JP4541137B2

JP4541137B2 - 光学装置の組み立て方法

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Publication number: JP4541137B2
Application number: JP2004380732A
Authority: JP
Inventors: 純安藤; 浩之奥脇; 良治平井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP2006184778A

Description

本発明は、光学装置の組み立て方法の改良に関する。

従来から、画像形成装置に用いられる光学装置、例えば、図１ないし図３に示すように、光源装置１には、光学素子としての半導体レーザ２を備えたものが知られている。その光源装置１の光学特性には、この光源装置１から射出されるレーザビームの方向性（光軸方向特性）とレーザビームの光束の平行性（コリメータ性）とが要求される。

光源装置１は、そのレーザビームの光学特性を達成させるために、半導体レーザ２の発光点とコリメータレンズ３との相対位置を３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向に通常調整しており、その調整にはミクロンオーダー以下の精度が要求されている。

従って、半導体レーザ２とコリメータレンズ３とを有する光源装置１では、３軸方向の位置調整及び調整後の位置における固定が可能な構造とされている。

その光源装置１は、直方体形状の保持体（ベース部）４を有し、保持体４には円形嵌合孔４ａが形成されている。保持体４の裏面側には、図２に示すように、その円形嵌合孔４ａに半導体レーザ２が圧入固定される。保持体４にはレンズ支持部４ｂが形成されている。

そのレンズ支持部４ｂは円形嵌合孔４ａの前面に位置している。そのレンズ支持部４ｂはコリメータレンズ３の外周円よりもわずかに径の大きな円弧形状のレンズ接着面４ｃを有する。そのレンズ接着面４ｃの円弧中心は半導体レーザ２の光軸Ｏ上に存在する。

コリメータレンズ３はレンズ支持部４ｂのレンズ接着面４ｃとコリメータレンズ３の外周面との間の隙間に紫外線硬化型の接着剤５を充填した後、レーザビームの光学特性が所定値となるように位置調整され、この位置調整後、紫外線を接着剤５に照射することにより、これを硬化させ、レンズ支持部４ｂに固定される。

つづいて、ビーム整形・保護兼用筒６をコリメータレンズ３を覆うようにして保持体４に組み付ける。

その後、図２に示すように、半導体レーザ２を駆動する駆動回路７を実装した回路基板（駆動装置）８をレンズ支持部４ｂとは反対側の裏面に突出形成されかつ長手方向に間隔を開けて形成された一対のボス部９にネジ１０を用いて組み付ける。そして、回路基板８に形成された端子８ａの端子穴８ｂに半導体レーザ２の端子２ａを挿通し、ハンダ材料を用いて電気的に接続する固定する（例えば、特許文献１参照。）。

また、図３に示すように、光源装置１には、１個の保持体４に少なくとも２個の円形嵌合孔４ａを形成すると共に、これらに対応させてレンズ支持部４ｂを形成し、この２個の円形嵌合孔４ａにそれぞれ半導体レーザ２を嵌合させると共にレンズ支持部４ｂにそれぞれコリメータレンズ３を支持させる構成としたものものある。
特開平９−２４６６５８号公報

ところで、コリメータレンズ３を紫外線硬化型の接着剤により固定する場合、硬化時に接着剤が収縮し、収縮による光学特性への悪影響をなるべく少なくすることが理想である。特に、光源装置１では、Ｚ軸方向（レーザビームの進行方向）の要求精度がＸ軸、Ｙ軸方向に較べて高いので、その収縮がＺ軸方向に発生しないようにすることが望ましい。

そのため、接着層は光軸（Ｚ軸）とほぼ平行な方向に設定するのが普通であり、他の軸（Ｘ軸、Ｙ軸）方向についても、調整の容易化を図るようにするため、なるべく、収縮方向がＸ軸又はＹ軸の一方向となるように構成するのが望ましい。

光源装置１には、デジタル複写機やレーザプリンタ本体に搭載することによって、機内環境温度の変動に起因する膨張収縮力や半導体レーザ２自体の発熱によって、必然的に変形（歪み）が生じる。これにより、半導体レーザ２の位置やコリメータレンズ３の位置が変動するおそれがある。

