JP2009117099A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト、高画質かつ高速なレーザプリンタを実現するための光源装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る光源装置１００は、複数の発光部を備えた面発光型半導体レーザアレイチップ２０と、実装基板と、を有する発光ユニット３０と、複数のレンズ４４が配列されたレンズアレイユニット４０と、を含み、実装基板には複数の面発光型半導体レーザアレイチップが取り付けられ、複数のレンズの各々は、前記複数の面発光型半導体レーザアレイチップの各々に対応して設けられ、当該複数の面発光型半導体レーザアレイチップの各々からの光を屈折させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置に関し、特にレーザプリンタに用いるための光源装置に関する。

近年、レーザ走査光学系を用いるレーザプリンタの光源として、面発光型半導体レーザを用いた光源の開発が進んでいる。レーザプリンタでは、面発光型半導体レーザによって、感光体を露光して潜像を形成し、像担持体に画像信号を書き込む。面発光型半導体レーザを用いることによって、画像信号を並列に像担持体に書き込むことが可能となるため、印刷速度が飛躍的に向上するが、依然として、印刷速度は、走査ミラーの回転速度やレーザ素子の強度変調、潜像形成のために必要なエネルギー密度の確保時間に依存するため、印刷の高速化には限界があった。

上記課題に対し、特許文献１は、同一基板上に形成した２次元面発光型半導体レーザアレイによって、潜像を形成する方式を開示している。この方式によれば、印刷の高速化が可能であるが、潜像の主走査方向の１ラインに相当する発光スポットすべて同一の光学系に導かなければならず、一部の領域で発光スポットに歪みが生じるだけでなく、光学系にコストがかかり、２次元面発光型半導体レーザアレイに設ける面発光型半導体レーザの数が多すぎて歩留まりが悪いという問題があった。
特開平０９−２００４３１号公報

本発明の目的は、低コスト、高画質かつ高速なレーザプリンタを実現するための光源装置を提供することにある。

本発明に係る光源装置は、
複数の発光部を備えた面発光型半導体レーザアレイチップと、実装基板と、
を有する発光ユニットと、
複数のレンズが配列されたレンズアレイユニットと、
を含み、
前記実装基板には複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップが取り付けられ、
前記複数のレンズの各々は、複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップの各々に対応して設けられ、複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップの各々からの光を屈折させる。

上記光源装置において、
前記実装基板は、前記複数の発光部からの光に対して透明な材質からなり、前記面発光型半導体レーザアレイチップに対して、前記複数の発光部の出射面側に配置されていることができる。

上記光源装置において、
前記面発光型半導体レーザアレイチップは、
前記複数の発光部を取り付ける発光素子用基板を含み、
前記発光素子用基板は、前記複数の発光部を発光させるための第１の電極および第２の電極と、
前記第１の電極と電気的に接続されている第１の導電性突起部と、
前記第２の電極と電気的に接続されている第２の導電性突起部と、
を有し、
前記第１の導電性突起部および第２の導電性突起部は、前記実装基板と前記発光素子用基板とによって挟まれるようにして設けられ、かつ前記実装基板と電気的に接続されていることができる。

上記光源装置において、
前記発光ユニットは、前記複数の発光部を発光させるための駆動回路をさらに含み、
前記駆動回路は、前記実装基板の前記面発光型半導体レーザアレイチップが取り付けられている側に設けられており、前記第１の導電性突起部または第２の導電性突起部と電気的に接続されていることができる。

上記光源装置において、
複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップは、前記実装基板上に２次元配列しており、
前記複数のレンズは、２次元配列していることができる。

上記光源装置において、
前記複数の発光部は、２次元配列していることができる。

上記光源装置において、
前記面発光型半導体レーザアレイチップは、前記複数の発光部の各々と電気的に接続されている一対の電極をさらに含み、
前記一対の電極は、前記複数の発光部の出射面を避けるようにしてマトリックス状に設けられていることができる。

