JP4975917B2

JP4975917B2 - 光走査方法、光走査モジュール、光走査装置、画像形成装置

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Publication number: JP4975917B2
Application number: JP2001292586A
Authority: JP
Inventors: 智宏中島
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: JP2002341285A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査方法、光走査モジュール、光走査装置、画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光走査装置は、光ビームを走査する偏向器としてポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられているが、より高解像度な画像と高速プリントを達成するにはこの回転をさらに高速にしなければならず、軸受の耐久性や風損による発熱、騒音が課題となり、高速走査に限界がある。
【０００３】
これに対し、近年、シリコンマイクロマシニングを利用した光偏向器の研究がすすめられており、特許第２７２２３１４号や第３０１１１４４号に開示されるように、シリコン基板で可動ミラーとそれを軸支するトーションバーを一体形成した方式が提案されている。この方式によれば共振を利用して往復振動させるので高速動作が可能で、かつ単結晶シリコンのトーションバーは劣化がないので、高速走査に優れる光偏向器を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のシリコン基板で可動ミラーとそれを軸支するトーションバーを一体形成した光偏向器においては、共振を利用して振幅をかせいでいるため、従来のポリゴンミラーやガルバノミラーと比べ印加する電力が極めて小さく騒音が小さいという利点がある。反面、偏向された光ビームで平面上を走査する場合、走査線の両端で折り返されるため、走査線の両端での走査速度は０となり、走査線の中央で最も速度が速くなるというように走査速度の変化が大きく、従来のポリゴンミラーを用いた光走査装置のように走査レンズによって被走査面上において等速に走査されるように補正することは困難である。
【０００５】
ところで、最大振れ角θ０は後述するように共振周波数ｆｄとは相反する関係にあり、記録速度が速くなるに従って最大振れ角θ０は小さくなり、現実的には最大振れ角θ０は１０°以下となる。
【０００６】
走査速度は可動ミラーの振れ角が大きくなるに従って加速度的に低下するので、最大振れ角θ０に対して画像記録に用いる振れ角θｓを限定し速度変化が比較的小さい範囲で使うこともできるが、これに伴って画像記録領域も縮小してしまうため、最大振れ角θ０に対する画像記録に用いる振れ角θｓの比、いわゆる有効走査期間率θｓ／θ０が小さくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、有効走査期間率を拡大して効率よく画像記録が行えるとともに、最大振れ角を小さく抑えることで印加する電力を低減でき電力消費が少なくて済む光走査方法、光走査モジュール、光走査装置、画像形成装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、発光源に供給する画素情報の周期を、各画素の主走査位置に対応させて変化させ、画素情報の周期の変化に応じて発光源の発光出力を可変する。これにより、有効走査期間率を拡大して効率よく画像記録が行えるとともに、画素周波数を変化させた際の発光時間の差をビーム強度で補って１画素あたりの露光エネルギーを均一化できる。
【００１０】
また、本発明は、検出手段で得た検出信号を基準として所定時間経過後に出力変調区間を設定し、出力変調区間に発光源の発光出力を主走査位置に対応させて可変する出力可変手段を有することにより、画素周波数を変化させた際の発光時間の差をビーム強度で補って１画素あたりの露光エネルギーを均一化できるので、濃度むらのない高品位な画像形成が行え、画像品質を向上することができ、複数の光走査モジュールを継ぎ合わせて光走査装置を構成する際にモジュール数が少なくて済み電力消費が少なくて済む。
【００１１】
また、本発明は、可動ミラーの変位を検出する検出手段を備え、検出手段で得た検出信号を基準として所定時間経過後に周波数変調区間を設定し、周波数変調区間に発光源を発光する周波数を変化させ、また、検出手段で得た検出信号を基準として周波数変調区間を開始するタイミングを可変としたことにより、画像記録領域の端部が画素周波数可変の領域を越えてしまうことがないので、画像歪みを生じない高品位な画像形成が行え、また、複数の光走査モジュールを継ぎ合わせて光走査装置を構成する際には隣接するモジュールとの走査線の継ぎ目で画像歪みを生じさせずに合わせることができる。
【００１２】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、少なくとも画像書き込み以外の期間では可動ミラーに与える回転振動力を低減、または停止することにより、待機時に無駄に電力を消費することがなく、騒音も小さすることができる。
【００１３】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、検出手段においてあらかじめ設定された検出信号値が得られるよう可動ミラーの振幅を可変することにより、画像記録時毎に環境条件等が変わることがあっても一定の最大振れ角を得るための最小限の回動力で済むので、無駄に電力を消費することを防止できる。
【００１４】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、検出手段においてあらかじめ定められた検出信号値が得られるまで可動ミラーの振幅を徐々に増加して起動することにより、過剰に回動力が加わるのを防止でき可動ミラーの故障を未然に防ぐことができる。
