JP4980678B2 - 光走査装置、光走査装置の製造方法及びカラー画像形成装置 - Google Patents
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Description
なお、上記走査位置可変手段の可変に要する時間は、連続プリントのページ間における非画像形成時間よりも短いことを特徴としている。
また、特許文献2に開示された技術では、レーザビームの走査位置可変の可変時間を非常に短くする必要があり、可変手段としての光学素子を回動する駆動手段が高速に駆動する必要があり、消費電力の増大、温度上昇による光学素子の変形、回動機構部の寿命劣化といった不具合があり、高画質化と画像品質の安定化に問題がある。
上記光走査手段の各々は、読み出される各色の画像情報信号に応じて駆動制御される半導体からなるレーザからレーザビームを出射する。レーザビームは、ポリゴンミラー、レンズ等の光学部品を介して一様に帯電された感光体面に集光されるとともに主走査方向に走査される。
そして回転する感光体面には、所定間隔からなる走査ビームとして複数の走査ビームに対応した画像信号が書き込まれ、静電潜像が形成される。
また、光走査装置においても、感光体に形成する静電潜像の書き出しタイミングを各色毎に正確に合わせなければ、レジスト位置ずれによる色ずれの要因となる。
従来、このレジスト位置ずれは、転写体に記録されたレジスト位置ずれ検出パターンにより装置の立上げ時やジョブ間等で定期的に検出し、副走査方向については、ポリゴンミラー1面おきで書き出しのタイミングを合わせることによりレジスト位置を補正していた。
請求項4記載の発明では、請求項1記載の光走査装置において、前記走査位置補正手段は、前記光源と前記偏向走査手段との間に配置された非平行平板からなり、該非平行平板を回動することにより入射したレーザビームの光軸を変更して走査位置を可変することを特徴とする。
請求項6記載の発明では、請求項1記載の光走査装置において、前記光走査装置の製造過程で前記レーザビーム検出器内の受光素子が副走査方向略中央となるように、前記レーザビーム検出器又は前記光走査装置内に配置された光学素子を移動調整することを特徴とする。
請求項8記載の発明では、像担持体に光走査装置により潜像を形成し、上記潜像を可視化して所望の記録画像を得る画像形成装置において、請求項1〜5のいずれか一に記載の光走査装置を用いることを特徴とするカラー画像形成装置であります。
請求項2記載の発明によれば、走査位置補正手段の動作に伴う、走査位置の急激な実質的に変化がなく、レーザビームの走査位置を高精度かつ安定に維持できる光走査装置を実現できる。
請求項3記載の発明によれば、機械的な劣化を招く駆動部が無いので信頼性が高く、小型でレーザビームの走査位置を高精度かつ安定に維持できる光走査装置を実現できる。
請求項5記載の発明によれば、小型でかつ高精度なレーザビーム検出が可能な光走査装置を実現できる。
請求項6又は7記載の発明によれば、走査位置が大きく変化してもレーザビームの副走査位置検出領域を最大かつ最適化することが可能となり、レーザビームの走査位置を高精度かつ安定に維持できる光走査装置を実現できる。
請求項8記載の発明によれば、請求項1〜5のいずれか一に記載の特徴を有するカラー画像形成装置を実現できる。
図1に本実施形態に係る光走査装置を示す。光源である半導体レーザ1、1’から放射され、ハーフミラープリズム4より副走査方向に分割されたレーザビームのうち、ハーフミラープリズム4の半透鏡4aを直進的に透過したレーザビーム(図2に示すレーザビームL11:図1で示した例では2本のビームとなっている)がシリンドリカルレンズ5aに入射し、半透鏡4aにより反射され、更に反射面4bで反射されたレーザビーム(図2のレーザビームL12)がシリンドリカルレンズ5bに入射する。
光偏向器7は、図示のように上ポリゴンミラー7a、下ポリゴンミラー7bを副走査方向(回転軸方向)に上下2段に積設して、図示されない駆動モータにより回転軸の周りに回転させられるようになっている。
