JP4653543B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、乾式電子写真装置の駆動・搬送技術、特に潜像形成系におけるバンディングを削減する回転安定化装置を備える画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真装置において、駆動・搬送機構に由来する異常現象としては、画像全体または一部分が所定の位置からずれてしまう位置ずれ、及び周期的またはランダムに帯状の濃度ムラが発生するバンディング現象が発生することが知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
上述したバンディング現象の中でも、特に紙の先端または後端が駆動・搬送機構を通過するときまたは２種類の駆動・搬送機構の接離時などに生じるショックにより特定のタイミングで帯状の濃度ムラが発生するショックジターなどが挙げられる。
これらの異常現象は細かい要因や時間スケールこそ違うが、抑える方法としては、結局のところ感光体ドラムや転写ベルトの速度を一定にする方法に置き換えられ、そのためには、感光体ドラムや転写ベルトの駆動ローラなどの回転体を所定の回転速度で安定的に回転させる方法が重要な課題になる。
これらの回転体を所定の回転速度で安定的に回転させるための方法としては、一般的には、以下の２種類の方法に大別できる。
即ち、フライホイールなどを用いて回転体の慣性モーメントを大きくする第１の方法と、回転体の回転状態情報を基にして回転速度が一定になるようにモータや回転調節機構を制御する第２の方法に大別することができる。
回転状態情報としては、エンコーダを用いるなどして回転速度や加速度・位置などを逐次検知して得る情報と、ギア偏心などの減速機構特性を予め検知・記録しておいた情報などがある。これらの情報によるフィードバック制御とフィードフォワード制御を単独かまたは組み合わせて使用する。
上記第１の方法は、機構が単純で信頼性が高いという特徴を有するが、その反面、装置全体の重量が嵩む、また大きな駆動トルクが必要なので大きなモータを積載することにより、さらに装置全体が大型化するなどの欠点を有し、専ら価格やサイズを気にしない高級機・大型機に用いられている。

上記第２の方法は、構造において複雑になるが、小型化が可能という特徴を有している。第２の方法で最も一般的な方法としては、回転体の軸にロータリエンコーダを接続し、ロータリエンコーダの出力から回転体の回転変動を検知してモータの回転をフィードバック制御するというものが挙げられる。
この方法で、例えば、感光体ドラムの回転速度を制御すると、画像に換算して数ｍｍ以上になる比較的長い周期の回転変動、例えば、減速機構のギア偏心による速度変動による位置ずれを十分に軽減することができる。
しかし、周期的バンディングやショックジターに関しては、さらに細かい周期が問題になる。バンディングが最も目立つ周期は人間の目の感度特性から１ｍｍ前後と云われている。線速を２００ｍｍと仮定すると、これは５ｍｓ前後の時間周期に相当する。
これを軽減するためには、変動の制御にかかる時間遅れは、最悪でも１周期５ｍｓの１／４にあたる１．２５ｍｓ以下、望ましくは０．５ｍｓ以下が要求されるが、従来は非常に困難だった。
上記制御における遅れの要因は、大きく分けて３つある。第１はロータリエンコーダの分解能に起因する遅れである。これはロータリエンコーダのセンサが、マークを２つ以上連続して検知しないと速度変動を検知することができないために発生する。
第２はロータリエンコーダから出力されたデータを速度変動として検知・判断し、モータ速度変更の指令を出すまでの制御回路の遅れである。第３は制御回路からの指令でモータのトルクが変動してから、モータの速度が変動し、その速度変動がギア回転軸を介してドラム表面に伝わるまでの力学的遅れである。
第１の遅れに対しては、高分解能のロータリエンコーダを使用すれば、コストは掛かるがとりあえず回避可能ではある。また、特許文献１のような対策もある。特許文献１自体は、下記欠点で述べているように第２と第３の遅れに対して対策が取れていないため、対策としては不十分である。

