JP2005092132A - 回転多面鏡の製造方法、回転多面鏡、それを用いた光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ及び軸受けに対する負荷を小さくし、コスト上昇を抑えることが可能な回転多面鏡を実現する。
【解決手段】軸受けによって支持され、回転駆動されることにより光束を偏向する回転多面鏡の製造方法であって、複数の多面体を回転軸方向に配置し、前記複数の多面体は外接円半径より小径となる円筒部を複数持つように加工する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザプリンタ、デジタル複写機、レーザファックス等の画像形成装置の光書込みユニットに利用される回転多面鏡に関する。

光走査装置を用いる画像形成装置に用いられる回転多面鏡としては、従来から各種のものが知られている（特許文献１、２）
近年、画像形成装置の高速プリント化、高画質化がますます進んできている。それに伴い、走査光学系で用いられる回転多面鏡を２５０００ｒｐｍ回転以上という高速、高精度に回転させる必要が生じている。

画像形成装置では、回転多面鏡や定着装置による発熱の影響で、走査装置内のレンズや光源に位置ズレや「屈折率等の光学特性の変化」が生じる。これにより、被走査面上においてレーザビームのスポット位置ズレや走査線曲がりといった現象が起きる。

また、回転多面鏡の高負荷化に伴い、消費電力の増加はもちろん、発熱により上記以外の問題も生じてくる。具体的には、回転多面鏡の発熱による温度上昇が回転体構成部品の微移動を誘発し、回転体のバランスが変化することで振動が発生する。ここで述べる回転体とは、回転多面鏡、ロータ磁石が固定されているフランジ、軸などで構成されている。つまり、回転体を構成している部品間で熱膨張率が異なっていたり、また一致していても部品公差や固定方法を厳密に管理しないとこの問題は発生してしまう。

従来の回転多面鏡は、回転軸方向に大きく、かつ、各鏡面が回転軸方向全般に渡って平面に形成されているため、質量が大きくなるという問題がある。また、回転多面鏡の各鏡面の境界が直線的で各コーナーにおける空気抵抗が大きいため、風損が大きくなるという問題もある。

回転多面鏡は、その質量や風損が大きくなるほど、回転多面鏡を駆動するモータ及び軸受けへの負荷が大きくなり、立ち上がり時間も長くなることから、定常電流、起動電流が大きくなって発熱量も大きくなる。さらに空気抵抗が大きいと風切り音も大きくなる。従来の回転多面鏡を用いる場合、以上のことから騒音防止構造や排熱構造が必要となり、コストアップの要因となってくる。

特開２００１−４９４８ 特開２００２−３２３６６８

この発明は、上述した問題点に鑑み、モータ及び軸受けに対する負荷を小さくし、コスト上昇を抑えることが可能な回転多面鏡の実現、この回転多面鏡を用いた光走査装置・画像形成装置の実現を課題とする。

この発明の回転多面鏡の製造方法は「軸受けによって支持され、回転駆動されることにより光束を偏向する回転多面鏡」の製造方法であって、複数の多面体を回転軸方向に配置し、前記複数の多面体は外接円半径より小径となる円筒部を複数持つように加工することを特徴とする（請求項１）。

この発明の回転多面鏡は、軸受けによって支持され、回転駆動されることにより光束を偏向する回転多面鏡であって、複数の多面体を回転軸方向に配置し、前記複数の多面体は外接円半径よりも小径となる円筒部を複数有することを特徴とする（請求項２）。

この請求項２記載の回転多面鏡は、軸受けを動圧軸受けで構成し、回転体の重心が動圧軸受け内、かつ多面体の上下端面の間にあることができる（請求項３）。

請求項２または３記載の回転多面鏡は、複数の多面体を単一の素材によって構成することができる（請求項４）。

請求項２〜４の任意の１に記載の回転多面鏡は、前記複数の多面体の軸方向中心間隔を５ｍｍ以下とすることができる（請求項５）。

この発明の光走査装置は、１以上の光束を偏向することで走査する光走査装置において、請求項２乃至５の何れかに記載の回転多面鏡を用いることを特徴とする（請求項６）。

この発明の画像形成装置は、潜像担持体に光走査によって潜像を形成することで所望の記録画像を得る画像形成装置において、請求項６記載の光走査装置を用いることを特徴とする（請求項７）。

