JP5963452B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機や複合機のような画像形成装置に係り、特に、画像形成装置において使用される用紙等のシート材を搬送するための駆動源の制御技術に関する。

画像形成装置における用紙の給紙・搬送系の駆動源には、小型で安価なステッピングモータが用いられる場合が多い。また、そのステッピングモータは、定電流チョッパ制御方式で駆動されるのが一般的である。ステッピングモータは、小型かつ安価に構成できる反面、パルス信号の入力に対して回転子の回転が同期できなくなる脱調現象がしばしば発生する。脱調現象は、例えば、駆動回路からステッピングモータに出力されるパルスのパルスレートに対して過負荷状態のときに発生する。

一方、多種多様な画像形成を行う画像形成装置では、普通紙、厚紙等のように様々な紙種の用紙に対応する必要がある。そのため、紙種によっては、ステッピングモータに要求されるトルクが大きく変動する場合がある。用紙搬送路に沿って配置されたスポンジ材の搬送ローラに用紙が突入するときのトルクを例に挙げると、厚紙（２００ｇ／ｃｍ）と普通紙（８０ｇ／ｃｍ）ではその差が２倍にも及ぶことがある。ステッピングモータのトルクは、駆動電流の値によって決まる。そのため、ステッピングモータの選定及びトルクを決定づける駆動電流の選定は、より条件の厳しい厚紙の使用を想定して決定される。

しかし、一般のオフィス等では、圧倒的に普通紙の使用頻度が高い。そのため、常に厚紙に対応した設定の駆動電流では、必要以上に電力を消費したり、音が発生したりしてしまう。そこで、この問題を解消する技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１は、ステッピングモータ駆動電流を負荷の大きさに合わせて制御することで、変動する負荷に対して適切な駆動電流でステッピングモータを駆動する。
また、上述のような脱調現象は、一つのステッピングモータで用紙搬送ローラと電磁クラッチを介して接続される給紙ピックアップローラを駆動するような場合に顕著であり、電磁クラッチがオンするときの急激な負荷変動が原因となる。そのため、クラッチ連結時の急激な負荷変動を軽減して、高トルクのステッピングモータを使用せずに、ステッピングモータの脱調現象を防ぐ技術も提案されている（特許文献２）。

特開２００８−３０１６２５号公報 特開２００４−２３８１５７号公報

特許文献１に開示された技術は、ステッピングモータの負荷を検知して、負荷の変動に追従して駆動電流を決定するため、負荷のバラツキに有効に対応することができる。しかし、ステッピングモータ駆動中に急激な負荷変動が起こる場合に課題が残る。
また、電磁クラッチがオンするときの負荷変動は、ギヤ列のバックラッシュの状態や給紙ローラが搬送する用紙の摩擦状態などによって変動するため、負荷変動の速さやピークの大きさを予測することは困難である。
特許文献２に開示された技術は、クラッチ連結時の急激な負荷変動の発生自体を軽減できるため、脱調現象の発生を防ぐことが可能であるが、クラッチを駆動するための電流を制御する新たな機構が必要となり、その構成が複雑となる点に課題があった。

本発明は、このような事情に鑑み、画像形成装置の駆動源としてステッピングモータを用いる際に、負荷角が急変する場合でも脱調することなく、電力効率の高い状態で駆動することできる画像形成装置を提供することを、その課題とする。

請求項１の発明は、画像が形成されるシート材を搬送するシート材搬送手段と、前記シート材搬送手段を駆動するモータと、前記モータを制御する制御手段と、前記モータのロータ位置を検知する位置検知手段を備えている。また、前記制御手段から出力される制御信号と前記位置検知手段の検知結果から、負荷角を求める負荷角検出手段を備えている。前記制御手段は、前記負荷角検出手段によって検出された負荷角に応じて前記モータの駆動電流を変化させる第１の制御モード、および、前記モータの駆動電流を予め定められた設定値とする第２の制御モードで動作可能である。そして、前記負荷角検出手段において検出された負荷角の単位時間あたりの変化量と予め定めた閾値とを比較し、前記変化量が前記閾値を超えない場合は前記第１の制御モードで前記モータを制御し、前記変化量が前記閾値を超えた場合は前記第２の制御モードで前記モータを制御することを特徴とする。

