JP4780228B2

JP4780228B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP4780228B2
Application number: JP2009234266A
Authority: JP
Inventors: 善之鈴木
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2010061144A

Description

本発明は、レーザビームプリンタ、複写機等の画像形成装置に用いられる光走査装置に係り、特に入射光束の主走査方向の幅が回転多面鏡の反射面よりも広い、所謂オーバーフィールド光学系を用いた光走査装置に関する。

近年、画像形成装置において、装置の小型化、及び画像形成の高速化が望まれている。画像形成の高速化を図るために、回転多面鏡の偏向反射面の主走査方向の幅よりも広い光束を回転多面鏡に入射させる所謂オーバーフィールド光学系を用いた光走査装置が種々提案されている（特許文献１，２参照）。
特開２０００−２９２７２１号公報特開平８−１６０３３８号公報

ところで、更なる高速化を図るためには、例えば、オーバーフィールド光学系に対して、複数の発光部から複数本のレーザビームを出射するいわゆるマルチ光源を組み合わせる方法が考えられる。

また、更なる装置の小型化を図るためには、例えば、回転多面鏡の感光体側に配置された副走査方向にパワーを持つ光学素子を近づけ、その結果全体として副走査方向の横倍率が大きい系が考えられる。

図５に示すように、複数（ここでは２個）の発光部１６を有する光源（１チップマルチＬＤ光源）１４は、発光部１６の配列方向（矢印Ｂ方向）に対して光束の広がり角が小さく、配列方向と直交方向（矢印Ａ方向）に対して光束の広がり角が大きくなるような構造である。なお、図５において、線Ｌｈは、光束のピーク強度に対して半値の光線を示している。

また、図６（Ａ）には、従来の光走査装置１００の副走査方向の断面の概略構成が示されている。符号１０２は光学箱、符号１４は光源、符号１６は発光部、符号Ｌｃは光束の中心線、符号４８は回転多面鏡、符号１０４は回転多面鏡４８の光束入射側に配置されるプレポリレンズ系、符号１０６は回転多面鏡４８のビーム出射側に配置されるポストポリレンズ系、符号１０８はスポット状とされた光束の走査される像面（感光体ドラム）１１０を示している。なお、上記のレンズはすべて副走査方向にパワーを持つレンズである。

なお、図６の光学系において、発光部１６の間隔をｄｓ１、光学系の倍率をβ１、像面１１０での光束のピッチをｄｉとすると、ｄｓ１×β１＝ｄｉの関係がある。

図６（Ｂ）には、図６（Ａ）よりもコンパクト化を図った光走査装置１００が示されている。図６（Ｂ）の光走査装置１００は、図６（Ａ）の光走査装置１００よりも短い光学箱１０２を有する。図６（Ｂ）において、発光部１６の間隔をｄｓ２、光学系倍率をβ２、像面１１０での光束のピッチをｄｉとすると、ｄｓ２×β２＝ｄｉの関係がある。

装置のコンパクト化の要求により、ポストポリレンズ系１０６を回転多面鏡４８に近づけ副走査方向（矢印Ｙ方向）の光学倍率を大きく設定し（β２＞β１）、像面１１０上で要求される光束のピッチｄｉを同じにすると、発光部１６の副走査方向のピッチｄｓ２を小さくしなければならない（ｄｓ２＜ｄｓ１）。

製造上の問題で発光部１６の配列ピッチを小さくするにも限界があるため、光源１４を回転させて発光部１６の配列方向を主走査方向に近付け、発光部１６の副走査方向のピッチを短くする方法がある。

回転多面鏡４８に入射する光束の主走査方向の光強度は、主走査方向中央部分が最も高く、主走査方向両端に向けて低下している。

このため、光学系がオーバーフィールド光学系で、広がり角が小さな方向が主走査方向に近づくと、回転多面鏡４８に入射する光束の主走査方向の幅が狭くなり（図７参照。図７において、符号Ｌｉは回転多面鏡４８に入射する光束、符号Ｗは光束Ｌｉの幅、符号Ｌｏ（ＳＯＳ）は回転多面鏡４８の偏向反射面で反射されて像面の走査開始位置へ向かう光束、符号Ｌｏ（ＣＯＳ）は回転多面鏡４８の偏向反射面で反射されて像面の走査中央位置へ向かう光束、符号Ｌｏ（ＥＯＳ）は回転多面鏡４８の偏向反射面で反射されて像面の走査終了位置へ向かう光束、符号２００は光束Ｌｉの光強度、符号２０２は広がり角の大きい方向と主走査方向とが一致した場合の光強度を示す。）、光束Ｌｉの光強度の低い部分が像面１１０の走査開始位置、及び走査終了位置に向かい、その結果、像面１１０上の端部で大きく光量が落ちる、所謂パワーバランスが悪化する問題がある。

