JP5526894B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置に関し、より詳細には、光偏向器として共振ミラーを採用する光走査装置に関する。

従来、光走査装置においては光偏向器としてポリゴンミラーが多く用いられていたが、高速化・高解像度化の要請に伴い、近年、ＭＥＭＳ技術により形成される共振ミラーを光偏向器に適用することが検討されている。共振ミラーとは、ミラー振動子とこれを軸支するねじり梁を単結晶シリコン上に一体形成したものであり、ミラー振動子およびフレーム部のそれぞれに設けられた電極に対して正弦波駆動信号を印加することにより、両電極間に周期的に生じる静電力によるねじり梁の弾性変形とその復元力の作用によってミラー振動子を共振振動させるデバイスである。この点につき、特許第３５４３４７３号公報（特許文献１）は、光偏向器として共振ミラーを採用した光走査装置を開示する。

しかしながら、共振ミラーによって偏向されるビームは、全体の約４０％に相当する期間しか走査速度がリニアリティーを持たず、有効走査期間が限られるため、光走査装置の走査効率は低くならざるを得なかった。この点につき、特開２００８−７０７９８号公報（特許文献２）は、タンデム方式のカラー複写機に搭載される光走査装置において、１つの光源から分岐した２つのビームを、それぞれ、所定の位相差をもって振動する２つの共振ミラーで偏向することによって、２つの光源で４色のステーションを効率良く走査する構成を開示する。

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、複数の独立した対象を効率良く走査することができる光走査装置を提供することを目的とする。

本発明者は、複数の独立した対象を効率良く走査することができる光走査装置につき鋭意検討した結果、光偏向手段として並設された２つの共振ミラーを採用するとともに、２つの共振ミラーの駆動波形の位相関係を一定に保持するための構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、走査光源から出射する光を２つに分岐する光分岐手段と、分岐した一方の光を偏向するための第１の共振ミラーと分岐した他方の光を偏向するための第２の共振ミラーが並設された光偏向部と、前記第１の共振ミラーを正弦波駆動するための第１の駆動制御部と、前記第２の共振ミラーを正弦波駆動するための第２の駆動制御部と、前記第１の共振ミラーの第１の駆動波形と前記第２の共振ミラーの第２の駆動波形の位相関係を一定に保持するための位相関係制御部と含む光走査装置が提供される。本発明においては、前記位相関係制御部は、前記第１の駆動波形と前記第２の駆動波形の位相差を設定目標値に基づいてフィードバック制御することができ、前記第２の駆動制御部を制御するクロック信号の発振周波数を補正することができる。また、本発明においては、前記設定目標値は、１／４λとすることが好ましい。

また、本発明によれば、上記光走査装置を露光手段として搭載するタンデム式の画像形成装置であって、前記第１の共振ミラーによって偏向された光が第１の感光体を走査し、前記第２の共振ミラーによって偏向された光が第２の感光体を走査し、前記第１の感光体と前記第２の感光体が同時に走査されないように前記光偏向部を制御する画像形成装置が提供される。

本実施形態の光走査装置１００を示す図。 先端同期センサおよび後端同期センサの検出信号のタイミング図。 共振ミラーの駆動制御手段のブロック図。 ２つの共振ミラーの振動波形を示す図。 ２つの共振ミラーの振動波形の位相差が１／４λよりも大きくなった場合の同期センサの検出信号のタイミング図。 一方の共振ミラーの振動波形の振幅が大きくなった場合のタイミング図。 本実施形態の光走査装置の制御ブロック図。

以下、本発明を、実施形態をもって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

図１は、タンデム方式の画像形成装置２００に露光手段として搭載された本実施形態の光走査装置１００を示す。画像形成装置２００においては、異なる色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）毎に用意された４つの感光体ドラム２０１（Ｂ）、２０２（Ｃ）、２０３（Ｍ）、２０４（Ｙ）が中間転写ベルト２０５の移動方向（矢印方向）に沿って等間隔で配列されている。本実施形態の光走査装置１００は、４つの感光体ドラム２０１〜２０４の上方に配置され、４つの感光体ドラム２０１〜２０４を走査する。

本実施形態の光走査装置１００は、二組の結像光学系を含み、各結像光学系が２つの感光体ドラムの走査を担当する。第１の結像光学系は、半導体レーザを備えた光源ユニット１０１と、光分岐手段１０４と、光偏向部としての共振ミラー基板１０２と、走査レンズ１０３と、トロイダルレンズ１０５、１０６と、折り返しミラー１０７〜１１２とを含んで構成され、２つの感光体ドラム２０１（Ｂ）、２０２（Ｃ）を走査する。

