DE69618051T2

DE69618051T2 - Aerodynamische Gleitlagervorrichtung und abtastende optische Ablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE69618051T2
Application number: DE69618051T
Authority: DE
Inventors: Taku Fukita; Tetsuya Katayama; Osamu Komura; Kaoru Murabe; Mikio Nakasugi; Isshin Sato
Original assignee: Canon Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Canon Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-03-13
Also published as: EP0732517B1; US5731831A; KR960034781A; DE69618051D1; KR100222361B1; EP0732517A1; JP3439292B2; JPH0914257A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine dynamische Druckgaslagervorrichtung, insbesondere eine Lagervorrichtung in einem Drehantriebsteil einer optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung, die zum Beispiel in Laserdruckern und dergleichen eingesetzt wird.

Einschlägiger Stand der Technik

Im allgemeinen müssen Elemente des Drehantriebs der optischen Ablenkungs- Abtastvorrichtung, wie sie in Laserstrahldruckern verwendet werden, eine Drehung mit hoher Drehzahl vertragen. Beispielsweise muß bei einer Steigerung der Druckgeschwindigkeit ein Antriebsteil eines Dreh-Polygonspiegels zum Abtasten von Laserlicht mit einer Drehzahl von 20000 UPM oder mehr drehen.
Bisher wurden Kugellager für den Lagerteil dieses Drehantriebteils verwendet. Allerdings leiden die gleitenden Teile leicht an einem Schmiermittelmangel im Hochdrehzahlbereich von nicht weniger als etwa 12000 UPM, und damit geht das Risiko einher, daß sich das Kugellager aufgrund mangelnder Schmierung festfrißt. Damit ist es schwierig, den Drehantriebsteil so auszugestalten, daß er den oben angesprochenem Erfordernis hoher Drehzahl entspricht, solange Kugellager für den Lagerteil des Drehantriebteils eingesetzt werden.
Um das obige Problem zu lösen, wird für den Drehantriebsteil eine dynamische Fluid-Drucklagervorrichtung zum Lagern eines Rotors in berührungsloser Weise eingesetzt. Bei einem solchen dynamischen Drucklageraufbau sind auf der Umfangsfläche einer Welle Fischgrätmuster- oder Spiralnuten gebildet. Zwischen Welle und der Hülse befindet sich Öl oder Schmierstoff, und es entsteht ein dynamischer Druck, wenn das Fluid während der Drehung in den erwähnten Nuten aufgenommen wird, wobei zum Beispiel die Hülse als Rotor drehen kann, ohne Berührung mit der Umfangsfläche der Welle zu haben.
Die oben angesprochene dynamische Druckfluid-Lagervorrichtung hat allerdings den Nachteil, daß ein großes Drehmoment vorhanden ist aufgrund der hohen Viskosität des Schmieröls. Insbesondere deshalb, weil das Öl bei Drehung mit hoher Drehzahl erwärmt wird, muß man einen Mechanismus zum Kühlen des Schmieröls vorsehen. Dies verkompliziert den Aufbau der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung an sich und erschwert die kompakte Ausbildung der gesamten Vorrichtung. Außerdem führt die Komplexität der Vorrichtung zu dem Problem erhöhter Fertigungskosten.
Es ist daran gedacht worden, ein Luftlager zu verwenden, welches als Fluid Luft bei der dynamischen Druckfluid-Lagervorrichtung des oben erläuterten Typs verwendet. Da diese Anordnung nicht mit dem Problem des Schmieröls behaftet ist, läßt sie sich bei höheren Drehzahlen einsetzen als die oben erläuterte Lagerstruktur, die als Fluid Öl verwendet. Es ist daran gedacht, daß dieser Aufbau die Struktur der Vorrichtung selbst deshalb vereinfachen kann, weil kein Mechanismus zum Kühlen des Schmieröls benötigt wird.
