JP2007301856A - 光学装置及びこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の光学素子に浮遊物が反発する電界を形成するバイアスを形成することで、電荷を持った浮遊物が光学素子に吸着することを防ぐ光学装置及びこれを備えた画像形成装置を提供する。
【解決手段】像を透過又は反射する光学素子３８、３９、４０を有し、光により像を投影しかつ光により被走査面に潜像を形成する光学装置Ｃにおいて、前記光学素子３８、３９、４０は少なくとも像の透過面及び反射面の表面に導電部４７を有し、この導電部４７に所定のバイアスを印加するバイアス印加手段を有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、ＬＤやＬＥＤ等の発光素子を有して、被照射面を照らす光学装置、発光素子により照らされた被照射面からの像を異なる位置に投影する光学装置、及びそれら光学装置を用いた複写機、プリンタ、スキャナ、ファクシミリ等の画像形成装置に関するものである。

ＬＤ（レーザダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）等の発光素子を有して、被照射面を照らす光学装置や、発光素子により照らされた被照射面からの像を異なる位置に投影する光学装置、及びそれら光学装置を用いた複写機、プリンタ、スキャナ、ファクシミリ等の画像形成装置において、光学素子の表面が汚れることより性能が劣化する場合、通常、汚れないもしくは汚れにくくなるようにするかもしくは汚れても性能劣化が少なくなるようにするのが通例である。それが達成できない場合は汚れを除去するか、光学素子自体を交換することになる。

光学素子面が汚れないもしくは汚れにくくする方法としては、汚れが発生するに至る経路を遮断する方法、汚れが付着しにくくなるように重力の影響を小さくするレイアウト（水平にレイアウトしない）、付着しにくいコーティング等を施す方法がある。
汚れても性能劣化を小さくする方法としては、光路において像を拡大しかつ被照射面において結像する方法、汚れ具合によって光量を上げる方法、画像処理を施す方法等があり、汚れを除去する方法は多数存在するが、性能劣化が発生しない範囲で汚れを防止すれば必要のない機能といえる。

一方、画像形成装置としては生産性及びハンドリング性に優位な電子写真が一般的に普及しているが、その画像品質向上に大きく影響するトナー粒子の微小化が進んでいる。トナー粒子はその作像機能上、所定の極性で電荷を有しているので静電吸着し易い。このため、光学素子のトナーによる汚れ対策は重要な技術の１つである。
このため、チャージワイヤの汚れ防止に有効な電源装置や静電吸着を利用して浮遊するトナーを吸着する技術により光学系の汚れを防止する技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１のトナー画像形成装置では、光学素子の周囲に浮遊して存在するトナーを、電吸着を利用して吸着する技術により光学系の汚れを防止する技術が開示されている。画像形成装置中で実際に浮遊するトナーはゆったりとした動きだけではなく、画像形成装置内で発生する気流により或る程度速度をもって移動している場合が多い。
特開平８−２４４２７７号公報

しかしながら、トナーは光学素子の周囲に存在するのではなく、光学素子に衝突して吸着するものや離脱するものであることから、一度吸着したトナーを所定の空間距離をもって静電吸着で引き離すほどの吸着力を効率良く電界で形成するための印加電圧は数ｋＶに至り、近傍へのリーク対策等も必要である。
そこで、本発明の目的は、所望の光学素子に浮遊物が反発する電界を形成するバイアスを形成することで、電荷を持った浮遊物が光学素子に吸着することを防ぐ光学装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る光学装置は、光を透過又は反射する光学素子を有し、光により像を投影しかつ光により被走査面に潜像を形成する光学装置において、前記光学素子は少なくとも光の透過面及び反射面の表面に導電部と、この導電部に所定のバイアスを印加することにより浮遊物に反発する電界を形成するバイアス印加手段と、を有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記バイアス印加手段は、前記光学素子の前記導電部に、前記トナーと同極性のバイアスを印加する手段であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記光学素子の前記導電部に極性を切り換えたバイアスを印加するバイアス印加手段を有することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか一項において、前記光学素子の前記導電部に気流を形成する気流形成手段を有することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４において、前記光学素子の前記導電部に印加するバイアスのオン／オフは、少なくとも前記導電部に形成された気流が無い状態で制御されることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか一項において、前記光学素子の前記導電部に印加するバイアスの異常検出時に、バイアス印加を停止することを使用者に表示する表示手段を備えることを特徴とする。
請求項７の発明に係る画像形成装置は、請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学装置を備えた画像形成装置であって、前記光学素子の前記導電部に印加するバイアスと、画像形成装置に装備された現像装置における現像バイアスとを共通の電源装置から供給することを特徴とする。

