JP2005091671A - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源からの光ビームを偏向素子で偏向するとともに、該偏向光ビームを伝達光学系で偏向素子に導くことで偏向素子により再度偏向されて被走査面に向けて射出する、いわゆる２度入射方式の光走査装置および該装置を装備する画像形成装置において、光ビームを良好に走査する。
【解決手段】 伝達光学系６７は、その反射面６７３ａを偏向ミラー面６５１に向けて配置された反射ミラー６７３と、反射ミラー６７３と偏向ミラー面６５１との間に配置された２枚の伝達レンズ６７４，６７５とを備えている。この伝達光学系６７では、伝達レンズ６７４，６７５の各々により形成される像面Ｉ4，Ｉ5が中間像位置Ｐ3でほぼ一致するように、伝達レンズ６７４，６７５は配置されている。
【選択図】 図６

Description

この発明は、光源からの光ビームを偏向して走査する光走査装置、特に偏向素子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および該装置を装備する画像形成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、偏向素子の偏向ミラー面で偏向した偏向光ビームを再度上記偏向ミラー面に導き、二度目の偏向した偏向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入射によって、光ビームの走査速度の向上を図っている。

米国特許第３，７７１，８５０号明細書

上記した従来装置では、偏向素子の偏向ミラー面で偏向した光ビームを再度偏向ミラー面に導くために伝達光学系を設けているが、その伝達光学系は２枚の伝達レンズと平面ミラーとで構成されている。すなわち、偏向素子から距離（２ｆ1＋２ｆ2）だけ離間して平面ミラーが配置されている。ここで、符号ｆ1、ｆ2はそれぞれ２枚の伝達レンズ、つまり第１および第２伝達レンズの焦点距離である。また、偏向素子と平面ミラーとの間に、偏向素子から平面ミラー側に距離ｆ1だけ離間して第１伝達レンズが配置されるとともに、その第１伝達レンズからさらに距離（ｆ1＋ｆ2）だけ離間して第２伝達レンズが配置されている。このようなレンズ配置を採用することで、伝達光学系はいわゆるアフォーカル光学系となっている。

ところで、従来装置では伝達レンズとして球面レンズが一般的に使用されている。そのため、球面収差などの収差の影響を排除することができない。このため、伝達光学系の光軸から離れた位置では収差の影響により所望の光線軌跡が得られず、このことが走査性の低減の主要因のひとつとなっている。特に、上記した光走査装置では、偏向素子からの偏向光ビームを伝達光学系により再度偏向素子に戻しているため、伝達光学系の収差の影響を２回受けることとなり、収差の影響は重大である。例えば、収差の影響により伝達光学系により偏向素子に戻される光ビームの主光線が偏向素子の偏向ミラー面の中心から外れると、光ビームの蹴られが発生してしまう。

また、この種の光走査装置では、光源からの光ビームを平行ビームに整形した後、該平行光ビームを偏向素子に入射するとともに、該偏向素子から平行光ビームを被走査面に向けて射出するように構成している。このように光ビームの平行性を確保するため、伝達光学系がアフォーカル光学系となるように構成しているが、収差の影響により偏向素子から射出される光ビームが平行光ビームとならず、集束光ビームや発散光ビームとなってしまうことがあった。そのため、適当なスポットサイズの光ビームを被走査面に照射することができないという問題があった。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光源からの光ビームを偏向素子で偏向するとともに、該偏向光ビームを伝達光学系で偏向素子に導くことで偏向素子により再度偏向されて被走査面に向けて射出する、いわゆる２度入射方式の光走査装置および該装置を装備する画像形成装置において、光ビームを良好に走査することを目的とする。

この発明は、光ビームを射出する光源と、光ビームを反射する偏向ミラー面を所定の主走査偏向軸回りに揺動させることによって光ビームを偏向する偏向素子と、偏向素子により偏向された光ビームを偏向素子に導く伝達光学系とを備え、光源からの光ビームを偏向素子で偏向するとともに、該偏向光ビームを伝達光学系により偏向素子に導くことで偏向素子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大きくする光走査装置であって、上記目的を達成するため、伝達光学系はパワーを有する２つの光学素子を備え、２つの光学素子の各々により形成される像面が中間像位置でほぼ一致するように構成している。

