JP5930679B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は光走査装置に関し、特に複数の光束を偏向走査することで潜像を形成し、トナー等により可視化した像を転写部材に転写、定着させることで画像情報の記録を行うレーザビームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に好適な光走査装置に関するものである。

複数の光束を偏向走査することで潜像を形成する光走査装置は、電子写真プロセスを有するレーザビームプリンタやデジタル複写機等に広く利用されている。図１４は、従来の光走査装置の主走査（被走査面上をレーザビームが走査する方向）断面図を示している。複数の発光点を有する光源手段１０からは画像情報に応じて変調され明滅する複数の光束が射出され、コリメータレンズ２０を通過した後、シリンドリカルレンズ３０に入射する。シリンドリカルレンズ３０は、主走査方向と光軸の双方に直行する副走査方向にのみパワーを有しており、シリンドリカルレンズ３０を通過した各光束は開口絞り４０により光束幅を制限され、偏向手段であるポリゴンミラー５０の反射面５１の近傍に主走査方向に長い線像として結像される。ポリゴンミラー５０により反射偏向された各光束は、結像光学系６０により感光ドラム面等の被走査面７０上に光スポットとして結像され、ポリゴンミラー５０が回転することにより被走査面７０上を光スポットが走査することで潜像を形成する。

しかしながら、光源手段１０や結像光学系６０等の光学部品に製造時や組立時に傾きやシフトといった製造誤差・組立誤差が生じると、複数の光束が被走査面７０上で光スポットとして結像される位置に設計値からのズレが発生する。特に副走査方向のズレ量については、主走査方向の走査位置によりズレ量が異なると共に各々の光束毎にそのズレ量が異なるために、主走査方向の走査位置に応じて各光束が被走査面７０上に描く走査線の副走査方向の間隔（以下、ピッチ間隔と称す）にムラが生じる。

この問題を解決する為に、例えば特許文献１では結像光学系のｆθ係数、隣り合う発光点の主走査方向の間隔に応じて、コリメータレンズの焦点距離を長くし、主走査方向の光束幅を制限する主走査絞りを偏向手段であるポリゴンミラーに近づけることで隣接した２光束の主走査方向の間隔を狭めて結像光学系を構成する結像レンズ面での入射角差を低減することで、組立誤差・製造誤差によるピッチ間隔の変動量を抑える方法が開示されている。

特開２００１−１４７３８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、コリメータレンズの焦点距離、及び主走査絞りの位置に制限があり、入射光学系の設計自由度が落ちてしまう。
そこで、本発明の目的は、コリメータレンズの焦点距離や主走査絞りの位置に制限を設けることなく、光学部品の製造誤差・組立誤差によるピッチ間隔の変動を低減した光走査装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、主走査方向に離間した複数の発光点を含む光源手段と、該光源手段からの複数の光束を偏向する偏向手段と、前記光源手段からの複数の光束を前記偏向手段に導光する入射光学系と、前記偏向手段により偏向された複数の光束を被走査面上に集光する結像光学系と、を有し、前記入射光学系は、副走査断面内において拡大系であり、前記結像光学系が備える光学面のうち副走査断面内におけるパワーの絶対値が最も大きい第１の光学面上において、前記複数の発光点のうち最も主走査方向に離間した２つの発光点から射出される第１及び第２の主光線の主走査断面内での離間量をＤ（mm）とするとき、

なる条件を有効走査域全域において満足し、前記第１及び第２の主光線の中央を通る中央線と、前記第１の光学面の前記中央線との交点における面法線と、が主走査断面内において成す角をΔθ（ｒａｄ）とするとき、

