JP4535743B2 - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザプリンタ、デジタル複写機等の画像形成装置、及び、そのような画像形成装置に利用可能な光走査装置に関する。

例えば、複数の像を感光体ドラム上に作りその複数の像を記録媒体上で重ね合わせて一つの像を形成する複数のドラム方式のカラー用の画像形成装置では、色分解された色成分に対応する複数の画像形成部、及び、その各画像形成部に、色成分に対応する画像データすなわち複数のレーザビームを提供する光走査装置（レーザ露光装置）が利用される。

このようなカラー用の画像形成装置においては、色ずれのないカラー画像を実現すべく、各感光体ドラム上での像の位置関係、特に、副走査方向での位置関係を適切な関係にすることが必要である。しかしながら、光源から各感光体ドラムに至るまでには多くの光学素子が介在しており、そのような光学素子が周囲温度や湿度などの影響を受け、色ずれを生じさせることもあった。

副走査方向の色ずれ（各色成分像間での位置ずれ）を抑えるため、従来、特許文献１に記載の方法が提案されている。

この方法は、各色成分用の光源から、各色成分に共通の偏向器に至るまでの各色成分毎の偏向前光学系にそれぞれ、光線が偏芯、傾きをもって透過する、副走査方向に正のパワーを持つガラスシリンダレンズと、副走査方向に負のパワーを持つプラスチックシリンダレンズとからなるハイブリッドシリンダレンズを持たせ、周囲温度の変化などによる副走査方向の位置ずれを、各色成分毎に抑えるものである。
米国特許第６、３３７、７５７号公報

しかしながら、上述した従来方法では、各色成分毎にプラスチックシリンダレンズ（色成分がイエロー、マゼンタ、シアン及びブラック（黒）であれば４個のプラスチックシリンダレンズ）を設けなければならず、装置を複雑、高価なものとしていた。

また、像面（感光体ドラム面）に焦点を結ぶようにさせるデフォーカス調整のために、ハイブリッドシリンダレンズを光軸方向に移動させると、ハイブリッドシリンダレンズが光線を偏芯、傾きをもって透過させるものであるため、像面での照射位置（ビーム位置）も変化してしまうという課題もあった。

本発明の目的は、使用環境の変化で生じようとする各像の副走査方向のビーム位置の位置ずれを簡易な構成によって補償し、各像間での位置ずれを抑制し得る光走査装置及び画像形成装置を提供することにある。

本発明は、単一の光偏向装置と、複数の光源からの光線を上記光偏向装置に入射させる偏向前光学系と、上記光偏向装置からの各反射光線を光線毎の被走査面に結像させる第１の光学素子を含む偏向後光学系とを有する光走査装置において、（１）上記偏向前光学系は、複数の光源からの光線をそれぞれ通す位置に設けられた、副走査方向に正のパワーを有する複数の第４の光学素子を備えると共に、（２）上記第１の光学素子の副走査方向のパワーに対し、正負が逆のパワーを有する第２の光学素子を、上記複数の光源からの光線を共通に通す、上記偏向前光学系の位置であって、しかも、上記複数の光源からの光線が副走査方向に距離をおいて入射される位置に設けたことを特徴とする。

本発明の光走査装置及び画像形成装置によれば、温度変化などの周囲環境変化があっても、異なる感光体により形成される複数の像の副走査方向の位置ずれを、簡易な構成により抑制することができる。

以下、図面を用いて、本発明による光走査装置及び画像形成装置の好適な実施形態について説明する。

（Ａ）一実施形態
まず、本発明による光走査装置及び画像形成装置の一実施形態を説明する。この実施形態の光走査装置は、マルチビーム光走査装置である。

図１は、この実施形態のマルチビーム光走査装置を利用しているカラー画像形成装置を示している。なお、この種のカラー画像形成装置では、通常、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（黒；Ｂ）の各色成分毎に色分解された（黒は墨入れ用）４種類の画像データと、Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢのそれぞれに対応して各色成分毎に画像を形成するさまざまな装置が４組利用されることから、以下の説明や各図面では、各参照符号に、Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢを付加することで、色成分毎の画像データとそれぞれに対応する装置を識別することとする。

図１において、画像形成装置１００は、色分解されたイエロー、マゼンタ、シアン及びブラック（黒）毎に画像を形成する第１ないし第４の画像形成部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ及び５０Ｂを有している。

各画像形成部５０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）は、図２及び図３を用いて後述するマルチビーム光走査装置１の第３の折り返しミラー３７Ｙ、３７Ｍ、３７Ｃ及び第１の折り返しミラー３３Ｂを介して各色成分画像に対応するレーザビームＬ（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）が出射される位置に対応して、光走査装置１の下方に、５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ及び５０Ｂの順で直列に配置されている。

各画像形成部５０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の下方には、各画像形成部５０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）により形成された画像を転写される転写材（記録媒体）を搬送する搬送ベルト５２が配置されている。

搬送ベルト５２は、図示しないモータにより、矢印の方向に回転されるベルト駆動ローラ５６及びテンションローラ５４に掛け渡され、ベルト駆動ローラ５６が回転される方向に所定の速度で回転され、各画像形成部５０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の下方では直進する。

各画像形成部５０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）は、それぞれ、円筒ドラム状で、図１上で時計方向に回転可能に形成され、画像に対応する静電潜像が形成される感光体ドラム５８Ｙ、５８Ｍ、５８Ｃ及び５８Ｂを有している。

