JP2000055053A - 動圧軸受装置およびこれを用いた偏向走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作流体として低粘度のオイルを用いたとき
の揮発による減量等を防ぐ。 【解決手段】 ステータコイル８を固定したスリーブ３
と、動圧発生用の浅溝４ａ，４ｂを有する回転軸４の間
の軸受間隙に、動作流体として作用する低粘度の第１の
オイル１１と、揮発性の低い第２のオイル１２を上層、
下層に分離した状態で充填する。第２のオイル１２によ
って第１のオイル１１を外気から遮断し、揮発によって
減量するのを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームプリ
ンタやバーコード読取装置等の光ビームを高速走査する
回転多面鏡等を回転支持するための動圧軸受装置および
これを用いた偏向走査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームプリンタやバーコード読取
装置等に用いられる偏向走査装置は、高速回転する回転
多面鏡によってレーザビーム等の光ビームを偏向走査
し、得られた走査光を回転ドラム上の感光体等に結像さ
せる。

【０００３】近年、このような偏向走査装置ではますま
す高速化や高精度化が進み、これに対応するために、回
転多面鏡の軸受部には、低騒音であって、回転精度が高
くかつ安定している非接触型の動圧流体軸受が用いられ
ている。特に高速回転のものは、動作流体として空気を
用いたいわゆる空気式が主流であるが、装置の小型・薄
型化や低コスト化が要求される今日では、空気の替わり
にオイルを用いたオイル式の動圧流体軸受が採用されつ
つある（特開平２−１８０３１１号公報、特開平２−１
５４８０８号公報参照）。

【０００４】図４は、一従来例による動圧軸受装置を示
すもので、これは、複数の反射面１０１ａを有する回転
多面鏡１０１と一体的に回転する軸１０２と、これを回
転自在に嵌合させたスリーブ１０３を有し、スリーブ１
０３は固定板１０４に立設されている。固定板１０４
は、軸１０２の下端をスラスト方向に支持するスラスト
板１０６を支持し、軸１０２の上部にはフランジ１０７
が固着されている。回転多面鏡１０１は、押えバネ１０
８を含む弾性押圧機構によってフランジ１０７の上面に
押圧されてこれと一体的に結合され、軸１０２とともに
回転する。

【０００５】フランジ１０７の外周部には、ロータマグ
ネット１０９を保持するヨーク１０９ａが固着されてお
り、ロータマグネット１０９は、固定板１０４に固定さ
れた外筒１０５と一体であるステータコイル１１０に対
向して、回転多面鏡１０１を回転させるモータを構成す
る。

【０００６】図示しない駆動回路から供給される駆動電
流によってステータコイル１１０が励磁されると、ロー
タマグネット１０９が軸１０２および回転多面鏡１０１
とともに高速回転する。

【０００７】スリーブ１０３は、軸１０２の回転によっ
て軸１０２との間の軸受間隙に流体膜を形成し、該流体
膜の動圧によって軸１０２を非接触で回転支持する動圧
流体軸受を構成する。軸１０２の外周面には、軸１０２
の下端から上向きに間隔を置いて、第１の動圧発生溝１
０２ａと、第２の動圧発生溝１０２ｂが形成されてい
る。また、スラスト板１０６の上面にも、軸１０２の下
端と対向する部位に動圧スラスト軸受を構成する浅溝
（図示せず）が設けられている。

【０００８】軸１０２の回転とともに、スリーブ１０３
との間の軸受間隙に充填されたオイル等の液体１１１が
各動圧発生溝１０２ａ，１０２ｂの中央部に吸い込ま
れ、高圧領域を発生させる。この高圧領域によって軸１
０２とスリーブ１０３がラジアル方向に非接触な状態で
支持される。このように非接触で回転するため、例えば
金属接触を伴なう滑り軸受等に比べて低騒音および高い
回転精度などのすぐれた軸受特性を得られるばかりでな
く、組立部品点数の点からも転がり軸受等に比べて小型
化や低コスト化が容易であるという利点を有する。

