JP2006220782A - レーザー走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の大型化やコスト上昇を招くことなく、走査レンズ系の樹脂成形レンズに対する金型の加工誤差の影響を小さくし、副走査方向の像面湾曲を抑える。
【解決手段】 レーザー走査装置の偏向器は、スリットの中心を通って偏向器に入射する光源からの光線が、偏向器の反射面に対して副走査方向に傾斜して入射するように設けられる。これにより、走査光学系の樹脂成形レンズの自由曲面９ａ上での走査軌跡Ｐは、略円弧形状となる。一方、走査光学系の樹脂成形レンズは、主走査方向端部よりも主走査方向中央部が副走査方向に突出する加工軌跡Ｑとなるように、上記自由曲面９ａを形作る面が加工された金型を用いて成形される。このような加工軌跡Ｑを実現することにより、加工軌跡Ｑを例えば副走査方向に突出する円弧状にして、円弧状の走査軌跡Ｐに一致させることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー光を走査しながら被走査面（例えば感光体）上に画像を記録するレーザー走査装置に関するものである。

レーザー走査装置の分野では、コスト低減を図るべく、走査レンズに樹脂成形レンズが使用されるようになってきており、しかも、諸収差を補正すべく、この樹脂成形レンズのレンズ面に、自由曲面が使用されるようになってきている。このような樹脂成形レンズを成形する金型は、上記自由曲面を形作る面にメッキ層を形成し、このメッキ層を超精密自由曲面加工機と呼ばれるラスターフライカット方式の加工機でフライカット（切削）することにより作られる。

より詳細には、図５に示すように、単結晶ダイヤモンドバイト１０１を有する工具１０２を使用し、この工具１０２を回転させながら、金型１０３のメッキ層１０４を少しずつ切削していく。そして、加工位置をＸＹ平面内で制御しながら、Ｚ方向に多数回切削を繰り返す。なお、ここでは、主走査方向をＹ方向とし、副走査方向をＺ方向とし、ＹＺ平面に垂直な方向をＸ方向としている。したがって、このようなラスターフライカット方式によって加工された金型１０３のＹＺ平面内での加工軌跡は、Ｙ軸に平行な直線形状となる。

ところで、上述の加工方法では、回転対称面を加工するための旋盤加工と比べて加工時間が長いため、温度変化や工具の磨耗などの影響が加工誤差となって現れやすい。

一方、レーザー走査装置では、被走査面の主走査方向に直線状の軌跡を描くようにするため、光源からの光束を偏向器（例えばポリゴンミラー）で反射偏向させ、走査レンズ系の自由曲面上でも主走査方向に略直線状の軌跡を描くようにしている。

ここで、一般的に、１つの偏向器に対して光源が１つの場合、偏向器に入射する光束は、偏向器の反射面に対して副走査方向に角度を持つ必要がなく、偏向器から走査レンズ系に入射する光束の軌跡を、走査レンズ系の自由曲面上で完全に主走査方向に沿った直線とすることができる。この場合、走査レンズ系の自由曲面上で、１ラインの走査で使用する副走査方向の範囲は狭く、上記走査レンズ系に対する金型の上記加工誤差の影響は少ない。

これに対して、カラープリンタなどで使用されるタンデム型のレーザー走査装置では、光源および被走査面は複数あるが、それらの間に配置される偏向器は１つである。走査光学系も少なくとも偏向器側の素子は共通で１つしかないが、走査光学系と被走査面との間で光路を分離する必要があるため、光束を分離する位置で副走査方向に光束がある程度離れていることが必要である。そのために、偏向器に入射する光束に副走査方向の角度を持たせることが多い（以下、斜め入射と呼ぶ）。このような場合、偏向器で反射された光束は円錐状の軌跡を描き、走査レンズ系の自由曲面上では略円弧状の軌跡Ｐとなる（図６参照）。それゆえ、上述の１光源系の場合に比べて、走査レンズ系の自由曲面上で、１ラインの走査で使用する副走査方向の範囲が広くなり、その分、金型の加工誤差の影響が大きくなる。この点について、図６に基づいてさらに詳細に説明する。

