JP2004229353A - 回転体駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像形成装置においては、感光体の回転ムラは画像品質劣化の大きな原因の一つである。従来、感光体の回転ムラを抑えるために、フライホイールや、独立モータなど、各種の方法が提案されているが、低周波数領域には効果があるものの、画像にバンディングと呼ばれるムラを発生させる数十〜数百Ｈｚの回転ムラを効果的に低減させることができなかった。
【解決手段】プラント８０１に対し、フィードバック用の制御回路とした従来から用いられている通常の制御ブロック８０２に並列に第２の制御ブロック８０３を接続する。第２の制御ブロック８０３は外乱ｂの有する特定の周波数に対してのみゲインを有するように構成される。この構成によって、参照入力ｒに対し、出力ｙは外乱ｂの影響が低減されたものとなる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複写機、プリンタ、ファックス、プロッタなど、感光体や転写体等の回転体の制御技術に関する。そのほか、一般に特定周波数の外乱が入る回転対象物の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像形成装置においては、画像の高精細化・高品質化に伴い、感光体ドラムや転写体の回転速度のムラが画像品質劣化の大きな原因の一つとなってきている。そこで、感光体ドラムの回転ムラを抑えるために、重いフライホイールを感光体ドラムの軸に取り付けたり、負荷変動が小さくなるよう、独立したモーターで駆動したりする構成を取ることが多くなっている。
【０００３】
しかしながら、印刷の高速化、カラー化や装置の小型化、軽量化などに伴い、感光体が小さくなり、大きな重いフライホイールを取り付けることが難しくなってきた。また独立したモーターを用いる場合においても、完全に回転ムラがなくなるわけではなく、色ずれやバンディング（画像上にあらわれる周期的なムラ）となって画像に現れてしまう。色ずれは、主に低周波の回転ムラにより発生し、バンディングは数Ｈｚ〜数百Ｈｚの回転ムラにより発生することが多い。
【０００４】
このような課題に対し、モーターや感光体ドラムからなるシステムの伝達関数を測定し、適応的にフィードバック制御のゲインを決めることにより、環境変化や経時劣化により伝達関数が変わっても、常に最適なフィードバック制御を行うことが可能な構成の提案がある（例えば、特許文献１ 参照。）。しかしながら、このようなフィードバック制御により低減される回転ムラはごく低周波の領域だけで、数十〜数百Ｈｚの回転ムラを低減させるほどゲインをあげると、捻り共振などの影響で、むしろ回転ムラを悪化させてしまう場合が多い。
【０００５】
張力センサを利用して、動力伝達ベルトにかかる力を検出し、偏心に起因する低周波の回転ムラをフィードフォワード制御する構成も提案されている（例えば、特許文献２ 参照。）。しかしながら、この手法も低周波の回転ムラだけに効果があるものであり、バンディングの低減は難しい。
【０００６】
回転ムラをあらかじめ計測し、ＤＦＴやフィルタを用いて振幅と位相を調べ、その逆位相になるような制御信号を生成し、モーターに送るフィードフォワード制御を行う方法も提案されている（例えば、特許文献３ 参照。）。しかしながら、この手法では、周波数、位相、レベル等が微妙にゆらぐ場合などに対応できず、位相の誤差が累積されてしまう可能性がある。低周波の回転ムラであれば、多少の時間的差異は無視できる程度の位相誤差となるが、周波数が高くなれば、大きな問題となる。実際のバンディングは、ギアがあたることによる負荷変動や振動、ギアの傾きなどによる周期ムラが原因であることが多いが、これらのギアもモーターにより回転するものであるため、回転ムラによりその周波数が微妙に変化し、誤差の累積が懸念される。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１０７５２９号公報（第６頁、段落００３９）
【特許文献２】
特開２０００−０９８８０６号公報（第４頁、段落００３６、００３７、図１）
【特許文献３】
特開２０００−３５６９２９号公報（第５頁、段落００５２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点に対応するため、バンディングに対応するような特定周波数の外乱に対して、その影響を受けにくい回転制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、回転体を駆動する駆動部と、回転の状態を検出する検出部を持ち、該検出部で検出された回転状態をもとに前記駆動部を制御する第１の制御部を有する回転体駆動制御装置において、前記第１の制御部とは別に外乱に対応する特定の周波数のみにゲインを有する第２の制御部を持つことを特徴とする。
請求項２の発明では請求項１に記載の回転体駆動制御装置において、前記特定の周波数は、相異なる複数の周波数であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１または２に記載の回転体駆動制御装置において、回転体の角度情報をもとに回転体の駆動部を制御することを特徴とする。