上記光源装置において、
前記一対の電極は、複数の開口部を有し、
前記複数の開口部の各々の内側は、前記複数の発光部の出射面として機能することができる。

上記光源装置において、
前記レンズアレイユニットは、
前記複数の発光部からの光に対して透明な材質からなる透明基板と、
前記透明基板に設けられた樹脂からなる前記複数のレンズと、
を有することができる。

１．光源装置
図１は、本実施の形態に係る光源装置１００を模式的に示す斜視図である。本実施の形態に係る光源装置１００は、発光ユニット３０と、レンズアレイユニット４０とを含む。また、光源装置１００は、発光ユニット３０とレンズアレイユニット４０とを互いに支持するための支持部材９０と、発光ユニット３０およびレンズアレイユニット４０の側面を覆う被覆部材９２と、をさらに含む。支持部材９０および被覆部材９２の形状は、特に限定されず、その材質は、公知の材料を用いることができる。なお、図１において実装部材９２の一部を省略したが、実際の実装部材９２は、発光ユニット３０およびレンズアレイユニット４０の側面の全てを覆うことができる。

以下、発光ユニット３０およびレンズアレイユニット４０のそれぞれについて詳細に説明する。

２．発光ユニット
図２は、発光ユニット３０の図１における下面（レンズアレイユニット４０が配置されている側の面と反対側の面）の一部を示す平面図である。発光ユニット３０は、実装基板１０と、面発光型半導体レーザアレイチップ２０と、駆動回路１２とを有する。

面発光型半導体レーザアレイチップ２０および駆動回路１２は、実装基板１０におけるレンズアレイユニット４０が配置されている側の面と反対側の面に設けられている。面発光型半導体レーザアレイチップ２０および駆動回路１２は、図２に示すように、それぞれが重複しない位置に設けられている。面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、実装基板１０の下面に設けられた複数の配線（図示せず）によって、駆動回路１２と電気的に接続されている。

実装基板１０は、発光ユニット３０が出射する光を透過することができれば、その材質は特に限定されないが、たとえばガラス基板からなることができる。

複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、実装基板１０の表面において、２次元配列されている。より具体的には、面発光型半導体レーザアレイチップ２０が複数並べられた列が複数列にわたって設けられており、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、千鳥格子状に設けられている。言い換えれば、図２のＸ軸方向においては、均一な間隔で複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０が２列に配列され、Ｙ軸方向においては、一方の列の一の面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、他方の列の隣り合う２つの面発光型半導体レーザアレイチップ２０から等距離に位置する。

面発光型半導体レーザアレイチップ２０と実装基板１０との接続位置および面発光型半導体レーザアレイチップ２０の詳細については後述する。

３．レンズアレイユニット
レンズアレイユニット４０は、透明基板４２と、透明基板４２上に設けられている複数のレンズ４４とを有する。透明基板４２は、発光ユニット３０が出射する光を透過することができれば、その材質は特に限定されないが、たとえばガラス基板からなることができる。透明基板４２および実装基板１０の材質として、ともに熱膨張率の同じガラス基板を選択することが好ましい。

複数のレンズ４４の各々には、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０の各々からの光が入射する。複数のレンズ４４は、透明基板４２の表面において、２次元配列されている。より具体的には、レンズ４４が複数並べられた列が複数列にわたって設けられており、複数のレンズ４４は、千鳥格子状に設けられている。言い換えれば、図１のＸ軸方向においては、均一な間隔で複数のレンズ４４が２列に配列され、Ｙ軸方向においては、一方の列の一のレンズ４４は、他方の列の隣り合う２つのレンズ４４から等距離に位置する。レンズ４４は、たとえば非球面レンズであることができ、その材質は特に限定されないが、成形の精度等を考慮して、樹脂からなることが好ましい。

次に、レンズアレイユニット４０に設けられているレンズ４４と面発光型半導体レーザアレイチップ２０との位置関係について説明する。

図２では、レンズアレイユニット４０に設けられているレンズ４４に対応する位置を波線で示す。複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０の各々の位置は、複数のレンズ４４の各々に対応して設けられている。そして、複数のレンズ４４と複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０が共に千鳥格子状に設けられていることにより、光の放射角に合わせてレンズ４４の口径を大きくした場合であっても、隣り合うレンズ４４同士が重ならないように配列することができる。

