DE19712432A1

DE19712432A1 - Scanner mirror shaft has convex ends fitting concave gas bearing

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Publication number: DE19712432A1
Application number: DE19712432A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Harnisch; Volker Dr Guyenot; Gerhard Dr Kalkowski; Andreas Dipl Ing Gebhardt; Stefan Dipl Ing Risse; Christoph Dipl Ing Damm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2017-03-26
Also published as: DE19712432C2; DE29605578U1

Abstract

A shaft (5) holding a scanner polygonal mirror (11) is supported by a gas-bearing. The bearing consists of two support plates (1, 2) held apart by spacers (3, 4). The shaft ends fit into the bearings. One or both of the shaft end surfaces (6, 7) are convex-shaped and are aligned with the shaft (5) axis of rotation (8) and fit into matching concave recesses in the bearing surfaces (9, 10). The convex and concave surfaces are separated by a small gap. Either the concave shaft surfaces or the concave bearing surfaces incorporate a number of concave pimple identical depressions (22) whose depth t is equal or less than 20 m.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerbaugruppe zur gasdynamischen Lagerung einer Welle, ins besondere zur Lagerung ein er einen Polygonspiegel eines Scanners tragenden Welle, be stehend aus zwei durch mindestens ein Distanzelement beabstandet voneinander angeord neten Lagerplatten, in denen die Welle jeweils stirnseitig gelagert ist.The invention relates to a bearing assembly for gas-dynamic mounting of a shaft, ins particularly for the storage of a shaft carrying a polygon mirror of a scanner, be standing from two spaced apart by at least one spacer Neten bearing plates, in which the shaft is mounted on the front.

Bei drehbeweglich gelagerten Polygonspiegeln von Scannern, wie sie zum Beispiel in Laser druckern zum Einsatz gelangen, kommt es neben der exakten Orientierung der einzelnen Spiegelflächen auf dem Spiegelträger bezüglich der Rotationsachse insbesondere auch auf eine präzise Lagerung an, um Laufabweichungen möglichst gering zu halten.In the case of rotatably mounted polygon mirrors from scanners, such as those used in lasers printers are used, it comes in addition to the exact orientation of the individual Mirror surfaces on the mirror support with respect to the axis of rotation in particular also precise storage in order to keep running deviations as low as possible.

Die hierfür notwendigen Präzisionslager sehen üblicherweise kegelförmige Lagerflächen vor. Abgesehen davon, daß die Herstellung derartiger Kegelflächen spezieller Maschinen bedarf und daher mit einem vergleichsweise großen fertigungstechnischen Aufwand einhergeht, ist eine solche Kegellagerung überbestimmt, das heißt Fertigungstoleranzen beeinflussen direkt die Lagerung.The precision bearings required for this usually provide conical bearing surfaces. Apart from the fact that the production of such conical surfaces requires special machines and therefore goes hand in hand with a comparatively large production outlay such a taper bearing over-determined, that is, directly affect manufacturing tolerances warehousing.

Es ist auch eine Anordnung bekannt, die über zwei durch ein Distanzelement beabstandet voneinander angeordnete Basisplatten mit jeweils einer darauf befestigten Kalotte als La gerfläche verfügt und bei der der Polygonspiegel die Gestalt einer Scheibe aufweist, die an ihrem Umfang mit den eigentlichen Planspiegelflächen versehen ist und in die auf jeder Stirnseite unmittelbar eine mit einer Kalotte korrespondierende konkav ausgebildete Laufflä che eingearbeitet ist (DE 41 40 032 A1). Das heißt, hierbei bildet der Polygonspiegel selbst den Rotor im Doppelkalottenlager. Die Lagerung erfolgt aerostatisch oder aerodynamisch. Angetrieben wird der Polygonspiegel mit Hilfe von am Umfang angeordneten Flügelele menten, auf die über Düsen ein Luftstrom gelenkt wird. An arrangement is also known which is spaced apart by two by a spacer element base plates arranged from each other, each with a spherical cap attached as La surface and in which the polygonal mirror has the shape of a disc, which its circumference is provided with the actual plane mirror surfaces and in the on each Directly on the end face a concave tread corresponding to a spherical cap che is incorporated (DE 41 40 032 A1). This means that the polygon mirror itself forms the rotor in the double cap bearing. The storage takes place aerostatically or aerodynamically. The polygon mirror is driven with the help of wing elements arranged on the circumference elements to which an air flow is directed via nozzles.

