JP2013033123A - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数の光ビームで同一の被走査面上を光走査するように構成された光走査装置において、ビームスポット間隔の変動が低減可能な光走査装置および画像形成装置を得る。
【解決手段】 複数の光ビームを出射する少なくとも一つの光源と、複数の光ビームを偏向する光偏向器(5)と、光偏向器にて偏向された光ビームを被走査面に結像させる走査結像光学系と、を備える光走査装置において、走査結像光学系は、2枚の樹脂製レンズ(6,7)と1枚のガラス製レンズ(8)とで構成され、2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズは、この順で光偏向器から被走査面(9)への光路上に配置され、ガラス製レンズは、副走査方向にのみ正パワーを有し、2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズの各々を通る複数の光ビームの副走査方向に最も離間した光ビームの離間距離は、ガラス製レンズでの離間距離が2枚の樹脂製レンズでの離間距離以上である。
【選択図】 図3

Description

本発明は、デジタル複写装置やレーザプリンタなどの画像形成装置に用いられる光走査装置であって、複数の光ビームで同一の被走査面を光走査するように構成された光走査装置と、この光走査装置を備えた画像形成装置に関するものである。
光走査による画像形成は、デジタル複写装置やレーザプリンタ等、各種の画像形成装置において広く実施されている。光走査による画像形成の高速化を実現できる光走査方式としては「マルチビーム走査方式」が知られ、この走査方式に適したレーザ光源として、近来では、面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting LASER:VCSEL)の使用が増加しつつある。
従来からマルチビーム走査方式のレーザ光源として知られている、端面発光の半導体レーザ(以下、「EEL」という。)や端面発光の半導体レーザアレイを複数個用いて、「合成プリズムでビーム合成」する構成では、同時に得られるレーザ発光点の数は、高々、数個程度である。
これに対し、VCSELは、レーザ光の放出される同一面内に「数十〜数百個のレーザ発光点」を配列でき、独立変調が可能であるため、同時に数十〜数百本の走査線を描画することができる。その結果、VCSELは、マルチビーム走査の利点である画像形成の高速性を充分に活かすことができる。
VCSELを用いた光走査装置で高画質化を実現するためには、特に、感光体上の副走査方向におけるビームスポット間隔が、環境変動に対して安定的であることが必要となる。ビームスポット間隔が変動すると、画像に濃淡が顕れ、いわゆる「バンディング画像」を発現する。とりわけ、特許文献1で提案されているようなインターレース走査を行うと、バンディング画像の視認性は高くなる。
ビームスポット間隔を変動させる要因は、大きく分けて2つのケースがある。1つ目のケースは、部品誤差や取付誤差により光学系の結像倍率が変動してビームスポット間隔が直接的に変動するケースである。2つ目のケースは、部品誤差や取付誤差により光学系の焦点距離が変動して、ビームスポット間隔が間接的に変動するケースである。
ここで、2つ目のケースについて、図1で説明する。図1は、VCSELにおいて副走査方向に最も離れた2つの発光点より発振された光ビームB(max)とB(min)が、感光体に入射する様子を示した図であり、符号9は被走査面の実体としての感光体(の表面)を示す。光ビームB(max)とB(min)は、一般には図1(a)に示すように、最も感光体に近いレンズ(以下、「最終レンズ」という。)8から角度を有して感光体上に入射してビームスポットを形成する。ここで、部品誤差や取付誤差によって光学系の焦点距離が変動したとすると、これは相対的には感光体が図1(b)に示すようにX方向へシフトしたことと同じである。その結果、ビームスポット間隔L’は、Lと異なってしまう。つまり、焦点距離の変動が、ビームスポット間隔の変動を惹起する。
この2つ目のケースの解決手段として、特許文献2では、副走査方向にテレセントリックとする光学系を採用することが提案されている。つまり、図1(c)に示すように、光ビームB(max)とB(min)が、副走査方向に方向余弦を持たなければ(つまり0°)、感光体がX方向へシフトしても、ビームスポット間隔はLのままである。このような設計は、光源から光偏向器までの光路上に配備されるアパーチャとシリンドリカルレンズの間隔や、光偏向器から感光体までの光路上に配備される走査光学系の副走査方向のパワーバランスの最適化により、実現することが可能である。
