JP2005188966A - 搬送速度検出装置及びそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度の向上を可能にした搬送速度検出装置及びそれを用いた画像形成装置を提供することにある。
【解決手段】搬送装置の搬送面の速度を検出する搬送速度検出装置であって、搬送面の所定の測定位置に所定の入射角で超音波を照射する第１送信機１と、所定の測定位置と同一の測定位置に所定の入射角と略同一の入射角で超音波を照射する第２送信機２と、所定の測定位置の法線上に配置され、所定の測定位置で反射された第１送信機１からの超音波と、所定の測定位置で反射された第２送信機２からの超音波とを検出する、受信機３を含む検出部とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、搬送速度検出装置及びそれを備えた画像形成装置に関するものである。

例えば画像形成装置の紙送り機構や相対的に搬送速度ムラに関連ずる感光ドラム等の速度ムラを検出する搬送速度検出装置が従来より知られている。

例えば、以下の特許文献１に記載の露光装置において、感光ドラムの表面に向かって、１つの送信機から超音波を照射し、当該感光ドラムからの反射波を１つの受信機により受信することにより、ドップラー効果の原理に基づいて、感光ドラム表面の速度ムラを検出する装置が提案されている。

感光ドラムが回転していると、ドップラー効果の原理に基づいて検出される超音波の周波数は、照射された周波数ｆ_０からΔｆだけずれる。Δｆは感光ドラムの表面速度ベクトルｖに比例するので以下の関係が成り立つ。

ここでΔｆは検出される超音波の周波数変化、ｆ_０は照射する超音波の周波数、ｖは感光ドラムの表面速度、Ｖは音速である。

この式により、周波数変化Δｆを検出すればそれを感光ドラムの表面速度ｖに換算して感光ドラム表面の送り速度を検出することができる。また、このような画像形成装置において、紙送りなどの記録媒体の搬送機構に関して感光ドラム等と挟む形で搬送するローラーを用いた方式の他、ベルト式の搬送機構が知られている。また、他の速度検出装置としてレーザーを用いたレーザードップラー速度検出方法も知られている。
特開２００２−３５０７６９号公報

しかしながら、従来の搬送速度検出装置においては、搬送方向（感光ドラム接線方向）に対して、斜め上から超音波を照射するため、ドラムの回転中心に偏心がある場合、搬送方向（感光ドラム接線方向）の速度成分に加えて、それと垂直（鉛直方向）な方向（感光ドラム法線方向）の速度成分が含まれた形で速度が検出されてしまう。また、ベルト式の記録媒体の搬送機構においては、搬送面の法線方向にベルトがうねりを生じるので、搬送方向の速度検出に誤差が生じやすいものとなる。

例えば図８に示すように、ベルト搬送機構９９の搬送面の垂線上に受信機１０１が配置され、搬送方向に対向して配置された送信機１００により当該搬送面に対して斜め上方から周波数ｆ_０の超音波を照射する搬送速度検出装置を想定する。この場合、当該搬送面で反射される超音波の周波数は、ドップラー効果によってΔｆだけ高周波になり、受信機１０１では周波数ｆ_０+Δｆの超音波が検出される。検出された周波数変化Δｆは、搬送方向の速度ｖのみのドップラー効果で生じたのではなく、ベルト搬送機構９９のうねりによる搬送面法線方向の速度ｖ’の影響も含んでいる。それぞれの速度成分の、超音波照射方向への射影が周波数変化Δｆに寄与するので、Δｆは次式のように表すことができる。

ここで、Δｆは検出される周波数変化、Δｆ_ｍは搬送方向の周波数成分、Δｆ_ｎは搬送面法線方向の周波数成分、ｆ_０は搬送面に照射する超音波の周波数、ｖは搬送方向の速度、ｖ’は搬送面法線方向の速度、θは超音波の搬送面に対する入射角度、Ｖは音速である。この式は、搬送速度Δｆ_ｍの検出に当たって、必然的に、搬送面法線方向の成分Δｆ_ｎが誤差として含まれてしまうことを示している。このような誤差の存在のために搬送速度のみを検出することができない。例えばコピー機、プリンター等の画像形成装置の用途において、記録媒体の搬送速度にあわせて順次描画していく場合、この検出誤差により搬送速度が正しく検出されないと、画像に濃度ムラが生じてしまうことになる。

