JPH08328050A - 光走査素子、光走査方法及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー・プリンター、デジタル複写機、フ
ァクシミリ等に利用可能な走査速度を有するレーザー光
走査素子、その光走査素子を用いる光走査方法及びその
光走査素子を用いる画像形成装置を提供する。 【構成】 本発明の光走査素子は、薄膜導波路と、それ
に光源からの一定の広がり角を有するレーザー・ビーム
を入射する手段及び該レーザー・ビームを偏向し、平行
光として取り出すための高周波のスイープ信号である表
面弾性波を励起する櫛形電極を具備している。その光走
査方法は、薄膜導波路に光源からの一定の広がり角を有
するレーザー・ビームを入射し、櫛形電極から高周波の
スイープ信号である表面弾性波を励起して、該レーザー
・ビームを周波数が連続的に変化するアナログ変調によ
って偏向し、平行光として取出したレーザー・ビームを
走査させる。また、その画像形成装置は、感光体に光を
照射して潜像を形成する露光手段として、上記光走査素
子を用いるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜導波路と、この薄
膜導波路内にレーザー・ビームを入射させる光源を有
し、薄膜導波路中のレーザー・ビームを偏向するための
表面弾性波を励起する電極が備えられた光走査素子、光
走査方法及びそれを用いた画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー・ビーム・プリンター、デジタ
ル複写機、ファクシミリ等に用いられているレーザー・
ビーム光走査装置は、気体レーザーや半導体レーザーか
らのビームを偏向するポリゴンミラーと呼ばれる回転多
面鏡と、その回転多面鏡により反射されたレーザー・ビ
ームを感光体などの結像面上において等速度直線運動の
状態に集光させるｆ・θレンズとにより構成されたもの
が代表的なものとして使用されている。このようなポリ
ゴンミラーを用いる光走査装置は、ポリゴンミラーをモ
ーターによって高速回転させるために、耐久性に劣ると
ともに騒音が発生するという問題を有し、また光走査速
度がモーターの回転数によって制限されるという問題が
ある。

【０００３】一方、固体型のレーザー・ビーム光偏向装
置としては、音響光学効果を利用した光偏向素子があ
り、なかでも光導波路型素子が期待されている（Ｃ．
Ｓ．Ｔｓａｉ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｉｒｃｕｉｔ
ｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔ．ｖｏｌ．ＣＡＳ−２６（１９７
９）１０７２等）。この光導波路素子は、ポリゴンミラ
ーを用いたレーザー・ビーム光走査装置の欠点を解決す
るレーザー・ビーム光走査素子として、プリンター等へ
の応用が検討されている［野崎他，信学技報，ＯＱＥ８
５−１７７（１９８６）４３および羽鳥他、信学技報、
ＯＱＥ８８−１３９（１９８９）９等］。このような光
導波路型の光偏向素子は、特開昭５２−６８３０７号公
報及び特公昭６３−６４７６５号公報等に示されるよう
に、ＬｉＮｂＯ₃ やＺｎＯ等よりなる光導波路と、この
光導波路内にレーザー・ビームをカップリング（入射）
させる手段を有し、さらにその光導波路中のレーザー・
ビームを音響光学効果により偏向するための表面弾性波
を励起する櫛形の電極と偏向されたレーザー・ビームを
光導波路中よりアウトプットするための手段が備えられ
たものであり、その他に必要に応じて薄膜レンズ等が付
加されたものである。これらの光導波路型の光偏向素子
は、無騒音であって信頼性に優れたものであり、かつ小
型であるという利点を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
の光導波路型の光偏向素子は、一般に音響光学効果によ
る偏向において、表面弾性波の励起をデジタル変調によ
って行うものであり、この変調方式によれば、レーザー
・プリンター、デジタル複写機、ファクシミリ等に用い
る際に、実用的なレーザー・ビームの走査速度を得るこ
とができないという問題があった。一方、デジタル変調
よりも高速なアナログ変調によって表面弾性波の励起を
行うものも知られているが、この変調方式によると変調
後のレーザー光が収束または発散してしまうことから、
やはりレーザー・プリンター、デジタル複写機、ファク
シミリ等に用いる際に、実用的な形状を有するレーザー
・ビームを得ることができないという問題があった。

【０００５】本発明は、従来の技術における上記のよう
な実情に鑑み、その改善を図るべくなされたものであ
る。したがって、本発明の目的は、音響光学効果を利用
した薄膜導波路型の光走査素子において、音響光学効果
による光偏向速度を高速化させるとともに、実用的な形
状を有するレーザー・ビームを得ることにより、レーザ
ー・プリンター、デジタル複写機及びファクシミリ等に
利用可能な走査速度を有するレーザー光走査素子を提供
することにある。本発明の他の目的は、その光走査素子
を用いる光走査方法を提供することにある。本発明のさ
らに他の目的は、その光走査素子を用いた画像形成装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光走査素子は、
薄膜導波路と、該薄膜導波路に光源からの一定の広がり
角を有するレーザー・ビームを入射する手段と、該レー
ザー・ビームを偏向することにより平行光として取り出
すことが可能となるように、高周波の周波数が連続的に
スイープされ、かつ該レーザー・ビームの回折角度に応
じてレーザー・ビームとの干渉範囲における周波数範囲
の大きさもスイープされるような表面弾性波を励起する
ための櫛形電極とを具備することを特徴とする。本発明
の光走査方法は、薄膜導波路に光源からの一定の広がり
角をもったレーザー・ビームを入射し、櫛形電極から高
周波のスイープ信号である表面弾性波を励起して、該レ
ーザー・ビームを連続的に周波数の変化するアナログ変
調によって偏向することにより平行光として取り出した
レーザー・ビームを走査することを特徴とする。本発明
の画像形成装置は、感光体と、感光体を一様に帯電する
帯電手段と、感光体に光を照射して潜像を形成する露光
手段と、該潜像を可視化する現像手段とを設けた画像形
成装置において、該露光手段が、薄膜導波路と、該薄膜
導波路に光源からの一定の広がり角を有するレーザー・
ビームを入射する手段と、該レーザー・ビームを偏向さ
せることにより平行光として取り出すための高周波のス
イープ信号である表面弾性波を励起するための櫛形電極
とを具備する光走査素子であることを特徴とする。

