JP5704849B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１の感光体をＤＣモータを用いて回転駆動させ、第２の感光体をステッピングモータを用いて回転駆動させる画像形成装置に関する。

静電方式のカラー画像形成装置では、各色の感光体ドラム表面にトナー（現像剤）像を形成し、感光体ドラム上の各色のトナー像を無担ベルト状の中間転写体を介して記録紙に転写する公知の電子写真プロセスにより画像形成が行われる。そして、複数の感光体ドラムを回転駆動するための駆動源は、一般的に、単一種類のモータ（例えば、ブラシレスＤＣモータ又はステッピングモータ）で構成されている。特に、回転安定性の面からアウターロータ型モータのブラシレスＤＣモータが採用されることが多い。その理由としては次のような点がある。

（１） インナーロータ型モータに比べてロータ自身の慣性モーメントを大きくすることができ、所定の回転速度以上ではモータによる回転変動が負荷（感光体ドラム）側へ伝達され難い。
（２） 負荷変動が発生しても減速機を介して減速比分が抑制され、かつ、ロータのフライホイール効果により回転変動が抑制できる。
（３） モータ駆動制御をＰＬＬ制御方式とすることで回転安定性を向上できる。

このように、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータは上記（１）〜（３）の利点を備えるが、その反面、負荷トルクによりモータの起動時間及び停止時間が変動してしまう場合がある。この問題は、特に、複数の感光体ドラムをそれぞれ別々のブラシレスＤＣモータにより駆動する画像形成装置では、各感光体ドラム間での回転位相の変動を招くことになる。

各感光体ドラム間での回転位相のずれに対する対策としては、例えば、基準となるトナーパッチを感光体ドラム上に形成し、中間転写ベルト上に転写した結果を光学センサにより読み取って、位相のずれを補正する方法がある。また、感光体ドラムの回転速度の安定を図るため、感光体ドラム軸上に回転速度検知手段を設けて、フィードバック制御を行う方法もある。その場合、モータ出力軸の回転安定性が求められるＰＬＬ制御方式でなく、モータ回転数を可変制御可能な制御方式が採用されている。

このように、電子写真方式の画像形成装置では、画像の画質向上を目的とした各種手法が提案されているが、いずれも感光体ドラムの径が各色とも同じ径で構成されている場合に有効であった。

近年、生産性の向上等を目的として、黒色用感光体ドラムとその他の色用感光体ドラム間で異なる径サイズを採用した画像形成装置が提案されている。このような画像形成装置では、感光体ドラムの駆動源を同一種類のモータで構成すると、減速機の減速比（例えば、減速段数等）を変更する必要が生じる。そのため、モータ側の回転速度範囲が大きく異なり、モータ側の回転変動による負荷（感光体ドラム）側への影響が顕著になったり、負荷変動によりモータ側に回転変動が生じるおそれがある。このような状況を改善するために、同一種類のモータ構成ではなく、複数種類のモータ構成にして画質向上を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１における静電式カラー画像形成装置では、オフセット印刷機並みのカラー画像の色安定性が求められる場合には、感光体ドラム間の位相関係を常に同じにする必要があるとしている。その結果、感光体ドラム間の位相を合わせるために、黒色用感光体ドラムをアウターロータ型モータで駆動し、黒色用以外の感光体ドラムをインナーロータ型モータで駆動して、モータ種を混在させている。

また、特許文献１では、アウターロータ型モータであるブラシレスＤＣモータには「回転速度の安定化に寄与する」メリットがある反面、「回転起動時や停止時の回転角が負荷トルクによって変動し易い」デメリットがあるとしている。その結果、インナーロータ型モータのステッピングモータで黒色用以外の感光体ドラムを駆動する構成を採用し、位相合わせによる色ズレ抑制とその簡単化が提案されている。

複数の感光体ドラムと中間転写体をそれぞれ独立して駆動する構成の場合、アウターロータ型モータのブラシレスＤＣモータを採用すると、前述したように、「回転起動時や停止時の回転角が負荷トルクによって変動し易い」というデメリットがある。つまり、各駆動源の負荷レベルが異なる場合には、起動時と減速時の速度変化に差が生じることで、各感光体ドラムと中間転写体間での速度差を生み、結果として感光体ドラム表面の傷発生に繋がり、画像劣化の原因ともなる。このような課題に対して、起動時及び停止時の速度プロファイル規定、ゲイン調整、及びブレーキ制御による改善手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２では、ステッピングモータに対して、各モータで同一の起動・停止プロファイルを利用した速度制御が行われ、ブラシレスＤＣモータに対して、エンコーダによる位置・速度検出を行って同等速度変化となるように電流制御が行われている。

特開２００７−４７６２９号公報 特開２００３−０９１１２８号公報

特許文献１のように、複数の感光体ドラムや中間転写体の駆動源としてステッピングモータとブラシレスＤＣモータとを併用した場合、次に挙げる二つの点も課題となる。

（１） ステッピングモータのトルク変化による回転子の位置ずれの発生
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、ステッピングモータの駆動方法で一般的に採用されている定電流制御が行われた場合、ステッピングモータ特有の特性として、負荷トルクによるモータの回転子位置が変化する。つまり、入力される速度指令信号（パルス信号）の周波数によりステッピングモータの速度制御が行われるが、負荷トルクに変化が生じた際には、回転子の位置ずれとそれに伴う速度変動が生じることになり、結果として生成画像での色ズレが発生する。特に、黒色用感光体ドラムの駆動源にステッピングモータを採用する場合、減速比が大きくなく（つまり、モータ軸側の変位の影響が小さくならない）、且つ感光体ドラムの外径が他より大きくなる。そのために、モータ軸での角度変位がドラム面上でのずれに影響しやすくなるという問題が生じる。

