JP2006259446A - 光偏向器、光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの磁極数とコイル数を、光偏向器用として最適化し、ブラシレスモータの消費電力及び発熱を低減し、回転むらを小さく抑える。
【解決手段】ロータ磁石１４の磁極数を６極とし、コイル１２ａの数を９コイルとする。コイルのリアクタンス（インダクタンス）による電圧降下が低減され、消費電力を低減が低減される。
【選択図】図８

Description

本発明は、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ装置またはこれらの複合機の光書き込み装置に用いられる光偏向器に関する。

デジタル複写機、レーザープリンタ等のレーザー書き込み装置を用いた電子写真方式の記録装置は、プリント速度の高速化および画素密度の高密度化にともない、２００００回転／分以上の高速回転をする光偏向器が実用化されている。これら光偏向器の回転駆動にはブラシレスモータが用いられ、本出願人は、先に以下のブラシレスモータを提案した。

すなわち、特許文献１では、ｎ極３ｎコイル型（ｎは偶数）の例として、４極１２コイル型の直流ブラシレスモータが開示されている。また、特許文献２に記載のブラシレスモータは、モータのロータ磁石の開放磁路側に磁性体を配置することにより、ロータ磁石から漏れる磁束が磁性体に引き付けられ、ロータ磁石の近傍に配置されている他の固定部材内に入り込む磁束が少なくなるため、他の固定部材での渦電流の発生が少なくなる。また、磁性体内で発生する渦電流も小さくなり、ブラシレスモータ全体の渦電流の発生が少なくなり、渦電流損失によるブラシレスモータの温度上昇が低減される。

特開２０００−０５０６０３号公報 特開２００１−２５１８３１号公報

しかし、上記した従来例においては、モータの磁極数とコイル数が、光偏向器用として最適化されていなかったため、消費電力及び発熱が大きかった。
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、モータの磁極数とコイル数を、光偏向器用として最適化し、ブラシレスモータの消費電力及び発熱を低減し、回転むらを小さく抑えた光偏向器を提供することにある。
さらに、本発明のブラシレスモータで構成される光偏向器を用いることで、モータ発熱によるレンズ等光学部品の温度変化が小さく、走査精度が高い光走査装置を提供し、低消費電力で高画質な画像形成装置を提供することにある。

本発明は、軸受により支持され、モータにより回転駆動される回転体に多面鏡が固定された光偏向器において、前記モータは、周方向６極に着磁をされて回転体に固定されたリング状の永久磁石と、前記永久磁石の回転位置を検出する回転位置検出手段と、ステータコアに９つのコイルが固定されたステータ組立体とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明（請求項１）によれば、コイルのリアクタンス（インダクタンス）による電圧降下を低減し、高速回転でのモータ効率を高め、消費電力を低減した光偏向器を提供できる。

本発明（請求項２）によれば、機械的強度が小さい永久磁石が高速回転による遠心力により破壊することがない光偏向器を提供できる。

本発明（請求項３）によれば、永久磁石の外周側に磁気を透過可能とした光偏向器を提供できる。

本発明（請求項４）によれば、永久磁石の磁力の利用効率を上げると同時に、回転体周辺の気流を整流して乱流を低減し、モータの消費電力及び発熱を低減すると同時に、回転むらを小さくした光偏向器を提供できる。

本発明（請求項５）によれば、コイル通電による磁気の影響を受けて、位置検出素子が永久磁石の磁極位置を誤検知することがない光偏向器を提供できる。

本発明（請求項６）によれば、位相比較制御のタイミングをミラー面数と対応させ、各ミラー面の走査速度ばらつきを小さく抑えた光偏向器を提供できる。

本発明（請求項７）によれば、位置検出素子でミラーの頂点位置を検知することができる光偏向器を提供できる。

本発明（請求項８）によれば、モータ部の風損を低減すると共に、モータ部一体でのミラー加工を容易として、ミラー面の高精度化を図った光偏向器を提供できる。

本発明（請求項９）によれば、多面鏡が軸方向に複数段形成され、カラーの画像形成装置に対応した光偏向器を提供できる。

本発明（請求項１０）によれば、永久磁石の磁極数とミラーの面数を一致させて、位相比較制御のタイミングをミラー面数と対応させ、各ミラー面の走査速度ばらつきを小さく抑えた光偏向器を提供できる。

本発明（請求項１１）によれば、光偏向器の反射面が高精度に維持され、走査ビーム形状が一定で安定した光走査装置を提供できる。

本発明（請求項１２）によれば、光偏向器の反射面が高精度に維持され、走査ビーム形状が一定で安定したマルチビーム光走査装置を提供できる。

本発明（請求項１３）によれば、光走査装置の走査ビームが一定で安定し、高画質な画像形成装置を提供できる。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。
実施例１：光偏向器
図１〜３は、本発明の実施例１の光偏向器を示す。図１〜３を参照して実施例１の光偏向器の構成、動作を説明する。軸受は高速回転用の動圧空気軸受を用いた実施例であるが、動圧流体軸受やボールベアリング等の軸受を用いることもできる。

カバーケース２１の下面には光学ハウジングへの取り付け基準面２１ａが形成されている。カバーケース２１にはハウジング１が固定されている。ハウジング１の上面中央には軸受取り付け部１ｂが形成され、動圧軸受を構成する固定軸２が固定されている。

