JP5147331B2 - レーザ光制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置に用いて好適なレーザ光制御装置及び画像形成装置に関する。

半導体レーザの光出力特性は周囲の温度の変化に敏感なため、一定電流で駆動していても周囲の温度変化又は自己発熱等により、その光出力は大きく変動してしまう。この光出力の温度依存性に対応するために、一般に半導体レーザのパッケージ内にモニタダイオードと呼ばれるフォトダイオード（PD）が組み込まれている。これにより半導体レーザのバック光の光出力をモニタして駆動電流を制御し、光出力を一定に保つことができるように制御している。このようなフィードバック機構を持つ半導体レーザの光量制御を行う駆動回路をＡＰＣ（Auto Power Control）回路（自動光出力制御回路）と呼んでいる。

さて、レーザ走査装置を使用したプリンタ等における画像データに応じて半導体レーザをオン／オフさせるような駆動回路においては、レーザ点灯の時間が不規則なため、一般に画像領域外で一定時間レーザを点灯させてＡＰＣ制御を行うことが一般的である。

パッケージ内にフォトダイオードを一体に組み込んだフォトダイオード一体型レーザダイオードをレーザ走査装置のＡＰＣ回路に用いることは、以下の点で有利である。レーザダイオードと別体に構成されるディスクリート型のフォトダイオードを用いて発光出力をモニタする構成に比較して、配設スペースが低減でき、かつ独立した配線が不要になり、レーザ走査装置の構成の簡略化、低コスト化を図ることができる。

しかしながら、上記の構成は、半導体レーザ自身の温度の変化によっても、パッケージ中のフォトダイオードが受光する半導体レーザのバック光の光量が微小に変化するため、ＡＰＣ制御を行っても精度の高いレーザ光量制御が実現していなかった。

そこで、半導体レーザのパッケージ外に射出されるフォワード光をＡＰＣ制御に用いる系が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０９―３２１３７７号公報

しかしながら、上記の構成は、レーザ光の主走査位置の検出（画像書き出しの基準信号：ＢＤ信号）をするフォトダイオードと、光量を検出させるフォトダイオードを各々設置しなければならなかった。

そこで、単一のフォトダイオードでレーザ光の主走査位置の検出（画像書き出しの基準信号：ＢＤ信号）をするフォトダイオードと光量を検出させるフォトダイオードとを兼用させるのが好ましい。ところが、レーザ光の主走査方向のフォトダイオードを設置できる位置は限られ、設置したフォトダイオードの受光面の占有する領域が小さく、レーザ光の光量を検知するタイミングは、１ラインの走査の中でレーザ光がフォトダイオードを通過する時間となる。そのため、フォトダイオードでレーザ光の光量を検知する時間は非常に短い。このような構成で、フォトダイオードの応答性が低かったり、ＡＰＣ制御の収束に時間を要したりする場合には、レーザ光の光量を正確に検知することが出来ず、安定したフィードバック制御が困難なものとなる。

本発明の目的は、ＡＰＣ制御精度の向上並びに制御時間の短縮を可能とする画像形成装置に用いて好適なレーザ光制御装置及び画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ光制御装置は、感光体上に静電潜像を形成するために前記感光体を露光するレーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記感光体上を走査するように前記レーザ光を偏向する偏向手段と、前記偏向手段によって偏向されたレーザ光が入射する複合機能光学素子と、前記複合機能光学素子を通過したレーザ光を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、半導体レーザから出射される前記レーザ光の光量及び前記レーザ光が前記感光体上を走査する走査方向における前記静電潜像の書き出し位置を制御する制御手段と、を備え、前記複合機能光学素子は、前記偏向手段によって偏向されて前記複合機能光学素子を通過したレーザ光が前記検出手段に入射するように、前記複合機能光学素子に入射するレーザ光の走査方向と垂直な方向に前記レーザ光を屈折させる屈折力を有する第１の特性を有する第１のレンズ部と、前記偏向手段によって偏向されて前記複合機能光学素子を走査するように当該複合機能光学素子に入射するレーザ光を前記検出手段の検出面上に静止させる第２の特性を有する第２のレンズ部と、を有し、前記第１のレンズ部及び第２のレンズ部は前記複合機能光学素子に入射するレーザ光の走査方向において並べて配置され、前記制御手段は、前記第１のレンズ部を通過して前記検出手段によって検出されるレーザ光の検出結果に基づいて前記静電潜像の書き出し位置を制御し、前記第２のレンズ部を通過して前記検出手段によって検出されるレーザ光の検出結果に基づいて前記レーザ光の光量を制御することを特徴とする。

