DE4101009A1 - Drehbarer polygonspiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen drehbaren Vieleck- oder Po­ lygonspiegel zur Verwendung in einem optischen Gerät o. dgl. mit einem Laserabtastsystem.

Ein drehbarer Polygonspiegel für den angegebenen Zweck ist ein Prismenelement, dessen Querschnitt im wesentlichen ein regelmäßiges Vieleck, z. B. ein regelmäßiges Achteck, dar­ stellt und dessen Seiten reflektierende Spiegelflächen bilden. Die Aufgabe eines solchen Polygonspiegels besteht beispielsweise darin, die Laufrichtung eines Laserstrahls zu ändern und damit die Oberfläche eines Photorezeptors bzw. Photoempfängers abzutasten.

Als Werkstoff für einen solchen (drehbaren) Polygonspiegel wird herkömmlicherweise eine Aluminiumlegierung oder ein optisches Glas verwendet. Im ersteren Fall wird nach der Formung zu einem regelmäßigen Vieleck durch spanabhebende Bearbeitung die Oberfläche des Polygonspiegels mittels eines Karbidwerkzeugs zu einer reflektierenden oder Hochglanz- Spiegelfläche feinbearbeitet; im letzteren Fall erfolgt nach der Formung eines regelmäßigen Vielecks eine Feinbe­ arbeitung zur Erzielung einer (reflektierenden) Spiegel­ fläche durch Polieren.

Das Schleifen und Polieren eines Glaswerkstoffs erfordert einen hohen Zeitaufwand für die Erzielung eines Ebenheit­ grads hoher Genauigkeit an jeder Seitenfläche bzw. Spiegel­ seite; die Fertigungskosten betragen dabei das Zehnfache oder mehr der Kosten für die spanabhebende Bearbeitung einer Aluminiumlegierung. Auch bei der Herstellung eines Polygon­ spiegels aus einem Metall durch spanabhebende Bearbeitung sind das Ausbringen (an Enderzeugnissen) erheblich niedriger und der dafür nötige Maschinenstundenaufwand beträchtlich höher als im Fall von Formteilen; dies ist auf die Schwierig­ keiten bei der (spanabhebenden) Bearbeitung aufgrund von Krümmung und bei der Bearbeitung entstehende Schneidwerk­ zeugmarken auf der Metalloberfläche oder Form- bzw. Gieß­ lunker im Werkstoff selbst zurückzuführen. Die Herstellung eines solchen Polygonspiegels gestaltet sich mithin sehr material- und arbeitsaufwendig.

Ein drehbarer (oder rotierender) Polygonspiegel aus Metall­ oder Glaswerkstoff erfordert aufgrund seines hohen Gewichts komplizierte und aufwendige Antriebs- und Steuersysteme für Hochdrehzahlbetrieb. Zudem erfordert der Polygonspiegel - wie erwähnt - einen großen Arbeits- und Zeitaufwand im Her­ stellungsprozeß für die Ausbildung höchst genauer (reflek­ tierender) Spiegelflächen; dies stellt ein noch zu lösendes Problem dar.

Im Hinblick auf die geschilderten Probleme wurde nun versucht, einen drehbaren Polygonspiegel aus einem Kunstharzmaterial anstelle eines Metall- oder Glaswerkstoffs herzustellen. In einem Spritzgießvorgang unter Verwendung von Harzwerkstoff kann jedoch der Form- oder Gießdruck des Harzwerkstoffs wegen der komplizierten Form des Polygonspiegels nicht gleich­ mäßig sein, so daß Verziehung und Schrumpfung aufgrund innerer Spannung auftreten können. Infolgedessen ist es äußerst schwierig, (auf diese Weise) eine (reflektierende) Spiegelfläche zu erzielen, die bezüglich mechanischer Festigkeit zufriedenstellend und bezüglich Ebenheit genau oder präzise ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines drehbaren Polygonspiegels aus einem Kunstharz, der einen hohen Ebenheitsgrad aufweist, der im Vergleich zu einem herkömmlichen Polygonspiegel aus Metall oder Glas gleich­ wertig oder besser ist, was durch teilweise Verbesserung bzw. Abwandlung der Form im strukturellen oder tragenden Abschnitt des Polygonspiegels erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird bei einem drehbaren Polygonspiegel, umfassend einen Körper in Form eines Polygons oder Vielecks mit einer Bohrung auf seiner Drehachse und an jeder Seiten­ fläche (side) des Körpers vorgesehenen Spiegelflächen,er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke jedes Mittel­ bereichs des Körpers entsprechend einem Abschnitt zwischen dem Mittelteil jeder Seitenfläche und der Drehachse kleiner gewählt ist als die Dicke jedes Eckabschnitts entsprechend einem Abschnitt zwischen dem Eckteil jeder Seitenfläche und der Drehachse.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(A) und 1(B) sowie 2(A) und 2(B) jeweils eine Aufsicht auf einen drehbaren Polygonspiegel gemäß der Erfindung bzw. eine Seitenansicht eines Hauptteils des Polygonspiegels und

