JP4634819B2

JP4634819B2 - 光走査装置および画像形成装置

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Publication number: JP4634819B2
Application number: JP2005046110A
Authority: JP
Inventors: 友哉大杉
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: US20060187513A1; US7782352B2; JP2006234977A; US20100265310A1

Description

本発明は、光走査装置およびこれを用いる画像形成装置に関し、さらに詳しくは、光学素子の設置構造に関する。

複写機やプリンタあるいはファクシミリ装置などの画像形成装置においては、潜像担持体として用いられる感光体への静電潜像を形成する装置の一つとしてレーザ光などの光ビームを用いる光走査装置が用いられる場合がある（例えば、特許文献１，２）。

一方、画像形成装置の一つであるデジタル複写機やレーザプリンタなどの電子写真技術を用いた装置には、光走査装置を用いて感光体の移動方向に対して垂直な方向に光スポットを走査させることによって、感光体に潜像を書き込み、この潜像をトナーを用いて現像し、トナーを紙上に転写後、定着器でトナーを加熱して紙上に定着させて、紙上に画像を形成する。また、感光体および現像器を複数用いて複数色の作像プロセスを並列で行うことにより、高速でカラー画像を形成するタンデムカラー画像形成装置などもある（例えば、特許文献３）。

このような画像形成装置に用いられる光走査装置では、半導体レーザを光源として用い、半導体レーザより発せられた光ビームをコリメータレンズやシリンドリカルレンズ等の第一結像素子によって整形した後、ポリゴンスキャナ等の偏向器によって偏向し、ｆθレンズや偏向器の面倒れ補正レンズ等の第二結像素子を介して、像面上に光スポットとして結像させかつ走査する。光源から像面までの光路中にミラーを挿入して光路を折り曲げることによって、光走査装置の小型化を図ったり、画像形成装置内の配置位置の最適化を図ったりすることも多い。

タンデム方式の画像形成装置における光走査装置においては、４つの感光体上を各々走査させるものがある。このような光走査装置では、高価な偏向器を１つしか用いずに済むため、光走査装置を低コストに抑えられるというメリットがある（例えば、特許文献３）。

特許文献３に開示されているような光書込装置においては、これに用いられるレンズやミラー等の光学素子や偏向器などが密閉された空間を構成する光学箱内に設置され、外部からの塵埃による光学面の汚損を防止するようになっている。

特開平６−１４８５５３号公報（段落「０００２」欄）特開平１０−２３２３６０号公報（段落「０００４」欄）特開２００３−２４８１８６号公報（段落「０００５」、「００４１」欄）

光走査装置においては、密閉された空間を有する光学箱内に位置する光学素子や偏光器を備えた構成においては、偏光器として用いられる回転多面鏡がモータにより高速回転駆動される際に振動が発生し、この振動が光学箱に伝わる場合がある。光学箱の振動は各光学素子の支持部において振動を誘起することになり、この結果、光学箱内の所定位置に位置決めされていた光学素子の位置や姿勢が変動してしまい、像面上に結像される光スポットの位置や形状が変動することが原因となって出力画像の劣化を招く虞がある。特に、特許文献３に開示されているような構成、つまり、一つの偏光器により４つの光ビームに変更して各結像面への光学経路に導くことで低コスト化を図った構成では、光学箱内において全ての光学素子を格納する必要があることにより光学箱自体が大型なものとなる。
このため、画像形成装置内において光学箱が支持される際に用いられるフレーム間のスパンが長くなることから振動に対する剛性を確保することが難しくなることがある。しかも、このような光走査装置では、偏向器やｆθレンズといった特に光学特性への影響の大きい素子が、一番振動しやすい光学箱の中央部、換言すれば、支持フレームにおける支持スパン間で最も曲げ変形が大きく現れる位置に配置されることから、出力画像への光学箱の振動の影響が出やすい。
特許文献３では、このような不具合が発生するのを、補強リブを設けて光学箱の剛性を高めている。しかしながら、補強リブを支持フレームのスパン間に設けた場合には、偏光器の近傍にも補強リブが位置していることになる。このため、偏光器からの光ビームが遮られてしまうのを避けるために、偏光器近傍に位置するリブの一部を除去した構成あるいはリブ自体に切り欠きを設ける工夫がなされているが、このような構成とした場合には、偏向器近傍において振動に対する剛性強化部分が欠如することとなり、振動に対するリブの効果は限定的となってしまっている。

