JP4078246B2 - モータ制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザープリンタやデジタル複写機などに利用する画像形成装置における、現像装置等の慣性の大きい負荷を駆動する駆動源の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式を用いてフルカラー画像を得る方法としては、
（１）転写ドラム（もしくはベルト）に用紙を保持し、対向する感光ドラム等の像担持体上にマゼンタ、シアン、イエロー、ブラックの各色を回転現像器が回転することによって順次トナー像を形成し、各色毎に４回転写することにより４色重ね合わせたフルカラー画像を得る１ドラム方式、
（２）各色毎の４個の感光体を有し、各色毎の潜像をそれぞれの感光体上に形成・現像し、用紙上に転写させることにより、４色重ね合わせたフルカラー画像を得る４ドラム方式、
（３）感光体上にマゼンタ、シアン、イエロー、ブラックの各色を回転現像器が回転することによって順次トナー像を形成し、さらに、転写ドラム（もしくはベルト）等の中間転写体に４色の画像を順次形成し、次いで用紙を接触して４色分を１回で転写する１ドラム一括転写方式、
等がある。
【０００３】
また、上記３つの方式において、（２）の方式はコピー速度は速いが構成的にコスト高となるため、中・低速機に於いては、上記（１）、（３）の方式が採用されることが多い。
【０００４】
これら（１），（３）の方式の装置に採用されるの駆動源としては、各色の現像器を移動させて感光体の所定の位置での現像行程が必要となるため、正確な位置制御が必要とされる。
【０００５】
位置制御に適した駆動源としては一般的にＤＣサーボモータやステッピングモータなどがよく知られているが、前者はその構成上どうしても高価であり、ＤＣモータ、つまりブラシ機構が必要とされることから、ノイズや耐久性の面でも問題もあるため、位置決め制御にフイードバックする必要が無く、オープンループ制御で駆動する事が出来るステッピングモータが多用されている。
【０００６】
そのステッピングモータの駆動方式としては、主に
▲１▼１相励磁方式
▲２▼２相励磁方式
▲３▼１−２相励磁方式
が知られている。また、これらの駆動方式において安定した出力トルクが得られる制御方法として、励磁する相（もしくは巻線）に流れる電流を一定とする定電流制御回路を用いた駆動回路が知られている。
【０００７】
この定電流制御方式の回路構成としては、一般的（たとえば非特許文献１参照）に図１に示すように、入力された駆動パルス信号に従い上記▲１▼〜▲３▼の方式に応じてモータの各相（ＬＡ，ＬＡ＊，ＬＢ，ＬＢ＊）のオン・オフシーケンスの信号（Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊）を生成する相励磁パターン生成回路３００と、それにより規定された各相（ＬＡ，ＬＡ＊，ＬＢ，ＬＢ＊）のオン期間において、ステッピングモータの巻線電流を一定電流に制御するための定電流制御回路２００とで構成される。この定電流制御回路２００では、ステッピングモータ１００の各相ＬＡ、ＬＡ＊、ＬＢ、ＬＢ＊（もしくは巻線）に流れる電流ｉａ＋ｉａ＊、ｉｂ＋ｉｂ＊を電流検出部２０１Ａ、２０１Ｂで検出する。各相の電流が規定の電流値となるように設定された基準電圧発生回路２０３の出力電圧と、電流検出部２０１Ａ、２０１Ｂでの検出値とをＰＷＭ制御回路２０２Ａ、２０２Ｂに入力し、ＰＷＭ制御回路２０２Ａ、２０２Ｂからオン・オフ比率を制御されたパルス信号ＣＡ、ＣＢが生成される。これらの信号（Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊，ＣＡ，ＣＢ）のそれぞれの論理積をとったものを、各巻線に接続された半導体スイッチング素子ＳＷ＿Ａ、ＳＷ＿Ａ＊、ＳＷ＿Ｂ、ＳＷ＿Ｂ＊の駆動信号とすることで、所定の駆動期間内に流れる各巻線の電流がほぼ一定値となるように制御される。
【０００８】
しかしながら、前記（１）、（３）の方式では、その構成上回転現像器と呼ばれる各色毎の現像器を備えた質量・慣性ともに大きな回転体を高速で駆動する必要があり、その駆動開始・停止に伴う回転体の振動が、レーザ露光系に対して影響し、感光体上に形成される潜像位置ずれを招き、複数色による現像行程が必要となるカラー画像形成に際して、色ずれ、ピッチムラ等のバンディングが顕著に発生してしまうという問題点があった。これは感光ドラムにレーザー等の光学手段で静電潜像を生成しているタイミングで、この回転現像器を始動、停止する（図８：Ｂ１）ことによって、振動がレーザー露光系にその振動が伝搬し（図８：Ｂ２）と、副走査方向の走査間隔がずれ、いわゆるバンディングと呼ばれるすじが出てしまう（図８：Ｂ３）。図７に概念図を示す。