なる条件を有効走査域全域において満足することを特徴とする。

本発明によれば、コリメータレンズの焦点距離や主走査絞りの位置に制限を設けることなく、光学部品の組立誤差、製造誤差によるピッチ間隔の変動を抑制した光走査装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例の光走査装置の主走査断面図 第１の実施例の２光束の主光線の光路の主走査断面図 第１の実施例の２光束の主光線の光路とその中央を通る中央線の主走査断面拡大図 第１の実施例の最も主走査方向に離間した２光束の離間量を示すグラフ 第１の実施例の中央線Ｌと面法線の成す角のグラフ 第１の実施例のサグ量ｄＸと離間量Ｄの比を示すグラフ 第１の実施例の製造・組立誤差によるピッチ間隔の変動量を示すグラフ 本発明の第２の実施例の光走査装置の主走査断面図 第２の実施例の最も主走査方向に離間した２光束の離間量を示すグラフ 第２の実施例の中央線Ｌと面法線の成す角のグラフ 第２の実施例のサグ量ｄＸと離間量Ｄの比を示すグラフ 第２の実施例の製造・組立誤差によるピッチ間隔の変動量を示すグラフ 第２の実施例の副走査倍率の一様性を示すグラフ 従来の光走査装置の主走査断面図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の光走査装置の主走査断面図である。複数の発光点を有する光源手段である半導体レーザアレイ１０の各々の発光点から射出された複数の光束は、張り合わせレンズからなるコリメータレンズ２０により各々が略平行な光束に変換される。コリメータレンズ２から射出された各光束は、副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカルレンズ３０に入射し、副走査方向にのみ屈折されて主走査断面内では略平行光束のまま、副走査断面内においては収束光として射出される。その後、各光束は開口絞り４０により光束幅を制限された後、偏向手段であるポリゴンミラー５０の反射面５１の近傍に主走査方向に長い線像として結像される。ポリゴンミラー５０により偏向反射された各光束は結像光学系６０により被走査面である感光ドラム面７０上（被走査面上）に光スポットとして結像される。ポリゴンミラー５０が図中矢印方向に回転することにより感光ドラム面７０上を光スポットが走査し、静電潜像を形成する。

本発明の光走査装置は、複数の発光点のうち最も主走査方向に離間している２つの発光点から射出される光束の主光線をＡ、Ｂとし、主光線ＡとＢの中央を通る線である中央線をＬとした時、有効走査域全域において、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面上での主光線ＡとＢの主走査断面内における離間量Ｄ（mm）が、

を満足し、かつ、主走査断面内において、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面の中央線Ｌの射出位置における法線と中央線Ｌとの成す角をΔθ（rad）とした時、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面の主走査断面内の形状が、

を満足するように構成している。

このように結像光学系６０の光学面を構成することで、製造誤差・組立誤差によるピッチ間隔の変動量に対する結像レンズ６２の敏感度を低減することが出来る。表１に、第１の実施例の光走査装置における走査光学系の諸数値を示す。ここで半導体レーザアレイ１０は100（μm）間隔で並んだ４つの発光点を有しており、感光ドラム面７０上で副走査方向に関して解像度に応じた画素密度となるように光軸周りに3.886（deg）だけ回転されている。この時、最も主走査方向に離間した２つの発光点は、主走査方向に299.310（μm）、副走査方向に20.331（μm）離間している。結像光学系６０を構成する結像レンズ６１、及び６２の各光学面６１ａ〜６２ｂは主走査断面内の形状（母線形状）が表１に示された係数を用いて、

により与えられる。ここで光軸と光学面との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸、主走査断面内においてＸ軸と直行する方向をＹ軸としている。

副走査断面内の形状（子線形状）は円弧で、Ｙ軸に沿ってその曲率半径が変化しており、その曲率半径の変化は次式で与えられる。

副走査断面内の曲率半径の変化の仕方はレーザ側（図１における上側）と反レーザ側（図１における下側）で異なっており、レーザ側の係数には添え字ｕを附し、反レーザ側の係数には添え字ｌを附している。結像レンズ６２の光学面６２ｂに副走査方向のパワーが集中しており、副走査方向のパワーの絶対値を光学面６２ｂが大きくすることで製造誤差・組立誤差によるピッチ間隔の変動量に対する他の光学面６１ａ、６１ｂ、６２ａの敏感度を低減させることが出来る。より好ましくは、結像光学系の結像光学素子のうち副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面の副走査方向のパワーφｓ、結像光学系のすべての光学面のパワーを合成した副走査方向のパワーφｔは、