【０００９】動作流体としてオイル等の液体を用いる動
圧軸受装置においては、回転数が一定であれば、軸受の
摩擦トルクＴおよび負荷容量Ｆはそれぞれ以下の式によ
って求められる。

【００１０】Ｔ＝ｋ₁ η／Δγ Ｆ＝ｋ₂ η／Δγ ここで、η：液体の粘度 Δγ：軸受間隙の間隙寸法 ｋ₁ ，ｋ₂ ：定数 上記の式から分かるように、動圧軸受装置の摩擦トルク
Ｔと負荷容量Ｆを低く押さえるためには、軸とスリーブ
の間の軸受間隙の間隙寸法Δγを大きくするか、あるい
は粘度ηの低いオイルを用いるのが有効である。

【００１１】ところが、軸受間隙の間隙寸法Δγを大き
くすると動圧軸受としての性能が低下するため、低粘度
のオイルを用いることで、軸受の摩擦と負荷を抑えるの
が望ましい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、前述のように、動圧を発生させるため
の動作流体として低粘度のオイルを用いると、一般的に
低粘度のオイルは揮発性が高いため、環境温度の高い状
態で長時間使用するとオイルが揮発し、オイルの充填量
が減少する。このように動作流体の量が減少すると、潤
滑性が失われて軸受性能が低下し、回転多面鏡の回転精
度が劣化したり、軸受のかじり等を引き起こす。

【００１３】すなわち、軸受間隙に動圧を発生させる動
作流体としては、例えば、低粘度でしかも不燃性等や無
毒であるという化学的特性を備えた低分子量のフッ素系
オイル等の使用が望まれるが、このようなオイルは揮発
性が高くて上記の問題をひき起すため、やむを得ず粘度
の高いオイルを用いているのが現状である。

【００１４】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、軸受間隙の動作流体
として低粘度のオイルを用いることで軸受性能を向上さ
せ、しかもこのようなすぐれた軸受性能を長期間にわた
って安定して維持することのできる動圧軸受装置および
これを用いた偏向走査装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の動圧軸受装置は、相対的に回転自在に嵌合
する軸部材およびスリーブ部材と、前記軸部材または前
記スリーブ部材と一体的に結合された回転部材を有し、
前記軸部材と前記スリーブ部材の間の軸受間隙に、粘度
の異なる２層の液体が充填されていることを特徴とす
る。

【００１６】軸受間隙に、粘度の異なる２つの液体が上
層と下層に分離した状態で充填されているとよい。

【００１７】上層の液体の粘度が下層の液体の粘度より
大であるとよい。

【００１８】上層の液体の比重が下層の液体の比重より
小であるとよい。

【００１９】上層の液体の揮発性が下層の液体の揮発性
より小であるとよい。

【００２０】

【作用】軸受間隙に充填される動作流体に粘度の低いフ
ッ素オイル等の液体を用いることで、軸受の摩擦や負荷
を低減する。粘度の低いオイルは揮発性が高いため、揮
発による減量が著しい。そこでこれを防ぐために、粘度
は高いが不揮発性を有する液体を上層に充填して動作流
体を外気から遮断する。

【００２１】低粘度のオイルが揮発しやすい欠点を補う
ことで、すぐれた軸受性能を有し、しかも長寿命である
動圧軸受装置を実現できる。

【００２２】上層の液体の比重が下層の液体の比重より
小であれば、２つの液体が両者の比重の差によって互に
分離した状態に維持される。２つの液体が混ざり合うの
を防ぐことで、長期間すぐれた軸受性能を保つことがで
きる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００２４】図１は第１の実施の形態による動圧軸受装
置を用いた偏向走査装置の主要部を示すもので、多角柱
形状の側面に複数の反射面１ａを有する回転多面鏡１
と、後述する光学箱５０と一体である固定板２に立設さ
れたスリーブ部材であるスリーブ３と、該スリーブ３に
回転自在に嵌合する軸部材である回転軸４と、該回転軸
４に固着された回転部材であるフランジ部材５と、その
下面に一体的に結合されたロータフレーム６ａと、固定
板２に支持された外筒７と、これに保持されたステータ
コイル８を有し、該ステータコイル８はロータフレーム
６ａの内周面に支持されたロータマグネット６とともに
回転多面鏡１を回転駆動するモータを構成する。回転多
面鏡１は押さえバネ９を含む弾性押圧機構によってフラ
ンジ部材５に押圧され、ロータフレーム６ａとロータマ
グネット６等を含む回転部と一体化されている。

