JP5024928B2 - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

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、光源からの光束により被走査面上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、温度変化などに対する高安定化、高精細化（高画質化）及び高速化が求められている。また、これらの画像形成装置は、一般的に光源からの光束により被走査面上を走査する光走査装置を備えている。

画像形成装置の高精細化及び高速化については、複数の光束を用いる方法が実施されている。光束の複数化には主として、（１）複数の端面発光型半導体レーザ素子を組み合わせる方法、（２）複数の発光部が１つの基板上に形成された端面発光型半導体レーザアレイを用いる方法がある。しかしながら、（１）の方法では、素子が複数個搭載されるために、光源装置が複雑になる、部品点数が増加する、調整が複雑になるといった不都合があった。また、（２）の方法では、複数の発光部間に波長のばらつきがあり、個別に調整できないという不都合があった。

ところで、最近、面発光型半導体レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、ＶＣＳＥＬ）を用いた光源が提案されている。この光源は、１つの素子に数１０個の発光部を２次元的に形成することが容易である。また、各発光部では単一縦モード発振による安定したレーザ発振による発光が行われるため、各発光部間の波長のばらつきは極めて小さい。

画像形成装置の低価格化の代表的な方法として、光走査装置に用いられる光学素子の樹脂化がある。例えば、各種レンズの素材を樹脂材料にすると、（１）軽量化が可能、（２）低コストな成形が可能、（３）特殊な形状の面（以下便宜上、「特殊面」ともいう）の形成が容易、というメリットがある。特に、特殊面を有する樹脂製レンズを採用すると、レンズの光学特性を向上させることができる。このような特殊面の１つとして、屈折面の形状を適切なピッチで折り返した形状を有する回折面がある。この回折面は、レンズに屈折面以上のパワーを付加することができるため、光走査装置の光学系を構成するレンズ枚数を低減させることが可能となる。

また、温度変化に対して高安定な画像形成装置を実現するために、光走査装置において、（Ａ）互いに逆のパワーをもつ複数枚のレンズを組み合わせて、温度変化による光学特性の劣化を補正する方法や、（Ｂ）回折面の負分散を用いて、温度変化による光学特性の劣化を補正する方法（例えば、特許文献１〜特許文献５参照）などが提案されている。特に、回折面を用いる方式は、樹脂材料の成形技術の高度化に伴い、少ない部品点数で、低価格で、温度変化に対して高安定な光走査装置を実現するのに有効な方式である。

特開２００４−１２６１９２号公報 特開２００３−３３７２９５号公報 特開平１１−２２３７８３号公報 特開２００２−２１４５５６号公報 特開２００５−２１５１８８号公報

しかしながら、回折面は入射光束の波長のばらつきに対して非常に敏感であるため、光学系の倍率や、光源波長のばらつきによっては、重大な光学系の性能劣化を引き起こすおそれがあった。そこで、上記（Ｂ）の方式では、光源の波長変動による回折面のパワー変動が、光学系の性能劣化をキャンセルするように回折面形状を設計する必要があった。すなわち、光学系に応じた回折面形状を設計しなければならず、回折面が形成されたレンズの汎用性が低くなり、高コスト化を招くという不都合があった。

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、光束によって被走査面上を走査する光走査装置であって、面発光型半導体レーザと；前記面発光型半導体レーザからの光束を略平行光とするカップリングレンズと；前記カップリングレンズを介した光束を偏向する偏向手段と；前記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、前記カップリングレンズは、温度変化に応じてそれぞれのパワーが変化する屈折面と回折面とを有し、前記屈折面と回折面のパワー変化、及び温度変化に起因する前記面発光型半導体レーザからの光束の波長変化によって、温度変化による前記被走査面上での主走査方向及び副走査方向のビームウエスト位置変化を抑制し、単位波長あたりの前記屈折面のパワー変化は、単位波長あたりの前記回折面のパワー変化よりも小さい光走査装置である。

