JP2008268355A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画質を保ちつつ、走査装置と感光体との間の取り付け精度を緩和し、調整コスト等を安価にすることができなかった。
【解決手段】 入れ子型往復走査ミラーを走査手段に用いた画像形成装置であって、走査装置と感光体の間の取り付け精度を緩和しつつ、感光体上での走査線速度を略等速に保つ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画質を保ちつつ、走査装置と感光体との間の取り付け精度を緩和し、調整コスト等を安価にすることができる、画像形成装置に関するものである。

近年、電子写真技術を用いた画像形成装置の分野においては、さらなる小型化・低コスト化が要求されている。この小型化および低コスト化を実現するため、従来から用いられているポリゴンミラーの代わりに半導体製造技術で製造したガルバノミラーを用いる方法が提案されている（特許文献１を参照）。この方法では、ガルバノミラーの機械寸法によって生じる固有振動数（共振周波数）でミラーを振動させることにより、レーザ光を主走査方向にスキャンして画像を形成する。このガルバノミラーは半導体製造技術を用いることでミラーの小型化が実現でき、一度に多数のミラーを作ることができるためコストの低減が期待できる。

また、特許文献２のような入れ子型ミラーでは、利用する走査域において略等角速度で走査するよう制御できるという性質、および走査角を大きくとることができるという性質があり、補正光学系を小型で簡素な構成とすることができ、小型・低コストな画像形成装置における走査装置として好適である。

ここで、走査装置と感光体との間の取り付け機械精度に関して、従来から課題が指摘され、さまざまな取り付け精度緩和のための手法が提案されている（特許文献３、特許文献４を参照）。

特許文献３の手法では、画像クロック信号の平均周波数や左右周波数差を制御することにより、形成される画像の全体倍率や部分倍率を制御している。

特許文献４の手法では、画素生成時にわずかな遅延を挿入または削除することにより、形成される画像の部分倍率を制御している。
上記の手法はどちらも画像形成装置中のコントローラ側の機能を用いて、感光体上での線速度、特に描画時間を制御する手法であり、画像クロック信号のわずかな周波数差の制御や、画素データに対する微小遅延挿入などの高度なＬＳＩ技術が必要となる。
特開平７−１７５００５号公報 特開２００５−２０８５７８号公報 特開２０００−２５５０９８号公報 特開２０００−２３８３４２号公報

走査装置と感光体の間の取り付け精度を緩和した上で、感光体上での走査線速度を略等速に保つことを目的とする。

入れ子型の往復走査ミラーを走査装置として備えた画像形成装置であって、
感光体の取り付け角度情報や感光体上の走査線タイミング情報から算出される感光体上の走査線速度情報と、
前記走査線速度情報から算出される部分倍率ずれ補正量計算手段と、
前記往復走査ミラーを基準周波数および偶数倍周波数との合成波からなる共振振動により駆動する駆動手段と、
前記部分倍率ずれ補正量に応じた位相量を計算する位相量計算手段と
前記偶数倍周波数の位相を設定する位相設定手段と、
前記設定された位相量によって駆動手段を制御する駆動制御手段と、
を備える画像形成装置を提供する。

本発明によれば、走査装置と感光体が傾いて取り付けられている状況において、入れ子型往復走査ミラーの駆動手段における駆動位相を制御することにより、感光体上での走査線速度を略等速に保つことができる。

（実施例１）
以下、添付図面に従って本発明を適用した実施例を示す。

図１は、本発明の実施例における画像形成装置のうち走査装置１０と感光体２０との位置および主な構成を示す図である。

図１において、半導体レーザ１０１から発した光は、往復振動する入れ子型往復走査ミラー１００に反射され、ｆθレンズ１０２を通過したのち、感光体２０上に走査される。

図１において、感光体２０は、走査装置１０内部の入れ子型往復走査ミラー１００が走査角０°である際にレーザ光を反射して得られる仮想の感光体面２００に対して、半導体レーザ１０１やｆθレンズ１０２、走査装置１０、および感光体２０など、光路に関係する機構・光学部品の加工精度や取り付け精度などにより、角度αだけ傾いて取り付けられているものと仮定する。

