JP2014220401A - 光デバイス、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子の寸法を大きくすることなく、受光素子の出力を大きくすることができる光デバイスを提供する。
【解決手段】 光デバイス１０は、面発光レーザアレイチップ６０、フォトダイオードＰＤ、フラットパッケージ２０、ガラス板４２などを有している。ガラス板４２は、面発光レーザアレイチップ６０から射出された光束の一部がガラス板４２で反射され、モニタ用光束としてフォトダイオードＰＤで受光されるように、ｃ軸方向に直交する面に対して１５°〜２３°の範囲内で傾斜して、フラットパッケージ２０に取り付けられている。また、面発光レーザアレイチップ６０は、フォトダイオードＰＤに対してモニタ用光束がｓ偏光となるように配置されている。
【選択図】図１６

Description

本発明は、光デバイス、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、パッケージ部材を有する光デバイス、該光デバイスを有する光走査装置、及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

一般に、電子部品や半導体素子等を保持するためのパッケージ部材として、放熱性に優れたセラミックパッケージが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献２には、発光素子と受光素子を備えた光モジュール用のシールド部品が開示されている。

特許文献３には、垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）素子と受光素子と透明部材とを備えた光デバイスが開示されている。なお、以下では、垂直共振器型の面発光レーザを単に「面発光レーザ」ともいう。

しかしながら、発光素子と受光素子と透明部材とを備えた従来の光デバイスでは、受光素子の出力が小さいという不都合があった。

本発明は、複数の発光部を有する発光素子と、前記発光素子から射出された光の光量をモニタするための受光素子と、前記発光素子から射出された光の一部を前記受光素子に向けて反射する透明部材とを備え、前記透明部材で反射された光は、前記受光素子に対してｓ偏光である光デバイスである。

本発明の光デバイスによれば、受光素子の寸法を大きくすることなく、受光素子の出力を大きくすることができる。

本発明の一実施形態に係るカラープリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置を説明するための図（その１）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その２）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その３）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その４）である。 従来の光源ユニットを説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ光デバイスを説明するための図である。 図７（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。 面発光レーザアレイチップを説明するための図である。 フラットパッケージの平面図である。 フラットパッケージの側面図である。 図１０のＡ−Ａ断面図である。 シールリングを説明するための図である。 図１３の側面図である。 図１３のＡ−Ａ断面図である。 リッドを説明するための図（その１）である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれリッドを説明するための図（その２）である。 配列中心とフォトダイオードの受光面との関係を説明するための図である。 発光部ｖ５のモニタ用光束とフォトダイオードの受光面との関係を説明するための図である。 図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は、それぞれ発光部の構造を説明するための図である。 図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）は、それぞれ傾斜基板を説明するための図である。 フォトダイオードの受光面に対してモニタ用光束がｐ偏光となる場合を説明するための図である。 フォトダイオードの受光面に対してモニタ用光束がｓ偏光となる場合を説明するための図である。 反射率と入射角との関係のシミュレーション結果を説明するための図である。 図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）は、それぞれ反射率の実測方法を説明するための図である。 モニタ用光束がｐ偏光の場合の、反射率の実測結果を説明するための図である。 モニタ用光束がｓ偏光の場合の、反射率の実測結果を説明するための図である。 発光部間偏差及び書き込み不良判定率と傾斜角との関係を説明するための図である。 図２４の一部を拡大した図である。 傾斜角と反射率の関係の実測結果を説明するための図である。 ガラス板に設けられている反射防止膜を説明するための図である。 ガラス板で反射される光を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図３２に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るカラープリンタ２０００の概略構成が示されている。

このカラープリンタ２０００は、４色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、光走査装置２０１０、４つの感光体ドラム（２０３０ａ、２０３０ｂ、２０３０ｃ、２０３０ｄ）、４つのクリーニングユニット（２０３１ａ、２０３１ｂ、２０３１ｃ、２０３１ｄ）、４つの帯電装置（２０３２ａ、２０３２ｂ、２０３２ｃ、２０３２ｄ）、４つの現像ローラ（２０３３ａ、２０３３ｂ、２０３３ｃ、２０３３ｄ）、４つのトナーカートリッジ（２０３４ａ、２０３４ｂ、２０３４ｃ、２０３４ｄ）、転写ベルト２０４０、転写ローラ２０４２、定着装置２０５０、給紙コロ２０５４、排紙ローラ２０５８、給紙トレイ２０６０、排紙トレイ２０７０、通信制御装置２０８０、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置２０９０などを備えている。

通信制御装置２０８０は、ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御する。

プリンタ制御装置２０９０は、ＣＰＵ、該ＣＰＵにて解読可能なコードで記述されたプログラム及び該プログラムを実行する際に用いられる各種データが格納されているＲＯＭ、作業用のメモリであるＲＡＭ、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路などを有している。そして、プリンタ制御装置２０９０は、通信制御装置２０８０を介して受信した上位装置からの多色の画像情報を光走査装置２０１０に通知する。

