JP4640232B2 - レーザ走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ走査装置、特に、電子写真法によるプリンタや複写機などの画像形成装置に組み込まれるレーザ走査装置に関する。

従来、レーザ走査装置においては、例えば、特許文献１に示されているように、レーザ光源と偏向器との間に設けた光学系を樹脂で作製するときに、反射面を設けることによって温度変化時の屈折率変化の影響を受けないようにすることが提案されている。光学系を単一の素子として反射面を裏面反射とすれば、ともにガラス製のコリメータレンズとシリンダレンズを使用した場合に比べて大幅なコストダウンを達成することが可能になる。

しかしながら、特許文献１に記載のレーザ走査装置では、透過面が素子の厚みを決めてしまい、高精度を得るためには射出成形における冷却時間をある程度長くせざるを得ず、コストダウンに限界を生じている。
特開２００２−２８７０６２号公報

そこで、本発明の目的は、高性能でかつ安価に製作できるレーザ走査装置を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明に係るレーザ走査装置は、
レーザ光源と、偏向器と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、主走査方向についてほぼ平行光にするとともに、副走査方向について前記偏向器近傍に集光する第１の光学系と、前記偏向器により偏向されたレーザ光を再び集光する第２の光学系と、を備え、
前記第１の光学系は樹脂からなる一つの光学素子であり、該光学素子は回転対称軸を持たない第１及び第２反射面と、回転対称軸を持たない第１及び第２透過面を有し、
前記第１及び第２透過面はレーザ光が直進しないように配置され、
主光線について見たとき、前記光学素子に入射するレーザ光と前記第１及び第２反射面で２回反射されるレーザ光と前記光学素子から出射されるレーザ光が一つの平面内に存在し、
前記平面内で見たとき、第１反射面での反射方向と第２反射面での反射方向が逆方向であり、第１透過面で屈折する方向と第２透過面で屈折する方向が互いに逆方向であること、
を特徴とする。

本発明に係るレーザ走査装置において、光学素子を樹脂成形する際、第１及び第２透過面をパーティングラインに対して寝かせた状態にすることができる。光学素子の結像性能は悪化するが、第１及び第２透過面をいずれも回転対称軸を持たない形状で構成しているため、悪化分を緩和することが可能である。

本発明に係るレーザ走査装置においては、主光線について見たとき、第１及び第２透過面の空気側のレーザ光が互いに平行であり、樹脂側のレーザ光が互いに平行であることが好ましい。入射するレーザ光と出射するレーザ光とが互いに平行であれば、レーザ光源と光学素子との間隔調整及び光学素子と偏光器との間隔調整が簡単な保持機構で構成できる。さらに、第１及び第２透過面の樹脂側のレーザ光が互いに平行であれば、入射光と出射光の主光線を平行にすることが容易になる。

また、第１及び第２透過面の主光線近傍のパワーが、第１及び第２透過面のいずれの断面においても負であることが好ましい。温度変化時のフォーカス変化を極力抑制することができる。さらに、第１及び第２透過面で主光線が屈折する角度が、７〜１６度であることが好ましい。角度が７〜１６度の範囲では収差補正が容易になる。

以下、本発明に係るレーザ走査装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（レーザ走査装置の概略構成、図１参照）
図１に本発明に係るレーザ走査装置の一実施例を示す。このレーザ走査装置は、レーザ光源１と、光学素子２と、ポリゴンミラー４と、ｆθレンズやミラーなどで構成されている走査光学系５とで構成され、レーザ光源１から放射されたレーザ光ＬＢにて感光体６上を１ラインずつ露光していく。１ラインずつの露光方向を主走査方向Ｙ、該主走査方向Ｙと直交する方向を副走査方向Ｚと記す。

レーザ光源１から放射されたレーザ光ＬＢは、光学素子２によって反射・屈折されて主走査方向Ｙについてはほぼ平行光とされ、副走査方向Ｚについてはポリゴンミラー４の各反射面４ａ上に集光される。矢印ａ方向に回転駆動されるポリゴンミラー４で反射されたレーザ光は、走査光学系５によって反射・屈折され、感光体６上でスポット状に集光する。

（素子の第１例、図２参照）
図２（Ａ），（Ｂ）に第１例である光学素子２の光路を示す。光学素子２は樹脂にて成形されており、光学素子２は四つの光学面を備えている。即ち、第１透過面２ａ、第１反射面２ｂ、第２反射面２ｃ、第２透過面２ｄであり、これら四つの光学面は全て回転対称軸を持たない面で構成されている。

