JPH01210921A - 傾斜誤差及び走査湾曲誤差を補償できる電子写真プリンタ - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、レーザを用いた電子写真プリンタに関し、特
に傾斜誤差及び走査湾曲誤差を補正する非球面レンズを
もつ電子写真プリンタに関する。

Ｂ、従来技術 電子写真プリンタは受像媒体上に一連の画素（ベル）を
置くことによって像を生成するよう設計される。例えば
、一連の走査線として光導電面を横切る１本若しくは複
数本のレーザなどの光源によって像が形成される。その
光のビームは光導電面上に一連の重畳するベルを置く。

各ベル領域に置かれ、光のビームによって、幾つかのベ
ル領域が露光されまた他のベル領域が露光されないとい
うように変調される。光を含むベルが光導電面に当ると
きはいつでも、表面はそのベル位置で放電される。この
様にして、再生しようとする目的物の像に一致するベル
の帯電パターンを光導電面が有することになる。その帯
電パターンを現像し、その現像された像を、一般に紙で
ある媒体に印刷するよう転写することによって印刷され
たコピーが得られる。

電子写真プリンタはこの分野で艮（知られており、例え
ば本発明の出願人による米国特許第４５４４２６４号及
び第４６２５２２２号に開示されている。

小面を多数含む走査器に関係する固有の誤差は、その回
転軸に関する小面の傾斜である。そのピッチ即ち傾斜角
が小面毎に変化するなら、反射するビームはその傾斜角
の２倍、角変位されてしまう。

そのような変位の誤差即ち傾斜誤差を補正しなければ、
電子写真プリンタで受入れ得ると考えられる許容誤差の
２００倍から３００倍もの誤差となってしまう。

従来技法では、そのような傾斜誤差を部分的に補正する
ため円筒状の光学系が使用されてきた。

しかしそのような光学系では、走査器の小面と光導電面
との間に全走査にわたって共役関係を維持する能力に限
界があった。

従来の装置は、傾斜補正レンズを含む。このような装置
では、レーザ・ビームが光導電面を走査する際、光導電
面中の多角形鏡からの距離が、走査角θの逆コサインに
よって変化する。これらの従来装置は、傾斜補正をする
ため光導電面の付近に、ラップ仕上げされた円環体レン
ズ若しくは長い円筒状レンズを配設したものを使用する
。

傾斜を補正するため結像面に近くに一定の光学倍率の円
筒状レンズを用いることも知られている。

しかし、例えばマルチスポットのレーザ・プリンタは、
そのような傾斜を補正するには一定倍率のレンズを受は
入れにくい。一定倍率のレンズを用いると、走査行が湾
曲し、完全に真っ直ぐとか平坦にはならないからであり
、その走査行の湾曲は、２０乃至４０ミクロンはどにな
ってしまうからである。更に、隣りの走査線の湾曲の大
きさや方向は同じではない、典型的なマルチスポット・
レーザ・プリンタでは、線相互の間隔が５０ミクロンで
ある９従って、そのような走査線の湾曲誤差は高品質の
印刷に悪影響をもたらす。一定倍率のレンズを使用する
ことによって傾斜誤差を補正する従来の解決策は、レン
ズを弧状に曲げることである。

トロイダル表面レンズを用いると、（多角形鏡からレン
ズまでの）物体距ＭＳ及び（レンズから光導電面までの
）像距離Ｓ“が１／Ｓ＋１／Ｓ’＝１／Ｆとなるよう分
割した位置にレンズが配設される。但しＦはレンズの焦
点距離である。弧状のレンズが、必要な理悲の表面を近
似しているので、折衷案が得られる。しかしその折衷案
も、走査角の要求が増すと、障害がある。

長い真直ぐな円筒レンズは、それを光導電面の近くに配
設すると、上式がもつと近い近似になることを利用して
いる。しかし走査角の要求が増すと、その長い真直ぐな
円筒状レンズは、ラップ仕上げされた円筒状レンズより
も大きい障害がある。

従来の典型的なレーザ走査装置では、レーザ・ビームが
回転する鏡の中心軸を外れた角度で小面に突当ると、そ
の中心軸との交点のビーム走査点が歩き廻るように変動
する。このような歩き回り現象はそれ程大きくはないが
、実際に像距離に悪影響を及ぼす。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 従来は如上のような傾斜誤差及び走査湾曲誤差を十分補
正できる非球面レンズではなく、従ってこの誤差の点で
不十分な印刷品質の電子写真プリンタしかなかった。

