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Die vorliegende Erfindung betrifft optische Drucker des
Abtastungstyps, wie z.B. Laserdrucker, bei denen ein den Druckdaten entsprechend
erzeugter Lichtstrahl durch einen beweglichen Spiegel abgelenkt wird,
um die Oberfläche eines lichtempfindlichen Elements abzutasten (siehe
z.B. EP-A-0223585).
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Mit Bezugnahme auf Fig. 4 umfassen Laserdrucker, die solche
abtastenden optischen Drucker verkörpern, eine Laserdiode 1, die den
Druckdaten gemäß intermittierend angesteuert wird, um einen Laserstrahl
zu emittieren. Der Strahl von der Laserdiode 1 wird durch eine
Kollimatorlinse 2 geleitet und auf ein lichtempfindliches Element 3 in der
Form einer Trommel fokussiert. Zwischen der Kollimatorlinse 2 und dem
lichtempfindlichen Element 3 ist ein rotierender polygonaler Spiegel 4
angebracht. Der Strahl durch die Kollimatorlinse 2 wird von dem
polygonalen Spiegel 4 abgelenkt, um das lichtempfindllche Element 3 mit
hoher Geschwindigkeit abzutasten. Die Laserdiode 1 wird im zeitlichen
Einklang mit dem Erfassungssignal aus einem Startsensor 5, zusammen
mit der Drehung des Spiegels 4 durch einen Antriebsmotor (nicht
gezeigt), ein- und ausgeschaltet, wodurch die Oberfläche des Elements 3
dem Strahl örtlich ausgesetzt werden kann (siehe U.S. Patent Nr.
US-A-3,867,571, das ein Beispiel einer ähnlichen Anordnung zeigt).
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Der sich drehende Spiegel 4, der als Abtaster dient, um den
Laserstrahl zum Abtasten abzulenken, wird durch den Motor mit einer
konstanten Geschwindigkeit gedreht, so daß der reflektierte Laserstrahl
das lichtempfindliche 3 Element mit einer konstanten
Winkelgeschwindigkeit abtastet. Der Abstand zwischen der reflektierenden Facette
des polygonalen Spiegels 4 und der Oberfläche des Elements 3 nimmt
jedoch von der Mitte des Elements 3 zu jedem seiner Enden hin zu,
so daß, wenn die Druckdaten mit einer konstanten Geschwindigkeit
zugeführt werden, die Geschwindigkeit des Lichtflecks auf der
abzutastenden Oberfläche des Elements 3 zu jedem seiner Enden hin zunimmt,
was einen vergrößerten Punktabstand zur Folge hat. Die Geschwindigkeit
des Flecks wird nun berechnet. Zur Vereinfachung wird die
Punktgeschwindigkeit für die Anordnung von Fig. 5 berechnet, bei der ein sich
drehender Planspiegel 6 den polygonalen Spiegel 4 in Fig. 4 ersetzt.
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Der dadurch bedingte Fehler ist sehr klein, da der Abstand vom
Drehmittelpunkt des Planspiegels 6 bis zu seiner reflektierenden
Oberfläche sehr viel kleiner ist als der Abstand vom Drehmittelpunkt bis
zur Oberfläche des lichtempfindlichen Elements 3. Nimmt man an, daß
der Winkel zwischen der optischen Achse der Laserdiode 1 und dem
Planspiegel 6 θ + 45º ist, so ist der Abtand x von der Mittelposition S
auf dem lichtempfindlichen Element 3 zur Fleckposition P gegeben durch
x = ltan 2θ, worin θ =ωt und ω die Drehwinkelgeschwindigkeit des
Planspiegels 6 ist. Folglich wird die Geschwindigkeit v des Punkts auf
dem lichtempfindlichen Element 3 ausgedrückt durch
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v(t) = dx / dt = 2ωlsek² (2ωt)
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Das Verhältnis der Punktgeschwindigkeit ist gegeben durch
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v(t) / vt = 0 = sek² (2ωt)
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Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Punktposition und dem
Verhältnis der Punktgeschwindigkeit.
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Die f (Brennweite) -θ (Einfallwinkel)-Verzerrung wird im allgemeinen
mit einer "f-θ"-Linse genannten besonderen Linse 7 korrigiert, die,
wie Fig. 7 zeigt, zwischen dem polygonalen Spiegel 4 und dem
lichtempfindlichen Element 3 angebracht ist, um eine Abtastung mit
gleichbleibender Geschwindigkeit zu gewährleisten. Die f-θ -Linse 7 besitzt
eine derartige Eigenschaft, daß das einfallende Licht nach innen auf
ihren äußeren Rand zu abgelenkt wird, und dient dazu, den Lichtstrahl
auf dem lichtempfindlichen Element 3 zu fokussieren und den
Abstastabstand proportional der Abtastzeit zu machen.