請求項４の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転体駆動制御装置において、回転体の速度情報をもとに回転体の駆動部を制御することを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の回転体駆動制御装置において、前記特定の周波数はフィルタで抽出することを特徴とする。
【００１１】
請求項６の発明では、請求項５に記載の回転体駆動制御装置において、前記第２の制御部は、前記フィルタで抽出された信号を、特定の時間遅延させた後にゲインをかける構成であることを特徴とする。
請求項７の発明では、請求項６に記載の回転体駆動制御装置において、前記第２の制御部の出力を特定の時間遅延させた後にゲインをかけた信号を、前記第２の制御部の入力に加えることを特徴とする。
請求項８の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の回転体駆動制御装置を備えた画像形成装置を特徴とする。
請求項９の発明では、請求項８に記載の画像形成装置において、前記回転体は感光体ドラムであることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に実施の形態に従って本発明を説明する。
図７は本発明を適用しうる回転体の定速回転制御装置の構成例を示す図である。
同図において符号１０１はモータ、１０２は感光体ドラム等の回転体、１０３は回転の角度情報を得るエンコーダ、１０４は制御部をそれぞれ示す。
例えば、感光体ドラムのような回転体１０２をモータ１０１で直接定速駆動する場合の説明をする。回転体１０２の回転角度をエンコーダ１０３で検出し、その情報を制御部１０４に送る。制御部１０４は例えば角度情報の差分を利用して速度を算出し、予定の速度よりも速ければ、モータ１０１が遅くなるように、遅ければ速くなるようにフィードバック制御を行う。
【００１３】
図８は図７に示した構成の装置の制御ブロック図である。
同図において符号２０１はプラント（装置）、２０２は制御部、Ｇｐはプラントの伝達関数、Ｇｃは制御部の伝達関数をそれぞれ示す。符号ｂはバンディングに対応する外乱（以後単にバンディングと呼ぶ）、ｒは参照入力、ｙは出力をそれぞれ示す。
参照入力ｒに制御部の出力を加えたものがプラント２０１に入り、外乱ｂが加わって出力ｙとなる。出力ｙは制御部２０２にフィードバックされ、制御出力が生成される。
【００１４】
図９はプラントの周波数応答のうち振幅特性の概要を表したグラフである。
図１０はフィードバック制御の結果、入力ｒから出力ｙに至る閉ループの周波数応答のうち振幅特性の概要を表したグラフである。
図１１は外乱ｂから出力ｙへの伝達特性の概要を示すグラフである。
これらの図において符号ｆ_ｒは共振周波数を示す。
【００１５】
図１１から判るように、フィードバック制御により入力応答が０ｄＢとなるような周波数（図１０における低周波数側）であっても、周波数が高くなると外乱抑制効果は小さくなる（図１１におけるＰ部）。そのため、画像形成装置におけるバンディングの原因となるような数十Ｈｚの外乱を抑え込もうとすると、非常に高いフィードバックゲインを持たなくてはならなくなる。しかしながら、通常はプラントに共振が存在するために、フィードバックゲインを高くすることは難しく、バンディングに対して十分な抑制効果は得られない。
【００１６】
フィードフォワード制御を利用することにより、フィードバックゲインをあげずに、特定周波数の回転ムラを取る方法も提案されている。しかしながら、フィードフォワード制御は、あらかじめ調べておいた回転ムラを消すように制御するため、時間により変化する場合などに対応することはできない。
【００１７】
図１２は画像形成装置における感光体ドラムの回転ムラ信号を周波数解析した結果を示すグラフである。
同図のように、特定周波数にいくつかのピークを持つことが多い。
このような周波数成分は、画像上では特定のピッチを持つスジ状の画像、すなわちバンディングとして表われ、画像劣化をもたらす。これらの周波数は、モーターの１回転やギアの１回転、１歯ピッチなどに対応し、偏心・ギアの取り付け面の傾き・負荷変動などにより発生するため周期性を持つが、これら原因となる回転体自体も回転ムラを持っているため、その周期は微妙に変化し、フィードフォワード制御で対応するのは難しい。ただし、その変化は高周波成分の少ないゆるやかな変化となっている。
図１３は回転ムラの周波数の時間的変化の一例である。
【００１８】
本発明は、特定周波数のみに対応する制御部を付加することにより、このような問題に対応しようとするものである。
以降、本発明を詳細に説明するが、説明の都合上、バンディングの原因となる外乱として、１つの特定周波数成分のみをもつ場合について考えることとし、その後、一般的な複数の周波数成分に対応する場合についての説明を行う。
【００１９】
図１は本発明の実施形態を示す図である。
同図において符号８０２は第１の制御ブロック、８０３は第２の制御ブロック、Ｇｃ１は第１の制御ブロックの伝達関数、Ｇｃ２は第２の制御ブロックの伝達関数をそれぞれ示す。
