2017年11月2日 関東地方発明表彰で「発明奨励賞」を受賞 書込みユニットの光源数半減を可能とした「光束分割書込み光学系」

光束分割書込ユニット 開発

Laser Scanning Unit with Beam Splitting Technology

伊丹 幸男

宮武 直樹

今井 明

林 善紀

小林 真治

Yukio ITAMI Naoki MIYATAKE Shigeaki IMAI Yoshinori HAYASHI Shinji KOBAYASHI

大出 俊夫

市井 大輔

篁 智隆

Toshio OHIDE Daisuke ICHII Tomotaka TAKAMURA

要 旨 _________________________________________________

々 源 ₄₀ ンネ _VCSEL 用い 業界最高密度_{4800 dpi} 書込

開発 ープ ンプ ン 搭載 _{4800 dpi} 書込

走査線 ー キ ー補正 色 補正 表裏倍率補正 行い プ ンプ ン

ン 要求 満足 高画質 達 い

う 高画質 領域 広 書込 大幅 ン

化 ウン 要求

対 源 数 半減 いう世界初 束 割書込 開発

大幅 ウン ン 化 達 _{4800 dpi} 書込 ー

複合機 搭載

ABSTRACT _________________________________________________

We developed an LSU (laser scanning unit) using a 40-channel VCSEL (vertical-cavity surface- emitting laser) array that delivers 4800 dpi image quality. This LSU enables the user to correct the bow/skew of scanning lines, registrations of color images, and misregistrations in duplex printing. We have achieved high quality that meets the needs of production printing.

Drastic downsizing and cost reduction of the LSU are needed to introduce it into the office market. For this requirement, we have been the first in the world to develop technology that enables the halving of the number of light sources. By using this technology, we have developed an LSU that achieves cost reduction, downsizing, and 4800 dpi image quality. This 4800 dpi LSU has been loaded onto a new color MFP.

* ^{ネ ソ ー ン 業本部 ー環境 業開発 ン ー}

Ricoh Eco Business Development Center, Business Solutions Group

** ^{画像エン ン開発本部} ICT^{開発 ン ー}

Imaging Core Technology Center, Imaging Engine Development Division

*** IW^開発本部 CD^{開発 ン ー}

Communication Devices Development Center, Intelligent Work Style Development Division

**** ^{ー ン ソ ー ン 株式会社}

RICOH Industrial Solutions Inc.