符号8a、8bは「第1走査レンズ」、符号10a、10bは「第2走査レンズ」、符号9a、9bは「光路折り曲げミラー」を示している。
また、符号11a、11bは被走査面又は被走査位置としての「感光体」を示している。
第1走査レンズ8a、第2走査レンズ10aと、光路折り曲げミラー9aとは、光偏向器7の上ポリゴンミラー7aにより偏向される2本のレーザビームを、対応する光走査位置である感光体11a上に導光して、副走査方向に分離した2つの光スポットを形成する1組の走査結像光学系を構成する。
半導体レーザ1、1’から放射されたレーザビームは、光偏向器7の回転軸方向から見て「偏向反射面位置の近傍において主光線が交差する」ように光学配置が定められており、したがって、偏向反射面に入射してくる2光束の各対はレーザビーム相互が「開き角(偏向反射面の側から光源側を見たとき、2本のレーザビームの回転軸に直交する面への射影がなす角をいう。)」を有する。
すなわち、感光体11a、11bの光走査は「時間的にずれて交互」に行われることになる。
図3(a)は、入射光が光偏向器7に入射し、上ポリゴンミラー7aで反射されて偏向された「偏向光a」が光走査位置へ導光されるときの状況を示している。このとき、下ポリゴンミラー7bによる偏向光bは光走査位置へは向かわない。第3図(b)は、下ポリゴンミラー7bで反射されて偏向された「偏向光b」が光走査位置へ導光されるときの状況を示している。このとき、上ポリゴンミラー7aによる偏向光aは光走査位置へは向かわない。
なお、一方のポリゴンミラーによる偏向光が光走査位置へ導光されている間に、他方のポリゴンミラーによる偏向光が「ゴースト光」として作用しないように、図3に示す如き適宜の遮光手段SDを用いて、光走査位置へ導光されない偏向光を遮光するのがよい。
レーザビームの走査位置を副走査方向に可変する走査位置補正手段としての液晶偏向素子102、より具体的には図4に示した液晶偏向領域102a、b、c、dの各々は、図5に示すような内部構造となっており、駆動回路41で矩形波または正弦波電圧を入力することにより、入射するレーザビームを、図6に示すように、副走査方向に偏向する(非動作の場合、偏向せず透過する)機能を有する光学素子である。
前記レーザビーム検出器101で検出された検出位置に基づいて、液晶偏向素子102を駆動制御して走査レーザビームを所望の副走査位置へ補正する。
液晶偏向素子102は4本のレーザビームに対応するように4つの独立して制御できる液晶偏向領域を有しており、各々のレーザビームを独立に制御することが可能となっている。したがって、ハーフミラープリズム4の出射側に配置することが好適である。
したがって、各レーザビームを独立して偏向補正することが可能となり、すなわち1色当りの2本のレーザビームの副走査方向のビームピッチ間隔を補正することも可能となる。
したがって、画像形成時、非画像形成時に関わらず常時レーザビームの副走査位置を検出している。その常時レーザビームを検出している結果に応じて、走査位置補正手段である液晶偏向素子102を駆動し、レーザビームの光軸を偏向可変して所望の走査位置へと補正する。
走査位置補正が完了する時間は必ずしも非画像形成時である必要はないが、図7(走査位置補正手段である液晶偏向素子の可変動作における応答時間の特性)で示すような可変に要する時間Te(応答時間)までに可変量の変化が目標値の50%となる時間Thが非画像形成時に完了するようにすることがより好適である。
すなわち、可変目標値の50%以上となる応答時間内(Te−Th)のタイミングに画像形成信号を出力する。図7で示したように液晶偏向素子102は応答時間が可変開始とともに急激な変化を示すが、時間と共に変化量が緩やかになる特性(過渡現象)をもっているので、可変開始からThまでの時間が非画像形成時であることで画像の急激な変化の影響を最小限に抑えることが可能となる。すなわち、緩やかな可変動作領域となるため、画像形成時であっても画像の変化が視覚されにくい。
