JP2011033755A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力が小さく、走査レンズの温度上昇、光走査装置の温度偏差や振動を低減して画像の経時安定性を確保するとともに、プリント画像の倍率誤差を低減する。
【解決手段】副走査倍率の調整量を決めるため、ＰＤａの出力から共振周波数計測を行う。単位時間のプリント枚数で決まる移動速度の基準値７３に対し、±１０％の範囲内か否かを判別するために、共振周波数計測結果から倍率調整量として固定値と変動値に分ける。固定値は画像形成装置の起動時に記憶手段に記憶され、その固定値に対して計測値が変動した分を変動値とする。判別手段７２は、起動時の共振周波数計測値の固定値を副走査移動速度に変換した移動速度値と、基準値７３をもとに副走査方向の移動速度調整量を演算し、移動速度調整を行う。また、副走査画像データの倍率調整は、データを間引きして倍率を縮小したり、データを内挿して倍率を拡大するといった画像処理を行うことで実現する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、レーザラスタ書込光学系を有する画像形成装置に関するものである。

従来、画像形成装置の光走査装置に用いられる光偏向器としては、ポリゴンミラーが広く用いられている。特に、カラー画像形成装置の高速プリント化・高画質化を実現するに当たって、ポリゴンスキャナを２５０００ｒｐｍ以上の高速で、かつ高精度に回転させる必要が生じている。一方、レーザビームの小径化による高画質化のため、前述のポリゴンスキャナに使用されるポリゴンミラーの内接円半径や主走査方向の長さが比較的大きく、ポリゴンスキャナとして高負荷化の動向にある。

高負荷化により、ポリゴンスキャナの消費電力は増加し、その発熱が走査レンズなどの光学素子に悪影響を与えることとなる。具体的にはポリゴンスキャナに最も近接する走査レンズの温度上昇である。ポリゴンスキャナからの発熱は光学ハウジングを伝熱して、または輻射により走査レンズの温度が上昇する。実際には、走査レンズを均一に温度上昇させるのではなく、発熱源（ポリゴンスキャナ）からの距離または各々材質の熱膨張率差や気流の影響により、特に長手方向となる主走査方向に対して温度分布をもつことになる。

主走査方向に温度分布をもつと、特に走査レンズの形状精度および屈折率が変化してしまい、レーザビームのスポット位置が変動し、画質が劣化する。この問題は特に熱膨張率の大きいプラスチック材料を用いた場合が顕著となる。

カラー画像形成装置においては、各色（イエロー，マゼンタ，シアン，ブラック）に応じたレーザビームを各々走査しているので、前述した問題以外に各色に対応する光走査装置間の温度偏差が問題となる。この温度偏差は各色に対応するビームスポットの相対位置関係のずれを発生させ、画像の色ずれとなってしまう。

また、高負荷ポリゴンミラーの発熱による温度上昇が回転体構成部品（特に質量割合の多いポリゴンミラー）の微移動を誘発し、回転体バランスを変化させ、振動を発生させてしまう。回転体を構成している部品（ポリゴンミラー、ロータ磁石が固定されるフランジ、軸等）の熱膨張率が異なっていたり、一致していても部品公差や固定方法などを厳密に管理、検査しないと高温高速回転時に微移動（回転体のバランス変化）が発生し、ひいては振動を増大させる結果となっていた。振動が光走査装置内の光学素子（例えば、折り返しミラー）へ伝達増幅させバンディングを発生させ画像劣化や騒音を引き起こすことになる。

これらの課題を解決するため、ポリゴンミラー偏向器として共振現象を用いた振動ミラーが検討されている。共振構造の正弦波振動を行う振動ミラー偏向器は小型化等の効果があり、１つの振動ミラーを用いて偏向走査を行っている。そして、振動ミラーの振動周波数に応じて、画像データの副走査方向の倍率を補正する補正手段や、副走査方向に移動可能な感光体の副走査方向の移動速度を変更する手段を有した装置が特許文献１に記載されている。本方式は消費電力が小さく、光走査装置に使用される走査レンズの温度上昇、カラー画像形成装置の光走査装置の温度偏差や振動を低減するというメリットがある。

しかしながら、振動ミラーは共振現象を利用しているため振動ミラー部の反射面形状サイズやその周辺である梁部の形状サイズの寸法誤差が共振周波数を異ならせてしまう。また、寸法誤差は数ミリの反射面形状に対して、μｍ以下の加工精度が必要となるが達成できていないのが現状である。その結果、量産時に共振周波数のばらつきが発生してしまい画像形成時に画像の倍率誤差を発生させるといった不具合があった。

さらに、環境温度変化に対して梁部の剛性（ヤング率）が変化することによる共振周波数の変動も避けられず、経時変化で倍率誤差が変動するといった不具合も併せもっていた。

特許文献１においても、振動ミラーの初期的な共振周波数ばらつき以外に発生する経時を含めた温度環境変化時の共振周波数の変動に対して対応できず、画像形成装置の設置環境や多数の画像プリント時に画像倍率が変動するといった不具合が発生する恐れがあった。

本発明は、前記従来技術の課題を解決するものであり、消費電力が小さく、光走査装置に使用される走査レンズの温度上昇、光走査装置の温度偏差や振動を低減して画像の経時安定性を確保するという振動ミラーの本来の効果を有しながら、プリント画像の倍率誤差を低減する画像形成装置を実現することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した画像形成装置は、複数の光源装置から出射されたレーザビームを単一の振動ミラー偏向器により主走査方向に偏向走査し、複数の被走査面に向かって集光する走査結像手段を有する光走査装置と、振動ミラー偏向器の共振周波数を計測する計測手段と、被走査面の副走査方向の移動速度を調整する第１の調整手段と、画像データの副走査方向の倍率を調整する第２の調整手段とを備え、計測手段による共振周波数の計測値に応じて第１と第２の調整手段を併用し、副走査方向の位置の画像倍率を調整することを特徴とする。

