JPH0616129B2 - 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
７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、組付部材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１０４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１０
３を保持するコリメータ鏡筒１０８と、第１ホルダ１０
７に固定されてコリメータ鏡筒１０８を保持する円筒状
の筒状部材である第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ーザ
ー駆動時の発熱を効率よく放熱するようになっていた。

一方、環境温度変化やレーザー駆動力のレーザーチップ
１０２の発熱により、組付部材１０１の各構成部材が熱
膨張すると、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′が変動して、コリメータレンズ
１０３を通過後のレーザービームの形状が変化してしま
う。その結果レーザービームプリンタ等のレーザービー
ムにより感光体上に潜像を形成する装置においては、感
光体に照射されるビーム形状が変化してしまって所望の
画像が得られなかった。そこで、従来から、組付部材１
０１のうちギャップＧ′を拡げる方向に熱膨張する第
１，第２ホルダ１０７，１０９と、ギャップＧ′を狭め
る方向に熱膨張するチップ基台１０４とコリメータ鏡筒
１０８との熱膨張差でもって、温度変化によるギャップ
Ｇ′の変化分を吸収するように組付部材１０１の各構成
部の材質や形状等を設定していた（たとえば特開昭５５
−４３５７７号公報参照）。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら斯かる従来技術の場合には、第１，第２ホ
ルダ１０７，１０９、コリメータ鏡筒１０８およびチッ
プ基台１０４は、その線膨張係数が材料特有の物性値に
よって特定値に定まっているので、温度変化によるギャ
ップＧ′の変化分を吸収するためにはその形状、寸法を
適宜選択することになる。しかし各構成部材の形状、寸
法は材料コストや使用箇所のスペース等に制約されるの
で、上記ギャップＧ′の温度変化分をある程度までしか
吸収することができず、許容できる温度変化エリアが狭
かった。そのため、高精度を要求される装置に使用する
場合には、ヒータやペルチェ素子等の温調手段を用いて
組付部材の温度を制御する必要があった。このようなヒ
ータやペルチェ素子を用いるとなると、取付スペースが
必要となって装置の大型化を招くと共に、コストも嵩む
という問題が生じる。

また従来は、第２ホルダ１０９はＡｌの冷間鍛造によ
り、第１ホルダ１０７はＡｌプレスにより、コリメータ
鏡筒１０８は鉄製となっているが、各部材はレーザーチ
ップ１０２とコリメータレンズ１０３との光軸合せやレ
ーザーチップ１０２とコリメータレンズ１０３間のギャ
ップＧ′を高精度に設定する必要から各部材の合せ面等
を高精度に加工する必要がある。そのため冷間鍛造後や
プレス加工後に、旋盤等による後処理加工が必要となり
加工が面倒であるという問題があった。またアルミダイ
キャスト製品とすることも考えられるが、その場合には
抜きテーパを大きくとる必要があり、その分加工形状等
も制約されると共に、寸法の精度出しが困難になるとい
う問題が生じる。またアルミダイキャストによる成形品
は、その表面精度が粗く、たとえばレーザーチップ１０
２とコリメータレンズ１０３との光軸合せをする場合、
その合せ面がダイキャスト鋳造のままの地肌では光軸調
整を高精度に行なえないという問題も生じる。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、温度変化に
よるレーザーチップとコリメータレンズ間のギャップの
変化をより効率的に吸収し得るようにして、温調手段を
用いなくとも許容できる温度変化エリアを大きく設定で
き、しかも組付部材を容易かつ高精度に加工し得るレー
ザーユニットを提供することにある。

（問題点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、該コリメータ
レンズを保持するコリメータ鏡筒と、該コリメータ鏡筒
が内周側に嵌合される円筒状の筒状部材と、を有するレ
ーザーユニットにおいて、前記コリメータ鏡筒を、樹脂
素材にその線膨張係数が前記樹脂素材の線膨張係数より
も小さい磁性フィラを添加した樹脂部により構成すると
共に、前記筒状部材を亜鉛ダイキャスト製として成るこ
とを特徴とする。

（作 用） 而して樹脂部の線膨張係数は、樹脂素材にその線膨張係
数が樹脂素材の線膨張係数よりも小さい磁性フィラを添
加することによって変えることができる。したがってコ
リメータ鏡筒以外の各構成部の形状、材質等とは無関係
に樹脂部の線膨張係数を変えるだけで各構成部の熱膨張
差に対応させて半導体レーザーチップとコリメータレン
ズとのギャップの温度変化による変化量を許容範囲内に
収めることができる。

