(57)【要約】【課題】液体レンズに含まれる２種類の液体の界面の形状が熱の影響によって変形してしまうことを抑制できる光源装置及び光走査装置を提供する。【解決手段】液体レンズ１４は、レーザダイオード１２が出射した光を集光する。ポリゴンミラー２０は、液体レンズ１４を通過した光を偏向する。液体レンズ１４は、第１の熱膨張率を有する絶縁性液体４２と、第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する導電性液体４０と、を含む。導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、液体レンズ１４の焦点距離が変化する。絶縁性液体４２は、導電性液体４０よりも、レーザダイオード１２の近くに配置されている。【選択図】図１
2009092865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源が出射した光を集光する光学素子と、
前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、
を備え、
前記光学素子は、
第１の熱膨張率を有する第１の液体と、
前記第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する第２の液体と、
を含み、
前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、
前記第１の液体は、前記第２の液体よりも、前記光学素子の近くに配置された前記光源又は前記偏向手段に対して、近い位置に配置されていること、
を特徴とする光走査装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源が出射した光を集光するコリメータレンズとして機能する光学素子と、
を備え、
前記光学素子は、
第１の熱膨張率を有する第１の液体と、
前記第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する第２の液体と、
を含み、
前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、
前記第１の液体は、前記第２の液体よりも前記光源側に位置していること、
を特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を偏向する偏向手段と、
を備えること、
を特徴とする光走査装置。
【請求項４】
光源と、
前記光源が出射した光を集光するシリンドリカルレンズとして機能する光学素子と、
前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、
を備え、
前記光学素子は、
第１の熱膨張率を有する第１の液体と、
前記第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する第２の液体と、
を含み、
前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、
前記第１の液体は、前記第２の液体よりも前記偏向手段側に位置していること、
を特徴とする光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置及び光走査装置に関し、より特定的には、液体レンズを備えた光源装置及び光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、液体レンズを備えた光走査装置１１０の上視図である。図５において、ｙ軸は主走査方向を示し、ｚ軸は副走査方向を示す。なお、ｚ軸は鉛直方向とも一致する。
【０００３】
図５に示す光走査装置１１０は、例えば、画像形成装置に用いられ、レーザダイオード１１２、液体レンズ１１３、シリンドリカルレンズ１１８、ポリゴンミラー１２０及び走査レンズ１２２，１２４を備える。
【０００４】
レーザダイオード１１２は、光を出射する。レーザダイオード１１２から出射された光は、拡散光である。液体レンズ１１３は、レーザダイオード１１２が出射した光を集光して略平行光に変換する。更に、液体レンズ１１３は、２種類の液体を内部に含み、これらの液体の界面形状を変形させることにより焦点距離を変化させることができるものである。シリンドリカルレンズ１１８は、液体レンズ１１３を通過した光を、ポリゴンミラー１２０のミラー面近傍においてｚ軸方向に集光する。
【０００５】
ポリゴンミラー１２０は、図示しないモーターにより矢印の方向に回転され、シリンドリカルレンズ１１８を通過してきた光をｙ軸方向に等角速度に偏向する。走査レンズ１２２，１２４は、ポリゴンミラー１２０により偏向された光をｙ軸方向に等速走査して、該光を感光体ドラム１３２上に結像させる。感光体ドラム１３２は、所定速度で回転駆動される。これにより、光による主走査と感光体ドラム１３２の回転による副走査によって２次元の静電潜像が形成される。
【０００６】
