JP3101245B2 - 光ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可動部のない固体
化した光源、光導波器及び光変調器などを集積して小形
化した光ヘッドの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】事務用機器の機能向上に伴い、高性能の
プリンタの需要が高くなっている。この需要に対応でき
る、半導体レーザを光源にしたレーザプリンタは、プリ
ント音が小さい、高解像度のプリントができる等の利点
があるので、今後も有望なプリンタとして発展すること
を期待されている。

【０００３】従来の代表的なレーザプリンタの光ヘッド
部を中心にして、その概要を示したのが図５である。図
５は半導体レーザ４１からの変調された光ビーム４２
が、コリメータレンズで収束され、ポリゴンミラー４３
の回転によって偏向され、フォーカスレンズｆ₀とシリ
ンドリカルレンズなどで再度収束した上、感光ドラム４
４上を走査して照射する光ヘッド部と、光ヘッド部の光
ビーム４２に照射された部分のみ帯電する感光ドラム４
４による（図示しない）トナーの吸着と、吸着したトナ
ーをドラム４４の回転と同期して用紙４４に転写した
上、転写されたトナーを熱処理して定着することで、目
的のプリントを行うプリンタである。

【０００４】上記ポリゴンミラーをホログラムプレート
に置換した光ヘッドも開発され、いずれも高分解能で高
速のプリントが可能である。

【０００５】一方、上記レーザプリンタによる機械的な
走査でなく、微小な約５０μｍ間隔で直線状に並べた微
小なアレイの発光ダイオード（ＬＥＤ）をそれぞれ独立
に変調して、前記で説明した感光ドラム４４を照射する
光ヘッドもある。

【０００６】更に、光源からの変調されていない光を、
感光ドラムの前に設置した微小で格子状に配列した液晶
の光変調器で制御して感光ドラムへの光照射を行う液晶
光ヘッドや、その液晶の応答速度の問題を解決する磁気
光学シャッタで光変調する光ヘッドの実用化も試みられ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上で説明した機械的
走査によるレーザ光ヘッドは高速回転部を必要とするこ
とから動作音や耐久性などに問題があること、及び、そ
の光走査のための空間が必要で小形化できないなどの欠
点があった。一方、微小なＬＥＤを２０００個以上も用
いるＬＥＤの光ヘッドも、その多数のＬＥＤの輝度を均
一にしてプリントのムラを抑える制御や、そのＬＥＤア
レイの歩留まりや寿命などの実用化には問題が残ってい
る。

【０００８】又、液晶シャッタや磁気光学シャッタで光
変調する光ヘッドは、蛍光ランプなどの光源、その光の
照射を制御するレンズ類、及び、光変調器などを離して
配置する組み立て方式になるため、その組み立てや調整
が煩雑であり、又、小形化が困難な欠点があった。

【０００９】本発明は、従来のレーザ光ヘッドやその他
の光ヘッドがもつ課題を解消し、かつ、小形化や、低コ
スト化、静音化なども可能で、信頼性の高い光ヘッドを
提供とすることを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明（請求項１）に
係る光ヘッドは、少なくとも１つのレーザ光源と、該レ
ーザ光源と光学的に結合され、且つ導波光をその表面方
向に線状に放射する光導波層と、該光導波層の表面に形
成されると共に、個別制御される複数の光変調器と、前
記光導波層の光が放射される側と反対側に形成された反
射層とを含んでなることによって上記の目的を達成す
る。

【００１１】この発明（請求項２）に係る光ヘッドは、
前記反射層が多層膜により構成されてなることによって
上記の目的を達成する。

【００１２】以上の本発明の光ヘッドにおける光導波器
により、光源からの光を機械的な回転により走査するこ
とも、レンズ等による空間的な線状光への変換を行う必
要もなくなり、小型で信頼性の高い光ヘッドにすること
ができる。

【００１３】以上で説明した光導波器は本発明の主要部
であり、これにより均一な線状光を形成する構成は種々
考えられるが、実施例で説明する光導波器のようにその
側面などを光の入射方向に対して垂直方向に回折する周
期構造にし、その周期構造による回折率を光導入部から
の距離に比例させるか、又は、半導体レーザ光源を光導
波器の２カ所以上に設けるなどにより、その光導波器の
線状放射光の輝度の均一化を図ることもできる。

【００１４】本発明による点状光源の光を、その進行方
向に垂直な方向の線状光源にする光導波器を用いて、こ
れと直接突き合わせ結合された半導体レーザからなる光
源と、微小な光変調器を配列した光変調器とにより、小
形で作成が容易な光ヘッドを構成することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザプリンタの
光ヘッドの実施例を図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１は、本発明のレーザプリンタの光ヘッ
ドの一実施例の概要を示す斜視図である。この図１の光
ヘッドは波長が７８０ｎｍの半導体レーザを用いたの
で、Ｓｉ、又はＳｉ膜を堆積したセラミックの基板１上
に、７８０ｎｍの波長の光に９０％以上の反射率をもつ
誘電体多層膜の反射膜２（この多層膜はＳｉＯ₂とＳｉ₃
Ｎ₄、又はＡｌ₂Ｏ₃とＭｇＯなどの膜を交互に積層した
膜を用いることができる。）、下部ＳｉＯ_x光クラッド
層３、ＳｉＯ_y光導波層４（ただしｘ＜ｙとする）、上
部ＳｉＯ_x光クラッド層５、及び薄膜トランジスタを用
いた線状配列のドットアレイ液晶シャッタ６が順次積層
されて形成されている。