固定軸２の円筒表面には動圧軸受を構成するための溝２ａが形成されている。回転体３が回転を開始すると、スリーブ１６と固定軸２の間に形成された軸受すきまの空気圧力が高まり非接触でラジアル方向（半径方向）に回転体３を支持する。固定軸２の内側には吸引型磁気軸受の固定部５が固定されている。吸引型磁気軸受の固定部５は、キャップ６とストッパ７が固定軸２の内筒部に圧入固定されることで軸方向に挟まれて固定されている。キャップ６の中央部には空気が通過するときの粘性抵抗を利用して上下振動を減衰させるφ０．２〜φ０．５程度の微細穴が形成されている。キャップ６とストッパ７はともに非磁性材料のステンレス鋼板などが用いられる。

吸引型磁気軸受の固定部５は回転軸方向に２極に着磁されたリング状永久磁石８と、前記リング状永久磁石８の内径よりも小さい中心円が形成された強磁性材料からなる第１の固定ヨーク板９と、同様に、前記リング状永久磁石８の内径よりも小さい中心円が形成された強磁性材料からなる第２の固定ヨーク板１０とからなる。第１の固定ヨーク板９と第２の固定ヨーク板１０はリング状永久磁石８を軸方向に挟み、第１の固定ヨーク板９の中心円および、第２の固定ヨーク板１０の中心円が回転中心軸に対して同軸になるように配置、固定されている。リング状永久磁石８の材質としては主に希土類系の永久磁石が用いられる。固定ヨーク板９，１０には鉄鋼系の板材が用いられる。

ハウジング１の上面には中央部に穴が形成されたプリント基板１１が配置されている。ハウジング１の軸受取り付け部１ｂの外径には、ステータ１２が嵌合され、固定されている。ハウジング１はアルミ合金のような導電材料が用いられるため、ロータ磁石１４の回転による交番磁界の影響でハウジング１に渦電流が流れ、モータの損失が大きくなることがないようにプリント基板は鉄基板で構成すると良い。

プリント基板１１にはコイルへの通電切換を行うための位置検出素子であるホール素子１３が実装されている。モータ部は回転体３に取り付けられたロータ磁石１４とコイル１２ａが巻かれたステータ１２、コイル１２ａが接続されるプリント基板１１、プリント基板１１に実装されたホール素子１３、ロータ磁石１４を保持するフランジ１７の外側に配置された強磁性体である整流ヨーク２２で構成される。ステータ１２は、渦電流が流れて鉄損が大きくならないように、ケイ素鋼板等の電磁鋼板を積層したものが用いられる。

回転体３はスリーブ１６と、スリーブ１６の外側に固定されたフランジ１７、フランジ１７に固定されたミラー１８、ミラーに固定された磁気軸受の回転部１９、フランジ１７に固定されたロータ磁石１４で構成されている。スリーブ１６はセラミックス、フランジ１７はアルミニウム合金で構成され、スリーブ１６とフランジ１７は焼きばめにより固定されている。

フランジ１７の下側に固定されたモータ用のロータ磁石１４は接着または圧入により固定されている。ロータ磁石１４は接着または圧入が容易にできるようにリング状に形成されている。周方向に分割した永久磁石を用いることもできる。ロータ磁石１４の外周をフランジ１７で保持することでロータ磁石１４が高速回転による遠心力で破壊されることを防止している。ロータ磁石１４に線膨張係数がフランジ１７と略同じプラスチックマグネットを用いて、圧入により固定すれば、温度変化による回転体の不釣り合い振動の変化を小さく抑えることができるので、より高速回転用モータとして好適である。

フランジ１７上端には圧入内径部１７ａが形成され、ミラー１８の圧入外径部１８ａが圧入固定されている。フランジ１７とミラー１８の線膨張係数は略等しい。フランジ１７にはスリーブ１６の動圧軸受面１６ａと直交する鏡面加工用基準面１７ｂが形成されている。鏡面加工用基準面はミラー当接面１７ｃを境界として、ミラー１８の反対側に形成されている。

ミラー１８は軸方向に２段の反射面が一体で形成されている。ミラー１８は、内部が略カップ状にくりぬかれるとともに、スリーブ１６に形成された動圧軸受面１６ａと、ミラー１８に形成された反射面１８ｃ、１８ｄの一部が、回転軸方向の位置で重なり、固定されている。ミラー１８には吸引型磁気軸受の回転部１９が圧入により固定されている。吸引型磁気軸受の回転部１９には第１の固定ヨーク板９の中心円および、第２の固定ヨーク板１０の中心円との間に磁気ギャップを構成する外筒面が形成され、その外筒面が回転中心軸と同軸になるように配置されている。吸引型磁気軸受の回転部１９には永久磁石または鉄鋼系の強磁性材料が用いられる。

回転体３は、高速で回転させるために、回転体３の上下２ヶ所の修正面１８ｂ，１４ａでバランス修正が行われている。回転体の重心３ａが動圧軸受の中間近傍に配置されているため、高精度な回転体のバランス修正が可能で、不釣り合い振動を非常に小さいレベルにすることができる。

プリント基板１１には、モータのコイル１２ａやホール素子１３とパターン配線され、駆動回路２０により、ホール素子１３の位置検出信号にしたがって、順次モータのコイル１２ａへの通電を切り替えて回転体３を回転させて定速制御する。

