JP3121751U - レーザースキャンユニット - Google Patents

Abstract

【課題】簡素かつ高精度のレーザースキャンユニットの提供。
【解決手段】半導体レーザー１０、コリメーターレンズ１１、微小電気機械振動式反射鏡１２、及びＦ−Ｓｉｎθレンズ片１３より構成され、微小電気機械振動式反射鏡は、その微小電気機械振動の構造により一定の振幅で単振動で振動して、入射したレーザービームをＦ−Ｓｉｎθレンズ片に反射し、該Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片は微小電気機械振動式反射鏡の時間に対する角度変化量が正弦関係を成すように修正することにより、レーザービームが結像面１４において等速スキャンすることを可能とする。
【選択図】図１

Description

本考案は、レーザービームプリンターなどにおいて、単振動する微小電気機械振動式反射鏡を利用してレーザービームの投射方向を制御し、Ｆ−Ｓｉｎθラインスキャンレンズ片が振動式反射鏡の時間に対し正弦関係を成す角度変化量を修正し、レーザースキャンユニットが要求するラインスキャンの効果を達成し、スキャン効率を向上することを特徴とした、レーザースキャンユニットに関する。

現在のレーザービームプリンターの応用技術において、既存のアメリカ合衆国ＵＳ５１２８７９５、ＵＳ５１６２９３８、ＵＳ５３２９３９９、ＵＳ５７１０６５４、ＵＳ５７５７５３３、ＵＳ５６１９３６２、ＵＳ５７２１６３１、ＵＳ５５５３７２９、ＵＳ５１１１２１９、ＵＳ５９９５１３１、ＵＳ６７２４５０９、及び特公平７−１１１５０１号公報（特開４−５０９０８号公報）、特開平５−４５５８０号公報等の特許発明において開示されているレーザースキャンユニットモジュールの多くは、高速旋転する多面鏡を利用しレーザービームのスキャン動作を制御するものであって、半導体レーザーを用いてレーザービームを発射し、該レーザービームはコリメーターレンズを経由し、更にレンズ口径を通過して平行ビームを形成し、平行ビームは更に円柱レンズを通過する。該円柱レンズの主な作用は、前述の平行ビームの副スキャン方向Ｙ軸上の広がりを主スキャン方向Ｘ軸の平行方向に集めラインイメージを形成することにあって、更に高速旋転する多面鏡に投射する。該多面鏡上には均等に連続して多面反射鏡が設けられてなり、適当な位置或いは上述のラインイメージの焦点位置に設けられてなる。多面鏡がレーザービームの投射方向を制御することにより、連続する複数の反射鏡が高速旋転する時に反射鏡上に射出するレーザービームが主スキャン方向（Ｘ軸）の平行方向にそって、同一の角速度で偏向しＦ−θラインスキャンレンズ片上に反射することができる。該Ｆ−θレンズ片は多面鏡の側面に設置され、単レンズ構造或いは複合レンズ構造（ＵＳ５９９５１３１の特許図参照）にてなることができ、Ｆ−θレンズ片は主に多面鏡上の反射鏡を経由して反射しＦ−θレンズ片に入射するレーザービームを集め楕円形の光点を形成し光接触面、即ち結像面上に投射しラインスキャンの目的を達成することを可能としている。
しかしながら、公知のレーザースキャンユニットは、使用上に下記の問題が存在する。
（１）、該旋転式多面鏡の製造は、難易度が高く価格が高い為、相対的にレーザースキャンユニットの製造コストは増加する。
（２）、該多面鏡は高回転機能（例；４００００回転/分）、高精密度が必要とされ、一般の多面鏡上の反射面の鏡面Ｙ軸の厚みは極めて薄く、公知のレーザースキャンユニット内は円柱レンズの増設が必要とされ、レーザービームは該円柱レンズを経由して一つの線（Ｙ軸上で一点になる）に集められ、多面鏡の反射鏡上に投射される為、構成部材及び組み立て作業工程が増加する。
（３）、公知の多面鏡は高回転を必要とし、回転の騒音が相対的に増加し、多面鏡は起動から安定動作速度に至るまで比較的長い時間を必要とし、起動後の待機時間が増加する。
（４）、公知のレーザースキャンユニットの組み立て構造において、多面鏡の反射鏡に投射したレーザービームの中心軸及び多面鏡の中心回転軸は正確には対応せず、相互に合わせるＦ−θレンズ片を設計する時、同時に多面鏡の軸偏差を考慮する必要があり、Ｆ−θレンズ片の設計及び製造上に余計に面倒が生じる。
特公平７−１１１５０１号公報 特開平５−４５５８０号公報

