(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ部の側面にポリゴンミラーを構成する回転子をその回転子の重心位置の上部で支え、
回転子とこの回転子を支持する固定子との境界面を、回転子の重心を中心とする球面に一致、もしくは、近似させることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
回転子とこの回転子を支持する固定子との２つの境界面は、球面に近似してはいるが、その中心部から遠退くに従って球面から乖離することを特徴とする請求項１記載の光偏向器。
【請求項３】
回転子とこの回転子を支持する固定子との２つの境界面は、球面に近似してはいるが、その中心部においては両者が安定的に支持されるようにしたことを特徴とする請求項２記載の光偏向器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の光偏向器において、回転子の駆動を静電力で行うようにしたことを特徴とする光偏向器駆動装置。
【請求項５】
固定子側に電極を実装することを特徴とする請求項４記載の光偏向器駆動装置。
【請求項６】
気体湧き出し口から半径方向に細長い形状の電極を実装したことを特徴とする請求項４記載の光偏向器駆動装置。
【請求項７】
気体湧き出し口から半径方向に細長い短冊状電極を、円周方向に複数個実装したことを特徴とする請求項４記載の光偏向器駆動装置。
【請求項８】
短冊状電極の形状は、回転体上部よりも下部の幅が広いことを特徴とする請求項６または７に記載の光偏向器駆動装置。
【請求項９】
請求項１に記載の光偏向器において、回転子の中央部付近と固定子の中央部付近に磁力発生装置を設け、２つの磁力発生装置が互いに引力を及ぼすことを特徴とする光偏向器駆動装置。
【請求項１０】
固定子側の磁力発生装置を電磁石とすることを特徴とする請求項９記載の光偏向器駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転多面鏡を高速回転させて光ビームを偏向走査する光偏向器、すなわち、平衡保持型軸受光偏向走査装置等への利用に適した光偏向器及び光偏向器駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザープリンターの性能を左右する技術の１つにポリゴンミラーがある。プリント速度の高速化に伴い、ポリゴン回転数も高速化が求められて来たが、今までは回転子（ロータ）の高速化を計るのではなく、ビームの数を増やして、これに応えてきた。
【０００３】
しかし、もし回転子の回転数を容易に増加させることが出来れば、よりシンプルな構成となり、装置の安定性にも寄与する。しかし、回転数を増加させるには技術的な大きな障害がある。ここでは、この障害を回避するための新たな技術を提案する。
【０００４】
高速回転子を実現するためには、軸受けの摩擦を減少させることが大きな課題となるが、そのため気体による動圧軸受けが提案され、また、一部実用化されてきた。また、回転子高速回転時、雰囲気ガスの抵抗（風損）を減少するため、密度の軽いヘリウムガスを封入することも行われてきた（高速軸受試験機ＩＨＩ製、十合晋一、気体軸受、共立出版）。さらに、磁気を利用した非接触の軸受けを利用することも検討されている（ＵＳＰ  ５，９４２，８２５）。磁気を利用する場合は、真空中で回転させることも可能となる。また、これとはまったく別の理由から、全体を気密筐体で覆うことも提案されている（特開平２−７９８１４号公報）。
【０００５】
また、より正統的手順として、回転子の径を小さくし、気体抵抗（いわゆる風損）を減少することも試みられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高速化の障害となるものは大きく分けて３つある。その１つは、回転子の高速化に伴う環境気体（通常は空気）との摩擦によるエネルギー損失（風損）である。従来、この目的では、気体をヘリウムガスのような、粘性抵抗の少ない気体中で回転させるか、あるいは、真空中に封入する方法が提案されてきた。前者の場合は、ガスの封入方法が重要である。しかし、これだけでは、大きな効果は期待できない。依然としてガスの抵抗が存在するからである。後者は、気体との抵抗はゼロであるから、損失エネルギーの点からは理想的である。しかし、真空中での軸受けは利用上の制約が多い。
【０００７】
第２の問題は、高速回転に耐えうる軸受けの開発である。従来の転がり軸受けから、気体や液体を使った動圧軸受け、更に、非接触の磁気軸受けと、多用な方法が提案・開発されている。第１の問題点で説明したように、気体や液体は、回転子とガスの抵抗の問題がある。この問題を回避するには、真空中で駆動が可能な磁気軸受けが望ましい。しかし、それには動的に磁場を制御する必要がある。この技術は技術的に未知な部分が多く、一般的にはまだ利用されていない。さらに、動的制御のためのエネルギー消費も無視できない。
【０００８】
第３の問題は、回転子の高速回転に伴う振動や騒音である。人と共存する環境で高速ロータを使う場合には、振動や騒音を遮断するメカニズムが求められる。従来は、このために、回転部品を機械的に分離するか、あるいは、遮蔽する方法を使ってきた。これは大型の装置でのみ部分的に試みられている。
【０００９】