感光体ドラム２０３０ａ、帯電装置２０３２ａ、現像ローラ２０３３ａ、及びクリーニングユニット２０３１ａは、組として使用され、ブラックの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｋステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｂ、帯電装置２０３２ｂ、現像ローラ２０３３ｂ、及びクリーニングユニット２０３１ｂは、組として使用され、シアンの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｃステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｃ、帯電装置２０３２ｃ、現像ローラ２０３３ｃ、及びクリーニングユニット２０３１ｃは、組として使用され、マゼンタの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｍステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｄ、帯電装置２０３２ｄ、現像ローラ２０３３ｄ、及びクリーニングユニット２０３１ｄは、組として使用され、イエローの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｙステーション」ともいう）を構成する。

各感光体ドラムはいずれも、その表面に感光層が形成されている。なお、各感光体ドラムは、不図示の回転機構により、図１における面内で矢印方向に回転する。

各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面をそれぞれ均一に帯電させる。

光走査装置２０１０は、プリンタ制御装置２０９０からの多色の画像情報（ブラック画像情報、シアン画像情報、マゼンタ画像情報、イエロー画像情報）に基づいて色毎に変調された光束で、対応する帯電された感光体ドラムの表面を走査する。これにより、画像情報に対応した潜像が各感光体ドラムの表面にそれぞれ形成される。すなわち、ここでは、各感光体ドラムが像担持体であり、各感光体ドラムの表面が被走査面である。ここで形成された潜像は、感光体ドラムの回転に伴って対応する現像装置の方向に移動する。なお、光走査装置の構成については後述する。

各現像ローラは、回転に伴って、対応するトナーカートリッジ（図示省略）からのトナーが、その表面に薄く均一に塗布される。そして、各現像ローラの表面のトナーは、対応する感光体ドラムの表面に接すると、該表面における光が照射された部分にだけ移行し、そこに付着する。すなわち、各現像ローラは、対応する感光体ドラムの表面に形成された潜像にトナーを付着させて顕像化させる。ここでトナーが付着した像（トナー画像）は、感光体ドラムの回転に伴って転写ベルト２０４０の方向に移動する。

イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各トナー画像は、所定のタイミングで転写ベルト２０４０上に順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。

給紙トレイ２０６０には記録紙が格納されている。この給紙トレイ２０６０の近傍には給紙コロ２０５４が配置されており、該給紙コロ２０５４は、記録紙を給紙トレイ２０６０から１枚ずつ取り出す。該記録紙は、所定のタイミングで転写ベルト２０４０と転写ローラ２０４２との間隙に向けて送り出される。これにより、転写ベルト２０４０上のカラー画像が記録紙に転写される。カラー画像が転写された記録紙は、定着装置２０５０に送られる。

定着装置２０５０では、熱と圧力とが記録紙に加えられ、これによってトナーが記録紙上に定着される。トナーが定着された記録紙は、排紙ローラ２０５８を介して排紙トレイ２０７０に送られ、排紙トレイ２０７０上に順次積み重ねられる。

各クリーニングユニットは、対応する感光体ドラムの表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラムの表面は、再度対応する帯電装置に対向する位置に戻る。

次に、前記光走査装置２０１０の構成について説明する。

光走査装置２０１０は、一例として図２〜図５に示されるように、４つの光源（２２００ａ、２２００ｂ、２２００ｃ、２２００ｄ）、４つのカップリングレンズ（２２０１ａ、２２０１ｂ、２２０１ｃ、２２０１ｄ）、４つの開口板（２２０２ａ、２２０２ｂ、２２０２ｃ、２２０２ｄ）、４つのシリンドリカルレンズ（２２０４ａ、２２０４ｂ、２２０４ｃ、２２０４ｄ）、光偏向器２１０４、４つの走査レンズ（２１０５ａ、２１０５ｂ、２１０５ｃ、２１０５ｄ）、６枚の折り返しミラー（２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃ、２１０６ｄ、２１０８ｂ、２１０８ｃ）、及び不図示の走査制御装置などを備えている。

なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系において、各感光体ドラムの長手方向（回転軸方向）に沿った方向をＸ軸方向、光偏向器２１０４の回転軸に平行な方向をＺ軸方向として説明する。

また、以下では、各光学部材において、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。

光源２２００ａとカップリングレンズ２２０１ａと開口板２２０２ａとシリンドリカルレンズ２２０４ａと走査レンズ２１０５ａと折り返しミラー２１０６ａは、感光体ドラム２０３０ａに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｂとカップリングレンズ２２０１ｂと開口板２２０２ｂとシリンドリカルレンズ２２０４ｂと走査レンズ２１０５ｂと折り返しミラー２１０６ｂと折り返しミラー２１０８ｂは、感光体ドラム２０３０ｂに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｃとカップリングレンズ２２０１ｃと開口板２２０２ｃとシリンドリカルレンズ２２０４ｃと走査レンズ２１０５ｃと折り返しミラー２１０６ｃと折り返しミラー２１０８ｃは、感光体ドラム２０３０ｃに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｄとカップリングレンズ２２０１ｄと開口板２２０２ｄとシリンドリカルレンズ２２０４ｄと走査レンズ２１０５ｄと折り返しミラー２１０６ｄは、感光体ドラム２０３０ｄに潜像を形成するための光学部材である。

