JP2024006602A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチビーム化した高速書込と高品質書込とを両立させる光走査装置および画像形成装置を提供すること。【解決手段】主走査方向に離間した少なくとも３以上の発光点を有し、被走査面を露光する複数の光束を出射する光源（ＬＤＡ９１）と、複数の反射面が形成されている回転多面鏡（ポリゴンミラー９５）と、回転多面鏡によって偏向された複数の光束を被走査面に導く走査光学系と、を備え、光源は、複数の画像形成モードの中から選択された画像形成モードに基づいて制御され、複数の画像形成モードは、複数の発光点をすべて用いて被走査面を露光する第一画像形成モードと、複数の発光点のうち両端の発光点を用いずに被走査面を露光する第二画像形成モードと、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に関する。

ポリゴンミラーの偏向反射面に該偏向反射面よりも主走査対向方向に狭い光束を入射させ、書込範囲（走査範囲）で、ポリゴンミラーによる反射面により光ビームの一部が反射面から外れる（ケラレる）走査光学系の技術が考えられ既に知られている。
例えば、特許文献１には、走査領域両端部のケラレ量を小さくし、光学特性（ビーム径、光量）の劣化を小さくする目的で、単独の発光点の構成が開示されている。
しかし、複数の発光点を用いた場合の光学特性劣化という問題は解消できていない。

本発明は、マルチビーム化した高速書込と高品質書込とを両立させる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。

上述した課題を解決するために、本発明の光走査装置は、
主走査方向に離間した少なくとも３以上の発光点を有し、被走査面を露光する複数の光束を出射する光源と、
複数の反射面が形成されている回転多面鏡と、
前記回転多面鏡によって偏向された前記複数の光束を前記被走査面に導く走査光学系と、を備え、
前記回転多面鏡の回転軸に直交する平面に正射影したとき、前記回転多面鏡に入射する前記複数の光束の幅は、前記回転多面鏡の反射面の主走査方向に対応する方向に関する長さよりも小さく、
前記回転多面鏡で反射された前記複数の光束が、前記被走査面上の走査領域の中央部に向かうタイミングでは、前記回転多面鏡に入射する光束の全てが、一の反射面で反射され、
前記回転多面鏡で反射された前記複数の光束が、前記走査領域の両端部のうちの少なくとも一側の端部に向かうタイミングでは、前記回転多面鏡に入射する前記複数の光束のうち少なくとも一つの光束の一部が、前記一の反射面で反射され、その残りが他の反射面で反射され、
前記光源は、複数の画像形成モードの中から選択された画像形成モードに基づいて制御され、
前記複数の画像形成モードは、
前記複数の発光点をすべて用いて被走査面を露光する第一画像形成モードと、
前記複数の発光点のうち両端の発光点を用いずに被走査面を露光する第二画像形成モードと、を有するものとする。

本発明によれば、マルチビーム化した高速書込と高品質書込とを両立させる光走査装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の一例の概略図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置を説明する概略斜視図である。 光走査装置の主走査断面におけるポリゴンミラーへの入射光束幅と、射出光束幅の関係を説明する図である。 マルチビームを用いた走査開始位置のケラレの例を説明する図である。 マルチビームを用いた走査終了位置のケラレの例を説明する図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置を説明する主走査断面図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置を説明する副走査断面図である。 同期検知を説明する図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施の形態を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置の一例の概略図である。
図１において、感光体（像担持体）としての感光体ドラム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り備蓄するクリーニングケース９０５が配置される。以降、感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、および、クリーニングケース９０５を画像形成ステーションとも称する。図１では、異なる色に対応する４つの画像形成ステーションを配置した例を示す。

感光体ドラム９０１へは光走査装置９００内で回転するポリゴンミラーの１面毎の走査により画像記録が行われる。
各感光体に対応した画像形成ステーションは転写ベルト９０６の移動方向に並列され、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナー画像が転写ベルト９０６上にタイミングを合わせて順次転写され、重ね合わされてカラー（多色）画像が形成される。
各画像形成ステーションはトナー色が異なるだけで、基本的には同一構成である。

