JP2012226201A - 回転体速度検出装置および画像形成装置 - Google Patents

回転体速度検出装置および画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】コストアップすることなく、エンコーダホイールの機械原点の検出を行う。
【解決手段】回転体の回転軸に連結され、円周方向に沿って格子状のパターンが形成されたエンコーダホイールの回転中心に対して互いに対向して配置された2つの検出センサによって回転体の回転速度を検出する際、比較器301−3および302−3はそれぞれ2つの検知センサの出力の立ち上がりエッジを検出して第1および第2のエッジ信号を得る。判定回路は第1および第2のエッジ信号においていずれか先行しているか否かを判定して判定結果を得る。生成回路は判定結果で示す先行順序が逆転したタイミングでエンコーダホイールの機械原点を示す原点検出信号を生成する。
【選択図】図6

Description

本発明は、電子写真プロセスを用いた画像形成装置において、感光ドラムなどの回転体の回転速度を検知するための回転体速度検出装置およびこれを備えた画像形成装置に関する。
一般に、電子写真プロセスを用いたカラー画像形成装置においては、複数の感光ドラムが備えられている。そして、これら感光ドラム毎に各色のトナー像を形成して、各色トナー像を無端ベルト状の中間転写体に順次重ね合わせて転写して、カラートナー像とする。続いて、中間転写体上のカラートナー像を記録シートに転写して画像形成を行っている。
上記のようなカラー画像形成装置では、感光ドラムを回転駆動するための駆動源として、一般にブラシレスDCモータが用いられている。さらに、感光ドラム軸における回転速度の安定を図るため、感光ドラム軸上に回転速度検知センサなどを配置して、フィードバック制御等によって感光ドラム軸の回転速度を安定化することが行われている(例えば、特許文献1参照)。
加えて、感光ドラム軸における回転速度を検知するための構成を安価にするとともに、検知センサの取り付け誤差およびガタ等に起因する速度検知誤差を低減するようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
ここでは、感光ドラム軸にエンコーダホイールを取り付けて、2つの検知センサを感光ドラム軸に対して対向して配置するようにしている。そして、この構成によって、エンコーダホイールが感光ドラム軸に対して偏心して取り付けられたとしても、2つの検知センサによる検出結果を平均処理して、正確に感光ドラム軸の角速度検出を行うようにしている。
特開昭62−178982号公報 特開平7−140844号公報
ところで、特許文献2においては、回転円板(以下エンコーダホイール又はホイールスケールともいう)を感光ドラム軸に配設し、この回転円板に等間隔ピッチとなるように光学パターンを形成している。一方、感光ドラム軸に対して検知センサ(以下エンコーダセンサともいう)を対向して配置して、回転円板の光学パターンを検出する。そして、光学パターンの検出に応じて検知センサから出力されるパルス周期又は所定のサンプル周期におけるパルスのカウント数に基づいて感光ドラム軸の速度制御を行っている。
ところが、特許文献2に記載の手法では、感光ドラム軸の一回転周期の低周波成分が十分に除去されず、しかも複数の感光ドラムの間において位相誤差が生じると、画像形成の際に色ずれなどの画質低下が生じてしまう。
そして、画像形成の際に画質の改善を行うためには、感光ドラム毎の一回転周期およびその高次(例えば、4次)成分を感光ドラム軸の原点位置(以下機械原点と呼ぶ)に応じて補正する必要がある。
機械原点を検出するためには、ホイールスケールに光学パターンとは別に原点位置検出用パターンを形成する必要がある。さらに、エンコーダセンサとは別に原点検出を行うためのセンサが必要となる。または、ホイールスケールとは別の原点位置検出部材を感光ドラム軸に設けて、原点位置検出センサを用いて機械原点の検出を行う必要がある。
このように、画質の改善を行うため、機械原点の検出を行おうとすると、ホイールスケールおよびエンコーダセンサなどの部品点数が増加し、コストのアップの要因となるばかりでなく、制御のための束線数が増加してしまうという課題がある。
従って、本発明の目的は、コストアップすることなく、機械原点の検出を行うことができる回転体速度検出装置および画像形成装置を提供することにある。
