JPH06265805A

JPH06265805A - 偏向走査装置

Info

Publication number: JPH06265805A
Application number: JP3237879A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Honma; 芳文本間; Isamu Terajima; 勇寺嶋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、回転多面鏡の回転により発生
する乱気流と保護カバーの干渉及び質量アンバランスに
よる騒音，振動，回転むらを軽減することにある。【構成】回転多面鏡２３の反射平面部２３ｂを円柱状の
中央部２３ａよりも薄肉にし、該反射平面部２３に形成
する反射平面を面倒れ補正のために細長い断面形状に整
形されたレーザビームに添った細長い形状とすることに
より、乱気流の発生と質量のアンバランスを小さくし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビームプリンタ等
の露光用の光学系に用いる偏向走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、偏向走査装置を使用した従来の
レーザビームプリンタの概略構成を示している。レーザ
ダイオード１は、レーザ駆動回路２によってパルス変調
制御されたレーザビームを発出する。該レーザビームは
コリメーターレンズ３によって平行ビームに整形され、
回転多面鏡５で偏向され、Ｆθレンズ６によって絞られ
て光導電性感光ドラム７の表面に結像して微小なビーム
スポットを形成する。そして該ビームスポットは回転多
面鏡５の回転によって走査される。電子写真記録方式の
レーザビームプリンタにおいては、該感光ドラム７の周
囲に電子写真プロセスに必要な帯電器９，現像器１０，
転写器１１等が配置される。そして、図示せざる駆動源
によって矢印の方向に回転させられる該感光ドラム７の
表面は、帯電器９によって均一に帯電され、次に前記光
学系によってレーザビームで走査露光されて静電潜像が
形成される。現像器１０は、磁性微粉トナーによる１成
分現像剤または磁性キャリアと微粉トナーを混合した２
成分現像剤を磁気ロールに吸着した磁気ブラシで前記感
光ドラム７の表面を摺擦して静電潜像を現像し、該感光
ドラム表面上にトナー像を形成する。一方、図示せざる
給紙機構によって搬送される記録紙１２が感光ドラム７
に接触され、転写器１１によって転写用の電荷が与えら
れて該感光ドラム表面上のトナー像が記録紙１２に転写
される。

【０００３】レーザビームプリンタは、このような電子
写真プロセスによって所定の情報を記録紙１２に記録す
る。そしてこれらの機能実現のために、変調信号の同期
をとるための同期信号を得る反射鏡１３，光検出器１４
及び同期信号発生回路１５，印字信号制御回路１６，回
転多面鏡駆動モータの制御回路１７が設けられる。

【０００４】以上に述べたレーザビームプリンタの走査
露光用の光学系における前記回転多面鏡５について説明
する。

【０００５】回転多面鏡５は定速回転して各反射平面で
レーザビームを偏向するが、その形状，寸法，回転速度
等は該光学系が要求される機能によって決定されるもの
であり、以下、図３（ａ），（ｂ）を参照してその関係
を述べる。

【０００６】図３（ａ），（ｂ）は、図２に示したレー
ザビームプリンタの光学系を抽出して該図２で定義した
ｘｙｚ座標軸に従ってｘｙ平面およびｙｚ平面で投影し
たものである。感光ドラム７の周速Ｖは、該プリンタの
印字速度，該感光ドラム７の光感度特性，レーザダイオ
ード１の出力によって決定される。すなわち、高速印字
を行うには感光ドラム周速Ｖを速くする必要があり、感
光ドラム７が高光感度である程、またレーザダイオード
１が高出力である程高速印字が可能となる。

【０００７】一方、回転多面鏡５の反射面数は光学系の
走査幅ＷおよびＦθレンズ６の焦点距離ｆθによって決
定される。すなわち、Ｆθレンズ６は、回転多面鏡５で
偏向されたレーザビームの偏向角度θｍに対して感光ド
ラム７の表面上の走査位置ｘがｆθ×θｍとなるように
設計され、Ｗとｆθが与えられると２θｍ＝Ｗ／ｆθな
る関係式によって偏向角度が決定され、これによって回
転多面鏡５の反射面数ＮｍはＮｍ＝２π／θｍなる幾何
学関係式で決定づけられるものである。

