JP4701593B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザービームプリンタ等の画像形成装置に用いられる光走査装置、特に偏向手段に光ビームを複数回入射させて偏向角を増大させる光走査装置に関するものである。

従来、レーザビームプリンタ、複写機やファクシミリ装置などの画像形成装置に用いられる光走査装置では、偏向角を増大させるために偏向素子で光ビームを複数回偏向させる構成が採用されることがあった（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の光走査装置では、偏向面を少なくとも２面以上持つ偏向素子を用いて、第１偏向面で偏向された光ビームをアフォーカル伝達光学系を介して第１偏向面とは異なる第２偏向面に導き、二度目の偏向を行うことによって、光ビームの偏向角を増大させている。そして、偏向素子から射出される光ビームを走査レンズ（結像手段）を介して被走査面上に導いている。このように偏向素子への光ビームの複数回入射によって、光ビームの偏向角度の増大と走査速度の向上を図っている。

特開昭５３−９７４４８公報（第２図）

特許文献１に記載の装置では、偏向素子（偏向手段）として両主面の各々に偏向面を設けたガルバノミラーが設けられている。また、伝達光学系は複数の伝達レンズと複数の反射ミラーとを組み合わせてアフォーカル光学系を構成している。より具体的には、次の条件、つまり、(1)第１伝達レンズの前側焦点がガルバノミラーの一方主面（第１偏向面）とほぼ一致するという条件、(2)第２伝達レンズの後側焦点がガルバノミラーの他方主面（第２偏向面）とほぼ一致するという条件、(3)第１伝達レンズの後側焦点が第２伝達レンズの前側焦点とほぼ一致するという条件、が満足されるように第１および第２伝達レンズが配置されている。また、第１偏向面で偏向された光ビームが第１および第２伝達レンズを介して第２偏向面に入射されるように、光ビームの光路上に４枚の反射ミラーが配置されている。

このように従来の光走査装置では、複数枚の伝達レンズと複数枚の反射ミラーを用いているため、伝達光学系が複雑で、しかも光学部品の点数が多くなっている。よって、上記したような伝達光学系を構成するために広い空間が必要となり、偏向素子への光ビームの複数回入射により偏向角を増大させる光走査装置（自己増幅偏向走査光学系）の大型化を招いている。さらに、複数の伝達レンズを用いているため、次のような問題も生じている。すなわち、装置の周辺環境、特に環境温度が変動すると光ビームの波長が変化し、伝達レンズを複数枚設けた装置はレンズの色収差の影響を大きく受ける。つまり、装置の周辺環境変動に伴って伝達光学系の光学特性が大きく変化してしまう。その結果、光ビームの走査特性が不安定となり、被走査面上に形成される像の品質劣化が発生することがある。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光ビームを安定して走査することができる簡素な構成で、かつコンパクトな光走査装置および該装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる光走査装置は、上記目的を達成するため、第１および第２偏向ミラー面を用いて光ビームを偏向する偏向手段と、光ビームを被走査面に結像する結像手段とを有し、前記被走査面上で光ビームを主走査方向に走査する走査光学系と、偏向手段の各偏向ミラー面を互いに反対側に向けた状態で、光ビームの走査方向とほぼ直交する方向に伸びる主走査偏向軸回りに揺動駆動するミラー駆動部と、偏向手段により偏向された光ビームを偏向手段に導く伝達光学系と、を備え、伝達光学系は、第１および第２凹面ミラーを備え、第１偏向ミラー面で偏向された光ビームを第１凹面ミラーにより第２凹面ミラーに向けて反射するとともに、該反射光ビームを第２凹面ミラーにより第２偏向ミラーに導くことで、偏向手段により再度偏向されて被走査面に向けて射出される光ビームの偏向角を伝達光学系に入射する光ビームの偏向角よりも大きくするとともに、第１および第２凹面ミラーの反射面は放物面であり、第１および第２凹面ミラーの両焦点がほぼ一致するように、第１および第２凹面ミラーが配置されていることを特徴としている。

このように構成された発明では、偏向手段により偏向された光ビームを再度偏向手段に導くために、第１および第２凹面ミラーを備える伝達光学系が設けられている。そして、この伝達光学系では、偏向手段により例えば第１偏向角で偏向された光ビームを第１凹面ミラーにより第２凹面ミラーに向けて反射するとともに、該反射光ビームを第２凹面ミラーにより偏向手段に導いている。この光ビームは偏向手段により再度偏向されて第１偏向角よりも大きな第２偏向角で被走査面に向けて射出される。このように偏向手段により再度偏向されて被走査面に向けて射出される光ビームの偏向角が伝達光学系に入射する光ビームの偏向角より大きくなるように構成されている。そして、この発明では、偏向角を増大させるために伝達光学系を第１および第２凹面ミラーで構成している。したがって、伝達光学系を構成するにあたり複数の伝達レンズと反射ミラーを必須としていた従来装置に比べ、伝達光学系を簡素で、しかも少ない光学部品点数で構成することができる。また、伝達光学系を小型化することができ、伝達光学系を装備する光走査装置の小型化が可能となる。さらに、伝達レンズを使用しないことで色収差の影響を除去することができ、優れた安定性で光ビームを走査させることができる。

また、この発明では、前記偏向手段は光ビームを偏向する第１および第２偏向ミラー面を備え、前記第１偏向ミラー面で偏向された光ビームを前記第１凹面ミラー面により前記第２偏向ミラー面に向けて反射するとともに、該反射光ビームを前記第２凹面ミラー面により前記第２偏向ミラーに導くように構成している。このように構成することで、第１偏向ミラー面と第２偏向ミラー面の光ビームの反射方向をそれぞれ異なるように設定することができる。よって、第１偏向ミラー面に向けて入射された光ビームが第１凹面ミラーに向けて偏向される際の光ビームの走査領域と、第２凹面ミラー面からの光ビームが第２偏向ミラー面で被走査面へ向けて偏向される際の光ビーム走査領域とが重複しないようにすることができるので、光ビームの干渉を除去することができる。

