、システムを複雑にしてコストを招来するものである。そこで、本発明の特に好ましい実施例は、分離変成器、好ましくは回路の駆動端部を平滑回路およびレーザダイオードから分離する逓降（降圧）変圧器から成る。適する回路は、バック（Buck）降圧分離プッシュプル変換器である。分離変成器は、追加の安全策を必要とせずに装置を単一部材の故障に対して安全が保てるようになっている。また、降圧変圧器を使用すると、回路の効率が良くなり、電力損失が最小限になる。これまで、モード切換（開閉）式電圧源を用いて標準５Ｖ又は１２Ｖの電源レールを供給してきた。しかし、レーザダイオード駆動時、要求される電圧はこれよりずっと小さく、通常２Ｖである。しかし、この回路の効率は、出力電圧の降下にともなって一定電力出力で劇的に向上すると分った。従って、好適実施例において、自励形スイッチとして作用する、変圧器分離プッシュプル変換器中の変圧器の出力側に典型的に設けられたダイオードは、能動スイッチ、好ましくは変成器の三次巻線によって駆動されるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）に取り替えられる。ＦＥＴの駆動に必要な電流は極めて少なく、この結果損失が少なくなる。添付図面を参照しながら本発明のいくつかの実施例を例示として説明する。図１は、従来の線形レーザダイオード駆動回路の概略図である。図２は、本発明の１の実施例に使用される分離変圧器を備えるバックプッシュプル電圧変換器の概略図である。図３は、レーザダイオードを駆動すべく図２の回路を適応した状態を示す概略図である。一般に、モード切換（開閉）式駆動回路において、駆動パルスは、開閉してパルス信号を出力する駆動高周波スイッチＱ₁、Ｑ₂に与えられる。この出力信号は、ＬＣ回路によって平滑にされて入力パルスの巾によって振幅が決まる出力信号を提供する。この出力信号はレーザダイオード１に与えられる。入力パルスの巾は、所望出力電力を表す外部入力コマンド信号およびレーザダイオードの実出力を検知するセンサからの帰還信号に基づいて制御される。図１に示される線形システムにおいて、全供給電圧がトランジスタおよび抵抗器などの直列素子において降下した。従って、例えば供給電圧が１２Ｖであった場合、フル作動時のダイオード電圧は２Ｖであり、動作電流は３Ａであり、総電力は３６Ｗとなり、この中の３０Ｗが熱として直列素子において放散し、６Ｗだけがダイオードからの使用できる電力となる。これが極めて非効率的であること明白であり、直列素子が非常に熱くなるため追加の冷却素子が必要になる。本発明を使用すると、生成された全電力がレーザからであり、従ってシステムがおよそ９０％の効率を示す。降圧変圧器を使用すると、システムの効率が相当に向上する。典型的な回路において、二次巻線に対する一次巻線の比率は、一次巻上の５０Ｖ主供給源を用いる２Ｖ、３Ａ出力の場合で４７：３巻であり、一次電流はたったの１４０ｍＡ程度であり、従って電流関連の損失が大幅に減少する。実際上は、通常、主変圧器とスイッチング回路との間にブリッジ整流器が接続される。降圧変圧器がない場合、ダイオード作用電流、典型的に３Ａ、を、ブリッジ整流器ダイオードを介して主変圧器から供給することが必要になる。ブリッジ整流器の各ダイオードが０．７Ｖの降下を示すため、整流器において大きな電力損失が起きる結果となる。従って、降圧変圧器が整流器に極めて少ない電流しか流さないため、このような損失が最小限となる。この極めて低い電流が故、全ケーブルのジュール損も最小限とされる。分離変圧器の使用は、医療器具規則に従って単一部材の故障による危険を回避する安全性をももたらす。ＡＣ電流だけが変圧器を流れることができる。従って、駆動スイッチＱ₁、Ｑ₂ のどちらかが故障して短絡が起きる或は閉回路になると、変圧器からダイオードに電流が全く流れない。また、レーザダイオードの接地基準点は、変圧器が故障した場合、例えば巻線間に短絡が起きた場合、レーザダイオードが逆バイアスになってスイッチがオフになるよう任意選択されている。図２および３に示される実施例において、ダイオードの陽極は接地されている。