JP2005331721A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体の高速回転時の駆動トルクを低減し、等速回転で安定した回転性能が得られる光偏向器を提供する。
【解決手段】 側面に複数の光反射面を有する多角柱状の回転多面鏡２１と、回転多面鏡２１と一体となって回転する回転部材から成る回転体、及び回転体を囲むとともに、回転多面鏡２１の光反射面に光ビームＬを導光する開口部が形成された保護ケース３２と、を備えて成る光偏向器２０において、回転体から近接距離５ｍｍ以下の範囲内に保護ケース３２の内壁を配置した光偏向器。
【選択図】 図４

Description

本発明は、レーザビームプリンタ、レーザ複写機、レーザファクシミリ等の画像形成装置やバーコードリーダ等に用いられる光偏向器に関するものである。

レーザビームプリンタ等の画像形成装置においては、その画像の書き込み手段として読み取った情報を基にレーザ光を等速回転する回転多面鏡に入光させ、反射光を走査させて感光体面に投影し画像記録を行っている。

回転多面鏡は低速回転の場合には、駆動モータの回転軸に直接固定して使用されるが、高速回転となると回転多面鏡を外筒部材に固定し、固定配置された内筒部材に対して触れることなく浮き上がった形で回転する空気動圧軸受（エアベアリング）を用いての駆動回転が行われる。また、空気動圧軸受は、非接触で回転するため、長寿命、低騒音などの利点がある。

空気動圧軸受は、支持ベース部材上に固定された下スラスト板、固定軸受部材、上スラスト板と、回転多面鏡を固定して回転可能な回転軸受部材とにより構成されている。回転多面鏡は、基台上に固定されたマグネットコイルと、回転多面鏡と一体となりロータを構成する磁石とから成る駆動モータにより駆動回転される。

支持ベース部材上に固設した固定軸受部材に対向して回転する回転軸受部材を有するロータユニットは、ラジアル動圧軸受部において相互の間でのラジアル動圧回転が行われる。また、固定軸受部材の両軸端部には、固定軸受部材の軸と垂直面をなすスラスト板が固定されていて、上下に位置した上スラスト板と下スラスト板に挟まれた形で回転する回転軸受部材は、上下のスラスト動圧軸受部においてスラスト動圧回転が行われる。

マグネットコイルと磁石とから成る駆動モータによるロータの回転時には、ロータは動圧軸受に触れることなく、空中に浮き上がった非接触状態で、円滑な高速回転が持続される。

ロータの回転に伴って回転多面鏡も回転し、半導体レーザから射出されたレーザビームは感光体に向けて偏向走査する。

回転多面鏡の周辺の空気流を整流して回転を安定化し、回転多面鏡の回転に伴う風切り音を低下させるとともに発生する騒音を低減させる公知技術としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に開示されている。

特許文献１に記載の光偏向器は、回転多面鏡の回転空間を回転多面鏡の回転中心と一致する中心を有する円筒形状に形成したものである。

特許文献２に記載の光偏向器は、回転多面鏡を覆う保護ケースの内部に複数のセグメント内壁を設け、回転多面鏡とセグメント内壁との間に複数の空気流路を形成し、これらの空気流路に流れる圧力変動に伴う空気流が相互に干渉して圧力変動を減衰するものである。

特許文献３に記載の光偏向器は、回転多面鏡の光反射面と対向するカバーの内周面を回転体の回転中心軸と同軸の円筒状に形成するとともに、開口部をカバーの円筒状の内周面所定箇所に形成し、回転体の回転中心軸方向の開口部の長さを回転多面鏡の板厚に対して＋１ｍｍ以下に設定するものである。

特許文献４に記載の光偏向器は、カバーの開口部近傍の内周壁に突起を設ける事により、回転多面鏡が同位相で圧力変動しない構成にしたものである。
特開平８−５９４７号公報 特開２００１−２４９２９８号公報 特開平７−３０６３７３号公報 特開平１０−２２１６３０号公報

