JP5610127B2 - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
この光走査装置は、例えばレーザ光源から射出されたレーザ光を光偏向器で偏向反射することによって像担持体等の被走査面上を走査させ、同時にレーザ光を画像信号に応じて強度変調(例えばオン、オフ)させることにより、被走査面に画像を書き込むようになっている。
上記の複数ビーム用の光源としては、発光点が1次元に所定の間隔で配置された半導体レーザアレイや、発光点が2次元に所定の間隔で配置された面発光レーザアレイ等が用いられる。このうち、前者については、複数の半導体レーザアレイ光源から発した光束を合成することによりビーム数を増加させたものは、面発光レーザアレイ同様に発光点が2次元に配置された光源とみなすことができる。
しかしながら、光学系に複数のアナモフィック素子を用いる場合、被走査面上の結像スポット径、被走査面上に形成される走査線の走査線間隔に対するアナモフィック素子の配置誤差の影響(配置誤差感度)が高くなるという問題があり、これを解決する方法は未だ提供されていないのが現状である。
〔1〕 光束により少なくとも1つの被走査面を走査する光走査装置であって、
複数の発光点を有する光源と、
前記光源からの複数の光束を整形し、光偏向手段まで導く光偏向手段前光学系と、
前記光偏向手段前光学系を介した複数の光束を偏向走査する光偏向手段と、
前記光偏向手段の偏向面で偏向走査された光束を被走査面上に結像させる走査光学系とを備え、
前記光偏向手段前光学系は、偏向走査方向と偏向走査垂直方向とで各々異なった負のパワーを有する第1の光学素子、偏向走査方向にのみパワーを有する第2の光学素子、及び偏向走査垂直方向にのみパワーを有する第3の光学素子を有し、前記第2の光学素子は、前記第1の光学素子から出射された光束を、偏向走査方向について平行光に変換して出射し、前記第2の光学素子及び前記走査光学系は、
|φm2|<|φFm|
(ただし、|φm2|は前記第2の光学素子の偏向走査方向のパワーの絶対値を表わし、|φFm|は前記走査光学系の偏向走査方向中央部における偏向走査方向のパワーの絶対値を表わす。)を満足することを特徴とする光走査装置である。
〔2〕 前記第1の光学素子による偏向走査垂直方向の中間結像点と、被走査面との共役倍率が1以下であることを特徴とする前記〔1〕に記載の光走査装置である。
〔3〕 前記第1の光学素子は、
|φm1|≦|φs1|
(ただし、|φm1|は第1の光学素子の偏向走査方向のパワーの絶対値を表わし、|φs1|は第1の光学素子の偏向走査垂直方向のパワーの絶対値を表わす。)を満足することを特徴とする前記〔1〕または〔2〕に記載の光走査装置である。
〔4〕 前記第1の光学素子が、樹脂製レンズであることを特徴とする前記〔1〕から〔3〕のいずれかに記載の光走査装置である。
〔5〕 前記第1の光学素子が、アナモフィックレンズであることを特徴とする前記〔1〕から〔4〕のいずれかに記載の光走査装置である。
〔6〕 前記第1の光学素子の入射面が、凹面または凸面であることを特徴とする前記〔1〕から〔5〕のいずれかに記載の光走査装置である。
〔7〕 前記第1の光学素子、前記第2の光学素子、及び前記第3の光学素子は、所定の配置位置に接着固定されていることを特徴とすることを特徴とする前記〔1〕から〔6〕のいずれかに記載の光走査装置である。
〔8〕 前記光源が、複数の発光点が所定の間隔に1次元に配列されたアレイ光源であることを特徴とする前記〔1〕から〔7〕のいずれかに記載の光走査装置である。
〔9〕 前記アレイ光源が、端面発光型半導体レーザアレイであることを特徴とする前記〔8〕に記載の光走査装置である。
〔10〕 前記光源は、複数個の前記アレイ光源からの光束が合成された光源であることを特徴とする前記〔8〕または〔9〕に記載の光走査装置である。
〔11〕 前記光源は、複数の発光点が所定の間隔に1次元に配列された発光点列を、所定の間隔で複数列配置した2次元アレイ光源であることを特徴とする前記〔1〕から〔7〕のいずれかに記載の光走査装置である。
〔12〕 前記2次元アレイ光源が、面発光レーザアレイであることを特徴とする前記〔11〕に記載の光走査装置である。