非画像形成時間よりも応答時間Teを短くする場合、液晶偏向素子の偏向角を大きくできないといった特性上の不具合がある。さらに、高速な画像形成装置の場合、非画像形成時間自体が短く、また連続紙(ロール紙)対応の画像形成装置の場合、長時間の画像形成がある場合など、実用上不具合が多い。
2倍以上の場合、補正量(可変量)が大きく、Thを過ぎても画像形成中は画像の変化(副走査方向の色むら)として視覚される。
実線はブラック画像の書込みに相当する部分、破線はシアン画像の書込みに相当する部分を示す。ブラック画像、シアン画像の書き出しの主走査タイミングは、有効走査領域外に配備される図示しない同期検知手段で光走査開始位置へ向かうレーザビームを検知することにより決定される。
同期検知手段は図1の走査開始側、すなわちレーザビーム検出器101の反対側に配置される。なお、レーザビーム検出器101のPD1とPD2(図9(a)参照)が主走査方向に対して垂直に平行配置されている箇所をレーザビームが通過するタイミングを使用することでレーザビーム検出器101を同期検知手段として兼用することも可能である。
図1のように感光体面の走査延長上が望ましいが、レイアウトの都合上、反射ミラーを経由してレーザビーム検出器内をレーザビームが走査する構成としてもよい。図9(a)に示すように、レーザビーム検出器101は2つの受光素子と受光素子からの出力信号を波形整形するコンパレータ回路からなり、1つの受光素子と1つのコンパレータ回路を有するフォトIC219として1パッケージ化(樹脂からなるレーザビーム透過部材)されている。
10mm以上の外側に配置されると、走査結像素子(走査レンズ8等)の光学特性(像面湾曲、倍率誤差)が低下し受光素子へ入射するレーザビームの径および走査時間のばらつきが大きくなり、レーザビーム検出器101の検出精度が劣化するためである。
検出精度をより向上させるためには、前記10mmの領域を5mm以下とすることが、より好適である。上記10mm以内の走査結像素子による主走査方向の倍率誤差の温度変動は他の領域と比較して同等かもしくは小さく設定している。
レーザビーム検出器101は画像の走査領域外に配置されるため、従来のような偏向反射面が6面のような場合走査画角が狭く、光学特性が劣化する問題があった。
本実施形態のように走査画角が広く確保できる4面では、光学特性の劣化が少ないものの、劣化がないわけではないのでできる限り画像の走査領域内に近づくようにすることが望ましい。
当該調整機構は光走査装置の製造(組立)過程で走査ビームがレーザビーム検出器内の受光素子の副走査検出可能領域Hの略中央となるように移動調整する。
または、レーザビーム検出器101の光路前に反射ミラーからなる光学素子が配置されている場合、反射ミラーの反射角を変化させて移動調整することでも達成可能である。
また、走査レンズを光軸方向に対して移動調整することにより達成可能である。
略中央とする理由は、温度変化により走査ビームの副走査方向の位置が副走査上流、下流側に変化するため、できるだけ検出範囲を副走査上流、下流を同程度に確保しておくためである。
なお、略中央とは厳密に中央というのは困難なので、中央部に対して副走査検出可能領域Hの1/10の領域範囲内に調整することが好適である。
第1系統の受光素子PD1、第2系統の受光素子PD2を主走査方向に隣接して配置し、ともにレーザビームが通過する領域において互いに非平行に形成された2つの受光領域に分かれている。
それぞれの領域は、受光素子PD1とPD2で隣接して配置され、隣接している端縁部は互いに平行に直線的に形成されている。各々の受光素子の2つの受光領域の間の角度は、角度θ(0<θ<90°)をもたせて配置する。角度θは30°〜60°が好適である。ここでは45°の例を開示しており、最も好適な例である。
副走査方向の高さHと受光面の全幅Dは各々H=1〜3mm、D=5mm以下に設定することが、上記問題を発生させず好適である。なお、45°は上記の問題をバランスよく配分して許容でき最も好適である。