図６は、ＹＺ平面内において走査レンズ系の自由曲面上で描かれる光束の走査軌跡Ｐと、上記自由曲面を形作る金型の面の加工軌跡Ｑとを併せて示す説明図である。同図に示すように、走査軌跡Ｐが円弧状であり、加工軌跡ＱがＹ軸に平行な場合、上記光束の１ラインの走査による書き始め（ＳＯＩ）および書き終わり（ＥＯＩ）に対応する部分は、同一の加工軌跡Ｑ上にあるが、同じライン走査時の中央部（ＣＯＩ）に対応する部分は、ＳＯＩおよびＥＯＩとは異なる加工軌跡Ｑ上にある。この場合、上記金型の面上で、１ライン走査時のＳＯＩおよびＥＯＩに対応する部分と、同じライン走査時のＣＯＩに対応する部分との間に、加工軌跡Ｑの本数分の加工時間の差（ΔＴ）が存在する。その結果、走査レンズ系の自由曲面に対する金型の加工誤差の影響が大きくなり、副走査方向の像面湾曲が大きくなる。

この加工誤差の影響を抑えるために、例えば特許文献１では、偏向器から出射される光束の円錐状の軌跡を、走査レンズ系の自由曲面の入射面上で直線状となるように補正する補正手段（例えばプリズム、レンズ、非球面ミラー、ホログラム）を設けている。
特開平１１−５２２７７号公報

しかし、特許文献１の構成では、光路中に上記補正手段を配置するので、装置の大型化およびコスト上昇を招くという問題が生ずる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、装置の大型化やコスト上昇を招くことなく、走査レンズ系の樹脂成形レンズに対する金型の加工誤差の影響を小さくすることができ、これによって副走査方向の像面湾曲を抑えることができるレーザー走査装置を提供することにある。

本発明のレーザー走査装置は、光を出射する光源と、上記光源の出射光の光束を規制するスリットと、上記スリットにて規制された光束を反射偏向させる偏向器と、自由曲面を少なくとも１面有する樹脂成形レンズを有し、上記偏向器にて反射偏向された光束を上記自由曲面を介して被走査面に導く走査光学系とを備えたレーザー走査装置であって、上記偏向器は、上記スリットの中心を通って該偏向器に入射する上記光源からの光線が、該偏向器の反射面に対して副走査方向に傾斜して入射するように設けられ、上記走査光学系の上記樹脂成形レンズは、主走査方向端部よりも主走査方向中央部が副走査方向に突出する加工軌跡となるように、上記樹脂成形レンズの自由曲面を形作る面が加工された金型を用いて成形されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、スリットにて規制された光源光束は、偏向器に入射し、そこで反射偏向され、走査レンズ系の樹脂成形レンズの自由曲面を介して被走査面に導かれる。ここで、上記の偏向器は、スリットの中心を通って偏向器に入射する光源からの光線が、偏向器の反射面に対して副走査方向に傾斜して入射するように設けられているので、偏向器にて反射偏向される光束は、樹脂成形レンズの自由曲面上では、例えば副走査方向に突出する略円弧状の軌跡（走査軌跡）を描く。なお、略円弧状には、完全な円弧のほか、４次曲線的な形状や、それらに近い形状も含まれる。

一方、走査光学系の樹脂成形レンズは、主走査方向端部よりも主走査方向中央部が副走査方向に突出する加工軌跡となるように、上記樹脂成形レンズの自由曲面を形作る面が加工された金型を用いて成形されている。なお、上記加工軌跡の形状には、完全な円弧のほか、４次曲線的な形状や、それらに近い形状も含まれる。また、走査軌跡および加工軌跡が完全な円弧状またはそれに近似できる形状の場合は、加工軌跡の曲率半径は、走査軌跡の曲率半径と完全に一致していてもよいし、多少ずれていてもよい。

このような構成により、樹脂成形レンズの自由曲面上での走査軌跡と、上記金型の面の加工軌跡とを略一致させるようにすることができる。これにより、金型の面上で、上記自由曲面上での１ラインの走査に必要な領域に対応する領域を加工する際、当該領域の副走査方向における加工時間の差を小さくする（ゼロにする場合も含む）ことができる。その結果、上記金型を用いて成形される樹脂成形レンズに対する上記金型の加工誤差の影響を小さくすることができ、副走査方向の像面湾曲を抑えることができる。

また、加工誤差の影響を小さくして像面湾曲を抑えるにあたり、補正手段等を必要としないので、装置の部品点数が増大することがなく、装置の大型化やコスト上昇を招くこともない。

