JP2004014583A - 半導体レーザ装置、光書き込み装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系全体の光量不足を防ぐこと、光束のケラレを防ぐことができる半導体レーザ装置、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる光書き込み装置および画像形成装置を得る。
【解決手段】基板１の上に配置された支持板２の上面とほぼ平行な方向にレーザ光束を発射するように支持板２上にマウントされた半導体レーザチップ３と、半導体レーザチップ３から射出されるレーザ光束の向きを変えるべく配置された偏向部４とを有する半導体レーザ装置。偏向部４は、半導体レーザチップ３から射出される光束の光強度分布半値幅以上の光束を偏向することができるように構成されている。この半導体レーザ装置を用いた光書き込み装置、画像形成装置。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ光源を用いる装置一般、例えば、レーザプリンタ、レーザファクシミリ、レーザ複写機などに適用可能な半導体レーザ装置、光書き込み装置および画像形成装置に関するもので、特に、基板の上に配置された支持板の上面とほぼ平行な方向にレーザ光束を発射するように上記支持板上にマウントされた半導体レーザチップと、この半導体レーザチップから射出されるレーザ光束の向きを変えるべく配置された偏向部とを有する半導体レーザ装置、この半導体レーザ装置を用いた光書き込み装置および画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板の上に配置された支持板の上面とほぼ平行な方向にレーザ光束を発射するように上記支持板上にマウントされた半導体レーザチップと、この半導体レーザチップから射出されるレーザ光束の向きを変えるべく配置された偏向部とを有する半導体レーザ装置として、特開平５−１２９７１１号公報、特開平５−１４５１８６号公報、特開平５−２４３６８２号公報などに記載されているパッケージ型半導体レーザ装置が知られている。
【０００３】
特開平５−１２９７１１号公報記載の半導体レーザ装置は、薄金属板製の放熱板の上面に半導体レーザチップをその反射光が放熱板の上面とほぼ平行な方向に出射するように横向きにして装着し、放熱板の上面と対向する部分に透明窓を備えたキャップ体を装着し、半導体レーザチップから射出されるレーザ光束を上記透明窓に向かって方向変換するための反射部を設けたことを特徴としている。
【０００４】
特開平５−１４５１８６号公報記載の半導体レーザ装置は、金属板製の支持板の上面に半導体レーザチップを横向きにマウントするとともに、上記支持板の周囲に、半導体レーザチップを囲うように上面開放型で合成樹脂製の枠体を形成し、この枠体内に半導体レーザチップに対する各リード端子を埋設し、かつ、枠体の上面に透明板を固着し、さらに、枠体内に、半導体レーザチップをから出射されるレーザ光束を上記透明板に向かって方向変換する反射部を設けたことを特徴としている。
【０００５】
特開平５−２４３６８２号公報記載の半導体レーザ装置は、半導体レーザチップから出射されるレーザ光束を受光することによってモニターするフォトダイオードを備え、このフォトダイオードは上記レーザ光束を反射する受光面を有し、この受光面の、上記レーザ光束で形成されるビームスポットの中心部分に位置する受光部分は、ビームスポットの周辺部分に位置する受光部分よりも反射率が小さいことを特徴としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した従来技術は、いずれも半導体レーザ装置の薄型化、低コスト化を目的としており、これに加えて、特開平５−２４３６８２号公報記載の半導体レーザ装置は、解像度を高くすることを狙ったものである。
しかしながら、この種の半導体レーザ装置は、光学系全体の光量が不足しがちであること、ビームスポット径がばらつき易いこと、さらなるコスト低減が望まれていることなど、解決すべき問題点が残っている。
【０００７】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、各請求項記載の発明の目的は次のとおりである。
請求項１および２記載の発明は、光学系全体の光量不足を防ぐこと、そして、光束のケラレ量が多いとビームスポット径を小さく絞ることができなくなるので、光束のケラレを防ぐことができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
半導体レーザ装置からの光束が開口絞りよりも狭い場合は、レーザ光束の発散角のばらつきなどによりビームスポット径がばらついて不安定となる。そこで請求項３記載の発明は、半導体レーザ装置からの射出光束径を開口絞りよりも大きくして、ビームスポット径の安定化を図ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
請求項４および５記載の発明は、偏向面を開口絞りとすることにより、部品点数を減らすことができ、また、光学系の構成を簡単にすることができる半導体レーザ装置を提供することを目的ととする。
【００１０】
