JP2014232252A - 光学走査装置及びそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度の変化による走査レンズの主走査倍率変化を簡易な構成で走査開始側と走査終了側とに振り分ける光学走査装置及びそれを備えた画像形成装置を提供する。【解決手段】光学走査装置は、光源から射出される光ビームを偏向する光偏向器と、光偏向器により主走査方向に走査される光ビームの検知タイミングに基づいて主走査方向の走査開始タイミングを決定する同期検知センサーと、光偏向器により反射された光ビームを同期検知センサー上に結像するセンサー前結像光学系と、を備える。センサー前結像光学系は、温度変化により走査光学系の主走査方向の倍率が増加したときは同期検知センサー上の光ビームの結像位置を光ビームの検知タイミングが早くなる方向に移動させ、主走査方向の倍率が減少したときは同期検知センサー上の光ビームの結像位置を光ビームの検知タイミングが遅くなる方向に移動させる。【選択図】図４

Description

本発明は、デジタル複写機、レーザープリンター、レーザーファクシミリ等の画像形成装置に用いられる光学走査装置及びそれを備えた画像形成装置に関する。

一般に、光学走査装置は、レーザー発光部（以下ＬＤという）を有するビーム光源装置（ＬＤユニット）から射出された光ビームを、コリメーターレンズ、シリンドリカルレンズ、ポリゴンミラー等の偏向器、走査レンズ等から構成される走査光学系により、ビームスポットとして被走査面上に結像させ、偏向器を用いて被走査面上を主走査方向に等速走査させるようにしたものである。

また、偏向器により偏向したビームを検出する同期検知センサー（以下、ＢＤセンサーという）を備えており、ＢＤセンサーの検出結果に基づいて書き込みクロックを変化させ、偏向器で偏向した光ビームの主走査方向の走査開始タイミングを補正する。

このような光学走査装置においては、環境温度等の変動に伴うレンズの屈折率変化に起因する走査レンズの特性変化等により、印刷画像の等倍度（走査倍率）不良や縦線揺らぎ等が発生し、画像品質が低下するという問題点があった。具体的には、走査レンズの屈折率変化により環境温度が上昇すると走査幅が広くなり、環境温度が低下すると走査幅が狭くなる。前述したように、光学走査装置による被走査面の走査はＢＤセンサーが光ビームを検出してから開始するため、この走査幅の変化は走査終了側において現れることが多い。そのため、記録媒体上での画像の印字位置の変動が目立ちやすくなる。

そこで、環境温度の変化によって生じる倍率誤差を補正する方法が提案されており、特許文献１には、環境温度の変化に応じて書き出し検知ミラー（ＳＯＳミラー）を回転させることにより、書き出し検知センサー（ＳＯＳセンサー）による光ビームの検知タイミングを補正して倍率誤差を走査開始側と走査終了側に振り分ける光学走査装置が開示されている。具体的には、筐体内の温度が上昇したとき、支持部を中心に、同期信号が早く検知される方向へ書き出し検知ミラーを回転させ、書き出し検知センサーによる光ビームの検知を早くすることで，印字開始タイミングを早めている。

特開２００６−２６７７０１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、書き出し検知ミラーを回転させるためのモーター等の駆動部材が必要となり、部品点数の増加及び製造工程の煩雑化に繋がりコスト面において不利となっていた。また、書き出し検知ミラーの設置誤差や駆動部材のばらつきにより、書き出し検知ミラーを精度良く回転させることが困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑み、環境温度の変化による走査レンズの主走査倍率変化を簡易な構成で走査開始側と走査終了側とに振り分ける光学走査装置及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の第１の構成は、光源と、光偏向器と、走査光学系と、同期検知センサーと、センサー前結像光学系と、を備えた光学走査装置である。光偏向器は、光源から射出される光ビームを偏向する。走査光学系は、光偏向器により主走査方向に走査される光ビームを被走査面の有効露光領域に結像する。同期検知センサーは、光偏向器により主走査方向に走査される光ビームを被走査面の有効露光領域外で検知するとともに、光ビームの検知タイミングに基づいて主走査方向の走査開始タイミングを決定する。センサー前結像光学系は、光偏向器と同期検知センサーとの間の光ビームの光路上に配置され、光偏向器により反射された光ビームを同期検知センサー上に結像する。センサー前結像光学系は、温度変化により走査光学系の主走査方向の倍率が増加したときは同期検知センサー上の光ビームの結像位置を光ビームの検知タイミングが早くなる方向に移動させ、主走査方向の倍率が減少したときは同期検知センサー上の光ビームの結像位置を光ビームの検知タイミングが遅くなる方向に移動させるように、屈折率または曲率半径の少なくとも一方が変化する。

