JP5792969B2 - 光書き込みヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光書き込みヘッド及び画像形成装置に関する。特に、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等に用いられる、レンズアレイにより複数の発光素子を被照射面上に投影し結像スポットを形成する光書き込みヘッド、及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真方式の複写機等に用いられる光書き込みヘッドにおいては、ＬＥＤ等の発光素子を複数配列した発光素子アレイと、像担持体である感光ドラムの間に、屈折率分布が形成されたロッドレンズを複数配列したロッドレンズアレイを配置している。
画像信号に応じて変調された光束を発光素子から放射し、ロッドレンズアレイにより感光ドラムの面上にスポット状に集光することで、画像記録を行っている。
このような光書き込みヘッドにおいては、より容易に組立て可能な構成が望まれている。

ロッドレンズアレイと発光素子アレイ間の相対位置が所定の設定値からずれると、入射瞳及び射出瞳の形状が変化し、感光ドラムの面上に形成されるスポットの光量や形状に変化が生じる。
その結果、記録された画像に濃度むら、色変わりが発生する。そのため、ロッドレンズアレイと発光素子アレイの相対的な位置を精密に合わせる必要がある。
従来、このようなスポット形状変化に起因する色変わりを低減可能な手段として、特許文献１では感光ドラム面上におけるスポット形状が、主走査方向において各色が同じスポット形状に変化するように位置決めするカラー画像形成装置が提案されている。

特開２００６−１５９４５６号公報

上記従来のものにおいては、各色のスポット形状の変化を等しくなるようにすることにより、色変わりの低減を図るものであることから、つぎのような課題を有している。
すなわち、各色のスポット形状を等しくするためには、各色のスポット形状の変化が等しくなるよう調整する必要がある。
そのため、発光素子アレイとロッドレンズアレイの相対的な位置を精密に合わせる必要があることから、精密な位置合わせのための調整手段または組立て時の調整工程が必要となり、光書き込みヘッドが高コスト化する。

本発明は、上記課題に鑑み、従来例のように発光素子アレイとロッドレンズアレイ間の精密な位置合わせを必要とせず、簡易な構成で低コスト化を図ることが可能となる光書き込みヘッド及び画像形成装置の提供を目的とする。

本発明の光書き込みヘッドは、複数の発光素子を有する発光素子アレイと、前記発光素子アレイと光の照射により潜像が形成される感光部の像面との間に配置された、前記発光素子から放射された光による像を前記像面に形成するための光学手段と、を有する光書き込みヘッドであって、前記光学手段は、２次元回折格子を含、前記像面に形成される像は、前記発光素子から放射された光の前記２次元回折格子による回折像であることを特徴とする。

本発明によれば、従来例のように発光素子アレイとロッドレンズアレイ間の精密な位置合わせを必要とせず、簡易な構成で低コスト化を図ることが可能となる光書き込みヘッド及び画像形成装置を実現することができる。

本発明の実施形態における光書き込みヘッドの構成を説明する概略図。 本発明の実施形態の光書き込みヘッドにおける回折格子の概略図。 本発明の実施形態の光書き込みヘッドにおける原理を説明する図。 本発明の実施形態の光書き込みヘッドにおける原理を説明する図。 本発明の実施例１における光書き込みヘッドの説明図。 本発明の実施例２における光書き込みヘッドの説明図。 本発明に適用することができる発光素子について説明する図。

以下、本発明の実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、光書き込みヘッド１００の主走査方向と平行な面での断面概略図を示している。
図１において、１０１ａは、基板１０４上に配列された発光素子である。
発光素子１０１ａは、平行光を放射する光源部によって構成されている。
また、このような複数の発光素子１０１ａを主走査方向に配列することにより、発光素子アレイ１０１が構成されている。
１０２は、発光素子アレイ１０１と像面１０３との間に配置された光学手段を構成する回折格子である。
回折格子１０２により、発光素子１０１ａから光軸と平行に放射された光１０５によって、像面１０３上に像が形成されるように構成されている。
発光素子１０１ａとしては、たとえば半導体レーザ、ＬＥＤ、有機ＥＬなど、公知の発光素子を用いることができる。
また、像面１０３を、光の照射により潜像が形成可能な感光ドラム（感光部）で構成することで、本発明の光書き込みヘッド１００を用いた画像形成装置を構成することができる。

