JP4841086B2

JP4841086B2 - 画像形成装置

Info

Publication number: JP4841086B2
Application number: JP2001293179A
Authority: JP
Inventors: 善紀林; 智宏中島
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003098459A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームプリンタ、デジタル普通紙複写機、普通紙ファクシミリ等に用いられる光走査装置および画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カラーレーザビームプリンタ、カラー複写機、カラーファクシミリ等においては、画像書き込みないしは画像形成の高速化を図るために、走査光学系を複数配備したものがある。特開平１０−２４４７０８号公報記載の発明はその一つで、ポリゴンスキャナにより光走査を行う走査光学系を複数配備している。そして、各ポリゴンモータの回転速度を調整する同期回転制御手段を備えている。
【０００３】
また、光走査装置の新たな方式として、振動により光走査を行う偏向手段を有する光走査装置が検討されている。これは正弦波振動を用いた偏向手段を有する光走査装置である。そして、偏向手段の機械的共振周波数を可変としたことを特徴とする光走査装置も検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
偏向器により光束を偏向走査する光走査装置は従来からよく知られている。偏向器としては、等速回転するポリゴンスキャナが広く用いられているが、ポリゴンスキャナは装置が大掛かりとなるため、振動によるバンディング、温度上昇、騒音、消費電力アップ等の問題がある。
【０００５】
また、複数の走査光学系を主走査方向に並列に配置する方式の光走査装置が知られている。この方式によれば次のような利点がある。
・コンパクトな光走査装置で広域の走査領域に対応可能である。
・各走査光学系および走査光学素子が小さくなるので、波面収差の補正が容易になり、部品ばらつき、部品取り付け誤差によるビームスポット径変動が小さくなる。従って、ビームスポットの小径化が容易になる。
また、複数の走査光学系を副走査方向に並べて、多色画像形成装置に応用することも知られている。
【０００６】
一方、マイクロマシン技術を用い、共振構造にして正弦波振動を行わせることにより、光を偏向するようにしたマイクロミラーが提案されている。これを用いると、装置が小型され、上述のような振動によるバンディング、温度上昇、騒音、消費電力の増大といった問題を大幅に低減することができる。
【０００７】
しかしながら、正弦波振動を行うマイクロミラーの走査周波数は固有の共振周波数に依存しており、製造のばらつきにより共振周波数が異なる値になる可能性がある。
走査光学系ごとに共振周波数が異なると、走査光学系ごとに走査線の位置が異なり、複数の走査光学系を主走査方向に並べた場合には、主走査方向の走査線の繋ぎ目において副走査方向にドット位置ずれが生じる。また、複数の走査光学系を副走査方向に並べる場合には、副走査方向に色ずれが生じる。
【０００８】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、振動により光走査を行う偏向手段を有する走査光学系が複数配備された光走査装置において、副走査方向のドット位置ずれ、色ずれを低減することを目的とする。
本発明はまた、振動により光走査を行う偏向手段を有する走査光学系が複数配備された光走査装置を用いた画像形成装置であって、色ずれや繋ぎ目での画像劣化の少ない高画質な画像形成装置を提供することを目的とする。
【０００９】
