JP2004066543A

JP2004066543A - 半導体レーザアレイ光源

Info

Publication number: JP2004066543A
Application number: JP2002226381A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Sakamoto; 坂本　順信
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】組立性が良く、安価に製造でき、複雑な走査光学系を用いることなく被走査面上での走査線間隔を正確に設定することができるマルチビーム走査用の半導体レーザアレイ光源を提供することを目的とする。
【解決手段】サブマウント３の両面には半導体レーザアレイ素子１、２が固着されている。半導体レーザアレイ素子１はレーザ出射光源１１、１２を、半導体レーザアレイ素子２はレーザ出射光源２１、２２を備える。サブマウント３の長さ方向におけるレーザ出射光源１１、２１間のずれＺはＰ２×ｔａｎθで表される。ここで、Ｐ２はサブマウント３の厚み方向におけるレーザ出射光源１１、２１間の距離、θはサブマウント３の主走査方向に対する傾きである。これにより４本の光レーザを２次元で出射可能な半導体レーザアレイ光源４０が実現する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のレーザビームの走査光と電子写真プロセスにより印字するレーザビームプリンタ等に用いられる半導体レーザアレイ光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザプリンタ等の電子写真方式のデジタル画像形成装置においては、半導体レーザ素子からの光ビームをポリゴンスキャナと呼ばれる回転多面鏡で偏向走査し、これを副走査方向に移動する感光体の被走査面に照射する。光ビームは出力すべき画像に応じて変調されるので、感光体上には出力すべき画像に応じた静電潜像が形成され、この静電潜像が現像されてトナー像となる。このトナー像が記録紙に転写され定着されることにより、記録紙に画像が形成される。
【０００３】
このようなデジタル画像形成装置において高速で画像を出力するためには、光ビームの走査速度を高める必要がある。しかし、光ビーム走査速度は回転多面鏡の回転速度の限界によって制限される。そこで近年、複数の光ビームで被走査面を同時に走査するマルチビーム方式が採用されるようになった。この方式によれば、光ビーム数に比例して画像出力速度を高めることがことができる。つまり、感光体に同時に走査する光ビームの本数を２本、３本と増加させていけば、画像出力速度を２倍、３倍と高速化することができる。例えば、特開平５−２９７１１号、特開平１１−８４２８３号等では、複数の半導体レーザ素子を副走査方向に配列して半導体レーザアレイを製造し、これを光書込系の光源部に用いた画像形成装置が提案されている。
【０００４】
一方、出力画像の精細度を高めるためには、走査線の間隔（ピッチ）を狭くする必要がある。そのためには半導体レーザ素子相互間のピッチを狭くすればよい。しかしながら、半導体レーザ素子相互間のピッチをあまり狭くしすぎると、クロストークやドループが発生する問題が生じる。そこで、半導体レーザ素子相互間のピッチを広くし、半導体レーザアレイを副走査方向に対して傾けて保持すれば、クロストーク等の問題を防止できると共に、半導体レーザ素子相互間の見かけ上の（副走査方向における）ピッチを狭くすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体レーザ素子を１列に４個以上配列すると、両端の半導体レーザ素子からの光ビームの間隔がレンズのイメージサークルより大きくなり、収差が生じて光学性能が著しく低下し、画像再現性を劣化させることになる。また、特開平１１−２４９０４３号記載の複数個の汎用の半導体レーザを用いた構成は組立性が悪く、複雑な走査光学系が必要となるといった問題がある。
【０００６】
