JP4849613B2

JP4849613B2 - 光走査装置及び画像形成装置

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Publication number: JP4849613B2
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Inventors: 善紀林; 信秋久保; 直人渡辺; 大輔市井
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Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、光源からの光束により被走査面上を走査する光走査装置及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

電子写真の画像記録では、レーザを用いた画像形成装置が広く用いられている。この場合、画像形成装置は光走査装置を備え、感光性を有するドラムの軸方向にポリゴンスキャナ（例えば、ポリゴンミラー）を用いてレーザ光を走査しつつ、ドラムを回転させ潜像を形成する方法が一般的である。このような電子写真の分野では、画像品質を向上させるために画像の高密度化、及び操作性を向上させるために画像出力の高速化が画像形成装置に求められている。

上記高密度化と高速化を両立させる方法の一つとして、ポリゴンスキャナを高速回転させることが考えられるが、この方法では、ポリゴンスキャナにおける騒音の増大、消費電力の増大、及び耐久性の低下を生じてしまう。

また、高密度化と高速化を両立させる他の方法として、光源から出射される光束のマルチビーム化がある。このマルチビーム化を実現させる方式としては、（１）端面発光レーザを複数個組み合わせる方式、（２）端面発光レーザの1次元アレイを用いる方式、（３）垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の２次元アレイを用いる方式（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）、が考えられる。

上記（１）の方式では、汎用のレーザを用いることができるため安価となるが、レーザとカップリングレンズとの間の相対的な位置関係を複数のビームで安定的に保つのが困難であり、被走査面上に形成される複数の走査線における間隔（以下では、便宜上「走査線間隔」と略述する）が不均一になるおそれがある。また、この（１）の方式では、実用上、光源の数に限界があり、高密度化及び高速化に限界がある。上記（２）の方式では、走査線間隔を均一にすることができるが、素子の消費電力が大きくなるという不都合がある。また、光源の数を極端に増やすと、光学系の光軸からのビームのずれ量が大きくなり、いわゆるビーム品質が劣化するおそれがある。

一方、上記（３）の方式では、消費電力が端面発光レーザに比べて一桁程度小さく、より多くの光源を容易に２次元的に集積することが可能である。

特許文献１には、独立して変調可能な複数の発光点を２次元的に配設した光源と、前記光源から射出した発散光束をカップリングするカップリングレンズと、からなる組みを複数組み合わせて構成した光源装置、該光源装置を搭載した光走査装置、該光走査装置を搭載した画像形成装置が開示されている。

特許文献２には、面発光型のレーザアレイを用いた光走査装置、及び該光走査装置を搭載した画像形成装置が開示されている。

特開２００５−２５０３１９号公報特開２００４−２８７２９２号公報

ところで、現在、ＶＣＳＥＬの発光パワーは比較的小さいので、上記（３）の方式では、光量のロスを少なくすることが重要である。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、光利用効率を向上させることができる光走査装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高品質の画像を高速で形成することができる画像形成装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、光束により被走査面上を走査する光走査装置であって、２次元配列された複数の面発光レーザを有する光源と；前記光源からの複数の光束を偏向する偏向器と；前記光源と前記偏向器との間の光路上に配置され、前記光源からの複数の光束を前記偏向器に導く第１光学系と、前記偏向器で偏向された複数の光束を前記被走査面に導く第２光学系とを含む光学系と；を備え、前記第１光学系は、前記光源からの複数の光束を略平行光とするカップリングレンズと、前記カップリングレンズを介した複数の光束のビーム径を規定するための開口部を有する開口板と、前記開口部を通過した複数の光束を前記偏向器の近傍で副走査方向に結像する結像レンズとを有し、前記光源における光束の射出方向に直交する方向に関して、前記光源の中心と前記開口部の中心とが一致しており、前記カップリングレンズの焦点距離は、前記カップリングレンズと前記開口板の間の光路長よりも長く、前記２次元配列された複数の面発光レーザのうち、２次元配列における最外周位置に配置された面発光レーザの少なくとも１つは、他の面発光レーザよりも発光光量が大きく、前記光学系における主走査方向の横倍率の絶対値は副走査方向の横倍率の絶対値よりも大きく、前記被走査面上での副走査方向のビーム径は、主走査方向のビーム径以下で、かつ走査線間隔よりも大きい光走査装置である。

これによれば、光利用効率を向上させることが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、光束により被走査面上を走査する光走査装置であって、２次元配列され、それぞれが直線偏光の光束を射出する複数の面発光レーザを有する光源と；前記光源からの複数の光束を偏向する偏向器と；前記光源と前記偏向器との間の光路上に配置され、前記光源からの複数の光束を前記偏向器に導く第１光学系と、前記偏向器で偏向された複数の光束を前記被走査面に導く第２光学系とを含む光学系と；を備え、前記第１光学系は、前記光源からの複数の光束を略平行光とするカップリングレンズと、前記カップリングレンズを介した複数の光束のビーム径を規定するための開口部を有する開口板と、前記開口部を通過した複数の光束を前記偏向器の近傍で副走査方向に結像する結像レンズとを有し、前記光源における光束の射出方向に直交する方向に関して、前記光源の中心と前記開口部の中心とが一致しており、前記カップリングレンズの焦点距離は、前記カップリングレンズと前記開口板の間の光路長よりも長く、前記２次元配列された複数の面発光レーザのうち、２次元配列における最外周位置に配置された面発光レーザの少なくとも１つは、他の面発光レーザよりも発光光量が大きく、前記光学系における主走査方向の横倍率の絶対値は副走査方向の横倍率の絶対値よりも大きく、前記直線偏光の偏光方向と主走査方向とのなす角度は、前記直線偏光の偏光方向と副走査方向とのなす角度よりも大きい光走査装置である。