また、本発明のレーザー走査装置は、上述の構成において、上記偏向器を介して上記走査光学系に入射する光が上記樹脂成形レンズの自由曲面上で描く走査軌跡および上記加工軌跡は、それぞれ略円弧状であり、上記各円弧を円周に持つ各円の中心は、それぞれ、上記偏向器に入射する上記光線の反射点を含み、かつ、上記偏向器の回転軸に垂直な平面に対して、上記光源とは反対側に位置していることが望ましい。なお、上記２つの円の半径は、完全に一致していてもよいし、多少ずれていてもよい。

走査軌跡および加工軌跡が略円弧状の場合、上記円弧を円周に持つ２つの円の中心が、偏向器に入射する上記光線の反射点を含み、かつ、上記偏向器の回転軸に垂直な平面に対して、上記光源とは反対側にあれば、走査軌跡と加工軌跡とを略一致させることが容易となる。その結果、樹脂成形レンズに対する金型の加工誤差の影響を小さくして、副走査方向の像面湾曲を抑える上述の効果を容易に得ることができる。

また、本発明のレーザー装置は、上述の構成において、走査軌跡と加工軌跡とが略一致していることが望ましい。これにより、樹脂成形レンズに対する金型の加工誤差の影響を確実に小さくして、副走査方向の像面湾曲を確実に抑えることができる。

本発明によれば、走査軌跡と加工軌跡とを略一致させることができるので、上記金型の面上で、樹脂成形レンズの自由曲面上での１ラインの走査に必要な領域に対応する領域の副走査方向における加工時間の差を小さくすることができる。その結果、上記金型を用いて成形される樹脂成形レンズに対する金型の加工誤差の影響を小さくして、副走査方向の像面湾曲を抑えることができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、各図面においては、主走査方向をＹ方向、副走査方向をＺ方向、ＹＺ平面に垂直な方向をＸ方向として示している。

図２は、本実施形態に係るレーザー走査装置の概略の構成を示す斜視図である。このレーザー走査装置は、タンデム型のレーザー走査装置であり、光源１と、コリメータレンズ２と、スリット３と、シリンダレンズ４と、偏向器５と、走査レンズ系６と、被走査面７（例えば感光体）とを有している。なお、本実施形態では、説明の便宜上、光源１および被走査面７を１個だけ図示して説明する。

光源１は、レーザー光を出射する光源である。コリメータレンズ２は、光源１が発したレーザー光を略平行光に変換する。スリット３は、コリメータレンズ２を介して入射する光源１の出射光束を規制する。シリンダレンズ４は、入射光を副走査方向にのみ集光させる。

偏向器５は、スリット３にて規制され、シリンダレンズ４を介して入射する光束を反射偏向させるものであり、複数の反射面を有する回転多面鏡（ポリゴンミラー）で構成されている。本実施形態では、偏向器５は、スリット３の中心を通って偏向器５に入射する光源１からの光線が、偏向器５の反射面に対して副走査方向に傾斜して入射するように設けられている。

走査レンズ系６は、偏向器５にて反射偏向された光束を被走査面７に導くものであり、ガラスまたは樹脂からなる複数のレンズ８・９で構成されている。本実施形態では、走査レンズ系６において、被走査面７側のレンズ９が樹脂で構成されており、金型で成形される樹脂成形レンズとなっている。このレンズ９は、自由曲面９ａを少なくとも１面有している。つまり、自由曲面９ａは、光入射側または光射出側の少なくとも一方に設けられている。

上記構成において、光源１の発したレーザー光は、コリメータレンズ２によって略平行光に変換された後、スリット３にてその光束を規制され、シリンダレンズ４によって、偏向器５の反射面の近傍で副走査方向にのみ集光される。このとき、スリット３を通過する光線（主光線）は、偏向器５の反射面に副走査方向に角度を持って入射（斜め入射）する。偏向器５によって反射偏向された光束は、偏向器５の回転によって主走査方向に走査されながら、走査レンズ系６の自由曲面９ａを介して被走査面７上に集光される。

次に、本実施形態における走査レンズ系６の樹脂成形レンズの詳細について説明する。
図３は、偏向器５に斜め入射し、そこで反射偏向された主光線の軌跡を示している。光源１からの主光線は、偏向器５で反射されるが、偏向器５の反射面に対して斜め入射するため、上記反射面にて反射された光線は、偏向角ごとに副走査方向に異なる角度で反射される。この結果、走査レンズ系６の自由曲面９ａの入射面上では、円弧状の軌跡が描かれる。以下では、この軌跡を走査軌跡Ｐと称することとする。