このように構成された発明では、伝達光学系を構成する２つの光学素子の各々により形成される像面が中間像位置でほぼ一致している。このため、伝達光学系の光軸近傍位置はもちろんのこと、光軸から離れた位置についてもアフォーカル特性が確保される。その結果、伝達光学系が偏向素子からの偏向光ビームを偏向素子の偏向ミラー面に確実に戻し、光ビームを安定して良好に走査することができる。また同様の理由により、偏向素子に平行光ビームを入射すると、その偏向素子により種々の角度に偏向されるが、その偏向光ビームは伝達光学系により平行光ビームで該偏向素子の偏向ミラー面に戻される。したがって、いかなる偏向角においても、偏向素子から被走査面に向けて平行光ビームが射出されることとなる。

ここで、伝達光学系としては、例えば２枚の伝達レンズ（光学素子）と反射ミラーとで構成したものを採用することができる。すなわち、２つの伝達レンズの各々により形成される像面が中間像位置でほぼ一致するように、これらの伝達レンズを偏向素子と反射ミラーとの間に配置することができる。また、各像面を中間像位置でほぼ一致させるために、例えば第１および第２伝達レンズのうち一方を球面レンズで構成するとともに、他方を球面レンズにより中間像位置に形成される像面に対応する結像特性を有する非球面レンズで構成することができる。このように、一方の伝達レンズとして従来より汎用され、しかも比較的安価な球面レンズを用いることができる。

また、第１および第２伝達レンズをともに非球面レンズで構成することができる。すなわち、像面がほぼ平面となる非球面レンズにより第１および第２伝達レンズを構成し、それらの像面が中間像位置でほぼ一致するように第１および第２伝達レンズを配置すればよい。ここで、第１および第２伝達レンズの構成は任意であるが、例えば同一構成の非球面レンズを用いることができる。この場合、中間像位置に対して互いに対称配置すればよく、これによりレンズ設計を比較的簡単なものとすることができるとともに、非球面レンズのコストを低減することができる。

また、反射ミラーを主走査偏向軸とほぼ平行な軸周りに揺動自在に構成し、偏向ミラー面の揺動動作に関連して揺動駆動してもよい。このような構成を採用することで光ビームの偏向角をさらに増大させることができる。

また、伝達光学系としては、上記した２枚の伝達レンズおよび反射ミラーを組み合わせる以外に次のように構成するようにしてもよい。例えば、その反射面を偏向素子に向けて配置された凹面ミラーと、凹面ミラーと偏向素子との間に配置された伝達レンズとを２つの光学素子として備える伝達光学系を構成してもよい。この伝達光学系では、偏向素子からの偏向光ビームを伝達レンズを介して凹面ミラーに導くとともに、凹面ミラーで折り返された光ビームを伝達レンズを介して偏向素子に導くものであり、伝達レンズは凹面ミラーにより中間像位置に形成される像面に対応する結像特性を有するように構成された非球面レンズである。

このように構成された発明では、２枚の伝達レンズおよび反射ミラーを組み合わせた装置に比べて装置構成を簡素化することができる。しかも、少ない光学部品点数で装置を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、伝達レンズの個数を減少させたことで色収差の影響を抑制することができ、さらに優れた安定性で光ビームを走査させることができる。ここで、伝達レンズと凹面ミラーとについては、例えば伝達レンズの焦点と凹面ミラーの球心とがほぼ一致するように配置することができる。

また、偏向素子としては、従来より多用されているポリゴンミラーやガルバノミラーなどを用いることができるが、以下のように構成された偏向素子を用いてもよい。すなわち、この偏向素子は、光ビームを反射する偏向ミラー面を有する可動部材と、可動部材を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自在に支持する支持部材と、可動部材を主走査偏向軸回りに揺動駆動するミラー駆動部とを備え、ミラー駆動部は、主走査偏向軸回りに偏向ミラー面を揺動させて光ビームを主走査方向に走査させるように構成されている。また、可動部材および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部材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素子の可動部材および支持部材を構成すると、可動部材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部材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、ミラー駆動部により偏向ミラー面を揺動駆動するのにあたり、偏向ミラー面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、偏向素子の位置精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。