また、前途のレーザードップラーによる速度検出では、測定面の反射率が一定以上必要であり、測定面の反射率が低い場合、測定精度が低下してしまうという問題がある。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、搬送方向の速度成分のみを検出することによって、検出精度の向上を可能にした搬送速度検出装置及びそれを用いた画像形成装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、搬送装置の搬送面の速度を検出する搬送速度検出装置であって、前記搬送面の所定の測定位置に所定の入射角で超音波を照射する第１送信部と、前記所定の測定位置と同一の測定位置に前記所定の入射角と略同一の入射角で超音波を照射する第２送信部と、前記所定の測定位置の法線上に配置され、前記所定の測定位置で反射された前記第１送信部からの超音波と、前記所定の測定位置で反射された前記第２送信部からの超音波とに基づいて搬送速度を検出する検出部と、を具備する。

また、第２の発明は、第１の発明に係る搬送速度検出装置において、前記第１送信部により照射される超音波と、前記第２送信部により照射される超音波とは、前記搬送装置の搬送方向に対して非対称になるように照射される。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明に係る搬送速度検出装置において、前記第１送信部と、前記第２送信部とは、前記搬送装置の搬送面の法線を含む面内で互いに対向して配置されている。

また、第４の発明は、第３の発明に係る搬送速度検出装置において、前記第１送信部と、前記第２送信部とは、前記搬送装置の搬送方向を含む面内で互いに対向して配置されている。

また、第５の発明は、第１の発明に係る搬送速度検出装置において、前記第１送信部は、前記搬送装置の搬送面の法線と搬送方向とを含む面内に配置され、前記第２送信部は、前記搬送装置の搬送面の法線と搬送方向と直交する方向とを含む面内に配置されている。

また、第６の発明は、第１から第５のいずれか１つに記載の搬送速度検出装置において、前記第１送信部の、前記搬送面に対する超音波照射の入射角をθとするとき、前記第２送信部は、前記搬送面に対してθ±３０°の範囲内で超音波を照射する。

また、第７の発明は、画像が形成される記録媒体を搬送する搬送装置の搬送面の速度ムラを検出する搬送速度検出装置を備えた画像形成装置であって、前記搬送速度検出装置は、前記搬送面の所定の測定位置に所定の入射角で超音波を照射する第１送信部と、前記所定の測定位置と同一の測定位置に前記所定の入射角と略同一の入射角で超音波を照射する第２送信部と、前記所定の測定位置の法線上に配置され、前記所定の測定位置で反射された前記第１送信部からの超音波と、前記所定の測定位置で反射された前記第２送信部からの超音波とを検出する検出部と、を具備する。

本発明によれば、搬送方向の速度成分のみを検出できるので、搬送速度の検出精度が向上する。

（本発明の概略）
以下に図面を参照して本発明の基本的な概念について説明する。図１は本発明の搬送速度検出装置の概略を説明するための図である。送信部としての送信機１，２は搬送面の同じ測定位置５に超音波を照射するべくベルト搬送機構４の搬送面の上方に配置され、受信機３は、測定位置５からの反射波を受けるべく、測定位置５の法線上に配置されている。受信機３は後述するビート周波数測定装置とともに搬送速度を検出する検出部を構成する。

送信機１、送信機２のそれぞれからのドップラーシフトを含んだ超音波はベルト搬送機構４の搬送面上の測定位置５で反射される。この反射波を同時に受信機３にて受信して検出を行う。送信機１，２は矢印で示される搬送方向に対して非対称に超音波を照射しているので、２つの反射波は、異なるドップラーシフト量をもつ。そのため検出された波形はうなりをもち、このビート（うなり）の周波数を算出することによりベルト搬送機構４の搬送方向の速度成分のみを算出する。

次にどのようにして搬送方向の速度成分のみがどのようにして算出されるかについて説明する。送信機１の超音波照射方向の単位ベクトルをｉ、送信機２の超音波照射方向の単位ベクトルをｊとし、搬送方向の速度ベクトルをｕ、それと搬送面法線方向の速度ベクトルｖ、超音波の周波数をｆ_０、音速をＶとする。

