JP2591666B2 - レーザーユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、たとえばデジタル信号により画像を形成す
るデジタル複写機，レーザービームプリンタ,CDプレイ
ヤ等に適用されるレーザーユニットに関する。

（従来の技術） 従来、この種のレーザーユニットとしては、たとえば
第９図に示すようなものがある。すなわち、レーザーユ
ニット100は、組部材101を介して半導体レーザーチップ
102とコリメータレンズ103とを所定のギャップＧ′でも
って一体に組付けることによって構成されている。組付
部材101は、レーザーチップ102を保持するチップ基台10
4を備えたケーシングであるキャン105と、キャン105を
レーザー基板106との間で保持する第１ホルダ107と、コ
リメータレンズ103を保持するコリメータ鏡筒108と、第
１ホルダ107に固定されてコリメータ鏡筒108を保持する
第２ホルダ109とから構成されている。そして、これら
の各構成部材は金属製としてレンズ駆動時の発熱を効率
よく放熱するようになっていた。

上記コリメータ鏡筒108は光軸方向に移動可能となっ
ていて、組付時のレーザーチップ102とコリメータレン
ズ103間のギャップＧ′の調整は、コリメータ鏡筒108を
光軸方向に移動させることによりなされ、調整完了後に
接着剤等によって第２ホルダ109に対して固定してい
た。このギャップＧ′調整時のコリメータ鏡筒18の把持
方法としては、コリメータ鏡筒108を磁性体の鉄製とし
て、治具を用いて磁気吸収する方法が採られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来例にあっては、組付部材101
がすべて金属製で熱伝導率が高いために、気温低下等の
環境温度の急激な変化が生じた場合、コリメータ鏡筒10
8の温度も急激に変化し、コリメータ鏡筒108に保持され
るコリメータレンズ103に結露が生じるおそれがある。
コリメータレンズ103に結露が生じるとレーザービーム
が散乱し、例えばプリンタ等に適用した装置にあって
は、画質が劣化してしまうという問題点を有していた。

このようなコリメータレンズ103の結露を防止するた
めには、コリメータ鏡筒108,第２ホルダー109および第
１ホルダー107を、たとえば樹脂等の断熱部材で形成す
ることが考えられる。

しかし、すべての構成部材を断熱部材とすると、結露
防止効果は高まるものの、レーザー発光時の放熱がなさ
れなくなり、レーザー特性が大きく変化してしまう。ま
た、コリメータ鏡筒108を樹脂等の断熱部材とすると、
ギャップ調整時のコリメータ鏡筒108の把持手段として
磁石を使用できなくなってしまう。その他の把持方法と
しては、たとえば機械的にチャッキングする方法、エア
で吸引する方法、あるいはギャップを過大に組付けてお
いて、所定寸法になるまでコリメータ鏡筒108を押し込
んで調整する方法等が考えられる。

しかしながらコリメータ鏡筒108は機械的にチャッキ
ングする方法は把持力によってコリメータ鏡筒108に歪
が生じ、光軸がずれるおそれがある。またコリメータ鏡
筒108をエアで吸引する方法は、エアミストやオイルミ
ストがコリメータレンズに付着しやすいという問題があ
る。さらにコリメータ鏡筒108を押し込むだけの調整で
は高精度の調整をできないという問題がある。

このような問題を解決するために、本出願人はコリメ
ータ鏡筒を磁性粉末を添加した樹脂製にする方法を提案
した（特願昭63−8498号参照）。

ところが樹脂の成形性を問題等により磁性粉末の添加
量が制約される場合があり、磁気吸着力が弱くなってし
まい、場合によってはコリメータ鏡筒を調整する際に必
要な磁気吸着力が得られないおそれがある。

特に、コリメータレンズ103とレーザーチップ102との
光軸方向および光軸に垂直方向の調整精度が非常に高精
度を要求される場合には、コリメータ鏡筒108を強固に
保持する必要がある。磁気吸着力が弱いと調整時に保持
部分がすべったりするおそれがあるために、高精度の調
整が困難になってしまう。