受光素子PD1、PD2の出力信号をそれぞれ増幅器AMP1、AMP2により電流電圧変換と電圧増幅を行った後、比較器CMPにて電圧比較を行い、AMP2の出力信号レベルがAMP1の出力信号レベルより低くなったときに信号を出力する。
このようにAMP1とAMP2のクロスポイントを検知しているので、レーザビームの光量が変化しても検出精度に影響を与えない、高精度検出が可能となる。そのために、2系統の受光素子の隣接部の間隔は通過するビームのスポットサイズより小さく設定している。
例えば、図9(a)に示すように、レーザビーム(1)が(2)の位置に変化したとき、時間間隔差がΔTsのとき、レーザビームの副走査位置変化量δは以下の式(1)から求められる。
δ=(v×ΔTs)/tanθ 式(1)
ここで、vは走査されるレーザビームの速度を表す。
複数のレーザビームがレーザビーム検出器101の受光部を走査してしまうと検出値が誤った結果を出力するからである。
実際のポリゴンミラーにおいては面倒れ、ジター成分が存在するため、上記時間間隔に誤差(ばらつき)が発生する。本実施形態(本発明)では誤差成分による検出精度の悪化を防止するため以下の対応を行っている。
TsとTLの比率は走査幅とポリゴンミラー回転数(走査速度)等により決まるものであり、Ts:TL=1:200〜400と、顕著な比率である。
図10は上記時間間隔についてグラフ化したものである。ポリゴンミラーによる時間間隔のばらつきの影響を軽減するために、時間間隔の計測データを順次記憶手段にメモリしておき、2つの時間間隔グループに分け、時間間隔の短い方の平均値をレーザビームの副走査位置と判断している。
なお、ある特定面のみを計測する場合は以下のような問題があり、本発明のようにポリゴンミラーの全周面の時間間隔を計測データとすることが好適である。ある1面のみが面倒れやミラー面の傷、打痕や平面度(画像に影響しない程度)が他の面と大きく異なるとき、レーザビーム検出器に影響を及ぼし、副走査位置の検出精度を劣化させる可能性がある。
実際にはTsの平均化するためのサンプル数は100〜500くらいが好適である。サンプル数はポリゴンミラー面数の偶数倍が好適である。
すなわち、ポリゴンミラー1面分のサンプル数は2(TsとTL)であり、面倒れ、ジターはポリゴンミラーの1回転分(全周面)の周期をもつためである。
図11に本実施形態に係る走査位置変更手段としての非平行平板組立体の構成を示す。非平行平板71はホルダ部材72の中央枠内に固定され、受部73(内周部の略円筒面)を形成した支持部材74にホルダ部材72の一対の鍔部76を切欠部73aに合わせて挿入し、水平に戻すことで鍔部76が裏側に引っ掛かり、支持部材74に密着した状態で嵌合部75を基準にして、受部73と回転摺動可能に保持される。
支持部材74は、底面を基準に図示しない光学ハウジングにねじ止めされ、受部73の回動中心が光源ユニットの出射光軸と回動中心が合うように高さhが各々設定されており、回動によってビームの出射光軸を偏向することができる。
なお、この際のバックラッシュをとるため、ホルダ部材72のピン81と支持部材74のピン82との間にスプリング79により引張力をかけ、一方向に片寄せする構成としている。
回転(回動)角をγ、非平行平板71の頂角をε、光源装置のカップリングレンズの焦点距離をfc、光学系全系の副走査倍率をζとすると、感光体面での副走査位置の可変量Δyは、
Δy=ζ・fc・(n−1)ε・sinγ 、nは非平行平板の屈折率
で与えられる。なお、好適な例として非平行平板71の頂角εは1〜5°である。1°未満の場合、回転角γに対する反応が鈍いためステッピングモータの回転駆動を長時間駆動する必要があるため、可変時間が長くなる。また、5°を超えると回転角γに対する反応が敏感になりすぎるため可変量の分解能が低下するといった不具合がある。