本発明は、第３の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と；前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる複数の光束を走査する少なくとも１つの本発明の光走査装置と；を備える画像形成装置である。

これによれば、光利用効率に優れた少なくとも１つの本発明の光走査装置を備えているため、結果として、高品質の画像を高速で形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１２（Ｂ）に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係るレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

図１に示されるレーザプリンタ５００は、光走査装置９００、感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写チャージャ９１１、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、及び排紙トレイ９１０などを備えている。

上記帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写チャージャ９１１及びクリーニングブレード９０５は、それぞれ感光体ドラム９０１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム９０１の回転方向（図１における矢印方向）に関して、帯電チャージャ９０２→現像ローラ９０３→転写チャージャ９１１→クリーニングブレード９０５の順に配置されている。

前記感光体ドラム９０１の表面には、感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム９０１の表面が被走査面である。

前記帯電チャージャ９０２は、感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させる。

前記光走査装置９００は、帯電チャージャ９０２で帯電された感光体ドラム９０１の表面に、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光を照射する。これにより、感光体ドラム９０１の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム９０１の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って前記現像ローラ９０３の方向に移動する。なお、感光体ドラム９０１の長手方向（回転軸に沿った方向）は「主走査方向」と呼ばれている。この光走査装置９００の構成については後述する。

前記トナーカートリッジ９０４にはトナーが格納されており、該トナーは前記現像ローラ９０３に供給される。このトナーカートリッジ９０４内のトナー量は、電源投入時や印刷終了時などにチェックされ、残量が少ないときには不図示の表示部にトナーカートリッジ９０４の交換を促すメッセージが表示される。

前記現像ローラ９０３は、回転に伴ってその表面にトナーカートリッジ９０４から供給されたトナーが帯電されて薄く均一に付着される。また、この現像ローラ９０３には、感光体ドラム９０１における帯電している部分（光が照射されなかった部分）と帯電していない部分（光が照射された部分）とで互いに逆方向の電界が生じるような電圧が印加されている。そして、この電圧によって、現像ローラ９０３の表面に付着しているトナーは、感光体ドラム９０１の表面の光が照射された部分にだけ付着する。すなわち、現像ローラ９０３は、感光体ドラム９０１の表面に形成された潜像にトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像（以下、便宜上「トナー像」という）は、感光体ドラム９０１の回転に伴って前記転写チャージャ９１１の方向に移動する。

前記給紙トレイ９０６には記録紙９１３が格納されている。この給紙トレイ９０６の近傍には前記給紙コロ９０７が配置されており、該給紙コロ９０７は、記録紙９１３を給紙トレイ９０６から１枚づつ取り出し、前記レジストローラ対９０８に搬送する。該レジストローラ対９０８は、前記転写ローラ９１１の近傍に配置され、給紙コロ９０７によって取り出された記録紙９１３を一旦保持するとともに、該記録紙９１３を感光体ドラム９０１の回転に合わせて感光体ドラム９０１と転写チャージャ９１１との間隙部に向けて送り出す。

前記転写チャージャ９１１には、感光体ドラム９０１の表面上のトナーを電気的に記録紙９１３に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム９０１の表面のトナー像が記録紙９１３に転写される。ここで転写された記録紙９１３は、前記定着ローラ９０９に送られる。

この定着ローラ９０９では、熱と圧力とが記録紙９１３に加えられ、これによってトナーが記録紙９１３上に定着される。ここで定着された記録紙９１３は、前記排紙ローラ９１２を介して前記排紙トレイ９１０に送られ、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。

前記クリーニングブレード９０５は、感光体ドラム９０１の表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。なお、除去された残留トナーは、再度利用されるようになっている。残留トナーが除去された感光体ドラム９０１の表面は、再度帯電チャージャ９０２の位置に戻る。

次に、前記光走査装置９００の構成について図２〜図１２（Ｂ）を用いて説明する。

この光走査装置９００は、光源１４、カップリングレンズ１５、開口板１６、アナモフィックレンズ１７、反射ミラー１８、ポリゴンミラー１３、該ポリゴンミラー１３を回転させる不図示のポリゴンモータ、及び２つの走査レンズ（１１ａ、１１ｂ）などを備えている。図２では、紙面上下方向が主走査方向であり、紙面に垂直な方向が副走査方向である。

前記光源１４は、図３に示されるように、一例として４０個の発光部１０１が１つの基板上に形成された２次元アレイ１００を有している。この２次元アレイ１００は、主走査方向に対応する方向（以下では、便宜上「Ｄｉｒ＿ｍａｉｎ方向」ともいう）から副走査方向に対応する方向（以下では、便宜上「Ｄｉｒ＿ｓｕｂ方向」ともいう）に向かって傾斜角αをなす方向（以下では、便宜上「Ｔ方向」という）に沿って１０個の発光部が等間隔に配置された発光部列を４列有している。そして、これら４列の発光部列は、Ｄｉｒ＿ｓｕｂ方向に等間隔に配置されている。すなわち、４０個の発光部は、Ｔ方向とＤｉｒ＿ｓｕｂ方向とにそれぞれ沿って２次元的に配列されている。ここでは、便宜上、図３における紙面の上から下に向かって、第１発光部列、第２発光部列、第３発光部列、第４発光部列ということとする。

