(57)【要約】【課題】ビームスポット径を小径化した場合でも、トナーの載り量分布が均一化され、転写中抜けを低減できる技術を提供すること。【解決手段】露光光Ｌを照射するレーザー発振器１４と、露光光Ｌを結像するための結像光学系２０と、結像光学系２０を通過した露光光Ｌにより静電潜像が形成される感光ドラム１と、を有する画像形成装置において、結像光学系２０と感光ドラム１との間に、光ビームの光強度が大きくなるにつれて透過率が大きくなる可飽和吸収フィルタ２１を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを照射するビーム照射手段と、前記光ビームを結像するための結像光学系と、前記結像光学系を通過した光ビームにより静電潜像が形成される感光体と、を有する画像形成装置において、
前記結像光学系と前記感光体との間に、前記光ビームの光強度が大きくなるにつれて透過率が大きくなる光透過手段を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記光透過手段が、前記光ビームの光強度によって透過率が変化する可飽和吸収特性を有する可飽和吸収フィルタであることを特徴とする請求項１の画像形成装置。
【請求項３】
前記可飽和吸収フィルタが、少なくともカーボンナノチューブを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記光透過手段は、前記光ビームのビームプロファイルを変形させることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に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、電子写真方式によって画像を形成する画像形成装置に関し、特に、レーザー光を像担持体に照射して画像を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば電子写真プロセスを用いて画像を形成する画像形成装置が知られている。このような電子写真方式を用いた画像形成装置においては、高画質化が要求されており、近年６００ｄｐｉ、１２００ｄｐｉ、更には２４００ｄｐｉへと高画質化されている。ここで、ｄｐｉとは単位長（インチ）当たりの描画ドット数（ｄｏｔｓ／ｉｎｃｈ）を意味する。このような高解像度画像を実現するために、像担持体に静電潜像を書き込むビームのビーム径（スポット径）を小さく絞る方法が用いられている。しかし、露光ビームのスポット径を絞って５０μｍ以下にした場合、静電潜像が極端に拡散してしまう課題があった。これは、以下の理由による。まず、像担持体に光が露光されると、光のエネルギーにより像担持体内部の電荷発生物質（ここでは層）内でキャリアが励起されるが、この生成される励起キャリアの量は光のエネルギー及び像担持体内部の電界強度に依存している。そして、エネルギーが強く電界強度が大きい場合、より多くの励起キャリアが生成される。生成された正のキャリアは電荷移動層を経由して、像担持体表面に移動し、像担持体上に帯電された負電荷と中和し、静電潜像が形成される。そして、励起キャリアは像担持体表面に移動する際に像担持体内部にビームが絞られた結果発生する大きい電界によって拡散されて静電潜像が拡散する。すなわち静電潜像が劣化する。
【０００３】
この課題を解決するため、像担持体の量子効率、露光エネルギー、ビームスポット面積を制御することで、特に１２００ｄｐｉ以上の高解像度でかつ高濃度な画像形成を行う技術が例えば特許文献１に開示されている。更にビームスポット径を小径化する技術として、例えば特許文献２には、コリメータレンズと回転多面鏡との間に可変絞りを設置し、レーザービームをより小さいビーム径に絞る技術が開示されている。しかし、このように物理的にビーム径を絞ると、可変絞りにおける光の回折により図８に示すようにメインのビームスポットの周囲に干渉縞が発生する。尚、図８で横軸は光軸中心からの距離、縦軸はレーザー光強度を示す。またレーザー光は、像担持体に十分に吸収されないで、像担持体の感光層内でレーザー光の多重反射を引き起こし、干渉縞が発生してしまう。この干渉縞による画質劣化を防止する技術が例えば特許文献３に開示されている。特許文献３の画像形成方法は、露光エネルギーがある一定値ａより大きくなると急激に表面電位が減衰する光電特性を持つ像担持体を用い、レーザー光を照射したときに露光強度がａ以下であれば電位が減衰せず、ａ以上であれば減衰する画像形成方法である。つまり、露光エネルギーの小さいａ以下の範囲では感光体の電位減衰量が小さいため、干渉縞の発生を抑えることができ、像担持体の電位減衰後の表面電位の分布は大きなピークのみが支配的となる。また、光強度変調方式の電子写真装置のスポット径を線形にする方法が、例えば特許文献４に開示されている。これは、レーザー出力素子、またはレーザー出力素子に付属する窓に可飽和吸収体を用いて、印刷ドット径が小さい領域、すなわち低光出力の領域において光出力電流特性の線形性を良化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０７２３３５号公報
