JPH11182536A

JPH11182536A - 動圧流体軸受および偏向走査装置

Info

Publication number: JPH11182536A
Application number: JP36396497A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Asami; 政義浅見
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1999-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】低速回転時や高速回転中に軸とスリーブが接
触するのを防ぐ。【解決手段】回転多面鏡１と一体的に回転する軸２は
動圧発生溝２ａを有し、スリーブ３との間の微小間隙Ａ
に介在するフッ素系のオイルの動圧によって軸支され
る。オイルには、微小間隙Ａの間隙寸法の２０〜９０％
の粒径を有する球状微粒子が分散されており、低速回転
時や高速回転中に軸２が傾いたときは球状微粒子が転が
り軸受として機能する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームプリ
ンタやレーザファクシミリ等の画像形成装置等に用いら
れる動圧流体軸受および偏向走査装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームプリンタやレーザファクシ
ミリ等の画像形成装置に用いられる偏向走査装置は、高
速回転する回転多面鏡によってレーザビーム（レーザ
光）等の光ビームを反射させてこれを偏向走査し、得ら
れた走査光を回転ドラム上の感光体に結像させて静電潜
像を形成する。次いで、感光体の静電潜像を現像装置に
よってトナー像に顕像化し、これを記録紙等の記録媒体
に転写して定着装置へ送り、記録媒体上のトナーを加熱
定着させることで印刷（プリント）が行なわれる。

【０００３】レーザビームプリンタ等の偏向走査装置に
おいては、近年さらなる小型化・低コスト化が要求され
ており、加えて回転多面鏡を回転支持する軸受には回転
変動の少ないことや低騒音および高い回転精度が必要で
ある。これらの要求に対応するために、流体の動圧によ
って回転体を軸支する動圧流体軸受が注目されている。

【０００４】動圧流体軸受は、互いに回転自在に嵌合す
るスリーブと軸の少なくとも一方に動圧発生溝を形成
し、スリーブと軸の間の微小間隙の流体をスリーブと軸
の相対運動によるポンプ作用によって流動させて軸荷重
を支承するように構成されている。このような動圧流体
軸受を使用するモータは、例えば作動流体に気体を用い
たものでは特開平２−１８０３１１号公報等に開示され
ており、オイル等の液体を用いたものでは特開平２−１
５４８０８号公報等に開示されている。

【０００５】図４は、特開平５−４４７１７号公報に開
示された一従来例による偏向走査装置の主要部を示すも
ので、これは、回転多面鏡１０１と一体的に回転する軸
１０２と、これを回転自在に嵌合させたスリーブ１０３
を有し、スリーブ１０３は外筒１０４のボス部に嵌着さ
れ、外筒１０４は固定板１０５に立設支持されている。
固定板１０５は、軸１０２の下端をスラスト方向に支持
するスラスト板１０６を備えており、軸１０２の上端部
にはフランジ１０７が固着されている。回転多面鏡１０
１はフランジ１０７の上面に支持されて軸１０２ととも
に回転するように構成されている。

【０００６】フランジ１０７の外周部の下面には、ロー
タマグネット１０８を保持するヨーク１０９が固着され
ており、ロータマグネット１０８は、外筒１０４のボス
部の外周面に固定されたステータコイル１１０に対向す
るように配設されている。図示しない駆動回路から供給
される駆動電流によってステータコイル１１０が励磁さ
れると、ロータマグネット１０８が軸１０２および回転
多面鏡１０１とともに高速回転する。

【０００７】スリーブ１０３は、軸１０２の回転によっ
て軸１０２との間に流体膜を形成し、該流体膜の動圧に
よって軸１０２を非接触で回転支持する動圧流体軸受を
構成する。軸１０２の外周面には、軸１０２の下端から
上向きに順次間隔を置いて、第１の動圧発生溝１０２ａ
と、第２の動圧発生溝１０２ｂと、潤滑流体（オイル）
を導くためのスパイラル状の潤滑溝１０２ｃがそれぞれ
形成されている。また、スラスト板１０６の上面にも、
軸１０２の下端と対向する部位に動圧スラスト軸受を構
成する溝（図示せず）が設けられている。

