JP5098566B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置に関し、より特定的には、感光体を備えた画像形成装置に搭載される光走査装置に関する。

従来の光走査装置では、感光体ドラムへの静電潜像の書き込み開始位置を揃えるために、ＳＯＳ（Ｓｔａｒｔ Ｏｆ Ｓｃａｎ）信号が生成されている。このＳＯＳ信号を生成するために、従来の光走査装置では、ポリゴンミラーで偏向された光のうち、走査レンズに入射する直前の光をミラーで反射した後、レンズにて受光素子に集光していた（例えば、特許文献１参照）。これにより、光を受光した受光素子がパルス波を出力するようになり、該光走査装置内における同期が取られる。その結果、書き出し位置が揃った静電潜像が感光体ドラム上に形成されるようになる。

しかしながら、前記光走査装置では、受光素子へ光を導くためのミラーや、受光素子へ光を集光するためのレンズが必要となり、これらの設置スペースが必要であった。その結果、光走査装置の大型化を招来していた。
特開２００３−１５６７０１号公報

そこで、本発明の目的は、小型化が可能な光走査装置を提供することである。

本発明は、感光体に光を走査する光走査装置において、光源と、液体を含むと共に、前記光源が出射した光を集光する光学素子と、前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、前記偏向手段が偏向した光を受光して、同期信号を生成する受光素子と、前記光学素子に電圧を印加することによって、前記液体との界面の形状をエレクトロウエッティング現象により変形させて、該光学素子の焦点距離を制御する制御手段であって、前記感光体に光を走査している期間において第１の電圧を該光学素子に印加して該光学素子の焦点距離を第１の焦点距離に制御し、受光した光に基づいて前記受光素子が前記同期信号を生成する時期において該光学素子に該第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加して該光学素子の焦点距離を第１の焦点距離よりも短い第２の焦点距離に制御する制御手段と、を備えており、前記感光体に光を走査している期間よりも早くに、前記偏向手段で偏向された光が前記感光体を走査する際に該感光体上に集光する電圧を前記光学素子に印加すること、を特徴とする。

本発明において、前記制御手段は、前記所定の期間内には、前記偏向手段で偏向された光が前記感光体に集光するように前記光学素子の焦点距離を制御し、前記所定の時期には、該偏向手段で偏向された光が前記受光素子に集光するように該光学素子の焦点距離を制御してもよい。

（光走査装置の構成について）
以下に、本発明の一実施形態に係る光走査装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、該光走査装置１０の上視図である。なお、図１において、ｙ軸は、主走査方向を示し、ｚ軸は副走査方向を示す。また、ｚ軸は、鉛直方向とも一致する。

光走査装置１０は、図１に示すように、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、受光素子２８、筐体２９及び制御部３０を備える。

レーザダイオード１２は、光を出射する光源としての役割を果たす。レーザダイオード１２から出射された光は、拡散光である。そこで、液体レンズ１４は、レーザダイオード１２から出射された光を集光するコリメータレンズとしての役割を果たし、光の焦点距離を変化させる機能を有する。なお、液体レンズ１４の詳細については後述する。

シリンドリカルレンズ１８は、液体レンズ１４を通過した光を、ポリゴンミラー２０のミラー面近傍においてｚ軸方向に集光する。ポリゴンミラー２０は、図示しないモーターにより矢印の方向に回転され、シリンドリカルレンズ１８を通過してきた光をｙ軸方向に等角速度に偏向する偏向手段としての役割を果たす。走査レンズ２２，２４は、ポリゴンミラー２０により偏向された光をｙ軸方向に等速走査して、該光を感光体ドラム３２上に結像させる。感光体ドラム３２は、所定速度で回転駆動される。これにより、光による主走査と感光体ドラム３２の回転による副走査によって２次元の静電潜像が形成される。

また、受光素子２８は、例えば、フォトダイオードにより構成され、ポリゴンミラー２０により偏向された光の内、走査レンズ２２，２４を通過していない光（走査レンズ２２，２４を通過する直前の光）を受光する。更に、受光素子２８は、受光した光量に応じて変動する電圧からなるＳＯＳ（Ｓｔａｒｔ Ｏｆ Ｓｃａｎ）信号を生成する。ＳＯＳ信号は、感光体ドラム３２への光の走査開始位置を決定するために光走査装置１０内で生成される信号である。