また樹脂部のコリメータ鏡筒に磁性を持たせることがで
きるので、光軸方向の調整を磁石を用い同鏡筒を吸着さ
せる方法により容易に行える。

更に筒状部材を亜鉛ダイキャスト製としたので、高精度
に成形することができ、後加工をすることなくレーザー
チップとコリメータレンズとを高精度に組付けることが
可能となる。

（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４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１１ａ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１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１
１ｃ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が内周
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４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
１４ａ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との隙間分によって
調整可能としている。さらにこのレーザーユニットの組
付はビス１７を用いてレーザー基板６側から取付部材１
８に締付固定される。

一方、コリメータ鏡筒８は樹脂素材に線膨張係数を変化
させるための磁性フィラＦを添加した樹脂材料により成
形され、本発明の樹脂部を構成している。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円周は厚肉のレ
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を第
１ホルダ７に接着固定するものである。

ここで、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２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ｌ_１と、第２ホルダ９の
取付面から接着穴８１までの寸法ｌ_２と、コリメータ鏡
筒８の接着穴８１からレーザー側端面までの長さｌ
_３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ｌ_４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Δｌ_１，Δｌ_２，Δｌ_３，Δｌ_４
とすると、ギャップＧの変化量Δｘは、Δｘ＝（Δｌ_１
＋Δｌ_２）−（Δｌ_３＋Δｌ_４）と表わされることにな
る。

そして上記した樹脂部としてのコリメータ鏡筒８の線膨
張係数α_３を、使用温度範囲を考慮して、Δｘがコリメ
ータレンズ４の焦点探度内におさまるような熱膨張量Δ
ｌ_３となるように選択する。

コリメータ鏡筒８の樹脂部材としては、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）、その他線膨張係数の大きい
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
ないために、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。

一方、磁性フィラＦとしては、その線膨張係数が樹脂素
材の熱樹脂係数より小さいものが好ましく用いられ、含
有率を高めることによって全体の線膨張係数が小さくな
るように変化させている。本実施例にあっては、樹脂素
材にＰＥＳを用い磁性フィラＦとしてフェライト粉末等
の磁性フィラを添加してコリメータ鏡筒８に磁性を持た
せている。

上記構成のレーザーユニットにあっては、ある範囲の温
度変化Δｔに対応する第１，第２ホルダ７，９の熱膨張
量Δｌ_１，Δｌ_２の和からチップ基台１０の熱膨張量Δ
ｌ_４を差し引いた残りの熱膨張差を吸収するように、線
膨張係数α_３を選択し、この線膨張係数α_３となるよう
に磁性フィラＦの含有率を変化させる。このようにすれ
ば、温度変化に対してギャップＧの変化量Δｘをコリメ
ータレンズ４の焦点探度内に収めることができギャップ
Ｇの精度を確保することができる。したがってギャップ
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
素子は不要となる。またコリメータ鏡筒８に磁性を持た
せているので、コリメータ鏡筒８の光軸方向の調整を磁
石を用いコリメータ鏡筒８を吸着させる方法により容易
に行うことができる。

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８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７，９の線膨張係数をα_１，
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＝｛（α_１ｌ_１＋α_２ｌ_２）−（α_３ｌ_３＋α_４ｌ
_４）｝Δｔ で示される。そして各部の寸法等を、 ｌ_１＝1.7mm，ｌ_２＝9.3mm，ｌ_３＝6.8mm，ｌ_４＝2.55m
m，α_１，α_２＝2.74×１０^-5〔１／℃〕，α_３＝3.8×
１０^-5〔１／℃〕，α_４＝1.65×１０^-5〔１／℃〕，Δ
ｔ＝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。

これに対して、第７図に示した従来例の場合には、第
１，第２ホルダ７，９がアルミニウムダイキャスト製、
チップ基台１０が銅製、コリメータ銅筒８が鉄製で、そ
れぞれの線膨張係数α_１′〜α_４′は α_１′，α_２′＝2.39×１０^−５〔１／℃〕 α_３′＝1.17×１０^-5〔１／℃〕 α_４′＝1.65×１０^-5〔１／℃〕となる。

ここで各部の寸法ｌ_１〜ｌ_４を同一としてΔｘを計算す
ると Δｘ＝｛2.39×(1.7＋9.3)-(1.17×6.8＋1.65＋2.55)｝
×４０＝0.0057〔mm〕＝5.7〔μｍ〕 となり、許容値の±２〔μｍ〕を越えてしまう。

この場合に許容値内に収めようとすると、線膨張係数は
一定なので、各部の寸法関係で調整しなければならず、
設計自由度が制約され、また各部に使用する材質も制約
されてしまう。また寸法関係で調整できない場合には許
容温度範囲は小さくせざるを得ず、温度範囲を越える場
合には温調の必要が生じる。