また、請求項９の発明は、画像が形成されるシート材を搬送するシート材搬送手段と、前記シート材搬送手段へ動力を供給するモータと、前記モータから前記シート材搬送手段へ動力を伝達させる動力伝達手段を備えている。また、前記モータを制御する制御手段と、前記モータのロータ位置を検知する位置検知手段を備えている。さらに、前記制御手段から出力される制御信号と前記位置検知手段の検知結果から、負荷角を求める負荷角検出手段を備えている。前記制御手段は、前記負荷角検出手段によって検出された負荷角に応じて前記モータの駆動電流を変化させる第１の制御モード、および、前記モータの駆動電流を予め定められた設定値とする第２の制御モードで動作可能である。そして、前記動力伝達手段が前記シート材搬送手段へ動力を伝達しないときは前記第１の制御モードで前記モータを制御し、前記動力伝達手段が前記シート材搬送手段へ動力を伝達するときは前記第２の制御モードで前記モータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、駆動源としてステッピングモータを用いる用紙搬送装置において、負荷トルクが急激に変化する場合においても脱調することなく、電力効率の高い状態でステッピングモータを駆動し、搬送動作を行うことができる。

本発明の画像形成装置の概要断面図。 給紙系及び搬送系の制御系統の説明図。 負荷角の説明図。 負荷角とモータに発生するトルクの関係説明図。 負荷角検知タイミングの説明図。 電磁クラッチのオンタイミングとモータの負荷トルク変動の関係を示す図。 駆動電流の算出方法の説明図。 （ａ）は負荷角変動小時の負荷角波形の数値微分を説明する概念図、（ｂ）は負荷角急変時の負荷角波形の数値微分を説明する概念図。 第１実施形態における高効率駆動モードの動作を示す手順説明図。 画像形成装置の動作を示す手順説明図。 給紙系及び搬送系の制御系統の説明図。 第２実施形態における高効率駆動モードの動作を示す手順説明図。

以下、本発明を適用した画像形成装置の実施の形態例を説明する。ここでは、電子写真方式のプロセスを含む画像形成装置の例を示す。すなわち、シート材は、印刷用の用紙である。また、定電流制御式の複数のモータが、すべてステッピングモータである場合の例を示す。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る画像形成装置の概要断面図である。
本実施形態の画像形成装置は、矢印方向に回転する４色（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の感光ドラム１ａ〜１ｄを有している。外部より画像信号と共に印刷指示を受けると、画像形成装置１は、感光体（感光ドラム）１ａ〜１ｄを１次帯電部２ａ〜２ｄで一様に帯電させる。また、露光部３ａ〜３ｄで画像信号に応じた露光を行うことにより感光体１ａ〜１ｄに静電潜像を形成する。静電潜像は、現像部４ａ〜４ｄで現像され、トナー像が形成される。

上記画像形成過程の適度のタイミングで、給紙ピックアップローラ８５によって、用紙Ｐが用紙カセット９１から給紙ローラ８１へ供給され、さらに、搬送ローラ８２、８３、８４を介して２次転写部５６、５７へ供給される。給紙ローラ８１は、給紙ステッピングモータＭ１によって駆動され、搬送ローラ８２、８３、８４のそれぞれは、搬送ステッピングモータＭ２、Ｍ３により駆動される。給紙ピックアップローラ８５は、電磁クラッチＣＬ１によってステッピングモータＭ１から駆動力が伝達され、電磁クラッチＣＬ１がオンしているときだけ回転する。

感光体１ａ〜１ｄ上で現像された各色のトナー像は、１次転写部５３ａ〜５３ｄで中間転写ベルト５１に多重転写される。さらに、２次転写部５６，５７で用紙Ｐに転写される。感光体１ａ〜１ｄ上に残った転写残トナーは、クリーナ６ａ〜６ｄで回収される。また、中間転写ベルト５１に残った転写残トナーは、中間転写ベルトクリーナ５５で回収される。用紙Ｐに転写されたトナー像は、定着部７によって定着されることにより、カラー画像が得られる。

図２は、画像形成装置の給紙系及び搬送系の駆動制御の系統を示す図である。画像形成装置における全体の動作制御は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１によって行われる。ＣＰＵ１０１は、画像形成のための制御プログラムを読み込んで実行することにより、画像形成装置全体の動作を制御する。ＣＰＵ１０１には、駆動制御部１０２，１２０、メモリ１０６、カセット開閉検知センサ１０７、用紙センサ１１０、１１１のほか、電磁クラッチＣＬ１が接続されている。

給紙系の駆動は、駆動制御部１０２の制御のもとで、給紙ステッピングモータＭ１が担当する。搬送系の駆動は、駆動制御部１２０の制御のもとで、搬送ステッピングモータＭ２が担当する。すなわち、ＣＰＵ１０１と各駆動制御部１０２，１２０とで駆動制御手段を構成する。

給紙ステッピングモータＭ１は最上流のステッピングモータである。搬送ステッピングモータＭ２は、給紙ステッピングモータＭ１よりもやや遅れたタイミングで駆動される。給紙時には駆動する必要がないためである。搬送ステッピングモータは、図２に示したもののほかにも、その下流側に、図１に示した搬送ステッピングモータＭ３も存在する。但し、すべて搬送ステッピングモータＭ２と同じ構成及び動作なので、これらについての説明を省略する。

