(57)【要約】【課題】本発明は、感光体面上及び転写紙上のトナー高さを低減して現像時の白抜けや転写時の飛び散り、また定着時の尾引きなどの画像不良を防止することができる画像形成装置を提供する。【解決手段】光源１００からの光変調したレーザ光を導光手段により偏光手段に導光し、偏光手段で偏光したレーザ光を結像手段により感光体ドラム１０の被走査面上に導光して画像形成を行なう画像形成装置において、導光手段は、円錐形状の反射部を有する可変中心コーン１０３ａと、逆円錐形状の反射部を有するミラー１０３ｂとを有するミラー１０３を備え、ミラー１０３によって反射されたレーザ光の断面形状がドーナツ形状となるように可変中心コーン１０３ａがミラー１０３ｂよりも内側に配置される。【選択図】図２
2011150130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光変調したレーザ光を導光手段により偏光手段に導光し、前記偏光手段で偏光したレーザ光を結像手段により像担持体の被走査面上に導光して画像形成を行なう画像形成装置において、
前記導光手段は、円錐形状の反射部を有する第１のミラーと、逆円錐形状の反射部を有する第２のミラーとを有する反射手段を備え、前記反射手段によって反射されたレーザ光の断面形状が環状となるように前記第１のミラーは前記第２のミラーよりも内側に配置されることを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記導光手段は、前記レーザ光の光強度分布が周辺部に比べて中心部で小さくなるように構成されることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記第１のミラーは、前記レーザ光の光路方向に対して可変可動に構成されることを特徴とする請求項１または２記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成装置に関し、特に、光源からの光変調されたレーザ光で感光体や静電記録媒体等の像担持体の被走査面を光走査することにより画像形成を行う電子写真プロセスを利用した画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真プロセスを利用した複写機やプリンタなどの画像形成装置では、光源からの光変調したレーザ光を導光手段により偏光手段に導光し、該偏光手段で偏光したレーザ光を結像手段により被走査面上に導光して画像形成を行なうものがある。近年、ドット径やライン幅が従来と同等で、トナー高さをスポット径方向で略均一にするために、レーザ光の断面形状がドーナツ形状又は複数の円を組み合わせた形状となるように光源の出力部を構成した画像形成装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、ガウス分布を持つレーザ光によって形成された感光体面上の静電潜像もガウス分布を持ち、現像装置により感光体の表面上で現像されるトナー像もガウス分布を持つトナー高さとして現像される。このトナー高さは、トナーの載り量又はトナー粉像の盛り上がり量とする。
【０００４】
転写紙上においても感光体ドラム面上のトナー像は潰されるが、最終的には中央部が盛り上がるような転写画像となる。理想的には、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、レーザ光の強度分布が矩形状の分布を持つことで感光体面上の静電潜像もトナー高さも矩形状の分布となることが画像形成を行う上で望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２７６６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ガウス分布を持つレーザ光を用いた従来の画像形成装置では、レーザ光の光強度分布や静電潜像、そして転写紙上のトナー高さが各々ガウス分布を持つ。そのために、例えば、必要なドット径及びライン幅を確保すると、感光体面上及び転写紙上のトナー高さが非常に高くなるおそれがある。その結果、現像時の白抜け、転写時の飛び散り、また定着時の尾引きなどの画像不良を起こす原因に繋がるとされる。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、感光体面上及び転写紙上のトナー高さを低減して現像時の白抜けや転写時の飛び散り、また定着時の尾引きなどの画像不良を防止することができる画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の画像形成装置は、光源からの光変調したレーザ光を導光手段により偏光手段に導光し、前記偏光手段で偏光したレーザ光を結像手段により像担持体の被走査面上に導光して画像形成を行なう画像形成装置において、前記導光手段は、円錐形状の反射部を有する第１のミラーと、逆円錐形状の反射部を有する第２のミラーとを有する反射手段を備え、前記反射手段によって反射されたレーザ光の断面形状が環状となるように前記第１のミラーは前記第２のミラーよりも内側に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光路上に中心が可変の光学系を用いて断面形状が環状となるように形成したレーザ光を被走査面上に露光光として用いることにより、トナー消費量の低減、転写時の飛び散りの低減、定着性の向上、更には、尾引きの防止等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る画像形成装置における露光装置の概略構成を説明するための図である。
