1.実施形態1
本発明の画像形成装置の一例である電子写真プロセスを用いたカラー画像形成装置について以下に説明する。
実施形態1に係るカラー画像形成装置1000は、図1に示すように、矢印方向に回転する感光体1と、感光体1の表面を帯電させる帯電器2と、感光体1の表面を露光する露光装置3と、トナーを用いて現像する現像装置4と、トナー像の1次転写を行う1次転写装置5と、1次転写装置5によってトナー像が転写される中間転写ベルト6と、中間転写ベルト6のトナー像を用紙に転写する2次転写装置7と、用紙を収納する用紙トレイ8と、用紙を所定方向に搬送する用紙搬送ロール9と、残ったトナーを除去するクリーニング装置11と、画像データに基づいて後述する面発光レーザアレイ12を駆動させるためのデータを生成する画像処理ユニット40とを備えている。
感光体1は、帯電器2によって表面を帯電される。帯電された感光体1の表面は、露光装置3によって画像部あるいは背景部が選択的に露光され、静電潜像が生成される。現像装置4は、トナーを用いて静電潜像を可視像化してトナー像を形成する。そして、感光体1に形成されたトナー像は、一次転写装置5によって中間転写ベルト6上に転写される。
中間転写ベルト6上のトナー像は、2次転写装置7により、用紙トレイ8から用紙搬送ロール9等により搬送されてきた用紙上に転写される。定着装置10は、用紙に転写されたトナー像を溶融定着する。なお、一次転写後に感光体1上に残ったトナーは、クリーニング装置11によって、感光体1表面から回収される。
カラー画像形成装置は、帯電・露光・現像・1次転写を、Y(イエロー),M(マゼンダ),C(シアン),K(黒)の各々について4回繰り返すことによって、フルカラー画像を形成する。このとき、現像装置4は、各サイクル毎に90度回転することによって現像するトナーの色を切り替える。
なお、4色のトナー像は中間転写ベルト6上に重ね合わせられていく。したがって、用紙搬送ロール9は、4色の画像形成が終了するまで、2次転写装置7に用紙を搬送しない。また、2次転写装置7は、中間転写ベルト6と接する場合は、用紙が搬送されるまでの間は中間転写ベルト6に触れない様にリトラクトされる。
露光装置3は、図2に示すように、複数のビームを出射する面発光レーザアレイ12と、複数のビームを主走査方向に走査するポリゴンミラー19とを備えている。
面発光レーザアレイ12は、複数のビームを発生する。図2では簡略化のため2本のビームのみを示している。なお、アレイ化が容易な面発光レーザアレイ12は、数十本のビームを発生することができ、また、ビームの配列も1列に限ることなく、2次元的に配列することも可能である。本実施の形態では、面発光レーザアレイ12は2次元的に配置され、レーザ素子数は2m[個]であるものとする。ここで、面発光レーザアレイ12は、図3に示すように発光素子が2次元的に配列されている。
面発光レーザアレイ12から射出されたビームは、図2に示すように、コリメートレンズ13により略並行光とされる。ハーフミラー14は、ビームの一部を分離してレンズ15を介して光量検出用センサ16に導く。なお、面発光レーザアレイ12は、端面発光レーザとは異なり、共振器の後ろ側からビームを出射することができない。そこで、光量制御用のモニタ信号を得るために、面発光レーザアレイ12から出射されたビームの一部は、分離された後、上記のように光量検出用センサ16に導かれる。
ハーフミラー14を通過したビームは、アパチャー17で整形される。アパチャー17は、複数のビームを均等に整形するため、コリメートレンズ13の焦点位置近傍に配置されるのが望ましい。
アパチャー17によって整形されたビームは、副走査方向にのみパワーを有するシリンダレンズ18によってポリゴンミラー19の反射面近傍で主走査方向に長い線状に結像され、折り返しミラー20によってポリゴンミラー19の方向に反射される。
ポリゴンミラー19は、スキャナーモータ(図示せず。)によって回転し、ビームを主走査方向に偏向反射する。ポリゴンミラー19によって偏向反射されたビームは、主走査方向にのみパワーを有するFθレンズ21,22によって、主走査方向において感光体1上に結像され、かつ感光体1上を略等速で移動するように結像される。Fθレンズ21,22を通過したビームは、副走査方向にのみパワーを有するシリンダミラー24,25によって、感光体1上で結像される。
また、露光装置3は、ポリゴンミラー19の各反射面での走査開始の同期を取る必要があるため、走査開始前のビームを反射するピックアップミラー26と、ピックアップミラー26で反射されたビームを検出する同期用光量検出センサ27とを備えている。
