JP5459603B2 - Optical scanning apparatus and image forming apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、ディジタル複写機およびページプリンタ等に用いられ、レーザビーム等の光ビームによるラスタ書込光学系を構成する光走査装置に係り、特に、振動ミラーを用いて光ビームの偏向走査を行う光走査装置およびそのような光走査装置を用いる画像形成装置に関するものである。   BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical scanning device used in a digital copying machine, a page printer, and the like and constituting a raster writing optical system using a light beam such as a laser beam. The present invention relates to an optical scanning device and an image forming apparatus using such an optical scanning device.

従来、光ビーム、例えばレーザビーム、の走査により画像形成するディジタル複写機およびページプリンタ等のカラー機におけるプリントの高速化・高画質化を実現するにあたっては、ポリゴンミラーを回転してレーザビーム走査を行うポリゴンスキャナを、25,000rpm以上の高速で、且つ高精度に回転させる必要が生じている。一方、レーザビームの小径化による高画質化のため、上述したポリゴンスキャナに使用されるポリゴンミラーの内接円半径や主走査方向の長さが比較的大きく、ポリゴンスキャナとして高負荷化の動向にある。
この高負荷化により、ポリゴンスキャナの消費電力は増加し、その発熱が走査レンズなどの光学素子に悪影響を与える。具体的には、例えば、ポリゴンスキャナに最も近接する走査レンズの温度上昇である。ポリゴンスキャナにおける発熱は、光学ハウジングによる間接的な熱伝導または直接的な熱輻射により走査レンズの温度が上昇する。しかも、実際には、走査レンズを均一に温度上昇させるのではなく、発熱源であるポリゴンスキャナからの距離または各材質の熱膨張率の差や気流の影響により、特に長手方向となる主走査方向に対して温度分布(温度偏差)を持ってしまう。
Conventionally, in order to achieve high-speed printing and high image quality in color copiers such as digital copiers and page printers that form images by scanning light beams such as laser beams, laser beam scanning is performed by rotating a polygon mirror. It is necessary to rotate the polygon scanner to be performed at a high speed of 25,000 rpm or more and with high accuracy. On the other hand, in order to improve the image quality by reducing the diameter of the laser beam, the inscribed circle radius and the length in the main scanning direction of the polygon mirror used in the polygon scanner described above are relatively large, and the trend of increasing the load as a polygon scanner is increasing. is there.
Due to this high load, the power consumption of the polygon scanner increases, and the heat generation adversely affects the optical elements such as the scanning lens. Specifically, for example, the temperature rise of the scanning lens closest to the polygon scanner. The heat generated in the polygon scanner increases the temperature of the scanning lens by indirect heat conduction or direct heat radiation by the optical housing. In addition, in practice, the temperature of the scanning lens is not raised uniformly, but the main scanning direction, which is the longitudinal direction in particular, depends on the distance from the polygon scanner that is the heat source, the difference in the thermal expansion coefficient of each material, and the influence of airflow. Has a temperature distribution (temperature deviation).

走査レンズが、主走査方向に温度分布を持つと、特に、走査レンズの形状精度および屈折率が変化してしまい、レーザビームのスポット位置が変動して、画質が劣化する。この問題は、特に熱膨張率の大きいプラスチックをレンズ材料に用いている場合に顕著となる。
特に、カラー機においては、例えば、イエロー、マゼンタ、シアンおよびブラック等の各色に対応するレーザビームをそれぞれ走査しているので、上述した問題以外に各色に対応する光走査系相互間の温度偏差が問題となる。このような温度偏差は、各色に対応するビームスポットの相対位置関係のずれを発生させ、画像の色ずれとなってしまう。
また、高負荷ポリゴンミラーの発熱による温度上昇が、回転体構成部品、特に質量割合の大きいポリゴンミラーの微移動を誘発し、回転体バランスを変化させ、無用な振動を発生させてしまう。さらに、回転体を構成している部品、すなわちポリゴンミラーやロータ磁石が固定されるフランジおよび軸等の熱膨張率が異なっている場合、あるいは熱膨張率が一致していても部品公差や固定方法等を厳密に管理および検査していない場合などにおいては、高温高速回転時に回転体のバランス変化による微移動が発生し、ひいては無用な振動を増大させる結果となっていた。このような振動が、光走査装置内の、例えば折り返しミラー等の光学素子へ伝達増幅され、バンディングを発生させて、画像劣化や騒音を引き起こすことになる。
When the scanning lens has a temperature distribution in the main scanning direction, in particular, the shape accuracy and refractive index of the scanning lens change, the spot position of the laser beam fluctuates, and the image quality deteriorates. This problem is particularly noticeable when a plastic having a high coefficient of thermal expansion is used as the lens material.
In particular, in a color machine, for example, laser beams corresponding to each color such as yellow, magenta, cyan, and black are scanned, so that in addition to the above-described problems, there is a temperature deviation between optical scanning systems corresponding to each color. It becomes a problem. Such a temperature deviation causes a deviation in the relative positional relationship between the beam spots corresponding to the respective colors, resulting in an image color deviation.
Further, the temperature rise due to heat generation of the high-load polygon mirror induces a fine movement of the rotating body components, particularly the polygon mirror having a large mass ratio, changes the rotating body balance, and generates unnecessary vibration. In addition, if the thermal expansion coefficient of the parts that make up the rotating body, that is, the flange and shaft to which the polygon mirror or rotor magnet is fixed, is different, or even if the thermal expansion coefficients match, the component tolerance and fixing method In the case where the control and the like are not strictly controlled and inspected, fine movement due to the balance change of the rotating body occurs during high-temperature and high-speed rotation, and as a result, unnecessary vibration is increased. Such vibration is transmitted and amplified to an optical element such as a folding mirror in the optical scanning device, causing banding, which causes image deterioration and noise.

このような問題に対処するために、上述した回転ポリゴンミラー偏向器ではなく、例えば、特許文献1(特開2005−208460号)に開示されているように、共振現象を用いて偏向ミラーを揺動させる方式による振動ミラー偏向器が検討されている。
すなわち、特許文献1(特開2005−208460号)においては、共振周波数の増大にともなって、偏向ミラー面の駆動周波数を増大させるとともに、偏向ミラー面の揺動振幅を減小させることによって(Θ1→Θ2)、光ビーム検出位置Aから光ビーム検出位置Bまで光ビームが走査する時間はPTとなり、共振周波数増大前の走査時間PTとほぼ等しくなる。このように、偏向ミラー面を駆動する駆動信号を効率よく制御することによって省エネルギー化を実現するとともに、安定して光ビームにより被走査面上を走査させることができる。しかしながら、前述したようにして走査時間を等しくしても、走査時間内の走査特性は変化してしまうため、画像の倍率等に関してのリニアリティ誤差が残ってしまい、全体の画像が主走査方向に歪んだものとなり、画像が劣化するという問題がある。
In order to deal with such a problem, instead of the rotating polygon mirror deflector described above, the deflection mirror is oscillated using a resonance phenomenon as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-208460. An oscillating mirror deflector using a moving system has been studied.
That is, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-208460), as the resonance frequency increases, the drive frequency of the deflection mirror surface is increased and the oscillation amplitude of the deflection mirror surface is decreased (Θ1). → Θ2) The time that the light beam scans from the light beam detection position A to the light beam detection position B is PT, which is substantially equal to the scanning time PT before the resonance frequency is increased. Thus, energy can be saved by efficiently controlling the drive signal for driving the deflecting mirror surface, and the surface to be scanned can be stably scanned with the light beam. However, even if the scanning time is made equal as described above, the scanning characteristics within the scanning time change, so a linearity error regarding the magnification of the image remains, and the entire image is distorted in the main scanning direction. There is a problem that the image deteriorates.

上述したように、振動ミラー偏向器による走査方式は、消費電力が小さく、光走査装置に使用される走査レンズの温度上昇、あるいはカラー機の各色の光走査系毎の温度偏差や振動を低減するというメリットがある。しかし、その反面、共振周波数と駆動周波数の関係により、ジッターまたは振幅等の走査特性が影響を受ける。
したがって、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、消費電力が小さく、光走査に使用される走査レンズの温度上昇、並びにカラー機における各色の光走査系毎の温度偏差や振動を低減して、特に、ジッターが少なく良好な走査特性を得て、画像の経時安定性を確保することを可能とする光走査装置および画像形成装置を提供することを目的としている。
すなわち、本発明の請求項1の目的は、ジッターが少なく、良好な走査特性を得ることを可能とする光走査装置を提供することにある。
また、本発明の請求項2の目的は、特に、共振周波数frと駆動周波数fdとの相違を常時検出することができ、装置の停止を効果的に防止し得る光走査装置を提供することにある。
As described above, the scanning method using the oscillating mirror deflector consumes less power and reduces the temperature rise of the scanning lens used in the optical scanning device or the temperature deviation and vibration of each color optical scanning system of the color machine. There is a merit. However, scanning characteristics such as jitter or amplitude are affected by the relationship between the resonance frequency and the driving frequency.
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has low power consumption, temperature rise of a scanning lens used for optical scanning, and temperature deviation and vibration for each color optical scanning system in a color machine. It is an object of the present invention to provide an optical scanning device and an image forming apparatus that can reduce, in particular, obtain good scanning characteristics with little jitter and ensure the temporal stability of an image.
That is, it is an object of the present invention to provide an optical scanning device that can obtain good scanning characteristics with little jitter.
A second object of the present invention is to provide an optical scanning device that can always detect the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd and can effectively prevent the device from stopping. is there.

本発明の請求項の目的は、特に、共振周波数frと駆動周波数fdの差異に応じて駆動周波数fdを調整して、温度環境の変化するような状況においてもジッターの少ない良好な走査特性を得ることの可能な光走査装置を提供することにある。
本発明の請求項の目的は、特に、共振周波数frと駆動周波数fdとの相違を常時検出して、装置の停止を一層効果的に防止することを可能とする光走査装置を提供することにある
発明の請求項の目的は、特に、光走査装置における消費電力が小さく、光走査に使用される走査レンズの温度上昇、並びに光走査系毎の温度偏差や振動を低減して、画像の経時安定性を確保することを可能とする画像形成装置を提供することにある
発明の請求項の目的は、特に、カラー機における各色の光走査系毎の温度偏差や振動を低減して、画像の経時安定性を確保することを可能とする画像形成装置を提供することにある。
The object of the third aspect of the present invention is to adjust the driving frequency fd according to the difference between the resonance frequency fr and the driving frequency fd, and to obtain good scanning characteristics with little jitter even in a situation where the temperature environment changes. An object of the present invention is to provide an optical scanning device that can be obtained.
The object of claim 4 of the present invention is to provide an optical scanning device that can detect the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd at all times and prevent the device from stopping more effectively. It is in .
The purpose of claim 5 of the present invention, in particular, low power consumption in the optical scanning apparatus, the temperature rise of the scanning lens used in the optical scanning, as well as by reducing the temperature deviation and vibration per optical scanning system, an image of An object of the present invention is to provide an image forming apparatus capable of ensuring stability over time .
The object of claim 6 of the present invention is to provide an image forming apparatus capable of ensuring the temporal stability of an image by reducing temperature deviation and vibration for each color optical scanning system in a color machine. There is.

請求項1に記載した本発明に係る光走査装置は、上述した目的を達成するために、
光源装置から射出されるレーザビームを、単一の振動ミラー偏向器によって主走査方向に偏向走査して、複数の被走査面に集光結像する走査結像手段を備える光走査装置であって、
前記振動ミラーは、当該振動ミラーの振幅を制御する振幅制御ループ、当該振動ミラーの理想振幅波形の振幅中心と実際の振幅波形の振幅中心との差を制御するオフセット制御ループ、基準クロックと当該振動ミラーの振れ角との関係を制御する位相制御ループ、で構成された制御手段により駆動制御され、
前記振動ミラーの振幅を一定に制御した状態で、前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの関係が、条件:
fd<fr
fr−fd≦(fr×0.002)
を満足するように、前記振動ミラーの駆動周波数fdを設定したことを特徴としている。
請求項2に記載した本発明に係る光走査装置は、請求項1の光走査装置であって、
主走査領域内に配置されて偏向走査された走査ビームを検出するレーザビーム検出器を有し、且つ
前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの関係は、駆動周波数の電圧波形を基準とし、前記レーザビーム検出器からの出力信号との位相差に基づいて算出することを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, an optical scanning device according to the present invention described in claim 1 is provided.
An optical scanning device comprising scanning imaging means for deflecting and scanning a laser beam emitted from a light source device in a main scanning direction by a single oscillating mirror deflector and condensing images on a plurality of scanned surfaces. ,
The vibration mirror includes an amplitude control loop that controls the amplitude of the vibration mirror, an offset control loop that controls a difference between the amplitude center of the ideal amplitude waveform of the vibration mirror and the amplitude center of the actual amplitude waveform, a reference clock, and the vibration Drive-controlled by a control means composed of a phase control loop that controls the relationship with the deflection angle of the mirror,
In a state where the amplitude of the oscillating mirror is controlled to be constant, the relationship between the resonance frequency fr of the oscillating mirror and the drive frequency fd is as follows:
fd <fr
fr−fd ≦ (fr × 0.002)
The drive frequency fd of the oscillating mirror is set so as to satisfy the above.
An optical scanning device according to the present invention described in claim 2 is the optical scanning device according to claim 1,
A laser beam detector that detects a scanning beam that is arranged in the main scanning region and is deflected and scanned, and the relationship between the resonance frequency fr and the driving frequency fd of the vibrating mirror is based on the voltage waveform of the driving frequency; The calculation is based on the phase difference with the output signal from the laser beam detector.

求項に記載した本発明に係る光走査装置は、請求項1または2の光走査装置であって、
前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの差異を検出し、その検出結果に応じて駆動周波数fdを調整する制御手段を有することを特徴としている。
請求項に記載した本発明に係る光走査装置は、請求項の光走査装置であって、
前記振動ミラーによる偏向走査時は、共振周波数frと駆動周波数fdとの差異を常時検出することを特徴としている
Optical scanning device according to the present invention described in Motomeko 3 is an optical scanning apparatus according to claim 1 or 2,
It has a control means for detecting a difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd of the vibrating mirror and adjusting the drive frequency fd according to the detection result.
The optical scanning device according to the present invention described in claim 4 is the optical scanning device according to claim 3 ,
During deflection scanning by the vibrating mirror, the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd is always detected .

請求項に記載した本発明に係る画像形成装置は、
潜像担持体に光走査により潜像を形成し、当該潜像を可視化して所望の記録画像を得る画像形成装置であって、
前記潜像担持体の光走査に前記請求項1〜請求項のいずれか1項の光走査装置を用いることを特徴としている
求項に記載した本発明に係る画像形成装置は、請求項の画像形成装置であって、
前記画像形成装置は、複数の各色毎にカラー画像を形成するカラー画像形成装置であることを特徴としている。
An image forming apparatus according to the present invention described in claim 5
An image forming apparatus that forms a latent image on a latent image carrier by optical scanning and visualizes the latent image to obtain a desired recorded image,
The optical scanning device according to any one of claims 1 to 4 is used for optical scanning of the latent image carrier .
The image forming apparatus according to the present invention described in Motomeko 6 is an image forming apparatus according to claim 5,
The image forming apparatus is a color image forming apparatus that forms a color image for each of a plurality of colors.

