JP2010276860A - 画像形成装置における走査光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】ｆθレンズに光学用透明樹脂を用いた場合でも、環境温湿度の変動による主走査方向の像面上での焦点シフトを減少させる。
【解決手段】設計温度をｔ_０、環境変動時の温度をｔ、筐体の線膨張係数をα_ｃｏｌ、カップリングレンズの焦点距離をｆ_ｃｏｌ、温度ｔのときの走査光学系の主走査焦点距離をｆ（ｔ）、設計焦点距離をＬ、温度ｔに依存する、走査光学系の全レンズを合成単レンズとしたときの屈折率をｎ_Ｌ（ｔ）、レンズ中心厚みをＳ_Ｌ（ｔ）、主走査方向入射側曲率半径をＲ_１（ｔ）、主走査方向射出側曲率半径をＲ_２（ｔ）、

としたとき、下記（１）式を満たすように設計した。

【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置における走査光学系に係り、特に、走査光学系を構成するｆθレンズに樹脂レンズを用い、それにもかかわらず環境温度変化による主走査方向の像面上での焦点シフトを許容範囲に収められるようにした、画像形成装置における走査光学系に関するものである。

電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置においては、帯電装置により感光体ドラムを一様に帯電した後、形成する画像の信号で変調した光で感光体ドラムを露光して静電潜像を形成し、感光体ドラムに形成された静電潜像に対する現像装置による現像、現像によって形成された感光体ドラム上のトナー画像の転写装置による用紙への転写、用紙上に転写されたトナー画像の定着装置による定着、という工程によって画像形成が行われる。

このうち、一様に帯電した感光体ドラムへの露光を行う露光装置として、高速機においては、レーザーダイオード等を形成する画像の信号で変調し、ポリゴンミラーで主走査方向（感光体ドラムの軸方向）に偏向して、ｆθレンズを用いた走査光学系により、等角速度走査を等速度走査に変換して感光体ドラムを走査するようにした走査光学系が用いられる。

このような走査光学系においては、一般的に、レーザーダイオード等の光源装置から放射されたレーザー光をコリメートレンズ等のカップリングレンズで略平行光束に変換した後、感光体ドラム上の走査面上で所望のビームスポット径を得るため、アパーチャ（絞り）により光束を一定の大きさに絞り、シリンドリカルレンズのような、副走査方向（主走査方向に直交する方向）にのみ屈折力を有する光学素子を透過させてポリゴンミラー上に主走査方向に線状に結像させ、走査面上の等角速度走査を等速走査に変換するｆθレンズを介して、走査面上に光ビームスポットとして結像させるよう構成されている。

このうち、ｆθレンズは２群２枚で構成される場合が多く、第１レンズは主走査方向の収差補正及び等角速度走査から等速走査への変換機能、第２レンズはポリゴンミラーの面倒れに対する補正機能を、というように光学的な機能を分離させて設計されるのが一般的である。

またｆθレンズの材質は、環境変動による屈折率変化、屈折率分布変化、熱変形等の影響を受けにくい光学用ガラス（例えばＢＫ７等）が使用されていたが、近年では装置の小型化や軽量化、部材コストの削減等の要請から、光学用アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）やシクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）等の光学用透明樹脂を用いることが多くなっている。

しかしながら、これら光学用アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）やシクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）等の光学用透明樹脂は、ガラスと比較すると温湿度変化の影響を受けやすく、さらに光学用アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）は吸湿性が高いため、レンズ内の屈折率分布が変化して光学性能の劣化を引き起こしやすい。一方、シクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）は湿度変化に対する吸湿性が低く、屈折率分布の変化等の影響を受けにくいが、温度変化に対しては、熱変形や屈折率変動を起こしてやはり光学性能の劣化を引き起こす。

また、半導体レーザ等の光源装置からの拡散光を略平行光束に変換するカップリングレンズは、温度変化が生じた場合、レーザダイオード等の光源装置とカップリングレンズとの光軸方向の距離が、光学素子と光源装置が設置されている共通の固定部材の線膨張係数に比例した分だけ伸縮する。そのため、被走査面上で、カップリングレンズの焦点距離ｆ_ｃｏｌとｆθレンズの焦点距離ｆの比（横倍率）の２乗に比例した光軸方向の焦点位置ずれが起こることとなる。

