JP2010141995A - モータ制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流検出回路のような付加的なハードウエアを設けることなく、像担持体に対する負荷の大きさに応じて駆動制御ゲインを切り替えることが可能なモータ制御装置を提供する。
【解決手段】 感光ドラム２ａを回転駆動するＤＣモータ２０４と、感光ドラム２ａの回転速度を検知する速度検知部２０７と、速度検知部２０７が検知した回転速度に基づいてフィードバック制御値を演算する制御演算部２０１と、制御演算部２０１のフィードバック制御値をパルス幅変調したＰＷＭ信号をＤＣモータ２０４へ供給するＰＷＭ生成部２０３と、ＰＷＭ生成部２０３から出力されたＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインを制御演算部２０１へ供給する中央演算部２０８を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、モータのフィードバック制御を行うモータ制御装置及びこれを備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置は、感光ドラムを露光して静電潜像を形成し、帯電したトナーにより静電潜像を現像してトナー像を形成し、そのトナー像を中間転写体に転写した後、記録紙に転写することにより、記録紙に画像を形成する。このような画像形成装置が高品位な画像形成を行うためには、感光ドラムや中間転写体のような像担持体の回転駆動を高精度かつ安定的に行うことが求められる。

高精度かつ安定的に像担持体の駆動制御を行うためには、像担持体に対する負荷の大きさに応じて駆動制御ゲインを切り替える必要がある。像担持体に対する負荷としては、像担持体に接触する部材に起因する負荷、像担持体や駆動伝達ギアの軸受部分の負荷などがある。これらの負荷は経年変化により変動する。像担持体に対する負荷が小さいときに駆動制御ゲインが大きいと、像担持体を安定的に回転させることができない。一方、像担持体に対する負荷が大きいときに駆動制御ゲインが小さいと、像担持体を高精度に回転させることができない。

像担持体に対する負荷の大きさに応じて駆動制御ゲインを切り替える手法として、像担持体を駆動するモータの電流を検出することで、像担持体に対する負荷変動を検出し、駆動制御ゲインを切り替えることが提案されている（特許文献１）。
特開平０９−１１７１７６号公報

しかしながら、特許文献１に示された手法では、像担持体に対する負荷変動を検出するために、モータの電流検出回路を設けなければならず、その分コスト高となってしまう。本発明の目的は、電流検出回路のような付加的なハードウエアを設けることなく、像担持体に対する負荷の大きさに応じて駆動制御ゲインを切り替えることが可能なモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、回転体を回転駆動するモータと、前記モータまたは前記回転体の回転速度を検知する速度検知手段と、前記速度検知手段が検知した回転速度に基づいてフィードバック制御値を演算するフィードバック演算手段と、前記フィードバック演算手段のフィードバック制御値をパルス幅変調したＰＷＭ信号を前記モータへ供給するＰＷＭ生成手段と、前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインを前記フィードバック演算手段へ供給するゲイン設定手段と、を有することを特徴とするモータ制御装置を提供するものである。

また、本発明は、記録紙に画像を形成するための像担持体と、前記像担持体を回転駆動するモータと、前記モータまたは前記像担持体の回転速度を検知する速度検知手段と、前記速度検知手段が検知した回転速度に基づいてフィードバック制御値を演算するフィードバック演算手段と、前記フィードバック演算手段のフィードバック制御値をパルス幅変調したＰＷＭ信号を前記モータへ供給するＰＷＭ生成手段と、前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインを前記フィードバック演算手段へ供給するゲイン設定手段と、を有することを特徴とする画像形成装置を提供するものである。

