JP2006251106A - 光走査装置とこれを用いた画像形成装置およびプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で、安価かつ高性能な光走査装置およびプリンタを提供する。
【解決手段】 光源９と、光源９からの光８を走査する走査手段１１と、走査手段１１によって走査される光の走査範囲を拡大する走査範囲拡大手段５とを有し、走査範囲拡大手段５は、少なくとも、光を直角に曲げる界面を形成した第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂを有し、走査手段１１からの走査光を第１のフォトニック結晶５ａに入射して直進伝搬し、直進伝搬した走査光を界面に４５°以上の入射角で入射して９０°偏向する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複写機やプリンタ、レーザ露光装置、ディスプレイ装置等を含む画像形成装置に用いられる光走査技術に係わり、特に、光走査系およびそれを用いた画像形成装置の小型化および高性能化を低コストに実現するのに好適な光走査技術に関するものである。

複写機やプリンタ、レーザ露光装置、ディスプレイ装置等を含む画像形成装置には、光を偏向して走査する光走査装置が用いられている。

現在の複写機や電子写真方式プリンタ等で最も多く採用されている光走査装置には、例えば、特許文献１に開示されているポリゴンミラー方式の光走査装置がある。このポリゴンミラー方式は、複数の反射面を有するポリゴンミラーを高速で回転させ、その反射面に光を当てることで、光を走査させることができる。

図１５は、従来のポリゴンミラー方式の光走査装置の構成例を示すブロック図であり、同図において、１５５１は光源であり、４つのビームを出射する４ビーム半導体レーザより成っている。１５５２はコリメーターレンズ、１５５３は絞り、１５３２はシリンドリカルレンズ、１５０２は光偏向器であるポリゴンミラー、１５２２は球面レンズ（第１の走査レンズ）、１５２６はトーリックレンズ（第２の走査レンズ）、１５５５は光学部材（間隔調整部材）としての平行平板ガラスであり、光検出器１５３０により検出された量（感光ドラム上を走査する複数ビームの副走査方向の位置ズレ情報）に応じて、副走査方向に傾け制御することにより、感光ドラム（感光体）１５２７上を走査する複数ビームの副走査方向の描画位置（走査開始位置）を調整している。

また、従来の光走査装置の別の方式として、例えば、特許文献２に開示されている、ＬＥＤや有機ＥＬなどの発光素子をアレイ状に並べた光走査装置がある。

図１６は、従来の発光素子をアレイ状に並べた光走査装置の構成例を示すブロック図であり、この光走査装置は、有機ＥＬ素子をアレイ状に並べた構成を有し、任意の有機ＥＬ素子を制御して点灯させることにより光を走査させることを可能にしたものである。

同図に示す光走査装置は、ガラス基板１６０８上に、信号電極１６０９が有機ＥＬのドット数と略同数個配置されている。各々の信号電極１６０９は絶縁膜の第１コンタクトホール１６１０を介して透明電極１６１１に電気的に接続されている。この透明電極１６１１は、絶縁膜の第２コンタクトホール１６１２において、正孔輸送層１６１３と発光層１６１４を挟んで、電子注入電極１６１５と対向している。

この絶縁膜の第２コンタクトホール１６１２は発光領域に該当するので、一直線上に等間隔に配列されている。電子注入電極１６１５は、保護膜の第１コンタクトホール１６１６において、共通電極１６１８と電気的に接続されている。保護膜の第２コンタクトホール１６１７は、保護膜が信号電極１６０９と透明電極１６１１の層間に形成されているので、信号電極１６０９と透明電極１６１１を電気的に接続するために必要となっている。

また、従来の光走査装置として、例えば、特許文献３等において提案されている、フォトニック結晶の大きな波長分散特性を用いた光走査装置がある。

図１７は、従来のフォトニック結晶の大きな波長分散特性を用いた光走査装置の構成例を示すブロック図であり、この光走査装置は、酸化シリコン膜１７１３１内に円柱状のシリコン１７１３２を周期的に並べたフォトニック結晶１７１３０と波長可変レーザ１７１１０を用い、波長可変レーザ１７１１０の波長制御子に流す電流を変化させ波長を６５０ｎｍから６６０ｎｍまで変化させることにより、フォトニック結晶１７１３０内での光ビームの進行方向を変化させ、これにより光ビームの偏向方向を大きく変化させて光走査を行うようにしたものである。

しかしながら、上述したポリゴンミラー方式は、ミラーを機械的に回転させるという機械的駆動部が必要であるため、機械的摩耗が生じるという信頼性の面で問題があり、また、騒音が発生してしまうという問題がある。さらに、比較的大きな空間を占めてしまい、これを用いたプリンタ等の装置サイズが大きくなってしまうといった問題があった。

これに対して、ＬＥＤや有機ＥＬなどの発光素子をアレイ状に並べた光走査装置は、発光素子を並べて任意の発光素子を点灯させるので、機械的な駆動部がなく機械的摩耗や騒音が発生せず、また、占有する空間が比較的小さくプリンタ装置を小型化することができる。

しかしながら、発光素子としてＬＥＤをアレイ状に並べた光走査装置では、非常に長いＬＥＤアレイチップを作製するのは非常に困難であるため、複数のＬＥＤアレイチップを並べて実装する必要があるが、実装精度は印字品質に大きく影響するため、高精度の実装を行う必要があり、コストアップにつながっている。

また、ＬＥＤアレイは、印字品質に大きく影響する発光ばらつきの問題がある。発光ばらつきに対して、特許文献４のように、電極の一部をレーザ光で切断して１ビット毎に調整する技術はあるが、工程数が増えることになりコストアップにつながる。