この発明の回転多面鏡は、複数の多面体を回転軸方向に配置し、複数の多面体間は外接円半径よりも小径となる円筒部を複数有する構成により、風損を有効に軽減し、回転時の消費電力を大幅に低減でき、騒音の発生も有効に軽減できる。

また、軸受けを動圧軸受けで構成し、回転体の重心を動圧軸受け内、かつ多面体の上下端面の間とすることによっては、高速回転時における軸受け騒音や回転ムラを極めて少なくでき、複数の多面体を単一の素材によって構成することによっては、各々の多面体を固定する際にポリゴンミラーの破損、変形を防止することができる。さらに、複数の多面体の軸方向中心間隔を５ｍｍ以下とすることによっては、軸受けの偏磨耗による寿命劣化をの不具合を防止できる。

以下、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、回転多面鏡の主要部を示すもので、ラジアル軸受けは、軸受けシャフト１０の外径と固定スリーブ１１内に配置された軸受け部材１２によって動圧軸受けを構成している。（軸受け部材１２は含油燒結部材で構成され、含油動圧軸受けを構成する。）
ポリゴンスキャナ１の軸方向に離間したミラー部を形成する多面体２a、２b、２c、２dには、それぞれ各色に対応した複数のレーザビームが軸方向に配置されて４面に入射し、高速偏向走査される。

ポリゴンスキャナ１について詳述すると、軸受けシャフト１０は、マルテンサイト系のステンレス鋼からなり、軸受けシャフト１０の上部外周がミラー部を形成するポリゴンミラー反射面２a、２b、２c、２dを有するアルミ純度９９．９％以上のポリゴンミラー３の内径部４に「焼き嵌め固定」されている。マルテンサイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２）は、焼入れ可能で表面高度を高くすることができ、軸受けシャフトとしては耐磨耗性が良好で適している。

ポリゴンミラー３の下部にはロータ磁石１３が固定され、ステータコア１４とともにアウタロータ型のブラシレスモータを構成している。ミラー部を形成するポリゴンミラー反射面２a、２b、２c、２dの反射面は、所定のレーザビームを偏向することが十分な軸方向の長さ（厚み）、具体的には１〜３ｍｍを有している。反射面の軸方向の厚みが１ｍｍより小さいと反射面部が薄板状となるため、鏡面加工時の剛性が低く平面度が悪化する。逆に上記厚みが３ｍｍより大きくなると回転体としての慣性が大きくなり、長い起動時間を必要とするようになる。

ポリゴンスキャナ１の反射面相互の間の空間部５（軸方向長さｘ、ｙ、ｚ）は「多面体２a、２b、２c、２dの外接円径よりも小径な形状」とすることにより、風損の低減を図っている。空間部５による風損は、最大外周円径で決まり、外接円部の角部が大きく影響する。したがって、風損に対して角部を丸めることで風損軽減効果を得ることができる。

一方、内接円径よりも小径にすることで、風損を「より小さく」することも可能であるが、空間部５は回転方向の両側を多面体部に挟まれているため、風損低減効果は相対的に小さくなる。ポリゴンスキャナの空間部５に対して外接円径と空間部５の最大外形との差は、加工性を考慮して５倍以下となるように設定されている。５倍以上の場合、掘り込み量が多くなるため加工バイトの寿命が短くなり、加工時間が長くなってしまう。

軸方向長さｚは、ポリゴンミラー３のバランス修正時に、円周溝６に接着剤を塗布する必要があるため、作業性を考慮して１ｍｍに設定している。１ｍｍより小さい場合、接着剤塗布機の先端と盛り上がった接着剤がポリゴンミラーに接触し、ミラー部の破損、汚損の原因となることがある。円周溝６を反対面に設けることも考えられるが、回転体を軸受け部材１２から外したりするなど脱着工程が必要となってくるため、油の飛散等により軸受けの劣化を誘発してしまうため現実的でない。

