JP2013076807A

JP2013076807A - 走査光学装置

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Publication number: JP2013076807A
Application number: JP2011216081A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Hoshino; 秀隆星野; Hitoshi Fujino; 仁志藤野; Yoshifumi Nakamura; 佳史中村
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP5780093B2

Abstract

【課題】温度補償されたジッターが少ない走査光学装置を提供する。
【解決手段】走査レンズ（ｆθレンズ６）の主走査方向の像側主点から像点までの距離をｓ′、走査レンズの主走査方向の焦点距離をｆｍとして、０．２≦１−ｓ′／ｆｍ≦０．５を満たし、入射光学系（回折レンズ２）は、回転対称回折面とアナモルフィック屈折面とを備えたレンズからなり、主走査方向の焦点距離をｆｉ［ｍｍ］として、１０≦ｆｉ≦２２を満たし、光学系全体の主走査方向の横倍率をｍＭ、副走査方向の横倍率をｍＳとして、ｍＭとｍＳの比ｍＭ／ｍＳがｍＭ／ｍＳ≧１．３８を満たし、入射光学系の主走査方向の屈折パワーφｎ、回折パワーをφｄとしてφｎとφｄの比φｎ／φｄが、ｇ２（ｆｉ）≦φｎ／φｄ≦ｇ１（ｆｉ），ｇ１（ｆｉ）＝０．０１５ｆｉ＋１．０７３，ｇ２（ｆｉ）＝−０．０１ｆｉ＋１．１８４を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置などに用いられる走査光学装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置に用いられる走査光学装置においては、光源からの光ビームを感光体ドラムなどの被走査面上に点状に結像させ、この像を感光体ドラムの軸方向（主走査方向）に走査させる。この走査光学装置は、主走査方向に光ビームを偏向させる偏向器を有し、偏向器の前段には、入射光学系が設けられ、後段には、走査光学系が設けられる。入射光学系は、偏向器の近傍において光ビームを副走査方向に結像させるとともに、主走査方向には光ビームを略平行光にしている。一方、走査光学系は、偏向器からの光ビームを被走査面上に点状に結像させる機能を有する。

ところで、走査光学装置が用いられる環境温度が変化すると、各部の寸法変化や、光学素子の性能の変化などにより結像点が被走査面から前後にずれるという問題がある。この問題は、特に、コストダウンのために入射光学系に樹脂レンズを用いると顕著になる。この問題の解決のため、従来、特許文献１のように入射光学系に屈折面と回折面を設けて、温度変化による結像点のずれ（像面シフト）を抑える（温度補償する）ことがなされている。特許文献１においては、屈折ユニットの屈折パワーφｒと回折ユニットの回折パワーφｄの比φｒ／φｄが０．６＜φｒ／φｄ＜０．９などの条件を満たすのが良いとされている。

米国特許第７７５０９３３号明細書

しかし、特許文献１の走査光学装置は、走査レンズの横倍率が大きいため、特許第３３０３５５８号公報で開示されているように偏向器の偏向面のぶれによるポリゴン面周期のジッターが大きくなるという問題がある。一方で、走査レンズの横倍率を小さくしすぎると、走査レンズと被走査面の距離が必要となり、走査光学装置の大きさをコンパクトにできないという問題もある。そして、発明者等の研究によれば、特許文献１の走査光学装置では、ジッターの減少と温度補償とが両立できないことが分かった。

本発明は、以上の背景に鑑みて創案されたもので、装置のコンパクト化と、偏向器の偏向面のぶれによるジッターの抑制を実現しながら、良好な温度補償がなされた走査光学装置を提供することを目的とする。