請求項１記載の発明は、往復振動により光走査を行う偏向手段を有する走査光学系が複数配備された光走査装置を有する画像形成装置であって、上記複数の光走査光学系が、主走査方向に配列され、それぞれの光走査光学系の走査領域を繋ぎ合わせて一画像を記録するように構成され、上記偏向手段の往復振動の往区間においてのみ画像記録を行い、上記複数の走査光学系の少なくとも１つについて、上記複数の走査光学系間の走査線繋ぎ目における副走査方向の走査線位置ずれが１周期分のライン間隔以下となるように特定の走査周期毎に画像記録を行わない区間を設けることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる光走査装置および画像形成装置の実施の形態について説明する。
図１は光走査装置に用いる振動ミラー偏向器の実施例を示す。図１において、ミラー基板はシリコン基板１０２をエッチングすることにより、裏側を四角形にくり貫くとともに、枠部と天板部とを所定の厚さに残している。天板部には振動ミラー１００およびそれを軸支するトーションバー１０１を残し、その周囲を貫通して形成する。実施例では２００μｍのシリコン基板を用い、振動ミラー１００の厚さ、つまり天板部の厚さは６０μｍとした。振動ミラー１００の幅は４ｍｍ×２ｍｍで、上面にＡｕ（銅）等の金属被膜を蒸着し反射面としている。また、その両端部には櫛歯状に凹凸が形成され、これが可動電極１０４となっている。
【００１４】
可動電極１０４と対向した基板１０２の端面には、上記櫛歯形状と噛み合うように、かつ、５μｍのクリアランスをもって固定電極１０５が形成され、各電極１０４，１０５は振動ミラー１００が水平状態のときに、基板１０２に厚さ方向に同一部位で対向している。トーションバー１０１は、振動ミラー１００の走査周波数に応じて、トーションバー１０１を回転軸とした振動モードで共振するように寸法が定められている。実施例ではトーションバー１０１の幅を１００μｍ程度、長さを１ｍｍ程度としている。
【００１５】
シリコン基板１０２はその表面をウエハの研磨面となし、電極と基板との絶縁用に窒化膜を形成している。そのため、エッチングによって貫通された振動ミラー１００は表裏の内部応力差により僅かに傾いており、可動電極１０４と固定電極１０５とは数μｍの段差を有している。そして、固定電極１０５の一方に電圧を印加すると、静電力により振動ミラー１００は水平な状態までトーションバー１０１を捩じって回転する。交流電圧を印加すると往復振動する。この振幅は微少であるが、印加する交流電圧の周波数を振動ミラー１００に固有な機械的共振周波数に相当する周波数にすると、振動ミラー１００は励振されて振幅を拡大することができる。実施例では±５°で正弦波振動させている。
【００１６】
電極１０４，１０５を櫛歯状としているのは、これにより外周長が長くなり、電極の面積をかせぐことができるためで、低電圧でより大きな静電トルクが得られるよう配慮している。
【００１７】
ところで、共振周波数ｆｄは概ね次式で与えられる。
ｆｄ＝√（Ｋ／Ｊ）
Ｊは振動ミラーの慣性モーメント、Ｋはトーションバーのばね定数であり、
Ｋ＝Ｇ・Ｉ／Ｌ
ここで、Ｇ：弾性係数、Ｉ：断面２次モーメント、Ｌ：長さ
しかしながら、振動ミラーの共振周波数は、製造工程での加工誤差、寸法のばらつきなどにより、約２％のばらつきを生じる。
【００１８】
図３には、光走査装置の実施例を示す。図３において、振動により光走査を行う偏向手段としての三つの振動ミラー偏向器２０１、２０２、２０３が主走査方向に並べて電装基板２０４上に実装されている。各振動ミラー偏向器２０１、２０２、２０３は、光源としての半導体レーザ２０５、カップリングレンズ２０６、第１走査レンズ２０７、第２走査レンズ２０８と組み合わされて光走査装置を構成している。なお、実施例では、各光走査装置の第２の走査レンズ２０８を主走査方向に直線状に繋ぎ合わせて一体に成形している。
【００１９】
各光走査装置の半導体レーザ２０５より射出された光ビームはカップリングレンズ２０６で平行光束となし、振動ミラー偏向器に入射される。光ビームは振動ミラー１００の法線に対して副走査方向に約２０°傾けて入射され、振動ミラー１００で偏向されて偏向器から射出される。さらに、走査レンズ２０７、２０８により感光体ドラムなどからなる像担持体２１０上に結像され、１画像を主走査方向に分割した領域を走査して露光し、静電潜像を形成する。各光走査装置により走査されて記録され、主走査方向に繋ぎ合わされた静電潜像は、現像器２１１にてトナーで顕像化され、転写紙２１２に転写される。転写紙２１２のトナー像は、図示されない定着部で定着され、転写後の像担持体２１０は、クリーニング、除電、帯電などのプロセスを経て再び露光プロセスに付されるというように、所定の電子写真プロセスが実行される。
