JP2001108929A - レーザ走査光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチビームタイプのレーザ走査光学装置に
おいて、光源効率を向上させること。 【解決手段】 半導体レーザを、その活性層２０が主走
査方向Ｘと直交する副走査方向Ｙからθ度傾くように配
置する。θの値は、０°＜θ≦９０°の範囲で決定され
るが、楕円形状となって発散するレーザビームの主走査
方向の幅Ｌｘが最小となる角度、すなわち、９０°が好
ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】複数のレーザビームで被走査
面を同時に走査するマルチビームタイプのレーザ走査光
学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、デジタル複写機、レーザプリンタ
などの画像形成装置の分野において、画像形成の高速化
に対応すべく、副走査方向に一定の間隔を有した複数の
レーザビームで同時に、像担持体である感光体ドラムを
走査するマルチビーム走査光学装置が種々開発されてい
る。

【０００３】上記副走査方向の間隔は、形成される画像
の解像度に対応して非常に狭小なので、例えば、２本の
レーザビームで画像を形成する場合、当該レーザビーム
を射出する２個の半導体レーザを並行に配置することに
よっては当該副走査方向の間隔を作り出すことができな
い。そこで、一般的に、射出されるレーザビームが互い
にほぼ９０度をなすように各半導体レーザを配置し、射
出されたレーザビームをビームスプリッタを通過させる
ことによって、進行方向を揃えた上でコリメータレンズ
に入射させる方法が採られている。また、ビームスプリ
ッタと半導体レーザの間には、コリメータレンズ通過後
の２本のレーザビームの間隔を調整するための透光性を
有する平行平板が設けられることもある。なお、コリメ
ータレンズは、半導体レーザから射出され、主走査方向
に長軸を有する楕円形状となって発散する発散光（レー
ザビーム）を平行光に調整するための光学素子である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うに、マルチビーム走査光学装置においては、光源であ
る半導体レーザとコリメータレンズの間にビームスプリ
ッタや平行平板などの光学素子を挿入せざるを得ないた
め、その分どうしても半導体レーザとコリメータレンズ
との間の距離が長くなってしまう。その結果、特に、上
記したような発散光であるレーザビームの主走査方向の
光束幅（楕円の長径）が、コリメータレンズへの入射位
置において、コリメータレンズで有効に利用できる幅か
らはみ出してしまう。はみ出した分は、感光体ドラムの
露光に利用されない。すなわち、半導体レーザから射出
されるレーザビームの光量に対する感光体ドラムの露光
に使用される光量の割合（以下、この割合を「光源効
率」と言う。）が低下してしまう。

【０００５】なお、上記した課題は、１チップで複数の
レーザビームを平行に射出するアレイ型半導体レーザを
用い、当該アレイ型半導体レーザとコリメータレンズと
の間に、レーザビームの間隔を調整するための光学素子
であるズームコリメータレンズを設けたマルチビーム走
査光学装置においても存する。本発明は、上記した課題
に鑑み、光源効率を向上することができるマルチビーム
タイプのレーザ走査光学装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係るレーザ走査光学装置は、複数本のレー
ザビームをコリメータレンズによりコリメートした後、
偏向手段により主走査方向に偏向させて被走査面を走査
するレーザ走査光学装置であって、前記レーザビームを
射出する半導体レーザを、その活性層が主走査方向と直
交する副走査方向から傾くよう配置したことを特徴とす
る。

【０００７】また、前記偏向手段は、複数の反射面を有
するポリゴンミラーであり、当該ポリゴンミラーに入射
するレーザビームの主走査方向の光束幅が、当該ポリゴ
ンミラーの反射面１面の主走査方向の長さよりも長いこ
とを特徴とする。さらに、前記半導体レーザから前記コ
リメータレンズに至る光路中には、他の光学素子が少な
くとも１個挿入されていることを特徴とする。