【０００７】以下、本発明について詳細に説明する。本
発明の光走査素子は、薄膜導波路中に単数または複数の
レーザー・ビームを入射させる単数または複数のレーザ
ー、或いは複数のレーザー・ビームを発振するレーザー
・アレイ等の光源と、その入射手段を有し、薄膜導波路
中には、必要に応じてレーザー・ビームの整形を行う薄
膜レンズが配置されている。その光源から薄膜導波路に
入射されるレーザー・ビームは、一定の広がり角である
０°より大きく２０°より小さい角度、望ましくは０°
より大きく１０°より小さい角度に設定される。また、
この一定の広がり角を有するレーザー・ビームを、周波
数スイープ信号制御を行った周波数の連続的に変化する
アナログ変調により偏向するための表面弾性波（ＳＡ
Ｗ）を励起する櫛形電極が備えられており、さらに、こ
の偏向されたレーザー・ビームを薄膜導波路外へ出射す
るための、端面出射、グレーティング、プリズム等の出
射手段が配置された構成を有するものである。このアナ
ログ変調は、後記式［２８］の条件を満たす図４に示す
ような波形の周波数スイープ信号に従って制御すること
が好ましい。

【０００８】本発明において、薄膜導波路を構成する材
料としては、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＺｎＯ、Ｐ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ ［以下、「ＰＺＴ」と記す。］、
（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ ［以下、「ＰＬＺ
Ｔ」と記す。］等が代表的なものとして用いられる。こ
の材料がＬｉＮｂＯ₃ である場合には、例えば、ＬｉＮ
ｂＯ₃ 単結晶ウエハーにＴｉを蒸着した後、Ｔｉを約１
０００℃でＬｉＮｂＯ₃に拡散することによって作製し
た薄膜導波路、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶基板上へＬｉＮｂＯ
₃ 薄膜をＲｆ−マグネトロン・スパッタリングによって
気相エピタキシャル成長して作製した薄膜導波路、α−
Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結晶基板上へＬｉＮｂＯ₃ 薄膜をゾルゲル
法によって固相エピタキシャル成長させて作製した薄膜
導波路等を用いることができる。また、ＺｎＯの場合に
は、例えば、ガラス基板上へ電子ビーム蒸着またはＲｆ
−マグネトロン・スパッタリングによって作製したｃ軸
配向性のＺｎＯ薄膜を形成し薄膜導波路としたものが用
いられ、ＰＬＺＴの場合には、例えば、ＭｇＯ基板上へ
ＰＬＺＴ薄膜をイオンビーム・スパッタリングによって
気相エピタキシャル成長させて作製した薄膜導波路、Ｇ
ａＡｓ基板上のエピタキシャルＭｇＯバッファ層へＰＬ
ＺＴ薄膜をＲｆマグネトロン・スパッタリングによって
気相エピタキシャル成長させて作製した薄膜導波路、Ｓ
ｒＴｉＯ₃ 基板上へＰＬＺＴ薄膜をゾルゲル法によって
固相エピタキシャル成長させて作製した薄膜導波路等を
用いることができる。

【０００９】光源として用いるレーザーとしては、Ｈｅ
−Ｎｅ等の気体レーザー、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導
体レーザーまたはこれらのレーザー・アレイ等が挙げら
れる。 レーザーの発振によるレーザー光は、プリズム
・カップリング、バット・カップリング（またはエンド
・カップリング）、グレーティング・カップリング、エ
バーネッセント・フィールド・カップリング等より選ば
れる方法によって薄膜導波路に導入される。また、薄膜
導波路中に必要に応じて配置するレーザー・ビームの整
形を行うための薄膜レンズとしては、モード・インデッ
クス・レンズ、ルネブルク・レンズ、ジオデシック・レ
ンズ、フレネル・レンズ、グレーティング・レンズ等が
適している。

【００１０】本発明において、薄膜導波路中のレーザー
・ビームを回折偏向させるためのＳＡＷを励起するため
の櫛形電極としては、平行櫛形電極、ＳＡＷ伝搬方向に
電極指間ピッチを変化させたチャープ電極、電極の角度
を変えて複数配置した電極、各電極指間の角度が傾斜し
たチャープ電極、湾曲したすだれ状電極、各電極指の間
隔が電極長さ方向に変化する湾曲電極、電極指間ピッチ
の異なる複数個の電極を角度を変えて配置した電極等を
用いることができる。さらにこれらの内のいずれかの電
極を用いて薄膜導波路中のレーザー・ビームを多重回折
することも可能である。薄膜導波路からレーザー・ビー
ムを出射する手段としては、端面出射、プリズム・カッ
プラー、グレーティング・カップラー、フォーカシング
・カップラー、ＳＡＷグレーティング・カップラー等か
ら適宜選択することができる。

