JP2004191416A

JP2004191416A - 光走査装置および画像形成装置

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Publication number: JP2004191416A
Application number: JP2002355736A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Nakajima; 智宏中島
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】シリコンマイクロマシニングによる振動ミラーを偏向器に用いた方式において、振動ミラーが動作時に変形しても、被走査面上において均一なスポット径が得られるようにし、濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる光走査装置および画像形成装置を得る。
【解決手段】発光源と、発光源からの光ビームを所定の収束状態または発散状態に変換する第１の結像光学系と、ねじり梁を回転軸として往復振動し、上記光ビームを走査する振動ミラーと、振動ミラーで走査された光ビームを被走査面上に結像する第２の結像光学系とを有する光走査装置において、振動ミラーの動的変形に応じて、上記光ビームの結像位置を被走査面から変化させる。第１の結像光学系は、光ビームの収束状態または発散状態を周期的に可変する結像位置可変手段を備えている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタル複写機、レーザプリンタ等の画像形成装置に用いられる光走査装置およびこの光走査装置を用いた画像形成装置に関するもので、光走査型のバーコード読み取り装置や３次元形状計測装置等へも応用が可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光走査装置においては、光ビームを走査する偏向器として一般的にはポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられる。しかし、より解像度の高い画像と高速プリントを達成するには、上記ポリゴンミラーなどの回転速度をさらに高速にしなければならず、これによって軸受の耐久性や風損による発熱、騒音が課題となり、高速走査に限界がある。
【０００３】
これに対し、近年シリコンマイクロマシニングを利用した光偏向器の研究がすすめられている。これは、シリコン（以下「Ｓｉ」という）基板で振動ミラーとそれを軸支するねじり梁とを一体形成し、静電力などを駆動源としてねじり梁をねじりながら振動ミラーを振動させ光ビームを偏向する方式である（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この方式によれば、共振を利用して振動ミラーを往復振動させるので、高速動作が可能であるにもかかわらず、騒音が低いという利点がある。さらに振動ミラーを回転する駆動力も小さくて済むので消費電力も低く抑えられる利点がある。
【０００４】
一方、偏向後に結像光学系を用いない光走査装置が提案されており、かかる光走査装置において、振動ミラーの回転動作に応じてレンズ群の一部を光軸方向に移動する例が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９２４２００号公報
【特許文献２】
特許第３０１１１４４号公報
【特許文献３】
特開平７−１３０９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように共振を利用して振動ミラーを駆動する方式においては、低騒音で、消費電力の少ない画像形成装置を実現できるという利点がある。しかしその反面、振動ミラー自体は１００μｍ以下の薄い基板からなり、基板端部にいくほど振動時の空気抵抗によるトルクが反回転方向に働くため、基板全体がＳ字状に変形する。この変形は振動ミラーの振れ角が大きくなるに従い大きくなり、凹面の深さまたは凸面の高さが増えるので、走査方向の画像端にいくほど結像位置、いわゆるピント位置が被走査面からずれることになる。そのため、被走査面上において走査方向の画像端にいくほどビームスポット径がブロードに拡がって、画像濃度が低下し、主走査方向に濃度むらを生じてしまうという問題があった。
【０００７】
特に、振動ミラーを高速に駆動するには、言いかえれば、共振周波数を上げ、かつ所定の振れ角を確保するには、基板の軽量化による慣性モーメントの低減が必須であり、慣性モーメントの低減が実現されない限り、上記のような振動動作時の振動ミラーの変形は避けられない。
【０００８】
本発明は、シリコンマイクロマシニングによる振動ミラーを偏向器に用いた方式において、以下に述べるような光走査装置および画像形成装置を提供することを目的とする。
請求項１〜８記載の発明は、振動ミラーが動作時に変形しても、被走査面上において均一なスポット径が得られるようにし、濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる光走査装置を提供することを目的とする。
【０００９】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８記載の光走査装置を画像形成装置に適用することにより、濃度むらのない高品位な画像を形成することができる画像形成装置を得ることを目的とする。
【００１０】