本発明の第１の構成によれば、環境温度が変化し、走査光学系の主走査方向の倍率が変化したときは、センサー前結像光学系の屈折率または曲率半径の少なくとも一方が変化することにより同期検知センサーの検知タイミングを自動的に調整して主走査方向の倍率変化（走査幅の変化）を走査開始側と走査終了側の両方に振り分けることができる。また、走査開始タイミングを調整するための部材や複雑な制御等も不要となる。

本発明の光学走査装置である露光装置１９が搭載された画像形成装置１００の概略断面図 本発明の第１実施形態に係る露光装置１９の内部構成を概略的に示す主走査断面図 第１実施形態の露光装置１９において、環境温度が上昇したときＢＤセンサー５３上に結像するレーザービームＬの光路が変化する様子を示す側面図 第１実施形態の露光装置１９において、環境温度が低下したときＢＤセンサー５３上に結像するレーザービームＬの光路が変化する様子を示す側面図 本発明の第２実施形態に係る露光装置１９の内部構成を概略的に示す主走査断面図 第２実施形態の露光装置１９において、環境温度が上昇したときＢＤセンサー５３上に結像するレーザービームＬの光路が変化する様子を示す側面図 第２実施形態の露光装置１９において、環境温度が低下したときＢＤセンサー５３上に結像するレーザービームＬの光路が変化する様子を示す側面図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の光学走査装置である露光装置１９を備えた画像形成装置１００の全体構成を示す概略図であり、右側を画像形成装置１００の前方側として図示している。図１に示すように、画像形成装置１００（ここではモノクロプリンター）は、装置本体１の下部に積載された用紙を収容する給紙カセット２が備えられている。この給紙カセット２の上方には、装置本体１の前方から後方へ略水平に延び、更に上方へ延びて装置本体１の上面に形成された排紙部３に至る用紙搬送路４が形成されており、この用紙搬送路４に沿って上流側から順に、ピックアップローラー５、フィードローラー６、中間搬送ローラー７、レジストローラー対８、画像形成部９、定着装置１０及び排出ローラー対１１が配置されている。更に、画像形成装置１００内には、上記の各ローラー、画像形成部９、定着装置１０、露光装置１９等の動作を制御する制御部（ＣＰＵ）３０が配置されている。

給紙カセット２には、用紙搬送方向後端部に設けられた回動支点１２ａによって、給紙カセット２に対して回動自在に支持された用紙積載板１２が備えられており、用紙積載板１２上に積載された用紙（記録媒体）がピックアップローラー５に押圧されるようになっている。また、給紙カセット２の前方側には、フィードローラー６に圧接するようにリタードローラー１３が配設されており、ピックアップローラー５によって複数枚の用紙が同時に給装された場合には、これらフィードローラー６とリタードローラー１３とによって用紙が捌かれ、最上位の１枚のみが搬送されるよう構成されている。

そして、フィードローラー６とリタードローラー１３とによって捌かれた用紙は、中間搬送ローラー７によって搬送方向を装置後方へと変えられてレジストローラー対８へと搬送され、レジストローラー対８によってタイミングを調整されて画像形成部９へと供給される。

