JP2009180939A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行う。
【解決手段】２つの光源、偏向器前光学系、ポリゴンミラー、及び走査光学系を備え、偏向器前光学系は、２つのカップリングレンズと２つの開口板とシリンドリカルレンズと反射ミラーとから構成されている。各カップリングレンズは、室温でパワーを持たず、光軸に略垂直な複数の輪帯面と各輪帯面に隣接する複数のステップ面とを有するマルチステップ状の回折面を有している。そして、この回折面は、光軸が含まれる断面形状において、各輪帯面と各ステップ面とのなす角が鈍角である。これにより、温度補償機能を有する安価な回折光学素子を用いることができる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、光束により被走査面を走査する光走査装置及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

近年、光プリンタ装置、デジタル複写機、及び光プロッタ等の画像形成装置には、低価格化とともに、温度変化に対する画像品質の高い安定性が求められている。

温度が変化すると光源における発振波長が変化したり、光学素子の形状が変化したりする。そして、それらに起因して結像位置にずれを生じることがある。これは、画像品質の低下を招来する。

これに対する有効な技術として、回折光学素子を用いることが提案された（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。回折光学素子は、負の分散を有する光学素子とみなすことができる。そして、結像位置のずれを打ち消すような回折パワーを回折光学素子に持たせることで走査光学系全体の温度補償を行い、画像品質の安定性向上を図っている。

特開２００２−２８７０６２号公報 特開２００７−２４１１８２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているレーザ走査装置では、１つの光学素子内に透過面と反射面とを形成しなければならず、曲面形状の反射面が含まれるため、製造が容易ではなく、高コスト化を招くという不都合があった。また、このレーザ走査装置は、副走査方向に関して嵩の高い光学素子を用いているため、例えば、いわゆるタンデムカラー機に利用する場合には、装置の大型化を招くおそれがあった。

また、特許文献２に開示されている光走査装置では、マルチステップ形状の回折面を有するコリメートレンズが樹脂製であるため、コリメートレンズ自身の線膨張係数が７．０×１０^−５／Ｋと大きく、位相関数係数が大きくなり、すなわち回折パワーが大きくなり、波長変化に弱いという不都合があった。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行うことができる光走査装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することができる画像形成装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、光源及び偏向器前光学系を有し、前記光源からの光束により被走査面を走査する光走査装置において、前記偏向器前光学系は、室温でパワーを持たない回折面を有する少なくとも１つの回折光学素子を含み、前記回折面は、光軸に略垂直な複数の輪帯面と各輪帯面に隣接する複数のステップ面とを有するマルチステップ状を有し、該回折面の前記光軸が含まれる断面形状において、各輪帯面と各ステップ面とのなす角が鈍角であることを特徴とする光走査装置である。

これによれば、温度補償機能を有する安価な回折光学素子を用いることができるため、高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行うことが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と；前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの本発明の光走査装置と；を備える画像形成装置である。

これによれば、少なくとも１つの本発明の光走査装置を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２４に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ１０００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ１０００は、光走査装置１０１０、感光体ドラム１０３０、帯電チャージャ１０３１、現像ローラ１０３２、転写チャージャ１０３３、除電ユニット１０３４、クリーニングユニット１０３５、トナーカートリッジ１０３６、給紙コロ１０３７、給紙トレイ１０３８、レジストローラ対１０３９、定着ローラ１０４１、排紙ローラ１０４２、排紙トレイ１０４３、通信制御装置１０５０、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置１０６０などを備えている。なお、これらは、プリンタ筐体１０４４の中の所定位置に収容されている。

通信制御装置１０５０は、ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御する。

感光体ドラム１０３０は、円柱状の部材であり、その表面には感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム１０３０の表面が被走査面である。そして、感光体ドラム１０３０は、図１における矢印方向に回転するようになっている。

帯電チャージャ１０３１、現像ローラ１０３２、転写チャージャ１０３３、除電ユニット１０３４及びクリーニングユニット１０３５は、それぞれ感光体ドラム１０３０の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム１０３０の回転方向に沿って、帯電チャージャ１０３１→現像ローラ１０３２→転写チャージャ１０３３→除電ユニット１０３４→クリーニングユニット１０３５の順に配置されている。

帯電チャージャ１０３１は、感光体ドラム１０３０の表面を均一に帯電させる。

光走査装置１０１０は、帯電チャージャ１０３１で帯電された感光体ドラム１０３０の表面に、上位装置からの画像情報に基づいて変調された光束を照射する。これにより、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム１０３０の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム１０３０の回転に伴って現像ローラ１０３２の方向に移動する。なお、この光走査装置１０１０の構成については後述する。

トナーカートリッジ１０３６にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ１０３２に供給される。

現像ローラ１０３２は、感光体ドラム１０３０の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ１０３６から供給されたトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着した潜像（以下では、便宜上「トナー像」ともいう）は、感光体ドラム１０３０の回転に伴って転写チャージャ１０３３の方向に移動する。