変圧器が短絡すると、一次側の全電圧が正になり、レーザダイオードを逆駆動するダイオードの陰極に正電位が与えられる。また、接地ポテンシャルの任意選択は、多くのレーザダイオードをその接続陽極と熱および電気接触させることを可能ならしめる。二次側の部材が故障すると、レーザ出力が減少して危険は発生しない。このような特徴は特に医療機器において有益であり、追加の安全装置を必要としないため、得られるパッケージがよりコンパクトになる。これは、１６個のレーザダイオードがコンパクトなユニットに取付けられている国際公開第ＷＯ９２／０２８４４号に記載されるシステムに用いる駆動回路にとって重大なことである。モード切換式の電力供給器は他の用途、例えば拡声器の駆動に使用されているが、レーザダイオードの駆動には使われたことがない。１つには、このような回路が一般に強い或は高い（通常５Ｖ又は１２Ｖ）電圧レールを提供し、いずれの場合にも５Ｖ以下にならないのに対して、レーザダイオードはもっと低い電圧、典型的に２Ｖの電圧を要求するからである。電圧が５Ｖ以下に降下するとこの回路の損失が劇的に増大すると分った。一般に、図２に示されるようなモード切換電力供給器は、トランジスタＱ₁、Ｑ₂が使用される２個のスイッチ或は２対の駆動スイッチとしてのスイッチと、ダイオードＳ₃、Ｓ₄が使用される二次自励形スイッチとから成る。しかし、スイッチングダイオードにはある程度の損失が発生し、これは高電流低電圧負荷を生成するレーザダイオードの場合は特に深刻である。例えば、典型的なスイッチング（開閉型）ダイオードにおいては０．７Ｖの降下が見られる。１０Ｖ１０Ｗを要求する負荷の場合、電流は１Ａであり、スイッチングダイオードにおける電力損失は７Ｗである。従って、この損失を最小限にするため、図２の駆動回路は、好適実施例において、ダイオードＳ₃、Ｓ₄を、パルスが与えられたときに変圧器の三次巻線によって駆動される例えばＦＥＴＱ₃、Ｑ₄などの能動同期スイッチに代えることによって対応している。この装置により、レーザダイオード駆動回路中の電力損失を劇的に減らすことができる。低漏れインダクタンス変圧器を用いて切換（開閉）損失をできる限り最小にするのが好ましい。好適システムにおいて、変圧器Ｔ₁は、第１の２本ワイヤ一次巻線をコアにきつく、しっかり巻き付けて形成される。この上に二次巻線を巻き、次いで三次巻線を巻く。一次巻線は二分割される。低漏れインダクタンスは、一次巻きと二次巻きとの間を良好に結合することによって達成される。二次巻きは物理的に一次巻きに近接させてこれを完全に包み込むようにする。各々の適当な巻き数は図３に例示として示されている。モード切換式電源は周知であるが、そのレーザダイオードの駆動への利用、特に医療分野への応用は、効率、サイズおよび安全性の面から特別な価値を与えるものである。図示した実施例は単なる例示にほかならない。他の適当な形態のモード切換電源を当業者が想到し得るが、これも本発明に使用されるものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９４年９月２９日【補正内容】明細書レーザダイオード駆動回路本発明は、レーザダイオードの駆動回路に関する。レーザダイオードのレーザ出力は、そのダイオードを流れる電流によって制御される。日本国特開昭６１−２５６６８２号は、ダイオードの光出力制御回路とダイオードをＤＣ形態で分離することによってダイオードの極性に関係なくレーザダイオードを駆動する装置を記載する。これまで、レーザダイオードは、図１に示されるような線形制御回路によって制御されてきた。このような装置は、例えばMelles Griot Optics Guide 5の第２０章第２９ページ（Power Supply Design-1990）に開示されている。ダイオード１の所望レーザ出力を表示する外部制御信号は、演算増幅器３を介して、要求される出力電力を生成するためダイオード１を流れる電流を変える抵抗器と共に直列素子として作用するトランジスタ２に供給される。ダイオードの出力は、光検知器（フォトディテクタ）によって検知され、実際の出力値と所望出力値との間の誤差を最小にするためその出力を調整すべく外部制御信号と比較される演算増幅器の他の入力に帰還する。