なお、後述する2mチャンネルLDドライバ30は、入力画像データに基づいて面発光レーザアレイ12を駆動させ、図示されないレーザ駆動量制御部によって各レーザの光量を所定量になるように制御している。
画像処理ユニット40は、図4に示すように、mラインの画像データを出力するイメージコントローラ100と、2mラインのビットマップデータを出力するラインバッファ/タイミングコントローラ110と、2mチャンネル分のデータのタイミング調整を行う2mチャンネルタイミング調整回路120と、ページ同期信号PSを発生するM/Cコントローラ130とを備えている。
M/Cコントローラ130は、画像形成開始を示すページ同期信号を発生する。ラインバッファ/タイミングコントローラ110は、ページ同期信号を検出すると、当該ページ同期信号に対応したページ同期信号PSと、露光装置3から供給される同期信号(SOS)に対応するライン同期信号LSと、イメージコントローラ100に供給する。イメージコントローラ100は、ページ同期信号PS及びライン同期信号LSに応答してmライン分の画像データを出力する。
ラインバッファ/タイミングコントローラ110は、mライン分のラインバッファを有し、2mライン分毎のデータを、mライン分ずつシフトしながら出力する。
例えば、N走査目では、ラインバッファの前半のmライン分を(N−1)回目の走査時のデータで更新し、更に、後半のmライン分のデータをイメージコントローラ100から供給されるデータで更新する。(N+1)回目の走査では、ラインバッファの前半のmライン分をN走査目データで更新し、後半のmライン分のデータを(N+1)回目の走査データで更新する。
ラインバッファ/タイミングコントローラ110は、図5に示すように、mラインビットマップインタフェース111と、mラインXピクセルFIFOメモリ112と、第1のmビットデータラッチ113と、第2のmビットデータラッチ114とを備えている。
mラインビットマップインタフェース111は、イメージコントローラ100から画像データが供給されると、mライン分のビットマップデータを、mラインXピクセルFIFOメモリ112及び第2のmビットデータラッチ114に供給する。同時に、mラインXピクセルFIFOメモリ112は、先の主走査時に書き込まれたデータを読み出して、第1のmビットデータラッチ113に供給する。
第1のmビットデータラッチ113及び第2のmビットデータラッチ114は、Pクロックに同期して、各々のデータをラッチして出力する。そして、第1のmビットデータラッチ113及び第2のmビットデータラッチ114から出力されたデータは、合わせられて2mラインデータXピクセルデータとして、2mチャンネルタイミング調整回路120に供給される。
図6に示すように、mラインXピクセルFIFOメモリ112は、画像形成開始のためのページ同期信号PSが供給されるとリセットされ、ページ同期信号PSがアクティブになるとデータ転送を開始する。
イメージコントローラ100は、ライン同期信号LS0のタイミングでライン番号1〜mの画像データを出力して、mラインビットマップインタフェース111に供給する。mラインビットマップインタフェース111は、ライン番号1〜mのビットマップデータを、mラインXピクセルFIFOメモリ112に書き込むと共に、第2のmビットデータラッチ114に供給する。同時に、mラインXピクセルFIFOメモリ112は、mライン分のデータを読み出して、第1のmビットデータラッチ113に供給する。
この第1のmビットデータラッチ113と第2のmビットデータラッチ114の出力を合わせて、2mライン分のビットマップデータとして出力する。
ここで、ライン同期信号LS0のタイミングでは、mラインXピクセルFIFOメモリ112には、データが入っていない。そこで、第2のmビットデータラッチ114は、ライン番号1〜mに対応するデータのみを出力する。
次のライン同期信号LS1のタイミングでは、イメージコントローラ100は、ライン番号(m+1)〜2mの画像データを、mラインビットマップインタフェース111に供給する。mラインビットマップインタフェース111は、ライン番号(m+1)〜2mのビットマップデータを、mラインXピクセルFIFOメモリ112に書き込むと共に、第2のmビットデータラッチ114に供給する。同時に、mラインXピクセルFIFOメモリ112は、ライン番号1〜mのビットマップデータを読み出して、第1のmビットデータラッチ113に供給する。