この構成によって、画像形成装置の省エネ、画像の経時安定性を確保しながら副走査方向の画像倍率劣化を防止することができる。

また、請求項２〜４に記載した発明は、請求項１の画像形成装置において、第１の調整手段における調整量は、画像形成装置の起動時に計測した共振周波数に応じた固定値とし、第２の調整手段における調整量は、固定値からの変動に応じて調整すること、または、第１の調整手段は、単位時間当たりのプリント枚数で決まる移動速度を基準値とし、共振周波数の計測値から演算される基準値との差分量により調整すること、さらに、単位時間当たりのプリント枚数で決まる移動速度は、予め設定された基準値と、基準値の整数分の１からなる複数の固定値であることを特徴とする。

この構成によって、共振周波数の計測値から各調整手段に応じて固定値と変動値を分け、頻繁な調整に対しては変動値を用いて画像処理で微調整することにより調整にかかる時間を短縮化でき、さらに、プリント紙の各種類に対応する画像形成装置が可能となる。

また、請求項５に記載した発明は、請求項１の画像形成装置において、振動ミラー偏向器を駆動する駆動周波数は、共振周波数との差異が予め設定される範囲内となるような駆動周波数の調整手段を有することを特徴とする。

この構成によって、振動ミラー偏光器の共振周波数ばらつきに対しても、入力エネルギーを適正にでき、振動ミラー偏光器の破損を防止することができる。

また、請求項６に記載した発明は、請求項１の画像形成装置において、複数の光源装置から出射されたレーザビームは、振動ミラー偏向器の反射面に対して副走査方向に角度を有して入射するとともに、偏向される複数のレーザビームはすべて同方向に走査する光走査装置からなることを特徴とする。

この構成によって、光走査装置および画像形成装置を小型化することができる。

また、請求項７，８に記載した発明は、請求項１の画像形成装置において、振動ミラー偏向器の共振周波数を計測する計測手段は、偏向走査されるレーザビームの走査領域内に配置された受光素子からの出力信号の時間間隔を複数回計測することにより周波数を演算すること、さらに、偏向走査されるレーザビームの走査領域内に配置された複数の受光素子から出力される各々の出力信号から得られる時間間隔の検出結果をもとに、振動ミラー偏向器の振幅を一定に制御した状態で共振周波数を計測することを特徴とする。

この構成によって、高精度な共振周波数の計測を可能とし、画像形成装置の副走査倍率劣化を極力低減することができる。

本発明によれば、消費電力が小さく、光走査装置に使用される走査レンズの温度上昇、光走査装置の温度偏差や振動を低減して画像の経時安定性を確保するという振動ミラーの本来の効果を有しながら、プリント画像の副走査方向の倍率誤差、劣化を低減する画像形成装置を実現できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態における光走査装置の概略を示す斜視図 本実施の形態における画像形成装置の概略断面図 本実施の形態における振動ミラーで（ａ）は第１の基板、（ｂ）は第２の基板の詳細図 本実施の形態における振動ミラーの分解斜視図 本実施の形態における光学ハウジングへ搭載される振動ミラーユニットを示す図 本実施の形態における光走査装置の感光体ドラム要部を概略的に示す図 本実施の形態における時間に対する振動ミラー振幅の波形を示す図 本実施の形態における振動ミラーの揺動ばらつきの振幅変動を説明する図 本実施の形態における振動ミラーの揺動ばらつきの振幅位置変動を説明する図 本実施の形態における振動ミラーの揺動ばらつきの位相変動を説明する図 本実施の形態における制御手段を示すブロック図 本実施の形態における受光素子を走査するレーザビームとの関係を示す図 本実施の形態における振動ミラーの駆動周波数ｆｄと共振周波数ｆｒの関係を示す図

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における光走査装置の概略を示す斜視図であり、図２は画像形成装置の概略断面図である。光走査装置５は、図２に示した画像形成装置１内の４つの感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋ（以下、符号に対する添字Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋを適宜付け、Ｙ：イエロー，Ｍ：マゼンタ，Ｃ：シアン，Ｋ：ブラックの色に対応する部分として区別するものとする。）が並設された作像部の上方に配置されている例である。

光走査装置５は、各色に対応する４つの光源１０と、各光源からのレーザビームを偏向走査する光偏向手段（振動ミラー１１）と、４つの感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋの被走査面上に導く走査結像光学系を備えており、これらの構成部材は図示しない光学ハウジング内に収納されている。

図１の光源１０は、半導体レーザとカップリングレンズにより構成される「光源装置」を各色に対応するよう４つ有している（１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋ）。光源における４つの半導体レーザは、それぞれ、イエロー，マゼンタ，シアン，ブラックの各色成分画像を書込むための光束を放射する。各半導体レーザから放射される光束は、カップリングレンズにより以後の光学系に適合する光束形態（平行光束あるいは弱い発散性もしくは集束性の光束）に変換され、折り返しミラー１３を経てシリンドリカルレンズ１２により副走査方向に集束されて偏向走査手段である振動ミラー１１の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像される。

振動ミラー１１に対して入射側には図示しないレーザ透過部材を配置されている。光源１０側からの各光束はレーザ透過部材を介して振動ミラー１１に入射する。振動ミラー１１の揺動により同一方向に偏向された４色分の偏向光束は、走査結像光学系の走査レンズ群を構成する第１のレンズ１４を透過する。ブラック成分画像を書込む光束（例えば、レンズの上端の位置）はミラー１６Ｋで反射され、走査レンズ群を構成する第２のレンズ１７Ｋを透過し、被走査面の実態をなすドラム状の光導電性の感光体ドラム３Ｋ上に光スポットとして集光し、感光体ドラム３Ｋの表面を矢印方向Ａに光走査する。走査レンズ群の第１，第２のレンズ１４，１７Ｋの材質は、非球面形状が容易かつ低コストなプラスチック材質からなり、具体的には低吸水性や高透過率、成形性に優れたポリカーボネートやポリカーボネートを主成分とする合成樹脂が好適である。