なお、特許文献１では実施例中において加速度センサに加わる加速度成分の１つとして重力成分を考慮に入れていないので、実施例のとおりの速度・加速度の直接検知は実施不可能（回転軸が縦なら可能）と思われる。加速度センサに加わる加速度成分の１つとして重力成分を考慮に入れる必要性に関しては、特許文献２が参考になる。
特許文献１は感光体ドラム上に配置した加速度センサで、回転体の速度情報と加速度情報を同時に取得して、感光体ドラムの速度を制御することを開示している。特許文献１はショックジター対策を目的にしており、加速度センサで速度や加速度を直接検知するのでエンコーダよりも短時間で速度変動を検出し、ショックジターにも対応できるとしている。
特許文献２は回転体上の任意の２点に加速度センサを配置し、２つのセンサの計測値を演算することによって加速度の遠心力（半径方向）成分と重力成分を抽出し、回転体の回転速度と回転角変位を検知する検知方法及び装置を開示している。
第３の遅れに対しては、特許文献３のような対策がある。しかし、今度は、下記欠点で述べているように、第１の遅れと第２の遅れに対して対策が取れていないため、対策として不十分である。
特許文献３は回転体とその駆動軸とをアクチュエータを介して接続し、回転体の回転角変位、回転速度、又は加速度を検出して、その検出結果に応じて回転体とその駆動軸の間の回転位相をアクチュエータで調整することを開示している。
特開平８−１１５０１２号公報 特許第２６３７６３０号 特開２０００−３３０４２０公報

しかしながら、上述した特許文献１では加速度センサの検出データは回転体外部の制御回路に一旦出してから制御に用いるため、時間が掛かっている。また、駆動モータの速度を制御しており、モータから感光体ドラムに至る減速・伝達機構でも遅れが生じているので、ショックジター対策としては不十分である。
また、上述した特許文献２では、加速度の周方向成分を抽出しないので、定常的な周方向振動やショックジターなどの検知に関しては考慮できていない。さらに、上述した特許文献３では、エンコーダで速度変動を検知しているので、検知の時間遅れが大きい。
また、アクチュエータを回転体の外部から制御しているので、回転体とその外部を接続する通信手段における、信号の遅れや雑音による誤作動などの発生が問題となる。
以上から、第１の遅れと第３の遅れに関しては特許文献１と３でそれぞれ対策があるが、その２つを組み合わせても、第２の遅れに対する対策が取れていないので、ショックジター対策としては不十分である。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、すべての遅れを短縮することにより、バンディングやショックジターのような比較的細かい周期の速度変動を軽減して、高画質の画像を得る回転安定化装置及びこれを備える画像形成装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、鉛直方向を除く方向を向いた同一軸上に配置された、感光体ドラムまたは転写ベルトの駆動ローラである第１の回転体及びフライホイールを含む第２の回転体を有し、第２の回転体はモータにより回転駆動され、第１の回転体と第２の回転体とがアクチュエータを介して接続され、第１の回転体に加速度センサを備え、第２の回転体に前記加速度センサの計測を行う計測回路、前記アクチュエータ及び該アクチュエータの駆動制御を行うアクチュエータ制御回路を備えると共に、前記加速度センサは第１の回転体の周方向に感度を有する位置に配置されている画像形成装置であって、前記計測回路は、前記加速度センサで検知した加速度に基づいて第１の回転体の角加速度の算出を行ない、前記アクチュエータ制御回路は、前記計測回路により算出された角加速度に基づいて、第１の回転体の回転速度変動を軽減するための位相変更量を算出し、前記アクチュエータは前記アクチュエータ制御回路により指示された位相変更量に基づいて第１の回転体と第２の回転体との間の回転位相を変更することを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータ制御回路から指示された位相変更量に基づいて、第１の回転体の回転速度変動を軽減するために第１の回転体と第２の回転体との間の回転位相を変更することにより、ショックジターのような短時間で急激な回転速度変動が生じたときでも、遅滞なく第１の回転体の回転速度変動を軽減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は第１の回転体及び第２の回転体を有する回転安定化装置を側面からみた模式図である。図２は第１の回転体側から第２の回転体（フライホイール）を見た模式図である。図３は加速度センサからアクチュエータに至る情報の流れを示すブロック図である。但し、図２においては第１の回転体上に配置されている加速度センサも、第２の回転体上の配置との位置関係を把握するために表示している。
図１に示すように、本実施形態の回転安定化装置は、同一の軸１１上に第１の回転体１と第２の回転体２が配置されている。第１の回転体１と第２の回転体２とは第２の回転体２上の２箇所に配置されたアクチュエータ４とピン８を介して適宜な方法で接続されており、ピン８が無ければ第１の回転体１と第２の回転体２とはそれぞれ独立に回転自在となっている。
さらに、第２の回転体２はギア９を介してモータ１０と接続されている。従って、第１の回転体１はギア９と第２の回転体２とアクチュエータ４そしてピン８を介してモータ１０から回転駆動力を得ている。
第１の回転体１上には第１の回転体１の回転中心を挟んで１８０度対向する位置の２箇所に２次元加速度センサ３が配置されている。図示してないが２次元加速度センサ３からは、信号線が計測回路５にまで延びている。
また同様に図示してないが第２の回転体２上に配置されている計測回路５とアクチュエータ４の間、そして計測回路５と無線通信回路６との間にも信号線が延びている。
これらはすべて給電機構１２を介して第２の回転体２の外部から電力を得ている。給電機構１２にはオーソドックスなブラシを使った給電方法を用いたが、その他に電磁誘導を使った給電方法なども利用できる。

