CN1770604A - 多角镜马达的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多角镜马达的测量装置，包含：第一光源；第一光检测元件，由所述多角镜反射从所述第一光源射出的第一测量光，并经由第一缝隙检测反射的第一反射光；第二光源；第二光检测元件，由所述多角镜反射从所述第二光源射出的第二测量光，并检测反射的第二反射光；和演算器，基于所述第一光检测元件的输出信号和第二光检测元件的输出信号之间的时间差进行演算。这里，所述演算器输出多角镜的偏心和表面出入的至少一方。

Description

多角镜马达的测量装置

技术领域

本发明涉及以非接触来测量在激光打印机或者彩色复写机等内所使用的多角镜马达(polygon mirror motor)的偏心以及表面出入(面出入り)的装置。

背景技术

一般在马达内会发生由轴的偏斜而引起的偏心。在各种盘驱动用的主轴马达等中，必须全力防止该偏心的发生。通常，由于作为被检测部分的转轴大致呈圆筒状，所以该偏心的测量是在被检测部分中使用接触型的度盘式指示器或者电测微器、非接触型的静电电容移位计或者激光移位计等来进行。

对于该偏心的具体测量方法，例如在日本专利申请特开平5-227710号公报中有所揭示。揭示有下述方法，即，除了设置检测移位计输出峰值的第一峰值检测器之外，还设置有第二峰值检测器，通过测定两峰值检测器的峰值差来测量偏心。

另一方面，在多角镜马达的情况下，被检测部呈非圆筒状，此外，由于不允许接触进行测量，使得测量方法变得完全不同。因此，是不能够使用接触型的传感器。此外，对于非接触型的静电电容移位计来说，因为要求接近数10μm程度来设置，所以在具有角部分的多角镜中，存在多角镜冲撞等的问题，使得难以进行测量。此外，由于通常在市售的激光移位计的响应速度为微秒量级，可测量范围最多只能达到每分钟数百转，因此，如多角镜马达那样，在每分钟数万转的状态下的偏心测量中是不可能使用的。

多角镜马达用于激光打印机或者彩色复写机等，由于与这些机器的印字质量有直接关系，所以要求极高的精度。多角镜与无电刷DC马达的输出轴直接连接，以每分钟数万转的高速进行旋转。作为在高速旋转状态下的动态偏心以及表面出入的测量方法，例如在日本专利申请特开平2-204713中有所揭示。

图6表示的是该现有技术的多角镜马达的测量装置的构成图。固定于马达转轴80上的多角镜81以高速旋转。从第一激光光源82射出的激光束L1以一定角度入射到该多角镜81。其反射的激光束L2通过圆柱形透镜87而入射到用于检测通过后的激光束位置的位置检测器83。另一方面，从第二激光光源84射出的激光束L3通过半透明反射镜85，该通过的激光束L4入射到多角镜81。该反射的激光束L5入射到半透明反射镜85，其反射光L6入射到触发发生器86。

这里，如同一附图所示，在多角镜81的反射面和入射激光束L4相互垂直时，反射激光束L5入射到半透明反射镜85，其反射光L6入射到触发发生器86。因此，在多角镜81成为如同一附图所示的状态时，从触发发生器86发生触发信号，若观测此时的位置检测器83的输出信号，则可以测量偏心或者表面出入。

该位置检测器83使用的是一维PSD(Position Sensitive Detector(位置探测器))。PSD是利用光电二极管的表面电阻的点光位置传感器，因为能得到连续模拟信号以及响应性良好，因此最适于这类测量。然而，另一方面，由于这种位置检测器是模拟输出，因此有可能因环境变化或者经时变化而使输出值发生变化，所以存在所谓的成为测量误差的主要因素的问题。此外，还存在价格昂贵而使装置成本上升的问题。

发明内容

本发明的多角镜的测量装置包括以下构成。

即，第一光源；第一光检测元件，由多角镜反射从该第一光源射出的第一测量光，并经由第一缝隙来检测反射的第一反射光；第二光源；第二光检测元件，由多角镜反射从该第二光源射出的第二测量光，并检测反射的第二反射光；和演算器，基于所述第一光检测元件的输出信号和第二光检测元件的输出信号之间的时间差来进行演算。

