JP4298353B2 - 位置制御方法、位置制御システム、画像形成装置およびコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源の駆動力を動力伝達機構を介して被駆動部材に伝達する駆動系に用いられる位置制御方法、位置制御システム、位置制御方法を実行するためのプログラムに関するものであり、例えば被駆動部材の慣性が大きい画像形成装置の現像器の位置制御に適切なものである。
【０００２】
【従来の技術】
駆動源と被駆動部材との間には動力伝達機構が設けられていることが多く、特に、プリンター等の多色画像形成装置の現像器切り替え器のように、比較的大きな慣性をもつ被駆動部材（負荷）を位置制御する場合、駆動源であるモータの効率、配置等を考えて、モータと負荷の間をギア列等の動力伝達機構で結合する場合が多い。また、駆動源が直流モータの場合には、高速駆動している場合に効率が良いのでこの傾向が強い。
【０００３】
ところで、動力伝達機構にはギア列のバックラッシやガタ等のいわゆる機械的な不感帯（以下、遊びという）が必ず存在するが、ロータリエンコーダなどの位置検出器を負荷に直接結合すると、ギア列等の遊びにより制御系が不安定になりやすく、また必要な解像度を得るのに高パルスのエンコーダが必要であり、コスト高になる。したがって、位置検出器をモータ軸に結合する場合が多く、これはいわゆるセミクローズ制御系と称される。
【０００４】
また、高精度かつ静粛に位置制御するために、速度テーブルによってモータを制御する方法がよく行われている。例えば、騒音等を考慮して、図１２に示すように、できるだけ滑らかな速度テーブルを用いるのが普通である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−１３２７９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように動力伝達機構には遊びが存在するが、例えば、多色画像形成装置の現像器切り替え器のように比較的大きな慣性をもつ負荷を駆動する場合、減速比を大きくとるので、遊びも大きくなる。
【０００７】
このような系を上述したセミクローズ系で位置制御する場合、初期状態によって制御結果が大きく異なってしまうことがある。
【０００８】
例えば、図１２に示すように、滑らかな速度テーブルに従って加速しようとすると、動力伝達機構の初期状態が進行方向に対する遊びがない場合は、最初から負荷側とモータ側との慣性負荷が一体となっているため、加速カーブが適切に設計されていれば、図１３に点線で示すように、指令速度に追従して負荷側およびモータ側が一体的に滑らかな加速をする。
【０００９】
一方、動力伝達機構の初期状態が進行方向に対する遊びがある場合は、最初、モータ側の慣性負荷のみが駆動されるので位置検出器で検出される位置は指令速度に対して追従するが、負荷側は動かない。
【００１０】
動力伝達機構の遊びが詰められると、まずギア列が弾性変形を開始し、この後、２つの慣性（モータと負荷）が一体的に運動を開始するまでは、図１４に示すように、負荷を加速することができない。ここで、図１４において、モータ側の動きを点線で、負荷側の動きを一点鎖線で示している。
【００１１】
そして、このときに、負荷のモータに対する大きな位置遅れを生じ、これをすぐに回復することができないため、図１５に示すように、目標位置付近で大きなオーバーシュートを起こしてしまうことがある。
【００１２】
そこで、本発明は、動力伝達機構には遊びが存在し、駆動源の駆動位置を検出して被駆動部材の位置制御を行う場合でも、被駆動部材を正確に位置制御することができるようにした位置制御方法や位置制御システムを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願第１の発明は、動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段とを備え、前記駆動源に速度指令を出して速度制御を行う駆動装置に適用され、前記位置検出手段による検出位置が目標位置に到達するように制御を行う位置制御方法であって、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１速度制御ステップと、前記第１速度制御ステップの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１速度制御ステップよりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２速度制御ステップと、前記第２速度制御ステップの後、前記速度指令を加速側に変化させる第３速度制御ステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
本願第２の発明は、駆動源と、前記駆動源の出力を被駆動部材に伝達する動力伝達機構と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段と、前記駆動源に対して速度指令を出して前記位置検出手段によって検出された検出位置が目標位置に到達するように前記駆動源の駆動を制御する駆動制御手段とを有する位置制御システムであって、前記駆動制御手段は、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１の速度制御を行い、前記第１の速度制御の後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１の速度制御よりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２の速度制御を行い、前記第２の速度制御の後、前記速度指令を加速側に変化させる第３の速度制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
本願第３の発明である画像形成装置は、上述した位置制御システムを備え、駆動源の駆動力により画像形成に関わる被駆動部材を駆動することを特徴とする。
【００１８】
本願第４の発明は、動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段とを備え、前記駆動源に速度指令を出して速度制御を行う駆動装置のコンピュータに、前記位置検出手段による検出位置が目標位置に到達するように制御を行わせるコンピュータプログラムであって、少なくとも前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１速度制御ルーチンと、前記第１速度制御ルーチンの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１速度制御ルーチンよりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２速度制御ルーチンと、前記第２速度制御ルーチンの後、前記速度指令を加速側に変化させる第３速度制御ルーチンとを有することを特徴とする。
【００２０】
これらの発明によれば、駆動源の駆動位置を検出して被駆動部材の位置制御を行う場合であっても、機械的不感帯（遊び）が存在する動力伝達機構の初期条件にかかわらず、しかも特別な機構や部品を用いることなく、安定して正確な被駆動部材の位置制御を行うことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態の一つである位置制御システムにおけるモータの指令速度（速度指令値）の変化パターンを示す速度テーブルを示した図であり、図２は、本実施形態の位置制御システムにおけるブロック図である。
【００２２】
図２では、各構成要素の電気的な接続を点線で、機械的な接続を実線で示す。ここで、位置センサであるロータリエンコーダ（位置検出手段）２は、直流モータ（以下、モータ）４の軸に伝達機構を介さずに直接取り付けられている。ロータリエンコーダ２は回転方向の情報を含むパルス信号を出していて、このパルス信号を位置カウンタ１でアップダウンカウントすることによって、モータ４の駆動位置（回転量）情報を得ることができる。
【００２３】
動力伝達機構であるギア列（単数のギア列からなるものも含む）５は、モータ４にて発生した回転を減速するとともにトルクを増大させる。また、ギア列５には機械的な不感帯としての遊びが存在し、その量は予め計測することによりほぼ正確に知ることができる。
【００２４】