前記光走査装置１１０では、光の集光位置が感光体ドラム１３２の周面からずれた場合であっても、液体レンズ１１３の焦点距離を調整することにより、光の集光位置を感光体ドラム１３２の周面に合わせることが可能となる（例えば、特許文献１ないし特許文献３）。
【０００７】
ところで、光走査装置１１０では、外部に光が漏れることを防止するために、その筐体が密閉された構造を有している。そのため、レーザダイオード１１２やポリゴンミラー１２０のモーターからの熱により、光走査装置１１０内が高温状態となってしまう。このように光走査装置１１０内が高温状態になると、液体レンズ１１３内の２種類の液体が膨張して、これらの液体の界面の形状が本来の形状から変形してしまう。その結果、液体レンズ１１３の焦点距離が所望の焦点距離からずれてしまう。
【特許文献１】特開２００６−２５１３４３号公報
【特許文献２】特開２００６−２５１５１３号公報
【特許文献３】特開２００６−２５８８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、液体レンズに含まれる２種類の液体の界面の形状が熱の影響によって変形してしまうことを抑制できる光源装置及び光走査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、光走査装置において、光源と、前記光源が出射した光を集光する光学素子と、前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、を備え、前記光学素子は、第１の熱膨張率を有する第１の液体と、前記第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する第２の液体と、を含み、前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、前記第１の液体は、前記第２の液体よりも、前記光学素子の近くに配置された前記光源又は前記偏向手段に対して、近い位置に配置されていること、を特徴とする。
【００１０】
第１の発明によれば、熱膨張率が相対的に小さい第１の液体は、熱膨張率が相対的に大きい第２の液体よりも、光学素子の近くに配置された光源又は偏向手段に対して、近い位置に配置されている。そのため、第１の発明では、第１の液体と第２の液体との位置関係が逆の場合に比べて、光源又は偏向手段の内の近くに配置された光源又は偏向手段からの熱の影響を受けにくくなる。その結果、第１の液体と第２の液体との界面の形状が熱膨張により変形してしまうことが抑制され、光学素子の焦点距離が所望の焦点距離からずれてしまうことが抑制される。
【００１１】
第２の発明は、光源装置において、光源と、前記光源が出射した光を集光するコリメータレンズとして機能する光学素子と、を備え、前記光学素子は、第１の熱膨張率を有する第１の液体と、前記第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する第２の液体と、を含み、前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、前記第１の液体は、前記第２の液体よりも前記光源側に位置していること、を特徴とする。
【００１２】
第２の発明によれば、光学素子は、コリメータレンズとして機能しているので、光源が発生した熱の影響を強く受ける。そこで、熱膨張率が相対的に小さい第１の液体が、熱膨張率が相対的に大きい第２の液体よりも、光源側に位置されることにより、光学素子が光源からの熱の影響を受けにくくなる。その結果、第１の液体と第２の液体との界面の形状が熱膨張により変形してしまうことが抑制され、液体レンズの焦点距離が所望の焦点距離からずれてしまうことが抑制される。
【００１３】
第２の発明は、光走査装置に対しても適用可能である。より詳細には、第２の発明は、光走査装置において、前記光源装置と、前記光源装置からの光を偏向する偏向手段と、を備えること、を特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、光走査装置において、光源と、前記光源が出射した光を集光するシリンドリカルレンズとして機能する光学素子と、前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、を備え、前記光学素子は、第１の熱膨張率を有する第１の液体と、前記第１の熱膨張率よりも大きい第２の熱膨張率を有する第２の液体と、を含み、前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、前記第１の液体は、前記第２の液体よりも前記偏向手段側に位置していること、を特徴とする。
【００１５】