これによれば、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６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。

上記帯電ローラ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。

前記感光体ドラム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。

前記帯電ローラ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。

前記光走査装置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）が感光体ドラム５１１の表面に形成される。ここで形成された潜像は、いわゆるネガ潜像であり、感光体ドラム５１１の回転に伴って前記現像装置５１３の方向に移動する。なお、感光体ドラム５１１の長手方向（回転軸に沿った方向）は「主走査方向」と呼ばれ、感光体ドラム５１１の回転方向は「副走査方向」と呼ばれている。この光走査装置９００の構成については後述する。

前記現像装置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の回転に伴って前記転写ローラ５１４の方向に移動する。

前記カセット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の近傍には前記給紙コロ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。

前記レジストローラ対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の構成について図２を用いて説明する。

この光走査装置９００は、面発光型半導体レーザ１、カップリングレンズ２、アパーチャ３、線像形成レンズ４、偏向手段としてのポリゴンミラー５、２つの走査レンズ（６ａ、６ｂ）、折り曲げミラー７、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知部１１などを備えている。

前記面発光型半導体レーザ１は、設計上の発光波長が７８０ｎｍの複数の発光部を有している。そして、一例として、標準温度（２５℃）に対して温度が１℃上昇すると、発光波長が０．０６２ｎｍだけ長波長側へずれるという特性を有している。

前記カップリングレンズ２は、焦点距離が４５ｍｍの樹脂製のレンズであり、面発光型半導体レーザ１から出射された光束を略平行光とする。カップリングレンズ２の素材の樹脂は、一例として、７８０ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５２３９６１であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５２２１８８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。

このカップリングレンズ２は、一例として図３に示されるように、射出面に屈折面が用いられている。ここでは、一例として、この屈折面は、曲率半径２４．７７ｍｍの回転対称球面係数を有している。

また、カップリングレンズ２は、一例として図３に示されるように、入射面に回折面が用いられている。そして、この回折面は、一例として図４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）とが合成された面であり、前記第１の面のパワーと前記第２の面のパワーは互いに相殺されるように設定されている。従って、カップリングレンズ２の回折面は、主走査方向、副走査方向ともにノンパワーとなる。

前記第１の面は、光軸と垂直な面における光軸からの距離をＲとおくと、この第１の面の位相関数φ（Ｒ）は、次の（１）式で示される。なお、光軸上の点をＲ＝０とする。

φ（Ｒ）＝Ｃ・Ｒ^２ ……（１）

ここでは、一例として、上記（１）式におけるＣは−０．０１５５９４０７７である。この場合には、一例として図５に示されるように、第１の面１３は、光軸方向のデプスをｙ、光軸からの距離（レンズ高さ）をｒとおくと、ｙ＝０．０２９７６１９０５×ｒ^２で示される放物面１２上に形成される。

また、ここでは、一例として、前記第２の面の曲率半径は１６．８ｍｍである。

そこで、カップリングレンズ２の回折面における複数の回折溝は、光軸を中心とする同心円状で階段状となる（図３参照）。すなわち、カップリングレンズ２の回折面には、複数の回折溝がマルチステップ状に形成されている。

具体的には、マルチステップ状における段差は１．４８９μｍであり、最小ピッチ（最外輪帯）は８．３４７μｍであり、段数は１７９段である。

ところで、回折面を、屈折面の面形状を適切な段差及びピッチで折り返した形状とすると、レンズの周辺部に向かって上記ピッチが徐々に小さくなるため、回折面を成形するための金型の製作が難しい。しかしながら、互いに反対のパワーを有する第１の面と第２の面とを合成して回折面を作成すると、回折面における折返し部分が鈍角となり、金型製作に有利となる。特に、本実施形態のように、回折面の面形状をマルチステップ状にすると、上記折返し部分の角度が直角となり、光軸に対称な階段状の形状となり、金型製作上の簡便性が更に向上する。

