JP4704021B2 - ドラム位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドラム上に画像を形成する画像形成装置のドラム角度を検出するドラム位置検出装置に関するものである。

画像記録装置等において、記録体ドラム上、あるいはドラム上に固定された記録体に画像を記録する場合、ドラムの回転角度を正確に知り、ドラム位置に合った画像を記録する必要がある。ドラムの回転角度を検出する方法の１つとして、ステッピーングモータでドラムを駆動し、ドラム基準位置を検出するセンサーを設け、基準位置からのステッピーングモータへの駆動パルス数を把握する方法がある。また、他の方法として、ドラムの回転を検出するロータリーエンコーダを用いる方法がある。

ここで、画像の記録分解能を上げるには、ドラムの回転角度の検出能力も上げなくてはならない。ドラム上に２０μｍの画素を記録するのと１０μｍの画素を記録するのとでは、少なくとも２倍の回転角度の検出能力の違いが生じる。

また、ドラムの大きさは、記録する画像の大きさによって決められる。例えば３０ｃｍ四方の画像をドラム上に記録するには、少なくともドラムの円周の長さは３０ｃｍ以上なくてはならない。このように、大きな画像記録を行うにはドラム周の長いドラムが必要となる。ドラム周が長くなると、同じ画素密度であってもドラムの回転角度は小さくなる。つまり、より回転分解能の高い角度検出が必要となる。ところが、回転分解能が高くなればなるほど、ロータリーエンコーダも飛躍的に高価になってしまう。

そこで、ロータリーエンコーダを用いることなく、ドラム等の回転体そのものの駆動を制御して、正確な位置に画像を記録する回転体の駆動制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図９に示すように、この従来の駆動制御装置１は、一定回転速度でドラム形状の感光体ドラム２の一方側の端部外表面に感光体ドラム２の周方向全域にわたって感光体ドラム２の回転を検出する反射部２０として、凹凸または縞模様が形成され、当該反射部２０に投光器３から光を照射し、反射部２０で反射された反射光を画像検出器４で画像信号として出力して、速度調整手段としての速度検出部５、速度制御部６および駆動部７で、画像信号のうち相隣接する２つの時間の画像信号の相互相関をとって感光体ドラム２の回転速度を検出して、当該検出回転速度を所定の目標速度に測度調整している。これにより、市販の高分解能のロータリーエンコーダを用いることなく、回転体の回転速度を高精度に検出することができ、安価で、かつ、高精度に定速度に制御するようにしている。
特開２００２−２２１８８７号公報

しかしながら、このような従来の駆動制御装置においては、回転速度を検出し、ドラム回転を制御することを目的としているため、ドラムの角度を知ることはできない。

そこで、本発明は、回転するドラム面の画像を検出して、直接ドラムの回転量を検出することにより、高価なロータリーエンコーダを用いることなく、高精度にドラムの回転角を検出することのできるドラム位置検出装置を提供するものである。

本発明のドラム位置検出装置は、ドラム形状の周方向に記録領域部と、光を反射するとともにランダムパターンが形成された反射領域部とを有する回転体の前記反射領域部に所定の光を照射する投光手段と、前記投光手段により照射されて前記回転体の反射領域部で反射された反射光を入射し、前記ランダムパターンの画像信号として出力する画像検出手段と、異なる時刻に前記反射領域部で反射された反射光により形成される複数の前記画像信号であって、前後に連続するもの同士では一部の前記ランダムパターンが重複する前記画像信号を前記画像検出手段から入力し、一の前記画像信号と連続する他の前記画像信号とを比較して、前記一の画像信号を前記回転体の回転方向に移動させたときに前記一の画像信号と前記他の画像信号との差分が極小となる前記一の画像信号の移動量を検出し、前記移動量を前記各画像信号ごとに検出し、各移動量を積算して前記回転体の回転位置を算出する回転位置算出手段と、を備えたことを特徴とした構成を有している。

この構成により、微小時間毎に回転体に光を当てて反射光によって画像検出を行うことにより、回転体の画像情報の変化から移動量を検出するので、簡単な構成で安価に回転体の回転移動量を直接計測することができる。

また、本発明のドラム位置検出装置は、請求項１に記載のドラム位置検出装置において、前記画像検出手段が、それぞれ独立した時刻で前記回転体の反射領域部で反射された反射光を受光し、画像信号として出力する複数の画像検出部を有し、前記回転位置算出手段が、複数の前記画像検出部から入力した前記画像信号を比較して、前記回転体の回転位置を算出することを特徴とした構成を有している。