また、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０の各々の位置は、図２に示すように、複数のレンズ４４の各々の中心を含む領域と重複する位置に設けられることが好ましい。

これにより、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０の各々から出射した光を、複数のレンズ４４に容易に入射させることができる。また、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０からの光のスポット形状に歪みが生じるのを抑制することができる。

図３は、光源装置１００の断面の一部を模式的に示す図である。上述したように、面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、実装基板１０の下面（レンズアレイユニット４０が配置されている側の面と反対側の面）に設けられている。

図３に示すように、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０と、複数のレンズ４４との間に２枚の基板（実装基板１０および透明基板４２）を配置することによって、光源装置１００を小型に維持しながら、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０と複数のレンズ４４との距離を長くすることができる。

駆動回路１２は、図２に示すように、複数設けられていてもよい。駆動回路１２は、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０を駆動することができる。駆動回路１２の配置は特に限定されないが、たとえば、４つの面発光型半導体レーザアレイチップ２０の中心付近に設けられた場合には、当該４つの面発光型半導体レーザアレイチップ２０を駆動してもよい。

なお、レンズアレイユニット４０は、複数設けられていてもよい。たとえば、レンズアレイユニット４０と発光ユニット３０との間に、レンズアレイユニット４０と平行な位置に他のレンズアレイユニットが配置されていてもよい。

４．面発光型半導体レーザアレイチップ
図４は、面発光型半導体レーザアレイチップ２０を詳細に示す平面図であり、図５は、図４における領域Vの拡大図である。図６は、図５におけるVI-VI断面を示す図である。

面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、発光素子用基板１３と、発光素子用基板１３上に設けられた複数の発光部１４と、発光素子用基板１３の上方に設けられ、発光部１４を発光させるための第１電極１６および第２電極１７と、第１電極１６と接続されている第１の導電性突起部１８と、第２電極１７と接続されている第２の導電性突起部１９とを有する。

複数の発光部１４の各々は、垂直共振器を有する面発光型半導体レーザからなり、Ｚ軸方向に位置するレンズ４４に光を出射することができれば、その形状や材質は特に限定されない。複数の発光部１４は、図４に示すように、２次元配列されており、行方向および列方向のそれぞれにおいて、等間隔で配置されている。また、本実施の形態において行方向と列方向とがなす角は、直角に限定されない。

発光部１４は、発光素子用基板１３上に設けられたバッファ層２２と、バッファ層２２上に設けられた第１ミラー２３と、第１ミラー２３上に設けられた活性層２４と、活性層２４上に設けられた第２ミラー２５と、第２ミラー２５中に設けられた電流狭窄層２６とを有する。第１ミラー２３と、活性層２４と、第２ミラー２５とによって、柱状の半導体堆積体が構成される。この柱状の半導体堆積体は、面発光型半導体レーザとして機能する発光部１４の共振器となる。

発光素子用基板１３は、絶縁性基板または半絶縁性基板からなることが好ましく、例えば半絶縁性のＧａＡｓ基板からなることができる。

バッファ層２２は、たとえばｎ型のＧａＡｓ層からなることができる。第１ミラー２３および第２ミラー２５は、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層されてなる積層体からなり、第１ミラー２３は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされ、第２ミラー２５は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。第１ミラー２３および第２ミラー２５は、たとえば分布反射型多層膜ミラーであることできる。活性層２４は、たとえばＧａＡｓウェル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含むことができる。

電流狭窄層２６は、第２ミラー２５を構成する層のうち活性層２４に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる。この電流狭窄層２６はリング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層２６は、発光素子用基板１３と平行な面で切断した場合における断面形状が、第２ミラー２５の平面形状の円形と同心の円のリング状であることができる。

