JP5769649B2 - 光走査装置、画像形成装置 - Google Patents
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この種の光走査装置において、偏向器として反射面の等速回転により光を走査させるポリゴンミラーを用いる場合には感光体上における光の走査速度を等速にすることができる。一方、偏向器として反射面の往復揺動により光を走査させるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーと称される正弦揺動ミラーを用いる場合には感光体上における主走査方向の光の走査速度が正弦波形を描いて変化することになる。そのため、MEMSミラーを用いた光走査装置では、感光体上における光の走査速度を等速に変換するため逆正弦特性を有するアークサインレンズが走査レンズとして用いられる(特許文献1、2参照)。
具体的に、像高中心からの距離(像高)をY、焦点距離をf、偏向角をθとしたとき、像高中心に対するビーム径変化率η(Y)は以下の(11)式で表される。なお、y=fθmax・arcsin(θ/θmax)で表される。
例えば、f=180[mm]、θmax=50[°]、Y=110[mm]の場合は、ビーム径変化率η(Y)=1.3078となる(図7に示す比較例)。
これに対し、例えば特許文献1では、透光性液体及び遮光性液体を有する液体レンズに印加する電圧を像高毎に制御してアパーチャー径を変化させることによりビーム径を均一化することが記載されている。
この斜入射方式が採用された光走査装置では、MEMSミラーのミラー面積を小さくすることができるが、感光体ドラムなどの走査面上に走査される光の走査線に湾曲が生じることが問題となる。
そのため、例えば特許文献2では、走査レンズを副走査方向に偏心させて、光束をレンズ頂点から大きく離れた位置に通すことにより、走査湾曲を低減することが提案されている。
従って、本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、斜入射方式の入射光学系が採用された構成において結像性能の劣化を抑制しつつ走査湾曲を低減することのできる光走査装置及び画像形成装置を提供することにある。
このように構成された前記光走査装置では、前記屈折面において前記母線の傾きと前記偏向光のビームの傾きとが一致し、前記偏向光の短軸の向きと前記屈折面の光学的パワーの向きとが一致するため、良好な結像性能を得ることができる。また、前記屈折面において前記母線の傾きと前記偏向光の走査線の傾きとに差異があるため前記入射光学系を用いた場合に生じる走査湾曲を低減することが可能となる。
なお、前記入射光学系は、例えば前記偏向器の反射面に対して副走査方向に4°以上傾斜した位置から光を入射するものである。これにより、前記偏向器から前記走査レンズの入射面までの距離を20mm、前記走査レンズの厚みを7mm、副走査方向の高さを5mmとした場合でも、前記偏向器への入射光と前記偏向器からの偏向光との干渉を避けることができる。従って、前記光走査装置の小型化を図ることができる。
また、前記走査レンズ各々は、前記走査面上における副走査方向の走査湾曲の最大幅が0.1mm以下になるようにレンズ面のパワーが設定されると共に、前記偏向器と前記走査面とが共役関係になるように配置される。さらに、前記走査レンズの少なくとも一つは、主走査位置により副走査方向の曲率半径が変化するものである。そして、前記走査光学系は、前記偏向器と前記走査面とにおける各像高の副走査方向の横倍率と像高中心の横倍率の比が0.9以上1.1以下の範囲である。これにより、副走査方向のビーム径の変動及びマルチビームの副走査方向のビーム間ピッチの変動を共に低減することができる。
ここに、断面形状zは前記屈折面の面頂点(x=0、y=0)でz=0としたときのz軸方向への変位量、Kは円錐係数、yは光軸からの距離(像高)、Ryは主走査断面における曲率半径、R0は副走査断面における曲率半径、A2iは非球面係数、B2i、D2iは光路差関数の係数である。
これにより、前記屈折面の面形状が数式で定義されるため、例えば光学ソフト等を用いて前記屈折面の面形状を自動設計させることができる。
本発明の実施の形態に係るプリンター1は、外部の情報処理装置(パーソナルコンピューター等)などから入力された画像データに基づいて画像形成処理(印刷処理)を実行する電子写真方式の画像形成装置である。
なお、前記プリンター1は本発明に係る画像形成装置の一例であって、本発明に係る画像形成装置は、複写機、ファクシミリ装置、複合機などの各種の画像形成装置に適用可能である。
