(57)【要約】【課題】半導体レーザ装置の放熱効率を改善し、半導体レーザ素子の光出力の低下と熱的クロストークを改善した半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１の基板側に接合されている第１のサブマウント２と、第１のサブマウント２の裏側に接合されている第１のヒートシンク７とを備えた半導体レーザ装置において、第２のサブマウント１０が第２のヒートシンク１２上に接合され、第２のサブマウント１０が半導体レーザ素子１上に接合され、第２のヒートシンク１２が第１のヒートシンク７上に接合されていることを特徴とする。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子の基板側に接合されている第１のサブマウントと、該第１のサブマウントの裏側に接合されている第１のヒートシンクとを備えた半導体レーザ装置において、第２のサブマウントが第２のヒートシンク上に接合され、前記第２のサブマウントが前記半導体レーザ素子上に接合され、前記第２のヒートシンクが前記第１のヒートシンク上に接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記第２のサブマウントが前記半導体レーザ素子上に接合されている面と、前記第２のヒートシンクが前記第１のヒートシンク上に接合されている面とが垂直であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子が前記第１のサブマウント上に第１の半田層を介して接合され、前記第１のサブマウントが前記第１のヒートシンク上に第２の半田層を介して接合され、前記第２のサブマウントが前記第２のヒートシンク上に前記第１または第２の半田層を介して接合され、前記第２のサブマウントが前記半導体レーザ素子上に第３の半田層を介して接合され、前記第２のヒートシンクが前記第１のヒートシンク上に前記第３の半田層を介して接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体レーザ装置において、前記第１の半田層の融点は前記第２の半田層の融点よりも高く、前記第２の半田層の融点は前記第３の半田層の融点よりも高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の半導体レーザ装置において、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクとをレーザ溶接により接合したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子は半導体レーザアレイであることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
感光体と、半導体レーザ装置から出射したビームを前記感光体上に走査する光学系と、前記ビームの走査によって前記感光体上に形成された潜像を現像してトナー画像を形成する現像器と、現像されたトナー画像を被記録媒体上に転写する転写器と、前記被記録媒体上に転写されたトナー画像を当該被記録媒体上に定着する定着器とを有する画像形成装置において、
前記半導体レーザ装置が請求項１ないし６のいずれか１項記載の半導体レーザ装置であることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置及びそれを用いた画像形成装置に係り、半導体レーザ素子の放熱効果を向上させて熱的影響による出力低下を抑えた半導体レーザ装置、及びその半導体レーザ装置を用いることによってレーザ光の出力低下などに起因する画像の濃度低下を抑えた画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子では、電気エネルギーが光エネルギーに変換される際にエネルギー損失が生じて熱エネルギーに転換する。そして発生した熱エネルギーによって半導体レーザ素子の温度が上昇すると、レーザ特性に好ましくない影響が生じる。そこで通常、半導体レーザ素子内で発生する熱を放熱し、かつ半導体レーザ素子の強度を補強するために、半導体レーザ素子の基板側がサブマウントを介してヒートシンクに半田層で接合されている。
【０００３】
図１〜４を用いて従来の半導体レーザ装置の構成を説明する。図１は半導体レーザ装置における第１のサブマウントの斜視図、図２はその第１のサブマウントに半導体レーザ素子を接合した状態を示す斜視図、図３は半導体レーザ装置の要部の構成を示す正面図、図４はその半導体レーザ装置の要部の構成を示す側面図である。
【０００４】
従来の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１と、第１の半田層４を介して半導体レーザの基板側に接合されているサブマウント２と、第２の半田層８を介してサブマウント２の裏面側に接合されているヒートシンク７とを備えている。半導体レーザ素子１の電極とサブマウント２の電極とが第１の半田層４を介して接合され、サブマウント２の電極と電極パット６とはワイヤ５によってワイヤボンディングされており、半導体レーザ素子１は電極パット６を介して外部の機器に接続するようになっている。
