KR100601701B1 - 광주사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제작이 용이하고 저렴한 fθ렌즈를 사용할 수 있으며, 또한 조정 정밀도를 완화시킬 수 있는 광주사장치를 제공한다. 본 발명의 한 유형에 따르면, 집속광을 주사선상에 반복 주사하는 광주사장치(1)는, 평행 광속을 사출하는 멀티빔 광원(2); 멀티빔 광원(2)으로부터 사출된 평행 광속을 부주사 방향으로 집광하는 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B) 및 주주사 방향으로 집광하는 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B); 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B) 및 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B)에 의해 집광된 광속을 주주사 방향으로 편향하는 폴리곤 미러(6); 및 폴리곤 미러(6)에 의해 편향된 광속을 상기 주사선상에 집속시키는 fθ렌즈(10d);를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

광주사장치{Laser scanning unit}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광주사장치를 도시한 개략적인 평면 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주사장치를 도시한 것으로서, 도 2a는 정면에서 본 설명도이고, 도 2b는 부주사 방향 단면에서의 광경로 일부를 설명하기 위한 모식 설명도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광주사장치의 주주사 방향에서의 광경로를 설명하는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광주사장치의 감광체 드럼 위에서의 상높이에 대한 스폿 직경을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광주사장치의 감광체 드럼상에서 +2mm 어긋난 위치에서의 상높이에 대한 스폿 직경을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광주사장치의 감광체 드럼상에서 -2mm 어긋난 위치에서의 상높이에 대한 스폿 직경을 도시한 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1.........광주사 장치 2.....멀티빔 광원
3A,3B.....제 1 실린더리컬 렌즈(제 1 집광소자)
5A,5B.....제 2 실린더리컬 렌즈(제 2 집광소자)
6.........폴리곤 미러(광편향 수단)
10a~10d...fθ렌즈(단옥 플라스틱 fθ렌즈)
21A,21B...LD 어레이(반도체 레이저 어레이)
23A,23B...콜리메이팅 렌즈 27.....지지부재
본 발명은 광주사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수의 광빔을 하나의 광편향 수단으로 편향한 후 광경로를 분리하여 복수의 피주사 매체 상에 주사하는 것, 예를 들면, 탠덤 방식의 컬러화상 형성 시스템 등에 적합한 광주사장치에 관한 것이다.
종래에, 프린터, 디지털 복사기 등의 화상 형성 시스템에서, 광편향 수단에 의해 편향된 빔을 단옥(즉, 구성매수가 하나) 플라스틱 fθ렌즈를 사용하여 결상 광학계에 주사하는 광주사장치가 사용되어 왔다.
이와 같은 광주사장치로서, 광편향 수단의 앞단에 광원을 쉽게 배치하기 위해, 입사 광속이 주주사 방향으로 평행한 이른바 평행 광속으로 된 것이 제안되고 있다(예를 들면, 일본특허 제 2621838호 공보(도 1, 도 13) 참조).
이 광주사장치는, 반도체 레이저로부터 사출된 광속이 콜리메이팅 렌즈에 의해 평행 광속으로 되고, 실린더리컬 렌즈에 의해 구결(球缺) 방향인 부주사 방향으 로만 집속된 후, 광편향 수단으로서 사용되는 회전 다면곡 편향기 또는 폴리곤 미러 부근에 결상하여 단옥의 주사용 렌즈에 의해 감광체 드럼의 축방향으로 등속 주사되도록 구성되어 있다.
또한, 단옥 플라스틱 fθ렌즈의 제작을 용이하게 하기 위해, 광원으로부터 집속광속을 사출함으로써 단옥 플라스틱 fθ렌즈에 필요한 파워를 절감시킨 것이 제안되어 있다(예를 들면, 일본특공평7-111501호 공보(도 1, 3, 4) 참조).
이 광주사장치는, 광원으로부터 사출된 광속을 집광하여 광편향 수단의 편향면에 설치된 편향점을 향해 출사하는 제 1 광학계와, 1장의 렌즈로 구성된 fθ렌즈로 구성된 제 2 광학계를 갖는 주사광학계를 가지고 있다. 이로써, 대량 생산비용이 저렴한 플라스틱 렌즈를 채용함과 동시에 렌즈의 두께를 얇게 하여 제작이 용이한 렌즈를 채용할 수 있다.
그러나, 상기 종래의 광주사장치에는 다음과 같은 문제가 남겨져 있다. 즉, 전자의 광주사장치에서는, 단옥의 주사용 렌즈만으로 주주사 방향의 결상에 필요한 파워가 실현되고 있기 때문에, 주사용 렌즈의 파워를 크게 할 필요가 있다. 따라서, 주사용 렌즈의 형상은, 중심이 두껍고 가장자리가 얇은 불균일 타입이 되어 렌즈 성형시에 내부 변형이 발생하기 쉬운 문제가 있다.