これによってライン同期信号LS1のタイミングでは、ライン番号1〜2mのビットマップデータがラインバッファ/タイミングコントローラ110から出力される。
以上のような構成により、ラインバッファ/タイミングコントローラ110は、2mライン分のデータの後半部が常に新しい走査線に対応するように制御している。つまり、ラインバッファ/タイミングコントローラ110は、連続する2mライン分のデータ(但し、1走査目はmライン分)を、ライン同期信号LS毎に、mライン分シフトして出力する。具体的には、1主走査期間毎に、ライン番号1〜2mのデータ、ライン番号(m+1)〜3mのデータ、ライン番号(2m+1)〜4mのデータ、…を出力することで、同一データによる重ね書きを実現している。
そして、図4に示す2mチャンネルタイミング調整回路120は、面発光レーザアレイ12の各発光点が副走査方向に1列に並んでいないのを考慮して、各走査線の主走査方向のデータ出力タイミングを調整し、タイミング調整済みのビットマップデータを露光装置3の2mチャンネルLDドライバ30に供給する。
以上のように構成されたカラー画像形成装置は、2次元的に配置されたレーザ素子数2mの面発光レーザアレイ12を用い、感光体1上での走査線間隔qとして、N走査目で2m本のビームの主走査を行って走査線を形成し、副走査方向の移動量をP=m・qとして、次の(N+1)回目の走査で次の2m本のビームの主走査を行う。このとき、N走査目と(N+1)回目の走査で重複して露光される領域は、同一走査線に対して同一データが供給される。
N回目、(N+1)回目、(N+2)回目の走査では、図7に示すように、それぞれ同時に8ラインが形成される。このとき、1回の走査が終了する毎に副走査方向に4ライン(移動量P=4q)分送られ、次の走査が行われる。したがって、走査間で重複して露光された領域は、4ライン周期で発生する。
(N+1)回目の走査では、N走査目に対して1回の走査幅の半分(4ライン分)ずらして露光を行う。以下同様に、(N+2)回目以降の走査でも、前回の走査に対して1回の走査幅の半分ずらして露光を行う。したがって、全体的に各走査線は2回走査(二重露光)される。
さらに、走査間で隣接重複している露光領域は、図8に示すように、N回目と(N+2)回目、(N+1)回目と(N+3)回目、(N+2)回目と(N+4)回目、…の走査で発生する。これらの隣接重複した露光領域は、(N+1)回目、(N+2)回目、(N+3)回目、…の走査の時に、さらに露光されている。そのため全体としては1ライン当たり2回走査(二重露光)を行っているものの、ラインが隣接重複する領域では3回走査を行っている。
ここで、各走査線は2回の露光で形成されるので、1回当たりのビームの光量は半分で済む。(N+1)回目、(N+2)回目走査の重複した露光領域で発生する電荷量も相対的に半分程度に減少する。この結果、画像上の濃度変化を小さくすることができた。更に、各走査間の副走査方向の移動量についても半分になるので、走査間で発生する重複露光領域の発生周期も半分になる。したがって、主搬送方向に沿った画像スジは見えなくなり、高画質の画像が得られる。
しかしながら、カラー画像形成装置1000においても、ポリゴンミラー19を回転させるスキャナモータのジッタやポリゴンミラー19そのものの振動、および画像処理ユニット40に入力される画像信号のタイミングのずれなどによって、感光体1の表面に、主走査方向の画素位置のズレ、即ち露光位置ズレが生じることがある。
本来は、N−1回目とN回目とN+1回目との走査の何れにおいても、主走査方向の走査開始位置は同一のはずであるが、たとえば、N回目とN+1回目との走査において主走査方向の露光位置ズレが生じると、N回目とN+1回目との走査で描かれる画像は、露光位置ズレが生じなかったN−1回目とN回目との走査で描かれる画像よりも濃度が低下する。これが、図9に示すように走査中連続するために、主走査方向に沿ったスジが生じる。
1回目走査と2回目走査、またはN回目走査とN+1回目走査とで主走査方向の露光位置ズレが生じると、図10に示すように露光位置ズレがないときに比較して露光エネルギーのピークである露光量ピークが低くなる。
そして、画像カバレッジ20%の条件で画像を形成したときの露光量ピークと画像濃度との関係を調べると、たとえば図11に示すような関係が得られる。
ここで、濃度差を検知する人間の目の限界値は0.01であり、露光量ピークが100%、即ち主走査方向の露光位置ズレがないときの露光量に対応する画像濃度は0.2である。したがって、画像濃度が0.19(=0.2−0.01)以上あれば、人間の目には画像の濃度さは検知されない。そして、0.19の画像濃度に対応する露光量ピークは主走査方向の露光位置ズレがないときの露光量の80%である。
