JP3672578B2 - レーザー光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザー発生部を有するレーザー光源装置に関し、たとえば電子写真方式にて画像を形成する複写機やファクシミリ、レーザービームプリンタなどに利用される光ビーム走査装置のレーザー光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー発生部から出射されるレーザー光は、画信号により変調されており、コリメーターレンズ等の光学系を経た後感光体に結像されて、画信号通りの画像を形成する。
【０００３】
この画像形成が高解像度に達成されるためには、各光学系の位置関係が正確に位置決めされなければならない。
【０００４】
一般的に、レーザー光源装置の光源部は、光学装置の成型品フレーム上にレーザー発生部、コリメータレンズ、ビーム整形のためのアパーチャーがそれぞれ所定の位置関係で取りつけられている。
【０００５】
レーザー光源装置では、レーザー発生部に極く近い位置に設けられたコリメータレンズとレーザー発生部間の距離が、感光体上の結像状態への影響が大きく、数ミクロンメータの高精度で位置決めされている。コリメータレンズは複数枚のレンズで構成されているものであるが、高精度の位置決め精度を保証するため、一本の鏡筒に組みこまれている。
【０００６】
鏡筒内に組みこまれたコリメータレンズを使用する場合にでも、数ミクロンメータの高精度での位置調整は容易ではない。従来は、外周にねじ部を設けた鏡筒のねじ部を、内面にねじ部を有する鏡筒挿入部に、ねじ部を嵌合しながら挿入し、鏡筒を回転させてコリメータレンズとレーザー発生部との位置調整をする方法によっていた。調整点近傍まで鏡筒をねじ込むと、鏡筒挿入部奧に設けた弾性部材が鏡筒の挿入を阻止する方向に鏡筒を押し戻し、ねじ部間に存在するミクロン単位の隙間を一定方向に押しつけて、レーザー発生部と鏡筒との距離、及び鏡筒の取付方向が安定になるようにしている。
【０００７】
感光体上に結像するビーム径を測定しながら、鏡筒を回転操作して位置調整をしている。この操作で調整を困難にするのは、鏡筒を回転操作することによって、ねじ部間に存在する微小間隙の位置が変化し、鏡筒の取付角度が光軸とずれてしまうことである。このため、以上の調整操作を複数回繰り返すことを余儀なくされることが多い。したがって、従来においては調整作業が面倒であるという問題があった。
【０００８】
以上はプレオブジェクティブ型の光学系の場合であるが、ポストオブジェクティブ型の光学系では、コリメータレンズのほかに、平凸球面レンズや平凸シリンドリカルレンズ、場合によってはレーザービーム光の整形のためのプリズムが配置されており、さらに複雑な位置調整を要している。
【０００９】
レーザー光源を利用した機器が、汎用的に使用されるようになって、機器のさらなる小型化、コストダウン、信頼性向上のためにレンズの成型加工の技術が実用化されつつある。成型加工を利用すれば、低コストで、性能の一定したレンズを大量に製作することが可能である。
【００１０】
成型加工のもう一つの魅力は、複雑な曲面のレンズの製作が可能になったことである。これにより、１枚のレンズに複合機能を持たすことが可能になり、レンズ枚数を減らせるようになった。鏡筒の中に収められていた複数枚のコリメータレンズは、単レンズに置き変わり、低コスト、省スペースが可能となった。この加工技術は、プラスティック成型レンズやプレスガラスレンズで実用化されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のガラスレンズは、研磨加工により１枚１枚のレンズ面を創成していたので、複雑な形状を苦手としていた。比較的シンプルなレンズ面の組み合わせにより、所定の光学特性を得ていたので、レンズ枚数を少なくすることには限度があった。
【００１２】
研磨加工により作られる単純な球面を持つ単レンズは、軸対称であり、光軸とレーザー光の光軸合わせと、単レンズと光源との位置合わせとの二調整が必要である。光軸が一致していれば、単レンズが光軸を中心にして回転しても結像状態には変化が生じない。
