JP2007026606A - レーザホルダ装置および光ピックアップ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザの放射方向を調整するレーザホルダ装置において、加工誤差等に伴う発光点位置の光軸方向誤差を抑制する。
【解決手段】ベースホルダ１と、半導体レーザ素子２を保持するチルトホルダ２と、ベースホルダ１およびチルトホルダ２を回動可能に摺接する回動手段の回転中心を発光点位置より後方に設定する。回動手段は、チルトホルダ２に設けた凸球面状の凸球部５とベースホルダに設けた凹円錐上のチルト台座３からなる。このように、回動手段の回転中心を発光点位置から後方としたので、チルト台座３及び凸球部５の接線と光軸とのなす角度が大きくなり、部品加工誤差が発光点光軸位置ずれに与える影響を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ピックアップの光源となる半導体レーザ素子を支持するレーザホルダ装置およびそれを用いた光ピックアップに関する。

半導体レーザを用いて光ピックアップを構成する場合には、半導体レーザ素子自身の持つ特性ばらつきや組立てばらつきを吸収するために、半導体レーザ素子の姿勢や位置を調整する必要が生じていた。特に、半導体レーザの出射光はガウス分布状の光量分布を持つ発散光であり、その強度分布の中心軸を光ピックアップの光軸に一致させることが行われる。

従来、半導体レーザの姿勢を調整するために、２つのホルダ部材の相対的な姿勢を調整する技術が例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示のレーザホルダ装置と光ピックアップとの構成を、図４および図５に示す。図４において１００はベースとなるベースホルダ、１０１は半導体レーザ素子、１０２はチルトホルダで、半導体レーザ素子１０１はチルトホルダ１０２に圧入固定されている。ベースホルダ１００には凹球面の一部分からなる球面座１０３が設けられており、チルトホルダ１０２には凸球面の一部分からなる凸球部１０４が設けられ、凸球部１０４は球面座１０３に圧接している。このとき、凸球部１０４と球面座１０３は実質同一の半径をもち、その中心位置は半導体レーザ素子１０１の発光点（図示せず）と一致している。そのため、チルトホルダ１０２をベースホルダ１００上で傾き調整を行っても発光点位置を中心に回動するため、発光点位置は変化しない。

また、図５において、１０５は光ピックアップ筐体、１０６はコリメートレンズ、１０７は対物レンズでコリメートレンズ１０６は半導体レーザ素子１０１から放射されるレーザ光を略平行光に変換する。レーザ光は偏向ミラー１０８によって方向を変えられ、対物レンズ１０７を通して情報記録媒体である光ディスク１０９に照射される。

このような構成であるため、ベースホルダ１００でチルトホルダ１０１を傾斜させることで半導体レーザからの放射光の方向を調整することが可能である。

例えば出射光の強度分布を観測しながら姿勢を調整し、ベースホルダ１００の基準面１１０に対して垂直方向に強度分布の中心方向が一致するように調整した状態で、ベースホルダ１００とチルトホルダ１０２とを接着固定して姿勢を確定する。その後にベースホルダ１００のベース基準面１１０と光ピックアップ筐体１０５上のピック基準面１１１とを摺接させて光軸に垂直な面内で位置調整を行い、光ピックアップの光軸とレーザ光の強度分布中心軸とを一致させる。そして、この状態を維持するために光ピックアップ筐体１０５とベースホルダ１００とを接着固定することで、半導体レーザ素子１０１を光ピックアップ筐体１０５へ取り付ける調整作業が完了する。
特開２０００−１５５９５２号公報（図２、図３）

以上のような従来の構成では、次に示すような課題がある。それは、レーザホルダ装置の小型化と光軸方向の発光点位置精度との両立が困難というものであり、その内容を以下説明する。なお、理解度を高めるため、図６に示した半導体レーザ素子、チルトホルダ及びベースホルダの断面図を参照して説明する。