そして、一例として、隣接する発光部列のＤｉｒ＿ｓｕｂ方向に関する間隔（図３における符号ｄ）は４４．０μｍ、各発光部列におけるＴ方向に関する発光部間隔（図３における符号Ｘ）は３０．０μｍ、各発光部をＤｉｒ＿ｓｕｂ方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部間隔（図３における符号ｃ）は４．４μｍである。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは２つの発光部の中心間距離をいうものとする。

また、各発光部を特定するために、便宜上、図４に示されるように、図４における紙面左上から右下に向かって、第１発光部列を構成する１０個の発光部に１番（１st）〜１０番（１０th）、第２発光部列を構成する１０個の発光部に１１番（１１th）〜２０番（２０th）、第３発光部列を構成する１０個の発光部に２１番（２１st）〜３０番（３０th）、第４発光部列を構成する１０個の発光部に３１番（３１st）〜４０番（４０th）の番号をつけている。

各発光部は、７８０ｎｍ帯のＶＣＳＥＬであり、一例として図５に示されるように、ｎ―ＧａＡｓ基板１１１上に、下部反射鏡１１２、スペーサー層１１３、活性層１１４、スペーサー層１１５、上部反射鏡１１７、及びｐコンタクト層１１８などの半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「積層体」ともいう。また、活性層１１４近傍の拡大図が図６に示されている。

前記下部反射鏡１１２は、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層（低屈折率層１１２ａとする）とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層（高屈折率層１１２ｂとする）とをペアとして、４０．５ペア有している。各屈折率層はいずれも、発振波長をλとするとλ／４の光学厚さとなるように設定されている。なお、低屈折率層１１２ａと高屈折率層１１２ｂとの間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層（図示省略）が設けられている。

前記スペーサー層１１３は、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

前記活性層１１４は、図６に示されるように、Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓからなる量子井戸層１１４ａとＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる障壁層１１４ｂを有している。

前記スペーサー層１１５は、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

スペーサー層１１３と活性層１１４とスペーサー層１１５とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが１波長の光学厚さとなるように設定されている（図６参照）。

前記上部反射鏡１１７は、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層（低屈折率層１１７ａとする）とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層（高屈折率層１１７ｂとする）とをペアとして、２４ペア有している。各屈折率層はいずれも、λ／４の光学厚さとなるように設定されている。なお、低屈折率層１１７ａと高屈折率層１１７ｂとの間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層（図示省略）が設けられている。

上部反射鏡１１７における共振器構造体からλ／４離れた位置には、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層１１６が設けられている。

《製造方法》
次に、上記２次元アレイ１００の製造方法について簡単に説明する。

（１）上記積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）あるいは分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）を用いた結晶成長によって作成する。

（２）それぞれが発光部となる複数の領域の各周囲にドライエッチング法により溝を形成し、いわゆるメサ部を形成する。ここでは、エッチング底面は下部反射鏡１１２中に達するように設定されている。なお、エッチング底面は少なくとも被選択酸化層１１６を超えたところにあれば良い。これにより、被選択酸化層１１６が溝の側壁に現れることとなる。また、メサ部の大きさ（直径）は、１０μｍ以上であることが好ましい。あまり小さいと素子動作時に熱がこもり、発光特性に悪影響を及ぼすおそれがあるからである。さらに、溝の幅は５μｍ以上であることが好ましい。溝の幅があまり狭いとエッチングの制御が難しくなるからである。

（３）溝が形成された積層体を水蒸気中で熱処理し、選択的にメサ部における被選択酸化層１１６の一部を酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙの絶縁物層に変える。このとき、メサ部の中央部には、被選択酸化層１１６における酸化されていないＡｌＡｓ領域が残留する。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサ部の中央部だけに制限する、いわゆる電流狭窄構造が形成される。

（４）各メサ部の上部電極１０３が形成される領域及び光出射部１０２を除いて、例えば厚さ１５０ｎｍのＳｉＯ_２保護層１２０を設け、さらに各溝にポリイミド１１９を埋め込んで平坦化する。

（５）各メサ部におけるｐコンタクト層１１８上の光出射部１０２を除いた領域に上部電極１０３をそれぞれ形成し、積層体の周辺に各ボンディングパッド（不図示）を形成する。そして、各上部電極１０３とそれぞれに対応するボンディングパッドとを繋ぐ各配線（不図示）を形成する。

（６）積層体裏面に下部電極（ｎ側共通電極）１１０を形成する。

（７）積層体を複数のチップに切断する。

光走査装置９００における各光学素子の位置関係が図７に示されている。

前記カップリングレンズ１５は、光源１４から出射された光束の光路上に配置され、光源１４から出射された光束を略平行光とする。ここでは、カップリングレンズ１５は、一例として、光源１４からの光路長（図７における符号ｄ１）が３９．３０５ｍｍの位置に配置されている。そして、カップリングレンズ１５の厚さ（図７における符号ｄ２）は、一例として３．８ｍｍである。また、カップリングレンズ１５の焦点距離は、４２．０ｍｍである。

また、カップリングレンズ１５は、そのいずれの面も、次の（１）式で示される非円弧形状を有する。ここでは、ｘは光軸方向のデプス、ｈは光軸からの距離、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０、…はそれぞれ係数である。

一例として、カップリングレンズ１５の第１面ではＲ＝∞、第２面ではＲ＝−２１．５１９ｍｍである。なお、近軸曲率半径Ｒ、円錐定数Ｋ、係数Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０、…は、波面収差を良好に補正するように設定されている。