Allerdings gibt es auch bei Verwendung des Luftlagers eine Möglichkeit des direkten Gleitens zwischen einander gegenüberstehenden Flächen von Welle und Hülse deshalb, weil es zu Störungen oder dergleichen beim Drehvorgang kommt. Dies führte zu dem Problem, daß das Risiko des Festfressens von aufeinander gleitenden Teilen größer wurde als bei dynamischen Druckfluid-Lagervorrichtungen, die Öl als Schmiermittel verwenden.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung 5-106635 zeigt den Einsatz von Keramikmaterial, insbesondere eines gesinterten Keramikkörpers auf Siliziumnitridbasis als Material für das Lagerteil. Da dies die Eigenschaften der Verschleißbeständigkeit und der Stoßfestigkeit verbessern kann, besitzen die so hergestellten Lagerteile eine hohe Beständigkeit gegenüber Schäden beim Drehen mit hoher Drehzahl.
Die in Fig. 1 gezeigte Welle ist bekannt als dynamische Druckgas-Lagervorrichtung aus einem Keramikmaterial, welches bei einer optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung einsetzbar ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind auf der Umfangsfläche 50 der Welle dynamische Druckerzeugungsnuten 51 gebildet.
Allerdings ist es schwierig, durch normale spanabhebende Bearbeitung die in Fig. 1 gezeigte Nutenform auf der Oberfläche eines schwer zu bearbeitenden Materials auszubilden, beispielsweise bei Keramikmaterial. Eine solche Nutenform wird durch Ätzen, Strahlblasen oder dergleichen gebildet.
Demgegenüber zeigt die japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung 1-7849 die dynamische Druckgas-Lagervorrichtung mit Nuten, die sich einfach durch spanabhebende Bearbeitung bilden lassen, und die eine verbesserte Lagerungsgenauigkeit aufweisen. Bei dieser dynamischen Druckgas-Lagervorrichtung gibt es mehrere Nuten auf der Umfangsfläche einer zylindrischen Welle, wobei jede Nut einen seitlichen Querschnitt hat, der spiegelsymmetrisch bogenförmig ausgebildet und parallel zu der axialen Richtung ist.
Allerdings ist es äußerst schwierig, die bogenförmigen Nuten in Spiegelsymmetrie zu bilden, wie dies in dem Amtsblatt der japanischen Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. 1-7849 offenbart ist, wenn man mit schwer zu bearbeitendem Material arbeitet, beispielsweise mit Keramik, insbesondere bei einem gesinterten Keramickörper auf Siliziumnitridbasis Die Tiefe der Nuten bestimmt sich bei dem in dem Amtsblatt beschriebenen Ausführungsbeispiel auf einen Wert in dem Bereich von einigen zehn um bis einige hundert um. In der Praxis war es unmöglich, die Ausbildung der Nuten mit einer solchen Tiefe in schwer bearbeitbarem Keramikmaterial im Zuge der Massenfertigung auf industrieller und wirtschaftlicher Basis im Hinblick auf Verarbeitungsgenauigkeit, Verarbeitungseffizienz und Fertigungskosten vorzunehmen.
Die DE-A-1 613 128 zeigt die Merkmale gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, nämlich eine Lagervorrichtung mit einer säulenförmigen Welle, einer zylindrischen Hülse gegenüber der Welle unter Bildung eines Spielraums in radialer Richtung, und mindestens drei Nuten, die etwa parallel zur axialen Richtung auf der Umfangsfläche der Welle gebildet sind.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Form der Umfangsfläche der Welle in dem Drehantriebsteil zu vereinfachen, um eine dynamische Druckgas- Lagervorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, bei höheren Drehzahlen stabil zu drehen; außerdem soll eine damit ausgestattete optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung geschaffen werden.
Dieses Ziel wird erreicht durch die Merkmale der Lagervorrichtung nach Anspruch 1 und die Abtastvorrichtung nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Insbesondere besitzt die erfindungsgemäße dynamische Druckgas-Lagervorrichtung einen Drehantriebsteil aus einer säulenförmigen Welle und einer der Welle gegenüberstehenden hohlen zylindrischen Hülse, wobei in radialer Richtung ein Spielraum verbleibt. Welle und Hülse bestehen aus einem gesinterten Keramikkörper auf Siliziumnitridbasis. Die Umfangsfläche der Welle enthält mindestens Nutenabschnitte, die in gleichen Intervallen am Umfang entlang der Umfangsfläche angeordnet sind. Jede Nut besteht aus einer Mehrzahl von Einheitsebenen, die kontinuierlich in Umfangsrichtung der Welle unter vorbestimmten Winkeln bezüglich der Umfangsrichtung gebildet sind. Jede Einheitsebene ist so ausgebildet, daß sie sich im wesentlichen parallel zur axialen Richtung der Welle erstreckt.
