JP2005326466A - 光走査装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 共振駆動される光偏向器においては、走査角が正弦的に走査されるため、被走査面上で等速度に変換するのが難しい。
【解決手段】 光路偏向素子が、正の曲率の反射面と、正の曲率の反射面を有する光走査装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光走査装置に関するものである。より詳しくは、電子写真方式のレーザープリンターや複写機に好適な光走査装置に関するものである。

従来、ミラーが共振駆動される光偏向器が色々と提案されている。共振型光偏向器は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、光偏向器を大幅に小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、面倒れが理論的に存在しないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること等の特徴がある（特許文献１）。

一方、共振型偏向器においては、原理的にミラーの走査角が正弦的に変化するため、角速度が一定でないという問題点がある。この特性を補正するために、いくつかの手法が提案されている。

例えば、特許文献２ないし５においては、結像光学系（結像レンズ）としてａｒｃｓｉｎレンズを用いることで、被走査面上で等速走査を実現している。
また、特許文献６においては、２枚の偏向反射面を互いに異なる振動周期の正弦振動で駆動することで、正弦波を合成し走査範囲内で略等角速度駆動を実現している。

また、特許文献７においては、基本周波数とその３倍の周波数の振動モードを有する共振型偏向器を用いることで、略三角波駆動を実現している。
特開昭５７−８５２０号公報 特開平９−２３０２７６号公報 特開平９−２３０２７７号公報 特開平９−２３０２７８号公報 特開平９−２３０２７９号公報 特開２００３−２７９８７９号公報 米国特許４，８５９，８４６号公報

共振駆動される光偏向器においては、走査角が正弦的に走査されるため、被走査面上で等速度に変換するのが難しいという問題点があった。

また、共振駆動される光偏向器においては、光が往路と復路で同じ速度で走査されるため、片方向走査を行なう際に帰線区間の時間が長いという問題点があった。

また、共振駆動される光偏向器においては、鏡を利用して偏向を行なうため、偏向角に制限があるという問題点があった。

上記問題点を解決するための本発明は、共振駆動される光偏向器を使用して、等角速度走査を実現し、帰線時間を短縮し、大きな偏向角を得るものである。

上記問題点を解決するための本発明は、
２つの軸回りに光を偏向可能な光偏向手段と、光路偏向素子を有する光走査装置において、前記光路偏向素子が、正の曲率の反射面と、負の曲率の反射面を有することを特徴とする光走査装置である。

また、前記正の曲率の反射面が略円錐面の外周面であり、前記負の曲率の反射面が略円錐面の内周面であることを特徴とする光走査装置である。

また、前記２つの軸回りに光を偏向可能な光偏向手段が、共振型光偏向器であることを特徴とする光走査装置である。

また、上記の光走査装置において、結像光学系を有することを特徴とする光走査装置である。

また、光源および上記の光走査装置を有することを特徴とする画像形成装置である。

また、光源および受光素子および上記の光走査装置を有することを特徴とするレーザレーダである。

本発明によれば、小型で安価で信頼性の高い共振型の光偏向器を電子写真装置やレーザレーダに適用することができる。それにより、小型で安価で信頼性の高いレーザービームプリンタや複写機やレーザレーダを提供することが可能になる。

以下、実施例を使用して本発明の作用と効果について説明を行なう。

図１は、実施例１を説明するための図である。図１（ａ）は、本発明の光走査装置を電子写真式の画像形成装置に適用した際の上面図、図１（ｂ）は、側面図である。１００１は２軸方向に偏向可能な２軸光偏向器、１００２は、レーザダイオード等の光源、１０１１は円錐形状の内周面に反射処理が施された第１の光路偏向素子、１０１２は円錐形状の外周面に反射処理が施された第２の光路偏向素子、１０２１、１０２２は結像光学系であり、１０３０は画像形成装置の感光ドラムである。

光源１００２から出射したレーザ光１０９０は、２軸光偏向器１００１で偏向される。２軸光偏向器１００１は、直交する２つの軸回りに、同じ周波数でかつ位相が９０度ずれた共振駆動を行なっている。これによりレーザ光１０９０は、第１の光路偏向素子１０１１上の軌跡１０９１および第２の光路偏向素子１０１２上の軌跡１０９２に沿って円状に走査される。レーザ光１０９０は、第１の光路偏向素子１０１１で反射された時には結像光学系１０２１で感光ドラム１０３０上に集光され、第２の光路偏向素子１０１２で反射された時には結像光学系１０２２で感光ドラム１０３０上に集光される。

