JP4678255B2 - 光走査装置およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばレーザプリンタ等に用いられる光走査装置およびそれを用いた画像形成装置に係り、特に走査光学素子に関するものである。

従来からレーザプリンタ等に用いられる光走査装置は、光偏向素子として回転多面鏡、被走査面として感光ドラムが一般に使用されている。走査光学素子はレンズ、ミラ−あるいはそれらの組合せで構成されている。また、記録の高速化、高密度化に伴い、複数の光束を用いて、複数の走査線を同時に形成する例も多く見られる。

複数の光束を用いる場合、各光束を出射する光源を、光束が偏向走査される方向（以下、主走査方向と称する）に垂直な方向（以下、副走査方向と称する）において小さい距離離れた位置に配置し、光源から感光ドラム面までの光学倍率を乗じて、感光ドラム面で所定の走査線間隔になるようにしている。

光束が偏向走査される範囲（以下、走査領域と称する）において前記光学倍率が不均一である場合、感光ドラム面での複数の走査線の間隔が走査領域で不均一になる。特に回転多面鏡へ入射する光束と走査光学素子の光軸が有限の角度をなしている場合、回転多面鏡の回転に伴い光路長が走査光学素子の光軸に対して非対称に変化するため、走査領域において前記光学倍率は一般に非対称となる。

光学倍率を均一にする方法として、走査光学素子はレンズからなり、副走査方向の曲率を、主走査方向に沿って連続的にかつ主走査方向の曲率とは独立に変化させた面を２面用いた例がある（下記、特許文献１〜３参照）。

これらは、前記２面のパワ−配分を最適化、すなわち合成主点の位置を最適化して、主点からの物点と像点の距離の比を走査角度によらず一定にする方式である。ここで、２面を近接させて配置するほど合成主点の位置を移動させるために、各面のパワ−を大きく変化させる必要が生じる。なお、この明細書でパワ−とは、屈折や収束などの光を曲げる作用のことをいう。

例えば前記特許文献１においては、一方の面を負パワ−（光の拡散）、他方の面を正パワ−（光の収束）とする例が開示されており、双方のパワ−の絶対値が大きくなることから、誤差の影響を受けやすい系となっている。

これを避けるためには前記２面を光軸方向に極力離して配置することが望ましいが、その場合には被走査面側に配置される面は主走査方向の寸法、すなわち長手方向の寸法が比較的大きいものとなる。

また、走査光学素子に回転多面鏡の面倒れ補正作用を持たせるため、回転多面鏡の反射面と被走査面を共役関係に配置することが一般的である。この時、回転多面鏡の反射面から被走査面までの光学倍率が大きいほど、各面のパワ−および配置誤差の影響を受けやすい系となる。この理由からも合成主点を極力被走査面近くに配置することが望ましく、そのため被走査面側に配置される面は長手方向の寸法が比較的大きいものとなる。

また、前述のように曲率が変化して、かつ長手方向の寸法が比較的大きいレンズはプラスチック成型が一般的であるが、長手方向の寸法が大きくなるほど、形状精度および均質性を高いレベルで実現し難くなる傾向がある。

光学倍率を走査領域で均一にするその他の方法として、副走査方向の曲率を、主走査方向に沿って連続的にかつ主走査方向の曲率とは独立に変化させた面を２面用いていることに加え、それら変化が主走査方向に対して非対称にした例がある（下記、特許文献４参照）。これは非対称な光路長の変化を補正して光学倍率を対称かつ均一にすることができる優れた方式であるが、非対称面が複数面あるとそれらの軸合せが難しくなる。

光学倍率を走査領域で均一にするその他の方法として、主走査方向及び副走査方向にパワ−を有し且つ回転対称軸を持たない反射面を複数面用いた例がある（下記、特許文献５参照）。このように主走査方向、副走査方向ともパワ−を有する回転非対称な反射面が複数面あるとそれらの軸合せ精度が厳しくなる。

