KR100222973B1 - 레이저 스캐닝 유닛트 - Google Patents

Abstract

레이저 빔을 결상면으로 편향시키는 폴리건 미러에 양력을 발생시켜 폴리건 미러를 지지하는 폴리건 미러 지지부와, 이 폴리건 미러 지지부재를 초고속 회전시키도록 하는 베어링 장치가 상호 무접촉 되는 초기 부상 시간을 단축시켜 베어링 장치와 폴리건 미러 지지부재의 마멸에 따른 수명 감소를 방지한 스캐닝 모터를 구비한 레이저 스캐닝 유닛트가 개시되고 있으며, 본 발명에 의하면 폴리건 미러에 폴리건 미러를 구비한 회전체의 전체 하중을 경감시키도록 양력 발생부를 형성하여 폴리건 미러를 구비한 부싱과 부싱을 밀어내어 무접촉 회전하도록 하는 동압발생부와의 마찰시간을 감소시켜 스캐닝 모터의 수명 증대 및 성능 안정성을 도모할 수 있다.

Description

레이저 스캐닝 유닛트

본 발명은 레이저 스캐닝 유닛트에 관한 것으로, 특히 레이저 빔을 결상면으로 편향시키는 폴리건 미러에 양력을 발생시켜 폴리건 미러를 지지하는 폴리건 미러 지지부와, 이 폴리건 미러 지지부재를 초고속 회전시키도록 하는 베어링 장치가 상호 무접촉 되는 초기 부상 시간을 단축시켜 베어링 장치와 폴리건 미러 지지부재의 마멸에 따른 수명 감소를 방지한 스캐닝 모터를 구비한 레이저 스캐닝 유닛트에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 레이저 프린터는 레이저 출사 장치중 하나인 레이저 다이오우드 및 면발광다이오우드등에 의해 출사된 레이저 빔을 감광드럼과 같은 결상면에 정전잠상이 형성되도록 스캐닝 모터에 의해 편향시킨 후, 정전잠상이 형성된 결상면에 정전잠상에 대하여 역대전된 현상 물질인 토너를 피착시키고, 피착된 토너를 열융착시키는 메카니즘을 갖고 있다.

이와 같이 출사된 레이저 빔을 점상으로 결상면에 편향시키는 역할을 하는 스캐닝 모터는 그 기능을 충분히 발휘하기 위해서는 흔들림이나 진동이 없을 뿐만 아니라 초고속 회전 성능을 요구한다.

이 스캐닝 모터가 이처럼 정밀한 회전 성능을 요구하는 이유로는, 스캐닝 모터에 흔들림 또는 진동이 발생하였을 경우 레이저 빔의 편향 경로를 벗어난 지점에 정전잠상이 형성됨으로써 해상도가 낮아지고 심하게는 인쇄 품질이 현저하게 저하되며, 초고속 회전 성능은 인쇄 속도와 밀접한 연관성이 있기 때문이다.

이와 같은 스캐닝 모터의 성능을 만족시키기 위해서는 필수적으로 스캐닝 모터가 초고속 회전하면서 진동 및 흔들림이 발생하지 않도록 하는 역할을 하는 베어링 장치와, 레이저 빔을 편향시키는 폴리건 미러의 형상 균일성과, 기타 여러 주변 장치의 정밀도가 충족되어야만 한다.

이와 같은 베어링 장치로 통상 구름 진동을 발생시키는 구름 베어링은 적합하지 않으며, 최근들어 급속한 개발이 진행되고 있는 미끄럼 베어링중 초고속 및 정밀하게 작동하는 유체 베어링 장치가 사용되고 있다.

실제로 유체 베어링 장치가 초고속 및 회전 정밀도를 높여준다 하더라도 레이저 빔을 편향시키는 폴리건 미러의 형상 및 성능이 저하될 경우 폴리건 미러에 의해 최종적으로 편향되는 레이저 빔의 편향 경로가 변경되므로 폴리건 미러의 성능 향상을 위한 개발이 꾸준히 진행되고 있는 실정이다.

그러나, 이와 같은 종래 유체 베어링 장치를 갖는 스캐닝 모터를 구비한 레이저 스캐닝 유닛트에 있어서, 유체 베어링 장치는 스캐닝 모터가 정지 상태로부터 소정 회전수에 도달하기 이전에는 유체 베어링 장치와 회전체가 접촉한 상태로 회전하게 되어 유체 베어링 장치와 회전체에 마멸이 발생하게 되어 스캐닝 모터의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 스캐닝 모터가 초기 구동될 때 폴리건 미러에 폴리건 미러를 상방으로 밀어 올리는 양력이 발생하도록 하여 유체 베어링 장치와 회전체가 접촉하면서 회전하는 시간을 최소로 하여 유체 베어링 장치와 회전체의 마멸이 최소가 되도록 하여 스캐닝 모터의 내구성을 최대로 증가시켜 수명이 연장된 스캐닝 모터를 구비한 레이저 스캐닝 유닛트를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 레이저 스캐닝 모터를 구비한 레이저 스캐닝 유닛트를 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 스캐닝 모터의 종단면도.

