(57)【要約】【課題】従来の画像形成装置においては、更なる高速化を進めていくために、例えば、ポリゴンミラーの回転速度を高めようとすると、回転装置内の軸受部分での発熱により潤滑オイルが蒸発し易くなり、耐久性が悪くなる。【解決手段】前記回転軸部及び前記軸受部の少なくとも何れか一方の基材表面上には、下地層と、前記下地層上に設けられて摺動面を形成する表層とが設けられ、前記下地層の少なくとも前記表層側の上層には、前記表層が有する摺動面で発生した摩擦熱を吸収する熱吸収層が設けられている。【選択図】図３
2018159430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸回りに回転する回転軸部と、
前記回転軸部を回転可能に保持する軸受部と、を備え、
前記回転軸部及び前記軸受部の少なくとも何れか一方の基材表面上には、下地層と、前記下地層上に形成されて摺動面を形成する表層と、が設けられ、
前記下地層の少なくとも前記表層側の上層は、前記表層が有する摺動面で発生した摩擦熱を吸収する熱吸収層で形成されたことを特徴とする回転装置。
【請求項２】
前記熱吸収層は、前記表層を形成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材料により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
【請求項３】
前記熱吸収層は、前記熱伝導材料である複数の繊維材料を金属材料に混合した混合材料により形成されたことを特徴とする請求項２に記載の回転装置。
【請求項４】
前記表層が有する摺動面は、前記下地層の上層である前記熱吸収層に含まれる前記繊維材料の存在に基づく下地形状に沿った凹凸面で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の回転装置。
【請求項５】
前記下地層及び前記熱吸収層は、少なくとも前記回転軸部に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転装置が備えた前記回転軸部に対してポリゴンミラーを装着したことを特徴とするポリゴンモータ。
【請求項７】
請求項６に記載のポリゴンモータを搭載したことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、モータ等の回転装置、及びこの回転装置を備えたポリゴンモータ、並びにポリゴンモータを備えたレーザービームプリンタや複合機、コピー機等の画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置には、例えば、光を走査するポリゴンミラーを回転する回転装置が搭載されており、その回転装置は、ポリゴンミラーに一体化した軸と、その軸受部とで構成され、軸受部分にはオイルが充填されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２１８３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の画像形成装置においては、更なる高速化を進めていくために、例えば、ポリゴンミラーの回転速度を高めようとすると、回転装置内の軸受部分での摩擦に基づく発熱によりオイルが蒸発し易くなり、回転性能が低下し、耐久性が悪くなってしまう。なお、このような問題は、画像形成装置に限って発生するものではなく、その他の回転装置においても同様に発生するおそれがある。
【０００５】
本発明は、回転性能低下の抑制、又は高い耐久性を実現できる回転装置、及びポリゴンモータ、並びに画像形成装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる本発明は、軸回りに回転する回転軸部と、前記回転軸部を回転可能に保持する軸受部と、を備え、前記回転軸部及び前記軸受部の少なくとも何れか一方の基材表面上には、下地層と、前記下地層上に形成されて摺動面を形成する表層とが設けられ、前記下地層の少なくとも前記表層側の上層は、前記表層が有する摺動面で発生した摩擦熱を吸収する熱吸収層で形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、回転性能低下の抑制、又は高い耐久性を有する回転装置、及びポリゴンモータ、並びに画像形成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転装置の断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る軸受の断面図。