【図２】図１における可変中心コーンを有するミラーの構造を示す図である。
【図３】ミラーを構成する可変中心コーンを可動したときのレーザ光のビーム形状の一例を示す図である。
【図４】ミラーの制御に伴うスポット断面形状の変化を示す図である。
【図５】図１の露光装置により露光される感光体ドラム周辺の概略構成を示す図である。
【図６】レーザ光の強度分布、電位分布、及びトナー高さ分布を示す図である。
【図７】潜像シミュレーションの結果の一例を示す図であり、（ａ）はドーナツ形状時、（ｂ）はガウシアン分布のレーザスポット形状時を示す。
【図８】図５に示す画像形成装置にて評価したトナー高さ分布を示す図であり、（ａ）は感光体ドラム上、（ｂ）は転写紙上である。
【図９】ドーナツ状ビームの形成原理を説明するための図であり、（ａ）はトーリックレンズ、（ｂ）はドーナツ型レーザ形成機構の一例を示す。
【図１０】通常のガウシアン分布を持つレーザ光の（ａ）強度分布、（ｂ）電位分布、及び（ｃ）トナー高さ分布を示す図である。
【図１１】理想的な分布を持つレーザ光の（ａ）強度分布、（ｂ）電位分布、及び（ｃ）トナー高さ分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置における露光装置の概略構成を説明するための図である。図２は、図１における可変中心コーンを有するミラーの構造を示す図である。
【００１３】
図１において、１００は光源として半導体レーザである。１０１はコリメータレンズであり、半導体レーザ１００から射出されたレーザ光を並行光束にする。１０２はシリンドリカルレンズであり、通過光束径における副走査方向にのみ所定の屈折力を有している。
【００１４】
ミラー１０３は、可変中心コーンを有しており、図２に示すように、円錐形状の反射部を有する可変中心コーン１０３ａ（第１のミラー）と、逆円錐形状の反射部を有するリング状のミラー１０３ｂ（第２のミラー）とで構成される。
【００１５】
可変中心コーン１０３ａは、レーザ光の光路方向に対して可変可能に構成されている。即ち、ビームが入射する方向（またはビーム反射される方向）から見たときに、可変中心コーン１０３ａがミラー１０３ｂの内側に配置されている。
【００１６】
なお、コリメータレンズ１０１、シリンドリカルレンズ１０２、及びミラー１０３は、導光手段を構成している。
【００１７】
本実施形態における露光装置は、２個の半導体レーザ１００から射出されるレーザ光の断面形状（スポット形状）が、該レーザ光により感光体ドラムの被走査面上が走査される際に、ドーナツ形状（環状）となるように構成されている。そこで、光線上に、可変中心コーン１０３ａを有するミラー１０３を配設することにより断面形状をドーナツ形状となるように形成する。可変中心コーン１０３ａが光路方向に可変可動な構成を設けることにより、２本のビーム間距離を制御して、スポット形状を任意のドーナツ形状に形成することができる。
【００１８】
ここで、可変中心コーン１０３ａを有する光共振器におけるドーナツ状ビーム形成原理について説明する。このドーナツ状ビームの形成原理については種々提案されているが、本実施形態では、公開論文「Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４（２００１）６８−７７」を基本原理として説明し、公開論文において採用されている構成にて基本原理を説明する。
【００１９】
２つのトーリックレンズを用いた円筒スラブ型構造による光共振器によるドーナツ型レーザ形成機構の概要を図９（ａ）、図９（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すトーリックレンズの直径ｒ０に対して使用有効幅をａとしたとき、発生する電場強度は、以下の式で表される。
【００２０】
【数１】
2011150130.tif 000003
【００２１】
Ｅ０は電場強度、λはレーザ波長、Ｈｎはハミルトニアン多項式、ｋはレーザの波数、ｗ０はビーム損失を示す。与えられた条件ｎによりａｚｉｍｕｔｈａｌ方向における空間放射方向を持つことになる。本実施形態では、図２に示すミラー１０３を使用することによりミラー曲率の制御が可能となり、中心ミラーの錐角の条件変更により放射方向の制御が可能となる。
【００２２】
次に、ビームの偏光について述べる。ビームの偏光は、線形偏光ではなくＳ偏光、及びＰ偏光による位相変換を行う。偏光条件は以下に示す。
【００２３】
【数２】
2011150130.tif 000004
【００２４】
制御の上で固定値方程式を以下に設定する。
【００２５】
【数３】
2011150130.tif 000005
【００２６】
その他の条件を含め、上記構成における伝播は以下の式で表現できる。