これを解決するために、特許文献１に記載の装置においては、回転多面鏡の光源側に、光束を主走査方向へ拡大するための拡大光学系（プリズム、レンズ等）を挿入しているが、前述のように副走査方向の横倍率が大きい系において像面上の端部で大きく光量が落ちないようにするには、拡大光学系をかなり大きな拡大率に設定しなければならない問題がある。それゆえ、回転多面鏡上での光束間のピッチが大きくなってしまい、発光部間で像面上の光量分布差を生じる問題がある。

拡大光学系において、例えば、レンズの曲率半径を小さくして拡大率を上げることもできるが、レンズの曲率半径が小さくなるとレンズの量産性が悪化する問題がある。

また、拡大光学系のレンズ間距離を長くして拡大率を上げることもできるが、光路長が伸びて光走査装置全体が大型化してしまう問題がある。

また、特許文献２では、光量補正のためのフィルターを光学系に挿入しているが、像面端部での光量損失が大きい構成においては、フィルターの透過率の高い部分と低い部分との差を大きく設定しなければならず、その結果、光学系全体の総合透過率が小さくなってしまう。このため、像面で必要な光量を得ようとすると、通常使用される光源の定格範囲を超えてしまう、即ち、光量の大きな光源を用いる必要がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、光源の出力を抑えられ、かつ生産性を悪化させずに小型化を図ることの出来る高速な画像形成を可能とする光走査装置を提供することが目的である。

上記目的を達成するために請求項１に記載の光走査装置は、第１の方向の拡がり角が前記第１の方向と直交する第２の方向の広がり角よりも大きい光量の偏光特性をもつ光束を出射する複数の発光部が前記第２の方向に沿って複数配列されると共に、前記複数の発光部の配列方向を副走査方向に対して傾斜させた光源と、前記光束を反射する偏向反射面を周方向に複数有し、回転により前記光束を主走査方向に走査させる偏向手段と、前記発光部より出射した光束を前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも広い状態で前記偏向手段に入射させる入射光学系と、前記偏向手段で偏向された光束を被走査面上に結像させる結像光学系と、前記発光部と前記偏向手段との間の光路内に配置され、前記偏向手段に入射する光束の径を主走査方向に拡大する光束拡大光学系と、を備え、前記光束拡大光学系は、前記発光部から出射された拡散する光束を平行光束に近付けるコリメータレンズの光束出射側に配置されて、前記コリメータレンズを通過した光束の主走査方向の幅を拡大するエキスパンダレンズを含み、前記エキスパンダレンズは、前記コリメータレンズから出射した光束を主走査方向に拡散する凹平シリンダレンズと、前記凹平シリンダレンズから出射した主走査方向に拡散状態の光束を平行に近付ける平凸シリンダレンズとを含んで構成されており、前記エキスパンダレンズと前記偏向手段との間の光路内に、主走査方向に３つの領域に分けた内の中央の領域の透過率を、両側の領域の透過率よりも小さく設定したフィルターが配置されている、ことを特徴としている。

次に、請求項１に記載の光走査装置の作用を説明する。

光源の複数の発光部のそれぞれから出射された複数の光束は、光束拡大光学系により径が主走査方向に拡大されると共に、フィルターを介して例えば回転多面鏡等の偏向手段に入射して偏向走査される。

偏向手段に入射する光束の径を光束拡大光学系にて主走査方向に拡大するので、光源と偏向手段との間の光路長を短くして装置の小型化を図ると共に、被走査面上において主走査方向中央部分の光量と主走査方向両端部分との光量差を小さくすることができる。

さらに、主走査方向に３つの領域に分けた内の中央の領域における光透過率が均一で、かつ両側の領域の光透過率よりも小さく設定されたフィルターに対して光束を通過させるので、被走査面上において、主走査方向中央部分の光量が低下し、走査方向中央部分の光量と主走査方向両端部分との光量差を更に小さくすることができる。

そして、この光走査装置では、走査方向中央部分の光量と主走査方向両端部分との光量差を小さくするために光束拡大光学系とフィルターとを用いているため、光束拡大光学系の拡大率を特に大きく設定する必要がなくなり（例えば、特許文献１の構成対比で）、光束拡大光学系の光学部品、例えばレンズの曲率を小さくでき、高い結像性能が得られ、かつ生産性を低下させることが無く、または拡大光学系のレンズ間の長さを大きくしなくてもよい。

