JPS6113217A - 光走査装置における半導体レ−ザ−の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、光走査装置における半導体レーザーの温度
制御方法に関する。

（従来技術） レーザービームによ多走査を行って、画像を記録したシ
、画像を読み取ったシする光走査装置が知られている。

このような光走査装置の１種として、光源として半導体
レーザーを用い、この半導体レーザーからの光を、ホロ
スキャナーで偏向させる方式の装置が提案されている、
（例えば、特願昭５９−２８０６６号）。

以下、第２図を参照して、上記方式の光走査装置のあら
ましにつき簡単に説明し、あわせて、本発明により解決
しようとする問題点につきのべる。

第２図は、半導体レーザーからの光をホロスキャナーで
偏向させる方式の光走査装置を用いた画像記録装置を示
している。

第２図において、符号１０は半導体レーザー、符号】２
はコリメートレンズ、符号１４はシリンドリカルレンズ
、符号１６．１８．２２は平面鏡、符号２０はホロスキ
ャナー、符号２４はｆθレンズ、符号２６゜２８は平面
鏡、符号３０はシリンドリカルレンズ、符号３２は光導
電性の感光体、符号３４は、ビーム位置検出素子を、そ
れぞれ示している。

ホロスキャナー２０ハ、ホロディスク２０Ａトモ−ター
２０Ｂとにより構成されている。ホロディスク２０Ａは
、円板状であって、モーター２０Ｂの軸に固装されて、
矢印方向へ、モーター２０Ｂによって回転駆動されるよ
うになっている。

ホロディスク２０Ａの透明な円形基板の片面には、同一
形状の複数の回折格子２００が、円環状に配列形成され
ている。

回折格子２００は、直線状回折格子であって、相互に光
学的に等価であシ、ホログラムとして形成されている。

ホロディスク、ホロスキャナートいう名称は、回折格子
２００がホログラムとして形成されていることに由来す
る。

さて、半導体レーザー１０から放射されるレーザー光は
、コリメートレンズ１２により平行光束化され、シリン
ドリカルレンズ１４、平面鏡１６．１８を介して、ホロ
ディスク２０Ａの回折格子２００に入射する。これによ
って、回折ビームが発生する。ホロディスク２０Ａが回
転すると、回折ビームは偏向する。入射レーザー光に対
する回折格子２００の、格子方向が変化するためである
。このように偏向される回折ビームを、偏向レーザービ
ームと称する。

回折ビームは、平面鏡２２、ｆθレンズ２４、平面鏡２
６，２８、シリンドリカルレンズ３０を介して、ベルト
状の感光体３２上に到り、ｆθレンズ２４、シリンドリ
カルレンズ１４．３０の結像作用により、感光体３２上
にスポット状に集束する。ホロディスク２０Ａの回転に
伴い偏向レーザービームによる感光体上のスポットは、
感光体３２上を直線的に変位し、レーザー光の入射する
回折格子が切換るたびに、同一の変位、すなわち光走査
が繰返される。第２図において、直線３６は、光走査に
おける上記スポットの軌跡を示し、この直線３６を、主
走査線という。また、感光体３２上で、主走査線３６と
直交する方向を副走査方向と称する。

感光体３２は回動する。感光体３２の周面は均一に帯電
されたのちに、光走査部に到シ、偏向レー゛ザーピーム
により光走査される。このとき、記録すべき画像に対応
する画像信号で、半導体レーザー１０の発光強度を変調
すれば、感光体３２には、上記画像に応する静電潜像が
形成される。従って、この静電潜像を現像し、得られる
可視像を紙等の記録シートに転写・定着すれば、所望の
記録画像を得ることができる。

以上が、光走査のあらましである。なお、ビーム位置検
出素子３４は、本発明の特徴の一端をなすものであるの
で、これについては後はど詳述する。

さて、周知の如く、半導体レーザーから放射されるレー
ザー光は、半導体レーザーの温度が変化すると、それに
伴って変化する。

半導体レーザーからの光をホロスキャナーで偏向する方
式の光走査装置においては、半導体レーザーからのレー
ザー光の波長が変化すると、回折格子による回折ビーム
の回折角が変化し、それに伴って、光走査部すなわち主
走査線の位置が副走査方向へ変動し、適正な光走査がで
きなくなる。

