JP4373913B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームプリンタ、レーザファクシミリやデジタル複写機などに用いられる光走査装置および画像形成装置に関するものである。

レーザビームプリンタなどに用いられている多くの光走査装置は、光源としての半導体レーザと、光偏向器の面倒れ(a tilt of a deflection surface)を補正するために光源からの光束を光偏向器上に線状に結像する第１結像光学系と、光偏向器としてのポリゴンミラーと、被走査面上に等速度で均一なスポットを結像する第２結像光学系と、光偏向器によって走査された光束を検出する走査開始信号検出器と、光源からの光束を走査開始信号検出器に集光する検出光学系とから構成されている。

従来の光走査装置の第２結像光学系はｆθレンズと呼ばれる大型の複数枚のガラスレンズで構成されていたので、小型化が困難であるとともに高価であるとの問題点があった。そこで近年、小型化及び低コスト化を実現する光走査装置として、特許文献１や特許文献２に開示されているように第２結像光学系として曲面ミラーを用いるものが提案されている。

しかしながら、上記で提案された光走査装置では、模式的には曲面ミラーからの光束が直接像面に導かれるように記載されているが、光束が曲面ミラーで反射される際の反射角が小さいので、実際に被走査面を構成する感光ドラムに光束を導くには光路長を長くして、ポリゴンミラーと曲面ミラー間および曲面ミラーと感光ドラム間の距離を離して配置する必要があり、そのために装置の小型化には工夫が必要であった。
特開平８−９４９５３号公報 特開平１１−３０７１０号公報

本発明は上記問題点に鑑み、簡単な構成で空間を有効に使って装置を小型化することが可能な光走査装置及び画像形成装置を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、加工及び計測が比較的容易な形状の曲面ミラーを備えた光走査装置及び画像形成装置を提供することを第２の目的とする。更に、本発明は、波長依存性が全くなく良好な光学性能を有する光走査装置及び画像形成装置を提供することを第３の目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光走査装置は、第１と第２の反射光学素子を備え、前記第２の反射光学素子は前記第１の反射光学素子への入射光と前記第１の反射光学素子からの反射光とを反射するように配置され、更に、光源部と、前記光源部からの光束を走査する光偏向器と、前記光源部と前記光偏向器との間に配置され、前記光偏向器の偏向面上に線像を形成する第１結像光学系とを備え、前記第１の反射光学素子は曲面ミラーであり、前記光偏向器と被走査面との間に配置されて第２結像光学系を構成し、前記第１結像光学系からの光束が前記光偏向器の前記偏向面の法線を含み主走査方向に平行な面に対して斜め入射し、前記光偏向器からの光束が前記曲面ミラーの頂点における法線を含み主走査方向に平行な面（以後「ＹＺ面」という）に対して斜め入射するように、前記第１結像光学系と前記光偏向器と前記第２結像光学系とが、副走査方向において異なる位置に配置され、前記曲面ミラーは、その面が前記ＹＺ面と交わる曲線である母線上にある頂点以外の各点での法線が前記ＹＺ面に含まれない、ねじれ形状であることを特徴とする。

また、本発明の画像形成装置は、上記の本発明の光走査装置を用いたことを特徴とする。

本発明の光走査装置によれば、第１と第２の反射光学素子を備え、第２の反射光学素子は第１の反射光学素子への入射光と第１の反射光学素子からの反射光とを反射するように配置することにより、小型の光走査装置を得ることができる。

また、本発明の画像形成装置は、上記の本発明の光走査装置を備えるので、小型の画像形成装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の光走査装置の一実施の形態を示す、走査中心軸を含み副走査方向に平行な面で切った断面図である。また図２はその概略平面図である。図２において、平面ミラー等の光学素子は、簡略化のためにその反射面を一点鎖線で表している。

図１および図２において、１は光源部としての半導体レーザである。２は軸対称レンズ、３は副走査方向にのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズで、軸対称レンズ２およびシリンドリカルレンズ３は第１結像光学系を構成する。５は光偏向器としてのポリゴンミラー、６はポリゴンミラー５の回転中心軸である。ポリゴンミラー５は、回転中心軸６の回りに複数の同一形状の偏向面（反射面）を備える。７は第１の反射光学素子としての曲面ミラー、８は被走査面である感光ドラムである。曲面ミラー７は第２結像光学系を構成する。５１は第２の反射光学素子としての平面ミラーで、５２は第３の反射光学素子としての平面ミラーである。平面ミラー５１は、ポリゴンミラー５からの光束を曲面ミラー７へ向けて反射し、かつ曲面ミラー7からの反射光束を平面ミラー５２へ向けて反射するように配置されている。また平面ミラー５２は、平面ミラー５１からの光束を感光ドラム８へ導くように配置されている。