各感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の周囲には、感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の表面に所定の電位を提供する帯電装置６０Ｙ、６０Ｍ、６０Ｃ及び６０Ｂ、感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の表面に形成された静電潜像に対応する色が与えられているトナーを供給することで現像する現像装置６２Ｙ、６２Ｍ、６２Ｃ及び６２Ｂ、搬送ベルト５２を感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）との間に介在させた状態で感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）に対向され、搬送ベルト５２又は搬送ベルト５２を介して搬送される記録媒体すなわち記録用紙Ｐに感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）のトナー像を転写する転写装置６４Ｙ、６４Ｍ、６４Ｃ及び６４Ｂ、転写装置６４（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）を介してトナー像が転写された後に感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）上に残った残存トナーを除去するクリーナ６６（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）、及び、転写装置６４（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）を介してトナー像が転写された後の感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）上に残った残存電位を除去する除電装置６８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）が、各感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の回転方向に沿って順に配置されている。

なお、それぞれの感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）上へ潜像を書き込むためのビームは、光走査装置１の各ミラー３７Ｙ、３７Ｍ、３７Ｃ、３３Ｂにより案内される感光体ドラム５８上で副走査方向に１又は複数のビームとなっている。

各色成分のレーザビームＬＹ、ＬＭ、ＬＣ及びＬＢ（複数本のビームが合成されたものであることもあり得る）は、それぞれ、同一色成分に係る帯電装置６０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）と現像装置６２（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）との間の感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の面上に照射される。

搬送ベルト５２の下方には、各画像形成部５０（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）により形成された画像が転写されるための記録媒体すなわち用紙Ｐを収容する用紙カセット７０が配置されている。

用紙カセット７０の一端であって、テンションローラ５４に近接する側には、おおむね半月状に形成され、用紙カセット７０に収容されている用紙Ｐを、最上部から１枚ずつ取り出す送り出しローラ７２が配置されている。

送り出しローラ７２とテンションローラ５４との間には、カセット７０から取り出された１枚の用紙Ｐの先端と画像形成部５０Ｂ（黒）の感光体ドラム５８Ｂに形成されたトナー像の先端とを整合させるためのレジストローラ７４が配置されている。

レジストローラ７４と用紙の走行方向で第１番目の画像形成部５０Ｙとの間であって、テンションローラ５４の近傍で、実質的に、搬送ベルト５２を挟んでテンションローラ５４の外周上には、レジストローラ７２を介して所定のタイミングで搬送される１枚の用紙Ｐに、所定の静電吸着力を提供する吸着ローラ７６が配置されている。なお、吸着ローラ７６の軸線とテンションローラ５４の軸線は、平行に配置される。

搬送ベルト５２の一端であって、ベルト駆動ローラ５６の近傍で、実質的に、搬送ベルト５２を挟んでベルト駆動ローラ５６の外周上には、搬送ベルト５２あるいは搬送ベルトにより搬送される用紙Ｐ上に形成された画像の位置を検知するためのレジストセンサ７８及び８０が、ベルト駆動ローラ５６の軸方向に所定の距離をおいて配置されている（図１は、正面断面図であるから、後方のセンサ８０のみが示されている）。

ベルト駆動ローラ５６の外周に対応する搬送ベルト５２上には、搬送ベルト５２上に付着したトナーあるいは用紙Ｐの紙かすなどを除去する搬送ベルトクリーナ８２が配置されている。

搬送ベルト５２を介して搬送された用紙Ｐがベルト駆動ローラ５６から離脱されてさらに搬送される方向には、用紙Ｐに転写されたトナー像を用紙Ｐに定着する定着装置８４が配置されている。

図２及び図３は、図１に示したカラー画像形成装置で利用されるマルチビーム光走査装置の詳細構成を示している。なお、図１では、マルチビーム光走査装置の偏向前光学系を省略していたが、図２では、偏向前光学系をも含めて示している。また、図２は、偏向後の光線を各色成分毎のレーザビームに分離するための後述する折り返しミラーによる折り返しを展開して示したものである。

図２に示すように、マルチビーム光走査装置１は、光源としてのレーザ素子から出射されたレーザビームを、所定の位置に配置された像面、言い換えると、図１に示した４個の画像形成部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ及び５０Ｂの感光体ドラム５８Ｙ、５８Ｍ、５８Ｃ及び５８Ｂのそれぞれの所定の位置に向かって所定の線速度で偏向する偏向手段としてのただ１つの光偏向装置５を有している。なお、この明細書においては、光偏向装置５によりレーザビームが偏向される方向を主走査方向と呼んでいる。

光偏向装置５は、複数面（例えば、８面）の平面反射鏡（面）が正多角形状に配置された多面鏡本体（ポリゴンミラー）５ａと、多面鏡本体５ａを所定の速度で回転させるモータ５ｂとを有している。多面鏡本体５ａは、例えば、アルミニウムにより形成される。また、多面鏡５ａの各反射面は、多面鏡本体５ａが回転される方向を含む面すなわち主走査方向と直交する面である副走査方向に沿って切り出された後、切断面に、例えば、ＳｉＯ２などの表面保護層が蒸着されることで実現される。

光偏向装置５と像面との間には、光偏向装置５の反射面により所定の方向に偏向されたレーザビームに所定の光学特性を与える第１及び第２の結像レンズ（いわゆるｆθレンズ）３０ａ、３０ｂを有する偏向後光学系３０が設けられている。 第１、及び第２の結像レンズ３０ａ及び３０ｂは、共働して、多面鏡本体５ａの各反射面の面倒れ（各反射面の角度と中心軸を通る軸線との間の傾き）の影響で、像面での副走査位置が変動しないよう、像面と、ポリゴンミラー面上での反射点が概略共役な関係になるように設計されているため、副走査方向には、正のパワーを持つている。

第１及び第２の結像レンズ３０ａ及び３０ｂは、共働して、多面鏡本体５ａの各反射面の面倒れ（各反射面の角度と中心軸を通る軸線との間の傾き）の影響で、像面での副走査位置が変動しないよう、像面と、反射面上での反射点が概略共役な関係になるように設計されているため、副走査方向には、正のパワーを持つている。