給紙トレイ１０３８には記録紙１０４０が格納されている。この給紙トレイ１０３８の近傍には給紙コロ１０３７が配置されており、該給紙コロ１０３７は、記録紙１０４０を給紙トレイ１０３８から１枚づつ取り出し、レジストローラ対１０３９に搬送する。該レジストローラ対１０３９は、給紙コロ１０３７によって取り出された記録紙１０４０を一旦保持するとともに、該記録紙１０４０を感光体ドラム１０３０の回転に合わせて感光体ドラム１０３０と転写チャージャ１０３３との間隙に向けて送り出す。

転写チャージャ１０３３には、感光体ドラム１０３０の表面上のトナーを電気的に記録紙１０４０に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム１０３０の表面のトナー像が記録紙１０４０に転写される。ここで転写された記録紙１０４０は、定着ローラ１０４１に送られる。

この定着ローラ１０４１では、熱と圧力とが記録紙１０４０に加えられ、これによってトナーが記録紙１０４０上に定着される。ここで定着された記録紙１０４０は、排紙ローラ１０４２を介して排紙トレイ１０４３に送られ、排紙トレイ１０４３上に順次スタックされる。

除電ユニット１０３４は、感光体ドラム１０３０の表面を除電する。

クリーニングユニット１０３５は、感光体ドラム１０３０の表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラム１０３０の表面は、再度帯電チャージャ１０３１に対向する位置に戻る。

次に、前記光走査装置１０１０の構成について説明する。

この光走査装置１０１０は、一例として図２に示されるように、２つの光源（１４ａ、１４ｂ）、２つのカップリングレンズ（１５ａ、１５ｂ）、２つの開口板（１６ａ、１６ｂ）、シリンドリカルレンズ１７、反射ミラー１８、ポリゴンミラー１３、偏向器側走査レンズ１１ａ、像面側走査レンズ１１ｂ、及び走査制御装置（図示省略）などを備えている。そして、これらは、ハウジング３０の中の所定位置に組み付けられている。

なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、感光体ドラム１０３０の長手方向に沿った方向をＹ軸方向、各走査レンズ（１１ａ、１１ｂ）の光軸に沿った方向をＸ軸方向として説明する。また、以下では、便宜上、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。

光源１４ａは、一例として図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、長手方向に沿って配列された２つの発光部を有するＬＤアレイ１００ａを有している。なお、図３（Ｂ）におけるＭａ方向は主走査対応方向であり、Ｓａ方向は副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向と同じ）である。また、Ｗａ方向は各発光部からの光束の最大強度射出方向である。

長手方向に沿った発光部間隔Ｄは、図３（Ｃ）に示されるように、感光体ドラム１０３０の表面での隣接する走査線間隔ｐが所望の解像度（ここでは、１２００ｄｐｉ）の１／２の解像度となるときの発光部間隔ｄよりも大きい。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは２つの発光部の中心間距離をいう。

そこで、図３（Ｂ）に示されるように、ＬＤアレイ１００ａの中心を通りＷａ方向に平行な軸を回転軸として、ＬＤアレイ１００ａを回転し、Ｓａ方向に関する発光部間隔がｄとなるようにしている。ここでのＬＤアレイ１００ａの回転角αは、５５．５°である。

光源１４ｂは、一例として図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されるように、ＬＤアレイ１００ａと同等のＬＤアレイ１００ｂを有している。なお、図４（Ｂ）におけるＭｂ方向は主走査対応方向であり、Ｓｂ方向は副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向と同じ）である。また、Ｗｂ方向は各発光部からの光束の最大強度射出方向である。

ＬＤアレイ１００ｂは、ＬＤアレイ１００ｂの中心を通りＷｂ方向に平行な軸を回転軸として、角度α（ここでは、５５．５°）回転されている。

これにより、回転後のＳｂ方向に関する発光部間隔はｄとなり、一例として図４（Ｃ）に示されるように、感光体ドラム１０３０の表面での隣接する走査線間隔ｐが所望の解像度（ここでは、１２００ｄｐｉ）の１／２の解像度となる。

そこで、感光体ドラム１０３０の表面を４本の光束で同時に走査することができる。

光源１４ａ及び光源１４ｂは、一例として図５に示されるように、４つの発光部を副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向と同じ）に延びる仮想線上に正射影したときに等間隔ｄ／２となるように、副走査対応方向に関して配置されている。これにより、一例として図６に示されるように、感光体ドラム１０３０の表面での隣接する走査線間隔は、所望の解像度（ここでは、１２００ｄｐｉ）となる。なお、図６における符号Ｌａ１及びＬａ２は、光源１４ａからの２つの光束の走査線であり、符号Ｌｂ１及びＬｂ２は、光源１４ｂからの２つの光束の走査線である。

また、光源１４ａ及び光源１４ｂは、一例として図７に示されるように、ＸＹ平面上において、Ｗａ方向とＷｂ方向とのなす角度（交差角）がφ（ここでは、３．１°）となるように配置されている。

また、各発光部は、設計上の発振波長が６５５ｎｍの端面発光型のレーザ（端面発光レーザ）である。

図２に戻り、カップリングレンズ１５ａは、光源１４ａからの光束の光路上に配置されている。また、カップリングレンズ１５ｂは、光源１４ｂからの光束の光路上に配置されている。