***** ^{生産本部 生産技術開発 ン ー}

Industrial Technology Development Center, Production Division

1. ^めに

1-1 ^{背景と目的}

々 ₄₀ ン ネ _VCSEL 用 い 業 界 最高密度_{4800 dpi} 書込 開発 ー プ ン プ ン 搭 載 ^1-3) プ

ン プ ン ン 層 層

ー対応電子写真装置 一般的 _YMCK4色 対

応 変調駆動 源 必要 あ 源及び 源

駆動回路 ウ い 大 制

約 い ₄₀ ン ネ _VCSEL

用い 書込 層 展開

く 使 用 プ ン プ ン

ン 層 限定 い

々 束 割 ₂ 走査領域 走

査 源 ー 数 半減 狙

束 割 複数 走査領域 走査 技術

回折素子 用い ₁ 束 割

ー 化 いう方式 あ ⁴⁾

方式 割 各々 束 独立 強度

幅変調 音響 学変調器等 必要

あ プ 大型化 招く

対 々 ₁ 源 ー 出

射 束 割 ン ₂

異 感 体 交 互 走 査 源

ー 数 半減 いう世界初 束 割書

込 開発

2. ^{光束分割書込ユニット 課題，構成，}

達成手段

2-1 ^{光束分割書込ユニット 課題}

ー電子写真装置 い Cyan Magenta Yellow Black ^{色 感 体 並 列 ン}

方式 主流 通常 ₄ 感 体

対 ₄ 源 ー 必要

束 割書込 ₁ 源 ー

出射 束 割 割 複数 束

2 ^{異 感 体 交互 走査 いう}

あ ₂ 源 ー

ー ₄色 書 込

束 割書込 特有 主 課題 以 あ

(1) 2 ^{異 感 体 露 ン}

い

(2) 2 ^{感 体 ー 置 等 特性}

一致

(3) ^{束 割書込 割 束 う}

一方 要 一方 感 体 走査

い 際 方 感 体 要 い

い う

(1) ^{課 題 束 割 書 込 最 本 質 的}

課題 あ ₂ 異 感 体 交互 走査

キー ー 回転方向 相差 設

相差₂段 ン キ 以降 相差₂段

ン キ 呼ぶ あ 更 ₂ 感

体 露 ン 本

方式特有 書込エ キ制御 行う必要 あ (2) ^{課 題 一 般 的 ン 方 式 課 題}

束 割書込 ₁ 源 ー

異 ₂色 対応 い 方式特有

工夫 必要 課題 対 書込エ

キ制御 書込 学系設計 対応

(3) ^{課 題 対 書 込 学 系 設 計 工 夫}

対応 い

以降 書込 学系 書込エ キ制御 相差₂段

ン キ 構 記₃ 課題 達 手

段 い 説明 いく

2-2 ^{書込光学系}

2-2-1 ^{書込光学系 構成}

Fig. 1 ^{束 割書込 学系 主要部構 示}

源 束 偏 ー プ

Polarizing Beam Splitterμ PBS ^割 相差₂段 ン キ 各々偏向反射

束 ン ₁ 源

2 ^{感 体 交互 走査 構 い}

Fig. 2 ^相差2^{段 ン キ 段}

ー 感 体 交互 走査 説明

示 相差₂段 ン キ

段₄面 ー 相差 ₄₅度 あ 相

差₂段 ン キ 時計回 回転

(a) ^対 (b) ^{時 計 回} 20^{度 回 転} (c) 45^{度 回} 転 _{(d) 65}度回転 状態 あ

(a) ^{段 ー 反 射 感 体 到 達}

段 ー 反 射 遮 _(b)

(a) ^{同 様 段 ー 反 射 感 体 到 達}

段 ー 反 射 遮 _(a)

感 体 照 射 置 異 _{(c) (d)} 段

ー 反射 記 異 感 体 到達

段 ー 反 射 遮 _(a) 対

相差₂段 ン キ _λ0度時計回 回転 再び _(a) 状態

Fig. 3 ^ーMFP^{機 束 割書 込}

構 例 示 ₄₀ ンネ _{VCSEL PBS} 相

差₂段 ン キ 束 割書込 学

系₂ 並 列 並 _{2 40} ン ネ

VCSEL ^束 4 ^{異 感 体 走査}

構 い

Fig. 1 Main configuration of beam splitting technology.

Fig. 2 Alternately scanning with use of two-stage phase- difference polygon scanner.

Fig. 3 LSU adopted with beam splitting technology in color MFP.

2-2-2 ^{不要光を除去 る書込光学系 構成}

本書込 学系 源 ン ー

構 _{Fig. 4} 示 ン ー 回

転軸方向 副走査方向 副走査方向 軸 垂

直 方向 主走査方向 呼ぶ

主走査方向 偏 方向 学軸 透過軸 ₀度 定義 副走査方向 _λ0度 定義

位相差₂段 ポ ゴン キ ナ

VCSEL

段ミ ー での反射光 段ミ ー

での反射光

a b

段ミ ー での反射光

段ミ ー での反射光

段ミ ー での反射光

段ミ ー での反射光

c ^d

段ミ ー での反射光 段ミ ー

での反射光

段ミ ー での反射光

段ミ ー での反射光

4ch-V SE

P S

位相差段ポ ゴン キ ナ 走査レン ：

走査レン ：

Fig. 4 The configuration from light source to polygon mirror.

VCSEL ^{源 射 出 束 偏 方 向}λ0 度 直 線 偏 あ 学 軸 ₄₅度 _1/4波 長 板

以 降 _/4板 呼 ぶ 偏 変 換

偏 束 透過軸 _λ0度 ₀度

PBS ^{段 偏 方向}λ0^{度 段 偏 方}

向₀度 直 線 偏 _PBS 割 射

出

段 ー 偏向反射 感 体 書

込 行 い 際 段 ー 源 入

射 対 垂直配置 ン 生 反射

源 戻 現象 生 _{Fig. 5} 示

戻 源 反射 再び 段 束

書 込 中 感 体 到達 ー 異常

画像 形 う

Fig. 5 The ghost light going back to light source.

