JPH04328514A - レーザビーム走査光学系 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビーム走査光学
系、特に電子写真複写機、レーザプリンタ、ファクシミ
リ等の画像形成装置の画像書き込み用ヘッドとして使用
されるレーザビーム走査光学系に関する。

【０００２】

【発明の背景】従来、電子写真方式によるレーザプリン
タでは、感光体上へ画像を書き込むためのレーザビーム
走査光学系として、レーザダイオードを光源としたもの
が広く使用されている。レーザダイオードから放射され
るレーザビームは一定の広がり角を有する拡散光である
ため、レーザダイオードの正面に集光レンズ（コリメー
タレンズ）を設け、平行光又は収束光に集光している。

【０００３】一方、ミクロンオーダの周期を持つ格子状
同心円パターンの集合で、その断面が鋸歯状となったフ
レネルレンズが開発されている。このフレネルレンズは
屈折現象と回折現象を利用し、平行な光が入射すると格
子の各部分で光が曲がり、入射光を一点に集束する。逆
に、焦点から放射された拡散光を格子の各部分で平行化
する。

【０００４】そこで、前記フレネルレンズを従来のコリ
メータレンズに代えてレーザ光源ユニットを構成するこ
とが考えられる。しかし、ここではレーザダイオードの
発振波長の変化に起因するデフォーカスが最大の問題点
となる。即ち、回折現象を利用しているフレネルレンズ
は、波長変化に対して不安定であり、僅かな波長変化に
対して敏感に焦点距離が変動し、それに基づいて像面上
にサブピークが発生するという問題点が生じる。特に、
サブピークが像面上で副走査方向に発生すると、レーザ
ビームの走査に伴ってサブピークが積分され、画像に悪
影響が出る。

【０００５】また、レーザビームを整形するために光源
部にスリットを設けているが、スリットによって規制さ
れる方向にサブピークが発生しやすいという問題点を有
する。

【０００６】

【発明の目的、構成、作用】そこで、本発明の目的は、
像面上において副走査方向にサブピークが発生すること
のないレーザビーム走査光学系を提供することにある。 以上の目的を達成するため、本発明に係るレーザビーム
走査光学系は、レーザダイオードから放射される拡散光
を、回折効果を有するレンズで集光すると共に、レーザ
ダイオードをその接合面が主走査方向と直交するように
設けたことを特徴とする。

【０００７】レーザダイオードから放射されるレーザビ
ームの拡散角度は接合面と直交する方向に大きく、平行
方向に小さい。そして、像面上でデフォーカスが生じた
とき、拡散角度の大きい方にサブピークが発生する傾向
にある。従って、レーザダイオードをその接合面が主走
査方向と直交するように設けることにより、像面上でサ
ブピークはビームスポットの主走査方向両側に発生する
。しかし、これらのサブピークはレーザビームの走査に
よってビームスポットの背部に隠れてしまい、画像部に
吸収され、画像に悪影響を与えることがない。

【０００８】また、前記集光レンズの出射側にレーザビ
ームを副走査方向に規制するスリットを設けてビームを
整形する場合、回折現象によって像面上で副走査方向に
サブピークが発生する傾向にあるが、スリットの幅を以
下の式を満足するように設定することにより、このよう
なサブピークの発生を防止できる。 ｓｉｎＵ／ｓｉｎθＶ＞０．２５ Ｕ：ビーム光軸とビーム発光部からスリット縁へ到る直
線とのなす角度 θＶ：ビームの副走査方向拡散角度（１／ｅ２値）

【０
００９】

【実施例】以下、本発明に係るレーザビーム走査光学系
の実施例につき、添付図面に従って説明する。図１は本
発明の一実施例であるレーザビーム走査光学系２０を組
み込んだレーザプリンタを示す。