本発明の目的は、非球面レンズ、特にその長軸に沿って
倍率が変化する非球面レンズを提供することにある。

本発明の他の目的は、走査用の鏡を有する電子写真プリ
ンタに於て、傾斜誤差及び走査湾曲誤差を、走査中、補
正できる電子写真プリンタを提供することにある。

Ｄ１問題を解決する手段 本発明では、非球面レンズを開示するが、特にその長軸
と直角な断面の曲率半径が上記長軸に沿って変化するも
のであって、該レンズの長軸即ち長さ方向に沿って得ら
れる焦点距離の変化が上式１／Ｓ＋１／Ｓ’　＝１／Ｆ
を解くような非球面レンズを開示する。

また多角形鏡の走査に関連して倍率の変化する非球面レ
ンズを提供し、これによってレーザのスポットを、傾斜
誤差の補正をしつつ、光導電面を横切るように結像させ
ることができる。

更に、マルチスポットの印刷ヘッド等では傾斜誤差を実
質上補正する一方で、走査湾曲誤差もできるだけ小さく
するよう、その焦点距離が上式の正確な解とは僅かに異
なるよう調整される。

前述の歩き回り現象が傾斜誤差補正に及ぼす影響は、技
法自体は知られている正確な光線追跡を行うことによっ
て、また傾斜誤差及び走査湾曲誤差を補正するのに必要
なだけ非球面レンズの焦点距離を変えることによって相
殺することができる。

下記で開示する非球面レンズの光線追跡モデルが示すよ
うに、小数点以下まで十分正確にとると、ピラミッド状
の傾斜誤差および走査湾曲誤差をほぼ完全に補正し乍ら
、鏡面で結像するようなレンズの径を選択することがで
きる。

Ｅ、実施例 ここで特に第５図を参照すると、電子写真式の典型的な
レーザ・プリンタが図示されている。電子写真ドラム１
０は、モータ１２により矢印１４の方向に駆動される。

ドラム１０は光導電面１６を担持しており、この光導電
面１６は帯電コロナ発生器１８の下を通過して、適当な
電圧に帯電される。再生しようとする像に従って露光ス
テーション２０で光導電面１６が放電される。その像は
、変調されたレーザ・ビーム２４を生じるレーザ印刷ヘ
ッドを具備する走査系２２によって生じる。

その潜像は現像ステーション２６で現像され、コロナ発
生器２８により受像媒体（普通はコピー用紙）に転写さ
れる。受像媒体は用紙通路３０を通って来たものである
。光導電面１６は、清掃ステーション３２へ移動し、そ
れから次の像を受取る。

コピー用紙はいずれかのビン３４又は３６に貯蔵される
ことができ、用紙通路３０の中のゲート３８、ピンチ・
ローラ４０．転写ステーション２８及び融着ローラ４２
へと給送される。そして印刷完成品は出口ポケット４４
か又は最終ステーション４６に通される。

図中のブロック４８は、プリンタの動作を制御する制御
回路を表わし、その中に１個又は複数個の任意の適宜の
マイクロプロセッサを含むことができる。

走査系２２を第２図にもつと詳細に示す。この図では１
個又は複数個の固体レーザ・チップ及び本発明の機構の
大部分がアセンブリ５０の中に組み込まれている。複数
個の半導体レーザて発生される複数本のレーザ・ビーム
２４は、アセンブリ５０から、回転する多角形鏡５４に
進む。多角形鏡５４は、その周囲に複数個の小面５６を
有する。

レーザ・ビーム２４は、１個の小面で反射され、角度θ
だけ走査する。回転する鏡の小面で反射された後、ビー
ムは光学アセンブリ５８に進む。そこでビームが整形さ
れ、光導電面１６に合焦させられる。ビーム屈折鏡６０
が図示されているが、これはレンズ８８を介してレーザ
・ビーム２４を光導電面１６に指向する最終の屈折機構
を表わしている。モータ６２が、回転鏡５４を駆動する
よう結合されている。走査開始鏡６４が、レーザ・ビー
ムを走査開始検知器６６に指向するため設けられている
。