ここでは、一例として、基準温度での屈折面（射出面）のパワーは−８．３９×１０^−３（ｍｍ^−１）、基準温度での回折面（入射面）のパワーは３．１２×１０^−２（ｍｍ^−１）、単位波長あたりの屈折面のパワー変化は１．０５×１０^−６（ｍｍ^−１）、単位波長あたりの回折面のパワー変化は４．４６×１０^−６（ｍｍ^−１）である。すなわち、単位波長あたりの屈折面のパワー変化は、単位波長あたりの回折面のパワー変化よりも小さい。

さらに、カップリングレンズ２は、一例として図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示されるように、温度変化（例えば、基準温度に対する温度変化）に対して、屈折面と回折面のパワー変化、及び温度変化に起因する前記面発光型半導体レーザ１からの光束の波長変化によって、温度変化による前記感光体ドラム５１１の表面上での主走査方向及び副走査方向のビームウエスト位置変化を抑制するように設定されている。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）における回折型ＣＯＬは、カップリングレンズ２と同様に、カップリングレンズの材質をガラスから樹脂に変更した場合に生ずる温度変化分のみを自身の回折面でキャンセルするように設計されたいわゆる自己補正型のカップリングレンズである。そして、「回折型ＣＯＬ＋線像形成レンズ」の組み合わせにおけるビームウエスト位置の変動量は、温度変化があっても、「ガラスＣＯＬ（ガラス製のカップリングレンズ）＋線像形成レンズ」の組み合わせの場合と同様に、ほぼ０であった。なお、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）における「ガラスＣＹＬ」は、ガラス製のシリンドリカルレンズである。「ガラスＣＯＬ＋ガラスＣＹＬ」の組み合わせでは、ビームウエスト位置の変動量は、温度によって大きく異なっている。

なお、面発光型半導体レーザ１とカップリングレンズ２は、線膨張係数が２．３×１０^−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。

前記アパーチャ３は、一例として主走査方向に対応する方向の幅が６．４ｍｍ、副走査方向に対応する方向の幅が１．１８ｍｍの長方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。

なお、本明細書では、「ビームスポット径」は、ビームスポットの光強度分布におけるラインスプレッド関数を用いて定義される。ビームスポットの中心を基準とし、主走査方向の座標Ｙ、副走査方向の座標Ｚにおけるビームスポットの光強度分布をｆ（Ｙ、Ｚ）とすると、副走査方向のラインスプレッド関数ＬＳＺ（Ｚ）は、次の（２）式で示される。なお、積分は主走査方向におけるビームスポットの全幅について行われる。

また、主走査方向のラインスプレッド関数ＬＳＹ（Ｙ）は、次の（３）式で示される。なお、積分は副走査方向におけるビームスポットの全幅について行われる。

ラインスプレッド関数ＬＳＺ（Ｚ）及びラインスプレッド関数ＬＳＹ（Ｙ）は、通常、略ガウス分布型の形状であり、主走査方向及び副走査方向のビームスポット径は、これらのラインスプレッド関数が、その最大値の１／ｅ^２以上となる領域の主走査方向及び副走査方向の幅で与えられる。

ラインスプレッド関数により上記の如く定義されるビームスポット径は、ビームスポットをスリットで等速光走査し、スリットを通った光を光検出器で受光し、その受光量を積分することにより容易に測定可能であり、このような測定を行う装置も市販されている。

前記線像形成レンズ４は、アパーチャ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関して結像する。

線像形成レンズ４の入射面は、主走査方向に対応する方向の曲率半径が５１２ｍｍ、副走査方向に対応する方向の曲率半径が５６．４ｍｍのアナモフィック面である。

線像形成レンズ４の射出面には、複数の回折溝が同心楕円状で階段状に形成されている。すなわち、線像形成レンズ４の回折面は、複数の回折溝がマルチステップ状に形成されている。この回折面の位相関数φ（Ｙ，Ｚ）は、次の（４）式で示される。ここで、一例として、Ｃ１は−０．００１９９９８５１であり、Ｃ２は−０．０１４０８４９７３である。この回折面は、主走査方向に対応する方向の曲率半径が１３１ｍｍ、副走査方向に対応する方向の曲率半径が１８．６ｍｍのトロイダル面上に形成されている。