図４は、本発明の特徴を説明するための図である。図４の回転体断面は、多面体鏡であるミラー１８の頂点（回転時の最大外接円直径）を通る断面を示している。

図４に示すように、フランジ１７の外周と強磁性体である整流ヨーク２２の内周円筒面との間に一定の間隙ｇが形成されている。整流ヨーク２２の内周円筒面の直径φＤ２は、回転体の最大外接円直径φＤ１より小さく構成されている。すなわち、φＤ１とφＤ２は以下の関係になっている。
φＤ１＞φＤ２
φＤ１＞φＤ２とすることで、整流ヨーク２２の内周円筒面をロータ磁石１４の外周に接近させた配置が可能となり、ロータ磁石１４の磁力の利用効率を上げると同時に、ミラー１８下方の気流を整流して、乱流を低減することができる。

間隙ｇを小さくすると空気摩擦による損失が大きくなり、消費電力が増加する。逆に、間隙ｇを大きくすると、ロータ磁石１４の磁力の利用効率が低下し、消費電力が増加する。間隙ｇは１〜３ｍｍの範囲の消費電力が小さく好適で、どの回転数でも、２ｍｍ近傍が消費電力最小で最適となっている。整流ヨーク２２は、ロータ磁石１４の磁力を有効に活用すると同時に、回転体周辺の気流を整流し、乱流を防止する。

整流ヨーク２２は強磁性体からなり、炭素鋼やフェライト等の鋼板を積層したものが好適で、ケイ素鋼板等の電磁鋼板を積層したものが更に好適である。鋼板の積層はカシメにより金型内で自動積層することができる。

整流ヨーク２２に強磁性体以外の材料を使用すると、十分な消費電力低減効果が得られない。強磁性体以外の材料として、例えば、整流ヨーク２２をアルミニウム合金製とすると磁気的な効果が得られないだけでなく、ロータ磁石１４の交番磁界によりアルミニウム合金製の整流ヨーク２２に流れる渦電流が大きくなり、損失が増加、消費電力が大きくなってしまう。整流ヨーク２２は強磁性体で固有抵抗値が大きい材料が好適である。

また、光偏向器の回転体は、図１〜３に示すように、モータ部の直径よりもミラー１８部の最大外接円直径が大きくなる場合が多い。特開２００２−３６５５８０公報のように、回転中心軸に対する角度精度が高く高精度なミラーを形成するために回転体一体でミラー面を加工する場合は、ミラー面加工時にモータ部が一緒に削られることがないように、モータ部の直径よりもミラー１８部の最大外接円直径が大きい構成となる。上記回転体の構成で、前掲した特許文献２のように、カバーケースにヨークを固定すると、組立時にミラー部と整流ヨーク２２が干渉するため、自然とロータ磁石とヨークの間隙が大きくなり、ロータ磁石１４の磁力の利用効率を上げることができない。よって、本発明では、ハウジング１側に整流ヨーク２２を固定することで、組立時に整流ヨーク２２と回転体が干渉しないようにしている。

実施例１：光偏向器用として最適なモータの磁極数とコイル数
図１７を参照して、光偏向器用として最適なモータの磁極数とコイル数を説明する。光偏向器のモータ部として、磁極数とコイル数については、多くの組合せで３相モータを構成することができる。そこで、最も高速化に適した磁極数とコイル数の組合せを検討した。磁極数とコイル数以外のパラメータはできるだけ同等にした。

まず、有限要素法による電磁界解析を用いて、無通電回転時の誘起電圧を比較した。その結果、図１７に示すように、ＡＢＣの文字が記入された磁極数とコイル数の組合せで、モータとして構成可能な誘起電圧、駆動トルクが得られることを確認した。図１７に示す磁極数とコイル数の組合せは、ＡＢＣ、３群に分類することができる。

Ａ群は、２ｎ極３ｎコイル型で、２極３コイル、４極６コイル、６極９コイル、８極１２コイル等がある。（ｎは１以上の整数）
Ａ群は、磁極数を２ｎ極（ｎは整数）としたとき、１相当たり３ｎ個のコイルで構成され、３ｎ個のコイルは円周上等間隔に配置されるとともに、同じ相のコイルは通電時に同極が現れるように巻かれて接続された、合計３組（３相）のコイル群からなる。
Ｂ群は、４ｎ極３ｎコイル型で、４極３コイル、８極６コイル、１２極９コイル等がある。（ｎは１以上の整数）Ｂ群は、磁極数を４ｎ極（ｎは整数）としたとき、１相当たり３ｎ個のコイルで構成され、３ｎ個のコイルは円周上等間隔に配置されるとともに、同じ相のコイルは通電時に同極が現れるように巻かれて接続された、合計３組（３相）のコイル群からなる。
Ｃ群は、２ｎ極６ｎコイル型で、２極６コイル、４極１２コイル等がある。（ｎは１以上の整数）Ｃ群の詳細は前掲した特許文献１を参照。

