(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-02
(45)【発行日】2024-10-10
(54)【発明の名称】半導体レーザ駆動装置
(51)【国際特許分類】
H01S 5/0239 20210101AFI20241003BHJP
H01S 5/024 20060101ALI20241003BHJP
G01S 7/484 20060101ALN20241003BHJP
G01S 17/894 20200101ALN20241003BHJP
【FI】
H01S5/0239
H01S5/024
G01S7/484
G01S17/894
(21)【出願番号】P 2022505798
(86)(22)【出願日】2021-01-14
(86)【国際出願番号】 JP2021000994
(87)【国際公開番号】W WO2021181862
(87)【国際公開日】2021-09-16
【審査請求日】2023-12-20
(31)【優先権主張番号】P 2020041528
(32)【優先日】2020-03-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】316005926
【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112955
【氏名又は名称】丸島 敏一
(72)【発明者】
【氏名】泉原 邦彦
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開2002-232062(JP,A)
【文献】特開平11-121735(JP,A)
【文献】特開平05-145195(JP,A)
【文献】国際公開第2019/202874(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01S 5/022
H01S 5/042
G01S 7/484
G01S 17/894
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体レーザと、
前記半導体レーザに対して少なくとも一部が重ねて配置されるレーザドライバと
を具備し、
前記レーザドライバ
における特定の発熱部と前記半導体レーザと
の間の距離が0乃至1ミリメートルの範囲内である半導体レーザ駆動装置。
【請求項2】
前記レーザドライバは、前記半導体レーザを搭載する基板に内蔵される
請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項3】
前記発熱部は、前記半導体レーザを駆動する回路である
請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項4】
前記半導体レーザは、複数のレーザダイオードを備え、
前記発熱部は、前記複数のレーザダイオードのうち対応するレーザダイオードを駆動する複数のトランジスタである
請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項5】
前記発熱部は、前記レーザドライバの所定の1個所に配置される
請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項6】
前記発熱部は、前記レーザドライバの所定の複数個所に分散配置される
請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
【請求項7】
前記発熱部は、前記半導体レーザの周囲において所定の形状に配置される
請求項1記載の半導体レーザ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術は、半導体レーザ駆動装置に関する。詳しくは、レーザドライバ内蔵基板と半導体レーザとを備える半導体レーザ駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、測距機能を持つ電子装置において、ToF(Time of Flight)と呼ばれる測距方式がよく用いられている。このToFは、発光部がサイン波や矩形波の照射光を物体に照射し、その物体からの反射光を受光部が受光して、測距演算部が照射光と反射光との位相差から距離を測定する方式である。そのような測距機能を実現するため、発光素子と、その発光素子を駆動する電子半導体チップとをケース内に収容して一体化した光モジュールが知られている。例えば、基板の電極パターン上に整列して実装されたレーザーダイオードアレイと、レーザーダイオードアレイに電気的に接続されたドライバICとを備える光モジュールが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述の従来技術では、電子素子を含む部品全体を覆うカバーを熱伝導材料で構成することにより、発熱を促す構造を採用している。しかしながら、この従来技術では、熱の分布に偏りがあった場合であっても、全体を均等に扱うため、発熱の効率が低下するという問題がある。
【0005】
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、半導体レーザを駆動するレーザドライバの発熱分布を考慮して部品配置を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の側面は、半導体レーザと、上記半導体レーザに対して少なくとも一部が重ねて配置されるレーザドライバとを具備し、上記レーザドライバの発熱部と上記半導体レーザとが重なることなく配置された半導体レーザ駆動装置である。これにより、レーザドライバの発熱部から発生した熱が半導体レーザに与える影響を抑制するという作用をもたらす。