回転鏡５４上の１つの小面５６を横切るようにレーザ・
ビームを反射させることによって複数本のレーザから複
数個のスポットが光導電面１６に生じる。−走査線中の
スポットの数はアセンブリ５０中のレーザの数に依存す
る。複数個のレーザ出力ビームが複数個の点を形成する
よう光学的に組合される。

第２図及び第５図に説明した電子写真プリンタが屈折鏡
６０を含むが、レーザ・ビームが回転鏡５４から適当な
光学アセンブリ５８及び非球面レンズ８８を経て直接、
光導電面１６に反射されても良いことは明白であろう。

レンズ８８は、光導電面１６の近くに配設され、光導電
面１６を小面５６に対する共役面としている。第３Ａ図
及び第３Ｂ図は、本発明を理解し易くするため、光学ア
センブリ５８及び鏡６０を省略し、レンズ８８の位置を
示したものである。

１／Ｓ＋１／Ｓ“＝１／Ｆ という式の解を得るために、長い真直ぐな円筒レンズの
曲率半径を走査方向に変化させる必要がある。

第３Ａ図では、到来する光のビーム２４が多角形鏡５４
の小面５６で、角度θにわたって反射される。第３Ａ図
の側面図である第３Ｂ図から分かるように、鏡５４の小
面５６の面はピッチ誤差即ち傾斜誤差を含む。これは各
小面５６の面が鏡５４の回転軸に関し傾いているから生
じる。第３Ａ図及び第３Ｂ図では、Ｓが球面レンズ８８
から小面５６のところの走査原点までの物体距離、θが
走査角、Ｄが光導電面１６から小面５６のところの走査
原点までの距離、そしてＳ”がレンズ８８から光導電面
１６までの像距離である。

走査角θの関数として、焦点距離ｆθは、ｆθ＝（Ｓθ
）（Ｓ°θ）／（Ｓθ＋Ｓ”θ）であり、Ｓθ＝Ｓ／ｃ
ｏｓθ及び ｓ’θ＝　（Ｄ／ｃｏｓθ）　　（Ｓ／ｃｏｓθ）で置
換すると、 （Ｓ／ｃｏｓθ）　＋（Ｄ／ｃｏｓθ−Ｓ／ｃｏｓθ）
となる。これを簡単にすると、下記の式で表わせる。

ｆθ＝　（Ｓ／ｃｏｓθ）　　Ｓ２／（Ｄｃｏｓθ）上
式は、可変倍率の非球面レンズ８８が、第３Ａ図及び第
３Ｂ図に示すような走査ビーム経路中の唯一の要素であ
る場合に適用できる。第４図に示すようなレンズ６８及
びレンズ７０など余分の視野レンズという要素があると
きの焦点距離を決めるには、上式と似た式が誘導でき、
またコンピュータによる光線追跡の分析が利用できる。

その場合、レーザ源７２が複数本のレーザ・ビームを発
射し、それらに予備走査光学アセンブリ７４を通過させ
る。予備走査光学アセンブリ７４からのレーザ・ビーム
２４は、回転する多角形鏡５４の小面５６によって反射
され、レンズ６８及び７０、更にレンズ８８を経て光導
電面１６に進む。

レーザ・ビームが、軸から外れた方向で鏡５４に入射す
るような典型的なレーザ走査系では、その中心走査軸に
対しビーム走査交点（走査原点）が変動する。この走査
原点の変動の影響はレンズの光線追跡を必要に応じ行う
ことによって取除くことができる。

多角形鏡５４の小面５６を結像させるようレンズの半径
を選択し、そして走査系に於るピラミッド形の傾斜誤差
があればそれを補正するようレンズ半径を選択できるこ
とが、光線追跡のモデルによって実証されている。更に
光線追跡分析を用いれば、傾斜誤差補正のほか走査湾曲
誤差補正を調べることができる。そのレンズ半径及びレ
ンズ焦点で、必要な傾斜誤差補正及び走査湾曲誤差補正
間のトレードオフから生じる正確な解から僅かな差で、
上式を実質的に解くことになろう。例えば、走査湾曲誤
差補正は、マルチ・スポットの走査器が使用される場合
、もつと重要な問題となる。

