JP2008257194A - 光走査装置およびこの光走査装置を備える画像形成装置 - Google Patents

光走査装置およびこの光走査装置を備える画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】結像レンズまたは結像ミラーを用いる走査光学系において、環境変動や経時変化に伴う光学特性への影響を低減することができるようにする。
【解決手段】本発明に係る光走査装置を備える画像形成装置においては、半導体レーザ素子と、偏向前光学系と、ポリゴンミラーと、偏向後光学系とを備え、偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、ポリゴンミラーにより走査された光束を感光体ドラムに結像させるための結像レンズ61が設けられ、結像レンズ61のうち、レーザビームLが通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部72が設けられるとともに、光走査装置のハウジングユニットには、突起部72に対向しつつ、突起部72が嵌入され、ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材73が設けられることを特徴とする。
【選択図】 図15

Description

本発明は光走査装置およびこの光走査装置を備える画像形成装置に係り、特に、走査光学系に用いられる結像レンズや結像ミラーをハウジングユニットに位置決めすることができるようにした光走査装置およびこの光走査装置を備える画像形成装置に関する。
近年、例えばレーザプリンタ、ディジタル複写機、レーザファックスなどの電子写真方式の画像形成装置においては、レーザ光(光ビーム)を感光体ドラムの表面に照射してそのレーザ光を走査することにより感光体ドラム上に静電潜像を形成する光走査装置が備えられている。
最近では、感光体ドラムの表面での走査の高速化を図るため、例えば1つのレーザユニットに複数の光源(レーザダイオード)を設けて、1回に走査するレーザ光の本数を増やす方法(マルチビーム方法)が提案されている。このマルチビーム方法においては、各光源から出射された色成分(例えば、イエロー、マゼンダ、シアン、およびブラック)ごとの複数のビームは、偏向前光学系での処理が施されるとともに、1ビーム化されてポリゴンミラーに入射する。ポリゴンミラーで偏向されたビームは、偏向後光学系を構成するfθレンズを介した後、色成分ごとのビームに分離されて色成分ごとの感光体ドラムに照射される。
ここで、偏向器であるポリゴンミラーの回転軸方向を「副走査方向」と定義し、光学系の光軸方向および偏向器(ポリゴンミラー)の回転軸方向のそれぞれに対して垂直な方向を「主走査方向」と定義する。なお、光学系での副走査方向は、画像形成装置における転写材の搬送方向に対応しており、光学系での主走査方向は、画像形成装置における転写材面内での搬送方向に垂直な方向に対応している。また、像面は感光体ドラムの面を示しており、結像面は実際に光束(レーザ光)が結像する面を示している。
一般に、画像プロセス速度(紙搬送速度)、画像解像度、モータ回転速度、およびポリゴンミラー面数には[数1]に示される関係が存在する。
Figure 2008257194
ここで、上記の式においては、P(mm/s)はプロセス速度(紙搬送速度)を示しており、R(dpi)は画像解像度(1インチ当たりのドット数)を示している。また、Vr(rpm)はポリゴンモータ回転数を示しており、Nはポリゴンミラー面数を示している。
上記の[数1]の式に示されるように、画像形成装置における印字速度や解像度は、ポリゴンミラー回転数(Vr)とポリゴンミラー面数(N)とに比例する。従って、画像形成装置において高速化とともに高解像度化の実現を図るためには、ポリゴンミラー面数(N)を増やすか、あるいは、ポリゴンミラー回転数(Vr)を上げることが必要である。
しかし、従来の一般的なアンダーイルミネーション走査光学系においては、ポリゴンミラーに入射される光束(レーザ光)が有する主走査方向の幅を、ポリゴンミラーを形成する1つの反射面が有する主走査方向の幅(反射幅)よりも小さくするようにして、ポリゴンミラーに入射される光束(レーザ光)をすべて反射させるようにしている。
ところが、像面でのビーム径はFナンバーに比例するとともに、FナンバーFnは結像光学系の焦点距離をfとし、ポリゴンミラー面上での主走査方向のビーム径をDとするとFn=f/Dで表されることから、高画質化を図るために像面でのビーム径を小さくしようとすると、ポリゴンミラー面上の主走査方向のビーム径を大きくしなければいけない。
換言すれば、ある一定上の高画質を得るためには、ポリゴンミラー面上の主走査方向のビーム径を一定の大きさ以上にしなければならないという制約が存在する。
それにもかかわらず、高速化とともに高解像度化の実現を図るためにポリゴンミラー面数(N)を多くしようとすると、ポリゴンミラー自体を大型化しなければならず、その結果、大型化したポリゴンミラーを高速回転させようとすると、ポリゴンミラーを駆動するためのモータへの負荷が大きくなり、モータコストが上がってしまう。また、同時に、モータの騒音や振動、熱の発生が大きくなってしまい、これらへの対策が別途必要となってしまう。
そこで、アンダーイルミネーション走査光学系の代わりに、オーバーイルミネーション走査光学系を用いた画像形成装置が提案されている。オーバーイルミネーション走査光学系では、ポリゴンミラーに入射される光束が有する幅がポリゴンミラーを形成する1つの反射面が有する幅よりも広くするようにしている。
これにより、ポリゴンミラーを形成する反射面の全面(または複数の反射面)を用いて光束を反射させることができ、高速化とともに高解像度化を図るためにポリゴンミラーの反射面数(N)を増やしつつ、かつ、ポリゴンミラー面上のビーム径を確保するようにした場合であっても、ポリゴンミラー自体の径を小さくすることができる。従って、ポリゴンミラーを駆動するためのモータに対する負荷を低減することができ、モータコストを低減することが可能となる。また、ポリゴンミラー自体の径を小径にするとともに、反射面数を多くすることができるために、ポリゴンミラーの形状を円形に近づけることができ、ポリゴンミラー駆動時における空気抵抗を小さくすることができ、その結果、ポリゴンミラーを高速で回転させたとしても騒音や振動、熱の発生を低減することができる。
さらに、騒音や振動、熱の発生の低減に伴い、騒音や振動を低減するためのガラスなどの対策部品の全部または一部が不必要となり、画像形成装置を製造する際のコストを低下させることができる。また、高デューティーサイクル(Duty Cycle)が可能となる。
以上のようなオーバーイルミネーション走査光学系に関しては、例えばLaser Scanning Notebook (Leo Beiser 著 , SPIE OPTICAL ENGINEERING PRESS)(非特許文献1)に記述されている。
Laser Scanning Notebook (Leo Beiser 著 , SPIE OPTICAL ENGINEERING PRESS)
結像レンズ(例えばfθレンズなど)または結像ミラー(例えばfθミラーなど)を用いる走査光学系において、この結像レンズや結像ミラーとハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを一端において行うようにすると、ハウジングユニット内の環境変動(例えば温度変動や湿度変動など)が生じたときに、結像レンズや結像ミラーが膨張あるいは収縮することにより、位置決めを行った端の反対側の端のみにおいて結像レンズや結像ミラーの位置が大きく変動してしまい、光学特性が悪化してしまうという課題があった。
一方、この結像レンズや結像ミラーとハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを両端において行うようにすると、結像レンズや結像ミラーが1枚構成で、かつ、厚肉・偏肉のレンズまたはミラーである場合には、結像レンズや結像ミラーの中央部付近に大きな荷重がかかるために、長期間の使用によりその形状が変形してしまい、光学特性が悪化してしまうという課題があった。
そこで、例えば結像レンズにフランジを付けるようにし、このフランジを用いて結像レンズとハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを行うことも可能であるが、結像レンズにフランジを付けると、樹脂の成形時の流動性が低下してしまい、成形される結像レンズの形状誤差が大きくなってしまう。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、結像レンズまたは結像ミラーを用いる走査光学系において、環境変動や経時変化に伴う光学特性への影響を低減することができる光走査装置およびこの光走査装置を備える画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明の光走査装置は、上述した課題を解決するために、光束を出射する光源と、光源から出射された光束を形成して主走査方向と対応する方向に線像として結像させる偏向前光学系と、偏向前光学系により結像された光束を走査対象物に対して走査する走査手段と、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させる偏向後光学系とを備える光走査装置において、偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させるための光学部品が設けられ、光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部が設けられるとともに、光走査装置のハウジングユニットには、突起部に対向しつつ、突起部が嵌入され、ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材が設けられることを特徴とする。
本発明の画像形成装置は、上述した課題を解決するために、光束を出射する光源と、光源から出射された光束を形成して主走査方向と対応する方向に線像として結像させる偏向前光学系と、偏向前光学系により結像された光束を走査対象物に対して走査する走査手段と、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させる偏向後光学系とを備える光走査装置を備える画像形成装置において、偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させるための光学部品が設けられ、光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部が設けられるとともに、光走査装置のハウジングユニットには、突起部に対向しつつ、突起部が嵌入され、ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材が設けられることを特徴とする。
本発明の光走査装置においては、光束を出射する光源と、光源から出射された光束を形成して主走査方向と対応する方向に線像として結像させる偏向前光学系と、偏向前光学系により結像された光束を走査対象物に対して走査する走査手段と、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させる偏向後光学系とを備える光走査装置において、偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させるための光学部品が設けられ、光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部が設けられるとともに、光走査装置のハウジングユニットには、突起部に対向しつつ、突起部が嵌入され、ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材が設けられる。
本発明の画像形成装置においては、光束を出射する光源と、光源から出射された光束を形成して主走査方向と対応する方向に線像として結像させる偏向前光学系と、偏向前光学系により結像された光束を走査対象物に対して走査する走査手段と、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させる偏向後光学系とを備える光走査装置を備える画像形成装置において、偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、走査手段により走査された光束を走査対象物に結像させるための光学部品が設けられ、光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部が設けられるとともに、光走査装置のハウジングユニットには、突起部に対向しつつ、突起部が嵌入され、ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材が設けられることを特徴とする。
本発明によれば、結像レンズまたは結像ミラーを用いる走査光学系において、環境変動や経時変化に伴う光学特性への影響を低減することができることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係る光走査装置21を備えた画像形成装置1の構成を表している。
図1に示されるように、画像形成装置1は、例えば画像読取手段としてのスキャナ部10と、画像形成手段としてのプリンタ部20を備えている。
