JP2506482B2 - 動圧空気軸受モ―タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、動圧空気軸受によってロータ部分を支持す
るモータに関する。更に詳述すると、本考案は高速回転
するモータ、特にポリゴンミラー等を回転させる光学走
査装置のモータに使用して好適な動圧空気軸受モータに
関する。

（従来の技術） レーザ走査用モータ、磁気ドラム用モータ、ジャイロ
モータ、高速スピンドルモータ等のような高速で回転す
るモータには、回転に基づく相対運動による動圧でロー
タ部を支持する動圧空気軸受が採用されている。例え
ば、レーザビームプリンタやファクシミリ等に用いられ
ているポリゴンミラーを用いた光学走査装置では、従来
第３図に示すような動圧空気軸受モータが使用されてい
る。

この動圧空気軸受モータは、マグネット102を取付け
た回転体101の外周面103とコイル105を中央に配置した
円筒状の軸受部材104の内周面106との間に動圧軸受107
を構成して径（ラジアル）方向の支持を図る一方、回転
体101と軸受部材104との間に磁石108,109の吸引力を利
用したスラスト磁気軸受110を構成して軸（アキシャ
ル）方向の支持を図るようにしたものである。更に、こ
の動圧空気軸受モータでは軸方向の振動を磁気軸受110
だけでは抑えることが難しいことから、回転体101と軸
受部材104との間でモータ内部を密閉すると共に該内部
空間111とモータ外部112とを連通させる小さな通気孔11
3を設けてエアダンパーを構成し、制振効果を得るよう
にしている。小さな通気孔113は空気の出入りに対して
抵抗となるため、回転体101の振動に対するダンパーと
して作用し、回転体101の軸方向の振動を抑制する。小
孔から成る通気孔113は高い周波数の振動に対して効果
があり、低い周波数の振動の場合には振動に応じて空気
が容易に通気孔113を通り抜けるためダンパーとしての
効果はない。尚、符号114はポリゴンミラーである。

そこで、スラスト軸受にも動圧空気軸受を使用するこ
とが考えられる。この場合、起動・停止時にはスラスト
軸受面が接触するため、摩耗に強いセラミック等で構成
されることが多く、また、起動時には大きなトルクを必
要とする。これらを避けるために、起動・停止時に電磁
石によってスラスト軸受面を浮かす等の手段を取ること
もある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、セラミックスは脆性材料であるため加
工が難しい。また、スラスト磁気軸受として電磁石を使
用すると構造が複雑になり電磁石をコントロールする手
段が必要となる。更に、起動時に回転体と軸受部とが接
触しているタイプでは大きな起動トルクが必要となる問
題を有している。

本発明では低い周波数の振動を抑制することができる
と共に構造が簡単でかつ低トルクで起動し得る動圧空気
軸受モータを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明の動圧空気軸受
は、中空の回転体とこの回転体を収容する円筒状の軸受
部材とを嵌合させて回転体の外周面と軸受部材の内周面
との間でラジアル動圧空気軸受を構成すると共に回転体
の内側で該回転体と軸受部材の中心の固定部材との間の
対向する面に一対の永久磁石から成るスラスト磁気軸受
を設け、回転体の内部に取付けたマグネットと軸受部材
の中央に配置されて軸受部材に固定されたステータ側コ
イルとの間でモータを構成する動圧空気軸受モータにお
いて、軸受部材の出口側端面あるいは回転体の回転軸方
向と直交する方向のフランジ部分の出口側端面と軸方向
で対向する平面の少なくとも一方に動圧発生用の溝を設
けてスラスト動圧軸受を構成すると共に、ラジアル動圧
軸受を形成する回転体の外周面と軸受部材の内周面との
間で形成される隙間と前記スラスト動圧軸受を形成する
軸受部材の出口側端面および回転体のフランジ部分の平
面との間で形成される隙間とが連通してこれら隙間を介
して回転体と軸受部材とで形成されるモータ内部空間を
モータ外部と連通させ、かつラジアル動圧空気軸受の動
圧溝が回転体の外周面と軸受部材の内周面との間の隙間
の空気をスラスト動圧軸受側に集める溝形状で有り、更
にスラスト動圧空気軸受の動圧溝が軸受部材の出口側端
面と回転体のフランジ部分の平面との間の隙間の空気を
ラジアル動圧軸受側に集める溝形状にするようにしてい
る。

