JP3677805B2 - 回転多面鏡走査装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ光を回転多面鏡によって走査線に変換する回転多面鏡走査装置に関し、例えばレーザビームプリンタ等の画像形成装置に使用される回転多面鏡走査装置である。本発明の利用分野はその他、イメージスキャナ・形状測定器等多くの分野に利用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光を回転多面鏡によって走査線に変換する回転多面鏡走査装置の利用分野が拡がるにつれ、性能面での要求も高度になっている。とくに、レーザビームプリンタのような画像形成装置に使用される回転多面鏡走査装置は、画像形成装置本体の小型化・高解像度化・低価格化が著しく、このために回転多面走査装置に対しても小型化・高速化・低騒音化・低価格化が強く要求されている。
【０００３】
これらの要求を達成する一つの有力な方法は、特公平４−２５５２２号公報、特開平３−１０７９１３号公報等に開示されている動圧軸受の利用である。動圧軸受は軸部材と軸受部材とが流体を介して非接触で回転するため、高精度な回転が可能である。このために、低騒音で高速回転が可能である。しかも、従来使用されていた玉軸受よりも軸受部が小型で、低価格である。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
回転多面鏡走査装置の軸受部は、図９（ａ）・（ｂ）に示す二種類の構成が可能である。図９（ａ）は基板１００に軸１０２が固定されている軸固定方式である。この回転多面鏡走査装置は、固定軸１０２を中心として軸受１０５・１０６を介して回転自在能に設けたスリーブ１０３と、スリーブ１０３に一体的に設けた回転多面鏡１０４とより構成されており、スリーブ１０３が固定軸１０２を中心として回転する。一方、図９（ｂ）は基板１００に軸受１０５・１０６を内包するスリーブ１０３が、固定されているスリーブ固定方式である。回転多面鏡１０４と一体的に設けた回転多面鏡支持台１０７が回転軸１０２に固定されており、スリーブ１０３の内壁に設けた軸受１０５・１０６を介して回転軸１０２が回転する。
【０００５】
何れの構成の場合にも、軸受は上軸受１０５と下軸受１０６との対の軸受が使用される。軸固定方式の場合、ロータ部の回転重心Ｘと、軸受１０５と１０６との中心位置Ｙをほぼ一致させることが可能である。したがって、ロータ部に回転アンバランスが生じたとしても、上軸受１０５と下軸受１０６には均等な負荷がかかるので軸受部の剛性は大きい。これに対して、スリーブ固定の場合のロータ部の重心Ｘと軸受１０５と１０６の中心位置Ｙは、位置が異なる。したがって、ロータ部に回転アンバランスが生じると、上軸受１０５と下軸受１０６にはロータ部の首振り運動を支えるような負荷が課せられるので、スリーブ固定の場合には軸固定の場合より軸剛性を大きくする必要がある。このため、軸受長さを長くする、軸受１０５と１０６との距離を大きくする等の軸受剛性を大きくするための処置が必要となり、スリーブ固定方式は小型化には不利であるといえる。
【０００６】
以上の比較は軸受部が、従来一般的に使用されている玉軸受の場合にも、本発明の動圧流体軸受の場合にも共通している。従来の玉軸受は軸受自体が比較的大きく、また軸受の剛性も十分に大きかったので、スリーブ固定型での使用が多くなされていた。このため、玉軸受を使用した従来の回転多面鏡装置は大型であった。
【０００７】
これに対して本発明で使用する動圧流体軸受は、軸部材と軸受部材とのμｍ単位の微小な間隙に潤滑油を保持させて回転するために小型等の優れた特徴を有するが、反面軸剛性が玉軸受よりは劣る短所を有している。したがって、動圧流体軸受を用いた回転多面鏡走査装置には、軸受の剛性の点で軸固定方式が適しており、動圧流体軸受の採用によって大幅な小型化が期待できることがわかる。
【０００８】
そこで、図１０に示す動圧流体軸受を用いた軸固定方式の小型・薄型の回転多面鏡走査装置を試作した。図１０によって、試作した回転多面鏡走査装置の全体構成を説明する。
【０００９】
図１０は試作回転多面鏡走査装置の断面図であり、１は鉄板よりなる基板、３はステンレス製の固定軸、２はアルミニウム製のフランジである。固定軸３はフランジ２に圧入されており、フランジ２が基板１にかしめられている。４は軸受材料である銅鉛合金製のスリーブである。スリーブ４の内面にはグルーブが刻設されており、固定軸３の外周面と対向して軸受部５・６を形成している。スリーブ４の下部は開放されていて、開放口より固定軸３を挿入する。スリーブ４の上部は、スラスト板８とスラスト板押さえ板９によって閉鎖されている。固定軸３の自由端１０は球面で、スラスト板８に当接してスラスト軸受部１１を形成している。
【００１０】
スリーブ４の上面には、ポリゴンミラー７の保持台１２が設けられおり、ポリゴンミラー７はばね１３によって保持台１２に押圧・保持されている。
【００１１】
ポリゴンミラー７を回転させる駆動力は、スリーブ４の下面に取りつけたロータマグネット８２と基板１側に固定したステータコイル８３との間に生じる磁気力である。ロータマグネット８２は、スリーブ４に固定されたヨーク板８１に接着されている。鉄板よりなる基板１は、ステータコイル８３のヨーク板としても機能する。ステータコイル８３の中央部に設けられたホール素子８４（図には示していない）が、ロータマグネット８２内の着磁した交番磁極の位置を検知する。検知信号に対応して、回路基板８５のドライバー回路８６がステータコイル８３の電流の位相を制御する。これによってロータマグネット８２とステータコイル８３との間の磁気力が制御され、スリーブ４・ポリゴンミラー７・ヨーク板８１・ロータマグネット８２よりなるロータ部が回転する。
【００１２】
試作した軸受はアンバランス重量が生じたときに軸受５と軸受６には同負荷がかかるように、それぞれの軸受の長さを設定したものである。この回転多面鏡走査装置は小型・薄型にも拘らず３、０００〜２０、０００ｒｐｍの回転が可能であり、静音性・回転安定性に優れていたが、軸受の信頼性に問題があることがわかった。
【００１３】
試作回転多面鏡走査装置を５，０００ｒｐｍで、常温で回転させる場合には、連続１，０００時間回転させても異常は認められなかったが、６０℃で運転した場合には、〜１００時間でモータ電流値（負荷トルク）が増加し始め、２００〜３００時間後には、軸受５・６がロックしてしまうことがわかった。上記現象は高回転で回転させるほど顕著であった。
【００１４】
ロックした軸受部を詳細に分析したところ、はじめに軸受６が潤滑油不足となり軸と軸受金属がこすれ温度上昇する。温度上昇によって軸受隙間の潤滑剤の劣化が加速され、潤滑油が急速に高分子化（樹脂化）し、樹脂化物が軸受全体に目ずまりしロックに至る。つぎに軸受５が軸受６の温度上昇の影響を受けて、軸受６よりやや遅れて潤滑油の高分子化が進行しロックに至る。スラスト軸受１１は、スラスト板８がやや磨耗している程度であり寿命の問題がないことがわかった。
【００１５】
上記解析結果は、試作回転多面鏡走査装置の軸受構造からも十分理解できることである。すなわち、図９（ａ）と図９（ｂ）との比較から明らかな通り、スリーブ固定方式の軸受部の下部は密閉構造が可能であるのに対し、軸固定方式では下軸受１０６の下部は開放されているため、重力的に潤滑油が下軸受より滲み出しやすい。
【００１６】
また、潤滑油はスリーブの回転による遠心力によっても軸受外に逃げようとしている。図１１（ａ）は軸固定／スリーブ回転、図１１（ｂ）は軸回転／スリーブ固定の構成のラジアル軸受部の拡大断面図である。図１１（ａ）で、軸受６の下部には固定軸２と回転スリーブ４との空間で形成される潤滑油溜め５１が、５１の下部はやや狭くなった開放端隙間５２が設けられている。潤滑油溜め５１内の潤滑油は開放隙間５２が０．１ｍｍ以下と狭いので、毛細管現象により潤滑油溜め５１内に留まっている。スリーブ４が回転すると開放隙間の先端の潤滑油は、遠心力を受けてスリーブ４の下面５３に滲み出る。面５３に滲み出た潤滑油は、滲み出ることによってより大きな遠心力を受けさらに下面５３を伝わって漏れ出る。上記現象が連続的にくり返されて、潤滑油溜め５１内の潤滑油がスリーブ下面５３に流出する。通常潤滑油の流出を防止するために、撥油剤５４を開放隙間５２の周辺に塗布するが、図１１（ａ）に示すように撥油剤５３によって流出潤滑油は一旦はせきとめられ潤滑油たまり５８を形成するが、結局は遠心力で振り飛ばされて撥油剤５４を乗り越えて流出してしまう。