筐体２９は、図１に示すように、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４及び受光素子２８を収納する。

制御部３０は、例えば、ＣＰＵにより構成され、レーザダイオード１２に駆動信号を印加して、該レーザダイオード１２が出射する光の強度を制御する制御手段として機能する。更に、制御部３０は、液体レンズ１４に対して制御電圧を印加して、該液体レンズ１４の焦点距離を制御する制御手段として機能する。具体的には、制御部３０は、感光体ドラム３２に光を走査している走査期間と、受光素子２８がＳＯＳ信号の立ち下がりを出力する所定の時期とにおいて、液体レンズ１４の焦点距離を異ならせる。より詳細には、制御部３０は、走査期間内には、ポリゴンミラー２０で偏向された光が感光体ドラム３２の周面に集光するように液体レンズ１４の焦点距離を制御し、前記所定の時期には、ポリゴンミラー２０で偏向された光が受光素子２８の受光面に集光するように液体レンズ１４の焦点距離を制御する。感光体ドラム３２及び受光素子２８の両方に集光された光が照射されるようになる。

次に、図２及び図３を参照しながら、液体レンズ１４の構成について説明する。図２は、液体レンズ１４の光軸を含む面における断面構造図である。なお、図２（ａ）は、制御電圧を印加した状態における液体レンズ１４の断面構造図であり、図２（ｂ）は、制御電圧を印加していない状態における液体レンズ１４の断面構造図である。図３は、図２の液体レンズ１４のＣの部分の拡大図である。

図２に示すように、液体レンズ１４は、導電性液体４０、絶縁性液体４２、透明板４４，４６、第１の電極４８、絶縁膜５０及び第２の電極５２を含む。該液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状を、エレクトロウエッティング現象により変形させることによって、焦点距離を変化させることができるものである。具体的には、制御電圧が印加されると、界面Ｓは、図２（ｂ）に示す状態から、図２（ａ）に示す状態へと変化する。

透明板４４，４６は、透明な樹脂又はガラスにより構成され、互いに平行に所定の隙間を残して配置される。この隙間には、導電性液体４０と絶縁性液体４２とが封入される。

導電性液体４０は、無機塩の水溶液や、有機液体など、それ自身が導電性を有するもの、或いはイオン性成分を付加することによって導電性とされた液体である。絶縁性液体４２は、導電性液体４０とは異なる屈折率を有し、シリコーンオイルやパラフィンオイルなどのような導電性液体４０と混合しない液体である。そのため、導電性液体４０と絶縁性液体４２とは、互いに分離した状態となっており、界面Ｓを形成している。これにより、導電性液体４０と絶縁性液体４２とはレンズを構成している。なお、導電性液体４０の屈折率の方が、絶縁性液体４２の屈折率よりも小さいことが好ましい。

第１の電極４８は、導電性液体４０と接触するように、透明板４４上に設けられる。第２の電極５２は、透明板４６と第１の電極４８との間に設けられる。絶縁膜５０は、第２の電極５２を覆うように形成される。具体的には、絶縁膜５０は、第１の電極４８と第２の電極５２との間に形成されて該第１の電極４８と第２の電極５２とを絶縁すると共に、第２の電極５２の内周面に形成されて第２の電極５２と導電性液体４０及び絶縁性液体４２とが接触しないようにしている。第１の電極４８と第２の電極５２との間には、液体レンズ１４の駆動時において、制御電圧が印加される。

以上のように構成された液体レンズ１４について、以下に、その動作原理について図３を参照しながら説明する。図３は、図２の液体レンズ１４のＣの部分の拡大図である。図３（ａ）は、制御電圧が印加されていない状態での液体レンズ１４（図２（ｂ）に対応）のＣの部分の拡大図であり、図３（ｂ）は、制御電圧が印加された状態での液体レンズ１４（図２（ａ）に対応）のＣの部分の拡大図である。