本発明の画像形成装置は、上記レーザ光制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、レーザの発光量を受光するフォトダイオードの応答性の低さや、ＡＰＣ制御の収束時間不足によるレーザ光量制御の精度低下を防止し、さらに、レーザ光の過剰発光を防止することができる。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ光制御装置を備える画像形成装置の構成を概略的に示す図である。

図１において、レーザ出力ユニット２００は、半導体レーザであるレーザダイオード８、コリメータレンズ２１、スリット２２、回転多面鏡(ポリゴンミラー)２３、走査レンズ２４，２５より構成される。

レーザダイオード８は、所定光量の光で発光させるために、後述する図２のレーザ駆動回路３００（レーザ光制御装置）によって発光駆動される。レーザダイオード８から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ２１、スリット２２を通って回転多面鏡２３に到達する。回転多面鏡２３は、スキャナモータを含む回転多面鏡駆動回路（不図示）によって等角速度で回転している。回転多面鏡２３に到達したレーザ光は、回転多面鏡２３によって偏向走査され、走査レンズ２４，２５によって、感光ドラム（像担持体）２７上におけるビーム走査の線速度が等速となるように変更される。レーザ光が回転多面鏡２３によって偏向走査される面を主走査面、走査レンズ２４，２５の光軸に対して垂直でかつ主走査面と平行な方向を主走査方向と呼ぶ。また、主走査方向に対して略垂直な方向を副走査方向と呼ぶ。感光ドラム２７は、主走査方向ａを有する。

また、感光ドラム２７の非画像領域に相当する位置に、走査レンズ２４，２５を通ったレーザ光を受光できる本発明の特徴である検出センサ９（検出手段）が設けられている。検出センサ９は、フォトダイオードから成る。検出センサ９には、ＢＤスリット２９、並びに複数の異なる光学特性を有する複合機能光学素子としての、ＢＤレンズ３０及びＡＰＣ用レンズ３１を介してレーザ光が導光される。ＢＤスリット２９は、感光ドラム２７と等価な位置に配置されており、走査レンズ２４，２５を通ったレーザ光はＢＤスリット２９上でスポット状に集光されている。そしてその後ろに配置されたＢＤレンズ３０によってレーザ光が検出センサ９に導光される。画像領域では、レーザ光は、走査レンズ２４，２５を通過した後、反射ミラー２６を経由して感光ドラム２７上を走査することにより潜像を形成する。感光ドラム２７に形成された潜像は、トナーで現像後、用紙に転写・定着することにより画像形成される。

尚、コリメータレンズ２１は、レーザ光を平行光とし、スリット２２は、平行光の光束幅を所望の幅に制限する。

[レーザ駆動回路の動作概要]
図２は、図１のレーザダイオード８を発光駆動するレーザ駆動回路の内部構成を示すブロック図である。

図２において、レーザ駆動回路３００は、レーザダイオードの光量を制御する自動光出力制御（ＡＰＣ：Auto Power Control）とレーザ光の主走査位置の検出を行う。

レーザ駆動回路３００は、ＡＰＣ回路１、レーザダイオード８、検出センサ９、抵抗１０、差動増幅器１１，１２などにより構成される。

ＡＰＣ回路１は、フィードバック制御手段として、基準電圧発生回路２、サンプル・ホールド（以下、「Ｓ／Ｈ」と略す）制御回路４、Ｓ／Ｈコンデンサ５、駆動電流発生回路６、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路７より構成される。

