JP2009098562A - 光偏向レンズ及び光書込ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ｆθレンズなどの補正光学系を必要としないで光を被走査面に等速直線運動で走査するとともに、簡単な構成で低コストに作製することができる光偏向レンズを得る。
【解決手段】回転軸５１を有する面板５２上に形成されたレンズ部５３に回転軸５１の回転角に応じて傾き角度が変化するように作成された傾斜面５５，５６を有し、回転軸５１を含む平面による傾斜面５５，５６の断面形状が回転軸５１を中心軸とする円錐面の断面形状と同じ形状で、かつ、傾斜面５５，５６の傾き角度が回転軸５１の回転角に応じて連続的に変化するようにして、入射して透過した光を回転軸５１の回転角に応じて偏向する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザ光を走査して画像情報を感光体に書き込む光偏向レンズ及びそれを使用した光書込ユニットに関するものである。

電子写真方式の複写機やプリンタ、ファクシミリ装置等の画像形成装置においては、スキャナ装置等から入力した画像情報に基づいてレーザ光を変調し、変調したレーザ光を走査して感光体に潜像を書き込み、感光体に書き込んだ潜像を現像して記録用紙等に転写している。

このレーザ光を走査する光偏向手段として、特許文献１に示すようにポリゴンミラーを使用している。ポリゴンミラーを使用した光偏向手段は、図１０に示すように、レーザ光源２から出射したレーザ光７はコリメートレンズ３とシリンドリカルレンズ４を経て等角度回転するポリゴンミラー１０で反射し、反射によってレーザ光７の進行方向が変えられる。ポリゴンミラー１０によって偏向されたレーザ光７はｆθレンズ１１とシリンドリカルレンズ１２を通って感光体８に結像する。

このポリゴンミラー１０を用いた光偏向手段でｆθレンズ１１がない場合、ポリゴンミラー１０を等角度回転させるとポリゴンミラー１０の各ミラー面で走査されて感光体８に照射されたレーザ光７は等速直線運動にならず、図１１に示すように、中心線Ｃからθ１だけ傾いた位置からｄθだけ回転させた際におけるレーザ光７の結像位置の変動幅をｐ（θ１）、同様に中心線Ｃからθ２だけ傾いた位置からｄθだけ回転させた際におけるレーザ光７の結像位置の変動幅をｐ（θ２）とすると、θ１＞θ２＞０の場合、ｐ（θ１）＞ｐ（θ２）となるため、傾き角度θによってポリゴンミラー１０を一定量ｄθだけ回転させた際の結像位置の変動幅が異なってしまう。この傾き角度θによる結像位置の変動幅が異なることを補正するため、ｆθレンズ１１などの補正光学系が必要になる。

このｆθレンズ１１を必要としない光偏向手段が特許文献２に開示されている。特許文献２に示された光偏向手段の回転偏向ミラーは、感光体の走査方向に平行な軸線の回りに等角速度で回転可能な円筒形部材の一端面に形成されたスパイラル状擬似円錐面形状のミラーを有し、擬似円錐面は、その面上に円筒形部材の軸を中心とする一つの円周を含み、この円周を底円とし、円錐の母線の頂角がその回転角に応じて連続的に変化するような曲面となるようにし、等角速度で回転する回転偏向ミラーで反射された反射光が感光体上で等速直線運動をするようにミラーの形状を定めている。
特開２００６−５６１３７号公報 特開昭６３−１２１００９号公報

特許文献１に示すように光偏向手段にポリゴンミラーを使用していると、感光体に走査された光を等速直線運動させるためにｆθレンズなどの補正光学系が必要になり、光偏向手段の構成が複雑になるとともに大型化してしまう。

また、ポリゴンミラーの場合、通常、アルミニュームを切削して製作するため、加工コストが高くなるという問題がある。また、プラスチックを成形することによりポリゴンミラーを製作する方法もあるが、表面に反射膜をつける必要があるため、反射膜の加工の分だけコストが高くなる問題がある。