また、前記偏向手段では、前記第１偏向ミラー面が形成された可動板と前記第２偏向ミラー面が形成された可動板とが、前記第１および第２偏向ミラー面が互いに反対側を向くように配置され、前記２枚の可動板それぞれには、前記可動板を前記主走査偏向軸回りに揺動自在に支持する支持部材が設けられ、前記ミラー駆動部は、前記各可動板を揺動駆動するように構成しても良い。また、前記偏向手段は、一方主面に前記第１偏向ミラー面が形成されるとともに他方主面に前記第２偏向ミラー面が形成される可動板と、前記可動板を前記主走査偏向軸回りに揺動自在に支持する支持部材と、を有し、前記ミラー駆動部は、前記可動板を揺動駆動するように構成しても良い。特に、後者の偏向ミラー面を可動板の一方主面および他方主面に有する偏向手段では、２つの可動板を組み合わせてなる偏向手段に比べて、光学部品の数を減らすことができる。よって、より簡素で小型化された光走査装置を提供することができる。

また、前記可動板および前記支持部材をシリコン単結晶で構成することができる。例えば、シリコン単結晶の基板を支持部材として用いるとともに、この基板に対してマイクロマシニング技術を適用することで可動板を形成することができる。このようにシリコン単結晶を用いて偏向手段の可動板および支持部材を構成すると、可動板を高精度に製造することができる。また、ステンレス鋼と同程度のバネ特性で可動板を揺動自在に支持することができ、偏向ミラー面を安定して、しかも高速で揺動することができる。

また、前記ミラー駆動部は、前記偏向ミラー面を共振モードで前記主走査変更軸回りに揺動駆動するものであってもよい。このように構成することで少ないエネルギーで偏向ミラー面を主走査偏向軸回りに揺動駆動することができる。また、光ビームの主走査周期を安定化することができる。

また、偏向ミラー面を揺動駆動させるための駆動力としては、静電吸着力や電磁気力などを用いることができるが、それぞれ以下のような特性を有している。静電吸着力を用いた場合、コイルパターンを形成する必要がなく、偏向素子の小型化が可能となり、偏向走査をより高速化することができる。一方、電磁気力を用いた場合、静電吸着力を発生させる場合に比べて低い駆動電圧で偏向ミラー面を揺動駆動することができ、電圧制御が容易となり、偏向素子の位置制度を高めることができる。このように互いに異なる特徴を有しているため、使用目的に応じた駆動力を採用すればよい。

また、前記偏向手段は、光ビームを偏向する偏向ミラー面を両主面に有するガルバノミラーで構成され、前記２つの偏向ミラー面の一方が前記第１偏向ミラー面であり、他方が前記第２偏向ミラー面とするものであってもよい。こうすることによって、第１偏向ミラー面と第２偏向ミラー面とが一体化されるので、光学部品の数を減らすことができる。よって、より簡略化された光走査装置を提供することができる。

また、前記第１および第２凹面ミラーの反射面は放物面であり、前記第１および第２凹面ミラーの両焦点がほぼ一致するように、前記第１および第２凹面ミラーが配置されており、上記発明は好適である。こうすることによって、伝達光学系はアフォーカルな構成となり、伝達光学系に平行な光ビームを入射すれば、光ビームは平行を保ったまま伝達光学系から射出される。さらに、次のような作用効果も得られる。すなわち、凹面ミラーの反射面を例えば球面とすることも可能であるが、この場合、球面収差が発生してしまう。これに対し、凹面ミラーの反射面を放物面とすることで凹面ミラーの球面収差を除去することができるので、第２凹面ミラーで第２偏向ミラー面へ向けて反射された光ビームの第２偏向ミラー面での反射位置は常に一定となる。よって、より精度の高い光走査装置を提供することができる。

また、前記伝達光学系は、前記走査光学系により走査される光ビームの走査領域の外に配置されていることが望ましい。このような構成をすることで、光ビームと伝達光学系との干渉を防止することができる。また、伝達光学系への光ビームの入射・射出が簡単となり、装置の薄型化が可能となる。

また、前記偏向手段での光ビームを１回目に偏向する反射位置と２回目に偏向する反射位置のうち少なくとも一方が、前記走査光学系により走査される光ビームの走査方向とほぼ直交する副走査平面において、前記被走査面とほぼ共役となるように構成してもよい。このような構成を採用することで偏向手段の副走査方向への揺動の影響を防止することができる。また、副走査方向における偏向手段のサイズを小さくして偏向手段の小型化、軽量化することができる。その結果、偏向手段の駆動速度をさらに向上させて光ビームの走査速度をさらに高めることができる。

図１は本発明にかかる光走査装置の第１実施形態たる露光ユニットを装備した画像形成装置を示す図である。また、図２は図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図である。この画像形成装置は、いわゆる４サイクル方式のカラープリンタである。この画像形成装置では、ユーザからの画像形成要求に応じてホストコンピュータなどの外部装置から印字指令がメインコントローラ１１に与えられると、このメインコントローラ１１のＣＰＵ１１１からの印字指令に応じてエンジンコントローラ１０がエンジン部ＥＧの各部を制御して複写紙、転写紙、用紙およびＯＨＰ用透明シートなどのシートに印字指令に対応する画像を形成する。

