JP2005183688A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ（以下ＬＤという）を用いる光源装置においては、光源からの熱を外部に逃がす必要があり、ＬＤに接触する部材は熱伝導率の高い材質を選ぶ。そのためＬＤホルダには金属材料を用いるが、ノイズ対策のため、ＬＤは装置に対し電気的に絶縁する必要があり、ＬＤホルダとの間に、絶縁性と高い熱伝導率を有するセラミック材料が用いられる。しかし、金属材料とセラミック材料とでは線膨張係数に大きな違いがあるため、大きな温度変化があるとＬＤとコリメートレンズの間に光軸ずれが発生しやすい。
【解決手段】ＬＤ２０が嵌合したリング状部材２２はＬＤ取り付け面の反対側が円錐台形のテーパ面２２ｂを有しており、ＬＤホルダ２１のＬＤ取り付け面側は上記円錐台形とほぼ同形の凹面のテーパ面を有している。両テーパ面は互いに低い摩擦抵抗で接触しており、ＬＤの背面側からはＬＤ押さえ板２３で図の右方向に押圧されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射した光束を光学系に導いて利用する光源装置に関するものである。特に温度変化によって生じやすい光軸ずれを防止する光源装置に関する。

図４は走査光学系の一例を示す図である。
同図において符号１は光源装置、２は光変調装置、５は偏向装置、７は面倒れ補正光学系、８は回転多面鏡、９はｆθレンズ、１０は被走査面をそれぞれ示す。
光源装置１から出た光束は、光変調装置２において画像情報によって変調され、偏向装置５によって向きを変えられ、回転多面鏡８により連続的に反射方向を変えられ、ｆθレンズ９で被走査面１０上で等速走査される。被走査面１０が紙面に垂直方向に走査されることによって、画像情報を読み取ったり、あるいは、画像情報に対応した潜像が形成される。このような装置は複写機、ファクシミリ、プリンタ、デジタルラボ等、画像形成装置に用いられる。光変調装置を用いず、被走査面からの反射光を受光することで読み取り装置として用いることもできる。

図５は光源装置の構成の一例を示す図である。
同図において符号１１は半導体レーザ（以下ＬＤと称す）、１２はＬＤホルダ、１３は断熱部材、１４はコリメートレンズ、１５はコリメートレンズセル、１６はレンズセルホルダ、１７はコンプレッサレンズ鏡胴、１８は鏡胴ホルダ、Ｃはリング状部材、Ｕ１は第１ユニット、Ｕ２は第２ユニットをそれぞれ示す。
第１ユニットＵ１は、コリメートレンズ１４を保持するコリメートレンズセル１５がレンズセルホルダ１６の片側からねじ込まれている。レンズセルホルダ１６の他側には、断熱部材１３を介してＬＤホルダ１２が取り付けられている。ＬＤホルダ１２は中央部付近に段になった穴１２ａが開いていて、その穴１２ａに落とし込んだリング状部材Ｃを介してＬＤ１１が取り付けられ、押さえ板１２ｂで押しつけられて止められている。
ＬＤ１１が直接ＬＤホルダ１２に取り付けられないのは、放熱のためＬＤホルダ１２を金属材料、例えばクロム銅のように比較的熱伝導率の高い材料で構成されるが、ＬＤ１１自身はＬＤホルダ１２に対し、電気的に絶縁したいからである。そのため、リング状材料Ｃとして、絶縁性のセラミックが選ばれる。セラミックはその組成により、熱伝導率は小さい値から非常に大きい値まで各種のものが得られるので、ここでは放熱のため比較的熱伝導率の高いものを用いている。一方、ＬＤホルダ１２は図示しないペルチエ素子等を接触させて冷却を行う。