【図３】本発明の実施例１における軸の断面図、及び軸の表面近傍の断面図。
【図４】本発明の実施例２における軸の断面図、及び軸の表面近傍の断面図。
【図５】本発明の実施例３における軸、軸受の断面図、及び軸、軸受表面近傍の断面図。
【図６】本発明の実施例４における軸の断面図、及び軸の表面近傍の断面図。
【図７】比較例１における軸の断面図、及び軸の表面近傍の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態の回転装置は、図１に示すように、ポリゴンミラー１を回転するためのポリゴンモータであり、多角柱形状の側面に複数の反射面を有するポリゴンミラー（被回転体）１を高速回転するもので、その回転装置のモータ部の流体軸受構造としては、軸受２と、この軸受２に回転自在に嵌合する棒状の回転軸３とを有する。なお、このようなポリゴンモータは、レーザービームプリンタなどの画像形成装置のレーザービーム走査に用いられるものである。
【００１０】
また、回転軸３にはロータボス４を介してロータフレーム５が結合され、ベース板６にはステータコイル７が固定される。ステータコイル７は、ロータフレーム５の内側に支持されたロータマグネット８に対向してポリゴンミラー１を回転させる。このポリゴンミラー１は、押さえ板９によってロータボス４に押圧され、ロータボス４とロータフレーム５とロータマグネット８等を含む回転部と一体化されている。
【００１１】
さらに、軸受２は、回転軸３と嵌合するために円柱状の軸受内孔を有し、軸受２の一端には、スラスト板１０を、かしめ固定するためのかしめ部１１が形成されている。ここで、回転軸３の素材には、例えば、焼入れ鋼や焼入れ硬化型ステンレス鋼、真鍮を用い、軸受２の素材には、例えば、加工性が高いことから真鍮を用いる。
【００１２】
図２に示すように、軸受２の軸受内孔（軸受面）には、上下２つのへリングボーン状の動圧発生溝１２ａ、１２ｂが形成されている。この動圧発生溝１２ａ、１２ｂは、オイル保持溝としての役割もある。
【００１３】
モータの駆動によって回転軸３が回転すると、回転軸３と軸受２との隙間に充填されているオイルは、各動圧発生溝に寄せられ、流体潤滑による低摩擦な回転を行うことが可能となる。なお、オイルを充填して保持するために、回転軸３の下端を支えるためのスラスト板１０を軸受２のかしめ部１１に挿入し、かしめ固定している。
【００１４】
すなわち、オイルとして用いる潤滑油を軸受２内に充填する密閉空間を作るために、軸受２の一端にスラスト板１０が、かしめ固定されている。ここで用いられる潤滑油としては、例えば、ジエステル系、ポリオールエステル系等のオイルを用いることができる。
【００１５】
このような潤滑油であるオイルは、その種類によって、粘度が異なる。粘度が高いオイルは、蒸発しにくいという長所があるが、粘度が高いため、回転軸３を回転させるための消費電力が多くなるという短所がある。一方で、粘度が低いオイルは、蒸発しやすいという短所があるが、粘度が低いため、回転軸３を回転させるための消費電力も低くなるという長所がある。つまり、粘度の低いオイルの蒸発を防ぐことができれば、消費電力を小さくすることが可能となる。
【００１６】
これに対し、詳細は後述する本実施形態の軸受構造をとることで、オイルの温度上昇を効果的に抑制することができるため、粘度が低いオイルを用い、低消費電力のポリゴンモータを作製することができる。
【００１７】
例えば、本実施形態の軸受構造では、軸回りに回転する回転軸（回転軸部）３と、この回転軸３を回転可能に保持する軸受（軸受部）２と、を備えており、回転軸３及び軸受２の少なくとも何れか一方の基材表面上には、基材への放熱性能に優れた表面処理層が設けられている。具体的には、表面処理層は、基材上に形成される下地層と、この下地層上に形成されて摺動面を形成する表層とで構成される。そして、下地層の少なくとも表層側の上層は、表層が有する摺動面で発生した摩擦熱を吸収する熱吸収層で形成されている。これにより、表層側で発生した熱は、熱吸収層を通じて基材側へ放熱が促進される。
【００１８】