【００１０】このレーザプリンタは、本体１の略中央部
分に感光体ドラム２が矢印ａ方向に回転駆動可能に設置
され、その周囲に帯電チャージャ３、現像器４、転写チ
ャージャ５、残留トナーのクリーナ６を配置したもので
ある。レーザビーム走査光学系２０は感光体ドラム２の
上方に設置され、帯電チャージャ３によって所定の電位
に均一に帯電された感光体ドラム２の表面にレーザビー
ムを照射し、所定の画像を潜像として形成する。この潜
像は現像器４で現像され、トナー画像とされる。

【００１１】一方、記録用シートは本体１の下段に設置
した給紙カセット１０から１枚ずつ自動的に給紙され、
タイミングローラ１１を経て転写部へ搬送される。シー
トはここでトナー画像を転写され、定着器１２でトナー
の定着を施された後、排出ローラ１３から本体１の上面
に排出される。図２はレーザビーム走査光学系２０を示
す。

【００１２】この光学系２０は、光源ユニット２１、シ
リンドリカルレンズ３０、ポリゴンミラー３１、トーリ
ックレンズ３５、球面ミラー３６、平面ミラー３７、画
像書き込みスタート位置検出センサ４５（以下、ＳＯＳ
センサと称する）このＳＯＳセンサ４５へレーザビーム
を導くミラー４３を図示しないハウジングに取り付けた
ものである。

【００１３】光源ユニット２１（その構成は後述する）
から出射されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ
３０を透過することによりポリゴンミラー３１の反射面
付近にその偏向面に一致する直線状に収束される。ポリ
ゴンミラー３１は矢印ｂ方向に一定速度で回転駆動され
、レーザビームを連続的に等角速度で偏向走査する。 走査されたレーザビームはトーリックレンズ３５を透過
した後、球面ミラー３６、平面ミラー３７で反射され、
図示しないハウジングのスリットを通じて感光体ドラム
２上で結像する。このとき、レーザビームは感光体ドラ
ム２の軸方向に等速で走査され、これを主走査と称する
。また、感光体ドラム２の矢印ａ方向への回転に基づく
走査を副走査と称する。

【００１４】以上の構成において、光源ユニット２１か
らのレーザビームのオン，オフと、前記主走査、副走査
とによって感光体ドラム２上に画像（静電潜像）が形成
される。ここで、トーリックレンズとは、入射側又は射
出側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面が球
面、平面又はシリンドリカル面であるレンズをいう。本
実施例において、トーリックレンズ３５は入射側の面が
トロイダル面、射出側の面が球面にて構成されている。 トロイダル面とは二つの主経線がそれぞれ異なった曲率
中心を有する面をいう。

【００１５】球面ミラー３６はｆθレンズに代わって、
トーリックレンズ３５と共に主走査方向に対する走査速
度を走査域中心からその両端部にわたって均等となるよ
うに（歪曲収差を）補正すると共に、感光体ドラム２上
での主走査方向の像面湾曲を補正する。また、トーリッ
クレンズ３５のトロイダル面は、ポリゴンミラー３１の
面倒れ誤差を補正すると共に、感光体ドラム２上での副
走査方向の像面湾曲を補正する。本実施例ではシリンド
リカルレンズ３０によってビームをポリゴンミラー３１
に集光する一方、トーリックレンズ３５のトロイダル面
によってポリゴンミラー３１の各反射面と集光面とが共
役関係を保持するようにしている。一方、トーリックレ
ンズ３５の球面は、主として主走査方向の像面湾曲を補
正すると共に、歪曲収差の補正を行なう。