記憶回路７には、負荷としての被駆動部材６を位置制御する際の速度テーブルおよび制御の諸パラメータが記憶されていて、マイコン（駆動制御手段）３の要求に応じて、それらをマイコン３に出力する。また、マイコン３は記憶回路７又は別の記憶媒体に記録されたプログラムを読み出して実行することによって、本実施形態における処理を行う。
【００２５】
マイコン３は記憶回路７から読み出した速度テーブルを積分して得られる指令位置と、位置カウンタ１から得られた現在の駆動位置とを比較して、位置偏差に対して比例、積分、微分演算などを行い、モータ４に与える駆動信号のパルス幅（デューティー比）を増減制御することによって、モータ４を加減速テーブルの速度指令値に追従させる。このとき、従来のように滑らかな変化の速度テーブルに基づいて加減速制御を行った場合、図１４、１５に示すように、遊びの初期条件によって負荷が急激に変化すると、モータの実際の駆動速度が指令速度に追従できず、被駆動部材には大きなオーバーシュートが生じていた。これに対して、本実施形態では、図１に示すような速度テーブルによって制御を行う。以下、図１の速度テーブルにおける各領域について説明する。
【００２６】
▲１▼第１加速領域（第１速度制御ステップ）
この領域では、モータの構成要素であるロータや出力軸といったモータ自体の負荷のみを駆動する場合に、モータ４が十分追従可能な加速度が得られるような第１の変化率で指令速度を増加させる。
【００２７】
▲２▼第１定速領域（第２速度制御ステップ）
この領域では、動力伝達機構であるギア列５の弾性変形が平衡状態に達するまで、具体的にはモータ４、ギア列５、および、被駆動部材６がほぼ一体的に運動するようになり、モータ４の速度とモータ４からの駆動力伝達が開始された被駆動部材６の速度とがほぼ動力伝達機構の減速比に応じた関係に達するまで、指令速度を一定（加速度を０）とする。
【００２８】
▲３▼第２加速領域（第３速度制御ステップ）
この領域では、モータ４が最大速度に達するまで、モータ４と被駆動部材６の２つの慣性が十分追従可能な加速度が得られるように、第１の変化率よりも小さい変化率で指令速度を増加させる。なお、被駆動部材６の移動距離が短い（モータ４を駆動させる前に上述の位置カウンタ１から得られた駆動位置と指令位置との距離が十分に離れていない）のであれば、モータ４がその距離に見合った速度に達するまで指令速度を増加させる。
【００２９】
▲４▼第２定速領域
この領域では、減速開始位置までモータ４を最大速度で駆動するために一定の指令速度とする。なお、被駆動部材６の移動距離が短いと、この領域は０secとなる場合もある。
【００３０】
▲５▼第１減速領域（第４速度制御ステップ）
この領域では、モータ自体の負荷のみを駆動する場合に、モータ４が十分追従可能なマイナスの加速度が得られるように、第２の変化率で指令速度を減少させる。
【００３１】
▲６▼第３定速領域加（第５速度制御ステップ）
この領域では、動力伝達機構であるギア列５の弾性変形が平衡状態に達するまで、具体的には、先に減速されたモータ４と被駆動部材６とが分離された状態になった後、再びほぼ一体的に運動するようになり、かつ被駆動部材６の速度がモータ４の速度に対してほぼ動力伝達機構の減速比に応じた速度に減速するまで、指令速度を一定（マイナスの加速度を０）とする。
【００３２】
▲７▼第２減速領域（第６速度制御ステップ）
モータ４の速度が０に達するまで（位置カウンタ１によるカウント値が目標位置に対応するカウント値に達するまで）、モータ４と被駆動部材６の両者の慣性が十分追従可能なマイナスの加速度が得られるように指令速度を第２の変化率より小さい変化率で減少させる。
【００３３】
▲８▼サーボロック領域
目標位置での外乱によってモータ４（および被駆動部材６）の位置が変動しないようサーボロックをする。
【００３４】
各速度制御領域▲１▼〜▲８▼について詳しく説明する。
【００３５】
第１加速領域▲１▼は、モータ４の起動から動力伝達機構であるギア列５の遊びが詰まるのに必要なモータ駆動量である。機械的不感帯である遊びはギア列５の内部のほかにも、モータ４とギア列５の間や、ギア列５と被駆動部材６との間にも存在する。この第１加速領域▲１▼では、これらの遊びの総和が最大である場合であっても、これらの遊びが全て詰まるために必要な量、モータ４を駆動する。図１は速度のグラフなので、この第１加速領域▲１▼の部分の積分値が遊び量となる。なお、このモータ駆動量はエンコーダ換算値である。
【００３６】
第１定速領域▲２▼では、動力伝達機構であるギア列５の遊びが詰まり、機械的不感帯がなくなることで、分離していたモータ４および被駆動部材６の慣性が動力伝達機構を介して係合してから、これら両者の慣性が平衡状態に達して一体的に運動を始めるまでの時間が設定されている。
【００３７】
この時間は、モータ４と被駆動部材６の両者の慣性、ギア列５の弾性定数、摩擦等により決定される。この時間は、計算や実測で求め、予め設定しておくことができる。なお、第１定速領域▲２▼の代わりに、第１加速領域▲１▼および第２加速領域▲３▼よりゆるい（第１の変化率よりも小さい変化率の）加速領域を設けてもよい。この第１定速領域▲２▼の時間は、第１加速領域▲１▼の最終位置で両者の慣性が平衡状態に達した（つまり駆動前のギア列５による遊びが最大であった）場合を基に設定されている。
【００３８】
上記の第２加速領域▲３▼は、モータ側と被駆動部材側との慣性が一体となって運動している領域である。第１加速領域▲１▼ではモータ４の慣性だけを考慮すればよいが、この第２加速領域▲３▼ではモータ４の慣性と被駆動部材６の慣性を考慮する必要がある。したがって、第１加速領域▲１▼よりもモータ４に大きな負荷がかかる第２加速領域▲３▼でのモータ４の加速度は、第１加速領域▲１▼でのモータ４の加速度よりも小さく設定されている。
【００３９】
なお、DCモータでは、高回転になると逆起電力でトルクが小さくなるので、最高速付近では加速を緩やかにするとよい場合もある。
【００４０】
第２定速領域▲４▼は、最高速度で減速開始位置（残り距離が減速領域の速度カーブの積分値と同じ位置）になるまで運行される領域である。この領域での指令速度は、モータ４やそのドライバの絶対定格、加減速距離、騒音等を考慮して決定される。また、この領域は必ず必要というわけではない。すなわち、被駆動部材６の移動距離が短いときには、上記第２加速領域▲３▼の後、すぐに第１減速領域▲５▼に移行する。
【００４１】
第１減速領域▲５▼では、被駆動部材６は慣性によって速度を維持しようとするのに対して、モータ４には制動が働くため、再びモータ４と被駆動部材６の両者の慣性が分離し、動力伝達機構であるギア列５には再度遊びが生じ、遊びが生じることによりギア列５の弾性変形が回復する。そして、第１加速領域▲１▼と同様にギア列５による遊びをなくすため、ギア列５による遊びが第１加速領域▲１▼とは逆向きに詰まるまでモータ４を減速しながら駆動する。
【００４２】
なお、モータ４と被駆動部材６の慣性が分離するため、減速の加速度はモータ４自体の慣性のみが追従できるような値とする。第１減速領域▲５▼では第１加速領域▲１▼に比べて速度が大きいので、時間的には第１加速領域▲１▼よりも短くなる（移動距離は同じである）。
【００４３】
第３定速領域▲６▼では、動力伝達機構であるギア列５の遊びが逆向きに詰まり、機械的不感帯がなくなることで、分離していたモータ４および被駆動部材６の慣性が動力伝達機構を介して係合してから、これら両者の慣性が平衡状態に達して一体的に運動を始めるまでの時間が設定されている。
【００４４】
この時間は、第１定速領域▲２▼と同様にモータ４と被駆動部材６の両者の慣性、ギア列５の弾性定数、摩擦等により決定される。なお、第３定速領域▲６▼の代わりに、第１減速領域▲５▼および第２減速領域▲７▼よりゆるい（第２の変化率よりも小さい変化率の）加速領域を設けてもよい。
【００４５】
この第３定速領域▲６▼の時間は、第１減速領域▲５▼の最終位置で両者の慣性が平衡状態に達した（つまり駆動前のギア列５による遊びが最大であった）場合を基に設定されている点では第１定速領域▲２▼と同じであるが、第１定速領域▲２▼では、被駆動部材６が静止摩擦で停止しているのに対して、この第３定速領域▲６▼では両者の慣性が動いているので、第３定速領域▲６▼は第１定速領域▲２▼と比較して短い時間で済む。
【００４６】
第２減速領域▲７▼では、第２加速領域▲３▼と同様にして２つの慣性が一体的に運動することを想定して、マイナスの加速度は、両者の慣性が無理なく減速できる値に設定される。なお、減速領域側では、軸やギア列の摩擦力が減速方向に優位に作用するため、加速領域よりも変化率を大きくとっている。
【００４７】
