JP2006179769A - 半導体レーザ、光源装置、走査光学装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本出願は、電子写真装置の部品点数増加、戻り光やフレア光起因による画質の劣化及び破壊光出力に対するマージン低下を抑制することができ、主放射光（出射光）をモニタして駆動電流を制御する半導体レーザを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明に係る半導体レーザの代表的な構成は、レーザ光を出射するレーザチップ54と、レーザチップ54から出射された出射光Ｌａを受光して電流に変換し、レーザチップ54の発光状態をモニタするフォトダイオード57と、レーザチップ54からの出射光Ｌａを切り取る窓59が設けられ、レーザチップ54とフォトダイオード57をカバーするウィンドウキャップ58と、を有し、フォトダイオード57を、窓59を通過するレーザ光Ｌｃの通過領域外かつ、フォトダイオード57で反射した一次反射光Ｌｄがウィンドウキャップ58で遮光可能な位置に配置したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームを出射する半導体レーザ、該半導体レーザを使用して光書き込みを行う光源装置、走査光学装置、ＬＢＰやデジタル複写機、デジタルＦＡＸ等の電子写真装置に関するものである。

従来、面発光型の半導体レーザは、主放射光の出射方向と逆方向に出射する副放射光を出射しない構成となっており、光量を検出するフォトダイオードを配置することが困難であった。そのため、駆動電流の制御を行うことなしに使用されるのが一般的であった。

そこで、特開平０８−３３０６６１に記載されているように、ビームスプリッタを用いて主放射光を分岐させたり、特開平１１−２７４６５０に記載されているように主放射光の一部を遮断して駆動電流の制御を行うという工夫がなされていた。

特開平０８−３３０６６１号公報 特開平１１−２７４６５０号公報

しかしながら、特許文献１の技術のように、主放射光をビームスプリッタで分岐させる場合には、ビームスプリッタという新規部品が必要である。また、特許文献２の技術のように、主放射光の一部を遮断する場合には、フォトダイオードは、ＰＤサブマウントという新規部品に実装される。このため、いずれも従来の半導体レーザに比べ部品点数が多く、この部品点数の増加により素子の材料費・組立費が圧迫され素子コストが上昇してしまうという問題がある。

また、特許文献１の技術では、ビームスプリッタへの入射面がレーザ出射方向に垂直である。また、特許文献２の技術では、フォトダイオード及びＰＤサブマウントを半導体レーザの出射光軸に対し略垂直に配置している。このため、いずれもビームスプリッタ、フォトダイオードもしくはＰＤサブマウントのエッジから発光点への戻り光が発生してしまう。

電子写真装置では、単一モードレーザを使用しており、戻り光が出力光の０．０１％以上になると所謂戻り光雑音が発生して光強度が不安定になる。これによって、電子写真の濃度が不安定になり、画質が劣化してしまう。

また、高周波重畳や自励発振レーザを用いて多波長発振モードとし、モード競合を低く抑える手段もある。しかし、電子写真装置では、内部に具備された結像光学系の屈折率が波長によって変わってしまい、感光ドラム上でピントがぼやけてしまう。これによって、電子写真装置の解像度が低下し、性能が劣化してしまう。

更に、特許文献１の技術では、ビームスプリッタの反射率によってある一定割合、発光点からの出射光を減衰させている。また、特許文献２の技術では、発光点からの出射光を最大約５０％も遮断し減衰させて用いており、いずれの場合も光出力の無駄遣いが多い。

例えば、特許文献２の技術では、半導体レーザの定格出力を５ｍＷとすれば、発光点からの光出力は最大で10ｍＷに達する。半導体レーザが破壊に至る光出力を15ｍＷとすると、この破壊光出力に対するマージンは10ｍＷから５ｍＷに減少することになる。これによって不慮の過電流等によりレーザが破壊される確率が上がり、半導体レーザの信頼性ひいては電子写真装置の信頼性が低下してしまう。