本発明によれば、消費電力が小さく、光走査に使用される走査レンズの温度上昇、並びにカラー機における各色の光走査系毎の温度偏差や振動を低減して、画像の経時安定性を確保することを可能とする光走査装置および画像形成装置を提供することができる。
すなわち本発明の請求項1の光走査装置によれば、
光源装置から射出されるレーザビームを、単一の振動ミラー偏向器によって主走査方向に偏向走査して、複数の被走査面に集光結像する走査結像手段を備える光走査装置であって、
前記振動ミラーは、当該振動ミラーの振幅を制御する振幅制御ループ、当該振動ミラーの理想振幅波形の振幅中心と実際の振幅波形の振幅中心との差を制御するオフセット制御ループ、基準クロックと当該振動ミラーの振れ角との関係を制御する位相制御ループ、で構成された制御手段により駆動制御され、
前記振動ミラーの振幅を一定に制御した状態で、前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの関係が、条件:
fd<fr
fr−fd≦(fr×0.002)
を満足するように、前記振動ミラーの駆動周波数fdを設定したことにより、
ジッターが少なく、良好な走査特性を得ることが可能となる。
According to the present invention, the power consumption is low, and the temperature rise of the scanning lens used for optical scanning and the temperature deviation and vibration of each color optical scanning system in the color machine are reduced, thereby ensuring the temporal stability of the image. It is possible to provide an optical scanning device and an image forming apparatus that can perform the above.
That is, according to the optical scanning device of claim 1 of the present invention,
An optical scanning device comprising scanning imaging means for deflecting and scanning a laser beam emitted from a light source device in a main scanning direction by a single oscillating mirror deflector and condensing images on a plurality of scanned surfaces. ,
The vibration mirror includes an amplitude control loop that controls the amplitude of the vibration mirror, an offset control loop that controls a difference between the amplitude center of the ideal amplitude waveform of the vibration mirror and the amplitude center of the actual amplitude waveform, a reference clock, and the vibration Drive-controlled by a control means composed of a phase control loop that controls the relationship with the deflection angle of the mirror,
In a state where the amplitude of the oscillating mirror is controlled to be constant, the relationship between the resonance frequency fr of the oscillating mirror and the drive frequency fd is as follows:
fd <fr
fr−fd ≦ (fr × 0.002)
By setting the drive frequency fd of the vibrating mirror so as to satisfy
It is possible to obtain good scanning characteristics with less jitter.

また、本発明の請求項2の光走査装置によれば、請求項1の光走査装置において、
主走査領域内に配置されて偏向走査された走査ビームを検出するレーザビーム検出器を有し、且つ
前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの関係は、駆動周波数の電圧波形を基準とし、前記レーザビーム検出器からの出力信号との位相差に基づいて算出することにより、
特に、共振周波数frと駆動周波数fdとの相違を常時検出することができ、装置の停止を効果的に防止することが可能となる
According to the optical scanning device of claim 2 of the present invention, in the optical scanning device of claim 1,
A laser beam detector that detects a scanning beam that is arranged in the main scanning region and is deflected and scanned, and the relationship between the resonance frequency fr and the driving frequency fd of the vibrating mirror is based on the voltage waveform of the driving frequency; By calculating based on the phase difference with the output signal from the laser beam detector,
In particular, the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd can always be detected, and the apparatus can be effectively prevented from stopping .

また、本発明の請求項の光走査装置によれば、請求項1または2の光走査装置において、
前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの差異を検出し、その検出結果に応じて駆動周波数fdを調整する制御手段を有することにより、
特に、共振周波数frと駆動周波数fdの差異に応じて駆動周波数fdを調整して、温度環境の変化するような状況においてもジッターの少ない良好な走査特性を得ることが可能となる。
本発明の請求項の光走査装置によれば、請求項の光走査装置において、
前記振動ミラーによる偏向走査時は、共振周波数frと駆動周波数fdとの差異を常時検出することにより、
特に、共振周波数frと駆動周波数fdとの相違を常時検出して、装置の停止を一層効果的に防止することが可能となる
た、本発明の請求項の画像形成装置によれば、
潜像担持体に光走査により潜像を形成し、当該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、
前記潜像担持体の光走査に前記請求項1〜請求項のいずれか1項の光走査装置を用いることにより、
特に、光走査装置における消費電力が小さく、光走査に使用される走査レンズの温度上昇、並びに光走査系毎の温度偏差や振動を低減して、画像の経時安定性を確保することが可能となる
発明の請求項の画像形成装置によれば、請求項の画像形成装置において、
前記画像形成装置は、複数の各色毎にカラー画像を形成するカラー画像形成装置としたことにより、
特に、カラー機における各色の光走査系毎の温度偏差や振動を低減して、画像の経時安定性を確保することが可能となる。
According to the optical scanning device of claim 3 of the present invention, in the optical scanning device of claim 1 or 2 ,
By having a control means for detecting the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd of the vibrating mirror and adjusting the drive frequency fd according to the detection result,
In particular, by adjusting the drive frequency fd according to the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd, it is possible to obtain good scanning characteristics with little jitter even in a situation where the temperature environment changes.
According to the optical scanning device of claim 4 of the present invention, in the optical scanning device of claim 3 ,
During deflection scanning by the vibrating mirror, by always detecting the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd,
In particular, the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd can be always detected to prevent the apparatus from being stopped more effectively .
Also, according to the image forming apparatus according to claim 5 of the present invention,
In an image forming apparatus that forms a latent image on a latent image carrier by optical scanning and visualizes the latent image to obtain a desired recorded image.
By using the optical scanning device according to any one of claims 1 to 4 for optical scanning of the latent image carrier,
In particular, the power consumption of the optical scanning device is small, and the temperature rise of the scanning lens used for optical scanning and the temperature deviation and vibration for each optical scanning system can be reduced to ensure the temporal stability of the image. Become .
According to the image forming apparatus of claim 6 of the present invention, in the image forming apparatus of claim 5 ,
The image forming apparatus is a color image forming apparatus that forms a color image for each of a plurality of colors.
In particular, it is possible to reduce the temperature deviation and vibration of each color light scanning system in the color machine, and to ensure the temporal stability of the image.

本発明の第1の実施の形態に係る光走査装置の要部の構成を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of an optical scanning device according to a first embodiment of the present invention. 図1の光走査装置に用いられる振動ミラー部の正面から見た構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure seen from the front of the vibration mirror part used for the optical scanning device of FIG. 図1の光走査装置に用いられる振動ミラー部の詳細な図であり、(a)は背面から見た構成を示す背面図、そして(b)は、横断面図である。2A and 2B are detailed views of a vibrating mirror unit used in the optical scanning device of FIG. 1, in which FIG. 1A is a rear view showing a configuration viewed from the back side, and FIG. 図1の光走査装置に用いられる振動ミラー部の構成を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the structure of the vibration mirror part used for the optical scanning device of FIG. 図1の光走査装置に用いられる振動ミラー部の取り付け構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the attachment structure of the vibration mirror part used for the optical scanning device of FIG. 図1の光走査装置における主走査のビーム走査範囲を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a beam scanning range of main scanning in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの共振および駆動制御に関する各部の波形を示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing waveforms of respective portions related to resonance and drive control of a vibrating mirror in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの振幅制御の原理を模式的に説明するための波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram for schematically explaining the principle of amplitude control of a vibrating mirror in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの許容範囲内のオフセットを有する場合のオフセット制御の原理を模式的に説明するための波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram for schematically explaining the principle of offset control in the case of having an offset within an allowable range of a vibrating mirror in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの許容範囲を超えるオフセットを有する場合のオフセット制御の原理を模式的に説明するための波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram for schematically explaining the principle of offset control when the offset exceeding the allowable range of the vibrating mirror is provided in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの位相制御の原理を模式的に説明するための波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram for schematically explaining the principle of phase control of a vibrating mirror in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの駆動周波数と共振周波数を模式的に説明するための波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram for schematically explaining a driving frequency and a resonance frequency of a vibrating mirror in the optical scanning device of FIG. 1. 図1の光走査装置における振動ミラーの共振駆動制御に関する振幅制御、オフセット制御、位相制御および周波数制御を行う制御系の模式的なブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram of a control system that performs amplitude control, offset control, phase control, and frequency control related to resonance drive control of a vibrating mirror in the optical scanning device of FIG. 1. 共振周波数と駆動周波数との周波数差とジッターとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency difference of a resonant frequency and a drive frequency, and a jitter. 振動ミラーの振幅ゲインにおける共振周波数が下降する場合の共振周波数特性と、振動ミラーを駆動する駆動電圧波形との位相差である位相特性を示す図である。It is a figure which shows the phase characteristic which is a phase difference which is the phase difference of the resonant frequency characteristic in case the resonant frequency in the amplitude gain of a vibrating mirror falls, and the drive voltage waveform which drives a vibrating mirror. 振動ミラーの振幅ゲインにおける共振周波数が上昇する場合の共振周波数特性と、振動ミラーを駆動する駆動電圧波形との位相差である位相特性を示す図である。It is a figure which shows the phase characteristic which is a phase difference which is the phase difference of the resonant frequency characteristic in case the resonant frequency in the amplitude gain of a vibrating mirror rises, and the drive voltage waveform which drives a vibrating mirror. 受光素子とレーザビーム走査との関係および受光素子の信号波形を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between a light receiving element and a laser beam scanning, and the signal waveform of a light receiving element. 本発明の第2の実施の形態に係る画像形成装置の要部の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the principal part of the image forming apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の光走査装置を詳細に説明する。
図1〜図4は、本発明の第1の実施の形態に係る光走査装置の要部の構成を示している。図1は、光走査装置の要部の構成を模式的に示す斜視図、図2は、レーザビームを偏向揺動させる振動ミラーを有する振動ミラー基板の構成を模式的に示す正面図、図3は、振動ミラー基板の振動ミラー部分を詳細に示し、(a)は背面側から見た背面図、(b)はその横断面図、そして図4は、振動ミラー部分をさらに詳細に説明するための分解斜視図である。
図1に示す光学走査装置は、この場合、例えば画像形成装置(図5参照)の作像部の中間転写ベルト2に当接して並設されて作像部を構成する4つの感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3K(これらのいずれか1つまたは全体を、「感光体ドラム3」とする)をレーザビームにて走査する光学走査装置5として構成され、光源部10(光源ユニット10Y、10M、10Cおよび10K)、振動ミラー11、シリンドリカルレンズ12、折り返しミラー13、走査結像光学系における走査レンズ群を構成する第1のレンズ14、結像レンズ15(15−1、15−2)、ミラー16(16Y、16M、16Cおよび16K)、走査結像光学系における走査レンズ群を構成する第2のレンズ17(17Y、17M、17Cおよび17K)、ミラー18(18Y、18Mおよび18C)および受光素子PD(PD1およびPD2)を具備している。感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kは、それぞれイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)およびブラック(K)の各色に対応している(以下、符号に対する添字Y、M、CおよびKは、それぞれY:イエロー、M:マゼンタ、C:シアンおよびK:ブラックの各色に対応する部分を示すものとする)。
Hereinafter, based on an embodiment of the present invention, an optical scanning device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 to 4 show the configuration of the main part of the optical scanning device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the main part of the optical scanning device, FIG. 2 is a front view schematically showing the configuration of a vibrating mirror substrate having a vibrating mirror that deflects and swings a laser beam, and FIG. FIG. 4 shows in detail the vibration mirror portion of the vibration mirror substrate, (a) is a rear view seen from the back side, (b) is a cross-sectional view thereof, and FIG. 4 is for explaining the vibration mirror portion in more detail. FIG.
In this case, for example, the optical scanning device shown in FIG. 1 includes four photosensitive drums 3Y that are arranged in contact with the intermediate transfer belt 2 of the image forming unit of the image forming apparatus (see FIG. 5) to form the image forming unit. 3M, 3C, and 3K (any one or all of these are referred to as “photosensitive drum 3”) are configured as an optical scanning device 5 that scans with a laser beam, and includes a light source unit 10 (light source units 10Y and 10M). 10C and 10K), vibrating mirror 11, cylindrical lens 12, folding mirror 13, first lens 14 constituting the scanning lens group in the scanning imaging optical system, imaging lens 15 (15-1, 15-2), Mirror 16 (16Y, 16M, 16C and 16K), second lens 17 (17Y, 17M, 17C and 17K) constituting the scanning lens group in the scanning imaging optical system, Over 18 (18Y, 18M and 18C) are provided with and a light receiving element PD (PD1 and PD2). The photoreceptor drums 3Y, 3M, 3C, and 3K correspond to yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (K) colors, respectively (hereinafter, subscripts Y, M, and C are added to symbols). And K indicate the portions corresponding to the respective colors of Y: yellow, M: magenta, C: cyan, and K: black).

上述したように、この場合、光走査装置5は、画像形成装置内のイエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックの4つの感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kが並設された作像部の上方に配置されている。光走査装置5は、各色に対応するレーザビームを発生する4つの光源10Y、10M、10Cおよび10Kからなる光源部10と、各光源10Y、10M、10Cおよび10Kからのレーザビームを偏向走査する偏向走査手段である振動ミラー11と、振動ミラー11で反射偏向されたレーザビームをそれぞれ4つの感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kの外周の被走査面上に導く走査結像光学系の走査レンズ群を構成する第1のレンズ14および各色に対応する第2のレンズ17Y、17M、17Cおよび17Kとを備えており、これらの構成部材は、光学ハウジング(図示されていない)内に収納されている。
図1に示す光源部10は、各色に対応して4つの光源ユニット10Y、10M、10Cおよび10Kを有しており、光源ユニット10Y、10M、10Cおよび10Kの各々は、半導体レーザとカップリングレンズにより構成されている。光源部10における4つの半導体レーザは、それぞれ、イエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックの各色成分画像を書込むための光束としてのレーザビームを射出する。
As described above, in this case, the optical scanning device 5 is located above the image forming unit in which the four photosensitive drums 3Y, 3M, 3C, and 3K of yellow, magenta, cyan, and black are arranged in parallel in the image forming apparatus. Has been placed. The optical scanning device 5 includes a light source unit 10 including four light sources 10Y, 10M, 10C, and 10K that generates laser beams corresponding to the respective colors, and deflection that deflects and scans the laser beams from the light sources 10Y, 10M, 10C, and 10K. A scanning lens of a scanning imaging optical system that guides the vibrating mirror 11 serving as scanning means and the laser beam reflected and deflected by the vibrating mirror 11 onto the scanned surfaces on the outer circumferences of the four photosensitive drums 3Y, 3M, 3C, and 3K, respectively. The first lens 14 constituting the group and the second lenses 17Y, 17M, 17C and 17K corresponding to the respective colors are provided, and these constituent members are accommodated in an optical housing (not shown). Yes.
The light source unit 10 shown in FIG. 1 has four light source units 10Y, 10M, 10C, and 10K corresponding to each color, and each of the light source units 10Y, 10M, 10C, and 10K includes a semiconductor laser and a coupling lens. It is comprised by. The four semiconductor lasers in the light source unit 10 emit laser beams as light beams for writing color component images of yellow, magenta, cyan, and black, respectively.