このような負荷トルクの変化による回転子の位置ずれを抑制するためには、ステッピングモータの励磁電流を大きくする必要があるが、消費電力増加やモータの温度上昇を招く原因となる。

（２） 起動時におけるブラシレスＤＣモータとの速度差の発生とそれに伴う感光体ドラム〜中間転写体間での周速差増加及びトルク増加
ブラシレスＤＣモータは、設定速度に対する実回転速度の差が大きいほど加速度が大きくなるように、速度制御に関するフィードバック制御方法により電流制御を行うことになるが、負荷トルクによりその加速度は常に一定になるわけではない。そのため、一般的にオープンループの速度制御がなされるステッピングモータの加速度との間に大きな差が生じる可能性がある。その結果、中間転写ベルトとの周速差は、ステッピングモータへの大きな負荷変化となり、起動時における脱調現象を招くといった問題が生じる。また、ブラシレスＤＣモータ側にとっても、その反作用によるトルク増加により、供給電流増加若しくは起動時間の増加を招くことになる。

特許文献２では、同一種モータ（例えば、ブラシレスＤＣモータのみ又はステッピングモータのみでの構成）間での速度偏差の発生を防止する技術が提案されているが、異種モータ間における駆動特性の差を抑制する手法に関しては何ら論じられていない。

本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、第１の感光体をＤＣモータを用いて回転駆動させ、第２の感光体をステッピングモータを用いて回転駆動させる画像形成装置において、第１の感光体の回転と第２の感光体の回転のずれにも起因する画質の劣化を低減させ、高品質の画像を得ることができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る画像形成装置は、第１の感光体にトナー像を形成する第１の画像形成手段と、前記第１の感光体を回転駆動するＤＣモータと、前記第１の感光体の回転速度に関する情報を検出する検出手段と、第２の感光体にトナー像を形成する第２の画像形成手段と、前記第２の感光体を回転駆動するステッピングモータと、前記第１及び第２の感光体に形成されたトナー像を記録紙に転写する転写手段と、前記検出された第１の感光体の回転速度に関する情報と第１の速度指令とに基づいて前記ＤＣモータの制御値を生成する第１の制御手段と、前記第１の感光体の回転速度に関する情報に基づいて前記ステッピングモータの駆動周波数を制御し、前記生成されたＤＣモータの制御値に基づいて前記ステッピングモータに供給される励磁電流を制御する第２の制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、第１の感光体をＤＣモータを用いて回転駆動させ、第２の感光体をステッピングモータを用いて回転駆動させる画像形成装置において、第１の感光体の回転と第２の感光体の回転のずれにも起因する画質の劣化を低減させることができる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置における画像形成部の概略構成を示す図である。 図１の感光体ドラム及び中間転写ベルトの駆動部とそれらを制御するための制御部の概略構成を示す図である。 図２におけるモータ制御器を構成する制御ブロックを説明するための概略図である。 （ａ）は従来のモータ制御器２０２内の制御ブロックの詳細な回路構成を示す図であり、（ｂ）は本実施形態における図３のモータ制御器２０２内の制御ブロックの詳細な回路構成を示す図である。 モータ起動時におけるブラシレスＤＣモータの速度変化に、ステッピングモータ側の速度を追従制御させた場合の動作を説明するため概略図である。 ステッピングモータのモータ巻線に所定の電流を通電し、出力軸に外力として負荷トルクＴＬを加えた場合に釣り合い位置が変化する様子を示した図であり、（ａ）は回転子とトルクＴの状態、（ｂ）はトルクＴと変位θの状態を示す。 速度偏差ｄωに基づき、パルス周期が変化する様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置における画像形成部の概略構成を示す図である。

図１において、画像形成装置は、イエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色の画像形成部を備えたカラー画像形成装置である。画像形成部には、ＹＭＣＫ各色の静電潜像を形成するための複数の感光体ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋと、各感光体ドラム上に静電潜像を形成するためのレーザスキャナ１００Ｙ，１００Ｍ，１００Ｃ，１００Ｋを備える。

中間転写ベルト１１１は、各感光体ドラム１０１上に形成されたトナー像が順次重ねて転写される無端ベルト状の中間転写体である。中間転写ベルト駆動ローラ１１０は、中間転写ベルト１１１の一方を支持すると共に、中間転写ベルト１１１を回転駆動するためのものである。ローラ１２２は、中間転写ベルト１１１の他方を支持するローラである。二次転写ローラ１２１は、中間転写体上に形成されたトナー像を記録紙に一括して転写するためのものである。

なお、各感光体ドラム１０１の周りには、１次帯電器や現像器、転写帯電器、前露光ランプ、クリーニング装置等がそれぞれ配置されているが、図示例では省略されている。

図２は、図１の感光体ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋ及び中間転写ベルト１１１の駆動部とそれらを制御するための制御部の概略構成を示す図である。

図２において、駆動モータ１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ，１０２Ｋは、各感光体ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋをそれぞれ駆動するための独立したモータである。減速機１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋは、各駆動モータ１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ，１０２Ｋと各感光体ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋとを接続し、各駆動モータの回転数を所定の回転数へと減速変換するための減速機構である。

