JPS6191619A - 回転多面鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はレーザービームプリンター等の走査光学系に用
いる走査偏向装置に係り、特にその走査精度を向上する
に好適な回転多面鏡に関する。

〔発明の背景〕

本発明の詳細な説明を行なう前に回転多面鏡を用いた走
査光学系の例とし゛てレーザービームプリンタをとりあ
げ、その従来技術を説明する。

第２図は従来のレーザービームプリンタの概略溝成を示
す斜視図である。図面においてレーザーダイオード１は
レーザー駆動回路２によってパルス変調制御されたレー
ザービームを発出する。レーザーダイオード１から発出
したレーザービームはコリメーターレンズ３によって平
行ビームにされ、回転多面鏡５で偏向走査され、Ｆθレ
ンズ６によって絞られて光導電性感光ドラム７の被照射
面上に結像して微小なビームスポットを形成する。電子
写真記０方式のレーザービームプリンタにおいては、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。すなわち、
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
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、次に前述の走査露光光学系によってレーザービーム
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
着した磁気ブラシにより前記光導電性感光ドラム７を摺
擦して静電潜像を・現像し、感光ドラム上にトナー像を
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は感光ドラム７と接触し、静電転写器１１
によって感光ドラム表面上のトナー像を転写される。以
上のプロセスによってレーザービームプリンタは、所定
の情報を記録紙に記録することができる。更にこれらの
機能を制御するものとして、変調信号の同期をとるため
の反射＠１３、光検出器１４、同期信号発生回路１５、
印字信号制御回路１６、回転多面＠駆動モータの制御回
路１７などが配置される。

以上述べたレーザービームプリンタの走査露光光学系（
以下走査光学系と称する）における、回転多面鏡に着目
し、その機能を説明する。回転多面鏡は定速回転しなが
ら各反射面でレーザービームを偏向走査するが、その形
状９寸法、回転数等は走査光学系の必要機能によって決
定されるものである。以下第３図（ａｈ伽）においてそ
の関係を述べる。

第３図（ａ）、　（ｂ）は第２図に示したレーザービー
ムプリンタの概略構成中、走査光学系だけを抽出し、′
７ＩＪ２図で定義したｘｙｚ座標軸に従って、ｘｚ平面
およびｙｚ平面に分割投影したものである。第３図にお
いて、ドラム周速Ｖは、プリンターの印字速度感光ドラ
ム７の感度特性、レーザーダイオード１の出力によって
決定される。すなわち高速印字を行なうには、ドラム周
速を速くする必要があり、感光ドラム７が高感度である
程、またレーザーダイオード１が高出力である程高速印
字が可能となる。一方回転多面碗５の間数は走査光学系
の走査幅ＷおよびＦθレンズ６の焦点圧＠１．によって
決定される。すなわちＦθレンズ６は回転多面鏡から偏
向されたビームの偏向角度θ、に対し、感光ドラム７の
被照射面上の走査位置Ｘがｆ、Ｘθ、になるように設計
されたものであり、Ｗとｆ＃が与えられると２０．≠Ｗ
／ｆ、なる関係式によって偏向角が決定され、これによ
って回転多面鏡の面数Ｎ、はＮ１＝２π／θ１なる幾何
学関係式で決定づけられるものである。次に回転多面鏡
５の回転数Ｎは副走査方向の走査線密度とドラム周速ｙ
ｂよび多面僚の面数Ｎ、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計ろうとする程、多面
鏡の面数が少ない程高速回転を要求される結果になる。

近年レーザービームプリンタは市場の要求から、高速印
字、高解像度、装置の小形、低価格化を進める動向にあ
るが、これらの要求は、上述した内容から明白であるよ
うに、回転多面鏡が少ない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っている。また
、高解イへ度の画像２優を実現するには、レーザービー
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＠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７０回転方向
にずれて走査線ピンチむらが生ずる。第３図℃）はこの
関係を示すものであり、例えば回転多面鏡５が面倒れ角
φ／２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の被走
査面トで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。

この走査線ピッチむらを防止するためには回転多面鏡を
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の被照射面間
の距離が５００ｗＲ１被照射面上で許容できる走査線ピ
ッチむらを±０．０ＩＩＯ＋とすると、Ｆθレンズのパ
ワーによる補正効果を無視した場合回転多面鏡５の許容
面倒れ角は１０．０１＋ ±（−Ｘ−）＝±ｌＸｌ０−’（ラジアン）一＋：２（
秒） となる。Ｆθレンズ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加工
精度の限界に近く、得られる回転多面鏡は極めて高価な
ものとなる。従って高解像度の走査光学系を実現するた
めには回転多面鏡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、これに対し従来幾多の提案
がなされている。その−例として特開昭５２−１５３４
５６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レンズに入射する走査ビームの断面形状を、走
査方向に長い矩形状にすることを提案している。次にそ
の内容を実施した例を具体的に説明する。