また、走査装置１０においては、入れ子型往復走査ミラー１００の走査角のうち、略等角速度である角度３０の範囲内のみを有効走査領域として使用するものとする。

図２は、本発明の実施例における入れ子型往復走査ミラー１００の構造を示す図である。

入れ子型往復走査ミラー１００は、特許文献２で開示されているような構造であって、内部にねじりバネを２つ持ち、ねじりバネ１０００およびねじりバネ１００１はその機械寸法から固有の角振動数ω_１（共振周波数Ｆ_１、ω_１＝２πＦ_１）による振動モード（振動モード１）と角振動数ω_１の２倍の角振動数ω_２（共振周波数Ｆ_２、ω_２＝２πＦ_２）による振動モード（振動モード２）を持つよう機械寸法を設計・加工されているものとする。つまり、ω_２＝２ω_１となっている。

この入れ子型往復走査ミラー１００は、ミラー駆動装置１０３によって駆動される。

ミラー駆動装置１０３は、電流を流すコイル１０５と入れ子型往復走査ミラー１００に取り付けられた磁石１００２とからなる装置であって、電磁力によって入れ子型往復走査ミラーの駆動トルクを得る。

駆動制御装置１０４は、コイル１０５に流す電流を制御パラメータに従って制御可能なものである。

ここで、駆動制御装置１０４により、コイルに流す電流を制御することによって、入れ子型往復走査ミラー１００は共振動作を行い、次の数式１によって示される走査角の変位によって走査を行う。
θ＝θ_１ｓｉｎ（ω_１ｔ＋φ_１）＋θ_２ｓｉｎ（ω_２ｔ＋φ_２）
＝θ_１ｓｉｎ（ωｔ＋φ_１）＋θ_２ｓｉｎ（２ωｔ＋φ_２）・・・数式１
θは入れ子型往復走査ミラー１００によって走査された場合の時刻ｔにおける走査角、θ_１は振動モード１に対する振幅制御パラメータ、θ_２は振動モード２に対する振幅制御パラメータ、φ_１とφ_２は、振動モード１と振動モード２の相対位相差を示す位相制御パラメータである。

θ_１はまた、振動モード１のみで共振動作させた場合の入れ子型往復走査ミラー１００がなす最大変位角であり、θ_２は振動モード２のみで共振動作させた場合の入れ子型往復走査ミラー１００がなす最大変位角である。ωは振動モード２が振動モード１の２倍となる角振動数である。

図３は、本発明の駆動制御装置１０４の構成を示す図である。

駆動制御装置１０４はコイル１０５の電流制御用Ｈブリッジ回路１０４０と、Ｈブリッジを制御するコントローラ １０４１からなり、コントローラ１０４１は内部にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）式の電流制御回路を持ち、式１のθ_１、θ_２、φ_１、φ_２に相当する制御パラメータ１０４２，１０４３，１０４４，１０４５をそれぞれ設定し、共振動作を制御することができるものである。

図４は、感光体２０を取り付け角度αで取り付けた場合の感光体の走査面とｆθレンズ１０２を介して等速走査されるレーザ光が感光体の走査面を走査するときの入射角、および感光体の走査面上での走査位置の関係を示した図である。

ここで、ｘ軸は走査光学系の光学軸と一致させており、ｙ軸は図１の仮想の感光体面２００と一致させている。また、取り付け角度αは、ｙ軸からｘ軸の正の方向に回転する向きを正の値、ｘ軸の負の方向に回転する向きを負の値とする。

走査位置ｙは仮想の感光体面２００（ｙ軸）上の走査位置、すなわち、取り付け角度α＝０のときの理想の走査位置、β_ｙは仮想の感光体面２００上の走査位置ｙにおけるレーザ光の入射角、ｙ’は感光体２０上でのレーザ光の走査位置であり、ｆ_ｉは入れ子型往復走査ミラー１００からｆθレンズ１０２までの距離、ｆ_ｏはｆθレンズ１０２から仮想の感光体面２００までの距離である。