この構成により、複数の画像検出部がそれぞれ別々の時間に画像信号を検出するので、１つの画像検出部で最低露光時間を必要とすることにより下限値を持った画像検出時間より短い時間で、他の画像検出部を切り替えて画像検出を行うことができ、回転体の位置検出を高速に行うことができ、高速に回転する回転体であっても、回転位置検出を正確に行うことができる。

さらに、本発明のドラム位置検出装置は、請求項１または請求項２に記載のドラム位置検出装置において、前記回転体の回転位置を検出するロータリーエンコーダを備え、前記回転位置算出手段が、前記ロータリーエンコーダの回転位置検出に伴って、前記回転体の回転位置の積算量を初期化することを特徴とした構成を有している。

この構成により、ドラム位置検出装置の回転位置積算量をロータリーエンコーダの回転位置検出により初期化するので、積算による誤差の累積を抑えることができる。また、安価な低分解能のロータリーエンコーダと組み合わせることで、低コストでより高精度な回転体の回転位置検出を行うことができる。

さらに、本発明のドラム位置検出装置は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置において、前記ランダムパターンは、ランダムドットパターンであることを特徴とした構成を有している。

この構成により、回転体の反射領域部にランダムドットパターンが形成されているので、時間の経過により回転体が移動したにもかかわらず、繰り返し性のある模様等のために同じ画像を検出してしまうことを避けることができ、画像が同一になってしまうことによる回転位置の誤検出を防止することができる。

さらに、本発明のドラム位置検出装置は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置において、前記回転体の反射領域部に、前記回転体の回転位置を示す模様を形成したことを特徴とした構成を有している。

この構成により、回転体の反射領域部に回転位置を示す模様を形成するので、絶対的な回転体の回転量を知ることができるとともに、積算値の補正に用いることにより、積算による累積誤差を軽減することができる。

さらに、本発明のドラム位置検出装置は、請求項５に記載のドラム位置検出装置において、前記回転体の回転位置を示す模様は、バーコードパターンであることを特徴とした構成を有している。

この構成により、回転体に形成されたバーコードパターンを画像検出するので、機械的な座標の認識が容易となり、回転体の回転位置を正確に検出することができる。

さらに、本発明のドラム位置検出装置は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置において、前記投光手段は、ストロボ光を照射することを特徴とした構成を有している。

この構成により、ストロボ光を用いることで、露光時間を短時間として、画像検出手段における入射光を短時間とすることができ、検出画像のブレを防止し、高速な回転においても位置検出の誤差要因を削減することができる。

さらに、本発明の画像記録装置は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置と、前記ドラム位置検出装置により算出された前記回転体の位置に基づいて、前記回転体が所定の位置を通過する毎に画像を記録する画像記録手段と、を備えたことを特徴とした構成を有している。

この構成により、回転体の画像情報から移動量を検出して、回転体の回転移動量を直接計測するドラム位置検出装置により、画像記録を行うことができ、高価なロータリーエンコーダを用いずに、安価な画像記録装置を提供することができる。

本発明は、回転体の反射領域部で反射された反射光を入射し、画像信号として出力する画像検出手段と、微小時間毎の画像信号を比較して、前記画像の移動量を検出し積算して前記回転体の回転位置を算出する回転位置算出手段と、を設けることにより、回転体の画像情報の変化から移動量を検出するので、簡単な構成で安価に回転体の回転移動量を直接計測することができるという効果を有するドラム位置検出装置を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態のドラム位置検出装置について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態におけるドラム位置検出装置の構成図を図１に示し、説明する。

図１に示すように、ドラム位置検出装置４０は、光を照射する投光部４１、光路を分けるプリズム４２、レンズ４３、入射された光を画像信号として出力する画像検出部４４、ドラム１００の回転位置を算出する回転位置算出部４５を備えている。

投光部４１は、ドラム１００で光を反射させるため、プリズム４２に光を照射するものである。プリズム４２は、投光部４１から照射された光を屈折させ、レンズ４３に入射させるとともに、レンズ４３から入射された光を画像検出部４４に透過させるものである。レンズ４３は、プリズム４２から入射された光をドラム１００の表面で焦点を結ぶように集光するものである。

画像検出部４４は、ドラム１００で反射され、プリズム４２を透過した反射光を画像信号として出力するものである。回転位置算出部４５は、画像検出部４４から入力した画像信号によりドラム１００の回転位置を算出するものである。