一方、図４は、走査軌跡Ｐを円周に持つ円の中心Ｏと、光源１との位置関係を示している。本実施形態のように、光源１からの光線が偏向器５に斜め入射することにより走査軌跡Ｐが円弧状となる場合、上記中心Ｏは、偏向器５の反射面に入射する光線の反射点５ｂを含み、かつ、偏向器５の回転軸５ａに垂直な平面Ａに対して、光源１とは反対側に位置している。

このような円弧状の走査軌跡Ｐがレンズ９の自由曲面９ａ上で描かれる本実施形態では、自由曲面９ａを形作る金型の面の加工軌跡Ｑが上記の走査軌跡Ｐと一致するように金型の上記面を加工し、走査軌跡Ｐと加工軌跡Ｑとが合うようにレンズ９を配置している。より詳細に説明すると、以下の通りである。

図１は、ＹＺ平面内においてレンズ９の自由曲面９ａ上で描かれる光束の走査軌跡Ｐと、上記自由曲面を形作る金型の面の加工軌跡Ｑとを併せて示す説明図である。本実施形態では、主走査方向端部よりも主走査方向中央部が副走査方向に突出する加工軌跡Ｑとなるように、金型の上記面をラスターフライカット方式によって加工している。そして、そのように上記面が加工された金型を用いて、レンズ９が樹脂成形されている。

このような加工軌跡Ｑを実現することにより、加工軌跡Ｑを例えば副走査方向に突出する円弧状にすることができるので、その加工軌跡Ｑを図１に示すように円弧状の走査軌跡Ｐに一致させることが可能となる。つまり、光源光束の１ラインの走査によって描かれる円弧状の走査軌跡Ｐの主走査方向端部（書き始め（ＳＯＩ）および書き終わり（ＥＯＩ））と金型の面で対応する部分と、走査軌跡Ｐの主走査方向中央部（ＣＯＩ）と金型の面で対応する部分とを、１本の加工軌跡Ｑ上に位置させることができる。

これにより、走査軌跡Ｐの主走査方向端部と金型の面で対応する部分と、走査軌跡Ｐの主走査方向中央部と金型の面で対応する部分とで、副走査方向における加工時間の差を無くすことができる。その結果、自由曲面９ａに対する金型の加工誤差の影響を小さくして、副走査方向の像面湾曲を抑えることができ、良好な光学特性のレーザー走査装置を実現することができる。

なお、図１のように加工軌跡Ｑが円弧状の走査軌跡Ｐと一致している場合、円弧状の加工軌跡Ｑを円周に持つ円の中心Ｏ’は、上述した中心Ｏと一致する（図４参照）。つまり、中心Ｏ’は、偏向器５の反射面に入射する光線の反射点５ｂを含み、かつ、偏向器５の回転軸５ａに垂直な平面Ａに対して、光源１とは反対側に位置する。

ところで、以上では、走査軌跡Ｐと加工軌跡Ｑとが完全に一致する場合について説明したが、例えば上記２つの軌跡の曲率半径が異なることによって走査軌跡Ｐと加工軌跡Ｑとが完全に一致しない場合であっても、走査軌跡Ｐを円周に持つ円の中心Ｏと、加工軌跡Ｑを円周に持つ中心Ｏ’とが、両方とも、上記の平面Ａに対して光源１とは反対側にあれば、ある程度の効果を得ることができる。

つまり、２つの中心Ｏ、Ｏ’が上記のように位置していれば、走査軌跡Ｐの主走査方向端部と金型の面で対応する部分と、走査軌跡Ｐの主走査方向中央部と金型の面で対応する部分とは、同じ加工軌跡Ｑの上に位置するとは必ずしも言えないが、この場合でも、加工軌跡Ｑが主走査方向に直線状である場合に比べて、これら両者の部分の副走査方向における加工時間の差を小さくすることはできる。したがって、走査軌跡Ｐおよび加工軌跡Ｑの曲率半径が異なっていても、上記２つの中心Ｏ、Ｏ’が上記のように位置していれば、自由曲面９ａに対する金型の加工誤差の影響を小さくして、副走査方向の像面湾曲を抑えることができると言える。