各半導体レーザから射出されるレーザビーム光束は、カップリングレンズにより以後の光学系に適合する光束形態、すなわち平行光束、または弱い発散性あるいは集束性の光束のような光束形態、に変換され、折り返しミラー13を経てシリンドリカルレンズ12により副走査方向に集束されて偏向走査手段である振動ミラー11の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像される。
振動ミラー11の入射側には、明確には図示してはいないが、レーザ透過部材が配置されていて、光源部10側の各光源ユニット10Y、10M、10Cおよび10Kからそれぞれ射出される各光束は、レーザ透過部材を介して振動ミラー11に入射して、同一の方向に反射偏向される。振動ミラー11により偏向され、振動ミラー11の揺動により射出方向が揺動される4色分の偏向光束は、走査結像光学系の走査レンズ群を構成する第1のレンズ14を透過する。例えば、走査レンズ群の第1のレンズ14の図示上端の位置を通るブラック(K)成分画像を書込む光束は、ミラー16Kで反射され、走査レンズ群を構成する第2のレンズ17Kを透過して、被走査面となるドラム状の光導電性の感光体である感光体ドラム3Kの円筒状の外周表面上に光スポットとして集光され、この光スポットによって感光体ドラム3Kの外周表面を図示矢印方向に走査する。
The laser beam emitted from each semiconductor laser is converted by a coupling lens into a light beam form suitable for the subsequent optical system, that is, a parallel light beam, or a light beam form such as a weak divergent or convergent light beam, and is turned back. The beam is focused in the sub-scanning direction by the cylindrical lens 12 through the mirror 13 and formed as a long line image in the main scanning direction in the vicinity of the deflection reflection surface of the vibration mirror 11 serving as the deflection scanning means.
Although not clearly shown on the incident side of the oscillating mirror 11, a laser transmitting member is disposed, and each light beam emitted from each light source unit 10Y, 10M, 10C, and 10K on the light source unit 10 side. Enters the oscillating mirror 11 via the laser transmitting member and is reflected and deflected in the same direction. The deflected light beams for four colors deflected by the oscillating mirror 11 and whose emission directions are oscillated by the oscillation of the oscillating mirror 11 are transmitted through the first lens 14 constituting the scanning lens group of the scanning imaging optical system. For example, a light beam for writing a black (K) component image passing through the position of the upper end of the first lens 14 in the scanning lens group is reflected by the mirror 16K and transmitted through the second lens 17K constituting the scanning lens group. Thus, the light spot is condensed as a light spot on the cylindrical outer peripheral surface of the photosensitive drum 3K which is a drum-shaped photoconductive photosensitive member serving as a scanning surface, and the outer peripheral surface of the photosensitive drum 3K is illustrated by this light spot. Scan in the direction of the arrow.

走査レンズ群を構成する第1のレンズ14および第2のレンズ17(ここでは17K)の材質としては、非球面形状が容易に且つ低コストに形成することが可能なプラスチック材料が用いられ、より具体的には低吸水性や、高透過率および成形性に優れたポリカーボネートやポリカーボネートを主成分とする合成樹脂材料が好適である。
ブラック(K)以外の、イエロー(Y)、マゼンタ(M)およびシアン(C)の各色成分の画像を書込む光束は、それぞれ、ミラー16Y、16Mおよび16Cで反射され、第2のレンズ17Y、17Mおよび17Cを透過し、さらにミラー18Y、18Mおよび18Cで反射されて、感光体ドラム3Y、3Mおよび3Cの各外周面上に光スポットを結像し、各色とも同一の矢印方向に走査する。
これらの光走査により各感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kにそれぞれ対応する色成分画像の静電潜像が形成される。これら静電潜像は、現像装置(6)により対応する色のトナーで可視化され、中間転写ベルト2上に転写される。転写の際、各色のトナー画像は互いに重ね合わせられカラー画像を構成する。このカラー画像は、記録用紙等のシート状記録媒体上ヘ転写され、定着される。カラー画像を転写した後の中間転写ベルト2はクリーニング装置(図示せず)によってクリーニングされる。
As the material of the first lens 14 and the second lens 17 (here 17K) constituting the scanning lens group, a plastic material that can be easily formed at a low cost is used. Specifically, polycarbonate having excellent low water absorption, high transmittance and moldability, and a synthetic resin material mainly composed of polycarbonate are preferable.
Light beams for writing images of color components of yellow (Y), magenta (M), and cyan (C) other than black (K) are reflected by mirrors 16Y, 16M, and 16C, respectively. The light spots are transmitted through 17M and 17C, and further reflected by mirrors 18Y, 18M, and 18C to form light spots on the outer peripheral surfaces of the photosensitive drums 3Y, 3M, and 3C, and the respective colors are scanned in the same arrow direction.
By these optical scans, electrostatic latent images of color component images corresponding to the respective photosensitive drums 3Y, 3M, 3C and 3K are formed. These electrostatic latent images are visualized with a corresponding color toner by the developing device (6), and transferred onto the intermediate transfer belt 2. At the time of transfer, the toner images of the respective colors are superimposed on each other to form a color image. This color image is transferred and fixed onto a sheet-like recording medium such as recording paper. The intermediate transfer belt 2 after the color image is transferred is cleaned by a cleaning device (not shown).

上述したように、図1に示す光走査装置は、カラー画像を構成する複数の色成分画像にそれぞれ対応する複数の光源装置から放射された各光束を、偏向走査手段の反復揺動する振動ミラー11により同一方向に偏向走査し、各色に対応する偏向光束を各色共通に透過する第1のレンズ14と、各色毎に個別に対応して設けられた第2のレンズ17(17Y、17M、17Cおよび17K)により、各色成分の画像に対応する感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kの外周の被走査面に個別的に集光させて光走査を行う。走査結像光学系は、第1のレンズ14と第2のレンズ17(17Y、17M、17Cおよび17K)によって構成される走査レンズ群を有し、各色成分に相当する4つの走査結像手段を構成する。
各色に対応するレーザビームは、副走査方向について所定角度をもって上述した振動ミラー11の反射面に入射して、いわゆる斜入射光学系を構成している。具体的には、入射角度が最大となる色に対応するレーザビームで5°以下となるように設定されている。入射角度が5°以上の場合には、被走査面上での走査線曲がりが大きく発生し、しかもレーザビームが大径化し、結果として画像の劣化を招いてしまう。
As described above, the optical scanning device shown in FIG. 1 is a vibrating mirror that repeatedly swings the light beams emitted from a plurality of light source devices respectively corresponding to a plurality of color component images constituting a color image. 11, a first lens 14 that deflects and scans in the same direction and transmits a deflected light beam corresponding to each color in common, and a second lens 17 (17Y, 17M, 17C) provided for each color individually. And 17K), the optical scanning is performed by individually condensing the photosensitive drums 3Y, 3M, 3C, and 3K corresponding to the image of each color component on the scanned surface on the outer periphery. The scanning imaging optical system has a scanning lens group including a first lens 14 and a second lens 17 (17Y, 17M, 17C, and 17K), and includes four scanning imaging units corresponding to the respective color components. Configure.
Laser beams corresponding to the respective colors are incident on the reflection surface of the above-described vibrating mirror 11 at a predetermined angle in the sub-scanning direction, thereby forming a so-called oblique incidence optical system. Specifically, the laser beam corresponding to the color having the maximum incident angle is set to be 5 ° or less. When the incident angle is 5 ° or more, the scanning line is greatly bent on the surface to be scanned, and the diameter of the laser beam is increased. As a result, the image is deteriorated.

一方、各色に対応するレーザビームが、斜入射せずに、副走査方向について斜入射角0°で垂直に入射すると、反射面の副走査方向の幅を多く必要とすることになるため、振動ミラー11自体の寸法が増大化し、振動ミラー11の駆動負荷が大きくなって、振動周波数を高くすることができないという不具合がある。
振動ミラー11の詳細を、図2〜図4に示す。図2は、振動ミラー11全体を反射面側から見た正面図である。図3は、振動ミラー11の主要部分を示しており、(a)は、背面図、そして(b)は、横断面図である。図4は、図2に示した振動ミラー11全体の分解斜視図である。
図2〜図4に示す振動ミラー11は、実装基板40、可動ミラー部41、ねじり梁42(42A、42B)、振動板43、補強梁44(44A、44B)、フレーム46、フレーム47、ヨーク49、永久磁石50(50A、50B)、接続電極52、平面パターンコイル53、端子54(54A、54B)、トリミング用パッチ55および台座56を有している。振動ミラー11は、表面にミラー面を形成し振動子をなす可動ミラー部41と、その可動ミラー部41をねじれ変形により回転可能に支える軸を形成するねじり梁42(42A、42B)と、これらを支持する支持部としてのフレーム46および47を有してなり、これら各部は、基本的にSi(シリコン)基板をエッチングにより切り抜いて形成する。
On the other hand, if the laser beam corresponding to each color does not enter obliquely and enters perpendicularly at an oblique incident angle of 0 ° with respect to the sub-scanning direction, a large width of the reflecting surface in the sub-scanning direction is required. There is a problem in that the size of the mirror 11 itself increases, the driving load of the vibrating mirror 11 increases, and the vibration frequency cannot be increased.
Details of the vibrating mirror 11 are shown in FIGS. FIG. 2 is a front view of the entire vibrating mirror 11 as seen from the reflecting surface side. 3A and 3B show the main part of the oscillating mirror 11, in which FIG. 3A is a rear view and FIG. 3B is a cross-sectional view. FIG. 4 is an exploded perspective view of the entire vibrating mirror 11 shown in FIG.
2 to 4 includes a mounting substrate 40, a movable mirror 41, a torsion beam 42 (42A, 42B), a vibration plate 43, a reinforcing beam 44 (44A, 44B), a frame 46, a frame 47, and a yoke. 49, permanent magnet 50 (50A, 50B), connection electrode 52, planar pattern coil 53, terminal 54 (54A, 54B), trimming patch 55 and pedestal 56. The oscillating mirror 11 includes a movable mirror part 41 that forms a mirror surface on its surface to form a vibrator, a torsion beam 42 (42A, 42B) that forms a shaft that rotatably supports the movable mirror part 41 by torsional deformation, and these Frames 46 and 47 as support portions for supporting the substrate are formed, and each of these portions is basically formed by cutting an Si (silicon) substrate by etching.

これらは、実装基板40上に構成されており、具体的には、例えば、SOI基板と称される60μmと140μmの2枚のSi層が酸化膜を挟んであらかじめ接合されたウエハを用いて作製する。ちなみに、SOI(silicon on insulator)基板とは、Si基板と表面Si層の間にSiOを挿入した構造の基板であり、トランジスタの寄生容量を減らせるので、動作速度向上と消費電力削減に効果があるとされている。通常のSi基板を使う場合に比べて、動作速度は20%〜30%の向上、そして消費電力は50%以上の低減が期待できる。
すなわち、第1のSi層を構成する140μmの第1の基板61と、第2のSi層を構成する60μmの第2の基板62とからなるSOI基板を用いる場合を例にとって説明する。まず、背面側の140μmの第1の基板61の表面からプラズマエッチングによるドライプロセスによって、ねじり梁42A、42B、平面パターンコイル53が形成される振動板43、可動ミラー部41の骨格をなす補強梁44A、44Bおよびフレーム46を残して、それら以外の部分を酸化膜まで貫通させて除去する。次に、表面側の60μm基板(第1の基板)62の表面からKOH(水酸化カリウム)等を用いた異方性エッチングによって、可動ミラー部41およびフレーム47を残してそれ以外の部分を、酸化膜まで貫通させて除去する。最後に、可動ミラー部41の周囲の酸化膜を除去して分離し振動ミラー11の構造体を形成する。
These are configured on the mounting substrate 40, and specifically, for example, manufactured using a wafer in which two Si layers of 60 μm and 140 μm called SOI substrates are bonded in advance with an oxide film interposed therebetween. To do. Incidentally, the SOI (silicon on insulator) substrate is a substrate with a structure in which SiO 2 is inserted between the Si substrate and the surface Si layer, and can reduce the parasitic capacitance of the transistor, which is effective in improving the operation speed and reducing power consumption. It is said that there is. Compared with the case of using a normal Si substrate, the operating speed can be improved by 20% to 30%, and the power consumption can be expected to be reduced by 50% or more.
That is, an example in which an SOI substrate composed of a 140 μm first substrate 61 constituting the first Si layer and a 60 μm second substrate 62 constituting the second Si layer is used will be described. First, the torsion beams 42A and 42B, the vibration plate 43 on which the planar pattern coil 53 is formed, and the reinforcing beam forming the skeleton of the movable mirror unit 41 are formed from the surface of the 140 μm first substrate 61 on the back side by a dry process by plasma etching. 44A and 44B and the frame 46 are left, and the other portions are removed by penetrating to the oxide film. Next, by performing anisotropic etching using KOH (potassium hydroxide) or the like from the surface of the 60 μm substrate (first substrate) 62 on the front surface side, the movable mirror portion 41 and the frame 47 are left, and the other portions are removed. The oxide film is penetrated and removed. Finally, the oxide film around the movable mirror portion 41 is removed and separated to form the structure of the vibrating mirror 11.

ここで、ねじり梁42Aおよび42B、並びに補強梁44Aおよび44Bのそれぞれの幅は、40〜60μmとする。振動子の慣性モーメントIは、振れ角を大きくとるには小さい方が望ましいが、その反面、慣性力によってミラー面が変形してしまうため、この場合には、可動ミラー部41を肉抜きした構造としている。
さらに、60μmの第2の基板62の表面側にアルミニウム薄膜を蒸着して反射面とし、140μmの第1の基板61の背面側の表面には銅薄膜で平面パターンコイル53と、この平面パターンコイル53にねじり梁42Aおよび42Bを介して配線された端子54Aおよび54Bと、トリミング用のパッチ55とを形成する。当然、これとは逆に、振動板43側に薄膜状の永久磁石を設け、フレーム47側に平面コイルを形成する構成とすることもできる。このようにして、振動ミラー11の本体部となる可動ミラー部41およびその周囲関連部分を構成する。
実装基板40上には、振動ミラー11の上述した本体部を装着する枠状の台座56と、振動ミラー11の本体部を囲むように形成されるヨーク49を配備し、このヨーク49には、可動ミラー部41の両端部にほぼ対応して各々S極とN極とを対峙させ、ねじり梁42Aおよび42Bによって形成される振動板43の回転軸に対して直交する方向に磁界を発生する一対の永久磁石50Aおよび50Bが結合されている。
Here, the width of each of the torsion beams 42A and 42B and the reinforcing beams 44A and 44B is 40 to 60 μm. The moment of inertia I of the vibrator is preferably small in order to increase the deflection angle, but on the other hand, the mirror surface is deformed by the inertial force. It is said.
Further, an aluminum thin film is vapor-deposited on the surface side of the second substrate 62 having a thickness of 60 μm to form a reflection surface, and the surface pattern on the back side of the first substrate 61 having a thickness of 140 μm is made of a copper thin film and the planar pattern coil 53. Terminals 54A and 54B wired to 53 via torsion beams 42A and 42B and trimming patches 55 are formed. Naturally, conversely, a configuration in which a thin-film permanent magnet is provided on the diaphragm 43 side and a planar coil is formed on the frame 47 side may be employed. In this way, the movable mirror portion 41 that is the main body portion of the vibrating mirror 11 and the surrounding related portions are configured.
On the mounting substrate 40, a frame-like base 56 for mounting the above-described main body portion of the vibration mirror 11 and a yoke 49 formed so as to surround the main body portion of the vibration mirror 11 are provided. A pair that generates a magnetic field in a direction orthogonal to the rotation axis of the diaphragm 43 formed by the torsion beams 42A and 42B, with the S and N poles facing each other substantially corresponding to both ends of the movable mirror portion 41. Permanent magnets 50A and 50B are coupled.