【０００８】また、前記複数のレーザビームの各ビーム
毎に前記半導体レーザが設けられており、当該半導体レ
ーザにおける、活性層の前記副走査方向からの傾き角度
θは、０°＜θ≦９０°の範囲であることを特徴とす
る。また、前記半導体レーザは、前記複数のレーザビー
ムを単体で射出するアレイ型の半導体レーザであり、当
該半導体レーザにおける、活性層の前記副走査方向から
の傾き角度θは、０°＜θ＜９０°の範囲であることを
特徴とする。

【０００９】また、前記コリメータレンズから被走査面
に至る光路中には、副走査方向のみに屈折力を有する集
光レンズが設けられていることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら説明する。 （実施の形態１）図１は、実施の形態１に係るレーザ走
査光学装置全体の概略構成を示す斜視図である。

【００１１】本図に示すレーザ走査光学系は、複数のレ
ーザビームＬＢ１，ＬＢ２（本例では２本）で同時に単
一の走査対象（感光体ドラム７）を走査するマルチビー
ム走査光学系であり、また、ポリゴンミラー３に入射す
るレーザビームの主走査方向の光束幅が、当該ポリゴン
ミラー３のミラー面１面の主走査方向の長さよりも長い
といったいわゆるオーバフィルド走査光学系である。な
お、図１において、各レーザビームＬＢ１，ＬＢ２は、
光強度が最大となる光束の中央部分の通過位置のみを直
線で描いている。

【００１２】半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２から射出され
たレーザビームＬＢ１，ＬＢ２は、研磨したプリズムを
２枚貼り合わせてなるビームスプリッタであるビーム合
成器１１に、互いにほぼ９０度の角度をなして入射す
る。ビーム合成器１１に入射したレーザビームＬＢ２は
９０度偏向される一方、レーザビームＬＢ１は偏向され
ることなくそのままビーム合成器１１通過する。その結
果、両レーザビームＬＢ１，ＬＢ２の進行方向が揃えら
れ、進行方向の揃ったレーザビームＬＢ１，ＬＢ２はコ
リメータレンズ１２へ入射する。このコリメータレンズ
１２は、複数枚のレンズからなるレンズ群で構成されて
いる。なお、半導体レーザＬＤ１とビーム合成器１１の
間には、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２の間隔を調整する
ためのビーム位置調整装置１３が設けられているが、こ
れについては後述する。

【００１３】コリメータレンズ１２に入射したレーザビ
ームＬＢ１，ＬＢ２は、当該コリメータレンズ１２を通
過することにより、それまでの発散光から平行光とな
り、平行光となったレーザビームＬＢ１，ＬＢ２は、シ
リンドリカルレンズ２によって副走査方向に集光された
後、図示しないポリゴンモータで矢印ａの向きに高速回
転されるポリゴンミラー３に入射し、当該ポリゴンミラ
ー３のミラー面で反射される。

【００１４】ポリゴンミラー３のミラー面で反射したレ
ーザビームＬＢ１，ＬＢ２は、走査レンズ群４、シリン
ドリカルレンズ５および折返しミラー６を介して、副走
査方向に回転する像担持体である感光体ドラム７表面に
結像し、当該表面を主走査方向に露光走査する。なお、
副走査方向にパワー（屈折力）を有する集光レンズであ
る前記シリンドリカルレンズ２および５によって、ポリ
ゴンミラー３のミラー面の副走査方向に対する傾きによ
って生じる感光体ドラム７上での走査線の副走査方向の
ピッチムラを防止するいわゆる面倒れ補正がなされてい
る。この面倒れ補正機構については、公知なので、その
詳細な説明は省略する。

【００１５】感光体ドラム７の露光走査開始端側であっ
て、感光体ドラム７表面と光学的に等価な位置には、複
数の光電変換素子が直線状に隣接した状態で副走査方向
に配列されてなるＣＣＤラインセンサ８が設けられてい
る。このＣＣＤラインセンサ８によって、レーザビーム
ＬＢ１とＬＢ２の副走査方向の間隔を測定することがで
きる。ＣＣＤラインセンサ８で測定したレーザビームの
間隔が、規定の間隔からずれている場合には、ビーム位
置調整装置１３によってレーザビームの間隔が規定の間
隔となるように調整される。