入射角β_ｙは、ｘ軸からｙ軸の正の方向への向きを正の値、ｙ軸の負の方向への向きを負の値とする。

図４の感光体２０上の矢印は、走査中央を挟んで２ｙ’_ｋの長さを持ち、等長である。

図４において、仮想の感光体面２００上にて等速走査した場合、実際の感光体面２０上においての走査開始端側の走査線長ｙ’₋はｙよりも短くなり、走査終了端側の走査線長ｙ’_＋はｙよりも長くなる。すなわち、走査開始端側と走査終了端側で各々等長ｙ’_ｋの長さを走査するためには、走査開始端側と走査終了端側で単位時間あたりの走査角、すなわち走査角速度を変えるか、または走査角速度を一定にしたまま、走査時間を変えなければならないことがわかる。

例えば、走査角速度を変える場合、図４の例では走査開始端側で走査線速度が速くなるようにし、走査終了端側では走査線速度が遅くなるようにするか、または走査開始端側で走査時間を長くとり、走査終了端側では走査時間を短くすれば、走査開始端側と走査終了端側で各々等長ｙ’_ｋの長さを走査することができる。

前述の特許文献３や特許文献４の手法では、後者の走査時間を制御する方法で等長走査を行っていた。これは、従来のポリゴンミラーによる等速走査においては、走査角速度を変えることは非常に困難であったためである。

本発明においては、入れ子型往復走査ミラー１００は、１走査期間内において走査角速度を可変に制御することが容易であり、この性質を用いて、走査開始端側と走査終了端側で走査角速度を制御することによって、走査開始端側と走査終了端側で等長に走査することを実現する。

図４において、例えば、ｆθレンズ１０２は、仮想の感光体面２００上でのレーザ光の入射角β_ｙが主走査方向（ｙ軸方向）の関数（ｙの４次以上の多項式）となるよう設計されており、例えば、
ｃｏｓβ_ｙ＝Ａ_４ｙ^４＋Ａ_３ｙ^３＋Ａ_２ｙ^２＋Ａ_１ｙ＋Ａ_０・・・数式２
で表すことができるものであるとする。

表１は、ｆθレンズ１０２の数式６に関する設計パラメータの一例である。

また、図５は表１のｆθレンズ１０２の設計パラメータを用いて数式２を示したグラフである。

ここで、入射角β_ｙで入射するレーザ光によって、角度αだけ傾いた感光体２０上での走査位置ｙ’について、仮想の感光体面２００上での走査位置ｙとの間で次の関係式が成り立つ。

ここで、感光体２０の取り付け角度によって、角度αの符号と入射角βｙの符号の関係が４通り（｛α≧０，β_ｙ≧０｝，｛α≧０，β_ｙ≦０｝，｛α≦０，β_ｙ≧０｝，｛α≦０，β_ｙ≦０｝，）存在するが、いずれも数式３で表すことができる。（図４は、｛α≧０，β_ｙ≧０｝，｛α≧０，β_ｙ≦０｝の場合について示している）
感光体面２０上での走査線速度をｖ_ｙ’とすると、このとき走査に要する時間はｔ_ｙであるので、

で表される。

ここで、ｆθレンズ１０２によって、仮想の感光体面２００上での走査線速度ｖ_ｙが一定となるよう設計されているため、以下の関係式が成り立つ。

したがって、数式４は数式５を用いて次のように表すことができる。

数式４’は、仮想の感光体面２００上を一定の走査線速度ｖ_ｙで走査した場合に、感光体２０上の走査線速度ｖ_ｙ’が、取り付け角度αおよび走査位置ｙ（に応じて変わる入射角β_ｙ）によって変化することを示している。

図６は、表１のｆθレンズ設計パラメータおよび数式４’を用いて、α＝０，０．０１，０．０２，０．０５［度］の場合について、感光体２０上の走査線速度ｖ_ｙ’の値を、走査中央を基準として正規化したグラフであり、横軸が走査位置ｙ、縦軸はｙ＝０のときの走査線速度ｖ_０に対する比率である。