ここで、上述した本実施形態の軸受構造における表面処理層（下地層、及び表層）の形成について詳述する。下地層、及び表層は、回転軸３のみ、軸受２のみ、回転軸３と軸受２の両方の３パターンで形成することができる。どのパターンであっても、オイル蒸発防止の効果を発揮することができるが、下地層及び表層を回転軸３、及び軸受２の一方のみに形成する場合には、軸受２と比較して、回転軸３の方が、熱吸収層により吸収した熱を放出する空気との接触面積が広いため、少なくとも回転軸３に形成した方がより効果が高い。そのため、本実施形態の軸受構造において回転軸３、及び軸受２の一方のみに下地層、及び表層を形成する場合には、回転軸３に対して形成することが好ましい。また、熱吸収層は、摺動面となる表層側に近いところに設けることが好ましい。
【００１９】
例えば、回転軸３のみに下地層、表層を形成する場合には、回転軸３の基材表面には、少なくとも軸受２との摺動部に下地層及び表層が設けられている。この場合、下地層は、金属もしくは樹脂と、表層を形成する材料よりも熱伝導性の高い熱伝導材料から形成される。
【００２０】
下地層を形成する金属材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどの単一金属やＮｉＰなどの複合金属が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。また下地層を形成する樹脂としては、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などが挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。なお、下地層の材質としては、例えば、表層よりも熱伝導性のよい金属の方がより好ましい。
【００２１】
また、熱伝導材料としては、例えば、カーボンナノチューブや炭素繊維、ナノダイヤモンド、グラファイトなどの炭素材料、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料、ＢＮなどが挙げられる。これらの材料の内、熱伝導率の高いカーボンナノチューブやナノダイヤモンドなどの炭素材料がより好ましいが、その中でもカーボンナノチューブや炭素繊維のように、アスペクト比（長辺/短辺）の大きな材料が好ましい。さらに、熱伝導性を高める上で上記熱伝導材料同士が互いに接触していることがより好ましい。
【００２２】
ここで、下地層の形成方法としては、例えば、電気めっき、無電解めっき、電着塗装などが挙げられる。これらの方法の内、膜厚ばらつきの小さい無電解めっきがより好ましい。その理由は、安定した駆動が得られる回転装置を得るためには、回転軸３と軸受２間のクリアランスが均一であることが重要なためである。
【００２３】
また、カーボンナノチューブや炭素繊維のようなアスペクト比の大きな材料を複合して混合材料とする場合には、上記熱伝導材料同士が互いに接触し、かつ熱伝導性材料の配向方向を軸の長手方向に揃えることで、吸収した熱を大気に放熱しやすくなり、熱吸収層の効果をより高めることが可能である。
【００２４】
カーボンナノチューブや炭素繊維は、磁場と垂直方向に配向する性質があるため、熱吸収層形成中に軸の長手方向と垂直方向に磁場をかけることで、熱伝導性材料を回転軸３の長手方向に配向させることが可能である。
【００２５】
さらに、表層は、下地層から露出した熱伝導性材料を被覆する目的で形成する。表層の材質としては、耐摩耗性の高い材料である必要があり、例えば、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕなどの単一金属や、ＮｉＰ、ＮｉＰ−ＰＴＦＥなどの複合金属が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。このような表層の厚みは、例えば、０．１〜２μｍが好ましい。０．１μｍよりも薄いと、熱伝導性材料の被覆ができず、２μｍよりも厚いと熱吸収層への熱伝導を阻害することとなるためである。
【００２６】
また、表層の形成方法としては、電気めっき、無電解めっきなどが挙げられる。これらの方法の内、膜厚ばらつきの小さい無電解めっきがより好ましい。
【００２７】
以下、本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例に示す態様に限定されるものではない。
[実施例１]