第３の発明によれば、光学素子は、シリンドリカルレンズとして機能しているので、光源よりも偏向手段が発生した熱の影響を強く受ける。そこで、熱膨張率が相対的に小さい第１の液体が、熱膨張率が相対的に大きい第２の液体よりも、偏向手段側に位置されることにより、光学素子が偏向手段からの熱の影響を受けにくくなる。その結果、第１の液体と第２の液体との界面の形状が熱膨張により変形してしまうことが抑制され、液体レンズの焦点距離が所望の焦点距離からずれてしまうことが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の一実施形態に係る光源装置及び光走査装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、該光走査装置１０の上視図である。図１において、ｙ軸は、主走査方向を示し、ｚ軸は副走査方向を示す。なお、ｚ軸は、鉛直方向とも一致する。
【００１７】
光走査装置１０は、図１に示すように、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、ミラー２６、受光素子２８、筐体２９及び制御部３０を備える。レーザダイオード１２、液体レンズ１４及びシリンドリカルレンズ１８は、光源装置を構成する。
【００１８】
レーザダイオード１２は、光を出射する光源としての役割を果たす。レーザダイオード１２から出射された光は、拡散光である。そこで、液体レンズ１４は、レーザダイオード１２から出射された光を集光するコリメータレンズとして機能すると共に、光の焦点距離を変化させる機能を有する。なお、液体レンズ１４の詳細については後述する。
【００１９】
シリンドリカルレンズ１８は、液体レンズ１４を通過した光を、ポリゴンミラー２０のミラー面近傍においてｚ軸方向に集光する。ポリゴンミラー２０は、図示しないモーターにより矢印の方向に回転され、シリンドリカルレンズ１８を通過してきた光をｙ軸方向に等角速度に偏向する偏向手段としての役割を果たす。走査レンズ２２，２４は、ポリゴンミラー２０により偏向された光を等速走査して、該光を感光体ドラム３２上に結像させる。感光体ドラム３２は、所定速度で回転駆動される。これにより、光による主走査と感光体ドラム３２の回転による副走査によって２次元の静電潜像が形成される。
【００２０】
また、ミラー２６は、ポリゴンミラー２０により偏向され、走査レンズ２２，２４を通過した光を受光素子２８側へと反射する役割を果たす。受光素子２８は、ミラー２６により反射された光を受光し、光径に関する信号を制御部３０に出力する。
【００２１】
制御部３０は、例えば、ＣＰＵにより構成され、前記受光素子２８から出力されてくる光径に関する信号に基づいて、液体レンズ１４の焦点距離を制御する。例えば、制御部３０は、受光素子２８が受光する光の光径が小さくなるように、液体レンズ１４の焦点距離を制御する。これにより、光の集光位置は、感光体ドラム３２の周面に一致させられている。
【００２２】
筐体２９は、図１に示すように、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、ミラー２６及び受光素子２８を収納する。
【００２３】
次に、図２及び図３を参照しながら、液体レンズ１４の構成について説明する。図２は、液体レンズ１４の光軸を含む面における断面構造図である。なお、図２（ａ）は、電圧を印加した状態における液体レンズ１４の断面構造図であり、図２（ｂ）は、電圧を印加していない状態における液体レンズ１４の断面構造図である。
【００２４】
図２に示すように、液体レンズ１４は、導電性液体４０、絶縁性液体４２、透明板４４，４６、第１の電極４８、絶縁膜５０及び第２の電極５２を含む。該液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状を、エレクトロウエッティング現象により変形させることによって、焦点距離を変化させることができるものである。具体的には、電圧が印加されると、界面Ｓは、図２（ｂ）に示す状態から、図２（ａ）に示す状態へと変化する。
【００２５】
透明板４４，４６は、透明な樹脂又はガラスにより構成され、互いに平行に所定の隙間を残して配置される。この隙間には、導電性液体４０と絶縁性液体４２とが封入される。
【００２６】
導電性液体４０は、無機塩の水溶液や、有機液体など、それ自身が導電性を有するもの、或いはイオン性成分を付加することによって導電性とされた液体である。絶縁性液体４２は、導電性液体４０とは異なる屈折率を有し、導電性液体４０と混合しない液体である。そのため、導電性液体４０と絶縁性液体４２とは、互いに分離した状態となっており、界面Ｓを形成している。これにより、導電性液体４０と絶縁性液体４２とはレンズを構成している。なお、導電性液体４０の屈折率の方が、絶縁性液体４２の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００２７】
第１の電極４８は、導電性液体４０と接触するように、透明板４４上に設けられる。第２の電極５２は、透明板４６と第１の電極４８との間に設けられる。絶縁膜５０は、第２の電極５２を覆うように形成される。具体的には、絶縁膜５０は、第１の電極４８と第２の電極５２との間に形成されて該第１の電極４８と第２の電極５２とを絶縁すると共に、第２の電極５２の内周面に形成されて第２の電極５２と導電性液体４０及び絶縁性液体４２とが接触しないようにしている。第１の電極４８と第２の電極５２との間には、液体レンズ１４の駆動時において、電圧が印加される。