また、反射面は屈折面に比べて曲率半径の誤差および形状精度の影響が大きく現れるという難点があり、特に長手方向の寸法の大きい反射ミラ−をプラスチック成型することは、環境温度変化に伴う膨張、変形の影響も含めて高精度を実現することが難しい。

さらに、反射面をアルミニウム材等の切削加工により製作する場合においては、被切削物から加工具であるバイトへ掛かる応力ベクトルの積分がバイトの中心軸に対して角度を有するため、即ちバイトへの力の掛かり具合が不均等となるため、バイト寿命、精度安定において不利となる。

この不均等の影響は製作数量の少ない金型加工においては殆ど問題とならない程度であるが、個々の反射面を繰り返し加工する場合に、精度バラツキの点で無視できないものである。長手方向寸法が３００ｍｍ程度のアルミニウム材の反射面で、１本のダイヤモンドバイトで加工可能な数量は５０〜１００本と推定される。

加工具の寿命が比較的長い砥石研削法では、加工装置の加工可能寸法に限界があり、特に砥石が目詰まりするためアルミニウム材には適用できない。更に切削量は寸法の２乗に比例するため、主走査方向すなわち長手方向にパワ−を有していると、副走査方向に比べてバイト寿命、精度安定において影響は非常に大きいものとなる。
特開平９−３３８５０号公報 特開２０００−１２１９８５号公報 特開２００１−４９５１号公報 特開２００１−１９４６１１号公報 特開２０００−２７５５５７号公報

本発明の目的は、前述した従来技術の欠点を解消し、光学倍率を走査領域内において均一にするために必要な光学素子を高精度で製作し、被走査面上の複数の走査線の間隔が走査領域内において均一な光走査装置およびそれを用いた画像形成装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第1の手段は、光源と、その光源からの出射された複数の光束を偏向走査するための光偏向素子と、その光偏向素子により偏向走査された複数の光束を被走査面上に走査結像させる例えば複数枚のレンズと反射鏡からなる走査光学素子とを備えた光走査装置において、
前記走査光学素子は、前記光束を屈折させる例えばレンズの屈折面と前記光束を反射させる例えば反射鏡の反射面を有し、前記屈折面のうち少なくとも１面は光束が偏向走査される平面に垂直な方向の曲率半径が連続的に変化する面であり、前記反射面のうち少なくとも１面は光束が偏向走査される平面に垂直な方向の曲率半径が連続的に変化する面であることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第1の手段において、前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、前記曲率半径が連続的に変化する屈折面よりも被走査面側に配置されていることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第1または第２の手段において、前記光偏向素子は回転多面鏡であり、前記回転多面鏡に入射する光束と前記走査光学素子の光軸は、光束が偏向走査される平面内において所定の角度をなしており、
前記曲率半径が連続的に変化する屈折面のうち１面は、前記偏向走査された光束を含む平面に垂直な方向の曲率半径が走査光学素子の光軸に対して非対称に変化しており、
前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、前記偏向走査された光束を含む平面に垂直な方向の曲率半径が光軸に対して対称に変化していることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、例えばアルミニウムなどの研削あるいは切削により製作されていることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第1ないし第４の手段において、前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、主走査方向に光を曲げる作用を有しないことを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第1ないし第５の手段において、光束の本数が１０本以上であることを特徴とするものである。

本発明の第7の手段は、感光体と、その感光体の表面を帯電する帯電装置と、帯電した感光体上に記録情報に応じた光束を照射して静電潜像を形成する光走査装置と、その静電潜像をトナーによって顕像化する現像装置と、形成されたトナー像を記録体に転写する転写装置とを備えた画像形成装置において、前記光走査装置が第１ないし第６の手段の光走査装置であることを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は前記第７のにおいて、前記感光体と帯電装置と光走査装置と現像装置を有する印写ユニットが複数個設けられて、各印写ユニットによって複数色のトナー像が形成されることを特徴とするものである。