Die Fertigung des Polygonspiegels mit stirnseitig direkt eingearbeiteten Laufflächen ist inso fern problematisch, daß hierbei die sich am Umfang der Scheibe befindenden Polygonspie gelflächen bezüglich der Achse, die durch die Krümmungsmittelpunkte der konkaven Lauf flächen gebildet wird, exakt ausgerichtet sein müssen. Stellt schon die Fertigung eines Prä zisionspolygons mit einem geforderten Pyramidalfehler 2′′ höchste Ansprüche an die Ferti gungstechnologie und -genauigkeit, so ist die Herstellung eines solch komplexen Teils, wie es der als Rotor ausgebildete Polygonspiegel hierbei verkörpert, noch schwieriger. Hinzu kommt, daß die Darstellung von Rotor und Polygon als ein einziges Bauteil keine Möglichkeit zur Feinjustierung des Polygonspiegels in Bezug zur tatsächlichen Laufachse des Lagers zu läßt.The manufacture of the polygon mirror with treads directly incorporated on the front is therefore far problematic that this is the polygon spike located on the circumference of the disk gel surfaces with respect to the axis passing through the centers of curvature of the concave barrel surfaces are formed, must be precisely aligned. Already represents the production of a pre precision polygons with a required pyramidal error 2 ′ ′ highest demands on the ferti technology and accuracy, so is the production of such a complex part as it is the polygon mirror embodied as a rotor is even more difficult. In addition comes that the representation of the rotor and polygon as a single component is not an option for fine adjustment of the polygon mirror in relation to the actual running axis of the bearing leaves.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lagerbaugruppe der eingangs ge nannten Art anzugeben, die einerseits eine hoch präzise Lagerung der Welle auch bei ver gleichsweise großen Drehzahlen gewährleistet und die andererseits mit einem möglichst geringen fertigungstechnischen Aufwand herstellbar ist.The invention is therefore based on the object, a bearing assembly of the ge Specify named type, which on the one hand a highly precise bearing of the shaft even with ver equally high speeds guaranteed and the other with one if possible low manufacturing costs can be produced.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorzugsweise Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand-der Unteransprüche 2 bis 18.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are the subject-matter of subclaims 2 until 18

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The invention is intended to be explained below using an exemplary embodiment and an associated one Drawing will be explained in more detail. The drawing shows:

Fig. 1 in einer teilweise geschnittenen Darstellung eine erfindungsgemäße Lager baugruppe zur gasdynamischen Lagerung einer einen Polygonspiegel eines Scanners tragenden Welle und die Fig. 1 in a partially sectioned view of a bearing assembly according to the invention for gas-dynamic storage of a shaft carrying a polygon mirror of a scanner and the

Fig. 2 bis 7 jeweils in einer Seitenansicht und in Draufsicht sowie mit einer vergrößerten Einzelheit im Profilschnitt dargestellt sechs verschiedene Ausführungsformen einer in die Stirnfläche der Welle eingearbeiteten Mikrostruktur im Detail. Fig. 2 to 7 respectively shown in a side view and in plan view and with an enlarged detail in sectional profile, six different embodiments of a incorporated into the end face of the shaft microstructure in detail.