請求項６記載の発明は、半導体レーザチップの発光点を複数とすることにより、その後の光学系として配置される光偏向器、例えば回転多面鏡の回転速度を低減することができ、これによって、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ装置を用いて光書き込み光学系を構成することにより、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる光書き込み装置を提供することを目的とする。
【００１２】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光書き込み装置を用いて画像形成装置を構成することにより、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる半導体レーザ装置、光書き込み装置および画像形成装置の実施の形態について説明する。
図１は本発明にかかる半導体レーザ装置の実施形態の概略を示す。図１において、基板１の上には金属製の支持板（サブマウント）２が配置されている。この支持板２の上には半導体レーザチップ３がマウントされている。半導体レーザチップ３はレーザ光束を基板１の上面と略平行な方向に発射するように横向きにマウントされている。上記レーザ光束の進路上にはレーザ光束の向きを変える偏向部が配置されている。図示の例では偏向部として偏向面４ａを有する偏向部材４が基板１に固定されることによって配置されていて、上記レーザ光束は偏向部材４の偏向面４ａにより進行方向をほぼ直角に変えられる。向きを変えられたレーザ光束の進路上には板状の透明部材５が配置されている。透明部材５は、ガラス板や、透明な樹脂により形成され、半導体レーザチップ３を囲うように形成されかつ基板１の上に被せられた枠体６により保持されている。枠体６は合成樹脂などにより形成される。
【００１４】
図２は半導体レーザチップ３と偏向部材４の関係を示す。半導体レーザチップ３から放射されるレーザ光束の発散角θに対する偏向部材４の偏向面４ａ上での光束幅をｗ、偏向面４ａの偏向可能な領域の幅をＬとする。
【００１５】
図３は半導体レーザチップ３から放射されるレーザ光束の強度分布を示す。強度の最も強いところを「１」に規格化している。最高強度１に対して強度１／２のときの発散角は半値全角θ・１／２、強度１／ｅ^２のところの発散角は全角θ・１／ｅ^２、それぞれのビームの直径は、強度１／２ではｗ・１／２、強度１／ｅ^２ではｗ・１／ｅ^２である。
【００１６】
この半導体レーザ装置を光ピックアップやレーザプリンタ等の光源として使用する場合、偏向部材４の偏向面４ａで光がケラレることは好ましくない。ケラレる量が多いと、光量ロス、光利用効率の低下につながる。上記偏向面４ａでのケラレを無くすためには、図４（ａ）に示すように、偏向面４ａ上でのレーザ光束幅（ビーム径）ｗと偏向面４ａの偏向可能な領域の幅Ｌとの関係は、Ｌ＞ｗであることが好ましい。
【００１７】
図４（ｂ）は、（ａ）の場合とは逆に、偏向面４ａ上でのビーム径ｗ’と偏向面４ａの偏向可能な領域の幅Ｌ’との関係が、Ｌ’＜ｗ’である場合を示す。このような条件のもとでは、偏向面４ａでレーザ光束がケラレることになり、これによって光量不足を引きおこす。このときのビーム径ｗ’は、半導体レーザ装置より後の光学系の構成にもよるが、一般的には、Ｌ＞ｗ’・１／２である必要があり、これより偏向可能な領域の幅Ｌ’が小さいと、光学系のシステムとして成り立たなくなる。
また、光書き込み光学系を構成する場合は、ビームの光量に関しては特に効率化が望まれ、Ｌ’＞ｗ’・１／ｅ^２あることが望ましい。
【００１８】
光学系を構成する場合、半導体レーザ装置から出射した光束は、図５に示すように集光レンズ７により集光され、集光レンズ７から出射する光束は略平行光束となる。しかし半導体レーザ装置より後ろに配置される光学系との関係により、集光レンズ７から出射する光束は収束光束であることも、また発散光束であることもあり、それは半導体レーザ装置と集光レンズ７の位置関係をかえることにより、任意に変えられる。
【００１９】
図５に示す集光レンズ７から出た光束は、半導体レーザ装置より後ろに配置される光学系により絞られ、被走査面などの集光面でビームスポットを形成するが、ビームスポット径を安定して得るため、開口絞り（アパーチャ）５が配置される。図５の例では、偏向部材４と集光レンズ７との間に開口絞り５が配置されている。開口絞り５は半導体レーザチップ３から発せられる光束の発散角のばらつきによりビームスポット径が振られることを防ぐ。
【００２０】
ビームスポット径を安定化するために開口絞り５を入れることからわかるように、半導体レーザ装置から発せられたレーザ光束は、開口絞り５の開口部分を完全に照射している必要がある。つまり、図４の（ａ）に示すように構成される必要がある。特に光書き込み光学系を構成する場合は、レーザ光束の強度１／ｅ^２での径ｗ・１／ｅ^２は開口絞り５のアパーチャ径より大きいことが望ましい。ビームスポット径ｗ_１は，後ろの光学系の焦点距離をｆ、アパーチャ径をｗ_０とするとき、
ｗ_１＝ｋ（λｆ）／（πｗ_０）
（ｋは係数、λは半導体レーザ光の波長）