【数４】
2011150130.tif 000006
【００２７】
δはδ関数、Ｌｃｃは図２に示すミラー１０３のパラメータである。
【００２８】
上記方程式により、光共振器によるレーザの発振によりビーム自身のスポット形状をドーナツ形状に形成可能となる。
【００２９】
しかしながら、上記構成では、装置が大型化し、コスト面やスポット径からも適用できるものではない。本実施形態では、このミラー１０３の中心部で折り返されている三角錐の部分（可変中心コーン１０３ａ）を可変可動にし、図２のミラー１０３を電子写真方式が採用された光学系上に配設して、光干渉を利用してビームの断面形状をドーナツ形状に形成する。
【００３０】
ミラー１０３は、銅を素材にダイアモンドターニング加工また三次元リソグラフィ加工により作成され、上から金をコーティングして、反射率９９．９％、表面粗さ５ｎｍ，形状の忠実度８５ｎｍ（ＲＭＳ）とした。また、ミラー１０３の反射鏡を三角錐の形状とした。
【００３１】
２個の半導体レーザ（Ｈｅ−Ｎｅ，λ＝６３０ｎｍ，ＴＥＭ００）を光源とするが、これに限定するものではない。この構成によるレーザ光が後述するようにトナー高さをスポット径方向で均一となるようにしている。
【００３２】
図１において、１０４は、偏光手段としてのポリゴンミラーであり、軸（不図示）を中心に駆動モータ（不図示）により一定速度で回転している。１０５は、ｆθ特性を有する結像手段としてのｆθレンズ群であり、偏光されたレーザ光の面倒れを補正する面倒れ補正用レンズ１０６を通し、折り返しミラー１０７を介して被走査面としての感光体ドラム１０の表面上に結像させている。感光体ドラム１０の周辺には、例えば、後述する図５に示すように、画像形成を行うための各種構成要素が配設されている。
【００３３】
１０８は同期ミラーである。１０９は光検出器（ＢＤセンサー）である。以上説明した各要素は、感光体ドラム上への画像情報の走査開始位置のタイミングを制御している。
【００３４】
なお、可変中心コーン１０３ａの可動制御については、不図示の制御回路により駆動モータを駆動制御して行われる。また、可変中心コーンは、光検出器１０９の検出結果に基づいて駆動制御されるように構成してもよい。
【００３５】
図１の露光装置では、半導体レーザ１００から画像情報に基づき光変調され射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１０１で並行光束化され、シリンドリカルレンズ１０２に入射した光束のうち主走査断面がそのままの状態でミラー１０３に射出される。２つの光束の干渉により形成された光束がポリゴンミラー１０４、ｆθレンズ群１０５により副走査断面において収束し、略線像（主走査方向に長手の線像）として結像している。
【００３６】
偏光されたレーザ光は、補正用レンズ１０６、折り返しミラー１０７を介して感光体ドラム１０に導光され、スポットが形成される。そして、ポリゴンミラー１０４を回転させることによって感光体ドラム１０の表面を走査することにより画像記録を行っている。
【００３７】
本実施形態では、２本の半導体レーザ１００から射出されるレーザ光のビーム断面形状（スポット形状）が、図３に示すように、ドーナツ形状となるように構成したものである。また、レーザ光の強度分布（ビーム断面の強度分布）が、図４に示すように、スポット径の中央部が少なくとも周辺部よりも強度が低い強度になるように構成したものである。そして、ミラー１０３の可変中心コーン１０３ａを可動させることにより、２本のビーム間距離が変化するため、異なるドーナツ形状を作成することができる。
【００３８】
本実施形態では、図６（ａ）に示すような光強度分布を持つレーザ光を感光体ドラム面上への露光光として用いて、該感光体ドラム面上に静電潜像を形成している。このとき、感光体ドラム面上に形成された静電潜像は、図６（ｂ）に示すような電位分布を持つ。そのため、例えば、転写時にトナーの飛び散りが発生したとしても、図６（ｃ）に示すように、転写紙上のトナー高さは、ガウス分布のレーザ光を用いた際のトナー高さよりも小さくすることができる。その結果、従来の画像形成装置と同等にしたままトナー像の載り量などが減少し且つ均一な載り方になることから、ベタラインにおけるエッジ強調の改善に繋がる。
【００３９】
そして、上記形状のミラー１０３を使用することにより、トナー高さの均一性から定着性においても静電オフセットや尾引きの改善にも効果が挙げられる。なお、本実施形態における転写紙上のトナー高さは、本装置の許容範囲内の値となるように設定される。
【００４０】
図５は、図１の露光装置により露光される感光体ドラム周辺の概略構成を示す図である。
【００４１】
図５に示すように、画像形成装置は、図中矢印方向に回転する感光体ドラム１０の表面に図１に示す露光装置により光学的な書き込みを行って静電像を形成する。現像装置１６は、現像剤であるトナーを感光体ドラム１０に接触させて静電像に吸着させることによりトナー像を現像させる。感光体ドラム１０に担持されたトナー像は、転写ローラ１４によって中間転写ベルト１５に一次転写される。一次転写の後、一次転写に寄与せずに感光体ドラム１０の表面に残留した一次転写残トナーは、クリーニング装置１２によって除去される。クリーニング装置１２は、感光体ドラム１０に当接したクリーニングブレード１３やその他ファーブラシ等によって一次転写残トナーを掻き落とす。