〔13〕 感光体と、前記感光体の表面を帯電させる帯電手段と、帯電した前記感光体の表面に光を照射して静電潜像を形成する光走査手段と、前記静電潜像にトナーを付着してトナー像を形成する現像手段と、前記感光体上の前記トナー像を記録媒体上に転写する転写手段と、前記記録媒体上の前記トナー像を定着する定着手段とを備え、
前記光走査手段が前記〔1〕から〔12〕のいずれかに記載の光走査装置であることを特徴とする画像形成装置である。
〔14〕 前記転写手段を複数備えることを特徴とする前記〔13〕に記載の画像形成装置である。
本発明の光走査装置を備えた画像形成装置は、初期的には形成画像品質の向上、経時的には形成画像品質の安定化を実現することができる。
また、本発明の光走査装置は、複数の発光点を有する光源と、前記光源からの複数の光束を整形し、光偏向手段まで導く光偏向手段前光学系と、前記光偏向手段前光学系を介した複数の光束を偏向走査する光偏向手段と、前記光偏向手段の偏向面で偏向走査された光束を被走査面上に結像させる走査光学系とを備え、前記光偏向手段前光学系は、少なくとも偏向走査垂直方向に負のパワーを有する第1の光学素子、偏向走査方向にのみパワーを有する第2の光学素子、及び偏向走査垂直方向にのみパワーを有する第3の光学素子を有する。
これら個々の発光点A1〜A10は、図1に示すコントローラ20からの画像データ信号14に従ってレーザドライバ15により発光駆動される。
すなわち、主走査方向においてアナモフィックレンズ3とシリンダレンズ7は、ビームエキスパンダを構成している。
その状態において、アナモフィックレンズ3とシリンダレンズ5とをセットで光軸方向に調整し、前記線像の結像位置を回転多面鏡6の偏向面6a位置に合わせることで、光源部と偏向面6a位置の共役配置関係を保持することができる。つまり、副走査方向においては、アナモフィックレンズ3とシリンダレンズ5はズームレンズを構成していることになる。これは、後述する走査光学素子27を含めた光学系全体の副走査方向倍率を微調整するのに利用することができ、特に、発光点が2次元配置された光源1を用いる場合に活用することができる。
本実施態様のように、発光点が1次元配置された光源であっても、光源部の回転調整機構を無くすことができる。
図3(A)は主走査方向の光束の挙動を示す図であり、図3(B)は副走査方向の光束の挙動を示す図である。なお、煩雑を避けるために、図3(A)及び(B)では、1つの光束(本実施態様においては、光源1は偶数個の発光点を持つため、各発光点A1〜A10の中心(発光点A5とA6の中間)に仮想発光点Acを設定し、その発光点Acから発した光束にしている)のみ示している。
なお、この本実施態様では10個の発光点を有する光源の場合を例示しているが、発光点数はこれに限定されず、2個以上であればよい。
ここで光軸とは、光偏向手段前に配置されている各レンズの入出射面形状を式によって表現するときに設定される原点を通る軸のことである。
被走査面13a上の各々の結像スポット(図示を省略する)は、各々の結像スポットを変調することによりマルチビームによる光記録が行われる。
本実施態様の場合、走査レンズ群27は走査光学系に相当し、ガラス製のレンズ8〜11と、ガラス製レンズ11と被走査面13aの間に配置された透明樹脂製のレンズ12を含む5枚構成である。
カップリングレンズ2、シリンダレンズ7、シリンダレンズ5の硝材としては、例えば、(株)オハラ製(登録商標)のL−BAL35、S−BSL7、S−BSL7(以上「登録商標」)等が挙げられる。
面番号(4)〜(13)が走査レンズ群27を構成する各レンズの面を示しており、面番号(4)及び(5)はそれぞれ両側球面レンズ8の入射面8aと出射面8bを、面番号(6)及び(7)はそれぞれ両側球面レンズ9の入射面9aと出射面9bを、面番号(8)及び(9)はそれぞれトーリックレンズ10の入射面10aと出射面10bを示しており、面番号(8)の入射面10aは平面に、面番号(9)の出射面10bがトーリック面となっている。
面番号(10)及び(11)はそれぞれシリンダレンズ11の入射面11aと出射面11bを示しており、面番号(10)の入射面11aが副走査方向シリンダ面に、面番号(11)の出射面11bが平面となっている。
面番号(12)及び(13)は、それぞれ両側非球面レンズ12の入射面12aと出射面12bを示しており、副走査方向に負の屈折力を有している。