φ（Ｙ，Ｚ）＝Ｃ１・Ｙ^２＋Ｃ２・Ｚ^２ ……（４）

線像形成レンズ４の回折面は、カップリングレンズ２と同様に、第１の面と第２の面とが合成された面であり、主走査方向及び副走査方向のいずれにおいても、第１の面のパワーと第２の面のパワーは互いに相殺されるように設定されている。従って、主走査、副走査ともノンパワーとなる。また、本実施形態では、線像形成レンズ４の回折面での散乱光、反射光及び不要次数の回折光が面発光型半導体レーザ１に戻らないようになっている。

ところで、線像形成レンズ４の回折面が、仮に線像形成レンズ４の入射面側の面であったならば、回折面は光軸に対し垂直な面を有することになるので、入射する光束が回折面で強い反射を起こし、それが面発光型半導体レーザ１に戻り、干渉を誘発するおそれがある。このことから、入射光束が略平行光の場合には、階段状の回折面は射出面側の面とするのが好ましい。

線像形成レンズ４の回折面は、温度変化による光走査装置９００全体の光学特性の変化を補正する機能を有している。例えば、仮にカップリングレンズ２に代えて、回折面を有しないガラス製のカップリングレンズが用いられた場合に、温度が基準温度から２０℃変化すると、主走査方向に関するビームウエスト位置の変化は−０．０１ｍｍであり、副走査方向に関するビームウエスト位置の変化は０．０１ｍｍであった。

面発光型半導体レーザ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。この偏向器前光学系は、結像位置が感光体ドラム５１１の表面近傍となるように配置されている。なお、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とアパーチャ３と線像形成レンズ４とから構成されている。

前記ポリゴンミラー５は、一例として内接円の半径が７ｍｍの４面鏡あり、副走査方向に平行な軸の周りに等速回転する。なお、このポリゴンミラー５は、厚さ１．９ｍｍの防音ガラス（不図示）で囲まれている。この防音ガラスの素材のガラスは、一例として、７８０ｎｍの光に対する基準温度（２５℃）での屈折率が１．５１１１８７であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５１１２０８であり、線膨張係数が７．５×１０^−５／Ｋの物性を有するガラスである。

前記走査レンズ６ａは、一例として表１に示されるように、主走査方向の近軸曲率半径が−１１０．１４２ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−４７２．７８８ｍｍの入射面と、主走査方向の近軸曲率半径が−５７．９３９ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−５００ｍｍの射出面を有し、中心（光軸上）肉厚（図７におけるｄ８）が８ｍｍの樹脂製のレンズである。この樹脂はカップリングレンズ２の素材と同じ物性を有する樹脂である。

前記走査レンズ６ｂは、一例として表２に示されるように、主走査方向の近軸曲率半径が−５０００ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が９３．８ｍｍの入射面と、主走査方向の近軸曲率半径が７２４．１６ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−６０．７１ｍｍの射出面を有し、中心（光軸上）肉厚（図７におけるｄ１０）が３ｍｍの樹脂製のレンズである。この樹脂はカップリングレンズ２の素材と同じ物性を有する樹脂である。

走査レンズ６ａ及び走査レンズ６ｂの各面は非球面形状の面であり、いずれの面も、主走査方向に次の（５）式で示される非円弧形状を有し、光軸と副走査方向とに平行な仮想的断面（以下、「副走査断面」という）内の曲率が次の（６）式に従って主走査方向に変化する面である。

