DE29605578U1

DE29605578U1 - Lagerbaugruppe

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Publication number: DE29605578U1
Application number: DE29605578U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2006-03-27
Also published as: DE19712432A1; DE19712432C2

Description

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FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER

ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V., LEONRODSTRASSE 54,80636 MÜNCHEN

Laqerbaugruppe

Die Erfindung betrifft eine Lagerbaugruppe zur gasdynamischen Lagerung einer Welle, insbesondere zur Lagerung einer einen Polygonspiegel eines Scanners tragenden Welle, bestehend aus zwei durch mindestens ein Distanzelement beabstandet voneinander angeordneten Lagerplatten, in denen die Welle jeweils stirnseitig gelagert ist.

Bei drehbeweglich gelagerten Polygonspiegeln von Scannern, wie sie zum Beispiel in Laserdruckern zum Einsatz gelangen, kommt es neben der exakten Orientierung der einzelnen Spiegelflächen auf dem Spiegelträger bezüglich der Rotationsachse insbesondere auch auf eine präzise Lagerung an, um Laufabweichungen möglichst gering zu halten. Die hierfür notwendigen Präzisionslager sehen üblicherweise kegelförmige Lagerflächen vor. Abgesehen davon, daß die Herstellung derartiger Kegelflächen spezieller Maschinen bedarf und daher mit einem vergleichsweise großen fertigungstechnischen Aufwand einhergeht, ist eine solche Kegellagerung überbestimmt, das heißt Fertigungstoieranzen beeinflussen direkt die Lagerung.

Es ist auch eine Anordnung bekannt, die über zwei durch ein Distanzelement beabstandet voneinander angeordnete Basisplatten mit jeweils einer darauf befestigten Kalotte als Lagerfläche verfügt und bei der der Polygonspiegel die Gestalt einer Scheibe aufweist, die an ihrem Umfang mit den eigentlichen Planspiegeiflächen versehen ist und in die auf jeder Stirnseite unmittelbar eine mit einer Kalotte korrespondierende konkav ausgebildete Lauffläche eingearbeitet ist (DE 41 40 032 A1). Das heißt, hierbei bildet der Polygonspiegel selbst den Rotor im Doppelkalottenlager. Die Lagerung erfolgt aerostatisch oder-aerodynamisch. Angetrieben wird der Polygonspiegel mit Hilfe von am Umfang angeordneten Fiügelelementen, auf die über Düsen ein Luftstrom gelenkt wird.

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Die Fertigung des Polygonspiegels mit stirnseitig direkt eingearbeiteten Laufflächen ist insofern problematisch, daß hierbei die sich am Umfang der Scheibe befindenden Polygonspiegelflächen bezüglich der Achse, die durch die Krümmungsmittelpunkte der konkaven Laufflächen gebildet wird, exakt ausgerichtet sein müssen. Stellt schon die Fertigung eines Präzisionspolygons mit einem geforderten Pyramidalfehler < 2" höchste Ansprüche an die Fertigungstechnologie und -genauigkeit, so ist die Hersteilung eines solch komplexen Teils, wie es der als Rotor ausgebildete Polygonspiegel hierbei verkörpert, noch schwieriger. Hinzu kommt, daß die Darstellung von Rotor und Polygon als ein einziges Bauteil keine Möglichkeit zur Feinjustierung des Polygonspiegels in Bezug zur tatsächlichen Laufachse des Lagers zuläßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lagerbaugruppe der eingangs genannten Art anzugeben, die einerseits eine hochpräzise Lagerung der Welle auch bei vergleichsweise großen Drehzahlen gewährleistet und die andererseits mit einem möglichst geringen fertigungstechnischen Aufwand hersteilbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorzugsweise Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11.

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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 in einer teilweise geschnittenen Darstellung eine erfindungsgemäße Lagerbaugruppe zur gasdynamischen Lagerung einer einen Polygonspiegel eines Scanners tragenden Welle und die

Figur 2 bis 6 jeweils in einer Seitenansicht und in Draufsicht sowie mit einer vergrößerten Einzelheit im Profilschnitt dargestellt fünf verschiedene Ausführungsformen einer in die Stirnfläche der Welle eingearbeiteten MikroStruktur im Detail.

