DE69524805T2

DE69524805T2 - Magnetisches Axiallager für Polygonspiegel-Scanner

Info

Publication number: DE69524805T2
Application number: DE69524805T
Authority: DE
Inventors: Mikio Nakasugi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2015-05-25
Also published as: KR100221170B1; CN1114425A; CN1038068C; US6031651A; DE69524805D1; EP0684497A1; KR950033553A; EP0684497B1; JPH07318842A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung mit einem Dreh- Polygonspiegel zum Abtasten eines photoempfindlichen Elements mit einem Lichtstrahlbündel, zum Beispiel einem Laserstrahl.

Einschlägiger Stand der Technik

In den vergangenen Jahren muß bei einer optischen Abtastvorrichtung dieser Art der Polygonspiegel mit hoher Drehzahl und hoher Genauigkeit drehen, und insbesondere verwenden Laserstrahldrucker eine Drehlageranordnung, die berührungslos dreht, um eine hochpräzise Abtast-Ablenkvorrichtung zu schaffen.
In der Drehlageranordnung zum Drehen des Dreh-Polygonspiegels bei einer herkömmlichen optischen Abtastvorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, steht eine ortsfeste Welle aus einem keramischen Werkstoff von einem an einem Gestell oder dergleichen gelagerten Gehäuse 1 ab, eine aus keramischem Werkstoff hergestellte Drehhülse 4 mit einem daran befestigten Antriebsmagneten 3 ist drehbar über die ortsfeste Welle 2 gesetzt, und durch eine Feder 5 ist an der Drehwelle 4 ein Dreh-Polygonspiegel 6 angebracht. An dem Gehäuse 1 befindet sich eine Basis 8, an der ein Stator 7 an einer Stelle gegenüber dem Antriebsmagneten 3 angebracht ist, um auf diese Weise einen Antriebsmotor zum drehenden Antreiben der Drehhülse 4 zu bilden.
Weiterhin ist an dem unteren Ende der Drehhülse 4 ein Permanentmagnet 9 angebracht und ein zweiter Permanentmagnet 10 ist an einem unteren Abschnitt der ortsfesten Hülle 2 befestigt, derart, daß er dem Permanentmagneten 9 in vertikaler Richtung gegenüberliegt und gegenüber diesem abgestoßen wird, um auf diese Weise eine Belastung in axialer Richtung durch Abstoßung zwischen den Permanentmagneten 9 und 10 aufzunehmen.
Beim Betrieb des Antriebsmotors bildet sich zwischen der Drehhülse 4 und der ortsfesten Welle 2 eine Luftmembran. Diese Luftmembran trägt die Drehhülse 4 in radialer Richtung, wobei die Drehhülse 4 und der Dreh-Polygonspiegel 6 berührungslos umlaufen können.
Da das Axiallager lediglich durch eine Abstoßungskraft zwischen dem Paar von Permanentmagneten in der optischen Abtastvorrichtung des oben beschriebenen Beispiels schwebend gehalten wurde, hatte die Vorrichtung allerdings Nachteile insofern, als die Axiallagerungs-Steifigkeit gering war, die Genauigkeit der Höhenlage der Drehhülse nicht stark verbessert werden konnte, und daß die Steuerung einer Bewegung in axialer Richtung aufgrund von Störungen schwierig war.
Die US-A-4 726 640 offenbart einen optischen Deflektor zum Ablenken eines Laserstrahlbündels eines Lasers durch Drehen eines Polygonspiegels unter Verwendung eines dynamischen pneumatischen Drucklagers in Form eines Radiallagers und eines Magneten, der als Axiallager fungiert. Das magnetische Lager verwendet drei unterschiedliche Magnete, die in einer Reihenfolge angeordnet sind, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Die US-A-5 019 738 zeigt ein Lager mit drei Magneten. Die US-A-5 019 738 offenbart nicht den Umstand, daß ein dritter Magnet eine Abstoßungskraft in Richtung eines zweiten Magneten bereitstellen kann, damit sich der zweite Magnet bewegt.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Lagervorrichtung und einer optischen Abtastvorrichtung, wodurch die obigen Probleme behoben werden, und die in der Axiallagerungs-Steifigkeit des Antriebsmotors verbessert sind und außerdem in der Genauigkeit der Höhenposition der Drehwelle verbessert sind.
