JP2006301252A - レーザ光学ユニット、レーザ光学装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発光部を有する従来のレーザ走査光学系を変更することなく、複数のレーザ光の干渉による光量変動を抑制する。
【解決手段】画像形成装置の露光部１０は、２つの発光部１１ａ及び１１ｂを有するレーザ光源１１と、レーザ光源１１から射出された２つの光束に共通に設けられたコリメータレンズ１２と、コリメータレンズ１２から射出された２つの光束の透過を制限するスリット１３と、前記２つの光束に共通に設けられ、スリット１３を透過した２つの光束を主走査方向に走査するポリゴンミラー１５と、を有し、２つの発光部１１ａ及び１１ｂの配列方向と副走査方向とのなす角をθ（°）、発光部間の距離をｄ（μｍ）、レーザ光の波長をλ（ｎｍ）、コリメータレンズ１２の焦点距離をｆ（ｍｍ）、スリット１３の幅をｗ（ｍｍ）とした場合、レーザ光源１１は、０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ）を満たすべく配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光学ユニット、レーザ光学装置、レーザ光学装置を備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ等の画像形成装置における高速化を実現する手段の一つとして、複数のレーザ光を同時に並行走査して画像形成を行う技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、複数の発光部を有する半導体レーザアレイを用い、その発光部を副走査方向に配列して並行走査することにより、高速な画像形成を実現する技術が開示されている。

しかしながら、一般に、半導体レーザアレイから射出される複数のレーザ光（光束）の特性は極めて揃っており、可干渉性が高いため、ある光源の点灯時間と他の光源の点灯時間とが重なる場合、複数のレーザ光が交差する位置では干渉縞が生じる。レーザ走査光学系を構成するコリメータレンズの後方には、感光体ドラム上のビームスポットを整形するためのスリット（開口部）が配置されているが、レーザ発振が不安定で干渉縞の分布が変動すると、このスリットを透過する光量が変動することにより濃度変動（濃度ムラ）を引き起こす。これにより、例えば、全面黒画像に不規則な白スジが発生する等の画質劣化が生じるという問題がある。そこで、特許文献２では、干渉縞の分布変動による透過光量変動を抑制するように、スリットの幅を選択する方法が提案されている。
特開昭５７−２２２１８号公報 特開２００４−１０９５８８号公報

しかしながら、上記特許文献２の方法は、スリット幅を変更することになるため、露光面（例えば、感光体ドラム面）におけるビームスポット径に影響を与える。従って、露光面上でのビームスポット径を所定の径にするため、レンズ特性の変更等、レーザ走査光学系を再度設計し直す必要があり、より多くの開発費用及び開発工数が生じてしまう。

本発明の課題は、複数の発光部を有する従来のレーザ走査光学系を変更することなく、複数のレーザ光の干渉による光量変動を抑制することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、光束を主走査方向に走査する走査器を備えたレーザ光学装置に組み込まれるレーザ光学ユニットであって、同時に点灯する時期を有する２つの発光部を含むレーザ光源と、前記レーザ光源から射出された２つの光束に共通に設けられたコリメータレンズと、前記２つの光束に共通に設けられ、前記コリメータレンズから射出され前記走査器に入射される前記２つの光束の透過を制限するスリットと、を有し、前記発光部の配列方向と副走査方向とのなす角をθ（°）、前記発光部間の距離をｄ（μｍ）、レーザ光の波長をλ（ｎｍ）、前記コリメータレンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記スリットの幅をｗ（ｍｍ）とした場合、０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ）を満たすことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のレーザ光学ユニットにおいて、前記スリットは、その長手方向が前記主走査方向と一致することを特徴としている。

請求項３に記載のレーザ光学装置は、同時に点灯する時期を有する２つの発光部を含むレーザ光源と、前記レーザ光源から射出された２つの光束に共通に設けられたコリメータレンズと、前記２つの光束に共通に設けられ、前記コリメータレンズから射出された２つの光束の透過を制限するスリットと、前記２つの光束に共通に設けられ、前記スリットを透過した２つの光束を主走査方向に走査する走査器と、を有し、前記発光部の配列方向と副走査方向とのなす角をθ（°）、前記発光部間の距離をｄ（μｍ）、レーザ光の波長をλ（ｎｍ）、前記コリメータレンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記スリットの幅をｗ（ｍｍ）とした場合、前記レーザ光源は、０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ）を満たすべく配置されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項３記載のレーザ光学装置において、前記スリットは、その長手方向が前記主走査方向と一致することを特徴としている。