도 3은 폴리건 미러를 도시한 평면도.

도 4a는 도 3의 B-B' 단면도.

도 4b는 곡선을 갖는 양력 발생부를 도시한 도 3의 B-B' 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

200 : 스캐닝 모터 210 : 폴리건 미러

217 : 관통공 220 : 허브

230 : 부싱

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 레이저 스캐닝 유닛트는 레이저 빔을 출사하는 출사수단과, 일정속도로 회전하여 레이저 빔을 결상면의 소정 위치로 편향시키기 위해 측부에 다수개의 경면들을 갖는 편향수단과, 편향수단에 의해 편향된 레이저 빔을 상기 결상면에 결상 시키는 결상수단을 포함하는 레이저 스캐닝 유닛트에 있어서;

편향수단에는 양력을 발생시켜 하중을 경감시키기 위한 양력발생수단이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 양력 발생수단은 폴리건 미러의 양면을 경사지게 관통된 관통공인 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 관통공의 형상은 타원 형상인 것을 특징으로 하며, 선택적으로, 관통공의 단면은 양력을 증대시키기 위해 헬리컬 곡선 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 레이저 스캐닝 유닛트에 적용된 스캐닝 모터의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

레이저 스캐닝 유닛트는 광원으로 사용되는 레이저 빔을 출사시키는 반도체 레이저 다이오우드(100)와, 반도체 레이저 다이오우드(100)에서 출사된 레이저 빔을 광축에 대하여 평행광으로 만들어 주는 콜리메이터 렌즈(101)와, 콜리메이터 렌즈를 통한 평행광을 부주사 방향에 대해 수평 방향의 선형광으로 만들어주는 실린더형 렌즈(102)와, 실린더형 렌즈(102)를 통한 수평방향의 선형광을 등선속도로 이동시켜 스캐닝 하는 폴리건 미러(210)를 탑재한 스캐닝 모터(200)를 포함하고 있다.

이에 더하여, 광축에 대해 일정한 음의 굴절율을 갖고 폴리건 미러(210)를 통한 등선속도의 광을 주 스캐닝 방향으로 편광시키고 구면수차를 보정하여 스캐닝 면상에 포커스를 맞추어 주는 결상용 렌즈군(105)과, 결상용 렌즈군(105)을 통한 레이저 빔을 수직으로 반사시켜 결상면인 감광드럼(107)의 표면에 점상으로 결상 시키는 결상용 반사미러(106)와, 결상용 렌즈군(105)을 통한 레이저 빔을 수평방향으로 반사시켜 주는 수평동기 미러(108)와, 수평동기 미러(108)에서 반사된 레이저 빔을 수광하여 동기를 맞추기 위한 광센서(109)등으로 구성된다.

도 2는 이와 같은 구성 및 작용을 갖는 레이저 스캐닝 유닛트의 스캐닝 모터의 A-A' 단면도이다.

스캐닝 모터(200)는 전체적으로 보아 폴리건 미러(210)를 포함하고 있는 회전체와, 이 회전체가 고속으로 회전되도록 회전력을 발생시키는 회전력 발생부와, 회전체의 레이디얼 하중 및 드러스트 하중을 지지 및 회전체를 초고속, 정밀하게 회전하도록 진동 및 흔들림, 소음 등을 감소하는 역할을 하는 유체 베어링 장치로 구성되어 있다.

여기서, 레이저 빔을 결상면으로 편향 주사하는 폴리건 미러(210)는 정 5각, 정 6각, 정 8각을 갖는 다각형 형상의 평판으로, 평판의 중심에는 소정 직경을 갖는 관통공(215)이 형성되어 있고, 이 관통공(215)에는 폴리건 미러(210)가 안착되도록 허브(220)가 끼워진다.

이 허브(220)는 직경이 다른 두 개의 원통을 접합시킨 형상으로, 직경이 작은 원통(220a)은 폴리건 미러(210)의 관통공(215)과 결합되도록 형성되어 있으며, 직경이 큰 원통(220b)의 단부에는 소정 깊이를 갖는 원형 홈이 형성되어 있다.

이와 같은 허브(220)의 원형 홈에는 원형 홈의 직경보다 다소 큰 속이 꽉 찬 원통 형상으로 원통의 양단 중심을 관통하여 축공이 형성되어 있고, 축공이 형성된 다음 원통의 양단 중심에는 일정 높이와 일정 직경을 갖는 반구 형상의 홈이 형성되어 있되, 반구면이 상호 대향하도록 형성된 부싱(230)이 억지끼워맞춤된다.