請求項１０、１１記載の発明は、特開２００１−２２８４２８号公報で提案されているような複数の光走査装置を平行に配列し、画像を主走査方向に分割して繋ぎ合わせる方式において、各々の繋ぎ目を目立ち難くすることにより、形成される画像の品質を高めることができる画像形成装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる光走査装置および画像形成装置の実施の形態について説明する。
図３は実施例における光走査装置に用いる振動ミラーモジュールの詳細図を示す。振動ミラーモジュール２００は、焼結金属等で成形された支持基板２０１に複数の振動モード、実施例では２つの振動モードを有する振動ミラー２０２が装着されている。振動ミラーモジュール２００は、キャップ状に成形されたカバー２０５により密封され、カバー２０５の開口に配備されたガラス窓２０４を通じて光ビームが入出射されるように構成されている。振動ミラーモジュール２００の基板は、２枚のＳｉ（シリコン）基板２０６、２０７を、絶縁膜を介して接合することによって構成されている。第１のＳｉ基板２０６は厚さ６０μｍで、エッチングにより周縁部を貫通することによって、振動ミラー２０２を固定枠２１０から分離して形成するとともに、一対のねじり梁２０８を残すことによって、この一対のねじり梁２０８を回転軸として振動ミラー２０２を軸支している。一対のねじり梁２０８は、振動ミラー２０２の振動に伴う主走査方向に、かつ、振動ミラー２０２の両側に、互いに平行に配列されている。
【００１２】
一対のねじり梁２０８は振動ミラー２０２の長手方向中央に振動ミラー２０２を挟んで振動ミラー２０２と一体に形成され、振動ミラー２０２の長手方向両端部には櫛歯状の凹凸２０３が形成され、これに対向する固定枠２１０の両端縁部にも櫛歯状の凹凸２０９が形成されている。この相対向する櫛歯状の凹凸２０３、２０９は互いに噛み合うようにして、かつ、相互間に微小な間隙をおいて対向している。振動ミラー２０２の表面、および固定枠２１０に形成した凹凸２０９の部分には、銅（Ａｕ）等の金属被膜が蒸着され、振動ミラー２０３の両端の凹凸２０３は第１、第２の可動電極、対向する固定枠２１０の凹凸２０９部は第１、第２の固定電極となっている。第１、第２の固定電極に電圧を印加すると、これに対向する振動ミラー２０２の可動電極との間で静電力を生じ、ねじり梁２０８、２０９をねじりながら微小角回転され、周期的にパルス状の電圧を印加することで往復振動するように構成されている。したがって、上記固定電極と可動電極とで振動ミラーの駆動手段を構成している。
【００１３】
また、一対のねじり梁２０８の幅と長さを、振動される部分すなわち振動ミラー２０２固有の共振周波数に合わせて設計すれば、共振周波数と等しいパルス状の電圧を印加することにより振動ミラー２０２が励振され、振幅を拡大することができる。こうすることによって、上記可動電極と固定電極との間に印可する電流は微小な電流で済み、消費電力を低減することができる。ただし、上記した共振周波数からわずかにずれるだけで振幅が低減してしまうため、後述するように同期検知信号により振幅を検出し、固定電極に印加する駆動電圧の周波数を共振振動数の変化に追従するように可変制御するとよい。
なお、電極を櫛歯状の凹凸としているのは、外周長をできるだけ長くして電極長をかせぐためで、低電圧でより大きい静電トルクが得られるように配慮している。
【００１４】
いま、振動ミラー２０２の、縦寸法を２ａ、横寸法を２ｂ、厚さをｄとし、ねじり梁２０８の長さをＬ、幅をｃとすると、Ｓｉの密度ρ、材料定数Ｇを用いて、
慣性モーメントＩ＝（４ａｂρｄ／３）・ａ＾２
バネ定数Ｋ＝（Ｇ／２Ｌ）・｛ｃｄ（ｃ＾２＋ｄ＾２）／１２｝
となり、共振振動数ｆは、
ｆ＝（１／２π）・（Ｋ／Ｉ）＾１／２
＝（１／２π）・｛Ｇｃｄ（ｃ＾２＋ｄ＾２）／２４ＬＩ｝＾１／２
となる。ここで、梁の長さＬと振れ角θは比例関係にあるため、
θ＝Ａ／Ｉ・ｆ＾２、（Ａは定数）
で表され、振れ角θは慣性モーメントＩに反比例する。共振振動数ｆを高めるには慣性モーメントを低減する必要があり、そうしなければ振れ角θが小さくなってしまう。
そこで、実施例では振動ミラー裏側２１９の基板厚ｄを格子状に残し、それ以外をｄ／１０以下の厚さまでエッチングにより肉抜きすることで、慣性モーメントを約１／５に低減している。
【００１５】
一方、空気の誘電率をε、電極長さをＨ、印加電圧をＶ、電極間距離をδとすると、
電極間の静電力Ｆ＝εＨＶ＾２／２δ
となり、
振れ角θ＝Ｂ・Ｆ／Ｉ、（Ｂは定数）
と表すことができ、電極長さＨが長いほど振れ角θが大きくなる。したがって、図３に示す実施例のように、電極を櫛歯状とすることで、櫛歯数ｎに対して２ｎ倍の駆動トルクを得ることができる。
反面、振動ミラー２０２の速度υ、面積Ｅに対して、空気の密度ηとすると、
空気の粘性抵抗Ｐ＝Ｃ・ηυ＾２・Ｅ＾３、（Ｃは定数）
が振動ミラー２０２の回転に対抗して働くため、図３に示すように、カバー２０５で密封し減圧状態に保持するのが好ましい。実施例では非蒸発型ゲッタを同梱し、外部からの加熱で活性化させ、振動ミラーモジュール２００の内部を１ｔｏｒｒ以下としている。
【００１６】
