JP4201317B2 - 回転偏向装置、これを用いた光書込み装置及びレーザ走査型ディスプレイ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転偏向装置、これを用いた光書込み装置及びレーザ走査型ディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばレーザ光を一方向に偏向走査して感光体上に潜像を形成するレーザプリンタなどでは、レーザ光の偏向走査手段として回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いた回転偏向装置が広く利用されている。
【０００３】
ポリゴンミラーを用いた回転偏向装置の回転駆動機構（軸受機構）としては、例えば、空気動圧軸受機構がある。このような空気動圧軸受機構では、回転速度３０，０００ｒｐｍレベルのものが実用化されており、５０，０００ｒｐｍレベルの報告例もあり、汎用的で量産コストが安いというメリットがある。
【０００４】
しかし、空気動圧軸受機構の場合、回転数の上昇に伴い流体粘性抵抗に起因して軸部が発熱するので、これ以上の高速化が難しい。
【０００５】
より高速の回転速度が得られる軸受方式としては、磁気浮上軸受が注目されている。磁気浮上軸受は、ロータとステータとが非接触であるため、接触による摩擦熱が発生しないという特徴があり、高速回転に適した方式と考えられる。製品としては、回転を安定させるために、６自由度のうち、回転を除く５軸の全てを能動的に制御する５軸制御型磁気浮上軸受が提案、実用化されており、１００，０００ｒｐｍを超える高速回転が得られ、工作機械などの用途に利用されている。
【０００６】
この５軸制御型磁気浮上軸受に関する出願も多数あり、ターボ分子ポンプ応用に関するものが多い。ターボ分子ポンプ応用においては、ポンプ吸引動作に伴いロータに負荷がかかるので、回転が不安定状態に陥る場合があり、このような不安定状態を検知する技術をもって一旦回転を止めるなどの方法により、危険を回避しており、この課題に属する出願が多い。
【０００７】
しかし、５軸制御型磁気浮上軸受は、磁力制御系が複雑であり、磁気によるエネルギー損失が比較的多い上に、コストも高く、装置の小型化にも課題が多い。このため、５軸制御型磁気浮上軸受を、ポリゴンミラー等を用いた回転偏向装置の軸受として採用することは原理的には可能であるが、装置のコストや大きさの点から課題があり、現実的には不適な方式である。
【０００８】
また、より高速の回転速度が得られる軸受として、永久磁石による反発型磁気浮上軸受も提案されている。この反発型磁気浮上軸受は、ロータ側永久磁石とステータ側永久磁石とを対向させることで生じる反発力を利用して受動的にバランス制御を行う軸受であって、上述の５軸制御型磁気浮上軸受に比べると、機構制御に要する装置構成は極めて簡素である。即ち、反発型磁気浮上軸受においては、回転を除く５軸のうちの１軸のみを能動的に制御し、他の４軸においては永久磁石間の反発力によって受動的に磁力バランスをとることができ、１軸制御型磁気浮上軸受として構成でき、ロータを安定して回転させることができる。
【０００９】
このような反発型磁気浮上軸受を用いた１軸制御型磁気浮上軸受として、ロータをステータの外側に配設するアウターロータ構成のものが特開２００２−８１４４５公報等により提案されている。
【００１０】
また、反発型磁気浮上軸受を用いた１軸制御型磁気浮上軸受として、ロータをステータの内側に配設するインナーロータ構成のものが特開平８−３３２６９号公報、特開平９−１０５４１３号公報等により提案されている。特開平８−３３２６９号公報では、１軸制御型インナーロータ構成のターボ分子ポンプにおいて、受動型磁気軸受（反発型磁気浮上軸受）を軸方向の異なる位置に２つ設け、各々に半径方向振動を抑制する減衰機構を設けている。特開平９−１０５４１３号公報でも、１軸制御型インナーロータ構成の軸受に関して複雑な減衰部材保持機構をステータに設けることでロータの径方向の振動を抑制するようにしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００２−８１４４５公報等に示されるアウターロータ構成の１軸制御型磁気浮上軸受は、ポリゴンミラー等を用いた回転偏向装置の軸受として採用することはできるが、磁石径が大きい場合、形状均一性や着磁均一性に優れたロータ磁石の作製が必ずしも容易でない不具合がある。これらの特性が悪いと、回転のむらやぶれが生じてしまう。
【００１２】
また、特開平８−３３２６９号公報等に示される構成例では、反発型磁気浮上軸受に関して、永久磁石のＳＮ極の磁極の方向を半径方向に配置させ、ロータ側永久磁石とステータ側永久磁石との対向面の極性を同極とすることで反発力を生じさせているが、このような構成では、装置の組付けが難しい上に、強い反発力を出させることが難しい（反発力を強くするには永久磁石を大きくする必要がある）等の不具合がある。特に、特開平９−１０５４１３号公報の場合には、複雑な減衰部材保持機構を設けているものでもあり、これらの点を考慮すると、ターボ分子モータのように装置が比較的大きい場合には実装可能といえるが、小型化を意図しているポリゴンミラー等を用いた回転偏向装置の軸受としては組付け・実装が困難といえる。
【００１３】
また、別の問題として、回転体固有の固有振動によって回転動作が不安定になる回転速度（この速度を、本明細書中では危険速度という）の問題がある。このとき、ロータがステータに局所的に接触すると、回転系のバランスが崩れて回転動作が不安定になり、回転速度の向上を阻害することとなる。この点、従来の１軸制御型で開示されているロータ振動に伴うステータとの接触を回避する対策は、ステータの一部を可動的な構造とすることで、ロータがステータに接近するとステータがロータから逃げるというようなダンパによる振動抑制手段である。この場合、このようなダンパは特定の周波数に対しては有効に機能するが、回転系が持つ共振周波数は通常複数あるので、これらの複数の周波数全てに対して有効に機能するダンパを構成することは難しいものと思われる。
【００１４】
即ち、永久磁石の反発力を利用した磁気浮上軸受の場合、永久磁石対によって受動安定となる軸は、能動制御での剛性に比べ、小さくかつ一定であるため、瞬時的な外乱や撹乱が加わる装置への応用には不向きであり、回転のみを利用する装置への適用が不可欠とされている。このような観点から、円筒型の永久磁石による反発力を利用した完全非接触の磁気浮上軸受の事例は、付帯的な使用や低回転若しくは無回転での使用などがあるが、小型かつ高速回転を実現した例としては上述したようなターボ分子ポンプに限定されているのが現状である。
【００１５】
本発明の目的は、より簡易な制御構成が可能な１軸制御型磁気浮上軸受を用いて１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図れる回転偏向装置を提供することである。
【００１６】
本発明の目的は、半径方向にロータ軸がずれても戻りやすくし、浮上制御の容易化を図れる回転偏向装置を提供することである。
【００１７】
本発明の目的は、回転トルクを下げ、回転駆動機構の駆動電流値を下げることで、消費電力を低下させ得る回転偏向装置を提供することである。
【００１８】
本発明の目的は、ロータ回転の安定性向上を図り、高速化を実現するために、ロータの高剛性化を図れる回転偏向装置を提供することである。
【００１９】
本発明の目的は、危険速度域を安定して脱出できる回転偏向装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の回転偏向装置は、位置固定されたステータと、このステータに内装されて回転軸方向を鉛直方向とするロータ軸を有するロータと、前記ロータ軸を回転駆動する回転駆動機構と、永久磁石の反発により前記ステータに対して前記ロータ軸を浮上させるよう半径方向に軸受する１軸制御型磁気浮上軸受と、前記ロータの浮上位置制御を含む姿勢を制御する制御機構と、前記ロータ軸の重心付近に結合されて入射した電磁波を反射させる偏向機能素子と、を備え、前記制御機構が、少なくとも、前記ロータに対して軸方向に離間させて取付けられた上下一対の吸引板と、前記ステータ側に設けられて前記上下一対の吸引板の上部の吸引板を上向きに吸引し、下部の吸引板を下向きに吸引する上下一対のロータ浮上制御用電磁石とによる軸方向吸引制御機構と、これらのロータ浮上制御用電磁石に対する通電制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
ここに、電磁波としてはレーザ光が該当するが、レーザ光に限らず、赤外線からＸ線に至る電磁波全般が適用可能である。また、偏向機能素子としては、入射した電磁波を直接的に反射させる回転多面鏡が典型例となるが、このような回転多面鏡に限らず、入射した電磁波を反射させるものであれば、その途中で透過・回折等の過程を経るものであってもよい。
【００２２】
従って、ロータがステータに内装されるインナーロータ構成にするとともに偏向機能素子をロータ軸の重心付近に結合させることにより、回転むらや回転ぶれを少なくすることが容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。即ち、１軸制御型磁気浮上軸受を構成するロータ側磁石やステータ側磁石を小径で厚さを増した構造にすることが容易となり、この結果、これらの磁石の形状精度や着磁均一性が高くなり、かつ、剛性が高くなるとともに磁力分布の均一性も高くなることから回転性能が安定することとなる。
【００２３】
前記１軸制御型磁気浮上軸受は、前記ロータ軸の上下両端部付近に結合された一対のロータ磁石と、各々の前記ロータ磁石に対して永久磁石の反発力が作用するよう対向させて前記ステータに取付けられた一対のステータ磁石と、により構成されるようにしてもよい。
【００２４】
従って、磁気的な反発力が作用するロータ磁石とステータ磁石との組を２組具備するが、これらをロータ軸の端の方に配設するようにすれば、ロータ軸の振動に対する剛性を高めることができ、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となるようにすることができる。即ち、装置の小型化を図るためには軸長を短く構成することとなるが、この際、ロータ磁石とステータ磁石との２組の軸方向距離は、ロータ軸の姿勢を安定化する上で重要なパラメータとなるもので、ロータ軸の両端位置に設けるのが好適である。要するに、これらのロータ磁石とステータ磁石との２組は極力離れて設けた方がロータの姿勢が安定できるようにすることができるようになる。
【００２５】
前記ロータ磁石及び前記ステータ磁石は、円筒形状で磁極の向きが前記ロータ軸の軸方向に設定されるようにしてもよい。
【００２６】
従って、ロータ磁石及びステータ磁石は、円筒形状で磁極の向きがロータ軸の軸方向に設定されるようにすれば、組付けが容易な上に強い反発力を出すことも容易であり、１軸方向のみの制御でロータ回転の小型化を図る上で有利とすることができるようになる。
【００２７】
前記制御機構は、少なくとも、前記ステータ側に設けられて前記ロータ軸の上下両端を各々軸方向外方に向けて付勢する上下一対のロータ浮上制御用電磁石と、これらのロータ浮上制御用電磁石に対する通電制御手段と、を備えるようにしてもよい。