【００１６】一方、ポリゴンミラー３１で偏向走査され
たレーザビームのうち一部は、ミラー４３からシリンド
リカルレンズ４６を介してＳＯＳセンサ４５へ入射し、
その検出信号に基づいて１ラインごとの画像書き込みス
タート位置が制御される。ここで、光源ユニット２１に
ついて説明する。図３に示すように、光源ユニット２１
は、ベース２２、レーザダイオード２３、フレネルレン
ズ２４、ブラケット２５、金属製のカバー２６にて構成
されている。カバー２６にはスリット２７が形成されて
いる。レーザダイオード２３は所定の電流を供給するこ
とにより接合面から拡散光を放射する。フレネルレンズ
２４は、ミクロンオーダの周期を持つ格子状同心円パタ
ーンの集合で、その断面を鋸歯状に成形したものである
。このフレネルレンズ２４は屈折効果と回折効果を有し
、格子の各部分で光が曲げられる。平行光が入射すると
一点（焦点）に収束され、焦点から放射された拡散光は
平行光とされる（図４参照）。

【００１７】従って、レーザダイオード２３の発光部を
フレネルレンズ２４の焦点に設置することにより、レー
ザダイオード２３から放射された拡散光はフレネルレン
ズ２４で平行光に集光され、光源ユニット２１から前記
シリンドリカルレンズ３０へ向かって出射される。また
、レーザダイオード２３の発光部をフレネルレンズ２４
の焦点よりも僅かに遠い位置に設定すると、光源ユニッ
ト２１からは収束光が出射される。本実施例では後者の
設定により得られる収束光を用いている。

【００１８】ここで使用されているフレネルレンズ２４
はポリカーボネイトからなり、波長７８０ｎｍのレーザ
ビームに対応するように設計されている。フレネルレン
ズ２４は極めて小型、軽量で、レーザダイオード２３等
と共に一つのパッケージ内に高密度実装できる。従来は
コリメータレンズとしてガラスモールドの単玉非球面レ
ンズを用いていたのであるが、これと比較して光源部が
小型化し、光学系ハウジングへの組み込みに際してレー
ザダイオードとフレネルレンズとを互いに位置調整する
必要がなくなる。また、フレネルレンズは成形法で量産
でき、研摩工程も不要であるという利点を有する。

【００１９】さらに、今日では、レーザプリンタの低速
化が進むと共に、感光体の感度が改善され、像面上で必
要な光量は０．２ｍＷ程度で十分な場合がある。この場
合、通常の光学系では光透過率が２５〜３０％程度であ
るため、レーザダイオードの出力は０．８ｍＷ程度とな
る。しかし、これではレーザダイオードはＬＥＤ発光か
らＬＤ発光へ切り替わる領域でのシュレッシュホールド
出力程度となり、応答性が悪くなる。しかし、フレネル
レンズは光透過効率が５０％あるいはそれ以下のものを
製作でき、レーザダイオードをＬＤ発光の領域で駆動さ
せ、応答性を上げることができる。

【００２０】しかし、レーザダイオードは発光部の発熱
量の増加、環境温度の上昇により発振波長が変化する特
性を有している。そして、回折効果を利用しているフレ
ネルレンズは波長の変化に対して不安定であり、僅かな
波長変化に対して敏感に焦点距離が変動する。レーザビ
ーム走査光学系全体として考慮すると、僅かな焦点距離
の変動が前述の光学素子３０，３１，３５，３６，３７
を通して数百倍に拡大され、像面（感光体ドラム表面）
上でのデフォーカスを発生させる。

【００２１】一方、レーザダイオード２３から放射され
るビームの拡散角度は、図５に示すように、接合面２３
ｂと直交する方向に大きく（その角度をθＨとする）、
平行方向に小さい（その角度をθＶとする）。そして、
フレネルレンズ２４の焦点距離の変動によるデフォーカ
スが生じると、拡散角度の大きい方の外側に像面上にお
いてサブピークが発生する。従って、仮に、レーザダイ
オード２３をその接合面２３ｂが主走査方向と一致する
ように設けると、像面上ではサブピークがビームスポッ
トの副走査方向の両側に発生し、レーザビームの走査に
伴ってサブピークが積分される。

