JP4441553B2 - ポリゴンミラーの加工方法、ポリゴンスキャナ及び光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポリゴンミラーの加工方法、ポリゴンスキャナ及び光走査装置に関する。

ポリゴンスキャナの従来例として、特許文献１（偏向装置）に記載されたものが知られている。この従来例は、複数の光ビームのそれぞれを偏向する複数のポリゴンミラーと、該複数のポリゴンミラーの内接円と同一またはそれより小さくなるように形成された前記複数のポリゴンミラーを接続する接続部と、回転駆動する駆動モータとを有しており、ポリゴンミラーが上下２段に一体的に構成されている。
しかしながら、ポリゴンミラーは板バネ部材で回転軸に固定されているため高速回転すると、その回転による温度上昇、遠心力により固定されているポリゴンミラーが微移動し回転体のバランスが変化しやすく、振動の原因となる。特に上下段一体化しているポリゴンミラーは質量が重く多少の微移動でも振動の発生は顕著である。
特開平２−１６５２１号公報

従来、カラー画像形成装置等に用いられるポリゴンスキャナには、複数のレーザビームを入射させ偏向させる方式があり、その分ポリゴンミラーの反射面の面積を広くする（厚板化）、あるいは２枚の独立したミラーを軸方向に間隔を空けて配置する方法が行われている。
一方、カラー画像形成装置の高速プリント化、画質の高精細化を実現するにあたって、厚板あるいは２枚ミラーのポリゴンスキャナを２５，０００ｒｐｍ以上の高速、かつ高精度に回転させる必要が生じている。従来の厚板ミラーで高速回転させると、ミラーによる風損が多くなることによりモータ消費電力が増大してしまう。
また、２枚の独立したミラーを軸方向に間隔を空けて配置する方法においては、それぞれのミラーを搭載する際の基準面を精度良く仕上げる必要があり、かつ２枚のミラー間の面倒れも精度良くする必要があり、加工・組立工数が複雑でコストアップする問題があった。

また、ポリゴンミラーが上下２段に一体的に構成されている例もあるが、ポリゴンミラーは板バネ部材で回転軸に固定されているため、高速回転すると、その回転による温度上昇、遠心力により固定されているポリゴンミラーが微移動し回転体のバランスが変化しやすく、振動の原因となる。
特に上下段一体化しているポリゴンミラーは質量が大きく、多少の微移動でも振動の発生は顕著である。
また、回転体を構成している部品（ポリゴンミラー、ロータ磁石が固定されるフランジ、軸）の熱膨張率が異なっていたり、一致していても部品公差や固定方法等により高温高速回転時に微移動（回転体のバランス変化）が発生し、ひいては振動を増大させる結果となっていた。

本発明は、回転部材と軸受シャフトが固定された組立体のポリゴンミラーを加工するときに、小径シャフトでも高精度なポリゴンミラーの加工が達成できるポリゴンミラーの加工方法、ポリゴンスキャナ及び光走査装置を提供するものである。

本発明は、前記目的を達成するためになされたものであって、請求項１の発明は、鏡面に加工される側面部を有する回転部材と、前記回転部材の回転中心に軸止した軸受シャフトとが少なくとも固定された組立体のポリゴンミラーの加工方法において、前記回転部材の上端面または下端面と当接する治具部材の対向面との振れ精度を５μｍ以下に加工し、前記回転部材と固定部材との当接部に弾性部材を配置して、前記回転部材を全周均等圧となるように前記固定部材を一定の押圧力で前記治具部材に固定し、前記回転部材の前記側面部を軸方向に円弧形状となるように切削加工して、形成された複数段のポリゴンミラーの反射面を切削加工するポリゴンミラーの加工方法であることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の加工方法により加工されたポリゴンミラー部を有するポリゴンスキャナであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載のポリゴンスキャナを用いた光走査装置であることを特徴とする。

本発明によれば、回転部材を全周均等に押圧することが可能であり、局部的な押圧力により鏡面加工品質を劣化させることなく、小径シャフトでも高精度なポリゴンミラーの加工が達成できる。

図１は、カラー画像形成装置等に用いられる本発明のポリゴンスキャナの実施例を示す縦断面図である。ポリゴンスキャナ１の軸方向に離間したポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂには、各々各色に対応した複数のレーザビームＡ，Ｂ，Ｃ、Ｄが軸対象対向した各４面に入射され、高速偏向走査される。

ポリゴンスキャナ１は、マルテンサイト系のステンレス鋼からなる軸受シャフト１０の上部外周がポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂを有するアルミ純度９９.９％以上の回転部材８に焼キバメ固定されている。マルテンサイト系ステンレス（例えばＳＵＳ４２０Ｊ２）は、焼入れが可能で表面硬度を高くでき、軸受シャフトとしては耐磨耗性が良好で好適である。回転部材８の下部内面にはロータ磁石１１が固定され、ステータコア４ａ（巻線コイル４）とともにアウターロータ型のブラシレスモータを構成している。

ポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂは、所定のレーザビームを偏向するのに十分な面積を有しており、ポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂ間を隔てる空間部８ｊは反射面８ａ，８ｂの内接円径よりも小径な形状となっている。空間部８ｊを小径にすることにより、回転上昇とともに増大する風損を効果的に低減できる。特に、２５，０００ｒｐｍ以上の回転領域になると高い効果があらわれる。なお、上下のレーザビーム間距離Ｌは、ポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂで偏向後に通るｆθレンズの上下間隔により決定される。間隔が狭いほど表面積が少なくなるので全体の風損は小さくなる。

本実施例による構造は、従来のようにポリゴンミラーを板バネ等の固定部材を使用する必要がないので、固定圧力によるポリゴンミラー反射面への歪みがなくなるというメリットがある。
回転部材８に設けられた円周溝８ｉ，８ｋは、軸受シャフト１０の焼キバメ固定時や環境温度変動に伴うポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂへの応力歪の防止やバランス修正用の接着剤塗布部にも使用される。ロータ磁石１１は樹脂をバインダーに使用したボンド磁石であり、ロータ磁石１１の外径部には高速回転時の遠心力による破壊が発生しないように、回転部材８が外径を保持している構造である。
ロータ磁石１１を圧入固定することにより一層の高速回転、かつ高温環境においても固定部の微移動を生ずることなく、回転体バランスの高精度維持が可能となる。

なお、ロータ磁石１１はアルミマンガン系の磁石でも良く、アルミ純度９９.９％以上の高純度アルミの回転部材８と表面を硬化処理または潤滑処理したアルミ合金軸受シャフト１０で構成することにより、回転体を全てアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成し、各部品間の熱膨張差は略等しくし、温度上昇に伴う部品間の微移動を防止することにより、回転体の高精度バランスが維持できる。
アルミマンガン系の磁石は、機械強度が高く高速回転時の遠心力にも破壊しないこと、高純度アルミはポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂの反射率が高いこと、アルミ合金シャフトはステンレスよりも軽量化が可能となるという効果を有する。

一方、画像形成装置の横幅を小型化するために、光走査装置及びポリゴンスキャナ１は軸鉛直に対して傾斜して使用される。上記回転体２の重心を上部軸受５、下部軸受６の間に配置することにより、傾斜使用に対しても軸受の偏摩耗を抑制することができる。

ラジアル軸受は軸受シャフト１０の外径と固定スリーブ３の上下に配置された上部軸受５、下部軸受６からなり、含油軸受により構成されている。軸受隙間は直径で１０μｍ以下に設定されている。
なお、２５，０００ｒｐｍの高速回転でも含油された油の循環を効率良く行うために、図示しない動圧発生溝を設けることが好適である。動圧溝は軸受シャフト１０の外周面または燒結部材の内周面に設けるが、加工性の良好な燒結部材の内周に施すのが好適である。

アキシャル方向の軸受は、軸受シャフト１０の下端面に形成された凸曲面１０ａと、その対向面にスラスト受部材７を接触させるピボット軸受である。スラスト受部材７はマルテンサイト系ステンレス鋼やセラミック、または金属部材表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理等の硬化処理をしたものが磨耗粉の発生が極力抑えられるので好適である。１５はスラスト受け７の支持部材である。

また、モータコア４とロータ磁石１１の径方向の磁気吸引力で回転体２をアキシャル方向に支持することも可能である。この場合、回転体２の質量以上の磁気吸引力を発生させるため、ロータ磁石１１を希土類系磁石やモータコア４と磁気ギャップを狭小化することにより、所望の支持力を得ることができる。
また、軸受シャフト１０と含油軸受との間に形成される密閉空間１６により回転体２に衝撃が加わったとき等でも速やかにその振動を抑えるダンピング特性を有している。

回転体２を２５，０００ｒｐｍ以上の高速回転させる場合、振動を小さくするために回転体２のバランスを高精度に修正かつ維持しなければならない。回転体２にはアンバランスの修正部があり、重心Ｇを挟んで上側は回転部材８の円周凹部８ｉまたは８ｋ部に、下側は円周凹部８ｈに各々接着剤を塗布することによりバランス修正を行う。アンバランス量は１０ｍｇ・ｍｍ以下が必要であり、例えば半径１０ｍｍの箇所で修正量は１ｍｇ以下に保たれている。
なお、上記のような微少な修正を実行する際に接着剤等の付着物では管理がしにくい場合、また量が少ないため接着力が弱く４０，０００ｒｐｍ以上の高速回転時には剥離、飛散してしまう場合には、回転体の部品の一部を削除する方法（ドリルによる切削やレーザ加工）を実施することが好適である。