【００２８】
従って、ロータ軸の上下両端を各々軸方向外方に向けて磁気的に付勢する構造とするようにし、上下から引っ張ることで電磁石が１つの場合よりも制御剛性を上げるようにすれば、ロータの高剛性化が可能で、ロータの軸方向の制御が容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利とすることができるようになる。
【００２９】
請求項１記載の回転偏向装置においては、上記のように、前記制御機構が、少なくとも、前記ロータに対して軸方向に離間させて取付けられた上下一対の吸引板と、前記ステータ側に設けられて前記上下一対の吸引板の上部の吸引板を上向きに吸引し、下部の吸引板を下向きに吸引する上下一対のロータ浮上制御用電磁石とによる軸方向吸引制御機構と、これらのロータ浮上制御用電磁石に対する通電制御手段と、を備え、ロータ軸の上下両端を吸引板とロータ浮上制御用電磁石との組合せで各々軸方向外方に向けて磁気的に吸引する構造とし、その通電を制御することにしています。
【００３０】
従って、上記のように、ロータ軸の上下両端を吸引板とロータ浮上制御用電磁石との組合せで各々軸方向外方に向けて磁気的に吸引する構造とし、その通電を制御することで、ロータの高剛性化が可能で、ロータの軸方向の制御が容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。
【００３１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転偏向装置において、下側の前記吸引板は前記ロータの下端に設けられ、該下側の吸引板の電磁石対向面は、下側の前記ロータ浮上制御用電磁石に向けて突出する前記ロータ軸中心の円錐形状又はＲ面形状に形成されていることを特徴とする。
【００３２】
従って、ロータ軸の下端側に設ける吸引板が平凸円盤形状の場合には、ロータ軸が半径方向にずれたときに自発的に軸中心方向に復帰する力が発生しないか発生しても極めて微弱であり、ロータを浮上安定させることができず、或いは、できても極めて不安定となってしまう可能性があるが、ロータ浮上制御用電磁石に向けて突出するロータ軸中心の円錐形状又はＲ面形状に形成することで、磁気吸引力として半径方向に作用する分力も含まれることとなり、受動剛性を動的に変化させ得るため、ロータ軸が半径方向にずれたときの戻り剛性を強くすることができ、浮上時の半径方向安定化が容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。
【００３３】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載の回転偏向装置において、下側の前記吸引板の径は、前記ロータ軸の径よりも大きいことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の回転偏向装置において、前記偏向機能素子は、外面に複数の反射面を有する回転多面鏡であり、上側の前記吸引板は、前記回転多面鏡の上面に一体化されて前記ロータに取付けられていることを特徴とする。
【００３４】
従って、請求項４記載の発明では、いわゆるポリゴンミラーを用いる回転偏向装置に関して、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図ることができる。
【００３５】
また、請求項４記載の発明では、上側の前記吸引板は、前記ロータ軸より径大な前記回転多面鏡の上面に一体化されて前記ロータに取付けられているので、従って、上側の吸引板は回転多面鏡とは別個に設けてもよいが、回転多面鏡に一体に設けることで、装置構成の簡略化を図れ、かつ、一体構造により剛性も増し、撓みも起こり難いため、回転性能（回転むらや回転ぶれ）も安定するので、最も合理的な構成となる。この場合、回転多面鏡はロータ軸よりも径の大きなものとして、外周の反射面とは垂直となる平面部分の面積を確保し、この平面部分に吸引板を焼き嵌めして埋め込めばよい。また、このときの吸引板の形状はロータ軸に対して同心円状の円盤となるので、これに対向するロータ浮上制御用電磁石も同様にロータ軸に対して同軸対称のドーナツ形状とすれば、吸引面が同心円状で平行に対向しかつ吸引面積を広くとれるので吸引バランスも取りやすくなる。
【００３６】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の回転偏向装置において、上側の前記吸引板は、前記ロータ軸に対して同心円状の円盤形状であることを特徴とする。
【００３７】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の回転偏向装置において、上側の前記吸引板は、前記回転多面鏡の上面に焼き嵌めして埋め込まれることにより一体化されている。
【００３８】
従って、吸引板を回転多面鏡に一体化する上で、焼き嵌めして埋め込むことにより、隙間なく嵌合させることができ、回転多面鏡を含むロータはガタツキのない剛性の高いものとなり、回転性能が安定し、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。なお、回転多面鏡の外周の反射面の鏡面加工は吸引板の焼き嵌め工程の後に行うのがよい。
【００３９】
前記回転多面鏡は、前記ロータ軸に対して軽圧入されて一体に結合されているようにしてもよい。
【００４０】
従って、回転多面鏡をロータ軸に軽圧入して一体に結合させるようにすれば、回転多面鏡を含むロータはガタツキのない剛性の高いものとなり、回転性能が安定するようにできるようになる。
【００４１】
請求項７記載の発明は、請求項４ないし６の何れか一記載の回転偏向装置において、前記ロータ軸より径大でその上面に上側の前記吸引板が焼き嵌めして埋め込まれた前記回転多面鏡が、前記ロータ軸に対して軽圧入されて一体に結合されている。
【００４２】
従って、回転多面鏡をロータ軸に軽圧入して一体化させた後に吸引板を回転多面鏡に焼き嵌めすると、この焼き嵌め処理時の温度上昇により軽圧入した回転多面鏡がロータ軸から脱離してしまう可能性があるが、吸引板が既に焼き嵌めされた回転多面鏡をロータ軸に軽圧入させることで、このような不具合は生じない。
【００４３】
前記偏向機能素子は、複数の狭帯域の光干渉性反射膜を重ね合わせて互いに平行に形成された複数の光干渉型反射面を前記ロータ軸の回転中心から放射状に配列した回転偏向器であるようにしてもよい。
【００４４】
従って、外周面ではなく回転中心を通る光干渉型反射面を利用して反射させることで電磁波の入射幅に収まるような小型対応の回転偏向器と小型対応の軸受構造との組合せ構造にすれば、より一層の小型化が可能な光偏向走査装置を構成することができるようになる。
【００４５】
前記回転偏向器は、結合手段により前記ロータ軸中に結合されているようにしてもよい。
【００４６】
従って、ロータ軸の直径と同径に収まるような回転偏向器をロータ軸に対して確実に結合させることができるようになる。
【００４７】
ロータ構成部品を前記ロータ軸に結合するねじ溝は、前記ロータ軸の回転方向と逆回転方向で締まるように切られているようにすることがよい。
【００４８】
従って、ロータ構成部品をロータ軸に結合するねじ溝がロータ軸の回転方向とは逆回転方向で締まるように切るようにすれば、回転体の回転トルクは、部品を締める方向に作用することとなり、ロータ軸からの部品の脱離が起こらず、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上及び高速化を図る上で有利とすることができるようになる。
【００４９】
前記偏向機能素子の反射面での入・反射光の入・反射窓１６が電磁波透過領域として閉止されるようにするようにして、前記偏向機能素子を含む前記ロータと前記ステータとの間の空間を減圧封止する真空構造を備えるようにすることができる。
【００５０】
従って、大気中でロータを回転させれば風損が生ずるのは明らかであるが、磁気浮上軸受によれば減圧環境下でも回転駆動可能な特徴を有するようにすることにより、少なくともステータとロータとの間や偏向機能素子周辺を減圧封止する真空構造とすることができるようにより、風損の抑制が可能となり、この結果、ロータの回転に要するエネルギーも下がるので、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び低消費電力化を図る上で有利となるようにすることができる。この際、真空構造のため、ステータは筐体構造を採ることとなるが、入・反射窓が確保されて電磁波透過領域として閉止されるようにすれば、真空構造に支障なく、電磁波の入・出射光路が確保され、回転偏向装置としての機能が発揮されるようになる。
【００５１】
前記真空構造の構成部材は、熱伝導性の高い非磁性金属により構成するようにするとよい。
【００５２】
従って、減圧封止する真空構造を採る場合、回転駆動機構部分等で発生する発熱に対する放熱対策が必要となるが、真空構造の構成部材を熱伝導性の高い非磁性金属により構成するようにすれば、放熱効果を確保できるようになる。
【００５３】
前記真空構造の構成部材は、黒体輻射効果を呈示するよう表面が黒くされているようにしてもよい。
【００５４】
従って、構成部材の表面を黒くするようにすれば、黒体輻射効果により放熱効果を高くすることができるようになる。
【００５５】
前記ロータと前記ステータとの間の空間は、粘性抵抗が低く熱伝導性の高い不活性ガスで減圧封止されているようにすることがよい。
【００５６】
従って、例えばヘリウム、アルゴン等の不活性ガスを封止するようにすれば、真空雰囲気内の温度上昇を抑制でき、結果的に放熱効果を高めることができるようになる。
【００５７】
前記ロータと前記ステータとの対向面に、ヘリカル溝を有するようにしてもよい。
【００５８】
従って、ロータとステータとの対向面にヘリカル溝を有するようにすれば、ロータの回転に伴いロータとステータとの間の対流循環の高い通風効果が得られ、結果的に放熱効果を高めることができるようになる。
【００５９】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置において、前記通電制御手段は、上側の前記ロータ浮上制御用電磁石による上方への吸引力をＦ１、下側の前記ロータ浮上制御用電磁石による下方への定常吸引力をＦｄ、前記ロータの自重をｍ、重力をｇ、前記１軸制御型磁気浮上軸受における永久磁石の反発力をＦｐとしたとき、ｍｇ＋Ｆｐ＋Ｆ１＝０を常に満たすように前記吸引力Ｆ１を制御する上側吸引力印加手段と、前記ロータ軸の回転速度が危険速度域に達した時に下側の前記ロータ浮上制御用電磁石に前記定常吸引力Ｆｄを印加する下側吸引力印加手段と、を備える。
【００６０】
従って、危険速度域を安全に脱出する目的に対して、危険速度域に達した場合には、下側のロータ浮上制御用電磁石に定常吸引力Ｆｄを印加させるわけであるが、これは系に対して下向きの外乱を加えたことと等価的であり、その振動を上側のロータ浮上制御用電磁石で検知して、この上側のロータ浮上制御用電磁石に対する通電を付与された外乱を吸収するように制御し、以って、危険速度域を通過させる。即ち、危険速度域に達した場合には、積極的に危険速度自体を変化させることで、振動モードを回避するものであり、危険速度域が複数（共振周波数が複数）ある回転体に対して振動制御手段として効果的に機能する。特に、制御すべき量を見計らって制御しているので、安全で制御性に優れた対応策となる。