【００１５】
また、本発明では、発光源は、検出手段においてあらかじめ設定された検出信号値が得られるまで画像書き込みを禁止することにより、発光源からの光ビームが走査拡散されている時以外は光走査装置から放出されないので、可動ミラーの故障があっても人体への光ビームの被曝を未然に防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、所定の制限時間内に検出手段において、あらかじめ設定された検出信号値が得られなかった場合には、可動ミラーの駆動を中断することにより、可動ミラーが故障しているにもかかわらず過剰に回動力が加えられることでの発熱が生じないようにすることで、周辺回路等の焼損を未然に防ぐことができる。
【００１７】
また、本発明は、光走査モジュールを複数備え、主光走査方向を一致させて配列したことにより、画像記録幅を複数の光走査モジュール分の画像記録幅に拡大することができ、様々な記録幅の画像を形成できる。
【００１８】
また、本発明は、光走査装置を備え、像担持体に画像領域を主走査方向に分割して静電像を形成し、静電像をトナーで顕像化し、出力紙に転写することにより、省電力かつ低騒音な画像形成装置を提供することができる。
【００１９】
また、本発明は、発光源からの光ビームを往復振動する可動ミラーで偏向走査する光走査装置を備え、発光源に供給する画素情報の周期を、各画素の主走査位置に対応して変化させ、画素情報の周期の変化に応じて発光源の発光出力を可変して、画像書き込みを行う、また、可動ミラーの振動変位を検出し、検出で得た検出信号を基準として周波数変調区間を設定し、周波数変調区間において、画素情報に応じて発光源を発光する周波数を基準周波数から段階的に可変しつつ、画像書き込みを行う、また、発光源を発光する基準周波数を、可動ミラーの共振周波数に対応させて選択し、画像書き込みを行うことにより、有効走査期間率を拡大して効率よく画像記録が行えるとともに、最大振れ角を小さく抑えることで印加する電力を低減でき電力消費が少なくて済む。
【発明の実施の形態】
図１は、光走査装置に配備される本発明の光走査モジュールの一実施例の分解斜視図を示す。同図中、ミラー基板１０２はシリコン基板をエッチングにより裏側を四角にくり貫いて所定厚さに枠部と天板部とを残し、天板部には可動ミラー１００及びそれを軸支するトーションバー１０１をその周囲を貫通して形成する。
【００２０】
可動ミラー１００の中央部には金属被膜を蒸着するなどしてミラー面を形成し、トーションバーを挟んでミラーの両端縁部は櫛歯状凹凸を持つ平面形状となし、可動電極１０４を形成する。シリコン基板１０２裏側の中空部は可動ミラーの揺動空間をなす。電極基板１２０は可動ミラー１００の揺動空間として中央部を貫通され、上記可動ミラー１００の縁部形状の櫛歯状凹凸に合わせて互い違いに凹凸が重なり合う櫛歯状凹凸を持つ側面とされ、上記可動電極１０４の両端縁部に対向する固定電極１２１を形成し、ミラー基板１０２の上面に接合される。なお、実施例では駆動電圧を低減するために櫛歯形状とすることで対向する電極の面積を拡大している。
【００２１】
電極基板１２０の上面には２枚のシリコン基板１０５，１０３を貼り合せて構成した対向ミラー基板が接合される。第１の基板１０５は結晶面方位＜１１０＞から約９°のスライス角度を傾けたウエハを用い、エッチングにより基板面より２６．３°傾けた傾斜面を形成し、金属被膜を蒸着して反射面１０６となす。第２の基板１０３は結晶面方位＜１１１＞から約９°のスライス角度を傾けたウエハを用い、エッチングにより基板面より９°傾けた傾斜面を形成し、金属被膜を蒸着して反射面１２２となす。また、図２の断面図に示すように、第２の基板１０３には光ビームが通過する開口部１０３−１を反射面１２２と隣接して貫通し、この開口部を挟み屋根状に１４４．７°の角度をなす反射面１０６と１２２とを対で配備した構成となす。
【００２２】
プリズム１１６には光ビームの入射面１１６−２、射出面１１６−４、可動ミラー１００それぞれに光ビームを反射する反射面１１６−１および接合面１１６−３とが形成され、上記第２の基板１０３上面に接合される。図２に示すように、開口部１０３−１から可動ミラー１００に所定の角度（例えば２０°）で入射した光ビームは上記反射面１０６で反射され、再度、可動ミラー１００で反射され、反射面１２２との間で複数回反射を繰り返して副走査方向に反射点を往復して移動しながら再び開口部１０３−１を通ってプリズム１１６に入射し、射出面１１６−４から射出される。このように複数回反射を繰り返すことで、可動ミラー１００の小さい振れ角で大きな走査角が得られるようにしている。例えば、可動ミラー１００での総反射回数Ｎ（例えばＮ＝５）、振れ角αとすると走査角θはθ＝２Ｎαとなる。
【００２３】
上記可動ミラー１００は一方の側面の固定電極１２１に電圧を印加すると対向する可動電極１０４との間に静電引力が発生し、トーションバー１０１をねじって水平な状態から静電引力とねじり力が釣り合う状態まで傾き、電圧を解除するとトーションバーの復元により水平な状態に戻り、もう一方の側面の固定電極に電圧を印加すると反転方向に可動ミラー１００が傾くというように固定電極１２１への電圧印加を周期的に切り換えることにより可動ミラー１００を往復振動することができる。
【００２４】
なお、この電圧を印加する周波数を可動ミラーの固有振動数に近づけると共振状態となり、静電引力による変位以上に増幅され振れ角は著しく拡大する。実施例では記録速度に合うように可動ミラー１００の固有振動数を設定する。つまり、可動ミラー１００の厚さ、トーションバー１０１の太さと長さを決定している。一般に、最大振れ角θ０は可動ミラー１００を支えるトーションバー１０１の弾性係数Ｇ、断面２次モーメントＩ、長さＬで決定されるばね定数Ｋと、静電引力によって与えられるトルクＴとにより、次式で表される。
【００２５】
θ０＝Ｔ／Ｋ、
ここで、Ｋ＝Ｇ・Ｉ／Ｌ
また、可動ミラーの共振周波数ｆｄは慣性モーメントＪとすると次式で表される。
