JP2007171883A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造で十分な光量を維持しながら正確な光量制御可能な光走査装置を提供する。
【解決手段】ポリゴンミラー１２が回転し、ビームＢ０が反射面１６の間に設けられた透過面１８にかかるとビームＢ０は透過面１８を透過し、ビームＢ１としてポリゴンミラー１２内部に設けられた中空部分１４に導かれる。ビームＢ１は結像レンズ２２で光量検知センサ２０上に結像され、面発光レーザ１１の光量検知に用いられる。ビームＢ１は、ポリゴンミラー１２の回転軸を略中心とする透過面１８の結像作用により、光ビームＢ０が透過面１８に掛かっている間、面姿勢が変わらない光学レンズとして作用させ、一定方向に集光させる。光ビームＢ０の振り分けは、時分割で光路を切り替えることにより行う。ポリゴンミラー１２そのものをレンズとして作用させ、回転軸近傍に配置されポリゴンミラー１２の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサ２０上に集光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置に関する。

レーザビームを回転多面鏡で偏向し、感光体ドラム上を露光走査する光走査装置に、光源として面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いたものがある。しかし、面発光レーザを光源に使用した光走査装置は、以下のような問題点を抱えている。

すなわち面発光レーザは、端面出射型の半導体レーザと異なり後方出射光（バックビーム）が生じないので、使用光となる前方出射光の一部をモニター光として用いる必要がある。例えば前方射出光が通過する光学系内にビームスプリッタを挿入し、このビームスプリッタで前方出射光の一部を分岐させて、モニター光とする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）
例として、面発光レーザ１１１を光源に使用する光走査装置（ＲＯＳ）では、図１０に示すように射出ビームＢ０の一部Ｂ１をハーフミラー１１８により光路分岐して光量検知センサ１２０に導き、光量検知センサ１２０の出力を光量制御回路１２４にフィードバックして光量制御を行う構成が考えられている（例えば、特許文献２参照）
上記の方式では、ビームＢ０の光量を光量検知用Ｂ１と画像形成用Ｂ２の２方向に分配し、双方の十分な光量を供給するためには、光源である面発光レーザ１１１の出力を大きくしなければならない。また、光源出力、感光体１４０の感度、光量検知センサ１２０の感度、分岐比などを最適化するためのパラメータが複雑な従属関係になるという問題があった。

例えば、面発光レーザ１１１は駆動電流を増大させていくと、最初はシングルモードで発光するが、次第にマルチモードに変化していくので、レーザのプロファイルが変化する。さらにシングルモードの領域であっても発振閾値電流値付近では広がり角度が広く、駆動電流を増大させると次第に広がり角度が小さくなっていくという挙動がある。

このため、例えば、図１０に示すように、ビームスプリッタとしてのハーフミラー１１８の後にアパチャー１１９を設けて感光体ドラム１４０に向かう面発光レーザ１１１のビーム径を整形すると、駆動電流の変化によってアパチャー１１９によるビームのケラレ量が変動する。

従って、ハーフミラー１１８で反射されて光量検知センサ１２０に向かうレーザビームＢ１の光量とハーフミラー１１８を通過しアパチャー１１９でビーム径が整形されて感光体ドラム１４０に到達するレーザビームＢ２の光量との比率が、駆動電流によって異なり正確な光量制御（ＡＰＣ制御）ができないという問題を抱えている。

本発明は上記事実を考慮し、偏向器において偏向ビームと略停止ビームを時分割で形成し、これらを被走査面に向かう露光ビームと光量検知センサに向かう検出ビームとに振り分けることで、面発光レーザからのビームを光量分配することなく、光量制御を可能とすることを目的とする。

前記略停止ビームは、偏向器の回転軸を略中心とする円筒面の反射、結像作用により形成する。すなわち、光ビームが円筒透過面に掛かっている間、面姿勢が変わらないレンズとして作用させ、一定方向に集光させる。光ビームの振り分けは、時分割で光路を切り替えることにより行う。偏向器そのものをレンズとして作用させ、回転軸近傍に配置した偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサ上に集光させる。
特開平８−３３０６１号公報 特開２００２−４０３５０号公報

本発明は上記事実を考慮し、単純な構造で十分な光量を維持しながら正確な光量制御可能な光走査装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光走査装置は、光ビームが入射する外周面の少なくとも一部が所定の透過率で内部に光を透過する光偏向器と、前記透過した光の光量を検知する光量検知手段と、を備えたことを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、光量を検知し制御することが可能である。