또한, 후자의 광주사장치에서는, 집속광을 fθ렌즈에 입사하고 있으며, 렌즈의 성형성은 상기 전자의 광주사장치보다 양호하지만 광원에서 감광체까지의 광경로를 연장시키면 배율이 매우 커지기 때문에 광원부의 조립 조정 정밀도가 엄격해지고 조립 생산성이 떨어지는 문제가 있다. 또, 콜리메이팅 렌즈의 외직경을 크게 할 필요가 있기 때문에 부품 가격이 높아지고, 온도 변화 등의 환경 변동에 따른 성능 변화도 커진다는 문제가 있다. 최근, 탠덤 방식 컬러 프린터용 주사 광학계로서, 가격이 비싼 편향기를 4빔 공통으로 한 저렴한 주사 광학계가 요구되고 있는데, 편향기를 공통으로 한 경우 4개 빔의 광경로를 합성하는 광경로 합성부와, 합성한 4개의 광경로를 다시 분할하는 광경로 분할부가 필요해짐에 따라 광경로 전체 길이가 길어지는 경향이 있어 후자의 광주사장치에는 채용하기 어렵다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 제작이 용이하고 저렴한 fθ렌즈를 이용할 수 있으며 또한 조정 정밀도를 완화시킬 수 있는 광주사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이하의 구성을 채용했다. 즉, 본 발명의 광주사장치는 집속광을 주사선상에 반복 주사하는 광주사장치로서, 평행 광속을 사출하는 광원; 상기 광원으로부터 사출된 평행 광속을 부주사 방향으로 집광하는 제 1 집광소자 및 주주사 방향으로 집광하는 제 2 집광소자; 상기 제 1 및 제 2 집광소자에 의해 집광된 광속을 주주사 방향으로 편향하는 광편향수단; 상기 광편향수단에 의해 편향된 광속을 상기 주사선상에 집속시키는 단옥 플라스틱 fθ렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 평행 광속을 주주사 방향으로 집속함으로써 단옥 플라스틱 fθ렌즈에 필요한 파워가 작아진다. 따라서, 단옥 플라스틱 렌즈의 형상을 균일하게 할 수 있으며 불균일 타입에 비해 성형성이 향상된 다.
또한, 광학계의 배율을 줄임으로써 물체쪽의 조정 정밀도를 완화시킬 수 있어 조립의 생산성이 향상된다.
또, 부주사 방향과 주주사 방향으로 독립적으로 집광하는 제 1 및 제 2 집광소자를 사용함으로써 부주사 방향 또는 주주사 방향 단독에서의 주사 방향에 대한 초점위치의 조정이 용이해진다.
본 발명에 있어서, 상대적인 방향을 간결하게 나타내기 때문에, 오해할 염려가 없는 경우에는 관용적으로 부주사 방향, 주주사 방향을 넓은 의미로 이용한다.
즉, 부주사 방향은 피주사면(기록 매체) 위에서 주사선과 직교하는 방향을 의미하는 경우와, 광경로 방향에 직교하는 방향의 하나로서 이 광경로를 따라 주사선상에 도달할 때 주사선과 직교하는 방향을 의미하는 경우가 있다.
또, 주주사 방향은 주사선의 방향을 의미하는 경우와, 광경로 방향에 직교하는 방향 중에서 부주사 방향과 직교하는 방향을 의미하는 경우와, 광빔이 편향되는 평면 내에서 광학계의 광축과 직교하는 방향을 의미하는 경우가 있다.
또한, 본 발명의 광주사장치는, 상기 제 1 집광소자가 유리 렌즈이고 상기 제 2 집광소자가 플라스틱 렌즈인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제 2 집광소자에 플라스틱 렌즈를 사용함으로써 비용 절감을 꾀할 수 있다.
또 본 발명에 따른 광주사장치에서, 상기 광원은 반도체 레이저, 콜리메이팅 렌즈 및 이들을 유지하는 지지부재에 의해 구성되고, 온도 변화시에 상기 반도체 레이저의 파장 변화에 의한 초점 편차량과, 상기 지지부재의 열수축에 의한 초점 편차량과, 상기 제 2 집광소자의 초점거리 변화에 의한 초점 편차량과, 상기 단옥 플라스틱 fθ렌즈의 초점거리 변화에 의한 초점 편차량 전부를 가산한 양이 ±2mm 이내인 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 프린터에 사용되는 광주사장치의 스폿 직경은 통상 60~70㎛ 정도이지만, 초점 편차량이 ±2mm 이내이면 감광체상의 스폿 직경 변화를 초점 심도 내로 하여 성능상 큰 문제가 되지 않는다.
또 본 발명에 따른 광주사장치에서는, 상기 광편향 수단 하나에 대해 상기 광원과 상기 제 1 및 제 2 집광소자가 각각 복수개 설치됨으로써, 복수의 광속을 다른 주사선상에 동시에 주사하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 하나의 광편향 수단에 대해 복수의 광원과 제 1 및 제 2 집광소자가 복수개 설치됨으로써, 이른바 탠덤형 주사 광학계의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 광주사장치의 일 실시예를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 여기에서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광주사장치의 개략적인 구성에 대해 설명하기 위한 평면도이다. 또한, 도 2a는 마찬가지로 본 발명의 일 실시예에 따른 광주사장치의 정면도이다. 그리고, 도 2b는 마찬가지로 부주사 방향 단면에서의 광경로 일부를 설명하기 위한 모식 설명도이다.
본 실시예에 의한 광주사장치(1)는, 이른바 탠덤 컬러 프린터에 사용되는 광주사 광학계로서, 복수의 레이저빔을 각각 다른 주사선상에 소정의 스폿 직경으로 결상하고 일정 방향으로 반복 주사하는 것이다.