発光素子として有機ＥＬ素子をアレイ状に並べた光走査装置では、上記特許文献２のように（図１６参照）、長尺のものを一括で作製することができるため、実装工程がなく低コストにすることができる、また、発光ばらつきが比較的少ない。しかしながら、有機ＥＬ素子は、ＬＥＤに比べて寿命が短く、また、累積点灯時間が長くなるにつれて次第に輝度が低下するという問題がある。

この問題に対しては、特許文献５に記載の技術のように、構造上単位面積あたりの発光強度を低下させて寿命を伸ばしたり、あるいは、特許文献６に記載の技術のように、有機ＥＬアレイを複数ライン並べて、使用中のラインに寿命が来たら別のラインに切り替えて実質的に寿命を伸ばしたりするなどで対応しているが、構造が複雑になり、有機ＥＬの低コストおよび小型化という利点が損なわれているという問題がある。さらに、有機ＥＬアレイの寿命が短く、また、次第に輝度が低下するという問題の根本的解決にはなっていない。

また、フォトニック結晶と波長可変レーザで構成した光走査装置は、機械的な駆動部がなく、騒音が発生せず、プリンタ装置を小型化することができる。しかしながら、波長可変レーザという特殊なレーザを用いる必要があり、装置が高価なものになってしまうという問題がある。

特開２００３−２０２５１０号公報 特開平９−２２６１７２号公報 特開２００１−１３４３９号公報 特開平１１−７０６９５号公報 特開２００３−５４０３０号公報 特開２００３−１８６４号公報

解決しようとする問題点は、従来の技術では、フォトニック結晶と波長可変レーザを用いることで、機械的な駆動部がなく、騒音が発生せず、プリンタ装置を小型化することができるが、波長可変レーザという特殊で高価なレーザを用いる必要がある点である。

本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、低騒音で信頼性が高い光走査装置を、非常に小型にかつ低価格で提供すると共に、さらに高品質な光走査を可能とするものである。

上記目的を達成するため、本発明では、光源と、光源からの光を走査する走査手段と、走査手段による光の走査範囲を拡大する走査範囲拡大手段とで光走査装置を構成している。例えば、走査手段として、強誘電体で形成したフォトニック結晶に印加する電圧を制御することで光源からの光を偏向して走査する偏光器を用い、走査範囲拡大手段は、２種類のフォトニック結晶を用いて偏向角が９０°の界面を形成し、走査手段から走査された光の当該界面への入射角を４５°より大きくすることにより、走査する範囲を拡大する構成とする。

本発明によれば、特殊なレーザを用いることなく、少ないスペースで走査範囲を大きくすることができると共に、光量のばらつきがなく、高品質の光で走査することができる。

以下、図を用いて本発明を実施するための最良の形態例を説明する。

まず、上述の従来技術の問題点に対象するために技術として、本願発明者が提案した特願２００５−０１１５２６号に記載の技術について説明する。

特願２００５−０１１５２６号に記載の光走査装置では、光源と、フォトニック結晶を強誘電体で形成し、強誘電体で形成されたフォトニック結晶に印加する電圧で制御する偏向器と、強誘電体または誘電体で形成された、光源からの光に対するバンドが１つのみ存在するフォトニック結晶からなる偏向した光の偏向角を拡大する偏向角拡大器で構成することで、偏向角を１２０°以上の光走査を行うことができ、光走査系の小型化を図っている。

これに対して、本発明に係わる光走査装置では、光源と、光源からの光を走査する走査手段と、走査手段による光の走査範囲を拡大する走査範囲拡大手段とで光走査装置を構成している。例えば、走査手段として、ＰＬＺＴ（ランタン添加チタン酸ジルコン酸鉛結晶）等の強誘電体で形成したフォトニック結晶に印加する電圧を制御することで光源からの光を偏向して走査する偏光器を用い、走査範囲拡大手段は、２種類のフォトニック結晶を用いて偏向角が９０°の界面を形成し、走査手段から走査された光の当該界面への入射角を４５°より大きくすることにより、走査する範囲を拡大する構成とし、上記特願２００５−０１１５２６号に記載の技術とは異なる構成で、光走査系の小型化を図っている。

以下、このような本発明に係わる光走査装置の詳細について図１から図１１を用いて説明する。

図１は、本発明に係わる光走査装置の第１の構成例を示すブロック図であり、図２は、図１における光走査装置の上面図、図３は、図１における走査範囲拡大手段を構成する第１のフォトニック結晶の構成例を示す説明図、図４は、図３における第１のフォトニック結晶のＴＥモードのフォトニックバンド図、図５は、図３における第１のフォトニック結晶のＴＥモードの第２バンドの分散面を示す説明図、図６は、図１における走査範囲拡大手段を構成する第２のフォトニック結晶の構成例を示す説明図、図７は、図６における第２のフォトニック結晶のＴＥモードフォトニックバンド図、図８は、図７におけるフォトニックバンド図の拡大図、図９は、図１における走査範囲拡大手段の構成例を示す説明図、図１０は、図１における走査範囲拡大手段の偏向特性例を示す説明図、図１１は、本発明に係わる光走査装置の第２の構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、本例の光走査装置は、像担持体（感光ドラム）１上に光を走査するものであり、レーザ光８を発する光源（半導体レーザ）９と、走査手段１１と、走査範囲拡大手段５、および、光走査位置検出器（フォトダイオード）２，３で構成されている。

走査手段１１は、強誘電体（ＰＬＴＺ）で形成されたフォトニック結晶１２と電圧制御部１０からなり、フォトニック結晶１２の上下両面には電極６，７が形成され、この電極６，７は電圧制御部１０と接続されており、フォトニック結晶１２に電圧を制御して印加することで、光源（半導体レーザ）９からのレーザ光８を偏向して走査できるようになっており、このフォトニック結晶１２と電圧制御部１０により偏光器が構成される。このフォトニック結晶１２は、図２に示すように、ＰＬＺＴ平板に孔１３を周期的に形成しており、誘電率の異なるＰＬＺＴと空気を周期的に配置した構成となっている。

