JP4328674B2 - 走査式光学装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真複写機・同プリンタ等の画像形成装置に関し、特に走査式光学装置におけるスポット径および倍率の補正手法に関する。

従来の技術を、図１１、図１２を用いて説明する。

図１１は画像形成装置の全体図を表した図である。像担持体の一例である感光ドラム２１は導電体に感光層を塗布したもので、走査式光学装置２３から射出されたレーザ光により静電潜像を形成する。２２は原稿が戴置された原稿台から画像情報を読み取る画像読取装置、２３は画像読取装置２２又はパーソナルコンピュータ等から送られてきた画像情報に基づいてレーザ光を感光ドラム２１へ照射する走査式光学装置、２４は感光ドラム２１に電荷を与える帯電器、２５は摩擦帯電されたトナーで感光ドラム２１上にトナー像を形成する現像器、２６はトナー像を形成するシートを格納する給送カセット、２７はシート上に転写されたトナー像を熱によりシートに吸着させる定着器、２８は定着されたシートをまとめて積載する後処理装置、２９は感光ドラム２１に残ったトナーを清掃するクリーナである。

画像形成は、走査式光学装置２３から画像情報に基づいてレーザ発光した光を感光ドラム２１上に照射することで、帯電器２４により帯電された感光ドラム２１に静電潜像を形成する。その後現像器２５内で摩擦帯電されたトナーを静電潜像に付着させることで感光ドラム２１上にトナー像が形成される。このトナー像は感光ドラム２１上から中間転写ベルト上に転写され、本体下部に設けられた給紙カセット２６から搬送されたシートにトナー像を再度転写することで画像がシートに形成される。シート上に転写された画像は定着器２７によりトナーを定着され、後処理装置２８の排紙トレイ上に積載される。

次に図１２を用いて走査式光学装置２３について説明する。３０は画像情報に基づいて発光するレーザ光源、３１はレーザ光源３０から射出されたレーザ光を平行光にするコリメータレンズ、３２はレーザ光を帯状に集光するシリンドリカルレンズ、３３はレーザ光を偏向走査する回転多面鏡の一例であるポリゴンミラー、３４は感光ドラム２１上にレーザ光を集光させる第１の結像レンズ、３５は主走査方向の同期を検知するための同期センサ、３６は同期センサ３５に入射するレーザ光を結像させる結像レンズ、３７は上記各部品を格納する光学箱である。また、不図示であるが光学箱３７の開口部は蓋で覆われる。

このような走査式光学装置２３が設置された画像形成装置では、定着器２７や各モータ等から発生する熱によって画像形成装置内部の温度が上昇し、感光ドラム２１上でのスポット径が所定の値より大きく、さらに、画像の倍率が変化する場合がある。これは熱によって走査式光学装置２３内に配設された複数のレンズの屈折率が変化することで、レーザ光の集光位置が感光ドラム２１上からずれてしまうためである。

この対処法として、従来は熱による屈折率変化の少ないガラスレンズを用いることで、感光ドラム２１上でのスポット径変化を抑制していた。また、倍率については折り返しミラーの位置をモータ等の駆動手段を用いて変化させる手法や、電気的にレーザのクロックを変調させることで倍率を補正してきた。

また、他の手法としては、以下に示す発明が提案されている。特許文献１には、ｆθレンズと感光ドラムの間にフォーカスレンズを入れて調節することでピントズレを補正する
構成が開示されている。特許文献２には、複数のレンズの屈折率を昇温によるピントズレをキャンセルするように設定する構成が開示されている。特許文献３には、ＣＣＤラインセンサでスポット径を測定し、シリンドリカルレンズを移動させてスポット径を補正する構成が開示されている。特許文献４には、画像領域外の両端部にセンサを配置して走査毎に倍率を測定し、倍率誤差が小さくなるようにミラーを移動させる構成が開示されている。
特開平１０−１４２５４６号公報 特開２００２−００６２１１号公報 特開平０９−１０５８７６号公報 特開平０７−２６１１０３号公報

上記の従来の走査式光学装置においては、スポット径を補正するために複雑な機構がいずれも必要である。また、従来の画像形成装置は出力する画像の解像度を上げるために、走査式光学装置の書き込み速度を一定としたままシートの搬送速度を半分に落とすことで出力画像の解像度を二倍に向上させているが、スポット径のサイズは変更できないため、解像度を向上させても画像品位の向上は十分に達成できていない。また、倍率の補正を行うにも駆動機構もしくは電気基板が必要である。