【００２６】
ｆｄ＝（Ｋ／Ｊ）^１／２
共振を利用することで印加電圧は微小で済み発熱も少ないが、記録速度が速くなるに従ってトーションバー１０１の剛性が高まり振れ角がとれなくなってしまう。このため、上記したように反射面１０６，１２２の対向ミラーを設けることで走査角を拡大し、記録速度によらず必要十分な走査角が得られるようにしている。
【００２７】
支持フレーム１０７は焼結金属等で成形され、絶縁材を介してリード端子１１５が挿入されてなる。支持フレーム１０７には上記したミラー基板１０２を実装する接合面１０７−１、カップリングレンズ１１０を位置決め接着するＶ溝１０７−２、接合面１０７−１と垂直に形成したＬＤチップ１０８の実装面１０７−３、ＬＤの背面光を受光するモニタＰＤチップ１０９の実装面１０７−４が形成される。
【００２８】
円筒の上下をカットした形状のカップリングレンズ１１０は第１面を軸対称の非球面、第２面を副走査方向に曲率を有するシリンダ面となす。Ｖ溝１０７−２はカップリングレンズ１１０の円筒外周面が当接した際、光軸がＬＤチップ１０８の発光点に合うように幅と角度が設定され、光軸方向の調整によって発散光束を矢印Ｘで示す主走査方向には略平行光束とし、矢印Ｙで示す副走査方向には可動ミラー面で集束する集束光束となし接着固定する。なお、上記カット面はシリンダ面の母線と平行に形成され母線が水平になるように光軸回りの位置決めがなされる。
【００２９】
プリズム１１６の入射面１１６−２にはカップリングレンズからの光ビームを所定の径に整形するアパーチャマスクが膜形成され、プリズム内を通過して可動ミラー１００で走査された光ビームは射出面１１６−４より上方に放出される。
【００３０】
カバー１１１は板金にてキャップ状に成形され、光ビームの射出開口にはガラス板１１２が内側より接合されてなり、上記支持フレーム１０７の外周に設けられた段部１０７−６にはめ込まれてＬＤチップ１０８、ミラー基板１０２等を気密状態に保護する。ＬＤチップ１０８、モニタＰＤチップ１０９、上記した固定電極１２１は各々リード端子１１５の支持フレーム１０７上側に突出した先端との間でワイヤーボンディングにより各々接続がなされる。
【００３１】
図３に、本発明の光走査装置の断面図、図４（Ａ），（Ｂ）にその外観図、透視図を示す。上記構成による光走査モジュール２００は、ＬＤの駆動回路、可動ミラーの駆動回路を構成する電子部品が実装されるプリント基板２０１上に主走査方向に配列して複数個（実施例では３個）実装される。実装の際、上記支持フレーム１０７の底面は下側に突出したリード端子１１５をスルーホールに挿通してプリント基板２０１に当接され、スルーホールのクリアランス内でプリント基板２０１上における複数の光走査モジュール２００間の位置合わせを行って仮止めし、他の電子部品と同様ハンダ付けされ一括して固定される。
【００３２】
複数の光走査モジュール２００を支持したプリント基板２０１はハウジング２０２の下側開口を塞ぐように当接され、ハウジング２０２に一体で設けられた一対のスナップ爪２０２−１間に抱え込んで保持する。プリント基板２０１にはこのスナップ爪２０２−１の幅に係合する切り欠きが設けられ、主走査方向の位置決めがなされると同時に、スナップ爪２０２−１に形成した鈎型の係止部２０６を基板エッジに係合して副走査方向が固定される。また、係止部２０６は撓ませて係合を解除することで突起２０５が基板上端を押し下げ、容易に取り外すこともできる。
ハウジング２０２内部には結像手段を構成する第１の走査レンズ２０３を主走査方向に配列して接合する位置決め面、第２の走査レンズ２０４を保持する位置決め部および同期ミラー２０８の保持部が形成される。本実施例では各光走査モジュール２００の第２の走査レンズ２０４は樹脂にて一体的に形成し、また、同期ミラー２０８も高輝アルミ板で互いに連結して形成しており、光ビームを射出する開口に外側よりはめ込まれ奥側に突き当てて取り付けられる。開口の中央部には突起２０２−３が形成され、第２の走査レンズ２０４の中央部に設けられた凹部２０４−１、同期ミラー中央部２０８に設けられた凹部２０８−１を係合して主走査方向を位置決めされ、副走査方向には開口の一端に押し付けられて位置決めされる。
【００３３】
また、第１の走査レンズ２０３には各々主走査の中央部底面に位置決め用の突起２０３−１を形成しており、ハウジング２０２に均等間隔で配備された係合孔２０２−２に装着し、主走査方向の相対位置が維持されるようにすると同時に、光軸方向の一端に突き当て同中央部に各々の高さが同一平面となるよう配備された接着面に副走査方向の底面を当接して位置決めされる。
【００３４】
同期検知センサ２０９はＰＩＮフォトダイオードが用いられ、隣接する光走査モジュール２００で共用する中間位置と両端位置に配置され、各光走査モジュール２００の走査開始側と走査終端側とでビームが検出できるようにプリント基板２０１上に実装される。同期ミラー２０８は隣接する光走査モジュール２００の走査開始側と走査終端側との反射面が向かい合うよう「く」字状に成形され、各々光ビームを反射し、共通の同期検知センサ２０９に導くことができるようにしている。
【００３５】
また、コネクタ２１０は全ての光走査モジュール２００への電源供給やデータ信号などのやり取りを一括して行う。ハウジング２０２の両側面には後述する感光体ドラムを保持するカートリッジにドラム２２０と同心に設けられた円筒面２１５に合わせて突き当て面を有する位置決め部材２１１が取り付けられる。位置決め部材は２１１は突起部２１２にねじ固定された後、Ｌ字状に設けた座面を装置本体のフレームに設けられたピン２１３にスプリング２１４を介して配備されるので、上記カートリッジに常に押し付けられた状態で保持され、複数の光走査モジュール２００の感光体ドラムに対する位置決めを一括して確実におこなうことができる。
【００３６】
図５は、本発明の光走査装置をカラーレーザプリンタに適用した一実施例の構造図を示す。
【００３７】