また、走査範囲拡大手段は、誘電体（ＴｉＯ_２：酸化チタン）で形成された第１のフォトニック結晶５ａと、同じく誘電体（ＴｉＯ_２）で形成された第２のフォトニック結晶５ｂで構成されており、第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとのフォトニック結晶界面４を有する。このように、ＴｉＯ_２で形成された第１，第２のフォトニック結晶５ａ，５ｂも、図２に示すように、ＴｉＯ_２平板に孔（楕円形孔１３ａ，長方形孔１３ｂ）を周期的に形成しており、誘電率の異なるＴｉＯ_２と空気を周期的に配置した構成となっている。

ここで、フォトニック結晶とは、屈折率の異なる透明材料を多次元的に周期配列した構造体であり、フォトニックバンドギャップ、異方性、高分散性などの特性を有することが知られている。

フォトニック結晶の高分散性は、光の波長を若干変えるだけで屈折角が大きく変化する特性であり、また、入射角を若干変えても、屈折角が大きく変化させることができることが報告されている（H. Kosaka et al.， Rhｙs. Rev. Ｂ ５８， R１００９６ (１９９８)参照）。

一方、ＰＬＺＴ等の強誘電体で形成したフォトニック結晶の場合には、光の波長や入射角が固定であっても、フォトニック結晶に印加する電圧を変えることで、屈折角を大きく変化させることができることが報告されている（D. Scrｙmgeour， N. Malkova， S. Kim and V. Gopalan， Ａppl. Phｙs. Lett.， ８２， ３１７６ (２００３)参照）。

図１および図２に示した本例の光走査装置では、ＴｉＯ_２で走査範囲拡大手段を構成する第１，第２のフォトニック結晶５ａ，５ｂを形成し、また、ＰＬＺＴで走査手段１１を構成するフォトニック結晶１２を形成する。

本例の走査手段１１では、フォトニック結晶１２の上下面に形成された電極６，７に電圧制御部１０が接続されているので、半導体レーザ９から出射され、フォトニック結晶１２に入射したレーザ光８を、フォトニック結晶１２に印加する電圧を制御して任意の方向に偏向して走査することができる。

本例では、走査手段１１で偏向・走査されたレーザ光８を、さらに、走査範囲拡大手段の第１，第２のフォトニック結晶５ａ，５ｂに入射して走査範囲を拡大して、レーザ光８を像担持体１上に広い範囲で走査させることができる。

尚、フォトニック結晶は先に述べたように波長分散性が高いが、光走査位置検出器２，３で走査開始位置および走査終了位置を検出し、その信号を電圧制御部１０にフィードバックすることで、環境温度の変化などで半導体レーザ９の発光波長が若干変動しても、正常にレーザ光８を像担持体１上で走査させることができる。

本例では、図３に示すように、走査範囲拡大手段５を構成する第１のフォトニック結晶５ａは、ＴｉＯ_２平板に楕円状の孔（楕円形孔１３ａ）を２次元的に配置しており、それぞれの周期の方向（ｘ方向＝第１の周期方向、ｙ方向＝第２の周期方向）は互いに直交するようにしている。

ｘ方向（第１ブリルアンゾーンのΓ−Ｘ方向）の楕円形孔配置周期（格子定数）をａｘ、ｙ方向（第１ブリルアンゾーンのΓ−Ｘ'方向）の楕円形孔配置周期（格子定数）をａｙとすると、本例では、ａｙ＝１.２５・ａｘ、すなわち、ａｙをａｘの１.２５倍としている。また、楕円形孔１３ａのｘ方向の長さをａｘの０.５倍、ｙ方向の長さをａｙの０.６倍としている。このときのフォトニックバンド図は図４に示すようになる。

このような構造条件で、規格化周波数（ωa／２πc）が「０.３０９」のとき、第２バンドの分散面は、図５に示すようになり、ｘ方向（Γ−Ｘ方向）の波動ベクトルの大きさｋｘ（図５中のＡ点での波動ベクトルの大きさ）と楕円形孔配置周期ａｘとの積はｋｘ・ａｘ＝０.５２８πで、ｙ方向（Γ−Ｘ'方向）波動ベクトルの大きさｋｙ（図５中のＢ点での波動ベクトルの大きさ）と楕円形孔配置周期ａｙとの積はｋｙ・ａｙ＝０.２６４πであり、「ｋｘ・ａｘ」と「ｋｙ・ａｙ」との比が２:１となっている。

これに対して、走査範囲拡大手段５を構成する第２のフォトニック結晶５ｂは、図６に示すように、ＴｉＯ_２平板に長方形の孔（長方形孔１３ｂ）を２次元的に配置している。それぞれの周期の方向は、第１のフォトニック結晶５ａと同様に、互いに直交するようにしており、また、ｘ方向の長方形孔配置周期およびｙ方向の長方形配置周期も第１のフォトニック結晶５ａと同じにしている。長方形孔のｘ方向の長さをａｘの０.６８倍、ｙ方向の長さをａｙの０.８倍としており、その際のフォトニックバンド図は、図７に示すようになる。

図８は、図７におけるフォトニックバンド図を、縦軸である規格化周波数を拡大したものであり、規格化周波数が「０.３０９」ではバンドが存在しなく、この光においてフォトニックバンドギャップとなっており、光は、第２のフォトニック結晶５ｂ中を伝搬しない。