なお、光源１４とカップリングレンズ１５は、材質がアルミニウムの保持部材によって保持されている。そして、光源１４とカップリングレンズ１５の間には、屈折率１．５１１２、厚さ０．３ｍｍのカバーガラスが配置されている。

前記開口板１６は、カップリングレンズ１５とアナモフィックレンズ１７との間の光路上に配置され、カップリングレンズ１５を介した光束のビーム径を規定する。ここでは、開口板１６は、一例として、カップリングレンズ１５の第２面からの光路長が１３．８ｍｍの位置に配置されている。この位置は、カップリングレンズ１５の後側焦点位置よりも光源１４に近い位置である。

一例として図８に示されるように、開口板１６の開口部１６ａは、主走査方向の幅Ｗｍが５．６ｍｍ、副走査方向の幅Ｗｓが１．３ｍｍである。

前記アナモフィックレンズ１７は、開口板１６と反射ミラー１８との間の光路上に配置され、開口板１６の開口部を通過した光束を、前記反射ミラー１８を介して前記ポリゴンミラー１３の偏向反射面近傍に副走査方向に関して結像する。ここでは、アナモフィックレンズ１７は、一例として、カップリングレンズ１５の第２面からの光路長（図７における符号ｄ３）が７９．３ｍｍの位置に配置されている。また、アナモフィックレンズ１７の厚さ（図７における符号ｄ４）は、一例として３．０ｍｍである。

また、アナモフィックレンズ１７の第１面は、副走査方向にパワーを有するシリンドリカル面であり、その副走査方向の曲率半径は２６．９ｍｍである。そして、アナモフィックレンズ１７の第２面は平面である。

さらに、アナモフィックレンズ１７とポリゴンミラー１３との間、及びポリゴンミラー１３と走査レンズ１１ａとの間には、肉厚１．９ｍｍ、屈折率１．５１１２の防音ガラス２１が配置されている（図２参照）。

なお、光源１４とポリゴンミラー１３との間の光路上に配置される光学系は、カップリング光学系とも呼ばれている。本実施形態では、カップリング光学系は、カップリングレンズ１５と開口板１６とアナモフィックレンズ１７と反射ミラー１８とから構成されている。

前記ポリゴンミラー１３は、一例として内接円の半径が７ｍｍの４面鏡であり、各鏡がそれぞれ偏向反射面となる。このポリゴンミラー１３は、副走査方向に平行な回転軸の周りに等速回転する。ここでは、一例として、ポリゴンミラー１３は、アナモフィックレンズ１７の第２面から回転軸までの光路長が５１．８ｍｍの位置に配置されている。

前記走査レンズ１１ａは、ポリゴンミラー１３で偏向された光束の光路上に配置されている。ここでは、一例として、走査レンズ１１ａは、ポリゴンミラー１３の回転軸から走査レンズ１１ａの第１面までの光路長（図７における符号ｄ６）が４６．３ｍｍの位置に配置されている。

また、走査レンズ１１ａは、一例として表１に示されるように、主走査方向の近軸曲率半径が−１２０ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−５００ｍｍの第１面（入射側の面）と、主走査方向の近軸曲率半径が−５９．２８ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−６００ｍｍの第２面（射出側の面）を有している。そして、走査レンズ１１ａの中心（光軸上）肉厚（図７における符号ｄ７）は、１３．５ｍｍである。

前記走査レンズ１１ｂは、走査レンズ１１ａを介した光束の光路上に配置されている。ここでは、一例として、走査レンズ１１ｂは、走査レンズ１１ａの第２面から走査レンズ１１ｂの第１面までの光路長（図７における符号ｄ８）が８９．７ｍｍの位置に配置されている。また、一例として表２に示されるように、主走査方向の近軸曲率半径が∞、副走査方向の近軸曲率半径が５２２ｍｍの第１面（入射側の面）と、主走査方向の近軸曲率半径が５４０．６ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−４０．７５ｍｍの第２面（射出側の面）を有している。そして、走査レンズ１１ｂの中心（光軸上）肉厚（図７における符号ｄ９）は３．５ｍｍである。

走査レンズ１１ａ及び走査レンズ１１ｂの各面は非球面形状の面であり、いずれの面も、主走査方向に上記（１）式で示される非円弧形状を有し、光軸方向及び副走査方向のいずれとも平行な仮想的断面（以下、「副走査断面」という）内の曲率が次の（２）式に従って主走査方向に変化する面（特殊面）である。ここで、Ｙは光軸からの主走査方向の距離、Ｒ_ｓは副走査方向の近軸曲率半径、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、…はそれぞれ係数である。

走査レンズ１１ａの第１面の円錐定数及び各係数が表３に示されている。

走査レンズ１１ａの第２面の円錐定数及び係数が表４に示されている。

走査レンズ１１ｂの第１面の円錐定数及び各係数が表５に示されている。

走査レンズ１１ｂの第２面の円錐定数及び係数が表６に示されている。

ポリゴンミラー１３と感光体ドラム９０１との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本実施形態では、走査光学系は、走査レンズ１１ａと走査レンズ１１ｂとから構成されている。

そして、一例として、走査レンズ１１ｂの第２面から感光体ドラム９０１までの光路長（図７における符号ｄ１０）が１４２．５ｍｍとなるように、光走査装置９００が配置されている。なお、走査レンズ１１ｂと感光体ドラム９０１との間には、屈折率１．５１１２、肉厚１．９ｍｍの防塵ガラス２２が配置されている。