図６より、α＞０において、走査中央よりも下側（β_ｙ≦０，ｙ＜０，走査開始端側）における走査線速度ｖ_ｙ−、および走査中央（β_ｙ＝０，ｙ＝０）における走査線速度ｖ_０、走査中央よりも上側（β_ｙ≧０，ｙ＞０，走査終了端側）における走査線速度ｖ_ｙ＋について、次の関係が成り立つことがわかる。
ｖ_ｙ−＜ｖ_０＜ｖ_ｙ＋・・・数式６
つまり、感光体２０上での走査線速度ｖ_ｙ’は、図４における走査中央よりも下側（ｙ−，走査開始端側）においては遅く、走査中央よりも上側（ｙ＋，走査終了端側）においては速いということを示す。

α＜０の場合は、数式６の不等号の向きが逆となる。すなわち、感光体２０上での走査線速度ｖ_ｙ’は、走査中央よりも下側（走査開始端側）で速く、走査中央よりも上側（走査終了端側）で遅くなる。

次に、入れ子型往復走査ミラーの共振動作およびその制御について説明する。

図７は、数式１で示される合成波によって制御される入れ子型往復走査ミラーによって走査されるレーザ光がｆθレンズ１０２を介して取り付け角度α＝０［度］で取り付けられた感光体２０上に結像する場合の走査位置と時間の関係を示した図である。

ｆθレンズ１０２によって、式１による入れ子型往復走査ミラーの共振動作は感光体２０上の仮想の感光体面２００上に走査される像高の等速運動に変換される。すなわち、次の数式７が成り立つ。
ｙ＝ｆθ＝ｆ{θ_１ｓｉｎ（ωｔ＋φ_１）＋θ_２ｓｉｎ（２ωｔ＋φ_２）・・・数式９
ｙは仮想の感光体面２００上の主走査方向の像高、ｆはｆθレンズの焦点距離となる。

ここで、入れ子型往復走査ミラーの角速度θ’は
θ’＝ω{θ_１ｃｏｓ（ωｔ＋φ_１）＋２θ_２（ｃｏｓ（２ωｔ＋φ_２）・・・数式１０
となる。

なお、φ_１とφ_２は走査中央（ωｔ＝π、図８の時刻ｔ＝ｔ０）において、θ＝０となるよう、次の数式による位相差関係が成り立つように定義する。

これは、φ_１，φ_２を制御して駆動波形の位相を変更しても、θ＝０となる点を変えないためであって、φ_２を決定すれば、φ_１を求めることができる。

図８と図９は、数式１で示される走査角θと数式１０で示される角速度θ’について、時間との関係をグラフに示したものである。

図８と図９において、制御パラメータ１０４２（数式１のθ_１に相当）と１０４３（数式１のθ_２に相当）には、θ_１＝−３５、θ_２＝−５を用いている。

図８において、制御パラメータ１０４４（数式１のφ_１に相当）の値をφ_１＝０、制御パラメータ１０４５（数式１のφ_２に相当）の値をφ_２＝０としたとき、有効走査範囲３０において、感光体２０上にレーザ光が走査する角速度は、図８に示すようにほぼ一定（略等速動作）となる。

また、図９において、制御パラメータ１０４４（数式１のφ_１に相当）および制御パラメータ１０４５（数式１のφ_２に相当）の値をゼロ以外の値（図ではφ_２＝−１０［度］）としたとき、有効走査範囲３０においては、感光体２０上にレーザ光が走査する角速度は、図９に示すようにほぼ走査位置に比例するようになる。

これはすなわち、φ_１，φ_２の値を適切に選ぶことによって、有効走査範囲３０内では仮想の感光体面２００上の走査位置ｙに比例して入れ子型往復走査ミラーの走査角速度θ’を変化させることができることを示す。

数式４’より、仮想の感光体面２００上を一定の走査線速度ｖ_ｙで走査した場合に、感光体２０上の走査線速度ｖ_ｙ’が、取り付け角度αおよび走査位置ｙによって変化する。

数式１０より、入れ子型往復走査ミラーを制御する位相制御パラメータφ_２の値を適切に選ぶことで、入れ子型往復走査ミラーの走査角速度を有効走査範囲３０内において、走査位置に比例するように制御することができる。