第２の基板２０７は２８０μｍのＳｉ基板からなり、中央部を貫通して第１のＳｉ基板２０６の支持部に絶縁層を挟んで接合され、振動ミラー２０２の揺動空間を形成している。第２の基板２０７の上方には２枚のＳｉ基板により構成した対向ミラーチップ２１６、２１５が架橋するよう接着されている。第２の基板２１６は結晶面方位＜１１１＞から、第１の基板２１５は結晶面方位＜１１０＞から、それぞれ約９°スライス角度を傾けたウエハを用い、エッチングにより＜１１１＞面を露出させ、基板面よりそれぞれ９°、２６．３°傾けた傾斜面を形成して切り出され、この面が接合面となり、同面と連続した基板面に金属被膜が蒸着されて反射面となっている。２枚の対向ミラーチップ２１６、２１５は、それぞれの反射面２１７、２１８を、開口部を挟み、屋根状に１４４．７°の角度をなすように対で配備した構成となっている。
【００１７】
図４は上記振動ミラーモジュール２００の副走査断面のレイアウトを示す。図４において、発光源である半導体レーザ４０１から射出した光ビームは、後述するようにカップリングレンズ４０２、シリンダミラー４０３を介して、振動ミラー２０２に対し前記ねじり梁を含む副走査断面内で、法線に対して副走査方向に約２０°傾けて、対向ミラーチップ２１６、２１５間の開口部２１４より入射される。入射された光ビームは振動ミラー２０２で反射されて第１のミラーチップ２１５の反射面２１７に向かい、この反射面２１７で反射された光ビームは振動ミラー２０２に戻される。振動ミラー２０２で反射された光ビームは開口部２１４を超えて第２の反射面２１８に入射され、この反射面２１８と振動ミラー２０２との間で反射されながら３往復する。このように、光ビームは振動ミラー２０２とミラーチップ２１６との間で３往復しながら反射位置が副走査方向に移動し、第１のミラーチップ２１５との間での反射も含めて、振動ミラー２０２で合計５回反射されたあと、開口部２１４から斜め方向に射出される。
【００１８】
実施例ではこのように複数回反射を繰り返すことで、振動ミラー２０２の小さい振れ角で大きな走査角が得られるようにしている。いま、振動ミラー２０２での総反射回数をＮ、振れ角をαとすると、走査角θは２Ｎαで表すことができるので、実施例ではＮ＝５、α＝５°であるから、最大走査角は５０°となり、ポリゴンミラーと同等の走査角を得ることができる。
【００１９】
前述のように、振動ミラー２０２の共振を利用することで、振動ミラー２０２を駆動するための印加電圧は微小で済み、発熱も少ないが、上式から明らかなように走査速度乃至は記録速度、つまり共振周波数が速くなるに従ってトーションバー形のねじり梁２０８のばね定数を高める必要があり、ばね定数が高くなると振れ角がとれなくなってしまう。そこで、上記したように、振動ミラー２０１に対する対向ミラーである一対のミラーチップ２１５、１２６を設けることで走査角を拡大し、記録速度によらず必要十分な走査角が得られるようにしている。
また、一対のミラーチップ２１５、１２６はこれを屋根状に配置して反射面２１７、２１８を斜めに配置し、振動ミラー２０２への副走査方向での入射角度が繰り返し反射される毎に正負（右向き、左向き）に振り分けられるようにすることで、斜入射に伴う被走査面での走査線の曲がりを抑え、直線性を維持するとともに、光軸と直交する面内での光束の回転が射出時にはもとの姿勢に戻るようにして、結像性能の劣化が起きないように配慮している。
【００２０】
上記基板２０６、２０７は絶縁基板２１３上に積み重ねて接合され、さらに、絶縁基板２１３とともに支持基板２０１に固定される。絶縁基板２１３は中央部を貫通して振動ミラー２０２の揺動空間が形成され、第１の基板２０６に配備された固定電極と導通するパッド部２１３を備えている。リード端子２１２は絶縁材を介して支持基板２０１を貫通して挿入され、上側に突出したリード端子２１２の端部と上記パッド部２１３とがワイヤーボンディングによって結線されて、封止された内部と外部との間の電気配線がなされている。前記カバー２０５は、その開口縁部が支持基板２０１の外周に設けられた段差部にはめ込まれ、光ビームの射出開口にはガラス窓２０４がカバー内部から接合されている。図３において、符号２２０は前記ゲッタを入れる窪みであり、この窪み２２０はその上に絶縁基板２１３が接合されて封止されている。
【００２１】
図７は、振れ角α１、α２（α１＜α２）に対するミラー面の様子を、トーションバーからなる前記ねじり梁２０８に直交する断面において示した図である。振動ミラー２０２とねじり梁２０８とは一体的に形成されているため、共振源であるねじり梁２０８の近傍には正弦波振動に応じて回転トルクが働く。反面、振動ミラー２０２の端部は正弦波振動に応じて周速が変化しても慣性によって反回転方向にトルクが発生し、かつ、空気抵抗が働くため、図示するようにミラー端部が遅れるようにＳ字状に面うねりが発生し、振れ角が大きくなるほど面うねりが大きくなる。なお、空気抵抗については、上記したように減圧封止することで低減することが可能である。
【００２２】
実施例の場合、光ビームを振動ミラー２０２の反射面で複数回反射させるため、反射される毎に、振動ミラー２０２の中央部から端部（図７では左方向）に光ビームの中心が移動する。面うねりは最大±０．５μｍ程度で、その凹面鏡の効果により光ビームの結像位置が約１ｍｍ被走査面よりも手前側に結像してしまう。これを前述のカップリングレンズ４０２（図４参照）の移動により補正するには、カップリングレンズ４０２を約５μｍ光源側に近づけてやればよく、微小量振動させることで対応できる。
なお、上記実施例においては振動ミラー２０２を静電力によって駆動する方式としたが、圧電素子を用いて励振する方式、あるいは振動ミラー２０２に薄膜コイルを形成し電磁力を発生して駆動する方式などを採用することができる。また、いずれの駆動方式をとるにせよ、上記のような問題が生じるので、この場合も上記のようにカップリングレンズ４０２を微小量振動させるなどの対応策をとる。
