JP5103673B2 - 光走査装置、および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザプリンタ、デジタル複写機、普通紙ファックス等に用いられる光走査装置および画像形成装置に関する。

電子写真方式による画像記録において、高精細な画像品質を得るための画像形成手段として、レーザを用いた画像形成方法が広く用いられている。電子写真の場合感光性を有するドラムの軸方向にポリゴンミラーを用いてレーザを走査（主走査）しつつ、ドラムを回転させ（副走査）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分野では画像の高密度化および画像出力の高速化が求められている。しかしながら画像の高密度化と画像出力速度はトレードオフの関係になっており、両立することが求められている。
上記を両立する方法としては、ポリゴンスキャナの高速回転化が考えられるが、ポリゴンスキャナの騒音の増大・消費電力の増大・耐久性の劣化を生じてしまう。
これを防ぐ方法として、マルチビーム化があり、方式としては以下が考えられる。
・複数の端面発光ＬＤを合成する方式（特許文献１ 参照。）
・端面発光の1次元ＬＤアレイ
・２次元ＬＤアレイ

ここで、端面発光ＬＤを合成する方式は、汎用の１ＬＤを用いることができるため、安価となるが、ＬＤとカップリングレンズ間の相対的な位置関係を複数ビームで安定的に保つのが困難であり、マルチビームによって被走査面上に形成される走査線間隔が不均一になる。また、この方式では非常に多くの光源数を有するのは困難であり、超高密度・超高速化を達成するのは困難である。
端面発光の一次元ＬＤアレイ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ってしまうこと。ビーム数を極端に増やすと、光学系の光学素子の光軸からのビームのずれ量が大きくなってしまい、光学特性が劣化する。
一方、面発光レーザ（垂直共振器型面発光レーザ、ＶＣＳＥＬ）は基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、二次元集積化が容易である。さらに消費電力は端面型レーザに比べて一桁程度小さく、より多くの光源を二次元集積するのに有利である。

ポリゴンを使って走査する書き込み光学系の例として、特許文献１の他に、特許文献２がある。
面発光レーザは２次元配列が容易で、端面発光LDに比べ、ビーム数を増やすことができる。
ところが、ビーム数が増えると、１回に走査される両端のビーム間の副走査方向の距離が長くなるため、光走査装置の光学系の倍率が所望の値からずれると、走査線間隔（以後、副走査ビームピッチと呼ぶ）のずれが大きくなる。

特開２００５−２５０３１９号公報 特開２００４−２８７２９２号公報

本発明の目的は、上記課題を解決し、副走査ビームピッチ安定化を実現するともに、高速化を実現させ、なおかつ、高密度化を実現することである。

請求項１に記載の発明では、二次元配列した複数光源と、該複数光源からの出射光束をカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズからの出射光束を偏向する偏向手段と、該偏向手段からの光束を被走査面に導く走査光学系と、前記カップリングレンズと前記偏向手段の間に、主走査方向及び副走査方向ともに負のパワーを有する調整レンズと、少なくとも副走査方向に正のパワーを有する線像形成レンズとを有し、前記カップリングレンズと前記調整レンズに光軸方向に調整可能な調整手段を備え、前記調整レンズは非球面形状を有し、前記非球面形状の主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径が等しいことを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１記載の光走査装置において、前記光束の副走査方向の周辺光線が前記調整レンズと前記線像形成レンズに入射するとき、それぞれのレンズの各面の法線と入射光線が平行でないことを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の光走査装置において、前記調整レンズは樹脂製であり、前記線像形成レンズはガラス製であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光走査装置において、前記線像形成レンズは光軸と垂直な方向に調整可能とすることを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光走査装置において、前記二次元配列した光源は光軸まわりに回転調整可能なことを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の光走査装置において、前記二次元配列した光源の副走査方向の両端の間の距離は主走査方向の両端の距離よりも長いことを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか一つに記載の光走査装置において、全系の横倍率は、主走査方向が副走査方向よりも大きくなることを特徴とする光走査装置。
請求項８に記載の発明では、潜像形成手段と、現像手段と、転写手段と、定着手段とを有する画像形成装置において、前記潜像形成手段は、請求項１ないし７に記載の光走査装置を含むことを特徴とする。

