JP2009053378A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行う。
【解決手段】光源１、カップリングレンズ２、回折レンズ４、ポリゴンミラー５、及び走査レンズ６を備え、回折レンズ４は、均一な温度変化時において、走査レンズ６のパワー減少によるピントずれ量ΔＳ_６に対して、補正過剰となるピントずれ量ΔＳ_４が得られるような回折面を有している。これにより、走査レンズ６の温度が、光源１の温度よりも高くなるような、不均一な温度分布が発生しても、ピント位置ずれを抑制することができる。従って、高コスト化を招くことなく、安定した光走査が可能となる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、光束により被走査面を走査する光走査装置、及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

近年、光プリンタ装置、デジタル複写機、及び光プロッタ等の画像形成装置には、低価格化とともに、温度変化に対する高い安定性が求められている。また、これらの画像形成装置は、光源からの光束により被走査面を走査する光走査装置を備えている。

高精度加工技術の進歩に伴い、高い安定性、低価格化、部品点数の低減を実現する方法として、微細な形状を有する光学素子（回折レンズ、位相シフタ、サブ波長構造（ＳＷＳ：ＳｕｂＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）素子等）の利用が考えられる。

光走査装置への回折レンズの利用は、少ない部品点数で高機能、多機能を実現できるため、光学特性の高精度化はもとより光走査装置の小型化にも大きな効果をもたらすことが予想される。

例えば、特許文献１には、半導体レーザからなる光源と、該光源からの光束をカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を主走査方向は平行光とし、副走査方向は偏向器に集束させる光束とする第１光学系と、該第１光学系からの光束を主走査方向に偏向させる偏向器と、該偏向器により偏向された光束を集光させる走査光学系と、を備えた光走査装置であって、カップリング光学系を構成する全てのレンズの材質を樹脂とし、該レンズの少なくとも１面に回折光学面を備えた光走査装置が開示されている。

また、特許文献２には、レーザ光を発するレーザ光源と、入射してきたレーザ光を主走査方向に偏向させる偏向器と、レーザ光源から射出されたレーザ光を主走査方向についてはほぼ平行光にし、副走査方向については偏向器の偏向面近傍で集光させる光源光学系と、偏向器により偏向されたレーザ光を再び集光させる走査光学系と、を備えるレーザ走査装置であって、光源光学系が樹脂で構成された１つの光学素子から成り、その光学素子が、回転対称軸を持たない少なくとも１面の反射面と、２面の透過面（２面とも回折面であり、それら２面の回折面において波長変化時の回折角の変化が互いに逆方向となるように構成されている。）と、を有するレーザ走査装置が開示されている。

また、特許文献３には、光源手段と、該光源手段からの光束を光偏向手段に導光する光学手段と、該光偏向手段からの光束を被走査面に導光する結像光学系と、を有し、該光偏向手段の回動動作に基いて該被走査面を光走査する光走査装置において、該光学手段は１以上の面に回折部を有しており、焦点距離、スポット径、発振波長、パワー、及び分散値を含む特定の式が特定の条件を満足する光走査装置が開示されている。

特開２００５−２５８３９２号公報 特開２００２−２８７０６２号公報 特開２００４−１２６１９２号公報

２π以上の位相差に対応した微細な段差を有する回折レンズは、屈折レンズと同様に、光束の屈折、集光等の機能を付与することができる。また、回折レンズの屈折レンズと異なる性質として、強い負分散が挙げられる。この回折レンズの性質と光学系の温度変化に伴う光源の波長変化とを適切に組み合わせることにより、いわゆる温度補償機能が実現できる。

上記温度補償機能は、光学系の温度変化による光学特性の変化と、光源の波長変化とがバランス良く発生することで実現される。そのため、半導体ＬＤに代表されるレーザ光源を用いる際には、光源素子個別の波長差、発光途中の波長遷移（モードホップ）、アレイ素子においては発光部間の波長差等、光源の波長ばらつきによる幾何収差の悪化を考慮しなければならない。これは、光の波動的な特性を幾何収差補正に持ち込んだために生じる必然的な課題とも言える。

上述したように、温度補償機能を有する回折レンズは、温度変化が発生したとき、（１）光源の波長変動による回折レンズの負分散特性と、（２）全光学素子の熱膨張によるピントずれとを、バランスさせることによりその機能を実現させている。特に、上記（２）に関して支配的なものは、走査光学系に含まれる走査レンズの熱膨張である。従って回折レンズの温度補償機能設計は、負分散特性と走査光学系の温度変化分のバランシングによってなされると言ってよい。