また、偏向後光学系３０は、図３に示すように、第１の折り返しミラー３３Ｙ、３３Ｍ、３３Ｃ及び３３Ｂ、第２の折り返しミラー３５Ｙ、３５Ｍ及び３５Ｃ、並びに、第３の折り返しミラー３７Ｙ、３７Ｍ及び３７Ｃを有している。偏向後光学系３０の第２の結像レンズ３０ｂから出射された黒成分のレーザビームＬＢは、第１の折り返しミラー３３Ｂで折り返されて感光体ドラム５８Ｂに照射され、第２の結像レンズ３０ｂから出射された他の色成分のレーザビームＬＹ、ＬＭ及びＬＣはそれぞれ、第１の折り返しミラー３３Ｙ、３３Ｍ、３３Ｃ、第２の折り返しミラー３５Ｙ、３５Ｍ、３５Ｃ、第３の折り返しミラー３７Ｙ、３７Ｍ、３７Ｃで順次折り返されて感光体ドラム５８Ｙ、５８Ｍ、５８Ｃに照射される。

光走査装置１は、それぞれの感光体ドラム５８（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）に導かれる光ビームを放射する、１又は複数のレーザ素子を含む、４個の光源３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ及び３Ｂを有している。なお、光源３（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）が複数のレーザ素子を含んで複数のレーザビームを放射する場合であっても、各光源からのそれら複数のレーザビームは、互いにセットになる相手方のレーザ素子からのレーザビームと概ね１本とみなすことのできる程度の間隔でまとめられている。

各光源３（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）と光偏向装置５との間に、各光源３（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）からのレーザビームＬ（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）の断面ビームスポット形状を所定の形状に整えたりなどする偏向前光学系７（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）が配置されている。

各光源３（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）から出射された発散性のレーザビームＬ（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）は、有限焦点レンズ９（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）により所定の収束性が与えられた後、絞り（図２では省略）により、断面ビーム形状が所定の形状に整えられる。絞りを通過されたレーザビームＬ（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）は、ガラスシリンダレンズ１１（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）により、副走査方向に対してのみ、さらに所定の収束性が与えられる。ガラスシリンダレンズ１１（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）は、例えば、ＢＫ７でなる。さらにその後、レーザビームＬ（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）は、反射ミラーやビームスプリッタなどの光路合成手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄによってほぼ同一の光路（主走査方向には同一、副走査方向には光偏向装置５の反射面への入射角及び又は位置が僅かに異なる）に合成されて、光偏向装置５の同一の反射面に案内される。

有限焦点レンズ９（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）にはそれぞれ、例えば、非球面ガラスレンズもしくは球面ガラスレンズに図示しないＵＶ硬化プラスチック非球面レンズを貼り合わせた単レンズが利用される。

この実施形態は、光偏向装置５に至る前の、各レーザビームＬ（Ｙ、Ｍ、Ｃ及びＢ）での共通な光路（まとめられたほぼ同一の光路）上に、環境変化（例えば温度変化）による副走査方向の位置ずれの補償機能を有する環境変化補償光学素子１５を設けたことを特徴とするものである。環境変化補償光学素子１５には、例えば、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）やＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリル）等のプラスチックにより形成された自由曲面レンズを適用する。環境変化補償光学素子１５は、少なくとも副走査方向に負のパワーを持ったものである。

図４は、環境変化補償光学素子１５を設けたことの概念的な説明図であり、図４（Ａ）が、環境変化補償光学素子１５を設けていない場合の図であり、図４（Ｂ）が、環境変化補償光学素子１５を設けた場合の図である。また、図４は、光偏向装置５の反射面５Ｒでの反射を透過に置き換えた副走査方向の光路を示している。さらに、図４では、４個の色成分のレーザビーム中の２本のレーザビーム（ここでは仮にレーザビームＬＹとＬＢとする）だけを取り上げて示しており、偏向後光学系３０における第１及び第２の結像レンズ（ｆθレンズ）３０ａ、３０ｂも、２つのレンズを合成した機能と同等の機能を持つ１個のレンズとみなして示している。

当該装置に適用するレンズなどは、温度変化を考慮すると、プラスチックレンズよりガラスレンズが好ましい。しかしながら、第１及び第２の結像レンズ（ｆθレンズ）３０ａ、３０ｂは主走査方向に十分な長さを確保しなければならず、その重量やコストなどが考慮されてプラスチックレンズが適用されている。

環境変化補償光学素子１５を設けていない場合において、ガラスシリンダレンズ１１Ｙ及び１１Ｂは温度変化の影響をほとんど受けないため、ガラスシリンダレンズ１１Ｙ及び１１Ｂを通過したレーザビームＬＹ及びＬＢは、温度変化の影響をほとんど受けずに同様な経路を進行する。しかし、プラスチックレンズでなる第１及び第２の結像レンズ（ｆθレンズ）３０ａ、３０ｂは、温度が上昇すると、部材の寸法が大きくなると共に屈折率が小さくなることの影響を受けて正のパワーが低下し、結像面（感光体ドラム５８Ｙ、５８Ｂ）に到達したときには、副走査方向に大きな位置ずれを生じさせる。図４（Ａ）における一点鎖線で示す経路がこの場合を示している。

これに対して、環境変化補償光学素子１５を設けた場合には、ガラスシリンダレンズ１１Ｙ及び１１Ｂを通過したレーザビームＬＹ及びＬＢは、プラスチックレンズでなる第１及び第２の結像レンズ（ｆθレンズ）３０ａ、３０ｂに至る前に、環境変化補償光学素子１５を通過する。環境変化補償光学素子１５として、上述のように、負のパワーを持つプラスチックレンズを適用したときには、温度上昇時に、光偏向装置５の反射面５Ｒでのレーザビーム間隔を狭くするように環境変化補償光学素子１５が機能する。すなわち、プラスチックレンズでなる第１及び第２の結像レンズ（ｆθレンズ）３０ａ、３０ｂが温度上昇時に機能するのと逆方向に、環境変化補償光学素子１５が機能し、結果として、レーザビームＬＹ及びＬＢの結像面（感光体ドラム５８Ｙ、５８Ｂ）の照射位置を狭くするように機能している。環境変化補償光学素子１５のパワーと入射角度の設定により、照射位置変化量は自由に設定可能で、温度上昇の前後でほぼ同じにすることもできる。