さらに、フィルターの光透過率の高い部分と低い部分との差を特に大きく設定しなくても良いため（例えば、特許文献２の構成対比で）、光学系全体の総合透過率が小さくなることを抑えられ、光量の大きな光源を用いる必要が無い。
なお、主走査方向中央部分の光透過率が主走査方向両側部分の光透過率よりも小さく設定されたフィルターは、主走査方向の幅を広くした方が高い精度を得るためには好ましい。
また、拡散する光束に対してフィルターを挿入した場合、光路方向に対してフィルターの位置誤差があると被走査面上の光量補正に誤差が生ずるが、平行な光束、または平行に近い光束に対してフィルターを挿入した場合には、光路方向に対してフィルターの位置誤差があった場合の被走査面上の光量補正の誤差を抑えられる。
したがって、高精度の光量補正を行なうには、フィルターは、主走査方向の幅が広く、平行または平行に近い光束が通過するエキスパンダレンズと偏向手段との間に配置する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光走査装置において、前記光束拡大光学系は、前記偏向手段によって反射偏向される光束を被走査面上にて等速で走査させるためのｆθレンズを含み、前記ｆθレンズは、前記偏向手段に入射する光束と、前記偏向手段によって反射偏向される光束とが共に通過する、ことを特徴としている。

次に、請求項２に記載の光走査装置の作用を説明する。

請求項２に記載の光走査装置では、ｆθレンズに対し、偏向手段に入射する光束と、偏向手段によって反射偏向される光束とが通過するので、光路が折り返されることになり、装置をより小型化することができる。

以上説明したように、請求項１に記載の光走査装置は上記の構成としたので、高速で画像を形成でき、大出力の光源を用いることなく、かつ生産性を悪化させずに小型化を図ることができる、という優れた効果を有する。また、高精度の光量補正が可能となる、という優れた効果を有する。

請求項２に記載の光走査装置は上記の構成としたので、装置をより小型化できる、という優れた効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

図１、及び図２に示すように、光走査装置１０を構成する光学箱１２の側壁１２Ａには、光源１４が取り付けられている。

図３に示すように、光源１４は、２つの発光部１６を有している。

発光部１６から出射される光束は、発光部１６の配列方向と直交する方向（矢印Ａ方向）の広がり角が、配列方向（矢印Ｂ方向）の広がり角よりも大きい光量の偏光特性を有している。

図４に示すように、光源１４は、発光部１６（図４では図示せず）を内包する円筒部分１８の外側に環状のフランジ２０を備えており、フランジ２０には周方向に延びる円弧状の長孔２２が一対形成されている。

長孔２２に挿通したビス２４を光学箱１２の側壁１２Ａの螺子孔２６に締め込むことで、光源１４が側壁１２Ａに固定されている。なお、側壁１２Ａには、円筒部分１８を挿通する貫通孔２８が形成されている。

円弧状の長孔２２にビス２４が挿通されているので、光源１４は一定の範囲内で回転可能となっている。

図１、及び図２に示すように、光源１４からは、光学箱１２の底壁１２Ｂに平行に沿って、矢印Ｒ方向に向けて光束Ｌ（図２においては光束Ｌの中心のみを一点鎖線で図示している。）が出射される。

光学箱１２の内部には、光源１４の光束出射側に、発光部１６から出射された光束Ｌを整形するためのコリメータレンズ３２、ビーム成形用の開口絞り３３、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカルレンズ３４、第１レンズ３６Ａ及び第２レンズ３６Ｂから構成されるエキスパンダレンズ３６、及び第１反射ミラー３８が配置されている。

光源１４から出射された光束Ｌは、コリメータレンズ３２によって、副走査方向に対応する方向に略平行に進むと共に、主走査方向に対応する方向に緩く発散する発散光とされる。発散光とされた光束Ｌは、開口絞り３３によって副走査方向に対応する方向のビーム幅が制限される。また、開口絞り３３を通過した光束Ｌは、シリンドリカルレンズ３４によって、副走査方向に対応する方向にのみ収束される。

第１レンズ３６Ａは、コリメータレンズ３２から出射した光束Ｌを主走査方向に拡散する凹平シリンダレンズ（曲率半径３０．１１ｍｍ）であり、第２レンズ３６Ｂは第１レンズ３６Ａから出射した主走査方向に拡散状態の光束Ｌを平行に近付ける平凸シリンダレンズ（曲率半径６８．９８４ｍｍ）である。