典型的な半導体レーザ素子１０１は、直径５．６ｍｍの円形台座１１２に設けた矩形の柱１１３にレーザチップ１１４を貼り付け、ガラス窓１１５を設けた直径４ｍｍ程度の円筒状のキャップ１１６で封止した構成をとる。レーザチップ１１４の発光点１１７の位置は、円形台座１１２の基準平面１１８からおよそ１．３ｍｍの距離にあり、キャップ１１６の先端からはおよそ１ｍｍである。さらに典型的な数値としては、発光点位置は±８０μｍくらいまでの位置誤差と、±３度くらいまでの出射方向誤差を持つ。出射方向誤差とは、半導体レーザ素子１０１の基準面の法線を基準とした強度分布中心方向の角度の誤差である。

図６は、上記した典型的な寸法に基づいて描いたレーザホルダ装置で、チルトホルダ１０２にはレーザ出射のための開口部を設けている。ベースホルダ１００に設けた凹状の球面座１０３とチルトホルダ１０２に設けた凸球部１０４とが嵌合した状態で摺接するが、現実的には両者は理想的な球面ではなく、加工上の誤差や微妙な凹凸を持つため、球面座に対して凸球部１０４の半径をわずかに小さく設定せざるを得ない。そのため、両者の接触は、球面座１０３の開口部側で起こる。球面座１０３と凸球部１０４との接触部での凸球部における接線Ａが、ベースホルダ１００のベース基準平面１１９の法線１２０となす角度がわずか２１度ほどしかない。もし、凸球部１０４の半径が設計値よりも小さい値だった場合は、凸球部１０４の位置は相対的に出射方向前方へ移動し、逆に凸球部１０４の半径が大きければ後方へ移動することになる。この移動は、凸球部１０４がチルトホルダ１０２の一部であって、さらに半導体レーザ素子１０１と一体であることから、発光点位置の光軸方向誤差となる。その位置誤差を記号ｘで示すと、上述の接線の角度をθ、半径の誤差量をΔＲとしたとき、位置誤差ｘは次の（式１）
（位置誤差ｘ）＝ΔＲ／ｓｉｎθ 式１
で与えられる。

（式１）のように、位置誤差ｘは半径誤差ΔＲをｓｉｎθで除すことになるので、θの値が小さいほど急激に位置誤差ｘは大きくなる。図７はΔＲの単位量あたりの位置誤差ｘとθとの関係をグラフにしたものである。θが２１度の場合、位置誤差ｘはΔＲの２．８倍となり、ΔＲを３０μｍとすれば、位置誤差ｘは８４μｍにも達する。これは球面座１０３の加工誤差にも同じことがいえるため、もし球面座１０３の加工誤差と凸球部の加工誤差とが共に±３０μｍであるとすれば、両者を加え合わせると位置誤差ｘは±１６８μｍ近くになる。この値は光ピックアップにおける発光点の位置誤差としては大きな値である。

この位置誤差ｘを抑制するためには、（式１）においてΔＲを小さくするか、θを大きくすれば良いが、ΔＲを大幅に抑制することは加工コストの上昇という問題があり現実的ではない。一方、θを大きくするためには、図８に示すように、球面座１０３と凸球部１０４との接触位置を出射方向前方に配置する方法がある。例えば図８の如くすれば、θの値は約７０度とすることが出来、チルトホルダ１０２の位置誤差は半減する。しかし、この場合は、レーザホルダ装置全体の大きさが光軸方向に大型化し、ひいてはそれを搭載する光ピックアップが大型化してしまうという課題がある。

すなわち従来のレーザホルダ装置では、上記したように、レーザホルダ装置ひいては光ピックアップの小型化と、半導体レーザ素子の光軸方向位置精度を両立させることが困難であるという課題があった。

本発明は係る従来の課題を解決するためになされ、大型化を避けつつ半導体レーザ素子２の光軸方向位置精度を向上させるレーザホルダ装置を提供することを目的とし、さらには前記レーザホルダ装置を用いた小型の光ピックアップを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザホルダ装置は、半導体レーザ素子を保持する第１のホルダ部材と、前記第１のホルダに対して回動自在に摺接する回動手段を備えた第２のホルダ部材とを有し、前記回動手段の回動中心が、前記半導体レーザ素子の発光点の、前記発行点から放射する光束の放射方向とは逆の方向に備える構成である。