検出センサ９は、レーザダイオード８から出力されるレーザ光を検出（モニタ）しレーザ光の強度（光量）に応じた電流を出力（信号出力）する。

検出センサ９から出力された電流は、差動増幅器１２で、基準電圧Ｖｒｅｆ−１と比較され、基準電圧Ｖｒｅｆ−１を上回ると画像書き出しの基準信号に使用されるＢＤ信号を生成する。

また、検出センサ９から出力される電流は、抵抗１０によりＡＰＣ用検知電圧Ｖｄｔｃとして出力される。出力されたＶｄｔｃは、基準電圧発生回路２で生成される基準電圧とともに差動増幅器３に入力され、両者の極性を含む差分が増幅される。

Ｓ／Ｈ制御回路４は、サンプル・ホールド用のコンデンサ５で、不示図のエンジン制御回路から入力されるＳ／Ｈ制御信号が、サンプルを要求する時には、差動増幅器３の出力信号に応じてＳ／Ｈ制御回路４にてＳ／Ｈコンデンサ５に充放電電流を入出力する。また、ホールドを要求する時には、Ｓ／Ｈ制御回路４とＳ／Ｈコンデンサ５間を開放するように制御する。

Ｓ／Ｈ制御信号によりサンプル要求がされると、差動増幅器３に入力されたＰＤ電圧信号（ＡＰＣ用検知電圧Ｖｄｔｃ）と基準電圧の差分に応じた信号が増幅され、Ｓ／Ｈ制御回路４に入力される。

Ｖｄｔｃが基準電圧より大きいとき、Ｓ／Ｈコンデンサ５からＳ／Ｈ制御回路４を介して差動増幅器出力が放電電流を吸い込む。Ｖｄｔｃが基準電圧より小さいとき、Ｓ／Ｈ制御回路４を介してＳ／Ｈコンデンサ５へ、差動増幅器出力が充電電流を出力する。Ｖｄｔｃが基準電圧と等しい場合、充放電は行われない。

Ｓ／Ｈコンデンサ５の両端の電圧は、レーザダイオード駆動電流発生回路６に入力され、Ｓ／Ｈコンデンサ５の両端の電圧に応じたレーザダイオード８を駆動する電流値を決定する。不示図の画像制御回路から入力される画像信号を受信し、ビデオ（以下ＶＤＯと略す）信号を、駆動電流発生回路６にて決定された駆動電流値を以って、ＶＤＯ信号にてオン・オフ駆動された発光動作をレーザダイオード８で行う。

[検出センサ９の説明]
以下、検出センサ９の構成を図１を参照しながら説明する。本実施の形態では、複合機能光学素子として、主走査方向の画像書き出し位置制御を行うための画像書き出し基準信号（ＢＤ信号）を生成するのに使用するＢＤレンズ３０と光量制御を行うのに使用するＡＰＣ用レンズ３１を図５で示すように一体成型として構成する。尚、検出センサ９にレーザ光を入射できる構成であれば、複合機能光学素子は一体成型に限られるものではない。

第１の光学特性を有するＢＤレンズ３０は、少なくともその副走査方向の形状が、ＢＤミラー２８の反射面と検出センサ９とを光学的に略共役な関係となるような屈折力に設定している。それによって、例えばＢＤミラー２８の取り付け時に、副走査方向に対して角度誤差があったとしてもレーザ光が検出センサ９に導光される。また、第2の光学特性を有するＡＰＣ用レンズ３１は、少なくともその主走査方向の形状が、回転多面鏡２３で偏向走査されたレーザ光がＡＰＣレンズ３１に入射し、検出センサ９に到達する位置が、その走査の間略静止するような屈折力に設定している。つまり、第1の光学特性と第2の光学特性は異なるものである。

