JP7400440B2 - 制御装置、光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源の駆動を制御する装置、光走査装置および画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置は、光源からの光ビームにより感光体を露光し、感光体上に静電潜像を形成し、トナーを付着させて顕像化した後、記録紙に転写し、熱と圧力を加えて定着させ、出力する。光源としては、ＬＤ(Laser Diode)やＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等の半導体レーザが使用されている。

半導体レーザの光ビームは、エネルギーを与えて発生する光を出射するものではなく、その光を増幅し、出射することから、エネルギーの入力から光ビームの出力までに時間的な遅延が生じる。このため、出力される光ビームの波形（光パルス）は、入力される駆動電流の波形に追従せず、波形を積分して得られる積分光量が目標とする光量より小さくなり、光量不足が発生する。

このような光量不足を改善するために、ＯＶ（オーバーシュート）制御と呼ばれる光ビームの発光開始タイミングと同期した補助駆動電流を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１～３参照）。

しかしながら、従来の技術では、パルス幅と周期との比を表すＤＵＴＹが１００％のＤＣ（直流）点灯においてはＯＶ制御を実施することができない。また、１００％ＤＵＴＹのＤＣ点灯では、既に光源の定格光量に達しているため、光量の総量である積分光量を上げたくても上げることができない。したがって、定格光量に対応する一定の積分光量を超える範囲の光量を得るためには、光源や光学系等のハード変更を行わなければならないという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、ハード変更を行わなくても、一定の積分光量を超える範囲の光量を得ることが可能な制御装置、光走査装置および画像形成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源の駆動を制御する装置であって、
光源を継続的に点灯させる第１の信号を点灯と消灯を交互に繰り返すパルス状の第２の信号に変換する変換手段と、
変換された第２の信号に基づき、光源の光量を制御するためのパルス状の第３の信号と、該第３の信号の立ち上がり時に該第３の信号に対して所定時間加算される第４の信号とを生成する制御手段と
を含む、制御装置を提供する。

本発明によれば、ハード変更を行わなくても、一定の積分光量を超える範囲の光量を得ることが可能となる。

本実施形態に係る画像形成装置の構成例を示した図。 プリンタエンジンの構成例を示した図。 書込部の構成例を示した図。 光源駆動部の構成例を示した図。 光源へ入力される電流波形、光源から出力される光出力波形、ＯＶ制御について説明する図。 高速パルス点灯時の積分光量について説明する図。 高速パルス点灯時にＯＶ制御を実施した場合の積分光量について説明する図。 Ｄｕｔｙ期間と積分光量との関係を示した図。

図１は、本実施形態に係る画像形成装置の構成例を示した図である。画像形成装置は、光ビームを発する光源を使用する装置であれば、レーザプリンタやＭＦＰ(Multi Function Peripheral)等のいかなる装置であってもよい。以下、画像形成装置をレーザプリンタとして説明する。

レーザプリンタ１０は、ハードウェアとして、ＣＰＵ１１と、メモリ１２と、ネットワークＩ／Ｆ１３と、プリンタエンジンＩ／Ｆ１４と、プリンタエンジン１５と、操作部Ｉ／Ｆ１６と、操作部１７とを含む。レーザプリンタ１０は、スキャナＩ／Ｆやスキャナエンジン等を含んでいてもよい。

ＣＰＵ１１と、メモリ１２と、ネットワークＩ／Ｆ１３と、プリンタエンジンＩ／Ｆ１４と、操作部Ｉ／Ｆ１６とは、内部バス１８により接続される。メモリ１２は、ＲＯＭとＲＡＭとから構成され、ＣＰＵ１１が実行するプログラムやデータ等を格納する。ＣＰＵ１１は、メモリ１２からプログラムを読み出し実行することにより、レーザプリンタ１０の動作を制御する。ＣＰＵ１１は、印刷データに対して必要な画像処理を実行する画像処理手段としても機能する。