を満足するのが良い。本実施例においては、

である。

図２は、半導体レーザアレイ１０の４つの発光点のうち最も主走査方向に離間した２つの発光点からの各光束の任意の走査位置での主光線ＡとＢの主走査断面内における光路図である。２つの発光点は主走査方向に離間しているため、コリメータレンズ２から射出される主光線ＡとＢは各々光軸に対してある角度を有している。シリンドリカルレンズ３０を通過後、主光線ＡとＢは開口絞り４０の中央で交差して、ポリゴンミラー５０の反射面５１にある間隔をもって到達する。ポリゴンミラー５０により反射偏向された主光線ＡとＢは、結像光学系６０を介して感光ドラム面７０に到達する。この際、感光ドラム面７０上の同一走査位置に到達するよう書き出しタイミングを微小時間ずらし、主光線ＡとＢに対するポリゴンミラー５０の回転角を微小角異ならせている。主光線ＡとＢはポリゴンミラー５０の反射面５１上で主走査方向に離間しているため、結像光学系６０を構成する結像レンズ６１、６２の各光学面６１ａ〜６２ｂ上においても主走査方向に離間している。

図３は、任意の走査位置における結像レンズ６２に入射してから感光ドラム面７０に至るまでの主光線ＡとＢの光路及び、主光線ＡとＢの中央を通る線である中央線Ｌの主走査断面拡大図である。主光線ＡとＢは、結像光学系６０の副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面である光学面６２ｂ上において主走査方向に離間している。その離間量Ｄ（mm）は走査位置ごとに異なっており、有効走査域全域において［数３］を満たしている。この時、主走査断面内において、走査位置ごとに中央線Ｌと、結像光学系６０の副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面である光学面６２ｂの交点における光学面６２ｂの法線Ｎと、中央線Ｌとの成す角Δθ（rad）が、有効走査域全域において［数４］を満たすように光学面６２ｂの母線形状を構成している。このように結像光学系６０を構成することで、製造誤差・組立誤差によるピッチ間隔の変動量に対する結像レンズ６２の敏感度を低減することが出来る。

好ましくは、主光線ＡとＢのうち光軸に近い側を通過する主光線（図３では主光線Ｂ）と他方の主光線（図３では主光線Ａ）の光軸方向に沿った面のサグ量（通過位置の差）ｄＸと、離間量Ｄとの比ｄＸ／Ｄが軸上から周辺部へ向かって減少するように、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面である光学面６２ｂの母線形状を構成することが望ましい。光学面６２ｂへの入射光線の角度が周辺部ほど大きくなるため、出射光線の角度も周辺部ほど大きくなる。従ってΔθを小さくするためには、光学面６２ｂの母線形状を軸上から周辺部へ向かってポリゴンミラー５０へ近づく形状とし、面法線の角度を大きくする必要がある。このためｄＸ／Ｄを軸上から周辺部に向かって減少するように光学面６２ｂの母線形状を構成するのが良い。但し、ｄＸは被走査面に向かう方向を正とする。さらに好ましくは、本実施例のように軸上（走査位置０mm）以外の少なくとも１つの点でΔθが０となっていることが望ましい。

図４に、従来の光走査装置と実施例１の光装置の最も主走査方向に離間した２つの発光点から射出された光束の主光線ＡとＢの光学面６２ｂ上における走査位置ごとの主走査方向の離間量Ｄを示す。最小値は0.373（mm）であり式（１）を満足している。

図５は、従来の光走査装置と実施例１の光装置の主走査断面内において主光線ＡとＢの中央を通る中央線Ｌと光学面６２ｂの交点における光学面６２ｂの法線と、中央線Ｌとの成す角Δθ（rad）の走査位置ごとでのグラフである。Δθの値は、従来例よりも小さく抑えられており有効走査域全域で式（２）を満たしている。また、図４から分かるように離間量Ｄは軸外へいくほど大きくなっているため、軸上以外にΔθが０となる点があるように構成することで軸外でのピッチ間隔の変動量をより抑えることが可能である。

図６は、実施例１の光走査装置の主光線Ａ、Ｂ間の面のサグ量ｄＸと離間量Ｄとの比を示すグラフである。ｄＸ／Ｄが周辺部に向かって減少していることが分かる。従って、光学面６２ｂの各主走査位置における面法線の角度は、周辺部に向かって大きくなっている。

