JP2008026745A - 光走査装置・画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の半導体レーザが二次元状に配列した光源を有し、主走査方向の最周辺の光源間の距離Xが、副走査方向の最周辺の光源間の距離dよりも長く設定されている。また、光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズからのビームを主走査方向に長い線像に形成するアナモフィックレンズを有し、該アナモフィックレンズは主走査方向に正のパワーを有する。
【選択図】図1
Description
このような電子写真分野では画像の高密度化及び画像出力の高速化が求められている。しかしながら画像の高密度化と画像出力速度はトレードオフの関係になっており、両立することが求められている。
これを防ぐ方法として、マルチビーム化があり、方式としては以下が考えられる。
(1)特許文献2等に記載されているように、複数の端面発光LDを合成する方式
(2)端面発光の1次元LDアレイ
(3)2次元LDアレイ
端面発光の一次元LDアレイは走査線間隔を均一にすることができるが、素子の消費電力が大きくなってしまう。また、ビーム数を極端に増やすと、光学系の光学素子素子の光軸からのビームのずれ量が大きくなってしまい、光学特性が劣化する。
一方、面発光レーザ(垂直共振器型面発光レーザ、VCSEL)は基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、二次元集積化が容易である。さらに消費電力は端面型レーザに比べて一桁程度小さく、より多くの光源を二次元集積するのに有利である。
特許文献1には、面発光LDを用いた画像形成装置が記載されており、主走査方向の最周辺の光源間の距離が、副走査方向の最周辺の光源間の距離よりも短くなっている。
特許文献2には、2次元的に配列した光源と走査光学系を組み合わせた構成が記載されており、主走査方向の最周辺の光源間の距離と副走査方向の最周辺の光源間の距離は同じ長さになっている。
このとき、被走査面上で、高密度対応の走査線間隔とするためには、光学系の副走査方向の横倍率の絶対値を低減する必要があり、光量不足となってしまう。特に、面発光レーザ素子の場合、高出力化が大きな課題となるので、切実な問題となる。特に特許文献1記載の構成では、超高密度化と光量確保を両立することは困難である。
また、全光学系の副走査方向の横倍率の絶対値を小さくするためには、走査光学系の被走査面に最も近く副走査方向に正のパワーを有する光学素子を被走査面に近づける必要があり、このため、被走査面に最も近い光学素子のサイズが大きくなり、コストアップする。
また、画像出力のために必要な、帯電手段、転写手段、現像手段、定着手段という電子写真プロセスを実施するための手段を配備するためのスペースが少なくなり、走査光学系と逆側に帯電手段、転写手段、現像手段、定着手段を配備せざるを得なくなり、機械サイズが大きくなってしまう。
また、全光学系の副走査方向の横倍率の絶対値を小さくするもう一つの方法として、偏向器前光学系の副走査方向の横倍率の絶対値を小さくするという方法があるが、このとき、偏向手段に近い線像形成用のレンズを偏向手段(ポリゴンスキャナ)に近づける必要があり、線像形成レンズがポリゴンスキャナによる熱発生の影響を受けるという問題が発生する。
(1)主走査方向の最周辺の前記光源間の距離が、副走査方向の最周辺の前記光源間の距離よりも長い。
(2)前記アナモフィックレンズは主走査方向に正のパワーを有する。
(1)主走査方向の最周辺の前記光源間の距離が、副走査方向の最周辺の光源間の距離よりも長い。
(2)前記第1光学系は、前記光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズから出射されたビームに対し、主走査方向及び副走査方向の光束を制限する開口部とを有し、前記開口部の主走査方向の幅は副走査方向の幅よりも大きい。
(1)主走査方向の最周辺の前記光源間の距離が、副走査方向の最周辺の前記光源間の距離よりも長い。
(2)前記アナモフィックレンズは主走査方向に正のパワーを有する。