まず、導電性液体４０と絶縁性液体４２との間の界面張力を界面張力γ１２とし、絶縁膜５０と導電性液体４０との間の界面張力を界面張力γ３１とし、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間の界面張力を界面張力γ２３と定義する。図３（ａ）に示すように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に制御電圧が印加されていない場合には、界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１とは、互いに釣り合っており、界面Ｓと絶縁膜５０とが角θ１の角度をなしている。このとき、角θ１と界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１との間には、ヤングの方程式により、式（１）の関係が成立する。

ここで、第１の電極４８と第２の電極５２とに制御電圧を印加すると、例えば、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜５０と導電性液体４０との境界には、プラスの電荷が現れる。一方、絶縁膜５０と第２の電極５２との境界には、マイナスの電荷が現れる。これにより、電荷による圧力Πが、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間に、界面張力γ２３と同じ方向に発生する。この圧力Πは、式（２）のように示される。

なお、εは絶縁膜５０の誘電率であり、ε０は真空の誘電率であり、ｅは絶縁膜５０の厚さであり、Ｖは第１の電極４８と第２の電極５２との間の制御電圧である。

圧力Πが発生することにより、界面Ｓと絶縁膜５０とは、角θ１よりも大きな角θ２の角度をなすようになる。このとき、液体レンズ１４の界面Ｓは、図２（ａ）に示すように、湾曲する。この角θ２は、式（３）のように示される。

以上のように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に印加する制御電圧を変化させることにより、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することがわかる。そして、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することにより、制御電圧が印加された状態では、図２（ａ）に示すように、界面Ｓが湾曲して、焦点距離が相対的に短くなる。また、制御電圧が印加されていない状態では、図２（ｂ）に示すように、界面Ｓが平坦状になり、焦点距離が相対的に長くなる。図１に示す制御部３０は、この制御電圧の大きさを制御して、液体レンズ１４の焦点距離を制御する。

（光走査装置の動作について）
以下に、光走査装置１０の動作について図面を参照しながら説明する。図４（ａ）は、レーザダイオード１２の駆動信号の波形図である。図４（ｂ）は、ＳＯＳ信号の波形図である。図４（ｃ）は、液体レンズ１４に印加される制御電圧の波形図である。

図４（ａ）に示す駆動信号は、相対的に高電圧であるＯＮ電圧と相対的に低電圧であるＯＦＦ電圧との２種類の状態を有する。ただし、レーザダイオード１２が出射する光の強度を多段階で変化させる場合には、駆動信号は、０Ｖを含む該多段階の数に対応する数の電圧値をとりうる。図４（ｂ）に示すＳＯＳ信号は、相対的に高電圧である電圧ＶＨと相対的に低電圧である電圧ＶＬとの２種類の状態を有する。図４（ｃ）に示す制御電圧は、互いに異なる電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２の３種類の状態を有する。以下に、感光体ドラム３２に光が走査されて静電潜像が形成される際に、光走査装置１０が行う動作について説明する。

静電潜像の形成が開始されると、制御部３０は、ＳＯＳ信号に同期して、ＯＮ電圧の駆動信号をレーザダイオード１２に対して出力すると共に、電圧Ｖ２の制御電圧を液体レンズ１４に印加する（時刻ｔ１）。更に、制御部３０は、図示しないモーターを駆動することにより、ポリゴンミラー２０を回転させる。これにより、図１の点線の位置から時計回りに光の走査が開始されると共に、液体レンズ１４の焦点距離が、光が受光素子２８の受光面に集光される距離に制御される。

受光素子２８は、走査されてきた光の受光に基づいて、電圧ＶＨであるＳＯＳ信号を電圧ＶＬに立ち下げて制御部３０に出力する（時刻ｔ２）。制御部３０は、このＳＯＳ信号の立ち下がりを同期信号として、内部クロックのカウントを開始して、感光体ドラム３２への光の走査開始位置を決定する。そのため、ＳＯＳ信号の立ち下がりを生成する時期（時刻ｔ２）においては、受光素子２８は、良好な状態で光を受光する必要がある。そこで、制御部３０は、少なくとも、ＳＯＳ信号の立ち下がりを生成するための時期において、電圧Ｖ２の制御電圧を液体レンズ１４に出力する。これにより、ポリゴンミラー２０により偏向された光は、受光素子２８に集光されるようになる。