画像処理としては、例えばシェーディング補正、階調補正、色補正、空間フィルタ処理等が挙げられる。シェーディング補正は、スキャナの照明系、結像系、撮像系で生じる各種の歪みを取り除く処理である。階調補正は、画像のカラーバランスの調整、下地濃度の除去、コントラストの調整等の画質を調整する処理である。色補正は、出力するプリンタエンジン１５の特性に適合した色へ変換する処理である。空間フィルタ処理は、デジタルフィルタを適用し、空間周波数特性を補正する処理である。

ネットワークＩ／Ｆ１３は、ネットワークと接続し、ネットワークに接続された他の機器との通信を可能にする。プリンタエンジンＩ／Ｆ１４は、プリンタエンジン１５を内部バス１８に接続し、画像処理した印刷データをプリンタエンジン１５へ送る。プリンタエンジン１５は、印刷データに基づき印刷を実行する。プリンタエンジン１５は、電子写真方式で画像を形成し、印刷を実行する手段である。

操作部Ｉ／Ｆ１６は、操作部１７を内部バス１８に接続し、操作部１７において入力された情報をＣＰＵ１１等へ送り、表示させる各種情報を操作部１７へ送る。操作部１７は、レーザプリンタ１０の各種動作モード等を操作設定する操作キーや各種情報を表示するディスプレイ等から構成される。

レーザプリンタ１０は、そのほか、印刷に必要とされる記録紙を、プリンタエンジン１５へ供給する給紙部、印刷した記録紙を排出する排紙部等を備えている。

図２は、プリンタエンジン１５の構成例を示した図である。プリンタエンジン１５は、画像形成部２０と、定着部３０とを含む。画像形成部２０は、感光体２１と、帯電部２２と、書込部２３と、現像部２４と、転写部２５と、分離部２６と、クリーニング部２７とを含む。帯電部２２等は、感光体２１の周囲に配置される。

帯電部２２は、感光体２１に負の電圧を印加して感光体２１を帯電させる。書込部２３は、光走査装置として構成され、印刷データに含まれる画像データに基づき、レーザビームを感光体２１に照射し、感光体２１の表面に静電気の像（静電潜像）を形成する。

現像部２４は、１色または複数の色のトナー（現像剤）を収容したカートリッジを備え、感光体２１の表面にトナーを付着させ、現像を行う。目に見えない静電潜像は、現像によりトナー像として可視化（顕像化）される。トナーは、感光体２１の表面上にくっ付いた状態である。

転写部２５は、給紙部から送られてきた記録紙を帯電させ、感光体２１の表面にくっ付いたトナーを引き寄せ、記録紙に転写させる。記録紙は、感光体２１にくっ付いた状態になるため、分離部２６により感光体２１から分離させる。分離部２６は、転写部２５とは逆の電圧を印加するか、記録紙を感光体２１の回転方向とは別の方向へ曲げることにより、感光体２１から分離する。感光体２１から分離された記録紙は、定着部３０へ送られる。

感光体２１上のトナーは、記録紙に１００％転写される訳ではない。このため、一部のトナーが感光体２１上に残ることになる。クリーニング部２７は、感光体２１上に残ったトナーを、ブラシ等を使用して取り除く。

画像形成部２０は、そのほか、除電部等を含むことができる。除電部は、クリーニング部２７によりトナーが取り除かれた後、感光体２１を除電する。

定着部３０は、加熱ローラ３１と、加圧ローラ３２と、加熱ヒータ３３とを含む。加熱ローラ３１は、内部に加熱ヒータ３３を備えることができる。加熱ローラ３１は、回転駆動され、加熱ヒータ３３により所定の定着温度に加熱される。加圧ローラ３２は、加熱ローラ３１に当接して加熱ローラ３１とともに回転する。

トナー像が転写された記録紙は、加熱ローラ３１と加圧ローラ３２との間に供給され、加熱および加圧される。これにより、トナー像が記録紙に定着される。加熱ローラ３１と加圧ローラ３２の回転により、トナー像が定着された記録紙は、排紙部へ送られ、排紙される。

