光走査装置及びこれを用いた画像形成装置
【課題】走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置を提供する。
【解決手段】光走査装置は、回転非対称の屈折面Ｒを少なくとも１面含み、ＭＥＭＳミラーで偏向走査された光束を被走査面上に結像させる走査レンズ１０５を備える。屈折面Ｒは、当該屈折面Ｒの子線頂点を結ぶ母線Ｐが副走査方向に湾曲し、光源から被走査面に至る光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面Ｒｌの形状が楕円であり、前記楕円の、前記光軸方向における極値は母線Ｐ上にあり、母線Ｐを光軸に垂直な平面に投影した投影母線Ｐａに垂直な断面Ｒｓの形状が円弧状とされている。
【解決手段】光走査装置は、回転非対称の屈折面Ｒを少なくとも１面含み、ＭＥＭＳミラーで偏向走査された光束を被走査面上に結像させる走査レンズ１０５を備える。屈折面Ｒは、当該屈折面Ｒの子線頂点を結ぶ母線Ｐが副走査方向に湾曲し、光源から被走査面に至る光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面Ｒｌの形状が楕円であり、前記楕円の、前記光軸方向における極値は母線Ｐ上にあり、母線Ｐを光軸に垂直な平面に投影した投影母線Ｐａに垂直な断面Ｒｓの形状が円弧状とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の軸回りに回転しつつ光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体を備えた光走査装置、及びこれを用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザープリンターや複写機等に用いられる光走査装置において、光源から発せられた光束を偏向走査させる偏向体として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロミラーを用いたものがある（例えば特許文献１）。特許文献１の光走査装置では、入射光学系で光源が発する光束をマイクロミラーに結像させ、負の光学的パワーを有する走査レンズを介して感光体ドラム（被走査面）に走査光を結像させている。この光学構成によれば、正の光学的パワーを有する走査レンズを用いる場合に比べて、同一光路長において走査領域を長くできる利点がある。しかし、被走査面に対する収束角が同一であれば、正の走査レンズを用いる場合よりも負の走査レンズを用いる場合の方が、マイクロミラーのミラー径を大きくする必要がある。
【０００３】
ミラー径が大きくなると、マイクロミラーの慣性モーメントが大きくなるため共振周波数を大きくできない、素子サイズが大きくなる等の不具合が生じる。そこで、前記ミラー径を可及的に小さくするための工夫が必要となる。最も効果的な手法が、所謂センター入射光学系を採用することである。センター入射光学系は、主走査断面におけるマイクロミラーに対する光束の入射角を最小とするもので、一つの副走査断面内にマイクロミラーの回転軸、マイクロミラーへの入射光の光軸及びマイクロミラーからの反射光の光軸を配置する光学系である。この場合、前記入射光と前記反射光とを空間的に分離するために、入射光は副走査方向に角度を持たせた斜入射方式でマイクロミラーへ入射される。
【０００４】
前記斜入射方式を採用した場合、走査湾曲が発生し、これに伴い走査端部付近における結像性能が低下するという問題が生じる。このような問題の解決のため、特許文献２には、走査レンズの屈折面を特殊トーリック面とする技術が開示されている。該特殊トーリック面は、子線の頂点を結ぶ母線形状が副走査方向に湾曲した曲線形状を有する屈折面である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７８５２０号公報
【特許文献２】特開平１０−７３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２では、走査レンズの副走査断面における形状が特定されていない。従って、面形状の検証が困難であり、例えば走査レンズを金型成形にて作成するに当たり、当該金型の設計及びその検証に多大な労力を要し、所期の光学性能を有する面形状を備えた走査レンズを容易に得ることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の局面に係る光走査装置は、光束を発する光源と、回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、前記屈折面は、当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、前記光源から前記被走査面に至る光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円であり、前記楕円の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、前記母線を前記光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧状である。
【０００９】
この構成によれば、副走査方向に角度を持たせて入射光束を偏向体へ入射させる入射光学系が採用された光走査装置において、走査レンズの屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲されているので、偏向体の小型化を図れると共に、走査湾曲の影響を抑制することができる。さらに、前記屈折面の副走査断面の形状が特定されているので、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００１０】
上記構成において、副走査軸をｘ方向、主走査軸をｙ方向、光軸をｚ方向と定義する場合において、前記屈折面の副走査断面における形状ｚが、前記母線をｙｚ平面へ投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記母線に垂直な円弧状断面の曲線をｒｓ、前記副走査断面の楕円曲線をｒｌとするとき、下記（１）式で表される楕円であることが望ましい。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
この構成によれば、前記屈折面の副走査断面の面形状が数式で定義されるので、当該面形状を、光学ソフト等を用いて自動設計させることができる。
【００１４】
本発明の他の局面に係る光走査装置は、光束を発する光源と、回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、前記屈折面は、当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、前記母線を、前記光源から前記被走査面に至る光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧であり、前記円弧の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、前記光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円状である。
【００１５】
この構成によっても、前記屈折面の副走査断面の形状が特定されるので、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００１６】
上記構成において、前記入射光束、前記反射光束及び前記偏向体の回転軸が同一平面上に配置されていることが望ましい。この構成によれば、入射光学系が所謂センター入射光学系となるので、偏向体のサイズを極小化することができる。
【００１７】
上記構成において、前記走査レンズの前記少なくとも１面の屈折面が、前記光軸に対して副走査方向に平行偏心した屈折面とされていることが望ましい。前記屈折面を平行偏心させることによって被走査面における走査湾曲が変化する。従って、入射光束を副走査方向に角度を持たせて偏向体へ斜入射させる場合に発生する走査湾曲をより一層抑制することが可能となる。
【００１８】
また、前記走査レンズを、主走査方向に平行な軸回りに回転させる回転機構をさらに備えることが望ましい。走査レンズを主走査方向に平行な軸回りに回転させると、被走査面から見た前記母線の形状が変化することとなり、走査湾曲も変化する。従って、回転機構によって走査湾曲をより一層抑制することが可能となる。
【００１９】
さらに、前記光源から前記被走査面に至る光路に配置された光学部品に対して、走査湾曲の調整操作を与える調整手段をさらに備えることが望ましい。この構成によれば、調整手段によって走査湾曲をより一層抑制することが可能となる。
【００２０】
本発明のさらに他の局面に係る画像形成装置は、静電潜像を担持する像担持体と、前記像担持体の周面を前記被走査面として光束を照射する上記の光走査装置とを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置及び画像形成装置を提供することができる。従って、走査レンズ及び光走査装置の開発コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るプリンターの概略構成を示す断面図である。