Die Lagerbaugruppe gemäß Fig. 1 verfügt über zwei Lagerplatten 1 und 2, die mit Hilfe ei nes hohlzylindrischen Distanzelementes 3 und eines ringförmigen Distanzelementes 4 in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind und in denen eine Welle 5 je weils stirnseitig gelagert ist. Die bezüglich des hohlzylindrischen und ringförmigen Distanz elementes 3 beziehungsweise 4 koaxial angeordnete Welle 5 ist hierzu an ihren Stirnflächen 6 und 7 sphärisch, im gewählten Beispiel konvex, ausgebildet, wobei die Krümmungsmittel punkte auf der Rotationsachse 8 der Welle 5 liegen. In die Lagerplatten 1 und 2 sind konka ve Lagerflächen 9 beziehungsweise 10 eingearbeitet, die die Welle 5 im Bereich ihrer kon vexen Stirnflächen 6 beziehungsweise 7 aufnehmen können, wobei zwischen Stirnfläche 6 und Lagerfläche 9 sowie zwischen Stirnfläche 7 und Lagerfläche 10 ein Lagerspalt von 2 µm verbleibt. Die Welle 5 trägt einen Polygonspiegel 11, der sich aus einer Vielzahl, beispielswei se 32 ebenen Spiegelflächen 12 zusammensetzt. Angetrieben wird der Polygonspiegel 11 von einem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 13, der innerhalb des hohlzylindrischen Distanzelementes 3 plaziert und somit in die Lagerbaugruppe integriert ist. Die Welle 5 bildet dabei den Rotor dieses elektromotorischen Antriebes. Die Distanzelemente 3 und 4 sowie die Lagerplatte 1 sind von einem hohlzylindrischen Gehäuseteil 14 umgeben, in das ein Fenster 15 eingesetzt ist, durch welches die Ein- und Auskopplung des mittels Polygonspiegels 11 abzulenkenden Lichtstrahles realisiert ist. Das ringförmige Distanzelement 4 gestattet bei der Montage der Baugruppe das Festlegen eines optimalen Abstandes von der Lagerfläche 9 der Lagerplatte 1 zur Lagerfläche 10 der Lagerplatte 2 bei eingesetzter Welle 5 und damit das Einstellen eines definierten Lagerspaltes. Das Gehäuse der Lagerbau gruppe wird von einem ringförmigen Bauelement 16 und einer Grundplatte 17 komplettiert. Das ringförmige Bauelement 16 umfaßt dabei das hohlzylindrische Gehäuseteil 14 im Bereich seines die Lagerplatte 1 aufnehmenden Endes. Mit Hilfe von Befestigungselementen, zum Beispiel Schraubverbindungen, ist das ringförmige Bauelement 16 samt Gehäuseteil 14 auf der Grundplatte 17 fixierbar. Ein in die Grundplatte 17 eingearbeiteter Absatz sorgt dabei für eine Zentrierung der auf der Grundplatte 17 aufsitzenden Lagerplatte 1. Die Lagerplatten 1 und 2, die Distanzelemente 3 und 4 sowie die Welle 5 mit Polygonspiegel 11 sind vor zugsweise aus Glas oder einem glaskeramischen Werkstoff, beispielsweise Zerodur, ausgeführt, was mit dem Vorteil einhergeht, daß durch Wärme bedingte Ausdehnungen äußerst gering gehalten werden können. Weitere Vorteile bei Verwendung dieses Werkstoffes sind einerseits die Möglichkeit der Anwendung der in der Optik üblichen Fertigungsmethoden, zum Beispiel zum präzisen Fertigen der Stirn- und Lagerflächen 6, 7 beziehungsweise 9, 10, und andererseits die Möglichkeit der Anwendung der in der Optik üblichen Methoden der Montage wie Richtkitten und die Verwendung von lichthärtenden Klebstoffen. Des weiteren bietet die Verwendung von Glas und/oder glasartigen Werkstoffen den Vorteil des Einsatzes optischer Meßtechnik unter Ausnutzung der Transparenz und Reflexivität der Bauteile zur Ausrichtung beziehungsweise Justierung der Bauelemente, so bei der Anordnung des Polygonspiegels 11 auf der Welle 5, und letztlich auch bei der Kontrolle der Laufgenauigkeit der Welle 5 innerhalb der montierten Lagerbaugruppe. The bearing assembly of FIG. 1 has two support plates 1 and 2, the egg nes using hollow cylindrical spacing element 3 and an annular spacer element 4 at a predetermined distance from each other, and in which a shaft 5 is each stored weils end face. The with respect to the hollow cylindrical and annular distance element 3 or 4 coaxially arranged shaft 5 is for this purpose spherical on its end faces 6 and 7 , in the selected example convex, the points of curvature lying on the axis of rotation 8 of the shaft 5 . In the bearing plates 1 and 2 konka ve bearing surfaces 9 and 10 are incorporated, which can accommodate the shaft 5 in the area of their con vex end faces 6 and 7 , with a bearing gap of 2 microns between end face 6 and bearing surface 9 and between end face 7 and bearing surface 10 remains. The shaft 5 carries a polygon mirror 11 , which is composed of a plurality, for example 32 flat mirror surfaces 12 se. The polygon mirror 11 is driven by a brushless, electronically commutated direct current motor 13 , which is placed within the hollow cylindrical spacer element 3 and is thus integrated into the bearing assembly. The shaft 5 forms the rotor of this electromotive drive. The spacer elements 3 and 4 and the bearing plate 1 are surrounded by a hollow cylindrical housing part 14 , into which a window 15 is inserted, through which the coupling in and out of the light beam to be deflected by means of a polygon mirror 11 is realized. The ring-shaped spacer element 4 allows an optimal distance from the bearing surface 9 of the bearing plate 1 to the bearing surface 10 of the bearing plate 2 when the shaft 5 is inserted and thus the setting of a defined bearing gap during assembly of the assembly. The housing of the bearing construction group is completed by an annular component 16 and a base plate 17 . The annular component 16 comprises the hollow cylindrical housing part 14 in the region of its end receiving the bearing plate 1 . With the aid of fastening elements, for example screw connections, the annular component 16 together with the housing part 14 can be fixed on the base plate 17 . A shoulder worked into the base plate 17 ensures that the bearing plate 1 seated on the base plate 17 is centered. The bearing plates 1 and 2 , the spacers 3 and 4 and the shaft 5 with polygon mirror 11 are preferably made of glass or a glass-ceramic material, such as Zerodur, which has the advantage that thermal expansion can be kept extremely low. Further advantages when using this material are, on the one hand, the possibility of using the manufacturing methods customary in optics, for example for the precise manufacture of the end faces and bearing surfaces 6 , 7 or 9 , 10 , and, on the other hand, the possibility of using the methods of optics common Assembly like leveling putty and the use of light-curing adhesives. Furthermore, the use of glass and / or glass-like materials offers the advantage of using optical measurement technology, taking advantage of the transparency and reflectivity of the components for aligning or adjusting the components, for example in the arrangement of the polygon mirror 11 on the shaft 5 , and ultimately also in the Check the running accuracy of shaft 5 within the assembled bearing assembly.