【０００９】
図７はライン状の潜像を形成した様子を示しており、図の左側は形成された潜像の拡大図である。正常な潜像形成が行われた場合は、副走査方向に等間隔のライン状の潜像が形成される。
【００１０】
しかし、回転現像器の始動、停止によってバンディングが生じると、本来等間隔のはずのライン状の潜像が不等間隔になってしまう。
【００１１】
静電潜像を生成しているタイミングで回転現像器を始動、停止させなければ、このバンディングは発生しないが、低コスト構成、且つ、コピースピードの高速化要求に対しては、静電潜像を生成中でも回転現像器を始動、停止させる必要があり、この不具合の改善が重要となる。
【００１２】
また、その駆動源となるモータに関しても位置決め制御のコスト的・簡易さ等の理由からステッピングモータが利用されるが、ステッピングモータの欠点としてトルク特性が周波数に依存する点と、低周波駆動時の振動・騒音等があげられる。
【００１３】
そこで、従来例では、レーザー露光系においては、あらかじめ振動センサ等の検知手段により、レーザーユニットの振動を検知し、レーザーを逆位相で振動させたり、光学系のミラーの角度を制御したり、感光ドラムの回転速度を制御したりといった方法などが提案されている。
【００１４】
また、駆動源においては、振動・騒音対策について回転数に応じて異なる電流値が設定できるようにする方法や、モータの回転数を検出するエンコーダを用いて、回転速度指令値との誤差が一定値内となるように電流値の最適制御を行う方法などが提案されているが、前述したような振動センサ、および回転検出装置などを取り付けなければならないという問題点がありコストアップ、装置の大型化などの問題があった。
【００１５】
以上のようにステッピングモータを用いた場合に、その利点としてオープンループでの制御が行えるということがあげられるが、前述のようなフィードバックループでの制御による最適制御ではその利点が失われることになる。
【００１６】
また、ステッピングモータの低振動化対策としては、駆動電流を最適な値とすることで、図９に示すようにステップ動作時にロータの移動位置に対するオーバーシュート・アンダーシュートを少なくすることができ、それにより振動・騒音が低減できることが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【００１７】
ただし、この電流を設定する場合には、図１０に示すような加減速駆動を行う場合にモータの発生トルクは加減速時のトルク分を考慮して設定しなければならず、通常駆動電流の設定を切り替える場合でも定速領域に限定して行う（特許文献１参照）か、もしくは加速時、減速時に限定して行われる（特許文献２，３参照）ものであり、電流設定の変更に起因する電流変化とその振動に関する部分については論じられていなかった。加速・減速時における電流設定をアナログ的に変更することで振動を抑制するも提案されている（特許文献４参照）が、そのトルクの定義方法としては一般的な定義をもとに電流設定を行うものである。
【００１８】
【非特許文献１】
『ステッピングモータとマイコン制御』、見城尚志・菅原晟著、総合電子出版、１９９４年発行、７．３章
【特許文献１】
特開平０７−０７５３８６号
【特許文献２】
特開平１−２０５１８２号
【特許文献３】
特開平２−１９０３６８号
【特許文献４】
特開昭６３−２６２０９８号
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にステッピングモータに必要とされるトルクの値としては下記のように定義される。
・加速時モータ必要トルク＝加速トルク＋摩擦トルク
加速トルク＝（負荷の慣性モーメント＋モータのロータの慣性モーメント）×角加速度
・減速時モータ必要トルク＝減速トルク−摩擦トルク
減速トルク＝（負荷の慣性モーメント＋モータのロータの慣性モーメント）×角加速度
つまり、上記のように加速時の角速度の変化パターンと減速時のそれが同一であれば加速トルクと減速トルクは同じ値となり、必要トルクは摩擦負荷分だけ減速時が小さくなるのが一般的定義であった。このため、駆動電流の設定としては、加速時・減速時ともほぼ同じ電流とせざるを得なかった。
【００２０】