【特許文献２】特開昭６１−１１３０１８号公報
【特許文献３】特開平１１−１６０８９８号公報
【特許文献４】特開２００２−０７２３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、特に１２００ｄｐｉ以上の高解像度画像を得るためには良好な小径の光スポットを得なければならない。ビーム径を小径化するにはレンズやミラーの構成を変える、あるいは光路の一部を遮断する方法がある。しかし、ビーム径を小径化するためのレンズ構成は複雑になり、回転多面鏡も大きくなるため装置が大型化してしまう。また、光路を物理的に遮断すると上記したようにメインのビームスポットの周囲に干渉縞が発生してしまう。これは像担持体の感光特性を理想的なものにすることで抑えることができるが、現在実用に耐えられる像担持体を製造することは難しい。また、ビームを小径化するとビームプロファイルがシャープになり、像担持体の静電潜像プロファイルもシャープになって、トナーの載り量分布に大きな差が生じる。その結果、トナーの載り量が多い、すなわちトナー高さが高い部分で圧力が高まり、転写部で転写されないトナーが像担持体である感光ドラムに残り、紙面上で線の中央部が白く抜ける所謂転写中抜けが発生しやすくなる。
【０００６】
更に、ビームスポット径を小径化していくと、上記したように中央部で発生した大量の励起キャリアが電界によって拡散されて、静電潜像がボケやすくなりビームスポット径を小径化した効果を得ることができない。この時、静電潜像プロファイルは、電荷の拡散によって矩形に近い形へ変形するため、トナーの載り量が均一になり所謂転写中抜けは良化されるが、静電潜像の実効スポット径は小さくならないので、高解像度を維持したまま転写中抜けを低減することができない。
【０００７】
本発明は、このような状況でなされたもので、ビームスポット径を小径化した場合でも、トナーの載り量分布が均一化され、転写中抜けを低減できる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
【０００９】
光ビームを照射するビーム照射手段と、前記光ビームを結像するための結像光学系と、前記結像光学系を通過した光ビームにより静電潜像が形成される感光体と、を有する画像形成装置において、前記結像光学系と前記感光体との間に、前記光ビームの光強度が大きくなるにつれて透過率が大きくなる光透過手段を有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ビームスポット径を小径化した場合でも、トナーの載り量分布が均一化され、転写中抜けを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の画像形成装置の画像形成部の構成図
【図２】実施例の露光装置の構成を示す平面図及び側面断面図
【図３】実施例で使用する単層カーボンナノチューブの概略図
【図４】実施例のＳＷＮＴ薄膜の各レーザー光強度における透過率のグラフ
【図５】実施例のＳＷＮＴ薄膜によるレーザープロファイル変形効果を示すグラフ
【図６】実施例の静電潜像プロファイルの変形効果を示すグラフ
【図７】実施例の矩形率と画像レベルの関係を示すグラフ
【図８】従来例のメインのビームスポットの周囲の干渉縞を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明を実施する為の形態を、実施例により詳しく説明する。
【実施例】
【００１３】
［画像形成装置］