本発明によれば、付加的なハードウエアを設けることなく、像担持体に対する負荷の大きさに応じて駆動制御ゲインを切り替えることができ、低コストなモータ制御装置及び画像形成装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を備えた画像形成装置の断面図である。この画像形成装置は、電子写真方式のフルカラープリンタである。１は画像形成装置、２ａ〜２ｄは第１の像担持体あるいは回転体としての感光ドラム、３ａ〜３ｄは帯電器、４ａ〜４ｄはクリーナ、５ａ〜５ｄはレーザー走査ユニット、６ａ〜６ｄは転写ブレードである。７ａ〜７ｄは現像ユニット、８ａ〜８ｄは現像器、９は第２の像担持体あるいは回転体としての中間転写ベルト、１０、１１及び２１は中間転写ベルト９を支持しているローラ、１２はクリーナである。１３は記録紙Ｓを収納した手差しトレイ、１４，１５はそのピックアップローラ、１６はレジストレーションローラ、１７は記録紙Ｓを収納した給紙カセット、１８，１９はピックアップローラである。２０は縦パスローラ、２２は二次転写ローラ、２３は定着ローラ、２４は内排紙ローラ、２５は排紙ローラ、２６は排紙トレイである。２１０は操作部である。感光ドラム２ａ〜２ｄ、ローラ１０（中間転写ベルト９）、定着ローラ２３等は、後述するＤＣモータにより回転駆動される。

画像形成装置１において、各色用の感光ドラム２ａ〜２ｄに対し、半導体レーザーを光源とする各々のレーザー走査ユニット５ａ〜５ｄにより静電潜像が形成され、この静電潜像は各々の現像器８ａ〜８ｄにより現像される。そして、この感光ドラム２ａ〜２ｄ上に現像された各色のトナー画像は、中間転写ベルト９に一次転写される。中間転写ベルト上の４色のトナー像は、二次転写ローラ２２部で記録紙に転写され、定着ローラ２３、内排紙ローラ２４などからなる熱定着器により記録紙上に定着される。

これに並行して、記録紙は給紙カセット１７または手差しトレイ１３から給紙され、レジストレーションローラ１６によりレジストレーションタイミングにおいて二次転写ローラ２２へ向けて搬送される。

図２は、モータ制御装置の制御ブロック図である。２０１はモータのフィードバック制御を行う制御部、２０２は制御演算部、２０３はＰＷＭ（パルス幅変調）生成部、２０４はＤＣモータ、２０５はギア列、２０６は感光ドラム、２０７は回転速度検知部、２０８は中央演算部である。

回転速度検知部２０７は、感光ドラム２ａの回転速度（角速度または周速）を検知する。回転速度検知部２０７は、ＤＣモータ２０４の回転速度を検知することにより感光ドラム２ａの回転速度を検知するものでもよい。回転速度検知部２０７が検知した回転速度信号（Ｓｐｅｅｄ）は、中央演算部２０８に入力される。中央演算部２０８は、検知した回転速度を目標回転速度から減算して、速度差分信号（Ｓｐｅｅｄ＿ｄｉｆｆ）を生成し、制御演算部２０２へ供給する。制御演算部２０２は、フィードバック演算部であり、速度差分信号（Ｓｐｅｅｄ＿ｄｉｆｆ）に基づいてフィードバック制御値を演算し、フィードバック制御値をＰＷＭ生成部２０３へ供給する。ＰＷＭ生成部２０３は、制御演算部２０２の演算したフィードバック制御値をパルス幅変調することによりＰＷＭ波形（ＰＷＭ信号）を生成する。ＰＷＭ生成部２０３で生成されたＰＷＭ波形は、ＤＣモータ２０４に供給されるとともに、後述するように中央演算部２０８にも供給される。

ＤＣモータ２０４は、ＰＷＭ制御仕様のモータであり、ＰＷＭのデューティ幅によってモータ出力を制御できる。具体的には、モータコイルに印加する電圧をＰＷＭ制御しており、ＰＷＭのデューティ幅が大きいほど、モータコイルへの平均印加電圧が大きくなる。モータコイルへの平均印加電圧が大きいほど、モータの発生トルクが大きく、あるいは、モータの回転速度が速くなる。ＤＣモータ２０４で発生した回転駆動力は、ギア列２０５を介して感光ドラム２ａを回転駆動させる。ここでは、感光ドラム２ａの駆動のみを説明するが、他の感光ドラム２ａや他の駆動対象の駆動についても同様である。