本発明による回転体速度検出装置は、回転体の回転軸に連結され、円周方向に沿って格子状のパターンが形成されたエンコーダホイールと、前記エンコーダホイールの回転中心に対して互いに対向して配置され、前記パターンのピッチを検出する第1および第2の検出センサと、前記第1および第2の検出出力の立ち上がりエッジを検出してそれぞれ第1および第2のエッジ信号を得るエッジ判別手段と、前記第1および前記第2のエッジ信号においていずれか先行しているか否かを判定して先行順判定結果を得る判定手段と、前記先行順判定結果で示す先行順序が逆転したタイミングで前記エンコーダホイールの機械原点を示す原点検出信号を生成する生成手段と、を有し、前記第1および前記第2の検出センサから出力された第1および第2の検出出力に応じて前記回転体の回転速度を検出し、前記原点検出信号に応じて前記回転体の回転速度を補正することを特徴とする。
本発明による画像形成装置は、上記の回転体速度検出装置と、前記回転体である感光ドラムと、画像データに応じて前記感光ドラムに静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像を現像してトナー像とする現像手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、コストアップすることなく、エンコーダホイールの機械原点を検出することができる。
本発明の実施の形態による回転体速度検出装置の一例が用いられる画像形成装置を概略的に示す図である。 図1に示す画像形成装置で用いられる感光ドラム駆動装置の構成を概略的に示す図である。 図2に示す制御器の各々の構成を説明するための制御ブロック図である。 図2に示すホイールスケールとエンコーダセンサとの位置関係を示す図であり、(a)はホイールスケールに偏心がない状態を示す図、(b)はホイールスケールに偏心がある状態を示す図である。 図4(b)に示す状態におけるエンコーダセンサからの検出出力の一例を示す図である。 図1に示す画像形成装置で用いられる原点検知を説明するための制御ブロック図である。 図6に示す原点検知処理回路においてその出力波形の一例を示す波形図である。 図1に示す画像形成装置において速度フィードバック制御を行った際のエンコーダセンサの検出出力波形の一例を示す図であり、(a)は検出出力波形そのものを示す図、(b)は16回の移動平均によるローパスフィルター処理を行った場合の波形を示す図である。 図1に示す画像形成装置において、機械原点位置に応じた補正を行ってモータ制御を行った際の波形を示す図であり、(a)はフィードバック(FB)制御の際の波形を示す図、(b)はフィードフォワード(FF)制御を行った際の波形を示す図である。
以下、本発明の実施の形態による回転体速度検出装置の一例が用いられる画像形成装置の一例について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態による回転体速度検出装置の一例が用いられる画像形成装置を概略的に示す図である。
図示の画像形成装置は、所謂カラー画像形成装置である。この画像形成装置は、4色、つまり、イエロー(以下Yと呼ぶ)、マゼンダ(以下Mと呼ぶ)、シアン(以下Cと呼ぶ)、ブラック(以下Kと呼ぶ)の画像形成部を有している。
図示のように、この画像形成装置はYMCK毎の感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kを有している。そして、感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kに対応してレーザスキャナ100Y、100M、100C、および100Kが配置されている。
レーザスキャナ100Y、100M、100C、および100Kは画像データに応じてそれぞれ感光ドラム101Y、101M、101C、および101K(回転体)を露光する。これによって、感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kの各々には静電潜像が形成される。
感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kの静電潜像は、それぞれYトナー、Mトナー、Cトナー、およびKトナーで現像される。そして、感光ドラム101Y、101M、101C、および101K上にはそれぞれYトナー像、Mトナー像、Cトナー像、およびKトナー像が形成される。