駆動モータ１１２は、中間転写ベルト駆動ローラ１１０を駆動するためのモータである。減速機１０４Ｂは、駆動モータ１１２と中間転写ベルト駆動ローラ１１０とを接続し、駆動モータ１１２の回転数を所定の回転数へと減速変換するための減速機構である。

本実施形態では、減速機１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋ，１０４Ｂは、ハスバ歯車を組み合わせて構成されているが、これに限定されず、その他の歯車やベルト等で構成された減速機であってもよい。

エンコーダホイール１０３Ｙ，１０３Ｍ，１０３Ｃ，１０３Ｋ，１０３Ｂは、円周方向に等間隔にスリットが配置された円盤である。これらエンコーダホイール１０３Ｙ〜１０３Ｂは、各感光体ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋと中間転写ベルト駆動ローラ１１０の各駆動軸に角速度検出を行うために設けられる。エンコーダセンサ１０５Ｙ，１０５Ｍ，１０５Ｃ，１０５Ｋ，１０５Ｂは、エンコーダホイール１０３に設けられたスリットを光学的に検出する光学センサである。エンコーダセンサ１０５Ｂは、中間転写体である中間転写ベルト１１１を回転駆動する中間転写ベルト駆動ローラ１１０の軸速度を検出するための速度検出手段（第三の速度検出手段）である。

フライホイール１０６Ｙ，１０６Ｍ，１０６Ｃ，１０６Ｋは、各感光体ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋの回転速度変動を抑制するためのフライホイールである。

黒色用の感光体ドラム（以下「黒色用ドラム」とも呼ぶ）１０１Ｋ（第２の感光体）の外径は、黒色以外のカラー用の感光体ドラム（以下「カラー用ドラム」とも呼ぶ）よりも大きな径とし、例えばφ８４とする。

一方、カラー用ドラム１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ（第１の感光体）の外径はいずれも同一径であり、例えばφ３０とする。

このように、黒色用ドラムの外径をカラー用ドラムの外径よりも大きくする理由は、一般的にモノクロプリントの頻度が高いことから、黒色用ドラムの周長を長くすることで、感光ドラムの長寿命化を図るためである。

黒色用ドラム側の減速機１０４Ｋとカラー用ドラム側の減速機１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃは、共に同一モデルの減速機を用いる。同一モデルの減速機を用いるのは、同一の減速比とすると共に、同一部材を使用することにより、ドラム間で歯車誤差による回転変動の発生周期を同じにするためである。

カラー用ドラムの駆動モータ１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ（第二の駆動源）はアウターロータ型モータのブラシレスＤＣモータとし、黒色用ドラムの駆動モータ１０２Ｋ（第一の駆動源）はインナーロータ型モータのステッピングモータとする。また、中間転写体である中間転写ベルト１１１を回転駆動するための駆動モータ１１２（第三の駆動源）は、アウターロータ型モータのブラシレスＤＣモータとする。

中間転写ベルト１１１との当接面での周速を一致させるために、黒色用ドラムの駆動モータ１０２Ｋとカラー用ドラムの駆動モータ１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃの速度設定比は、ドラム径の比（３０／８４）に一致させる。例えば、ブラシレスＤＣモータの目標回転速度を１８０７ｒｐｍとする場合、ステッピングモータの目標回転速度は６４５ｒｐｍとする。

ブラシレスＤＣモータでは、通常、回転子磁極数が８〜１２である。ブラシレスＤＣモータは、低速側では、巻線により生成される回転磁束で発生するトルクムラをアウターロータ自身の慣性モーメントによるフライホイール効果により補填できないため、回転安定性も得られない。慣性モーメントによる回転エネルギーは、速度の２乗で発生するため、速度低下分を慣性モーメントの増加で補う場合には、巨大なロータが必要となる。つまり、ブラシレスＤＣモータは、ロータサイズと磁極数により決定される所定の高速回転領域以上でないと回転安定性が得られないモータである。そのため、低速回転領域での安定した回転を実現するには、ロータサイズアップ又は磁極数アップ又はスロット数アップが必要となり、コストが増加するおそれがある。

ハイブリッド型と呼ばれるステッピングモータでは、回転子側の磁極数は、通常、Ｎ極／Ｓ極の二極構成でしかないが、磁性鋼板で構成される回転子歯がＮ極とＳ極側で、歯ピッチの１／２分ずらすことで、見かけ上の極数が回転子歯数で決定される。これにより、巻線側磁束の切替に同期して回転子がステップ状に駆動され、低速回転領域でも回転子が巻線側磁束に追従する動作となる。このように、ステッピングモータは、数ｒｐｍの低回転領域でも駆動制御が可能な特徴を備えている。また、ステッピングモータは、入力されるパルス信号の周波数に応じて回転速度が制御され、また励磁電流値を調節することにより出力トルクを可変可能にする特徴を備える。

一方、ステッピングモータでは、前述したように、回転子がステップ状に駆動されるので、それによる回転変動とそれによる振動が発生する。また、ブラシレスＤＣモータに対して電力効率が１／２〜１／３以下となり、エネルギー損失が大きい。