イエロー，マゼンタ，シアンの各色成分画像を書込む光束もそれぞれ前記と同様に、ミラーで反射され、レンズを透過、感光体上に光スポットとして結像し、各色とも同一の矢印方向に走査される。この光走査により各感光体に対応する色成分画像の静電潜像が形成される（ブラック以外の各色に相当する光学素子等には番号は付記していないが、ブラックの略意である「Ｋ」が番号後に付されている部品はイエロー，マゼンタ，シアンとも光学的な同位置に配置されている）。

これら静電潜像は、現像装置により対応する色のトナーで可視化され、中間転写ベルト２上に転写される。転写の際、各色トナー画像は互いに重ね合わせられカラー画像を構成する。このカラー画像はシート状記録媒体上へ転写され、定着される。カラー画像転写後の中間転写ベルト２はクリーニング装置（図示せず）でクリーニングされる。

以上説明したように図１は、カラー画像を構成する２以上の色成分画像に対応する複数の光源１０から放射された各光束を、偏向走査手段の振動ミラー１１により同一方向に偏向走査し、各偏向光束を走査結像光学系のうち各色共通に透過する第１のレンズ１４と、各々の走査結像手段に設けられた例えばレンズ１７Ｋ（ブラック）により、各色成分画像に対応する被走査面に向かって個別的に集光させて光走査を行い、各色成分に相当する４つの走査結像手段を有する光走査装置５である。

振動ミラー１１の反射面に入射する各色のレーザビームは副走査方向に対して、所望の角度を有している（いわゆる、斜入射光学系）。具体的には最大となる色のレーザビームで５°以下となるように設定されている。入射角度が５°以上の場合、被走査面上での走査線曲がりが大きく発生し、かつレーザビームが太径化し結果として画像の劣化を招く。反面、各色のレーザビームが斜入射せずに水平で入射（斜入射角が０°）する場合、反射面の副走査方向の幅が多く必要となるため、振動ミラーの負荷が大きくなり、振動周波数が高くできないといった不具合がある。

なお、走査レンズ群は光学ハウジングの当接面に接着により固定されており、特に接着面は走査レンズ群の主走査方向の中央部のみ接着することが好適である。中央部で接着することがよい理由は、レンズの熱膨張により拡大変形する際、中央部を基準に両端に向かって広がるため、温度に対して自由膨張し主走査方向に異変形することがなく、主走査方向の倍率誤差が局部的に大きく悪化することが防止できる。部品点数削減、固定工程簡素化による安価な製造コストで達成できる接着固定が最も好適である。

次に、本実施の形態の振動ミラーについて詳述する。図３は振動ミラーの基板（（ａ）は第１の基板、（ｂ）は第２の基板）の詳細図、図４は振動ミラーの分解斜視図である。振動ミラー１１は、表面にミラー面を形成し振動子をなす可動部と、それを支え回転軸をなすねじり梁と、支持部をなすフレームとからなり、Ｓｉ基板をエッチングにより切り抜いて形成する。

本実施の形態では、ＳＯＩ基板と呼ばれる６０μｍと１４０μｍとの２枚の基板が酸化膜を挟んで予め接合されたウェハを用いて作製する。まず、１４０μｍ基板（第２の基板）４１の表面側からプラズマエッチングによるドライプロセスによって、ねじり梁４２、平面コイルが形成される振動板４３、可動部の骨格をなす補強梁４４と、フレーム４６とを残したそれ以外の部分を酸化膜まで貫通し、次に、６０μｍ基板（第１の基板）５１の表面側からＫＯＨなどの異方性エッチングによって、可動ミラー部５２と、フレーム５３とを残したそれ以外の部分を酸化膜まで貫通し、最後に、可動部周囲の酸化膜を除去して分離し振動ミラーの構造体を形成する。

ここで、ねじり梁４２、補強梁４４の幅は４０〜６０μｍとした。前記したように振動子の慣性モーメントＩは振れ角を大きくとるには小さい方が望ましく、反面、慣性力によってミラー面が変形してしまうため、実施の形態では可動部を肉抜きした構造としている。さらに、６０μｍ基板（第１の基板）５１の表面側にアルミニウム薄膜を蒸着して反射面となし、１４０μｍ基板（第２の基板）４１の表面側には銅薄膜でコイルパターン４７とねじり梁４２を介して配線された端子４８、およびトリミング用のパッチ４９を形成する。当然、振動板４３側に薄膜状の永久磁石を備え、フレーム５３側に平面コイルを形成する構成とすることもできる。

実装基板５４上には、可動ミラー部５２を装着する枠状の台座５５と、可動ミラー部５２を囲うように形成されたヨーク５６が配備され、前記ヨーク５６には可動ミラー部５２端に対向して各々Ｓ極とＮ極とを向かい合わせ、回転軸と直交する方向に磁界を発生する一対の永久磁石５７が接合されている（図４参照）。

可動ミラー部５２は、ミラー面を表に向けて台座５５に装着され、端子４８間に電流を流すことによりコイルパターン４７の回転軸に平行な各辺にローレンツ力が生じ、ねじり梁４２をねじって可動ミラー部５２を回転する回転トルクＴを発生し、電流を切るとねじり梁４２の戻り力により水平に戻る。

したがって、コイルパターン４７に流れる電流の方向を交互に切り換える（交流信号）ことによって、可動ミラー部５２を往復振動させることができる。そして、この電流の切り換える周期を、振動ミラー１１を構成する構造体の、ねじり梁４２を回転軸とした１次振動モードの固有振動数、いわゆる共振振動数ｆ０に近づけると振幅が励起され大きな振れ角を得ることができる。