本発明の目的は、上記従来の光走査装置における問題に鑑み、光学素子や偏向器が格納されている光学箱の剛性を高めて振動に対する強度の向上により振動が原因する出力画像の劣化を防止することが可能な構成を備えた光走査装置および画像形成装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、光源と偏向器と結像素子を用いて像面上に光スポットを走査する光走査装置であって、該光源と該偏向器と該結像素子とを設置する筐体を備え、該筐体は少なくとも、向かい合う第１及び第２の側壁と、該第１及び第２の側壁に略垂直に延びて上記偏向器が中央に配置される底面と、該底面に略垂直で、かつ該第１の側壁に接続された第１のリブおよび該第２の側壁に接続されるとともに前記第１のリブとの間に光束を通過させるための不連続部を設けて配置された第２のリブを含む少なくとも２つのリブとを有する光走査装置において、前記リブとは別体からなる補強部材を有し、前記補強部材は、前記第１のリブ及び第２のリブの双方に固定されることによって、前記第１のリブと前記第２のリブとの間に架橋され、それにより、前記筐体の剛性を高めるように構成されていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光走査装置において、前記補強部材が架橋される少なくとも２つのリブの間には、光透過部材が設けられるとともに、前記補強部材を固定することによって該偏向器周辺の空間が略密閉されることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の光走査装置において、前記補強部材が架橋される２つのリブの間には、光透過部材が設けられるとともに、前記補強部材は、該偏向器周辺の空間を密閉するカバーであることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の光走査装置において、前記補強部材は金属板によって形成されていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のうちの一つに記載の光走査装置において、前記筐体のうち、少なくとも該側壁と該底面と該リブは、樹脂材料により一体的に成形されてなることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のうちの一つに記載の光走査装置において、少なくとも光源と結像素子を複数有し、１つの偏向器に対し異なる方向から複数の光束を入射させ、該複数の光束を各々偏向して複数の像面に光スポットを走査することを特徴としている。
請求項７記載の発明は、少なくとも第１の光源と第２の光源とを含む複数の光源と、偏向器と、少なくとも第１の結像素子と第２の結像素子とを含む複数の結像素子とを用いて像面上に光スポットを走査するために該光源と該偏向器とが筐体内に設置されている構成を備えた光走査装置において、前記第１の光源からの光束が１つの前記偏向器に入射された後、該偏向器により偏向され前記第１の結像素子により結像されて一の像面に光スポットを走査するとともに、前記第２の光源からの光束が前記第１の光源からの光束とは異なる方向から該偏向器に入射された後、該偏光器により偏向され前記第２の結像素子により結像されて他の像面に光スポットを走査するように構成され、前記筐体は少なくとも、向かい合う２つの側壁と、該側壁に略垂直に延びるとともに、該偏向器が前記第１の結像素子と第２の結像素子との間であって、かつ、中央に配置される底面と、該底面に略垂直で、かつ該２つの側壁をつなぐリブとを有し、前記リブには、該光源から該偏向器に向かう光束および該偏向器により偏向された光束が通過する開口が形成されていて、前記開口を形成する四方は筐体に一体的に形成された部材からなることを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のうちの一つに記載の光走査装置を用い、像担持体上に光スポットを走査することによって像担持体上に像を書き込み、画像を形成することを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の画像形成装置において、少なくとも光源を複数備え、複数の像面上に各々光スポットを走査することが可能な光走査装置を用いて複数の像担持体上に光スポットを走査することにより複数の像担持体各々に潜像を書き込み、該複数の像担持体各々に形成された潜像を顕像して重ね合わせることによって、カラー画像を形成することを特徴としている。

本発明によれば、少なくとも２つのリブに固定されて架橋して、筐体の剛性を高める少なくとも１つの補強部材を有しているので、偏向器の回転時に発生する振動が光学箱に伝搬するのを抑制して光学素子の位置や姿勢変化による出力画像の劣化を防止することが可能となる。

また、本発明においては、補強部材の架橋位置として、偏向器が光を走査してできる光走査面に対して垂直な方向から見て、該偏向器と該結像素子との間に位置させ、さらに、補強部材が架橋される少なくとも２つのリブの間には、光透過部材が設けられるとともに、前記補強部材を固定することによって該偏向器周辺の空間が略密閉されることにより、偏向器による走査を阻害しないようにするための介在物の存在が好ましくない位置における補強が可能となる。

さらに本発明によれば、補強部材が鉄製等の金属板であることにより、剛性の向上と共に防音および密閉空間内に封入されやすい熱を光学素子への影響を防ぎつつ外部に放出することができるので、偏向器周辺での温度上昇を防止して光学素子の熱的な悪影響を防止することが可能となる。

本発明によれば、少なくとも側壁、底面およびリブが樹脂材料により一体成型されているので、リブによる剛性向上を図りつつ、材料コストを低下させることができ、低コストで高剛性の光学箱を得ることが可能となる。

また、本発明においては、一つの偏向器に対して複数の光源および結像素子を設置して複数の像面に光スポットを走査することにより、各像面を対象としてそれぞれ偏向器を設ける必要がなく、部品点数や組み立て工数を低減させることが可能となる。

さらに本発明においては、筐体が、少なくとも、向かい合う２つの側壁と、該側壁に略垂直に延びる底面と、該底面に略垂直で、かつ該２つの側壁をつなぐリブとを有し、前記リブには、該光源から該偏向器に向かう光束および該偏向器により偏向された光束が通過する開口が形成されていて、前記開口を形成する四方は筐体に一体的に形成された部材であることにより、光学箱を上面から見た場合に両側壁およびこれと垂直な方向に延在する一対のリブを用いた閉断面構造として光学箱での剛性を向上させることができる。
また、本発明においては、光走査装置における振動が抑制されることにより振動が原因する出力画像の劣化を防止することが可能となる。

しかも本発明においては、光走査装置での振動が抑制されることにより、重ね合わせる際の画像位置ずれなどを防止することができ、色ずれなどの出力画像の劣化を防止することが可能となる。

以下、図示実施例により本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明実施例による光走査装置の一つを示す図であり、同図において光走査装置１００は、光学箱１０１を主要部として備え、光学箱１０１は、互いに対向して位置する第１側壁部１０２，１０３およびこれら第１側壁部と直角な方向で対向する第２側壁部１２６，１２７によって四方が囲繞されており、これら各側壁部は底面部１２５にそれぞれ一体化されて固定されている。

底面部１２５には、複数の光源ユニット１１５〜１１８、シリンドリカルレンズ１１９〜１２２が必要箇所に配置され、底面部１２５の略中央には偏向器であるポリゴンスキャナ１０８が配置され、光源ユニット１１５〜１１８から出射された光ビームが偏向走査されるようになっている。
ポリゴンスキャナ１０８は、６面の反射面を備えた回転ミラーが上下２段に積層された構成とされ、光源ユニット１１５，１１６および１１７，１１８は各々副走査方向にずれた配置関係とされている。

ポリゴンスキャナ１０８において偏向走査された光ビームが出射される位置には上下２段に積層されたｆθレンズ１０９，１１０および、底面部下方に向けて光ビームを折り返すミラー１１１〜１１４が配置され、ミラー１１１〜１１４に対応する底面部１２５の位置には、図２に示すように底面部１２５の下方に配置されている像担持体としての感光体３３１〜３３４に向けて光ビームを通過させる開口３３５〜３３８が設けられている。

図２において、底面部１２５の下方には、感光体３３１〜３３４に向けて光ビームを収斂させるレンズ３１６〜３１８およびミラー３１９〜３２６がそれぞれ配置されている。

光学箱１０１における上下各面には、図２において符号３０２，３０３で示すカバーが取り付けられて内部を覆うようになっており、外部からの塵埃の侵入を防止するようになっている。光学箱１０１の下面側に位置するカバー３０３には、感光体に向けて光ビームを照射可能な開口にガラス３２７〜３３０が設けられ、光学箱１０１内への塵埃の侵入を防止しながら光ビームの照射が行えるようになっている。