以上の第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂの構造条件を具体的に述べると、光源が赤（波長６６０ｎｍ）のとき、第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂのｘ方向の孔の配置周期（格子定数）を２０３.９ｎｍとし、ｙ方向の孔の配置周期（格子定数）を２５４.９ｎｍとしている。また、第１のフォトニック結晶５ａの楕円形孔のｘ方向の長さを１０２.０ｎｍ、ｙ方向の長さを１５３.０ｎｍとし、第２のフォトニック結晶５ｂの長方形孔のｘ方向の長さを１３８.７ｎｍ、ｙ方向の長さを２０３.９ｎｍとしている。

また、光源が緑（波長５３２ｎｍ）の場合は、第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂのｘ方向の孔の配置周期（格子定数）を１６４.４ｎｍとし、ｙ方向の孔の配置周期（格子定数）を２０５.５ｎｍとしている。また、第１のフォトニック結晶５ａの楕円形孔のｘ方向の長さを８２.２ｎｍ、ｙ方向の長さを１２３.３ｎｍとし、第２のフォトニック結晶５ｂの長方形孔のｘ方向の長さを１１１.８ｎｍ、ｙ方向の長さを１６４.４ｎｍとしている。

さらに、光源が青（波長４５７ｎｍ）の場合は、第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂのｘ方向の孔の配置周期（格子定数）を１４１.２ｎｍとし、ｙ方向の孔の配置周期（格子定数）を１７６.５ｎｍとしている。また、第１のフォトニック結晶５ａの楕円形孔のｘ方向の長さを７０.６ｎｍ、ｙ方向の長さを１０５.９ｎｍとし、第２のフォトニック結晶５ｂの長方形孔のｘ方向の長さを９６.０ｎｍ、ｙ方向の長さを１４１.２ｎｍとしている。

本例では、第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとの界面４と、ｘ方向（Γ−Ｘ方向）とでなす角θ（図９参照）を「２・ａｙ／ａｘ」の逆正接、「tan-^１(２・ａｙ／ａｘ)＝６８.２°」にしており、図１における誘電体（ＰＬＺＴ）で形成されたフォトニック結晶１２で構成される走査手段１１で偏向・走査されたレーザ光８は、走査範囲拡大手段５を構成する第１のフォトニック結晶５ａのｘ方向（Γ−Ｘ方向）に平行な切断面から入射し、入射した光は、第１のフォトニック結晶５ａをｙ方向に沿って伝搬し、第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとの界面４で９０°偏向する。このとき、第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂの界面４への入射角は６８.２°である。

そして、界面４で９０°偏向した光は、第１のフォトニック結晶５ａをｘ方向の沿って伝搬し、第１のフォトニック結晶５ａのｙ方向（Γ−Ｘ'方向）に平行な切断面から出射される。

図１０は、本例の第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとで構成された走査範囲拡大手段５での、入射位置と出射位置との関係を示した図であり、入射位置を０〜８４mm走査することで、出射位置を０〜２１０mm走査しており、走査範囲を２.５倍拡大することができる。

一般的なミラーを使って光を偏向させる場合、ミラーへの入射角とミラーでの反射角は等しくなるので、９０°偏向させようとした場合、ミラーに４５°で入射させる必要があり、従って、走査範囲も拡大されない。

これに対して、本例で示した走査範囲拡大手段５では、第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとの界面への光の入射角が４５°より大きい６８.２°でも界面で９０°の偏向ができるので、走査範囲を拡大することができる。

以上、図１から図１０を用いて説明したように、本例の光走査装置では、強誘電体（ＰＬＺＴ）で形成されたフォトニック結晶１２と、フォトニック結晶１２の上下面に形成された電極６，７と、電極６，７に接続された電圧制御部１０とからなる走査手段によって外部からの信号に応じて光（レーザ光８）を偏向して走査し、その光を、２種類のフォトニック結晶からなる走査範囲拡大手段５の第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとの界面４で、界面４への入射角が４５°より大きい６８.２°にもかかわらず９０°で偏向しているので、走査範囲が拡大され、したがって、走査光学系を小さくすることができる。

尚、本発明の光走査装置は、図１〜図１０を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本例では、第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂにおいて、ｘ方向の楕円形孔配列周期とｙ方向の楕円形孔配列周期とを異なる周期とし、かつ、楕円形配列周期に対する楕円形孔１３ａの大きさの割合もｘ方向とｙ方向とで異なる値としているが、どちらか一方のみが異なっていればよい。要は、第１，第２のフォトニック結晶５ａ，５ｂは、それを構成する２つ以上の誘電体のうちの１つ以上の誘電体の誘電率、または、誘電体を配置する周期、または、周期的に配置された誘電率の異なる誘電体でそれぞれの誘電体の占める割合のうち、１つ以上が異なっていればよい。また、周期的に配列する孔の形状も楕円形でなく、長方形など他の形状でもかまわない。

また、本例では、ｋｘ・ａｘとｋｙ・ａｙとの比を２:１としているが、３:１，４:１，…，ｎ：１（ｎは２以上の整数），…としても良く、その場合、その比（ｎ：１）にあわせて、第１のフォトニック結晶５ａと第２のフォトニック結晶５ｂとの界面と、ｘ方向（Γ−Ｘ方向）とでなす角θの値もtan-^１(３・ａｙ／ａｘ)，tan-^１(４・ａｙ／ａｘ)，…，tan-^１(ｎ・ａｙ／ａｘ)，…にする。

また、走査範囲拡大手段５を構成する第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂであるＴｉＯ_２の２次元フォトニック結晶は、ＴｉＯ_２基板にＥＢリソグラフィ工程および金属膜蒸着工程、リフトオフ工程でメタルマスクを形成した後、フロン系のガスによるドライエッチング工程で作製することができる。また、第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂはそれぞれ別工程で作製し、最後に接合しても良いが、同一基板に同時に作製しても良い。