【００１１】一般に、導波路音響光学（ＡＯ）効果によ
る光変調素子は、超音波源および超音波媒体とに分けら
れる。この超音波媒体に要求される物性は、屈折率ｎ
（２階のテンソル）、光弾性係数ｅ（４階のテンソル）
が大きく、密度ρ、超音波速度ｖ、超音波の吸収が小さ
いものである。その性能指数Ｍは次式で表される。 Ｍ＝ｎ⁶ ｅ² ／ρｖ³ ［１］ また、圧電効果は、電気分極Ｄおよび歪みＳについて、
電場Ｅおよび応力Ｔの関数として次式で表される。 Ｄ＝ｄＴ＋εＴＥ ［２］ Ｓ＝ｓＥＴ＋ｄＥ ［３］ ここで、ｄは圧電係数、ｓＥは弾性係数、εＴは誘電率
である。この圧電効果による超音波源に要求される物性
は、電場入力Ｅに対する歪みＳを利用することより、圧
電係数ｄ（３階のテンソル）と電気・機械結合係数ｋ
（３階のテンソル）が高いことである。

【００１２】薄膜素子としては、超音波源および超音波
媒体を兼ねる材料として圧電体を用いることが有効であ
り、結局、性能指数Ｍと結合係数ｋが高い材料が求めら
れる。このため、薄膜導波路材料としては、強誘電体の
圧電効果を用いる際には、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａ
Ｏ₃ 、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等が代表的な材料であ
り、特に、α−Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結晶基板上へＬｉＮｂＯ₃
薄膜をＲｆ−マグネトロン・スパッタリングによって気
相エピタキシャル成長させることにより作製した薄膜導
波路等が好ましく用いられる。例えば、ＬｉＮｂＯ₃ 薄
膜の圧電効果を用いると、表面弾性波（ＳＡＷ）をトラ
ンスデュサーを介して励起させることができる。ＳＡＷ
は薄膜の屈折率を周期的に変化させるので、ＳＡＷに交
わって入射する強誘電体薄膜中へカップリングされたレ
ーザー光は、次式で示されるブラッグ条件下で音響光学
効果によるブラッグ反射を起こす。 ｍλ＝２Λｓｉｎθ_B ［４］ ここで、ｍは回折されたレーザーの次数、λはレーザー
の波長、ΛはＳＡＷの波長、θ_B はブラッグ角（偏向角
×１／２）である。ＡＯ変調においては、ブラッグ反射
条件はさらに次式のようにも表される。 Ｑ＝２πλＬ／ｎΛ² ＞１ ［５］ この［５］式において、ＬはＳＡＷビーム幅である。な
お、Ｑ＜１ではＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折が起こる。こ
の際、トランスデュサーへの入力周波数を変調すること
により、ＳＡＷの波長Λが変化することによってブラッ
グ角θ_B が変化することを利用して、レーザー光を走査
させることができる。

【００１３】この周波数掃引は、一般に図１に示すよう
なデジタル変調によって行われ、入射するコリメートさ
れたレーザー・ビーム（１）と交わる幅のＳＡＷ（３）
の周波数は、適当なステップで変化し、レーザー・ビー
ム幅にわたるＳＡＷの周波数は一定である。また、偏向
角は、次のようにして決まることになる。実効屈折率ｎ
の媒質中においては、光波長は真空中の光の波長λ₀ に
対して次式の関係にあるから、 λ＝λ₀ ／ｎ ［６］ 入射光に対する偏向角２θ_B は、ｆをＳＡＷの周波数、
ｖをＳＡＷの速度とすると、［４］式より次式で表され
る。 ２θ_B ＝２ｓｉｎ^-1（λ／２Λ）＝２ｓｉｎ^-1（λ₀ ／２ｎΛ） ＝２ｓｉｎ^-1（λ₀ ｆ／２ｎｖ）＝２・λ₀ ｆ／２ｎｖ ＝λ₀ ｆ／ｎｖ（＝λ₀ ／ｎΛ）（θ_B が小さいとき） ［７］ さらに、ＳＡＷの周波数帯域Δｆにおける偏向角２Δθ
_B は、［７］式より、次式のようになる。 ２Δθ_B ＝λ₀ Δｆ／ｎｖ ［８］

【００１４】この偏向角を大きくするためには、ＳＡＷ
の伝搬方向に電極指間ピッチを変化させたチャープ電
極、各電極指間の角度が傾斜したチャープ電極、湾曲し
たすだれ状電極、各電極指間隔が電極長さ方向に変化す
る湾曲電極等によるＳＡＷの高周波化・高帯域化や、低
屈折率・低ＳＡＷ速度材料を選択することにより可能で
ある。これらに加えて、ＳＡＷの伝搬方向に電極ピッチ
を変化させたチャープ電極を角度を変えて複数配置した
電極、電極間ピッチの異なる複数個の電極を角度を変え
て配置した電極等によって帯域をいくつかのトランスデ
ュサーに分けて駆動する方法や、二回回折法または多重
回折法等が有効である。