一方、コイルパターン４７に直流成分の電流を流す（電圧を印加）ことにより、可動ミラー部５２を静的に変化（振幅中心を変化）させることができる。ただし、共振現象を利用しているので電流に応じた変化は角度で±１°以内となる。この直流成分を前記交流信号に重畳させることにより、振動ミラーを振幅（偏向）させながら、振幅中心を変化させることが可能となる。

図５は光学ハウジングへ搭載される形態の振動ミラーユニットを示している。図５に示した振動ミラーユニット６０は振動ミラー１１と、振動ミラー１１の姿勢を固定し、かつ電気接続（電極部６４）を行うためのブラケット６１と、ブラケット６１を固定し、光学ハウジング（図示しない）に載置される基板６２（電気コネクタ６３）で構成される。

振動ミラー１１は可動部の質量、イナーシャが従来のポリゴンミラーに比べて非常に小さいため駆動部も小型化され、磁気回路の高効率化もあいまって消費電力が低く抑えることができる（ポリゴンミラーの１／１０以下）。その結果、発熱が少なくなり書込光学系の光学素子やハウジングの温度上昇も実質的になくすことが可能となることから、特に樹脂製の走査レンズ群が局部的な温度分布をもつことなく、カラー画像形成時のレーザビームの走査位置を変動することなく色ずれの発生を抑制することができる。

さらに、可動部の質量、イナーシャが小さいことにより、揺動時にも外部へ伝達する振動（質量アンバランスによる振動）が少なく（ポリゴンミラーの１／１００以下）、書込光学系の光学素子へ伝達する振動が実質的になくなることから、折り返しミラーの振動による画像形成時のバンディング（副走査方向の粗密変動）の発生も解消することができる。

また、図２に示す光走査装置５を用いた画像形成装置１は、複数の感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋを並列に配置したタンデム型のカラー画像形成装置である。装置上部から順に光走査装置５、現像器６、感光体ドラム３、中間転写ベルト２、定着器７、給紙カセット４が配置されている。

中間転写ベルト２には各色に対応した感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋが並列順に等間隔で配設されている。感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋは同一径に形成されたもので、その周囲には電子写真プロセスに従い部材が順に配設されている。感光体ドラム３Ｙを例に説明すると、帯電チャージャ（図示しない）、光走査装置５から出射された画像信号にもとづくレーザビームＬ１、現像器６Ｙ、転写チャージャ（図示しない）、クリーニング装置（図示しない）等が順に配設されている。他の感光体ドラム３Ｍ，３Ｃ，３Ｋに対しても同様である。すなわち、本実施の形態では、感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋを色毎に設定された被走査面とするものであり、各々に対して光走査装置５からレーザビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が各々に対応するように設けられている。

帯電チャージャにより一様に帯電された感光体ドラム３Ｙは、矢印ＡＡ方向に回転することによってレーザビームＬ１を副走査し、感光体ドラム３Ｙ上に静電潜像が形成される。また、光走査装置５によるレーザビームＬ１の照射位置よりも感光体ドラム３の回転方向下流側には、感光体ドラム３Ｙにトナーを供給する現像器６Ｙが配設され、イエローのトナーが供給される。現像器６Ｙから供給されたトナーは、静電潜像が形成された部分に付着し、トナー像が形成される。同様に感光体ドラム３Ｍ，３Ｃ，３Ｋには、それぞれＭ，Ｙ，Ｋの単色トナー像が形成される。

各感光体ドラム３の現像器６の配設位置よりもさらに回転方向下流側には、中間転写ベルト２が配置されている。中間転写ベルト２は、複数のローラ２ａ，２ｂ，２ｃに巻き付けられ、図示しないモータの駆動により矢印ＢＢ方向に移動搬送されるようになっている。この搬送により、中間転写ベルト２は順に感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋに移動されるようになっている。中間転写ベルト２は各感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋで現像された各々単色画像を順次重ね合わせて転写し、中間転写ベルト２上にカラー画像を形成するようになっている。

その後、給紙トレイ１から転写紙が矢印ＣＣ方向に搬送されカラー画像が転写される。カラー画像が形成された転写紙は、定着器７により定着処理後、カラー画像として排紙される。

前述した光走査装置の振動ミラーのメリットを活かすためには以下の制御が必須であり、好適な例を示す。図６は図１に示したカラー画像形成用の光走査装置のうち、１つの感光体ドラムに相当する要部を概略的に示したものである。振動ミラー１１によって偏向走査されるレーザビーム２０を走査位置により、最大振れ角の走査位置のレーザビームを２０ａ、最大振れ角以内に配置される受光素子（ＰＤａ，ＰＤｂ）へ入射して出力信号がでるタイミングに走査される位置のレーザビームを２０ｂ、感光体ドラム３への画像領域の端部を走査する位置のレーザビームを２０ｃとした。

時間に対する振動ミラー振幅を示したものが図７である。振動ミラー１１は共振現象を利用して大きな振幅を発生させるため、振動ミラー１１の振幅は時間に対して正弦波状の軌跡を描き、偏向走査されるレーザビームの走査速度が一定ではなく走査位置によって異なることになる（走査レンズがない場合）。このような走査速度でも一定となるように走査レンズ群（第１のレンズ１４，第２のレンズ１７）はｆ・ａｒｃｓｉｎ特性を有している。

前記特性の走査レンズ群を使用したとしても、図８〜図１０に示すような振動ミラー１１の揺動ばらつき変動が発生するため、変動を抑制するように各々制御を行っている。振動ミラー１１の共振周波数が一定でも、図８〜図１０のような現象が発生し、理想振幅波形（破線で示した正弦波形）いずれもレーザビームの走査位置変動となり、画像劣化を発生させることになる。

