JP2008216992A - 光走査装置およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査角度による結像ずれが低減できる光走査装置を提供する。
【解決手段】複数の光源11〜14を有するアレイ状光源素子1と、結像光学素子2と、光偏向手段5を備えた光走査装置において、複数の光源11〜14が被走査面6における光束の走査方向の位置に対応して選択的に使用されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像形成装置に用いる光走査装置に係り、特に複数の光束を用いたポストオブジェクティブ型光走査装置に関するものである。

レーザプリンター等に用いられる光走査装置は、プレオブジェクティブ型が主流である。プレオブジェクティブ型光走査装置は、回転多面鏡等の光偏向手段の後段にFθレンズ等の走査レンズを配置するため、レンズの寸法が大きくなり、構成が複雑でかつ高価であるという問題点がある。

それに対してポストオブジェクティブ光走査装置は、光偏向手段の後段に走査レンズを配置しない方式であるため、前記問題点を解決するための一つの手段として期待されるものである。しかしながらポストオブジェクティブ型光走査装置は、光偏向手段による光束の偏向角度、すなわち、走査角度により光偏向手段から被走査面までの距離が異なることによる結像ずれが生じるため、これを補正する手段を講じる必要がある。

特開平５−３１３０８９号公報は、光偏向器として回転多面鏡を用い、反射面を非平面とすることにより、光束が偏向走査される方向（以下、主走査方向と称す）の像面湾曲を補正し、また、光偏向器と走査面との間に配置される補正レンズの主走査方向に垂直な方向（以下、副走査方向と称す）の屈折力を主走査方向における中心から周辺にかけて変化させることにより、副走査方向の像面湾曲を補正している。しかし、非平面の反射面は製作上の精度管理が厳しく、また補正レンズは主走査方向の寸法が大きくなるという難点がある。

特開平７−７２４０２号公報は、焦点深度が非常に深い特長であるベッセルビームを用いて、中央部から周辺部まで許容値の深度内に収めている。これはアキシコンなどのベッセルビーム発生手段を必要とするためコスト高となり、また主ビームの周囲に比較的強度の大きい副次的なビームが発生するという現象があり、この点が現像性の高い系において問題となる可能性がある。

特開平７−２４４２５１号公報は、ポリゴンミラーの反射面を平面形状に形成して、外周には反射面に密着する凹状の非球面形状透明部材を設け、像面湾曲を補正している。しかし、ポリゴンミラーの製作コストが高くなること、非球面形状透明部材の面精度管理および内部屈折率均一性の管理が難しいという問題が考えられる。

特開平８−３５９３７号公報は、レンズ群を光軸方向に移動させて、像面湾曲を補正している。しかし、レンズを走査単位に同期して移動させることは、応答速度の点で困難と考えられる。

特開昭５９−１１６７１５号公報は、複数個の光源をハーフミラーを介して光軸が一致するように設置して光束の振れ角、すなわち走査角度に応じて光源を選択している。ここでは、２を超える数の光源を用いる場合には、複数個のハーフミラーを用いるとしている。このように、複数個の独立した光源を用いる場合には、共通のレンズに対して各光源が独立に位置変動する可能性があり、これにより被走査面上の走査線の相対的な位置ずれが生じる。

また、ハーフミラーでは一方の光束は透過、他方の光束は反射させているため、ハーフミラーの面の傾きが生じた場合、透過ビームは偏角が変化しないのに対して反射ビームは面の傾きの２倍の偏角が生じ、これにより被走査面上の走査線の相対的な位置ずれが生じる。特に、光源を選択して走査線を形成しようとした場合に、光源が切り替わる箇所において走査線の不連続性として認知されるという問題がある。また、２を超える数の光源を用いる場合の手段として述べられている複数個のハーフミラーを用いる方式は、前記位置ずれを倍化させるため現実的でない。
特開平５−３１３０８９号公報 特開平７−０７２４０２号公報 特開平７−２２４２５１号公報 特開平８−０３５９３７号公報 特開昭５９−１１６７１５号公報