各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）毎に光走査装置５２０とプロセスカートリッジ５００とが個別に位置決めされ、用紙の搬送方向に沿って直列に配備される。用紙は給紙トレイ５０６から給紙コロ５０７により供給され、レジストローラ対５０８により印字のタイミングに合わせて送り出され、搬送ベルト５１１に載って矢印方向に搬送される。各色画像は用紙が各感光体ドラム（像担持体）５０１を通過する際にトナーが静電引力によって転写され順次色重ねがなされて、定着ローラ５０９で定着され、排紙ローラ５１２により排紙トレイ５１０に排出される。なお、各色プロセスカートリッジはトナー色が異なるのみで構成は同一である。感光体ドラム５０１の周囲には感光体を高圧に帯電する帯電ローラ５０２、光走査装置５２０により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像ローラ５０３、トナーを備蓄するトナーホッパ５０４、用紙に転写された後の残トナーを掻き取り備蓄するクリーニングケース５０５が配備される。
【００３８】
光走査装置５２０は上記したように複数の光走査モジュール２００の走査線をつなぎ合わせて１ラインが構成され、総ドット数Ｌを分割し各々画像始端から１〜Ｌ１、Ｌ１＋１〜Ｌ２、Ｌ２＋１〜Ｌドットを割り当てて印字するが、本実施例ではこの割り当てるドット数Ｌ１，Ｌ２を各色で異なるようにすることで、同一ラインを走査する各色の走査線の継ぎ目が重ならないようにしている。
【００３９】
図６は、ＬＤ（半導体レーザ）及び可動ミラーの駆動制御回路の一実施例のブロック図を示す。同図中、周波数設定部３０７で可動ミラー３０２の共振振動数に合わせて走査周波数ｆｄが可変され、電圧制御部３０８から電極駆動部３０９，３１０を通して各固定電極３０５，３０６に位相が１／２周期ずれるようにパルス状の電圧が印加され、これによって可動ミラー３０２が共振振動する。
【００４０】
本実施例では、可動ミラー３０２は走査角θ０を起点として−θ０に達するまでの往期間の内、θｓ〜−θｓの期間（０＜θｓ＜θ０）において画像記録を行い、走査角−θ０から＋θ０の復期間には画像記録を停止する。言い換えれば、走査周波数ｆｄの１周期毎に画像記録を行う。ちなみにθ０＝５°、θｓ／θ０＝０．７としている。ＬＤ３０１は固定電極３０５への電圧が解除された時点から点灯され、同期検知センサ３０３にて光ビームを検出して同期検知信号を発生し、この同期検知信号を基準として記録開始のタイミングを取る。画像記録の待機時においては電力消費を抑えるため固定電極３０５，３０６への印加電圧を低下、または０として可動ミラー３０２の振幅（振れ角）を低下させ、この期間、同期検知信号は発生していない。
【００４１】
電源投入時または記録開始時には、同期検知センサ３０３から同期検知信号が得られるまで、電圧制御部３０８から固定電極３０５，３０６に印加する電圧を徐々に増加して静電引力を徐々に上昇させることで、可動ミラー３０２の振幅を徐々に増大させる。そして、同期検知信号のレベルが所定値に達した時点で固定電極３０５，３０６に印加する電圧の増加を停止する。
【００４２】
ところで、同期検知は振れ角がθ０となる近傍でなされるが、−θ０となる近傍にも終端検知センサ３０４を配備されており、終端検知センサ３０４で走査終端の光ビームを検出し、この終端検知信号と同期検知センサ３０３の同期検知信号との時間差、つまり走査時間を演算部３１６で演算して、これが所定の時間差となるよう固定電極３０５への印加電圧を増減し、環境温度変化等による共振周波数のずれに伴う振幅の変動を補正している。なお、終端検知センサ３０４を配備しなくても同期検知センサ３０３での検出信号だけでも検出が可能である。当然、別に光検出センサを配備してもよい。
【００４３】
この走査時間の検出は、振幅（可動ミラーの最大変位）を検出するための代用特性をみているにすぎず、別の特性でみても一向に構わない。例えば、図７は走査速度検出機構の他の実施例を示す。可動ミラー６０１の裏側にコイル６０２をパターン形成し、トーションバー６０５から配線を引き出している。トーションバー６０５を挟んで可動ミラー６０１の外側に永久磁石６０３、６０４をＮ極とＳ極を対向して配備すると、可動ミラー６０１が傾いた際にコイル６０２に電流が流れるので、この電流を検出する。
【００４４】
図６に戻って説明するに、書込制御部３１１では、これらの設定が完了したのち記録領域でのＬＤ３０１の点灯を許可するようにシーケンス制御すると同時に、印可電圧があらかじめ設けられた制限値を越えても同期検知センサ３０３及び終端検知センサ３０４の検出信号が得られない場合や、走査時間が所定値に達しない場合にはエラー信号を出力して、固定電極３０５，３０６への電圧印加を中止し、光走査装置５２０の外部に必要以上に光ビームが放出されるのを防止する。本実施例では３つの光走査モジュール２００を有するので、全ての光走査モジュール２００でこの条件がクリアされなければ印字動作を開始しない。
【００４５】
図８は、可動ミラーの待機時または電源投入時から電圧制御部３０８及び書込制御部３１１が実行する可動ミラー起動ルーチンの一実施例のフローチャートを示す。同図中、ステップＳ１０で電圧制御部３０８は固定電極３０５，３０６への印加電圧を微小電圧ｄＶだけ上昇させ、ステップＳ１２で同期検知センサ３０３及び終端検知センサ３０４の検出信号から演算された走査時間を演算部３１６から読み込む。
【００４６】
次に、ステップＳ１４で走査時間が所定の基準値に達しているか否かを判別する。走査時間が所定の基準値に達してない場合にはステップＳ１６に進んで印加電圧のアップ数をカウントアップし、ステップＳ１８で上記アップ数が印加電圧の制限値に相当する所定値以下であるか否かを判別する。ステップＳ１８でアップ数が所定値以下の場合はステップＳ１０に進んで固定電極３０５，３０６への印加電圧を微小電圧ｄＶだけ上昇させる。
【００４７】
一方、ステップＳ１４で走査時間が所定の基準値に達している場合にはステップＳ２０に進んで、書き込み許可信号を発生し、記録領域でのＬＤ３０１の点灯を許可すると共に光走査モジュール２００に通知し、この処理を終了する。
