JP2015087454A - 無端ベルトの張架姿勢を制御する制御装置と画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無端ベルトの張架姿勢を異なる制御モードを用いて行うにあたり、そのモード切り替えによってベルトの寄りが急変する事態を回避する。
【解決手段】無端ベルトの張架姿勢を制御する制御装置であって、この制御装置が、検知された位置情報と速度情報を入力し、指令値を出力することにより、位置及び速度を同時に所望の値に追従させるものであって、目標位置と検知された位置との位置差分を計算する位置偏差算出手段と、前記位置差分に位置ゲインを乗じて速度目標値を算出する位置ゲイン手段と、前記速度目標値と検知された速度との速度差分を算出する速度偏差算出手段と、前記速度差分から指令値を算出する指令値算出手段と、を備え、前記位置差分が或る時刻において所定の閾値外から閾値内に遷移した場合に、前記位置ゲイン手段において前記或る時刻から漸次前記位置ゲインを減少させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、無端ベルトの張架姿勢を制御する制御装置と、そのような制御装置を搭載する複写機、プリンタ、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を併せ持った複合機等、画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真方式の画像形成装置において、転写媒体である中間転写体、あるいは転写媒体である用紙の搬送手段として無端ベルトを用いる構成が知られている。このようなベルトは複数のローラに張架され循環駆動されるが、ベルト搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）にベルト位置が移動する「ベルト寄り」が発生することがある。また、ベルトの進行方向がベルト搬送方向から傾斜する「ベルト斜行」が発生することもある。ベルト寄りが発生すると、ベルトがローラから外れたり、ベルトの端部がローラの軸部を支持する側板と接触したりする虞がある。また、中間転写体たる中間転写ベルトの一次転写領域にベルト斜行が発生したり、搬送手段たる用紙搬送ベルトの転写領域にベルト斜行が発生したりすると、中間転写ベルトや記録用紙の転写媒体上の画像形成位置にずれが生じて、画像の歪みとなる。またカラー画像形成にあたっては、ブラック（以下、Ｋという）、イエロー（以下、Ｙという）、マゼンタ（以下、Ｍという）、シアン（以下、Ｃという）の単色画像を各々形成し、それらを転写媒体上で重ね合わせてカラー画像を得ている。このようなカラー画像形成においては、画像形成位置のずれが、各色トナー画像間の色ずれとなって現れる。これらはいずれも画像品質の劣化につながるため、高画質の画像を得るためにはベルト寄りやベルト斜行に関して、何らかの対策を講じる必要がある。

特許文献１には、中間転写ベルトを張架するローラのうち、２つを傾動自在なステアリングローラとし、これらステアリングローラの傾きを調整することで、ベルト寄りとベルト斜行を抑制するベルト搬送装置が記載されている。具体的には、ベルト幅方向でのベルトの位置を検出する位置検出手段の検知結果に基づき、２つのステアリングローラのうち一方を傾かせてベルト寄りを補正する。また、ベルトの一次転写領域にて副走査方向に所定間隔をあけて配置した２個の位置検出手段の検知結果に基づき、一次転写領域でのベルト斜行を検知し、その検知結果に基づいて他方のステアリングローラを傾かせて一次転写領域のベルト斜行を補正する。

しかしながら、このベルト搬送装置では、ベルトの搬送開始時に、ベルトの寄り位置が中心付近から大きく外れているにもかかわらず、ベルト寄りが中心に向かって発生し、ベルト寄りを補正しようとしてベルトがローラから外れてしまう虞がある。

そこで、ベルト寄りに関しては、寄り速度と寄り位置とを同時にゼロにする制御を行うことが考えられるが、このような制御は、ベルトの搬送開始時にベルトの寄り位置が中心付近から大きく外れている場合に、多大な静定時間を要する。また、画像生成時に、寄り位置がホームポジション（寄り方向の真ん中）からずれた場合に、位置を戻すためにわざわざベルト寄りを発生させてしまう虞もある。

そこで、ベルトの搬送開始時にベルトの寄り位置をホームポジションに近づける制御モードと、画像生成時に画像の歪みを回避するためにベルト寄り及びベルト斜行を同時にゼロにしようとする制御モードとを備え、ベルトの寄り位置がホームポジションから所定の範囲内に入った瞬間にモードを切り替える技術が考えられる。

