JP2010026226A - 光学走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く、且つ、小型で安価な光学走査装置を提供する。
【解決手段】像情報に基づいて変調されたレーザビームを出射する光源装置と、共振振動により揺動して光源装置から出射したレーザビームを偏向走査する反射面を具備した可動子を有するプレート部材と可動子を駆動するアクチュエータを備えた光偏向装置と、光偏向装置により走査されたレーザビームを感光体上に結像する結像光学系と、これらを一体に収容する光学箱とを有する光学走査装置において、可動子の揺動軸は結像光学系の走査平面に対しほぼ平行とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＢＰやデジタル複写機、デジタルＦＡＸ等の画像形成装置において、レーザビームを用いて光書き込みを行う光学走査装置、及びそれを備えた画像形成装置に関するものである。

従来、揺動するミラーを具備した光偏向装置を用いた光学走査装置が様々提案されている。
例えば特許文献１には、レーザビームの主走査平面に対して直交する揺動軸を有する揺動ミラーが記載されている。この特許文献１では、偏向走査されるレーザビームの振れ角の中心と結像光学系の走査中心とのズレ、ずなわち、光偏向装置と結像光学系の取り付け角度ズレを調整し、線速度変化や収差を低減するなどの工夫がなされている。

また、特許文献２には、光学走査装置の厚み方向に対して遥動ミラーの遥動軸が直交するように、揺動ミラーを寝かせて配置した光学走査装置が記載されている。
特開平０９−０８０３４８号公報 特開２００５−０４３４６９号公報

しかしながら、上記従来技術では以下のような課題があった。
前述の特許文献１のような例では、レーザビームの偏向走査平面に対し揺動するミラーの揺動軸が直交しているため、光学走査装置が揺動軸方向に必要以上に厚く大きくなってしまう。

揺動ミラーを支持しねじりバネとして作用する梁部分は、許容応力を超えてねじると場合によって破断する恐れがある。揺動するミラーサイズを決める要因の一つとして梁部分の長さがあり、光学走査装置の小型化のため梁部分を短くしてしまうと、梁部分の単位長さあたりのねじり角が大きくなり破断に至る恐れがある。

光学走査装置の故障率を低減し装置寿命を十分に長くして信頼性を向上するには、梁部分を長く伸ばした方が望ましいが、梁部分を長くすると光学走査装置の梁長手方向の寸法、所謂厚みが増してしまい光学走査装置が大型化し、ひいては画像形成装置の大型化につながってしまう。大型化することで装置コストが上がる恐れもある。

特に、コスト削減のため、揺動軸や揺動ミラーをステンレスや鉄系の金属材料で構成した場合、広く一般的に知られているＳｉ（シリコン）によって構成した場合と比較して比重が重く、材料としての許容応力が低く、また揺動に伴う疲労破壊に対する安全率を確保すると、必要な梁の長さがさらに長くなってしまう。そのため、光学走査装置の大型化が顕著となる。

また、特許文献２では、揺動ミラー自体は光学箱に寝かした状態で配置されるので、特許文献１のように揺動軸が縦方向に立っているものに比較して薄くすることが可能となる。しかし、揺動軸に対して結像光学系の走査平面が角度を持っているために、結像光学系を光学箱に対して斜めに取り付ける必要があり、光学箱の厚みがやはり大きくならざるを得ないという問題があった。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題を解消するためになされたもので、揺動するミラープレートによってレーザビームを偏向走査する構成の光学走査装置において、信頼性が高く、且つ、可及的に薄型化を図り得る光学走査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、画像情報に基づいて変調されたレーザビームを出射する光源装置と、共振振動により揺動して光源装置から出射したレーザビームを偏向走査する反射面を具備した可動子を有するプレート部材と、可動子を駆動するアクチュエータを備えた光偏向装置と、光偏向装置により走査されたレーザビームを感光体上に結像する結像光学系と、これらを一体に収容する光学箱とを有する光学走査装置において、可動子の揺動軸は前記結像光学系の走査平面に対し略平行となるようプレート部材を光学箱に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、可動子の揺動軸を結像光学系の走査平面に対し略平行となるよう配置したので、光学箱を可及的に薄型化することができ、装置信頼性が高く、薄く小型な光学走査装置が提供できる。また、設計自由度の高い画像形成装置を提供し、ひいてはコスト低減を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態に係る光学走査装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に最も好適な光学走査装置の構成を示す斜視図である。
すなわち、この光学走査装置は、画像情報に基づいて変調されたレーザビームを出射する光源装置としてのレーザユニット４１と、レーザユニット４１から出射したレーザビームＬを偏向走査する光偏向装置４２とを備えている。また、光偏向装置４２により走査されたレーザビームＬを感光体上に結像する結像光学系４０を備え、さらにこれらを一体に収容する光学箱３１を有する。結像光学系４０は、第１反射ミラー１、Ｆθレンズ４３及び第二反射ミラー４４によって構成される。