一方、特開平９−２００４３１号では、複数の面発光レーザ素子を備えた２次元面発光レーザアレイが提案されている。しかしながら、面発光レーザ素子の場合には光出力が１つの光源で最大１ｍＷ程度であり、１つの光源で少なくとも５ｍＷである端面発光レーザ素子と比べて光出力が低い。そのため、１次元２ビーム端面発光レーザアレイの場合、２つの光源で１０ｍＷの光出力が得られるが、これと同等の光出力を面発光レーザアレイで得るには、少なくとも１０個の光源を持つ２×５の２次元面発光レーザアレイとなってしまう。そのため、面発光レーザ素子を用いた場合には、端面発光レーザ素子と比較して駆動装置が複雑になるとともに、光源の発光面積が大きくなるためレンズのイメージサークルが大きくせざるを得ず、記録装置全体のコストが高くなってしまう不具合がある。
【０００７】
そこで本発明は、半導体レーザ素子を複数個用いた半導体レーザアレイ光源であって、組立性が良く、安価に製造でき、しかも複雑な走査光学系が不要な半導体レーザアレイ光源を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、サブマウントと、サブマウントの片面に固着され複数個の第１の光ビーム出射光源を有する第１の半導体レーザアレイと、サブマウントの他面に固着され複数個の第２の光ビーム出射光源を有する第２の半導体レーザアレイとを備える半導体レーザアレイ光源を提供する。　かかる構成によれば、２次元光ビーム配列が実現されるため、光ビーム出射光源を一列に並べた場合と比較してレンズのイメージサークルの範囲が小さく抑えられる。また、第１及び第２の半導体レーザアレイがサブマウントの両面に固着されるため、複数個の光ビーム出射光源を容易に精度良く取り付けられる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体レーザアレイ光源において、前記第２の光ビーム光源間の略中央に、前記第１の光ビーム出射光源が設置されていることを特徴としている。また、請求項３の発明は、請求項１記載の半導体レーザアレイ光源において、主走査方向に対する前記サブマウントの傾きをθとし、サブマウントの厚み方向における第１の光ビーム出射光源と第２の光ビーム出射光源との距離をＰ２としたとき、第１の光ビーム出射光源と第２の光ビーム出射光源のサブマウントの傾き方向における位置ずれＺが、Ｐ２×ｔａｎθであることを特徴としている。これら構成によれば、複数のレーザ出射光源が副走査方向に１列に並ぶ。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１乃至３記載の半導体レーザアレイ光源において、窪みが形成されたヒートシンクを更に備え、前記サブマウントはヒートシンクに取りつけられ、前記第２の半導体レーザアレイは当該窪みに収容されていることを特徴としている。かかる構成によれば、半導体レーザアレイの熱がサブマウントを介してヒートシンクに伝わるため、半導体レーザアレイが効率良く冷却される。なお、サブマウントは放熱性の良い材料で形成されているのが好ましい。
【００１１】
光ビーム出射光源は端面発光型レーザ素子であることが好ましい。端面発光型レーザ素子は面発光型レーザ素子と比較して光出力が高いため、駆動装置の構成を簡単にできるためである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による半導体レーザアレイ光源について図１乃至図４に基づき説明する。
図１は本発明の半導体レーザアレイ光源４０を光源部に備える光走査装置１００の構成を示す概略図である。まず、光走査装置１００の全体構成から説明する。図１に示すように、光走査装置１００は半導体レーザアレイ光源４０と、コリメータレンズ１１０と、スキャナモータ１１５と、非球面レンズ１１２と、感光体１１１と、ビーム検出器５２とを備える。半導体レーザアレイ光源４０は印字データに基づきオン／オフ制御され、後述する４個の端面発光型レーザ素子から４本の光ビームを出射する。スキャナモータ１１５はポリゴンミラー１１３と駆動モータ１１４で構成されており、駆動モータ１１４はポリゴンミラー１１３を少ない回転変動で高速回転させる。感光体１１１は副走査方向に回転する。
【００１３】
