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発明の名称 光ビーム走査装置およびこれを用いた画像形成装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−108926(P2001−108926A)
公開日 平成13年4月20日(2001.4.20)
出願番号 特願平11−287197
出願日 平成11年10月7日(1999.10.7)
代理人 【識別番号】100090446
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 司朗
【テーマコード(参考)】
2C362
2H045
5C072
【Fターム(参考)】
2C362 BA04 BA85 
2H045 AA01 CA63 CB35 DA02
5C072 AA03 BA15 CA06 CA15 DA01 DA21 HA13 XA01
発明者 長坂 泰志 / 竹下 健司 / 向坂 純
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 ポリゴンミラーの偏向面に対してその面幅よりも主走査方向に幅広な光ビームを入射し、偏向後の光ビームにより被走査面上を主走査方向に走査するオーバーフィルド型の光ビーム走査装置であって、前記光ビームを射出する光源とポリゴンミラーとの間の光路途中に配設される第1光学系の光軸と、前記ポリゴンミラーと被走査面との間の光路途中に配設される第2光学系の光軸とが、前記ポリゴンミラーの回転軸を含む一平面内にほぼ含まれるように構成され、前記光源とポリゴンミラーとの間の光路途中にスリットを有したスリット部材が配設され、当該部材のスリット形状は、被走査面上の走査開始位置から走査終了位置までの1走査内における各位置を露光する光量がほぼ一定となるように決定されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項2】 前記スリット形状は、前記第1光学系の光軸と一致するスリット中央部を中心として点対称な形状であって、主走査方向両端部から中央部に近づくに従って副走査方向の幅が狭くなるように決定されていることを特徴とする請求項1に記載の光ビーム走査装置。
【請求項3】 前記第2光学系の走査レンズの副走査倍率を、1走査内における走査中央位置から走査開始位置と走査終了位置との両側に進むに従って大きく構成したことを特徴とする請求項2に記載の光ビーム走査装置。
【請求項4】 被走査面上を光ビームにより主走査方向に走査し、当該被走査面上に画像を形成する画像形成装置であって、前記光ビームを走査する手段として、請求項1ないし3のいずれかに記載の光ビーム走査装置を使用したことを特徴とする画像形成装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、オーバーフィルド型の光ビーム走査装置およびこれを用いた画像形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザプリンタやデジタル複写機などの画像形成装置に用いられる光ビーム走査装置においては、画像形成速度の高速化や高解像度化の要請に応えるため、ポリゴンミラーの回転速度の高速化や、ポリゴンミラーの偏向面数の増加が図られている。
【0003】ところで、光ビーム走査装置には、回転するポリゴンミラーの偏向面に当該偏向面の面幅より回転方向(主走査方向)に幅狭な光束幅の光ビームを入射するアンダーフィルド型の光学系(以下単に、「アンダーフィルド光学系」と記す。)と、当該偏向面の面幅より主走査方向に幅広な光束幅の光ビームを入射するオーバーフィルド型の光学系(以下単に、「オーバーフィルド光学系」と記す。)とがある。アンダーフィルド光学系においては、偏向面の面幅を入射される光ビームの光束幅より幅広に形成しなければならないという構成上、偏向面の面幅を一定に保った状態で面数を例えば6面から12面に増加させると、ポリゴンミラーの内接する円の直径が約2倍になって大型化すると共に、重量も増加するため、実用上8面程度が限界になる。これに対してオーバーフィルド光学系においては、偏向面の面幅全域に光ビームを入射する構成上、偏向面の面幅を偏向後の光ビームの光束幅とほぼ同じにできるので、アンダーフィルド光学系のようなポリゴンミラーの大型化・大重量化を招くことがなく、ポリゴンミラーの内接する円の直径を一定に保った状態で面数を例えば6面から12面(最大では、16面程度)に増加させることができるという利点がある。