本発明によれば、アルミ蒸着にて構成されたミラーの鏡面であるアルミ蒸着層は導電性があるので、押さえの板ばね等で電極を形成するとともに筐体などでＧＮＤに接地されている部材との絶縁を保持することで、電源からのバイアス供給により所望のバイアスを表面に印加することができ、また、導電性がある所望の光学素子に浮遊物が反発する電界を形成するバイアスを形成することで、電荷を持った浮遊物が光学素子に吸着することを防ぐことが実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は一般的なレーザダイオードユニットの構造を切り欠いて示す概略斜視図である。このレーザダイオードユニットＡはキャップ１内の上面にガラス板２、ヒートシンク３にレーザ（ＬＤ）チップ４を配置し、キャップ１で囲まれたステム５上にＰＩＮチップ６を配置した構成となっている。
図１に示すように、ＬＤユニットＡは、クラッド層と活性層からなりクラッド層に接続された電極からの電荷によりＬＤチップからガラス板２を透過してレーザ光は出射される（これをフロントビームａと呼ぶ）。
また、この時、フロントビームａと対になるバックビームｂがＬＤユニットＡ内の図示してないフォトダイオード（以下、ＰＤ）に出射され、電極からＰＤ出力を得ることができる。これにより、ビーム光量をモニタでき、モニタ出力に応じた制御を実施することで所定の光パワーで安定した出力が可能となる。

本発明は帯電した浮遊物が光学装置の光学素子表面に付着することを防ぐための技術に関する。しかしながら、画像形成装置においては汚れの原因となる主な浮遊物がトナーであると特定されることから、画像形成装置で用いられる光学系の内、代表的な４つの光学装置について以下で構成例を述べる。
図２は画像形成装置システムを示す概略斜視図である。図３は図２の画像形成装置に搭載される光走査装置を示す概略斜視図である。図４は図２の画像形成装置に搭載される画像形成部を示す概略図である。図２の画像形成装置システムＢは画像形成装置７、これにパソコン８、及びファクシミリ９が接続されて構成されている。

図３を参照して、レーザダイオード（以下、ＬＤ）を用いた光走査装置について構成例を説明する。光走査装置ＣはＬＤユニットＡとこのＬＤユニットＡから出射されたレーザ光のビーム径を成形して被走査面に導く光学素子とＬＤ光を制御する制御部から構成されている。
図３において、光走査装置Ｃの露光部の書き込みユニットは、発光素子Ａ、光学素子であるポリゴンミラー１０、ｆθレンズ１１、折り返しミラー１２、ミラー１３、１３ａ及びシリンドリカルレンズ１４、ＬＤ発光タイミングを生成するために同期検知を行なう同期検知センサ１５、及び被走査面である感光体ドラム１６面上に複数のビームを所定の間隔で露光する走査光学系である。

図２の一般的な画像形成装置７の図４に示す画像形成部Ｄは、潜像を形成する感光体ドラム１６の周囲に、帯電・露光・現像・転写・クリーニングといったプロセスを行なう、帯電装置１７、現像装置１８、転写装置１９、クリーニング装置２０、除電装置２１を有している。
図２の画像形成装置７は、図示していないが画像を形成する転写紙を給紙するための給紙部と転写された画像を定着する定着部と定着された転写紙を排紙する排紙部を備えている。
スキャナ２１、デジタルカメラ等で読み取った画像データやパソコン（ＰＣ）８上で作成した画像データや電話回線等で受信したファクシミリ９の画像データにより画像を形成するための、画像データを入力する画像Ｉ／Ｆ部と入力した画像データを蓄積もしくは編集・画像処理を施す画像処理部を経てＬＤ制御部により潜像を形成している。複数の発光素子を有する画像形成装置としてはＬＤユニットを複数有する構成のものとＬＤアレイを用いたＬＤユニットで構成するものが存在する。