(3)前記第1光学系は、前記光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズから出射されたビームに対し、主走査方向及び副走査方向の光束を制限する開口部とを有し、前記開口部の主走査方向の幅は副走査方向の幅よりも大きい。
請求項5記載の発明では、画像形成装置において、請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置を用いたことを特徴とする。
請求項6記載の発明では、多色対応の画像形成装置において、請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置を用いたことを特徴とする。
また、面発光LDアレイを用いることにより、ポリゴンスキャナを低速回転にすることができ、更に、光源を駆動するための消費電力も小さくできる。
また、光量ばらつきを低減でき、濃度むらのない光走査装置を実現できる。
また、高密度・高速対応の画像形成装置を提供できる。
まず、図6に基づいて本実施形態に係る光走査装置の基本的構成を説明する。光源1は二次元配列された半導体レーザである。光源1から射出した光束はカップリングレンズ2により弱い発散光となり、開口部としてのアパーチャ3を経て、アナモフィックレンズ4により主走査方向は平行光、副走査方向は偏向手段としてのポリゴンミラー5近傍に集束する光束となる。
光束はさらにポリゴンミラー5により偏向され、偏向器側走査レンズ6と像面側走査レンズ7により、防塵ガラス8を経て、被走査面としての像面9に結像する。ポリゴンミラー5と偏向器側走査レンズ6の間には防音ガラス10が配備されている。光源1とカップリングレンズ2は材質がアルミニウムである同一の部材に固定されている。
符号11はダミーミラーを示し、カップリングレンズ2、アパーチャ3、アナモフィックレンズ4、ダミーミラー11、防音ガラス10により、光源1からの複数ビームをポリゴンミラー5に導く第1光学系が構成される。
また、防音ガラス10、偏向器側走査レンズ6、像面側走査レンズ7、防塵ガラス8により、ポリゴンミラー5からの複数ビームを被走査面に導く第2光学系が構成される。
本実施形態の面発光レーザアレイは以下のようにして作製することができる。AlAs層を選択酸化した電流狭窄構造を用いた780nm帯面発光レーザの構造例である。
波長は、像担持体としての感光体の感度特性に合わせて選定できる。図3に断面構造の概略図を示す。また、図4には活性層周辺Aの拡大図を示す。
図3に示すように、面発光レーザ素子は、n−GaAs基板上20に、Al0.12Ga0.88As量子井戸層/Al0.3Ga0.7As障壁層からなる活性層21を含み、Al0.6Ga0.4Asスペーサ層22とからなる1波長光学厚さの共振器領域を、各層λ/4の光学厚さで40.5ペアのn−Al0.3Ga0.7As高屈折率層/n−Al0.9Ga0.1As低屈折率層からなる下部反射鏡23と、24ペアのp−Al0.3Ga0.7As高屈折率層/p−Al0.9Ga0.1As低屈折率層からなる上部反射鏡24とで挟んだ構成となっている。
これらの結晶成長にはMOCVD法やMBE法を用いることができる。次に、ドライエッチング法によりメサ形状を形成する。エッチング面は下部反射鏡23中に達するようにすることが一般的である。次に、エッチング工程により側面が露出したAlAs被選択酸化層25を、水蒸気中で熱処理し周辺を酸化させ、AlxOyの絶縁物層に変え、素子駆動電流の経路を中心部の酸化されていないAlAs領域だけに制限する電流狭窄構造を形成する。続いて、SiO2保護層(図示せず)を設け、更にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、pコンタクト層(p−GaAsコンタクト層)26と光出射部27のある上部反射鏡24上のポリイミドとSiO2保護層(図示せず)を除去し、pコンタクト層26上の光出射部27以外にp側個別電極28を形成し、裏面にn側共通電極29を形成した。
図4において、符号32は、Al0.12Ga0.88As活性層を、33は、Al0.3Ga0.7As障壁層を、34は、Al0.6Ga0.4As上部スペーサ層を、35は、Al0.6Ga0.4As下部スペーサ層を、36は、上部反射鏡最下部のAl0.9Ga0.1As低屈折率層(λ/4)を、37は、下部反射鏡最上部のAl0.9Ga0.1As低屈折率層(λ/4)をそれぞれ示している。