請求項２に記載の光走査装置は、面発光レーザからなる光源と、前記光源から射出した光ビームを平行光とする第一の光学系と、前記光ビームの光量を検知する光量検知手段と、前記光ビームを外周面の一部である反射面と透過面とでそれぞれ被走査面と前記光量検知手段とに時分割で振り分ける光偏向器と、前記光偏向器により偏向された光ビームを前記被走査面上に結像させる第二の結像光学系と、を備えたことを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項３に記載の光走査装置は、前記被走査面に向かう光ビームは前記光偏向器の作動にともなって主走査方向に走査され、前記光量検知手段に向かう光ビームの入射位置は前記光偏向器の作動に拘わらず前記光偏光器内部の所定位置であることを特徴とする。

上記構成の発明では、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項４に記載の光走査装置は、前記光ビームが入射する前記光偏向器の外周面は反射面である平面と、透過面で形成され、前記透過面を透過して内部に設けられた前記光量検知手段へ前記光ビームが入射することを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項５に記載の光走査装置は、前記光ビームが入射する前記光偏向器の外周面は反射面と光ビームが透過可能な非反射面とで構成され、前記光偏向器の回転軸近傍は中空であり、前記非反射面から入射した前記光ビームは前記中空部分内の所定の位置に入射することを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項６に記載の光走査装置は、前記光偏向器は前記光ビームを透過可能な材質で形成され、前記光ビームが入射する外周面は、前記光ビームを反射する反射面である平面と、回転軸を中心とする円柱面の一部とで形成され、前記円柱面は前記光ビームが透過する透過面であることを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項７に記載の光走査装置は、前記光偏向器の外周は、等間隔に配置された反射面と、少なくとも一つの透過面とで形成されていることを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項８に記載の光走査装置は、前記光量検知手段にて前記反射面と前記透過面との境界を入射光量差として検出し、前記境界を主走査方向の画像書き出し開始点の基準信号として用いることを特徴とする。

上記構成の発明では、光量検知センサでSOSセンサを兼用することができる。

請求項９に記載の光走査装置は、面発光レーザからなる光源と、前記光源から射出した光ビームを平行光とする第一の光学系と、前記光ビームの光量を検知する光量検知手段と、外周面がハーフミラーで構成され前記光ビームを主走査方向に偏向する光偏向器と、前記光偏向器により偏向された光ビームを前記被走査面上に結像させる第二の結像光学系と、を備えたことを特徴とする。

上記構成の発明では、光偏向器手前で光ビームを光量分配することなく、偏向器の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサで光量を検知し制御することが可能である。

請求項１０に記載の光走査装置は、ｎを正の整数とするとき、前記光量検知手段で検知された入射光量を、反射面１面分を１サイクルとしてｎサイクル分で平均化した数値を検知光量とすることを特徴とする。

上記構成の発明では、周期的に変動する入射光量を平均化することで正確に光量を検知することができる。

請求項１１に記載の光走査装置は、前記検知光量の変動パターンを記憶する記憶手段を備え、前記１サイクル中の所定の箇所にて検出された入射光量を、前記変動パターン中の前記所定の箇所に相当する変動値に基づいて補正することを特徴とする。

上記構成の発明では、周期的に変動する入射光量を所定のタイミングで計測することで正確に光量を検知することができる。

本発明は上記構成としたので、単純な構造で十分な光量を維持しながら正確な光量制御可能な光走査装置とすることができた。

＜基本構成＞
図１〜図３には、本発明の第１実施形態に係る光走査装置が示されている。

図１、２に示すように、光走査装置１０は、面発光レーザ１１（ＶＣＳＥＬ）を光源として使用している。面発光レーザ１１から射出されたビームＢ０はコリメータレンズ３０にて平行光となり、ポリゴンミラー１２に入射する。ポリゴンミラー１２は光ビームを透過可能な物質、例えば樹脂やガラスなどの略透明な物質で構成され、外周面のうち平面部分には反射膜コーティングがされている。

ビームＢ０はポリゴンミラー１２の外周面に等間隔に設けられ反射膜コーティングされた反射面１６にて反射されてビームＢ２となり、ポリゴンミラー１２の回転に伴って偏向され、図示しない結像レンズ（ｆθレンズ）で感光体ドラム４０上にスポット像として結像され、画像情報に応じた静電潜像が感光体ドラム４０の上に形成される。ポリゴンミラー１２の回転に伴ってビームＢ２が偏向され、感光体ドラム４０上にかかる直前にビームＢ２はＳＯＳセンサ４１に入射し、ＳＯＳ信号を出力することで感光体ドラム４０上の走査開始を検出する。