本発明の目的は，ポストオブジェクティブ型光走査装置において、格別新規な光学素子を用いることなく、簡便な構成で走査角度による結像ずれが低減できる光走査装置およびそれを用いた画像形成装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、複数の光源を列設したアレイ状光源素子と、
前記アレイ状光源素子から出射された光束に対し収斂作用を与える結像光学素子と、
前記結像光学素子を通過した光束を偏向して被走査面上を走査する光偏向手段を備えた光走査装置において、
前記複数の光源は前記光束が偏向走査される平面内に配置されており、前記複数の光源が、前記被走査面における光束の走査方向の位置に対応して選択的に使用されることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記結像光学素子の光軸に対して垂直でかつ前記複数の光源の配置されている面は、前記結像光学素子における前記被走査面に対する前側共役面とは異なることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記前側共役面は湾曲していることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段において、前記被走査面上の走査位置ｈ_０を与える走査角度θ_０であるとき前記光源と前記前側共役面の距離をδ_０、走査位置ｈを与える走査角度θであるとき前記光源と前記前側共役面の距離をδ、結像光学素子の光軸上共役倍率をM、前記結像光学素子の光軸に垂直でかつ前記複数の光源の配置されている面から結像光学素子までの距離をａ、結像光学素子から光偏向手段までの距離をｄとすると、（１）式の関係が成り立つことを特徴とするものである。

M²（δ−δ_０）=(Ma-d)( cosθ-cosθ_０) ・・・（1）
本発明の第５の手段は、前記第１ないし第４の手段において、前記アレイ状光源素子の光源数は３以上であることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は、感光体と、その感光体の表面を帯電する帯電装置と、帯電した感光体上に光束を照射して静電潜像を形成する光走査装置と、その静電潜像をトナーによって顕像化する現像装置と、形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置とを備えた画像形成装置において、前記第１ないし第５の手段の光走査装置を用いたことを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第６の手段において、前記感光体と帯電装置と光走査装置と現像装置を有する印刷ユニットが複数個設けられて、前記各印刷ユニットによって形成された複数色のトナー像が前記記録媒体上に重ねて転写されることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、格別新規な光学素子を用いることなく、簡便な構成で走査角度による円弧状に結像面が湾曲することに伴う結像ずれを有効に抑制することができる。

特にアレイ状光源素子を用いることにより、複数の光束が共通のレンズ、ミラー等の光学素子を通るため、複数の光束による被走査面上の走査の位置ずれを小さく抑えることができ、光源を選択して走査線を形成しようとした場合においても連続性の高い走査線を得ることができる。特に、アレイ状光源素子の光源数が３以上の場合、従来のものは光源数の増加に伴い前述の位置ずれ、連続性の低下が顕著であったが、本発明は光源数が増えても前述の位置ずれや連続性の低下がなく、光源数を増やした効果がそのまま発揮できる。

次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光走査装置の概略構成図である。図において１はアレイ状光源素子、２は結像光学素子、２１は結像光学素子の光軸、４は開口部材である。結像光学素子２は正のパワーを有する回転対称な非球面単レンズ、３は走査角度θの基準線である。１１ないし１４は前記アレイ状光源素子１上に列設された光源（光源）であり、結像光学素子２の光軸２１に垂直な平面内でありかつ走査平面内に配置されている。５は回転多面鏡で構成された光偏向手段、６は感光ドラムの周面などの被走査面、７は被走査面６の付近に設置した光学センサーである。

図２は、この光走査装置の光源と結像光学素子による有限共役系の配置を示した図である。この図において、１はアレイ状光源素子、２は結像光学素子、２１は結像光学素子の光軸、４は開口部材である。１１ないし１４はアレイ状光源素子１を構成する光源であり、結像光学素子２の光軸２１に垂直な平面内かつ走査平面内である面３３に配置されている。図面上では複数の光源として４個の例を示しているが、更に１０〜２０個程度の光源を配置することによって、より像面のずれの小さい系の構築が可能である。

３１および３２は結像光学素子２において前側共役面および後側共役面であり、後側共役面３２は光軸２１に垂直な平面、前側共役面３１は結像光学素子２が有する像面湾曲により湾曲した面となっている。夫々の結像光学素子２からの光軸上距離はaおよびｂであり、光軸上共役倍率をMとする。結像光学素子２は薄肉レンズとして主点間隔は無視する。

光源１１は前側共役面３１上に位置し、光源１２ないし１４は前側共役面３１より結像光学素子２から遠い側に位置している。光束７１ないし７４は夫々光源１１ないし１４から出射された光束である。前側共役面３１から出射した光束７１は結像光学素子２により後側共役面３２上に収束するが、光束７２ないし７４は何れも後側共役面３２より結像光学素子２に近い側に収束し、それら収束点を結べば結像光学素子２側に湾曲した面３４が形成される。この面３４は、すなわち面３３との共役面である。