図１において、IはＢＤ検知時のレーザ光の様子を示している。IIは、ＢＤ検知後所定時間経過後にＡＰＣレンズ３１に入射するレーザ光の主光線を示し、IIIは更に所定時間経過後にＡＰＣレンズ３１に入射するレーザ光の主光線を示している。

ＡＰＣレンズ３１は、少なくともその主走査方向の形状が、前記主光線IIとIIIの延長線が交わる点Ａと検出センサ９とが光学的に略共役な関係となるような屈折力に設定にされている。そうすることによって、回転多面鏡２３で偏向走査されたレーザ光がＡＰＣレンズ３１上を走査し検出センサ９に到達する位置を略静止させることが可能となる。

また、ＢＤミラー面２８は、回転多面鏡２３によって偏向され、走査レンズ２４，２５を通過したレーザ光を反射して検出センサ９で検知させる。

以上のことより、回転多面鏡２３で反射され、走査レンズ２４，２５を通過したレーザ光は、まず、ＢＤレンズ３０で集光され、検出センサ９により検知される。検知した光を基に画像書き出しタイミングを生み出す画像書き出しの基準信号（ＢＤ信号）を生成する。

次に、ＡＰＣ用レンズ３１により入射したレーザ光が、検出センサ９上で略静止する。略静止したレーザ光を先述のＡＰＣ回路１によりレーザ光の制御を行う。また、光路の途中にあるスリット２９は、一体成型したＢＤレンズ３０とＡＰＣ用レンズ３１が異なる形状なので、つなぎめに発生するフレアを防止する役割がある。

これにより、レーザ駆動回路３００は、画像書き出しの基準信号制御を先に行うことで、検出センサ９の信号開始部を用い、ＡＰＣ制御には、検出センサ９の信号開始部以降の信号安定部を用いることになる。

図５に、複合機能光学素子として、一体成形で構成されたＢＤレンズ３０とＡＰＣレンズ３１の構成を示す。

ＢＤレンズ３０の入射面Ｒ１とＡＰＣレンズ３１の入射面Ｒ２はつなぎめ部分Ｓを境に異なる曲率半径を有している。また、ＢＤレンズ３０の出射面とＡＰＣレンズ３１の出射面はともに同じ形状Ｒ３で構成されており、本実施の形態においては平面で構成している。ＢＤレンズ３０の光軸とＡＰＣレンズ３１の光軸はともに一致するように構成されておりＰで示されている。

ここで、ＢＤミラー２８の反射面からＢＤレンズ３０の入射面Ｒ１までの距離をＬ１、ＢＤレンズの出射面Ｒ３から検出センサ９までの距離をＬ２とした場合、ＢＤレンズ３０の副走査方向の焦点距離Ｆｂｄｓは、

なる関係を満足することが望ましい。

この条件式の下限、上限を超えてＢＤレンズ３０の副走査方向の焦点距離Ｆｂｄｓを設定してしまうと、ＢＤミラー２８の取り付け時に、副走査方向に対して角度誤差があった場合レーザ光が検出センサ９に導光されない。そのため副走査方向に離れた位置に導光されてしまいＢＤ検知が出来なくなってしまう。

本実施の形態においては、Ｌ１＝80ｍｍ、Ｌ２＝10ｍｍであり、Ｆｂｄｓ＝10.76ｍｍに設定している。

であるから、

となり、上記条件式を満足していることが解る。

また、走査レンズ２４，２５の主走査方向の焦点距離をＦｆθ、ＡＰＣレンズ３１の出射面Ｒ３から検出センサ９までの距離をＬ４（本実施の形態ではＬ４とＬ２は等しい）とした場合、ＡＰＣレンズ３１の主走査方向の焦点距離Ｆａｐｃｍは、