スキャナ部10は、矢印の方向に移動可能に形成された第1キャリッジ11、第1キャリッジ11に従って移動される第2キャリッジ12、第2キャリッジ12からの光に所定の結像特性を与える光学レンズ13、光学レンズ13により所定の結像特性が与えられた光を光電変換するとともに、光電変換後の電気信号を出力する光電変換素子14、原稿Dを保持する原稿台15、原稿台15に原稿Dを押し付けることで固定する原稿固定カバー16などを有している。
第1キャリッジ11には、原稿Dを照明する光源17、光源17が放射する光により照明されることで原稿Dから反射された反射光を、第2キャリッジ12に向けて反射するミラー18aが設けられている。
第2キャリッジ12には、第1キャリッジ11のミラー18aから案内された光を90゜折り曲げるミラー18b、ミラー18bで折り曲げられた光をさらに90゜折り曲げるミラー18cを有している。
原稿台15に載置された原稿Dは、光源17によって照明され、画像の有無に対応する光の明暗が分布する反射光を反射する。この原稿Dによる反射光は、原稿Dの画像情報として、ミラー18a,18bおよび18cを経由して光学レンズ13に入射されて案内される。
光学レンズ13に案内された原稿Dからの反射光は、光学レンズ13により、光電変換素子(例えばCCDセンサ)14の受光面に集光される。
以下、図示しない操作パネルまたは外部装置から画像形成を開始するとの指示が入力されると、図示しないキャリッジ駆動用モータの駆動により、第1キャリッジ11と第2キャリッジ12が、原稿台15に対して所定の位置関係となるように予め定められているホーム位置に一旦移動される。
その後、第1キャリッジ11と第2キャリッジ12が原稿台15に沿って所定の速度で移動されることで、原稿Dの画像情報すなわち原稿Dから反射された反射光(画像光)は、ミラー18aが延出されている方向すなわち主走査方向に沿った所定の幅で切り出されて、ミラー18bに向けて反射されるとともに、ミラー18aが延出されている方向と直交する方向すなわち副走査方向に関してミラー18aにより切り出された幅を単位として、原稿Dから反射された反射光は順次取り出される。これにより、原稿Dのすべての画像情報が光電変換素子14に案内される。なお、光電変換素子14から出力される電気信号はアナログ信号であり、図示しないA/Dコンバータによりディジタル信号に変換されて、画像信号として図示しない画像メモリに一時的に記憶される。
以上のようにして、原稿台15上に載置された原稿Dの画像は、光電変換素子14により、ミラー18aが延出されている第1の方向に沿った1ラインごとに図示しない画像処理部において画像の濃淡を示す例えば8ビットのディジタル画像信号に変換される。
プリンタ部20は、図2および図3を用いて後段に説明する露光装置としての光走査装置21および被画像形成媒体である記録用紙P上に画像形成が可能な電子写真方式の画像形成部22を有している。
画像形成部22は、図3を用いて説明するメインモータ23Aにより外周面が所定の速度で移動するように回転される。画像形成部22は、光走査装置21からレーザビーム(レーザ光)Lが照射されることで画像データすなわち原稿Dの画像に対応する静電潜像が形成されるドラム状の感光体(以下、「感光体ドラム」という)23、感光体ドラム23の表面に所定の極性の表面電位を与える帯電装置24、光走査装置によって形成された感光体ドラム23上の静電潜像に可視化材としてのトナーを選択的に供給して現像する現像装置25、現像装置25により感光体ドラム23の外周に形成されたトナー像に所定の電界を与えて記録用紙Pに転写する転写装置26、転写装置26によりトナー像が転写された記録用紙Pおよび記録用紙Pと感光体ドラム23との間のトナーを、感光体ドラム23との静電吸着から解放して感光体ドラム23から分離する分離装置27、および感光体ドラム23の外周面に残った転写残りトナーを除去し、感光体ドラム23の電位分布を帯電装置24により表面電位が供給される前の状態に戻すクリーニング装置28などを有している。
なお、帯電装置24、現像装置25、転写装置26、分離装置27およびクリーニング装置28は、感光体ドラム23が回転される矢印方向に沿って、順に配列されている。また、光走査装置21からのレーザビームLは、帯電装置24と現像装置25と間の感光体ドラム23上の所定位置Xに照射される。
スキャナ部10において原稿Dから読み取られた画像信号は、図示しない画像処理部において、例えば輪郭補正あるいは中間調表示のための階調処理などの処理により印字信号に変換されるとともに、さらに、光走査装置21の以下に説明する半導体レーザ素子(図2の半導体レーザ素子41)から放射されるレーザビームLの光強度を、帯電装置24により所定の表面電位が与えられている感光体ドラム23の外周に静電潜像を記録可能な強度と潜像を記録しない強度とのいずれかに変化させるためのレーザ変調信号に変換される。
光走査装置21に設けられる各半導本レーザ素子(図2の半導体レーザ素子41)は、上述したレーザ変調信号に基づいて強度変調され、所定の画像データに対応して感光体ドラム23の所定位置に静電潜像を記録するように発光する。この半導本レーザ素子からのレーザ光は、光走査装置21内の偏向器(図2の偏向器であるポリゴンミラー50)によりスキャナ部10の読み取りラインと同一の方向である第1の方向に偏向されて、感光体ドラム23の外周上の所定位置Xに照射される。
以下、感光体ドラム23が所定速度で矢印方向に回転されることで、スキャナ部10の第1キャリッジ11および第2キャリッジ12が原稿台15に沿って移動されると同様に、光走査装置21内の偏向器(図2の偏向器であるポリゴンミラー50)により順次偏向される半導体レーザ素子からのレーザビームが1ライン毎に、感光体ドラム23上の外周に所定間隔で露光される。
このようにして、感光体ドラム23の外周上に、画像信号に応じた静電潜像が形成される。
感光体ドラム23の外周に形成ざれた静電潜像は、現像装置25からのトナーにより現像される。トナーにより現像されたトナー像は、感光体ドラム23の回転により転写装置26と対向する位置に搬送されるとともに、給紙ローラ30および分離ローラ31により用紙カセット29から1枚取り出された後にアライニングローラ32でタイミングが整合されて供給される記録用紙P上に、転写装置26からの電界によって転写される。
トナー像が転写された記録用紙Pは、分離装置27によりトナーとともに分離され、搬送装置33により定着装置34に案内される。
定着装置34に案内された記録用紙Pは、定着装置34からの熱と圧力によりトナー(トナー像)が定着されたのち、排紙ローラ35によりトレイ36に排出される。