レーザユニット（光源装置と呼び替えてもよい）４１から取り出されたコリメート光は、光偏向装置４２によって偏向走査されながら、順にＦθレンズ４３、第２反射ミラー４４を通過する。そして最終的には感光ドラム３２表面に到達する（一点鎖線）。また、コリメート光は感光ドラム３２幅内で最適に絞り込んだビームとして走査されるように、Ｆθレンズ４３により成形される。

走査ビームの一部はＢＤミラー４５により反射され、ＢＤセンサ４６により光検知し、ＢＤセンサ４６からの出力信号を基準に走査回毎の書き込み信号を同期させ、ビームの書き込み位置ズレを防止する機能も果たしている。

光偏向装置４２は、反射面を具備した可動子６３を有するプレート部材６１と、可動子６３を駆動するアクチュエータ６７を備えている。
また、光偏向装置４２の反射面の倒れ誤差による感光ドラム３２上の副走査方向（光軸及びビームの走査方向と直角をなす方向、転写材３６の送り方向）のビーム位置ズレを防止するためにシリンダレンズ４７が用いられる。このシリンダレンズ４７により、レーザユニット４１から取り出されたビームを反射面上では副走査方向に圧縮して結像した線像とすると共に、反射面と感光ドラム３２面上は副走査方向では共役関係とする構成が取られている。

本実施例では、シリンダレンズ４７を透過したビームＬは、第一反射ミラー１によって
反射されて光偏向装置４２に導光されている。ビームＬの反射方向は、Ｆθレンズ４３透過後のビームがなす走査平面に対し、直角な方向となっており、光偏向装置４２の可動子（反射子）６１の揺動軸は走査平面Ｐに対し、略平行となっている。

光偏向装置４２によって偏向走査されたビームＬは、再度第一反射ミラー１に入射し、再び反射されＦθレンズ４３に入射する構成となっている。

図２は上記光偏向装置４２の構成を示す斜視図である。
プレート部材（素子）６１は、ステンレスや鉄系といった金属材料から成り、プレスや放電加工といった手段によって形成されている。プレート部材６１には２つの可動子６２、６３が備えられている。これら可動子６２、６３は、ねじりバネ６４、６５によってそれぞれ支持されている。

一方の可動子（駆動子）６３には、棒状の永久磁石（マグネット）６６が接着固定されており、他方の可動子（反射子）６２の表面はアルミ等が蒸着されている。このアルミ等が蒸着された表面は、レーザビームを反射するのに好適な反射膜となっている。レーザビームは矢印Ｌａで示すように偏向される。これら２つの可動子６２、６３やねじりバネ６４、６５等からなるプレート部材６１は複数の固有振動モードを有しており、本実施例では走査周期に応じた基本周波数と基本周波数の２倍の周波数の振動モードを有する。これら振動モードでは２つの可動子６２、６３が揺動軸Ｏまわりにねじり振動する。

アクチュエータ６７は、鉄心（コア）６８に巻線（コイル）６９を周回させたものである。光偏向装置４２の駆動時は巻線（コイル）６９に通電することで可動子（駆動子）６３に実装された永久磁石（マグネット）６６との間でローレンツ力が生じ、可動子（駆動子）６３を回動させるトルクが働く。電流をプレート部材６１の振動モードに合わせて変調させることにより、プレート部材６１の可動部が共振振動する。

図３は本発明の光学走査装置に具備された光偏向装置４２の動作を説明するグラフである。
前述の光偏向装置４２は、プレート部材６１の複数の固有振動数（基本と２倍）を重ね合わせて駆動される。