Zum Aufbau eines tragfähigen Gaspolsters im Lagerspalt und damit zur Vermeidung von Reibung und Verschleiß während des Betriebes der Lagerbaugruppe sind die Stirnflächen 6 und 7 der Welle 5 mit einer Mikrostruktur in Form von mehreren in die jeweilige Fläche ein gearbeiteten formgleichen Vertiefungen versehen. Die Vertiefungen, die im übrigen anstatt in die Stirnflächen 6 und 7 der Welle 5 auch in die Lagerflächen 9 und 10 der Lagerplatten 1 und 2 eingebracht sein können, sind so ausgebildet und so angeordnet, daß sich das Lager bei Drehung der Welle 5 selbst aufpumpt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Vertiefungen definierte Abstufungen der jeweiligen Fläche bilden und somit bei Rotation der Welle 5 der sich in den Tälern der Struktur befindliche Gasanteil über die nichtstrukturierte Oberfläche gepreßt wird. Die dadurch auftretenden partiellen Druckunterschiede führen zur Selbst schmierung des Lagers. Die Vertiefungen weisen eine Tiefe t von 1,5 mal der Breite des La gerspaltes, maximal jedoch 20 µm auf und können als Kanäle 18 ausgebildet sein, die bezüglich der Rotationsachse 8 symmetrisch angeordnet sind und die in einem vorgegebe nen Abstand vom Krümmungsmittelpunkt beginnend sich bis zum Rand der Stirnfläche 6 beziehungsweise 7 erstrecken (Fig. 2). Die Breite der Kanäle ist 1 mm. Die Vertiefungen können aber auch eine andere Gestalt haben. Fig. 3 zeigt eine konvexe Stirnfläche 19, in die Vertiefungen eingearbeitet sind, die symmetrisch zur Rotationsachse 8 angeordnet sind und die die Form von sich in der Drehrichtung in ihrer Tiefe verjüngenden Taschen 20 aufweisen. Die Taschen 20 können aber auch eine konstante Tiefe haben. In Fig. 4 ist eine konvexe Stirnfläche 21 dargestellt, bei der die Mikrostruktur aus einer Vielzahl von in die Oberfläche eingearbeiteten Grübchen 22 besteht, die kalottenförmig ausgebildet sind und zum Beispiel eine Tiefe von 5 µm und einen Durchmesser von 1,5 mm aufweisen. Eine wei tere Möglichkeit zeigt Fig. 5. Hier sind in eine konvexe Stirnfläche 23 Kanäle 24 eingearbei tet, die in eine senkrecht zur Rotationsachse 8 stehende Ebene projiziert nicht wie beim Bei spiel gemäß Fig. 2 radial sondern in einem Winkel ungleich 90° zum Rand hinlaufen. In Fig. 6 ist eine konvexe Stirnfläche 25 dargestellt, in die Vertiefungen eingearbeitet sind, die symmetrisch zur Rotationsachse 8 angeordnet sind und die die Form von sich in der Dreh richtung in ihrer Tiefe verjüngenden Taschen 26 aufweisen. Im Unterschied zu den Taschen 20 gemäß Fig. 3 sind die Taschen 26 an der Oberfläche jedoch nicht von einem sphärischen Dreieck sondern von einem sphärischen Viereck berandet.To build a load-bearing gas cushion in the bearing gap and thus to avoid friction and wear during the operation of the bearing assembly, the end faces 6 and 7 of the shaft 5 are provided with a microstructure in the form of a plurality of recesses of identical shape machined into the respective surface. The depressions, which can also be introduced into the bearing surfaces 9 and 10 of the bearing plates 1 and 2 instead of into the end faces 6 and 7 of the shaft 5 , are designed and arranged in such a way that the bearing inflates itself when the shaft 5 rotates . This is achieved in that the depressions form defined gradations of the respective surface and thus, when the shaft 5 rotates, the gas portion located in the valleys of the structure is pressed over the non-structured surface. The resulting partial pressure differences lead to self-lubrication of the bearing. The depressions have a depth t of 1.5 times the width of the bearing gap, but at most 20 μm, and can be designed as channels 18 which are arranged symmetrically with respect to the axis of rotation 8 and which start at a predetermined distance from the center of curvature extend to the edge of the end face 6 or 7 ( FIG. 2). The width of the channels is 1 mm. The depressions can also have a different shape. Fig. 3 shows a convex end surface 19, are incorporated into the recesses, which are arranged symmetrically to the rotation axis 8 and having the shape of tapered in the direction of rotation in depth pockets 20. The pockets 20 can also have a constant depth. FIG. 4 shows a convex end face 21 , in which the microstructure consists of a plurality of dimples 22 worked into the surface, which are dome-shaped and have, for example, a depth of 5 μm and a diameter of 1.5 mm. A white direct way, Fig. 5. Here, in a convex end surface 23 of channels 24 is processing tet, which in an axis perpendicular to the rotation axis 8 level not projected as in the case of play of FIG. 2 radial but at an angle other than 90 ° to the edge run there. In Fig. 6, a convex end face 25 is shown, in the recesses are incorporated, which are arranged symmetrically to the axis of rotation 8 and which have the shape of pockets 26 tapering in the direction of rotation in depth. In contrast to the pockets 20 according to FIG. 3, the pockets 26 are not edged on the surface by a spherical triangle but by a spherical quadrilateral.