【０００５】
半導体レーザ素子１は、１個の半導体レーザ素子とは限らず、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に配列されている場合もある。サブマウント２の材質には、通常、半導体レーザ素子と熱膨張係数が近い銅タングステン（ＣｕＷ）や、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）などが用いられる。
【０００６】
半導体レーザ装置を製作する際には、先ず、サブマウント２の接合面上に形成されている金錫（ＡｕＳｎ）などの半田層４上に半導体レーザ素子１を載せ、金錫の溶融温度２８０℃以上、例えば３００℃以上で加熱して半田層４を溶融させる。次いで、半導体レーザ素子１を載せたままでサブマウント２を放冷すると、半田層が固化して第１の半田層４となり、サブマウント２と半導体レーザ素子１とを接合することができる。続いて、ヒートシンク７の接合面上に銀錫アンチモン（ＡｇＳｎＳｂ）の薄板を載せ、その上に半導体レーザ素子１を接合したサブマウント２を載せ、銀錫アンチモンの溶融温度である２３３℃以上の温度、例えば２５０℃で加熱し、金錫アンチモンを溶融させる。次いで放冷すると金錫アンチモンが固化して第２の半田層８となり、ヒートシンク７とサブマウント２とを接合することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２９９７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子で発生する熱の放熱は半導体レーザ素子とサブマウントを接合している１面を介してほぼなされおり、熱抵抗の低減に限界があり、半導体レーザ素子で発生する熱に起因する光出力の低下（ドループ）が問題となっていた。
【０００９】
特に、複数個の半導体レーザをアレイ状に配列させた半導体レーザアレイでは発生する熱量が大きく、ドループや、１チャンネルの半導体レーザ素子で発生する熱が他チャンネルの光出力に影響を与える熱的クロストークが問題となっていた。特に半導体レーザ装置を電子写真方式の画像形成装置の書き込み光源に用いた場合、光出力の低下が画像濃度の低下につながり、画質を劣化させる原因の一つとなっていた。
【００１０】
本発明の目的は、半導体レーザ装置の放熱効率を大幅に改善し、半導体レーザ素子の光出力の低下（ドループ）及び熱的クロストークの問題を大幅に改善させた半導体レーザ装置、及びドループや熱的クロストークに起因する画像濃度の低下で画質を劣化させることのない画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子の基板側に接合されている第１のサブマウントと、該第１のサブマウントの裏側に接合されている第１のヒートシンクとを備えた半導体レーザ装置において、第２のサブマウントが第２のヒートシンク上に接合され、前記第２のサブマウントが前記半導体レーザ素子上に接合され、前記第２のヒートシンクが前記第１のヒートシンク上に接合されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記第２のサブマウントが前記半導体レーザ素子上に接合されている面と、前記第２のヒートシンクが前記第１のヒートシンク上に接合されている面とが垂直であることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記半導体レーザ素子が前記第１のサブマウント上に第１の半田層を介して接合され、前記第１のサブマウントが前記第１のヒートシンク上に第２の半田層を介して接合され、前記第２のサブマウントが前記第２のヒートシンク上に前記第１または第２の半田層を介して接合され、前記第２のサブマウントが前記半導体レーザ素子上に第３の半田層を介して接合され、前記第２のヒートシンクが前記第１のヒートシンク上に前記第３の半田層を介して接合されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記第１の半田層の融点は前記第２の半田層の融点よりも高く、前記第２の半田層の融点は前記第３の半田層の融点よりも高いことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第５の手段は前記第１ないし第４の手段において、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクとをレーザ溶接により接合したことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記半導体レーザ素子は半導体レーザアレイであることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第７の手段は、感光体と、半導体レーザ装置から出射したビームを前記感光体上に走査する光学系と、前記ビームの走査によって前記感光体上に形成された潜像を現像してトナー画像を形成する現像器と、現像されたトナー画像を被記録媒体上に転写する転写器と、前記被記録媒体上に転写されたトナー画像を当該被記録媒体上に定着する定着器とを有する画像形成装置において、前記半導体レーザ装置が前記第１ないし第６のいずれかの手段の半導体レーザ装置であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は前述のような構成になっており、半導体レーザ装置の放熱効率を大幅に改善し、半導体レーザ素子の光出力の低下（ドループ）及び熱的クロストークの問題を大幅に改善させた半導体レーザ装置、及びドループや熱的クロストークに起因する画像濃度の低下で画質を劣化させることのない画像形成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本実施例では、複数個の半導体レーザ素子をアレイ状に配列した半導体レーザアレイを半導体レーザ素子１として用いた場合について説明する。
【００２０】
半導体レーザ素子１と第１のサブマウント２とのボンディングを図１、図２を用いて説明する。サブマウント２の材質はシリコンカーバイト（ＳｉＣ）で、半導体レーザ素子１よりも大きく、一面の実装面には半導体レーザ素子の各素子の電極とダミー素子の電極の総和に等しい１０本の電極３が設けられている。この１０本の電極３の内、各素子である４本の電極３が、サブマウント２の一端から内側に平行に延在するとともに、この４本の電極３は半導体レーザ素子１の各素子の電極に対面している。そして、各素子、およびダミー素子との対面部分には半田層４が形成されている。半田層４は例えば金錫（ＡｕＳｎ）からなっている。
【００２１】
半導体レーザ素子１はフェイスダウンボンディングにより固定されるようになっている。このフェイスダウンボンディングでは、半導体レーザ素子１の電極を半田層に位置決めして重ね、金錫半田が溶ける温度である２８０℃以上、例えば３００℃で加熱して一時的に溶かし、半導体レーザ素子１をサブマウント２に接合する。
【００２２】
半導体レーザ素子１の各素子の電極が重なる半田層を支持する電極は配線として使用され、かつワイヤ５が接続される為、この電極はチップ固定領域の外側に延在している。
【００２３】
半導体レーザ素子１が接合されている第１のサブマウント２の第１のヒートシンク７への接合を、図３、図４を用いて説明する。
【００２４】
第１のヒートシンク７は、熱伝導率の高い銅（Ｃｕ）で形成されている。第１のヒートシンク７の第１のサブマウント２を接合する面上に銀錫アンチモン（ＡｇＳｎＳｂ）の薄板を載せ、その上に第１のサブマウント２を重ね、銀錫アンチモン（ＡｇＳｎＳｂ）が溶解する２３３℃以上である、例えば２５０℃で加熱して一時的に溶かし、冷却することによって第１のサブマウント２を第１のヒートシンク７上に接合する。
【００２５】
第１のサブマウント２の電極と電極パット６とは、ワイヤ５によってワイヤボンディングされ、半導体レーザ素子１は電極パット６を介して外部の機器に接続されるようになっている。
【００２６】
図５、図６を用いて第２のサブマウント１０と半導体レーザ素子１の上面との接合、第２のヒートシンク１２と第１のヒートシンク７との接合について説明する。図５は本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部の構成を示す正面図、図６はその半導体レーザ装置の要部の構成を示す側面図である。
【００２７】
第２のヒートシンク１２は、第１のヒートシンク７と同じ材料である銅で形成されている。第２のヒートシンク１２上における第２のサブマウント１０の固定位置に金錫（ＡｕＳｎ）の薄板を乗せ、その上に材質がシリコンカーバイト（ＳｉＣ）である第２のサブマウント１０を重ね、金錫（ＡｕＳｎ）の溶解する温度である２８０℃以上、例えば３００℃で加熱して溶解する。その後冷却して第２のサブマウント１０と第２のヒートシンク１２とを接合する。
【００２８】
次に第２のヒートシンク１２の第１のヒートシンク７との接合面に、銀インジウム膜を蒸着する。その後、半導体レーザ素子１の上面に銀インジウムの薄板を乗せ、第１のヒートシンク７と第２のヒートシンク１２とが接する面とをスライドさせて第２のサブマウント１０面と銀インジウム薄板が載せられている半導体レーザ素子１の上面とが接するように移動して固定する。そして銀インジウムの溶解する温度である１４３℃以上、例えば２００℃で加熱して銀インジウムを溶解し、冷却することによって、半導体レーザ素子１と第２のサブマウント１０、第２のヒートシンク１２と第１のヒートシンク７とを接合する。ここで、第２のヒートシンク１２と第１のヒートシンク７との接合をレーザ溶接によって行ってもよい。これにより、第２のヒートシンクの第１のヒートシンクとの接合面に銀インジウムを蒸着する手間が省ける。