광주사장치(1)는 평행광을 사출하는 멀티빔 광원(2)과, 멀티빔 광원(2)으로부터의 입사광을 부주사 방향으로 결상하는 제 1 실린더리컬 렌즈(제 1 집광소자)(3A,3B)와, 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B)의 출사광을 주주사 방향으로 결상하는 제 2 실린더리컬 렌즈(제 2 집광소자)(5A,5B)와, 상기 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B) 및 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B) 사이에 배치되어 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B)의 출사광을 반복하여 폴리곤 미러(광편향수단)(6)에 조사하는 광경로를 변경하는 광경로 변경수단(7)과, 폴리곤 미러(6)의 출사광을 분리하는 광경로 분리광학계(8)와, 단옥 플라스틱 fθ렌즈(이하 fθ렌즈로 생략)(10a~10d)와, 리턴 미러(11)와, 동기 센서 유닛(12)을 구비하고 있으며, 이들은 케이스(13) 안에 배치되어 있다. 또한, 후술하는 LD 어레이(반도체 레이저 어레이)(21A,21B)에서 방사된 레이저빔(15a~15d)은 케이스에 설치된 보호 유리(16)에서 출사되고 풀컬러 화상 형성 시스템(미도시)에서의 각각 옐로우, 마젠타, 시안 및 블랙의 토너로 현상하기 위한 정전잠상이 형성되는 감광체 드럼(17a~17d)에 조사되도록 구성되어 있다.
멀티빔 광원(2)은 LD 어레이(21A,21B)와, 상기 LD 어레이(21A,21B)를 구동하는 LD 구동회로 기판(22)과, 2개의 콜리메이팅 렌즈(23A,23B)와, 조리개(25A,25B)와, 이들을 유지하는 지지부재(27)를 구비하고 있다. LD 어레이(21A,21B)는 2빔의 LD 어레이 소자이고, 각각 부주사 방향으로 거리(h) 만큼 이간된 2개의 발광부를 가지고 있다. 그리고, 각각의 발광부로부터 레이저빔(15a,15b) 및 레이저빔(15c,15d)을 방사한다. 이들 LD 어레이(21A,21B)는 베이스(26) 위에 주주사 방향으로 거리(W)만큼 이간되어 장착되어 있다.
이 거리(W)는 LD 어레이(21A,21B) 등의 배치 공간을 확보하고 서로 열적 영향을 받기 힘든 거리로 한다.
또한, 거리(h)는, 본 실시예와 같이 풀컬러 화상 시스템에 사용하는 경우에, 각 부재의 배치 공간, 폴리곤 미러(6)의 반사면 크기 등을 고려하여 가능한 한 근접하도록 적절히 정하면 된다. 한편, 예컨대, 멀티빔 주사에 사용하는 경우에는 주사선의 부주사 피치를 정확한 값으로 할 필요가 있기 때문에, 주사선의 부주사 피치가 원하는 인자(印字) 밀도에 일치하도록 광학계의 부주사 방향의 배율에 기초하여 거리를 정한다.
베이스(26)는 열전도율이 높은 적당한 금속판으로 이루어지며 LD 어레이(21A,21B)의 방열이 촉진되어 LD 어레이 소자의 수명을 늘릴 수 있다는 이점이 있다. 또, 온도의 균일화가 측정되기 때문에, LD 어레이 소자간에 발광량이 달라도, 온도 특성에 의한 파장 변화량에 차이가 생겨, 각 레이저빔마다 주사 영역이 변동하는 색수차에 의한 배율 차이가 생기지 않기 때문에, 화상 형성 시스템에 사용된 경우의 화질 악화를 방지할 수 있도록 되어 있다.
LD 구동회로 기판(22)은 LD 어레이(21A,21B)와 전기적으로 접속되어 있으며 LD 어레이(21A,21B) 각각의 발광부에 외부에서 입력되는 변조신호에 기초하여 변조 구동하기 위한 구동회로가 형성되어 있다.
콜리메이팅 렌즈(23A,23B)는 LD 어레이(21A,21B)의 발광부 전방에 배치되고, LD 어레이(21A,21B)로부터 방사되는 레이저빔(15a~15d)을 평행 광속으로 만드는 렌즈 또는 렌즈군이다. 조리개(25A,25B)는 콜리메이팅 렌즈(23A,23B)로부터 출사된 평행 광속을 소정의 광속 직경으로 정형하기 위한 광규제 부재로서, 주주사 방향으로 긴 직경이 연장된 대략 타원형의 개구를 가지는 금속판으로 구성되어 있다.
지지부재(27)는 LD 어레이(21A,21B), LD 구동회로 기판(22), 콜리메이팅 렌즈(23A,23B) 및 조리개(25A,25B)가 탑재되어, 케이스(13)에 대해 착탈 가능하게 설치되어 있다. 더욱이, LD 어레이(21A,21B), LD 구동회로 기판(22), 콜리메이팅 렌즈(23A,23B) 및 조리개(25A,25B)는 필요에 따라 각 부재간에 위치 조정을 해 두는 것이 바람직하다. 이로써, 케이스(13)에 고정밀도로 설치된 장착면(미도시)에 장착한 상태에서, 소정의 광속 직경으로 정형된 4개의 평행 광속을 소정의 위치, 방향으로 출사할 수 있다. 그리고, 마찬가지로 조정된 다른 광원 유닛과 조정 없이 교환할 수 있다. 여기에서 지지부재(27)의 온도 변화시의 초점 차이는, 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B) 및 fθ렌즈(10a~10d)의 온도 변화시의 초점 차이와 그 차이 방향이 서로 다르게 구성되어 있다.
더욱이, 지지부재(27)는 베이스(26)과 동일한 재료로 형성되어도 좋은데, 그럼으로써 부품 점수를 줄일 수 있다.