そこで、本発明は、昇温時のスポット径および倍率の補正及び出力する画像の解像度に応じてスポット径を調整し、画像品質を向上させることを目的とする。

具体的な手法としては、複数の微小な反射部から構成される多面ミラー（反射部材）をポリゴンミラー（回転多面鏡）とレーザ光源との間に配置し、昇温によってピントズレが発生した場合には多面ミラーの各反射部の反射面の反射角度を、主走査方向及び副走査方向に多面ミラー全体のミラー面が凹面形状となるように、各反射部個々に独立して変更する。この多面ミラーは、一般的にＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる技術を利用して製作されたものである。一般に、ＭＥＭＳ技術とは半導体製造に用いる露光プロセスを応用して、微小な機械を半導体基板上に電気回路と共に一体形成する技術で製作されたものであり、従来不可能であった微小なセンサやアクチュエータを極めて低コストに製造することができる。これによって、昇温でレンズの屈折率が変化しても多面ミラーが凹面ミラー形状となることで、屈折率の変化分を補正することができ、感光ドラム（像担持体）上でのスポット径を補正することができる。

また、同一の手法で結像レンズに入射する光束径を制御することもできるため、画像形成する画像の解像度に応じてスポット径を変化させることができ、画像品質を向上させることができる。

他の方法として、多面ミラーに予め所定以上の光束径を有するレーザ光を入射させ、必要とする範囲以外のレーザ光を多面ミラーの端部における反射部で光学箱の壁等に照射して遮光し、結像レンズに入射する光束径を変化させることでも解像度に応じたスポット径を得ることできる。

倍率補正に関しても、多面ミラー全体をポリゴンミラーへの入射角度が変化するように角度制御を行うことで、全体倍率を補正することができる。

これによって、画像形成装置が機内昇温することによって生じるピントズレ及び倍率変
化を補正することができると共に、解像度に応じてスポット径を変化させることで、解像度に応じた画像品質を得ることができる。

本発明により、光源と回転多面鏡の間に複数の微小な反射部から構成される反射部材を配置し、各反射部の反射角度を独立して制御することで、昇温時のスポット径の変化を補正することができると共に、全体倍率の補正を行うことができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１に本発明の実施例１に係る走査光学式装置内における光学的な経路及び主たる部品を配置した概略図を示す。図１中の１は画像情報に基づいて発光する半導体レーザ等のレーザ光源、２はレーザ光源から射出されたレーザ光を平行光にする光学部品の一例であるコリメータレンズ、３はレーザ光を帯状に集光する光学部品の一例であるシリンドリカルレンズ、４は微小な反射部７が多数集まって構成された反射部材の一例である多面ミラー、５はレーザ光を偏向走査する回転多面鏡の一例であるポリゴンミラー、６は像担持体の一例である感光ドラム上にレーザ光を集光させる光学部品の一例である第１の結像レンズである。なお、上記種々の部品は不図示の光学箱内に格納されており、光学箱の開口部は蓋によって覆われる。光学箱や蓋には、補強のためのリブや壁が存在する。

次に多面ミラー４を拡大した図を図２に示す。この多面ミラー４は、一般的にＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる技術を利用して製作されたものである。ＭＥＭＳ技術とは半導体製造に用いる露光プロセスを応用して、微小な機械を半導体基板上に電気回路と共に一体形成する技術で製作されたものであり、従来不可能であった微小なセンサやアクチュエータを極めて低コストに製造することができる。過去には、特開平７−１７５００５公報等に、半導体プロセスを用いて製造されたガルバノミラーに関する技術が開示されている。

以下に本発明で提案する多面ミラー４について説明する。本実施例では、シリコン基板上に積層された多面ミラー４を使用しており、図３はその多面ミラー４に用いられている微小な反射部７を拡大した図である。シリコン基板８上に、トーションバー９と平板状の可動板１０が異方性エッチングによって一体形成されており、可動板１０の上面周縁部には、通電により磁界を発生する銅薄膜からなる平面コイル１１が絶縁皮膜で覆われて設けられている。本実施例で示す平面コイル１１は、ＭＥＭＳ技術を用いて上述のような構造体を形成する際に、周辺回路を同時に基板上に形成することが可能であるため、シリコンウエハにマスキング／エッチング処理を施すことでシリコン基板上にコイルも一体形成している。さらに、別の工程で製造したコイルを貼り付けた場合でも同様の効果を得ることもできる。また、可動板１０の表面にはアルミニウム蒸着による反射鏡が形成され、平面コイルの対向側に永久磁石１２が設けられている。本実施例で示す反射部７の反射鏡の回転動作の原理は、可動板１０の表面に形成された平面コイル（駆動部）上に電流を流すと対向部の磁石との関係で磁気力が発生し、反射鏡は前記磁気力を受ける方向に回転する原理である。本実施例で提案する多面ミラー４には、この原理で回転する微小な反射部７が複数配置されている。さらに多面ミラー４に構成された反射部７は、前述したようにシリコン基板のフレームやトーションバーと一体で構成されていることから、反射部７の回転角度（回転量）は磁気力と釣り合いがとれるところで静止する。そのため電流の大きさによってそれぞれの反射角度を独立して制御することが可能である。