Durch extensive und intensive Studien und Forschungen haben die Erfinder herausgefunden, daß die Anordnung, bei der die mindestens Nutenabschnitte, die sich jeweils aus mehreren Einheitsflächen oder -ebenen zusammensetzen, an der Umfangsfläche der Welle angeordnet waren, im Stande war, spezifizierte Leistungsmerkmale der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung bei Drehung mit hoher Drehzahl von nicht mehr als 25000 UPM zu erfüllen. Wie in Fig. 2A und 2B gezeigt ist, ist die Umfangsfläche 101 der Welle 1 zu einer Tiefe von einigen um bis einige zehn um geschliffen/um zur axialen Richtung parallele Ebenen zu bilden. Das Definieren der Ebenen als Einheitsflächen 105a, 105b, 105c (drei Flächen in Fig. 2A und 2B) liefert mehrere kontinuierlich in der Umfangsfläche 101 der Welle 1 unter vorbestimmten Winkeln bezüglich der Umfangsrichtung gebildete Ebenen. Nuten 105, jeweils in der obigen Anordnung ausgebildet, befinden sich an gleichen Intervallen an zumindest drei Stellen 102, 103 und 104 bezüglich des Umfangs entlang der Umfangsfläche 101 der Welle.
Die Ausbildung der obigen Nuten in der Umfangsfläche der Welle läßt sich realisieren durch Entfernen von Teilen der Umfangsfläche der Welle, die eine nahezu zylindrische Fläche bildet, durch Schleifen der Oberfläche. Damit ist die Bearbeitung von schwer verarbeitbarem Keramikmaterial wie einem gesinterten Körper auf Siliziumnitridbasis einfach. Dementsprechend wird bei der Bildung eines dynamischen Druckerzeugungsteils in dem Spielraum zwischen der Welle und der Nut die Verarbeitungseffizienz gesteigert, wodurch wiederum die Fertigungskosten im Vergleich zu dem herkömmlichen Aufbau verringert werden, bei dem die Nuten spezifischer Form auf der Umfangsfläche der Welle gebildet werden.
Darüber hinaus läßt sich eine hervorragende Lagerstabilität bei Drehen mit hoher Drehzahl von nicht weniger als 25000 UPM einfach dadurch garantieren, daß die Umfangsfläche der Welle mit den Nuten ausgestattet wird, die erfindungsgemäß in der oben beschriebenen Weise gebildet werden. Die mit der erfindungsgemäßen dynamischen Gasdruck-Lagervorrichtung ausgestattete optische Ablenkungs- Abtastvorrichtung kann eine hohe Genauigkeit bezüglich der Neigung der Laserstrahl-Reflexionsflächen relativ zur vertikalen Richtung des Polygonspiegels, das heißt der Flächenneigung, erreichen.
Als Material für die Welle und die Hülse der erfindungsgemäßen dynamischen Gasdruck-Lagervorrichtung wird ein gesinterter Keramikkörper auf Siliziumnitridbasis verwendet. Da die Teile aus einem solchen gesinterten Keramikkörper auf Siliziumnitridbasis leichter sind als konventionelle Metallteile, läßt sich die Trägheitsmasse der Motorlast senken. Dies ermöglicht eine Verringerung des Antriebsmoments, was wiederum die Möglichkeit bietet, die optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung mit weniger Energieverlust zu betreiben.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Stabilität bei Drehung mit hoher Drehzahl dadurch erreicht werden konnte, daß die obigen Nuten mit den begrenzten Abmessungen in Umfangsrichtung der Welle ausgebildet wurden. Insbesondere sind in gleichmäßigen Intervallen in Umfangsrichtung der Umfangsfläche 101 der Welle drei oder mehr Nuten C gebildet, wobei jede dieser Nuten gemäß Fig. 2B derart ausgebildet ist, daß, die Nutentiefe d des flachen Flächenabschnitts nicht mehr als 0,020 mm beträgt und der Mittenwinkel θ des Umfangs (des Bogens) entlang der Umfangsfläche 102 der Welle, entsprechend der Breite der Nut C, nicht weniger als 10º beträgt. Darüber hinaus ist eine Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Welle und dem Innendurchmesser der Hülse geringer als 0,010 mm. Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Lagerstruktur hervorragende Lagerstabilität bei Drehung mit hoher Drehzahl dadurch zeigen konnte, daß die Nuten C mit den so definierten Abmessungen in der Umfangsfläche der Welle ausgebildet wurden und dabei der Spielraum zwischen Welle und Hülse in der oben beschriebenen Weise beschränkt wurde.
Dies läßt sich vorstellbar durch den Umstand erreichen, daß eine Trägermembrane, die durch einen Luftstrom zwischen der Welle und der Hülse gebildet wird, effizient in dem Bereich der begrenzten Abmessungen gemäß obiger Beschreibung gebildet werden kann. Außerdem kommt in Betracht, daß die dynamische stabile Lagerstruktur erreicht werden kann durch das Merkmal, daß das Lager gleichzeitig in Richtungen beeinflußt wird, die bezüglich des Umfangs gleichmäßig an drei oder mehr Stellen der Umfangsfläche der Welle verteilt sind.
Im Gegensatz dazu wird ein instabiles Verhalten in der oben besprochenen Weise erkannt, wenn die Nuten eine Tiefe von einigen 10 bis einige 100 um haben, wie dies in der japanischen Gebrauchsmuster-Veröffentlichung 1-7849 beschrieben ist. Der denkbare Grund hierfür liegt darin: wenn die Nuten tiefer werden, kommt es zu einer Störung im Luftstrom bei Drehung mit hoher Drehzahl. Die Störung des Luftstroms unterbricht die Ausbildung einer angemessenen Lagerungsmembran zwischen Welle und Hülse und ruft damit instabiles Verhalten hervor.
Die Form der Nuten läßt sich beliebig in dem Bereich von Abmessungen auch dann wählen, wenn nicht die Kombination aus mehreren Einheitsflächen in der oben beschriebenen Weise vorhanden ist, solange die Kombination von Tiefe und Breite der Nuten und die Differenz zwischen Außendurchmesser der Welle und Innendurchmesser der Hülse den oben angegebenen Abmessungsbedingungen genügen. Speziell wird die Form der Nuten durch Erfordernisse der Fertigungsschritte festgelegt.
Das Anwenden der erfindungsgemäßen dynamischen Gasdruck-Lagervorrichtung auf den Drehantriebsteil der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung, die sich mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit dreht, ermöglicht die Schaffung eines Laserstrahldruckers mit hoher Druckqualität und der Möglichkeit des Drucks bei höherer Geschwindigkeit als bei der herkömmlichen Vorrichtung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, die die Umfangsfläche der Welle darstellt, um ein herkömmliches Beispiel für die Welle des dynamischen Drucklagers bei einer optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung zu geben;
Fig. 2A ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel der Welle bei dem Drehantriebsteil zeigt, welches die optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen dynamischen Gasdrucklager zeigt, und Fig. 2B ist eine vergrößerte detaillierte Darstellung des Teils A in Fig. 2A;
Fig. 3 ist eine schematische Strukturzeichnung, die den Drehantriebsteil der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist eine schematische Strukturzeichnung, die eine Ausführungsform des Laserstrahldruckers zeigt, der die optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung zum Auswerten der Stabilität der erfindungsgemäßen dynamischen Gasdruck-Lagervorrichtung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird basierend auf den in Fig. 2A bis 5 dargestellten Ausführungsformen im einzelnen beschrieben.