【００６１】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置において、前記通電制御手段は、上側の前記ロータ浮上制御用電磁石による上方への吸引力をＦ１、下側の前記ロータ浮上制御用電磁石による下方への吸引力をＦ２、前記ロータの自重をｍ、重力をｇ、前記１軸制御型磁気浮上軸受における永久磁石の反発力をＦｐとしたとき、ｍｇ＋Ｆｐ＋Ｆ１＋Ｆ２＝０を常に満たすように前記吸引力Ｆ１，Ｆ２をプッシュプル制御するプッシュプル制御手段と、前記ロータ軸の回転速度が危険速度域に達した場合とそれ以外の場合とでプッシュプル制御の制御電流値を切換える切換え手段と、を備える。
【００６２】
従って、基本的には上側のロータ浮上制御用電磁石による吸引力と下側のロータ浮上制御用電磁石による吸引力とのプッシュプル制御によりロータ軸の浮上量のバランス制御を行うが、危険速度域に達した場合にはプッシュプル制御の制御電流値を切換えることで系の剛性を高め、危険速度域の振動を抑制する。即ち、危険速度域に達した場合には、積極的に危険速度自体を変化させることで、振動モードを回避するものであり、危険速度域が複数（共振周波数が複数）ある回転体に対して振動制御手段として効果的に機能する。
【００６３】
請求項１０記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置において、前記通電制御手段は、前記ロータ軸の回転速度が予め測定された危険速度を超えた後に前記ロータを浮上させる浮上開始制御手段を備える。
【００６４】
従って、予め当該装置の危険速度を測定し、それ以上の回転速度からロータを浮上させるように制御することによっても、危険速度域を安全に突破することができる。例えば、回転速度に対する周波数分析を行えば、当該装置の危険速度が例えば２，２００ｒｐｍ，３．８００ｒｐｍ付近に存在することがわかるので、このような危険速度を超えた後にロータの浮上動作を開始させると安定して浮上させることができ、その後、安定状態を維持して高速回転に移行することとなる。
【００６５】
前記ステータの底部にダンパを備えるようにしてもよい。
【００６６】
従って、ステータの底部にダンパを設ける構成にすれば、ロータとステータとの非接触状態を保持したまま、危険速度域を突破して、高速回転域に移行させることができるようになる。
【００６７】
前記ダンパは、危険速度域における振動に対して作用するようにしてもよい。
【００６８】
従って、ダンパは危険速度域で比較的強い振動が発生したときのみ作用するようにすれば、十分な振動軽減効果が得られるようにすることができる。
【００６９】
請求項１１記載の発明の光書込み装置は、電磁波としてレーザ光を発するレーザ光源と、このレーザ光源から発せられたレーザ光を入・反射させて被照射面に向けて偏向走査する請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置と、を備える。
【００７０】
従って、より簡易な制御構成が可能な１軸制御型磁気浮上軸受を用いて１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図れる請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置を備えるので、小型にして安定した高速書込みが可能となる。
【００７１】
請求項１２記載の発明のレーザ走査型ディスプレイは、電磁波としてレーザ光を発するレーザ光源と、このレーザ光源から発せられたレーザ光を画情報に応じて変調する外部変調器と、変調されたレーザ光を入・反射させて主走査方向に偏向走査する請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置と、変調されたレーザ光を副走査方向に走査する副走査装置と、主走査方向に偏向走査され副走査方向に走査されるレーザ光を投影面に向けて照射する投影手段と、を備える。
【００７２】
従って、より簡易な制御構成が可能な１軸制御型磁気浮上軸受を用いて１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図れる請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置を備えるので、小型にして安定した高精細な表示が可能となる。
【００７３】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、後述する光書込み装置等への応用に好適な回転偏向装置である光偏向走査装置１への適用例であり、図１はこの光偏向走査装置１の縦断正面図、図２はその水平端面図を示す。
【００７４】
本実施の形態の光偏向走査装置１は、概略的には、ベース板２上に位置固定された円筒筐体形状のステータ３と、このステータ３に内装されて回転軸方向を鉛直方向（Ｚ軸方向）とするロータ軸４を有するロータ５（インナーロータ構成）と、ロータ軸４を回転駆動する回転駆動機構としてのモータ６と、ロータ軸４に結合されて偏向機能素子として機能するポリゴンミラー（回転多面鏡）７と、永久磁石の反発によりステータ３に対してロータ軸４を浮上させるよう半径方向に軸受する１軸制御型磁気浮上軸受８と、ロータ５の浮上位置制御を含む姿勢を制御する制御機構９等を含んで構成されている。軸受に着目した場合には、１辺が１０ｃｍの立方体に収まる程度の小型でインナーロータ型の縦軸磁気浮上軸受として構成されている。
【００７５】
まず、ステータ３は、ベース板２上に固定される円筒形状の下部ステータ筐体１１と、この下部ステータ筐体１１上に一体となるように固定される頂部に有底円筒形状の上部ステータ筐体１２と、各々のステータ筐体１１，１２の内壁に一体となるよう固定されてロータ軸４の上下両端の外周付近に接近するドーナツ状の下部ステータ１３と上部ステータ１４とにより構成されている。上部ステータ筐体１２の一部には図２に示すように電磁波であるレーザ光がポリゴンミラー７の外周の反射面１５に対して入射し、かつ、反射光が出射するための入・反射窓１６が形成され、電磁波透過領域となるガラス１７により閉止されている。
【００７６】
一方、ロータ５は複数の構成部品をロータ軸４に対してねじ止め、嵌合或いは圧入させることにより構成されている。まず、鉛直配置のロータ軸４の上端部付近には永久磁石によるロータ磁石２１が固定されている。このロータ磁石２１は図３等に示すように円筒形状（リング形状）のもので、その外径はロータ軸４の外径と等しく設定されている。このようなロータ磁石２１をロータ軸４の上端部付近に嵌め込み、その上部から固定部材２２によりねじ止め固定する場合、ねじの向きはロータ軸４の回転方向で締まる方向、即ち、逆回転方向の向きに切られており、ロータ軸４が回転しても緩んで抜けるようなことがないように構成される。固定部材２２としては変位検出部を用い、その上面を平坦面とし、この平坦面に対しては軸方向変位センサ２３が対向するようステータ３の頂部に取付けられている。この軸方向変位センサ２３としては例えば渦電流式変位センサが用いられている。この軸方向変位センサ２３により検知されるロータ５の上下方向（軸方向）移動量信号は後述する制御機構側に送られ、位置制御に供せられる。
【００７７】
ロータ磁石２１は図３等に示すようにその磁極Ｓ，Ｎの向きがロータ軸４の軸方向となるように着磁されている。上部ステータ１４にはこのようなロータ磁石２１の周縁を取り囲むように永久磁石による円筒形状（リング形状）のステータ磁石２４が同軸配置で固定されている。このステータ磁石２４も図３等に示すようにその磁極Ｓ，Ｎの向きがロータ軸４の軸方向となるように着磁されている。この着磁方向はロータ磁石２１の場合と同一方向であり、ロータ磁石２１・ステータ磁石２４間には永久磁石の反発力が作用するように設定されている。これらのロータ磁石２１、ステータ磁石２４は、材料的には、例えば、強磁性ネオジ材（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）が好適であり、寸法的には、例えば、ロータ磁石２１は外径８ｍｍ、内径４ｍｍ、高さ８ｍｍ、ステータ磁石２４は外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ８ｍｍの如く形成されている。
【００７８】
ロータ軸４の下端部付近にも永久磁石によるロータ磁石２５が固定されている。このロータ磁石２５も図３等に示すように円筒形状（リング形状）のもので、その外径はロータ軸４の外径と等しく設定されている。このようなロータ磁石２５をロータ軸４の下端部付近に嵌め込み、その下部からスペーサ２６を嵌め込み、さらに、下部側の吸引板２７をロータ軸４の下端に固定する。この場合も吸引板２７をロータ軸４にねじ止め固定する場合、ねじの向きはロータ軸４の回転方向で締まる方向、即ち、逆回転方向の向きに切られており、ロータ軸４が回転しても緩んで抜けるようなことがないように構成される。
【００７９】
ロータ磁石２５は図３等に示すようにその磁極Ｓ，Ｎの向きがロータ軸４の軸方向となるように着磁されている。下部ステータ１３にはこのようなロータ磁石２５の周縁を取り囲むように永久磁石による円筒形状（リング形状）のステータ磁石２８が同軸配置で固定されている。このステータ磁石２８も図３等に示すようにその磁極Ｓ，Ｎの向きがロータ軸４の軸方向となるように着磁されている。この着磁方向はロータ磁石２５の場合と同一方向であり、ロータ磁石２５・ステータ磁石２８間には永久磁石の反発力が作用するように設定されている。これらのロータ磁石２５、ステータ磁石２８も、材料的には、例えば、強磁性ネオジ材（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）が好適である。即ち、磁石２１，２４，２５，２８の材料は全て同一でよい。ロータ磁石２５、ステータ磁石２８は、寸法的にも、ロータ磁石２１、ステータ磁石２４の場合と同じとされる。
【００８０】
これらの磁石２１，２４，２５，２８により、ステータ３に対してロータ軸４を浮上させるよう半径方向に軸受する１軸制御型磁気浮上軸受８が構成されているが、ロータ軸４に対しては極力その上下両端にロータ磁石・ステータ磁石の組が位置するよう離して配置されている。
【００８１】
これにより、基本的に、ロータ軸４の振動に対する剛性を高めることができ、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。即ち、装置の小型化を図るためにはロータ軸４の軸長を短く構成することとなるが、この際、ロータ磁石２１，２５とステータ磁石２４，２８との２組の軸方向距離は、ロータ軸４の姿勢を安定化する上で重要なパラメータとなるもので、ロータ軸４の両端位置に設けるのが好適である。要するに、これらのロータ磁石・ステータ磁石の組は極力離して設けた方がロータ５の姿勢が安定することとなる。また、ロータ磁石２１，２５及びステータ磁石２４，２８は、円筒形状で磁極の向きがロータ軸４の軸方向に設定されているので、組付けが容易な上に強い反発力を出すことも容易であり、１軸方向のみの制御でロータ回転の小型化を図る上で有利となる。