図５はＬＥＤプリンタヘッドを用いる画像形成装置を示す概略図である。図６は図５の画像形成装置に搭載される光走査装置であるＬＥＤプリンタヘッドを示す概略斜視図である。図７は図５の画像形成装置に搭載されるセルフォックレンズ例を示す概略部分斜視図である。
次にＬＥＤプリンタヘッド（以下、ＬＰＨ）を用いた光書き込み装置を搭載する画像形成装置について構成例を説明する。図５乃至図７を参照して、まず、図５の画像形成装置７は帯電装置１７、現像装置１８、転写装置１９、クリーニング装置２０、除電装置２１、現像装置１８内のトナー２２、分離装置２３、定着装置２４、及びスタッカ２５を有している。

また、画像形成装置７は、図６に示すように、集積されたＬＥＤチップを複数並べたＬＰＨ２６を備えている。このＬＰＨ２６は、基板２８の裏側のＬＥＤアレイ素子２９、等倍レンズ３０、放熱板３１、基板２８上面のドライバ素子３２及びＩ／Ｆ部３３から構成されている。
さらに、画像形成装置７は、図７に示すように構成されるセルフォックレンズアレイ２７を備えている。図５の画像形成装置７のＬＰＨは、集積されたＬＥＤチップ２９を複数並べ、セルフォックレンズ２７により結像する構成であるので、図３の光走査装置と比較すると構成が簡素であり、省スペースが容易なことから従来からファクシミリやプリンタで使用されている。

しかし、ＬＥＤ自体の光量が小さいことや集積度を上げにくいことから、近年の高密度化に対応が遅れ気味である。また、個々のＬＥＤにはバラツキがあることから光量補正が必要である。
発光方式には大きく分類するとストローブ方式とダイナミック方式がある。ストローブ方式は各ＬＥＤへの発光データを転送後、ストローブ信号により一斉にＬＥＤが点灯するものである。
データ転送速度を遅くするためとＬＥＤ点灯時の入力電流変化が大きくならないようにするために分割してストローブを実施するのが一般的である。これに対してダイナミック方式は制御回路が複雑になるが個々のＬＥＤがダイナミックに点灯するため、入力電流変化が少ないメリットがある。

図８は縮小光学系を用いた画像読み取り装置を搭載する画像形成装置を示す概略図である。次に、図８を参照して、縮小光学系を用いた画像読み取り装置についての構成例を説明する。
図８に示すように、画像形成装置７の画像読み取り部は、走査部に光源３５とこの光源からの光を収束する反射鏡とからの光をコンタクトガラス３６上の原稿３７に照射し、この原稿３７からの反射光像を折り返す第１のミラー３８とを備えている。
さらに、画像読み取り部は、この第１のミラー３８からの像を第２のミラー３９および第３のミラー４０と折り返して、レンズ４１を透過して読み取りセンサ４２に結像する構成である。

読み取りセンサ４２としては一般的にＣＣＤセンサが用いられ、モノクロで使用する１ラインセンサとカラーで使用する３ラインセンサがある。光源３５の波長を変えて複数回走査することで１ラインセンサを用いてカラー読み取りを行うことも多い。現在ではＰＣへ画像を取り込む用途が進んだためＲＧＢの情報として読み取る。光源３５としてはキセノンや蛍光灯を使用する。
３ラインセンサの場合は、画像処理部４３で、その各センサ間の距離を補正するためのメモリ（図示せず）を必要とする。また、基本とする読み取り条件（走査速度・読み取り密度）により、その条件で各センサ間の距離が所定の距離（センサ上での画素サイズの整数倍等）になるようにする。
１ラインセンサで光源３６を切り換えてカラーを実現する場合は、各センサ間の距離を補正する必要はないが、読み取り領域全域を少なくとも２つ分蓄積する画像メモリが必要である。

