JPH0677111B2 - ポリゴンミラ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザプリンタやレーザ複写機などに用いら
れるレーザ走査光学系においてレーザ光を反射させて感
光体表面に照射するためのポリゴンミラーに関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来のポリゴンミラーは第８図に示すように、高鮮明な
画像処理に適した密閉構造の例について知られているレ
ーザプリンタでは半導体レーザやガスレーザなどからな
るレーザユニットからのレーザ光を回転するポリゴンロ
ータａのミラーｂによって反射させて、感光体表面に照
射するものであり、ポリゴンロータａは駆動モータｃに
よって固定軸ｄ上にスリーブｅを介して大気中で回転さ
れるように構成されている。

そして、前記固定軸ｄの外周面には多数の動圧発生用溝
部が形成され、回転スリーブｅの回転によってスラスト
荷重及びラジアル荷重を支えるための動圧が発生する様
になっている。即ち、この動圧発生用の溝部は、機能的
にはヘリングボーン状の下部溝部f₁及びヘリングボーン
形状の中部溝部f₂と上部溝部f₃とによって動圧を発生さ
せてラジアル荷重を支え、且つ、中部溝部f₂によって固
定軸ｄ上面に空気を送り込み、もって固定軸ｄの上端に
あるスラスト軸受ｇとの間の空気圧を高めてスラスト荷
重を支えるようになっている。

回転スリーブｅの上部にはポリゴンロータａがねじ止め
され、また下部にはロータマグネットc₁が固定され、か
つロータマグネットc₁を駆動するためのステータコイル
c₂がロータマグネットc₁の周囲を囲むように固定されて
駆動モータｃとなっていると共に、外部からポリゴンロ
ータａのミラーｂへ照射されるレーザ光、及び所望の露
光面へ反射されるレーザ光を透過させるレーザ入出窓部
ｈが外筒ｉの上部周面の一部に形成されたものから成っ
ていて、駆動モータｃで高速回転するポリゴンロータは
回転精度が高く維持される必要があるばかりでなく、反
射面の面振れを小さくしなければならないために固定軸
と回転スリーブとの間隙は極めて狭いものとしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、このようなレーザプリンタは鮮明な文字や画
像を高速度で再生するものであるから、ポリゴンミラー
は高速度で、しかも反射面の倒れが少ない状態で回転さ
れねばならないために、ポリゴンミラーは切削が容易
で、高反射率のアルミ合金の平板をダイヤモンドで切削
することで製造されているが、形状を維持するために、
その厚みは10mm以上にもなっていた。しかしポリゴンミ
ラーが高速回転している時の負荷は、大半がミラーのあ
るポリゴンロータの外周縁の空気抵抗であり、レーザ光
を反射する領域が1mm以下の狭い幅であることを考慮す
ればポリゴンロータが周囲の空気を乱すことによる動力
損失は極めて大きなものとなる。

これらのことから、固定軸と回転スリーブとの摺動部は
極めて精密に加工されて、空気による動圧が効果的に発
生するようにされると共に、かつ回転スリーブ、ポリゴ
ンロータ、ミラー部、ロータマグネット等の回転部分は
精密に加工され、同時に好適にマスバランスが調整され
ていなければならない。

しかし、ポリゴンミラーの反射面での面の倒れを±1.5
μｍ以下とするには50mm以上の長さの固定軸を精度よく
加工し、回転スリーブとの間隔を３μｍ以下にしなけれ
ばならないので、製品の量産化が困難であり、また更に
高速度の画像処理を行う場合には、ポリゴンミラーの回
転速度を30,000rpm以上とすることが望まれているも、
この様な高速回転の場合には固定軸に対するラジアル荷
重が増加し、空気膜による支持は極めて困難であり、バ
ランス調整も頗る煩雑であって空気は熱伝導が悪く放熱
が悪く発熱現象で保安上問題があった。

