JP5169337B2 - レーザビーム走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビーム走査装置、特に、画像データに基づいて変調された複数のビームを単一の偏向器を用いて複数の感光体上を走査するレーザビーム走査装置に関する。

近年、フルカラーの複写機やプリンタなどの画像形成装置にあっては、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（ブラック）の各色に対応して四つの感光体を並置し、各感光体上に形成された各色の画像を中間転写ベルトや直接記録媒体に転写して合成するタンデム方式が主流となっている。そして、この種のタンデム方式の画像形成装置には、例えば、各感光体上に単一の偏向器（ポリゴンミラー）を用いて４本のビームを同時に走査して画像を描画するレーザビーム走査装置が搭載されている。

この種のレーザビーム走査装置としては、複数の光源とコリメータレンズを有し、光源とコリメータレンズのそれぞれの光軸が一致するように配置され、コリメータレンズを透過したビームが光路合成ミラーにより合成され、シリンダレンズに平行に入射し、偏向面の近傍で副走査方向に集光するようにしたものが広く知られている。

これに対して、特許文献１に記載のレーザビーム走査装置では、光源に対してコリメータレンズが偏芯して配置されており、偏向面に互いに異なる角度で斜入射する構成を採用している。但し、ビームの偏向面への入射高さは２種類に設定されており、分離マージンを保持するには不十分である。

また、特許文献２及び特許文献３に記載のレーザビーム走査装置では、共通のシリンダレンズに対して複数のビームが異なる角度を持って入射し、偏向面へもそれぞれ異なる高さで入射している。但し、光源とコリメータレンズの光軸は一致している。この構成を採用すると、光源を保持する基板を傾けて配置することになり、光源の配置角度誤差が大きくなりやすい。

ところで、タンデム方式の画像形成装置に搭載されるレーザビーム走査装置では、複数の感光体に向かうビームを分離する必要がある。光路分離ミラーを用いる場合に該光路分離ミラー上において、分離されるビームと隣接ビームは一定の間隔を保つことが必要となる。この間隔を確保するためには、偏向面への斜入射角度を大きくすることが考えられる。しかし、斜入射角度を大きくすると光学性能が悪化し、走査レンズも大きくなってしまう。
特開２００７−４１４２０号公報 特開２００５−１４８２８４号公報 特開２００６−１８４５８６号公報

そこで、本発明の目的は、複数の感光体に対して同時に並行してビームを走査するレーザビーム走査装置において、良好な光学性能を保ちつつ、偏向器の後段で確実な光路分離を可能にすることにある。

以上の目的を達成するため、本発明の一形態であるレーザビーム走査装置は、
複数の光源部と、該光源部から発せられた複数のビームが透過する一つのシリンダレンズと、該シリンダレンズを透過したビームを主走査方向に偏向する一つの偏向器と、該偏向器により偏向されたビームを感光体上に導く走査光学素子と、それぞれの感光体に向けてビームを分離する複数の光路分離ミラーと、を備えたレーザビーム走査装置において、
各光源部は、光源とコリメータレンズと絞りとで構成され、
前記光源は、前記シリンダレンズの母線及び光軸を含む第１の平面と該光源から発せられたビームの最大強度方向を含む第２の平面とが平行になるように配置され、
異なる光源から発せられたビームは、互いに異なるコリメータレンズ及び絞りを通過し、前記第１の平面に対して互いに異なる角度で前記シリンダレンズに入射し、かつ、副走査方向にそれぞれ異なる高さで前記偏向器に入射し、
前記コリメータレンズは、主走査方向を中心軸として所定角度回転させて配置され、その主点が、前記第２の平面に対して前記第１の平面側に位置するように配置されており、
前記走査光学素子のうち全てのビームが透過しかつ前記偏向器に最も近接して配置された走査光学素子の偏向器側の面と偏向点中心との距離をＬ、該走査光学素子の偏向器側の面上で隣接するビームの主光線間隔をＷ、前記光路分離ミラーで分離される二つのビームの前記偏向器への斜入射角をそれぞれβ１，β２とすると、以下の条件式（１）を満足すること、
Ｗ＞｜Ｌ・（ｔａｎβ１−ｔａｎβ２）｜ …（１）
を特徴とする。