実施例１では、図３のように、回転軸３のみに表面処理層１３を設けている。この表面処理層１３は、基材となる回転軸３の表面側に設けられている。この表面処理層１３は、金属の単一層である下層１４と、この下層１４上に設けられるカーボンナノチューブを複合した熱吸収層である上層１５と、この上層１５上に設けられる表層１６とで構成される。具体的な実施方法を以下に示す。
【００２８】
＜回転軸３への下地層１４の形成＞
まず、直径３ｍｍの真鍮からなる回転軸３を準備し、表１に記載した前処理を実施した。次に下地層として、ＮｉＰめっき層を下層１４として形成し、この下層１４上に熱吸収層となるカーボンナノチューブが分散したＮｉＰめっき層を上層１５として形成した。
【００２９】
具体的には前記前処理後、乾燥させずに、９０℃まで加温した無電解ＮｉＰめっき液に浸漬することで下層となる厚み１μｍの無電解ＮｉＰめっき膜を形成した。無電解ＮｉＰめっき液としては、ＳＥ６６０（日本カニゼン(株)社製、ＳＥ-６６０-０：４Ｌ、ＳＥ-６６０-１：２Ｌ、純水：３４Ｌ）を使用した。その後、以下の条件で調製した無電解複合めっき液に浸漬し、上層となる厚み１μｍの熱吸収層を形成した。その方法を以下に記す。純水１Ｌに、カチオン界面活性剤であるエソカード（ライオン(株)社製）とノニオン界面活性剤であるレオコール(ライオン(株)社製)各１ｇを溶かした水溶液に、カーボンナノチューブを添加し、１０分間超音波をかけ、カーボンナノチューブを水溶液中に分散させた。
【００３０】
上記、カーボンナノチューブ分散水溶液１Ｌと、硫酸ニッケル、次亜リン酸を主成分とするカニフロンＳＥＦ−１５０（日本カニゼン(株)社製）を３９Ｌ（ＳＥＦ-１５０-０：４Ｌ、ＳＥＦ-１５０-１：２Ｌ、純水：３３Ｌ）を混合し、攪拌羽根を１０分間回転させ、めっき液中にカーボンナノチューブ分散液を分散させた。
【００３１】
上記工程によって、熱吸収層を形成するためのカーボンナノチューブ分散めっき液を作製した。ストライクＮｉめっき膜を形成した軸を９０℃まで加温したカーボンナノチューブ分散めっき液に浸漬しながら、２０分間揺動することで熱吸収層、すなわち、下地層の一部を構成する上層１５を形成した。
【００３２】
上記工程によって、下層１μｍ、上層１μｍからなる厚み２μｍの下地層を形成した。
［表１］
2018159430.tif 000003
【００３３】
＜表層の形成＞
最後に、下地層（詳細には上層１５）の表面に表層１６を形成した。まず純水を３４Ｌと、ＳＥ-６６０（日本カニゼン(株)社製）を６Ｌ（ＳＥ-６６０−０を４Ｌ、ＳＥ−６６０−１を２Ｌ）を混合し、十分に攪拌しためっき液を作製した。下地層を形成した回転軸３を、９０℃まで加温しためっき液に浸漬しながら、２分間揺動することで表層となる厚み０．５μｍの無電解ＮｉＰめっき膜を形成した。以上説明した工程によって、下層１４、上層１５により構成された下地層、および表層１６からなる表面処理層１３を有する回転軸３を作製した。
【００３４】
[実施例２]
実施例２では、図４のように、回転軸３のみに表面処理層１３（下地層とその上の表層１６）を形成し、且つ下地層の全体を、カーボンナノチューブを分散させた熱吸収層として回転軸３を作製した。具体的な実施方法を以下に示す。
【００３５】
＜回転軸３への下地層形成＞
直径３ｍｍの真鍮からなる回転軸３を前処理実施後、実施例１に記載した９０℃まで加温したカーボンナノチューブ分散めっき液に浸漬して、厚みが２μｍになるように下地層を形成した。
【００３６】
＜表層１６の形成＞
実施例１記載の方法で表層１３を形成した回転軸３を作製した。
【００３７】
[実施例３]
実施例３では、図５のように、回転軸３、及び軸受２にそれぞれ表面処理層１３を形成し、且つ下地層において基材側の下層１４は金属の単一層とし、表層１６側の上層１５にカーボンナノチューブを複合した熱吸収層を形成するようにした。実施方法は以下の通りである。
【００３８】
＜下地層の形成＞
実施例１記載の方法で、下地層を形成した回転軸３、及び軸受２を作製した。
【００３９】
＜表層１６の形成＞
実施例１記載の方法で、表層１６を形成した回転軸３、及び軸受２を作製した。
【００４０】
[実施例４]
実施例４では、図６のように、回転軸３のみに表面処理層１３、すなわち。下地層（下層１４及び上層１５）、及び表層１３を形成し、このとき下地層の基材側の下層１４は金属の単一層とし、表層１３側の上層１５にカーボンナノチューブを複合した熱吸収層を形成し、表層１３は、下地層から露出したカーボンナノチューブの存在に基づく下地形状に沿った凹凸面が形成されている回転軸３を作製した。具体的な実施方法を以下に示す。