次に、モータ構成上の制限や部品試作結果より、図１７の斜線の引かれた組合せは、以下の理由により、光偏向器用モータとしては適さないことを、確認した。
（１）２極の永久磁石は、回転トルクを発生するのに有効な磁力が小さく、高速回転に十分な誘起電圧、駆動トルクが得られない。
（２）３コイルは、高速回転に十分な誘起電圧、駆動トルクを得ようとすると、１相分のコイルが１ヶ所に集中し、コイルの膨らみが大きくなりすぎる。
（３）極数が多くなると、コイルの励磁切替周波数が高くなり、ステータの鉄損が大きくなるため、一般的には極数が少ない方が高速回転用のモータに適している。１４極や１６極は極数が多いため、高速回転の鉄損が大きくなる。
（４）コイル数が多くなるほど、ステータのコイルを巻く部分が細くなってしまう。通常ステータはケイ素鋼板をプレスにより打ち抜き積層して構成するが、コイルを巻く部分が細くなりすぎると、ステータの加工が難しくなる。光偏向器用のモータでは、ステータの外径は概ねφ３０以下になり、比較的外径が小さいことから、１５コイルや１８コイルはステータのコイルを巻く部分が細くなりすぎるため、適さない。

以上の４点は、ＡＢＣ３群のモータ方式に共通する不具合であり、図１７の斜線欄の組合せは、光偏向器用のモータには適さない。よって、磁極数としては４極以上１２極以下、コイル数は６コイル以上１２コイル以下の範囲で６方式に絞り込み、電圧と電流の上限を通常の光偏向器の電源仕様（２４Ｖ、１Ａ）に制限したときの最高回転数を比較した。
その結果、以下の順序で最高回転数が高い結果を得た。
（１）６極９コイル ：５０８００ｒｐｍ
（２）８極１２コイル：５０５００ｒｐｍ
（３）４極１２コイル：４９４００ｒｐｍ
（４）４極６コイル ：４７１００ｒｐｍ
（５）１２極９コイル：４４３００ｒｐｍ
（６）８極６コイル ：４４１００ｒｐｍ
よって、同一の回転数で比較した場合は、上記の順序で消費電力が小さくなる。すなわち、６極９コイルが最も消費電力を小さくすることができ、高速回転用モータとして適している。上記結果となる原因としては、コイルのリアクタンス（インダクタンス）による電圧降下の影響が大きい。

モータの等価回路は図５で表され、モータの電圧方程式は式１で与えられる。

Ｖ_ｍ＝Ｋ_Ｅω＋Ｒ_ａＩ_ａ＋Ｘ_ａＩ_ａ＋Ｒ_ＬＩ_ａ＋Ｒ_ｔＩ_ａ （１）
ここで、
Ｋ_Ｅωはモータ誘起電圧
Ｒ_ａＩ_ａはコイル抵抗による電圧降下
Ｘ_ａＩ_ａはコイルの誘導リアクタンスによる電圧降下
Ｒ_ＬＩ_ａは電流制限抵抗による電圧降下
Ｒ_ｔＩ_ａは駆動素子のＯＮ抵抗による電圧降下
Ｖ_ｍ：モータ電圧
Ｋ_Ｅ：誘起電圧定数（V・s/rad）
ω：角速度（rad/s）
Ｒ_ａ：コイル抵抗（Ω）
Ｉ_ａ：コイル電流（Ａ）
Ｘ_ａ：コイル誘導リアクタンス（Ω）Ｘ_ａ＝２πｆＬ_ａ
ｆ：コイル電流周波数（Ｈｚ）
Ｌ_ａ：コイルインダクタンス（Ｈ）
Ｒ_Ｌ：電流検出抵抗（Ω）
Ｒ_ｔ：駆動素子のＯＮ抵抗（Ω）
上記６方式の最高回転数は、図６に示すように、電源仕様上限（２４Ｖ、１Ａ）において、電圧と電流のカーブがクロスするように誘起電圧定数を調整して求める。このときの６方式の電圧配分を比較すると図７のようになる。なお、調整後の電圧方程式における各定数を図１８に示す。

図７における各方式の特徴を、以下に記載する。
４極６コイルは、励磁切り替え周波数は低いが、コイルのインダクタンスが非常に大きいため、回転数が高くなるとコイルのリアクタンスによる電圧降下が大きくなる。その結果、相対的に誘起電圧の配分が小さくなり、必要な駆動トルクを発生させるために電流が大きくなることから、電圧及び電流カーブが比較的低回転から上昇し、最高回転数が低くなってしまう。

８極６コイルは、コイルのインダクタンスが大きく、さらに、励磁切り替え周波数も高いため、回転数が高くなるとコイルのリアクタンスによる電圧降下が大きくなる。その結果、相対的に誘起電圧の配分が小さくなり、必要な駆動トルクを発生させるための電流が大きくなることから、電圧及び電流カーブが比較的低回転から上昇し、最高回転数が低くなってしまう。

１２極９コイルは、コイルのインダクタンスは小さいが、励磁切り替え周波数が高いため、回転数が高くなるとコイルのリアクタンスによる電圧降下が大きくなる。その結果、相対的に誘起電圧の配分が小さくなり、必要な駆動トルクを発生させるための電流が大きくなることから、電圧及び電流カーブが比較的低回転から上昇し、最高回転数が低くなってしまう。

６極９コイルと８極１２コイルは、コイルのインダクタンスが小さいため、コイルのリアクタンスによる電圧降下が小さい。その結果、相対的に誘起電圧の配分が大きくなり、必要な駆動トルクを発生させるための電流が小さくなることから、電圧及び電流カーブの上昇が緩やかで、最高回転数が高い。両者の比較では、６極９コイルの方が、最高回転数が高く、さらに全コイル数が少ないため巻線が容易で、製造コストを低減できる。