【００８２】
なお、磁石２１，２４，２５，２８が配置される周辺部材、例えば、ステータ１３，１４等は非磁性材料により構成される。具体的には、これらの永久磁石が発生する磁場を乱さず、かつ、剛性も高いステンレス材が好適であるが、アルミニウム等であってもよい。
【００８３】
また、ポリゴンミラー７はロータ軸４の重心付近に位置させてロータ軸４に結合されている。この際、ポリゴンミラー７はロータ軸４に対して軽圧入して一体に結合させることが好ましい。これによれば、ポリゴンミラー７を含むロータ５はガタツキのない剛性の高いものとなり、回転性能が安定する。
【００８４】
モータ６はポリゴンミラー７の下部に配置されており、ロータ側回転モータ機構３１とステータ側回転モータ機構３２との組合せにより構成されている。ロータ側回転モータ機構３１は、内部が空洞構造で複数枚のケイ素鋼板モータ用鉄リング３３が内蔵されるモータ用銅リング３４をポリゴンミラー７の下面側にねじ止め固定することにより構成されている。この場合も、ねじの向きはロータ軸４の回転方向で締まる方向、即ち、逆回転方向の向きに切られており、ロータ軸４が回転しても緩んで抜けるようなことがないように構成される。ステータ側回転モータ機構３２はロータ側回転モータ機構３１の周縁を取り囲むようにステータ３側に構成されたもので、図４等に示すように６個のモータ固定子３５は例えば厚さ０．３ｍｍのケイ素鋼板を２７枚（約８ｍｍ）積層することにより構成され、その周囲に０．３ｍｍ径の銅線３６を２００ターン巻くことにより、３相２極モータとして構成されている。このようなモータ固定子３５の内径部には、モータ用銅リング３４及びこれに内蔵されたモータ用鉄リング３３がロータ軸４の一部として構成されている。
【００８５】
このような構成に加えて、ロータ軸４の上下両端付近にはその軸方向の制御を能動的に行わせるための制御機構９中の軸方向吸引制御機構４１が設けられている。まず、ロータ軸４の下端側にあっては、前述の吸引板２７が端部に固定され、この吸引板２７の下部にはロータ浮上制御用電磁石４２が対向配置されている。ここに、吸引板２７は鉄材により構成されており、ロータ浮上制御用電磁石４２のコイル４２ａに通電したとき、そのコア４２ｂにより吸引板２７に対して下向き（軸方向外方）の吸引力が作用するように設定されている。また、吸引板２７の電磁石対向面（下面）は、電磁石側に向けて突出する形状であって、ロータ軸４中心（軸対称）の円錐形状（又は、Ｒ面形状）に形成されており、ロータ浮上制御用電磁石４２による吸引力を作用させたとき、その吸引力の一部が半径方向（ｒ方向）にもベクトル分力として作用するように構成されている。これにより、ロータ軸４が半径方向にずれても自発的に中心方向に復帰する動作を行うこととなる。
【００８６】
また、ロータ軸４の上部側にあっては、ロータ軸４よりも径が大きく形成されたポリゴンミラー７の非偏向走査面となる上面にドーナツ円盤形状の吸引板４３が設けられている。この吸引板４３はポリゴンミラー７の上面に同心円状の溝を形成しておき、この溝に焼き嵌めして表面がフラットになるように埋め込むことで一体化させることが好ましい。これによれば、吸引板４３を隙間なく嵌合させることができ、ポリゴンミラー７を含むロータ５はガタツキのない剛性の高いものとなり、回転性能が安定し、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。なお、ポリゴンミラー７の外周の反射面１５の鏡面加工は吸引板４３の焼き嵌め工程の後に行うのがよい。また、吸引板４３が予め焼き嵌めして埋め込まれたポリゴンミラー７を、ロータ軸４に対して軽圧入させて一体に結合させることが好ましい。ポリゴンミラー７をロータ軸４に軽圧入して一体化させた後に吸引板４３をポリゴンミラー７に焼き嵌めすると、この焼き嵌め処理時の温度上昇により軽圧入したポリゴンミラー７がロータ軸４から脱離してしまう可能性があるためである。この吸引板４３としても鉄材が好ましい。
【００８７】
この吸引板４３の上部にはステータ１４に取付けられたロータ浮上制御用電磁石４４が対向配置されている。ここに、ロータ浮上制御用電磁石４４のコイル４４ａに通電したとき、そのコア４４ｂにより吸引板４３に対して上向き（軸方向外方）の吸引力が作用するように設定されている。これらの吸引板・ロータ浮上制御用電磁石の組合せにより軸方向吸引制御機構が構成されている。
【００８８】
また、本実施の形態の光偏向走査装置１では、ステータ３のステータ筐体１１，１２をチャンバ筐体として密閉されて構成されており、ロータ５とステータ３との間の空間を圧力調整弁４５を介して吸引ポンプ４６に連結することにより、減圧封止可能な真空構造とされており、例えば、約１５Torr程度の低真空状態にすることが可能とされている。なお、ステータ筐体１１，１２内を減圧した後は吸引ポンプ４６は不要であるので、圧力調整弁４５を封止した後に吸引ポンプ４６を取り外すようにしてもよい。また、電磁石、コイル等に対する通電制御のための制御系回路はステータ筐体１１，１２外に設けられるが、その接続のための配線をステータ筐体１１，１２外に出すための開口（図示せず）を設け、気体が外部から流入しないようにその開口と配線との隙間は封止するように構成すればよい。また、入・反射窓１６もガラス１７により閉止されて真空用の閉止空間が確保されているが、例えば、上側ステータ筐体１２全体を光透過性部材で構成することより閉止された入・反射窓の機能を持たせてもよい。
【００８９】
このような構成において、ロータ５の回転時の特性として、回転数（回転速度）に対する半径方向振動幅のｐ−ｐ（ピーク−ピーク）値（ｍｍ）を図５に示す。この測定では上述の真空構造を利用し、吸引ポンプ４６で徐々に減圧し、低真空状態（約１５Torr）とした雰囲気で測定したものである。４，５００ｒｐｍ以上では安定回転となり、回転数の上昇に伴い振動幅は減少する。最高回転数においては、半径方向振動は円軌道であり、２０μｍ以下である。回転数を徐々に変化させて、振動幅が増大する回転数（危険速度域）を測定したところ、２，２２０ｒｐｍ（並進モード）及び３，８００ｒｐｍ付近（傾きモード）であった。ちなみに、振動幅が特に急激に増加する３，８００ｒｐｍ付近では浮上方向への制御が不能となったため、図５では模擬的に点線で図示した。
【００９０】
次に、このような危険速度を回避するための方法について説明する。ロータ５（回転体）の固有振動数に起因する危険速度は剛体モードであれば、図５に示したように低回転域で生ずる。また、永久磁石の反発力による半径方向剛性は比較的小さいことから、弾性モードなる回転数は高回転域となる。このような背景から低回転域で振動を回避する方法としては、幾つか考えられるが、本実施の形態では、危険速度自体を変化（シフト）させることで振動モードを回避するものである。
【００９１】
このようなロータ５の浮上位置制御を含む姿勢制御（上下方向＝軸方向の浮上安定制御）のとして１軸制御の能動制御を行うためにロータ浮上制御用電磁石４２，４４に対する通電制御（吸引力印加）を行う通電制御手段５１の動作制御例及びその制御系構成例を図６及び図７を参照して説明する。
【００９２】
図６は系に作用する力を模式的に示す説明図であり、実際には各作用力は回転周方向に対称分布しているが、便宜的にその一部を示したものである。また、径方向の成分は省略している。まず、上部の吸引板４３に対向配置させたロータ浮上制御用電磁石４４はこの吸引板４３を上方に吸引する。一方、下部の吸引板２７に対向配置させたロータ浮上制御用電磁石４２はこの吸引板２７を下方に吸引する。この場合の上方への吸引力をＦ１、下方への定常吸引力をＦｄ、ロータ５の自重をｍ、重力をｇ、永久磁石２１，２４，２５，２８の反発力をＦｐとすると、ｍｇ＋Ｆｐ＋Ｆ１＝０なる関係を満たすように吸引力Ｆ１を制御し（ロータ浮上制御用電磁石４４に対する通電を制御し）、外乱がステップ状に印加された場合でも、定常偏差が残らないように制御する。ここでいう"外乱"とは下方への定常吸引力Ｆｄである。なお、本実施の形態の光偏向走査装置１においては、ロータ軸４の径方向の位置は上下２組の永久磁石リング対によって自発的に（受動的に）制御されている。
【００９３】
このような制御系の設定下に、ロータ５の回転速度が危険速度域に達した場合には、下方への定常吸引力Ｆｄを印加すると（ロータ浮上制御用電磁石４２に対して通電すると）、系の共振周波数が変化し、その速度における共振を抑制することができる（つまり、危険速度自体が変化する）。この時、定常吸引力Ｆｄに対応して上方への吸引力Ｆ１も強くなるようバランス制御される。そして、当初の危険速度を通過した後に、定常吸引力Ｆｄを初期値（＝０＝ロータ浮上制御用電磁石４２に対する通電をオフ）に戻すようにする。
【００９４】
図７は通電制御手段５１の構成例を示すブロック図である。まず、上部のロータ浮上制御用電磁石４４に対して吸引力Ｆ１を発生させるための電圧を印加する第１のパワーアンプ５２と、下部のロータ浮上制御用電磁石４２に対して定常吸引力Ｆｄを発生させるためにステップ状の電圧を印加する第２のパワーアンプ５３とが設けられている。第２のパワーアンプ５３はモード切換部５４中のスイッチ５５がオンの時のみ動作する。一方、ロータ軸４の変位の状態を検知する変位センサ２３の検知出力は、Ａ／Ｄ変換器５６によりＡ／Ｄ変換されてコントローラ５７のＤＳＰによる演算処理で制御量、つまり、その時点で発生すべき吸引力Ｆ１の算出に供された後、Ｄ／Ａ変換器５８によりＤ／Ａ変換されて第１のパワーアンプ５２の出力制御に供されるように構成されている。また、ロータ５の回転速度を検知する回転速度センサ５９も設けられており、この回転速度センサ５９により危険速度域に達したことが検知された場合にモード切換部５４中のスイッチ５５が切換え制御されるように構成されている。ここに、変位センサ２３から第１のパワーアンプ５２に至るループ系により上側吸引力印加手段６０が構成され、第２のパワーアンプ５３及びモード切換部５４により下側吸引力印加手段６１が構成されている。
【００９５】
このような構成において、変位センサ２３によって得られたロータ軸４のＺ方向変位信号をＡ／Ｄ変換器５６によりＡ／Ｄ変換してコントローラ５７にてＤＳＰで制御量つまり発生すべき吸引力Ｆ１を演算処理し、Ｄ／Ａ変換器５８でＤ／Ａ変換して第１のパワーアンプ５２で吸引力Ｆ１を発生させる電圧を上部側のロータ浮上制御用電磁石４４に出力する。回転速度センサ５９による監視の下、回転数が危険速度域に達したときにはモード切換部５４のスイッチ５５をオンにしてステップ状の電圧を第１のパワーアンプ５２と第２のパワーアンプ５３とに同時に印加する。第２のパワーアンプ５３による増幅電圧を下部側のロータ浮上制御用電磁石４２に出力し外乱として下向きの定常吸引力Ｆｄを発生させるとともに、バランスする上方向の吸引力Ｆ１を発生させる電圧を第１のパワーアンプ５２から上部側のロータ浮上制御用電磁石４４に出力することで、系の共振周波数がシフトし、危険速度における共振を回避する。危険速度を通過した後には、モード切換部５４のスイッチ５５をオフにする。このような制御は、例えば（積分形）最適レギュレータ法によって実現できる。
【００９６】