前記レーザビーム走査装置において、複数の光源から発せられてそれぞれ異なるコリメータレンズ及び絞りを通過したビームは、それぞれ異なる角度でシリンダレンズの母線及び光軸を含む第１の平面に近づく方向に進み、それぞれ異なった副走査方向位置で偏向面に入射する。偏向された各ビームは偏向面での入射位置からさらに互いに離れる方向に進行する。つまり、偏向器で偏向された各ビームは偏向器から遠ざかるに従って、異なる光源から発せられた隣接するビームの間隔は拡がっていく。これによって、全てのビームが透過する偏向器に最も近接して配置された走査光学素子の偏向器側の面上において前記条件式（１）が満足される。条件式（１）を満足することにより、ビームの主光線間隔を分離に必要な値に設定することができる。換言すれば、偏向器へのビーム斜入射角度を大きくする必要はなく、光学性能の劣化などを防止することができる。

以下、本発明に係るレーザビーム走査装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（全体構成、図１〜図５参照）
本発明に係るレーザビーム走査装置の一実施例について、図１に立体配置関係を示す。なお、各図において、符号に付したｙ，ｍ，ｃ，ｋはイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の形成に用いられる部材であることを意味し、いずれの色にも該当する場合にはこれらの添字は省略する。

このレーザビーム走査装置は、タンデム方式の電子写真法による画像形成装置の露光ユニットとして構成され、四つの感光体ドラム４０ｙ，４０ｍ，４０ｃ，４０ｋ上にそれぞれのイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像を形成するように構成されている。なお、感光体ドラム４０上に形成された４色の画像（静電潜像）はトナーにて現像された後、図示しない中間転写ベルト上に１次転写／合成され、記録材上に２次転写される。この種の画像形成プロセスは周知であり、その説明は省略する。

図１及び図２に示すように、光源部１は、レーザダイオードからなる四つの光源１１ｙ，１１ｍ，１１ｃ，１１ｋと、コリメータレンズ１２ｙ，１２ｍ，１２ｃ，１２ｋと、絞り１３ｙ，１３ｍ，１３ｃ，１３ｋとで構成されている。各光源１１から放射されたビーム（拡散光）は各コリメータレンズ１２により平行光とされ、各絞り１３を通過する。光源１１ｙから放射されたビームＢｙは、光路合成ミラー１４ｙで反射されてミラー１５へ向かう。光源１１ｍから放射されたビームＢｍは、光路合成ミラー１４ｍで反射されてミラー１５へ向かう。光源１１ｃから放射されたビームＢｃは、光路合成ミラー１４ｃで反射されてミラー１５へ向かう。光源１１ｋから放射されたビームＢｋは、直接ミラー１５へ向かう。ここで、光路合成ミラー１４とは各ビームの光路を同一方向にするように配置された反射ミラーである。

前記ミラー１５で反射されたそれぞれのビームは、シリンダレンズ１６を透過してポリゴンミラー１７の偏向面近傍で副走査方向Ｚに集光される。ポリゴンミラー１７は所定の速度で回転駆動され、それぞれのビームは主走査方向Ｙに偏向走査される。各ビームは以下に説明する第１の平面Ｐ１（図４参照）に対して互いに異なる角度でシリンダレンズ１６に入射し、かつ、副走査方向Ｚにそれぞれ異なる高さでポリゴンミラー１７の偏向面に入射する（この点は、図６及び図７を参照して以下に詳述する）。

ポリゴンミラー１７から各ビームの進行方向Ｘに関しては、第１走査レンズ２１、第２走査レンズ２２、第３走査レンズ２３ｙ，２３ｍ，２３ｃ，２３ｋ、ミラー２４ｙ，２４ｍ，２４ｃ，２４ｋ，２５ｙ，２５ｍ，２５ｃ，２６ｍ，２６ｃ、平行平板（防塵用ウインドウガラス）２７ｙ，２７ｍ，２７ｃ，２７ｋが配置されている。