面番号(14)は被走査面13aを示している。
数式(2)中のPmnは、下記表5に示した諸元で与えられる定数であり、これより両側非球面レンズ12の入射面12aと出射面12bの母線は光軸対称の非円弧曲線に、任意のyz断面における子線は光軸非対称の非円弧曲線になる。
図8(A)は被走査面13上の走査位置と主走査方向の像面湾曲との関係を示す図であり、図8(B)は被走査面13上の走査位置と副走査方向の像面湾曲との関係を示す図である。図中、B1、Bc、B10は、図2に示す複数の発光点A1〜A10のうち両端のA1及びA10と仮想中心Acから発した光束のデータを示している。走査幅は約±250[mm]である。
図8(C)は被走査面13上の走査位置とFθ性及びリニアリティ特性を示す図であり、図8(D)は被走査面13上の走査位置と副走査方向倍率の倍率比(画角0度位置を基準としている)の関係を示す図であり、走査幅内での倍率比バラツキは±0.1[%]以下である。図8(E)は被走査面13上の走査位置と結像性能(幾何RMS)の関係を示す図である。
図4に示すように、本発明の画像形成装置50は、感光体52と、感光体52の表面を帯電させる帯電手段51と、帯電した感光体52の表面に光を照射して静電潜像を形成する光走査手段53と、前記静電潜像にトナーを付着してトナー像を形成する現像手段と、前記感光体上の前記トナー像を記録媒体である画像記録用紙56に転写する転写手段と、前記記録媒体上の前記トナー像を定着する定着手段60とを備え、光走査手段53として、本発明の光走査装置を備える。
帯電装置51により帯電された感光体ドラム52の表面には、光走査装置53からレーザ光が照射され、静電潜像が形成される。その際、レーザ光は感光体ドラム52の表面の方線に対して所定の入射角で感光体ドラム52の表面を照射する。静電潜像を形成された感光体ドラム52を時計回り方向に回転して、現像装置54により静電潜像をトナーで現像してトナー像にする。
一方、搬送装置57〜59により画像記録用紙56を用紙トレイ等から搬送し、転写装置55において感光体ドラム52に圧接して、感光体ドラム52上のトナー像を画像記録用紙56上に転写し、定着装置60へと搬送する。
定着装置60は、プレヒータ61、ヒートローラ62並びにバックアップローラ63などから構成されており、それらのローラによって画像記録用紙56に対して加熱と圧力をかけて画像記録用紙56上のトナー像を定着する。このようにして、画像記録用紙56上に画像が形成される。
また、現像装置54が感光体ドラム52上の静電潜像にトナーを付着してトナー像を形成する現像手段に相当し、転写装置55が感光体ドラム52上のトナー像を画像記録用紙56上に転写する転写手段に相当し、定着装置60が画像記録用紙56上のトナー像を定着する定着手段に相当する。
図5に、本発明の光走査装置を4個用いたフルカラー画像形成装置の例を示す。
図5において、320〜323は本発明の光走査装置である。324〜327は光走査装置、感光体ドラム、現像装置などから構成される現像ユニットであり、垂直方向に配置されている。これらの現像ユニット324〜327は複数の色、例えばシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックに対応している。各現像ユニットの感光ドラム上に形成されたトナー像はベルト状の中間転写体328へ転写され重ね合わせられることによりフルカラーのトナー像となり、さらに転写器329により画像記録用紙330へ転写され、図示しない定着装置によって定着されてフルカラー画像が形成される。
よって、本発明の光走査装置を用い、初期的にビーム径、走査線間隔を所望の値に調整し、調整された状態を経時的に安定に保つことが肝要になる。
経時的な変化の要因としては環境温度変化による光学素子の特性変化があり、具体的には、半導体レーザの波長変化、樹脂製光学素子の屈折率変化の影響が大きいが、本発明では、初期的な走査線間隔の調整をアナモフィックレンズ3とシリンダレンズ5から構成されるズームレンズにより行い、ビーム径と走査線間隔の経時的な安定性をアナモフィックレンズ3により補償している。