本発明は、この従来の欠点を適確に排除しようとするも
ので、封入された空気より軽いガス中に回転体を運転す
るのでポリゴンロータの垂直度、平行度を大幅に向上さ
せ回転運転時の風損を大幅に減少させ、高速回転が可能
なコンパクトなポリゴンミラーとし、さらに、放熱もよ
く腐食もないので保安上良好でかつ安定した高速回転も
可能で、レーザ光等を精度よく反射できるポリゴンミラ
ーを構成簡単で製作容易安価な形態で提供することを目
的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、鏡面のある回転体を支持体に備えた固定軸に
回転自在に設けてポリゴンロータとし、前記回転体にマ
グネットを設けると共に、該マグネットに対応してステ
ータコイルを配備したポリゴンミラーにおいて、前記回
転体と支持体との間に、動圧発生用のスパイラル溝を形
成したセラミックス材からなる摺動部材を介在配備する
と共に、前記ポリゴンロータを内装しうる中空室が前記
支持体と、該支持体に嵌着するカバー体とで密閉構造と
され該中空室に空気に対する密度が小さいガスを充填封
入した構成としたことを特徴とするポリゴンミラーであ
る。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１〜３図例で説明すると、平板状に
して中央に貫通孔１が形成され、外周縁を正多角形とす
る複数の鏡面２を有する回転体３を前記の貫通孔１を貫
通して支持体４に備えられ固定軸５に回転自在に設けて
ポリゴンロータとし、平板の回転体３と平行に固定さ
れ、ポリゴンロータを回転させるステータコイル６を前
記支持体４に備え、前記回転体３に設けられた永久磁石
又は二次導体のマグネット７と前記ステータコイル６と
によって回転体３を回転させるモータユニットを構成し
て、前記回転体３と支持体４との間に動圧発生用溝11即
ちスパイラル溝を形成したセラミックス材からなる摺動
部材10を介在配備すると共に、前記ポリゴンロータを内
装しうる中空室20が前記支持体４と、該支持体４に嵌着
するカバー体12とでＯリングなどのシール材23で密閉構
造とされ該中空室に空気に対する密度が小さいガスを充
填封入した構成とし、減圧下で運転できるようにしてあ
る。

この場合、前記封入ガスとしてはヘリウムガス或いは水
素など軽いガス即ち空気に対する密度が小さいガスを用
い、前記密閉中空室20を構成するケースの支持体４或い
は該支持体４に嵌着されるカバー体12のいずれか或いは
いずれにもガス供給口部22を形成し補給できるハッチ形
態とするかガス供給源21に連絡して常時給気している循
環形態としてもよい。この循環系では冷却機構を備えて
ガスを利用して放熱効果をあげるのがよい。

前記回転体３は、前記支持体４上に介在される摺動面に
動圧発生用溝11のある円板状または角板状の摺動部材10
に対面配備されているもので、この摺動部材10としては
回転体３のマグネット７に対向する面及びステータコイ
ル６に対向する面の摺動面のいずれか或いは両方の面に
動圧発生用溝11、例えばねじり方向が逆向きのスパイラ
ル溝をランド部を残して形成した硬質のセラミックス材
料例えばSiC焼結体、BeOを含むα−SiC焼結体、又はSi₃
N₄焼結体などで構成したものを用いてスラスト軸受部と
して形成するのがよく、前記回転体３も硬質のセラミッ
クス材料の平板を用いてもよいし、必要に応じて対応す
る摺動面に動圧発生用溝を形成してもよい。

前記マグネット７は回転体３の挿入孔８に埋込配備し
て、上面を平坦に面合せしてもよいし、挿入孔８に対し
マグネット７を上面より窪み状態或いは突出状態に配置
し、バックアップ板（図示せず）を当てて保持する構成
としてもよい。

前記挿入孔８は前記回転体３に複数個環状に形成配備し
てあるが、円板状のロータコアを形成するようにリング
状に連接配備し固定軸５と直交する平面上に沿って環状
に複数の磁極を着磁しているようにすることもできる
し、さらに前記鏡面２はアルミニウム箔（0.1〜0.5mm）
又は蒸着膜、その他の反射率の高いコーティング層でミ
ラー部とするのが便利である。

図中11₁はヘリングボーン状に形成した動圧発生用溝で
固定軸５の外周面又はこれに対応する面に多数設けてい
る。12₁はカバー体に形成した凹溝で支持体４に嵌着し
てシール材23で密閉構造としたもの13は投光用窓部であ
る。

なお前記動圧発生用溝11はスパイラル状の方向は両面に
設けた場合に逆方向（投影面上同じ向き）に設けてポリ
ゴンロータを回転駆動する際に誤って逆方向に回転させ
ても焼損することがないようにし、即ち正逆いずれの回
転時においても動圧効果を生じさせスラスト荷重を受け
て保安上有効にしてあるが、必要に応じ同方向（投影面
上逆向き）に設けて一方をクラッチ作用を与えるように
してもよい。この場合、中間部材を介在させて活用する
ことが考慮されるし、さらに回転体３の外周にある鏡面
２もアルミニウム箔でバランス調整をすることができ
る。