感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kに対向して、一次転写ローラ109Y、109M、109C、および109Kが配置されている。さらに、中間転写ベルト111が中間転写駆動ローラ110(回転体)、従動ローラ110a、およびテンションローラ110bによって張架されている。そして、中間転写ベルト111は中間転写駆動ローラ110の駆動によって、図中実線矢印方向に回転駆動される。
感光ドラム101Y、101M、101C、および101K上のYトナー像、Mトナー像、Cトナー像、およびKトナー像は、一次転写ローラ109Y、109M、109C、および109Kによって順次中間転写ベルト111に重ね合わされて転写され、中間転写ベルト111上にカラートナー像が形成される。このカラートナー像は二次転写位置において、二次転写ローラ121によって記録紙に転写される。
図示はしないが、二次転写の後、記録紙は定着器に送られて、ここで記録紙上のカラートナー像の定着処理が行われる。そして、記録紙は排紙される。
図2は、図1に示す画像形成装置で用いられる感光ドラム駆動装置の構成を概略的に示す図である。
図2を参照して、感光ドラム駆動装置は、駆動モータ102Y、102M、102C、および102Kを有している。これらの駆動モータ102Y、102M、102C、および102Kはそれぞれ感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kを互いに独立して駆動する。
さらに、感光ドラム駆動装置は駆動モータ112を有し、この駆動モータ112によって中間転写駆動ローラ110が回転駆動される。図示のように、感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kの回転軸と中間転写駆動ローラ110の回転軸とはそれぞれ減速機構104Y、104M、104C、104K、104Bによって駆動モータ102Y、102M、102C、102K、および112に連結されている。そして、減速機構104Y、104M、104C、104K、104Bによって駆動モータ102Y、102M、102C、102K、および112の回転数が所定の速度に減速される。
感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kと中間転写駆動ローラ110の駆動軸(回転軸)には、それぞれホイールスケール103Y、103M、103C、103K、および103B(回転体)が取り付けられている。これらホイールスケール103Y、103M、103C、103K、および103Bにはそれぞれ角速度検出を行うための光学パターン(スリット)が形成されている。つまり、ホイールスケール103Y、103M、103C、103K、および103Bの各々には、円周方向に沿って格子状のパターンが形成されている。
さらに、ホイールスケール103Y、103M、103C、103K、および103Bの回転中心に対して、それぞれエンコーダセンサ105Y1−2、105M1−2、105C1−2、105K1−2、および105B1−2が対向配置されている。そして、これらエンコーダセンサ105Y1−2、105M1−2、105C1−2、105K1−2、および105B1−2によってスリット間周期が検出される。
また、感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kの回転軸には、それぞれフライホイール106Y、106M、106C、および106Kが取り付けられ、これによって、感光ドラム101Y、101M、101C、および101Kの回転速度変動を抑制している。
以下の説明では、一対のエンコーダセンサを符号105X−1および105X−2で表す(ここで、XはY、M、C、K、およびBである)。図示のように、エンコーダセンサを符号105X−1および105X−2の検出出力(検知信号)はそれぞれ制御装置200に与えられる。制御装置200は制御器201Y、201M、201C、201K、および201Bを有しており、制御器201Y、201M、201C、201K、および201Bは検出出力に応じてそれぞれ駆動モータ102Y、102M、102C、102K、および102Bを駆動制御する。
図3は、図2に示す制御器201Y、201M、201C、201K、および201Bの各々の構成を説明するための制御ブロック図である。
図3を参照して、ここでは、駆動モータ102Yに注目してその制御を説明する。なお、駆動モータ102M、102C、102K、および112の制御も同様にして行われる。駆動モータ102MはDCモータであり、DCモータを速度制御する際には、DCモータ供給する電圧を変化させて、モータ巻線コイルに流れる電流を調整する。これによって、モータ巻線コイルに発生する磁束量を制御する。このため、一般に直流電圧源をスイッチング素子などによってオンオフしてその時間比によって電圧制御を行うパルス幅変調制御(以下PWM制御という)が用いられる。