ここで、Ｘは光軸方向のデプス、Ｒ_ｍは主走査方向の近軸曲率半径、Ｙは光軸からの主走査方向の距離、Ｋは円錐定数、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、…は係数、Ｒ_ｓは副走査方向の近軸曲率半径、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、…は係数である。

走査レンズ６ａの入射面の円錐定数及び各係数が表３に示されている。

走査レンズ６ａの射出面の円錐定数及び係数が表４に示されている。

走査レンズ６ｂの入射面の円錐定数及び各係数が表５に示されている。

走査レンズ６ｂの射出面の円錐定数及び係数が表６に示されている。

また、一例として、ポリゴンミラー５と走査レンズ６ａの入射面との距離（図７におけるｄ７）は４３．３ｍｍ、走査レンズ６ａの射出面と走査レンズ６ｂの入射面との距離（図７におけるｄ９）は１０１．１ｍｍ、走査レンズ６ｂの射出面と被走査面である感光体ドラム５１１の表面との距離（図７におけるｄ１１）は１３９．９ｍｍである。

また、面発光型半導体レーザ１側からポリゴンミラー５の偏向反射面に入射する光束の進行方向と、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７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のなす角（図７におけるθ）は５９度である。

前記折り曲げミラー７は、走査レンズ６ｂ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の回転に伴って主走査方向に移動する。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６ａと走査レンズ６ｂ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。

また、走査レンズ６ａを透過して有効走査領域外に向かう光束の一部は、前記同期ミラー９及び同期レンズ１０を介して同期検知部（同期センサ）１１で受光される。同期検知部１１は、受光量に応じた信号（光電変換信号）を出力する。この同期検知部１１の出力に基づいて、走査開始のタイミングが決定される。

本実施形態に係るレーザプリンタ５００では、温度が基準温度から２０℃変化したときの主走査方向に関するビームウエスト位置の変化は０．０３ｍｍであり、副走査方向に関するビームウエスト位置の変化は０．００ｍｍであった。なお、前記カップリングレンズ２に代えて、回折面を有しない樹脂製のカップリングレンズが用いられた場合には、一例として、温度が基準温度から２０℃変化したときの主走査方向に関するビームウエスト位置の変化は１５．９３ｍｍであり、副走査方向に関するビームウエスト位置の変化は−２．２７ｍｍであった。すなわち、カップリングレンズ２によって、主走査方向及び副走査方向のいずれに関しても、ビームウエスト位置の変化を顕著に小さくすることができた。

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、温度変化に応じてそれぞれのパワーが変化する屈折面と回折面とを有し、該屈折面と回折面のパワー変化、及び温度変化に起因する面発光型半導体レーザ１からの光束の波長変化によって、温度変化による被走査面上での主走査方向及び副走査方向のビームウエスト位置変化を抑制するカップリングレンズ２を備えている。カップリングレンズ２は、面発光型半導体レーザ１からの光束を略平行光としてポリゴンミラー５に向けて射出するので、カップリングレンズ２の焦点距離は走査光学系の光学特性に依存しないで設定することができる。また、カップリングレンズ２の回折面の形状は、温度変化に起因する光走査装置全体の光学特性の変化を補正するものではなく、カップリングレンズ自身の光学特性の変化のみを補正するため、汎用性が高くなる。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。

一般的に、カップリングレンズの光学特性の変化は光走査装置の光学性能に顕著に影響する。そして、カップリングレンズを樹脂化した場合にはさらにその影響は大きくなる。従って、本実施形態のように、カップリングレンズが、自分自身の光学特性の変化のみを補正するものであっても、光走査装置の高安定化に大きく寄与する。