【００１３】
これに対して、複雑なレンズ面を持つ非軸対称の単レンズは、光軸を中心に回転すると正規な結像をしなくなる。従って、非軸対称の単レンズの光学系では、光軸合わせと、単レンズの光軸を中心とした回転方向の単レンズの位置合わせと、光源との位置合わせとの三調整が必要となり、調整作業が複雑になる。
【００１４】
本発明は、上記現状技術の問題点及び、レンズ成型技術の進歩に鑑みなされたものであり、調整作業が容易で小型のレーザー光源装置を、提供することを目的とするものであり、特に光源部で複数枚のレンズを使用していたポストオブジェクティブ型光学系に適するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、レンズの有効面外に前記レンズの光軸と平行で角度をもって設けられた２面の平面部を有する非軸対称の単レンズと、前記２面の平面部がなす前記角度と等しい角度の２面の保持平面を有する単レンズ保持部材と、前記単レンズを前記単レンズ保持部材の保持平面に押圧する弾性部材と、半導体レーザー素子とを具備し、前記半導体レーザー素子を前記単レンズ保持部材の一端に前記２面の保持平面に直交する方向に位置決めして固定し、前記単レンズを前記単レンズ保持部材の２面の保持平面に押圧当接させて前記２面の保持平面に平行な方向に移動可能に保持し、前記半導体レーザー素子と前記単レンズとの光軸合せとピント合せとを行うことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の構成は、前記単レンズ保持部材は、前記単レンズと、前記単レンズ保持部材に設けられたそれぞれ２面の平面で構成される当接面とを押圧する弾性部材を有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第３の構成は、前記単レンズと、前記単レンズ保持部材とに設けられたそれぞれ２面の平面とで構成される当接面を接着したことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第４の構成は、前記単レンズと前記単レンズ保持部材と前記半導体レーザー素子とアパーチャーとを一体的に構成したことを特徴とするものである。
【００２０】
【作用】
図１によって、本発明でのレーザー発生部と非軸対称の単レンズの光学位置調整の原理を説明する。図は半導体レーザ素子１のレーザー発生部２から出射した偏平のレーザ光３が、図の座標軸で光軸方向がｙ軸に、楕円の長軸方向がｘ軸に、楕円の短軸方向がｚ軸に一致していることを示している。
【００２１】
非軸対称の単レンズの一例として、図１では円筒状の単レンズの例で説明している。図のＡ、Ｂで近辺がレンズ面である。Ａ、Ｂの中心を結ぶ線が光軸である。正規のレンズの取付方向が、Ａ面が光の入射側、Ｂ面が出射側であるとして説明する。
【００２２】
図１の単レンズは、プレス整形されたガラスレンズであり、底面は光軸に平行な平面である。円筒面に設けられた平面７は、光軸と平行であり、かつ底面とは９０度の角度を持つ。
【００２３】
レンズ保持部は、単レンズの底面を保持する平面な保持部材５と、保持部材５に対して垂直に設けられた平面ガイド壁８とから構成されている。
【００２４】
上述した非軸対称の円筒状単レンズを、単レンズの底面が保持部材５に当接するように置く。以上の操作で、単レンズの光軸は、保持部材５の平面に対して平行に設定される。次に、単レンズの円筒面に設けられた平面７を、平面ガイド壁８に当接すると、単レンズの光軸は平面ガイド壁８と平行になる。また、単レンズの形状寸法より、光軸のｘ、ｚ座標が決まる。
【００２５】
従って、円筒状単レンズの光軸の位置、方向は、平面保持部材５と、壁８上の特定の３点を管理すれば正確に知ることができる。
【００２６】
単レンズ、及び単レンズ保持部材を成型品とすれば、より正確に単レンズの光軸の位置、方向を求めることができる。
【００２７】
平面保持部材５と、壁８とを一体成型物から構成すれば、更に高精度の光軸合わせが可能になる。特に、アルミニウム、真鍮などの金属を、押し出し成型加工したものは好適である。