図６は温度変化におけるＬＤとＬＤホルダの穴との関係を説明する図である。同図（ａ）は常温で組み付けたときの状態を示す図、同図（ｂ）は特に低温になったときの状態を示す図である。
同図において符号Ａはリング状部材Ｃの移動方向を示す矢印を示す。
ＬＤ１１はリング状部材Ｃにほぼいっぱいに収まっているとする。ＬＤホルダ１２の穴１２ａに対しリング状部材Ｃの大きさは余裕を持たせてある。
ＬＤのはめ込まれたリング状部材Ｃを、ＬＤホルダ１２の穴１２ａに組み付けて両者が同図（ａ）のように偏心した状態であったとする。それでも、コリメートレンズ１４に対しＬＤホルダの位置を調整することによって光軸合わせはできる。
この状態で光軸合わせが完了した場合、装置が放置されているときに温度低下が生じたとする。クロム銅は線膨張係数がセラミックに比べてかなり大きいので、両者の収縮の度合いが大きく異なる。同図（ｂ）において実線は収縮後の形状、一点鎖線および破線は組み付け時の穴１２ａとリング状部材Ｃのそれぞれの位置を示す。すなわち、ＬＤホルダ１２の穴１２ａが収縮することによって、リング状部材Ｃを矢印Ａのように一方に押し、その結果、ＬＤ１１を当初の位置からずらしてしまう。

ＬＤの光軸ずれではないが、温度変化によるコリメートレンズの光軸ずれを防ぐ構成が提案されている（例えば、特許文献１ 参照。）。この構成はコリメートレンズホルダを円錐状または角錐状に形成して、円錐状の内周面を有する内鏡筒にはめ込んで用いている。この構成によれば、温度変化によるレンズの光軸ずれを防ぐことができるが、ＬＤは金属製の外鏡筒に直接触れており、電気的絶縁の問題は考慮されていない。ＬＤとＬＤホルダを電気的絶縁にすることによる、ＬＤの光軸ずれの防止については、特許文献１にも触れられていない。

特開平１０−１９３６８０号公報（第３、４頁、図３）

解決しようとする問題点は、ＬＤホルダ１２とリング状部材Ｃとの線膨張係数の違いは簡単に埋められないが、大幅な温度変化が生じたとき、部品の収縮によっても両者が接触しなければ、押されて一方に動くことはないはずである。また、組み付け時点において、両者があまり偏心していると、収縮だけでもＬＤの中心位置が移動してしまう。そこで、本発明では、組み付け時点においてＬＤホルダの穴部とリング状部材のお互いの中心がほぼ一致するような構成を得ること、そして温度変化が大きくても両者の位置関係が変化しない構成を得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明では半導体レーザ（以下ＬＤと称す）と、該ＬＤを保持して光学系部材に接続するためのほぼ中央部に貫通穴を有するＬＤホルダと、前記ＬＤを前記ＬＤホルダの方向に押圧する押圧部材と、を有する光源装置において、前記ＬＤと前記ＬＤホルダの間にリング状部材を介在させ、該リング状部材は、少なくとも前記押圧方向に面する斜面を有し、前記ＬＤホルダは、少なくとも前記リング状部材の前記斜面に接触する斜面を有することを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光源装置において、前記リング状部材の斜面は凸面状の円錐台形のテーパ面であり、前記ＬＤホルダの斜面は前記リング状部材の前記テーパ面にほぼ一致する凹面状の円錐台形のテーパ面であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では請求項２に記載の光源装置において、前記凹面状のテーパ面は、前記ＬＤホルダの前記リング状部材に接する面と反対側の面の近傍に頂点を有する円錐面の一部であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載の光源装置において、前記凸面状の円錐台形のテーパ面はその頂角が、前記凹面状の円錐台形のテーパ面の頂角より大きくないことを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の光源装置において、前記リング状部材の斜面は該リング状部材の周面に形成されたネジ面の一部であり、前記ＬＤホルダの斜面は前記リング状部材を受け入れる座ぐり穴部の内周面に形成されたネジ面の一部であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の光源装置において、前記ＬＤホルダにネジ嵌合する前記リング状部材のねじ込み量によって、前記ＬＤホルダに結合すべき光学系に対し、コリメート調整ができることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の光源装置において、前記ＬＤホルダは比較的熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の光源装置において、前記比較的熱伝導率の高い材料としてクロム銅を用いることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の光源装置において、前記リング状部材は電気的に絶縁性であり、比較的熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の光源装置において、前記電気的に絶縁性であり、比較的熱伝導率の高い材料としてセラミック材料を用いることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の光源装置において、少なくとも前記ＬＤホルダと前記リング状部材の間の接触面は摩擦抵抗が小さくなるよう構成されていることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の光源装置を、少なくともコリメートレンズを含む光学系に結合させた光学系ユニットを特徴とする。
請求項１３に記載の発明では、請求項１２に記載の光学系ユニットを搭載した光走査装置を特徴とする。
請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載の光走査装置を用いる画像読み取り装置を特徴とする。
請求項１５に記載の発明では、請求項１３に記載の光走査装置を用いる画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、特別な調整装置を組み込まなくても、温度変化による光軸ずれの生じない光源装置を得ることができる。

本発明は、ほぼ中央部の片面側に段差部とそれに連なる貫通穴を有するＬＤホルダの、他方の面に仮想の頂点を有する円錐台形の凹面状のテーパ面に、ほぼ同形の凸面状のテーパ面を有するリング状部材をテーパ面同士接触させ、該リング状部材はほぼ中央部にＬＤを保持し、ＬＤの背面からＬＤ押さえ板でＬＤをＬＤホルダ側に押圧してなる光源装置を基本とする。

図１は本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
同図において符号２０はＬＤ、２１はＬＤホルダ、２２はリング状部材、２３はＬＤ押さえ板、２４は止めネジをそれぞれ示す。
ＬＤホルダ２１は、例えばクロム銅のような熱伝導率の比較的高い材料からなり、ほぼ中央部に光束透過用の貫通穴２１ａを有し、さらにその穴に接続して凹面状のテーパ面２１ｂが形成されている。テーパ面２１ｂは円錐の頂部を切り取った円錐台の斜面に相当する形状をしている。リング状部材２２は、上記と同様に熱伝導率が比較的高く電気絶縁性のセラミック材料からなり、ほぼ中央部に前記貫通穴２１ａとほぼ同径の光束透過用の貫通穴２２ａを有する。貫通穴２２ａと外径との間の片側にはテーパ面２２ｂが形成されており、反対側にはＬＤ２０を落とし込む段差部２２ｃが形成されている。テーパ面２２ｂはテーパ面２１ｂと同様円錐台の斜面に相当する形状をしている。

表１は材料の熱伝導率を示す表である。
リング状部材２２は電気的に絶縁性を有し、なるべく熱伝導率の高い材料が好ましい。本実施形態では、絶縁性で且つ、機械的強度にも優れているセラミック材料を使用する。セラミック材は原料の違いにより熱伝導率に幅が有るので、中でも熱伝導率の高い材料を選んで用いている。
ＬＤホルダ２１も比較的熱伝導率の高い材料を用いる。熱伝導率の高い材料として一般に銅系の材料が用いられる。表１に示すように、純銅が最も熱伝導率が高いが、機械的強度が弱いため銅合金として用いられる。クロム銅は機械的強度に優れていてしかも熱伝導率が或る程度高いのでＬＤホルダとして好適である。
ＬＤ２０の発熱を吸収するためには、ＬＤ２０とリング状部材２２との接触面積や、リング状部材２２とＬＤホルダ２１との接触面積、ＬＤホルダ２１と冷却素子との接触面積なども重要な要因になる。これらの要因や材料コストとの関係で、使用可能な材料の範囲は変わってくる。
一般に金属材料は比較的熱伝導率の高い材料に属し、合成樹脂材料は比較的熱伝導率の低い材料に属す。セラミック材料は熱伝導率の幅が広いので用途に応じて使い分ける。

ＬＤ２０のつば部と段差部２２ｃとはほとんど遊びのない状態で嵌合しており、リング状部材２２は、そのテーパ面がＬＤホルダのテーパ面２１ｂにほぼ密着するように、同心状態に取り付け、ばね性のあるＬＤ押さえ板２３でＬＤ２０の後面を押さえ、押さえ板２３の周辺部を複数の止めネジ２４でネジ止めする。押さえ板２３は、それ自身ばね性を持たない部材にして、その代わり、弾力性のある部材を間にはさんで押圧するようにしてもよい。
ＬＤホルダ２１とリング状部材２２の接触面となる両テーパ面は互いの摩擦抵抗がなるべく小さくなるようにしておく。摩擦抵抗を小さくする方法としては、例えば、少なくともどちらか一方の表面に摩擦抵抗を下げる表面処理をすればよい。あるいは、両者の接触面積を小さくする形状にしてもよい。両者を併用すればなおよい。
ＬＤホルダ２１のリング状部材２２を受け入れる面は、リング状部材の外径より大きい座ぐり部２１ｃを有し、想定される温度変化の範囲における最低の温度においても両者が接触しない程度の隙間を持たせておく。

同図に示す組み付け状態で、大きな温度変化が生じた場合を考える。
セラミック材料は線膨張係数があまり大きくないので、温度変化に対して形状の変化は僅かである。それに対し、クロム銅は線膨張係数が比較的大きいので温度変化に対する、形状の変化が大きく出る。従来例では両者の形状変化の違いが、相対的な移動となって現れた。本実施形態ではそのような現象が生じないことを説明する。説明を簡単にするため、リング状部材２２は温度変化に対して形状変化しないものとして扱う。

例えば温度低下の場合、ＬＤホルダ２１全体が収縮する。当然、貫通穴２１ａも小さくなり、テーパ面２１ｂも縮小する。このとき、どこか特定の一点が大きな摩擦抵抗をもっていたとすると、リング状部材２２はその一点のみがＬＤホルダ２１の収縮に伴って移動し、リング状部材２２全体がそれにつられて平行移動してしまう。もしそうなれば、光軸ずれが発生することになる。本実施形態では、接触面における摩擦抵抗を小さくしてあるので、ＬＤホルダ２１のテーパ面２１ｂが変化すると、リング状部材２２のテーパ面２２ｂに対し平均に力がかかり、ＬＤ２０を押さえ板２３の方向へ押す。リング状部材２２のテーパ面２２ｂはＬＤホルダ２１のテーパ面２１ｂに対し、常時ほぼ全面で接するような位置を保つ。したがって、ＬＤホルダ２１の貫通穴２１ａとリング状部材２２の貫通穴２２ａは初期設定されたほぼ同心の状態を保ち、結果としてＬＤ２０の光軸ずれが発生しない。凹面、凸面の両テーパ面は、原則としては同じ頂角の円錐台が望ましいが、製造誤差は避けられないので、凸面の方の円錐台の頂角、すなわち、テーパ面２２ｂの開き角の方が相手側より大きくならないような公差を設定しておくとよい。なぜなら、双方の頂角が一致しない場合は両テーパ面が全面で接触することはなくなり、頂部に近い側か底部に近い側のどちらか一方で接触が生ずることになり、この場合、頂部に近い方で接触する方が接触面積が小さくなるからである。ただし、ＬＤ２０の光軸の向きが不安定になることを防ぐためには、上記頂角の大小関係は逆にした方が良い。