【００１７】以上のうちの光導波層４について更に説明
すると、この光導波層４の上部表面には、干渉露光とエ
ッチングによって周期が約３００ｎｍの２次グレーティ
ング８が形成されている。又、液晶シャッタ６は、線状
に配置した６０μｍ間隔で４０μｍ幅の印加電圧を個別
に制御できる透明電極のドット液晶からなり、プリンタ
の光ドットを形成する構成になっている。

【００１８】なお図１では本発明のレーザ光ヘッドの全
体でなく一部のみ示したが実際には光導波層４及びドッ
トアレイ液晶シャッタ６などは実際にプリントする横幅
の長さにしている。

【００１９】更に、上記光導波層４での横方向への光放
射の損失をできるだけ抑えるため光導波層４をメサ状に
加工した上、その上に形成した上部クラッド層５をその
層４の側面にも形成して、クラッド層３、５で包み込ん
だ構成にしている（図示省略）。

【００２０】波長が７８０ｎｍの半導体レーザ装置９
は、その光放射部が、光導波層４の一端面と一致する位
置にして、バットジョイント方式により両者を光学的に
結合させている。これには光導波層４と半導体レーザ装
置９における活性層１０の高さが一致するよう半導体レ
ーザ装置９の高さを制御してＳｉ基板上にマウントする
方法を用いている。

【００２１】以上の構成により、半導体レーザ９の放射
光は光導波層４の一方の端面から導入される光源１１に
なり、進行する光導波層４の上面に形成された２次のグ
レーティングとの干渉で光線１１は部分的に順次その光
導波層４内での入射方向から垂直に回折されるが、基板
１の方向へ回折した光は、その基板１の表面に形成され
た反射層２でほぼ完全に反射され、結果として全ての回
折光１２が液晶シャッタ６を設けた表面方向に放射され
ることになる。以上によって回折した光は液晶シャッタ
６において、選択して電圧を印加したドット部７のみ透
過することになるので液晶シャッタ６への印加電圧の制
御によって所定のパターンに照射することができる。

【００２２】なお、液晶シャッタ６のドット部７を形成
した部分以外は５０％以上の反射率をもつ構成にして光
の損失を抑え、かつ、コントラストの向上を図った。

【００２３】以上で説明したレーザプリンタの光ヘッド
は、半導体レーザの光源部９、光導波部４、ライン状光
変調器（液晶シャッタ）６をＳｉ基板１の上に有機的に
結合させて集積しているので、その光ヘッド作製後は光
学的な調整などの必要がなくなる。また、ＬＥＤプリン
タや液晶プリンタと同じように偏向などの高速回転部が
ないので騒音が小さくなり、又、その機械的な光走査方
式ではないので、偏向の空間も不要になり、装置の簡素
化や小型化などができ、更に、低コスト化や保守の容易
化などが可能になる。

【００２４】以上の説明で分かるように、本発明により
従来の光プリンタがもつ問題点の解消ができたが、次に
本発明の光ヘッドの各部の構成について説明する。

【００２５】図２に示したのは、図１に概要として示し
た単一の光源９と、均一な光導波層４及び均一な周期の
グレーティング８の構成にしたとき、この光導波器から
垂直な液晶シャッタ６方向への放射光強度が光入射部か
らの距離により指数関数的に弱くなる状態である。以上
のような不均一な線状光源を用いると、一般に用いられ
る感光体が一定の光強度にしきい値的な非線形感光特性
をもつことから、全体に充分な放射光強度をもたせるた
めには強い入射光強度（１００〜２００ｍＷ程度）を必
要とし、半導体レーザへの大電流印加や、入射部に近い
液晶シャッタへの照射光が非常に強くなることでの短寿
命化の問題もある（一般に半導体レーザは、光放射出力
比の４乗に反比例して短くなる。）。

【００２６】以上の欠点を解消する構成にしたのが、図
３に示したグレーティング構造の光導波層４である。こ
のグレーティングは、光入射部から同じ周期構造領域を
順次複数領域に分けて、図３（ａ）に示したように８
次、６次、４次、及び２次のグレーティング領域を２
１、２２、２３、及び２４の順に形成するものである。
この高次のグレーティングは光導波層の光との結合効率
が低くなるため、図３（ｂ）に示した光導波層からの垂
直方向の放射光強度は、その均一性が向上していること
が分かる。なお、光導波層でのグレーティングの周期変
化は図３（ａ）に示したような段階的な変化だけでな
く、光の入射部からの距離の関数によって徐々に変化さ
せるチャープグレーティングを用いてもよい。