画像形成部９は、電子写真プロセスによって用紙に所定のトナー像を形成するものであり、図１において時計回り方向に回転可能に軸支された像担持体である感光体ドラム１４と、この感光体ドラム１４の周囲に配置される帯電装置１５、現像装置１６、クリーニング装置１７、用紙搬送路４を挟んで感光体ドラム１４に対向するように配置される転写ローラー１８及び感光体ドラム１４の上方に配置される露光装置（ＬＳＵ）１９から構成されている。現像装置１６の上方には、現像装置１６へトナーを補給するトナーコンテナ２０が配置されている。

本実施形態では、感光体ドラム１４はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）感光体であり、アルミニウム等の導電性基板（筒体）上に、感光層としてａ−Ｓｉ系の光導電層を形成し、その上面にａ−Ｓｉ系のＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの無機絶縁体または無機半導体から成る表面保護層が積層されている。

パソコン等の上位装置から画像データが入力されると、先ず、帯電装置１５によって感光体ドラム１４の表面を一様に帯電させる。次いで、露光装置（ＬＳＵ）１９からのレーザービームにより感光体ドラム１４上に入力された画像データに基づく静電潜像が形成される。さらに、現像装置１６により静電潜像にトナーが付着されて感光体ドラム１４の表面にトナー像が形成される。感光体ドラム１４の表面に形成されたトナー像は、転写ローラー１８により感光体ドラム１４と転写ローラー１８とのニップ部（転写位置）に供給された用紙へと転写される。

画像形成部９においてトナー像が転写された用紙は、感光体ドラム１４から分離されて定着装置１０に向けて搬送される。この定着装置１０は、画像形成部９の用紙搬送方向の下流側に配置されており、トナー像が転写された用紙は、定着装置１０に備えられた加熱ローラー２２、及びこの加熱ローラー２２に圧接される加圧ローラー２３によって加熱、加圧され、用紙に転写されたトナー像が定着される。そして、画像形成部９及び定着装置１０において画像形成がなされた用紙は、排出ローラー対１１によって排紙部３に排出される。

転写後に感光体ドラム１４表面の残留トナーはクリーニング装置１７により除去され、感光体ドラム１４表面の残留電荷は除電装置（不図示）により除電される。そして、感光体ドラム１４は帯電装置１５によって再び帯電され、以下同様にして画像形成が行われる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る露光装置１９の内部構成を概略的に示す主走査断面図である。図２に示すように、露光装置１９は、ＬＤユニット４０と、コリメーターレンズ４１と、シリンドリカルレンズ４３と、ポリゴンミラー４５と、走査レンズ４７ａ、４７ｂと、平面ミラー５０と、ＳＯＳ（Start Of Scan）レンズ５１と、ＢＤセンサー５３とを備えている。

ＬＤユニット４０は、光源としてのレーザーダイオード（ＬＤ）を備えており、画像信号に基づき光変調した光ビーム（レーザービーム）を射出する。コリメーターレンズ４１は、ＬＤユニット４０から射出したレーザービームを略平行光束にする。シリンドリカルレンズ４３は、レーザービームの副走査方向にのみ所定の屈折力を有する。コリメーターレンズ４１を通過し、シリンドリカルレンズ４３に入射した平行光束は、主走査断面においてはそのまま平行光束の状態で、副走査方向においては収束して射出され、ポリゴンミラー４５の偏向面（反射面）に線像として結像する。

ポリゴンミラー４５は、側面に複数の偏向面（反射面）を有する正多角形（ここでは正六角形）の回転多面鏡から成り、モーター等の駆動手段（図示せず）により図２の反時計回り方向に所定の速度で回転している。走査レンズ４７ａ、４７ｂはｆθ特性を有するレンズであり、ポリゴンミラー４５によって偏向反射されたレーザービームは、走査レンズ４７ａ、４７ｂを介して感光体ドラム１４上に所定の大きさのスポット径で結像され、主走査方向（図２の上から下方向）に走査が行われる。