＜第１実施形態＞
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、４Ｃ、４Ｍ、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４および図５は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。また、図６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２ａ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、偏向素子６５、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、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の偏向ミラー面６５１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。

この偏向素子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、偏向ミラー面６５１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４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の上面中央部には、アルミニューム膜などが偏向ミラー面６５１として成膜されている。

また、シリコン基板６５２の略中央部には、図５に示すように、可動板６５６が第１軸ＡＸ1回りに揺動可能となるように、凹部６５２ａが設けられている。そして、凹部６５２ａの内底面には、可動板６５６の両端部に外方位置に永久磁石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（偏向ミラー面６５１）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として偏向ミラー面６５１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６５１の共振周波数に設定すると、偏向ミラー面６５１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偏向ミラー面６５１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の偏向ミラー面６５１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６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６７３ａを偏向ミラー面６５１に向けて配置された反射ミラー６７３と、反射ミラー６７３と偏向ミラー面６５１との間に配置された２枚の伝達レンズ６７４，６７５とを備えている。そして、図３に示すように偏向素子６５により第１偏向角に偏向された光ビームを伝達レンズ６７４，６７５を介して反射ミラー６７３に導くとともに、反射ミラー６７３で折り返された光ビームを伝達レンズ６７５，６７４を介して偏向素子６５に導く。これによって、光ビームが偏向素子６５で再度反射され、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。

この実施形態では、伝達光学系６７をアフォーカル系とするために、伝達レンズ６７４，６７５をともに同一構成の非球面レンズで構成するとともに、中間像位置Ｐ3を対称中心として対称配置している。より具体的には、偏向素子６５と反射ミラー６７３とを距離（４ｆ）だけ離間して配置している。ここで、符号ｆは各伝達レンズ６７４，６７５の焦点距離である。また、偏向素子６５から反射ミラー６７３側に距離ｆだけ離間して伝達レンズ６７４が配置されるとともに、その伝達レンズ６７４からさらに距離２ｆだけ離間して伝達レンズ６７５が配置されている。しかも、各伝達レンズ６７４，６７５により形成される像面Ｉ4，Ｉ5は光軸ＯＡに対してほぼ直交する平面となっており、中間像位置Ｐ3でほぼ一致している。したがって、伝達光学系６７の光軸ＯＡ近傍位置はもちろんのこと、光軸ＯＡから離れた位置についてもアフォーカル特性が確保される。

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を構成する伝達レンズ６７４、６７５の４面Ｓ1〜Ｓ4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は偏向ミラー面６５１、Ｓ5は反射ミラー面６７３ａ）
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
ｎi：面番号ｉの屈折率
Ｋi、Ａi、Bi：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度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「結像素子」として機能する走査レンズ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）２ａ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が反射ミラー６７３と２枚の非球面レンズ６７４，６７５とで構成されている。そして、この伝達光学系６７では、伝達レンズ６７４，６７５が本発明の「光学素子」に相当しており、これらの伝達レンズ６７４，６７５の各々により形成される像面Ｉ4，Ｉ5が中間像位置Ｐ3でほぼ一致するように伝達レンズ６７４，６７５は設けられている。このため、上記したように伝達光学系６７の光軸ＯＡ近傍位置はもちろんのこと、光軸ＯＡから離れた位置についてもアフォーカル特性が確保される。したがって、偏向素子６５の反射位置Ｐ1で偏向された偏向光ビームは、伝達レンズ６７４，６７５を介して反射ミラー６３７の反射位置P2に導光される。そして、この反射ミラー６７３で反射された光ビームが伝達レンズ６７５，６７４を介して再度反射位置Ｐ1に確実に戻される。その結果、光ビームを安定して良好に走査することができる。

また、第１実施形態では、主走査断面において、偏向素子６５に平行光ビームを入射され、その偏向素子６５により種々の角度に偏向されるが、その偏向光ビームは伝達光学系６７により平行光ビームで偏向素子６５の偏向ミラー面６５１に戻される。したがって、いかなる偏向角においても、偏向素子６５から感光体２の表面（被走査面）に向けて平行光ビームが射出されることとなる。そして、この平行光ビームが走査レンズ６６によって感光体２の表面に結像されて所望のスポット径で走査される。