駆動制御部１０２は、ＣＰＵ１０１からの位置指令信号ａ１と電流設定値ａ２をもとに、給紙ステッピングモータＭ１に駆動電流ａ３を供給している。給紙ステッピングモータＭ１にはエンコーダ１０４が取り付けられている。エンコーダ１０４は、脱調マージン（負荷角）検出部１０３に給紙ステッピングモータＭ１の回転信号ａ４を出力する。脱調マージン（負荷角）検出部１０３は、ＣＰＵ１０１からの位置指令信号ａ１とエンコーダ１０４からの回転信号ａ４とをもとに、給紙ステッピングモータＭ１の負荷角を算出し、その負荷角の情報ａ５をＣＰＵ１０１に出力する。
駆動制御部１２０は、ＣＰＵ１０１からの位置指令信号ｂ１と電流設定値ｂ２とをもとに、搬送ステッピングモータＭ２に駆動電流ｂ３を供給する。

電磁クラッチＣＬ１は、給紙ピックアップローラ８５と給紙ステッピングモータＭ１との間に配置される。電磁クラッチＣＬ１がオンされている間、給紙ステッピングモータＭ１によって給紙ピックアップローラ８５が回転する。

メモリ１０６は、給紙ステッピングモータＭ１及び搬送ステッピングモータＭ２の電流設定値、給紙ステッピングモータＭ１で検知した負荷角の情報ａ５、ＣＰＵ１０１の各種演算結果を格納する。カセット開閉検知センサ１０７は、カセットの画像形成装置への装着状態を示す信号をＣＰＵ１０１に出力する。用紙センサ１１０、１１１は、給紙ステッピングモータＭ１による給紙動作により、用紙Ｐが給紙されたことを検知する。

給紙ステッピングモータＭ１、搬送ステッピングモータＭ２の駆動制御の内容は、次のとおりである。ＣＰＵ１０１は、脱調マージン（負荷角）検出部１０３からの負荷角の情報ａ５をもとに、給紙ステッピングモータＭ１、搬送ステッピングモータＭ２の駆動電流の値を表す電流設定値ａ２，ｂ２を決定する。つまり、電流設定値決定手段として機能する。駆動制御部１０２は、電流設定値ａ２に応じて、給紙ステッピングモータＭ１に流れる駆動電流を制御する。また、同様に、駆動制御部１２０は、電流設定値ｂ２に応じて、搬送ステッピングモータＭ２に流れる駆動電流を制御する。

次に、ステッピングモータの負荷角について、図３を参照して説明する。
図３は、Ｓｔｅｐ角１.８度のステッピングモータを、Ａ相とＢ相の２相励磁で駆動した場合の例を表す状態説明図である。横軸はＢ相磁極位置、縦軸はＡ相磁極位置である。１Ｓｔｅｐが物理角で１.８度なので、２相励磁の場合、７.２度の物理角で３６０度の電気角となる。図３の例では、ロータが中央右周りの方向に回転制御される。駆動制御部１０２は、給紙ステッピングモータＭ１のロータが目標位置２０１に回転するように、位置指令信号ａ１に基づいて、モータＭ1を駆動制御したとする。それに対して、エンコーダ１０４の回転信号ａ４によれば、給紙ステッピングモータＭ１のロータが検出位置２０２であったとする。この目標位置２０１に対する検出位置２０２の遅れ角θｋが、負荷角となる。

この負荷角とモータ発生トルクの関係を、図４を参照して説明する。
図４は、Ｓｔｅｐ角１.８度のステッピングモータを２相励磁で、ある設定電流で駆動した場合の例を表している。縦軸がモータ発生トルク、横軸が負荷角である。図４の中央左方向が、目標位置２０１まで駆動制御するときに出力されるロータ位置指令に対する、ロータの遅れ方向を示している。

図４において、負荷角０度、つまりロータ位置指令に対してロータの遅れ量がゼロの場合は、ステッピングモータの発生トルクもゼロとなる。そして、そこから負荷角が増すにつれて、ロータの回転方向へのトルクが増す。ステッピングモータは、負荷角９０度のときに、最大トルクＴｍを発生する。さらに負荷角が増して９０度を超えると、１８０度までは正回転方向へのトルクが減少し、負荷角１８０度で脱調となる。

つまり、ある設定電流で駆動した場合、その設定電流でモータが発生可能な最大トルクＴｍが決まる。これとともに負荷角と発生トルクとの関係も決まる。そのため、ステッピングモータを駆動したときの負荷角の情報から、ステッピングモータにおいて発生しているトルクの大きさを知ることができる。また、モータ負荷の状況も知ることができる。