本書込 学系 _{Fig. 4} 示

PBS ^{割 各 々 束 対 再 度}

/4^{板 透 過 同 回 転 方 向 偏}

ン ー 入射 構 い

結果 _{Fig. 6} 示 段 ー 反

射 源 側 戻 偏 束 _/4板 透 過

偏 方向 _λ0度 直線偏 束 _PBS 入

射 _PBS 段側 面 透過 反射 源側

向 わ い 同様 段 ー 反射

源 側 戻 偏 束 _/4板 透 過 偏 方 向 ₀度 直 線 偏 束 _PBS 入 射 PBS ^{段側 面 反射 源側 透過 い5,6)}

構 ー ₁％以

画質 対 影響 い ベ

Fig. 6 Optical system removing ghost light going back to light source.

書込 学系 戻 除去 方式 ほ

あ _PBS 割 束 後 段 _/4板 配

置 本構 段 偏 特性

い 偏 ン

ー 含 ー 反射率特性 走査 ン 透過

率特性 一致 異 感 体面

差 減

2-2-3 ^{走査線間隔変動を 減 る書込光学系設計}

通常 ₂ ー や₄ ー ー 書込 学

系 異 ₄₀ ン ネ _VCSEL 副

走査方向 両端 ンネ 間隔 非常 長い

温度変動 伴う 学倍率変化 感

体面 走査線間隔 変わ や く 走査線間隔

変動 小 く抑え 課題

走査線間隔変動 主要因 線膨張係数 大 い樹 脂 ン 伸縮 あ 更 副走査方向 屈折力

λ/4板 ＰＢＳ

ポ ゴン ミ ー λ/4板

VCSEL 副走査方向

主走査方向

V SE

位相差 段ポ ゴン キ ナ

走査光

ゴー ト光

光源への もどり光

λ/4板 ＰＢＳ

ポ ゴン ミ ー λ/4板

VCSEL

副走査方向

主走査方向

大 い ン 本 書 込 学 系 走 査 ン _L2

寄 大 い 走 査 ン _L2 伸 縮

走査線間隔 変動 小 く抑え 副

走査方向 両端 ンネ 束 走査 ン

L2 ^{軸近傍 交差 良い}

本書込 学系 _PBS 配備

段 路長 異 副走査方向

両端 ンネ 束 交差 置 段

異 具体的 路長 長い 段 交差

置 段 ン側 近 く

本書込 学系 副走査断面 段

副走査方向両端 束 路 い _{Fig. 7} 示 実線 主走査方向 中央像高 向 う 束 破線 主走査方向 周辺 像高 向 う 束 あ 段

中央像高 周辺像高 段 中央像高 周辺像高

副走査方向 両端 束 交差 置 異

走 査 ン _L2近 傍 来 う 設 計 い ⁷⁾

Fig. 7 Ray diagram.

前記 段 交差 置 ン ー前 配

置 ン ン 焦点距 及び

走査 ン 副走査方向 屈折力 最適化

前記 段 交差 置 最適化 い 結果

温度変化 _Δ25℃ 走査線間隔変動 _{2 m}以

所望 値 抑え い

2-3 ^{書込エレキ制御}

一般的 ー ン 機 ₂色対応 _Yellow,

Magenta ^{ー 駆 動 ン ー}

Fig. 8 ^{示 横軸 時間 縦軸 出力 示}

感 体露 立 同期検出 い

感 体 露 い ン 補 正_APC

(Auto Power Control) ^い Yellow Magenta^{対応 ー 異 駆動回路 用い}

駆動制御 い _{Fig. λ} 本方式 対 応 ₂色 対 応 Yellow, Magenta ^{用 ー 駆 動}

ン ー あ 相差₂段 ン

キ 回転 同期 同一 駆動回路

駆動制御 う 制御 行う

2 ^{感 体 露 ン}

い 源 数 く ー 駆動回

路 数 半減 点 化 ン

化 寄

Fig. 8 Timing chart of laser driving of general LSU.

Fig. λ Timing chart of laser driving of beam splitting technology.