이와 같은 폴리건 미러(210)와, 허브(220)와 부싱(230)은 모두 회전하는 회전체로, 앞서 언급한 부싱(230)에는 회전력 발생 장치와 유체 베어링 장치의 일부분이 형성된다.

이 회전력 발생 장치 중 회전자인 로우터(242)는 부싱(230)의 외주면 소정 위치에 형성되며, 이 로우터(242)와 소정 간격 이격되어 고정자인 스테이터(244)가 형성되어 있다.

한편, 부싱(230)의 축공에는 부싱(230)보다 작은 직경을 갖는 축(250)이 끼워지는 바, 이 축(250)의 양단부중 어느 일측을 통해 일정 길이를 갖고 내경이 형성되어 있는 파이프 형상의 스페이서(260)가 끼워지는 바, 이 스페이서(260)의 설치 의미는 후술하기로 한다.

스페이서(260)가 축(250)에 끼워진 다음 축(250)의 양단부로는 이 스페이서(260)와 면접하고, 부싱(230)의 반구홈과 동일한 크기를 갖는 반구 형상의 동압발생부재(270)가 억지끼워맞춤되는 바, 이 동압발생부재(270)의 표면에는 부싱(230)을 밀어내는 유체압력을 발생시키도록 소정 깊이를 갖는 스파이럴 형상의 동압발생홈이 다수 개 형성되어 있다.

이때, 초고속 회전하는 부싱(230)의 반구홈과 고정되어 있는 동압발생부재(270)가 최소의 마찰력, 즉 무접촉 회전하기 위해서는 필수적으로 소정 간극(clearance)을 필요로 한다.

여기서, 부싱(230)을 밀어내려는 유체압력은 동압발생부재(270)에서 최대로 발생하는 힘이 일정하다고 가정할 경우 이 간극에 의해 크고 작음에 의해 결정될 것이다.

즉, 이 간극이 너무 작을 경우에는 부싱(230)의 반구홈과 동압발생부재(270)가 비교적 자주 접촉되어 고온의 열이 발생하게 되어 파손이 발생할 우려가 있고, 또한 간극이 필요 이상으로 넓을 경우 유체압력이 작게 되어 부싱(230)에는 규칙적인 흔들림이나 떨림이 발생하게 되는 것으로, 이와 같은 간극을 손쉽게 셋팅하기 위해서는 이미 정밀하게 가공된 상태로 조립되는 스페이서(260)를 필요로 하게 된다.

또한, 부싱(230)의 반구홈과 동압발생부재(270)가 상호 무접촉 회전하기 위한 또 하나의 변수로 간극의 넓고 좁음 이외에, 동압발생부재(270)에서 발생할 수 있는 유체압의 크기는 부싱(230)의 회전 속도와도 밀접한 관계가 있다.

이것의 의미는 부싱(230)이 회전력 발생장치에 의해 각속도가 0인 시점으로부터 점차 각속도를 증가시키면서 회전하게 될 때, 동압발생부재(270)에서 발생하는 유체압의 크기 또한 0인 시점으로부터 점차 증가되다가 부싱(230)이 최대 속도로 회전할 때 가장 크게 된다는 것이다.

이 부싱(230)의 각속도가 0인 시점에서 최대 각속도까지 도달하기 위해서는 소정 시간이 경과해야만 가능하고 이때, 회전체의 하중보다 유체압이 작게 될 때 당연히 회전체인 부싱(230)의 반구홈과 동압발생부재(270)가 상호 접촉한 상태로 회전하게 된다.

이와 같이 반구홈과 동압발생부재(270)가 상호 접촉한 상태로 회전하는 시간을 최대로 줄이기 위해서는 회전체의 하중을 감소시키면 가능하게 되는 바, 회전체인 폴리건 미러(210)에는 회전체의 하중을 감소시키기 위해 본 발명의 핵심 부분인 양력 발생부(280)가 형성되어 있다.

도 3 또는 도 4는 이와 같은 양력 발생부를 도시하고 있다.

폴리건 미러(210)는 바람직하게 평면이 소정 직경을 갖는 원에 내접한 정 6각형이며, 이 폴리건 미러(210)의 중심에는 이미 언급한 바 있듯이, 소정 직경을 갖는 관통공(215)이 형성되어 있다.

여기서, 기 언급한 레이저 출사장치에 의해 폴리건 미러로 주사된 레이저 빔은 폴리건 미러(210)에 형성된 6 개의 에지면에 의해 편향되므로 이 폴리건 미러(210)에 형성된 6개의 에지면은 레이저 빔을 반사시키는 경면(mirror surface;M1,M2,M3,M4,M5,M6)이 되고, 6개의 경면중 임의의 경면과 인접하고 있는 경면이 만나는 경계면이 폴리건 미러(210)의 경면 모서리(e)이다.