発光部１４においては、ｎ型の第１ミラー２３、不純物がドーピングされていない活性層２４，およびｐ型の第２ミラー２５により、ｐｉｎダイオードが構成される。

第１電極１６、第２電極１７、第１の導電性突起部１８、および第２の導電性突起部１９は、発光部１４を駆動するために使用される。第１電極１６および第２電極１７のそれぞれは、行方向または列方向に配列された複数の発光部１４に接するように設けられている。第１電極１６は、第２ミラー２５の上面に接するように形成されている。第２電極１７は、バッファ層２２の上面に形成されている。

第１電極１６および第２電極１７は、それぞれ複数列に形成されており、平面視において交叉するように設けられている。即ち、第１電極１６および第２電極１７は、図４に示すようにマトリックス状に設けられている。第１電極１６と第２電極１７との交叉箇所は、複数の発光部１４の各々に対応するように設けられている。

また、第１電極１６は、Ｘ軸方向（行方向）に配列された複数の発光部１４の上面を通るように設けられており、図５に示すように、当該上面において、出射面１５となるための開口部を有することができる。

第２電極１７は、列方向に配列された複数の発光部１４の近傍を通るように形成されている。第１電極１６および第２電極１７は、導電性材料であって、発光部１４を駆動させることができる公知の材料からなることができる。

第１の導電性突起部１８および第２の導電性突起部１９は、図３に示すように実装基板１０の下面に接しており、面発光型半導体レーザアレイチップ２０を実装基板１０に固定するために用いられている。また、第１の導電性突起部１８および第２の導電性突起部１９により、駆動回路１２と面発光型半導体レーザアレイチップ２０とを電気的に接続される。第１の導電性突起部１８および第２の導電性突起部１９は、導電性材料からなることができ、たとえば導電性の樹脂材料からなることができる。このように、第１の導電性突起部１８および第２の導電性突起部１９は、実装基板１０と発光素子用基板１３とによって挟まれるようにして設けられ、かつ当該実装基板１０と電気的に接続されていることにより、面発光型半導体レーザアレイチップ２０を実装基板１０に固定するだけでなく、配線としての機能を果たすことができる。

また、面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、さらに柱状の半導体堆積体の周囲に形成された絶縁層２９を有してもよい。絶縁層２９は、たとえば樹脂層からなることができる。絶縁層２９の形状は、図６に示す形状に限定されず、任意の形状をとることができる。

また、面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、隣り合う発光部１４の間に凹部２８をさらに有する。凹部２８は、発光素子用基板１３に至るように形成されている。面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、複数の凹部２８を有することにより、隣り合う発光部１４同士が導通してしまうことを防止することができる。

５．光源装置の作用効果
本実施の形態に係る光源装置１００において、駆動回路１２は、外部から入力された画像信号に応じて、面発光型半導体レーザアレイチップ２０の発光部１４を発光させる。そして、発光部１４から出射した光をレンズアレイユニット４０のレンズ４４が集光または拡大して、感光体（図示せず）に潜像を形成する。感光体とレンズアレイユニット４０との間に他のレンズアレイユニット等の光学系や絞り、ミラー等を配置して光路を制御してもよい。

本実施の形態に係る光源装置１００おいては、複数の発光部１４を有する面発光型半導体レーザアレイチップ２０を実装基板１０上にさらに複数設けている。そして、面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、２次元方向に配列している。これにより、走査用の光学系が不要となり、印刷の高速化を図ることができる。また、同一の面発光型半導体レーザアレイチップ２０上に形成する発光部１４の数を多くする必要がないため、歩留まりを良好にしてコストを低減することができる。

また本実施の形態に係る光源装置１００においては、面発光型半導体レーザを用いている。これにより、スポット系を微小化することができ、強度の高い光を出射することができるため、高画質かつ高速な印刷を行うことが可能となる。

また本実施の形態に係る光源装置１００においては、複数のレンズ４４の各々が、複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０の各々に対応している。これにより、たとえば一のレンズが複数の面発光型半導体レーザアレイチップ２０からの光を集光する場合と比べて、感光体上におけるスポット形状の歪みを抑制することができる。