振動ミラー11の可動ミラー部41は、フレーム46および47部分にて、ミラー面を表側に向けて台座56に装着され、端子54Aと端子54Bとの間に電流を流すことにより平面パターンコイル53の回転軸(ねじり梁42Aおよび42Bによる)に平行な各辺にローレンツ力が生じて、ねじり梁42Aおよび42Bをねじれ変形させて可動ミラー部41を回転させる回転トルクTを発生し、電流を切るとねじり梁42Aおよび42Bの戻り変形力により水平に戻る。
したがって、交流信号によって平面パターンコイル53に流れる電流の方向を交互に切り換えることによって、可動ミラー部41を反復する往復揺動にて振動させることができる。そして、この電流の切り換える周期を、振動ミラー11を構成する構造体のねじり梁42Aおよび42Bを回転軸とする1次振動モードの固有振動数、いわゆる共振振動数f0に近づけると、共振が励起され振幅の大きな振れ角を得ることができる。
一方、平面パターンコイル53に流す電流に直流成分を印加することにより、可動ミラー部41の揺動回転角度を静的に変化させ、振動の振幅中心を変化させることができる。但し、共振現象を利用しているので電流に応じた変化は、角度で±1°以内となる。この直流成分を上述した交流信号に重畳させることにより、振動ミラー11を偏向振動させながら、揺動の振幅中心を変化させることが可能となる。
The movable mirror portion 41 of the oscillating mirror 11 is mounted on the pedestal 56 with the mirror surface facing the front side at the frame 46 and 47 portions, and a current is passed between the terminal 54A and the terminal 54B to allow the planar pattern coil 53 to When a Lorentz force is generated on each side parallel to the rotation axis (by the torsion beams 42A and 42B), a torsional deformation is generated by rotating the torsion beams 42A and 42B to rotate the movable mirror portion 41, and the current is cut off. It returns horizontally due to the return deformation force of the torsion beams 42A and 42B.
Therefore, by alternately switching the direction of the current flowing in the planar pattern coil 53 by the AC signal, the movable mirror unit 41 can be vibrated by reciprocating rocking. Then, when the current switching period is made close to the natural frequency of the primary vibration mode having the torsion beams 42A and 42B of the structure constituting the oscillating mirror 11 as the rotation axis, the so-called resonance frequency f0, resonance is excited. A swing angle with a large amplitude can be obtained.
On the other hand, by applying a direct current component to the current flowing through the planar pattern coil 53, the swing rotation angle of the movable mirror portion 41 can be changed statically, and the amplitude center of vibration can be changed. However, since the resonance phenomenon is used, the change according to the current is within ± 1 ° in angle. By superimposing the DC component on the AC signal described above, it is possible to change the amplitude center of oscillation while deflecting and vibrating the oscillating mirror 11.

振動ミラー11は、図5に示すように振動ミラーユニット70という形態で光走査装置の光学ハウジング(図示せず)に搭載される。図5に示す振動ミラーユニット70は、振動ミラー11、ブラケット71、基板72、電極部73および電気コネクタ74等を備えている。振動ミラー11は、基板72上に設けられたブラケット71に、実装基板40の縁部において嵌合して固定され、且つ接続電極52がブラケット71に設けられた電極部73に接触することによって基板72に電気的に接続される。基板72は、図示していない光学ハウジングに設置され、電気コネクタ74を介して接続される。
上述した振動ミラー11は、可動部の質量およびイナーシャ(慣性)が、従来のポリゴンミラーに比べて非常に小さいため駆動部も小型化され、磁気回路の高効率化もあいまって消費電力を、ポリゴンミラーの1/10以下に低く抑えることができる。その結果、発熱が少なくなり書込光学系の光学素子やハウジングの温度上昇も実質的になくすことが可能となる。このため、特に樹脂製の走査レンズが局部的な温度分布を持つことがなくなり、レーザビームの走査位置を変動させることもなくなって、カラー画像形成時等における色ずれの発生を抑制することが可能となる。
The vibrating mirror 11 is mounted on an optical housing (not shown) of the optical scanning device in the form of a vibrating mirror unit 70 as shown in FIG. The oscillating mirror unit 70 shown in FIG. 5 includes the oscillating mirror 11, a bracket 71, a substrate 72, an electrode portion 73, an electrical connector 74, and the like. The vibration mirror 11 is fixed to the bracket 71 provided on the substrate 72 by being fitted and fixed at the edge of the mounting substrate 40, and the connection electrode 52 is in contact with the electrode portion 73 provided on the bracket 71. 72 is electrically connected. The substrate 72 is installed in an optical housing (not shown) and is connected via an electrical connector 74.
The above-described oscillating mirror 11 has a movable part having a mass and inertia (inertia) that are very small compared to a conventional polygon mirror, so the drive part is also miniaturized, and the efficiency of the magnetic circuit is increased. It can be suppressed to 1/10 or less of the mirror. As a result, heat generation is reduced and the temperature rise of the optical element and housing of the writing optical system can be substantially eliminated. For this reason, in particular, the resin scanning lens does not have a local temperature distribution, the laser beam scanning position is not changed, and the occurrence of color misregistration during color image formation can be suppressed. It becomes.

さらに、振動ミラー11の可動部の質量およびイナーシャが小さいので、可動部の揺動時に質量アンバランスによって生じて外部へ伝達される振動が、ポリゴンミラーの1/100以下と少なくなる。したがって、書込光学系の光学素子へ伝達される振動が実質的になくなることから、折返しミラーの振動による画像形成時における副走査方向の粗密変動であるバンディングの発生も解消する。
上述した振動ミラー11の利点を活かすためには、次に好適な例を示すような制御が必要となる。
図6は、図1に示したカラー画像形成用の光走査装置のうち、1つの感光体ドラム3に対応する主要な部分を概略的に示している。振動ミラー11によって偏向走査されるレーザビームLBを、走査位置の範囲により区別し、最大振れ角の走査位置範囲に対応するレーザビームをLBa、最大振れ角範囲内に配置される受光素子PD1と受光素子PD2にレーザビームが入射して出力信号を発生させる位置の間の走査位置範囲に対応するレーザビームをLBb、そして感光体ドラム3における画像領域の端部間の走査位置範囲に対応するレーザビームをLBcとした。実際のレーザビームLBは、最大振れ角範囲内に配置される受光素子PD1および受光素子PD2に入射して出力信号が発生するタイミングの間で走査される。
Furthermore, since the mass and inertia of the movable part of the oscillating mirror 11 are small, the vibration generated by mass imbalance when the movable part is swung and transmitted to the outside is reduced to 1/100 or less of the polygon mirror. Accordingly, since vibration transmitted to the optical element of the writing optical system is substantially eliminated, occurrence of banding, which is a density variation in the sub-scanning direction during image formation due to vibration of the folding mirror, is also eliminated.
In order to make use of the advantages of the vibrating mirror 11 described above, it is necessary to perform control as described below.
FIG. 6 schematically shows a main part corresponding to one photosensitive drum 3 in the optical scanning device for color image formation shown in FIG. The laser beam LB deflected and scanned by the oscillating mirror 11 is distinguished by the range of the scanning position, and the laser beam corresponding to the scanning position range of the maximum deflection angle is received by the light receiving element PD1 disposed within the range of the maximum deflection angle LBa. The laser beam corresponding to the scanning position range between the positions where the laser beam is incident on the element PD2 and the output signal is generated is LBb, and the laser beam corresponding to the scanning position range between the ends of the image area on the photosensitive drum 3 Was LBc. The actual laser beam LB is scanned between the timings when it enters the light receiving element PD1 and the light receiving element PD2 disposed within the maximum deflection angle range and an output signal is generated.

図7には、この場合の時間に対しての振動ミラー11の振幅を示している。振動ミラー11は、共振現象を利用して大きな振幅を発生させるため、振動ミラーの振幅は、図示のように、時間に対して正弦波状の軌跡を描き、走査レンズがない場合には、偏向走査されるレーザビームの走査速度が一定ではなく、走査位置によって異なることになる。このような走査速度でも走査速度が一定となるように、走査レンズ群の第1および第2のレンズ14および17は、f・arcsin特性を有している。図7においては、そのときの振動ミラー振幅の他に、駆動電圧波形、駆動基準信号、受光素子PD1の出力、受光素子PD2の出力および基準位相クロック波形を示している。
上述したような特性の走査レンズを使用したとしても、図8〜図11に示すような振動ミラー11の揺動ばらつき変動が発生するため、このような変動を抑制するように、振幅制御(図8)、オフセット制御(図9および図10)および位相制御(図11)の各制御を行っている。振動ミラー11の共振周波数が一定でも、図8〜図11に示す振幅波形AW1〜AW4のような現象が発生し、いずれも、正弦波形からなる理想振幅波形AW0に対するレーザビームの走査位置変動となり、画像を劣化させることになる。
FIG. 7 shows the amplitude of the vibrating mirror 11 with respect to time in this case. Since the oscillating mirror 11 generates a large amplitude using a resonance phenomenon, the amplitude of the oscillating mirror draws a sinusoidal locus with respect to time as shown in the figure, and when there is no scanning lens, deflection scanning is performed. The scanning speed of the laser beam is not constant and varies depending on the scanning position. The first and second lenses 14 and 17 of the scanning lens group have f · arcsin characteristics so that the scanning speed is constant even at such a scanning speed. FIG. 7 shows a drive voltage waveform, a drive reference signal, an output of the light receiving element PD1, an output of the light receiving element PD2, and a reference phase clock waveform in addition to the vibration mirror amplitude at that time.
Even if the scanning lens having the above-described characteristics is used, fluctuation variation of the oscillation mirror 11 as shown in FIGS. 8 to 11 occurs. Therefore, the amplitude control (see FIG. 8) Each control of offset control (FIGS. 9 and 10) and phase control (FIG. 11) is performed. Even if the resonance frequency of the oscillating mirror 11 is constant, phenomena such as the amplitude waveforms AW1 to AW4 shown in FIGS. 8 to 11 occur, and all of these change in the scanning position of the laser beam with respect to the ideal amplitude waveform AW0 formed of a sine waveform. This will degrade the image.

すなわち、図8は、振幅変動を示しており、振幅波形AW1の振幅が目標とする理想振幅波形AW0よりも大きい場合(小さい場合もほぼ同様)には、理想振幅とするために、矢印で示すような制御を行う。この場合、図7に示すように、受光素子PD1の出力のタイムインターバルA(A1、A2…)と、受光素子PD2出力のタイムインターバルB(B1…)の演算値が一定となるように制御する。具体的には、例えば、(A1+B1)/2、(A2+B2)/2、…、として複数回の平均化を行い、共振周波数から一義的に決まる制御目標値となるように制御を行う。
ここで、図12を参照して、振動ミラー11の駆動周波数fdについて詳述する。駆動周波数fdは、プリント枚数等の画像形成枚数を実現するための周波数であり、これが共振周波数と合致することが、光走査に必要な振幅Y1(図12に実線で示す)を稼ぐことができるので好適であるが、実際には、振動ミラー11の共振周波数の変動(初期のばらつきも含む)により合致しないことがある。そのような場合には、図12に示すように、光走査に必要な振幅Y1とするために、振動ミラー11への入力エネルギー(電圧、電流等)を増加させ、駆動周波数fdで振幅がY2しかない振動ミラー11の振幅を大きくして、図12に破線で示すように振幅Y1まで増幅させるという振動ミラーの振幅制御を行なっている。
That is, FIG. 8 shows amplitude fluctuations, and when the amplitude of the amplitude waveform AW1 is larger than the target ideal amplitude waveform AW0 (almost the same when small), it is indicated by an arrow in order to obtain the ideal amplitude. Perform such control. In this case, as shown in FIG. 7, control is performed so that the calculated values of the time interval A (A1, A2,...) Of the output of the light receiving element PD1 and the time interval B (B1...) Of the output of the light receiving element PD2 are constant. . Specifically, for example, averaging is performed a plurality of times as (A1 + B1) / 2, (A2 + B2) / 2, and so on, and control is performed so that the control target value is uniquely determined from the resonance frequency.
Here, the drive frequency fd of the vibrating mirror 11 will be described in detail with reference to FIG. The drive frequency fd is a frequency for realizing the number of image formations such as the number of prints, and the fact that it matches the resonance frequency can increase the amplitude Y1 (shown by a solid line in FIG. 12) necessary for optical scanning. In practice, however, there may be cases where the resonance frequency does not match due to fluctuations in the resonance frequency of the oscillating mirror 11 (including initial variations). In such a case, as shown in FIG. 12, in order to obtain the amplitude Y1 necessary for the optical scanning, the input energy (voltage, current, etc.) to the oscillating mirror 11 is increased, and the amplitude is Y2 at the drive frequency fd. The amplitude control of the oscillating mirror 11 is performed by increasing the amplitude of the only oscillating mirror 11 and amplifying it to the amplitude Y1 as shown by the broken line in FIG.

