JP4757171B2 - 走査光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームプリンタやデジタル複写機などの電子写真画像形成装置に使用される走査光学装置に関するものである。

一般に、走査光学装置を構成するレーザ走査光学系では、半導体レーザなどの光源から出力されたレーザ光をコリメートレンズで平行光に修正し、シリンダレンズで線状に集光して偏向器であるポリゴンミラーにむけて出射する。ポリゴンミラーで偏向走査されたレーザ光は走査光として走査レンズに送られ、走査レンズから出射された走査光を像担持体である感光体ドラムに照射してスポット状に結像させ、ドラム幅内に最適に絞り込まれて走査するようになっている。

図６は、上記レーザ走査光学系のレーザユニット例を示している。この場合、端面発光型の半導体レーザチップ５１がホルダ５２に保持され、このホルダ５２の後部にレーザ駆動回路５３が設けられている。レーザチップ５１の正面側にはレーザ光Ｌを平行光に修正するコリメートレンズ５４が配置され、レーザチップ５１の背面側にはレーザチップ５１からのレーザ光Ｌ’を検出するフォトダイオードなどの光量検出素子５５が配置されている。レーザチップ５１とコリメートレンズ５４は光軸やピントが調整された状態で固定され、光量検出素子５５はパッケージに内蔵されている。

したがって、レーザチップ５１からのレーザ光Ｌが拡散光となって窓５６から出射されると、コリメートレンズ５４で平行光に修正されてレーザ光Ｌｃとなる。レーザチップ５１の背面側のレーザ光Ｌ’は光量検出素子５５によって検出され、レーザチップ５１から出力される光量を適量に保持するためのいわゆるＡＰＣ動作に利用される。このＡＰＣ動作では、レーザ光Ｌとレーザ光Ｌ’がレーザ駆動電流に対してほぼ等価的に変化することが利用され、通常は走査を開始する直前、または頁間で通紙する間に光量が調整される。

また一方、複数の光源を有する半導体レーザを使用することで、複数ドットについて並列同時記録が可能となって記録走査を高速化するようにしたものが知られている。この場合においても出力光量を適量に保持すべく上記ＡＰＣ動作が必要となる。

図７は、複数の光源を有する半導体レーザから複数のレーザ光を発生させる場合、その光源に面発光レーザアレイ（VCSEL）を用いたレーザ走査光学系の例を示している。すなわち、光源１００から出力された複数のレーザ光をポリゴンミラー１０２で偏向走査させ、感光ドラム１０４上の複数のポイントにて同時に走査露光する。

この図７の例の面発光レーザは、図６の端面発光レーザのように後方出射光を生じないので、感光体ドラムなどの被走査面に向かわせるレーザ光の一部を分離して検出するために光量検出素子に入射させる必要がある。

それに関して、図８に示すようなビーム光量をモニタする構成が知られている。すなわち、レーザ走査光学系にビームスプリッタやハーフミラー１０６などのビーム分離光学素子を配置し、面発光レーザ１０８から出力されたレーザ光の一部をハーフミラー１０６で分離させて光量検出素子１１０に取り込む。そのようにしてビーム光量を検出することでモニタ制御を行っている。

また、別例として、複数の光源から出力された複数のレーザ光ごとに複数の光量検出素子で検出するようにした装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。すなわち、ハーフミラーで分岐させた一部のレーザ光をそれぞれ集光させて個別に光量検出素子で検出し、その検出信号に基づいてビーム光量を制御する。

さらに別例として、被走査面上の光量変化を補正するコーティングを折返しミラーに施すようにした装置も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。すなわち、偏光状態が変化するとビーム分離素子の特性が変化することによって感光体ドラムに照射される光量が低下する。それを防ぐために、偏光状態の変化に応じて被走査面上の光量変化を補正するコーティングを折返しミラーに施すといったものである。

