JP2005340526A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、感光体寿命を保ったまま画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供する。
【解決手段】 画像データに基づいてレーザーダイオードの発光を制御・変調する制御・変調手段２１を備えた画像形成装置であって、制御・変調手段２１は、無バイアス変調方式の変調回路から構成され、

ただし、
P：レーザーダイオードの発光光量[Ｗ]
η：レーザーダイオードの微分効率[Ｗ/Ａ]
Ith：レーザーダイオードの閾値電流[Ａ]
τs：レーザー媒質中のキャリア寿命[s]
tsc：１画素あたりの走査時間[s]
という関係式を満たす光量でレーザーダイオードを発光させて画像形成を行う。
【選択図】 図６

Description

本発明は、デジタル複写機、レーザービームプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関し、特に、レーザーダイオードから放射されるレーザー光量を制御するレーザーダイオード制御装置に特徴のある画像形成装置に関する。

レーザープリンタに代表される画像形成装置では、レーザーダイオード（ＬＤ）から射出された光ビームを回転多面鏡によって偏向走査することで、帯電した感光体表面に画像を描画するという制御が一般的に行われている。
ところで、ＬＤは発振ディレイと呼ばれる特性を有し、図１に示すように入力電流が入力されてから実際にＬＤ発光を起こすまでの間に遅延時間ｔを生じる性質を持っていることが知られている。一方、画像形成装置の高速化・高画質化の進展に伴い、ＬＤを高速動作させる必要性が生じており、この発振ディレイの画像への影響が懸念されている。
この懸念に対し、通常ＭＨｚオーダー以上の駆動周波数でＬＤを駆動させる場合には、発光時以外に意図的に閾値電流以下のバイアス電流を流しておくことによって発振ディレイを抑えられることが知られており、バイアス電流によって発振ディレイを回避して動作速度を向上するという手段が考えられ、この手段を実現するためにバイアス電流に信号電流を重畳して変調するバイアス変調方式と呼ばれる従来技術が存在する(例えば、特許文献１参照)。図２にバイアス変調方式の回路例を示す。
特開２０００−１１４６４７公報

しかしながら上述の技術においては、バイアス電流を流すことで微弱なオフセット発光が発生し、このオフセット発光に感光体が反応することで発生する地汚れを抑えるために、感光体に印加する帯電電位を高めることが必要となり、感光体電位を高める結果として、感光体寿命が短くなるという問題点が存在する。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、ＭＨｚオーダー以上の駆動周波数でＬＤを駆動する場合に、意図的にバイアス電流を流さずとも、発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、感光体寿命を保ったまま画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、画像データに基づいてレーザーダイオードの発光を制御・変調する制御・変調手段を備えた画像形成装置であって、制御・変調手段は、無バイアス変調方式の変調回路から構成され、

ただし、
P：レーザーダイオードの発光光量[Ｗ]
η：レーザーダイオードの微分効率[Ｗ/Ａ]
Ith：レーザーダイオードの閾値電流[Ａ]
τs：レーザー媒質中のキャリア寿命[s]
tsc：１画素あたりの走査時間[s]
という関係式を満たす光量でレーザーダイオードを発光させて画像形成を行う画像形成装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の画像形成装置であって、レーザーダイオードの結像光学系に透過率８０％以下の光学素子を用いる画像形成装置を主要な特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の画像形成装置であって、レーザーダイオードの結像光学系に反射率８０％以下の光学素子を用いる画像形成装置を主要な特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載の画像形成装置であって、感光体上に光エネルギーを減衰させる薄膜をコーティングしている画像形成装置を主要な特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１または２に記載の画像形成装置であって、ポリゴン面数ＮをＮ<６としている画像形成装置を主要な特徴とする。