アレイの各素子の電気的空間的分離のために素子と素子の間の溝は5μm程度以上は設けることが好ましい。あまり狭いとエッチングの制御が難しくなるからである。また、メサ部は本実施形態のような円形の他に、楕円形や、正方形、長方形の矩形など任意の形状とすることができる。また、大きさ(直径など)は10μm程度以上設けることが好ましい。あまり小さいと素子動作時に熱がこもり、特性が悪くなるからである。
本実施形態の素子間隔d、Xを図2に示す従来例に適用すると、C=d/n=4.6μmであるので、本実施形態のアレイの各素子中心から副走査方向に垂線を下ろしたときの副走査方向における各素子の間隔C'は50%であり、平面内の素子間隔が同じであっても本発明によると高密度となることがわかる。
なお素子間隔d、Xは、上記プロセス上の制約の他にアレイで動作時の他の素子からの熱干渉の影響も考慮して決める必要がある。
また、副走査方向での高密度化に影響のない主走査方向の素子間隔を広げているので、各素子間の熱干渉の影響低減や、各素子の配線を通すために必要なスペースを確保することができる。
図5に示すように活性層は、圧縮歪組成であってバンドギャップ波長が780nmとなる3層のGaInPAs量子井戸活性層32'と、格子整合する4層の引っ張り歪みを有するGa0.6In0.4P障壁層33'とから構成し、電子を閉じ込めるためのクラッド層(本実施形態ではスペーサ層34'、35')としてワイドバンドギャップである(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pを用いている。
キャリア閉じ込めのクラッド層をAlGaAs系で形成した場合に比べて、クラッド層と量子井戸活性層とのバンドギャップ差を極めて大きく取ることができる。他は図4と同様である。
具体的にクラッド層と活性層とのバンドギャップ差は、クラッド層をAlGaAsで形成した場合の466meV(Al組成0.6の場合)に比べて、743meVであり極めて大きい。障壁層と活性層とのバンドギャップ差も同様に優位差があり、良好なキャリア閉じ込めとなる。
また、活性層が圧縮歪を有しているので、ヘビーホールとライトホールのバンド分離により利得の増加が大きくなった。これらにより高利得となるので、低閾値で高出力であった。
さらには、キャリア閉じ込め向上、歪量子井戸活性層による高利得化によって低閾値化することで、光取り出し側DBRの反射率低減が可能となり、さらに高出力化できる。
また、本実施例のように利得が大きくなると温度上昇による光出力低下を抑えることができ、アレイの素子間隔をより狭くすることができる。
また、活性層と障壁層は、Alを含んでいない材料から構成されており、Alフリー活性領域(量子井戸活性層、及びそれに隣接する層)としているので、酸素の取り込みが低減することで非発光再結合センターの形成を抑えることができ、長寿命化を図れる。これにより、書き込みユニット(光走査装置)もしくは光源ユニットの再利用が可能となる。
図2に示すように、従来の二次元LDアレイは、主走査方向に4列、副走査方向に8行の配置となっている。従って、主走査方向の最周辺の光源間の距離は(n−1)×X=3X(n=4)となり、副走査方向の最周辺の光源間の距離は(m−1)×d=7d(m=8)となり、7d>3Xとなる。
このとき、全光学系の副走査方向の横倍率をβsとすると、被走査面上における走査線間隔のピッチは|βs|×d/4となり、高密度対応の場合に所望のピッチを得るのが困難となる。
例えば2400dpiの場合には、25.4/2400=10.6μm、4800dpiの場合には、25.4mm/4800=5.3μmとなるが、|βs|×d/nをこの値と等しくする必要がある。
従って、主走査方向の最周辺の光源間の距離は副走査方向の最周辺の光源間距離よりも長くなっている。このとき、被走査面上の走査線間隔のピッチは|βs|×d/7となり、従来例に比べ、高密度対応の場合に所望のピッチを得るのが容易となる。