記録紙は給紙トレイ９０７から給紙コロ９０８により供給され、レジストローラ対９０９により副走査方向の記録開始のタイミングに合わせて送りだされ、転写ベルト９０６よりカラー画像が転写され、定着ローラ９１０で定着して排紙ローラ９１２により排紙トレイ９１１に排出される。
これらはプリンタ制御装置９９０にて統括的に制御される。

光走査装置９００は、プリンタ制御装置９９０からの多色の画像情報（ブラック画像情報、シアン画像情報、マゼンタ画像情報、イエロー画像情報）に基づいて色毎に変調された光により、対応する帯電された感光体ドラム９０１の表面をそれぞれ走査する。
これにより、画像情報に対応した潜像が各感光体ドラム９０１の表面にそれぞれ形成される。

すなわち、各感光体ドラム９０１の表面がそれぞれ被走査面である。
そこで、以下では、各感光体ドラム９０１の表面を「感光体上」、「被走査面」あるいは「像面」とも称する。
ここで形成された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って対応する現像装置の方向に移動する。

光走査装置９００の構成について説明する。
図２は本発明の実施形態に係る光走査装置を説明する概略斜視図である。
同図において、光源としての半導体レーザアレイ（「ＬＤＡ」とも称する）９１、カップリングレンズ９２、開口絞り（「アパーチャ」とも称する）９３、シリンドリカルレンズ９４、ポリゴンミラー９５、走査レンズ９６、光路折返し用の折返しミラー９７、および、被走査面９８を示している。

ＬＤＡ９１は、主走査方向に離間した少なくとも３以上の発光点を有し、被走査面（感光体の表面）を露光する複数の光束を出射する。
ポリゴンミラー９５は、偏向手段としての回転多面鏡（「偏光器」、「光偏光器」とも称する）であり、複数の光束が被走査面を走査するように複数の光束を偏向するための複数の反射面が形成されている。ポリゴンミラー９５は、例えば７つの偏向反射面を有するものとする。

また、実施形態の光走査装置９００において、走査光学系は、ポリゴンミラー９５によって偏向された複数の光束を被走査面に導くものであり、ポリゴンミラー９５と被走査面との間に配置されたものとする。図２において、走査光学系は、例えば、走査レンズ９６と、折返しミラー９７とを有する。

次に、光走査装置９００の動作例について説明する。
本実施形態では、一例として、３つの発光点をもつＬＤＡ９１を用いて説明する。図２では１つの発光点のから出たビームのみを示している。
ＬＤＡ９１から出射した発散光束はカップリングレンズ９２により、平行光束に変換される。カップリングレンズ９２を出たビームは被走査面上でのビーム径を安定させるための開口絞り９３を通過し、シリンドリカルレンズ９４により、ポリゴンミラー９５の反射面の近傍にてそれぞれ主走査方向に長い線像に変換される。

ここで、「主走査方向」は、ポリゴンミラー９５の偏向反射面が被走査面９８のビームを走査する方向を表し、「副走査方向」は、ポリゴンミラー９５の回転軸に平行な方向を表すものとする。
また、被走査面における走査開始位置から走査終了位置までの走査角度範囲に対応する領域を「走査領域」とする。

ポリゴンミラー９５により反射された光束は、ポリゴンミラー９５の等速回転とともに等角速度的に偏向され、走査レンズ９６を透過し、被走査面９８に直接、又は折返しミラー９７を介して入射する。本実施形態では、折返しミラー９７により光路を折り返されて、最終的に被走査面上（感光体上）に集光する。これにより、偏向された光ビームは被走査面上に光スポットを形成し、被走査面の光走査を行う。このとき、ポリゴンミラー９５に入射する光ビームはポリゴンミラー９５の偏向反射面より小さく、且つ、偏向範囲内の周辺でのみ光ビームの一部が被走査面に向け反射されずに「ケラレ」が生じる。