各カップリングレンズは、対応する光源からの光束を略平行光とする。すなわち、以降の光学系に適した光束形態に変換する。該適した光束形態としては、平行光束、弱い発散光束及び弱い収束光束のいずれかとすることができる。

また、各カップリングレンズは、個別に光軸方向、主走査対応方向、及び副走査対応方向のいずれにもその位置の調整が可能となっている。そこで、ＬＤアレイ間の発振波長のばらつきによる結像位置のずれが小さくなるように、各カップリングレンズの位置は、個別にＬＤアレイの発振波長に応じて調整されている。

各カップリングレンズは、設計波長における焦点距離ｆが２７ｍｍのガラス製のレンズである。このガラスは、一例として、基準温度（２５℃）において、６５５ｎｍの光に対する屈折率が１．５７７１９、温度が基準温度から２０℃上昇したときの６５５ｎｍの光に対する屈折率が１．５７７２７、線膨張係数が７．０×１０^−６／Ｋの物性を有するガラスである。

各カップリングレンズは、射出面に屈折面が用いられている（図８参照）。この屈折面は、近軸曲率半径が−１５．６ｍｍの回転対称の非球面形状を有している。

「回折面について」
また、各カップリングレンズは、入射面に回折面が用いられている（図８参照）。そして、この回折面は、一例として図９に示されるように、回折効果を有する面（以下、便宜上「第１の面」ともいう）と屈折効果を有する面（以下、便宜上「第２の面」ともいう）とが合成された面であり、前記第１の面のパワーと前記第２の面のパワーは互いに相殺されるように設定されている。従って、各カップリングレンズの回折面は、幾何光学的にノンパワーとなる。

前記第１の面は、光軸と垂直な面における光軸からの距離をＨとおくと、この第１の面の位相関数φ（Ｈ）は、次の（１）式で示される。なお、光軸上の点をＨ＝０とする。

φ（Ｈ）＝Ｃ_Ｈ・Ｈ^２ ……（１）

ここでは、Ｃ_Ｈ＝−１．５１９×１０^−３（ｍｍ^−１）である。

前記第２の面は、次の（２）式で示される放物面形状である。ここでは、一例として、曲率半径Ｒ＝−１９０ｍｍである。

ｘ（Ｈ）＝（１／２Ｒ）・Ｈ^２ ……（２）

そこで、各カップリングレンズの回折面における複数の回折溝は、光軸を中心とする同心円状で階段状となる（図９参照）。すなわち、カップリングレンズ１５の回折面には、マルチステップ状に複数の回折溝が形成されている。

具体的には、マルチステップ状における段差の大きさは１．１３５μｍである。そして、最小ピッチ（最外輪帯）は７２．５２３μｍ、段数は２０段である。

ここでは、常温での色収差補正に必要な回折パワーよりも強い回折パワーを各カップリングレンズに持たせている。すなわち、色収差補正に関しては各カップリングレンズの回折パワーは補正過剰となるように設定されている。

図１０には、環境温度が１０℃、４５℃及び６０℃のときの感光体ドラム１０３０の表面での主走査方向に関する結像位置の変化量が示されている。この図より明らかなように、結像位置の変化量は０．２０ｍｍ以内であり、十分に温度補償がなされている。比較例として、回折面を設けなかった場合が図１１に示されている。この場合の結像位置の変化量は約２．００ｍｍに達し、良好な結像性能を維持することは難しい。

ところで、回折面を、屈折面の面形状を適切な段差及びピッチで折り返した形状とすると、レンズの周辺部に向かってピッチが徐々に小さくなるため、回折面を成形するための金型の製作が難しい。しかしながら、互いに反対のパワーを有する第１の面と第２の面とを合成して回折面を作成すると、輪帯面は、光軸に対して垂直に近くなり、形状測定が容易になる。特に、マルチステップ状の回折面（以下では、便宜上「マルチステップ回折面」と略述する）では、輪帯面は、光軸に対して垂直になる。

本実施形態では、一例として図１２に示されるように、光軸を含む断面内において、輪帯面と該輪帯面に隣接するステップ面とがなす角θを全て鈍角となるように構成している。具体的には、輪帯面間に光軸方向に関して高さ１．１３５μｍの段差を生じさせるため、ステップ面を高さ方向に６μｍ程度の幅とし、輪帯面とステップ面とがなす角θを１６５°としている。

一般的に、カップリングレンズは、モールド成形によって作製される。本実施形態の各カップリングレンズは、θが鈍角であり十分な抜き勾配が設けられることとなり、成形後における成型品の型からの抜けが良くなるため、成形性が向上する。なお、θは、１３５°よりも大きく、１７０°より小さいことが好ましい。

また、マルチステップ回折面は幾何光学的にノンパワーであるため、入射面の中心と射出面の中心のずれの影響を受けにくくなり、要求精度を低減でき、低コストな製造法を用いることができる。