（作用） したがって、モータ起動に際しては、スラスト磁気軸
受によって軸受部材の端面と回転体側の平面との間には
隙間が確保されており、低トルクで起動する。そして、
回転を開始すると、ラジアル動圧空気軸受が機能し始
め、回転体をラジアル方向に保持すると共にモータ内部
の空気をスラスト動圧空気軸受部分からモータ外部に排
出する。この空気の排出によりモータ内部の圧力が低下
するため回転体が下降して回転体側平面と軸受部材の端
面との間の隙間を挟める。すると、対向する軸受部材の
端面と回転体側の平面とがスラスト動圧空気軸受として
機能し、空気をモータ内部に送り込む圧力が生ずる。更
に隙間が小さくなると、スラスト動圧空気軸受のポンプ
作用とラジアル動圧空気軸受のポンプ作用がバランス
し、回転体の下降が停止して定常回転となる。

（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

尚、本実施例はレーザプリンタやファクシミリ等の光
学走査装置に使用されているポリゴンミラーの回転駆動
装置に適用したものである。

ポリゴンミラー回転駆動装置は、ポリゴンミラー14を
支持して回転する回転体（ロータ）１と、この回転体１
を収容して該回転体１との間に動圧空気軸受７、スラス
ト磁気軸受10及びスラスト動圧空気軸受20を構成する円
筒状の軸受部材４と、この軸受部材４の中央に配置され
てコイル５を支持するセンターポール15と、該センター
ポール15を支持し軸受部材４の底部を塞ぐベース部材16
と、軸受部材４側に固定された駆動コイル５と回転体１
側に固定されたロータマグネット２とによって構成され
る制御用小形モータ17とから主に成る。

前記軸受部材４は底面にベース部材16を固定すること
によって底を塞ぎ、嵌合する回転体１との間で実質的に
密閉された空間11を形成する。この内部空間11はラジア
ル動圧空気軸受７の僅かの隙間13によってモータ外部12
と連通しており、ラジアル動圧空気軸受７の隙間13以外
には空気の出入りする所はないので、回転体１が軸方向
に振動する際には実質的な密閉空間となってエアダンパ
ーを構成する。通常、ラジアル動圧空気軸受７の隙間13
は、数μｍ〜数十μｍ程度に設定されている。

また、軸受部材４の上端部には当該モータをレーザー
プリンタ等の光走査装置のハウジング31等に取付けるた
めのフランジ32が径方向に突出するように一体的に形成
されている。

前記ベース部材16には軸受部材４の中央に配置される
センターポール15が一体成形固定されている。センター
ポール15の外周面にはステータコア19が嵌められ、更に
このステータコア19に嵌め込まれたコイル板18の間にコ
イル５が巻回されている。

また、センターポール15と回転体１にはスラスト磁気
軸受10を構成する一対のリング状のマグネット8,9が互
いに対向するように固着されている。これらのマグネッ
ト8,9は対向する面が互いに吸引し合う極となるよう
に、軸方向に着磁されている。そして、各マグネット8,
9は軸方向の中心位置が互いにずれたとしても軸方向の
吸引力が発生し、これによってポリゴンミラー14等を支
持する回転体１が浮上し、モータ停止時におけるスラス
ト動圧空気軸受部分の隙間Ｃを0.1mm〜0.01mmのオーダ
で保持する。