光源に半導体レーザを使用する場合、その発振波長は温度が上昇すると長波長側にシフトする。また、光学系に樹脂性の素子を用いる場合、その屈折率は温度上昇に伴い低下する。このため、正のパワーの樹脂レンズをレンズ系に有する場合、温度上昇は、像面位置を奥側(光の進行方向)にシフトさせるように作用する。
図12は高温環境(環境温度60℃、光源の発振波長665nm)における主走査方向(図12(A))、副走査方向(図12(B))の像面湾曲特性である。
なお、走査光学系に含まれる樹脂レンズの屈折率変化Δnは、Δn=0.005[1/50℃]とした。
結像位置は温度上昇により主副両方向共にプラス側(光の進行方向)にシフトしているが、影響は副走査方向の方が大きく、走査位置中央付近でのシフト量は1.5mm(p-p)程度になる。
図9は、光偏向手段前光学系のアナモフィックレンズ3のみを樹脂製レンズにした場合の低温環境(環境温度10℃、光源の発振波長657nm)における主走査方向(図9(A))、副走査方向(図9(B))の像面湾曲特性である。
図10は高温環境(環境温度60℃、光源の発振波長665nm)における主走査方向(図10(A))、副走査方向(図10(B))の像面湾曲特性である。
像面湾曲は、走査全域で主走査方向は0.5mm(p-p)、副走査方向は1.0mm(p-p)程度に抑えられている。なお、アナモフィックレンズ3による温度補償は像面湾曲の抑制だけでなく走査線間隔の誤差も抑制される。
すなわち、シリンダレンズ7の主走査方向のパワーの絶対値を|φm2|、走査レンズ群27の主走査方向中央部における副走査方向のパワーの絶対値を|φFm|としたとき、
|φm2|<|φFm|、即ち、|φm2|/|φFm|<1を満足する。
ここで「主走査方向中央部」とは中央像高、換言すると被走査面に対し偏向光束が垂直に入射する位置である。この中央像高に入射する光束が受ける走査レンズ群の副走査方向のパワー(複数のレンズの場合、複数のレンズを一つの合成されたレンズとみなしている)の絶対値が|φFm|である。
この値は、図3(A)の光束図におけるアナモフィックレンズ3の中間結像点Im(虚像点)と被走査面の共役倍率である。
つまり、光走査装置光学系27の主走査方向においては、Imから被走査面は縮小系になっている。これにより、アナモフィックレンズ3の光軸回り配置角度誤差のみならず、光軸垂直方向に配置誤差があったとしてもその影響を緩和させることができる。
これは、光偏向手段前光学系を構成するレンズの配置位置を調整する際の調整箇所低減、及び調整工数低減にも寄与する。
上記表1から表4より、Isと被走査面との共役倍率は0.47であり、副走査方向においても縮小系とすることで配置誤差感度を抑制している。
|φm1|≦|φs1|
なお、|φm1|は第1の光学素子であるアナモフィックレンズ3の偏向走査方向のパワーの絶対値を表わし、|φs1|は偏向走査垂直方向のパワーの絶対値を表わす。
上式のように、主走査方向のパワー(φs1)と副走査方向のパワー(φm1)を非対称とし、いずれかのパワーを低くすることにより、低パワー側の配置誤差感度を抑制することができる。
本実施態様では、|φs1|/|φm1|≒0.14であり、主走査方向のパワーは副走査方向のパワーの1/7程度である。このため、アナモフィックレンズ3の配置誤差に対する光学諸特性への影響は、副走査方向の誤差より主走査方向の誤差の方が小さくなり、組立調整項目の削減や工数の低減を図ることができる。
2 カップリングレンズ
3 第1の光学素子(アナモフィックレンズ)
4 開口部材
5 第3の光学素子(シリンダレンズ)
6 光偏向手段(回転多面鏡)
6a 偏向面
7 第2の光学素子(シリンダレンズ)
8 ガラス製両側球面レンズ
9 ガラス製両側球面レンズ
10 ガラス製トーリックレンズ
11 ガラス製シリンダレンズ
12 樹脂製両側非球面レンズ
13 被走査対象物
13a 被走査面
14 画像データ信号
15 レーザドライバ
16 光偏向素子窓
17 光偏向素子ハウジング
18 開口部材
20 コントローラ
21 回転駆動制御信号
22 光偏向素子駆動回路
23 光検出器
24 画像記録用紙
27 走査光学系(走査レンズ群)
40〜42 光源列
50 画像形成装置
51 帯電装置
52 感光体ドラム
53 光走査装置
54 現像装置
55 転写装置
56 画像記録用紙
57、58、59 搬送装置