図８の画像形成装置では、画像処理部４３からの電気信号はプリンタ部で、光書き込み光学系４４に入り、感光体ドラム１６を露光し、感光体ドラム１６上の静電潜像を現像装置１８で現像し、転写装置１９で転写紙に転写し、画像が転写された転写紙は定着装置２４で熱定着されて機外へ排出される。

図９は画像形成装置に搭載する等倍光学系を用いた画像読み取り装置を示す概略図である。図９に示すように、画像読み取り装置は、コンタクトガラス３６上の原稿３７を照射する白色光源３５、等倍センサ４５と等倍レンズ４６から構成される。等倍レンズとしてはセルフォックレンズが一般的に使用される。
この構成の画像読み取り装置は、縮小光学系と比較して、センサの画素サイズが大きいことからＣＣＤセンサ以外にもＭＯＳセンサが一般的に使用可能である。さらに、画素サイズが大きいことからセンサの感度が高くでき、等倍レンズ４６により光路長も短いことから光源３５の光量を少なくすることが可能で、光源３５としてキセノンや蛍光灯以外にもＬＥＤや有機ＥＬなども使用される。

図１０は光学装置のミラーの１部分を示す概略斜視図である。図１１は光学装置のミラーへのバイアス負荷を示す概略回路図である。図１０及び図１１を参照して、上述した光学装置例の光学素子にバイアスを印加する方法について説明する。光学装置のミラー、例えば、図８の第１ミラー３８は、その鏡面にアルミ蒸着にて構成されたアルミ蒸着層（導電部）４７を有している。
アルミ蒸着にて構成されたミラーの鏡面であるアルミ蒸着層４７は導電性があるので、押さえの板ばね４８等で電極を形成するとともに筐体（図示せず）などでＧＮＤに接地されている部材（図示せず）との絶縁を保持することで、電源（図示せず）からのバイアス供給により所望のバイアスを表面に印加することができる。

図１１に略示するように、光学素子（第１ミラー）３８は筐体（図示せず）などでＧＮＤに接地され、バイアス源（バイアス印加手段）５１から所望のバイアスをその表面、すなわち、アルミ蒸着層４７（１０）に印加する。このバイアス回路には、後述する経時性能の劣化を通知するための表示手段４９を含んでいる。
ガラスやプラスチックで構成されたレンズについても、表面に導電性ポリマ（ポリエチレンジオキシチオフェン等）から成る膜（導電部）などをコーティングすることで同様にバイアスを表面に印加して光学素子の表面に浮遊物が反発する電界を形成することができる。
コーティング部（導電部）の厚みと材質によりその表面に形成される導電部のインピーダンスは異なるが、本発明の場合は光学素子及び構成するシステムにおける特別な理由がない限り基本的に周囲と絶縁する構成であるので、負荷インピーダンスが大きく、そのインピーダンス特性による効果の違いは考慮しなくて良いレベルである。

バイアスを供給する電源について説明する。図示はしてない一般的なトランスを用いたコンバータ電源により供給するが、負荷インピーダンスが大きいことから圧電素子を用いたコンバータ電源等も相性がよい。
印加バイアスに求められる電圧も画像形成装置により最適値が異なるものの現像部でトナーに印加される電圧と同じとするのが一般的で、その値は−６００Ｖ程度となる。

以上説明した構成により、所望の光学素子に浮遊物が反発する電界を形成するバイアスを光学素子表面に設けた導電部に印加することで、電荷を持った浮遊物が光学素子に吸着することを防ぐことが実現できる。
従って、定期的にメンテナンスを必要としていた光学装置においてメンテナンス間隔を大幅に広げるばかりでなく、メンテナンスフリーやクリーニング機構レスを実現することができる。とくに、近年、省スペース化と小型化によりメンテナンスしにくい構成やクリーニング機構を設けることができない構成においては有効な技術である。
また、通常問題のないシステムにおいて、設置環境や設置用途により汚れが問題となり、汚れ防止機能として追加する場合などにも構成が単純であることからクイックアクションが容易であり、ユーザーのダウンタイム（休止時間）を小さくできる効果もある。