具体的な例を図３に示す。図３（ａ）～（ｃ）は、光走査装置９００の主走査断面におけるポリゴンミラーへの入射光束幅と、射出光束幅の関係を説明する図である。ポリゴンミラー９５は、反射面の内接円直径が２８ｍｍ、回転中心からの反射面までの距離が１４ｍｍの位置に７面の反射面で形成されている。ポリゴンミラー９５に対し、入射光束は基準軸に対し６０°で入射している。走査開始位置及び走査終了位置では基準軸に対しそれぞれ４０°の角度で反射している。

（ａ）主走査開始位置では、入射光束の一部が反射面からはみ出して、反射されないことを示している。図面では、入射光束の右下部分が反射面の角より外側の部分まで入射している。外側に入射した光束は、ポリゴンミラー９５の別の反射面で走査領域外に反射される。走査開始位置の反射光束幅は３．０ｍｍで、入射光束幅３．５ｍｍより小さくなっている。
（ｂ）主走査中央位置では、入射光束の全部が、反射されることを示している。すなわち、走査中央位置の反射光束幅３．５ｍｍで、入射光束幅３．５ｍｍと等しい。

（ｃ）主走査終了位置では、入射光束の一部が反射面からはみ出して、反射されないことを示している。図面では、入射光束の左上部分が反射面の角より外側の部分まで入射している。外側に入射した光束は、ポリゴンミラー９５の別の反射面で走査領域外に反射される。走査終了位置の反射光束幅は３．０ｍｍで、入射光束幅３．０ｍｍより小さくなっている。

このように、本実施形態の光走査装置９００は、
・ポリゴンミラー９５の回転軸に直交する平面に正射影したとき、ポリゴンミラー９５に入射する複数の光束の幅は、ポリゴンミラー９５の反射面の主走査方向に対応する方向に関する長さよりも小さく、
・ポリゴンミラー９５で反射された複数の光束が、被走査面上の走査領域の中央部に向かうタイミングでは、ポリゴンミラー９５に入射する光束の全てが、一の反射面で反射され、
・ポリゴンミラー９５で反射された光束が、上記走査領域の両端部のうちの少なくとも一側の端部に向かうタイミングでは、ポリゴンミラー９５に入射する複数の光束のうち少なくとも一つの光束の一部が、上記一の反射面で反射され、その残りが他の反射面で反射され、
という構成を有する。

つまり、走査周辺部以外の領域はポリゴンミラー９５の偏向反射面で、入射する光束すべてが反射偏向されるのに対し、走査端近傍ではポリゴンミラー９５に入射する光束の一部が偏向反射面で「ケラレ」、被走査面に向かい反射されない。
なお、本実施形態は書込開始側および書込終了側の両方でケラレが発生しているが、本発明はこれに限らない。書込開始側または書込終了側のみ「ケラレ」が発生する場合でもよい。片側だけケラレが発生する場合よりも、両方の側にケラレを発生させて、それぞれのケラレ量を低減することが好ましい。

ポリゴンミラー９５に入射する光ビームは、ポリゴンミラー９５の偏向反射面より小さく、且つ、偏向範囲内の周辺でのみ光ビームの一部が被走査面に向け反射されない構成の効果について説明する。
本実施形態の光走査装置９００は、アンダーフィルド光学系を基本構成としている。このため、ポリゴン面数を増加させ高速、高密度に対応するオーバーフィルド光学系とは異なり、偏向走査時の画角は従来通りとることができるため、装置の大型化という課題は発生しない。

ここで、アンダーフィルド光学系は、ポリゴンミラーの偏向反射面に該偏向反射面よりも主走査対向方向に狭い光束を入射させ、偏向走査する光学系であり、レーザ走査光学系に最も広く採用されている。
一方、オーバーフィルド光学系は、ポリゴンミラーの偏向反射面に該偏向反射面よりも主走査対向方向に広い光束を入射させ、偏向反射面を主走査対応方向の実質的なアパーチャ（絞り）として偏向走査する光学系である。