図８は振幅変動について示したものであり、振幅が目標よりも大きい場合（小さい場合も同じ）矢印方向に示すような振幅とするために、図７で示したようなＰＤａ出力の時間間隔ＡとＰＤｂ出力の時間間隔Ｂの演算値が一定となるように制御を行う。具体的には（Ａ_１＋Ｂ_１）／２、（Ａ_２＋Ｂ_２）／２、…で複数回の平均化を行い、共振周波数から一義的に決まる制御目標値となるように制御を行う。

図９は振動ミラー１１の振幅中心と走査中心の位置関係について示したものであり、走査中心に対して、振幅波形にオフセット（振動ミラーの振幅中心と光走査中心との差異）がある状態を示した例である。図９（ａ）と図９（ｂ）はオフセット量による違いであり、図９（ａ）はオフセット量が許容レベルである例を示す。オフセット量は光走査特性であるリニアリティおよびビーム径に影響を与えるが、画像への影響を考慮すると必ずしもオフセット量が「０」である必要はない。

具体的にはリニアリティ誤差分は画像情報にもとづくレーザビームの点灯タイミングを制御することによりリニアリティの補正を行い、影響を抑制するとともに、ビーム径については影響を抑制するために感光体への静電潜像が同等になるように光量（積分光量）を制御することで、前記オフセットの影響を軽減している。

なお、許容オフセット以内であれば前記制御を行わないことも可能である。リニアリティの設計値との偏差１％以下、ビーム径で設計値との偏差１０％以下となるように許容オフセット量を設定することにより、画像への影響を極力抑制し前記制御を行わなくとも問題とならないようにすることが可能である。

図９（ｂ）は許容オフセットを超えている状態を示したものであり、この場合には前記のとおり許容内に調整（補正）する必要がある。調整する方法は、振動ミラーの駆動電圧（交流成分）にオフセット量に応じた直流成分を重畳させることにより、主走査方向の姿勢を変化させ、振幅中心を許容オフセット内となるように調整している。

また、他の例として振動ミラー１１の姿勢を変化させる駆動機構により調整することも可能である。駆動機構として、例えば図５の基板６２の下面にステッピングモータを配置（図示しない）し、ステッピングモータの回転軸と振動ミラー１１の振動軸が一致するように配置する。振動ミラーユニット６０が振動軸中心に姿勢（回転）変化することにより許容オフセット内に調整する。ステッピングモータの回転ステップ分解能は少なくとも許容オフセット量の１／２以下に相当する量が必要である。

オフセット調整自体は、以前より行われているが、前記のような許容オフセットということでなく、理想的にオフセット量を「０」としている。この場合、オフセット調整の際に必要となる直流成分の重畳回路は図９（ｂ）のオフセット量をすべて調整できる出力電圧を有する性能をもたなければならず、回路が大型化かつ発熱量が大きく光走査装置内の温度が上昇し、光走査特性を劣化させる。さらに回路大型化に伴うコスト増加の不具合ともなる。

また、オフセット調整の際に駆動する電流（電圧）も振動ミラーの電流定格の上限から、オフセット量に応じて無制限に駆動することはできない（電流定格を超えると素子の破壊となる）。特に、本実施の形態で示した電磁駆動型は直流成分の消費電力はコイルの消費電力（銅損）となるためオフセット調整量が多くなると発熱（温度）が上昇するという懸念もでてくる。

図９（ｂ）においてはオフセットを許容オフセット内へ調整するために（矢印方向に示すように）、図７で示したようなＰＤａ出力の時間間隔ＡとＰＤｂ出力の時間間隔Ｂの演算値が一定となるように制御を行う。具体的にはＡ_１−Ｂ_１、Ａ_２−Ｂ_２、…で数回の平均化を行い、後述する図１１の（ａ）振動ミラー制御手段の比較手段７１により許容オフセット以内か否かを判断し、許容以内であれば制御せず、許容オフセットを超えた場合はオフセット制御を行う。

図１０は振動ミラー１１の振幅波形の位相変動について示したものであり、図１０に示すような位相変動が生じても矢印方向に示すような位相とするために、図７で示したような振動ミラー１１を駆動するための信号を生成する基準位相クロックとＰＤａ出力の時間間隔Ｃの位相が一定となるように制御を行う。具体的にはＣ_１、Ｃ_２、…で複数回の平均化を行い、目標値であるゼロとなるように制御を行う。時間間隔をカウントするＰＤａ出力は画像形成領域の直前のタイミングである出力（Ａの後端側）が好適である。位相を合わせるのは画像の書き始め側直前の方（Ａの後端側）が精度が高い（Ａの前端側の場合、Ａの時間内の位相変動により画像形成時の位相精度が低下する）。

図８、図９（ｂ）の振幅または許容オフセットを超える（実際の振幅状態：実線で表現）と理想となる走査速度と異なる現象であるため、主走査方向の走査位置ずれとなる。例えば主走査方向のジター（縦線ゆらぎ）、主走査倍率誤差という画像劣化を引き起こし、これはカラー画像に限らずモノクロ画像でも共通の課題である。

一方、図１０の位相変動はカラー画像形成時には特有の問題となる。図１に示したように、単一の振動ミラー１１が画像信号に応じて各色の光源から出射されるレーザビームを各色の感光体ドラムへ走査するわけであるが、位相変動が発生すると各色のレーザビームの偏向走査位置が変わってしまうため画像上（中間転写ベルト上）は副走査位置の変動となり色ずれ、色むらの発生となる。

図１１に制御手段のブロック図を示し、（ａ）は主走査方向の振動ミラー制御手段、（ｂ）は副走査倍率制御手段である。

図１１のブロック図の（ａ）振動ミラー制御手段に示す、振幅、オフセット、位相制御を実現する振動ミラー制御系について詳述する。偏向走査されてＰＤａ、ＰＤｂを走査するレーザビームにより出力される信号を各々カウンタで時間間隔Ａ、Ｂを計測し、（Ａ＋Ｂ）／２の平均を目標の振幅と比較し、同様にＡ−Ｂの差分の平均を許容オフセット内か否かをと比較判断し、許容内であれば補正せずにコントローラへ出力し、許容外であれば許容内との差分量を調整する。したがって、調整後はオフセット量が「０」ではなく最大でも許容内に調整残差を抑えることとする。