【００２５】駆動回路と制御回路を経て供給された駆動
電流によってステータコイル８が励磁されると、ロータ
マグネット６が回転軸４や回転多面鏡１とともに回転
し、回転多面鏡１の反射面１ａに照射されたレーザビー
ム等の光ビームを偏向走査する。

【００２６】スラスト板１０は固定板２に固着され、回
転軸４の下端をスラスト方向に支持する。回転軸４とス
リーブ３およびスラスト板１０の間の軸受間隙には、潤
滑用の液体である第１のオイル１１およびシールド用の
液体である第２のオイル１２が満たされている。回転軸
４の円筒面には、下端から上向きに第１、第２のくさび
状の浅溝４ａ，４ｂが刻設されている。

【００２７】回転軸４が回転すると、潤滑用の第１のオ
イル１１は動圧発生用の浅溝４ａ，４ｂの中央部に取り
込まれ、第１のオイル１１の圧力が高まって回転軸４を
スリーブ３から離間して非接触で支持する。

【００２８】シールド用の第２のオイル１２には例えば
高粘度、不揮発性のエステル系オイル、潤滑用の第１の
オイル１１には低粘度のフッ素系オイルを用いる。

【００２９】本実施の形態によれば、スリーブ３に対し
て回転軸４を非接触に保つための動圧を発生させる潤滑
用の第１のオイル１１は、スリーブ３の上端近傍に充填
されたシールド用の第２のオイル１２によって軸受間隙
に密封される。このように外気から遮断されているため
に、長時間使用しても潤滑用の第１のオイル１１が揮発
によって減量することなく、また、外気に触れて酸化反
応を起こして変質する等のトラブルもない。

【００３０】動圧軸受装置の潤滑用のオイルに低粘度の
オイルを用いて軸受の摩擦や負荷を低減し、軸受性能を
向上させるとともに、動作流体として低粘度のオイルを
用いた場合の減量や変質等のトラブルを上記のように効
果的に回避することで、長期にわたって高水準で安定し
た軸受性能を維持する高性能で耐久性にすぐれた動圧軸
受装置を実現できる。このような動圧軸受装置を回転多
面鏡の軸受部に用いることで、偏向走査装置の高品質化
に大きく貢献できる。

【００３１】上層のシールド用の第２のオイルと下層の
潤滑用の第１のオイルを安定した２層の分離状態に保
ち、かつ、シールド用のオイルによる密封性と潤滑用の
オイルの潤滑性を確保するためには、両者の間に比重、
揮発性、粘度の点で以下の関係が成立するように選定す
るのが望ましい。

【００３２】比重 ：潤滑用のオイル（下層）＞シール
ド用のオイル（上層） 揮発性：潤滑用のオイル（下層）＞シールド用のオイル
（上層） 粘度 ：潤滑用のオイル（下層）＜シールド用のオイル
（上層） このような条件を満足するものとして、前述のように、
潤滑用のオイルに低粘度のフッ素系オイル、シールド用
のオイルに高粘度、不揮発性のエステル系オイルを選ぶ
ことで、長期間にわたって高水準で安定した軸受性能を
維持する動圧軸受装置を実現できる。