半導体レーザーの温度は、光走査装置の、半導体レーザ
ユ近傍の雰囲気温度や、半導体レーザーに通ぜられる電
流によるジュール熱等によって変化するｐで、レーザー
光の波長を安定させるためには、半導体レーザーの温度
を制御する必要があるが１、半導体レーザー自体は極め
て微小であるので、これを直接に温度制御することが困
難であるところから、半導体レーザーを保、持する保持
体を温度制御することにより半導体レーザーの温度を間
接的に制御することが行なわれている。

さて、半導体レーザーは一般に２０〜５０℃くらいの温
度範囲で使用されるが、この程度の温度範囲内では、温
度とレーザー光の波長との関係は、第３図に示す如く、
一般に階段状の線であられされる。このような階段状の
線３−１を、温度と波長６関係をあられす特性線と呼ぶ
ことにする。特性腺の形状自体は、個々の半導体レーザ
ーに応じて定まシ、半導体レーザーごとに異なるが、特
性線における階段状の形状は一般的である。第３図にお
いて、かかる特性線における、領域Ａ、Ｂ。

Ｃ等、温度変化に応じて波長がゆるやかに変化する領域
を、棚状部、棚状部間の、波長がジャンプする部分を′
段差部と呼ぶことにする。現実には、棚状部にも、多少
の凹凸はあるが、それらは、実際上光走査に支障をきた
すような問題とならないので、第３図では無視されてい
る。棚状部の幅すなわち、ひとつの段差部と、これにと
なる段差部との間は、通常数度の温度幅である。そこで
、仮に、棚状部Ｂの温度幅、すなわち、温度差（ＴＵ−
ＴＬ）が５度あったとすると、その中間の温度Ｔ。

を設定温度とし、半導体レーザーを保持する保持体の温
度を、設定温度’ｒｏの近傍、例えばＴ、±１℃の範囲
に制御すれば、実際上、半導体レーザーからのレーザー
光の波長は一定に制御される。

なお、半導体レーザーの温度がＴＬからＴＵまで変化し
たとしても、レーザー光の波長の変化はλ０−λＬであ
って、この変化は小さく、換言すれば、半導体レーザー
の温度が同じ棚状部上で変動している限シは、前述の主
走査線の変動は実用上問題とならない。

しかし、半導体レーザーの温度がＴＵまだはＴＬを越え
ると、レーザー光の波長は、（λ２−λＵ）あるいは（
λＬ−λ１）だけ不連続に大きく変化し、このような大
きな波長変化が生ずると、適正な光走査は困難となる。

さて、本発明により解決しようとする問題点とは、以下
の如きものである。

上述の例でいえば、半導体レーザーを保持する保持体の
温度を、設定温度’ｒｏの近傍に制御していれば、実際
上、半導体レーザーの温度変化による光走査上の不都合
は生計ない。しかしながら、これは、特性線が時間的に
不変であることを前提としている。

ところで、特性線は、実際には、時間的に不変ではなく
、半導体レーザーの疲労とともに経時的に変化する。こ
の経時的な変化には２つのパターンがある。すなわち、
その第１は、第４図（Ｉ）に示すように、棚状部上をす
べるようにして、特性線全体が、破線で示すように低温
度側へずれる場合であシ、第２は、第４図（６）に示す
ように１．棚状部上をすべるようにして、特性線全体が
、破線で示すように、高温度側へずれる場合である。

特性線の経時的変化は個々の半導体レーザーごとにこと
なる。すなわち、特性線が一方的に高温度側または低温
度側へずれるものもあるし、特性線のずれる方向が時間
的に変化するものもある。

すると、例えば、第４図（■）において、温度制御上の
段別温度がＴｏである場合、半導体レーザーに疲労がな
く、特性線が実線３−１であるときは問題ないが、特性
線が経時的に変化して、破線４−１の如きものとなると
、半導体レーザーの温度はＴ。

でありても、放射されるレーザー光の波長は大きく変化
してしまう。第４図（ＩＩ）において、特性線の経時的
変化にともない、特性線が破線４−２の如きものとなっ
た場合も同様である。

このような特性線の経時的変化が生ずると、従来性なわ
れている温度制御は、もはや役に立たなくなってしまう
。

（目　　的） 本発明は、上述の如き問題に着目してなされたものであ
って、半導体レーザーの温度と、放射レーザー光との間
の特性線の経時変化をも考慮した新規な、温度制御の提
供を目的としている。