제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B)는 부주사 방향만의 파워를 갖는 유리 렌즈로서, 멀티빔 광원(2)으로부터 사출된 레이저빔(15a~15d)을 부주사 방향으로 결상하고, 각각 주주사 방향으로 연장되는 대략 선형의 광속으로 만드는 광학 소자이다.
제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B)는 주주사 방향만의 파워를 갖는 플라스틱 렌즈로서, 레이저빔(15a~15d)을 주주사 방향으로 집속화하고, 각각 스폿 형태의 광속으로 만드는 광학 소자이다.
폴리곤 미러(6)는 레이저빔(15a~15d)을 결상 위치 근방에서 주주사 방향으로 편향시키기 위한 것으로서, 부주사 방향과 직교하는 평면 내(이하, 빔주사면이라고도 칭한다)에서, 예를 들면, 정8각형 등의 회전 다면경이다. 그리고 광주사장치(1)의 외부에서 구동신호를 받아 소정의 속도로 회전하는 모터(미도시)에 의해 도 1에 도시한 화살표(Z1) 방향으로 일정 각속도로 회전하는 것이다. 레이저빔(15a~15d)은 도 2에는 부주사 방향의 폭을 과장하여 나타내고 있는데, 주주사 방향으로 연장되는 대략 선형의 스폿이 된다. 그리고, 부주사 방향의 피치는 거리 a, b, a(여기에서, a+b=h)가 된다.
광경로 변경수단(7)은 제 1 조정미러(31A,31B) 및 제 2 조정미러(32A,32B)로 구성되어 있다.
제 1 조정미러(31A,31B) 및 제 2 조정미러(32A,32B)는 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B)를 투과한 레이저빔(15a~15d)을 거울면으로 반사하여 주로 주주사 방향에 따른 평면 내에서 Z자형으로 접기 위한 거울이다. 이들 제 1 조정미러(31A,31B) 및 제 2 조정미러(32A,32B)는 각각 예를 들면 탄성가압 수단과 미러 본체를 누르는 조정 나사와의 조합 등으로 구성되는 2축 방향의 경사각도 조정수단(미도시)을 구비하고 있다. 이로써 각각의 미러면의 자세가 가변적이다.
더욱이 본 실시예에서, 이 2축 방향은 부주사 방향축 둘레의 회동과 거기에 직교하는 주주사 방향축 둘레의 회동으로 하고 각각의 회동 중심을 광학계의 축상 주광선상에 마련한다.
그리고, 제 1 조정미러(31A) 및 제 2 조정미러(32A)와, 제 1 조정미러(31B) 및 제 2 조정미러(32B)는, 각각의 조정 중립 위치에서 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B)로부터 결상 위치를 향하는 축상 주광선을, 제 2 조정미러(32A,32B)로부터 결상 위치까지 사이의 부주사 방향에 따른 평면상에 정렬시키고, 또한 그것들이 서로 평행해지는 위치에 배치되어 있다.
광경로 분리 광학계(8)는 폴리곤 미러(6)에 의해 변경되는 레이저빔(15a~15d)의 광경로를 분리하고 최종적으로 주사선이 드럼간 피치(d)로 평행하게 주사되도록 하는 광학계이며, 10군데에 설치된 분리 반사미러(40~49)에 의해 구성되어 있다. 이들 분리 반사미러(40~49)는 각각 주주사 방향으로 소정 길이로 연장되며, 부주사 방향에 대해 경사각을 갖는 표면 반사미러로 구성되어 있다.
분리 반사미러(40)는 레이저빔(15d)을 거의 부주사 방향을 향해 리턴시켜 분리 반사미러(40)와 거의 평행하게 배치된 분리 반사미러(41)로 유도하는 것이다. 그리고, 분리 반사미러(41)는 레이저빔(15d)이 부주사 방향과 직교하는 평면 내에서 주사되도록 배치되어 있다.
분리 반사미러(42)는 레이저빔(15c)을 거의 부주사 방향을 향해 리턴시켜, 부주사 방향의 단면에서 거의 삼각형 모양으로 광경로를 접도록 배치된 분리 반사미러(43,44)로 유도하고, 이 분리 반사미러(43,44)에 의해 레이저빔(15c)이 레이저빔(15d)과 평행인 평면 내에서 주사되도록 배치되어 있다. 분리 반사미러(45)는 레이저빔(15b)을 거의 부주사 방향을 향해 리턴시켜, 부주사 방향의 단면에서 거의 삼각형 모양으로 광경로를 접도록 배치된 분리 반사미러(46,47)로 유도하고, 이 분리 반사미러(46,47)에 의해 레이저빔(15b)이 레이저빔(15c,15d)과 평행한 평면 내 에서 주사되도록 배치되어 있다.
분리 반사미러(48)는 레이저빔(15a)을 대략 부주사 방향을 향해 리턴시켜, 분리 반사미러(48)와 거의 평행하게 배치된 분리 반사미러(49)로 유도하는 것이다. 그리고, 분리 반사미러(49)는 레이저빔(15a)을 레이저빔(15b~15d)과 평행한 평면 내에서 주사되도록 배치되어 있다.