請求項１に記載の発明の画像形成装置においては、請求項１に記載の数式を満たす光量でＬＤを発光動作させて、画像形成を行っている。このため、請求項１に記載の発明によれば、ＭＨｚオーダー以上の駆動周波数でＬＤを駆動する場合であっても、意図的にバイアス電流を流さずとも発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、オフセット発光に起因した感光体劣化を起こさずに感光体寿命を保ったまま、画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供できる。
請求項２に記載の発明の画像形成装置においては、ＬＤビームの結像光学系に使用される光学素子として、透過率８０％以下の光学素子を使用している。このため、請求項２に記載の発明によれば、請求項１の数式を満足するためのＬＤ発光量が、感光体を露光するのに必要な光量を大きく上回ってしまう場合であっても、結像光学系で光量を減衰させることによって感光体に照射される光量を低減し、請求項１の式を満足する画像形成装置を設計することができる。その結果として、発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、オフセット発光に起因した感光体劣化を起こさずに感光体寿命を保ったまま、画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供できる。
請求項３に記載の発明の画像形成装置においては、ＬＤビームの結像光学系に使用される光学素子として、反射率８０％以下の光学素子を使用している。このため、請求項３に記載の発明によれば、請求項１の数式を満足するためのＬＤ発光量が、感光体を露光するのに必要な光量を大きく上回ってしまう場合であっても、結像光学系で光量を減衰させることによって感光体に照射される光量を低減し、請求項１の式を満足する画像形成装置を設計することができる。その結果として、発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、オフセット発光に起因した感光体劣化を起こさずに感光体寿命を保ったまま、画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供できる。

請求項４に記載の発明の画像形成装置においては、感光体上に光エネルギーを減衰させる薄膜をコーティングしている。このため、請求項４に記載の発明によれば、請求項１の数式を満足するためのＬＤ発光量が、感光体を露光するのに必要な光量を大きく上回ってしまう場合であっても、光エネルギーを減衰させる薄膜によって感光体に照射される光量を低減し、請求項１の式を満足する画像形成装置を設計することができる。その結果として、発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、オフセット発光に起因した感光体劣化を起こさずに感光体寿命を保ったまま、画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供できる。
請求項５に記載の発明の画像形成装置においては、通常広く利用されている回転多面鏡の面数である６面よりも面数の多い回転多面鏡を使用している。このため、請求項５に記載の発明によれば、請求項１の数式を満足するためのＬＤ発光量が、感光体を露光するのに必要な光量を大きく上回ってしまう場合であっても、回転多面鏡の面数を６面よりも増加させることによって有効走査期間率を低くすることで、感光体に必要な露光量を間接的に高めることができるので、請求項１の式を満足する画像形成装置を設計することができる。その結果として、発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、オフセット発光に起因した感光体劣化を起こさずに感光体寿命を保ったまま、画像品質の改善を図ることが可能な画像形成装置を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
レーザープリンタの概略の構成例を図３に示す。尚、他の部分は省略している。レーザープリンタでは、図３に示すようにＬＤユニット（ＬＤＵ）１内部において、ＬＤから射出されたレーザービームがＬＤＵ内部のコリメートレンズによって平行光線となり、回転多面鏡（以下ポリゴンミラー）２によって偏向走査された後、ｆ−θレンズ３等から構成される結像レンズ、反射ミラー４によってドラム状の感光体５の帯電した表面に画像を結像する。
この際にレーザービームは画像信号に基づいて変調されて点灯、消灯を繰り返し、ポリゴンミラー２の回転に従って図中矢印の主走査方向に反復して走査されると同時に、感光体５が回転して副走査を行うことによって感光体５上に静電潜像を形成する。
形成された静電潜像は図示しない帯電した現像剤（トナー）によって現像され、さらに現像剤とは反対の電荷を与えられた転写紙等の転写材が感光体５に密着させられることで現像剤が転写材に転写される。そして、転写材が感光体５から分離した後、加熱されることで現像剤が転写材上に融着して定着が行われる。
ここで、感光体５上の走査領域外に配置された受光素子７は同期検知ミラー６を介してレーザービームを検知し、後述する書き込み制御部は、受光素子７によって得られた検知信号を基に、画像が感光体５上に書き込まれる期間である有効走査期間を割り出している。