まず、エンコーダセンサ105X−1および105X−2からの検出出力、つまり、スリット間隔に応じて速度検出部202bで感光ドラム軸の速度検出が行われて、検出速度として減算器202−1与えられる。
一方、画像形成装置全体の動作を制御する制御部(図示せず)で設定された速度指令202aが減算器202−1に与えられ、減算器201−1で検出速度と速度指令とが比較されて減算結果(速度偏差)として出力される。
この速度偏差はPI制御器202cに与えられる。PI制御器202cにおいて、比例素子202c−1は比例ゲインKpを速度偏差に乗じて出力する。また、加算器202−2は速度偏差と1サンプル遅延素子(1/z)202c−2の出力とを加算する。そして、積分素子202c−3は加算器202−2の出力に積分ゲインKiを乗じて出力する。
積分素子202c−3の出力は1サンプル遅延素子202c−2に与えられるとともに、加算器202−3に与えられる。そして、加算器202−3は比例素子202c−1の出力と積分素子202c−3の出力を加算して、積分器202dに与える。つまり、PI制御器202cは比例ゲインKpおよび積分ゲインKiに応じて速度偏差を増幅することになる。
積分器202dは、加算器202−4、1サンプル遅延素子202d−1、および積分素子202d−2を有しており、PI制御器202cの積分項と同様に、PI制御器202cの出力を再度積算する。これによって、積分器202dでは速度偏差に位置偏差を加味することになる。
積分器202dの出力はPWM制御部202eに与えられる。PWM制御部202eは、ラッチ部(Latch)202e−1、シフター(shift)202e−2、カウンタ(Counter)202e−3、比較器(Comp)202e−4および202e−5、およびフリップフロップ(FF)202e−6を有している。そして、PWM制御部202eはPWM信号(CLK_out)を生成して出力する。
そして、PWM信号に応じて駆動モータ102Yに印加される電圧が可変制御されて駆動モータ102Yの回転速度が制御される。なお、上述の処理は所定のサンプリング間隔で読み込まれる検出速度に基づいて行われることになる。
図4は、図2に示すホイールスケールとエンコーダセンサとの位置関係を示す図である。そして、図4(a)はホイールスケールに偏心がない状態を示す図であり、図4(b)はホイールスケールに偏心がある状態を示す図である。
図4(a)に示すように、ホイールスケール103Xに偏心がない状態では、ホイールスケール103Xと対向配置されたエンコーダセンサ105X−1および105X−2は同一の光学パターンを検知して、そのピッチ周期を検出することになる。
一方、図4(b)に示すように、ホイールスケール103Xが結合される感光ドラム軸(感光ドラムの回転軸)と対向配置されたエンコーダセンサ105X−1および105X−2とは機械的公差に起因して、不可避的にずれて配置されることになる。
図5は、図4(b)に示す状態におけるエンコーダセンサ105X−1および105X−2からの検出出力の一例を示す図である。
スケールホイール103Xの回転中心が対向配置されたエンコーダセンサ105X−1および105X−2に対してずれると、スケールホイール103Xの回転半径がエンコーダセンサ105X−1および105X−2について異なることになる。この結果、図5に示すように、エンコーダセンサ105X−1および105X−2は、あたかも異なる光学パターンを検知することになる。このため、エンコーダセンサ105X−1および105X−2の検出出力を平均処理して、スケールホイール103X、つまり、感光ドラム又は中間転写駆動ローラの回転速度を得るようにする。
図6は、図1に示す画像形成装置で用いられる原点検知を説明するための制御ブロック図である。また、図7は、図6に示す原点検知処理回路においてその出力波形の一例を示す波形図である。
図6および図7を参照して、図示の原点検知処理回路は比較器301−3および302−3を備えている。比較器301−3および302−3にはそれぞれエンコーダセンサ105X−1(第1の検出センサ)およびエンコーダセンサ105X−2(第2の検出センサ)から検出出力が与えられる。これらの検出出力は図5に示すパルス信号である。ここでは、エンコーダセンサ105X−1が出力するパルス信号を第1のパルス信号(第1の検出出力)と呼び、エンコーダセンサ105X−2が出力するパルス信号を第2のパルス信号(第2の検出出力)と呼ぶ。