【００１６】図２は、ビーム位置調整装置１３の概略構
成を示す斜視図である。ビーム位置調整装置１３は、光
学ガラスでできた平行平板１３１をレーザビームが通過
する際に生じる屈折現象を利用して、レーザビームＬＢ
１の光路を副走査方向に平行に変位させるものである。
図２に示すように、ビーム位置調整装置１３は、枠体を
したホルダ１３２に保持された平行平板１３１を有して
おり、ホルダ１３２は、その両端に設けられた回転軸１
３５を中心にして、矢印ｂの向きに回転自在に保持され
ている。

【００１７】回転軸１３５の一方の端部には、揺動アー
ム１３４が取り付けられている。揺動アーム１３４の一
端部と図示しないケーシングとの間には引っ張りばね１
３３が張架されており、このばねの作用によって、揺動
アーム１３４は、矢印ｃの向きに回転しようとする。揺
動アーム１３４のもう一方の端部には、図示しないケー
シングに固定された公知のリニア・ステッピング・アク
チュエータ１２０の可動子１２１の先端が当接してい
る。したがって、リニア・ステッピング・アクチュエー
タ１２０を駆動して、可動子１２１を矢印ｅの方向に進
退させると、当該進退量に応じた分だけ、平行平板１３
１が回転し、レーザビームＬＢ１の平行平板１３１への
入射角を変化させることができる。レーザビームＬＢ１
は、スネルの法則にしたがい、平行平板１３１への入射
角に応じて屈折し、光路を副走査方向に平行移動して、
平行平板１３１を透過する。このようにレーザビームＬ
Ｂ１の光路を変位させることにより、ビーム合成器１１
通過後のレーザビームＬＢ１とレーザビームＬＢ２の間
隔を調整することができる。

【００１８】図３は、半導体レーザＬＤ１またはＬＤ２
のチップ部の斜視図である。なお、半導体レーザＬＤ１
とＬＤ２とは同種のものを使用しているので、本図で
は、両者を区別することなく説明する。周知のようにレ
ーザビームは、半導体レーザの活性層２０の一点（発散
点）から発散光となって射出される。また、レーザビー
ムの断面形状は楕円であり、当該楕円の短軸２０１が活
性層２０と平行となり、長軸２０２が活性層２０と垂直
となる。

【００１９】従来、図３（ａ）に示すように、半導体レ
ーザは、活性層２０が副走査方向Ｙと平行になるよう
に、すなわち、レーザビーム断面の楕円の長軸が主走査
方向Ｘと平行になるように設けられている。それゆえ、
マルチビーム走査光学装置においては、「発明が解決し
ようとする課題」欄で説明したような問題が生じてい
る。

【００２０】実施の形態１では、図３（ｂ）に示すよう
に、活性層２０を副走査方向Ｙから角度θ（０°＜θ≦
９０°）傾けて（図示例では、θ＝９０°）、半導体レ
ーザを設けている。角度θを０度（図３（ａ）の状態）
から徐々に増加させていくと、レーザビームの主走査方
向の光束幅Ｌｘは徐々に減少し、角度θが９０度で最小
となる。このように活性層を傾けることにより、レーザ
ビームの主走査方向の光束幅Ｌｘを減少させることがで
き、その結果、光束の主走査方向両端部部分の、コリメ
ータレンズ１２（図１）で有効に利用できる幅（以下、
「有効利用幅」と言う。）からのはみ出しが少なくな
り、光源効率が向上する。なお、角度θは、０°＜θ≦
９０°の範囲であればかまわないが、光源効率を向上さ
せるといった観点からは、主走査方向の光束幅Ｌｘが最
小となる角度、すなわち、ほぼ９０度が好ましい。

【００２１】このとき、主走査方向とは反対にレーザビ
ームの副走査方向の光束幅Ｌｙは増加するので、今度
は、レーザビームの副走査方向の光束幅がコリメータレ
ンズ１２での副走査方向の有効利用幅から大きくはみだ
してしまうことになり、はみ出した分は光源効率を低下
させる原因となってしまう。しかしながら、これに対し
ては、コリメータレンズ１２の入射位置に設けられてい
るスリット（不図示）の副走査方向の幅を広げ、コリメ
ータレンズ１２における副走査方向の有効利用幅を拡大
することで対処できる。