また、特許文献２に示す回転偏向ミラーは、その製作の方法としては、鏡面切削によって製作する方法とプラスチックなどを成形し、表面に反射膜を作る方法がある。しかし、切削で製作する方法は、形状が複雑であるため大量に安価に製作することは困難である。また、成形して作製する場合、成形品に対して反射膜をつける必要があるためコストが高くなる問題がある。

この発明は、このような問題を解消し、ｆθレンズなどの補正光学系を必要としないで光を被走査面に等速直線運動で走査するとともに、簡単な構成で低コストに作製することができる光偏向レンズ及びそれを使用した光書込ユニットを提供することを目的とするものである。

この発明の光偏向レンズは、回転軸を有する面板上に形成されたレンズ部を回転させながら入射した光を屈折させて走査する光偏向レンズであって、前記レンズ部は、前記回転軸の回転角に応じて傾き角度が変化するように作成された傾斜面を有し、前記傾斜面の形状は、前記回転軸を含む平面による傾斜面の断面形状が前記回転軸を中心軸とする円錐面の断面形状と同じ形状で、かつ、傾斜面の傾き角度が前記回転軸の回転角に応じて連続的に変化していることを特徴とする。

前記レンズ部は、前記面板上に前記回転軸を中心にして等角度で複数個形成されたことを特徴とする。

前記レンズ部は、前記回転軸を等角速度回転させた際に、平面上に走査した光が等速度直線運動をするように傾斜面の形状を設定することを特徴とする。

また、前記レンズ部は、前記回転軸を等角速度回転させた際に、走査した光が等角変化するように傾斜面の形状を設定することを特徴とする。

この発明の光書込ユニットは、前記光偏向レンズを用いてレーザ光源から出射したレーザ光を走査することを特徴とする。

この発明の光偏向レンズは、回転軸を有する面板上に形成されたレンズ部に回転軸の回転角に応じて傾き角度が変化するように作成された傾斜面を有し、回転軸を含む平面による傾斜面の断面形状が回転軸を中心軸とする円錐面の断面形状と同じ形状で、かつ、傾斜面の傾き角度が回転軸の回転角に応じて連続的に変化するようにして、入射して透過した光を回転角に応じて偏向することにより、成形部品に反射膜をつけるなどの後処理を行うこと無く、光偏向素子を安価に製作することができる。

また、レンズ部を、回転軸を中心にして等角度で複数個形成することにより、光偏向レンズが１回転する間に複数回走査することができ、高速走査を行うことができる。

さらに、レンズ部の傾斜面の形状を、回転軸を等角速度回転させた際に、平面上に走査した光が等速度直線運動をするように設定することにより、光書込ユニットでｆθレンズなどの補正光学系を省略することができ、光書込ユニットを小型化することができる。

また、レンズ部の傾斜面の形状を、回転軸を等角速度回転させた際に、走査した光が等角変化するように設定することにより、ポリゴンミラーを使用した光学系において、大きな変更をすることなしにポリゴンミラーを光偏向レンズに置き換えることができる。

また、この発明の光偏向レンズを用いてレーザ光源から出射したレーザ光を走査することにより、光書込ユニットの構成を簡略化して小型で安価な光書込ユニットを構成することができる。

図１はこの発明の光書込ユニットの構成図である。図に示すように、光書込ユニット１は、レーザ光源２とコリメータレンズ３とシリンドリカルレンズ４と光偏向レンズ５及びトロイダルレンズ６を有する。そしてレーザ光源２から出射したレーザ光７をコリメータレンズ３とシリンドリカルレンズ４を経て光偏向レンズ５に入射する。光偏向レンズ５に入射したレーザ光は光偏向レンズ５によって偏向され、トロイダルレンズ６を経て感光体８に結像して走査する。

光偏向レンズ５は、図２（ａ）の斜視図と（ｂ）のトロイダルレンズ６側から見た平面図に示すように、回転軸５１を有する面板５２に一定角度Ａ、例えば６０度毎に区分けされた６組のレンズ部５３ａ〜５３ｆを有し、角度６０度の回転により１回分の走査を行う。なお、図においてθは各レンズ部５３の回転角度を示す。