本発明は、前述した問題点を解決するためにセンサ等のコストアップ要因を負荷することなく、バンディング対策として有効な駆動停止時ショックの改善を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のモータ制御装置は、負荷を駆動するステッピングモータと、前記ステッピングモータを定電流制御する定電流制御回路と、前記定電流制御回路における電流値を切り替える切替回路と、を有し、前記切替回路は、前記ステッピングモータを減速させる際、前記ステッピングモータの駆動角速度が、前記負荷を定速回転状態から自然減速させた場合の前記負荷の角速度以下であり、かつ、前記ステッピングモータの定電圧動作領域内の角速度であるときに、前記ステッピングモータの加速のための電流値から減速のための電流値へ切り替えることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下では、本発明の実施例１における画像形成装置について、図を参照しながら説明する。
【００２４】
図９は本発明に係る画像形成装置の一例であるフルカラープリンタの要部構成図である。図９において、像担持体としての感光体１は図示しないモータで矢印Ａの方向に回転する。感光体１の周囲には、現像ユニット１３、クリーナ装置１２が配置されている。
【００２５】
前記現像ユニット１３はフルカラー現像のための４台の現像装置１３Ｙ，１３Ｍ，１３Ｃ、１３Ｋから構成される。現像装置１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｋは、感光体１上の潜像をそれぞれイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各トナーで現像する。Ｙ、Ｍ、Ｃの各色を現像する際には、図１に示すステッピングモータによって現像ユニット１３を矢印Ｒ方向に回転させ、当該色の現像装置が感光体１に当接するように位置合わせされる。
【００２６】
感光体１に現像された各色のトナー像は、転写装置１０によって中間転写体としてのベルト２に順次転写されて、４色のトナー像が重ね合わされる。ベルト２はローラ１７，１８，１９、２０に張架されている。これらのうち、ローラ１７は図示しない駆動源に結合され、ベルト２を駆動する駆動ローラとして機能する。ローラ１８とローラ２０はベルト２の張力を調節するテンションローラとして機能する。ローラ１９は２次転写装置としての転写ローラ２１のバックアップローラとして機能する。
【００２７】
ベルト２を挟んでローラ１７と対向する位置にはベルトクリーナ２２が設けられていて、ベルト２上の残留トナーがブレードで掻き落とされる。
【００２８】
記録紙カセット２３からピックアップローラ２４で搬送路に引き出された記録紙はローラ対２５、２６によってニップ部、つまり２次転写装置２１とベルト２との当接部に給送される。ベルト２上に形成されたトナー像はこのニップ部で記録紙上に転写され、定着装置５で熱定着されて装置外へ排出される。
【００２９】
上記構成によるカラープリンタでは、次のようにして画像が形成される。まず、帯電装置７に電圧を印加して感光体１の表面を所定の帯電部電位で一様にマイナス帯電させる。続いて、帯電された感光体１上の画像部分が所定の露光部電位になるようにレーザースキャナからなる露光装置８で露光を行い、潜像が形成される。露光装置８は画像信号に基づいてオン・オフすることにより、画像に対応した潜像を形成する。
【００３０】
現像装置１３の各色の現像ローラには各色毎に予め設定された現像バイアスが印加されており、潜像は現像ローラの位置を通過時にトナーで現像され、可視化される。トナー像は転写装置１０でベルト２に転写され、さらに２次転写装置２１で記録紙に転写された後、定着装置５に送給される。フルカラープリント時はベルト上で４色のトナーが重ね合わされた後、記録紙に転写される。感光体１上に残留したトナーは、予備清掃装置で静電的にトナーをクリーニングしやすい状態にされ、クリーナ装置１２で除去・回収され、最後に、感光体１は除電装置（不図示）で一様に０ボルト付近まで除電されて、次の画像形成サイクルに備える。
【００３１】
上記カラープリンタの画像形成タイミングは、ベルト２上の所定位置を基準として制御されている。ベルト２は駆動ローラ１７、テンションローラ１８、２０、バックアップローラ１９からなるローラ類に掛け渡されていて、テンションローラ１８、２０によって所定の張力が与えられている。
【００３２】
バックアップローラ１９とテンションローラ２０の間には、ベルト２の基準位置を検知する反射型センサ３６が配置されている。反射型センサ３６はベルト２の外周面端部に設けられた反射テープ等のマーキングを検知して、像形成開始タイミングの基準を示すＩ−ｔｏｐ信号を出力する。
【００３３】