また、加工軌跡Ｑの形状は、走査軌跡Ｐの形状と完全に一致していなくても、これに近い形状であればよい。例えば、加工軌跡Ｑは、走査軌跡Ｐの円弧形状に近い４次曲線的な形状や、円弧にうねりを持った形状であってもよい。この場合でも、加工軌跡ＱのＹＺ平面内での形状を円弧に近似したときに、その円弧を円周に持つ円の中心が、上記の平面Ａに対して光源１と反対側に位置していれば、本実施形態の効果をある程度得ることができる。

また、走査軌跡Ｐは、走査光学系６における偏向器５側のレンズ８の副走査方向の屈折の影響で、自由曲面９ａ上で完全な円弧状になるとは限らず、４次曲線的な形状や、円弧にうねりを持った形状になっている場合も考えられる。しかし、このような場合であっても、加工軌跡Ｑが走査軌跡Ｐと一致するか、またはこれに近い形状となるように金型を加工すればよい。この場合でも、加工軌跡ＱのＹＺ平面内での形状を円弧に近似したときに、その円弧を円周に持つ円の中心が、上記の平面Ａに対して光源１と反対側に位置していればよい。

以上のことから、走査軌跡Ｐおよび加工軌跡Ｑがそれぞれ略円弧状（円弧状、４次元的な形状、円弧にうねりを持った形状を含む）である場合、走査軌跡Ｐと加工軌跡Ｑとを略一致（完全一致も含む）させるためには、上記各円弧を円周に持つ各円の中心が、それぞれ、上記平面Ａに対して光源１とは反対側に位置していればよいと言える。また、逆に、このような位置関係を満たすことにより、走査軌跡Ｐと加工軌跡Ｑとを略一致させることができると言える。

本発明の実施の一形態に係るレーザー走査装置において、ＹＺ平面内における光束の走査軌跡と金型の面の加工軌跡とを併せて示す説明図である。 上記レーザー走査装置の概略の構成を示す斜視図である。 上記レーザー走査装置の偏向器に斜め入射し、そこで反射偏向された主光線の軌跡を示す説明図である。 上記走査軌跡を円周に持つ円の中心と光源との位置関係を示す説明図である。 金型加工機による従来の金型の加工方法を示す説明図である。 ＹＺ平面内における光束の走査軌跡と従来の加工方法による金型の面の加工軌跡とを併せて示す説明図である。

符号の説明

１ 光源
３ スリット
５ 偏向器
５ａ 回転軸
５ｂ 反射点
６ 走査レンズ系
７ 被走査面
９ レンズ（樹脂成形レンズ）
９ａ 自由曲面
Ａ 平面
Ｏ 中心
Ｏ’ 中心
Ｐ 走査軌跡
Ｑ 加工軌跡

Claims (3)

1. 光を出射する光源と、
   上記光源の出射光の光束を規制するスリットと、
   上記スリットにて規制された光束を反射偏向させる偏向器と、
   自由曲面を少なくとも１面有する樹脂成形レンズを有し、上記偏向器にて反射偏向された光束を上記自由曲面を介して被走査面に導く走査光学系とを備えたレーザー走査装置であって、
   上記偏向器は、上記スリットの中心を通って該偏向器に入射する上記光源からの光線が、該偏向器の反射面に対して副走査方向に傾斜して入射するように設けられ、
   上記走査光学系の上記樹脂成形レンズは、主走査方向端部よりも主走査方向中央部が副走査方向に突出する加工軌跡となるように、上記樹脂成形レンズの自由曲面を形作る面が加工された金型を用いて成形されていることを特徴とするレーザー走査装置。
2. 上記偏向器を介して上記走査光学系に入射する光が上記樹脂成形レンズの自由曲面上で描く走査軌跡および上記加工軌跡は、それぞれ略円弧状であり、
   上記各円弧を円周に持つ各円の中心は、それぞれ、上記偏向器に入射する上記光線の反射点を含み、かつ、上記偏向器の回転軸に垂直な平面に対して、上記光源とは反対側に位置していることを特徴とする特徴とする請求項１に記載のレーザー走査装置。
3. 上記走査軌跡と上記加工軌跡とは、略一致していることを特徴とする請求項２に記載のレーザー走査装置。

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