図３は、レーザビームの偏向走査に用いられる可動子（反射子）６２の振幅角度をθ、時間をｔとすると、下記の式で表される挙動を示す。
θ(t)=A1sin(ωt)＋A2sin(2ωt＋φ)＋A3
A1：基本周波数（基本波）における振幅
A2：基本周波数の２倍（倍波）における振幅
ω：基本周波数
φ：基本波と倍波の位相差
A3：静的な角度誤差、例えば可動子（反射子）６２が振動していない時の姿勢の角度誤差

図３ではφ=0、A3=0として図示している。
２つの可動子６２、６３が同じ方向へ同位相で振動する基本波成分と、２つの可動子６２、６３が互い違いに逆位相で且つ基本波の２倍の周波数で振動する倍波成分、この２つを重ね合わせた可動子（反射子）６２の実際の挙動である合成波の３つを示している。
ここで各パラメータを適切に設定することにより、１周期内のある範囲において、
θ(t)≒kt＋α
k,α：いずれも定数
と、近似可能な部分が合成波形に現れる。
dθ(t)/dt=k
この範囲では上式の関係が成り立つので、可動子（反射子）６２は略等角速度で振動することとなり、図２におけるビームＬａは、ある範囲では略等角速度で偏向走査される。

図５は本実施例の光学走査装置の断面図である。
本図で示すように、光偏向装置４２のプレート部材６１は、走査平面Ｐに対し略平行に光学箱３１に対して組みつけられている。図上で、走査平面Ｐに平行な矢印Ａ方向にプレート部材６１が組みつけられていることによって、光学走査装置は矢印Ｂ方向に対して薄型化される。
また、結像光学系の走査平面Ｐは、光学箱３１の底壁３１ａとほぼ平行となるように、結像光学系を構成する第１反射ミラー１、ｆ-θレンズ４３及び第２反射ミラー４４が、
光学箱３１の底壁３１ａからほぼ同一高さに配置されている。

図４は、本発明の光学走査装置を具備した画像形成装置の構成を示す断面図である。
画像情報に基づいて変調されたレーザビームＬが光学箱３１から出射され、感光ドラム３２面上を走査して潜像を形成する。この潜像は一次帯電器３３によって一様に帯電している感光ドラム３２面上に形成されており、現像器３４によって可視像化される。この感光ドラム３２面上に形成された画像が転写帯電ローラ３５によって転写材３６上に転写され、画像が形成される。転写材３６上に形成された画像は定着器３７によって熱定着された後、排紙ローラ３８等によって装置外に出力される。

本実施例に特有の効果は、可動子６２、６３の揺動軸が走査平面に平行となっていることで、プレート部材６１が揺動軸方向に大型化しても、光学走査装置が走査平面に垂直な方向には大きくなることが無く、装置の薄型化が可能な点である。

光学走査装置が薄型化されることで画像形成装置の小型化にもつながるし、或いは、画像形成装置全体の設計自由度の向上にもつながる。
また、従来に比べプレート部材６１を揺動軸方向に長く大きく設計することも可能になる。これによってねじりバネ６４、６５の長さも十分に確保でき、プレート部材６１の設計自由度が向上するだけでなく、装置の信頼性向上にも寄与する。

次に、この利点を具体的に述べる。
可動子（反射子）６２、６３の振幅は偏向走査されるビームの必要な走査角によって決まる。この可動子（反射子）６２、６３の振幅が決まると、ねじりバネ６４、６５の必要なねじり角が決まる。この時、ねじりバネ６４、６５が長くできると、単位長さあたりのねじり角が小さくなる。

一般に金属材料の場合、単結晶のＳｉとことなり繰り返し応力が加わると、許容応力以下でも破壊が起こる疲労破壊が知られている。単位長さあたりのねじり角が小さくなると、材料の物性に応じた許容応力に対し、発生する応力との間にマージンができるので、ねじりバネ６４、６５が疲労しても破断に至らない寿命マージンが大きくなる。

これにより光学走査装置の寿命が増し、ひいては、画像形成装置全体の信頼性が向上する。
本実施例では、第一反射ミラー１で、光源装置４１からのビームを光偏向装置４２に反射し、走査されたビームも第一反射ミラー１でＦθレンズ４３に対し折り返しているが、必ずしもミラーは一枚でなくともよい。要するに、光源装置４１と光偏向装置４２のプレート部材６１間の光路、及び、プレート部材６１と結像光学系４０の間の光路に少なくとも１枚の反射ミラーを有していればよい。