本発明のレーザホルダ装置によれば、装置の大型化を避けるとともに半導体レーザ素子から発光されるレーザ放射光の発光点位置の光軸方向誤差を抑制することが可能であり、小型で高精度なレーザホルダ装置を提供することができる。また、このレーザホルダ装置を用いることで小型の光ピックアップを提供することができる。

つづいて、本発明におけるレーザホルダ装置およびそれを用いた光ピックアップの最も好ましい実施形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１および図２において、１はベースホルダ、２は半導体レーザ素子、３はチルトホルダで、チルトホルダ３に半導体レーザ素子２を圧入あるいは接着によって保持している。ベースホルダ１には、凹状の円錐面の一部分からなるあおり座面４が設けられ、チルトホルダ３には凸状の球面の一部分からなる凸球部５が設けられている。あおり座面４に凸球部５が押し当てられて摺接することで、凸球部５の中心を回動中心６として回動可能な回動手段７を構成している。

このように、回動手段７は円錐面と球面による摺回動対偶となるので、回動中心６を通る任意軸回りに回動可能である。このとき、回動中心６は半導体レーザ素子２の光放射方向に対して発光点８から、二点鎖線で示した光束の放射方向とは逆向き（以下、後方と称す）にある。本実施携帯では発光点８より３ｍｍ後方である。半導体レーザ素子２の寸法は、従来例で説明した典型的な値としている。すなわち、直径５．６ｍｍの円形台座９から１．３ｍｍの位置に発光点８があり、ガラス窓１０を備える円筒状のキャップ１１により封止される。ベースホルダ１にはホルダ基準面１２があり、あおり座面４の部分円錐面の中心軸は、一点鎖線で示したホルダ基準面１２の法線である。また、破線で示した円錐面の頂角は１１０°である。

また図３において、１３は光ピックアップ筐体、１４はコリメートレンズ、１５は対物レンズで、コリメートレンズ１４は半導体レーザ素子２から放射される光束（レーザ光）を略平行光に変換する。レーザ光は偏向ミラー１６によって方向を変えられ、対物レンズ１５を介して情報記録媒体である光ディスク１７の不図示の情報層に光スポットを形成する。なお、図１および図２におけるホルダ基準面１２は、光ピックアップ筐体１３への取り付け基準であり、光ピックアップ筐体１３に設けたピック基準面１８と対向して当接せしめる。

このような構成であるため、回動手段７を用いてベースホルダ１に対してチルトホルダ３を傾斜させることで、半導体レーザ素子２からの放射光の方向を調整することが可能である。例えば出射光の強度分布を観測しながら傾斜させ、ベースホルダ１のホルダ基準面１２に対し、垂直方向に強度分布の中心方向が一致するように調整することができる。この状態でベースホルダ１とチルトホルダ３とを接着固定し、両者の相対的な姿勢を確定する。その後にベースホルダ１のホルダ基準面１２と光ピックアップ筐体１３のピック基準面１８とを面内摺接させて位置調整を行うことで、光ピックアップの光軸（すなわち、対物レンズ１５の光軸中心）とレーザ光の強度分布中心軸とを一致させる。そして、この状態を維持するために光ピックアップ筐体１３とベースホルダ１８とを接着固定し、半導体レーザ素子２を光ピックアップ筐体１３へ取り付ける調整作業が完了する。

図１は上記した構成のレーザホルダ装置の断面であるが、回動手段７におけるあおり座面４と凸球部５の摺接部は、あおり座面４の部分円錐面の中間位置にある。図１における接触部での凸球部５の接線とホルダ基準面１２の法線とのなす角度θは、およそ５５°である。これはあおり座面４の部分円錐面の頂角の１／２である。

さて、従来例で説明したように、現実的には各機構部品には加工誤差が存在し、一般的には図面上で公差として規定される。ここで従来例と同様に、凸球部５の半径の加工誤差を±３０μｍとする。このように凸球部５の半径に誤差があると、チルトホルダ３とベースホルダ１との光軸方向の位置関係にも誤差が生ずることは前述したとおりである。すなわち、半径が設計値よりも小さいとチルトホルダ３は相対的に前方にずれ、半径が大きいと後方へずれる。その量は前述の（式１）で示され、半径の単位誤差量あたりのずれ量をグラフにしたものが図７である。