ＳＯＳ信号の立ち下がりを検出した制御部３０は、電圧Ｖ２である制御電圧を電圧Ｖ０に立ち下げる（時刻ｔ３）。これにより、液体レンズ１４の焦点距離は、変化する。

光の走査が進行し、受光素子２８に光が入射しなくなると、該受光素子２８は、ＯＮ電圧である駆動信号をＯＦＦ電圧に立ち下げると共に、電圧ＶＬであるＳＯＳ信号を電圧ＶＨに立ち上げて制御部３０に出力する（時刻ｔ４）。

ＳＯＳ信号の立ち下がりを検出して（時刻ｔ２）から所定数の内部クロックのカウントを終了したら、制御部３０は、レーザダイオード１２に光を出射させた場合に、感光体ドラム３２における光の走査開始位置に光が照射されていると判断し、画像データに応じてＯＮ電圧とＯＦＦ電圧とを切り替えて駆動信号をレーザダイオード１２に出力すると共に、電圧Ｖ０の制御電圧を電圧Ｖ１に立ち上げる（時刻ｔ５）。これにより、レーザダイオード１２は、光の出射を開始し、液体レンズ１４の焦点距離が、光が感光体ドラム３２の周面に集光される距離に制御される。

この後、感光体ドラム３２の周面上を図１のｙ軸方向に光が走査される。制御部３０は、光が走査されている走査期間中（時刻ｔ５〜時刻ｔ６）には、電圧Ｖ１の制御電圧を液体レンズ１４に出力し続ける。

最後に、制御部３０は、内部クロックをカウントすることにより時刻ｔ６に到達したと判断した場合には、感光体ドラム３２に対する光の走査が終了したと判断し、ＯＮ電圧の駆動信号をＯＦＦ電圧に立ち下げてレーザダイオード１２に出力すると共に、電圧Ｖ１の制御電圧を電圧Ｖ０に立ち下げる（時刻ｔ６）。これにより、レーザダイオード１２は光の出射を停止し、液体レンズ１４の焦点距離も変化する。以上で、感光体ドラム３２において、１ライン分の光の走査が終了する。この後、時刻ｔ１〜時刻ｔ６における動作が繰り返されて、感光体ドラム３２に静電潜像が形成される。

（効果について）
光走査装置１０によれば、制御部３０は、受光素子２８が光を受光してＳＯＳ信号を立ち下げる時期（図４の時刻ｔ２）には、光が受光素子２８の受光面に集光するように液体レンズ１４に制御電圧を印加し、感光体ドラム３２に対して光を走査する走査期間には、光が感光体ドラム３２の周面に集光するように液体レンズ１４に制御電圧を印加している。そのため、ミラーやレンズを設けることなく、ＳＯＳ信号を生成する受光素子２８の受光面に光を集光することができる。以下に、詳しく説明する。

レーザダイオードから出射された光は、コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ及び結像レンズによって、感光体ドラムの周面に集光される。更に、ＳＯＳ信号を生成するための受光素子にも感光体ドラムと同様に、光を集光させる必要がある。受光素子に光を集光するための方法としては、以下の２通りの方法が存在する。第１の方法は、ポリゴンミラーと受光素子との間にミラーを配置して、光路の途中を折り曲げる方法である。第２の方法は、ポリゴンミラーと受光素子との間にレンズを配置して、光を受光素子に集光させる方法である。第１の方法では、光路の途中を折り曲げて、レーザダイオードから受光素子までの光路長を、レーザダイオードから感光体ドラムまでの光路長に等しくしている。また、第２の方法では、レーザダイオードから受光素子までの光路長とレーザダイオードから感光体ドラムまでの光路長とが異なる場合に、光の集光位置をレンズにより補正している。これら２通りの方法は、ＳＯＳ光学系において、ポリゴンミラーと受光素子との間に光学素子がない場合にのみ適用されるものではなく、結像レンズや折り返しミラーが間に介在していても適用される。ＳＯＳ光学系とは、ポリゴンミラーと受光素子との間及びポリゴンミラーと感光体ドラムとの間を光学的に共役関係にするために、ポリゴンミラーと受光素子との間に設けられる光学系である。