そこで本出願は、電子写真装置の部品点数増加、戻り光やフレア光起因による画質の劣化及び破壊光出力に対するマージン低下を抑制することができ、主放射光（出射光）をモニタして駆動電流を制御する半導体レーザを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る半導体レーザの代表的な構成は、レーザ光を出射するレーザチップと、該レーザチップから出射された出射光を受光して電流に変換し、前記レーザチップの発光状態をモニタするフォトダイオードと、前記レーザチップからの出射光を切り取る窓が設けられ、前記レーザチップと前記フォトダイオードをカバーするウィンドウキャップと、を有し、前記フォトダイオードを、前記窓を通過する出射光の通過領域外かつ、フォトダイオードで反射した一次反射光が前記ウィンドウキャップで遮光可能な位置に配置したことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、電子写真装置の部品点数増加、戻り光やフレア光などによる画質の劣化及び破壊光出力に対するマージン低下を抑制しながら、出射光をモニタして駆動電流を制御することができる。

[第一実施形態]
本発明に係る半導体レーザ、光源装置、走査光学装置、画像形成装置の第一実施形態について、図を用いて説明する。

（画像形成装置）
図２は本実施形態における画像形成装置の構成図である。図２に示すように、画像情報に基づいて光変調されたビームＬが光学箱31から出射し、一次帯電器33によって一様に帯電している感光ドラム32面上を走査して潜像を形成する。この潜像は、現像器34によって可視像化され、転写帯電ローラ35によって転写材36上に転写されて画像が形成される。転写材36上に形成された画像は、定着器39によって熱定着された後、排出ローラ40等によって装置外に排出される。

（走査光学装置）
図３は画像形成装置に具備されている走査光学装置の構成図である。図３に示すように、走査光学装置は、光源装置であるレーザユニット41から出射されたレーザ光を反射偏向する偏向手段であるポリゴンミラー42と、ポリゴンミラー42により偏向されたレーザ光を外部の感光体上に結像走査する結像光学系（ｆθレンズ43、折り返しミラー44）と、を備えている。

レーザユニット41より取り出されたコリメート光は、回転するポリゴンミラー42により反射偏向走査されながら、順にｆθレンズ43、折り返しミラー44を通過して、最終的には感光ドラム32表面に到達する。

また、コリメート光は、感光ドラム32の幅内で最適に絞り込んだビームとして走査されるようにｆθレンズ43により成形される。これと共に、走査ビームの一部を、ＢＤミラー45で反射されＢＤセンサ46により光検知し、ＢＤセンサ46からの出力信号を基準に走査回毎の書き込み信号を同期させ、ビームの書き込み位置ずれを防止する。

また、シリンダレンズ47を用いて、レーザユニット41から取り出されたビームをポリゴンミラー42の反射面上では副走査方向に圧縮して結像した線像とすると共に、ポリゴンミラー42の反射面と感光ドラム32面上は副走査方向では共役関係とする。更に、それら構成部材を光学箱31に取り付ける際には基準ピン等を用いて寸法公差内に入るようにしている。これにより、ポリゴンミラー42の反射面の倒れ誤差による感光ドラム32上の副走査方向（光軸及びビームの走査方向と直角を成す方向、転写材36の送り方向）のビームの位置ずれを防止する。

（光源装置）
図４はレーザユニット41の構成図である。図４に示すように、半導体レーザ48は、レーザホルダ49に圧入固定されている。コリメータレンズ50は、コリメータ鏡筒51に接着固定されている。

そして、レーザホルダ49に対しコリメータ鏡筒51を光軸方向と光軸に垂直な平面方向の計３次元方向に対して最適なコリメート光が得られる寸法公差内に位置を調整した上で、接着固定を行いユニット化（レーザユニット41）している。