【０００８】回転多面鏡５の回転数Ｎは、副走査方向
（感光ドラム回転方向）の走査線密度と感光ドラム周速
Ｖおよび回転多面鏡５の反射面数Ｎｍによって決定され
る。すなわち、走査線密度を上げて高解像印字を図ろう
とする程、回転多面鏡５の反射面数が少ない程該回転多
面鏡５は高速回転を要求される結果になる。近年のレー
ザビームプリンタは、高速印字，高解像度印字，装置の
小形化，低価格化の傾向にあるが、これらの要求は、上
述から明白なように、回転多面鏡５が少ない反射面数、
すなわち大きな偏向角度で、高速回転することを求める
結果になる。

【０００９】また、高解像度の画像記録を実現するに
は、レーザビームを正確に偏向走査しなければならない
が、これに対して回転多面鏡５は各反射面の法線と回転
軸の角度が一定でない、いわゆる面倒れを有するもので
あり、これがあるとビームスポットの走査位置が感光ド
ラム７の回転方向にずれて走査線ピッチむらが生ずる。
図３（ｂ）はこの関係を示すものであり、例えば回転多
面鏡５がφ／２の面倒れ角を有する場合、偏向された走
査ビームは光軸に対して角度φの倒れを生じ、結果的に
感光ドラム７の表面で該ドラムの回転方向に対してδの
走査線ピッチむらを生ずることになる。

【００１０】この走査線ピッチむらを軽減するために
は、回転多面鏡５を高精度に製作して面倒れを極めて小
さくしなければならない。例えば、回転多面鏡５と感光
ドラム７の表面の間の距離が５００（mm），表面上で許
容できる走査線ピッチむらを±０.０１(mm），Ｆθレン
ズ６のパワーによる補正効果を無視した場合に、回転多
面鏡５の許容面倒れ角は ±(１／２×０.０１／５００)＝±１×１／１０⁵(ラジ
アン)＝±２(秒) となる。Ｆθレンズ６のパワーを考慮してもこの値は、
通常、±３秒程度のものであり、この許容角は回転多面
鏡５の加工精度の限界に近く、得られる回転多面鏡５は
極めて高価なものとなる。高解像度の偏向走査装置を実
現するためには、回転多面鏡５の面倒れを少なくする
か、あるいは光学系で補正する必要があり、従来から幾
多の提案がなされている。その一例として、特開昭52−
153456号公報では、面倒れ補正にシリンドリカルレンズ
を用いＦθレンズ６に入射するレーザビームの断面形状
を、走査方向に細長い矩形状にすることを提案してい
る。

【００１１】図４は、図２で示した従来の光学系に、特
開昭52−153456号公報で提案する面倒れ補正手段を適用
した例を示す斜視図である。

【００１２】Ｆθレンズ６と感光ドラム７の表面の間に
シリンドリカルレンズ８を配し、コリメーターレンズ３
と回転多面鏡５の間に２個のプリズムによるビーム整形
器４を配した点で、図２の構成と異なっている。すなわ
ち、シリンドリカルレンズ８は回転多面鏡５の面倒れに
よるレーザビームの偏向走査位置ずれを光学的に補正す
るもので、その面倒れ補正作用を第５図を用いて説明す
る。

【００１３】図５において回転多面鏡５の面倒れ角φ／
２に対応する偏向走査位置ずれ量は、シリンドリカルレ
ンズ８を用いない場合をδ，シリンドリカルレンズ８を
用いた場合をδｃとすると大略 δｃ／δ＝ｆΨｙ／（ｆθ・φｙ）但しｆθ：Ｆθレンズ６の焦点距離ｆ：シリンドリカルレンズ８の焦点距離の関係になる。従って、Ｆθレンズ６の焦点距離に対し
てシリンドリカルレンズ８の焦点距離が充分に短けれ
ば、相当量の面倒れ補正をなし得るものである。