特開平７−１１０４５０公報 特開２００３−２１５４８５公報

しかしながら、図６〜図８のレーザ走査光学系ならびに特許文献１，２の各装置のいずれも共通するつぎの問題点がある。

代表的に図８の装置において、面発光レーザ１０８のごとき光源から画像形成を行うべく感光体ドラムにむけてレーザ光を出力し、そのレーザ光の一部をハーフミラーなどの分離手段で取り出して検出することで出力光量を制御している。すなわち、感光体ドラムに至るレーザビーム光路の途中で画像形成には関係しないハーフミラーなどのビーム分離手段を配置して光量検出用に分光する。したがって、分光分離した光量分だけ感光体ドラムに照射される光量が減少し、それを補って感光体ドラムを所定電位で露光するに必要なレーザパワーが得られるようにするには、パワー増強する必要がある。

レーザ光のパワー増強に関して、特許文献２のように、偏光状態に応じて感光体ドラム上の光量変化を補正するコーティングを折返しミラーに施すことは、折返しミラーの反射率も予め補正分だけ落としておく必要があるということである。そのため、画像形成のための光量から光量検出分と補正分の光量が合わせて減少することになる。これらの減少した光量を補うためにレーザパワーを増強すると、それだけ発熱が増してレーザ光の温度特性を変化させたり、レーザ寿命にも影響する。

本発明の目的は、ハーフミラーなどの新たなビーム分光手段を設けずとも光量検出センサで検出するに足りるレーザ光を確保でき、かつ感光体ドラムにて画像形成に必要な光量を減少させない状態でレーザ出力制御が可能になる走査光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る代表的な構成は、光源から出力されたレーザ光を偏向走査する回転多面鏡と、前記回転多面鏡から偏向走査された走査光を結像するための結像レンズと、前記光源から出力されるレーザ光を検出する光量検出センサと、前記光量検出センサの出力に基いて前記光源の出力を制御する制御手段と、を有する走査光学装置において、前記結像レンズの前記レーザ光が入射する入射面の法線が副走査方向に対して傾くように前記結像レンズが配置され、前記光量検出センサは、前記入射面で反射されるレーザ光を検出することを特徴とする。

本発明の走査光学装置によれば、光量検出のためにハーフミラーなどの新たなビーム分光手段を設けずとも光量検出用のレーザ光を確保することができる走査光学装置を提供できる。

以下、本発明による走査光学装置の好適な実施形態について図を参照して詳述する。

（レーザ走査光学系：第１の実施形態）
図１および図２に示すように、本実施形態の走査光学装置１はつぎのレーザ走査光学系の各要素で構成され、光源の半導体レーザ２から像担持体である感光体ドラム１３に至るレーザビーム光路を形成する。すなわち、半導体レーザ２から出射して出力されたレーザ光を平行光に修正するコリメートレンズ３を有し、コリメートレンズ３を出た平行光を線状に集光するシリンダレンズ４を有する。また、コリメートレンズ３とシリンダレンズ４を出たレーザ光をポリゴンミラー（光偏向器）６に導く入射ミラー５を有する。入射ミラー５でポリゴンミラー６に入射されたレーザ光は偏向走査され、走査光として出射されたレーザ光が入射される結像レンズとしての走査レンズ７，８を有する。その走査光を走査レンズ７，８は感光体ドラム１３上の被走査面にむけて出射し、所定のスポットとして結像させる。結像に至るレーザビーム光路に走査光を感光体ドラム１３に導くための誘導ミラー９，１０，１２が配置されている。また、ポリゴンミラー６の反射面の傾きを補正する補正レンズ１１も備わっている。

ところで、入射ミラー５で導いてポリゴンミラー６に入射させるレーザ光が、走査光としてポリゴンミラー６から再び入射ミラー５に戻ってしまうのでは意味をなさない。それを防ぐために、入射ミラー５からのレーザ光をポリゴンミラー６に斜め方向から入射させる必要がある。

さらに、走査レンズ７，８に関しては一般的に凹レンズと凸レンズとの組み合わせたものである。走査レンズ７，８は、平坦面または平坦に近い曲率半径の大きな面（曲率の小さな面）で反射されたレーザ光が余分な反射光として、正規の走査光と同時に感光体ドラム１３に達してしまうことがある。余分な反射光が感光体ドラム１３に照射されると、画像中央に「縦スジ」となって現れて画像不良を起こす不具合がある。