【００２２】図８は前述のサブピークが発生した状態を
示し、ビームが主走査方向Ｈに走査され、トナー画像Ｍ
が形成されると、その副走査方向Ｖの外側にサブピーク
によるトナー画像（ノイズ）Ｓ１が形成される。即ち、
潜像電位が現像しきい値を越えると現像されてしまい、
画像が汚れてしまう。そこで、本実施例では、レーザダ
イオード２３をその接合面２３ｂが主走査方向Ｈと直交
するように設けた。これによって、前記デフォーカスが
生じた際、像面上ではサブピークが主走査方向の両側に
発生する。しかし、このサブピークはレーザビームの走
査に伴って、図９（Ｃ）に示すように、トナー画像Ｍに
吸収されてしまう。トナー画像Ｍの主走査方向Ｈの両側
に僅かにサブピークによるトナー画像Ｓ２が残るが、こ
の部分は積分されていないので、その電位は低く、濃度
は非常に薄い。従って、電子写真プロセスによる最終画
像に悪影響を及ぼすおそれは殆どない。

【００２３】一方、光源ユニット２１には出射されるビ
ーム形状を整形するため、ケース２６にスリット２７を
形成している。このスリット２７は、像面上でのビーム
スポット形状をできるだけ円形に近づけるように、ビー
ムを副走査方向Ｖに規制する（図６参照）。しかし、ス
リット２７でビームを規制すると、回折現象により規制
方向にサブピークが発生する傾向にある。ここで発生す
るサブピークはスリット幅を狭くしてビームを必要以上
に絞り込んだ場合にのみ発生する。本発明者のシュミレ
ーションによれば、スリット幅が一定の条件を満足すれ
ば、スリット縁での回折によるサブピークを実用上問題
とならないように抑えることができる。

【００２４】そこで、回折によるサブピークが発生しな
いスリット幅の条件につき、光学系の具体例を示して説
明する。以下の表１に、レーザダイオード２３の拡散角
度θＨ，θＶ及びｓｉｎＵ／ｓｉｎθＶの値につき、画
像密度４００，３００，２４０ＤＰＩごとに示す。ｓｉ
ｎＵ／ｓｉｎθＶはスリット２７の幅寸法の条件式であ
る。図７に示すように、Ｕはビーム光軸とビーム発光部
２３ａからスリット２７の縁２７ａへ到る直線とのなす
角度をいう。θＶは前述の通りビームの副走査方向拡散
角度（１／ｅ２値）をいう。

【００２５】

【表１】

【００２６】図１０、図１１はこの光学系における主走
査方向及び副走査方向でのビームの収束状態を示し、以
下、これらの図を参照して各要素の具体的数値を示す。 フレネルレンズの焦点距離：４．６ｍｍシリンドリカル
レンズの焦点距離：３５ｍｍフレネルレンズからその像
点までの距離ｂ１：５３５ｍｍ 走査レンズからその像面までの距離ｂ２：１０８ｍｍフ
レネルレンズから走査レンズまでの距離Ｌ１：１７２．
８ｍｍ フレネルレンズからシリンドリカルレンズまでの距離Ｌ
２：４０ｍｍ 走査光学系副走査方向横倍率β：３．０３５次に、スリ
ット幅の条件式に関するいまひとつの具体的数値例のグ
ループを以下の表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】また、各要素の具体的数値は以下の通りで
ある。 フレネルレンズの焦点距離：６ｍｍ シリンドリカルレンズの焦点距離：３０ｍｍフレネルレ
ンズからその像点までの距離ｂ１：７０１．９ｍｍ 走査レンズからその像面までの距離ｂ２：１６１．９ｍ
ｍ フレネルレンズから走査レンズまでの距離Ｌ１：２４４
．６ｍｍ フレネルレンズからシリンドリカルレンズまでの距離Ｌ
２：７１．４ｍｍ 走査光学系副走査方向横倍率β：４．８５以上の具体例
において像面上で副走査方向側にサブピークが発生する
ことはみられなかった。スリット幅を一定以上に小さく
すると、即ちビームを副走査方向に絞り過ぎるとサブピ
ークが発生するおそれがあり、その許容範囲は本発明者
のシュミレーションによれば、表１、表２におけるｓｉ
ｎＵ／ｓｉｎθＶの値が０．２５以上である。