オーバーフィルド光学系は、アンダーフィルド光学系と比較して、ポリゴンミラーを大型化することなく多面化できるため、高速化、高密度化に有利である。
しかしながら、オーバーフィルド光学系では、副走査方向に斜入射の光学配置をとる必要があるため、波面収差が劣化しやすく、かつ偏向反射面での光量ロスが大きい。

本実施形態の光走査装置９００において、高速、高密度化への対応は、ポリゴンミラーの小型化により達成している。通常、７面のポリゴンミラーを採用する際は、内接円半径を１６～１８ｍｍ程度で用いる。しかし、本実施形態では内接円半径を１４ｍｍと小型化し高速回転を達成している。ポリゴンミラーの小型化により、風損が低減され、更に重量低減により軸受けの小径化が可能となり摩擦力が低下することなどから高速回転が可能となる。

しかしながら、通常ポリゴン面数一定で内接円半径を小さくすると、偏向反射面が小さくなり、偏向可能な角度が狭くなる。つまり、走査光学系の画角が狭くなり、所望の書込幅を得るためには走査レンズの焦点距離を長く設定する必要が生じ、オーバーフィルド光学系同様に装置が大型化してしまう。

このため、本実施形態では、偏向範囲内の周辺でのみ光ビームの一部が被走査面に向け反射されない構成としている。例えば、被走査面を走査する範囲（画像を形成する範囲）は従来のアンダーフィルド光学系同様であるが、ポリゴンミラー９５で偏向する端部近辺は光束の一部がポリゴンミラー９５でケラレることとなる光束のケラレにより、光量低下と主走査方向のビームスポット径の太りが発生するが、光量低下は光源の出力、ビームスポット径の劣化も、画像形成範囲に対しビームが太い事の影響は小さいため対応可能である。

図４にマルチビームを用いた走査開始位置のケラレの例を示す。ポリゴンミラー９５に入射する３つの光ビームの主光線（光ビームの中心線）のみを示している。それぞれポリゴンミラー９５で走査した場合の先行ビームの主光線が破線、後行ビームの主光線が点線、中央ビームの主光線が実線である。このとき先行ビームが最も面１の中心から遠く光束のケラレ量が大きく、面７に入射し、被走査面に到達しない光束幅が大きい。反対に、後行ビームは最も面１の中心に近く光束のケラレ量が小さく、面７に入射し、被走査面に到達しない光束幅が小さい。
中央ビームは先行ビームよりケラレ量が小さく、後行ビームよりケラレ量が大きい。

図５にマルチビームを用いた走査終了位置のケラレの例を示す。ポリゴンミラー９５に入射する３つの光ビームの主光線（光ビームの中心線）のみを示している。それぞれポリゴンミラー９５で走査した場合の先行ビームの主光線が破線、後行ビームの主光線が点線、中央ビームの主光線が実線である。このとき先行ビームが最も面１の中心から近く、光束のケラレ量が小さく、面２に入射し、被走査面に到達しない光束幅が小さい。反対に、後行ビームは最も面１の中心に遠く光束のケラレ量が大きく、面２に入射し、被走査面に到達しない光束幅が大きい。中央ビームは先行ビームよりケラレ量が大きく、後行ビームよりケラレ量が小さい。

書込速度を高めるためには光源のマルチビーム化が必要となるが、図４、図５を参照して説明したように、光源をマルチビーム化するとポリゴンミラー９５の反射面へのビームの入射位置がビームごとに異なるため、マルチビームの両端の発光点ではビームのケラレによるビームスポット径太りと光量低下が発生してしまう。
詳細には、走査開始側では先行ビームのケラレ量が大きく、走査終了側では後行ビームのケラレ量が大きい。ケラレ量が大きいほど、光量低下および、ビームスポット径の太りが発生し、画像形成のためのビーム品質は劣化する。
しかし、中央ビームは走査開始側と走査終了側の両方でケラレ量を小さく抑えることができ、画像形成のためのビーム品質が維持される。