また、光源装置の組み立て工程においても、図４（ａ）に示すように半導体レーザ２の端子２ａと回路基板８の端子８ａとを電気的に接合する際に用いるハンダ１１の融点は通常１８０度Ｃ以上であり、図４（ｂ）に示すようにハンダゴテ１２の温度は通常２４０度Ｃ以上であるので、回路基板８の端子８ａと半導体レーザ２の端子２ａとの間の電気的接続の際に、回路基板８が加熱により温度上昇すると共に、半導体レーザ２が温度上昇し、図４（ｃ）から図４（ｂ）に示すように、半導体レーザ２の端子２ａが熱膨張により伸びる。

その端子２ａの伸び量は例えば半導体レーザ２の端子２ａの長さが５ｍｍで、材質が鉄の場合、鉄の線膨張係数を１．２Ｅ^-5とし、ハンダ溶融時の温度が２００度であったとすると、約１２μｍとなる。

また、回路基板８には、その表面温度と裏面温度との温度差によって、図４（ｂ）に符号８’で示すように、反りが発生することになる。この状態で、ハンダ１１が冷えて固まると共に、半導体レーザ２の端子２ａ、回路基板８の温度も常温に戻るのであるが、ハンダ１１により半導体レーザ２の端子２ａと回路基板８の端子８ａとが物理的に接合されてしまっているので、半導体レーザ２の端子２ａ、回路基板８が元の状態に戻ることはできず、図４（ｄ）に示すように端子２ａの延びる方向に応力Ｆ１が発生することとなる。

その応力Ｆ１の大きさは、端子２ａの伸縮によって８０Ｎ程度、回路基板８の反りによって１５Ｎ程度である。

半導体レーザ２はその引っ張り応力又は押し付け応力を受けるために、その結果、コリメータレンズ３に対する半導体レーザ２の発光点の位置が変化する。

一般的に、デジタル複写機やレーザプリンタ本体に搭載された状態では、光源装置１は拡大光学系の一部として機能するため、たとえ、それが僅かであっても、光学特性に影響が生じ、半導体レーザ２とコリメータレンズ３との間の位置精度にはミクロン以下の精度が要求されるので、半導体レーザ２の端子２ａの伸び量が１２μｍあるいは回路基板８の反り量が５μｍ以下であっても、要求される光学特性を満足できない程度以上に変動するという不都合がある。

なお、その図４（ａ）に示す光源装置１は、一対のボス部９に相当する回路基板取り付け部９’が上下方向に間隔を設けられている。

これらの光源装置１における事情は、光束をコリメータレンズ３に向けて射出する光学素子としての半導体レーザ２を駆動装置に電気的に接合する場合のみならず、結像レンズ（図示を略す）を通して入射する光束を受像する光学素子としての撮像素子を駆動装置に電気的に接合する場合にも同様である。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、環境変動に対して光学特性の変動を極力抑制することのできる光学装置を安価に製作できる光学装置の組み立て方法を提供することにある。

請求項１に記載の光学装置の組み立て方法は、光束をレンズに向けて射出する光学素子又はレンズを通して入射する光学素子と該光学素子を駆動する回路が組み込まれた駆動装置とが保持体に設けられ、前記光学素子と前記駆動装置とが端子を介して電気的に接続された光学装置の組み立て方法であって、前記保持体に対する前記レンズの位置を調整した後、該レンズを前記保持体に固定し、前記駆動装置を前記保持体に組み付けて前記光学素子の端子と前記駆動装置の端子とを電気的に接合するに際し、前記光学素子の端子を前記保持体に向かって前記レンズ方向に押しつけることにより前記光学素子の端子に撓みを与えた状態で両端子を電気的に接合することを特徴とする光学装置の組み立て方法。

請求項１に記載の光学装置の組み立て方法によれば、保持体に対するレンズの位置を調整した後、レンズを保持体に固定し、駆動装置を保持体に組み付けて光学素子の端子と駆動装置の端子とを電気的に接合するに際し、光学素子の端子を保持体に向かってレンズ方向に押しつけることにより光学素子の端子に撓みを与えた状態で両端子を電気的に接合する構成としたので、光学装置のハンダ付け作業中に応力緩和機構を形成することができ、安価に光学装置を製造できる。