前記回転体１は軸受部材４に収容される大円筒部1bと
軸受部材４の外に突出する小円筒部1aとから構成され、
大円筒部1bと小円筒部1aとの境界の肩部分1cでポリゴン
ミラー14を支持するように設けられている。ポリゴンミ
ラー14は、回転体１の小円筒部1aに嵌められ、その上に
例えばミラー押え22を載せてこのミラー押え22を回転体
１にねじ等で止めつけることにより固定されている。ま
た、この回転体の段部1cと連続するフランジ23が径方向
に突出するように回転体１と一体的に形成されている。
この回転体１のフランジ23とこれに対向する軸受部材４
の端面4aとは、互いに平行な環状平面を構成し、少くと
もいずれか一方の面に渦巻き溝21を形成することによっ
てスラスト動圧空気軸受20を構成している。このスラス
ト動圧空気軸受20は、外から内へ空気が集まる方向にグ
ルーブ21が切られている。即ち、回転体１が第２図に示
すように時計回転方向に回転した時、空気は外側より中
心方向に引き込まれるようになっている。例えば外側か
ら内側に向かうほど溝幅が狭くなるような渦巻き溝が形
成されている。グルーブ21は回転体１のフランジ23ある
いは軸受部材４の端面4aのいずれか一方に形成すれば足
りる。また、回転体１のフランジ23部分をなくして、ポ
リゴンミラー14の下面を利用してスラスト動圧空気軸受
20を構成しても良い。

回転体１の大円筒部1bの外周面３には動圧発生用のグ
ルーブ24がエッチング等により約５μｍ〜20μｍの深さ
で形成されている。このグルーブ24の形状、配置等につ
いては特に限定を受けるものではなく、本実施例の場合
には軸受部材４の内周面６との間の軸受隙間13に沿って
空気が排出される方向に所望形状・長さで切られてい
る。グルーブ24は回転体１の外周面３又は軸受部材４の
内周面６の少くとも一方に形成すれば足りる。この回転
体１の大円筒部1bの外周面３及び軸受部材４の内周面６
特に動圧空気軸受を構成する部位には、耐摩耗性を向上
させるための表面処理を施すことが好ましい。例えば特
開昭63−235719号に開示されているような耐摩耗性被膜
あるいは潤滑性被膜を施すように設けられている。尚、
回転体１の内周面側には円筒状のヨーク25が固定され、
このヨーク25の更に内側には円筒状の駆動マグネット２
が固定されている。

尚、前記回転体１には、回転体１の加工誤差やポリゴ
ンミラー14を回転体１に取付ける際の取付誤差等によっ
てポリゴンミラー14を含む回転系全体の重心位置が回転
軸上からずれて回転バランスを崩し振動するのを防ぐた
め、必要に応じてバランス調整例えばバランス調整用の
穴をあけることなどが行なわれる。また、内部空間11の
必要とされる密閉状態が保たれるのであれば、即ち内部
と外部の気圧差が所定レベルに保たれるのであれば、内
部空間11の圧力調整用に外部と連通する小孔を設けても
よい。

以上のように構成されている本発明の動圧空気軸受モ
ータは、次のように作動する。

モータ起動に際しては、スラスト磁気軸受10によって
回転体１のフランジ23と軸受部材４の端面4aとの間のス
ラスト動圧空気軸受20には隙間Ｃが確保されており、低
トルクで起動する。そして、第１図の矢印方向に回転を
開始すると、ラジアル動圧空気軸受７が機能し始め、内
部空間11内の空気がグルーブ24のポンピング作用によっ
て吸い込まれ、軸受部材４の円周面６と回転体１の外周
面３との間の圧力が高められて、回転体１をラジアル方
向に保持すると共にモータ内部11の空気を隙間13及び軸
受部材４の端面4aと回転体１のフランジ23との間の隙間
からモータ外部12に排出する。この空気の排出によりモ
ータ内部11の圧力が低下し、モータ外部12との圧力差に
よりスラスト磁気軸受10の力等に抗して回転体１が下降
する。回転体１が下降して回転体１のフランジ23と軸受
部材４の端面4aとの間の隙間Ｃが小さくなると、スラス
ト動圧空気軸受20の機能が開始される。即ち、フランジ
23に形成したグルーブ21は、第２図において矢印方向に
回転するから、モータ外部12の空気をモータ内部11に送
る力が発生する。更に隙間Ｃが小さくなると、スラスト
動圧空気軸受20のポンプ作用とラジアル動圧空気軸受７
のポンプ作用がバランスし、回転体１の下降が停止して
定常回転となる。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の動圧空気軸
受モータは、停止時にはスラスト磁気軸受で回転体が浮
上しているので、スタート・ストップ時には相手側部材
と非接触で回転することから、小さな起動電流で済み、
接触面や構成部材にも硬い材料を採用しなくとも良く、
加工が容易である。

