JP5712046B2 - 照明装置、画像読み取り装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤを使用した照明装置、この照明装置を原稿面の照明に使用して原稿画像
を読み取る画像読み取り装置、及びこの画像読み取り装置を備えたモノクロ、フルカラー
、ＭＦＰなどの複写機能を有する画像形成装置に関する。

図９は従来から実施されている原稿画像を読み取る画像読み取り装置（以下、「スキャ
ナ」と称す）の概略構成を示す図である。スキャナ２００は、原稿が載置される原稿台（
コンタクトガラス）１１と、この原稿台１１の下面側に設置され、光源１及び第１ミラー
２とを搭載した第１キャリッジ３と、第２及び第３ミラー４，５を備えた第２キャリッジ
６と、第１ないし第３ミラー２，４，５を介して導かれた原稿からの反射光が入射される
結像レンズ７と、結像レンズ７によって結像面に結像された原稿画像を読み取って光電変
換するＣＣＤ（結像素子）８とから基本的に構成され、第２キャリッジ６が第２キャリッ
ジ３の１／２の走査速度で副走査方向に移動して原稿画像を読み取るようになっている。

第１キャリッジ３は、図１０に示すように光源１としてコンタクトガラス１１側に開口
１２が形成されたカバー１３に収納された円筒形状のキセノンランプ９を備え、コンタク
トガラス１１側には、キセノンランプ９からの直射光と前記カバー１３の出口に設けられ
た対向反射板１０からの反射光が照射される。そして、照度の高い領域の反射光を第１ミ
ラー２から第２、第３ミラー４，５に導く。このように構成された光源では、図１１に示
すように結像位置がＲ，Ｇ，Ｂの各色で異なるため、原稿面ではこれをカバーするだけの
均一な照度分布が要求される。

一方、昨今では、省エネルギ、立ち上がりのスピード、信頼性等を考慮してＬＥＤ（li
ght emitting diode）光源（点光源）が検討されている。しかし、ＬＥＤのみで照明系を
構成すると、光量低下、主走査方向のリップル（照度ムラ）が発生することあり、そのま
までは照明系を構成することができない。

このようなことからＬＥＤと導光体を組み合わせることが考えられる。そこで、特許文
献１には、導光体との間に絞を設け、光源から入射する光束が導光体に臨界角以上で入射
して拡散部に向かわせるようにした発明が開示されている。この発明は、柱状の透光性部
材の端面を光入射面とし、側面の少なくとも一部を光射出面とする導光体において、該光
入射面から入射する光束を制限する絞りを設けたことを特徴とする発明が開示され、前記
絞りは、光入射面から入射する光束が側面に対し臨界角以上の入射角度で入射するように
光束を制限することが記載されている。

しかし、特許文献１に開示された発明は、端面を光入射面とし、側面の少なくとも一部
を光射出面とする導光体を使用したものであり、一方の端面を光入射面に、他方の端面を
光出射面に設定した導光体とＬＥＤを使用して照明装置を構成したものではなく、ＬＥＤ
の特性と導光体との関係について評価されているわけではない。

すなわち、画像読み取り装置の光源として使用されるＬＥＤとして狭指向性のＬＥＤを
使用した場合、図１２に示すように照度分布形状にピークが発生し、原稿面では読み取り
幅に対して均一で充分な照度分布が得られない。また、狭指向性のＬＥＤでは、主走査方
向ではリップルが大きくなり、照明の均一性に問題が生じる。そのため照明光としては主
走査方向の照射光は広がり、副走査方向では前記読み取り幅に対して均一な照度を得るこ
とができる図１３に示すような広指向性ものが最適である。

そこで、広指向性のＬＥＤを使用すればよいが、導光部材によってＬＥＤからの出射光
を原稿面に導く際に全反射しない部分、言い換えれば全反射しない角度で出射された光は
導光部材から外部に出てしまうので、その分がロスになり、照度が落ちてしまうことにな
る。

本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、ＬＥＤと導
光部材とを組み合わせたときにＬＥＤの発光量を最大限利用できるとともに、均一な照度
分布形状を得ることができるようにすることにある。