ところで、実際の光走査装置においては、温度変化は装置内において均一に発生しない。これは、（Ａ）光源の駆動による発熱、（Ｂ）偏向器の駆動による発熱、（Ｃ）光走査装置外の熱源による発熱、のように、発熱源が独立しているためである。

特に、上記（Ｂ）は、偏向器が高速で駆動するために発生する熱であり、光走査装置内の温度に関して最も支配的な発熱である。上記（Ａ）は一般的に電気回路の駆動による発熱であるため、上記（Ｂ）の発熱量に対しては極めて小さい。

このように、独立した熱源と、その熱量の差から、光走査装置の駆動中に装置内に不均一な温度分布が生じる。現実的には、最も発熱量が大きい偏向器を中心とし、光走査装置内に熱が拡散するような温度分布となる。このような温度分布は、筐体の形状や気流に関係する複雑な現象であり、光学設計時に予め想定するのは極めて困難である。従って、上記のような温度補償機能を有する回折レンズを設計する際には、「光走査装置内が均一に温度変化した場合」に立脚する等、特定のパターンを想定するしかないのが現状である。

上述した不均一な温度分布の発生とは、偏向器近傍が高温、そこから遠い光学素子は低温というような温度差が生じることを意味する。上記温度補償機能を有する回折レンズは、光源の波長変化と走査光学系の温度による変化とがバランスされることを想定して設計されているため、不均一な温度分布の発生はそのバランスを崩してしまう。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高コスト化を招くことなく、安定した光走査ができる光走査装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することができる画像形成装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、光束により被走査面を走査する光走査装置であって、光源と；前記光源からの光束の光路上に配置され、少なくとも１つの面に回折面を有する少なくとも１つの回折光学素子を含む偏向器前光学系と；前記偏向器前光学系を介した光束を偏向する偏向器と；前記偏向器で偏向された光束を前記被走査面上に集光する走査光学系と；を備え、稼動時に、前記走査光学系の温度と前記光源の温度とは互いに異なり、前記回折面は、前記走査光学系及び前記光源の温度が互いに等しいと仮定したときに、前記少なくとも１つの回折光学素子による光束の合焦位置のずれ量が、前記走査光学系による光束の合焦位置のずれ量を相殺するずれ量に対して、大きくあるいは少なくなるように、稼動時の前記走査光学系の温度と前記光源の温度の大小関係に応じて設定されていることを特徴とする光走査装置である。

これによれば、回折面は、走査光学系及び光源の温度が互いに等しいと仮定したときに、少なくとも１つの回折光学素子による光束の合焦位置のずれ量が、走査光学系による光束の合焦位置のずれ量を相殺するずれ量に対して、大きくあるいは少なくなるように、稼動時の走査光学系の温度と光源の温度の大小関係に応じて設定されている。。そこで、稼動時に、走査光学系の温度と光源の温度とが互いに異なっていても、その温度差による合焦位置のずれの残差を従来よりも小さくすることができる。従って、結果として、高コスト化を招くことなく、安定した光走査が可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と；前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの本発明の光走査装置と；を備える画像形成装置である。

これによれば、少なくとも１つの本発明の光走査装置を備えているために、結果として、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１３に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ５００は、感光体ドラム５１１、帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４、クリーニング装置５１５、定着装置５１６、光走査装置９００、カセット５１８、レジストローラ対５１９、給紙コロ５２０、排紙ローラ対５２２、及びトレイ５２３などを備えている。

感光体ドラム５１１は、像担持体であり、その表面には光導電性を有する感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム５１１の表面が被走査面である。

帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４及びクリーニング装置５１５は、それぞれ感光体ドラム５１１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム５１１の回転方向（図１における矢印方向）に沿って、帯電ローラ５１２→現像装置５１３→転写ローラ５１４→クリーニング装置５１５の順に配置されている。

帯電ローラ５１２は、感光体ドラム５１１の表面を均一に帯電させる帯電手段である。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。

光走査装置９００は、帯電ローラ５１２で帯電された感光体ドラム５１１の表面を、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光（走査光）ＬＢで走査する。この光走査装置９００による光走査により、感光体ドラム５１１の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像（静電潜像）が形成される。この潜像は、いわゆるネガ潜像であり、感光体ドラム５１１の回転に伴って現像装置５１３の方向に移動する。なお、光走査装置９００の構成については後述する。

現像装置５１３は、トナーが格納されているトナーカートリッジを有しており、感光体ドラム５１１の表面における光が照射された部分にだけトナーを付着させる。すなわち、現像装置５１３は、感光体ドラム５１１の表面に形成された潜像にトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像（以下、便宜上「トナー画像」ともいう）は、感光体ドラム５１１の回転に伴って転写ローラ５１４の方向に移動する。