送信機１に対してドップラー効果による周波数変化Δｆ_１は、それぞれの速度ベクトルの照射方向への射影が作用するので、以下の（１）式のようになる。

送信機２に対するドップラー効果による周波数変化Δｆ_２についても同様にして、以下の（２）式のようになる。

ここで、ベクトル演算記号”ｏ”は内積を意味する。又、左辺のマイナス符号は、音の進む方向と搬送方向が同じ場合、周波数が低くなることを意味している。送信機１、２からは、同じ周波数ｆ_０の超音波が搬送面に照射されているが、ドップラー効果により送信機１からの超音波は、ｆ_０＋Δｆ_１の周波数で受信され、送信機２からは、ｆ_０＋Δｆ_２として受信されることになる。

従って、受信されるそれぞれの振幅の時間変化は、
送信機１からの超音波；ｓｉｎ２π（ｆ_０＋Δｆ_１）ｔ
送信機２からの超音波；ｓｉｎ２π（ｆ_０＋Δｆ_２）ｔ
と表すことができる。

受信される超音波は、これらの合成波であるから、

と表すことができる。この式は、２つの超音波の合成によってビートが起こり、受信される超音波の振幅が（Δｆ_１−Δｆ_２）/２の周波数で変調されることを意味している。従って、この変調の周波数を測定することにより、ドップラー効果による周波数変化Δｆ_１、Δｆ_２の情報を得ることが出来る。

（１）、（２）式より、検出されるビート周波数は次式となる。

（３）式の右辺第１項は、ベルト搬送機構４の搬送方向の成分を表し、第２項はベルト搬送機構４の搬送面に対して法線方向の成分を示す。

ここで、搬送方向の速度のみを検出したいのだから、（第２項）＝０。即ち、
（ｉ−ｊ）ｏｖ＝０ …（４）
この条件式は、照射方向の引き算ベクトルｉ−ｊと、搬送面法線方向の速度ベクトルｖが垂直であることを意味している。つまり、ベクトルｉ−ｊが搬送面内（ＸＹ面内）にあることを意味している。

これが成り立つためには、送信機１の照射方向ベクトルｉと送信機２の照射方向ベクトルｊのＺ成分が等しければ良い。この時、これらの引き算ベクトルｉ−ｊは、Ｘ、Ｙ成分しか残らないから、搬送面内のベクトルとなる。即ち、送信機１、２の搬送面に対する照射の入射角を等しくすれば良い。

この時、（４）式が成り立ち、（３）式は、以下のように簡略化される。

従って、受信されるビート周波数にはベルト搬送機構４の搬送方向の成分しか含まれていないので、この周波数を測定することにより、搬送方向の速度ベクトルｕのみを検出できることがわかる。ただし、ビートが発生するためには、上式より
（ｉ−ｊ）ｏｕ≠０ …（６）
であることが必要である。これは、２つの照射方向のベクトルｉ、ｊの搬送方向の成分（Ｘ成分）が同じでないことを意味する。このためには、２つの送信機１，２からの超音波照射の搬送面内方位が、搬送方向に対して非対称であれば良いことがわかる。

ここで、送信機１、２の搬送面の法線に対する入射角を等しくするとは、超音波は回折による広がり角を有するので、広がり角の範囲内で一致していれば良いことになる。例えば市販の圧電素子を使った一般的な超音波発振子の場合、±３０°程度の広がり角を有するので、送信機１から放射される超音波の最大強度を有する方向を送信機１の超音波の照射方向であるとすると、ベルト搬送機構４の搬送面とのなす角を入射角θとしたとき、送信機２の超音波の照射方向がθ±３０°の範囲内であれば、送信機１、２の入射角が等しいものとして速度検出が可能となる。