また、第１実施形態では、２枚の伝達レンズ６７４，６７５を同一構成の非球面レンズで構成し、中間像位置Ｐ3に対して互いに対称配置しているので、レンズ設計を比較的簡単なものとすることができるとともに、伝達レンズ６７４，６７５のコストを低減することができる。したがって、露光ユニット（光走査装置）６や画像形成装置のコスト低減にとって有利となっている。

＜第２実施形態＞
図７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、偏向ミラー面６５１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１実施形態と同様である。この実施形態では、この偏向素子６５では、同図に示すように、シリコン基板６５２の一部を加工することで可動板６５６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の上面中央部には、アルミニューム膜などが偏向ミラー面６５１として成膜されている。

また、シリコン基板６５２の凹部６５２ａの内底面のうち可動板６５６の両端部に対向する位置に電極６５８ａ、６５８ｂがそれぞれ固着されている。これら２つの電極６５８ａ、６５８ｂは可動板６５６を第１軸ＡＸ1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６５８ａ、６５８ｂ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偏向ミラー面６５１との間に静電吸着力が作用して偏向ミラー面６５１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６５８ａ、６５８ｂに交互に印加すると、ねじりバネ６５７を第１軸ＡＸ1として偏向ミラー面６５１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６５１の共振周波数に設定すると、偏向ミラー面６５１の振れ幅は大きくなり、電極６５８ａ、６５８ｂに近接する位置まで偏向ミラー面６５１の端部を変位させることができる。また、偏向ミラー面６５１の端部が共振で電極６５８ａ、６５８ｂと近接位置に達することで、電極６５８ａ、６５８ｂも偏向ミラー面６５１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。

なお、本発明では、偏向ミラー面６５１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、偏向ミラー面６５１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偏向ミラー面６５１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６５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からである。また、偏向ミラー面６５１を揺動駆動するのにあたり、偏向ミラー面６５１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偏向ミラー面６５１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。

また、上記第１および第２実施形態では、光ビームを反射して該光ビームを偏向する偏向素子として、マイクロマシニング技術を用いて加工された偏向素子６５を用いているが、従来より多用されているガルバノミラーなどの偏向素子を用いてもよい。

＜第３実施形態＞
図８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実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、反射ミラー６７３が偏向素子６５の主走査偏向軸（第１軸）ＡＸ1とほぼ平行な軸周りに揺動自在となっており、露光制御部１０２の駆動部（図示省略）により偏向ミラー面６５１の揺動動作に関連して揺動駆動される点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。ここで、反射ミラー６７３としては、偏向素子６５やガルバノミラーなどの偏向器と同一構成のものを採用することができる。このような構成を採用することで光ビームの偏向角をさらに増大させることができる。

＜第４実施形態＞
図９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。この第４実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、本発明の「２つの光学素子」として、一方の伝達レンズ６７５を球面レンズで構成するとともに、他方の伝達レンズ６７４を非球面レンズで構成している。すなわち、この実施形態では伝達レンズ６７５により中間像位置Ｐ3に形成される像面Ｉ5は同図の破線で示すように湾曲している。そこで、伝達レンズ（非球面レンズ）６７４は像面Ｉ5に対応する結像特性を有するように構成している。これにより、中間像位置Ｐ3で伝達レンズ６７４，６７５により形成される像面Ｉ4，Ｉ5はほぼ一致することとなり、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、同図中においては、像面Ｉ4（１点鎖線）と像面Ｉ5（破線）とが互いに離間しているが、これは説明の便宜であり、本実施形態では両像面Ｉ4，Ｉ5は中間像位置Ｐ3で一致している。

また、この実施形態によれば、一方の伝達レンズ６７５として従来より汎用され、しかも比較的安価な球面レンズを用いているので、装置コストの低減を図ることができる。なお、伝達レンズ６７４を球面レンズで構成する一方、伝達レンズ６７５については、伝達レンズ（球面レンズ）６７４により中間像位置Ｐ3に形成される像面Ｉ4に対応する結像特性を有する非球面レンズで構成してもよい。このように２つの伝達レンズのうちの少なくとも一方を非球面レンズで構成することができる点については、先の第２および第３実施形態についても全く同様である。