まず、前記帯電装置12によって前記感光体ドラム11が所定の電位に一様に帯電される。次に、前記LSU10により前記感光体ドラム11の表面に画像データに基づく光が照射される。これにより、前記感光体ドラム11の表面に静電潜像が形成される。そして、前記感光体ドラム11上の静電潜像は前記現像装置13によってトナー像として現像(可視像化)される。なお、前記現像装置13には、前記トナーコンテナ14からトナーが補給される。続いて、前記感光体ドラム11に形成されたトナー像は前記転写ローラー15によって用紙に転写される。その後、用紙に転写されたトナー像は、その用紙が前記定着ローラー17及び前記加圧ローラー18の間を通過して排出される際に前記定着ローラー17で加熱されて溶融定着する。なお、前記感光体ドラム11の電位は前記除電装置16で除電される。
ところで、前記反射面251の往復揺動により光が走査されると、前記走査光学系30において速度補正が行われない場合には、前記走査面111上における光の走査速度は正弦波形(非等角速度の一例)を描いて変化することになる。具体的に、前記走査面111上における光の走査速度は像高端部において0となる正弦波形を描く。そのため、前記LSU10では、前記走査光学系30において、前記MEMSミラー25による前記走査面111上における光の走査速度を等速に変換する。
また、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27の光学的パワーは、前記MEMSミラー25と前記走査面111とにおける各像高の副走査方向の横倍率と像高中心の横倍率の比は0.9以上1.1以下の範囲となるように設定されている。各像高における副走査方向のビーム径を均一化し、かつマルチビームの副走査方向のビーム間ピッチの変動を共に低減することができる。さらに、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27の少なくとも一方は主走査位置により副走査方向の曲率半径が変化するものである。なお、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27は、前記MEMSミラー25と前記走査面111とが共役関係になるように配置されている。これにより、前記MEMSミラー25の面倒れによる副走査方向の走査位置ズレを低減すると共に、前記MEMSミラー25の副走査方向のサイズを小さくすることができる。
また、前記走査光学系30のうち前記MEMSミラー25に最も近い位置に配置された前記第1走査レンズ26は、前記MEMSミラー25側の屈折面(入射面)の副走査方向のパワーが負である。これにより、前記第1走査レンズ26及び前記MEMSミラー25の距離を短くすることができ、前記第1走査レンズ26のサイズを小型化することができる。
なお、本発明に係る走査光学系は、前記走査光学系30のように二枚の走査レンズ(第1走査レンズ26及び第2走査レンズ27)を含むものに限らず、一枚又は三枚以上の走査レンズを含むものであってもよい。また、前記走査光学系に含まれる走査レンズは逆正弦特性を有するものに限らず、偏向器による走査面上における光の走査速度の変化態様に対応して、その光の走査速度を等速に変換する特性を有するものであればよい。
具体的に、前記入射光学系20は、図3に示す副走査断面において、前記MEMSミラー25から前記走査面111上に走査される偏向光L1の光路よりも下方に配置されている。そして、前記入射光学系20は、前記MEMSミラー25の反射面251に対して副走査方向に予め設定された所定角度αだけ傾斜した位置から前記入射光L0を入射させる。本実施形態では、前記所定角度αが5°であり、前記入射光L0と前記偏向光L1との開き角度(2α)が10°である。なお、前記MEMSミラー25への入射光と前記MEMSミラー25からの偏向光との干渉を避けるため前記所定角度αは4°以上であればよい。この場合、前記MEMSミラー25から前記第1走査レンズ26の入射面までの距離が20mmと近く、前記第1走査レンズ26の厚みを7mm、副走査方向の高さを5mmとした場合でも、前記MEMSミラー25への入射光L0と前記MEMSミラー25からの偏向光L1との干渉を避けることができる。これにより、前記LSU10の小型化を図ることもできる。
具体的に、前記入射光学系20では、前記光源21、前記コリメータレンズ22、前記アパーチャー23、及び前記シリンドリカルレンズ24における光軸が、図3に示す副走査断面上に位置するように配置されている。即ち、前記反射面251が往復揺動の回転中心に位置する場合(反射面251及び走査面111が平行な場合)、図2に示す主走査断面において前記入射光L0は前記反射面251に対して垂直(主走査方向の傾斜角0°)に入射する。従って、前記LSU10では、前記MEMSミラー25の反射面251のミラー径を極力小さくすることができる。