そこで、本発明は上記従来技術の問題を解決するため
になされたもので、その目的とするところは、ユニット
の良好な放熱性を維持しつつ、環境温度に急激な変化が
生じた場合でも、コリメータレンズ表面の結露を防止し
得、さらにレーザー発光素子とコリメータレンズ間の高
精度のギャップ調整を容易にできるレーザーユニットを
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明にあっては、半導
体レーザーチップとコリメータレンズとを所定のギャッ
プを設けて一体に組付けた組立体であって、上記コリメ
ータレンズを保持するコリメータ鏡筒を備え、該コリメ
ータ鏡筒を光軸方向に移動させることによりギャップを
調整可能としたレーザーユニットにおいて、 前記コリメータ鏡筒を、断熱部材と磁性金属部材とを
結合して構成したことを特徴とする。

（作 用） 上記構成を有する本発明にあっては、環境温度に急激
な変化が生じた場合でも、温度変化が断熱部材のコリメ
ータ鏡筒により遮断されてコリメータレンズに伝わりに
くく、コリメータレンズの急激な温度変化が防止され
る。

また、コリメータ鏡筒は断熱部材および磁性金属部材
とから構成されているので、ギャップ調整時にはコリメ
ータ鏡筒を磁気吸着することにより強力に把持すること
ができる。

（実施例） 以下に、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
本発明の一実施例に係るレーザーユニットを示す第１図
乃至第５図において、１はレーザーユニット全体を示し
ている。このレーザーユニット１は組付部材２によって
半導体レーザーチップ３とコリメータレンズ４とが所定
のギャップＧを設けて一体に組付けられている。

組付部材２は、概略レーザーチップ３を備えたレーザ
ー素子５をレーザー基板６との間で保持する第１ホルダ
７と、コリメータレンズ４を保持するコリメータ鏡筒８
と、第１ホルダ７とコリメータ鏡筒８とを連結する第２
ホルダ９とから構成されている。

上記レーザーチップ３は銅等の熱伝導率の高い金属製
の基台10先端に保持され、断面ハット形状のケーシング
であるキャン11内に収納されたレーザー素子５としてユ
ニット化されている。キャン11の先端面にはレーザービ
ーム出射用の開口部11aが設けられており、この開口部1
1aはカバーガラス11bによって覆われている。一方キャ
ン11の基端部には半径方向外方に向って環状のフランジ
部11cが張り出している。

一方、第１ホルダ７はその中央にレーザー素子５のキ
ャン11を挿通する孔7aが穿設された亜鉛ダイキャスト製
の板状部材で、レーザー素子５を光軸に対して直角に保
持してレーザーチップ３から出射されるレーザービーム
の出射角度を光軸方向に位置決めするようになってい
る。すなわち第一ホルダ７の孔7aのレーザー基板６側の
開口部にレーザー素子５のキャン11のフランジ部11cが
嵌合する基準段部12が設けられ、この段部12にフランジ
部11cを突き当ててレーザー素子５の取付角度を位置決
めしている。そしてレーザー素子５とレーザー基板６と
の間にフランジ部11cを段部12に圧接するためのスプリ
ングワッシャ13が介装されている。

また、第２ホルダ９は筒状部材で、第１ホルダ７と同
様の亜鉛ダイキャスト製で、上記コリメータ鏡筒８な内
周側に嵌合される円筒状の鏡筒保持部91と、上記第１ホ
ルダ７に固定するための固定フランジ部92とから構成さ
れている。この第２ホルダ９を光軸に対して直交方向に
移動させることにより、レーザーチップ３から出射され
るビームの発光中心軸とコリメータレンズ４の光軸の軸
ずれを調整するようになっている。

この第１ホルダ７と第２ホルダ９およびレーザー基板
６の組付けは、第５図に示すようにビス14,15を用いて
なされている。まず第１ホルダ７に設けた第１ねじ孔14
aにレーザー基板６側からビス14をねじ込むことにより
レーザー基板６と第１ホルダ７とを締結する。一方、第
２ホルダ９に設けたねじ孔15aに、第１ホルダ７の第１
ねじ孔14aとは別個に設けた挿通孔15bを介してレーザー
基板６側からビス15をねじ込むことにより、第２ホルダ
９を第１ホルダ７に対して締付固定するようになってい
る。ここで軸ずれの調整は第１ホルダ７に設けた挿通孔
15bとビス15との隙間分によて調整可能としている。さ
らにこのレーザーユニット１の組付はビス17を用いてレ
ーザー基板６側から取付部材18に締付固定される。