この光偏向レンズ５の各レンズ部５３は、図２（ａ）と図３の回転軸５１を含む平面による断面形状を示した分解構成図に示すように、光の入射側と出射側の光が通る第１の屈折領域５４ａと第２の屈折領域５４ｂと第３の屈折領域５４ｃを有する。第１の屈折領域５４ａと第２の屈折領域５４ｂにおける光の入射側と出射側の屈折面は、回転軸５１の回転角θに応じて傾き角度が連続的に変化する傾斜面５５と傾斜面５６を有し、傾斜面５５と傾斜面５６の形状は回転軸５１を中心軸とする円錐面の断面形状と同じ形状で形成されている。すなわち、図３に示すように、角度Ａを例えば６０度とした場合、第１の屈折領域５４ａの傾斜面５５と傾斜面５６の断面形状は、回転角θ＝０度からθ＝３０度までの範囲で、回転軸５１側を底面とした円錐面の断面形状と同じ形状をし、回転角θ＝０度のとき最も大きな傾き角となり、次第に傾き角が小さくなり、回転角θ＝３０度で傾き角は零になり、第３の屈折領域５４ｃとなる。また、第２の屈折領域５４ｂの傾斜面５５と傾斜面５６の断面形状は、回転角θ＝３０度からθ＝６０度までの範囲で、回転軸５１側を頂点とした円錐面の断面形状と同じ形状をし、回転角θ＝３０度を超えてから傾き角が次第に大きくなって回転角θ＝６０度で傾き角は最も大きくなる。

この傾斜面５５と傾斜面５６を有する各レンズ部５３における光の偏向状態を図４の断面図を参照して説明する。図４に示すように、レンズ部５３におけるレーザ光７の入射側の傾斜面５５の回転軸５１と直交する直線ＢＢとの傾き角をＫｉ、出射側の傾斜面５６の回転軸５１と直交する直線ＢＢとの傾き角をＫｏとする。この傾き角Ｋｉは、図４において矢印で示すように時計方向を正とし、傾き角Ｋｏは反時計方向を正とする。また、レンズ部５３の屈折率をｎ（ｎ＞１）とすると、光偏向レンズ５の回転軸５１に平行なレーザ光７が傾斜面５４に入射すると傾斜面５５で屈折する。この入射したレーザ光７と屈折したレーザ光７の傾き角度をαとする。屈折したレーザ光７はレンズ部５３を通過して出射側の傾斜面５６で屈折して出射する。この出射したレーザ光７の入射したレーザ光７に対する傾き角度φは傾き角Ｋｉ＝傾きＫｏとすると次式（１）で表わせる。

式（１）よりレーザ光７の傾き角度φは傾斜面５５，５６の傾き角Ｋの関数であることがわかる。この傾き角Ｋが各レンズ部５３の回転角θによって変化する場合、傾き角Ｋはθの関数となるため、次式（２）式を式（１）に代入すると、傾き角度φは次式（３）となる。

式（３）より傾き角Ｋを回転角θの関数とすることにより、レーザ光７の偏向角度φもθの関数とすることができることがわかる。

図５は、光偏向レンズ５の各レンズ部５３を角度６０度で区分けし、光偏向レンズ５を６０度回転した場合におけるレーザ光７の偏向方向の変化を示す。このレンズ部５３の屈折率ｎ＝１．５とすると回転角θが６０度変化する際にレーザ光７の偏向角度φを−４５度から＋４５度まで変化させるには、傾斜面５５，５６の傾き角Ｋを約−２９．６度から＋２９．６度まで変化させれば良い。図５に示すように、回転角θ＝ｍ×６０（ｍ＝０，１〜５）度で、傾斜面５５，５６の傾き角Ｋを約−２９．６度になるようにすると、レーザ光７の偏向角度φ＝−４５度となり、回転角θが増加するにしたがって偏向角度φが増加し、回転角θ＝（３０＋ｍ×６０）度で傾斜面５５，５６の傾き角Ｋ＝０度になるように設定することにより、回転角θ＝（３０＋ｍ×６０）度で偏向角度φ＝０度になる。さらに回転角θが増加して、回転角θ＝［（ｍ＋１）×６０−δ］度で傾き角Ｋ＝＋２９．６度となるように設定することにより、回転角θ＝［（ｍ＋１）×６０−δ］（δ＞０）度では偏向角度φ＝＋４５度となる。なお、回転角θ＝［（ｍ＋１）×６０−δ］（δ＞０）としたδは、回転角θが増加してθ＝［（ｍ＋１）×６０］度になる直前に傾き角Ｋが大きく変動するため、この領域だけはレーザ光７の発振を中止するためである。