本発明によれば、感光体面上で所望の副走査ビームピッチを得ることができ、なおかつ、温度変化が発生してもビームウェスト径を安定に保つことができる。

図１は本発明の実施例を示す図である。
同図において符号１は光源、２は光源用基板、３は第１レンズホルダ、４は第２レンズホルダ、Ｅ１はカップリングレンズ、Ｅ２は調整レンズをそれぞれ示す。
図２は光学系の全体構成を示す平面図である。
同図において符号５はアパーチャ、６は線像形成レンズ、７は反射ミラー、８は偏向手段、９、１０は走査レンズ、１１は被走査面をそれぞれ示す
光源１を発光・駆動させる光源用基板２に光源１が接続され、光束を出射する。第１レンズホルダ３上に、光軸方向に調整された後に接着固定されたカップリングレンズＥ１により発散光束を収束光束に変換し、更に第２レンズホルダ４に保持した調整レンズＥ２により、収束光束が略平行光束に変換される。レンズＥ１とＥ２は光源１から発散されて出てくる光束を、装置に適したビーム形状に調整する役割を有している。従来はレンズＥ１のみでビーム形状の調整を行っていたが、本発明においては、調整レンズＥ２を付加することで、ビーム形状のみならず、光学系の倍率調整も行えるようにした。
更に、図２に示すアパーチャ５によって光束は整形されて、シリンドリカルレンズ等からなる線像形成レンズ６によって、ビームは偏向手段８の反射面（偏向面）の位置において、偏向手段８の回転軸に直交する方向の線状の像になるように変換され、反射ミラー７によって偏向手段８方向に反射され、偏向手段８によって偏向走査される。

カップリングレンズＥ１および調整レンズＥ２の曲率半径Ｒ、面間隔ｄ、屈折率ｎは表１に示す通りで、カップリングレンズＥ１は第１面が平面、第２面が球面である。カップリングレンズＥ１は焦点距離が４３．８とパワーが強く、収差を発生するが、調整レンズＥ２を非球面形状とすることでこの収差を補正している。調整レンズＥ２の形状は表１、第２面の非球面形状は式１、２および表２に示す通りである。ここで、Ｘは光軸方向（光束の射出方向）、Ｙは主走査方向、Ｃ_m０＝１／Ｒ_m０は主走査方向曲率、Ｃ_Ｓ（Ｙ）はＹにおける副走査方向の曲率である。式から分かるとおり、調整レンズＥ２は第１面が、主走査方向に非円弧形状、副走査方向には円弧形状の面である。パワーはカップリングレンズＥ１が正、第２レンズＥ２は樹脂製のレンズで負に設定しており、光走査装置の温度変化に対して、ビームウエスト位置の変動は小さくすることができる。また、このとき、線像形成レンズ６はガラス製としている。

図３は図２の全体平面図に側面図を付け加えた図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図である。ただし側面図は上下方向を誇張して示してある。
図４はデフォーカスによる像面上のビームスポット径の変化を示す図である。
図５は光走査装置の温度変化に対するビームウエストの変動を示す図である。同図（ａ）は主走査方向の像面湾曲変動量、同図（ｂ）は副走査方向の像面湾曲変動量をそれぞれ示す図である。
アパーチャ径は主走査方向５．８ｍｍ、副走査方向１．２８ｍｍと設定され、全系の横倍率は主走査方向が４．８倍、副走査方向が１．２倍であり、像面付近のビームスポット径は、図５に示すとおりとなる。本発明の構成である調整レンズＥ２を付加した実施例のような設定の結果を「補正有り」と表現し、Ｅ２を付加しない従来型の構成によって光学系を最適化した場合を「補正なし」としている。このように、本発明によれば、温度変化による像面湾曲の変動を有効に小さくすることができるため、ビームスポット径の変動を小さく押えられる。