サーボロック領域▲８▼では、モータ４および被駆動部材６が目標位置から変動しないようにサーボロックをかけるが、設計した速度カーブにより直前に十分減速されていれば、図１５に示したようなハンチングを起こすことなく静かに停止する。
【００４８】
ここで、本実施形態によれば、初期条件にかかわらず、図１５のような目標位置でのハンチングを起こさないことについて説明する。
【００４９】
まず、初期条件で、駆動力伝達機構の進行方向の遊びが最大である場合の指令速度とモータ４および被駆動部材６の速度（加速時の追従速度）との関係を模式的に示したのが図３である。なお、実線は指令速度を、点線はモータ４の動きを、一点鎖線は被駆動部材６の動きをそれぞれ示している。但し、被駆動部材６の動きは、モータ軸に換算した値（実際の被駆動部材６の速度を動力伝達機構の減速比で割ったものに相当する値）として示している。
【００５０】
第１加速領域▲１▼では、モータ側の慣性にのみ駆動力が伝達されるので、指令速度と検出されたモータ速度はほぼ一致する。この第１加速領域▲１▼の最終位置まではギア列５による遊びが存在するため、被駆動部材６には駆動力がほとんど伝達されない。
【００５１】
第１定速領域▲２▼の直前で、モータ側と被駆動部材側とが動力伝達機構を介して係合し、第１定速領域▲２▼ではモータ４の駆動によって動力伝達機構のギア列５が弾性変形してから、ギア列５および被駆動部材６が徐々に駆動を開始し、モータ４、ギア列５、および、被駆動部材６までの駆動系が一体的に運動する。なお、第１定速領域▲２▼は、予め求めたこれらの変化に要する時間を設定しているため、第２加速領域▲３▼に入る時にはモータ４、ギア列５、及び、被駆動部材６までの駆動系が一体的に運動できるようになっている。
【００５２】
第２加速領域▲３▼では、モータ４と被駆動部材６の両者の慣性を加速する指令速度になっている（第１加速領域▲１▼より加速がゆるい）ため、モータ４と被駆動部材６は指令速度を十分に追従することができる。また、減速時にも同様のことが言える。
【００５３】
以上より本実施形態によれば、初期条件で動力伝達機構に遊びがあった場合でも、図１５に示したような大きなオーバーシュートやハンチングは生じず、図５に示すように、モータ４をほぼ目標位置に停止させることができることがわかる。図５では被駆動部材６の動き（追従速度）は記載されていないが、第２加速領域▲３▼、第２定速領域▲２▼、第２減速領域▲７▼での被駆動部材６の動きはモータ４の動きとほぼ同じであり、目標位置付近でオーバーシュートを起こさないことがわかる。
【００５４】
次に、初期条件で、動力伝達機構の進行方向の遊びがないの場合の加速時の指令速度とモータ４および被駆動部材６の実際の速度との関係を図４に示す。なお、実線は指令速度を、点線はモータ４および被駆動部材６の実際の動き（追従速度）をそれぞれ示している。
【００５５】
第１加速領域▲１▼がモータ４自体の負荷、つまりモータ４の慣性のみの加速を想定しているので、モータ４の慣性と被駆動部材６の慣性を同時に駆動しなければならない本条件では、加速初期においてはモータ４の速度が指令速度よりも遅れてしまう。
【００５６】
しかし、駆動開始から動力伝達機構のギア列５の弾性変形が開始され、第１定速領域▲２▼の早い段階でモータ４の検出された速度が指令速度に追いつくことができる。
【００５７】
第２加速領域▲３▼に入る頃には、遊びがある場合と同じ状態となり、あとは上述したように安定してモータ４および被駆動部材６を目標位置に停止させることが可能となる。
【００５８】
また、初期条件での遊びの量によってモータ４の慣性と被駆動部材６の慣性が一体的に運動するためにかかる時間、駆動量は異なるが、いずれの場合であっても、第１定速領域▲２▼の終了する時点ではモータ４の慣性と被駆動部材６の慣性が一体的に運動することになる。
【００５９】
また、第１加速領域１、第１定速領域２等で設定する時間は、計算や実測によって予め定めることができ、ここでセミクローズ系の制御を行う必要はない。
【００６０】
図６には、動力伝達機構の遊び量検出の一例であるシーケンスを表すフローチャートを示している。このフローチャートの動作は、位置制御システムの初期化時等に必要に応じて、所定の移動開始位置の個所だけ行えばよい。なお、図ではステップをSと略している。
【００６１】
ステップ１では、マイコン３はモータ４を微速で通常の進行方向と逆方向に駆動、すなわち後退させる。
【００６２】
ステップ２では、モータ４が負荷側に突き当たることにより速度が０、又は、突き当たる衝撃でバウンドして速度が正（通常の進行方向）となる位置を検出する。このとき、負荷側を駆動せずにモータ４のみを駆動可能なように、モータのトルクは小さく設定されている。この位置の検出ができた場合はステップ３及びステップ４に進み、位置の検出ができなければステップ１を繰り返す。
【００６３】
ステップ３では、ステップ２で検出した位置をＰ０として記憶回路７に記憶させる。このＰ０は動力伝達機構による遊びが最大のときの遊びの一端の位置を示している。
【００６４】
ステップ４では、モータ４と被駆動部材６を駆動するために必要なトルクを得るために十分なステップ状の駆動指令を与えて、モータ４を通常の進行方向に駆動する。このときのモータ４の速度変化を示したのが図７である。
【００６５】
ステップ５では、モータ４が負荷側に突き当たって動力伝達機構が弾性変形を開始するため、モータ４の加速度が正から負へと変化する位置を検出する。この位置の検出ができた場合はステップ６及びステップ７に進み、位置の検出ができなければステップ４を繰り返す。
【００６６】
ステップ６では、ステップ５で検出した位置をＰ１として記憶回路７に記憶させる。このＰ１は動力伝達機構による遊びが最大のときの遊びの他端の位置を示している。また、モータ４の速度は位置Ｐ１のときの速度と比較して一旦は減少するが、その後、再び増加を開始してＰ１のときと同じ速度まで回復する。
【００６７】
このとき、モータ４の慣性と被駆動部材６の慣性は一体的に運動するようになる。モータ４の速度が位置Ｐ１での速度から一旦減少し、再び位置Ｐ１での速度に回復するまでの時間Δtを計測し、このΔtを記憶回路７に記憶させる。このΔtより第１定速領域▲２▼と第３定速領域▲６▼での駆動時間を求めることができる。
【００６８】
ステップ７では、Ｐ１−Ｐ０を計算して、動力伝達機構の最大遊び量を求める。
【００６９】
ステップ８では、予め記憶回路７に記憶されている仮速度テーブルを読み出し、求めたΔt、および、動力伝達機構の最大遊び量を用いて仮速度テーブルの修正を行い、正式な速度テーブルを作成する。この速度テーブルは、次回からの位置制御に使用することができる。
【００７０】
ステップ９では、正式な速度テーブルを記憶回路７に記憶させる。
【００７１】
なお、被駆動部材６をロック保持する固定機構がある場合には、予め被駆動部材６を固定しておくことによって、被駆動部材６を駆動することなく最大遊び量を検出することができる。ただし、この場合、Δｔは予めギア列５の弾性定数等から計算又は別途測定しておく必要がある。
【００７２】
なお、本実施形態では、駆動源として直流モータを用いる場合について説明したが、ギア列等の動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動し、駆動源の出力部の駆動位置を位置センサより取得した位置に基づいて駆動源のフィードバック制御を行う駆動系であれば、どのような駆動源を用いてもよい。
【００７３】
例えば、図８には、振動型モータを用いた、カメラ等のレンズ鏡筒の駆動ユニットを示している。ここで、１０はペンシル型の振動型モータ、１２、１３がギア列ユニット（動力伝達機構）、１５はパルス板、１６はこのパルス板１５とともに位置検出器を構成するフォトインタラプタ等からなるエンコーダである。１４は被駆動部材（負荷）としてのレンズ鏡筒の構成部品であり、例えば、ズームレンズを光軸方向に駆動するカムリング等である。
【００７４】
なお、振動型モータ１０は、弾性体１０ａと、弾性体１０ａの下部に設けられた圧電素子１０ｂと、弾性体１０ａの上面にバネ力により圧接しているロータ１０ｃとから構成されており、圧電素子１０ｂへの通電によって弾性体１０ａに振動を励起し、この弾性体１０ａに圧接しているロータ１０ｃが回転駆動されるものである。そして、ロータ１０ｃの回転は、ロータ１０ｃと一体回転するギア１０ｄからギアユニット１２、１３を介してレンズ鏡筒の構成部材１４に伝達される。
【００７５】
この例では振動型モータを使っているが、ギア列によりトルクを伝達しているため本実施形態と同様の制御方法が有効である。この場合、パルス幅でも速度を制御できるが、よりダイナミックレンジの広い駆動周波数による速度の制御がよく用いられる。