一方、転写装置26によってトナー像(トナー)を記録用紙Pに転写させた後の感光体ドラム23は、その後の継続的な回転によってクリーニング装置28と対向される。そして、感光体ドラム23の外周に残っている転写残りトナー(残留トナー)が、クリーニング装置28により除去される。さらに、感光体ドラム23は、帯電装置24により表面電位が供給される前の状態に初期状態に戻される。これにより、次の画像形成が可能となる。
以上のプロセスが繰り返されることで、連続した画像形成動作が可能となる。
このように、原稿台15にセットされた原稿Dは、スキャナ部10で画像情報が読み取られ、読み取られた画像情報がプリンタ部20でトナー像に変換されて記録用紙Pに出力されることで、複写される。
なお、上述した画像形成装置1は、ディジタル複写機などに適用するようにしたが、このような場合に限られず、例えば画像読取部が存在しないプリンタ装置などに適用するようにしてよい。
図2(a)および図2(b)は、図1の光走査装置21の詳細な構成を表している。なお、図2(a)は、光走査装置21に含まれる光源(半導体レーザ素子41)と感光体ドラム23(「走査対象物」と定義慰する)との間に配列される複数の光学要素を、偏向器であるポリゴンミラー50から感光体ドラム23に向かうレーザ光がポリゴンミラー50によって走査される方向と平行な方向である主走査方向と直交する方向(副走査方向)から見た場合における概略的な平面図である。図2(b)は、図2(a)のX―X´線上における光走査装置21の概略的な断面図である。
図2(a)および図2(b)に示されるように、光走査装置21は、例えば658nmのレーザビーム(レーザ光)Lを出射する半導体レーザ素子41、半導体レーザ素子41から出射されたレーザビームLの断面ビーム形状を集束光又は平行光又は発散光に変換するコリメートレンズ42、コリメートレンズ42を通過されたレーザビームLの光量(光束幅)を所定の大きさに制限するアパーチャ43、アパーチャ43により光量が制限されたレーザビームLの断面形状を所定の断面ビーム形状に整えるために副走査方向のみに正のパワーが与えられたシリンドリカルレンズ44、および有限焦点レンズもしくはコリメートレンズ42、アパーチャ43、およびシリンドリカルレンズ44により所定の断面ビーム形状に整えられた半導体レーザ素子41からのレーザビームLを、所定の方向に折り曲げるミラー45などを有する偏向前光学系40を有している。
偏向前光学系40により所定の断面ビーム形状が与えられたレーザビームLが進行する方向には、所定の速度で回転するポリゴンミラーモータ50Aと一体に形成されるポリゴンミラー50が設けられている。ポリゴンミラー50は、シリンドリカルレンズ44によって断面ビーム形状が所定の形状に整えられたレーザビームLを、後段に位置する感光体ドラム23に向けて走査する。
ポリゴンミラー50と感光体ドラム23との間には、ポリゴンミラー50の各反射面で連続して反射されたレーザビームLを、感光体ドラム23の軸線方向に沿って、概ね直線状に結像する偏向後光学系60が設けられている。なお、本発明の実施形態における「偏向後光学系」は、ポリゴンミラー50と感光体ドラム23との間のすべての光学系を意味しており、ポリゴンミラー50と結像レンズ61との間の光学系や、結像レンズ61と感光体ドラム23との間の光学系などが含まれる。
偏向後光学系60は、結像レンズ(一般的にfθレンズと呼ばれる)61と、画像形成部22内を浮遊するトナー、塵あるいは紙粉等が光走査装置21の図示しないハウジング内に回り込むことを防止する防塵ガラス62などからなる。結像レンズ61は、ポリゴンミラー50の個々の反射面で連続して反射されるレーザビームLを、感光体ドラム23に照射される際の感光体ドラム23上での位置とポリゴンミラー50の各反射面の回転角とを比例させながら、図1に示される露光位置Xで感光体ドラム23の長手(軸線)方向の一端から他端に照射するとともに、感光体ドラム23上の長手方向のどの位置においても所定の断面ビーム径となるように、ポリゴンミラー50が回転される角度に基づいて所定の関係が与えられた集束性を提供することが可能である。
なお、光走査装置21内の半導体レーザ素子41から感光体ドラム23までのレーザビームLの光路では、図示しない複数のミラーなどにより、光走査装置21の図示しないハウジング内で折り曲げられている。また、結像レンズ61の主走査方向および副走査方向の曲率とポリゴンミラー50および感光体ドラム23との間の光路とが最適化されることにより、結像レンズ61と図示しないミラーの少なくとも1つが予め一体に形成されるようにしてもよい。
また、図2(a)および図2(b)に示される光走査装置21においては、ポリゴンミラー50の各反射面に入射されるレーザビームLの主光線が沿う軸Oと偏向後光学系60の光軸Oをそれぞれ感光体ドラム23上の主走査平面に投影したときに両者が成す角度αが5°であり、一方、半画像領域の走査角度βは26°である。また、図2(a)および図2(b)に示される光走査装置21においては、入射されるレーザビームLと偏向後光学系60の光軸Oとがなす角度は2°である。
次に、図3は、図2(a)および図2(b)に示される光走査装置21を含む画像形成装置1の制御系の概略的な内部の構成を表している。
主制御装置としてのCPU(Central Processing Unit)101には、所定の動作規則やイニシャルデータが記憶されているROM(Read Only Memory:読み出し専用メモリ)102、入力された制御データやCPU101による演算処理の結果などを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)103、光電変換素子14からの画像データまたは外部装置から供給される画像データを保持するとともに、画像処理回路106に対して画像データを出力する画像RAM104、バッテリバックアップにより画像形成装置1への通電が遮断された場合であってもそれまでに記憶されたデータを保持するNVM(不揮発性メモリ)105、および画像RAM104に記憶されている画像データに所定の画像処理を行ってレーザドライバ121に出力する画像処理回路106などが接続されている。
CPU101にはまた、光走査装置21の半導体レーザ素子41を発光させるためのレーザドライバ121、ポリゴンミラー50を回転させるポリゴンミラーモータ50Aを駆動するためのポリゴンモータドライバ122、および感光体ドラム23や記録用紙Pの搬送機構などを駆動するメインモータ23Aを駆動するためのメインモータドライバ123などが接続されている。
光走査装置21では、半導体レーザ素子41から出射された発散性のレーザビームLは、コリメートレンズ42により断面ビーム形状が集束光、平行光、または発散光に変換される。
断面ビーム形状が所定形状に変換されたレーザビームLは、アパーチャ43により通過されて光束幅および光量が最適に設定されるとともに、シリンドリカルレンズ44によって副走査方向にのみ所定の収束性が与えられる。これにより、レーザビームLは、ポリゴンミラー50の各反射面上で主走査方向に延びた線状(線像)となる。