이 폴리건 미러(210)의 6 개 경면 모서리(e)중 임의의 한 경면 모서리를 선정하여 이 경면 모서리(e)와 대향하고 있는 경면 모서리(e)를 가상선 H로 연결한다.

이와 같은 방식으로 6 개의 경면 모서리를 모두 가상선으로 연결하면 3 개의 가상선 H, H', H"을 형성한다.

이와 같이 H, H', H"가 설정되면 이 H, H', H"가 장축이 되고, 이 장축에 대하여 수직 방향으로 단축을 갖는 타원을 형성하는 바, 이 타원의 형상에 따라서 폴리건 미러(210)를 관통한 타원 형상의 관통공(217)인 양력 발생부를 형성한다.

이 관통공(217)에 의해 폴리건 미러(210)의 전체적인 질량이 감소될 뿐만 아니라 다각형이기 때문에 발생한 원심력 보상 특성 또한 보정하게 된다.

한편, 이 타원 형상의 관통공(217)은 폴리건 미러(210)가 회전하면서 폴리건 미러(210)를 상면으로 들어올리는 양력이 발생되도록 경사면(217a)을 갖고 있는 바, 이 경사면(217a)의 각도는 소비전력을 최소한으로 만들면서 최대의 양력이 발생하는 각도로 형성되어야 한다.

또한, 이 경사면은 직선이 아니라도 도 4b에서와 같이 곡선이어도 무방하다는 의미이다. 즉, 최대의 양력을 발생하기 위해서는 공기의 유동 저항을 최소로 하기 위해 경사면(217a')을 비틀린 프로펠러와 같이 형성하여도 무방하다는 의미이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 스캐닝 모터의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 회전력 발생장치인 로우터(242), 스테이터(244)에 전원이 인가되어 부싱(230)이 각속도가 0인 시점으로부터 회전하기 시작하면, 부싱(230)의 반구홈과 면접하고 있는 반구 형상의 동압발생부재(270)의 표면에 형성되어 있는 동압발생홈에서는 부싱(230)의 회전 속도에 대응하여 소정 유체압이 발생하게 된다.

이때, 부싱(230)이 일정 회전 속도 이상이 되는 시점 즉, 유체압의 크기가 부싱(230), 폴리건 미러(210), 회전력 발생장치등 회전체의 전체 하중보다 크게 되면 부싱(230)의 반구홈과 동압발생부재(270)는 수 ㎛ 이격된 상태에서 무접촉 회전하게 된다.

한편, 부싱(230)이 점차 각속도를 증가하면서 회전하게 되면, 폴리건 미러(210)에 형성되어 있는 양력 발생부인 경사진 타원 형상의 관통공(217)에 의해 공기는 폴리건 미러(210)의 저면으로부터 상면 방향으로 유동되어 즉, 경사진 타원 형상의 관통공(217)에 의해 폴리건 미러(210)는 양력을 받게 된다.

여기서, 이 양력의 크기는 부싱(230)의 회전 각속도에 비례하고, 양력의 방향은 중력의 방향과 반대 방향이 되어 부싱(230)을 포함한 회전체의 전체 하중을 경감시키게 되어 양력 발생부가 형성되어 있지 않는 폴리건 미러(210)에 비하여 양력 발생부가 형성되어 있는 폴리건 미러(210)를 구비한 부싱(230)의 반구홈과 동압발생부재(270)가 무접촉 되는 시간이 훨씬 짧아지게 된다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 폴리건 미러에 폴리건 미러를 구비한 회전체의 전체 하중을 경감시키도록 양력 발생부를 형성하여 폴리건 미러를 구비한 부싱과 부싱을 밀어내어 무접촉 회전하도록 하는 동압발생부와의 마찰시간을 감소시켜 스캐닝 모터의 수명 증대 및 성능 안정성을 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 레이저 빔을 출사하는 출사수단과;

   일정속도로 회전하여 상기 레이저 빔을 결상면의 소정 위치로 편향시키기 위해 측부에 다수개의 경면들을 갖는 편향수단과;

   상기 편향수단에 의해 편향된 레이저 빔을 상기 결상면에 결상 시키는 결상수단을 포함하는 레이저 스캐닝 유닛트에 있어서;

   상기 편향수단에는 양력을 발생시켜 하중을 경감시키기 위한 양력발생수단이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유닛트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 양력 발생수단은 상기 폴리건 미러의 양면을 경사지게 관통된 관통공인 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유닛트.
3. 제 2 항에 있어서, 관통공의 형상은 타원 형상인 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유닛트.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 관통공의 단면은 양력을 증대시키기 위해 헬리컬 곡선 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유닛트.

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