図4に示すように、前記センター入射方式が採用された前記LSU10では、前記MEMSミラー25からの偏向光L1の走査線L11が、yx平面において像高端部から像高中心に向けて上方に湾曲する。
(A)子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲している。
(B)zx平面に平行な平面による断面形状が楕円である。
(C)前記楕円におけるレンズの光軸方向の極値が前記母線上にある。
(D)母線をレンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧状である。
ここに、断面形状zは前記屈折面Rの面頂点(x=0、y=0)でz=0としたときのz軸方向への変位量、Kは円錐係数、yは光軸からの距離(像高)、Ryは主走査断面における曲率半径、R0は副走査断面における曲率半径、A2iは非球面係数、B2i、D2iは光路差関数の係数である。
また、前記条件(B)、(C)が満たされると、前記屈折面Rの副走査断面における楕円形状がその副走査断面におけるz軸方向の極値を頂点として対象となり、前記楕円の極値が母線上に位置する。従って、前記屈折面Rの副走査断面における形状が特定されるため、前記屈折面Rの面形状の検証を容易に行うことができる。特に、前記屈折面Rの面形状が前記(2)式に示す数式で定義されるため、例えば光学ソフト等を用いて前記屈折面Rの面形状を自動設計させることが可能となる。
(E)子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲している。
(F)母線をレンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧である。
(G)前記円弧におけるレンズの光軸方向の極値が前記母線上にある。
(H)zx平面に平行な平面による断面形状が楕円状である。
この場合にも前記屈折面Rの副走査断面における形状が特定されるため、前記屈折面Rの面形状の検証を容易に行うことができる。
一方、光束の直径(アパーチャー23の開口径)をDAP、焦点距離をf、収束角をβ、ビーム径をDrとしたとき、(DAP/2)/f=tan(β/2)、Dr=k(λf/DAP)の関係が成立する。即ち、光束の直径DAPが同じであるとすれば、焦点距離f(光路長)が長くなるほど、収束角βは小さくなりビーム径Drは大きくなる。
そこで、前記LSU10において、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27は、zx平面に投影される光路長を像高端部から像高中心に向けて長くするように構成されている。これにより、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27における像高中心の収束角が像高端部の収束角よりも小さくなって像高中心のビーム径が像高端部のビーム径に近づく。そのため、前記LSU10では、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27としてアークサインレンズ等を用いた場合に生じる像高によるビーム径の差異が緩和される。そして、このような構成は、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27のレンズの面形状や配置状態などを調整することにより簡素な構成で実現可能である。
図5に示されているように、像高中心に入射する偏向光L1が像高端部に入射する偏向光L1に比べて前記母線L12からずれた位置を通過すると、副走査断面における光路長は像高端部よりも像高中心の方が長くなる。そのため、前記走査光学系30における像高中心の焦点距離が像高端部の焦点距離よりも長くなり、前記走査光学系30における像高中心の収束角が像高端部の収束角よりも小さくなって像高中心のビーム径が像高端部のビーム径に近づく。従って、前記LSU10では、前記走査光学系30のレンズの面形状や配置状態などを調整することにより簡素な構成で、前記走査光学系30を用いた場合に生じる像高によるビーム径の差異を緩和することができる。
また、前記走査面111における像高中心の副走査方向の結像位置のシフト量を像高端部の副走査方向の結像位置のシフト量よりも大きくすることができるため前記走査面111上における走査湾曲を低減することができる。従って、前記プリンター1では、前記LSU10によって前記感光体ドラム11上に形成される静電潜像に歪みが生じず、高画質の画像形成を実現することができる。