図9および図10は、振動ミラー11の振幅中心と走査中心との位置関係について示したものであり、光走査波形AW0の中心である走査中心に対して、振幅波形AW2およびAW3にオフセット(振動ミラー11の振幅波形AW2またはAW3の中心と光走査波形AW0の中心との差異)がある状態を示している。図9と図10とには、オフセット量にる違いがあり、図9はオフセット量が許容レベル内に入っている場合の例であり、図10はオフセット量が許容レベルを超えている場合の例である。オフセット量は光走査特性におけるリニアリティおよびビーム径に影響を与えるが、画像への影響を考慮すると必ずしもオフセット量がゼロである必要はない。具体的には、リニアリティ誤差分については、画像情報にもとづくレーザビームの点灯タイミングを制御することによってリニアリティの補正を行い、影響を抑制するとともに、ビーム径については影響を抑制するために感光体における静電潜像が同等となるように光量、すなわち積分光量、を制御することによって、オフセットの影響を軽減するようにする。
なお、そもそもオフセット量が許容オフセット以内であれば、そのままでも許容し得ることになる。そこで、オフセット量が許容オフセット以内である場合に、上述した制御を行なわないようにしてもよい。例えば、リニアリティにおける設計値との偏差が1%以下、そしてビーム径における設計値との偏差が10%以下となるように、許容オフセット量を設定することにより、画像への影響を極力抑制することが可能となり、上述のようにオフセットの影響を軽減させるための制御を行なわなくとも問題はない。
FIGS. 9 and 10 show the positional relationship between the amplitude center of the oscillating mirror 11 and the scanning center, and are offset (vibrated) into the amplitude waveforms AW2 and AW3 with respect to the scanning center which is the center of the optical scanning waveform AW0. This shows a state in which there is a difference between the center of the amplitude waveform AW2 or AW3 of the mirror 11 and the center of the optical scanning waveform AW0. 9 and 10 are different in the offset amount. FIG. 9 is an example in the case where the offset amount is within the allowable level, and FIG. 10 is a case in which the offset amount exceeds the allowable level. It is an example. The offset amount affects the linearity in the optical scanning characteristic and the beam diameter, but the offset amount does not necessarily have to be zero in consideration of the influence on the image. Specifically, for the linearity error, linearity is corrected by controlling the lighting timing of the laser beam based on the image information to suppress the influence, and the beam diameter in the photoconductor to suppress the influence. By controlling the light amount, that is, the integrated light amount so that the electrostatic latent images are equal, the influence of the offset is reduced.
In the first place, if the offset amount is within the allowable offset, it can be allowed as it is. Therefore, the above-described control may not be performed when the offset amount is within the allowable offset. For example, by setting the allowable offset amount so that the deviation from the design value in linearity is 1% or less and the deviation from the design value in beam diameter is 10% or less, the influence on the image is suppressed as much as possible. As described above, there is no problem even if the control for reducing the influence of the offset is not performed.

図10は、オフセット量が許容オフセットを超えている状態を示したものであり、このような場合には、上述した通り許容範囲内、つまり許容オフセット以内、に補正すべく制御調整する必要がある。調整制御の方法は、振動ミラー11の実質的な駆動電圧である交流成分にオフセット量に応じた直流成分を重畳させることにより、主走査方向についての姿勢を変化させ、振幅中心を許容オフセット以内となるように調整する。また、その他の実施の形態としては、振動ミラー11の姿勢を変化させるような駆動機構により、調整することも可能である。
駆動機構は、例えば基板72の下面にステッピングモータ(図示せず)が配置され、モータの回転軸と振動ミラー11の振動中心軸が一致するように配置される。この駆動機構は、振動ミラーユニット70を振動中心軸を中心として回転させて姿勢を変化させることにより、許容オフセット範囲内となるように調整する。この場合、ステッピングモータの回転ステップ分解能としては、少なくとも許容オフセット量の1/2以下に相当する量が必要である。
この種のオフセット調整自体は、従来より行なわれているが、従来は、上述したような許容オフセットという考え方ではなく、理想的にオフセット量をゼロとすべく制御調整している。
FIG. 10 shows a state where the offset amount exceeds the allowable offset. In such a case, as described above, it is necessary to perform control adjustment to correct within the allowable range, that is, within the allowable offset. . In the adjustment control method, a direct current component corresponding to the offset amount is superimposed on an alternating current component that is a substantial driving voltage of the oscillating mirror 11 to change the posture in the main scanning direction so that the amplitude center is within an allowable offset. Adjust so that In another embodiment, the adjustment can be made by a driving mechanism that changes the posture of the vibrating mirror 11.
For example, a stepping motor (not shown) is disposed on the lower surface of the substrate 72, and the drive mechanism is disposed such that the rotation axis of the motor and the vibration center axis of the vibration mirror 11 coincide. This drive mechanism adjusts the oscillating mirror unit 70 to be within the allowable offset range by rotating the oscillating mirror unit 70 about the oscillating center axis to change the posture. In this case, the rotation step resolution of the stepping motor needs to be an amount corresponding to at least half of the allowable offset amount.
This type of offset adjustment itself has been conventionally performed, but conventionally, the control adjustment is performed so that the offset amount is ideally zero instead of the concept of the allowable offset as described above.

この場合、オフセット調整の際に必要となる直流成分の重畳回路は、図10のオフセット量を全て調整できる出力電圧を有する性能をもたなければならず、回路が大型化し、且つ発熱量が大きくなって光走査装置内の温度が上昇し、光走査特性を劣化させることになる。さらに、この場合、回路の大型化に伴って、コストが増加するという不具合も生じる。また、オフセット調整の際における駆動制御電流または電圧も、振動ミラー11の電流定格の上限によって制限されるから、オフセット量に応じて無制限に駆動することはできない。すなわち、駆動制御電流が電流定格を超えると素子の破壊を招くことになる。特に上述において説明した電磁駆動型の場合には、直流成分の消費電力がはコイルの消費電力(つまり銅損)となるため、オフセット調整量が多くなると発熱し、温度が上昇するという懸念もでてくる。
図10においては、オフセットを許容オフセット範囲内に制御調整するために、図10の矢印方向に示すように)、図7において説明したような、受光素子PD1の出力のタイムインターバルA(A1、A2…)と、受光素子PD2の出力のタイムインターバルB(B1、…)のそれぞれの演算値が一定となるように制御する。具体的にはA1−B1、A2−B2、…で数回の平均化を行い、許容オフセット以内か否かを判断し(詳細は後述する図13の比較部107)、許容オフセット以内であれば制御せず、許容オフセットを超えた場合には、オフセットを許容範囲内とするようにオフセット制御を行う。
In this case, the DC component superimposing circuit required for offset adjustment must have a performance having an output voltage capable of adjusting all the offset amounts shown in FIG. 10, the circuit becomes large, and the heat generation amount is large. As a result, the temperature in the optical scanning device rises and the optical scanning characteristics are deteriorated. Further, in this case, there is a problem that the cost increases as the circuit size increases. Further, since the drive control current or voltage at the time of offset adjustment is also limited by the upper limit of the current rating of the vibrating mirror 11, it cannot be driven indefinitely according to the offset amount. That is, when the drive control current exceeds the current rating, the element is destroyed. In particular, in the case of the electromagnetic drive type described above, the power consumption of the direct current component becomes the power consumption of the coil (that is, copper loss), so there is a concern that when the offset adjustment amount increases, heat is generated and the temperature rises. Come.
In FIG. 10, in order to control and adjust the offset within the allowable offset range, as shown in the arrow direction of FIG. 10, the output time interval A (A1, A2) of the light receiving element PD1 as described in FIG. ..) And the output time interval B (B1,...) Of the light receiving element PD2 are controlled to be constant. Specifically, A1-B1, A2-B2,... Are averaged several times to determine whether they are within the allowable offset (the comparison unit 107 in FIG. 13 described later in detail). If the allowable offset is exceeded without performing control, offset control is performed so that the offset is within the allowable range.

図11は、振動ミラー11の振幅波形の位相変動について示しており、図示のように基準位相波形AW0の基準位相クロック(波形は図7を参照)に対して位相変動が生じた振幅波形AW4となっている。このような場合に、図11に矢印に示すように振幅波形AW4の位相を調整するために、図7に示したように、振動ミラー11を駆動するための信号を生成する基準位相クロックと受光素子PD1の出力のタイムインターバルC(C1、C2…)の位相が一定となるように制御を行う。具体的には、タイムインターバルC1、C2…で複数回の平均化を行い、目標値である零となるように制御を行う。タイムインターバルCをカウントする受光素子PD1の出力は、画像形成領域の直前のタイミングに相当する出力(タイムインターバルAの後端側)が好適である。なぜならば、位相を合わせるのは、画像の走査線の書き終わりの直後よりも、画像の走査線の書き始めの直前(すなわち、タイムインターバルAの後端側)のほうが精度が高いからである(走査線の書き終わりの直後、つまりタイムインターバルAの前端側の場合には、タイムインターバルAの時間内における位相変動により画像形成時の位相精度が低下する)。
図8における過大な振幅波形AW1および図10の許容オフセットを超える過大オフセットの振幅波形AW3の場合には、それぞれ理想となる走査速度および走査タイミングと異なる現象であるため、主走査方向の走査位置ずれとなる。例えば、主走査倍率の誤差および主走査方向のジッター(縦線のゆらぎ)という画像劣化を引き起こし、カラー画像に限らずモノクロ(モノクローム)画像においても共通の不具合である。
FIG. 11 shows the phase fluctuation of the amplitude waveform of the oscillating mirror 11, and the amplitude waveform AW4 in which the phase fluctuation occurs with respect to the reference phase clock (see FIG. 7 for the waveform) of the reference phase waveform AW0 as shown in FIG. It has become. In such a case, in order to adjust the phase of the amplitude waveform AW4 as indicated by an arrow in FIG. 11, as shown in FIG. 7, a reference phase clock and light receiving signal for driving the vibrating mirror 11 are received. Control is performed such that the phase of the output time interval C (C1, C2,...) Of the element PD1 is constant. Specifically, averaging is performed a plurality of times at time intervals C1, C2,..., And control is performed so that the target value becomes zero. The output of the light receiving element PD1 for counting the time interval C is preferably an output corresponding to the timing immediately before the image forming area (the rear end side of the time interval A). This is because the phase is adjusted because the accuracy is higher immediately before the start of writing of the scanning line of the image (that is, the rear end side of the time interval A) than immediately after the end of writing of the scanning line of the image ( Immediately after the end of writing of the scanning line, that is, in the case of the front end side of the time interval A, the phase accuracy at the time of image formation decreases due to the phase fluctuation within the time interval A).
In the case of the excessive amplitude waveform AW1 in FIG. 8 and the amplitude waveform AW3 having an excessive offset exceeding the allowable offset in FIG. 10, the scanning speed shift in the main scanning direction is different from the ideal scanning speed and scanning timing. It becomes. For example, image degradation such as an error in main scanning magnification and jitter (vertical line fluctuation) in the main scanning direction is caused, which is a common defect not only in color images but also in monochrome (monochrome) images.

一方、図11における振幅波形AW4の基準位相クロックに対する位相変動は、カラー画像形成時には、特に重大な問題を生じる。図1に示したように、単一の振動ミラー11が画像信号に応じて各色の光源から射出されるレーザビームで各色毎の感光体ドラム3を走査するわけであるが、位相変動が発生すると各色毎のレーザビームの偏向走査位置が変ってしまうため、中間転写ベルト2の画像上においては、副走査位置の変動となり、色ずれおよび色むらを発生することになる。
図13に、上述した振幅、オフセット、位相制御を実現する振動ミラー11の駆動制御系のブロック図を示している。図13に示す振動ミラー制御系は、カウンタ101、102、103、104、平均演算/差分演算部105、比較部106、107、108、コントローラ109、乗算部110、加算部111、駆動回路112、位相比較器113、114、ローパスフィルタ(LPF)115、積分器116、正弦波信号生成部117および差分演算部118を具備する。
On the other hand, the phase fluctuation of the amplitude waveform AW4 in FIG. 11 with respect to the reference phase clock causes a particularly serious problem when forming a color image. As shown in FIG. 1, a single oscillating mirror 11 scans the photosensitive drum 3 for each color with a laser beam emitted from a light source of each color according to an image signal. Since the deflection scanning position of the laser beam for each color changes, the sub-scanning position fluctuates on the image on the intermediate transfer belt 2, and color misregistration and color unevenness occur.
FIG. 13 shows a block diagram of the drive control system of the oscillating mirror 11 that realizes the above-described amplitude, offset, and phase control. The vibrating mirror control system shown in FIG. 13 includes counters 101, 102, 103, and 104, an average calculation / difference calculation unit 105, comparison units 106, 107, and 108, a controller 109, a multiplication unit 110, an addition unit 111, a drive circuit 112, Phase comparators 113 and 114, a low-pass filter (LPF) 115, an integrator 116, a sine wave signal generation unit 117, and a difference calculation unit 118 are provided.

偏向走査されて感光体ドラム3および受光素子PDを走査するレーザビームにより、各受光素子PD1および受光素子PD2からそれぞれ出力される信号を、各々カウンタ101およびカウンタ102で計測して、図7に示したタイムインターバルAおよびタイムインターバルBを求める。平均演算/差分演算部105において、これらタイムインターバルAおよびタイムインターバルBから(A+B)/2の平均を算出して、比較部106にて目標の振幅と比較する。同様に、平均演算/差分演算部105において、A−Bの差分す、なわちオフセット量に対応する値の平均を求めて、比較部107において、許容オフセット内か否かを比較判断する。オフセット量が、許容範囲内であれば補正せずに、そのままコントローラ109へ出力し、許容範囲外であれば許容範囲内との差分量を調整すべく、オフセット補正量を出力し、加算部111を介して駆動回路112に供給する。したがって、調整後はオフセット量をゼロとするのではなく、最大でも許容範囲内となるように、調整残差を抑える。
なお、タイムインターバルAおよびタイムインターバルBに基づく振幅およびオフセット量については、それぞれ平均をとっている。このように平均化処理を行っている理由は、突発的な電気ノイズが混入した場合などに、誤った情報により制御が行われることを防止するためである。なお、平均化の回数は2〜10回の範囲で行われる。10回以上だと補正タイミングが遅くなり、制御偏差が大きくなるためである。
The signals output from the respective light receiving elements PD1 and PD2 are measured by the counter 101 and the counter 102, respectively, by the laser beam that is deflected and scanned to scan the photosensitive drum 3 and the light receiving element PD, and are shown in FIG. Time interval A and time interval B are obtained. The average calculation / difference calculation unit 105 calculates an average of (A + B) / 2 from these time intervals A and B, and the comparison unit 106 compares the average with the target amplitude. Similarly, the average calculation / difference calculation unit 105 obtains the average of the values corresponding to the difference of A−B, that is, the offset amount, and the comparison unit 107 compares and determines whether the value is within the allowable offset. If the offset amount is within the allowable range, it is output without correction to the controller 109 as it is, and if it is outside the allowable range, the offset correction amount is output to adjust the difference from the allowable range, and the adder 111 Is supplied to the drive circuit 112 via Therefore, the adjustment residual is suppressed so that the offset amount does not become zero after the adjustment but is within the allowable range at the maximum.
Note that the amplitude and the offset amount based on the time interval A and the time interval B are averaged. The reason why the averaging process is performed in this manner is to prevent the control from being performed by incorrect information when sudden electrical noise is mixed. In addition, the frequency | count of averaging is performed in the range of 2-10 times. This is because if it is 10 times or more, the correction timing is delayed and the control deviation is increased.