【００４２】
一次転写残トナーを除去された感光体ドラム１０の表面は、前露光装置１０８によって一様に露光して除電された後に、一次帯電器１８によって一様な帯電状態に帯電される。そして、図５に示すように、ポスト帯電器１１の直下に、現像剤の濃度制御をするための光学的センサ１７を配設している。
【００４３】
像担持体としての感光体ドラム１０は、負帯電特性のＯＰＣ（有機光半導体）で形成された感光層を有し、中心支軸（不図示）を中心に２８５ｍｍ／ｓｅｃのプロセススピード（周速度）をもって矢印方向に回転駆動される。一次帯電器１８は、帯電手段としてコロナ帯電器で構成される。一次帯電器１８は、帯電線に外部電源が接続されており、帯電線にバイアスを印加させてコロナ放電を発生させることにより、感光体ドラム１０の表面を一様に帯電させる。露光装置１１１は、情報書き込み手段として、帯電処理された感光体ドラム１０表面に静電潜像を形成する。
【００４４】
露光装置１１１は、図１に示すような、半導体レーザ光源とポリゴンミラー光学系とを用いたレーザービーム走査露光装置である。現像手段としての現像装置１６は、感光体ドラム１０上の静電潜像に現像剤（トナー）を供給し静電潜像をトナー像として可視化する。転写手段として転写ローラ１４は、感光体ドラム１０表面に所定の押圧力をもって圧接されており、その圧接ニップ部が転写部となる。中間転写ベルト１５は、感光体ドラム１０と転写ローラ１４との間に挟持されて搬送される。クリーニング手段としてクリーニングブレード１３は、ウレタンゴムの弾性体から成り、感光体ドラム１０の表面に所定の押圧力をもって圧接されており、転写残トナーを除去する。
【００４５】
本実施形態によれば、光路上に中心が可変の光学系を用いて断面形状が環状となるように形成したレーザ光を被走査面上に露光光として用いることで、トナー消費量の低減、転写時の飛び散りの低減、定着性の向上、更には、尾引きの防止等を実現することができる。
【００４６】
以上、本発明を図５に示すような構成の画像形成装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１の露光装置の搭載が可能であれば、どのような構成の装置であっても適用可能である。
【００４７】
上記構成で、感光体ドラム上の暗電位を−６５０Ｖ、現像バイアス電位を−５００Ｖ、明電位の最大値を−２００Ｖ、転写電流値を定電流３５μＡに設定し、１ライン２スペースの潜像をベタで形成したもので潜像シミュレーションを行った結果を図７に示す。この場合、トナーの載り方の均一性を観察するために、実機による感光体ドラム上及び紙上未定着トナー像分布をＫＥＹＥＮＣＥ社製ＶＫ８５００にて高さプロファイルを解析した。ドラム上に関しては、曲率を持ち合わせるため、曲率を含めた上での解析を行った。
【００４８】
擬似的にドーナツ形状及びガウシアン分布のレーザスポット形状を作成し、実機で使用した感光体ドラムの感度データを基に潜像形成させ、擬似的にトナーを載せた。トナーの粒径は５μとし、飛び散り等も考慮し、乱数による係数を含めた解析を行った結果である。図上におけるラインは、現像バイアスのラインでありそれより上暗部の部位にトナーが載っている。２パターンのレーザスポットによる図から比較する限り、ドーナツ形状のスポットのほうが均一な潜像を形成し、ガウシアンスポット形状よりも飛び散りが抑制されていることから、本実施形態における効果を確認することができる。
【００４９】
図８は、上記解析結果の一例を示す図である。
【００５０】
２図とも縦軸にトナー高さの最大値を１としたときの相対値とし横軸のライン幅の定義を高さ０．５の時の半値幅とした。感光体ドラム上におけるトナー分布は、潜像スポット形状を満足する形状となり、ガウシアン分布において形成される分布とは異なる形状を形成した。また、転写紙上における未定着トナー分布においても、圧着により潰れはあるものの感光体ドラム上の分布を維持した形状となっている。定着性においても静電オフセット及び尾引きなどの現象が発生せず、本発明における課題を解決できる効果を得ている。
【符号の説明】
【００５１】
１００  半導体レーザ
１０１  コリメータ
１０２  シリンドリカルレンズ
１０３  ミラー
１０４  ポリゴンミラー
１０５  ｆθレンズ群
１０６  補正用レンズ
１０７  折り返しミラー
１０８  同期ミラー
１０９  光検出器
【図１】
2011150130.tif 000007
【図２】
2011150130.tif 000008
【図４】
2011150130.tif 000009
【図５】
2011150130.tif 000010
【図６】
2011150130.tif 000011
【図８】
2011150130.tif 000012
【図９】
2011150130.tif 000013
【図１０】
2011150130.tif 000014
【図１１】
2011150130.tif 000015
【図３】
2011150130.tif 000016
【図７】
2011150130.tif 000017