그리고, 분리 반사미러(40,42,45,48)는 각각 동시에 사출된 레이저빔(15a~15d)의 광경로를 차는 일 없이 분리할 수 있도록 광축 방향 및 부주사 방향으로 위치를 벗어나 배치된다. 레이저빔(15a~15d)의 부주사 방향의 피치가 지나치게 근접하여, 분리할 수 없는 경우에는 LD 어레이(21A,21B)를 회전 조정하여 소정 피치를 얻을 수 있도록 한다.
fθ렌즈(10a~10d)는 단옥의 플라스틱 렌즈로서, 광경로 분리 광학계(8)에 의해 서로 평행한 평면 내에 주사되는 레이저빔(15a~15d)을 각각 감광체 드럼(17a~17d) 위의 주사선 위치에서 소정의 광속 직경이 되도록 결상함과 동시에, 주주사 방향의 주사 속도를 거의 등속으로 하기 위한 fθ특성을 구비한 렌즈 또는 렌즈군이다.
그리고, 부주사 방향에 있어서, fθ렌즈(10)의 결상 위치와 제 1 실린더리컬 렌즈(3A,3B) 및 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B)의 결상 위치는 광학적으로 켤레(공액) 관계에 있다. 그로써, 폴리곤 미러(6)의 면기울기에 의한 주사선의 부주사 방향의 차이가 현저하게 줄어드는 면기울기 보정 광학계를 구성하고 있다.
리턴 미러(11)는 폴리곤 미러(6)로 변경된 레이저빔(15a~15d) 중 비화상 영 역의 주사 개시측의 광속을 광축에 교차하는 방향으로 구부리고 동기 센서 유닛(12)으로 유도하기 위한 광학 소자이다.
동기 센서 유닛(12)은 광속을 적당한 형상으로 집광·정형하여 광검지의 S/N비를 향상시키는 동기 검지용 렌즈(51)와, 동기 검지용 렌즈(51)를 투과하여 집광된 광속을 검지하는 수평 동기 센서(52)로 이루어진다. 수평 동기 센서(52)는 예를 들면 PIN 포토 다이오드 등의 광속 응답성을 갖는 광검출 센서 등으로 이루어진다. 수평 동기센서(52)에는 광검지 출력 발생 타이밍을 신호화하는 전기회로가 접속되고, 광주사장치(1) 외부에 수평 동기신호를 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 더욱이, 이와 같은 전기회로는 IC화되어 수평 동기 센서(52) 근방에 일체로 형성되어 있어도 좋다.
다음으로, 이상의 구성으로 이루어진 본 실시예의 광주사장치의 동작에 대해서 설명하기로 한다.
우선, 광주사장치(1) 외부에서 폴리곤 미러(6)를 회전 구동하는 구동 신호를 입력하고 폴리곤 미러(6)를 등속 회전시킨다. 그리고, 적어도 LD 어레이(21B)에 의해 레이저빔(15d)이 DC 점등된다.
그리고, 레이저빔(15d)은 LD 어레이(21B)로부터 발산광으로서 사출된 후, 콜리메이팅 렌즈(23B), 조리개(25B)를 투과하여 소정의 광속직경을 가지는 평행 광속이 되고, 제 1 실린더리컬 렌즈(3B)에 입사된다.
제 1 실린더리컬 렌즈(3B)에 입사된 레이저빔(15d)은 제 1 실린더리컬 렌즈(3B)에 의해 부주사 방향으로 집광되고, 제 1 조정미러(31B), 제 2 조정미러(32B) 에 의해 광경로를 Z자 형태로 리턴하여, 제 2 실린더리컬 렌즈(5B)에 입사된다. 제 2 실린더리컬 렌즈(5B)에 입사된 레이저빔(15d)은 제 2 실린더리컬 렌즈(5B)에 의해 주주사 방향으로 집광되고, 폴리곤 미러(6)의 반사면 근방에서 부주사 방향으로 결상되어 주주사 방향으로 연장되는 거의 선형의 광속이 된다. 그리고 폴리곤 미러(6)에 의해 주주사 방향으로 편향된다.
폴리곤 미러(6)에 의해 편향된 레이저빔(15d)은 분리 반사미러(40,41)에 의해 광경로가 접혀 fθ렌즈(10d)에 입사된다. fθ렌즈(10d)에 입사되면, 그 결상 작용에 의해 감광체 드럼(17d)의 주사선상에 결상한다. 그리고 편향각이 등속으로 증대됨과 동시에 fθ렌즈(10d)의 fθ 특성에 의해 주사선상으로 도 1의 화살표(Z2) 방향으로 등속으로 주사된다.
여기에서, 레이저빔(15d)은 주사 개시측에서 리턴 미러(11)에 의해 리턴되어 동기 센서 유닛(12)에 입사된다. 그리고, 동기 센서 유닛(12)은 소정의 위치에 레이저빔(15d)이 도달했을 때, 수평 동기 신호를 출력함과 동시에 레이저빔(15d)을 일시적으로 소등한다. 그리고 소정의 지연 후, 이 수평 동기신호로부터 LD 어레이(21B)를 변조하는 변조신호가 입력되고 레이저빔(15d)은 이 변조신호에 따라 변조된다.
이와 같이 하여 폴리곤 미러(6)의 1반사면에 의한 편향 주사가 종료되면, 다음 반사면에서 동일한 주사가 실행되고 화상 신호에 따라 변조된 레이저빔(15d)이 주사선상에 반복 주사된다. 한편, 감광체 드럼(17d)은 부주사 방향으로 일정 선속으로 회전된다. 그 때문에 감광체 드럼(17d) 위를 레이저빔(15d)이 2차원 스캔함으 로써 감광체 드럼(17d) 위에 잠상이 형성된다. 화상 형성 시스템이 흑색 인자를 하는 모드이면 상기에 의해 작상(作像)이 진행되어 모노크로 화상이 형성된다.