そこで、本実施形態の光走査装置は、走査端部に向かう光束の一部がポリゴンミラー９５でケラレる（ミラー反射面に対して入射する光束の一部が、ミラーに到達しない）走査光学系を用いた光走査装置において、光源の発光点数が３点以上であり、画像形成する走査パターンとして、複数の画像形成モードを有することを特徴とする。

光走査装置の光源（ＬＤＡ９１）は、制御手段としてのプリンタ制御装置９９０（図１参照）により、複数の画像形成モードの中から選択された画像形成モードに基づいて制御される。
複数の画像形成モードは、３以上の複数の発光点をすべて用いて被走査面を露光する第一走査モード（「第一画像形成モード」または「高速モード」とも称する）と、複数の発光点のうち両端の発光点を用いずに被走査面を露光する第二走査モード（「第二画像形成モード」または「高品質モード」とも称する）と、を有する。

３つの発光点から発光された３つの光ビームをすべて使用した第一走査モードは、高速走査を可能にし、高速での画像形成モードとなる。また、中央光線のみを使用した第二走査モードは、高品質なビーム品質で走査を行い（例えば、全走査領域にわたり小ビームスポット径かつ十分な光量を実現できる中央光線のビームのみで書込走査を実施する）、走査光学特性が高品質な画像成形モードとなる。
このようにすると、複数の発光点のうち、使用する発光点を選択することで目的（高速または高品質）毎に最適な光走査が可能となる。これにより、高速な書込走査および画像形成が可能な書込光学系を用いて、走査ビーム特性や形成された画像の品質を高めることができる。

これら２つの画像形成モードは上記で示したプリンタ制御装置で選択される。モードの選択は、ユーザが、高速モードと高画質モードとのいずれかを選択することもできる。また、事前に、成形する画像の条件から、高速モードと高画質モードとを自動的に選択できるような設定することもできる。
また、印刷幅によっては、高速で走査可能な第一走査モードでも、ビーム品質の良好な走査領域のみを使用することになるため、ケラレ幅に対して、自動的に第一走査モードを選択するようにすることもできる。

図６は、本発明の実施形態に係る光走査装置を説明する主走査断面図である。
ポリゴンミラー９５を挟んで対向側でも光走査をする対向走査方式は、ポリゴンミラー９５の回転時を含む面に対して面対象となるように走査レンズを配置することで、一つのポリゴンミラー９５で複数の被走査面を走査することができる。

図７は、本発明の実施形態に係る光走査装置を説明する副走査断面図である。
ポリゴンミラー９５を上下二段に重ねることで、図６で説明した対向走査方式と合わせて、４つの被走査面を同一のポリゴンミラーで走査することができる。

また、上述した光走査装置は、同期を検知する同期検知センサをさらに有するとよい。
同期検知センサは、ポリゴンミラー９５で反射された書込開始前の光束が入射される。同期検知センサは、第一の画像形成モードで走査領域を最後に走査する発光点からの光束で同期タイミングを決めるとよい。

図８は同期検知を説明する図である。
ポリゴンミラー９５で偏向され、被走査面を書き込む開始前の光ビームが入射される同期検知センサ９９を備えていると、ポリゴンミラー９５でけられた光ビームが、同期検知センサ９９で受光される。
この場合、同期検知用光束に、ビームスポット径の太りや光量低下が生じる。ここでも、図４で説明したように、後行ビームが最もケラレが小さく、ビームスポット径の太りや光量低下が小さくなるため、後行ビームで同期検知をすることが好ましい。
このようにすると、回転多面鏡でケラレる量が最も小さくなる後行走査ビームで、センサ感度に必要な光量を確保しやすくする。
なお、同期検知センサ９９は、同期光を、両端の光束のどちらかを用いるようにしてもよい。同期光量を確保して、高精度な書き出し位置決めを可能にできる。