図２に、本発明の実施形態の光書き込みヘッドにおける回折格子の概略図を示す。
図２（ａ）は主走査方向、及び副走査方向と平行な面における回折格子１０２の概略図である。
図２（ａ）において、回折格子１０２は、背景部２０２と、周期的に配列された開口部２０１とから構成されている。
図２（ａ）の例では、開口部２０１が主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向の２方向に周期性を有して配置されることで、回折格子１０２は２次元回折格子を構成している。具体的には、背景部を構成する遮光部中に開口部２０１を主走査方向と副走査方向の２方向に周期性を有して配置することで、回折格子１０２を２次元周期構造を有する構造に構成することができる。
背景部２０２は、開口部２０１とは屈折率の異なる媒質、または発光素子１０１ａからの光を反射・吸収する光を透過させない特性を有する遮光性の媒質による遮光部で構成されている。
なお、図２（ａ）中の２０３は、開口部２０１の幅２０３であり、２０４は開口部２０１の周期２０４である。
図２（ｂ）に、発光素子アレイ１０１を、主走査方向及び副走査方向と垂直な方向から見た時の模式図を示す。
図２（ｂ）において、発光素子アレイ１０１は、発光素子１０１ａを光源周期２０５にて主走査方向に配列し構成されている。
画像信号に応じて発光素子アレイ１０１を変調することで、像面１０３の位置に配置された感光ドラムに画像記録を行うことができる。

図３（ａ）は、回折格子１０２に発光素子１０１ａから放射された光１０５による、光の回折の様子を説明する図である。
回折格子１０２に光１０５が入射すると、開口部２０１および背景部２０２により回折され、回折光３０１が生じる。各回折光３０１が伝搬することにより、像面１０３上に回折像が形成される。
光１０５が回折格子１０２に入射する範囲が限られる時、像面１０３にて図３（ｂ）に示す光強度分布を得ることができる。
図３（ｂ）は、横軸に主走査方向の像面１０３上の座標を示し、縦軸に光強度を示している。
光１０５が入射する範囲が限られると高次の回折光強度が低くなり、像面１０３上において０次回折光３０２を主としたスポット状の光強度分布を得ることができる。
なお、ピーク３０３、及び３０４はそれぞれ１次回折光、２次回折光の光強度分布である。

図４（ａ）は、回折格子１０２の中心と、発光素子１０１ａから放射された光１０５の中心が一致しているときの、回折格子１０２によるスポット中心位置を説明する図である。
図４（ｂ）は回折格子１０２の中心４０３と、発光素子１０１ａから放射された光１０５の中心４０２がずれたときの、スポット中心位置を説明する図である。図４（ａ）では、光１０５が回折格子１０２により回折された透過回折光４０４は、範囲４０５から像面１０３に向かって伝搬し、範囲４０５の中心位置と等しい位置４０１にて透過回折光４０４の位相がそろい、スポット中心を形成する。範囲４０５と光１０５の中心位置は等しい位置にあるため、像面１０３上のスポット中心位置は光１０５の中心位置と等しくなる。
一方図４（ｂ）では、光１０５が回折格子１０２により回折された透過回折光４０６は、範囲４０７から像面１０３に向かって伝搬し、範囲４０７の中心位置４０２にて透過回折光４０６の位相がそろう。
すなわち、範囲４０７の中心位置と光１０５の中心位置が等しいときには、像面１０３上のスポット中心位置は光１０５の中心位置４０２と等しくなる。
回折格子１０２の背景部２０２が、遮光性の媒質で構成されているときには、範囲４０７の中心位置と光１０５の中心位置が必ずしも一致しないが、そのずれ量は回折格子１０２の周期に比べて小さい。
すなわち、像面上にて形成されるスポットの中心座標は回折格子１０２と発光素子１０１ａの相対的な位置関係にはよらず、発光素子１０１ａから放射される光１０５の中心位置により決まる。