図３は、書込部２３の構成例を示した図である。書込部２３は、ＬＤ（レーザダイオード）４０と、ポリゴンミラー４１と、ＰＤ（フォトダイオード）４２と、同期検知センサ４３と、書込制御部４４と、光源制御部４５とを含む。ＬＤ４０とＰＤ４２は、光源４６を構成する。書込部２３は、そのほか、ｆθレンズと、反射ミラーと、同期反射ミラーとを含む。

書込制御部４４は、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)やＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等から構成され、ポリゴンミラー４１の回転速度を制御するポリゴン制御信号をポリゴンミラー４１へ入力する。また、書込制御部４４は、印刷データに含まれる画像データに基づき、画素に相当するタイミング（画素クロック）を示すＤＡＴＡ信号と、画素が存在する場合に上記タイミングに合わせて点灯を指示する点灯制御信号とを生成し、光源制御部４５へ入力する。

光源制御部４５は、ＡＳＩＣもしくはＦＰＧＡまたはマイコン等から構成され、書込制御部４４からのＤＡＴＡ信号と点灯制御信号とに応じて、光源４６を点灯または消灯させる。光源制御部４５は、主走査方向の１走査線ずつ光源４６の点灯制御を行う。光源制御部４５は、光源４６がＬＤ４０により構成されるため、ＬＤドライバとされ、ＬＤ４０を駆動するためのＬＤ電流を光源４６へ入力する。

ＬＤ４０は、ポリゴンミラー４１に向けて光ビーム（レーザビーム）を出射する。ポリゴンミラー４１は、レーザプリンタ１０の解像度に応じた角速度で回転し、ＬＤ４０から出射されたレーザビームを反射させる。反射したレーザビームは、ｆθレンズを透過し、反射ミラーに到達する。レーザビームは、反射ミラーで反射した後、感光体２１に照射される。

感光体２１上へのレーザビームの照射位置は、ポリゴンミラー４１の回転により変化し、その変化により、例えば矢線Ａに示す方向へ移動する。矢線Ａに示す方向は、感光体２１の形状である円筒の母線の方向であり、画像の主走査方向である。

ｆθレンズを透過したレーザビームの一部は、感光体２１のレーザビームの走査線上であって、画像形成領域から外れた位置に近隣して配設された同期反射ミラーにも入射される。同期反射ミラーは、入射したレーザビームを同期検知センサ４３へ反射する。

同期検知センサ４３は、例えばＰＤを有しており、レーザビームが入射されると、パルス出力である同期信号を生成する。ポリゴンミラー４１の１面で感光体２１が１回走査されると、その１回の走査が同期信号により検知される。同期検知センサ４３は、主走査方向の１走査を開始するタイミングを、同期信号により書込制御部４４へ通知する。

書込制御部４４は、通知された同期信号に基づき、画像を感光体２１上に書き込む期間である有効走査期間を設定する。これにより、書込制御部４４は、同期信号を取得してから次に同期信号を取得するまでの間に有効走査期間を設定し、画像データに基づきＤＡＴＡ信号と点灯制御信号とを生成する。

ＬＤ４０から出射されたレーザビームは、光源４６の内部に備えるＰＤ４２へ入射され、ＰＤ４２において入射された光が電圧に変換され、ＰＤ電圧として光源制御部４５へ送られる。光源制御部４５は、ＰＤ電圧を受け、光量のフィードバック制御を行う。フィードバック制御では、ＰＤ電圧が目標の光量に対応する電圧となるように、光源４６に入力するＬＤ電流を調整する。

図４は、光源制御部４５の構成例を示した図である。光源制御部４５は、書込制御部４４からＤＡＴＡ信号と点灯制御信号とを受け取り、光源４６に備えるＬＤ４０を点灯させるためのＬＤ電流を制御する。このため、光源制御部４５は、変換手段として機能するパルス変換回路５０と、制御手段として機能する駆動制御回路５１と、２つのＤＡＣ(Digital-Analog Converter)５２、５３と、加算器５４と、ＡＤＣ(Analog-Digital Converter)５５とを含んで構成される。

パルス変換回路５０は、書込制御部４４から出力されたＤＡＴＡ信号と点灯制御信号を受け取り、点灯制御信号の光量制御値に応じて入力されるＤＡＴＡ信号がベタパターンを示す場合、パルスパターンを示す信号に変換する。