従来の光偏向器においては、回転多面鏡を含む回転体を空気動圧軸受により高速回転させると、負荷となる風損が大きいため、回転が不安定となり、ジッタ特性が悪化するという問題がある。

また、回転多面鏡の等速回転時の速度ムラを解消するため、回転多面鏡を含む回転体の質量を増して慣性力を増大させると、光偏向器の起動特性が低下する。

更に、回転多面鏡を収容する保護ケースと、回転多面鏡の外周面の回転軌跡との距離が不均一なため、回転多面鏡が１回転する間に、空気抵抗の変化により、回転多面鏡の回転が不安定になり、ジッタ特性が悪化するという問題がある。

特許文献１に記載された光偏向器では、防音ガラス近傍において大きな圧力変動を発生するために、騒音に対する効果が無いことが明らかである。

特許文献２に記載された光偏向器では、圧力変動に関してはむしろ助長する効果が発生し、広帯域騒音を生成するとともに、空間を拡げるためにトルクが増大する事は明らかである。

特許文献３に記載された光偏向器では、空間を必要最低限にするという意味でトルク低減に寄与するが、乱流を抑制するという効果は認められない。

特許文献４に記載された光偏向器では、ポンプなどで用いられる手法で、ファンなどにも用いられている技術であり、「回転多面鏡の面数×回転数」の周波数卓越音を低減するものである。

上述の特許文献では、回転体の高速回転時の回転トルクの低減と風切り音の低減技術が記載されているが、本発明は、これらと異なる全く別のアプローチで著しい騒音低減効果を発揮するものである。

本発明は、光偏向器における上記の問題点を解消するものである。即ち、保護ケース内部の流体容積を少なくする事により、光偏向器の等速回転で安定した回転性能、高速回転時の回転トルクの低減、風切り音の低減が得られる光偏向器を提供することを目的とするものである。また、保護ケースと同程度の騒音減衰効果を防音ガラスにもたせる事により、優れた遮音効果が得られる光偏向器を提供することを目的とするものである。

請求項１に記載の発明の光偏向器は、側面に複数の光反射面を有する多角柱状の回転多面鏡と、該回転多面鏡と一体となって回転する回転部材から成る回転体、及び該回転体を囲むとともに、前記回転多面鏡の光反射面に光ビームを導光する開口部が形成された保護ケースと、を備えて成る光偏向器において、前記回転体から近接距離５ｍｍ以下の範囲内に前記保護ケースの内壁を配置したことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明の光偏向器は、回転多面鏡の回転空間を遮蔽する保護ケースに形成された開口部を遮蔽して、前記回転多面鏡の光反射面に対して光ビームを入射及び射出させる防音ガラスの板厚ｔを、前記保護ケースの壁面の平均厚みＷに対して、以下の範囲に設定したことを特徴とするものである。
０．３×Ｗ＜ｔ＜Ｗ

本発明は、上述のように構成されているので、以下に記載する効果が得られる。

（１） 回転体の表面から保護ケースの内壁までの空間距離を短くして、保護ケース内部の流体容積を少なくすることで、流体の運動を押さえる事が可能である。流体の粘性と回転多面鏡を支持して回転する回転体が受ける圧力とにより、回転体と回転多面鏡が受けるトルクは、保護ケースと回転多面鏡との空間に依存するから、保護ケース内部の流体容積を少なくして流体の運動を抑制する事により、回転体のトルクを減少させ、回転駆動のための消費電力の低減が可能である。また、このように構成にすることにより、騒音低減、回転むらの低減が達成される。

（２） 回転多面鏡の高速回転時に発生する風切り騒音が、防音ガラスを通して外部に放出する事が防止される静音化された光偏向器を提供できる。

［光走査装置］
本発明の光偏向器を備えた光走査装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。

レーザプリンタ等の画像形成装置においては、その画像の書き込み手段としての光走査装置を有し、読み取った情報を基に光ビームを光偏向器の高速回転する回転多面鏡に入光させ、反射光を走査させて像担持体の感光体面に投影して画像記録を行う。