図１に示すように各構成要素は、半導体レーザ１からの光束が軸対称レンズ２およびシリンドリカルレンズ３を経て、ポリゴンミラー５の偏向面に、その法線を含み主走査方向に平行な面に対して斜めに入射し、且つ、ポリゴンミラー５からの光束が、曲面ミラー７に、ＹＺ面に対して斜めに入射するように、副走査方向についてそれぞれ異なる位置に配置されている。

曲面ミラー７は、ポリゴンミラー５からの平面ミラー５１への入射光Ｌ３と平面ミラー５１からの平面ミラー５２への反射光Ｌ４とで挟まれる空間内に配置されている。さらに曲面ミラー７は、平面ミラー５１への入射光Ｌ３と平面ミラー５１からの反射光Ｌ４と平面ミラー５２からの感光ドラム８への反射光Ｌ５とで挟まれる空間内に配置されている。

次に、具体的な数値実施例を示す。

まず、各種パラメータを定義する。図３に示すように、ｒはポリゴンミラー５の内接半径、Ｌは、二点鎖線で示すように、曲面ミラー７を、平面ミラー５１を用いずにポリゴンミラー５からの光束上の、図の曲面ミラー７’の位置に配置した場合の、ポリゴンミラー５上の偏向反射点と曲面ミラー７’との間隔、Ｄは、同様に曲面ミラー７と感光ドラム８を、平面ミラー５１と平面ミラー５２を用いずに、図の曲面ミラー７’と感光ドラム８’の位置に配置した場合の曲面ミラー７’と感光ドラム８’との間隔、θＰはシリンドリカルレンズ３からの光束の中心軸と偏向面の法線とのなす角、θＭは偏向面からの光束の中心軸とＹＺ面とのなす角である。

また、本実施例の曲面ミラーの面形状は、面の頂点を原点とする副走査方向座標、主走査方向座標がｘ（ｍｍ）、ｙ（ｍｍ）の位置における頂点からのサグ量を入射光束の向かう方向を正とするｚ（ｍｍ）として式（４）で示される。

なお、式（４）において、ｆ（ｙ）、ｇ（ｙ）、θ（ｙ）は、それぞれ、式（５）、式（６）、式（７）として表される。

ここで、ｆ（ｙ）は母線上の形状である非円弧を示す式、ｇ（ｙ）はｙ位置における副走査方向（ｘ方向）の曲率半径、θ（ｙ）はｙ位置におけるねじり量を示す式である。そして、ＲＤｙ（ｍｍ）は頂点における主走査方向曲率半径、ＲＤｘ（ｍｍ）は副走査方向曲率半径、ｋは母線形状を示す円錐定数、ＡＤ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧは母線形状を示す高次定数であり、ＢＣ、ＢＤ、ＢＥ、ＢＦ、ＢＧはｙ位置における副走査方向曲率半径を決める定数、ＥＣ、ＥＤ、ＥＥはｙ位置におけるねじり量を決めるねじり定数である。

ここで、ｙの次数はすべて偶数であるので、曲面ミラー７はＸＺ面に対して対称な形状になっている。また、ＹＺ面と曲面ミラー７が交わる曲線である母線上にある頂点以外の各点における法線が、ＹＺ面に含まれない、ねじれ形状となっている。

具体的数値例を以下の表１〜表４に示す。なお、最大像高をＹｍａｘ、それに対応したポリゴン回転角をαｍａｘとした。
（数値例１）

（数値例２）

（数値例３）

（数値例４）

以上のように構成された光走査装置について、以下、図１ないし図３を用いてその動作を説明する。

半導体レーザ１からの光束は軸対称レンズ２によって収束光となる。そして、シリンドリカルレンズ３によって副走査方向についてのみ収束され、ポリゴンミラー５の偏向面上に線像として結像される。光束は、ポリゴンミラー５が回転中心軸６を中心に矢印Ｂの方向に回転することによって走査され、平面ミラー５１、曲面ミラー７、平面ミラー５１、平面ミラー５２でそれぞれ順に反射され、被走査面８上に結像する。曲面ミラー７の形状は主、副像面湾曲と、ｆθ誤差とを補正するように、主走査方向断面の非円弧形状と、各像高に対応した副走査方向の曲率半径とが決められており、さらに、走査線湾曲を補正するために各像高に対応した位置での面のねじり量が決められている。また、被走査面８上での光束の走査範囲より少し外側の所定の方向に偏向された光束は、図示しないフォトダイオード上に曲面ミラー７によって結像される。フォトダイオードからの検出信号を同期信号として図示しない制御装置が半導体レーザ１の制御を行う。