図６はビーム整形レンズによる反射光を説明するための図である。同図（ａ）は迷光が光源に戻らない例、同図（ｂ）は迷光が光源に戻る例を示す図である。
同図において破線矢印はレンズ面からの反射光で、迷光を意味する。
この実施例ではアパーチャ径が副走査方向に狭く、収差が劣化しにくい方向である。そのため、調整レンズＥ２の面形状は主走査方向にのみ非円弧形状とし、副走査方向には円弧形状としている。またこのとき、同図（ａ）に示すように、調整レンズＥ２の第１面が平面、第２面が非球面形状となるように構成しており、調整レンズの各面に入射する光束は中心光以外はその面の法線に対して平行にならない。逆に同図（ｂ）のように、第１面を非球面、第２面を平面とすると、光束は第２面において面に垂直な入射となるため（光束が法線に対し平行）、反射光は同じ光路を逆にたどる結果となり、光源への戻り光となってしまう。

その結果、図６に示すような迷光になる。即ち、同図（ａ）のような構成にすれば、同図（ｂ）のように調整レンズＥ２の表裏で反射される迷光が光源部にもどり、半導体レーザの発振状態を劣化させたり、光源から反射して走査光学系に入射し画像上で濃度変動を引き起こしたりすることを防ぐことができる。樹脂製レンズのコーティングは加工上困難であることから、迷光防止の反射防止コーティングはコストアップに繋がるため、本発明のような構成が必要となる。このような構成を具体的に表現すると、「光束の副走査方向の周辺光線が前記副走査方向に負のパワーを有するレンズと前記副走査方向に正のパワーを有するレンズに入射するとき、面の法線と入射光線が平行でない」という構成になる。

本実施例の詳細な構成を以下に示す。
走査レンズの光学面形状の表現式は式１、式２のとおりであり、表３（ａ）にその数値を示す。
Ｘは光軸方向の座標（図２で横軸に平行な方向）、Ｙは主走査方向座標を示す。Ｃｍ０は中央（Ｙ＝０）の主走査方向曲率を示し曲率半径Ｒｍの逆数であり、ａ_００，ａ_０１，ａ_０２，・・・は主走査形状の非球面係数である。Ｃ_Ｓ（Ｙ）はＹに関する副走査方向の曲率であり、Ｒ_ｓ０は副走査方向の光軸上の曲率を示し、ｂ_００，ｂ_０１，ｂ_０２・・・は副走査方向の非球面係数である。

以下図３を用いて装置の構成を説明する。
光源１と、カップリングレンズＥ１と調整レンズＥ２から成る第１光学系、開口部であるアパーチャ５と線像形成レンズ６から成る第２光学系、偏向手段８、第１走査レンズ９と第２走査レンズ１０とからなる走査光学系（第３光学系）である。走査レンズは２つとも樹脂製であり、回折格子を１つまたは複数の光学面上に形成しても良い。
光源１は、発光点を２次元的に配列され（後述）、単一素子で複数光束を発生することが出来る。このような光源は垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の技術によって実現することができる。ＶＳＣＥＬは発振波長の温度変動が小さく、波長の不連続な変化（波長飛び）が原理的に発生しないため、環境変化によっても波長変化による光学特性劣化が起こりにくい。
線像形成レンズ６はガラス製とし、温度による変動を抑えるようにする。
Ｅ１とＥ２の合成焦点距離は焦点距離Ｆ１＝４９．３ｍｍで光束を略平行光にする。
線像形成レンズは焦点距離Ｆ２＝６０．８ｍｍで偏向反射面近傍に副走査方向において光束を結像する。