図１は保護カバーを外した状態の光走査装置１０の一実施の形態を示す斜視図である。

図１において、１１は光走査装置本体、１２はｆθレンズ、１３は第２シリンドリカルレンズ、１４はカバーガラス、１５は半導体レーザ、１６はコリメートレンズ、１７は第１シリンドリカルレンズ、１８はタイミング検出用のインデックスミラー、１９は同期検知用のインデックスセンサ、２０は回転多面鏡２１等から成る光偏向器である。

上記の光偏向器２０、及び走査光学系光学部材１２〜１９は、光走査装置本体１１内の所定位置に配置、固定されている。

半導体レーザ１５から射出した光ビームＬは、コリメートレンズ１６により平行光になり、次いで第１結像光学系の第１シリンドリカルレンズ１７を透過して回転多面鏡２１に入射する。回転多面鏡２１の反射光は、ｆθレンズ１２、第２シリンドリカルレンズ１３から成る第２結像光学系を透過し、カバーガラス１４を通過して像担持体１の周面上に、所定のスポット径で、副走査方向に所定ピッチずれた状態で走査する。なお、主走査方向は図示しない調整機構により、既に微調整してある。１ライン毎の同期検知は、走査開始前の光束をインデックスミラー１８を介して、インデックスセンサ１９に入射させる。

回転多面鏡２１を回転体として高速回転する光偏向器２０では、回転体（ロータユニット）と非回転体（ステータユニット）との間に空気動圧軸受を設けて、回転体が高速回転される。

［光偏向器］
図２（ａ）は光偏向器２０の水平断面図、図２（ｂ）は光偏向器２０のＡ−Ａ断面図である。

光偏向器２０は、ロータユニットとステータユニットとから構成されている。

光偏向器２０の高速回転を行うユニットであるロータユニットは、回転多面鏡２１、回転軸を中心とした円筒状の回転軸受部材（以下、外筒部材と称す）２２、外筒部材２２の外周面を固定し回転多面鏡２１の内周面に嵌合する回転多面鏡保持部材２３、回転多面鏡２１の上面を押さえる押さえ部材２３Ａ、回転駆動用の磁石２４、ロータヨーク２４Ａから成る。

外筒部材２２の内径は、ステータユニットの固定軸受部材（以下、内筒部材と称す）２６の外径より、数μｍの調整された微小間隔だけ大きい。この外筒部材２２の内周面と内筒部材２６の外周面とで、ラジアル動圧軸受部を構成している。この外筒部材２２は、アルミナ、窒化珪素等のセラミックにより成形されていることが、安定した回転を得る上で好ましい。

また、外筒部材２２の上端面は、上スラスト板２７のスラスト面と対向し、上スラスト動圧軸受部を構成している。同じく外筒部材２２の下端面は下スラスト板２８のスラスト面と対向し、下スラスト動圧軸受部を構成している。

対向したスラスト動圧軸受部のスラスト面には、動圧発生溝が形成されている。ロータユニットは本体固定部に対しスラスト動圧軸受部においてスラスト回転が行われる。

回転多面鏡保持部材２３と回転多面鏡２１とは、等しい熱膨張係数を有する同じ材料、例えばアルミニウム合金により形成されている。

支持基体２５に直立した円柱形状のラジアル軸部２５ａの外側には、円筒形状をした内筒部材２６が固設され、ラジアル軸部と内筒部材２６とでラジアル固定部材を構成している。内筒部材２６はアルミナ、窒化珪素等のセラミック材料で形成される。

内筒部材２６の上下端部には、支持基体２５のラジアル軸部２５ａのほぼ垂直方向に、円板状をした上スラスト板２７と、下スラスト板２８とが固設され、スラスト固定部材を構成している。上スラスト板２７と下スラスト板２８は、アルミナ、窒化珪素等のセラミック材料で形成される。内筒部材２６、上スラスト板２７、下スラスト板２８は、ラジアル軸部２５ａに装着後、ネジ２５Ｓにより固定される。

ベース部材３１の上面には、複数のマグネットコイル２９を同一面上に配置したプリント基板３０が取り付けられている。２９Ａは、マグネットコイル２９に対向するステータヨークである。