「ＬＤアレイの回転とカップリングレンズの焦点距離について」
ところで、端面発光レーザ（ＬＤ）から射出される光束のＦＦＰ（ファー・フィールド・パターン）は、一般的に楕円形状である。例えば、（発散角／２）が長軸方向で１９°、短軸方向で９°である。そして、通常、１次元配列のＬＤアレイでは、複数の発光部は、ＦＦＰの短軸方向に沿って配置されている（図１３（Ａ）参照）。

なお、以下では、便宜上、複数の発光部が副走査対応方向に沿って配列されている状態を基準状態という。また、ＬＤアレイの回転とは、光軸に平行でＬＤアレイの中心を通る軸を回転軸とした回転をいうものとする。そして、回転角とは、基準状態に対する回転角をいうものとする。従って、基準状態は回転角０°の状態と同じである。

そこで、ＬＤアレイを、基準状態から回転させると、ＦＦＰの楕円形状は、ＬＤアレイの回転に伴って回転し、図１３（Ａ）に示される状態から図１３（Ｂ）に示される状態に変化する。

そして、図１４（Ａ）には、ＦＦＰの楕円形状が図１３（Ａ）のときの、副走査対応方向に直交する面内でのＬＤアレイからの光束の発散状態が示されている。また、図１４（Ｂ）には、ＦＦＰの楕円形状が図１３（Ｂ）のときの、副走査対応方向に直交する面内でのＬＤアレイからの光束の発散状態が示されている。

図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）とから明らかなように、ＬＤアレイを基準状態から回転させると、副走査対応方向に直交する面内での発散角が小さくなる。このため、開口部上において強度分布が発生し、アポダイゼーションが劣化する。

この場合に、一例として図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示されるように、カップリングレンズの焦点距離ｆを長くすることにより、アポダイゼーション劣化を防ぐことができる。

なお、カップリングレンズの焦点距離ｆは、カップリングレンズの肉厚Ｔを用いて、次の（３）式を満足するのが好ましい。

０．０８＜Ｔ／ｆ＜０．１６ ……（３）

Ｔ／ｆが０．１６以上では、肉厚増によりコストが増大し、Ｔ／ｆが０．０８以下では、光量不足となる。

また、カップリングレンズの肉厚は、コストや光透過率に大きく影響するため、上記（３）式を満足することで低コスト化と光透過率、光量のバランスを良好に保つことができる。そこで、本実施形態では、カップリングレンズの肉厚を２．５ｍｍ、設計波長における焦点距離を２７ｍｍとしている。

「ＬＤアレイの回転とスポット径深度について」
さらに、図１６には、ＬＤアレイが基準状態にあるときの、感光体ドラム１０３０の表面に集光される光束のいわゆるスポット径深度が示されている。なお、スポット径深度とは、いずれの像高においても、ビームスポット径が５０μｍ以下が維持されるデフォーカス量をいう。

また、図１７には、ＬＤアレイを基準状態から７０°回転させたときの、スポット径深度が示されている。

このように、ＬＤアレイの回転によって、スポット径深度が狭くなる。しかしながら、本実施形態では、前述したように、温度変化による結像位置の変化を補償するような回折パワーを各カップリングレンズに持たせているため、ＬＤアレイを基準状態から回転して用いた場合でも、必要とするスポット径深度を得ることができる。

「マルチステップ回折面での反射光について」
ところで、一例として図１８（Ａ）に示されるように、マルチステップ回折面に平行光が入力すると、マルチステップ回折面は幾何光学的にノンパワーであるため、マルチステップ回折面での反射光は、入射光と同じ光路を経て戻る。一方、一例として図１８（Ｂ）に示されるように、マルチステップ回折面に非平行光が入力すると、マルチステップ回折面での反射光は、発散光となる。

そこで、一例として図１９（Ａ）に示されるように、仮にカップリングレンズの射出面側にマルチステップ回折面が設けられていると、光源からの光束は、射出面に到達する前に既に平行光束となっているため、マルチステップ回折面からの反射光は、入射光と同じ光路を経て光源に戻る。この戻り光は、光源における出力を不安定にし、画像品質を劣化させる要因となる。

本実施形態では、各カップリングレンズの入射面側にマルチステップ回折面が設けられているため、一例として図１９（Ｂ）に示されるように、マルチステップ回折面からの反射光は、発散光となり、光源における出力を不安定にするおそれはない。

「コバ部について」
また、本実施形態では、各カップリングレンズは外周近傍にコバ部を有し（図８参照）、該コバ部における紫外光の透過率が少なくとも３０％となるように設定されている。これにより、調整後のカップリングレンズを例えばＬＤユニット上にＵＶ硬化性樹脂を用いて接着することが可能となる。そこで、カップリングレンズを保持するための保持機構が不要となり、更なる低コスト化を図ることができる。

図２に戻り、開口板１６ａは、開口部を有し、カップリングレンズ１５ａを介した光束のビーム径を規定する。開口板１６ｂは、開口部を有し、カップリングレンズ１５ｂを介した光束のビーム径を規定する。