【００１７】
これに対して、図１１（ｂ）に示す軸回転／スリーブ固定構成では、回転軸５６の遠心力によって固定スリーブ５７上面５５まで滲み出た潤滑油には、もはや遠心力は作用していない。したがって、撥油剤５４を塗布しておけば潤滑油たまり５８を形成し、これ以上の潤滑油流出は起こらない。上記理由によって軸固定型の回転多面鏡走査装置の場合には、スリーブ４の開放端隙間５２からの潤滑油の流出のために下軸６の寿命が短くなるものと考えられる。回転多面鏡走査装置が高速回転するほど遠心力による潤滑油の流出が加速されるので下軸受６の寿命は加速度的に短くなる。
【００１８】
また、軸受け部外に流出した潤滑油は、回転多面鏡装置内部や、回転多面鏡面を汚染し二次障害を引き起こす副作用がある。図１０でスリーブ４の下部より流出した潤滑油は、遠心力によって振り飛ばされて回路基板８５に飛散する。また、スラスト軸受部１１に隙間が存在すると、同じように遠心力を受けて潤滑油が流出する。スラスト軸受部１１より流出した潤滑油は、ポリゴンミラー７の上面を伝わりポリゴンミラーの反射面を汚したり、さらにはレンズ・ミラー等の光学部品をも汚染する。
【００１９】
本発明は上記問題を解決するもので、高信頼性で、高精度・高速・低騒音・小型・偏平・軽量・低価格の回転多面鏡装置を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の第１の発明は、一端が基板に固定され他の一端が自由端である固定軸と、一端がスラスト板によって閉鎖され他の一端が開放され前記固定軸に回転自在に嵌合するスリーブと、前記固定軸の外周面と前記スリーブの内周面との対向部分に設けた一対の動圧ラジアル軸受部と、前記固定軸の自由端頂点と前記スリーブのスラスト板とで形成されるスラスト軸受部と、前記スリーブと一体的に設けられた回転多面鏡とヨーク板とロータマグネットとよりなるロータ部とを有する回転多面鏡走査装置であって、前記ロータ部の回転重心位置が、前記一対の動圧ラジアル軸受部のほぼ中央に位置し、かつ、前記スリーブの開放口端側に設けたラジアル動圧軸受部の長さが、前記スリーブの閉鎖端側に設けた動圧ラジアル軸受部の長さより長くした回転多面鏡走査装置である。
【００２１】
また、本発明の第２の発明は、一端が基板に固定され他の一端が自由端である固定軸と、一端がスラスト板によって閉鎖され他の一端が開放され前記固定軸に回転自在に嵌遊するスリーブと、前記固定軸の外周面と前記スリーブの内周面との対向部分に設けた一対の動圧ラジアル軸受部と、前記固定軸の自由端頂点と接する際に、前記スリーブとスラスト板との間で形成される外部に通じる隙間を有するスラスト軸受部と、前記スリーブと一体的に設けられた回転多面鏡とヨーク板とロータマグネットとよりなるロータ部と、を有する回転多面鏡走査装置の組み立て工程において、（１）前記スラスト板をスリーブに設けられた突起部でかしめて固定する工程と、（２）前記動圧ラジアル軸受部に潤滑油を塗布する工程と、（３）前記スリーブの開放口端に前記固定軸の自由端を挿入する工程と、（４）前記挿入工程において、前記スラスト軸受部に圧縮される潤滑油と空気とを前記間隙より逃がす工程と、（５）前記固定軸を挿入後に前記隙間をシールする工程と、を有する回転多面鏡走査装置の製造方法である。
【００２２】
【作用】
本発明の第１の発明による回転多面鏡走査装置は、上記のような構成にすることによって、下軸受からの潤滑油の流出量を少なくできるので下軸受が長寿命になり、回転多面鏡走査装置の信頼性を向上することができる。
【００２３】
また、本発明の第２の発明による回転多面鏡走査装置は、スラスト軸受部を気密構造にすることによって、下軸受からの潤滑油が大気圧によって流出しにくくなるので、下軸受の寿命が改善できるとともに、スラスト軸受部と下軸受部からの潤滑油の流出による装置内の汚染を防止することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例において従来と同機能のものには同符号を付す。
（実施例１）
図１（ａ）は本発明の回転多面鏡走査装置の全体構成を示す正面図、図１（ｂ）は断面図、図２はロータ部の重心位置を示す断面図、図３はラジアル軸受の拡大断面図、図４はスラスト軸受部とラジアル軸受部の拡大断面図、図５は固定軸保持フランジの断面図である。
【００２５】
図１に示した本発明の回転多面鏡走査装置の全体構成は、図１０で説明した従来構成と基本構成は同一であるので、簡単に基本構成のみを説明する。
【００２６】
図１において、鉄基板１に対して固定軸３がフランジ２を介して垂直に取り付いている。固定軸３は直径が３ｍｍのステンレス製の軸である。スリーブ４・ポリゴンミラー７・ヨーク板８１・ロータマグネット８２よりなるロータ部の軸穴に固定軸の自由端が挿入される。ロータ部の一端はスラスト板８とスラスト板押さえ板９によって閉鎖されており、スラスト板８と固定軸３の自由端１０とが当接してスラスト軸受部１１を形成している。スリーブ４の内面にはヘリングボーン状のグルーブが刻設され、固定軸３の外周面との間で一対のラジアル軸受５、６を形成している。スラスト軸受部１１とラジアル軸受部５・６の微小な隙間には潤滑油が注油されており、ロータ部は固定軸３を中心として低負荷で回転できるように構成されている。ポリゴンミラー７はスリーブ４上に設けたポリゴンミラー保持台１２に載置され、４つの爪を持つばね１３によって押圧されてスリーブ４と一体化している。
【００２７】
以下、本発明の実施例１の回転多面鏡走査装置について、従来例である図１０との相違部分と図１０で説明しなかった詳細構成を１〜４の項目別に説明する。１．ラジアル軸受の軸受長さと軸受寿命
始めに、ラジアル軸受の構成を図３によって説明する。
【００２８】
図３は本発明で使用するラジアル軸受部の拡大断面図である。図３において、回転スリーブ４の内壁には複数本のへリングボーン状のグルーブ２０が刻設されており、グルーブ２０に対向して固定軸３が設けられている。図３のヘリングボーンは、スリーブ４の裏面側に刻設されたものを表している。軸受部には潤滑油１８が毛細管作用によって保持されている。スリーブ４が反時計方向（矢印）に回転すると、グルーブ２０に沿って潤滑油が中央部に移動して中央部の潤滑油の圧力が増加して軸受として機能するようになる。実際の回転多面鏡走査装置では軸剛性を高めるために、上下一対のラジアル軸受を設けている。対になった軸受間のスパン、軸受の長さ（図でＢで示す）、グルーブを刻設していない面のスリーブ内径と固定軸との隙間（Ａで示す）、グルーブの深さ（Ｃで示す）などを最適化することによって必要な軸受剛性を得ることができる。
【００２９】
ラジアル軸受５・６の軸受長さが軸受寿命に与える影響を説明する。
図２は本発明の回転多面鏡走査装置のロータ部の重心位置を示す図である。ロータ部の主要部品の主構成部材と比重は、スリーブ４（銅鉛合金；８．０ｇ／ｃｃ）、ポリゴンミラー７（アルミニウム；２．７ｇ／ｃｃ）、ヨーク板８１（鉄板；７．８ｇ／ｃｃ）、ロータマグネット８２（樹脂中にフェライト磁石を分散した樹脂磁石；４．０ｇ／ｃｃ）である。これらの比重と構成部材の形状より重心位置を求めると、図２に示す重心位置Ｇが得られる。
【００３０】
重心位置Ｇはスラスト板８の上面を基準線としたとき、基準線の下方３．０７ｍｍの上軸受５内にに位置する。ロータ部が重心位置Ｇの上下で重量がバランスしている場合（アンバランス重量が０ｍｇ・ｃｍ）、ロータ部はラジアル軸受５・６に軸支されて正常に回転する。重心位置Ｇに対して上下の重量がアンバランスの場合には、ロータ部には重心位置Ｇを中心とした首振り運動の回転モーメントが負荷される。本実施例の場合には、上軸受５には下軸受６よりも大きな剛性が要求されることが図２よりわかる。
【００３１】
図４で、スラスト板８と固定軸４の当接点からラジアル軸受５の最上部までの距離をＬ0、ラジアル軸受５の最上部からラジアル軸受６の最下部までの距離をＬ、ラジアル軸受５の軸受長さをＬ1、ラジアル軸受６の軸受長さをＬ2、ラジアル軸受５、６間のスパンをＬ3、ラジアル軸間のテーパ状潤滑油溜めの長さをｌとして、Ｌ0・Ｌ・Ｌ3・ｌの長さを一定として、Ｌ1・Ｌ2の長さが異なる３種類の軸受を作成し、これらを用いて３種類の回転多面鏡走査装置を作り信頼性評価を行った。（表１、表２）
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】