一方、第２の結像光学系は、半導体レーザを備えた光源ユニット１５１と、光偏向部としての共振ミラー基板１５２、光分岐手段１５４と、走査レンズ１５３と、トロイダルレンズ１５５、１５６と、折り返しミラー１５７〜１６２とを含んで構成され、２つの感光体ドラム２０３（Ｍ）、２０４（Ｙ）を走査する。なお、本実施形態においては、光源ユニット１０１，１５１から各感光体面に至る全ての光路長が等しく、且つ、各感光体面に対する各ビームの入射範囲および入射角が等しくなるように、１つの感光体ドラムに対して３枚の折り返しミラーが配置されている。

共振ミラー基板１０２および１５２は、互いに背中合わせに接合され、主走査方向に対し３０°傾いて光走査装置１００の中央部に配置されており、上述した第１および第２の結像光学系は、光走査装置１００の中央部に対して対称に配置されている。

まず、第１の結像光学系の走査態様につき、その光路を追って説明する。光源ユニット１０１からのビームＬ１は、光分岐手段１０４を経て鉛直方向に分岐して２つのビームになった後、共振ミラー基板１０２に入射する。なお、本実施形態においては、光分岐手段１０４をハーフミラー面と全反射面を有する接合プリズムとし、分岐した２つの光のうち、一方を直進させ、もう一方を平行にシフトして、平行ビームを射出するように構成することができる。図面左上に破線で囲んで示すように、共振ミラー基板１０２には、鉛直方向に共通の回転軸をもつ２つの共振ミラー１２２および１２４が並設されており、分岐した２つのビームは、それぞれ、共振ミラー１２２および１２４に入射する。共振ミラー１２２，１２４は、正弦波信号によって共振駆動するビーム偏向器であり、ミラー振動子とこれを軸支するねじり梁が単結晶シリコン上に一体形成されてなる。

共振ミラー１２４によって反射されたビームは、走査レンズ１０３に入射する。走査レンズ１０３は、非円弧面形状に形成されており、共振ミラー１２４から入射したビームを、共振ミラー１２２の正弦波振動に同期した単位走査角あたりの主走査方向の走査距離ｄＨ／ｄθがｓｉｎ−１θ／θ０に比例する特性（ｆ・ａｒｃｓｉｎ特性）を持つように補正する（θ０＝最大振れ角）。走査レンズ１０３を通過したビームは、折り返しミラー１０７で反射された後、トロイダルレンズ１０６によって集光される。集光されたビームは、折り返しミラー１０８、１０９で反射された後、感光体ドラム２０１（Ｂ）の表面に結像する。この結像スポットが共振ミラー１２４の正弦波振動に伴って感光体面上で主走査方向に等速に移動することによってブラック画像が形成される。

一方、共振ミラー１２２によって反射されたビームは、上述したのと同様に、走査レンズ１０３を通過し、折り返しミラー１１０で反射された後、トロイダルレンズ１０５によって集光され、折り返しミラー１１１、１１２を経て感光体ドラム２０２（Ｃ）の表面に結像する。この結像スポットが共振ミラー１２２の正弦波振動に伴って、感光体面上で主走査方向に等速に移動することによってシアン画像を形成する。

第２の結像光学系においても、同様に、光源ユニット１５１からのビームＬ２は、光分岐手段１５４を経て鉛直方向に分岐して２つのビームになった後、共振ミラー基板１５２が備える２つの共振ミラー（図示せず）に入射し、当該２つの共振ミラーの正弦波振動に伴って、２つの感光体ドラム２０３（Ｍ）、２０４（Ｙ）が走査され、それぞれマゼンタ画像およびイエロー画像が形成される。第２の結像光学系の走査動作は、上述した第１の結像光学系のそれと実質的に等価であるので、これ以上の説明は省略する。以上、本実施形態の光走査装置１００につき、その基本構成を説明してきたが、次に、光走査装置１００の駆動制御方法について以下説明する。

図１に示されるように、本実施形態の光走査装置１００は、１つの感光体ドラムにつき、２つの同期センサ（ビーム検出手段）を備える。すなわち、第１の結像光学系は、感光体ドラム２０１（Ｂ）について同期センサ１３２、１３４を備え、感光体ドラム２０２（Ｃ）について同期センサ１３６、１３８を備える。また、第２の結像光学系は、感光体ドラム２０３（Ｍ）について同期センサ１４６、１４８を備え、感光体ドラム２０４（Ｙ）について同期センサ１４２、１４４を備える。なお、第１および第２の結像光学系は実質的に等価であるので、これ以降は、第１の結像光学系に基づいて、光走査装置１００の駆動制御方法を説明する。