これに対して、本発明によれば、樹脂部のコリメータ鏡
筒８の線膨張係数α_３を変化させることにより、ギャッ
プＧの変化量Δｘを許容値内に収めることができるの
で、第１，第２ホルダ７，９等の形状、寸法を自由に設
定でき、また材料選択の自由度が格段に向上する。さら
に許容温度範囲Δｔについても拡大することができ、温
調制御の必要もなくなる。

また、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８とチップ基台１０の寸法
（ｌ_３＋ｌ_４）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（ｌ_１＋ｌ_２）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８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。また、他の構成部についての材料は金属
に限定されず、第２ホルダ９を樹脂等により成形しても
よい。ただ、本実施例の場合にはコリメータ鏡筒８が第
２ホルダ９に保持されているので、コリメータ鏡筒８の
線膨張係数は第２ホルダ９の線膨張係数より高くする必
要があるため、コリメータ鏡筒８を樹脂部とすることが
一番好ましい。

また、本実施例のようにコリメータ鏡筒８を樹脂素材と
しておけば、その断熱性によってコリメータレンズ４の
結露を防止することができる。さらにチップ基台１０お
よび第１，第２ホルダ７，９を熱伝導率のよい金属製と
しておくことにより、レーザーの放熱性を高めることが
できる。したがってレーザー駆動時の発熱による組付部
材の温度上昇を抑えることができ、より一層ギャップＧ
の変化を抑えることができる。また、レーザー自体の発
熱による特性変化等も可及的に抑えることができ、レー
ザーの品質向上を図ることができる。

また、本実施例では第１，第２ホルダ７，９を亜鉛ダイ
キャスト製としたので、加工精度に優れ、後加工の必要
もなく、加工コストを大幅に下げることができる。

第５図および第６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２５，２６，２７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６図に示すようにレーザーユニット
１と、シリンドリカルレンズ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３
４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
成画像を形成する用い方がある。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却を行な
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却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、温度変化に対してレーザービー
ムの形状は変化せず、使用温度環境に拘わらず常に良好
な画像品質を確保することができる。また、温度制御用
の素子を組み込むスペースも不要となり、さらに装置内
取付スペースに合わせてレーザーユニット１の形状、寸
法を選択することができるので、スペース効率が高まっ
て装置の小型化を図ることができる。

尚、画像形成装置に限定されるものではなく、その他Ｃ
Ｄプレイヤ等の各種装置に適用することができることは
もちろんである。

（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、樹脂素材にその線膨張係数が前記樹脂素材
の線膨張係数よりも小さい磁性フィラを添加した樹脂部
として物性値である線膨張係数を変えることができるよ
うにしたので、各構成部分の形状、材質等とは無関係に
樹脂部の線膨張係数を変えるだけで各構成部の熱膨張差
に対応させて半導体レーザーチップとコリメータレンズ
とのギャップの温度変化による変化量を許容範囲内に収
めることができ、温度変化に拘わらず高精度のビーム形
状を得ることができる。また、このように物性値である
線膨張係数を変化できるようにしたので、各構成部の形
状、寸法の制約は無くなり設計自由度が増大する。さら
に各構成部の形状、寸法等の制約は無くなるので、許容
し得る温度変化エリアを大きくとることができる。さら
にまたビーム形状を高精度に保つためにペルチェ素子等
による温調制御が不要となって省スペースを図ることが
できると共にコスト低減を図ることができる。

また筒状部材を亜鉛ダイキャスト製としたので、高精度
に成形することができ、従来のように後加工することな
くレーザーチップとコリメータレンズとを高精度に組付
けることができ、コスト低減を図ることができる等の種
々の効果が得られる。更にコリメータ鏡筒に磁性を持た
せることができるので、光軸方向の調整を磁石を用い同
鏡筒を吸着させる方法により容易に行える。

【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３図は第１図の装置の側面
図、第４図は第１図の装置の概略分解斜視図、第５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６図は第５図の装置のレーザースキャナ
ユニットの平面図、第７図は従来のレーザーユニットの
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（樹脂部） ９……第２ホルダ（筒状部材）、１０……チップ基台 １２……基準段部、Ｇ……ギャップ

Claims (1)

【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、該コリメータレンズを保持するコリメータ鏡筒
   と、該コリメータ鏡筒が内周側に嵌合される円筒状の筒
   状部材と、を有するレーザーユニットにおいて、 前記コリメータ鏡筒を、樹脂素材にその線膨張係数が前
   記樹脂素材の線膨張係数よりも小さい磁性フィラを添加
   した樹脂部により構成すると共に、前記筒状部材を亜鉛
   ダイキャスト製として成ることを特徴とするレーザーユ
   ニット。