半導体レーザアレイ光源４０より出射した４本の光ビームはコリメータレンズ１１０を通り、ポリゴンミラー１１３に達する。ポリゴンミラー１１３は高速回転しているので４本の光ビームを偏向して走査する。偏向走査された４本のビームは非球面レンズ１１２を介して感光体１１１上に達し、主走査方向に走査することにより感光体１１１の被走査面１１１ａに静電潜像を形成する。この時４本の光ビームの照射位置が副走査方向において特定のピッチ（例えば６００ｄｉｐの画像形成の場合には約４０μｍ）となり、且つ副走査方向において重ならないように、半導体レーザアレイ光源４０が固定されている。また、コリメータ１１０及び非球面レンズ１１２により感光体１１１上の光ビームは一定に絞られている。
【００１４】
ビーム検出器５２は感光体１１１上の書出位置を決定するものであり、感光体１１１の近傍位置かつ光ビーム走査上に設けられている。ビーム検出器５２には高速型ＰＩＮホトダイオードが用いられているため、各光ビームの書出位置を決定するのに必要とされる高速応答が可能となっている。
【００１５】
次に、半導体レーザアレイ光源４０の具体的構成について図２乃至図４を参照して説明する。図２に示すように、半導体レーザアレイ光源４０は、第１の半導体レーザアレイ１と、第２の半導体レーザアレイ２と、サブマウント３と、ホトダイオード４と、ステム５と、ヒートシンク６とを備える。サブマウント３はＡＬＮ等の放熱性の良い材料で形成されていて、両面には半導体レーザアレイ１、２の図示しない電極部に通電するためのパターン、スルーホール穴、パッド部が形成されている（図示せず）。
【００１６】
第１の半導体レーザアレイ１はレーザ出射光源（半導体レーザ素子）１１、１２を備え、合計２本の光ビームを出射することができる。また、第１の半導体レーザアレイ１はレーザ出射光源１１、１２の共通電極面１ａを有し、共通電極面１ａと反対の面には図示しない電極部が設けられている。同様に、第２の半導体レーザアレイ２はレーザ出射光源２１、２２を備え、合計２本の光ビームを出射できる。第２の半導体レーザアレイ２は更にレーザ出射光源２１、２２の共通電極面２ａを有し、共通電極面２ａと反対の面には図示しない電極部が設けられている。これら半導体レーザアレイ１、２の電極部はサブマウント３の両面に形成された前記パターンに蒸着半田ＰｂＳｎを用いて半田つけされ、これにより半導体レーザアレイ１、２がサブマウント３の両側に固着されている。
【００１７】
サブマウント３は中央に窪み６ａが形成されたヒートシンク６に半田付けやロウ付けなどで固着されている。半導体レーザアレイ２は窪み６ａに収容され、その共通電極面２ａはヒートシンク６に直接半田付けされている。また、第１の半導体レーザアレイ１の共通電極面１ａはＡｇ線８ｂによりヒートシンク６に接続されている。かかる構成により、半導体レーザアレイ１、２は直接、或いはサブマウント３又はＡｇ線８ｂを介してヒートシンク６に熱を逃がすことができる。これによって、半導体レーザアレイ１、２の冷却を効率良く行って温度上昇の低減を図ることができ、熱による影響として発生するクロストークやドループの低減が可能となり、半導体レーザアレイ光源４０の特性を安定に保つことが可能となる。なお、図３に示すように、半導体レーザアレイ２の側面はヒートシンク６には接触せず、半導体レーザアレイ２とヒートシンク６との間に隙間が設けられている。
【００１８】
ステム５には端子７１、７２、７３、７４、７５、７６が設けられていて、端子７１乃至７５はステム５から電気的絶縁状態に保たれるよう、ガラスなどのハーメチックシール部材でシールされている。端子７１、７２、７４、７５はサブマウント３に形成された前記パッド部（図示せず）にＡｇ線８ａによりそれぞれ接続されている。ヒートシンク６は、ステム５の前面にロウ付けなどで接合され、端子７６と接合している。
【００１９】
サブマウント３の後方には、光ビームの強度モニタとしてのホトダイオード４が設けられている。ホトダイオード４の図示しないパッド部は、Ａｇ線８ｃにより端子７３に接続されている。
【００２０】
ここで、端子７１と７６間に電圧が印可され特定の電流が流れると、サブマウント３上のパターンでつながった第１の半導体レーザアレイ１に電流が流れ、レーザ出射光源１１より電流に応じた強度の光ビームが出射される。同様に端子７２と７６間に電圧が印可されると、第１の半導体レーザアレイ１に電流が流れ、レーザ出射光源１２より電流に応じた強度の光ビームが出射される。端子７４と７６間に電圧が印可されると、第２の半導体レーザアレイ２に電流が流れ、レーザ出射光源２１より電流に応じた強度の光ビームが出射され、端子７５と７６間に電圧が印可されると、第２の半導体レーザアレイ２に電流が流れ、レーザ出射光源２２より電流に応じた強度の光ビームが出射される。