有効露光領域外の走査開始側には平面ミラー５０が配置されており、走査終了側にはＳＯＳレンズ５１及びＢＤセンサー５３が配置されている。ポリゴンミラー４５により偏向された後、走査レンズ４７ａの端部を通過して平面ミラー５０により反射されたレーザービームはＳＯＳレンズ５１を通過してＢＤセンサー５３に入射する。ＢＤセンサー５３はレーザービームを検出したタイミングに応じて時間カウント部（図示せず）に信号を出力する。ＢＤセンサー５３としては、フォトダイオード、フォトトランジスター、フォトＩＣ等の各種の光センサーを使用することができる。なお、図２ではＢＤセンサー５３を感光体ドラム１４（被走査面）の有効露光領域外の走査終了側に配置しているが、ＢＤセンサー５３を走査開始側、或いは被走査面の走査に影響を及ぼさない他の場所に配置しても良い。

図３及び図４は、図２において、平面ミラー５０で反射されたレーザービームがＳＯＳレンズ５１を通過してＢＤセンサー５３に入射する様子を示す側面図である。ＳＯＳレンズ５１は、正のパワーを有する非球面レンズである。なお、ＳＯＳレンズ５１として、正のパワーを有する球面レンズを用いることもできるが、球面レンズを用いるとレーザービームに球面収差が発生する。そのため、球面収差を補正するような非球面レンズを用いることが好ましい。また、非球面レンズにすることでＳＯＳレンズ５１のサイズを小さくすることができるため、ＬＤユニット４０の小型化の観点からも非球面レンズを用いることが好ましい。

本実施形態では、常温環境において平面ミラー５０からＳＯＳレンズ５１のＲ１面に入射し、Ｒ２面から出射してＢＤセンサー５３上に結像するレーザービームＬのＳＯＳレンズ５１への入射点をＰとするとき、レンズの光軸Ｏは入射点Ｐに対し主走査方向の進行方向（図の矢印Ａ方向）とは逆方向にオフセットされている。ＳＯＳレンズ５１の光軸ＯからレーザービームＬの入射点Ｐまでの距離（光軸オフセット量）は、例えば２０ｍｍである。また、ＳＯＳレンズ５１の光入射面（Ｒ１面）は、例えば曲率半径が２１.０７５ｍｍ、コーニック係数が−０．７２５の非球面であり、光出射面（Ｒ２面）は平面である。

次に、本実施形態におけるＳＯＳレンズ５１によるＢＤセンサー５３のレーザービームの検知タイミングの調整について説明する。環境温度が上昇すると、ＳＯＳレンズ５１の屈折率、曲率半径が変化することで、ＳＯＳレンズ５１の正のパワーが小さくなる。ここで、曲率半径は温度変化に伴うレンズの体積膨張によって変化し、屈折率はレンズの材質の屈折率温度変化係数に応じて変化する。即ち、理論的には温度変化によって屈折率及び曲率半径の両方が変化する。また、レンズの材質にもよるが、一般的には、ＳＯＳレンズ５１の正のパワーに与える影響は屈折率のほうが大きくなる。

これにより、図３に示すように、常温環境においてＢＤセンサー５３上に結像していたレーザービームＬは、主走査方向の進行方向（矢印Ａ方向）に光路が変化したレーザービームＬ１となる。即ち、ＢＤセンサー５３にはレーザービームＬよりも早いタイミングでＳＯＳレンズ５１に入射したレーザービームＬ２が結像する。その結果、ＢＤセンサー５３の検知タイミングが早くなる。

一方、環境温度が低下すると、ＳＯＳレンズ５１の屈折率、曲率半径が変化することで、ＳＯＳレンズ５１の正のパワーが大きくなる。これにより、図４に示すように、常温環境においてＢＤセンサー５３上に結像していたレーザービームＬは、主走査方向の進行方向と逆方向に光路が変化したレーザービームＬ１となる。即ち、ＢＤセンサー５３にはレーザービームＬよりも遅いタイミングでＳＯＳレンズ５１に入射したレーザービームＬ２が結像する。その結果、ＢＤセンサー５３の検知タイミングが遅くなる。