【0004】しかし、オーバーフィルド光学系においては、偏向面に入射される光ビーム(以下、「入射ビーム」ともいう。)をこの入射ビームの光束幅より狭い偏向面で一部ずつ切り取って偏向する構成であるので、偏向面によって偏向されて感光体ドラム表面を走査する光ビーム(以下、「走査ビーム」という。)の光量が1ライン主走査する間で変動し、光量むらが生じるという問題がある。この光量むらの要因には、次の2つがある。第1の要因は、ポリゴンミラーが回転すると、入射ビームの主光線と偏向面の法線との間の角(この角を以下、「偏向面入射角」という。)が変化して、偏向面で切り取られる入射ビームの主走査方向の切り取り幅が変化してしまうことにある。そして、第2の要因は、ポリゴンミラーが回転すると、偏向面入射角が変化して、偏向面で切り取られる入射ビームの切り取り位置が主走査方向に変化することにある。
【0005】そこで、オーバーフィルド光学系の光ビーム走査装置において、切り取り幅や切り取り位置の変化による走査ビームの1走査内における光量むらを解消して、走査開始から走査終了まで一定の光量で感光体ドラム表面を主走査するための技術が、従来から考案されている。その具体例としては、特開平8−1600338号公報に記載の技術(以下、「第1従来技術」という)、特開平6−214184公報に記載の技術(以下、「第2従来技術」という)などがある。第1従来技術は、光源とポリゴンミラーとの間の入射ビームの光路途中に主光線に対する透過率が主走査方向に非対称なフィルタを設けることで、走査ビームの光量むらを解消するものである。そして、第2従来技術は、光源とポリゴンミラーとの間の入射ビームの光路途中にガウス分布を光束幅全域において均一にするバイナリー回折光学レンズシステムを設けることで、走査ビームの光量むらを解消するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の第1従来技術、第2従来技術においては、フィルタやバイナリー回折光学レンズシステムなどの光学素子を別途追加する必要があり、これらの光学素子が高価であるため、装置の大型化とコストアップをまねくという問題があった。
【0007】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、1走査内における光量むらを解消しつつ、装置の大型化やコストアップを抑制したオーバーフィルド型の光ビーム走査装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明に係る光ビーム走査装置は、ポリゴンミラーの偏向面に対してその面幅よりも主走査方向に幅広な光ビームを入射し、偏向後の光ビームにより被走査面上を主走査方向に走査するオーバーフィルド型の光ビーム走査装置であって、前記光ビームを射出する光源とポリゴンミラーとの間の光路途中に配設される第1光学系の光軸と、前記ポリゴンミラーと被走査面との間の光路途中に配設される第2光学系の光軸とが、前記ポリゴンミラーの回転軸を含む一平面内にほぼ含まれるように構成され、前記光源とポリゴンミラーとの間の光路途中にスリットを有したスリット部材が配設され、当該部材のスリット形状は、被走査面上の走査開始位置から走査終了位置までの1走査内における各位置を露光する光量がほぼ一定となるように決定されていることを特徴とする。
【0009】また、本発明に係る光ビーム走査装置は、前記スリット形状は、前記第1光学系の光軸と一致するスリット中央部を中心として点対称な形状であって、主走査方向両端部から中央部に近づくに従って副走査方向の幅が狭くなるように決定されていることを特徴とする。また、本発明に係る光ビーム走査装置は、前記第2光学系の走査レンズの副走査倍率を、1走査内における走査中央位置から走査開始位置と走査終了位置との両側に進むに従って大きく構成したことを特徴とする。
【0010】さらに、本発明に係る画像形成装置は、被走査面上を光ビームにより主走査方向に走査し、当該被走査面上に画像を形成する画像形成装置であって、前記光ビームを走査する手段として、上記いずれかに記載の光ビーム走査装置を使用したことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係るオーバーフィルド型の光ビーム走査装置をレーザプリンタに適用した例について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るレーザプリンタの光学系の概略構成を示す斜視図である。