本実施例におけるモータ方式は、径方向に磁気ギャップを有し、ステータコア４ａの外径部にロータ磁石１１がレイアウトされるアウターロータ型といわれる方式である。
回転駆動は、ロータ磁石１１の磁界により回路基板１４に実装されているホール素子１２から出力される信号を位置信号として参照し、駆動ＩＣ１３により巻線コイル４ａの励磁切り替えを行い回転する。
ロータ磁石１１は径方向に着磁されており、ステータコア４ａの外周とで回転トルクを発生し回転する。ロータ磁石１１は内径以外の外径及び高さ方向は磁路を開放しており、モータの励磁切り換えのためのホール素子１２を開放磁路内に配置している。

ロータ磁石１１は磁気回路が開放されているので、回転体２を囲う周辺は磁気シールド部材１７を配置したり、樹脂等の非導電性材料で構成することが好適である。鋼板等の導電材料が周辺にあると、高速回転に伴うロータ磁石の漏れ磁束が渦電流を発生させモータ損失が多くなるためである。

ポリゴンミラーの反射面８ａ，８ｂは、少なくとも軸受シャフト１０と回転部材８が焼キバメ固定された後に鏡面加工される。図２は軸受シャフト１０の外径を基準に鏡面加工する場合、図３は回転部材の下端面を基準に鏡面加工する場合、図４は回転部材の上端面を基準に鏡面加工する場合のそれぞれの例を示す縦断面図である。
鏡面加工は、軸受シャフト１０の外径（図２）、回転部材８の上端面８ｃ（図４）または回転部材８の下端面８ｇ（図３）を基準として高精度に加工される。図３、４に示す回転部材８の上端面８ｃまたは下端面８ｇが基準の場合は、予め軸外径中心に対する振れを５μｍ以下の高精度に加工しておく必要がある（振れ精度は鏡面加工時の平面度、面倒れ品質に影響する）。
なお、回転部材８のポリゴンミラー反射面部以外は、内接円径よりも小径となっている（直径で０.１ｍｍ以上の小径であれば良い）。このようにする理由は、鏡面加工時に切削用バイト（刃物）２１の先端が回転部材外径部に衝突しないように避けるためである。

回転部材８は、まず金型（ダイキャスト、鍛造、押出し成形）で反射面数に相当する多角柱状のブランクを作成し、その後、回転部材８の軸受シャフト１０が焼キバメ挿入される内周面８ｍを高精度（円筒度３μｍ）に加工する。その後、上下反射面を離間する空間部８ｊと円周凹部８ｈ部及び周辺を切削加工する。
この加工の際、回転部材８のポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂに隣接する外径部８ｄ、８ｅ、８ｆの角（すみ）形状をＲ状の丸みを設けてある（実際にはポリゴンミラー反射面８ａ，８ｂの厚み分の半径以下とするＲ形状が良い。例えばポリゴンミラー厚さ３ｍｍの場合、すみ部の半径３ｍｍ以下）。
このようにする理由は、鏡面加工時、バイトの切削方向（図１の上下方向）に切削荷重がかかるため、その荷重に対して変形を小さくするために剛性を高める効果がある。その後、軸受シャフト１０を焼キバメし、ポリゴンミラー反射面を鏡面加工する。鏡面加工時に発生する上下のポリゴンミラー反射面８ａ、８ｂの切削切り粉は、空間部８ｊに逃げるので切り粉によるスクラッチの防止が図れる。本工程により、従来は面倒れ特性を維持するために必要であったポリゴンミラー搭載面の平面度や直角度を高精度にする必要がなくなる。

図２の縦断面図に示す、軸受シャフトの外径を基準に加工する実施例で、軸受として使用する部分を全長、全周に亘り保持し、加工抵抗に対して微移動することを防止している。外径保持は、軸受外径よりも僅かに大きい内径を有する油圧縮径式の保持部材２４を使用する。保持部材２４は作業台２３上に設置された油圧機構（図示しない）により上昇する油圧により内周部２４ａが縮径し、強固に軸受シャフト１０を固定する。この保持方法は軸方向の保持力の偏りが起きにくいため、軸振れの発生が抑えられ高精度加工が可能となる。