アパーチャは主走査方向および副走査方向について光束を制限し、ビームスポット径を調整する。主走査方向前幅５．９、副走査方向前幅１．２８ｍｍの矩形または楕円。
光偏向手段は内接円半径８ｍｍの４面鏡であり、副走査方向に平行な軸の周りに等速回転する。１つの偏向反射面の有効範囲は、７．８×２．０ｍｍである。
光源はＶＣＳＥＬ、発振波長は７８０ｎｍ、発散角（ＦＷＨＭ）は、主走査方向、副走査方向共に６．８プラスマイナス１度、発光領域径は直径４μｍの円形である。発光領域径とは出射光強度分布（ニアフィールドパターン）のピークの１／ｅ^２の値となる径としている。
第１走査レンズ９の中心（光軸上）肉厚は１３．５ｍｍ、第２走査レンズ１０は３．５ｍｍである。
光学系全系の副走査方向横倍率は１．１９倍、走査光学系のみでは−０．９７倍である。
走査光学系の主走査方向焦点距離は２３７．８ｍｍ副走査方向焦点距離は７１．３ｍｍ。
書込の幅は±１６１．５ｍｍである。
ビームスポット径の狙いとしては主走査方向で５５μｍ、副走査方向で５５μｍである。
第走査レンズ９の射出面から第２走査レンズ１０の入射面までの距離は８９．７６ｍｍ、第２走査レンズ１０の射出面から被走査面までの距離は１４３．５２ｍｍである。

別の走査光学系の実施形態を式３、４、５、表３（ｂ）に示す。
この形態では、副走査方向に対して走査レンズ面の法線の成す角が、各レンズ高さにおいて変化する形状とし、偏向手段に対して副走査方向に斜めに入射する構成としている。こうすることで、走査レンズからの反射による迷光を被走査面上に到達しないようにできる。

次にカップリングレンズＥ１、調整レンズＥ２の調整について説明する。
従来から光走査装置においては、カップリングレンズＥ１の光軸方向調整により、光源からの光束の発散状態を平行、収束、発散のいずれか所望の状態に変更して焦点位置調整を行っていた。しかし製造誤差によって曲率半径が異なり、即ち焦点距離が異なる素子の場合には、横倍率の誤差が発生するためビームスポットの間隔が像面上でずれてしまう。このため、調整レンズＥ２と線像形成レンズ６の相対的な光軸方向の距離調整を行なうことにより、調整レンズＥ２（副走査方向に負のパワーを有する）と線像形成レンズ（副走査方向に正のパワーを有する）の副走査方向の合成焦点距離を調整することができ、全系の副走査方向の横倍率を調整することができる。特に、二次元配列した光源については、一次元配列した光源とは異なり、光源を光軸まわりに調整することによる副走査ビームピッチ調整ができないため、このような構成が必須となる。
上記の調整を図を用いて説明する。

図７はカップリングレンズと調整レンズの焦点位置の調整手順を説明するための図である。
同図において符号ＬＵは光学系ユニット、ＣＵ１は評価ユニットをそれぞれ示す。
評価ユニットＣＵ１に対し、所定の位置になるように光学系ユニットＬＵを設定する。
光源１の各発光部から光束を射出させ、光源ユニット評価装置ＣＵ１の評価像面中心部上で、中心発光点が結像するように、カップリングレンズＥ１を光軸方向（Ｘ軸方向）に移動させることにより調整する。
カップリングレンズＥ１をこの位置で固定し、後述のように、所定の第１レンズホルダに接着する。

図８は図７と同様にして光学系の横倍率を調整する手順を説明するための図である。
光源１の各発光部から光束を射出させ、光源ユニット評価装置ＣＵ２の評価像面上でのビームピッチが所望の値となるように、調整レンズＥ２をＸ軸方向に移動する。なお、光源ユニット評価装置ＣＵ２の光学系の焦点距離は９８．４ｍｍである。また、光走査装置における所望の副走査方向に関する横倍率は２倍である。そこで、例えば、Ｚ軸方向に関して３９３μｍ離れた位置にある２つの発光部から射出された光束が、光源ユニット評価装置ＣＵ２の評価像面上で７８６μｍにビームピッチとなるように、調整レンズＥ２をＸ軸方向に移動する。これにより、カップリングレンズＥ１および調整レンズＥ２の曲率半径にある程度の誤差（例えば、製造誤差）があっても、カップリング光学系１５の合成焦点距離を所望の値（ここでは、４９．２ｍｍ）とすることができ、光走査装置に用いたときに、被走査面上での走査線の間隔の誤差を小さくすることができる。すなわち、光学系全体の副走査方向に関する横倍率の誤差を所望のレベル以下とすることができる。
なお、調整レンズＥ２の位置を調整する際に、光学系全体の焦点位置が変化することが危惧されるが、カップリングレンズＥ１のパワーの絶対値が、調整レンズＥ２のパワーの絶対値よりも大きいため、焦点位置の変化は極めて小さい。