【００７６】
（第２実施形態）
図９には、上記第１実施形態にて説明した位置制御システムを備えた多色画像形成装置１８の構成を示している。２０は表面にレーザー光等を受けて感光し、潜像を形成する感光ドラム、２３は感光ドラム２０に形成された潜像に順に各色の感光剤を付加することによって可視像を現出させる回転型現像器、１９は回転型現像器２３によって現像された単色の可視画像を記録シートに転写し、各色の可視画像を重ね合わせることによってカラー画像を形成する中間転写ドラムである。
【００７７】
被駆動部材の慣性が大きく、また動力伝達機構の遊びが大きい系に対して上述した第１実施形態の位置制御システムは有効である。図９でいえば、中間転写ドラム１９、感光ドラム２０および回転型現像器２３が被駆動部材にあたる。
【００７８】
図１０は、図９に示した回転型現像器２３の部分拡大図である。駆動源である直流モータ２４には、ロータリエンコーダ２６が直結されていて、直流モータ２４の位置を検出できるようになっている。
【００７９】
モータ駆動力は、ギア２５、２７（動力伝達機構）によって被駆動部材である回転型現像器２３に導かれている。
【００８０】
回転型現像器２３は、各色の現像剤を含むカートリッジを保持するような機構となっていて、決められた色順となるよう現像位置に配置されている。
【００８１】
図１１は、図９に示した感光ドラム２０および中間転写ドラム１９の部分拡大図である。感光ドラム２０および中間転写ドラム１９には、それぞれギア２８〜３２、３４、３５を介してモータ３３から駆動力が導かれる。
【００８２】
ギア３１は段ギアとなっていて、感光ドラム２０と中間転写ドラム１９の２つの負荷に動力を分配している。
【００８３】
回転型現像器２３が大きな慣性モーメントを持っていて、さらにギア列の段数が多く、その減速比も大きいため、ロータリエンコーダ２６から見た被駆動部材の遊び量は大きな値となる。
【００８４】
したがって、頭出し等のためにこれらの駆動系を位置出しする場合、上述した位置制御方法は非常に有効な手段となる。
【００８５】
なお、上記実施形態では、レンズ鏡筒や画像形成装置の駆動系に本発明の実施形態にかかる位置制御方法を適用した場合について説明したが、これらに限らず、駆動源の駆動力を動力伝達機構を介して被駆動部材に伝達する駆動系を有した各種機器に適用することができる。
【００８６】
また、上述した実施形態における動作（位置制御動作）を実行するためのプログラム、及び、このプログラムを格納した記憶媒体についても同様に適用することができるものである。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動源の駆動位置を検出して被駆動部材の位置制御を行う場合であっても、不感帯（遊び）が存在する動力伝達機構の初期条件にかかわらず、特別な機構や部品を用いることなく、安定して正確な被駆動部材の位置制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一つである位置制御システムが用いる指令速度のパターンを示す図。
【図２】位置制御システムの構成を示すブロック図。
【図３】位置制御システムにおいて、進行方向の遊びが大きい場合の加速時における指令速度と実際のモータおよび被駆動部材の速度（追従速度）との関係を示す図。
【図４】位置制御システムにおいて、進行方向の遊びがない場合の加速時における指令速度と実際のモータおよび被駆動部材の速度（追従速度）との関係を示す図。
【図５】位置制御システムにおいて、進行方向の遊びが大きい場合の加速時から減速・停止時までの指令速度と実際のモータの速度（追従速度）との関係を示す図。
【図６】位置制御システムにおける遊び量の検出フローチャート。
【図７】位置制御システムにおける遊び量の検出方法の説明図。
【図８】位置制御システムを適用するレンズ鏡筒の駆動ユニットの断面図。
【図９】位置制御システムを適用する多色画像形成装置の断面図。
【図１０】多色画像形成装置の回転型現像器を示す図。
【図１１】多色画像形成装置の感光ドラムと中間転写ドラムを示す図。
【図１２】従来の位置制御システムの速度パターンを示す図。
【図１３】従来の位置制御システムにおいて、進行方向の遊びがないときの指令速度とモータおよび被駆動部材の実際の追従速度との関係を示す図。
【図１４】従来の位置制御システムにおいて、進行方向の遊びが大きいときの指令速度とモータおよび被駆動部材の実際の追従速度との関係を示す図。
【図１５】従来の位置制御システムを用いた場合の目標位置に対するオーバーシュートの様子を示す図。
【符号の説明】
１ 位置カウンタ
２ ロータリエンコーダ
３ マイコン
４、２４、３３ 直流モータ
５ ギア列
１０ｄ ギア
１２、１３ ギアユニット
２５、２７、２８〜３２、３４、３５ ギア
６ 被駆動部材
７ 記憶回路
１０ 振動型モータ
１４ レンズ鏡筒の構成部品
１５ パルス板
１６ エンコーダ
１８ 多色画像形成装置
１９ 中間転写ドラム
２０ 感光ドラム
２３ 回転型現像器
２６ ロータリエンコーダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源の駆動力を動力伝達機構を介して被駆動部材に伝達する駆動系に用いられる位置制御方法、位置制御システム、位置制御方法を実行するためのプログラムに関するものであり、例えば被駆動部材の慣性が大きい画像形成装置の現像器の位置制御に適切なものである。
【０００２】
【従来の技術】
駆動源と被駆動部材との間には動力伝達機構が設けられていることが多く、特に、プリンター等の多色画像形成装置の現像器切り替え器のように、比較的大きな慣性をもつ被駆動部材（負荷）を位置制御する場合、駆動源であるモータの効率、配置等を考えて、モータと負荷の間をギア列等の動力伝達機構で結合する場合が多い。また、駆動源が直流モータの場合には、高速駆動している場合に効率が良いのでこの傾向が強い。
【０００３】
ところで、動力伝達機構にはギア列のバックラッシやガタ等のいわゆる機械的な不感帯（以下、遊びという）が必ず存在するが、ロータリエンコーダなどの位置検出器を負荷に直接結合すると、ギア列等の遊びにより制御系が不安定になりやすく、また必要な解像度を得るのに高パルスのエンコーダが必要であり、コスト高になる。したがって、位置検出器をモータ軸に結合する場合が多く、これはいわゆるセミクローズ制御系と称される。
【０００４】
また、高精度かつ静粛に位置制御するために、速度テーブルによってモータを制御する方法がよく行われている。例えば、騒音等を考慮して、図１２に示すように、できるだけ滑らかな速度テーブルを用いるのが普通である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−１３２７９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように動力伝達機構には遊びが存在するが、例えば、多色画像形成装置の現像器切り替え器のように比較的大きな慣性をもつ負荷を駆動する場合、減速比を大きくとるので、遊びも大きくなる。
【０００７】
このような系を上述したセミクローズ系で位置制御する場合、初期状態によって制御結果が大きく異なってしまうことがある。
【０００８】
例えば、図１２に示すように、滑らかな速度テーブルに従って加速しようとすると、動力伝達機構の初期状態が進行方向に対する遊びがない場合は、最初から負荷側とモータ側との慣性負荷が一体となっているため、加速カーブが適切に設計されていれば、図１３に点線で示すように、指令速度に追従して負荷側およびモータ側が一体的に滑らかな加速をする。
【０００９】
一方、動力伝達機構の初期状態が進行方向に対する遊びがある場合は、最初、モータ側の慣性負荷のみが駆動されるので位置検出器で検出される位置は指令速度に対して追従するが、負荷側は動かない。
【００１０】
動力伝達機構の遊びが詰められると、まずギア列が弾性変形を開始し、この後、２つの慣性（モータと負荷）が一体的に運動を開始するまでは、図１４に示すように、負荷を加速することができない。ここで、図１４において、モータ側の動きを点線で、負荷側の動きを一点鎖線で示している。
【００１１】
そして、このときに、負荷のモータに対する大きな位置遅れを生じ、これをすぐに回復することができないため、図１５に示すように、目標位置付近で大きなオーバーシュートを起こしてしまうことがある。
【００１２】