図７は、従来の光走査装置と実施例１の光走査装置の、結像レンズ６１が−0.1（mm）、結像レンズ６２が＋0.1（mm）それぞれ副走査方向にシフトした時のピッチ間隔の設計値からの変動量を走査位置ごとに描いたグラフである。図４から分かるように離間量Ｄは従来例と実施例１とでほぼ同等であるが、図５から分かるように従来例ではΔθが大きく有効走査域全域では式（２）を満たしていないためピッチ間隔の変動量が大きくなってしまっている。しかし、実施例１では副走査方向のパワーを光学面６２ｂに集中させることでピッチ間隔の変動量に対する光学面６１ａ、６１ｂおよび６２ａによる敏感度を低減し、主走査断面内において光学面６２ｂの法線と中央線Ｌの成す角Δθを有効走査域全域で式（２）を満たすように抑えてピッチ間隔の変動量に対する光学面６２ｂによる敏感度を低減したことで、製造誤差・組立誤差によるピッチ間隔の変動量を低減出来ていることが分かる。

図８は、本発明の第２の実施例の光走査装置の主走査断面図である。実施例１と異なる点は、結像レンズ６１の主走査方向のパワーを小さくし、結像レンズ６２の主走査方向のパワーを大きくすることで、レンズ面６２ｂの曲率を実施例１のように大きくせずにピッチ間隔の変動量を低減させている。

表２は、第２の実施例の光走査装置における走査光学系の諸数値を示す表である。半導体レーザアレイ１０は、100（μm）間隔で並んだ４つの発光点を有しており、光軸周りに4.124（deg）回転され、最も主走査方向に離間した２つの発光点は主走査方向に299.223（μm）、副走査方向に21.575（μm）離間している。

図９に、従来の光走査装置と実施例１の光装置の最も主走査方向に離間した２つの発光点から射出された光束の主光線ＡとＢの光学面６２ｂ上における走査位置ごとの主走査方向の離間量Ｄを示す。最小値は0.425（mm）であり式（１）を満足しており、従来例の離間量Ｄよりも大きくなっている。

図１０は、従来の光走査装置と実施例２の光装置の主走査断面内において、主光線ＡとＢの中央を通る中央線Ｌと光学面６２ｂの交点における光学面６２ｂの法線と、中央線Ｌとの成す角Δθ（rad）を主走査位置に対してプロットしたグラフである。Δθの値は従来例よりも小さくなっており有効走査域全域で式（２）を満たしている。また、軸上以外にΔθが０となる点を有する。

図１１は、実施例２の光装置の主光線Ａ、Ｂ間の面のサグ量ｄＸと離間量Ｄとの比を示すグラフである。ｄＸ／Ｄが周辺部に向かって減少していることが分かる。従って、光学面６２ｂの各主走査位置における面法線の角度は、周辺部に向かって大きくなっている。

図１２は、従来の光走査装置と実施例２の光装置の、結像レンズ６１が−0.1（mm）、結像レンズ６２が＋0.1（mm）それぞれ副走査方向にシフトした時のピッチ間隔の設計値からの変動量を走査位置ごとに描いたグラフである。副走査方向のパワーを光学面６２ｂに集中させ、主走査断面内において光学面６２ｂの法線と中央線Ｌの成す角Δθを式（２）を満たすように抑えたことでピッチ間隔の変動量を低減出来ていることが分かる。光学面６２ｂの副走査方向のパワーφｓと結像レンズ６１および６２の４つの光学面の副走査方向のパワーを合成した副走査方向のパワーφｔは、式（５）を満たしており、