更 異 感 体間 色 減

一致 以 書込エ キ制御 工夫

施 い

色 様々 要因 発生 主走査方向

副走査方向 書込 学系 起因 発生

多い 々 主走査方向 ー 駆

動 ン 任意 主走査方向

置 精度良く補正 技術 開発 い ⁸⁾

一般的 ー ン 機 異 駆動回路 用

い 独立 主走査方向 置 補正

い 本方式 Y (Yellow) ^{感 体 露} 領域 M (Magenta) ^{感 体 露 領域 対}

光源

光源

アパーチャ アパーチャ

シンド カ ンズ

走査 ンズL 走査 ンズL 感光体面

段 段

Y光源出力

光源出力

Y同期検出

同期検出 Y同期検出

Y感光体に露光

同期検出 P 点灯

uto Power ontrol

P 点灯 P 点灯

P 点灯

感光体に露光

Y 光源出 力

Y同 期検 出

感光 体に露光 同期 検出

Y感 光体 に露光

Y同 期検 出

P 点灯 P 点灯

同一 駆動回路 互い 異

置補正 行い 主走査方向 色 減

い 副走査方向 い 画像 最

初 ₁行 走査 ン 互い

色 減 い

異 感 体 差 書込 学系

起因 発生 多い 異 感 体 走査領

域 異 色間 差 減

い

2-4 ^相差2^{段ポリゴンスキャナ} 2-4-1 ^相差2^{段ポリゴンスキャナ 課題}

束 割 書 込 学 系 キ ー ー 相 差 2^{段 ン キ 写 真}(A) ^{断 面 構 造}(B) Fig. 10 ^示

Fig. 10 Two-stage phase-difference four facets polygon scanner.

Fig. 11 ^{従来 書込 学系 用い} 6^面2^段

ン キ あ ₂段 ン ー

回転方向 相差角度 く 独立

源 ₁回転あ ₆面 走査 行う

Fig. 11 Two-stage six faces polygon scanner.

従来 ₆面₂段 ン ー 相

差角度 設 ₁面 走査画角 小 く 結

像面 あ 感 体 距 大 く 路設計

書込 大型化 う 書込

小型化 可能 走査画角 確保 開発時 面数 ₄面 採用

相 差₂段 ン キ 主 要 開 発 様 Table 1 ^示

4^{面 ン キ} 6^{面 ン キ}

同等 生産性 確保 適用回転数範 ₆面

1.5^{倍 以 拡 大 必 要 あ 回}

転軸 反射面間距 ₆面 _{18 mm} 対 _{8 mm}

半減以 回転時 ー風損 減 伴

う省電力化 狙

ー小型化 開発目標設定 ー

面度 同面間 や動作時面倒 回転中心

対 反射面 傾 角 様達 ー

相差角度形状 主要 開発課題

Table 1 Specifications.

項目 様

面数 ₄面

回転軸 反射面間距

同 面間

8 mm

1^回転 0.04^以 隣接面間 _0.025以

ー _{8 mm}

ー 相差角度 ₄₅まみ₆

ー 面度

同面間

0.25 ^以 0.125 ^以

動作時面倒 回転中心

対 反射面 傾 角

1^回転 λ0 ^以 隣接面間 ₆₀ 以

2-4-2 ^相差2^{段ポリゴンスキャナ 構成} 相差₂段 ン キ 要求 様 対 ー 体 型 Fig. 12 (A) ^{ー 体 型} Fig. 12(B) ^{完全 一体型} Fig. 10 (B) 3^{方 式 加 工} 法開発 進

ー 体型 個 ー加工 行い ₂個

ー ー 部 積層 ー 体型

相差 ー 一体部品 鏡面 削加工時

キン 部 変更 ン 加工

一方 完全一体型 い ン ー

回転中心部材 軸 一体 加工 必要

Fig. 11 ^{示 相 差 い ン} キ 異 _{Fig. 13} 示 う

ー 角部 渉 ほ ー 部 削

渉 い 解消 課題 あ 従来

鏡面 削加工 機能 約 加工法 開発

4^{面 相差}2^{段 ン ー 一体加工}

Table 2 ^{各方式 比較結果 均値} + 3σ

示 ー 体型 ー 体型 従来 類似

鏡面 削加工法 採用 隣接面間

動作時面倒 回転中心 対 反射面 傾 角 大 く 十 工程能力 確保

い 詳細評価 い い 部品構 加工

方法 定性的 ー 相差角度や回転軸

反射面間距 面間 工程能力 確保

困 断 一方 完全一体型 相差₂段

ン キ 記加工法 各 様 達

最終的 産対応 工程能力 確保

Fig. 12 Cross-sectional diagram of rotor configuration.