本実施例では、プレート部材６１は複数の固有振動モードを有しているが、単一の振動モードでもよく、可動子６２，６３の数も１つ或いは３つ以上であってもよい。
最近では副走査方向にはやや傾けてビームを反射面に入射させる、所謂斜入射光学系も採用されてきているが、この場合も同様である。具体的には走査平面と入射ビームを二等分する平面に対し平行にプレート部材６１を配置するとよい。

例えば図６に模式図を示す。光源Ｅ（簡易的に点で示す）から出射されたビームは第一反射ミラー１で反射され、プレート部材６１の反射点Ｆで偏向され、再度第一反射ミラー１に入射して反射され、走査される。この時入射ビームと走査平面Ｐのなす角はＣ＋Ｄであるが、Ｃ＝Ｄとなる入射ビームと走査平面の二等分線に対しプレート部材６１を平行に配置する。

実際には図１で示したように、入射ビームと走査平面Ｐは立体的な角度をなすのであって、図６は説明のための模式図である。斜入射光学系の傾き角度範囲については、２〜５°程度の範囲が好ましい。２°程度より小さくなると、ビームの分離が難しくなり、例えばレーザホルダなどに干渉しないよう出射光を分離して取り出すことができない。また、５°程度より大きくなると、結像性能が製品仕様を満たすのが難しくなる。例えばスポットが回転したり、崩れることにつながる。

以上述べたように本実施例によれば、装置信頼性が高く、薄く小型な光学走査装置が提供でき、設計自由度の高い画像形成装置を提供し、ひいてはコストも低減できるという効果が期待できる。

本発明の最も好適な実施例に係る光学走査装置の構成を示す斜視図である。 実施例に係る光学走査装置に具備された光偏向装置の構成を示す斜視図である。 実施例に係る光学走査装置に具備された光偏向装置の動作を説明するグラフである。 実施例に係る光学走査装置を具備した画像形成装置を示す断面図である。 実施例に係る光学走査装置の構成を示す断面図である。 実施例に係る光学走査装置の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１ ・・・・第一反射ミラー
３１‥‥光学箱
３２‥‥感光ドラム
４１・・・・レーザユニット(光源装置）
４２・・・・光偏向装置
４３・・・・Ｆθレンズ（結像光学系）
４４・・・・第二反射ミラー
６１・・・・プレート部材
６２・・・・可動子（反射子）
６３・・・・可動子（駆動子）
６７・・・・アクチュエータ
Ｏ ・・・・揺動軸
Ｐ ・・・・走査平面

Claims (6)

1. 画像情報に基づいて変調されたレーザビームを出射する光源装置と、共振振動により揺動して前記光源装置から出射したレーザビームを偏向走査する反射面を具備した可動子を有するプレート部材と、前記可動子を駆動するアクチュエータを備えた光偏向装置と、該光偏向装置により走査されたレーザビームを感光体上に結像する結像光学系と、これらを一体に収容する光学箱とを有する光学走査装置において、
   前記可動子の揺動軸が前記結像光学系の走査平面に対し略平行となるよう前記プレート部材を前記光学箱に配置したことを特徴とする光学走査装置。
2. 前記光源装置と前記プレート部材の間の光路、及び、前記プレート部材と前記結像光学系の間の光路に少なくとも１枚の反射ミラーを有し、該反射ミラーによって光源装置からのレーザビームを光偏向装置に反射させ、光偏向装置で走査されたレーザビームを結像光学系に対し反射させる構成となっていることを特徴とする請求項１記載の光学走査装置。
3. 結像光学系の走査平面が光学箱の底壁とほぼ平行となるように結像光学系が構成されている請求項１または２に記載の光学走査装置。
4. 副走査方向に傾けてレーザビームを可動子の反射面に入射させる斜入射光学系の場合には、可動子の揺動軸が走査平面と入射するレーザビームを二等分する平面に対し平行となるようにプレート部材を配置する請求項１乃至３のいずれかの項に記載の光学走査装置。
5. 前記プレート部材は金属によって構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の光学走査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかの項に記載の光学走査装置を具備した画像形成装置。

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