本発明によれば光学倍率を走査領域内において均一にするために必要な光学素子を高精度で製作し、被走査面上の複数の走査線の間隔が走査領域内において均一な光走査装置およびそれを用いた画像形成装置を提供することができる。

次に本発明の実施形態を図と共に説明する。図１および図２は、本発明の実施形態に係る光走査装置の概略平面図および概略側面図である。

これらの図において１は２素子半導体レ−ザアレイからなる光源、２はコリメ−タレンズ、３はシリンドリカルレンズ、４は球面レンズ、５は光偏向素子である回転多面鏡、６は走査光学素子、８は被走査面である感光ドラム面、９は走査光学素子６の光軸、１１および１２は光束である。

図２に示すように前記走査光学素子６は、４枚のレンズ６１，６２，６３，６４と反射鏡６５で構成されており、回転多面鏡５と感光ドラム面８の間に配置されている。

図１に示されているように光源（２素子半導体レ−ザアレイ）１から出射された２本の光束１１，１２は、コリメ−タレンズ２、シリンドリカルレンズ３、球面レンズ４を通り、回転多面鏡５により偏向され、走査光学素子６により回転する感光ドラム面８上に走査、結像される。

光束１１，１２は、光源（２素子半導体レ−ザアレイ）１において副走査方向に小さい距離離して配置されている。そのため図１においては光束１１，１２は単一の線分で示されている。

副走査方向に関して光源１、回転多面鏡５および感光ドラム面８は互いに共役関係、主走査方向に関して光源１および感光ドラム面８は互いに共役関係になっており、光源１から出射された光束１１，１２は、ある光学倍率を乗じた像として感光ドラム面８に投影されていると共に、回転多面鏡５の面倒れ補正効果を有している。

コリメ−タレンズ２は光源１から出射された光束１１，１２を平行光にする作用、シリンドリカルレンズ３および球面レンズ４は、主走査方向において光束径を変換する作用、および光束を回転多面鏡５の近傍で位置を一致させる作用、副走査方向においては回転多面鏡５に光束１１，１２を収束させる作用を有している。

前記走査光学素子６の諸元を表１に示す。表中の面符号ａは図１に示す回転多面鏡５の反射面、面符号ｂ〜ｉは走査光学素子６を構成する４枚のレンズの面、面符号ｊは走査光学素子６を構成する反射鏡６５の面、面符号ｋは感光ドラム面８である。

また表中のＲは主走査方向の光軸近傍の曲率半径、ｒは副走査垂直方向の光軸近傍の曲率半径、ｔｈは面間距離、ｎは屈折率である。表中のＲ，ｒ，ｔｈの単位はｍｍである。

前記面符号ｂ〜ｈの面は回転対称な面、符号ｉ面およびｊ面は副走査方向の曲率半径が連続的に変化する面である。ｉ面およびｊ面の形状を以下に示す。主走査方向をＸ，副走査方向をＹ，光軸方向をＺとして、形状は式（１）で与えられる。

Ｚ=ｆ_０（Ｘ，Ｙ）＋ｆ_２（Ｘ，Ｙ） …式（１）

ここでｆ_０（Ｘ，Ｙ）は基本的なト−リック形状を表し，ｆ_２（Ｘ，Ｙ）は回転非対称な追加関数を表す。

各面と光軸の交点を原点としたロ−カル座標系のＸＺ平面における断面が式（２）で表され，ＸＺ平面にあり，Ｘ軸に平行で，Ｚ軸に沿って原点からｒの距離にある軸について回転対称である。