なお、各々平均をとる理由は突発的な電気ノイズが混入した場合など誤った情報により制御を行うことを防止するため平均化処理を行っている。なお、平均化の回数は２〜１０回の範囲で行われる。１０回以上だと補正タイミングが遅くなり、制御偏差が大きくなるためである。

コントローラは前記比較結果に応じて振幅およびオフセットの補正量を演算し、補正された正弦波の駆動信号を振動ミラーの駆動回路（アンプ）にて増幅し振動ミラーを駆動制御する。前述の制御系ループが振幅およびオフセットの制御ループである。なおオフセット制御は振幅制御がされた状態で行われる。

図１０の位相制御ループ（破線）は前記の振幅，オフセット制御が正常にはたらき各々目標値に対して所望の範囲に入った制御状態において、振動ミラーの駆動信号と振動ミラーの振れ角が一定の位相となるように位相制御ループを実行する。

位相制御は振幅およびオフセット制御に対して、高精度な制御であるためすべての制御を同時に実行すると、互いに干渉し駆動信号の変動量が大きくなりすべてが制御目標値範囲内に収束するまでに時間を要する。そこで、第一優先に振幅制御を行い、次にオフセット制御を行って、その後に微調整として位相制御を行うことで、制御範囲内へ収束するまでの時間を短縮することが可能となる。

ＰＤａからの出力信号と基準位相クロックの位相偏差を位相比較器で検出し（図７のＣ）、カウンタにて計測する。計測結果をＬＰＦ（Low Pass Filter）、積分器で位相偏差に応じた電圧に直流化し、その電圧量に応じて位相変化させるいわゆるＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御である。位相変化に対する正弦波信号の生成は予め用意された位相変化量（分解能）の刻みに応じて最適な位相となる正弦波信号が生成される。これにより、振動ミラーの駆動信号と振動ミラーの振れ角が一定の位相となるような制御が行われることになる。

なお、位相制御に対応する正弦波信号の生成分解能は制御の許容範囲内以上の高精度が必要となるが、高精度にするほどメモリーが必要となるため高コストとなる。したがって、副走査方向の色ずれとして視覚認知される５０μｍ以下となるように正弦波信号の生成分解能を設定している。

図１２に受光素子ＰＤａを例に走査されるレーザビームとの関係を示す。受光素子ＰＤａは、図１に示したように感光体ドラム面上を走査されるレーザビームと光学的に等価（ビーム径および走査速度）となる位置に配置されている。感光体ドラム面の走査延長上が好適であるが、レイアウトの都合上、折り返しミラーを経由して受光素子内をレーザビームが走査する構成としてもよい。受光素子ＰＤａはＰＩＮフォトダイオードからなる受光部からの出力信号を増幅する増幅回路と、波形整形するコンパレータ回路からなり、ＩＣとして樹脂からなるレーザビーム透過部材にて１パッケージ化されている（２２ａ：受光部、２２ｂ：回路部、２２ｃ：ＩＣリード）。受光部２２ａを走査ビームが通過することにより、図１２に示すコンパレータ出力信号を発生させる。

図１２に示す走査ビームの破線の領域は光源が消灯（またはフレア光が受光素子内、感光体面上の潜像を形成するレベルの光量とならない程度に減光）されている様を描画している。振動ミラーの最大振れ角と受光素子ＰＤａ近傍の間の領域内で光源が発光していると光走査装置内に配置された光学部品の乱反射に起因するゴースト光を発生させ、受光素子ＰＤａ，ＰＤｂへの信号にノイズとなるため前記図７のＡ，Ｂ，Ｃの時間間隔が乱れ、制御上の誤動作、不安定となってしまう。この問題が起きないように、予め前記タイミングにて消灯（またはゴースト光が受光素子内、感光体面上の潜像を形成するレベルの光量とならない程度に減光）するように設定されている。消灯または減光は半導体レーザからなる光源を長寿命化すること、光源の温度上昇を低減する効果も合わせて奏することができる。ここでいう、受光素子近傍とは、前記コンパレータ出力に影響を与えずに、図７の時間間隔Ａ，Ｂ，Ｃが各々正常に計測できる発光タイミングとなる走査位置のことである。

なお、光学素子の反射率や透過率の低下（経時劣化）の際に光量が低下するとコンパレータ出力を決定するスレッシュ電圧への立上時間が長くなる（傾きが緩くなる）ため、誤った検出を行ってしまう。そこで、受光素子を走査する際に常に一定の光量となるように光源を制御することにより前記問題を解決している。

次に、図１１のブロック図の（ｂ）副走査倍率制御手段に示す、副走査倍率制御系について詳述する。副走査倍率の調整量を決めるため、ＰＤａからの出力をもとに共振周波数計測を行う。具体的には図７に示すＤ_１の時間間隔をカウンタで計測し、Ｄ_１区間の時間間隔から共振周波数を演算（１／［時間間隔］）し計測する。この際にＤの区間は複数回の平均化処理を行うことが電気的な微小ノイズ除去のために好適である。

なお、過大なノイズの影響で平均化の効果がなくなって共振周波数計測値が所望の共振周波数に対して大幅に異なって計測されると（誤計測）、画像形成時に異常画像となる。このような不具合を発生させないため、予め所望の共振周波数（単位時間のプリント枚数で決まる移動速度の基準値７３から一義的に共振周波数が求まる）に対して、±１０％の範囲内か否かを判別できる判別手段７２を設けている。前記±１０％の範囲とは、振動ミラーの生産時における共振周波数のばらつきが発生する範囲であり、それを超えての計測値は存在しない（搭載されない）ことが予め判っている範囲である。