なる関係を満足することが望ましい。

この条件式の下限、上限を超えてＡＰＣレンズ３１の主走査方向の焦点距離をＦｆθを設定してしまうと、回転多面鏡２３で偏向走査されたレーザ光がＡＰＣレンズ３１上を走査し検出センサ９に到達する位置を静止させることができなくなってしまう。そのため、検出センサ９からレーザ光が外れてしまうために安定したＡＰＣ制御が不可能となってしまう。本実施の形態においては、Ｆｆθ＝212.71ｍｍ、Ｌ４＝10ｍｍであり、Ｆａｐｃｍ＝9.6ｍｍに設定している。

であるから、

となり、上記条件式を満足していることが解る。

なお、本実施の形態のＢＤレンズ３０の出射面とＡＰＣレンズ３１の出射面はともに同じ形状Ｒ３で構成したが、別々の形状で構成しても良い。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態では、レーザ走査装置の電源をＯＮした直後であって、ＡＰＣ制御を開始する前に、レーザダイオード８及び検出センサ９の異常（エラー）検知を行う。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光制御装置の内部構成を示すブロック図である。

本実施の形態に係るレーザ駆動回路４００は、図２のレーザ駆動回路３００と類似している。そこで、図３のレーザ駆動回路４００についての説明は、図２のレーザ駆動回路３００と異なる部分についてのみ説明し、共通する部分の説明は重複するので省略する。

図３では、フオロワ１３、Ａ／Ｄ変換器１４、レーザ光の制御を行うＡＰＣ回路によるフィードバックループとＡＰＣ制御を行わないオープンループの切り替えをするスイッチ１５が追加されている。

図４は、図３のレーザ駆動回路４００によって実行される初期確認（エラー検知）処理の手順を示すフローチャートである。

本処理は、レーザ駆動回路４００を制御する不図示のＣＰＵがＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいてＲＡＭを作業領域に使用しながら各部を制御して行う処理である。

図４において、まず、ステップS４００でレーザ走査装置の電源がＯＮされると（点灯開始時）、次にステップS４０１に進む。ステップS４０１では、最初にスイッチ１５を開状態に切り替え、ＡＰＣ制御を行わないオープンループを形成する。つまり、フィードバック制御手段の機能を停止させる。尚、スイッチ１５を閉状態とすると、第１の実施形態で説明したレーザ光の制御を行うＡＰＣ回路によるフィードバックループが形成される。つまり、フィードバック制御手段の機能を開始させる。

ステップS４０１でのスイッチ１５の切り替えに伴い、ステップS４０２では、レーザ駆動電流発生回路６の設定値を検出センサ９が壊れないレベルのＩ０に設定する。また、Ｉ０は検出センサ９の出力が検知できる第1の発光光量である最低レベルであることが望ましい。

次に、ステップＳ４０３に進み、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路７をＯＮ状態としレーザダイオード８を点灯させる。レーザダイオード８がレーザ光を出力することで、検出センサ９には光量に応じた出力電流が流れ、抵抗１０により検出電圧Vdtc０が出力される。Vdtc０はフオロワ１３を介し、ＡＤコンバータ１４でＡ／Ｄ変換された値となりＣＰＵで検知される。

次に、ステップＳ４０４に進み、Vdtc０を閾値Vini０と、レーザ駆動電流をＩ０で駆動させたときに検出センサ９が検出する最大出力電圧Vmax０との間、つまり規定値内であるか否かを判断する。この範囲以内で検出センサ９が、レーザ光を検知できていればレーザダイオード８と検出センサ９は正常に動作していると判断でき、ＡＰＣ制御を行うことが可能とする判断し、ステップＳ４０５で第2の発光光量でＡＰＣ制御を開始する。

一方、ステップＳ４０４において、検出センサ９の出力値がVini０ ＞ Vdtc０ 又はVdtc０ ＞ Vmax０ の場合は、レーザダイオード８が故障しているか、検出センサ９が故障しているか、又はレーザ光路がスリット２２からずれていると考えられる。そのため、ＡＰＣを行うことはできない。