前記感光体１の外周の長さとベルト２の周長は、１：ｎ（ｎは整数）で表される整数比になっている。このように設定しておくと、ベルト２が１周する間に、感光体１が整数回転し、ベルト１周前とまったく同じ状態に戻るため、中間転写ベルト２上に４色を重ね合わせる際に（ベルトは４周回る）、感光体１の回転ムラによる色ズレを回避することが可能である。
【００３４】
上記のような中間転写方式の画像形成装置においては、Ｉ−ｔｏｐ信号を検知したのち、所定時間経過後に帯電装置７により画像信号に応じて潜像形成を開始する。また、前述したとおり、ベルト２が１周する間に、感光体１が整数回転し、ベルト１周前とまったく同じ状態に戻るため、ベルト２上では常に同じ位置にトナー像が形成される。
【００３５】
以上のような行程を経てカラー画像が記録用紙に複写されることになるが、ここで、問題となるのが回転現像ユニット等の駆動時、特に停止時の慣性で発生する振動による各色毎の潜像形成時における潜像形成の位置ずれである。潜像形成位置がずれることにより、現像されたトナー画像の位置ずれとなり、４色分のトナー像を重ねた際の色ずれや、画素間隔が変化することにより発生するピッチムラを招くことになる。以下では、これらの色ずれを招く回転現像器の停止時ショックを改善するために減速時における駆動電流の設定を切り替えて、加速時および定速時よりも低い値へ駆動電流を変化させる設定方法について説明する。
【００３６】
図１は図９に示す回転現像器１３を駆動するための電力回生タイプのステッピングモータの駆動回路ブロック図を示したものであり、その動作は従来技術で説明したように定電流制御を行う。図２はステッピングモータの加減速駆動プロファイルと駆動電流の定電流制御値の切り替えタイミングを示した図である。
【００３７】
図１において、１００はステッピングモータであり、
前述したようにステッピングモータに必要とされるトルクの値としては一般的に下記のように定義される。
・加速時モータ必要トルク＝加速トルク＋摩擦トルク
加速トルク＝（負荷の慣性モーメント＋モータのロータの慣性モーメント）×角加速度
・減速時モータ必要トルク＝減速トルク−摩擦トルク
減速トルク＝（負荷の慣性モーメント＋モータのロータの慣性モーメント）×角加速度
上記のように加速時の角速度の変化パターンと減速時のそれが同一であれば加速トルクと減速トルクは同じ値となり、必要トルクはモータの摩擦負荷分だけ減速時が小さくなるのが一般的定義であったため、駆動電流の設定としては、加速時・減速時ともほぼ同じ電流とせざるを得なかった。
【００３８】
しかしながら、負荷の慣性モーメントが大きい場合には減速時には蓄積された回転エネルギーを利用可能であり、このとき各ステップ毎の回転エネルギーの変化量ｄＥｒｏｔは次式となる。
【００３９】
Ｅｒｏｔ＝１／２＊Ｉｒｏｔ＊（ωｎ＾２―ωｎ＋１＾２）
ここで、ωｎ：ｎステップ目の角速度
この運動エネルギーの変化により発生するトルクＴｒｏｔは
Ｔｒｏｔ・θｓｔｅｐ＝Ｅｒｏｔ（θｓｔｅｐ：ステッピングモータのステップ角）
であるから、
Ｔｒｏｔ＝Ｅｒｏｔ／θｓｔｅｐ
となり、実際に駆動源であるステッピングモータに作用するトルクＴｍｏｔは
Ｔｍｏｔ＝減速トルク＋Ｔｒｏｔ
であり、減速トルクとＴｒｏｔの作用方向は逆方向となるため、Ｔｒｏｔ分トルクが減じることになる。
【００４０】
この結果を図３に示す。図３はモータロータのイナーシャと負荷イナーシャとの比を１：２とした場合のもので、『＋負荷エネルギー』としてあるグラフが、実際にモータが必要とするトルクとなる
これは、モータロータの運動エネルギー、摩擦トルクによる運動エネルギー、回転現像器の運動エネルギーの総和がモータの必要トルクとなることからも同様に導き出せる。これにより図３（モータ：負荷イナーシャ比＝１：２）、図４に（モータ：負荷イナーシャ比＝１：２）示すように減速時のトルクはモータロータと負荷のイナーシャ比に応じて、減速時の必要トルクは、加速時の必要トルクに比して減じることになる。
【００４１】
ただし、この関係が成立し、電流切替が可能な範囲としては、図２に示すように次の条件が成立する必要がある。
▲１▼角加速度（ｄω／ｄｔ）がある規定値以上
▲２▼ωｒ≧ωｍ
ここで、
ωｒ：負荷となる回転現像器を定速回転状態から駆動トルクを零として、自然減速させた場合の減速カーブ上での角速度
ωｍ：実際に規定されるモータの駆動速度
▲３▼ωｍ≧ωｃ
ここで、
ωｃ：定電流動作領域と定電圧動作領域が切り替わる角速度
上記の▲３▼は、モータの定電流設定値を切り替える場合に制限として設けた条件である。
【００４２】
これは、定電圧動作領域であれば、定電流設定値を変更した場合においても、巻線に供給されている電流が強制的に変化させられることがなく、電流の急変による磁界変化を生じないため不要な振動の発生が抑制出来るためである。