しかして鏡面２のある回転体３は支持体４とカバー体12
とで密閉構造で空気に対する密度が小さいガスを封入さ
れている中空室20内にある固定軸５及び動圧発生用溝11
を有するセラミックス材料の摺動部材10上にマスバラン
ス、流体バランス及び磁気バランスが良好に維持されて
円滑に回転され、回転時の空気抵抗も小さく運転できる
ものである。

第４図例では支持体４側にシール材23を嵌着できる切欠
段部を形成し、カバー体12とで密閉構造とし中空室20に
ヘリウムガスを封入したもので、ステータコイル６に対
応したマグネット７のある回転体のボス部に摺動部材10
が嵌合されている。

第５図の具体例では回転軸として金属製固定軸５上にヘ
リングボーン状溝を外周に有するセラミックス製のスリ
ーブ状ブッシュ９を備えたもので前記回転体３の浮上量
を拘束する手段としては回転体３の上方位置で固定軸５
に設けた上部摺動板15或いは座金16若しくはその他のス
トッパを選んで当てる構成としてあるが、摺動板15など
にコイルバネ17又はその他弾性部材を付設させたりその
他弾性構造物などを押圧部材として回転体３の上方部の
固定軸５に備えた構成としてもよい。

なお、実施例では前記上部摺動板15はセラミックス材料
から成り摺動面側に動圧発生用溝11を必要に応じ備えて
回転体３に対設してあり、該上部摺動板15と座金16との
間にコイルバネ17を介在配備して回転体３の浮上量拘束
機構としてある。

また前記支持体４はアルミニウム材から構成されるもの
でカバー体12とでヘリウムガス封入密閉構造としてあっ
て、前記摺動部材の廻り止めとして用いられるものであ
るが、前記固定軸５及び支持体４もSiCを主体とするセ
ラミックス材料の焼結体で構成することも選んでできる
し、さらに前記支持体４は磁性体で構成してマグネット
７との間で常時吸引力を働かせて回転体３が墜落させな
いようにし、かつこの吸引力で安定な回転を得るように
考慮してもよい。さらに固定軸５は留めナット14で支持
体４に固着され軸端面間の平行度及びヘリングボーン状
溝面との垂直度を精密加工してあるが、必要に応じ同様
に精密加工したスリーブ状のブッシュ９を嵌着配備して
もよく、これらの場合固定軸５又はブッシュ９を段付軸
として各部材に対応させてもよい。また前記回転体３に
設けたマグネット７に対して平板状のステータコイル６
を支持体４に設けてモータとしてポリゴンロータの回転
体３を回転させるようにしてあるが、ステータコイル６
に面する摺動部材10の端面は固定軸５を直角即ち貫通孔
１の内周面と直角で、その外周縁に形成された鏡面２に
対して直角となるように加工されている。

この場合前記支持体４と回転体３との間に介在された摺
動部材10の対応面に動圧発生用溝11があってスラスト軸
受部とするものであり、また、ラジアル軸受部は固定軸
５の外周面、又は貫通孔１の円周面のいずれか一方の面
に設けられる動圧発生用のヘリングボーン状の動圧発生
用溝11₁で形成するものであり、この実施例において
は、スラスト荷重を支えるための動圧発生用溝11、ラジ
アル荷重を支えるための動圧発生用溝11₁は各々３〜10
μｍ程度の溝深さである。またこの動圧発生用溝11は回
転体３の両面に溝加工を施してバランスをよくし、形成
をなくすようにするのもよいし、摺動部材10又は摺動板
15としては、その片面のみにスパイラル溝加工する場合
に比べて両面に形成する場合には径に対して厚みの薄い
セラミックス板では溝加工後に変形することもあるので
変形しない厚みに選定することが考慮される。

前記摺動板15及び／又は摺動部材10は全面のうねりが0.
3μｍ以下で最大面粗度が0.1μｍの平滑な平面であるラ
ンド面とした上で、ショットブラストによって３〜10μ
ｍの深さのスパイラル状溝加工をしたものである。

なお、動圧効果を利用したラジアル軸受を製作する場合
も同様に、上述のショットブラストによる溝加工をする
ことができる。いずれにしても硬質のセラミックス材料
で高い精度で前記動圧発生用溝11を加工することがで
き、かつ、その動圧発生に適した摺動部の形状が動圧が
発生した状態においても維持され、しかも、起動、停止
の際に生じる固体摺擦に対しても、ある程度の負荷であ
れば耐久性を持って有効に用いられる。