まず、共振ミラー１２４の駆動制御について説明する。共振ミラー１２４は正弦波で振動するため、時間ｔとともにｓｉｎ波状に走査角θが変化する。したがって、共振ミラー１２４の振動振幅の折返し点近傍では、ビームの走査速度が加速度的に変化することになる。この点につき、上述した走査レンズ１０３による十分な補正効果が得られる共振ミラー１２４の有効振れ角θｄは、全振れ角θの４０％以下である。本実施形態においては、有効振れ角θｄの期間におけるビームのみを画像形成に利用するために、同期センサ１３２および１３４の検出信号を使用してシアン画像データ書き込みのタイミングを制御している。なお、同期センサ１３２および１３４は、感光体ドラム２０１（Ｂ）の両端外側の適切な位置に設けられており、有効振れ角θｄの期間の境界にあるビームを検出する。

図２は、同期センサ１３２および同期センサ１３４の検出信号のタイミング図を示す。なお、図２においては、共振ミラー１２４の振動波形をともに示す。図２に示されるように、走査ビームは、共振ミラー１２４の振動に同期して感光体ドラム２０１（Ｂ）上で往復走査を繰り返す。その往路においては、感光体ドラム２０１（Ｂ）の先端側にある同期センサ１３２（以下、先端同期センサ１３２として参照する）によってビームが検出された後（ＳＰ1）、感光体ドラム２０１（Ｂ）後端側にある同期センサ１３４（以下、後端同期センサ１３４として参照する）によって検出される（ＥＰ1）。続いて、復路では、後端同期センサ１３４によって再度ビームが検出された後（ＥＰ２）、先端同期センサ１３２によって再度ビームが検出される（ＳＰ２）。すなわち、本実施形態においては、「ＳＰ１ → ＥＰ１ → ＥＰ２ → ＳＰ２ 」の検出サイクルが共振ミラー１２４の振動に同期して繰り返されることになる。したがって、本実施形態においては、同期センサ１３２および１３４からの検出信号に基づいて、「ＳＰ１」から「ＥＰ１」の間（往路走査）、ならびに、「ＥＰ２」から「ＳＰ２」の間（復路走査）に画像データの書き込みが実行されるようにタイミングが制御される。

一方、本実施形態においては、先端同期センサ１３２および後端同期センサ１３４からの検出信号を使用して共振ミラーの駆動制御を実行する。図３は、共振ミラー１２４の駆動制御手段のブロック図を示す。光源ユニット１０１から出射したビームは、光分岐手段１０４によって２つに分岐され、一方が共振ミラー１２４に反射され、他方が共振ミラー１２２に反射される。共振ミラー１２４に反射されたビームは、所定の光路を経て感光体ドラム２０１（Ｂ）を走査する。走査ビームは、感光体ドラム２０１（Ｂ）の両端外側に配置された先端同期センサ１３２および後端同期センサ１３４によって周期的に検出され、その検出信号は、位相検出回路３０２に入力される。位相検出回路３０２は、入力された検出信号から正弦波で駆動される共振ミラー１２４の位相を検出する。

位相比較器３０３は、位相検出回路３０２が検出した位相と基準位相クロック回路３０４のクロック信号の位相を比較して両者の位相差を検出し、コントロール部３０５は、検出された位相差に基づいて演算を実行する。共振ミラー駆動信号生成部３０６は、演算結果に基づいて共振ミラー１２４を駆動するための正弦波信号を生成し、駆動回路３０７は、生成された正弦波信号（駆動信号）によって共振ミラー１２４を駆動する。すなわち、本実施形態においては、先端同期センサ１３２および後端同期センサ１３４からの検出信号に基づいてフィードバック制御部３０８が共振ミラー１２４の振動周期をフィードバック制御している。以上、共振ミラー１２４の駆動制御について説明してきたが、感光体ドラム２０２（Ｃ）を走査するための共振ミラー１２２の駆動制御もこれと実質的に等価であるので、ここでは説明を省略する。

ここで、再び、図２のタイミング図を参照すると、本実施形態においては、共振ミラー１２４の振幅の約４０％に相当する期間しか画像データ書き込みに利用できておらず、走査効率が悪くなっている。これは、共振ミラー１２２についても同様である。そこで、本実施形態においては、一方の感光体ドラムを走査することができない期間に隣接する他方の感光体ドラムを走査するようタイミング制御することによって、光走査装置全体の走査効率を向上させている。以下、この点について図４を参照して説明する。