【００２１】
このとき、光ビームは各レーザ出射光源１１、１２、２１、２２の光ビーム出射端面から前方に出射されるだけでなく、後方の端面からも出射される。後端面からの光ビームはホトダイオード４に入射し、光強度モニタ信号として外部へ出力される。
【００２２】
図３は、半導体レーザアレイ光源４０を半導体レーザアレイ１、２の光ビーム出射端面側（前方）から見た図である。レーザ出射光源１１、１２（２１、２２）間のピッチＰ１は１００μｍであり、サブマウント３の厚さは１００μｍである。レーザ出射光源１１、１２、２１、２２はサブマウント３近傍より出射される（埋め込み型リッジ構造等の場合）ので、サブマウント３の厚さ方向におけるレーザ出射光源１１、２１間のピッチＰ２もほぼ１００μｍである。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体レーザアレイ１、２の配置関係と感光体１１１上を走査する光ビームの位置関係について説明する。図４（ａ）において、半導体レーザアレイ光源４０はサブマウント３が水平方向Ｈ（主走査方向）に対し特定の角度θ傾けて配置されている。また、サブマウント３の傾き方向におけるレーザ出射光源１２と２１との位置ずれＺは、ほぼゼロの値となるよう配置されている。これにより図４（ｂ）に示す光ビームの感光体１１１上における副走査方向におけるピッチＰ３は、６００ｄｐｉ（約４２．３μｍ）で等間隔となる。従って、２次元面で配列された光ビームを用いて４本の走査線を同時に走査することが可能であり、高速、高精細の書込みが可能になる。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態の変型例について説明する。ここでは図５（ａ）に示すように位置ずれ量ＺがピッチＰ２×ｔａｎθ近傍の値となるように設定することで、レーザ出射光源１１と２２を副走査方向に一列に並べている。その結果、図５（ｂ）に示すようにレーザ出射光源１１と２２からの光ビームの感光体１１１上の入射位置も副走査方向に一列に並ぶ。レーザ出射光源１２と２１に付いても同様である。このような配置により以下の問題点を解決できる。
【００２５】
つまり、前述の実施の形態においてはレーザ出射光源１１と２２から出射された光ビームが主走査方向で非常に隣接しているため、ビーム検出器５２のディテクタ部（図示せず）に複数の光ビームが重なって入射してしまい、これらの光ビームを分離することが困難である。これはレーザ出射光源１２と２１の場合も同様である。また、傾き角θの値を大きくすれば、光ビームの主走査方向の間隔がますます狭くなり、４本すべての光ビームを分離検出することが出来なくなる。光ビームを分離検出できなければ書出信号が得られず、感光体１１１上に光を発光させるタイミングが解らなくなり、印刷不可能になってしまう。
【００２６】
しかしながら、本例の様にレーザ出射光源１１と２２を副走査方向に一列に並べれば、レーザ出射光源１１と２２からの光ビームがビーム検出器５２へは同時に入射するため、書出位置を容易に決定することが可能となる。レーザ出射光源１２と２１についても同様である。
【００２７】
また、図６（ａ）示すように傾き角θを９０°とし、レーザ出射光源１１と１２、レーザ出射光源２１と２２を副走査方向に並べることもできる。この場合、レーザ出射光源２２がレーザ出射光源１１、１２間の略中央に位置するように位置ずれ量Ｚ＝Ｐ１／２と設定すれば、図６（ｂ）に示すように感光体１１１上のピッチＰ３を均一にできる。なお、位置ずれ量Ｚの値は数１で求められる。
Ｚ＝Ｐ３／Ｎ　　・・・・・・　（数１）
Ｎは光学系の倍率である。
【００２８】
このように、２個の半導体レーザアレイ１、２でサブマウント３を挟み込むように設置することで４本の光ビームを２次元で出射可能なレーザ光源を実現でき、コリメータレンズ１１０のイメージサークルのエリアを４本のレーザ出射光源を１列に並べた場合（３００μｍとなる）よりも大幅に小さくすることができる。従って、コリメータレンズ１１０の小型化が図られ、安価な光走査装置１００を提供することができる。