【００１５】図１は、従来のデジタル変調方式によるレ
ーザー・ビームの偏向を示すものであり、薄膜導波路に
入射されるレーザー・ビームが、デジタル変調によって
励起される表面弾性波によって偏向される状態を示すも
のである。図１において、（１）は入射レーザー・ビー
ム、（２）は出射レーザー・ビーム、（３）は中心表面
弾性波（ＳＡＷ）である。このデジタル変調において
は、スポット径、スポット数、スポット移動時間は、次
式によって決められる。すなわち、薄膜導波路中のレー
ザー・ビーム幅をＤ、結像レンズの焦点距離をＦとすれ
ば、回折限界スポット径２ω（１／ｅ² 径）は、 ２ω＝（４／π）・（λ・Ｆ／Ｄ） ［９］ となり、解像レーザー・スポット数Ｎ_d は、次式で表さ
れる。 Ｎ_d ＝２Δθ_B ・Ｆ／２ω＝（π／４）・τ・Δｆ_d ［１０］ ここで、τは、レーザー・ビーム幅に対するＳＡＷの通
過時間であり、ＳＡＷがデジタル変調の場合にはスポッ
ト移動時間となり、これを短くするためには、レーザー
・ビーム幅を小さくするか、またはＳＡＷ速度が速くな
る材料を選択することが必要である。このＮ_d は、Δｆ
_d をＳＡＷの周波数帯域、δｆ_d （＝１／τ）を回折に
必要な周波数変化とすると、次式のようにも表される。 Ｎ_d ＝Δｆ_d ／δｆ_d ＝τ・Δｆ_d ＝Ｄ／ｖ・Δｆ_d ［１１］ したがって、スポット移動時間を短くするとスポット数
は少なくなり、また、スポット数を多くするためにはス
ポット移動時間を長くするという関係にある。スポット
移動時間を変更することなく、スポット数を多くするた
めには、トランスデュサーの帯域を広くすることが有効
である。さらに、τとＮ_d とから、走査速度（時間）ｔ
_d は、ほぼ次式のようになる。 ｔ_d ＝τ×Ｎ_d ＝τ×τ・Δｆ_d ＝τ² ・Δｆ_d ［１２］

【００１６】図２は、従来のアナログ変調方式によるレ
ーザー・ビームの偏向を示すものであり、薄膜導波路に
入射されるレーザー・ビームが、アナログ変調によって
励起されるＳＡＷによって偏向される状態を示すもので
ある。周波数が連続的に変化するアナログ変調の場合に
は、ＳＡＷ（３）の周波数がレーザー・ビームの幅にわ
たって連続的に変化するために、ＳＡＷはフレネル・ゾ
ーン・レンズとして働き、回折されたレーザー・ビーム
（２）は走査されると同時に収束または発散する。この
場合、δｆ_a をレーザー・ビームの幅内におけるアナロ
グ変調によるＳＡＷの周波数帯域とすると、収束の場合
の焦点距離Ｆ及び焦点におけるスポット径ｄは、それぞ
れ次のように表される。 Ｆ＝Ｄｖ／（λδｆ_a ）＝（ｖ² ／λ）・（τ／δｆ_a ） ［１３］ ｄ＝ｖ／δｆ_a ［１４］ また、Ｔ_a を変調スイープ時間（アナログ変調時間
幅）、Δｆ_a をアナログ変調によるＳＡＷの周波数帯域
とすると、走査速度ｔ_a 及び解像レーザー・スポット数
Ｎ_a は、それぞれ次のようになる。 ｔ_a ＝Ｔ_a −τ ［１５］ Ｎ_a ＝（Ｔ_a −τ）／Ｔ_a ・（τ・Δｆ_a ） ［１６］

【００１７】図３は、本発明のアナログ変調方式による
レーザー・ビームの偏向を説明する概略図である。図３
において、ＳＡＷは各電極指間隔が電極長さ方向に変化
する湾曲チャープ電極によって励起されており、このＳ
ＡＷに広がり角がθ_LDのレーザー・ビーム（１）が入射
し、平行ビーム（２）として出射することによって広い
範囲にわたってブラッグ条件が満たされる。図３中のｂ
点における回折には、進行方向（４）のＳＡＷが寄与
し、また、そのｄ点における回折には、進行方向（５）
のＳＡＷが寄与する。このとき、レーザー・ビームの中
心線と中心のＳＡＷ（３）による中心ブラッグ回折面
（６）に対するブラッグ回折角をθ₃ 、入射レーザー・
ビーム（１）の輪郭ａｂがＳＡＷ（３）によるブラッグ
回折面（６）に対して作る角度をθ₁ 、入射レーザー・
ビーム（１）の輪郭ａｄがＳＡＷ（３）によるブラッグ
回折面（６）に対して作る角度をθ₂ とすると、次式が
与えられる。 θ_LD＝θ₁ −θ₂ ［１７］ また、レーザー・ビームの輪郭ａｂｃが、第二のＳＡＷ
（４）による第二ブラッグ回折面（７）と作る角度をθ
_n1、レーザー・ビームの輪郭ａｄｅが第三のＳＡＷ
（５）による第三ブラッグ回折面（８）と作る最小角を
θ_n2、第二ブラッグ回折面（７）と第三ブラッグ回折面
（８）との角をθ_H とすると、これらは、それぞれ次の
ように表される。 θ_H ＝（θ₁ −θ₂ ）／２ ［１８］ θ_n1＝θ₁ −（θ_H ／２）＝θ₁ −（θ₁ −θ₂ ）／４ ＝θ₁ −θ_LD／４＝（３θ₁ ＋θ₂ ）／４ ［１９］ θ_n2＝θ₂ ＋（θ_H ／２）＝θ₂ ＋（θ₁ −θ₂ ）／４ ＝θ₂ ＋θ_LD／４＝（θ₁ ＋３θ₂ ）／４ ［２０］ アナログ変調されたＳＡＷの点ｂにおける波長をΛ₁ 、
周波数をｆ₁ 、点ｄにおける波長をΛ₂ 、周波数をｆ₂
とすると、 Λ₁ ＝ｖ／ｆ₁ ， Λ₂ ＝ｖ／ｆ₂ ［２１］ λ＝２Λ₁ ｓｉｎθ_n1， λ＝２Λ₂ ｓｉｎθ_n2 ［２２］ の関係にあるから、 λ／２Λ₁ −λ／２Λ₂ ＝ｓｉｎθ_n1−ｓｉｎθ_n2 ［２３］ λｆ₁ ／２ｖ−λｆ₂ ／２ｖ＝２ｃｏｓ｛（θ_n1＋θ_n2）／２｝ ・ｓｉｎ｛（θ _n1−θ_n2）／２｝ ［２４］ また、θ_n1＝（３θ₁ ＋θ₂ ）／４、θ_n2＝（θ₁ ＋３
θ₂ ）／４の関係にあるから、 λ／２ｖ（ｆ₁ −ｆ₂ ）＝２ｃｏｓ｛（４θ₁ ＋４θ₂ ）／８｝ ・ｓｉｎ｛（２θ₁ −２θ₂ ）／８｝ ［２５］