【００２３】
図１、図２は、これまで説明してきた振動ミラー２０２とその駆動機構を有してなる光偏向器を採用した、本発明にかかる光走査装置の実施の形態を示す。また、図６は光源ユニット１００の例を示す分解斜視図および副走査方向の断面である。図６において、光源である半導体レーザ６０１は、ホルダ部材６０２の貫通孔６０３に、後述するハウジング１０６への当接面とは反対側から貫通孔６０３と同軸に圧入されている。ホルダ部材６０２の上記ハウジング１０６への当接面側には貫通孔６０３と同軸に円筒部６０９が一体に形成され、その内径に沿って、円筒状に巻かれた電磁コイル６０４が装着されている。符号６０６はカップリングレンズを示している。カップリングレンズ６０６は、発光源からの光ビームを所定の収束状態または発散状態に変換する第１の結像光学系を構成するもので、中空円筒状のレンズセル６０７の前端大径部内周側に接着固定されている。レンズセル６０７は小径の後端部が電磁コイル６０４の中央部に挿入されている。
【００２４】
レンズセル６０７の外周側にはコイルスプリング６０８が挿入され、電磁コイル６０４の前端面とレンズセル６０７の上記大径部の後端面との間に圧縮されて介在している。レンズセル６０７は、ホルダ部材６０２の円筒部６０９の入口側に挿入されて保持され、ホルダ部材６０２の前端に形成されている突起に外周部が係合し、上記スプリング６０８の付勢力によるレンズセル６０７の移動限界を画するようになっている。上記ホルダ部材６０２の円筒部６０９の入口はアパーチャを兼ねたキャップ６０８で封止され、所定の光束径の光ビームが射出される。
【００２５】
レンズセル６０７は金属で形成され、電磁コイル６０４に電流を流すとスプリング６０８の弾力に抗してこれを圧縮しながらレンズセル６０７が電磁コイル６０４に吸引され、この電流量を制御することで、発光源からカップリングレンズ６０６に至る距離を自在に可変することができる。このことからわかるとおり、電磁コイル６０４は、カップリングレンズ６０６を光軸方向に往復移動させて、被走査面上における結像位置を移動させる結像位置可変手段を構成している。
図８は、振動ミラー２０２の振幅に対するカップリングレンズの変位を示す。実施例では電磁コイル６０４に所定のバイアス電流をかけることで初期位置をセットし、交流電流を印加することで、レンズセル６０７が円筒部６０５の内径に沿って往復移動するようにしている。
【００２６】
図１、図２に示す実施例の場合、３つの光源ユニット１００を用いているが、全ての光源ユニット１００は同一構成である。各光源ユニット１００について走査中央部における結像位置が被走査面において一致するように、前記対向電極２０３，２０９（図３参照）間に流す電流の下レベルを設定し、走査端における結像位置が被走査面より所定量オーバーとなるように上記電流の上レベルを設定する。なお、各光源ユニット１００からの光ビームによる走査線の、互いに隣接する境界でのビームスポット径が合うように、走査始端と走査終端との被走査面からのずらし量は等しく、振動ミラー２０２の振れ角に比例するよう対称に設定している。
【００２７】
各光源ユニット１００は円筒部６０９を備え、この円筒部６０９が図２に示すようにハウジング１０６の嵌合孔１０７に嵌合され、各光源ユニット１００の鍔状のベース部分がハウジング１０６の取り付け面１０８に当接されネジで固定されている。ハウジング１０６は、上記取り付け面１０８と対向する反対側の面が斜面１０９となっていて、この斜面１０９には、上記嵌合孔１０７と対向する位置に開口１３１が形成されている。各開口１３１には副走査方向に凹面の曲率を有するシリンダミラー１３６がそのミラー面を覗かせるように外側から当接されている。各シリンダミラー１３６は、上記斜面１０９の開口１３１から斜面１０９に沿って、同面内での回転方向と副走査方向とを合わせて、かつ、光束の主走査方向が後述する走査レンズの焦線方向と合うように、さらに、走査位置が揃うように位置決めされ接着固定されている。
【００２８】
光源ユニット１００より射出した光ビームは、シリンダミラー１３６に入射され、副走査方向において振動ミラー２０２面で集束する集束光束として、振動ミラーモジュール２００のガラス窓１３０から振動ミラーモジュール２００に入射される。複数の振動ミラーモジュール２００（実施例の場合３つ）は、前記ねじり梁２０８の方向が各々平行となるように均等間隔で同一のプリント基板１１２上に実装され、ハウジング１０６の下側開口をふさぐように基板１１２上面を当接させてネジ固定されている。
【００２９】
被走査面において各振動ミラーモジュールの走査線は、被走査面（感光体）の移動方向と直交する方向から所定角度（β）、実施例では走査終端側が走査開始側に対して２〜３°傾くように配置され、隣接する光走査手段との走査線が平行になるように実装される。プリント基板１１２には発光源である半導体レーザの駆動回路、振動ミラー２０２の駆動回路を構成する電子部品、および同期検知センサ１１３が実装されており、振動ミラーモジュール２００はその支持基板の底面をプリント基板１１２の面に突き当て、下側に突出したリード端子をスルーホールに通して半田付けすることで回路接続がなされ、コネクタ１１４を介して外部回路との配線がなされている。一端をプリント基板１１２に結線されたケーブル１１５は発光源である半導体レーザのリード端子と接続されている。
【００３０】