한편, 상기와 같이 레이저빔(15a~15c)은 광경로 분리 광학계(8)에서의 광경로가 다를 뿐 거의 동일하게 하여 감광체 드럼(17a~17c) 위를 주사할 수 있다.
그리고, 레이저빔(15a~15c)은 폴리곤 미러(6)의 반사면에 입사되기 직전의 광경로가 제 1 조정미러(31A,31B) 및 제 2 조정미러(32A,32B)의 작용에 의해 부주사 방향에 따른 평면상에 평행하게 정렬되기 때문에, 폴리곤 미러(6)에 대한 입사각이 동일해진다. 그리고 fθ렌즈(10a~10d)에 대한 주사 화상각도 동일해진다. 그 결과, 레이저빔(15a~15c)은 광경로 분리 광학계(8), fθ렌즈(10a~10d) 등의 제작 오차, 배치 오차 등에 의한 상이를 제외하고는 거의 동일한 주사 특성, 유효 주사 영역을 구비한 것이 된다.
즉, 각 레이저빔(15a~15c)의 주사는 거의 동기되어 있기 때문에, 예를 들면 풀컬러 화상을 출력하는 경우에 레이저빔(15d)에 의한 수평 동기신호를 기준으로 하여 레이저빔(15a~15c)의 독출 타이밍을 정확하게 결정할 수 있다. 즉, 독출 개시신호의 지연 시간을 동일하게 해도, 폴리곤 미러(6)의 분할 정밀도 등에 의한 반사면 고유의 오차는 각 레이저빔(15a~15d)에 공통적이기 때문에, 광경로 분리 광학계(8), fθ렌즈(10a~10d) 등에 의존하는 장치 고유의 위치 차이가 생길 뿐이다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 이것은 레이저빔(15a~15d)마다 독출 개시신호의 지연 시간을 미세 조정함으로써 용이하게 보정될 수 있는 것이다.
이와 같이 구성된 광주사장치(1)에 따르면, 주주사 방향으로 파워를 가지고 LD 어레이(21A,21B)로부터 방사되는 레이저빔(15a~15d)을 주주사 방향으로 집속하는 제 2실린더리컬 렌즈(5A,5B)를 멀티빔 광원(2)과 폴리곤 미러(6) 사이에 설치함으로써 fθ렌즈(10a~10d)의 파워를 줄일 수 있다. 따라서, fθ렌즈(10a~10d)의 형상을 균일 두께로 할 수 있기 때문에, 렌즈 성형이 용이해짐과 동시에 비용 저하를 꾀할 수 있다.
또, 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B)를 멀티빔 광원(2)와 폴리곤 미러(6) 사이에 설치함으로써 광학계의 주주사 배율이 작게 억제되어 있다. 따라서 주사 장치의 조정 오차나 제조 오차의 허용도를 높일 수 있다.
또, 제 1실린더리컬 렌즈(3A,3B)가 부주사 방향의 광속을, 제 2 실린더리컬 렌즈(5A,5B)가 주주사 방향의 광속을 각각 독립적으로 결상시킴으로써, 주주사 방향, 부주사 방향 각각의 초점 위치를 독립적으로 조정할 수 있다.
또, 온도 변화에 대한 지지부재(27)의 초점 편차량과, 제 2실린더리컬 렌즈(5A,5B) 및 fθ렌즈(10a~10d)의 초점 편차량이 서로 부정하도록 구성되어 있기 때문에 환경 변동시의 성능 변화를 억제할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않으며 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지의 변경을 더할 수 있다.
예를 들면, 풀컬러 화상 형성 시스템에 있어서, 각 색을 멀티빔 주사하는 데 이용해도 좋고 8개의 광원을 사용하여 각 색 2빔씩 주사하도록 해도 좋다.
[실시예 1]
이하, 본 발명에 관한 광주사장치(1)의 온도 변화에 대한 초점 편차량을 도 3을 사용한 수치 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 여기에서 도 3은 본 실시예에 관한 광주사장치(1)의 주주사 방향에서의 광경로를 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 수치 실시예의 광학계 구성 파라미터를 나타낸다. 도 3에 표기된 ri, ni(i는 정수)는 하기에 나타낸 광학계 구성 파라미터의 ri, ni에 각각 대응한다. 또한, 면간격에 관해서는 25℃에서의 것을 표기하고 있으며, 굴절율에 대해서는 파장 783nm에서의 것을 표기하고 있다. 또, 폴리곤 미러(6)에서의 입사각과 반사각의 합인 α는 65°로 되어 있다.
면번호 곡률반경[mm] 면간격[mm] 굴절율
1 r1=∞(광원)
2 r2=265 d1=18.87
3 비구면[1] d2=2 n23=1.576
4 주주사 방향r3a=∞(평면) 부주사 방향r3b=103 d3=22
5 r5=∞(평면) d4=3 n3=1.511
6 주주사 방향r6a=211 부주사 방향r6b=∞(평면) d5=157
7 r7=∞(평면) d6=3 n5=1.503
8 r8=∞(평면) d7=40.48
9 비구면[2] d8=144.52
10 비구면[3] d9=15 n10=1.503
11 r11=∞(평면) d10=8
12 r12=∞(평면) d11=2 n16=1.511
13 ∞(상면) d12=156
여기에서 본 실시예에서의 회전 대칭 비구면을 표현하기 위한 좌표계와, 곡면식에 대해서 설명한다.