（構　成） 以下、本発明を説明する。

本発明においても、半導体レーザーは、これを保持する
保持体を介して間接的に温度制御される。

すなわち、保持体の温度は感温素子により検出され、こ
の感温素子の出力に応じて、ペルチェ素子が、保持体を
加熱あるいは冷却して、保持体の温度を所定の設定温度
にもとづいて、設定温度近傍に制御する。

一方、偏向レーザービームによる走査領域外に、ビーム
位置検出素子が配備される。ここに走査領域外とは、偏
向レーザービームを受光できて、なおかつ、光走査の妨
げとならないような位置をいう。

このビーム位置検出素子により、偏向レーザービームの
位置、すなわち、ビーム位置検出素子の受光面を通過す
る位置が検出される。

さて、非走査時、すなわち、半導体レーザーが発光し、
ホロディスクが回転し、なおかつ光走査が行なわれてい
ない時に、半導体レーザーを保持する保持体の温度・が
変化させられる。これとともにビーム位置検出素子によ
るビーム位置検出が行なわれ、ビーム位置が所定の設定
領域の限界値を越えるときの温度が検出される。

この゛ようにして検出された温度から所定の温度だけず
らした温度を、温度制御のための設定温度として設定す
るのである。

さて、再び、第２図を参照すると、ビーム位置検出素子
３４は、走査領域外に配備され、偏向レーザービームを
受光しうるようになっている。

ビーム位置検出素子としては、従来、半導体装置検出素
子として知られているものを用いることができる。半導
体装置検出素子は、種々の型のもＱが知られ、例えば、
第５図（Ｉ）に示す如く、単一の受光面５−１を有する
ものや、第５図位）に示す如く、２個の受光面５−２．
！５−３を有するものや、第５図（ＩＩＩ）に示す如く
、牛個の受光面５−４．５−５．。

５−６．５−７　　を有するもの等がある。本発明の実
施上、ビーム位置検出素子としては、上記種々の′半導
体装置検出素子を適宜用いることができる。

以下では、第５図（Ｉ）に示す、単一の受光面５−１を
有するものを例にとって、説明する。

さて、第６図において、ビーム位置検出素子３４の受光
面の受光する偏向レーザービームのスポットをスポラｌ
−ＳＰとすると、このスポットＳＰの強度Ｉは、第６図
左方の図の如く、つり鏡型の分布を有する。今、このス
ポットＳＰが、Ｘ方向へ、受光面５−１を横切るとする
と、ビーム位置検出素子３４の出力は、スポラ）　ＳＰ
の中心部がＹ軸を横切る位置に応じてことなシ、従って
、ビーム位置検出素子３４の出力によって、スポ）　ト
ＳＰが横切るＹ軸上の位置を検出できる。

さて、前述したように、半導体レーザーの発光波長が変
化すると、ホロディスクにおける回折ビームの回折角が
変動し、偏向レーザービームは、主走査方向に直交する
方向、すなわち、副走査方向に対応する方向で変動する
。

そこで、ビーム位置検出素子３４の受光面５−１（第６
図）のＸ方向を、偏向レーザービームによる主走査の方
向に対応させると、受光面５−１のＹ方向は副走査方向
に対応する。すると、ビーム位置検出素子３４の出力の
変動は、半導体レーザーにおける発光波長の変動と対応
する。

再び第３図を参照する。半導体レーザー１０の特性線が
、疲労のない状態において特性線３−１の如きものであ
シ、温度制御における設定温度を’ｒ。

とし、半導体レーザーが、疲労のない状態で温度’ｒｏ
のときの発光波長をλ０とする。この状態において、ビ
ーム位置検出素子３４の位置を調整して、偏−向レーザ
ービームのスポラ）　ＳＰが、受光面５−１（第６図）
の、Ｙ軸方向の０点を横切るよう（する。