本考案は、微小電気機械振動式反射鏡を利用して、公知の旋転式多面鏡に置き換えてレーザービームスキャンユニットを制御し、更にＦ―Ｓｉｎθラインスキャンレンズ片を利用して公知のＦ−θラインスキャンレンズに置き換え、該Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片は振動式反射鏡の時間に対して正弦関係を成す角度の変化量を修正し、レーザービームを結像面上に等速スキャンさせ、レーザースキャンユニットが必要とするラインスキャンの作用を達成し、スキャン効率を向上させることを特徴とした、レーザースキャンユニットを提供することを目的とする。

本考案は、更に、微小電気機械振動式反射鏡に対して単振動方式によりレーザービームを反射することによって、結像面上の光点間距離が時間経過と共に減少する非等速スキャン現象が生じることに対して、Ｆ−Ｓｉｎθラインスキャンレンズ片を配置し、該Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片は時間に対して正弦関係を成す角度変化量を修正し、微小電気機械単振動反射鏡による結像面上の光点距離が時間経過と共に減少する非等速スキャン現象を等速スキャンへと修正し、レーザービームの結像面への投射が等速スキャンとなるようにし、レーザースキャンユニットの必要とするラインスキャンの作用を達成することを特徴とした、レーザースキャンを提供することを目的とする。

本考案は更に、該レーザービームの中心軸を該微小電気機械反射鏡の機械的中心（即ち反射鏡の振動の中心）と正確に対応してなり、公知の多面鏡の軸偏差を解消し、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片の設計及び製造を簡易化できることを特徴とした、レーザースキャンを提供することを目的とする。

本考案は、更に、該レーザースキャンユニットのモジュール内において、該コリメーターレンズ及び該微小電気機械振動式反射鏡の間には必要に応じて円柱レンズを設置或いは設置せずして、レーザースキャンユニットの構成部材及び組み立て作業工程を簡易化することができることを特徴とした、レーザースキャンユニットを提供することを目的とする。

本考案は、公知の旋転式多面鏡に替えて微小電気機械振動式反射鏡によりレーザービームスキャンユニットを制御し、その振動周期に伴なう結像面に於けるスキャンビーム偏差の修正を公知のＦ−θラインスキャンレンズに替えて、逆の偏向特性を有するＦ―Ｓｉｎθラインスキャンレンズ片を利用して行い、
該Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片を用いることにより、振動式反射鏡の時間に対し正弦関係を成す角度の変化量を修正して、レーザービームを結像面上に等速スキャンさせる。

上述の構成により、本考案は以下の長所を具有する。
１．レーザースキャンユニットモジュール内には、円柱レンズの設置が必要とされず 、Ｆ―Ｓｉｎθレンズ片の光学設計はより堅固でより高精度にすることができる 。
２．レーザービームの中心軸と微小電気機械振動式反射鏡の機会の中心は公知の多面 鏡の軸偏差の問題がなく、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片を設計する時、光学領域の対称 性のみを考慮すればよく、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片の構造及び製造は簡易化される 。
３．微小電気機械振動式反射鏡の単振動は、起動後直ぐに安定動作速度に達するため 、待機時間が非常に小さく、比較的高い回転速度にできることにより多面鏡のモ ーターに比べてエアーベアリングモーターを使用可能であり、より高速度として 微小電気機械振動式反射鏡はスキャン効率が比較的高くなる。
４．微小電気機械振動式反射鏡の単振動は、一定の振幅で反対方向に振動し、スキャ ン方向は双方向を往復させることができ、一定の回転速度において、微小電気機 械振動式反射鏡の双方向スキャンの速度は、多面鏡の単方向スキャンの速度の２ 倍の速度に出来るためスキャン効率を高めることができる。

本考案に対する長所、目的、技術的特徴及び効果を、以下の図に合わせて詳細に説明する。
図１，２，３，４に示すように、本考案のレーザースキャンユニット１は、半導体レーザー１０、コリメーターレンズ１１、微小電気機械振動式反射鏡１２、及びＦ―Ｓｉｎθレンズ片１３より構成され、その特徴は、該微小電気機械振動式反射鏡１２を利用して公知の旋転式多面鏡に置き換え、半導体レーザー１０が発生するレーザービームがコリメーターレンズを通過して平行ビームを形成し、平行ビームが円柱レンズを経由することなく、直接に微小電気機械振動式反射鏡１２上に投射することを可能としてなる。 微小電気機械振動式反射鏡１２は、一定の振幅で単振動してなり、該入射したレーザービームの反射方向を制御し、レーザービームの反射は側面のＦ−Ｓｉｎθレンズ面１３で屈折し、更にＦ−Ｓｉｎθレンズ片１３の屈折を経由して結像面に投射し、レーザースキャンユニットが必要とするラインスキャン作用を達成する。