一方、コリメータ鏡筒８は断熱部材としての樹脂素材
からなる樹脂部8aと磁性体金属部8bとを接着結合してな
っている。

このコリメータ鏡筒８は上記第２ホルダ９の鏡筒保持
部91に軸方向に摺動可能に嵌合され、鏡筒保持部91の先
端部近傍に穿設された接着用穴81を介して流し込まれる
接着剤により、第２ホルダ９に対して接着固定される。
コリメータ鏡筒８の長さは鏡筒保持部91の長さよりも若
干長く、レーザー素子５と対面する側の端部内周は厚肉
のレンズ固定部82になっていて、このレンズ固定部82に
コリメータレンズ４が嵌着固定されている。而してコリ
メータレンズ４とレーザー素子５のレーザーチップ３と
のギャップＧは、コリメータ鏡筒８を軸方向に動かすこ
とにより調整され、調整した後にコリメータ鏡筒８をホ
ルダ９に接着固定するものである。

この際、レーザー素子５とコリメータレンズ４の光軸
に垂直方向の位置決めに高精度（たとえば±５μ程度）
が要求される場合、コリメータ鏡筒８の外径とホルダ９
の鏡筒保持部91内径の嵌合ガタを高精度に作製する必要
がある。すなわち、コリメータ鏡筒８の軸方向の調整
後、接着用穴81から流し込まれた接着剤が乾燥硬化する
際に収縮し、コリメータ鏡筒８が一方向に引張られてコ
リメータレンズ４が光軸と垂直方向にズレるおそれがあ
るからである。

このようなコリメータレンズ４のズレを防止するため
には、前記嵌合ガタを可能な限りつめておく必要があ
り、その結果ホルダ９とコリメータ鏡筒８間の摺動抵抗
が増加する。そのため、後述するコリメータ調整の際の
コリメータ鏡筒８の摺動抵抗が大きくなる。

本発明においては、コリメータ調整の際の追従性を阻
害しないように、コリメータ鏡筒８をコリメータレンズ
４を保持する樹脂部8aと、調整用電磁石に吸着する側に
配置される磁性金属部8bとから構成され、両者を接着又
はインサート成型にて一体成型している。

コリメータ鏡筒８の樹脂部8aの寿素材としては、非晶
性のポリエーテルサルホン（芳香族サルホン系樹脂）
（以下PESと略記する）や、結晶性のポリフェニレンサ
ルファイド（以下PPSと略記する）、その他熱伝導率の
低い各種の樹脂材料が用いられる。このうち、PES等の
非晶性樹脂の場合には、温度上昇に対する物性の劣化が
少ないため、急激な温度変化や、苛酷な使用条件にも耐
えることができる利点がある。

因みに、このPESは熱伝導率がλ＝1.5×10^-1Kcal/mh
℃程度であり、従来の装置のコリメータ鏡筒に用いられ
ていた鉄（熱伝導率λ＝50Kcal/mh℃程度）に比べ熱伝
導率がかなり低く、環境温度に急激な変化が生じた場合
でも、その変化がコリメータレンズ５に伝わりにくい。

一方、コリメータ鏡筒８の磁性金属部8bには、鉄等の
リング状に成形した部材が用いられている。

上記構成のレーザーユニットにあっては、コリメータ
鏡筒８のうちコリメータレンズ４を保持する部分を断熱
性の樹脂部8aとしたので、環境温度が急激に低下しても
コリメータレンズ４の温度変化が抑えられ、コリメータ
レンズ４表面の結露を防止することができる。しかもレ
ーザーチップ３を保持するチップ基台10および第1,第２
ホルダ7,9が熱伝導率のよい金属製となっているので、
レーザー駆動時に発生する熱が効率よく放熱され、発熱
によるレーザーの特性変化等を可及的に抑えることがで
きる。