反射面２ｂ，２ｃは、それぞれ、レーザ光が全反射するように設計されており、蒸着が不要である。樹脂で成形すること及び蒸着が不要であることはコストダウンに大きく寄与する。また、第１透過面２ａに入射するレーザ光と第２透過面２ｄから出射するレーザ光は主光線Ａについて見たとき平行である。これによって、レーザ光源１と光学素子２の間隔調整と、光学素子２とポリゴンミラー４との間隔調整を行うための保持調整機構（図示せず）の構成が、平行でない場合と比較して簡略にできる。

さらに、透過面２ａ，２ｄの樹脂側の主光線Ａも互いに平行である。これによって、反射面２ｂ，２ｃで全反射条件を満たしつつ入射するレーザ光と出射するレーザ光の主光線Ａを平行にすることが容易になる。そして、本第１例において、透過面２ａ，２ｄで主光線Ａが屈折する角度は１０．９度となっている。

図３（Ａ），（Ｂ）に比較例としての光学素子２’を示す。前記第１例の光学素子２と比較すると、入射面と出射面において、主光線Ａの近傍ではレーザ光が直進している。このように構成すると、収差補正が比較的容易である一方で、入射面の下部及び出射面の上部で肉厚が厚くなり、入射面の上部及び出射面の下部で肉厚が薄くなる。肉厚が極端に薄いと面の精度が出しづらい。しかし、透過面を主光線Ａの方向に移動させて薄い部分を厚くすると、厚い部分がさらに厚くなってしまう。樹脂成形の際に冷却に要する時間は、素子のなかでも最も熱が逃げにくい部分の厚みが決定する。主走査方向は副走査方向よりも光束幅が広いため、副走査方向の厚みが最も厚くなった部分が冷却時間を決めることになる。

第１例の光学素子２では、厚みが均一になる方向に透過面２ａ，２ｄを寝かせることが可能になり、冷却時間を図３に示す比較例と比べて短縮することが可能になる。第１例のごとく反射面２ｂ，２ｃで反射する方向を逆方向にしている場合、厚みが均一になるのは、透過面２ａ又は２ｄの法線を他の透過面２ｄ又は２ａから遠ざかる側に回転する場合である。このとき、その透過面２ａ又は２ｄでレーザ光ＬＢが屈折する方向も、他の透過面２ｄ又は２ａから遠ざかる方向となる。

図２に示す第１例の光学素子２に関して、光学面の座標を表１に示し、光学面形状を表２〜表５に示す。なお、自由曲面の面形状は次式によって表される。また、光学素子２に使用している樹脂の屈折率は１．５２５である。

以下に示す表６は、第１例の光学素子２において、主光線Ａが面と交わる位置の近傍において、面の法線を含む断面内での曲率を主走査方向と副走査方向について示している。入射光側に凸のときを正の値としている。透過面２ａ，２ｄでは、レーザ光源１側の面は両断面とも負の値となっており、ポリゴンミラー４側の面は両断面とも正の値となっている。従って、透過面２ａ，２ｄのパワーは両断面とも負となっている。これは、温度変化時のフォーカス変化をできるだけ抑制するためである。

以下に示す表７は、偏向角０度において、温度１０℃上昇時のフォーカスの変化を要因別に示している。レーザ光源１と光学素子２の間隔については、温度上昇に伴って間隔が伸びることによって像面が主走査方向及び副走査方向ともにマイナス側に移動している。但し、光学系全系の倍率の差によって、移動量には差があり、主走査方向の方が大きくなっている。一方、走査光学系５は温度上昇に伴って像面が主走査方向及び副走査方向ともにプラス側に移動している。走査光学系５はアナモフィックであり、移動量は主走査方向と副走査方向とで異なる。この第１例では副走査方向のほうが大きい。光学素子２については、副走査方向は若干マイナス、主走査方向はプラスとなっている。

反射面２ｂ，２ｃは温度変化時の形状変化の影響を受け、透過面２ａ，２ｄは形状変化に加えて屈折率変化の影響を受ける。そのため、正のパワーを持ったレンズとミラーではいずれも温度上昇時に像面がプラス側に移動するが、移動量はレンズのほうが大きくなる。第１例の光学素子２では、光学面２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのトータルでは正のパワーを持っているが、透過面２ａ，２ｄは負のパワーを持っており、副走査方向では反射面２ｂ，２ｃと透過面２ａ，２ｄで変化がほぼ打ち消し合う状態となっている。主走査方向については、透過面２ａ，２ｄの負のパワーが比較的弱く、反射面２ｂ，２ｃの変化を打ち消しきれていない。但し、光源１と素子２の間隔変化分は主走査方向のほうが大きいため、光学系全系では走査光学系５の単独よりも僅かながら小さくなっている。