各カップリングレンズは、対応する光源から射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光束とする。

各開口板は、開口部を有し、対応するカップリングレンズを介した光束を整形する。

各シリンドリカルレンズは、対応する開口板の開口部を通過した光束を、光偏向器２１０４の偏向反射面近傍にＹ軸方向に関して結像する。

各光源と光偏向器２１０４との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。

光偏向器２１０４は、２段構造のポリゴンミラーを有している。各ポリゴンミラーは、４面の偏向反射面を有している。そして、１段目（下段）のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ２２０４ａからの光束及びシリンドリカルレンズ２２０４ｄからの光束がそれぞれ偏向され、２段目（上段）のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ２２０４ｂからの光束及びシリンドリカルレンズ２２０４ｃからの光束がそれぞれ偏向されるように配置されている。なお、１段目のポリゴンミラー及び２段目のポリゴンミラーは、互いに位相が略４５°ずれて回転し、書き込み走査は１段目と２段目とで交互に行われる。

光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ａからの光束は、走査レンズ２１０５ａ、及び折り返しミラー２１０６ａを介して、感光体ドラム２０３０ａに導光される。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｂからの光束は、走査レンズ２１０５ｂ、及び２枚の折り返しミラー（２１０６ｂ、２１０８ｂ）を介して、感光体ドラム２０３０ｂに導光される。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｃからの光束は、走査レンズ２１０５ｃ、及び２枚の折り返しミラー（２１０６ｃ、２１０８ｃ）を介して、感光体ドラム２０３０ｃに導光される。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｄからの光束は、走査レンズ２１０５ｄ、及び折り返しミラー２１０６ｄを介して、感光体ドラム２０３０ｄに導光される。

各感光体ドラム表面の光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラムの長手方向に沿って移動する。

各感光体ドラムにおける光スポットの移動方向が「主走査方向」であり、感光体ドラムの回転方向が「副走査方向」である。

光偏向器２１０４と各感光体ドラムとの間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。

ところで、発光素子が保持されるパッケージ部材は、発光素子が搭載される搭載部、及び該搭載部あるいは該搭載部の周辺から下方に導出された一対のメタライズ配線部材を有する基体と、この基体の上面に積層され、キャビティ領域を形成するための開口が設けられた枠体とを有している。また、キャビティ領域の底面には発光素子に電力を供給するための配線パターンがめっき金属層によって形成されている。このパッケージ部材は、以下の工程を経て作製される。

最初に、セラミックからなる基体用グリーンシートを準備し、該基体用グリーンシートに上記メタライズ配線部材を通すための貫通孔をあける。

次に、セラミックからなる枠体用グリーンシートを準備し、該枠体用グリーンシートにキャビティ領域となる貫通孔をあける。

続いて、基体用グリーンシートの上面から下面にかけて、メタライズ配線部材用の金属ペーストをスクリーン印刷法等により塗布する。なお、該金属ペーストは、タングステンやモリブデンなどの金属粉末と有機バインダ及び溶剤等とを混練したものである。

また、枠体用グリーンシートの貫通孔の内面に、上記メタライズ金属層用の金属ペーストをスクリーン印刷法等により塗布する。なお、貫通孔への印刷では、一般に、貫通孔の一端に金属ペーストを塗布しておき、他端から吸引しながら貫通孔の内部を印刷する方式が採用されている。

そして、基体用グリーンシートに枠体用グリーンシートをのせ、加圧と加熱によってセラミック基板を作製し、さらに高温で焼成する。

そして、搭載部、メタライズ配線導体及びメタライズ金属層の露出表面に、ニッケルや銀等をめっきする。

このようにして作製されたパッケージ部材に保持される発光素子の一例として面発光レーザがある。面発光レーザは、基板表面に直交する方向に光を射出する半導体レーザであり、従来の端面発光レーザに比べて低コストで高性能であること、さらにはアレイ化が容易であるという特徴を有している。このため、光インターコネクション等の光通信の光源、光ピックアップ用の光源、レーザプリンタ等の画像形成装置の光源としての検討が行われており、一部において実用化されている。

図６には、レーザモジュール５００と光学モジュール６００とを有する従来の光源ユニット１４が示されている。

レーザモジュール５００は、面発光レーザアレイチップがパッケージ部材に保持されている光デバイス５１０、該面発光レーザアレイチップを駆動制御するレーザ制御装置（図示省略）、前記光デバイス５１０及びレーザ制御装置が実装されているＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）基板５８０を有している。

光学モジュール６００は、第１の部分６１０と第２の部分６３０から構成されている。第１の部分６１０は、ハーフミラー６１１、集光レンズ６１２、及び受光素子６１３を有している。また、第２の部分６３０は、カップリングレンズ６３１、及び開口板６３２を有している。

第１の部分６１０は、光デバイス５１０の＋ｃ側であって、光デバイス５１０から射出された光の光路上にハーフミラー６１１が位置するように配置されている。ハーフミラー６１１に入射した光の一部は−ｂ方向に反射され、集光レンズ６１２を介して受光素子６１３で受光される。受光素子６１３は、受光光量に応じた信号（光電変換信号）をレーザモジュール５００のレーザ制御装置に出力する。