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Dessen ungeachtet ist die f-θ -Linse eine sehr spezielle Linse, die
hohe Präzision erfordert, äußerst teuer ist und den Laserdrucker
kostspielig macht. Neben der f-θ -Linse, die als optische f-θ
-Korrektureinrichtung dient, ist eine andere f-θ -Korrektureinrichtung
verfügbar, die von der Verarbeitung eines elektrischen Signals Gebrauch
macht und durch die die Taktfrequenz zum Bestimmen der
Druckdatenlesegeschwindigkeit in entsprechendem Verhältnis zum Ablenkwinkel des
Laserstrahls durch den polygonen Spiegel und daher zur Änderung in der
Punktgeschwindigkeit verändert wird. Die letztere Einrichtung
erfordert jedoch eine sehr hohe Schwingfrequenz, benötigt einen teuren
Steuer-IC, hat einen teuren und komplexen Aufbau, macht den Drucker
großformatig und ist zur Verwendung ungeeignet.
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Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf die
bisher begegneten vorangehenden Probleme erfüllt worden ist, besteht
darin, einen optischen Drucker des Abtastungstyps bereitzustellen, bei
dem die f-θ -Verzerrung durch eine billige optische Einrichtung
korriglerbar ist.
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Zur Erfüllung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung
einen optischen Drucker des Abtastungstyps, wie in Anspruch 1
beansprucht, bereit.
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Die Erfindung wird nun, nur um ein Beispiel zu geben, mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen weiter erklärt werden, in denen:
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Fig. 1 bis 3 einen abtastenden optischen Drucker zeigen, der die
Erfindung verkörpert;
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Fig. 1 ein Schema ist, das ein optisches System darstellt;
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Fig. 2 und 3 eine Zeichnung einer Funktionseinheit und ein
Blockschaltbild eines Steuerungssystems sind;
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Fig. 4 ein Schema eines optischen Systems eines Laserdruckers ist,
das keine f-θ -Korrektur besitzt;
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Fig. 5 ein Schema eines optischen Systems ist, um die Notwendigkeit
der f-θ -Korrektur zu veranschaulichen;
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Fig. 6 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der
Punktposition auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements von Fig. 4
und dem Verhältnis der Punktgeschwindigkelt zeigt, und
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Fig. 7 ein Schema ist, das ein herkömmllches optisches System eines
Laserdruckers mit f-θ -Korrektureinrichtung zeigt.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nachstehend mit
Bezugnahme auf die betroffenen Zeichnungen beschrieben.
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Überall in Fig. 1, 4, 5 und 7 wird auf gleiche Teile durch gleiche
Bezugszeichen verwiesen. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführung umfaßt einen
Planspiegel 8, der als Abtaster dient. Der Planspiegel 8 ist drehbar
beweglich vorgesehen und seine reflektierende Oberfläche ist auf das
lichtabstrahlende Element 1 gerichtet, das eine Laserdiode umfaßt.
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Der Planspiegel 8 wird durch eine Betreibseinheit A, die den in Fig. 2
gezeigten Aufbau hat, einer einfachen harmonischen Bewegung innerhalb
eines bestimmten Bereichs von Winkeln unterworfen. Genauer ausgedrückt
ist ein Schwingungsarm 9, an dem der Planspiegel 8 fest angebracht
ist, an einem gekerbten Mittelteil 9a davon durch einen
Messerschneidentiel eines Lagerelements 10 gelagert. Der Arm 9 ist an seinen
jeweiligen Seitenteilen auch durch die Federn 11 und 12, die gleiche
Federkonstanten besitzen, gelargert. Der Schwingungsarm 9 ist somit
innerhlb des spezifizierten Winkelbereichs frei drehbar beweglich.
An dem Arm 9 sind ferner an der Unterseite seiner jeweilien Enden
die Magneten 13 und 14 fest angebracht. Eine Antriebswicklung 15 und
ein Schwingungssensor 16 sind gegenüber den Magneten 13 bzw. 14
angeordnet. Die Antriebswicklung 15 bringt den Schwingungsarm 9 mit
Hilfe des Magneten 13 in drehende Bewegung, während der
Schwingungssensor 16 eingerichtet ist, die Bewegungsamplitude des Arms 9 zu
ermitteln. Die Resonanzfrequenz des einfachen harmonischen
Bewegungssystems für den Planspiegel 8 wird durch die Federkonstanten der
Federn 11, 12 und durch das Trägheitsmoment des Arms 9 bestimmt. Die
Resonanzfrequenz stimmt mit der von der Schwingungswicklung 15 und
dem Magneten 13 bestimmten Antriebsfrequenz überein, wenn die
Betriebseinheit A verwendet wird.