第４図は第２図で示した従来の走査光学系に、特開昭５
２−１５３４５６号公報で提案する而倒れ補正方式を適
用した例を示す斜視図である。第４図ではＦθレンズ６
と感光レンズ７の被照射面間に、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
プリズム２ケによるビーム整形器４を配した点で第２図
と構成が異なっている。すなわちシリンドリカルレンズ
８は回転多面９Ｉ８５の面倒れによるレーザービームの
偏向走査位置ずれを光学的に補正するもので、その面倒
れ補正機能を第５図を用いて説明する。

第５図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竜は、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δ、とすると大略δ、　　　ｆＦア δ　　ｆ、＋１φア 但しｆ、：ｐθレンズ６の焦点距離 ｆニジリントリカルレンズ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かければ、相当量の面倒
れ補正をなし得るものである。

次に第６図（、ｌ！１〜（Ｑによって上述の面倒れ補正
機能付走査光学系における走査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。＠６図は、第４図で示した走査光学系のレーザ
ービーム光路のｙｚ面図（ａ）、ｘｚ面図Φ）、および
ｘｙ断面図（Ｃ）である。レーザーダイオード１から出
射するレーザービームの放射角度は通常、Ｘ方向とＸ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。したがってこの
場合、コリメーターレンズ３から出射するレーザービー
ムの断面寸法、ｄｔ、、ｄア、もｄｔｔ＞ｄｙｔとなる
。そして感光ドラム７の表面にｄ８３゜ｄア３のレーザ
ービームスポットを形成する場合、ｘｚ面においては 但しｆ、：、）’θレンズ６の焦点距離λ゛：：レーザ
ービーム長 となり、ｄｔ　ｓ　＝０．０７　（ｍ）の微小なレーザ
ービームスポットとするためには、λ＝０．７８Ｘ１０
””　　（ｍ）、ｆ＋　５＝　２５０　（咽）とすると
、ｄ−２＝３．６　（＋ｗ）となる。さらにｙｚ面にお
いてはｄア２はＦθレンズ６を通過しても殆んど平行光
束で保持できる程度の大きさにしておく。すなわちＦθ
レンズの光集束性と回折現像による光発散性とがつシ合
う程度にしておく。このためには を満足するようにｄｔ２を選ぶ。λ＝　０．７８　Ｘ１
０−”（ｍ）、ｆ　Ｂ　＝２５０　（ｍ）とすると、ｄ
、　３　＝０．５　（ｗ）となる。ｄＦ３＝Ｏ１０７（
ｗ）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 となり、上記寸法の場合にはｆ＝３５．１（ｆｉ）とな
る。このようにして感光ドラム７０表面に、ｄ、　３＝
ｄ、　３＝０．０７　（簡）の円形のレーザービームス
ポットが得られる。光整形器４は要求され・るビーム径
ｄア２を得るために用いられるものでありｙｚ面内での
み屈折力を持つようにプリズムを２ケ組合せて構成され
る。ここで以上説明した面倒れ補正付の走査光学系にお
いて特徴的な点として回転多面鏡５に入射するレーザー
ビームが、走査方向に細長い（例では０．５ｗＸ３．６
ｍ）断面形状を有することを特筆しておく。

次に、このような走査光学系に用いられる回転多面鏡を
含む光哨向走査器（以下スキャナーと称する。）に関し
、その従来技術を説明する。第７図（ａ）、　（ｂ）は
従来の一般的なスキャナーの構成を示す図面である。ス
キャナーは第７図に示すように回転多面鏡５、およ２び
これを駆動するスキャナーモーター１８と保護カバー１
９からなシ、保護カバー１９には、レーザービームの入
出射開口部２０が設けられる。ここで先に述べたように
回転多面鏡は、高解像度、高速印字を実現するため非常
に高速で回転しておシ、保護カバーに要求される機能と
して、多面鏡が破損した場合、破片の飛散防止、外部か
らの塵埃侵入防止等が挙げられるが、第６図の構成では
、レーザービームの入出射開口部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、多面
印が高速回連するに＃なって高周波の風切シ音を発生す
ると共に回転多面値の振動を誘−起し前述した面倒れを
増幅し走査精度を低下させる結果となる。これらの欠点
を回避する方法として従来一般に用いられている手段を
第８図および第９図に示す。第８図では保護カバー１９
のレーザービーム入出射開口部にガラス窓２１および２
２を設けて開口部をふさぎ、第９図では、出射開口側ガ
ラス窓２２のかわりにＦθレンズ６を用いている。