図４は書き込み制御部の回路構成を示すブロック図である。図４において中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１はレーザープリンタ全体を制御している。画像処理部（ＩＰＵ）１２は画像データを電気的に処理しＬＤドライバ(書き込み部)１３にパラレルで画素クロックと画像データ（図中一括してＤＡＴＡ）ならびに制御信号を送信している。ＬＤドライバ１３は送信された信号を基にＬＤを駆動している。
そして画像処理部（ＩＰＵ）１２は、有効走査期間外にＡＰＣ制御用に画像データ信号を送出してＬＤを点灯し、サンプル＆ホールド信号（Ｓ／Ｈ信号）をサンプル状態にすることで、ＬＤパッケージに内蔵されたフォトダイオード（ＰＤ）で発生するモニター電流をＡＰＣ回路内蔵のＬＤドライバ１３にフィードバックしてＡＰＣを行う。そして有効走査期間内においてはＳ／Ｈ信号をホールド状態にしてドライバの出力電流を一定値に固定している。
またこの際に、画像処理部（ＩＰＵ）１２はデジタル制御信号をＤＡコンバータ１４に送信して、ＤＡコンバータ１４のアナログ電圧出力をコントロールし、この出力電圧値が分圧抵抗１５で分圧され、これによって生成された電圧を光量基準電圧として、電圧に応じた光量にコントロールしているものとする。
ＬＤドライバ１３に内蔵されたＡＰＣ回路の回路ブロック図を図５に示すとともに、ＡＰＣ回路の動作を説明する。ＡＰＣ動作時にＬＤ制御装置である画像処理部１２から制御信号としてＬＤを連続点灯させる画像データ信号とそれに続くサンプル信号が送出される。ＬＤを連続点灯する画像データ信号は図５のＬＤ変調回路２１に入力されてＬＤ変調回路２１を連続的にＯＮ状態とするとともに、サンプル信号はＳ／Ｈスイッチ２２をＯＮに切り替える。
すると、ホールド・コンデンサ２３の電圧値に基いた電流制御信号がＬＤ変調回路２１に送信され、電流制御信号に基づいた電流がＬＤ変調回路２１からＬＤに流れ込んでＬＤが連続的に発光し、ＬＤの光強度に比例した電流がＰＤに流れ込む。そして、Ｉ／Ｖ変換回路２４においてＰＤを流れる電流値が電圧に変換される。
その変換後の電圧と光量の基準となる前記光量基準電圧がコンパレータ２５によって比較された結果に基いてホールド・コンデンサ２３が充電もしくは放電されて、コンデンサ２３の電圧値が変化することで、ＬＤ変調回路２１の出力電流がコントロールされ、ＬＤ光量が一定に制御される。
そして画像書き込み時には、Ｓ／Ｈ信号がホールド信号に変って、Ｓ／Ｈスイッチ２２がＯＦＦに切り替わる。その結果ホールド・コンデンサ２３の値が一定値に固定されるため、電流制御信号は一定値に固定され、その結果ＬＤ変調回路２１からＬＤに流れる電流は一定値に固定される。そして画像処理部（ＩＰＵ）１２から送出される画像データ信号に基いて、ＬＤドライバ１３内部のＬＤ変調回路２１を介してＬＤ光源が変調されて、感光体５に画像の書き込みが行われる。

図６にＬＤ変調回路の構成を示す。ここでのＬＤ変調回路２１は、無バイアス変調方式であり、ホールド・コンデンサ２３の電圧値に基いた電流制御信号を基にして、ＬＤ点灯時にＬＤに印加する電流量をコントロールするとともに、画像処理部（ＩＰＵ）１２から送出される画像データに基づいてＬＤドライバ１３内部で生成された２つの互いに論理反転した入力信号に基づいてＬＤへの電流供給をＯＮ、ＯＦＦしてＬＤ変調しているものとする。
図２に示したバイアス変調方式との違いは、バイアス変調方式ではＬＤ変調時にＬＤが点灯しない時でもＬＤの閾値電流以下のバイアス電流を流すために備えられたバイアス電流用のトランジスタＱ_Bがあるのに対して、本発明で使用する無バイアス変調方式ではＱ_Bが無い点である。
さてここで、このレーザープリンタにおいて、ＬＤの光量を決定する前記光量基準電圧を前記分圧抵抗１５の設定値やＤＡコンバータ出力電圧の設定を調整することによって、

ただし、ここで
P：ＬＤの発光光量[Ｗ]
η：ＬＤの微分効率[Ｗ/Ａ]
Ith：ＬＤの閾値電流[Ａ]
τs：レーザー媒質中のキャリア寿命[s]
tsc：１画素あたりの走査時間[s]
という関係式(請求項１に記載の式)を満たす光量でＬＤを発光させて画像形成を行うようにＬＤ光量の制御を行うものとする。光量を上式に設定することによる効果について、後ほど詳述する。
また本発明では、ＬＤユニット１内部に多層膜コーティングを施して透過率６０％としたレンズを使用するものとする。さらにポリゴンミラー２にも多層膜コーティングを施して反射率を７０％とし、ポリゴン面数を４面としたものを使用するものとする。また、感光体上にも薄膜をコーティングしているものとする。これら一連の効果についても後ほど詳述する。