前記共振周波数の計測結果から倍率調整量を決める。倍率調整量はまず固定値と変動値に分けられ、固定値は画像形成装置の起動時（例えば、電源オン時）に計測された共振周波数を固定値として記憶手段に記憶され、以降その固定値に対して計測値が変動した分を変動値として扱う。

移動速度の基準値７３は予め単位時間のプリント枚数で決まるが、プリント枚数は１つの画像形成装置内で複数のプリント枚数が設定される。例えば、プリント紙の厚さ範囲により、トナー定着の時間を変化させる必要から複数設定される。移動速度の基準値７３は標準紙厚さを基準として複数設定されたプリント枚数のうち適宜プリント枚数が選定され、当該プリント枚数から移動速度の基準値７３が一義的に決めている。

なお、標準紙厚さを基準とした場合、複数の単位時間のプリント枚数は整数分の１に設定されている（３種類ある場合：標準紙厚さのプリント枚数を「１」とした場合、紙厚種Ｉでは「１／２」、紙厚種ＩＩでは「１／３」という設定）。整数分の１となるように設定されているのは、振動ミラーが共振現象を原理に使用しているため、ポリゴンミラーモータのように任意の回転数（振動ミラーに置き換えると任意の共振周波数）に対応することが困難なためである。そこで、実際に画像形成時のレーザビームの点灯タイミングを１回走査毎から、２回走査する際（厳密にはレーザビームを走査しないが便宜的に走査という。以下同じ）に１回走査分消灯することにより前記紙厚種Ｉのときのプリント枚数の設定「１／２」に対応できる。同様に、前記紙厚種ＩＩのときのプリント枚数の設定「１／３」の場合は３回走査する際に２回走査分消灯することで対応できる。前記のように、レーザビーム点灯タイミングを制御することにより振動ミラーを一定の周波数で偏向走査している状態のままで、紙厚種類に対応したプリント枚数に対応することが可能となる。

図１１のブロック図の（ｂ）副走査倍率制御手段の判別手段７２は、起動時の共振周波数計測値の固定値を副走査移動速度に変換した移動速度値と単位時間のプリント枚数（複数種からの選択設定された１種類）で決まる移動速度の基準値７３をもとに副走査方向の移動速度調整量を演算し、第１の調整手段である副走査方向の移動速度調整を行う。

具体的には移動速度の基準値７３に対して、固定値との差異が所望の値δ以内であれば、基準値の移動速度とする。固定値との差異が所望の値δ以上となった場合には、固定値に相当する移動速度に調整する。この所望の値δとは共振周波数と駆動周波数の違いであり、詳細は後述する。

なお、共振周波数ｆｒと副走査移動速度ｖの変換は以下の（数１）により行われる。
（数１）
ｖ［ｍｍ／ｓｅｃ］＝（ｆｒ［Ｈｚ］×２５．４）／ＤＰＩ
ここで、２５．４はインチ換算の定数（１ｉｎｃｈ＝２５．４ｍｍ）
ＤＰＩ：１ｉｎｃｈ当たりの副走査方向の画素密度（例：６００，１２００）
例：共振周波数ｆｒ＝３０００Ｈｚ、６００ＤＰＩの場合、副走査移動速度ｖは１２７ｍｍ／ｓｅｃとなる。

また、駆動周波数ｆｄは以下の（数２）により移動速度の基準値７３によって決定される。
（数２）
ｆｄ［Ｈｚ］＝（ｖ［ｍｍ／ｓｅｃ］×ＤＰＩ）／２５．４
ここで、２５．４はインチ換算の定数（１ｉｎｃｈ＝２５．４ｍｍ）
ＤＰＩ：１ｉｎｃｈ当たりの副走査方向の画素密度（例：６００，１２００）
例：副走査移動速度ｖ＝１５０ｍｍ／ｓｅｃ、６００ＤＰＩの場合、駆動周波数ｆｄは３５４３Ｈｚとなる。

第１の調整手段である副走査位置方向の移動速度調整は、図２に示した感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋの駆動モータの回転数調整で行う。駆動モータは高精度回転を要求されるためＰＬＬ制御で一定回転速度に制御される。倍率調整量に応じて演算された駆動モータの回転数調整量分だけ、駆動モータのＰＬＬ制御回路のクロックを変更する。

なお、感光体ドラム３の駆動モータの回転数を変化させるとともに、中間転写ベルト２用の駆動モータ、給紙カセット４から給紙するレジストローラ用（図示しない）の駆動モータ、定着器７用の駆動モータも同じ調整比率で調整される（モータ制御がＰＬＬ制御であれば前記対応が可能となるため好適である）。前述のように複数の駆動モータも併せて調整しないと、画像が形成されるプリント紙に対して、副走査方向の書き出し位置が変動したり、副走査方向のシワが発生したり、画像形成に対して不具合を生じる。

また、第２の調整手段である副走査画像データの倍率調整は、データを間引きして倍率を縮小したり、データを内挿して倍率を拡大するといった画像処理を行うことで実現できる。

図１３を用いて振動ミラーの駆動周波数ｆｄについて詳述する。駆動周波数ｆｄはプリント枚数を実現するための周波数であり、共振周波数ｆｒと合致することが光走査に必要な振幅量Ｙ_１を稼ぐことができるので好適であり（図１３の実線）、合致する状態での実施の形態を述べてきた。しかしながら、実際は振動ミラーの共振周波数ばらつきにより必ずしも合致しないことがある。その際には図１３で示したように、光走査に必要な振幅量Ｙ_１とするために、振動ミラーへの入力エネルギー（電圧、電流）を増加させ、駆動周波数ｆｄで振幅量Ｙ_２しか振幅していない振動ミラーの振幅を大きくして、振幅量Ｙ_１まで（図１３の破線）振幅させる。