シリンドリカルレンズ１７は、各開口板の開口部を通過した光束を、反射ミラー１８を介してポリゴンミラー１３の偏向反射面近傍に副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して結像する。このシリンドリカルレンズ１７は、ガラス製であり、基準温度（２５℃）において６５５ｎｍの光に対する屈折率が１．５１４４、線膨張係数が７．５×１０^−６／Ｋの物性を有する。

シリンドリカルレンズ１７の入射面は、副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向）の近軸曲率半径が３６．１ｍｍのシリンドリカル面である。

各光源とポリゴンミラー１３との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本実施形態では、偏向器前光学系は、２つのカップリングレンズ（１５ａ、１５ｂ）と２つの開口板（１６ａ、１６ｂ）とシリンドリカルレンズ１７と反射ミラー１８とから構成されている。

反射ミラー１８とポリゴンミラー１３との間、及びポリゴンミラー１３と偏向器側走査レンズ１１ａとの間には、防音ガラス２１が配置されている。

ポリゴンミラー１３は、一例として内接円の半径が１８ｍｍの６面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面となる。このポリゴンミラー１３は、副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向）に平行な軸の周りを等速回転しながら、反射ミラー１８からの光束を偏向する。

光源１４ａからの光束のポリゴンミラー１３への入射角は、主走査対応方向に関して５６．４５°、副走査対応方向に関して０°である。また、光源１４ｂからの光束のポリゴンミラー１３への入射角は、主走査対応方向に関して５９．５５°、副走査対応方向に関して０°である。

偏向器側走査レンズ１１ａは、ポリゴンミラー１３で偏向された光束の光路上に配置されている。

像面側走査レンズ１１ｂは、偏向器側走査レンズ１１ａを介した光束の光路上に配置されている。

ポリゴンミラー１３と感光体ドラム１０３０との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本実施形態では、走査光学系は、偏向器側走査レンズ１１ａと像面側走査レンズ１１ｂとから構成されている。

ポリゴンミラー１３で偏向された光束は、走査光学系によって感光体ドラム１０３０の表面上に集光される。感光体ドラム１０３０の表面上の光スポットは、ポリゴンミラー１３の回転に伴って、感光体ドラム１０３０の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム１０３０上を走査する。このときの光スポットの移動方向が「主走査方向」である。

また、像面側走査レンズ１１ｂと感光体ドラム１０３０との間には、防塵ガラス２２が配置されている。

各走査レンズは、いずれも樹脂製のレンズであり、温度変化による膨張収縮量はガラス製のレンズより大きい。この樹脂は、基準温度において、６５５ｎｍの光に対する屈折率が１．５２７３であり、線膨張係数が７．０×１０^−５／Ｋの物性を有する樹脂である。

偏向器側走査レンズ１１ａの入射面（第１面）及び像面側走査レンズ１１ｂの各面は、それぞれ特殊トロイダル面である。各特殊トロイダル面は、主走査対応方向のレンズ高さに応じて、副走査対応方向の曲率が変化する面であり、次の（４）式及び（５）式により表現される。なお、Ｃ_ｍ＝１／Ｒ_ｙである。

ここで、ｘは光軸方向のデプス、Ｒ_ｙは主走査対応方向（ここでは、Ｙ軸方向）の近軸曲率半径、Ｒ_ｚは副走査対応方向（ここでは、Ｚ軸方向）の近軸曲率半径、ｙは光軸からの主走査対応方向の距離、ｚは光軸からの副走査対応方向の距離、Ｋは円錐定数、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０、Ａ_１２、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、…はいずれも係数である。

また、偏向器側走査レンズ１１ａの射出面（第２面）は、回転対称の非球面である。ここで用いられる非球面は、近軸曲率半径の逆数（近軸曲率）をＣ、光軸からの高さをＨとするとき、次の（６）式により表現される。

偏向器側走査レンズ１１ａの入射面（第１面）及び射出面（第２面）における各値が図２０に示されている。

像面側走査レンズ１１ｂの入射面（第３面）及び射出面（第４面）における各値が図２１に示されている。

また、各カップリングレンズの射出面における各値が図２２に示されている。

本実施形態では、走査光学系の副走査方向に関する横倍率は−０．９８７９倍である。

また、感光体ドラム１０３０における有効走査領域の長さ（主走査方向の書込み幅）は３２０ｍｍである。また、半画角は３６．１度である。

主要な光学素子の具体的な位置関係が図２３及び図２４に示されている。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置１０１０によると、２つの光源（１４ａ、１４ｂ）、偏向器前光学系、ポリゴンミラー１３、及び走査光学系を備え、偏向器前光学系は、２つのカップリングレンズ（１５ａ、１５ｂ）と２つの開口板（１６ａ、１６ｂ）とシリンドリカルレンズ１７と反射ミラー１８とから構成されている。そして、各カップリングレンズは、室温でパワーを持たず、光軸に略垂直な複数の輪帯面と各輪帯面に隣接する複数のステップ面とを有するマルチステップ状の回折面を有している。また、この回折面は、光軸が含まれる断面形状において、各輪帯面と各ステップ面とのなす角が鈍角である。これにより、温度補償機能を有する安価な回折光学素子を用いることができる。従って、高コスト化を招くことなく、安定した光走査が可能となる。