この多面ミラー４は通電時には、それぞれの位置に配置された反射部７が回転し、多面ミラー４の断面図を表した図４に示すように多面ミラー４全体で凹面形状を形成する。また、この各反射部７は入射するレーザ光の光束に対して十分に面積が小さい。本実施例で示した図では、微小な反射部７の１つは入射する光束の約１／１０程度の大きさとしているが、各反射部７の大きさは小さいほど良い。しかし、反射部７が２枚で多面ミラー４を構成した場合でも補正能力は有する。

背景技術において説明したように、画像形成装置は機械内に設置された定着器やモータ等の熱源の影響によって温度が時間と共に上昇していく。この影響で走査式光学装置内に実装された各レンズの屈折率が変化することで設計上の焦点位置である感光ドラム面上からレーザ光の結像位置がずれてしまい、その結果、スポット径が感光ドラム上で大きくなってしまう。本実施例では、レーザ光源１とポリゴンミラー５の間に多面ミラー４を配置することでピントズレを補正する。本実施例で提案する補正手法は、画像形成装置が稼動した直後等、機械が昇温していない条件下においては図２に示すように複数の微小な反射部７の各反射面が同一の反射角度を有しているが、昇温時には図４に示すように多面ミラー４全体で凹形状となるように各反射部７の反射角度を変更し、主走査方向及び副走査方向に集光性能を有する形状に変化させるものである。

図５に昇温時のレーザ光源１からポリゴンミラー５までの、副走査方向における光学的な光路を示した概略図を示す。多面ミラー４の曲率は、各レンズの屈折率変化をキャンセルし、感光ドラム上でレーザ光が結像するために必要な曲率を描く。図５中破線は、シリンドリカルレンズ３の屈折率変化が生じた際の収束光の光路であり、ポリゴンミラー５上で結像すべき光が、他の位置で焦点を結ぶことが分かる。本実施例ではこれを補正するために多面ミラー４を光路上に配置し、ポリゴンミラー５上で結像させるための集光性能を持たせている。

また、本実施例では、シリンドリカルレンズ３の曲率は温度の上昇量によって変化するため、画像形成装置内（例えば走査式光学装置又はその近傍）に設けた温度センサによって温度を測定し、その温度変化に追従して多面ミラー４全体の反射面の曲率を変化させる。本実施例では多面ミラー４全体の反射面の曲率を決定するために温度センサを用いているが、感光ドラム面上でのスポット径を測定し、その結果から多面ミラー４全体の反射面の曲率を変化させても同様の効果を得ることができる。

また、スポット径は結像レンズに入射する光束径に反比例するため、結像レンズに入射する光束を大きくすればスポット径は小さく、逆に入射する光束径を小さくすればスポット径は大きくなる。そのため、多面ミラー４全体の反射面の曲率を変化させることで、出力する画像の解像度に応じて最適なスポット径に変化させることができる。

さらに、多面ミラー４の配置場所はシリンドリカルレンズ３とポリゴンミラー５の間である必要は無く、コリメータレンズ２とシリンドリカルレンズ３の間に配置しても同様の効果を得ることができる。

本実施例によって、昇温時のスポット径の補正を行うことができるだけでは無く、出力する画像の解像度に応じたスポット径に変化させることができる。

図６と図７に本発明の実施例２を説明する図を示す。実施例１と同様の部分については説明を省略する。

図６は本実施例における多面ミラー４の反射角度を説明するための断面図である。本実施例における多面ミラー４は、図６に示すように端部の反射部７の反射角度が中央部の反射部７と異なる構成を持っている。これは、必要とされない領域の光をポリゴンミラー５へ入射させず、光学箱や蓋の壁やリブ等に反射させて光を吸収させるためである。