従って、このような駆動回路において、レーザダイオードの【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９４年１１月８日【補正内容】電流および電圧は、外部制御信号および帰還信号に従いトランジスタによって制御され、供給レールからの残余電圧が直列素子（トランジスタおよび抵抗器）において降下する。しかしながら、我々が発見したところによれば、これらの周知のレーザダイオード用駆動回路は、とても効率的といえない。典型的に、レーザダイオードは、最大出力時、およそ２Ｖの電圧と０．５Ａの電流を有する。例えば５Ｖの電圧供給があったとき、トランジスタおよび抵抗器を通過時に３Ｖ下がり、１．５Ｗの電力損失となる。従って、使われた２．５Ｗのうち、１Ｗだけレーザダイオードが使うことになり、極めて非効率的である。また、このような多量の電力が直列素子を通って熱となって放散するため、大きな熱沈下（シンク）が必要となる。この結果、回路は大型にならざるを得ない。上記の課題は、ビーム光が単一ダイオードから得られるものより実質的に大きい電力出力を提供するよう結合される複数のレーザダイオードが光源に設けられている場合に顕著となる。例えば国際公開第ＷＯ−９２／０２８４４号に記載されるように、体内移植可能なプローブなどの光ファイバ又は網膜レーザ治療用ファイバのためのポータブル光源に、１６個のレーザダイオード列が設けられている。この装置において、１６個の駆動回路をコンパクトなユニットに収容する必要があり、従って回路はできるだけ効率的かつコンパクトにしなければならない。周知の線形レーザダイオード駆動回路のもう１つの課題は、ダイオードのスイッチを切る必要がある時に発現する。ほとんどの演算増幅器が多少のオフセット（残留偏差）公差不一致を有するため、ゼロの外部制御信号が、時々、小さな信号となって出力され、レーザダイオードが依然として励起されて低い電力出力を供給する。実際面においては、この課題を克服するため、ゼロ出力が必要な時は負の外部制御信号を使用する。しかし、これは理想的でなく、非常に低い出力或は正確な制御が要求される場合は難しい。従って、図１に示されるような周知のレーザ駆動回路は、典型的に３０〜４０％又はこれ以下の効率でしか作用せず、より高い電力出力を要求し、トランジスタおよび抵抗器における電力損失が故、大きなシンクが必要になり、回路が大規模なものになってしまう。このような回路は、素子のサイズが重要な要素となる、国際公開第ＷＯ−９２／０２８４４号に記載されるような用途には特に適さない。従って、本発明の好適実施例は、電力損失が最小限とされ、かつ、極めて低い或はゼロの出力時でもレーザの正確な制御が可能でコンパクトなレーザダイオード駆動回路を提供することを目的とする。この目的を達成するため、本発明は、レーザダイオードの駆動にモード切換形駆動回路を使用する。本発明は、一方において、レーザダイオード用駆動回路であって、前記駆動回路が、前記レーザダイオードに電気的に接続されたモード切換形駆動回路から成り、前記モード切換形駆動回路が、パルス駆動信号が与えられる平滑回路であって、前記駆動信号のパルス巾によって振幅が決定される平滑出力電圧を供給するように配置された平滑回路から成ることを特徴とするレーザダイオード駆動回路を提供する。他方において本発明は、パルス駆動信号が与えられると共に、前記駆動信号のパルス巾によって振幅が決定される平滑出力電圧を供給するように配置された平滑回路から成るモード切換形駆動回路を使用するステップから成ることを特徴とするレーザダイオードの駆動方法を提供する。本発明は、更に、光ファイバと共に使用する光源ユニットであって、複数のレーザダイオードと、前記ダイオードから出射されたビーム光を束ね、その光束を光ファイバに導く光学手段とから成り、もって各レーザダイオードが前記ユニットに収納されたモード切換駆動回路によって駆動される光源ユニットにまで及ぶ。各種のモード切換型駆動回路が知られているが、レーザダイオードの使用において特別な利点をもたらす新たな出発を意味するものは未だ見られない。