このように、走査光学系に光学用透明樹脂を用いたことで環境温度変化で焦点位置ズレが起こることに対しては、例えば特許文献１にシリンドリカルレンズをアクリル樹脂で、ｆθレンズをガラスで製作した場合の温度変化による、焦点位置ずれを実用上許容できる範囲に抑えるようにしたレーザビーム走査光学系が示されている。この特許文献１に示されたレーザビーム走査光学系では、シリンドリカルレンズを搭載した光源ユニットが温度変化で変形し、ポリゴンミラー付近での結像位置が元の位置から変動して、感光体付近での結像位置が元の位置から移動するが、温度上昇に伴って樹脂製のシリンドリカルレンズも変形し、結像位置が光源ユニットの変形を相殺する方向に変化するのを利用し、焦点ずれを実用上許容できる範囲に抑えている。

特開平５−１９１８９号公報

しかしながら、この特許文献１に示されたレーザビーム走査光学系は、シリンドリカルレンズをアクリル樹脂で、ｆθレンズをガラスで製作した場合であり、前記したように装置の小型化や軽量化、部材コストの削減等の要請から、ｆθレンズに光学用アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）やシクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）等の、光学用透明樹脂を用いた場合には適用できない。

そのため本発明においては、ｆθレンズに光学用アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）やシクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）等の光学用透明樹脂を用いた場合でも、環境温湿度の変動による主走査方向の像面上での焦点シフトを減少させるようにした、画像形成装置における走査光学系を提供することが課題である。

上記課題を解決するため本発明になる画像形成装置における走査光学系は、
光源装置と、該光源装置からの光を偏向して被走査面上を主走査方向に走査させる走査光学手段と、前記光源装置からの光を主走査方向に線状として前記走査光学手段の反射面に結像させる、カップリングレンズと線状集光素子と、前記走査光学手段により偏向された光の前記被走査面上における走査速度を等速とするｆθレンズと、からなる画像形成装置における走査光学系において
前記光源装置とカップリングレンズ（コリメータレンズ）とは、樹脂とガラス繊維からなる複合材料で構成した筐体に保持され、前記走査光学系におけるｆθレンズを光学用透明樹脂で構成して、光学系の設計温度をｔ_０、環境変動時の温度をｔ、光学系を保持する筐体の線膨張係数をα_ｃｏｌ、前記カップリングレンズ（コリメータレンズ）の焦点距離をｆ_ｃｏｌ、環境温度ｔのときの前記走査光学系の主走査焦点距離をｆ（ｔ）、設計焦点距離をＬ、環境温度ｔに依存する、走査光学系の全レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率をｎ_Ｌ（ｔ）、レンズ中心厚みをＳ_Ｌ（ｔ）、主走査方向入射側曲率半径をＲ_１（ｔ）、主走査方向射出側曲率半径をＲ_２（ｔ）、

としたとき、下記（１）式を満たすよう設計したことを特徴とする。

このように、走査光学系レンズを合成単レンズとみなしたときに（１）式を満足するように設計することで、筐体に保持した光源装置とカップリングレンズの筐体の変形による焦点シフト量と、光学用透明樹脂で構成したｆθレンズの焦点シフト量とが互いに相殺しあい、焦点シフトを最小限に抑えることができ、かつ、環境変動時の焦点シフト量が小さければ、設計上の焦点深度は浅く取ることができるから、走査光学系の設計難易度を下げることができる。

そして、前記カップリングレンズ（コリメータレンズ）は、ガラスレンズとすることでガラスレンズは光学用透明樹脂に較べて線膨張係数が１桁小さく、屈折率変化及び熱変形の影響を無視できるから、前記（１）式による効果を最大限発揮することができる。

また、前記筐体が、ポリカーボネート、ガラス繊維、ＡＢＳ樹脂からなる複合材料とすることで、強度を持ちながら前記（１）式により焦点シフトを最小限に抑えることができる筐体とすることができる。

以上記載のごとく、本発明になる画像形成装置における走査光学系は、走査光学系の環境温度による焦点シフト量を最小限に抑えることができ、環境温度変化時の光学性能の劣化を抑えることが可能となると共に、環境変動時の焦点シフト量が小さいことで、設計上の焦点深度は浅く取ることができるから、走査光学系の設計時の難易度を下げることができる。