（表１）・（表２）の連続回転の欄の数値は、ロータ部を連続回転したときポリゴンモータがロックするまでの平均時間である。また、間欠回転欄の数値は、モーターを立ち上げて定常回転に達した後、電流を停止するサイクルをくり返したときモータがロックするまでの平均回数である。５，０００ｒｐｍの場合の間欠回転の１サイクルは約３０秒、１０，０００ｒｐｍでは約５０秒である。なお、全ての場合にｎ＝３での平均値である。
【００３５】
（表１）・（表２）より明らかな通り、全ての場合に下軸受の長さがＬ2=3.5ｍｍの場合が、長寿命である。図２で説明したロータ部の重心位置Ｇからすれば、Ｇは上軸受側に片寄っているのでアンバランス重量が生じたとすれば、上軸受５には下軸受６より大きな負荷が生じるので、この分上軸受５の軸受長さを長くする必要があるはずである。それにも拘らず、（表１）・（表２）の結果が得られたのは、この場合の軸受寿命は軸受の剛性でなく、軸受からの潤滑油の流出の要因が大きなことを示唆しているように思われる。これを裏づけるように、潤滑油が流失しやすい高温条件ほどＬ2の長寿命化効果が顕著に見られる。
【００３６】
下軸受を長くすると長寿命になるのは、高温・高回転のように潤滑油が流出しやすい条件では、図１１に５２で示した軸受開放隙間（上記実施例の場合は約６０μｍ）の毛細管力では潤滑油溜めの潤滑油を保持することはできないためであると考えられる。これに対して、軸受部の隙間（図３でＡで示す）は数μｍ以下（上記実施例の場合は約４μｍ）であり、上記条件でも軸受部分の潤滑油は毛細管力で保持されるためと推定される。
【００３７】
なお、表１・表２における全ての場合に、軸受からの流出潤滑油による機内汚れは殆どなかった。
２．ラジアル軸受隙間と軸寿命
上記推論を検証するため、ラジアル軸受部は前記Ｌ1=2.3・Ｌ2=3.5で固定軸３の直径のみを変えてラジアル軸受の隙間Ａが異なる３種類の軸受部を作り、回転多面鏡走査装置に組み込んで信頼性試験を行った。結果を（表３）に示す。
【００３８】
【表３】
【００３９】
予想の通り軸受隙間の小さい軸受が長寿命であった。
通常の場合には、軸受隙間を小さくすることによって軸受の剛性は大きくなるが、軸受間の潤滑油にかかる剪断力が大きくなる。その結果潤滑油が劣化しやすくなって、軸受の寿命が短くなるものと考えられていた。しかし、本発明の回転多面鏡走査装置の軸構成では、ラジアル軸受の隙間Ａを小さくして軸受からの潤滑油流出を防止することが、長寿命化につながることがわかった。
３．スラスト軸受部のシール構造と軸寿命
スラスト軸受部の構成を図４によって説明する。固定軸３はφ３のステンレス棒で、頂点１０はＳＲ６の球面である。スリーブ４の軸穴の上部にスラスト板８を収容するスラスト板収容部１６が設けられており、この中にスラスト板８が収容されている。スラスト板８の材料は、滑り性・耐磨耗性のよい樹脂が使用される。実施例ではナイロン系の材料を使用している。スラスト板８は、スラスト板８の上に重ねて置かれたスラスト板押さえ板９を介して、スリーブ４の上部に設けた突起部１４で周囲をかしめて固定されている。
【００４０】
スラスト軸受部は以上のように構成されているので、気密性は完全ではなくスラスト板８、スラスト板押さえ板９とかしめ部材１４との間には、〜１００μｍ程度の隙間が存在する。この隙間は、下記の２つの機能を有する。
(1)軸挿入時の空気、潤滑油抜きの機能
ラジアル軸受部の組立は、軸受部５・６に潤滑油を塗布した後、軸穴に固定軸３を挿入して行う。固定軸３の挿入によって、スラスト軸受け部１１と固定軸の頂点１０との間の圧力が増加する。スラスト軸受部に隙間を設けておけば、空気・潤滑油がこの隙間を通って抜け出ることで圧力が解除される。スラスト軸受部１１が密閉されている場合には、挿入時の圧力は軸受５・６の微小隙間より解除せざるを得ないので、時間がかかる上、潤滑油中に気泡を巻きこむ恐れがある。潤滑油中の気泡は下記の問題を引き起こす。
(2)温度上昇時の空気抜きの機能
軸受を回転すると軸受部の温度が上昇する。軸受部に空気を巻き込んでると、温度上昇によって空気が膨張して下軸受６の開放口５２より潤滑油が流出する。スラスト軸受部に隙間を設けておけば、熱で膨張した空気がこの隙間から抜け出るので、潤滑油が軸受部から流出することを防止できる。
【００４１】
スラスト軸受部１１の隙間をなくし軸受の上部を完全に気密構造にすると、図４の下部潤滑油溜め５１内の潤滑油の保持力として大気圧が加算されるので、潤滑油が流出しにくくなり、寿命改善が期待できる。この場合、気泡を巻き込むと潤滑油の流出により軸寿命が短くなるので、気泡の巻き込みを確実に防止する必要がある。このために、スラスト軸受部に隙間を設けておき、軸を挿入後にこの隙間をシールする方法が確実であることがわかった。
【００４２】
（表３）で試作した軸受仕様で、軸受隙間Ａが２μｍのものを用いて、２種類の方法でスラスト軸受部を組み立てた。
(1)従来の方法
スリーブ４の軸受５、６に十分潤滑油を塗布した後、ゆっくりと固定軸３をスリーブ４の軸穴に挿入する。スラスト軸受部１１に存在する隙間や下軸受６下部の潤滑油溜め５２よりオーバフローした余剰の潤滑油を拭き取る。
(2)組み立て後スラスト軸受隙間をシールする方法
上記の手順の後、図４のかしめ部１４の周辺に紫外線硬化型の接着剤１７を塗布、紫外線照射して接着剤を硬化させてシールする。
【００４３】
上記２方法で作った軸受を用いて回転多面鏡走査装置を試作し、信頼性の評価を行った。（表４）
【００４４】
【表４】
【００４５】
（表４）に明らかのように、スラスト軸受部を気密構造にすることによって、軸受寿命を確実に改善できる。
【００４６】
上記構造は軸受寿命を長くするだけでなく、スラスト軸受部１４からの潤滑油流出に伴う潤滑油飛散を完全に防止できる。
【００４７】
なお、実施例ではスラスト軸受部から軸受外に通じる隙間は、スラスト板押さえ板９とスリーブ４の上部に設けたかしめ部材１４との隙間であるが、隙間の形態はこれに限定されるものでない。
４．固定軸支持フランジの形状
図５(ｂ)に従来の固定軸支持フランジ、図５(ａ)に本発明の固定軸支持フランジの断面図を示す。図５に示す固定軸支持フランジ２は、中央に固定軸３を圧入する圧入穴３２を有し、焼きばめで固定軸３を固定している。また、フランジ２の下部に設けたかしめ部３３によって、フランジ２は基板１に固定されている。本発明の固定軸支持フランジは、下記２点において従来フランジと形状が異なる。
(1)固定軸支持フランジ周辺にリング状の壁を設けた。
【００４８】
図５（ａ）に示す本発明の固定軸支持フランジ２の上面には、円筒状の壁３０が設けられている。壁３０の頂点の高さは、スリーブ４の最下面（図１１の５３で示す面）の高さより高い位置に設けてあるので、スリーブ４が高速で回転するとき、軸受部より流出して遠心力で振り飛ばされる潤滑油を壁３０で遮断することができる。したがって、本発明の壁３０を設けた回転多面鏡走査装置では、万一軸受部より潤滑油が流出してもフランジ２に設けた壁３０でせき止めることができるので、モータ回路基板８５等を汚染することはない。
(2)圧入穴をフランジの凹部に設けている。
【００４９】
図５（ａ）・（ｂ）との比較で明らかな通り、図５（ａ）の本発明フランジ２の圧入穴３２はフランジ２の中央の凹部３４に設けられている。このような構成にすることによって、スリーブ４の厚みは変えず、つまり軸受剛性を低下さすことなく、全体高さを低くすることを可能としている。試作回転多面鏡走査装置の全体高さは、１２．５ｍｍと非常に薄型である。
【００５０】
また、圧入穴３２の位置を低くすることによってスリーブ４の最下面の高さを下げれるので、前述した(1)の壁の設計が容易になる利点も有する。さらに、この凹部は流出潤滑油の潤滑油溜めとしての効果がある。
（実施例２）
発明が解決しようとしている課題のなかで、一般論として小型化・薄型化には軸固定方式が有利であると説明したが、実際に同サイズの軸固定方式と軸回転方式の回転多面鏡走査装置を試作してその優劣を比較検討した。
【００５１】
図６は左半分が軸回転／スリーブ固定、右半分が軸固定／スリーブ回転の回転多面鏡走査装置の断面図である。
【００５２】
図６の左半分に示すスリーブ固定／軸回転の回転多面鏡走査装置の構成を説明する。
【００５３】
固定スリーブ７１は固定部材７０を介して基板１に垂直に固定されている。固定スリーブ７１の内面には軸受７５・７６が、下部にはスラスト軸受け部７４が設けられている。固定スリーブ７１の上方は開放されていて回転軸７２・ポリゴンミラー保持部材７３・ポリゴンミラー７・ヨーク板８１・ロータマグネット８２よりなるロータ部が挿入されている。