一方、走査光学系は、たいていの場合、非球面形状を容易に加工できる樹脂製レンズが用いられているが、樹脂製レンズでテレセントリック光学系を実現しようとすると、次のような問題のあることが分かってきた。
例えば、32個の発光点を有するVCSELを用いて1200dpiの画像を得ようとすると、光ビームB(max)とB(min)が感光体に形成するビームスポット間隔は、L=31×25.4mm/1200=656.2μmである。当然のことながら、この間隔は、すべての像高において実現されていなければならない(ビームスポット間隔の像高間偏差は理想的には0μmである)。また、これも当然のことであるが、テレセントリック光学系の場合、最終レンズを通過するB(max)とB(min)の副走査方向の間隔も656.2μmである。
ここで、25℃から50℃の温度変動が発生したとすると、ビームスポット間隔の像高間偏差は10μm程度になってしまい、バンディング画像を発現させてしまう。これは、樹脂製レンズの線膨張係数が大きく、温度変動に伴い曲率半径が大きく変動することと、光ビームの通過する位置が副走査方向に増加するに伴い、その影響が敏感になってくることの両方が原因である。換言すれば、最終レンズのパワーが小さければ、光ビームの通過する位置が副走査方向に増加しても、その影響は鈍くなるので、ビームスポット間隔の像高間偏差に対して安定になる(以下、「対策A」という。)。あるいは、光ビームB(max)とB(min)が最終レンズの光軸近傍を通過するように構成すれば、ビームスポット間隔の像高間偏差は安定する(以下、「対策B」という。)。
しかし、対策Aでは最終レンズの焦点距離が大きくなるので、光偏向器から最終レンズまでの間隔が増大し、光走査装置の大型化を招くと共に、結像倍率の絶対値が1よりも大きくなるので、ケース1によるビームスポット間隔の変動が大きくなる。また、対策Bは、テレセントリック光学系に反するので採用できない。
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、複数の光ビームで同一の被走査面上を光走査するように構成された光走査装置において、ビームスポット間隔の変動が低減可能な光走査装置および画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明は、複数の光ビームを出射する少なくとも一つの光源と、複数の光ビームを偏向する光偏向器と、光偏向器にて偏向された光ビームを被走査面に結像させる走査結像光学系と、を備える光走査装置において、走査結像光学系は、2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズとで構成され、2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズは、この順で光偏向器から被走査面への光路上に配置され、ガラス製レンズは、副走査方向にのみ正パワーを有し、2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズの各々を通る複数の光ビームの副走査方向に最も離間した光ビームの離間距離は、ガラス製レンズでの離間距離が2枚の樹脂製レンズでの離間距離以上である、ことを特徴とする。
本発明によれば、ビームスポット間隔の変動を低減することができる。
ビームスポット間隔の間接的な変動について示す模式図である。 本発明にかかる光走査装置の実施の形態を示す偏向回転面(走査平面)に平行な面内に展開した光学配置図である。 上記光学配置図における光ビームを副走査平面内で直線的に展開した図である(実施例1)。 上記光学配置図における光ビームを副走査平面内で直線的に展開した図である(実施例2)。 上記光学配置図における光ビームを副走査平面内で直線的に展開した図である(実施例3)。 本発明にかかる画像形成装置の実施の形態を示す中央断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明にかかる光走査装置および画像形成装置の実施の形態について説明する。
先ず、本発明にかかる光走査装置について説明する。