【００１８】ここで、δｆ＝ｆ₁ −ｆ₂ とすると、点ｂ
と点ｄにおける周波数の差δｆは、 λδｆ／２ｖ＝２ｃｏｓ｛（θ₁ ＋θ₂ ）／２｝ ・ｓｉｎ｛（θ₁ −θ₂ ）／４｝ ［２６］ また、（θ₁ ＋θ₂ ）／２＝θ₃ 、（θ₁ −θ₂ ）／４
＝θ_LD／４であるから、 λ／２ｖ・δｆ＝２ｃｏｓθ₃ ｓｉｎ（θ_LD／４） ［２７］ δｆ＝２ｖ／λ・｛２ｃｏｓθ₃ ・ｓｉｎ（θ_LD／４）｝ ＝２ｖｎ／λ₀ ・｛２ｃｏｓθ₃ ・ｓｉｎ（θ_LD／４）｝ ［２８］ または、 θ₃ ＝ｃｏｓ^-1（δｆλ／４ｖ・ｓｉｎ（θ_LD／４）） ＝ｃｏｓ^-1（δｆλ₀ ／４ｖｎ・ｓｉｎ（θ_LD／４）） ［２９］ の関係が成立する。

【００１９】本発明においては、上記した周波数の差δ
ｆが、式［２８］の条件を満たす場合には、アナログ変
調においてレーザー・ビームの広がり角θ_LDを固定して
も、偏向されたレーザー・ビームは常に平行光線として
出射できるものであり、図４に示すような波形の周波数
スイープを行うことができる。例えば、λ＝７８０ｎ
ｍ、ｖ＝３５００ｍ／ｓ、ｎ＝２において、θ_LD、
θ₃ 、δｆの関係は、以下のとおりである。 θ_LD＝３０°では、θ₃ ＝１０°においてδｆ＝４６１
４ＭＨｚ、θ₃ ＝５°においてδｆ＝４６６６ＭＨｚ θ_LD＝２０°では、θ₃ ＝１０°においてδｆ＝３０８
２ＭＨｚ、θ₃ ＝５°においてδｆ＝３１１６ＭＨｚ θ_LD＝１５°では、θ₃ ＝１０°においてδｆ＝２３１
２ＭＨｚ、θ₃ ＝５°においてδｆ＝２３３８ＭＨｚ θ_LD＝１０°では、θ₃ ＝１０°においてδｆ＝１５４
２ＭＨｚ、θ₃ ＝５°においてδｆ＝１５６０ＭＨｚ θ_LD＝５°では、θ₃ ＝１０°においてδｆ＝７７２Ｍ
Ｈｚ、θ₃ ＝５°においてδｆ＝７８０ＭＨｚ θ_LD＝０．３°では、θ₃ ＝１０°においてδｆ＝４
６．２８ＭＨｚ、θ₃ ＝５°においてδｆ＝４６．８２
ＭＨｚとなる。 しかし、Δｆ_a を１０００ＭＨｚ（１ＧＨｚ）以上とす
ることは容易ではないために、θ_LDは、実用的には１０
°以下とすることが好ましい。なお、図４において、
（９）は、周波数スイープ特性を制御したアナログ変調
の波形を示すものである。また、（１０）は、ｔ₁ にお
いて、レーザー・ビーム幅にわたって干渉する部分の帯
域δｆ₁ におけるＳＡＷの波形であり、同じく（１１）
は、ｔ₂ において、レーザー・ビーム幅にわたって干渉
する部分の帯域δｆ₂ におけるＳＡＷの波形である。

【００２０】次に、回折効率ηは、近似的に次式で表さ
れる。 η＝ｓｉｎ² ［π／４・Ｉ｛Ｍ・Ｐ・Ｌ／（ｄ・λ² ）｝^1/2 ］ ［３０］ ここで、Ｉは導波光とＳＡＷの重なり積分、Ｍは薄膜導
波路材料の性能指数、ＰはＳＡＷパワー、Ｌは導波光と
ＳＡＷの相互作用長である。ここで、偏向角を大きくす
るため、または分解スポット数を多くするために、ＳＡ
Ｗの高周波化とスイープ周波数の広帯域化を行うと回折
効率が低下するという問題がある。例えば、１０°以上
の偏向角を得るためには、ＳＡＷの周波数は１ＧＨｚ以
上になり、ＳＡＷの吸収が大きくなるために回折効率が
低下する。また、スイープ周波数を広帯域化させるため
にトランスデュサーを広帯域化すると、ＳＡＷの励振効
率が低下することにより回折効率が低下するという問題
がある。このような問題を回避するためには、必要とす
る帯域をいくつかのトランスデュサーに分けて駆動させ
る方法や、二回回折法を採用することが有効である。