また、半導体レーザ48の発光に必要な電流を供給し発光のＯＮ／ＯＦＦを制御するレーザ駆動回路52は、レーザホルダ49にビス53などを用いて一体に固定されている。

（半導体レーザ48）
図１は半導体レーザ48の構成図である。図１に示すように、半導体レーザ48は、レーザ光を出射する面発光型のレーザチップ54と、レーザチップ54から出射された出射光を受光して電流に変換し、レーザチップ54の発光状態をモニタするフォトダイオード57と、
レーザチップ54からの出射光を切り取る窓59が設けられ、レーザチップ54とフォトダイオード57をカバーするウィンドウキャップ58と、を備えている。

半導体レーザ48の内部には、レーザチップ54が、ステム55に直接もしくはサブマウント56を介してステム55にダイボンドされている。

レーザチップ54の発光点60から出射された出射光Ｌａ（全レーザ光）のうち、光軸Ｐ近傍のレーザ光Ｌｃは、ウィンドウキャップ58の窓59に切り取られ、コリメータレンズ50側に出射してコリメート化されたレーザビームとなる。一方、レーザチップ54から出射された出射光Ｌａのうち、周辺部のレーザ光Ｌｂは、内蔵されたフォトダイオード57により検出され、光量を一定に保つ所謂ＡＰＣ動作に利用される。

通常は、レーザ光が走査される有効書き込み領域の外で、走査回毎の書き込み開始直前に行うか、複数の転写材36に画像を形成する際には、頁間隔の期間にこれら光量調整を行う。

図５は半導体レーザ48の内部の説明図である。図５に示すように、フォトダイオード57の受光面は、出射光Ｌａの光軸Ｐに平行になっている。そして、
Ａ：レーザチップ54上の発光点60を通る光軸Ｐと窓59の縁との距離（窓59の半径）、
Ｂ：光軸Ｐとフォトダイオード57の受光面までの距離、
Ｃ：発光点60とフォトダイオード57の受光面との光軸方向の距離、
Ｄ：発光点60と窓59との光軸方向の距離、とする。

このとき、Ａ＜Ｂ（２−Ｄ／Ｃ）・・・（１）
の関係が成り立つように配置する。

（１）式は、図５中、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が成す三角形とＰ３、Ｐ４、Ｐ５が成す三角形が相似であることから導き出される。すなわち、２つの三角形が相似であることから、Ｂ／Ｃ＝（Ｂ−Ａ）／（Ｄ−Ｃ）が成立し、この式を変形することで、Ａ＝Ｂ（２−Ｄ／Ｃ）が成立する。ここで、一次反射光Ｌｄが、半導体レーザ48の外に出射しないようにするためには、半径Ａが光軸ＰからＰ５との距離より短くなる必要があるため、その条件を満たす式として、等号が不等号となり、（１）式が成立する。

このように、（１）式が成り立つように配置することで、フォトダイオード57からのレーザ光Ｌｂの一次反射光Ｌｄが、半導体レーザ48の外に出射されることを防止できる。（１）式は、一次反射光Ｌｄの境界が窓59の半径Ａに一致する時に等号が成り立つ。

フォトダイオード57は、ステム55の突起部61に実装されているが、突起部61の図５中の距離Ｃの範囲からも微弱な一次反射光が発生しうるので、突起部61の図５中の距離Ｃの範囲は粗面化する。これによって、突起部61からの一次反射光をも散乱光とし、半導体レーザ48の外に漏れ出しても画像形成上問題ないノイズレベルまで低く抑える。

半導体レーザ48から出射するレーザ光Ｌｃの全てが必ずしも画像形成に用いられるのではない。すなわち、半導体レーザ48から出射した後、ポリゴンミラー42によって反射偏向走査されるまでの間に、絞り部材62が配置されており、その絞り部材62によってレーザ光Ｌｃは再び切り取られ、残ったレーザ光が書き込みに用いられる。もし、その絞り部材62の位置がコリメータレンズ50に入射するまでの間であれば、（１）式の条件で窓59を絞り部材62に置き換えても同義であり置き換えてよい。