Erreicht wird dies durch eine Lagervorrichtung und eine optische Abtastvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Skizze eines wesentlichen Aufbaus einer herkömmlichen Drehlagervorrichtung zum Drehen eines Dreh-Polygonspiegels;
Fig. 2 ist eine Gesamtdarstellung des Aufbaus eines Laserstrahldruckers unter Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Abtastvorrichtung;
Fig. 3 ist die Darstellung des wesentlichen Teils einer ersten Ausführungsform der Drehlagervorrichtung zum Drehen des Dreh-Polygonspiegels gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ist eine Prinzipskizze der Anordnung von Permanentmagneten;
Fig. 5 ist die Darstellung des wesentlichen Details einer zweiten Ausführungsform der Drehlagervorrichtung zum Drehen des Dreh-Polygonspiegels gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ist eine Darstellung eines wesentlichen Aufbaus einer dritten Ausführungsform der Drehlagervorrichtung zum Drehen des Dreh-Polygonspiegels gemäß der Erfindung; und
Fig. 7 ist eine Darstellung eines wesentlichen Teils einer vierten Ausführungsform der Drehlagervorrichtung gemäß der Erfindung in Anwendung bei einem Magnetplattenlaufwerk.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird anhand der in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben.
Fig. 2 ist eine Strukturdarstellung des gesamten Laserdruckers, der die erfindungsgemäße optische Abtastvorrichtung verwendet, wobei von einer an einem Gestell 11 vorgesehenen Lasereinheit 12 emittiertes Laserlicht durch einen Dreh- Polygonspiegel 13 derart durch Ablenkung tastend geführt wird, daß das Licht durch Bilderzeugungslinsen 14 und 15 auf ein photoempfindliches Element 16, das den Aufzeichnungsträger bildet, fokussiert wird.
Fig. 3 ist eine Strukturdarstellung der Hauptbestandteile einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehlagervorrichtung zum Drehen des oben beschriebenen Dreh-Polygonspiegels 13. Ein Motorgehäuse (eine Basis) 21 ist an dem Gestell 11 der optischen Abtastvorrichtung montiert und besitzt einen Wellenhalterungsteil 21a, das nach unten wegsteht, und das untere Ende einer vertikalen ortsfesten Welle 22 aus Keramikmaterial ist in einer rohrförmigen Vertiefung 21b in dem Wellenhalterungsteil 21a fixiert. Eine keramische Drehhülse 23 mit einer entsprechenden Länge in ihrem unteren Endbereich taucht in das Innere der rohrförmigen Ausnehmung 21b ein und sitzt auf der ortsfesten Welle 22 drehbar relativ zu der Welle 22, wobei ein aus nicht magnetischem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Messing, bestehender Flansch 24 an der Drehhülse 23 befestigt ist, beispielsweise durch eine Schrumpfpassung. Außerdem ist am Umfang des Flansches 24 durch Kleben ein Antriebsmagnet 25 befestigt.
Eine Motorbasis 26, an der elektrische Bauteile gelagert sind, ist auf der Oberseite des Motorgehäuses 21 befestigt, und ein dem Antriebsmagneten 25 gegenüberliegender Stator 27 ist derart auf der Basis 26 positioniert, daß ein Antriebsmotor gebildet wird. Ein Dreh-Polygonspiegel 13 ist an der Drehhülse 23 angeordnet und ist durch eine Blattfeder 28 auf der Oberseite des Flansches 24 fixiert.
Ein erster Permanentmagnet 30 in Form eines Rings ist an dem unteren Teil der ortsfesten Welle 22 an einer Stelle unterhalb eines zweiten Permanentmagneten 31 befestigt, welcher seinerseits an der Drehhülse 23 befestigt ist, wobei der erste Permanentmagnet in Berührung mit einer inneren Bodenfläche der rohrförmigen Ausnehmung 21b in dem Wellenhalterungsteil 21a steht. Der zweite Permanentmagnet 31 hat den gleichen Querschnitt wie die Drehhülse 23 und ist an deren unterem Ende befestigt, so daß er von dem ersten Permanentmagneten abgestoßen wird. Weiterhin ist ein dritter Permanentmagnet 32 an dem Gehäuse 21 an einer Stelle oberhalb des zweiten Permanentmagneten 31 und am oberen Rand der rohrförmigen Ausnehmung 21b in dem Wellenhalterungsteil 21a oberhalb des ersten Permanentmagneten 30 in einer solchen Orientierung befestigt, daß seine Abstoßungskraft den zweiten Permanentmagneten 31 in Richtung des ersten Permanentmagneten 30 treibt. Hierdurch stößt der dritte Permanentmagnet 32 den zweiten Permanentmagneten 31 ab.