カセット５１８は、レーザプリンタ５００の本体に着脱可能であり、その中には転写対象物としての転写紙Ｐが収納されている。このカセット５１８の近傍には給紙コロ５２０が配置されており、該給紙コロ５２０は、カセット５１８に収納されている転写紙Ｐの最上位の１枚を取り出す。

レジストローラ対５１９は、転写ローラ５１４の近傍に配置され、給紙コロ５２０により取り出された転写紙の先端部を捕捉する。そして、レジストローラ対５１９は、感光体ドラム５１１上のトナー画像が転写位置へ移動するタイミングに合わせて、転写紙を転写ローラ５１４と感光体ドラム５１１との間隙へ送り込む。送り込まれた転写紙は、転写ローラ５１４によりトナー画像と重ね合わされ、トナー画像が静電転写される。

トナー画像が転写された転写紙は、定着装置５１６へ送られ、定着装置５１６にてトナー画像が定着され、搬送路５２１を通り、排紙ローラ対５２２によりトレイ５２３上に排出される。

トナー画像が転写された後の感光体ドラム５１１の表面は、クリーニング装置５１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

次に、前記光走査装置９００の構成について説明する。

この光走査装置９００は、一例として図２に示されるように、光源１、カップリングレンズ２、開口板３、回折レンズ４、ポリゴンミラー５、走査レンズ６、折り曲げミラー７、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１などを備えている。

そして、本明細書では、図３に示されるように、ＸＹＺ３次元直交座標系において、感光体ドラム５１１の長手方向に沿った方向をＹ軸方向、走査レンズ６の光軸に沿った方向をＸ軸方向として説明する。なお、図３では、便宜上、折り曲げミラー７、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１は、図示を省略している。

光源１は、一例として、設計上の発振波長が６５５ｎｍの垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）を有している。この面発光レーザは、基準温度（Ｔ_０＝２５℃）に対して温度が１℃上昇すると、発振波長が０．２ｎｍだけ長波長側へずれるという特性を有している。なお、光源１からポリゴンミラー５に向かう光束の進行方向を、以下では、便宜上「Ｗ方向」とする。

カップリングレンズ２は、焦点距離が約２７ｍｍであり、光源１から射出された光束を略平行光とする。

カップリングレンズ２は、一例として、ガラス製のレンズである。このガラスは、一例として、６５５ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５１５１４１であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５１５０６２であり、線膨張係数が７．５×１０^−６／Ｋの物性を有するガラスである。

カップリングレンズ２は、入射面及び射出面のいずれも非球面であり、カップリングされた光束の波面収差を十分に補正している。

なお、光源１とカップリングレンズ２は、線膨張係数が２．４×１０^−５／Ｋの材料を用いた保持部材（図示省略）によって保持されている。

開口板３は、一例として、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｗ方向及びＺ軸方向のいずれにも直交する方向）の幅が２．３ｍｍ、副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）の幅が２．４ｍｍの矩形形状の開口部を有し、カップリングレンズ２を介した光束を整形し、感光体ドラム５１１上におけるビームスポット径を決定する。

回折レンズ４は、開口板３の開口部を通過した光束をポリゴンミラー５の偏向反射面近傍に副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して結像する。

回折レンズ４は、肉厚が２ｍｍの樹脂製のレンズである。この樹脂は、一例として、６５５ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５２７２５７であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５２５３６８であり、線膨張係数が７．０×１０^−５／Ｋの物性を有する樹脂である。また、回折レンズ４の副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関する焦点距離は約４８ｍｍである。

回折レンズ４の入射面は、一例として図４（Ａ）に示されるように、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が∞、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が２４．７８ｍｍのシリンドリカル面である。

回折レンズ４の射出面は、一例として図４（Ｂ）に示されるように、段差により分割された光軸に垂直な複数の平面領域を有する回折面である。１段の段差は光束に関して２πの位相差を与える段差である。ここでは、回折レンズ４の射出面は、１段の段差が約１．２μｍで、４４段の階段形状を有している。すなわち、回折レンズ４の射出面は、マルチステップ形状を有している。

上記回折面は、一例として図５に示されるように、回折効果を有する面（以下、便宜上「第１の面」ともいう）と屈折効果を有する面（以下、便宜上「第２の面」ともいう）とが合成された面形状を有している。

ここでは、上記第２の面は、曲率半径１７．６ｍｍの凹シリンドリカル面である。また、上記第１の面は、第２の面と同じ曲率半径の凸フレネル面の形状を適切な段差及びピッチで折り返した形状である。これにより、第１の面のパワーは、第２の面のパワーにより相殺され、回折レンズ４の射出面は、主走査方向に対応する方向及び副走査方向に対応する方向ともにノンパワーとなる。なお、第１の面のパワーは、波長変動時の負分散によるパワー変動の大きさに相当し、マルチステップ形状における段数によって決定される。なお、回折レンズ４の回折面の詳細については後述する。

