JP2008040081A - 光学走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学走査装置内に組み込まれた光偏向器の動作を検出してフィードバック制御を行なうに適する光学走査装置を提供する。
【解決手段】光偏向器２０内の可動子の動作状態を検出する検出部５１，５２へレーザ光を導光する集光レンズ部３１，３２をｆθレンズ部３０の両端に一体成形して設けることにより、画像形成範囲に近い位置でこの動作状態を検出する。さらには、この検出部に２分割センサなどを用いることで左右どちらから走査されたレーザ光も通過時間にディレイを設ける必要がないため、簡易な構成で精度の高い制御が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像情報に応じて変調されたレーザ光を被走査体に走査して画像を形成するレーザビームプリンタなどの画像形成装置に適用され、揺動する可動子を用いてレーザ光を偏向する光偏向器を用いた光学走査装置に関するものである。

従来から、画像情報に応じて変調されたレーザ光を被走査体である感光体上に偏向する光偏向器として正弦振動を行なう光偏向器を使用した光学走査装置が種々と提案されている。

この正弦振動を行なう光偏向器を使用した光学走査装置は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光学走査装置に比べて、以下に示すような特徴がある。すなわち、光偏向器を大幅に小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労がなく耐久性にも優れていること、等の特徴がある。

一方、正弦振動を行なう光偏向器によって反射偏向されたレーザ光は、回転多面鏡を使用した光偏向器に比べて偏向走査の角速度が一定とならず正弦的に変化し、偏向走査の両端に向かうにつれ偏向走査の角速度は減少する。このため、被走査面上で等速走査するための結像レンズとしてａｒｃｓｉｎレンズを用いることが多い。

このａｒｃｓｉｎレンズを用いる場合、走査中心に対して走査端部の被走査面上におけるスポット径が大きくなり不均一になってしまう。このようなスポット径が不均一な光学走査装置を用いた場合には、感光体上で形成される１ドットの大きさが不均一となりハーフトーン画像の階調再現性の劣化や線幅再現性の劣化など高解像化や高画質化には大きな障害となる。

そこで、このような課題を改善する手段として例えば特許文献１や特許文献２に開示されているように、周波数の異なる２つの固有振動モードを有する２つの可動子を重ね合わせて駆動することにより、略等角速度の領域を有する光偏向器が提案されている。このような略等角速度の領域を有する光偏向器を用いることにより結像レンズとしてｆθレンズを用いて被走査面上で等速走査することが可能となり、スポット径の不均一を解消することができる。
特開２００３−２７９８７９号公報 特開２００５−２５００７８号公報

しかしながら、上記のような従来技術の場合には、下記のような問題が生じていた。

上述したように周波数の異なる２つの固有振動モードを重ね合わせて駆動する光偏向器においてはその走査角θが、次式のように表される。

θ（ｔ）＝Ａ１ｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１）＋Ａ２ｓｉｎ（ω２ｔ＋φ２）
ただし、
Ａ１、Ａ２：各々第１と第２の可動子の振幅
ω１、ω２：各々第１と第２の可動子の角周波数
φ１、φ２：各々第１と第２の可動子の位相
ｔ：時間

このため、これらのパラメータを適切に設定することにより所望の走査角が得られる。

光学走査装置にこの光偏向器を用いる場合には、レーザ光を被走査体に常に精度良く照射するために光偏向器の動作を検出してフィードバック制御する必要があるが、その検出手段については先の特許文献１及び特許文献２には詳細に記載されていない。

本発明は上記したような事情に鑑みてなされたものであり、光学走査装置内に組み込まれた光偏向器の動作を検出してフィードバック制御を行なうに適する光学走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明にあっては、
光源と、
前記光源から出射された光を略等角速度で偏向する可動子を有する光偏向器と、
前記光偏向器の可動子によって偏向された光を略等速度で被走査体上に結像するｆθレンズと、
前記光偏向器の可動子によって偏向された光を検出する検出手段と、
を有する光学走査装置において、
前記光偏向器と前記検出手段との間にあって、前記光偏向器の可動子によって偏向された略等角速度の光の一部を前記検出手段に導光する集光レンズを有し、前記集光レンズは前記ｆθレンズの長手方向両端にそれぞれ配置され、前記ｆθレンズと一体で形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光学走査装置内に組み込まれた光偏向器の動作を検出してフィードバック制御を行なうに適する光学走査装置を提供することが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。