【００２９】
更に、レーザ出射光源１１、１２、２１、２２は端面発光型レーザ素子であるため、半導体レーザアレイ光源４０を駆動するための駆動装置の構成を簡単にできる。また、面発光型レーザ素子を使用した場合に比べてコリメータレンズ１１０のイメージサークルのエリアを更に小さくできると共に、少ないレーザ出射光源で高い光出力を得ることができる。
【００３０】
本発明による半導体レーザアレイ光源は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、前記実施の形態では２本の光ビームを発生する半導体レーザアレイを用いたが、２本以上光ビームを発生する半導体レーザアレイを用いても同様の効果が得られる。また、光ビームを隣接走査したときの場合について説明したが、飛び越し走査の場合も同様の効果が得られる。なお、飛び越し走査については周知であるため説明は省略する。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の半導体レーザアレイ光源によれば、レンズのイメージサークルの範囲を小さく抑えられるので、収差による光学性能の低下といった問題を回避して光学系の性能を確保することができると共に、レンズの小型化と低価格化が可能になる。また、複数個の光ビーム出射光源を容易に精度良く取り付けられるので、製造工程を簡易にできる。
【００３２】
請求項２及び３記載の半導体レーザアレイ光源によれば、複数のレーザ出射光源が副走査方向に一列並ぶので、感光体上の書出位置を確実に決定でき、印刷が可能になる。
【００３３】
請求項４記載の半導体レーザアレイ光源によれば、サブマウントを介して半導体レーザアレイが効率良く冷却されるので、クロストークやドループの改善を図ることができ、半導体レーザの性能を向上できる。また、サブマウントを放熱性の良い材料で形成すれば、より効率よく冷却を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による半導体レーザアレイ光源を光源部に用いた光走査装置の一例を示す構成図。
【図２】半導体レーザアレイ光源の概略構成図。
【図３】光ビーム出射端面から見た半導体レーザアレイ光源の一部拡大図。
【図４】（ａ）は２個の半導体レーザアレイの配置関係を示す平面図であり、（ｂ）は感光体上を走査する光ビームの位置関係を示す平面図。
【図５】第１の変型例を示す図であり、（ａ）２個の半導体レーザアレイの配置関係を、（ｂ）は感光体上を走査する光ビームの位置関係を示す平面図。
【図６】第２の変型例を示す図であり、（ａ）２個の半導体レーザアレイの配置関係を、（ｂ）は感光体上を走査する光ビームの位置関係を示す平面図。
【符号の説明】
１、２．．．．．半導体レーザアレイ、　３．．．．．サブマウント、　６．．．．．ヒートシンク、　１１、１２、２１、２２．．．．．レーザ出射光源、　４０．．．．．半導体レーザアレイ光源、　５２．．．．．ビーム検出器、　１１０．．．．．コリメータレンズ、　１１２．．．．．非球面レンズ、　１１３．．．．．ポリゴンミラー、　１１１．．．．．感光体

Claims

サブマウントと、サブマウントの片面に固着され複数個の第１の光ビーム出射光源を有する第１の半導体レーザアレイと、サブマウントの他面に固着され複数個の第２の光ビーム出射光源を有する第２の半導体レーザアレイとを備える半導体レーザアレイ光源。
前記第２の光ビーム光源間の略中央に、前記第１の光ビーム出射光源が配置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アレイ光源。
主走査方向に対する前記サブマウントの傾きをθとし、サブマウントの厚み方向における第１の光ビーム出射光源と第２の光ビーム出射光源との距離をＰ２としたとき、第１の光ビーム出射光源と第２の光ビーム出射光源のサブマウントの傾き方向における位置ずれＺが、Ｐ２×ｔａｎθであることを特徴とする、請求項１記載の半導体レーザアレイ光源。
窪みが形成されたヒートシンクを更に備え、前記サブマウントはヒートシンクに取り付けられ、前記第２の半導体レーザアレイは当該窪みに収容されていることを特徴とする、請求項１乃至３記載の半導体レーザアレイ光源。