このエンジン部ＥＧでは、感光体２（本発明の「潜像担持体」に相当）が図１の矢印方向（副走査方向）に回転自在に設けられている。また、この感光体２の周りにその回転方向に沿って、帯電ユニット３、ロータリー現像ユニット４およびクリーニング部（図示省略）がそれぞれ配置されている。帯電ユニット３には帯電制御部１０３が電気的に接続されており、所定の帯電バイアスを印加している。このバイアス印加によって感光体２の外周面が所定の表面電位に均一に帯電される。また、これらの感光体２、帯電ユニット３およびクリーニング部は一体的に感光体カートリッジを構成しており、感光体カートリッジが一体として装置本体５に対し着脱自在となっている。

そして、この帯電ユニット３によって帯電された感光体２の外周面に向けて本発明の光走査装置に相当する露光ユニット６から光ビームＬが照射される。この露光ユニット６は、外部装置から与えられた画像信号に応じて光ビームＬを感光体２の表面（本発明の「被走査面」に相当）上に露光して画像信号に対応する静電潜像を形成する。なお、この露光ユニット６の構成および動作については後で詳述する。

こうして形成された静電潜像は現像ユニット４（本発明の「現像手段」に相当）によってトナー現像される。すなわち、この実施形態では、現像ユニット４は、軸中心に回転自在に設けられた支持フレーム４０、支持フレーム４０に対して着脱自在のカートリッジとして構成されてそれぞれの色のトナーを内蔵するイエロー用の現像器４Ｙ、マゼンタ用の現像器４Ｍ、シアン用の現像器４Ｃ、およびブラック用の現像器４Ｋを備えている。そして、エンジンコントローラ１０の現像器制御部１０４からの制御指令に基づいて、現像ユニット４が回転駆動されるとともにこれらの現像器４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋが選択的に感光体２と当接してまたは所定のギャップを隔てて対向する所定の現像位置に位置決めされると、当該現像器に設けられて選択された色のトナーを担持する現像ローラから感光体２の表面にトナーを付与する。これによって、感光体２上の静電潜像が選択トナー色で顕像化される。

上記のようにして現像ユニット４で現像されたトナー像は、一次転写領域ＴＲ1で転写ユニット７の中間転写ベルト７１上に一次転写される。転写ユニット７は、複数のローラ７２、７３等に掛け渡された中間転写ベルト７１と、ローラ７３を回転駆動することで中間転写ベルト７１を所定の回転方向に回転させる駆動部（図示省略）とを備えている。

また、ローラ７２の近傍には、転写ベルトクリーナ（図示省略）、濃度センサ７６（図２）および垂直同期センサ７７（図２）が配置されている。これらのうち、濃度センサ７６は、中間転写ベルト７１の表面に対向して設けられており、中間転写ベルト７１の外周面に形成されるパッチ画像の光学濃度を測定する。また、垂直同期センサ７７は、中間転写ベルト７１の基準位置を検出するためのセンサであり、中間転写ベルト７１の副走査方向への回転駆動に関連して出力される同期信号、つまり垂直同期信号Ｖsyncを得るための垂直同期センサとして機能する。そして、この装置では、各部の動作タイミングを揃えるとともに各色のトナー像を正確に重ね合わせるために、装置各部の動作はこの垂直同期信号Ｖsyncに基づいて制御される。

そして、カラー画像をシートに転写する場合には、感光体２上に形成される各色のトナー像を中間転写ベルト７１上に重ね合わせてカラー画像を形成するとともに、カセット８から１枚ずつ取り出され搬送経路Ｆに沿って二次転写領域ＴＲ2まで搬送されてくるシート上にカラー画像を二次転写する。

このとき、中間転写ベルト７１上の画像をシート上の所定位置に正しく転写するため、二次転写領域ＴＲ2にシートを送り込むタイミングが管理されている。具体的には、搬送経路Ｆ上において二次転写領域ＴＲ2の手前側にゲートローラ８１が設けられており、中間転写ベルト７１の周回移動のタイミングに合わせてゲートローラ８１が回転することにより、シートが所定のタイミングで二次転写領域ＴＲ2に送り込まれる。

また、こうしてカラー画像が形成されたシートは定着ユニット９および排出ローラ８２を経由して装置本体５の上面部に設けられた排出トレイ部５１に搬送される。また、シートの両面に画像を形成する場合には、上記のようにして片面に画像を形成されたシートを排出ローラ８２によりスイッチバック移動させる。これによってシートは反転搬送経路ＦＲに沿って搬送される。そして、ゲートローラ８１の手前で再び搬送経路Ｆに乗せられるが、このとき、二次転写領域ＴＲ2において中間転写ベルト７１と当接し画像を転写されるシートの面は、先に画像が転写された面とは反対の面である。このようにして、シートの両面に画像を形成することができる。

なお、図２において、符号１１３はホストコンピュータなどの外部装置よりインターフェース１１２を介して与えられた画像データを記憶するためにメインコントローラ１１に設けられた画像メモリであり、符号１０６はＣＰＵ１０１が実行する演算プログラムやエンジン部ＥＧを制御するための制御データなどを記憶するためのＲＯＭ、また符号１０７はＣＰＵ１０１における演算結果やその他のデータを一時的に記憶するＲＡＭである。

図３および図４は図１の画像形成装置に装備された露光ユニット（光走査装置）の構成を示す主走査断面図である。また、図５は図１の画像形成装置に装備された露光ユニット（光走査装置）の構成を示す副走査断面図である。また、図６および図７は露光ユニットの一構成要素たる偏向手段を示す図である。また、図８は露光ユニットの一構成要素たる伝達光学系を示す図である。以下、これらの図面を参照しつつ、露光ユニットの構成および動作について詳述する。