【００２０】
上記露光プロセスにおいて、上述のように共振周波数が約２％ばらつくと、走査線の繋ぎ目において副走査方向のドット位置ずれが生じる。例えば、書き出し位置を合わせたとしても、５０ライン走査すると１ライン以上のずれを生じることになる。
【００２１】
図６は、光走査装置の別の実施例を示す。図６において、振動により光走査を行う偏向手段としての四つの振動ミラー偏向器２２０、２２１、２２２、２２３が、前記実施例と同様に電装基板に実装されている。ただし、四つの振動ミラー偏向器２２０、２２１、２２２、２２３は副走査方向に並列に配置されている。上記各振動ミラー偏向器は、半導体レーザ２２５、カップリングレンズ２２６、第１走査レンズ２２７、第２走査レンズ２２８と組み合わされて各々光走査手段を構成している。各光走査手段は、転写ベルト２２９の送り方向に沿って配列された感光体ドラムからなる像担持体２３０、２３１、２３２、２３３に各々イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）に対応した静電潜像を記録し、現像器２３４、２３５、２３６、２３７により各色トナーで顕像化されるように構成されている。
【００２２】
各像担持体２３０、２３１、２３２、２３３に形成されたトナー画像は、転写ベルト２２９の移動に伴って転写ベルト２２９に順次転写され、重ね合わされてカラー画像を形成する。転写ベルト２２９上のカラー画像は、転写紙２３８に転写される。そのあと定着工程、クリーニング工程、除電工程、帯電工程等に付され、再び露光工程に付されて各像担持体２３０、２３１、２３２、２３３に画像が形成されることは周知のとおりである。
【００２３】
図６に示す実施例の場合も、図３に示す実施例と同様に、共振周波数が約２％ばらつくと、書き出し位置を合わせたとしても、５０ライン走査することによって１ライン以上の色ずれを生じることになる。
【００２４】
この問題を解決するためには、偏向手段の走査周波数をほぼ同じにすることが必要である。前に述べたように、共振周波数はｆｄ＝√（Ｋ／Ｊ）、Ｋ＝Ｇ・Ｉ／Ｌで表されるので、いずれかのパラメータを変更することによって、共振周波数を調整し、走査周波数を調節することができる。図２に、走査周波数を調節するための各種の手段を示している。
【００２５】
図２（ａ）に示す例では、トーションバー１０１の根元に広幅部１１１を設け、炭酸ガスレーザ等を用いて切り欠き１１２を形成することで、トーションバー１０１の長さＬを実質的に加減するように構成されている。また、図２（ｂ）に示す例では、トーションバー１０１の根元に溝１１３を設け、この溝１１３を、接着剤１１４等を用いて埋めることで、トーションバー１０１の長さＬを実質的に加減するように構成されている。いずれにせよ、振動ミラー１００の共振周波数を調整することができ、これによって走査周波数を調節することができる。
【００２６】
図２（ｃ）は、トーションバー１０１の根元近傍に、薄膜抵抗を櫛歯状のパターンに形成することによってヒータ１１５を形成し、このヒータ１１５に通電し加熱することでトーションバー１０１の根元近傍を熱膨張させ、慣性モーメントＪを変化させることで、振動ミラー１００の共振周波数を調整し、走査周波数を調節できるようにしたものである。
【００２７】
共振を利用した正弦波振動ミラーでは、走査周波数と共振周波数が一致するときに利得が最大となり、駆動電源が低電圧で済む利点があるが、共振周波数に対して、入力する基準クロックを可変にすることにより、走査周波数を可変にすることができる。図７はその制御手段の例を示すブロック図である。図７において、基準クロックがプログラマブル分周器１２１で分周されてパルス生成部１２２に与えられる。パルス生成部１２２では上記分周されたクロックパルスをもとにパルス数をカウントしクロックを生成するが、もとの基準クロックを調整可能にすると、形成されるクロックも調整される。ＰＬＬ部１２３では、クロックの位相を検出し、位相差がある場合は更新したクロックを出力する。利得制御部１２４は、クロックの周期に応じて振動ミラーの固定電極１０５に印加する電圧を制御する。振動ミラーは電圧を上げると振幅が大きくなる。各光走査手段で振幅が揃うように、各々電圧の設定を行っている。