【0007】
また、この第1の側面において、上記レーザドライバの発熱部と上記半導体レーザとの距離が1ミリメートル以下であることが望ましい。これにより、寄生インダクタが光の波形に与える影響を抑制するという作用をもたらす。
【0008】
また、この第1の側面において、上記レーザドライバは、上記半導体レーザを搭載する基板に内蔵されてもよい。これにより、半導体レーザ駆動装置を低背化するという作用をもたらす。
【0009】
また、この第1の側面において、上記発熱部は、上記半導体レーザを駆動する回路であると想定してもよい。また、この第1の側面において、上記半導体レーザは、複数のレーザダイオードを備え、上記発熱部は、上記複数のレーザダイオードのうち対応するレーザダイオードを駆動する複数のトランジスタであってもよい。
【0010】
また、この第1の側面において、上記発熱部は、上記レーザドライバの所定の1個所に配置されてもよく、また、上記レーザドライバの所定の複数個所に分散配置されてもよい。また、上記発熱部は、上記半導体レーザの周囲において所定の形状に配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】本技術の実施の形態における半導体レーザ駆動装置10の上面図の一例を示す図である。
【
図2】本技術の実施の形態における半導体レーザ駆動装置10の断面図の一例を示す図である。
【
図3】本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200の回路構成の一例を示す図である。
【
図4】本技術の実施の形態における駆動部210の回路構成の一例を示す図である。
【
図5】本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第1の例を示す図である。
【
図6】本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第2の例を示す図である。
【
図7】本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第3の例を示す図である。
【
図8】本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第4の例を示す図である。
【
図9】本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第5の例を示す図である。
【
図10】本技術の実施の形態の適用例である電子機器800のシステム構成例を示す図である。
【
図11】本技術の実施の形態の適用例である電子機器800の外観構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)について説明する。説明は以下の順序により行う。
1.実施の形態
2.適用例
【0013】
<1.実施の形態>
[半導体レーザ駆動装置]
図1は、本技術の実施の形態における半導体レーザ駆動装置10の上面図の一例を示す図である。
【0014】
この半導体レーザ駆動装置10は、ToFによる距離の測定を想定したものである。ToFは、ストラクチャードライトほどではないものの奥行き精度が高く、また、暗い環境下でも問題なく動作可能という特徴を有する。他にも、装置構成の単純さや、コストなどにおいて、ストラクチャードライトやステレオカメラなどの他の方式と比べてメリットが多いと考えられる。
【0015】
この半導体レーザ駆動装置10では、レーザドライバ200を内蔵する基板100の表面に、半導体レーザ300、フォトダイオード400および受動部品500がワイヤボンディングにより電気接続されて実装される。基板100としては、プリント配線板が想定される。
【0016】
半導体レーザ300は、化合物半導体のPN接合に電流を流すことにより、レーザ光を放射する半導体デバイスである。この半導体レーザ300は、複数のレーザダイオードにより構成される。ここで、利用される化合物半導体としては、例えば、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)、インジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)、アルミニウムガリウムインジウムリン(AlGaInP)、ガリウムナイトライド(GaN)などが想定される。
【0017】
レーザドライバ200は、半導体レーザ300を駆動するためのドライバ集積回路(IC:Integrated Circuit)である。この例において、レーザドライバ200は、フェイスアップ状態で基板100に内蔵される。
【0018】
フォトダイオード400は、光を検出するためのダイオードである。このフォトダイオード400は、半導体レーザ300の光強度を監視して、半導体レーザ300の出力を一定に維持するための自動電源制御(APC:Automatic Power Control)に用いられる。
【0019】
受動部品500は、コンデンサおよび抵抗などの能動素子以外の回路部品である。この受動部品500には、半導体レーザ300を駆動するためのデカップリングコンデンサが含まれる。
【0020】
図2は、本技術の実施の形態における半導体レーザ駆動装置10の断面図の一例を示す図である。
【0021】