さらに、感光体ドラム９０１における有効走査領域の長さ（主走査方向の書込み幅）は３２３ｍｍである。

カップリング光学系と走査光学系とからなる光学系における主走査方向の横倍率は５．７倍であり，副走査方向の横倍率は１．２倍である。すなわち、主走査方向の横倍率の絶対値は副走査方向の横倍率の絶対値よりも大きい。これにより、走査線間隔が狭くなり、解像度を高くすることができる。本実施形態では、走査線間隔は５．３μｍであり、４８００ｄｐｉの書込密度が可能である。

このようにして構成された光走査装置９００による感光体ドラム９０１の表面上での主走査方向のビーム径及び副走査方向のビーム径が、図９に示されている。この図９に示されるように、副走査方向のビーム径は主走査方向のビーム径以下となっている。なお、本明細書では、最大強度の１／ｅ^２で定義される径をビーム径としている。

なお、前記開口板１６に代えて、図１０に示されるように、主走査方向の幅Ｗｍが５．６ｍｍ、副走査方向の幅Ｗｓが０．８ｍｍの開口部１６ｂを有する従来の開口板１６´を用いたときの、感光体ドラム９０１面上での主走査方向のビーム径及び副走査方向のビーム径が、図１１に示されている。図１１に示されるように、従来は、被走査面上において、主走査方向のビーム径は副走査方向のビーム径よりも小さくなるように設定されていた。

図９と図１１とから明らかなように、光走査装置９００では、従来よりも副走査方向のビーム径が小さくなっており、画像のざらつき感が減少して粒状度が向上するとともに、解像度に優れた画像出力が可能になる。また、光走査装置９００では、開口板１６の開口部における副走査方向の幅が従来の幅の約１．６倍であるため、従来よりも光利用効率が約６０％向上している。

また、光軸に垂直な方向に関して、２次元アレイ１００の中心と開口板１６の開口部の中心との位置合わせを行うと、２次元アレイ１００の複数の発光部のうち、２次元配列における最外周位置に配置された発光部からの光束の中心は、開口板１６の中心と一致しない。そのため、最外周位置に配置された発光部からの光束の光利用効率は、２次元配列における中央部に配置された発光部からの光束の光利用効率よりも小さい。そこで、最外周位置に配置された発光部では、他の発光部よりも発光光量を大きくすることにより、濃度むらの発生を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置９００によると、複数の面発光レーザを有する光源１４と、光源１４からの複数の光束を偏向するポリゴンミラー１３と、光源１４とポリゴンミラー１３との間の光路上に配置され、光源１４からの複数の光束をポリゴンミラー１３に導くカップリング光学系と、ポリゴンミラー１３で偏向された複数の光束を感光体ドラム９０１に導く走査光学系とを備えている。そして、カップリング光学系と走査光学系とからなる光学系における主走査方向の横倍率の絶対値は副走査方向の横倍率の絶対値よりも大きく、感光体ドラム９０１の表面上での副走査方向のビーム径は、主走査方向のビーム径以下であり、かつ走査線間隔よりも大きくなるように設定されている。これにより、光学系において、従来よりも光量のロスを少なくして、ビーム整形を行うことができる。従って、結果的に光利用効率を向上させることが可能となる。

ところで、ＶＣＳＥＬから出射される光束は、一例として図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示されるように、光軸に垂直な断面形状が円形に近い光束になるので、感光体ドラムの表面上でのビーム径を規定する開口板において、開口部の主走査方向の幅と副走査方向の幅とが大きく異なると光量不足を生じてしまい、高速化に対応できなくなってしまう。

本実施形態では、感光体ドラム９０１の表面上において、主走査方向のビーム径が副走査方向のビーム径よりも大きくなるように設定されているので、開口板１６における開口部の主走査方向の幅と副走査方向の幅の差を従来よりも低減でき、ひいては、カップリング効率（発光点から出射される光パワーに対する開口部の出射光パワーの比）を高めることができる。

また、本実施形態では、いわゆるマルチビーム光源を用いているため、高解像度化及び高速化が可能になる。さらに、この場合には、走査線間隔が短くなるため、副走査方向のビーム径を走査線間隔より大きく設定できる。このため、副走査方向に隙間が生じることがなく、画像を埋めつくすことが可能になる。

また、マルチビーム光源を用いて副走査方向の書込密度を大きくする方法には、（１）カップリング光学系と走査光学系とからなる光学系の副走査方向の横倍率を小さくする方法と、（２）副走査方向の発光部間隔を小さくする方法とがある。しかしながら、（１）の方法では、被走査面上でのビーム径を規定する開口板において、開口部の副走査方向の幅を小さくする必要があり、光量不足となる。一方、（２）の方法では、発光部間の熱干渉の影響や、各発光部からの配線を通すために必要なスペースの確保が困難になる。

本実施形態では、副走査方向に対応するＤｉｒ＿Ｓｕｂ方向に沿って４個の発光部が配置され、主走査方向に対応するＤｉｒ＿ｍａｉｎ方向からＤｉｒ＿Ｓｕｂ方向に向かって傾斜角αをなすＴ方向に沿って１０個の発光部が配置され、複数の発光部をＤｉｒ＿Ｓｕｂ方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部間隔が等間隔である２次元アレイ１００を用いている。この場合には、副走査方向での高密度化に影響のない主走査方向の発光部間隔を広げているので、各発光部間の熱干渉の影響低減や、各発光部の配線を通すために必要なスペースを確保しつつ、副走査方向の発光部間隔を小さくすることができる。