支持基体２５、内筒部材２６、上スラスト板２７、下スラスト板２８、マグネットコイル２９、ステータヨーク２９Ａ、プリント基板３０、ベース部材３１は一体となってステータユニットを形成している。

ステータユニットに装着されたロータユニットは、外筒部材２２の回転中心に対して、回転多面鏡２１及び回転多面鏡保持部材２３が正確に回転し、動的バランスが最小限に修正可能である。

［光偏向器の保護ケース］
図３（ａ）は光偏向器２０の水平模式断面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ模式断面図である。

回転多面鏡２１、回転多面鏡保持部材２３、上スラスト板２７はロータユニットを形成し、磁石２４とマグネットコイル２９によって高速回転される。上スラスト板２７、回転多面鏡保持部材２３、磁石２４等から成る光偏向器の回転体は、回転多面鏡２１を保持して高速回転する。

支持基体２５等から成るステータユニットは空気動圧軸受を介して回転体を回転可能に支持している。

光偏向器２０を収容する保護ケース３２内には、回転多面鏡２１を回転自在に収容する回転空間３２Ａが形成されている。回転空間３２Ａは回転多面鏡２１の回転中心とほぼ一致する中心を有するほぼ円筒形状に形成されている。

保護ケース３２には、回転多面鏡２１に対して光ビームＬを入射、出射させる開口部３２Ｂが穿設されている。開口部３２Ｂには防音ガラス３３が取り付けられている。開口部３２Ｂは、幅寸法が光ビームＬのビーム径より僅かに大きく形成され、長さ寸法が像担持体１への画像書き込みのために必要な走査角度を得られる寸法に形成されている。

図４は本発明に係る光偏向器２０の部分拡大模式断面図である。

本発明の光偏向器２０は、回転多面鏡２１を支持して回転する回転体の表面から保護ケース３２の内壁までの最近接距離ｐ（半径ｐの球形範囲）を５ｍｍ以下にした構成である。ここで回転体は、押さえ部材２３Ａ、回転多面鏡保持部材２３、磁石２４等の回転部材から成る。

即ち、回転多面鏡２１の上面に接する押さえ部材（回転部材）２３Ａの上面及び側面から最近接距離ｐ＝５ｍｍの球面範囲内に保護ケース３２の内壁が位置するように構成する。また、回転多面鏡２１の下面に接する回転多面鏡保持部材（回転部材）２３の下面及び側面から最近接距離ｐ＝５ｍｍの球面範囲内に保護ケース３２の内壁が位置するように構成する。更に、回転多面鏡保持部材２３の下面に接する磁石（回転部材）２４の側面から最近接距離ｐ＝５ｍｍの球面範囲内に保護ケース３２の内壁が位置するように構成する。

図５は、回転体を４５０００ｒｐｍの回転数で回転させた場合の最近接距離ｐ［ｍｍ］と回転体のトルク［Ｎｍ］との検討結果を示す特性図である。

回転多面鏡２１を含む回転体の回転数が大になると、トルクが増大し、駆動電力が上昇する。また、回転体の回転に伴って発生する騒音は回転数の６乗に比例し、回転数×回転多面鏡の面数の周波数成分音や、モータの励磁周波数音が顕著に表れる。

図５の特性図に示すように、最近接距離ｐ＝１０ｍｍ近傍では回転体のトルクは最近接距離ｐ＝３０ｍｍに比して下降傾向になり、特に、最近接距離ｐ＝５ｍｍ以下では、最近接距離ｐ＝１０ｍｍの場合のトルクに比して急激に低下し、そのトルクの低減効果が著しい。

［光偏向器の防音ガラス］
図３に示すように、回転多面鏡２１の回転空間３２Ａを遮蔽する保護ケース３２に形成された開口部３２Ｂには、回転多面鏡２１の光反射面に対して光ビームＬを入射及び射出させる防音ガラス３３が装着され、保護ケース３２の内部は密閉され、回転多面鏡２１の回転時の風切り音は遮蔽されて外部に漏出しない遮音構造になっている。