故に、カラー画像形成装置1000において、露光量ピークの低下が、主走査方向の露光位置ズレがないときの露光量に比較して20%以内になるようにすれば、人間の目に検知されるほどの画像ムラは生じないことが判る。
フルカラートナー画像は、露光装置3および現像装置4において、Y,M、C、Kの各色のトナーによって網目パターン即ちスクリーンを形成し、これを重ねることにより、形成される。そして、主走査方向の露光位置ズレと濃度変化との関係は、スクリーンの形態によっても異なる。
トナー画像の形成に使用されるスクリーンの例を図12において(A)、(B)、(C)に示す。図12において(A)に示すスクリーンは200Cであり、(B)に示すスクリーンは200Rであり、(C)に示すスクリーンは300Cである。ここで、Cはcluster型の、Rはrotation型のスクリーンであることを示す。つまり、200Cは、200linepair per inchのピッチであってcluster型のスクリーンである。図12に示すスクリーンは、何れも画像カバレッジが20%である。図12に示すように、スクリーン200C。スクリーン200R、スクリーン300Cは、夫々網点の列の主走査方向に対する角度が約70度、約27度、約0度であり、平均連続点灯距離は126μm、280μm、84μmである。ここで、連続点灯長さは、図13に示すように、光ビームが点灯してから消灯するまでの画素数から求められる長さであるが、スクリーン200C,200R、300Cのように連続点灯長さが場所によって変化する場合には、それらの値の平均値である平均連続点灯長さを求める。
スクリーン200Cについて、1回目露光と2回目露光との主走査方向の露光位置ズレを30μmに固定したときの、画像カバレッジの大きさと画像濃度低下の大きさとの関係を求め、その結果を図14に示す。図14から明らかなように、画像濃度低下は、画像カバレッジが20%のときに最大になる。
次に、スクリーン200C、200R、300Cの夫々について、画像カバレッジを20%に固定したときの主走査方向の露光位置ズレ量sと画像濃度差Deとの関係を求め、図15に示す。図15から明らかなように、スクリーン200Rは、スクリーン200Cおよび300Cに比較して同じ露光位置ズレ量sに対する画像濃度変化Deが小さく、主走査方向の露光位置ズレに強い。
ここで、主走査方向の露光位置ズレに強いスクリーン200Rは、連続点灯長さが280μmと、スクリーンCの126μm、スクリーン300Cの84μmに比較して長い。そこで、主走査方向の露光位置ズレを20μmに固定したときの、スクリーンの連続点灯長さと露光量ピーク強度の低下量との関係を求めると、図17および図18に示すように、スクリーンの連続点灯長さが10μmと小さな場合に比較して50μmと大きな場合の方が露光量ピーク強度の低下量が小さいことが判る。また、主走査方向の露光位置ズレ量と露光量ピーク強度の低下量との関係を、スクリーンの連続点灯長さが10μm、30μm、50μmのそれぞれの場合について求めると、図18に示すように、連続点灯長さが50μmの場合が、最も露光量ピーク量の低下が小さなことが判る。
また、画像濃度は、主走査方向のビーム直径によっても変化する。たとえば、主走査方向の露光位置ズレ量sを17μmまたは30μmに固定したときの光ビームの主走査方向の径を50μm〜200μmの間で変化させたときの画像濃度差Deの変化を求める。図19に示すように、露光位置ズレ量sを17μmおよび30μmの何れの場合においても光ビームの主走査方向の直径が大きい方が画像濃度差Deは小さく、言いかえれば主走査方向の露光位置ズレに対して強い。これは、ビーム直径50μmとビーム直径100μmとについて露光位置ズレ量s(μm)と露光強度ピーク(%)との関係を示す図20、図21、図22からも明らかである。
但し、ビーム直径が過大になると、低濃度域での画像の濃度が高くなり、階調再現性が悪くなるから、主走査方向のビーム直径を太くしたときは、副走査方向のビーム直径を小さくすることや、階調補正(TRC)を行なうことが好ましい。
以上の事項から、カラー画像形成装置1000においては、連続点灯長さTと主走査方向のビーム直径Lとから、露光強度のピーク値の低下が20%になる露光位置ズレ量、即ち許容露光位置ズレ量Sを以下の式:
S=aL2+bT2+c