ポリゴンミラー50は例えば正12面体などであり、その内接円直径Dpは約25mmに形成されている。ポリゴンミラー50の各反射面(12面)の主走査方向の幅Wpは、ポリゴンミラー50の反射面の数をNとすると、[数2]に示されるように求めることができる。
[数2]
Wp=tan(π/N)×Dp
本発明の実施形態の場合、ポリゴンミラー50の各反射面(12面)の主走査方向の幅Wpは、Wp=tan(π/12)×25=6.70mmとなる。
これに対して、ポリゴンミラー50の各反射面に照射されるレーザビームLの主走査方向のビーム幅Dは、概ね32mmであり、ポリゴンミラー50の個々の反射面の主走査方向の幅Wp=6.70mmに比較して広く設定されている。レーザビームLの主走査方向のビーム幅Dを主走査方向に広くすることにより、像面(感光体ドラム23)での走査端と走査中心との光量ばらつきを低減することができる。
ポリゴンミラー50の各反射面に案内された後、ポリゴンミラー50の回転によって連続して反射されることで直線状に走査(偏向)されたレーザビームLは、偏向後光学系60の結像レンズ61によって、感光体ドラム23(像面)上で、断面ビーム径が少なくとも主走査方向で概ね均一になるように所定の結像特性が与えられ、感光体ドラム23の表面に概ね直線状に結像される。
また、ポリゴンミラー50の個々の反射面の回転角度と感光体ドラム23上に結像された光ビームの走査位置(結像位置)が、結像レンズ61により比例関係を持つように補正される。従って、感光体ドラム23上に直線状に走査される光ビームの速度は、結像レンズ61によって全走査域で一定となる。なお、結像レンズ61は、ポリゴンミラー50の各反射面が副走査方向に対して個々に非平行であり、すなわち、各反射面に倒れが生じている影響による副走査方向の走査位置のずれも補正できる曲率(副走査方向曲率)が与えられている。さらに、副走査方向の像面湾曲も補正している。これら光学特性を補正するために、副走査方向の曲率は走査位置により変化させている。
結像レンズ61のレンズ面の形状は、例えば図4に示されるような数値とともに、[数3]により定義される。
Figure 2008257194
このような結像レンズ61を用いることで、ポリゴンミラー50の個々の反射面の回転角θと感光体ドラム23上に結像されるレーザビームLの位置とが概ね比例されるため、レーザビームLが感光体ドラム23上に結像される際の位置を補正することが可能となる。
結像レンズ61は、また、ポリゴンミラー50の各反射面相互の副走査方向の傾きの偏差、すなわち面倒れ量のばらつきによって生じる副走査方向の位置ずれを補正することが可能である。
具体的には、結像レンズ61のレーザビーム入射面(ポリゴンミラー50側)と出射面(感光体ドラム23側)とにおいて、概ね光学的に共役の関係とすることで、ポリゴンミラー50の任意の反射面とポリゴンミラー50の回転軸との間に定義される傾きが個々の反射面ごとに異なる場合であっても、感光体ドラム23上に案内されるレーザビームLの副走査方向の走査位置のずれを補正することができる。
なお、レーザビームLの断面ビーム径は、半導体レーザ素子41から出射される光ビームLの波長に依存することから、レーザビームLの波長を785nmとしてレーザビームLの断面ビーム径を大きくすることは可能であり、または630nmもしくはより短い波長とすることにより、レーザビームLの断面ビーム径を一層小径化することも可能である。偏向後の折り返しミラーは平面で構成されており、面倒れ補正は結像レンズ61のみで行っている。
勿論、結像レンズ61の面形状は、主走査軸に対して回転対称軸をもち走査位置により副走査方向の曲率が異なる例えばトーリックレンズであってもよい。これにより、副走査方向の屈折力が走査位置により異なり、走査線曲がりを補正することが可能となる。さらに、副走査方向の曲面が回転対称軸をもつ場合に、副走査方向の曲率の自由度が広がりより精度よく補正することが可能となる。
また、結像レンズ61の代わりに、例えば図5(a)および(b)に示されるように、パワーをもつ結像ミラー65−1および65−2を用いるようにしてもよい。
ここで、偏向後光学系60に含まれる結像レンズ61は、例えば図6(a)および(b)に示される結像レンズ66のように、回折面(回折光学素子)をもつ面を含むようにしてもよい。これにより、環境変動の影響を低減することができる。なお、図6(a)および(b)に示される結像レンズ66の場合、出射面側のみに回折面をもつようにしているが、入射面側または両面に回折面をもつようにしてもよい。勿論、結像レンズの枚数が複数の場合も同様である。また、結像レンズのみでなく他の光学素子でもよい。
また、一般に、回折面は例えば図7(a)および(b)に示される結像レンズ67のように平面に付けるようにするが、例えば図6(a)および(b)に示される結像レンズ66のようにパワーを持つ面に付与することで、レンズ枚数を減らすことが可能になる。さらに、回折光学素子によりパワーを持たせることで肉厚変動の低減化や薄肉化が可能となり、製造性の向上とともに精度の向上、そして成形時間の短縮によるコスト低減化が可能になる。
すなわち、例えば図8に示されるように、従来の結像レンズ61のパワーをもつレンズの曲率だけを並べることで、レンズ作用を有しながら肉厚変動の低減化とともに薄肉化が可能になる。これにより、図9に示される結像レンズ68のように、レンズの肉厚変動を低減できる。また、偏向後の光学素子が複数により構成される場合には、光学素子の枚数を削減することも可能となる。
なお、ポリゴンミラー50と反対側に図示しない水平同期センサが設けられている。
ところで、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)を用いる走査光学系において、例えば図10に示されるように、結像レンズ61と画像形成装置1(光走査装置21)のハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを一端にて板バネ(図示せず)や接着などにより行うようにした場合、ハウジングユニット内の環境変動(例えば温度変動や湿度変動など)が生じたときに、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)が膨張あるいは収縮することにより、位置決めを行った端の反対側の端(図10の端X)のみにおいて結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の位置が大きく変動してしまう。