また、回転位置を検出する対象であるドラム１００は、円筒形の回転体であり、その円筒面の表面展開図を図２に示し、説明する。

図２に示すように、ドラム１００は、記録領域部１０１および反射領域部１０２を有している。記録領域部１０１は、ドラム１００に直接画像が記録されるか、画像を記録する媒体を保持する部分である。反射領域部１０２は、反射率の異なるランダムパターンとしての模様が形成され、ドラム位置検出装置４０の投光部４１から照射された光を反射する領域である。本実施の形態では、ランダムパターンとして、ランダムに配置されたドットパターンの模様が記録されているものとする。

以上のように構成されたドラム位置検出装置４０の動作について、以下に説明する。

投光部４１から照射された光は、プリズム４２で屈折されレンズ４３に向かい、レンズ４３で集光されてドラム１００の反射領域部１０２に焦点を結ぶ。さらに、この光はドラム１００の反射領域部１０２で反射され、レンズ４３、プリズム４２を介して画像検出部４４に入射され、画像信号として検出される。

このようにして、ある時点で画像検出部４４では、図３（ａ）に示すような画像が得られる。その後、Δｓ秒後に、図３（ｂ）に示すような図３（ａ）をずらした画像が得られる。回転位置算出部４５は、このような２つの画像を比較し、画像の移動距離を求める。例えば、残差マッチング法では、図３（ａ）に示す画像をドラム１００の回転方向となる方へ移動させたマッチングパターンを作成し、図３（ｂ）に示す画像との差分が極小となるようなマッチングパターンを探す。極小となるマッチングパターンの移動量は、ドラム１００の回転量に相当する。画像検出部４４で検出される画像とドラム１００上の実際の範囲とを対応付けることで、ドラム１００の実際の移動量を知ることができる。

このドラム１００の移動量を積算することで、ドラム１００の位置を知ることができる。また、ドラム１００の回転方向の基準位置を検出し、積算量をリセットすることで、基準位置からの回転量を知ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態におけるドラム位置検出装置の構成図を図４に示し、説明する。

画像検出には露出時間が必要になるため、１つの画像検出部で２つの画像を取る時間間隔は、露出時間よりも短くすることができない。したがって、ドラム回転が高速になると画像検出した２つの画像がまったく別の場所を写したものになってしまい、画像の比較が正しく行えず位置検出ができなくなる。そこで、複数の画像検出部が同一のドラム面画像を記録できるように設置し、複数の画像検出部を順次切り替えて用いる。

図４（ａ）に示すドラム位置検出装置５０は、投光部５１ａ、プリズム５２ａ、レンズ５３ａ、画像検出部５４ａ、回転位置算出部５５に加え、投光部５１ｂ、プリズム５２ｂ、レンズ５３ｂ、画像検出部５４ｂを備えている。

投光部５１ａ、プリズム５２ａ、レンズ５３ａ、画像検出部５４ａおよび投光部５１ｂ、プリズム５２ｂ、レンズ５３ｂ、画像検出部５４ｂは、上記第１の実施の形態における投光部４１、プリズム４２、レンズ４３、画像検出部４４と、それぞれ同様のものである。回転位置算出部５５は、画像検出部５４ａおよび画像検出部５４ｂから入力した画像信号によりドラム１００の回転位置を算出するものである。

図４（ｂ）に示すドラム位置検出装置６０は、投光部６１ａ、プリズム６２ａ、レンズ６３ａ、画像検出部６４ａ、回転位置算出部６５に加え、投光部６１ｂ、プリズム６２ｂ、レンズ６３ｂ、画像検出部６４ｂを備えている。

ドラム位置検出装置５０と同様に、投光部６１ａ、プリズム６２ａ、レンズ６３ａ、画像検出部６４ａおよび投光部６１ｂ、プリズム６２ｂ、レンズ６３ｂ、画像検出部６４ｂは、上記第１の実施の形態における投光部４１、プリズム４２、レンズ４３、画像検出部４４と、それぞれ同様のものである。回転位置算出部６５は、画像検出部６４ａおよび画像検出部６４ｂから入力した画像信号によりドラム１００の回転位置を算出するものである。

図４（ｃ）に示すドラム位置検出装置７０は、投光部７１、プリズム７２ａ、レンズ７３、画像検出部７４ａ、回転位置算出部７５に加え、プリズム７２ｂ、画像検出部７４ｂを備えている。

ドラム位置検出装置５０およびドラム位置検出装置６０と同様に、投光部７１、プリズム７２ａ、レンズ７３、画像検出部７４ａおよび画像検出部７４ｂは、上記第１の実施の形態における投光部４１、プリズム４２、レンズ４３、画像検出部４４と、それぞれ同様のものである。回転位置算出部７５は、画像検出部７４ａおよび画像検出部７４ｂから入力した画像信号によりドラム１００の回転位置を算出するものである。また、プリズム７２ｂは、ドラム１００に反射され、プリズム７２ａを透過した反射光を、画像検出部７４ａに透過および画像検出部７４ｂに屈折させるものである。