次に、環境変化補償光学素子１５に必要な補償機能（環境変化補償光学素子１５としてのレンズ特性）をどのように定めるかを検討する。必要な補償機能をどのように定めるかのためには、装置全体の環境変化（温度変化）による画像ずれ色ずれ）を把握しておく必要がある。

以下では、図５に示すような感光体ドラムが２個のモデルの場合を例に検討する（なお、２個の感光体ドラムがイエロー及び黒の成分のものと仮定して説明する）。

２個の感光体ドラム５８Ｙ及び５８ＢへのレーザビームＬＹ及びＬＢの間隔をＬ、感光体ドラム５８Ｙ及び５８Ｂの半径ｒｄ、感光体ドラム５８Ｙ及び５８Ｂにおける露光点と転写点との間の角度をα、感光体ドラム５８Ｙ及び５８Ｂの回転速度をωｄ、ベルト駆動ローラ５６のシャフト半径をｒｓ、ベルト駆動ローラ５６の回転角速度ωｓとすると、基準時には（１）式が成立し、用紙上の同じ箇所に像を重ねるためには、レーザビームＬＹで書き込むタイミングと、レーザビームＬＢで書き込むタイミングに、（２）式で示す時間差Ｔをおいて露光を行うことを要する。

ｒｄ×ωｄ≒ｒｓ×ωｓ＝ｖ …（１）
Ｔ＝Ｌ／ｖ …（２）
（ア）レーザビームの照射位置変動の影響
図５に示すような標準的な状態から、図６に示すような、レーザビームＬＹ及びＬＢの間隔がΔＬＨだけずれた状態に変化すると、レーザビームＬＢで書き込まれた像が、転写点に到達する時間が（３）式に示す時間ΔＴＨだけ遅れる。このことは、画像でいうと、（４）式に示す分だけ、レーザビームＬＢによる画像が後ろ側（副走査方向：図６での右側）にずれることを意味している。

ΔＴＨ≒ΔＬＨ／ｖ …（３）
ｖ×ΔＴＨ≒ΔＬＨ …（４）
（イ）感光体ドラム位置変動の影響
また、図５に示すような標準的な状態から、図７に示すような、２個の感光体ドラム５８Ｙ及び５８Ｂ間の距離がΔＬＦだけずれた状態に変化すると、レーザビームＬＢで書き込まれた像が、転写点に到達する時間が（５）式に示す時間ΔＴＦだけ遅れる。このことは、画像でいうと、（６）式に示す分だけ、レーザビームＬＢによる画像が前側（副走査方向：図７での左側）にずれることを意味している。２個の感光体ドラム５８Ｙ及び５８Ｂ間の距離がΔＬＦだけ変化すると、レーザビームＬＢでの像の転写点もΔＬＦだけ変化する。従って、トータルとしては、（７）式の絶対値に示す分だけ、レーザビームＬＢによる画像が前側（副走査方向：図７での左側）にずれる。（７）式における−は、ずれの方向を示すものであり、右側にずれるのを＋としている。

ΔＴＦ≒−ΔＬＦ／ｖ …（５）
ｖ×ΔＴＦ≒−ΔＬＦ …（６）
−２×ＬＦ …（７）
（ウ）シャフト径変動の影響
さらに、ベルト駆動ローラ５６のシャフト半径がΔｒｓだけ大きくなると、ベルト駆動ローラ５６の直線的な移動速度（ｖ）はΔｒｓ×ωｓだけ速くなる。このため、上述した時間Ｔでベルト（ベルト上の媒体）進む距離は、（８）式に示す分だけ大きくなる。このことは、画像変化でいっても、（８）式に示す分だけ、レーザビームＬＢによる画像が後側（副走査方向：図６や図７での右側）にずれることを意味している。

Δｒｓ×ωｓ×Ｔ＝Ｌ×Δｒｓ／ｒｓ …（８）
副走査方向の画像ずれを引き起こす原因を、上述の（ア）〜（ウ）に示す３種類の変動とし、それらが重なった場合には、レーザビームＬＢによる画像は、（４）式、（７）式及び（８）式から、（９）式に示す分だけ標準状態からずれることになる。

ΔＬＨ−２×ΔＬＦ＋Ｌ×Δｒｓ／ｒｓ …（９）
ここで、この実施形態の光走査装置１などの光学系を取り付けて収容している部材（以下、ハウジングと呼ぶ）の合成線膨張係数（合成熱膨張係数）をαＨ、感光体ドラム５８Ｙ及び５８Ｂを支持している部材（以下、フレームと呼ぶ）の合成線膨張係数（合成熱膨張係数）をαＦ、ベルト駆動ローラ（シャフト）５６の合成線膨張係数（合成熱膨張係数）をαＳとし、温度上昇をｔとすると、上述した３種類の変動量ΔＬＨ、ΔＬＦ、Δｒｓはそれぞれ、（１０）式〜（１２）式で表すことができる。

ΔＬＨ＝αＨ×Ｌ×ｔ …（１０）
ΔＬＦ＝αＦ×Ｌ×ｔ …（１１）
Δｒｓ＝αＳ×ｒｓ×ｔ …（１２）
上述した（９）式に（１０）式〜（１２）式を適用することにより、（１３）式が得られる。この（１３）式は、図５に示すような標準的な状態から、温度がｔだけ上昇すると、レーザビームＬＢでの画像が、各部の合成線膨張係数（合成熱膨張係数）の影響を受けつつ、（１３）式に示す分だけ、後側（副走査方向：図５での右側）にずれることを表している。