【図２】光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。
【図３】光走査装置の副走査断面の構成を示す光路図である。
【図４】図３の要部拡大図である。
【図５】ＭＥＭＳミラーの走査領域を説明するための模式図である。
【図６】ＭＥＭＳミラーによる被走査面への収束角を説明するための模式図である。
【図７】ＭＥＭＳミラーのミラー径を説明するための模式図である。
【図８】ＭＥＭＳミラーへ向かう入射光束と、ＭＥＭＳミラーで反射される反射光束とを示す模式的な斜視図である。
【図９】走査湾曲を説明するための模式図である。
【図１０】走査湾曲が発生した場合の結像状態を示す特性図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る走査レンズの主走査平面の形状を示す図である。
【図１２】図１１の矢印Ａ方向の矢視図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る光走査装置の、ＭＥＭＳミラーから被走査面までの光路図である。
【図１４】本実施形態の光走査装置の結像状態を示す特性図である。
【図１５】本実施形態の光走査装置の走査湾曲を示すグラフである。
【図１６】本実施形態の光走査装置のビームピッチの変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態に係る光走査装置について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光走査装置１１を含む画像形成装置１の構成を概略的に示した断面図である。画像形成装置１は、光走査装置１１、現像器１２、帯電器１３、感光体ドラム１４（像担持体）、転写ローラー１５、定着器１６及び給紙カセット１７を備える。
【００２４】
感光体ドラム１４は、円筒状の部材であり、その周面に静電潜像及びトナー像が形成される。感光体ドラム１４は、図略のモータからの駆動力を受けて、図１における時計回りの方向に回転される。帯電器１３は、感光体ドラム１４の表面を略一様に帯電する。
【００２５】
光走査装置１１は、レーザーダイオード等の光源、偏向体、走査レンズ及び光学素子等を備え、帯電器１３によって略一様に帯電された感光体ドラム１４の周面（被走査面）に対して、画像データに応じたレーザー光を照射して、画像データの静電潜像を形成する。この光走査装置１１については、後記で詳述する。
【００２６】
現像器１２は、静電潜像が形成された感光体ドラム１４の周面にトナーを供給してトナー像を形成する。現像器１２は、トナーを担持する現像ローラーやトナーを攪拌搬送するスクリューを含む。感光体ドラム１４に形成されたトナー像は、給紙カセット１７から繰り出され搬送路Ｐを搬送される記録紙に転写される。この現像器１２には、図略のトナーコンテナからトナーが補給される。
【００２７】
感光体ドラム１４の下方には転写ローラー１５が対向して配設され、両者によって転写ニップ部が形成されている。転写ローラー１５は、導電性を有するゴム材料等で構成されると共に転写バイアスが与えられ、感光体ドラム１４に形成されたトナー像を前記記録紙に転写させる。
【００２８】
定着器１６は、ヒーターを内蔵する定着ローラー１６０及び定着ローラー１６０と対向する位置に設けられた加圧ローラー１６１を備え、トナー像が形成された記録紙を加熱搬送することにより、記録紙に形成されたトナー像を定着させる。
【００２９】
次に、画像形成装置１の画像形成動作について簡単に説明する。先ず、帯電器１３により感光体ドラム１４の表面が略均一に帯電される。帯電された感光体ドラム１４の周面が、光走査装置１１により露光され、記録紙に形成する画像の静電潜像が感光体ドラム１４の表面に形成される。この静電潜像が、現像器１２から感光体ドラム１４の周面にトナーが供給されることにより、トナー像として顕在化される。一方、給紙カセット１７からは記録紙が搬送路Ｐに繰り出される。前記トナー像は、転写ローラー１５と感光体ドラム１４との間のニップ部を記録紙が通過することにより、当該記録紙に転写される。この転写動作が行われた後、記録紙は定着器１６に搬送され、記録紙にトナー像が固着される。
【００３０】
続いて、光走査装置１１の詳細構造について説明する。図２は、光走査装置１１の主走査断面の構成を示す光路図、図３は、その副走査断面の構成を示す光路図、図４は、図３の要部の拡大図である。光走査装置１１は、半導体レーザー１０１（光源）、コリメータレンズ１０２、シリンドリカルレンズ１０３、ＭＥＭＳミラー１０４（偏向体）、第１走査レンズ１０５ａ、第２走査レンズ１０５ｂ、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７を備える。なお、これら図中のＸ方向が副走査方向、Ｙ方向が主走査方向、Ｚ方向が光軸方向である。
【００３１】
半導体レーザー１０１は、所定の波長のレーザー光（入射光束Ｌ０）を発する光源である。コリメータレンズ１０２は、半導体レーザー１０１から発せられ拡散する入射光束Ｌ０を平行光に変換する。シリンドリカルレンズ１０３は、前記平行光の光束Ｌ０を主走査方向に長い線状光に変換してＭＥＭＳミラー１０４に結像させる。第２ミラー１０７は、コリメータレンズ１０２及びシリンドリカルレンズ１０３を間に挟んで半導体レーザー１０１の射出面に対向して配置され、入射光束Ｌ０を斜め上方に向けて折り返すように反射する。第１ミラー１０６は、ＭＥＭＳミラー１０４の斜め前の上方に配置され、第２ミラー１０７により反射された入射光束Ｌ０を斜め下方に反射し、これをＭＥＭＳミラー１０４へ入射させる。
【００３２】
ＭＥＭＳミラー１０４は、ミラー面１０４Ｍと、副走査方向Ｚに平行な回転軸１０４Ｐとを有する。この回転軸は、図示しない駆動源により回転駆動（正弦揺動）される。ＭＥＭＳミラー１０４は、前記回転軸の軸回りに回転しつつ、半導体レーザー１０１から発せられ、コリメータレンズ１０２及びシリンドリカルレンズ１０３を経て結像された入射光束Ｌ０を偏向走査する。
【００３３】
コリメータレンズ１０２、シリンドリカルレンズ１０３、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７は、ＭＥＭＳミラー１０４へ入射光束Ｌ０を入射させる入射光学系であって、本実施形態ではセンター入射光学系の構成とされている。すなわち、図４に示すように、光軸Ｚを含む副走査方向Ｘと平行な平面上に、シリンドリカルレンズ１０３の中心と、ＭＥＭＳミラー１０４の回転軸１０４Ｐと、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７の法線とが配置されている。
【００３４】
ＭＥＭＳミラー１０４から感光体ドラム１４の周面１４ａに向かう光軸を基準として副走査方向Ｘで見ると、第２ミラー１０７は前記光軸より下方に配置され、第１ミラー１０６は前記光軸より上方に配置されている。このように第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７を配置して入射光束Ｌ０をＭＥＭＳミラー１０４へ斜入射させるのは、入射光束Ｌ０とＭＥＭＳミラー１０４からの反射光束（偏向光束Ｌ１、偏向光束Ｌ２）とを空間的に分離するためである。
【００３５】
第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂは、ｆθ特性を有するレンズであって、特殊トーリック面からなるレンズ面（回転非対称の屈折面）を備えたレンズである。これら走査レンズ１０５ａ、１０５ｂは、ＭＥＭＳミラー１０４から感光体ドラム１４の周面１４ａに向かう光軸上で互いに対向して配置されており、ＭＥＭＳミラー１０４によって反射された反射光束を集光し、周面１４ａ（被走査面）に結像させる。
【００３６】
次に、本実施形態で採用されている上記センター入射光学系の利点について説明する。図５は、上掲の特許文献１の光走査装置に採用されているような、側方入射光学系を示す光路図である。この側方入射光学系では、図略の光源から発せられた入射光束は、主走査断面と平行な平面であってＭＥＭＳミラー２１から被走査面２３へ向かう光軸を含む平面の側方から、ＭＥＭＳミラー２１に入射される。ここで、走査レンズ２２として負の光学的パワーを有するレンズを用いると、ＭＥＭＳミラー２１の偏向角θが同一で且つＭＥＭＳミラー２１から被走査面２３までの光路長が同一であるという条件下では、正の光学的パワーを有するレンズを走査レンズ２２として用いる場合に比べて走査領域を長くすることができる。
【００３７】