この状態で、半導体レーザーを保持する保持体の温度を
次第にさげることによって半導体レーザーの温度を降下
させると、ビーム位置検出素子３４の検出するビーム位
置は、Ｙ軸の所定の方向、例えば、第６図で上方心ずれ
、ついに、半導体レーザーの温度が、ＴＬよシも低くな
ると、段差部３−２のため、半導体レーザー”１０の発
光波長はλ１よシ小さくなる。このとき、ビーム位置が
、第６図のＹｌであるとしよう。また、保持体の温度を
漸次高くしていくと、半導体レーザーの温度が上昇し、
ＴＵ以上となると、発光波長は段差部３−３のため、λ
２よシ大きくなる。このとき、ビーム位置が、第６図の
Ｙ２であるとする。このＸき、ビーム位置Ｙ　１　＋Ｙ
２は、段差部３−２．３−３に対応することとなる。

そこで、ビーム位置検出素子３４における、検出位置Ｙ
１とＹ２の間の領域を設定領域とし、Ｙｌ、Ｙ２を、設
定領域の限界値と呼ぶ。

第４図を参照すると、特性線３−１は、経時的に変化し
ても、特性線の形状自体は実質的に変化しない。従って
、棚状部Ｂ（第３図）の上・下限の温度差ＴＵ−ＴＩ、
は、時間的に変化しないものとして取扱ってよい。以下
、”（Ｔｕ　　ＴＬ）をΔＴ　と書き、説明の簡単のた
め、ＴｏはＴＬ＋ΔＴ　であるとする。

さて、本発明の温度制御方法は、以下の如くに行なわれ
る。

第１図において、符号１００は、半導体レーザー１０を
保持する保持体、符号１０１は感温素子としてのサーミ
スタ、符号１０２はペルチェ素子を、それぞれ示してい
る。

非本走査時には、発振器６８が発振し、その出力がカウ
ンター６４に印加される。カウンター６４は、印加され
るパルスをカウントし、１カウントごとに出力を階段状
に増加させる。この出力は、温度設定器７０に印加され
る。温度設定回路７０は、印加される出力に応じて、比
較器７２の、レファレンス値を階段状に上昇させる。こ
のレファレンス値は、第４図（Ｉ）の温度ＴＩに対応す
る値から始まシ、階段状に上昇する。

比較器７２は、サーミスター０１の出力と、上記レファ
レンス値を比較し、両者の差に応じた出力を制御回路７
４に印加する。制御回路７４は、印加される信号に従っ
て、ペルチェ素子１０２への通電を制御する。このよう
にして、保持体１００の温度は、ゆつくシと上昇する。

ゆっくりと上昇すると・は、半導体レーザー１０の温度
が、常に保持体１００の温度と同温とみなしうる程度の
温度上昇速度での温度上昇をいう。

半導体レーザー１０の温度がＴ１から次第に上昇してい
くことになるが、今、半導体レーザー１０に疲労がない
とすると、特性線は、第４図［有］）の特性線３−１の
如くである。すると、半導体レーザー１０の温度がＴＬ
をこえると、ゼーム位置検出素子３４の検出すると、ビ
ーム位置は、第６図において、設定領域の限界値Ｙ１を
上方から下方へ向って越えることになる。

第１図に示すように、ビーム位置検出素子３４の出力は
、比較器５０．５２に印加されるようになっている。

比較器５２は、ビーム位置が、第６図で限界値￥１よシ
下方にあるとき、また、比較器５０は、ビーム位置が、
限界値Ｙ２よシ下方にあるとき、それぞれ出力信号を発
するようになっている。

すると、今の場合、ビーム位置が限界値Ｙ１を下方へ越
えたのであるから、比較器５２のみが出力信号を発する
。この信号は、インバーター６０を介してノア回路５８
に送られる。するとノア回路５８は出力信号を発し、ま
ずカウンター６４の出力を、その時の値に固定する。そ
の一方で、ツアー路５８の出力は、加算器６２を作動さ
せる。加算器６２は、温度差ΔＴに対応する値をカウン
ター６４に印加し、カウンター６４は、その出力を上記
値だけ増大させる。

この結果、比較器７２のレファレンス値は、温度にして
ＴＬ＋ΔＬ＝ＴＱに対応するものとなる。この状態にお
いて、第１図で、温度設定器よシ上の回路部分の作動が
停止され、かくして、保持体１００、従って半導体レー
ザー１０の温度がＴｏ近傍の温度に制御される。

半導体レーザー１０の疲労により、特性線が、第４図Ｑ
Ｉ）の特性線４−２の如きものとなっている場合も、上
記と同様にして、半導体レーザー１０の温度が、保持体
１００を介して、Ｔ２の近傍に制御されることは、以上
の説明から明らかであろう。

