JP2009192563A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源と、前記光源を変調駆動する光源駆動手段と、被走査面上の走査位置に応じた所定の画素のパルス幅情報を保持するパルス幅情報保持手段と、前記光源からの光束(201〜204)を偏向走査する反射面を有する偏向手段(106)と、該偏向手段により偏向された光束を被走査面上に結像させる走査結像光学系とを有し、前記パルス幅情報保持手段は、被走査面における走査位置による主走査ビームスポット径の偏差を相殺するようなパルス幅情報を保持し、前記光源駆動手段は、前記パルス幅情報保持手段の情報に基づいて光源を駆動することを特徴とする光走査装置である。
【選択図】図6
Description
H=K×sin−1(f/2f0)
(但し、H:像高、K:比例定数、f:振れ角、f0:振幅)
で示されるような結像特性(f・arcsin特性)を有する走査結像光学系(f・arcsinレンズ)を用いることにより、主走査光束のウェスト位置を光学的に補正し、広い有効書込幅と、良好な走査等速性を有する光走査装置を得ることが記載されている。しかしながら、上記光学的補正を行うと、それに伴って被走査面上において主走査光束のスポット径の像高間偏差が大きくなり、結局画像品質の劣化を招くという問題点がある。
〔1〕 光源(半導体レーザ221、222)と、
前記光源を変調駆動する光源駆動手段(図3)と、
被走査面(感光体ドラム101〜104)上の走査位置に応じた所定の画素のパルス幅情報を保持するパルス幅情報保持手段(メモリ(パルス幅情報保持手段)409)と、
前記光源からの光束(ビーム201〜204)を偏向走査する反射面を有する偏向手段(ポリゴンミラー160、振動ミラー106)と、
該偏向手段により偏向された光束を被走査面上に結像させる走査結像光学系とを有し、
前記パルス幅情報保持手段は、被走査面における走査位置による主走査ビームスポット径の偏差を相殺するようなパルス幅情報を保持し、
前記光源駆動手段は、前記パルス幅情報保持手段の情報に基づいて光源を駆動することを特徴とする光走査装置(図1、図6、図11)である。
従来、光走査装置において、有効書込領域全域にわたって、一様な発光時間にてドットを形成すると、形成される走査ビームスポット径の偏差が発生することがあり、その場合形成する画像の劣化を引き起こすという課題があった。
該〔1〕に記載の光走査装置においては、前記光源の発光時間を、主走査方向のビームスポット径の偏差を相殺するように設定することにより、前記偏向手段駆動時の走査ビームスポット径を有効書込領域全域にわたり均一に保ち、良好な画像を形成することができる。
従来、被走査面上での走査速度の等速性(リニアリティ)が悪い場合、有効書込領域全域にわたって、一様な発光時間にてドットを形成すると、形成される走査ビームスポット径の偏差が発生し、画像劣化を引き起こすという課題があった。
該〔2〕に記載の光走査装置においては、等速走査となるような前記走査結像光学系とすることにより、走査ビームスポット径を有効書込領域全域にわたり均一に保ち、良好な画像を形成することができる。
画素ごとにパルス幅情報を保持するためには多くのメモリが必要となり、高コストとなるが、該〔3〕に記載の光走査装置においては、被走査面を複数の区間に分割し、段階的に変化するパルス幅情報を記憶させることにより、メモリに関するコストを抑えることができる。
該〔4〕に記載の光走査装置においては、被走査面を対称に分割することにより、前記パルス幅情報保持手段の必要なメモリをより少なくし、低コストとすることができる。
走査ビームスポット径の変化が大きい走査領域において、パルス幅情報に基いて光源を駆動しても補正残差が大きくなるということがあるが、該〔5〕に記載の光走査装置においては、走査ビームスポット径の変化が大きい走査領域の走査幅(分割間隔)を細かく設定することにより、補正残差をより小さく抑え、走査ビームスポット径をより均一化することができる。
前記光源駆動手段は、所定の画素を形成する際、被走査面の走査幅の中央部よりも周辺部のパルス幅を相対的に短くすることを特徴とする前記〔1〕から〔5〕のいずれかに記載の光走査装置である(図6,図11)。