一方、ポリゴンミラー１２が回転し、ビームＢ０が反射面１６の間に設けられた透過面１８にかかるとビームＢ０は透過面１８を透過し、ビームＢ１としてポリゴンミラー１２内部に設けられた中空部分１４に導かれる。ビームＢ１は結像レンズ２２で光量検知センサ２０上に結像され、面発光レーザ１１の光量検知に用いられる。

ビームＢ１は、ポリゴンミラー１２の回転軸を略中心とする透過面１８（円筒面）の結像作用により、光ビームＢ０が透過面１８（円筒面）に掛かっている間、面姿勢が変わらない光学レンズとして作用させ、一定方向に集光させる。光ビームＢ０の振り分けは、時分割で光路を切り替えることにより行う。ポリゴンミラー１２そのものをレンズとして作用させ、回転軸近傍に配置されポリゴンミラー１２の回転によらず姿勢が変わらない光量検知センサ２０上に集光させる。

すなわち、光量検知センサ２０へレーザビームＢ１を入射させることでＡＰＣ制御（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ）が行われる。ＡＰＣ制御では、光量検知センサ２０で光電変換されたレーザビームＢ１の光出力信号が図示しない制御部に入力される。制御部では、面発光レーザ１１から射出されるビームＢ０が所定の出力となるように面発光レーザ１１の駆動電流を制御する。

図３には、本発明の第１実施形態に係る光走査装置の構成が示されている。

図３（ａ）（平面図）に示すように、回転軸を含むポリゴンミラー１２の断面は凹形状をなしている。光量検知センサ２０は、光走査装置の図示しない筐体に取り付けられたブラケット２４に位置決め固定され、ポリゴンミラー１２の回転にかかわらず凹部、すなわち中空部分１４に固定的に配置されている。

中空部分１４内に光量検知センサ２０を設けつつポリゴンミラー１２自体を高速で回転させるためには、ビームＢ１の光軸を避けてポリゴンミラー１２の回転軸を設ける必要上、同一の基板上に光量検知センサ２０とポリゴンミラー２０を設けることは難しい。

よって図３（ｂ）（側面図）に示すように、ブラケット２４上に光量検知センサ２０と結像レンズ２２を設け、ポリゴンミラー１２はモータなどの駆動手段２６上にて支持することで両者の干渉をさけることができる。

ポリゴンミラー１２を透過したビームＢ１は、回転軸を略中心とする円筒面である透過面１８から中空部分１４までの結像作用により、光量検知センサ２０上に一定時間入射させることができる。すなわち透過面１８から中空部分１４までの間隙を構成する透過性素材は光量検知センサ２０上にビームＢ１を結像させる光学的パワーを持ち、さらに光量検知センサ２０の手前には直交シリンドリカルレンズ（入射側が副走査方向に母線をもつシリンドリカル面、射出側が主走査方向に母線をもつシリンドリカル面）である結像レンズ２２を配置し、光量検知センサ２０上にビームＢ１をスポット結像させる。

上記のように本実施形態のポリゴンミラー１２は、反射平面と透過円筒面とを交互に配置することで、画像形成と光量検知とを交互に繰り返すことができる。

このとき、光路長を短くするために偏向角を大きく（例えば±３０度程度）取ると反射面の平面部の大部分を使って偏光することになるので、反射面１６と反射面１６の間に曲面部分（透過面１８）を設けるスペースが不足する。このため反射面１６の数を減らして曲面部分（透過面１８）を作る必要がある。しかしながら、例えば装置が大型化しても光路長を長くとることのできる場合であれば、偏向角を小さく（例えば±１５度程度）することができ、面数を多くしても反射面１６と反射面１６の間に曲面部分（透過面１８）を形成することは可能である。
＜光量検知タイミング＞
図４には、本発明の第１実施形態に係る光走査装置のビーム光量の時間変化が示されている。

前述のように本実施形態のポリゴンミラー１２は、反射平面である反射面１６と透過円筒面である透過面１８とを交互に配置することで、画像形成と光量検知とを交互に繰り返すことができる。

このときポリゴンミラー１２の反射面１６で反射された画像形成用ビームであるＢ２と、ＳＯＳセンサ４１が受光するＳＯＳ検出用ビームと、透過面１８を透過して光量検知センサ２０で面発光レーザ１１の光量検知に用いられるビームＢ１とのビーム強度の、時間変動が図４に示されている。

すなわちポリゴンミラー１２が回転し、ビームＢ０が反射面１６にかかると反射したビームＢ２がＳＯＳセンサ４１に入射してＳＯＳを検知し、続いて感光体ドラム４０にビームＢ２が入射して画像を形成し、さらにポリゴンミラー１２が回転することでビームＢ０は透過面１８にかかり、光量制御用のビームＢ１として光量検知センサ２０に導かれる。