請求項５に記載の画像形成装置は、請求項３に記載のレーザ光学装置を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、従来のレーザ走査光学系を変更することなく、複数のレーザ光の干渉による光量変動を抑制することができる。

また、本発明のレーザ光学装置を備えた画像形成装置では、複数のレーザ光の干渉による光量変動の抑制により、画質劣化を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
まず、本実施形態における構成について説明する。

図１に、本発明の実施形態に係る画像形成装置１００の概略構成を示す。画像形成装置１００は、例えば、複写機、プリンタ等であり、レーザ光を感光体ドラム１上に走査して静電潜像を形成する露光部１０と、感光体ドラム１と、感光体ドラム１を帯電させる帯電部２と、感光体ドラム１上にトナーを付着させる現像部３と、転写部４と、感光体ドラム１の周面上に残ったトナーをクリーニングするクリーナ５と、感光体ドラム１の表面を除電する除電部６により構成される。転写部４は、転写紙Ｐを帯電させてトナー像を吸着させて転写させる転写電極４Ａと、転写紙Ｐを除電して感光体ドラム１から分離させる分離電極４Ｂを備える。本実施形態では、感光体ドラム１の回転方向を副走査方向とし、感光体ドラム１の軸方向（長手方向）を主走査方向とする。

画像形成を行うには、まず、帯電部２により感光体ドラム１の表面が一様に帯電される。そして、スキャナ等により原稿から読み取られた画像データに基づいて露光部１０のレーザ光が射出され、感光体ドラム１の表面に潜像が形成される。そして、現像部３により、潜像が反転現像され、感光体ドラム１上にトナー像が形成される。そして、用紙収納部（図示略）から給紙された転写紙Ｐが転写位置へと搬送される。

そして、転写電極４Ａにより、転写紙Ｐが感光体ドラム１の現像面に圧接した形で帯電され、感光体ドラム１のトナー像が転写紙Ｐに吸着されて転写される。そして、分離電極４Ｂにより、帯電した転写紙Ｐが除電され、感光体ドラム１から転写紙Ｐが分離される。その後、定着部（図示略）により、加熱及び加圧によってトナー像が転写紙Ｐ上に定着され、排紙ローラから排出される。そして、クリーナ５により、感光体ドラム１の表面に残留しているトナーが除去され、更に、除電部６による感光体ドラム１の除電によって、感光体ドラム１の表面が均一化されて、一連の画像形成が終了する。

デジタル複写機やプリンタ等のデジタル画像形成装置では、通常、レーザ光で感光体ドラム上を走査露光して画像形成を行っている。図２は、露光部１０を構成するレーザ走査光学系の一例を示す斜視図である。

レーザ走査光学系は、図２に示すように、２つの発光部１１ａ及び１１ｂを有するレーザ光源１１、コリメータレンズ１２、スリット１３、シリンドリカルレンズ１４、ポリゴンミラー１５、ｆθレンズ１６、シリンドリカルレンズ１７、ミラー１８、水平同期センサ１９を備えて構成される。レーザ光源１１の２つの発光部１１ａ及び１１ｂは半導体レーザであり、これら２つの発光部は、副走査方向に対して角度θをなして配列されている。なお、角度θの算出方法については、後に詳細に説明する。ミラー１８及び水平同期センサ１９は、感光体ドラム１の画像形成領域から外れた位置に設けられている。

図２に示したレーザ光源１１、コリメータレンズ１２及びスリット１３により、本発明のレーザ光学ユニットが構成され、当該レーザ光学ユニットとポリゴンミラー１５により、本発明のレーザ光学装置が構成される。

発光部１１ａ及び１１ｂの各々から射出された２つの光束は、コリメータレンズ１２により平行光束とされ、感光体ドラム１上のビームスポットを整形するためのスリット１３により、コリメータレンズ１２から射出された２つの光束の透過が制限される。スリット１３を透過した２つの光束は、シリンドリカルレンズ１４により、回転中のポリゴンミラー１５の鏡面に結像され、その鏡面で反射されることにより偏向される。ポリゴンミラー１５の反射鏡面は、仮想光源とみなすことができる。仮想光源から感光体ドラム１表面までの距離が、反射鏡面の向きによって異なるため、ｆθレンズ１６により、仮想光源から射出された光束の主走査速度への影響が補正される。