光源１とポリゴンミラー５との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本実施形態では、偏向器前光学系は、カップリングレンズ２と開口板３と回折レンズ４とから構成されている。

ポリゴンミラー５は、一例として、内接円の半径が１３ｍｍの６面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面である。なお、このポリゴンミラー５は、厚さ１．９ｍｍの防音ガラス１２で囲まれている。この防音ガラス１２の素材のガラスは、カップリングレンズ２の素材のガラスと同じである。

走査レンズ６は、ポリゴンミラー５によって偏向された光束を、感光体ドラム５１１の表面に対して略等速運動となるよう変換し、且つ常に感光体ドラム５１１の表面に集光するように設計されている。

ここでは、走査レンズ６は、肉厚が１３．５ｍｍの樹脂製のレンズである。この樹脂は回折レンズ４の素材と同じ物性を有する樹脂である。

この走査レンズ６は、一例として、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｙ軸方向）の近軸曲率半径Ｒｍが１７９ｍｍ、副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）の近軸曲率半径Ｒｓが９６．４０ｍｍの入射面と、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径Ｒｍが−１５７．２６ｍｍ、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径Ｒｓが−１９．３３ｍｍの射出面を有している。そして、副走査方向に対応する方向の横倍率は約−３．７３倍である。

また、走査レンズ６の各面（入射面及び射出面）は、いずれも非球面であり、主走査方向に対応する方向には非円弧形状で、いわゆる副走査断面（ここでは、光軸と副走査方向に対応する方向とに平行な仮想的断面）内の曲率が主走査方向に対応する方向に従って変化する特殊面である。

折り曲げミラー７は、走査レンズ６を介した光束の光路を感光体ドラム５１１の表面に向けて折り曲げる。これにより、感光体ドラム５１１の表面にビームスポットが形成される。このビームスポットは、ポリゴンミラー５の回転に伴って感光体ドラム５１１の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム５１１上を走査する。

ポリゴンミラー５と感光体ドラム５１１との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本実施形態では、走査光学系は、走査レンズ６と折り曲げミラー７とから構成されている。なお、折り曲げミラー７と感光体ドラム５１１の間には、厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス（不図示）が配置されている。この防塵ガラスは、前記防音ガラスと同じ物性を有するガラスでできている。

なお、ポリゴンミラー５の回転中心と走査レンズ６の入射面の原点（入射面の光軸位置）は、光軸方向（ここでは、Ｘ軸方向）に４３ｍｍ離れ、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｙ軸方向）に６．３５ｍｍ離れている。

そして、走査レンズ６の射出面の原点（射出面の光軸位置）と感光体ドラム５１１の表面は、光軸方向（ここでは、Ｘ軸方向）に１７６ｍｍ離れている。

また、Ｗ方向と、ポリゴンミラー５の偏向反射面により感光体ドラム５１１の表面における像高０の位置（図３における符号ｐ０の位置）へ向けて反射される光束の進行方向とのなす角（図３におけるθ）は６８度である。

本実施形態では、光走査装置９００は、一例として図６に示されるように、２つの筐体（第１筐体１４、第２筐体１５）を有している。第１筐体１４には、光源１、カップリングレンズ２、開口板３、回折レンズ４、ポリゴンミラー５、走査レンズ６、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１が収容されている。なお、開口板３は、第１筐体１４と一体化されていても良いし、素子として組み付けられていても良い。また、光源１は、第１筐体１４の壁面に形成された孔に圧入されている。そして、第２筐体１５には、第１筐体１４及び折り曲げミラー７が収容されている。

カップリングレンズ２、回折レンズ４、走査レンズ６のいずれかは、ＵＶ硬化樹脂に代表される接着剤を必要箇所に塗布され、冶具等で位置決めされた後、ＵＶ照射等の方法で固定され、組み付けられる。この組付けを実施する際、第１筐体１４から発せられる光束をモニタリングし、それをフィードバックすることで接着剤硬化前に誤差を調整し、吸収することができる。

前述したように、稼働時は、ポリゴンミラー５が光走査装置内の温度に関して最も支配的な発熱であり、一例として図７に示されるように、光走査装置内は、ポリゴンミラー５を中心にして周囲に熱が拡散するような温度分布となる。すなわちポリゴンミラー５に近い光学素子ほど高温になる。一例として図８には、光源１、ポリゴンミラー５、及び走査レンズ６の温度変化が示されている。このように、温度変化が飽和しても、不均一な温度分布が残留していることがわかる。