制御演算部２０２は３つのモジュール、すなわち比例演算部２０２ｐ、積分演算部２０２ｉ、２重積分演算部２０２ｉｉを有する。それぞれの演算部に対して、フィードバックゲインの設定が可能であり、中央演算部２０８によって、比例演算部にはＰｇａｉｎ、積分演算部にはＩｇａｉｎ、２重積分演算部にはＩＩｇａｉｎが設定される。初期状態においては、前述の各部演算部に対して中央演算部２０８によって比例演算部にはＰｇａｉｎ＿ｉｎｉ、積分演算部にはＩｇａｉｎ＿ｉｎｉ、２重積分演算部にはＩＩｇａｉｎ＿ｉｎｉが設定される。

制御演算部２０２は、中央演算部２０８から出力される速度差分信号（Ｓｐｅｅｄ＿ｄｉｆｆ）に対して、比例演算、積分演算、２重積分演算を行い、それぞれの演算結果を加算する。ここで、比例演算は、速度差分信号に比例した信号なので、速度補正信号を意味する。積分演算は、速度差分信号を積分した信号なので、位置補正信号を意味する。２重積分演算は、速度差分信号を２重積分した信号なので、位置変動補正信号を意味する。

回転速度検知部２０７の回転速度信号（Ｓｐｅｅｄ）が中央演算部２０８に、中央演算部２０８の速度差分信号（Ｓｐｅｅｄ＿ｄｉｆｆ）が制御演算部２０２に、制御演算部２０２の演算結果がＰＷＭ生成部２０３に繰り返し入力される。従って、感光ドラム２ａに対して逐次リアルタイムフィードバック制御を行うことができる。

図３は、ＰＷＭ生成部２０３で生成されるＰＷＭ波形を示す図である。ＰＷＭ波形の周期Ｔは一定であり、１周期の中のパルス幅（デューティ比）により制御量が表される。ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４がオンデューティ期間であり、１周期の中のオンデューティ期間が長いほど、ＤＣモータ２０４の出力は大きくなる。ＰＷＭ生成部２０３は、中央演算部２０８の基準クロックＣＬＫを基準として、周期とパルス幅を生成する。

図４は、ＰＷＭ生成部２０３で生成されるＰＷＭ波形のデューティの変化を示す図である。実線のＰＷＭ波形４０１は、感光ドラム２ａの駆動系の経年変化という視点での初期のＰＷＭデューティの変化を示している。ＰＷＭ波形４０１において、周期性をもった比較的短い周期のＰＷＭデューティの変化は、ギア列２０５の偏芯（芯ズレ）等に起因する負荷変動（トルク変動）に応じたモータ出力を得るために生じている。このＰＷＭデューティの変化周期よりも短いサンプリング周期で、ＰＷＭデューティを複数回サンプリングし、平均を算出することで、初期のＰＷＭデューティの平均値ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｉｎｉが得られる。感光ドラム２ａを一定の回転速度で駆動した場合、感光ドラム２ａに対する負荷が変動しない限り、ＰＷＭデューティの平均値はほぼ一定である。

感光ドラム２ａの駆動系の経年劣化によって、感光ドラム２ａに対する負荷が大きくなった場合のＰＷＭ波形は、破線のＰＷＭ波形４０２のようになる。経年劣化によって感光ドラム２ａの負荷が大きくなる原因としては、感光ドラム２ａや駆動伝達ギアの軸受の摩耗や潤滑油減少などが挙げられる。このときのＰＷＭデューティの平均値も、ＰＷＭデューティを複数回サンプリングし、平均を算出することで、ＰＷＭデューティ平均値ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ａｖｅを得ることができる。ここで、ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｉｎｉとＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ａｖｅの差をＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｄｉｆｆとする。