そこで、本発明は、動力伝達機構には遊びが存在し、駆動源の駆動位置を検出して被駆動部材の位置制御を行う場合でも、被駆動部材を正確に位置制御することができるようにした位置制御方法や位置制御システムを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願第１の発明は、動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段とを備え、前記駆動源に速度指令を出して速度制御を行う駆動装置に適用され、前記位置検出手段による検出位置が目標位置に到達するように制御を行う位置制御方法であって、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１速度制御ステップと、前記第１速度制御ステップの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１速度制御ステップよりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２速度制御ステップと、前記第２速度制御ステップの後、前記速度指令を加速側に変化させる第３速度制御ステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
本願第２の発明は、駆動源と、前記駆動源の出力を被駆動部材に伝達する動力伝達機構と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段と、前記駆動源に対して速度指令を出して前記位置検出手段によって検出された検出位置が目標位置に到達するように前記駆動源の駆動を制御する駆動制御手段とを有する位置制御システムであって、前記駆動制御手段は、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１の速度制御を行い、前記第１の速度制御の後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１の速度制御よりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２の速度制御を行い、前記第２の速度制御の後、前記速度指令を加速側に変化させる第３の速度制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
本願第３の発明である画像形成装置は、上述した位置制御システムを備え、駆動源の駆動力により画像形成に関わる被駆動部材を駆動することを特徴とする。
【００１８】
本願第４の発明は、動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段とを備え、前記駆動源に速度指令を出して速度制御を行う駆動装置のコンピュータに、前記位置検出手段による検出位置が目標位置に到達するように制御を行わせるコンピュータプログラムであって、少なくとも前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１速度制御ルーチンと、前記第１速度制御ルーチンの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１速度制御ルーチンよりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２速度制御ルーチンと、前記第２速度制御ルーチンの後、前記速度指令を加速側に変化させる第３速度制御ルーチンとを有することを特徴とする。
【００２０】
これらの発明によれば、駆動源の駆動位置を検出して被駆動部材の位置制御を行う場合であっても、機械的不感帯（遊び）が存在する動力伝達機構の初期条件にかかわらず、しかも特別な機構や部品を用いることなく、安定して正確な被駆動部材の位置制御を行うことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態の一つである位置制御システムにおけるモータの指令速度（速度指令値）の変化パターンを示す速度テーブルを示した図であり、図２は、本実施形態の位置制御システムにおけるブロック図である。
【００２２】
図２では、各構成要素の電気的な接続を点線で、機械的な接続を実線で示す。ここで、位置センサであるロータリエンコーダ（位置検出手段）２は、直流モータ（以下、モータ）４の軸に伝達機構を介さずに直接取り付けられている。ロータリエンコーダ２は回転方向の情報を含むパルス信号を出していて、このパルス信号を位置カウンタ１でアップダウンカウントすることによって、モータ４の駆動位置（回転量）情報を得ることができる。
【００２３】
動力伝達機構であるギア列（単数のギア列からなるものも含む）５は、モータ４にて発生した回転を減速するとともにトルクを増大させる。また、ギア列５には機械的な不感帯としての遊びが存在し、その量は予め計測することによりほぼ正確に知ることができる。
【００２４】
記憶回路７には、負荷としての被駆動部材６を位置制御する際の速度テーブルおよび制御の諸パラメータが記憶されていて、マイコン（駆動制御手段）３の要求に応じて、それらをマイコン３に出力する。また、マイコン３は記憶回路７又は別の記憶媒体に記録されたプログラムを読み出して実行することによって、本実施形態における処理を行う。
【００２５】
マイコン３は記憶回路７から読み出した速度テーブルを積分して得られる指令位置と、位置カウンタ１から得られた現在の駆動位置とを比較して、位置偏差に対して比例、積分、微分演算などを行い、モータ４に与える駆動信号のパルス幅（デューティー比）を増減制御することによって、モータ４を加減速テーブルの速度指令値に追従させる。このとき、従来のように滑らかな変化の速度テーブルに基づいて加減速制御を行った場合、図１４、１５に示すように、遊びの初期条件によって負荷が急激に変化すると、モータの実際の駆動速度が指令速度に追従できず、被駆動部材には大きなオーバーシュートが生じていた。これに対して、本実施形態では、図１に示すような速度テーブルによって制御を行う。以下、図１の速度テーブルにおける各領域について説明する。
【００２６】
▲１▼第１加速領域（第１速度制御ステップ）
この領域では、モータの構成要素であるロータや出力軸といったモータ自体の負荷のみを駆動する場合に、モータ４が十分追従可能な加速度が得られるような第１の変化率で指令速度を増加させる。
【００２７】
▲２▼第１定速領域（第２速度制御ステップ）
この領域では、動力伝達機構であるギア列５の弾性変形が平衡状態に達するまで、具体的にはモータ４、ギア列５、および、被駆動部材６がほぼ一体的に運動するようになり、モータ４の速度とモータ４からの駆動力伝達が開始された被駆動部材６の速度とがほぼ動力伝達機構の減速比に応じた関係に達するまで、指令速度を一定（加速度を０）とする。
【００２８】
▲３▼第２加速領域（第３速度制御ステップ）
この領域では、モータ４が最大速度に達するまで、モータ４と被駆動部材６の２つの慣性が十分追従可能な加速度が得られるように、第１の変化率よりも小さい変化率で指令速度を増加させる。なお、被駆動部材６の移動距離が短い（モータ４を駆動させる前に上述の位置カウンタ１から得られた駆動位置と指令位置との距離が十分に離れていない）のであれば、モータ４がその距離に見合った速度に達するまで指令速度を増加させる。
【００２９】
▲４▼第２定速領域
この領域では、減速開始位置までモータ４を最大速度で駆動するために一定の指令速度とする。なお、被駆動部材６の移動距離が短いと、この領域は０secとなる場合もある。
【００３０】
▲５▼第１減速領域（第４速度制御ステップ）
この領域では、モータ自体の負荷のみを駆動する場合に、モータ４が十分追従可能なマイナスの加速度が得られるように、第２の変化率で指令速度を減少させる。
【００３１】
▲６▼第３定速領域加（第５速度制御ステップ）
この領域では、動力伝達機構であるギア列５の弾性変形が平衡状態に達するまで、具体的には、先に減速されたモータ４と被駆動部材６とが分離された状態になった後、再びほぼ一体的に運動するようになり、かつ被駆動部材６の速度がモータ４の速度に対してほぼ動力伝達機構の減速比に応じた速度に減速するまで、指令速度を一定（マイナスの加速度を０）とする。
【００３２】
▲７▼第２減速領域（第６速度制御ステップ）
モータ４の速度が０に達するまで（位置カウンタ１によるカウント値が目標位置に対応するカウント値に達するまで）、モータ４と被駆動部材６の両者の慣性が十分追従可能なマイナスの加速度が得られるように指令速度を第２の変化率より小さい変化率で減少させる。