温度が上昇すると、一般の屈折レンズは、熱膨張及び光源波長の長波長化による材料分散の影響を受けて焦点距離が長くなる。すなわち、屈折レンズのパワーが減少する。これにより、屈折レンズを含む光学系では、合焦位置のずれ（ピント位置ずれ）が生じる。特に、樹脂製の屈折レンズは、膨張量が大きく、ピント位置のずれ量（以下では、便宜上「ピントずれ量」と略述する）は極めて大きいものとなる。

一方、回折レンズは、光源波長が長波長化すると、焦点距離が短くなるという特性（負分散特性）を有している。

そこで、屈折レンズを含む光学系に回折レンズを導入し、温度上昇時の屈折レンズによるピントずれ量を補償するような回折面を回折レンズに形成すれば、温度変化に対してロバストな光学系を実現することができる。

しかしながら、不均一な温度分布は、光走査装置の使用条件や環境等が影響する複雑な現象であり、想定した光走査装置の設計から一意に仮定することができない。そのため、一例として図９に示されるように、従来、温度補償機能をもつ回折レンズ４´は、「温度分布が均一な状態」を仮定して、すなわち「全ての光学素子が同様な温度変化をする」ものとして設計されている。

図９では、温度変化ΔＴによって走査レンズ６の熱膨張及び光源１における波長シフトが発生し、そのときの走査レンズ６のパワー減少によるピントずれ量をΔＳ_６とし、回折レンズ４´の負分散特性によるピントずれ量をΔＳ_４´としている。なお、図９〜図１２は、副走査断面を示し、便宜上、折り曲げミラー７の図示を省略している。

そこで、ΔＳ_６＋ΔＳ_４´がほぼ０となるように回折レンズ４´を設計すると、温度変化に起因するピント位置ずれが抑制された、いわゆる「温度補償」が成立することになる。これが、従来の温度補償である。

この場合に、一例として図１０に示されるように、不均一な温度分布が発生し、「光源１が走査レンズ６ほどに温度上昇しない」ときには、|ΔＳ_６|＞|ΔＳ_４´|となり、補償されないピントずれ量である「補正残差」が発生する。すなわち、上記「温度補償」は不完全な状態に留まってしまい、光走査装置の温度安定性を脅かすものとなる。

一方、本実施形態では、回折レンズ４は、一例として図１１に示されるように、温度変化が均一であると仮定したときに、負分散特性によるピントずれ量ΔＳ_４が、走査レンズ６のパワー減少によるピントずれ量ΔＳ_６に対して過剰（|ΔＳ_６|＜|ΔＳ_４|）となるように、回折面の第１面のパワー（以下では、便宜上「補正パワー」という）が設定されている。すなわち、回折レンズ４は、従来の回折レンズ４´よりも、過剰な補正パワーを有している。

そこで、不均一な温度分布が発生し、「光源１が走査レンズ６ほどに温度上昇しない」ときには、一例として図１２に示されるように、「補正残差」が従来よりも小さくなる。なお、補正パワーの過剰の程度は、光学素子の大きさ、稼動時のポリゴンミラー５の温度、光源１及び走査レンズ６のポリゴンミラー５からのそれぞれの距離、並びに予備的なテストなどから決定される。

すなわち、本実施形態では、「ほぼ確実に発生するがその量の予測が困難である温度分布」による「光走査装置の稼動時における光学特性の温度安定性」の劣化を、「均一な温度変化を前提としたときの回折レンズの設計を、敢えて過剰な補正パワーとする」ことで、「不均一な温度分布が発生したときの補正残差」を従来よりも低減している。そこで、強い熱源であるポリゴンミラーを有する光走査装置の温度安定性を回折レンズにより実現するのに好適である。

図１３には、ピントずれ量の具体例が示されている。ＣＡＳＥ１は、回折レンズ４に代えて、同じ焦点距離を持つガラス製のシリンドリカルレンズを用い、走査レンズ６も光源１も温度が２０℃上昇した場合である。この場合には、主として樹脂製の走査レンズ６が熱膨張することにより焦点距離が長くなり、大きなピント位置ずれが発生する。

ＣＡＳＥ２は、回折レンズ４を用い、走査レンズ６も光源１も温度が２０℃上昇した場合である。この場合には、回折レンズ４が過剰な補正パワーを有しているため、ピント位置ずれは像面に対してアンダー側に発生している。このときのピントずれ量は「補正残差」ということになるが、ＣＡＳＥ１の場合と比較すると、ピントずれ量そのものは低減されている。