すなわち、ポリゴンミラー６から出射されたレーザ光は走査レンズ７，８を通して正規の走査光として感光体ドラム１３に導ければ問題はない。しかし、ポリゴンミラー６から出射されたレーザ光の一部は凹凸走査レンズ７，８の平面または曲率半径の大きな面で反射され、反射光として誘導ミラー９，１０，１２と補正レンズ１１を経て感光体ドラム１３に達し、縦スジとなって現れるのである。ちなみに、ガラスレンズやプラスチックレンズを使用する走査レンズ表面での反射率は反射防止コーティングを施したもので１％程度、反射防止コーティングを施さないもので４％程度といわれている。

そこで、本実施形態において要旨とする点は、上記のような入射ミラー５へのレーザ光の再入射を防ぐともに、感光体ドラム１３に具現する縦スジによる画像不良を防ぐことである。

要旨とする１つは、凹凸レンズによる走査レンズ７，８を副走査方向に対して適切な傾き角度で傾けて設けたことである。そのようにすることでポリゴンミラー６で反射したレーザ光が走査レンズ７，８の平坦面または曲率半径の大きな面で反射して余分な反射光として感光体ドラム１３に達しないようにする。以下はその具体例である。

図２で明らかなように、走査レンズ７の走査レンズ８に対向する側のレンズ面、そして走査レンズ８の走査レンズ７に対向する側のレンズ面、つまり凹凸両レンズの背中合わせ面はそれぞれ平坦面となっているか、もしくは大きな曲率半径を有する略平坦面である。

入射ミラー５で導かれたレーザ光の大部分はポリゴンミラー６に入射されて偏向走査され、反射されて走査レンズ７，８に向かい、凹凸レンズ面で絞られて正規の走査光として走査レンズ７，８から出射される。そして、誘導ミラー９，１０，１２を経て感光体ドラム１３に至る。そのとき、入射ミラー５からのレーザ光の一部は走査レンズ７の走査レンズ８に対向する側のレンズ面で反射し、余分な反射光として感光体ドラム１３に向かってしまうことの不具合は前述したとおりである。

それを防ぐために、走査レンズ７，８がそれぞれ時計廻り方向に所定の角度だけ回転させて傾けた状態で配置されている。それにより、走査レンズ７の走査レンズ８に対向する側のレンズ面で反射した入射ミラー５からのレーザ光は反射光として、入射ミラー５からポリゴンミラー６に向かう大部分の正規のレーザ光よりも下側の領域で重なり合うことなく走査レンズ８を通過する。走査レンズ７で反射した余分な反射光は走査レンズ８を通過後、入射ミラー５の上側を通過するので、逆戻りして入射ミラー５に再入射することはない。

入射ミラー５上を通過した走査レンズ７からの余分な反射光は、つまり走査光として感光体ドラム１３に取り込まれるものとは別に、画像形成に寄与しないものである。そうした画像形成に寄与しない反射光をレーザ出力制御（ＡＰＣ動作）を行う検出用光として利用することに着目する。すなわち、その反射光を誘導ミラー９の手前に配置された光量検出素子によるセンサＳに取り込んで検出し、その検出信号に基づいて画像形成に必要な光量を減少させず確保した状態でのレーザ出力制御が可能となる。

これから理解されるように、従来、検出用光を取り込むためのビーム分光手段を設ける必要はない。したがって、分光によって画像形成に必要な走査光が減少して不足する不具合が解消されるのである。

本発明者らは実験実測の結果から、つぎの結論を得た。ガラスレンズやプラスティックレンズ表面での反射率は、前述のように、反射防止コーティングを施したもので１％程度、反射防止コーティングを施さないものでは４％程度である。したがって、半導体レーザの出力が２０〜３０ｍＷであれば１％程度の反射光でレーザ出力制御が可能であり、半導体レーザ２から出射して出力されたレーザ光が５〜１０ｍＷ程度であっても、４％程度の反射光でレーザ出力制御が可能である。走査レンズ７で反射した画像形成に寄与しない反射光が入射ミラー５上を通過すると、その反射光は光量検出センサＳと遮光手段（図示略）で誘導ミラー９に再入射することを阻止され、反射光が感光体ドラム１３に達しない。