上述のごとく構成したことにより、ビームスプリッタや、ＰＤサブマウントという新規部品が不要となり、半導体レーザ48の部品点数の増加によるコストアップをおさえることが出来る。

また、フォトダイオード57を半導体レーザ48の出射光軸Ｐに対し所定の角度を持って配置したことにより、フォトダイオード57から発光点60への戻り光を防止することができる。そして、戻り光に起因する画質の劣化を抑制することができる。

また、フォトダイオード57を、窓59を通過するレーザ光Ｌｃの通過領域外かつ、フォトダイオード57で反射した一次反射光Ｌｄがウィンドウキャップ58で遮光可能な位置に配置した。具体的には、上記（１）式、Ａ＜Ｂ（２−Ｄ／Ｃ）が成り立つような構成とした。

これにより、窓59を通過するレーザ光Ｌｃは、発光点60から出射された後、フォトダイオード57等により遮断されたりすることなく、減衰しない。これにより、カップリング効率の低下を抑制でき、ひいては破壊光出力に対するマージンの低下を防止しながら出射光（レーザ光Ｌｂ）をモニタして駆動電流を制御することができる。

[第二実施形態]
次に本発明に係る半導体レーザ、光源装置、走査光学装置、画像形成装置の第二実施形態について図を用いて説明する。図６は本実施形態にかかる半導体レーザの内部の説明図である。上記第一実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態では、フォトダイオード57を光軸Ｐに対し傾けて配置する。フォトダイオード57の受光面は、出射光Ｌａの光軸Ｐに非垂直且つ非平行であり、受光面へのレーザ光Ｌｂの入射角及び一次反射光Ｌｄの反射角が小さくなるように傾いている。

ここで、光軸Ｐをフォトダイオード57の傾け角分傾けた方向に仮想軸Ｐｂをとり、
Ａｂ：レーザチップ54上の発光点60を通りフォトダイオード57の受光面に平行な仮想軸Ｐｂと窓59の縁との距離（窓59の縁と仮想軸Ｐｂの最短距離）、
Ｂｂ：仮想軸Ｐｂとフォトダイオード57の受光面までの距離、
Ｃｂ：発光点60とフォトダイオード57の受光面との仮想軸方向の距離、
Ｄｂ：発光点60と窓59との仮想軸方向の距離（発光点60から窓59までの仮想軸Ｐｂ方向の最短距離）、とする。

このとき、Ａｂ＜Ｂｂ（２−Ｄｂ／Ｃｂ）・・・（２）
の関係が成り立つように配置する。

上述のごとく、フォトダイオード57に傾け角を付加することにより、出射光をより無駄なく光書き込みに使えるだけでなく、発光点60から窓59もしくは絞り部材62までの距離を遠ざけることなく、窓59もしくは絞り部材62の径をより広げることも可能であり、設計自由度が向上しカップリング効率が向上する。ひいては破壊光出力に対するマージンもより稼ぐことができる。

［第三実施形態］
次に本発明に係る半導体レーザ、光源装置、走査光学装置、画像形成装置の第三実施形態について図を用いて説明する。図７は本実施形態にかかる走査光学装置における半導体レーザの発光点60から偏向走査される手前までの光学構成を示す模式図であり、光軸Ｐを通りフォトダイオード57の受光面に垂直な平面で切った断面図である。上記第一実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態にかかる走査光学装置は、フォトダイオード57で反射した一次反射光Ｌｉがウィンドウキャップ58で遮光されることなく、コリメータレンズ50を通過し、遮光部材63で遮断される構成としたものである。

光書き込みに用いられるレーザ光Ｌｃは、コリメータレンズ50で平行光化された後、光源装置から出射されたレーザ光を切り取る絞り部材である絞り板62によって、感光体ドラム32上では適切なビームスポット形状となるように成形され取り出される。