しかしながら、この技術をもってしても、制御モードの切り替えの際に、コントロール出力が急に変化し、瞬時にベルト寄りを大きくしてしまい、これが落ち着くまで画像歪みを生じてしまったり、あるいはこのベルト寄りを静定させるための静定時間を要してしまう可能性がある。

本発明の課題は、無端ベルトの張架姿勢を異なる制御モードを用いて行うにあたり、そのモード切り替えによってベルトの寄りが急変する事態を回避することにある。

上記課題は、無端ベルトの張架姿勢を制御する制御装置であって、この制御装置が、検知された位置情報と速度情報を入力し、指令値を出力することにより、位置及び速度を同時に所望の値に追従させるものであって、目標位置と検知された位置との位置差分を計算する位置偏差算出手段と、前記位置差分に位置ゲインを乗じて速度目標値を算出する位置ゲイン手段と、前記速度目標値と検知された速度との速度差分を算出する速度偏差算出手段と、前記速度差分から指令値を算出する指令値算出手段と、を備え、前記位置差分が或る時刻において所定の閾値外から閾値内に遷移した場合に、前記位置ゲイン手段において前記或る時刻から漸次前記位置ゲインを減少させることによって、解決される。

本発明によれば、位置差分が或る時刻において所定の閾値外から閾値内に遷移した場合に、位置ゲイン手段において前記或る時刻から漸次、位置ゲインを減少させるので、寄りに関する制御出力を急激に変化させず、急激な出力変化に基づく寄り速度の急変を回避できる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の構成例を示す概略図である。 中間転写ベルト端部の概略図である。 転写ユニットの概略斜視図である。 制御部の構成を示す図である。 寄り制御での制御モード切替時における寄り速度減少のための例であり、図５ａは一次関数、図５ｂは二次関数に依拠することを示す。

図１において、本画像形成装置は、ベルト搬送装置たる転写ユニット２０を備えている。この転写ユニット２０は、駆動ローラ２１１、ステアリングローラ２１５、テンションローラ２１４、二次転写対向ローラ２１３及び従動ローラ２１２により、所定の張力をもって支持された中間転写ベルト２００を有する。中間転写ベルト２００の図中上方には、そのベルト走行方向に従って、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色に対応したトナー像形成手段たる画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋが順に配設されている。各々の画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋはそれぞれ感光体１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋと、それら感光体の表面をレーザビーム等で露光走査する画像書込み部１２Ｙ，１２Ｍ，１２Ｃ，１２Ｋを有している。また、各々の感光体の周囲には、それら感光体の回転方向（図中、反時計回り）に従って、帯電器１１Ｙ，１１Ｍ，１１Ｃ，１１Ｋ、現像器１３Ｙ，１３Ｍ，１３Ｃ，１３Ｋ、一次転写ローラ１４Ｙ，１４Ｍ，１４Ｃ，１４Ｋが順に配設されている。なお、以下において、適宜、色を示すＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋを省略する。

感光体１０を反時計回りに回転駆動し、その表面を帯電器１１で均一に帯電した後、画像書込み部１２によって、入力された画像情報に応じた露光走査を行い、静電潜像を形成する。そして、各色の現像器１３により感光体上の静電潜像に各色のトナーを付着させて各色のトナー像として現像する。これら各色のトナー像は、感光体１０に当接して矢印方向に回転する中間転写ベルト２００上に一次転写される。

感光体１０と中間転写ベルト２００とが当接するＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋ用の一次転写ニップでは、ベルトループ内側に配設された一次転写ローラ１４Ｙ，１４Ｍ，１４Ｃ，１４Ｋによって中間転写ベルト２００を感光体１０に向けて押圧している。これら一次転写ローラ１４Ｙ，１４Ｍ，１４Ｃ，１４Ｋには、それぞれ不図示の電源によって一次転写バイアスが印加されている。これにより、Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ用の一次転写ニップには、感光体１０上の各色トナー像を中間転写ベルト２００に向けて静電移動させる一次転写電界が形成されている。ベルトの無端移動に伴ってＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋ用の一次転写ニップを順次通過していく中間転写ベルト２００の外周面には、Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ用の一次転写ニップでＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋトナー像が順次重ね合わせて一次転写される。この重ね合わせの一次転写により、中間転写ベルト２００の外周面には４色重ね合わせトナー像が形成される。