この原理を、用紙Ｐを給紙するステッピングモータに適用すれば、供給している用紙Ｐの情報、例えば、薄紙、普通紙、厚紙等、用紙の厚み情報等を知ることが可能となる。
例えば負荷角θａ（電気角で−３０度〜０〜＋３０度）の領域ではトルクが小さいので薄紙である。負荷角θｂ（電気角で＋３０度〜＋６０度の領域）ではトルクが安定的に上昇するが最大値ではないので普通紙である。負荷角θｃ（電気角で＋６０度〜＋１８０度）では最大トルクＴｍを出力するので厚紙である。

図５は、負荷角検知のタイミングの説明図である。位置指令信号ａ１は、１パルスで１Ｓｔｅｐだけロータを進めるための信号である。図５中、位置指令信号ａ１の立ち上がりがロータの目標位置２０１が切り替わるタイミングであり、このタイミングで、負荷角を検知することになる。

次に、本実施形態における給紙ステッピングモータＭ１の駆動電流制御について説明する。本実施形態において、給紙ピックアップローラ８５は、給紙ステッピングモータＭ１に対して電磁クラッチＣＬ１を介して動力伝達がなされているため、電磁クラッチＣＬ１がオンとなったときに給紙ステッピングモータＭ１には大きな負荷変動を生ずる。

まず、図６を用いて、電磁クラッチＣＬ１がオンしたときの負荷トルク変動について説明する。図６中の負荷トルクｃ１、ｃ２、負荷角変化度ｄ１、ｄ２は、それぞれ波形の一例であり、負荷急変時は波形ｃ１、ｄ１、負荷変動が小さいときは波形ｃ２、ｄ２で表される。

給紙ステッピングモータＭ１が一定回転している際に、電磁クラッチＣＬ１がオンすると、給紙ステッピングモータＭ１に給紙ピックアップローラ８５の負荷が繋がることで負荷角が大きくなる。例えば、負荷角変化度は、図６の波形ｄ１のようになる。
このとき、電磁クラッチＣＬ１と給紙ピックアップローラ８５間の図示しないギヤ列が持つバックラッシュの大きさや、給紙ピックアップローラ８５と用紙Ｐ、セットされている用紙同士の摩擦力の状態によって、負荷角変動のピークの大きさが変化する。
このように、電磁クラッチＣＬ１がオンする瞬間には上述の理由により急激な負荷トルク変動が発生するが、そのピーク値や変動速度はバックラッシュの量や用紙間の摩擦状態を予測できないため、事前に予測することは困難である。

そこで、給紙ステッピングモータＭ１の負荷変動に合わせて駆動電流の値を表す電流設定値を調整する第１の制御モードと、負荷変動によらず一定の電流設定値でモータを駆動する第２の制御モードを設ける。

第１の制御モードによれば、電力効率の高い状態でステッピングモータを駆動できるが、上述したように負荷変動の大きさによっては脱調に至る可能性がある。そこで、負荷の急変に対応できる電流設定値でステッピングモータを駆動する第２の制御モードに切り替えることで、脱調せずに給紙動作を行うことが可能になる。
本実施形態では、第１の制御モードと第２の制御モード、及びその切り替え方法を総称して、「高効率駆動モード」と呼ぶ

まず、高効率駆動モードのうち第１の制御モードについて説明する。図７は、駆動電流の算出方法の説明図である。
ＣＰＵ１０１では、給紙ステッピングモータＭ１の電力効率を高めるため、駆動電流を調整して駆動中の負荷角を一定の負荷角目標値（例えば８０度）に近づけるべく、駆動制御部１０２の電流設定値を制御する。この負荷角目標値を電気角表現で９０度とすることで、最大の電力効率を得られるが、脱調に対するマージンが極めて小さくなることから、例えば、余裕を持たせて８０度程度にすることで、効率と安定性を両立させることができる。

高効率駆動モードの第１の制御モードにおける、駆動制御手段１０２の電流設定値の算出方法について説明する。
図７のように、ＣＰＵ１０１はメモリに内蔵している負荷角目標値と、脱調マージン（負荷角）検出部１０３が出力した負荷角の差分ｅ１が０になるようにＰＩ（Proportional
Integral）制御を行う。このＰＩ制御は、上述の負荷角算出タイミングと同期して行われる。駆動制御部１０２へ出力される電流設定値ｅ２も、負荷角算出タイミング毎に更新される。電流設定値ｅ２は、電流設定値ａ２として、駆動制御部１０２に出力される。

このＰＩ制御により、負荷角の変動に合わせて駆動制御部１０２の電流設定値を変更することで、リアルタイムに給紙ステッピングモータＭ１の駆動電流を変化させる。
なお、ＰＩ制御ではＰ制御、Ｉ制御のゲインを独立に設定することが可能であり、このゲインを大きくすると負荷角の変動に対する応答速度を高めることができる。ＰＩ制御のゲインは、ステッピングモータＭ１の起動前に予め設定しておくことができ、モータ駆動中においても任意のタイミングで変更することが可能である。