ところで、面発光型半導体レーザから出射される光束の発散角は小さい。また、主走査方向に関する倍率を低減するにはカップリングレンズの焦点距離を長くする必要がある。そのため、温度変化に対して、面発光型半導体レーザとカップリングレンズを保持する保持部材の「のび（いわゆる鏡筒のび）」によるビームウエスト位置の補正効果は少ない。従って、カップリングレンズでは、波長変化に対して敏感（補正過剰）にしたほうが良い。また、面発光型半導体レーザから出射される光束は波長とび（波長遷移）が少ないので、カップリングレンズは、波長変化よりも温度変化を優先的に考慮した設計を行ったほうが良い。カップリングレンズの回折面の効果はその特徴を用いたものである反面、望まない波長変化は光学性能を逆に劣化させるおそれがある。しかしながら、光源に面発光型半導体レーザを用いる場合には、端面発光型半導体レーザと異なり原理的にモードホップが起こらないので、望まない波長変化による光学特性の劣化は回避できる。

そこで、本実施形態に係る光走査装置９００によると、カップリングレンズ２では、単位波長あたりの屈折面のパワー変化が、単位波長あたりの回折面のパワー変化よりも小さくなるように設定している。

画像品質の高精細化のためには感光体ドラムの表面上でのビームスポット径を小さくしなければならないが、一般的に面発光型半導体レーザは光束の発散角が端面発光型半導体レーザより小さいため、カップリングレンズの焦点距離は端面発光型半導体レーザに対応したものに比べ長く設計する必要がある。カップリングレンズの焦点距離が長いと、自分自身の光学特性の変化を補正するための回折面のパワーは小さくて済むので、波長変動が小さい面発光型半導体レーザでも十分な補正が行える。従って、面発光型半導体レーザの適用は上記カップリングレンズへの回折面導入と組み合わせることにより光走査装置の高安定化に高い効果を発揮する。

また、本実施形態に係る光走査装置９００によると、カップリングレンズ２における第１の面のパワーと第２の面のパワーは互いに相殺されている。これにより、回折面の折返し部分が鈍角となり、回折面を成形するための金型の製作が容易となる。

また、本実施形態に係る光走査装置９００によると、カップリングレンズ２の回折面の形状は、マルチステップ状である。これにより、回折面の折返し部分の角度が直角となり、光軸に対称な階段状の形状となり、回折面を成形するための金型の製作が更に向上する。この場合に、光学的には、０次光と１次以降の回折光とが同一方向に向かうので、ノンパワーの面と等価であり、偏心に対する光学特性の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態に係る光走査装置９００によると、面発光型半導体レーザ１が複数の発光部を有しているため、同時に複数の走査が可能となる。従って、高コスト化を招くことなく、安定した高密度の光走査が可能となる。

また、本実施形態によると、部品点数を低減するとともに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削減でき、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を低減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、上記実施形態では、カップリングレンズ２の回折面における回折溝が同心円状の場合について説明したが、これに限らず、カップリングレンズ２の回折面に、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の少なくとも一方の方向に平行な溝が形成されても良い。回折面が樹脂で成形される場合には、回折面の形状と凹凸が逆の形状（以下、便宜上「転写形状」という）が切削により形成された成形用の金型が用いられる。回折面の形状が直線状の溝形状の場合は、切削用のバイトを一方向に走らせるだけで金型に転写形状を形成することができ、また、バイトを逃がすのに何の問題も生じない。もし、回折面の形状が同心楕円等の溝形状であると、軸を出す手間が生じる上に、バイトの逃げにも工夫が必要になる。また、回折面の形状が光軸に関して対称な階段状であれば、バイトを当てる角度が略直角となるため、金型製作の簡便性は更に向上する。（図８（Ａ）及び図８（Ｂ）参照）

また、上記実施形態では、線像形成レンズ４が回折面を有する場合について説明したが、必要とされる補正がカップリングレンズ２によって達成される場合には、前記線像形成レンズ４に代えて、回折面を持たない線像形成レンズを用いても良い。