【００３３】
▲８▼サーボロック領域
目標位置での外乱によってモータ４（および被駆動部材６）の位置が変動しないようサーボロックをする。
【００３４】
各速度制御領域▲１▼〜▲８▼について詳しく説明する。
【００３５】
第１加速領域▲１▼は、モータ４の起動から動力伝達機構であるギア列５の遊びが詰まるのに必要なモータ駆動量である。機械的不感帯である遊びはギア列５の内部のほかにも、モータ４とギア列５の間や、ギア列５と被駆動部材６との間にも存在する。この第１加速領域▲１▼では、これらの遊びの総和が最大である場合であっても、これらの遊びが全て詰まるために必要な量、モータ４を駆動する。図１は速度のグラフなので、この第１加速領域▲１▼の部分の積分値が遊び量となる。なお、このモータ駆動量はエンコーダ換算値である。
【００３６】
第１定速領域▲２▼では、動力伝達機構であるギア列５の遊びが詰まり、機械的不感帯がなくなることで、分離していたモータ４および被駆動部材６の慣性が動力伝達機構を介して係合してから、これら両者の慣性が平衡状態に達して一体的に運動を始めるまでの時間が設定されている。
【００３７】
この時間は、モータ４と被駆動部材６の両者の慣性、ギア列５の弾性定数、摩擦等により決定される。この時間は、計算や実測で求め、予め設定しておくことができる。なお、第１定速領域▲２▼の代わりに、第１加速領域▲１▼および第２加速領域▲３▼よりゆるい（第１の変化率よりも小さい変化率の）加速領域を設けてもよい。この第１定速領域▲２▼の時間は、第１加速領域▲１▼の最終位置で両者の慣性が平衡状態に達した（つまり駆動前のギア列５による遊びが最大であった）場合を基に設定されている。
【００３８】
上記の第２加速領域▲３▼は、モータ側と被駆動部材側との慣性が一体となって運動している領域である。第１加速領域▲１▼ではモータ４の慣性だけを考慮すればよいが、この第２加速領域▲３▼ではモータ４の慣性と被駆動部材６の慣性を考慮する必要がある。したがって、第１加速領域▲１▼よりもモータ４に大きな負荷がかかる第２加速領域▲３▼でのモータ４の加速度は、第１加速領域▲１▼でのモータ４の加速度よりも小さく設定されている。
【００３９】
なお、DCモータでは、高回転になると逆起電力でトルクが小さくなるので、最高速付近では加速を緩やかにするとよい場合もある。
【００４０】
第２定速領域▲４▼は、最高速度で減速開始位置（残り距離が減速領域の速度カーブの積分値と同じ位置）になるまで運行される領域である。この領域での指令速度は、モータ４やそのドライバの絶対定格、加減速距離、騒音等を考慮して決定される。また、この領域は必ず必要というわけではない。すなわち、被駆動部材６の移動距離が短いときには、上記第２加速領域▲３▼の後、すぐに第１減速領域▲５▼に移行する。
【００４１】
第１減速領域▲５▼では、被駆動部材６は慣性によって速度を維持しようとするのに対して、モータ４には制動が働くため、再びモータ４と被駆動部材６の両者の慣性が分離し、動力伝達機構であるギア列５には再度遊びが生じ、遊びが生じることによりギア列５の弾性変形が回復する。そして、第１加速領域▲１▼と同様にギア列５による遊びをなくすため、ギア列５による遊びが第１加速領域▲１▼とは逆向きに詰まるまでモータ４を減速しながら駆動する。
【００４２】
なお、モータ４と被駆動部材６の慣性が分離するため、減速の加速度はモータ４自体の慣性のみが追従できるような値とする。第１減速領域▲５▼では第１加速領域▲１▼に比べて速度が大きいので、時間的には第１加速領域▲１▼よりも短くなる（移動距離は同じである）。
【００４３】
第３定速領域▲６▼では、動力伝達機構であるギア列５の遊びが逆向きに詰まり、機械的不感帯がなくなることで、分離していたモータ４および被駆動部材６の慣性が動力伝達機構を介して係合してから、これら両者の慣性が平衡状態に達して一体的に運動を始めるまでの時間が設定されている。
【００４４】
この時間は、第１定速領域▲２▼と同様にモータ４と被駆動部材６の両者の慣性、ギア列５の弾性定数、摩擦等により決定される。なお、第３定速領域▲６▼の代わりに、第１減速領域▲５▼および第２減速領域▲７▼よりゆるい（第２の変化率よりも小さい変化率の）加速領域を設けてもよい。
【００４５】
この第３定速領域▲６▼の時間は、第１減速領域▲５▼の最終位置で両者の慣性が平衡状態に達した（つまり駆動前のギア列５による遊びが最大であった）場合を基に設定されている点では第１定速領域▲２▼と同じであるが、第１定速領域▲２▼では、被駆動部材６が静止摩擦で停止しているのに対して、この第３定速領域▲６▼では両者の慣性が動いているので、第３定速領域▲６▼は第１定速領域▲２▼と比較して短い時間で済む。
【００４６】
第２減速領域▲７▼では、第２加速領域▲３▼と同様にして２つの慣性が一体的に運動することを想定して、マイナスの加速度は、両者の慣性が無理なく減速できる値に設定される。なお、減速領域側では、軸やギア列の摩擦力が減速方向に優位に作用するため、加速領域よりも変化率を大きくとっている。
【００４７】
サーボロック領域▲８▼では、モータ４および被駆動部材６が目標位置から変動しないようにサーボロックをかけるが、設計した速度カーブにより直前に十分減速されていれば、図１５に示したようなハンチングを起こすことなく静かに停止する。
【００４８】
ここで、本実施形態によれば、初期条件にかかわらず、図１５のような目標位置でのハンチングを起こさないことについて説明する。
【００４９】
まず、初期条件で、駆動力伝達機構の進行方向の遊びが最大である場合の指令速度とモータ４および被駆動部材６の速度（加速時の追従速度）との関係を模式的に示したのが図３である。なお、実線は指令速度を、点線はモータ４の動きを、一点鎖線は被駆動部材６の動きをそれぞれ示している。但し、被駆動部材６の動きは、モータ軸に換算した値（実際の被駆動部材６の速度を動力伝達機構の減速比で割ったものに相当する値）として示している。
【００５０】
第１加速領域▲１▼では、モータ側の慣性にのみ駆動力が伝達されるので、指令速度と検出されたモータ速度はほぼ一致する。この第１加速領域▲１▼の最終位置まではギア列５による遊びが存在するため、被駆動部材６には駆動力がほとんど伝達されない。
【００５１】
第１定速領域▲２▼の直前で、モータ側と被駆動部材側とが動力伝達機構を介して係合し、第１定速領域▲２▼ではモータ４の駆動によって動力伝達機構のギア列５が弾性変形してから、ギア列５および被駆動部材６が徐々に駆動を開始し、モータ４、ギア列５、および、被駆動部材６までの駆動系が一体的に運動する。なお、第１定速領域▲２▼は、予め求めたこれらの変化に要する時間を設定しているため、第２加速領域▲３▼に入る時にはモータ４、ギア列５、及び、被駆動部材６までの駆動系が一体的に運動できるようになっている。
【００５２】
第２加速領域▲３▼では、モータ４と被駆動部材６の両者の慣性を加速する指令速度になっている（第１加速領域▲１▼より加速がゆるい）ため、モータ４と被駆動部材６は指令速度を十分に追従することができる。また、減速時にも同様のことが言える。
【００５３】
以上より本実施形態によれば、初期条件で動力伝達機構に遊びがあった場合でも、図１５に示したような大きなオーバーシュートやハンチングは生じず、図５に示すように、モータ４をほぼ目標位置に停止させることができることがわかる。図５では被駆動部材６の動き（追従速度）は記載されていないが、第２加速領域▲３▼、第２定速領域▲２▼、第２減速領域▲７▼での被駆動部材６の動きはモータ４の動きとほぼ同じであり、目標位置付近でオーバーシュートを起こさないことがわかる。
【００５４】
次に、初期条件で、動力伝達機構の進行方向の遊びがないの場合の加速時の指令速度とモータ４および被駆動部材６の実際の速度との関係を図４に示す。なお、実線は指令速度を、点線はモータ４および被駆動部材６の実際の動き（追従速度）をそれぞれ示している。
【００５５】
第１加速領域▲１▼がモータ４自体の負荷、つまりモータ４の慣性のみの加速を想定しているので、モータ４の慣性と被駆動部材６の慣性を同時に駆動しなければならない本条件では、加速初期においてはモータ４の速度が指令速度よりも遅れてしまう。
【００５６】
しかし、駆動開始から動力伝達機構のギア列５の弾性変形が開始され、第１定速領域▲２▼の早い段階でモータ４の検出された速度が指令速度に追いつくことができる。
【００５７】
第２加速領域▲３▼に入る頃には、遊びがある場合と同じ状態となり、あとは上述したように安定してモータ４および被駆動部材６を目標位置に停止させることが可能となる。
【００５８】