【００２１】図５は、本発明の光走査素子の一例を示す
概略図である。図５において、（１２）はα−Ａｌ₂ Ｏ
₃ 基板、（１３）はＬｉＮｂＯ₃ 薄膜導波路、（１４）
は半導体レーザー、（１５）は入射レーザー・ビーム、
（１６）はモード・インデックス・レンズ、（１７）は
表面弾性波、（１８）はチャープ電極、（１９）はグレ
ーティングおよび（２０）は出射レーザー・ビームを示
す。半導体レーザー（１４）よりなる光源からの入射レ
ーザー・ビーム（１５）は、一定の広がり角度を与える
入射手段によってＬｉＮｂＯ₃ の薄膜導波路に入射し、
さらに該薄膜導波路中に設けたモード・インデックス・
レンズ（１６）によってその角度が補正される。次に、
この補正されたレーザー・ビームは、湾曲チャープ電極
（１８）により励起され、連続的に変化する周波数の周
波数スイープ信号制御を行ったアナログ変調のＳＡＷに
よって偏向され、平行光が形成される。この湾曲チャー
プ電極は、ＳＡＷ伝搬方向に各電極指間隔が電極長さ方
向に変化しているものである。この偏向されたレーザー
・ビームは、グレーティング（１９）によって該薄膜導
波路から平行な出射レーザー・ビーム（２０）として出
射される。

【００２２】図６は、本発明の画像形成装置の一例を示
す概略図である。図中、感光体（２１）と、感光体を一
様に帯電する帯電手段（２２）と、感光体に光を照射し
て潜像を形成する露光手段（２３）と、該潜像を可視化
する現像手段（２４）とを設けた画像形成装置であっ
て、該露光手段が、薄膜導波路と、該薄膜導波路に光源
からの一定の広がり角をもったレーザー・ビームを入射
する手段と、該レーザー・ビームを偏向し、平行光とし
て取り出すための高周波のスイープ信号である表面弾性
波を励起するための櫛形電極とを具備する光走査素子を
使用する画像形成装置である。なお、（２５）はクリー
ナー、（２６）は転写器、（２７）は転写紙である。

【００２３】

【実施例】

実施例１ 図５に示すように、α−Ａｌ₂ Ｏ₃ の単結晶基板（１
２）上に形成されたＬｉＮｂＯ₃ からなる薄膜導波路を
使用した。その薄膜導波路端面に半導体レーザー（１
４）を直接固定して、バット・カップリングを行った。
この入射した半導体レーザー・ビーム（１５）は、モー
ド・インデックス・レンズ（１６）によって広がり角度
を０．３°に補正した。その後、ＳＡＷとの干渉部にお
ける半導体レーザー・ビーム幅Ｄ＝１６ｍｍにおいて、
ＳＡＷの伝搬方向（１７）に各電極指間隔が電極長さ方
向に変化する湾曲チャープ電極（１８）によって、周波
数が連続的に変化するアナログ変調によって偏向され
た。このアナログ変調は、式［２８］の条件を満たす図
４に示すような波形の周波数スイープ信号に従って制御
される。すなわち、周波数が連続的にスイープされると
ともに、例えば、レーザー・ビームの回折角度が５°の
ときはδｆ＝４６．８２ＭＨｚ、１０°のときはδｆ＝
４６．２８ＭＨｚとなるように、レーザー・ビームの回
折角度に応じてレーザー・ビームとの干渉範囲における
周波数範囲の大きさもスイープされる。次に、偏向され
たレーザー・ビームは、グレーティング（１９）によっ
て薄膜導波路外へ平行ビームとして出射され、Ｆ・θレ
ンズ等の光学系を経て感光体をレーザー走査露光した。

【００２４】この光走査素子の性能は、入射した半導体
レーザー・ビームの広がり角度θ_LD＝０．３°であり、
変調スイープ時間Ｔ＝８８μｓ、変調帯域Δｆ＝７８０
ＭＨｚ、レーザーの波長λ₀ ＝７８０ｎｍとすると、走
査速度ｔは８３μｓ／ｌｉｎｅとなる。この条件下で感
光体の露光を行うと、感光体プロセス速度が２５０ｍｍ
／ｓでは、Ａ４版サイズの用紙に１２００ｄｏｔ／ｉｎ
ｃｈで毎分６０枚の印字が可能であり、また、感光体プ
ロセス速度が５００ｍｍ／ｓでは、Ａ４版サイズの用紙
に６００ｄｏｔ／ｉｎｃｈで毎分１１０枚の印字が可能
であり、極めて高速な印字を実現させることができた。

【００２５】比較例１ 実施例１と同様に、ＬｉＮｂＯ₃ からなる薄膜導波路を
使用し、半導体レーザーをＬｉＮｂＯ₃ 薄膜導波路端面
へ直接固定することによりカップリングを行う。入射し
た半導体レーザー・ビームは、ジオデシック・レンズに
よってレーザー・ビーム幅Ｄ＝１６ｍｍにコリメートさ
れた後、ＳＡＷの伝搬方向に電極指間ピッチを変化させ
たチャープ電極によってデジタル変調による偏向を行っ
た。この偏向された半導体レーザー・ビームは、グレー
ティングによって薄膜導波路外へ出射され、Ｆ・θレン
ズ等の光学系を経て感光体をレーザー走査露光を行っ
た。この光走査素子の性能は、トランスデュサーの帯域
Δｆ＝７８０ＭＨｚ、レーザーの波長λ₀ ＝７８０ｎｍ
とすると、走査速度ｔは約１６．３ｍｓ／ｌｉｎｅとな
る。この条件下で感光体の露光を行うと、印字はＡ４版
サイズの用紙に毎分１枚以下しか行うことができるにす
ぎず、このような遅い印字速度では実用的でなかった。