【００２８】
平面保持部材５の材質選択には、熱膨張係数を考慮する必要がある。前述したように、レーザー発生部とレンズ間の距離はミクロン単位の高精度を要するので、温度変化による保持部材の長さ変化を無視することはできない。
【００２９】
また、温度変化によりレーザーの発光波長が変化し、これに伴ってレンズの焦点距離も変化するので、使用する光学系の波長と焦点距離の依存特性も考慮する必要がある。
【００３０】
レーザー発生部の取付部材、半導体素子の保持部材、レンズの保持部材などの温度変化をによるレーザー発生部とレンズ間の距離変化と、温度変化によるレーザーの発光波長の変化に伴うレンズの焦点距離の変化との総和の変化が、光学系の許容焦点深度内になるように、上記諸材料の材質選択する必要がある。
【００３１】
上記原理に基づいて、保持部材上の特定３点の位置を調整することによって、レーザー発生部からのレーザー光と、円筒状単レンズとの光軸を一致させることができる。このようにして、光軸を一致させたレーザー光源装置の保持部材上の特定３点の位置決め部材を、光学装置の本体上に設けておけば、光学装置全体としての光軸を一致させることができる。
【００３２】
レーザー発光部と円筒状レンズの位置調整は、円筒状レンズの平面部７と壁８を当接させながら、レンズをｙ軸方向に移動させることによって、光軸を狂わすことなく行える。当接を確実にするためには、レンズを壁８に押えつけるようなｘ方向の弾性部材を設ければよい。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
図８はレーザービームプリンタの本体装置を説明する図である。半導体レーザ素子１のレーザー発生部２より出射したレーザ光は、単レンズ４、ビーム整形のためのアパーチャ９、ミラー１０を経て回転多面鏡１１に到達する。回転多面鏡１１の回転により、静止状態にあったビームは、走査運動するビームとなる。走査ビーム光は、ミラー１２、長尺レンズ１３を経て、感光体１４上に結像する。半導体レーザ素子１には、画像信号が入力されているので、感光体１４上には画像信号に応じたオン／オフの、ドット状のレーザー光が照射されることになる。図示しない現像器によって、オン／オフのレーザー光に対応したトナーが、感光体に付着し可視化される。
【００３４】
図２から図５で、本発明のレーザー光源装置の構成、組み立て手順、及び光学位置調整の方法を説明する。図２、図３、図４、図５は光源装置の斜視図、平面図及び側面図、図５は半導体素子の保持方法を示す斜視図である。図２、図３、図４で、１５はレンズ保持部材であり、水平な平面部１６の両側に、垂直な平面からなる壁１７、１８が設けられている。壁１７、１８は、円筒状レンズ４の幅方向の直径とほぼ等しい距離隔てて設けられている。３５、３６は、レーザー光源装置と光学本体装置を固定するためのビス穴である。
【００３５】
平面部１６、壁１７、１８よりなるレンズ保持部材１５は、真鍮を冷間鍛造加工した一体成型品の、平面部１６、壁１７、１８などの位置基準面に後加工を施して製作したものである。
【００３６】
円筒状レンズ４は光軸と平行な底面を持ち、１９、２０面にはレンズ面が設けられ、光軸と直交する両側面にはレンズの光軸と平行な平面部２１、２２が設けられている。このレンズは、球状のガラス材をレンズ金型に入れ、ほぼガラスの軟化温度付近で金型のレンズ面を、ガラス材に転写して製作した、非軸対称の単レンズである。
【００３７】
円筒状単レンズ４は、レンズ面１９、２０を所定の方向にし、底面がレンズ保持部材の平面部１６と当接するように置かれ、ｚ軸方向の位置が決められる。壁１７とレンズの平面部２１の間に、壁１７に設けた溝２３によって抜け止めされた、弾性部材２４が取りつけられ、レンズの平面部２２が壁１８と確実に当接する状態となり、ｘ軸方向の位置が決まる。この状態で位置調整ができていないのは、ｙ軸である。ｙ軸は光軸方向は調整されているが、レーザー発生部とレンズの距離が未調整である。円筒状単レンズ４は仮止めされているだけであり、力を加えればｙ方向には移動可能である。