Fig. 3(A) und 3(B) eine Aufsicht bzw. eine Schnittansicht eines für das Spritzgießen des drehbaren Polygon­ spiegels verwendeten Stegs nebst Angußkegel und Hauptkanal (gate).

Die Fig. 1(A) und 2(A) veranschaulichen jeweils einen Poly­ gonspiegel gemäß einer betreffenden Ausführungsform, in Richtung der Achse seiner (Dreh-)Welle gesehen, während die Fig. 1(B) und 2(B) einen Hauptteil des jeweiligen Polygon­ spiegels, in Richtung eines Pfeils A bzw. B (in Fig. 1(A) bzw. 2(A)) gesehen, darstellen.

Der Polygonspiegel 10 oder 20 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 stellt jeweils ein regelmäßig vieleckiges (polygonales) Prismenelement aus einem thermoplastischen oder wärmehärten­ den Harz mit acht (Spiegel-)Flächen um seine Außenumfangs­ fläche herum dar. Das Prismenelement ist durch Spritzguß als flach ausgedehnter (radiated) plattenförmiger Formteil geformt, der in seinem Zentrum eine Bohrung 11 bzw. 21 zur Aufnahme einer Welle für seinen Antrieb aufweist.

Als Harzwerkstoff für die Herstellung des Polygonspiegels 10 bzw. 20 wird beispielsweise ein Polycarbonatharz im Hinblick darauf bevorzugt, daß dieser Werkstoff ausgezeich­ nete mechanische Festigkeit, ausgezeichnete Formtrenneigen­ schaften und eine hochgradig glatte Oberfläche gewähr­ leisten muß. Nach der Herstellung des Polygonspiegels wird jede seiner genannten Flächen durch Aluminiumbedampfung mit einem Metallfilm beschichtet, so daß acht Hochglanz­ flächenabschnitte 12 bzw. 22 entstehen, die weiterhin mit einer Schutzschicht aus SiO₂ beschichtet werden.

Der (drehbare) Polygonspiegel 10 bzw. 20 wird über seine Bohrung 11 bzw. 21 an einer Antriebswelle befestigt. Bei seiner Drehung ändert er die Lauf- oder Einfallsrichtung eines auf die jeweiligen Hochglanzflächenabschnitte 12 bzw. 22 geworfenen Laserstrahls, um damit die Oberfläche eines Photorezeptors oder Photoempfängers fortlaufend ab­ zutasten.

Die Fig. 3(A) und 3(B) veranschaulichen jeweils in strich­ punktierten Linien den Fluß eines Harzmaterials beim Formen des Polygonspiegels, und zwar einerseits in Aufsicht und andererseits im Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 3(A).

Unter Druck in eine Metallform oder -kokille eingefüllter Harzwerkstoff wird über einen Angußkegel 31 und einen Haupt­ kanal 32 radial in Formraumabschnitte eingespritzt, um die genannten Spiegelflächenabschnitte zu formen.