【０００８】軸１０２の回転とともにオイル等の流体が
動圧発生溝１０２ａ，１０２ｂの中央部に吸い込まれ、
高圧領域を発生させる。この高圧領域によって軸１０２
とスリーブ１０３がラジアル方向に非接触な状態で支持
される。このように非接触で回転するため、例えば金属
接触を伴なう滑り軸受に比べて低騒音および高い回転精
度などの特性を得られるばかりでなく、組立部品点数の
点からも転がり軸受等に比べて小型化・低コスト化でき
るという利点を有する。

【０００９】動圧流体軸受は上記のように数多くの利点
を有する一方で、停止時および低速回転時に動圧が不足
してかじり等のトラブルを生じる。また、高速回転させ
たときには、軸受部の発熱によってオイル粘度が低下し
て軸受剛性が不充分となり、軸１０２が傾いてスリーブ
１０３と接触してしまう。これを防止するために、粒径
４０〜７０オングストロームのダイヤモンド粉末をオイ
ルの中に混入するか、あるいは軸またはスリーブの少な
くとも一方に上記の粉末をコーティングしたものが特開
平６−６６３１６号公報等に開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、軸の外周面やスリーブの内周面等の嵌
合面を切削や研削のような機械加工で仕上げるため、嵌
合面の表面粗さが０．５μｍ（５０００オングストロー
ム）程度であるのが一般的である。このように嵌合面に
凹凸があると、軸が傾いたときにスリーブとの接触を避
けるためには粒径４０〜７０オングストロームのダイヤ
モンド粉末を大量にオイル中に混入させなければならな
い。ところが、ダイヤモンド粉末は高価であるため、多
量に消費すると軸受コストが増大するという未解決の課
題があった。

【００１１】さらに、不活性ガスを満たした爆発室でＴ
ＮＴ火薬を爆発させてダイヤモンド粉末を合成する場合
は、粒子形状はすべてが球状になるわけではないので充
分な潤滑性を保持することが難しかった。また、オイル
の密度は通常０．８５ｇ／ｃｍ³ 程度、ダイヤモンドの
密度が３．５１ｇ／ｃｍ³ であり、ダイヤモンド粉末と
オイルの密度の比が４倍以上と大きく差があるため、静
止時にはオイルの中をダイヤモンド粉末が徐々に落下
し、特に軸受の上半部においては充分な量のダイヤモン
ド粉末を長期間保持するのが難しい。

【００１２】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、停止時および低速回
転時のかじりや、高速回転させたときにオイル粘度の低
下に伴なって軸受剛性が低下し、軸が傾いてスリーブと
接触する等のトラブルを効果的に回避できる安価で長期
安定性にすぐれた動圧流体軸受および偏向走査装置を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の動圧流体軸受は、相対的に回転自在に嵌合
する軸およびスリーブを有し、球状微粒子を分散させた
流体を前記軸と前記スリーブの間の微小間隙に介在させ
た動圧流体軸受であって、前記球状微粒子の粒径が、前
記微小間隙の間隙寸法の２０〜９０％であることを特徴
とする。

【００１４】また、相対的に回転自在に嵌合する軸およ
びスリーブを有し、球状微粒子を分散させた流体を前記
軸と前記スリーブの間の微小間隙に介在させた動圧流体
軸受であって、前記球状微粒子の密度が、前記流体の密
度の４倍以下であることを特徴とする動圧流体軸受でも
よい。

【００１５】

【作用】軸とスリーブの間の微小間隙に介在させる流体
に比較的粒径の大きい球状微粒子を分散させておくこと
で、低速回転時等において動圧が不充分である状態や、
高速回転中に軸受剛性が低下したときに、軸とスリーブ
が接触してかじり等を発生するのを防ぐ。これによっ
て、低速回転、高速回転に係わらず必要な軸受性能を安
定して得ることができる。換言すれば、低速回転時や高
速回転中に軸が傾いたときに、微小間隙の球状微粒子が
転がり軸受として機能するため、良好な軸受性能を保つ
ことができ、かじり等によって耐久性が低下するおそれ
もない。

【００１６】また、球状微粒子の密度とこれを分散させ
る流体の密度の差を縮小することで、静止中に球状微粒
子が流体中を沈殿するのを防ぎ、常時均一な状態で球状
微粒子を分散させておくことができる。