Weil der dritte Permanentmagnet 32 sich am oberen Rand der rohrförmigen Ausnehmung 21b in dem Gehäuse befindet, ist sein Innendurchmesser φd größer als der Außendurchmesser φD der Drehhülse 23 und des zweiten Permanentmagneten 31. Um daher zu bewirken, daß die Abstoßungskraft in eine Richtung wirkt, in der der zweite Permanentmagnet 31 in Richtung auf den ersten Permanentmagneten 30 gedrängt wird, muß eine solche Magnetpolanordnung eingerichtet werden, wie sie zum Beispiel in Fig. 4 gezeigt ist, wonach der erste und der zweite Permanentmagnet 30 und 31 mit ihren N-Polen einander gegenüberstehen, und der dritte Permanentmagnet 32 einen Innendurchmesser φd besitzt, der größer ist als der Außendurchmesser φD des zweiten Permanentmagneten 31, wobei sein N-Pol nach unten gerichtet ist. Den gleichen Effekt kann man durch die vollständig umgekehrte Polanordnung der N- und S-Pole der drei Permanentmagneten erreichen.
Wenn bei der optischen Abtastvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau die Drehhülse beim Arbeiten des Antriebsmotors gedreht wird, wird das von der Lasereinheit 12 emittierte Laserlicht durch den Dreh-Polygonspiegel 13 abgelenkt und durch die bilderzeugenden Linsen 14 und 15 an einer vorbestimmten Stelle an dem photoempfindlichen Element 16 innerhalb eines mit dieser Vorrichtung verbundenen Laserdruckers fokussiert.
Zwischen der Drehhülse 23 und der ortsfesten Welle 22 bildet sich ein Luftmembran aus, welche die Drehhülse 23 berührungsfrei in radialer Richtung abstützt. Andererseits hält die Abstoßungskraft zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 30, 31 den Drehkörper in einem vollständig berührungslosen Zustand gegenüber der ortsfesten Seite in axialer Richtung beim Schwimmen. Da außerdem der dritte Permanentmagnet 32 den zweiten Permanentmagneten 31 in Richtung des ersten Permanentmagneten 30 drängt, wird die Abstoßungskraft in axialer Richtung verstärkt unter Erhöhung der Axiallagerungs-Steifigkeit, was die Lagegenauigkeit der Drehhülse 23 in axialer Richtung erhöht, wobei eine Bewegung in axialer Richtung durch Axiallast-Schwankungen oder Störungen aufgrund der bidirektionalen Abstoßungskräften einschränkt, was die Bewegung stabilisiert.
Da die ortsfeste Welle 22 und die Drehhülse 23 jeweils aus einem Keramikmaterial gefertigt sind, ist die Möglichkeit des Verschleißens oder dergleichen selbst dann gering, wenn die Teile in Berührung miteinander gelangen, bedingt etwa durch ein Eindringen von Staub oder durch Schwingungen während der Hochgeschwindigkeitsumdrehung. Wird als Keramikmaterial hochfestes Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) verwendet, so läßt sich die Möglichkeit für Abrieb oder Verschleiß noch weiter senken.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehlagervorrichtung. Teile mit gleichen Funktionen wie bei der ersten Ausführungsform tragen gleiche Bezugszeichen und auf eine nochmalige Beschreibung wird verzichtet. Ein Deckelelement 40, das die Oberseite der ortsfesten Welle 22 bedeckt, befindet sich an dem oberen Ende der Drehhülse 23 der ersten Ausführungsform, und ein Luftreservoir 41 ist zwischen dem Deckelelement 40, der Drehhülse 23 und der ortsfesten Welle 22 gebildet. Das Deckelelement 40 wird von einem Entlüftungsloch 42 durchsetzt, das von einem Dichtungsstopfen 43 verschlossen ist.