また、本実施例では第1,第２ホルダ7,9を亜鉛ダイキ
ャスト製としたが、アルミニウム製となっている。

コリメータ鏡筒８を把持する把持手段としては、先端
に電磁石Ｓが設けられたレバーＨが用いられる。而して
レバー先端の電磁石Ｓをオンしてコリメータ鏡筒８を磁
気吸着し、レバーＨを押し引きしながらコリメータ鏡筒
８を光軸方向に移動させ、ギャップＧを調整する。調整
の確認は、レーザービームＬをCCDカメラＣでモニター
することによって行ない、ベストビーム位置を探し出
す。レーザービームＬが所定のスポット径となると、第
２ホルダ９に設けた接着穴81から瞬間接着剤を流し込
み、コリメータ鏡筒８を第２ホルダ９に対して固定す
る。

ここで、コリメータ鏡筒８の先端部には鉄製の磁性金
属部8bがあるので、電磁石Ｓとコリメータ鏡筒８との吸
着力は大きい。因みに先に本出願人が提案したレーザー
ユニット（実願昭63−8498号）のように樹脂に磁性材を
添加した場合に比較して吸着力は数倍に増大する。

したがって、コリメータ鏡筒８と第２ホルダ９との嵌
合精度を十分高くしても、コリメータ鏡筒８と電磁石Ｓ
との追従性は阻害されなくなる。また、それだけでなく
吸着力が強くなることにより、コリメータ鏡筒８を第２
ホルダ９に接着する際に、接着剤の硬化収縮あるいは表
面張力によりコリメータ鏡筒８が前記嵌合ガタ内で一方
向に寄せられ、光軸と垂直方向にコリメータレンズ４が
ずれるおそれも無い。

したがって充分な調整値を保ったままで、コリメータ
鏡筒８と第２ホルダ９が完全に固定された時点で電磁石
Ｓをオフとし、レバーＨを外せばレーザーユニットの調
整が終了する。

もちろん通常使用環境と調整を行うふん囲気環境とが
大きく異なる場合にはより高精度調整を行うために、前
記調整時に本来のベストピント位置から計算上決定され
る微小量だけ調整位置をずらして温度変化によるピント
ズレをより小さくする事もできる。

ところでコリメータ鏡筒８の断熱部材としては、上記
したように樹脂だけでなくセラミックス等を用いてもよ
いが、温度変化による組付部材２各部の熱膨張差に起因
するギャップＧの変化を抑えるという点では、線膨張係
数の大きい樹脂製とすることが望ましい。熱膨張につい
て説明すると、コリメータレンズ４とレーザーチップ３
とのギャップＧは温度変化により上記した組付部材２の
各構成部、本実施例では、チップ基台10,第１ホルダ7,
第２ホルダ９およびコリメータ鏡筒８の熱膨張差によっ
て変化する。すなわち、第1,第２ホルダ7,9はギャップ
Ｇを拡げる方向に熱膨張し、チップ基台10とコリメータ
鏡筒８はギャップＧを狭める方向に熱膨張し、この熱膨
張差がギャップＧの変化分として現われる。

第３図には、各構成部分の熱膨張状態を模式的に示し
ている。ギャップＧの変化に影響するのは第１ホルダ７
の基準段部12が基準面となり、この基準段部12から第２
ホルダ９の取付面までの寸法l₁と、第２ホルダ９の取付
面から接着穴81までの寸法l₂と、コリメータ鏡筒８の樹
脂部8aの接着穴81からレーザー側端面までの長さl₃と、
チップ基台10の上記基準面からレーザーチップ３までの
長さl₄である。そして所定の温度変化に対応する各部の
熱膨張量をΔl₁,Δl₂,Δl₃,Δl₄とすると、ギャップＧ
の変化量Δｘは、Δｘ＝（Δl₁＋Δl₂）−（Δl₃＋Δ
l₄）と表わされることになる。本実施例の場合には、ギ
ャップＧを狭める方向に熱膨張するコリメータ鏡筒樹脂
部8aとチップ基台10の寸法（l₃＋l₄）が、ギャップＧを
拡げる方向に熱膨張する第1,第２ホルダ7,9の寸法（l₁
＋l₂）より小さいので、ギャップＧは温度上昇によって
拡がり勝手となる。したがってコリメータ鏡筒樹脂部8a
を線膨張係数の大きい樹脂部とすることがギャップＧの
変化分を吸収する効率が最も高い。