光走査装置において従来多く用いられているポリゴンミラーでは、高速回転を行う際に、発熱、振動、音、消費電力が大きいという問題がある。一方、MEMSを用いたマイクロミラーでは、これらの問題は解決できるが、正弦的に反射面が往復振動することが一般的であるため、画像中央部に対して周辺部の走査速度が遅くなるという問題がある。このため、前記〔2〕に記載したような等速性を保つ走査光学系を通すと、周辺部のビームスポット径が中央部に比べて太り、画像の劣化を引き起こしてしまうことがある。
該〔6〕に記載の光走査装置においては、前記偏向手段として、回転軸により反射面が往復振動するマイクロミラーを用いることにより、発熱、振動、音、消費電力を抑えられるとともに、その際に発生するビームスポット径の像高間偏差を発光時間にて補正することにより、走査ビームスポット径を有効書込領域全域にわたり均一に保ち、良好な画像を形成することができる。
前記〔6〕において、発光時間を走査位置ごとに変化させると、同サイズの画素を形成する際に、それぞれの積分光量が走査位置ごとに変化してしまうことがある。
該〔7〕に記載の光走査装置においては、発光時間を相対的に短く設定する走査位置において、発光強度を強くし、それぞれの走査位置において同サイズの画素を形成する積分光量を均一に保ち、良好な画像を形成することができる。
前記偏向手段の有効径により光束径を設定する光学系(オーバーフィルド光学系)の場合、画像周辺部を走査する際の光束径が小さくなるため、周辺部における必要光量が大きくなり、光源(LD)の必要最大出力の制約が厳しくなることがある。
該〔8〕に記載の光走査装置においては、光学系に起因する走査位置ごとの光量変動を抑えることにより、画像周辺部での必要光量を低減し、より光量が必要な高速な光走査への適用可能性を広げることができる。
偏向反射により被走査面を走査するミラー面が、その反射率が入射角によって偏差を持ってしまい、光学系に起因する走査位置ごとの光量変動が発生してしまうことがある。
該〔9〕に記載の光走査装置においては、金属膜は、その反射率の入射角度による偏差が少ないので、光学系に起因する走査位置ごとの光量変動を抑えられるため、これを用いた前記偏向手段は、画像周辺部での必要光量を低減し、より光量が必要な高速な光走査への適用可能性を広げることができる。
光走査装置を製造する際に発生する様々な公差により、被走査面上の走査速度が変化すると、主走査方向のドット位置がずれるという課題があった。
該〔10〕に記載の光走査装置においては、各画素毎に点灯開始タイミングを個別設定することにより、走査速度を変化させる場合においても、あたかも等速に走査しているように走査速度を補正でき、ドットの位置ずれもなく、ビームスポット径も均一な、より良好な画像を形成することができる。
少なくとも1つの被走査面へ導光する前記反射ミラーの枚数を、他の被走査面と異なるように選択することを特徴とする前記〔1〕から〔10〕のいずれかに記載の光走査装置である(図1、図6、図11)。
該〔11〕に記載の光走査装置においては、それぞれの被走査面ごとの、走査位置に応じた光利用効率がより均一になるよう前記反射ミラーの枚数を選択することにより、光学系に起因する走査位置ごとの光量変動を抑えられ、画像周辺部での必要光量を低減し、より光量が必要な高速な光走査への適用可能性を広げることができる。また、レイアウト性を向上することも可能となる。
折り返しミラーが光路中に入ることにより走査位置ごとの光量変動が大きくなることがある。
該〔12〕に記載の光走査装置においては、複数の色材にて画像を形成する場合に、最も明度の低い色材(例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラック中のブラック)が最も視認されやすいため、最も明度の低い色材の反射ミラーを少なくすることにより、最も視認されやすい色材の走査位置ごとの光量変動を低減でき、画像劣化を目立たなくすることが可能となる。
一般的な光走査装置に備えられている防塵ガラスは、走査位置ごとの光量変動を大きくすることがある。