Wenn die Drehhülse 23 auf die ortsfeste Welle 22 aufgesetzt wird, ist der Dichtungsstopfen 43 abgenommen, anschließend wird das Loch 42 von dem Dichtungsstopfen 43 verstopft, wodurch zwischen dem oberen Ende der ortsfesten Welle 22, der Drehhülse 23 und dem Deckelelement 40 ein Luftreservoir 41 gebildet ist. Da das Luftreservoir 41 als Luftdämpfungsglied selbst dann wirkt wenn eine externe Kraft aufgebracht wird, die die Drehhülse 23 in vertikaler Richtung zum Schwingen bringen könnte, läßt sich die Bewegung der Drehhülse 23 in axialer Richtung zusätzlich unterdrücken. Die zweite Ausführungsform kann ebenfalls bei einem Laserdrucker eingesetzt werden, wie es ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform anhand der Fig. 2 erläutert wurde.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehlagervorrichtung. Elemente mit gleichen Funktionen wie bei der ersten Ausführungsform tragen gleiche Bezugszeichen und werden nicht noch einmal beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der erste Permanentmagnet 30 und der dritte Permanentmagnet 32 der ersten Ausführungsform durch ein zylindrisches Magnethalterungselement 50 in die rohrförmige Vertiefung 21b des Wellenhalterungsteils 21a eingepaßt, wodurch der erste, der zweite und der dritte Permanentmagnet 30, 31 bzw. 32 die gleiche Lagebeziehung wie bei der ersten Ausführungsform haben. Der erste Permanentmagnet 30 und der dritte Permanentmagnet 32 sind an ein und demselben Element, das heißt an dem Magnethalterungselement 50, befestigt.
Durch diese Ausgestaltung läßt sich die Abstandsbeziehung zwischen dem ersten Permanentmagneten 30 und dem zweiten Permanentmagneten 31 mit hoher Genauigkeit einstellen, da sie nur bestimmt wird durch die Bearbeitungsgenauigkeit des Magnethalterungselements 50. Die Lagegenauigkeit in axialer Richtung läßt sich also steigern. Die dritte Ausführungsform läßt sich ebenfalls bei einem Laserdrucker anwenden, wie er in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
Wenngleich die erste bis dritte Ausführungsform anhand von Beispielen einer optischen Abtastvorrichtung mit Innenrotor beschrieben wurden, die Vorteile bei hoher Drehzahl hat, läßt sich die Erfindung auch anwenden bei einem Außenrotor-Typ, außerdem bei einem sogenannten Face-To-Face-Typ.
Fig. 7 zeigt die Hauptbestandteile einer vierten Ausführungsform, bei der die erfindungsgemäße Drehlagervorrichtung bei einem Magnetplattenlaufwerk (HDD) eingesetzt wird.
Eine ortsfeste Welle 102 ist an einer Basis 101 befestigt, und auf der Drehwelle 102 sitzt eine zylindrische Drehhülse 103. Am oberen Teil der Drehhülse 103 sind Magnetscheiben 104 angebracht. Am unteren Teil der Drehhülse 103 ist ein Rotor 105 befestigt, der eine an der Basis 101 angebrachten Statorspule 106 gegenübersteht. Diese Teile werden von einem Gehäuse 107 abgedeckt.
Ein zweiter Permanentmagnet 202 ist am unteren Ende der Drehhülse 103, an der die Magnetplatten 104 befestigt sind, angebracht, und ein erster Permanentmagnet 201 ist an einem unteren Teil der ortsfesten Welle 102 befestigt, so daß er den Permanentmagneten 202 abstößt. Außerdem ist an der Basis 101 ein dritter Permanentmagnet 203 befestigt, der den zweiten Permanentmagneten 202 durch seine Abstoßungskraft in Richtung des ersten Permanentmagneten 201 drängt. Da der dritte Permanentmagnet 203 den zweiten Permanentmagneten 202 in Richtung des ersten Permanentmagneten 201 drängt, wird die Abstoßungskraft in axialer Richtung verstärkt, was die Axiallagerungs-Steifigkeit erhöht.
Wie oben beschrieben wurde, wird bei der erfindungsgemäßen Drehlagervorrichtung, bei der der dritte Permanentmagnet an der Basis die Abstoßungskraft in einer Richtung erzeugt, in der der zweite Permanentmagnet an der Drehhülse bei arbeitendem Motor in Richtung des ersten Permanentmagneten an der ortsfesten Welle gedrängt wird, die Abstoßungskraft verstärkt, um die Axiallagerungs-Steifigkeit zu erhöhen, so daß die Bewegung der Drehhülse durch Störungen in axialer Richtung eingeschränkt wird, was die Genauigkeit der Höhenlage verbessert.