【００２８】
このとき、走査周波数が共振周波数とずれるため振幅がずれるが、駆動電圧を増やすことにより、振幅を一定に保つことができる。また、走査周波数の狙い値は各偏向手段に固有な共振周波数の最大値と最小値の中間に設定するのがよい。こうすることにより、調整のダイナミックレンジをせまくすることができ、より高精度な周波数調整が可能になる。
【００２９】
上記の例は走査周波数を調節した例であるが、以下に走査周波数を調節しない方法について説明する。図８は前述の主走査方向につなぐようにした走査線の様子を示す。説明を簡略化するため、２つの走査光学系を配列した例とする。図８において、左右方向が主走査、上下方向が副走査であり、往復振動の往区間にのみ画像記録を行う。（ａ）が比較例であり、（ｂ）が実施例の場合である。上述したように各々個別の走査周波数で駆動すると、操作周波数のずれを生じる。例えば、図８（ｂ）に示す実施例では右側の走査周波数が左側よりも高いので、上下方向に縮まり、左右の繋ぎ目における走査位置のずれが徐々に大きくなる。ｎ番目のラインでは、約１周期分、走査線位置がずれ、２ｎ番目のラインでは約２周期分、走査線位置がずれる。
【００３０】
そこで、右側の走査光学系ではｎの周期毎に画像記録を行うタイミングを変更し、当初ｎ＋１のラインが記録されるべきところに、ｎ番目の画像データを記録する。同様に、２ｎ＋２のラインが記録されるべきところに２ｎ番目の画像データを記録する。このとき、ｎのライン、および２ｎ＋１のラインでは画像記録を行っていない。このように、複数の走査光学系の少なくとも１つについて、特定の走査周期毎に画像記録を行うタイミングを変更することになり、これによって、複数の走査光学系相互間の走査線繋ぎ目における副走査方向の走査線位置ずれは、１周期分のライン間隔以下にすることができ、品質の高い画像を得ることができる。
【００３１】
以上のような、複数の走査光学系の少なくとも１つについて、特定の走査周期毎に画像記録を行うタイミングの変更し、図６に示す光走査装置の例においても、全く同様に適用することができ、これによって同様に副走査方向の色ずれを低減することができる。
【００３２】
上記実施例では、特定の走査周期毎に画像記録のタイミングを同じように変えているが、走査周期毎に画像記録のタイミングの変え方を異ならせてもよい。図９は、その実施例によりずれを補正した走査線の様子を示している。ここでも、説明を簡略化するため、２つの光走査手段を配列した例を示す。図９において、左右方向が主走査、上下方向が副走査を示している。また、往復振動の往区間にのみ画像記録を行うようになっている。上述のように、各々個別の走査周波数で駆動した場合、例えば、図９の例では右側の走査周波数が高いので、上下方向に縮まり、徐々に繋ぎ目における走査位置のずれΔが大きくなる。
【００３３】
一般に１／８ラインピッチ以下であれば、走査線ずれを識別し難いことから、実施例では、５ライン目と６ライン目の区間に右側の走査周波数の位相を遅延させ、６ライン毎に繋ぎ目が左側の光走査手段と一致するように補正している。従って、これを周期的に繰り返すことにより、特定の走査周期毎に走査線の継ぎ目を一致させることができ、許容値以上に繋ぎ目における走査位置がずれるのを防止することができる。
【００３４】
同様にして、光走査手段がいくつであっても補正できる。図５はその制御を行うための、振動ミラー偏向器の駆動手段の例を示すブロック図である。図５において、基準クロックはプログラマブル分周器１２１で分周されてパルス生成部１２２に与えられる。パルス生成部１２２では上記分周されたクロックパルスをもとにパルス数をカウントし共振周波数にあったクロックを生成するが、所定の走査周期毎に、この実施例では６ライン毎に書込制御部より発生される位相選択信号に伴って、図４（ａ）に示すようにパルス幅を変化させ、Ｓだけ位相を遅らせる。