また、本発明の動圧空気軸受モータは、スラスト磁気
軸受がマグネットのため外部にコントロール手段を必要
としない。

更に、本発明の動圧空気軸受モータは、ラジアル動圧
空気軸受とスラスト空気軸受とが釣合う状態で回転体を
軸方向に保持しているため、スラスト磁気軸受だけの従
来のものよりスラスト方向の軸受剛性が高い。

しかも、本発明によると、回転体と軸受部材とによっ
て構成される内部空間がラジアル動圧空気軸受とスラス
ト動圧空気軸受以外は密閉状態とされているため、内部
空間の空気が空気ばねとなってスラスト方向にショック
が加えられても回転体の上下動は小さく抑えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す中央半截断面図であ
る。 第２図は第１図のII−II線断面図である。 第３図は従来の動圧空気軸受モータの一例を示す中央縦
断面図である。 １……回転体、 ２……マグネット、 ３……回転体の外周面、 ４……軸受部材、 4a……軸受部材の出口側端面、 ５……コイル、 ６……回転体の内周面、 ７……ラジアル動圧空気軸受、 10……スラスト磁気軸受、 11……内部空間、 12……モータ外部空間、 13……ラジアル動圧空気軸受の隙間、 17……モータ、 20……スラスト動圧空気軸受、 21……渦巻き溝、 23……フランジ（回転体側平面）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中空の回転体とこの回転体を収容する円筒
   状の軸受部材とを嵌合させて前記回転体の外周面と前記
   軸受部材の内周面との間でラジアル動圧空気軸受を構成
   すると共に前記回転体の内側で該回転体と前記軸受部材
   の中心の固定部材との間の対向する面に一対の永久磁石
   から成るスラスト磁気軸受を設け、前記回転体の内部に
   取付けたマグネットと前記軸受部材の中央に配置されて
   前記軸受部材に固定されたステータ側コイルとの間でモ
   ータを構成する動圧空気軸受モータにおいて、前記軸受
   部材の出口側端面あるいは前記回転体の回転軸方向と直
   交する方向のフランジ部分の前記出口側端面と軸方向で
   対向する平面の少なくとも一方に動圧発生用の溝を設け
   てスラスト動圧軸受を構成すると共に、前記ラジアル動
   圧軸受を形成する前記回転体の外周面と前記軸受部材の
   内周面との間で形成される隙間と前記スラスト動圧軸受
   を形成する前記軸受部材の出口側端面および前記回転体
   のフランジ部分の平面との間で形成される隙間とが連通
   してこれら隙間を介して前記回転体と前記軸受部材とで
   形成されるモータ内部空間をモータ外部と連通させ、か
   つ前記ラジアル動圧空気軸受の動圧溝が前記回転体の外
   周面と前記軸受部材の内周面との間の隙間の空気を前記
   スラスト動圧軸受側に集める溝形状で有り、更に前記ス
   ラスト動圧空気軸受の動圧溝が前記軸受部材の出口側端
   面と前記回転体のフランジ部分の平面との間の隙間の空
   気を前記ラジアル動圧軸受側に集める溝形状であること
   を特徴とする動圧空気軸受モータ。