第４の問題は回転子小型化に伴う問題がある。回転子が走査する光ビームの径は、下限がある。径をあまりに小さくすると、最終的なビームドット径を十分小さくできない。すなわち、表示したり印刷したりする画像の解像度の低下を招く。また、回転子を駆動するには、従来電磁力に頼ってきたから、これを発生する電磁コイルを収納するサイズが必要である。コイルの小型化は製造上の困難から、回転子の微小化は実現されなかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ロータ部の側面にポリゴンミラーを構成する回転子をその回転子の重心位置の上部で支え、回転子とこの回転子を支持する固定子との境界面を、回転子の重心を中心とする球面に一致、もしくは、近似させる光偏向器である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向器において、回転子とこの回転子を支持する固定子との２つの境界面は、球面に近似してはいるが、その中心部から遠退くに従って球面から乖離するようにした。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光偏向器において、回転子とこの回転子を支持する固定子との２つの境界面は、球面に近似してはいるが、その中心部においては両者が安定的に支持されるようにした。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の光偏向器において、回転子の駆動を静電力で行うようにした光偏向器駆動装置である。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光偏向器駆動装置において、固定子側に電極を実装するようにした。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項４記載の光偏向器駆動装置において、気体湧き出し口から半径方向に細長い形状の電極を実装したものである。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項４記載の光偏向器駆動装置において、気体湧き出し口から半径方向に細長い短冊状電極を、円周方向に複数個実装したものである。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項６または７に記載の光偏向器駆動装置において、短冊状電極の形状は、回転体上部よりも下部の幅が広いようにした。
【００２０】
請求項９記載の発明は、請求項１に記載の光偏向器において、回転子の中央部付近と固定子の中央部付近に磁力発生装置を設け、２つの磁力発生装置が互いに引力を及ぼすようにした光偏向器駆動装置である。
【００２１】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光偏向器駆動装置において、固定子側の磁力発生装置を電磁石としたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、本実施の形態は、上記の問題を解決すべく、やじろべえの平衡原理に基づく動圧微小軸受、および、静電型駆動方式に関するものである。まず、全体の構成から示す。図１はその原理を示すものであり、固定子１の中心軸に沿って気体を高圧給気し、回転子（ロータ）２を浮遊させる。このときの給気気体の圧力が、回転子２を固定子１から浮遊させるがその力学的支点３は両者の界面のほぼ中央にある。
【００２３】
回転子２の重心は、図２のように、上記支点３の下方に存在するから、やじろべえの平衡原理によって、この安定な浮遊状態を保持することができる。その結果、非接触軸受が形成される。
【００２４】
図２はまた、回転子２と固定子１の境界面が、回転子２の重心を中心とする球面に概略一致していることを示している。回転子２が高速回転した場合、回転子２は、その重心の回りで複雑な振動を持つことがある。このとき、浮遊体と支持体の境界面が、回転子の重心を中心とする球面であれば、その振動が固定子１に伝わって及ぼす影響は少ない。従って、安定で静かな回転系が得られる。ただし、回転子２はほぼ中心部分で支えられるように、回転子２と固定子１の間隔は中心付近で最小となるように構成することが望ましい（請求項１−３）。
【００２５】
図３は、回転子２と固定子１部分の拡大図である。回転子２を下側からの給気によって固定子から浮上させ、浮上した回転子を静電力で駆動する。電極４は固定子１側に設けている。
【００２６】
小型化を目的とする場合、駆動部も小型化する必要があるが、従来の電磁力による駆動では、コイルの小型化が困難なため、微小実装化が極めてむずかしかった。しかし、本実施の形態においては、静電力によって回転子２を駆動するため、半導体プロセスの応用によって電極４の小型化が容易に実現できる。図３は、そのための１つの構成例である。東大樋口研での研究によって、静電駆動力は、電磁力と同程度であり、利用可能な材料の範囲も広いことがわかってきている（例えば、Ｊ．  Ｊｉｎ，  ｅｔ  ａｌ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｌｅｖｉａｔｉｏｒ  ｆｏｒ  Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｍｅｄｉａ，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．５，  １９９５）。図３では、駆動力を大きくするように、電極４部分の面積を広げる工夫をしている。すなわち、図示される短冊状の電極４は図の上部より下部の幅が広くなるような形状を為している（請求項８）。図３において、複数の固定子側短冊状電極４には、位相が少しずつシフトした電圧を印加する。固定子側電極４の電圧によって誘起された誘起電圧が回転子側導電体５に生じる。上記論文に記載されているように、その電圧とタイミングをうまく制御することで、回転方向の強い引力を発生させ、回転子２を駆動させることができる（請求項４−７）。
【００２７】
ところで、上記回転系の構成においては、回転子２は定常的な重力場に置かれていることを前提としていた。しかし、装置全体に加速度が加わると、やじろべえの平衡原理が崩れる可能性がある。
【００２８】