【００１７】さらに、球状微粒子の材料に、比較的安価
な酸化珪素やアルミニウム等を用いることで、材料コス
トを大幅に低減できる。

【００１８】その結果、高性能であってしかも長期安定
性にすぐれており、低速駆動から高速駆動まで適用範囲
が極めて広く、しかも、安価である動圧流体軸受を実現
できる。このような動圧流体軸受を回転多面鏡の軸受部
に用いることで、偏向走査装置の高性能化や低価格化等
に大きく貢献できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００２０】図１は一実施の形態による偏向走査装置の
主要部を示す。これは、反射面１ａを有する回転多面鏡
１と、該回転多面鏡１と一体的に回転する軸２とこれを
回転自在に嵌合させるスリーブ３を備えた軸受部（動圧
流体軸受）を有し、スリーブ３は外筒４のボス部に嵌着
されている。外筒４はスリーブ３とともに固定板５によ
って支持され、固定板５は軸２の下端２ｂをスラスト方
向に支持するスラスト板６を備えている。軸２の上端部
にはフランジ７が嵌着され、回転多面鏡１はフランジ７
の上面に載置され、弾性リング８ａと押さえリング８ｂ
とＣリング８ｂからなる弾性押圧機構８によってフラン
ジ７と一体的に結合され、軸２とともに回転するように
構成されている。

【００２１】フランジ７の外周部の下面には、ロータマ
グネット９を保持するヨーク９ａが固着されており、ロ
ータマグネット９は、外筒４のボス部の外周面に固定さ
れたステータコイル１０に対向して駆動手段であるモー
タを構成する。図示しない駆動回路から供給された駆動
電流によってステータコイル１０が励磁されると、ロー
タマグネット９が軸２および回転多面鏡１とともに高速
回転する。

【００２２】スリーブ３と軸２との間には間隙寸法３〜
１０μｍの微小間隙Ａが形成され、流体であるオイルが
充填されている。軸２の回転によって微小間隙Ａのオイ
ルを流動させ、その動圧によって軸２を非接触でラジア
ル方向に軸支する。軸２の外周面（外径部）には、２つ
の動圧発生溝（ヘリングボーン溝）２ａが形成されてい
る。また、スラスト板６の上面に対向する軸２の下端２
ｂは球面状であり、スラスト板６とともにピボット軸受
を構成している。

【００２３】軸２とスリーブ３の間の微小間隙Ａのオイ
ルには図２に示すように球状微粒子Ｐが分散されてい
る。なお、図１の（ｂ）に示すように、動圧発生溝２ａ
のランド部とスリーブ３の内周面の間の半径隙間を間隙
寸法と呼ぶ。前述のように間隙寸法は３〜１０μｍ程度
であり、これが例えば５μｍであれば、球状微粒子Ｐと
して平均粒径３μｍ、密度２．２ｇ／ｃｍ³ の酸化珪素
（シリカ）粒子を用いる。酸化珪素粒子は、核を元に材
料供給量を制御することにより成長させ、任意の大きさ
でほぼ真球に近い形状に製作可能である。また、オイル
には末端がフッ素で封鎖されたホモポリマーのヘキサフ
ルオロプロピレンエポキシドを基油とするフッ素系のオ
イルを用いる。このオイルの密度は２０℃で１．８ｇ／
ｃｍ³ であり、シリカ粒子である球状微粒子Ｐの密度と
の間に大差はない。

【００２４】上記モータの停止時や低速回転時、あるい
は、高速回転させたときに軸受部の発熱によってオイル
の粘度が低下して軸受剛性が低下すると、図２に示すよ
うに軸２が傾くが、このような場合でも球状微粒子Ｐは
平均粒径が３μｍと比較的大きいため、軸２とスリーブ
３の微小間隙Ａに介在して軸２とスリーブ３が直接接触
することはない。加えて、軸受の剛性が不充分になる高
速回転時や、動圧が不足する低速回転時には球状微粒子
Ｐが転がり軸受として機能し、軸２の振れ量は軸受間隙
の寸法（間隙寸法）５μｍと球状微粒子Ｐの粒径３μｍ
の差である最大２μｍしかない。

【００２５】また、球状微粒子Ｐの密度は前述のように
オイルと近接しているので、静止状態においても、従来
例のようにオイル中を球状微粒子Ｐが落下（沈殿）して
軸受上部の球状微粒子Ｐが不足する等のトラブルを回避
できる。