本実施形態における画像形成装置では、黒色用ドラム１０１Ｋの外径はカラー用ドラム１０１Ｙ，Ｍ，Ｃの外径より大きくする構成としている。そのため、モータ軸に関する慣性モーメントは、外形の小さいカラー用感光体ドラムに比べて、黒用ドラムの方が大きい。従って、黒用感光ドラムをステッピングモータで駆動する場合、ステッピングモータ駆動による回転変動に伴う振動伝達は、慣性モーメントと摩擦抵抗によるローパスフィルター効果により低減される。それに対し、カラー用ドラムの駆動源にステッピングモータを適用する場合、エネルギー損失が単純に３倍となり、フライホイール効果も小さい。以上のような理由から、カラー用ドラムの駆動源をブラシレスＤＣモータとする。一方、電力効率と回転安定度を比較考量し、減速機による画質への影響因子を除くために、黒色用ドラムの駆動源を低速駆動が可能なステッピングモータとする。

図２において、制御部２００は、駆動モータ１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃを制御するためのモータ制御器２０１Ｙ，２０１Ｍ，２０１Ｃと、駆動モータ１０２Ｋを制御するためのモータ制御器２０２とを備える。各駆動モータ１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ，１０２Ｋは、各エンコーダセンサにより検出されたパルス信号に基づいて、モータ制御器２０１Ｙ，２０１Ｍ，２０１Ｃ，２０２にて所定回転速度となるように制御される。なお、本実施形態では、エンコーダホイールと光学センサとを用いた一般的なロータリエンコーダで角速度検出を行う構成としているが、回転体の回転速度を検出できる装置（タコジェネレータ、レゾルバ等）であれば、これに限定されるものではない。

次に、異なる種類の駆動モータ１０２Ｋと駆動モータ１０２Ｙ，Ｍ，Ｃの速度制御について図３〜図５を用いて説明する。本実施形態における速度制御には、公知のＰＩＤ制御を採用していることから、回路構成についてのみ説明する。

図３は、図２におけるモータ制御器２０１Ｙ，Ｍ，Ｃ，２０２を構成する制御ブロックを説明するための概略図である。

本実施形態では、図５に示す駆動モータの起動領域６１０と定常領域６１１において、図３に示す制御切替器２０２ｇにより制御回路構成を切り替えて速度制御を行う。

まず、定常領域６１１における、ブラシレスＤＣモータを駆動源とするカラー用ドラム１０１Ｙ，Ｍ，Ｃのドラム軸の等速制御方法について説明する。

図３において、モータ制御器２０１（第一の制御手段）は、カラー用ドラム１０１Ｙ，Ｍ，Ｃを駆動する駆動モータ１０２Ｙ，Ｍ，Ｃを構成するブラシレスＤＣモータの速度制御を行う制御ブロックである。

ブラシレスＤＣモータの速度制御は、供給する電圧量を可変させ、巻線コイルに流れる電流量を調整し、巻線コイルで発生する磁束量を制御することで行われる。そのため、一般的には、スイッチング手段により断続される時間比で直流電圧源の電圧量制御を行うパルス幅変調制御（以下、「ＰＷＭ制御」とする）により速度制御が行われる。本実施形態でも、駆動モータ１０２Ｙ，Ｍ，Ｃは、モータ制御器２０１により、以下に説明する流れでＰＷＭ制御による速度制御が行われる。

（ａ−１） エンコーダセンサ１０５Ｙ，Ｍ，Ｃ（第一の速度検出手段）から出力された信号が速度検出部２０１ｂへ入力される。速度検出部２０１ｂはエンコーダセンサ１０５Ｙ，Ｍ，Ｃからのパルス信号列の周期から速度検出を行う、若しくは、パルス信号列の所定サンプル周期間でのカウント値から速度検出（位置の微分＝速度）を行う構成とする。

（ａ−２） 画像形成装置の全体動作を制御する制御部（不図示）から送信された速度指令信号２０１ａとの比較演算を行い、その結果を一般的なＰＩ（比例積分）制御器２０１ｃに入力し、設定された比例ゲインと積分ゲインに基づいて誤差増幅する。なお、速度指令信号２０１ａは、エンコーダセンサ１０５Ｙ，Ｍ，Ｃの分解能で決定される周波数値、もしくは、所定サンプル周期でのカウント値である。

（ａ−３） （ａ−２）の結果を、さらに積分器２０１ｄにより積分して位置偏差分（速度の時間積分＝位置）を加味する。

（ａ−４） （ａ−３）の値を、ＰＷＭ制御部２０１ｅへ入力してＰＷＭ信号を生成する。

（ａ−５） （ａ−４）で生成されたＰＷＭ信号に基づき、モータへの供給電圧を可変するモータ駆動回路２０１ｆにより駆動モータ１０２Ｙ，Ｍ，Ｃの回転速度が制御される。

ＰＩ制御器２０１ｃは、前段の速度偏差の減算結果を元に、比例ゲインＫｐを乗じる比例項（２０１ｃ−１）と、１サンプル遅延素子（１／ｚ）（２０１ｃ−２）による偏差の積算項に積分ゲインＫｉ（２０１ｃ−３）を乗じた積分項とを加算出力する構成である。

積分器２０１ｄは、ＰＩ制御器２０１ｃの積分項と同様であり、ＰＩ制御器２０１ｃの積分項出力を再度積算する構成である。なお、これらは、所定のサンプリング間隔で読み込まれる速度検出部２０１ｂからの速度検出信号を元に演算処理を行う。