【００２２】コリメータレンズ１２に入射するレーザビ
ームの副走査方向の幅が大きくなると、今度は、感光体
ドラム７表面に結像するレーザビームのスポット径が変
化してしまうことになるが、これについては、副走査方
向にパワー（屈折力）を有するシリンドリカルレンズ
２，５の特性を変更することによって、スポット径を元
の大きさに調整することができる。

【００２３】すなわち、実施の形態１によれば、マルチ
ビーム走査光学装置において、光源効率の向上が図れる
こととなる。以上説明したことを要約すると、マルチビ
ーム走査光学装置では、前述した理由により、半導体レ
ーザから射出され、断面が主走査方向に長軸を有する楕
円形状となって発散するレーザビームの主走査方向の両
端部部分が有効に利用できない。

【００２４】これを解決するためには、コリメータレン
ズに設けられたスリットを取り払えばよいのであるが、
そうすると、主走査方向のレーザビームの幅が大きくな
ってしまう。主走査方向のレーザビームの幅は、コリメ
ータレンズに入射する際のレーザビームの幅で決定され
てしまい、マルチビーム走査光学装置を構成する既存の
レンズ群の内の他のレンズによっては、ほとんど変更す
ることができない。

【００２５】そこで、本発明は、半導体レーザの活性層
を副走査方向に傾けることにより、コリメータレンズに
入射するレーザビームの主走査方向の幅を狭める一方、
副走査方向の幅が増大した分、既存のレンズ群の内のシ
リンドリカルレンズの、焦点距離などのレンズ特性を変
更（設計変更）することで調整することとしたのであ
る。

【００２６】表１は、本発明と従来技術とを光源効率に
ついて比較した結果である。

【００２７】

【表１】

【００２８】ケース１とケース２とは従来技術に係る走
査光学装置の場合であり、ケース３は本発明に係る走査
光学装置の場合であるが、半導体レーザとコリメータレ
ンズとは、どのケースの場合も同じものを用いている。
ケース１は、単一のレーザビームで感光体ドラムを露光
走査する、いわゆるシングルビーム走査光学装置の場合
であり、半導体レーザの活性層が副走査方向と平行に設
けられている場合である。シングルビーム走査光学装置
の場合は、半導体レーザとコリメータレンズとの間に他
の光学素子などを設ける必要がないので、両者の距離を
自由に設定することができる。

【００２９】ケース２は、実施の形態１と同様な構成の
マルチビーム走査光学装置の場合であるが、半導体レー
ザの活性層は副走査方向と平行に設けられている場合で
ある。ケース３は、本実施の形態１の場合であり、半導
体レーザの活性層が副走査方向と９０度の角度をなして
設けられている場合である。

【００３０】ケース１のシングルビーム走査光学装置で
は、光源効率が０．６７であったものが、ケース２のマ
ルチビーム走査光学装置では、０．３５と低下してい
る。これは、ケース２の場合はケース１の場合よりも半
導体レーザとコリメータレンズとの距離を長くせざるを
得ない結果、前述した理由から、生じた結果である。一
方、ケース３の場合は、光源効率は、０．６７であり、
ケース２の場合よりもほぼ倍近く改善されており、ケー
ス１の場合と同等な効率となっている。

【００３１】すなわち、本発明によれば、マルチビーム
走査光学装置において、シングルビーム走査光学装置と
同等の光源効率を得ることができることとなる。なお、
上記実施の形態において、半導体レーザＬＤ１とＬＤ２
の取り付け角度（上記角度θ）については、感光体ドラ
ムに結像するビームスポットの形状を揃えるといった観
点からは、両者が等しいことが好ましいが、形成される
画像の質に支障のない範囲で異なっていても構わない。