図４は、急峻な加速度が装置に加わった場合にも装置を安定に駆動することを可能とするための改良構成例である。図４において、回転子２と固定子１の両方に、互いに向き合う形で（引力を及ぼすように）磁石５、６が装着してある。左記の磁石５、６は必ずしも永久磁石である必要はないが、実装上は永久磁石が容易な実現手段である（請求項９）。しかし、不安定性が大きい場合（例えば車載用、携帯用）には、固定子１側の磁石５を、制御可能な電磁石とすることが望ましい（請求項１０）。
【００２９】
図５は球面上の界面の一部を除去した、別な実施の形態を示す。図５のような給気路を二分した固定子１による支持系であっても実装化は可能である。
【００３０】
なお、以上の実施の形態は、光走査装置を想定したものであるから、回転子２によるロータ部の側面を鏡面加工することによってポリゴンミラー７を構成する。このポリゴンミラー７の鏡面の数は任意に設定することができる。鏡面は回転軸と平行に構成することが実用上最も望ましい形態である。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、ロータ部の側面にポリゴンミラーを構成する回転子をその回転子の重心位置の上部で支え、回転子とこの回転子を支持する固定子との境界面を、回転子の重心を中心とする球面に一致、もしくは、近似させる光偏向器であるので、回転子はやじろべえの平衡原理によって自発的に安定する。
【００３３】
また、請求項１記載の発明は、回転子と固定子との境界面を、回転子の重心を中心とする球面とすることによって、その振動が固定子に伝わって及ぼす影響を少なくし、安定で静かな回転系が得られる。
【００３４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向器において、回転子とこの回転子を支持する固定子との２つの境界面は、球面に近似してはいるが、その中心部から遠退くに従って球面から乖離するようにしたので、回転子と固定子の２つの境界面中心部から遠退くに従って球面から乖離した形状とすることによって、回転子と固定子の接触確率を下げることが可能になり、回転の安定性を向上させることができる。
【００３５】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光偏向器において、回転子とこの回転子を支持する固定子との２つの境界面は、球面に近似してはいるが、その中心部においては両者が安定的に支持されるようにしたので、回転子と固定子の２つの境界面が球面に近似し、かつ、その中心部において、両者が安定的に支持されるように構成することによって、回転子をほぼその中心部分で支えることができ、回転子と固定子の回転軸ずれを防止して、回転の安定性を向上させる効果がえられる。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の光偏向器において、回転子の駆動を静電力で行うようにした光偏向器駆動装置であるので、電磁回転駆動方式の場合にはコイルの小型化が困難であったが、回転子の駆動を静電力で行うことによって問題を回避でき、装置を小型化することができ、これに伴い、駆動に要するエネルギーを下げることができるという絶大な効果が得られる。
【００３７】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光偏向器駆動装置において、固定子側に電極を実装するようにしたので、回転子側に実装する場合と比較して、実装化が容易で実現性が高く、回転子側にポリゴン反射面を構成する場合においても、位置的な干渉問題を回避できる。
【００３８】
請求項６記載の発明は、請求項４記載の光偏向器駆動装置において、気体湧き出し口から半径方向に細長い形状の電極を実装したので、電極面積を広くとることができ、発生させる静電力をアップさせる効果が得られ、また。複数の電極に位相の異なる電圧を印加する手段をとることができるので、容易に回転力を発生させることができる。
【００３９】
請求項７記載の発明は、請求項４記載の光偏向器駆動装置において、気体湧き出し口から半径方向に細長い短冊状電極を、円周方向に複数個実装したので、電極面積を広くとることができ、発生させる静電力をアップさせる効果が得られ、また。複数の電極に位相の異なる電圧を印加する手段をとることができるので、容易に回転力を発生させることができる。
【００４０】
請求項８記載の発明は、請求項６または７に記載の光偏向器駆動装置において、短冊状電極の形状は、回転体上部よりも下部の幅が広いようにしたので、電極面積を広くとることができ、発生させる静電力をアップさせる効果が得られ、また。複数の電極に位相の異なる電圧を印加する手段をとることができるので、容易に回転力を発生させることができる。
【００４１】
請求項９記載の発明は、請求項１に記載の光偏向器において、回転子の中央部付近と固定子の中央部付近に磁力発生装置を設け、２つの磁力発生装置が互いに引力を及ぼすようにした光偏向器駆動装置であるので、突発的な衝撃などに伴う加速度の発生による回転安定性の劣化に対し、高い防御効果が得られる。
【００４２】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光偏向器駆動装置において、固定子側の磁力発生装置を電磁石としたので、更に高精度に回転安定性をキープすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す縦断側面図である。
【図２】回転子の重心と支点との関係を示す縦断側面図である。
【図３】固定子側の電極の形状を示す斜視図である。
【図４】急峻な加速度が加わった場合にも安定して回転させることができる構造を示す縦断側面図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す縦断側面図である。
【図１】
0004229598.tif 000002
【図２】
0004229598.tif 000003
【図３】
0004229598.tif 000004
【図４】
0004229598.tif 000005
【図５】
0004229598.tif 000006