上述した通り、本発明の実施形態に係る画像形成装置の一態様は、
回転駆動される感光体と、
前記感光体上に静電潜像を形成するために前記感光体を露光する光束を出射する少なくとも３つ以上の主走査方向に離間した複数の発光点をもつ光源と、
前記複数の光束が前記感光体上を走査するように前記複数の光束を偏向するための複数の反射面が形成されている回転多面鏡と、
前記回転多面鏡の回転軸に直交する平面に正射影したとき、前記回転多面鏡に入射する前記複数の光束の幅は、前記回転多面鏡の反射面の主走査方向に対応する方向に関する長さよりも小さく、
前記回転多面鏡で反射された前記複数の光束が、前記走査領域の中央部に向かうタイミングでは、前記回転多面鏡に入射する光束の全てが、一の反射面で反射され、
前記回転多面鏡で反射された光束が、前記走査領域の両端部のうちの少なくとも一側の端部に向かうタイミングでは、前記回転多面鏡に入射する前記複数の光束のうち少なくとも一つの光束の一部が、前記一の反射面で反射され、その残りが他の反射面で反射され、
前記回転多面鏡によって偏向された前記複数の光束を前記感光体上に導く走査光学系と、
複数の画像形成モードの中から選択された画像形成モードに基づいて前記光源を制御する制御手段と、を備え、
前記複数の画像形成モードは、
前記複数の発光点をすべて用いて感光体を露光する第一画像形成モードと、
前記複数の発光点のうち両端の発光点を用いずに感光体を露光する第二画像形成モードと、を含むことを特徴する。

また、画像形成装置は、前記回転多面鏡で反射された書込開始前の光束が入射される同期検知センサを備え、
前記第一の画像形成モードで前記走査領域を最後に走査する発光点からの光束で同期タイミングを決めることを特徴とする。

なお、本発明は上記に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記実施形態の各要素を、当業者であれば容易に考えうる内容に変更、追加、変換することが可能である。また、上述した二以上の実施形態を適宜組み合わせることができる。

９００ 光走査装置
９１ ＬＤＡ（半導体レーザアレイ）
９２ カップリングレンズ
９３ 開口絞り
９４ シリンドリカルレンズ
９５ ポリゴンミラー
９６ 走査レンズ
９７ 折返しミラー
９８ 被走査面

特開２０１４－２９４８２号公報

Claims (3)

1. 主走査方向に離間した少なくとも３以上の発光点を有し、被走査面を露光する複数の光束を出射する光源と、
   複数の反射面が形成されている回転多面鏡と、
   前記回転多面鏡によって偏向された前記複数の光束を前記被走査面に導く走査光学系と、を備え、
   前記回転多面鏡の回転軸に直交する平面に正射影したとき、前記回転多面鏡に入射する前記複数の光束の幅は、前記回転多面鏡の反射面の主走査方向に対応する方向に関する長さよりも小さく、
   前記回転多面鏡で反射された前記複数の光束が、前記被走査面上の走査領域の中央部に向かうタイミングでは、前記回転多面鏡に入射する光束の全てが、一の反射面で反射され、
   前記回転多面鏡で反射された前記複数の光束が、前記走査領域の両端部のうちの少なくとも一側の端部に向かうタイミングでは、前記回転多面鏡に入射する前記複数の光束のうち少なくとも一つの光束の一部が、前記一の反射面で反射され、その残りが他の反射面で反射され、
   前記光源は、複数の画像形成モードの中から選択された画像形成モードに基づいて制御され、
   前記複数の画像形成モードは、
   前記複数の発光点をすべて用いて被走査面を露光する第一画像形成モードと、
   前記複数の発光点のうち両端の発光点を用いずに被走査面を露光する第二画像形成モードと、を有する
   ことを特徴する光走査装置。
2. 前記回転多面鏡で反射された書込開始前の光束が入射される同期検知センサをさらに備え、
   前記第一画像形成モードで前記走査領域を最後に走査する発光点からの光束で同期タイミングを決めることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 感光体と、
   前記感光体の表面を被走査面として走査する請求項１または２に記載の光走査装置と、
   前記複数の画像形成モードの中から選択された画像形成モードに基づいて前記光源を制御する制御手段と、
   を備える画像形成装置。