【００４８】
また、ステップＳ１８でアップ数が所定値以上で固定電極３０５，３０６への印加電圧が制限値に達している場合は、ステップＳ２２に進んで固定電極３０５，３０６への電圧の印加を停止させ、ステップＳ２４でＬＤ３０１の電源を遮断し、ステップＳ２６でエラー信号を発生して他の光走査モジュール２００に通知し、この処理を終了する。これによって、環境状況等に応じ可動ミラーの振幅が均等になるように、また、急激な電圧印加により破損が生じないようソフトスタートがなされる。
【００４９】
可動ミラー３０２は共振振動されるため、図９に示すようにｓｉｎ波状に振れ角θが変化する。つまり、画像中央で走査速度が速く、周辺で走査速度が遅くなる。これは次式で表される。なお、ｆｄは走査周波数である。
【００５０】
θ＝θ０・ｓｉｎ２πｆｄ・ｔ
−１／４ｆｄ＜ｔ＜１／４ｆｄ
一方、被走査面である感光体ドラム面では均一間隔で主走査ドットを印字する必要があり、上記した走査レンズ２０３、２０４の結像特性は単位走査角あたりの走査距離ｄＨ／ｄθがｓｉｎ^−１θ／θ０に比例するように、つまり、画像中央で小さく周辺に行くに従って加速度的に大きくなるように光線の向きを補正しなければならない。さらに、可動ミラー３０２の振れ角が大きくなると理想的なｓｉｎ波振動からずれ、対向面に近づくにつれて空気抵抗による振幅への影響をうけ易くなる。
【００５１】
しかしながら、最大振れ角θ０に対する有効振れ角θａの比が大きくなるにつれ周辺での走査速度ｄＨ／ｄｔの減速に対抗して補正量を著しく増大させなければならないので、走査レンズ中央部から周辺部にかけて結像点を遠ざけるためのレンズ強度（屈折力）の変化率が大きくなり、レンズ自体、肉厚差の大きい湾曲形状となって比較的自由度の高い樹脂成形でも加工が困難となるうえ、ビームスポット径が周辺で太くなり一走査内でのばらつきが大きくなる。図１０にθａ／θ０に対する等速性補正量の関係を示す。
【００５２】
そこで、本実施例では走査レンズ２０３，２０４での補正量を適度に抑え、残った分をＬＤ３０１の変調周波数である画素クロックの周波数（画素周波数）を主走査に沿って段階的に可変して各ドットの印字位置（位相）とパルス幅を可変して補正する。これによれば、例えば走査レンズ２０３，２０４での補正分をｄＨ／ｄθがθに比例する量として、走査レンズ２０３，２０４をいわゆるｆ・θレンズとすることもでき、走査レンズと画素クロックとの補正量の配分はいかようにも可能である。
【００５３】
画素クロックは、図６に示すメモリ３１２にあらかじめ記憶された周波数可変データを、同期検知信号をトリガとして書込制御部３１１の制御で順次読み出すことにより、周辺から画像中央に向って周波数が低周波数ｆｌから高周波数ｆｈまで単調に増加し、画像中央から周辺に向って周波数が低周波数ｆｌまで減少するように可変される。この画素クロックの周波数変化の様子を図１１に示す。これによって、図１２（Ａ）に示す画像中央における画素クロックに対し、周辺における画素クロックは図１２（Ｂ）に示すようにパルス幅が長くなる。図１２（Ａ）の画素クロックの立ち上がりタイミングに対し、図１２（Ａ）の画素クロックの立ち上がりタイミングが遅れているのは、画素クロックのパルス幅が画像中央から周辺に向って徐々に長くなるためである。ここでは、画像中央に対して周波数可変量を対称に設定しているが、周波数可変データは画像中央から左右各々で個別に与えられるので非対称であってもよい。
【００５４】
可動ミラー３０２を用いた走査では、図９に示すように画像中央で走査速度が速く周辺で走査速度が遅くなるが、本実施例では、画素クロックの周波数を図１１に示すように画像中央で高周波数ｆｈ（パルス幅は短い）とし周辺で低周波数ｆｌ（パルス幅は長い）とすることによって相殺し、画像中央から周辺の全域で走査速度が略同一することができる。
【００５５】
図６で上記画素周波数の可変方法について説明する。パルス幅形成部３１３は与えられた周波数可変データとして与えられる分周比Ｍに基づいて、基準クロック信号ｆ０をＭ分周した分周クロック（周波数ｆ０／Ｍ）をカウントして、ｋクロック（ｋは任意の整数）分の長さのパルスを形成する。これを繰り返し行って、図１１に示すように、主走査に沿って段階的に周期が変化するＰＬＬ基準信号ｆａ（周波数ｋ・ｆ０／Ｍ）として出力する。
【００５６】
ＰＬＬ回路３１４ではＰＬＬ基準信号ｆａと画素クロックｆｋとの位相を比較し、位相差がある場合には画素クロックｆｋの周波数を変更して書込制御部３１１及びパルス幅形成部３１３及びＬＤ駆動部３１５に供給する。書込制御部３１１は同期検知センサ３０３から同期検知信号が供給されると、低周波数ｆｌのＰＬＬ基準信号ｆａのカウントを開始し、そのカウント値に応じたアドレスを発生してメモリ３１２から周波数可変データの読み出しを行う。この結果、メモリ３１２から読み出される周波数可変データはｎ０カウントから図１１に示すように変更される。ｎｓカウントで書込制御部３１１は画像データを画素クロックに同期してシリアルに読み出しＬＤ駆動部３１５に与える。
【００５７】
ここで、画素クロックｆｋの周期は、ｋ・（基準クロックｆ０／分周比Ｍ）によって与えられる。画素クロックの変更領域Ｚは画像記録領域Ｓに対して、前後に１００画素程度ずつ大きめに設定され、それに応じて低周波数ｆｌも画像記録領域Ｓの端部の画素クロックｆｋの周波数より低く設定されており、同期検知から画像記録開始までのカウント値ｎｓを可変することで画像の記録領域Ｓをシフトできるようにしている。
【００５８】
また、上記分周比Ｍに一律に補正数を付加することで、低周波数ｆｌから高周波数ｆｈまでの周波数幅ｆｈ−ｆｌを維持したまま、低周波数ｆｌ，高周波数ｆｈの周波数をシフトすることができ、可動ミラー３０２の共振周波数のばらつきや走査レンズ２０３，２０４の形状誤差に伴う画像記録幅の変化を各画素の周期（１／ｆｋ）を一様に可変することで部分的な歪みを生じることなく補正できるようにしている。この際、各画素の積算時間、つまり各画素でのクロックカウント値をｋとすると、Ｔ＝Σ（ｋ／ｆｋ）も変化するが、上記同期検知から画素クロック変更を開始するまでのカウント値ｎ０を変更し、周波数可変データの画像中央位置と可動ミラー３０２がミラー基板１０２に対して平行になる時間とが常に一致するように設定する。