の関係がある。つまり、Ｄ＝ｗ_０となるように偏向面４ａの幅Ｌを決めることにより偏向面４ａにアパーチャの機能を持たせることができる。ただし、Ｄは、図５に示すように、偏向面４ａにより偏向された光束が集光レンズ７により集光され、集光レンズ７を射出するときのビーム径である。
【００２１】
本発明は、一般的な半導体レーザのパッケージ構成とすることができない場合に有効である。特に、半導体レーザアレイのように一つの半導体レーザチップ上に複数の発光点が並ぶ場合、チップの発熱によるクロストークが問題となるため、これまで説明したような構造とする必要が生じる。特に発光点が４つ以上並ぶ場合は、熱対策が必要となる。
【００２２】
前記偏向部材４の偏向面４ａにアパーチャの機能を持たせるための構成として、上記の構成以外に、偏向面４ａのある範囲より外側をマスキングする構成がある。すなわち、集光レンズ７を射出するときのビーム径Ｄが、Ｄ＝ｗ_０’となるような偏向面４ａ上の幅より外側をマスキングするのである。こうすることにより、半導体レーザチップ３から発射されたレーザ光束のうち、必要な部分のみが偏向されて集光レンズ７に導かれ、所望のビームスポット径を得ることができる。上記偏向面４ａのマスキングは、黒色樹脂の塗布、あるいは反射防止膜の形成等が考えられる。
【００２３】
本発明にかかる半導体レーザ装置は、光書き込み装置、さらにはこの光書き込み装置を用いた画像形成装置に適用することができる。図６は本発明にかかる半導体レーザ装置を光源として用いた光書き込み装置の例を示す。
【００２４】
図６において、符号１０１は半導体光源装置を示している。図示の例では、半導体光源装置１０１は半導体レーザチップ上に複数の発光点を有している。半導体光源装置１０１から発射されたレーザ光束は集光レンズ１０７により集光され、光束を規制する開口絞り（アパーチャ）１１０により光束径を規制された後、線像結像光学系１０３により、偏向器１０４の偏向反射面１０４ａ近傍に線状に結像されるように構成されている。偏向器１０４は図示されないモータによって回転駆動され、入射光束を等角速度的に偏向する。偏向器１０４と被走査媒体１０７との間に結像レンズ１０５と長尺レンズ１０６とからなる走査光学系が配置されている。この走査光学系を透過したレーザ光束はミラー１０８で光路を曲げられた後、被走査媒体１０７上に結像スポットを形成し、結像スポットは偏向器１０４の回転により、被走査媒体１０７上を走査するように構成されている。
【００２５】
図６において符号１００は、被走査媒体１０７上を光走査して書き込みの同期を取るための同期検知系を示している。図６に示す例では、同期検知センサ２３に光束を導く結像素子２２、及びミラー２１で同期検知系１００が構成されている。結像素子２２は副走査方向にのみパワーを持つレンズでも、主走査方向にのみパワーを持つレンズでも、主副両方向にパワーを持つレンズでも良い。また、レンズの代わりにパワーを持つミラーを用いても良い。結像素子２２を用いることなく、ミラー２１に上記のようなパワーを持たせて同期検知系を構成しても良い。
【００２６】
図７は、本発明にかかる半導体レーザ装置を光源として用いた光書き込み装置（光書き込み光学系）が搭載された画像形成装置３０の例を示している。この例における画像形成装置３０は複写機である。図７において、原稿３１はコンタクトガラス３２上に置かれ、コンタクトガラス３２の下側からランプ３３で原稿３１が照らされる。原稿３１からの反射光は三つのミラーで反射されてスキャナレンズブロック３４へ導かれ、スキャナレンズブロック３４に組み込まれているＣＣＤにより画像データ処理される。データ処理された画像データ３５は光書き込み装置３６にデータ転送される。この光書き込み装置３６が図６について説明した光書き込み装置で、上記画像データ３５に基づき光源である前記半導体レーザがＯＮ／ＯＦＦをくり返し、感光体ドラム２０上を光スポットが走査する。この光スポットの走査方向が主走査方向で、感光体ドラム２０が図示のように時計方向に回転することにより副走査が行われる。
【００２７】
感光体ドラム２０の周囲には、周知の電子写真プロセスを実行するための帯電器４５、現像器３７、転写ローラ４０、除電およびクリーニングユニット４３が配置され、また、転写ローラ４０よりも転写紙搬送方向下流側に定着器４１が配置されている。上記光書き込み装置３６は、帯電プロセスの次の露光プロセスを実行するための露光ユニットとして機能する。すなわち、帯電器４５によって一様に帯電された感光体ドラム２０の表面を、上記のように画像データ３５に基づいてＯＮ／ＯＦＦするレーザ光束で走査することにより感光体ドラム２０の表面に静電潜像を形成する。この静電潜像は現像器３７によりトナー像として現像され、給紙トレイ３８から転写紙が給紙ローラ３９により感光体ドラム２０に導かれ、転写ローラ４０により感光体ドラム２０上のトナー像が転写紙に転写される。画像が転写された転写紙は定着器４１により定着され、給紙ローラ４４により配紙トレイ４２に排出される。転写し終わった感光体２０の表面は、除電およびクリーニングユニット４３により、除電及びクリーニングがなされ、再び帯電からの工程をくり返す。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１および２記載の発明によれば、光束のケラレを防ぐことにより、光学系全体の光量不足を防ぐことができ、また、ビームスポット径を小さく絞ることができる半導体レーザ装置を提供することができる。