また、回転摺動面の材質を低摩擦係数、耐磨耗性の良好なポリアセタール、ポリイミド樹脂や潤滑性ニッケルメッキで構成し、非平行平板71の材質は表面の平面度100mR以上の高精度が可能なガラスで構成することが好適である。
なお、100mR以下で製作可能な樹脂材質を用いる場合、あえて100mR以下の円弧曲面形状とし、その表面形状による光学的な劣化(像面位置の変動)が発生するが、非平行平板71の光軸方向の調整を付加することにより劣化を相殺し、安価な樹脂製の非平行平板を使用することができる。
このとき少なくとも上段(L11)と下段(L12)から各々出射するレーザビームが2本づつ別々の非平行平板に入射され非平行平板毎に偏向角を異ならせることが可能となる。
それぞれの受光領域は電気的に接続されて、それぞれがあたかも1つの受光素子であるかのようにレーザビームを検出することが可能となる。したがって信号処理は図9(b)の場合と全く同じになる。
この光走査装置は、4つの光走査位置をそれぞれ1本のレーザビームで光走査する例としている。また、光走査位置に個々には、感光体11Y、11M、11C、11Kが配置され、これら4個の感光体に形成される静電潜像をマゼンタ、イエロー、シアン、黒のトナーで個別に可視化し、カラー画像を形成する。
半導体レーザ1CKは「シアン画像に対応する画像形成信号」と「黒画像に対応する画像形成信号」で交互に強度変調される。
半導体レーザ1YMから放射されたレーザビームはカップリングレンズ3YMにより平行光束化され、アパーチュア12YMを通過してビーム整形されたのち、ハーフミラープリズム4YMに入射して、副走査方向に分離した2本のレーザビームにビーム分割される。
ハーフミラープリズム4YMは、図2に即して説明したハーフミラープリズム4と同様のものである。分割されたレーザビームの1本はイエロー画像を書込むのに使用され、他の1本はマゼンタ画像を書込むのに使用される。
光偏向器7は、図1、図3に即して説明したものと同様のものであり、4面の偏向反射面を持つポリゴンミラーを回転軸方向へ2段に積設し、ポリゴンミラー相互の偏向反射面を回転方向へずらして一体化したものである。シリンドリカルレンズ5Y、5Mによる主走査方向に長い線像は、各ポリゴンの偏向反射面位置近傍に結像する。
光偏向器7により偏向されるレーザビームは、それぞれ第1走査レンズ8Y、8M、第2走査レンズ10Y、10Mを透過し、これらレンズの作用により光走査位置11Y、11Mに光スポットを形成し、これら光走査位置を光走査する。
ハーフミラープリズム4CKは、ハーフミラープリズム4YMと同様のものである。分割されたレーザビームの1本はシアン画像を書込むのに使用され、他の1本は黒画像を書込むのに使用される。
副走査方向に分割された2本のレーザビームは、副走査方向に配列されたシリンドリカルレンズ5C、5K(副走査方向に重なり合うように配置されている。)によりそれぞれ、副走査方向へ集光され、光偏向器7に入射して偏向され、それぞれ第1走査レンズ8C、8K、第2走査レンズ10C、10Kを透過し、これらレンズの作用により光走査位置11C、11Kに光スポットを形成し、これら光走査位置を光走査する。
光偏向器7の上段のポリゴンミラーにより偏向されるレーザビームのうち一方は、光路折り曲げミラーmM1、mM2、mM3により屈曲された光路により光走査位置の実体をなす感光体11Mに導光され、他方のレーザビームは、光路折り曲げミラーmC1、mC2、mC3により屈曲された光路により光走査位置の実体をなす感光体11Cに導光される。
また、光偏向器7の下段のポリゴンミラーにより偏向されるレーザビームのうち一方は、光路折り曲げミラーmYにより屈曲された光路により光走査位置の実体をなす感光体11Yに導光され、他方のレーザビームは、光路折り曲げミラーmKにより屈曲された光路により光走査位置の実体をなす感光体11Kに導光される。
感光体11Yと11Mとは半導体レーザ1YMからのレーザビームを2分割した各レーザビームにより、光偏向器7の回転に伴い交互に光走査され、感光体11Cと11Kとは半導体レーザ1CKからのレーザビームを2分割した各レーザビームにより、光偏向器7の回転に伴い交互に光走査される。