ＰＷＭ制御器２０１ｅは、所定のサンプリング間隔で検出された速度検出信号、誤差増幅された速度操作値を一旦ラッチ回路２０１ｅ−１でラッチし、その値を比較器２０１ｅ−４にて周期データとしてＰＷＭカウンタ２０１ｅ−２でのカウント値比較を行う。カウント値が設定値と等しくなると、比較出力をＨｉとする。そして、所定のカウント値に到達すると、ＰＷＭカウンタ２０１ｅ−２は、リセット信号を出力して、ラッチ回路２０１ｅ−１でのデータ更新を行うと共に、後段のＦＦ回路２０１ｅ−５もリセットし、モータ駆動回路２０１ｆへ出力するＰＷＭ信号を生成する。

次に、ステッピングモータを駆動源とする黒色用ドラム１０１Ｋのドラム軸の等速度制御方法について説明する。

図３において、モータ制御器２０２（第二の制御手段）は、黒色用ドラム１０１Ｋを駆動する駆動モータ１０２Ｋを構成するステッピングモータの速度制御を行う制御ブロックである。

ステッピングモータの速度制御では、入力パルス信号の周波数で速度制御が行え、また、パルス数に応じた位置制御が行える。そこで、上述した（ａ−１）〜（ａ−５）に示すブラシレスＤＣモータの場合と同じように、駆動モータ１０２Ｋは、モータ制御器２０２により、以下に説明する流れで速度制御が行われる。なお、ここでは、定常領域６１１での制御となるため、モータ制御器２０２における制御切替器２０２ｇは、図３内の破線部の制御器を使用する構成となる。

（ｂ−１） エンコーダセンサ１０５Ｋ（第一の速度検出手段）から出力された信号が速度検出部２０２ｂへ入力される。速度検出部２０２ｂはエンコーダセンサ１０５Ｋからのパルス信号列の周期から速度検出を行う、若しくは、パルス信号列の所定サンプル周期間でのカウント値から速度検出（位置の微分＝速度）を行う構成とする。

（ｂ−２） 画像形成装置の全体動作を制御する制御部（不図示）から送信された速度指令信号２０２ａとの比較演算を行い、その結果を一般的なＰＩ制御器２０２ｃに入力し、設定された比例ゲインと積分ゲインに基づいて誤差増幅する。なお、速度指令信号２０２ａは、エンコーダセンサ１０５Ｋの分解能で決定される周波数値、もしくは、所定サンプル周期でのカウント値である。

（ｂ−３） （ｂ−２）の結果を、さらに積分器２０２ｄにより積分して位置偏差分（速度の時間積分＝位置）を加味する。

（ｂ−４） （ｂ−３）の値に基づき、発振制御器２０２ｅで所定周波数のパルス信号を生成する。

（ｂ−５） （ｂ−４）で生成されたパルス信号に基づき、モータ駆動回路２０２ｆにより駆動モータ１０２Ｋの回転速度が制御される。

図４（ａ）は、従来のモータ制御器２０２内の制御ブロックの詳細な回路構成を示す図であり、図４（ｂ）は、本実施形態における図３に示すモータ制御器２０２内の制御ブロックの詳細な回路構成を示す図である。

図４（ｂ）に示す制御ブロックは、前述した図４（ａ）に示す制御ブロックに対して、ＰＷＭ信号生成部（ＰＷＭ制御部２０１ｅ）が周波数変調信号生成部（発振制御器２０２ｅ）に変更されている点が異なる。

さらに、ＤＣモータ用位置情報とステッピングモータ用位置情報の偏差分（モータ間でのエンコーダパルス数による位置情報をＥＮＣ／ＥＮＣ補正部２５５で正規化して偏差演算されたもの）を積分器２０２ｄの出力に重畳できる構成としている点が異なる。

ＰＩ制御器２０２ｃは、前段の速度偏差の減算結果を元に比例ゲインＫｐを乗じる比例項（２０２ｃ−１）と、１サンプル遅延素子（１／ｚ）（２０２ｃ−２）による偏差の積算項に積分ゲインＫｉ（２０２ｃ−３）を乗じた積分項とを加算出力する構成である。

積分器２０２ｄは、上述したＰＩ制御器２０２ｃにおける積分項と同様の機能を有し、ＰＩ制御器２０２ｃの積分項出力を再度積算する構成である。なお、ＰＩ制御器２０２ｃ，積分器２０２ｄは、所定のサンプリング間隔で読み込まれる速度検出部２０２ｂからの速度検出信号を元に演算処理を行う。さらに、前述したモータ間での位置偏差分を加味するための比例ゲインＫｔｐ（２０２ｃ−４）を乗じる比例項と積分器２０２ｄ出力に加算する構成としている。

発振制御器２０２ｅは、ＰＷＭ制御部２０１ｅとほぼ同等の構成を有するが、後者が固定周期でパルス幅を変化させるのに対して、前者が周期を変化させる点が異なる。

また、発振制御器２０２ｅは、前述したように、所定のサンプリング間隔で検出された速度検出信号、誤差増幅された周波数操作値（図７のＦｒｅｆ〜ｄｗ１〜ｄｗ２）に基づいて、カウンタ値、つまり、周期操作値を変化させる必要がある。しかしながら、周期は周波数の逆数となるため、前段の制御器からの値を一旦逆数処理する周波数・周期変換部２０２ｅ−０を設けている。ここでの逆数演算処理は、公知の復元法による除算アルゴリズムによるものとしているため、説明は省略する。この逆数演算により求めた周期カウント値を一旦ラッチ回路２０２ｅ−１でラッチする。そして、その値を比較器２０２ｅ−４にて周期データとしてカウンタ２０２ｅ−３でのカウント値比較を行う。カウント値が設定値と等しくなると、比較出力をＨｉ（図７のＣｏｍｐ１＿ｏｕｔ）とする。