さてここで光量を上式に設定することによる効果について、以下で詳述する。
光量を上式に設定することによる効果について述べるに先立ち、まず発振ディレイが画像に与える影響について考察する。
まず、１画素だけ孤立した画像を形成することを考えた場合、１画素当たりの走査時間に対する発振ディレイの比率が大きくなれば、その分光パルス幅は狭まることになる。仮に発振ディレイが１画素当たりの走査時間と等しくなれば、ＬＤが発光できなくなってしまう。この関係を図７に示す。つまり、発振ディレイが１画素当たりの走査時間と等しくなった場合には、上述のようにＬＤが全く発光できないことから、全く画像形成することはできないことが分かる。
次に、発振ディレイよりも１画素当たりの走査時間の方が大きい場合に、発振ディレイが画像に与える影響について考察する。
このためには、まず任意の光パルス波形が与えられた時にどのような画像が形成されるのかについて考察する必要がある。図８に示したように、ＬＤから任意の矩形波状の光パルス波形が与えられたとしても、トナーで形成される画像は、矩形波状の分布とはならない。
この原因として、まず光学系の特性が考えられる。主走査方向に大きさゼロの光ビームが感光体５上を走査されると仮定して、この光ビームを時間変調することを考えた場合、矩形波状の光パルス波形を与えれば、感光体５上に与えられる光エネルギー照射量は矩形波状の分布に成りうる。

しかしながら、ＬＤから放射された光ビームを、アパーチャ、レンズ、ポリゴンミラー等から構成される結像光学系を介して感光体５上に結像した場合、光ビームは空間上の一点に集光できず、ガウシアン関数で表現される光量分布を持った、有限の大きさのビームスポットになることが知られている。このため、感光体５に与えられる光エネルギー照射量分布は、仮に矩形波状の光パルス波形を与えたとしても矩形波よりも鈍った分布を持つことになる。
さらに感光体５の特性が考えられる。感光体５上においては、光エネルギー照射量に比例して、正負それぞれの電界を持ったチャージキャリアが生成されるが、生成されるチャージキャリアが再結合を起こすことも知られており、さらに光量が多い程生成されるチャージキャリアが多いことから最終的に感光体５上に生成される電荷密度分布は照射される光エネルギー量に単純に比例する訳ではない。したがって光エネルギー照射量の分布に応じて生成される電荷密度分布は矩形波よりもさらに鈍った分布を持つことになる。
ここでさらに電荷密度分布によって、トナーを引き付けるクーロン力の原因となる電界強度分布が生成されるが、電界強度分布はよく知られているようにＰｏｉｓｓｏｎ方程式によって電荷密度分布から決定されるものであるので、矩形波とはさらに異なった分布になる。
この後さらに、先述したようなトナーによる現像、用紙への転写、加熱による融着といった一連の過程を経て形成される最終的なプリント画像は、矩形波とは大きく異なったものになると考えられる。画像形成装置は、以上のような性質を持っていることから、ＬＤから射出する変調された光波形がそのまま単純に画像形成される訳ではない。

以上のことを念頭におき、発振ディレイが画像に与える具体的な影響を図９に示す。図９のように、主走査方向に垂直な直線が１ｄｏｔおきに並んで構成された画像パターンと、主走査方向に平行直線が１ｄｏｔおきに並んで構成されたパターンが隣接した画像パターンを考える。
まず図中右側のように、主走査方向に垂直な直線が１ｄｏｔおきに並んで構成されたパターンを考える。この場合、ＬＤは図中矢印の主走査に向かって画像が形成されていくため、ＬＤは１ｄｏｔおきに点滅を繰り返すことになる。その結果ＬＤが点灯する毎に、発振ディレイによって発光タイミングに遅れが生じ、発振ディレイが大きい場合には感光体に照射される光エネルギーが減じられ、結果として狙いよりも少し細い線が形成されてしまう。
一方、図中左側のように、主走査方向に平行直線が１ｄｏｔおきに並んで構成されたパターンを考える。この場合、ＬＤは図中矢印の主走査に向かって画像が形成されていくため、ＬＤは連続点灯することになる。ＬＤが連続点灯する結果発振ディレイは発生せず、狙い通りの光エネルギーが感光体に照射され、狙い通りの太さの線が形成される。形成された２つの画像を少し離して観察した場合、図中右側のパターンは、若干線が細いため、全体として左側よりも濃度が薄く見えてしまう。
しかしながら、ここで経験的に、発振ディレイが１画素当たりの走査時間の１／２よりも小さい場合、先述したような光学系の特性、感光体特性により、視認できないことが分かっている。以上の理由により、以下で発振ディレイを１画素当たりの走査時間の１／２以内に抑える方法を以下で考察することとする。