ポリゴンミラー１７の同一偏向面で同時に偏向された四つのビームは、それぞれ、第１走査レンズ２１及び第２走査レンズ２２を透過する。ビームＢｙは、ミラー２４ｙで反射され、第３走査レンズ２３ｙを透過し、さらに、ミラー２５ｙで反射され、平行平板２７ｙを透過して感光体ドラム４０ｙ上で結像し、主走査方向Ｙに走査する。ビームＢｍは、ミラー２４ｍ，２５ｍで反射され、第３走査レンズ２３ｍを透過し、さらに、ミラー２６ｍで反射され、平行平板２７ｍを透過して感光体ドラム４０ｍ上で結像し、主走査方向Ｙに走査する。ビームＢｃは、ミラー２４ｃで反射され、第３走査レンズ２３ｃを透過し、さらに、ミラー２５ｃ，２６ｃで反射され、平行平板２７ｃを透過して感光体ドラム４０ｃ上で結像し、主走査方向Ｙに走査する。ビームＢｋは、第３走査レンズ２３ｋを透過し、ミラー２４ｋで反射され、平行平板２７ｋを透過して感光体ドラム４０ｋ上で結像し、主走査方向Ｙに走査する。

ここで、図４及び図５に示すように、シリンダレンズ１６の母線及び光軸を含む平面を第１の平面Ｐ１と称し、光源１１から発せられたビームの最大強度方向Ｍを含む平面を第２の平面Ｐ２とする。この場合、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とは互い平行になるように配置されている。また、絞り１３は光源１１から発せられたビームの最大強度方向Ｍを含むように配置されている。

（第１実施例、図６参照）
第１実施例は、前記構成のレーザビーム走査装置において、コリメータレンズ１２を前記第２の平面Ｐ２に対して副走査方向Ｚにそれぞれ所定量シフトさせ、かつ、主走査方向Ｙを中心軸としてそれぞれ所定角度回転させることで、各コリメータレンズ１２の主点が第２の平面Ｐ２に対して第１の平面Ｐ１側に位置するように配置している。

以下に掲げた表１〜表４には、第１実施例におけるＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋの光源系を構成する各光学素子のコンストラクションの基本データ及び偏芯データを示している。また、以下に掲げた表６及び表７には、第１実施例におけるＣ，Ｋの走査系を構成する各光学素子のコンストラクションの基本データ及び偏芯データを示している。なお、Ｍの基本データ及び偏芯データはＣと対称であり、Ｙの基本データ及び偏芯データはＫと対称である。

また、以下に掲げる表５には、第１実施例における各種光学素子の数値を示している。ちなみに、ビームがポリゴンミラー１７の偏向面へ斜入射する副走査方向Ｚの入射高さは、ビームＢｙに関しては０．１７７ｍｍ、ビームＢｍに関しては０．００２ｍｍ、ビームＢｃに関しては−０．１７４、ビームＢｋに関しては−０．３７４ｍｍである。

（第２実施例、図７参照）
第２実施例は、前記構成のレーザビーム走査装置において、コリメータレンズ１２を前記第２の平面Ｐ２に対して副走査方向Ｚにそれぞれ所定量シフトさせることで、各コリメータレンズ１２の主点が第２の平面Ｐ２に対して第１の平面Ｐ１側に位置するように配置している。

以下に掲げた表８〜表１１には、第２実施例におけるＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋの光源系を構成する各光学素子のコンストラクションの基本データ及び偏芯データを示している。また、以下に掲げた表６及び表７には、第２実施例におけるＣ，Ｋの走査系を構成する各光学素子のコンストラクションの基本データ及び偏芯データを示している。なお、Ｍの基本データ及び偏芯データはＣと対称であり、Ｙの基本データ及び偏芯データはＫと対称である。