【００５４】
図６の右半分は実施例１で説明した軸固定／スリーブ回転の回転多面鏡走査装置と同様な構成なので、再度の説明は省略する。
【００５５】
図６でＧ１は軸回転／スリーブ固定のロータ部の重心位置、Ｇ２は軸固定／スリーブ回転型のロータ部の重心位置である。スリーブの重量のために、Ｇ２がＧ１よりやや下になる。これに対して、軸回転型の軸受け部７５・７６は構成上、軸回転型の軸受け部５・６よりも下になる。スリーブ回転型では重心位置Ｇ２と軸受けの中心位置をほぼ一致させることが可能であるが、軸回転型では一致させることが構成上不可能である。
【００５６】
構成の異なる２種類の回転多面鏡走査装置を比較すると、下記２点において軸固定方式の回転多面鏡走査装置が有利であった。
(1)軸受の剛性
図７に２種類の回転多面鏡の耐アンバランス剛性の測定結果を示す。アンバランス量の基準面として、上面の基準面は軸回転の場合にはポリゴンミラー保持部材７３の上面、スリーブ回転の場合には同等位置である回転スリーブ４の上面である。下面の基準面は両方の場合とも、ヨーク板８１の上面である。図７実線が軸固定、図７破線が軸回転の場合の耐アンバランス剛性である。当然予想されるように、耐アンバランス剛性はスリーブ回転方式が優位性があることがわかる。
【００５７】
残量アンバランス５ｍｇｃｍを許容すると、軸回転の場合にスリーブ回転の場合と同程度のポリゴンミラーの振れ精度を確保するためには、軸受スパンを大きく取らざるを得ないので、軸回転の場合には回転多面鏡走査装置の全体高さを２０ｍｍ以下にすることは困難である。
(2)ポリゴンミラー保持部材と回転軸との直交度
図６でスリーブ回転の場合のポリゴンミラー７は、スリーブ４の上面に設けたポリゴンミラー保持面６１に置かれ、回転軸との直交度が保たれている。この場合には、スリーブ４の軸受け穴と保持面６１の直交度で、ポリゴンミラー保持部材と回転軸との直交度が決められるので、スリーブ４およびポリゴンミラー７の部品精度を管理することによって、直交度を保証することができる。
【００５８】
これに対して、図６の軸回転の場合にも、回転軸７２とポリゴンミラー７の直交度は、回転軸７２とポリゴンミラー保持面６２との直交度で決まるが、問題は回転軸７２に対してポリゴンミラー保持部材７３がかしめ加工されていることである。かしめ加工の加工精度のために、部品精度だけではポリゴンミラー７と回転軸７２との直交度は保証できない。したがって、この場合には回転軸７２にポリゴンミラー保持部材７３をかしめた後、ポリゴンミラー保持面６２が回転軸７２に対して直交するように切削する必要があることがわかった。
【００５９】
また、保持面６２の後加工を前提としても、ポリゴンミラー保持部材７３と回転軸７２とのかしめ代６３が５ｍｍ程度は必要であり、薄型化には不利であることがわかった。
（実施例３）
図８に、高速回転（２０，０００ｒｐｍ）の薄型回転多面鏡走査装置を示す。図８の回転多面鏡走査装置の構成は、図１の構成と基本的には同一であるが、高速回転（２０，０００ｒｐｍ）に対応できる軸受剛性とするため軸受５、６の長さ、および中間部の長さｌを大きくしてあるのが図１の回転多面鏡走査装置との１つの相違点である。勿論、モータ部はステータコイル８３の巻き数、ヨーク板１の材質、ドライバー回路８７の定数等を変更して、高速化に対応している。
【００６０】
図８で、基板１に固定軸３を圧入したフランジ２が、かしめられている。実施例１と同じように、フランジ２の上面部には凹部３４が設けられ、さらに外周に円筒状の壁３０を設けている。回転スリーブ４の軸受に刻設された上軸受け５の長さＬ１＝３．２ｍｍ、下軸受け６の長さＬ２＝４．３ｍｍ、中間部の長さｌ＝２．０ｍｍとしたため、スリーブ４の全体高さが高くなっている。この分フランジ２の凹部３４の窪みを深くして、フランジ２を基板１の下に突き出す構成として、フランジ２部分以外は回転多面鏡走査装置の高さが高くならないようにしている。このために装置の全体高さは１９．０ｍｍとなり実施例１の装置より高くなっているが、基板１からの高さは１２．５ｍｍで実施例１と同じ高さである。
【００６１】
高速回転時の遠心力による潤滑油の流出を防止するために、図１１の５３で示した軸受け開放隙間を実施例１の６０μｍから２０μｍとして潤滑油の保持力を高めた。また、実施例１で有効であった軸受け組み立て後スラスト軸受け隙間をシール部材１７でシールする構成とした。
【００６２】
この回転多面鏡走査装置は、２０，０００ｒｐｍの使用に耐える信頼性を有していた。
【００６３】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明の回転多面鏡走査装置は、薄型化に適した軸固定構造の回転多面鏡走査装置であり、下軸受の長さを上軸受の長さより長くすることによって、信頼性を向上させることができる。
【００６４】
また、スリーブの内径と固定軸の直径との差が、固定軸の直径の１／４００以下とすることによって信頼性をさらに改善することができる。
【００６５】
また、固定軸とスリーブとの隙間が、スリーブ開放端において固定軸の直径の１／２００〜１／３０にすることによって、信頼性をさらに改善することができる。
【００６６】
また、固定軸を固定するフランジ周辺に、高さがスリーブ開放端の最下点よりも高い壁を設けることによって、スリーブ開放端から流出する潤滑油が遠心力によって装置内を汚染するのを防止できる。
【００６７】
さらに、本発明の回転多面鏡走査装置の製造方法によれば、スラスト軸受部にあらかじめ隙間を設けておき、軸受部に固定軸を挿入時に、この隙間より空気と過剰の潤滑油とを排出した後、隙間をシール部材でシールすることによって、容易に軸受部に気泡を巻き込むのを防ぐことができるとともに、気密構造とすることによってスリーブ開放口端の潤滑油保持力を高め、高速回転時の遠心力によって潤滑油がスリーブ開放口端から流出するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における回転多面鏡走査装置の正面図と断面図
【図２】本発明の実施例１における回転多面鏡走査装置の重心位置を示す断面図
【図３】ラジアル軸受の断面図
【図４】ラジアル軸受とスラスト軸受の断面図
【図５】本発明の実施例１における回転多面鏡走査装置の固定軸保持フランジの断面図と従来フランジの断面図
【図６】実施例２における軸回転と軸固定回転多面鏡走査装置の断面図
【図７】実施例２の回転多面鏡走査装置における軸剛性を示す図
【図８】本発明の実施例３における回転多面鏡走査装置の正面図
【図９】回転多面鏡走査装置の軸受の方式を説明する断面図
【図１０】従来例における回転多面鏡走査装置の断面図
【図１１】軸固定／軸回転方式の潤滑油の流出の違いを説明する模式図
【符号の説明】
１ 基板
３ 固定軸
４ スリーブ
５・６ 動圧ラジアル軸受
７ 回転多面鏡
１１ スラスト軸受部
５２ 開放口隙間
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ光を回転多面鏡によって走査線に変換する回転多面鏡走査装置に関し、例えばレーザビームプリンタ等の画像形成装置に使用される回転多面鏡走査装置である。本発明の利用分野はその他、イメージスキャナ・形状測定器等多くの分野に利用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光を回転多面鏡によって走査線に変換する回転多面鏡走査装置の利用分野が拡がるにつれ、性能面での要求も高度になっている。とくに、レーザビームプリンタのような画像形成装置に使用される回転多面鏡走査装置は、画像形成装置本体の小型化・高解像度化・低価格化が著しく、このために回転多面走査装置に対しても小型化・高速化・低騒音化・低価格化が強く要求されている。
【０００３】
これらの要求を達成する一つの有力な方法は、特公平４−２５５２２号公報、特開平３−１０７９１３号公報等に開示されている動圧軸受の利用である。動圧軸受は軸部材と軸受部材とが流体を介して非接触で回転するため、高精度な回転が可能である。このために、低騒音で高速回転が可能である。しかも、従来使用されていた玉軸受よりも軸受部が小型で、低価格である。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