【００５９】
ところで、感光体ドラムを露光するエネルギーＥはビーム強度Ｐとして、Ｐ／ｆｋであらわされるため、上記した画素クロックの周波数変化の元になる周波数可変データをＤ／Ａコンバータ３１７に与え、さらに電圧電流変換回路３１８を介してＬＤ駆動部３１５に供給することにより、ＬＤの駆動電流を可変しビーム強度についても主走査に沿って段階的に可変している。本実施例では画像中央でのビーム強度が高く、周辺で低くなるよう可変する。
【００６０】
上記したＬＤ、可動ミラー３０２の駆動制御は光走査装置を構成する各光走査モジュール２００毎に個別に行っているが、可動ミラー３０２の駆動については隣接する光走査モジュール２００で走査周波数ｆｄの１／２周期位相がずれるように駆動し、画像を記録するタイミングを走査上流側に配置する光走査モジュールの記録開始から走査周波数ｆｄの１／２周期ずつ遅らせて順次記録を開始することで、走査上流側に配置する光走査モジュールの記録終端と同時に記録が開始されるようにしている。
【００６１】
なお、上記実施例では静電引力を発生させ可動ミラーを駆動する方式を示したが、可動ミラーにコイルを形成してトーションバーと交差する方向に磁力線が通るように配備しコイルに電圧を印加して電磁力を発生させ駆動するガルバノミラーであっても、トーションバーに圧電素子を結合し圧電素子に電圧を印加して直接可動ミラーを変位を発生させ駆動する方式等々であっても同様の構成で実施できる。
【００６２】
図１３は、ガルバノミラーの一実施例の分解斜視図を示す。同図中、回転軸９０２が形成される保持部材９０３には、表面にミラー９０１、裏側にコイル９０４を接合され、ヨーク９０７には板ばね９０５で同一線上に軸受９０６が配備され、回転軸９０２は軸受９０６に回動可能に支持される。
【００６３】
上記ヨーク９０７はベース部材９１０に支持され、ベース部材９１０の接合面９１０−１にはマグネット９０９が各極の方向を合わせて接合される。これによりコイル９０４は、内側にマグネット９０９、外側にヨーク９０７がいずれにも接触しないように配置される。矢印で示した磁力線に対して、コイル９０４に一端から電流Ｉを入力すると電磁力が発生してミラー９０１は一定方向に傾く。この電流の極性を切り換えることによりミラー９０１は往復振動する。
【００６４】
なお、本実施例では光走査装置を３つの光走査モジュールにて構成したが、この数はいくつであってもよく、画像形成装置の記録幅に合わせて数を増減して対応することができる。
【００６５】
図１４は、本発明の光走査モジュールの他の実施例の分解斜視図を示す。同図中、２枚のシリコン基板からなるミラー基板１１０３のうち上側のシリコン基板はエッチングによりその周囲を貫通して可動ミラー１１００及びそれを軸持するトーションバー１１０１を形成され、この上側のシリコン基板に絶縁層を挟んで貼合わされる下側のシリコン基板はエッチングにより内側をくり貫いて枠状に残し、可動ミラーの揺動空間を形成している。
【００６６】
トーションバー１１０１を挟んだ可動ミラー１１００の両端縁部は櫛歯状凹凸を持つ平面形状となし金属被膜が蒸着されて可動電極１１０２が形成され、可動ミラー１１００の上面は金属被膜が蒸着されミラー面が形成され、更に上記可動電極１１０２と対向する枠部は櫛歯状凹凸を持つ平面形状となし金属被膜が蒸着されて上記櫛歯状の可動電極１１０２と噛み合い対向する固定電極１１０４が形成されている。
【００６７】
可動ミラー１１００は、固定電極１１０４の一方に電圧を印加すると対向する可動電極１１０２との間で静電力を生じ、トーションバー１１０１をねじって回動され、２つの固定電極１１０４に交互に電圧を印加することで可動ミラー１１００は往復振動する。ここで、印加電圧の周波数を可動ミラー１１００の共振周波数に近づけると励振され振幅を拡大することができる。なお、可動電極１１０２，固定電極１１０４を櫛歯状としているのは、これにより外周長をできるだけ長くして電極の面積をかせぎ、低電圧でより大きい静電トルクが得られるように配慮しているためである。
【００６８】
支持基体１１０５には焼結金属等で台座部１１１０を一体成形し、台座部１１１０には絶縁材を介して複数の端子１１０８が貫通して保持される。ミラー基板１１０３は台座部１１１０に接合され、固定電極１１０４はワイヤーボンディングにより各端子１１０８の上端と結線される。端子１１０８の下端は回路基板に実装した際にスルーホールに挿入され半田づけされて電気的接続が行われると同時に、固定がなされる。
【００６９】
支持基体１１０５の対向する２辺にはＶ字状の切り欠き１１０９が形成されている。製造時に図示しない調整装置のクランプ機構は両側より切り欠き１１０９を挟み込んで支持基体１１０５を２次元移動させ、副走査方向の移動と傾きを隣接する光走査モジュールとの走査線が一直線状になるよう位置決めでき、その上でハンダ付けすることができる。
【００７０】
台座部１１１０の外縁には、光ビームが通過する窓１１０７が形成された箱蓋状のカバー１１０６が、不活性ガス中で装着され封止される。なお、不活性ガスとして粘性抵抗の低いガスを選択する、あるいは減圧状態とすることで、可動ミラー１１００をより低負荷で回動することができる。
【００７１】
図１５は、上記光走査モジュールの他の実施例を適応した光走査装置の透視図を示す。同図中、光走査モジュール１２０１，１２０２，１２０３は、半導体レーザの駆動回路および可動ミラーの駆動回路が設けられる回路基板１２０４上に走査方向を合わせて均等間隔に配列され、各々主走査方向の両側にセンサー１２１１が配置される。光走査モジュール１２０１，１２０２，１２０３それぞれの中間位置のセンサー１２１１は隣接する光走査モジュール１２０１，１２０２と、１２０２，１２０３とで共用しており、走査終端側と走査開始側との検出信号を時系列に発生させる。
【００７２】