以上のように本実施の形態１によれば、平面ミラー５１を曲面ミラー７への入射光と曲面ミラー７からの反射光とを反射するように配置したことにより、光束が曲面ミラー７で反射される際の反射角が小さい場合でも装置を小型化することができる。

また、１枚の曲面ミラー７のみで第２結像光学系を構成し、第１結像光学系とポリゴンミラー５と第２結像光学系７とを、副走査方向に異なる位置に配置したことにより、簡単な構成で波長依存性の全くない良好な光学性能を有する小型の光走査装置を得ることが出来る。

また、曲面ミラー７をＸＺ面に対して対称な形状としたことにより、曲面ミラー７を加工及び計測が比較的容易な形状にすることができる。さらに、図３の二点鎖線で示したような配置と完全に互換性を保つことができる。すなわち、ポリゴンミラー５から二点鎖線で示した曲面ミラー７’に向かう光路と二点鎖線で示した曲面ミラー７’から平面ミラー５２に向かう光路上に平面ミラー５１を置いた場合、二点鎖線で示した曲面ミラー７’の鏡像位置に曲面ミラー７を配置するだけで、曲面ミラー７’と同じ形状の曲面ミラー７を用いて、他の部材を全く変更することなく図１に示す配置に変更することが可能である。この結果、光走査装置の小型化が可能になる。

また、平面ミラー５１が曲面ミラー７への入射光と曲面ミラー７からの反射光とを同一面で反射することにより、最小限の部品で小型の光走査装置を得ることができる。

ここで、図４に示すように、曲面ミラー７の頂点における法線に沿って求めた曲面ミラー７と平面ミラー５１との距離をｌ、曲面ミラー７への入射光の中心軸とＹＺ面とのなす角をθＭ、曲面ミラー７上での光束の副走査方向の幅をｄｍ（ｍｍ）、平面ミラー５１上での曲面ミラー７への入射光の副走査方向の幅をｄｉ（ｍｍ）、平面ミラー５１上での曲面ミラー７からの反射光の副走査方向の幅をｄｏ（ｍｍ）とするとき、以下の式（１）を満足することが好ましい。

あるいは、曲面ミラー７への入射光の中心軸に沿って求めた曲面ミラー７と平面ミラー５１との距離をＬｍｉ（ｍｍ）、曲面ミラー７からの反射光の中心軸に沿って求めた曲面ミラー７と平面ミラー５１との距離をＬｍｏ（ｍｍ）、ポリゴンミラー５の偏向面から曲面ミラー７の頂点までの距離をＬ（ｍｍ）、曲面ミラー７の頂点から感光ドラム８までの距離をＤ（ｍｍ）とするとき、上記式（１）のｄｉ、ｄｏを、それぞれ下記式（２）、式（３）により近似しても良い。

２ｌtanθＭが式（１）の下限値より小さいと、曲面ミラー７が入射光Ｌ３又は反射光Ｌ４を遮ってしまう。また、２ｌtanθＭが式（１）の上限値より大きいと、平面ミラー５１の副走査方向の幅が大きくなってしまう。換言すれば、２ｌtanθＭが式（１）の上限値以下のときに、平面ミラー５１を小型の１枚のミラーで構成する利点が顕著に発現し、その結果、部品点数が減少し、光学系の調整が容易になる。

また、曲面ミラー７を、平面ミラー５１への入射光Ｌ３と平面ミラー５１からの反射光Ｌ４とで挟まれる空間内に配置したことにより、図３の２点鎖線で示す配置では利用できなかった空間を有効に利用し、小型の光走査装置を得ることができる。

また、曲面ミラー７を、平面ミラー５１への入射光Ｌ３と平面ミラー５１からの反射光Ｌ４と平面ミラー５２からの反射光Ｌ５とで挟まれる空間内に配置したことにより、さらに空間の有効利用を高め、小型の光走査装置を得ることができる。

さらに、上記の構成により、ポリゴンミラー５、曲面ミラー７、平面ミラー５１、平面ミラー５２を近接して配置することができるので、光走査装置を小型にできるだけでなく、上記光学素子の固定部の剛性を高めることができ、振動や温度変化に対する安定性の高い光走査装置を得ることができる。

また、曲面ミラー７は、斜め入射に起因して生じる走査線曲がりを補正する形状であることにより、光学系を単純な構成にでき、光束の斜め入射に起因して生じる光線収差を補正しつつ、しかも走査線曲がりを補正することができる。

また、曲面ミラー７は、その面とＹＺ面とが交わる曲線である母線上にある頂点以外の各点での法線がＹＺ面に含まれない、ねじれ形状であることにより、光学系を単純な構成にでき、光束の斜め入射に起因して生じる光線収差を補正しつつ、しかも走査線曲がりを補正することができる。