該〔13〕に記載の光走査装置においては、前記個別走査レンズが防塵ガラスの機能を併せ持つことにより、走査位置ごとの光量変動を低減することができる。
該〔14〕に記載の画像形成装置においては、走査ビームスポット径を有効書込領域全域にわたり一定にでき、良好な画像を形成できる画像形成装置を提供することができる。
本発明の実施形態として、光走査装置について説明する。図1は、本発明の光走査装置の一実施形態を説明するための図であり、図1は4ステーションを単一のポリゴンミラーにより走査する方式の光走査装置である。
図示するように各感光体ドラムを走査する光走査装置は一体的に構成され、転写体の移動方向105に沿って等間隔で配列された4つの感光体ドラム101、102、103、104に対し、各々に対応した光源からのビームを、偏向手段であるポリゴンミラー160での主走査方向に偏向後に再度分離して導き、4つの感光体ドラムがそれぞれ副走査方向に回転することにより2次元画像を形成する。
ポリゴンミラー160は2段構成になっており、その上下段に対して各光源からのビームを入射させることで、各光源ユニットからのビームを一括して偏向、走査するようにしている。1枚のポリゴンミラーにより複数の走査領域を走査することにより、低コスト化がはかれる。
光源である半導体レーザ221、222は、ホルダ部材206に形成された嵌合穴223、224に裏側からステム外周を基準に、ステム外周に沿った回転方向を位置決めして、圧入固定される。
また、上下にU字状溝を有する突起部205には、カップリングレンズ210、211の光軸が各々半導体レーザ221、222の射出軸と一致するように、また、射出光束が発散光束となるように発光点との光軸方向の位置決めを行い、突起部とカップリングレンズとの隙間にUV接着剤を充填して、これを硬化させ固定する。半導体レーザ221、222が上述したような2つ以上の発光点を有する場合は、それぞれの発光点の中点を通り、各光軸に平行な軸とカップリングレンズ210、211の光軸が一致するように配置する。
光源ユニットは、図示しない射出軸Cと直交するハウジング取付面に対し、ホルダ部材206に形成された円筒状の突起部207を位置決め基準とし、上下に支軸208を介して連結された取付座面209が、ホルダ部材と一体成形されており、ハウジング取付面に座面を当接してネジ固定する。
fθレンズfθレンズ120は上下段に構成され、ポリゴンミラー160の上下段にて偏向されたそれぞれのビームを、感光体ドラム101、102、103、104の表面に所定のビームスポット径にて結像させる。
光源ユニット107からの下段のビーム202は、反射ミラー127、128で反射され、感光体ドラム102上にスポット状に結像し、第2の画像形成ステーションとしてシアン色の画像情報に基いた潜像を形成する。
光源ユニット108からの下段のビーム204は、反射ミラー130、131で反射され、感光体ドラム103上にスポット状に結像し、第3の画像形成ステーションとしてマゼンタ色の画像情報に基いた潜像を形成する。
光源ユニット108からの上段のビーム203は、反射ミラー132で反射され、感光体ドラム104上にスポット状に結像し、第4の画像形成ステーションとしてイエロー色の画像情報に基いた潜像を形成する。
本実施形態では、照明用のLED素子154と反射光を受光するフォトセンサ155および一対の集光レンズ156とからなり、画像の左右両端と中央の3ヵ所に配備され、転写ベルトの移動に応じて基準色であるブラックとの検出時間差を読み取っていく。
=(1/Rm)・Y2/{1+√(1−(1+a0)・(1/Rm)2・Y2)}
+a4・Y4+a6・Y6+・・・
+Cs(Y)・Z2/{1+√(1−Cs(Y)2・Z2)}
+(f0+f1・Y+f2・Y2+・・・)・Z (式(1))
(ここで、Cs(Y)=1/Rs+b2・Y2+b4・Y4+・・・)
(120a面)
a0=−5.36E+01
a4=−1.38E−06
a6=−1.58E−09
a8=3.66E−12
a10=−8.31E−15
a12=1.13E−17
a14=−5.98E−21
但し、E+01=×1001、E−07=×10−07
であり、以下においても同様の意味である。
(120b面)
a0=1.95E+00