半導体レーザ１２０５、カップリングレンズ１２０６、および走査光学系を構成する第１レンズ１２０７、第２レンズ１２０８は、可動ミラー１１００の回転軸を含む副走査断面上に各々光軸が一致するように図示しないハウジングに配置され固定される。なお、第２レンズ１２０８は箱型リブとともに隣接する第２レンズを一体的に形成している。
【００７３】
半導体レーザ１２０５は、発光源とモニタ用フォトダイオードがパッケージングされる汎用の素子を用いており、そのリード端子はフレキシブルケーブル１２１２により回路基板１２０４に結線される。
【００７４】
各半導体レーザ１２０５から射出した光ビームは、第１面を軸対称の非球面、第２面を副走査方向に曲率を有するシリンダ面となすカップリングレンズ１２０６により主走査方向には略平行光束に、かつ副走査方向には可動ミラー面で集束する集束光束とされ、ミラー法線に対して副走査方向に傾けて光走査モジュール１２０１，１２０２，１２０３に入射され、偏向走査されて射出される。射出された光ビームは上記走査光学系により被走査面上に結像され、画像記録がなされる。
【００７５】
第２レンズ１２０８の直前には高輝アルミ板で成形加工した同期ミラー１２１０が配備されている。同期ミラー１２１０は走査領域を制約する開口の両側にて「く」字状に折り曲げ各反射面を形成しており、走査開始側および走査終端側の各々光ビームを反射する。この反射光をセンサー１２１１にて検出する。なお、同期ミラー１２１０は第２レンズと同様、隣接する同期ミラーを一体形成している。
【００７６】
この実施例では図１４に示す構成の光走査モジュールを複数配列することで隣接する走査領域を繋ぎ合わせ、１ラインのデータを分割して画像記録を行なうことができる。各半導体レーザ１２０５には、走査開始側に配置されるセンサー１２１１の検出信号により可動ミラーの角度変位を検出してから所定時間経過後に、画素周波数が一走査内で時間とともに変化した変調信号が書込制御部より与えられる。
【００７７】
なお、ＬＤ３０１が請求項記載の発光源に対応し、固定電極３０５，３０６，周波数設定部３０７，電圧制御部３０８，電極駆動部３０９，３１０が可動ミラー駆動手段に対応し、同期検知センサ３０３が検出手段に対応し、書込制御部３１１，メモリ３１２，パルス幅形成部３１３，ＰＬＬ回路３１４が周波数可変手段に対応し、メモリ３１２，Ｄ／Ａコンバータ３１７，電圧電流変換回路３１８が出力可変手段に対応する。
【００７８】
【発明の効果】
上述の如く、本発明は、発光源に供給する画素情報の周期を、各画素の主走査位置に対応させて変化させ、画素情報の周期の変化に応じて発光源の発光出力を可変する。これにより、有効走査期間率を拡大して効率よく画像記録が行えるとともに、画素周波数を変化させた際の発光時間の差をビーム強度で補って１画素あたりの露光エネルギーを均一化できる。
【００８０】
また、本発明は、検出手段で得た検出信号を基準として所定時間経過後に出力変調区間を設定し、出力変調区間に発光源の発光出力を主走査位置に対応させて可変する出力可変手段を有することにより、画素周波数を変化させた際の発光時間の差をビーム強度で補って１画素あたりの露光エネルギーを均一化できるので、濃度むらのない高品位な画像形成が行え、画像品質を向上することができ、複数の光走査モジュールを継ぎ合わせて光走査装置を構成する際にモジュール数が少なくて済み電力消費が少なくて済む。
【００８１】
また、本発明は、可動ミラーの変位を検出する検出手段を備え、検出手段で得た検出信号を基準として所定時間経過後に周波数変調区間を設定し、周波数変調区間に発光源を発光する周波数を変化させ、また、検出手段で得た検出信号を基準として周波数変調区間を開始するタイミングを可変としたことにより、画像記録領域の端部が画素周波数可変の領域を越えてしまうことがないので、画像歪みを生じない高品位な画像形成が行え、また、複数の光走査モジュールを継ぎ合わせて光走査装置を構成する際には隣接するモジュールとの走査線の継ぎ目で画像歪みを生じさせずに合わせることができる。
【００８２】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、少なくとも画像書き込み以外の期間では可動ミラーに与える回転振動力を低減、または停止することにより、待機時に無駄に電力を消費することがなく、騒音も小さすることができる。
【００８３】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、検出手段においてあらかじめ設定された検出信号値が得られるよう可動ミラーの振幅を可変することにより、画像記録時毎に環境条件等が変わることがあっても一定の最大振れ角を得るための最小限の回動力で済むので、無駄に電力を消費することを防止できる。
【００８４】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、検出手段においてあらかじめ定められた検出信号値が得られるまで可動ミラーの振幅を徐々に増加して起動することにより、過剰に回動力が加わるのを防止でき可動ミラーの故障を未然に防ぐことができる。
【００８５】
また、本発明では、発光源は、検出手段においてあらかじめ設定された検出信号値が得られるまで画像書き込みを禁止することにより、発光源からの光ビームが走査拡散されている時以外は光走査装置から放出されないので、可動ミラーの故障があっても人体への光ビームの被曝を未然に防ぐことができる。
【００８６】
また、本発明では、可動ミラー駆動手段は、所定の制限時間内に検出手段において、あらかじめ設定された検出信号値が得られなかった場合には、可動ミラーの駆動を中断することにより、可動ミラーが故障しているにもかかわらず過剰に回動力が加えられることでの発熱が生じないようにすることで、周辺回路等の焼損を未然に防ぐことができる。
【００８７】
また、本発明は、光走査モジュールを複数備え、主光走査方向を一致させて配列したことにより、画像記録幅を複数の光走査モジュール分の画像記録幅に拡大することができ、様々な記録幅の画像を形成できる。
【００８８】