図５は、モータ制御装置のフィードバックゲインを更新するために、中央演算部２０８がゲイン調整モード時に実行するフローチャートである。ゲイン調整モードが実行される前提として、後述するステップＳ５０２〜Ｓ５０４と同様の処理により、感光ドラム２ａの駆動系の初期時のＰＷＭデューティ平均値ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｉｎｉが算出され、中央演算部２０８内の不揮発メモリに記憶されているものとする。まず、中央演算部２０８は、目標回転速度をｖ（≠０）に設定することにより、ＤＣモータ２０４を回転させる（Ｓ５０１）。

次に、中央演算部２０８は、ＤＣモータ２０４がＰＷＭ＿ｄｕｔｙ幅を１００ｍｓ周期で２０回サンプリングする（Ｓ５０２）。そして、中央演算部２０８は、２０個のサンプリングデータのうち、最大値、最小値を除いた１８個のデータから平均値ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ａｖｅを算出し（Ｓ５０３）、中央演算部２０８内のメモリに記憶する（Ｓ５０４）。

次に、中央演算部２０８は、ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿幅の変化分ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｄｉｆｆ＝（ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｉｎｉ）−（ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ａｖｅ）を算出する（Ｓ５０５）。そして、中央演算部２０８は、制御パラメータ比率Ｒｃｐ＝Ｃ×（ＰＷＭ＿ｄｕｔｙ＿ｄｉｆｆ）を算出する（Ｓ５０６）。ここで、Ｃは定数であり、適用する駆動系の特性に応じて決定される。次に、中央演算部２０８は、フィードバックゲインの初期値（Ｐｇａｉｎ＿ｉｎｉ、Ｉｇａｉｎ＿ｉｎｉ、ＩＩｇａｉｎ＿ｉｎｉ）に制御パラメータ比率（Ｒｃｐ）を乗じて、フィードバックゲインの初期値（Ｐｇａｉｎ＿ｉｎｉ、Ｉｇａｉｎ＿ｉｎｉ、ＩＩｇａｉｎ＿ｉｎｉ）との差をとる（Ｓ５０７）。すなわち、各ゲイン設定値Ｐｇａｉｎ＝（Ｐｇａｉｎ＿ｉｎｉ）×（１−Ｒｃｐ）、Ｉｇａｉｎ＝（Ｉｇａｉｎ＿ｉｎｉ）×（１−Ｒｃｐ）、ＩＩｇａｉｎ＝（ＩＩｇａｉｎ＿ｉｎｉ）×（１−Ｒｃｐ）を算出する。中央演算部２０８は、内部の不揮発メモリに記憶されているフィードバックゲイン（Ｐｇａｉｎ、Ｉｇａｉｎ、ＩＩｇａｉｎ）を、算出したフィードバックゲインに更新する。上述したように、ステップＳ５０５〜Ｓ５０７において、ＰＷＭ波形に基づいてフィードバックゲインのゲイン演算を行っている。

そして、中央演算部２０８は、目標回転速度を０に設定することにより、ＤＣモータ２０４の回転を停止させる（Ｓ５０８）。

画像形成装置が画像形成動作をする際、中央演算部２０８は、内部の不揮発メモリに記憶されたフィードバックゲイン（Ｐｇａｉｎ、Ｉｇａｉｎ、ＩＩｇａｉｎ）を制御演算部２０２へ供給する。これにより、感光ドラム２ａの負荷変動に応じたＤＣモータ２０４の出力制御がなされる。

上述したゲイン調整モードは、ＤＣモータ２０４、ギア列２０５、感光ドラム２ａなどの駆動系の負荷変動を考慮した時期に行われるのがよい。具体的には、感光ドラム２ａなどのモータ駆動対象が交換されたときや、画像形成装置の画像形成枚数が所定の枚数に達したとき（所定枚数毎）などがよい。

そこで、中央演算部２０８は、感光ドラム２ａの交換を行ったサービスマンによりその旨が操作部２１０を介して入力されると、感光ドラム２ａが交換されたことを認識し、これに応じてゲイン調整モードを実行する。また、中央演算部２０８は、回転速度検知部２０７の出力を累積記憶しておくことにより、感光ドラム２ａの総回転量を検知する回転量検知モジュールを有し、検知した総回転量が所定回転量に達したことに応じてゲイン調整モードを実行する。中央演算部２０８は、画像形成装置が画像形成した記録紙のページ数をカウントすることにより、感光ドラム２ａの総回転量を検知するようにしてもよい。