【００２６】比較例２ 実施例１と同様に、ＬｉＮｂＯ₃ からなる薄膜導波路を
使用し、半導体レーザーをＬｉＮｂＯ₃ 薄膜導波路端面
へ直接固定することによりカップリングを行う。入射し
た半導体レーザー・ビームは、ジオデシック・レンズに
よってコリメートされた後、ＳＡＷの伝搬方向に電極指
間ピッチを変化させたチャープ電極によって周波数のス
イープ信号制御を行うことなくアナログ変調による偏向
を行った。この偏向されたレーザー・ビームは、薄膜導
波路外へグレーティングによって出射され、Ｆ・θレン
ズ等の光学系を経て感光体をレーザー走査露光した。こ
の光走査素子の性能は、入射した半導体レーザー・ビー
ムの広がり角度θ_LD＝０であり、変調スイープ時間Ｔ＝
８８μｓ、変調帯域Δｆ＝７８０ＭＨｚ、レーザーの波
長λ₀ ＝７８０ｎｍとすると、走査速度ｔは８３μｓ／
ｌｉｎｅとなる。しかし、この条件下で感光体の露光を
行うと、偏向されたレーザー・ビームは焦点距離１５０
ｃｍ程度で集光してしまうために、感光体の均一な露光
が不可能であった。

【００２７】実施例２ α−Ａｌ₂ Ｏ₃ の単結晶基板上に形成されたＺｎＯから
なる薄膜導波路を使用した。その薄膜導波路端面にデュ
アル・ビーム・レーザー・ダイオード・アレイを直接固
定して、カップリングを行った。入射した半導体レーザ
ー・ビームは、そのままＳＡＷの伝搬方向に電極指間ピ
ッチを変化させたチャープ電極によって、実施例１と同
様に周波数スイープ信号制御を行ったアナログ変調によ
る偏向を行った。その偏向された半導体レーザー・ビー
ムはグレーティングによって出射され、レンズなどの光
学系を経て感光体を露光させる。この感光体のレーザー
走査は、感光体ドラムの副走査方向（回転方向）に２ラ
インごとの飛び越し走査によって行った。

【００２８】実施例３ ＬｉＮｂＯ₃ の単結晶基板にＴｉを拡散することによっ
て作製した薄膜導波路を使用した。４ビーム・レーザー
・ダイオード・アレイから出射させた半導体レーザー・
ビームの広がり角度を補正した半導体レーザー・ビーム
をプリズム・カップリングによって薄膜導波路に導入し
た。入射した半導体レーザー・ビームは、ＳＡＷの伝搬
方向に電極指間ピッチを変化させたチャープ電極によっ
て、実施例１と同様に周波数スイープ信号制御を行った
アナログ変調によって偏向される。その偏向されたレー
ザー・ビームは、薄膜導波路外へ出射させるプリズムに
よって出射され、レンズなどの光学系を経て感光体を露
光させる。この感光体のレーザー走査は、感光体ドラム
の副走査方向（回転方向）に４ラインごとの同時走査に
よって行った。

【００２９】実施例４ ＬｉＮｂＯ₃ の単結晶基板にＴｉを拡散することによっ
て作製した薄膜導波路を使用した。二つの半導体レーザ
ーから出射させた半導体レーザー・ビームは、プリズム
・カップリングによって薄膜導波路に導入される。入射
した半導体レーザー・ビームは、ＳＡＷの伝搬方向に電
極指間ピッチを変化させたチャープ電極によって、実施
例１と同様に周波数スイープ信号制御を行ったアナログ
変調によって偏向される。その偏向されたレーザー・ビ
ームは、薄膜導波路外へ出射させるプリズムによって出
射され、レンズなどの光学系を経て感光体を露光させ
る。この感光体のレーザー走査は、感光体ドラムの副走
査方向（回転方向）に２ラインごとの同時走査によって
行った。

【００３０】実施例５ デュアル・ビームレーザー・ダイオード・アレイ上に、
エピタキシャルＭｇＯバッファ層を介して成長させたエ
ピタキシャルＰＺＴからなる薄膜導波路を使用した。半
導体レーザーとしては、ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＧａＡ
ｓの多層構造の成長とレーザー・キャビティとならない
部分にＳｉを拡散させることによって作製した。ＭｇＯ
層は電子ビーム蒸着法による成長およびＰＺＴ層はＲｆ
スパッタリング法による成長によってそれぞれ作製し、
半導体レーザーおよび光走査素子は同一基板上に集積さ
れた。半導体レーザーの発振によるレーザー・ビーム
は、レーザー部の薄膜導波路とＰＺＴ薄膜導波路とを直
列に配置した構造を形成しているものであり、そのＰＺ
Ｔ薄膜導波路に導入させた。入射したレーザー・ビーム
は、そのままＳＡＷの伝搬方向に電極指間ピッチを変化
させたチャープ電極によって実施例１と同様に周波数ス
イープ信号制御を行ったアナログ変調によって偏向され
る。その偏向されたレーザー・ビームは、グレーティン
グによって出射され、レンズなどの光学系を経て感光体
を露光させた。このレーザー走査は、感光体ドラムの副
走査方向（回転方向）に２ラインごとの同時走査によっ
て行った。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、無騒音で信頼性に優れてお
り、かつ音響光学効果を利用した小型の薄膜導波路型の
光走査素子において、デジタル変調によって光偏向させ
るときの速度限界を克服し、レーザー・ビームを高速走
査することができるものであり、また、アナログ変調に
よつて光偏向させた後にレーザー・ビーム幅が収束また
は発散することを防止し、高速の平行光を得ることがで
きるものである。また、本発明の光走査方法は、上記し
た光走査素子を用いることにより高速で走査させること
が可能となった。さらに、画像形成装置において、上記
した光走査素子を感光体の露光に用いることにより、装
置の耐久性等を向上させると共に、極めて高速な印字を
実現させることができる。したがって、本発明の光走査
素子は、低速から高速に至るレーザー・プリンター、デ
ジタル複写機、ファクシミリ等に利用可能である。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のデジタル変調による薄膜導波路中のレ
ーザー・ビームの偏向を示す説明図。