ＤＡＴＡ信号がベタパターンを示す場合とは、ＤＡＴＡ信号において継続的に点灯が必要な画素が連続していることを示し、ＤＡＴＡ信号をパルス信号として考えた場合に、パルス幅と周期との比を表すＤＵＴＹが１００％であることを示す。このため、パルス変換回路５０は、ＤＡＴＡ信号がＤＵＴＹ１００％であった場合に、ＤＵＴＹ１００％のＤＡＴＡ信号をＤＵＴＹ１００％未満の光源４６が点灯と消灯を交互に繰り返すパルス状のＤＡＴＡ信号に変換する。

なお、パルス変換回路５０は、ＤＡＴＡ信号がＤＵＴＹ１００％ではない場合、変換を行うことなく、ＤＡＴＡ信号と点灯制御信号を駆動制御回路５１へ出力する。

駆動制御回路５１は、ＤＡＴＡ信号によりＬＤ４０の点灯タイミングを制御し、点灯制御信号によりＯＶ制御および光量制御を行う。駆動制御回路５１は、ＯＶ制御および光量制御を行うために、ＯＶ制御信号および光量制御信号を出力する。光量制御信号は、ＬＤ４０の光量を制御する基準となるＬＤ電流を制御するための信号である。ＯＶ制御信号は、パルス状の信号として入力されたＤＡＴＡ信号の立ち上がり時に所定時間だけ入力される補助駆動電流（ＯＶ電流）を制御するための信号である。ＯＶ電流は、ＬＤ４０の特性から得られる応答遅延時間と、ＬＤ４０が実装される回路基板に発生する寄生容量とに基づいて決定される。

ＤＡＣ５２は、デジタル信号であるＯＶ制御信号をアナログ信号（電流値）に変換し、変換したアナログ信号を加算器５４へ入力する。ＤＡＣ５３は、デジタル信号である光量制御信号をアナログ信号（電流値）に変換し、変換したアナログ信号を加算器５４へ入力する。加算器５４は、これら２つのアナログ信号を加算し、ＬＤ電流としてＬＤ４０へ入力する。ＬＤ４０は、入力されたＬＤ電流により点灯し、レーザビームを出射する。

ＬＤ４０から出射されたレーザビームの一部は、光源４６に備えるＰＤ４２へ入射される。ＰＤ４２は、光電変換素子であり、入射された光を電圧に変換し、ＰＤ電圧としてＡＤＣ５５へ出力する。ＡＤＣ５５は、ＰＤ電圧をアナログ値からデジタル信号へ変換し、帰還（フィードバック）信号として駆動制御回路５１へ入力する。駆動制御回路５１は、入力されたフィードバック信号に基づき、出力するＯＶ制御信号および光量制御信号を調整する。これらの信号の調整は、具体的には光量制御信号のパルス幅、ＯＶ制御信号の加算する値、ＯＶ制御信号の加算する時間等の少なくとも１つの調整である。これにより、高精度の点灯制御が可能となる。

図４に示す例では、光源４６に備えるＬＤ４０を１つとして説明したが、これに限られるものではない。ＬＤ４０は複数であってもよい。ＬＤ４０が複数の場合、ＬＤ４０の数に応じたＤＡＣ５２、５３、加算器５４、ＡＤＣ５５が必要となる。

図５を参照して、光源４６へ入力される電流波形、光源４６から出力される光波形、ＯＶ制御について説明する。図５（ａ）は、光源４６へ入力されるＬＤ電流の電流波形の一例を示した図である。電流波形は、２つのレベルの状態を周期的に繰り返し、状態が瞬時に変化する矩形波の波形である。ＬＤ４０は、矩形波のＬＤ電流が入力されても、ＬＤ４０の特性としての応答性遅延の影響により、レーザビームとして出力される光の波形は、図５（ｂ）に示すように立ち上がり時と立ち下がり時に遅延が生じて、矩形波にはならない。