ハウジング１０６はある程度剛性が確保できるガラス繊維強化樹脂やアルミダイキャスト等からなり、ハウジング１０６内部には、第２の結像光学系である結像手段を構成する第１の走査レンズ１１６と第２の走査レンズ１１７を、主走査方向に配列して接合する接合面１１８が形成されている。この接合面１１８に各レンズ１１６，１１７の副走査方向基準面を当接した際に、振動ミラーモジュール２００から射出した光ビームと副走査方向の光軸高さが合うように、各レンズ１１６，１１７が配備されている。具体的には、各第１の走査レンズ１１６は副走査方向各面の中央に突出され主走査方向の位置決めを行う突起１２０と、第１面側両端に光軸方向の突き当てを行う平押面１１９を備え、各接合面１１８に一体に形成された切欠１２２に上記突起１２０が係合させられ、各接合面１１８に形成された突起対１２１に平押面１１９が突き当てられて、各々相対的な配置を合わせて支持されている。
【００３１】
一方、第２の走査レンズ１１７は、主走査方向に連結された形態で樹脂にて一体的に形成され、枠体１２２に収められている。枠体１２２の第２面側中央部に突起１２３が一体に形成されていて、この突起１２３が上記接合面１１８に一体に形成された切欠１２５に係合し、枠体１２２の第１面側両端部１２４が上記突起対１２６に突き当てられて支持されている。
【００３２】
例えば、ＰＩＮフォトダイオードからなる前記同期検知センサ１１３は、隣接する振動ミラーモジュール２００で共用する中間位置と両端位置に配置され、各光走査モジュール２００の走査開始側と走査終端側とでビームが検出できるように計４箇所に実装されている。第２の走査レンズ１１７の第２面側には、各レンズの走査領域間にＶ字状のミラー部１２８が形成され、また、走査領域に開口部１２９が形成された高輝アルミ板１２７が配備され、上記ミラー部１２８によって反射された光ビームが各々の同期検知センサ１１３へ導かれるように、隣接する走査開始側と走査終端側に対応した反射面が向かい合って配置されている。
実施例では、上記終端検知信号と走査開始端の同期検知信号との時間差を計測して振動ミラーの振幅を検出すると同時に、走査開始端の同期検知信号を基に、前述の光源ユニット１００の電磁コイル６０４（図６参照）に印加するタイミングを合わせるように構成している。
【００３３】
図２に示す符号１３８はハウジング１０６の斜面１０９側を覆うカバーを示す。このカバー１３８は光ビームが通過するスリット状の開口１３９を上端天井部に有し、ハウジング１０６上面を密閉するようにネジ止めされている。上記高輝アルミ板１２７は第２の走査レンズ１１７とカバー１３８との間に挟み込まれて支持され、高輝アルミ板１２７で反射された光ビームは、再度走査レンズ１１７を通過してハウジング１０６内に戻される。
上記のように構成された光走査装置は、ハウジング１０６の主走査端に形成された鍔部１２９に設けられた基準ピン１３２により、プリンタ等の画像形成装置本体のフレームに位置決めされ、上面が基準面に取付けられてネジ固定されている。なお、実施例では、３つの光走査装置を配列しているが、配列数はいくつであっても同様である。
【００３４】
図５は、これまで説明してきた光走査装置をプリンタに適用した例を示すもので、単一の光走査装置５００によって１色ずつ画像形成され、転写ベルト５０１を４回転して回転毎に色重ねがなされるカラーレーザプリンタの例を示している。図５において、転写ベルト５０１は駆動ローラと２本の従動ローラとで支持され、各色に対応したトナーを補給する現像手段としての現像ローラ５０２およびトナーホッパ５０３は回転支持体５０９上に一体的に配備されて１／４ずつ回転しながら、像担持体としての感光体ドラム５０４に対向するように構成されている。画像は、転写ベルト５０１の幅方向の端部に形成されたレジストマークを検出するセンサ５０５の信号をトリガとして、副走査方向の書出しタイミングはかって記録される。この画像記録は、上記光走査装置５００によって光走査されることにより感光体ドラム５０４に静電潜像として記録される。この静電潜像は現像部にてトナーが載せられることによってトナー像として顕像化され、このトナー像は転写ベルト５０１に転写される。転写された後の感光体ドラム５０４の残トナーは、混色しないようにクリーニング部５０８で掻き取られ備蓄される。これらの動作を各色毎に行うことで、転写ベルト５０１に順次画像が重ねられていく。
【００３５】
プリンタの下部には給紙トレイ５０７が配置されていて、給紙トレイ５０７から給紙コロ５０６により用紙が供給されるように構成されている。用紙は４色目の画像形成にタイミングを合わせてレジストローラ５１０により送り出され、転写手段５１１にて、転写ベルト５０１に重ねられて形成されている４色のトナー像が同時に用紙に転写される。転写されたトナー像を保持した用紙は定着ローラ５１２により定着され、排紙トレイ５１４に排出される。
【００３６】
光走査装置５００は、上記したように複数の光走査手段の走査線をつなぎ合わせて１ラインを形成する。１ラインの総ドット数Ｌを３分割し、画像始端から各々１〜Ｌ１、Ｌ１＋１〜Ｌ２、Ｌ２＋１〜Ｌドットを割り当てて印字する。実施例では各走査領域が像担持体としての感光体ドラム上で数ｍｍ重なるようにオーバーラップ領域を設け、割り当てる画素数Ｌ１、Ｌ２を固定せず、各色で異なるようにしている。こうすることで、同一ラインを構成する各色の走査線の継ぎ目が重ならないようにすることができ、走査領域の境界をより目立ち難くしている。
【００３７】