図３は、空間部５を設けることで回転上昇とともに増大する風損を効果的に低減することができた結果を示す。図３において「本実施例」とあるのは、図１に示すｘ、ｙ、ｚ、Ｘ、Ｙ、Ｚがｘ＝ｙ＝ｚ＝１ｍｍ、X＝Y＝Z＝５ｍｍの場合である。（X、Y、Zはポリゴンミラー中心間隔である。）図３において「単一面」とあるのは、「本実施例」のｘ＝ｙ＝ｚ＝０ｍｍとした例である。特に２５０００ｒｐｍ以上の回転領域になると、「本実施例」は「単一面」の場合に比して消費電力が半分以下となり、風損低減効果が高いことを示している。なお、消費電力の低減とともに風切り音も当然減少する。

ポリゴンミラー中心間隔X、Y、Zは、ポリゴンミラー反射面２a、２b、２c、２dより偏向された後に偏向光束が通るｆθレンズの上下間隔によって決定されるが、５ｍｍ以下となる場合、回転体の全高が高くなり、回転体の重心位置が軸受け内７の上方に配置され、軸受けの偏磨耗による寿命劣化という不具合が生じ易い。このような観点から重心位置は軸受け内７の中央には位置することが最も良い。

一方、ポリゴンミラー中心間隔X、Y、Zが狭いほど回転体としての表面積が小さくなるので風損をより小さくできる反面、３ｍｍより小さくなるとポリゴンミラーで偏向した後の光束の光路を、各色に相当感光体へ分離する反射ミラーを配置することが困難となる。なお、ポリゴンミラー中心間隔X、Y、Zも同一である必要はなく、例えば重心位置よりも離れた位置となるXを「他よりも小さくする」ことによって、回転体の重心を下方に下げ軸受け内７よりも中央部に近接することが可能となる。

本構造は、従来のように「ポリゴンミラーを板バネ等の固定部材により軸に固定する必要がない」ことから、固定圧力によるポリゴンミラー反射面への歪みがなくなるという利点がある。

ポリゴンミラー３に設けられた円周溝６、８は、回転体の軽量化（これによってイナーシャ低減、質量低減による軸受け磨耗劣化の抑制や起動時間の短縮といった効果がある。）の他にバランス修正用の接着剤塗布部に使用される。ロータ磁石１３は樹脂をバインダーとして使用したボンド磁石であり、ロータ磁石１３の外径部には高速回転時の遠心力による破壊が発生しないように、ポリゴンミラー３が外径を保持している構造である。ロータ磁石１３を圧入固定することにより接着剤固定時に発生する接着層の介在がないため、高温環境においても固定時の微移動を生じることなく、回転体バランスの高精度維持、かつ一層の高速回転が可能となる。

ロータ磁石１３はアルミマンガン系の磁石でも良く、アルミ純度９９．９％以上の高純度アルミのポリゴンミラー３と表面を硬化処理、又は潤滑処理したアルミ合金製の軸受けシャフトで構成することにより、回転体を全てアルミ合金とし、各部品間の熱膨張差を等しくし、温度上昇に伴う部品間の微移動を防止することで回転体の高精度バランスを維持できる。アルミマンガン系の磁石は機械強度が高く、高速回転時の遠心力にも強いこと、高純度アルミはポリゴンミラー反射面２a、２b、２c、２dの反射率が高いこと、アルミ合金シャフトはステンレスよりも軽量化ができるという効果がある。

ところで、画像形成装置を小型化するために光走査装置は軸鉛直に対して傾斜して使用され、その際にも回転体の重心を軸受け間に配置することにより、傾斜使用に対しても軸受けの偏磨耗を抑制することができる。

次に、本実施形態の動圧軸受けについて詳細に説明する。

本実施形態のラジアル軸受けは、軸受けシャフト１０の外径と固定スリーブ１１内に配置された軸受け部材１２によって動圧軸受けを構成している。２５０００ｒｐｍの高速回転でも燒結部材内に含油されている油の循環を効率良く行うために、図示されない動圧発生溝を設けている。動圧発生溝は、軸受けシャフト１０の外周面又は燒結部材の内周に施すのが良い。なお、動圧軸受け隙間は直径で１０μｍ以下に設定されている。また、ラジアル軸受けを動圧軸受けとしたことにより、玉軸受けで発生していた２５０００ｒｐｍ以上における軸受け騒音が無く、回転むらも非常に少なく回転精度が高くなる効果がある。