【００１４】次に、図６（ａ）〜（ｃ）によって上述の
面倒れ補正機能付光学系におけるビームスポットの形成
過程およびプリズムを用いたビーム整形器４の機能を説
明する。図６は、図４に示した光学系のレーザビーム光
路のｙｚ面図（ａ），ｘｚ面図（ｂ）およびｘｙ断面図
（ｃ）である。レーザダイオード１から出射するレーザ
ビームの放射角度は通常、ｘ方向とｙ方向にそれぞれ異
なった値を示す。ここではｘ方向に広い放射角度をもつ
場合について説明する。この場合、コリメーターレンズ
３から出射されるレーザビームの断面寸法ｄｘ₁，ｄｙ₁
はｄｘ₁＞ｄｙ₁となる。そして感光ドラム７の表面にｄ
ｘ₃，ｄｙ₃のレーザビームスポットを形成する場合、ｘ
ｙ面においてはｄｘ₂＝（４・λ・ｆθ）／（π・ｄｘ₃）但しｆθ：Ｆθレンズ６の焦点距離 λ ：レーザビームの波長となり、ｄｘ₃＝０.０７（mm）の微小なレーザビームス
ポットとするためには、λ＝０.７８×１／１０³(m
m），ｆθ＝２５０(mm)とすると、ｄｘ₂＝３.６(mm）と
なる。さらに、ｙｚ面においては、ｄｙ₂はＦθレンズ
６を通過しても殆ど平行光束を維持できる程度の大きさ
にしておく。すなわち、Ｆθレンズ６の光集束性を回折
現象による光発散性とつり合う程度にしておく。このた
めには、（ｄｙ₂）²＝（４・λ・ｆθ）／π を満足するようにｄｙ₂を選ぶ。λ＝０.７８×１／１０
³(mm），ｆθ＝２５０（mm）とすると、ｄｙ₃＝０.５
（mm）となる。ｄｙ₃＝０.０７（mm）とするためには、
シリンドリカルレンズ８の焦点距離ｆは、ｆ＝（ｄｙ₃・π・ｄｙ₂）／４λ となり、上記寸法の場合にはｆ＝３５.１(mm）となる。
このようにして感光ドラム７の表面には、ｄｘ₃＝ｄｙ₃
＝０.０７(mm）の円形のレーザビームスポットが得られ
る。ビーム整形器４は、要求されるビーム径ｄｙ₂を得
るために用いるものであり、ｙｚ面内でのみ屈折力を持
つように２個のプリズムを組合せて構成される。ここ
で、以上に説明した面倒れ補正機能付の光学系における
特徴的な点として、回転多面鏡５に入射するレーザビー
ムが、走査方向に細長い(例えば０.５mm×３.６mm）断
面形状を有することを特筆しておく。

【００１５】次に、このような光学系に用いる回転多面
鏡５を含む偏向走査装置に関し、従来技術を説明する。
図７（ａ），（ｂ）は従来の一般的な偏向走査装置の構
成を示す図面である。該偏向走査装置は、回転多面鏡５
およびこれを駆動するスキャナーモータ１８と保護カバ
ー１９からなり、保護カバー１９にはレーザビームの入
出射窓部２０が形成される。先に述べたように、高解像
度且つ高速印字を実現するために回転多面鏡５は非常に
高速で回転する。保護カバー１９には、該回転多面鏡５
が破損したときの破片の飛散防止や外部からの塵埃侵入
防止等の機能が要求されるが、図７の構成では、レーザ
ビームの入出射窓部２０が開放されているため上述の機
能を満たすことができないばかりでなく、該回転多面鏡
５が高速回転するに伴って高周波の風切り音（騒音）を
発生すると共に該回転多面鏡５の振動を誘起し、前述し
た面倒れを増幅して走査精度を低下させる結果となる。

【００１６】破片の飛散防止，防塵，防音のために、図
８の例は保護カバー１９のレーザビーム入出射窓部２０
にガラス板２１，２２を設けて窓部をふさぎ、図９の例
では出射窓側ガラス板２２の代りにＦθレンズ６を用い
ている。

【００１７】しかしながらこれらの手段を用いても、該
回転多面鏡５は多角形状であるために高速回転による乱
気流の発生は避けられない。

【００１８】以下、図１０（ａ），（ｂ）を用いてこの
乱気流の影響を説明する。図１０は、回転多面鏡５の回
転に伴ってその周囲に発生する空気流を模式的に示して
いる。回転多面鏡５が図示の矢印方向に高速回転する場
合、周囲の空気流は図に示すように該回転多面鏡５の稜
線近傍で急激に変化する乱気流となり、該稜線の反回転
方向側が負圧になる傾向がある。これを実証するものと
して、回転多面鏡５の周囲に塵埃が浮遊している場合に
は該塵埃が図示するような分布で反射面に着する現象を
挙げることができる。当然のことながら、これらの乱気
流は回転多面鏡５の回転運動に影響を与え、騒音，振
動，回転むら，動的面倒れを増長させ走査精度を低下さ
せる要因となる。

【００１９】また、回転多面鏡５の振動，回転むら，動
的面倒れは、上記した要因の他に質量配分のアンバラン
スも原因する。このアンバランスは、円盤状或は円柱状
の基本構成体の外周に反射平面を多角形に形成すること
により発生する。