【００２６】なお、球状微粒子の材料としては、酸化珪
素、アルミニウム、炭化珪素等が望ましい。また、フッ
素系オイルに球状微粒子を分散させる方法は超音波振動
子による攪拌等を採用するのがよい。

【００２７】パラフィン系オイル（密度０．８６ｇ／ｃ
ｍ³ ）を用いた実験によれば、酸化珪素（密度２．２ｇ
／ｃｍ³ ）・アルミニウム（密度２．７ｇ／ｃｍ³ ）・
炭化珪素（密度３．２ｇ／ｃｍ³ ）等の比較的軽い粒子
は良好な分散状態を得ることができるが、コバルト（密
度６．７ｇ／ｃｍ³ ）・鉄（７．９／ｃｍ³ ）・亜鉛
（密度７．１ｇ／ｃｍ³ ）・タングステン（密度１９．
２ｇ／ｃｍ³ ）のような重い微粒子では分散を行なって
もしばらくすると沈殿してしまい、実用上使用は困難で
ある。

【００２８】様々な実験の結果、作動流体の密度に対し
て４倍以下の密度を有する球状微粒子を分散させた場合
に、本実施の形態による動圧流体軸受は最も効果的に機
能し、軸が傾いてもスリーブと直接接触することなく、
すぐれた軸受性能と長期安定性を実現できることが判明
した。

【００２９】なお、球状微粒子の平均粒径については、
基本的には軸受の間隙寸法よりも小さくて軸の外周面と
スリーブの内周面の表面粗さよりも大きければ機能する
が、軸受の間隙寸法にばらつきがあるためにその９０％
を上限とし、また、表面粗さの加工精度のばらつき等の
ために間隙寸法の２０％程度を下限に設定するのが望ま
しい。

【００３０】動圧発生溝については、軸方向直線溝（ス
テップ動圧軸受）や溝の全くない真円動圧軸受でも本発
明の機能を発揮させることは可能であるが、周辺部のオ
イルを常に吸い込み軸受部に球状微粒子を供給すること
のできるヘリングボーン溝等の動圧発生溝を備えた動圧
軸受である方が長期安定性の点で望ましい。

【００３１】また、軸の外周面に動圧発生溝を形成し
て、軸を回転させるタイプの動圧軸受に限らず、軸の替
わりにスリーブが回転するものでもよいし、スリーブの
内周面に動圧発生溝を形成して軸またはスリーブを回転
させるものでもよい。

【００３２】図３は偏向走査装置全体を示すもので、こ
れは、レーザ光等の光ビーム（光束）を発生する光源５
１と、前記レーザ光を回転多面鏡１の反射面１ａに線状
に集光させるシリンドリカルレンズ５１ａとを有し、前
記光ビームを回転多面鏡１の回転によって偏向走査し、
結像光学系である結像レンズ系５２を経て回転ドラム上
の感光体５３に結像させる。結像レンズ系５２は球面レ
ンズ５２ａ、トーリックレンズ５２ｂ等を有し、感光体
５３に結像する点像の走査速度等を補正するいわゆるｆ
θ機能を有する。

【００３３】前記モータによって回転多面鏡１が回転す
ると、その反射面１ａは、回転多面鏡１の軸線まわりに
等速で回転する。前述のように光源５１から発生され、
シリンドリカルレンズ５１ａによって集光される光ビー
ムの光路と回転多面鏡１の反射面１ａの法線とがなす
角、すなわち該反射面１ａに対する光ビームの入射角
は、回転多面鏡１の回転とともに経時的に変化し、同様
に反射角も変化するため、感光体５３上で光ビームが集
光されてできる点像は回転ドラムの軸方向（主走査方
向）に移動（走査）する。

【００３４】結像レンズ系５２は、回転多面鏡１におい
て反射された光ビームを感光体５３上で所定のスポット
形状の点像に集光するとともに、該点像の主走査方向へ
の走査速度を等速に保つように設計されたものである。

【００３５】感光体５３に結像する点像は、回転多面鏡
１の回転による主走査と、感光体５３を有する回転ドラ
ムがその軸まわりに回転することによる副走査に伴なっ
て、静電潜像を形成する。