また、走査手段１１を構成するフォトニック結晶１２であるＰＬＺＴの２次元フォトニック結晶は、ゲル状の感光性ＰＬＺＴ膜を紫外光でパターン露光し、酸性の水溶液で紫外光の未照射部分を溶解した後、４００℃でベークすることで作製することができる。

また、本例では、走査範囲拡大手段５を構成する第１のフォトニック結晶５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂを形成する誘電体材料としてＴｉＯ_２を用いているが、光源波長に対して透明であれば他の誘電体材料でも良く、強誘電体材料でも良い。

また、走査手段１１を構成するフォトニック結晶１２を形成する強誘電体材料としてＰＬＺＴを用いたが、光源波長に対して透明な強誘電体材料であればよい。しかしながら、ＰＬＺＴは可視光領域で透明であり、かつ、電気光学特性が非常に優れており、本発明の光走査装置を構成するフォトニック結晶の材料として最適である。また、フォトニック結晶の構造についても、本例では、２次元構造としているが、３次元構造でも良い。

また、本例では、光を偏向・走査する手段として、ＰＬＺＴで形成したフォトニック結晶１２の上下面に電極６，７を形成し、電圧制御部１０でフォトニック結晶に印加する電圧を制御する走査手段を用いているが、ポリゴンミラーやシリコンマイクロミラーによる走査手段や音響光学素子による走査手段を用いても良い。しかしながら、本例で用いた走査手段は可動部がないので、騒音や信頼性の問題がなく、また、音響光学素子のような大きな発熱もないので本発明の光走査装置を構成する走査手段として最適である。

また、本例では、光走査位置検出センサ２，３で走査開始位置および走査終了位置を検出して、電圧制御部１０にフィードバックしているが、光走査位置を検出する場所は走査開始位置および走査終了位置以外でも良く、例えば、図１１の構成のように、フォトニック結晶１１５ａから出射したレーザ光をビームスプリッタ１１２で分岐して、フォトダイオードをアレイ状に並べた位置検出センサ１１３で常に位置を検出して電圧制御部１１０にフィードバックする構成としてもよい。

さらに、本例の光走査装置を主走査方向に、あるいは、副走査方向に複数並べても良く、複数並べた構成では、実効的な走査速度を速くすることができる。

このような光走査装置は、複写機やプリンタ、レーザ露光装置、ディスプレイ装置等を含む画像形成装置に用いられており、以下、本例の光走査装置を用いたプリンタについて、図１２から図１４を用いて説明する。

現在普及しているプリンタには様々な方式があるが、そのなかの１つに光学的に書き込みを行う光書き込み方式がある。光書き込み方式の代表的なものとしては電子写真方式や銀塩方式がある。

銀塩方式は、光書き込み方式で、かつ自己発光型の代表的なものであり、この銀塩方式では、印画紙に直接光で書き込み、光が照射されたところが現像後に照射した光の色に発色するものであり、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色の光を用いて書き込むことでフルカラープリントができる。

また、自己発色型で最近注目されているものに、フォトクロミック材料を用いたものがある。フォトクロミック材料とは、光により色が可逆的に変化するもので、光を照射した部分がその光の色に変化し、さらに、色が変化した部分に紫外線を照射することで、元の色に戻すことが可能であるため、フルカラーで、光による書き込みおよび消去が繰り返し可能なリライタブルペーパーとして期待されている。

図１２は、本発明に係わる光走査装置を用いたプリンタの第１の構成例を示すブロック図であり、図１３は、本発明に係わる光走査装置を用いたプリンタの第２の構成例を示すブロック図、図１４は、本発明に係わる光走査装置を用いたプリンタの第３の構成例を示すブロック図である。

図１２においては、電子写真方式のプリンタを例に示しており、この電子写真プリンタは、図１および図１１で示したものと同様の、光源（半導体レーザ）９，１１９と、走査手段１１，１１１、走査範囲拡大手段５，１１５、光走査位置検出器２，３，１１３等で構成された光走査装置１２０と、像担持体（感光ドラム）１２１、帯電器１２０ａ、現像器１２０ｂ、転写器１２０ｃ、定着器１２０ｅ、および、クリーナー１２０ｆからなる。

このような構成からなる電子写真プリンタにおいては、まず、像担持体（感光ドラム）１２１が帯電器１２０ａによって帯電され、帯電された像担持体（感光ドラム）１２１上に、光走査装置１２０により、画像データに応じて強度変調されたレーザ光１２８を走査させる。レーザ光１２８が照射された像担持体（感光ドラム）１２１上の領域は電荷量が減り、電荷量はレーザ光１２８の照射量の逆数に関係するので、像担持体（感光ドラム）１２１上に静電潜像が形成される。

次に、現像器１２０ｂにより、像担持体（感光ドラム）１２１上の電荷を帯びた部分にトナーを吸着させ、転写器１２０ｃにより、像担持体（感光ドラム）１２１上のトナーを転写用紙１２０ｄに転写し、定着器１２０ｅにより、転写用紙１２０ｄ上のトナーを紙面に定着させることで、紙面に画像を形成する。また、像担持体（感光ドラム）１２１をクリーナ１２０ｆによりクリーニングし、再び同じ工程を繰り返す。

図１３においては、銀塩方式プリンタを例に示しており、この銀塩方式プリンタにおいても、図１および図９で示したものと同様の構成からなる３つの光走査装置１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃと、搬送ローラー１３１ｂ、現像器１３１ｃ、および、定着器１３１ｄとで構成される。３つの光走査装置１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃにおいては、各光源からのレーザ光（Ｇ）１３８ａ，（Ｂ）１３８ｂ，（Ｒ）１３８ｃの波長はそれぞれ異なり、緑（Ｇ）と青（Ｂ）および赤（Ｒ）となっている。また、３つの光走査装置１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃは副走査方向に並べてある。