いま、実際の測定例として、通常動作時での静止時におけるインパルス応答の周波数特性を図８に示し、通常動作時と下部側のロータ浮上制御用電磁石４２に対して２Ａのステップ状の電流を与えた状態とで対比させたインパルス応答の周波数特性を図９に示す。図８により回転時の剛体モードにおけるピークが前述のように２箇所存在し、特に、３８Ｈｚ付近での傾きモードに対する振動が急峻かつ大きく、図５に示した回転体の軸振動特性に合致することがわかる。また、図９によれば、円錐形状を有する吸引板２７の効果により、下部側のロータ浮上制御用電磁石４２に対して浮上位置を一体に保ちつつ浮上方向への定常吸引力Ｆｄを発生させることで、同時に半径方向への振動抑制、即ち半径方向剛性を動的に増加させることが確認できる。
【００９７】
このように、本実施の形態によれば、危険速度域を安全に脱出する目的に対して、危険速度域に達した場合には、下側のロータ浮上制御用電磁石４２に定常吸引力Ｆｄを印加させるわけであるが、これは系に対して下向きの外乱を加えたことと等価的であり、その振動を上側のロータ浮上制御用電磁石４４で検知して、この上側のロータ浮上制御用電磁石４４に対する通電を付与された外乱を吸収するように制御し、以って、危険速度域を通過させる。即ち、危険速度域に達した場合には、積極的に危険速度自体を変化させることで、振動モードを回避するものであり、危険速度域が複数（共振周波数が複数）ある回転体（ロータ５）に対して振動制御手段として効果的に機能する。特に、制御すべき量を見計らって制御しているので、安全で制御性に優れた対応策となる。
【００９８】
ちなみに、特開２００２−８１４４５公報等に示されるアウターロータ構成の１軸制御型磁気浮上軸受を用いた従来方式と本実施の形態方式とのロータ軸の軸回り回転ブレ量（Ｘ方向軸ブレ量及びＹ方向軸ブレ量）を測定した比較結果を図１０に示す。図１０（ａ）が従来方式を示し、図１０（ｂ）が本実施の形態方式の結果を示している。この結果によれば、従来の軸ブレ量が±０．１ｍｍであるのに対して、本実施の形態の軸ブレ量は±０．０１ｍｍに収まっている。つまり、アウターロータ型の１０％以下に改善されたものである。
【００９９】
また、本実施の形態では、前述したように減圧封止した低真空状態なる雰囲気中でロータ５を回転させているので、ロータ５の回転風損が減り、必要とされる回転エネルギーが省力化される。例えば、圧力を約５０Torrにすると回転消費電力値は大気圧時よりも７５％程度少なくなる（１８，０００ｒｐｍ時）。減圧下では大気圧中に比べ、回転数が上昇するほど、省電力効果が大きくなる。
【０１００】
結果として、光偏向走査装置１を主眼とした１軸制御型反発磁気浮上軸受方式で回転速度１９，４００ｒｐｍを実現できたものであり、その時のモータ消費電力は約２Ｗで収まったものである。
【０１０１】
ところで、本実施の形態では、風損低減等のために真空構造を採用しているが、このよう減圧封止する真空構造を採る場合、回転駆動機構であるモータ６部分等で発生する発熱に対する放熱対策が必要となる。このような対策として、例えば、真空構造の構成部材（ステータ３等）を熱伝導性の高い非磁性金属により構成するようにすれば、放熱効果を確保できる。或いは、真空構造の構成部材の表面を黒くすることで、黒体輻射効果を呈示し、より放熱効果が高くなる。又は、ロータ５とステータ３との間の空間を、粘性抵抗が低く熱伝導性の高い不活性ガス（例えば、ヘリウム、アルゴン等）を封止することで、真空雰囲気内の温度上昇を抑制でき、結果的に放熱効果を高めることができる。さらには、ロータ５とステータ３との対向面にヘリカル溝を有する構成としても、ロータ５の回転に伴いロータ５とステータ３との間の対流循環の高い通風効果が得られ、結果的に放熱効果を高めることができる。加えて、ステータ３を冷却、特にモータ６周りを冷却する水冷手段を併用すれば、より放熱効果が高くなる。
【０１０２】
本発明の第二の実施の形態を図１１及び図１２に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の実施の形態でも同様とする）。
【０１０３】
本実施の形態では、通電制御手段６２の動作制御例及びその制御系構成例を図６及び図７の場合とは異ならせたものである。
【０１０４】
図１１は系に作用する力を模式的に示す説明図であり、実際には各作用力は回転周方向に対称分布しているが、便宜的にその一部を示したものである。また、径方向の成分は省略している。前述のように、上部の吸引板４３に対向配置させたロータ浮上制御用電磁石４４はこの吸引板４３を上方に吸引する。一方、下部の吸引板２７に対向配置させたロータ浮上制御用電磁石４２はこの吸引板２７を下方に吸引する。この場合の上方への吸引力をＦ１、下方への吸引力をＦ２、ロータ５の自重をｍ、重力をｇ、永久磁石２１，２４，２５，２８の反発力をＦｐとすると、ｍｇ＋Ｆｐ＋Ｆ１＋Ｆ２＝０を満たすように吸引力Ｆ１，Ｆ２をプッシュプル制御する。なお、本実施の形態の光偏向走査装置１においてはロータ軸４の径方向の位置は２対の永久磁石リング対の反発力Ｆｐによって自発的に制御されている。
【０１０５】
このようなプッシュプル制御系の設定下に、ロータ５の回転速度が危険速度域に達した場合には、プッシュプル制御で系に与える吸引力のうち吸引力Ｆ２を通常時よりも強くすると、系の共振周波数が変化し、その速度における共振を抑制することができる。このとき、吸引力Ｆ２を強くすることに対応して他方の吸引力Ｆ１も強くしてバランスしている。危険速度通過後、これらの吸引力Ｆ２，Ｆ１を初期値に戻すようにする。以上の制御方法によって危険速度における装置共振を回避させることができる。
【０１０６】
図１２は通電制御手段６２の構成例を示すブロック図である。本実施の形態の通電制御手段６２では、コントローラ５７に代えて通常時用の第１のコントローラ６３と危険速度域用の第２のコントローラ６４とが設けられ、回転速度センサ５９の検知出力により切換え制御される切換え手段としてのモード切換え部５により何れかのコントローラ６３又は６４が選択されるように構成されている。ここに、変位センサ２３から第１のパワーアンプ５２に至るループ系と変位センサ２３から第２のパワーアンプ５３に至るループ系とによりプッシュプル制御手段６６が構成されている。
【０１０７】
このような構成において、第１のパワーアンプ５２、第２のパワーアンプ５３は各々吸引力Ｆ１，Ｆ２を生成しているが、回転数が回転速度センサ５９によって危険速度域に達したことが検知された時には、モード切換え部６５により第１のコントローラ６３による制御から第２のコントローラ６４による制御に切換える。ここに、第１のコントローラ６３は回転速度が危険速度でないときのプッシュプル信号を生成するのに対して、第２のコントローラ６４は回転速度が危険速度域にある場合のプッシュプル信号を生成するものであり、第２のコントローラ６４を動作させるときには吸引力Ｆ１，Ｆ２は危険速度でない場合よりも強くなっている。危険速度を脱したときにはモード切換え部６５を切換えて第１のコントローラ６３による制御に復帰させる。何れのコントローラ６３，６４を用いる場合においても吸引力Ｆ１，Ｆ２の双方を常にプッシュプル制御する点で第一の実施の形態の場合の浮上安定制御方式とは異なる。このような制御は、例えばプッシュプル形での積分形最適レギュレータ法によって実現可能である。
【０１０８】
なお、特に図示しないが、これらの実施の形態に示した通電制御に代えて、ロータ軸４の回転速度が予め測定された危険速度を超えた後にロータ５を浮上させる浮上開始制御手段を備えることで危険速度域を回避するようにしてもよい。即ち、予め当該光偏向走査装置１の危険速度を測定し、それ以上の回転速度からロータ５を浮上させるように制御することによっても、危険速度域を安全に突破することができる。例えば、回転速度に対する周波数分析を行えば、当該光偏向走査装置１の危険速度が例えば前述したように２，２００ｒｐｍ，３，８００ｒｐｍ付近に存在することが分かるので、このような危険速度を超えた後にロータ５の浮上動作を開始させると安定して浮上させることができ、その後、安定状態を維持して高速回転に移行することとなる。
【０１０９】
また、図１３に示すように、ステータ３とベース板２との間に４〜６本位のポール６７を介在させ、かつ、各ポール６７中に例えばゴム製のダンパ６８を介在させる構成や、図１４に示すように、ステータ３とベース板２との間にダンパとしてのダンパプレート６９を介在させた構成によっても、ロータ５とステータ３との非接触状態を維持して危険速度を通過させることができる。即ち、ロータ５の回転速度が危険速度域にある時に、ロータ５に発生する振動はステータ３に伝わるが、ダンパによってその振動エネルギーを吸収することができる。即ち、このようなダンパ６８又は６９を有しない場合には、図８に示したように３３Ｈｚ付近に振動エネルギーのピークがあるが、ダンパ６８又は６９を備えた構成とした場合には図１５に示すように３３Ｈｚ付近のピークが吸収されたものである。このようなダンパ６８又は６９は、危険速度域で比較的強い振動が発生したときのみ作用すれば、十分な振動軽減効果が得られる。
【０１１０】
本発明の第三の実施の形態を図１６ないし図１９に基づいて説明する。本実施の形態は、回転駆動機構としてのモータ６に代えて、高速対応モータとして主流になりつつある静電モータ７１を用いたものである。
【０１１１】
まず、この静電モータ７１の動作原理について図１６を参照して説明する。ここに、静電モータ７１は原理的には多数の電極７２が所定間隔で設けられた固定子７３とこの固定子７３に対向配置させた移動子７４と各電極７２に対する電圧の印加状態を制御する電源制御手段７５とにより構成されている。そして、移動子７４を固定子７３上に置き、初期充電を行い、電荷を蓄積させた後、移動させるための駆動を行い、再度充電する、という動作制御を繰返すことで、移動子７４をステップ状に駆動させるものである。
【０１１２】
最初、移動子７４は電荷を持たないので、初期充電を行う。即ち、図１６（ａ）に示すように、固定子７３の電極７２に３つを１組として、Ｖ（＋），Ｖ（−），Ｖ（０）なる（＋，−，０）の組合せパターンの電圧を印加し、移動子７４上に電極７２とは逆極性の電荷を誘導する。この場合、固定子７３の電極パターンは電荷のパターンとして移動子７４上に転写される。図１６（ｂ）に示すように、充電されると、移動子７４は固定子７３に吸引され、摩擦により強く保持される。
【０１１３】
次に、図１６（ｃ）に示すように、電極７２に印加する電圧のパターンをＶ（−），Ｖ（＋），Ｖ（−）なる（−，＋，−）の組合せパターンに切換える。この時、電極７２の電荷は瞬時に入れ替わるが、移動子７４の電荷配置は、新たな平衡状態に変化するまでに或る程度時間がかかる。切換直後における移動子７４の電荷配置は、図１６（ｃ）に示すように、（−，＋，０）となる。この時、移動子７４の電荷と、それに対向する電極７２の電荷とは同符号になるため、移動子７４には浮上力が作用する。それと同時に、斜め横の電極７２の電荷の効果が加わり、移動子７４は横方向への駆動力が働く。結果として、移動子７４は図１６（ｄ）に示すように、電極７２の１ピッチ分駆動される。
【０１１４】
このような駆動中には、移動子７４の電荷が失われるため、連続駆動すると推力が減少する。そこで、移動子７４が静止した状態で、図１６（ｅ）に示すように、電極７２を１相ずらしたパターンの正負の電圧を印加し、再充電する。失われる電荷は全体の一部であるので、再充電時間は初期充電より短い。
【０１１５】