画像データは、上記したように主走査方向に３分割され、各光走査手段毎にビットマップメモリに保存され、各振動ミラーモジュール２００に共通の駆動周波数ｆｄにより決定される副走査ピッチに応じてラスター展開がなされ、ラインデータとしてバッファに保存される。保存されたラインデータは各同期検知信号をトリガとして読み出され画像記録が行われる。
【００３８】
図８は、振動ミラー２０２の駆動制御回路例を示すブロック図である。駆動パルス生成部６０１は、プログラマブル分周器と、ＰＬＬ回路とを有してなる。プログラマブル分周器は、基準クロックを分周し、図８に示すように振動ミラーの１／２周期に１回、かつ最大振幅時から水平となるまでの期間のみに電圧パルスが印加されるように、共振周波数Ｆ０（＝１／Ｔ０）の２倍の周波数で、デューティが５０％以下のパルス列（Ｔ＜Ｔ０／４）を生成する。上記ＰＬＬ回路は、上記パルス列に所定の位相遅れδを生じさせて駆動周波数ｆｄとし、これを振動ミラー駆動部６０２に与えて振動ミラー駆動部６０２を駆動するように構成されている。振動ミラー駆動部６０２の駆動同時に、光源ユニットの電磁コイル駆動部６０３には、振動ミラーの１／２周期で走査角θ０の位置に振幅の谷部が合うように位相を合わせて電流が印加される。
【００３９】
振動ミラーは走査角θ０を起点として−θ０に達するまでの往期間の内、θｓ〜−θｓの期間（０＜θｓ＜θ）、同一方向の走査時のみ画像記録を行い、走査角−θ０から＋θ０の復期間には画像記録を行わない。言い換えれば、駆動周波数ｆｄの１周期毎に画像記録を行う。ちなみにθｓ／θ０＝０．７とした。
また、電源投入時、および待機状態から起動する際には、プログラマブル分周器で連続的に分周比を変えることで駆動周波数ｆｄを高周波側から可変して励振し、上記したように走査始端と走査終端とに配備したセンサで時間差を計測し、振幅演算部６０４で振幅を検出するように構成されており、あらかじめ設定された時間になったことをもって共振振動帯域であることを判断する。このチェックを起動時以外にも定期時間毎にかけるようにすれば、経時においても振れ角の安定性をより向上することができる。
【００４０】
上記した実施例では、図６に示すように、カップリングレンズ６０６の位置を周期的に光軸方向に可変することで、被走査面上における結像位置を主走査方向に沿って変化させているが、他の方法によっても可能である。別の結像位置可変手段の例として特開平７−４９４６０号公報に開示されている可変焦点ミラーや、特開平１０−２６９５９９号公報に開示されている可変焦点レンズなどを利用することができる。
【００４１】
図１０は可変焦点ミラーの一例で、Ｓｉ基板７０１の上（図では下面）に酸化膜７０３を介して多結晶シリコン薄膜７０２を堆積させ、反対面からダイヤフラムを形成して、枠部を架橋する薄膜状のミラー面を形成している。図中上側がミラー面で金属被膜が蒸着されている。図１０（ｂ）は主走査方向の断面を示す。ガラス基体７０４の凹部には電極７０５が形成され、上記ミラーの裏面を数μｍのギャップを介して対向させて貼り合わされることにより構成されている。電極７０５に電圧を印加するとミラー面中央は静電力によって吸引され、円筒凹面状にたわませることができ、可変焦点ミラーとして作用する。すなわち、曲率が周期的に変化する光学素子を構成している。
このような結像位置可変手段は、発光源から振動ミラーに至る光路中に配備することで、上記カップリングレンズを往復移動する例と同様な効果が得られる。
【００４２】
ところで、振動ミラーは共振振動されるため、図８に示すようにｓｉｎ波状に走査角θが変化する。
θ＝θ０・ｓｉｎ２πｆｄ・Ｔ、 −１／４ｆｄ＜ｔ＜１／４ｆｄ
一方、被走査面である感光体ドラム面では均一間隔で主走査ドットを印字する必要があり、上記した第２の結像光学系である走査レンズの結像特性は、単位走査角あたりの走査距離ｄＨ／ｄθがｓｉｎ^−１θ／θ０に比例するように、つまり、画像中央で遅く周辺に行くに従って連続的にかつ加速度的に速くなるように光線の向きを補正しなければならず、走査レンズ中央部から周辺部にかけて結像点を遠ざけるようパワー配分を行う必要がある。しかし、同時に、図１１に示すように、設計時においてあらかじめ振動ミラーの動的変形に伴う主走査方向の結像位置のずれを見込み、その分だけ像面湾曲が変化するようパワー配分を行うこともでき、上記した結像位置可変手段を用いるのと同様に、振動ミラーの動作時の変形に対処できる。図１１（ａ）が副走査断面、図１１（ｂ）が主走査断面である。実施例では、主走査方向の結像位置だけが走査角に応じて正弦波状にオーバー側にずれるように変化し、周辺部では副走査方向と主走査との結像位置の差が大きくなっている。
【００４３】
なお、互いに隣接する光走査部による走査境界部におけるスポット径ｄが等しくなるように、＋像高、−像高でずらし量が対称になるよう設計しているが、これに限らず、レンズの曲率を非対称に形成することは可能であから、ずらし量を非対称としても一向に構わない。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、発光源と、発光源からの光ビームを所定の収束状態または発散状態に変換する第１の結像光学系と、ねじり梁を回転軸として往復振動し、上記光ビームを走査する振動ミラーと、振動ミラーで走査された光ビームを被走査面上に結像する第２の結像手段とを有する光走査装置において、上記振動ミラーの動的変形に応じて、光ビームの結像位置を被走査面から変化させるようにした。これにより、マイクロマシンプロセスにより作製した振動ミラーを用いても動的変形による結像位置を補正することができるので、走査周辺部においても中央部と同等の均一なビームスポット径が得られ、画像濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる。また、振動ミラーをより軽量化できるので、駆動トルクが低減されるうえ、高速動作にも適合でき省電力で高速な光走査装置を提供できる。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、上記振動ミラーの振れ角に対応して、少なくとも主走査方向における上記光ビームの結像位置を被走査面から変化させることにより、振動ミラーの振幅にタイミングを合わせて結像位置を可変できるので、各走査位置に対応して確実に結像位置が補正でき、主走査に沿って均一なビームスポット径が得られ、画像濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる。
【００４６】
請求項３記載の発明によれば、上記第１の結像光学系には、上記光ビームの収束状態または発散状態を周期的に可変する結像位置可変手段を備えることにより、振動ミラーの正弦波振動に追従して各走査角での結像位置を効果的に補正することができるので、主走査に沿って均一なビームスポット径が得られ、画像濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる。
【００４７】
請求項４記載の発明によれば、上記結像位置可変手段は、光軸方向に往復移動する光学素子を上記第１の結像光学系に備えることにより、各走査角での結像位置を確実に可変することができ、振動ミラー毎の動的変形のばらつきに対して柔軟に適応することができる。
【００４８】
請求項５記載の発明によれば、上記結像位置可変手段は、曲率が周期的に変化する光学素子を上記第１の結像光学系に備えることにより、各走査角での結像位置を確実に可変することができ、振動ミラー毎の動的変形のばらつきに対して柔軟に適応することができる。
【００４９】
請求項６記載の発明は、上記第２の結像光学系は、上記光ビームの結像位置が走査中央から走査端にかけて被走査面からずれるように、主走査方向に沿って収束力が連続的に変化するようにした。これにより、特別に補正機構を設けなくても、振動ミラーの正弦波振動に追従して各走査角での結像位置を効果的に補正することができるので、主走査方向に沿って均一なビームスポット径が得られ、画像濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる。
【００５０】
請求項７記載の発明は、上記振動ミラーで走査された光ビームを検出する検出手段を備え、その検出信号と同期して上記光ビームの結像位置を変化させるように構成した。これにより、振動ミラーに印加される駆動信号と実際の振幅との間に位相差があっても、振動ミラーの振れ角に確実に同期して補正を行うことができるので、主走査方向に沿って均一なビームスポット径が得られ、画像濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる。
【００５１】
請求項８記載の発明は、上記振動ミラーの駆動周波数を振動ミラー固有の共振振動数に応じて可変する振動ミラー駆動手段備えるとともに、上記駆動周波数に応じて、上記光ビームの結像位置を変化させる周期を可変するように構成した。これにより、振動ミラーの共振周波数がばね定数の温度特性等により経時的に変化し、ビームスポットの移動速度が変わっても、その変化に対応して結像位置を可変する周期を容易に合わせることができるので、画像濃度むらのない高品位な画像記録を行うことができる。また、振動ミラーの共振周波数を追従することで、常に振幅が最大となるように保つことができるので、印加電流等のマージンを最小限とすることができ、省電力化できる利点もある。
【００５２】
請求項９記載の発明は、発光源、画像情報に応じて発光源を変調する光源駆動手段、ねじり梁を回転軸として共振振動し光源手段からの光ビームを走査する振動ミラー、を有する光走査装置と、この光走査装置によって静電画像が形成される像担持体と、上記静電画像をトナーで顕像化する現像手段と、顕像化されたトナー像を記録紙に転写する転写手段と、を有する画像形成装置であって、上記振動ミラーで走査された光ビームの結像位置を、振動ミラーの動的変形に応じて可変しつつ、画像記録を行うように構成した。こうすることにより、振動ミラーの動的変形が生じても結像位置を補正することができ、像担持体上において主走査方向に沿って均一な露光電位分布が得られ、画像濃度むらのない高品位な画像を得ることができる。
【００５３】
請求項１０記載の発明は、発光源と、画像情報に応じて発光源を変調する光源駆動手段と、ねじり梁を回転軸として共振振動し、光源手段からの光ビームを走査する振動ミラーと、を有する光走査装置を複数備え、主走査方向に各々の走査領域を連結して画像記録を行う画像形成装置であって、上記振動ミラーで走査された光ビームの結像位置を、振動ミラーの動的変形に応じて可変しつつ、画像記録を行うようにした。これにより、走査領域の分割に伴って目立ちやすくなる周期的に生じる帯状の濃度むらを、各走査領域の露光電位分布を均一化することで低減することができ、高品位な画像を得ることができる。
【００５４】
請求項１１記載の発明は、隣接する光走査装置の連結位置におけるスポット径が略同一となるように、上記結像位置を可変するようにした。これにより、露光電位分布の差があると走査領域間の継ぎ目が最も判別し易い境界部においても露光電位分布の差をなくすことができるので、露光電位分布の差あっても判別し難い離隔部間の露光電位分布の差があっても、画像濃度むらのない高品位な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光走査装置の実施の形態を示す分解斜視図である。