である。

軸上における副走査方向の結像倍率βｓ、有効走査域における軸上以外の任意の走査位置での副走査方向の結像倍率βａは、

を満足することが好ましい。図１３は、第２の実施例の光走査装置における、(βa-βs)/βsの値を主走査位置に対してプロットしたグラフであり、式（６）を満足させるようにしている。(βa-βs)/βsは、有効走査域における副走査方向の結像倍率の一様性を表したものであり、式（６）を満足させることで製造誤差・組立誤差がない状態での走査位置ごとのピッチ間隔のムラを抑えることができる。製造誤差・組立誤差がない状態でのピッチ間隔のムラを小さく抑え、製造誤差・組立誤差によるピッチ間隔の変動量を低減させることで全体としてピッチ間隔のムラを小さく抑えている。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明した。光源手段として100（μm）間隔で並んだ４つの発光点を有する半導体レーザアレイを用いたが、これに限定するものではなく発光点の配列は１次元に配列されていても２次元に配列されていてもよく、発光点同士の間隔や発光点の数も変更可能である。その際には、全ての発光点のうち最も主走査方向に離間した２つの発光点について、上述した各条件を満足させれば良い。

また、上記の実施例においては、最も被走査面側の結像レンズの光学面は、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面であって主走査断面内の形状が非球面形状である場合を例示したように、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面を有する結像光学素子の少なくとも１つの面は、主走査断面内の形状が非球面形状であってもよい。しかし、本発明はこれに限定されることはなく、副走査方向のパワーの絶対値が最も大きい光学面を有する結像光学素子の主走査断面内の形状は非球面に限らず式（２）を満足すれば球面でも良い。

結像光学系は２つの結像レンズにより構成したが、たとえば１つの結像レンズでも良い。その場合は、その１つの結像レンズの入射面と出射面の一方について副走査方向のパワーを大きくし、上述した各条件を満足させれば良い。あるいは３つ以上の結像レンズでも良く、その場合は最も副走査方向のパワーの絶対値が大きい光学面について各条件を満足させれば良い。

１０ 半導体レーザアレイ
２０ コリメータレンズ
３０ シリンドリカルレンズ
４０ 開口絞り
５０ ポリゴンミラー
５１ ポリゴンミラーの反射面
６０ 結像光学系
６１ １つめの結像レンズ（６１ａ：入射面、６１ｂ：射出面）
６２ ２つめの結像レンズ（６２ａ：入射面、６２ｂ：射出面）
７０ 感光ドラム面

Claims (8)

1. 主走査方向に離間した複数の発光点を含む光源手段と、該光源手段からの複数の光束を偏向する偏向手段と、前記光源手段からの複数の光束を前記偏向手段に導光する入射光学系と、前記偏向手段により偏向された複数の光束を被走査面上に集光する結像光学系と、を有し、
   前記入射光学系は、副走査断面内において拡大系であり、
   前記結像光学系が備える光学面のうち副走査断面内におけるパワーの絶対値が最も大きい第１の光学面上において、前記複数の発光点のうち最も主走査方向に離間した２つの発光点から射出される第１及び第２の主光線の主走査断面内での離間量をＤ（ｍｍ）とするとき、
   

   

   なる条件を有効走査域全域において満足し、
   前記第１及び第２の主光線の中央を通る中央線と、前記第１の光学面の前記中央線との交点における面法線と、が主走査断面内において成す角をΔθ（ｒａｄ）とするとき、
   

   

   なる条件を有効走査域全域において満足することを特徴とする光走査装置。
2. 前記入射光学系は、コリメータレンズとシリンドリカルレンズとを含み、副走査断面内において、前記コリメータレンズの焦点距離よりも前記シリンドリカルレンズの焦点距離の方が長いことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記有効走査域の主走査方向における長さは、軸上像高に対して±１５６ｍｍに渡る長さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記第１及び第２の主光線の前記第１の光学面上における通過位置同士の光軸方向での差をｄＸ（ｍｍ）とするとき、ｄＸ／Ｄは軸上から軸外に向かって減少することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記第１の光学面は、有効走査域における軸上以外で前記Δθが０となる点を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光走査装置。
6. 前記結像光学系は、前記第１の光学面を備える結像光学素子を含み、該結像光学素子は、主走査断面内での形状が非球面形状である光学面を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
7. 前記第１の光学面の副走査断面内におけるパワーをφｓ、前記結像光学系が備える全ての光学面の副走査断面内における合成パワーをφｔ、とするとき、
   

   

   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置。
8. 前記結像光学系の、軸上での副走査方向の結像倍率をβｓ、有効走査域における軸上以外での副走査方向の結像倍率をβａ、とするとき、
   

   

   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光走査装置。

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