課題を解決する本発明は、光源と、光源からの光ビームを主走査方向に偏向する偏向手段と、光源と偏向手段の間に設けられ光源からの光ビームを主走査方向には略平行光とし、副走査方向には偏向手段近傍で結像させる入射光学系と、偏向手段により偏向された光ビームを被走査面上に点状に結像させる走査レンズとを備えた走査光学装置である。
そして、走査レンズは、主走査方向の像側主点から像点までの距離をｓ′、主走査方向の焦点距離をｆｍとして、０．２≦１−ｓ′／ｆｍ≦０．５を満たす。
また、入射光学系は、回転対称回折面とアナモルフィック屈折面とを備えたレンズからなり、主走査方向の焦点距離をｆｉ［ｍｍ］として、１０≦ｆｉ≦２２を満たす。
さらに、光学系全体の主走査方向の横倍率をｍＭ、副走査方向の横倍率をｍＳとして、ｍＭとｍＳの比ｍＭ／ｍＳは、ｍＭ／ｍＳ≧１．３８を満たす。
また、入射光学系の主走査方向の屈折パワーをφｎ、回折パワーをφｄとしてφｎとφｄの比 φｎ／φｄが、
ｇ２（ｆｉ）≦φｎ／φｄ≦ｇ１（ｆｉ）
ｇ１（ｆｉ）＝０．０１５ｆｉ＋１．０７３
ｇ２（ｆｉ）＝−０．０１ｆｉ＋１．１８４
を満たす。

このような構成によると、走査レンズの横倍率（β＝１−ｓ′／ｆｍ）が、０．５以下であることでジッターを抑えることができ、０．２以上であることで装置をコンパクト化することができる。
また、主走査方向の横倍率ｍＭと副走査方向の横倍率ｍＳの比ｍＭ／ｍＳが、ｍＭ／ｍＳ≧１．３８を満たすことで、像面シフトを抑えることができる。

そして、屈折パワーφｎと回折パワーφｄの比 φｎ／φｄが、
ｇ２（ｆｉ）≦φｎ／φｄ≦ｇ１（ｆｉ）
ｇ１（ｆｉ）＝０．０１５ｆｉ＋１．０７３
ｇ２（ｆｉ）＝−０．０１ｆｉ＋１．１８４
を満たすことで温度変化による像面湾曲を主走査方向および副走査方向で抑えることができる。

このような走査光学装置において、入射光学系は、１枚の樹脂のレンズからなることが望ましい。入射光学系を１枚の樹脂レンズとすることで、製造を容易にすることができるとともに、このようなレンズを採用した場合に、温度補償の効果を有効に利用することができる。

本発明によれば、装置のコンパクト化と、偏向器の偏向面のぶれによるジッターの抑制を実現しながら、走査光学装置の良好な温度補償をすることができる。
できる。

一実施形態に係る走査光学装置の主走査断面図である。走査レンズの横倍率を説明する図である。図４のグラフの作成方法を説明するための、温度変化と像面シフトの関係を示すグラフである。 φｎ／φｄと像面シフトの最大絶対値の関係を示すグラフである。温度補償が良好になされる範囲を示すグラフである。実施例１，２の光学系のデータである。

次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、一実施形態に係る走査光学装置１０は、光源の一例としての半導体レーザ１、入射光学系の一例としての回折レンズ２、開口絞り３、偏向手段の一例としてのポリゴンミラー５、走査レンズの一例としてのｆθレンズ６を有し、これらにより、半導体レーザ１から出射されたレーザ光を感光体ドラム９の被走査面９Ａに点状に集光し、走査するように構成されている。これらの半導体レーザ１、回折レンズ２、開口絞り３、ポリゴンミラー５およびｆθレンズ６は、図示しない樹脂製または金属製の筐体に固定されて配置されている。

半導体レーザ１は、やや発散性のレーザ光（光ビーム）を発する装置である。半導体レーザ１の発光素子は、図示しない制御装置により、感光体ドラム９の被走査面９Ａに露光すべき画像に対応して明滅される。

回折レンズ２は、半導体レーザ１とポリゴンミラー５の間に設けられ、半導体レーザ１から出射した光ビームを、主走査方向（図１の紙面内で光ビームの進行方向に対して左右に振れる方向であり、ポリゴンミラー５により偏向される方向）には略平行光とし、副走査方向（主走査方向に直交する方向で、図１の紙面奥行き方向）にはポリゴンミラー５のミラー面５Ａの近傍で結像させるレンズである。回折レンズ２は、一方の面、例えば、光ビームの入射側が回折面であり、出射側が屈折面として形成されている。回折レンズ２は、コスト削減の観点からは、望ましくは１枚の樹脂レンズからなる。もっとも、本発明にいう入射光学系は、１枚の樹脂レンズには限られず、ガラスからなるレンズであってもよいし、屈折面が少なくとも１つ、回折面が少なくとも１つある限り、レンズの枚数は問わない。