αＨ×Ｌ×ｔ−２×αＦ×Ｌ×ｔ＋Ｌ×αＳ×ｒｓ×ｔ／ｒｓ
＝（αＨ−２×αＦ＋αＳ）×（Ｌ×ｔ）＝Δ …（１３）
この（１３）式からは、温度がｔだけ上昇すると、レーザビームＬＢの照射位置を上昇前の位置から、（１３）式で表される絶対量Δと同じ量だけ逆方向に移動させれば良いこと（−Δ）が分かる。以上では、レーザビームＬＢによる画像変化だけが生じると仮定して説明したが、レーザビームＬＢ及びＬＹの照射位置が共に変化する。従って、（１３）式は、温度がｔだけ上昇すると、レーザビームＬＢ及びＬＹ間のピッチを−Δだけ変化させれば良いことを表している。すなわち、レーザビームＬＢ及びＬＹの感光体ドラムの照射位置を固定するのではなく、（１３）式で表される逆の量−Δだけ、レーザビームＬＢ及びＬＹの照射位置間を相対的に移動させるようにすれば、周囲環境の変化（特に温度変化）が起こっても複数画像での位置ずれは生じない。

以上では、説明を簡単化するため、２本のレーザビームＬＢ及びＬＹで説明したが、上記実施形態の場合のように、４本のレーザビームＬＹ、ＬＭ、ＬＣ及びＬＢについても同様である。

上記で仮定した、光学系ハウジングの膨張と、ハウジングから出てくる光線（レーザビーム）の間隔変動がちょうど同じになるのは、副走査方向のビーム間ピッチが、αＨ×ＢＰ×ｔ（ここで、ＢＰは偏向面から像面までの光路折り返しを展開した際の像面での副走査方向のビーム位置間隔）だけ膨張した場合となる。

このため、折り返しミラーを展開した際の被走査面（各感光体ドラム面が対応）のビーム位置が（１３’）式に示すΔ’だけずれれば、温度変化による色重ねのずれの発生を防止することができる。これにより、レジストレーション制御無し時の色ずれ量を抑えることができ、又は、レジストレーション制御の時間間隔を大きくすることができる。

−（αＨ−２×αＦ＋αＳ）×（Ｌ×ｔ）＋αＨ×ＢＰ×ｔ＝Δ’
…（１３’）
上述した環境変化補償光学素子１５は、図４（Ｂ）を用いて説明したように、温度変化時の被走査面での副走査方向の位置ずれを抑制するものであるが、完全に抑制することができない。そのため、環境変化補償光学素子１５の特性や形状を、温度がｔだけ上昇した場合に、折り返しミラーを展開した際の被走査面でのビーム位置が−（αＨ−２×αＦ＋αＳ）×（Ｌ×ｔ）＋αＨ×ＢＰ×ｔだけずれるように選定すれば、温度変化による色重ねのずれの発生を防止することができ、レジストレーション制御無し時の色ずれ量を抑え、又は、レジストレーション制御の時間間隔を大きくすることができる。

一般的には、フレームやシャフトは鉄系の素材で形成され、ハウジングはアルミニュームやプラスチックで形成されるため、αＨ＞αＦ≒αＳが成立し、そのため、−（αＨ−２αＦ＋αＳ）×Ｌ＜０となる。これにより、温度が上昇した際には、光学系としては、副走査方向間隔の増加がαＨ×ＢＰ×ｔより小さくなることが望ましいことが分かる。

以上のように、環境変化補償光学素子１５を含めた最適な光学パワー配置を行うことにより、副走査方向のビーム位置の変動を抑制し、しかも、副走査方向結像面の温度依存性を低減する光学系を提供可能となる。

（Ａ−１）上記実施形態の第１の具体例
以下、上述した実施形態の光走査装置及び画像形成装置を、第１の具体例に沿って説明する。

この第１の具体例では、光学系ハウジングの材質が線膨張係数αＨ＝２．１×１０^−５のアルミダイキャストであり、感光体間隔を規定するフレームの材質が線膨張係数αＦ＝２．１×１０^−５のアルミダイキャストであり、転写ベルト駆動シャフトの材質が線膨張係数αＳ＝１．１５×１０^−５の快削鋼であり、また、両端の感光体ドラム（黒用及びイエロー用）間の間隔Ｌは２２５ｍｍである。

ここで、温度上昇が１５度（ｔ＝１５）の場合を考えると、理想的な副走査方向両端のビーム間距離変化量として、Δ’の値を規定する上述した（１３’）式から、Δ’＝０．０３２が得られる（なお、このことは、逆に、温度変化が起こっても、副走査方向の照射位置が全くずれない場合には３２μｍの色重ねずれが発生することを意味している）。

図８〜図１１は、１５度の温度上昇があったときに、副走査方向両端のビーム間距離変化量Δ’としてほぼ３２μｍを実現し得るような光走査装置１の諸元の説明図である。

なお、図８〜図１１は、多面鏡本体（ポリゴンミラー）５ａの内接円直径が４０．０ｍｍであり、主走査方向をｙ方向、副走査方向をｚ方向、光軸方向をｘ方向（偏向前は＋、偏向後は−）としたとき、多面鏡本体（ポリゴンミラー）５ａの回転中心位置が多面鏡本体（ポリゴンミラー）５ａの反射面の局所座標系でｙ方向が１７．２ｍｍ、ｚ方向が１０．１ｍｍの場合を示している。また、これら図面に係るレンズ面定義式は、（１４）式に示す通りであり、この具体例では、ａｙ＝１、ａｚ＝１にしている。