ｆθレンズ１６から射出された２つの光束は、シリンドリカルレンズ１７により、感光体ドラム１上に結像される。感光体ドラム１上に結像された２つの光束の走査ラインは、図２のＬａ、Ｌｂのようになる。また、図２に示すように、ポリゴンミラー１５から反射された２つの光束の一部はミラー１８により反射される。ミラー１８で反射された２つの光束は、水平同期センサ１９で検出され、その検出結果に基づいて、２つの光束の露光開始位置が決定される。図２の露光部１０を備える画像形成装置１００では、ポリゴンミラー１５の回転により走査露光（主走査）を行い、感光体ドラム１の回転により副走査を行うことにより、画像が形成される。

なお、図２では、スリット１３を透過した２つの光束を主走査方向に走査する走査器として、８つの鏡面を有するポリゴンミラー１５を用いる場合を示しているが、走査器を構成する鏡面の数は特に限定されない。

図３に、レーザ光源１１、コリメータレンズ１２及びスリット１３の位置関係を示す。図３に示すように、レーザ光源１１から射出された２つの光束は、コリメータレンズ１２を通過すると、各光束の主光線は互いに交差する。交差角を２α、レーザ光源１１の２つの発光部間の距離をｄ、コリメータレンズ１２の焦点距離をｆとすると、式（１）の関係を満たす。
sinα＝ｄ／（２・ｆ） …（１）
ここで、｜α｜≪１である。なお、スリット１３は、コリメータレンズ１２の像側焦点近傍に配置されるのが一般的である。

ところで、レーザ光源１１から射出された２つの光束の特性は極めて揃っており、可干渉性が非常に高いため、２つの光束が交差する位置では干渉縞が生じる。図４（ａ）に、２つの平面波の干渉を示す。以下、２つの平面波をそれぞれ、平面波１、平面波２と呼ぶ。平面波１、平面波２の強度をそれぞれ、Ｉ₁、Ｉ₂とし、平面波１、平面波２の波数ベクトル（３次元ベクトル）をそれぞれ、ｋ₁、ｋ₂とすると、平面波１と平面波２の合成波の強度Ｉは、式（２）のように表される。

ここで、ベクトルｒは、２つの平面波が存在する３次元空間における任意の方向ベクトル（x, y, z）であり、φ₁₀は平面波１の初期位相、φ₂₀は平面波２の初期位相である。また、平面波１及び平面波２の波長を共にλとすると、これらの平面波の波数ベクトルの絶対値は式（３）を満たす。

式（２）に示す合成波は定在波に相当し、周波数は一定で振幅が場所によって変化していることを示している。振幅及び強度の等しい位置は、式（４）に示すベクトルで表され、２つの平面波の進行方向の二等分線方向に垂直な平面群に存在する。

波数ベクトルk₁、k₂と、ベクトルKの関係を図４（ｂ）に示す。合成波の振幅及び強度の等しい位置の間隔Λは、式（５）のように表される。

図５に、スリット１３に入射するレーザ光が単独（１つの光束）である場合のスリット面上の強度分布を示す。図５（ａ）は、Ｘ軸方向（スリット１３の長手方向）の強度分布を示し、図５（ｂ）は、Ｙ軸方向（スリット１３の縦方向）の強度分布を示す。ここで、Ｘ軸方向は、光束の主走査方向に対応し、Ｙ軸方向は、光束の副走査方向に対応する。単独のレーザ光の場合、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、中央部の強度が最大となるなだらかな強度分布となっているため、スリット面上（ＸＹ平面上）での強度分布には、図５（ｃ）に示すように、干渉縞が現れない。一方、スリット１３に２つのレーザ光（２つの光束）が入射する場合は、双方のレーザ光の干渉により、スリット面上での強度分布は図６（ａ）又は（ｂ）のようになり、周期Λ（式（５））の干渉縞が現れる。

スリット１３は、干渉縞の一部のみを透過するため、レーザ光源１１のレーザ発振が不安定で干渉縞が変化すると、スリット１３を透過する光量が変動する。図７に、干渉縞の周期Λに対するスリット１３の副走査方向の幅ｗの比（ｗ／Λ）と、スリット１３の透過光量の変動分と平均値の比であるコントラストＣの関係を示す。実際には、レーザ光源１１から射出される２つの光束の光量は僅かに異なることがあるため、コントラストＣの最大値は１より小さくなり、最小値は０より大きくなる。