まず以下において発振ディレイ量について定量的な考察を加える。
縦単一モードのＬＤの状態は、一般的に以下のレート方程式

・・・式１

・・・式２
で表現されることが知られている。
ただしここで、
Ｓ：光子密度
Ｎ：キャリア密度
Ｊ：注入電流密度
τp：光子寿命
τs：キャリア寿命
ｇt：利得係数
βsp：自然放出光係数
Γ：光閉じ込め率
ｑ：電子の電荷
ｄ：ＬＤの活性層の厚さ
とする。
ここでのレート方程式は、ＬＤの活性層の微小領域について考えているため、単位体積あたりについての微視的表現形式になっている。

さてここで、図１０のようにt=０においてステップ状の電流を注入することを考える。ＬＤでは、キャリア密度が反転分布に達してからレーザ発振（誘導放出）を始めるが、外部からの電流注入によって供給されたキャリアは、自然放出によっても消費されてしまうため、しきいキャリア密度Ｎthに達するまでに発振ディレイ（発振遅延）と呼ばれる遅延時間tdが生じてしまうことになる。
さて、式１・式２において、発振前にはＳ=０と考えることができる。したがって閾値電流をJthとして、t=０での初期条件Ｊ=０の基に、t=０において注入電流Jを０からJop(ただしJop≦Jth)まで増加することを考えれば、キャリア密度Ｎの時間変化は式２から、

・・・式３
となることが分かる。
ここで、式３において、t→∞とおけば、

で定常状態になることが分かる。
さらに閾値電流Jthを注入することを考えれば、しきいキャリア密度nthとの間に

・・・式４
の関係が成り立つことが分かる。

さてここで、式３においてt=tdでn(t)がしきいキャリア密度nthに達したとすると、式３および式４から発振ディレイもしくは発振遅延時間tdは、

・・・式５
と導出できる。
先述したようにレート方程式（式１・式２）が単位体積あたりについての微視的表現形式になっていることから、やはり式５も同様に微視的表現形式となっているが、プリンタ等で使用される電子部品としてのＬＤについての記述である巨視的な表現形式に書き直すことを考える。
活性領域内での光子密度、キャリア密度はほぼ一定と考えられるので、
Iop：動作電流
P：ＬＤの発光光量
Ith：ＬＤの閾値電流
を用いて巨視的な表現形式に直せば、式５は、

・・・式６
となる。
一方、意図的にバイアス電流を流さずとも、発振ディレイを１画素当たりの走査時間の１／２に抑えられることが分かっている。
これを数式で表現すれば、

・・・式７
を満足していればよいことが分かる。
ただしここで、
td：発振ディレイもしくは発振遅延時間
tsc：１画素あたりの走査時間
とする。

さてここで、意図的にバイアス電流を流さずとも、発振ディレイを１画素当たりの走査時間の１／２に抑えるためには、式７に式６を代入して、

・・・式８
を満足する必要があることが分かる。
さらにτsが０でないことから式８の両辺をτsで除算して、その結果について両辺expをとれば、大小関係はそのまま保たれるので、

・・・式９
を満足する必要があることが分かり、これはさらに

・・・式１０
と変形できる。

さらにここで、微分効率（スロープ効率）ηについて考える。
図１１のように一般的にＬＤの電流―光出力特性は、閾値電流Ithと微分効率（スロープ効率）ηで特徴づけられている。微分効率（スロープ効率）ηは発振状態での電流―光出力特性（Ｉ―Ｌカーブ）の傾きであり
η=ΔP/ΔI ・・・式１１
で表現できる。
ただしここで、ΔI：電流増分ΔP：対応する光出力増分である。
図１１から分かるように微分効率ηは、

・・・式１２
と表現することも可能である。
ただしここで、
η：微分効率
P：ＬＤの発光光量
Ith：ＬＤの閾値電流
Iop：ＬＤの駆動電流
とする。
ここで式１２の両辺に(Iop-Ith)を乗じ、さらにηが０でないことから両辺をηで除算すると、