これにより図中に１サイクルとして示す工程中、すなわちＳＯＳの終了から画像形成、光量検知、次のＳＯＳ終了までの間に感光体ドラム４０上への画像形成、面発光レーザ１１の光量制御を連続して、かつ両者とも十分な光量で行うことができる。

これによって従来技術の問題点であった、光量検知センサ２０の感度（帯域）、感光体ドラム４０の感度（帯域）を考慮して、光源出力を割振る必要がなくなり、より正確な光量検知、光量に余裕を持った画像形成を行うことができる。

また、本実施形態においては透過面１８にビームＢ０が入射し透過ビームＢ１となる状態、つまり透過ビームＢ１が光量検知センサ２０へ入光する状態と、遮光される状態（反射面１６にビームＢ０が入射し露光ビームＢ１となる状態）とが交互に来るので、遮光された瞬間（ビームＢ０の入射が透過面１８から反射面１６に切り替わった瞬間）に光量検知センサ２０にて検出される光量はゼロになる。

図５に示すように、上記の光量変化点すなわちＢ１側の光量がゼロになるエッジを検知することでポリゴンミラー１２の１サイクルの位相（１面の回転位相角度）を検知することができる。すなわち従来、ＳＯＳセンサ４１など専用の主走査方向の書き出し基準位置検知センサを設けていた（例えば図１、図４）のに対し、光量検知センサ２０により検出した光量値の変動でＳＯＳのタイミングを検知することができ、これによってＳＯＳセンサ４１を兼用することができる。

なお、上記態様では、ポリゴンミラー１２は、反射平面と透過円筒面とを交互に配置する例を示したが、反射平面と透過平面とを交互に配置するようにしても良い。
＜全面ハーフミラー構造＞
図６には、本発明の第２実施形態に係る光走査装置が示されている。

光走査装置１９は、面発光レーザ１１（ＶＣＳＥＬ）を光源として使用し、面発光レーザ１１から射出されたビームＢ０はコリメータレンズ３０にて平行光となり、ポリゴンミラー１２に入射する点は第１実施形態と同様である。

ポリゴンミラー１２は光ビームを透過可能な物質、例えば樹脂やガラスなどの略透明な物質で構成され、外周面はハーフミラーを構成するコーティングがなされ、ハーフミラー１７が形成されている。

上記の構成により、外周面の全てを反射面とすることができる。これによりハーフミラー１７（反射面）の数を増やすことができ、ポリゴンミラー１２が１回転する間に走査できる回数が増えるので、効率のよい光走査装置とすることができる。

ハーフミラー１７により反射した反射ビーム（ビームＢ２）は図７に示す偏光原理により偏向走査される。図７には例としてポリゴンミラーの回転角±１５°に対して反射ビームの偏向角±３０°を示す。

ハーフミラー１７の表面で反射されず内部に透過した透過光（ビームＢ１）はポリゴンミラー１２内部に設けられた光量検知センサ２０に導かれ、結像レンズ２２により結像し、光量検知センサとして動作する。

しかしながらポリゴンミラー１２の回転位相により、透過光の光量や光軸が僅かながら変動することに伴い、光量検知センサの受光光量も変動する。

すなわち、図８、図９に示すようにポリゴンミラー１２を透過して光量検知センサ２０で検出される光量Ｉ０は時間と共にポリゴンミラー１２の回転に伴って透過部分の光路長や入射角度の違いにより周期的に変動する。

このためビームＢ０が入射するハーフミラー１７の面が切り替わるごとに周期的な変動を起こすＩ０から、面発光レーザ１１の光量を正しく測定・制御するにはこれらの変動による誤差の影響を排除する必要がある。

上記の変動による誤差の影響を受けないためには、光量Ｉ０の変動を１サイクル単位で平均化することにより誤差をキャンセルすることができる。すなわち、ｎを正の整数とするとき、光量検知センサ２０で検知された入射光量を、ハーフミラー１７一面分を１サイクルとしてｎサイクル分で平均化した数値を検知光量とすることで１サイクル（ハーフミラー１７の１面分）間の光量値を平均化し、平均光量ＩAVとして面発光レーザ１１の光量検知・制御に用いることで誤差の影響を排除することができる。