以下に、本発明に係わる光学素子としての光源装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
図５（ａ）は本発明に係わる光源装置の断面図を示し、この図５（ａ）において、２０は保持体である。保持体２０には中央に円形嵌合孔２０ａが形成されている。その保持体２０の前面側にはレンズ支持部２１がその円形嵌合孔２０ａに臨ませて設けられている。

そのレンズ支持部２１には円弧形状の接着面２１ａが形成されている。その保持体２０の背面側にはその上下方向に間隔を開けて一対のネジ取り付け部２１ｂが形成されている。

その円形嵌合孔２０ａには光学素子としての半導体レーザ２２が嵌合されている。その半導体レーザ２２は図示を略す圧入、接着、板バネ部材等の固定手段によって保持体２０に固定される。その半導体レーザ２２は複数個の端子２２ａを有する。そのレンズ支持部２１には、半導体レーザ２２から射出された光束を整形するためのコリメータレンズ２３が支持される。

保持体２０は半導体レーザ２２を保持した状態で図示を略す調整装置に取り付けられ、半導体レーザ２２が発光される。コリメータレンズ２３をレンズ支持部２１に臨ませ、コリメータレンズ２３を通して得られるレーザービームの位置、レーザービームの平行性（コリメータ性）を調整装置で計測しながら、コリメータレンズ２３の位置を空間的に少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向に調整する。

光源装置として要求される所望の光学特性を満足した時点で、コリメータレンズ２３の位置調整を完了後、レンズ支持部２１とコリメータレンズ２３との間に紫外線硬化型の接着剤２４を充填して紫外線を照射し、あるいは予め充填された紫外線硬化型の接着剤２４に紫外線を照射して紫外線硬化型の接着剤２４を硬化させ、コリメータレンズ２３をレンズ支持部２１に固定する。

一対のネジ取り付け部２１ｂには、駆動装置として駆動回路を搭載した回路基板２５がネジ２５’によりネジ止め固定される。その取り付け部２１ｂと回路基板２５との間には、応力緩和機構２６が設けられている。この応力緩和機構２６は、例えば、柔軟性部材によって構成されるが、コイルスプリングによって構成されていても良い。

その回路基板２５には端子２２ａに電気的に接続される端子２５ａが形成されている。その際、端子２２ａは端子２５ａに形成された端子穴２５ｂを貫通して回路基板２５の反対側に突出される。

ついで、半導体レーザ２２の端子２２ａと回路基板２５の端子２５ａとが電気的に接合される。この電気的接合には図５（ｂ）に示すようにハンダ２７が用いられる。そのハンダ２７の溶融には電気ゴテ２８が用いられ、回路基板２５の表面、その端子２５ａ、半導体レーザ２２の端子２２ａはハンダの融点以上の温度で熱せられる。

従って、端子２２ａ、回路基板２５の表面がその熱によって高温となり、図５（ｃ）に示す状態から図５（ｂ）に示すように、端子２２ａは約１２μｍ程度伸び、回路基板２５には約５μｍ程度の反りが発生する。

この状態で、図５（ｄ）に示すようにハンダ２７が冷えて固まると共に、半導体レーザ２２の端子２２ａ、回路基板２５の温度も常温に戻るのであるが、ハンダ２７により半導体レーザ２２の端子２２ａと回路基板２５の端子２５ａとが物理的に接合されてしまっているので、半導体レーザ２２の端子２２ａ、回路基板２５が元の状態に戻ることはできず、図５（ｄ）に示すように端子２２ａの延びる方向に応力Ｆ１が発生しようとするが、応力緩和機構２６がその応力によって変形し、この応力Ｆ１を吸収するので、半導体レーザ２２に加わる応力Ｆ１が緩和され、コリメータレンズ２３に対する半導体レーザ２２の発光点の位置が変化するのを防止できる。