この露光ユニット６は露光筐体６１を有している。そして、露光筐体６１に単一のレーザー光源６２が固着されており、レーザー光源６２から光ビームを射出可能となっている。このレーザー光源６２は、露光制御部１０２の光源駆動部（図示省略）と電気的に接続されている。このため、画像データに応じて光源駆動部がレーザー光源６２をＯＮ／ＯＦＦ制御してレーザー光源６２から画像データに対応して変調された光ビームが射出される。

また、この露光筐体６１の内部には、レーザー光源６２からの光ビームを感光体２の表面（図示省略）に走査露光するために、コリメータレンズ６３１、シリンドリカルレンズ６３２、本発明の「偏向手段」に相当する偏向素子６５、本発明の「結像手段」に相当する走査レンズ６６、伝達光学系６７および折り返しミラー６８が設けられている。すなわち、レーザー光源６２からの光ビームは、コリメータレンズ６３１により適当な大きさのコリメート光にビーム整形された後、図５に示すように副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカルレンズ６３２に入射される。そして、このコリメート光は副走査方向Ｙにのみ集束されて偏向素子６５の第１偏向ミラー面６５１ａ付近で線状結像される。このように、この実施形態では、コリメータレンズ６３１およびシリンドリカルレンズ６３２がレーザー光源６２からの光ビームを整形するビーム整形系６３として機能している。また、伝達光学系６７は走査光学系（偏向素子６５および走査レンズ６６）により走査される光ビームの走査角度領域と副走査断面において相違するように配置されている。

偏向素子６５は半導体製造技術を応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイクロマシニング技術を用いて形成されるものであり、第１偏向ミラー面６５１ａで反射した光ビームを主走査方向Ｘに光ビームを偏向可能となっている。より具体的には、偏向素子６５は次のように構成されている。

この偏向素子６５では、図６に示すように、シリコンの単結晶基板（以下「シリコン基板」という）６５２が本発明の「支持部材」として機能し、さらに該シリコン基板６５２の一部を加工することで可動板６５６（本発明における「可動部材」）が設けられている。この可動板６５６は平板状に形成され、ねじりバネ６５７によってシリコン基板６５２に弾性支持されており、副走査方向Ｙとほぼ平行に伸びる第１軸ＡＸ1回りに揺動自在となっている。また、可動板６５６の上面には、シリコン基板６５２上面に形成した一対の外側電極端子（図示省略）にねじりバネ６５７を介して電気的に接続する平面コイル６５５が絶縁層で被膜されて設けられている。また、この可動板６５６の上面中央部および下面中央部には、アルミニューム膜などが第１偏向ミラー面６５１ａおよび第２偏向ミラー面６５１ｂとしてそれぞれ成膜されている。

また、シリコン基板６５２の略中央部には、図７に示すように、可動板６５６の両主面で光ビームの反射が可能となるように、孔６５２ａが設けられている。また、孔６５２ａの外周を形作るフランジ部６５２ｂには、可動部材６５６の（＋Ｘ）側端部および（−Ｘ）側端部にそれぞれ対応しながら永久磁石６５９ａ、６５９ｂが互いに異なる方位関係で固着されている。また、平面コイル６５５は、露光制御部１０２の駆動部（図示省略）と電気的に接続されており、コイル６５５への通電によって平面コイル６５５を流れる電流の方向と永久磁石６５９ａ、６５９ｂによる磁束の方向によりローレンツ力が作用し、可動板６５６を回転するモーメントが発生する。これにより、可動板６５６（第１偏向ミラー面６５１ａ、第２偏向ミラー面６５２ｂ）がねじりバネ６５７を第１軸ＡＸ1として揺動する。ここで、平面コイル６５５に流す電流を交流とし連続的に反復動作すれば、ねじりバネ６５７を第１軸ＡＸ1として可動板６５６（第１偏向ミラー面６５１ａ、第２偏向ミラー面６５２ｂ）を往復振動させることができる。そして、この往復振動の駆動周波数を可動板６５６（第１偏向ミラー面６５１ａ、第２偏向ミラー面６５２ｂ）の共振周波数に設定する（本発明における「共振モード」）と、可動板６５６の振れ幅は大きくなり、しかも振動維持をより安定させることができる。

このように偏向素子６５では、露光制御部１０２の駆動部が本発明の「ミラー駆動部」として機能し、該駆動部を制御することによって第１偏向ミラー面６５１ａおよび第２偏向ミラー面６５１ｂを第１軸ＡＸ1回りに揺動させることで光ビームを偏向して主走査方向Ｘに走査させている。すなわち、第１軸ＡＸ1を主走査偏向軸として機能させる。

上記のように構成された偏向素子６５の第１偏向ミラー面６５１ａで反射された光ビームは一度伝達光学系６７に入射された後、この伝達光学系６７によって再度偏向素子６５の第２偏向ミラー面６５１ｂに戻される。そのため、偏向素子６５により例えば第１偏向角に偏向された光ビームは第１偏向角よりも大きな第２偏向角で走査レンズ６６に向けて射出される。この実施形態では、伝達光学系６７は次にように構成されている。

図８は伝達光学系の構成を示す図である。この伝達光学系６７は、その反射面６７１ａを第１偏向ミラー面６５１ａに向けて配置された第１凹面ミラー６７１と、その反射面６７２ａを第２偏向ミラー面６５１ｂに向けて配置された第２凹面ミラー６７２とを備えている。そして、図４や図５に示すように、偏向素子６５の第１偏向ミラー面６５１ａにより第１偏向角に偏向された光ビームを第１凹面ミラー６７１で反射して第２凹面ミラー６７２に導くとともに、第２凹面ミラー６７２で反射された光ビームを第２偏向ミラー面６５１ｂに導く。これによって、光ビームが偏向素子６５で再度偏向され、第１偏向角よりも大きな第２偏向角で光ビームが走査レンズ６６に向けて射出される。