本書でいうモード切換型駆動回路は、駆動信号のパルス巾によって振幅が変わる平滑出力電圧を提供するよう請求の範囲１．レーザダイオード（１）のための駆動回路であって、前記駆動回路は、前記レーザダイオード（１）に電気的に接続されたモード切換形駆動回路から成り、前記モード切換形駆動回路は、パルス駆動信号が与えられると共に、前記駆動信号のパルス巾によって振幅が決定される平滑出力電圧を供給するように配置された平滑回路から成ることを特徴とするレーザダイオード駆動回路。２．前記平滑回路は、コンデンサ（Ｃ）と誘導子（Ｌ）とから成る請求項１に記載のレーザダイオード。３．前記回路の駆動端部を前記平滑回路（ＬＣ）およびレーザダイオード（１）から分離する分離変圧器（Ｔ₁）を更に含む請求項１又は２に記載のレーザダイオード。４．前記分離変圧器（Ｔ₁）は、降圧変圧器である請求項３に記載のレーザダイオード。５．前記モード切換駆動回路は、変圧器分離プッシュプル変換器から成る請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザダイオード。６．前記プッシュプル変換器の出力側の自励形スイッチは、前記変圧器（Ｔ₁）の三次巻線によって駆動される能動スイッチ（Ｑ₃、Ｑ₄）である請求項５に記載のレーザダイオード。７．前記能動スイッチ（Ｑ₃、Ｑ₄）は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である請求項６に記載のレーザダイオード。８．レーザダイオード（１）の駆動方法であって、パルス駆動信号が与えられると共に、前記駆動信号のパルス巾によって振幅が決定される平滑出力電圧を供給するように配置された平滑回路（ＬＣ）から成るモード切換形駆動回路を使用するステップから成ることを特徴とするレーザダイオードの駆動方法。９．光ファイバと共に用いる光源ユニットであって、複数のレーザダイオード（１）と、前記ダイオードによって生成されたビーム光を束ねると共に、前記ビーム光の束を前記光ファイバに導入するための光学手段と、から成り、前記レーザダイオード（１）の各々は、前記ユニットに収容されたモード切換駆動回路によって駆動されることを特徴とする光源ユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リー、ロビン・マイケルイギリス国シービー１６ジェーエフケンブリッジシャー、リントン、バック・ロード 30、パドック・ヴュー

Claims

【特許請求の範囲】１．モード切換駆動回路に電気的に接続されたレーザダイオード。２．前記モード切換駆動回路は、パルス駆動信号が与えられる平滑回路であって、前記駆動信号のパルス巾によって振幅が決定される平滑出力電圧を提供するように配設された平滑回路から成る請求項１に記載のレーザダイオード。３．前記平滑回路は、コンデンサと誘導子とから成る請求項２に記載のレーザダイオード。４．前記回路の駆動端部を前記平滑回路およびレーザダイオードから分離する分離変圧器を更に含む請求項２又は３に記載のレーザダイオード。５．前記分離変圧器は、降圧変圧器である請求項４に記載のレーザダイオード。６．前記モード切換駆動回路は、変圧器分離プッシュプル変換器である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザダイオード。７．前記プッシュプル変換器の出力側の前記自励形スイッチは、前記変圧器の三次巻線によって駆動される能動スイッチである請求項６に記載のレーザダイオード。８．前記能動スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である請求項７に記載のレーザダイオード。９．モード切換駆動回路を使用するステップから成るレーザダイオードの駆動方法。１０．光ファイバと共に用いる光源ユニットであって、複数のレーザダイオードと、前記ダイオードによって生成されたビーム光を束ねると共に、前記ビーム光の束を前記光ファイバに導入するための光学手段と、から成り、前記レーザダイオードの各々は、前記ユニットに収容されたモード切換駆動回路によって駆動されることを特徴とする光源ユニット。