しかし、上記のゲインが大きすぎる場合には負荷角の変動が小さい場合においても電流設定値が比較的大きく変動するため、給紙ステッピングモータＭ１が発する騒音、振動の増加や、ＰＩ制御が発散して脱調するなどの問題を生じる。
また、上述のように、負荷角の変動を監視しながら駆動制御部１０２の電流設定値をリアルタイムに制御する場合には、負荷角の変動に追従して電流設定値を変更可能な応答速度でＰＩ制御を行う必要があるが、ゲインの大きさには限界がある。

次に、高効率駆動モードのうち第２の制御モードについて説明する。第２の制御モードは、予め定められた一定の電流設定値で給紙ステッピングモータＭ１を駆動するモードである、このときの電流設定値は負荷の構成、動作から脱調に至らないと考えられる十分に大きな設定値を実験、計測により予め定めておく。

高効率駆動モードにおける第１の制御モードと第２の制御モードとの切り替え方法について説明する。給紙ステッピングモータＭ１の負荷が急激に変動する場合には、負荷角も急激に変動することとなる。このとき、第１の制御モードによる駆動電流制御では、負荷角を一定に保つことが困難になるため、第２の制御モードに切り替えて脱調を防止する。負荷角のピークが大きくなるときには、単位時間当たりの負荷角変化量（負荷角変化度）も大きくなるため、このような急激なトルク変動は負荷角の数値微分波形によって観測できる。数値微分は、計測した負荷角をメモリ１０６に記憶しておき、新たに取得した負荷角からメモリ１０６に記憶した前回計測時の負荷角を引くことにより行う。

図８を参照して、ステッピングモータ駆動中の負荷角と、高効率駆動モードにおける制御モードの切り替え判定に用いる負荷角の数値微分波形の例を説明する。
図８（ａ）及び（ｂ）において、上側のグラフは、位置指令値ｆ１、ｆ’１、軸回転角ｇ１、ｇ’１の波形は、それぞれの積算値を波形にしたものである。位置指令値ｆ１、ｆ’１は位置指令信号ａ１、ａ’１の立ち上がり時に積算されるため、積算位置表現では階段状の波形になっている。また、下側のグラフは、数値微分波形ｉ１、ｉ’１と予め定められた閾値との関係を示しており、数値微分波形はｉ１、ｉ’１は、検知した負荷角から一回前に検知した負荷角を引いた値となっている。

図８（ａ）の上側のグラフのように、負荷角変動が小さい場合においては、位置指令値ｆ１から軸回転角ｇ１を引いた負荷角（ｈ１〜ｈ４）の変動が小さいため、負荷角の数値微分波形も閾値を超えない範囲で安定して推移している。
一方、図８（ｂ）の上側のグラフのように、負荷角急変時では、負荷角（ｈ’１〜ｈ’４）のうち、負荷角ｈ’４が急激に大きくなっている。このとき、軸回転角ｇ’１も安定した右肩上がりから離脱している。また、図８（ｂ）の下側のグラフにおいては、負荷角急変時では、数値微分波形ｉ’１は検知した負荷角から１回前に検知した負荷角を引いた値（ｈ’４−ｈ’３）であるため、負荷角急変時に大きく変化している。このときに、第１の制御モードによれば、ＰＩ制御によって給紙ステッピングモータＭ１の電流設定値を増加させていく動作となるが、負荷角が急激に大きくなっているときに電流設定値の増加速度が遅い場合、負荷角を小さくできずに脱調してしまう。

負荷角の数値微分値を参照して、予め定められた閾値以上となったときに、電流設定値の第１の制御モードのＰＩ制御を中断し、第２の制御モードに切り替える。給紙ステッピングモータＭ１の電流設定値を一定値（例えば設定可能な最大値）とすることで、負荷角急変時の脱調を回避することができる。
これにより、第１の制御モードのＰＩ制御で徐々に電流設定値を引き上げるよりも、第２の制御モードによって十分なトルクを発生可能な一定の電流設定値に即座に切り替えることができる。そして、軸回転角が大きく遅れる前に十分なトルクを印加して脱調を防ぐことができる。

負荷角の数値微分値に関する閾値は、ＰＩ制御がどの程度の負荷変動まで追従可能かによって決まり、実験、計測に基づいてＰＩ制御のみで脱調しない範囲を確認し、そのときの負荷角の数値微分値を用いて予め定めておく必要がある。このときに算出される閾値は、ＰＩ制御が追従可能な範囲で定められていることから、ＰＩ制御の制御応答周波数以下の負荷変動に対して算出された閾値であることがわかる。したがって、このように閾値を決めることにより、ＰＩ制御の制御応答周波数以下である場合の負荷角変動を検知できるよう閾値を定めることができる。