回折レンズ２は、主走査方向の焦点距離をｆｉ［ｍｍ］として、１０≦ｆｉ≦２２の範囲である。焦点距離ｆｉが１０ｍｍ以上であることで、横倍率が大きくなりすぎることを抑制でき、２２ｍｍ以下であることで、装置のコンパクト化を実現でき、レーザダイオードの光利用効率の低下を抑制できる。

また、回折レンズ２は、光学系（回折レンズ２〜ｆθレンズ６）全体の主走査方向の横倍率をｍＭ、副走査方向の横倍率をｍＳとして、ｍＭとｍＳの比である倍率比ｍＭ／ｍＳは、ｍＭ／ｍＳ≧１．３８を満たす。主走査方向の倍率比ｍＭ／ｍＳが１．３８以上であることで、環境温度の変化による像面シフトの量を小さくすることができる。

さらに、本実施形態では、回折レンズ２の主走査方向の屈折パワーφｎ、回折パワーをφｄとしてφｎとφｄの比 φｎ／φｄが、
ｇ２（ｆｉ）≦φｎ／φｄ≦ｇ１（ｆｉ）
ｇ１（ｆｉ）＝０．０１５ｆｉ＋１．０７３
ｇ２（ｆｉ）＝−０．０１ｆｉ＋１．１８４
を満たす。後述するように、この条件を満たすことで、主走査方向および副走査方向の両方について、環境温度の変化があっても、像面シフトの量を抑えることができ、使用環境によらない、高精度な露光が可能となる。

開口絞り３は、回折レンズ２を通過した光ビームの副走査方向の大きさを規定する開口を有する部材である。

ポリゴンミラー５は、複数のミラー面５Ａが、回転軸５Ｂから等距離に配置された部材であり、図１では、６つミラー面５Ａを有するものを例示している。ポリゴンミラー５は、回転軸５Ｂを中心に一定速度で回転され、開口絞り３を通過した光ビームを主走査方向に偏向する。

ｆθレンズ６は、本実施形態では、走査光学装置１０に１つのみ設けられている。ｆθレンズ６は、ポリゴンミラー５で反射されることで偏向された光ビームを被走査面９Ａ上に点状に結像させ、かつ、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａの面倒れを補正している。また、ｆθレンズ６は、ポリゴンミラー５で等角速度で偏向された光ビームを、被走査面９Ａ上に等速で走査するようなｆθ特性を有している。

ｆθレンズ６は、図２に示すように、物点ＯＢから主走査方向の物体側主点Ｈまでの距離をｓ、主走査方向の像側主点Ｈ′から像点ＩＭまでの距離をｓ′、走査レンズの主走査方向の焦点距離をｆｍとして、
１／ｆｍ＝１／ｓ′−１／ｓ
である。このとき、ｆθレンズ６の横倍率βは、
β＝ｓ′／ｓ＝１−ｓ′／ｆｍ
で表される。

そして、本実施形態においては、主走査方向の横倍率β（＝１−ｓ′／ｆｍ）は、
０．２≦１−ｓ′／ｆｍ≦０．５
である。横倍率βが０．２以上であることで、走査光学装置１０をコンパクト化することができ、０．５以下であることで、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａの振れによるジッターを小さく抑えることができる。

本願の発明者等は、回折レンズ２（入射光学系）の主走査方向の屈折パワーφｎと回折パワーφｄの比φｎ／φｄ（以下「パワー比」という）を調整することで、環境温度の変化による像面シフトの影響について調べた。
具体的には、下記の実施例１，２などの光学系を用い、（１）倍率比ｍＭ／ｍＳ、（２）パワー比φｎ／φｄ、（３）回折レンズの主走査方向の焦点距離ｆｉの大きさを変化させて、像面シフトの量を計算した。なお、下記の実施例１と実施例２は、（１）倍率比ｍＭ／ｍＳ＝１．３８、（２）パワー比φｎ／φｄ＝１．１５、の場合で、（３）焦点距離ｆｉがそれぞれ２２ｍｍと１０ｍｍの場合を示している。光学系のデータは、図６に示す。