本実施形態では角度θが５５°であるため、（式１）から凸球部５の半径誤差の１．２２倍の発光点位置誤差が発生する。凸球部５の半径誤差ΔＲに±３０μｍを適用すれば、発光点位置誤差は大凡±３７μｍとなる。無論、あおり座面４の加工誤差も同様の影響があり、同様に部分円錐面が面の法線方向に±３０μｍの誤差をもつとすれば同じ計算が成り立ち、大凡±３７μｍの光軸方向誤差となる。両者を足し合わせると±７４μｍであるが、従来例に比べると半分以下に抑制される。

このように、凸球部５の接線とホルダ基準面１２の法線とのなす角度θが５５°と大きいので、チルトホルダ３の光軸方向の位置ずれを抑制することができ、本実施形態におけるレーザホルダ装置は、従来のレーザホルダ装置に比べ、光軸方向誤差を半減することができる。図１において明らかなように、ベースホルダ１のホルダ基準面１２の位置は、半導体レーザ素子２のキャップ１１先端よりも後方であり、レーザ光の出射方向寸法において大型化を避けること、つまり小型であることも同時に実現している。

本実施形態のレーザホルダ装置では、強度分布中心の方向を調整する際に、ベースホルダ１に対して回動中心６回りに半導体レーザ素子２を回動させることになるので、発光点８の位置がベースホルダ１に対して相対的に動くことになる。しかしながら、回動中心６は半導体レーザ素子２の中心軸近傍にあるため、角度変化が数度程度であれば、光軸方向への発光点８の位置変化はほとんど生じない。例えば回転中心６と発光点８との間の距離は、本実施形態では上述したように３ｍｍとしている。そこで、姿勢変化角度をαとすれば、姿勢調整よる発光点８の位置変化は光軸方向には｛３×（１−ｃｏｓα）｝ｍｍである。αは典型的には最大３°であるから、約４μｍ程度にすぎない。この程度の値は、半導体レーザ素子２自身のもつ典型的な発光点誤差の２０分の１でしかないため、実質上無視して差し支えない。一方、光軸方向に垂直な面内にも発光点位置の移動が起こる。これは（３×ｓｉｎα）ｍｍであり、αが３°とすると、大凡０．１６ｍｍにも達する。しかし、光軸方向に垂直な面というのはホルダ基準面１２と平行である。光ピックアップの組み立て調整の際に、この面内でホルダ基準面１２とピック基準面１８とを摺接させて光軸位置調整するため、０．１６ｍｍの発光点変化は調整により吸収可能であり、何等問題を発生させない。

なお、本実施形態においては、図１におけるあおり台座４の部分円錐面の頂角を１１０°、すなわち、凸球部５とホルダ基準面１２の法線とのなす角度を５５°としたが、これは他の値であってもよい。許容可能な光軸位置ずれを半径誤差のせいぜい２倍までとすれば、図７に示したグラフから接線角度は３０°以上とすればよい。これはすなわち、円錐面の頂角としては６０°以上であることが好適であることを示し、必ずしも１１０°とする必要はない。

なお、本実施形態においては、回動手段７として凹円錐面と凸球面の接触によるものとしたが、必ずしもこの組み合わせでなくてもよい。例えば、凹球面と凸球面の組み合わせであってもよいし、あるいは凹三角錐の一部平面と凸球面の組み合わせであってもよい。この場合、凹側と凸側の接触点における凸側の接線の角度を図７のグラフに適用することで、従来例と同様に考えることができる。すなわち、接線の角度が３０°以上であるとよい。この場合、凹側と凸側の摺接領域すべてにおいて同一の接線角度には必ずしもならないが、摺接領域上のいずれの任意の点においても接線の角度が３０°以上であれば、光軸方向の位置誤差は半径誤差の２倍以下とすることができる。この場合の接線の角度とは、摺接領域上の任意の点及び回動中心点を結ぶ直線と、半導体レーザ素子の中心軸線とのなす角度γ（図示せず）を９０°から引いたものにほぼ相当する。そのため、接線の角度が３０°以上であることは、角度γが６０°以下であることと同じ意味である。