フォトダイオード57で反射した一次反射光Ｌｉは、コリメータレンズ50を透過した後、レーザ光Ｌｃから離れる方向へ進み、発光点60から遠ざかるほどレーザ光Ｌｃとの距離は大きくなる。

一方、コリメータレンズ50とポリゴンミラー42との間の一次反射光Ｌｉの光路上に、一次反射光Ｌｉを遮光する遮光部材63が配置されている。遮光部材63は、絞り板62とは別体として設けられている。

絞り板62がコリメータレンズ50を挟んで発光点60の反対側に配置される場合には、絞り板62がコリメータレンズ50から離れるほど、フォトダイオード57の一次反射光Ｌｉをも遮光するために絞り板62の大きさはより大きくしなくてはならない。しかし、上述のごとく、遮光部材63を別体にして配置することにより、絞り板62を必要以上に大きくすることなく一次反射光Ｌｉだけを効率よく遮光することが可能である。尚、遮光部材63は光学箱31などと一体にすると部品点数の増加も抑えられより効率的である。

[第四実施形態]
次に本発明に係る半導体レーザ、光源装置、走査光学装置、画像形成装置の第四実施形態について図を用いて説明する。図８は本実施形態にかかる半導体レーザの内部の構成を説明する断面図である。上記第一実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態にかかる半導体レーザは、上記第一実施形態の面発光型のレーザチップ54、ステム55に変えて、レーザチップ64、ステム65を用いたものである。

レーザチップ64は、主放射光と、主放射光と逆方向に出射する副放射光を出射する端面発光型のレーザチップである。端面発光型のレーザチップ64からの出射光は、レーザチップ64の結晶成長方向と同一の方向に出射される。

ステム65は、階段状に形成されており、レーザチップ64とフォトダイオード57を異なる段に保持している。すなわち、端面発光型のレーザチップ64を上段に配置されたサブマウント56の上に配置し、下段となるステム55の突起部61の上にフォトダイオード57が配置されている。

フォトダイオード57は、主放射光を受光して電流に変換し、前記レーザチップの発光状態をモニタする。ここで、副放射光と主放射光は一般的に一定の関係があるが、レーザチップ64の寿命等により、その一定の関係がずれてくることがある。

発光点60とフォトダイオード57と窓59の位置関係は、上記第一実施形態と同様に、（１）式の関係を満たすようにする。尚、フォトダイオード57は、上記第二実施形態のように傾けてもよい。

このように、端面発光型のレーザチップ64を用いた場合でも、主放射光をモニタして駆動電流を制御することが可能となり、副放射光をモニタして駆動電流を制御する方法と比べて、実際に画像書き込みに用いる主放射光をモニタしているために、より実際の書き込み濃度に即した駆動電流制御が可能となる。

第一実施形態にかかる半導体レーザの構成図である。 画像形成装置の構成図である。 走査光学装置の斜視図である。 光源装置の斜視図である。 半導体レーザの内部の構成を説明する断面図である。 第二実施形態にかかる半導体レーザの内部の構成を説明する断面図である。 第三実施形態にかかる走査光学装置における半導体レーザの発光点から偏向走査される手前までの光学構成を示す模式図である。 第四実施形態にかかる半導体レーザの内部の構成を説明する断面図である。

符号の説明

Ａ…半径、Ｃ…距離、Ｌ…ビーム、Ｌａ…出射光、Ｌｂ、Ｌｃ…レーザ光、Ｌｄ、Ｌｉ…一次反射光、Ｐ…光軸、Ｐｂ…仮想軸、31…光学箱、32…感光ドラム、33…一次帯電器、34…現像器、35…転写帯電ローラ、36…転写材、39…定着器、40…排出ローラ、41…レーザユニット（光源装置に対応）、42…ポリゴンミラー（偏向手段に対応）、43…ｆθレンズ、44…折り返しミラー、45…ＢＤミラー、46…ＢＤセンサ、47…シリンダレンズ、48…半導体レーザ、49…レーザホルダ、50…コリメータレンズ、51…コリメータ鏡筒、52…レーザ駆動回路、53…ビス、54、64…レーザチップ、55、65…ステム、56…サブマウント、57…フォトダイオード、58…ウィンドウキャップ、59…窓、60…発光点、61…突起部、62…絞り板（絞り部材に対応）、63…遮光部材