図３は、ポストオブジェクティブ型光走査装置の基本構成を示す概略構成図である。同図において５は回転多面鏡で構成された光偏向手段、６は被走査面、３は走査角度θの基準線すなわち走査角度θ＝０のときの光束の進行方向を示す線である。また、８１ないし８４は図２で説明した光束７１ないし７４の結像位置の走査角度の変化に伴う軌跡（結像位置）を示す。

図２で説明したように、光束７１ないし７４は結像光学素子２透過後の収束の程度が夫々異なるため、前記結像位置８１ないし８４は光偏向手段５の反射面を中心とした互いに半径の異なる円弧となる。実際には、光偏向手段５の回転に伴う反射点の移動により、各光束は走査平面内における平行移動が生じるが、図３による説明でその概念は省略している。

光偏向手段５から被走査面６までの距離、すなわちポストオブジェクティブ型走査光学系における軸上走査係数をK、光偏向手段５による光束の走査角度をθ、被走査面６上の走査位置をｈとすると、（２）式の関係となる。

ｈ=Kｔａｎθ ・・・（２）
前記被走査面上の走査位置ｈ_０を与える走査角度がθ_０であるとき、前記光源と前記前側共役面の距離をδ_０、走査位置ｈを与える走査角度θであるとき前記光源と前記前側共役面の距離をδ、結像光学素子の光軸上共役倍率をM、前記結像光学素子の光軸に垂直でかつ前記複数の光源の配置されている面から結像光学素子までの距離をａ、結像光学素子から光偏向手段までの距離をｄとすると、結像の条件として（１）式が与えられる。

M²（δ−δ_０）=(Ma-d)( cosθ-cosθ_０) ・・・（1）
従って、前記（２）式において適当なｈを与えるθに対して、前記（１）式から求められるδを満たす条件において、光源と被走査面は共役な関係となる。この条件において、結像ずれの生じないポストオブジェクティブ型光走査装置を実現できる。

実際には、連続的に変化するｈおよびθに対して、離散的に配列されている光源を選択的に使用して連続的なδを得る事はできない。しかしながら、ある焦点深度の範囲内で許容される結像ずれとしての（１）式からの離反は許容されるものである。また、この光源の選択を如何に行うのが適当であるかは（１）式に示す定数Ｍ、ａ、ｂおよびアレイ状光源素子の光源の配列、結像光学素子の像面湾曲によって決定されるものである。このことは、すなわち光走査装置の仕様、構成が決定された段階で光源の選択も決定可能な段階であることを意味する。

諸元を表1および表２に示す。表中の面符号ａは光源面、面符号ｂおよび面符号ｃは結合光学素子２の屈折面、面符号ｄは開口，面符号ｅは回転多面鏡の反射面、面符号ｆは感光ドラムの被走査面である。（２）式に示した走査係数Kで規格化している。光束入射角度とは、結像光学素子２の光軸２１と走査角度θの基準線３のなす角度である。

図４に走査位置hと結像位置ずれ、すなわち像面湾曲の関係を示す。（２）式に示した軸上走査係数Ｋで規格化している。４２が単一の光源を全走査角度で使用した場合、４１が主走査方向の位置hにより光源１１ないし１４の４個の光源を順次切り換えて選択的に使用した場合である。像面湾曲の抑制効果が確認できる。この選択的な使用は、図３に示すように被走査面６上において、光源１１→光源１２→光源１３→光源１４→光源１３→光源１２→光源１１の順で選択使用される。

図５に光源１１乃至１４のｏｎ−ｏｆｆのタイムチャートを示す。図中の横軸は時刻tに走査角度θの角速度Δθ／Δt（ｒａｄ／単位時間）を乗じた値である。図中１０１ないし１０４はタイミング検出用の信号であり、信号１０１を時刻t＝０として表示している。前記タイミング検出用の信号１０１ないし１０４は、図１に示す被走査面６の付近に設置した光学センサー７からの出力信号である。

この図に示すように、タイミング検出用の信号１０１ないし１０４に基づいて各光源１１ないし１４のｏｎ−ｏｆｆ制御、すなわちタイミング検出用の信号を用いて複数ビームの書き出し位置を合わせている。