【００２０】しかも、近年のレーザビームプリンタは、
高速印字，高解像度，装置の小形，低価格化が要求さ
れ、偏向走査装置は反射面数の少ない回転多面鏡を小形
の保護カバー内で高速回転するようにしている。従っ
て、回転多面鏡と保護カバーの内壁の間には僅少空隙が
存在するのみであり、また該内壁にはレーザビーム入出
射窓を形成するために生ずる段差があり、これらが回転
多面鏡の回転に伴って発生する乱気流と干渉して、上述
の騒音発生や走査精度低下の要因を増大するものであ
り、仮に面倒れ補正光学系を用いたとしてもなおこれら
の問題点は克服すべき課題として残る。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにレーザビ
ームプリンタ等における回転鏡を使用した偏向走査装置
は、高速回転が要求され、しかも静粛で走査誤差が少な
いことが要求されており、本発明の目的はこれらの要求
を満たすことにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記回転基体
の外周部を前記光ビームの断面形状細長方向に合わせて
薄肉とした回転基体の外周部に複数の反射平面を設けた
回転鏡を回転させ、面倒れ補正光学系により細長い断面
形状に整形された光ビームを前記回転鏡で偏向する偏向
走査装置において、前記回転基体の外周部を前記光ビー
ムの断面形状細長方向に添って薄肉としたことを特徴と
する。

【００２３】

【作用】周囲の空気流に乱れを与え且つ質量のアンバラ
ンスが生じる外周部分が薄くなるので、乱気流や質量の
アンバランスの発生が小さくなり、これらによる騒音，
振動，回転むら，動的面倒れが軽減する。しかも、薄肉
部に形成される反射平面は、光学系の面倒れ補正機能に
より整形された光ビームの細長い断面形状に添った細長
い形状になるので、該光ビームの偏向に支障を来すよう
なことがない。

【００２４】

【実施例】図１（ａ），（ｂ）は面倒れ補正機能付光学
系を採用した本発明になる偏向走査装置の一部横断平面
図及び一部側面図である。入出射開口部（窓）２０が形
成された保護カバー１９内に回転自在に設置される回転
多面鏡２３は、大別して、円柱形状の外形をなす基本構
成体２３ａと、この外周に構成される薄い（回転方向に
細長い表面形状）反射平面部２３ｂ及びこの間をつなぐ
凹状に彎曲した円錐部２３ｃからなる。すなわち、基本
構成体２３ａ及び円錐部２３ｃの基部は高速回転する該
回転多面鏡２３に所定の回転慣性力を与えることによっ
て回転中の動的変動を抑えると共に該回転多面鏡２３の
強度及び精度を維持する基本的機能を担うものである。
また、この部分が円柱形、つまり回転軸中心に対して回
転対称形状であることから回転中の空気抵抗，乱気流発
生要因および動的アンバランスが極めて少ないものであ
ることはいうまでもない。

【００２５】一方、反射平面を有する反射平面部２３ｂ
は、基本構成体２３ａに対してその回転軸方向寸法が極
めて薄いので、回転中の空気抵抗や乱気流の発生が非常
に少なくなり、僅少間隙で対向する保護カバー１９の入
出射開口部２０の段差との干渉が軽減して騒音，振動，
回転むら等が減少する。また、反射平面部付近に必然的
に発生する質量のアンバランスも効果的に軽減し、動的
アンバランスを考慮する必要がなくなる程に該アンバラ
ンスによる振動が軽減する。

【００２６】従来、アンバランス低減のためにアルミニ
ウム等の軽量部材を使用したり、機械的にバランス取り
加工作業を行なったりしていたが、回転多面鏡２３を上
記のような形状とすることにより、これらの制約が緩和
されて材質選択自由度が拡大し、製造工程も複雑になら
ない。

【００２７】そして面倒れ補正機能付光学系の場合、回
転多面鏡２３に入射するレーザビームの断面形状は走査
方向（回転多面鏡の回転方向）に細長い矩形状であり、
図６によって説明した例ではその寸法が０.５mm×３.６
mmの矩形である。従って、反射平面部２３ｂに形成する
反射平面の回転軸方向寸法ｙｍは、１.５mm 程度でよ
い。これに対して面倒れ補正を行わない光学系の場合は
通常４〜６mmの円形か楕円形ビームであり、必要な寸法
ｙｍは、６〜１０mmとなる。仮に６mmとしても、面倒れ
補正付の光学系を採用すれば該回転多面鏡２３は、反射
平面部２３ｂの厚さを１／４の寸法まで薄くすることが
できる。