【００３３】図２は第２の実施の形態による動圧軸受装
置を用いた偏向走査装置の主要部を示す。これは、スリ
ーブ３と同様のスリーブ２３の上端部に内径を拡大して
軸受間隙を局部的に拡大する大径部２３ａを設けて、シ
ールド用の第２のオイル１２を充填する液溜りを形成し
たものである。回転多面鏡１、固定板２、回転軸４、ロ
ータマグネット６、ステータコイル８等については第１
の実施の形態と同様であるので同一符号で表わし、説明
は省略した。

【００３４】シールド用の第２のオイル１２が高粘度で
あっても回転精度に影響する等のトラブルを回避できる
という利点がある。その他の点については第１の実施の
形態と同様である。

【００３５】なお、スリーブの内径を拡大する替わり
に、回転軸に小径部を設けることで、軸受間隙の間隙寸
法を局部的に拡大してもよい。

【００３６】次に第１、第２の実施の形態の実施例につ
いて説明する。

【００３７】（実施例１）図１の装置において、潤滑用
の第１のオイルとしてフッ素系オイルを使用した。フッ
素系オイルとしてはフルオロアルカン、フルオロアルケ
ン、フルオロアルキン、ポリフルオロ（ポリ）エーテ
ル、環状フルオロ（ポリ）エーテル、含窒素フルオロ化
合物、含硫黄フルオロ化合物等のフッ素系化合物が使用
可能であるが、本実施例ではパーフルオロポリエーテル
（アウジモント社製 ガルデンＤ−０２）を用いた。

【００３８】パーフルオロポリエーテルの比重は１．７
７であり、蒸気圧は１Ｔｏｒｒ以下（２５℃）、粘度が
１ｃｐ（２５℃）であった。

【００３９】また、シールド用の第２のオイルとしては
上記の潤滑用のオイルとの相溶性が小さく、より比重が
小さく、揮発性が低いポリ−α−オレフィン系のオイル
を使用した。

【００４０】ここで用いたポリ−α−オレフィン系オイ
ルの比重は０．８１であり、蒸気圧は４×１０^-3Ｔｏｒ
ｒ（６０℃）、粘度は２０ｃｐ（２０℃）であった。

【００４１】ステータコイルに通電して回転軸を３００
００ｒｐｍで連続回転させたところ、初期の消費電流値
は１９０ｍＡ、５００時間経過後の電流値は１９５ｍＡ
であり良好な作動状態を示した。

【００４２】（実施例２）図１の装置において、潤滑用
のオイルとしてジエステル系のセバシン酸ジオクチルを
使用した。

【００４３】セバシン酸ジオクチルの比重は０．９１で
あり、蒸気圧は５×１０^-6Ｔｏｒｒ（６０℃）、粘度は
２１ｃｐ（２０℃）であった。

【００４４】シールド用のオイルは実施例１と同様であ
った。

【００４５】ステータコイルに通電して回転軸を３００
００ｒｐｍで連続回転させたところ、初期の消費電流値
は１９２ｍＡ、５００時間経過後の電流値は２００ｍＡ
であり実施例１と同様に良好な作動状態を示した。

【００４６】（比較例１）実施例１、２と同様な構成で
上層のシールド用の液体を用いずパーフルオロポリエー
テルのみとして、ステータコイルに通電して回転軸を３
００００ｒｐｍで回転させたところ、初期の消費電流値
は１８０ｍＡと低い値を示したが、約１００時間後に動
圧軸受の回転が停止した。

【００４７】この動圧軸受を分解し調べたところパーフ
ルオロポリエーテルの量が極端に減っていることが分か
った。

【００４８】（比較例２）実施例１、２および比較例１
と同様な構成で比較例１と同様に上層のシールド用の液
体を使用せず実施例１のシールド用のオイルとして使用
したポリ−α−オレフィンのみとして、ステータコイル
に通電して回転軸を３００００ｒｐｍで回転させたとこ
ろ、初期の消費電流値は２００ｍＡであり、５００時間
経過後の消費電流値は２１０ｍＡであった。