【００２９】［他の実施例］なお、本発明に係るレーザ
ビーム走査光学系は前記実施例に限定するものではなく
、その要旨の範囲で種々に変更することができる。例え
ば、光源ユニットにあっては、レーザダイオード２３の
発光部をフレネルレンズ２４の焦点位置に設定し、平行
光を出射するものとしてもよい。

【００３０】また、偏向器としてはポリゴンミラー以外
にガルバノミラーを用いてもよく、走査光学素子の構成
も任意である。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、回折効果を有する集光レンズをレーザダイオー
ドと組み合わせて用いたため、小型、軽量の光源ユニッ
トを得ることができ、無調整で走査光学系に組み込むこ
とができる。しかも、レーザダイオードをその接合面が
主走査方向と直交するように設けたため、集光レンズの
特性上その焦点距離が変動してデフォーカスが生じた場
合であっても、ビームの拡散角度の大きい方に発生する
サブピークが像面上においては主走査方向に発生し、こ
のようなサブピークはビームスポットの背部に隠れてし
まい画像に悪影響を与えることはない。

【００３２】また、前記集光レンズの出射側にスリット
を設けてビームを整形する場合に、スリット幅を一定の
条件に設定するようにしたため、回折現象によるサブピ
ークの発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザビーム走査光学系を備えた
プリンタの概略構成図。

【図２】本発明に係るレーザビーム走査光学系の一実施
例を示す斜視図。

【図３】レーザ光源ユニットの一部を切り欠いた斜視図
。

【図４】図３に示されているフレネルレンズの集光作用
を示す斜視図。

【図５】レーザダイオードとその放射ビームを示す斜視
図。

【図６】放射ビームとスリットの説明図。

【図７】ｓｉｎＵの説明図。

【図８】副走査方向にサブピークが発生した感光体上に
おけるトナー画像とその潜像電位を示し、（Ａ）は主走
査方向の電位分布グラフ、（Ｂ）は副走査方向の電位分
布グラフ、（Ｃ）はトナー画像の平面図である。

【図９】主走査方向にサブピークが発生した感光体上に
おけるトナー画像とその潜像電位を示し、（Ａ）は主走
査方向の電位分布グラフ、（Ｂ）は副走査方向の電位分
布グラフ、（Ｃ）はトナー画像の平面図である。

【図１０】レーザビーム走査光学系での主走査方向にお
けるビームの収束状態を示す説明図。

【図１１】レーザビーム走査光学系での副走査方向にお
けるビームの収束状態を示す説明図。

【符号の説明】

２０…レーザビーム走査光学系 ２１…レーザ光源ユニット ２３…レーザダイオード ２４…フレネルレンズ ２７…スリット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　画像情報に基づいてレーザダイオード
   から放射されたレーザビームで偏向器、光学素子を介し
   て記録媒体上を走査するレーザビーム走査光学系におい
   て、前記レーザダイオードから放射される拡散光を、回
   折効果を有するレンズで集光すると共に、レーザダイオ
   ードをその接合面が主走査方向と直交するように設けた
   こと、を特徴とするレーザビーム走査光学系。
2. 【請求項２】　　前記集光レンズの出射側にレーザビー
   ムを副走査方向に規制するスリットを設け、かつ、この
   スリットの幅が、以下の式を満足すること、ｓｉｎＵ／
   ｓｉｎθＶ＞０．２５ Ｕ：ビーム光軸とビーム発光部からスリット縁へ到る直
   線とのなす角度 θＶ：ビームの副走査方向拡散角度（１／ｅ２値）を特
   徴とするレーザビーム走査光学系。