本発明になる光走査光学装置を画像形成装置における感光体の露光装置に応用した構成概略の斜視図である。 図１に示した光走査光学装置の副走査方向断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明になる画像形成装置における走査光学系の構成概略の斜視図で、図２はこの図１に示した光走査光学装置の副走査方向断面図である。以下の説明では、同一構成要素には同一番号を付してある。

本発明になる光走査光学装置は、例えば波長６７０ｎｍの半導体レーザよりなる光源１と、その半導体レーザよりなる光源１からの光を平行光とするカップリングレンズとしてのガラス非球面コリメートレンズ２と、この平行光を所定の大きさとする開口３１を備えた開口絞り（アパーチャー）３と、平行光とされた光源１からの光を主走査方向１０に長い線状として、被走査面９上を走査させる回転反射鏡（ポリゴンミラー）５の反射面５ａに結像させるシリンドリカルレンズ４などの線状集光素子と、ポリゴンミラー５により偏向された光の被走査面上における走査速度を等速とする、ｆθレンズ６、７などの走査光学系、反射鏡８などで構成されている。本発明においては、シリンドリカルレンズ４は、光学ガラスであるＳ−ＢＳＬ７（株式会社オハラ製）を用いた。なお、反射鏡８は、必要に応じて設ければ良く、各光学部材の配置構成（レイアウト）によっては無くても構わない。

ｆθレンズ６、７は、主走査方向に正のパワーを、主走査方向と直交する副走査方向に負のパワーを持つ第１レンズ６と、副走査方向に正のパワーを有している第２レンズ７とで構成され、どちらかのレンズが非球面形状を有して構成されている。そして本発明においては、ｆθレンズ６、７を例えばシクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）であるＺＥＯＮＥＸＥ４８Ｒ（日本ゼオン株式会社製）等の光学用透明樹脂を使用し、コリメートレンズ２はＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ社製）等の光学ガラスを用いて屈折率変化及び熱変形の影響が小さくて無視できるようにし、また、光源１とコリメートレンズ２は、ポリカーボネート、ガラス繊維、ＡＢＳの複合材料の、例えばＲＮ７７４０Ｄ（帝人株式会社製）等の材質の筐体に保持している。

このように構成した本発明の画像形成装置における走査光学系における、ｆθレンズ６、７の主走査方向の焦点距離ｆは、ｎ_Ｌを走査光学系の全レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率、Ｓ_Ｌをレンズ中心厚み、Ｒ_１をｆθレンズの主走査方向入射側曲率半径、Ｒ_２をｆθレンズの主走査方向射出側曲率半径とすると、下記（２）式で与えられる。

環境温度変化時、この４つのパラメータｎ_Ｌ、Ｓ_Ｌ、Ｒ_１、Ｒ_２は、環境温度ｔの関数になり、詳細は省略するが、レンズ中心厚みＳ_ＬはＳ_Ｌ（ｔ）、主走査方向入射側曲率半径Ｒ_１はＲ_１（ｔ）、主走査方向射出側曲率半径Ｒ_２はＲ_２（ｔ）となって温度ｔの１次式で近似され、走査光学系の全レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率ｎ_Ｌはｎ_Ｌ（ｔ）として、温度ｔの２次式で十分良く近似される。従って、（２）式は、

のように書き換えることができ、焦点距離ｆはｔの関数となる。（３）式が意味するところは、温度変化によってｆθレンズ６、７の主走査方向焦点距離が変化するということである。

一方、コリメートレンズ２の焦点距離をｆ_ｃｏｌとすれば、主走査方向における横倍率β及び縦倍率αは、
β＝ｆ（ｔ）／ｆ_ｃｏｌ ………………………（４）
α＝β^２＝（ｆ（ｔ）／ｆ_ｃｏｌ）^２ …………（５）
となる。

また、コリメートレンズ２周辺は環境温度変化時、光源（半導体レーザ）１及びコリメートレンズ２が保持されている筐体が伸縮し、光源１とコリメートレンズ２の間の距離が伸縮する。従って、光軸方向のコリメートレンズ２に対する光源１の位置ずれ量ΔＬ_ｃｏｌは、筐体の線膨張係数をα_ｃｏｌ、設計温度をｔ_０、環境温度をｔとして、
ΔＬ_ｃｏｌ＝α_ｃｏｌ（ｔ−ｔ_０）×ｆ_ｃｏｌ ……………………（６）
物点上での光軸方向のズレ量ΔＬ_ｃｏｌと像点でのズレ量ΔＬ_{ｉｍａｇｅ}との関係は
ΔＬ_{ｉｍａｇｅ}＝−αΔＬ_ｃｏｌ ………………………（７）
となる。