【００４９】（比較例３）実施例１、２および比較例
１、２と同様な構成で比較例１、２と同様に上層の液体
を使用せず実施例２のシールド用のオイルとして使用し
たセバシン酸ジオクチルのみとして、ステータコイルに
通電して回転軸を３００００ｒｐｍで回転させたとこ
ろ、初期の消費電流値は２０５ｍＡであり、５００時間
経過後の消費電流値は２１３ｍＡであった。

【００５０】（実施例３）図２の装置において、潤滑用
の第１のオイルとしてパーフルオロポリエーテルを使用
し、シールド用の第２のオイルとしてはポリ−α−オレ
フィンを用いた。

【００５１】この構成によりステータコイルに通電して
回転軸を３００００ｒｐｍで連続回転させたところ、初
期の消費電流値は１８３ｍＡ、５００時間経過後の電流
値は１８５ｍＡであり良好な作動状態を示した。

【００５２】（実施例４）実施例３と同様な構成でシー
ルド用の第２のオイルにセバシン酸ジオクチルを使用し
た。

【００５３】この構成によりステータコイルに通電して
回転軸を３００００ｒｐｍで連続回転させたところ、初
期の消費電流値は１８６ｍＡ、５００時間経過後の電流
値は１９２ｍＡであり良好な作動状態を示した。

【００５４】以上説明した実施例と比較例をまとめると
以下の表１のようになる。

【００５５】

【表１】 Ｆ ：パーフルオロポリエーテル ＰＡＯ：ポリ−α−オレフィン Ｅ ：セバシン酸ジオチクル 図３は第１の実施の形態による偏向走査装置全体を示す
もので、これは、レーザ光等の光ビーム（光束）を発生
する光源５１と、前記レーザ光を回転多面鏡１の反射面
１ａに線状に集光させるシリンドリカルレンズ５１ａと
を有し、前記光ビームを回転多面鏡１の回転によって偏
向走査し、結像光学系である結像レンズ系５２を経て回
転ドラム上の感光体５３に結像させる。結像レンズ系５
２は球面レンズ５２ａ、トーリックレンズ５２ｂ等を有
し、感光体５３に結像する点像の走査速度等を補正する
いわゆるｆθ機能を有する。

【００５６】前記モータによって回転多面鏡１が回転す
ると、その反射面１ａは、回転多面鏡１の軸線まわりに
等速で回転する。前述のように光源５１から発生され、
シリンドリカルレンズ５１ａによって集光される光ビー
ムの光路と回転多面鏡１の反射面１ａの法線とがなす
角、すなわち該反射面１ａに対する光ビームの入射角
は、回転多面鏡１の回転とともに経時的に変化し、同様
に反射角も変化するため、感光体５３上で光ビームが集
光されてできる点像は回転ドラムの軸方向（主走査方
向）に移動（走査）する。

【００５７】結像レンズ系５２は、回転多面鏡１におい
て反射された光ビームを感光体５３上で所定のスポット
形状の点像に集光するとともに、該点像の主走査方向へ
の走査速度を等速に保つように設計されたものである。

【００５８】感光体５３に結像する点像は、回転多面鏡
１の回転による主走査と、感光体５３を有する回転ドラ
ムがその軸まわりに回転することによる副走査に伴なっ
て、静電潜像を形成する。

【００５９】感光体５３の周辺には、感光体５３の表面
を一様に帯電するための帯電装置、感光体５３の表面に
形成される静電潜像をトナー像に顕像化するための現像
装置、前記トナー像を記録紙に転写する転写装置（いず
れも不図示）等が配置されており、光源５１から発生す
る光ビームによる記録情報が記録紙等にプリントされ
る。

【００６０】検出ミラー５４は、感光体５３の表面にお
ける記録情報の書き込み開始位置に入射する光ビームの
光路よりも主走査方向上流側において光ビームを反射し
て、フォトダイオード等を有する受光素子５５の受光面
に導入する。受光素子５５はその受光面が前記光ビーム
によって照射されたときに、走査開始位置（書き出し位
置）を検出するための走査開始信号を出力する。