従って、光路長の短縮という観点からは、負の光学的パワーを有する走査レンズ２２を用いることが有利であると言うことができる。しかし、ＭＥＭＳミラー２１のミラー径の縮小という観点からは、正の光学的パワーを有する走査レンズ２２が有利となる。図６は、被走査面２３に照射される光束のスポット径に大きく影響を与える光束の収束角φを示す図である。収束角φが一定であるという条件下では、正の光学的パワーを有する走査レンズ２２がＭＥＭＳミラー２１の配置位置において作る像の方が、負の光学的パワーを有する走査レンズ２２が作る像よりも小さくなる。つまり、同一収束角φのビームスポットを形成する場合、走査レンズ２２として正の光学的パワーを有するレンズを用いるときの反射光束ＬｐのＭＥＭＳミラー２１上における像幅Ｄｐは、負の光学的パワーを有するレンズを用いるときの反射光束Ｌｎの像幅Ｄｎよりも小さい。従って、ＭＥＭＳミラー２１のミラー径の小型化を図るには、負の光学的パワーを有する走査レンズ２２を用いると不利になる。
【００３８】
ＭＥＭＳミラー２１が大型化すると、その慣性モーメントが大きくなり駆動面で問題が生じる。図７に示すように、ＭＥＭＳミラー２１のミラー径は、入射光束がＭＥＭＳミラー２１へ入射する角度αに依存する。ＭＥＭＳミラー２１は、偏向角θの範囲で揺動するので、前記入射角度αは、入射光束の光軸とＭＥＭＳミラー２１のミラー面とがなす角が最大である場合の角度αmin（最小入射角）から、前記なす角が最小である角度αmax（最大入射角）まで変化する。角度αminの場合に必要となるＭＥＭＳミラー２１のミラー径Ｄ１は比較的小さいが、角度αmaxの場合に必要となるミラー径Ｄ２は比較的大きく、最大入射角によって大きく異なることになる。
【００３９】
従って、上記最大入射角（角度αmax）を可及的に小さくすることが求められるのであるが、最大入射角を極小にできる光路構成は、ＭＥＭＳミラー２１の正面から入射光束を入射させる構成である。すなわち、本実施形態が採用するセンター入射光学系である。この場合、ＭＥＭＳミラー２１がその揺動範囲の中心回転位置にあるとき、主走査方向における入射角度αはゼロとなる。
【００４０】
図８は、センター入射光学系において、ＭＥＭＳミラー１０４へ向かう入射光束と、ＭＥＭＳミラー１０４で反射される反射光束（偏向光束）との関係を示す模式的な斜視図である。センター入射光学系においては、入射光束と反射光束とが干渉しないように、入射光束は副走査方向に角度を持ってＭＥＭＳミラー１０４へ入射される（以下、斜入射という）。
【００４１】
入射光束をＭＥＭＳミラー１０４へ斜入射させた場合、図９に示す通り走査湾曲が発生する。すなわち、反射光束が走査領域を走査する走査線が弓なりに湾曲する現象が発生する。走査湾曲が発生すると、走査領域の中央の偏向光束Ｌ１（図２参照）と走査領域の端部の偏向光束Ｌ２との間で、走査レンズ１０５ａに対する入射位置が副走査方向にズレが生じることとなる。このズレによって、感光体ドラム１４の周面１４ａに描かれる静電潜像に歪みが発生する。
【００４２】
さらに、走査湾曲によって、走査領域の端部付近おける結像性能も低下する。図９に示すように、偏向光束Ｌ１、Ｌ２は主走査方向に長軸を有する楕円型の光束である。この場合、端部の偏向光束Ｌ２は走査湾曲が生じている走査線に沿ってその長軸が主走査方向に対して傾いた状態で走査レンズ１０５ａへ入射することになる。一方、従来の一般的な走査レンズはそのパワー方向が主走査方向及び副走査方向に合わせて設定されている。このため、中央の偏向光束Ｌ１については光束の長軸及び短軸方向とレンズパワー方向とが一致しているが、端部の偏向光束Ｌ２については光束の長軸及び短軸方向とレンズパワー方向とが一致しない。このことは、偏向光束Ｌ２についての結像性能を著しく低下させることになる。図１０（Ａ）は、中央の偏向光束Ｌ１のスポット像を、図１０（Ｂ）は、端部の偏向光束Ｌ２のスポット像をそれぞれ示している。
【００４３】
図９に示す走査湾曲の湾曲量ｅは、ＭＥＭＳミラー１０４から周面１４ａに至る反射光束の光軸と入射光束の光軸とがなす角が小さいほど、抑制することができる。本実施形態では、湾曲量ｅの抑制のため、第２ミラー１０７から入射光束を直接的にＭＥＭＳミラー１０４へ入射させるのではなく、ＭＥＭＳミラー１０４の近傍に配置した第１ミラー１０６でさらに入射光束を反射させた上でＭＥＭＳミラー１０４へ入射させている。すなわち、第１ミラー１０６を反射光束の光軸を挟んで第２ミラー１０７と反対側に、且つＭＥＭＳミラー１０４の至近位置に配置することで、反射光束の光軸と入射光束の光軸とがなす角を可及的に小さくしている（図４参照）。
【００４４】
しかし、上記のような工夫を施したとしても、走査湾曲が消失するものではない。そこで本実施形態では、走査レンズ（本実施形態では第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂ）の少なくとも１面を、以下に述べるような回転非対称の屈折面（トーリック面）としている。
【００４５】
図１１は、１枚の走査レンズ１０５を主走査平面上で模式的に示した図、図１２はこの走査レンズ１０５を、図１１の矢印Ｆ方向から見た図である。これらの図に基づいて、本実施形態で採用される走査レンズ１０５の屈折面Ｒ（トーリック面）の面形状について説明する。これらの図において、Ｘ方向が副走査方向、Ｙ方向が主走査方向、Ｚ方向が光軸Ｏの延びる方向である。
【００４６】
トーリック面は半円柱型を呈する面であって、前記円柱が延びる方向が母線方向、この母線と直交する方向が子線方向である。子線は、前記円柱の各断面の曲面を示す線であり、この子線の頂点を結ぶ線が母線となる。図１２を参照して、屈折面Ｒは、
（Ａ）母線Ｐが副走査方向に湾曲している、
（Ｂ）ＭＥＭＳミラー１０４から被走査面に至る光軸Ｏと副走査軸Ｘとで作られる面と平行な副走査断面Ｒｌの形状が楕円である、
（Ｃ）前記楕円の、光軸Ｏ方向における極値は母線Ｐ上にある、
（Ｄ）母線Ｐを光軸Ｏに垂直な平面に投影した投影母線Ｐａ（図１２に示されているのは投影母線Ｐａである）に垂直な断面Ｒｓの形状が円弧状である、
という４つの形状的特徴を有している。なお、上記項目（Ｄ）において、「円弧状」と表しているのは、走査方向によって曲率半径が変化するため完全な円弧とはならないからである。但し、トーリック面の光学性能的には円弧として扱うことができる。
【００４７】
上記屈折面Ｒの副走査断面における形状ｚは、副走査軸をｘ方向、主走査軸をｙ方向、光軸をｚ方向と定義する場合において、屈折面Ｒの副走査断面における形状ｚが、母線Ｐをｙｚ平面へ投影した形状をｆ（ｙ）、母線Ｐをｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、母線Ｐに垂直な円弧状断面の曲線をｒｓ、副走査断面の楕円曲線をｒｌとするとき、下記（１）式で表される。
【００４８】
【数３】
【００４９】
但し、上記（１）式において、ｆ（ｙ）、ｇ（ｙ）、ｒｓ及びｒｌは、下記の（２）〜（５）式で示される。
【００５０】
【数４】
【００５１】
屈折面Ｒが上記の形状を備えることによる主な意義は、次の２点である。
（ア）；上記（Ｄ）で示したように、母線Ｐをｙｘ平面に投影した曲線に対して垂直な断面Ｒｓのレンズ形状が、曲率半径ｒｓの円弧とほぼ等しくなる。これにより、屈折面Ｒに入射する楕円形の偏向光束の短軸と、当該屈折面Ｒの光学的パワーの方向とが一致することになる。従って、走査領域端部の結像性能を良好なものとすることができる。
（イ）；上記（Ｂ）で示したように、副走査断面Ｒｌの形状が楕円であるので、当該断面におけるｚ軸方向の極値を頂点として、その断面形状は対称となる。しかも、上記（Ｃ）で示したように、前記楕円の極値は母線Ｐ上にある。このため、屈折面Ｒの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００５２】
上記屈折面Ｒの形状において、上記（Ｂ）の楕円と、上記（Ｄ）の円弧とを入れ替えるようにしても、実質的に同じ作用を得ることができる。すなわち、屈折面Ｒが、
（Ａ）母線Ｐが副走査方向に湾曲している、
（Ｂ）′母線Ｐを光軸Ｏに垂直な平面に投影した投影母線Ｐａに垂直な断面Ｒｓの形状が円弧である、
（Ｃ）′前記円弧の、光軸Ｏ方向における極値は母線Ｐ上にある、
（Ｄ）′ＭＥＭＳミラー１０４から被走査面に至る光軸Ｏと副走査軸Ｘとで作られる面と平行な副走査断面Ｒｌの形状が楕円状である、
という４つの形状的特徴を有するものとしても良い。なお、上記項目（Ｄ）′において、「楕円状」と表しているのは、完全な楕円とはならないからである。但し、トーリック面の光学性能的には楕円として扱うことができる。
【００５３】
このような屈折面Ｒによっても、次の２点の意義を有する。
（ア）′；上記（Ｄ）′で示したように、副走査断面Ｒｌの形状がほぼ楕円となる。これにより、屈折面Ｒに入射する楕円形の偏向光束の短軸と、当該屈折面Ｒの光学的パワーの方向とが一致することになる。従って、走査領域端部の結像性能を良好なものとすることができる。
（イ）′；上記（Ｂ）′で示したように、母線Ｐをｙｘ平面に投影した曲線に対して垂直な断面Ｒｓのレンズ形状が円弧であるので、当該断面におけるｚ軸方向の極値を頂点として、その断面形状は対称となる。しかも、上記（Ｃ）′で示したように、前記円弧の極値は母線Ｐ上にある。このため、屈折面Ｒの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００５４】