a4=−9.04E−07
a6=−1.04E−09
a8=1.33E−12
a10=−3.01E−15
a12=3.40E−18
a14=−1.39E−21
b1=−2.08E−05
b2=1.68E−05
b3=−1.08E−08
b4=−1.02E−08
b5=4.96E−12
b6=9.77E−14
本実施形態において、走査ビームスポット径は上記のように有効書込領域全域で均一化をはかることができるが、各像高で走査速度が異なるので、主走査方向のドット位置を調整することが必須となる。そのため、以下のような主走査方向ドット位置補正を同時に行っている。
各色毎にラスター展開された画像データはフレームメモリ408に各々一時保存され、画像処理部に順に読み出されて、前後の関係を参照しながら中間調に対応したマトリクスパターンに応じて各ラインの画素データが形成され、各発光源に対応したラインバッファ407に転送される。書込制御回路は、ラインバッファ407から、同期検知信号をトリガとして各々読み出されて独立に変調する。また、前述したような、各像高に応じたパルス幅情報を記憶させているメモリ(パルス幅情報保持手段)409から、それぞれの像高に対するパルス幅情報を読み出し、そのパルス幅にて光源を駆動させる。
前記光源駆動手段は、1ライン内の各画素毎に点灯を開始するタイミングを個別に設定する機能を有することが好ましい。
デューティ50%とすると設定値L=3が与えられ、カウンタ403で4カウントされ画素クロックPCLKを立ち下げる。1/8クロック位相を遅らせるとすると位相データH=6が与えられ、7カウントで立上げる。同時にカウンタがリセットされるので、4カウントで再び立ち下げる。つまり、隣接するパルス周期が1/8クロック分縮められたことになる。
Ni=Ni/p/16ΔLi
となり、ni画素毎に位相をシフトしてやればよい。
画素クロックfcとすると、トータルでの位相差Δtは、位相シフト回数Ni/niを用い
Δt=1/16fc×∫(Ni/ni) di
となり、Nドット目の画素における位相差Δtについても同様に、それまでの位相シフトの累積回数により設定できる。
尚、分割された区間の走査幅(以下、「領域幅」という)は均等であっても不均等であってもよく、分割数もいくつであっても構わないが、各画素でのシフト量が大きくなると、その段差が画像上目立ちやすくなるため、画素ピッチpの1/4単位以下とするのが望ましく、逆に位相シフト量が小さくなると位相シフト回数が増えメモリ容量が増えてしまう。また、分割数が少ないほどメモリ容量が少なくてすむため、主走査到達位置ずれが大きい領域の領域幅を小さく、小さい領域の領域幅を大きく設定することが効率的である。
本発明の2つ目の実施形態として、光走査装置について説明する。図6は、本発明の光走査装置の一実施形態を説明するための図であり、図6は4ステーションを単一の振動ミラーにより走査する方式の光走査装置である。
図1と同様な部分については同じ符号を付してあらわしている。
本実施形態では、偏向手段である振動ミラー106に対して各光源ユニットからのビームは副走査方向に異なる入射角で斜入射させることで、各光源ユニットからのビームを一括して偏向、走査するようにしている。1枚の振動ミラーにより複数の走査領域を走査することにより、低コスト化をはかれる上に、複数の振動ミラーを用いる際に必要不可欠となる、共振振動数や駆動周波数、振幅や振れ角の合わせこみが不要となり、製造工程の短縮化、光学性能の向上がはかれる。
光源ユニット108からの上段のビーム203は、反射ミラー127で反射され、第2走査レンズ123、反射ミラー128を介して感光体ドラム102上にスポット状に結像し、第2の画像形成ステーションとしてシアン色の画像情報に基いた潜像を形成する。
光源ユニット107からの上段のビーム201は、反射ミラー129で反射され、第2走査レンズ124、反射ミラー130を介して感光体ドラム103上にスポット状に結像し、第3の画像形成ステーションとしてマゼンタ色の画像情報に基いた潜像を形成する。
光源ユニット107からの下段のビーム202は、反射ミラー131で反射され、第2走査レンズ125、反射ミラー132を介して感光体ドラム104上にスポット状に結像し、第4の画像形成ステーションとしてイエロー色の画像情報に基いた潜像を形成する。