Alle diese Spiegelflächenabschnitte müssen einen Ebenheits­ (genauigkeits)grad von 0,2 µm oder höher aufweisen. Zur Ver­ hinderung von Spannung und Verformung nach dem Formen wird daher vorzugsweise die durch das Spritzen hervorgerufene Spannungsverteilung an jedem Spiegelflächenabschnitt aus­ geglichen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist bei jedem Spiegel­ flächenabschnitt die Strecke zwischen dem Drehmittelpunkt und jedem der Mittelbereiche 12A bzw. 22A kürzer als die Strecke zwischen dem Drehmittelpunkt und jedem der Kanten­ bzw. Eckabschnitte 12B bzw. 22B. In einem Formvorgang durch Einspritzen von Harzschmelze vom Bereich des Drehmittel­ punkts her ist daher die Zeitspanne, welche das (die) Harz(schmelze) für das Fließen bis zum Mittelbereich eines Spiegelflächenabschnitts benötigt, von der Zeitspanne ver­ schieden, welche das Harz für das Fließen bis zum Eckabschnitt benötigt. Infolgedessen ist die Spannungsverteilung un­ weigerlich schlecht ausgeglichen.

Erfindungsgemäß wird daher die Dicke in jedem Mittelbereich 12A bzw. 22A der Spiegelflächenabschnitte kleiner gewählt als an deren Eckabschnitten 12B bzw. 22B. Damit wird die Einfließgeschwindigkeit des Harzes bis zu seiner Ankunft am jeweiligen Mittelbereich 12A bzw. 22A niedriger als die entsprechende Geschwindigkeit bis zur Ankunft (des Harzes) am jeweiligen Eckabschnitt 12B bzw. 22B.

Fig. 1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Dicke im Mittelbereich 12A gegenüber der Dicke am Eckabschnitt 12B dadurch verringert ist, daß in jedem Mittel­ bereich 12A jedes Spiegelflächenabschnitts 12 des Polygon­ spiegels jeweils eine radial verlaufende abgestufte Aus­ nehmung oder Vertiefung 13 vorgesehen ist.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Dicke im Mittelbereich 22A gegenüber der Dicke im Eckab­ schnitt 22B dadurch verringert, daß von jedem Spiegelflächen­ abschnitt 22 des Polygonspiegels 20 jeweils radial ver­ laufende Vertiefungen 23 mit schrägen Flächen oder Flanken ausgehen.

Bei diesen Ausführungsbeispielen kann die Zeit bis zur Ankunft der Harzschmelze am Mittelbereich eines Spiegel­ flächenabschnitts der Zeit bis zu ihrer Ankunft am Eck­ abschnitt praktisch gleich sein.

Die Breite oder Tiefe der genannten Vertiefungen 13 bzw. 23 wird auf Versuchsbasis unter Prüfung eines Fließmusters des Harzwerkstoffs auf der Grundlage einer Rechnersimulation bestimmt. Es hat sich erwiesen, daß diese Methode weit weniger zeitaufwendig ist als eine Methode, nach welcher eine Metallform oder -kokille in der Praxis nach einem Form­ vorgang korrigiert wird.

Die Abmessungen von Angußkegel 31, Hauptkanal 32 und Steg 33 werden übrigens im voraus auf der Grundlage tatsächlicher (Spritz-)Formbedingungen auf optimale Werte festgelegt.

Mit der Erfindung wird somit ein drehbarer Polygonspiegel aus einem Kunstharz geschaffen, der einen hohen Ebenheitsgrad (seiner Spiegelflächen) aufweist, welcher gleich groß oder größer ist als bei einem aus Metall- oder Glaswerkstoff hergestellten Polygonspiegel. Damit wird ein höchst zweck­ mäßiger drehbarer Polygonspiegel realisiert, der aufgrund seines niedrigen Gewichts die Belastung von Antriebs- und Steuersystem verringert und einen geringeren Fertigungs­ aufwand bei erheblich verringerten Fertigungskosten er­ fordert, weil er auf Massenfertigungsbasis herstellbar ist.

Claims (2)

1. Drehbarer Polygonspiegel, umfassend einen Körper in Form eines Polygons oder Vielecks mit einer Bohrung auf seiner Drehachse und an jeder Seitenfläche (side) des Körpers vorgesehenen Spiegelflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Mittelbe­ reichs des Körpers entsprechend einem Abschnitt zwischen dem Mittelteil jeder Seitenfläche und der Drehachse kleiner gewählt ist als die Dicke jedes Eckabschnitts entsprechend einem Abschnitt zwischen dem Eckteil jeder Seitenfläche und der Drehachse.

2. Polygonspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Spritzgießen-Formpressen aus einem (Kunst-)Harzwerkstoff hergestellt ist.