転写ユニット２０の図中下方には、駆動ローラ３０ａと二次転写ローラ３０ｂとの間に無端状の用紙搬送ベルト３０ｃを掛け渡して無端移動させるベルト搬送装置たる用紙搬送ユニット３０が設けられている。そして、二次転写ローラ３０ｂと二次転写対向ローラ２１３との間に、中間転写ベルト２００及び用紙搬送ベルト３０ｃが挟み込まれている。これにより、中間転写ベルト２００の外周面と用紙搬送ベルト３０ｃの外周面とが当接する二次転写ニップが形成される。二次転写ローラ３０ｂには、不図示の電源によって二次転写バイアスが印加されている。一方、転写ユニット２０の二次転写対向ローラ２１３は接地されている。これにより、二次転写ニップに二次転写電界が形成されている。なお、二次転写対向ローラ２１３に二次転写バイアスを印加し、二次転写ローラ３０ｂを接地してもよい。

この二次転写ニップの図中右側方には、タイミング合わせ兼スキュー補正ローラたるレジストローラ対３３が配設されている。また、レジストローラ対３３のレジストニップの入口付近には、不図示のレジストローラセンサが配設されている。不図示の用紙供給装置からレジストローラ対３３に向けて搬送されてくる用紙Ｐは、レジストローラ対３３のレジストニップに先端を突き当てる。この結果、用紙Ｐの姿勢が修正され、画像形成との同期をとる準備が整う。その後、レジストローラ対３３は、用紙を中間転写ベルト２００上の重ね合わせトナー像に同期させ得るタイミングで二次転写ニップに送り出す。二次転写ニップ内では、中間転写ベルト２００上の重ね合わせトナー像が二次転写電界やニップ圧の影響によって用紙に一括して二次転写され、用紙Ｐの白色と相まってフルカラー画像となる。二次転写ニップを通過した用紙Ｐは、中間転写ベルト２００から離間して、用紙搬送ベルト３０ｃの外周面に保持されながら、その無端移動に伴って定着装置３４へと搬送される。二次転写ニップを通過した中間転写ベルト２００の外周面には、二次転写ニップで用紙Ｐに転写されなかった転写残トナーが付着している。この転写残トナーは、中間転写ベルト２００に当接する不図示のベルトクリーニング装置によって掻き取り除去される。

定着装置３４内に搬送された用紙Ｐは、ハロゲンランプ等の発熱源を内包する定着ローラ３４ａと加圧ローラ３４ｂとの当接による定着ニップに挟み込まれる。そして、定着ニップ内での加圧や加熱によって表面にフルカラー画像が定着させられた後、用紙Ｐは定着装置３４から排出される。その後、排紙ローラ対３５により機外へと排出される。

中間転写ベルト２００の一端部付近には、図２に示すように、搬送方向全周にわたって検出ライン２０１が形成されている。また、中間転写ベルト２００の画像形成ユニット１Ｙ〜１Ｋが順に配設された張架領域（以下、一次転写領域という）には、ベルト移動方向所定の間隔を開けて２個の検出器２０５ａ，２０５ｂが検出ライン２０１と対向するように配置されている（図1参照）。不図示の制御部（後述する）は、検出器２０５ａ，２０５ｂの一方で、この検出ライン２０１の主走査方向位置を順次検出することによりベルト寄りを検出する。即ち、検出器２０５ａ，２０５ｂのいずれかと不図示の制御部とで寄り検知手段を構成している。また、不図示の制御部は、第1の検出器２０５ａで検出される検出ライン２０１の主走査方向位置と、第2の検出器２０５ｂで検出される検出ライン２０１の主走査方向位置との差を順次算出することにより、一次転写領域のベルト斜行を検出する。即ち、検出器２０５ａ，２０５ｂと不図示の制御部とで斜行検知手段を構成している。