ｗ／Λは、式（１）及び式（５）より、式（６）のように表される。
ｗ／Λ＝（ｗ・ｄ）／（ｆ・λ） …（６）
本実施形態では、スリット１３の副走査方向の幅（以下、「スリット幅」と呼ぶ。）ｗ＝０．５８ｍｍ、レーザ光源１１の発光部間の距離ｄ＝１４μｍ、コリメータレンズ１２の焦点距離ｆ＝１２ｍｍ、レーザの発振波長λ＝７８０ｎｍとする。このとき、ｗ／Λ＝（ｗ・ｄ）／（ｆ・λ）＝０．８６８である。図７より、ｗ／Λ＝０．８６８のとき、Ｃ＝０．１５程度、光量変動は３０％弱であり、実際の画像では、時折、全面黒画像に不規則な白スジが発生し、画質劣化を招く。図７より、ｗ／Λが１に近いほどコントラストＣが小さくなり、光量変動を抑制できることがわかる。

そこで、図２に示したように、発光部１１ａ及び１１ｂの配列を、副走査方向に対して角度θだけ傾けることで、図８に示すように、干渉縞の周期に対する実効的なスリット幅が拡大する。実効的なスリット幅ｗ'は式（７）のように表される。
ｗ'＝ｗ／cosθ …（７）
スリット１３を傾けても式（７）と同様の効果が得られるが、ビームスポット径が変化するため、不適切である。

図９に、発光部１１ａ及び１１ｂの傾斜角θと、全面黒画像の不規則な白スジの発生状況との関係を示す。図９によれば、傾斜角θ≧６°において、不規則な白スジが発生しないことが明らかになった。θ＝６°では、（ｗ'・ｄ）／（ｆ・λ）＝０．８７２、コントラストＣ＝０．１４であり、光量変動は２５％以下に抑制されている。即ち、傾斜角θが式（８）を満たしていれば、全面黒画像の不規則な白スジは発生しないことになる。
（ｗ・ｄ）／（ｆ・λ・cosθ）≧０．８７２ …（８）
本実施形態では、θ＝１０°としており、このとき、（ｗ・ｄ）／（ｆ・λ・cosθ）＝０．８８１となり、式（８）の関係を満たしているため、全面黒画像の不規則な白スジは発生しない。

ところで、発光部１１ａ及び１１ｂの配列を副走査方向に対して傾けた角度に応じて、感光体ドラム１上の各ビームスポットの位置関係が変化する。図１０（ａ）は、発光部１１ａ及び１１ｂの配列が副走査方向と略並行である場合の各ビームスポットの位置関係を示し、図１０（ｂ）は、発光部１１ａ及び１１ｂの配列を副走査方向に対して角度θだけ傾けた場合の各ビームスポットの位置関係を示す。各ビームスポットの主走査方向における間隔は、各々のレーザ光を変調する画像データのタイミングを調整することで対応可能である。

一方、各ビームスポットの走査ラインの副走査方向における間隔、所謂、副走査ピッチについては、レーザ走査光学系の副走査方向の倍率をβとすると、発光部１１ａ及び１１ｂの配列が副走査方向と略並行である場合、発光部間の間隔ｄと副走査ピッチｐの関係は式（９）のように表される。
ｐ＝β・ｄ …（９）
また、発光部１１ａ及び１１ｂの配列が副走査方向に対して角度θだけ傾いている場合の副走査ピッチｐ₁は式（１０）のように表される。
ｐ₁＝β・ｄ・cosθ …（１０）

図１１に、発光部１１ａ及び１１ｂの各々から射出された光束に対応するビームスポットの走査ライン（実線）を示す。図１１に示すように、発光部１１ａ及び１１ｂの配列が副走査方向に対して傾いているか否かに関わらず、同一のビームスポットの走査ピッチは２・ｐである。従って、図１１に示すように、同一のビームスポットの走査ピッチ２・ｐは、副走査ピッチｐ₁、ｐ₂の和となる。即ち、ｐ₂は式（１１）のように表される。
ｐ₂＝２・ｐ−ｐ₁ …（１１）

図１１に示したｐ₁とｐ₂との差が大きくなると、周期的な濃度変動が生じ、画質の劣化を招く。実際に、ｐ₁−ｐ₂の値と画質の劣化状況の関係を調べたところ、ｐ₁−ｐ₂が式（９）に示した副走査ピッチｐの１／４倍以上になると、周期的な濃度変動やモラレ等の画像不良が顕著に発生することが確認されている。副走査ピッチの変動量を（ｐ₁−ｐ₂）／（ｐ₁＋ｐ₂）とすると、ｐ₁−ｐ₂＝（１／４）・ｐのとき、この変動量は０．１２５となる。一方、式（１２）に示すように、副走査ピッチの変動量が０．１以下になると、画像不良が生じないことが確認されている。
（ｐ₁−ｐ₂）／（ｐ₁＋ｐ₂）≦０．１ …（１２）
即ち、式（９）〜式（１２）により、発光部１１ａ及び１１ｂの副走査方向に対する傾斜角θが式（１３）の関係を満たしていれば、周期的な濃度変動は発生しないことになる。
cosθ≧０．９ …（１３）