そして、カウンタ２０２ｅ−３をリセットすると共に、ラッチ回路２０２ｅ−１でのデータ更新を行う。同様に、シフト回路２０２ｅ−２により、周期データの１／２をパルス幅データとして比較器２０２ｅ−５にセットする。カウンタ値が一致すると、比較出力をＨｉ（図７のＣｏｍｐ２＿ｏｕｔ）として、パルス幅期間が決定される。これらの比較器出力（Ｃｏｍｐ１＿ｏｕｔ／Ｃｏｍｐ２＿ｏｕｔ）は、後段のＦＦ回路２０２ｅ−６に入力され、パルス波形（図４（ａ）のＣＬＫ＿ｏｕｔ）として出力される。

上述したように、黒色用ドラム１０１Ｋを駆動する駆動モータ１０２Ｋをステッピングモータとする構成とすることにより、減速機１０４をカラー用ドラム１０１と同一モデルにできる。

次に、起動時（起動領域６１０）及び停止時における速度追従制御に関して説明する。

図５は、モータ起動時におけるＤＣモータの速度変化に、ステッピングモータ側の速度を追従制御させた場合の動作の概略を説明するための図である。

速度検出部２０１ｂの出力信号は、加速度検出部２５１へ送信される。加速度検出部２５１は、負荷軸回転速度の所定時間毎の変化から加速度を算出する。算出された加速度は、ステッピングモータが脱調しないように、変化度制限部２５２により最大加速レートが制限される。変化度制限部２５２により最大加速レートが制限された出力信号は、ブラシレスＤＣモータ側の起動速度変化に追従するために、モータ制御器２０２内の制御切替器２０２ｇに入力される。そして、起動時及び減速時におけるステッピングモータへの速度指令信号ＣＬＫ＿ｓｔ（第一の信号）として使用される構成となっている。

また、ＤＣモータ駆動回路用のＰＷＭ信号生成するための積分器２０１ｄの出力は、ステッピングモータの電流制御値を補正するための励磁電流補正部２５８にも接続される構成となっている。

モータ起動時（図５の起動領域６１０）では、モータ制御器２０２内の制御切替器２０２ｇ（速度指令信号切替手段）が、モータ制御器２０１内の速度検出部２０１ｂの速度検出値が所定速度に到達する。すると、通常制御（図５の定常領域６１１）に再度切り替える制御が行われる。具体的には、速度検出部２０１ｂの検出結果を、加速度検出部２５１が所定周期で読み込んで加速度演算を行い、その演算結果に基づきステッピングモータが脱調しない加速レートによる制限を設けて起動制御が行われる。つまり、起動時における速度指令信号を速度検出部２０１ｂと、その検出結果に基づき加速度演算を行う加速度検出部２５１と、その演算出力を所定値以下とするための変化度制限部２５２により生成される起動時における速度指令信号（ＣＬＫ＿ｓｔ）とする。そして、定常時における速度指令を、エンコーダセンサ１０５Ｋを所定の速度となるように制御するモータ制御器２０２（第一の制御手段）で生成される速度指令とする。

ここで、速度検出は、図５の６０１に示すように、エンコーダホイールとセンサにて検出されるパルス間隔をカウンタにより周期計測を行うことで行われる。ただし、起動直後の回転速度が低速でエンコーダホイールの位置によりパルス検出までに遅延が生じる場合（図５の６０１の最初の破線部）を考慮し、ステッピングモータ側の自起動周波数及び初期加速度は予め設定されるものとする。

ステッピングモータ側の使用速度領域は、ＤＣモータのそれに比べて低速領域であるため、一般的なフルステップ駆動とした場合には起動時における１パルス間隔が長くなり、結果としてモータ間での速度差が大きくなる場合が生じる（図５の６０４）。そのため、４分割したマイクロステップ駆動としている（図５の６０５）。

図５の６０２に示すように、速度検出部２０１ｂにて検出された速度（実回転速度）をもとに、加速度検出部２５１にて加速度演算が行われた結果は、変化度制限部２５２により予め設定された最大加速レート以上とならないように加速度制限が行われる。この結果と初速設定値とを加算した値をステッピングモータへの速度指令信号ＣＬＫ＿ｓｔとして、制御切替器２０２ｇを介して発振制御器２０２ｅ（速度指令生成手段）へ入力する。そして、ＤＣモータ側の加速変化に追従する形（図５の６０３に示す加速度変化）で、ステッピングモータの起動制御が行われる。

一方、減速時においては、図３に示すように、制御部２０２では、位置カウンタＳＴＭ２５４と位置カウンタＤＣ２５３との位置偏差を、積分器２０２ｄの出力に加算する構成としている。すなわち、ＤＣモータ駆動による感光体ドラムとステッピングモータ駆動による感光体ドラム間での相対位置偏差は、ＤＣモータ側が減速方向に制御量が変化するとともに、、大きくなる。これにより、発振制御器２０２ｅへの入力値ＣＬＫ＿ｃｍｐ（第二の信号）が低下し、ステッピングモータ側も追従して減速変化とすることができる。その結果、起動時及び減速時におけるモータ間での速度差を抑制することが可能となり、対ドラム、対中間転写ベルト間での周速差による擦れを抑制することが可能となる。