［実施例１］
半導体レーザの波長７８８［ｎｍ］
温度範囲 −５〜５５［℃］
半導体レーザの波長変化率０．２５［ｎｍ／℃］
回折レンズの主走査方向の焦点距離ｆｉ２２［ｍｍ］
半導体レーザ〜回折レンズの間隔を保持する部材の線膨張係数
６．５０×１０^−５［１／Ｋ］
光学系全体の主走査方向の横倍率ｍＭ６．７０
光学系全体の副走査方向の横倍率ｍＳ４．８５
倍率比ｍＭ／ｍＳ１．３８
回折レンズの主走査方向の屈折パワーφｎ０．０２４６８
回折レンズの主走査方向の回折パワーφｄ０．０２１４６
パワー比φｎ／φｄ１．１５

回折面の位相関数

Ｃ_１＝−０．０１０７３２

［実施例２］
半導体レーザの波長７８８［ｎｍ］
温度範囲 −５〜５５［℃］
半導体レーザの波長変化率０．２５［ｎｍ／℃］
回折レンズの主走査方向の焦点距離ｆｉ１０［ｍｍ］
半導体レーザ〜回折レンズの間隔を保持する部材の線膨張係数
６．５０×１０^−５［１／Ｋ］
光学系全体の主走査方向の横倍率ｍＭ１５．１１
光学系全体の副走査方向の横倍率ｍＳ１０．９５
倍率比ｍＭ／ｍＳ１．３８
回折レンズの主走査方向の屈折パワーφｎ０．０５５３６
回折レンズの主走査方向の回折パワーφｄ０．０４８１３
パワー比φｎ／φｄ１．１５

回折面の位相関数

Ｃ_１＝−０．０２４０６７

一例として、パワー比φｎ／φｄ＝０．８、倍率比ｍＭ／ｍＳ＝１．６２５（実施例１，２と別の値）、ｆｉ＝１０ｍｍのときの、主走査方向の像面シフトと副走査方向の像面シフトの温度依存性を、図３に示した。図３では、室温（２５℃）のときの像面位置を基準として、−５℃と５５℃における主走査方向の焦点位置をプロットしてある。なお、ここでの被走査面９Ａ上の露光位置は、走査範囲の中央で、図１のように、レーザ光が被走査面９Ａに対して正面から（直交して）入射する場合である。

図３に示す温度による像面シフトの値のうち、絶対値が大きい値を選択し、図４に示すように主走査方向のパワー比φｎ／φｄと像面シフトの最大絶対値の関係を示すグラフを作成した。例えば、図３においては、主走査方向については、−５℃のときの像面シフト３．４ｍｍが絶対値の最大値であり、副走査方向については、５５℃のときの像面シフト２．１ｍｍが絶対値の最大値である。図４のグラフにおいては、この３．４ｍｍ（▲マーク）と２．１ｍｍ（△マーク）を、ｆｉ＝１０ｍｍ，ｍＭ／ｍＳ＝１．６２５のφｎ／φｄ＝０．８０の位置にプロットしている。

図４においては、塗り潰しのマークは主走査方向についての像面シフトであり、白抜きのマークは副走査方向についての像面シフトである。また、ｆｉ＝１０ｍｍの場合は、実線で表示し、ｆｉ＝２２ｍｍの場合は破線で表示している。