続いて、具体的な実施例を例示する。図１３は、ＭＥＭＳミラー１０４から被走査面である感光体ドラム１４の周面１４ａまでの光学系を主走査断面で示す光路図である。なお、光源からＭＥＭＳミラー１０４までの光路は、図１３では省いている。第１走査レンズ１０５ａは被走査面に向けて凸のメニスカス形状を備えた正の光学的パワーを有するレンズ、第２走査レンズ１０５ｂは、光軸Ｏ上において光源側に凹面を有する負の光学的パワーを有するレンズである。本実施例では、第１走査レンズ１０５ａの入射面ＡＲ１及び出射面ＡＲ２と、第２走査レンズ１０５ｂの入射面ＢＲ１及び出射面ＢＲ２との４面全てが、上述の特殊な屈折面Ｒとされている。
【００５５】
表１に、本実施例に係る第１走査レンズ１０５ａの入射面ＡＲ１及び出射面ＡＲ２、並びに第２走査レンズ１０５ｂの入射面ＢＲ１及び出射面ＢＲ２のコンストラクションデータを示す。面間は、次の面までの光軸Ｏ上における軸上面間距離（ｍｍ）を示している。表１では、この距離を、マイナス符号を付して表している。なお、ＭＥＭＳミラー１０４から第１走査レンズ１０５ａの入射面ＡＲ１までの距離は−２０ｍｍである。
【００５６】
【表１】
【００５７】
本実施例に係る光学系の副走査断面の構成は、図３及び図４に示した構成と同じである。入射光束Ｌ０が第１ミラー１０６を介してＭＥＭＳミラー１０４に入射する入射角度は７度、入射光束Ｌ０と反射光束（偏向光束Ｌ１、Ｌ２）との開き角は１４度である。また、第２走査レンズ１０５ｂは、第１走査レンズ１０５ａから周面１４ａへ至る光軸に対して副走査方向に０．６ｍｍだけオフセット（平行偏心）して配置されている。つまり、入射面ＢＲ１（屈折面）を、前記光軸に対してオフセットさせている。本実施例では、入射光束Ｌ０がＭＥＭＳミラー１０４に斜入射されるため走査湾曲が生じるが、前記オフセットにより走査湾曲をより一層抑制することができる。
【００５８】
走査湾曲の影響を一層抑制する他の手法として、第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂの少なくとも一方を、主走査方向に平行な軸回りに回転させる回転機構を付設しても良い。走査レンズを主走査方向に平行な軸回りに回転させると、被走査面から見た前記母線の形状が変化することとなり、走査湾曲も変化する。従って、回転機構によって第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂの少なくとも一方を適宜回転させることによって、走査湾曲をより一層抑制することができる。
【００５９】
あるいは、半導体レーザー１０１から周面１４ａに至る光路に配置された光学部品に対して、走査湾曲の調整操作を与える調整手段を設ける構成としても良い。調整手段は、光学部品に機械的な力を与えて走査湾曲を変形させることが可能な手段である。例えば、第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂを物理的に湾曲させる力を加える機械的な手段、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７を湾曲させることが可能な機械的な手段である。このような調整手段によっても、走査湾曲をより一層抑制することが可能である。
【００６０】
以上説明した本実施例に係る光学系（光走査装置１１）の光学性能を示す。図１４は、当該光学系の結像状態を示す特性図であって、図１４（Ａ）は周面１４ａの主走査方向（ｙ方向）の中心から−１１０ｍｍの箇所、図１４（Ｂ）は主走査方向の中心（０ｍｍ）、図１４（Ｃ）は主走査方向の中心から＋１１０ｍｍの箇所における偏向光束のスポット像をそれぞれ示している。また、図１４（Ａ）〜（Ｃ）の各々について、結像位置をｚ軸方向に２ｍｍずつ変化させて（中央の図が０ｍｍ、左側の図が−２ｍｍデフォーカス、右側の図が＋２ｍｍだけデフォーカスさせたもの）、スポット像を取得している。図１４（Ａ）〜（Ｃ）から明からな通り、走査領域の中央だけでなく走査領域の端部においても、良好な結像状態が得られていることが判る。
【００６１】
図１５は、本実施例の光学系（光走査装置１１）の走査湾曲を示すグラフである。図１５に示されている通り、走査湾曲は若干発生しているものの、その副走査方向の高さは６μｍ以下であり、実用上は問題がないことが確認された。図１６は、光源を複数にした場合おける結像面（被走査面）におけるビームピッチの変動を示すグラフである。ビームピッチの変動は０．２ｍｍ以下であり、マルチビームに十分対応可能であることが判る。
【００６２】
以上説明した本実施形態に係る光走査装置１１によれば、走査領域端部の結像性能を良好にすることができるだけでなく、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置及び画像形成装置を提供することができる。従って、走査レンズ及び光走査装置の開発コストを低減させることができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 画像形成装置
１１ 光走査装置
１４ 感光体ドラム（像担持体）
１４ａ 周面（被走査面）
１０１ 半導体レーザー（光源）
１０２ コリメータレンズ
１０３ シリンドリカルレンズ
１０４ ＭＥＭＳミラー（偏向体）
１０５ａ 第１走査レンズ
１０５ｂ 第２走査レンズ
１０６ 第１ミラー
１０７ 第２ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の軸回りに回転しつつ光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体を備えた光走査装置、及びこれを用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザープリンターや複写機等に用いられる光走査装置において、光源から発せられた光束を偏向走査させる偏向体として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロミラーを用いたものがある（例えば特許文献１）。特許文献１の光走査装置では、入射光学系で光源が発する光束をマイクロミラーに結像させ、負の光学的パワーを有する走査レンズを介して感光体ドラム（被走査面）に走査光を結像させている。この光学構成によれば、正の光学的パワーを有する走査レンズを用いる場合に比べて、同一光路長において走査領域を長くできる利点がある。しかし、被走査面に対する収束角が同一であれば、正の走査レンズを用いる場合よりも負の走査レンズを用いる場合の方が、マイクロミラーのミラー径を大きくする必要がある。
【０００３】
ミラー径が大きくなると、マイクロミラーの慣性モーメントが大きくなるため共振周波数を大きくできない、素子サイズが大きくなる等の不具合が生じる。そこで、前記ミラー径を可及的に小さくするための工夫が必要となる。最も効果的な手法が、所謂センター入射光学系を採用することである。センター入射光学系は、主走査断面におけるマイクロミラーに対する光束の入射角を最小とするもので、一つの副走査断面内にマイクロミラーの回転軸、マイクロミラーへの入射光の光軸及びマイクロミラーからの反射光の光軸を配置する光学系である。この場合、前記入射光と前記反射光とを空間的に分離するために、入射光は副走査方向に角度を持たせた斜入射方式でマイクロミラーへ入射される。
【０００４】
前記斜入射方式を採用した場合、走査湾曲が発生し、これに伴い走査端部付近における結像性能が低下するという問題が生じる。このような問題の解決のため、特許文献２には、走査レンズの屈折面を特殊トーリック面とする技術が開示されている。該特殊トーリック面は、子線の頂点を結ぶ母線形状が副走査方向に湾曲した曲線形状を有する屈折面である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７８５２０号公報
【特許文献２】特開平１０−７３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２では、走査レンズの副走査断面における形状が特定されていない。従って、面形状の検証が困難であり、例えば走査レンズを金型成形にて作成するに当たり、当該金型の設計及びその検証に多大な労力を要し、所期の光学性能を有する面形状を備えた走査レンズを容易に得ることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の局面に係る光走査装置は、光束を発する光源と、回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、前記屈折面は、当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、前記光源から前記被走査面に至る光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円であり、前記楕円の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、前記母線を前記光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧状である。