図２は、２軸光偏向器１００１を詳細に説明するための図である。光学反射面１１０１は、支柱１１０２で支持バネ１１０３に連結されている。また、支持バネ１１０３には永久磁石１１０４が結合されている。永久磁石１１０４に対抗する位置には磁界発生ユニット１１１０が配置されており、支持バネ１１０３と磁界発生ユニット１１１０は筐体１１２０に固定されている。磁界発生ユニット１１１０は、２個の鉄心１１１１、１１１２および、４つのコイル１１１３〜１１１６（１１１６は図２においては不図示）からなっている。

図３は、支持バネ１１０３の上面図である。支持バネ１１０３は、板状の部材から作成されており、ねじり軸１１５１、１１５２の回りに等しいねじり剛性を持つように作成されている。

図４は、磁界発生ユニット１１１０を説明するための図である。２つのＵ字形状の鉄心１１１１、１１１２は直交するように組み合わされ、鉄心１１１１、１１１２のそれぞれには、コイル１１１３、１１１５および１１１４、１１１６が周回されている。

図５は、２軸光偏向器１００１の動作を説明するための図である。２軸光偏向器１００１はコイル１１１３〜１１１６に電流を流すことで光の偏向を行なう。図５（ａ）に示すように鉄心１１１２の図中右側がＮに左側がＳになるようにコイル１１１４と１１１６に電流を流すと永久磁石１１０４にトルクが図中で左回りに作用して光反射面１１０１が図中で左向きに傾く。また、図５（ｂ）に示すように電流の向きを逆にすると、光反射面１１０１が右向きに傾く。まったく同様にしてコイル１１１３、１１１５に電流を流すことで、光反射面１１０１を直行する方向に傾けることができる。また、それぞれの軸回りの共振周波数付近で駆動を行なうことで消費電力を大幅に小さくすることができる。

また、本発明の光走査装置において使用可能な２軸光偏向器は、他の形式でもかまわないことは、言うまでもない。

さて、この光偏向器の光反射面１１０１を、直交する２軸の回りに９０度位相を変えて正弦波駆動すると、光反射面１１０１で反射されたレーザ光１０９０は、円状に走査される。図６（ａ）において、θは２軸光偏向器１００１から出射する光の角度を示している。−９０度＜θ＜９０度の範囲において、レーザ光１０９０は第１の光路偏向素子１０１１に入射し、軌跡１０９１に沿って移動する。そしてレーザ光１０９０は、第１の光路偏向素子１０１１で向きを変えられる。光路偏向素子１０１１は、正の曲率の反射面を有している。そして、レーザ光１０９０は、結像光学系１０２１で感光ドラム１０３０上に結像される。結像光学系１０２１にｆθ特性をもたせておくと、感光ドラム１０３０上に結像されたスポット光は等速運動をすることになる。また、９０度＜θ＜２７０度の範囲において、レーザ光１０９０は第２の光路偏向素子１０１２に入射し、軌跡１０９２に沿って移動する。そしてレーザ光１０９０は、第２の光路偏向素子１０１２で向きを変えられる。光路偏向素子１０１２は、負の曲率の反射面を有している。そして、レーザ光１０９０は、結像光学系１０２２で感光ドラム１０３０上に結像される。結像光学系１０２１と同様に結像光学系１０２２にｆθ特性をもたせておくと、感光ドラム１０３０上に結像されたスポット光は等速運動をすることになる。

感光ドラム１０３０上のスポット位置をｙで表したときのθとの関係を図７に図示する。図７に示すように、本発明の光走査装置においては、θが等速で変化すれば、ｙも等速で変化する。ゆえに、本発明によれば、共振型の光偏向器を使用して等速走査を行なうことができる。また、帰線時間を大幅に短くできるので、片道走査に好適である。