従って、複数レーザ光の干渉による不規則な濃度変動と、副走査ピッチの変動による規則的な濃度変動を抑制するためには、式（８）及び式（１３）より、傾斜角θの範囲は式（１４）を満たせばよい。
０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ） …（１４）
本実施形態において式（１４）を満たす範囲は６°≦θ≦２５°である。なお、式（１４）に示す条件は、レーザ走査光学系の光学的な設計条件であり、物理的な設計条件に基づくものではない。

以上のように、本実施形態によれば、レーザ光源１１が有する２つの発光部１１ａ及び１１ｂの配列方向と副走査方向とのなす角度θを０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ）としたことにより、従来のレーザ走査光学系を変更することなく、複数のレーザ光の干渉による光量変動を抑制することができる。

また、上記角度θを満たすように配置されたレーザ光源１１を有する画像形成装置１００では、複数のレーザ光の干渉による光量変動の抑制により、画質劣化を防止することができる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略構成を示す図である。 図１の画像形成装置の露光部（レーザ走査光学系）の概略構成を示す図である。 レーザ光源、コリメータレンズ、スリットの位置関係を示す図である。 ２つの平面波の干渉を示す図である。 単独のレーザ光のスリット面上での光強度分布を示す図である。 ２つのレーザ光が干渉したときのスリット面上での光強度分布を示す図である。 スリット幅ｗ／干渉縞周期ΛとコントラストＣの関係を示す図である。 レーザ光源が有する２つの発光部の配列方向を副走査方向に対して角度θ傾斜させたときの実効的なスリット幅ｗ'を示す図である。 レーザ光源の傾斜角θと白スジ発生状況との関係を示す図である。 感光体ドラム上のビームスポットの位置関係を示す図である。 レーザ光源を副走査方向に対して傾斜させたときの走査ラインを示す図である。

符号の説明

１ 感光体ドラム
２ 帯電部
３ 現像部
４ 転写部
４Ａ 転写電極
４Ｂ 分離電極
５ クリーナ
６ 除電部
１０ 露光部（レーザ走査光学系）
１１ レーザ光源
１１ａ、１１ｂ 発光部
１２ コリメータレンズ
１３ スリット
１４ シリンドリカルレンズ
１５ ポリゴンミラー（走査器）
１６ ｆθレンズ
１７ シリンドリカルレンズ
１８ ミラー
１９ 水平同期センサ
１００ 画像形成装置
Ｐ 転写紙

Claims (5)

1. 光束を主走査方向に走査する走査器を備えたレーザ光学装置に組み込まれるレーザ光学ユニットであって、
   同時に点灯する時期を有する２つの発光部を含むレーザ光源と、
   前記レーザ光源から射出された２つの光束に共通に設けられたコリメータレンズと、
   前記２つの光束に共通に設けられ、前記コリメータレンズから射出され前記走査器に入射される前記２つの光束の透過を制限するスリットと、
   を有し、前記発光部の配列方向と副走査方向とのなす角をθ（°）、前記発光部間の距離をｄ（μｍ）、レーザ光の波長をλ（ｎｍ）、前記コリメータレンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記スリットの幅をｗ（ｍｍ）とした場合、
   ０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ）
   を満たすことを特徴とするレーザ光学ユニット。
2. 前記スリットは、その長手方向が前記主走査方向と一致することを特徴とする請求項１記載のレーザ光学ユニット。
3. 同時に点灯する時期を有する２つの発光部を含むレーザ光源と、
   前記レーザ光源から射出された２つの光束に共通に設けられたコリメータレンズと、
   前記２つの光束に共通に設けられ、前記コリメータレンズから射出された２つの光束の透過を制限するスリットと、
   前記２つの光束に共通に設けられ、前記スリットを透過した２つの光束を主走査方向に走査する走査器と、
   を有し、前記発光部の配列方向と副走査方向とのなす角をθ（°）、前記発光部間の距離をｄ（μｍ）、レーザ光の波長をλ（ｎｍ）、前記コリメータレンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記スリットの幅をｗ（ｍｍ）とした場合、前記レーザ光源は、
   ０．９≦cosθ≦（ｗ・ｄ）／（０．８７２・ｆ・λ）
   を満たすべく配置されていることを特徴とするレーザ光学装置。
4. 前記スリットは、その長手方向が前記主走査方向と一致することを特徴とする請求項３記載のレーザ光学装置。
5. 請求項３に記載のレーザ光学装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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