図2は、本発明にかかる光走査装置の実施の形態を示す偏向回転面(走査平面)に平行な面内に展開した光学配置図である。符号1は、同一チップ上に複数の光源(半導体レーザ)を格子状に配置した面発光型半導体レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting LASER:VCSEL)である。符号5は、VCSEL1から射出された光ビーム(光束)を偏向走査する光偏向器である。符号2は、VCSEL1から射出された光ビームを光偏向器5に導くカップリングレンズ、3はアパーチャ(開口絞り)、4は線像結像光学系であるシリンドリカルレンズである。符号6,7,8は、光偏向器5により偏向された光ビームを被走査面に集光するレンズであって、走査光学系(走査結像光学系)を構成している。符号9は、被走査面である光伝導性を有する感光体の表面である。
ここで、光偏向器5は、ポリゴンミラー等であり、図示しない駆動機構により回転軸5Bを軸として、紙面上の時計回りまたは反時計回りに等角速度回転している。以下、VCSEL1から射出された光ビームが光偏向器5で偏向走査される方向を主走査方向とし、主走査方向と直交する方向を副走査方向とする。
VCSEL1から射出された発散性の光ビームは、カップリングレンズ2により以後の光学系に適したビーム形態にカップリングされる。なお、カップリングされた各光ビームは、同じビーム形態であり、「平行ビーム」とすることも「収束性もしくは発散性のビーム」とすることもできる。
カップリングレンズ2を通過した光ビームは、アパーチャ3により光束幅を規制され、シリンドリカルレンズ4により光偏向器5の偏向反射面近傍にて主走査方向の線像として結像する。
光偏向器5は、入射光束を等角速度的に偏向する。VCSEL1から射出されて光偏向器5で偏向された光ビームは、レンズ6,7,8を通過して、感光体に入射し、被走査面9にビームスポットとして結像する。ビームスポットは,光偏向器5の回転により被走査面9上を光走査される。ビームスポットの大きさは、カップリングレンズ2とシリンドリカルレンズ4の間に配備されたアパーチャ3により決定される。
前述のとおり、ビームスポット間隔の像高間偏差の温度変動に対する安定性を向上させるためには、対策Aまたは対策Bを実施するしかないが、テレセントリック光学系にしつつ、光学性能の安定化を図るのに大きな課題を有している。このような考察の結果、最終レンズである走査レンズ8は、線膨張係数の小さなガラス製レンズとしなければならない。ガラス製レンズであれば、25℃から50℃の温度変動が発生したとしても、ビームスポット間隔の像高間偏差は1μm以下に低減できる。
しかし、ガラス製レンズを非球面に加工することは極めて困難であるため、本実施の形態において最終レンズである走査レンズ8はガラス製のシリンドリカルレンズとした。なお、走査レンズ8は、副走査方向にのみ正パワーを有する。
ここで、仮に、走査光学系を2枚のレンズ(そのうち1枚はガラス製シリンドリカルレンズである)で構成したとする(本実施の形態では、前述の通り3枚の走査レンズで走査光学系が構成されている)と、1枚は「特殊レンズ」でなければならない。「特殊レンズ」とは、母線形状(光軸を通る主走査平面に平行な面と走査レンズ面が交わって形成される曲線)が非円弧で、副走査平面に平行な面による断面形状が母線に沿って変化するようなレンズ面(以下、「特殊面」という。)を少なくとも1つ有する走査レンズの総称である。
仮に走査光学系を2枚のレンズで構成した場合、走査光学系を構成する1枚の特殊レンズは、2つの特殊面を有している必要がある。なぜなら、副走査方向の被走査面9における光ビームの結像位置と結像倍率は、光偏向器5の偏向反射面における光ビームの反射点が変化するのに伴い変化し、しかもその変化の程度は光ビームの結像位置と結像倍率とで異なっているからである。
しかし、走査レンズの入射面と射出面の面間距離は、光偏向器5と被走査面9の間隔に比較して僅かであり、この2つを特殊面としても、それらの変化を低減するのに、効果があまり期待できない。つまり、2つの特殊面を採用すれば、光ビームの結像位置と結像倍率の両方を補正できるが、その効果を有効に引き出すには、2つの特殊面の間隔はある程度離れている必要がある、ということである。このことから、走査光学系には、2枚の特殊レンズが必要となる。
そこで、本実施の形態では、2枚の樹脂製レンズ(走査レンズ6,7)と1枚のガラス製レンズ(走査レンズ8)の3枚の走査レンズで構成される走査光学系において、2枚の樹脂製レンズは特殊レンズとした。2枚の特殊レンズのそれぞれは、少なくとも1面が特殊面である。もちろん、すべての面を特殊面としてもよい。当然のことながら、2枚の特殊レンズ(6、7)は樹脂製レンズであるため、対策Aあるいは対策Bが適応されていなければならない。