【００２８】次に、高速回転における空気抵抗及び乱気
流の発生を一層軽減するように工夫した回転多面鏡の例
を、図１１を参照して説明する。該回転多面鏡２３は、
円柱形状の基本構成体２３ａと反射平面部２３ｂ及びこ
れらをつなぐ円錐部２３ｃから構成すると共に、該反射
平面部２３ｂの隣接する２つの反射平面間の稜線部２３
ｄに面取り加工を施したものである。回転多面鏡２３に
おいて隣接する反射平面間の稜線部２３ｄは、図１０を
参照して説明したように、形状の変化によって気流が急
激に変化する部分である。該実施例は、該変化を軽減す
るために該稜線部２３ｄを外接円よりもやや小さい円弧
で面取り加工したものであり、この加工は回転多面鏡２
３の素材切削加工過程で旋盤等により行なえば、製造工
程の増加を軽減することができる。

【００２９】このような回転多面鏡２３は、空気抵抗，
乱気流発生と質量アンバランスのより一層の軽減を同時
に実現した小形の偏向走査装置とすることができる。

【００３０】なお、この実施例では反射平面間の稜線部
２３ｄの面取り加工を回転軸と同心の円弧で施したが、
加工の難易を問わなければ、それ以外の円弧あるいは直
線で行なうことも可能である。また、円柱形状の基本構
成体は反射平面部２３ｂを中心に上下対称である必要性
はなく片方だけでも、あるいは上下が異なった形状であ
ってもよい。

【００３１】更に、このような回転多面鏡２３を応用す
る面倒れ補正機能付光学系は、回転多面鏡２３に入射す
るレーザビームの断面形状を走査方向に細長い矩形状以
外のビーム形状、例えば、回転多面鏡２３の前後に該回
転多面鏡２３の反射平面を共焦点とするような集束光学
系にしたものでも同様な効果が得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明は、回転基体の外周
部に複数の反射平面を設けた回転鏡を回転させ、面倒れ
補正光学系により細長い断面形状に整形された光ビーム
を前記回転鏡で偏向する偏向走査装置において、前記回
転基体の外周部を前記光ビームの断面形状細長方向に添
った薄肉としたことにより、周囲の空気流に乱れを与え
且つ質量のアンバランスが生じる外周部分が薄くなるの
で、乱気流や質量のアンバランスの発生が小さくなり、
これらによる騒音，振動，回転むら，動的面倒れが軽減
する。しかも、薄肉部に形成される反射平面は、光学系
の面倒れ補正機能により整形された光ビームの細長い断
面形状に添った細長い形状になるので、該光ビームの偏
向に支障を来すようなことがない。また、回転多面鏡の
製作の複雑化を防止し、材質選択の自由度拡大等の派生
的効果をも合わせて得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる偏向走査装置の一部横断平面図と
一部縦断側面図である。

【図２】従来のレーザビームプリンタの概略構成を示す
斜視図である。

【図３】図２に示したレーザビームプリンタにおける光
学系のｘｙ，ｙｚ面投影図である。

【図４】面倒れ補正光学系を採用したレーザビームプリ
ンタの概略構成を示す斜視図である。

【図５】図４に示したレーザビームプリンタの光学系に
おける面倒れ補正作用を説明するためのｙｚ面投影図で
ある。

【図６】図４に示したレーザビームプリンタの光学系に
おけるｙｚ面，ｘｚ面，ｘｙ面展開図である。

【図７】従来の偏向走査装置の一部横断平面図及び一部
縦断側面図である。

【図８】改良された偏向走査装置の一部横断平面図であ
る。

【図９】改良された偏向走査装置の一部横断平面図であ
る。

【図１０】従来の偏向走査装置における気流発生状況を
示す一部横断平面図と一部縦断側面図である。

【図１１】本発明になる偏向走査装置における回転多面
鏡の変形例を示す平面図と側面図である。

【符号の説明】

４…ビーム整形器、８…シリンドリカルレンズ、２３…
回転多面鏡、２３ａ…基本構成体、２３ｂ…反射平面
部、２３ｃ…円錐部、２３ｄ…稜線部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転基体の外周部に複数の反射平面を設け
た回転鏡を回転させ、面倒れ補正光学系により細長い断
面形状に整形された光ビームを前記回転鏡で偏向する偏
向走査装置において、前記回転基体の外周部を前記光ビ
ームの断面形状細長方向に添った薄肉としたことを特徴
とする偏向走査装置。
【請求項２】請求項１において、前記回転鏡の隣接する
前記反射平面間の稜線部に面取りを施したことを特徴と
する偏向走査装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記回転基体
の中央部と外周部を円錐部で結んだことを特徴とする偏
向走査装置。