前記目的を達成するため、本発明は、ＬＥＤから出射される照明光を主走査方向に沿って配置された断面長方形の導光部材の前記断面長方形の短辺側の一方の端面を入射面とし、この入射面から他方の端面である出射面に導いて原稿面を照明する照明装置であって、 前記出射面に面した位置に当該出射面に対して所定の間隔と角度を持って配置され、前記他方の端面から原稿面を照明しない方向に出射された照明光を原稿面側に反射させる反射板を備え、前記導光部材の前記出射面が前記原稿面に向かった状態で配置され、照明光のうち原稿面を照明する照明成分は、前記入射面に前記ＬＥＤの光が直接入射し、前記導光部材内で反射し、前記出射面から出射して原稿面方向に反射して当該原稿面を照明する第１の照明成分と、前記入射面に前記ＬＥＤの光が直接入射し、前記導光部材内で反射し、前記出射面から原稿面を照明しない方向に出射して前記反射板によって原稿面方向に反射して前記第１の照明成分の照明領域と重複する当該原稿面を照明する第２の照明成分と、前記入射面に前記ＬＥＤの光が直接入射し、当該導光部材内で反射することなく前記出射面から出射する第３の照明成分と、からなり、前記第１の照明成分および前記第２の照明成分は集束せず、前記出射面から前記原稿面に至るまでの光路において前記出射面よりも広い幅を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤと導光部材とを組み合わせたときにＬＥＤの発光量を最大限利用できるとともに、均一な照度分布形状を得ることができる。

本発明の実施形態に係る照明装置の構成を示す図である。 広指向性のＬＥＤの発光分布の一例を示す図である。 ＬＥＤと導光部材との関係を示す斜視図である。 導光部材内で全反射するときの指向角と臨界角との関係を示す図である。 導光部材内で全反射するときの透過するときの指向角の状態を示す図である。 広指向性のＬＥＤの指向角と光強度との関係を示す特性図である。 ＬＥＤの間隔、導光部材の主走査方向の光出射方向の寸法、及び指向角との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る画像形成装置全体のシステム構成の一例を示す図である。 従来から実施されている原稿画像を読み取る画像読み取り装置の概略構成を示す図である。 キセノンランプを光源とする照明装置の構成を示す図である。 原稿への照射分布とＣＣＤの読み取り幅との関係を示す図である。 狭指向性のＬＥＤと導光部材とを使用した照度分布特性を示す図である。 広指向性のＬＥＤと導光部材とを使用した照度分布特性を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係る照明装置の構成を示す図である。本実施形態では、光源
として広指向性のＬＥＤ２１と導光部材２２を使用している。ＬＥＤ２１は基板２０上に
搭載され、導光部材２２はＬＥＤ２１の発光部に一端面（入射面）２２ａが接し、他端面
（出射面）２２ｂ側が照明方向（被照射面方向）に向かった状態に配置されている。その
他の各部は前述の図９と同等に構成されているので、同一の構成要素には同一の参照符号
を付し、重複する説明は省略する。

図２は広指向性のＬＥＤ２１の発光分布の一例を示す図である。同図に示すようにＬＥ
Ｄ２１からの照射光は発光面から１００°〜１２０°の範囲で発光している。前記図１は
図２に示したＬＥＤ２１の照射光を導光部材２２を使用して被照射面に向けて導く構成を
示す断面図で、実際には、図３の斜視図に示すようにＬＥＤ２１は所定間隔で主走査方向
にライン状に並んでおり、ＬＥＤ２１の発光面２１ａに沿って断面長方形状で狭幅の導光
部材２２が配置され、ＬＥＤ２１からの照射光の出射面２２ｂが被照射面（コンタクトガ
ラス１１）に対向している。

導光部材２２では図４に示すように導光部材２２から空気層へ光が照射されたとき、空
気と導光部材２２との屈折率の違いから空気層に照射されない角度が決まる。すなわち、
導光部材２２の外部である空気層の屈折率（ｎ１）を１．０、導光部材２２として光学ガ
ラス（クラウンガラス）を使用した場合には、導光部材２２の内部である光学ガラスの屈
折率（ｎ２）は約１．５２であることから導光部材２２から空気層に照射されない角度、
いわゆる臨界角θ（光路と導光部材２２の側面との交点から導光部材２２の側面に立てた
法線と光路のなす角）は、
θ＝sin^−１（ｎ１/ｎ２） ・・・（１）
となり、ＬＥＤ２１の指向角α（ＬＥＤ２１の光軸Ｌと光路ｔのなす角）との関係は、
α＝π／２−θ
＝π／２−｛sin^−１（ｎ１/ｎ２）｝ ・・・（２）
となることから、導光部材２２を光学ガラスとした場合、臨界角θは、
θ＝４１°
となり、指向角αは、
α＝４９°
となる。