感光体３３１〜３３４の周囲には、図示しないが、周知の電子写真方法による画像形成を行うための帯電装置、現像装置、転写装置およびクリーニング装置が配置されており、各感光体で形成された可視像が記録シートなどの記録媒体に対して重畳転写されてフルカラー画像を形成できるようになっている。また、重畳転写された記録シートは、図示しないが定着装置を経由して画像形成装置内あるいは装置外部に排出されるようになっている。

図１において光学箱１０１は、側壁の４隅近傍に設けてある固定用フランジ（図１では一方の側壁１２７に設けてある固定用フランジのみが示してある）１２３，１２４を備えており、画像形成装置内に設けてある光走査装置取り付け部に対して締結されて固定されるようになっている。

上述した構成を備えた光走査装置における特徴部を以下に説明する。
図１に示す光学箱１０１においては、偏向器であるポリゴンスキャナ１０８の設置位置近傍において底面部１２５に垂直で、かつ２つの側壁１０２，１０３にそれぞれ長手方向端部が一体化されることにより連結されたリブ１０４，１０５が設けられている。

リブ１０４，１０５は、ポリゴンスキャナ１０８の周辺を囲繞できる状態の壁部をなし、ｆθレンズ側に対面する壁部の一部には、光束を通過させるための不連続部が設けられている。不連続部としては、図１に示す場合が開口１０６，１０７によって構成されており、開口周縁、特に上下方向での開口周縁が連続している。なお、開口１０６，１０７に関しては、図１に示すように、ポリゴンスキャナ１０８に向かって入射する光ビームが通過する部分としての開口（窓）とポリゴンスキャナ１０８によって偏向された光ビームが通過する部分としての開口（窓）とをリブ１０４，１０５における別々の位置に形成することも可能である。

一方、図３は、光走査装置の要部変形例を示す図であり、同図における光学箱２０１は、偏向器であるポリゴンスキャナ２０８を中心として放射状に４つの光源ユニット２１５〜２１８が配置されており、これら各光源ユニット２１５〜２１８は、第１の側壁部２０２に取り付けられている。またポリゴンスキャナ２０８に対して光源ユニット２１５〜２１８から出射された光ビームを感光体に導くための光学素子の配置構成は、図１に示した場合と同様な構成とされている。

第１の側壁部２０２は、光源ユニット２１５〜２１８の配置状態に合わせて屈曲させてある。
一方、第１の側壁部２０２およびこれに対向する第２の側壁部２０３には、これら各側壁部間を連なる状態で第１，第２のリブ２０４，２０５が設けられている。
第１，第２のリブ２０４，２０５は、側壁部間で延長される途中がポリゴンスキャナ２０８の近傍で途切れて不連続な状態となっており、光源ユニットからポリゴンスキャナ２０８に向かう光ビームとポリゴンスキャナ２０８で偏向された光ビームがリブ２０４，２０５の途切れた部分を通過できるようになっている。

リブ２０４，２０５における途切れて不連続な部分には、その上面を覆うようにリブとは別体の補強部材としての鉄製カバー２２５が固定されるようになっている。

鉄製カバー２２５は、リブ２０４，２０５の途切れた部分の各隅部に設けてあるボス部２２６〜２２９に対して締結あるいは接着によって一体化されている。リブ２０４，２０５における途切れた部分には、ポリゴンスキャナ２０８に対する光ビームの入射および出射口となる位置にガラス２３０が板バネ（図示されず）などで押し付けられて固定されており、これによってポリゴンスキャナ２０８がその周囲を略密閉されている。この構成によりポリゴンスキャナ２０８の回転時に発生する風切り音などの騒音が外部に漏洩するのを防ぐことができ、さらにはポリゴンスキャナ２０８で発生した熱が外部に伝搬することにより発生する虞のあるｆθレンズ２０９，２１０の特性変動を低減することができる。