以下、実施例を3つ示す。なお、いずれの実施例も、カップリング光学系は1枚のレンズで構成され、その焦点距離は45mmである。また、このレンズは平行な光ビームに変換する機能を有している。また、線像結像光学系は1枚のシリンドリカルレンズで構成される。ただし、カップリング光学系も線像結像光学系も複数のレンズで構成されていてよい。
rcyはシリンドリカルレンズの入射面側の曲率半径(射出側面は平面)、r1inは走査レンズ6の入射面側の曲率半径、r1outは走査レンズ6の射出面側の曲率半径、r2inは走査レンズ7の入射面側の曲率半径、r2outは走査レンズ7の射出面側の曲率半径、r3outは走査レンズ8の射出面側の曲率半径(入射面側は平面)を示す。
実施例1
(図3に対応)
d1=90.5mm(アパーチャからシリンドリカルレンズ入射面までの間隔)
d2=3mm(シリンドリカルレンズの肉厚)
d3=54.7mm(シリンドリカルレンズ射出面からポリゴンミラー反射点までの間隔)
d4=51.6mm(ポリゴンミラー反射点から走査レンズ6の入射面までの間隔)
d5=16mm(走査レンズ6の肉厚)
d6=39.5mm(走査レンズ6の射出面から走査レンズ7の入射面までの間隔)
d7=6mm(走査レンズ7の肉厚)
d8=79.5mm(走査レンズ7の射出面から走査レンズ8の入射面までの間隔)
d9=3mm(走査レンズ8の肉厚)
d10=158mm(走査レンズ8の射出面から感光体までの間隔)
rcy=27.6mm
r1in=287.8mm
r1out=78.7mm
r2in=47.6mm
r2out=131.9mm
r3out=−52.9mm
図3は、図2の光学配置図における光ビームを副走査平面内で直線的に展開した図である。同図から明らかなように、感光体(被走査面9)に入射する光ビームB(max)とB(min)はほぼ平行であり、この走査光学系がテレセントリック光学系になっていることが分かる。この実施例では、走査レンズ6,7を近接させ、その間で光ビームを交差させるようにしているため、走査レンズ6,7の低い位置(走査レンズ6,7の光軸に近い位置。なお、ここでの光軸とは、各レンズの入出射面形状を式によって表現するときに設定される原点を通る軸のことである。)を光ビームが通過する。すなわち、走査レンズ8に入射する複数の光ビームのうち、副走査方向に最も離間した2つの光ビームを副走査平面に投影することで形成される2本の線が、走査レンズ8の入射側焦点位置近傍で交差する。したがって、走査レンズ6の焦点距離f6=−212.3mm、走査レンズ7の焦点距離f7=138.8mmのように比較的パワーが強くても、温度変動により発生するビームスポット間隔の像高間偏差は1μm以下となっている。ちなみに、走査光学系の結像倍率の絶対値は1である。
実施例2
(図4に対応)
d1=103.4mm
d2=3mm
d3=60.8mm
d4=51.6mm
d5=16mm
d6=39.5mm
d7=6mm
d8=79.5mm
d9=3mm
d10=158mm
rcy=30.7mm
r1in=478213mm
r1out=92.6mm
r2in=86.8mm
r2out=3824.4mm
r3out=−50mm
図4は、図3に対して、走査光学系の結像倍率の絶対値を0.9にしたものである。やはり、走査レンズ6と7の低い位置を光ビームが通過しているため、焦点距離f6=−176.8mm、f7=169.3mmのように比較的パワーが強くても、温度変動により発生するビームスポット間隔の像高間偏差は1μm以下となっている。
実施例3
(図5に対応)
d1=121mm
d2=3mm
d3=68.4mm
d4=51.6mm
d5=16mm
d6=39.5mm
d7=6mm
d8=79.5mm
d9=3mm
d10=158mm
rcy=34.5mm
r1in=61726.5mm
r1out=61.6mm
r2in=92mm
r2out=303389mm
r3out=−48mm
図5は、図3に対して、走査光学系の結像倍率の絶対値を0.8にしたものである。やはり、走査レンズ6と7の低い位置を光ビームが通過しているため、焦点距離f6=−117.7mm、f7=175.6mmのように比較的パワーが強くても、温度変動により発生するビームスポット間隔の像高間偏差は1μm以下となっている。
以上説明したように、走査結像光学系を構成する走査レンズ6,7,8のそれぞれを通過する複数の光ビームの副走査方向に最も離間した光ビームの離間距離は、ガラス製レンズ(走査レンズ8)での離間距離が樹脂製レンズ(走査レンズ6,7)での離間距離以上とすることで、温度変動により発生するビームスポット間隔の変動を低減することができる。