このような調整を行った後に、図１のように調整レンズＥ２を第２レンズホルダおよびハウジングにレンズの側面を介してレンズを接着固定する。その際には調整時の姿勢が変化しないよう、カップリングレンズＥ１、調整レンズＥ２とも、ＵＶ硬化性樹脂を用いるのが望ましい。光軸方向にレンズの位置決め部を有さないことでレンズ間のスペースを小さくでき、調整スペースを広くすることができ、より高精度にレンズを配置することができる。このとき、調整可能な手段とは光軸方向に突き当て部を有さない構成のことであり、このような場合には実質上、光軸方向に調整可能な手段を有するとみなして良い。

また、前記副走査方向に負のパワーを有する調整レンズＥ２は、前記副走査方向に正のパワーを有する線像形成レンズ６とも、１面は光軸に関して回転対称な形状としている。このような構成にすることにより、面間の偏心（特に光軸周り）に対し、光学特性の劣化が小さい光走査装置が実現できる。
また、前記副走査方向に正のパワーを有するレンズを光軸と垂直な方向に調整可能とすることにより、副走査ビームピッチの像高間の偏差を低減でき、良好な光学特性が確保できる。

また、光源を光軸まわりに調整することにより、光源部を理想的な二次元配置とすることができ、副走査ビームピッチを所望の値にすることができる。
図９は本実施例に用いうる光源配置を示す図である。
同図において符号１ｃは個別の発光点を示す。
二次元配列した光源の副走査方向の両端の間の距離は主走査方向の両端の距離よりも長くしている。このような場合には、ポリゴンミラーでの光束けられがなくなり、良好な光学特性が得られる。

図１０は本発明の光走査装置を具備する画像形成装置の一例を示す断面図である。
同図において符号１００は画像形成装置を示す。添字Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋは現像色を示す符号で、それぞれイエロー、マゼンタ、シアン、黒を示す。
ドラム状の像担持体１２の周囲に、保護層形成装置１３、帯電装置１４、光走査装置１９、現像装置１６、転写装置１７、およびクリーニング装置１５が配置され、以下の動作で画像形成が行なわれる。

画像形成のための一連のプロセスについて、ネガ−ポジプロセスで説明を行う。
有機光導電層を有する感光体（ＯＰＣ）に代表される像担持体１２は、除電ランプ（図示せず）等で除電され、帯電部材を有する帯電装置１４で均一にマイナスに帯電される。
帯電装置による像担持体の帯電が行なわれる際には、電圧印加機構（図示せず）から帯電部材に、像担持体１２を所望の電位に帯電させるに適した、適当な大きさの電圧またはこれに交流電圧を重畳した帯電電圧が印加される。
帯電された像担持体１２は、レーザ光学系等の光走査装置１９によって照射されるレーザ光で潜像形成（露光部電位の絶対値は、非露光部電位の絶対値より低電位となる）が行なわれる。
レーザ光は半導体レーザから発せられて、高速で回転する多角柱の多面鏡（ポリゴン）等により像担持体１の表面を、像担持体１２の回転軸方向に走査する。
このようにして形成された潜像が、現像装置１６にある現像剤担持体である現像スリーブ上に供給されたトナー粒子、またはトナー粒子およびキャリア粒子の混合物からなる現像剤により現像され、トナー可視像が形成される。
潜像の現像時には、電圧印加機構（図示せず）から現像スリーブに、像担持体１２の露光部と非露光部の間にある、予め定めた所定の大きさの電圧またはこれに交流電圧を重畳した現像バイアスが印加される。