アキシャル方向の軸受けは、軸受けシャフト１０の下端面に形成された凸曲面１５と、その対向面にスラスト受部材１６を接触させるピボット軸受けである。スラスト受部材１６はマルテンサイト系ステンレス鋼やセラミック、又は金属部材表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理等の硬化処理をすることで磨耗紛の発生を極力抑えることができるので良い。また、モータコア１７とロータ磁石１３との径方向の磁気吸引力で回転体をアキシャル方向に支持することもできる。この場合、回転体の質量以上の磁気吸引力を発生するため、ロータ磁石１３を希土類磁石やモータコア１７と磁気ギャップを狭小化することで所望の支持力を得ることができる。

２５０００ｒｐｍ以上の高速回転では振動を小さくするために回転体のバランスを高精度に修正かつ維持しなければならない。回転体にはアンバランス修正部があり、重心Ｇを挟んで上側はポリゴンミラー３の円周溝８、下側は円周溝６の各々に接着剤を塗布することでバランス修正を行う。アンバランス量は１０ｍｇ・ｍｍ以下が必要であり、例えば半径１０ｍｍの箇所で修正量は１ｍｇ以下に保たれている。なお、上記のような微小な修正を行う際に接着剤等の付着物では管理がしにくい場合や、量が少ないために接着力が弱く４００００ｒｐｍ以上の高速回転時に剥離、飛散してしまう場合は、回転体の部品の一部をドリルによる切削やレーザ加工等によって削除すると良い。

本実施形態のモータ方式は、径方向に磁気ギャップを持ち、ステータコア１７の外径部にロータ磁石１３が配置されるアウタロータ型の方式である。回転駆動はロータ磁石１３の磁界によって回路基盤１８に実装されているホール素子１９から出力される信号を位置信号として参照し、図示しない駆動用ＩＣによりステータコア１４の励磁切替を行い、回転する。ロータ磁石１３は径方向に着磁されており、ステータコア１７の外周とで回転トルクを発生し、回転する。ロータ磁石１３は内径以外の外径及び高さ方向は磁路を開放しており、モータの励磁切替えのためのホール素子１９を開放磁路内に配置している。

磁気開放している理由は、磁性体（鉄板、ステンレス）を配置すると、ポリゴンミラー材質のアルミ合金と熱膨張差によりロータ磁石固定部が微移動し、高温時に回転体のバランスが変化するといった不具合が生じる。なお、ロータ磁石１３は磁気回路が開放されているので、回転体を囲う周辺は磁気シールド部材を配置したり、樹脂などの非導電性材料で構成するのが良い。

図１、図２に示すようにポリゴンミラーの反射面２a、２b、２c、２dは少なくとも軸受けシャフト１０とポリゴンミラー３が焼き嵌め固定された後に鏡面加工される。鏡面加工については、図１、図２のように軸受けシャフト１０の外径を基準として高精度に加工される以外に、ポリゴンミラー上端面２１又は下端面２２を基準として高精度に加工する方法がある。ただし、上端面２１又は下端面２２が基準の場合はあらかじめ軸外径中心に対する振れを５μｍ以下の高精度に加工しておく必要がある。これは、振れ精度は鏡面加工時の平面度、面倒れ品質に影響するからである。なお、ポリゴンミラー３のポリゴンミラー反射面部以外は内接円径よりも小径となっている（直径で０．１ｍｍ以上の小径であれば良い）。この理由は、鏡面加工時に切削用バイト（刃物）２３の先端がポリゴンミラー外径部に衝突しないように避けるためである。