つまり、主走査方向の最周辺の光源間距離を副走査方向の最周辺の光源間距離よりも長くすると、高密度への対応が容易になる。しかし、主走査方向の最周辺の光源間の距離が大きくなるってしまう。
そこで、図7(b)に示すように、アナモフィックレンズ4が主走査方向に正のパワーを持てば、両最周辺のビームのポリゴンミラー面上でのビーム間距離は短くなり、主走査、副走査とも良好な光学特性が得られる。
このとき、ビームを規制するアパーチャ径が主走査側よりも副走査側が大きいと、光量ばらつきが大きくなる。図8(a)、(b)はカップリングレンズ2からの光軸ずれ量が主走査、副走査とも同じとし、主走査方向のアパーチャ径(主アパーチャ径)が副走査方向のアパーチャ径(副アパーチャ径)よりも大きい場合を示しているが、このとき、この図からも分かるとおり、アパーチャ径が大きい程、光軸ずれに対する光量変化率(低減量)が小さくなることがわかる。したがって、光軸ずれが大きい主走査方向のアパーチャ径を副走査方向のアパーチャ径よりも大きくする必要がある。
被走査面である像担持体としての感光体100が帯電手段101により一様に帯電され、上述した光走査装置102により静電潜像が形成される。静電潜像は現像手段103によりトナーで現像されて可視化される。
感光体100上のトナー画像は、図示しない給紙手段から所定のタイミングで搬送されてきたシート状記録媒体S上に転写手段104により転写される。トナー像を転写されたシート状記録媒体Sは定着手段105に送られ、ここで熱と圧力によりトナー像を定着される。定着を終えたシート状記録媒体Sは図示しない排紙トレイにスタックされる。
転写後の感光体100の表面はクリーニング手段106により残留トナーを除去される。その後、感光体100は表面電位を初期化され、次の作像工程に備えられる。
本光走査装置102を用いることにより、高密度・高速対応の画像形成装置が提供できる。
帯電部材202Y、202M、202C、202Kは、感光体表面を均一に帯電するための帯電装置を構成する部材である。この帯電部材と現像器204Y、204M、204C、204Kの間の感光体表面に光走査装置(書き込みユニット)207によりビームが照射され、感光体に静電潜像が形成されるようになっている。
静電潜像に基づき、各現像器204により感光体面上にトナー像が形成される。転写用帯電手段206Y、206M、206C、206Kにより、搬送ベルト208により搬送される図示しない記録紙に各色のトナー像が順次転写され、最終的に定着手段210により記録試に画像が定着される。
以下に光学系データを示す。
光源波長は780nmであり、図1記載の配列をしている。
発光領域直径は4μm、前述したうように、4×8の配列となっており、d=18.4μm、X=30μmとなる。
カップリングレンズは両面とも下式で表現される。
x=(h^2/R)/[1+√{1−(1+K)(h/R)^2}]+A4・h^4+A6・h^6+A8・h^8+A10・h^10・・・(1)
ここで、光軸からの距離をh、近軸曲率半径をR、円錐定数をK、高次の係数をA4とすると、係数は以下の通りである。
(第1面)
R= 98.97
K=−18.9
A4= −2.748510E−06
A6= 7.513797−07
A8= −5.817478−08
A10= −2.475370−09
(第2面)
R= −31.07
K= −0.35
A4= 1.210E−06
A6= 6.782E−08
A8= 2.523E−08
A10 −4.670E−09
また、屈折率は1.5119である。ここで、d1(図6参照、以下同じ)=42.39となり、その間に屈折率1.5112、厚さ0.3のカバーガラスを挿入する。また、d2=3.8である。
第1面の副走査曲率半径は55、第2面の主走査曲率半径は−500である。
ここで、d3=117.2、d4=3である。
このとき、アナモフィックレンズとポリゴンミラーの間、ポリゴンミラーと走査レンズ6の間には肉厚1.9mm、屈折率1.5112の防音ガラスが配備されている。ここで、ポリゴンミラ−は4面で、内接円半径は7mmである。
また、d6=36.7、d7=8、d8=101.9、d9=3、d10=138.2である。8の防塵ガラスは屈折率1.5112、肉厚1.9mmである。