４極１２コイルは、コイルのインダクタンスが大きいが励磁切り替え周波数が小さいため、コイルのリアクタンスによる電圧降下が小さい。しかし、コイルの抵抗が大きいため、回転数が高くなると誘起電圧の配分がやや小さくなり、必要なトルクを発生させるための電流がやや大きくなることから、電圧及び電流カーブの上昇がやや低回転から上昇し、最高回転数が低くなってしまう。

実施例１：モータ部の構成・動作
図８を参照して、実施例１のモータ部の構成動作を説明する。図８に示すように、ロータ磁石１４は、周方向６極に着磁をされ、ステータ１２は９つの突極が形成され、９つのコイル１２ａが巻かれている。

図９は、コイルの巻線方法を説明する図で、永久磁石側から見た展開図となっている。図９において、通電により永久磁石と対向する面（ステータコアの外周面）に発生する磁極が同極性になるように、コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３は同じ方向に巻かれて接続されている。また、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各３組（３相）のコイル群は、図１０に示すようにＹ型結線で互いに接続されている。各相のコイルは、各３つのコイルＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３をそれぞれ直列に接続している。Ｕ、Ｖ、Ｗ相３組（３相）の各コイル群の一端は前記駆動回路に接続され、これらのコイル群に対し通電する相を順次切り替えて回転磁界を発生させ、回転体３を回転させる。ロータ磁石１４の回転位置を検知するため、３つの位置検出素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が４０°間隔で配置されており、その位置検出信号により２つの通電相が選択される。位置検出素子としてはホール素子などの磁電変換素子が用いられる。
図８は、位置検出素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３にそれぞれＮ、Ｓ、Ｎ極が検知されたときにＵ、Ｖの２相が選択されて通電され、励磁された状態を示している。

図１０において、電流はＵ１から流れ込み、Ｖ１から流れ出すことで、Ｕ１〜Ｕ３の突極にはＳ極、Ｖ１〜Ｖ３の突極にはＮ極が発生し、永久磁石との間に磁気反発力あるいは磁気吸引カが働き、永久磁石を反時計方向に回転させることができる。ロータ磁石１４は周方向６極に着磁をされているが、内周側と外周側で磁極が反転している。位置検出素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は内周側に配置することもできるが、ステータの励磁切り替えの影響を受けて、ロータ磁石１４の位置検出信号に磁気ノイズが乗るため、位置検出素子はロータ磁石１４の外周側に配置する方が良い。

図１１は、このような２相励磁駆動方式を実現する駆動回路の通電切り替え用スイッチング素子を示す図である。同図に示すように、通電切り替え用スイッチング素子６１〜６５にはトランジスタや電界効果トランジスタ等が用いられ、この場合、６個必要になる。

図１２は、本実施形態における位置検出・通電切り替えによる回転磁界の発生と、それによるロータ磁石１４および回転体３の回転を説明する図である。同図においては、２０゜毎に通電相の切り替えが行われ、回転磁界が発生し、ロータ磁石１４を含む回転体３が反時計方向に回転していく状態を示したものである。ロータ磁石１４が１２０゜回転する間に６回の通電切り替えが行われ、１回転の間には１８回の通電切り替えが行われる。
実施例１では、多面鏡であるミラー１８には６面が形成され、ロータ磁石１４の磁極数とミラー面数を６で一致させている。光偏向器は走査速度を高精度に制御するために位相比較制御が行われ、位置検出素子で検出されるロータ磁石１４の位置検出信号を速度制御に用いている。速度制御は、本体装置から与えられる目標基準信号に対して、位置検出信号の位相偏差が一定となるように制御される。そのため、
図１３のように磁極数とミラー面数を６で一致させて、速度制御のタイミングをミラー面数と対応させることができ、一致していない場合に比べて、各ミラー面の走査速度ばらつきを小さく抑えることができる。この効果は磁極数とミラー面数を一致させることで得られ、６に限定されるものではない。磁極数４とミラー面数４や磁極数８とミラー面数８等の組合せでも良い。

また、ロータ磁石１４の着磁境界とミラーの頂点位置が、回転体の回転方向で略一致するようにロータ磁石１４を回転体に固定することで、位置検出素子で検出されるロータ磁石１４の位置検出信号により、ミラーの頂点位置を検知することができる。磁極数とミラー面数を一致させることで、目標基準信号の位相とミラーの位置の関係を一定にすることができ、複数（例えば４個）の光偏向器が用いられるカラーの画像形成装置では、各光偏向器の回転位相を揃えて、各色の書込み位置ずれによる色ずれを小さく抑えることができる。

上記した実施例１においては、以下の効果が得られる。すなわち、モータ部は、周方向６極に着磁をされて回転体に固定されたロータ磁石１４と、ロータ磁石１４の回転位置を検出する回転位置検出手段と、ステータコアに９つのコイルが固定されたステータ１２とから構成されるので、コイルのリアクタンス（インダクタンス）による電圧降下を低減し、高速回転でのモータ効率を高め、消費電力を低減した光偏向器を提供することができる。

磁気ギャップを内周側に配置し、ロータ磁石１４の外周側が保持される構成としているので、機械的強度が小さいロータ磁石１４が高速回転による遠心力により破壊されることがない。