同図は本発明の構成を制御の観点から示したブロック図である。
一般的な構成の図８と比較して、１つの制御ブロックが追加された形となっている。ただし、第１の制御ブロック８０２はバンディングｂの周波数成分に対するゲインを持たず、第２の制御ブロック８０３はバンディングｂの周波数成分のみに対してゲインを持っている。このように回転体駆動制御装置を構成することにより、通常の制御部に悪影響を与えずに、特定周波数にピークを持つ外乱の影響を低減することが可能となる。
【００２０】
図２は図１の一部を細分化した図である。
すなわち、図２は思考実験的に、図１におけるプラント８０１を、バンディングｂの周波数成分のみを通す第２のプラント９０４と、それ以外を通す第１のプラント９０１に仮想的に分離して示したブロック図である。バンディングｂは、第１のプラント９０１に入力しても出力がないため、第２のプラント９０４にのみ入力される形となっている。これは、離散系における周波数領域での伝達モデルを考えると理解しやすい。例えば、コントローラがない場合には、式１のように分解できることから、図２のようにプラントを分離した形で表す事も可能であることが判る。
【００２１】
【数１】

【００２２】
ここで、定速回転であることから、参照入力ｒが固定値となっていることにも注目すると、
ｒ・Ｇｐ２＝０、 ｒ・Ｇｃ２＝０
ｂ・Ｇｃ１＝０、 ｂ・Ｇｐ１＝０
となる。また、直交性から、任意の信号ｘに対して、
ｘ・Ｇｃ１・Ｇｐ２＝０、 ｘ・Ｇｃ２・Ｇｐ１＝０
が成り立つ。これらの式を適用すると、図１はさらに書き換えることができる。
【００２３】
図３は図１のブロックダイヤグラムを等価のまま書き直した図である。
この図３を見れば判る通り、ｒの入力系統と、ｂの入力系統は完全に分離され、第２の制御ブロック１００３は第１の制御ブロック１００２と独立して設計することが出来ることが判る。
ここで、ｂは特定の周波数のみを持つ信号であり、第２のプラント１００４、第２の制御ブロック１００３ともにその周波数のみを通すため、伝達関数は位相の遅延およびゲインだけを使って表すことが出来る。
【００２４】
そこで、第２のプラント１００４をα・ｅｘｐ（ｉθ）、第２の制御ブロック１００３をβ・ｅｘｐ（ｉξ）と表すこととする。ただし、ｅｘｐ（ｉθ）などは、位相の遅延を計算するための加法定理をオイラーの公式を利用して便宜的に表現したものであり、実際に虚数成分を導入するわけではない。さらに、第２の制御ブロック１００３を設計する際に、β＝−１／α、ξ＝２ｎπ−θ （ｎは整数） とすれば、式２となる。
【００２５】
【数２】

【００２６】
ｘをｎ波長遅延させた信号とｘが一致する場合、すなわちｘ＝ｘ・ｅｘｐ（ｉ２ｎπ）の場合には、式３となり、第２の制御ブロック１００３が存在しない場合と比較して、バンディング成分ｂのｙへの影響を半分にすることが可能となる。
【００２７】
【数３】

【００２８】
図４は図３におけるｂの入力系統の変形ブロック図である。
同図において符号１１０５は第３のプラント、ＧＰ２’は第３のプラントの伝達関数を示す。
図５は条件付きで図４と等価になるブロック図である。
図３のｂの入力系統に第３のプラント１１０５のブロックを追加する。第３のプラント１１０５は、第２のプラント１１０４と同じ伝達関数を持つように設計されたブロックである。第３のプラント１１０５と第２のプラント１１０４がまったく同じ伝達関数を持っている場合には、図４は図５と等価となる。ここで、さきほどと同じように第２の制御ブロック１２０３の伝達関数Ｇｃ２を設計すると、ｂからｘへの伝達関数は理論上常に０となり、バンディングの影響をなくすことが出来る。ただし、実際にはＧｐ２とＧｐ２’を完全に同じにすることは難しく、またｂ≒ｂ・ｅｘｐ（ｉ２ｎπ）しか成立しないため、完全に消すことは難しい。
【００２９】
図６は更なる変形を説明するためのブロック図である。
同図において符号１３０６は合成のプラント、Ｇｐ’は合成のプラントの伝達関数をそれぞれ示す。
これまでの議論は、図１における第１の制御ブロック８０２の伝達関数Ｇｃ１におけるバンディング周波数のゲインが０である、という前提にたって行ってきた。しかしながら、図６のように、プラント１３０１と制御ブロック１３０２をあわせた点線の範囲内を新たにプラント１３０６と考えその伝達関数をＧｐ’とし、第２の制御ブロック１３０３を導入することで、これまでとまったく同じ議論が出来る。この場合、Ｇｃ１が存在しないため、Ｇｃ１＝０とすることが出来る。また、ＧｃおよびＧｃ２は、同じ入力を受けて同じところへ出力するため、プログラム上の構成は通常のコントローラとまったく変わらず、図８と同様になる。ただし、Ｇｐ’は、ＧｐとＧｃを合成した伝達関数となり、測定によりＧｐ’に相当する伝達関数を推定する場合には、Ｇｃを動作させた状態で計測する必要がある。
【００３０】