すなわち、図５に示すようにＬＥＤ２１の指向角（α）４９°以下ではＬＥＤ２１から
の出射光は導光部材２２の側面から出ることなく導光部材２２の内側に反射される。これ
により図１に示すように導光部材２２の内面で全反射してＬＥＤ２１上部（指向角（α）
＝０°の方向）に光が導かれる。

図２に示すような広指向性のＬＥＤ２１では、指向角（α）４９°×２≒１００°の範
囲で照射される光は、導光部材２２の出射面２２ｂに導かれ、残り０°〜２０°範囲の光
は導光部材２２側面２２ｃから外に出てしまう。したがって、光学ガラス（クラウンガラ
ス）を導光部材２２に使用した場合には、ＬＥＤ２１からの照射光量の８０％以上が導光
部材２２の出射面２２ｂ方向に導かれる。

図６は広指向性のＬＥＤ２１の指向角と光強度との関係を示す図である。内側の太い実
線の特性は、従来のＬＥＤの標準的な特性であり、外側の細い実線の特性は広指向角ＬＥ
Ｄの特性である。指向角（α）４５°付近では、光の強度は０．５近傍（指向角（α）０
°の方向を光の強度１．０としたときの相対値）である。そこで、本実施形態では広指向
性のＬＥＤ２１について半値角βという概念を導入する。本明細書における半値角βとは
、図６に示されるように光源から出射される光の強度分布を測定したとき、光の強度が最
大値の半分になる方向を、光軸Ｌ方向を基準として測った角度をいう。

すなわち、前述の計算から分かるように半値角βが臨界角θをなす指向角αより小さけ
れば、ＬＥＤ２１から出射された照明光は導光部材２２の側面２２ｃで全反射し、導光部
材２２の出射面２２ｂから出射される。

そこで、導光部材２２の側面で全反射する条件は、
β≦α
となる。

指向角αは（２）式から求められているので、半値角βは、
β≦π／２−｛sin^−１（ｎ１/ｎ２）｝ ・・・（３）
となる。

一方、主走査方向を見ると図７のＬＥＤ２１と導光部材２２の関係を示す平面図から分
かるように、導光部材２２の光照射方向の寸法をＡ、隣接するＬＥＤ２１の間隔をＢとし
、ＬＥＤ２１からの出射光が導光部材２２の出射面２２ｂで暗部が生じない（リップルが
生じない）条件を考えると、その条件は少なくとも主走査方向の前記出射面２２ｂの全面
からＬＥＤ２１からの光が出射されることなので、指向角をγとすると、指向角γと前記
寸法との関係は、
tanγ＝（Ｂ／２）／Ａ
で表され、
γ＝tan^−１（Ｂ／２Ａ）
となる。

半値角βは前記指向角γより大きくなければリップルが生じるので、
β≧γ
となり、結局、半値角βは、
β≧tan^−１（Ｂ／２Ａ） ・・・（４）
という条件を満足する必要がある。

したがって、半値角βは前記（３）式及び（４）式から、
tan^−１（Ｂ／２Ａ）≦β≦π／２−｛sin^−１（ｎ１/ｎ２）｝ ・・・（５）
となる。

したがって、使用するＬＥＤ２１の半値角βと、導光部材２２の屈折率ｎ２がわかれば
、空気の屈折率ｎ１は１．０なので、導光部材２２の寸法とＬＥＤ２１の主走査方向の間
隔を設定することができる。そして、このように設定することにより、ＬＥＤ２１の出射
光量のほぼ８０％を照明用光量として有効に使用することができる。なお前記式では、β
はラジアンで示しているが、角度にも容易に変換することができることは言うまでもない
。

前記（５）式から導光部材２２の屈折率が大きくなれば臨界角θ＝sin^−１（ｎ１/ｎ２
）が小さくなることから、半値角βがより大きくなることが分かる。したがって、屈折率
の大きい材質の導光部材２２を使用すれば照明効率を向上させることができる。そこで、
導光部材の材質として光学ガラスが使用される。光学ガラスは脈理が生じないように屈折
率を安定させたもので、一般にはＢＫ７と称される前述のクラウンガラス（屈折率：１．
５１６８）、Ｆ２と称されるフリントガラス（屈折率：１．６２００）、及びＳＦ１と称
される重フリントガラス（屈折率：１．７１７４）が使用される。