ポリゴンミラー３は、金型（ダイキャスト、鍛造等）で反射面数に相当する多角柱状のブランクを作成し、その後、ポリゴンミラー３の軸受けシャフト１０が焼キバメ挿入される内径部４を高精度（円筒度3μｍ以下）に加工する。その後、複数の多面体の離間する空間部５及び周辺を切削加工する。この加工の際、内径の角形状をＲ状の丸みを設けてある（実際にはポリゴンミラー反射面２a、２b、２c、２dの厚み分の半径以下とするＲ形状が良い。例えば、ポリゴンミラー厚さ３ｍｍの場合、すみ部の半径３ｍｍ以下）。この理由は鏡面加工時、バイトの切削方向（図２の上下方向）に切削荷重がかかるため、その荷重に対して変形を小さくするために剛性を高める効果がある。

その後、軸受けシャフト１０を焼き嵌め固定し、ポリゴンミラー反射面部を鏡面加工する。鏡面加工時に発生する上下反射面部２a、２b、２c、２dの切削切り粉は各々の空間部５に逃げるので切り粉によるスクラッチの防止ができる。本工程により、従来は面倒れ特性を維持するために必要であったポリゴンミラー搭載面の平面度や直角度を高精度にする必要がなくなる。

図２は、軸受けシャフト１０の外径を基準に加工する実施形態について詳述する。軸受けとして使用する部分を全長、全周に保持し加工抵抗に対して保持力を高めている。外径保持は軸受け外径よりも僅かに広い内径を有する油圧縮径式の保持部材２５を使用する。保持部材は図示されない油圧機構により上昇する油圧により内周部２６が縮径し、頑固に軸受けシャフト１０を固定する。この保持方法は軸方向の保持力の偏りが起きにくいため、軸振れの発生が抑えられ高精度加工をする際の基準としては最適である。

上記軸外径を基準とする他の方法として、以下のような方法もある。ポリゴンミラー３の上下端面を基準とする方法であり、軸受けシャフトの外径がφ３ｍｍ以下の場合適している。φ３ｍｍ以下では、軸を保持する保持力が低下することと合わせて軸自体の剛性が低く、切削加工時の振れが大きく高精度加工が困難となるためである。端面と当接する部材の対向面は上下端面２１、２２とともに振れ精度を５μｍ以下とする必要がある。端面を基準とする方法は上方から一定の押圧力でポリゴンミラー３を固定する。なお、動圧軸受けを構成する流体の例として油の場合について示したが、軸受け部の温度が油の劣化を生じさせる７５℃以上の場合で使用するときや、運転時間が累積で３０００時間以上となるような高耐久が必要な場合は空気動圧軸受けが適している。

また、軸方向に離間した複数のレーザビームを入射するような画像形成装置の場合、同じ位相となる各段の反射面の形状を揃えるのが良い。各段の反射面の凹凸形状が異なる場合、各ビームに対応する各色の画像毎にズレが生じてしまい理想基準に対して、ずれる方向が異なってしまい、主走査方向の色ずれが発生してしまう。

図４は、本発明の実施の形態に係る回転多面鏡を備えた画像形成装置全体を説明するものである。この走査光学系は、互いに独立して変調された状態で光源部１００からから発した４本の光束を回転多面鏡２００によって同時に偏向する。

光源部１００は、半導体レーザとカップリングレンズとシリンドリカルレンズとにより構成される光源装置を４組有している。各半導体レーザから出射される光束は、カップリングレンズにより後の光学系に適合する光束形態に変換され、シリンドリカルレンズにより副走査方向に集束されて回転多面鏡２００に偏向反射面近傍に主走査方向に長い潜像として結像される。

回転多面鏡２００のポリゴンミラーの回転により、同一方向に偏向された４色分の偏向光束は、走査結像光学系のｆθレンズ群を構成する第１のレンズ３００を透過する。例えば、ブラック成分画像を書込む光束はミラー４００で反射され、ｆθレンズ群を構成する第２のレンズ５００を透過し、ハーフミラー６００を透過して被走査面の実態を成すドラム状の光導電性の感光体７００上に光スポットとして集光し、感光体７００を矢印方向に走査する。