【００３２】また、上記実施の形態では、光源として半
導体レーザ２個を用いたが、半導体レーザの数はこれに
限られるものではなく、画像形成のさらなる高速化に対
応するため、３個以上用いてもよい。この場合、レーザ
ビームの間隔を調整するのであれば、半導体レーザの個
数に応じて、ビーム位置調整装置の増設が必要となる。

【００３３】さらに、半導体レーザの取り付け角度（上
記角度θ）は固定してしまう必要はなく、適当な角度調
整機構（例えば、平行平板の角度調整に用いた機構）を
採用することにより、取り付け角度が可変に調整できる
ような状態で半導体レーザを取り付けることとしてもよ
い。 （実施の形態２）図４は、実施の形態２に係るレーザ走
査光学装置の一部の概略構成を示す斜視図である。

【００３４】実施の形態２は、光源からコリメータレン
ズに至るまでの構成が異なる以外は実施の形態１と基本
的に同じ構成である。したがって、共通部分の説明は省
略し、異なった部分を中心に説明する。実施の形態１で
は、光源として２個の半導体レーザを用いて２本のレー
ザビームを射出することとしたが、実施の形態２では、
単一のチップから２本のレーザビームＬＢ１０，ＬＢ２
０を射出するアレイ型半導体レーザ３０を用いている。

【００３５】アレイ型半導体レーザ３０では、２本のレ
ーザビームは平行に射出されるため、実施の形態１のよ
うなビーム合成器１１を設ける必要はない。しかしなが
ら、周囲の温度変化などによって生じるレーザビームの
間隔の変動に対処するなどの目的で、当該アレイ型半導
体レーザ３０とコリメータレンズ１２との間には、ビー
ム間隔を調整するための光学素子であるズームコリメー
タレンズ１４が設けられている。

【００３６】ズームコリメータレンズ１４は、複数枚の
レンズで構成されており、これらレンズを光軸に沿っ
て、不図示の駆動装置によって移動させ相互の間隔を変
えることにより、当該ズームコリメータレンズ１４に入
射するレーザビームの間隔を調整することができる公知
の光学素子である。感光体ドラム７（図１）上のレーザ
ビームの副走査方向の間隔が規定の間隔からずれると、
このズームコリメータレンズ１４によって当該間隔が補
正される。

【００３７】なお、感光体ドラム７上のビーム間隔の検
出は、実施の形態１と同様な方法で行われる。図５は、
アレイ型半導体レーザ３０のチップ部を示す斜視図であ
る。当該アレイ型半導体レーザ３０では、レーザビーム
は活性層２３において所定の間隔Ｄ隔てた二点（発散
点）から発散光となって射出される。なお、各レーザビ
ームの断面形状は楕円であり、当該楕円の短軸が活性層
２３と平行となり、長軸が活性層２３と垂直となるの
は、実施の形態１の半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２と同様
である。

【００３８】従来、図５（ａ）に示すように、アレイ型
半導体レーザは、活性層２３が副走査方向Ｙと平行にな
るように、すなわち、レーザビーム断面の楕円の長軸が
主走査方向Ｘと平行になるように設けられている。それ
ゆえ、アレイ型半導体レーザを用いたマルチビーム走査
光学装置においても、「発明が解決しようとする課題」
欄で説明したような問題が生じている。

【００３９】そこで、実施の形態２でも、実施の形態１
の場合と同様、図５（ｂ）に示すように、活性層２３を
副走査方向Ｙから所定の角度分傾けて、アレイ型半導体
レーザを設けている。上記所定の角度αは、０°＜α＜
９０°の範囲で決定される。ここで、実施の形態１の場
合と異なり、α＝９０°を除外したのは、以下の理由に
よる。すなわち、α＝９０°とすると、２本のレーザビ
ームが主走査方向Ｘに並び、感光体ドラム７で同時に書
き込まれる走査線が重なってしまい、同時に複数本（こ
の場合は２本）の走査線で感光体ドラムに書き込みを実
施することにより画像形成を高速に行うといった、マル
チビーム走査光学装置の所期の目的が達成できなくなっ
てしまうからである。