（第１実施形態）
以下に、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態の構成を示す図である。図２に示すように、第１実施形態では、ベルト搬送機構４の搬送面上に速度測定対象である測定位置５が設定されている。送信機１は、ベルト搬送機構４の上方で、搬送面の法線と搬送方向を含む面内で搬送面上の測定位置５に超音波を照射可能に配置されている。送信機２は、ベルト搬送機構４の搬送面の法線を含む搬送方向に垂直な面内で搬送面に対して送信機１と等しい入射角で同じ位置である測定位置５に超音波を照射するように配置されている。受信機３は測定位置５の法線上に配置されている。

以下に、上記した構成の作用を説明する。送信機１及び送信機２から搬送面の測定位置５に向かい同時に超音波を照射する。搬送面の測定位置５で散乱した２つの重ね合わされた合成波である超音波を、受信機３で受信して検出し、その検出した波形からうなりの周波数を算出し測定位置５の速度を検出する。ここで図１と同じ記号、同じ座標系を用いて、本実施形態の作用を具体的に説明する。

ここでの送信機１、２の、超音波照射方向を表す単位ベクトルｉ、ｊは、次のようになる。

ｉ＝（−ｃｏｓθ、０、ｓｉｎθ）
ｊ＝（０、−ｃｏｓθ、ｓｉｎθ）
搬送方向の速度ベクトルｕは、
ｕ＝（ｕ、０、０）
で表されるので、上記（５）式より、受信機３により受信されて検出されるビート周波数ｆｂは、

従って、ビート周波数ｆｂを測定することにより、ベルト搬送機構４の搬送方向の速度ベクトルｕを求めることができる。このビート周波数の一例としては、送信機１、２に、ｆ_０＝４００ｋＨｚの超音波振動子を使用し、記録媒体の搬送機構の速度検出への適用を想定すると、ｕ≒０．５ｍ/ｓｅｃ、であるから、ｆｂ≒１４７Ｈｚ（∵θ＝６０°、Ｖ＝３４０ｍ/ｓｅｃ）程度である。従って、速度検出は容易に行なうことができる。

図３は上記した速度検出を行う検出部の一構成例を示す図であり、受信機３に加えて、ローパスフィルタ回路１１と、コンパレータ１２と、基準クロック発生器１３と、ＡＮＤゲート１４と、パルスカウンタ１５とからなるビート周波数測定装置が追加されている。３−１は受信機３からの出力波形であり、１１−１はローパスフィルタ回路１１の出力波形であり、１２−１はコンパレータ１２の出力波形であり、１３−１は基準クロック発生器１３の出力波形であり、１４−１はＡＮＤゲート１４の出力波形である。

受信機３で受信した超音波に基づく電気信号は、ローパスフィルタ１１を通過させることによって、ビート波形の振幅変化のみからなる信号波形１１−１が抽出される。これをコンパレータ１２に入力して１２−１で示すような矩形波に変換して出力する。この矩形波１２−１のパルス時間幅Ｔは、ビートの節から節までの時間幅に相当し、
Ｔ∝２/ｆｂ
である。従って、パルス時間幅Ｔを測定すれば、ビート周波数ｆｂを求めることができる。このパルス時間幅Ｔは、基準クロック発生器１３とパルスカウンタ１５とにより測定することができる。すなわち、基準クロック発生器１３からは、クロックパルス１３−１が出力されている。このクロックパルス１３−１と、受信されたパルス時間幅Ｔの矩形波１２−１とをＡＮＤゲート１４に入力すると、時間幅Ｔの間だけ持続するクロックパルス群１４−１となる。このクロックパルス群１４−１に含まれるパルス数をパルスカウンタ１５でカウントすることにより、矩形波信号の時間幅Ｔが計測される。

パルスカウンタ１５でのパルス数カウントのタイミング制御は、矩形波信号自身で行なう。パルスカウンタ１５に入力された矩形波信号が、”Ｈｉｇｈ”のタイミングで、クロックパルス数のカウントが始まり、”Ｌｏｗ”のタイミングで終了する。

上記構成を用いて、ｐＨｚのクロックパルスをｎパルスだけカウントしたとすれば、矩形波信号の周波数はｐ/ｎＨｚで求められ、この値に適当な補正係数を掛ければ、ビート周波数ｆｂを得ることができる。