このような構成からなる本例の銀塩方式プリンタにおいては、まず、銀塩ペーパー１３１ａに、３つの光走査装置１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃにより、画像データに応じて強度変調された３色の光を順次走査して、銀塩ペーパー１３１ａを露光する。その後、現像器１３１ｃで現像し、次に定着器１３１ｄで定着し、乾燥させることで、銀塩ペーパー１３１ａにプリントすることができる。

なお、本例では、ＲＧＢ（赤、緑、青）をそれぞれ光源とする３つの光走査装置で構成しているが、２つ以上の光走査装置を用いることで、多色のプリントが可能となる。しかしながら、本例のように、光源波長の異なる３つ以上の光走査装置１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃで構成することで、フルカラーのプリントが可能となる。その際、ＲＧＢのようにフルカラープリントに適した波長を選ぶ必要がある。また、フォトニック結晶の構造は光源の波長に応じて変更する必要がある。

また、本例では、銀塩ペーパー１３１ａにプリントしているが、同様の方式で、カラーフィルムやその他のカラー記録媒体にプリントすることも可能である。

図１４においては、フォトクロミック材料からなるリライタブルペーパーを用いたリライタブルプリンタを例に示しており、このプリンタは、図１および図９で示したものと同様の構成からなる３つの光走査装置１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃと、搬送ローラー１４１ｂおよび紫外光光源（紫外ランプ）１４１ｃで構成される。３つの光走査装置１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃにおいては、各光源からのレーザ光（Ｇ）１４８ａ，（Ｂ）１４８ｂ，（Ｒ）１４８ｃの波長はそれぞれ異なり、緑（Ｇ）と青（Ｂ）および赤（Ｒ）となっている。また、３つの光走査装置１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃは副走査方向に並べてある。

尚、フォトクロミック材料とは、紫外光の照射により発色し、発色した材料が吸収する可視光の照射により消色するものである。波長４６０ｎｍ付近に吸収スペクトルのピークをもつイエロー材料と、波長５３０ｎｍ付近に吸収スペクトルのピークをもつマゼンタ材料と、波長６３０ｎｍ付近に吸収スペクトルのピークをもつシアン材料の３種類のフォトクロミック材料を混合して白色フィルム上に塗布したものは、紫外線の照射により全材料が発色した後、赤色光を照射した部分はシアン材料が消色して赤色を示し、緑色光を照射した部分はマゼンタ材料が消色して緑色を示し、青色光を照射した部分はイエロー材料が消色して青色を示し、フルカラー画像表示が可能である。

また、紫外光を再度照射すると、全材料が発色して画像が消去できるため繰り返し書き換え可能なリライタブルペーパーとして使用することができる（川島伊久衛，高橋裕幸，平野成伸，光学 ３２巻１２号，７０７（２００３）参照）。

このように、フォトクロミック材料は、ある色の光を照射すると、照射した部分が照射した光の色になり、また、紫外光を照射すると、消去することができるため、繰り返し書き換え可能なリライタブルペーパーとして使用できる。

このような構成からなる図１４に示したプリンタにおいては、まず、フォトクロミック材料からなるリライタブルペーパー（図中「フォトクロミックペーパー」と記載）１４１ａに紫外ランプ１４１ｃにより紫外光を照射し、既にリライタブルペーパー１４１ａ上に形成されている画像を消去する。次に、画像が消去されたリライタブルペーパー１４１ａに、３つの光走査装置１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃにより、画像データに応じて強度変調された３色の光を順次走査して、リライタブルペーパー１４１ａ上に画像をプリントする。

なお、本例では、ＲＧＢをそれぞれ光源とする３つ光走査装置１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃで構成しているが、図１３で示した例と同様に、２つ以上の光走査装置を用いることで、多色のプリントが可能となり、また、光源波長の異なる３つ以上の光走査装置１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃで構成することで、フルカラーのプリントが可能となる。この際、ＲＧＢのように、フルカラープリントに適した波長を選ぶ必要がある。また、フォトニック結晶の構造は光源の波長に応じて変更する必要がある。

以上、図１から図１４を用いて説明したように、本例の光走査装置では、光源と、光源からの光を走査（偏向）する走査手段と、この走査手段によって光が走査される走査範囲を拡大する走査範囲拡大手段とで構成しているので、光量のばらつきがなく、非常に小型で、かつ、特殊なレーザを必要としない光走査装置を容易に製造することができる。

特に、本例では、走査手段１１，１１１を、ＰＬＺＴ等からなる強誘電体のフォトニック結晶と、このフォトニック結晶に印加する電圧を制御する電圧制御部からなる偏向器で構成し、走査範囲拡大手段５，１１５を、少なくとも第１のフォトニック結晶５ａ，１１５ａと第２のフォトニック結晶５ｂ，１１５ｂの、２種類以上のフォトニック結晶で形成して偏向角が９０°の界面を設け、走査手段からの走査光を当該界面に入射角４５°以上で入射して界面で９０°偏向することにより、走査光の走査範囲を拡大する構成とし、光走査系の小型化を図っている。