ところで、回折面における不要次数の回折光や散乱光の影響が無視できない場合には、不要な光束を遮光する開口部材を前記偏向器前光学系に設けても良い。例えば、図９に示されるように、前記面発光型半導体レーザ１と前記カップリングレンズ２との間の光路上に開口部材３１、前記線像形成レンズ４と前記ポリゴンミラー５との間の光路上に開口部材３２を設けても良い。この場合に、各開口部材の主走査方向に対応する方向の幅及び副走査方向に対応する方向の幅を、前記アパーチャ３の主走査方向に対応する方向の幅及び副走査方向に対応する方向の幅よりも小さくすると、不要次数の回折光や散乱光を効率良く除去することができる。なお、前記アパーチャ３を光束の幅がせまくなる位置に配置することも考えられるが、前記アパーチャ３を光束の幅が狭くなる位置に配置すると、前記アパーチャ３の開口部の加工誤差（寸法誤差）による感光体ドラム５１１上でのビームスポット径の変化量が大きくなるという不都合がある。

また、上記実施形態では、走査光学系の走査レンズが２つの場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、走査光学系の走査レンズが１つであっても良いし、走査レンズが３つ以上であっても良い。

また、上記実施形態では、面発光型半導体レーザ１が複数の発光部を有する場合について説明したが、同時に複数走査する必要がない場合には、前記面発光型半導体レーザ１に代えて、１つの発光部のみを有する面発光型半導体レーザを用いても良い。

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、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。

また、一例として図１０に示されるように、画像形成装置として、カラー画像に対応し、複数の感光体ドラムを備えるタンデムカラー機であっても良い。この図１０に示されるタンデムカラー機は、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、マゼンダ用の感光体ドラム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９００と、転写ベルト８０と、定着手段３０などを備えている。

この場合には、光走査装置９００では、面発光型半導体レーザ１における複数の発光部はブラック用、シアン用、マゼンダ用、イエロー用に分割されている。そして、ブラック用の各発光部からの光束は感光体ドラムＫ１に照射され、シアン用の各発光部からの光束は感光体ドラムＣ１に照射され、マゼンダ用の各発光部からの光束は感光体ドラムＭ１に照射され、イエロー用の各発光部からの光束は感光体ドラムＹ１に照射されるようになっている。

各感光体ドラムは、図１０中の矢印の方向に回転し、回転順にそれぞれ帯電器、現像器、転写用帯電手段、クリーニング手段が配置されている。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９００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。

なお、このタンデムカラー機では、光走査装置９００は、色毎に個別の面発光型半導体レーザ１を備えても良い。

例えば、光走査装置９００が、ブラック用の面発光型半導体レーザ（「光源Ｋ」とする）とシアン用の面発光型半導体レーザ（「光源Ｃ」とする）とマゼンダ用の面発光型半導体レーザ（「光源Ｍ」とする）とイエロー用の面発光型半導体レーザ（「光源Ｙ」とする）を有する場合に、ポリゴンミラーを各色で共通としても良い。これにより、比較的高価なポリゴンミラーの数が減少し、低コスト化を促進することができる。また、ポリゴンミラーは光走査装置における最大の発熱源であるため、ポリゴンミラーの数の減少により光走査装置の温度上昇を抑制することができる。そして、光走査装置の温度上昇が抑制されることにより、面発光型半導体レーザにおける望まないモードホップを低減することができる。この場合に、光走査装置の構成としては、各色の光束がポリゴンミラーの回転軸を含む副走査断面に対して略対称に入射する方式（いわゆる「対向走査方式」）や、各色の光束がポリゴンミラーの同一反射面によって偏向される方式（いわゆる「片側走査方式」）などがある。

偏向反射面を２段有するポリゴンミラー５を用いた対向走査方式の構成例が図１１に示されている。ここでは、光源Ｋからの光束及び光源Ｙからの光束は、それぞれ上段の偏向反射面で偏向され、光源Ｃからの光束及び光源Ｍからの光束は、それぞれ下段の偏向反射面で偏向されている。なお、図１１における符号６Ｋはブラック用の走査レンズであり、符号６Ｃはシアン用の走査レンズであり、符号６Ｍはマゼンダ用の走査レンズであり、符号６Ｙはイエロー用の走査レンズである。