ＣＡＳＥ３は、回折レンズ４を用い、走査レンズ６の温度が２０℃上昇し、光源１が１７℃上昇した場合である。強い負分散特性を有する回折レンズ４と０．２ｎｍ／℃の温度−発振波長特性を有する光源１を考慮すれば、温度差３℃は決して小さい値ではない。このとき、ＣＡＳＥ２と比較すれば「走査レンズ６のパワー減少に対する光源１における発振波長のシフト量が不足している状態」と見ることができる。しかし、本実施形態では、「（均一な温度変化時において）過剰な補正パワー」を有する回折レンズ４を用いているので、この不足分をその過剰補正分で補い、ピント位置ずれを適切に低減することができる。このように、ポリゴンミラーが主要な熱源で、走査レンズが光源よりもポリゴンミラーに近いレイアウトである場合は、本実施形態と同等の効果は常に得られる。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置９００によると、光源１、カップリングレンズ２、回折レンズ４、ポリゴンミラー５、及び走査光学系を備え、回折レンズ４は、均一な温度変化時において、走査レンズ６のパワー減少に対して過剰な補正パワーが得られるような回折面を有している。これにより、走査レンズ６の温度が、光源１の温度よりも高くなるような、不均一な温度分布が発生しても、ピント位置ずれを抑制することができる。従って、高コスト化を招くことなく、安定した光走査が可能となる。

ところで、単一の走査レンズで走査光学系におけるレンズ系を設計する場合、走査レンズをポリゴンミラーから離れた位置に配置すると長尺化・厚肉化が避けられない上に、感光体ドラムの表面での等速性と結像性能の両立が困難となる。そのため、単一の走査レンズは、比較的ポリゴンミラーに近い位置に配置されるのが一般的である。しかしながら、走査レンズがポリゴンミラーに近づくと、ポリゴンミラーの発熱の影響を強く受け、稼動時の光源との温度差が大きくなる。すなわち、不均一な温度分布が発生し、従来の回折レンズでは、大きな「補正残差」が発生するおそれがあった。

本実施形態では、走査光学系におけるレンズ系が単一の走査レンズで構成されているが、回折レンズ４が、均一な温度変化時において、走査レンズ６のパワー減少に対して過剰な補正パワーが得られるような回折面を有しているため、稼動時の光源と走査レンズとの温度差が大きくても、「補正残差」を小さくすることができる。すなわち、走査光学系におけるレンズ系が単一の走査レンズで構成されている場合に、大きな効果が得られる。

また、本実施形態によると、光源１からの光束を、屈曲することなくポリゴンミラー５に入射することができるため、反射ミラーなどの光束を屈曲させる光学素子が不要となり、低コスト化を図ることができる。また、これにより、部品公差、取付公差の低減を図ることができる。

また、本実施形態によると、回折レンズ４の回折面の形状は、マルチステップ状であるため、回折面の転写形状を成形用の金型（あるいは金駒）に容易に精度良く形成することができる。

また、本実施形態によると、回折レンズ４の回折面は、光学的にはノンパワーの面と等価であるため、偏心に対して光学性能が劣化しにくくなり、部品のばらつき、組付誤差に対してもロバストな光走査装置を実現できる。

また、本実施形態によると、回折レンズ４は樹脂製であるため、低コストで高い精度の回折面を得ることができる。

また、本実施形態によると、光源、偏向器前光学系、偏向器、及び走査光学系は、同一の筐体内に収容されているため、光走査装置の光学特性を随時フィードバックしながら光学素子の位置に関する微妙な調整を行い、部品・光学素子のもつ誤差を最低限に抑えて組付けることが可能となる。特に部品・光学素子が樹脂製の場合には、形状精度がガラスや金属に比べて劣っているので、上記調整は有効である。すなわち、光学特性に現れる誤差の影響を最低限に抑えて光走査装置を製造することができる。

また、第１筐体１４と第２筐体１５とに分けた構成とすることで、第１筐体１４を光学特性を司るユニットとして共通化し、第２筐体１５は感光体ドラムのレイアウトに応じて選択する、といったユニット共通化が図れ、様々な光走査装置が構成可能となる。さらに、第１筐体１４の共通化は、多種の光走査装置を展開する際に低価格化の効果がある。

また、本実施形態によると、部品点数を増加させることなく高安定な光走査装置を実現することができる。そのため、光走査装置の生産に関わる材料の使用量を増やす必要がなく、その結果として資源採掘量及びプラスチックゴミ排出量に関して環境負荷の増大を抑制することが可能となる。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ５００によると、高コスト化を招くことなく、安定した光走査ができる光走査装置９００を備えているため、結果として高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

なお、上記実施形態において、光源１の面発光レーザが、複数の発光部を有していても良い。この場合には、同時に複数の走査が可能となり、画像形成の高速化を図ることができる。