図８は、各光学素子の各面での光軸上での曲率や間隔（ＴＨ）や各光学素子の屈折率などを示している。各光学素子の相前後する面間の距離は、レーザビームＬＹ（図ではＲＡＹ１と表記、他も同様）、ＬＭ（ＲＡＹ２）、ＬＣ（ＲＡＹ３）、ＬＢ（ＲＡＹ４）で共通する表記と、レーザビームＬＹ（ＲＡＹ１）、ＬＭ（ＲＡＹ２）、ＬＣ（ＲＡＹ３）、ＬＢ（ＲＡＹ４）によって異なる部分の表記とで行っている。また、図８は、有限焦点レンズ９（Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂ）の出射面以降の諸元を記述しており、各有限焦点レンズ９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｂは、結像位置までの距離が、それぞれ、１１５９．４ｍｍ、１１０６．０ｍｍ、１１３６．０ｍｍ、１２０２．３ｍｍのものである。

図９は、各光学素子の局所座標系での偏芯、傾きを示しており、各光学素子は、この図９に示す偏芯、傾きをもって配置される。図８及び図９において、面Ｎｏは共通している。

図８及び図９において、面Ｎｏ「２」がガラスシリンダレンズ１１（Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂ）の曲面側を示しており、面Ｎｏ「３」がその平面側を示している。面Ｎｏ「４」で記載した距離は、面Ｎｏ「５」の光学素子の入射面までのレーザビームＬＹ（ＲＡＹ１）、ＬＭ（ＲＡＹ２）、ＬＣ（ＲＡＹ３）、ＬＢ（ＲＡＹ４）での共通距離を示し、面Ｎｏ「３」で記載した距離は、その共通距離と、各レーザビームごとの実際の距離との差分を示している。面Ｎｏ「５」及び「６」が光路合成手段（１３ｄ）としてのビームスプリッタの入射面及び出射面を示している。

面Ｎｏ「７」及び「８」が、環境変化補償光学素子１５としてのプラスチックレンズの入射面及び出射面であり、入射面の曲面多項式係数を図１０（Ａ）に示し、出射面の曲面多項式係数を図１０（Ｂ）に示している。図８、図１０（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなように、環境変化補償光学素子１５は主走査方向にも曲面となっている。温度変化による像面の照射位置ずれは、副走査方向よりは小さいとは言え、主走査方向にも生じ、その補償のためである。また、図１１は、環境変化補償光学素子１５（プラスチックレンズ）の近軸パワーを示しており、副走査方向（及び主走査方向）に負のパワーを持っている。

面Ｎｏ「９」及び「１０」は、多面鏡本体（ポリゴンミラー）５ａをカバーしているカバーガラス（図２では省略）の偏向前側での入射面及び出射面を示し、面Ｎｏ「１１」は偏向面を示し、面Ｎｏ「１２」及び「１３」は、上述したカバーガラスの偏向後側での入射面及び出射面を示している。

面Ｎｏ「１４」及び「１５」が、第１の結像レンズ３０ａとしてのプラスチックレンズの入射面及び出射面であり、入射面の曲面多項式係数を図１０（Ｃ）に示し、出射面の曲面多項式係数を図１０（Ｄ）に示している。面Ｎｏ「１６」及び「１７」が、第２の結像レンズ３０ｂとしてのプラスチックレンズの入射面及び出射面であり、入射面の曲面多項式係数を図１０（Ｅ）に示し、出射面の曲面多項式係数を図１０（Ｆ）に示している。

面Ｎｏ「１８」は、光走査装置１の全体に対するカバーガラス（図２では省略）の入射面を示しており、面Ｎｏ「１９」及び「２０」がその出射面を示している。面Ｎｏ「２０」で記載した距離は、像面（感光体ドラム面）までの各レーザビームＬＹ（ＲＡＹ１）、ＬＭ（ＲＡＹ２）、ＬＣ（ＲＡＹ３）、ＬＢ（ＲＡＹ４）に共通な距離を示し、面Ｎｏ「１９」で記載した距離は、その共通距離と、各レーザビームごとの実際の距離との差分を示している。

以上のような具体例の光走査装置１を適用した場合、図１２に示すように、レーザビームＬＹ（ＲＡＹ１；イエロー）と、レーザビームＬＢ（ＲＡＹ４；黒）は、１５度の温度上昇で、ハウジング膨張よりも、２５μｍ広がる方向に移動する。すなわち、レーザビームの照射位置が移動しない場合のレジストレーションずれ量の３２μｍを打ち消す方向に動くため、１５度の温度上昇でも、イエローと黒で７μｍの色重ねずれしか発生しない。

同様に、レーザビームＬＭ（ＲＡＹ２；マゼンタ）とレーザビームＬＢ（ＲＡＹ４；黒）との関係については、Ｌ＝７５×２＝１５０となり、光線が移動しない場合のレジストレーションずれ量は２２μｍであるが、打ち消す方向に両レーザビームの相対距離が１６μｍ動くため、１５度の温度上昇でも、マゼンタと黒で６μｍの色重ねずれしか発生せず、レーザビームＬＣ（ＲＡＹ３；シアン）とレーザビームＬＢ（ＲＡＹ４；黒）との関係については、Ｌ＝７５となり、光線が移動しない場合のレジストレーションずれ量は１１μｍであるが、打ち消す方向に両レーザビームの相対距離が１４μｍ動くため、１５度の温度上昇でも、シアンと黒で３μｍの色重ねずれしか発生しない。

しかも、主走査方向及び副走査方向のデフォーカス変化量も、０．３以下と抑えられている。

（Ａ−２）上記実施形態の第２の具体例
以下、上述した実施形態の光走査装置及び画像形成装置を、第２の具体例に沿って説明する。

この第２の具体例では、光学系ハウジングの材質が線膨張係数αＨ＝２．２５×１０^−５の炭素繊維強化ポリカーボネート樹脂であり、感光体間隔を規定するフレームの材質が線膨張係数αＦ＝１．２×１０^−５の冷間圧延鋼板であり、転写ベルト駆動シャフトの材質が線膨張係数αＳ＝１．０４×１０^−５のステンレス鋼であり、また、両端の感光体ドラム（黒用及びイエロー用）間の間隔Ｌは２２５ｍｍである。