次に、本発明にかかる画像形成装置の実施の形態について説明をする。画像形成装置は、後述する各手段を備え、光書込装置としての光走査装置から感光体に光書込みを行い、電子写真法により、感光体の表面上に静電潜像を形成する。
図6は、本発明にかかる画像形成装置の実施の形態を示す中央断面図であり、画像形成装置としてのレーザプリンタ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6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の表面を、上位装置からの画像情報に基づいて変調された光束により走査し、感光体ドラム1030の表面に画像情報に対応した潜像を形成する。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。
トナーカートリッジ1036にはトナーが格納されており、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、説明の便宜上「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、給紙コロ1037は、記録紙1040を給紙トレイ1038から1枚ずつ取り出してレジストローラ対1039に搬送する。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、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。
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に送られて、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。
ここで、光走査装置1010として、先に説明した本発明に係る光走査装置を用いることで、温度変動により発生するビームスポット間隔の変動を低減することができ、その結果として、出力画像の高品質化を図ることができる。
1 VCSEL(光源)
2 カップリング光学系
3 アパーチャ(開口絞り)
4 シリンドリカルレンズ
5 ポリゴンミラー(光偏向器)
6 走査レンズ(樹脂製)
7 走査レンズ(樹脂製)
8 走査レンズ(ガラス製)
9 被走査面
特開2009−163137号公報 特開平7−209596号公報

Claims (4)

  1. 複数の光ビームを出射する少なくとも一つの光源と、
    前記複数の光ビームを偏向する光偏向器と、
    前記光偏向器にて偏向された光ビームを被走査面に結像させる走査結像光学系と、
    を備える光走査装置において、
    前記走査結像光学系は、2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズとで構成され、
    前記2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズは、この順で前記光偏向器から前記被走査面への光路上に配置され、
    前記ガラス製レンズは、副走査方向にのみ正パワーを有し、
    前記2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズの各々を通る前記複数の光ビームの副走査方向に最も離間した光ビームの離間距離は、前記ガラス製レンズでの前記離間距離が前記2枚の樹脂製レンズでの前記離間距離以上である、
    ことを特徴とする光走査装置。
  2. 前記ガラス製レンズに入射する前記複数の光ビームのうち、副走査方向に最も離間した2つの光ビームを副走査平面に投影することで形成される2本の直線が、前記ガラス製レンズの入射側焦点位置近傍で交差する、
    請求項1記載の光走査装置。
  3. 前記2枚の樹脂製レンズと1枚のガラス製レンズによる副走査方向の結像倍率の絶対値は1以下である、
    請求項1または2に記載の光走査装置。
  4. 光書込装置から像担持体に光書込みを行い、電子写真法により、この像担持体上に静電潜像を形成する画像形成装置であって、
    前記光書込装置は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光走査装置であることを特徴とする画像形成装置。
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