具体的には、例えば図11(a)に示されるように、結像レンズ61の一端で位置決めを行った場合、ハウジングユニット内の例えば温度上昇に伴い、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)が膨張することにより、位置決めを行った端の反対側の端(図10の端X)のみにおいて結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の位置が常温時に比較して膨張量αだけ主走査方向にずれてしまう。その結果、光学特性が悪化してしまう。
一方、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)とハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを両端において行うようにした場合、結像レンズ61が1枚構成で、かつ、厚肉・偏肉のレンズである場合には、結像レンズ61の中央部付近に大きな荷重がかかるために、長期間の使用によりその形状が変形してしまい(すなわち、結像レンズ61が撓んでしまい)、結像レンズ61が副走査方向にずれてしまい、光学特性が悪化してしまう。
図12は、図10の矢印Yの方向から結像レンズ61を見た場合における正面図である。図12に示されるように、結像レンズ61が1枚構成で、かつ、厚肉・偏肉のレンズである場合には、結像レンズ61の中央部付近に大きな荷重がかかるために、長期間の使用によりその形状が実線から点線の形状に変形してしまい、結像レンズ61が副走査方向にずれてしまい、光学特性が悪化してしまう。
これに対して、例えば図13(a)または(b)に示されるように、結像レンズ61にフランジ71を付けるようにし、フランジ71を用いて結像レンズ61とハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを行うことも可能であるが、結像レンズ61にフランジ71を付けると、樹脂の成形時の流動性が低下してしまい、成形される結像レンズ61の形状誤差が大きくなってしまう。
そこで、例えば図14に示されるように、結像レンズ61の出射面における有効領域の中央下部付近に位置決め用の突起部72に設け、設けられた突起部72を用いて結像レンズ61の中央部付近で主走査方向の位置決めを行うようにする。なお、「有効領域」とは、ポリゴンミラー50から反射された反射光としてのレーザビームLが結像レンズ61を有効に通過して感光体ドラム23に結像する領域と定義する。換言すれば、有効領域とは、結像レンズ61の出射面において両端を除いた領域を意味している。また、「結像レンズ61の出射面における有効領域の中央下部」とは、より正確には、レーザビームLが通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面を意味している。
これにより、例えば図11(b)に示されるように、たとえハウジングユニット内の環境変動(例えば温度変動や湿度変動など)が生じたとしても、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)が中央部付近を中心に左右対称に膨張あるいは収縮するために、位置決めを行った両端において結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の位置が常温時に比較して均一に膨張量βだけずれる。その結果、位置決めを行った一端のみにおいて結像レンズ61の位置が大きくずれてしまうことを防止することができ、環境変動に伴う影響を抑制しつつ、光学特性の悪化を防止することが可能となる。
また、同時に、結像レンズ61の有効領域の中央下部付近に大きな荷重がかかることで、長期間の使用によりその形状が変形してしまうことを防止することができ、その結果、変形に伴う光学特性の悪化を防止することが可能となる。
以下、この方法を用いた結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の有効領域の中央下部付近における主走査方向の位置決めについて説明する。
図15(a)乃至(d)は、結像レンズ61の有効領域の中央下部付近に位置決め用の突起部72を用いた、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の有効領域の中央下部付近における主走査方向の位置決め方法を説明する説明図である。
なお、図15(a)は、結像レンズ61の中央部付近に位置決め用の突起部72を用いて、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の有効領域の中央下部付近において主走査方向の位置決めを行う際の斜視図であり、図15(b)は、図15(a)の矢印Xの方から見た場合における正面図である。図15(c)は、図15(a)のY−Y´線上における断面図であり、図15(d)は、図15(a)のZ−Z´線上における断面図である。
例えば図15(a)乃至(d)に示されるように、結像レンズ61の有効領域の中央下部付近に位置決め用の突起部72を位置決め部材73に予め設けられた嵌合溝に嵌入させることによって、突起部72と位置決め部材73とを凹凸係合させるとともに、位置決め部材73を結像レンズ61に当接することで結像レンズ61を支持することで、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の有効領域の中央下部付近において主走査方向の位置決めを行う。
なお、このとき、結像レンズ61の両端は支持部材74上に戴置されることで両持支持されており、これにより、レーザビームLの進行方向(すなわち、光軸方向)に結像レンズ61が位置決めされる。
これにより、たとえハウジングユニット内の環境変動(例えば温度変動や湿度変動など)が生じたとしても、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)が有効領域の中央下部付近を中心に左右対称に膨張あるいは収縮するために、位置決めを行った両端において結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)の位置が常温時に比較して均一に膨張量βだけずれる。その結果、位置決めを行った一端のみにおいて結像レンズ61の位置が大きくずれてしまうことを防止することができ、環境変動に伴う影響を抑制しつつ、光学特性の悪化を防止することができる。
また、同時に、結像レンズ61の有効領域の中央下部付近に大きな荷重がかかることで、長期間の使用によりその形状が変形してしまうことを防止することができ、その結果、変形に伴う光学特性の悪化を防止することが可能となる。
従って、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)を用いる走査光学系において、環境変動や経時変化に伴う光学特性への影響を低減することができることができる。その結果、画像形成時における画質を向上させることができる。