また、第２の制御モードに切り替え、給紙ステッピングモータＭ１の電流設定値を一定値とした後、所定の時間Ｔａ（例えば１００ｍＳｅｃ）が経過した後に、再びＰＩ制御によって電流設定値を決定する第１の制御モードに切り替える。これにより、再度電力効率の良い駆動に移行することができる。
所定の時間Ｔａは、負荷急変が発生した後に負荷変動が安定し、再びＰＩ制御によって電流設定値を更新しても脱調リスクが少ないと見込まれる時間によって決定され、実験や計測により予め定められる時間である。

このような方法で、高効率駆動モードにおいて、第１の制御モードと第２の制御モードとの切り替えることにより、通常はステッピングモータを高い電力効率で駆動できる。また、脱調の懸念が生じるレベルの負荷急変時のみ一定電流での駆動とすることで、モータ駆動動作全体を通して脱調することなく高い電力効率での駆動を達成できる。

次に、図９を参照して、高効率駆動モードにおける動作手順について説明する。
まず、図示しない上位コントローラからのプリント指示により、ＣＰＵ１０１は用紙搬送を開始すべく駆動制御部１０２の動作を開始し、給紙ステッピングモータＭ１の動作開始と同時に高効率駆動モードを開始する（ステップＳ４００）。

ステップＳ４００で高効率駆動モードが開始されると、ＣＰＵ１０１は、ＰＩ制御と負荷角急変の監視を行う第１の制御モードを開始する（ステップＳ４０１）。この第１の制御モードでは、駆動制御部１０２への位置指令信号、電流設定値の出力、負荷角信号の取得、ＰＩ制御による電流設定値の更新及び出力、負荷角波形の数値微分演算及び監視が実行される。

次に、ＣＰＵ１０１は、モータ駆動中に負荷角波形の数値微分値を閾値と比較し、負荷角急変の有無を判定する（ステップＳ４０２）。負荷角が急変したと判定した場合（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、ＰＩ制御による電流設定値の更新を止めて、電流設定値を一定値に切り替えて第２の制御モードへ移行する（ステップＳ４０３）。他方、負荷角の急変がないと判定した場合には（ステップＳ４０２：ＮＯ）、高効率駆動モードを終了するか否かの判定（ステップＳ４０６）に移行する。

具体的には、進行中のプリントジョブが終了したか否か、上位コントローラからＣＰＵ１０１に停止信号が送信されたか否か、プリントジョブ中のエラー発生があるか否かを確認し、高効率駆動モードを終了するか否かを判定する。ステップＳ４０６で終了の判定をした場合には（ステップＳ４０６：ＹＥＳ）、高効率駆動モードを終了（ステップＳ４０７）し、そうでない場合は（ステップＳ４０６：ＮＯ）、ステップＳ４０１に戻り高効率駆動モードの制御を継続する。

ステップＳ４０２の判定で負荷角の急変有りと判定し（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、第２の制御モードへ移行した後は、電流設定値を一定値とする（ステップＳ４０３）。その後、負荷角急変が収まるまでの所定の時間（例えば１００ｍＳｅｃ）の間待機し（ステップＳ４０４）、その所定の時間が経過後、電流設定値をＰＩ制御によって更新する第１の制御モードへ移行する（ステップＳ４０５）。

次に、図１０を参照し、本実施形態の高効率駆動モードを用いた画像形成装置の給紙動作の手順について説明する。
図示しない上位コントローラよりプリント開始の指令がＣＰＵ１０１に入力されると、ＣＰＵ１０１はメモリ１０６から各負荷を駆動するためのシーケンス情報を読み出し、給紙動作を開始する（ステップＳ５００）。

まず、ＣＰＵ１０１は、位置指令信号、電流設定値を駆動制御部１０２へ出力し、給紙ステッピングモータＭ１の駆動を開始する（ステップＳ５０１）。このときの電流設定値は給紙ステッピングモータＭ１停止時に入力する初期値（例えば駆動電流１Ａに相当する設定値）である。この初期値はこの負荷の大きさから脱調することなく、ステッピングモータを回転させられる電流設定値として定められ、予めメモリ１０６に記憶されている。

次に、ＣＰＵ１０１は、高効率駆動モードでの駆動電流の制御を開始する（ステップＳ５０２）。具体的には、脱調マージン（負荷角）検出部１０３から出力された負荷角の大きさを参照し、給紙ステッピングモータＭ１の電流設定値を決定する。高効率駆動モードの詳細は、上述のとおりである。

ＣＰＵ１０１は、駆動制御部１２０に位置指令信号と電流設定値を出力し、用紙給紙後に用紙を搬送するための搬送ステッピングモータＭ２の駆動を開始する（ステップＳ５０３）。