このようにして複数ビームの書き出し位置を合わせる技術の詳細は、例えば特開平８−１６４６３２号公報、特開２０００−３５２６７７号公報、特開２００２−４８９８８号公報などに記載されており、その技術を適用することができる。

また、先に述べた回転多面鏡の回転に伴う反射点の移動による各光束の走査平面内における平行移動についても、前記公知技術を適用して補正することができる。

図６は、前記ポストオブジェクティブ型光走査装置を複数個用いた複数色画像形成装置の概略構成図である。図において４１ないし４４はポストオブジェクティブ型光走査装置、４５ないし４８は感光体ドラム、４９ないし５２は現像装置、５３ないし５６はこれらから構成された印刷ユニットであり、図に示すように垂直（上下）方向に配置されている。この印刷ユニット５３ないし５６は複数の色、例えばシアン、マゼンタ、イエロ、ブラックに対応している。

各印刷ユニット５３ないし５６の感光体ドラム４５ないし４８上に形成されたトナー像はベルト状の中間転写体５７へ転写されて重ね合わせられることにより複数色のトナー像となり、さらに転写装置５８により記録用紙５９へ転写されて複数色画像（カラー画像）が形成される。

この例では光走査装置を複数個用いた複数色画像形成装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、光走査装置を１個用いた画像形成装置にも適用可能である。

本発明の実施形態に係る光走査装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の光源と結像光学素子による有限共役系の配置を示した図である。 ポストオブジェクティブ型光走査装置の基本構成を示した概略構成図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の走査位置と像面湾曲の関係を示した図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置における各光源のｏｎ−ｏｆｆ制御を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態に係る複数色画像形成装置の概略構成図である。

符号の説明

１：アレイ状光学素子、２：結像光学素子、３：走査角度θの基準線、４：開口部材、５：光偏向手段、７：光学センサー、１１〜１４：光源、２１：光軸、３１：前側共役面、３２：後側共役面、３３：結像光学素子が配置されている面、３４：光束が収束する面、４１〜４４：光走査装置、４５〜４８：感光体ドラム、４９〜５２：現像装置、５３〜５６：印刷ユニット、５７：中間転写体、５８：転写装置、５９：記録用紙、７１〜７４：光束、８１〜８４：結像位置の走査角度の変化に伴う軌跡（結像位置）、１０１〜１０４：タイミング検出用の信号、h：被走査面上の走査位置、θ：走査角度。

Claims (7)

1. 複数の光源を列設したアレイ状光源素子と、
   前記アレイ状光源素子から出射された光束に対し収斂作用を与える結像光学素子と、
   前記結像光学素子を通過した光束を偏向して被走査面上を走査する光偏向手段を備えた光走査装置において、
   前記複数の光源は前記光束が偏向走査される平面内に配置されており、前記複数の光源が、前記被走査面における光束の走査方向の位置に対応して選択的に使用されることを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１記載の光走査装置において、前記結像光学素子の光軸に対して垂直でかつ前記複数の光源の配置されている面は、前記結像光学素子における前記被走査面に対する前側共役面とは異なることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項２記載の光走査装置において、前記前側共役面は湾曲していることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の光走査装置において、前記被走査面上の走査位置ｈ_０を与える走査角度θ_０であるとき前記光源と前記前側共役面の距離をδ_０、走査位置ｈを与える走査角度θであるとき前記光源と前記前側共役面の距離をδ、結像光学素子の光軸上共役倍率をM、前記結像光学素子の光軸に垂直でかつ前記複数の光源の配置されている面から結像光学素子までの距離をａ、結像光学素子から光偏向手段までの距離をｄとすると、（１）式の関係が成り立つことを特徴とする光走査装置。
   M²（δ−δ_０）=(Ma-d)( cosθ-cosθ_０) ・・・（1）
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の光走査装置において、前記アレイ状光源素子の光源数が３以上であることを特徴とする光走査装置。
6. 感光体と、その感光体の表面を帯電する帯電装置と、帯電した感光体上に光束を照射して静電潜像を形成する光走査装置と、その静電潜像をトナーによって顕像化する現像装置と、形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置とを備えた画像形成装置において、前記光走査装置が請求項１ないし５のいずれか１項記載の光走査装置であることを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項６記載の画像形成装置において、前記感光体と帯電装置と光走査装置と現像装置を有する印刷ユニットが複数個設けられて、前記各印刷ユニットによって形成された複数色のトナー像が前記記録媒体上に重ねて転写されることを特徴とする画像形成装置。

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