【００２８】
以上のように構成された液体レンズ１４について、以下に、その動作原理について図３を参照しながら説明する。図３は、図２の液体レンズ１４のＣの部分の拡大図である。図３（ａ）は、電圧が印加されていない状態での液体レンズ１４（図２（ｂ）に対応）のＣの部分の拡大図であり、図３（ｂ）は、電圧が印加された状態での液体レンズ１４（図２（ａ）に対応）のＣの部分の拡大図である。
【００２９】
まず、導電性液体４０と絶縁性液体４２との間の界面張力を界面張力γ１２とし、絶縁膜５０と導電性液体４０との間の界面張力を界面張力γ３１とし、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間の界面張力を界面張力γ２３と定義する。図３（ａ）に示すように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に電圧が印加されていない場合には、界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１とは、互いに釣り合っており、界面Ｓと絶縁膜５０とが角θ１の角度をなしている。このとき、角θ１と界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１との間には、ヤングの方程式により、式（１）の関係が成立する。
【００３０】
【数１】
2009092865.tif 000003
【００３１】
ここで、第１の電極４８と第２の電極５２とに電圧を印加すると、例えば、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜５０と導電性液体４０との境界には、プラスの電荷が現れる。一方、絶縁膜５０と第２の電極５２との境界には、マイナスの電荷が現れる。これにより、電荷による圧力Πが、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間に、界面張力γ２３と同じ方向に発生する。この圧力Πは、式（２）のように示される。
【００３２】
【数２】
2009092865.tif 000004
【００３３】
なお、εは絶縁膜５０の誘電率であり、ε０は真空の誘電率であり、ｅは絶縁膜５０の厚さであり、Ｖは第１の電極４８と第２の電極５２との間の電圧である。
【００３４】
圧力Πが発生することにより、界面Ｓと絶縁膜５０とは、角θ１よりも大きな角θ２の角度をなすようになる。このとき、液体レンズ１４の界面Ｓは、図２（ａ）に示すように、湾曲する。この角θ２は、式（３）のように示される。
【００３５】
【数３】
2009092865.tif 000005
【００３６】
以上のように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に印加する電圧を変化させることにより、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することがわかる。そして、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することにより、電圧が印加された状態では、図２（ａ）に示すように、界面Ｓが湾曲して、焦点距離が相対的に短くなる。また、電圧が印加されていない状態では、図２（ｂ）に示すように、界面Ｓが平坦状になり、焦点距離が相対的に長くなる。図１に示す制御部３０は、この電圧の大きさを制御して、液体レンズ１４の焦点距離を制御する。
【００３７】
ここで、液体レンズ１４の好ましい配置について図１を参照しながら説明する。光走査装置１０内において、熱源となりうるものは、レーザダイオード１２とポリゴンミラー２０である。液体レンズ１４は、コリメータレンズとして機能しているので、ポリゴンミラー２０よりもレーザダイオード１２の近くに配置される。そのため、液体レンズ１４は、レーザダイオード１２からの熱の影響を強く受ける。
【００３８】
液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２とを含んでいる。該液体レンズ１４は、図１に示すように、絶縁性液体４２の方が導電性液体４０よりもレーザダイオード１２側に位置するように配置されている。従って、絶縁性液体４２の方が導電性液体４０よりもレーザダイオード１２が発生する熱の影響を強く受ける。そこで、光走査装置１０では、絶縁性液体４２は、導電性液体４０よりも小さな熱膨張率を有している。このような導電性液体４０の材料及び絶縁性液体４２の材料の組み合わせとしては、例えば、導電性液体４０としてエチルアルコール及び絶縁性液体４２としてシリコンオイルの組み合わせが挙げられる。
【００３９】