次に、ＣＰＵ１０１は、給紙動作を行うため、給紙ピックアップローラ８５が１回転する時間（例えば２００ｍＳｅｃ）だけ、電磁クラッチＣＬ１をオンすることにより、給紙ピックアップローラ８５を回転させて給紙動作を行う（ステップＳ５０４）。
その後、次の用紙を搬送するまでに、給紙した用紙の後端から所定の用紙間隔（例えば４０ｍｍ）をあけて後続紙を給紙する必要があるため、用紙間隔を開けるための時間（例えば３００ｍＳｅｃ）の待ち時間待機して次のステップに進む（ステップＳ５０５）。

その後、ＣＰＵ１０１は、上位コントローラから指定される枚数のプリントを行うため、プリントジョブの残りがあるかを判定する（ステップＳ５０６）。ステップＳ５０６において給紙した用紙の枚数が、指定されたプリント枚数以下であれば、プリントジョブの残り有りと判定する（ステップＳ５０６：ＹＥＳ）。その場合、次の用紙を給紙するため、ステップＳ５０４に移行し、指定されたプリント枚数に達していれば（ステップＳ５０６：ＮＯ）、給紙動作を終了する（ステップＳ５０７）。
給紙動作の終了後、給紙したすべての用紙の画像形成が終了したことを確認し、給紙ステッピングモータＭ１、搬送ステッピングモータＭ２の駆動を終了し、駆動制御を終了する。

なお、本実施形態においては、給紙ステッピングモータＭ１の負荷の大きさ、負荷変動の速度を検知する方法として、エンコーダ１０４と脱調マージン（負荷角）検出部１０３を用いた。しかし、駆動制御部１０２と給紙ステッピングモータＭ１の間に電流検知装置を設け、電流波形のゼロクロスタイミングから負荷角を推定する方法や、駆動電流波形の形状から負荷角を推定する方法を用いても良い。

図１１は、図２と異なる構成で負荷角を検知する場合の給紙系及び搬送系の駆動制御の系統を示す図である。図２との比較では、エンコーダ１０４が存在せず、代わりに、駆動制御部１０２と給紙ステッピングモータＭ１との間に、電流検出回路１０９が存在する。また、ＣＰＵ１０１から駆動制御部１０２，１２０に電流設定値ａ２，ｂ２が供給されない。他の構成部品は図２のものと同じなので、図２で使用した同機能の構成部品については、同じ符号を用いる。

図１１の例では、駆動制御部１０２から給紙ステッピングモータＭ１へ駆動電流ａ３を供給する経路に、電流検出回路１０９を介在させる。そして、給紙ステッピングモータＭ１に流れる電流波形ａ４１を電流検出回路１０９から脱調マージン（負荷角）検出部１０３に伝達する。脱調マージン（負荷角）検出部１０３は、電流波形ａ４１のゼロクロスポイントの遅れ時間から給紙時の給紙ステッピングモータＭ１の負荷角を検知する。

また、本実施形態においては、脱調マージン（負荷角）検出部１０３をＣＰＵ１０１とは別個に設けたが、ＣＰＵ１０１に内臓、又はソフトウェア処理によって行っても同様の効果が得られる。
上記加えて、ＣＰＵ１０１で実行している負荷角の数値微分についても、脱調マージン（負荷角）検出部１０３に実装し、数値微分の結果が閾値を超えた場合に、異常信号としてＣＰＵ１０１に報知する形態としても同様の効果が得られる。

以上、説明したように、予測が困難な負荷急変が発生する負荷を駆動するステッピングモータを駆動する際に、電力効率の高い駆動が実現でき、かつ脱調することなく給紙搬送を行うことが可能になる。

［第２実施形態］
本発明に係る画像形成装置の第２実施形態について説明する。
図１２は、第２実施形態における高効率駆動モードの動作を示す手順説明図である。なお、第１実施形態と同様の動作をする部分については説明を省略する。

第１実施形態において、電磁クラッチＣＬ１がオンする際に、急激な負荷角変動が頻繁に発生する系においては、負荷角波形の数値微分を用いて判定する構成でも第１の制御モードから第２の制御モードへ切り替える頻度が増すことになる。
そこで、第２実施形態ではＣＰＵ１０１が電磁クラッチＣＬ１をオンするか否かに基づき制御モードを設定する。第２実施形態によれば、より簡易的な処理で効果を得ることができる。

第１実施形態の高効率駆動モードでは、負荷角波形の数値微分を用いて電流設定値を一定値とするか否かの判定を行っていたが、第２実施形態においては数値微分を行わない簡易な構成で効果を得ることができる。

図１２のステップＳ６０１では、第１実施形態と同様に負荷角を検出し、負荷角を用いてＰＩ制御を行う第１の制御モードを実施する。ステップＳ６０２では、電磁クラッチＣＬ１をオンさせるためにＣＰＵ１０１が出力するクラッチＯＮ信号（図６参照）から、電磁クラッチＣＬ１のオンオフを判定する。ステップＳ６０２での判定がＹＥＳの場合、電流設定値を一定値に変更して第２の制御モードへ移行する（ステップＳ６０３）。その後、電磁クラッチＣＬ１がオフするまでの所定時間待機した後（ステップＳ６０４）、電流設定値を再びＰＩ制御によって更新する制御である第１の制御モードに切り替えて動作を継続する（ステップＳ６０５）。