Claims (9)

1. レーザ光を出射するレーザチップと、
   該レーザチップから出射された出射光を受光して電流に変換し、前記レーザチップの発光状態をモニタするフォトダイオードと、
   前記レーザチップからの出射光を切り取る窓が設けられ、前記レーザチップと前記フォトダイオードをカバーするウィンドウキャップと、を有し、
   前記フォトダイオードを、前記窓を通過する出射光の通過領域外かつ、フォトダイオードで反射した一次反射光が前記ウィンドウキャップで遮光可能な位置に配置したことを特徴とする半導体レーザ。
   
2. 前記レーザチップと前記フォトダイオードを保持するステムを有し、
   前記フォトダイオードの受光面は、出射光の光軸に平行であり、
   Ａ：前記レーザチップ上の発光点を通る前記光軸と前記窓の縁との距離、
   Ｂ：前記光軸と前記フォトダイオードの受光面までの距離、
   Ｃ：前記発光点と前記フォトダイオードの受光面との前記光軸方向の距離、
   Ｄ：前記発光点と前記窓との前記光軸方向の距離、
   としたとき、
   Ａ＜Ｂ（２−Ｄ／Ｃ）、
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
   
3. 前記レーザチップと前記フォトダイオードを保持するステムを有し、
   前記フォトダイオードの受光面は、受光面への出射光の入射角及び一次反射光の反射角が小さくなるように傾いており、
   Ａｂ：前記レーザチップ上の発光点を通り前記フォトダイオードの受光面に平行な仮想軸と前記窓の縁との距離、
   Ｂｂ：前記仮想軸と前記フォトダイオードの受光面までの距離、
   Ｃｂ：前記発光点と前記フォトダイオードの受光面との前記仮想軸方向の距離、
   Ｄｂ：前記発光点と前記窓との前記仮想軸方向の距離、
   としたとき、
   Ａｂ＜Ｂｂ（２−Ｄｂ／Ｃｂ）、
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
   
4. 前記レーザチップからの出射光は、前記レーザチップの結晶成長方向と同一の方向に出射されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
   
5. 前記レーザチップは端面発光型のレーザチップであり、前記ステムは階段状に形成されており、前記レーザチップと前記フォトダイオードを異なる段に保持したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
   
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体レーザと、コリメータレンズと、を有することを特徴とする光源装置。
   
7. 前記光源装置と、
   前記光源装置から出射されたレーザ光を反射偏向する偏向手段と、
   前記偏向手段により偏向されたレーザ光を外部の感光体上に結像走査する結像光学系と、を有することを特徴とする走査光学装置。
   
8. レーザ光を出射する半導体レーザと、コリメータレンズと、を備えた光源装置と、
   前記光源装置から出射されたレーザ光を切り取る絞り部材と、
   前記絞り部材に切り取られたレーザ光を反射偏向する偏向手段と、
   前記偏向手段により偏向されたレーザ光を外部の感光体上に結像走査する結像光学系と、を有し、
   前記半導体レーザは、内部に出射光を受光して電流に変換し発光状態をモニタするフォトダイオードを具備し、
   前記コリメータレンズと前記偏向手段との間に、前記フォトダイオードで反射した一次反射光を遮光する遮光部材を、前記絞り部材とは別体として設けたことを特徴とする走査光学装置。
   
9. 請求項７又は請求項８に記載の走査光学装置と、
   記録材にトナー像を形成する画像形成手段と、を有し、
   前記走査光学装置から出射されたレーザ光を感光体上に導光して画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
   

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