这里，该演算器构成为输出多角镜的偏心和表面出入的至少一方。

通过该构成，因为不需要位置检测器一类的模拟输出元件，并且全部都是通过数字处理，所以不产生因环境变化或者经时变化而引起的误差，从而能够提供一种以极其简单的构成来降低成本、并且高精度的多角镜马达的测量装置。

附图说明

图1是本发明实施方式的偏心定义的说明图。

图2是本发明实施方式的表面出入定义的说明图。

图3是本发明实施方式的测量装置的整体构成图。

图4是本发明实施方式的测量装置的原理说明图。

图5是本发明实施方式的测量装置的波形说明图。

图6是现有技术的测量装置的构成图。

具体实施方式

以下，在参照附图的同时对本发明的实施方式进行说明。

多角镜马达用于激光打印机或者彩色复写机等中，由于与这些机器的印字质量有直接关系，所以要求极高的精度。多角镜与无电刷DC马达的输出轴直接连接，以每分钟数万转的高速进行旋转。对于该多角镜的面数，是根据这些机器的光学系统的设计而使用两面、四面、六面、八面等各种方式，然而，为了更易于进行本实施方式的说明，以多角镜面数为四面的情况进行说明。

图1是本发明实施方式的偏心定义说明图。假设有不存在偏心的理想状态的多角镜1和具有偏心E的多角镜2，此时，将多角镜2的旋转中心相对于多角镜1的旋转中心O的偏移量E称为偏心。在本发明中，分别测量偏心E的x方向成分Ex和y方向成分Ey，并由下式求得偏心E，

$E=\sqrt{{\mathrm{Ex}}^2+{\mathrm{Ey}}^2}\·\·\·\·\·\·$ (式1)。

图2是多角镜的表面出入定义的说明图。与马达4的转轴5直接连接的多角镜3以高速进行旋转。在多角镜3的偏心或者各镜面的横宽尺寸存在差异时，在多角镜3旋转的状态下产生如图2所示的镜的表面出入D。因此，镜的表面出入D以旋转轴的直角方向的镜面偏差、即最大位置和最小位置之差来表示。

图3是本发明的实施例的多角镜马达的测量装置的整体构成图。多角镜4与马达(未图示)的转轴5直接连接，沿着转轴方向R的方向高速旋转。随着该高速旋转，多角镜4产生偏心以及表面出入。

第一光源11的射出光通过光学透镜13(例如物透镜)之后，由多角镜4反射，并通过缝隙14(第一缝隙)而入射到第一光检测元件12。这里，第一检测元件12在横向设置，使得能够在多角镜的马达旋转方向R进行光检测。将由多角镜4反射前的光定义为第一测量光M1，将由多角镜4反射后的光定义为第一反射光M2。

此外，为了检测多角镜4成为零度姿势的情况，而如附图所示那样配置第二光源21、第二光检测元件22、光学透镜23(例如射速分裂器)、以及缝隙24(第二缝隙)。所谓该零度姿势，被定义为多角镜4的反射面相对于第二光源21正对的姿势，即第二光源21的射出光相对于多角镜4的反射面呈直角入射的姿势。因此，在多角镜4为四面的情况下，在马达一次旋转时存在四次零度姿势。

第二光源21的射出光通过光学透镜23而被多角镜4反射，然后，再由光学透镜23反射，并通过缝隙24而入射到第二光检测元件22。将由多角镜4反射前的光设定为第二测量光M3，将由多角镜4反射后的光设定为第二反射光M4，此外，将由光学透镜23反射的光设定为零度姿势检测光M5。

因此，在多角镜4成为零度姿势时，第二测量光M3和第二反射光M4处于同一直线，零度姿势检测光M5入射到第二光检测元件22。

这里，设定第一测量光M1相对于第二测量光M3以角度θ入射。因此，在多角镜4成为零度姿势时，第一反射光M2也与由第二测量光M3和第二反射光M4构成的同一直线呈角度θ。