回転多面鏡２１の光反射面に対して光ビームＬを入射及び射出させる防音ガラス３３の板厚ｔを、保護ケース３２の壁面の平均厚みＷに対して、０．３×Ｗ＜ｔ＜Ｗの範囲に設定した。

図６は、６面の光反射面を有する回転多面鏡２１を４５０００ｒｐｍの回転数で回転させた場合のｔ／Ｗを横軸にとり、４．５ｋＨｚピーク音の騒音レベル［ｄＢ（Ａ）］を縦軸にとった騒音検討結果を示す特性図である。但し、騒音ピーク値は、防音ガラス３３の代わりに５ｍｍのアルミニウム合金壁があったものから差し引いた相対値である。

実験は、回転多面鏡２１の軸方向の蓋部材の直上３０ｃｍに集音マイクを取り付け、防音箱で測定した。

アルミニウム合金で形成した保護ケース３２の壁面の平均厚みＷを一定とし、防音ガラス３３の板厚ｔと平均厚みＷとの比（ｔ／Ｗ）を、０．１〜２．５まで変化させて実測した。

実験結果の特性図からも判るように、１０ｄＢ程度の差がつくのは、ｔ／Ｗ＝０．３程度である。音は対数で表現され、１０ｄＢ（Ａ）の差があると無視出来る。また、防音ガラス３３の板厚ｔが保護ケース３２の壁面の平均厚みＷとが、ｔ／Ｗ＝０．３からほぼ等しい範囲（ｔ＝Ｗ）までは遮音効果があるが、板厚ｔが平均厚みＷを超えても遮音効果があるが、あまり意味はない事が確認されている。

例えば、保護ケース３２の壁面の平均厚みＷが５ｍｍの場合、防音ガラス３３の板厚ｔを、１．５ｍｍ（ｔ＝０．３Ｗ）から、５ｍｍ（ｔ＝Ｗ）の範囲内に設定する。

以上、説明したように、本発明の回転多面鏡及び回転部材の回転により、発生する周囲の空気を整流し、高速回転中のジッタの変化が小さく抑えられて、トルクの減少、回転ムラや騒音発生の低減が達成される。

保護カバーを外した状態の光走査装置の一実施の形態を示す斜視図。 光偏向器の水平平面図、及び断面図。 光偏向器の水平模式断面図、及びＡ−Ａ模式断面図。 本発明に係る光偏向器の部分拡大模式断面図。 空間距離と回転体のトルクとの検討結果を示す特性図。 回転多面鏡の騒音検討結果を示す特性図。

符号の説明

１０ 光走査装置
２０ 光偏向器
２１ 回転多面鏡
３２ 保護ケース
２３ 回転多面鏡保持部材（回転部材）
２３Ａ 押さえ部材（回転部材）
２４ 磁石（回転部材）
２５ 支持基体
２６ 固定軸受部材（内筒部材）
２７ 上スラスト板
２８ 下スラスト板
３２ 保護ケース
３３ 防音ガラス
Ｌ 光ビーム
Ｗ 保護ケースの壁面の平均厚み
ｐ 最近接距離
ｔ 防音ガラスの板厚

Claims (2)

1. 側面に複数の光反射面を有する多角柱状の回転多面鏡と、該回転多面鏡と一体となって回転する回転部材から成る回転体、及び該回転体を囲むとともに、前記回転多面鏡の光反射面に光ビームを導光する開口部が形成された保護ケースと、を備えて成る光偏向器において、
   前記回転体から近接距離５ｍｍ以下の範囲内に前記保護ケースの内壁を配置したことを特徴とする光偏向器。
2. 回転多面鏡の回転空間を遮蔽する保護ケースに形成された開口部を遮蔽して、前記回転多面鏡の光反射面に対して光ビームを入射及び射出させる防音ガラスの板厚ｔを、前記保護ケースの壁面の平均厚みＷに対して、以下の範囲に設定したことを特徴とする光偏向器。
   ０．３×Ｗ＜ｔ＜Ｗ

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