Fig. 7 zeigt schließlich eine konvexe Stirnfläche 27 mit eingearbeiteten Vertiefungen, die als Kanäle 28 in Form von Spiralen ausgebildet sind, die hier in einem vorgegebenen Abstand vom Krümmungsmittelpunkt beginnen und sich bis zum Rand der Stirnfläche 27 erstrecken. Die spiralförmigen Kanäle können dabei vorzugsweise Kurven beschreiben, die als Loxodro men bekannt sind. FIG. 7 finally shows a convex end face 27 with incorporated depressions which are designed as channels 28 in the form of spirals, which here start at a predetermined distance from the center of curvature and extend to the edge of the end face 27 . The spiral channels can preferably describe curves known as Loxodro men.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zwischen den benachbarten spiralför migen Kanälen 28 Verbindungskanäle 29 vorgesehen sind. Diese Verbindungskanäle 29, die einen kleineren Profilquerschnitt als die spiralförmigen Kanäle 28 haben, fungieren bei der Gasführung quasi als by-pass zwischen den benachbarten spiralförmigen Kanälen 28. Im gewählten Beispiel gemäß Fig. 7 haben die Verbindungskanäle 29 in eine zur Rotationsachse 8 senkrechte Ebene projiziert, die Form von Kreisbogenstücken konzentrischer Kreise.It has proven to be particularly advantageous if 28 connecting channels 29 are provided between the adjacent spiral-shaped channels. These connection channels 29 , which have a smaller profile cross section than the spiral channels 28 , function as a bypass between the adjacent spiral channels 28 when the gas is routed. In the selected example according to FIG. 7, the connecting channels 29 have projected into a plane perpendicular to the axis of rotation 8 , the shape of circular arc pieces of concentric circles.