このような特性を有する伝達光学系６７の具体的な構成としては、表１で示す光学諸元を有するものを採用することができる。

なお、本設計例においては伝達光学系６７を構成する第１凹面ミラー６７１および第２凹面ミラー６７２の反射面Ｓ1、Ｓ2は軸対称非球面である。また、表中における各記号は以下の通りである。

Ｓi：面番号（ただし、Ｓ0は第１偏向ミラー面６５１ａ、Ｓ3は第２偏向ミラー面６５１ｂ）
ｒi：面番号ｉの曲率半径
ｄi：面番号ｉから（ｉ＋１）の面までの軸上距離
Ｋi：面番号ｉが軸対称非球面の場合に次式で示される軸対称非球面の非球面係数

ただし、ｚは光軸からの高さｙにおける非球面の点の非球面頂点の接平面からの距離である。

図３および図４に戻って露光ユニット６の説明を続ける。偏向素子６５に２回入射した光ビームは感光体２に向けて偏向素子６５から射出されるが、その光ビームは本発明の「結像手段」に相当する走査レンズ６６および折り返しミラー６８を介して感光体２の表面（被走査面・図示省略）に照射される。これにより、光ビームが主走査方向Ｘと平行に走査して主走査方向Ｘに伸びるライン状の潜像が感光体２の表面上に形成される。

なお、この実施形態では、図３に示すように、偏向素子６５からの走査光ビームの開始または終端を折り返しミラー６９ａ〜６９ｃにより同期センサ６０に導いている。すなわち、この実施形態では、同期センサ６０を、主走査方向Ｘにおける同期信号、つまり水平同期信号ＨSYNCを得るための水平同期用読取センサとして機能させている。

以上のように、この実施形態によれば、伝達光学系６７はその反射面を偏向素子に向けて配置された第１凹面ミラー６７１と第２凹面ミラー６７２とで構成されている。そして、この伝達光学系６７は、偏向素子６５により偏向された光ビームを第１凹面ミラー６７１により第２凹面ミラー６７２に向けて反射するとともに、該反射光ビームを第２凹面ミラー６７２により偏向素子６５に入射して偏向角の増大を図っている。したがって、伝達光学系を構成するにあたり複数の伝達レンズと複数の反射ミラーを必須としていた従来装置に比べ、伝達光学系６７を簡素で、しかも少ない光学部品点数で構成することができる。また、伝達光学系６７を小型化することができ、露光ユニット６を小型化することができる。さらに、伝達レンズを使用しないことで色収差の影響を除去することができ、優れた安定性で光ビームを走査させることができる。

また、上記実施形態では、偏向素子６５は光ビームを偏向する第１偏向ミラー面６５１ａおよび第２偏向ミラー面６５１ｂを備え、しかも、第１凹面ミラー６７１の反射面が第１偏向ミラー面６５１ａに対向配置されて第１偏向ミラー面６５１ａで偏向された光ビームを第２凹面ミラー６７２に向けて反射する一方、第２凹面ミラー６７２の反射面が第２偏向ミラー面６５１ｂに対向配置されて第１凹面ミラー６７１からの光ビームを第２偏向ミラー面６５１ｂに向けて反射するように構成されている。したがって、第１偏向ミラー面６５１ａと第２偏向ミラー面６５１ｂでの光ビームの反射方向をそれぞれ異なるように設定することができる。よって、第１偏向ミラー面６５１ａに向けて入射された光ビームが第１凹面ミラー６７１に向けて偏向される際の光ビームの走査領域と、第２凹面ミラー面６７２からの光ビームが第２偏向ミラー面６５１ｂで被走査面へ向けて偏向される際の光ビーム走査領域とが重複しないようにすることができるので、光ビームの干渉を除去することができる。

また、この実施形態では、「偏向手段」として可動板６５６の両主面に第１偏向ミラー面６５１ａおよび第２偏向ミラー面６５２ｂを有する単一の偏向素子６５を用いているので、簡素で小型化された光走査装置を提供することができる。

また、この実施形態では、偏向素子６５は、シリコン単結晶の基板からなるシリコン基板６５２と、この基板に対してマイクロマシニング技術を適用することで形成された可動板６５６とで構成されている。したがって、可動板６５６を高精度に製造することができるとともに、ステンレス鋼と同程度のバネ特性で可動板６５６を揺動自在に支持することができるので、両偏向ミラー面６５１ａ，６５１ｂを安定して、しかも高速で揺動することができる。

また、また、この実施形態では、上記ミラー駆動部は、可動板６５６を共振モードで第１軸ＡＸ１（主走査偏向軸）回りに揺動駆動しているので、少ないエネルギーで可動板６５６を第１軸ＡＸ１（主走査偏向軸）回りに揺動駆動することができる。また、光ビームの主走査周期を安定化することができる。

また、上記実施形態および設計例では、第１凹面ミラー６７１の焦点、第２凹面ミラー６７２の焦点、第１偏向ミラー面６５１ａおよび第２偏向ミラー面６５１ｂとが略一致するように第１および第２凹面ミラー６７１，６７２および偏向素子６５が配置されているため、次のような作用効果が得られる。すなわち、このような構成を採用することで、伝達光学系６７はアフォーカルな構成となるので、平行な光ビームを伝達光学系６７に入射すれば、光ビームは平行を保ったまま伝達光学系６７から射出される。さらに、凹面ミラーの反射面を放物面とすることで凹面ミラーの球面収差を除去することができるので、第２凹面ミラー６７２で第２偏向ミラー面６５１ｂへ向けて反射された光ビームの第２偏向ミラー面６５１ｂでの反射位置は常に一定となる。よって、より精度の高い光走査装置を提供することができる。