このように、ドラム位置検出装置は、画像検出部を複数持つこともできる。この場合、図４（ａ）に示すように、異なる位置で反射領域部１０２をそれぞれの画像検出部５４ａ、画像検出部５４ｂで位置検出してもよいし、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、同一の位置で反射領域部１０２を複数の画像検出部６４ａ、画像検出部６４ｂまたは画像検出部７４ａ、画像検出部７４ｂで位置検出してもよい。

例えば、図４（ｃ）のように、プリズム７２ｂでドラム１００の反射領域で反射された反射光を振り分けて、画像検出部７４ａと画像検出部７４ｂとで画像検出できるようにする。この２つの画像検出部７４ａと画像検出部７４ｂを、図５に示すタイミングのように、交互に動作させ連続した画像ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを取得する。これにより露出時間より短い時間間隔の画像を得ることができる。

ここで、ドラム位置の分解能は、２つの画像の時間間隔で決まってしまう。そこで、より高速なドラム回転に対応するために、複数の画像検出部が同時刻の画像信号を取得しないようにする。回転位置算出部は、あらかじめずらした複数の位置検出結果を集め、互いの結果から位置検出していない時間の状態を補完する。

また、反射領域の模様には目盛りを描いておくと、画像から回転位置を直接求めることもできる。例えば、図６に示すように、ドットパターンの脇に目盛りと目盛りの座標値を文字やバーコードなどで記録しておく。画像検出部に検出された画像からバーコードと目盛り位置を読むことでドラムの位置が判る。

さらに、回転位置算出部のドラム位置の積算では、１回毎の位置測定誤差が累積されてしまう。そこで、読み取った座標値により積算ドラム位置をリセットすることで、積算誤差を小さくすることができる。また、ドラムにロータリーエンコーダを取り付け、ロータリーエンコーダの信号によりドラム位置の積算値をリセットしてもよい。

図７に、タイミングチャートを示し、動作例を説明する。

図７に示すように、積算値はドラムの基準位置を検知した時に例えばゼロに設定される。位置検出結果を得るつど、その回転量を積算する。ロータリーエンコーダは一定の回転角度毎に信号を発生するものである。そして、ロータリーエンコーダは通常ドラムの等しい回転角度毎に信号を発生する。したがって、基準位置からロータリーエンコーダの信号の数により基準位置からの回転角度が判る。その回転角度を、ロータリーエンコーダの信号を検知するたびに、積算値として再設定する。

そして、ロータリーエンコーダの回転分解能以下の回転を、回転位置算出部により得る。そして、回転位置算出部で算出した回転角度を、検知毎に積算してゆくことにより、ドラムの位置を求めることができる。

さらに、ドラム回転が高速となると、ドラム表面の線速度はより速くなる。画像検出には露光時間が必要であるので、画像検出部の検出画像が流れて検出されてしまうようになる。また画像検出部に半導体撮像素子を用いた場合、例えば、ＣＣＤでは全撮像画素の読み取りは同時に行えない。そのため、高速撮影の為には露光後の撮像素子の状態が変化しないよう暗い状態に保つ必要があり、そのためのシャッター機構などが必要となる。このような問題を避けるには、投光部にストロボ放電管を用いるとよい。強い光を短時間照射することができ、ドラム位置検出装置を外部から光の遮断された場所に設置すれば、シャッター機構がなくとも露光時間制御が可能となる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態における画像記録装置の構成図を図８に示し、説明する。本実施の形態は、ドラム位置検出装置を画像記録装置に利用したものである。

図８に示すように、画像記録装置９０は、ドラム位置検出装置８０に加え、画像記録部９１、記録タイミング制御部９２を備えている。

ドラム位置検出装置８０は、上記第１の実施の形態と同様に、投光部８１、プリズム８２、レンズ８３、画像検出部８４、回転位置算出部８５を備え、ドラム位置検出装置４０における投光部４１、プリズム４２、レンズ４３、画像検出部４４、回転位置算出部４５と、それぞれ同様のものである。

画像記録部９１は、ドラム１００上に画像を記録するものである。記録タイミング制御部９２は、ドラム位置検出装置８０の出力信号から画像の記録タイミングを決定するものである。