また、本実施形態では、カップリングレンズ１５の焦点距離を、カップリングレンズ１５と開口板１６との間の光路長よりも長くしている。これにより、光源１４から感光体ドラム９０１までの光路長を従来よりも短くすることができる。なお、一般的には、被走査面上でのビーム径を規定する開口板は、カップリングレンズの後側焦点位置に配置されている。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ５００によると、光利用効率を向上することができる光走査装置９００を備えているため、結果として高品質の画像を高速で形成することが可能となる。

なお、上記実施形態において、前記開口板１６に代えて、従来よりも主走査方向の幅のみが短い開口部を有する開口板を用いても良い。但し、この場合には、主走査方向の幅の短縮に応じて、前記カップリングレンズ１５の焦点距離を短くする必要がある。

なお、上記実施形態では、２次元アレイ１００の各メサ部の形状が円形状の場合について説明したが、これに限らず、例えば楕円形状、正方形状、長方形状など任意の形状であっても良い。

また、上記実施形態では、１つの発光部列を構成する発光部の個数が１０個、発光部列の数が４列の場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。「１つの発光部列を構成する発光部の個数」＞「発光部列の数」の関係が満足されれば良い。

また、上記実施形態では、前記発光部間隔ｃが４．４μｍの場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、前記発光部間隔ｄが４４．０μｍ、前記発光部間隔Ｘが３０．０μｍの場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態において、一例として図１３〜図１６に示されるように、前記２次元アレイ１００に代えて、２次元アレイ１００の前記複数の半導体層のうちの一部の半導体層の材料を変更した２次元アレイ２００を用いても良い。この２次元アレイ２００は、前記２次元アレイ１００における前記スペーサー層１１３をスペーサー層２１３に変更し、前記活性層１１４を活性層２１４に変更し、前記スペーサー層１１５をスペーサー層２１５に変更したものである。

スペーサー層２１３は、ワイドバンドギャップである（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

活性層２１４は、図１５に示されるように、圧縮歪が残留する組成であってバンドギャップ波長が７８０ｎｍとなる３層のＧａＩｎＰＡｓ量子井戸層２１４ａと格子整合する４層の引張歪みを有するＧａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ障壁層２１４ｂとを有している。

スペーサー層２１５は、ワイドバンドギャップである（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

スペーサー層２１３と活性層２１４とスペーサー層２１５とからなる部分は、共振器構造体と呼ばれており、その厚さは１波長光学厚さとなるように設定されている（図１５参照）。

この２次元アレイ２００は、スペーサー層にＡｌＧａＩｎＰ系の材料が用いられているため、上記実施形態における前記２次元アレイ１００に比べて、スペーサー層と活性層とのバンドギャップ差を極めて大きく取ることができる。

図１６には、スペーサー層／量子井戸層の材料がＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で、波長が７８０ｎｍ帯のＶＣＳＥＬ（以下では、便宜上、「ＶＣＳＥＬ＿Ａ」という）、スペーサー層／量子井戸層の材料がＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰＡｓ系で、波長が７８０ｎｍ帯のＶＣＳＥＬ（以下では、便宜上、「ＶＣＳＥＬ＿Ｂ」という）、及びスペーサー層／量子井戸層の材料がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系で、波長が８５０ｎｍ帯のＶＣＳＥＬ（以下では、便宜上、「ＶＣＳＥＬ＿Ｃ」という）について、典型的な材料組成でのスペーサー層と量子井戸層のバンドギャップ差、及び障壁層と量子井戸層のバンドギャップ差が示されている。なお、ＶＣＳＥＬ＿Ａは、前記２次元アレイ１００のＶＣＳＥＬ１０１に対応し、ｘ＝０．７のＶＣＳＥＬ＿Ｂは、２次元アレイ２００におけるＶＣＳＥＬ２０１に対応している。

これによれば、ＶＣＳＥＬ＿Ｂは、ＶＣＳＥＬ＿Ａはもとより、ＶＣＳＥＬ＿Ｃよりもバンドギャップ差を大きく取れることが判る。具体的には、ＶＣＳＥＬ＿Ｂでのスペーサー層と量子井戸層とのバンドギャップ差は７６７．３ｍｅＶであり、ＶＣＳＥＬ＿Ａの４６５．９ｍｅＶに比べて極めて大きい。また、障壁層と量子井戸層とのバンドギャップ差も同様に、ＶＣＳＥＬ＿Ｂに優位性があり、更に良好なキャリア閉じ込めが可能となる。

また、ＶＣＳＥＬ２０１は、量子井戸層が圧縮歪を有しているので、ヘビーホールとライトホールのバンド分離により利得の増加が大きくなり、高利得となるため、低閾値で高出力が可能となる。そして、このために、光取り出し側の反射鏡（ここでは上部反射鏡１１７）の反射率低減が可能となり、更なる高出力化を図ることができる。さらに、高利得化が可能であることから、温度上昇による光出力低下を抑えることができ、２次元アレイにおける各ＶＣＳＥＬの間隔をより狭くすることが可能である。

また、ＶＣＳＥＬ２０１は、量子井戸層２１４ａ及び障壁層２１４ｂがいずれも、アルミニウム（Ａｌ）を含まない材料から構成されているので、活性層２１４への酸素の取り込みが低減される。その結果、非発光再結合センターの形成を抑えることができ、更なる長寿命化を図ることが可能となる。