【図２】同上実施の形態を反対側から見た分解斜視図である。
【図３】本発明にかかる光走査装置に用いることができる振動ミラーモジュールの例を示す分解斜視図である。
【図４】同上振動ミラーモジュールの正面断面図である。
【図５】本発明かかる光走査装置を有する画像形成装置の実施形態を模式的に示す正面図である。
【図６】本発明に適用可能な光源ユニットの例を示すもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は副走査方向の断面図である。
【図７】振動ミラーの振れ角α１、α２に対するミラー面の様子をトーションバーからなるねじり梁に直交する断面において示す線図である。
【図８】駆動パルスとこの駆動パルスによって駆動される振動ミラーの振幅とこの振幅に対するカップリングレンズの変位の関係を示すタイミングチャートである。
【図９】上記振動ミラーモジュールにおける可動ミラーの駆動制御回路の例を示すブロック図である。
【図１０】可焦点ミラーの一例を示すもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は主走査方向の断面図である。
【図１１】第２の結像光学系のパワー配分例を示すもので、（ａ）は副走査方向の断面図、（ｂ）は主走査方向の断面図である。
【符号の説明】
１０１発光源としての半導体レーザ
１１３検出手段としての同期検知センサ
１１６第２の結像光学系を構成する第１走査レンズ
１１７第２の結像光学系を構成する第２走査レンズ
２００振動ミラーモジュール
２０２振動ミラー
２０８ねじり梁
５００光走査装置
５０２現像手段としての現像ローラ
５０４像担持体
５１１転写手段
６０２振動ミラー駆動部
６０４結像位置可変手段としての電磁コイル
６０６第１の結像光学系としてのカップリングレンズ

Claims

発光源と、発光源からの光ビームを所定の収束状態または発散状態に変換する第１の結像光学系と、ねじり梁を回転軸として往復振動し、上記光ビームを走査する振動ミラーと、振動ミラーで走査された光ビームを被走査面上に結像する第２の結像光学系とを有する光走査装置において、
上記振動ミラーの動的変形に応じて、上記光ビームの結像位置を被走査面から変化させることを特徴とする光走査装置。
上記振動ミラーの振れ角に対応して、少なくとも主走査方向における上記光ビームの結像位置を被走査面から変化させることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
上記第１の結像光学系は、上記光ビームの収束状態または発散状態を周期的に可変する結像位置可変手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
上記結像位置可変手段は、光軸方向に往復移動する光学素子を、上記第１の結像光学系に備えていることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。
上記結像位置可変手段は、曲率が周期的に変化する光学素子を、上記第１の結像光学系に備えていることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。
上記第２の結像光学系は、上記光ビームの結像位置が走査中央から走査端にかけて被走査面からずれるように、主走査方向に沿って収束力が連続的に変化するものであることを特徴とする請求項２記載の光走査装置。
上記振動ミラーで走査された光ビームを検出する検出手段を備え、この検出手段による検出信号と同期して結像位置可変手段が上記光ビームの結像位置を変化させることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
上記振動ミラーの駆動周波数を振動ミラー固有の共振振動数に応じて可変する振動ミラー駆動手段を備え、この振動ミラー駆動手段は、上記駆動周波数に応じて、上記光ビームの結像位置を変化させる周期を可変することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
発光源、画像情報に応じて発光源を変調する光源駆動手段、ねじり梁を回転軸として共振振動し発光源からの光ビームを走査する振動ミラーを有する光走査装置と、この光走査装置で光ビームが走査されることによって静電画像が形成される像担持体と、この像担持体の静電画像をトナーで顕像化する現像手段と、顕像化されたトナー像を記録紙に転写する転写手段とを有する画像形成装置であって、
上記振動ミラーで走査された光ビームの結像位置を、振動ミラーの動的変形に応じて可変しつつ、画像記録を行うことを特徴とする画像形成装置。
発光源と、画像情報に応じて発光源を変調する光源駆動手段と、ねじり梁を回転軸として共振振動し発光源からの光ビームを走査する振動ミラーとを有する光走査装置を複数備え、主走査方向に各々の走査領域を連結して画像記録を行う画像形成装置であって、
上記振動ミラーで走査された光ビームの結像位置を、振動ミラーの動的変形に応じて可変しつつ画像記録を行うことを特徴とする画像形成装置。
隣接する光走査装置の上記連結位置におけるスポット径が略同一となるように、上記結像位置を可変することを特徴とする請求項１０記載の画像形成装置。