Ausführungsform 1

Fig. 3 zeigt die Einzelheiten des Drehantriebsteils (des Antriebsteils des Polygonspiegels) einer optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung, die mit der dynamischen Gasdruck-Lagervorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist. Der in Fig. 3 gezeigte Drehantriebsteil ist in einen Laserdrucker eingebaut, der die in Fig. 4 gezeigte optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung verwendet.
In Fig. 3 ist eine aus Keramikmaterial gefertigte Welle an einem Gehäuse 3 eines Antriebsmotors 500 fixiert. Eine Drehhülse 2, die eine aus Keramikwerkstoff gefertigte Hülse ist, sitzt drehbar über der ortsfesten Welle 1. In der Umfangsfläche 101 der ortsfesten Welle 1 befinden sich mindestens drei Nuten 105 (einheitlich bearbeitete Abschnitte), bestehend aus mehreren Einheitsflächen oder -seiten 105a, 105b, 105c ..., wie in Fig. 2B gezeigt ist. Ein Flansch 4 aus Aluminium, Messing oder dergleichen ist mittels Schrumpfpassung oder dergleichen auf den Außenumfang der Drehhülse 2 gesetzt. Ein Antriebsmagnet 5 ist durch Kleben oder dergleichen am Außenumfang des Flansches 4 fixiert. Außerdem ist an dem Gehäuse 3 eine Basis 6 fixiert. An der Basis 6 ist gegenüber dem Antriebsmagneten 5 ein Stator 7 angebracht, wodurch der Antriebsmotor 500 zum Drehen der Drehwelle 2 gebildet ist.
Andererseits ist an dem unteren Ende der Drehhülse 2 ein zweiter Permanentmagnet 9 derart angebracht, daß ein Magnetpol des zweiten Permanentmagneten 9 vertikal dem gleichen Magnetpol eines ersten Permanentmagneten 8 gegenübersteht, der sich an der ortsfesten Welle 1 befindet. Außerdem befindet sich ein dritter Permanentmagnet 10 in der Nähe der Drehhülse 2 an dem Gehäuse 3.
Ein Deckel 19, der die ortsfeste Welle 1 abdeckt, befindet sich am oberen Ende der Drehhülse 2. Dies bildet ein Luftreservoir 20 zwischen der Drehhülse 2 und der ortsfesten Welle 1. Dieser Deckel 19 besitzt ein Belüftungsloch 32, um den Zusammenbau von Drehhülse 2 und ortsfester Welle 1 zu erleichtern. Nach dem Zusammenbau wird ein Dichtungselement 33 an dem Deckel fixiert, um das Belüftungsloch 32 dichtend zu verschließen.
Der Dreh-Polygonspiegel 11 ist an dem Flansch 4 durch eine Tellerfeder oder dergleichen fixiert. Der so aufgebaute Antriebsmotor 500 ist in eine optische Box 14 der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung eingesetzt, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Der Dreh-Polygonspiegel 11 wird durch den Antriebsmotor 500 gedreht. In Fig. 4 befindet sich eine Lasereinheit 15 in der optischen Box 14. Ein von der Lasereinheit 15 abgegebener Laserstrahl L wird von Linsen 16, 17 gebündelt und tastet abgelenkt ein photoempfindliches Element 18 als Aufzeichnungsträger ab, während sich der Dreh-Polygonspiegel 11 durch den Antriebsmotor 500 dreht.
Die Welle 1 und die Hülse 2 gemäß Fig. 3 bestehen aus einem gesinterten Keramikkörper auf Siliziumnitridbasis. Der gesinterte Siliziumnitrid-Körper wird speziell folgendermaßen gefertigt:
Vorgelegt wird ein Rohpulver aus Si&sub3;N&sub4; mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,3 um, einer Partikelgrößenverteilung von 3σ = 0,20 um, einer Kristallinitätsrate von 96,5% und einem Sauerstoffanteil von 1,4 Gew.-%. Es erfolgt eine Naßdurchmischung unter Verwendung einer Polyamid-Kugelmühle in Ethanol während 100 Stunden bei einem Verhältnis von 90 Gew.-% des obigen Rohpulvers aus Si&sub3;N&sub4;, 4 Gew.-% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,8 um, 3 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,5 um, 1 Gew.-% AlN-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,0 um und 2 Gew.-% MgO-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,5 um. Daran anschließend wird das nach Trocknung erhaltene Pulvergemisch bei einem Druck von 3000 kp/cm² einem CIP-Verfahren (einer isostatischen Kaltpressung; cold isostatic pressing) unterzogen. Ein so erhaltener Formkörper wird in einer Stickstoffgasatmosphäre bei einem Atmosphärendruck sechs Stunden lang unter einer Temperatur von 1450ºC gehalten. Außerdem wird der Körper bei einer Temperatur von 1550ºC drei Stunden lang primär gesintert. Dann wird der so erhaltene Sinterkörper bei einer Temperatur von 1600ºC in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 1000 Atmosphärendrücken eine Stunde lang sekundär gesintert.
Der so erhaltene Siliziumnitrid-Sinterkörper enthält Kristallpartikel in der linearen Dichte von 35 oder mehr Partikeln pro Länge von 30 um, wobei der Volumenprozentsatz seiner Korngrenzenphase nicht mehr als 15 Volumenprozent beträgt. Darüber hinaus enthält der Siliziumnitrid-Sinterkörper Poren mit einem maximalen Durchmesser von nicht mehr als 20 um bei einer Porosität der Poren von nicht mehr als 3%.
Die Welle 1 und die Hülse 2 werden aus dem in oben beschriebener Weise erhaltenen Siliziumnitrid-Sinterkörper hergestellt.
Die Welle 1 wird folgendermaßen gefertigt:
Die Oberfläche der Welle wird mit einem Schleifwerkzeug mit Diamantschleifkörnern in einer Tiefe von 10 um geschliffen, wodurch eine Ebene auf der Umfangsfläche der Welle gebildet wird. Nach der Herstellung dieser Ebene wird die Welle gedreht, und es wird der obige Oberflächen-Schleifvorgang wiederholt, um an die Ebene kontinuierlich Ebenen mit vorbestimmten Winkeln bezüglich des Umfangs entlang der Umfangsfläche der Welle anzuschließen. Die aus mehreren so gebildeten Ebenen oder Flächen gebildete Nut wird als in Einheiten verarbeiteter Abschnitt bezeichnet. Nach Beendigung der Verarbeitung dieses in Einheiten verarbeiteten Abschnitts werden weitere als Einheiten verarbeitete Abschnitte in einer notwendigen Anzahl auf der Umfangsfläche der Welle gebildet. In diesem Fall sind diese in Einheiten verarbeiteten Abschnitte in gleichen Intervallen über den Umfang entlang der Umfangsfläche der Welle angeordnet, abhängig von der Anzahl von Abschnitten.