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Fig. 3 zeigt eine Steuerschaltung, um den Schwingungsarm 9 in die
einfache harmonische Bewegung bei einer gleichbleibenden Amplitude
zu versetzen. Veränderungen in der Amplitude des Arms 9 werden von
dem Sensor 16 ermittelt, der wiederum ein
Amplituden-Ermittlungssignal an eine Amplituden-Stabilisierungsschaltung 17 leitet. Während
die Antriebswicklung 15 durch ein Antriebsignal angesteuert wird,
das basierend auf einem Antriebstakt vorbereitet wird, wird dieses
Antriebssignal in der Schaltung 17 gemäß dem
Amplituden-Ermittlungssignal von dem Sensor 16 verändert und dann an die Antriebswicklung 15
geleitet. Die Antriebswicklung 15 wird somit einer
Rückkopplungssteuerung durch das Ermittlungssignal unterworfen, wodurch der
Schwingungsarm 9 auf der konstanten Amplitude gehalten wird. Das
Ausgangssignal des Schwingungssensors 16 wird auch einer
Verzögerungsschaltung 18 zugeführt, durch die das Signal um eine vorbestimmte
Zeitdauer
verzögert wird, um als ein Druckstartsignal zu dienen. Dadurch
wird die Notwendigkeit beseitigt, den in Fig. 4 gezeigten Startsensor
5 zu verwenden. Insbesondere wird zum Starten des Druckens nach dem
Vorrücken des Laserstrahls in den effektiven Druckbereich im
allgemeinen der Startsensor 5 benutzt, um diesen Startzeitpunkt zu ermitteln.
Bei der vorliegenden Ausführung wird jedoch der Schwingungsarm 9 so
gesteuert, daß er sich mit der konstanten Amplitude bewegt, so daß das
Ausgangssignal von dem Schwingungssensor 16 als Druckstartsignal
verwendbar ist, wenn es um ein Zeitintervall verzögert wird, das für den
Strahl benötigt wird, um in den effektiven Druckbereich einzutreten.
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Als nächstes wird die Funktion der vorliegenden Ausführung
beschrieben. Gemäß Fig. 1 beträgt der Abstand x von der Mitte des
lichtempfindlichen Elements 3 bis zur Abtastposition des Strahls x = ltan 2θ.
Unter der Annahme, daß der vorbestimmte maximale Amplitudenwinkel des
Planspiegels 8 a ist, ist der Ablenkwinkel 8 des Planspiegels 8
gegeben durch θ = a sin ωt, x = tan (2a sin ωt). Die Geschwindigkeit v
des Lichtpunkts ist gegeben durch
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v = dx / dt = 2alω cos ωt / cos² (2a sin ωt)
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Das Punktgeschwindigkeitsverhältnis vN als normalisiert [v(t = 0) = 1]
bei der Abtastgeschwindigkeit [v(t = 0)] des Strahls in der Mitte des
lichtempfindlichen Elements 3 wird ausgedrückt durch
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vN = cos ωt / cos² (2a sin ωt)
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Von θ = a sin ωt,
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cos ωt = [1 - (θ/a)²]
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Zum Vergleich ist die Punktkgeschwindigkeit v' im Fall des bestehenden
drehenden polygonen Spiegels gegeben durch
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da x = ltan 2ωt. Das Punktkgeschwindigkeitsverhältnis vC als
normalisiert
wird ähnlich ausgedrückt durch
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vC = 1 / cos² ωt
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Daher wird das Punktkgeschwindigkeitsverhältnis vN durch die einfache
harmonische Bewegung des Planspiegels 8 der Erfindung ausgedrückt
durch
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während das Punktkgeschwindigkeitsverhältnis vC durch die Drehung mit
konstanter Geschwindigkeit des bestehenden drehenden polygonalen
Spiegels ausgedrückt wird durch
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vC = 1 / cos² ωt
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Die Frequenz der einfachen harmonischen Bewegung des Planspiegels 8
beträgt Perioden/Sekunde.