第２の部分６３０は、第１の部分６１０の＋ｃ側であって、ハーフミラー６１１を透過した光の光路上にカップリングレンズ６３１が位置するように配置されている。カップリングレンズ６３１は、ハーフミラー６１１を透過した光を略平行光とする。開口板６３２は、開口部を有し、カップリングレンズ６３１を介した光を整形する。開口板６３２の開口部を通過した光が、光源ユニット１４から射出される光となる。

しかしながら、この光源ユニット１４は、製造コストが高いという不都合があった。

そこで、面発光レーザアレイチップから射出された光束の一部を、リッドに固定されている傾斜した透明部材の表面で反射させ、モニタ用光束として利用することが考案された。この場合は、モニタ用光束を受光するフォトダイオードを面発光レーザアレイチップとともにパッケージ部材のキャビティ領域内に収容することとなる。

本実施形態では、各光源は、一例として図７（Ａ）〜図８に示されるように、光デバイス１０を有している。なお、図８は、図７（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

この光デバイス１０は、フラットパッケージ２０、シールリング３０、リッド４０、面発光レーザアレイチップ６０、及びフォトダイオードＰＤなどを有している。

ここでは、フラットパッケージ２０の底面に直交する方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向に直交する面内における互いに直交する２つの方向をａ軸方向及びｂ軸方向とする。そして、ａ軸方向が主走査対応方向となり、ｂ軸方向が副走査対応方向となるように設定されている。

面発光レーザアレイチップ６０は、一例として図９に示されるように、２次元的に配列されている４０個の発光部を有している。なお、発光部の数は４０個に限定されるものではない。

４０個の発光部は、全ての発光部を副走査対応方向（ここでは、ｂ軸方向と同じ）に延びる仮想線上に正射影したときに、発光部間隔が等しく（図９では「ｄ１」）なるように配置されている。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは２つの発光部の中心間距離をいう。

各発光部は、発振波長が７８０ｎｍ帯の面発光レーザである。すなわち、面発光レーザアレイチップ６０は、４０個の面発光レーザが集積されたものである。

面発光レーザアレイチップ６０は、４０個の発光部を有しており、端子の数が多いため、面発光レーザアレイチップ６０をいわゆるキャンパッケージに収容するのは、極めて困難である。そこで、面発光レーザアレイチップ６０は、平面実装が可能で、リードとなる端子の取り出しが容易なフラットパッケージ２０に収容されている。

フラットパッケージ２０は、ＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ ｌｅａｄｅｄ ｃｈｉｐ ｃａｒｒｉｅｒ）と呼ばれるフラットパッケージであり、一例として、図１０〜図１２に示されるように、チップマウント部２１、ＰＤマウント部２２、複数の接続端子２３、金めっき部２４などを有するセラミックパッケージである。なお、図１２は、図１０のＡ−Ａ断面図である。このフラットパッケージ２０は、複数のセラミック層が積層されている。

フラットパッケージ２０は、＋ｃ側の面にキャビティ領域と呼ばれる凹部を有している。

チップマウント部２１は、面発光レーザアレイチップ６０が実装される部分であり、上記キャビティ領域の底面である。このチップマウント部２１には、金属膜が設けられている。この金属膜は、ダイアタッチエリアとも呼ばれており、共通電極になっている。

面発光レーザアレイチップ６０は、チップマウント部２１のほぼ中央であって、上記金属膜上にＡｕＳｎ等の半田材を用いてダイボンドされている（図８参照）。すなわち、面発光レーザアレイチップ６０は、周囲が壁で囲まれているキャビティ領域の底面上に保持されている。

チップマウント部２１からは、不図示の複数のリード端子が、フラットパッケージ２０の外周に向かって放射状に伸びている。該複数のリード端子は、ボンディングワイヤによって、面発光レーザアレイチップ６０の複数の端子と電気的に接続されている。なお、以下では、チップマウント部２１が設けられているセラミック層を、「セラミック層Ａ」ともいう。

ＰＤマウント部２２は、上記セラミック層Ａの＋ｃ側に積層されているセラミック層（以下では、「セラミック層Ｂ」ともいう）に設けられている。

フォトダイオードＰＤは、ＰＤマウント部２２にダイボンドされている。フォトダイオードＰＤのアノード電極は、ボンディングワイヤによって上記リード端子と電気的に接続されている。フォトダイオードＰＤの裏面のカソードは、導電性接着剤を介してグラウンド（ＧＮＤ）と電気的に接続されている。すなわち、面発光レーザアレイチップ６０とフォトダイオードＰＤは、異なるセラミック層上に保持されている。

複数の接続端子２３は、面発光レーザアレイチップ６０をプリント基板等と電気的に接続するための端子であり、キャステレーションとも呼ばれている。該複数の接続端子２３は、上記複数のリード端子と個別に電気的に接続されている。

金めっき部２４は、キャビティ領域を取り囲むように設けられている。この金めっき部２４は、無電解めっきよりも緻密で密着性に優れた電気めっきにより形成されている。これにより、リッド４０内部の気密性をより高めることができる。ここでは、金めっき部２４のめっき厚は約１μｍである。