ロータ磁石１４の外周を非磁性材料により保持することで、永久磁石の外周側に磁気を透過可能としている。

整流ヨーク２２をロータ磁石１４の外側に強磁性体からなるヨークを配置することで、ロータ磁石１４の磁力の利用効率を上げると同時に、回転体周辺の気流を整流して乱流を低減し、モータの消費電力及び発熱を低減すると同時に、回転むらを小さくすることができる。

回転位置検出手段をロータ磁石１４の外周側に配置することで、コイル通電による磁気の影響を受けて、位置検出素子が永久磁石の磁極位置を誤検知することがない。

ミラー１８の面数を６面として、ロータ磁石１４の磁極数とミラー面数を一致させることで、位相比較制御のタイミングをミラー面数と対応させ、各ミラー面の走査速度ばらつきを小さく抑えることができる。

ロータ磁石１４の着磁境界とミラーの頂点位置を、回転体の回転方向で略一致するようにロータ磁石１４を回転体に固定することで、位置検出素子でミラーの頂点位置を検知することができる。

ロータ磁石１４の外径が、ミラー１８の内接円径より小径とすることで、モータ部の風損を低減すると共に、モータ部一体でのミラー加工を容易として、ミラー面の高精度化を図ることができる。

ミラー１８を軸方向に複数段形成することで、カラーの画像形成装置の光走査装置に対応することができる。

モータ部は、周方向ｎ極（ｎは偶数）に着磁をされて回転体に固定されたロータ磁石１４と、ロータ磁石１４の回転位置を検出する回転位置検出手段と、ステータコアに複数のコイルが固定されたステータ１２とを備え、前記ミラー１８の面数をｎ面に形成し、永久磁石の磁極数とミラーの面数を一致させることで、位相比較制御のタイミングをミラー面数と対応させ、各ミラー面の走査速度ばらつきを小さく抑えることができる。

実施例２：光走査装置
図１４は、本発明による光偏向器を備えた光走査装置の要部の構成を示す。この光走査装置は、シングルビーム方式の装置である。

本実施形態による光走査装置は、光源１０１、カップリングレンズ１０２、アパーチャ１０３、シリンドリカルレンズ１０４、ポリゴンミラー１０５、レンズ１０６，１０７、ミラー１０８、感光体１０９、ミラー１１０、レンズ１１１及び受光素子１１２を有する。

光源１０１は、光走査のための光を発する半導体レーザ素子である。カップリングレンズ１０２は、光源１０１が発した光を光学系に適応させるためのレンズである。アパーチャ１０３は、光走査のためのビーム光を所定の形状にする。シリンドリカルレンズ１０４は、入射されたビーム光を副走査方向に集光する。ポリゴンミラー１０５は、光偏向器であり、入射した光を偏向反射面において反射する。レンズ１０６，１０７は、ビーム光を感光体１０９上に結像させるためのレンズである。ミラー１０８は、ビーム光の光路を折り曲げ、感光体１０９に導く。感光体１０９は、照射されたビーム光に応じて静電潜像を形成する。ミラー１１０及びレンズ１１１は、ビーム光を受光素子１１２に集光する。受光素子１１２は、フォトダイオードなどの光検出素子である。

半導体レーザ素子である光源１０１が放射するビームは発散性の光束であり、カップリングレンズ１０２によって以後の光学系にカップリングされる。カップリングされたビームの形態は、以後の光学系の光学特性に応じたものであり、弱い発散性の光束や弱い集束性の光束であっても良いし、平行光束でも良い。カップリングレンズ１０２を通過したビームは、アパーチャ１０３の開口部２を通過する際、光束周辺部の光強度の小さい部分が遮断されて「ビーム整形」され、「線形結像光学系」であるシリンドリカルレンズ１０４に入射する。シリンドリカルレンズ１０４は、略かまぼこ型を呈しており、パワーのない方向（光を屈折させない方向）を主走査方向に向け、副走査方向には正のパワー（光を集束させるパワー）を持ち、入射してくるビームを副走査方向に集束させ、「光偏向器」であるポリゴンミラー１０５の偏向反射面近傍に集光する。

ポリゴンミラー１０５の偏向反射面によって反射されたビームは、ポリゴンミラー１０５の等速回転に伴い、等角速度的に偏向しつつ、「走査光学系」をなす２枚のレンズ１０６，１０７を透過し、折り曲げミラー８によって光路を折り曲げられ、「被走査面」の実体をなす光導電性の感光体１０９上に光スポットとして集光し、被走査面を走査する。なお、ビームは走査に先立ってミラー１１０に入射し、レンズ１１１によって受光素子１１２に集光される。感光体１０９に対する書き込みのタイミングは、受光素子１１２の出力に基づいて、不図示の制御手段が決定する。

このように、本発明による光偏向器は、シングルビーム方式の光走査装置に適用可能である。本発明による光偏向器を適用したシングルビーム方式の光走査装置は、光偏向器であるポリゴンミラー１０５の消費電力および発熱が低減され、光偏向器の発熱によるレンズ等光学部品の温度変化が小さく、走査ビーム形状が一定で安定した光走査を行うことができる。

実施例３：マルチビーム光走査装置
図１５は、本発明による光偏向器を備えた光走査装置の要部の構成を示す。この光走査装置は、マルチビーム方式の装置である。なお、図１４と同じ部材については、同一の符号を付して示す。