【００３８】
このように取りつけた円筒状レンズ４のレンズ面２０側に、半導体レーザー素子部が取り付けられる。半導体レーザー素子部は、アルミニウムの成型品からなる保持部材２５と半導体レーザー素子２６とプリント基板２７より構成されている。半導体レーザー素子２６は、楕円ビームが所定の方向になるようにされ、保持部材２５の中央に設けた孔２８に、圧入固定されている。保持部材２５に開けられた孔２９、３０は、保持部材２５をレンズ保持部材１５に固定するためのビス孔あり、孔３１、３２は、プリント基板２７を保持部材１５に固定するためのビス孔である。所定の手順により組み上げられた半導体レーザー素子部を、レンズ保持部材１５にビスで仮固定する。この仮固定状態では、半導体レーザ光の光軸と円筒状単レンズ４の光軸は、完全には一致していない。
【００３９】
円筒状レンズ４のレンズ面１９側のレンズ保持部材１５に、レーザービーム光を整形するためのアパーチャー板３３が、レンズ保持部材１５に設けられた位置決めガイド３４に添って接着固定される。
【００４０】
次に、仮調整されたレーザー光源装置の光学位置調整の方法を説明する。
レンズ保持部材１５を調整治具上に固定する。調整治具はレンズ保持部材１５を調整の基準点としており、円筒状単レンズ４の焦点位置にレーザーのビーム径を測定する測定器が設置されており、ＣＲＴ上でビーム形状が観察できるようにされている。
【００４１】
仮止めされていた固定ビス２９、３０を緩め、保持部材２５とレンズ保持部材１５をフリー状態にする。保持部材２５を、ｙ方向は弾性部材でレンズ保持部材１５側に押し当て、ｘ、ｚ方向は微小移動が可能の爪で保持する。円筒状単レンズ４の上部を、ｚ方向は弾性部材でやや下方に押し当て、ｘ方向はフリー、ｙ方向は微小移動が可能の爪で保持する。
【００４２】
次に、レーザーを点灯し、ＣＲＴを観察しながら保持部材２５をｘ、ｚ方向に微小移動させ、レーザービームがＣＲＴの中央になる位置を求め、レーザー発光部の光軸と円筒状単レンズ４との光軸を合わせる。固定ビス２９、３０を固定して光軸調整が完了する。
【００４３】
円筒状単レンズ４の上部を保持する爪を、ｙ方向に微小移動させる。このときのｘ方向の爪の動きは、壁１８にガイドされるので、円筒状単レンズ４の光軸は狂うことはない。ｚ方向の爪の動きは、円筒状単レンズ４の底面にガイドされるので光軸のｚ方向の高さが変化する心配もない。従って、調整操作によって円筒状単レンズ４の光軸が変化することはない。ＣＲＴ上で観察されるレーザービーム径が、最小になる位置がピント位置の調整点である。レーザー光源装置を治具から外し、円筒状単レンズ４と壁１８との当接面を接着剤で固定して、レーザー光源装置の光学調整が終了する。
【００４４】
このようにして調整したレーザー光源装置を、光学本体フレーム上に設けたレーザー光源装置の位置決め部材に当接し、レーザー光源装置に設けられたビス穴３５、３６にねじを入れ固定する。光学本体フレーム上に設ける位置決め部材は、レーザー光源装置のｚ方向の底面を決める部材と、ｘ、ｙ方向の側面を決める部材から構成されている。
【００４５】
（実施例２）図６、図７に本発明のレーザー光源装置の他の実施例を示す。図６は平面図、図７は側面図である。図中に用いた符号は、実施例１の図２、図３、図４と同じである。
【００４６】
本実施例は、レンズ保持部材の形状と加工方法が異なる点を除いては、実施例１と全く同じである。本実施例のレンズ保持部材は、レンズ保持平面部の両側に壁１７、１８が設けられ、壁の両側にさらにビス３５、３６穴を設けた平面が形成され、げた歯状であることを特徴とする。
【００４７】
レンズ保持部材の形状を単純化することによって、冷間押し出し加工が可能になり、低コストでレンズ保持部材を製作することができる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施例に制約されるものでない。例えば、レンズ形状は円筒状でなくとも、底面と側面に光軸と平行な平面部を有するものであればよい。レンズに設けた底面と側面の平面がなす角度は、任意に設定することができる。レンズ平面と当接するレンズ保持部材の角度を、レンズの平面がなす角度と等しくすれば、本実施例と同等の効果を得ることができることは自明である。