上記した第１実施形態によれば、ドップラー効果を使って、搬送方向の速度成分のみを検出できるので、搬送速度の検出精度が向上する。

なお、図２では送信機１、２からの超音波の反射波を検出するために受信機３を送信機１，２と同じ側に配置しているが、ベルトを用いた搬送機構においては、図４に示すように、受信機３と送信機１，２とをベルトを挟んで互いに反対側に（対向するように）配置することも可能である。この場合も、送信機１，２から照射される超音波によってベルトが振動し、それが２次音源となって、受信機３により受信されて検出される。ベルトが受ける超音波の周波数がドップラー効果によって、もとの周波数から変化し、その周波数変化を検出するという原理は同様である。また、送信機１、２の向きが直角に曲げられているので、長さを短くできコンパクトな速度検出装置とすることができる。

（第２実施形態）
以下に、図面を参照して本発明の第２実施形態を詳細に説明する。図５は、本発明の第２実施形態の構成を示す図である。本発明の搬送速度検出装置の第２実施形態では、送信機１、送信機２、および受信機３を、ベルト搬送機構４の搬送面の法線を含む同じ面内に配置したことを特徴とする。送信機１、２から搬送面に対する入射角θは等しく、同じ面内で測定位置５を挟んでそれぞれ対向する方位に超音波を照射するように設置されている。

上記した構成において、第１実施形態と同様に、送信機１及び送信機２からベルト搬送機構４の搬送面上の測定位置５に向かい同時に超音波を照射する。搬送面の測定位置５で散乱した２つの重ね合わされた合成波である超音波を受信機３で受信する。その受信した波形からビート周波数を算出し測定位置の速度を検出する。

以下に図５を用いて第２実施形態を具体的に説明する。送信機１、２の、超音波照射方向を表す単位ベクトルｉ、ｊは、次のように書くことができる。

ここで、θは、搬送面に対する入射角で、φは、搬送面内（ＸＹ面）で搬送方向（Ｘ軸）に対する方位角である。

第１実施形態と同様に、（５）式に基づいて、ビート周波数ｆｂを求めると、

となる。従って、ビート周波数ｆｂの検出により、搬送方向の速度ベクトルｕのみを検出することができる。

図６は、第２実施形態の変形例を説明するための図である。この変形例では、図５で説明した構成において、超音波照射方向が搬送方向と平行になるように送信機１，２及び受信機３を配置したことを特徴とする。この場合、超音波照射の方位角φ＝０となるので、ビート周波数ｆｂは以下の（８）式となる。

このビート周波数ｆｂを第１実施形態で求めた（７）式と比較すると、２倍となっていることが判る。第２実施形態では、超音波照射の方向をできるだけ搬送方向に平行になるように配置することによって、同じ搬送方向の速度ベクトルｕの変化に対してビート周波数ｆｂの変化が大きくなるので、高い検出感度で、搬送速度の検出が可能となる。

超音波照射の方位角φをφ＜６０°とすれば、第１実施形態より高い検出感度が得られ、最大２倍の検出感度が得られることがわかる。

なお、ビート周波数ｆｂの測定に当たっては、第１実施形態と同様に、図３に示す構成を用いて測定することができる。

上記した第２実施形態によれば、ドップラー効果を用いて、搬送方向の速度成分のみを、より高感度に検出できる。また、同一平面上に２つの送信機、受信機を配置しているので、厚さがコンパクトな構成とすることができる。

（本発明の応用例）
図７は、本発明の搬送速度検出装置を画像形成装置に適用したときの構成を示す模式図である。記録媒体である印刷用紙２０６はベルト搬送機構４上を右方向に搬送される。ベルト搬送機構４の上方には超音波を出力する２つの送信機１，２が配置され、発振器２００により駆動される。送信機１，２は超音波を測定位置５に向けて照射する。発振器２００は描画制御部２０１からの指示信号で駆動される。２つの送信機１，２からの超音波が照射される測定位置５の上方には受信機３が配置されている。