このような原理に従い、電圧を印加する電極７２を１相ずつずらしてこれらの制御ステップを繰返すことにより、移動子７４は連続的に駆動することになる。
【０１１６】
このような原理の静電モータ７１は、ロータ軸４に固定されたポリゴンミラー７を移動子７４とする一方、固定子７３を図１９に示すように円盤状に形成してその片面に電極７２を７２ａ，７２ｂ，７２ｃで示す如く３個１組となるように円周方向に周期的として放射状に複数個、例えば、１２個形成してロータ軸４中心にポリゴンミラー７の下面に対向するように配置させることにより構成される（図１７及び図１８参照）。そして、３個１組の電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃへの電圧印加によってポリゴンミラー７の下面側に電荷を発生させるものであり、電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃへの電圧印加のパターンを動作原理で説明したように順次切換えることによりポリゴンミラー７を回転させることができる。
【０１１７】
なお、電極７２は３相単位の構成であればよく、総数は図示例に限らない。また、図１８に示す軸方向断面図は、固定子７３、ロータ軸４、ポリゴンミラー７等の配置を示すためのものであり、永久磁石等、他の構成要素は図示を省略してある。もっとも、固定子７３は下側の永久磁石２８よりも上方に位置するように配置される。また、図１７ないし図１９もロータ軸４に対する実装原理を誇張して示すもので、発生可能なトルクに対して装置を大きめに示しているが、実際的には当該静電モータ７１は図示例よりも小型化された装置構成の場合に適用される。
【０１１８】
これにより、高速対応の軸受構造と高速対応のモータとの組合せ構造による光偏向走査装置１を構成することができる。
【０１１９】
本発明の第四の実施の形態を図２０ないし図２３に基づいて説明する。本実施の形態は、偏向機能素子としてポリゴンミラー（回転多面鏡）７に代えて、複数の狭帯域の光干渉性反射膜を重ね合わせて互いに平行に形成された複数の光干渉型反射面８１ａ〜８１ｆを中心Ｏから放射状に配列した回転偏向器８２を用いたものである。即ち、反射面８１ａ〜８１ｆとして、特定の角度範囲のみの入射光を完全反射し、その他の角度では透明になる狭帯域の光干渉性反射膜を利用した平面反射鏡として構成したものであり、光源からの光ビームは中心Ｏに向かって入射させるように設定される。このような回転偏向器８２を中心Ｏ周りに回転させると、入射光は各光干渉型反射面８１ａ〜８１ｆにより順次反射光が偏向走査される。
【０１２０】
ここに、反射面を構成する光干渉型反射面８１ａ〜８１ｆは多層膜からなり、特定の方位の光のみを反射させる。このような多層膜は、表裏の特性が殆ど同じであるので、１枚の光干渉型反射面８１が１回転する間に表面と裏面とによる２回の光走査が可能である。図示例では、６枚の光干渉型反射面８１ａ〜８１ｆが配置された構成であるので、回転偏向器８２が１周する間に１２回の走査が可能である。従って、従来の６角柱状のポリゴンミラーに比べて回転数を１／２にすることができ、高速化を図る上で有利となる。
【０１２１】
次に、従来のポリゴンミラーと回転偏向器８２との比較について図２１を参照して説明する。図２１は入射したビーム束が反射される様子を模式的に示したもので、図２１（ａ）に示す従来の多角柱形状のポリゴンミラー８３の場合、入射ビームの束に比べてポリゴンミラー８３全体が何倍も大きい。これに対して、図２１（ｂ）に示す本実施の形態の回転偏向器８２の場合、ほぼ入射ビームの束に等しい直径の回転部を持っていることが分かる。即ち、図２１において矢印の幅は入射光束及び反射光束の幅を表しており、直感的にも、従来のポリゴンミラー８３に比べて本実施の形態の回転偏向器８２の直径が極端に小さくなることが分かる。図２１（ｂ）によれば、ほぼ光束幅の直径を有するロータがあればよいことが推測できる。また、ロータ径の４乗に比例して空気抵抗が増加するが、本実施の形態の回転偏向器８２によれば風損をかなり低減させ得ることも容易に理解できる。
【０１２２】
ところで、このような光干渉型反射面８１に利用される多層膜を構成する上では、２種類の屈折率の異なる透明物質を多層に渡って重ねると、波長選択性の高い反射膜が得られることが知られているので、この技術を利用すればよい。よって、理論的には、任意の帯域の、任意の波長幅の反射膜を設計できる。つまり、従来から知られている多層反射（或いは、無反射）コーティング膜は、強い波長選択性を有しており、従来にあっては、この波長選択性を除去するように工夫していたが、ここではこれを積極的に利用するように設計するものである。例えば、特定の波長λに対して正面から入射する光を完全反射するように設計した光干渉型反射膜があるとすれば、前後の特定角度θ分だけを完全反射し、その他は透過させるようにするには、λ、及び、λ（１−cosθ）の間の波長に対して完全反射させるように設計すればよい。
【０１２３】
実際的な透明物質の組合せ例は容易に見つけることができる。一般に、屈折率の近い透明物質は、光学用ガラスを始めとして多様な組合せが存在する。また、このような異なる屈折率の透明物質の交互層は、次のような特殊な場合でも有効である。即ち、ガラスはその酸化アルカリ元素を代表とする微量成分の組成によって屈折率が変化するが、微量成分を層状に添加することによって、このような構成が達成可能である。
【０１２４】
また、物質の混入の代わりに、空隙を設けることによって屈折率変化を持たせることもできる。即ち、ガラス基質中に多数の空孔層を形成するか、或いは、ポーラスシリカとして知られている低密度のガラスを蒸着させて、多層膜を形成することも可能である。
【０１２５】
このような回転偏向器８２は円盤状の透明基質中に６枚構成の光干渉型反射面８１ａ〜８１ｆを埋め込む構成が作りやすく、かつ、回転偏向器８２自体の外周面形状は回転対称形（例えば、円盤形状）が好ましい。
【０１２６】
ところで、光偏向走査装置１の小型化等を図る上で、実装される回転偏向器８２も極力小さくするわけであるが、前述したような動作原理に基づき、回転偏向器８２としては入射ビームの幅程度の直径にまで小型化できるので、本実施の形態では、回転偏向器８２の直径をロータ軸４の直径と同径とするものである。また、回転偏向器８２はその中心Ｏを横切る形で光干渉型反射面８１ａ〜８１ｆが存在するため、径大なポリゴンミラーの場合のようにロータ軸４の外周面上に嵌合させる形で結合させることはできない。そこで、本実施の形態では、回転偏向器８２は、図２２に示すように結合手段８５を介してロータ軸４に結合される。即ち、回転偏向器８２の上下両面には中心部に凸状にねじ８６ａ，８６ｂを有する結合部材８７ａ，８７ｂが一体化されており、上下２分割されたロータ軸４ａ，４ｂの端部に形成されたねじ溝８８ａ，８８ｂにねじ８６ａ，８６ｂをねじ込むことにより一体となるように結合されている。この場合も、ねじ８６ａ，８６ｂの向きはロータ軸４の回転方向で締まる方向、即ち、逆回転方向の向きに切られており、ロータ軸４が回転しても緩んで抜けるようなことがないように構成される。
【０１２７】
従って、本実施の形態によれば、小型対応の軸受構造と小型対応の回転偏向器８２との組合せ構造による、より一層の小型化が可能な光偏向走査装置１を構成することができる。
【０１２８】
本発明の第五の実施の形態を図２３に基づいて説明する。本実施の形態は、レーザプリンタ、デジタル複写機のプリンタ部等に用いられる光書込み装置への適用例を示す。
【０１２９】
この光書込み装置は、レーザ光源としての半導体レーザ９１から出射されたレーザ光をカップリングレンズ９２によりコリメートし、シリンドリカルレンズ９３により副走査方向だけビームを絞ってポリゴンミラー７の或る反射面１５に入射させてその反射により主走査方向に偏向走査させ、ｆθレンズ系９４や面倒れ補正用レンズ９５で収差補正し、折返しミラー９６により被照射面となる感光体９７の表面にレーザスポットを走査させることで、静電潜像を形成するものである。半導体レーザ９１は画像データに基づき変調される。また、主走査方向の終端又は始端では、同期検出器９８によりレーザ光を検知することにより、書込み開始位置を決定するようにしている。
【０１３０】
ここに、本実施の形態では、主走査偏向用のポリゴンミラー７を含む光偏向走査装置（回転偏向装置）１として、例えば第一の実施の形態に示したものが用いられている。これにより、低消費電力化、走査速度の向上による書込み速度の高速化及び低騒音化等を図れる。即ち、最近ではプリンタの高速化を図る上で、光源のマルチビーム化が検討・実施されているが、より一層の高速化を図るためにビーム数が８以上になると光源自体のコストアップが顕著となり、かつ、光学系の設計・構成も難しくなってしまう。この点、本実施の形態によれば、光偏向走査装置１の高速化により対処できる。
【０１３１】
なお、光書込み装置としての構成例は、図示例に限らない。また、光偏向走査装置（回転偏向装置）１としても第一の実施の形態に示したものに限らず、静電モータ７１を用いたもの、回転偏向器８２を用いたもの等、他の実施の形態によるもの等であってもよい。
【０１３２】
本発明の第六の実施の形態を図２４及び図２５に基づいて説明する。本実施の形態は、ＲＧＢフルカラーによるレーザ走査型ディスプレイへの適用例を示す。
【０１３３】
まず、レーザ光を発するＤＰＳＳＬ（ダイオード・ポンプド・ソリッド・ステート・レーザ）によるＲＧＢ３波長のレーザ光源１０１（１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ）が設けられ、各々のレーザ光を外部変調器１０２に集光させて入射させる集光レンズ１０３が設けられている。外部変調器１０２により変調されコンデンサレンズ１０４により捕捉された各々のレーザ光を合成するミラー１０５ａ、ダイクロイックミラー１０５ｂ，１０５ｃが設けられている。これらのミラー１０５ａ、ダイクロイックミラー１０５ｂ，１０５ｃにより光軸が揃えられて合成されたレーザ光の入射を受けて主走査方向に偏向走査するポリゴンミラー７が設けられている。このポリゴンミラー７の反射による出射側には、駆動源（図示せず）による回動動作により副走査方向の走査を受け持つ副走査手段としてのガルバノミラー１０６が設けられている。このガルバノミラー１０６の出射側には折返しミラー１０７を介して、投影面であるスクリーン１０８にレーザ光を投影照射させる投影手段としての投影レンズ１０９が設けられている。
【０１３４】
このような構成において、１画面を順次的に高速に描画するが、描画に要する時間（フレームレート）を６０Ｈｚ以上にすれば連続した１枚の画像に見える。
【０１３５】
ＲＧＢ３波長のレーザ光源１０１（１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ）は適宜入替えることができる。また、ガルバノミラー１０６と折返しミラー１０７とは逆配置でもよいが、ガルバノミラー１０６がポリゴンミラー7に近い方が収差が小さくなることが知られている。また、特に図示していないが、主走査の走査線数が所定回数に達したとき、副走査用のガルバノミラー１０６を高速でリターンさせて初期の走査開始位置にビームが戻るようにするため、主・副走査の同期が取られる。このため、例えばレーザ光の主走査端を非画像領域とし、その領域でレーザ光を検知して走査本数を計数し、所定回数に達したところでガルバノミラー１０６を高速でリターンさせる。