60 定着装置
61 プレヒータ
62 ヒートローラ
63 バックアップローラ
320、321、322、323 光走査装置
324、325、326、327 現像ユニット
328 中間転写体
329 転写器
330 画像記録用紙
400 ビーム合成素子
A1〜A10 発光点
Claims (14)
- 光束により少なくとも1つの被走査面を走査する光走査装置であって、
複数の発光点を有する光源と、
前記光源からの複数の光束を整形し、光偏向手段まで導く光偏向手段前光学系と、
前記光偏向手段前光学系を介した複数の光束を偏向走査する光偏向手段と、
前記光偏向手段の偏向面で偏向走査された光束を被走査面上に結像させる走査光学系とを備え、
前記光偏向手段前光学系は、偏向走査方向と偏向走査垂直方向とで各々異なった負のパワーを有する第1の光学素子、偏向走査方向にのみパワーを有する第2の光学素子、及び偏向走査垂直方向にのみパワーを有する第3の光学素子を有し、前記第2の光学素子は、前記第1の光学素子から出射された光束を、偏向走査方向について平行光に変換して出射し、前記第2の光学素子及び前記走査光学系は、
|φm2|<|φFm|
(ただし、|φm2|は前記第2の光学素子の偏向走査方向のパワーの絶対値を表わし、|φFm|は前記走査光学系の偏向走査方向中央部における偏向走査方向のパワーの絶対値を表わす。)を満足することを特徴とする光走査装置。 - 前記第1の光学素子による偏向走査垂直方向の中間結像点と、被走査面との共役倍率が1以下であることを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
- 前記第1の光学素子は、
|φm1|≦|φs1|
(ただし、|φm1|は第1の光学素子の偏向走査方向のパワーの絶対値を表わし、|φs1|は第1の光学素子の偏向走査垂直方向のパワーの絶対値を表わす。)を満足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。 - 前記第1の光学素子が、樹脂製レンズであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記第1の光学素子が、アナモフィックレンズであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記第1の光学素子の入射面が、凹面または凸面であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記第1の光学素子、前記第2の光学素子、及び前記第3の光学素子は、所定の配置位置に接着固定されていることを特徴とすることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記光源が、複数の発光点が所定の間隔に1次元に配列されたアレイ光源であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記アレイ光源が、端面発光型半導体レーザアレイであることを特徴とする請求項8に記載の光走査装置。
- 前記光源は、複数個の前記アレイ光源からの光束が合成された光源であることを特徴とする請求項8または9に記載の光走査装置。
- 前記光源は、複数の発光点が所定の間隔に1次元に配列された発光点列を、所定の間隔で複数列配置した2次元アレイ光源であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記2次元アレイ光源が、面発光レーザアレイであることを特徴とする請求項11に記載の光走査装置。
- 感光体と、前記感光体の表面を帯電させる帯電手段と、帯電した前記感光体の表面に光を照射して静電潜像を形成する光走査手段と、前記静電潜像にトナーを付着してトナー像を形成する現像手段と、前記感光体上の前記トナー像を記録媒体上に転写する転写手段と、前記記録媒体上の前記トナー像を定着する定着手段とを備え、
前記光走査手段が請求項1から12のいずれかに記載の光走査装置であることを特徴とする画像形成装置。 - 前記転写手段を複数備えることを特徴とする請求項13に記載の画像形成装置。
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