測定位置５で反射された反射波を受信した受信機３は検出器２０２に反射波信号を送る。検出器２０２ではビート周波数を算出してタイミング制御部２０３に送る。受信機３と検出器２０２は、ベルト搬送速度を検出する検出部を構成する。タイミング制御部２０３は描画制御装部２０１からの描画指示の信号と検出器２０２からのビート周波数信号に基づいて最適な描画タイミングを表す信号をインクヘッド制御部２０４に送る。当該信号を受けたインクヘッド制御部２０４はインクヘッド２０５にインク射出の指示信号を送り、それに従い印刷用紙２０６に印刷を行なう。これにより画像に濃度ムラが生じない印刷を実現することができる。

なお、本発明は、画像形成装置の紙送り機構としてのベルト式の記録媒体の搬送機構を例に説明を行なったが、この分野に限るものではなく、また、ベルトコンベア等のベルト状の場合や板状、筒状、Ｕ字状であってもよく、超音波を照射できる面を有するもので搬送を行なう場合については好適に使用できるものである。

本発明の説明では送信機から放射される超音波の最大強度を有する方向を送信機の超音波の照射方向として説明を行なっている。

受信機の位置について、厳密に測定位置の搬送面の法線上にある必要はなく、反射波の受信できる範囲であればある程度の位置ズレは許容できるものである。

また、測定時に各送信機の照射する前方には必要な方向のみ通過させ指向性を持たせるため管状部材や開口部材等を設置し、不要な角度からの反射波を低減することが望ましい。さらに、搬送面上の超音波反射面は超音波の入射波長よりも大きな凹凸を有することが望ましい。

本発明の搬送速度検出装置の概略を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の構成を示す図である。 速度検出を行う検出部の一構成例を示す図である。 受信機と送信機の配置の他の例を示す図である。 本発明の第２実施形態の構成を示す図である。 第２実施形態の変形例を説明するための図である。 本発明の搬送速度検出装置を画像形成装置に適用したときの構成を示す模式図である。 従来の搬送速度検出装置の構成を示す図である。

符号の説明

１、２…送信機、３…受信機、４…ベルト搬送機構、５…測定位置。

Claims (7)

1. 搬送装置の搬送面の速度を検出する搬送速度検出装置であって、
   前記搬送面の所定の測定位置に所定の入射角で超音波を照射する第１送信部と、
   前記所定の測定位置と同一の測定位置に前記所定の入射角と略同一の入射角で超音波を照射する第２送信部と、
   前記所定の測定位置の法線上に配置され、前記所定の測定位置で反射された前記第１送信部からの超音波と、前記所定の測定位置で反射された前記第２送信部からの超音波とに基づいて搬送速度を検出する検出部と、
   を具備することを特徴とする搬送速度検出装置。
2. 前記第１送信部により照射される超音波と、前記第２送信部により照射される超音波とは、前記搬送装置の搬送方向に対して非対称になるように照射されることを特徴とする請求項１記載の搬送速度検出装置。
3. 前記第１送信部と、前記第２送信部とは、前記搬送装置の搬送面の法線を含む面内で互いに対向して配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の搬送速度検出装置。
4. 前記第１送信部と、前記第２送信部とは、前記搬送装置の搬送方向を含む面内で互いに対向して配置されていることを特徴とする請求項３記載の搬送速度検出装置。
5. 前記第１送信部は、前記搬送装置の搬送面の法線と搬送方向とを含む面内に配置され、前記第２送信部は、前記搬送装置の搬送面の法線と搬送方向と直交する方向とを含む面内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の搬送速度検出装置。
6. 前記第１送信部の、前記搬送面に対する超音波照射の入射角をθとするとき、前記第２送信部は、前記搬送面に対してθ±３０°の範囲内で超音波を照射することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の搬送速度検出装置
7. 画像が形成される記録媒体を搬送する搬送装置の搬送面の速度ムラを検出する搬送速度検出装置を備えた画像形成装置であって、
   前記搬送速度検出装置は、
   前記搬送面の所定の測定位置に所定の入射角で超音波を照射する第１送信部と、
   前記所定の測定位置と同一の測定位置に前記所定の入射角と略同一の入射角で超音波を照射する第２送信部と、
   前記所定の測定位置の法線上に配置され、前記所定の測定位置で反射された前記第１送信部からの超音波と、前記所定の測定位置で反射された前記第２送信部からの超音波とを検出する検出部と、
   を具備することを特徴とする画像形成装置。

Images