更に、該微小電気機械振動式反射鏡１２の単振動方式に対して、本考案は特にＦ−Ｓｉｎθレンズ片１３を新たに設計し利用し、ラインスキャンの要求を達成する。該Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片１３の技術的特徴、動作の効果、及び公知のＦ−θレンズ片との違いを以下に説明する。

公知のレーザースキャンユニットは、旋転方式多面鏡を採用してその等角速度旋転によりレーザービームの感光ドラム上のスキャン動作を行うが、この時レーザービームが旋転式多面鏡により反射する角度は下記の式を満たす。
θ（ｔ）＝ω＊ｔ、ω；多面鏡の旋転角速度・・・ Ｅ（１）

図５、７に示すように、多面鏡は等角速度で旋転し、即ちωは常数にてなり、よって反射角度θは時間ｔに正比例する。言い換えれば、時間間隔が等しい場合、反射角度θの時間に対する変化量も等しくなる。反射されたレーザービームはレンズ片を経由して結像面１４に集められ、この時光点のＹ方向の位置Ｙ’は、下記の式を満たす。
Ｙ’＝Ｌｐ＊Ｔａｎ（θ（ｔ））、Ｌｐ；多面鏡の反射鏡面から結像面の距離・・Ｅ（２）

図７の破線に示すように、結像面における光点の軌跡は時間の増加に従い、一つの光点と次の光点の間の距離も増加し、即ち結像面上の光点の速度は時間に対して非等速であると共に徐々に増加する。このような現象は、レーザースキャンユニットにおいて許容できないものであるから、この時該レンズ片は集光作用のみでなく、このような光点の非等速運動を修正する必要がある。光点の軌跡を等速にしたとき、修正された光点の位置Ｙ’は下記の式を満たす。
Ｙ’＝Ｆ＊θ（ｔ）、Ｆ；該レンズ片の焦点距離・・・Ｅ（３）

この場合、図７の実線に示すように時間間隔が等しいとき、反射角度の変化量も等しく、Ｅ（３）式に示されるように光点の位置Ｙ’が等間隔で距離が変化するためには、同時に光点の大きさとその軌跡を等速に修正する特殊なレンズ片、Ｆ−θレンズ片を必要とする。
図９に示すように、光学設計上、このようなレンズ片は負の又は樽型歪曲（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｒ Ｂａｒｒｅｌ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ）を有しており、即ち、元のビーム経路はＦ−θレンズ片によって写像の中心（ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ）に向かって屈折して、レンズ片による屈折したビームと元のビームは、中心から離れるにつれて図７に示すｄ１、ｄ２、ｄ３が拡大して行くとおり、結像面１４上で位置がずれて行き、その修正作用によって光点間隔を一定に維持することが出来る。

これに対して本考案は、微小電気機械振動式反射鏡１２を利用して多面鏡に置き換えるもので、旋転式多面鏡とは異なり、微小電気機械振動式反射鏡１２の単振動によって、レーザービームが振動式反射鏡を通過した後の反射角度θと時間ｔの関係は、次のとおりである。
θ（ｔ）＝θｓ＊Ｓｉｎ（２πｆ＊ｔ）・・・・Ｅ（３）
ｆ；微小電気機械反射鏡１２のスキャン周波数
θｓ；ビームが微小電気機械反射鏡を通過した後の最大スキャン角度

図６に示すように、時間間隔が等しい場合、対応する反射角度の変化量は等しくならず、振動の周期において両端に向かって徐々に減少するため、時間に対して正弦関係を成す。微小電気機械振動式反射鏡の一回の往復運動は、完全な周期を持ち、図６に示すように、４分の１の周期にてなる時、最大反射角度θｓに到達する。

図８に示すように、
光点の位置Ｙ’＝Ｌｍ＊Ｔａｎ（θｓ＊Ｓｉｎ（２πｆ＊ｔ））・・・Ｅ（５）
Ｌｍ；反射鏡面から結像面１４の距離

Ｅ（５）式は、結像面において中心から離れるに従い、すなわち光点と次の光点の間の距離は時間と共に減少し、結像面１４における光点の速度は非等速であると共に振動周期両端に向けて徐々に減速する。この現象は旋転式多面鏡の場合と正反対であり、同様にビームを偏向するレンズ片によって修正して、結像面において等速スキャンをさせる必要がある。このレンズ片は、時間に対する角度変化量が正弦関係を成すように修正する作用を有し、旋転式多面鏡が使用するＦ−θレンズ片に対して、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片１３と称する。光学設計において、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片１３は、正の又は糸巻型歪曲（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｒ Ｐｉｎｃｕｓｈｉｏｎ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ）を生じ、元のビーム経路はＦ−Ｓｉｎθレンズ片を経由して写像の終端（ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｅｎｄ）に向かって屈折し、図８に示すように、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片１３により屈折されたビームと元のビームの結像面における位置の差（ｄ１’、ｄ２’、ｄ３’）は、中心から外方に向かって増加する。