ｆ_０（Ｘ，Ｙ）=（Ｘ^２／Ｒ）／｛１+ＳＱＲＴ［１−（Ｘ／Ｒ）^２］｝…式（２）

ＹＺ平面における断面は曲率半径ｒの円である。ｆ_２（Ｘ，Ｙ）は式（３）で表される。

ｆ_２（Ｘ，Ｙ）=Σａ_ｌｍＸ^ｌＹ^ｍ …式（３）

ここでａ_ｌｍは定数であり、表２に示す。

ｉ面はａ_１２など、Ｘに関する奇数次項が含まれるため主走査方向において光軸に対して非対称であり、Ｙに関する奇数次項が含まれないため副走査方向においては光軸に対して対称である。ｊ面はＸ、Ｙともに奇数次項が含まれないため主走査方向、副走査方向とも光軸に対して対称である。

その他の仕様を表３に示す。

ｉ面の副走査方向の曲率半径ｒを図３に示す。主走査方向座標Ｘに対して連続的に、また光軸（Ｘ＝０）に対して非対称に変化している。これは表３に示したζ≠０であることに伴う光路長の非対称な変化を補正する作用を有しているものである。

ｉ面はｊ面より回転多面鏡の近くに配置されているため長手方向の寸法が比較的小さいこと、反射面でなく屈折面であること、ガラス材の砥石研削による製作が可能であることから、曲率半径の変化が非対称であってもその影響は比較的小さく、特に問題にならないものである。

ｊ面の副走査方向の曲率半径ｒを図４に示す。主走査方向座標Ｘに対して連続的に、また光軸（Ｘ＝０）に対して対称に変化している。これはｉ面の形状と併せて合成主点位置の最適化作用を有するものである。このｊ面は材質はアルミニウムであり、ダイヤモンドバイトにより切削加工されている。加工機は例えば自由曲面加工機を用いている。

光源に対する感光ドラム面の副走査方向の光学倍率Ｍを図５に示す。図において、横軸は感光ドラム面上の主走査方向座標Ｘである。光源１，２を副走査方向に０．８２μｍ隔てて配置し、図５に示した光学倍率Ｍを乗じた値が感光ドラム面上の走査線間隔となる。Ｘ＝０ｍｍである走査中央において、Ｍ＝１５．８であるので、走査線間隔は４２．３μｍとなり、これはドット密度６００ｄｐｉに相当する値である。

図５に示した光学倍率Ｍの変化による、光束１１，１２の感光ドラム面上の副走査方向位置の誤差ΔＹを図６に示す。光束１１，１２の感光ドラム面上の副走査方向位置の誤差ΔＹは走査領域において０．１μｍ以下であり、走査線間隔４２．３μｍに対して十分小さい値である。

図７は、前記光走査装置を複数個用いた複数色画像形成装置の概略構成図である。図において７１ないし７４は光走査装置、７５ないし７８は感光ドラム、７９ないし８２は現像器、８３ないし８６はこれらから構成された印写ユニットであり、図に示すように垂直（上下）方向に配置されている。これらの印写ユニット８３ないし８６は複数の色、例えばシアン、マゼンタ、イエロ、ブラックに対応している。

各印写ユニット８３ないし８６の感光ドラム７５ないし７８上に形成されたトナー像はベルト状の中間転写体８７へ転写され重ね合わせられることにより複数色のトナー像となり、さらに転写器８８により画像記録用紙８９へ転写され複数色画像が形成される。

なお、本実施形態では副走査方向に関して回転多面鏡５、感光ドラム面８を互いに共役関係に置くことは本発明の効果を得るために必須の構成要件ではないが、回転多面鏡の面倒れ補正効果を得ることを目的とした一般的な構成であるので、それに準じている。

また、本実施形態では２本の光束を用いたが、１０本以上の光束を用いる場合には走査領域における倍率の不均一性の走査線間隔に対する影響が一桁程度大きくなるため、本発明の効果は大きい。例えば前記実施形態において、光束が２本の場合には図６に示すΔＹの最大値は０．０２３μｍであるが、１０本の場合には走査線間隔が９倍になることから０．２１μｍとなる。これは６００ｄｐｉの隣接走査線間隔４２．３μｍに対して十分小さい値である。１０本以上、例えば３２本の光束を用いる場合には更に本発明の効果は大きいものとなる。