Sind die Vertiefungen bis zum äußeren Rand der Fläche geführt, wie dies bei den Beispielen gemäß Fig. 2, 5 und 7 der Fall ist, so kommt es zum Gastransport in Richtung Krüm mungsmittelpunkt der Stirn- beziehungsweise Lagerflächen; die Struktur wirkt dann pum pend. Sind die Vertiefungen hingegen nicht bis zum Rand geführt, entsprechend der Bei spiele gemäß Fig. 3, 4 und 6, so entsteht der Lagerdruck durch das Pressen der Gasanteile über die jeweilige Rastkante der Strukturen.If the depressions are guided to the outer edge of the surface, as is the case in the examples according to FIGS. 2, 5 and 7, gas transport occurs in the direction of the center of the curvature of the end faces or bearing surfaces; the structure then appears pum pend. If the depressions are not, however, out to the edge, corresponding to the case of games in Fig. 3, 4 and 6, the bearing pressure caused by the pressing of the gas portions through the respective locking edge of the structures.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, acht oder mehr Strukturelemente beziehungs weise Vertiefungen 18, 20, 22, 24, 26, 28 vorzusehen.It has proven to be particularly advantageous to provide eight or more structural elements or indentations 18 , 20 , 22 , 24 , 26 , 28 .

Durch die Verwendung von Glas oder glasartigen Werkstoffen kann die zum Erreichen des gasdynamischen Effektes notwendige Mikrostrukturierung der Stirn- oder Lagerflächen 6, 7, 19, 21, 23, 25, 27 beziehungsweise 9, 10 auf vergleichsweise einfache Art und Weise zum Beispiel durch Ätztechnik hergestellt werden. Das als Schmiermittel wirkende gasförmige Medium kann Luft oder auch ein Edelgas sein. Bei Verwendung von Edelgasen ist die Lagerbaugruppe als hermetisch abgeschlossenes System ausgeführt. Besonders günstig ist der Einsatz von Gasen mit kleinem Atomdurchmesser wie Helium. Hierdurch werden gerin gere Reibwerte und somit geringere Lauftemperaturen erreicht.By using glass or vitreous materials, the microstructuring of the end or bearing surfaces 6 , 7 , 19 , 21 , 23 , 25 , 27 or 9, 10 necessary to achieve the gas dynamic effect can be produced in a comparatively simple manner, for example by etching technology will. The gaseous medium acting as a lubricant can be air or an inert gas. When using noble gases, the bearing assembly is designed as a hermetically sealed system. The use of gases with a small atomic diameter such as helium is particularly favorable. As a result, lower coefficients of friction and thus lower running temperatures are achieved.