従って、環境温度が上昇し、走査レンズ４７ａ、４７ｂの主走査方向の倍率が増加したときはＢＤセンサー５３の検知タイミングを早くして走査開始タイミングを早めることができる。逆に、環境温度が低下し、走査レンズ４７ａ、４７ｂの主走査方向の倍率が減少したときはＢＤセンサー５３の検知タイミングを遅くして走査開始タイミングを遅らせることができる。つまり、環境温度の変化による主走査方向の倍率変化（走査幅の変化）を走査開始側と走査終了側の両方に振り分けることができる。このように、主走査方向の倍率変化を走査開始側と走査終了側に振り分けることで、記録媒体上での画像の位置ずれを抑制することができる。

図５は、本発明の第２実施形態に係る露光装置１９の内部構成を概略的に示す主走査断面図である。図６及び図７は、図５において、平面ミラー５０で反射されたレーザービームがＳＯＳレンズ５１を通過してＢＤセンサー５３に入射する様子を示す側面図である。

本実施形態では、ＳＯＳレンズ５１として負のパワーを有する非球面レンズを用いている。レンズの光軸Ｏは入射点Ｐに対し主走査方向の進行方向（図の矢印Ａ方向）にオフセットされている。ＳＯＳレンズ５１の光軸ＯからレーザービームＬの入射点Ｐまでの距離（光軸オフセット量）は、例えば２０ｍｍである。また、ＳＯＳレンズ５１の光入射面（Ｒ１面）は、例えば曲率半径が２１.０７５ｍｍ、コーニック係数が−０．７２５の非球面であり、光出射面（Ｒ２面）は平面である。露光装置１９の他の部分の構成は第１実施形態の構成と同様である。なお、ＳＯＳレンズ５１として負のパワーを有する球面レンズを用いることもできるが、球面収差の補正やＬＤユニット４０の小型化の観点から非球面レンズを用いることが好ましい。

次に、本実施形態におけるＳＯＳレンズ５１によるＢＤセンサー５３のレーザービームの検知タイミングの調整について説明する。環境温度が上昇すると、ＳＯＳレンズ５１の屈折率、曲率半径が変化することで、ＳＯＳレンズ５１の負のパワーが小さくなる。

これにより、図６に示すように、常温環境においてＢＤセンサー５３上に結像していたレーザービームＬは、主走査方向の進行方向（矢印Ａ方向）に光路が変化したレーザービームＬ１となる。即ち、ＢＤセンサー５３にはレーザービームＬよりも早いタイミングでＳＯＳレンズ５１に入射したレーザービームＬ２が結像する。その結果、ＢＤセンサー５３の検知タイミングが早くなる。

一方、環境温度が低下すると、ＳＯＳレンズ５１の屈折率、曲率半径が変化することで、ＳＯＳレンズ５１の負のパワーが大きくなる。これにより、図７に示すように、常温環境においてＢＤセンサー５３上に結像していたレーザービームＬは、主走査方向の進行方向と逆方向に光路が変化したレーザービームＬ１となる。即ち、ＢＤセンサー５３にはレーザービームＬよりも遅いタイミングでＳＯＳレンズ５１に入射したレーザービームＬ２が結像する。その結果、ＢＤセンサー５３の検知タイミングが遅くなる。

従って、第１実施形態と同様に、環境温度が上昇し、走査レンズ４７ａ、４７ｂの主走査方向の倍率が増加したときはＢＤセンサー５３の検知タイミングを早くして走査開始タイミングを早めることができる。逆に、環境温度が低下し、走査レンズ４７ａ、４７ｂの主走査方向の倍率が減少したときはＢＤセンサー５３の検知タイミングを遅くして走査開始タイミングを遅らせることができる。つまり、環境温度の変化による主走査方向の倍率変化（走査幅の変化）を走査開始側と走査終了側の両方に振り分けることができる。

なお、環境温度の変化により、走査レンズ４７ａの屈折率、曲率半径も変化する。図２及び図５に示したように、平面ミラー５０で反射されるレーザービームは走査レンズ４７ａの端部を通過しているため、ＢＤセンサー５３上に結像するレーザービームも走査レンズ４７ａの屈折率、曲率半径の変化によって、走査レンズ４７ａ、４７ｂの主走査方向の倍率が増加したときはＢＤセンサー５３の検知タイミングが早くなる方向に光路が変化する。一方、走査レンズ４７ａ、４７ｂの主走査方向の倍率が減少したときはＢＤセンサー５３の検知タイミングが遅くなる方向に光路が変化する。

