JP4809031B2 - 弾性体減速装置を有する回転駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は弾性体減速装置を有する回転駆動装置に関し、例えば、複写機などの感光体ドラムや転写ベルトなどを回転させるモータの回転速度を弾性体の摩擦接触で減速する弾性体減速装置を有する回転駆動装置に関する。

図３は従来の回転駆動装置を示す断面図である。この回転駆動装置は、特開２００２−１１５７５１号公報（特許文献１）に記載されているものである。図３において、回転駆動装置は、モータ１と、減速装置２と、速度検出機構３とを有している。減速装置２は回転むらを押えるために有利とされるトラクション方式（摩擦伝達方式）が用いられている。

モータ１の回転軸１４の先端は、太陽ローラ２０として作用し、複数の遊星ローラ２２に接触している。遊星ローラ２２は、ロッド２８によりキャリア２３に対して片持ち支持されている。遊星ローラ２２はゴムなどの弾性体３１を介してインタナルリング２１の内面に接触している。モータ１の回転により、回転軸１４が回転すると、その回転力が太陽ローラ２０，遊星ローラ２２およびインタナルリング２１のそれぞれの外径，内径によって決まる減速比によって減速され、キャリア２３および出力軸２４を介して出力される。

コントローラ４には速度検出機構３からの出力が入力され、コントローラ４からの制御信号に従ってドライブ装置５によりモータ１の回転速度が制御される。コントローラ４は、減速装置２に用いられている遊星ローラ２２が弾性体３１を介してインタナルリング２１に接触しているので、弾性体３１の影響でフィードバック制御ループに発生する遅れ要素により制御不能にならないように制御する必要がある。

このために、コントローラ４には、特開２００２−１７１７７９号公報（特許文献２）に記載されているようなフィードバック制御が用いられている。すなわち、減速装置２の出力回転速度を検出して目標速度との差分値を求め、その差分値に基づいてモータ１に速度指令信号を与え、モータ１の回転速度を直接的に制御して遅れ要因を抑えている。
特開２００２−１１５７５１号公報（段落番号００４４〜００５１、図１） 特開２００２−１７１７７９号公報（段落番号００４５、図４）

図３に示した回転駆動装置において、駆動源となるモータ１にはステッピングモータが使用される。ステッピングモータの速度制御は、ステッピングモータに入力されるパルス数の制御を行うことで実現される。また、トルクはモータコイルに流れる電流を調整することにより制御が可能である。

また、ステッピングモータは、モータが発生できるトルク以上の負荷トルクが掛かると、同期はずれを起こす、いわゆる脱調という現象が発生し、それ以降の回転ができなくなるという欠点を有している。したがって、ステッピングモータを駆動するには、負荷が大きいか小さいかなどのバラツキを考慮すれば、モータの発生トルクが、実際に想定される負荷トルク以上になるように電流を設定しなければならない。よって、負荷トルクのバラツキが多いとかなり余分目に電流設定を行わなければならず、電流値を大きくすることにより、電力消費、発熱、騒音、振動、回転変動などの各特性を悪化してしまう可能性がある。

そこで、この発明の目的は、電力消費、発熱、騒音、振動、回転変動などの各特性の悪化を最低限に抑えることのできる弾性体減速装置を有する回転駆動装置を提供することである。

この発明は、弾性体減速装置で減速された出力軸回転数を検出して出力軸回転数信号を出力する回転速度検出手段と、回転制御手段から出力された入力軸回転数信号と、回転速度検出手段によって検出された出力軸回転数信号とに基づいて、負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、負荷トルク推定手段によって推定した負荷トルクに相当するトルクをモータが発生するように、モータを制御する駆動制御手段とを備える。

具体的には、予め無負荷時のモータの入力軸回転数と、その入力軸回転数を弾性体減速装置で減速したときの出力軸回転数との比である減速比のデータと、負荷を与えたときに弾性体減速装置内で生じる滑り量と負荷トルクとの関係のデータとを記憶する記憶手段を含み、負荷トルク推定手段は、入力軸回転数信号と出力軸回転数信号とに基づいて負荷時の減速比を算出し、記憶手段から無負荷時の減速比のデータを読み出し、その無負荷時の減速比と算出した減速比とに基づいて滑り量を求め、その滑り量に対応する負荷トルクを記憶手段から読み出し、駆動制御手段は、読み出した負荷トルクに相当するトルクをモータが発生するように回転制御手段からモータに流す電流を制御する。

好ましくは、駆動制御手段は、モータが、負荷トルク推定手段によって推定した負荷トルクを最低限上回る程度のトルクを発生するように、回転制御手段から前記モータに流す電流を制御する。さらに好ましくは、負荷トルク推定手段は、リアルタイムで負荷トルクを推定する。