フラットパッケージ２０の外形は、一辺の長さＣ（図１１参照）が約１３ｍｍの正方形である。また、フラットパッケージ２０の厚さＤ（図１１参照）は、約２ｍｍである。

シールリング３０は、一例として、図１３〜図１５に示されるように、金めっき部２４の＋ｃ側に取り付けられている。なお、図１４は図１３の側面図であり、図１５は図１３のＡ−Ａ断面図である。このシールリング３０は、キャビティ領域を取り囲むように開口部が形成された略正方形状の金属部材である。

シールリング３０は、フラットパッケージ２０の材料であるセラミックと熱膨張率の近いコバールでできている。シールリング３０の表面には金めっきが施されている。シールリング３０は、銀ロウを用いて金めっき部２４に固着されている。

リッド４０は、一例として図１６に示されるように、金属で形成されているリッド本体４１、及びガラス板４２を有している。リッド本体４１は、図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示されるように、ｃ軸方向に延びる立ち上がり部４１ａと、立ち上がり部４１ａの−ｃ側の端部に設けられたフランジ部４１ｂと、立ち上がり部４１ａの＋ｃ側の端部に設けられた傾斜部４１ｃとを有している。ここでは、一例として、図１７（Ａ）における符号Ｈを０．１ｍｍ、符号ｈ１を２．５ｍｍ、符号ｈ２を０．５ｍｍとしている。

フランジ部４１ｂは、シールリング３０と接続される平坦状の部分である。傾斜部４１ｃは、ガラス板４２が取り付けられる部分である。

ガラス板４２は、面発光レーザアレイチップ６０における複数の発光部の配列中心（図９参照）に発光部があると仮定したときに、該発光部から射出されガラス板４２で反射されてフォトダイオードＰＤで受光される光束の中心が、フォトダイオードＰＤの受光面の中心と略一致する（図１８参照）ように、ｃ軸方向に直交する面に対して、所定の角度だけ傾斜して傾斜部４１ｃに取り付けられている。なお、ガラス板４２は、リッド本体４１の内側から、低融点ガラス４３で傾斜部４１ｃに固定される（図１６参照）。

本実施形態では、ガラス板４２の傾斜角は１５°〜２３°の範囲内にあることが重要である。

なお、以下では、面発光レーザアレイチップ６０から射出されガラス板４２で反射された光束を「モニタ用光束」ともいう。また、面発光レーザアレイチップ６０から射出されガラス板４２を透過した光束が、光デバイス１０から射出される光束であり、対応する感光体ドラムを光走査するための「書き込み用光束」となる。

フォトダイオードＰＤは、受光面に入射した光束の光量に応じた大きさの電流をモニタ電流として生成する。

ところで、本実施形態のように、面発光レーザアレイチップとフォトダイオードとをパッケージ内の小さなキャビティ領域内に収容する場合、フォトダイオードは極力小さなサイズのものを選択する必要がある。そのような小さなフォトダイオードでは受光面も自ずと小さな面積となり、小さなモニタ電流しか生成されないということになる。フォトダイオードのモニタ電流があまりに小さいと、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）が困難になる。

ここでＡＰＣについて説明する。画像形成装置では、温度変化や経時変化に伴って走査用光束の光量が変化し、最終的に出力される画像（出力画像）に濃度むらが発生するおそれがある。そこで、これを抑制するため、通常、光走査装置では、光源から射出される光束の一部をモニタ用光束としてフォトダイオード等の光検出器で受光し、その結果に基づいて、光源の出力レベルを制御するＡＰＣを実施している。

端面発光レーザを用いた光走査装置では、端面発光レーザから後方に射出される光をモニタし、ＡＰＣを行っていた。しかしながら、面発光レーザではその構造上、後方への射出光が生じないため、面発光レーザを用いた光走査装置では、面発光レーザから射出された光束の一部を分岐させて光検出器に導き、その光検出器の出力に基づいてＡＰＣを行うという方法が考えられた。

この方法の場合、あまり多くの光束を分岐させてフォトダイオードに導くと、書き込み用光束の光量が少なくなって好ましくない。従って、フォトダイオードへ分岐させる光束をできるだけ少なくしたいが、それでは光量が少なく、小さなフォトダイオードで生成されるモニタ電流では効率的で安定したＡＰＣができない。また、光源の発光パワーは、所定の範囲内で変動し、最大値は最小値の５〜６倍となることが多く、小さなフォトダイオードを用いると光源が最小値の発光パワーで点灯されるときに精度良く制御するのが困難である。通常、ＡＰＣを行うには少なくとも１０μＡのモニタ電流が必要とされている。

また、面発光レーザアレイチップのように複数の発光部を有していると、配列中心からの距離が大きい発光部が存在する。そして、該発光部から射出されガラス板４２で反射されてフォトダイオードＰＤで受光される光束の中心は、フォトダイオードＰＤの受光面の中心とは一致しない（図１９参照）。このとき、フォトダイオードで生成されるモニタ電流はさらに小さくなることが懸念される。

面発光レーザアレイチップ６０の各発光部の構造が図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）に示されている。ここでは、レーザ発振方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に垂直な面内における互いに直交する２つの方向をｘ軸方向及びｙ軸方向として説明する。

各発光部は、基板１０１、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ１０７、被選択酸化層１０８、コンタクト層１０９、保護層１１１、ｐ側電極１１３、ｎ側電極１１４、及びモードフィルタ（１１５Ａ、１１５Ｂ）などを有している。