【００２７】以上は、光導波層からの垂直放射光をグレ
ーティングの周期を制御して均一化するもので、グレー
ティングの設計が複雑になるが、他に図４の構成にする
こともできる。図４のメイン光導波層３１の全面に２次
のグレーティング３２が形成され、この光導波層の側面
にほぼ等間隔に設けた半導体レーザ３５の光を、それぞ
れのサブ光導波層３３を通し、その光の進行方向に４５
度の角度をもたせて形成した３次のグレーティング３４
によってメイン光導波層３１に導入される。

【００２８】以上の図４の構成により、前記図３（ｂ）
に示したような放射光強度分布にすることができ、又、
光源に任意の複数の半導体レーザを使用できるので、個
々の半導体レーザの負担が軽くなり、その劣化を抑える
ことが可能になる。また、この複数個の半導体レーザを
用いる光ヘッドでは、最も一般的で安価な半導体レーザ
を用いることが可能で、コストの引き下げができる他
に、万一半導体レーザの１個が故障にあっても、全体で
プリントが可能な光量を供給させることもできる。

【００２９】更に、以上のような故障に対応するために
通常１０ｍｗの低出力に設定した半導体レーザ３５を少
し高い１２〜１５ｍｗに切り換えるとプリントの特性が
よくなるが、この程度の出力増では半導体レーザに著し
い劣化が認められなかった。なお、以上の半導体レーザ
の故障のモニターには、それぞれの半導体レーザに出力
モニター用に組み込まれているホトダイオードの光起電
力を用いることができる。

【００３０】以上は、本発明の半導体レーザを用いて小
型で静音性のよいレーザプリンタ用光ヘッドを実施例に
よって説明したが、本発明は実施例によって限定される
ものでなく、本発明の請求の範囲によって特定されるも
のであり、次のような変形実施例も含まれる。

【００３１】１．感光体はドラムでなく板状等にしても
よい。

【００３２】２．感光体に帯電させてトナーを吸着させ
るプリントでなく、感光または感熱での発色紙に直接プ
リントする方式にしてもよい。

【００３３】３．線状ドット光変調器は液晶シャッタの
他、磁気光学効果、又は電気光学効果を利用した導波路
形の光スイッチ又は偏光素子を用いてもよい。

【００３４】４．光変調器と感光体の間にロッド状レン
ズ、又はマイクロレンズを入れて照射光の効率を上げ
る。特に、これらのレンズを光変調器の表面に直接結合
して集積させたもの。

【００３５】５．半導体レーザの光の光導波器への導入
に、グレーティングとプリズム等を用いる方式。

【００３６】６．光ヘッドの組立基板にＳｉ以外のガラ
ス、プラスチック等の基板を用いるもの。

【００３７】７．光導波器の上下のクラッド層を酸化物
以外の誘電体であるプラスチックで形成するもの。この
プラスチックのクラッド層を用いたときは、グレーティ
ングのパターンをスタンプ方式で作製することも可能で
コスト低減が可能になる。

【００３８】８．光導波器、光変調器及び光源部を別々
に作製した上、接着剤で結合する方法、又は、それぞれ
を機械的なかみ合わせやコネクタなどにより結合するも
の等。

【００３９】

【発明の効果】本発明のごとく、半導体レーザと、光導
波器及び光変調器など可動部のない部品を結合すること
により、静音性がよく、構造も簡単で、その作製と取り
扱いが容易な小形の光ヘッドを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光ヘッドの構成を示す部分
拡大斜視図である。

【図２】均一グレーティングの光導波器の光入射部から
の距離と放射強度の特性図である。

【図３】実施例の光導波器のグレーティングと放射光強
度特性を示す図である。

【図４】実施例の複数の半導体レーザ光源を接続した光
ヘッドの平面図である。

【図５】従来のレーザプリンタの光ヘッド部を中心にし
た部品の配置図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 反射層 ３、５ クラッド層 ４、３１ 光導波層 ６ 液晶シャッタ ７ ドット部 ８、２１、２２、２３、２４、３２ グレーティング ９、３５、４１半導体レーザ １０ 活性層 １１ 光線 １２ 回折光 ３３ サブ光導波層 ３４ 導入グレーティング ４２ 光ビーム ４３ ポリゴンミラー ４４ 感光ドラム ４５ 用紙

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つのレーザ光源と、 該レーザ光源と光学的に結合され、且つ導波光をその表
   面方向に線状に放射する光導波層と、 該光導波層の表面に形成されると共に、個別制御される
   複数の光変調器と、 前記光導波層の光が放射される側と反対側に形成された
   反射層とを含んでなることを特徴とする光ヘッド。
2. 【請求項２】 前記反射層が多層膜により構成されてな
   ることを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド。