JP4559058B2 - 光源ユニットの光軸設定方法および光源ユニット、光走査装置、画像読取装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
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。
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はリング形状の補助部材、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は中央部付近に座ぐり部を有する貫通穴12aが開いていて、その座ぐり部に落とし込んだ補助部材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。
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。表1に各種材料の熱伝導率を示す。この表では純銅が極めて高い数値を示しているが、純銅は機械的強度に難があるためあまり使われない。
第2ユニットU2はコンプレッサレンズ鏡胴17が鏡胴ホルダ18に載せられ、図示しない保持部材で固定されている。
第1ユニットU1と第2ユニットU2は、コリメートレンズセル15の一部とレンズセルホルダ16の一部を鏡胴ホルダ18にはめ込むように合わせて図示しないネジ等で固定されて光源装置1が完成する。
同図において符号Aは補助部材Cの移動方向を示す矢印を示す。
LD11は補助部材Cにほぼ嵌合ガタがゼロに近い状態に収まっているとする。LDホルダ12の穴12aに対し補助部材Cの大きさは余裕を持たせてある。
LDのはめ込まれた補助部材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と補助部材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補助部材Cに対して片当たりが生ずると、補助部材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。この心ずれは、装置が常温に戻っても解消されないので、光学系に対するLDの光軸がずれたままになってしまう。このような異常温度は、装置の保管中のみならず、輸送中などにも良く発生することである。
「光源」は、半導体光源、即ち、半導体レーザ(LD)もしくは発光ダイオード(LED)である。
「光源ホルダ」は、穴部とその周囲の座ぐり部が同心に形成され、座ぐり部の底面が穴部の深さ方向に直交する構造を有する。
「補助部材」は、平板状であって、光源である半導体光源が「平板面に光軸を直交させて取り付け」られ、光源ホルダの座ぐり部に、嵌合部を落とし込まれる。
此処に言う「半導体光源の光軸」は、半導体光源から放射される発散性の光束において、光強度が最大となる光束軸であり、前述のコリメータレンズに対して適性に光軸合わせされると、コリメータレンズの光軸と一致する。
「押さえ板」は、光源ホルダの座ぐり部に落とし込まれた補助部材に取り付けられた半導体光源を、穴部の中心に関して対称的な複数の部位で押圧し、補助部材の平板面を前記座ぐり部の底面に押圧する。
光源ホルダと補助部材は、互いに腺膨張係数の異なる材質で形成されるが、光源ホルダの座ぐり部の形状と、補助部材の嵌合部の形状とは、一方が円形、他方が円形または正多角形として形成される。また、光源ホルダの座ぐり部の大きさ(内周径)は、補助部材の嵌合部よりも大きくされる。
従って、補助部材の嵌合部が「光源ホルダの座ぐり部」に落とし込まれた状態で、両者の間には遊びがある。
光源ホルダの座ぐり部の大きさと、保持部材の嵌合部の大きさは、座ぐり部に落とし込まれた嵌合部が、光源ユニットの許容温度領域内の温度では、光源ホルダおよび補助部の「温度変化による変形」に拘わらず「座ぐり部の内周部と嵌合部の外周部とが接触しない」ように定められる。
光源ユニットの「許容温度範囲」は、光源ユニットの組たてや、保管、輸送、使用温度等、光源ユニットが蒙る環境変化における温度変化範囲として許容される範囲であり、光源ユニットの設計条件として設定される。
半導体光源を取り付けられた補助部材を、常温において、光源ホルダの穴部に落とし込み、押さえ板により押圧して、仮の位置決め状態とする。
ここに「常温」とは、上記「半導体光源を取り付けられた補助部材を、光源ホルダの穴部に落とし込み、押さえ板により押圧」する作業を行う室内での一般的な室温、即ち20度C±10度C程度の温度である。
半導体光源は、補助部材に取り付けられ、補助部材はその嵌合部が光源ホルダの座ぐり部に落としこまれ、押さえ板で半導体光源を抑えて、補助部材の平板面と「座ぐり部の底面」とを互いに押圧させる。
この状態では、補助部材の平面部と座ぐり部の底面とが接触し合い、押さえ板が半導体光源を押さえており、嵌合部と座ぐり部との落とし込み状態では、両者間に遊びがあるので、補助部材は座ぐり部の中で変位可能であるが、座ぐり部の底部は穴部の深さ方向に直交しており、半導体光源の光軸は保持部材の平板面に直交しているので、補助部材が座ぐり部内で変位しても、変動体レーザの光軸は平行移動するのみであり「光軸の向き」は不変である。
この変位は、光源ホルダが置かれた雰囲気温度による膨張もしくは収縮が止まれば止むので、変位が止まるのを待ち、その後、光源ホルダの温度を常温まで戻す。
このようにして、半導体光源の光軸が設定される。
光源ユニットが常温に戻った状態では、座ぐり部の内周と嵌合部との間には「隙間」が生じている。
上記雰囲気温度は「光源ユニットの許容温度範囲外にある」ので、予め想定された光源ユニットの蒙る環境変動においては生じることが無い。したがって、許容温度範囲内で光源ユニットの温度が変化しても、座ぐり部の穴の内周と頬部材の嵌合部が接触することはなく、座ぐり部の内部で補助部材、従って半導体光源を変位させる力は生じない。
勿論、光源ホルダと補助部材との材料の組み合わせは、クロム銅とセラミックの組み合わせに限らないが、請求項2の組合わせは好適な組み合わせの一つである。
この発明の光源ユニットは、請求項1または2記載の光源ユニットの光軸設定方法により光軸設定された光源ユニットであって「設定された光軸位置が、光源ホルダの穴部の中心と合致していない」ことを特徴とする(請求項3)。
即ち、請求項1または2の光軸設定方法は、座ぐり部の穴部の内周と補助部材の嵌合部との片当たり状態での圧接力により行なわれるので、設定された半導体光源の光軸は、座ぐり部の穴部の中心と一致しない。
この発明の光源装置は、請求項3記載の光源ユニットを用い、光軸設定された光源ユニットの光軸を、光学レンズの光軸に光軸合わせしてなる光走査用の光源装置である(請求項4)。
この発明の光走査装置は請求項4記載の光源装置を用いたことを特徴とし(請求項5)、この発明の画像読取装置は、請求項5記載の光走査装置を用いたことを特徴とし(請求項6)、この発明の画像形成装置は、請求項5記載の光走査装置を用いたことを特徴とする(請求項7)。
クロム銅により形成され、座ぐり部を有する光源ホルダ(以下「LDホルダ」と言う。)と、光源であるLDが一体的に取り付けられ、LDホルダの座ぐり部の穴部に常温において隙間をもって落とし込める外形の嵌合部を有するセラミックからなるリング状の補助部材と、LDホルダに取り付けられ、補助部材に取り付けられたLDを押圧するばね性を有する押さえ板と、を有し、LDホルダと補助部材が互いに線膨張係数が異なる組み合わせになっており、前記穴部の形状と、補助部材の嵌合部の形状が共に円形であるLDユニットの光軸設定方法を実施形態例として説明する。
同図において符号20はLDユニット、21はLD、22は平板状の補助部材、23はLDホルダ、24は押さえ板、25は止めネジをそれぞれ示す。
LD21は補助部材22を介してLDホルダ23の貫通穴23aの周辺に設けられた座ぐり部23bに落とし込まれ、ばね性のある押さえ板24の爪部24aによって接触され押さえられて、止めネジ25によって止められる。押さえ板24は電気的に絶縁性の部材で形成するか、または、爪部24aとLD21との間の接触部に図示しない絶縁性部材を介しておく。この絶縁性部材を後述の摩擦抵抗力を発生させる用途に兼用してもよい。
LD21と補助部材22はほぼ隙間のない状態で嵌合しており、以後の説明では両者は一体として扱う。この状態で、LD21の光軸は「補助部材22の平板面に対して直交」している。
補助部材22の外周と座ぐり部23bの内周の間は常温において若干の隙間が生ずるような大きさにそれぞれが構成されている。
補助部材22と座ぐり部23bの底面(貫通穴23aの深さ方向に直交する平面状である。)との接触部は特に摩擦抵抗が小さくなるように構成されている。摩擦抵抗を小さくする方法として、接触面積を小さくすることと、摩擦抵抗を小さくするための表面処理をすることが挙げられるが、両者を併用すればなお効果が大きくなる。
逆に、LD21と押さえ板24との間は摩擦抵抗が大きくなるよう構成されている。
クロム銅は線膨張係数が非常に大きい(例えば16.7×10−6/°C)のに対し、セラミックの線膨張係数はそれほど大きくない(例えば4.4×10−6/°C)ので、温度変化が生ずると補助部材22とLDホルダ23の間の隙間の大きさが変化する。
LDユニット20を組み上げるに当たって、LD21のLDホルダ23に対する位置、すなわち、貫通穴23aとの同心度については全く気にしないで構わない。
LDユニット20が完成したら、次の工程として断熱材を介してレンズセルホルダに取り付け、コリメートレンズとの心合わせ等を行うのであるが、本発明ではその前にLD21と貫通穴23aとの心ずれ防止工程(光軸設定工程)を入れる。即ち、常温で組み上げられたLDユニット20を「仮の位置決め状態」とし、光軸設定工程を行なう。
LDホルダ23は低温において大きく収縮する。もちろん、補助部材22も収縮はするが、その程度は前者に比べてかなり小さい。両者の収縮量の差によって、座ぐり部23bと補助部材22の間の隙間は減少する。この隙間が上記最低の温度においても0にならないように、常温における隙間の大きさが決定されている。詳細な計算は省略するが、常温を25°Cとして、上記の数値例を直径11mmの座ぐり穴に適用すると、常温における隙間は直径差で約8μm以上あればよい。実際の設計ではこの値を10〜30μm程度になるようにしている。
補助部材22の中心が偶然最初から座ぐり部23bの中心とほぼ一致していた場合は、座ぐり部23bの内周が補助部材22の外周に接触しないこともある。そうでない場合は、LDユニット20全体が周囲温度にほぼ等しくなった時点で、補助部材22の外周のどこか一点と座ぐり部23bの内周の一点が接触した状態となる。ただし、後述のように一方が正多角形の場合は2点で接触することもあり得る。
補助部材22やLDホルダ23が前記最低温度から上昇すると、両者の間には再び隙間が広がるようになる。
このような構成では、押さえ板24がLDホルダ23に取り付けられると、温度変化が生じても、円板の中心と貫通穴23aの中心は常に一致した状態となる。これは、両者の線膨張係数が一致していない場合でも同じである。ただし、両者の線膨張係数が著しく異なると、温度変化によって止めネジ部分に大きなストレスがかかって好ましくないので、なるべく両者の線膨張係数は近い値のものを選ぶとよい。
また、止めネジ25と爪部24aとが、円周方向の廻りに対して位相が一致するように示しているが、必ずしもこれに限定するものではない。例えば両者を60°の位相ずれをもって構成しても効果は全く同じである。
一旦本工程を経たLDユニットは、次の工程でコリメートレンズとの心合わせ等を行った後も、温度変化に対し光軸ずれを生ずることがない。
ただし、LDホルダ23よりも補助部材22の方が線膨張係数が大きい場合、例えば、LDホルダをセラミック材で形成し、補助部材をクロム銅で形成したような場合は、両者の心ずれ防止のための雰囲気を、許容温度領域の上限よりも高温側に設定する。
光源としてLDの場合で説明してきたが、形状が類似であればLDに限らない。例えばLEDであっても本発明は適用できる。この場合、上記説明中のLDはすべてLEDと置き換えて解釈すればよい。
さらに言えば、本発明は、円形穴部(座ぐり部を含む)を有する第1の部材と、該穴部に嵌め込める円形の外形を少なくとも一部に有する第2の部材とのあいだで、両部材の線膨張係数が異なる場合のユニットにおける心合わせ一般に適用することができる。この場合の第2の部材は、LDユニットにおけるLDが嵌合した補助部材に相当する。
21 LD
22 補助部材
23 LDホルダ
24 押さえ板
Claims (7)
- 穴部とその周囲の座ぐり部が同心に形成され、前記座ぐり部の底面が穴部の深さ方向に直交する光源ホルダと、
平板状であって、光源である半導体光源が、平板面に光軸を直交させて取り付けられ、前記座ぐり部に、嵌合部を落とし込まれる補助部材と、
前記光源ホルダの前記座ぐり部に落とし込まれた前記補助部材に取り付けられた半導体光源を、前記穴部の中心に関して対称的な複数の部位で押圧し、前記補助部材の平板面を前記座ぐり部の底面に押圧する、ばね性を有する押さえ板と、を有する光源ユニットにおいて半導体光源の光軸を設定する方法であって、
光源ホルダと補助部材を、互いに腺膨張係数の異なる材質で、且つ、座ぐり部の形状と前記嵌合部の形状のうち、一方を円形、他方を円形または正多角形として形成し、
前記光源ホルダの座ぐり部を、前記嵌合部より大きく形成し、
前記座ぐり部の大きさと、前記嵌合部の大きさを、前記座ぐり部に落とし込まれた前記嵌合部が、光源ユニットの許容温度領域内の温度では、前記光源ホルダおよび前記補助部材の変形に拘わらず前記座ぐり部の内周部と前記嵌合部の外周部とが接触しないように定め、
前記半導体光源を取り付けられた補助部材を、常温において、光源ホルダの穴部に落とし込み、押さえ板により押圧して、仮の位置決め状態とし、
この仮の位置決め状態の光源ユニットを、前記許容温度領域の下限を超える低温度、もしくは上限を超える高温度の雰囲気中に置き、前記光源ホルダと補助部材の腺膨張係数の差による膨張差または収縮差により、座ぐり部の内周部と、補助部材の嵌合部の外周部とを片当たりさせ、両者間の加圧力により前記補助部材を前記座ぐり部内で変位させ、この変位が止まるのを待ち、その後、光源ホルダの温度を常温まで戻すことを特徴とする光源ユニットの光軸設定方法。 - 請求項1記載の光源ユニットの光軸設定方法において、
光源ホルダをクロム銅で形成し、補助部材をセラミックで形成し、仮の位置決め状態の光源ユニットを許容温度領域の下限を超える低温度の雰囲気中に置くことを特徴とする光源ユニットの光軸設定方法。 - 請求項1または2記載の光源ユニットの光軸設定方法により光軸設定された光源ユニットであって、
設定された光軸位置が、光源ホルダの穴部の中心と合致していないことを特徴とする光源ユニット。 - 請求項3記載の光源ユニットを用い、光軸設定された光源ユニットの光軸を、光学レンズの光軸に光軸合わせしてなる光走査用の光源装置。
- 請求項4記載の光源装置を用いたことを特徴とする光走査装置。
- 請求項5記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像読み取り装置。
- 請求項5記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
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