また、導光部材２２の材質として光学レンズに使用されている透明樹脂（透過率：９２
％以上）のアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂を用いることもできる。これらの樹脂剤
では、屈折率が１．５８〜１．５９になり、クラウンガラスとフリントガラスの中間の特
性を得ることができる。

なお、さらに照明効率を上げたい場合には、導光部材２２の側面２２ｃ、２２ｄに拡散
反射板（白板等）などの反射手段を配置し、導光部材２２から外部にＬＥＤ２１からの出
射光が漏出しないようにすることもできる。

図８は、本実施形態における画像形成装置の一例を示すシステム全体の概略構成図であ
る。同図において、画像形成装置は本体１００と、画像形成装置本体１００の上部の設置
された画像読み取り装置２００と、さらにその上に装着された自動原稿給送装置（以下、
「ＡＤＦ」と称す）３００と、画像形成装置本体１００の図１において右側に配置された
大容量給紙装置４００と、画像形成装置本体１００の図１において左側に配置された用紙
後処理装置５００とから基本的に構成されている。

画像形成装置本体１００は画像書き込み部１１０と、作像部１２０と、定着部１３０と
、両面搬送部１４０と、給紙部１５０と、垂直搬送部１６０と、手差し部１７０とからな
る。

画像書き込み部１１０は画像読み取り装置２００で読み取った原稿の画像情報に基づい
て発光源であるＬＤを変調し、ポリゴンミラー、ｆθレンズなどの走査光学系により感光
体ドラム１２１にレーザ書き込みを行うものである。作像部は感光体ドラム１２１と、こ
の感光体ドラム１２１の外周に沿って設けられた現像ユニット１２２、転写ユニット１２
３、クリーニングユニット１２４及び除電ユニットなどの公知の電子写真方式の作像要素
とからなる。

定着部１２０は前記転写ユニット１２３で転写された画像を記録紙に定着する。両面搬
送部１４０は定着部１２０の記録紙搬送方向下流側に設けられ、記録紙の搬送方向を用紙
後処理装置５００側、あるいは両面搬送部１４０側に切り換える第１の切換爪１４１と、
第１の切換爪１４１によって導かれた反転搬送路１４２と、反転搬送路１４２で反転した
記録紙を再度転写ユニット１２３側に搬送する画像形成側搬送路１４３と、反転した記録
紙を用紙後処理装置５００側に搬送する後処理側搬送路１４４とを含み、画像形成側搬送
路１４３と後処理側搬送路１４４との分岐部には第２の切換爪１４５が配されている。

給紙部１５０は４段の給紙段からなり、それぞれピックアップローラ、給紙ローラによ
って選択された給紙段に収納された記録紙が引き出され、垂直搬送部１６０に導かれる。

垂直搬送部１６０では、各給紙段から送り込まれた記録紙を転写ユニット１２３の用紙搬
送方向上流側直前のレジストローラ１６１まで搬送し、レジストローラ１６１では、感光
体ドラム１２１上の顕像の画像先端とタイミングを取って記録紙を転写ユニット１２３に
送り込む。手差し部１７０は開閉自在な手差しトレイ１７１を備え、必要に応じて手差し
トレイ１７１を開いて記録紙を手差しにより供給する。この場合もレジストローラ１６１
で記録紙の搬送タイミングが取られ、搬送される。

大容量給紙装置４００は同一サイズの記録紙を大量にスタックして供給するもので、記
録紙が消費されるにしたがって底板４０２が上昇し、常にピックアップローラ４０１から
用紙のピックアップが可能に構成されている。ピックアップローラ４０１から給紙される
記録紙は、垂直搬送部１６０からレジストローラ１６１のニップまで搬送される。

用紙後処理装置５００はパンチ、整合、ステイプル、仕分けなどの所定の処理を行うも
ので、この実施形態では、前記機能のためにパンチ５０１、ステイプルトレイ（整合）５
０２、ステイプラ５０３、シフトトレイ５０４を備えている。すなわち、画像形成装置１
００から用紙後処理装置５００に搬入された記録紙は、孔明けを行う場合にはパンチ５０
１で１枚ずつ孔明けが行われ、その後、特に処理するものがなければ、プルーフトレイ５
０５へ、ソート、スタック、仕分けを行う場合にはシフトトレイ５０４にそれぞれ排紙さ
れる。仕分けは、この実施形態は、シフトトレイ５０４が用紙搬送方向に直交する方向に
所定量往復動することにより行われる。このほかに、用紙搬送路で用紙を用紙搬送方向と
直交する方向に移動させて仕分けを行うこともできる。