以上の本実施形態の光書き込みヘッドの構成によれば、発光素子１０１ａと回折格子１０２の相対的な位置合わせを精密に行うことを必要とせず、簡易な構成で低コスト化を図ることが可能となる。
なお、本発明において、発光素子１０１ａから光軸と平行な光が放射されているが、光軸と完全に平行な光には限定されない。
望ましくは、発光素子１０１ａから放射される光の光線束が±１°以内とすることで、スポット径の小さい像を像面１０３上に形成することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光書き込みヘッドの構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例の光書き込みヘッド１００においては、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す回折格子１０２を用いている。
図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
回折格子１０２は、基板５０６上の開口部５０１と背景部５０２による周期的な屈折率分布を有する構造から構成されている。
背景部５０２と開口部５０１は、互いに屈折率が異なる透明材料により構成され、例えば開口部５０１を空気、背景部５０２は石英などの誘電体材料で構成することができる。

本実施例の回折格子１０２は、開口部５０１を空気で構成し、幅５０３が３８μｍを有し、周期５０４は４０μｍを有する。
さらに、背景部５０２は屈折率１．４１の透明材料で構成されている。厚さ５０５は１５０ｎｍを有している。このような回折格子１０２に発光素子１０１ａから波長５００ｎｍの平行光が半径５０μｍの領域に照射されている。

このような構成の光書き込みヘッド１００において、回折格子１０２から像面１０３までの距離を６ｍｍ離した時の、像面１０３上の光強度分布を図５（ｃ）に示した。
図５（ｃ）において、横軸は発光素子１０１ａの中心を基準とした像面上の主走査方向の位置であり、縦軸は光強度である。
０次光による半径２８μｍのスポット状の像が形成される。なお、本発明においては、像面上のピーク光強度の１／ｅｘｐ（２）にて像の半径を導出している。図５（ｄ）は、発光素子１０１ａと回折格子１０２の相対的な位置が主走査方向に１０μｍずれたときの、像面１０３上の光強度分布を示している。
発光素子１０１ａと回折格子１０２の相対位置がずれたとしても、像の中心位置は発光素子１０１ａと等しい位置に半径２８μｍの像が形成されている。
このように発光素子１０１ａと回折格子１０２の相対的な位置がずれた場合にも、発光素子１０１ａの中心位置と等しい像面１０３上の位置に像を形成することができる。

本実施例では、背景部５０２を開口部５０１とは屈折率の異なる透明部材により構成することで、位相差を用いた回折格子を構成している。
このような位相差式の回折格子においては、光の利用効率を高くすることができ、さらに位相差により１次光の影響を小さくすることができる。
そのため、スポット半径の小さい像を形成することができ、より高精細の印字が可能となる。
回折格子１０２は周期的な構造を有しているため、発光素子１０１ａと回折格子１０２の相対的な位置が回折格子１０２の周期以上にずれたとしても、スポット中心位置は発光素子１０１ａの中心位置により決まる。
したがって、発光素子アレイ１０１と回折格子１０２は精密に位置合わせする必要はない。