第２の回転体２に加速度センサ３を備えることもできる。このようにすると、第１の回転体１側の構成を簡素にすることができ、これは感光体ドラムとして使用する第１の回転体１を交換する必要がある場合に有効である。
また、第２の回転体２に後述する加速度センサ３の計測回路５及びアクチュエータ４のアクチュエータアクチュエータ制御回路１３を備えることできる。第１の回転体１から計測回路５を除くことにより、それだけ第１の回転体１の慣性モーメントが小さくなるので、回転位相を変更し易くなる。
例えば、第２の回転体２上に配置したアクチュエータ４の第１の回転体１に接している位置に加速度センサ３を配置する。あるいは、第１の回転体１の加速度を第２の回転体２の加速度とアクチュエータ４の動作から推定する。
第２の回転体２には第１の回転体１の１／１０以上の慣性モーメントを付与することできる。第２の回転体２からモータに至る軸１１あるいは駆動減速機構のねじれ剛性が弱い場合や被回転体（第１の回転体１）と比較して慣性モーメントが著しく小さい場合でも、第２の回転体２の慣性モーメントを足場にして、アクチュエータ４による第１の回転体１の位相を変更することができる。
それによりフライホイール単独で回転安定化する方法よりも小さい慣性モーメントで使用することができる。
なお、１／１０という慣性モーメントの値はあくまでも一例であり、本発明はこの値に限定されるものでないが、これより小さいと第２の回転体２の回転速度のみが変化し、第１の回転体１の回転速度が調整できない場合がある。

図３には加速度センサ３からアクチュエータ４に至る情報の流れをブロック図で示している。図３では加速度センサ３の計測回路５とアクチュエータ４のアクチュエータ制御回路１３が示されている。
加速度センサ３で検知した加速度に基づいて、計測回路５で第１の回転体１及び第２の回転体２の角加速度、角速度、角度を特定する。
特定された角加速度情報は、直接、アクチュエータ制御回路１３に送られる。アクチュエータ制御回路１３では、アクチュエータ４で印加すべき力の量、または変位量を算出し、アクチュエータ４に制御信号を送る。
角速度及び角度の情報は、無線通信回路６を経て本体側無線通信回路１４に伝送され、モータの速度制御などに利用される。さらに、第１の回転体１について、他の要素、例えば転写ベルト（図示せず）などを駆動している場合では、単に第１の回転体１の回転速度変動を抑えるだけでなく、転写ベルトの厚み偏差プロファイルも加味した上で、転写ベルト速度を一定に保つように第１の回転体１の回転速度を制御する必要がある。
しかしながら、このような場合、本体側から無線通信回路１４、６を通じて、予め、またはリアルタイムに速度補正情報をアクチュエータ制御回路１３に伝送する。アクチュエータ制御回路１３は角加速度情報と速度補正情報を総合してアクチュエータ４で印加すべき力の量、または変位量を決定する。
以上のような処理は、角加速度情報に基づいてアクチュエータ４を制御する場合ほどには情報伝達の即時性が要求されないので、無線通信回路１４、６における遅延も許容できる。