そして（５）式、（６）式、（７）式より、ΔＬ_{ｉｍａｇｅ}は、
ΔＬ_{ｉｍａｇｅ}＝−α_ｃｏｌ（ｔ−ｔ_０）×（ｆ（ｔ））²／ｆ_ｃｏｌ ……（８）
となる。

ここで、所望の光学性能を得ることができる焦点深度をＬとすると、被走査面９の位置は固定であるから、ｆθレンズ６、７の焦点距離が環境温度ｔで変化したときの焦点距離と、（光学系の設計温度ｔ_０における焦点距離＋コリメートレンズ２に対する光源１の環境温度ｔによる位置ずれ量ΔＬ_ｃｏｌ）との差が、焦点深度Ｌ以下であれば焦点ズレによる光学性能の劣化を回避することができるから、下記（９）式を満たせば所望の光学性能を得ることができることになる。

すなわち、（３）式で定義されているとおり、ｆ（ｔ）は温度ｔの時のｆθレンズの主走査方向焦点距離を表し、同様にｆ（ｔ_０）は温度ｔ_０の時のｆθレンズの主走査方向焦点距離であるから、ｆθレンズの温度変化前後の焦点距離変化量、すなわち焦点位置ズレはｆ（ｔ）−ｆ（ｔ_０）となる。一方、温度変化によるコリメートレンズと光源の距離変化が引き起こす焦点位置変化は（８）式となるから、この（８）式の値とｆθレンズの温度変化前後の焦点距離変化量を加えた値が焦点位置のずれ量となる。そのため、両者が相殺されるような許容量（すなわち焦点深度Ｌ以下）であれば、焦点ズレは発生しないことになるわけである。

なお、ここでコリメートレンズ２の、環境温度変動に対する屈折率変化及び熱変形の影響は、コリメートレンズ２が前記したようにＢＫ７等の光学ガラスを用いていて、樹脂の線膨張係数は１０^−５であるのに対して光学ガラスが１０^−６と一桁小さいため、熱変形の影響を無視できるとした。

次に、実際の光学設計例について説明する。まず、筐体の線膨張係数をα_ｃｏｌ、設計温度をｔ_０、コリメートレンズ２の焦点距離をｆ_ｃｏｌ、所望の光学性能を得ることができる焦点深度をＬとして、それぞれの値を次のように設定した。
α_ｃｏｌ＝２．４×１０^−５（／℃）
ｔ_０ ＝２０（℃）
ｆ_ｃｏｌ＝１２．５（ｍｍ）
Ｌ ＝３（ｍｍ）
また、光源１、コリメートレンズ２は、前記したようにポリカーボネート、ガラス繊維、ＡＢＳの複合材料の、ＲＮ７７４０Ｄ（帝人株式会社製）等の材質の筐体に保持し、設計温度ｔ_０を２０℃、使用温度ｔを１０℃〜５０℃、光源（半導体レーザ）１の波長は前記したように６７０ｎｍ、焦点深度Ｌはｆθレンズ６、７の光学設計に依存し、被走査面９上でのビームスポット径の設定にもよるが、３ｍｍ程度得られれば良好である。

ｆθレンズ６、７に使用する光学用透明樹脂は、これも前記したようにシクロオレフィン系樹脂（ＣＯＰ）のＺＥＯＮＥＸＥ４８Ｒ（日本ゼオン株式会社の登録商標）を使用した。ここで走査光学系の全レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率をｎ_Ｌ（ｔ）は、屈折率の温度変化測定データ等から近似して、下記（１０）式で表せる。