Die Lagerbaugruppe gemäß Figur 1 verfügt über zwei Lagerplatten 1 und 2, die mit Hilfe eines hohlzylindrischen Distanzelementes 3 und eines ringförmigen Distanzelementes 4 in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind und in denen eine Welle 5 jeweils stirnseitig gelagert ist. Die bezüglich des hohlzylindrischen und ringförmigen Distanzelementes 3 beziehungsweise 4 koaxial angeordnete Welle 5 ist hierzu an ihren Stirnflächen 6 und 7 sphärisch, im gewählten Beispiel konvex, ausgebildet wobei die Krümmungsmittelpunkte auf der Rotationsachse 8 der Welle 5 liegen. In die Lagerplatten 1 und 2 sind konkave Lagerflächen 9 beziehungsweise 10 eingearbeitet, die die Welle 5 im Bereich ihrer konvexen Stirnflächen 6 beziehungsweise 7 aufnehmen können, wobei zwischen Stirnfläche 6 und Lagerfläche 9 sowie zwischen Stirnfläche 7 und Lagerfläche 10 ein Lagerspalt von 2 pm verbleibt. Die Weile 5 trägt einen Polygonspiegel 11, der sich aus einer Vielzahl, beispielsweise 32 ebenen Spiegelflächen 12 zusammensetzt. Angetrieben wird der Polygonspiegel 11 von einem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 13, der innerhalb des hohlzylindrischen Distanzelementes 3 plaziert und somit in die Lagerbaugruppe integriert ist. Die Welle 5 bildet dabei den Rotor dieses elektromotorischen Antriebes. Die Distanzelemente 3 und 4 sowie die Lagerplatte 1 sind von einem hohlzylindrischen Gehäuseteil 14 umgeben, in das ein Fenster 15 eingesetzt ist, durch welches die Ein- und Auskopplung des mittels Polygonspiegels 11 abzulenkenden Lichtstrahles realisiert ist. Das ringförmige Distanzelement 4 gestattet bei der Montage der Baugruppe das Festlegen eines optimalen Abstandes von der Lagerfläche 9 der La-

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gerplatte 1 zur Lagerfläche 10 der Lagerplatte 2 bei eingesetzter Welle 5 und damit das Einstellen eines definierten Lagerspaltes. Das Gehäuse der Lagerbaugruppe wird von einem ringförmigen Bauelement 16 und einer Grundplatte 17 komplettiert. Das ringförmige Bauelement 16 umfaßt dabei das hohlzylindrische Gehäuseteil 14 im Bereich seines die Lagerplatte 1 aufnehmenden Endes. Mit Hilfe von Befestigungselementen, zum Beispiel Schraubverbindungen, ist das ringförmige Bauelement 16 samt Gehäuseteil 14 auf der Grundplatte 17 fixierbar. Ein in die Grundplatte 17 eingearbeiteter Absatz sorgt dabei für eine Zentrierung der auf der Grundplatte 17 aufsitzenden Lagerplatte 1. Die Lagerplatten 1 und 2, die Distanzelemente 3 und 4 sowie die Welle 5 mit Polygonspiegel 11 sind vorzugsweise aus Glas oder einem glaskeramischen Werkstoff, beispielsweise Zerodur, ausgeführt, was mit dem Vorteil einhergeht, daß durch Wärme bedingte Ausdehnungen äußerst gering gehalten werden können. Weitere Vorteile bei Verwendung dieses Werkstoffes sind einerseits die Möglichkeit der Anwendung der in der Optik üblichen Fertigungsmethoden, zum Beispiel zum präzisen Fertigen der Stirn- und Lagerflächen 6, beziehungsweise 9, 10, und andererseits die Möglichkeit der Anwendung der in der Optik üblichen Methoden der Montage wie Richtkitten und die Verwendung von lichthärtenden Klebstoffen. Des weiteren bietet die Verwendung von Glas und/oder glasartigen Werkstoffen den Vorteil des Einsatzes optischer Meßtechnik unter Ausnutzung der Transparenz und Reflexivität der Bauteile zur Ausrichtung beziehungsweise Justierung der Bauelemente, so bei der Anordnung des Polygonspiegels 11 auf der Welle 5, und letztlich auch bei der Kontrolle der Laufgenauigkeit der Welle 5 innerhalb der montierten Lagerbaugruppe.