このように各レンズ部５３に回転軸５１の回転角θに応じて傾き角Ｋが連続的に変化する傾斜面５５と傾斜面５６を有することにより、入射して透過したレーザ光７を回転角θに応じて偏向することができる。

次に、光偏向レンズ５を等角速度回転させた際に、光偏向レンズ５の各レンズ部５３で入射したレーザ光７を平面上に走査するとき、平面上を走査するレーザ光７を等速度直線運動させる場合について説明する。

図６は光偏向レンズ５の走査角とスポット位置の関係を示し、光偏向レンズ５が６０度回転する間に、レーザ光が９０度走査される状態を示している。図６に示すように、光偏向レンズ５の回転角θが（ｍ×６０）度のとき、レーザ光７の走査角度が−４５度、光偏向レンズ５の回転角θ＝［（ｍ＋１）×６０−δ］（δ＞０）でレーザ光７の走査角度φが＋４５度となる。図６においてＬは光偏向レンズ５から結像位置までの距離である。レーザ光７の走査角度φが０度のときの結像位置を原点Ｏとし、光偏向レンズ５の回転角がθ1のときのレーザ光７の走査角度をφ1、走査角度φ1のとき結像位置をＰとする。この結像位置Ｐの符号は、図６において原点Ｏより右にあるときはプラス、原点Ｏより左にあるときにマイナスとする。また、走査角度φも結像位置Ｐが原点Ｏより右にあるときはプラス、左にあるときはマイナスとすると、走査角度φ1は次式（４）となる。

光偏向レンズ５を等角速度回転させた際に距離Ｌの平面上に結像するレーザ光７が等速度直線運動するには、光偏向レンズ５を等角速度回転させて角度θ１だけ回転したときのレンズ部５３の回転角θを、θ＝（θ１−ｍ×６０）とすると、図６において原点Ｏを基準にすると次式（５）が成り立つ。式（４）と式（５）で式（６）が成り立てば良い。

回転角θが０〜６０度まで変化すると、tanφ1は−１〜＋１まで変化するので回転角θとtanφ1は図７（ａ）に示す関係になる。この図７（ａ）の関係から回転角θとレーザ光７の走査角度φ1を求めると図７（ｂ）に示すようになる。レーザ光７の走査角度φと傾斜面５５，５６の傾き角Ｋとの関係は式（１）の関係で示すことができるため、任意の回転角θについて図７（ｂ）の回転角θとレーザ光７の走査角度φ1の関係を満たす傾き角Ｋを求めれば良い。この回転角θと傾斜面５５，５６の傾き角Ｋの関係を図７（ｃ）に示す。この図７（ｃ）に示す関係を満たすように各レンズ部５３の形状を定めることにより、光偏向レンズ５を等角速度回転させた際にレーザ光７が感光体８上で等速度直線運動することができる。

また、光偏向レンズ５でレーザ光７を透過して偏向するとともにｆθレンズなどの補正光学系を省略できるから、光書込ユニット１を小型化することができる。

前記説明では光偏向レンズ５を等角速度回転させた際にレーザ光５が感光体８上で等速度直線運動する場合について説明したが、光偏向レンズ５を等角速度回転させた際に走査したレーザ光７が等角変化することもできる。この光偏向レンズ５を等角速度回転させて走査したレーザ光７が等角変化する場合について説明する。