ｆθレンズ群３００、５００の材質は、非球面形状が容易かつ低コストなプラスチック材質からなり、具体的には低吸水性や高透明性、成形性に優れたポリーカーボネートやポリカーボネートを主成分とする合成樹脂が良い。

イエロー、マゼンタ、シアンの各色成分画像を書込む光束もそれぞれ上記と同様に、ミラーで反射され、レンズを透過し、ハーフミラーを透過してドラム状の光導電性の感光体上に光スポットとして集光し、各色とも同一の矢印方向に走査される。この光走査により各感光体に対応する色成分画像の静電潜像が形成される。

これら静電潜像は、図示しない現像装置により対応する色のトナーで可視化され、中間転写ベルト８００上に転写される。転写の際、各色トナー画像は互いに重ね合わせられ画像を構成する。この画像は図示しないシート状記録媒体上ヘ転写され、定着される。画像転写後の中間転写ベルト８００はクリーニング装置でクリーニングされる。

即ち、この実施の形態において、上記説明した部分は、画像を構成する２以上の色成分画像に対応する複数の光源装置から放射された各光束を、ポリゴンミラー２００により偏向走査し、各偏向光束を走査結像光学系のレンズ３００、５００により、各色成分画像に対応する被走査面７００に向かって個別的に集光させて光走査を行い、各色成分画像の書込みを行う光走査装置である。複数の光源装置から出射され、ポリゴンミラー２００により同一方向に偏向された各光束は、走査結像光学系を構成する第一のレンズ３００を共通に透過する構成である。

各色の偏向光束はハーフミラーにより分離された部分が、走査領域の開始側Ａ、終了側Ｂで受光素子によって検出され、開始側での検出に基づき、各光束による書き込み開始の同期がとられる。また、図４に示すようにレンズ３００の直後には、走査線を補正する手段である液晶偏向素子９００が配置されている。液晶偏向素子９００は、ブラック成分画像を書込む光束は素通しさせ、イエロー、マゼンタ、シアンの各色成分画像を書込む光束に対しては、走査線曲がりの補正を行い、これらの光束の走査線曲がりを基準走査線曲がり、つまり、ブラック成分画像書込み用の光束の走査線曲がりに略合致させる。この方法により４色分の液晶偏向素子を採用したものに比べ、コスト面でも抑えることができる。

本発明の実施の形態は、アウタロータ型のブラスレスモータを用いているものであるがこれに限定されるものでなく、いかなるものでも適用できる。

ポリゴンスキャナの上視図及び断面図 ポリゴンスキャナ鏡面加工時の断面図 回転上昇時に増大する風損の比較結果 本実施形態の光走査装置の俯瞰図

符号の説明

１００ 光源部
２００ 回転多面鏡（ポリゴンミラー）
３００ 第１のレンズ
４００ ミラー
５００ 第２のレンズ
６００ ハーフミラー
７００ 感光体
８００ 中間転写ベルト
９００ 液晶偏向素子

Claims (7)

1. 軸受けによって支持され、回転駆動されることにより光束を偏向する回転多面鏡の製造方法であって、複数の多面体を回転軸方向に配置し、前記複数の多面体は外接円半径より小径となる円筒部を複数持つように加工する回転多面鏡の製造方法。
2. 軸受けによって支持され、回転駆動されることにより光束を偏向する回転多面鏡であって、複数の多面体を回転軸方向に配置し、前記複数の多面体は外接円半径よりも小径となる円筒部を複数有することを特徴とする回転多面鏡。
3. 前記軸受けを動圧軸受けで構成し、回転体の重心は動圧軸受け内、かつ多面体の上下端面の間にあることを特徴とする請求項２記載の回転多面鏡。
4. 前記複数の多面体を単一の素材によって構成することを特徴とする請求項２または３記載の回転多面鏡。
5. 前記複数の多面体の軸方向中心間隔を５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項２乃至４何れかに記載の回転多面鏡。
6. 光束を偏向することで走査する光走査装置において、請求項２乃至５の何れかに記載の回転多面鏡を用いることを特徴とする光走査装置。
7. 潜像担持体に光走査によって潜像を形成することで所望の記録画像を得る画像形成装置において、請求項６記載の光走査装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
   

Images