まず、本発明に好適な光偏向器の一例を図３から図６を用いて説明する。

図３は光偏向器２０をレーザ光の反射する面側から見た構成図であって、１枚のシリコンウエハにエッチング加工で形成された振動部２１について説明するための図である。

同図において、２１１はレーザ光を反射して被走査体である感光体上に偏向する第１の可動子であって、上下を２本のねじりばね２１２，２１３によって支持されている。この第１の可動子２１１の外枠に第２の可動子２１４が形成されており、この２本のねじりばね２１２，２１３でこれらの可動子は連結している。第２の可動子２１４もまた上下を２本のねじりばね２１５，２１６によってさらに外側に配設された支持枠２１７と連結して支持されている。これらは１枚のシリコンウエハにエッチング加工で形成された後、少なくともレーザ光を反射する第１の可動子２１１はアルミ蒸着などレーザ光を反射するに好適な反射膜が成膜されている。

この２つの可動子２１１，２１４はそれぞれに異なる周波数による固有振動モードを有するものであり、例えば外側に配設された第２の可動子２１４の周波数に対して２倍の周波数で第１の可動子２１１が振動するように微調整されている。

図４はこの光偏向器２０の断面を示す図であって、先述の振動部２１を駆動する駆動部２２や振動部２１を制御する回路基板２３０等について説明するための図である。

振動部２１の裏面には永久磁石（マグネット）２２１が接着等によって取り付けられており、フレームを兼ねた透磁率の高い材質で形成されたヨーク２２２や鉄心（コア）２２３と共に磁気回路を形成している。この鉄心２２３の周囲には巻線（コイル）２２４が周回されていて、この巻線２２４に電流を与えることによってそれぞれの可動子２１１，２１４を駆動している。

なお、振動部２１と、振動部２１を制御する回路基板２３０はフレームを兼ねたヨーク２２２に接着や不図示のねじ等によって取り付けられている。

この回路基板２３０等に搭載されている制御部２３の概要について図５のブロック図を用いて説明する。

２３１と２３２はそれぞれ第１の可動子と第２の可動子の固有振動モードと同じ周波数の正弦波を発生する信号発生器である。この信号発生器は後述するように第１の可動子２１１と第２の可動子２１４の振幅や位相を演算する演算部２３０の指令によってこれらを任意に変更してそれぞれに最適な正弦波を発生する。

この２つの正弦波は加算器２３３によって足し合わされた後に増幅器２３４を経て巻線に適切な電流を印加する。こうして制御された第１の可動子２１１がレーザ光を所望の走査角で偏向しているかを検知してフィードバック制御することにより、被走査体としての感光体に精度良くレーザ光を照射することができる。

次に、この光偏向器２０の第１の可動子２１１と第２の可動子２１４の振幅や位相を演算して制御する方法について図６を用いて説明する。

先述したように周波数の異なる２つの固有振動モードを重ね合わせて駆動する光偏向器においてはその走査角θが、次式のように表される。

θ（ｔ）＝Ａ１ｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１）＋Ａ２ｓｉｎ（ω２ｔ＋φ２）
ただし、
Ａ１、Ａ２：各々第１と第２の可動子の振幅
ω１、ω２：各々第１と第２の可動子の角周波数
φ１、φ２：各々第１と第２の可動子の位相
ｔ：時間

ここで、この式の振幅Ａ１，Ａ２と位相φ１，φ２の値を適切に設定することにより、図６に示すように重ね合わされた走査角θは１周期内の特定の範囲において、
θ（ｔ）≒ｋｔ＋α （ｋ、αは定数）
と近似される走査角が得られる。そして、この範囲内では略等角速度でレーザ光を偏向することができる。

そこで、この走査角θが所望の角速度（図６においては傾きｋ）が得られるように、あらかじめ振幅Ａ１，Ａ２と位相φ１，φ２の値を設定し検出部（検出手段）の通過時間ｔ
１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の基準となる時間を制御部内に設定する。一方、光学走査装置内に配設された検出部をレーザ光が実際に通過する時間との差から制御部内で最適な正弦波を演算して駆動信号を発生することにより所望の走査角θを得ることができる。