整合する場合には、孔明けが行われた、あるいは孔明けが行われていない記録紙が下搬
送路５０６に導かれ、ステイプルトレイ５０４において後端フェンスで用紙搬送方向を直
交する方向が整合され、ジョガーフェンスで用紙搬送方向と平行な方向の整合が行われる
。ここで、綴じが行われる場合には、整合された用紙束の所定位置、例えば角部、中央２
個所など所定の位置がステイプラ５０３によって綴じられ、放出ベルトによってシフトト
レイ５０４に排紙される。また、この実施形態では、下搬送路５０６にはプレスタック搬
送路５０７が設けられ、搬送時に複数枚の用紙をスタックし、後処理中の画像形成装置１
００側の画像形成動作の中断を避けることができるようになっている。

画像読み取り装置２００は、照明装置を前述の図１に示したものに置換した図９に図示
したものが使用される。この画像読み取り装置２００では、ＡＤＦ３００によってコンタ
クトガラス２１０上に導かれ、停止した原稿を光学的にスキャンし、第１ないし第３のミ
ラーを経て結像レンズ７で結像された読み取り画像をＣＣＤ８やＣＭＯＳなどの光電変換
素子によって読み取る。読み取られた画像データは、図示しない画像処理回路で所定の画
像処理が実行され、記憶装置に一旦記憶される。そして、画像形成時に画像書き込み部１
１０によって記憶装置から読み出され、前述のように画像データに応じて変調し、光書き
込みが行われる。

ＡＤＦ３００は両面読み取り機能を有するもので、画像読み取り装置２００のコンタク
トガラス２１０設置面に開閉自在に取り付けられている。

以上のように本実施形態によれば、
１）前記（５）式によりＬＥＤの特性である半値角βと、導光部材の特性である屈折率と
、導光部材の寸法関係との関係が明確になったので、ＬＥＤの特性に応じて照明効率のよ
い照明装置を提供することができる。
２）また、前記（５）式を満足する照明装置とすれば、原稿面に到達する照射量は８０％
以上になり、均一な照度分布が得られる。
３）さらに、導光部材２２として光学レンズに使用されている透明樹脂を使用すれば、低
コストで効率のより照明光源を得ることができる。
４）照明効率が高くなったので、その分の省エネルギ効果を期待することができる。
などの効果を奏する。

１ 光源
２ 第１ミラー
３ 第１キャリッジ
４ 第２ミラー
５ 第３ミラー
６ 第２キャリッジ
７ 結像レンズ
８ ＣＣＤ
２１ ＬＥＤ
２２ 導光部材
２２ａ 入射面
２２ｂ 出射面
２２ｃ 側面
１００ 画像形成装置
２００ 画像読み取り装置（スキャナ）

特開２０００−４８６１６公報

Claims (3)

1. ＬＥＤから出射される照明光を主走査方向に沿って配置された断面長方形の導光部材の前記断面長方形の短辺側の一方の端面を入射面とし、この入射面から他方の端面である出射面に導いて原稿面を照明する照明装置であって、
   前記出射面に面した位置に当該出射面に対して所定の間隔と角度を持って配置され、前記他方の端面から原稿面を照明しない方向に出射された照明光を原稿面側に反射させる反射板を備え、
   前記導光部材の前記出射面が前記原稿面に向かった状態で配置され、
   照明光のうち原稿面を照明する照明成分は、
   前記入射面に前記ＬＥＤの光が直接入射し、前記導光部材内で反射し、前記出射面から出射して原稿面方向に反射して当該原稿面を照明する第１の照明成分と、
   前記入射面に前記ＬＥＤの光が直接入射し、前記導光部材内で反射し、前記出射面から原稿面を照明しない方向に出射して前記反射板によって原稿面方向に反射して前記第１の照明成分の照明領域と重複する当該原稿面を照明する第２の照明成分と、
   前記入射面に前記ＬＥＤの光が直接入射し、当該導光部材内で反射することなく前記出射面から出射する第３の照明成分と、
   からなり、
   前記第１の照明成分および前記第２の照明成分は集束せず、前記出射面から前記原稿面に至るまでの光路において前記出射面よりも広い幅を有する
   ことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１記載の照明装置を備えていることを特徴とする画像読み取り装置。
3. 請求項２記載の画像読み取り装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。
   

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