以上説明したように、付加的なハードウエアを追加することなく、モータの駆動対象の負荷の変動を捉えることができるので、低コスト化に寄与できる。また、モータ軸上負荷の平均値を演算するにあたっては、制御演算値を直接扱うので、電流検出法に比べて簡便な構成で高精度な演算結果が得られる。

本発明の実施形態に係るモータ制御装置を備えた画像形成装置の断面図である。 モータ制御装置の制御ブロック図である。 ＰＷＭ生成部２０３で生成されるＰＷＭ波形を示す図である。 ＰＷＭ生成部２０３で生成されるＰＷＭ波形のデューティの変化を示す図である。 モータ制御装置のゲイン調整モード時に中央演算部２０８が実行するフローチャートである。

符号の説明

２ａ〜２ｄ 感光ドラム
２０１ 制御部
２０２ 制御演算部
２０２ｐ 比例演算部２０２ｐ
２０２ｉ 積分演算部
２０２ｉｉ ２重積分演算部
２０３ ＰＷＭ生成部
２０４ ＤＣモータ
２０５ ギア列
２０７ 回転速度検知部
２０８ 中央演算部

Claims (9)

1. 回転体を回転駆動するモータと、
   前記モータまたは前記回転体の回転速度を検知する速度検知手段と、
   前記速度検知手段が検知した回転速度に基づいてフィードバック制御値を演算するフィードバック演算手段と、
   前記フィードバック演算手段のフィードバック制御値をパルス幅変調したＰＷＭ信号を前記モータへ供給するＰＷＭ生成手段と、
   前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインを前記フィードバック演算手段へ供給するゲイン設定手段と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記ゲイン設定手段は、前記ＰＷＭ生成手段により生成されるデューティ比に基づいてフィードバックゲインを演算することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記ゲイン設定手段は、前記ＰＷＭ生成手段により生成されるデューティ比に基づいたパラメータをフィードバックゲインの初期値に乗ずることにより、フィードバックゲインを演算することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 前記ゲイン設定手段は、前記ＰＷＭ生成手段により生成されるデューティ比を複数回サンプリングし、サンプリングデータの平均値に基づいてフィードバックゲインを演算することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
5. 前記回転体が交換されたことを認識する認識手段を有し、
   前記ゲイン設定手段は、前記認識手段により前記回転体が交換されたことが認識されたことに応じて、前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号をサンプリングし、ＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインに更新することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
6. 前記回転体の総回転量を検知する回転量検知手段を有し、
   前記ゲイン設定手段は、前記回転量検知手段が所定回転量を検知したことに応じて、前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号をサンプリングし、ＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインに更新することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
7. 記録紙に画像を形成するための像担持体と、
   前記像担持体を回転駆動するモータと、
   前記モータまたは前記像担持体の回転速度を検知する速度検知手段と、
   前記速度検知手段が検知した回転速度に基づいてフィードバック制御値を演算するフィードバック演算手段と、
   前記フィードバック演算手段のフィードバック制御値をパルス幅変調したＰＷＭ信号を前記モータへ供給するＰＷＭ生成手段と、
   前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインを前記フィードバック演算手段へ供給するゲイン設定手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。
8. 前記像担持体が交換されたことを認識する認識手段を有し、
   前記ゲイン設定手段は、前記認識手段により前記像担持体が交換されたことが認識されたことに応じて、前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号をサンプリングし、ＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインに更新することを特徴とする請求項７記載の画像形成装置。
9. 前記像担持体の総回転量を検知する回転量検知手段を有し、
   前記ゲイン設定手段は、前記回転量検知手段が所定回転量を検知したことに応じて、前記ＰＷＭ生成手段から出力されたＰＷＭ信号をサンプリングし、ＰＷＭ信号に基づいたフィードバックゲインに更新することを特徴とする請求項７記載の画像形成装置。

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