本実施例においては、正方形の開口部を配置したが、回折格子１０２に入射した光が回折され０次光によるスポット状の光強度分布を所望の像面に形成できればよい。
例えば、長方形や三角形などの多角形であってもよく、また円形や楕円形であってもよい。
望ましくは作製が容易となる正方形や円形がよい。また、本実施例においては開口部を正方格子の格子点に配置したが、三角格子であっても同様の効果を得ることができる。
また、本実施例においては、開口部５０１よりも背景部５０２の屈折率が高い構成としたが、開口部５０１と背景部５０２の間で位相差があればよく、開口部５０１の屈折率を背景部５０２の屈折率より高くしても同様の効果を得ることができる。
本実施例の構成では、光１０５により半径５０μｍの領域を照射している。その為、発光素子１０１ａを少なくとも１００μｍの周期で配列する必要がある。本実施例の光書き込みヘッド１００により１００μｍ以下の周期で像を形成する場合には、図２（ｂ）に示した例とは異なり、副走査方向にも複数列発光素子１０１ａを配列する。
像面１０３に配置した感光ドラムの回転と同期して、各列の発光素子１０１ａを変調することで所望の解像度で画像記録を行うことができる。

本実施例においては、開口部５０１の幅５０３と周期５０４の比を０．９５としたが、この値より大きくても、小さくてもよい。フラウンホーファー回折により、開口部５０１からの回折光を考慮すると、１次回折光強度は、次式で与えられる。

ここで、ｗは開口部５０１の幅５０３であり、ｐは周期５０４である。スポット径を小さくするためには、１次回折光強度が１／ｅｘｐ（２）よりも小さいことが望ましい。
すなわち、次式となる。

ｗ／ｐ＞０．７

従って、望ましくは、幅５０３と周期５０４の比が０．７よりも大きいことが望ましい。

［実施例２］
実施例２として、実施例１とは異なるより簡易に作製可能な回折格子１０２を用いた構成例について、図６を用いて説明する。
本実施例の光書き込みヘッド１００においては、図１に示す光書き込みヘッド１００において、回折格子１０２は正方形の開口部を正方格子の格子点に配列した構成を有する。
図６（ａ）は、回折格子１０２の上面図であり、背景部６０２と開口部６０１から構成されている。
また図６（ｂ）は回折格子１０２のＡ−Ａ’断面図であり、透明基板６０６上に回折格子１０２が配置されている。
背景部６０２は、発光素子アレイ１０１から放射される光を反射・吸収し、透過させない特性を有すればよい。例えば、銀などの金属を用いることができる。
透明基板６０６は、発光素子アレイ１０１から放射される光に対して透明であればよく、たとえば石英などを用いることができる。

本実施例の回折格子１０２は、開口部の幅６０３が３６μｍ、周期６０４が４０μｍ、厚さ６０５が１００ｎｍを有する周期的に開口部が配置された構造である。
発光素子１０１ａは、波長５００ｎｍの平行光が射出され、回折格子１０２上にて５０×５０μｍの領域に照射されている。
図６（ｃ）に、このような構成の光書き込みヘッド１００において、回折格子１０２から像面１０３までの距離を５．５ｍｍ離した時の、像面１０３上の光強度分布を示した。
図６（ｃ）において、横軸は発光素子１０１ａの中心位置を基準にした像面上の主走査方向の位置であり、縦軸は光強度である。
０次回折光と１次回折光による半径４６μｍの像が形成されている。
図６（ｄ）は、発光素子１０１ａと回折格子１０２の相対的な位置が主走査方向に１０μｍずれたときの、像面１０３上の光強度分布を示している。
図６（ｄ）において、横軸は発光素子１０１ａの中心位置を基準にした像面上の主走査方向の位置であり、縦軸は光強度である。
半径４８μｍの像が、発光素子１０１ａの中心から４μｍずれて形成されている。