θ0≧α/2>θd
θ0≧θs>θd
(ここで、θdは感光体上を走査する有効振れ角、θsは同期検知時の振れ角)
なる関係となるよう、光源からの光ビームの平均入射角αを設定している。このように設定することにより、斜入射角を小さくでき、光学性能の劣化を最低限に抑えている。例えば、正面入射のような方式をとる場合、斜入射角を大きくして副走査方向に光学素子の干渉を回避しなければならず、光学性能の劣化を招いてしまう。
具体的には、θ0=25°、θd=15°、α=45°、θs=18°である。
尚、同期検知センサを、θs>α/2なるように配置してもよい。
(120a面)
a4=−3.09E−06
a6=1.49E−09
a8=1.11E−11
a10=−2.51E−14
a12=1.48E−17
(120b面)
a4=−2.50E−06
a6=1.63E−09
a8=−2.88E−12
a10=1.41E−14
a12=−1.94E−17
b2=2.23E−05
b4=1.20E−09
(122a面)
a4=−7.61E−07
a6=2.64E−10
a8=−3.69E−14
a10=1.60E−18
a12=1.71E−23
b2=−1.12E−06
b4=4.49E−10
b6=−2.59E−13
b8=6.10E−17
b10=−6.15E−21
b12=2.41E−25
(122b面)
a4=−6.91E−07
a6=2.25E−10
a8=−2.56E−14
a10=1.94E−19
a12=8.45E−23
f2=−5.80E−08
f4=−1.43E−11
よって、以降に記載する設計中央値の各光学特性は、悪い特性の方の斜入射角が小さい方を代表して示す。
被走査面を主走査方向において複数の区間に分割し、分割された一の区間における前記パルス幅情報が同一であることが好ましい。また、前記複数の区間は、被走査面の主走査方向における中央部を中心として対称に分割されてなることが好ましい。さらに、前記複数の区間は、少なくとも一の区間が、他の区間とは異なる走査幅で分割されることが好ましい。
本発明の光走査装置において、前記反射ミラーは、該複数の被走査面に対し複数枚有し、少なくとも1つの被走査面へ導光する前記反射ミラーの枚数を、他の被走査面と異なるように選択することが好ましい。そして、上記のように、前記複数の被走査面のうち最も明度の低い色材の画像形成に寄与する被走査面に対し、前記反射ミラーの枚数を最も少ない枚数で導光することが好ましい。
光学素子の数を減ずることにより、像高ごとの光量ばらつき(殆どの場合、周辺像高の光利用効率の劣化)を低減することができるので、より好ましくは、光走査装置を封止するために一般的に構成されている防塵ガラスと走査レンズを共通化するとよい。
(a)に対し(b)では光学素子の共通化をはかることにより、像高ごとに発生する光利用効率の偏差を低減させており、より高速化に対応可能な光走査装置を実現している。
図12は前述の光走査装置を搭載した画像形成装置の例を示す。
感光体ドラム901の周囲には感光体を高圧に帯電する帯電チャージャ902、光走査装置900により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像ローラ903、現像ローラにトナーを補給するトナーカートリッジ904、ドラムに残ったトナーを掻き取って備蓄するクリーニングケース905が配置される。感光体ドラムへは振動ミラーの往復走査により1周期で2ライン毎の画像記録が行われる。
105 転写ベルト
106 振動ミラー
107、108 光源ユニット
111 入射ミラー
113 シリンダレンズ
120 第一走査レンズ(fθレンズ)
122〜125 第二走査レンズ(個別走査レンズ)
126〜132 反射ミラー
138 同期検知センサ
139 結像レンズ
154 LED素子
155 フォトセンサ
156 集光レンズ
160 ポリゴンミラー
161〜164 防塵ガラス
201〜204 ビーム(入射光束)
205、207 突起部
206 ホルダ部材
208 支軸
210、211 カップリングレンズ