ここで、温度上昇が１５度（ｔ＝１５）の場合を考えると、理想的な副走査方向両端のビーム間距離変化量として、Δ’の値を規定する上述した（１３’）式から、０．０３０が得られる（なお、このことは、逆に、温度変化が起こっても、副走査方向の照射位置が全くずれない場合には３０μｍの色重ねずれが発生することを意味している）。

第２の具体例の場合、偏向前光学系の光源（ＬＤ）、有限焦点レンズ、ガラスシリンダレンズの高さを規定する部材は、光学部品全体を保持するハウジングとは、別部材でできており、具体的には、金属基複合材（フィラーとしてセラミック強化材を用い、金属マトリックス中に複合、一体化した素材）でできている。ここで、異なる厚さの金属基複合材をそれぞれ、光学ハウジングと、光源（ＬＤ）、有限焦点レンズ、ガラスシリンダレンズの間に挟むことにより、副走査方向位置を異ならせたものとする。

この第２の具体例の偏向後光学系は第１の具体例の偏向後光学系と同一である。

図１３〜図１６はそれぞれ、第１の具体例に係る図８〜図１１に対応する図面であり、偏向前光学系についてのみ示している。

第２の具体例の場合、図１７に示すように、レーザビームＬＹ（ＲＡＹ１；イエロー）と、レーザビームＬＢ（ＲＡＹ４；黒）は、１５度の温度上昇で、ハウジング膨張よりも５μｍ小さくなる方向に移動する。すなわち、レーザビームの照射位置が移動しない場合のレジストレーションずれ量の３０μｍを打ち消す方向に動くため、１５度の温度上昇でも、イエローと黒で２５μｍの色重ねずれしか発生しない（これ自身は大きいが、偏向前光学系に負のパワーを持つプラスチックレンズを入れない場合には、後述のように、１１４μｍのずれとなり、これよりは、非常に改善していると言える）。

また、第２の具体例によっても、主走査方向及び副走査方向のデフォーカス変化量も、０．３以下に抑えられている。

なお、第２の具体例の場合、温度が上昇すると、被走査面ビーム間隔が小さくなる構成となっているということができる。

図１８〜図２０は比較例の光学系の緒元を示すものである。比較例は、環境変化補償光学素子１５としてのプラスチックレンズが設けられていないものである。なお、この比較例の偏向後光学系も、第２の具体例と同様なものである。図１８は、第２の具体例での図１３に対応する図面であり、図１９は、第２の具体例での図１４に対応する図面であり、図２０は、第２の具体例での図１６に対応する図面である。

この比較例の場合、図２１に示すように、レーザビームＬＹ（ＲＡＹ１；イエロー）と、レーザビームＬＢ（ＲＡＹ４；黒）は、１５度の温度上昇で、８４μｍ広がる方向に移動する。

第１の具体例のハウジング、感光体間隔を規定するフレーム部材、転写ベルト駆動シャフトの材質の組合せの例では、レーザビームの照射位置が移動しない場合のレジストレーションずれ量の３２μｍに対し、８４μｍずれてしまうため、１５度の温度上昇で、イエローと黒とで５２μｍの色重ねずれが発生することとなってしまう。

第２の具体例のハウジング、感光体間隔を規定する部材、転写ベルト駆動シャフトの材質の組合せの例では、光線が移動しない場合のレジストレーションずれ量の３０μｍに加え、８４μｍが反対方向にずれてしまうため、１５度の温度上昇で、イエローと黒とで１１４μｍの色重ねずれが発生することとなってしまう。

以上より、環境変化補償光学素子１５（プラスチックレンズ）を設けたことにより、温度変化に対する色重ねずれを抑制できることが明白である。

さらに、図２１と図１２の比較、並びに、図２１と図１７の比較から、主走査方向及び副走査方向のデフォーカス変化量も、比較例が第１や第２の具体例に比べ大きいことが分かる。

以上のように、偏向後光学系において温度変化による副走査方向ビームウェスト位置が変化しても、偏向前光学系に環境変化補償光学素子１５（プラスチックレンズ）を設けることによって、偏向後光学系で発生する方向と逆方向に結像面をシフトさせ、補正を行うことができる。その結果、副走査方向での色重ねずれを抑制でき、レジストレーション制御無し時の色ずれ量を抑えることができ、又は、レジストレーション制御の時間間隔を大きくすることができる。

なお、副走査方向だけでなく、主走査方向に関しても、偏向前光学系に環境変化補償光学素子１５（プラスチックレンズ）を設けることによって、環境変化に対するデフォーカスに対し、同様な効果を奏することができる。

（Ｂ）他の実施形態
上記実施形態では、最大４個の画像を重ね合わせる画像形成装置を示したが、重ね合わせることができる最大の画像数がこれより少ない又は多い画像形成装置に対しても、本発明を適用することができる。また、重ね合わせる画像の色成分が異なる色のものに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、全てのレーザビームを多面鏡本体（ポリゴンミラー）の同一面に導くものを示したが、ポリゴンミラーの２面を使う装置に対しても、適宜、本発明を適用することができる。

さらに、上記実施形態では、環境変化補償光学素子１５が負のパワーを有するレンズ（一例としてプラスチックレンズ）であるものを示したが、同様な入出射特性を有する他種類の光学素子であっても良い。例えば、非等間隔ピッチの透過型若しくは反射型回折格子を適用することができる。

さらにまた、上記実施形態では、環境変化補償光学素子１５による補償機能が上記（１３’）式を考慮して定まられたものを示したが、環境変化補償光学素子１５による補償機能は上記（１３’）式を考慮していなくても良い。例えば、走査光学ユニット内の温度上昇が、ユニット外側より大きいような場合には、図４（Ｂ）を用いて説明したように、結像レンズ（第１及び第２の結像レンズ）に対する温度依存性と逆の温度依存性を有するように補償機能を定めたものであっても良い。すなわち、光学系ハウジング、感光体間隔を規定するフレーム、転写ベルト駆動シャフトの材質の線膨張係数までも考慮して補償機能を定めたものでなくても良い。