Zum Aufbau eines tragfähigen Gaspolsters im Lagerspalt und damit zur Vermeidung von Reibung und Verschleiß während des Betriebes der Lagerbaugruppe sind die Stirnflächen 6 und 7 der Welle 5 mit einer MikroStruktur in Form von mehreren in die jeweilige Fläche eingearbeiteten formgleichen Vertiefungen versehen. Die Vertiefungen, die im übrigen anstatt in die Stirnflächen 6 und 7 der Welle 5 auch in die Lagerflächen 9 und 10 der Lagerplatten 1 und 2 eingebracht sein können, sind so ausgebildet und so angeordnet, daß sich das Lager bei Drehung der Welle 5 selbst aufpumpt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Vertiefungen definierte Abstufungen derjeweiligen Fläche bilden und somit bei Rotation der Welle 5 der sich in den Tälern der Struktur befindliche Gasantei! über die nichtstrukturierte Oberfläche gepreßt wird. Die dadurch auftretenden partiellen Druck-

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unterschiede führen zur Selbstschmierung des Lagers. Die Vertiefungen weisen eine Tiefe t von 1,5 mal der Breite des Lagerspaltes, maximal jedoch 20 &mgr;&igr;&eegr; auf und können als Kanäle 18 ausgebildet sein, die bezüglich der Rotationsachse 8 symmetrisch angeordnet sind und die in einem vorgegebenen Abstand vom Krümmungsmittelpunkt beginnend sich bis zum Rand der Stirnfläche 6 beziehungsweise 7 erstrecken {Figur 2). Die Breite der Kanäle ist < 1 mm. Die Vertiefungen können aber auch eine andere Gestalt haben. Figur 3 zeigt eine konvexe Stirnfläche 19, in die Vertiefungen eingearbeitet sind, die symmetrisch zur Rotationsachse 8 angeordnet sind und die die Form von sich in der Drehrichtung in ihrer Tiefe verjüngenden Taschen 20 aufweisen. Die Taschen 20 können aber auch eine konstante Tiefe haben. In Figur 4 ist eine konvexe Stirnfläche 21 dargesteilt, bei der die MikroStruktur aus einer Vielzahl von in die Oberfläche eingearbeiteten Grübchen 22 besteht, die kalottenförmig ausgebildet sind und zum Beispiel eine Tiefe von 5 pm und einen Durchmesser von 1,5 mm aufweisen. Eine weitere Möglichkeit zeigt Figur 5. Hier sind in eine konvexe Stirnfläche 23 Kanäle 24 eingearbeitet, die in eine senkrecht zur Rotationsachse 8 stehende Ebene projiziert nicht wie beim Beispiel gemäß Figur 2 radial sondern in einem Winkel ungleich 90° zum Rand hinlaufen. In Figur 6 ist schließlich eine konvexe Stirnfläche 25 dargestellt, in die Vertiefungen eingearbeitet sind, die symmetrisch zur Rotationsachse 8 angeordnet sind und die die Form von sich in der Drehrichtung in ihrer Tiefe verjüngenden Taschen 26 aufweisen. Im Unterschied zu den Taschen 20 gemäß Figur 3 sind die Taschen 26 an der Oberfläche jedoch nicht von einem sphärischen Dreieck sondern von einem sphärischen Viereck berandet. Sind die Vertiefungen bis zum äußeren Rand der Fläche geführt, wie dies bei den Beispielen gemäß Figur 2 und 5 der Fall ist, so kommt es zum Gastransport in Richtung Krümmungsmittelpunkt der Stirn- beziehungsweise Lagerfiächen; die Struktur wirkt dann pumpend. Sind die Vertiefungen hingegen nicht bis zum Rand geführt, entsprechend der Beispiele gemäß Figur 3, 4 und 6, so entsteht der Lagerdruck durch das Pressen der Gasanteile über die jeweilige Rastkante der Strukturen. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, acht oder mehr Strukturelemente beziehungsweise Vertiefungen 18, 20, 22, 24. 26 vorzusehen. Durch die Verwendung von Glas oder glasartigen Werkstoffen kann die zum Erreichen des gasdynamischen Effektes notwendige Mikrostrukturierung der Stirn- oder Lagerflächen 6, 7 beziehungsweise 9, 10 auf vergleichsweise einfache Art und Weise zum Beispiel durch Ätztechnik hergestellt werden. Das als Schmiermittel wirkende gasförmige Medium kann

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Luft oder auch ein Edelgas sein. Bei Verwendung von Edelgasen ist die Lagerbaugruppe als hermetisch abgeschlossenes System ausgeführt. Besonders günstig ist der Einsatz von Gasen mit kleinem Atomdurchmesser wie Helium. Hierdurch werden geringere Reibwerte und somit geringere Lauftemperaturen erreicht.