この際、コリメータ鏡筒８の先端部に設けた磁性金属
部8bは前記線膨張の模式図外にあるため、温度によるギ
ャップＧの変化には寄与しない。

さらに、樹脂材料に充填剤を充填すると、その樹脂材
料の線膨張係数が変化し、その線膨張係数は充填剤の含
有率によって変化する。したがって上記したフェライト
粉末等の磁性充填剤Ｆの量を適宜選択することによりコ
リメータ鏡筒８の熱膨張量を任意の値に設定できる。し
たがって、上記したギャップＧの変化量Δｘをコリメー
タレンズ４の焦点深度内に収まるようにコリメータ鏡筒
８の熱膨張量Δl₃を選択することが可能であり、このよ
うにすれば、ギャップＧ精度を確保するためのペルチェ
素子やヒータ等の温調素子等が不要となる。

もちろん、ここでいう充填剤は磁性体であるフェライ
ト粉末である必要な無く、ガラス繊維、ガラスビーズ等
の非磁性体で十分である。

ここで、第1,第２ホルダ7,9を亜鉛ダイキャスト製、
チップ基台10を銅製、コリメータ鏡筒樹脂部8aをPESと
フェライト粉末の複合材料とした場合の実験データを示
す。

亜鉛製の第1,第２ホルダ79の線膨張係数をα₁,α_２、
コリメータ鏡筒８の線膨張係数をα_３、チップ基台10の
線膨張係数をα_４とすると、ギャップＧの変化量Δｘは Δｘ＝｛（α₁l₁＋α₂l₂）−（α₃l₃＋α₄l₄）｝Δｔ で示される。そして各部の寸法等を、 l₁＝1.7mm,l₂＝9.3mm,l₃＝6.8mm,l₄＝2.55mm,α₁,α_２
＝2.74×10^-5〔1/℃〕，α_３＝3.8×10^-5〔1/℃〕，α
_４＝1.65×10^-5〔1/℃〕，Δｔ＝40゜とすると、 Δｘ＝｛2.74×（1.7＋9.3）−（3.8×6.8＋1.65 ×2.55）｝×10^-5×40＝0.000037〔mm〕 ＝0.037〔μｍ〕となる。

通常ギャップ変化量（Δｘ）に対する許容値は２〔μ
ｍ〕程度であり、所定のビーム形状を得られる。

第６図および第７図は、本発明のレーザーユニット１
を適用した画像形成装置の一例を示すものであり、図に
おいて20は第１光学系、21は第２光学系であるレーザー
スキャナユニット、22は感光体ドラムである。

第１光学系20は原稿台23上に載置された原稿を照明す
るランプ24と、ミラー25,26,27と、レンズ28と、ミラー
29,30,31とを有しており、原稿からの反射光をミラー2
5,26,27を介し、レンズ28を通過させ、さらにミラー29,
30,31を介して感光体ドラム22上に導く。

第２光学系21は第７図に示すようにレーザーユニット
１と、シリンドルカルレンズ32aと、モータ32と、モー
タ32に直結され矢印Ｇ方向に回転するポリゴンミラー33
と、トーリックレンズ（ｆθレンズ）34を有しており、
レーザーユニット１から出射されたレーザービームをポ
リゴンミラー33で走査して、ｆθレンズ34を介して感光
体ドラム22上に導く。

上記構成において第２光学系であるレーザースキャナ
ユニット21の働きと構成について説明すると、先ず第１
にはコンピュータやワードプロセッサー等の出力に接続
することによってユニット21を潜像形成手段として機能
させ、第１光学系20によって形成される画像との合成画
像を形成する思い方がある。また、第２には画像の先端
部の余白形成や、転写紙と次の転写紙の間に対応する感
光体ドラム22上の領域の不要な電荷の消去を行なう用い
方がある。さらに、第３にはデジタイザー等の座標入力
手段と組合せて第１光学系20によって形成される原稿画
像の不要部分を消去するマスキング機能やトリミング機
能を果すために用いる場合がある。さらにまた、第４に
は第１光学系20の光路の一部を遮断してその部分に日付
やページ等の原稿画像に記されていない情報を付加する
アドオン機能を用いる場合もある。