また、以下に掲げる表１２には、第２実施例における各種光学素子の数値を示している。ちなみに、ビームがポリゴンミラー１７の偏向面へ斜入射する副走査方向Ｚの入射高さは、ビームＢｙに関しては０．１２２ｍｍ、ビームＢｍに関しては−０．０１６ｍｍ、ビームＢｃに関しては−０．１５５ｍｍ、ビームＢｋに関しては−０．２９２ｍｍである。

（第３実施例及び第４実施例、図１３及び図１４参照）
第３実施例は、前記構成のレーザビーム走査装置において、光源１１としてアレイレーザを用いたもので、他の構成は前記第１実施例と同様である。

第４実施例は、前記構成のレーザビーム走査装置において、光源１１としてアレイレーザを用いたもので、他の構成は前記第２実施例と同様である。

図１３にアレイレーザを示し、一つの光源１１から４本のビームが放射される。図１４に第１走査レンズ２１のポリゴンミラー１７側の面においてアレイレーザから放射された隣接するビームの主光線間隔Ｗを示す。

（条件式（１）、図７及び図９参照）
第１〜第４実施例において、全てのビームが透過しかつポリゴンミラー１７に最も近接配置された第１走査レンズ２１において、ポリゴンミラー１７側の面上での隣接ビームの主光線間隔Ｗが以下の条件式（１）を満足している。ここで、Ｌは第１走査レンズ２１のポリゴンミラー１７側の面と偏向点中心Ａ（図９参照）との距離、β１，β２は、光路分離ミラー２４ｙ，２４ｍ，２４ｃにて分離される二つのビームのポリゴンミラー１７への斜入射角である（図８参照）。また、偏向点中心Ａとは、偏向面への入射主光線と第１走査レンズ２１の光軸との交点を意味する。
Ｗ＞｜Ｌ・（ｔａｎβ１−ｔａｎβ２）｜ …（１）

第１実施例及び第３実施例において、条件式（１）の右辺は０．８５ｍｍであり、左辺Ｗは１．０６ｍｍであり、条件式（１）を満足している。また、第２実施例及び第４実施例において、条件式（１）の右辺は０．８５ｍｍであり、左辺Ｗは１．０２ｍｍであり、条件式（１）を満足している。

（条件式（２）、図１０参照）
また、第１実施例及び第２実施例において、図１０に示すように、光源１１の中心とコリメータレンズ１２の光軸との副走査方向Ｚへの偏芯量ｈは以下の条件式（２）を満足している。ここで、ｆｃｏはコリメータレンズ１２の焦点距離、αは光源１１から発せられたビームの副走査方向Ｚへの拡がり角（半値全角）である。
０≦ｈ＜ｆｃｏ・ｔａｎ（α／２） …（２）

第１実施例及び第２実施例において、条件式（２）の右辺はそれぞれ２ｍｍである（表５、表１２参照）。第１実施例での偏芯量ｈは０．０６７ｍｍ、第２実施例での偏芯量ｈは０．０７１ｍｍであり、条件式（２）を満足している。この条件式（２）を満足することにより、ビームの拡がり角内にコリメータレンズ１２を配置することができ、光量低下を防止することができる。

（条件式（３）、図１１参照）
光源１１としてアレイレーザを用いた第３実施例及び第４実施例においては、以下の条件式（３）を満足している。ここで、Ｐは画像密度（ｄｐｉ）、Ｂｚは全光学系副走査方向倍率、Ｎはアレイレーザのビーム数、ｆｃｏはコリメータレンズ１２の焦点距離、Ｂｙは全光学系主走査方向倍率、ｈは第１の平面Ｐ１に対して平行でかつ第２の平面Ｐ２からのコリメータレンズ１２の平行偏芯量、θは図９に示すように第２の平面Ｐ２に対する傾き偏芯量（傾き角度）である。
｜√［ｆｃｏ²＋（ｈ−２５．４／Ｐ×Ｂｚ×（Ｎ−1）／２）²］−√［ｆｃｏ²＋（ｈ＋２５．４／Ｐ×Ｂｚ×（Ｎ−1）／２）²］｜×｜ｈ−ｆｃｏ・ｔａｎθ｜／ｈ×Ｂｙ²
＜０．３ｍｍ …（３）