【0012】レーザプリンタ1は、矢印a方向(副走査方向)に所定の角速度で回転駆動される感光体ドラム2と、感光体ドラム2の表面(被走査面)をレーザビームLBで走査するレーザビーム走査装置3などを備える。レーザビーム走査装置3は、オーバーフィルド型の光ビーム走査装置であって、不図示のポリゴンモータにより一定の角速度で矢印b方向(主走査方向)に高速回転駆動されるポリゴンミラー4を中心に、レーザビームLBを射出するレーザダイオードLDや、レーザダイオードLDとポリゴンミラー4との間のレーザビームLBの光路途中に配設される第1光学系6、ポリゴンミラー4と感光体ドラム2との間のレーザビームLBの光路途中に配設される第2光学系7、レーザダイオードLDとポリゴンミラー4との間のレーザビームLBの光路途中に配設され、スリット80Aを有するスリット部材8などからなる。なお、図1において、レーザビームLBは、その主光線(光強度が最も強い光線)のみが直線で描かれている。また、図1に示すポリゴンミラー4およびこの付近において副走査方向から見たレーザビームLBの光路図を図2に示す。
【0013】ポリゴンミラー4は、周囲に複数(図示例では12面)の偏向面を有し、内接する円の直径が20〜40mm程度の角柱状に形成されている。各偏向面の主走査方向の面幅は、例えば6〜10mmに設定されている。レーザダイオードLDは、図示しない制御部から出力される画像データに基づく駆動信号により駆動され、光変調されたレーザビームLBを所定のビーム拡り角で射出する。
【0014】第1光学系6は、主走査方向および副走査方向に正のパワーを持つレンズ610と、シリンドリカル面を有し、副走査方向に正のパワーを持つレンズ62と、折り返しミラー63とを備える。第2光学系7は、主走査方向に正のパワーを持つ2枚のfθレンズ71,72と、折り返しミラー74と、シリンドリカル面を有し、副走査方向に正のパワーを持つレンズ75とを備える。なお、上記fθレンズ71,72と、レンズ75とで、走査レンズ76が構成される。
【0015】折り返しミラー63を介する第1光学系6の光軸と、第2光学系7の光軸とは、ポリゴンミラー4の回転軸を含む一平面内にほぼ含まれるように構成されている(この構成を、主走査方向について、第1光学系6の光軸と第2光学系7の光軸との間の角度がほぼ0゜に設定され、第2光学系7の光軸に対して、レーザビームLBがポリゴンミラーへほぼ0゜で入射するという意味で、以下、「0゜入射」という。)。
【0016】また、折り返しミラー63を介する第1光学系6の光軸と、第2光学系7の光軸とは、ポリゴンミラー4の偏向面における副走査方向の角度差が小さくなるように構成されている。この結果、レーザビームLBは、ポリゴンミラー4の偏向面に対してほぼ正面から入射される入射時と、偏向面による反射時との2回、fθレンズ71,72を通過する構成となっている(この構成を以下、「ダブルパス」という。)。なお、偏向面により反射されたレーザビームLB(走査ビーム)を第1光学系6の折り返しミラー63が遮光しないように、第1光学系6の光軸には、ポリゴンミラー4の回転軸に直交する平面に対してわずかに上向きに角度ω(図2参照)が付されている。
【0017】上記ダブルパス構成では、第1光学系6のレンズ610と、第2光学系7のfθレンズ71,72とで、入射ビームに対するコリメータレンズ61が構成される。したがって、第1光学系6の構成部品が少なくなり、第1光学系6の構成、ひいてはレーザビーム走査装置3の構成を安価かつ小型化することができる。レーザダイオードLDから出射されたレーザビームLBは、レンズ610により拡散角度が若干弱められ、スリット部材8のスリット80Aを通過した後、レンズ62によって副走査方向に集光される。その後、折り返しミラー63によってポリゴンミラー4方向に偏向され、fθレンズ71,72が持つ主走査方向への正のパワーによって偏向面の面幅より幅広の所定の光束幅(アンダーフィルド光学系の2〜3倍、例えば20mm)まで拡散したところでコリメートされ、ポリゴンミラー4の偏向面にこの面幅よりも主走査方向に幅広に入射される。なお、レーザビームLBは、副走査方向については、レンズ62の集光力により、ポリゴンミラー4の偏向面付近において線状に集光されている。また、レーザダイオードLDとポリゴンミラー4との間、より具体的には第1光学系6のコリメータレンズ610とレンズ62との間の光路途中には、レーザビームLBの光量を調整するためのスリット80Aを有するスリット部材8が配設されているが、これの構成の詳細については後述する。