なお、エキスパンダレンズ３６はベース板４０に取り付けられており、ベース板４０は、光学箱１２の底壁１２Ｂに対して図示しないビスで着脱可能に取り付けられている。

エキスパンダレンズ３６から出射した光束Ｌは、第１反射ミラー３８で斜め方向に反射される。

第１反射ミラー３８の光束反射側には、フィルター４２、及び第２反射ミラー４４が配置されている。

フィルター４２は、主走査方向に長い長方形状を呈しており、主走査方向中央部分の透過率が主走査方向両端部分の透過率よりも小さく設定されている。なお、本実施形態のフィルター４２は、主走査方向に３つの領域に分けた内の中央の領域の透過率を、両側の領域の透過率よりも小さく設定したもので、中央の領域の透過率が６０％、両側の領域の透過率が９３％である。

第２反射ミラー４４の光束反射側には、レンズ４６Ａ、及びレンズ４６Ｂからなるｆθレンズ４６、及び図示しないモータで回転される回転多面鏡４８が配置されている。

回転多面鏡４８には、周方向に複数の偏向反射面が形成されている。

回転多面鏡４８よりも光源側の入射光学系は、発光部１６より出射した光束Ｌを偏向反射面の主走査方向の幅よりも広い状態で入射させる所謂オーバーフィールド光学系である。

第２反射ミラー４４で反射された光束Ｌは、ｆθレンズ４６を通過後、回転多面鏡４８で反射偏向される。

回転多面鏡４８で反射偏向された光束Ｌは、再びｆθレンズ４６を通過し、第１折り返しミラー５０、第２折り返しミラー５２、第３折り返しミラー５４で反射され、側壁１２Ｃに設けた図示しない窓ガラスを介して光学箱１２の外側に配置された感光体ドラム５６にスポット状に照射される。

表１に本実施形態のプレポリゴンの光学系の詳細を示す。

（作用）
次に、本実施形態の光走査装置１０の作用を説明する。

光源１４の各発光部１６から出射された２つの光束Ｌ（図面においては一方のみ図示）は、コリメータレンズ３２、エキスパンダレンズ３６を介することで、主走査方向の径が拡大される。

エキスパンダレンズ３６を通過後の光束Ｌは、第１反射ミラー３８で反射され、フィルター４２を通過し、さらに第２反射ミラー４４でｆθレンズ４６に向けて反射される。

光束Ｌはｆθレンズ４６を通過後、回転する回転多面鏡４８で反射偏向され、再びｆθレンズ４６を通過し、第１折り返しミラー５０、第２折り返しミラー５２、第３折り返しミラー５４で反射され、図示しない窓ガラスを介して光学箱１２の外側に配置された感光体ドラム５６でスポット状となり、主走査方向に走査される。

本実施形態では、コリメータレンズ３２を出射した光束Ｌの径がエキスパンダレンズ３６により主走査方向に拡大され、主走査方向に径の拡大された光束Ｌを回転多面鏡４８に入射させているので、光源１４と回転多面鏡４８との間の光路長を短くして光走査装置１０の小型化を図ると共に、感光体ドラム５６上において主走査方向中央部分の光量と主走査方向両端部分との光量差を小さくすることができる。

さらに、主走査方向中央部分の光透過率が主走査方向両側部分の光透過率よりも小さく設定されたフィルター４２に対して光束Ｌを通過させるので、感光体ドラム５６上において、主走査方向中央部分の光量が低下し、走査方向中央部分の光量と主走査方向両端部分との光量差を更に小さくすることができる。

本実施形態の光走査装置１０では、感光体ドラム５６において、走査方向中央部分の光量と主走査方向両端部分との光量差を小さくするためにエキスパンダレンズ３６とフィルター４２とを用いているため、エキスパンダレンズ３６の拡大率を特に大きく設定する必要がなくなり、エキスパンダレンズ３６を構成する第１レンズ３６Ａ及び第２レンズ３６Ｂの曲率を各々小さくできる。このため、高い結像性能が得られ、かつ第１レンズ３６Ａ及び第２レンズ３６Ｂの生産性を低下させることが無い。

さらに、フィルター４２の透過率の高い部分と低い部分との差を特に大きく設定しなくても良いため、光学系の総合透過率が小さくなることを抑えられ、光源１４の出力を小さく抑えることが出来る。

本実施形態の光学走査装置１０では、感光体ドラム５６でのパワーバランスが、走査中央位置のパワーを１００％とすると、走査開始位置で９２．５％、走査終了位置で９２．５％となった。なお、良好な画像形成を行なうためには、ここでは走査中央位置のパワーを１００％とすると、走査開始位置、及び走査終了位置において９０％以上としている。