図７に示す本実施例での光学的な概略配置図を用いて説明すると、前述の実施例１と同様にＭＥＭＳ技術で製作された多面ミラー４をコリメータレンズ２とシリンドリカルレンズ３の間に配置している。この多面ミラー４も前述の実施例１と同様の工程で製作されているため各反射部７の反射面の反射角度は独立して制御が可能である。多面ミラー４の反射面には予め決められたスポット径に必要な光束の領域よりも広い領域に対してレーザ光が照射されており、図７からも本実施例の多面ミラー４によって、所定の領域以外に入射するレーザ光が多面ミラー４の端部に位置する反射部７によってポリゴンミラー５に入射せずに光学箱や蓋の壁やリブ等で遮光されることが分かる。

また、本実施例で所定の領域以上にレーザ光を照射しているのは、解像度に応じてスポット径を変化させるためであり、その光束の大きさは最小のスポット径にする場合の大きさとほぼ同等である。先の実施例１で述べたように、出力する解像度を向上させ、スポット径を小さくする必要が生じた場合には、多面ミラー４に設けられた端部側の反射部７の反射角度を変更し、ポリゴンミラー５にレーザ光が入射する領域を大きくすることで結像レンズに入射する光束を大きくでき、その結果、スポット径を絞ることが可能である。この手法によって、出力する解像度に応じたスポット径に変化させることができる。

また、実施例１と同様に、多面ミラー４はシリンドリカルレンズ３とポリゴンミラー５の間である必要は無く、コリメータレンズ２とシリンドリカルレンズ３の間に配置しても同様の効果を得ることができる。

本実施例によって、出力する画像の解像度に応じて最適なスポット径にコンパクトな構成で変化させることができる。

図８に本発明の実施例３を説明する図を示す。実施例１，２と同様の部分については説明を省略する。

本実施例ではシリンドリカルレンズ３とポリゴンミラー５の間に、図９に示すような多面ミラー１３を配置している。これは、実施例１，２で用いた多面ミラー４全体を回動させるための第２トーションバー（不図示）がさらに設けられた構成であり、多面ミラー１３全体を図中矢印の方向へ回動させることが可能な構成である。この多面ミラー１３は前述の実施例１および実施例２に示す多面ミラー４に構成された微小な反射部７と同様にＭＥＭＳ技術を用いて製作されており、異方性エッチングによって一体形成されたトーションバーが、取り付ける光学箱の鉛直方向に配置された構成を有している。

そのため前述したように、電流を印加することで図８に示す方向に多面ミラー１３を回転させることができ、この印加電流をＡＣ的に変化させることで多面ミラー１３を振動させることが可能である。本実施例では、この機構によってスポット径の補正を行うと同時に、画像の倍率を補正する。

図１０を用いてその補正原理を説明する。図１０（ａ）に示すように多面ミラー１３が静止状態のときに破線に示す角度でポリゴンミラー５へ入射する光線を、多面ミラー１３をＡＣ的に微小振動させることで、実線に示すようにポリゴンミラー５へ入射する角度を微小に変化させる。それによってポリゴンミラー５による偏向角度が微小に変化し、その
結果、図１０（ｂ）に示すように偏向後の照射位置が破線から実線へ主走査方向に変化する。

すなわち、昇温等によって画像の倍率が変化した時には、ポリゴンミラー５によって感光ドラム上を走査する周期と同一の周波数で多面ミラー１３を振動させる。また、多面ミラー１３の振動振幅（回転角度）は、倍率の変化量に応じて変化させることが可能である。本実施例に示す構成によって、感光ドラム上での主走査方向へ対する照射位置を補正することが可能であり、その結果、画像の倍率を補正することが可能である。

また、前述の実施例１，２で述べたように多面ミラー１３の反射部７の反射角度を制御することで、倍率を補正しつつスポット径を補正することが可能である。

画像の倍率は、画像形成装置内に設けたスポット径測定センサ等を用いて直接測定して補正値を算出しても良いが、画像形成装置内に設けた温度センサによって機内の温度上昇量を測定し、その温度から推測される倍率の補正値を用いても良い。一般に昇温による倍率の補正は昇温の程度によって変化し、温度の上昇量が少ない、つまり全体倍率の変化量が小さい場合は回転角度が小さければよく、温度の上昇量が大きい場合、つまり全体倍率の変化量が大きい場合には回転角度を大きくすればよい。さらに、倍率の補正は、画像形成装置に対して予め決められた値に対して変化した場合に常に補正を行ってもよいし、ある温度以上になった場合にだけ補正を行ってもよい。