また、初期条件での遊びの量によってモータ４の慣性と被駆動部材６の慣性が一体的に運動するためにかかる時間、駆動量は異なるが、いずれの場合であっても、第１定速領域▲２▼の終了する時点ではモータ４の慣性と被駆動部材６の慣性が一体的に運動することになる。
【００５９】
また、第１加速領域１、第１定速領域２等で設定する時間は、計算や実測によって予め定めることができ、ここでセミクローズ系の制御を行う必要はない。
【００６０】
図６には、動力伝達機構の遊び量検出の一例であるシーケンスを表すフローチャートを示している。このフローチャートの動作は、位置制御システムの初期化時等に必要に応じて、所定の移動開始位置の個所だけ行えばよい。なお、図ではステップをSと略している。
【００６１】
ステップ１では、マイコン３はモータ４を微速で通常の進行方向と逆方向に駆動、すなわち後退させる。
【００６２】
ステップ２では、モータ４が負荷側に突き当たることにより速度が０、又は、突き当たる衝撃でバウンドして速度が正（通常の進行方向）となる位置を検出する。このとき、負荷側を駆動せずにモータ４のみを駆動可能なように、モータのトルクは小さく設定されている。この位置の検出ができた場合はステップ３及びステップ４に進み、位置の検出ができなければステップ１を繰り返す。
【００６３】
ステップ３では、ステップ２で検出した位置をＰ０として記憶回路７に記憶させる。このＰ０は動力伝達機構による遊びが最大のときの遊びの一端の位置を示している。
【００６４】
ステップ４では、モータ４と被駆動部材６を駆動するために必要なトルクを得るために十分なステップ状の駆動指令を与えて、モータ４を通常の進行方向に駆動する。このときのモータ４の速度変化を示したのが図７である。
【００６５】
ステップ５では、モータ４が負荷側に突き当たって動力伝達機構が弾性変形を開始するため、モータ４の加速度が正から負へと変化する位置を検出する。この位置の検出ができた場合はステップ６及びステップ７に進み、位置の検出ができなければステップ４を繰り返す。
【００６６】
ステップ６では、ステップ５で検出した位置をＰ１として記憶回路７に記憶させる。このＰ１は動力伝達機構による遊びが最大のときの遊びの他端の位置を示している。また、モータ４の速度は位置Ｐ１のときの速度と比較して一旦は減少するが、その後、再び増加を開始してＰ１のときと同じ速度まで回復する。
【００６７】
このとき、モータ４の慣性と被駆動部材６の慣性は一体的に運動するようになる。モータ４の速度が位置Ｐ１での速度から一旦減少し、再び位置Ｐ１での速度に回復するまでの時間Δtを計測し、このΔtを記憶回路７に記憶させる。このΔtより第１定速領域▲２▼と第３定速領域▲６▼での駆動時間を求めることができる。
【００６８】
ステップ７では、Ｐ１−Ｐ０を計算して、動力伝達機構の最大遊び量を求める。
【００６９】
ステップ８では、予め記憶回路７に記憶されている仮速度テーブルを読み出し、求めたΔt、および、動力伝達機構の最大遊び量を用いて仮速度テーブルの修正を行い、正式な速度テーブルを作成する。この速度テーブルは、次回からの位置制御に使用することができる。
【００７０】
ステップ９では、正式な速度テーブルを記憶回路７に記憶させる。
【００７１】
なお、被駆動部材６をロック保持する固定機構がある場合には、予め被駆動部材６を固定しておくことによって、被駆動部材６を駆動することなく最大遊び量を検出することができる。ただし、この場合、Δｔは予めギア列５の弾性定数等から計算又は別途測定しておく必要がある。
【００７２】
なお、本実施形態では、駆動源として直流モータを用いる場合について説明したが、ギア列等の動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動し、駆動源の出力部の駆動位置を位置センサより取得した位置に基づいて駆動源のフィードバック制御を行う駆動系であれば、どのような駆動源を用いてもよい。
【００７３】
例えば、図８には、振動型モータを用いた、カメラ等のレンズ鏡筒の駆動ユニットを示している。ここで、１０はペンシル型の振動型モータ、１２、１３がギア列ユニット（動力伝達機構）、１５はパルス板、１６はこのパルス板１５とともに位置検出器を構成するフォトインタラプタ等からなるエンコーダである。１４は被駆動部材（負荷）としてのレンズ鏡筒の構成部品であり、例えば、ズームレンズを光軸方向に駆動するカムリング等である。
【００７４】
なお、振動型モータ１０は、弾性体１０ａと、弾性体１０ａの下部に設けられた圧電素子１０ｂと、弾性体１０ａの上面にバネ力により圧接しているロータ１０ｃとから構成されており、圧電素子１０ｂへの通電によって弾性体１０ａに振動を励起し、この弾性体１０ａに圧接しているロータ１０ｃが回転駆動されるものである。そして、ロータ１０ｃの回転は、ロータ１０ｃと一体回転するギア１０ｄからギアユニット１２、１３を介してレンズ鏡筒の構成部材１４に伝達される。
【００７５】
この例では振動型モータを使っているが、ギア列によりトルクを伝達しているため本実施形態と同様の制御方法が有効である。この場合、パルス幅でも速度を制御できるが、よりダイナミックレンジの広い駆動周波数による速度の制御がよく用いられる。
【００７６】
（第２実施形態）
図９には、上記第１実施形態にて説明した位置制御システムを備えた多色画像形成装置１８の構成を示している。２０は表面にレーザー光等を受けて感光し、潜像を形成する感光ドラム、２３は感光ドラム２０に形成された潜像に順に各色の感光剤を付加することによって可視像を現出させる回転型現像器、１９は回転型現像器２３によって現像された単色の可視画像を記録シートに転写し、各色の可視画像を重ね合わせることによってカラー画像を形成する中間転写ドラムである。
【００７７】
被駆動部材の慣性が大きく、また動力伝達機構の遊びが大きい系に対して上述した第１実施形態の位置制御システムは有効である。図９でいえば、中間転写ドラム１９、感光ドラム２０および回転型現像器２３が被駆動部材にあたる。
【００７８】
図１０は、図９に示した回転型現像器２３の部分拡大図である。駆動源である直流モータ２４には、ロータリエンコーダ２６が直結されていて、直流モータ２４の位置を検出できるようになっている。
【００７９】
モータ駆動力は、ギア２５、２７（動力伝達機構）によって被駆動部材である回転型現像器２３に導かれている。
【００８０】
回転型現像器２３は、各色の現像剤を含むカートリッジを保持するような機構となっていて、決められた色順となるよう現像位置に配置されている。
【００８１】
図１１は、図９に示した感光ドラム２０および中間転写ドラム１９の部分拡大図である。感光ドラム２０および中間転写ドラム１９には、それぞれギア２８〜３２、３４、３５を介してモータ３３から駆動力が導かれる。
【００８２】
ギア３１は段ギアとなっていて、感光ドラム２０と中間転写ドラム１９の２つの負荷に動力を分配している。
【００８３】
回転型現像器２３が大きな慣性モーメントを持っていて、さらにギア列の段数が多く、その減速比も大きいため、ロータリエンコーダ２６から見た被駆動部材の遊び量は大きな値となる。
【００８４】
したがって、頭出し等のためにこれらの駆動系を位置出しする場合、上述した位置制御方法は非常に有効な手段となる。
【００８５】
なお、上記実施形態では、レンズ鏡筒や画像形成装置の駆動系に本発明の実施形態にかかる位置制御方法を適用した場合について説明したが、これらに限らず、駆動源の駆動力を動力伝達機構を介して被駆動部材に伝達する駆動系を有した各種機器に適用することができる。
【００８６】
また、上述した実施形態における動作（位置制御動作）を実行するためのプログラム、及び、このプログラムを格納した記憶媒体についても同様に適用することができるものである。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動源の駆動位置を検出して被駆動部材の位置制御を行う場合であっても、不感帯（遊び）が存在する動力伝達機構の初期条件にかかわらず、特別な機構や部品を用いることなく、安定して正確な被駆動部材の位置制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一つである位置制御システムが用いる指令速度のパターンを示す図。
【図２】位置制御システムの構成を示すブロック図。
【図３】位置制御システムにおいて、進行方向の遊びが大きい場合の加速時における指令速度と実際のモータおよび被駆動部材の速度（追従速度）との関係を示す図。