コントローラ109は、上述した比較結果に基づいて振幅およびオフセットの補正量を演算し、振幅の補正量は、正弦波信号生成部117にて発生した正弦波に対して、乗算部110にて乗算され、オフセットの補正量は、乗算部110から出力される正弦波に対して、加算されて、このように補正された正弦波の駆動信号は、増幅器(アンプ)である駆動回路112にて増幅され、振動ミラー11を駆動制御する。
上述した制御系ループが振幅およびオフセット制御ループである。なお、オフセット制御は振幅制御がされた状態で行なわれる。
位相制御ループについては、上述した振幅制御およびオフセット制御が正常に働き、各々目標値に対して所要の範囲に入った制御状態において、位相制御ループを実行し、基準位相クロック信号と振動ミラーの振れ角が所定の位相関係となるようにする。位相制御は、振幅制御およびオフセット制御に比べて、高精度な制御であるため、すべての制御を同時に実行すると、互いに干渉して駆動信号の変動量が大きくなり、全ての制御が制御目標値範囲内に収束するまでに多くの時間を要する。そこで、最優先として振幅制御を行い、次にオフセット制御を行い、そのつぎに微調整として位相制御を行うようにすることによって、制御範囲内へ収束するまでの時間を短縮することが可能となる。
The controller 109 calculates amplitude and offset correction amounts based on the comparison results described above, and the amplitude correction amount is multiplied by the multiplication unit 110 with respect to the sine wave generated by the sine wave signal generation unit 117. The offset correction amount is added to the sine wave output from the multiplier 110, and the sine wave drive signal corrected in this way is amplified by the drive circuit 112, which is an amplifier. The vibration mirror 11 is driven and controlled.
The control system loop described above is an amplitude and offset control loop. The offset control is performed in a state where the amplitude control is performed.
As for the phase control loop, the amplitude control and the offset control described above work normally, and the phase control loop is executed in the control state where each of the target values falls within the required range, and the reference phase clock signal and the vibration mirror shake. The angles are set to have a predetermined phase relationship. Phase control is more accurate than amplitude control and offset control. Therefore, if all controls are executed simultaneously, they will interfere with each other and drive signal fluctuation will increase, and all controls will be within the control target value range. It takes a lot of time to converge. Therefore, by performing amplitude control as the highest priority, performing offset control next, and then performing phase control as fine adjustment, it is possible to shorten the time until convergence within the control range. .

図13において、受光素子PD1からの出力信号と基準位相クロック信号との位相偏差(図7におけるタイムインターバルC)を位相比較器113で検出し、カウンタ103にて計測する。計測結果を、ローパスフィルタ(LPF:Low Pass Filter)115および積分器116によって、位相偏差に応じた電圧に直流化し、その電圧量に応じて位相変化させる、いわゆるフェーズロックループ(PLL:Phase Locked Loop)制御である。位相変化に対応する正弦波信号を生成するにあたっては、予め設定された位相変化量のステップ、すなわち分解能、に応じて、最適な位相を得るための正弦波信号を生成する。
このようにして、振動ミラー11を駆動する駆動信号と振動ミラー11の振れ角とが、一定の位相関係となるような制御が行われることになる。なお、位相制御に対応する正弦波信号の生成分解能は、制御の許容範囲以上の高精度することが必要となるが、高精度にとすればするほどメモリが必要となるため高コストとなる。したがって、副走査方向の色ずれとして視覚認知される50μm以下となるように正弦波信号の生成分解能を設定している。
In FIG. 13, the phase deviation (time interval C in FIG. 7) between the output signal from the light receiving element PD 1 and the reference phase clock signal is detected by the phase comparator 113 and measured by the counter 103. A so-called phase-locked loop (PLL) in which the measurement result is converted into a voltage corresponding to the phase deviation by a low-pass filter (LPF: Low Pass Filter) 115 and an integrator 116 and the phase is changed according to the voltage amount. ) Control. When generating a sine wave signal corresponding to a phase change, a sine wave signal for obtaining an optimum phase is generated in accordance with a preset phase change amount step, that is, resolution.
In this way, control is performed such that the drive signal for driving the oscillating mirror 11 and the deflection angle of the oscillating mirror 11 have a certain phase relationship. It should be noted that the generation resolution of the sine wave signal corresponding to the phase control needs to be highly accurate beyond the allowable range of control, but the higher the accuracy, the higher the cost because a memory is required. Therefore, the generation resolution of the sine wave signal is set to be 50 μm or less which is visually recognized as a color shift in the sub-scanning direction.

図14は、共振周波数frと駆動周波数fdとの周波数差とジッターとの関係を示したものである。共振周波数frと駆動周波数fdとの周波数差は、(fr−fd)をパーセント(%)表記したものであり、
(fr−fd)/fr×100
なる算出式で求められる。ジッターとは、主走査方向の走査安定性、つまり走査のばらつき、を示す特性であり、ジッターが大きいと画像ゆらぎとして認知されるため、画像特性の重要な項目である。
駆動周波数fdを共振周波数frに一致させた状態を、ジッター比率1.0とし、共振周波数frと駆動周波数fdとの周波数差の相違によりジッターが変化することを示している。例えばジッター比率1.2とは、駆動周波数fdを共振周波数frに一致させたときよりもジッターが20%増大し、またジッター比率0.9とは10%減小することを意味する。
この場合、共振周波数frと駆動周波数fdとの周波数差が正か負かで異なる特性を示しており、周波数差が無い(fr=fd)ときと比較して、周波数差が正の場合(fr>fd)には、ジッターが良くなり、反面、周波数差が負の場合(fr<fd)には、ジッターが悪くなる。但し、正の場合でも、ジッターが良くなるのは、周波数差が計測ばらつきを考慮に入れると、実質的には、fr−fd≦(fr×0.002)なる関係の範囲までである。
FIG. 14 shows the relationship between the frequency difference between the resonant frequency fr and the drive frequency fd and the jitter. The frequency difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd is expressed as a percentage (%) of (fr−fd).
(Fr−fd) / fr × 100
It is calculated by the following formula. Jitter is a characteristic indicating scanning stability in the main scanning direction, that is, variation in scanning. Since jitter is recognized as image fluctuation, it is an important item of image characteristics.
A state in which the drive frequency fd is matched with the resonance frequency fr is a jitter ratio of 1.0, which indicates that the jitter changes due to a difference in frequency difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd. For example, a jitter ratio of 1.2 means that the jitter is increased by 20% compared to when the drive frequency fd is matched with the resonance frequency fr, and a jitter ratio of 0.9 is reduced by 10%.
In this case, different characteristics are shown depending on whether the frequency difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd is positive or negative, and when the frequency difference is positive (fr) compared to when there is no frequency difference (fr = fd). > Fd), the jitter is improved. On the other hand, when the frequency difference is negative (fr <fd), the jitter is deteriorated. However, even in the positive case, the jitter is improved only in the range of the relationship of fr−fd ≦ (fr × 0.002) when the frequency difference takes into account the measurement variation.

例えば、共振周波数fr=3000Hzの振動ミラー11の場合、ジッターが良くなる駆動周波数fdは、
fd<3000Hz
で、且つ、
3000Hz−fd≦(3000Hz×0.002)
すなわち、
→ fd≧2994Hz
の範囲である。
したがって、好適な周波数範囲は、
2994Hz≦fd<3000 Hz
となる。
上述した好適な周波数差を維持するために、共振周波数frと駆動周波数fdの差異を常時検出している(この点については、後に詳述する)。この差異の検出結果に応じて駆動周波数fdを好適な周波数差の範囲に調整する制御手段を有し、常時好適な周波数差を維持している。
For example, in the case of the oscillating mirror 11 with the resonance frequency fr = 3000 Hz, the drive frequency fd at which the jitter is improved is
fd <3000Hz
And
3000 Hz-fd ≦ (3000 Hz × 0.002)
That is,
→ fd ≧ 2994Hz
Range.
Thus, the preferred frequency range is
2994 Hz ≦ fd <3000 Hz
It becomes.
In order to maintain the above-described preferable frequency difference, the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd is always detected (this point will be described in detail later). Control means for adjusting the drive frequency fd to a suitable frequency difference range according to the difference detection result is provided, and a suitable frequency difference is always maintained.

なお、上述した周波数差の設定においては、振動ミラー11の振幅(振れ角の範囲)を一定に制御した状態が必須となる。もしも、振幅が一定でない場合には、画像領域の走査特性(走査のリニアリティ)が変動し(例えば図8の振幅波形の傾きが変化する)、主走査画像の倍率が歪むためである。振幅を一定に制御するために、先に述べたように図13に示した制御系を構築して、図8のような制御を行っている。
また、図14のように共振周波数frと駆動周波数fdとの周波数差の相違によりジッターへの影響が変動するのは、図13に示すように、制御系が、振幅制御、オフセット制御および位相制御の3つの制御ループで構成されており、周波数差により振動ミラー11の伝達特性上の位相遅れが変化するためである。特に位相遅れが小さく制御系が安定となるのは、駆動周波数fd<共振周波数frの場合である。なお、駆動周波数fd<共振周波数frの差が大きくなりすぎると駆動電力は多く必要となるためフィードバック(FB〜帰還)ゲインが高くなり発振現象の影響からかえってジッターが悪くなる。
Note that in the above-described frequency difference setting, a state in which the amplitude (the range of the swing angle) of the vibrating mirror 11 is controlled to be constant is essential. If the amplitude is not constant, the scanning characteristic (scanning linearity) of the image region varies (for example, the slope of the amplitude waveform in FIG. 8 changes), and the magnification of the main scanning image is distorted. In order to control the amplitude to be constant, the control system shown in FIG. 13 is constructed as described above, and the control shown in FIG. 8 is performed.
Also, as shown in FIG. 14, the influence on the jitter varies due to the difference in frequency difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd. As shown in FIG. 13, the control system controls the amplitude control, offset control and phase control. This is because the phase lag on the transfer characteristic of the oscillating mirror 11 changes due to the frequency difference. In particular, the phase delay is small and the control system is stable when drive frequency fd <resonance frequency fr. Note that if the difference between the drive frequency fd <resonance frequency fr becomes too large, a large amount of drive power is required, so that the feedback (FB to feedback) gain increases and the jitter deteriorates due to the influence of the oscillation phenomenon.

上述した実施の形態においては、共振周波数frと駆動周波数fdとの周波数差の検出結果に応じて駆動周波数fdを調整することについて述べたが、他の好適な実施の形態としては、振動ミラー11が使用される温度範囲の温度上限において、fd<frの関係を満足するような駆動周波数fdを設定し、使用温度範囲内で駆動周波数fdを固定値とするようにしても良い。
使用温度範囲が、(この実施の形態に係る光学走査装置やそれを組み込んだ画像形成装置がさらされる環境温度に機器内の温度上昇分をプラスして)0〜50℃とすると、振動ミラー11は、温度に応じてバネ定数が変化する。例えば、シリコン材料の場合、温度上昇にともなってバネ定数が低下し、共振周波数frが低下する傾向を示す(−0.1Hz/℃)。
このような傾向は、図2〜図4に示したようなねじり梁42(42A、42B)が振動ミラー11の可動ミラー部41等の可動部とフレーム46および47等の固定部とを連結接続するような構造であれば、材料にかかわらず共振周波数は温度上昇とともに低下する傾向を示す。これは、ねじり梁42(42A、42B)の剛性(ヤング率)が温度上昇とともに低下するためである。
In the embodiment described above, the adjustment of the drive frequency fd according to the detection result of the frequency difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd has been described. However, as another preferred embodiment, the vibrating mirror 11 is used. A drive frequency fd that satisfies the relationship of fd <fr at the upper temperature limit of the temperature range in which is used may be set, and the drive frequency fd may be a fixed value within the use temperature range.
When the operating temperature range is 0 to 50 ° C. (plus the temperature rise in the apparatus added to the environmental temperature to which the optical scanning device according to this embodiment and the image forming apparatus incorporating the same are exposed), the vibrating mirror 11 The spring constant varies depending on the temperature. For example, in the case of a silicon material, the spring constant decreases with increasing temperature, and the resonance frequency fr tends to decrease (−0.1 Hz / ° C.).
2 to 4, the torsion beam 42 (42A, 42B) connects the movable part such as the movable mirror part 41 of the oscillating mirror 11 and the fixed part such as the frames 46 and 47. In such a structure, the resonance frequency tends to decrease with increasing temperature regardless of the material. This is because the rigidity (Young's modulus) of the torsion beam 42 (42A, 42B) decreases with increasing temperature.

具体的には、例えば、予め25℃の環境で共振周波数frを計測し、3000Hzとの結果を得た場合、0℃のときには3002.5Hz(=3000×(−0.1×−25))、50℃のときには2997.5Hz(=3000×(−0.1×25))となる。したがって、50℃のときに駆動周波数fd<共振周波数frの関係を維持するためには、駆動周波数fdは2997.5Hz未満に固定値として設定しておくことが望ましい。
次に、振動ミラー11の共振周波数frと駆動周波数fdとの差異の検出について詳述する。
図15および図16は、振動ミラー11の振幅ゲインにおける共振周波数特性と、振動ミラー11を駆動する駆動電圧波形との位相差である位相特性をあらわしている。太い実線が初期の共振周波数特性および位相特性である。この場合、振幅ゲイン特性Gainおよび位相特性Phaseは、以下の式で表すことができる。
Specifically, for example, when the resonance frequency fr is measured in advance in an environment of 25 ° C. and a result of 3000 Hz is obtained, 3002.5 Hz (= 3000 × (−0.1 × −25)) at 0 ° C. When the temperature is 50 ° C., the frequency is 2997.5 Hz (= 3000 × (−0.1 × 25)). Therefore, in order to maintain the relationship of drive frequency fd <resonance frequency fr at 50 ° C., it is desirable to set the drive frequency fd as a fixed value below 2997.5 Hz.
Next, detection of the difference between the resonance frequency fr of the oscillating mirror 11 and the drive frequency fd will be described in detail.
FIG. 15 and FIG. 16 show a phase characteristic that is a phase difference between the resonance frequency characteristic in the amplitude gain of the oscillating mirror 11 and the drive voltage waveform for driving the oscillating mirror 11. The thick solid line is the initial resonance frequency characteristic and phase characteristic. In this case, the amplitude gain characteristic Gain and the phase characteristic Phase can be expressed by the following equations.

Figure 0005459603
Figure 0005459603

Figure 0005459603
Figure 0005459603

ここで、Qは、共振状態をあらわすQ値であり、この実施の形態においては、200である。
ω(=2πf)[rad/s]は、共振周波数(fr)に対応し、この実施の形態においては、f=3000[Hz]である。
これら、式(1)および式(2)によって、ω(=2πf)なる周波数で駆動したときの振幅ゲイン特性Gainおよび位相特性Phaseが求められる。
図15および図16において、環境温度の変化によって、振動ミラー11のねじり梁42(42A、42B)の剛性が変化するため、共振周波数fr(=ω)が、図示矢印方向(D1およびD2)に変化する。図15には、環境温度が上昇した時の共振周波数frの変動方向D1を示しており、図16には、環境温度が下降した時の共振周波数frの変動方向D2を示している。なお、ここでは、環境温度とは、光走査装置(振動ミラー11)がさらされる環境温度であり、画像形成装置内に設けられるこのような光走査装置を含むユニットの発熱や画像形成装置が置かれる環境温度を含んでいる。
Here, Q is a Q value representing a resonance state, and is 200 in this embodiment.
ω 0 (= 2πf 0 ) [rad / s] corresponds to the resonance frequency (fr), and in this embodiment, f 0 = 3000 [Hz].
From these expressions (1) and (2), the amplitude gain characteristic Gain and the phase characteristic Phase when driving at a frequency of ω (= 2πf) are obtained.
15 and 16, since the rigidity of the torsion beam 42 (42A, 42B) of the oscillating mirror 11 changes due to the change of the environmental temperature, the resonance frequency fr (= ω 0 ) becomes the direction indicated by the arrows (D1 and D2). To change. FIG. 15 shows the fluctuation direction D1 of the resonance frequency fr when the environmental temperature increases, and FIG. 16 shows the fluctuation direction D2 of the resonance frequency fr when the environmental temperature decreases. Here, the environmental temperature is the environmental temperature to which the optical scanning device (vibrating mirror 11) is exposed. The unit including the optical scanning device provided in the image forming apparatus and the image forming apparatus are installed. Contains ambient temperature to be burned.