【００３６】感光体５３の周辺には、感光体５３の表面
を一様に帯電するための帯電装置、感光体５３の表面に
形成される静電潜像をトナー像に顕像化するための現像
装置、前記トナー像を記録紙に転写する転写装置（いず
れも不図示）等が配置されており、光源５１から発生す
る光ビームによる記録情報が記録紙等にプリントされ
る。

【００３７】検出ミラー５４は、感光体５３の表面にお
ける記録情報の書き込み開始位置に入射する光ビームの
光路よりも主走査方向上流側において光ビームを反射し
て、フォトダイオード等を有する受光素子５５の受光面
に導入する。受光素子５５はその受光面が前記光ビーム
によって照射されたときに、走査開始位置（書き出し位
置）を検出するための走査開始信号を出力する。

【００３８】光源５１は、ホストコンピュータからの情
報を処理する処理回路から与えられる信号に対応した光
ビームを発生する。光源５１に与えられる信号は、感光
体５３に書き込むべき情報に対応しており、処理回路
は、感光体５３の表面において結像する点像が作る軌跡
である一走査線に対応する情報を表す信号を一単位とし
て光源５１に与える。この情報信号は、受光素子５５か
ら与えられる走査開始信号に同期して送信される。

【００３９】なお、回転多面鏡１、結像レンズ系５２等
は光学箱５０に収容され、光源５１等は光学箱５０の側
壁に取り付けられる。光学箱５０に回転多面鏡１、結像
レンズ系５２等を組み付けたうえで、光学箱５０の上部
開口に図示しないふたを装着する。

【００４０】

【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているの
で、次に記載するような効果を奏する。

【００４１】停止時や低速回転時および高速回転中に軸
とスリーブが接触するのを効果的に防ぐことができる。
これによって、低速駆動から高速駆動まで極めて広い適
用範囲を有し、しかも安価で長期安定性にすぐれた高性
能な動圧流体軸受を実現できる。

【００４２】このような動圧流体軸受を回転多面鏡の軸
受部に用いることで、偏向走査装置の高性能化と低価格
化に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態による偏向走査装置を示すもので
（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は軸とスリーブを示す
拡大部分断面図である。

【図２】軸が傾いた状態を示す図である。

【図３】偏向走査装置全体を説明する図である。

【図４】一従来例を示す模式断面図である。

【符号の説明】

１回転多面鏡２軸２ａ動圧発生溝３スリーブ４外筒５固定板６スラスト板９ロータマグネット１０ステータコイルＡ微小間隙Ｐ球状微粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対的に回転自在に嵌合する軸およびス
リーブを有し、球状微粒子を分散させた流体を前記軸と
前記スリーブの間の微小間隙に介在させた動圧流体軸受
であって、前記球状微粒子の粒径が、前記微小間隙の間
隙寸法の２０〜９０％であることを特徴とする動圧流体
軸受。
【請求項２】相対的に回転自在に嵌合する軸およびス
リーブを有し、球状微粒子を分散させた流体を前記軸と
前記スリーブの間の微小間隙に介在させた動圧流体軸受
であって、前記球状微粒子の密度が、前記流体の密度の
４倍以下であることを特徴とする動圧流体軸受。
【請求項３】流体がフッ素系のオイルであることを特
徴とする請求項１または２記載の動圧流体軸受。
【請求項４】球状微粒子が、酸化珪素を主成分とする
粉末であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか
１項記載の動圧流体軸受。
【請求項５】球状微粒子が、アルミニウムを主成分と
する粉末であることを特徴とする請求項１ないし３いず
れか１項記載の動圧流体軸受。
【請求項６】球状微粒子が、炭化珪素を主成分とする
粉末であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか
１項記載の動圧流体軸受。
【請求項７】軸およびスリーブの少なくとも一方に動
圧発生溝が形成されていることを特徴とする請求項１な
いし６いずれか１項記載の動圧流体軸受。
【請求項８】動圧発生溝がヘリングボーン溝であるこ
とを特徴とする請求項７記載の動圧流体軸受。
【請求項９】請求項１ないし８いずれか１項記載の動
圧流体軸受によって回転支持された回転多面鏡と、これ
を回転駆動する駆動手段と、前記回転多面鏡の走査光を
感光体に結像させる結像光学系を有する偏向走査装置。