以下、本発明に好適な実施例１について説明する。

図６からも明らかなように、光学走査装置内に配置された検出部は画像形成を行なう略等角速度の範囲若しくはその等角速度の範囲に近接した位置に配置してレーザ光の走査時間を検知することが好ましい。さらには、往復走査するレーザ光を検出することから往路と復路で時間差が発生しないことが好ましい。

このことに基づいて構成された、本発明に好適な光学走査装置について図を用いて説明する。

図１は、実施例１を示す光学走査装置の構成図である。

光源としての光源装置１０は、レーザ光を出射する半導体レーザやコリメータレンズ、レーザ光を制御する回路基板などから構成されている。そして、光源装置１０から出射したレーザ光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ１１や開口絞り１２を通過し、１３の反射ミラーによって前述の光偏向器２０に正面下方から入射される。ここで、シリンドリカルレンズ１１は、副走査方向にのみ曲率を有している。また、開口絞り１２は、光束を制限してビーム形状を整形するものである。

この光偏向器２０内に配設された略等角速度で揺動する第１の可動子２１１によってこのレーザ光Ｌ１は高速に偏向され、光学箱１４の一段高い設置面に取り付けられた結像レンズ３に入射する。

この結像レンズ３は被走査体としての感光体４０上をレーザ光Ｌ２が等速で走査するように設計されたｆθ特性を有するｆθレンズとしてのレンズ部３０を有する。このレンズ部３０によって感光体４０上に精度良くレーザ光Ｌ２を結像する。また、結像レンズ３は、前述の光偏向器２０の動作を検出する検出手段としての検出部５１，５２にもレーザ光Ｌ３を導光する集光レンズ部３１，３２を有する。結像レンズ３において、集光レンズ部３１，３２は、ｆθ特性を有するレンズ部３０の長手方向両端にそれぞれ配置され、ｆθ特性を有するレンズ部３０と光学樹脂材料によって一体で形成されている。

ここで、集光レンズ部３１，３２はｆθ特性を有するレンズ部３０と一体成形されているが、それぞれの屈折力は各レンズの役割にあわせて異ならせている。ｆθ特性を有するレンズ部３０は、被走査体である感光体４０上を走査する光の主走査方向幅を所望の長さにする必要があるので、その長さにあわせた焦点距離となる。一方で、集光レンズ部３１，３２は検出部５１，５２まで光を導ければよいので、できるだけ焦点距離を短くした方が検出部５１，５２を集光レンズ部３１，３２の近くに配置することができ、スペース効率はよくなる。よって、集光レンズ部３１，３２の屈折力は、ｆθ特性を有するレンズ部３０の屈折力に比べて大きい方が好ましい。

なお、ｆθ特性を有するレンズ部３０の長手方向は、結像レンズ３の長手方向であって、被走査体としての感光体４０の長手方向（軸方向）と平行に設けられている。

このように３つのレンズ部を並べて結像レンズ３を構成することによって、画像形成を行なう略等角速度範囲内若しくはその近傍で可動子の動作を検出することができる。これ
により、光学走査装置にとって重要な走査光の等速性に関して精度の高い制御ができるという効果を有する。

さらに本実施例の光学走査装置の特徴として、この検出部５１，５２にはレーザ光Ｌ３を受光する素子として２分割センサ５３を用いている。この２分割センサを用いた検出部は図２に示すように２つのセンサの出力が交差する位置をレーザ光Ｌ３が通過した時間ｔとして検出する。

このため、レーザ光Ｌ３が左右どちらの方向から走査した場合であっても同一のタイミングで信号を発生することができる。これにより、制御部内において検出される時間にディレイをかける必要がなくレーザ光の通過時間から、簡潔に精度よく可動子を所望も動作に制御できる効果が得られる。

図７は本発明に好適な実施例２を示す光学走査装置である。同図において先の実施例１と同様の構成部分については同一の符号で示す。

光源装置１０から出射したレーザ光Ｌ１０は光束を制限してビーム形状を整形する開口絞り１２を通過し、結像レンズ３の下を通過して反射ミラー１３に入射する。この反射ミラー１３によって反射されたレーザ光Ｌ１１はアナモフィック面などを有する入射レンズ３３を透過して、光偏向器２０に正面下方より入射する。