ここで、図15の例について、図7および図13を参照して説明する。共振周波数3000Hzの振動ミラー11に対して、駆動電圧の周波数も3000Hzである場合、駆動電圧信号と振動ミラー11の振動との位相差は−90°となる。駆動電圧の周波数は、一定の状態であって、環境温度の上昇にともなって共振周波数frが、図15の矢印D1方向に下降変動すると、それと連動して位相特性も変動するため、位相差は矢印E1方向に変化する。
また、図16の例については、共振周波数3000Hzの振動ミラー11に対して、駆動電圧の周波数も3000Hzである場合、駆動電圧信号と振動ミラー11の振動との位相差は−90°となる。駆動電圧の周波数は、一定で、環境温度の下降にともなって共振周波数frが、図16の矢印D2方向に上昇変動すると、それと連動して位相特性も変動して、位相差は矢印E2方向に変化する。このような位相差の変化量を検知することによって共振周波数frの変動を把握することができる。
Here, the example of FIG. 15 will be described with reference to FIGS. 7 and 13. When the frequency of the drive voltage is also 3000 Hz with respect to the vibration mirror 11 having the resonance frequency of 3000 Hz, the phase difference between the drive voltage signal and the vibration of the vibration mirror 11 is −90 °. The frequency of the driving voltage is constant, and when the resonance frequency fr changes in the direction of arrow D1 in FIG. 15 as the environmental temperature rises, the phase characteristics also change in conjunction with it, so the phase difference is It changes in the direction of arrow E1.
In the example of FIG. 16, when the frequency of the drive voltage is 3000 Hz with respect to the vibration mirror 11 having the resonance frequency of 3000 Hz, the phase difference between the drive voltage signal and the vibration of the vibration mirror 11 is −90 °. The frequency of the drive voltage is constant, and when the resonance frequency fr rises and fluctuates in the direction of arrow D2 in FIG. 16 as the environmental temperature decreases, the phase characteristics also fluctuate in conjunction with this, and the phase difference increases in the direction of arrow E2. Change. By detecting such a change amount of the phase difference, the fluctuation of the resonance frequency fr can be grasped.

図15に示すように、共振周波数frが10Hz低下すると位相差は−90°から−144°(位相差は、式(2)から求められる)となる。この位相差変動分の−54°を検出するには、図7における駆動電圧信号(駆動基準信号)と受光素子PD1の出力の時間間隔P(P1、P2・・・の複数回平均化処理が好ましい)を計測することによって達成することができる。受光素子PD1が配置されている位置は、走査範囲の中央ではないので先に述べた−90°や−144°を直接検知することはできないが、δを、走査中央からの位相ずれ分とすれば、時間間隔P=(−90°−δ°)であることから、時間間隔Pの変動分を計測すれば位相差の変動を検出することができる。
図13のブロック図においては、加算部111から出力される駆動電圧信号と受光素子PD1の検出信号との位相差は、位相比較器114とカウンタ104により計測され、差分演算部118によって、基準となる共振周波数frとの差分が演算される。その差分が比較部108にて許容値と比較され許容値範囲外であれば、正弦波信号生成部117を制御して駆動周波数fdを変化させ、共振周波数frに一致させるように駆動周波数fdを調整する。許容設定値は、共振周波数frの変動により生じる振幅低下を補正できる限界値から設定されている。振幅低下を補正して、振幅を一定に制御するためには、駆動電圧を上昇させることになるため駆動回路112の耐圧および振動ミラー11の許容耐圧のどちらか低い方となるように差分の許容値を決めている。この実施の形態では、振動ミラー11の許容耐圧を優先し、±10Hz以内としている。
As shown in FIG. 15, when the resonance frequency fr decreases by 10 Hz, the phase difference becomes −90 ° to −144 ° (the phase difference is obtained from the equation (2)). In order to detect -54 ° for the phase difference fluctuation, a plurality of averaging processes of the time intervals P (P1, P2,...) Of the drive voltage signal (drive reference signal) and the output of the light receiving element PD1 in FIG. Can be achieved by measuring (preferably). Since the position where the light receiving element PD1 is arranged is not the center of the scanning range, it cannot directly detect −90 ° or −144 ° as described above, but δ is assumed to be a phase shift from the center of scanning. For example, since the time interval P = (− 90 ° −δ °), the variation in the phase difference can be detected by measuring the variation in the time interval P.
In the block diagram of FIG. 13, the phase difference between the drive voltage signal output from the adding unit 111 and the detection signal of the light receiving element PD1 is measured by the phase comparator 114 and the counter 104, and the difference calculating unit 118 A difference from the resonance frequency fr is calculated. If the difference is compared with an allowable value by the comparison unit 108 and is outside the allowable value range, the drive frequency fd is changed by controlling the sine wave signal generation unit 117 to match the resonance frequency fr. adjust. The allowable set value is set from a limit value that can correct a decrease in amplitude caused by a change in the resonance frequency fr. In order to correct the amplitude drop and control the amplitude to be constant, the drive voltage is increased. Therefore, the tolerance of the difference is set so that either the breakdown voltage of the drive circuit 112 or the allowable breakdown voltage of the vibrating mirror 11 is lower. The value is decided. In this embodiment, the allowable breakdown voltage of the oscillating mirror 11 is given priority and is set within ± 10 Hz.

なお、振動ミラー11の共振周波数frと駆動周波数fdとの差異の検出は、振動ミラー11の振幅を一定に制御した状態で行なわれる。振幅が一定でないと受光素子PD1の出力信号のタイミングが変わってしまい時間間隔Pへ影響を及ぼすからである。
駆動電圧の周波数調整タイミングは偏向走査ビームの走査特性が変化することになるため所要の条件が必要である。すなわち、好適な実施の形態においては、画像情報を光走査装置の光源へ入力しているか、すなわち被走査面領域にレーザビームを走査しているか否かを判断する判断手段を用いて、その判断が否となる画像情報のない非画像形成中のタイミングで行なう(このときにも、受光素子PD1およびPD2への走査ビームは偏向されている)ことである。非画像形成中とは、画像プリント時のプリント紙の間隔や、プリントジョブ(プリントJOB)の間隔の間である。
一方、その他の好適な実施の形態においては、上述のように被走査面領域にレーザビームを走査しているか否か関係なく、いつでも(駆動周波数が許容値外となったタイミングで随時)、調整可能とするために調整時の周波数変動を段階的に変化させる。例えば前記差異が10Hzを超え、11Hzとなった場合、直ちに駆動周波数を11Hz変化させるのではなく、例えば0.1Hz単位で110ステップを段階的に変化させる。変化させる時間は、調整タイミングの開始から完了までの時間として、プリント紙1枚を画像形成することができる時間が望ましい(ゆっくり周波数変化をさせることにより、画像劣化の副作用を軽減する)。
The difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd of the oscillating mirror 11 is detected in a state where the amplitude of the oscillating mirror 11 is controlled to be constant. This is because if the amplitude is not constant, the timing of the output signal of the light receiving element PD1 changes and affects the time interval P.
The frequency adjustment timing of the driving voltage needs to be in a required condition because the scanning characteristic of the deflected scanning beam changes. That is, in a preferred embodiment, the determination is performed using a determination unit that determines whether image information is input to the light source of the optical scanning device, that is, whether the laser beam is scanned over the scanned surface area. This is performed at a timing during non-image formation without image information indicating no (the scanning beam to the light receiving elements PD1 and PD2 is deflected also at this time). “Non-image forming” means the interval between print sheets at the time of image printing and the interval between print jobs (print jobs).
On the other hand, in the other preferred embodiments, the adjustment is performed at any time (at any time when the drive frequency is out of the allowable value) regardless of whether or not the scanning surface area is scanned with the laser beam as described above. In order to make it possible, the frequency fluctuation at the time of adjustment is changed stepwise. For example, when the difference exceeds 10 Hz and becomes 11 Hz, the drive frequency is not changed immediately by 11 Hz, but 110 steps are changed stepwise in units of 0.1 Hz, for example. The change time is preferably the time from the start to the completion of the adjustment timing so that an image can be formed on one print sheet (the side effect of image deterioration is reduced by slowly changing the frequency).

従来、共振周波数の計測は、振幅ゲイン特性Gainを計測するため、光走査装置の画像形成を一時的に停止して駆動周波数をスイープ(掃引)変化させたときの振幅を測定し、最も振幅の大きくなるところを共振周波数としていたため、光走査装置、つまりそれが組み込まれた画像形成装置等を使うことができないという不都合があった。本発明の実施の形態においては、振動ミラー11による通常の偏向走査時(少なくとも受光素子PD1および受光素子PD2から出力信号が発生する時〜このとき、画像領域には、レーザビームを偏向走査しなくても受光素子PD1および受光素子PD2をレーザビームが走査すれば良い)に、共振周波数frと駆動周波数fdとの差異を検出できるので、画像形成中でも装置の動作を一旦停止する必要がない。
なお、振動ミラー11の共振周波数frと駆動周波数fdとの差異を検出し、その都度差異に応じて、駆動周波数を調整してしまうと、それによって画像形成時の副走査倍率が変化してしまうため、予め駆動周波数fdの調整は、好適な所定の値を設定している。駆動周波数fdの調整による変動量が所定値以上となった場合に副走査方向の画像倍率を調整することを行っている。ここでいう所定値とは画像倍率が視覚許容できる1%としている。なお、出力画像の対象によっては、1%でも問題となる場合があり、そのような状態を考慮し、所定値については使用者が適宜設定変更できるように所定値設定変更手段を設けている。
Conventionally, the resonance frequency is measured by measuring the amplitude when the drive frequency is swept (swept) by temporarily stopping the image formation of the optical scanning device in order to measure the amplitude gain characteristic Gain. Since the resonance frequency is increased, the optical scanning device, that is, the image forming apparatus in which the optical scanning device is incorporated cannot be used. In the embodiment of the present invention, during normal deflection scanning by the oscillating mirror 11 (at least when output signals are generated from the light receiving element PD1 and the light receiving element PD2-at this time, the laser beam is not deflected and scanned in the image area. However, since the difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd can be detected by scanning the light receiving element PD1 and the light receiving element PD2), it is not necessary to temporarily stop the operation of the apparatus even during image formation.
If a difference between the resonance frequency fr of the vibrating mirror 11 and the drive frequency fd is detected and the drive frequency is adjusted in accordance with the difference, the sub-scan magnification at the time of image formation changes accordingly. Therefore, a suitable predetermined value is set in advance for the adjustment of the drive frequency fd. The image magnification in the sub-scanning direction is adjusted when the fluctuation amount due to the adjustment of the drive frequency fd becomes a predetermined value or more. The predetermined value here is set to 1%, at which the image magnification is visually acceptable. Depending on the target of the output image, even 1% may cause a problem. In consideration of such a situation, a predetermined value setting changing unit is provided so that the user can change the setting of the predetermined value as appropriate.

副走査位置倍率の補正は画像処理による倍率補正や副走査方向の速度調整(感光体ユニット、中間転写ベルトユニット、給紙ユニットおよび定着ユニットの各ユニットの調整)を行なう必要があり、複雑になるばかりかタイムラグなどを考慮する必要もあって、画像形成を停止しなくてはならない時間が生じる。駆動周波数はできる限り変化させないほうが画像形成装置の画像品質としては好ましい。
図17に、受光素子PD1を例にとって、レーザビーム走査との関係を詳細に説明する。受光素子PD1は、図1に示したように感光体ドラム3の外周面上を走査するレーザビームのビーム径および走査速度と光学的に等価となる(すなわち走査レーザビームスポットが通過する)位置に配置されている。受光素子PD1の配置は、感光体ドラム3の外周面の走査延長上が望ましいが、レイアウトの都合等によっては、折り返しミラーを経由して受光素子PD1をレーザビームで走査する構成としてもよい。受光素子PD1は、基本的にPINフォトダイオードからなる受光部91と、この受光部91からの出力信号を増幅する増幅回路およびその出力信号を波形整形するコンパレータ回路を有する回路部92とを含み、IC(集積回路)として樹脂からなるレーザビーム透過部材に封入され、1パッケージ化されている。受光部91および回路部92に外部から電気的な接続をするためのICリード端子93がパッケージ外に導出されている。受光部91上を、走査ビームスポットが通過することにより、図17に示す受光素子出力信号を発生し、受光素子出力信号をスレッシュホールド電圧と比較して、コンパレータ出力信号を発生させる。
Correction of the sub-scanning position magnification requires complicated magnification correction by image processing and speed adjustment in the sub-scanning direction (adjustment of each unit of the photosensitive unit, intermediate transfer belt unit, paper feed unit, and fixing unit), which is complicated. In addition, there is a need to consider a time lag and the like, and there is a time when image formation must be stopped. It is preferable as the image quality of the image forming apparatus that the drive frequency is not changed as much as possible.
FIG. 17 illustrates in detail the relationship with laser beam scanning, taking the light receiving element PD1 as an example. As shown in FIG. 1, the light receiving element PD1 is optically equivalent to the beam diameter and the scanning speed of the laser beam that scans the outer peripheral surface of the photosensitive drum 3 (that is, the scanning laser beam spot passes). Has been placed. The arrangement of the light receiving element PD1 is preferably on the scanning extension of the outer peripheral surface of the photosensitive drum 3. However, depending on the convenience of the layout, the light receiving element PD1 may be scanned with a laser beam via a folding mirror. The light receiving element PD1 includes a light receiving unit 91 basically composed of a PIN photodiode, an amplifier circuit that amplifies an output signal from the light receiving unit 91, and a circuit unit 92 having a comparator circuit that shapes the output signal. An IC (integrated circuit) is encapsulated in a laser beam transmitting member made of a resin to form a single package. An IC lead terminal 93 for electrically connecting the light receiving unit 91 and the circuit unit 92 from the outside is led out of the package. When the scanning beam spot passes on the light receiving portion 91, a light receiving element output signal shown in FIG. 17 is generated, and the light receiving element output signal is compared with a threshold voltage to generate a comparator output signal.