【０００９】
この構成によれば、副走査方向に角度を持たせて入射光束を偏向体へ入射させる入射光学系が採用された光走査装置において、走査レンズの屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲されているので、偏向体の小型化を図れると共に、走査湾曲の影響を抑制することができる。さらに、前記屈折面の副走査断面の形状が特定されているので、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００１０】
上記構成において、副走査軸をｘ方向、主走査軸をｙ方向、光軸をｚ方向と定義する場合において、前記屈折面の副走査断面における形状ｚが、前記母線をｙｚ平面へ投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記母線に垂直な円弧状断面の曲線をｒｓ、前記副走査断面の楕円曲線をｒｌとするとき、下記（１）式で表される楕円であることが望ましい。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
この構成によれば、前記屈折面の副走査断面の面形状が数式で定義されるので、当該面形状を、光学ソフト等を用いて自動設計させることができる。
【００１４】
本発明の他の局面に係る光走査装置は、光束を発する光源と、回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、前記屈折面は、当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、前記母線を、前記光源から前記被走査面に至る光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧であり、前記円弧の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、前記光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円状である。
【００１５】
この構成によっても、前記屈折面の副走査断面の形状が特定されるので、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００１６】
上記構成において、前記入射光束、前記反射光束及び前記偏向体の回転軸が同一平面上に配置されていることが望ましい。この構成によれば、入射光学系が所謂センター入射光学系となるので、偏向体のサイズを極小化することができる。
【００１７】
上記構成において、前記走査レンズの前記少なくとも１面の屈折面が、前記光軸に対して副走査方向に平行偏心した屈折面とされていることが望ましい。前記屈折面を平行偏心させることによって被走査面における走査湾曲が変化する。従って、入射光束を副走査方向に角度を持たせて偏向体へ斜入射させる場合に発生する走査湾曲をより一層抑制することが可能となる。
【００１８】
また、前記走査レンズを、主走査方向に平行な軸回りに回転させる回転機構をさらに備えることが望ましい。走査レンズを主走査方向に平行な軸回りに回転させると、被走査面から見た前記母線の形状が変化することとなり、走査湾曲も変化する。従って、回転機構によって走査湾曲をより一層抑制することが可能となる。
【００１９】
さらに、前記光源から前記被走査面に至る光路に配置された光学部品に対して、走査湾曲の調整操作を与える調整手段をさらに備えることが望ましい。この構成によれば、調整手段によって走査湾曲をより一層抑制することが可能となる。
【００２０】
本発明のさらに他の局面に係る画像形成装置は、静電潜像を担持する像担持体と、前記像担持体の周面を前記被走査面として光束を照射する上記の光走査装置とを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置及び画像形成装置を提供することができる。従って、走査レンズ及び光走査装置の開発コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るプリンターの概略構成を示す断面図である。
【図２】光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。
【図３】光走査装置の副走査断面の構成を示す光路図である。
【図４】図３の要部拡大図である。
【図５】ＭＥＭＳミラーの走査領域を説明するための模式図である。
【図６】ＭＥＭＳミラーによる被走査面への収束角を説明するための模式図である。
【図７】ＭＥＭＳミラーのミラー径を説明するための模式図である。
【図８】ＭＥＭＳミラーへ向かう入射光束と、ＭＥＭＳミラーで反射される反射光束とを示す模式的な斜視図である。
【図９】走査湾曲を説明するための模式図である。
【図１０】走査湾曲が発生した場合の結像状態を示す特性図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る走査レンズの主走査平面の形状を示す図である。
【図１２】図１１の矢印Ａ方向の矢視図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る光走査装置の、ＭＥＭＳミラーから被走査面までの光路図である。
【図１４】本実施形態の光走査装置の結像状態を示す特性図である。
【図１５】本実施形態の光走査装置の走査湾曲を示すグラフである。
【図１６】本実施形態の光走査装置のビームピッチの変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態に係る光走査装置について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光走査装置１１を含む画像形成装置１の構成を概略的に示した断面図である。画像形成装置１は、光走査装置１１、現像器１２、帯電器１３、感光体ドラム１４（像担持体）、転写ローラー１５、定着器１６及び給紙カセット１７を備える。
【００２４】
感光体ドラム１４は、円筒状の部材であり、その周面に静電潜像及びトナー像が形成される。感光体ドラム１４は、図略のモータからの駆動力を受けて、図１における時計回りの方向に回転される。帯電器１３は、感光体ドラム１４の表面を略一様に帯電する。
【００２５】
光走査装置１１は、レーザーダイオード等の光源、偏向体、走査レンズ及び光学素子等を備え、帯電器１３によって略一様に帯電された感光体ドラム１４の周面（被走査面）に対して、画像データに応じたレーザー光を照射して、画像データの静電潜像を形成する。この光走査装置１１については、後記で詳述する。
【００２６】
現像器１２は、静電潜像が形成された感光体ドラム１４の周面にトナーを供給してトナー像を形成する。現像器１２は、トナーを担持する現像ローラーやトナーを攪拌搬送するスクリューを含む。感光体ドラム１４に形成されたトナー像は、給紙カセット１７から繰り出され搬送路Ｐを搬送される記録紙に転写される。この現像器１２には、図略のトナーコンテナからトナーが補給される。
【００２７】
感光体ドラム１４の下方には転写ローラー１５が対向して配設され、両者によって転写ニップ部が形成されている。転写ローラー１５は、導電性を有するゴム材料等で構成されると共に転写バイアスが与えられ、感光体ドラム１４に形成されたトナー像を前記記録紙に転写させる。
【００２８】
定着器１６は、ヒーターを内蔵する定着ローラー１６０及び定着ローラー１６０と対向する位置に設けられた加圧ローラー１６１を備え、トナー像が形成された記録紙を加熱搬送することにより、記録紙に形成されたトナー像を定着させる。
【００２９】
次に、画像形成装置１の画像形成動作について簡単に説明する。先ず、帯電器１３により感光体ドラム１４の表面が略均一に帯電される。帯電された感光体ドラム１４の周面が、光走査装置１１により露光され、記録紙に形成する画像の静電潜像が感光体ドラム１４の表面に形成される。この静電潜像が、現像器１２から感光体ドラム１４の周面にトナーが供給されることにより、トナー像として顕在化される。一方、給紙カセット１７からは記録紙が搬送路Ｐに繰り出される。前記トナー像は、転写ローラー１５と感光体ドラム１４との間のニップ部を記録紙が通過することにより、当該記録紙に転写される。この転写動作が行われた後、記録紙は定着器１６に搬送され、記録紙にトナー像が固着される。
【００３０】
続いて、光走査装置１１の詳細構造について説明する。図２は、光走査装置１１の主走査断面の構成を示す光路図、図３は、その副走査断面の構成を示す光路図、図４は、図３の要部の拡大図である。光走査装置１１は、半導体レーザー１０１（光源）、コリメータレンズ１０２、シリンドリカルレンズ１０３、ＭＥＭＳミラー１０４（偏向体）、第１走査レンズ１０５ａ、第２走査レンズ１０５ｂ、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７を備える。なお、これら図中のＸ方向が副走査方向、Ｙ方向が主走査方向、Ｚ方向が光軸方向である。