また、本実施の形態では、式（４）で表される曲面ミラー７を用いたので、平面ミラー５１が振動してもその影響が緩和され、良好な画像を得ることができる。

なお、本実施の形態では、曲面ミラー７の形状を表すため式（４）を用いたが、同様の形状を表すことができれば他の式を用いてもよい。

さらに、曲面ミラー７は、母線上の各点の法線がＹＺ面となす角度を、周辺ほど大きくなるようにすればよい。また、母線上の各点の法線がＹＺ面となす角度の方向は、曲面ミラー７で反射される光束がポリゴンミラー５からの入射光束に対してなす角度を正の方向とした場合、正の方向となるようにすればよい。

また、本実施の形態では、光束の波長が５００ｎｍ以下である光源を用いることができる。図６は代表的なフォトダイオードの分光感度を示す特性図である。図７は代表的な３種類の樹脂レンズ材料の分光透過率を示す特性図である。光束の波長が５００ｎｍ以下の領域では、図６に示すようにフォトダイオードの分光感度が一般的に使用される波長である７８０ｎｍの時の半分程度になることに加えて、図７に示すように複数の樹脂レンズを用いた場合は各レンズの分光透過率によって光束のパワーが減衰し、フォトダイオードで光束を検出することが困難になってくる。本発明の光走査装置によれば、フォトダイオードに光束を導き集光させる検出光学系を１枚の曲面ミラー７のみで構成することで、ミラー７の反射率を９５％以上にすることも可能となり、短い波長の光源を用いても容易に基準信号の検出が可能となる。

（実施の形態２）
図５は実施の形態１に記載した光走査装置を適用した画像形成装置の一実施の形態を示す概略断面図である。図５において、２６は光が照射されると電荷が変化する感光体が表面を覆っている被走査面を備えた感光ドラム、２７は感光体の表面に静電気イオンを付着させ帯電させる一次帯電器、２８は感光体に選択的に帯電トナーを付着させる現像器、２９は付着したトナーを用紙に転写する転写帯電器、３０は残ったトナーを除去するクリーナー、３１は転写されたトナーを用紙に定着する定着装置、３２は給紙カセット、３３は光源部としての半導体レーザと、第１結像光学系としての軸対称レンズとシリンドリカルレンズとで構成される光源ブロック、３４は光偏向器としてのポリゴンミラー、３５は実施の形態１で示した第１の反射光学素子である曲面ミラー、３６は第２の反射光学素子である平面ミラー、３７は第３の反射光学素子である平面ミラーである。

以上のように実施の形態２によれば、上記実施の形態１の光走査装置を用いることにより曲面ミラーを光学素子として用いても小型の画像形成装置を実現することができる。

また、光源ブロック３３からの光束を折り返しミラー（図示せず）で折り返してからポリゴンミラー３４へ入射するように構成すると、さらなる小型化も可能である。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

図１は、本発明の実施の形態１の光走査装置の、走査中心軸を含み副走査方向に平行な面で切った断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る光走査装置の概略平面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る光走査装置の配置を示す説明図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る光走査装置の曲面ミラー周辺構成についての、走査中心軸を含み副走査方向に平行な面で切った断面図である。 図５は、本発明の光走査装置を適用した実施の形態２の画像形成装置の概略断面図である。 図６は、代表的なフォトダイオードの分光感度を示す特性図である。 図７は、代表的な３種類の樹脂レンズ材料の分光透過率を示す特性図である。

Claims (2)

1. 第１と第２の反射光学素子を備え、前記第２の反射光学素子は前記第１の反射光学素子への入射光と前記第１の反射光学素子からの反射光とを反射するように配置され、
   更に、光源部と、前記光源部からの光束を走査する光偏向器と、前記光源部と前記光偏向器との間に配置され、前記光偏向器の偏向面上に線像を形成する第１結像光学系とを備え、
   前記第１の反射光学素子は曲面ミラーであり、前記光偏向器と被走査面との間に配置されて第２結像光学系を構成し、
   前記第１結像光学系からの光束が前記光偏向器の前記偏向面の法線を含み主走査方向に平行な面に対して斜め入射し、前記光偏向器からの光束が前記曲面ミラーの頂点における法線を含み主走査方向に平行な面（以後「ＹＺ面」という）に対して斜め入射するように、前記第１結像光学系と前記光偏向器と前記第２結像光学系とが、副走査方向において異なる位置に配置され、
   前記曲面ミラーは、その面が前記ＹＺ面と交わる曲線である母線上にある頂点以外の各点での法線が前記ＹＺ面に含まれない、ねじれ形状であることを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

Images