図２は本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
同図において符号Ｏは貫通穴２１ａの中心線、ＰはＬＤホルダ２１の一面２１ｄと中心線Ｏとの交点をそれぞれ示す。
本実施形態ではテーパ面２１ｂが点Ｐを仮想の頂点とする円錐形状をなしている。中心線Ｏは設計上の光軸になっている。したがって、テーパ面２１ｂは光軸上に頂点を有している。
クロム銅は線膨張係数が３次元的に等方性であるため、ＬＤホルダ２１が温度変化によって形状変化を生ずる場合、全体が比例縮小、比例拡大になる。すなわち、テーパ面２１ｂが点Ｐから引いた直線上に載っているので、点Ｐを中心に考えた場合、テーパ面は点Ｐに向かって収縮したり、点Ｐから延びるように膨張する。これによって、テーパ面２１ｂは、あたかも、光軸方向に移動しないかのように見える。したがって、リング状部材２２のテーパ面２２ｂは見かけ上不動のテーパ面２１ｂに接触して、光軸方向の移動が生じなくなる。ただし、両テーパ面の間のスベリは発生するので、摩擦抵抗を小さくしておくことは前述と同じである。

本構成は、リング状部材２２の線膨張係数が無視できる場合を想定しているが、これが無視できない場合は若干構成を変えなければならない。例えば、上記構成において、温度上昇に伴ってリング状部材２２が無視できない程度に膨張した場合、ＬＤ２０はＬＤホルダの一面２１ｄから離れる方向に移動する。この現象を防ぐためには、ＬＤホルダ２１のテーパ面が見かけ上一面２１ｄに近づくように設定してやればよい。実際の構成としてはＬＤホルダ２１のテーパ面の円錐頂点を、点Ｐよりも外に、すなわち頂点が一面２１ｄから飛び出す方向に、設定する。飛び出し量はリング状部材２２とＬＤホルダ２１の線膨張係数によって決める。頂点の設定位置は、この構成の場合と、前述の点Ｐに一致させる場合とを含めて一面２１ｄの近傍と呼ぶことにする。

図３は本発明の第３の実施形態を説明するための部分図である。
同図において符号３１はＬＤホルダ、３２はリング状部材、３３はＬＤ押さえ板をそれぞれ示す。
ＬＤホルダ３１は、リング状部材３２を受け入れるための座ぐり部が形成されており、その内周は貫通穴３１ａと同心のネジ部が形成されている。リング状部材３２は外周にネジ部が形成されており、ＬＤホルダ３１のネジ部と嵌合できるようになっている。ＬＤを取り付けたリング状部材３２をＬＤホルダ３１のネジ部にねじ込んでＬＤ２０背面からＬＤ押さえ板３３で押さえると、ネジ部に遊びがある場合、ＬＤ押さえ板３３の押圧力によってリング状部材３２のネジ部は同図の右方向に押され、ネジ山の右側に向いた斜面３２ｂがＬＤホルダ３１のネジ山の左側に向いた斜面３１ｂに当接する。同図では下半分の図を省略しているが、下半分でも状況は全く同じである。

前述のように、ＬＤホルダ３１とリング状部材３２はその材質の違いにより、線膨張係数が著しく異なる。したがって、温度が変化すると両者のネジ部の間の遊びの程度が変化する。その場合でも、押さえ板３３の押圧力によって、斜面３１ｂと斜面３２ｂは全周に亘って常時接触を保つため、両方のネジの中心位置は一致したまま変わることがない。
したがって、温度変化があっても、ＬＤの光軸ずれが発生することがなくなる。
なお、予想される温度変化の幅における前記遊びの最大値においてネジ部が外れてしまうようなことが生じないような大きさのネジ山を選択することが必要である。逆に遊びの最小値においてＬＤホルダ３１とリング状部材３２が締まりすぎて破壊を生ずることがないような遊び量を確保しておく必要がある。
温度変化によって遊び量が変化したとき、遅滞なく両斜面の接触が均等になるようにするため、接触面の摩擦抵抗は十分に小さくしておく。元々、接触面積はあまり大きくないので、ネジ面の表面処理等で摩擦抵抗を減らしておくとよい。

図５に示したように、本発明の光源装置は、コリメートレンズを含む光学系と結合する使い方がある。ＬＤホルダは断熱部材を介して光学系の鏡胴と結合することになるが、ＬＤの移動ができない構造であれば、コリメートレンズを動かしてコリメート調整をすることになる。その場合、コリメートレンズを出射した光束を受ける他の光学系を取り付ける前に、コリメート調整をしなければならない。しかし、本実施形態のように、ＬＤと一体になったリング状部材３２が、ＬＤホルダ３１に対して光軸方向に移動可能である構成の場合は、光学系の鏡胴がコリメートレンズを含みその他の光学系と一体化されていても、ＬＤを光軸方向に動かすことによって、コリメート調整が可能になる。
図５に示しているが、コリメートレンズの調整は、コリメートレンズセル１５をレンズセルホルダ１６にねじ込む構成になっているので、ここにも図３に示したような遊びの大きいネジ嵌合と押さえ部材を用いれば、コリメートレンズセル１５とレンズセルホルダ１６の相対的な線膨張係数の違いが大きくても、温度変化が光学的特性に影響するようなことがなくなる。

本発明の第１の実施形態を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態を説明するための部分図である。 走査光学系の一例を示す図である。 光源装置の構成の一例を示す図である。 温度変化におけるＬＤとＬＤホルダの穴との関係を説明する図である。

符号の説明

２０ ＬＤ
２１ ＬＤホルダ
２２ リング状部材
２３ ＬＤ押さえ板
３１ ＬＤホルダ
３２ リング状部材

Claims (15)

1. 半導体レーザ（以下ＬＤと称す）と、該ＬＤを保持して光学系部材に接続するためのほぼ中央部に貫通穴を有するＬＤホルダと、前記ＬＤを前記ＬＤホルダの方向に押圧する押圧部材と、を有する光源装置において、前記ＬＤと前記ＬＤホルダの間にリング状部材を介在させ、該リング状部材は、少なくとも前記押圧方向に面する斜面を有し、前記ＬＤホルダは、少なくとも前記リング状部材の前記斜面に接触する斜面を有することを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、前記リング状部材の斜面は凸面状の円錐台形のテーパ面であり、前記ＬＤホルダの斜面は前記リング状部材の前記テーパ面にほぼ一致する凹面状の円錐台形のテーパ面であることを特徴とする光源装置。
3. 請求項２に記載の光源装置において、前記凹面状のテーパ面は、前記ＬＤホルダの前記リング状部材に接する面と反対側の面の近傍に仮想の頂点を有する円錐面の一部であることを特徴とする光源装置。
4. 請求項２または３に記載の光源装置において、前記凸面状の円錐台形のテーパ面はその頂角が、前記凹面状の円錐台形のテーパ面の頂角より大きくないことを特徴とする光源装置。
5. 請求項１に記載の光源装置において、前記リング状部材の斜面は該リング状部材の周面に形成されたネジ面の一部であり、前記ＬＤホルダの斜面は前記リング状部材を受け入れる座ぐり穴部の内周面に形成されたネジ面の一部であることを特徴とする光源装置。
6. 請求項５に記載の光源装置において、前記ＬＤホルダにネジ嵌合する前記リング状部材のねじ込み量によって、前記ＬＤホルダに結合すべき光学系に対し、コリメート調整ができることを特徴とする光源装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の光源装置において、前記ＬＤホルダは比較的熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置において、前記比較的熱伝導率の高い材料としてクロム銅を用いることを特徴とする光源装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の光源装置において、前記リング状部材は電気的に絶縁性であり、比較的熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする光源装置。
10. 請求項９に記載の光源装置において、前記電気的に絶縁性であり、比較的熱伝導率の高い材料としてセラミック材料を用いることを特徴とする光源装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の光源装置において、少なくとも前記ＬＤホルダと前記リング状部材の間の接触面は摩擦抵抗が小さくなるよう構成されていることを特徴とする光源装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の光源装置を、少なくともコリメートレンズを含む光学系に結合させたことを特徴とする光学系ユニット。
13. 請求項１２に記載の光学系ユニットを搭載したことを特徴とする光走査装置。
14. 請求項１３に記載の光走査装置を用いることを特徴とする画像読み取り装置。
15. 請求項１３に記載の光走査装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
    

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