【００２９】
請求項３記載の発明によれば、半導体レーザ装置からの射出光束径を開口絞りよりも大きくすることにより、ビームスポット径の安定化を図ることができる半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３０】
請求項４および５記載の発明によれば、偏向面を開口絞りとすることにより、部品点数を減らすことができ、また、光学系の構成を簡単にすることができる半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３１】
請求項６記載の発明によれば、半導体レーザチップの発光点を複数とすることにより、その後の光学系として配置される光偏向器、例えば回転多面鏡の回転速度を低減することができ、これによって、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３２】
請求項７記載の発明の発明によれば、請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ装置を用いて光書き込み光学系を構成することにより、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる光書き込み装置を提供することができる。
【００３３】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の光書き込み装置を用いて画像形成装置を構成することにより、発熱の低減、騒音の低減、消費電力の低減を図ることができる画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体レーザ装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】上記実施の形態の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】半導体レーザチップから放射されるレーザ光束の強度分布を示すグラフである。
【図４】上記実施の形態における偏向面上でのレーザ光束幅と偏向面の偏向可能な領域の幅との関係を示す模式図である。
【図５】上記実施の形態に集光レンズを付加した光学系の例を示す光学配置図である。
【図６】本発明にかかる半導体レーザ装置を用いた光書き込み装置の実施形態を示す斜視図である。
【図７】上記光書き込み装置を用いた画像形成装置の実施形態を概略的に示す正面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　支持板
３　半導体レーザチップ
４　偏向部としての偏向部材
４ａ　偏向面

Claims (8)

1. 基板の上に配置された支持板の上面とほぼ平行な方向にレーザ光束を発射するように上記支持板上にマウントされた半導体レーザチップと、この半導体レーザチップから射出されるレーザ光束の向きを変えるべく配置された偏向部とを有する半導体レーザ装置において、
   上記偏向部は、半導体レーザチップから射出される光束の光強度分布半値幅以上の光束を偏向することができるように構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 請求項１記載の半導体レーザ装置において、偏向部の偏向面は、半導体レーザチップから射出される光束の光強度分布１／ｅ^２幅以上の光束を偏向することができる有効径を有していることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 請求項１または２記載の半導体レーザ装置において、半導体レーザ装置からの光束を規制する開口絞りを有し、半導体レーザ装置から射出される光束の径は上記開口絞りの径より大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
4. 請求項１または２記載の半導体レーザ装置において、偏向部の偏向面が開口絞りの機能を兼ねていることを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 請求項４記載の半導体レーザ装置において、偏向部の偏向面は、開口絞りとして有効な部分より外側の部分がマスキング処理されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、半導体レーザチップは複数の発光点を有する半導体レーザアレイチップであることを特徴とする半導体レーザ装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ装置を光源部として有していて、上記光源部から射出される光束を偏向する光偏向器と、この光偏向器で偏向される光束を被走査面上にビームスポットとして集束させこのビームスポットを被走査面上で走査させる走査光学系とを有することを特徴とする光書き込み装置。
8. 電子写真プロセスを実行することによって画像を形成する装置であって、電子写真プロセスのうち露光プロセスを実行する装置として請求項７記載の光書き込み装置を有することを特徴とする画像形成装置。

Images