また、本実施形態の光学走査装置１０では、総合透過率が０．０４８であり、定格が１０ｍＷとされた光源１４で十分対応できた。

なお、フィルター４２を用いずに必要なパワーバランスを得ようとすると、例えば、第１レンズ３６Ａの曲率半径を５mm以下となり、レンズの生産性が悪化してしまう。また、レンズの曲率を変えないとすると、拡大率を上げるためには第１レンズ３６Ａと第２レンズ３６Ｂとのレンズ間距離が１００mm以上（本実施形態では、５５．２３mm）となってしまい、光路長が延びてしまう。

また、エキスパンダレンズ３６を用いない光学系（例えば、特開平８−１６０３３８号公報に記載の装置）とすると、フィルター４２の透過率の高い部分と低い部分との差を特に大きく設定しなければならず、フィルター４２の総合透過率が小さくなってしまい、光源１４の出力をることを抑えられ、定格が１０ｍWとされた光源１４では光量不足となってしまう（感光体ドラム５６上で本実施形態と同じパワーを得ようとすると、定格１３ｍＷ程度の光源が必要）。

上記実施形態では、ｆθレンズ４６に対し、回転多面鏡４８に入射する光束Ｌと、回転多面鏡４８で反射偏向された光束Ｌとを通過させているが、本発明はこれに限らず、回転多面鏡４８で反射偏向された光束Ｌのみを通過させても良い。

また、上記実施形態では、好ましい例としてフィルター４２を第１反射ミラー３８と第２反射ミラー４４との間に配置したが、本発明はこれに限らず、フィルター４２は第１反射ミラー３８と第２反射ミラー４４との間以外の光源１４と回転多面鏡４８との間に配置することも出来る。

なお、本実施形態の光走査装置１０は、コリメータレンズ３２の光束出射側にエキスパンダレンズ３６を配置しているが、例えば、発光部１６が副走査方向に沿って配列されるように光源１４の向きを変更し、エキスパンダレンズ３６をベース板４０ごと取り除いた構成とすることもできる。

本発明の一実施形態に係る光走査装置の内部構成を示す平面図である。本発明の一実施形態に係る光走査装置の内部構成を示す側面図である。光源を光束出射側から見た正面図である。光源の光学箱への取り付けを示す斜視図である。光源と光束との関係を示す説明図である。（Ａ）は従来の光走査装置の内部構成を示す側面図であり、（Ｂ）は寸法を短くした従来の光走査装置の内部構成を示す側面図である。回転多面鏡と、回転多面鏡に入射する光束との関係を示す説明図である。

１０光走査装置
１６発光部
３２コリメータレンズ（入射光学系）
３４シリンドリカルレンズ（入射光学系）
３６エキスパンダレンズ（光束拡大光学系、入射光学系）
３８反射ミラー（入射光学系）
４２フィルター
４４反射ミラー（入射光学系）
４６ fθレンズ（結像光学系）
４８回転多面鏡

Claims

第１の方向の拡がり角が前記第１の方向と直交する第２の方向の広がり角よりも大きい光量の偏光特性をもつ光束を出射する複数の発光部が前記第２の方向に沿って複数配列されると共に、前記複数の発光部の配列方向を副走査方向に対して傾斜させた光源と、
前記光束を反射する偏向反射面を周方向に複数有し、回転により前記光束を主走査方向に走査させる偏向手段と、
前記発光部より出射した光束を前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも広い状態で前記偏向手段に入射させる入射光学系と、
前記偏向手段で偏向された光束を被走査面上に結像させる結像光学系と、
前記発光部と前記偏向手段との間の光路内に配置され、前記偏向手段に入射する光束の径を主走査方向に拡大する光束拡大光学系と、
を備え、
前記光束拡大光学系は、前記発光部から出射された拡散する光束を平行光束に近付けるコリメータレンズの光束出射側に配置されて、前記コリメータレンズを通過した光束の主走査方向の幅を拡大するエキスパンダレンズを含み、
前記エキスパンダレンズは、前記コリメータレンズから出射した光束を主走査方向に拡散する凹平シリンダレンズと、前記凹平シリンダレンズから出射した主走査方向に拡散状態の光束を平行に近付ける平凸シリンダレンズとを含んで構成されており、
前記エキスパンダレンズと前記偏向手段との間の光路内に、主走査方向に３つの領域に分けた内の中央の領域の透過率を、両側の領域の透過率よりも小さく設定したフィルターが配置されている、ことを特徴とする光走査装置。
前記光束拡大光学系は、前記偏向手段によって反射偏向される光束を被走査面上にて等速で走査させるためのｆθレンズを含み、
前記ｆθレンズは、前記偏向手段に入射する光束と、前記偏向手段によって反射偏向される光束とが共に通過する、ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。