レーザースキャナユニット21は第５図に示すように支
持板35の下面に図示しない固定ビスにより吊り下げ固定
されている。また、本実施例においてはレーザービーム
を感光体ドラム22上に導くミラー39も支持板35の下面に
吊り下げ固定されている。従って、レーザースキャナユ
ニット21の位置調整に際しては感光体ドラム22の母線方
向に対して上記第１光学系１の光路Ｂを平行に設定する
と共に、レーザースキャナユニット21の主走査方向を母
線方向に平行に設定するようにミラー39の位置を調整し
て行なわれる。

本発明のレーザーユニット１を、このような画像形成
装置に適用した場合には、使用環境温度が急激に低下し
ても、コリメータ鏡筒８の断熱効果によってコリメータ
レンズ４の結露が防止され、冬場の朝一番の使用や、温
度変化の激しい地域での使用にあたっても常に良好な画
像を得ることができる。またレーザーチップ４駆動時に
発生する熱は、熱伝導率の高いチップ基台10、第１ホル
ダ７、第２ホルダ９を介して放熱されて、レーザーの特
性変化を可及的に小さくすることができ、良好な画質を
維持できる。

尚、本発明のレーザーユニットは、このようなレーザ
ー複写機等の画像形成装置に限定されるものではなく、
その他CDプレイヤ等の各種装置に適用することができ
る。

第９図は、本発明の第２実施例を示している。この第
２実施例にあっては、コリメータ鏡筒208が略円筒形状
の樹脂部208aと、断面Ｔ字形状をした磁性金属部材208b
とを結合して構成したものである。

このようにすれば、第１実施例と比較して磁性金属部
材208bの質量が増大して、調整用電磁石Ｓとの吸着力が
より大きくなって、一層スムーズな調整が可能となる。

その他の構成および作用については第１実施例と同一
であるのでその説明を省略する。

（発明の効果） 本発明は、以上の構成および作用から成るもので、コ
リメータ鏡筒を断熱部材と磁性金属部材とを結合して構
成したころにより、レーザーユニットの良好な放熱性を
維持しつつ、環境温度に急激な変化が生じた場合でも、
コリメータレンズ表面の結露を防止してビームを正確に
照射できる。この結果、デジタル複写機等に適用した場
合に常時質の高い画像を形成することができるという効
果を奏する。

また、コリメータ鏡筒の磁性体金属部材を磁石にて保
持することにより、ギャップ調整を行なう際の磁気吸着
力を大きくすることができ、ギャップおよび光軸に垂直
な方向の調整を迅速かつ高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るレーザーユニットの縦
断面図、第２図は第１図のレーザーユニットのギャップ
調整用の調整装置の一例を示す配置構成図、第３図は第
１図の装置の各構成部の熱膨張の状態を示した模式的構
成図、第４図は第１図の装置の側面図、第５図は第１図
の装置の概略分解斜視図、第６図は第１図のレーザーユ
ニットが適用された画像形成装置の概略構成図、第７図
は第６図の装置のレーザースキャナユニットの平面図、
第８図は本発明の他の実施例に係るレーザーユニットの
縦断面図、第９図は従来のレーザーユニットの縦断面図
である。 符号の説明 １……レーザーユニット ２……組付部材、３……レーザーチップ ４……コリメータレンズ ５……レーザー素子、７……第１ホルダ ８……コリメータ鏡筒、９……第２ホルダ 8a……樹脂部（断熱部材） 8b……磁性金属部材、10……チップ基台 12……基準段部、Ｇ……ギャップ Ｆ……磁性充填剤

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザーチップとコリメータレンズ
   とを所定のギャップを設けて一体に組付けた組立体であ
   って、上記コリメータレンズを保持するコリメータ鏡筒
   を備え、該コリメータ鏡筒を光軸方向に移動させること
   によりギャップを調整可能としたレーザーユニットにお
   いて、 前記コリメータ鏡筒を、断熱部材と磁性金属部材とを結
   合して構成したことを特徴とするレーザーユニット。