上述のように、この例における基板100はレーザドライバ200を内蔵し、その表面には半導体レーザ300などが実装される。半導体レーザ300とレーザドライバ200は、少なくとも一部が重ねて配置され、両者の間の接続は、接続ビア101を介して行われる。この接続ビア101を用いることにより、配線長を短くすることが可能となる。
【0022】
また、基板100は、放熱のためのサーマルビア102を備える。基板100に実装された各部品は発熱源であり、サーマルビア102を用いることにより、各部品において発生した熱を基板100の裏面から放熱することが可能となる。
【0023】
基板100の表面に実装された半導体レーザ300、フォトダイオード400および受動部品500は、側壁600によって囲まれる。この側壁600の材料としては、例えば、プラスティック材料、または、金属が想定される。
【0024】
側壁600によって囲まれた上面は、拡散板700によって覆われる。この拡散板700は、半導体レーザ300からのレーザ光を拡散させるための光学素子であり、ディフューザとも呼ばれる。
【0025】
[レーザドライバ]
図3は、本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200の回路構成の一例を示す図である。
【0026】
このレーザドライバ200は、駆動部210と、パルスデータ受信部220と、動作モードレジスタ230と、温度センサ240と、異常検知部250と、スイッチ260と、AD変換器270と、電源制御部280と、定電流発生回路290とを備える。
【0027】
駆動部210は、半導体レーザ300を駆動するための回路である。後述するように、この駆動部210は、半導体レーザ300の複数のレーザダイオードの各々に接続し、対応するレーザダイオードを駆動するトランジスタを複数備える。半導体レーザ300を明るく点灯させるために電流を増やせば、より発熱が大きくなる。そのため、この駆動部210がレーザドライバ200における主要な発熱源となる。
【0028】
パルスデータ受信部220は、外部から供給されるパルスデータを受信するものである。このパルスデータは、駆動部210において半導体レーザ300を発光させるためにオンおよびオフを繰り返す信号である。パルスデータ受信部220は、このパルスデータを、例えばLVDS(Low Voltage Differential Signaling)規格の差動信号として受信し、非差動信号に変換して駆動部210に供給する。
【0029】
動作モードレジスタ230は、駆動部210の動作モードを設定するためのレジスタである。この動作モードレジスタ230は、例えばSPI(Serial Peripheral Interface)規格等のインターフェースにより、外部から通信用クロック、通信用データおよびチップイネーブル信号を受けて、動作モードを保持する。
【0030】
温度センサ240は、レーザドライバ200内部の温度を検知するセンサである。この温度センサ240により検知された温度が所定の温度を超えると、後述する制御により半導体レーザ300の発光が停止される。
【0031】
異常検知部250は、フォトダイオード400に接続し、半導体レーザ300の光強度を監視して半導体レーザ300の出力を一定に維持するとともに、異常の発生を検知するものである。例えば、拡散板700が割れたことが検知されると、後述する制御により半導体レーザ300の発光が停止される。
【0032】
スイッチ260は、温度センサ240やフォトダイオード400からの信号を選択してAD変換器270に切り替えるスイッチである。
【0033】
AD変換器(Analog-to-Digital Converter)270は、スイッチ260を介して供給された温度センサ240等からのアナログ信号を、デジタル信号に変換するものである。変換されたデジタル信号は、電源制御部280に供給される。
【0034】
電源制御部280は、半導体レーザ300を駆動するための電源の自動電源制御を行うものである。この電源制御部280には、温度センサ240やフォトダイオード400からの信号、および、異常検知部250からの異常検知信号が供給され、状況に応じた電源制御が行われる。
【0035】
定電流発生回路290は、電源制御部280により設定された電流を発生する回路である。この定電流発生回路290は、例えばDA変換器(Digital-to-Analog Converter)により構成される。駆動部210は、この定電流発生回路290から供給された電流により動作する。
【0036】
図4は、本技術の実施の形態における駆動部210の回路構成の一例を示す図である。
【0037】
上述のように、半導体レーザ300は複数のレーザダイオード301により構成され、駆動部210はレーザダイオードの各々に対応するトランジスタ211を備える。この例では、トランジスタ211としてnMOSトランジスタを想定する。
【0038】
レーザダイオード301には3乃至4Vの電圧が印加されており、トランジスタ211のゲート信号として定電流発生回路290からのパルス信号を入力して、オンオフ制御を行うことにより、レーザダイオード301の発光が行われる。
【0039】
このように、駆動部210はレーザダイオード301に対応するトランジスタ211から構成されるため、レーザドライバ200において分散して配置することが可能である。ただし、配線距離によっては遅延調整を行う必要が生じ得る。
【0040】
[回路配置]
上述のように、レーザドライバ200において駆動部210が主要な発熱源となる。以下では、この駆動部210を発熱部として着目し、発熱部と半導体レーザ300との相対的な配置関係について説明する。