また、上記走査方式は、光源からの光束がポリゴンミラーの偏向反射面の法線に平行に入射する形態に限られない。ポリゴンミラーの偏向反射面の法線に対し角度を持って光源からの光束が入射しても良い。本明細書ではこの方式を「斜入射方式」と呼ぶこととする。図１２には、対向走査方式で斜入射方式の構成例が示されている。ここでは、光源Ｋからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ１と６ｂＫを介して感光体ドラムＫ１上に集光される。光源Ｃからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ１と６ｂＣを介して感光体ドラムＣ１上に集光される。光源Ｍからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ２と６ｂＭを介して感光体ドラムＭ１上に集光される。光源Ｙからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ２と６ｂＹを介して感光体ドラムＹ１上に集光される。斜入射方式の利点は、偏向反射面が１段のポリゴンミラーで４つの光源からの光束の偏向が可能であるため、更に低コスト化を図ることができる。但し、斜入射方式を適用する場合には、走査線の曲がりと波面収差の劣化が生じるため、斜入射方式に対応した走査レンズを用いる必要がある。

また、タンデムカラー機では、色毎に光走査装置９００を備えていても良い。

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、安定して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２におけるカップリングレンズ及び線像形成レンズを説明するための図である。 回折面を説明するための図（その１）である。 回折面を説明するための図（その２）である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、それぞれビームウエスト位置の変動量と温度との関係を説明するための図である。 図２の光走査装置における各部の位置関係を説明するための図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ回折面を成形するための金型の製作方法を説明するための図である。 複数の開口部材を説明するための図である。 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。 図１０における光走査装置の構成例１を説明するための図である。 図１０における光走査装置の構成例２を説明するための図である。

符号の説明

１…面発光型半導体レーザ、２…カップリングレンズ、３…、アパーチャ、５…ポリゴンミラー（偏向手段）、６ａ…走査レンズ（走査光学系の一部）、６ｂ…走査レンズ（走査光学系の一部）、３１…開口部材、３２…開口部材、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。

Claims (10)

1. 光束によって被走査面上を走査する光走査装置であって、
   面発光型半導体レーザと；
   前記面発光型半導体レーザからの光束を略平行光とするカップリングレンズと；
   前記カップリングレンズを介した光束を偏向する偏向手段と；
   前記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、
   前記カップリングレンズは、温度変化に応じてそれぞれのパワーが変化する屈折面と回折面とを有し、前記屈折面と回折面のパワー変化、及び温度変化に起因する前記面発光型半導体レーザからの光束の波長変化によって、温度変化による前記被走査面上での主走査方向及び副走査方向のビームウエスト位置変化を抑制し、
   単位波長あたりの前記屈折面のパワー変化は、単位波長あたりの前記回折面のパワー変化よりも小さい光走査装置。
2. 前記カップリングレンズの回折面は、回折効果を有する第１の面と屈折効果を有する第２の面とが合成された面であり、
   前記第１の面のパワーと前記第２の面のパワーは互いに相殺されることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記カップリングレンズの回折面の形状は、マルチステップ状であることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記カップリングレンズの回折面には、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の少なくとも一方の方向に平行な溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 前記面発光型半導体レーザは、複数の発光部を有す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. 前記面発光型半導体レーザと前記偏向手段との間の光路上に、それぞれ開口部を有し、不要な光束を遮光する複数の開口部材が更に配置されてい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. 前記複数の開口部材は、前記被走査面上でのビーム径を規定するアパーチャを含み、
   前記複数の開口部材における各開口部の主走査方向に対応する方向の幅及び副走査方向に対応する方向の幅は、前記アパーチャにおける開口部が最も大きいことを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
8. 前記カップリングレンズは、樹脂製のレンズであ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。