しかしながらこれらの手段を用いてもなお、回転多面鏡
は多角形状であるがために、高速回転による空気抵抗の
影響をさけ得ない。以下第１０図（ａ）、　（ｂ）を用
いてその点を説明する。第９図は回転多面鏡の回転に伴
なうその周囲の空気流を模式的に示すものである。第１
０図において回転多面鏡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多面鏡の稜線
近傍で急激に変化し、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の周
囲に塵埃がある場合には第１０図に示すような分布で反
射面に塵埃が付着する現象が一般的に確認されている。

当然のことながら、これらの空気流の乱れは回転多面鏡
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する要因となる。その
反面、市場の要請は高解像度、高速印字、装置の小形化
、すなわち回転多面鏡の面数を少なくシ、更に高速化す
る動向にちり、これらは全て上述の走査精度低下要因を
増大するものである。従って仮に面倒れ補正に光学系を
用いたとしてもなおこれらの問題点は克服すべき課題で
ある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述した従来技術の問題点を解消し、走
査誤差の少ない回転多面鏡および走査光学系を実鳩し、
高解像度の光走査装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

ここで上述の問題点を克服する手段については種々の方
法が考えられる。例えば間須の原因が空気抵抗である点
に着目し、回転多面鏡周囲の空気圧を減らすかあるいは
真空状態にすることが望まれる。しかしながら減圧する
ことに伴なって大気圧とのシールを完全にする必要があ
り、製造コスト、保守コストが高価になることから得策
ではない。その他の手段としては回転多面鏡周囲の空間
を広くして空気流の乱れを少なくすることも考えられる
が、これは装置の小形化に反する。また回転多面鏡の面
数を多くするかあるいは回転数を減らす方法は前述の市
場動向に反し、本発明の目的と明らかに反するものであ
る。

本発明では、回転多面鏡の寸法、形状に着目して従来技
術の問題点を解決するものである。すなわち、同じ面数
の回転多面鏡を考えた場合１、（１）空気抵抗ゐ少ない
寸法、つまり多面体部分の寸法を極力小さくすることに
よって空気抵抗を減らすことができる。そのためには前
述し丸面倒れ補正光学系にあっては回転多面鏡に入射す
るレーザービームの断面形状が走査方向に細長い矩形状
であることに着目し、反射面を薄くすることによってこ
れが可能となる。

（２）空気抵抗の少ない形状、つまり第１０図で示した
ように多面体の稜線近傍で空気流の変化が著しい点に着
目し、この部分を空気抵抗の少ない形状にする手段を提
供する。

（３）空気抵抗の影響を受けにくい？ｊり造、つまり、
回転多面鏡が高速回転することに着目し回転による慣性
エネルギーを大きくすることによって空気抵抗による回
転変動を削減するものである。

〔発明の実施例〕

第１図（ａ）、Φ）は前述した問題解決案のうち多面体
部分の寸法を極力小さくすることに着目してなされた回
転多面鏡の具体的実施例を示すものである。第１図に示
す回転多面＠２３は大別して円筒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多面鋼部２３ｂ及
びこれらをつなぐ円錐部２３Ｃからなる。すなわち基本
構成体２３ａ及び円錐部２３ｃは高速回転する回転多面
鏡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回転多面鏡の強度、精度を゛維持
する基本的機能を担うものでちる。また、この部分が円
筒形、つまシ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および動的アンバランスの極め
て少ないものであることはいうまでもない。一方反射面
を有する反射部分２３ｂは基本構成体２３ａに対してそ
の回転軸方向寸法を極めて薄く構成されており回転中の
空気抵抗も非常に少なくなる。またこれによって多面°
体形状から必然的に発生する質量のアンバランスも少な
くなり、動的アンバランスによる回転多面鏡の振動を考
慮する必要がなくなる。ｉｆ来、回転多面鏡は動的アン
バランスを低減する手段として多面体部をアルミニウム
等の軽量部材で構成するか、機械的にバランス取りを行
なう必要があったが、本発明はこれらの制約を緩和して
多面鏡の材質選択自由、ｌｆＩを拡大する効果を有する
ものである。