回転多面鏡走査装置の軸受部は、図９（ａ）・（ｂ）に示す二種類の構成が可能である。図９（ａ）は基板１００に軸１０２が固定されている軸固定方式である。この回転多面鏡走査装置は、固定軸１０２を中心として軸受１０５・１０６を介して回転自在能に設けたスリーブ１０３と、スリーブ１０３に一体的に設けた回転多面鏡１０４とより構成されており、スリーブ１０３が固定軸１０２を中心として回転する。一方、図９（ｂ）は基板１００に軸受１０５・１０６を内包するスリーブ１０３が、固定されているスリーブ固定方式である。回転多面鏡１０４と一体的に設けた回転多面鏡支持台１０７が回転軸１０２に固定されており、スリーブ１０３の内壁に設けた軸受１０５・１０６を介して回転軸１０２が回転する。
【０００５】
何れの構成の場合にも、軸受は上軸受１０５と下軸受１０６との対の軸受が使用される。軸固定方式の場合、ロータ部の回転重心Ｘと、軸受１０５と１０６との中心位置Ｙをほぼ一致させることが可能である。したがって、ロータ部に回転アンバランスが生じたとしても、上軸受１０５と下軸受１０６には均等な負荷がかかるので軸受部の剛性は大きい。これに対して、スリーブ固定の場合のロータ部の重心Ｘと軸受１０５と１０６の中心位置Ｙは、位置が異なる。したがって、ロータ部に回転アンバランスが生じると、上軸受１０５と下軸受１０６にはロータ部の首振り運動を支えるような負荷が課せられるので、スリーブ固定の場合には軸固定の場合より軸剛性を大きくする必要がある。このため、軸受長さを長くする、軸受１０５と１０６との距離を大きくする等の軸受剛性を大きくするための処置が必要となり、スリーブ固定方式は小型化には不利であるといえる。
【０００６】
以上の比較は軸受部が、従来一般的に使用されている玉軸受の場合にも、本発明の動圧流体軸受の場合にも共通している。従来の玉軸受は軸受自体が比較的大きく、また軸受の剛性も十分に大きかったので、スリーブ固定型での使用が多くなされていた。このため、玉軸受を使用した従来の回転多面鏡装置は大型であった。
【０００７】
これに対して本発明で使用する動圧流体軸受は、軸部材と軸受部材とのμｍ単位の微小な間隙に潤滑油を保持させて回転するために小型等の優れた特徴を有するが、反面軸剛性が玉軸受よりは劣る短所を有している。したがって、動圧流体軸受を用いた回転多面鏡走査装置には、軸受の剛性の点で軸固定方式が適しており、動圧流体軸受の採用によって大幅な小型化が期待できることがわかる。
【０００８】
そこで、図１０に示す動圧流体軸受を用いた軸固定方式の小型・薄型の回転多面鏡走査装置を試作した。図１０によって、試作した回転多面鏡走査装置の全体構成を説明する。
【０００９】
図１０は試作回転多面鏡走査装置の断面図であり、１は鉄板よりなる基板、３はステンレス製の固定軸、２はアルミニウム製のフランジである。固定軸３はフランジ２に圧入されており、フランジ２が基板１にかしめられている。４は軸受材料である銅鉛合金製のスリーブである。スリーブ４の内面にはグルーブが刻設されており、固定軸３の外周面と対向して軸受部５・６を形成している。スリーブ４の下部は開放されていて、開放口より固定軸３を挿入する。スリーブ４の上部は、スラスト板８とスラスト板押さえ板９によって閉鎖されている。固定軸３の自由端１０は球面で、スラスト板８に当接してスラスト軸受部１１を形成している。
【００１０】
スリーブ４の上面には、ポリゴンミラー７の保持台１２が設けられおり、ポリゴンミラー７はばね１３によって保持台１２に押圧・保持されている。
【００１１】
ポリゴンミラー７を回転させる駆動力は、スリーブ４の下面に取りつけたロータマグネット８２と基板１側に固定したステータコイル８３との間に生じる磁気力である。ロータマグネット８２は、スリーブ４に固定されたヨーク板８１に接着されている。鉄板よりなる基板１は、ステータコイル８３のヨーク板としても機能する。ステータコイル８３の中央部に設けられたホール素子８４（図には示していない）が、ロータマグネット８２内の着磁した交番磁極の位置を検知する。検知信号に対応して、回路基板８５のドライバー回路８６がステータコイル８３の電流の位相を制御する。これによってロータマグネット８２とステータコイル８３との間の磁気力が制御され、スリーブ４・ポリゴンミラー７・ヨーク板８１・ロータマグネット８２よりなるロータ部が回転する。
【００１２】
試作した軸受はアンバランス重量が生じたときに軸受５と軸受６には同負荷がかかるように、それぞれの軸受の長さを設定したものである。この回転多面鏡走査装置は小型・薄型にも拘らず３、０００〜２０、０００ｒｐｍの回転が可能であり、静音性・回転安定性に優れていたが、軸受の信頼性に問題があることがわかった。
【００１３】
試作回転多面鏡走査装置を５，０００ｒｐｍで、常温で回転させる場合には、連続１，０００時間回転させても異常は認められなかったが、６０℃で運転した場合には、〜１００時間でモータ電流値（負荷トルク）が増加し始め、２００〜３００時間後には、軸受５・６がロックしてしまうことがわかった。上記現象は高回転で回転させるほど顕著であった。
【００１４】
ロックした軸受部を詳細に分析したところ、はじめに軸受６が潤滑油不足となり軸と軸受金属がこすれ温度上昇する。温度上昇によって軸受隙間の潤滑剤の劣化が加速され、潤滑油が急速に高分子化（樹脂化）し、樹脂化物が軸受全体に目ずまりしロックに至る。つぎに軸受５が軸受６の温度上昇の影響を受けて、軸受６よりやや遅れて潤滑油の高分子化が進行しロックに至る。スラスト軸受１１は、スラスト板８がやや磨耗している程度であり寿命の問題がないことがわかった。
【００１５】
上記解析結果は、試作回転多面鏡走査装置の軸受構造からも十分理解できることである。すなわち、図９（ａ）と図９（ｂ）との比較から明らかな通り、スリーブ固定方式の軸受部の下部は密閉構造が可能であるのに対し、軸固定方式では下軸受１０６の下部は開放されているため、重力的に潤滑油が下軸受より滲み出しやすい。
【００１６】
また、潤滑油はスリーブの回転による遠心力によっても軸受外に逃げようとしている。図１１（ａ）は軸固定／スリーブ回転、図１１（ｂ）は軸回転／スリーブ固定の構成のラジアル軸受部の拡大断面図である。図１１（ａ）で、軸受６の下部には固定軸２と回転スリーブ４との空間で形成される潤滑油溜め５１が、５１の下部はやや狭くなった開放端隙間５２が設けられている。潤滑油溜め５１内の潤滑油は開放隙間５２が０．１ｍｍ以下と狭いので、毛細管現象により潤滑油溜め５１内に留まっている。スリーブ４が回転すると開放隙間の先端の潤滑油は、遠心力を受けてスリーブ４の下面５３に滲み出る。面５３に滲み出た潤滑油は、滲み出ることによってより大きな遠心力を受けさらに下面５３を伝わって漏れ出る。上記現象が連続的にくり返されて、潤滑油溜め５１内の潤滑油がスリーブ下面５３に流出する。通常潤滑油の流出を防止するために、撥油剤５４を開放隙間５２の周辺に塗布するが、図１１（ａ）に示すように撥油剤５３によって流出潤滑油は一旦はせきとめられ潤滑油たまり５８を形成するが、結局は遠心力で振り飛ばされて撥油剤５４を乗り越えて流出してしまう。
【００１７】
これに対して、図１１（ｂ）に示す軸回転／スリーブ固定構成では、回転軸５６の遠心力によって固定スリーブ５７上面５５まで滲み出た潤滑油には、もはや遠心力は作用していない。したがって、撥油剤５４を塗布しておけば潤滑油たまり５８を形成し、これ以上の潤滑油流出は起こらない。上記理由によって軸固定型の回転多面鏡走査装置の場合には、スリーブ４の開放端隙間５２からの潤滑油の流出のために下軸６の寿命が短くなるものと考えられる。回転多面鏡走査装置が高速回転するほど遠心力による潤滑油の流出が加速されるので下軸受６の寿命は加速度的に短くなる。
【００１８】
また、軸受け部外に流出した潤滑油は、回転多面鏡装置内部や、回転多面鏡面を汚染し二次障害を引き起こす副作用がある。図１０でスリーブ４の下部より流出した潤滑油は、遠心力によって振り飛ばされて回路基板８５に飛散する。また、スラスト軸受部１１に隙間が存在すると、同じように遠心力を受けて潤滑油が流出する。スラスト軸受部１１より流出した潤滑油は、ポリゴンミラー７の上面を伝わりポリゴンミラーの反射面を汚したり、さらにはレンズ・ミラー等の光学部品をも汚染する。
【００１９】