光源１０１Ａは、半導体レーザアレイであって、四つの発光源ｃｈ１〜ｃｈ４を等間隔で一列に配置したものである。本実施形態では、発光源ｃｈ１〜ｃｈ４を副走査方向に配置しているが、半導体レーザアレイ１０１Ａを傾け、発光源の配列方向が主走査方向に対して傾くようにしても良い。

四つの発光源ｃｈ１〜ｃｈ４から発せられた４本のビームは、図に示すように「楕円形のファーフィールドパタン」の長軸方向が主走査方向に向いた発散性の光束であるが、４本のビーム共通のカップリングレンズ１０２によって、以後の光学系にカップリングされる。カップリングされた各ビームの形態は、以後の光学系の光学特性に応じたものであり、弱い発散性の光束や弱い収束性の光束であっても良いし、平行光束でも良い。

カップリングレンズを透過した４本のビームは、アパーチャ３によって「ビーム整形」され、「共通の線結像光学系」であるシリンドリカルレンズ１０４の作用によって、それぞれ副走査方向に収束される。副走査方向に収束した４本のビームは、「光偏向器」であるポリゴンミラー１０５の偏向反射面近傍に、それぞれが主走査方向に長い線像として、互いに副走査方向に分離して結像する。

ポリゴンミラー１０５の偏向反射面によって等角速度的偏向された４本のビームは、「走査光学系」をなす２枚のレンズ１０６，１０７を透過し、折り曲げミラー１０８によって光路を折り曲げられる。光路を折り曲げられた４本のビームは、「被走査面」の実体をなす感光体１０９上に、副走査方向に分離した四つの光スポットとして集光し、被走査面の四本の走査線を同時に走査する。

ビームの一つは、光走査に先立って、ミラー１１０に入射し、レンズ１１１によって受光素子１１２に集光される。４本のビームによる感光体１０９に対する書き込みのタイミングは、受光素子１１２の出力に基づいて不図示の制御手段が決定する。

なお、本実施形態における「走査光学系」は、光偏向器（ポリゴンミラー１０５）によって同時に偏向される４本のビームを、感光体１０９の被走査面上に四つの光スポットとして集光させる光学系であって、２枚のレンズ１０６，１０７により構成される。

このように、本発明による光偏向器は、マルチビーム方式の光走査装置に適用可能である。本発明による光偏向器を適用したマルチビーム方式の光走査装置は、光偏向器であるポリゴンミラー１０５の消費電力および発熱が低減され、光偏向器の発熱によるレンズ等光学部品の温度変化が小さく、走査ビーム形状が一定で安定した光走査を行うことができる。光偏向器の反射面が高精度に維持され、走査ビーム形状が一定で安定したマルチビーム光走査装置を提供する。また、光走査装置の走査ビームが一定で安定し、高画質な画像形成装置を提供する。

実施例４：画像形成装置
図１６は、本発明による光偏向装置を備えたタンデム型フルカラーレーザプリンタの構成を示す。

装置内の下部側には水平方向に配設されて給紙カセット２０１から給紙される転写紙（図示せず）を搬送する搬送ベルト２０２が設けられている。搬送ベルト２０２上には、イエロー（Ｙ）用の感光体２０３Ｙ、マゼンタ（Ｍ）用の感光体２０３Ｍ、シアン（Ｃ）用の感光体２０３Ｃ及びブラック（Ｋ）用の感光体２０３Ｋが上流側から順に等間隔で配設されている。なお、以下、符号に添え字Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋを適宜付して各色を区別するものとする。

これらの感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋは、全て同一径に形成されたもので、その周囲には、電子写真プロセスに従いプロセス部材が順に配設されている。感光体２０３Ｙを例に採れば、帯電チャージャ２０４Ｙ、光走査装置２０５Ｙ、現像装置２０６Ｙ、転写チャージャ２０７Ｙ、クリーニング装置２０８Ｙ等が順に配設されている。これは、他の感光体２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋに関しても同様である。すなわち、本実施形態においては、感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋを各色ごとに設定された被照射面とするものであり、各々に対して光走査装置２０５Ｙ、２０５Ｍ、２０５Ｃ、２０５Ｋが１対１の対応関係で設けられている。

また、搬送ベルト２０２の周囲には、感光体２０５Ｙよりも上流側に位置させてレジストローラ２０９とベルト帯電チャージャ２１０とが設けられ、感光体２０５Ｋよりも下流側に位置させてベルト分離チャージャ２１１、除電チャージャ２１２、クリーニング装置２１３等が順に設けられている。また、ベルト分離チャージャ２１１よりも搬送方向下流側には定着装置２１４が設けられ、排紙ローラ２１６を介して排紙トレイ２１５と結ばれている。

上記構成において、例えば、フルカラーモード（複数色モード）時であれば、各感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋに対して、Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ用の各色の画像信号に基づき、各々の光走査装置２０５Ｙ、２０５Ｍ、２０５Ｃ及び２０５Ｋによる光ビームの光走査によって静電潜像を形成する。これらの静電潜像は、各々の対応する色トナーで現像されてトナー像となり、搬送ベルト２０２上に静電的に吸着されて搬送される転写紙上に順次転写されることで重ねあわされる。各色のトナー像が重ね合わされた転写紙は、定着装置２１４によってフルカラー画像として転写紙に定着され、画像が定着した転写紙は排紙ローラ２１６によって排紙トレイ２１５に排出される。