また、光走査装置を複数個用いて複数色画像形成装置を構成する例がある。この時、複数色が異なる光走査装置で形成されるため、相互の位置ずれの発生を抑えるためには各走査線間隔の相対値をより厳しく抑える必要があり、その手段として本発明は更に有効である。

前記実施形態では光走査装置を複数個用いた複数色画像形成装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、光走査装置を１個用いた画像形成装置にも適用可能である。

本発明の実施形態に係る光走査装置の概略平面図である。 その光走査装置の概略側面図である。 その光走査装置における走査光学素子の曲率半径ｒと主走査方向座標Ｘとの関係を示す特性図である。 その光走査装置における走査光学素子の曲率半径ｒと主走査方向座標Ｘとの関係を示す特性図である。 その光走査装置における光源に対する感光ドラム面の光学倍率と主走査方向座標Ｘとの関係を示す特性図である。 その光走査装置における感光ドラム面上の光束の位置の誤差ΔＹと主走査方向座標Ｘとの関係を示す特性図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置を用いた複数色画像形成装置の概略構成図である。

符号の説明

１：光源、２：コリメ−タレンズ、３：シリンドリカルレンズ、４：球面レンズ、５：回転多面鏡、６：走査光学素子、８：感光ドラム面、９：走査光学素子の光軸、１１，１２：光束、６１，６２，６３，６４：レンズ、６５：反射鏡、７１〜７４：光走査装置、７５〜７８：感光ドラム、７９〜８２：現像器、８３〜８６：印写ユニット、８７：中間転写体、８８：転写器、８９：画像記録用紙。

Claims (8)

1. 光源と、その光源からの出射された複数の光束を偏向走査するための光偏向素子と、その光偏向素子により偏向走査された複数の光束を被走査面上に走査結像させる走査光学素子とを備えた光走査装置において、
   前記走査光学素子は、前記光束を屈折させる屈折面と前記光束を反射させる反射面を有し、前記屈折面のうち少なくとも１面は光束が偏向走査される平面に垂直な方向の曲率半径が連続的に変化する面であり、前記反射面のうち少なくとも１面は光束が偏向走査される平面に垂直な方向の曲率半径が連続的に変化する面であることを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１記載の光走査装置において、前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、前記曲率半径が連続的に変化する屈折面よりも被走査面側に配置されていることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１または２記載の光走査装置において、前記光偏向素子は回転多面鏡であり、前記回転多面鏡に入射する光束と前記走査光学素子の光軸は、光束が偏向走査される平面内において所定の角度をなしており、
   前記曲率半径が連続的に変化する屈折面のうち１面は、前記偏向走査された光束を含む平面に垂直な方向の曲率半径が走査光学素子の光軸に対して非対称に変化しており、
   前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、前記偏向走査された光束を含む平面に垂直な方向の曲率半径が光軸に対して対称に変化していることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項３記載の光走査装置において、前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、研削あるいは切削により製作されていることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の光走査装置において、前記曲率半径が連続的に変化する反射面は、主走査方向に光を曲げる作用を有しないことを特徴とする光走査装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の光走査装置において、光束の本数が１０本以上であることを特徴とする光走査装置。
7. 感光体と、その感光体の表面を帯電する帯電装置と、帯電した感光体上に記録情報に応じた光束を照射して静電潜像を形成する光走査装置と、その静電潜像をトナーによって顕像化する現像装置と、形成されたトナー像を記録体に転写する転写装置とを備えた画像形成装置において、前記光走査装置が請求項１ないし６のいずれか１項記載の光走査装置であることを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項７記載の画像形成装置において、前記感光体と帯電装置と光走査装置と現像装置を有する印写ユニットが複数個設けられて、各印写ユニットによって複数色のトナー像が形成されることを特徴とする画像形成装置。

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