なお、図15の例の場合、結像レンズ61の突起部72と、その突起部72を嵌入させる位置決め部材73を1対のみ設けて結像レンズ61の位置決めを行うようにしているが、このような場合に限られず、例えば図16に示されるように、複数の対(例えば2対や3対など)を設けて結像レンズ61の位置決めを行うようにしてもよい。なお、このとき、結像レンズ61にかかる荷重が不均一にならないように、位置決めする位置を所定の間隔などで設けることが好ましい。
なお、結像レンズ61の材質を樹脂とし、金型に予め設けられたサイドゲート口から樹脂を流入させた後に、樹脂を所定の形状に成形することで結像レンズ61を製造する場合、結像レンズ61の例えば有効領域の中央下部付近に突起部72を設けようとすると、例えば図17(a)および(b)に示されるように、成形時の樹脂の流れが複雑になり、突起部72を挟んでサイドゲート口と反対側の領域にひけが発生することがある。
このような場合に、例えば図15や図16に示されるように、結像レンズ61に設けられた突起部72を、画像形成装置1(光走査装置21)のハウジングユニットに固定された位置決め部材73に嵌入させることで、突起部72と位置決め部材73とを凹凸係合させると、突起部72の近傍に発生したひけによって位置決め部材73との凹凸係合が不安定となり、位置決め部材73を結像レンズ61に好適に当接することが困難となってしまう。
その結果、結像レンズ61が副走査方向に傾いてしまい、結像レンズ61の副走査方向における位置決めの精度が悪化してしまう。
そこで、例えば図18(a)乃至(d)に示されるように、結像レンズ61に設けられた突起部72を、画像形成装置1のハウジングユニットに固定された位置決め部材73に嵌入させることで、突起部72と位置決め部材73とを凹凸係合させる際に、突起部72の近傍に発生したひけの部分以外の部分で位置決め部材73を結像レンズ61に当接するようにする。
具体的には、位置決め部材73の形状(すなわち、位置決め部材73に予め設けられる嵌合溝の形状)を、突起部72と位置決め部材73とを凹凸係合させたとしても、突起部72の左右の近傍にスペースが確保されるような形状にする。
これにより、たとえ結像レンズ61の突起部72の近傍にひけが発生した場合であっても、結像レンズ61が副走査方向に傾くことを防止し、結像レンズ61の副走査方向における位置決めの精度の悪化を防止することができる。
従って、結像レンズ61(または結像ミラー65−1乃至65−2)を用いる走査光学系において、成形時に結像レンズ61に発生するひけなどによる光学特性への影響を低減するとともに、環境変動や経時変化に伴う光学特性への影響をより低減することができることができる。
その結果、画像形成時における画質を向上させることができる。
なお、本発明の実施形態においては、オーバーイルミネーション走査光学系に本発明を適用するようにしたが、勿論、アンダーイルミネーション走査光学系に本発明を適用するようにしてもよい。
さらに、光源からの光束は1つでもよいし、複数でもよい。
本発明に係る光走査装置を備えた画像形成装置の構成を示す図。 図1の光走査装置の詳細な構成を示す図。 図2の光走査装置を備えた画像形成装置の制御系の概略的な内部の構成を示す図。 結像レンズの面形状の各係数を示す図。 結像ミラーを用いた場合における光走査装置の詳細な構成を示す図。 回折面をもつ面を含む結像レンズを説明するための説明図。 回折面をもつ面を含む他の結像レンズを説明するための説明図。 レンズの曲率だけを並べた結像レンズを説明するための説明図。 回折面をもつ面を含む他の結像レンズを説明するための説明図。 結像レンズと画像形成装置のハウジングユニットとの主走査方向における位置決めを一端にて行った場合の斜視図。 環境変動に伴う結像レンズ(または結像ミラー)の位置の変動を説明するための説明図。 経時変化に伴う結像レンズのたわみを説明するための説明図。 フランジが設けられた結像レンズ(または結像ミラー)を説明するための説明図。 突起部が設けられた結像レンズ(または結像ミラー)を説明する説明図。 突起部を用いた結像レンズ(または結像ミラー)の位置決め方法を説明する説明図。 複数の対の突起部と位置決め部材を用いた結像レンズ(または結像ミラー)の位置決め方法を説明する説明図。 金型に予め設けられたサイドゲート口から樹脂を流入させた後に、樹脂を所定の形状に成形することで結像レンズを製造する場合に発生するひけを説明する説明図。 結像レンズにひけが発生した場合における、突起部を用いた結像レンズ(または結像ミラー)の位置決め方法を説明する説明図。
符号の説明
1…画像形成装置、10…スキャナ部、11…第1キャリッジ、12…第2キャリッジ、13…光学レンズ、14…光電変換素子、15…原稿台、16…原稿固定カバー、17…光源、18(18a、18b、および18c)…ミラー、20…プリンタ部、21…光走査装置、22…画像形成部、23…感光体ドラム、23A…メインモータ、24…帯電装置、25…現像装置、26…転写装置、27…分離装置、28…クリーニング装置、29…用紙カセット、30…給紙ローラ、31…分離ローラ、32…アライニングローラ、33…搬送装置、34…定着装置、35…排紙ローラ、36…トレイ、40…偏向前光学系、41…半導体レーザ素子、42…コリメートレンズ、43…アパーチャ、44…シリンドリカルレンズ、45…ミラー、50…ポリゴンミラー、50A…ポリゴンミラーモータ、60…偏向後光学系、61…結像レンズ、62…防塵ガラス、65(65−1および65−2)…結像ミラー、66…結像レンズ、67…結像レンズ、68…結像レンズ、71…フランジ、72…突起部、73…位置決め部材、74…支持部材、101…CPU、102…ROM、103…RAM、104…画像RAM、105…不揮発性メモリ、106…画像処理回路、111…基本クロック発生回路、121…レーザドライバ、122…ポリゴンモータドライバ、123…メインモータドライバ。

Claims (22)

  1. 1つまたは複数の光束を出射する光源と、
    前記光源から出射された光束を形成して主走査方向と対応する方向に線像として結像させる偏向前光学系と、
    前記偏向前光学系により結像された光束を走査対象物に対して走査する走査手段と、
    前記走査手段により走査された光束を前記走査対象物に結像させる偏向後光学系とを備える光走査装置において、
    前記偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、前記走査手段により走査された光束を前記走査対象物に結像させるための光学部品が設けられ、前記光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部が設けられるとともに、前記光走査装置のハウジングユニットには、前記突起部に対向しつつ、前記突起部が嵌入され、前記ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材が設けられることを特徴とする光走査装置。