この光偏向器２０内に配設された略等角速度で揺動する第１の可動子２１１によってこのレーザ光Ｌ１１は高速に偏向され、光学箱１４の設置面に取り付けられた結像レンズ３の上側に入射する。

この結像レンズ３は感光体４０上をレーザ光Ｌ１２が等速で走査するように設計されたｆθ特性を有するレンズ部３０を有する。このレンズ部３０によって感光体４０上に精度よくレーザ光Ｌ１２を結像する。また、結像レンズ３は、前述の光偏向器２０の動作を検出する検出手段としての検出部７１，７２にもレーザ光Ｌ１３を導光する集光レンズ部３１，３２を有する。結像レンズ３において、集光レンズ部３１，３２は、ｆθ特性を有するレンズ部３０の長手方向両端にそれぞれ配置され、ｆθ特性を有するレンズ部３０と光学樹脂材料によって一体で形成されている。

図８はレーザ光の検出部７１（７２）の構成を示す図である。

同図において、レーザ光Ｌ１３を受光するフォトセンサ７３の前面に幅の細いスリット部材７４を配設している。このスリット幅はレーザ光の入力によってフォトセンサ７３がサチュレーション（飽和状態）しないように集光したレーザ光の径よりも小さい方が好ましい。これにより、同図に示すように尖鋭な信号を得ることができるため、レーザ光Ｌ１３がスリット中心を通過した時間を容易に取り出すことが可能であって、レーザ光が左右のどちらの方向から走査した場合であっても同一のタイミングで信号を発生することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、略等角速度で揺動する可動子を用いた光偏向器２０の制御を略等角速度範囲内若しくはその近傍でその動作状態を検出することができるので、精度の高い制御を行なうことができる。また、レーザ光が左右どちらの方向から走査した場合であっても同一のタイミングで信号を発生することができるため、簡易な制御部の構成で精度良く可動子の動作を検出できるという効果を有する。

なお、本実施形態の光偏向器２０の構成に関しては一実施例であって、略等角速度で揺動する可動子でレーザ光を偏向する光偏向器であれば同様の効果を有するものであり、結像レンズと検出部においてもこの組み合わせに特化するものではない。

実施例１を示す光学走査装置の構成図。 実施例１の検出部を説明する図。 実施例に使用した光偏向器の振動部の構成図。 実施例に使用した光偏向器の構成を示す断面図。 実施例に使用した光偏向器の制御部を示すブロック図。 実施例に使用した光偏向器の走査角が略等角速度範囲を有することを説明する図。 実施例２を示す光学走査装置の構成図。 実施例２の検出部を説明する図。

符号の説明

１０ 光源装置
２０ 光偏向器
２１１ 第１の可動子
２１４ 第２の可動子
３０ ｆθレンズ部
３１，３２ 集光レンズ部
５１，５２ 検出部

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を略等角速度で偏向する可動子を有する光偏向器と、
   前記光偏向器の可動子によって偏向された光を略等速度で被走査体上に結像するｆθレンズと、
   前記光偏向器の可動子によって偏向された光を検出する検出手段と、
   を有する光学走査装置において、
   前記光偏向器と前記検出手段との間にあって、前記光偏向器の可動子によって偏向された略等角速度の光の一部を前記検出手段に導光する集光レンズを有し、前記集光レンズは前記ｆθレンズの長手方向両端にそれぞれ配置され、前記ｆθレンズと一体で形成されていることを特徴とする光学走査装置。
2. 前記集光レンズの屈折力は前記ｆθレンズの屈折力よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光学走査装置。
3. 前記検出手段は２分割センサを有し、前記集光レンズによって導かれる光が前記２分割センサ上を通過する時に発生する２つ信号が交差する位置を光の通過時間として検出することを特徴とする請求項１記載の光学走査装置。
4. 前記検出手段はフォトセンサと前記フォトセンサの直前に配置されたスリット部材を有し、前記スリット部材のスリット幅は前記集光レンズによって導かれる光の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の光学走査装置。

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