より具体的には、走査範囲拡大手段５，１１５を構成する２種類以上あるフォトニック結晶のうち、第１のフォトニック結晶５ａ，１１５ａは、２つの異なる方向に周期性をもつ２次元フォトニック結晶、または、３つの異なる方向に周期性をもつ３次元フォトニック結晶であり、少なくとも２つの周期性の方向が直交しており、第１の周期方向の周期をａｘ、第２の周期方向の周期をａｙとし、光源からの光に対して、第１の周期方向の波動ベクトルの大きさをｋｘ、第２の周期方向の波動ベクトルの大きさをｋｙとしたときに、第１の周期方向の波動ベクトルの大きさと周期の積ｋｘ・ａｘと、第２の周期方向の波動ベクトルの大きさと周期の積ｋｙ・ａｙとの比がｎ：１（ｎは２以上の整数）であり、また、第２のフォトニック結晶５ｂ，１１５ｂは、光源からの光（レーザ光８，１１８）に対してフォトニックバンドギャップを有しており、第１のフォトニック結晶５ａ，１１５ａとの界面４，１１４と、第１の周期方向とでなす角が、ｎ・ａｙ／ａｘの逆正接となるように構成している。

また、本例では、第１のフォトニック結晶５ａ，１１５ａおよび第２のフォトニック結晶５ｂ，１１５ｂは、それぞれを構成する２以上の誘電体のうちの１つ以上の誘電体の誘電率、もしくは、誘電体を配置する周期、あるいは、周期的に配置された誘電率の異なる誘電体でそれぞれの誘電体の占める割合のいずれか１つ以上が異なっている構成とする。

また、本例では、第１のフォトニック結晶５ａ，１１５ａは、互いに直交している第１の周期方向と第２の周期方向とで、誘電率の異なる誘電体を配置する周期、または、周期的に配置された誘電率の異なる誘電体でそれぞれの誘電体の占める割合のうち、１つ以上異なるように構成している。

また、本例では、走査位置を検出する検出器２，３，１１３で検出した走査位置を、偏向器の制御部にフィードバックして光の偏向・走査を制御する構成としている。

また、本例では、このような光走査装置を主走査方向に、もしくは、副走査方向に、２つ以上並べて構成することにより、走査速度を実効的に速くでき高速走査が可能となる。特に、光源の波長の異なる光走査装置を副走査方向に２つ以上並べて構成することにより、多色のプリンタに用いることができ、さらに、光源波長の異なる３種類以上の光走査装置を、副走査方向に３つ以上並べて構成することにより、フルカラープリンタに用いることができる。

また、本例では、このような光走査装置をプリンタに用いることにより、非常に小型で、安価、かつ、低騒音で、信頼性が高い電子写真式プリンタや銀塩式カラープリンタ、並びに、リライタブルペーパー用カラープリンタを容易に実現することができる。

尚、本発明は、図１〜図１４を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本例では、本発明に係わる光走査装置をプリンタ装置に用いた例を示しているが、当該光走査装置は、電子複写機やディスプレイ装置、レーザ露光装置等の画像形成機構に用いることができ、これらの装置の小型化と高性能化を図ることができる。

本発明に係わる光走査装置の第１の構成例を示すブロック図である。 図１における光走査装置の上面図である。 図１における走査範囲拡大手段を構成する第１のフォトニック結晶の構成例を示す説明図である。 図３における第１のフォトニック結晶のＴＥモードのフォトニックバンド図である。 図３における第１のフォトニック結晶のＴＥモードの第２バンドの分散面を示す説明図である。 図１における走査範囲拡大手段を構成する第２のフォトニック結晶の構成例を示す説明図である。 図６における第２のフォトニック結晶のＴＥモードのフォトニックバンド図である。 図７におけるフォトニックバンド図の拡大図である。 図１における走査範囲拡大手段の構成例を示す説明図である。 図１における走査範囲拡大手段の偏向特性例を示す説明図である。 本発明に係わる光走査装置の第２の構成例を示すブロック図である。 本発明に係わる光走査装置を用いたプリンタの第１の構成例を示すブロック図である。 本発明に係わる光走査装置を用いたプリンタの第２の構成例を示すブロック図である。 本発明に係わる光走査装置を用いたプリンタの第３の構成例を示すブロック図である。 従来のポリゴンミラー方式の光走査装置の構成例を示すブロック図である。 従来の発光素子をアレイ状に並べた光走査装置の構成例を示すブロック図である。 従来のフォトニック結晶の大きな波長分散特性を用いた光走査装置の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１，１２１：像担持体（感光ドラム）、２，３，１１３，１２３，１３３，１４３：光走査位置検出器、４，１１４：フォトニック結晶界面、５，１１５：走査範囲拡大手段、５ａ，１１５ａ：第１のフォトニック結晶、５ｂ，１１５ｂ：第２のフォトニック結晶、６，７，１１６，１１７：電極、８，１１８，１２８：レーザ光、９，１１９：光源（半導体レーザ）、１０，１１０：電圧制御部、１１，１１１：走査手段、１２，１１２：強誘電体（ＰＬＺＴ）フォトニック結晶、１３：孔、１３ａ：楕円形孔、１３ｂ：長方形孔、１００：ビームスプリッタ、１２０，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ：光走査装置、１２０ａ：帯電器、１２０ｂ，１３１ｃ：現像器、１２０ｃ：転写器、１２０ｄ：転送用紙、１２０ｅ，１３１ｄ：定着器、１２０ｆ：クリーナー、１３１ａ：銀塩ペーパー、１３１ｂ，１４１ｂ：搬送ローラー、１３８ａ，１４８ａ：レーザ光（Ｇ）、１３８ｂ，１４８ｂ：レーザ光（Ｂ）、１３８ｃ，１４８ｃ：レーザ光（Ｒ）、１４１ａ：フォトクロミックペーパー、１４１ｃ：紫外光光源（紫外ランプ）、１５０２：ポリゴンミラー、１５２２：球面レンズ（第１の走査レンズ）、１５２６：トーリックレンズ（第２の走査レンズ）、１５２７：感光ドラム（感光体）、１５３０：光検出器、１５３２：シリンドリカルレンズ、１５５１：光源手段、１５５２：コリメーターレンズ、１５５３：絞り、１５５５：平行平板ガラス、１６０８：ガラス基板、１６０９：信号電極、１６１０：絶縁膜の第１コンタクトホール、１６１１：透明電極、１６１２：絶縁膜の第２コンタクトホール、１６１３：正孔輸送層、１６１４：発光層、１６１５：電子注入電極、１６１６：保護膜の第１コンタクトホール、１６１７：保護膜の第２コンタクトホール、１６１８：共通電極、１７１１０：波長可変レーザ、１７１３０：フォトニック結晶、１７１３１：酸化シリコン膜、１７１３２：円柱状のシリコン。