また、黒色モード（単色モード）時であれば、感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及びこれらのプロセス部材は、非作動状態とされ、感光体２０３Ｋに対してのみ、黒色用の画像信号に基づいて光走査装置（一の光走査装置）２０５Ｋによる光ビームの光走査によって静電潜像を形成する。

この静電潜像は、黒色トナーで現像されてトナー像となり、搬送ベルト２０２上に静電的に吸着されて搬送される転写紙上に転写される。転写紙上に転写されたトナー像は、定着装置２１４によってモノクロ画像として転写紙に定着され、画像が定着した転写紙は、排紙ローラ２１６によって排紙トレイ２１５に排出される。

このように、本発明による光偏向装置は、タンデム型フルカラーレーザプリンタに適用可能である。本発明による光偏向器を適用したタンデム型フルカラーレーザプリンタは、光走査装置２０５Ｙ、２０５Ｍ、２０５Ｃ及び２０５Ｋにおいて共用され、軸方向に２段のミラーが形成された一つの光偏向器３００の発熱によるレンズ等光学部品の温度変化が小さく、走査ビーム形状が一定となり、安定した光走査を行うことができる。

なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

本発明の実施例１の光偏向器の断面図である。 実施例１の光偏向器の回転体の断面図である。 実施例１の光偏向器の斜視図である。 実施例１のφＤ１＞φＤ２の関係を示す図である。 モータの等価回路を示す。 ２４Ｖ、１Ａにおいて各方式の最高回転数を得る電圧、電流特性である。 電圧分配の比較を示す。 実施例１のモータ部断面図である。 実施例１のコイル展開図である。 実施例１のコイルのＹ型結線図である。 実施例１の駆動回路の通電切替用スイッチング素子を示す。 実施例１の位置検出・通電切替による回転磁界の発生と永久磁石の回転を示す図である。 ミラー面数と磁極数を６で一致させた場合と異なる場合を示す図である。 実施例２の光走査装置を示す。 実施例３のマルチビーム光走査装置を示す。 実施例４のタンデム型フルカラーレーザープリンタ（画像形成装置）を示す。 モータの磁極数とコイル数の組み合わせを示す。 モータの電圧方程式における定数値を示す。

符号の説明

１ ハウジング
２ 固定軸
３ 回転体
５ 固定部
６ キャップ
７ ストッパ
８ リング状永久磁石
９、１０ 固定ヨーク板
１１ プリント板
１２ ステータ
１３ ホール素子
１４ ロータ磁石
１６ スリーブ
１７ フランジ
１８ ミラー
１９ 回転部
２０ 駆動回路
２１ カバーケース
２２ 整流ヨーク

Claims (13)

1. 軸受により支持され、モータにより回転駆動される回転体に多面鏡が固定された光偏向器において、前記モータは、周方向６極に着磁をされて回転体に固定されたリング状の永久磁石と、前記永久磁石の回転位置を検出する回転位置検出手段と、ステータコアに９つのコイルが固定されたステータ組立体とを備えたことを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、前記永久磁石が前記ステータ組立体の外周側に配置されたことを特徴とする光偏向器。
3. 請求項２記載の光偏向器において、前記永久磁石の外周が非磁性材料により保持されたことを特徴とする光偏向器。
4. 請求項３記載の光偏向器において、前記永久磁石の外側に強磁性体からなるヨークが配置されたことを特徴とする光偏向器。
5. 請求項３記載の光偏向器において、前記回転位置検出手段が前記永久磁石の外周側に配置されたことを特徴とする光偏向器。
6. 請求項１記載の光偏向器において、前記多面鏡の面数が６面であることを特徴とする光偏向器。
7. 請求項６記載の光偏向器において、前記永久磁石の着磁境界と前記多面鏡の頂点の位置が、回転体の回転方向で略一致するように前記永久磁石が回転体に固定されたことを特徴とする光偏向器。
8. 請求項１記載の光偏向器において、前記永久磁石の外径が、前記多面鏡の内接円径より小径であることを特徴とする光偏向器。
9. 請求項１記載の光偏向器において、前記多面鏡が軸方向に複数段形成されたことを特徴とする光偏向器。
10. 軸受により支持され、モータにより回転駆動される回転体に多面鏡が固定された光偏向器において、前記モータは、周方向ｎ極（ｎは偶数）に着磁をされて回転体に固定された永久磁石と、前記永久磁石の回転位置を検出する回転位置検出手段と、ステータコアに複数のコイルが固定されたステータ組立体とを備え、前記多面鏡の面数がｎ面に形成されたことを特徴とする光偏向器。
11. 半導体レーザからのビームを、光偏向器を含む光学系を介して被走査面へ導いて、光スポットを形成し、前記光偏向器により偏向させることにより、前記被走査面に走査線を走査する光走査装置において、前記光偏向器が請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光偏向器であることを特徴とする光走査装置。
12. 前記半導体レーザからのビームが複数であり、光偏向器を含む光学系を介して被走査面へ導いて、複数の光スポットを形成し、上記光偏向器により偏向させることにより、上記被走査面の複数走査線を隣接走査する光走査装置において、前記光偏向器が請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光偏向器であることを特徴とする光走査装置。
13. 感光媒体の感光面に光走査装置による光走査を行って潜像を形成し、上記潜像を可視化して画像を得る画像形成装置であって、感光媒体の感光面の光走査を行う光走査装置として、請求項１１または１２記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

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