ここで、第１の方法及び第２の方法のいずれにおいても、ミラー又はレンズを配置するためのスペースが必要となるので、光走査装置が大型化してしまう。更に、ミラー又はレンズが必要となるため、光走査装置の部品点数が増加し、光走査装置の製造コストが高騰してしまう。

そこで、光走査装置１０では、コリメータレンズに液体レンズ１４を用いている。液体レンズ１４は、その焦点距離を変化させることができるので、受光素子２８及び感光体ドラム３２のそれぞれに光を集光させることが可能となる。その結果、光走査装置１０に、ミラーやレンズ等の部品を新たに追加する必要がなくなり、光走査装置１０が大型化することを抑制できると共に、光走査装置１０の製造コストを抑制することができる。

（変形例について）
以下に、光走査装置１０の第１の変形例について図面を参照しながら説明する。図５は、第１の変形例に係る光走査装置１０ａの上視図である。

光走査装置１０では、ポリゴンミラー２０により偏向された光は、走査レンズ２２，２４のいずれも通過することなく受光素子に入射していた。しかしながら、図５に示す光走査装置１０ａのように、ポリゴンミラー２０により偏向された光は、走査レンズ２２を通過した後に、受光素子２８に入射してもよい。この場合、制御部３０は、走査レンズ２２の存在を考慮に入れた上で、受光素子２８に光が集光するように液体レンズ１４の焦点距離を制御する必要がある。

なお、図５では、ポリゴンミラー２０により偏向された光は、走査レンズ２２を通過して受光素子２８に入射するとしたが、走査レンズ２２，２４の両方を通過した後に受光素子２８に入射してもよい。

次に、光走査装置１０の第２の変形例について図面を参照しながら説明する。図６は、第２の変形例に係る光走査装置１０ｂの上視図である。

光走査装置１０では、液体レンズ１４をコリメータレンズとして用いていた。しかしながら、図６に示す光走査装置１０ｂのように、液体レンズ１８’をシリンドリカルレンズとして用いてもよい。この場合、コリメータレンズ１４’として樹脂製又はガラス製のレンズが用いられる。

次に、光走査装置１０の第３の変形例について図面を参照しながら説明する。図７は、第３の変形例に係る光走査装置１０ｃの上視図である。

光走査装置１０では、焦点距離を変化させることができるレンズとして、液体レンズ１４が用いられている。しかしながら、焦点距離を変化させることができるレンズは、これに限らない。図７に示す光走査装置１０ｃでは、樹脂製又はガラス製のコリメータレンズ１４’とシリンドリカルレンズ１８の間に、移動可能な補正レンズ１９が設けられている。制御部３０は、この補正レンズ１９を図示しないモーター等により移動させて、コリメータレンズ１４’の焦点距離を調整して、光が集光する位置を調整する。これによっても、受光素子２８の受光面に光を集光させると共に、感光体ドラム３２の周面に光を集光させることが可能となる。

なお、液体レンズ１４，１８’では、２種類の液体が封入されているが、例えば、１種類の液体が封入されたものであってもよい。また、液体レンズ１４，１８’には、３種類以上の液体が封入されていてもよい。

なお、図４では、液体レンズ１４に電圧Ｖ１の制御電圧を印加するタイミングと、レーザダイオード１２にＯＮ電圧の駆動信号を印加するタイミングとを一致させているが、これらのタイミングは必ずしも一致している必要はない。例えば、液体レンズ１４の駆動の遅延を考慮して、液体レンズ１４に電圧Ｖ１の制御電圧を印加するタイミングを、時刻ｔ５，ｔ６よりも少し早くしてもよい。これにより、液体レンズ１４の駆動に遅延が存在しても、レーザダイオード１２が点灯するときには、液体レンズ１４の焦点距離は、所定の距離に制御される。