・・・式１３
となる。
またここで式１３からIopについての式を導くと、

・・・式１４
となる。

さてここで、式１０に式１３を代入すれば、

・・・式１５
と変形できる。
さらに、式１４を式１５に代入すれば、

・・・式１６
であり、変形して、

・・・式１７
となる。ここでtsc>０、τs>０であるので、常に

が成り立ち、式１７の両辺を

で除算することができるので、

・・・式１８
となる。
以上により、

・・・式１８
とすれば、ＭＨｚオーダー以上の駆動周波数でＬＤを駆動する場合であっても、意図的にバイアス電流を流さずとも、発振ディレイを１画素当たりの走査時間の１／２に抑えることができ、画像品質を維持することができることを示すことができた。

さてここで、請求項１に記載の式において、P：ＬＤの発光光量を計算する際に必要な物理量の測定方法について述べておく。
まず、
η：ＬＤの微分効率[Ｗ/Ａ]
Ith：ＬＤの閾値電流[Ａ]
についてはＬＤのカタログスペックとして記載されていることが多く、図１１に示したＬＤの電流―光出力特性さえ分かれば、容易に計算できるので、測定方法を述べることは省略する。
次に、
τs：レーザー媒質中のキャリア寿命[s]
について、その測定方法について簡単に説明する。
発振ディレイもしくは発振遅延時間tdは、

・・・式６
で表現できることを先述した。
式６の右辺を変形した上で、底を変換して、自然対数を常用対数に改めると

・・・式１７
とできるので、ここで相対電流密度を

として定義すれば、式１７より発振遅れ時間が相対電流密度の常用対数に比例していることが分かる、順次、動作電流Iopを変えたときの発振ディレイ量tdを測定して、その結果を図１２のように片対数グラフにプロットして直線で近似すれば、その直線の傾きからτsを算出できる。
上述により発振ディレイを抑えて画像品質を維持することができることを示したので、続いて、先述したように本発明で図６に示す無バイアス変調方式を採用することの効果について、図２に示したバイアス変調方式との比較を行いながら、以下で説明する。

図１３にはバイアス変調方式の動作メカニズムを図示し、図１４には無バイアス変調方式の動作メカニズムを図示している。図１３から分かるように、バイアス変調方式では、図６にて図示したバイアス電流用のトランジスタＱＢからバイアス電流を供給しているため、常時バイアス電流が流れ、その上に画像データ信号に合わせてＯＮ、ＯＦＦされる信号電流が加算されるという動作をしている。また、先述したＡＰＣ動作においては、Ithが温度変動してもバイアス電流が適正に制御されることで、光量が一定になっている。
このため、たとえ画像信号が途絶えても、ＬＤに常時バイアス電流が流れることで微弱なオフセット発光が発生する。そしてこのままでは、感光体５がオフセット発光を感知してしまい、地汚れの原因となってしまうので、オフセット発光の感光体５への影響を打ち消すために、感光体５に印加する電圧を高める必要がある。しかしながら、感光体５に電圧を印加することで、感光体寿命が短くなることが知られている。
一方、本発明では図６に示す無バイアス変調方式を採用しているため、図１４に示した無バイアス変調方式の動作メカニズムから分かるように、単純に信号電流がＯＮ、ＯＦＦするのみであり、ＡＰＣは信号電流を適正に制御することで光量が一定になっている。
このため画像信号が途絶えれば、ＬＤに電流はほとんど流れなくなり、バイアス電流に起因する微弱なオフセット発光も発生しない。このため、地汚れを無くすために感光体に印加する電圧を高める必要はなく、感光体寿命が短くなることはない。
したがって本発明によれば、ＭＨｚオーダー以上の駆動周波数でＬＤを駆動する場合であっても、オフセット発光に起因した感光体劣化を起こさずに感光体寿命を保ったまま、発振ディレイを抑えてＬＤの動作速度を向上し、画像品質の改善を図ることが可能になる。
また、本発明では、先述したように、ＬＤユニット１内部に多層膜コーティングを施して透過率６０％としたレンズを使用し、ポリゴンミラーにも多層膜コーティングを施して反射率を７０％とし、ポリゴン面数を４面としたものを使用している、また、感光体上５にも薄膜をコーティングしている。