基板１０１は、表面が鏡面研磨面であり、図２１（Ａ）に示されるように、鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。すなわち、基板１０１はいわゆる傾斜基板である。ここでは、図２１（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０ −１ １］方向が＋ｘ方向、結晶方位［０ １ −１］方向が−ｘ方向となるように配置されている。

図２０（Ａ）に戻り、バッファ層１０２は、基板１０１の＋ｚ側の面上に積層され、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体ＤＢＲ１０３は、バッファ層１０２の＋ｚ側に積層され、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４０．５ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部スペーサ層１０４は、下部半導体ＤＢＲ１０３の＋ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋ｚ側に積層され、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰの３重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層は０．７％の圧縮歪みを誘起する組成であるＧａＩｎＡｓＰからなり、各障壁層は０．６％の引張歪みを誘起する組成であるＧａＩｎＰからなる。

上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部半導体ＤＢＲ１０７は、上部スペーサ層１０６の＋ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２４ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

被選択酸化層１０８は、ｐ−ＡｌＡｓからなる厚さ３０ｎｍの層であり、上部半導体ＤＢＲ１０７内に挿入されている。この被選択酸化層１０８の挿入位置は、電界の定在波分布において、活性層１０５から３番目となる節に対応する位置である。

被選択酸化層１０８は、製造工程の一つである水蒸気中での熱処理工程で、被選択酸化層１０８中のＡｌ（アルミニウム）がメサの外周部から選択的に酸化され、メサの中央部に、Ａｌの酸化物１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂが残留する。すなわち、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。

コンタクト層１０９は、上部半導体ＤＢＲ１０７の＋ｚ側に積層され、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。

保護層１１１は、ＳｉＮからなる層である。

ｐ側電極１１３は、Ｃｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕからなる多層膜、もしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層膜である。このｐ側電極１１３で囲まれた領域が射出領域である。

ｎ側電極１１４は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

モードフィルタ（１１５Ａ、１１５Ｂ）は、コンタクト層１０９の＋ｚ側であって、射出領域内でその中心部から外れた部分に設けられ、該部分の反射率を中心部の反射率よりも低くする誘電体膜からなる。ここでは、モードフィルタ（１１５Ａ、１１５Ｂ）は、ＳｉＮからなり、光学的厚さがλ／４である。

この発光部は、基本横モードの光出力を低下させることなく、高次横モードの発振を抑制するとともに、偏光方向がｘ軸方向の直線偏光を安定して射出することができる（例えば、特許文献３参照）。

ところで、面発光レーザは、基板表面に直交する方向に光を射出するものであり、基板表面に平行な方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザ素子（以下では、「端面発光レーザ素子」ともいう）よりも低価格、低消費電力、小型、２次元デバイスに好適、かつ高性能であることから、近年注目されている。

面発光レーザ素子の応用分野としては、プリンタにおける光書き込み系の光源（発振波長：７８０ｎｍ帯）、光ディスク装置における書き込み用光源（発振波長：７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯）、光ファイバを用いるＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの光伝送システムの光源（発振波長：１．３μｍ帯、１．５μｍ帯）が挙げられる。さらには、ボード間、ボード内、集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）のチップ間、及び集積回路のチップ内の光伝送用光源としても期待されている。

これらの応用分野においては、面発光レーザ素子から射出される光（以下では、「射出光」ともいう）は、（１）断面形状が円形、（２）偏光方向が一定、であることが必要とされる場合が多い。

射出光の断面形状を円形とするには、高次横モードの発振を抑制することが必要であり、様々な試みがなされている（例えば、特許第３５６６９０２号公報参照）。

また、射出光の偏光方向を制御する様々な試みがなされている（例えば、特許第３９５５９２５号公報参照）。

さらに、高次横モードの発振制御と偏光方向の制御とを両立させることが検討された（例えば、特開２００７−２０１３９８号公報及び特開２００４−２８９０３３号公報参照）。

面発光レーザアレイチップ６０における複数の発光部は、基本横モードで偏光方向が揃った直線偏光のレーザ光を射出することができる。

ところで、電場の振動方向が入射面に平行な直線偏光は「ｐ偏光」と呼ばれ、電場の振動方向が入射面に直交する直線偏光は「ｓ偏光」と呼ばれている。

そこで、図２２に示されるように、面発光レーザアレイチップ６０から射出される光束の偏光方向がａ軸方向と平行になるように面発光レーザアレイチップ６０が配置されると、フォトダイオードＰＤの受光面に対してモニタ用光束はｐ偏光となる。

そして、図２３に示されるように、面発光レーザアレイチップ６０から射出される光束の偏光方向がａ軸方向に直交するように面発光レーザアレイチップ６０が配置されると、フォトダイオードＰＤの受光面に対してモニタ用光束はｓ偏光となる。

図２４には、ガラスに入射するｐ偏光及びｓ偏光について、フレネルの式を用いて計算した入射角と反射率との関係が示されている。なお、ガラスの屈折率は１．５１、反射角を１９°とした。これによると、「ｓ偏光の反射強度」／「ｐ偏光の反射強度」は約１．３６であった。そこで、モニタ用光束がｓ偏光の場合は、モニタ用光束がｐ偏光の場合に比べ、フォトダイオードＰＤへの入射光量が約１．３６倍になることが予想される。