上述のように、第２実施形態では、負荷角波形の数値微分を用いた判定を行わないため、ＣＰＵ１０１の数値演算上の負荷を軽減した簡易な構成とすることができる。
また、高い電力効率が得られ、脱調することなくプリント動作を行うとの効果も同時に奏することができる。

ＣＬ１・・・電磁クラッチ、Ｍ１・・・給紙ステッピングモータ、Ｍ２，Ｍ３・・・搬送ステッピングモータ、Ｐ・・・用紙、８１・・・給紙ローラ、８２，８３，８４・・・搬送ローラ、８５・・・給紙ピックアップローラ、９１・・・用紙カセット。１０１・・・ＣＰＵ、１０２，１２０・・・駆動制御部、１０３・・・脱調マージン（負荷角）検出部、１０４・・・エンコーダ、１０６・・・メモリ。１０７・・・カセット開閉検知センサ、１０９・・・電流検知回路、１１０，１１１・・・用紙センサ。２０１・・・ロータの目標位置、２０２・・・ロータの検出位置。ａ１，ｂ１・・・位置指令信号、ａ２，ｂ２・・・電流設定値、ａ３，ｂ３・・・駆動電流。ａ４・・・回転信号、ａ５・・・負荷角の情報。

Claims (10)

1. 画像が形成されるシート材を搬送するシート材搬送手段と、
   前記シート材搬送手段を駆動するモータと、
   前記モータを制御する制御手段と、
   前記モータのロータ位置を検知する位置検知手段と、
   前記制御手段から出力される制御信号と前記位置検知手段の検知結果から、負荷角を求める負荷角検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記負荷角検出手段によって検出された負荷角に応じて前記モータの駆動電流を変化させる第１の制御モード、および、前記モータの駆動電流を予め定められた設定値とする第２の制御モードで動作可能であり、前記負荷角検出手段において検出された負荷角の単位時間あたりの変化量と予め定めた閾値とを比較し、前記変化量が前記閾値を超えない場合は前記第１の制御モードで前記モータを制御し、前記変化量が前記閾値を超えた場合は前記第２の制御モードで前記モータを制御する、
   画像形成装置。
2. 前記制御手段は、前記負荷角検出手段において検出された負荷角を数値微分することによって、前記負荷角の単位時間あたりの変化量を算出する、
   請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記閾値は、前記負荷角の変動が前記制御手段の制御応答周波数以下である場合に算出される、前記負荷角波形の数値微分値以下となるように定められている、
   請求項２記載の画像形成装置。
4. 前記制御手段は、その制御モードが、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードへと切り替わった後、予め定めた設定時間が経過すると、自動的に前記第１の制御モードへ切り替わる、
   請求項１記載の画像形成装置。
5. 前記設定時間は、前記負荷角の変動が十分に小さくなると見込まれる時間である、
   請求項４記載の画像形成装置。
6. 前記設定値は、前記モータに最大負荷が印加された場合でも脱調しないトルクを発生する電流値である、
   請求項１記載の画像形成装置。
7. 前記制御手段は、前記第１の制御モードにおいて、前記駆動電流をＰＩ制御により制御する、
   請求項１記載の画像形成装置。
8. 前記ＰＩ制御において、負荷角目標値を、電気角表現で９０度以下であり、前記駆動電流を前記設定値とする場合に比べて電力効率を高められる見込みのある角度とする、
   請求項７記載の画像形成装置。
9. 画像が形成されるシート材を搬送するシート材搬送手段と、
   前記シート材搬送手段へ動力を供給するモータと、
   前記モータから前記シート材搬送手段へ動力を伝達させる動力伝達手段と、
   前記モータを制御する制御手段と、
   前記モータのロータ位置を検知する位置検知手段と、
   前記制御手段から出力される制御信号と前記位置検知手段の検知結果から、負荷角を求める負荷角検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記負荷角検出手段によって検出された負荷角に応じて前記モータの駆動電流を変化させる第１の制御モード、および、前記モータの駆動電流を予め定められた設定値とする第２の制御モードで動作可能であり、前記動力伝達手段が前記シート材搬送手段へ動力を伝達しないときは前記第１の制御モードで前記モータを制御し、前記動力伝達手段が前記シート材搬送手段へ動力を伝達するときは前記第２の制御モードで前記モータを制御する、
   画像形成装置。
10. 前記シート材搬送手段は、給紙ピックアップローラである請求項９記載の画像形成装置。

Images