また、前記（９）式では、合成単レンズの曲率半径を求めるとしたが、実施例では簡単のため、単玉レンズによるものとする。このとき、それぞれ設計温度ｔ_０のときのレンズ中心厚みをＳ_Ｌ、主走査方向入射側曲率半径をＲ_１ｔ、主走査方向射出側曲率半径をＲ_２ｔとし、光学用透明樹脂の線膨張係数をα_ｆθとすると、レンズ中心厚みＳ_Ｌ（ｔ）、主走査方向入射側曲率半径Ｒ_１（ｔ）、主走査方向射出側曲率半径Ｒ_２（ｔ）は、それぞれ下記（１１）式、（１２）式、（１３）式となる。
Ｓ_Ｌ（ｔ）＝Ｓ_０（１＋α_ｆθ（ｔ−ｔ_０）） ………………………（１１）
Ｒ_１（ｔ）＝Ｒ_１ｔ（１＋α_ｆθ（ｔ−ｔ_０）） ……………………（１２）
Ｒ_２（ｔ）＝Ｒ_２ｔ（１＋α_ｆθ（ｔ−ｔ_０）） ……………………（１３）
ここで、
α_ｆθ＝９．０×１０^−５（／℃）
Ｓ_０ ＝８（ｍｍ）
Ｒ_１ｔ＝−１７５．２（ｍｍ）
Ｒ_２ｔ＝−７９．７（ｍｍ）
である。

その結果、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃、５０℃、の各温度における焦点シフト量は、下記の通りとなり、シフト量は０．６１ｍｍ〜−１．８２ｍｍの範囲に収まって、前記（９）式を満たしている。なお、今回の構成では、設計温度を２０℃としたが、使用温度範囲の中間温度である３０℃で設計、及び製造すれば、最大の焦点シフト量を更に抑えることも可能となる。
１０℃ ０．６１（ｍｍ）
２０℃ ０．００（ｍｍ）
３０℃ −０．６１（ｍｍ）
４０℃ −１．２１（ｍｍ）
５０℃ −１．８２（ｍｍ）

このように本発明によれば、走査光学系の環境温度による焦点シフト量を最小限に抑えることができ、環境温度変化時の光学性能の劣化を抑えることが可能となる。また、環境変動時の焦点シフト量が小さければ、設計上の焦点深度は浅く取る事ができるから、走査光学系の設計難易度も下げることができる。

本発明によれば、走査光学系におけるｆθレンズを光学用透明樹脂で構成しても、環境温度変化により焦点シフトを許容範囲に収めることができるから、画像形成装置を安価に、しかも環境温度の変化でも画像品質を落とさないように製作することができる。

１ 光源（半導体レーザ）
２ コリメートレンズ
３ アパーチャー（開口絞り）
３１ 開口
４ シリンドリカルレンズ
５ ポリゴンミラー
６、７ ｆθレンズ
８ 反射鏡
９ 感光体（被走査面）
１０ 走査方向

Claims (3)

1. 光源装置と、該光源装置からの光を偏向して被走査面上を主走査方向に走査させる走査光学手段と、前記光源装置からの光を主走査方向に線状として前記走査光学手段の反射面に結像させる、カップリングレンズと線状集光素子と、前記走査光学手段により偏向された光の前記被走査面上における走査速度を等速とするｆθレンズと、からなる画像形成装置における走査光学系において
   前記光源装置とカップリングレンズ（コリメータレンズ）とは、樹脂とガラス繊維からなる複合材料で構成した筐体に保持され、前記走査光学系におけるｆθレンズを光学用透明樹脂で構成して、光学系の設計温度をｔ_０、環境変動時の温度をｔ、光学系を保持する筐体の線膨張係数をα_ｃｏｌ、前記カップリングレンズ（コリメータレンズ）の焦点距離をｆ_ｃｏｌ、環境温度ｔのときの前記走査光学系の主走査焦点距離をｆ（ｔ）、設計焦点距離をＬ、環境温度ｔに依存する、走査光学系の全レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率をｎ_Ｌ（ｔ）、レンズ中心厚みをＳ_Ｌ（ｔ）、主走査方向入射側曲率半径をＲ_１（ｔ）、主走査方向射出側曲率半径をＲ_２（ｔ）、
   

   

   としたとき、下記（１）式を満たすよう設計したことを特徴とする、画像形成装置における走査光学系。
   

   
2. 前記カップリングレンズ（コリメータレンズ）は、ガラスレンズであることを特徴とする請求項１に記載した画像形成装置における走査光学系。
3. 前記筐体が、ポリカーボネート、ガラス繊維、ＡＢＳ樹脂からなる複合材料からなることを特徴とする請求項１に記載した画像形成装置における走査光学系。

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