また、この実施形態では、図５に示すように、伝達光学系６７が走査光学系（偏向素子６５および走査レンズ６６）により走査される光ビームの走査領域の外に配置されている。このため、光ビームと伝達光学系６７との干渉を防止することができる。また、伝達光学系６７への光ビームの入射・射出が簡単となり、装置の薄型化が可能となる。

さらに、図５に示すように、第１偏向ミラー面６５１ａでの光ビームの反射位置Ｐ１、第２偏向ミラー面６５１ｂでの光ビームの反射位置Ｐ２および被走査面（感光体２の表面・図示略）とが、走査光学系により走査される光ビームの走査方向Ｘとほぼ直交する副走査平面においてほぼ共役となるように構成されている。このため、偏向素子６５の副走査方向Ｙへの揺動の影響を防止して面倒れを効果的に防止することができる。また、副走査方向における偏向素子６５のサイズを小さくして偏向素子６５の小型化、軽量化することができる。その結果、偏向素子６５の駆動速度をさらに向上させて光ビームの走査速度をさらに高めることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、偏向手段として、光ビームを偏向する偏向ミラー面を両主面に有するガルバノミラーを用いることができる。この場合、２つの偏向ミラー面の一方が１偏向ミラー面として機能し、他方が第２偏向ミラー面として機能するため、上記した偏向素子６５と同様に、簡略化された光走査装置を提供することができる。

図９および図１０は本発明にかかる光走査装置の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、１つの偏向ミラー面を備える偏向素子２個を組み合わせて偏向器（偏向手段）を構成している点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。以下、第１実施形態との相違点を中心に第２実施形態について詳細に述べる。

この偏向器８５を構成する偏向素子８５ａ，８５ｂは同一構造であるため、ここでは一方の偏向素子８５ａの構成について説明し、他方の偏向素子８５ｂの構成については相当の符号を付して説明を省略する。偏向素子８５ａは半導体製造技術を応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイクロマシニング技術を用いて形成されるものであり、偏向ミラー面８５１ａで反射した光ビームを主走査方向Ｘに偏向可能となっている。より具体的には、偏向素子８５ａは次のように構成されている。

この偏向素子８５ａでは、図９に示すように、シリコン基板８５２ａが本発明の「支持部材」として機能し、さらに該シリコン基板８５２ａの一部を加工することで可動板８５６ａ（本発明における「可動部材」）が設けられている。この可動板８５６ａは平板状に形成され、ねじりバネ８５７ａによってシリコン基板８５２ａに弾性支持されており、副走査方向Ｙとほぼ平行に伸びる第１軸ＡＸ1ａ回りに揺動自在となっている。また、可動板８５６ａの上面には、シリコン基板８５２ａ上面に形成した一対の外側電極端子（図示省略）にねじりバネ８５７ａを介して電気的に接続する平面コイル８５５ａが絶縁層で被膜されて設けられている。また、この可動板８５６ａの上面中央部には、アルミニューム膜などが偏向ミラー面８５１ａとして成膜されている。

また、シリコン基板８５２ａの略中央部には、図１０に示すように、可動板８５６ａが第１軸ＡＸ1ａ回りに揺動可能となるように、凹部８５２１ａが設けられている。そして、凹部８５２１ａの内底面には、可動板８５６ａの両端部の外方位置に永久磁石８５９１ａ、８５９２ａが互いに異なる方位関係で固着されている。また、平面コイル８５５ａは、露光制御部１０２の駆動部（図示省略）と電気的に接続されており、コイル８５５ａへの通電によって平面コイル８５５ａを流れる電流の方向と永久磁石８５９１ａ、８５９２ａによる磁束の方向によりローレンツ力が作用し、可動板８５６ａを回転するモーメントが発生する。これにより、可動板８５６ａ（偏向ミラー面８５１ａ）がねじりバネ８５７ａを第１軸ＡＸ1ａとして揺動する。ここで、平面コイル８５５ａに流す電流を交流とし連続的に反復動作すれば、ねじりバネ８５７ａを第１軸ＡＸ1として偏向ミラー面８５１ａを往復振動させることができる。そして、この往復振動の駆動周波数を偏向ミラー面８５１ａの共振周波数に設定すると、偏向ミラー面８５１ａの振れ幅は大きくなり、しかも振動維持をより安定させることができる。

このように偏向素子８５ａでは、露光制御部１０２の駆動部が本発明の「ミラー駆動部」として機能し、該駆動部を制御することによって偏向ミラー面８５１ａを第１軸ＡＸ1ａ回りに揺動させることで光ビームを主走査方向Ｘに偏向させている。すなわち、第１軸ＡＸ1を主走査偏向軸として機能させる。

偏向器８５は、偏向素子８５ａ，８５ｂを、図９および図１０に示すように、それぞれの第１軸が平行となるように、密着固定させることによって構成される。この実施形態では、次に説明するように、偏向ミラー面８５１ａを第１偏向ミラー面として機能させる一方、偏向ミラー面８５１ｂを第２偏向ミラー面として機能させる。

上記のように構成された偏向器８５の第１偏向ミラー面８５１ａで反射された光ビームは一度伝達光学系６７に入射された後、この伝達光学系６７によって再度偏向器８５の第２偏向ミラー面８５１ｂに戻される。そのため、偏向器８５により例えば第１偏向角に偏向された光ビームは第１偏向角よりも大きな第２偏向角で走査レンズ６６に向けて射出される。この実施形態での伝達光学系６７、走査光学系（偏向素子６５および走査レンズ６６）の構成は第１実施形態と同一構成であり同等の効果が得られる。