本発明は上記問題を解決するもので、高信頼性で、高精度・高速・低騒音・小型・偏平・軽量・低価格の回転多面鏡装置を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の第１の発明は、一端が基板に固定され他の一端が自由端である固定軸と、一端がスラスト板によって閉鎖され他の一端が開放され前記固定軸に回転自在に嵌合するスリーブと、前記固定軸の外周面と前記スリーブの内周面との対向部分に設けた一対の動圧ラジアル軸受部と、前記固定軸の自由端頂点と前記スリーブのスラスト板とで形成されるスラスト軸受部と、前記スリーブと一体的に設けられた回転多面鏡とヨーク板とロータマグネットとよりなるロータ部とを有する回転多面鏡走査装置であって、前記ロータ部の回転重心位置が、前記一対の動圧ラジアル軸受部のほぼ中央に位置し、かつ、前記スリーブの開放口端側に設けたラジアル動圧軸受部の長さが、前記スリーブの閉鎖端側に設けた動圧ラジアル軸受部の長さより長くした回転多面鏡走査装置である。
【００２１】
また、本発明の第２の発明は、一端が基板に固定され他の一端が自由端である固定軸と、一端がスラスト板によって閉鎖され他の一端が開放され前記固定軸に回転自在に嵌遊するスリーブと、前記固定軸の外周面と前記スリーブの内周面との対向部分に設けた一対の動圧ラジアル軸受部と、前記固定軸の自由端頂点と接する際に、前記スリーブとスラスト板との間で形成される外部に通じる隙間を有するスラスト軸受部と、前記スリーブと一体的に設けられた回転多面鏡とヨーク板とロータマグネットとよりなるロータ部と、を有する回転多面鏡走査装置の組み立て工程において、（１）前記スラスト板をスリーブに設けられた突起部でかしめて固定する工程と、（２）前記動圧ラジアル軸受部に潤滑油を塗布する工程と、（３）前記スリーブの開放口端に前記固定軸の自由端を挿入する工程と、（４）前記挿入工程において、前記スラスト軸受部に圧縮される潤滑油と空気とを前記間隙より逃がす工程と、（５）前記固定軸を挿入後に前記隙間をシールする工程と、を有する回転多面鏡走査装置の製造方法である。
【００２２】
【作用】
本発明の第１の発明による回転多面鏡走査装置は、上記のような構成にすることによって、下軸受からの潤滑油の流出量を少なくできるので下軸受が長寿命になり、回転多面鏡走査装置の信頼性を向上することができる。
【００２３】
また、本発明の第２の発明による回転多面鏡走査装置は、スラスト軸受部を気密構造にすることによって、下軸受からの潤滑油が大気圧によって流出しにくくなるので、下軸受の寿命が改善できるとともに、スラスト軸受部と下軸受部からの潤滑油の流出による装置内の汚染を防止することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例において従来と同機能のものには同符号を付す。
（実施例１）
図１（ａ）は本発明の回転多面鏡走査装置の全体構成を示す正面図、図１（ｂ）は断面図、図２はロータ部の重心位置を示す断面図、図３はラジアル軸受の拡大断面図、図４はスラスト軸受部とラジアル軸受部の拡大断面図、図５は固定軸保持フランジの断面図である。
【００２５】
図１に示した本発明の回転多面鏡走査装置の全体構成は、図１０で説明した従来構成と基本構成は同一であるので、簡単に基本構成のみを説明する。
【００２６】
図１において、鉄基板１に対して固定軸３がフランジ２を介して垂直に取り付いている。固定軸３は直径が３ｍｍのステンレス製の軸である。スリーブ４・ポリゴンミラー７・ヨーク板８１・ロータマグネット８２よりなるロータ部の軸穴に固定軸の自由端が挿入される。ロータ部の一端はスラスト板８とスラスト板押さえ板９によって閉鎖されており、スラスト板８と固定軸３の自由端１０とが当接してスラスト軸受部１１を形成している。スリーブ４の内面にはヘリングボーン状のグルーブが刻設され、固定軸３の外周面との間で一対のラジアル軸受５、６を形成している。スラスト軸受部１１とラジアル軸受部５・６の微小な隙間には潤滑油が注油されており、ロータ部は固定軸３を中心として低負荷で回転できるように構成されている。ポリゴンミラー７はスリーブ４上に設けたポリゴンミラー保持台１２に載置され、４つの爪を持つばね１３によって押圧されてスリーブ４と一体化している。
【００２７】
以下、本発明の実施例１の回転多面鏡走査装置について、従来例である図１０との相違部分と図１０で説明しなかった詳細構成を１〜４の項目別に説明する。１．ラジアル軸受の軸受長さと軸受寿命
始めに、ラジアル軸受の構成を図３によって説明する。
【００２８】
図３は本発明で使用するラジアル軸受部の拡大断面図である。図３において、回転スリーブ４の内壁には複数本のへリングボーン状のグルーブ２０が刻設されており、グルーブ２０に対向して固定軸３が設けられている。図３のヘリングボーンは、スリーブ４の裏面側に刻設されたものを表している。軸受部には潤滑油１８が毛細管作用によって保持されている。スリーブ４が反時計方向（矢印）に回転すると、グルーブ２０に沿って潤滑油が中央部に移動して中央部の潤滑油の圧力が増加して軸受として機能するようになる。実際の回転多面鏡走査装置では軸剛性を高めるために、上下一対のラジアル軸受を設けている。対になった軸受間のスパン、軸受の長さ（図でＢで示す）、グルーブを刻設していない面のスリーブ内径と固定軸との隙間（Ａで示す）、グルーブの深さ（Ｃで示す）などを最適化することによって必要な軸受剛性を得ることができる。
【００２９】
ラジアル軸受５・６の軸受長さが軸受寿命に与える影響を説明する。
図２は本発明の回転多面鏡走査装置のロータ部の重心位置を示す図である。ロータ部の主要部品の主構成部材と比重は、スリーブ４（銅鉛合金；８．０ｇ／ｃｃ）、ポリゴンミラー７（アルミニウム；２．７ｇ／ｃｃ）、ヨーク板８１（鉄板；７．８ｇ／ｃｃ）、ロータマグネット８２（樹脂中にフェライト磁石を分散した樹脂磁石；４．０ｇ／ｃｃ）である。これらの比重と構成部材の形状より重心位置を求めると、図２に示す重心位置Ｇが得られる。
【００３０】
重心位置Ｇはスラスト板８の上面を基準線としたとき、基準線の下方３．０７ｍｍの上軸受５内にに位置する。ロータ部が重心位置Ｇの上下で重量がバランスしている場合（アンバランス重量が０ｍｇ・ｃｍ）、ロータ部はラジアル軸受５・６に軸支されて正常に回転する。重心位置Ｇに対して上下の重量がアンバランスの場合には、ロータ部には重心位置Ｇを中心とした首振り運動の回転モーメントが負荷される。本実施例の場合には、上軸受５には下軸受６よりも大きな剛性が要求されることが図２よりわかる。
【００３１】
図４で、スラスト板８と固定軸４の当接点からラジアル軸受５の最上部までの距離をＬ0、ラジアル軸受５の最上部からラジアル軸受６の最下部までの距離をＬ、ラジアル軸受５の軸受長さをＬ1、ラジアル軸受６の軸受長さをＬ2、ラジアル軸受５、６間のスパンをＬ3、ラジアル軸間のテーパ状潤滑油溜めの長さをｌとして、Ｌ0・Ｌ・Ｌ3・ｌの長さを一定として、Ｌ1・Ｌ2の長さが異なる３種類の軸受を作成し、これらを用いて３種類の回転多面鏡走査装置を作り信頼性評価を行った。（表１、表２）
【００３２】
【表１】
【表２】
（表１）・（表２）の連続回転の欄の数値は、ロータ部を連続回転したときポリゴンモータがロックするまでの平均時間である。また、間欠回転欄の数値は、モーターを立ち上げて定常回転に達した後、電流を停止するサイクルをくり返したときモータがロックするまでの平均回数である。５，０００ｒｐｍの場合の間欠回転の１サイクルは約３０秒、１０，０００ｒｐｍでは約５０秒である。なお、全ての場合にｎ＝３での平均値である。
【００３５】
（表１）・（表２）より明らかな通り、全ての場合に下軸受の長さがＬ2=3.5ｍｍの場合が、長寿命である。図２で説明したロータ部の重心位置Ｇからすれば、Ｇは上軸受側に片寄っているのでアンバランス重量が生じたとすれば、上軸受５には下軸受６より大きな負荷が生じるので、この分上軸受５の軸受長さを長くする必要があるはずである。それにも拘らず、（表１）・（表２）の結果が得られたのは、この場合の軸受寿命は軸受の剛性でなく、軸受からの潤滑油の流出の要因が大きなことを示唆しているように思われる。これを裏づけるように、潤滑油が流失しやすい高温条件ほどＬ2の長寿命化効果が顕著に見られる。
【００３６】
下軸受を長くすると長寿命になるのは、高温・高回転のように潤滑油が流出しやすい条件では、図１１に５２で示した軸受開放隙間（上記実施例の場合は約６０μｍ）の毛細管力では潤滑油溜めの潤滑油を保持することはできないためであると考えられる。これに対して、軸受部の隙間（図３でＡで示す）は数μｍ以下（上記実施例の場合は約４μｍ）であり、上記条件でも軸受部分の潤滑油は毛細管力で保持されるためと推定される。