＜第５実施形態＞
図１０は本発明にかかる光走査装置の第５実施形態を示す図である。また、図１１は図１０の露光ユニット（光走査装置）の構成を示す主走査断面図である。さらに、図１２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。この第５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６７の構成である。そこで、以下においては、同一構成については同一符号を付して説明を省略する一方、相違点については図面を参照しつつ詳述する。

この第５実施形態では、伝達光学系６７は、その反射面６７１ａを偏向ミラー面６５１に向けて配置された凹面ミラー６７１と、凹面ミラー６７１と偏向ミラー面６５１との間に配置された伝達レンズ６７２とを備えている。そして、図１０や図１１に示すように、偏向素子６５により第１偏向角に偏向された光ビームを伝達レンズ６７２を介して凹面ミラー６７１に導くとともに、凹面ミラー６７１で折り返された光ビームを伝達レンズ６７２を介して偏向素子６５に導く。これによって、光ビームが偏向素子６５で再度反射され、第１偏向角よりも大きな第２偏向角で光ビームが感光体２の表面（被走査面）２ａに向けて射出される。

この実施形態では、伝達光学系６７をアフォーカル系とするために、本発明の「２つの光学素子」のうちの一方は凹面ミラー６７１で構成されるとともに、他方は伝達レンズ６７２である。この伝達レンズ６７２は非球面レンズで構成されており、凹面ミラー６７１により中間像位置Ｐ3に形成される像面に対応する結像特性を有している。そして、伝達レンズ６７２により形成される像面と、凹面ミラー６７１により形成される像面とが中間像位置Ｐ3でほぼ一致するように凹面ミラー６７１および伝達レンズ６７２が配置されている。したがって、伝達光学系６７の光軸ＯＡ近傍位置はもちろんのこと、光軸ＯＡから離れた位置についてもアフォーカル特性が確保される。したがって、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、偏向素子６５の反射位置Ｐ1で偏向された偏向光ビームは、伝達光学系６７を介して再度反射位置Ｐ1に確実に戻される。その結果、光ビームを安定して良好に走査することができる。また、主走査断面において、偏向素子６５に平行光ビームを入射され、その偏向素子６５により種々の角度に偏向されるが、その偏向光ビームは伝達光学系６７により平行光ビームで偏向素子６５の偏向ミラー面６５１に戻される。したがって、いかなる偏向角においても、偏向素子６５から感光体２の表面（被走査面）２ａに向けて平行光ビームが射出されることとなる。その結果、感光体２の表面２ａに所望サイズのスポットを結像しながら、該スポットを主走査方向Ｘに走査させることができる。

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２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を構成する伝達レンズ６７２の２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は偏向ミラー面６５１、Ｓ3は凹面ミラー面６７１ａ）
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
ｎi：面番号ｉの屈折率
Ｋi、Ａi：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。

なお、第５実施形態によれば、伝達光学系６７が凹面ミラー６７１と伝達レンズ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伝達レンズ６７２を介して凹面ミラー６７１に導くとともに、その凹面ミラー６７１の反射面６７１ａで反射した光ビームを上記伝達レンズ６７２を介して偏向素子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６７を構成するレンズ枚数を削減することができる。つまり、伝達光学系を構成するにあたり２枚の伝達レンズ６７４，６７５を必須としていた第１ないし第４実施形態に比べ、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、伝達レンズの個数を減少させたことで色収差の影響を抑制することができ、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、上記実施形態および設計例では、伝達レンズ６７２の焦点と凹面ミラー６７１の球心とがほぼ一致するように、伝達レンズ６７２と凹面ミラー６７１と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、偏向素子６５での光ビームの反射位置Ｐ1と、凹面ミラー６７１での光ビームの反射位置Ｐ2とがほぼ共役となる。このため、偏向素子６５の特定位置で反射された光ビームは、伝達光学系６７により上記特定位置に導かれ、該特定位置で反射されて結像素子に射出される。つまり、偏向素子６５に対して光ビームが２回入射するが、各光ビームの入射位置は常に特定位置となる。したがって、偏向素子６５での光ビームの反射領域を小型化することが可能となり、偏向素子６５の小型化および装置の小型化を図ることができる。また、偏向素子６５の小型、軽量化により、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。