【0018】偏向面に入射されたレーザビームLBは、ポリゴンミラー4の回転によって主走査方向に走査される。このレーザビーム(走査ビーム)LBは、fθレンズ71,72を再度通過する際に主走査方向に集光され、折り返しミラー74によって感光体ドラム2方向に偏向され、レンズ75によって副走査方向に集光され、感光体ドラム2表面にスポット状に結像されつつ、感光体ドラム2表面を所定の走査速度で露光走査する。これにより、回転駆動される感光体ドラム2表面上に静電潜像が形成される。なお、レンズ75は、レンズ62と協働して、ポリゴンミラー4の偏向面の面倒れにより走査ラインが副走査方向にずれるのを最小限に押さえると共に、走査ラインが一直線になるように走査ビームの集光位置を補正する。
【0019】このように構成されたオーバーフィルド型のレーザビーム走査装置3によれば、偏向面のそれぞれに対して順番に、偏向面の面幅より主走査方向に幅広状態のレーザビームLBを照射するようにしているので、内接する円の直径を大きくすることなく、ポリゴンミラー4の1回転中における走査線の数を、偏向面の面数と同数の本数にまで増やすことができ、画像形成速度の高速化や高解像度化に適している。
【0020】感光体ドラム2の周囲には、不図示のクリーナや、イレーサランプ、帯電チャージャ、現像器、転写チャージャなどが配設されている。感光体ドラム2は、レーザビームLBによる露光を受ける前にクリーナで感光体表面の残留トナーを除去され、さらにイレーサランプに照射されて除電された後、帯電チャージャにより一様に帯電されており、このように一様に帯電した状態で露光を受けると、感光体ドラム2の表面の感光体に静電潜像が形成される。この静電潜像は、現像器からトナーの供給を受けてトナー像として顕像化される。このトナー像は、当該作像動作と同期して不図示の給紙部から給紙されてきた記録シート上にドラム・転写チャージャ間の静電力によって転写された後、不図示の定着ローラにおいて熱定着される。これにより画像データに基づく画像形成が終了する。
【0021】図3は、スリット部材8を正面から見た図である。同図に示すように、スリット部材8はスリット80Aを有し、スリット80Aの形状は、感光体ドラム2表面上、走査始端側の画像形成開始位置(以下、「SOI」と記す。SOI:Start of Image。)から走査終端側の画像形成終了位置(以下、「EOI」と記す。EOI:End of Image。)までの1走査内における各位置を露光する光量がほぼ一定となるように、主走査方向Xの両端部から中央部に近づくに従って副走査方向Yの幅が連続的に狭くなるように、つづみ状にくびれた形状に決定されており、主光線が通過する中央点Oを中心として点対称な形状に形成されている。
【0022】次いで、上記スリット80Aにより1走査中における光量が一定になる理由を詳細に説明する。レーザダイオードLDから射出されたレーザビームLBは、スリット80Aに入射された段階では、その主光線において光強度が最大で、主光線から遠ざかるにつれて光強度が小さくなる正規分布特性を示すガウシアンビームである。このようなレーザビームLBが上記スリット80Aを通過すると、主光線付近では副走査方向の通過幅が狭い分レーザビームLBの通過面積が減少し、逆に主光線から主走査方向に離れるにしたがって副走査方向の通過幅が広がり、その分レーザビームLBの通過面積が増加する。この結果、スリット80Aを通過したレーザビームLBの光量は、主走査方向のどの位置においてもほぼ一定となる。
【0023】このレーザビームLBは、ポリゴンミラー4の偏向面にその面幅よりも主走査方向に幅広に入射されて、ポリゴンミラー4の回転によって主走査方向に走査され、感光体ドラム2表面にスポット状に結像されつつ、感光体ドラム2表面を露光走査する。この場合、レーザビームLBが主走査方向のどの位置においても光量がほぼ一定のビームであるので、感光体ドラム2表面上を露光走査する走査ビームの1走査内の上記SOIからEOIの間の各位置における光量がほぼ一定に保たれることになる。
【0024】ここで、SOIからEOIまでの各位置におけるレーザビームLBの切り取り幅は、感光体ドラム2の中央に画像を形成する画像形成中央位置(以下、「COI」と記す。COI:Center of Image。)で偏向面の面幅と同じ幅となって最大(例えば10mm)となり、SOIおよびEOIの位置で最小(約9.8mm)となり、僅かながら変動する。このため、一般的には光量むらが起きることになる。しかし、このようなオーバーフィルド型光学系に特有な要因に対する対策としてスリット80Aの形状をそれを相殺するように決定しておけば、切り取り幅の変動に拘わらず、感光体ドラム2表面上を露光走査する走査ビームの1走査内の各位置における光量がほぼ一定に保つことができる。