（レーザ走査光学系：第２の実施形態）
図３は、図１および図２で示された第１の実施形態の応用例ともいうべき第２の実施形態を示す。

この場合、走査レンズ７，８がそれぞれ反時計廻り方向に所定の角度で回転した状態で配置されていることが第１の実施形態と異なる点である。そのため、走査レンズ７の走査レンズ８に対向する側の平坦面もしくは曲率半径の大きな面で反射した反射光はポリゴンミラー６から出た走査光よりも上側の領域で走査レンズ８を通過する。つまり、走査レンズ７で反射した反射光は走査レンズ８を通過した後に入射ミラー５の上側を通過し、さらに誘導ミラー９の上側を通過して誘導ミラー９の後方に配置された光量検出センサＳに入射される。光量検出センサＳによって走査レンズ７からの反射光を検出し、その検出信号に基づくレーザ出力制御によって、画像形成に必要な光量を減少させることなくレーザ出力制御が可能となる。

（レーザ走査光学系：第３の実施形態）
図４および図５に示す第３の実施形態において、この場合の走査光学装置２０は以下の光学系機器を有して構成されている。すなわち、光源である半導体レーザ２１を有し、半導体レーザ２１からのレーザ光を平行光に修正するコリメートレンズ２２を有し、レーザ光を線状に集光するシリンダレンズ２３を有し、光偏向器のポリゴンミラー２４を有する。また、走査光学装置２０はポリゴンミラー２４によって走査されたレーザ光を被走査面である不図示の感光体（ドラムあるいはベルト等）上に所定のスポットとして結像させるための走査レンズ２５，２６を有する。また、走査光を感光体に導いて照射させるための誘導ミラー２７を有している。

また、本実施形態の走査光学装置２０では、半導体レーザ２１からのレーザ光が走査レンズを経由せず直接ポリゴンミラー２４に入射するため前述の実施例における入射ミラー５に相当する部材はない。シリンダレンズ２３からポリゴンミラー２４に入射されるレーザ光と、ポリゴンミラー２４による走査光はポリゴンミラー２４の反射面に対して垂直な同一平面内にある。また、蓋３１付きの光学箱３０を有し、この光学箱３０に誘導ミラー２７を除く前述の光学系機器が収納されている。

また、ポリゴンミラー２４から発生する風切音を遮蔽するため、およびポリゴンミラー２４の反射面の汚れを防止するため、ポリゴンミラー２４の周囲はカバー部としてのカバー３２で密閉されている。カバー３２には、半導体レーザ２から出射して出力されたレーザ光と、ポリゴンミラー２４からの走査光が通過する透過口としての開口３２ａが設けられ、その開口３２ａを密閉するための窓ガラス（透過ガラス）３３が取り付けられている。

窓ガラス３３の表面は平面形成されている。それにポリゴンミラー２４に入射されたレーザ光が反射すると、その反射したレーザ光は余分な反射光として走査レンズ２５，２６やミラー２７、あるいは光学箱３０の壁面等を介して感光体ドラム１３に達することがある。それによって画像中央に縦筋となって現れて画像不良を起こしやすい。それを防ぐため、窓ガラス３３を副走査方向に傾けて配置し、ポリゴンミラー２４に入射されたレーザ光が窓ガラス３３の表面で反射したとしても、その反射光が感光体に達しないような適切な傾き角度が設定される。

その場合に窓ガラス３３は反時計廻り方向に所定の角度で回転させて傾けた状態で配置されている。そのため、窓ガラス３３の表面で反射した反射光はポリゴンミラー２４に入射されたときの走査光よりも上側の領域で走査レンズ２５を通過して、走査レンズ２５、２６間の走査領域外の上方に配置された光量検出センサＳ２に入射する。光量検出センサＳ２によって窓ガラス３３の表面で反射した反射光を利用して検出し、その検出信号に基づくレーザ出力制御によって画像形成に必要な光量を減少させることなく、レーザ出力制御が可能となる。