以上説明したように、ＤＣモータ側の制御量（ｐｗｍ＿ｃｍｐ）と、位置指令に対する駆動対象となる感光体ドラムの位置ずれ量に応じてステッピングモータの励磁電流量を補正することで、トルク変化に伴う位置ずれも抑制可能となる。さらには、各駆動源の制御情報を相互利用することで、起動時及び減速時における速度差を抑制することで、感光体ドラム表面への傷発生も低減することが可能となる。

また、前述したように、駆動対象である感光体ドラム１０１Ｋの外径がその他の感光体ドラムの外径より大きく、フライホイール１０６Ｋとを併せた慣性モーメント比は外径の２乗に比例し、モータ軸側に印加されるトルク比も外径比に比例する。そのため、感光体ドラム側へのモータで発生する振動の伝達は、慣性モーメントと摩擦抵抗によるローパスフィルター効果により低減されるという効果が得られる。つまり、駆動源としてステッピングモータを利用する場合に、そのモータ自身のステップ動作に伴う高周波振動要因を除きやすい構成に対して、ステッピングモータを適用できるということになる。

さらに、感光体ドラム１０１Ｋの外径が大きいことから、感光体ドラム１０１Ｋの寿命を延ばすことができ、ランニングコストの抑制、メンテナンス性も向上させることができる。

次に、ステッピングモータのトルク変化による回転子の位置ずれの抑制方法について説明する。

まず、ステッピングモータに負荷トルクが印加された場合の挙動について図６（ａ）、図６（ｂ）を用いて説明する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、ステッピングモータのモータ巻線に所定の電流を通電し、出力軸に外力として負荷トルクＴＬを加えた場合に釣り合い位置が変化する様子を示した図である。

図６（ａ）の上段側は、モータの固定子巻線に励磁電流を流した場合に発生する磁束と回転子側磁極が、吸引及び反発する様子を示している。そして、負荷トルクＴＬが“０”の場合、固定子巻線側磁束と回転子側磁極間には『ズレ』が発生しない安定点『θ＝０』で釣り合う状態となる。これに対して、負荷トルクＴＬを増やした場合、固定子巻線側磁束と回転子側磁極間には『ズレ』が発生する。この結果、固定子と回転子間に吸引・反発トルクが発生し、負荷トルクに見合う釣り合い位置『θ＝θＬ』で釣り合う状態となる。このように、ステッピングモータは、負荷トルクに応じて釣り合い位置が変化する特性をもち、動特性的にはこれが所定の変位角以上のズレとなった場合に同期動作が外れて回転できない、いわゆる『脱調』と呼ばれる状態となる。つまり、ステッピングモータでは、入力されるパルス信号の周波数に応じて開ループ制御による速度制御が行えるが、負荷トルクの変化により、その回転子の位置関係はズレながら動作するという問題もある。

上記問題に対して、図６（ｂ）に示すように、モータの固定子巻線への励磁電流を可変することで、釣り合い位置の変化をある範囲内で制御することが可能となる。図示例では、ステップ角１．８度の２相ステッピングモータを一般的な定電流制御方式で駆動させ、負荷トルクとして０．５ｍＮ・ｍを印加した場合に、定電流制御値をＩｍｉｎ〜Ｉｍａｘまで可変させたときの変位量θの変化（図中のｄθ）が得られることを示す。これにより、ステッピングモータを実装するシステムの負荷変動範囲に合わせて基準とすべき励磁電流を設定し、負荷に応じて励磁電流量を変更することで、ステッピングモータのトルク変化に伴う回転子の位置ずれを相対的に抑制することが可能となる。この特性を利用しての位置ずれ量の抑制は次のようにして行われる。

位置カウンタＤＣ２５３は、エンコーダセンサ１０５Ｙ，Ｍ，Ｃに接続され、エンコーダホイール１０３Ｙ，Ｍ，Ｃのスリットをカウントすることで、駆動モータ１０１Ｙ，Ｍ，Ｃの回転軸の位置を検出するための位置検出手段（第二の位置検出手段）である。

位置カウンタＳＴＭ２５４は、エンコーダセンサ１０５Ｋに接続され、エンコーダホイール１０３Ｋのスリットをカウントすることで、ステッピングモータである駆動モータ１０１Ｋの回転軸の位置を検出するための位置検出手段（第一の位置検出手段）である。

ＥＮＣ／ＥＮＣ補正部２５５は、色用ドラムと黒用ドラムでの外形比に基づきエンコーダカウント値を補正する前処理部分であり、補正された位置カウンタＳＴＭ２５４の出力と、位置カウンタＤＣ２５３との偏差演算を行う。この目的は、色用ドラムと黒用ドラムとの回転位相の相対ズレを検出するためのものであり、その検出偏差分は、モータ制御器２０２へ出力される。

ＥＮＣ／ＣＬＫ補正部２５６は、黒用ドラムを駆動するステッピングモータ１０２Ｋへの位置指令となる単位駆動パルス当たりに対する黒用ドラムのエンコーダホイール１０３Ｋの分解能比の補正を行う。例えば、ステッピングモータ１０２Ｋが２００パルス／回転（ステップ角＝１．８度）のモータで１ステップ分回転した場合に、ギア比１：９、黒用ドラムのエンコーダが１４４００パルス／回転の分解能であるなら、ＣＬＫ：ＥＮＣ＝１：８となる。この補正された位置カウンタＳＴＭ２５４からの黒用ドラム位置の検出補正値と、ステッピングモータ１０２Ｋへの速度指令信号を生成する発振制御器２０２ｅからのパルス数をカウントするパルスカウンタ２５７との偏差演算値を励磁電流補正部２５８へ出力する。