这些第一光检测元件12以及第二光检测元件22使用的都是光电二极管。光电二极管是根据特定波长范围的光量来使输出电流变化的元件。

第一光检测元件12的输出信号由放大电路31放大后，其信号33输入到时间差检测器35。同样，第二光检测元件22的输出信号由放大电路32放大后，其信号34输入到时间差检测器35。时间差检测器35的输出被输入到演算器36来演算偏心E以及表面出入D并进行输出。

图4是本发明测量装置的原理说明图。与上图相同，以多角镜4为四面的情况进行说明，但是，只表示出以马达(未图示)的旋转中心O旋转的多角镜4的两面之间的关系。在图3中所说明的第一反射光M2因为多角镜4的偏心或者表面出入而示出如第一反射光M41、M42、M43、M44那样的描绘不同轨迹的形式。

在多角镜4的第一面为零度姿势41时(用虚线示出)，由第一面反射的光向着光检测元件12而通过第一反射光M41(用虚线示出)的轨跡。当相同的多角镜4的第二面为零度姿势42(用虚线示出)时，由第二面反射的光向着第一光检测元件12而通过第一反射光M42(用虚线示出)的轨跡。

这里，第一反射光M4和第二反射光M42之间的移位F是与偏心或者表面出入成比例的量，反之，如果可以知道该移位F，则能够算出偏心以及表面出入。第一光检测元件12实际上不是检测这些第一反射光M41、M42的元件，此外，该移位F也只是用于说明的假设。

因此，下面对该移位F随时间变化而检测的测量方法进行说明。假设多角镜4以旋转方向R、旋转角速度ω旋转。在第一面位于零度姿势41的正前位置43(用实线表示)时，第一反射光M43(用实线表示)通过缝隙14而入射到第一光检测元件12。在时间t1后，多角镜4成为零度姿势41，成为所述第一反射光M41的轨跡。同样地，在第二面位于零度姿势42的正前位置44(用实线表示)时，第一反射光M44(用实线表示)通过缝隙14而入射到第一光检测元件12。在时间t2后，多角镜4成为零度姿势42，成为所述第一反射光M42的轨跡。

这里，如果设多角镜4的反射面和缝隙14之间的距离为L，则移位F可以用下式来表示，

F＝L(tanθ2-tanθ1)……(式2)。

这里，如果取tanθ1＜＜1以及tanθ2＜＜1来配置缝隙14，则因为可以看成tanθ1θ1以及tanθ2θ2，所以(式2)能够如下式那样进行简化。为了使上述关系成立，角度θ1以及θ2优选取小于10度。

F＝L(θ2-θ1)……(式3)

此外，如果设多角镜只旋转角度θ1所需要的时间为t1，只旋转角度θ2所需要的时间为t2，则(式3)可以如下式那样地展开，

F＝Lω(t2-t1)……(式4)。

因此，如果从镜反射面到缝隙14的距离L、旋转角速度ω为已知，则通过测量t2、t1而能够算出移位F。

这里，因为角度θ1是从镜姿势43时的第一反射光M43入射的缝隙14的边缘位置开始、直到第一反射光M41入射到光检测元件12的假定位置为止的角度，所以，如果旋转角速度ω一定，则时间t1可以通过从第一光检测元件12检测到第一反射光M43的时间开始、直到在镜姿势41时第二光检测元件22检测到零姿势检测光M5的时间为止的时间而测量的。

同样，也可以对时间t2进行测量。因为角度θ2是从镜姿势44时的第一反射光M44入射的缝隙14的边缘位置开始、直到第一反射光M42入射到第一光检测元件12的假定位置为止的角度，所以，时间t2是可以通过从第一光检测元件12检测到第一反射光M44的时间开始、直到镜姿势42时第二光检测元件22检测到零度姿势检测光M5的时间为止的时间而测量的。