また、上記実施形態では、走査光学系におけるレンズ系が単一の走査レンズからなる場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、光軸方向に沿って回折面を見たとき、段差により描かれる図形が主走査方向に平行な直線状の場合について説明したが、これに限らず、段差により描かれる図形が同心円状であっても、あるいは楕円状であっても良い。直線状の回折面は副走査方向にのみ独立に回折面の効果をもたらす１つの形態である。

また、上記実施形態では、走査レンズ６の温度が、光源１の温度よりも高くなるような、不均一な温度分布が発生する場合について説明したが、反対に、光源１の温度が、走査レンズ６の温度よりも高くなるような、不均一な温度分布が発生する場合には、回折レンズ４は、温度変化が均一であると仮定したときに、負分散特性によるピントずれ量ΔＳ_４が、走査レンズ６のパワー減少によるピントずれ量ΔＳ_６に対して不足（|ΔＳ_６|＞|ΔＳ_４|）となるように、回折面の補正パワーを設定すれば良い（図１４参照）。これにより、光源１の温度が、走査レンズ６の温度よりも高くなるような、不均一な温度分布が発生しても、ピント位置ずれを抑制することができる（図１５参照）。

また、上記実施形態では、感光体ドラム５１１から転写紙へのトナー画像の転写が、感光体ドラム５１１から転写紙へ直接的に行われる直接転写方式の場合について説明したが、感光体ドラム５１１から一旦中間転写ベルト等の中間転写媒体に転写した後、この中間転写媒体から転写紙へ転写する中間転写方式であっても良い。

また、上記実施形態では、像担持体がドラム状の場合について説明したが、これに限らず、シート状やベルト状であっても良い。例えば、シート状の光導電性の感光体として酸化亜鉛紙を用いても良い。

なお、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ５００の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、光プロッタやデジタル複写装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で転写対象物としての印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

また、像担持体としてビームスポットの熱エネルギにより発色する発色媒体（ポジの印画紙）を用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により可視画像を直接、像担持体に形成することができる。

要するに、上記光走査装置９００を備えた画像形成装置であれば、結果として高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

また、カラー画像を形成する画像形成装置であっても、カラー画像に対応した光走査装置を用いることにより、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

一例として、多色のカラー画像を形成することができるタンデムカラー機２０００が図１６に示されている。このタンデムカラー機２０００は、ブラック用の感光体ドラムＫ１、帯電器Ｋ２、現像器Ｋ４、クリーニング手段Ｋ５、及び転写用帯電手段Ｋ６と、シアン用の感光体ドラムＣ１、帯電器Ｃ２、現像器Ｃ４、クリーニング手段Ｃ５、及び転写用帯電手段Ｃ６と、マゼンタ用の感光体ドラムＭ１、帯電器Ｍ２、現像器Ｍ４、クリーニング手段Ｍ５、及び転写用帯電手段Ｍ６と、イエロー用の感光体ドラムＹ１、帯電器Ｙ２、現像器Ｙ４、クリーニング手段Ｙ５、及び転写用帯電手段Ｙ６と、光走査装置９００Ａと、転写ベルト８０と、定着手段３０などを備えている。

光走査装置９００Ａは、ポリゴンミラーと、ブラック用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、シアン用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、マゼンタ用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、イエロー用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、を備えている。各偏向器前光学系は、前記光走査装置９００の偏向器前光学系と同様の偏向器前光学系である。

各感光体ドラムの周囲に、感光体ドラムの回転方向（図１６中の矢印の方向）に沿って、対応する帯電器、現像器、転写用帯電手段、及びクリーニング手段がそれぞれ配置されている。各帯電器は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。この帯電器によって帯電された感光体ドラム表面に光走査装置９００Ａにより光束が照射され、感光体ドラムに静電潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像器により感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写用帯電手段により、記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着手段３０により記録紙に画像が定着される。すなわち、各色のトナー画像を同一のシート状記録媒体に転写・定着して合成的にカラー画像や多色画像を得ることができる。

光走査装置９００Ａの各偏向器前光学系は、いずれも回折レンズを含み、該回折レンズは、均一な温度変化時において、対応する走査レンズのパワー減少に対して過剰な補正パワーが得られるような回折面を有している。これにより、走査レンズの温度が、光源の温度よりも高くなるような、不均一な温度分布が発生しても、ピント位置ずれを抑制することができる。従って、高コスト化を招くことなく、安定した光走査が可能となる。