これは起動時の初期設定にて１サイクル間の光量値を記録し、メモリなどの記憶手段に記憶させて補正データとして用いてもよく、あるいはより簡易に製造時の変動データをＲＯＭなどの記憶手段に記憶させる、またはテーブルとして記憶させておき稼働時に使用するなどの方法でもよい。すなわち図８に示すように、光量検知タイミングＴ１が１サイクルの中でどのタイミングに相当するかを考慮して、その位相ごとにタイミングＴ１にて測定された光量Ｉ１を補正することで正確な光量補正が可能となる。
＜その他＞
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、光偏光器はポリゴンミラー１２からなっているが、ポリゴンミラー１２のかわりにガルバノミラーやレゾナントスキャナであってもよく、或いはその他の形態の光偏光器であってもよい。

また、画像記録は感光体ドラム上に形成される静電潜像に限らず、光ビームを用いて形成する画像記録であれば他の種々の画像形成装置全般に対して本発明を利用することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る光走査装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光走査装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光走査装置を示す図である。 本発明に係る露光と測光のビーム強度とタイミングを示す図である。 本発明に係る露光と測光のビーム強度とタイミングを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光走査装置を示す図である。 本発明に係るミラー回転角とビーム偏向角の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る検出光量の変動を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る露光と測光のビーム強度とタイミングを示す図である。 従来の光走査装置を示す図である。

符号の説明

１０ 光走査装置
１１ 面発光レーザ１１
１２ ポリゴンミラー
１３ ポリゴンミラー
１４ 中空分
１６ 反射面
１７ ハーフミラー
１８ 透過面
２０ 光量検知センサ
４０ 感光体ドラム
４１ ＳＯＳセンサ

Claims (11)

1. 光ビームが入射する外周面の少なくとも一部が所定の透過率で内部に光を透過する光偏向器と、
   前記透過した光の光量を検知する光量検知手段と、を備えたことを特徴とする光走査装置。
2. 面発光レーザからなる光源と、
   前記光源から射出した光ビームを平行光とする第一の光学系と、
   前記光ビームの光量を検知する光量検知手段と、
   前記光ビームを外周面の一部である反射面と透過面とでそれぞれ被走査面と前記光量検知手段とに時分割で振り分ける光偏向器と、
   前記光偏向器により偏向された光ビームを前記被走査面上に結像させる第二の結像光学系と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 前記被走査面に向かう光ビームは前記光偏向器の作動にともなって主走査方向に走査され、
   前記光量検知手段に向かう光ビームの入射位置は前記光偏向器の作動に拘わらず前記光偏光器内部の所定位置であることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記光ビームが入射する前記光偏向器の外周面は反射面である平面と、透過面で形成され、
   前記透過面を透過して内部に設けられた前記光量検知手段へ前記光ビームが入射することを特徴とする請求項１乃至３記載の光走査装置。
5. 前記光ビームが入射する前記光偏向器の外周面は反射面と光ビームが透過可能な非反射面とで構成され、
   前記光偏向器の回転軸近傍は中空であり、前記非反射面から入射した前記光ビームは前記中空部分内の所定の位置に入射することを特徴とする請求項１乃至４記載の光走査装置。
6. 前記光偏向器は前記光ビームを透過可能な材質で形成され、
   前記光ビームが入射する外周面は、前記光ビームを反射する反射面である平面と、回転軸を中心とする円柱面の一部とで形成され、
   前記円柱面は前記光ビームが透過する透過面であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光走査装置。
7. 前記光偏向器の外周は、等間隔に配置された反射面と、少なくとも一つの透過面とで形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
8. 前記光量検知手段にて前記反射面と前記透過面との境界を入射光量差として検出し、前記境界を主走査方向の画像書き出し開始点の基準信号として用いることを特徴とする、請求項５乃至請求項７の何れかに記載の光走査装置。
9. 面発光レーザからなる光源と、
   前記光源から射出した光ビームを平行光とする第一の光学系と、
   前記光ビームの光量を検知する光量検知手段と、
   外周面がハーフミラーで構成され前記光ビームを主走査方向に偏向する光偏向器と、
   前記光偏向器により偏向された光ビームを前記被走査面上に結像させる第二の結像光学系と、を備えたことを特徴とする光走査装置。
10. ｎを正の整数とするとき、前記光量検知手段で検知された入射光量を、反射面１面分を１サイクルとしてｎサイクル分で平均化した数値を検知光量とすることを特徴とする請求項９に記載の光走査装置。
11. 前記検知光量の変動パターンを記憶する記憶手段を備え、前記１サイクル中の所定の箇所にて検出された入射光量を、前記変動パターン中の前記所定の箇所に相当する変動値に基づいて補正することを特徴とする、請求項１０に記載の光走査装置。

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