具体的な実施形態では、モータはステッピングモータである。

この発明は、入力軸回転数信号と検出された出力軸回転数信号とに基づいて、負荷トルクを推定し、推定した負荷トルクに相当するトルクをモータが発生するように、モータに流す電流値を制御するようにしたので、電力消費、発熱、騒音、振動、回転変動などの各特性の悪化を最低限に抑えることができる。

図１は、この発明の一実施形態の弾性体減速装置を用いた回転駆動装置を示すブロック図である。図１において、画像形成装置１０は、回転数制御手段としての回転制御部３０と、負荷トルク推定手段および駆動制御手段としてのＣＰＵ４０と、記憶手段としてのＲＯＭ４１と、ＲＡＭ４２と、操作部４３とを含む。ＣＰＵ４０は画像形成装置１０の全体の制御を行う。ＣＰＵ４０には画像形成のために必要な操作部４３と、画像生成部６０とが接続されており、操作部４３のコピーキーを操作することで画像生成部６０によりコピー動作が開始される。

回転制御部３０は、ＣＰＵ４０からの指令に応じて、モータ１を目標速度で回転するように制御する。モータ１はステッピングモータが使用されている。ＣＰＵ４０から目標速度信号が目標速度設定回路３１に与えられる。目標速度設定回路３１は、目標速度に対応した周波数の電圧信号を位相（周波数）比較回路３２に与える。位相(周波数）比較回路３２は、目標速度に対応した周波数の電圧信号と、Ｌ．Ｐ．Ｆ（ロー．パス．フィルタ）３５の出力である、図３に示した弾性体減速装置２の出力回転数に対応する電圧信号との位相（周波数）を比較し、その出力信号をモータ速度制御部３３に与える。

モータ速度制御部３３は、位相（周波数）比較回路３２の出力に基づいて、ＣＰＵ４０とモータドライバ５１とに入力軸回転数信号を出力する。回転制御部３０とモータドライバ５１とによって駆動手段が構成されている。モータドライバ５１には、ＣＰＵ４０から電流設定信号が与えられている。モータドライバ５１は、入力されている入力軸回転数信号に基づいてモータ１の出力速度を制御する。モータ１の回転力は図３で説明したように弾性体減速装置２に伝達され、その出力回転速度が回転速度検出手段としての出力回転センサ５２で検出される。検出された出力軸回転数信号は、ＣＰＵ４０と回転／電圧変換回路３４とに与えられる。回転／電圧変換回路３４は、その出力軸回転数信号を電圧信号に変換する。

変換された電圧信号は、Ｌ．Ｐ．Ｆ３５に与えられ、その電圧信号に含まれている高い周波数成分が除去される。この高い周波数成分は、弾性体減速装置２の停止により発生した弾性体３１の変形がモータ１の再駆動時に元の形状に復帰するために生じる回転変動である。なお、位相（周波数）比較回路３２と、回転／電圧変換回路３４と、Ｌ．Ｐ．Ｆ３５はフィードバック制御回路を構成しているが、フィードフォワード制御回路を用いてもよい。

なお、ＣＰＵ４０には、ＲＯＭ４１とＲＡＭ４２とが接続されている。ＲＯＭ４１には、各回転数に対する理想状態（無負荷時）の減速比のデータが記憶されているとともに、前もって測定してある弾性体減速装置２内の滑り量と負荷トルクとの関係がデータとして記憶されている。ＲＡＭ４２はＣＰＵ４０の演算内容を記憶する。

図２はこの発明の一実施形態の弾性体減速装置を有する回転駆動装置の動作を示すフローチャートである。次に、図２を参照して、図１に示した回転駆動装置の具体的な動作について説明する。

ＣＰＵ４０は、ステップ（図示ではＳＰと略称する）ＳＰ１において、回転制御部３０の目標速度設定回路３１に目標速度信号を与えてモータ１の駆動を開始する。目標速度設定回路３１は、目標速度に対応した周波数の電圧信号を位相（周波数）比較回路３２に与える。位相(周波数）比較回路３２は、目標速度に対応した周波数の電圧信号と、Ｌ．Ｐ．Ｆ（ロー．パス．フィルタ）３５の出力である弾性体減速装置２の出力回転数に対応する電圧信号との位相（周波数）を比較し、その出力信号をモータ速度制御部３３に与える。

モータ速度制御部３３は、位相（周波数）比較回路３２の出力に基づいて、ＣＰＵ４０とモータドライバ５１とに入力軸回転数信号を出力する。モータドライバ５１は、その入力軸回転数信号に基づいてモータ１の出力速度を制御する。モータ１の回転力は弾性体減速装置２に伝達され、その出力回転速度が出力回転センサ５２で検出され、検出された出力軸回転数信号は、ＣＰＵ４０と回転／電圧変換回路３４とに与えられる。