【００３１】
半導体レーザー１０１は、所定の波長のレーザー光（入射光束Ｌ０）を発する光源である。コリメータレンズ１０２は、半導体レーザー１０１から発せられ拡散する入射光束Ｌ０を平行光に変換する。シリンドリカルレンズ１０３は、前記平行光の光束Ｌ０を主走査方向に長い線状光に変換してＭＥＭＳミラー１０４に結像させる。第２ミラー１０７は、コリメータレンズ１０２及びシリンドリカルレンズ１０３を間に挟んで半導体レーザー１０１の射出面に対向して配置され、入射光束Ｌ０を斜め上方に向けて折り返すように反射する。第１ミラー１０６は、ＭＥＭＳミラー１０４の斜め前の上方に配置され、第２ミラー１０７により反射された入射光束Ｌ０を斜め下方に反射し、これをＭＥＭＳミラー１０４へ入射させる。
【００３２】
ＭＥＭＳミラー１０４は、ミラー面１０４Ｍと、副走査方向Ｚに平行な回転軸１０４Ｐとを有する。この回転軸は、図示しない駆動源により回転駆動（正弦揺動）される。ＭＥＭＳミラー１０４は、前記回転軸の軸回りに回転しつつ、半導体レーザー１０１から発せられ、コリメータレンズ１０２及びシリンドリカルレンズ１０３を経て結像された入射光束Ｌ０を偏向走査する。
【００３３】
コリメータレンズ１０２、シリンドリカルレンズ１０３、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７は、ＭＥＭＳミラー１０４へ入射光束Ｌ０を入射させる入射光学系であって、本実施形態ではセンター入射光学系の構成とされている。すなわち、図４に示すように、光軸Ｚを含む副走査方向Ｘと平行な平面上に、シリンドリカルレンズ１０３の中心と、ＭＥＭＳミラー１０４の回転軸１０４Ｐと、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７の法線とが配置されている。
【００３４】
ＭＥＭＳミラー１０４から感光体ドラム１４の周面１４ａに向かう光軸を基準として副走査方向Ｘで見ると、第２ミラー１０７は前記光軸より下方に配置され、第１ミラー１０６は前記光軸より上方に配置されている。このように第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７を配置して入射光束Ｌ０をＭＥＭＳミラー１０４へ斜入射させるのは、入射光束Ｌ０とＭＥＭＳミラー１０４からの反射光束（偏向光束Ｌ１、偏向光束Ｌ２）とを空間的に分離するためである。
【００３５】
第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂは、ｆθ特性を有するレンズであって、特殊トーリック面からなるレンズ面（回転非対称の屈折面）を備えたレンズである。これら走査レンズ１０５ａ、１０５ｂは、ＭＥＭＳミラー１０４から感光体ドラム１４の周面１４ａに向かう光軸上で互いに対向して配置されており、ＭＥＭＳミラー１０４によって反射された反射光束を集光し、周面１４ａ（被走査面）に結像させる。
【００３６】
次に、本実施形態で採用されている上記センター入射光学系の利点について説明する。図５は、上掲の特許文献１の光走査装置に採用されているような、側方入射光学系を示す光路図である。この側方入射光学系では、図略の光源から発せられた入射光束は、主走査断面と平行な平面であってＭＥＭＳミラー２１から被走査面２３へ向かう光軸を含む平面の側方から、ＭＥＭＳミラー２１に入射される。ここで、走査レンズ２２として負の光学的パワーを有するレンズを用いると、ＭＥＭＳミラー２１の偏向角θが同一で且つＭＥＭＳミラー２１から被走査面２３までの光路長が同一であるという条件下では、正の光学的パワーを有するレンズを走査レンズ２２として用いる場合に比べて走査領域を長くすることができる。
【００３７】
従って、光路長の短縮という観点からは、負の光学的パワーを有する走査レンズ２２を用いることが有利であると言うことができる。しかし、ＭＥＭＳミラー２１のミラー径の縮小という観点からは、正の光学的パワーを有する走査レンズ２２が有利となる。図６は、被走査面２３に照射される光束のスポット径に大きく影響を与える光束の収束角φを示す図である。収束角φが一定であるという条件下では、正の光学的パワーを有する走査レンズ２２がＭＥＭＳミラー２１の配置位置において作る像の方が、負の光学的パワーを有する走査レンズ２２が作る像よりも小さくなる。つまり、同一収束角φのビームスポットを形成する場合、走査レンズ２２として正の光学的パワーを有するレンズを用いるときの反射光束ＬｐのＭＥＭＳミラー２１上における像幅Ｄｐは、負の光学的パワーを有するレンズを用いるときの反射光束Ｌｎの像幅Ｄｎよりも小さい。従って、ＭＥＭＳミラー２１のミラー径の小型化を図るには、負の光学的パワーを有する走査レンズ２２を用いると不利になる。
【００３８】
ＭＥＭＳミラー２１が大型化すると、その慣性モーメントが大きくなり駆動面で問題が生じる。図７に示すように、ＭＥＭＳミラー２１のミラー径は、入射光束がＭＥＭＳミラー２１へ入射する角度αに依存する。ＭＥＭＳミラー２１は、偏向角θの範囲で揺動するので、前記入射角度αは、入射光束の光軸とＭＥＭＳミラー２１のミラー面とがなす角が最大である場合の角度αmin（最小入射角）から、前記なす角が最小である角度αmax（最大入射角）まで変化する。角度αminの場合に必要となるＭＥＭＳミラー２１のミラー径Ｄ１は比較的小さいが、角度αmaxの場合に必要となるミラー径Ｄ２は比較的大きく、最大入射角によって大きく異なることになる。
【００３９】
従って、上記最大入射角（角度αmax）を可及的に小さくすることが求められるのであるが、最大入射角を極小にできる光路構成は、ＭＥＭＳミラー２１の正面から入射光束を入射させる構成である。すなわち、本実施形態が採用するセンター入射光学系である。この場合、ＭＥＭＳミラー２１がその揺動範囲の中心回転位置にあるとき、主走査方向における入射角度αはゼロとなる。
【００４０】
図８は、センター入射光学系において、ＭＥＭＳミラー１０４へ向かう入射光束と、ＭＥＭＳミラー１０４で反射される反射光束（偏向光束）との関係を示す模式的な斜視図である。センター入射光学系においては、入射光束と反射光束とが干渉しないように、入射光束は副走査方向に角度を持ってＭＥＭＳミラー１０４へ入射される（以下、斜入射という）。
【００４１】
入射光束をＭＥＭＳミラー１０４へ斜入射させた場合、図９に示す通り走査湾曲が発生する。すなわち、反射光束が走査領域を走査する走査線が弓なりに湾曲する現象が発生する。走査湾曲が発生すると、走査領域の中央の偏向光束Ｌ１（図２参照）と走査領域の端部の偏向光束Ｌ２との間で、走査レンズ１０５ａに対する入射位置が副走査方向にズレが生じることとなる。このズレによって、感光体ドラム１４の周面１４ａに描かれる静電潜像に歪みが発生する。
【００４２】
さらに、走査湾曲によって、走査領域の端部付近おける結像性能も低下する。図９に示すように、偏向光束Ｌ１、Ｌ２は主走査方向に長軸を有する楕円型の光束である。この場合、端部の偏向光束Ｌ２は走査湾曲が生じている走査線に沿ってその長軸が主走査方向に対して傾いた状態で走査レンズ１０５ａへ入射することになる。一方、従来の一般的な走査レンズはそのパワー方向が主走査方向及び副走査方向に合わせて設定されている。このため、中央の偏向光束Ｌ１については光束の長軸及び短軸方向とレンズパワー方向とが一致しているが、端部の偏向光束Ｌ２については光束の長軸及び短軸方向とレンズパワー方向とが一致しない。このことは、偏向光束Ｌ２についての結像性能を著しく低下させることになる。図１０（Ａ）は、中央の偏向光束Ｌ１のスポット像を、図１０（Ｂ）は、端部の偏向光束Ｌ２のスポット像をそれぞれ示している。
【００４３】
図９に示す走査湾曲の湾曲量ｅは、ＭＥＭＳミラー１０４から周面１４ａに至る反射光束の光軸と入射光束の光軸とがなす角が小さいほど、抑制することができる。本実施形態では、湾曲量ｅの抑制のため、第２ミラー１０７から入射光束を直接的にＭＥＭＳミラー１０４へ入射させるのではなく、ＭＥＭＳミラー１０４の近傍に配置した第１ミラー１０６でさらに入射光束を反射させた上でＭＥＭＳミラー１０４へ入射させている。すなわち、第１ミラー１０６を反射光束の光軸を挟んで第２ミラー１０７と反対側に、且つＭＥＭＳミラー１０４の至近位置に配置することで、反射光束の光軸と入射光束の光軸とがなす角を可及的に小さくしている（図４参照）。
【００４４】
しかし、上記のような工夫を施したとしても、走査湾曲が消失するものではない。そこで本実施形態では、走査レンズ（本実施形態では第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂ）の少なくとも１面を、以下に述べるような回転非対称の屈折面（トーリック面）としている。
【００４５】
図１１は、１枚の走査レンズ１０５を主走査平面上で模式的に示した図、図１２はこの走査レンズ１０５を、図１１の矢印Ｆ方向から見た図である。これらの図に基づいて、本実施形態で採用される走査レンズ１０５の屈折面Ｒ（トーリック面）の面形状について説明する。これらの図において、Ｘ方向が副走査方向、Ｙ方向が主走査方向、Ｚ方向が光軸Ｏの延びる方向である。