また、本実施形態における各カップリングレンズは、実質的に平凸レンズと等価なので、発散光束が入射する側に、実質的に平面となるマルチステップ回折面を設けることにより、光軸から大きく離れた位置にある発光部に対して収差補正が容易となる。

また、本実施形態では、マルチステップ回折面をカップリングレンズに設けているために、光軸に対して回転対称な構造とすることができる。これにより、金型製作上の簡便性が更に向上し、より低コストな加工法でカップリングレンズを作製することが可能になる。

なお、カップリングレンズの外形形状も回転対称とすることが好ましい。これにより、組み付け時に、光軸中心の回転を考慮する必要がなくなり、組み付けにかかる手間を低減することができる。

ところで、１個の発光部を有するＬＤ素子を複数用い、各ＬＤ素子からの光束を合成してマルチビーム化することが考えられる。この場合に、ＬＤ素子間の発振波長のばらつきは±１０ｎｍ程度であり、ＬＤアレイにおける発光部間の発振波長のばらつきと比較して数倍大きい。回折レンズは光束の波長が異なると結像位置に違いを生じるため、ＬＤ素子間の発振波長のばらつきは無視できない。そこで、カップリングレンズに回折レンズを用いると、ＬＤ素子毎に回折レンズを設けることができ、複数のＬＤ素子の発振波長がそれぞれ異なっていても、発振波長に応じてそれぞれを所望の光束に変換することが可能である。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ１０００によると、高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行うことができる光走査装置１０１０を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

なお、上記実施形態では、各光源が２つの発光部を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、２つの光源を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、各光源におけるＬＤアレイの回転角αが５５．５°の場合について説明したが、これに限定されるものではない。回転角αは、ＬＤアレイにおける発光部間隔、及び所望の解像度に応じて決定される。

また、上記実施形態では、ポリゴンミラー１３が、６面鏡を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

なお、上記実施形態における光走査装置１０１０の構成は一例であり、これに限定されるものではない。ここで、上記光走査装置１０１０に用いることができる別の構成例を図２５〜図２８を用いて以下に簡単に説明する。なお、上記実施形態との相違点を中心に説明するとともに、上記実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。

（１）各光源におけるＬＤアレイの回転角αは７０．６°である。また、光源１４ａからの光束のポリゴンミラー１３への入射角は、主走査対応方向に関して６２．４５°、副走査対応方向に関して０°である。また、光源１４ｂからの光束のポリゴンミラー１３への入射角は、主走査対応方向に関して６５．５５°、副走査対応方向に関して０°である。

（２）各カップリングレンズでは、Ｃ_Ｈ＝−１．５６０×１０^−３であり、第２の面の曲率半径Ｒ＝−１８５ｍｍである。また、マルチステップ状における段差の大きさは１．１３５μｍである。そして、最小ピッチ（最外輪帯）は６９．８７８μｍ、段数は２１段である。

（３）ポリゴンミラー１３は、内接円の半径が８ｍｍの４面鏡を有している。

（４）偏向器側走査レンズ１１ａの入射面（第１面）及び射出面（第２面）における各値が図２５に示されている。

（５）像面側走査レンズ１１ｂの入射面（第３面）及び射出面（第４面）における各値が図２６に示されている。

（６）前記符号ｄ１〜ｄ１０の具体的な値（単位ｍｍ）の一例が図２７に示されている。

図２８には、この場合における、環境温度が１０℃、４５℃及び６０℃のときの感光体ドラム１０３０の表面での主走査方向に関する結像位置の変化量が示されている。この図より明らかなように、上記実施形態と同様に、結像位置の変化量は０．２０ｍｍ以内であり、十分に温度補償がなされている。

なお、上記実施形態において、各光源と各カップリングレンズをユニット化し、光源ユニットとしても良い。

図２９には、光源ユニットの実施例１が示されている。

各半導体レーザ（４０３、４０４）は、各々ベース部材４０５の裏側に形成された不図示の２つの嵌合孔に個別に嵌合されている。各嵌合孔は、互いに主走査対応方向を含む面内で所定角度（ここでは約１．５°）傾斜している。そして、各嵌合孔に嵌合された各半導体レーザも、互いに主走査対応方向を含む面内で所定角度（ここでは約１．５°）傾斜している。また、各半導体レーザの円筒状のヒートシンク部（４０３−１、４０４−１）には、切り欠きが形成されている。そこで、押え部材（４０６、４０７）の中心丸孔に形成された突起（４０６−１、４０７−１）を上記ヒートシンク部の切り欠き部に合わせることによって光源の配列方向が合わせられている。押え部材（４０６、４０７）はベース部材４０５にその背面側からネジ４１２で固定されることにより、各半導体レーザがベース部材４０５に固定されている。また、各カップリングレンズ（４０８、４０９）は、その外周をベース部材４０５の半円状の取り付けガイド面（４０５−４，４０５−５）に沿わせて光軸方向の調整を行い、発光部から射出した発散ビームが平行光束となるよう位置決めされ接着されている。