【００４９】
また、レンズ及びレンズ保持部材に設ける位置決めのための平面部は、点または線であっても同等の効果を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は上述の通り構成されているので、次に記載する効果を有する。
【００５１】
レンズの有効面外に前記レンズの光軸と平行で角度をもって設けられた２面の平面部を有する非軸対称の単レンズと、前記２面の平面部がなす前記角度と等しい角度の２面の保持平面を有する単レンズ保持部材と、前記単レンズを前記単レンズ保持部材の保持平面に押圧する弾性部材と、半導体レーザー素子とを具備し、前記半導体レーザー素子を前記単レンズ保持部材の一端に前記２面の保持平面に直交する方向に位置決めして固定して、半導体レーザー素子の光軸を単レンズの光軸に合せ、次に前記単レンズを前記単レンズ保持部材の２面の保持平面に押圧当接させて前記２面の保持平面に平行な方向に移動可能に保持して、単レンズを光軸方向に移動させて光軸を狂わすことなく半導体レーザー素子と単レンズとのピント位置合せを行うことができるので、小型で高精度な調整作業が容易である。
【００５２】
また、上記構成において、単レンズと前記単レンズ保持部材とを、成型品で構成するとさらに高精度の位置調整、部品点数の削減、小型化が実現できる。
【００５４】
また、レーザー光源装置の位置調整をした後、単レンズと、前記単レンズ保持部材に設けられたそれぞれ２面の平面で構成される当接面とを接着剤で固定すれば、環境や経時変化に対して、安定なレーザー光源装置を提供することができる。
【００５５】
また更に、レーザー光源装置を、単レンズと、前記単レンズ保持部材と、半導体レーザー素子とアパーチャーとを一体的に構成すれば、組み立て性、調整作業に優れ、市場でのメインテナンスの容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザー光源装置におけるレンズの位置調整の方法を示す概略図
【図２】実施例１におけるレーザー光源装置の全体構造を示す斜視図
【図３】図２の装置の平面図
【図４】図２の装置の側面図
【図５】図２の装置のレーザー半導体素子の取り付け方法を示す斜視図
【図６】実施例２のレーザー光源装置の平面図
【図７】実施例２のレーザー光源装置の側面図
【図８】レーザービームプリンタの光学系を示す概略図
【符号の説明】
４ レンズ
５、８、１５、１７、１８ レンズ保持部材
６ レンズの底面
７、２１、２２ レンズの側面部に設けた平面
２４ 弾性部材
１、２６ 半導体素子
３３ アパーチャ

Claims (4)

1. レンズの有効面外に前記レンズの光軸と平行で角度をもって設けられた２面の平面部を有する非軸対称の単レンズと、前記２面の平面部がなす前記角度と等しい角度の２面の保持平面を有する単レンズ保持部材と、前記単レンズを前記単レンズ保持部材の保持平面に押圧する弾性部材と、半導体レーザー素子とを具備し、前記半導体レーザー素子を前記単レンズ保持部材の一端に前記２面の保持平面に直交する方向に位置決めして固定し、前記単レンズを前記単レンズ保持部材の２面の保持平面に押圧当接させて前記２面の保持平面に平行な方向に移動可能に保持し、前記半導体レーザー素子と前記単レンズとの光軸合せとピント合せとを行うことを特徴とするレーザー光源装置。
2. 前記単レンズと前記単レンズ保持部材とが、成型品である請求項１に記載のレーザー光源装置。
3. 前記単レンズと、前記単レンズ保持部材に設けられたそれぞれ２面の平面で構成される当接面とを接着した請求項１または２のいずれかに記載のレーザー光源装置。
4. 前記単レンズと前記単レンズ保持部材と前記半導体レーザー素子とアパーチャーとを一体的に構成した請求項１、２または３のいずれかに記載のレーザー光源装置。

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