【0025】上記スリット部材8は既存の楕円形状のスリットと交換するだけでよいため、従来のようにフィルタやバイナリー回折光学レンズシステムなどの光学素子を別途追加する必要がなく、1走査内における光量むらを解消しつつ、装置の大型化やコストアップを抑制することができる。なお、スリット80Aを通過したレーザビームLBがレンズ62により集光されるので、偏向面で偏向された走査ビームは副走査方向に拡散されていくことになるが、スリット80Aがつづみ状に形成されているので、レンズ75に入射される走査ビームの副走査方向の光束幅が、COIの状態からSOI,EOIの状態に進むにつれて広がることになる。このように副走査方向の光束幅が広がるにも拘わらず、レンズ75の副走査倍率が中央部から主走査方向端部まで一定であると、感光体ドラム2表面に集光される副走査方向のスポット径が中央部から主走査方向端部に進むに従って小さくなることになる。このため、レンズ75の副走査倍率は、中央部から主走査方向端部に進むに従って大きくなるように構成されている。したがって、このレンズ75により、感光体ドラム2表面に集光される副走査方向のスポット径が中央部から主走査方向端部まで一定にすることができる。
【0026】また、上述の実施の形態では、スリット80Aを図3に示すようにつづみ状に形成したが、SOIやEOIのタイミングを決定するためのSOS(SOS:Start of Scan)センサやEOS(End of Scan)センサを配置するために入射ビームの主走査方向への光束幅をさらに広げるような場合には、図4に示すように主走査方向の端部を外側に膨らませた形状のスリット80Bを形成してもよい。
【0027】(変形例)以上、本発明に係る光ビーム走査装置を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明の内容が、上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例が考えられる。
(1) 上記実施の形態では第2光学系7のfθレンズ71,72を2回通過するようにしたが、さらにレンズ75も通過させてポリゴンミラー4の偏向面M1〜M12を照射するようにしてもよく、fθレンズ71だけを通過させてポリゴンミラー4の偏向面を照射するようにしてもよい。
【0028】(2) また、上記実施の形態ではダブルパスに構成していたが、fθレンズ71,72をレーザビームLBが1度しか通過しないシングルパスの構成とすることもできる。この場合には、第1光学系6にレーザビームLBをコリメートするレンズを別途設け、第1光学系6とポリゴンミラー4との間で、かつ、ポリゴンミラー4と第2光学系7との間にビームスプリッタを配設し、このビームスプリッタを用いてシングルパスの0゜入射とすればよい。
【0029】(3) また、上記実施の形態ではポリゴンミラー4の偏向面の面数を12面で実施したが、16面等、実用的な範囲の他の面数で実施してもよい。
(4) さらに、上記実施の形態では、レーザプリンタに適用したが、デジタル方式の複写機や、FAX、マイクロリーダプリントや、これらの複合機などの画像形成装置にも適用できる。
【0030】
【発明の効果】以上のように本発明に係る光ビーム走査装置によれば、前記光ビームを射出する光源とポリゴンミラーとの間の光路途中に配設される第1光学系の光軸と、前記ポリゴンミラーと被走査面との間の光路途中に配設される第2光学系の光軸とが、前記ポリゴンミラーの回転軸を含む一平面内にほぼ含まれるように構成され、前記光源とポリゴンミラーとの間の光路途中にスリットを有したスリット部材が配設され、前記光ビームを射出する光源とポリゴンミラーとの間の光路途中にスリットを有したスリット部材が配設され、当該部材のスリット形状は、被走査面上の走査開始位置から走査終了位置までの1走査内における各位置の光量がほぼ一定となるように決定されているので、装置の大型化やコストアップを招くことなく、1走査内における被走査面上の光量むらをなくすことができるといった効果がある。即ち、光源とポリゴンミラーとの間にスリット部材が設けられているのが一般的であり、この部材のスリット形状を楕円とする代わりに、つづみ状などに形成するだけでよく、別途にフィルタやバイナリー回折光学レンズシステムなどの光学素子を追加する従来手法のように、装置の大型化やコストアップを招くことなく、1走査内における光量むらを解消することができるのである。




 

 


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