以上のような光走査装置１０によれば、熱膨張率が相対的に小さい絶縁性液体４２が、熱膨張率が相対的に大きい導電性液体４０よりも、液体レンズ１４の近くに配置されたレーザダイオード１２又はポリゴンミラー２０（すなわち、レーザダイオード１２）に対して、近い位置に配置されている。そのため、該光走査装置１０では、絶縁性液体４２と導電性液体４０の位置関係が逆の場合に比べて、レーザダイオード１２からの熱の影響を受けにくくなる。その結果、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状が熱膨張により変形してしまうことが抑制され、液体レンズ１４の焦点距離が所望の焦点距離からずれてしまうことが抑制される。
【００４０】
（変形例）
以下に、変形例に係る光走査装置１０'について図４を参照しながら説明する。図４は、変形例に係る光走査装置１０'の上視図である。
【００４１】
光走査装置１０と光走査装置１０'との相違点は、液体レンズ１８'がコリメータレンズとしてではなくシリンドリカルレンズとして機能している点、及び、コリメータレンズ１４'が液体レンズではない点である。それ以外の構成については、光走査装置１０と光走査装置１０'とは同じであるので説明を省略する。また、液体レンズ１８'の構成及び動作は、液体レンズ１４と同じであるので説明を省略する。
【００４２】
ここで、液体レンズ１８'の好ましい配置について図４を参照しながら説明する。光走査装置１０'内において、熱源となりうるものは、レーザダイオード１２及びポリゴンミラー２０である。液体レンズ１８'は、シリンドリカルレンズとして機能しているので、レーザダイオード１２よりもポリゴンミラー２０側に配置される。そのため、液体レンズ１８'は、ポリゴンミラー２０からの熱の影響を強く受ける。
【００４３】
液体レンズ１８'は、導電性液体４０と絶縁性液体４２とを含んでいる。該液体レンズ１８'は、図４に示すように、導電性液体４０の方が絶縁性液体４２よりもポリゴンミラー２０側に位置するように配置されている。従って、導電性液体４０の方が絶縁性液体４２よりもポリゴンミラー２０が発生する熱の影響を強く受ける。そこで、光走査装置１０'では、導電性液体４０は、絶縁性液体４２よりも小さな熱膨張率を有している。このような導電性液体４０の材料及び絶縁性液体４２の材料の組み合わせとしては、例えば、導電性液体４０として食塩水とエチルアルコールとの混合物及び絶縁性液体４２としてシリコンオイルの組み合わせが挙げられる。
【００４４】
以上のような光走査装置１０'によれば、熱膨張率が相対的に小さい導電性液体４０が、熱膨張率が相対的に大きい絶縁性液体４２よりも、液体レンズ１８'の近くに配置されたレーザダイオード１２又はポリゴンミラー２０（すなわち、ポリゴンミラー２０）に対して、近い位置に配置されている。そのため、該光走査装置１０'では、導電性液体４０と絶縁性液体４２の位置関係が逆の場合に比べて、ポリゴンミラー２０からの熱の影響を受けにくくなる。その結果、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状が熱膨張により変形してしまうことが抑制され、液体レンズ１８'の焦点距離が所望の焦点距離からずれてしまうことが抑制される。
【００４５】
なお、光走査装置１０，１０'では、絶縁性液体４２が光の進行方向の上流側に配置され、導電性液体４０が光の進行方向の下流側に配置されているが、導電性液体４０と絶縁性液体４２との位置関係は逆であってもよい。ただし、この場合であっても、熱源に近い方の導電性液体４０又は絶縁性液体４２の熱膨張率が小さくなっている必要がある。
【００４６】
また、ポリゴンミラー２０により偏向された光は、走査レンズ２２，２４を通過した後、直接に感光体ドラム３２を照射しているが、該光は、ミラーにより進行方向が変えられた後に、感光体ドラム３２を照射してもよい。
【００４７】
また、図１及び図４に示す筐体２９の上視図における外形は、四角形状であるが、該筐体２９の外形はこれに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】光走査装置の上視図である。
【図２】液体レンズの光軸を含む面における断面構造図である。
【図３】図２の液体レンズのＣの部分の拡大図である。
【図４】変形例に係る光走査装置の上視図である。
【図５】一般的な液体レンズを備えた光走査装置の上視図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０，１０'  光走査装置
１２  レーザダイオード
１４，１８'  液体レンズ
１４'  コリメータレンズ
１８  シリンドリカルレンズ
２０  ポリゴンミラー
２２，２４  走査レンズ
２８  受光素子
３０  制御部
３２  感光体ドラム
４０  導電性液体
４２  絶縁性液体
【図１】
2009092865.tif 000006
【図２】
2009092865.tif 000007
【図３】
2009092865.tif 000008
【図４】
2009092865.tif 000009
【図５】
2009092865.tif 000010