なお、上記第１および第２実施形態では、電磁気力を用いて偏向ミラー面６５１ａ，６５１ｂ，８５１ａおよび８５１ｂを揺動させているが、他の駆動力を用いて揺動させるようにしてもよい。ここで、他の駆動力として例えば静電気力を利用することができる。

図１１は本発明にかかる光走査装置の第３実施形態を示す図である。この第３実施形態が上記第２実施形態と大きく相違する点は、偏向ミラー面８５１ａ，８５１ｂを静電吸着力を利用して駆動している点であり、その他の構成は第２実施形態と同様である。ここでは、図１１に示す偏向器８５を例にあげて説明を行う。また、上記実施形態と同一構成の部分に関しては同じ番号を用いることとする。

この偏向器８５は同一構成の偏向素子８５ａ，８５ｂで構成されており、ここでは一方の偏向素子８５ａの構成について説明し、他方の偏向素子８５ｂの構成については相当の符号を付して説明を省略する。偏向素子８５ａでは、図１１に示すように、シリコン基板８５２ａの一部を加工することで可動板８５６ａが設けられている。この可動板８５６ａは平板状に形成され、ねじりバネ８５７ａによってシリコン基板８５２ａに弾性支持されており、副走査方向Ｙとほぼ平行に伸びる第１軸ＡＸ1ａ回りに揺動自在となっている。また、可動板８５６ａの上面中央部には、アルミニューム膜などが第１偏向ミラー面８５１ａとして成膜されている。

また、シリコン基板８５２ａの凹部８５２１ａの内底面のうち可動板８５６ａの両端部に対向する位置に電極８５８１ａ、８５８２ａがそれぞれ固着されている。これら２つの電極８５８１ａ、８５８２ａは可動板８５６ａを第１軸ＡＸ1ａ回りに揺動駆動するための電極として機能するものである。すなわち、これらの電極８５８１ａ、８５８２ａは露光制御部１０２の駆動部（図示省略）と電気的に接続されており、電極への電圧印加によって該電極と第１偏向ミラー面８５１ａとの間に静電吸着力が作用して第１偏向ミラー面８５１ａの一方端部を該電極側に引き寄せる。したがって、駆動部から所定の電圧を電極８５８１ａ、８５８２ａに交互に印加すると、ねじりバネ８５７ａを第１軸ＡＸ1ａとして第１偏向ミラー面８５１ａを往復振動させることができる。そして、この往復振動の駆動周波数を第１偏向ミラー面８５１ａの共振周波数に設定すると、第１偏向ミラー面８５１ａの振れ幅は大きくなり、電極８５８１ａ、８５８２ａに近接する位置まで第１偏向ミラー面８５１ａの端部を変位させることができる。また、第１偏向ミラー面８５１ａの端部が共振で電極８５８１ａ、８５８２ａと近接位置に達することで、電極８５８１ａ、８５８２ａも第１偏向ミラー面８５１ａの駆動に寄与し、端部と平面部の両電極により振動維持をより安定させることができる。

このように第１偏向ミラー面８５１ａを揺動させるために、電磁気力や静電気力などを用いているが、いずれを用いてもよいことは言うまでもない。ただし、駆動方式ごとに以下のような特徴を有しているため、それらを考慮した上で適宜採用するのが望ましい。すなわち、第１偏向ミラー面８５１ａを揺動駆動させるための駆動力として電磁気力を用いた場合、静電吸着力を発生させる場合に比べて低い駆動電圧で第１偏向ミラー面８５１ａを揺動駆動することができ、電圧制御が容易となり、走査光ビームの位置精度を高めることができる。これに対し、上記駆動力として静電吸着力を用いた場合、コイルパターンを形成する必要がなく、偏向素子８５ａのさらなる小型化が可能となり、偏向走査をより高速化することができる。また、第１偏向ミラー面８５１ａを揺動駆動するのにあたり、第１偏向ミラー面８５１ａを共振モードで主走査偏向軸回りに揺動駆動するように構成してもよい。このように構成することで少ないエネルギーで第１偏向ミラー面８５１ａを主走査偏向軸回りに揺動駆動することができる。また、走査光ビームの主走査周期を安定化することができる。

図１２および図１３は本発明にかかる光走査装置の第４実施形態を示す図である。この実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、伝達光学系６７Ａは走査光学系（偏向素子６５および走査レンズ６６）により走査される光ビームの走査角度領域と主走査断面において相違するように配置されている点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。

この実施形態では、図１３に示すように、副走査平面から伝達光学系６７Ａを見たとき、２つの凹面ミラー６７１，６７２が走査光学系（偏向素子６５および走査レンズ６６）により走査される光ビームと交差しているが、図１２に示すように主走査断面において両凹面ミラー６７１，６７２とも走査領域から外れるように配置されている。このため、光ビームと伝達光学系６７Ａとの干渉を防止することができる。また、伝達光学系６７Ａへの光ビームの入射・射出が簡単となり、装置の薄型化が可能となる。また、露光ユニット６を副走査方向に薄く構成することができる。

なお、図１の画像形成装置は第１実施形態の露光ユニットに換えて第４実施形態の露光ユニットを装備してももちろん構わない。また、第４実施形態において、第２実施形態、第３実施形態の偏向手段を用いてもよいことは言うまでもない。