Die Welle 5, die gemäß Figur 1 zwei konvexe Stirnflächen 6 und 7 besitzt, richtet sich bei Rotation selbstzentrierend nach der durch die Krümmungsmitteipunkte der Lagerflächen 9 und 10 festgelegten Achse aus, was einen Vorteil der doppelsphärischen Ausführung gegenüber der Ausbildung mit nur einer sphärischen Stirn- beziehungsweise Lagerfläche darstellt. Die Krümmungsradien der Stirn- und Lagerflächen 6, 7 beziehungsweise 9, 10 sind so aufeinander abgestimmt, daß ein unerwünschtes Ansprengen verhindert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Stirnflächen der Welle 5 statt konvex konkav auszubilden. In diesem Falle wären dann an den Lagerplatten entsprechend konvex ausgebildete Lagerflächen vorzusehen. Mit Hilfe des in die Lagerbaugruppe integrierten Motors 13, der die (Rotor-)Welle 5 querkraftfrei antreibt, können Drehzahlen von mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute, zum Beispiel 60 000 U/min, erreicht werden. Die Lagerbaugruppe genügt dabei höchsten Anforderungen an die Laufgenauigkeit, so daß die Baugruppe insbesondere zur Lagerung einer Welle geeignet ist, die einen Polygonspiegel eines Scanners für HDTV-Anwendungen trägt.

Selbstverständlich ist es denkbar, zur Unterstützung der Ausbildung der tragenden Gasschicht die Lagerflächen 9 und 10 zusätzlich mit Düsen zu versehen, über die das Gas zuführbar ist. Diese aerostatische Unterstützung kann insbesondere beim Anlaufen der Welle genutzt werden.

Claims

95/31118-I0F Schutzansprüche

1. Lagerbaugruppe zur gasdynamischen Lagerung einer Welle, insbesondere zur Lagerung einer einen Polygonspiegel (11) eines Scanners tragenden Welle (5), bestehend aus zwei durch mindestens ein Distanzelement (3, 4) beabstandet voneinander angeordneten Lagerplatten (1, 2), in denen die Welle (5) jeweils stirnseitig gelagert ist, wobei zumindest eine der beiden Stirnflächen (6, 7) der Welie (5) sphärisch ausgebildet ist und zumindest eine der beiden Lagerplatten (1, 2) mit einer entsprechend sphärisch ausgebildeten Lagerfläche (9,.1O) versehen ist, der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Stirnfläche (6,7) auf der Rotationsachse (8) der Welie (5) liegt, zwischen den benachbarten Stirn- und Lagerflächen (6 u.9 bzw. 7 u. 10) ein Lagerspait vorgesehen ist und die sphärisch ausgeführte Stirnfläche (6, 7) der Welle (5) oder die Lagerfläche (9, 10) eine MikroStruktur in Form von mehreren in die jeweilige Fläche eingearbeiteten formgleichen Vertiefungen mit einer Tiefe t < 20 pm aufweist.

2. Lagerbaugruppe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vertiefungen als über die Oberfläche verteilte Grübchen (22) ausgebildet sind.

3. Lagerbaugruppe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vertiefungen als über die Oberfläche verteilte, bezüglich der Rotationsachse (8) symmetrisch angeordnete und sich in der Drehrichtung in ihrer Tiefe verjüngende Taschen (20; 26) ausgebildet sind.

4. Lagerbaugruppe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vertiefungen als über die Oberfläche verteilte, bezüglich der Rotationsachse (8) symmetrisch angeordnete und sich bis zum Rand der Stirn- bzw. Lagerfläche (6) erstreckende Kanäle (18; 24) ausgebildet sind.

5. Lagerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Weile (5) und die Lagerplatten (1, 2) aus einem nichtmetallischen Werkstoff gefertigt sind.

6. Lagerbaugruppe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Welle (5) und die Lagerplatten (1, 2) aus Gias oder Quarz oder Glaskeramik gefertigt sind.

7. Lagerbaugruppe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Breite des Lagerspajtes mit Hilfe zumindest eines weiteren Distanzelementes (4) einsteilbar ist.

8. Lagerbaugruppe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lagerplatten (1, 2) Bestandteil eines die Welle (5) hermetisch abschließenden Systems sind.

9. Lagerbaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel zur gasdynamischen Lagerung ein Edelgas vorgesehen ist.

10. Lagerbaugruppe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Unterstützung der Ausbildung der tragenden Gasschicht die Lagerflächen (9, 10) zusätzlich mit Düsen versehen sind, über die das Gas zuführbar ist.

11. Lagerbaugruppe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Welle (5) den Rotor eines in die Baugruppe integrierten elektromotorischen Antriebs bildet.