ここでこれらの効果について説明する。まず、レンズ、ミラー等光学部品の反射率、透過率の効果について述べる。レンズ、ミラー等の光学部品は通常光利用効率を高めるために、ＬＤ波長に合わせて透過率の高い部品を使用するのが通例であり、たいていの光学装置では、透過率８０％以上の部品を使用している。
しかしながら本発明では、請求項１の式を満たす光量でＬＤを発光させることによって、発振ディレイを抑制することを目指しているため、ＬＤの発光量が感光体を露光するのに必要な光量を大きく上回ってしまう。
そこで感光体５を露光するのに必要な光量を大きく上回ってしまう場合であっても、上記のように結像光学系に使用されるレンズ、ミラー等の光学部品の反射率、透過率を落とすことによってＬＤから放射されたビーム光量を減衰させて感光体５に照射される光量を低減し、請求項１の式を満足する画像形成装置を設計することが可能になる。
また、感光体５上にも光エネルギーを減衰させる薄膜をコーティングすることによっても、同様にして感光体上の光半導体に照射される光量を低減し、請求項１の式を満足する画像形成装置を設計することが可能になる。
さらにポリゴンミラー面数を４面と小さくしている効果について説明する。まず、ポリゴンミラー面数の説明に先立ち有効走査期間率について説明する。有効走査期間率とは、光ビームが１主走査期間内にポリゴンミラー２によって偏向された内、どの程度の期間、感光体５の画像形成領域に照射されるかを表現したものであり、ポリゴンミラー面数を減らすほど有効走査期間率が小さくなることが知られている。
たいていの画像形成装置で使用されるポリゴンミラー２は、この有効走査期間率を高めるために、ポリゴンミラー面数を大きくしているのが通例であり、たいていの画像形成装置では、ポリゴンミラー面数が６面以上の部品を使用している。
本発明では、ポリゴンミラー面数を通常の６面よりも減らすことで、有効走査期間率を意図的に小さくして、その分光ビームの走査速度を高めることによって単位時間当たりに必要となる光量を高め、感光体そのものが必要とする光量が小さくとも、請求項１の式を満足するＬＤ光量でも画像形成装置を設計することが可能になる。

図１５は、本発明の一実施形態に係るデジタル複写機の概略構成図である。この構成は、画像処理装置としての複写機１００であり、この複写機１００の上面にはコンタクトガラス２０６が設けられている。また、複写機１００の上部には自動原稿送り装置（以下、単にＡＤＦという）２０１が設けられており、このＡＤＦ１はコンタクトガラス２０６を開閉するように複写機１００に図示しないヒンジ等を介して連結されている。このＡＤＦ２０１は、複数の原稿からなる原稿束を載置可能な原稿載置台としての原稿トレイ２０２と、原稿トレイ２０２に載置された原稿束から原稿を１枚ずつ分離してコンタクトガラス２０６に向かって搬送する分離・搬送手段と、分離・搬送手段によってコンタクトガラス２０６に向かって搬送された原稿をコンタクトガラス２０６上の読取位置に搬送・停止させるとともに、コンタクトガラス２０６の下方に配設された複写機１００の読取手段（公知の露光ランプ２５１、ミラー２５２、２５５、２５６、レンズ２５３、ＣＣＤ２５４等）２５０により読み取りが終了した原稿をコンタクトガラス２０６から搬出する。給紙モータはコントローラからの出力信号によって駆動されるようになっており、コントローラは複写機１００から給紙スタート信号が入力されると、給紙モータを正・逆転駆動するようになっている。給紙モータが正転駆動されると、給送ローラ２０３が時計方向に回転して原稿束から最上位に位置する原稿が給紙され、コンタクトガラス２０６に向かって搬送される。この原稿の先端が原稿セット検知センサ２０７によって検知されると、コントローラは原稿セット検知センサ２０７からの出力信号に基づいて給紙モータを逆転駆動させる。これにより、後続する原稿が進入するのを防止して分離されないようになっている。