ここに、図6は、前記屈折面Rにおける前記偏向光L1のビームの傾きa1と前記母線L12の傾きb1との関係を示す図である。図6において、前記偏向光L1の走査線L11は、前記偏向光L1の中心を表す主光線r1(x1,y1)の軌道を示している。なお、前記偏向光L1のビームの傾きa1は、前記偏向光L1の長軸端部を表す周辺光線をr2(x2,y2)、r3(x3,y3)としたとき、(x2−x3)/(y2−y3)で求められる。
具体的に、前記LSU10では、前記屈折面Rにおける母線の傾きと前記偏向光L1のビームの傾きとが一致するように前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27の面形状及び配置状態を所定のパラメータに従って定めればよい。これにより、前記屈折面Rにおける主走査方向の各位置において前記母線L12の傾きと前記偏向光L1のビームの傾きとが一致すれば、楕円形の線上光束である前記偏向光L1のビームの短軸の向きと前記屈折面Rの光学的パワーの向きとが一致する。従って、前記LSU10において、前記屈折面Rにおける母線の傾きと前記偏向光L1の走査線L11の傾きとが一致しない場合であっても、前記走査面111上における結像性能の低下を抑制することができる。
即ち、このような構成によれば、前記走査面111上における結像性能の低下を抑制しつつ、前記走査面111上における走査湾曲を防止し、且つ像高によるビーム径の差異を緩和することができる。
具体的に、前記アパーチャー23は、主走査方向の半径が1.98mm(長軸)、副走査方向の半径が0.95mm(短軸)の楕円形状である。前記第1走査レンズ26の入射面と前記MEMSミラー25の反射面251との距離は−20mmである。なお、面間距離は次の面の中心までのz軸方向の距離で、都合により負の数を用いている。
また、前記第1走査レンズ26について、レンズの光軸をzx平面において主走査方向(y軸)を軸に−7.2721°回転させると共に、副走査方向(x軸)において0.0043mmシフト(オフセット)させた。前記第2走査レンズ27については、レンズの光軸をzx平面において主走査方向(y軸)を軸に−52.7446°回転させると共に、副走査方向(x軸)において−2.36mmシフト(オフセット)させた。なお、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27の回転角度(傾き)やシフト量の値は下記表1のパラメータに対応して定めた一例に過ぎない。例えば、前記入射光学系20が、前記MEMSミラー25の反射面251に対して副走査方向に5°傾斜した位置から光を入射した場合、前記第1走査レンズ26の回転角度が−8°〜−4°、前記第2走査レンズ27の回転角度が−55°〜−20°であり、前記第1走査レンズ26のシフト量は0.003〜0.6mm、前記第2走査レンズ27のシフト量は−2.5〜1mmであることが考えられる。これにより、像高端部では前記屈折面Rの母線に極力近い位置に光が入射され、像高中心では前記屈折面Rの母線から離れた位置に光が入射されるため、像高端部よりも像高中心の光路長が長くなる。
さらに、前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27について、前記(2)式における各パラメータを下記表1のように設定した。ここに、前記第1走査レンズ26の入射面を屈折面R1、出射面を屈折面R2、前記第2走査レンズ27の入射面を屈折面R3、出射面を屈折面R4とする。下記表1のパラメータは、前記母線L12の傾きと前記偏向光L1のビームの傾きとを概ね一致させることのできる前記第1走査レンズ26の屈折面R1及び屈折面R2の形状を特定するものである。
図7から、本実施例1に係る前記LSU10では、像高端部(y=110)でもビーム径比ηは1.2以下であり、前述した(11)式で求められるビーム径比ηの理論値(比較例)よりもビーム径の差異が小さくなっていることがわかる。
さらに、図12は前記LSU10において前記光源21が複数設けられた場合の前記走査面111上におけるビームピッチを示すグラフである。図12から、複数の前記光源21から照射された光の前記走査面111上におけるビームピッチの変動は0.1μm以下となっており、マルチビームに十分対応可能であることがわかる。