前述の考え方を応用すれば、この手法は、１つのバンディング周波数だけではなく、複数のバンディング周波数にも対応できることが容易に判る。すなわち、図８の段階では、バンディングに対応する特定の周波数に対し、何も考慮されない構成であったものを、ある特定の周波数に対し対応するように構成し直した結果が、図６の構成であり、これが見かけ上図８の構成と同じになっているのである。したがって、この構成から再度異なるバンディングの特定の周波数に対応するよう構成し直せば、これまでと同じ手法で解決ができ、複数の特定周波数に対応できる構成を得ることができる。これによって、図１２に示したように、現実の装置では避けられない複数の異なる周波数の外乱に対しても対応できるようになる。
【００３１】
これまでの説明は、定速回転をもとに説明してきたが、本発明は位置の制御にもまったく同じ手法で対応することができる。また、エンコーダではなく、タコメータなど、他の計測手段を用いた場合においても、基本的な手法はまったく同様である。
【００３２】
本発明は、感光体ドラムの直接駆動を例にとって説明してきたが、この例に特有の手法ではなく、ベルトによる駆動など、周期性をもつ外乱の影響をうける制御には、同様な手法で対応できる。
実際に、特定の周波数のみに対応する制御器を実現する場合、フィルタを利用してその成分を抽出した後、制御器に入れる方式が実現しやすい。また、特定の周波数のみに対応することから、フィルタ出力に特定の遅延とゲインをかけるだけの簡単な構成で、本発明の制御器を構成することが可能である。
図４で示したようなフィードバックを制御部に入れることにより、さらなる低減効果を見込むことができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により比較的簡単な構成でバンディングに対する抑制効果の大きい制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を制御の観点から示したブロック図である。
【図２】図１の一部を細分化した図である。
【図３】図１のブロックダイヤグラムを等価のまま書き直した図である。
【図４】図３におけるｂの入力系統の変形ブロック図である。
【図５】条件付きで図４と等価になるブロック図である。
【図６】更なる変形を説明するためのブロック図である。
【図７】本発明を適用しうる回転体の定速回転制御装置の構成例を示す図である。
【図８】図７に示した構成の装置の制御ブロック図である。
【図９】プラントの周波数応答のうち振幅特性の概要を表したグラフである。
【図１０】フィードバック制御の結果、入力ｒから出力ｙに至る閉ループの周波数応答のうち振幅特性の概要を表したグラフである。
【図１１】外乱ｂから出力ｙへの伝達特性の概要を示すグラフである。
【図１２】画像形成装置における感光体ドラムの回転ムラ信号を周波数解析した結果を示すグラフである。
【図１３】回転ムラの周波数の時間的変化の一例である。
【符号の説明】
８０１ 装置の伝達関数Ｇｐ
８０２ 第１の制御ブロック
８０３ 第２の制御ブロック
９０１ 第１のプラント
９０４ 第２のプラント
１１０５ 第３のプラント
１３０６ 合成のプラント

Claims (9)

1. 回転体を駆動する駆動部と、回転の状態を検出する検出部を持ち、該検出部で検出された回転状態をもとに前記駆動部を制御する第１の制御部を有する回転体駆動制御装置において、前記第１の制御部とは別に外乱に対応する特定の周波数のみにゲインを有する第２の制御部を持つことを特徴とする回転体駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の回転体駆動制御装置において、前記特定の周波数は、相異なる複数の周波数であることを特徴とする回転体駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載の回転体駆動制御装置において、回転体の角度情報をもとに回転体の駆動部を制御することを特徴とする回転体駆動制御装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転体駆動制御装置において、回転体の速度情報をもとに回転体の駆動部を制御することを特徴とする回転体駆動制御装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の回転体駆動制御装置において、前記特定の周波数はフィルタで抽出することを特徴とする回転体駆動制御装置。
6. 請求項５に記載の回転体駆動制御装置において、前記第２の制御部は、前記フィルタで抽出された信号を、特定の時間遅延させた後にゲインをかける構成であることを特徴とする回転体駆動制御装置。
7. 請求項６に記載の回転体駆動制御装置において、前記第２の制御部の出力を特定の時間遅延させた後にゲインをかけた信号を、前記第２の制御部の入力に加えることを特徴とする回転体駆動制御装置。
8. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の回転体駆動制御装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項８に記載の画像形成装置において、前記回転体は感光体ドラムであることを特徴とする画像形成装置。

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