しかし、走査レンズ４７ａの屈折率、曲率半径の変化によるＢＤセンサー５３の検知タイミングの変化のみでは、主走査方向の倍率変化を走査開始側と走査終了側に振り分けるのに十分ではない。そのため、走査レンズ４７ａとＢＤセンサー５３との間にＳＯＳレンズ５１を配置することが必要となる。

その他、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記各実施形態では１個のＳＯＳレンズ５１を用いてＢＤセンサー５３の検知タイミングを調整しているが、ＳＯＳレンズ５１として２個以上のレンズを組み合わせた複合レンズを用いることもできる。

また、上記各実施形態では一つのＬＤを備えたシングルビーム走査装置について説明したが、複数のＬＤを備えたマルチビーム走査装置についても全く同様に適用できる。

また、本発明の光学走査装置は、図１に示したようなモノクロプリンターに限らず、モノクロ及びカラー複写機、カラープリンター、デジタル複合機、ファクシミリ等の、露光装置を用いる他の画像形成装置にも適用できるのはもちろんである。例えば、マルチビーム走査装置を用いるカラー画像形成装置に本発明を適用することで、複数のＬＤから射出されたレーザービームの主走査方向の倍率変化（走査幅の変化）を走査開始側と走査終了側の両方に振り分けることができ、フルカラー画像を構成する各色の画像間の位置ずれに起因する色ずれの発生を効果的に抑制することができる。

本発明は、同期検知センサーを用いて走査開始タイミングを検知する光学走査装置に利用可能である。本発明の利用により、環境温度の変化による走査レンズの主走査倍率変化を、ＳＯＳレンズを用いた簡易な構成で走査開始側と走査終了側とに振り分け可能な光学走査装置となる。

１４ 感光体ドラム（被走査面）
１９ 露光装置（光学走査装置）
４０ ＬＤユニット（光源）
４１ コリメーターレンズ
４３ シリンドリカルレンズ
４５ ポリゴンミラー（光偏向器）
４７ａ、４７ｂ 走査レンズ（走査光学系）
５０ 平面ミラー
５１ ＳＯＳレンズ（センサー前結像光学系）
５３ ＢＤセンサー（同期検知センサー）
１００ 画像形成装置
Ｏ 光軸
Ｐ 入射点

Claims (4)

1. 光源と、
   該光源から射出される光ビームを偏向する光偏向器と、
   該光偏向器により主走査方向に走査される光ビームを被走査面の有効露光領域に結像する走査光学系と、
   前記光偏向器により主走査方向に走査される光ビームを被走査面の有効露光領域外で検知するとともに、光ビームの検知タイミングに基づいて主走査方向の走査開始タイミングを決定する同期検知センサーと、
   を備えた光学走査装置において、
   前記光偏向器と前記同期検知センサーとの間の光ビームの光路上に、前記光偏向器により反射された光ビームを前記同期検知センサー上に結像するセンサー前結像光学系が配置されており、
   前記センサー前結像光学系は、温度変化により前記走査光学系の主走査方向の倍率が増加したときは前記同期検知センサー上の光ビームの結像位置を光ビームの検知タイミングが早くなる方向に移動させ、主走査方向の倍率が減少したときは前記同期検知センサー上の光ビームの結像位置を光ビームの検知タイミングが遅くなる方向に移動させるように、屈折率または曲率半径の少なくとも一方が変化することを特徴とする光学走査装置。
2. 前記センサー前結像光学系は、正のパワーを有するレンズであり、且つレンズの光軸が、前記センサー前結像光学系に入射する光ビームの入射点に対して主走査方向の進行方向と逆方向にオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の光学走査装置。
3. 前記センサー前結像光学系は、負のパワーを有するレンズであり、且つレンズの光軸が、前記センサー前結像光学系に入射する光ビームの入射点に対して主走査方向の進行方向にオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の光学走査装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光学走査装置を備えた画像形成装置。

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