第６図及び第７図例では、それぞれステータコイル６を
放熱のために大気開放型とし、カバー体12或いは支持体
４外部に設けた例で密閉構造としてカバー体12にヘリウ
ムガス給気源21のポンプに連絡できるガス供給口部22の
接続部を備えてある。この場合、接続部には必要に応じ
チェッキバルブを付設してガス封入タイプとしてもよ
い。

〔発明の効果〕

本発明は、回転体に設けたマグネットと、このマグネッ
トに対向され前記回転体を回転させるステータコイルと
を備えたポリゴンミラーにおいて、前記回転体と支持体
との間に、動圧発生用のスパイラル溝を形成したセラミ
ックス材料からなる摺動部材を介在配備すると共に、前
記ポリゴンロータを内装しうる中空室が前記支持体と、
該支持体に嵌着するカバー体とで密閉構造とされ該中空
室に空気に対する密度が小さいガスを充填封入した構成
としたことによりセラミックス摺動部材上の回転体が空
気より軽いガス中で運転されるのでポリゴンロータの垂
直度、平行度を大幅に向上できロータの芯振れも可及的
に小さくできるほか、運転時の風損を大幅に減少し安定
した回転運転が可能となり、かつ発熱現象もなく安定し
た回転子の超高速運転でき耐久性をも大幅に高められる
し、さらに、その封入ガスとしてヘリウムを用いれば、
熱伝導率も空気に比べて大きく放熱性機能も優れ、しか
も腐食も少なくミラーの偏角度も少なく風損も著しく少
なくなり、さらにポリゴンロータを回転させるための永
久磁石又は二次導体からなるロータコアと、外周面がミ
ラー部とされたポリゴンロータの厚みが薄くてもその変
形量を小さくすることができ、従来のポリゴンミラーに
比べ、ポリゴンミラーを装着した回転軸方向の寸法が短
くなり、著しく薄く小型軽量化することが可能であっ
て、その空気抵抗をも著しく減少せしめることができる
し、さらに小さな動力で従来と同等の回転速度が得られ
ることになり、また従来と同程度の電力を投入すれば、
より高回転速度を得ることができるポリゴンミラーとな
るし、ポリゴンロータに動圧効果を生じさせスラスト荷
重を良好に受けることから保守・保安がらくで起動・停
止の際の固体接触があっても摩耗することがなく、ま
た、動圧発生時の動圧発生効果は良好に維持されて高負
荷のスラスト荷重を支えることができるので、光線を安
定して走査するポリゴンミラーとしての機能が常時良好
で、かつセラミックス摺動部材の介在で、レーザ光等を
精度よく反射できるポリゴンミラーを構成簡単で製作容
易安価な形態で得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の縦断面図、第２図第１図Ｉ−
Ｉ線における平面図、第３図は第１図II−II線における
平面図、第４図は他の実施例の切断側面図、第５図乃至
第７図はそれぞれさらに他の実施例の一部切断側面図、
第８図は従来例の縦断面図である。 １…貫通孔、２…鏡面、３…回転体、3₁…筒状部、４…
支持体、５…固定軸、６…ステータコイル、７…マグネ
ット、８…挿入孔、10…摺動部材、11,11₁…動圧発生用
溝、12…カバー体、13…投光用窓部、15…摺動板、16…
座金、17…バネ、20…中空室、21…ガス給気源、22…ガ
ス供給口部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鏡面のある回転体を支持体に備えた固定軸
   に回転自在に設けてポリゴンロータとし、前記回転体に
   マグネットを設けると共に、該マグネットに対応してス
   テータコイルを配備したポリゴンミラーにおいて、前記
   回転体と支持体との間に、動圧発生用のスパイラル溝を
   形成したセラミックス材料からなる摺動部材を介在配備
   すると共に、前記ポリゴンロータを内装しうる中空室が
   前記支持体と、該支持体に嵌着するカバー体とで密閉構
   造とされ該中空室に空気に対する密度が小さいガスを充
   填封入した構成としたことを特徴とするポリゴンミラ
   ー。
2. 【請求項２】前記封入ガスが、ヘリウムガスである特許
   請求の範囲第１項記載のポリゴンミラー。
3. 【請求項３】前記ケースが、支持体と、該支持体に嵌着
   されるカバー体とから成り、いずれかにヘリウムガス供
   給口部を備えているものである特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載のポリゴンミラー。
4. 【請求項４】前記中空室が、ヘリウムガスを充満してい
   るものであって、冷却機構を備えた循環経路に連結され
   ているものである特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   のポリゴンミラー。