入れ子型往復走査ミラーの走査角速度はｆθレンズ１０２を介して、仮想の感光体面２００上の走査線速度に変換されるため、入れ子型往復走査ミラーを制御する位相制御パラメータφ_２の値を適切に選ぶことで、仮想の感光体面２００上において、走査線速度を走査位置に比例するように制御することができる。

ここで、取り付け角度および走査位置による走査線速度変化（数式４’）を相殺するような位相制御パラメータφ_２を選べば、感光体２０上での走査線速度を制御し、感光体２０上での走査線長を走査開始端側と走査終了端側で同長とすることができる。

図１０は、取り付け角度および走査位置による走査線速度変化（数式４’）を相殺するような位相制御パラメータφ_２を用いて走査を行った場合の感光体２０上の走査位置と時間の関係を示した図である。

図１０において、走査開始端側では走査線速度が速くなり、走査終了端側では走査線速度が遅くなっていることがわかる。

つまり、数式４’で表される走査線速度の変化を相殺するような、位相制御パラメータφ_２を見つければよい。

ところで、有効走査領域の範囲内で数式４’を相殺するようなφ_２を数式的に求めることも可能であるが、ここでは簡易に位相制御パラメータφ_２を求める手法について説明する。

本実施例では、以下の値を使用して位相制御パラメータφ_２を求める方法について説明する。

なお、本実施例では製造・出荷時などに感光体の取り付け角度αを測定し、測定結果α＝０．０５［度］をあらかじめ取得しているものとする。

また、仮想の感光体面２００上における走査開始端（ｙ＝−１０５［ｍｍ］）と走査終了端（ｙ＝＋１０５［ｍｍ］）には入れ子型往復走査ミラーの走査角θ＝２１［度］で達するものとする。

図６より、α＝０．０５［度］で、ｙ＝−１０５［ｍｍ］のときの走査線速度ｖ_ｙ’の比率を求めると、０．９９９７１２９４である。
この比率を相殺するためには、この比率の逆数１／０．９９９７１２９４＝１．０００２８７１３を位相制御によって実現すればよい。

φ_２を変化させる前の走査角速度θ’とφ_２を変化させた後の走査角速度θ’_φ２との比率をあらかじめ計算しておき、上記の逆数の値となるようなφ_２を求めればよい。

ここではφ_２は−０．０６２９８５［度］と求めることができた。

（実施例２）
実施例１においては、取り付け角度αが測定され、あらかじめ取得されている場合について説明した。

実施例２では、走査タイミング情報を測定して取得しておき、これを用いて位相制御パラメータを求める方法について説明する。

図１０に、走査タイミング情報を測定する方法の一例を示す。

図１０中、２０１は走査タイミング情報測定用の感光体であって、ｙ＝−１０５［ｍｍ］とｙ＝０［ｍｍ］、ｙ＝＋１０５［ｍｍ］の部分に受光センサ２０１０、２０１１、２０１２が各々装備されており、感光体２０と同形であって簡単に交換可能であるとする。

もちろん、感光体２０上に簡易に実装可能な受光センサ手段のみであってもかまわない。

本画像形成装置の製造時に、走査タイミング情報測定用感光体２０１を取り付けた上で、走査装置１０を位相制御パラメータφ_１＝φ_２＝０で動作させ、走査タイミング情報測定用感光体２０１上をレーザ光で走査する。

走査されたレーザ光は、各受光センサ２０１０、２０１１、２０１２で受光され、走査タイミング情報が測定される。このとき、受光センサ２０１０と受光センサ２０１１間の走査タイミング情報Ｔ１と受光センサ２０１１と受光センサ２０１２間の走査タイミング情報Ｔ２、および受光センサ２０１０と受光センサ２０１２間の走査タイミング情報Ｔ３から、φ２を求める。

例えば、上記走査タイミング測定を行い、Ｔ１＝１２５．０２［ｕｓ］、Ｔ２＝１２４．９８［ｕｓ］、Ｔ３＝２５０．０００［ｕｓ］であったとする。

取り付け角度α＝０［度］で取り付けられていた場合の走査タイミングがＴ１＝Ｔ２＝１２５．００［ｕｓ］であるものとすると、
走査開始側の走査タイミングずれ比率は、１２５．０２／１２５．００＝１．０００１６となる。