次に第１１図によって本発明になる回転多面鏡を、前述
の面倒れ補正付走査光学系に適用した例を説明する。前
述したように面倒れ補正付走査光学系の場合、回転多面
鏡に入射するレーザービームの断面形状は、走査方向に
細長い矩形状であり、第６図によって説明した例ではそ
の寸法が０．５　ｒｒｒｒｓＸ　３．６　ｒｖｒの矩形
であった。従って第１１図で示す反射面２３ｂの回転軸
方向寸法ｙｍ・は、せいぜい１、５　ｒｙａｓ程度でよ
い。これに対して面倒れ補正を行なわない光学系の場合
は通常４〜６ｍの円形かあるいはだ円形ビームであり、
その場合の７ｍ寸法は６〜１０咽をとる例が多い。仮に
６ｆｉとしても、本発明になる回転多面鏡は、従来の１
／４の寸法で良いことになる。

次に以上述べた構成の他に本発明になる回転多面鏡は、
高速回転による空気抵抗を軽減するために、その多面部
分の形状に着目し以下の改良を付加するとともできる。

第１２図は回転多面鏡２３を円筒形状の基本構成体２３
ａと多面鏡部２．３ｂ及びこれらをつなぐ円錐部、２３
Ｃから構成すると共に、多面体の稜線に面取りを施した
ものである。なかでも多面体の相隣接する稜線部は第１
０図でも示したように形状の変化に伴なって気流が急激
に変化する部分であり、本発明は当該稜線部を多面体の
外接円よシもやや小さい円弧で面取シしたものであり、
この加工は回転多面鏡の素材切削過程で旋盤等により容
易に行なえる。これによって空気抵抗を少なくすると共
に多面体の質量アンバランスをも軽減できる。なお本実
施例では反射面稜線の面取りを回転軸と同心で多面体の
外接円よりも小さな円弧で施したが、加工の難易を問わ
なければ、それ以外の円弧ちるいは直線でなすことも可
能である。また、円筒形状の基本構成体は反射部分を中
心に上下対象である必要性はなく、片方だけでも、ある
いは上工具なった寸法であってもよい。更に本発明にな
る回転多面鏡を応用した面倒れ補正付走査光学系は回転
多面鏡に入射するレーザービームの断面形状が走査方向
に細長い矩形状ばかシでなく、。

それ以外のビーム形状例えば、回転多面鏡の前後に多面
鏡の反射面を共焦点とするような集束光学系を配したも
のでも、その効果は同様である。

〔発明の効果〕

以上述べたよう（本発明になる回転多面鏡は、円筒形状
の基本構成体と薄い反射部分からなることによって、為
速回転時の空気抵抗による振動、騒音、回転むら等の動
的変動要因を軽減することによって＜Ｎ紋の高い光走査
を実現する。また回転多面鏡の製作を容易にし、材ｒｆ
ｔ選択の自由度拡大等の派生効果をも合わせ持つもので
ある。

図と側面図、第２図は従来のレーザービームプリ゛ンタ
の概略構成を示す斜視図、第３図（ａ）、　（ｂ）はそ
のｘｙ、ｙｚ面投影図、第４図は面倒れ補正光学系付レ
ーザービームプリンタの概略構成を示す斜視図、第５図
はそのｙｚ面投影図、第６図（ａ）〜（Ｃ）はｙｚ面、
ｘｚ面、ｘｙ面展開図、第７図（ａ）、（ｂ）は従来の
偏向装置の横断平面図と縦断側面図、第８図と第９図は
改良された従来の偏向装置の横断平面図、第１０図（ａ
）、（ｂ）は従来装置の動作状態を示す横断平面図と縦
断側面図、第１１図（ａ）、Φ）は第１図に示した回転
多面鏡の動作状態を示す平面図と側面図、第１２図（ａ
）、　（ｂ）は変形例の平面図と側面図でちる。

２３・・・回転多面鏡、２３ａ・・・基本構成体、２３
ｂ・・・反射部分、２３Ｃ・・・円錐部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の反射平面からなる多面鏡部と多面鏡部の内接
   円より小なる円筒形状部及び上記多面鏡部と円筒部をつ
   なぐ円錐形状部からなることを特徴とする回転多面鏡。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記多面鏡部の稜
   線に面取りを施したことを特徴とする回転多面鏡。