これら第1および第2のパルス信号はそれぞれ1サンプル遅延素子301−2および302−2に与えられて、第1および第2の1サンプル遅延信号とされる。
比較器301−3は第1のパルス信号と第1の1サンプル遅延信号とを比較して、第1のパルス信号がハイ(H)レベルで第1の1サンプル遅延信号がロウ(L)レベルのとき、第1のエッジ信号を出力する。同様に、比較器302−3は第2のパルス信号と第2の1サンプル遅延信号とを比較して、第2のパルス信号がHレベルで第2の1サンプル遅延信号がLレベルのとき、第2のエッジ信号を出力する。つまり、比較器301−3および302−3はそれぞれ第1および第2のパルス信号の立ち上がりエッジを抽出することになる。
第1および第2のエッジ信号はそれぞれ分別回路(True/False)301−4および302−4に与えられる。これら第1および第2のエッジ信号はそれぞれ分別回路301−4および302−4の判別信号として用いられる。
判別回路301−4は第1のエッジ信号を受けると、つまり、エッジが検出されると、『Hi』信号をセットして第1の判別信号として出力する。一方、エッジが検知されない場合には、後述する先行エッジ信号を保持して、第1の判別信号を出力する。なお、判別回路302−4も判別回路301−4と同様に動作して、第2の判別信号を出力する。
第1および第2の判別信号は、それぞれSR−FF回路301−5および302−5のセット端子である『S端子』に入力される。さらに、第1および第2の判別信号は論理積回路(AND)311に入力される。論理積回路311の出力はSR−FF回路301−5および302−5のリセット端子である『R端子』に入力される。そして、SR−FF回路301−5および302−5の出力はそれぞれ第1および第2の先行エッジ信号として出力される。
第1および第2の先行エッジ信号はそれぞれSR−FF回路312の『S端子』および『R端子』に入力される。例えば、SR−FF回路312は、第1の先行エッジ信号が第2の先行エッジ信号よりも先行している場合、つまり、エンコーダセンサ105X−1の検出出力である第1のパルス信号のエッジが先行している場合にはHレベルとなり、その逆の場合にはLレベルとなる第3の判別信号を出力する。つまり、第1および第2のエッジ信号においていずれか先行しているか否かを判定して先行順判定結果を得ることになる。
この第3の判別信号は比較器314および1サンプル遅延素子313に与えられる。そして、1サンプル遅延素子は第3の判別信号を1サンプル遅延させて、第3の1サンプル遅延信号として出力する。
比較器314は第3の判別信号と第3の1サンプル遅延信号とを比較して、第3の判別信号がHレベルで第3の1サンプル遅延信号がLレベルのとき、原点検知信号を出力する。つまり、端子Aに入力される信号が端子Bに入力される信号よりも大きいとき(A>B)、比較器314は原点検出信号を出力する。つまり、先行順判定結果で示す先行順序が逆転したタイミングでエンコーダホイールの機械原点を示す原点検出信号を生成することになる。
このようにして、原点検出信号を生成するようにすれば、ホイールスケールに形成された光学パターンのピッチ間精度に影響されず、確実に検出出力のエッジの先行度の切り替わり点を抽出することができる。そして、感光ドラムの機械原点を示す原点検出信号に応じて、制御部は感光ドラム軸の偏心を考慮して一回転周期における速度指令の生成を行う。
ところで、エンコーダセンサ105X−1および105X−2においてホイールスケール103Xの光学パターンを検出した際には、図5に示すように、光学パターンのピッチ間周期を示す検出出力が出力される。この際、ギア偏心等に起因して感光ドラム軸において速度ムラが発生すると、エンコーダセンサ105X−1および105X−2で検出されたピッチ間周期は、図5に示す正弦波の振幅の大きさが異なる値で検出される。
図8は、図1に示す画像形成装置において速度フィードバック制御を行った際のエンコーダセンサの検出出力波形の一例を示す図である。そして、図8(a)は検出出力波形そのものを示す図であり、図8(b)は16回の移動平均によるローパスフィルター処理を行った場合の波形を示す図である。
図8(b)に示すように、ローパスフィルター処理を行っても、検出軸速度(感光ドラム軸の検出速度)において一回転周期分が十分に打ち消されていない。つまり、一回転周波数以外の速度変動成分に対してフィードバックゲインを上げようといると、その他の周波数成分に対して悪影響を及ぼすことがあり、これによって、検出軸速度に一回転周期分が打ち消されないことになる。