【図４】位置制御システムにおいて、進行方向の遊びがない場合の加速時における指令速度と実際のモータおよび被駆動部材の速度（追従速度）との関係を示す図。
【図５】位置制御システムにおいて、進行方向の遊びが大きい場合の加速時から減速・停止時までの指令速度と実際のモータの速度（追従速度）との関係を示す図。
【図６】位置制御システムにおける遊び量の検出フローチャート。
【図７】位置制御システムにおける遊び量の検出方法の説明図。
【図８】位置制御システムを適用するレンズ鏡筒の駆動ユニットの断面図。
【図９】位置制御システムを適用する多色画像形成装置の断面図。
【図１０】多色画像形成装置の回転型現像器を示す図。
【図１１】多色画像形成装置の感光ドラムと中間転写ドラムを示す図。
【図１２】従来の位置制御システムの速度パターンを示す図。
【図１３】従来の位置制御システムにおいて、進行方向の遊びがないときの指令速度とモータおよび被駆動部材の実際の追従速度との関係を示す図。
【図１４】従来の位置制御システムにおいて、進行方向の遊びが大きいときの指令速度とモータおよび被駆動部材の実際の追従速度との関係を示す図。
【図１５】従来の位置制御システムを用いた場合の目標位置に対するオーバーシュートの様子を示す図。
【符号の説明】
１ 位置カウンタ
２ ロータリエンコーダ
３ マイコン
４、２４、３３ 直流モータ
５ ギア列
１０ｄ ギア
１２、１３ ギアユニット
２５、２７、２８〜３２、３４、３５ ギア
６ 被駆動部材
７ 記憶回路
１０ 振動型モータ
１４ レンズ鏡筒の構成部品
１５ パルス板
１６ エンコーダ
１８ 多色画像形成装置
１９ 中間転写ドラム
２０ 感光ドラム
２３ 回転型現像器
２６ ロータリエンコーダ
Claims (12)
- 動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段とを備え、前記駆動源に速度指令を出して速度制御を行う駆動装置に適用され、前記位置検出手段による検出位置が目標位置に到達するように制御を行う位置制御方法であって、
前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１速度制御ステップと、
前記第１速度制御ステップの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１速度制御ステップよりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２速度制御ステップと、
前記第２速度制御ステップの後、前記速度指令を加速側に変化させる第３速度制御ステップとを有することを特徴とする位置制御方法。 - 前記第３速度制御ステップの後、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を減速駆動させるよう前記速度指令を減速側に変化させる第４速度制御ステップと、
前記第４速度制御ステップの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第４速度制御ステップよりも小さい変化率で前記速度指令を減速側に変化させる第５速度制御ステップと、
前記第５速度制御ステップの後、前記速度指令を減速側に変化させて、前記駆動源を前記目標位置で停止させる第６速度制御ステップとを有することを特徴とする請求項１に記載の位置制御方法。 - 前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量は、位置制御を行う前に予め求められた値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置制御方法。
- 前記第２速度制御ステップにおける前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量は、位置制御を行う前に予め求められた値であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位置制御方法。
- 前記第３速度制御ステップでは、前記第１速度制御ステップよりも小さい変化率であって、前記第２速度制御ステップよりも大きい変化率で前記速度指令を加速側に変化させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位置制御方法。
- 前記第６速度制御ステップでは、前記第４速度制御ステップよりも小さい変化率で前記速度指令を減速側に変化させることを特徴とする請求項２に記載の位置制御方法。
- 前記動力伝達機構は１つ又は複数のギアから構成され、前記機械的不感帯量とはバックラッシ又はガタであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の位置制御方法。
- 駆動源と、前記駆動源の出力を被駆動部材に伝達する動力伝達機構と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段と、前記駆動源に対して速度指令を出して前記位置検出手段によって検出された検出位置が目標位置に到達するように前記駆動源の駆動を制御する駆動制御手段とを有する位置制御システムであって、
前記駆動制御手段は、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１の速度制御を行い、
前記第１の速度制御の後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１の速度制御よりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２の速度制御を行い、
前記第２の速度制御の後、前記速度指令を加速側に変化させる第３の速度制御を行うことを特徴とする位置制御システム。 - 前記第３の速度制御の後、前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を減速駆動させるよう前記速度指令を減速側に変化させる第４の速度制御を行い、
前記第４の速度制御の後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第４の速度制御よりも小さい変化率で前記速度指令を減速側に変化させる第５の速度制御を行い、
前記第５の速度制御の後、前記速度指令を減速側に変化させて、前記駆動源を前記目標位置で停止させる第６の速度制御を行うことを特徴とする請求項８に記載の位置制御システム。 - 請求項８又は９に記載の位置制御システムを備え、前記駆動源の駆動力により画像形成に関わる被駆動部材を駆動することを特徴とする画像形成装置。
- 動力伝達機構を介して被駆動部材を駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動位置を検出する位置検出手段とを備え、前記駆動源に速度指令を出して速度制御を行う駆動装置のコンピュータに、前記位置検出手段による検出位置が目標位置に到達するように制御を行わせるコンピュータプログラムであって、
少なくとも前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を加速駆動させるよう前記速度指令を加速側に変化させる第１速度制御ルーチンと、
前記第１速度制御ルーチンの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第１速度制御ルーチンよりも小さい変化率で前記速度指令を加速側に変化させる第２速度制御ルーチンと、
前記第２速度制御ルーチンの後、前記速度指令を加速側に変化させる第３速度制御ルーチンとを有することを特徴とするコンピュータプログラム。 - 前記第３速度制御ルーチンの後、少なくとも前記動力伝達機構の最大の機械的不感帯量に相当する駆動量だけ、前記駆動源を減速駆動させるよう前記速度指令を減速側に変化させる第４速度制御ルーチンと、
前記第４速度制御ルーチンの後、前記被駆動部材の駆動速度が前記駆動源の速度と前記動力伝達機構の設計上の変速比に応じた速度となるのに必要な駆動量だけ、前記駆動源が駆動される間、前記速度指令を一定とするか、又は、前記第４速度制御ルーチンよりも小さい変化率で前記速度指令を減速側に変化させる第５速度制御ルーチンと、
前記第５速度制御ルーチンの後、前記速度指令を減速側に変化させて、前記駆動源を前記目標位置で停止させる第６速度制御ルーチンとを有することを特徴とする請求項１１に記載のコンピュータプログラム。
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