좌표계는 부주사 방향을 X축, 주주사 방향을 Y축, 광의 진행방향을 양으로 한 광축(축상 주광선)을 Z축으로 하여 오른쪽 직교 좌표계로 되어 있다.
그리고, 콜리메이팅 렌즈(23B)의 출사면인 면번호 3의 비구면 정의식은 식 1 에 도시되어 있다.
Figure 112004043175042-pat00001
상기 수학식 1에 있어서 C는 곡률반경의 역수, k는 원추 정수이고,
Figure 112004043175042-pat00002
이다. 또 a, b, c, d는 각각 4차, 6차, 8차, 10차의 비구면 계수이다.
또 fθ렌즈(10d)의 입사면 및 출사면인 면번호 9,10의 비구면 정의식은 식 2에 나타나 있다.
Figure 112004043175042-pat00003
상기 수학식 2에서 c1은 주주사 방향의 곡률반경의 역수, c2는 부주사 방향의 곡률반경의 역수이고,
Figure 112004043175042-pat00004
이다. 또
Figure 112004043175042-pat00005
은 수학식 3,
Figure 112004043175042-pat00006
은 수학식 4에 도시한 바와 같다.
Figure 112004043175042-pat00007
Figure 112004043175042-pat00008
비구면[1]
곡률반경 r3=12.075
k=-7.6722×10-1
a=7.8967×10-6 b=1.8077××10-8 c=-1.2414×10-9 d=1.6923×10 -11
비구면[2]
주주사 방향
곡률반경 r9a=160.449
y>0일 때
k=0
A4=-1.6004×10-6 A6=1.6687×10-9 A8=-2.9158×10 -13 A10=-7.9890×10-17
A3=-6.9062×10-7 A5=1.5387×10-8 A7=-3.5950×10 -11 A9=1.2314×10-15
B4=0 B6=0 B8=0 B10 =0
B3=0 B5=0 B7=0 B9 =0
y≤0일 때
k=0
A4=3.4929×10-7 A6=7.1298×10-10 A8=2.1438×10 -13 A10=3.0461×10-18
A3=-9.6570×10-6 A5=-2.6498×10-8 A7=-1.5641×10 -11 A9=-1.4091×10-15
B4=0 B6=0 B8=0 B10 =0
B3=0 B5=0 B7=0 B9 =0
부주사 방향
곡률반경 r9b=-135.335
비구면[3]
주주사 방향
곡률반경 r10a=257
y>0일 때
k=0
A4=-1.5010×10-6 A6=2.0157×10-9 A8=-2.0990×10 -13 A10=-6.8089×10-17
A3=-9.1236×10-7 A5=4.4772×10-9 A7=-4.0528×10 -11 A9=1.0677×10-14
B4=8.7154×10-8 B6=-3.0748×10-10 B8=7.6960×10 -14 B10=1.0350×10-17
B3=-3.8363×10-6 B5=6.2140×10-9 B7=2.8536×10 -12 B9=-1.7861×10-15
y≤0일 때
k=0
A4=8.7154×10-8 A6=-3.0748×10-10 A8=7.6960×10 -14 A10=1.0350×10-17
A3=-3.8363×10-5 A5=6.2140×10-9 A7=2.8536×10 -12 A9=-1.7861×10-15
B4=8.6452×10-8 B6=-1.5609×10-10 B8=8.6804×10 -14 B10=7.3001×10-18
B3=-3.6210×10-6 B5=3.7587×10-9 B7=-2.2218×10 -13 B9=-1.4269×10-15
부주사 방향
곡률반경 r10b=-32.021
본 실시예에서 감광체 드럼(17d) 위에서의 상(像)높이에 대한 스폿 직경을 도 4에, 감광체 드럼(17d)으로부터 +2mm 어긋난 위치에서의 상높이에 대한 스폿 직경을 도 5에, 감광체 드럼(17d)으로부터 -2mm 어긋난 위치에서의 상높이에 대한 스폿 직경을 도 6에 각각 도시한다. 이 도 4 내지 도 6에서 ±2mm의 초점 차이가 발 생한 경우의 스폿 직경의 변화는 5㎛ 이하로서 충분히 작은 값이라는 것을 알 수 있다.
여기에서 광주사장치(1)의 온도 변화에 대한 초점 편차량은 4개의 요소인, LD 어레이(21B)의 온도 변화에 대한 파장 변화량과, 지지부재(27)의 온도 변화에 의한 LD 어레이(21B)의 출사면 및 콜리메이팅 렌즈(23B)의 거리 변화량과, 제 2 실린더리컬 렌즈(5B)의 온도 변화에 대한 초점거리의 변화량과, fθ렌즈(10d)의 온도 변화에 대한 초점거리 변화량을 각각 고려하고 있다. 또, 각 요소의 변화량은 이하의 표 1에 도시되어 있다.
더욱이, 제 1 실린더리컬 렌즈(3B)는 유리 렌즈이기 때문에 온도 변화에 대한 초점거리의 변화량을 무시할 수 있는 것으로 되어 있다.
factor parts 변화량
1 LD 어레이의 파장 783㎚→791㎚
2 LD 어레이와 콜리메이팅 렌즈와의 거리 d1×Δt×α
3 제 2실리더리컬 렌즈의 초점거리 -(f/(n-1))(dn/dt)Δt＋αfΔt
4 fθ렌즈의 초점거리 -(f/(n-1))(dn/dt)Δt＋αfΔt
표 1에서 d1은 상기 LD 어레이(21B)의 출사면과 콜리메이팅 렌즈(23B)의 거리를, f는 초점 거리를, n은 굴절율을, dn/dt는 굴절율의 온도 계수를, Δt는 온도 변화량을, α는 열팽창 계수를 각각 나타내고 있다. 그리고, 제 2 실린더리컬 렌즈(5B) 및 fθ렌즈(10d)의 초점거리의 변화량을 나타내는 제 1 항은 굴절율 변화에 대한 초점거리의 편차량을, 제 2 항은 형상 변화에 대한 초점거리의 편차량을 각각 나타내고 있다.