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Als nächstes sind unten Punktkgeschwindigkeitsverhältnisse auf dem
lichtempfindlichen Element 3 bei variierenden Ablenkwinkeln θ des
Planspiegels 8 aufgelistet, d.h. bei variierenden Ablenkwinkeln des
Strahls, wenn der maximale Amplitudenwinkel a etwa 0.38 rad (21.75º)
beträgt. Da die Punktkgeschwindigkeitsverhältnisse vN bei positiven
und negativen Ablenkwinkeln θ, die den gleichen Absolutwert aufweisen,
gleich sind, sind die berechneten Verhältnisse nur für positive
Winkel angegeben. Zum Vergleich sind die entsprechenden
Punktkgeschwindigkeitsverhältnisse durch den bestehenden drehenden polygonalen
Spiegel ebenfalls aufgeführt.
θ (Grad)
θ (Grad)
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Die Tabelle offenbart das Folgende. Wenn der bestehende drehende
polygonale Spiegel zum Abtasten mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit
gedreht wird, nimmt die Abtastgeschwindigkeit des Strahls im Bereich
der Ablenkwinkel θ von 12.5º, angedeutet durch die gebrochene Linie,
um etwa 20% zu, während bei dem Planspiegel 8 der Erfindung, der zum
Abtasten in eine einfache harmonische Bewegung gebracht wird, die
Fehler in der Geschwindigkeit im gleichen Winkel bereich von 12.5º auf
nicht größer als 0.7% des Werts bei einem Ablenkwinkel θ von 9
reduziert werden können. Dies ist der einfachen harmonischen Bewegung
des Planspiegels 8 zuzuschreiben, d.h. seiner in dem spezifizierten
Bereich hin- und hergehenden Bewegung, obwohl der drehende
polygonale Spiegel ungeachtet des Ablenkwinkels θ mit konstanter
Geschwindigkeit gedreht wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Planspiegels 8
nimmt allmählich ab, wenn der Spiegel der Umkehrposition an jeder
Seite jenseits des Mittelpunkts des Bereichs seiner Bewegung
näherkommt. Die Abnahme in der Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels 8
wird durch die Punktgeschwindigkeit des Strahls ausgeglichen, die
zumimmt, wenn sich der Strahl von der Mitte des lichtempfindlichen
Elements 3 zu jedem seiner Enden hin bewegt, mit der Folge, daß die
Abtastgeschwindigkeit über dem gesamten abzutastenden Bereich auf
einem ungefähr gleichbleibenden Wert gehalten werden kann. Auf diese
Weise wird die f-θ -Verzerrung korrigiert, ohne die f-θ -Linse oder
elektrische f-θ -Korrektureinrichtungen zu erfordern.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführung allein
beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie
in den anliegenden Ansprüchen definiert, verschiedenartig
verkörpert werden. Zum Beispiel ist der Spiegel nicht auf einen Planspiegel
beschränkt, sondern kann ein Spiegel mit wenigstens einer
reflektierenden Seite sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen Drucker des Abtastungstyps ist der
Spiegel, der als sein Abtaster dient, anstelle der Drehung für eine
einfache harmonische Bewegung innerhalb eines spezifizierten
Winkelbereichs eingerichtet, so daß die Punktgeschwindigkeit des abtastenden
Strahls, die zunimmt, wenn sich der Punkt von der Mitte des
lichtempfindlichen Elements zu jedem seiner Enden hin bewegt, durch die
Geschwindigkeit des Spiegels, die umgekehrt abnimmt, ausgeglichen
wird. Dies minimiert die Abweichungen in der
Abtastungsgeschwindigkelt über dem abzutastenden Bereich, um die f-θ -Verzerrung zu
korrigieren, ohne die teure f-θ -Linse oder elektrische f-θ
-Korrektureinrichtungen zu erfordern, wodurch der Drucker weniger kostspielig
und kompakter gemacht wird.
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Während der Spiegel innerhalb eines spezlfizierten Winkelbereichs
einer einfachen harmonischen Bewegung unterworfen wird, wird diese
Bewegung bevorzugt bei einer Frequenz von 300 bis 1500 Hz über einem
Maximalamplitudenwinkel von 21 bis 22,5º ausgeführt.
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Wenn der Maximalamplitudenwinkel weit abseits des obigen Bereichs
liegt, wird der effektive Winkel kleiner, so daß es schwierig wird,
diesen Spiegel zu verwenden.
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Der effektive Winkel, der als der Winkel definiert ist, wo die
Geschwindigkeit des Punkts auf dem lichtempfindllchen Element im
allgemeinen konstant ist, ist der Winkel, der den Wert von 57% des obigen
Maximalamplitudenwinkels aufweist und in dessen mittlerem Teil
gelegen ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann das lichtempfindliche Element zur
Aufzeichnung der Druckdaten nur in der Vorwärtsrichtung oder in der
Rückwärtsrichtung abgetastet werden, es kann aber auch in der
Vorwärts- und in der Rückwärtsrichtung abwechselnd abgetastet werden.