この応力緩和機構２６は、ここでは、回路基板２５と保持体２０との間に設けられているが、図５（ｅ）に破線で示すように端子２２ａに設けても良い。
（実施例２）
この実施例２では、図６に示すように、端子２２ａの延びる方向途中にバネ部２９を形成することにより応力緩和機構２６を形成したもので、端子２２ａの端子２５ａへの電気的接続側と端子２２ａの半導体レーザ２０への接続側とが独立に変位可能とされているので、ハンダ２７による電気的接続の際に端子２２ａが膨張したり、回路基板２５が変形を受けたとしても、回路基板２５、端子２２ａの変形を吸収できる。そのバネ部２９の形状は、例えば弦巻形状でも良いし、図７に示すように、折り曲げ形状であっても良い。
（実施例３）
この実施例３では、端子２２ａと端子２５ａとの間に、図８に示すように、応力緩和機構２６としてフレキシケーブルプリント基板等の柔軟性導通部材３０を介在させて電気的に接続する構成としたものである。この場合にも、ハンダ２７を用いての電気的接続の際に生じる応力変形を吸収できる。その図８において、符号３０ａは導通パターンを示している。

なお、柔軟性導通部材３０としては、フレキシケーブルプリント基板の代わりに導電性接着部材を用いることもできる。
（実施例４）
この実施例４では、図９に示すように回路基板２５にバネ部２５ｃを形成することによりそのものを柔軟性部材として応力緩和機構２６を構成したものであり、このものによれば、ハンダ付けを行ったときに回路基板２５そのものが変形するため、半導体レーザ２２に加わる応力を吸収できる。なお、その図９において、符号２５ｄは駆動回路を示す。
（実施例５）
この実施例５では、図１０に示すように、応力緩和機構２６が半導体レーザ２２の端子２２ａと回路基板２５の端子２５ａとを板バネ形状の側面接触導通部材３１を介して接続することにより構成されている。
（実施例６）
この実施例６では、図１１（ａ）に示すように、半導体レーザ２２及びコリメータレンズ２３が組み付けられた保持体２０に回路基板２５をネジ２５’により組み付ける。半導体レーザ２２の端子２２ａに、図１１（ａ）に示すようにコリメータレンズ２３の光軸に沿う方向（矢印Ｆ２方向）に加圧力を加えて、端子２２ａを撓ませ、この状態で図１１（ｂ）に示すようにハンダ２７を用いて端子２２ａと端子２５ａとを電気的に接続する。
端子２２ａは図１１（ｂ）に示すように撓んだ状態で回路基板２５に固定される。

この光源装置では、図１２に示すように、保持体２０を準備する工程Ａ１、保持体２０に半導体レーザ２２を組み付ける工程Ａ２、この半導体レーザ２２を組み付けた保持体２０を調整装置に取り付け、コリメータレンズ２３の位置を調整して保持体２０に固定する工程Ａ３、回路基板２５を保持体２０に組み付ける組み付け工程Ａ４、端子２２ａと端子２５ａとのハンダ付け工程Ａ５とを経て組み立てられる。なお、レンズ位置調整工程Ａ３はハンダ付け工程Ａ５の後に行っても良い。
（実施例７）
この光源装置は、レーザビームを主走査方向に走査する走査装置に用いられ、この走査装置は書き込みユニットとして図に示す画像形成装置に搭載される。その画像形成装置は多機能型デジタル画像形成装置であり、図１３に示すように、自動原稿送り装置３２、読み取りユニット３３、書き込みユニット３４、給紙ユニット３５、後処理ユニット３６とを備えている。

自動原稿送り装置３２は、原稿読み取りユニット３３のコンタクトガラス３７に自動的に給送し、読み取りが終了した原稿を自動的に排出する。読み取りユニット３３はコンタクトガラス３７にセットされた原稿を照明して光電変換装置である固体撮像装置３８によって読み取り、書き込みユニット３４は読み取られた原稿の画像信号に応じて感光体３９に画像を形成し、給紙ユニット３５から給紙された転写紙上に画像を転写して定着する。定着が完了した転写紙は後処理ユニット３６に排紙され、ソートやステープル等の後処理が行われる。

書き込みユニット３４は、レーザ出力ユニット４０、結像レンズ４１及びミラー４２によって構成され、レーザ出力ユニット４０の内部には、レーザ光源であるレーザダイオード及びモータによって高速で定速回転するポリゴンミラーが設けられている。

レーザ出力ユニット４０から照射されるレーザ光は、定速回転するポリゴンミラーによって偏向され、結像レンズ４１を通ってミラー４２で折り返され、感光体面上に集光されて結像する。