其次，图5是示出第一光检测元件12和第二光检测元件22的输出波形图像。上段信号33表示的是第一光检测元件12的输出信号，而下段信号34表示的是第二光检测元件22的输出信号。

时间t1可以使用时间差检测器(例如时间间隔分析器)，在由镜面第一面的反射而产生的光入射到第一光检测元件12和第二光检测元件22时，通过测量这两个输出的上升边缘间的时间间隔来测量。对于时间t2也可以同样在镜面第二面的反射光入射时来测量，如果在镜第三面、第四面测量时间t3、时间t4，则可以得到一次旋转(四面)的时间间隔。

因此，移位F的x方向成分Fx和移位F的y方向成分Fy可以用下式来表示，

Fx＝Lω(t3-t1)……(式5)

Fy＝Lω(t4-t2)……(式6)。

由于偏心E的x成分Ex是第一面和第三面的出入差的1/2，y成分Ey是第二面和第四面的出入差的1/2，所以得到下式。夹角θ是如所述那样的第一测量光M1和第二测量光M3的交叉角度。因为该角度θ过大或过小，测量误差也变大，所以优选以45度为中心的±15度的范围。

Ex＝(Fx/2)cosθ……(式7)

Ey＝(Fy/2)cosθ……(式8)

因此，通过把(式5)、(式6)、(式7)、(式8)代入(式1)，而能够以下式求出多角镜的偏心E。

$E=\frac{1}{2}\mathrm{L\ω}\cos \mathrm{\θ}\sqrt{{(t3-t1)}^2+{(t4-t2)}^2}\·\·\·\·\·\·$ (式9)

其次，如果取时间t1、t2、t3、t4中的最大值为t_max、最小值为t_min，则移位F的最大值F_max用下式表示，

F_max＝Lω(t_max-t_min)……(式10)。

因此，表面出入D用下式表示，

D＝Lω(t_max-t_min)/cosθ……(式11)。

这样一来，对于多角镜的各反射面，测量第一光检测元件12的输出和第二光检测元件22输出之间的时间差，通过上述的(式9)和(式11)加以演算，而能够求出偏心E和表面出入D。

在本实施例中，因为不需要如位置检测器一类的模拟输出元件那样，而是属于完全数字的处理，所以不因环境变化或者经时变化而产生测量误差，从而能够实现一种以极其简单的构成来降低成本、并且高精度的多角镜马达的测量装置。

Claims (8)

1.一种多角镜马达的测量装置，其特征在于：

是将多角镜固定在输出轴上而旋转的多角镜马达的测量装置，其中，包括：

第一光源；

第一光检测元件，由所述多角镜反射从所述第一光源射出的第一测量光，并经由第一缝隙检测反射的第一反射光；

第二光源；

第二光检测元件，由所述多角镜反射从所述第二光源射出的第二测量光，并检测反射的第二反射光；和

演算器，基于所述第一光检测元件的输出信号和第二光检测元件的输出信号之间的时间差来进行演算，

这里，所述演算器输出多角镜的偏心和表面出入的至少一方。

2.根据权利要求1所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

所述第二光检测元件的输出信号在所述第二测量光和所述第二反射光成为一条直线状时而输出。

3.根据权利要求1所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

还包含第二缝隙，所述第二反射光经由所述第二缝隙而入射到所述第二光检测元件。

4.根据权利要求1所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

所述第一测量光和所述第二测量光以规定角度θ交叉。

5.根据权利要求4所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

所述规定角度θ为45度±15度。

6.根据权利要求4所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

所述多角镜的偏心和表面出入一起作为所述规定角度θ的函数而进行演算。

7.根据权利要求1所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

所述第一光检测元件检测所述第一反射光的所述多角镜的角度位置、和所述第二光检测元件检测所述第二反射光的所述多角镜的角度位置之间的偏差，在所述多角镜的各反射面的每一个上为10度以下。

8.根据权利要求1所述的多角镜马达的测量装置，其特征在于：

所述第一光检测元件和所述第二光检测元件均为光电二极管。

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