本実施例では、図１乃至図３に示したリブを備えている構成の光走査装置において、光学箱中央部での振動低減に関する実験を行ったところ、次の挙げる結果を得た。

まず、実験に際し、本実施例による光学箱の構成に対する比較例として、図４のような形状を仮定し、これについて振動シミュレーションを行った。図４において下線を記した数字は寸法（単位ｍｍ）を示している。なお、図４に示す符号のうちで、符号４００は光学箱を、符号４０１は底面部を、符号４０２および４０３は第１側壁部を、符号４０４，４０５は第１側壁部４０２，４０３に連なるリブを、符号４０８，４０９はリブの一部に設けられた不連続部をそれぞれ示している。
ここで、シミュレーションにおける拘束条件は図５の通りで、光学箱の４隅に対して、ねじ締結したことを想定し６自由度（３並進方向＋３回転方向）拘束とした。また、振動のトリガーとなる外力としては、図５中の矢印で示した位置に、ハンマーで叩くような瞬間的な衝撃を想定し、三角形のパルス状に５０Ｎの力を入力した。なお、シミュレーションに用いた光学箱の材料定数を図６に示す。
これは一般的に光学箱の材料として用いられている樹脂材料の値である。また、振動シミュレーションでは有限要素法を用いているが、ここでは要素として三角形のシェル要素を採用し、図４の光学箱のモデルを約１４００の要素に分割した。
以上のような条件にて振動シミュレーションを行った結果を図８に示す。ここで、振動シミュレーションを行うと、各節点について図７のような時間に対する変位のデータが得られる。これに対しフーリエ変換によって周波数解析を行った結果が図７である。また、図８では図５における丸印で示した２点、すなわち偏向器取付け部（光学箱中央部）とｆθレンズ取付け部の上下方向の変位を示している。

一方、本実施例における光学箱の構成として、図１に示したようなリブの一部に開口を設けた場合と同等な形状を仮定し（図９参照）、これについて振動シミュレーションを行った。すなわち、リブに矩形の開口がある構成を対象としている。ここで、外形やリブの位置等は図４と同じとしている。

図９に示したモデルに対して振動シミュレーションを行った結果を図１０に示す。
図１０に示すように、本実施例でのシミュレーション結果においては、図８に示した従来技術による光学箱を対象とした場合の結果と比べて、偏向器およびｆθレンズ取付け部の双方で振動のピークの高さが大きく低減されているのがわかる。

次に、本実施例における光学箱の構成として、図３に示したように、リブの一部が途切れて不連続な形態となっている場合に相当させた図１１に示すような構成を仮定し、これについて振動シミュレーションを行った。
図１１において、光学箱の形状は図３に示した構成と同じであり、リブに関しては図４に示した場合と同様に、一部に不連続部が形成されている構成であり、この構成において不連続部に対して６０ｍｍ×９０ｍｍ×厚さ３ｍｍのカバーを追加している。ここでは、カバーの材質は光学箱と同じとした。また、このカバーは四隅を光学箱のリブにねじ締結することを想定しており、シミュレーションでは四隅を図１１に示した位置に、６自由度（３並進方向＋３回転方向）拘束の条件でリンクさせた。

図１１のモデルに対して振動シミュレーションを行った結果を図１２に示す。図１２は図１０とほとんど差異がなく、やはり図１０と同様に図８、すなわち従来技術による光学箱と比べて、偏向器およびｆθレンズ取付け部の双方で振動のピークの高さが大きく低減されているのがわかる。

本発明の実施例による光走査装置の構成を示す図である。図１に示した光走査装置の断面構成を示す図である。図１に示した光走査装置の要部変形例を示す図である。振動シミュレーションに用いる比較例としての従来構成による光走査装置を示す図である。図４に示した構成を対象とした振動シミュレーションを実施する際の拘束条件を説明するための模式図である。図５に示した拘束条件に用いられる光学箱の材料定数を示す表図である。振動シミュレーションに用いる光学箱の各節点での変位のデータをフーリエ変換によって周波数解析した結果を示す図である。図５に示した従来構成の光学箱における計測点での振動変位量を示す図である。図１に示した構成を対象とした振動シミュレーションを実施するための光学箱の構成を示す模式図である。図９に示した構成の光学箱における計測点での振動変位量を示す図である。図３に示した構成の光学箱を対象とした場合の振動シミュレーションを行うための構成を示す模式図である。図１１に示した構成の光学箱における計測点での振動変位量を示す図である。