【０１３６】
外部変調器１０２としては、例えば、汎用されている音響光学変調素子（ＡＯＭ）が用いられる。この音響光学変調素子（ＡＯＭ）は入射ビーム径と変調速度が反比例するので、高速変調を想定して、本実施の形態ではビームを集光レンズ１０３により集光させて入射させている。外部変調器１０２としては、この他、電気光学変調素子（ＥＯＭ）も使用可能である。
【０１３７】
ここに、本実施の形態では、主走査偏向用のポリゴンミラー７を含む光偏向走査装置（回転偏向装置）１として、例えば第一の実施の形態に示したものが用いられている。これにより、低コスト化、装置の小型化、低騒音化及び消費電力化等を図れる。
【０１３８】
即ち、この種のレーザ走査型ディスプレイにおいては、描画再生する画像の解像度を上げると、画素数が増えるが、１フレームを描画する時間（フレームレート）は長くできないので、高速に走査しなければならない（同時にレーザ光を高速変調する必要があるが、変調に関しては外部変調器で高速タイプのものが実用化されている）。高速に走査できない場合、複数本のレーザ光を同時に水平走査させる手段を講ずる必要があり、技術的に不可能ではないが、走査系が非常に複雑になり、かつ、各レーザ光毎に変調が必要なため、外部変調器の数も増えてしまう。外部変調器によるコストアップは装置全体のコストに大きく影響する。一方、半導体レーザなどを直接変調させる技術はあるものの、変調速度を上げるとビームパワーをあまり上げられず、結果として、ビーム数を増やさないと明るい画像を形成できず、装置が益々複雑化してしまう。また、半導体レーザとしては、Ｇ，Ｂ用がまだ実用化されておらず、発光しても実使用に耐えられるレベルにはない。このようなことから、残されたレーザ光源の選択として現在有力なのがＤＰＳＳＬ（ダイオード・ポンプド・ソリッド・ステート・レーザ）であり、ＲＧＢ３色の発光が可能である。しかし、直接変調は難しいので、外部変調器を使用することとなる。このようなことから、ハイパワーのＤＳＳＬ光源を外部変調器で高速変調し、３色を合成して高速走査する、というが最も現実的な選択といえる。将来的にＲＧＢ３色の半導体レーザを利用できるようになると、半導体レーザのマルチビーム化、或いは、半導体レーザを合成してハイパワー化を図る、等の方法も現実性が出てくるが、その場合においても、なお高速に走査できることは優位である。ここで、高速というのは５０，０００ｒｐｍ以上、望ましくは１００，０００ｒｐｍの領域であり、このような高速領域を満たす回転軸受として５軸制御型磁気浮上軸受、或いは、玉軸受があるが、何れの軸受においても制御機構が複雑でコストが非常に高いものである。この点、前述した光偏向走査装置（回転偏向装置）１が有する軸受機構によれば、圧倒的に構成も制御も簡素であり、コスト的にも優位である。
【０１３９】
なお、図２４及び図２５はレーザ走査型ディスプレイの構成の一例を示すものであり、これらに図示例に限られない。また、主走査用の光偏向走査装置（回転偏向装置）１としても第一の実施の形態に示したものに限らず、静電モータ７１を用いたもの、回転偏向器８２を用いたもの等、他の実施の形態によるもの等であってもよい。
【０１４０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の回転偏向装置によれば、位置固定されたステータと、このステータに内装されて回転軸方向を鉛直方向とするロータ軸を有するロータと、前記ロータ軸を回転駆動する回転駆動機構と、永久磁石の反発により前記ステータに対して前記ロータ軸を浮上させるよう半径方向に軸受する１軸制御型磁気浮上軸受と、前記ロータの浮上位置制御を含む姿勢を制御する制御機構と、前記ロータ軸の重心付近に結合されて入射した電磁波を反射させる偏向機能素子と、を備え、前記制御機構が、少なくとも、前記ロータに対して軸方向に離間させて取付けられた上下一対の吸引板と、前記ステータ側に設けられて前記上下一対の吸引板の上部の吸引板を上向きに吸引し、下部の吸引板を下向きに吸引する上下一対のロータ浮上制御用電磁石とによる軸方向吸引制御機構と、これらのロータ浮上制御用電磁石に対する通電制御手段と、を備えることで、ロータがステータに内装されるインナーロータ構成にするとともに偏向機能素子をロータ軸の重心付近に結合させたので、回転むらや回転ぶれを少なくすることが容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。即ち、１軸制御型磁気浮上軸受を構成するロータ側磁石やステータ側磁石を小径で厚さを増した構造にすることが容易となり、この結果、これらの磁石の形状精度や着磁均一性が高くなり、かつ、剛性が高くなるとともに磁力分布の均一性も高くなることから回転性能を安定させることができる。
【０１４１】
磁気的な反発力が作用するロータ磁石とステータ磁石との組を２組具備するようにすれば、これらをロータ軸の端の方に配設することによって、ロータ軸の振動に対する剛性を高めることができ、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となるようにすることができる。
【０１４２】
ロータ磁石及びステータ磁石は、円筒形状で磁極の向きがロータ軸の軸方向に設定されるようにすれば、組付けが容易な上に強い反発力を出すことも容易であり、１軸方向のみの制御でロータ回転の小型化を図る上で有利とすることができるようになる。
【０１４３】
ロータ軸の上下両端を各々軸方向外方に向けて磁気的に付勢する構造とするようにし、上下から引っ張ることで電磁石が１つの場合よりも制御剛性を上げるようにすれば、ロータの高剛性化が可能で、ロータの軸方向の制御が容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利とすることができるようになる。
【０１４４】
また、請求項１記載の回転偏向装置において、その通電を制御することで、ロータの高剛性化が可能で、ロータの軸方向の制御が容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。
【０１４５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の回転偏向装置において、ロータ軸の下端側に設ける吸引板が平凸円盤形状の場合には、ロータ軸が半径方向にずれたときに自発的に軸中心方向に復帰する力が発生しないか発生しても極めて微弱であり、ロータを浮上安定させることができず、或いは、できても極めて不安定となってしまう可能性があるが、ロータ浮上制御用電磁石に向けて突出するロータ軸中心の円錐形状又はＲ面形状に形成したので、磁気吸引力として半径方向に作用する分力も含まれることとなり、受動剛性を動的に変化させ得るため、ロータ軸が半径方向にずれたときの戻り剛性を強くすることができ、浮上時の半径方向安定化が容易となり、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。
【０１４６】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の回転偏向装置において、いわゆるポリゴンミラーを用いる回転偏向装置に関して、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図ることができる。
【０１４７】
また、請求項４記載の発明によれば、上側の吸引板は回転多面鏡とは別個に設けてもよいが、回転多面鏡に一体に設けることで、装置構成の簡略化を図れ、かつ、一体構造により剛性も増し、撓みも起こり難いため、回転性能（回転むらや回転ぶれ）も安定するので、最も合理的な構成となる。
【０１４８】
請求項６記載の発明によれば、請求項４又は５記載の回転偏向装置において、吸引板を回転多面鏡に一体化する上で、焼き嵌めして埋め込むことにより、隙間なく嵌合させることができ、回転多面鏡を含むロータはガタツキのない剛性の高いものとなり、回転性能が安定し、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図る上で有利となる。
【０１４９】
回転多面鏡をロータ軸に軽圧入して一体に結合させるようにすれば、回転多面鏡を含むロータはガタツキのない剛性の高いものとなり、回転性能が安定するようにできるようになる。
【０１５０】
請求項７記載の発明によれば、請求項４ないし６の何れか一記載の回転偏向装置において、回転多面鏡をロータ軸に軽圧入して一体化させた後に吸引板を回転多面鏡に焼き嵌めすると、この焼き嵌め処理時の温度上昇により軽圧入した回転多面鏡がロータ軸から脱離してしまう可能性があるが、吸引板が既に焼き嵌めされた回転多面鏡をロータ軸に軽圧入させることで、このような不具合を生ずることなく一体化させることができる。
【０１５１】
前記偏向機能素子は、複数の狭帯域の光干渉性反射膜を重ね合わせて互いに平行に形成された複数の光干渉型反射面を前記ロータ軸の回転中心から放射状に配列した回転偏向器であるので、外周面ではなく回転中心を通る光干渉型反射面を利用して反射させることで電磁波の入射幅に収まるような小型対応の回転偏向器と小型対応の軸受構造との組合せ構造にすれば、より一層の小型化が可能な光偏向走査装置を構成することができるようになる。
【０１５２】
前記回転偏向器は、結合手段により前記ロータ軸中に結合されているようにすれば、ロータ軸の直径と同径に収まるような回転偏向器をロータ軸に対して確実に結合させることができるようになる。
【０１５３】
ロータ構成部品をロータ軸に結合するねじ溝がロータ軸の回転方向とは逆回転方向で締まるように切るようにすれば、回転体の回転トルクは、部品を締める方向に作用することとなり、ロータ軸からの部品の脱離が起こらず、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上及び高速化を図る上で有利とすることができるようになる。
【０１５４】
大気中でロータを回転させれば風損が生ずるのは明らかであるが、磁気浮上軸受によれば減圧環境下でも回転駆動可能な特徴を有するようにすることにより、少なくともステータとロータとの間や偏向機能素子周辺を減圧封止する真空構造とすることができるようになり、風損の抑制が可能となり、この結果、ロータの回転に要するエネルギーも下がるので、１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び低消費電力化を図る上で有利となるようにすることができる。この際、真空構造のため、ステータは筐体構造を採ることとなるが、入・反射窓が確保されて電磁波透過領域として閉止されているようにすれば、真空構造に支障なく、電磁波の入・出射光路が確保され、回転偏向装置としての機能が発揮されるようになる。
【０１５５】
減圧封止する真空構造を採る場合、回転駆動機構部分等で発生する発熱に対する放熱対策が必要となるが、真空構造の構成部材を熱伝導性の高い非磁性金属により構成するようにすれば、放熱効果を確保することができるようになる。
【０１５６】
前記真空構造の構成部材の表面を黒くするようににすれば、黒体輻射効果により放熱効果を高くすることができるようになる。
【０１５７】