次に、ステップＳ４０６に進み、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路７をＯＦＦ状態とし、レーザダイオードの発光を止め、ステップＳ４０７で、「レーザ検知エラー」表示を出す等でエラーである旨をユーザーに伝える。

このシーケンスにより、初期動作でレーザ書き込み装置の故障を判断して、ＡＰＣ制御時にレーザパワーが発振することで、検出センサ９の破壊に至ることを防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係るレーザ光制御装置を備える画像形成装置の構成を概略的に示す図である。 図１のレーザダイオード８を発光駆動するレーザ駆動回路の内部構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光制御装置の内部構成を示すブロック図である。 図３のレーザ駆動回路４００によって実行される初期確認（エラー検知）処理の手順を示すフローチャートである。 一体成型として構成されたＢＤレンズ３０とＡＰＣ用レンズ３１の構成を説明する図である。

符号の説明

１ ＡＰＣ回路
４ Ｓ／Ｈ制御回路
５ Ｓ／Ｈコンデンサ
８ レーザダイオード
９ 検出センサ
１１，１２ 差動増幅器
１５ スイッチ
２１ コリメータレンズ
２２ スリット
２３ 回転多面鏡
２４，２５ 焦点レンズ
２６ 反射ミラー
２７ 感光ドラム
２８ ＢＤミラー面
３０ ＢＤレンズ
３１ ＡＰＣ用レンズ
３００，４００ レーザ駆動回路

Claims (6)

1. 感光体上に静電潜像を形成するために前記感光体を露光するレーザ光を出射する半導体レーザと、
   前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記感光体上を走査するように前記レーザ光を偏向する偏向手段と、
   前記偏向手段によって偏向されたレーザ光が入射する複合機能光学素子と、
   前記複合機能光学素子を通過したレーザ光を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて、半導体レーザから出射される前記レーザ光の光量及び前記レーザ光が前記感光体上を走査する走査方向における前記静電潜像の書き出し位置を制御する制御手段と、を備え、
   前記複合機能光学素子は、前記偏向手段によって偏向されて前記複合機能光学素子を通過したレーザ光が前記検出手段に入射するように、前記複合機能光学素子に入射するレーザ光の走査方向と垂直な方向に前記レーザ光を屈折させる屈折力を有する第１の特性を有する第１のレンズ部と、前記偏向手段によって偏向されて前記複合機能光学素子を走査するように当該複合機能光学素子に入射するレーザ光を前記検出手段の検出面上に静止させる第２の特性を有する第２のレンズ部と、を有し、前記第１のレンズ部及び第２のレンズ部は前記複合機能光学素子に入射するレーザ光の走査方向において並べて配置され、
   前記制御手段は、前記第１のレンズ部を通過して前記検出手段によって検出されるレーザ光の検出結果に基づいて前記静電潜像の書き出し位置を制御し、前記第２のレンズ部を通過して前記検出手段によって検出されるレーザ光の検出結果に基づいて前記レーザ光の光量を制御することを特徴とするレーザ光制御装置。
2. 前記複合機能光学素子に入射するレーザ光の走査方向において前記第２のレンズ部は前記第１のレンズ部よりも下流側に配置されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光制御装置。
3. 前記偏向手段によって偏向されたレーザ光を反射して前記複合機能光学素子に入射させる反射ミラーを備え、前記第１のレンズ部は、前記反射ミラーの設置角度に拘わらず前記第１のレンズ部に入射したレーザ光が前記検出手段に入射するような屈折力を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光制御装置。
4. 前記制御手段は、前記第１のレンズ部を通過して前記検出手段によって検出されるレーザ光の検出結果に基づいて前記静電潜像の書き出し位置を制御し、前記第２のレンズを通過して前記検出手段によって検出されるレーザ光の検出結果に基づいて前記レーザ光の光量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光制御装置。
5. 前記複合機能光学素子は、前記第１のレンズ部と前記第２のレンズ部とを一体化した単一のレンズであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載のレーザ光制御装置。
6. 前記感光体と請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ光制御装置を備える画像形成装置。

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