Ausführungsform 2

Die Hülse und die Welle aus dem Siliziumnitrid-Sinterkörper werden wie bei der Ausführungsform 1 hergestellt. Die Nuten (als Einheiten verarbeitete Abschnitte) 105 gemäß Fig. 2B werden an drei Stellen 102, 103, 104 gemäß Fig. 2A an der Umfangsfläche der Welle gleichmäßig verteilt über den Umfang ausgebildet. Die so gefertigte Hülse 2 und die Welle 1 werden in den Drehantriebsteil der in Fig. 3 gezeigten optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung eingebaut.
Wie oben ausgeführt, besitzt die dynamische Gasdruck-Lagervorrichtung gemäß der Erfindung den Drehantriebsteil einschließlich der säulenförmigen Welle 1 und der hohlzylindrischen Hülse 2 gegenüber der Welle unter Freihaltung eines Spielraums in radialer Richtung. Die Welle 1 und die Hülse 2 bestehen aus dem gesinterten Keramikkörper auf Siliziumnitridbasis. Die Umfangsfläche 101 der Welle enthält die Nuten 105, die an mindestens drei Stellen 102, 103, 104 angeordnet sind, die sich in gleichmäßigen Intervallen am Umfang entlang der Umfangsfläche befinden. Jede Nut 105 besteht aus mehreren Einheitsflächen 105a, 105b, 105c, die kontinuierlich an der Umfangsfläche 101 der Welle unter vorbestimmten Winkeln in Umfangsrichtung ausgebildet sind. Die mehreren Einheitsflächen 105a, 105b, 105c sind so ausgebildet, daß sie sich im wesentlichen parallel zu der axialen Richtung der Welle erstrecken.
Als nächstes wurde die Stabilität der dynamischen Gasdrucklagervorrichtung bezüglich der in oben beschriebener Weise ausgebildeten Welle und Hülse ermittelt.
Der Drehantriebsteil der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung mit dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau wurde in eine Auswerteapparatur eingesetzt, die in Fig. 5 dargestellt ist, und der Drehantriebsteil wurde mit hoher Drehzahl bei 25000 UPM in Drehung versetzt. Während des Betriebs des Antriebsmotors 5 von dem Rotor erzeugte Vibrationen wurden mit einem Vibrationsaufnehmer 200 aufgenommen, mit Hilfe eines Vibrationsmessers 300 gemessen und hinsichtlich der Frequenz mittels FFT (Vorrichtung für schnelle Fourier-Transformation) 400 analysiert. Eine Probe ohne Resonanz im niederfrequenten Bereich wurde als "stabil" eingestuft.
In der folgenden Beschreibung wird eine Nut 105, die sich aus einer Kombination von mehreren Einheitsflächen 105a, 105b und 105c zusammensetzt, als eine Nut C gemäß Fig. 2B bezeichnet.
Als erstes wurde die Wirkung der Anzahl von Nuten C 105 an der Umfangsfläche der Welle bezüglich der Lagerstabilität ausgewertet. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden vier Wellen mit jeweils Nuten gleicher Tiefe und Breite an der Umfangsfläche der Welle hergestellt. Außerdem wurde eine weitere Welle ohne Nuten hergestellt. Die Anzahl von Nuten C wurde von Welle zu Welle geändert, und die Nuten wurden in gleichen Intervallen am Umfang entlang der Umfangsfläche der Welle angeordnet. Die Wellen wurden mit zugehörigen Hülsen gekoppelt, um Abtastmotoren (die Drehantriebsteile der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung) 500 zu bilden, so daß Differenzen (Durchmesserdifferenzen) gemäß Tabelle 1 zwischen dem Außendurchmesser der Umfangsfläche der so hergestellten Welle ohne Nuten und dem Innendurchmesser der Hülse konstant waren. Die Breite der Nuten C wird hier ausgedrückt durch den Mittenwinkel θ entsprechend einem Kreisbogen entlang der Umfangsfläche 101 den Welle, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Bei der Nut 105 ist die Nuttiefe d der Nut 105 ein Durchschnittswert von Differenzen zwischen dem Kreisbogenteil (dem Teil mit gestrichelter Linie) entlang der Umfangsfläche 101 der Welle, und den mehreren Einheitsflächen 105a, 105b, 105c. TABELLE 1
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, wurde die Stabilität des Lagers auch bei Umdrehung mit hoher Drehzahl von 25000 UPM festgestellt, wenn die Proben drei oder mehr Nuten C, 105 hatten.
Als nächstes wurde der Einfluß der Nuttiefe auf die Stabilität des Lagers ermittelt. Es wurden sechs Wellen mit jeweils drei Nuten gleichmäßig auf der Umfangsfläche der Welle gebildet, wobei allerdings lediglich die Tiefe der Nuten geändert wurde. Die Wellen wurden mit Hülsen gekoppelt, um Abtastmotoren zu bilden, wobei die Breite der Nuten C auf der Umfangsfläche der Welle konstant gehalten wurden und die Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Umfangsfläche der Welle, an der sich keine Nuten befanden, und dem Innendurchmesser der Hülse konstant gehalten wurde. Die Lagerstabilität wurde mit Hilfe der in Fig. 5 gezeigten Auswerteapparatur ermittelt. TABELLE 2