ところで、例えば、いわゆる書込み光学ユニットにＶＣＳＥＬの２次元アレイを用いる場合に、ＶＣＳＥＬの寿命が短いときには、書込み光学ユニットは使い捨てになる。しかしながら、ＶＣＳＥＬ２０１は、前述したように長寿命であるため、２次元アレイ２００を用いた書込み光学ユニットは、再利用が可能となる。従って、資源保護の促進及び環境負荷の低減を図ることができる。なお、このことは、ＶＣＳＥＬの２次元アレイを用いている他の装置にも同様である。

なお、上記実施形態では、各発光部から射出されるレーザ光の波長が７８０ｎｍ帯の場合について説明したが、これに限らず、感光体ドラム９０１の感度特性に応じた波長であれば良い。なお、この場合には、各発光部を構成する材料の少なくとも一部、あるいは各発光部の構成の少なくとも一部が、発振波長に応じて変更される。

ところで、前述したように、ＶＣＳＥＬは端面発光レーザに比べて、光出力が小さいため、できるだけ光利用効率を大きくする必要がある。端面発光レーザＬＤｔは、図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示されるように、活性層ＡＬに平行な方向を偏光方向としている。端面発光レーザＬＤｔを用いた光走査装置では、光利用効率を向上させるために、発散角が大きくなる活性層ＡＬに垂直な方向を主走査方向としている。従って、端面発光レーザを用いた光走査装置では、偏光方向は、必然的に副走査方向に平行となる。一方、ＶＣＳＥＬの発散ビームは略円形となるため、ＶＣＳＥＬの２次元アレイを用いた光走査装置では、ＶＣＳＥＬの２次元アレイを、偏光方向と主走査方向とのなす角度が偏光方向と副走査方向とのなす角度よりも大きくなるように配置することにより、（１）防音ガラスでの透過率向上、（２）走査レンズでの透過率向上、（３）防塵ガラスでの透過率向上が可能となり、ビーム径を変えることなく光利用効率を向上させることができる。特に、防音ガラス、防塵ガラスが設けられている光走査装置では効果絶大である。また、走査光学系に折り返しミラーを有する場合には、折り返しミラーでの反射率向上が可能となる。

一例として図１８には、各光学素子における光源に近い側（図２では紙面上側）での最周辺像高での光利用効率が、偏光方向を主走査方向と一致させた場合と、偏光方向を副走査方向と一致させた場合とについて示されている。ポリゴンミラーを除いて、偏光方向を主走査方向と一致させた場合のほうが、偏光方向を副走査方向と一致させた場合よりも光利用効率が高くなっている。

なお、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ５００の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、光走査装置９００を備えた画像形成装置であれば、結果として高品質の画像を高速で形成することが可能となる。

また、カラー画像を形成する画像形成装置であっても、カラー画像に対応した光走査装置を用いることにより、高品質の画像を高速で形成することが可能となる。

また、一例として図１９に示されるように、画像形成装置として、カラー画像に対応し、複数の感光体ドラムを備えるタンデムカラー機であっても良い。この図１９に示されるタンデムカラー機は、ブラック（Ｋ）用の感光体ドラムＫ１、帯電器Ｋ２、現像器Ｋ４、クリーニング手段Ｋ５、及び転写用帯電手段Ｋ６と、シアン（Ｃ）用の感光体ドラムＣ１、帯電器Ｃ２、現像器Ｃ４、クリーニング手段Ｃ５、及び転写用帯電手段Ｃ６と、マゼンダ（Ｍ）用の感光体ドラムＭ１、帯電器Ｍ２、現像器Ｍ４、クリーニング手段Ｍ５、及び転写用帯電手段Ｍ６と、イエロー（Ｙ）用の感光体ドラムＹ１、帯電器Ｙ２、現像器Ｙ４、クリーニング手段Ｙ５、及び転写用帯電手段Ｙ６と、光走査装置９００と、転写ベルト８０と、定着手段３０などを備えている。

この場合には、光走査装置９００では、光源１４における複数の発光部はブラック用、シアン用、マゼンダ用、イエロー用に分割されている。そして、ブラック用の各発光部からの光束は感光体ドラムＫ１に照射され、シアン用の各発光部からの光束は感光体ドラムＣ１に照射され、マゼンダ用の各発光部からの光束は感光体ドラムＭ１に照射され、イエロー用の各発光部からの光束は感光体ドラムＹ１に照射されるようになっている。なお、光走査装置９００は、色毎に個別の２次元アレイ１００（あるいは２次元アレイ２００）を備えても良い。また、色毎に光走査装置９００を備えていても良い。

各感光体ドラムは、図１９中の矢印の方向に回転し、回転順にそれぞれ帯電器、現像器、転写用帯電手段、クリーニング手段が配置されている。各帯電器は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。この帯電器によって帯電された感光体ドラム表面に光走査装置９００により光束が照射され、感光体ドラムに静電潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像器により感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写用帯電手段により、記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着手段３０により記録紙に画像が定着される。

タンデムカラー機では、機械精度等で各色の色ずれが発生する場合があるが、光走査装置９００は高密度なＶＣＳＥＬの２次元アレイを有しているため、点灯させるＶＣＳＥＬを選択することで各色の色ずれの補正精度を高めることができる。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

また、像担持体としてビームスポットの熱エネルギにより発色する発色媒体（ポジの印画紙）を用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により可視画像を直接、像担持体に形成することができる。