【００３７】
なお、表１・表２における全ての場合に、軸受からの流出潤滑油による機内汚れは殆どなかった。
２．ラジアル軸受隙間と軸寿命
上記推論を検証するため、ラジアル軸受部は前記Ｌ1=2.3・Ｌ2=3.5で固定軸３の直径のみを変えてラジアル軸受の隙間Ａが異なる３種類の軸受部を作り、回転多面鏡走査装置に組み込んで信頼性試験を行った。結果を（表３）に示す。
【００３８】
【表３】
予想の通り軸受隙間の小さい軸受が長寿命であった。
通常の場合には、軸受隙間を小さくすることによって軸受の剛性は大きくなるが、軸受間の潤滑油にかかる剪断力が大きくなる。その結果潤滑油が劣化しやすくなって、軸受の寿命が短くなるものと考えられていた。しかし、本発明の回転多面鏡走査装置の軸構成では、ラジアル軸受の隙間Ａを小さくして軸受からの潤滑油流出を防止することが、長寿命化につながることがわかった。
３．スラスト軸受部のシール構造と軸寿命
スラスト軸受部の構成を図４によって説明する。固定軸３はφ３のステンレス棒で、頂点１０はＳＲ６の球面である。スリーブ４の軸穴の上部にスラスト板８を収容するスラスト板収容部１６が設けられており、この中にスラスト板８が収容されている。スラスト板８の材料は、滑り性・耐磨耗性のよい樹脂が使用される。実施例ではナイロン系の材料を使用している。スラスト板８は、スラスト板８の上に重ねて置かれたスラスト板押さえ板９を介して、スリーブ４の上部に設けた突起部１４で周囲をかしめて固定されている。
【００４０】
スラスト軸受部は以上のように構成されているので、気密性は完全ではなくスラスト板８、スラスト板押さえ板９とかしめ部材１４との間には、〜１００μｍ程度の隙間が存在する。この隙間は、下記の２つの機能を有する。
(1)軸挿入時の空気、潤滑油抜きの機能
ラジアル軸受部の組立は、軸受部５・６に潤滑油を塗布した後、軸穴に固定軸３を挿入して行う。固定軸３の挿入によって、スラスト軸受け部１１と固定軸の頂点１０との間の圧力が増加する。スラスト軸受部に隙間を設けておけば、空気・潤滑油がこの隙間を通って抜け出ることで圧力が解除される。スラスト軸受部１１が密閉されている場合には、挿入時の圧力は軸受５・６の微小隙間より解除せざるを得ないので、時間がかかる上、潤滑油中に気泡を巻きこむ恐れがある。潤滑油中の気泡は下記の問題を引き起こす。
(2)温度上昇時の空気抜きの機能
軸受を回転すると軸受部の温度が上昇する。軸受部に空気を巻き込んでると、温度上昇によって空気が膨張して下軸受６の開放口５２より潤滑油が流出する。スラスト軸受部に隙間を設けておけば、熱で膨張した空気がこの隙間から抜け出るので、潤滑油が軸受部から流出することを防止できる。
【００４１】
スラスト軸受部１１の隙間をなくし軸受の上部を完全に気密構造にすると、図４の下部潤滑油溜め５１内の潤滑油の保持力として大気圧が加算されるので、潤滑油が流出しにくくなり、寿命改善が期待できる。この場合、気泡を巻き込むと潤滑油の流出により軸寿命が短くなるので、気泡の巻き込みを確実に防止する必要がある。このために、スラスト軸受部に隙間を設けておき、軸を挿入後にこの隙間をシールする方法が確実であることがわかった。
【００４２】
（表３）で試作した軸受仕様で、軸受隙間Ａが２μｍのものを用いて、２種類の方法でスラスト軸受部を組み立てた。
(1)従来の方法
スリーブ４の軸受５、６に十分潤滑油を塗布した後、ゆっくりと固定軸３をスリーブ４の軸穴に挿入する。スラスト軸受部１１に存在する隙間や下軸受６下部の潤滑油溜め５２よりオーバフローした余剰の潤滑油を拭き取る。
(2)組み立て後スラスト軸受隙間をシールする方法
上記の手順の後、図４のかしめ部１４の周辺に紫外線硬化型の接着剤１７を塗布、紫外線照射して接着剤を硬化させてシールする。
【００４３】
上記２方法で作った軸受を用いて回転多面鏡走査装置を試作し、信頼性の評価を行った。（表４）
【００４４】
【表４】
（表４）に明らかのように、スラスト軸受部を気密構造にすることによって、軸受寿命を確実に改善できる。
【００４６】
上記構造は軸受寿命を長くするだけでなく、スラスト軸受部１４からの潤滑油流出に伴う潤滑油飛散を完全に防止できる。
【００４７】
なお、実施例ではスラスト軸受部から軸受外に通じる隙間は、スラスト板押さえ板９とスリーブ４の上部に設けたかしめ部材１４との隙間であるが、隙間の形態はこれに限定されるものでない。
４．固定軸支持フランジの形状
図５(ｂ)に従来の固定軸支持フランジ、図５(ａ)に本発明の固定軸支持フランジの断面図を示す。図５に示す固定軸支持フランジ２は、中央に固定軸３を圧入する圧入穴３２を有し、焼きばめで固定軸３を固定している。また、フランジ２の下部に設けたかしめ部３３によって、フランジ２は基板１に固定されている。本発明の固定軸支持フランジは、下記２点において従来フランジと形状が異なる。
(1)固定軸支持フランジ周辺にリング状の壁を設けた。
【００４８】
図５（ａ）に示す本発明の固定軸支持フランジ２の上面には、円筒状の壁３０が設けられている。壁３０の頂点の高さは、スリーブ４の最下面（図１１の５３で示す面）の高さより高い位置に設けてあるので、スリーブ４が高速で回転するとき、軸受部より流出して遠心力で振り飛ばされる潤滑油を壁３０で遮断することができる。したがって、本発明の壁３０を設けた回転多面鏡走査装置では、万一軸受部より潤滑油が流出してもフランジ２に設けた壁３０でせき止めることができるので、モータ回路基板８５等を汚染することはない。
(2)圧入穴をフランジの凹部に設けている。
【００４９】
図５（ａ）・（ｂ）との比較で明らかな通り、図５（ａ）の本発明フランジ２の圧入穴３２はフランジ２の中央の凹部３４に設けられている。このような構成にすることによって、スリーブ４の厚みは変えず、つまり軸受剛性を低下さすことなく、全体高さを低くすることを可能としている。試作回転多面鏡走査装置の全体高さは、１２．５ｍｍと非常に薄型である。
【００５０】
また、圧入穴３２の位置を低くすることによってスリーブ４の最下面の高さを下げれるので、前述した(1)の壁の設計が容易になる利点も有する。さらに、この凹部は流出潤滑油の潤滑油溜めとしての効果がある。
（実施例２）
発明が解決しようとしている課題のなかで、一般論として小型化・薄型化には軸固定方式が有利であると説明したが、実際に同サイズの軸固定方式と軸回転方式の回転多面鏡走査装置を試作してその優劣を比較検討した。
【００５１】
図６は左半分が軸回転／スリーブ固定、右半分が軸固定／スリーブ回転の回転多面鏡走査装置の断面図である。
【００５２】
図６の左半分に示すスリーブ固定／軸回転の回転多面鏡走査装置の構成を説明する。
【００５３】
固定スリーブ７１は固定部材７０を介して基板１に垂直に固定されている。固定スリーブ７１の内面には軸受７５・７６が、下部にはスラスト軸受け部７４が設けられている。固定スリーブ７１の上方は開放されていて回転軸７２・ポリゴンミラー保持部材７３・ポリゴンミラー７・ヨーク板８１・ロータマグネット８２よりなるロータ部が挿入されている。
【００５４】
図６の右半分は実施例１で説明した軸固定／スリーブ回転の回転多面鏡走査装置と同様な構成なので、再度の説明は省略する。
【００５５】
図６でＧ１は軸回転／スリーブ固定のロータ部の重心位置、Ｇ２は軸固定／スリーブ回転型のロータ部の重心位置である。スリーブの重量のために、Ｇ２がＧ１よりやや下になる。これに対して、軸回転型の軸受け部７５・７６は構成上、軸回転型の軸受け部５・６よりも下になる。スリーブ回転型では重心位置Ｇ２と軸受けの中心位置をほぼ一致させることが可能であるが、軸回転型では一致させることが構成上不可能である。
【００５６】
構成の異なる２種類の回転多面鏡走査装置を比較すると、下記２点において軸固定方式の回転多面鏡走査装置が有利であった。
(1)軸受の剛性
図７に２種類の回転多面鏡の耐アンバランス剛性の測定結果を示す。アンバランス量の基準面として、上面の基準面は軸回転の場合にはポリゴンミラー保持部材７３の上面、スリーブ回転の場合には同等位置である回転スリーブ４の上面である。下面の基準面は両方の場合とも、ヨーク板８１の上面である。図７実線が軸固定、図７破線が軸回転の場合の耐アンバランス剛性である。当然予想されるように、耐アンバランス剛性はスリーブ回転方式が優位性があることがわかる。
【００５７】