さらに、ローパスフィルター処理を行うと、検出出力とローパスフィルター処理された検出出力との間には位相遅れが生じる。よって、ローパスフィルター処理により低周波成分のみを抽出した検出軸速度に対して、ローパスフィルターで生じる位相遅れ分について、前述のようにして検出されて機械原点に対して補正して、逆位相データを生成する(図8(b)の破線で囲んだ軸速度波形を矢印で示す波形状態とする)。
図9は、図1に示す画像形成装置において、機械原点位置に応じた補正を行ってモータ制御を行った際の波形を示す図である。そして、図9(a)はフィードバック(FB)制御の際の波形を示す図であり、図9(b)はフィードフォワード(FF)制御を行った際の波形を示す図である。
上述のようして生成した逆位相データを速度指令として、モータの速度制御を行えばフィードフォワード制御が行われることになる。この際、各モータにおける機械原点位置に応じた補正を行うと、図9(b)に示す波形が得られる。図9(a)と比べると、図9(b)においては、位置ずれを抑制できることが分かる。つまり、エンコーダホイールが一回転する際における第1および第2のエッジ信号の先行比率に応じてエンコーダホイール回転体の偏心度が得られる。
上述のように、本発明の実施の形態では、ホイールスケールの回転中心に対して対向配置された2つのエンコーダセンサによって、ホイールスケールに形成された光学パターンから感光ドラムの回転速度を検知する際、ホイールスケールの取り付け誤差および回転のムラ等があっても、コストアップすることなく、機械原点位置を検出することができる。その結果、コストアップすることなく、画質の改善を行うことができる。
上述の説明から明らかなように、図6において、比較器301−3および302−3と1サンプル遅延素子301−2および302−2とがエッジ判別手段として機能する。また、判別回路301−4および302−4、RS−FF回路301−5および302−5、そして、論理積回路(AND)311が判定手段として機能する。さらに、RS−FF回路312、1サンプル遅延素子313、および比較器314が生成手段として機能する。
100Y,100M,100C,100K レーザスキャナ
101,101M,101C,101K 感光ドラム
103Y,103M,103C,103K,103B スケールホイール(エンコーダホイール)
104Y,104M,104C,104K,104B 減速器
105Y−1,105Y−2,105M−1,105M−2,105C−1,105C−2,105K−1,105K−2,105B−1,105B−2 エンコーダセンサ
301−3,302−3 比較器
301−4,302−4 判別器
301−5,302−5,312 RS−FF回路
311 論理積回路(AND)

Claims (3)

  1. 回転体の回転軸に連結され、円周方向に沿って格子状のパターンが形成されたエンコーダホイールと、
    前記エンコーダホイールの回転中心に対して互いに対向して配置され、前記パターンのピッチを検出する第1および第2の検出センサと、
    前記第1および第2の検出出力の立ち上がりエッジを検出してそれぞれ第1および第2のエッジ信号を得るエッジ判別手段と、
    前記第1および前記第2のエッジ信号においていずれか先行しているか否かを判定して先行順判定結果を得る判定手段と、
    前記先行順判定結果で示す先行順序が逆転したタイミングで前記エンコーダホイールの機械原点を示す原点検出信号を生成する生成手段と、を有し、
    前記第1および前記第2の検出センサから出力された第1および第2の検出出力に応じて前記回転体の回転速度を検出し、前記原点検出信号に応じて前記回転体の回転速度を補正することを特徴とする回転体速度検出装置。
  2. 前記生成手段は前記エンコーダホイールが一回転する際における前記第1および前記第2のエッジ信号の先行比率に応じて前記回転体の偏心度を検出することを特徴とする請求項1に記載の回転体速度検出装置。
  3. 請求項1又は2に記載の回転体速度検出装置と、
    前記回転体である感光ドラムと、
    画像データに応じて前記感光ドラムに静電潜像を形成する露光手段と、
    前記静電潜像を現像してトナー像とする現像手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
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