次に、複数の発光部（ｖ４、ｖ５、ｖ３６、ｖ３７）について、図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）に示されるように、ガラス板４２がないときのレーザ光の光強度、及び反射膜が設けられていないガラス板４２を透過したレーザ光の光強度をパワーメータ（ＨＰ ８１５３Ａ）で実測した。なお、ガラス板４２を透過したレーザ光の光強度は、モニタ用光束がｓ偏光の場合と、モニタ用光束がｐ偏光の場合とについて実測した。また、ガラス板４２の傾斜角は１９°、レーザ光の発光電流は２ｍＡとし、同一条件での測定回数を２回とした。

そして、ガラス板４２がないときのレーザ光の光強度とガラス板４２を透過したレーザ光の光強度との差から、ガラス板４２による光強度の減衰量を求め、該減衰量に基づいてガラス板４２での反射率を算出した。

モニタ用光束がｐ偏光の場合についての測定結果が図２６に示されている。また、モニタ用光束がｓ偏光の場合についての測定結果が図２７に示されている。

これらの実測結果によると、ガラス板４２では、「ｓ偏光の反射率」／「ｐ偏光の反射率」は、約１．２４であった。そこで、モニタ用光束がｓ偏光となるように設定することで、フォトダイオードＰＤに入射する光量を、モニタ用光束がｐ偏光の場合の約１．２４倍にできることがわかった。

ところで、ガラス板４２の傾斜角が小さいと、フォトダイオードＰＤと面発光レーザアレイチップ６０との中心間距離が短くなり、実装の際に干渉する恐れが生じる。例えば、面発光レーザアレイチップ６０の複数の端子とフラットパッケージ２０の複数のリード端子とをワイヤーボンディングする際に、フォトダイオードＰＤがキャピラリーに接触する不具合が多発する。

図２８には、４０個の発光部についてＡＰＣを行ったときの発光パワーの最大値と最小値の差異（発光部間偏差）及び書き込み不良判定率とガラス板４２の傾斜角との関係が示されている。これによると、ガラス板４２の傾斜角が１５°以下であれば、発光部間偏差が３％以上となる。なお、３％という発光部間偏差の値は、画質安定性を維持できる上限の値である。

図２９は、図２４の一部を拡大したものである。ｐ偏光では入射角（＝ガラス板４２の傾斜角）が大きくなると反射率が低くなっていくが、ｓ偏光では入射角が大きくなると反射率も大きくなることがわかる。

このように、モニタ用光束をｐ偏光ではなくｓ偏光にすることで、反射膜が設けられていないガラス板であっても充分な反射光を得ることが可能となった。そして、反射膜が設けられていないガラス板を使うことで、波長依存性がなくなり、コスト低下を図ることができる。特にガラス板は、コスト的に非常に有利な部材であり、発明者らの納入実績として７０％までコストを下げることが可能となった。

このように、ｓ偏光ではガラス板４２の傾斜角が大きくなると反射率が大きくなることが確かめられた。しかしながら、図２９に示されるように、ガラス板４２の傾斜角が２３°を超えると、反射率は、傾斜角が０°のときの１．２倍以上になってしまう。反射率があまりに大きいとガラス板４２を透過するレーザ光の光量が低下してしまい、書き込みに必要なパワーの光を得ることができなくなってしまう。

また、ガラス板４２の傾斜角が大きくなるとフォトダイオードＰＤへの入射角が大きくなり、そのため表面反射でのケラレが大きくなってフォトダイオードＰＤでのモニタ電流が不足してくる。ガラス板４２の傾斜角が大きくなると、これらの相乗効果によって、書き込み不良と判定される許容基準値を超える率が１．５％を超えてしまうことになった。

ガラス板４２での反射率があまりに小さいと、モニタ電流が小さくなるため、フォトダイオードＰＤの出力信号のＳ／Ｎが低下し、ＡＰＣが困難になる。

そこで、更にフォトダイオード３０へ導入する光量を上げたい場合は、反射層をガラス表面に形成しても構わない。ガラスだけよりも更に反射率を上げ、安定した反射率が期待できるのだが、その際はコストが上がってしまうことは勘案されるべきである。

ガラス板４２は、一例として図３１に示されるように、＋ｃ側の面に反射防止膜４６が形成されている。これにより、面発光レーザアレイチップ６０から射出された光を高い反射率で反射させて、フォトダイオードＰＤに入射させることができ、フォトダイオードＰＤにモニタ光として十分な光量の光を入射させることができる。また、反射防止膜４６を設けることにより、＋ｃ側の面での界面反射を減らし、エタロン効果の影響を低減することができる。

また、反射防止膜４６は、反射率が１％以下であることが好ましく、更には、０．５％以下であることが好ましい。

反射防止膜４６は、ガラス板４２の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜、または、所定の膜厚の高屈折率材料と低屈折率材料とが交互に積層された誘電体多層膜により構成されている。