また、この実施形態では、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。

上記第１ないし第５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。 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。 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。 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。 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。 本発明にかかる光走査装置の第５実施形態を示す図である。 図１０の露光ユニット（光走査装置）の構成を示す主走査断面図である。 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。

符号の説明

２…感光体（潜像担持体）、 ２ａ…表面（被走査面）、 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、 ６７…伝達光学系、 ６５１…偏向ミラー面、 ６５２…シリコン基板、 ６５６…可動板、 ６７１…凹面ミラー（光学素子）、 ６７１ａ…反射面、 ６７２，６７４，６７５…伝達レンズ（光学素子）、 ６７３…反射ミラー、 ６７３ａ…反射ミラー面（反射面）、 Ｉ4，Ｉ5…像面、 Ｌ…光ビーム、 ＯＡ…光軸、 Ｐ3…中間像位置、 Ｘ…主走査方向

Claims (14)

1. 光ビームを射出する光源と、
   光ビームを反射する偏向ミラー面を所定の主走査偏向軸回りに揺動させることによって光ビームを偏向する偏向素子と、
   前記偏向素子により偏向された光ビームを前記偏向素子に導く伝達光学系とを備え、
   前記光源からの光ビームを前記偏向素子で偏向するとともに、該偏向光ビームを前記伝達光学系により前記偏向素子に導くことで前記偏向素子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前記伝達光学系に入射する光ビームの偏向角より大きくする光走査装置において、
   前記伝達光学系はパワーを有する２つの光学素子を備え、前記２つの光学素子の各々により形成される像面が中間像位置でほぼ一致するように構成されていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記伝達光学系は前記偏向素子からの偏向光ビームを前記偏向素子に向けて折り返す反射ミラーをさらに備え、
   しかも前記２つの光学素子として第１および第２伝達レンズが前記偏向素子と前記反射ミラーとの間に配置されている請求項１記載の光走査装置。
3. 前記第１および第２伝達レンズのうち、一方が球面レンズであり、他方が前記球面レンズにより前記中間像位置に形成される像面に対応する結像特性を有するように構成された非球面レンズである請求項２記載の光走査装置。
4. 前記第１および第２伝達レンズの各々は、該伝達レンズにより形成される像面がほぼ平面となるように構成された非球面レンズである請求項２記載の光走査装置。
5. 前記第１および第２伝達レンズはともに同一構成の非球面レンズであり、前記中間像位置に対して互いに対称配置されている請求項４記載の光走査装置。
6. 前記反射ミラーは前記主走査偏向軸とほぼ平行な軸周りに揺動自在となっており、前記偏向ミラー面の揺動動作に関連して揺動駆動される請求項２ないし５のいずれかに記載の光走査装置。
7. 前記伝達光学系は、その反射面を前記偏向素子に向けて配置された凹面ミラーと、前記凹面ミラーと前記偏向素子との間に配置された伝達レンズとを前記２つの光学素子として備え、前記偏向素子からの偏向光ビームを前記伝達レンズを介して前記凹面ミラーに導くとともに、前記凹面ミラーで折り返された光ビームを前記伝達レンズを介して前記偏向素子に導くものであり、
   前記伝達レンズは前記凹面ミラーにより前記中間像位置に形成される像面に対応する結像特性を有するように構成された非球面レンズである請求項１記載の光走査装置。
8. 前記伝達光学系では、前記伝達レンズの焦点と前記凹面ミラーの球心とがほぼ一致するように、前記伝達レンズと前記凹面ミラーとが配置されている請求項７記載の光走査装置。
9. 前記偏向素子は、
   前記偏向ミラー面を有する可動部材と、
   前記可動部材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、
   前記可動部材を前記主走査偏向軸回りに揺動駆動するミラー駆動部とを備え、
   前記ミラー駆動部は、前記主走査偏向軸回りに前記偏向ミラー面を揺動させて光ビームを前記主走査偏向軸とほぼ直交する主走査方向に走査させる請求項１ないし８のいずれかに記載の光走査装置。
10. 前記可動部材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９記載の光走査装置。
11. 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９または１０記載の光走査装置。
12. 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９ないし１１のいずれかに記載の光走査装置。
13. 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９ないし１１のいずれかに記載の光走査装置。
14. 潜像担持体と、
    請求項１ないし１３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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