前記表2に示すパラメータに従って設計された前記第1走査レンズ26及び前記第2走査レンズ27を用いた場合にも、前記屈折面R1及び前記屈折面R2における前記母線L12と前記偏向光L1の走査線L11との離間距離が像高端部から像高中心に向けて長くなる。従って、本実施例2に係る前記LSU10でも、zx平面に投影される光路長が像高端部から像高中心に向けて長くなり、像高中心のビーム径が増大するため、像高中心におけるビーム径と像高端部におけるビーム径との差異が緩和される。
10:LSU(光走査装置)
11:感光体ドラム
111:走査面
12:帯電装置
13:現像装置
14:トナーコンテナ
15:転写ローラー
16:除伝装置
17:定着ローラー
18:加圧ローラー
19:給紙カセット
20:入射光学系
21:光源
22:コリメータレンズ
23:アパーチャー
24:シリンドリカルレンズ
25:MEMSミラー
251:反射面
252:回動軸
26:第1走査レンズ
27:第2走査レンズ
30:走査光学系
Claims (8)
- 反射面に入射する光を前記反射面の正弦揺動により予め定められた走査面上に走査させる偏向器と、前記偏向器により走査される光を前記走査面に結像する一又は複数の走査レンズと、前記偏向器の反射面に対して副走査方向に予め定められた角度傾斜した位置から光を入射させる入射光学系と、を備えてなる光走査装置であって、
一又は複数の前記走査レンズが有する屈折面のうち少なくとも一つの屈折面は、主走査方向の各位置において、子線頂点を結ぶ母線の傾きと前記偏向器から前記屈折面に入射する偏向光のビームの傾きとが一致し、前記母線の傾きと前記偏向光の走査線の傾きとに差異があることを特徴とする光走査装置。 - 前記走査レンズのうち前記偏向器に最も近い位置に配置された走査レンズの前記偏向器側のレンズ面の副走査方向のパワーが負である請求項1に記載の光走査装置。
- 前記入射光学系は、前記偏向器の反射面に対して副走査方向に4°以上傾斜した位置から光を入射するものである請求項1又は2のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記走査レンズ各々は、前記走査面上における副走査方向の走査湾曲の最大幅が0.1mm以下になるようにレンズ面のパワーが設定されると共に、前記偏向器と前記走査面とが共役関係になるように配置されており、
前記走査レンズの少なくとも一つは、主走査位置により副走査方向の曲率半径が変化するものであって、
前記走査光学系は、前記偏向器と前記走査面とにおける各像高の副走査方向の横倍率と像高中心の横倍率の比が0.9以上1.1以下の範囲である請求項1〜3のいずれかに記載の光走査装置。 - 主走査方向の軸をy軸、副走査方向の軸をx軸、前記x軸及び前記y軸に垂直な方向の軸をz軸とした場合、
一又は複数の前記走査レンズが有する屈折面のうち少なくとも一つの屈折面は、前記母線が副走査方向に湾曲しており、zx平面に平行な平面による断面形状が楕円であると共に前記楕円における前記走査レンズの光軸方向の極値が前記母線上にあり、且つ前記母線を前記走査レンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧状である請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置。 - 前記屈折面の光軸が前記z軸上に配置された状態において、前記母線をyz平面に投影した形状をf(y)、前記母線をyx平面に投影した形状をg(y)、前記投影母線に垂直な平面による断面形状の円弧曲線をrs、zx平面による断面形状の楕円曲線をrlとしたとき、前記zx平面による前記屈折面の断面形状zは、下記(1)式で表される楕円である請求項5に記載の光走査装置。
ここに、断面形状zは前記屈折面の面頂点(x=0、y=0)でz=0としたときのz軸方向への変位量、Kは円錐係数、yは光軸からの距離(像高)、Ryは主走査断面における曲率半径、R0は副走査断面における曲率半径、A2iは非球面係数、B2i、D2iは光路差関数の係数である。 - 一又は複数の前記走査レンズが有する屈折面のうち少なくとも一つの屈折面は、前記母線を前記走査レンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧であると共に前記円弧における前記走査レンズの光軸方向の極値が前記母線上にあり、且つ前記zx平面に平行な平面による断面形状が楕円状である請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の光走査装置を備えてなる画像形成装置。
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