本実施形態では、ガラス板４２は、図３２における領域Ａに含まれる光の一部を反射させてフォトダイオードＰＤに入射させることができる。

なお、ガラス板４２の−ｃ側の面に反射膜を設ける場合、該反射膜は、所定の透過率で光を透過させる薄い金（Ａｕ）等からなる金属膜、あるいは、誘電体多層膜からなるミラーにより構成されている。該誘電体多層膜は、ミラーとしての機能を有するように、所定の厚さの高屈折率材料と低屈折率材料とが交互に積層されている。高屈折率材料としては、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等が挙げられ、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

走査制御装置は、所定のタイミング毎に、フォトダイオードＰＤの出力信号に基づいて、各発光部のＡＰＣを実施する。

ところで、面発光レーザ素子と受光素子とがパッケージ部材に実装され、ｐ偏光のモニタ用光束をブリュースター角で受光素子に入射させる光デバイスが特許文献３に開示されている。これは、受光素子の表面での反射率を非常に小さくすることを目的としており、本実施形態の光デバイス１０とは全く異なるものである。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置２０１０は、４つの光源（２２００ａ、２２００ｂ、２２００ｃ、２２００ｄ）、４つの偏向器前光学系、光偏向器２１０４、４つの走査光学系、及び走査制御装置などを備えている。

各光源は、面発光レーザアレイチップ６０と、該面発光レーザアレイチップ６０の発光光量をモニタするためのフォトダイオードＰＤと、面発光レーザアレイチップ６０及びフォトダイオードＰＤがキャビティ領域に保持されているフラットパッケージ２０と、面発光レーザアレイチップ６０から射出された光束の一部をフォトダイオードＰＤに向けて反射するガラス板４２を有するリッド４０と、フラットパッケージ２０とリッド４０との間に設けられ、キャビティ領域を密閉するためのシールリング３０とを備えた光デバイス１０を有している。

面発光レーザアレイチップ６０は、フォトダイオードＰＤに対してモニタ用光束がｓ偏光となるように配置されている。また、ガラス板４２の傾斜角は１５°〜２３°の範囲内にあり、反射防止膜４６の反射率は１％以下である。

この場合は、フォトダイオードＰＤを大きくすることなく、フォトダイオードＰＤのモニタ電流を大きくすることができる。

そこで、光走査装置２０１０は、高品質の潜像を安定して形成することができる。また、カラープリンタ２０００は、光走査装置２０１０を備えているため、その結果として、高品質の画像を安定して形成することができる。

なお、上記実施形態では、発光部の発振波長が７８０ｎｍ帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。感光体の特性に応じて、発光部の発振波長を変更しても良い。

また、上記光デバイスは、画像形成装置以外の用途にも用いることができる。その場合には、発振波長は、その用途に応じて、６５０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の波長帯であっても良い。

また、上記実施形態では、画像形成装置としてカラープリンタの場合について説明したが、これに限定されるものではなく、単色のプリンタであっても良い。

また、上記実施形態では、トナー画像を記録紙に転写する画像形成装置について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、レーザ光によって発色する媒体（例えば、用紙）に直接、レーザ光を照射する画像形成装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

１０…光デバイス、２０…フラットパッケージ（パッケージ部材）、３０…シールリング、４０…リッド、４１…リッド本体、４１ａ…立ち上がり部、４１ｂ…フランジ部、４１ｃ…傾斜部、４２…ガラス板（透明部材）、４６…反射防止膜、６０…面発光レーザアレイチップ（発光素子）、２０００…カラープリンタ（画像形成装置）、２０１０…光走査装置、２０３０ａ〜２０３０ｄ…感光体ドラム（像担持体）、２１０４…光偏向器、２１０５ａ〜２１０５ｄ…走査レンズ（走査光学系の一部）、２２００ａ〜２２００ｄ…光源、ＰＤ…フォトダイオード（受光素子）。

特開平１１−２６０９４９号公報 特開２００７−３０００３１号公報 特開２０１１−２３３５４９号公報

Claims (7)

1. 複数の発光部を有する発光素子と、
   前記発光素子から射出された光の光量をモニタするための受光素子と、
   前記発光素子から射出された光の一部を前記受光素子に向けて反射する透明部材とを備え、
   前記透明部材で反射された光は、前記受光素子に対してｓ偏光である光デバイス。
2. 前記発光素子及び受光素子をキャビティ領域に保持するパッケージ部材と、
   前記透明部材を保持するリッドと、
   前記パッケージ部材と前記リッドとの間に設けられ、前記キャビティ領域を密閉するためのシールリングとを備えることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記発光素子は、垂直共振器型の面発光レーザアレイチップであり、
   前記複数の発光部は、偏光方向が揃った直線偏光を射出することを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記透明部材は、前記発光素子の光射出面に対して傾斜しており、その傾斜角は１４°〜２３°の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光デバイス。
5. 前記透明部材は、該透明部材を透過した光が射出される面に反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光デバイス。
6. 光によって被走査面を走査する光走査装置であって、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の光デバイスを有する光源と、
   前記光源からの光を偏向する光偏向器と、
   前記光偏向器により偏向された光を前記被走査面に導光する走査光学系とを備える光走査装置。
7. 像担持体と、
   前記像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する請求項６に記載の光走査装置とを備える画像形成装置。