立ち上がりの遅延は、ＯＶ制御による電流制御を行うことで改善することができ、光波形を略矩形波にすることができる。具体的には、図５（ｃ）に示すように、ＬＤ電流に、ＬＤ電流の立ち上がり時に所定時間だけＯＶ電流を加算する。所定時間は、１周期内のＬＤ電流をＬＤ４０へ入力する時間ｔ_１より短い時間ｔ_２である。ＯＶ電流を加算した結果を、図５（ｄ）に示す。光波形は、図５（ｄ）に示すように略矩形波の波形になっている。

図５（ｄ）にも示されているが、ＯＶ制御を用いて立ち上がり特性を改善した場合、緩和振動という現象により瞬間的にピーク値が大きくなる。ＬＤ４０は、絶対最大定格光量がメーカにより定められている。絶対最大定格光量は、光量の限界値である。ＬＤ４０が点灯し、定常状態になった光量をＣＷ光量と定義し、図５（ｄ）に示すように瞬間的にピーク値が高くなった光量をパルス光量と定義すると、一般的に、パルス光量の絶対最大定格光量はＣＷ光量の絶対最大定格光量より大きい。

なお、立ち下がりの遅延を改善するため、アンダーシュート制御を実施してもよい。アンダーシュート制御は、ＯＶ制御とは反対の、立ち下がり時にアンダーシュート電流を減算し、光源の電位の立ち下がりにかかる時間を短縮する制御である。

次に、図６を参照して、高速パルス点灯時の積分光量について説明する。ＬＤ４０から出射されたレーザビームは、感光体２１に露光され、感光体２１の表面にガウス分布的に静電潜像が形成される。図６に示すような短い周期でＬＤ４０を点灯させた場合、静電潜像は、点（ドット）として形成されず、隙間無く単色で塗り潰されたベタ形状に形成される。これは、厳密にはドットとして形成されるが、周期が短いため、ドット間の間隔が非常に狭く、もしくは重なり合ってしまうからである。

この場合の静電潜像の大きさは、ＬＤ４０から出射されたレーザビームの積分光量に依存する。

図７は、高速パルス点灯時にＯＶ制御を実施した場合の積分光量について説明する図である。図７（ａ）は、ＯＶ制御を実施した場合と、同じ光量でＤＣ点灯した場合の光波形を示す。ＤＣ点灯した場合の光波形は、１つのレベルの状態が継続した波形で、ＯＶ制御を実施した場合の光波形は、矩形波の波形で、かつ矩形波の立ち上がり時にＯＶ電流が加算されたものとなっている。

図７（ｂ）は、ＯＶ制御を実施した場合と、同じ光量でＤＣ点灯した場合の積分光量を示す。高速パルス点灯する際にＯＶ制御を行うと、ＯＶ制御により加算される積分光量は、高速パルスのオフ期間で間引かれる積分光量より大きい。すなわち、ＯＶ電流により得られる積分光量は、高速パルスにより消灯する期間が発生することにより差し引かれる積分光量より大きい。このため、全体としてはＯＶ制御を実施した場合の方がＤＣ点灯した場合よりも大きな積分光量を得ることができる。

この理由は、高速パルス点灯において、光源４６を消灯する期間であるオフ期間が短く、ＬＤ４０の特性で応答性遅延が発生することから、消灯するまでに時間がかかり、実際のオフ期間が理想のオフ期間より短くなるためである。理想のオフ期間は、入力されるＬＤ電流の電流パルスのオフ期間と同じ期間である。

図８は、Ｄｕｔｙ期間と積分光量との関係を示した図である。ＯＶ制御なしの場合、薄い色の実線で示すように、ＤＵＴＹ期間を０％から１００％へ増加させるにつれて積分光量が増加する。この場合、ＤＵＴＹ１００％の時に積分光量が最大となる。

一方、ＯＶ制御を実施する場合、濃い色の実線で示すように、ＤＵＴＹ期間を増加させるにつれて積分光量が増加するが、任意のＤＵＴＹの時に最大の積分光量となり、それ以降、積分光量は減少し、ＤＵＴＹ１００％でＯＶ制御なしの場合と同じ積分光量となる。