図17に破線にて示す領域は、レーザビーム光源が消灯するか、またはフレア光が受光素子PD1、PD2に受光されたり、感光体ドラム3の外周面上に潜像を形成するレベルの光量とならない程度に減光されたりしているものとする。振動ミラー11の最大振れ角と受光素子PD1近傍の間の領域内でレーザビーム光源が発光していると光走査装置内に配置された光学部品の乱反射に起因するゴースト光を発生させ、受光素子PD1や、受光素子PD2の受光信号にノイズを混入させるため、先に述べたタイムインターバルA、BおよびCが乱れ、制御上の誤動作または不安定となってしまう。このような問題が起きないように、予め前述のタイミングにて消灯するか、またはゴースト光が受光素子PD1、PD2に受光されたり、感光体ドラム3の外周面上に潜像を形成するレベルの光量となったりしない程度に減光するように設定されている。この消灯または減光は半導体レーザからなるレーザ光源を長寿命化する効果およびレーザ光源の温度上昇を抑制する効果も奏する。上述した受光素子近傍とは、回路部92のコンパレータ回路の出力に影響を与えずに、上述のタイムインターバルA、BおよびCが、各々正常に計測できる発光タイミングとなる走査位置を意図している。   In a region indicated by a broken line in FIG. 17, the laser beam light source is turned off, or the flare light is received by the light receiving elements PD1 and PD2, or the light quantity is at a level that forms a latent image on the outer peripheral surface of the photosensitive drum 3. It is assumed that it has been dimmed to the extent that it does not become. When the laser beam light source emits light in a region between the maximum deflection angle of the oscillating mirror 11 and the vicinity of the light receiving element PD1, ghost light is generated due to irregular reflection of the optical components arranged in the optical scanning device, and the light receiving element Since noise is mixed in the light reception signals of PD1 and light receiving element PD2, the time intervals A, B, and C described above are disturbed, resulting in control malfunction or instability. In order not to cause such a problem, the light is turned off in advance at the above-mentioned timing, or the ghost light is received by the light receiving elements PD1 and PD2, or the latent image is formed on the outer peripheral surface of the photosensitive drum 3. It is set to be dimmed to such an extent that it does not become a light amount. This extinction or dimming also has the effect of extending the life of the laser light source composed of a semiconductor laser and the effect of suppressing the temperature rise of the laser light source. The above-described vicinity of the light receiving element intends a scanning position at which the above-described time intervals A, B, and C are light emission timings that can be normally measured without affecting the output of the comparator circuit of the circuit unit 92. .

なお、光学素子の経時劣化による反射率や透過率の低下によって光量が低下するとコンパレータ出力を決定するスレッシュホールド電圧への立ち上がりの方向きが緩くなり、立ち上がりに要する時間が長くなるため、誤った検出を行ってしまう。そこで、受光素子PD1、PD2を走査する際に、常に一定の光量となるようにレーザ光源を制御することによって上述の問題を解決している。
図18は、上述した光走査装置を組み込んだ本発明の第2の実施の形態に係る画像形成装置の要部の構成を示している。図18に示す画像形成装置は、カラー画像形成装置であり、給紙カセット1、中間転写ベルト2、感光体ドラム3(3Y、3M、3C、3K)、上述した光走査装置5、現像装置6(6Y、6M、6C、6K)および定着装置7を具備する。
カラー画像形成装置は、複数、この場合イエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックの4色の感光体ドラム3(3Y、3M、3C、3K)を並列に配置したタンデム型のカラー画像形成装置として構成されている。装置の上部から順に、光走査装置5、現像装置6(6Y、6M、6C、6K)、感光体ドラム3(3Y、3M、3C、3K)、中間転写ベルト2、定着装置7および給紙カセット1がレイアウトされている。中間転写ベルト2上には、各色に対応した感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kが、互いに平行に等間隔で並列に配設されている。
In addition, if the amount of light decreases due to a decrease in reflectance or transmittance due to deterioration of the optical element over time, the rising direction to the threshold voltage that determines the comparator output becomes loose, and the time required for rising becomes longer, so erroneous detection Will go. Therefore, when the light receiving elements PD1 and PD2 are scanned, the above-described problem is solved by controlling the laser light source so that the light quantity is always constant.
FIG. 18 shows a configuration of a main part of an image forming apparatus according to the second embodiment of the present invention in which the above-described optical scanning device is incorporated. The image forming apparatus shown in FIG. 18 is a color image forming apparatus, and includes a paper feed cassette 1, an intermediate transfer belt 2, a photosensitive drum 3 (3Y, 3M, 3C, 3K), the above-described optical scanning device 5, and a developing device 6. (6Y, 6M, 6C, 6K) and the fixing device 7.
The color image forming apparatus is configured as a tandem type color image forming apparatus in which a plurality of photosensitive drums 3 (3Y, 3M, 3C, 3K) of four colors of yellow, magenta, cyan, and black are arranged in parallel. Yes. In order from the top of the apparatus, the optical scanning device 5, the developing device 6 (6Y, 6M, 6C, 6K), the photosensitive drum 3 (3Y, 3M, 3C, 3K), the intermediate transfer belt 2, the fixing device 7, and the paper feed cassette 1 is laid out. On the intermediate transfer belt 2, photosensitive drums 3Y, 3M, 3C and 3K corresponding to the respective colors are arranged in parallel at equal intervals in parallel.

感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kは、互いに同一径に形成されており、それぞれの周囲には、電子写真プロセスを実行するための部材が順次配設されている。感光体3Yを例にとって説明すると、帯電チャージャ(図示せず)、光走査装置5から射出された画像信号に基づくレーザビームL1、現像装置6Y、転写チャージャ(図示せず)、クリーニング装置(図示せず)等が順次配置される。他の感光体ドラム3M、3Cおよび3Kに対しても同様である。すなわち、この実施の形態においては、感光体ドラム3Y、3M、3Cおよび3Kを各色毎に設定された被走査面としており、各々に対して光走査装置5からレーザビームL1、L2、L3およびL4が各々に対応するように射出される。
帯電チャージャにより一様に帯電された感光体ドラム3Yは、図示矢印A方向に回転することによってレーザビームL1を副走査し、感光体ドラム3Y上に静電潜像が形成される。また、光走査装置5によるレーザビームL1の照射位置よりも感光体ドラム3の回転方向下流側には、感光体ドラム3Yにトナーを供給する現像器6Yが配設され、イエローのトナーが供給される。現像器6Yから供給されたトナーは、静電潜像が形成された部分に付着し、トナー像が形成される。同様に感光体3M、3Cおよび3Kには、それぞれマゼンタM、イエローYおよびブラックKの単色トナー像が形成される。
The photosensitive drums 3Y, 3M, 3C, and 3K are formed to have the same diameter, and members for performing an electrophotographic process are sequentially disposed around each of the photosensitive drums 3Y, 3M, 3C, and 3K. The photoconductor 3Y will be described as an example. A charging charger (not shown), a laser beam L1 based on an image signal emitted from the optical scanning device 5, a developing device 6Y, a transfer charger (not shown), and a cleaning device (not shown). Etc.) are sequentially arranged. The same applies to the other photosensitive drums 3M, 3C and 3K. That is, in this embodiment, the photosensitive drums 3Y, 3M, 3C, and 3K are scanned surfaces set for the respective colors, and the laser beams L1, L2, L3, and L4 from the optical scanning device 5 are provided for each color. Are fired to correspond to each.
The photosensitive drum 3Y that is uniformly charged by the charging charger rotates in the direction of the arrow A in the figure, thereby sub-scanning the laser beam L1, and an electrostatic latent image is formed on the photosensitive drum 3Y. Further, a developing device 6Y that supplies toner to the photosensitive drum 3Y is disposed downstream of the irradiation position of the laser beam L1 by the optical scanning device 5 in the rotation direction of the photosensitive drum 3, and yellow toner is supplied. The The toner supplied from the developing device 6Y adheres to the portion where the electrostatic latent image is formed, and a toner image is formed. Similarly, single-color toner images of magenta M, yellow Y, and black K are formed on the photoreceptors 3M, 3C, and 3K, respectively.

感光体ドラム3Yの現像器6Yの配設位置よりもさらに回転方向下流側には、中間転写ベルト2が配置されている。中間転写ベルト2は、複数のローラ2a、2bおよび2cに巻付けられて、張設されており、図示していないモータにより駆動されて矢印B方向に移動搬送される。この搬送により、中間転写ベルト2は順に感光体3Y、3M、3Cおよび3Kに移動されるようになっている。中間転写ベルト2は各感光体3Y、3M、3Cおよび3Kでそれぞれ現像された各単色画像を順次重ねあわせて転写し、中間転写ベルト2上にカラー画像を形成する。その後、給紙トレイ1から転写紙が、図示矢印C方向に搬送されカラー画像が転写される。カラー画像が形成された転写紙は、定着装置7により定着処理後、カラー画像として排紙される。   The intermediate transfer belt 2 is disposed further downstream in the rotational direction than the position where the developing unit 6Y of the photosensitive drum 3Y is disposed. The intermediate transfer belt 2 is wound around a plurality of rollers 2a, 2b, and 2c and is stretched, and is driven by a motor (not shown) to be moved and conveyed in the direction of arrow B. By this conveyance, the intermediate transfer belt 2 is sequentially moved to the photoreceptors 3Y, 3M, 3C, and 3K. The intermediate transfer belt 2 sequentially superimposes and transfers the monochrome images developed by the photoreceptors 3Y, 3M, 3C, and 3K, and forms a color image on the intermediate transfer belt 2. Thereafter, the transfer paper is conveyed from the paper feed tray 1 in the direction of the arrow C in the figure, and the color image is transferred. The transfer paper on which the color image is formed is discharged as a color image after being fixed by the fixing device 7.

1 給紙カセット
2 中間転写ベルト
3(3Y、3M、3C、3K) 感光体ドラム
5 光走査装置
6、(6Y、6M、6C、6K) 現像装置
7 定着装置
10 光源部
10Y、10M、10C、10K 光源ユニット
11 振動ミラー
12 シリンドリカルレンズ
13 折り返しミラー
14 走査レンズ群を構成する第1のレンズ
15、(15−1、15−2) 結像レンズ
16、(16Y、16M、16C、16K) ミラー
17、(17Y、17M、17C、17K) 走査レンズ群を構成する第2のレンズ
18、(18Y、18M、18C) ミラー
40 実装基板
41 可動ミラー部
42(42A、42B) ねじり梁、
43 振動板
44、(44A、44B)補強梁
46、47 フレーム
49 ヨーク
50、(50A、50B)永久磁石
52 接続電極
53 平面パターンコイル
54(54A、54B) 端子
55 トリミング用パッチ
56 台座
91 受光部
92 回路部
93 ICリード端子
101、102、103、104 カウンタ
105 平均演算/差分演算部
106、107、108 比較部
109 コントローラ
110 乗算部
111 加算部
112 駆動回路
113、114 位相比較器
115 ローパスフィルタ(LPF)
116 積分器
117 正弦波信号生成部
118 差分演算部
PD、(PD1、PD2) 受光素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Paper feed cassette 2 Intermediate transfer belt 3 (3Y, 3M, 3C, 3K) Photosensitive drum 5 Optical scanning device 6, (6Y, 6M, 6C, 6K) Developing device 7 Fixing device 10 Light source unit 10Y, 10M, 10C, 10K light source unit 11 vibrating mirror 12 cylindrical lens 13 folding mirror 14 first lens constituting scanning lens group 15, (15-1, 15-2) imaging lens 16, (16Y, 16M, 16C, 16K) mirror 17 , (17Y, 17M, 17C, 17K) Second lens constituting scanning lens group 18, (18Y, 18M, 18C) Mirror 40 Mounting substrate 41 Movable mirror part 42 (42A, 42B) Torsion beam,
43 Diaphragm 44, (44A, 44B) Reinforcement beam 46, 47 Frame 49 Yoke 50, (50A, 50B) Permanent magnet 52 Connection electrode 53 Planar pattern coil 54 (54A, 54B) Terminal 55 Trimming patch 56 Base 91 Light receiving portion 92 Circuit section 93 IC lead terminal 101, 102, 103, 104 Counter 105 Average calculation / difference calculation section 106, 107, 108 Comparison section 109 Controller 110 Multiplication section 111 Addition section 112 Drive circuit 113, 114 Phase comparator 115 Low-pass filter ( LPF)
116 integrator 117 sine wave signal generation unit 118 difference calculation unit PD, (PD1, PD2) light receiving element

特開2005−208460号公報JP-A-2005-208460

Claims (6)

光源装置から射出されるレーザビームを、単一の振動ミラー偏向器によって主走査方向に偏向走査して、複数の被走査面に集光結像する走査結像手段を備える光走査装置において、
前記振動ミラーは、当該振動ミラーの振幅を制御する振幅制御ループ、当該振動ミラーの理想振幅波形の振幅中心と実際の振幅波形の振幅中心との差を制御するオフセット制御ループ、基準クロックと当該振動ミラーの振れ角との関係を制御する位相制御ループ、で構成された制御手段により駆動制御され、
前記振動ミラーの振幅を一定に制御した状態で、前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの関係が、条件:
fd<fr
fr−fd≦(fr×0.002)
を満足するように、前記振動ミラーの駆動周波数fdを設定したことを特徴とする光走査装置。
In an optical scanning device including a scanning imaging unit that deflects and scans a laser beam emitted from a light source device in a main scanning direction by a single oscillating mirror deflector and focuses and forms an image on a plurality of scanned surfaces.
The vibration mirror includes an amplitude control loop that controls the amplitude of the vibration mirror, an offset control loop that controls a difference between the amplitude center of the ideal amplitude waveform of the vibration mirror and the amplitude center of the actual amplitude waveform, a reference clock, and the vibration Drive-controlled by a control means composed of a phase control loop that controls the relationship with the deflection angle of the mirror,
In a state where the amplitude of the oscillating mirror is controlled to be constant, the relationship between the resonance frequency fr of the oscillating mirror and the drive frequency fd is as follows:
fd <fr
fr−fd ≦ (fr × 0.002)
The drive frequency fd of the oscillating mirror is set so as to satisfy the above.
主走査領域内に配置されて偏向走査された走査ビームを検出するレーザビーム検出器を有し、且つ
前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの関係は、駆動周波数の電圧波形を基準とし、前記レーザビーム検出器からの出力信号との位相差に基づいて算出することを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
A laser beam detector that detects a scanning beam that is arranged in the main scanning region and is deflected and scanned, and the relationship between the resonance frequency fr and the driving frequency fd of the vibrating mirror is based on the voltage waveform of the driving frequency; The optical scanning device according to claim 1, wherein calculation is performed based on a phase difference with an output signal from the laser beam detector.
前記制御手段は、前記振動ミラーの共振周波数frと駆動周波数fdの差異を検出し、その検出結果に応じて駆動周波数fdを調整することを特徴とする請求項1または2に記載の光走査装置。 Wherein, light as claimed in claim 1 or 2, wherein detecting the difference in the resonance frequency fr and drive frequency fd of the vibrating mirror, and wherein the benzalkonium adjust the drive frequency fd depending on the detection result Scanning device. 前記振動ミラーによる偏向走査時は、共振周波数frと駆動周波数fdとの差異を常時検出することを特徴とする請求項に記載の光走査装置。 4. The optical scanning device according to claim 3 , wherein a difference between the resonance frequency fr and the drive frequency fd is always detected during deflection scanning by the vibrating mirror. 潜像担持体に光走査により潜像を形成し、当該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、
前記潜像担持体の光走査に前記請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の光走査装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
In an image forming apparatus that forms a latent image on a latent image carrier by optical scanning and visualizes the latent image to obtain a desired recorded image.
An image forming apparatus using the optical scanning device according to any one of claims 1 to 4 for optical scanning of the latent image carrier.
前記画像形成装置は、カラー画像形成装置であることを特徴とする請求項に記載の画像形成装置。 The image forming apparatus according to claim 5 , wherein the image forming apparatus is a color image forming apparatus.
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