図３、図４の各縦断面図に示す、回転部材８の上下端面を基準に加工する方法は、軸受シャフト１０の外径が３ｍｍφ以下の場合に好適である。軸受シャフト１０の外径が３ｍｍφ以下では、軸受シャフト１０を保持する保持力が低下することと合わせて軸自体の剛性が低く、切削加工時の振れが大きく高精度加工が困難となる。
端面と当接する治具部材２５の対向面２５ａは上下端面８ｃ、８ｇとともに振れ精度を５μｍ以下としている。端面を基準とする方法は、上方から一定の押圧力で回転部材８を固定する。
固定部材２６，２９には回転部材８との当接部に弾性部材２７，２８が配置される。弾性部材２７，２８により回転部材８を全周均等に押圧することが可能であり、局部的な押圧力により鏡面加工品質を劣化させることがない。２１ａは鏡面加工時のバイト２１の先端位置、２２は加工バイト２１の回転軸心である。

図５は、ポリゴンミラー反射面の平面度形状の実施例を模式的に示す図で、図５（Ａ）はポリゴンミラーの平面図を示し、図５（Ｂ），（Ｃ）はポリゴンミラー反射面８ａのうちレーザ偏向に寄与する部分の平面形状を示す図である。ハッチング領域がポリゴンミラー中心側で示した。
図５（Ｂ）は、いわゆる凹面形状をしており、偏向に寄与する部分の両端Ｘ、Ｙを結んだ線よりも中心側に凹む形状になっている例である。同様に図５（Ｃ）はいわゆる凸面形状をしており、両端Ｘ，Ｙを結んだ線よりも外径側に凸状となっている例である。上記形状はポリゴンミラーの全面とも（図５では６面）凹面または凸面に揃えることにより、レーザ偏向後の走査光学系を通ったビームスポット位置の主走査方向のずれが抑えられる。
一方、図５（Ｂ−２）、図５（Ｃ−１）のように両者が混在する面の場合、同じ平面度Ｄでも一定角度で入射するレーザビームに対して、凹部または凸部で反射されたレーザビームの偏向位置は大きく変動する。同様な形状（凹面、凸面）状態であれば、反射後の偏向位置の変動は小さくでき平面度Ｄの許容範囲を広くすることができる。平面度Ｄは０.６μｍ以下となっており、ビームスポット小径化による一層の高画質化のためには０.１〜０.３μｍがより好適である。なお、平面度の測定はレーザ干渉計（Ｚｙｇｏ社製）を用いて行った。

また、軸方向上下に離間した複数のレーザビームを入射するようなフルカラー画像形成用光走査装置の場合には、特に上下の反射面の形状も上記同様に形状を揃えることがより好適である。
上下に離間した反射面の凹凸形状が異なる場合、各ビームに対応する各色の画像毎にずれが生じてしまい、主走査方向の色ずれが発生してしまうからである。

本発明の実施例によるカラー画像形成装置等で用いるポリゴンスキャナの縦断面図である。 軸受シャフト１０の外径を基準に鏡面加工する場合の例を示す縦断面図である。 回転部材の下端面を基準に鏡面加工する場合の例を示す縦断面図である。 回転部材の上端面を基準に鏡面加工する場合の例を示す縦断面図である。 ポリゴンミラー反射面の平面度形状の実施例を模式的に示す図である。

符号の説明

１…ポリゴンスキャナ、２…回転体、３…固定スリーブ、４…モータコア、４ａ…ステータコア、５…上部軸受け、６…下部軸受け、７…スラスト受部材、８…回転部材、８ａ，８ｂ…ポリゴンミラー反射面、８ｃ…（回転部材の）上端面、８ｄ，８ｅ，８ｆ…外径部、８ｇ…下端面、８ｈ…円周凹部、８ｉ，８ｋ…円周溝、８ｊ…空間部、８ｍ…（回転部材の）内周面、１０…軸受シャフト、１０ａ…凸曲面、１１…ロータ磁石、１２…ホール素子、１３…駆動ＩＣ、１４…回路基板、１５…支持部材、１６…密閉空間、１７…磁気シールド部材、２１…加工バイト、２２…（加工バイト２１の）回転軸心、２３…作業台、２４…保持部材、２５…治具部材、２６，２９…固定部材、２７，２８…弾性部材。

Claims (3)

1. 鏡面に加工される側面部を有する回転部材と、前記回転部材の回転中心に軸止した軸受シャフトとが少なくとも固定された組立体のポリゴンミラーの加工方法において、前記回転部材の上端面または下端面と当接する治具部材の対向面との振れ精度を５μｍ以下に加工し、前記回転部材と固定部材との当接部に弾性部材を配置して、前記回転部材を全周均等圧となるように前記固定部材を一定の押圧力で前記治具部材に固定し、前記回転部材の前記側面部を軸方向に円弧形状となるように切削加工して、形成された複数段のポリゴンミラーの反射面を切削加工することを特徴とするポリゴンミラーの加工方法。
2. 請求項１に記載の加工方法により加工されたポリゴンミラー部を有することを特徴とするポリゴンスキャナ。
3. 請求項２に記載のポリゴンスキャナを用いたことを特徴とする光走査装置。