Claims (16)

1. 光源と、
   該光源からの光を走査する走査手段と、
   該走査手段によって走査される光の走査範囲を拡大する走査範囲拡大手段と
   を有することを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   上記走査範囲拡大手段は、少なくとも、光を直角に曲げる界面を形成した第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶を有し、
   上記走査手段からの走査光を上記第１のフォトニック結晶に入射して直進伝搬し、
   該直進伝搬した走査光を上記界面に４５°以上の入射角で入射して９０°偏向する
   ことを特徴とする光走査装置。
3. 請求項２に記載の光走査装置であって、
   上記第１のフォトニック結晶および上記第２のフォトニック結晶は、
   それぞれを構成する２以上の誘電体のうちの１つ以上の誘電体の誘電率、
   もしくは、誘電体を配置する周期、
   あるいは、周期的に配置された誘電率の異なる誘電体でそれぞれの誘電体の占める割合のいずれか１つ以上が異なっていることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項２もしくは請求項３のいずれかに記載の光走査装置であって、
   上記第１のフォトニック結晶は、
   ２つの異なる方向に周期性をもつ２次元フォトニック結晶もしくは３つの異なる方向に周期性をもつ３次元フォトニック結晶であり、少なくとも２つの周期性の方向（第１の周期方向、第２の周期方向）が直交しており、かつ、上記第１の周期方向の周期ａｘと該第１の周期方向の上記光源からの光に対する波動ベクトルの大きさｋｘとの積ａｘ・ｋｘと、上記第２の周期方向の周期ａｙと該第２の周期方向の上記光源からの光に対する波動ベクトルの大きさｋｙとの積ａｙ・ｋｙとの比がｎ：１（ｎは２以上の整数）であり、
   上記第２のフォトニック結晶は、
   上記光源からの光に対してフォトニックバンドギャップを有しており、上記第１のフォトニック結晶との界面と上記第１の周期方向とでなす角が、ｎ・ａｙ／ａｘの逆正接となっていることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項４に記載の光走査装置であって、
   上記第１のフォトニック結晶は、互いに直交している第１の周期方向と第２の周期方向とで、誘電率の異なる誘電体を配置する周期、もしくは、周期的に配置された誘電率の異なる誘電体のそれぞれの占める割合のいずれか１つ以上が異なっていることを特徴とする光走査装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光走査装置であって、
   上記走査手段は、強誘電体で形成されたフォトニック結晶と、該フォトニック結晶に印加する電圧を制御する電圧制御手段とを有し、
   該電圧制御手段により上記フォトニック結晶に印加する電圧を制御して該フォトニック結晶に入射され出射される光の偏向制御を行うことを特徴とする光走査装置。
7. 請求項６に記載の光走査装置であって、
   上記フォトニック結晶がＰＬＺＴであることを特徴とする光走査装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の光走査装置であって、
   光の走査位置を検出する検出器を有し、
   該検出器で検出した走査位置を、上記走査手段の偏向制御にフィードバックすることを特徴とする光走査装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の光走査装置を、主走査方向に２つ以上並べたことを特徴とする光走査装置。
10. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の光走査装置を、副走査方向に２つ以上並べたことを特徴とする光走査装置。
11. 請求項１０に記載の光走査装置であって、
    上記副走査方向に並べた２つ以上の光走査装置の各々の光源波長が異なることを特徴とする光走査装置。
12. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の光走査装置を、副走査方向に少なくとも３つ以上並べてなり、かつ、それぞれの光源波長が異なることを特徴とする光走査装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光走査装置と、
    該光走査装置が走査する光の強度を画像データに応じて制御する露光制御手段と、
    該露光制御手段で制御された上記光走査装置からの光を受光媒体上に受光して当該画像パターンを生成する画像生成手段と
    を有することを特徴とする画像形成装置。
14. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光走査装置と、
    該光走査装置が走査する光の強度を画像データに応じて制御する露光制御手段と、
    該露光制御手段で制御された上記光走査装置からの光によって静電潜像が形成される像担持体と、
    該像担持体上の静電潜像を現像する現像器と、
    該現像器で現像された像を転写用紙に転写する転写器と、
    該転写用紙に転写された像を定着させる定着器と
    を有することを特徴とする画像形成装置。
15. 請求項１２に記載の光走査装置と、
    該光走査装置が走査する光の強度を画像データに応じて制御する露光制御手段と、
    該露光制御手段で制御された上記光走査装置からの光によって銀塩ペーパー上に形成された像を現像する現像器と、該現像器で現像された像を定着する定着器と
    を有することを特徴とする銀塩式カラープリンタ。
16. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光走査装置と、
    該光走査装置が走査する光の出力を画像データに応じて制御する露光制御手段と、
    該露光制御手段で制御された上記光走査装置からの光によってリライタブルペーパー上に形成された像を消去するための紫外光を発生する紫外光光源と
    を有し、
    上記紫外光光源で像を消去したリライタブルペーパー上に新たな像を形成することを特徴とするリライタブルプリンタ。

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