実施例１と同様にして、φ_２を変化させる前の走査角速度θ’とφ_２を変化させた後の走査角速度θ’_φ２との比率をあらかじめ計算しておき、走査タイミングずれ比率１．０００１６を実現するφ_２を求めればよい。
ここでは、φ_２は−０．０３５１［度］と求めることができた。

本発明の画像形成装置の構成を示す図である。 入れ子型往復走査ミラーの構造を示す図である。 本発明の駆動制御装置の構成を示す図である。 レーザ光の走査位置と時間の関係を示した図である。 ｆθレンズの設計パラメータと数式２の関係を示す図である。 感光体の取り付け角度と各走査位置における走査速度の比率を示す図である。 レーザ光の走査位置と時間の関係を示した図である。 φ２＝０［度］の場合の入れ子型往復走査ミラーの角度および角速度と時間の関係を示した図である。 φ２＝−１０［度］の場合の入れ子型往復走査ミラーの角度および角速度と時間の関係を示した図である。 感光体の取り付け角度に応じてφを制御した場合のレーザ光の走査位置と時間の関係を示した図である。 タイミング情報を取得する装置構成を示す図である。

符号の説明

１０ 走査装置
２０ 感光体
３０ 有効走査領域
１００ 入れ子型往復走査ミラー
１０１ 半導体レーザ
１０２ 等速補正レンズ
１０３ ミラー駆動装置
１０４ 駆動制御装置
１０５ コイル
１０６、１０７ レーザ光検出装置（ＢＤ）
２００ 仮想の感光体面
１０００、１００１ ねじりバネ
１００２ 磁石
１０４０ 電流制御用Ｈブリッジ回路
１０４１ コントローラ
１０４２ 基準周波数ωに対する振幅制御パラメータ
１０４３ 周波数２ωに対する振幅制御パラメータ
１０４４ 基準周波数ωに対する位相差パラメータ
１０４５ 周波数２ωに対する位相差パラメータ

Claims (5)

1. 感光体の主走査方向に光ビームを走査する画像形成装置であって、
   偏向子を共振振動させることで光ビームを偏向する光ビーム偏向手段と、
   前記偏向子を共振振動で駆動する手段と、
   あらかじめ取得された感光体の取り付け角度情報と、
   前記取り付け角度情報に応じて、前記偏向子駆動手段を制御する駆動制御手段と
   を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 感光体の主走査方向に光ビームを走査する画像形成装置であって、
   偏向子を共振振動させることで光ビームを偏向する光ビーム偏向手段と、
   前記偏向子を共振振動で駆動する手段と、
   あらかじめ取得された走査タイミング情報と、
   前記走査タイミング情報に応じて、前記偏向子駆動手段を制御する駆動制御手段と
   を有することを特徴とする画像形成装置。
3. 前記光ビーム偏向手段は、複数の可動子と該複数の可動子を連結する同一軸上に配置された複数のねじりバネと、
   該複数のねじりバネの一部を支持する支持部と、
   前記可動子の少なくとも一つにトルクを印加する駆動手段と、
   該駆動手段を制御する駆動制御手段とを有する光偏向器であって、
   分離した複数の固有振動モードを有し、
   該分離した複数の固有振動モードの中に、基準周波数の固有振動モードである基準振動モードと、該基準周波数の略偶数倍の周波数の固有振動モードである偶数倍振動モードが存在することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記駆動制御手段は、入れ子型偏向子の基準振動モードの周波数位相を基準とした偶数倍振動モードの周波数の相対位相を、前記取り付け角度情報から生成された制御情報に基づき制御することを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
5. 前記駆動制御手段は、入れ子型偏向子の基準振動モードの周波数位相を基準とした偶数倍振動モードの周波数の相対位相を、前記走査タイミング情報から生成された制御情報に基づき制御することを特徴とする、請求項２に記載の画像形成装置。

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