図１は本実施例の画像形成装置の概略構成図である。本実施例の画像形成装置は、転写方式電子写真プロセスを利用し、接触帯電方式、反転現像方式のレーザービームプリンタである。この画像形成装置は、像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体（以下、感光ドラムという）１を備える。そして、感光ドラム１の回転方向に沿ってその周囲に接触帯電部材としての帯電ローラ２、現像装置４、接触転写部材としての転写ローラ５、クリーニング装置７が配置されており、帯電ローラ２と現像装置４の間の上方には露光装置３が設置されている。また、感光ドラム１と転写ローラ５間に形成される転写部ｄの転写材搬送方向（図中、矢印方向）の下流側には、定着装置６が設置されている。感光ドラム１は、駆動装置（不図示）の駆動によって矢印方向に回転駆動される。帯電ローラ２の芯金２ａには電源Ｓ１より所定の帯電電圧が印加されることにより、感光ドラム１の周面が所定の極性・電位に一様帯電される。露光装置３は、半導体レーザーを用いたビーム照射をするためのレーザービームスキャナであり、不図示の画像読み取り装置等のホスト処理装置から入力される画像信号に応じて変調された露光光Ｌを出力し、感光ドラム１上の露光位置ｂにおいて走査露光する。この走査露光により、感光ドラム１面の露光光Ｌで照射されたところの電位が低下することで、感光ドラム１面には走査露光した画像情報に対応した静電潜像が順次形成される。
【００１４】
現像装置４は、２成分磁気ブラシ現像方式の反転現像装置であり、感光ドラム１表面の露光部分（明部）にトナー４ｅが付着して静電潜像が反転現像される。この現像装置４は、現像容器４ａの開口部に固定マグネットローラ４ｃを内包した回転自在な非磁性の現像スリーブ４ｂが設けられている。そして、現像容器４ａのトナー４ｅを規制ブレード４ｄで薄層に現像スリーブ４ｂ上にコーティングし、感光ドラム１と対向する現像部ｃへ搬送する。現像容器４ａ内のトナー４ｅは、２つの攪拌部材４ｆの回転によって均一に攪拌されながら現像スリーブ４ｂ側に搬送される。現像スリーブ４ｂには、電源Ｓ２から所定の現像電圧が印加される。現像スリーブ４ｂへ印加する現像電圧は、直流電圧（ＶＤＣ）と交流電圧（ＶＡＣ）とを重畳した振動電圧である。転写ローラ５は、感光ドラム１に所定の押圧力で当接して転写部ｄを形成し、電源Ｓ３から転写電圧（トナー４ｅの正規帯電極性である負極性とは逆極性の正極性の転写電圧）が印加されることで、転写部ｄにて転写材Ｐにトナー像を転写する。定着装置６は、回転自在な定着ローラ６ａと加圧ローラ６ｂを有しており、定着ローラ６ａと加圧ローラ６ｂ間の定着ニップ部にて転写材Ｐを挟持搬送しながら、転写材Ｐの表面に転写されたトナー像を加熱加圧して熱定着する。トナー画像転写後の感光ドラム１面は、クリーニング装置７のクリーニングブレード７ａにより摺擦されて転写残トナーが除去される。
【００１５】
［露光装置］
次に感光ドラム１に光照射する露光装置３の構成について、図２を参照して説明する。尚、図２（ａ）は露光装置３の平面図であり、図２（ｂ）は露光装置３の側面断面図である。本実施例の露光装置３はレーザー光を照射するものであり、画像信号に応じて発振するレーザー発振器１４から出射されたレーザー光を、シリンドリカルレンズ１６を通して平行光にする。そして、Ｍ０ミラー１７で反射した後そのレーザー光を回転多面鏡１３のミラー面で反射してＭ１ミラー１８上に結像する。この結像を行うために、Ｍ０ミラー１７と回転多面鏡１３の間に、ｆθレンズ１  １１、ｆθレンズ２  １２が配置されている。回転多面鏡１３はスキャナーモータ２３によって一定速度で回転しているために、Ｍ１ミラー１８から、Ｍ２ミラー１９、Ｍ３ミラー２０を介して感光ドラム１上に投影されたレーザー光は感光ドラム１の長手方向に走査され静電潜像を形成する。また、図２（ｂ）に示すように、Ｍ３ミラー２０と感光ドラム１との間に、可飽和吸収フィルタ２１が表面に形成された防塵ガラス２２が設置されている。
【００１６】
［可飽和吸収フィルタ］
本実施例では、炭素原子（Ｃ）の六員環構造の１枚のグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎ）がチューブ構造となっている、単層カーボンナノチューブ（以下、ＳＷＮＴという）を上記可飽和吸収フィルタ２１に用いる。ＳＷＮＴは、Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌ  ｃａｒｂｏｎ  ＮａｎｏＴｕｂｅの略である。尚、カーボンナノチューブには、その他に、多層構造のグラフェンがチューブ構造となっている多層カーボンナノチューブ（以下、ＭＷＮＴという）もあり、本実施例をＳＷＮＴのみに限定するものではない。ＭＷＮＴは、Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌ  ｃａｒｂｏｎ  ＮａｎｏＴｕｂｅの略である。図３（ａ）に炭素原子（Ｃ）の六員環構造によって形成された１枚のグラフェンを、図３（ｂ）に単層カーボンナノチューブの模式的な構造図を示す。図３（ｂ）のように、炭素原子（Ｃ）の六員環構造によって形成された１枚のグラフェンがチューブ構造となり、中空円筒上の構造をしている。