そして、各半導体レーザからの光線が主走査対応方向を含む面内で交差するようにするため、光線方向に沿って各嵌合孔及び半円状の取り付けガイド面（４０５−４，４０５−５）を傾けて形成している。ベース部材４０５の円筒状係合部４０５−３をホルダ部材４１０に係合し、ネジ４１３を貫通孔４１０−２に通してネジ孔（４０５−６、４０５−７）に螺合することによって、ベース部材４０５がホルダ部材４１０に固定されている。

ホルダ部材４１０は、その円筒部４１０−１が光学ハウジングの取り付け壁４１１に設けた基準孔４１１−１に嵌合されている。そして、取り付け壁４１１の表側よりスプリング６１１を挿入してストッパ部材６１２を円筒部突起４１０−３に係合することで、ホルダ部材４１０は、取り付け壁４１１の裏側に密着して保持され、これによって光源ユニットが保持されている。スプリング６１１の一端を取り付け壁４１１の突起４１１−２に引っ掛け、スプリング６１１の他端を光源ユニットに引っ掛けることで、光源ユニットに円筒部中心を回転軸とした回転力を発生している。この光源ユニットの回転力を係止するように設けた調節ネジ６１３を具備していて、この調節ネジ６１３により、光軸の周りであるθ方向にユニット全体を回転しピッチを調節することができるようになっている。

図３０（Ａ）には、光源ユニットの実施例２が示されている。

半導体レーザ７０３からの各光束は、ビーム合成手段で合成される。図３０（Ａ）における符号７０６は押え部材、符号７０５はベース部材、符号７１０はホルダ部材をそれぞれ示している。この実施例２では、光源としての半導体レーザ７０３は１個であり、これに応じて押え部材７０６が１個である点が上記実施例１と異なっており、他の構成は基本的に同じである。

図３０（Ｂ）には、光源ユニットの実施例３の特徴部が示されている。これは、上記実施例２に準じる構成のものであって、ここでは、光源は、４個の発光部を持つ半導体レーザアレイ８０１を有している。半導体レーザアレイ８０１からの光束は、ビーム合成手段で合成される。基本的な構成要素は上記実施例１及び実施例２と同様であり、ここでは説明を省略する。

また、上記実施形態において、前記ＬＤアレイに代えて、垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）のアレイ（面発光レーザアレイ）を用いても良い。

なお、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ１０００の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、光走査装置１０１０を備えた画像形成装置であれば、結果として、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

例えば、レーザ光によって発色する媒体（例えば、用紙）に直接、レーザ光を照射する画像形成装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

また、多色のカラー画像を形成する画像形成装置であっても、カラー画像に対応した光走査装置を用いることにより、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を高速で形成することが可能となる。

例えば、図３１に示されるように、複数の感光体ドラムを備えるカラープリンタ２０００であっても良い。

このカラープリンタ２０００は、４色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、ブラック用の「感光体ドラムＫ１、帯電装置Ｋ２、現像装置Ｋ４、クリーニングユニットＫ５、及び転写装置Ｋ６」と、シアン用の「感光体ドラムＣ１、帯電装置Ｃ２、現像装置Ｃ４、クリーニングユニットＣ５、及び転写装置Ｃ６」と、マゼンタ用の「感光体ドラムＭ１、帯電装置Ｍ２、現像装置Ｍ４、クリーニングユニットＭ５、及び転写装置Ｍ６」と、イエロー用の「感光体ドラムＹ１、帯電装置Ｙ２、現像装置Ｙ４、クリーニングユニットＹ５、及び転写装置Ｙ６」と、光走査装置２０１０と、転写ベルト２０８０と、定着ユニット２０３０などを備えている。

各感光体ドラムは、図３１中の矢印の方向に回転し、各感光体ドラムの周囲には、回転方向に沿ってそれぞれ帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニングユニットが配置されている。各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。帯電装置によって帯電された各感光体ドラム表面に光走査装置２０１０により光が照射され、各感光体ドラムに静電潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像装置により各感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写装置により、記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着ユニット２０３０により記録紙に画像が定着される。

光走査装置２０１０は、前記光源（１４ａ、１４ｂ）と同様な光源、前記偏向器前光学系と同様な偏向器前光学系、及び前記走査光学系と同様な走査光学系を、色毎に有している。そして、各光源からの光束は、共通の偏向器で偏向され、対応する走査光学系を介して、対応する感光体ドラムに照射される。

すなわち、光走査装置２０１０は、室温でパワーを持たない回折面を有する複数のカップリングレンズを有している。そして、各カップリングレンズの回折面は、光軸に略垂直な複数の輪帯面と各輪帯面に隣接する複数のステップ面とを有するマルチステップ状を有している。また、この回折面は、光軸が含まれる断面形状において、各輪帯面と各ステップ面とのなす角が鈍角である。

そこで、光走査装置２０１０は、前記光走査装置１０１０と同様な効果を得ることができる。そして、カラープリンタ２０００は、高コスト化を招くことなく、高品質のカラー画像を安定して形成することが可能となる。

なお、このカラープリンタ２０００において、前記光走査装置２０１０に代えて、色毎に前記光走査装置１０１０を用いても良い。

以上説明したように、本発明の光走査装置によれば、高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行うのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成するのに適している。