Die Welle 5, die gemäß Fig. 1 zwei konvexe Stirnflächen 6 und 7 besitzt, richtet sich bei Ro tation selbstzentrierend nach der durch die Krümmungsmittelpunkte der Lagerflächen 9 und 10 festgelegten Achse aus, was einen Vorteil der doppelsphärischen Ausführung gegenüber der Ausbildung mit nur einer sphärischen Stirn- beziehungsweise Lagerfläche darstellt. Die Krümmungsradien der Stirn- und Lagerflächen 6, 7, 19, 21, 23, 25, 27 beziehungsweise 9, 10 sind so aufeinander abgestimmt, daß ein unerwünschtes Ansprengen verhindert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Stirnflächen der Welle 5 statt konvex konkav auszubilden. In diesem Falle wären dann an den Lagerplatten entsprechend konvex aus gebildete Lagerflächen vorzusehen. Mit Hilfe des in die Lagerbaugruppe integrierten Motors 13, der die (Rotor-)Welle 5 querkraftfrei antreibt, können Drehzahlen von mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute, zum Beispiel 60 000 U/min, erreicht werden. Die Lagerbaugruppe genügt dabei höchsten Anforderungen an die Laufgenauigkeit, so daß die Baugruppe insbesondere zur Lagerung einer Welle geeignet ist, die einen Polygonspiegel eines Scanners für HDTV-Anwendungen trägt.The shaft 5 , which has two convex end faces 6 and 7 according to FIG. 1, is oriented in Ro self-centering on the axis defined by the centers of curvature of the bearing surfaces 9 and 10 , which is an advantage of the double-spherical design compared to the design with only one spherical Represents front or bearing surface. The radii of curvature of the end faces and bearing surfaces 6 , 7 , 19 , 21 , 23 , 25 , 27 and 9, 10 are coordinated with one another in such a way that undesired wringing is prevented. Of course, it is also possible to make the end faces of the shaft 5 concave instead of convex. In this case, the bearing plates would have to be provided with correspondingly convex bearing surfaces. With the aid of the motor 13 integrated in the bearing assembly, which drives the (rotor) shaft 5 without transverse force, speeds of several tens of thousands of revolutions per minute, for example 60,000 rpm, can be achieved. The bearing assembly meets the highest demands on running accuracy, so that the assembly is particularly suitable for supporting a shaft that carries a polygon mirror of a scanner for HDTV applications.

Selbstverständlich ist es denkbar, zur Unterstützung der Ausbildung der tragenden Gas schicht die Lagerplatten 1, 2 zusätzlich mit einer oder mehreren einerseits mit einer Gaszu führeinrichtung verbundenen und andererseits in den Lagerflächen 9, 10 mündenden düsen artigen Bohrungen zu versehen, über die das Gas in den Lagerspalt zuführbar ist. Es ist auch möglich, die eine oder auch mehrere dieser in den Lagerplatten 1, 2 vorgesehenen Bohrun gen in einer jeweils im Bereich des Krümmungsmittelpunktes der Lagerflächen 9, 10 in die Lagerplatten 1, 2 eingearbeiteten Vorkammer münden zu lassen, über die dann das Gas in den Lagerspalt gelangt. Diese aerostatische Unterstützung kann insbesondere beim Anlaufen und/oder beim Abbremsen der Welle genutzt werden, was durch eine entsprechende Steuerung des Gasdruckes über die Gaszuführeinrichtung erreichbar ist.Of course, it is conceivable to support the formation of the supporting gas layer, the bearing plates 1 , 2 additionally with one or more on the one hand connected to a gas supply device and on the other hand in the bearing surfaces 9 , 10 opening nozzle-like holes through which the gas in the Storage gap can be fed. It is also possible to have one or more of these in the bearing plates 1 , 2 provided holes in a respective in the area of the center of curvature of the bearing surfaces 9 , 10 in the bearing plates 1 , 2 incorporated prechamber through which the gas then reaches the bearing gap. This aerostatic support can be used in particular when starting and / or braking the shaft, which can be achieved by correspondingly controlling the gas pressure via the gas supply device.