【００６１】光源５１は、ホストコンピュータからの情
報を処理する処理回路から与えられる信号に対応した光
ビームを発生する。光源５１に与えられる信号は、感光
体５３に書き込むべき情報に対応しており、処理回路
は、感光体５３の表面において結像する点像が作る軌跡
である一走査線に対応する情報を表す信号を一単位とし
て光源５１に与える。この情報信号は、受光素子５５か
ら与えられる走査開始信号に同期して送信される。

【００６２】なお、回転多面鏡１、結像レンズ系５２等
は光学箱５０に収容され、光源５１等は光学箱５０の側
壁に取り付けられる。光学箱５０に回転多面鏡１、結像
レンズ系５２等を組み付けたうえで、光学箱５０の上部
開口に図示しないふたを装着する。

【００６３】

【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているの
で、次に記載するような効果を奏する。

【００６４】軸受間隙の動作流体として低粘度のオイル
を用いることで軸受性能を大幅に向上させるとともに、
このようなオイルの揮発や変質を防ぎ、すぐれた軸受性
能を長期間にわたって安定して維持する動圧軸受装置を
実現できる。このような動圧軸受装置を回転多面鏡の軸
受部等に用いることで、偏向走査装置の高性能化と長寿
命化に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態による偏向走査装置の主要部
を示す模式部分断面図である。

【図２】第２の実施の形態による偏向走査装置の主要部
を示す模式部分断面図である。

【図３】偏向走査装置全体を説明する図である。

【図４】一従来例による偏向走査装置の主要部を示す模
式部分断面図である。

【符号の説明】

１ 回転多面鏡 ３，２３ スリーブ ４ 回転軸 ４ａ，４ｂ 浅溝 ６ ロータマグネット ８ ステータコイル １０ スラスト板 １１ 第１のオイル １２ 第２のオイル ２３ａ 大径部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的に回転自在に嵌合する軸部材およ
   びスリーブ部材と、前記軸部材または前記スリーブ部材
   と一体的に結合された回転部材を有し、前記軸部材と前
   記スリーブ部材の間の軸受間隙に、粘度の異なる２層の
   液体が充填されていることを特徴とする動圧軸受装置。
2. 【請求項２】 軸受間隙に、粘度の異なる２つの液体が
   上層と下層に分離した状態で充填されていることを特徴
   とする請求項１記載の動圧軸受装置
3. 【請求項３】 上層の液体の粘度が下層の液体の粘度よ
   り大であることを特徴とする請求項２記載の動圧軸受装
   置。
4. 【請求項４】 上層の液体の比重が下層の液体の比重よ
   り小であることを特徴とする請求項２または３記載の動
   圧軸受装置。
5. 【請求項５】 上層の液体の揮発性が下層の液体の揮発
   性より小であることを特徴とする請求項２ないし４いず
   れか１項記載の動圧軸受装置。
6. 【請求項６】 軸部材およびスリーブ部材のうちの少な
   くとも一方が、動圧発生用の浅溝を備えていることを特
   徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の動圧軸受
   装置。
7. 【請求項７】 スリーブ部材が、軸受間隙の所定の部位
   の間隙寸法を拡大する大径部を備えており、前記軸受間
   隙の前記所定の部位に上層の液体が充填されていること
   を特徴とする請求項２ないし６いずれか１項記載の動圧
   軸受装置。
8. 【請求項８】 軸部材が、軸受間隙の所定の部位の間隙
   寸法を拡大する小径部を備えており、前記軸受間隙の前
   記所定の部位に上層の液体が充填されていることを特徴
   とする請求項２ないし６いずれか１項記載の動圧軸受装
   置。
9. 【請求項９】 下層の液体が、低粘度のフッ素系オイル
   であることを特徴とする請求項２ないし８いずれか１項
   記載の動圧軸受装置。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし９いずれか１項記載の
    動圧軸受装置によって回転支持された回転多面鏡と、こ
    れを回転駆動するモータと、前記回転多面鏡に向かって
    光ビームを発生させる光源を有する偏向走査装置。