なお、本実施形態によるレーザホルダ装置を用いることにより、光ピックアップにおけるレーザホルダ装置のレーザ光の出射方向の寸法を抑制できるので、半導体レーザ素子２の出射部近傍に光学部品を配置することが可能である。例えば、レーザ出射光量を検出して一定光量に制御するための検出素子（図示せず）へレーザ光を誘導するための光偏向素子（図示せず）、あるいはレーザ出射光のアスペクト比を補正するためのビーム整形素子（図示せず）、レーザ出射光量を外部的に減衰させるＮＤフィルタ（図示せず）、といったものを配置することが可能となり、光ピックアップ全体の小型化に有用である。特にビーム整形素子を用いる光ピックアップでは、ビーム整形素子をレーザ出射直後に配置することが温度特性などの観点から望ましいとされるため、本発明のレーザホルダ装置を用いるのに好適である。

本発明にかかる発光点の後方に回転中心をもつレーザホルダ装置は、レーザホルダ装置の大型化を避けつつ発光点位置の光軸方向誤差を抑制することができるため、小型の光ピックアップ等に用いるレーザホルダ装置として有用である。

本発明のレーザホルダ装置における一実施形態の断面図 同実施形態における分解斜視図 同実施形態を光ピックアップに適用した一実施形態の斜視図 従来のレーザホルダ装置の斜視図 同レーザホルダ装置を用いた光ピックアップの斜視図 同レーザホルダ装置の断面図 半径誤差に対する光軸ずれにおける接線角と誤差との関係を表すグラフ 従来のレーザホルダ装置の他の構成例を示す断面図

符号の説明

１ ベースホルダ
２ 半導体レーザ素子
３ チルトホルダ
４ あおり座面
５ 凸球部
６ 回動中心
７ 回動手段
８ 発光点
９ 円形台座
１０ ガラス窓
１１ キャップ
１２ ホルダ基準面
１３ ピックアップ筐体
１４ コリメートレンズ
１５ 対物レンズ
１６ 偏向ミラー
１７ 光ディスク
１８ ピック基準面

Claims (6)

1. 半導体レーザ素子を保持する第１のホルダ部材と、前記第１のホルダに対して回動自在に摺接する回動手段を備えた第２のホルダ部材とを有し、
   前記回動手段の回動中心が、前記半導体レーザ素子の発光点の、前記発行点から放射する光束の放射方向とは逆の方向に備えることを特徴とするレーザホルダ装置。
2. 前記回動手段は、前記光束の中心軸に直交する平面内において互いに直交する２軸周りに回動し、前記回動手段の回動中心が前記中心軸上あるいは前記中心軸のごく近傍にあることを特徴とする請求項１記載のレーザホルダ装置。
3. 前記回動手段は、前記回動手段の前記回動中心を中心点とする凸状の球面の一部分からなり前記第１のホルダ部材に備える第１の曲面と、凹状の円錐体の一部分からなり前記第２のホルダ部材に備える第２の曲面とを摺接させてなることを特徴とする請求項１または２何れかに記載のレーザホルダ装置。
4. 前記第２の曲面を形成する円錐体の頂角が６０度以上であることを特徴とする請求項３記載のレーザホルダ装置。
5. 前記第１のホルダ及び前記第２のホルダが摺接する摺接領域上の任意の点と前記回動手段の回転中心とを結ぶ直線と、前記光束の中心軸とのなす角度が、６０度以下であることを特徴とする請求項１〜３何れかに記載のレーザホルダ装置。
6. レーザ光を放射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を保持する請求項１〜５何れかに記載のレーザホルダ装置と、前記レーザ光を集光して光学的情報媒体の情報面上に光スポットを集光する対物レンズと、前記情報面で反射された反射光束を受光する光検出器を少なくとも備えることを特徴とする光ピックアップ。

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