Claims

1. Bearing assembly for gas-dynamic mounting of a shaft, in particular for positioning a shaft ( 5 ) carrying a polygon mirror ( 11 ) of a scanner, consisting of two spaced apart by at least one spacer element ( 3 , 4 ) on arranged bearing plates ( 1 , 2 ), in which the shaft ( 5 ) is mounted on the end face, at least one of the two end faces ( 6 , 7 ) of the shaft ( 5 ) being spherically formed and at least one of the two bearing plates ( 1 , 2 ) having a correspondingly spherical bearing surface ( 9 , 10 ) is provided, the center of curvature of the spherical end face ( 6 , 7 ) lies on the axis of rotation ( 8 ) of the shaft ( 5 ), between the adjacent end and bearing surfaces ( 6 and 9 or 7 and 10 ) a bearing gap is provided and the spherically designed end face ( 6 , 7 ) of the shaft ( 5 ) or the bearing face ( 9 , 10 ) has a microstructure in the form of a plurality of identical shapes worked into the respective face Chen wells with a depth t 20 microns.

2. Bearing assembly according to claim 1, characterized in that the depressions are designed as dimples ( 22 ) distributed over the surface.

3. Bearing assembly according to claim 1, characterized in that the recesses are designed as pockets ( 20 ; 26 ) distributed over the surface, arranged symmetrically with respect to the axis of rotation ( 8 ) and tapering in depth in the direction of rotation.

4. Bearing assembly according to claim 1, characterized in that the depressions are formed as channels ( 18 ; 24 ) which are distributed over the surface and are arranged symmetrically with respect to the axis of rotation ( 8 ) and extend to the edge of the end face or bearing surface ( 6 ) .

5. Bearing assembly according to claim 1, characterized in that the recesses are designed as channels ( 28 ) in the form of spirals which begin in the area of the center of curvature and extend to the edge of the end face or bearing surface ( 27 ).

6. bearing assembly according to claim 5, characterized, that the channels are designed as loxodromes.

7. Bearing assembly according to claim 5 or 6, characterized in that between the adjacent spiral channels ( 28 ) connecting channels ( 29 ) are provided.

8. Bearing assembly according to claim 7, characterized in that the connecting channels ( 29 ) have a smaller profile cross section than the spiral channels ( 28 ).

9. Bearing assembly according to claim 7 or 8, characterized in that the connecting channels ( 29 ) in a plane perpendicular to the axis of rotation ( 8 ) are circular arc pieces.

10. Bearing assembly according to one of claims 1 to 9, characterized in that the shaft ( 5 ) and the bearing plates ( 1 , 2 ) are made of a non-metallic material.

11. Bearing assembly according to claim 10, characterized in that the shaft ( 5 ) and the bearing plates ( 1 , 2 ) are made of glass or quartz or glass ceramic.

12. Bearing assembly according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that the width of the bearing gap is adjustable with the aid of at least one further spacer element ( 4 ).

13. Bearing assembly according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that the bearing plates ( 1 , 2 ) are part of a shaft ( 5 ) hermetically sealing system.

14. Bearing assembly according to claim 13, characterized, that a noble gas is provided as a lubricant for gas dynamic storage.

15. Bearing assembly according to at least one of claims 1 to 14, characterized in that to support the formation of the load-bearing gas layer, the bearing plates ( 1 , 2 ) additionally with one or more with a gas supply device and in the bearing surfaces ( 9 , 10 ) opening nozzle-like Bores are provided through which the gas can be fed into the bearing gap.

16. Bearing assembly according to one of claims 1 to 14, characterized in that to support the formation of the load-bearing gas layer, the bearing plates ( 1 , 2 ) are additionally provided with one or more bore (s) connected to a gas supply device and this bore (s) in or in the area of the center of curvature of the bearing surface ( 9 , 10 ) in the bearing plate ( 1 , 2 ) incorporated or open, via which the gas can be fed into the bearing gap.

17. Bearing assembly according to claim 1 5 or 16, characterized, that the pressure of the gas supplied to the bearing gap via the gas supply device is controllable.

18. Bearing assembly according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that the shaft ( 5 ) forms the rotor of an electromotive drive integrated in the assembly.