なお、制御部３０は、ＳＯＳ信号の立ち上がり部分を検出するようにしてもよい。この場合、制御部３０は、ＳＯＳ信号の立ち上がりを同期信号として、内部クロックのカウントを開始して、感光体ドラム３２への光の走査開始位置を決定する。そのため、ＳＯＳ信号の立ち上がりを生成する時期（図４では、時刻ｔ４）においては、受光素子２８は、良好な状態で光を受光する必要がある。そこで、制御部３０は、少なくとも、ＳＯＳ信号の立ち上がりを生成するための時期において、電圧Ｖ２の制御電圧を液体レンズ１４に出力すればよい。

なお、光走査装置１０では、レーザダイオード１２に印加する駆動信号の電圧を変動させて、レーザダイオード１２を駆動しているが、例えば、レーザダイオード１２に印加する駆動信号の電流を変動させて、レーザダイオード１２を駆動してもよい。

なお、光走査装置１０では、液体レンズ１４の制御電圧は、図４に示すように、時刻ｔ１〜ｔ３では、電圧Ｖ２に制御され、時刻ｔ５〜ｔ６では、電圧Ｖ１に制御されているが、これらの電圧値はこれに限らない。例えば、制御電圧は、時刻ｔ１〜ｔ３では、電圧Ｖ０に制御され、時刻ｔ５〜ｔ６では、電圧Ｖ０と異なる任意の電圧値に制御されていてもよいし、時刻ｔ１〜ｔ３では、任意の電圧値に制御され、時刻ｔ５〜ｔ６では、電圧Ｖ０に制御されてもよい。

光走査装置の上視図である。 図２（ａ）は、制御電圧を印加した状態における液体レンズの断面構造図であり、図２（ｂ）は、制御電圧を印加していない状態における液体レンズの断面構造図である。 図２の液体レンズのＣの部分の拡大図である。 図４（ａ）は、レーザダイオードの駆動信号の波形図である。図４（ｂ）は、ＳＯＳ信号の波形図である。図４（ｃ）は、液体レンズに印加される制御電圧の波形図である。 第１の変形例に係る光走査装置の上視図である。 第２の変形例に係る光走査装置の上視図である。 第３の変形例に係る光走査装置の上視図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光走査装置
１２ レーザダイオード
１４，１８’ 液体レンズ
１４’ コリメータレンズ
１８ シリンドリカルレンズ
１９ 補正レンズ
２０ ポリゴンミラー
２２，２４ 走査レンズ
２８ 受光素子
３０ 制御部
３２ 感光体ドラム
４０ 導電性液体
４２ 絶縁性液体

Claims (2)

1. 感光体に光を走査する光走査装置において、
   光源と、
   液体を含むと共に、前記光源が出射した光を集光する光学素子と、
   前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、
   前記偏向手段が偏向した光を受光して、同期信号を生成する受光素子と、
   前記光学素子に電圧を印加することによって、前記液体との界面の形状をエレクトロウエッティング現象により変形させて、該光学素子の焦点距離を制御する制御手段であって、前記感光体に光を走査している期間において第１の電圧を該光学素子に印加して該光学素子の焦点距離を第１の焦点距離に制御し、受光した光に基づいて前記受光素子が前記同期信号を生成する時期において該光学素子に該第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加して該光学素子の焦点距離を第１の焦点距離よりも短い第２の焦点距離に制御する制御手段と、
   を備えており、
   前記感光体に光を走査している期間よりも早くに、前記偏向手段で偏向された光が前記感光体を走査する際に該感光体上に集光する電圧を前記光学素子に印加すること、
   を特徴とする光走査装置。
2. 前記制御手段は、前記所定の期間内には、前記偏向手段で偏向された光が前記感光体に集光するように前記光学素子の焦点距離を制御し、前記所定の時期には、該偏向手段で偏向された光が前記受光素子に集光するように該光学素子の焦点距離を制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載の光走査装置。

Images