励磁電流補正部２５８は、この位置偏差値に基づき、ＤＣモータ側での速度変動に基づくＰＷＭ変調度を決定する積分器２０１ｄの出力ｐｗｍ＿ｃｍｐの値に所定のゲインを乗じて加算する構成としてモータ駆動回路２０２ｆへの励磁電流値の補正ゲイン演算を行う。求められた電流補正ゲインは、モータ駆動回路での基準値Ｉｅｒｆと、負荷トルクに対する所定のマージンを確保した最小値Ｉｍｉｎ及びドライバＩＣでの許容電流値を最大値Ｉｍａｘとする。そして、図６（ｂ）に示す範囲内で励磁電流の補正が行えるゲイン設定となるように構成されている。具体的には、機器初期状態での負荷トルク時を想定した値を基準値Ｉｍｉｎとして設定（例えば０．８Ａ）し、最大値ＩｍａｘをドライバＩＣに定格に基づき設定（例えば１．５Ａ）する。ここで、実際の装置の初期化動作時に、その他の構成要素による影響を除いた状態で、位置カウンタＤＣ２５３により、ドラム一周分若しくは中間転写体一周分での速度状態変化を監視・記録する構成として、基準値Ｉｒｅｆを設定する。

なお、ブラシレスＤＣモータ側の感光体ドラム軸での回転速度制御では、伝達系を含めた速度変動要素を排して回転速度が一定となるように制御する。そのため、単純にモータ制御器２０１Ｙ，Ｍ，Ｃ内の積分器２０１ｄの出力値に基づいて制御されるＰＷＭ信号だけでは、トルク変化分のみが検出できない。ただし、ステッピングモータの励磁電流を補正し、トルク変化による位置ずれを抑制するために、ブラシレスＤＣモータ側のトルク変化分によらない速度変動分を含めたＰＷＭ制御量を検出してもよい。本実施形態では、ＰＷＭ制御量（つまり、積分器２０１ｄの出力）と、感光体ドラムの相対的な回転位置も位置カウンタＤＣ２５３にて検出可能な構成とする。そして、ドラム一回転中の速度変化に伴う積分器２０１ｄの出力の履歴も管理できる構成とし、動作時の負荷トルク変化のみを抽出可能としている。

また、実際には、感光体ドラム（１０１Ｋ，１０１Ｙ，Ｍ，Ｃ）と中間転写ベルト１１１との周速差によるトルク変化も発生する。本実施形態では詳細を説明していないが、図２に示す中間転写ベルトの駆動ローラの軸速度をエンコーダセンサ１０５ｂにより検出し、その検出結果からモータ制御器２０１ＢがＤＣモータ１１２の速度制御を行うようにしている。そこで、ドラム軸速度とベルト軸速度との速度偏差量も加味して励磁電流量補正ができる構成がより望ましい。これにより、感光体ドラムに印加されている負荷トルクを推定し、ステッピングモータの励磁電流基準値に対して増減補正を行うことで必要以上に励磁電流を大きく設定する必要がなくなり、消費電力の抑制と共に、回転子の位置ずれの抑制も可能とできる。

１０１Ｙ，１０１Ｍ，１０１Ｃ，１０１Ｋ 感光体ドラム
１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ，１０２Ｋ，１１２ 駆動モータ
１０３Ｙ，１０３Ｍ，１０３Ｃ，１０３Ｋ，１０３Ｂ エンコーダホイール
１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋ，１０４Ｂ 減速機
１０５Ｙ，１０５Ｍ，１０５Ｃ，１０５Ｋ，１０５Ｂ エンコーダセンサ
１１１ 中間転写ベルト
２００ 制御部
２０１Ｙ，２０１Ｍ，２０１Ｃ，２０１Ｂ，２０２ モータ制御器
２０２ｇ 制御切替器

Claims (3)

1. 第１の感光体にトナー像を形成する第１の画像形成手段と、
   前記第１の感光体を回転駆動するＤＣモータと、
   前記第１の感光体の回転速度に関する情報を検出する検出手段と、
   第２の感光体にトナー像を形成する第２の画像形成手段と、
   前記第２の感光体を回転駆動するステッピングモータと、
   前記第１及び第２の感光体に形成されたトナー像を記録紙に転写する転写手段と、
   前記検出された第１の感光体の回転速度に関する情報と第１の速度指令とに基づいて前記ＤＣモータの制御値を生成する第１の制御手段と、
   前記第１の感光体の回転速度に関する情報に基づいて前記ステッピングモータの駆動周波数を制御し、前記生成されたＤＣモータの制御値に基づいて前記ステッピングモータに供給される励磁電流を制御する第２の制御手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記第１の画像形成手段はカラーのトナー像を形成し、
   前記第２の画像形成手段は黒のトナー像を形成し、
   前記第２の感光体の外形は、前記第１の感光体の外形よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記転写手段を駆動する駆動手段を、さらに有し、
   前記第２の制御手段は、前記検出された第１の感光体の回転速度に関する情報及び前記駆動手段の回転速度に関する情報に基づいて前記ステッピングモータに供給される励磁電流を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の画像形成装置。

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