本発明の一実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置を示す概略図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、それぞれ図２における光源１４ａに含まれるＬＤアレイを説明するための図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれ図２における光源１４ｂに含まれるＬＤアレイを説明するための図である。 副走査対応方向に関する各ＬＤアレイの位置関係を説明するための図である。 感光体ドラム表面における走査線を説明するための図である。 主走査対応方向を含む面内での各光源の位置関係を説明するための図である。 図２におけるカップリングレンズを説明するための図である。 図２におけるカップリングレンズの回折面を説明するための図である。 本実施形態における結像位置の変化量と温度との関係を説明するための図である。 回折光学素子を用いないときの結像位置の変化量と温度との関係を説明するための図である。 回折面におけるステップ面を説明するための図である。 図１３（Ａ）は、基準状態でのＦＦＰの形状を説明するための図であり、図１３（Ｂ）は、回転状態でのＦＦＰの形状を説明するための図である。 図１４（Ａ）は、基準状態での、副走査対応方向に直交する面内での光束の発散度を説明するための図であり、図１４（Ｂ）は、回転状態での、副走査対応方向に直交する面内での光束の発散度を説明するための図である。 図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれカップリングレンズの焦点距離と有効径での光量との関係を説明するための図である。 ＬＤアレイが基準状態にあるときのスポット径深度を説明するための図である。 ＬＤアレイを基準状態から７０°回転したときのスポット径深度を説明するための図である。 図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、それぞれ回折面での反射光を説明するための図（その１）である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、それぞれ回折面での反射光を説明するための図（その２）である。 偏向器側走査レンズの光学面形状を説明するための図である。 像面側走査レンズの光学面形状を説明するための図である。 コリメートレンズの光学面形状を説明するための図である。 図２の光学系における主要な光学素子の位置関係を説明するための図（その１）である。 図２の光学系における主要な光学素子の位置関係を説明するための図（その２）である。 別の構成例の光学系における偏向器側走査レンズの光学面形状を説明するための図である。 別の構成例の光学系における像面側走査レンズの光学面形状を説明するための図である。 別の構成例の光学系における主要な光学素子の位置関係を説明するための図である。 別の構成例の光学系を用いたときの結像位置の変化量と温度との関係を説明するための図である。 光源ユニットの実施例１を説明するための図である。 図３０（Ａ）は光源ユニットの実施例２を説明するための図であり、図３０（Ｂ）は光源ユニットの実施例３を説明するための図である。 タンデム方式のカラープリンタの概略構成を示す図である。

符号の説明

１４ａ…光源、１４ｂ…光源、１５ａ…カップリングレンズ（回折光学素子）、１５ｂ…カップリングレンズ（回折光学素子）、１０００…レーザプリンタ（画像形成装置）、１０１０…光走査装置、１０３０…感光体ドラム（像担持体）、２０００…カラープリンタ（画像形成装置）、２０１０…光走査装置、Ｋ１，Ｃ１，Ｍ１，Ｙ１…感光体ドラム（像担持体）。

Claims (13)

1. 光源及び偏向器前光学系を有し、前記光源からの光束により被走査面を走査する光走査装置において、
   前記偏向器前光学系は、室温でパワーを持たない回折面を有する少なくとも１つの回折光学素子を含み、
   前記回折面は、光軸に略垂直な複数の輪帯面と各輪帯面に隣接する複数のステップ面とを有するマルチステップ状を有し、該回折面の前記光軸が含まれる断面形状において、各輪帯面と各ステップ面とのなす角が鈍角であることを特徴とする光走査装置。
2. 前記回折光学素子は、ガラス製であることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記回折面は、光束の入射側及び射出側の面うち、その面で反射する光束の発散度の大きい側に設けられている面であることを特徴とする請求項１又は２記載の光走査装置。
4. 前記回折光学素子は、色収差に対する補正が過剰であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 前記回折光学素子は、前記光軸を中心とした回転対称な形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光走査装置。
6. 前記偏向器前光学系は、前記光源から射出された光束を略平行光とするカップリング光学系を有し、
   前記回折光学素子は、前記カップリング光学系に含まれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光走査装置。
7. 前記回折面は、回折効果を有する第１の面と屈折効果を有する第２の面とが合成された面であり、前記第１の面のパワーと前記第２の面のパワーは互いに相殺されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光走査装置。
8. 前記回折光学素子は、前記光軸に垂直なコバ部を有し、該コバ部の光透過率が少なくとも３０％であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光走査装置。
9. 前記光源は、複数の発光部を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光走査装置。
10. 前記光源は、前記複数の発光部を有する垂直共振器型の面発光レーザアレイを含むことを特徴とする請求項９に記載の光走査装置。
11. 前記回折光学素子は、（肉厚÷設計波長における焦点距離）の値が、０．０８よりも大きく、かつ０．１６よりも小さいことを特徴とする請求項９又は１０に記載の光走査装置。
12. 少なくとも１つの像担持体と；
    前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
13. 前記画像情報は、カラー画像情報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。