本実施例の回折格子１０２では、背景部６０２が遮光性の媒質にて構成されているため、光強度分布の非対称性が大きくなり、発光素子１０１ａの中心位置から４μｍずれて像を形成している。
しかし、回折格子１０２と発光素子１０１ａの相対的な位置が大きくずれたとしても、回折格子１０２は周期的な構造を有しているために、像面１０３上に形成される像の中心位置は回折格子１０２の周期以上にずれることはない。
また、発光素子アレイ１０１における主走査方向に複数配列されている各発光素子間の周期である光源周期２０５（図２（ｂ））を、回折格子１０２の格子周期の整数倍とすることで、各発光素子１０１ａによる像の中心位置のずれが等しくなる。
その結果、像が形成される周期は発光素子アレイ１０１と等しくなる。
このように本実施例の光書き込みヘッド１００においては、発光素子アレイ１０１と回折格子１０２は精密に位置合わせする必要はなくなる。
本実施例の回折格子１０２では、背景部６０２を遮光性の媒質による遮光部で構成している。
遮光性の媒質としては、加工性のよい金属材料や均一な膜形成が可能な有機材料を用いることができるため、回折格子１０２をより容易に作製することができる。

本実施例においては、正方形の開口部を配置したが、回折格子１０２に入射した光が回折され０次光によるスポット状の光強度分布を所望の像面に形成できればよい。
例えば、長方形や三角形などの多角形であってもよく、また円形や楕円形であってもよい。
望ましくは作製が容易となる正方形や円形がよい。また、本実施例においては開口部を正方格子の格子点に配置したが、三角格子であっても同様の効果を得ることができる。
本実施例においては、開口部６０１の幅６０３と周期６０４の比を０．９０としたが、この値より大きくても、小さくてもよい。
望ましくは、開口部６０１の幅６０３と周期６０４の比を０．７よりも大きくすることで、像面１０３に形成されるスポットの中心位置と、発光素子１０１ａの中心位置の差を小さくすることができる。

図７（ａ）および図７（ｂ）に、本発明に適用することができる発光素子１０１ａを示す。
図７（ａ）は、面発光型の半導体レーザであり、活性層７０１をＤＢＲ反射部７０２及び７０３で挟んだ構成を有している。
このような構成においては、発光素子１０１ａから平行光が放射される。
図７（ｂ）はＬＥＤまたは有機ＥＬによる発光部７０４と光学素子７０５が一体形成された発光素子１０１ａである。
発光部７０４からの発散光をレンズで構成した光学素子７０５にて平行光に変換している。

１００：光書き込みヘッド
１０１：発光素子アレイ
１０１ａ：発光素子
１０２：回折格子
１０３：像面
１０４：基板
１０５：発光素子から放射された光

Claims (8)

1. 複数の発光素子を有する発光素子アレイと、
   前記発光素子アレイと光の照射により潜像が形成される感光部の像面との間に配置された、前記発光素子から放射された光による像を前記像面に形成するための光学手段と、を有する光書き込みヘッドであって、
   前記光学手段は、２次元回折格子を含み、
   前記像面に形成される像は、前記発光素子から放射された光の前記２次元回折格子による回折像であることを特徴とする光書き込みヘッド。
2. 前記２次元回折格子は、背景部と開口部を有し、
   前記２次元回折格子は、前記背景部の中に前記開口部が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに周期的に配置された、２次元周期構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光書き込みヘッド。
3. 前記背景部と前記開口部は、互いに異なる透明材料を有し、
   前記２次元回折格子は、前記２次元周期構造により周期的な屈折率分布を有することを特徴とする請求項２に記載の光書き込みヘッド。
4. 前記背景部は、遮光部材を有することを特徴とする請求項２に記載の光書き込みヘッド。
5. 前記複数の発光素子は、前記第１の方向に配列されており、
   前記２次元回折格子は、前記２次元周期構造の前記第１の方向における前記開口部の幅と前記開口部の周期との比が０．７よりも大きいことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の光書き込みヘッド。
6. 複数の発光素子の配列周期は、前記開口部の前記第１の方向の周期の整数倍であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の光書き込みヘッド。
7. 前記複数の発光素子は、第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向に配列されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光書き込みヘッド。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光書き込みヘッドと、前記光書き込みヘッドからの光の照射により潜像が形成される感光部と、を有することを特徴とする画像形成装置。

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