【００２９】
このように、第２のヒートシンク１２と第１のヒートシンク７との接合面、第２のサブマウント１０と半導体レーザ素子１との接合面とが垂直になるような構造とすることにより、第２のサブマウント１０と半導体レーザ素子１との接合面を精度よく重ね合わせることができ、熱膨張によって半導体レーザ素子１に加わる応力を緩和させることができる。またこのような構造にすることによってヒートシンクの熱容量を半導体レーザ素子１の上下方向に分散させることができ、半導体レーザ装置の設計の自由度が大きくなる為、半導体レーザ装置を小型化することができる。
【００３０】
ここで、半導体レーザ素子の材質であるＧａＡｓの熱伝導率は５４（Ｗ／ｍ・ｋ）、熱膨張係数は６．５（×１０−６／℃）、第１、第２のサブマウントの材質であるＳｉＣの熱伝導率は２７０（Ｗ／ｍ・ｋ）、熱膨張係数は３．７（×１０−６／℃）、第１、第２のヒートシンクの材質であるＣｕの熱伝導率は３９０（Ｗ／ｍ・ｋ）、熱膨張係数は１７．７（×１０−６／℃）である。サブマウントは、ヒートシンクと半導体レーザ素子との熱膨張係数の違いによって生じる応力を吸収する役割をはたしている。
【００３１】
図５、図６に示したように、半導体レーザ素子１の上下方向から放熱する構造とすることにより、半導体レーザ素子１とサブマウント２、１０との接合面積が２倍になり、熱抵抗を低下させることができ、放熱効率を大幅に向上させることができる。
【００３２】
本発明の半導体レーザ装置を本発明の画像記録装置の光源に使用した時の、光学系の概略図を図７に示す。本発明の半導体レーザ装置内の半導体レーザ素子１から出射したマルチビームはレンズ１４でそれぞれへ平行光に変換し、回転多面鏡１６で偏向され、Ｆθレンズ１７を通して感光ドラム１８上を光走査される。感光ドラム１８上で得られる光スポット列の間隔が光スポットの大きさに比べて大きいので、光スポット列の配列方向は光走査方向に対して斜めに設定し、密接した光走査線が形成されるようにしている。
【００３３】
本発明の画像形成装置の概略構成を図８を用いて説明する。感光体ドラム１８上を帯電器２１で帯電させ、露光器２２で画像に応じた光をあてて、感光ドラム１８上の電位を落とす。その部位が感光ドラム１８の回転により現像ローラ２４に達し、トナー層と接すると帯電しているトナーが画像形成位置に付着してトナー画像を形成する。感光ドラム１８上のトナー画像は、一次転写ロール２６が中間転写ベルト２８を押し付ける部位で、中間転写ベルト２８上に転写される。
【００３４】
各現像ユニットの感光体ドラム１８上のトナー画像は、中間転写ベルト２８上に転写され、カラーのトナー画像が形成される。そして、中間転写ベルト２８の搬送により、連続紙３１との接触領域の転写ドラム３０位置で、搬送されてきた連続紙３１上にトナー画像は転写される。トナー画像が転写された連続紙３１は、定着器３２で熱と圧力が加えられ、トナーを溶融定着しカラー画像が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】半導体レーザ装置における第１のサブマウントの斜視図である。
【図２】その第１のサブマウントに半導体レーザ素子を接合した状態を示す斜視図である。
【図３】半導体レーザ装置の要部の構成を示す正面図である。
【図４】その半導体レーザ装置の要部の構成を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部の構成を示す正面図である。
【図６】その半導体レーザ装置の要部の構成を示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る画像形成装置の光学系の概略構成図である。
【図８】本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…半導体レーザ素子、２…サブマウント、３…電極、４…第１の半田層、５…ワイヤ、６…電極パット、７…第１のヒートシンク、８…第２の半田層、９…フォトディテクター、１０…第２のサブマウント、１１…第３の半田層、１２…第２のヒートシンク、１３…第３の半田層、１４…レンズ、１５…シリンドリカルレンズ、１６…ポリゴンミラー、１７…Ｆθレンズ、１８…感光ドラム、１９…ドラムクリーナー、２０…除電器、２１…帯電器、２２…露光器、２４…現像器、２６…１次転写ローラ、２７…センサ、２８…中間転写ベルト、２９…ベルトクリーナー、３０…２次転写ローラ、３１…連続紙、３２…定着器、３３…印刷前用紙入れ、３４…印刷後用紙入れ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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