以上説明したように、本発明の光走査装置によれば、光利用効率を向上させるのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像を高速で形成するのに適している。

本発明の一実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。図１における光走査装置を示す概略図である。図２における光源に含まれるＶＣＳＥＬの２次元アレイを説明するための図である。図３の複数の発光部をそれぞれ区別する場合に付される番号を説明するための図である。図３の２次元アレイにおける各ＶＣＳＥＬの構造を説明するための図である。図５のＶＣＳＥＬの一部を拡大した図である。図２の光走査装置における各光学素子の位置を説明するための図である。図２における開口板の開口部を説明するための図である。感光体ドラム上での主走査方向のビーム径及び副走査方向のビーム径を説明するための図である。従来の光走査装置における開口板の開口部を説明するための図である。図１０の開口板を用いたときの、感光体ドラム上での主走査方向のビーム径及び副走査方向のビーム径を説明するための図である。図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれＶＣＳＥＬから出射される光束を説明するための図である。ＶＣＳＥＬの２次元アレイの変形例を説明するための図である。図１３の２次元アレイにおける各ＶＣＳＥＬの構造を説明するための図である。図１４のＶＣＳＥＬの一部を拡大した図である。図１４のＶＣＳＥＬの特性を説明するための図である。図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれ端面発光レーザから出射される光束を説明するための図である。偏光方向と光利用効率との関係を説明するための図である。タンデムカラー機の概略構成を説明するための図である。

符号の説明

１１ａ…走査レンズ（第２光学系の一部）、１１ｂ…走査レンズ（第２光学系の一部）、１３…ポリゴンミラー（偏向器）、１４…光源、１５…カップリングレンズ（第１光学系の一部）、１６…開口板（第１光学系の一部）、１７…アナモフィックレンズ（第１光学系の一部）、１８…反射ミラー（第１光学系の一部）、１０１…ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、２０１…ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、５００…レーザプリンタ（画像形成装置）、９００…光走査装置、９０１…感光体ドラム（像担持体）。

Claims

光束により被走査面上を走査する光走査装置であって、
２次元配列された複数の面発光レーザを有する光源と；
前記光源からの複数の光束を偏向する偏向器と；
前記光源と前記偏向器との間の光路上に配置され、前記光源からの複数の光束を前記偏向器に導く第１光学系と、前記偏向器で偏向された複数の光束を前記被走査面に導く第２光学系とを含む光学系と；を備え、
前記第１光学系は、前記光源からの複数の光束を略平行光とするカップリングレンズと、前記カップリングレンズを介した複数の光束のビーム径を規定するための開口部を有する開口板と、前記開口部を通過した複数の光束を前記偏向器の近傍で副走査方向に結像する結像レンズとを有し、
前記光源における光束の射出方向に直交する方向に関して、前記光源の中心と前記開口部の中心とが一致しており、
前記カップリングレンズの焦点距離は、前記カップリングレンズと前記開口板の間の光路長よりも長く、
前記２次元配列された複数の面発光レーザのうち、２次元配列における最外周位置に配置された面発光レーザの少なくとも１つは、他の面発光レーザよりも発光光量が大きく、
前記光学系における主走査方向の横倍率の絶対値は副走査方向の横倍率の絶対値よりも大きく、
前記被走査面上での副走査方向のビーム径は、主走査方向のビーム径以下で、かつ走査線間隔よりも大きい光走査装置。
光束により被走査面上を走査する光走査装置であって、
２次元配列され、それぞれが直線偏光の光束を射出する複数の面発光レーザを有する光源と；
前記光源からの複数の光束を偏向する偏向器と；
前記光源と前記偏向器との間の光路上に配置され、前記光源からの複数の光束を前記偏向器に導く第１光学系と、前記偏向器で偏向された複数の光束を前記被走査面に導く第２光学系とを含む光学系と；を備え、
前記第１光学系は、前記光源からの複数の光束を略平行光とするカップリングレンズと、前記カップリングレンズを介した複数の光束のビーム径を規定するための開口部を有する開口板と、前記開口部を通過した複数の光束を前記偏向器の近傍で副走査方向に結像する結像レンズとを有し、
前記光源における光束の射出方向に直交する方向に関して、前記光源の中心と前記開口部の中心とが一致しており、
前記カップリングレンズの焦点距離は、前記カップリングレンズと前記開口板の間の光路長よりも長く、
前記２次元配列された複数の面発光レーザのうち、２次元配列における最外周位置に配置された面発光レーザの少なくとも１つは、他の面発光レーザよりも発光光量が大きく、
前記光学系における主走査方向の横倍率の絶対値は副走査方向の横倍率の絶対値よりも大きく、
前記直線偏光の偏光方向と主走査方向とのなす角度は、前記直線偏光の偏光方向と副走査方向とのなす角度よりも大きい光走査装置。
前記複数の面発光レーザは、２次元的に配列されており、副走査方向に対応する第１方向に沿ってＭ個（Ｍ≧２）の面発光レーザが配置され、主走査方向に対応する第２方向から前記第１方向に向かって傾斜角αをなす第３方向に沿ってＮ個（Ｎ＞Ｍ）の面発光レーザが配置され、
前記複数の面発光レーザを前記第１方向に延びる仮想線上に正射影したときの面発光レーザ間隔は等間隔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
少なくとも１つの像担持体と；
前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる複数の光束を走査する少なくとも１つの請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
前記画像情報は、カラー画像情報であることを特徴とする請求項４に記載の画像形成装置。