ステップＳＰ２において、ＣＰＵ４０は入力軸回転数信号と出力軸回転数信号とを取り込み、ステップＳＰ３において、出力軸回転数信号を入力軸回転数信号で除算して減速比を計算する。ステップＳＰ４において、ＲＯＭ４１から入力軸回転数信号に対応する理想状態（無負荷時）の減速比のデータを読み出す。そして、読み出した減速比のデータと、ステップＳＰ３で求めた回転中の減速比の差より、現在駆動中の弾性体減速装置２の滑り量を計算する。

さらに、ステップＳＰ５において、滑り量より負荷トルクを推定する。すなわち、ＲＯＭ４１から前もって測定してある弾性体減速装置２内の滑り量と負荷トルクとの関係のデータを読み出し、計算した滑り量に対応する負荷トルクを推定する。負荷トルクを推定することで、ステップＳＰ６において、弾性体減速装置２の入力軸に連結されているモータ１が発生しなければならない最低回転トルクを算出できる。

そして、最低回転トルクを発生させるためにモータ１に入力しなければならない電流値を算出し、ステップＳＰ７において、ＣＰＵ４０からモータドライバ５１に電流設定信号を与えて電流値を設定する。ステップＳＰ８において、制御を終了するか否かを判別し、終了しない場合は、ステップＳＰ２に戻り、ステップＳＰ２〜ステップＳＰ８の処理を繰り返す。この処理をリアルタイムに行うことで、負荷トルクを推定し、それに適した電流設定を行うことができる。制御を終了する場合にはステップＳＰ９において、処理を終了する。

上述のごとく、この発明の実施形態によれば、入力回転数と出力回転数との比を求めて
弾性体減速装置２内での滑り量を把握して負荷トルクを推定し、対応するトルクを発生するのに必要な、モータ１に流す電流値を決定するようにしたので、回転している負荷に対し、必要最小限の回転トルクを発生することができ、電力消費、発熱、騒音、振動、回転変動などの特性悪化を最低限に抑えることができるので特性を改善できる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の一実施形態の弾性体減速装置を有する回転駆動装置を示すブロック図である。 この発明の一実施形態の弾性体減速装置を有する回転駆動装置の動作を示すフローチャートである。 従来の回転駆動装置を示す断面図である。

符号の説明

１ モータ、２ 弾性体減速装置、１０ 画像形成装置、３０ 回転制御部、３１ 目標速度設定回路、３２ 位相（周波数）比較回路、３３ モータ速度制御部、３４ 回転／電圧変換回路、３５ Ｌ．Ｐ．Ｆ、４０ ＣＰＵ、４１ ＲＯＭ、４２ ＲＡＭ、４３ 操作部、５１ モータドライバ、５２ 出力回転センサ、６０ 画像生成部。

Claims (4)

1. 弾性体の摩擦接触によりモータの回転数を減速する弾性体減速装置を有する回転駆動装置であって、
   所定の入力軸回転数で回転させるための入力軸回転数信号を前記モータに出力する回転制御手段と、
   前記弾性体減速装置で減速された出力軸回転数を検出して出力軸回転数信号を出力する回転速度検出手段と、
   無負荷時の前記モータの入力軸回転数と、無負荷時の入力軸回転数を前記弾性体減速装置で減速したときの出力軸回転数との比である減速比のデータと、負荷を与えたときに前記弾性体減速装置内で生じる滑り量と負荷トルクとの関係のデータと、を予め記憶する記憶手段と、
   前記入力軸回転数信号と前記出力軸回転数信号とに基づいて負荷時の減速比を算出し、前記記憶手段から前記無負荷時の減速比のデータを読み出し、その無負荷時の減速比と前記負荷時の減速比とに基づいて滑り量を求め、その滑り量に対応する負荷トルクのデータを前記記憶手段から読み出すことによって負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、
   前記負荷トルク推定手段によって推定した負荷トルクに相当するトルクを前記モータが発生するように、前記回転制御手段から前記モータに流す電流を制御する駆動制御手段と、を備える、弾性体減速装置を有する回転駆動装置。
2. 駆動制御手段は、
   前記モータが、前記負荷トルク推定手段によって推定した負荷トルクを最低限上回る程度のトルクを発生するように、前記回転制御手段から前記モータに流す電流を制御する、請求項１に記載の弾性体減速装置を有する回転駆動装置。
3. 前記負荷トルク推定手段は、リアルタイムで前記負荷トルクを推定する、請求項１または２に記載の弾性体減速装置を有する回転駆動装置。
4. 前記モータはステッピングモータである、請求項１から３のいずれかに記載の弾性体減速装置を有する回転駆動装置。
   

Images