Fig. 13 Interference parts of two-stage phase-difference polygon mirror during processing.

Table 2 Comparison of rotor configurations.

項目 ー 体型 ー 体型 完全一体型

ー 面度

面間 0.125 ^以

○ 0.087 0.065 (n = 15)

× 0.117 0.162 (n = 16)

○ 0.087 0.065 (n = 30) 動作時面倒

隣接面間 60 ^以

× 74^秒 λ7^秒 (n = 7)

× 38^秒 87^秒 (n = 10)

○ 50^秒 46^秒 (n = 567)

ー 相差

角度₄₅まみ₆

× △ ○

回転軸 反射面間

距

総合_{0.04 mm}以 隣接_{0.025 mm}以

× × ○

2-5 ^{光束分割書込技術 まとめ}

束 割書込 技術 ン プ ₁

源 ー 出射 束 割 割

複数 束 異 感 体 交互 走査

い う あ 感 体 交 互 走 査 キー ー 相差₂段 ン キ

ー ー 一 体 加 工 独 自 ン

ー 開発 様 達 更 相

差₂段 ン キ 感 体 交互 走査

ン 合わ ₂色 画像形 用 ー

駆動 ₂ 感 体 露

ン

ータ部 ミ ー バイト干渉部

書込 学系 最適化設計 書込エ キ制御

工夫 異 感 体 走査線間隔

ー 置等 特性 略一致

本方式 一方 感 体 走査 い 際

方 感 体 要 い い 必要

対 _{PBS /4}板 組 合 わ 書 込

学系 源 戻 起因 要 除

去 達

3. ^結論

1 ^{源 ー 複数 走査領域 感 体}

書 込 行う世界初 技術 あ 束 割書

込 開発 大幅 ウン ン

化及び業界最高密度_{4800 dpi}画質 両立

本技術 ー複合機 搭載 い

本技術 プ ンプ ン ン

適用 勿論 ー 加工機等 プ ン ン 以外 適用可能 幅広い展開性 有 技術 あ

謝辞 _____________________________________ 本技術 ₁₀ ほ 前 開発 開始 多く 技術

者 努力 経 製品化 間 本技術

製品搭載 関わ 方々 心 感謝

い

参考文献 _________________________________ 1) ^{軸 谷 直 人 ほ} μ ^{プ ン 用}780nm^帯40ch ^書

込 _VCSEL 開発, Ricoh Technical Report, No. 37, pp. 74-80 (2011).

2) ^{酒井浩 ほ} μ VCSEL ^{用い 書 込} 学系, Ricoh Technical Report, No. 37, pp. 81-86 (2011).

3) ^{近 久朗ほ} μ ^{ープ ンプ ン} RICOH Pro C751EX/651EX, Ricoh Technical Report, No. 37, pp. 144-14λ (2011).

4) ^{片 岡 慶 ほ} μ ^{ー 用 い 高 速}, 高 解 像 度 ー 走 査 学 系_, 電 子 写 真 学 会 誌_, Vol. 37, No. 1, p. λ1-λ8 (1λλ8).

5) ^{林 善 紀 ほ} μ 走 査 装 置 及 び 画 像 形 装 置_, 第4445234 (2010).

6) ^{林 善 紀 ほ} μ 走 査 装 置 及 び 画 像 形 装 置_, 第4500738 (2010).

7) ^{市 井 大 輔}μ 走 査 装 置 及 び 画 像 形 装 置_, 第5λ00733 (2016).

8) ^{石田 章ほ} μ ^{ー 走査 学系 主走} 査 方 向 電 気 的 画 素 置 補 正 技 術_{, Ricoh} Technical Report, No. 30, pp. 78-83 (2004).