このように構成された画像記録装置９０は、ドラム位置検出装置８０によってドラム１００の位置を算出し、記録タイミング制御部９２により画像記録部９１の画像記録タイミングを調整して、ドラム１００が所定の角度回転する毎に画像データをドラム１００上に画像記録部９１が出力する。

以上のように、本発明にかかるドラム位置検出装置は、回転体の画像情報の変化を検出して移動量を検出することにより、簡単な構成で安価に回転体の回転移動量を直接計測することができるという効果を有し、ドラム上に画像を形成する画像形成装置のドラム角度を検出するドラム位置検出装置等として有用である。

本発明の一実施の形態におけるドラム位置検出装置の構成図である。 回転体の円筒面の表面展開図である。 画像検出部で検出される画像例である。 画像検出部を複数設けたドラム位置検出装置の構成図である。 ２つの画像検出部の画像検出タイミングを示すタイミングチャートである。 回転体の反射領域に目盛りおよびバーコードを記録した場合の検出画像図である。 ロータリーエンコーダを設けてドラム位置の積算値をリセットする場合のタイミングチャートである。 ドラム位置検出装置を利用した画像記録装置の構成図である。 従来の駆動制御装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 駆動制御装置
２ 感光体ドラム
２ａ 軸
３ 投光器
４ 画像検出器
５ 速度検出部
６ 速度制御部
７ 駆動部
８ プーリ
９ サーボモータ
１０ ベルト
２０ 反射部
４０ ドラム位置検出装置
４１ 投光部
４２ プリズム
４３ レンズ
４４ 画像検出部
４５ 回転位置算出部
５０、６０、７０ ドラム位置検出装置
５１ａ、５１ｂ、６１ａ、６１ｂ、７１ 投光部
５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂ プリズム
５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂ、７３ レンズ
５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４ｂ 画像検出部
５５、６５、７５ 回転位置算出部
８０ ドラム位置検出装置
８１ 投光部
８２ プリズム
８３ レンズ
８４ 画像検出部
８５ 回転位置算出部
９０ 画像記録装置
９１ 画像記録部
９２ 記録タイミング制御部
１００ ドラム
１０１ 記録領域部
１０２ 反射領域部

Claims (8)

1. ドラム形状の周方向に記録領域部と、光を反射するとともにランダムパターンが形成された反射領域部とを有する回転体の前記反射領域部に所定の光を照射する投光手段と、
   前記投光手段により照射されて前記回転体の反射領域部で反射された反射光を入射し、前記ランダムパターンの画像信号として出力する画像検出手段と、
   異なる時刻に前記反射領域部で反射された反射光により形成される複数の前記画像信号であって、前後に連続するもの同士では一部の前記ランダムパターンが重複する前記画像信号を前記画像検出手段から入力し、一の前記画像信号と連続する他の前記画像信号とを比較して、前記一の画像信号を前記回転体の回転方向に移動させたときに前記一の画像信号と前記他の画像信号との差分が極小となる前記一の画像信号の移動量を検出し、前記移動量を前記各画像信号ごとに検出し、各移動量を積算して前記回転体の回転位置を算出する回転位置算出手段と、
   を備えたことを特徴とするドラム位置検出装置。
2. 請求項１に記載のドラム位置検出装置において、
   前記画像検出手段が、それぞれ独立した時刻で前記回転体の反射領域部で反射された反射光を受光し、画像信号として出力する複数の画像検出部を有し、
   前記回転位置算出手段が、複数の前記画像検出部から入力した前記画像信号を比較して、前記回転体の回転位置を算出することを特徴とするドラム位置検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のドラム位置検出装置において、
   前記回転体の回転位置を検出するロータリーエンコーダを備え、
   前記回転位置算出手段が、前記ロータリーエンコーダの回転位置検出に伴って、前記回転体の回転位置の積算量を初期化することを特徴とするドラム位置検出装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置において、
   前記ランダムパターンは、ランダムドットパターンであることを特徴とするドラム位置検出装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置において、
   前記回転体の反射領域部に、前記回転体の回転位置を示す模様を形成したことを特徴とするドラム位置検出装置。
6. 請求項５に記載のドラム位置検出装置において、
   前記回転体の回転位置を示す模様は、バーコードパターンであることを特徴とするドラム位置検出装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置において、
   前記投光手段は、ストロボ光を照射することを特徴とするドラム位置検出装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のドラム位置検出装置と、
   前記ドラム位置検出装置により算出された前記回転体の位置に基づいて、前記回転体が所定の位置を通過する毎に画像を記録する画像記録手段と、
   を備えたことを特徴とする画像記録装置。

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