第３実施例及び第４実施例において、以下に掲げる表１３（第３実施例）及び表１４（第４実施例）に示すように、画像密度Ｐは１２００ｄｐｉ、アレイレーザのビーム数Ｎは４である。また、条件式（３）の左辺は、第３実施例にあっては０．０１ｍｍ、第４実施例にあっては０．１８ｍｍであり、それぞれ条件式（３）を満足している。

アレイレーザを用いた場合、コリメータレンズ１２を偏芯させると、アレイレーザの両端の発光点１１ａ，１１ｂ（図１１参照）とコリメータレンズ１２の主点までの光路距離に差が生じる。これは、像面上での一つのアレイレーザの複数のビームごとにフォーカス位置がずれることにつながる。フォーカス位置がずれるとビーム径が太り、深度が減少してしまう。条件式（３）を満足することにより、深度減少を実用上問題が生じない範囲に抑えることができる。

（実施例のまとめ）
前記各実施例において、各光源１１は、シリンダレンズ１６の母線及び光軸を含む第１の平面Ｐ１と各光源１１から発せられたビームの最大強度方向を含む第２の平面Ｐ２とが平行になるように配置されている。異なる光源１１から発せられたビームは、互いに異なるコリメータレンズ１２及び絞り１３を通過し、第１の平面Ｐ１に対して互いに異なる角度でシリンダレンズ１６に入射し、かつ、副走査方向Ｚにそれぞれ異なる高さでポリゴンミラー１７に入射する。各コリメータレンズ１２は、その主点が、第２の平面Ｐ２に対して第１の平面Ｐ１側に位置するように配置されており、全てのビームが透過しかつポリゴンミラー１７に最も近接配置された第１走査レンズ２１は、前記条件式（１）を満足している。

以上の構成において、ポリゴンミラー１７で偏向された各ビームはポリゴンミラー１７から遠ざかるに従って、異なる光源１１から発せられた隣接するビームの間隔が拡がっていく。これによって、全てのビームが透過しかつポリゴンミラー１７に最も近接配置された第１走査レンズ２１において前記条件式（１）が満足される。条件式（１）を満足することにより、ビームの主光線間隔を必要な値に設定することができ、光学性能の劣化や光の利用効率の低下を防止することができる。

また、各実施例においては、前記条件式（２）を満足することにより、ビームの拡がり角内にコリメータレンズ１２を配置することができ、光量低下を防止することができる。また、各絞り１３は各光源１１から発せられたビームの最大強度方向を含むように配置されており、光の有効利用をより促進することができる。

また、第３及び第４実施例のごとく、複数の光源部を複数の光源を有するアレイレーザにて構成すれば、アレイレーザでは合成するビームが複数になる分、合成されるビームの隣接するビームの間隔は狭くなるので、隣接するビームの主光線間隔Ｗを大きな値に設定できるという本発明を有効に利用することができる。そして、アレイレーザを用いた場合、前記条件式（３）を満足することにより、深度減少を実用上問題が生じない範囲に抑えることができる。

なお、本発明に係るレーザビーム走査装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。

本発明に係るレーザビーム走査装置の一実施例における全体構成を示す立体配置図である。 光源部の光路構成を示す平面図である。 走査レンズと光路分離ミラーの配置を示す説明図である。 コリメータレンズ、絞り及びシリンダレンズの配置関係を示す斜視図である。 光源及びシリンダレンズの配置関係を示す斜視図である。 第１実施例の光源部を示す概念図である。 第２実施例の光源部を示す概念図である。 条件式（１）の説明図である。 偏向点中心を示す説明図である。 条件式（２）の説明図である。 条件式（３）の説明図である。 第１走査レンズの面上でのビーム間隔を示す説明図である。 アレイレーザを示す説明図である。 アレイレーザを用いた場合の第１走査レンズの面上でのビーム間隔を示す説明図である。