各色に対応した像担持体１２上に形成されたトナー像は、転写装置１７にて中間転写媒体１８上に転写され、給紙機構２００から給送された、紙などの転写媒体上に、トナー像が転写される。
このとき、転写装置１７には、転写バイアスとして、トナー帯電の極性と逆極性の電位が印加されることが好ましい。その後、中間転写媒体１８は、像担持体１２から分離され、転写像が得られる。
また、像担持体上に残存するトナー粒子は、クリーニング部材によって、クリーニング装置１５内のトナー回収室へ、回収される。
画像形成装置としては、上述の現像装置が複数配置されたものを用い、複数の現像装置によって順次作製された色が異なる複数トナー像を順次転写材上へ転写した後、定着機構へ送り、熱等によってトナーを定着する装置であっても、あるいは同様に作製された複数のトナー像を同図に示すように、一旦中間転写媒体上に順次転写した後、これを一括して紙のような転写媒体に転写後に、同様に定着する装置であっても良い。

また、上述の帯電装置１４は公知のいずれの構成を使用しても良いが、像担持体表面に接触または近接して配設された帯電装置であることがより好ましい。これにより、放電ワイヤを用いた、いわゆるコロトロンやスコロトロンと言われるコロナ放電器と比して、帯電時に発生するオゾン量を大幅に抑制することが可能となる。

本発明の本発明の実施例を示す図である。 光学系の全体構成を示す平面図である。 図２の全体平面図に側面図を付け加えた図である。 デフォーカスによる像面上のビームスポット径の変化を示す図である。 光走査装置の温度変化に対するビームウエストの変動を示す図である。 ビーム整形レンズによる反射光を説明するための図である。 カップリングレンズと調整レンズの焦点位置の調整手順を説明するための図である。 図７と同様にして光学系の横倍率を調整する手順を説明するための図である。 本実施例に用いうる光源配置を示す図である。 本発明の光走査装置を具備する画像形成装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 光源
２ 光源用基板
３ 第１レンズホルダ
４ 第２レンズホルダ
５ アパーチャ
６ 線像形成レンズ
８ 偏向手段
９、１０ 走査レンズ
１２ 像担持体
１９ 光走査装置

Claims (8)

1. 二次元配列した複数光源と、該複数光源からの出射光束をカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズからの出射光束を偏向する偏向手段と、該偏向手段からの光束を被走査面に導く走査光学系と、前記カップリングレンズと前記偏向手段の間に、主走査方向及び副走査方向ともに負のパワーを有する調整レンズと、少なくとも副走査方向に正のパワーを有する線像形成レンズとを有し、前記カップリングレンズと前記調整レンズに光軸方向に調整可能な調整手段を備え、前記調整レンズは非球面形状を有し、前記非球面形状の主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径が等しい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、前記光束の副走査方向の周辺光線が前記調整レンズと前記線像形成レンズに入射するとき、それぞれのレンズの各面の法線と入射光線が平行でないことを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１または２に記載の光走査装置において、前記調整レンズは樹脂製であり、前記線像形成レンズはガラス製であることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光走査装置において、前記線像形成レンズは光軸と垂直な方向に調整可能とす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つに記載の光走査装置において、前記二次元配列した光源は光軸まわりに回転調整可能な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つに記載の光走査装置において、前記二次元配列した光源の副走査方向の両端の間の距離は主走査方向の両端の距離よりも長いことを特徴とする光走査装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載の光走査装置において、全系の横倍率は、主走査方向が副走査方向よりも大きくなることを特徴とする光走査装置。
8. 潜像形成手段と、現像手段と、転写手段と、定着手段とを有する画像形成装置において、前記潜像形成手段は、請求項１ないし７に記載の光走査装置を含むことを特徴とする画像形成装置。

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