感光体11Y〜11Kは何れも時計回りに等速回転され、帯電手段をなす帯電ローラTY、TM、TC、TKにより均一帯電され、それぞれ対応するレーザビームの光走査を受けてイエロー、マゼンタ、シアン、黒の各色画像を書込まれ対応する静電潜像(ネガ潜像)を形成される。
これら静電潜像はそれぞれ現像装置GY、GM、GC、GKにより反転現像され、感光体11Y、11M、11C、11K上にそれぞれイエロートナー画像、マゼンタトナー画像、シアントナー画像、黒トナー画像が形成される。
このようにして転写シート上においてイエロートナー画像〜黒トナー画像が重ね合わせられてカラー画像を合成的に構成する。このカラー画像は定着装置19により転写シート上に定着されてカラー画像が得られる。
7 偏向走査手段としてのポリゴンミラー
101a、101b レーザビーム検出器
102 走査位置補正手段としての液晶偏光素子
PD1、PD2 受光素子
Claims (8)
- 画像形成信号に応じて変調駆動されるレーザビームを出射する光源と、該光源からのレーザビームを偏向走査手段により主走査方向に走査する光走査装置において、
前記レーザビームの走査位置を副走査方向に可変する走査位置補正手段を有し、
前記光走査装置内に前記レーザビームの副走査位置を検出するレーザビーム検出器が配置され、画像形成信号の出力有無に関わらず非画像形成時にも常時副走査位置を検出できるように前記レーザビーム検出器上を前記レーザビームが走査されるタイミングに前記光源を発光するとともに、前記レーザビーム検出器による検出結果に応じて、前記走査位置補正手段による走査位置可変動作を画像形成信号の出力タイミングと非同期に実行することを特徴とする光走査装置。 - 請求項1記載の光走査装置において、
前記走査位置補正手段による最大補正量は副走査方向の画素密度の1〜2倍の範囲内であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1記載の光走査装置において、
前記走査位置補正手段は、前記光源と前記偏向走査手段との間に配置された液晶偏向素子からなり、該液晶偏向素子へ電圧を印加することにより入射したレーザビームの光軸を変化させて走査位置を可変することを特徴とする光走査装置 - 請求項1記載の光走査装置において、
前記走査位置補正手段は、前記光源と前記偏向走査手段との間に配置された非平行平板からなり、該非平行平板を回動することにより入射したレーザビームの光軸を変更して走査位置を可変することを特徴とする光走査装置。 - 請求項1記載の光走査装置において、
前記レーザビーム検出器は、レーザビームを検知する2系統からなる受光素子を備え、前記2系統の受光素子の少なくとも1系統は前記レーザビームが通過する領域において互いに非平行に形成された2つの受光領域を有し、前記2系統の受光素子は隣接する端縁が互いに平行になるよう主走査方向に隣接して配置されていることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1記載の光走査装置において、
前記光走査装置の製造過程で前記レーザビーム検出器内の受光素子が副走査方向略中央となるように、前記レーザビーム検出器又は前記光走査装置内に配置された光学素子を移動調整することを特徴とする光走査装置の製造方法。 - 請求項6記載の光走査装置の製造方法において、
前記移動調整では、前記レーザビームを走査して前記レーザビーム検出器からの出力信号が予め定められた範囲内となるように調整することを特徴とする光走査装置の製造方法。 - 像担持体に光走査装置により潜像を形成し、上記潜像を可視化して所望の記録画像を得る画像形成装置において、
請求項1〜5のいずれか一に記載の光走査装置を用いることを特徴とするカラー画像形成装置。
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