* Vergleichsbeispiele
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wurde erkannt, daß das Lager bei Umdrehung mit hoher Drehzahl von 25000 UPM stabilisiert wurde, wenn die Nuttiefe nicht mehr als 20 um betrug.
Als nächstes wurde die Auswirkung der Breite der Nuten C auf der Umfangsfläche der Welle auf die Lagerstabilität untersucht. Es wurden sechs Wellen mit jeweils drei Nuten auf der Umfangswelle der Welle hergestellt, wobei lediglich die Breite der Nuten C geändert wurde. Konstantgehalten wurde die Tiefe der Nuten auf der Umfangsfläche der Welle sowie die Differenz zwischen Außendurchmesser der Umfangsfläche der Welle, wo sich keine Nuten befanden, und dem Innendurchmesser der Hülse. Es wurden Abtastmotoren hergestellt und bezüglich der Lagerstabilität unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Auswerteapparatur geprüft. TABELLE 3
* Vergleichsbeispiele
Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, wurde erkannt, daß das Lager bei Drehung mit hoher Drehzahl von 25000 UPM dann stabilisiert wurde, wenn der Mittenwinkel entsprechend der Breite der Nuten C 105 nicht weniger als 10º betrug.
Als nächstes wurde der Einfluß der Durchmesserdifferenz (der Differenz zwischen Außendurchmesser der Umfangsfläche der Welle, wo sich keine Nuten befanden, und dem Innendurchmesser der Hülse), bestimmt durch die Kombination von Welle und Hülse, bezüglich der Lagerstabilität ausgewertet. Es wurden fünf Wellen mit jeweils drei Nuten auf der Umfangsfläche der Welle bei konstanter Breite und Tiefe der Nuten hergestellt. Es würden Abtastmotoren hergestellt durch Kombinieren der Wellen mit Hülsen bei Veränderung der Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Umfangsfläche der Welle, wo sich keine Nuten befanden, und dem Innendurchmesser der Hülse. Die Auswertung der Lagerstabilität erfolgte mit Hilfe der in Fig. 5 gezeigten Auswerteapparatur. TABELLE 4
* Vergleichsbeispiele
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, wurde erkannt, daß das Verhalten des Lagers selbst bei Umdrehung mit hoher Drehzahl und 25000 UPM dann stabil wurde, wenn die Durchmesserdifferenz nicht mehr als 7 um betrug, nämlich unter 10 um lag.
Wie oben ausgeführt, ist die erfindungsgemäße dynamische Gasdruck-Lagervorrichtung derart ausgebildet, daß hinsichtlich einer Nut 105, bestehend aus einer Kombination mehrerer Einheitsflächen 105a, 105b, 105c die Nuttiefe nicht mehr als 0,020 mm betrug und die Nut 105 eine Nutbreite entsprechend dem Mittenwinkel von nicht weniger als 10º über den Umfang entlang der Umfangsfläche 101 der Welle 1 besaß.
Außerdem ist die Vorrichtung so aufgebaut, daß die Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Welle 1 und dem Innendurchmesser der Hülse 2 weniger als 0,010 mm beträgt.
Als nächstes wurde in der optischen Ablenkungs-Abtastvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau ein Überdrehzahltest des Motors durchgeführt. Bei Änderung der Motordrehzahl wurden bei unterschiedlichen Drehzahlen Ströme im eingeschwungenen Zustand gemessen. Der Strom im eingeschwungenen Zustand bedeutet einen Meßwert des Stroms des Antriebsmotors dann, wenn der Polygonspiegel einen stabilen Drehzustand erreicht, wobei es sich um einen Wert entsprechend dem Antriebsmoment handelt. Es wurde die Flächenneigung gemessen, um die Leistung des Drehantriebsteils (des Abtastmotors) der optischen Ablenkungs- Abtastvorrichtung auszuwerten. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. TABELLE 5
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, läßt sich die mit der erfindungsgemäßen dynamischen Gasdruck-Lagervorrichtung ausgestattete optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung als Vorrichtung mit geringem Antriebsmoment und hoher Drehgenauigkeit auch dann ausbilden, wenn sie mit hoher Drehzahl betrieben wird.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen dynamischen Gasdruck Lagervorrichtung läßt sich eine optische Ablenkungs-Abtastvorrichtung für höhere Abtastgeschwindigkeit realisieren, deren Drehantriebswelle eine einfach zu bearbeitende Form hat. Die Fertigungskosten der Abtastvorrichtung lassen sich entsprechend senken.