駆動周波数ｆｄと共振周波数ｆｒの差異の許容は振動ミラーのＱ値と限界入力エネルギーに関係し（入力エネルギーを過大にすると振動ミラーが破損）、許容差異（ｆｄ−ｆｒ）／ｆｄは５％以内としている。この許容差異が前記所望の値δである。そこで、移動速度の基準値７３で決まる駆動周波数と共振周波数の許容差異が５％を超える場合、駆動周波数ｆｄをシフト調整して差異を縮小することが好適である。

一連の副走査倍率調整について説明すると。単位時間プリント枚数Ｐのときの副走査移動速度の基準値７３が１５０ｍｍ／ｓｅｃ（前述の（数２）より、このときの駆動周波数ｆｄ＝３５４３Ｈｚ）で設定された画像形成装置の電源をオンして起動すると、光走査装置内の光源を点灯、振動ミラーを３５４３Ｈｚで駆動し偏向走査する。偏向走査されたレーザビームが受光素子ＰＤａ内を走査することで時間間隔Ｄを計測するが、共振周波数を調べるため駆動周波数を変化させ、振幅最大になったときの駆動周波数を共振周波数とする。ここで、振幅最大とは共振周波数が一定なので図７の時間間隔Ａが最大になったときであり、駆動周波数を変化させながら時間間隔Ａを計測する。

時間間隔Ａが最大となるときの時間間隔Ｄが、例えば２８２．４９μｓｅｃであったとすると、共振周波数ｆｒは３５４０Ｈｚ（＝１／２８２．４９）となり、倍率調整量は０．０８％（＝（３５４３−３５４０）／３５４３）とする。この０．０８％は上記許容差異の５％以内であるので、この駆動周波数ｆｄ＝３５４３Ｈｚのまま固定値として調整は行わない。

共振周波数の計測は画像を形成しないタイミング（例えば、プリント出力の間隙時間、プリントジョブのないとき）で随時計測される。温度環境変化、経時変化等により共振周波数が変化し、差分が５％以上となった場合その変動分として駆動周波数を変化調整させるように移動速度の基準値を変更させる。

以上のように、振動ミラーを用いることで、消費電力が小さく、光走査装置に使用される走査レンズの温度上昇や、光走査装置の温度偏差や振動を低減して画像の経時安定性を確保することができるとともに、プリント画像の副走査方向の倍率誤差、劣化を低減することができる。

本発明に係る画像形成装置は、消費電力が小さく、走査レンズの温度上昇、光走査装置の温度偏差や振動を低減して画像の経時安定性を確保するとともに、プリント画像の副走査方向の倍率誤差、劣化を低減することができ、レーザラスタ書込光学系を有する装置として有用である。

１ 画像形成装置
２ 中間転写ベルト
３ 感光体ドラム
４ 給紙カセット
５ 光走査装置
６ 現像器
７ 定着器
１０ 光源
１１ 振動ミラー
１２ シリンドリカルレンズ
１３ 折り返しミラー
１４ 第１のレンズ
１５ 集束レンズ
１６ ミラー
１７ 第２のレンズ
２０ レーザビーム
２２ａ 受光部
２２ｂ 回路部
２２ｃ ＩＣリード
４１ 第２の基板
４２ ねじり梁
４３ 振動板
４４ 補強梁
４６ フレーム
４７ コイルパターン
４８ 端子
４９ パッチ
５１ 第１の基板
５２ 可動ミラー部
５３ フレーム
５４ 実装基板
５５ 台座
５６ ヨーク
５７ 永久磁石
５８ 電極端子
６０ 振動ミラーユニット
６１ ブラケット
６２ 基板
６３ 電気コネクタ
６４ 電極部
７１ 比較手段
７２ 判別手段
７３ 基準値

特開２００６−２４３０３４号公報

Claims (8)

1. 複数の光源装置から出射されたレーザビームを単一の振動ミラー偏向器により主走査方向に偏向走査し、複数の被走査面に向かって集光する走査結像手段を有する光走査装置と、前記振動ミラー偏向器の共振周波数を計測する計測手段と、前記被走査面の副走査方向の移動速度を調整する第１の調整手段と、画像データの副走査方向の倍率を調整する第２の調整手段とを備え、
   前記計測手段による共振周波数の計測値に応じて前記第１の調整手段と第２の調整手段を併用し、前記副走査方向の位置の画像倍率を調整することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記第１の調整手段における調整量は、画像形成装置の起動時に計測した共振周波数に応じた固定値とし、前記第２の調整手段における調整量は、前記固定値からの変動に応じて調整することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記第１の調整手段は、単位時間当たりのプリント枚数で決まる移動速度を基準値とし、共振周波数の計測値から演算される前記基準値との差分量により調整することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
4. 前記単位時間当たりのプリント枚数で決まる移動速度は、予め設定された基準値と、前記基準値の整数分の１からなる複数の固定値であることを特徴とする請求項３記載の画像形成装置。
5. 前記振動ミラー偏向器を駆動する駆動周波数は、前記共振周波数との差異が予め設定される範囲内となるような駆動周波数の調整手段を有することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
6. 前記複数の光源装置から出射されたレーザビームは、振動ミラー偏向器の反射面に対して副走査方向に角度を有して入射するとともに、偏向される複数のレーザビームはすべて同方向に走査する光走査装置からなることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
7. 前記振動ミラー偏向器の共振周波数を計測する計測手段は、偏向走査されるレーザビームの走査領域内に配置された受光素子からの出力信号の時間間隔を複数回計測することにより周波数を演算することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
8. 前記偏向走査されるレーザビームの走査領域内に配置された複数の受光素子から出力される各々の出力信号から得られる時間間隔の検出結果をもとに、振動ミラー偏向器の振幅を一定に制御した状態で共振周波数を計測することを特徴とする請求項７記載の画像形成装置。

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