9mmの防塵ガラスG2が配置される。走査レンズ6、走査レンズ7の各面は非球面であり、全面ともに主走査方向には「式1で与えられる非円弧形状」で、副走査断面(光軸と副走査方向とに平行な仮想的断面)内の曲率が主走査方向に「式2に従って変化」する特殊面である。
副走査断面内の曲率:Cs(Y)(Y:光軸位置を原点とする主走査方向の座標)が主走査方向に変化する状態を表現する式は、光軸を含む副走査断面内の曲率半径:Rs(0)、B1、B2、B3、・・・を係数として次の通りである。
Cs(Y)=1/Rs(0)+B1・Y+B2・Y^2+B3・Y^3+・・・(2)
収差図を図12に示すが良好に補正されていることがわかる。
また、ビームスポット径は以下のようになり、良好に補正されている。
像高(mm) 主走査 副走査(μm)
−161.5 54.12 56.48
−150 53.49 55.90
−100 53.54 55.65
−50 52.80 54.71
0 52.33 54.08
50 52.86 54.73
100 53.51 55.67
150 53.38 55.88
161.5 54.24 56.46
このとき、|βm|=4.9、|βs|=2.3となり、被走査面上で5.3μmの走査線間隔を得ることができ、4800dpiに適用可能である。
2 カップリングレンズ
3 開口部としてのアパーチャ
4 アナモフィックレンズ
5 偏向手段としてのポリゴンミラー
Claims (6)
- 複数の半導体レーザが二次元状に配列した光源と、
前記光源からの複数ビームを偏向手段に導く第1光学系と、
前記偏向手段からの複数ビームを被走査面に導く第2光学系とを有し、
前記第1光学系は前記光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズからのビームを主走査方向に長い線像に形成するアナモフィックレンズを有し、
且つ、以下の条件を有する光走査装置。
(1)主走査方向の最周辺の前記光源間の距離が、副走査方向の最周辺の前記光源間の距離よりも長い。
(2)前記アナモフィックレンズは主走査方向に正のパワーを有する。 - 複数の半導体レーザが二次元状に配列した光源と、
前記光源からの複数ビームを偏向手段に導く第1光学系と、
前記偏向手段からの複数ビームを被走査面に導く第2光学系とを有し、
且つ、以下の条件を有する光走査装置。
(1)主走査方向の最周辺の前記光源間の距離が、副走査方向の最周辺の光源間の距離よりも長い。
(2)前記第1光学系は、前記光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズから出射されたビームに対し、主走査方向及び副走査方向の光束を制限する開口部とを有し、前記開口部の主走査方向の幅は副走査方向の幅よりも大きい。 - 複数の半導体レーザが二次元状に配列した光源と、
前記光源からの複数ビームを偏向手段に導く第1光学系と、
前記偏向手段からの複数ビームを被走査面に導く第2光学系とを有し、
前記第1光学系は、前記光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズからのビームを主走査方向に長い線像に形成するアナモフィックレンズとを有し、
且つ、以下の条件を有する光走査装置。
(1)主走査方向の最周辺の前記光源間の距離が、副走査方向の最周辺の前記光源間の距離よりも長い。
(2)前記アナモフィックレンズは主走査方向に正のパワーを有する。
(3)前記第1光学系は、前記光源から出射されたビームをカップリングするカップリングレンズと、該カップリングレンズから出射されたビームに対し、主走査方向及び副走査方向の光束を制限する開口部とを有し、前記開口部の主走査方向の幅は副走査方向の幅よりも大きい。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の光走査装置において、
前記光源の最周辺の発光部の少なくとも1つは、最周辺以外の発光部よりも発光量を大きくすることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置を用いた多色対応の画像形成装置。
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