例えばヘリウム、アルゴン等の不活性ガスを封止するようにすれば、真空雰囲気内の温度上昇を抑制でき、結果的に放熱効果を高めることができるようになる。
【０１５８】
ロータとステータとの対向面にヘリカル溝を有するようにすれば、ロータの回転に伴いロータとステータとの間の対流循環の高い通風効果が得られ、結果的に放熱効果を高めることができるようになる。
【０１５９】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置において、危険速度域を安全に脱出する目的に対して、危険速度域に達した場合には、下側のロータ浮上制御用電磁石に定常吸引力を印加させるわけであるが、これは系に対して下向きの外乱を加えたことと等価的であり、その振動を上側のロータ浮上制御用電磁石で検知して、この上側のロータ浮上制御用電磁石に対する通電を付与された外乱を吸収するように制御し、以って、危険速度域を通過させる。即ち、危険速度域に達した場合には、積極的に危険速度自体を変化させることで、振動モードを回避するものであり、危険速度域が複数（共振周波数が複数）ある回転体に対して振動制御手段として効果的に機能する。特に、制御すべき量を見計らって制御しているので、安全で制御性に優れた対応策となる。
【０１６０】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置において、基本的には上側のロータ浮上制御用電磁石による吸引力と下側のロータ浮上制御用電磁石による吸引力とのプッシュプル制御によりロータ軸の浮上量のバランス制御を行うが、危険速度域に達した場合にはプッシュプル制御の制御電流値を切換えることで系の剛性を高め、危険速度域の振動を抑制することができる。即ち、危険速度域に達した場合には、積極的に危険速度自体を変化させることで、振動モードを回避するものであり、危険速度域が複数（共振周波数が複数）ある回転体に対して振動制御手段として効果的に機能させることができる。
【０１６１】
請求項１０記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置において、予め当該装置の危険速度を測定し、それ以上の回転速度からロータを浮上させるように制御することによっても、危険速度域を安全に突破することができる。
【０１６２】
ステータの底部にダンパを設ける構成にすれば、ロータとステータとの非接触状態を保持したまま、危険速度域を突破して、高速回転域に移行させることができるようになる。
【０１６３】
ダンパは危険速度域で比較的強い振動が発生したときのみ作用するようにすれば、十分な振動軽減効果が得られるようにすることができる。
【０１６４】
請求項１１記載の発明の光書込み装置によれば、より簡易な制御構成が可能な１軸制御型磁気浮上軸受を用いて１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図れる請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置を備えるので、小型にして安定した高速書込みが可能となる。
【０１６５】
請求項１２記載の発明のレーザ走査型ディスプレイによれば、より簡易な制御構成が可能な１軸制御型磁気浮上軸受を用いて１軸方向のみの制御でロータ回転の安定性向上、高速化及び小型化を図れる請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置を備えるので、小型にして安定した高精細な表示が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光偏向走査装置を示す縦断正面図である。
【図２】その水平端面図である。
【図３】永久磁石の組合せを示す分解斜視図である。
【図４】モータ付近の構成を示す水平断面図である。回転数に対する半径方向振幅幅のＰ−Ｐ値を示すロータ回転時の特性図である。
【図５】回転数に対する半径方向振幅幅のＰ−Ｐ値を示すロータ回転時の特性図である。
【図６】系に作用する力を模式的に示す説明図である。
【図７】通信制御手段の構成例を示すブロック図である。
【図８】通常動作時での静止時におけるインパルス応答の周波数特性を示す特性図である。
【図９】通常動作時とステップ状の電流を与えた状態とを対比させたインパルス応答の周波数特性を示す特性図である。
【図１０】アウターロータ構成の１軸制御型磁気浮上軸受を用いた従来方式と本実施の形態方式とのロータ軸の軸回り回転ブレ量の測定結果を示す特性図である。
【図１１】本発明の第二の実施の形態において系に作用する力を模式的に示す説明図である。
【図１２】通信制御手段の構成例を示すブロック図である。
【図１３】ダンパが追加された光偏向走査装置の一例を示す縦断正面図である。
【図１４】ダンパが追加された光偏向走査装置の他例を示す縦断正面図である。
【図１５】ダンパ追加時の静止時におけるインパルス応答の周波数特性を示す特性図である。
【図１６】本発明の第三の実施の形態の静電モータの動作原理を示す模式的な説明図である。
【図１７】静電モータの概略斜視図である。
【図１８】その軸方向断面図である。
【図１９】固定子の平面図である。
【図２０】本発明の第四の実施の形態の回転偏向器の動作原理を示す概略平面図である。
【図２１】ポリゴンミラーと対比させて示す特徴説明図である。
【図２２】回転偏向器の結合構造を示す分解正面図である。
【図２３】本発明の第五の実施の形態の光書込み装置を示す斜視図である。
【図２４】本発明の第六の実施の形態のレーザ走査型ディスプレイを示す平面的構成図である。
【図２５】その側面的構成図である。
【符号の説明】
１ 回転偏向装置
３ ステータ
４ ロータ軸
５ ロータ
６ 回転駆動機構
７ 回転多面鏡、偏向機能素子
８ １軸制御型磁気浮上軸受
９ 制御機構
１５ 反射面
１６ 入・反射窓
２１ ロータ磁石
２４ ステータ磁石
２５ ロータ磁石
２７ 下側の吸引板
２８ ステータ磁石
４１ 軸方向吸引制御機構
４２ ロータ浮上制御用電磁石
４３ 上側の吸引板
４４ ロータ浮上制御用電磁石
５１ 通電制御手段
６０ 上側吸引力印加手段
６１ 下側吸引力印加手段
６２ 通電制御手段
６５ 切換え手段
６６ プッシュプル制御手段
６８，６９ ダンパ
７１ 回転駆動機構
８１ 光干渉型反射面
８２ 回転偏向器、偏向機能素子
８５ 結合手段
９１ レーザ光源
９７ 被照射面
１０１ レーザ光源
１０２ 外部変調器
１０６ 副走査装置
１０８ 投影面 １０９ 投影手段

Claims (12)

1. 位置固定されたステータと、このステータに内装されて回転軸方向を鉛直方向とするロータ軸を有するロータと、
   前記ロータ軸を回転駆動する回転駆動機構と、
   永久磁石の反発により前記ステータに対して前記ロータ軸を浮上させるよう半径方向に軸受する１軸制御型磁気浮上軸受と、
   前記ロータの浮上位置制御を含む姿勢を制御する制御機構と、
   前記ロータ軸の重心付近に結合されて入射した電磁波を反射させる偏向機能素子と、を備え、
   前記制御機構が、少なくとも、前記ロータに対して軸方向に離間させて取付けられた上下一対の吸引板と、前記ステータ側に設けられて前記上下一対の吸引板の上部の吸引板を上向きに吸引し、下部の吸引板を下向きに吸引する上下一対のロータ浮上制御用電磁石とによる軸方向吸引制御機構と、
   これらのロータ浮上制御用電磁石に対する通電制御手段と、を備えることを特徴とする回転偏向装置。
2. 下側の前記吸引板は前記ロータの下端に設けられ、該下側の吸引板の電磁石対向面は、下側の前記ロータ浮上制御用電磁石に向けて突出する前記ロータ軸中心の円錐形状又はＲ面形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転偏向装置。
3. 下側の前記吸引板の径は、前記ロータ軸の径よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転偏向装置。
4. 前記偏向機能素子は、外面に複数の反射面を有する回転多面鏡であり、
   上側の前記吸引板は、前記ロータ軸より径大な前記回転多面鏡の上面に一体化されて前記ロータに取付けられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の回転偏向装置。
5. 上側の前記吸引板は、前記ロータ軸に対して同心円状の円盤形状であることを特徴とする請求項４に記載の回転偏向装置。
6. 上側の前記吸引板は、前記回転多面鏡の上面に焼き嵌めして埋め込まれることにより一体化されていることを特徴とする請求項４又は５記載の回転偏向装置。
7. 前記ロータ軸より径大でその上面に上側の前記吸引板が焼き嵌めして埋め込まれた前記回転多面鏡が、前記ロータ軸に対して軽圧入されて一体に結合されていることを特徴とする請求項４ないし６の何れか一記載の回転偏向装置。
8. 前記通電制御手段は、上側の前記ロータ浮上制御用電磁石による上方への吸引力をＦ１、下側の前記ロータ浮上制御用電磁石による下方への定常吸引力をＦｄ、前記ロータの自重をｍ、重力をｇ、前記１軸制御型磁気浮上軸受における永久磁石の反発力をＦｐとしたとき、ｍｇ＋Ｆｐ＋Ｆ１＝０を常に満たすように前記吸引力Ｆ１を制御する上側吸引力印加手段と、
   前記ロータ軸の回転速度が危険速度域に達した時に下側の前記ロータ浮上制御用電磁石に前記定常吸引力Ｆｄを印加する下側吸引力印加手段と、を備えることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置。
9. 前記通電制御手段は、上側の前記ロータ浮上制御用電磁石による上方への吸引力をＦ１、下側の前記ロータ浮上制御用電磁石による下方への吸引力をＦ２、前記ロータの自重をｍ、重力をｇ、前記１軸制御型磁気浮上軸受における永久磁石の反発力をＦｐとしたとき、ｍｇ＋Ｆｐ＋Ｆ１＋Ｆ２＝０を常に満たすように前記吸引力Ｆ１，Ｆ２をプッシュプル制御するプッシュプル制御手段と、
   前記ロータ軸の回転速度が危険速度域に達した場合とそれ以外の場合とでプッシュプル制御の制御電流値を切換える切換え手段と、を備えることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置。
10. 前記通電制御手段は、前記ロータ軸の回転速度が予め測定された危険速度を超えた後に前記ロータを浮上させる浮上開始制御手段を備えることを特徴とする請求項請求項１ないし７の何れか一記載の回転偏向装置。
11. 電磁波としてレーザ光を発するレーザ光源と、このレーザ光源から発せられたレーザ光を入・反射させて被照射面に向けて偏向走査する請求項１ないし１０の何れか一記載の回転偏向装置と、を備えることを特徴とする光書込み装置。
12. 電磁波としてレーザ光を発するレーザ光源と、
    このレーザ光源から発せられたレーザ光を画情報に応じて変調する外部変調器と、
    変調されたレーザ光を入・反射させて主走査方向に偏向走査する請求項１ないし１０何れか一記載の回転偏向装置と、
    変調されたレーザ光を副走査方向に走査する副走査装置と、
    主走査方向に偏向走査され副走査方向に走査されるレーザ光を投影面に向けて照射する投影手段と、を備えるレーザ走査型ディスプレイ。

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