特性線が、第４図（りの特性線４−１の如きものとなっ
ている場合には、半導体レーザー１０の温度がＴ３を越
えるとき、ビーム位置（第６図）は限界値Ｙ２を下方へ
越える。これによって、今度は比較器５０．５２の双方
が出力信号を発する。これによって減算器５６が働き、
カウンター６４の出力は、そのときの値から、温度ΔＴ
に対応する値だけ減少するので結局、半導体レーザーＪ
Ｏの温度はＴ３よシもΔＴだけ低い温度ＴＬの近傍に制
御されることとなる。

第１図に示す回路構成では、結局、使用しようとする棚
状部の低温側の段差部又は高温側の段差部を検出し、検
出された段差部が低温側か高温側かに応じて、その段差
部を与える温度よシΔＴだけ高い、あるいは低い温度を
、温度制御の温度として設定している。

しかし、本発明は、よシ簡単な回路系でも実施できる。

すなわち、使用しようとする棚状部の両側の段差部のう
ちの一方、例えば、高温側の段差。

部のみを利用し、検出された高温側の段差部を与える温
度から、ΔＴだけ低い温度に、温度制御用の設定温度に
設定するようにするのである。

これを実現するには、第１図の回路構成から、比較器５
２、インバーター６０、ノア回路５８、加算器６２、ア
ンド回路３５を取りのぞき、比較器５０の出力を直接に
、減算器５６に印加するようにすればよい。

いずれにしても、上記の如き制御を行なうことにより、
半導体レーザーの特性線が経時的に変化しても、常に、
特性線の、使用しようとする棚状部の中央部の温度を設
定温度として半導体レーザーの温度を制御でき、発光波
長を、常に初期の設定波長の近傍に安定させることがで
きる。

（効　果） 以上、本発明によれば、新規な温度制御方法を提供する
ことができる。

この温度制御方法は、半導体レーザーの特性線の、経時
的変化を考慮しているので、常にレーザー光の波長を安
定させることができ、安定した光走査を行うことを可能
ならしめるという効果を有する。

なお、非本走査時については、先に、半導体レーザーが
発光し、ホロディスクが回転しておシ、なおかつ記録用
、読取用の光走査が行なわれていない時であると定義し
たが、具体的には例えば、画像記録と画像記録の間、画
像読取と画像読取の間、あるいは、光走査装置始動後の
時期時等である。

また、本発明の温度制御方法は必らずしも、非本走査時
ごとに行なう必要はなく、定期的に、あるいは必要に応
じて行うようにしてもよい。

ビーム位置検出素子の配備位置は、これを、同期検出用
の位置に定め、ビーム位置検出素子を、同期検出に兼用
してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するだめの回路構成の１例を示
すブロック図、第２図は、本発明を実施した光走査装置
を用いる画像記録装置を要部のみ示す説明図的斜視図、
第３図および第４図は、半導体レーザーの特性線と、そ
の゛経時的変化を説明するための図、第５図はビーム位
置検出素子を説明するだめの図、第６図は、本発明を説
明するだめの図である。 １０・・半導体レーザー、２０・・・ホロスキャｆ　−
１３４・・・ビーム位置検出素子、Ｙｌ、、Ｙ２・・限
界値、１０１・・・感温素子としてのサーミスタ、１ｏ
２・・・ペルチェ素子、１ｏｏ・・・保持体。 ６６区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体レーザーからの光をホロスキヤナーで偏向させる
   方式の光走査装置において、 半導体レーザーを保持する保持体の温度を感温素子で検
   知し、感温素子出力に応じて上記保持体をペルチエ素子
   により加熱・冷却して、保持体の温度を所定の設定温度
   の近傍に制御することにより半導体レーザーの温度を間
   接的に制御するようにし、 偏向レーザービームによる走査領域外に、ビーム位置検
   出素子を配備し、非本走査時に、上記ビーム位置検出素
   子により、偏向レーザービームの位置を検出しつつ、上
   記保持体の温度を変化させ、ビーム位置が、所定の設定
   領域の限界値を越えるときの温度を検出し、このように
   検出された温度から、所定の温度だけずらした温度を、
   温度制御のための設定温度として設定することを特徴と
   する、半導体レーザーの温度制御方法。