最大の積分光量となる任意のＤＵＴＹは、ＤＵＴＹ１００％未満で、かつ光波形がパルス形状となる最大のＤＵＴＹである。要するに、光波形が、瞬時的にピーク値が高くなる部分を除く２つのレベルの状態を有し、高いレベルの状態の期間（パルス幅）が最大となるＤＵＴＹである。したがって、任意のＤＵＴＹを超えると、ＬＤ４０の応答性遅延により立ち下がりの途中で立ち上がることになり、応答遅延時間が短くなるため、加算する必要があるＯＶ電流が減り、その結果、積分光量が減少する。

図８に示すように、任意のＤＵＴＹの前後でも、ＯＶ制御なしの場合のＤＵＴＹ１００％時の積分光量を超える積分光量を得ることができることが分かる。このため、ＤＵＴＹ期間を調整することで、ＯＶ制御なしの場合のＤＵＴＹ１００％時の積分光量を超える範囲において、積分光量を可変させることができる。

図５（ｃ）に示すピークは、ＯＶ電流の電流値（ＯＶ制御値）に応じてその大きさが変化する。ピークが大きいほど、パルス光量の絶対最大定格光量とＣＷ光量の絶対最大定格光量との差が大きくなり、積分光量が大きくなる。このため、ＯＶ制御値を調整することによっても、積分光量を可変させることができる。また、ＤＵＴＹ期間とＯＶ制御値の両方を調整し、積分光量を可変させることも可能である。

このような積分光量の可変により、目標光量を任意に可変させることができる。すなわち、指定された光量に調整することができる。

これまで本発明を制御装置、光走査装置および画像形成装置として上述した実施の形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。したがって、他の実施の形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…レーザプリンタ
１１…ＣＰＵ
１２…メモリ
１３…ネットワークＩ／Ｆ
１４…プリンタエンジンＩ／Ｆ
１５…プリンタエンジン
１６…操作表示部
１７…内部バス
２０…画像形成部
２１…感光体
２２…帯電部
２３…書込部
２４…現像部
２５…転写部
２６…分離部
２７…クリーニング部
３０…定着部
３１…加熱ローラ
３２…加圧ローラ
３３…加熱ヒータ
４０…ＬＤ
４１…ポリゴンミラー
４２…ＰＤ
４３…同期検知センサ
４４…書込制御部
４５…光源制御部
４６…光源
５０…パルス変換回路
５１…駆動制御回路
５２、５３…ＤＡＣ
５４…加算器
５５…ＡＤＣ

特許第６１２７７１２号公報 特許第６１３５１０１号公報 特開２０１８－２０２８１１号公報

Claims (7)

1. 光源の駆動を制御する装置であって、
   前記光源を継続的に点灯させる第１の信号を点灯と消灯を交互に繰り返すパルス状の第２の信号に変換する変換手段と、
   変換された前記第２の信号に基づき、前記光源の光量を制御するためのパルス状の第３の信号と、該第３の信号の立ち上がり時に該３の信号に対して所定時間加算される第４の信号とを生成する制御手段と
   を含む、制御装置。
2. 前記変換手段は、前記光源から出力される光波形がパルス形状となる最大のパルス幅を有する前記第２の信号に変換する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記変換手段は、前記光量が指定された光量となるように、前記第２の信号のパルス幅を調整する、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記制御手段は、前記光量が指定された光量となるように、前記第４の信号の前記第３の信号に対して加算する値もしくは加算する時間またはその両方を調整する、請求項１～３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記制御手段は、前記光源が備える受光手段により取得された前記光量に関する情報を含む帰還信号に基づき、前記第３の信号のパルス幅、前記第４の信号の前記第３の信号に対して加算する値、前記第４の信号の前記第３の信号に対して加算する時間の少なくとも１つを調整する、請求項１～４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 光源と、前記光源の駆動を制御する、請求項１～５のいずれか１項に記載の制御装置とを含み、前記光源から出射される光を用いて走査対象を走査する、光走査装置。
7. 光源と、前記光源の駆動を制御する、請求項１～５のいずれか１項に記載の制御装置とを含み、前記光源から出射される光を用いて画像を形成する、画像形成装置。