符号の説明

１…光源部
１１…光源
１２…コリメータレンズ
１３…絞り
１６…シリンダレンズ
１７…ポリゴンミラー（偏向器）
２１，２２，２３…走査レンズ
２４，２５，２６…ミラー
４０…感光体ドラム
Ｂ…ビーム
Ｙ…主走査方向
Ｚ…副走査方向
Ｐ１…第１の平面
Ｐ２…第２の平面
Ｗ…主光線間隔

Claims (5)

1. 複数の光源部と、該光源部から発せられた複数のビームが透過する一つのシリンダレンズと、該シリンダレンズを透過したビームを主走査方向に偏向する一つの偏向器と、該偏向器により偏向されたビームを感光体上に導く走査光学素子と、それぞれの感光体に向けてビームを分離する複数の光路分離ミラーと、を備えたレーザビーム走査装置において、
   各光源部は、光源とコリメータレンズと絞りとで構成され、
   前記光源は、前記シリンダレンズの母線及び光軸を含む第１の平面と該光源から発せられたビームの最大強度方向を含む第２の平面とが平行になるように配置され、
   異なる光源から発せられたビームは、互いに異なるコリメータレンズ及び絞りを通過し、前記第１の平面に対して互いに異なる角度で前記シリンダレンズに入射し、かつ、副走査方向にそれぞれ異なる高さで前記偏向器に入射し、
   前記コリメータレンズは、主走査方向を中心軸として所定角度回転させて配置され、その主点が、前記第２の平面に対して前記第１の平面側に位置するように配置されており、
   前記走査光学素子のうち全てのビームが透過しかつ前記偏向器に最も近接して配置された走査光学素子の偏向器側の面と偏向点中心との距離をＬ、該走査光学素子の偏向器側の面上で隣接するビームの主光線間隔をＷ、前記光路分離ミラーで分離される二つのビームの前記偏向器への斜入射角をそれぞれβ１，β２とすると、以下の条件式（１）を満足すること、
   Ｗ＞｜Ｌ・（ｔａｎβ１−ｔａｎβ２）｜ …（１）
   を特徴とするレーザビーム走査装置。
2. 前記光源の中心と前記コリメータレンズの光軸との副走査方向への偏芯量をｈ、前記コリメータレンズの焦点距離をｆｃｏ、前記光源から発せられたビームの副走査方向への拡がり角（半値全角）をαとしたとき、以下の条件式（２）を満足すること、
   ０≦ｈ＜ｆｃｏ・ｔａｎ（α／２） …（２）
   を特徴とする請求項１に記載のレーザビーム走査装置。
3. 前記絞りは前記光源から発せられたビームの最大強度方向を含むように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザビーム走査装置。
4. 前記複数の光源部は複数の光源を有するアレイレーザを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザビーム走査装置。
5. 画像密度をＰ（ｄｐｉ）、全光学系副走査方向倍率をＢｚ、前記アレイレーザのビーム数をＮ、前記コリメータレンズの焦点距離をｆｃｏ、全光学系主走査方向倍率をＢｙ、前記第１の平面に対して平行でかつ前記第２の平面からのコリメータレンズの平行偏芯量をｈ、前記第２の平面に対する傾き偏芯量をθとしたとき、以下の条件式（３）を満足すること、
   ｜√［ｆｃｏ²＋（ｈ−２５．４／Ｐ×Ｂｚ×（Ｎ−1）／２）²］−√［ｆｃｏ²＋（ｈ＋２５．４／Ｐ×Ｂｚ×（Ｎ−1）／２）²］｜×｜ｈ−ｆｃｏ・ｔａｎθ｜／ｈ×Ｂｙ²
   ＜０．３ｍｍ …（３）
   を特徴とする請求項４に記載のレーザビーム走査装置。

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