  2. 前記突起部は、前記光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向に垂直な面のうちの中央部近傍に設けられることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  3. 前記突起部は複数設けられるとともに、前記位置決め部材は複数設けられ、前記突起部は、それぞれ、前記突起部と対となる前記位置決め部材が有する前記嵌合溝に嵌入された後に前記ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合されることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  4. 前記光学部品のうちの光束が通過する有効領域には、前記光学部品の両端が除かれることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  5. 前記光学部品は、前記突起部と前記嵌合溝とが凹凸係合される際に、前記位置決め部材により副走査方向に当接されることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  6. 前記ハウジングユニットには、前記光学部品の両端が戴置された後に光軸方向に対して支持する支持部材がさらに設けられることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  7. 前記光学部品は、レンズまたはミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  8. 前記光学部品は、1枚構成のレンズであることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  9. 前記光学部品は、前記突起部と前記嵌合溝とが凹凸係合される際に、前記突起部近傍においてはスペースを介しつつ、前記位置決め部材により副走査方向に当接されることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  10. 前記光走査装置は、前記偏向前光学系から前記走査手段に入射される光束が有する幅が前記走査手段を形成する1つの反射面が有する幅よりも広いことを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  11. 前記偏向後光学系に含まれる前記光学部品の少なくとも1面が回折光学素子により構成されることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
  12. 1つまたは複数の光束を出射する光源と、
    前記光源から出射された光束を形成して主走査方向と対応する方向に線像として結像させる偏向前光学系と、
    前記偏向前光学系により結像された光束を走査対象物に対して走査する走査手段と、
    前記走査手段により走査された光束を前記走査対象物に結像させる偏向後光学系とを備える光走査装置を備える画像形成装置において、
    前記偏向後光学系には、少なくとも1つ以上の、前記走査手段により走査された光束を前記走査対象物に結像させるための光学部品が設けられ、前記光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向軸に垂直な面に少なくとも1つ以上の突起部が設けられるとともに、前記光走査装置のハウジングユニットには、前記突起部に対向しつつ、前記突起部が嵌入され、前記ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合される嵌合溝を有する少なくとも1つ以上の位置決め部材が設けられることを特徴とする画像形成装置。
  13. 前記突起部は、前記光学部品のうち、光束が通過する有効領域により形成される副走査方向に垂直な面のうちの中央部近傍に設けられることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  14. 前記突起部は複数設けられるとともに、前記位置決め部材は複数設けられ、前記突起部は、それぞれ、前記突起部と対となる前記位置決め部材が有する前記嵌合溝に嵌入された後に前記ハウジングユニットに対して主走査方向に凹凸係合されることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  15. 前記光学部品のうちの光束が通過する有効領域には、前記光学部品の両端が除かれることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  16. 前記光学部品は、前記突起部と前記嵌合溝とが凹凸係合される際に、前記位置決め部材により副走査方向に当接されることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  17. 前記ハウジングユニットには、前記光学部品の両端が戴置された後に光軸方向に対して支持する支持部材がさらに設けられることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  18. 前記光学部品は、レンズまたはミラーであることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  19. 前記光学部品は、1枚構成のレンズであることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  20. 前記光学部品は、前記突起部と前記嵌合溝とが凹凸係合される際に、前記突起部近傍においてはスペースを介しつつ、前記位置決め部材により副走査方向に当接されることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  21. 前記光走査装置は、前記偏向前光学系から前記走査手段に入射される光束が有する幅が前記走査手段を形成する1つの反射面が有する幅よりも広いことを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
  22. 前記偏向後光学系に含まれる前記光学部品の少なくとも1面が回折光学素子により構成されることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。
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