本実施形態では、中間転写ベルト２００に予め高精度に形成した検出ライン２０１のベルト主走査方向の移動を検出することでベルト寄り・斜行を検出する。そのため、予め測定したエッジデータを参照したり、エッジ位置の周期的な変動を平均化したデータを記憶手段に記憶させたりする必要はない。したがって、より低コストな構成で、無駄時間のない高速なベルト寄り検出、ベルト斜行検出が可能となる。

図３は、転写ユニット２０の概略斜視図である。駆動ローラ２１１がベルト駆動手段たる不図示のモータによって回転駆動されることで、中間転写ベルト２００は走行される。テンションローラ２１４、ステアリングローラ２１５は、中間転写ベルト２００に生じた寄り・斜行を補正するもので、これらローラ２１４，２１５の回転軸の両端は不図示のピボット軸受等でローラ回転軸直交方向に揺動可能に支持されている。また、テンションローラ２１４、ステアリングローラ２１５それぞれの一端側には、ベルト寄り・斜行補正手段である不図示のアクチュエータによりベルト面に対して直交、且つ相互に直交する方向に往復移動可能に支持されている。

不図示の制御部は、検出器２０５ａ，２０５ｂ（図１）により検出したベルト寄り検出情報及びベルト斜行検出情報に基づき、不図示のアクチュエータを駆動し、テンションローラ２１４、ステアリングローラ２１５を傾斜させる。これによりベルトの寄りと斜行が補正され、画像歪み、色ずれを防止できる。

位置と速度を同時に所望の値に追従させる本実施形態における制御装置である制御部の構成を図４に示す。この制御部の構成としては２軸に偏角を与えることでベルトの寄りと斜行を同時に制御する場合についても論じることができるが、話を簡単にするため、１軸に偏角を与え、ベルトの寄りのみを制御する場合（SISO制御）について説明する。ちなみに、ベルトの寄りと斜行を入力し、２軸の偏角を出力する２入力２出力の制御（MIMO制御）は、ベルト寄り及びベルト斜行の検出値と寄り及び斜行の目標値の各偏差から制御入力値を計算する基本的な制御方式として当業者には自明なものである。２入力２出力の制御アルゴリズムとしては、モデル予測制御等、従来の多入力多出力系の制御設計手法を用いて設計してもいいし、複数の単入力単出力系の制御アルゴリズムを並列に構成してもよい。

SISO制御を行う制御部は、位置偏差算出手段３０１と、位置のためのゲイン手段３０３と、速度偏差計算手段３０２と、指令値算出手段３０４とから構成される。位置偏差算出手段３０１は、ベルトの寄り位置の計測値（位置情報）と目標値（所望の値）との差分値を計算するもので、速度偏差計算手段３０２は、ベルトの寄り速度の計測値（速度情報）と目標値（所望の値）との差分値を計算するものである。ゲイン手段３０３は、位置差分に位置ゲインを乗じて速度目標値を算出するものである。指令値算出手段３０４は、速度差分から指令値を算出するものであり、従来周知の任意の速度制御アルゴリズムを搭載すればよい。この制御アルゴリズムは問わない。指令値算出手段３０４からの出力によってベルトを張架するローラの一つ（第一の軸）に偏角を与える。

このような構成を有する制御部の動作を以下に説明する。ベルト張架姿勢の制御としては、既述のように、大きく二つのモードを必要とする。第１の制御モードは、ベルトのステアリングシステムにおいて、ベルトの寄り位置をホームポジションにもっていく制御モードである。画像をベルト上に形成する前に、ベルトを主走査方向の中心位置付近へもってくることで、多少の寄りがおきてもベルト端部が落ちづらくするためのものである。一方、第２の制御モードは、寄り速度のみを制御するモードである。寄り速度をゼロに制御することで、ベルトの搬送を安定化させるためのものである。

どちらの制御モードについても、同一のコントローラ（フィードバック制御器）で対応可能である。即ち、常に寄り位置と速度を同時にゼロにするように同時制御をすれば、どちらの制御モードにも対応可能である。しかし、第２の制御モードで位置と速度を同時にゼロにしようとすると、位置をゼロにするために、わざわざベルト寄りを発生して寄り速度がゼロにならなくなってしまう。このことは、ベルトの搬送を安定化させる意味においては、寄り位置の目標値との偏差は必ずしもゼロである必要はなく、寄り速度のみをゼロにすればよいということである。