【００４１】
＜回転軸３への下地層の形成＞
実施例１に記載の方法で、回転軸３に下地層を形成した。
【００４２】
＜表層の形成＞
５０℃まで加温した純水４０Ｌに、硫酸Ｎｉを１２ｋｇ、塩化Ｎｉを１．８ｋｇ、次亜リン酸ナトリウム０．６ｋｇを混合し、攪拌羽根を３０分間回転させ、十分に混合させためっき液を作製した。このめっき液には、めっき液に通常含まれているレベリング剤が含まれていないため、レベリング作用が無く、下地形状に沿っためっき膜を形成することができる。
【００４３】
９０℃まで加温した上記めっき液に、下地層を形成した回転軸３を浸漬しながら、２分間揺動することで、厚み０．５μｍの無電解ＮｉＰめっき膜を形成した。
【００４４】
上記方法で作製することで、繊維材料の存在に基づく下地形状に沿った凹凸面を形成した摺動面を有する回転軸３を作製することができる。このような凹凸面を形成することで、回転軸３のオイルの保持機能を向上させることができる。
【００４５】
[比較例１]
比較例１では、図７のように、下地層を形成せずに表層１６のみを形成した回転軸３を作製した。具体的な実施方法を以下に示す。
【００４６】
＜表層の形成＞
直径３ｍｍのＳＵＳ３０４からなる回転軸３を前処理実施後、めっき液に浸漬し、厚み０．５ｍｍのストライクＮｉめっき膜を形成した（表１参照）。ストライクＮｉめっき膜形成後、乾燥させずに、実施例１で表層形成時に使用しためっき液に回転軸３を浸漬させた。上記めっき液は９０℃まで加温されており、浴中で２０分間揺動することで、厚み２μｍの無電解ＮｉＰめっき膜を形成した。上記工程によって、表層１６を厚み２．５μｍで形成した回転軸３を作製した。
【００４７】
＜評価＞
各実施例、及び比較例で作製した回転軸３、及びまたは軸受２の評価方法について説明する。まず、上記回転軸３、及びまたは軸受２をポリゴンモータに組み込む。ポリゴンモータのオイルには、粘度１５ｍＰａ・ｓ、蒸発温度８０℃のオイルを使用する。評価は、ポリゴンモータを使用し、耐久試験にて行った。
【００４８】
耐久試験とは、６０℃環境下、４５０００ｒｐｍで３０００時間駆動させる試験である。その試験項目は、（１）潤滑オイルと接しているスラスト板の温度、（２）４５０００ｒｐｍで駆動した時間、の２項目である。
【００４９】
（１）の温度の測定は、厚み２ｍｍのスラスト板の中心に深さ１．５ｍｍの穴をあけ、そこに熱電対を埋め込むことで行う。潤滑オイルと熱電対までの距離は約０．５ｍｍと短く、スラスト板には、熱伝導性の良い真鍮を使用しているため、スラスト板の温度とオイルの温度はほぼ同一である。
【００５０】
表２はこれらの評価結果をまとめた表である。
［表２］
2018159430.tif 000004
【００５１】
表２に示した耐久試験結果において、実施例１、２、３、４では条件として設定された３０００時間以上の駆動を行なうことができた。一方、比較例１では駆動時間２０００時間付近でポリゴンモータの動作異常が観察されたため、駆動を停止した。また、実施例１、２、３、４および比較例１のスラスト板の温度を比較すると、比較例１では、オイルの蒸発温度である８０℃を超えているのに対し、実施例１〜４では、８０℃未満になっていた。
【００５２】
以上の結果から、本発明の構成とすることで潤滑オイルの蒸発を低減し、回転性能の低下を低減し、または高い耐久性を実現した回転装置、及びポリゴンモータを提供することができる。さらに、このような本発明の回転装置、例えばポリゴンモータを組み込むことで高速化に対応したレーザービームプリンタなどの画像形成装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１    ポリゴンミラー
２    軸受
３    回転軸
４    ロータボス
５    ロータフレーム
６    ベース板
７    ステータコイル
８    ロータマグネット
９    押さえ板
１０  スラスト板
１１  かしめ部
１２  動圧発生溝
１３  表面処理層
【図１】
2018159430.tif 000005
【図２】
2018159430.tif 000006
【図３】
2018159430.tif 000007
【図４】
2018159430.tif 000008
【図５】
2018159430.tif 000009
【図６】
2018159430.tif 000010
【図７】
2018159430.tif 000011