여기에서 지지부재(27)의 열팽창 계수를 3.7×10-5라고 하면, LD 어레이(21B)의 출사면과 콜리메이팅 렌즈(23B)와의 거리 변화량은 2.4×10-2[mm]가 된다. 또, 제 2 실린더리컬 렌즈(5B)의 주주사 방향, fθ렌즈(10d)의 주주사 방향 및 부주사 방향의 수치 데이터는 이하의 표 2에 나타나 있다.
제 2실린더리컬 렌즈 (주주사 방향) fθ렌즈 (주주사 방향) fθ렌즈 (부주사 방향)
material 플라스틱 플라스틱 플라스틱
f(25℃)[㎜] 420 808 80
n 1.503 1.503 1.503
dn/dt[1/℃] -1.133×10-4 -1.133×10-4 -1.133×10-4
Δt[℃] 30 30 30
α[1/℃] 9×10-5 9×10-5 9×10-5
f(55℃)[㎜] 423.71 815.24 80.33
여기에서 f(25℃)는 25℃일 때의 초점거리를, f(55℃)는 55℃일 때의 초점거리를 각각 나타내고 있다.
이상 LD 어레이(21B)의 파장 변화에 의한 광학계 전체의 초점 편차량과, LD 어레이(21B)의 출사면 및 콜리메이팅 렌즈(23B)의 거리 변동에 의한 광학계 전체의 초점 편차량과, 제 2실린더리컬 렌즈(5B)의 초점 변동에 의한 광학계 전체의 초점 편차량과, fθ렌즈(10d)의 초점 변동에 의한 광학계 전체의 초점 편차량은 각각 주주사 방향 및 부주사 방향에 있어서 이하의 표 3에 나타내기로 한다.
더욱이 각 수치에 있어서 + 는 상술한 축상 주광선인 Z축의 정방향과 동일하다.
factor 주주사 방향 defocus[㎜] 부주사 방향 defocus[㎜]
1 1.7 0.8
2 -5.6 -2.3
3 2.3 0
4 0.3 3.0
total -1.4 1.4
이로써, fθ렌즈(10d)의 온도 변화시 초점 편차량은, 멀티빔 광원(2)의 온도 변화시의 초점 편차량과 그 편차 방향을 서로 다르게 구성함으로써, 25℃ 내지 55℃의 온도 변화에 대한 광학계의 주주사 방향 및 부주사 방향의 초점 편차량이 각각 ±2.0mm 범위내인 것을 확인했다. 따라서, 환경 변동시의 성능 변화를 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 광주사장치에 따르면, 평행 광속을 주주사 방향으로 독립적으로 집속함으로써, 단옥 플라스틱 fθ렌즈에 요구되는 파워가 적어진다. 이로써 단옥 플라스틱 렌즈의 곡률 반경을 크게 할 수 있고, 단옥 플라스틱 렌즈의 형상을 균일 타입으로 할 수 있어 불균일 타입에 비해 성형성이 향상된다.
또, 광학계의 배율을 줄임으로써 물체측의 조정 오차에 대한 허용량을 증가시킬 수 있으며, 광학계의 조립이 용이해져 생산성이 향상된다.
또, 제 1 및 제 2 집광소자가 부주사 방향 또는 주주사 방향으로 독립적으로 집광됨으로써 부주사 방향 또는 주주사 방향 단독적으로 주사 방향에 대한 초점 위치의 조정이 가능하다.

Claims (4)

  1. 집속광을 주사선상에 반복 주사하는 광주사장치에 있어서,
    평행 광속을 사출하는 광원;
    상기 광원으로부터 사출된 평행 광속을 부주사 방향으로 집광하는 제 1 집광소자 및 주주사 방향으로 집광하는 제 2 집광소자;
    상기 제 1 및 제 2 집광소자에 의해 집광된 광속을 주주사 방향으로 편향하는 광편향수단; 및
    상기 광편향수단에 의해 편향된 광속을 상기 주사선상에 집속시키는 단옥(單玉) 플라스틱 fθ렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 집광소자가 유리 렌즈이고, 상기 제 2 집광소자가 플라스틱 렌즈인 것을 특징으로 하는 광주사장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광원은 반도체 레이저, 콜리메이팅 렌즈 및 이들을 유지하는 지지부재에 의해 구성되고,
    온도 변화시에 상기 반도체 레이저의 파장 변화에 의한 초점 편차량과, 상기 지지부재의 열수축에 의한 초점 편차량과, 상기 제 2 집광소자의 초점거리 변화에 의한 초점 편차량과, 상기 단옥 플라스틱 fθ렌즈의 초점거리 변화에 의한 초점 편차량 전부를 가산한 양이 ±2mm 이내인 것을 특징으로 하는 광주사장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광편향 수단 하나에 대해, 상기 광원과 상기 제 1 및 제 2 집광소자가 각각 복수개 설치됨으로써, 복수의 광속을 다른 주사선상에 동시에 주사하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
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