によって定義できる。なお、定数a、b、cは実験的に求めることができる。
上述の式によって与えられる主走査方向の露光位置ズレ量Sに基いて露光装置3の公差設計を行なう手順について説明する。
たとえば、露光装置3において、シリンダミラー24,25に撓みがあると、図23に示すように主走査方向に光ビームが歪むから、主走査方向の露光位置ズレが生じる。シリンダミラー24,25の撓み量と主走査方向の露光位置ズレ量sとの間には、図24に示すように比例関係がある。
露光装置3においては、露光位置ズレ量sに影響を及ぼす要因は、シリンダミラー24,25の撓み以外にも種々あるから、各要因に起因する露光位置ズレ量sの和が許容露光位置ズレ量Sよりも小さくなるように、露光位置ズレ量sに対する影響の大きな要因については大きな割合で、露光位置ズレ量sに対する影響の小さな要因については小さな割合で各要因に対して許容露光位置ズレ量Sを振り分ければよい。
更に、カラー画像形成装置1000においては、図1に示すようにY、M、C、Kの4色のトナーを用いているから、バンディングなどの画像欠陥を避けるために、スクリーンローテーション、即ち異なる色のトナーには異なるスクリーンを選択することが必要である。したがって、前記4色全てに、最適な、換言すれば主走査方向の露光位置ズレに強いスクリーンを用いることはできない。
一方、前記4色の画像のうち、視覚に与える重みは、Yの画像が最も小さいことが知られている。
そこで、カラー画像形成装置1000においては、Y画像については主走査方向の露光位置ズレに弱いスクリーンを選択するように画像処理ユニット40を制御する。
更に、二重露光を行なう場合において、2回の走査での露光強度の比率調整を行なうことによっても、主走査方向の露光位置ズレによる濃度変化を目立ちにくくすることができる。
二重露光を行なうときは、たとえば1走査目と2走査目との露光量の比率は、通常100%:100%であるが、全体の光量総和は一定に保ちながら、1走査目の露光量を180%に増大させ、2走査目の露光パワーを20%まで減少させると、図25および図26に示すように、主走査方向の露光位置に20μmのズレが生じても露光エネルギー全体の形崩れが小さくなり、その結果露光位置ズレsの影響を小さくすることができる。
面発光レーザアレイを平行に走査させる隣接露光を行なう場合においてアレイ間に副走査方向のズレが生じると、図28に示すようにアレイ境界の部分で露光量の低下が生じ、スジが発生するという課題があった。
これに対して図29に示すように、1露光目と2露光目との露光量が100%:100%になるように二重露光した場合には、副走査方向の露光位置ズレによる露光量(露光エネルギー)の低下は小さく、また周波数が倍になるから、前記露光量の低下によって生じる画像濃度ムラは人間の目に対して目立ち難い。
つまり、二重露光は、副走査方向の露光位置ズレによる画像ムラの低減に効果がある。
しかしながら、二重露光方式において[0084]欄に示す比率調整を行なう場合、1走査目と2走査目とのどちらかの露光量が極端に小さい場合、隣接露光を行なったときと同様にバンディングが生じるという懸念が発生する。
そこで、露光装置3において、たとえば図27に示すように、N走査目の露光量とN+1走査目の露光量との比率がたとえば150:50になるように面発光レーザアレイ12の光量を制御すれば、図30に示すように1露光目と2露光目との露光量が100%:100%になるように二重露光した場合と同様に副走査方向の露光位置ズレによる画像ムラを小さくできる上に、上述のように主走査方向の露光位置ズレによる画像ムラも小さくすることができる。
なお、カラー画像形成装置1000においては、露光装置3で常にこのような光量制御を行なう代りに、前記光量制御と通常の光量制御との間で選択可能に構成し、振動が多い場所に設置する場合には前記光量制御を選択できるようにしてもよい。
以上のように、カラー画像形成装置1000は、隣接露光で生じるスジの発生する空間周波数を高くすることで、画像に表れるスジの視認性を下げて高画質の画像を形成することができるだけでなく、二重露光によって画像に現れる主走査方向スジを低減し、高画質の画像を形成することができる。この結果、例えば特開平4−149523号公報や特開平4−149522号公報に記載されたような調整機構や回路を使用することなく、装置の小型化を図ることもできる。
なお、本実施形態では、走査密度が2400dpi、レーザ素子数が36素子の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。