図９、１０に示すように、旋転式多面鏡と微小電気機械振動式反射鏡のレーザースキャンユニットの光学的構造は相違し、それぞれ光学システムのレンズ片は、Ｆ−θレンズ片及びＦ−Ｓｉｎθを設けてなり、いずれも光点位置の修正機能を備えることによって結像面上のスキャン速度は等速として時間間隔が等しい場合、光点と次の光点との間の距離も等しくなる。

図１１、１２に示すように、旋転式多面鏡と微小電気機械振動式反射鏡のレーザースキャンユニットが使用するＦ−θレンズ片とＦ-Ｓｉｎθレンズ片は歪曲の光学特性が相違し、図１１には樽型歪曲の光学特性、図１２には糸巻型歪曲の光学特性を示す。

上述のように、本考案の微小電気機械振動式反射鏡１２及びＦ−Ｓｉｎθレンズ片１３を利用して構成されるレーザースキャンユニットは、公知の旋転式多面鏡及びＦ−θレンズ片を利用して構成するレーザースキャンユニットとは全く相違する。

本考案のレーザースキャンユニットモジュールの立体図である。 図１の光学経路の平面図である。 図１の光学経路の側面図である。（図２の垂直方法から見た図である） 本考案の微小電気機械振動式反射鏡の実施例の立体図である。 旋転式多面鏡及び微小電気機械振動式反射鏡が反射した後の反射角度θと時間ｔの関係図である。 本考案のレーザースキャンユニットモジュールの立体図である。 旋転式多面鏡の光点スキャンの軌跡図である。 微小電気機械振動式反射鏡の光点スキャンの軌跡図である。 旋転式多面鏡の光学設計図である。 微小電気機械振動式反射鏡の光学設計図である。 旋転式多面鏡のレーザースキャンユニットが使用するＦ−θレンズ片の歪曲した光学特性図である。 微小電気機械振動式反射鏡のレーザースキャンユニットが使用するＦ−Ｓｉｎθレンズ片の歪曲した光学特性図である。

符号の説明

１ レーザースキャンユニット
１０ 半導体レーザー
１１ コリメーターレンズ
１２ 微小電気機械振動式反射鏡
１３ Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片
１４ 結像面

Claims (6)

1. 半導体レーザー、コリメーターレンズ、微小電気機械振動式反射鏡、及びＦ−Ｓｉｎθレンズ片より構成され、
   該半導体レーザーは、レーザービームを発射してコリメーターレンズに入射し、
   該コリーメーターレンズは、半導体レーザーのレーザービームを受けて、平行ビームを形成して微小電気機械振動式反射鏡に向けて射出すると共に、射出されたレーザービームの主軸は、微小電気機械振動式反射鏡の振動の中心に対応してなり、
   該微小電気機械振動式反射鏡は、その微小電気機械振動の構造により、反射鏡が一定の振幅で単振動方式で振動して入射レーザービームをＦ−Ｓｉｎθレンズ片に反射し、
   該Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片は、微小電気機械振動式反射鏡の時間に対する角度変化量が正弦関係を成すように修正することにより、レーザービームを結像面において等速スキャンせしめることを特徴とした、レーザースキャンユニット。
2. 前記Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片は、微小電気機械振動式反射鏡が単振動方式にて反射したレーザービームが結像面において成す光点間の距離が時間の増加に従い減少する非等速スキャンの現象に対して、Ｆ−Ｓｉｎθレンズ片により時間に対する角度の変化量が正弦関係を成すように修正を加え、微小電気機械振動式反射鏡が結像面に成す光点間の距離が時間に対して等速スキャンをするように修正することを特徴とした、請求項１に記載のレーザースキャンユニット。
3. 前記レーザービームの中心軸が微小電気機械振動式反射鏡の機械の中心に対応してなることを特徴とした、請求項１に記載のレーザースキャンユニット。
4. 前記Ｆ−Ｓｉｎθは単式レンズ片構造にてなることを特徴とした、請求項１に記載のレーザースキャンユニット。
5. 前記Ｆ−Ｓｉｎθは複合式レンズ片構造にてなることを特徴とした、請求項１に記載のレーザースキャンユニット。
6. 前記コリメーターレンズと微小電気機械振動式反射鏡との間には円柱レンズを設置したことを特徴とする、請求項１に記載のレーザースキャンユニット。

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