【0041】
発熱部に対する熱対策として、最低限、発熱部と半導体レーザ300とが重ならない(オーバラップしない)ことが望ましい。すなわち、発熱部と半導体レーザ300とが重ねて配置されると、発熱部からの熱が半導体レーザ300に直接干渉することになり、半導体レーザ300の発光効率が低下するおそれがある。そのため、レーザドライバ200と半導体レーザ300とが重ねて配置される際、発熱部が半導体レーザ300に重ならないように配置することが望ましい。
【0042】
一方、駆動部210と半導体レーザ300との距離が1ミリメートルよりも離れると、配線による寄生インダクタが大きくなり、その影響で光の波形が訛り、シャープな光の立上りおよび立下りが得られなくなるおそれがある。そのため、寄生インダクタの観点からは、発熱部と半導体レーザ300との距離を1ミリメートルにすることが望ましい。
【0043】
したがって、発熱および寄生インダクタの両者を考慮すると、発熱部と半導体レーザ300との距離は、0乃至1ミリメートルの範囲内であることが望ましい。
【0044】
図5は、本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第1の例を示す図である。
【0045】
この第1の例では、レーザドライバ200の1個所に駆動部210、すなわち発熱部201を配置している。その際、発熱部201と半導体レーザ300との距離は、0乃至1ミリメートルの位置に配置される。これにより、発熱および寄生インダクタの条件を両立させることができる。
【0046】
図6は、本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第2の例を示す図である。
【0047】
この第2の例では、レーザドライバ200の2個所に駆動部210、すなわち発熱部202および203を両脇に分散して配置している。駆動部210は、上述のようにレーザダイオード301に対応するトランジスタ211から構成されるため、分散して配置することが可能である。その際、発熱部202および203と半導体レーザ300との距離は、何れも0乃至1ミリメートルの位置に配置される。これにより、発熱および寄生インダクタの条件を両立させることができる。
【0048】
図7は、本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第3の例を示す図である。
【0049】
この第3の例では、レーザドライバ200の駆動部210、すなわち発熱部204を、半導体レーザ300の周囲2辺において、Lの字型に配置している。駆動部210は、上述のようにレーザダイオード301に対応するトランジスタ211から構成されるため、任意の形状により配置することが可能である。その際、発熱部204と半導体レーザ300との距離は、何れの辺も0乃至1ミリメートルの位置に配置される。これにより、発熱および寄生インダクタの条件を両立させることができる。
【0050】
図8は、本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第4の例を示す図である。
【0051】
この第4の例では、レーザドライバ200の駆動部210、すなわち発熱部205を、半導体レーザ300の周囲3辺において、コの字型に配置している。駆動部210は、上述のようにレーザダイオード301に対応するトランジスタ211から構成されるため、任意の形状により配置することが可能である。その際、発熱部205と半導体レーザ300との距離は、何れの辺も0乃至1ミリメートルの位置に配置される。これにより、発熱および寄生インダクタの条件を両立させることができる。
【0052】
図9は、本技術の実施の形態におけるレーザドライバ200と半導体レーザ300の配置の第5の例を示す図である。
【0053】
この第5の例では、レーザドライバ200の駆動部210、すなわち発熱部206を、半導体レーザ300の周囲4辺において、口の字型に配置している。駆動部210は、上述のようにレーザダイオード301に対応するトランジスタ211から構成されるため、任意の形状により配置することが可能である。その際、発熱部206と半導体レーザ300との距離は、何れの辺も0乃至1ミリメートルの位置に配置される。これにより、発熱および寄生インダクタの条件を両立させることができる。
【0054】
このように、本技術の実施の形態によれば、レーザドライバ200の駆動部210と半導体レーザ300とが重ならないように配置することにより、駆動部210における発熱が半導体レーザ300に与える影響を抑制することができる。また、レーザドライバ200の駆動部210と半導体レーザ300との距離を0乃至1ミリメートルに配置することにより、寄生インダクタが光の波形に与える影響を抑制することができる。
【0055】
<2.適用例>
[電子機器]
図10は、本技術の実施の形態の適用例である電子機器800のシステム構成例を示す図である。
【0056】
この電子機器800は、上述の実施の形態による半導体レーザ駆動装置10を搭載した携帯端末である。この電子機器800は、撮像部810と、半導体レーザ駆動装置820と、シャッタボタン830と、電源ボタン840と、制御部850と、記憶部860と、無線通信部870と、表示部880と、バッテリ890とを備える。
【0057】
撮像部810は、被写体を撮像するイメージセンサである。半導体レーザ駆動装置820は、上述の実施の形態による半導体レーザ駆動装置10である。