図４に示すように、倍率比ｍＭ／ｍＳの違いによる像面シフトの大きさについて見ると、主走査方向と副走査方向のいずれにおいても、倍率比ｍＭ／ｍＳが小さい程、像面シフトが大きいことが分かる。そこで、倍率比ｍＭ／ｍＳが最も小さいｍＭ／ｍＳ＝１．３８について着目し、倍率比ｍＭ／ｍＳ＝１．３８の場合に、像面シフトが所定の基準以下になるパワー比φｎ／φｄを検討した。
この像面シフトの所定の基準は、主走査方向について、上限を１ｍｍとし、副走査方向について、上限を４ｍｍとした。倍率比ｍＭ／ｍＳ＝１．３８の場合、この像面シフトの上限値以下になるのは、ｆｉ＝１０ｍｍのときにパワー比φｎ／φｄが１．０９〜１．２３の範囲であり、ｆｉ＝２２ｍｍのときにパワー比φｎ／φｄ０．９７〜１．４１の範囲であることが分かった。この、主走査方向と副走査方向の両方で上記の基準を満たす条件の範囲を図式化したのが図５であり、ｆｉ＝１０〜２２ｍｍの範囲において、
ｇ１（ｆｉ）＝０．０１５ｆｉ＋１．０７３
ｇ２（ｆｉ）＝−０．０１ｆｉ＋１．１８４
として、φｎ／φｄが、
ｇ２（ｆｉ）≦φｎ／φｄ≦ｇ１（ｆｉ）
を満たせばよいことが分かった。

上記のｇ１（ｆｉ），ｇ２（ｆｉ）で示される範囲は、特許文献１で開示された範囲とは異なる。特許文献１においては、走査レンズの横倍率（β＝１−ｓ′／ｆｍ）について考慮していないため本実施形態とは異なる範囲を良好な範囲としていたが、特許文献１にの実施例においては、走査レンズの横倍率βが、０．６７４（特許文献１に記載の横倍率をβ＝１−ｓ′／ｆｍで表示したときの値）と大きかったため、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａの振れによるポリゴン面周期のジッターが大きいという問題を有していた。しかし、本実施形態においては、横倍率βを特許文献２のように０．５以下としたことで、ジッターの減少を実現することができ、また、特許文献１とはパワー比φｎ／φｄが全く異なる範囲で、温度補償された走査光学装置１０を実現することができた。
また、本実施形態の走査光学装置１０は、横倍率βが０．２以上であるため、ｆθレンズ６から被走査面９Ａまでの距離を小さくでき、装置のコンパクト化を図ることができる。

以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではない。具体的な構成については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、前記実施形態においては、回折レンズ２の入射側を回折面とし、出射側を屈折面としたが、これを逆にして、入射側を屈折面とし、出射側を回折面としてもよい。

１半導体レーザ
２回折レンズ
５ポリゴンミラー
５Ａミラー面
５Ｂ回転軸
６ｆθレンズ
９感光体ドラム
９Ａ被走査面
１０走査光学装置

Claims

光源と、前記光源からの光ビームを主走査方向に偏向する偏向手段と、前記光源と前記偏向手段の間に設けられ前記光源からの光ビームを主走査方向には略平行光とし、副走査方向には偏向手段近傍で結像させる入射光学系と、前記偏向手段により偏向された光ビームを被走査面上に点状に結像させる走査レンズとを備えた走査光学装置であって、
前記走査レンズは、主走査方向の像側主点から像点までの距離をｓ′、主走査方向の焦点距離をｆｍとして、
０．２≦１−ｓ′／ｆｍ≦０．５
を満たし、
前記入射光学系は、回転対称回折面とアナモルフィック屈折面とを備えたレンズからなり、主走査方向の焦点距離をｆｉ［ｍｍ］として、
１０≦ｆｉ≦２２
を満たし、
光学系全体の主走査方向の横倍率をｍＭ、副走査方向の横倍率をｍＳとして、ｍＭとｍＳの比ｍＭ／ｍＳは、
ｍＭ／ｍＳ≧１．３８
を満たし、
前記入射光学系の主走査方向の屈折パワーをφｎ、回折パワーをφｄとしてφｎとφｄの比φｎ／φｄが、
ｇ２（ｆｉ）≦φｎ／φｄ≦ｇ１（ｆｉ）
ｇ１（ｆｉ）＝０．０１５ｆｉ＋１．０７３
ｇ２（ｆｉ）＝−０．０１ｆｉ＋１．１８４
を満たすことを特徴とする走査光学装置。
前記入射光学系は、１枚の樹脂のレンズからなることを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。