ここまでの説明は主に浮遊物としてトナーを例に記載した。一般的に、トナーは電荷を持って感光体に可視像を形成するので、トナーの有している電荷も明確にすることができることから、浮遊するトナーに対する汚れ防止バイアスの設定は容易である。
しかしながら、浮遊物の電荷が特定できない場合や電荷を有していない浮遊物の場合に、汚れ防止バイアスが浮遊物を静電吸着する可能性もある。この場合に有効であるのが両極性のバイアスを切り換えながら供給する。
実際には、所定の周期で正弦波、矩形波、三角波等の電圧波形を形成して、必要に応じてＤＣ出力でオフセットを制御した形でバイアスを供給するもので、これにより光学素子への吸着力を低減する効果がある。

汚れ防止バイアスにより反発や吸着力低減により光学素子への浮遊物の吸着を防ぐことは実現できたが、光学素子近傍に浮遊物が存在しており、吸着力が無い状態でも堆積する場合に光学的に影響することがある。
この場合に、ブラシ、ブレード等で除去することも有効であるが、逆に取りこぼしにより除去時に均一していた浮遊物がスジや点となって別の影響を及ぼすこともあるため、空気により浮遊物を移動させることが効果的である。

図１２は光学素子上での空気の流れ（気流）を説明する概略図である。図１２において、光学素子（書き込みセルフォックレンズ）２７上で空気の流れがあれば、既に吸着力がない浮遊物は下流へと移動するため蓄積しにくい。また、下流の光学素子２７から離れた場所でフィルタや吸着素子により除去することで他のユニットへの影響も低減可能である。
さらに、光学素子２７上の気流の強さについては、少なくとも光学素子２７への蓄積を成長させない程度でよく、例えば、感光体１６近傍ではこの感光体１６の動作により発生する気流で十分に効果がある。

トナーに印加される電圧と同じ程度の電圧を光学素子に印加することから、現像装置１８の現像バイアス用の電源（現像ローラ１８ａに対する現像バイアス用の電源）から分岐して光学素子に供給する構成は、単独に汚れ防止用電源を設けるより低コストを実現できるだけではなく、現像バイアスの変化にも連動することにより浮遊するトナー電位と常に同電位を供給できるというメリットがある。
トナーが浮遊している期間と現像バイアスが印加されているタイミングが常に同じではない場合は、スイッチ素子を設けて切り換えることで最適化が可能である。現像バイアスをオフした状態でも汚れ防止バイアスを印加する必要がある場合は、現像バイアスへ供給するラインにスイッチ素子を設けてオフ／オンすることで実現できる。

単独に汚れ防止用電源を設けず他の電源を供給する技術として、汚れ防止バイアスより高い出力電圧を供給する場合、構成例でも説明したように汚れ防止バイアスは負荷インピーダンスが大きいので、抵抗分圧により汚れ防止バイアスを形成することができ、簡素な構成での実現が可能である。
また、汚れ防止バイアスはＤＣ電圧でなく脈流電圧やパルス電圧でも効果があることが確認されている。従って、画像形成装置に用いられている電源の共通化において選択範囲が広いというメリットもある。とくに、両極性のバイアスを印加するための電源についてはコスト的にメリットが大きい。

光学素子近傍の浮遊物の状態によっては、汚れ防止バイアスと浮遊物を移動するための気流との関係を制御する必要がある。画像形成装置の感光体周辺を例にすると、感光体上に作像するために感光体が回転駆動されると気流が発生し、停止すると気流がなくなる。
また、一般的に感光体の駆動開始後、現像バイアスが印加され、現像バイアスが停止してから感光体の駆動が停止するため、浮遊物がトナーとすると、少なくとも感光体が駆動しかつ気流が発生する期間は汚れ防止バイアスを印加することで、浮遊物がもっとも多い期間は光学素子近傍の浮遊物に対して吸着を防ぐ効果がある。
気流がない状態では新たな浮遊物が光学素子近傍に近づいてこないため、汚れ防止バイアスの印加を停止することが可能である。光学素子への影響によっては、常時汚れ防止バイアスを印加する必要がある。しかし、トナーの電荷保持期間は有限であり、現像バイアス印加停止後の感光体の駆動期間を長くすることでその影響を小さくする方法もある。