残量アンバランス５ｍｇｃｍを許容すると、軸回転の場合にスリーブ回転の場合と同程度のポリゴンミラーの振れ精度を確保するためには、軸受スパンを大きく取らざるを得ないので、軸回転の場合には回転多面鏡走査装置の全体高さを２０ｍｍ以下にすることは困難である。
(2)ポリゴンミラー保持部材と回転軸との直交度
図６でスリーブ回転の場合のポリゴンミラー７は、スリーブ４の上面に設けたポリゴンミラー保持面６１に置かれ、回転軸との直交度が保たれている。この場合には、スリーブ４の軸受け穴と保持面６１の直交度で、ポリゴンミラー保持部材と回転軸との直交度が決められるので、スリーブ４およびポリゴンミラー７の部品精度を管理することによって、直交度を保証することができる。
【００５８】
これに対して、図６の軸回転の場合にも、回転軸７２とポリゴンミラー７の直交度は、回転軸７２とポリゴンミラー保持面６２との直交度で決まるが、問題は回転軸７２に対してポリゴンミラー保持部材７３がかしめ加工されていることである。かしめ加工の加工精度のために、部品精度だけではポリゴンミラー７と回転軸７２との直交度は保証できない。したがって、この場合には回転軸７２にポリゴンミラー保持部材７３をかしめた後、ポリゴンミラー保持面６２が回転軸７２に対して直交するように切削する必要があることがわかった。
【００５９】
また、保持面６２の後加工を前提としても、ポリゴンミラー保持部材７３と回転軸７２とのかしめ代６３が５ｍｍ程度は必要であり、薄型化には不利であることがわかった。
（実施例３）
図８に、高速回転（２０，０００ｒｐｍ）の薄型回転多面鏡走査装置を示す。図８の回転多面鏡走査装置の構成は、図１の構成と基本的には同一であるが、高速回転（２０，０００ｒｐｍ）に対応できる軸受剛性とするため軸受５、６の長さ、および中間部の長さｌを大きくしてあるのが図１の回転多面鏡走査装置との１つの相違点である。勿論、モータ部はステータコイル８３の巻き数、ヨーク板１の材質、ドライバー回路８７の定数等を変更して、高速化に対応している。
【００６０】
図８で、基板１に固定軸３を圧入したフランジ２が、かしめられている。実施例１と同じように、フランジ２の上面部には凹部３４が設けられ、さらに外周に円筒状の壁３０を設けている。回転スリーブ４の軸受に刻設された上軸受け５の長さＬ１＝３．２ｍｍ、下軸受け６の長さＬ２＝４．３ｍｍ、中間部の長さｌ＝２．０ｍｍとしたため、スリーブ４の全体高さが高くなっている。この分フランジ２の凹部３４の窪みを深くして、フランジ２を基板１の下に突き出す構成として、フランジ２部分以外は回転多面鏡走査装置の高さが高くならないようにしている。このために装置の全体高さは１９．０ｍｍとなり実施例１の装置より高くなっているが、基板１からの高さは１２．５ｍｍで実施例１と同じ高さである。
【００６１】
高速回転時の遠心力による潤滑油の流出を防止するために、図１１の５３で示した軸受け開放隙間を実施例１の６０μｍから２０μｍとして潤滑油の保持力を高めた。また、実施例１で有効であった軸受け組み立て後スラスト軸受け隙間をシール部材１７でシールする構成とした。
【００６２】
この回転多面鏡走査装置は、２０，０００ｒｐｍの使用に耐える信頼性を有していた。
【００６３】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明の回転多面鏡走査装置は、薄型化に適した軸固定構造の回転多面鏡走査装置であり、下軸受の長さを上軸受の長さより長くすることによって、信頼性を向上させることができる。
【００６４】
また、スリーブの内径と固定軸の直径との差が、固定軸の直径の１／４００以下とすることによって信頼性をさらに改善することができる。
【００６５】
また、固定軸とスリーブとの隙間が、スリーブ開放端において固定軸の直径の１／２００〜１／３０にすることによって、信頼性をさらに改善することができる。
【００６６】
また、固定軸を固定するフランジ周辺に、高さがスリーブ開放端の最下点よりも高い壁を設けることによって、スリーブ開放端から流出する潤滑油が遠心力によって装置内を汚染するのを防止できる。
【００６７】
さらに、本発明の回転多面鏡走査装置の製造方法によれば、スラスト軸受部にあらかじめ隙間を設けておき、軸受部に固定軸を挿入時に、この隙間より空気と過剰の潤滑油とを排出した後、隙間をシール部材でシールすることによって、容易に軸受部に気泡を巻き込むのを防ぐことができるとともに、気密構造とすることによってスリーブ開放口端の潤滑油保持力を高め、高速回転時の遠心力によって潤滑油がスリーブ開放口端から流出するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における回転多面鏡走査装置の正面図と断面図
【図２】本発明の実施例１における回転多面鏡走査装置の重心位置を示す断面図
【図３】ラジアル軸受の断面図
【図４】ラジアル軸受とスラスト軸受の断面図
【図５】本発明の実施例１における回転多面鏡走査装置の固定軸保持フランジの断面図と従来フランジの断面図
【図６】実施例２における軸回転と軸固定回転多面鏡走査装置の断面図
【図７】実施例２の回転多面鏡走査装置における軸剛性を示す図
【図８】本発明の実施例３における回転多面鏡走査装置の正面図
【図９】回転多面鏡走査装置の軸受の方式を説明する断面図
【図１０】従来例における回転多面鏡走査装置の断面図
【図１１】軸固定／軸回転方式の潤滑油の流出の違いを説明する模式図
【符号の説明】
１ 基板
３ 固定軸
４ スリーブ
５・６ 動圧ラジアル軸受
７ 回転多面鏡
１１ スラスト軸受部
５２ 開放口隙間
Claims (9)
- 一端が基板に固定され他の一端が自由端である固定軸と、一端がスラスト板によって閉鎖され、他の一端が開放され前記固定軸に回転自在に嵌合するスリーブと、前記固定軸の外周面と前記スリーブの内周面との対向部分に設けた一対の動圧ラジアル軸受部と、前記固定軸の自由端頂点と前記スリーブのスラスト板とで形成されるスラスト軸受部と、前記スリーブと一体的に設けられた回転多面鏡とヨーク板とロータマグネットとよりなるロータ部とを有する回転多面鏡走査装置であって、前記ロータ部の回転重心位置が、前記一対の動圧ラジアル軸受部のほぼ中央に位置し、かつ、前記スリーブの開放口端側に設けたラジアル動圧軸受部の長さが、前記スリーブの閉鎖端側に設けた動圧ラジアル軸受部の長さより長い回転多面鏡走査装置。
- 動圧ラジアル溝を前記スリーブの内周面に設けた請求項１に記載の回転多面鏡走査装置。
- 前記動圧ラジアル軸受部におけるスリーブの内径と、固定軸の直径との差が固定軸の直径の１／４００〜１／１，５００である請求項１〜２の何れかに記載の回転多面鏡走査装置。
- 前記スリーブの開放口先端におけるスリーブの内径と固定軸の直径との差が、固定軸の直径の１／２００〜１／３０である請求項１〜３の何れかに記載の回転多面鏡走査装置。
- 前記固定軸を固定している基板の周辺に、高さがスリーブ開放端の最下点よりも高い壁を設けた請求項１〜４の何れかに記載の回転多面鏡走査装置。
- 前記壁を固定軸が固定されるフランジに設け、このフランジを介して固定軸が基板に固定されている請求項５に記載の回転多面鏡走査装置。
- 前記スリーブの一端が気密構造のスラスト軸受によって閉鎖された請求項１〜６の何れかに記載の回転多面鏡走査装置。
- 一端が基板に固定され他の一端が自由端である固定軸と、一端がスラスト板によって閉鎖され、他の一端が開放され前記固定軸に回転自在に嵌遊するスリーブと、前記固定軸の外周面と前記スリーブの内周面との対向部分に設けた一対の動圧ラジアル軸受部と、前記固定軸の自由端頂点と接する際に、前記スリーブとスラスト板との間で形成される外部に通じる隙間を有するスラスト軸受部と、前記スリーブと一体的に設けた回転多面鏡とヨーク板とロータマグネットとよりなるロータ部と、を有する回転多面鏡走査装置の組み立て工程において、（１）前記スラスト板をスリーブに設けられた突起部でかしめて固定する工程と、（２）前記動圧ラジアル軸受部に潤滑油を塗布する工程と、（３）前記スリーブの開放口端に前記固定軸の自由端を挿入する工程と、（４）前記挿入工程において、前記スラスト軸受部に圧縮される潤滑油と空気とを前記間隙より逃がす工程と、（５）前記固定軸を挿入後に前記隙間をシールする工程と、を有する回転多面鏡走査装置の製造方法。
- 前記シール工程がスラスト板とスリーブとの隙間を紫外線硬化剤によって封止する工程である請求項８に記載の回転多面鏡走査装置の製造方法。
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