Claims

1. Lagervorrichtung, umfassend:

eine ortsfeste Welle (22);

eine Drehhülse (23), die drehbar an die ortsfeste Welle (22) angepaßt ist;

einen zweiten Permanentmagneten (31), der an der Drehhülse (23) vorgesehen ist;

einen ersten Permanentmagneten (30), der unterhalb des zweiten Permanentmagneten (31) vorgesehen ist, wobei der erste Permanentmagnet (30) bezüglich des zweiten Permanentmagneten (31) abstoßend ist;

eine Basis (21), an der die ortsfeste Welle (22) fixiert ist;

wobei der zweite Permanentmagnet (31) an einer unteren Stirnseite der Drehhülse (23) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein dritter Permanentmagnet (32) oberhalb des zweiten Permanentmagneten (31) vorgesehen ist, und daß der dritte Permanentmagnet (32) eine Abstoßkraft in Richtung des zweiten Permanentmagneten (31) in der Weise ausüben kann, daß der zweite Permanentmagnet (31) sich bewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der dritte Permanentmagnet (32) die Abstoßkraft in einer solchen Richtung ausübt, daß der zweite Permanentmagnet (31) in Richtung des ersten Permanentmagneten (30) gedrängt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Permanentmagnet (30) und der dritte Permanentmagnet (32) an demselben Element (50) befestigt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Permanentmagnet (30) an der ortsfesten Welle (22) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der dritte Permanentmagnet (32) an der Basis (21) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Innendurchmesser des dritten Permanentmagneten (32) größer als der Außendurchmesser des zweiten Permanentmagneten (31) ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ortsfeste Welle und die Drehhülse aus einem Keramikwerkstoff gebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ortsfeste Welle und die Drehwelle aus einem Siliciumnitrid gebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Deckelelement (40) an einem oberen Ende der Drehhülse (23), um die ortsfeste Welle (22) unter Bildung eines Luftreservoirs abzudecken.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Antriebseinrichtung (25, 26, 27) zum Drehen der Drehhülse (23).

11. Optische Abtastvorrichtung für die abtastende Ablenkung eines Lichtstrahlbündels, umfassend eine Lagervorrichtung nach Anspruch 10 und weiterhin umfassend eine Lichtquelle (12); und einen Deflektor (13), der an der Drehhülse (23) befestigt ist, um das Lichtstrahlbündel aus der Lichtquelle (12) einer abtastenden Ablenkung zu unterziehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Deflektor (13) ein Dreh- Polygonspiegel ist.

13. Laserstrahl-Druckvorrichtung mit einer Abtastvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, weiterhin umfassend ein photoempfindliches Element (16) zum Empfangen des von dem Deflektor abtastend abgelenkten Lichtstrahlbündels.