また、本発明は、光走査装置を備え、像担持体に画像領域を主走査方向に分割して静電像を形成し、静電像をトナーで顕像化し、出力紙に転写することにより、省電力かつ低騒音な画像形成装置を提供することができる。
【００８９】
また、本発明は、発光源からの光ビームを往復振動する可動ミラーで偏向走査する光走査装置を備え、発光源に供給する画素情報の周期を、各画素の主走査位置に対応して変化させ、画素情報の周期の変化に応じて発光源の発光出力を可変して、画像書き込みを行う、また、可動ミラーの振動変位を検出し、検出で得た検出信号を基準として周波数変調区間を設定し、周波数変調区間において、画素情報に応じて発光源を発光する周波数を基準周波数から段階的に可変しつつ、画像書き込みを行う、また、発光源を発光する基準周波数を、可動ミラーの共振周波数に対応させて選択し、画像書き込みを行うことにより、有効走査期間率を拡大して効率よく画像記録が行えるとともに、最大振れ角を小さく抑えることで印加する電力を低減でき電力消費が少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光走査モジュールの一実施例の分解斜視図である。
【図２】本発明の光走査モジュールの一部の断面である。
【図３】本発明の光走査装置の断面図である。
【図４】本発明の光走査装置の外観図、透視図である。
【図５】本発明の光走査装置をカラーレーザプリンタに適用した一実施例の構造図である。
【図６】ＬＤ（半導体レーザ）及び可動ミラーの駆動制御回路の一実施例のブロック図である。
【図７】走査速度検出機構の他の実施例を示す図である。
【図８】可動ミラー起動ルーチンの一実施例のフローチャートである。
【図９】可動ミラーの振れ角θの変化を示す図である。
【図１０】θａ／θ０に対する等速性補正量の関係を示す図である。
【図１１】画素クロックの周波数変化の様子を示す図である。
【図１２】画像中央と周辺における画素クロックの波形を示す図である。
【図１３】ガルバノミラーの一実施例の分解斜視図である。
【図１４】本発明の光走査モジュールの他の実施例の分解斜視図である。
【図１５】光走査モジュールの他の実施例を適応した光走査装置の透視図である。
【符号の説明】
３０７周波数設定部
３０１ＬＤ
３０２可動ミラー
３０９，３１０電極駆動部
３０８電圧制御部
３０５，３０６固定電極
３０３同期検知センサ
３１１書込制御部
３１２メモリ
３１３パルス幅形成部
３１４ＰＬＬ回路
３１５ＬＤ駆動部

Claims

発光源で発光した光ビームを反射する可動ミラーと、前記可動ミラーを往復振動させる可動ミラー駆動手段とを有する光走査モジュールであって、
前記発光源に供給する画素情報の周期を、各画素の主走査位置に対応させて変化させ、
前記画素情報の周期の変化に応じて前記発光源の発光出力を可変し、
前記可動ミラーの変位を検出する検出手段を備え、
前記検出手段で得た検出信号を基準として所定時間経過後に周波数変調区間を設定し、前記周波数変調区間に前記発光源を発光する周波数を変化させることを特徴とする光走査モジュール。
請求項１に記載の光走査モジュールにおいて、
前記検出手段で得た検出信号を基準として所定時間経過後に出力変調区間を設定し、前記出力変調区間に前記発光源の発光出力を主走査位置に対応させて可変する出力可変手段を
有することを特徴とする光走査モジュール。
請求項１又は２に記載の光走査モジュールにおいて、
前記検出手段で得た検出信号を基準として周波数変調区間を開始するタイミングを可変としたことを特徴とする光走査モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光走査モジュールにおいて、
前記可動ミラー駆動手段は、少なくとも画像書き込み以外の期間では前記可動ミラーに与える回転振動力を低減、または停止することを特徴とする光走査モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光走査モジュールにおいて、
前記可動ミラー駆動手段は、前記検出手段においてあらかじめ設定された検出信号値が得られるよう前記可動ミラーの振幅を可変することを特徴とする光走査モジュール。
請求項４または５に記載の光走査モジュールにおいて、
前記可動ミラー駆動手段は、前記検出手段においてあらかじめ定められた検出信号値が得られるまで前記可動ミラーの振幅を徐々に増加して起動することを特徴とする光走査モジュール。
請求項４または５に記載の光走査モジュールにおいて、
前記発光源は、前記検出手段においてあらかじめ設定された検出信号値が得られるまで画像書き込みを禁止することを特徴とする光走査モジュール。
請求項４または５に記載の光走査モジュールにおいて、
前記可動ミラー駆動手段は、所定の制限時間内に前記検出手段において、あらかじめ設定された検出信号値が得られなかった場合には、前記可動ミラーの駆動を中断することを特徴とする光走査モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光走査モジュールを複数備え、
主光走査方向を一致させて配列したことを特徴とする光走査装置。
請求項９に記載の光走査装置を備え、
像担持体に画像領域を主走査方向に分割して静電像を形成し、
前記静電像をトナーで顕像化し、出力紙に転写することを特徴とする画像形成装置。
発光源からの光ビームを往復振動する可動ミラーで偏向走査する光走査装置を備え、
前記発光源に供給する画素情報の周期を、各画素の主走査位置に対応して変化させ、
前記画素情報の周期の変化に応じて前記発光源の発光出力を可変し、
前記可動ミラーの振動変位を検出し、
前記検出で得た検出信号を基準として周波数変調区間を設定し、前記周波数変調区間において、画素情報に応じて前記発光源を発光する周波数を基準周波数から段階的に可変しつつ、画像書き込みを行うことを特徴とする光走査方法。
請求項１１に記載の光走査モジュールにおいて、
前記発光源を発光する基準周波数を、前記可動ミラーの共振周波数に対応させて選択し、画像書き込みを行うことを特徴とする光走査方法。