図４は、共振ミラー１２４および共振ミラー１２２の振動波形を重ねて示す。なお、図４においては、感光体ドラム２０１（Ｂ）について設けられた先端同期センサ１３２および後端同期センサ１３４、ならびに、感光体ドラム２０２（Ｃ）について設けられた先端同期センサ１３６および後端同期センサ１３８の検出信号のタイミング図を併せて示す。

図４に示すように、本実施形態においては、共振ミラー１２４の振動波形と共振ミラー１２２の振動波形が１／４λの位相差を有するように共振ミラー１２４および共振ミラー１２２を駆動制御することが好ましい。このように制御することによって、感光体ドラム２０１（Ｂ）を走査することができない期間を感光体ドラム２０２（Ｃ）を走査する期間に充てることができるため（その逆も同様）、光走査装置全体の走査効率が向上する。また、共振ミラー１２４を経由するビームが感光体ドラム２０１（Ｂ）上を走査している期間は、共振ミラー１２２を経由するビームは、感光体ドラム２０２（Ｃ）を走査しないので（その逆も同様）、共振ミラー基板１０２から出射する２つのビームが感光体ドラム上で干渉する心配がない。なお、図４は、共振ミラー１２４の振動波形と共振ミラー１２２の振動波形の位相差は厳密に１／４λに限定するものではなく、走査効率ならびに干渉の問題に鑑みて、適切な位相関係を実現しうる位相差を設定すればよい。なお、以降の説明においては、理解の容易のため、１／４λの位相差を採用した場合について説明する。

図３を参照して既に説明したように、共振ミラー１２４および共振ミラー１２２の振動周期は、それぞれの基準位相クロック回路から発振される同じ周期のクロック信号に基づいてフィードバック制御されている。本実施形態においては、共振ミラー１２４および共振ミラー１２２について設けられた各基準位相クロック回路は、両者のクロック信号波形の位相差が１／４λとなるように初期化される。したがって、光走査装置の動作開始当初は、図４に破線で囲んで示すように、先端同期センサ１３２および１３６の検出パルス、ならびに、後端同期センサ１３４および１３８の検出パルスが周期的に一致する。

しかしながら、共振ミラー１２４および共振ミラー１２２の振動周期は、固有のフィードバック制御系によって別々に制御されているため、時間の経過に伴って、共振ミラー１２４の振動波形と共振ミラー１２２の振動波形の位相関係が変化する場合がある。図５は、共振ミラー１２４の振動波形と共振ミラー１２２の振動波形の位相差が１／４λよりも大きくなった場合の振動波形ならびに各同期センサの検出信号のタイミング図を示す。位相差が１／４λよりも大きくなった場合、図５に示されるように感光体ドラム２０２（Ｃ）を走査する期間と感光体ドラム２０１（Ｂ）を走査する期間が重なったり、あるいは、いずれの感光体ドラムも走査しない期間が生じたりする。このことは、位相差が１／４λよりも小さくなった場合も同様である。一方、図６は、共振ミラー１２２の振動波形の振幅が大きくなった場合のタイミング図を示す。この場合もいずれの感光体ドラムも走査しない期間が生じ、走査効率が低下する。

この点につき、本実施形態の光走査装置１００においては、共振ミラー１２４の振動波形と共振ミラー１２２の振動波形の位相関係を一定に保持するための構成を備える。図７は、光走査装置１００における共振ミラー１２２，１２４の制御ブロック図を示す。共振ミラー１２４の振動周期は、同期センサ１３２，１３４の検出信号に基づいて、位相検出回路３０２、基準位相クロック回路３０４、フィードバック制御部３０８、駆動回路３０７によってフィードバック制御されており、共振ミラー１２４の振動周期は、同様に、同期センサ１３６，１３８の検出信号に基づいて、位相検出回路４０２、基準位相クロック回路４０４、フィードバック制御部４０８、駆動回路４０７によってフィードバック制御されている。その詳細については図３を参照して既に説明した通りである。