また本実施の形態に係る光源装置１００においては、面発光型半導体レーザアレイチップ２０は、第１の導電性突起部１８および第２の導電性突起部１９を用いて、実装基板１０に直接的に実装されている。これにより、ワイヤボンディング等を行う必要がないため、コストを低減することができる。

また本実施の形態に係る光源装置１００においては、透明基板４２および実装基板１０の材質として、ともに熱膨張率の同じガラス基板を選択することが好ましい。これにより、環境温度の変化が生じた場合であっても、レンズ４４と面発光型半導体レーザアレイチップ２０との位置関係に変化が生じにくいため、高画質を維持することができる。

また本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

図１は、本実施の形態に係る光源装置１００を模式的に示す斜視図である。 図２は、発光ユニット３０の下面の一部を示す平面図である。 図３は、光源装置１００の断面の一部を模式的に示す図である。 図４は、面発光型半導体レーザアレイチップ２０を詳細に示す平面図である。 図５は、図４における領域Vの拡大図である。 図６は、図５におけるVI-VI断面を示す図である。

符号の説明

１０…実装基板、 １２…駆動回路、 １４…発光部、 １５…出射面、 １６…第１電極、 １７…第２電極、 １８…第１の導電性突起部、 １９…第２の導電性突起部、 ２０…面発光型半導体レーザアレイチップ、 ２２…バッファ層、 ２３…第１ミラー、 ２４…活性層、 ２５…第２ミラー、 ２６…電流狭窄層、 ２８…凹部、 ２９…絶縁層、 ３０…発光ユニット、 ４０…レンズアレイユニット、 ４２…透明基板、 ４４…レンズ、 ９０…支持部材、 ９２…被覆部材、 １００…光源装置

Claims (9)

1. 複数の発光部を備えた面発光型半導体レーザアレイチップと、実装基板と、
   を有する発光ユニットと、
   複数のレンズが配列されたレンズアレイユニットと、
   を含み、
   前記実装基板には複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップが取り付けられ、
   前記複数のレンズの各々は、複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップの各々に対応して設けられ、複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップの各々からの光を屈折させる、光源装置。
2. 請求項１において、
   前記実装基板は、前記複数の発光部からの光に対して透明な材質からなり、前記面発光型半導体レーザアレイチップに対して、前記複数の発光部の出射面側に配置されている、光源装置。
3. 請求項１または２において、
   前記面発光型半導体レーザアレイチップは、
   前記複数の発光部を取り付ける発光素子用基板を含み、
   前記発光素子用基板は、前記複数の発光部を発光させるための第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と電気的に接続されている第１の導電性突起部と、
   前記第２の電極と電気的に接続されている第２の導電性突起部と、
   を有し、
   前記第１の導電性突起部および前記第２の導電性突起部は、前記実装基板と前記発光素子用基板とによって挟まれるようにして設けられ、かつ前記実装基板と電気的に接続されている、光源装置。
4. 請求項３において、
   前記発光ユニットは、前記複数の発光部を発光させるための駆動回路をさらに含み、
   前記駆動回路は、前記実装基板の前記面発光型半導体レーザアレイチップが取り付けられている側に設けられており、前記第１の導電性突起部または第２の導電性突起部と電気的に接続されている、光源装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   複数の前記面発光型半導体レーザアレイチップは、前記実装基板上に２次元配列しており、
   前記複数のレンズは、２次元配列している、光源装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記複数の発光部は、２次元配列している、光源装置。
7. 請求項６において、
   前記面発光型半導体レーザアレイチップは、前記複数の発光部の各々と電気的に接続されている一対の電極をさらに含み、
   前記一対の電極は、前記複数の発光部の出射面を避けるようにしてマトリックス状に設けられている、光源装置。
8. 請求項７において、
   前記一対の電極は、複数の開口部を有し、
   前記複数の開口部の各々の内側は、前記複数の発光部の出射面として機能する、光源装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
   前記レンズアレイユニットは、
   前記複数の発光部からの光に対して透明な材質からなる透明基板と、
   前記透明基板に設けられた樹脂からなる前記複数のレンズと、
   を有する、光源装置。

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