また、上記実施形態では、上記（１３）式による画像ずれを補償する部材が、偏向前光学系の複数のレーザビームに共通な位置に設けられた環境変化補償光学素子１５を中心とするものを示したが、上記（１３）式による画像ずれを、その正負逆の量の移動で補償する部材は、複数ビームの一部のレーザビーム毎の光路部分に設けられていても良い。例えば、光路２つずつが合成された位置のそれぞれに、環境変化補償光学素子１５を設けても良い。

上記実施形態では、光学系ハウジング、感光体間隔を規定するフレーム、転写ベルト駆動シャフトという３種類の材質の線膨張係数を考慮したものを示したが、考慮する材質数はこれより少なくても多くても良い。

実施形態であるマルチビーム光走査装置が利用される画像形成装置の概略断面図である。 図１の画像形成装置に組み込まれる光走査装置の光学部材の配置を示す概略平面図である。 図２の光走査装置において、光偏向装置の反射点と偏向後光学系の走査方向の中央を切断した状態を説明する概略断面図である。 環境変化補償光学素子１５の機能の説明図である。 温度変化の影響を受ける種々のパラメータの通常状態の説明図である。 走査線位置（レーザビーム照射位置）変動の影響の説明図である。 感光体ドラム位置変動の影響の説明図である。 実施形態の第１の具体例での、各光学素子の各面での光軸上での曲率や間隔や各光学素子の屈折率などを示す図表である。 実施形態の第１の具体例での、各光学素子の偏芯、傾き量を示す図表である。 実施形態の第１の具体例での、各光学素子の各面の曲面多項式係数を示す図表である。 実施形態の第１の具体例での、環境変化補償光学素子１５の近軸パワー特性を示す図表である。 実施形態の第１の具体例での、温度上昇１５度時の位置変化などを示す図表である。 実施形態の第２の具体例での、各光学素子の各面での光軸上での曲率や間隔や各光学素子の屈折率などを示す図表である。 実施形態の第２の具体例での、各光学素子の偏芯、傾き量を示す図表である。 実施形態の第２の具体例での、各光学素子の各面の曲面多項式係数を示す図表である。 実施形態の第２の具体例での、環境変化補償光学素子１５の近軸パワー特性を示す図表である。 実施形態の第２の具体例での、温度上昇１５度時の位置変化などを示す図表である。 実施形態に対する比較例での、各光学素子の各面での光軸上での曲率や間隔や各光学素子の屈折率などを示す図表である。 実施形態に対する比較例での、各光学素子の偏芯、傾き量を示す図表である。 実施形態に対する比較例での、環境変化補償光学素子１５の近軸パワー特性を示す図表である。 実施形態に対する比較例での、温度上昇１５度時の位置変化などを示す図表である。

符号の説明

１…マルチビーム光走査装置、
３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｂ…光源、
５…光偏向装置、
５ａ…多面鏡本体（ポリゴンミラー）、
７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｂ…偏向前光学系 、
９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｂ…有限焦点レンズ、
１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｂ…ガラスシリンダレンズ、
１５…環境変化補償光学素子、
３０…偏向後光学系 、
３０ａ、３０ｂ…結像レンズ、
５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂ…画像形成部、
５６…ベルト駆動ローラ、
５８Ｙ、５８Ｍ、５８Ｃ、５８Ｂ…感光体ドラム、
１００…画像形成装置。

Claims (6)

1. 単一の光偏向装置と、複数の光源からの光線を上記光偏向装置に入射させる偏向前光学系と、上記光偏向装置からの各反射光線を光線毎の被走査面に結像させる第１の光学素子を含む偏向後光学系とを有する光走査装置において、
   上記偏向前光学系は、複数の光源からの光線をそれぞれ通す位置に設けられた、副走査方向に正のパワーを有する複数の第４の光学素子を備えると共に、
   上記第１の光学素子の副走査方向のパワーに対し、正負が逆のパワーを有する第２の光学素子を、上記複数の光源からの光線を共通に通す、上記偏向前光学系の位置であって、しかも、上記複数の光源からの光線が副走査方向に距離をおいて入射される位置に設けたことを特徴とする光走査装置。
2. 上記各光源と、上記第２の光学素子との間に、上記各光源からの光線に対して所定の特性を付与する、上記各光源に対応した複数の第３の光学素子を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 上記第２の光学素子が、レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 上記第２の光学素子が、非等間隔ピッチの透過型回折格子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の光走査装置を搭載していることを特徴とする画像形成装置。
6. 単一の光偏向装置と、複数の光源からの光線を上記光偏向装置に入射させる偏向前光学系と、上記光偏向装置からの各反射光線を光線毎の被走査面に結像させる第１の光学素子を含む偏向後光学系とを有し、複数の光源からの光線を、上記偏向前光学系、上記光偏向装置及び上記偏向後光学系を順に介することで上記被走査面上を走査させる光走査方法において、
   複数の光源からの光線をそれぞれ通す、上記偏向前光学系の位置に設けられた、副走査方向に正のパワーを有する複数の第４の光学素子を備えると共に、
   上記第１の光学素子の副走査方向のパワーに対し、正負が逆のパワーを有する第２の光学素子を、上記複数の光源からの光線を共通に通す、上記各第４の光学素子より下流側の上記偏向前光学系の位置であって、しかも、上記複数の光源からの光線が副走査方向に距離をおいて入射される位置に設け、上記複数の光源からの光線を上記各第４の光学素子、上記第２の光学素子を通過させた後に、上記第１の光学素子を通過させることを特徴とする光走査方法。

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