【００４３】
図１において、この電流設定の切り替えは、不図示のコントローラからの電流設定変更信号に従って、電流レベル切り替え回路４００が基準電圧発生回路２０３の出力電圧レベルを変更することにより行われる。詳しくは一般的によく知られる基準電圧の分圧比率を、トランジスタなどの半導体スイッチ素子を用いて変更する回路を用いている。
【００４４】
この回転現像器側の持つ回転エネルギーによりモータに対して回転トルクを作用させる場合、図１に示す駆動回路においてはモータ側では発電動作を行うことになり、モータ巻線から電源入力側へエネルギーの回生が行われる。
【００４５】
この動作を図６のステッピングモータの模式図を用いて説明すると次のようになる。
（１）Ａ相がオン、Ａ＊相がオフの場合：Ａ相巻線には図に示す矢印方向へと電流が流れ、磁界を図に示した方向へ発生させてロータの磁極を吸引させる力を発生させる。
（２）Ａ相がオフ、Ａ＊相もオフとなった場合：Ａ相巻線に流れていた電流は、相互誘導作用によりＡ＊相巻線には図に示す方向に電流が流れ、電源側へ電力が回生される。
【００４６】
このときモータのロータに外力が加えられ、ロータの磁極からの磁束がＡ＊相の巻線の磁路断面を鎖交する量が変位した場合には、磁束が変化しない方向、つまり図で回転方向へロータ磁極が変位した場合にはそれに伴い、電源側へ回生する電流量が増加する方向へ作用する。
【００４７】
図６に実際の駆動装置において測定した結果を示す。図に示すように減速時において、回転現像器側からモータロータ側にトルクが作用することで回生電流量が増加し、入力電流がマイナス側になっていることが確認でき、これによる電源電圧の上昇も生じている。
【００４８】
以上のような関係となる負荷条件であれば、減速時におけるステッピングモータの駆動電流を加速時に対して減じることが可能となる。実験的に確認した結果では図３に示す加減速駆動パターンで、モータロータと回転現像器とのイナーシャ比が約１：２の構成の装置において、駆動電流としてトルクマージンを１．５としても、加速時の電流４Ａに対し、減速時の電流１．５Ａまで低減可能であった。さらには回転現像器に蓄積された余剰分のエネルギーを電源入力側へ回生することができ、減速時の終了時のみの電流切り替え等の手法に対してもより省電力で、かつ、停止時だけでなく低速領域でのステップ振動の低減が図れるという利点が得られる。
【００４９】
これにより回転現像器を備えたカラー複写機において、効果的なバンディング補正が可能となる。
【００５０】
本発明は、画像形成装置の回転現像器だけではなく、慣性の大きな負荷を駆動・停止制御する装置に有効である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷の駆動の減速時、負荷のイナーシャに蓄積された回転エネルギーを電源側に回生しつつ、駆動電流の低減が図れ、かつ、負荷の駆動停止時のショック低減が行えるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステッピングモータの定電流駆動回路である。
【図２】電流切り替え可能範囲の設定図である。
【図３】トルク特性を示す図である。
【図４】トルク特性を示す図である。
【図５】ステッピングモータの動作模式図である。
【図６】モータの実動作時の電源電圧・入力電流特性を示す図である。
【図７】バンディングの概要を示す図である。
【図８】振動伝播経路の模式図である。
【図９】ステッピングモータの駆動電流による動作応答特性を示す図である。
【図１０】加減速駆動時の必要トルクを説明する図である。
【図１１】回転現像器構成もつ画像形成装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１３ 回転現像器
１００ ステッピングモータ
２００ 定電流制御回路
４００ 電流レベル切替回路

Claims (1)

1. 負荷を駆動するステッピングモータと、
   前記ステッピングモータを定電流制御する定電流制御回路と、
   前記定電流制御回路における電流値を切り替える切替回路と、
   を有し、
   前記切替回路は、前記ステッピングモータを減速させる際、前記ステッピングモータの駆動角速度が、前記負荷を定速回転状態から自然減速させた場合の前記負荷の角速度以下であり、かつ、前記ステッピングモータの定電圧動作領域内の角速度であるときに、前記ステッピングモータの加速のための電流値から減速のための電流値へ切り替えることを特徴とするモータ制御装置。

Images