偏向されたレーザー光は感光体３９が回転する方向と直交するいわゆる主走査方向に露光走査され、画像処理部によって出力された画像信号のライン単位毎に記録を行う。そして、感光体３９の回転速度と記録密度に対応した所定の周期で主走査を繰り返すことによって感光体面上に静電潜像が形成される。

このように、書き込みユニット３４から出力されるレーザ光が、画像作像系の感光体３９に照射されるが、感光体３９の一端近傍のレーザ光の照射位置に主走査同期信号を発生する図示しないビームセンサが配されている。このビームセンサから出力される主走査同期信号に基づいて主走査方向の画像記録タイミングの制御及び後述する画像信号の入出力用の制御信号の生成が行われる。

以上、発明の実施の形態について説明したが、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で、各種の変形例が含まれるものである。

従来の光学装置の一例を前面側から見た状態を示す分解斜視図である。その図１に示す光学装置を背面側から見た状態を示す分解斜視図である。従来の光学装置の他の例を前面側から見た状態を示す分解斜視図である。従来の光学装置を製作する場合の不具合を説明する説明図であって、（ａ）は従来の光学装置の更に他の例を示す縦断面図、（ｂ）は（ｃ）に示す半導体レーザの端子と回路基板の端子との間にハンダ付けを行った際の半導体レーザの端子の伸びと回路基板との変形状態を模式的に示した図、（ｃ）は（ｂ）に示す半導体レーザの端子に回路基板を組み付けてハンダ付けを行う前の状態を模式的に示した図、（ｄ）は半導体レーザの端子と回路基板の端子との間にハンダ付けがされて半導体レーザの端子と回路基板の端子との間が電気的に接合固定された状態を模式的に示す図である。本発明の光学装置の第１実施例の説明図であって、（ａ）は実施例１に係わる光学装置の例を示す縦断面図、（ｂ）は（ｃ）に示す半導体レーザの端子と回路基板の端子との間にハンダ付けを行った際の半導体レーザの端子の伸びと回路基板との変形状態を模式的に示した図、（ｃ）は（ｂ）に示す半導体レーザの端子に回路基板を組み付けてハンダ付けを行う前の状態を模式的に示した図、（ｄ）は半導体レーザの端子と回路基板の端子との間にハンダ付けがされて半導体レーザの端子と回路基板の端子との間が電気的に接合固定された状態を模式的に示す図、(ｅ）は応力緩和機構を端子に設けた状態を示す図である。本発明の光学装置の第２実施例を説明するための縦断面図である。本発明の光学装置の第２実施例の変形例を説明するための模式図である。本発明の光学装置の第３実施例を説明するための模式図である。本発明の光学装置の第４実施例を説明するための模式図である。本発明の光学装置の第４実施例を説明するための模式図である。本発明の光学装置の第５実施例を説明するための縦断面図であって、（ａ）は半導体レーザの端子と回路基板の端子との間にハンダ付けを行う前の状態を示す図であり、（ｂ）は半導体レーザの端子と回路基板の端子との間にハンダ付けを行った後の状態を示す図である。本発明の光学装置の組み立て工程の一例を示す図である。本発明の光学装置を画像形成装置に搭載した状態を示す概要図である。

符号の説明

２０…保持体
２２…半導体レーザ（光学素子）
２３…コリメータレンズ
２２ａ、２５ａ…端子
２６…応力緩和機構

Claims

光束をレンズに向けて射出する光学素子又はレンズを通して入射する光学素子と該光学素子を駆動する回路が組み込まれた駆動装置とが保持体に設けられ、前記光学素子と前記駆動装置とが端子を介して電気的に接続された光学装置の組み立て方法であって、前記保持体に対する前記レンズの位置を調整した後、該レンズを前記保持体に固定し、前記駆動装置を前記保持体に組み付けて前記光学素子の端子と前記駆動装置の端子とを電気的に接合するに際し、前記光学素子の端子を前記保持体に向かって前記レンズ方向に押しつけることにより前記光学素子の端子に撓みを与えた状態で両端子を電気的に接合することを特徴とする光学装置の組み立て方法。