【００４６】
トーリック面は半円柱型を呈する面であって、前記円柱が延びる方向が母線方向、この母線と直交する方向が子線方向である。子線は、前記円柱の各断面の曲面を示す線であり、この子線の頂点を結ぶ線が母線となる。図１２を参照して、屈折面Ｒは、
（Ａ）母線Ｐが副走査方向に湾曲している、
（Ｂ）ＭＥＭＳミラー１０４から被走査面に至る光軸Ｏと副走査軸Ｘとで作られる面と平行な副走査断面Ｒｌの形状が楕円である、
（Ｃ）前記楕円の、光軸Ｏ方向における極値は母線Ｐ上にある、
（Ｄ）母線Ｐを光軸Ｏに垂直な平面に投影した投影母線Ｐａ（図１２に示されているのは投影母線Ｐａである）に垂直な断面Ｒｓの形状が円弧状である、
という４つの形状的特徴を有している。なお、上記項目（Ｄ）において、「円弧状」と表しているのは、走査方向によって曲率半径が変化するため完全な円弧とはならないからである。但し、トーリック面の光学性能的には円弧として扱うことができる。
【００４７】
上記屈折面Ｒの副走査断面における形状ｚは、副走査軸をｘ方向、主走査軸をｙ方向、光軸をｚ方向と定義する場合において、屈折面Ｒの副走査断面における形状ｚが、母線Ｐをｙｚ平面へ投影した形状をｆ（ｙ）、母線Ｐをｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、母線Ｐに垂直な円弧状断面の曲線をｒｓ、副走査断面の楕円曲線をｒｌとするとき、下記（１）式で表される。
【００４８】
【数３】
【００４９】
但し、上記（１）式において、ｆ（ｙ）、ｇ（ｙ）、ｒｓ及びｒｌは、下記の（２）〜（５）式で示される。
【００５０】
【数４】
【００５１】
屈折面Ｒが上記の形状を備えることによる主な意義は、次の２点である。
（ア）；上記（Ｄ）で示したように、母線Ｐをｙｘ平面に投影した曲線に対して垂直な断面Ｒｓのレンズ形状が、曲率半径ｒｓの円弧とほぼ等しくなる。これにより、屈折面Ｒに入射する楕円形の偏向光束の短軸と、当該屈折面Ｒの光学的パワーの方向とが一致することになる。従って、走査領域端部の結像性能を良好なものとすることができる。
（イ）；上記（Ｂ）で示したように、副走査断面Ｒｌの形状が楕円であるので、当該断面におけるｚ軸方向の極値を頂点として、その断面形状は対称となる。しかも、上記（Ｃ）で示したように、前記楕円の極値は母線Ｐ上にある。このため、屈折面Ｒの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００５２】
上記屈折面Ｒの形状において、上記（Ｂ）の楕円と、上記（Ｄ）の円弧とを入れ替えるようにしても、実質的に同じ作用を得ることができる。すなわち、屈折面Ｒが、
（Ａ）母線Ｐが副走査方向に湾曲している、
（Ｂ）′母線Ｐを光軸Ｏに垂直な平面に投影した投影母線Ｐａに垂直な断面Ｒｓの形状が円弧である、
（Ｃ）′前記円弧の、光軸Ｏ方向における極値は母線Ｐ上にある、
（Ｄ）′ＭＥＭＳミラー１０４から被走査面に至る光軸Ｏと副走査軸Ｘとで作られる面と平行な副走査断面Ｒｌの形状が楕円状である、
という４つの形状的特徴を有するものとしても良い。なお、上記項目（Ｄ）′において、「楕円状」と表しているのは、完全な楕円とはならないからである。但し、トーリック面の光学性能的には楕円として扱うことができる。
【００５３】
このような屈折面Ｒによっても、次の２点の意義を有する。
（ア）′；上記（Ｄ）′で示したように、副走査断面Ｒｌの形状がほぼ楕円となる。これにより、屈折面Ｒに入射する楕円形の偏向光束の短軸と、当該屈折面Ｒの光学的パワーの方向とが一致することになる。従って、走査領域端部の結像性能を良好なものとすることができる。
（イ）′；上記（Ｂ）′で示したように、母線Ｐをｙｘ平面に投影した曲線に対して垂直な断面Ｒｓのレンズ形状が円弧であるので、当該断面におけるｚ軸方向の極値を頂点として、その断面形状は対称となる。しかも、上記（Ｃ）′で示したように、前記円弧の極値は母線Ｐ上にある。このため、屈折面Ｒの面形状の検証を容易に行うことができる。
【００５４】
続いて、具体的な実施例を例示する。図１３は、ＭＥＭＳミラー１０４から被走査面である感光体ドラム１４の周面１４ａまでの光学系を主走査断面で示す光路図である。なお、光源からＭＥＭＳミラー１０４までの光路は、図１３では省いている。第１走査レンズ１０５ａは被走査面に向けて凸のメニスカス形状を備えた正の光学的パワーを有するレンズ、第２走査レンズ１０５ｂは、光軸Ｏ上において光源側に凹面を有する負の光学的パワーを有するレンズである。本実施例では、第１走査レンズ１０５ａの入射面ＡＲ１及び出射面ＡＲ２と、第２走査レンズ１０５ｂの入射面ＢＲ１及び出射面ＢＲ２との４面全てが、上述の特殊な屈折面Ｒとされている。
【００５５】
表１に、本実施例に係る第１走査レンズ１０５ａの入射面ＡＲ１及び出射面ＡＲ２、並びに第２走査レンズ１０５ｂの入射面ＢＲ１及び出射面ＢＲ２のコンストラクションデータを示す。面間は、次の面までの光軸Ｏ上における軸上面間距離（ｍｍ）を示している。表１では、この距離を、マイナス符号を付して表している。なお、ＭＥＭＳミラー１０４から第１走査レンズ１０５ａの入射面ＡＲ１までの距離は−２０ｍｍである。
【００５６】
【表１】
【００５７】
本実施例に係る光学系の副走査断面の構成は、図３及び図４に示した構成と同じである。入射光束Ｌ０が第１ミラー１０６を介してＭＥＭＳミラー１０４に入射する入射角度は７度、入射光束Ｌ０と反射光束（偏向光束Ｌ１、Ｌ２）との開き角は１４度である。また、第２走査レンズ１０５ｂは、第１走査レンズ１０５ａから周面１４ａへ至る光軸に対して副走査方向に０．６ｍｍだけオフセット（平行偏心）して配置されている。つまり、入射面ＢＲ１（屈折面）を、前記光軸に対してオフセットさせている。本実施例では、入射光束Ｌ０がＭＥＭＳミラー１０４に斜入射されるため走査湾曲が生じるが、前記オフセットにより走査湾曲をより一層抑制することができる。
【００５８】
走査湾曲の影響を一層抑制する他の手法として、第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂの少なくとも一方を、主走査方向に平行な軸回りに回転させる回転機構を付設しても良い。走査レンズを主走査方向に平行な軸回りに回転させると、被走査面から見た前記母線の形状が変化することとなり、走査湾曲も変化する。従って、回転機構によって第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂの少なくとも一方を適宜回転させることによって、走査湾曲をより一層抑制することができる。
【００５９】
あるいは、半導体レーザー１０１から周面１４ａに至る光路に配置された光学部品に対して、走査湾曲の調整操作を与える調整手段を設ける構成としても良い。調整手段は、光学部品に機械的な力を与えて走査湾曲を変形させることが可能な手段である。例えば、第１走査レンズ１０５ａ及び第２走査レンズ１０５ｂを物理的に湾曲させる力を加える機械的な手段、第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７を湾曲させることが可能な機械的な手段である。このような調整手段によっても、走査湾曲をより一層抑制することが可能である。
【００６０】
以上説明した本実施例に係る光学系（光走査装置１１）の光学性能を示す。図１４は、当該光学系の結像状態を示す特性図であって、図１４（Ａ）は周面１４ａの主走査方向（ｙ方向）の中心から−１１０ｍｍの箇所、図１４（Ｂ）は主走査方向の中心（０ｍｍ）、図１４（Ｃ）は主走査方向の中心から＋１１０ｍｍの箇所における偏向光束のスポット像をそれぞれ示している。また、図１４（Ａ）〜（Ｃ）の各々について、結像位置をｚ軸方向に２ｍｍずつ変化させて（中央の図が０ｍｍ、左側の図が−２ｍｍデフォーカス、右側の図が＋２ｍｍだけデフォーカスさせたもの）、スポット像を取得している。図１４（Ａ）〜（Ｃ）から明からな通り、走査領域の中央だけでなく走査領域の端部においても、良好な結像状態が得られていることが判る。
【００６１】
図１５は、本実施例の光学系（光走査装置１１）の走査湾曲を示すグラフである。図１５に示されている通り、走査湾曲は若干発生しているものの、その副走査方向の高さは６μｍ以下であり、実用上は問題がないことが確認された。図１６は、光源を複数にした場合おける結像面（被走査面）におけるビームピッチの変動を示すグラフである。ビームピッチの変動は０．２ｍｍ以下であり、マルチビームに十分対応可能であることが判る。
【００６２】
以上説明した本実施形態に係る光走査装置１１によれば、走査領域端部の結像性能を良好にすることができるだけでなく、走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる光走査装置及び画像形成装置を提供することができる。従って、走査レンズ及び光走査装置の開発コストを低減させることができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 画像形成装置
１１ 光走査装置
１４ 感光体ドラム（像担持体）
１４ａ 周面（被走査面）