タンデムカラー機２０００は、光走査装置９００Ａを備えているため、各感光体ドラム表面でのビームスポット径の変動を抑えることができる。従って、出力画像のドット径の変動を抑えることができ、ドット径の揃った高画質な画像を提供することが可能となる。また、感光体ドラム表面上におけるビームスポット径が安定化するということは、複数あるプロセス制御条件のうちの１つが安定化するということを意味する。従って、プロセス制御の実行頻度を低減することができ、省エネ等の環境負荷低減が可能となる。

以上説明したように、本発明の光走査装置によれば、高コスト化を招くことなく、安定した光走査を行うのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成するのに適している。

本発明の一実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置の概略構成を示す斜視図である。 図１における光走査装置の概略構成を示す平面図である。 図４（Ａ）は、図２における回折レンズの入射面を説明するための図であり、図４（Ｂ）は、図２における回折レンズの射出面を説明するための図である。 図２における回折レンズの回折面を説明するための図である。 筐体１と筐体２を説明するための図である。 不均一な温度分布を説明するための図である。 光源１、ポリゴンミラー５、走査レンズ６の温度変化を説明するための図である。 従来の回折レンズの温度補償機能を説明するための図（その１）である。 従来の回折レンズの温度補償機能を説明するための図（その２）である。 図２における回折レンズの温度補償機能を説明するための図（その１）である。 図２における回折レンズの温度補償機能を説明するための図（その２）である。 ピントずれ量の具体例を説明するための図である。 光源の温度が走査レンズの温度よりも高くなるときの回折レンズを説明するための図（その１）である。 光源の温度が走査レンズの温度よりも高くなるときの回折レンズを説明するための図（その２）である。 タンデムカラー機の概略構成を説明するための図である。

符号の説明

１…光源、２…カップリングレンズ（偏向器前光学系の一部）、３…開口板（偏向器前光学系の一部）、４…回折レンズ（偏向器前光学系の一部、回折光学素子）、５…ポリゴンミラー（偏向器）、６…走査レンズ（走査光学系の一部、レンズ系）、７…折り曲げミラー（走査光学系の一部、ミラー系）、５００…レーザプリンタ（画像形成装置）、５１１…感光体ドラム（像担持体）、９００…光走査装置、９００Ａ…光走査装置、２０００…タンデムカラー機（画像形成装置）、Ｋ１，Ｃ１，Ｍ１，Ｙ１…感光体ドラム（像担持体）。

Claims (10)

1. 光束により被走査面を走査する光走査装置であって、
   光源と；
   前記光源からの光束の光路上に配置され、少なくとも１つの面に回折面を有する少なくとも１つの回折光学素子を含む偏向器前光学系と；
   前記偏向器前光学系を介した光束を偏向する偏向器と；
   前記偏向器で偏向された光束を前記被走査面上に集光する走査光学系と；を備え、
   稼動時に、前記走査光学系の温度と前記光源の温度とは互いに異なり、
   前記回折面は、前記走査光学系及び前記光源の温度が互いに等しいと仮定したときに、前記少なくとも１つの回折光学素子による光束の合焦位置のずれ量が、前記走査光学系による光束の合焦位置のずれ量を相殺するずれ量に対して、大きくあるいは少なくなるように、稼動時の前記走査光学系の温度と前記光源の温度の大小関係に応じて設定されていることを特徴とする光走査装置。
2. 稼動時に、前記走査光学系の温度は、前記光源の温度よりも高くなり、
   前記回折面は、前記走査光学系及び前記光源の温度が互いに等しいと仮定したときに、前記少なくとも１つの回折光学素子による光束の合焦位置のずれ量が、前記走査光学系による光束の合焦位置のずれ量を相殺するずれ量よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記光源からの光束は、屈曲されることなく前記偏向器に入射することを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 稼動時に、前記光源の温度は、前記走査光学系の温度よりも高くなり、
   前記回折面は、前記走査光学系及び前記光源の温度が互いに等しいと仮定したときに、前記少なくとも１つの回折光学素子による光束の合焦位置のずれ量が、前記走査光学系による光束の合焦位置のずれ量を相殺するずれ量よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
5. 前記走査光学系のレンズ系は、単一の走査レンズで構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光走査装置。
6. 前記回折面の形状は、マルチステップ状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光走査装置。
7. 前記少なくとも１つの回折光学素子は、樹脂製であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光走査装置。
8. 前記走査光学系は、前記偏向器で偏向された光束が入射するレンズ系と、該レンズ系を介した光束を前記被走査面に導くミラー系とを有し、
   前記光源、前記偏向器前光学系、前記偏向器、及び前記レンズ系は、第１の筐体内に収容され、前記ミラー系は、第２の筐体内に収容されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光走査装置。
9. 少なくとも１つの像担持体と；
   前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの請求項１〜８のいずれか一項に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
10. 前記画像情報は、カラー画像情報であることを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。