上記に述べたように本実施例によって、昇温等の環境変動に影響を受けることなく画像の倍率を常に一定に保つことが可能となり、安定した画像品質を得ることができる。

図１は本発明の実施例１に係る走査式光学装置を説明する図である。 図２は本発明の実施例１に係る多面ミラーを説明する斜視図である。 図３は本発明の実施例１に係る多面ミラーの微小な反射部を説明する図である。 図４は本発明の実施例１に係る多面ミラー全体の反射面の変化を説明する図である。 図５は本発明の実施例１に係るの光学的な効果を説明する図である。 図６は本発明の実施例２に係る多面ミラー全体の反射面の変化を説明する図である。 図７は本発明の実施例２に係る光学的な効果を説明する図である。 図８は本発明の実施例３に係る走査式光学装置を説明する図である。 図９は本発明の実施例３に係る多面ミラーを説明する斜視図である。 図１０は本発明の実施例３に係る光学的な効果を説明する図である。 図１１は従来技術の画像形成装置を説明する概略断面図である。 図１２は従来技術の走査式光学装置を説明する図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ コリメータレンズ
３ シリンドリカルレンズ
４ 多面ミラー
５ ポリゴンミラー
７ 反射部
８ シリコン基板
９ トーションバー
１０ 可動板
１１ 平面コイル
１２ 永久磁石
１３ 多面ミラー

Claims (8)

1. レーザ光を射出する光源と、
   前記光源から射出されたレーザ光を偏向走査する回転多面鏡と、
   レーザ光を像担持体に結像させる光学部品と、
   前記光源と前記回転多面鏡の間に配置されるとともに複数の微小な反射部を並べて配置した構成であり、レーザ光を前記回転多面鏡に向けて反射させる反射部材と、
   を備えた走査式光学装置において、
   前記反射部材は、電流が印加されることで、前記反射部材で反射されたレーザ光の前記回転多面鏡への入射角度が変化するように、前記反射部材全体が回転するように設けられ、
   前記反射部材を構成する前記複数の微小な反射部は、それぞれ独立して反射角度の変更が可能に設けられ、
   前記回転多面鏡によってレーザ光が前記像担持体上に走査される周波数と同一の周波数で前記反射部材全体を振動させる電流が前記反射部材に印加されることで、前記像担持体上での主走査方向に対する照射位置が補正され、前記像担持体に結像される像の倍率が補正され、
   前記複数の微小な反射部の反射角度がそれぞれ独立して変更されることで、前記像担持体上におけるレーザ光のスポット径の大きさが変更されることを特徴とする走査式光学装置。
2. 前記複数の微小な反射部のそれぞれの反射角度が変更されることで、レーザ光が、画像形成する解像度に対応したスポット径に変更されることを特徴とする請求項１に記載の走査式光学装置。
3. 画像形成する解像度に応じて前記複数の微小な反射部の反射角度が変更され、前記回転多面鏡に入射するレーザ光の光束径が変更されることで、レーザ光のスポット径が変更されることを特徴とする請求項１に記載の走査式光学装置。
4. 前記光源、前記回転多面鏡、前記反射部材及び前記光学部品を格納する光学箱と、
   前記光学箱の開口部を覆う蓋と、
   を備え、
   前記反射部材の端部における前記微小な反射部の反射面で反射された光は、前記光学箱もしくは前記蓋に形成された壁、又は、前記光学箱もしくは前記蓋に形成されたリブに照射されることで遮光されることを特徴とする請求項３に記載の走査式光学装置。
5. 前記複数の微小な反射部はそれぞれ、レーザ光を反射させる反射ミラー部と、前記反射ミラー部の反射角度を変更させる駆動部と、を備え、
   前記複数の微小な反射部において、前記駆動部により前記反射ミラー部の反射角度がそれぞれ変更されることで、前記像担持体上におけるレーザ光のスポット径の大きさが変更されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査式光学装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査式光学装置と、
   前記走査式光学装置からのレーザ光が結像される像担持体と、
   を備えたことを特徴とする画像形成装置。
7. 前記走査式光学装置又はその近傍に温度を検知する温度センサを有し、前記温度センサの検出値によって、前記複数の微小な反射部におけるそれぞれの前記反射ミラー部の反射角度が前記駆動部により変更されることを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
8. レーザ光のスポット径を測定するスポット径測定センサを有し、前記スポット径測定センサの出力によって、前記複数の微小な反射部におけるそれぞれの前記反射ミラー部の反射角度が前記駆動部により変更されることを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
   

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