【００１７】
ＳＷＮＴの作製は、周知の通り、レーザー蒸発法やアーク放電法、ＣＶＤ法等の任意の好適な方法を利用することができる。尚、これらの方法で作成されたＳＷＮＴには、副生成物である不純物が混入している場合があるので、水熱法、遠心分離法及び限外濾過法等のいずれかの任意の好適な方法によってＳＷＮＴを精製するのが好ましい。ＳＷＮＴが成膜されている薄膜（以下、ＳＷＮＴ薄膜という）の作製には、ＳＷＮＴの直径が好ましくは０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内であり、また長さが好ましくは５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内のものを使用するのが良い。ＳＷＮＴの直径及び長さをこの範囲内にすれば、可飽和吸収機能を好適に発現させることができる。例えば、特開２００３−２４８２５１号公報にＳＷＮＴの直径と長さと可飽和吸収特性について開示されている。そこで、以下の本実施例では、平均直径が１．３ｎｍ程度、平均長さが１０００ｎｍ程度のＳＷＮＴを用いる。ＳＷＮＴ薄膜の作製には、ＳＷＮＴを分散媒に分散させて得られた分散液を透明な光学材料、すなわち、ガラス基板等の透明性の被塗布物上にスプレー塗布してＳＷＮＴ薄膜を作製するスプレー法を採用する。以下に、スプレー法によるＳＷＮＴ薄膜の作製方法の一例を簡単に述べる。尚、ガラス基板として、例えば平行平面板を用いる。
【００１８】
先ず、上記した方法によって精製されたＳＷＮＴを、分散媒である、例えばアルコール、ジクロロエタン及びジメチルフォルムアルデヒド等のうちの少なくとも１つに均一分散させ分散液を調製する。尚、分散液の調製は、必要に応じて界面活性剤等を添加してもよい。尚、ＳＷＮＴの分散濃度は、例えば、エタノールを分散媒とした場合は、１〜２ｍｇ／ｍｌ程度が好適である。尚、分散濃度はこれに限られず、目的及び設計に応じて任意に変更できる。続いて、調製した分散液を、ガラス基板上にスプレー塗布して乾燥させる。スプレー塗布するガラス基板が低温の場合には、塗布した分散液中のＳＷＮＴが凝集し良好な膜質にならないため、ガラス基板を加温しながらスプレー塗布する。上述した過程を経ることにより、良質なＳＷＮＴ薄膜を得ることができる。尚、ＳＷＮＴ薄膜の作製方法はこれに限定されず、電気泳動成膜法やポリマー分散法等を利用しても良い。
【００１９】
図４において、ＳＷＮＴ薄膜の各レーザー光強度における透過率のグラフを示す。横軸にレーザー光強度［Ｗ］を対数表示し、縦軸に透過率［−］をプロットして示す。１０μＷでは約４％、２０μＷでは約１０％、３０μＷでは約１８％、５０μＷでは約６０％、１００μＷでは約７０％、３００μＷでは約８０％であった。すなわち、ＳＷＮＴを用いた可飽和吸収フィルタ２１は、大きなレーザー光強度を有するレーザー光を選択的に透過させる。図４において、各レーザー光強度において、照射光強度による透過率の相違はあるものの透過率が増加（変化）する光学的非線形性が示されている。よって、ＳＷＮＴ薄膜は、赤外領域の吸収帯域の光に対して可飽和吸収機能を有することが確認された。ＳＷＮＴ薄膜は、光強度により光を選択的に透過させる光透過機能を有する。本実施例では、ＳＷＮＴ薄膜表面に好適なコーティング等が施されていないため、ＳＷＮＴ薄膜に照射されるレーザー光の拡散は不可避である。よって、本実施例おいて、この拡散によるレーザー光損失が約２０％程度であることを考慮すれば、透過率が約８０％程度では、照射光（レーザー光）をほぼ１００％透過するものと考えられる。
【００２０】
［ビームプロファイルの変形］
図５は可飽和吸収フィルタ２１通過前と可飽和吸収フィルタ２１通過後のビームプロファイルをプロットしたグラフである。横軸はビームの位置、縦軸は露光エネルギーである。可飽和吸収フィルタ通過前のビームプロファイルは典型的なガウシアン分布となっているが、可飽和吸収フィルタ通過後のビームプロファイルはガウシアン分布の裾にあたる部分が急激に低下し、ビームプロファイルを変形できることが確認できる。
【００２１】