一実施例では、レンズ８８が３４．５　ｍｍの半径の多
角形鏡と、２個の後走査系（ｔｗｏ　ｐｏｓｔ　５ｃａ
ｎ）とを組合せてモデル化された。２個の後走査系とは
、鏡５４及びレンズ８８間の領域にあって、組合せ焦点
距離が４３０鵬という球面視野レンズ群で構成される。

光線追跡モデル化のための選択した走査角にわたって反
復プロセスを用いて、レンズ８８のための最適の曲率半
径が決定された。これは複数のレンズのビームの交点の
夫々について１ミクロン程度の精度で決定された。これ
らの最適の半径の性能を下記の表１に示す。

表　　ル ンズの長軸に沿う装置位置Ｘの関数としてきのレンズの
曲率半径は、４次の多項式に合致した。

Ｒ＝Ｒｃ＋Ａ　（ｘ２）＋Ｂ　（ｘ’　）但し、Ｒｃは
中心半径、Ｘは走査方向のビームとレンズの交点、Ａは
４．７８Ｘ１０−’、そしてＢは−８，６６Ｘ１０−”
である（上述の例の場合）。

これらのＡやＢという値は、光線追跡方法から実験的に
決定したり、又は走査各の関数としての焦点距離のため
の上式を解くようそれらの値を計算することによって決
定される。

その４次の多項式に基づく曲率半径を用いたレンズの性
能は、光導電面上で１ミクロンの１０分の１よりも少な
い位置づけ誤差を生じるだけである。そのようなレンズ
を用いた結果を、表２に示す。

表２ 第１図は、本発明を含む非球面の可変倍率のレンズを示
す斜視図である。光学倍率は、図示の７２面内のもので
ある。頂点の厚さｔは、Ｘ軸方向のレンズの長さ方向に
沿って一定である。第１図に示すとおり、底面９０は平
坦（即ち曲率が無限大）である。好適な実施例では、第
６図に示す一定の曲率半径に底面９０′が製造される。

頂面９２の曲率半径は、全てのＹ−Ｚ断面で変化する。

その曲率半径は、レンズの長軸即ちＸ軸に沿う位置に従
って変化する。レンズの中心の曲率が最小で、レンズの
中心からのＸ軸方向の距離の関数としてその曲率は単調
に増加する。この曲率半径は下式で定義される。

Ｒ＝Ｒｃ十Ｒｔ　　（ｘ−ｎ）２＋Ｒａ　　（ｘ−１）
’但し、Ｒは薗単位の曲率半径で、Ｒｃ　＝　２７．６
６、定数Ｒｔ　＝０．００００９４７１、定数Ｒａ＝−
０，０００００００００１０１８、ｆ＝１８５、そして
Ｘは好適なレンズ構成の場合のレンズの端部からの距離
である。

好適なレンズの中心の曲率半径（Ｒｃ）は２７゜６６ｍ
であり、レンズの原点の端部（第１図の左端）から１８
５ｍ＋ｎのところに位置づけられる。底面は平坦であり
、頂点の厚さは５■という一定値である。

このレンズの焦点距離はレンズのＸ方向に沿って変化す
る６３２．８ｒ＋ｍという波長をもつ光源の場合、Ｘ軸
方向の位置の関数としての理論的な焦点距離は下式で表
わせる。

ｆ＝ｆ　ｃ＋ｆｚ　　（ｘ−４２）”　＋ｆｎ（ｘ−１
）’但し、ｆは叩単位の焦点距離であり、上述の好適な
Ｌ／７ズの場合、ｆｃ＝３７．１６、ｆ、＝０．０００
０８０７２、ｆ、＝−０，０００００００００１７０８
、ｆ＝１８５である。またＸはレンズの原点の端部から
の距離である。

第６図に示すレンズ８８′の好適な実施例では、底面９
０°の曲率半径は、各ＹＺ断面で一定である。頂面９２
”の曲率は、各ＹＺ断面毎に変化する。好適な構成では
、底面９０′の曲率半径は５０晴である。頂部の厚さｔ
はレンズ８８′のＸ軸方向に沿って一定である。レンズ
８８の頂面９２とレンズ８８″の頂面９２゛とはその輪
郭が異なる。しかし、両輪部とも、各走査器θのところ
での傾斜誤差及び走査湾曲誤差を実質上除くようそのレ
ンズに沿う各位置で必要な光学倍率を与えるため、夫々
に必要な表面の輪郭を決定するための計算又は光線追跡
分析から決定できる。