光偏向レンズ５の走査角とスポット位置の関係を示す図６において、光偏向レンズを等角速度回転させた際にレーザ光７が等角変化するには、光偏向レンズ５を等角速度回転させて角度θ１だけ回転したときのレンズ部５３の回転角θを、θ＝（θ１−ｍ×６０）とすると、回転角θが６０度変化する際にレーザ光７の走査角度φ1は９０度変化することから次式（７）が成り立てば良い。

この回転角θとレーザ７の走査角度φ1の関係を図８（ａ）に示す。レーザ光７の走査角度φと傾斜面５５，５６の傾き角Ｋとの関係は式（１）の関係で示すことができるため、任意の回転角θについて図８（ａ）の回転角θとレーザ７の走査角度φ1の関係を満たす傾き角Ｋを求めれば良い。この回転角θと傾き角Ｋの関係を図８（ｂ）に示す。この図８（ｂ）に示す関係を満たすように各レンズ部５３の形状を定めることにより、光偏向レンズ５を等角速度回転させた際にレーザ光７を等角変化させて走査することができる。したがってポリゴンミラーを使用した光学系において、大きな変更をすることなしにポリゴンミラーを光偏向レンズ５に置き換えることができる。

この光偏向レンズ５を等角速度回転した際に、走査したレーザ光７が等速度直線運動する場合と等角変化する場合とで、光偏向レンズ５の回転角θと傾き角Ｋがどのような関係になっているかを図９に示す。図９において実線は走査したレーザ光７が等速度直線運動をする場合、点線は等角変化する場合の傾き角Ｋの変化を示す。図９に示すように、走査したレーザ光７が等速度直線運動をする場合の方が、回転各θ＝３０度付近の傾き角Ｋの変化量が大きいことがわかる。

この発明の光書込ユニットの構成図である。 光偏向レンズの構成図である。 各レンズ部の回転軸を含む平面による断面形状を示した分解構成図である。 レンズ部におけるレーザ光の偏向状態を示す断面図である。 光偏向レンズを回転したときのレンズ部におけるレーザ光の偏向角度を示す模式図である。 光偏向レンズの走査角とスポット位置の関係を示す模式図である。 走査するレーザ光を等速度直線運動させるときの光偏向レンズの回転角に対する走査角度と傾き角の変化特性図である。 走査するレーザ光を等角変化させるときの光偏向レンズの回転角に対する走査角度と傾き角の変化特性図である。 走査したレーザ光が等速度直線運動する場合と等角変化する場合における光偏向レンズの回転角に対する傾き角の関係を示す比較図である。 ポリゴンミラーを使用した光偏向手段の構成図である。 ポリゴンミラーで走査したレーザ光の結像位置における変動幅を示す模式図である。

符号の説明

１；光書込ユニット、２；レーザ光源、３；コリメータレンズ、
４；シリンドリカルレンズ、５；光偏向レンズ、５；トロイダルレンズ、
７；レーザ光、８；感光体、５１；回転軸、５２；面板、５３；レンズ部、
５５；傾斜面、５６；傾斜面。

Claims (5)

1. 回転軸を有する面板上に形成されたレンズ部を回転させながら入射した光を屈折させて走査する光偏向レンズであって、
   前記レンズ部は、前記回転軸の回転角に応じて傾き角度が変化するように作成された傾斜面を有し、
   前記傾斜面の形状は、前記回転軸を含む平面による傾斜面の断面形状が前記回転軸を中心軸とする円錐面の断面形状と同じ形状で、かつ、傾斜面の傾き角度が前記回転軸の回転角に応じて連続的に変化していることを特徴とする光偏向レンズ。
2. 前記レンズ部は、前記面板上に前記回転軸を中心にして等角度で複数個形成されたことを特徴とする請求項１記載の光偏向レンズ。
3. 前記レンズ部は、前記回転軸を等角速度回転させた際に、平面上に走査した光が等速度直線運動をするように傾斜面の形状を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の光偏向レンズ。
4. 前記レンズ部は、前記回転軸を等角速度回転させた際に、走査した光が等角変化するように傾斜面の形状を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の光偏向レンズ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光偏向レンズを用いてレーザ光源から出射したレーザ光を走査することを特徴とする光書込ユニット。

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