【００４０】ところで、活性層２３を副走査方向Ｙから
角度α傾けると、二つの発散点は主走査方向にＤ・ｓｉ
ｎα（＝ｄ）分ずれてしまう。したがって、二つの発散
点での発光を同時に開始したのでは、感光体ドラム上で
の主走査の開始位置が二本のレーザビームの間でずれて
しまう。そこで、二つの発散点での発光のタイミングを
上記ｄに応じた分ずらす必要があるのだが、そのための
技術は、例えば、特開平11−183813号その他の公報に開
示されているように公知の技術なので、ここでは、その
詳細な説明は省略する。

【００４１】なお、上記実施の形態２では、一つのチッ
プから二本のレーザビームを射出するアレイ型半導体レ
ーザを用いたが、これに限らず、三本以上のレーザビー
ムを射出するアレイ型半導体レーザを用いてもよい。一
時に射出できるレーザビームの本数を増やすことで、画
像形成のさらなる高速化を図ることができる。また、ア
レイ型半導体レーザを適当な角度調整機構を介して取り
付けるようにしてもよいのは、実施の形態１の場合と同
様である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るレー
ザ走査光学装置によれば、レーザビームを射出する半導
体レーザが、その活性層が主走査方向と直交する副走査
方向から傾くように配置されているので、活性層と直交
する方向に長軸を有する楕円断面となって発散するレー
ザビームのコリメータレンズに入射する際の主走査方向
の幅を狭くすることができるので、コリメータレンズに
入射するレーザビームの光量が増加し、光源効率を向上
させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１に係るマルチビーム走査光学装置
の概略構成を示す斜視図である。

【図２】ビーム位置調整装置の概略構成を示す斜視図で
ある。

【図３】半導体レーザのチップ部を示す斜視図である。

【図４】実施の形態２に係るマルチビーム走査光学装置
の一部の概略構成を示す斜視図である。

【図５】アレイ型半導体レーザのチップ部を示す斜視図
である。

【符号の説明】

２ シリンドリカルレンズ ５ シリンドリカルレンズ ３ ポリゴンミラー ７ 感光体ドラム １１ ビーム合成器 １２ コリメータレンズ １３ ビーム位置調整装置 １４ ズームコリメータレンズ ２０ 活性層 ２３ 活性層 ３０ アレイ型半導体レーザ １３１ 平行平板 ＬＤ１，ＬＤ２ 半導体レーザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向坂 純 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H045 AA01 BA23 BA33 CA82 CB33 DA24

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本のレーザビームをコリメータレン
   ズによりコリメートした後、偏向手段により主走査方向
   に偏向させて被走査面を走査するレーザ走査光学装置で
   あって、 前記レーザビームを射出する半導体レーザを、その活性
   層が主走査方向と直交する副走査方向から傾くよう配置
   したことを特徴とするレーザ走査光学装置。
2. 【請求項２】 前記偏向手段は、複数の反射面を有する
   ポリゴンミラーであり、 当該ポリゴンミラーに入射するレーザビームの主走査方
   向の光束幅が、当該ポリゴンミラーの反射面１面の主走
   査方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１記載
   のレーザ走査光学装置。
3. 【請求項３】 前記半導体レーザから前記コリメータレ
   ンズに至る光路中には、他の光学素子が少なくとも１個
   挿入されていることを特徴とする請求項１または２記載
   のレーザ走査光学装置。
4. 【請求項４】 前記複数のレーザビームの各ビーム毎に
   前記半導体レーザが設けられており、 当該半導体レーザにおける、活性層の前記副走査方向か
   らの傾き角度θは、０°＜θ≦９０°の範囲であること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレー
   ザ走査光学装置。
5. 【請求項５】 前記半導体レーザは、前記複数のレーザ
   ビームを単体で射出するアレイ型の半導体レーザであ
   り、 当該半導体レーザにおける、活性層の前記副走査方向か
   らの傾き角度θは、０°＜θ＜９０°の範囲であること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレー
   ザ走査光学装置。
6. 【請求項６】 前記コリメータレンズから被走査面に至
   る光路中には、副走査方向に屈折力を有する集光レンズ
   が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいず
   れか１項に記載のレーザ走査光学装置。