ここで、ビームプロファイルの「矩形率」を定義する。ビームプロファイルのピーク値（最大値）をｈ、ビームプロファイルのピークの位置を原点とする。露光エネルギーがｈ／２となる時のビームの直径をａとし、露光エネルギーがｈ／ｅ２となる時のビームの直径をｂとして、矩形率をａ／ｂと定義する。矩形率が１であればビームプロファイルは矩形になる。可飽和吸収フィルタ２１無しの時の矩形率は０．５９、可飽和吸収フィルタ膜厚２０ｎｍの時の矩形率は０．６６、可飽和吸収フィルタ膜厚４０ｎｍの時の矩形率は０．７７、可飽和吸収フィルタ膜厚６０ｎｍの時の矩形率は０．８５であった。このように可飽和吸収フィルタの膜厚によって矩形率が変わるのは、図４のように、レーザー光強度が大きくなれば透過率が立ち上がるため、レーザー光強度が変わったためであると考えられる。
【００２２】
一般的に、レーザーはその位相が揃っている為、白色光に比べて散乱し易いことが知られており、その散乱強度は散乱物質が小さい場合、波長の逆数の４乗に比例することが知られている。そのため、可飽和吸収フィルタ２１をレーザー発振器１４の近辺に配置すると、可飽和吸収フィルタ２１通過後、結像光学系を通過する間に、レーザーが拡散されビームプロファイルの矩形率が低下してしまう恐れがある。そこで、本実施例では可飽和吸収フィルタ２１の薄を、防塵ガラス２２の感光ドラム１側の面に作成した（図２（ｂ））。こうすることで、レーザーの拡散を最小に抑え、ビームプロファイルの矩形率を保ったまま、感光ドラム１に照射することができる。
【００２３】
図６は静電潜像プロファイルの変形効果を示すグラフである。図６（ａ）は横軸に位置、縦軸にドラム電位をプロットした静電潜像プロファイル、図６（ｂ）は横軸に露光エネルギー、縦軸にドラム電位をプロットした感光ドラムの感光特性である。そして、図６（ｃ）は縦軸に位置、横軸に露光エネルギーをプロットしたビームプロファイルである。図６（ｃ）のビームプロファイルから、図６（ｂ）を介して露光エネルギーをドラム電位に変換した値を縦軸に、露光の位置を横軸にプロットしたものが図６（ａ）である。図６（ａ）において、可飽和吸収フィルタ２１を設置しない場合（図中のＡ）に比べ、可飽和吸収フィルタ２１を設置した場合（図中のＢ）の静電潜像プロファイルは、静電潜像プロファイルのピーク値から１／ｅ２の値での直径が小さくなっていることが確認できた。
【００２４】
図７に横軸に矩形率、縦軸に画像レベルをプロットしたグラフを示す。画像レベルは出力された６００ｄｐｉの２ｌｉｎｅの画像において中抜けが無いものを５とし、目視して５から１まで５段階で評価した。矩形率が高いと画像レベルが高い、すなわち転写中抜けを低減できていることが確認できた。本実施例では、理想的なガウシアン型のビームプロファイルと比較して、ビームプロファイルを矩形にすることができれば効果を得られるが、矩形率を０．７以上にすることが望ましい。
【００２５】
転写中抜けは、主にトナーに大きな圧力がかかると発生する。また、トナーの載り量分布にムラがある、例えば中央にトナーが多く載ってトナーの高さが高く、端の方ではトナーがあまり載らずトナーの高さが低いような場合、中央部分に大きな圧力がかかり、転写中抜け発生しやすくなる。本実施例では、ビームプロファイルを矩形に近づけることで静電潜像プロファイルを矩形化し、トナーの載り量分布を均一化することができるため、トナーに均等に圧力がかかり転写中抜けが低減できる。
【００２６】
従って、本実施例は上記したように、露光装置３と感光ドラム１の間に可飽和吸収フィルタ２１を設けることで、従来のように露光ビームの小型化にともなう装置の大型化や、精密化をすることなく、実効潜像スポット径を小さくすることができる。更に、ビームプロファイルを変形することで静電潜像プロファイルをより矩形に近い形にすることができ、トナーの載り量分布を均一化しトナー載り量分布による画像不良を低減することができる。
【００２７】
以上のように、本実施例の画像形成装置によれば、ビームスポット径を小径化した場合でも、トナーの載り量分布が均一化され、転写中抜けを低減できる。
【符号の説明】
【００２８】
１      感光ドラム
３      露光装置
１４    レーザー発振器
２１    可飽和吸収フィルタ
２２    防塵ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012096515.tif 000009
【図８】
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