【図２】 従来のアナログ変調による薄膜導波路中のレ
ーザー・ビームの偏向を示す説明図。

【図３】 本発明のアナログ変調による薄膜導波路中の
レーザー・ビームの偏向を示す説明図。

【図４】 本発明による周波数スイープ特性を制御した
アナログ変調の波形。

【図５】 本発明の光走査素子を示す一つの概略図。

【図６】 本発明の画像形成装置の一例を示す概略図。

【符号の説明】

（１）…入射レーザー・ビーム、（２）…出射レーザー
・ビーム、（３）…中心表面弾性波、（４）…第二表面
弾性波、（５）…第三表面弾性波、（６）…中心ブラッ
グ回折面、（７）…第二ブラッグ回折面、（８）…第三
ブラッグ回折面、（９）…周波数スイープ特性を制御し
たアナログ変調波形、（１０）…ｔ₁ において、レーザ
ー・ビーム幅にわたって干渉する部分の帯域δｆ₁ のＳ
ＡＷの波形、（１１）…ｔ₂ において、レーザー・ビー
ム幅にわたって干渉する部分の帯域δｔ₂ のＳＡＷの波
形、（１２）…基板、（１３）…薄膜導波路、（１４）
…半導体レーザー、（１５）…入射レーザー・ビーム、
（１６）…モード・インデックス・レンズ、（１７）…
表面弾性波、（１８）…チャープ電極、（１９）…グレ
ーティング、（２０）…出射レーザー・ビーム、（２
１）…感光体、（２２）…帯電手段、（２３）…露光手
段、（２４）…現像手段、（２５）…クリーナー、（２
６）…転写器、（２７）…転写紙。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜導波路と、該薄膜導波路に光源から
   の一定の広がり角を有するレーザー・ビームを入射する
   手段と、該レーザー・ビームを偏向させることにより平
   行光として取り出すことが可能となるように、高周波の
   周波数が連続的にスイープされ、かつ該レーザー・ビー
   ムの回折角度に応じてレーザー・ビームとの干渉範囲に
   おける周波数範囲の大きさもスイープされるような表面
   弾性波を励起するための櫛形電極とを具備することを特
   徴とする光走査素子。
2. 【請求項２】 一定の広がり角が、０度より大きく１０
   度より小さい範囲の角度であることを特徴とする請求項
   １記載の光走査素子。
3. 【請求項３】 光源が、複数のレーザーまたは複数のレ
   ーザー・ビームを発振する単一の基板上に形成されたレ
   ーザー・アレイであることを特徴とする請求項１または
   請求項２記載の光走査素子。
4. 【請求項４】 レーザー・ビームを入射する手段からの
   レーザー・ビームを整形する手段を設けたことを特徴と
   する請求項１、２または３記載の光走査素子。
5. 【請求項５】 偏向させることにより平行光として取り
   出されたレーザー・ビームを、薄膜導波路外に出射する
   ための手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のい
   ずれか１項に記載の光走査素子。
6. 【請求項６】 薄膜導波路に光源からの一定の広がり角
   を有するレーザー・ビームを入射し、櫛形電極から高周
   波のスイープ信号である表面弾性波を励起して、該レー
   ザー・ビームを連続的に周波数の変化するアナログ変調
   によって偏向することにより、平行光として取り出した
   レーザー・ビームを走査することを特徴とする光走査方
   法。
7. 【請求項７】 表面弾性波が、下記式で表される条件を
   満たすものであることを特徴とする請求項６記載の光走
   査方法。 δｆ＝２ｖ／λ・｛２ｃｏｓθ₃ ・ｓｉｎ（θ_LD／４）｝ ＝２ｖｎ／λ₀ ・｛２ｃｏｓθ₃ ・ｓｉｎ（θ_LD／４）｝ 〔式中、δｆ＝ｆ₁ −ｆ₂ （ｆ₁ はアナログ変調された
   ＳＡＷの１点における周波数、ｆ₂ は隣接点における周
   波数）、λはレーザーの波長、λ₀ は真空中の光の波
   長、ｖはＳＡＷの速度、θ₃ はレーザービームの中心線
   と中心のＳＡＷによる中心ブラッグ回折面に対するブラ
   ッグ角、θ_LD＝θ₁ −θ₂ （θ₁ は入射レーザー・ビー
   ムの輪郭の１点がＳＡＷによるブラッグ回折面に対して
   作る角度、θ₂ は入射レーザー・ビームの輪郭の他の１
   点がＳＡＷによるブラッグ回折面に対して作る角度）で
   ある。〕
8. 【請求項８】 感光体と、感光体を一様に帯電する帯電
   手段と、感光体に光を照射して潜像を形成する露光手段
   と、該潜像を可視化する現像手段とを設けた画像形成装
   置において、該露光手段が、薄膜導波路と、該薄膜導波
   路に光源からの一定の広がり角を有するレーザー・ビー
   ムを入射する手段と、該レーザー・ビームを偏向させる
   ことにより平行光として取り出すための高周波のスイー
   プ信号である表面弾性波を励起する櫛形電極とを具備す
   る光走査素子であることを特徴とする画像形成装置。