また、コントローラは原稿セット検知センサ２０７が原稿の後端を検知したとき、この検知時点からの搬送ベルトモータの回転パルスを計数し、回転パルスが所定値に達したときに、給送ベルト２０４の駆動を停止して給送ベルト２０４を停止することにより、原稿をコンタクトガラス２０６読取位置に停止させる。また、コントローラは原稿セット検知センサ７によって原稿の後端が検知された時点で、給紙モータを再び駆動し、後続する原稿を上述したように分離してコンタクトガラス２０６に向かって搬送し、この原稿が原稿セット検知センサ２０７によって検知された時点からの給紙モータのパルスが所定パルスに到達したときに、給紙モータを停止させて次原稿を先出し待機させる。そして、原稿がコンタクトガラス２０６の読取位置に停止したとき、複写機１００によって原稿の読み取りおよび露光が行なわれる。この読み取りおよび露光が終了すると、コントローラには複写機１００から信号が入力されるため、コントローラはこの信号が入力すると、搬送ベルトモータを正転駆動して、搬送ベルト２１６によって原稿をコンタクトガラス２０６から排送ローラ２０５に搬出する。
上記のように、ＡＤＦ２０１にある原稿トレイ２０２に原稿の画像面を上にして置かれた原稿束は、操作部上のプリントキーが押下されると、一番上の原稿からコンタクトガラス２０６上の所定の位置に給送される。給送された原稿は、読み取りユニット２５０によってコンタクトガラス２０６上の原稿の画像データを読み取り後、給送ベルト２０４および反転駆動コロによって排出口Ａ（原稿反転排出時の排出口）に排出される。さらに、原稿トレイ２０２に次の原稿が有ることを検知した場合、前原稿と同様にコンタクトガラス２０６上に給送される。

第１トレイ２０８、第２トレイ２０９、第３トレイ２１０に積載された転写紙は、各々第１給紙ユニット２１１、第２給紙ユニット２１２、第３給紙ユニット２１３によって給紙され、縦搬送ユニット２１４によって感光体２１５に当接する位置まで搬送される。読み取りユニット２５０にて読み込まれた画像データは、書き込みユニット２５７からのレーザによって感光体２１５に書き込まれ、現像ユニット２２７を通過することによってトナー像が形成される。そして、転写紙は感光体２１５の回転と等速で搬送ベルト２１６によって搬送されながら、感光体２１５上のトナー像が転写される。その後、定着ユニット２１７にて画像を定着させ、排紙ユニット２１８に搬送される。排紙ユニット２１８に搬送された転写紙は、ステープルモードを行わない場合は、排紙トレイ２１９に排紙される。

本発明の利用可能性として、光ディスクや光通信などの情報・通信分野において使用されるレーザービーム光源が挙げられる。

発振ディレイの説明図である。 ＬＤ変調回路の構成図である（バイアス変調方式）。 レーザープリンタのレーザー書き込み系の構成図である。 本発明の画像形成装置における書き込み制御部のブロック図である。 ＡＰＣ回路のブロック図である。 ＬＤ変調回路の構成図である（無バイアス変調方式）。 １画素当たりの走査時間と発振ディレイ時間との比率の影響に関する説明図である。 光波形と形成される画像の関係に関する説明図である。 発振ディレイが画像に与える具体的な影響に関する説明図である。 ＬＤの過渡応答特性を示す図である。 ＬＤの電流―光出力特性を示す図である。 レーザー媒質中のキャリア寿命測定方法に関する説明図である。 バイアス変調方式の動作メカニズムに関する説明図である。 無バイアス変調方式の動作メカニズムに関する説明図である。 本発明の一実施形態に係るデジタル複写機の概略構成図である。

符号の説明

１３ ＬＤドライバ、２１ ＬＤ変調回路(制御・変調手段)

Claims (5)

1. 画像データに基づいてレーザーダイオードの発光を制御・変調する制御・変調手段を備えた画像形成装置であって、
   前記制御・変調手段は、無バイアス変調方式の変調回路から構成され、
   

   

   ただし、
   P：レーザーダイオードの発光光量[Ｗ]
   η：レーザーダイオードの微分効率[Ｗ/Ａ]
   Ith：レーザーダイオードの閾値電流[Ａ]
   τs：レーザー媒質中のキャリア寿命[s]
   tsc：１画素あたりの走査時間[s]
   という関係式を満たす光量でレーザーダイオードを発光させて画像形成を行うことを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置であって、レーザーダイオードの結像光学系に透過率８０％以下の光学素子を用いることを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１に記載の画像形成装置であって、レーザーダイオードの結像光学系に反射率８０％以下の光学素子を用いることを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１または２に記載の画像形成装置であって、感光体上に光エネルギーを減衰させる薄膜をコーティングしていることを特徴とする画像形成装置。
5. 請求項１または２に記載の画像形成装置であって、ポリゴン面数ＮをＮ<６としていることを特徴とする画像形成装置。

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