上記実施形態では、この発明にかかる光走査装置をカラー画像形成装置の露光ユニットとして用いているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない。すなわち、感光体などの潜像担持体上に光ビームを走査して静電潜像を形成するとともに、該静電潜像をトナーにより現像してトナー像を形成する画像形成装置の露光手段として用いることができる。もちろん、光走査装置の適用対象は画像形成装置に装備される露光手段に限定されるものではなく、光ビームを被走査面上に走査させる光走査装置全般に適用することができる。

本発明にかかる光走査装置の第１実施形態たる露光ユニットを装備した画像形成装置を示す図である。 図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１の画像形成装置に装備された露光ユニット（光走査装置）の構成を示す主走査断面図である。 図１の画像形成装置に装備された露光ユニット（光走査装置）の構成を示す主走査断面図である。 図１の画像形成装置に装備された露光ユニット（光走査装置）の構成を示す副走査断面図である。 露光ユニットの一構成要素たる偏向素子を示す図である。 露光ユニットの一構成要素たる偏向素子を示す図である。 露光ユニットの一構成要素たる伝達光学系を示す図である。 露光ユニットの一構成要素たる偏向素子を示す図である。 露光ユニットの一構成要素たる偏向素子を示す図である。 露光ユニットの一構成要素たる偏向素子を示す図である。 露光ユニット（光走査装置）の一実施形態の構成を示す主走査断面図である。 露光ユニット（光走査装置）の一実施形態の構成を示す副走査断面図である。

符号の説明

２…感光体（潜像担持体）、４…現像ユニット（現像手段）、６…露光ユニット（光走査装置）、６５…偏向素子（偏向手段）、８５…偏向器（偏向手段）６６…走査レンズ（結像手段）、６７、６７Ａ…伝達光学系、６５１ａ、６５１ｂ、８５１ａ、８５１ｂ…偏向ミラー面、６５２、８５２ａ、８５２ｂ…シリコン基板（支持部材）、６５６、８５６ａ、８５６ｂ…可動板（可動部材）、６７１、６７２…凹面ミラー、Ｌ…光ビーム、Ｐ１、Ｐ２…反射位置、６７１ａ、６７２ａ…反射面、ＡＸ１、ＡＸ１ａ…主走査偏向軸、Ｘ…主走査方向、Ｙ…副走査方向

Claims (10)

1. 第１および第２偏向ミラー面を用いて光ビームを偏向する偏向手段と、光ビームを被走査面に結像する結像手段とを有し、前記被走査面上で光ビームを主走査方向に走査する走査光学系と、
   前記偏向手段の前記各偏向ミラー面を互いに反対側に向けた状態で、光ビームの走査方向とほぼ直交する方向に伸びる主走査偏向軸回りに揺動駆動するミラー駆動部と、
   前記偏向手段により偏向された光ビームを前記偏向手段に導く伝達光学系と、
   を備え、
   前記伝達光学系は、第１および第２凹面ミラーを備え、前記第１偏向ミラー面で偏向された光ビームを前記第１凹面ミラーにより前記第２凹面ミラーに向けて反射するとともに、該反射光ビームを前記第２凹面ミラーにより前記第２偏向ミラーに導くことで、前記偏向手段により再度偏向されて前記被走査面に向けて射出される光ビームの偏向角を前記伝達光学系に入射する光ビームの偏向角よりも大きくするとともに、
   前記第１および第２凹面ミラーの反射面は放物面であり、
   前記第１および第２凹面ミラーの両焦点がほぼ一致するように、前記第１および第２凹面ミラーが配置されていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記偏向手段では、前記第１偏向ミラー面が形成された可動板と前記第２偏向ミラー面が形成された可動板とが、前記第１および第２偏向ミラー面が互いに反対側を向くように配置され、
   前記２枚の可動板それぞれには、前記可動板を前記主走査偏向軸回りに揺動自在に支持する支持部材が設けられ、
   前記ミラー駆動部は、前記各可動板を揺動駆動する請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記偏向手段は、一方主面に前記第１偏向ミラー面が形成されるとともに他方主面に前記第２偏向ミラー面が形成される可動板と、前記可動板を前記主走査偏向軸回りに揺動自在に支持する支持部材と、を有し、
   前記ミラー駆動部は、前記可動板を揺動駆動する請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記可動板および前記支持部材はシリコン単結晶で構成されている請求項２または３に記載の光走査装置。
5. 前記ミラー駆動部は、前記偏向ミラー面を共振モードで前記主走査偏向軸回りに揺動駆動する請求項２、３または４に記載の光走査装置。
6. 前記ミラー駆動部は、電磁気力により前記偏向ミラー面を前記主走査偏向軸回りに揺動駆動する請求項２ないし５のいずれかに記載の光走査装置。
7. 前記ミラー駆動部は、静電吸着力により前記偏向ミラー面を前記主走査偏向軸回りに揺動駆動する請求項２ないし５のいずれかに記載の光走査装置。
8. 前記伝達光学系は、前記走査光学系により走査される光ビームの走査領域の外に配置されている請求項１ないし７のいずれかに記載の光走査装置。
9. 前記偏向手段での光ビームを１回目に偏向する反射位置と２回目に偏向する反射位置のうち少なくとも一方が、前記走査光学系により走査される光ビームの走査方向とほぼ直交する副走査平面において、前記被走査面とほぼ共役となっている請求項１ないし８のいずれかに記載の光走査装置。
10. 潜像担持体と、
    請求項１ないし９のいずれかに記載の光走査装置と同一構成を有し、前記潜像担持体の表面を前記被走査面として光ビームを走査して前記潜像担持体上に静電潜像を形成する露光手段と、
    前記静電潜像をトナーにより現像してトナー像を形成する現像手段と
    を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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