【0058】
シャッタボタン830は、撮像部810における撮像タイミングを電子機器800の外部から指示するためのボタンである。電源ボタン840は、電子機器800の電源のオンオフを電子機器800の外部から指示するためのボタンである。
【0059】
制御部850は、電子機器800の全体の制御を司る処理部である。記憶部860は、電子機器800の動作に必要なデータやプログラムを記憶するメモリである。無線通信部870は、電子機器800の外部との無線通信を行うものである。表示部880は、画像等を表示するディスプレイである。バッテリ890は、電子機器800の各部に電源を供給する電源供給源である。
【0060】
撮像部810、半導体レーザ駆動装置820を制御する発光制御信号の特定の位相(例えば、立上りタイミング)を0度として、0度から180度までの受光量をQ1として検出し、180度から360度までの受光量をQ2として検出する。また、撮像部810は、90度から270度までの受光量をQ3として検出し、270度から90度までの受光量をQ4として検出する。制御部850は、これらの受光量Q1乃至Q4から、次式により物体との距離dを演算し、表示部880に表示する。
【0061】
d=(c/4πf)×arctan{(Q3-Q4)/(Q1-Q2)}
【0062】
上式において距離dの単位は、例えば、メートル(m)である。cは光速であり、その単位は、例えば、メートル毎秒(m/s)である。arctanは、正接関数の逆関数である。「(Q3-Q4)/(Q1-Q2)」の値は、照射光と反射光との位相差を示す。πは、円周率を示す。また、fは照射光の周波数であり、その単位は、例えば、メガヘルツ(MHz)である。
【0063】
図11は、本技術の実施の形態の適用例である電子機器800の外観構成例を示す図である。
【0064】
この電子機器800は、筐体801に収められ、側面に電源ボタン840を備え、表面に表示部880およびシャッタボタン830を備える。また、裏面には撮像部810および半導体レーザ駆動装置820の光学領域が設けられる。
【0065】
これにより、表示部880には、通常の撮像画像881を表示するだけでなく、ToFを利用した測距結果に応じた奥行画像882を表示することができる。
【0066】
なお、この適用例では、電子機器800として、スマートフォンのような携帯端末について例示したが、電子機器800はこれに限定されるものではなく、例えばデジタルカメラやゲーム機やウェアラブル機器などであってもよい。
【0067】
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
【0068】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
【0069】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)半導体レーザと、
前記半導体レーザに対して少なくとも一部が重ねて配置されるレーザドライバと
を具備し、
前記レーザドライバの発熱部と前記半導体レーザとが重なることなく配置された半導体レーザ駆動装置。
(2)前記レーザドライバの発熱部と前記半導体レーザとの距離が1ミリメートル以下である前記(1)に記載の半導体レーザ駆動装置。
(3)前記レーザドライバは、前記半導体レーザを搭載する基板に内蔵される
前記(1)または(2)に記載の半導体レーザ駆動装置。
(4)前記発熱部は、前記半導体レーザを駆動する回路である
前記(1)から(3)のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
(5)前記半導体レーザは、複数のレーザダイオードを備え、
前記発熱部は、前記複数のレーザダイオードのうち対応するレーザダイオードを駆動する複数のトランジスタである
前記(1)から(4)のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
(6)前記発熱部は、前記レーザドライバの所定の1個所に配置される
前記(1)から(5)のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
(7)前記発熱部は、前記レーザドライバの所定の複数個所に分散配置される
前記(1)から(5)のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
(8)前記発熱部は、前記半導体レーザの周囲において所定の形状に配置される
前記(1)から(7)のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
【符号の説明】
【0070】
10 半導体レーザ駆動装置
100 基板
101 接続ビア
102 サーマルビア
200 レーザドライバ
201~206 発熱部
210 駆動部
211 トランジスタ(nMOSトランジスタ)
220 パルスデータ受信部
230 動作モードレジスタ
240 温度センサ
250 異常検知部
260 スイッチ
270 AD変換器
280 電源制御部
290 定電流発生回路
300 半導体レーザ
301 レーザダイオード
400 フォトダイオード
500 受動部品
600 側壁
700 拡散板
800 電子機器
801 筐体
810 撮像部
820 半導体レーザ駆動装置
830 シャッタボタン
840 電源ボタン
850 制御部
860 記憶部
870 無線通信部
880 表示部
881 撮像画像
882 奥行画像
890 バッテリ