そこで、寄り位置が所定の基準位置より目標位置に近づいた瞬間から、速度のみの制御に切り替えることで、無駄に寄り位置を補正させようとしてベルト寄り（即ち、寄り速度）を発生させてしまうことを回避する。その手法について、図４を用いて説明する。

本例の制御部において、位置偏差算出手段３０１で算出された位置偏差がゲイン手段３０３に送られ、位置ゲインが乗じられる。ここで、このゲインを通常の値にすれば、位置と速度を同時にゼロにしようとする制御モードになり、このゲインをゼロにすれば、速度目標がゼロになり、したがって、寄り速度のみをゼロにする制御モードになる。したがって、第１の制御モードでは通常のゲインを用い、第２の制御モードでは、ゲインをゼロにすればよい。

ところが、制御モードの切り替え時に、急にゲインをゼロにすると、目標速度が急激に変化するため、速度偏差が急変し、制御器の出力が急変し、ゼロに近づきつつあった寄り速度が大きくなってしまう、という可能性がある。そこで、位置差分が時刻τにおいて所定の閾値外から閾値内に遷移した場合に、時刻が前記τを経過直後から次第に、前記位置ゲインを減少させることを考える。これにより、目標速度が急変することを回避でき、結果として、寄り速度を大きくしてしまうことを回避できる。

速度の減少のさせ方について以下に例示する。先ずは図５ａのように一次関数で減少させていくものである。別例としては、図５ｂのように、二次関数で減少させていくものである。このとき、パラメータａは、或る程度までゲインをゆっくりと減少させることで、モード切り替え時の目標速度の急変をより低減させるものである。モード切り替え時の目標速度の急変をより低減させる手法としては、指数関数的に減少させることも考えられる。

また、ベルトの傾きを検知し、その傾き情報を入力して、ベルト寄り単独制御の際に軸偏角を与えられるベルト張架軸とは異なる別のベルト張架軸（第二の軸）に第二の軸偏角を指令値として出力する制御は、例えば特許文献１に記載されている。そのような制御改変については、当業者には理解容易なので、ここでは説明を割愛する。

なお、以上の実施形態の説明は、中間転写ベルトの張架姿勢を制御するものとして行ったが、制御対象が用紙搬送ベルトのような別の無端ベルトであっても、当然に適用され得るものである。

２００ 中間転写ベルト
２０１ 検出ライン
２０５ａ，２０５ｂ 検出器
２１１ 駆動ローラ
２１２ 従動ローラ
２１３ 二次転写対向ローラ
２１４ テンションローラ
２１５ ステアリングローラ
３０１ 位置偏差算出手段
３０２ 速度偏差算出手段
３０３ 位置ゲイン手段
３０４ 指令値算出手段

特許第３９７６９２４号公報

Claims (6)

1. 無端ベルトの張架姿勢を制御する制御装置であって、この制御装置が、検知された位置情報と速度情報を入力し、指令値を出力することにより、位置及び速度を同時に所望の値に追従させるものであって、目標位置と検知された位置との位置差分を計算する位置偏差算出手段と、前記位置差分に位置ゲインを乗じて速度目標値を算出する位置ゲイン手段と、前記速度目標値と検知された速度との速度差分を算出する速度偏差算出手段と、前記速度差分から指令値を算出する指令値算出手段と、を備え、前記位置差分が或る時刻において所定の閾値外から閾値内に遷移した場合に、前記位置ゲイン手段において前記或る時刻から漸次前記位置ゲインを減少させることを特徴とする、制御装置。
2. 前記入力が、複数の軸に張架されたベルトの寄り位置及び寄り速度であり、前記出力は第一の軸に与える第一の軸偏角であることを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
3. 更に、検知されたベルトの傾きを入力し、第二の軸に与える第二の軸偏角を出力することを特徴とする、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記位置ゲインを、一次関数、二次関数及び指数関数のいずれかにしたがって減少させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 前記無端ベルトが中間転写ベルトであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御装置を備える画像形成装置。

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