ここで、本実施形態においては、上述した共振ミラーごとに用意されたフィードバック制御手段に加え、位相関係フィードバック制御部５０２を設けることによって、共振ミラー１２４，１２２の振動波形の位相関係を一定に保持する。位相関係フィードバック制御部５０２は、位相比較器５０４と、コントロール部５０６を含んで構成されている。位相比較器５０４は、位相検出回路３０２が検出した位相と位相検出回路４０２が検出した位相とを比較して両者の位相差を検出する。コントロール部５０６は、位相比較器５０４が検出する位相差が設定目標値（１／４λ）に近づくように、基準位相クロック回路４０４の発振周波数をフィードバック制御する。具体的には、位相差（１／４λ）を設定目標値としてフィードバック制御演算を実行し、演算結果として導出された補正された発振周波数を基準位相クロック回路４０４に通知する。基準位相クロック回路４０４は、コントロール部５０６から通知された発振周波数に基づいてクロック信号を発振し、当該クロック信号に同期制御されて共振ミラー１２２が振動する。その結果、共振ミラー１２４の振動波形と共振ミラー１２２の振動波形の位相関係のずれが補正される。

なお、本実施形態においては、第１の結像光学系および第２の結像光学系は、感光体ドラム２０２（Ｃ）と感光体ドラム２０４（Ｙ）が同期して走査され、また、感光体ドラム２０１（Ｂ）と感光体ドラム２０３（Ｍ）が同期して走査されるように、共振ミラー基板１０２および共振ミラー基板１５２の動作タイミングが制御される。

上述した実施形態の各機能は、アセンブリ言語、Ｃ、Ｖｉｓｕａｌ Ｃ、Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｊａｖａ（登録商標）Ｂｅａｎｓ、Ｊａｖａ（登録商標）Ａｐｐｌｅｔ、Ｊａｖａ（登録商標）Ｓｃｒｉｐｔ、Ｐｅｒｌ、Ｒｕｂｙなど、レガシープログラミング言語やオブジェクト指向プログラミング言語などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、装置可読な記録媒体に格納して頒布することができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、光分岐手段の代替手段として、液晶素子やアクチュエータを使用して光路を切り替えることも考えられる。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１００…光走査装置
１０１,１５１…光源ユニット
１０２,１５２…共振ミラー基板
１０３,１５３…走査レンズ
１０４,１５４…光分岐手段
１０５,１０６,１５５,１５６…トロイダルレンズ
１０７〜１１２,１５７〜１６２…ミラー
１２２,１２４…共振ミラー
１３２,１３４,１３６,１３８,１４２,１４４,１４６,１４８…同期センサ
２００…画像形成装置
２０１,２０２,２０３,２０４…感光体ドラム
２０５…中間転写ベルト
３０２,４０２…位相検出回路
３０３…位相比較器
３０４,４０４…基準位相クロック回路
３０５…コントロール部
３０６…共振ミラー駆動信号生成部
３０７,４０７…駆動回路
３０８,４０８…フィードバック制御部
５０２…位相関係フィードバック制御部
５０４…位相比較器
５０６…コントロール部

特許第３５４３４７３号公報 特開２００８−７０７９８号公報

Claims (3)

1. タンデム式の画像形成装置に露光手段として搭載される光走査装置であって、
   走査光源から出射する光を２つに分岐する光分岐手段と、
   分岐した一方の光を偏向するための第１の共振ミラーと分岐した他方の光を偏向するための第２の共振ミラーが並設された光偏向部と、
   前記第１の共振ミラーによって偏向された光が第１の感光体を走査するように該第１の共振ミラーを正弦波駆動するための第１の駆動制御部と、
   前記第２の共振ミラーによって偏向された光が前記第１の感光体に隣接する第２の感光体を走査するように該第２の共振ミラーを正弦波駆動するための第２の駆動制御部と、
   各前記感光体の両端外側に配設される先端同期センサおよび後端同期センサと、
   前記第１の共振ミラーの第１の駆動波形と前記第２の共振ミラーの第２の駆動波形の位相関係を一定に保持するための位相関係制御部と、
   を含み、
   前記位相関係制御部は、
   前記第１の感光体を走査する光がその往路において前記先端同期センサに検出されるタイミングと前記第２の感光体を走査する光がその復路において前記先端同期センサに検出されるタイミングとが一致し、前記第１の感光体を走査する光がその復路において前記後端同期センサに検出されるタイミングと前記第２の感光体を走査する光がその往路において前記後端同期センサに検出されるタイミングとが一致するように、前記第２の駆動制御部を制御するクロック信号の発振周波数を補正する、
   光走査装置。
2. 前記位相関係制御部は、
   前記クロック信号の発振周波数をフィードバック制御する、
   請求項１に記載の光走査装置。
3. 請求項１または２に記載の光走査装置を露光手段として搭載するタンデム式の画像形成装置。