（素子の第２例、図４参照）
図４（Ａ），（Ｂ）に光学素子２の第２例の光路を示す。本第２例は前記第１例と基本的には同じ構成を備え、第１例よりも透過面２ａ，２ｄを寝かせた状態とされている。透過面２ａ，２ｄで主光線Ａが屈折する角度は１５．１度となっている。透過面２ａ，２ｄを寝かせると、収差補正が困難になるので、レーザ光源１と光学素子２の間隔を広げて光源１側で暗い状態としている。こうすると、収差補正は有利になるが、光利用効率が低下する。

図４に示す第２例の光学素子２に関して、光学面の座標を表８に示し、光学面形状を表９〜表１２に示す。また、光学素子２に使用している樹脂は前記第１例と同じであり、その屈折率は１．５２５である。

以下に示す表１３は、第２例の光学素子２において、主光線Ａが面と交わる位置の近傍において、面の法線を含む断面内での曲率を主走査方向と副走査方向について示している。この表１３が意味するものは、前記表６で説明したとおりである。また、表１４は、偏向角０度において、温度１０℃上昇時のフォーカスの変化を要因別に示している。この表１４が意味するものは、前記表７で説明したとおりである。

（素子の第３例、図５参照）
図５（Ａ），（Ｂ）に光学素子２の第３例の光路を示す。本第３例は前記第１例と基本的には同じ構成を備え、第１例よりも透過面２ａ，２ｄを立てた状態とされている。透過面２ａ，２ｄで主光線Ａが屈折する角度は７．０度となっている。透過面２ａ，２ｄを立てると、収差補正が容易になるので、レーザ光源１と光学素子２の間隔を狭めて光源１側で明るい状態としている。こうすると、図３に示した比較例のように主光線Ａを直進させる場合と比べてコストダウン効果において差が小さくなってくる。

図５に示す第３例の光学素子２に関して、光学面の座標を表１５に示し、光学面形状を表１６〜表１９に示す。また、光学素子２に使用している樹脂は前記第１例と同じであり、その屈折率は１．５２５である。

以下に示す表２０は、第３例の光学素子２において、主光線Ａが面と交わる位置の近傍において、面の法線を含む断面内での曲率を主走査方向と副走査方向について示している。この表２０が意味するものは、前記表６で説明したとおりである。また、表２１は、偏向角０度において、温度１０℃上昇時のフォーカスの変化を要因別に示している。この表２１が意味するものは、前記表７で説明したとおりである。

（他の実施例）
なお、本発明に係るレーザ走査装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。

本発明に係るレーザ走査装置の一実施例の概略構成を示す斜視図である。 第１例である光学素子の光路図であり、（Ａ）は主走査方向断面、（Ｂ）は副走査方向断面である。 比較例である光学素子の光路図であり、（Ａ）は主走査方向断面、（Ｂ）は副走査方向断面である。 第２例である光学素子の光路図であり、（Ａ）は主走査方向断面、（Ｂ）は副走査方向断面である。 第３例である光学素子の光路図であり、（Ａ）は主走査方向断面、（Ｂ）は副走査方向断面である。

符号の説明

１…レーザ光源
２…光学素子
２ａ，２ｄ…透過面
２ｂ，２ｃ…反射面
４…ポリゴンミラー
５…走査光学系
Ａ…主光線
Ｙ…主走査方向
Ｚ…副走査方向
ＬＢ…レーザ光

Claims (4)

1. レーザ光源と、
   偏向器と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、主走査方向についてほぼ平行光にするとともに、副走査方向について前記偏向器近傍に集光する第１の光学系と、
   前記偏向器により偏向されたレーザ光を再び集光する第２の光学系と、を備え、
   前記第１の光学系は樹脂からなる一つの光学素子であり、該光学素子は回転対称軸を持たない第１及び第２反射面と、回転対称軸を持たない第１及び第２透過面を有し、
   前記第１及び第２透過面はレーザ光が直進しないように配置され、
   主光線について見たとき、前記光学素子に入射するレーザ光と前記第１及び第２反射面で２回反射されるレーザ光と前記光学素子から出射されるレーザ光が一つの平面内に存在し、
   前記平面内で見たとき、第１反射面での反射方向と第２反射面での反射方向が逆方向であり、第１透過面で屈折する方向と第２透過面で屈折する方向が互いに逆方向であること、
   を特徴とするレーザ走査装置。
2. 主光線について見たとき、前記第１及び第２透過面の空気側のレーザ光が互いに平行であり、樹脂側のレーザ光が互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. 前記第１及び第２透過面の主光線近傍のパワーが、第１及び第２透過面のいずれの断面においても負であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ走査装置。
4. 前記第１及び第２透過面で主光線が屈折する角度が、７〜１６度であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載のレーザ走査装置。

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