１０１ 半導体レーザー（光源）
１０２ コリメータレンズ
１０３ シリンドリカルレンズ
１０４ ＭＥＭＳミラー（偏向体）
１０５ａ 第１走査レンズ
１０５ｂ 第２走査レンズ
１０６ 第１ミラー
１０７ 第２ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を発する光源と、
回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、
回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、
前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、
前記屈折面は、
当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、
前記光源から前記被走査面に至る光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円であり、
前記楕円の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、
前記母線を前記光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧状である、光走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光走査装置において、
副走査軸をｘ方向、主走査軸をｙ方向、光軸をｚ方向と定義する場合において、前記屈折面の副走査断面における形状ｚが、前記母線をｙｚ平面へ投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記母線に垂直な円弧状断面の曲線をｒｓ、前記副走査断面の楕円曲線をｒｌとするとき、下記（１）式で表される楕円である、光走査装置。
【数５】
【数６】
【請求項３】
光束を発する光源と、
回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、
回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、
前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、
前記屈折面は、
当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、
前記母線を、前記光源から前記被走査面に至る光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧であり、
前記円弧の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、
前記光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円状である、光走査装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の光走査装置において、
前記入射光束、前記反射光束及び前記偏向体の回転軸が同一平面上に配置されている、光走査装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記走査レンズの前記少なくとも１面の屈折面が、前記光軸に対して副走査方向に平行偏心した屈折面とされている、光走査装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記走査レンズを、主走査方向に平行な軸回りに回転させる回転機構をさらに備える、光走査装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記光源から前記被走査面に至る光路に配置された光学部品に対して、走査湾曲の調整操作を与える調整手段をさらに備える、光走査装置。
【請求項８】
静電潜像を担持する像担持体と、
前記像担持体の周面を前記被走査面として光束を照射する、請求項１〜７のいずれかに記載の光走査装置と、
を備える画像形成装置。
【請求項１】
光束を発する光源と、
回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、
回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、
前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、
前記屈折面は、
当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、
前記光源から前記被走査面に至る光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円であり、
前記楕円の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、
前記母線を前記光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧状である、光走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光走査装置において、
副走査軸をｘ方向、主走査軸をｙ方向、光軸をｚ方向と定義する場合において、前記屈折面の副走査断面における形状ｚが、前記母線をｙｚ平面へ投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記母線に垂直な円弧状断面の曲線をｒｓ、前記副走査断面の楕円曲線をｒｌとするとき、下記（１）式で表される楕円である、光走査装置。
【数５】
【数６】
【請求項３】
光束を発する光源と、
回転軸を有し、該回転軸の軸回りに回転しつつ前記光源から発せられる光束を反射して偏向走査させる偏向体と、
回転非対称の屈折面を少なくとも１面含み、前記偏向走査された前記光束を被走査面上に結像させる走査レンズと、
前記偏向体へ入射される入射光束と、前記偏向体で偏向走査されて前記被走査面に向かう反射光束とが干渉しないよう、前記反射光束の光路に対して副走査方向に角度を持たせて前記入射光束を前記偏向体へ向かわせる入射光学系と、を備え、
前記屈折面は、
当該屈折面の子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲し、
前記母線を、前記光源から前記被走査面に至る光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な断面の形状が円弧であり、
前記円弧の、前記光軸方向における極値は前記母線上にあり、
前記光軸と副走査軸とで作られる面と平行な副走査断面の形状が楕円状である、光走査装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の光走査装置において、
前記入射光束、前記反射光束及び前記偏向体の回転軸が同一平面上に配置されている、光走査装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記走査レンズの前記少なくとも１面の屈折面が、前記光軸に対して副走査方向に平行偏心した屈折面とされている、光走査装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記走査レンズを、主走査方向に平行な軸回りに回転させる回転機構をさらに備える、光走査装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記光源から前記被走査面に至る光路に配置された光学部品に対して、走査湾曲の調整操作を与える調整手段をさらに備える、光走査装置。
【請求項８】
静電潜像を担持する像担持体と、
前記像担持体の周面を前記被走査面として光束を照射する、請求項１〜７のいずれかに記載の光走査装置と、
を備える画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１０】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１０】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−２９７５３（Ｐ２０１３−２９７５３Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６７０４３（Ｐ２０１１−１６７０４３）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００６１５０）京セラドキュメントソリューションズ株式会社 (13,173)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００６１５０）京セラドキュメントソリューションズ株式会社 (13,173)
【Ｆターム（参考）】
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