図８は、実施例２を説明するための図である。図８（ａ）は、本発明の光走査装置をレーザレーダに適用した際の上面図、図８（ｂ）は、側面図である。２００１は２軸方向に偏向可能な２軸光偏向器、２００２はレーザダイオード等の光源、２００３はハーフミラー、２００４は受光素子、２０１１は円錐形状の内周面に反射処理が施された第１の光路偏向素子、２０１２は円錐形状の外周面に反射処理が施された第２の光路偏向素子である。２００１は、実施例１の１００１と同様のものである。

光源２００２から出射したレーザ光２０９０は、２軸光偏向器２００１で偏向される。２軸光偏向器２００１は、直交する２つの軸回りに、同じ周波数でかつ位相が９０度ずれた共振駆動を行なっている。これによりレーザ光２０９０は、第１の光路偏向素子２０１１上の軌跡２０９１および第２の光路偏向素子２０１２上の軌跡２０９２に沿って円状に走査される。レーザ光２０９０は、第１の光路偏向素子２０１１または第２の光路偏向素子２０１２で反射され外部に出射される。被検出物体２１００に当たったレーザ光は、同じ光路を通って帰ってきた後、ハーフミラー２００３で光路を曲げられ、受光素子２００４で検出される。このときの往復の時間を測定することで、被検出物体２１００までの距離を検出することができる。本実施例のレーザレーダの走査角度は２０９３で示される。本実施例においては、走査角度２０９３は１８０度であり、帰線時間は０である。

以上説明したように、本発明によれば、安価で信頼性の高い共振型光偏向器を使用して、走査角度の大きなレーザレーダを提供することができる。

図９は、実施例３の光走査装置を説明するための図である。３００１〜３０９２は、実施例１における１００１〜１０９２に対応している。本実施例と実施例１は、ほぼ同様の動作をするが、差異は、第１の光路偏向素子３０１１と第２の光路偏向素子３０１２が上面図で見たときに楕円形状をしており、２軸光偏向器３００１が円走査ではなく、楕円走査を行なうことにある。このような構成にすることで、実施例１に比べてコンパクトな光走査装置とすることができる。また、楕円走査の短径方向は偏向角が少なくて済むため、２軸光偏向器３００１は、実施例１と比べて消費電力を少なくすることができる。

実施例１の電子写真装置を説明する図である。 実施例１に使用する光偏向素子を説明する図である。 図２の光偏向器に使用する支持バネを説明する図である。 図２の光偏向器に使用する磁界発生ユニットを説明する図である。 図２の光偏向器の動作を説明する図である。 本発明の実施例１の動作を説明する図である。 実施例１のレーザスポットの動きを説明するグラフである。 実施例２のレーザレーダを説明する図である。 実施例３の光走査装置を説明するための図である。

符号の説明

１００１、２００１ ２軸光偏向器
１００２、２００２ 光源
１０１１、２０１１ 第１の光路偏向素子
１０１２、２０１２ 第２の光路偏向素子
１０２１、１０２２ 結像光学系
１０３０ 感光ドラム
１０９０、２０９０ レーザ光
１０９１、１０９２、２０９１ 軌跡
１１０１ 光学反射面
１１０２ 支柱
１１０３ 支持バネ
１１０４ 永久磁石
１１１０ 磁界発生ユニット
１１２０ 筐体
１１１１、１１１２ 鉄心
１１１３〜１１１６ コイル
１１５１、１１５２ ねじり軸
２００３ ハーフミラー
２００４ 受光素子
２０９３ 走査角度
２１００ 被検出物体

Claims (6)

1. ２つの軸回りに光を偏向可能な光偏向手段と、光路偏向素子を有する光走査装置において、前記光路偏向素子が、正の曲率の反射面と、負の曲率の反射面を有することを特徴とする光走査装置。
2. 前記正の曲率の反射面が略円錐面の外周面であり、前記負の曲率の反射面が略円錐面の内周面であ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２つの軸回りに光を偏向可能な光偏向手段が、共振型光偏向器であることを特徴とする請求項１乃至２に記載の光走査装置。
4. 請求項１乃至３に記載の光走査装置において、結像光学系を有することを特徴とする光走査装置。
5. 光源および請求項１乃至４の光走査装置を有することを特徴とする画像形成装置。
6. 光源および受光素子および請求項１乃至４の光走査装置を有することを特徴とするレーザレーダ。

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