このレンズは、ガラス、透明プラスチック又はレンズの
製造に適する任意の他の材料で製造される。実施例では
、グレード゛Ａ′のメタクリル酸メチルが好適な材料で
あった。その頂面及び底面は研磨されても良（、それら
の面は光が透過し偏向できるような光学的界面となる。

この非球面レンズをプラスチック成型で、製造すると、
簡単で安価にでき、ひいてはプリンタが安価にできる。

このレンズが２つの部分から形成できることば明らかで
あろう。第１の部分が１つの平坦面と、その反対側に配
設された平坦面若しくは一定の曲率を有する面とを有し
、第２の部分が１つの平坦面と、上述の４次の多項式を
満足する輪郭とを有する。この２つの平坦面同志が密着
されて上記のレンズを形成するのである。

電子写真プリンタで主として使用される可変倍率の非球
面レンズの好適な実施例をこれまで説明してきたが、当
業者には本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形例
が考えられよう。

Ｆ８発明の効果 本発明によれば、走査角の要求が増しても、光導電面を
ビーム走査する鏡の傾斜誤差及び走査湾曲誤差を補正で
きる非球面レンズが提供される。

またそのような非球面レンズを所定の位置に配設するこ
とによって高品質の印刷を生じる電子写真プリンタが提
供される。特にマルチスポットのレーザ・ビーム式の電
子写真プリンタに好適に応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って構成されたレンズの斜視図で
ある。 第２図は、電子写真プリンタで使用されるレーザ走査系
を表わす概要図である。 第３Ａ図はマルチスポット・レーザの電子写真プリンタ
の一部を示す平面図である。 第３Ｂ図は、第３Ａ図の側面図である。 第４図は、電子写真プリンタの走査器の一部を表わす平
面図である。 第５図は、典型的な電子写真プリンタの概略図である。 第６図は、本発明に従って構成されたレンズの好適な実
施例の斜視図である。 １６・・・・・・光導電面、　　２４・・・・・・レー
ザ・ビーム、５４・・・・・・多角形鏡、　　５６・・
・・・・小面、５８・・・・・・光学アセンブリ、 ８８．８８′・・・・・・（非球面）レンズ、９０．９
０”・・・・・・頂面、９２，９２°・・・・・・底面
。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鏡で光導電面をビーム走査する型の電子写真プリ
   ンタにして、 上記鏡と上記光導電面との間のビーム経路に配設される
   非球面レンズは、 該レンズの面が上記鏡に対する共役面にあり、Ｓを上記
   レンズから上記鏡のところの走査原点までの物体距離、
   Ｄを上記光導電面から上記鏡のところの走査原点までの
   距離とするとき、上記レンズの焦点距離ｆθが、走査角
   θの関数として式、ｆθ＝（Ｓ／ｃｏｓθ）−（Ｓ＾２
   ／（Ｄｃｏｓθ）で実質上表わせるような非球面レンズ
   であることを特徴とする、傾斜誤差及び走査湾曲誤差を
   補償できる電子写真プリンタ。
2. （２）可変倍率の非球面レンズにして、 第１の面は、 該レンズの長軸に直交する面での各断面の曲率半径Ｒが
   、 Ｒｃを上記レンズの中心での曲率半径、ｌを該レンズの
   端部から該レンズの中心までの距離、Ｒ＿２及びＲ＿４
   を定数とするとき、上記第１の面に沿う上記長軸方向の
   位置ｘの関数として、式 Ｒ＝Ｒｃ＋Ｒ＿２（ｘ−ｌ）＾２＋Ｒ＿４（ｘ−ｌ）＾
   ４で実質上表わせるような曲率半径の面であり、上記第
   １の面の反対側の第２の面は、 上記第１の面及び第２の面間のレンズの頂点の厚さが一
   定であり、且つ該第２の面が上記レンズの長軸に直角な
   面での各断面で一定の曲率半径を有するような面か平坦
   面であることを特徴とする可変倍率の非球面レンズ。