符号の説明

１００光走査装置
１０１，２０１光学箱
１０２，１０３，２０２，２０３第１側壁部
１２６，１２７，２０１第２側壁部
１２５底面部
１０４，１０５，２０４〜２０７リブ
１０７，１０８開口部
２２５補強部材としての鉄製カバー
３３１〜３３４感光体

Claims

光源と偏向器と結像素子を用いて像面上に光スポットを走査する光走査装置であって、
該光源と該偏向器と該結像素子とを設置する筐体を備え、該筐体は少なくとも、向かい合う第１及び第２の側壁と、該第１及び第２の側壁に略垂直に延びて上記偏向器が中央に配置される底面と、該底面に略垂直で、かつ該第１の側壁に接続された第１のリブおよび該第２の側壁に接続されるとともに前記第１のリブとの間に光束を通過させるための不連続部を設けて配置された第２のリブを含む少なくとも２つのリブとを有する光走査装置において、
前記リブとは別体からなる補強部材を有し、
前記補強部材は、前記第１のリブ及び第２のリブの双方に固定されることによって、前記第１のリブと前記第２のリブとの間に架橋され、それにより、前記筐体の剛性を高めるように構成されていることを特徴とする光走査装置。
請求項１記載の光走査装置において、
前記筐体の補強部材を架橋する箇所は、前記偏向器が光を走査してできる光走査面に対して垂直な方向から見て、該偏向器と該結像素子との間に位置することを特徴とする光走査装置。
請求項１記載の光走査装置において、
前記補強部材が架橋される２つのリブの間には、光透過部材が設けられるとともに、前記補強部材は、該偏向器周辺の空間を密閉するカバーであることを特徴とする光走査装置。
請求項３記載の光走査装置において、
前記補強部材は金属板によって形成されていることを特徴とする光走査装置。
請求項１乃至４のうちの一つに記載の光走査装置において、
前記筐体のうち、少なくとも該側壁と該底面と該リブは、樹脂材料により一体的に成形されてなることを特徴とする光走査装置。
請求項１乃至５のうちの一つに記載の光走査装置において、
少なくとも光源と結像素子を複数有し、１つの偏向器に対し異なる方向から複数の光束を入射させ、該複数の光束を各々偏向して複数の像面に光スポットを走査することを特徴とする光走査装置。
少なくとも第１の光源と第２の光源とを含む複数の光源と、偏向器と、少なくとも第１の結像素子と第２の結像素子とを含む複数の結像素子とを用いて像面上に光スポットを走査するために該光源と該偏向器とが筐体内に設置されている構成を備えた光走査装置において、
前記第１の光源からの光束が１つの前記偏向器に入射された後、該偏向器により偏向され前記第１の結像素子により結像されて一の像面に光スポットを走査するとともに、前記第２の光源からの光束が前記第１の光源からの光束とは異なる方向から該偏向器に入射された後、該偏光器により偏向され前記第２の結像素子により結像されて他の像面に光スポットを走査するように構成され、
前記筐体は少なくとも、向かい合う２つの側壁と、該側壁に略垂直に延びるとともに、該偏向器が前記第１の結像素子と第２の結像素子との間であって、かつ、中央に配置される底面と、該底面に略垂直で、かつ該２つの側壁をつなぐリブとを有し、前記リブには、該光源から該偏向器に向かう光束および該偏向器により偏向された光束が通過する開口が形成されていて、前記開口を形成する四方は筐体に一体的に形成された部材からなることを特徴とする光走査装置。
請求項１乃至７のうちの一つに記載の光走査装置を用い、像担持体上に光スポットを走査することによって像担持体上に像を書き込み、画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
請求項８記載の画像形成装置において、
少なくとも光源を複数備え、複数の像面上に各々光スポットを走査することが可能な光走査装置を用いて複数の像担持体上に光スポットを走査することにより複数の像担持体各々に潜像を書き込み、該複数の像担持体各々に形成された潜像を顕像して重ね合わせることによって、カラー画像を形成することを特徴とするカラー画像形成装置。