Claims

1. Dynamische Druckgaslagervorrichtung, umfassend:

eine säulenförmige Welle (1);

eine zylindrische Hülse (2) gegenüber der Welle (1) unter Bildung eines in radialer Richtung verlaufenden Spielraums; und

mehrere Nuten (105), die im wesentlichen parallel zur axialen Richtung auf einer Umfangsfläche der Welle (1) gebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Differenz zwischen einem Außendurchmesser der Welle (1) und einem Innendurchmesser der Hülse (2) weniger als 0,010 mm beträgt,

eine Tiefe jeder der Nuten (105) nicht mehr als 0,020 mm beträgt, jede der Nuten (105) eine Breite hat, die einem Mittenwinkel von nicht weniger als 10º und nicht mehr als 80º bezüglich des Umfangs entlang der Umfangsfläche der Welle (1) entspricht, wobei die Nuten (105) an mindestens drei Stellen (102, 103, 104) angeordnet sind, die in gleichen Intervallen bezüglich des Umfangs mit einer Breite entsprechend einem Mittenwinkel von nicht weniger als 40º und nicht mehr als 110º angeordnet sind, und

wobei jede der Nuten (105) mehrere Einheitsflächen (105a, 105b, 105c) aufweist, die kontinuierlich unter vorbestimmten Winkeln zu einer Richtung des Umfangs auf der Umfangsfläche der Welle (1) gebildet sind, und

wobei die Einheitsflächen (105a, 105b, 105c) derart ausgebildet sind, daß sie sich im wesentlichen parallel zu einer axialen Richtung der Welle (1) erstrecken.

2. Lagervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Welle (1) und die Hülse (2) einen gesinterten Keramikkörper auf Siliziumnitridbasis enthalten.

3. Drehlagervorrichtung mit einem Lager nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine Antriebseinrichtung (500) zum Drehen der Hülse.

4. Optische Ablenkvorrichtung zum Bewirken einer Ablenkungs-Abtastung eines Lichtstrahlbündels unter Verwendung einer Drehlagervorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend einen an der Hülse (2) angebrachten Deflektor (11) zum Bewirken einer Ablenkungs-Abtastung eines Lichtstrahlbündels.

5. Laserstrahl-Druckvorrichtung unter Verwendung einer optischen Ablenkungs-Abtastungsvorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend ein photoempfindliches Element (18) zum Empfangen des Lichtstrahlbündels durch Ablenkungs-Abtastung seitens des Deflektors (11).