【００３５】
ＰＬＬ部１２３では、クロックの位相を検出し、位相差がある場合は更新したクロックを出力する。利得制御部１２４は、クロックの周期に応じて振動ミラーの固定電極１０５に印加する電圧を制御する。振動ミラーは電圧を上げると振幅が大きくなり、各光走査手段で振幅が揃うように、各々電圧の設定を行っている。
【００３６】
図４（ｂ）は走査周波数の位相を変える別の実施例で、あらかじめ複数の位相のクロックａ、ｂ…を用意しておき、位相選択信号に伴って切り換えるようにしている。しかしながら、上述のような変更を画像記録時に行うと、途中で走査速度が変化し、倍率誤差が生じて正確な画像記録を行うことができなくなる。
そこで、画像記録を行わない領域すなわち有効走査期間以外の領域で、上記変更を行うようにすれば、倍率誤差が生じることは無い。
なお、特定の走査周期ごとに画像記録を行うタイミングを変更するという着想、さらには、特定の走査周期ごとに走査周波数の位相をずらす位相可変手段を設けるという着想は、偏向手段がポリゴンスキャナであっても適用することができ、本発明の技術的範囲に属するものである。
【００３７】
また、前述の、振動により光走査を行う偏向手段を有する光走査装置のいずれの実施例にも、複数の偏向手段の少なくとも１つに振幅を可変する利得調整手段を具備することにより、どの走査光学系も同じ走査周波数となり、主走査方向のドット位置ずれや色ずれを低減できる。
また、偏向手段の振動は、一般的には正弦波振動であることが多いが、正弦波以外の振動であっても本発明の技術的範囲から外れるものではない。
【００３８】
なお、これまでの説明において、各走査光学系の光源は単光源としているが、マルチビームであってもよく、本発明の技術的範囲から外れるものではない。
【００４４】
請求項１記載の発明によれば、上述した光走査装置を用い、複数の走査光学系が、主走査方向に配列され、それぞれの光走査光学系の走査領域を繋ぎ合わせて一画像を記録するように画像形成装置を構成することにより、特定の走査周期毎に画像記録を行うタイミングを変更することにより、走査周期数を調整しなくても、副走査方向のドット位置ずれ、色ずれを低減できるとともに、画像記録を行わない区間を設けることにより、副走査方向のドット位置ずれ、色ずれを低減することができる画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に適用可能な偏向手段の例を示す分解斜視図である。
【図２】上記偏向手段の共振周波数調節手段の各種例を示す平面図である。
【図３】本発明にかかる光走査装置を用いた画像形成装置の実施例を示す斜視図である。
【図４】特定の走査周期ごとに画像記録タイミングを偏向する動作を示すタイミングチャートである。
【図５】複数の光走査手段の走査位置ずれ補正を行う振動ミラー偏向器の駆動手段の例を示すブロック図である。
【図６】本発明にかかる光走査装置を用いた画像形成装置の別の実施例を示す斜視図である。
【図７】走査周波数制御手段の例を示すブロック図である。
【図８】主走査方向につなぐようにした走査線の様子を示すもので、（ａ）は比較例を、（ｂ）は本発明の実施例による場合を示す線図である。
【図９】走査周期毎に画像記録のタイミングの変え方を異ならせて走査線のずれを補正する場合の走査線の様子を示す線図である。
【符号の説明】
１００振動ミラー
１０１トーションバー
１０４可動電極
１０５固定電極
２０１振動ミラー偏向器
２０２振動ミラー偏向器
２０３振動ミラー偏向器
２０７走査レンズ
２０８走査レンズ
２０１像担持体

Claims

往復振動により光走査を行う偏向手段を有する走査光学系が複数配備された光走査装置を有する画像形成装置であって、
上記複数の光走査光学系が、主走査方向に配列され、それぞれの光走査光学系の走査領域を繋ぎ合わせて一画像を記録するように構成され、
上記偏向手段の往復振動の往区間においてのみ画像記録を行い、
上記複数の走査光学系の少なくとも１つについて、上記複数の走査光学系間の走査線繋ぎ目における副走査方向の走査線位置ずれが１周期分のライン間隔以下となるように特定の走査周期毎に画像記録を行わない区間を設けることを特徴とする画像形成装置。