221、222 半導体レーザ
223、225 嵌合穴
401 クロック生成部
402 高周波クロック生成回路(高周波クロック生成部)
403 カウンタ
405 光源駆動部
407 ラインバッファ
408 フレームメモリ
409 メモリ(パルス幅情報保持手段)
900 光走査装置
901 感光体ドラム
902 帯電チャージャ
903 現像ローラ
904 トナーカートリッジ
905 クリーニングケース
906 転写ベルト
907 給紙トレイ
908 給紙コロ
909 レジストローラ対
910 定着ローラ
911 排紙トレイ
912 排紙ローラ
Claims (14)
- 光源と、
前記光源を変調駆動する光源駆動手段と、
被走査面上の走査位置に応じた所定の画素のパルス幅情報を保持するパルス幅情報保持手段と、
前記光源からの光束を偏向走査する反射面を有する偏向手段と、
該偏向手段により偏向された光束を被走査面上に結像させる走査結像光学系とを有し、
前記パルス幅情報保持手段は、被走査面における走査位置による主走査ビームスポット径の偏差を相殺するようなパルス幅情報を保持し、
前記光源駆動手段は、前記パルス幅情報保持手段の情報に基づいて光源を駆動することを特徴とする光走査装置。 - 前記走査結像光学系は、前記偏向手段により偏向された光束を、被走査面上において略等速走査させる機能を有することを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
- 被走査面を主走査方向において複数の区間に分割し、分割された一の区間における前記パルス幅情報が同一であることを特徴とする請求項1または2に記載の光走査装置。
- 前記複数の区間は、被走査面の主走査方向における中央部を中心として対称に分割されてなることを特徴とする請求項3に記載の光走査装置。
- 前記複数の区間は、少なくとも一の区間が、他の区間とは異なる走査幅で分割されることを特徴とする請求項3または4に記載の光走査装置。
- 前記偏向手段は、回転軸を有し、前記回転軸により反射面が往復振動することにより光束を偏向し、
前記光源駆動手段は、所定の画素を形成する際、被走査面の走査幅の中央部よりも周辺部のパルス幅を相対的に短くすることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の光走査装置。 - 前記光源駆動手段は、所定の画素を形成する際、被走査面の走査幅の中央部よりも周辺部の発光強度を相対的に強くすることを特徴とする請求項6に記載の光走査装置。
- 前記光源駆動手段は、前記偏向手段に入射する光束径を、該偏向手段の有効径よりも小さく設定することを特徴とする請求項6または7に記載の光走査装置。
- 前記偏向手段における前記反射面は、金属膜により構成されることを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記光源駆動手段は、1ライン内の各画素毎に光源の点灯を開始するタイミングを個別に設定する機能を有することを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の光走査装置。
- 複数の被走査面に光束を導光する反射ミラーを複数枚有し、
少なくとも1つの被走査面へ導光する前記反射ミラーの枚数を、他の被走査面と異なるように選択することを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の光走査装置。 - 前記複数の被走査面のうち最も明度の低い色材の画像形成に寄与する被走査面に対し、前記反射ミラーの枚数を最も少ない枚数で導光することを特徴とする請求項11に記載の光走査装置。
- 前記走査結像光学系は、前記複数の被走査面ごとに備えられた個別走査レンズを少なくとも有し、該個別走査レンズは、防塵機能を有することを特徴とする請求項11または12に記載の光走査装置。
- 請求項1から13のいずれかに記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
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