また、光量検出センサＳ２で検出される窓ガラス３３の表面からの反射光が、光量検出センサＳ２の表面で再度反射して感光体に達しないように、光量検出センサＳ２は表面が反射光に対して適切な角度に傾けて設けられている。光量検出センサＳ２の周囲も遮光や反射防止などの処理を行うことで、反射してきた反射光が原因で画像不良の発生を防止することができる。

以上、本発明の走査光学装置についてその実施形態の数例が説明されたが、それら実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内でその他の実施形態、応用例、変形例およびそれらの組み合わせも可能である。

たとえば、上記第３の実施形態では、レーザ光が入射、出射する開口を有するカバーでポリゴンミラー２４の周囲を密閉したが、光学箱に設けたレーザ光が入射、出射する開口を有する壁とカバーでポリゴンミラー周囲を密閉する構成も可能である。その場合も同様に開口を密閉する窓ガラスからの反射光を検出してレーザ出力制御をすることが可能である。

また、各実施形態で示されたように、後方射出光を発生しない面発光型半導体レーザに対し、画像形成のための光量を減少させずにレーザ出力制御を可能とするものを想定した。そうした面発光型半導体レーザに限定されるものではなく、端面発光型の半導体レーザにおいても各実施形態のいずれかを適用させてレーザ出力制御すれば後方出射光が必要なくなるので、画像形成に使用できるレーザ光量を増加させることも可能となる。

本発明による走査光学装置の第１の実施形態を示す図。 同第１の実施形態における要部の光学系とレーザ光路を示す図。 第２の実施形態による走査光学装置を示す図。 第３の実施形態による走査光学装置を示す図。 同じく同第３の実施形態の要部の光学系とレーザ光路を示す図。 従来例の端面発光型半導体レーザの構成を示す図。 従来例の面発光レーザアレイを用いた走査光学装置を示す図。 従来例のビーム分離光学素子を示す図。

符号の説明

１ 走査光学装置
２ 半導体レーザ（レーザ光源）
３ コリメータレンズ
４ シリンドリカルレンズ
５ 入射ミラー
６ ポリゴンミラー（光偏向器）
７，８ 走査レンズ
９，１０，１２ 誘導ミラー
１１ 補正レンズ
１３ 感光体ドラム（像担持体）
Ｓ 光量検出センサ
３０ 光学箱
３３ 窓ガラス

Claims (3)

1. 光源から出力されたレーザ光を偏向走査する回転多面鏡と、
   前記回転多面鏡から偏向走査された走査光を結像するための結像レンズと、
   前記光源から出力されるレーザ光を検出する光量検出センサと、
   前記光量検出センサの出力に基いて前記光源の出力を制御する制御手段と、を有する走査光学装置において、
   前記結像レンズの前記レーザ光が入射する入射面の法線が副走査方向に対して傾くように前記結像レンズが配置され、前記光量検出センサは、前記入射面で反射されるレーザ光を検出することを特徴とする走査光学装置。
2. 光源から出力されたレーザ光を偏向走査する回転多面鏡と、
   前記回転多面鏡により偏向走査した光を透過させる透過口が設けられ、前記回転多面鏡の周囲を囲うカバー部と、
   前記透過口を塞ぐ透過ガラスと、
   前記光源から出力されるレーザ光を検出する光量検出センサと、
   前記光量検出センサの出力に基いて前記光源の出力を制御する走査光学装置において、
   前記透過ガラスの前記レーザ光が入射する入射面の法線が、副走査方向に対して傾くように前記透過ガラスが配置され、前記光量検出センサは、前記入射面で反射されるレーザ光を検出することを特徴とする走査光学装置。
3. 前記レンズあるいは前記透過ガラスで反射された反射光に正対しない角度に前記光量検出センサを傾けて設け、その光量検出センサの周囲に反射光が後方に達しないように遮断する遮光手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の走査光学装置。

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