図１３は装置としての経時性能の劣化を通知するための表示手段を示す概略斜視図である。図１４は装置としての経時性能の劣化を通知するための他の表示手段を示す概略斜視図である。
上述した汚れ防止バイアスに関する技術は光学系の汚れに対する影響を小さくすることを開示した。しかしながら、汚れ防止バイアスがリーク等により印加されない場合、装置としての経時性能が劣化する可能性がある。これは緊急に装置の機能に影響しない。また、清掃作業により機能回復も見込める。
このように直ちに機能上の問題は生じないので、機能を停止するのではなく、図１３に示すランプ４９（図１１の表示手段）を点灯して、又は、図１４の表示画面にコメント５０、例えば、「光学系が汚れる可能性があります」を表示して、ユーザー、又はサービスマンに通知して修理等の適切な作業を促す。

一般的なレーザダイオードユニットの構造を切り欠いて示す概略斜視図である。 画像形成装置システムを示す概略斜視図である。 図２の画像形成装置に搭載される光走査装置を示す概略斜視図である。 図２の画像形成装置に搭載される画像形成部を示す概略図である。 ＬＥＤプリンタヘッドを用いる画像形成装置を示す概略図である。 図５の画像形成装置に搭載される光走査装置であるＬＥＤプリンタヘッドを示す概略斜視図である。 図５の画像形成装置に搭載されるセルフォックレンズ例を示す概略部分斜視図である。 縮小光学系を用いた画像読み取り装置を搭載する画像形成装置を示す概略図である。 画像形成装置に搭載する等倍光学系を用いた画像読み取り装置を示す概略図である。 光学装置のミラーの１部分を示す概略斜視図である。 光学装置のミラーへのバイアス負荷を示す概略回路図である。 光学素子上での空気の流れ（気流）を説明する概略図である。 装置としての経時性能の劣化を通知するための表示手段を示す概略斜視図である。 装置としての経時性能の劣化を通知するための他の表示手段を示す概略斜視図である。

符号の説明

７ 画像形成装置
１３ 光学素子（ミラー）
１３ａ 光学素子（ミラー）
２６ ＬＰＨ（ＬＥＤプリンタヘッド）
２７ 光学素子（セルフォックレンズ）
３８ 光学素子（第１ミラー）
３９ 光学素子（第２ミラー）
４０ 光学素子（第３ミラー）
４６ 光学素子（等倍結像素子）
４７ 導電部（透過面及び反射面上のアルミ蒸着層）
４９ 表示手段（ランプ）
５０ 表示画面のコメント
５１ バイアス源
Ａ ＬＤユニット
Ｃ 光走査装置

Claims (7)

1. 光を透過又は反射する光学素子を有し、光により像を投影しかつ光により被走査面に潜像を形成する光学装置において、前記光学素子は少なくとも光の透過面及び反射面の表面に導電部と、この導電部に所定のバイアスを印加することにより浮遊物に反発する電界を形成するバイアス印加手段と、を有することを特徴とする光学装置。
2. 前記バイアス印加手段は、前記光学素子の前記導電部に、前記トナーと同極性のバイアスを印加する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記光学素子の前記導電部に極性を切り換えたバイアスを印加するバイアス印加手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学装置。
4. 前記光学素子の前記導電部に気流を形成する気流形成手段を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学装置。
5. 前記光学素子の前記導電部に印加するバイアスのオン／オフは、少なくとも前記導電部に形成された気流が無い状態で制御されることを特徴とする請求項４記載の光学装置。
6. 前記光学素子の前記導電部に印加するバイアスの異常検出時に、バイアス印加を停止することを使用者に表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学装置を備えた画像形成装置であって、前記光学素子の前記導電部に印加するバイアスと、画像形成装置に装備された現像装置における現像バイアスとを共通の電源装置から供給することを特徴とする画像形成装置。

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