計測回路５では以下のような処理を行っている。第１の回転体１はその回転軸が鉛直方向を向いていないものとする。第１の回転体１は負荷も一定で、かつ第２の回転体２を経由して力の変動が加わらない限り、一定角速度で回転を続けている。このとき、２個の２次元加速度センサ３からは、重力加速度と遠心力の和が検知されている。
２個の加速度センサ３には独立した座標系を与え、それぞれ遠心力が加わる方向を９０度とした極座標とすると、一方の遠心力はどちらの加速度センサにも９０度の方向で等しく一定量の加速度成分として加わる。
もう一方の重力加速度は、どちらの加速度センサでも等しく一定量の大きさが加わるが、加速度センサに加わる方向は第１の回転体１の角度に依存し、かつ２個の加速度センサの間で１８０度異なる。
したがって、２個の加速度センサ３で検知した加速度を平均すれば遠心力が検知でき、また２個の加速度センサ３で検知した加速度の差をとって２で除すと、重力加速度の方向と大きさが検知できる。
また、加速度センサ３を１次元加速度センサとして扱い、加速度センサ３の９０度方向（と１８０度方向）の成分のみを抽出しても、同様に平均で遠心力を検知できる。
また、差を取ると第１の回転体１の角度のみに依存して変動する量の加速度を検知するので、回転方向が既知だという前提の下で重力加速度の向きを特定できる。遠心力からは第１の回転体１の角速度を、また重力加速度の方向からは第１の回転体１の角度をそれぞれ特定できる。
第１の回転体１の負荷かあるいは第２の回転体２を経由して第１の回転体１に力の変動が加わると、第１の回転体１に角加速度が発生する。同時に、第１の回転体１の回転軸１１にも並進方向の加速度が発生する場合もある。
加速度センサ３では、２個の加速度センサでそれぞれ周方向の加速度成分のみを抽出し、そこからすでに検知済みの重力加速度の成分を差し引く。さらに２個の加速度センサを平均することで角加速度を特定することができる。
なお、第１の回転体１の回転軸１１が鉛直方向を向いている場合は、加速度センサ３の検知データから第１の回転体１の角度を特定することができない。この場合、エンコーダなど、角度を特定するための別の手段が必要になる。

アクチュエータ制御回路１３ではおおよそ以下のような処理を行っている。アクチュエータ制御回路１３は、基本的には、計測回路５で特定した角加速度情報からその反対方向に加速度が掛かるようにアクチュエータ４への制御信号を発生する。
ピエゾアクチュエータを例に取ってアクチュエータを極く単純に説明すれば、デジタル信号の角加速度情報を電圧波形に変換するだけでよい。第１の回転体１の速度変動発生からの時間遅れの大きさしだいでは、波形の立ち上がりを強調することも必要になる。また、アクチュエータ４の変位は範囲が限られているので、できるだけ変位の範囲の中心位置を維持するように調節することも必要になる。
また、無線通信回路１４、６を通じて本体から伝送されてきた速度補正情報がある場合には、その情報も加味してアクチュエータ４で印加すべき力の量、または変位量を決定する。
上述した第１〜第３のすべての遅れを短縮する方法を検討した結果、感光体ドラムや転写ベルトの駆動ローラなどの回転体で速度変動が起きていることが問題であれば、その回転体（駆動ローラ）、あるいはその回転体と同軸で回転する物体（フライホイール）に、速度変動検知から回転変動補正用のアクチュエータとそれらの制御機構までも配置する。
回転体外からは動力供給と簡単な信号（起動・停止信号や速度補正情報など）のやり取りのみを行ない、回転体内のみで速度変動検知からアクチュエータによる回転変動補正に至るすべての動作を完結させれば、第１〜第３のすべての遅延が軽減される。したがって、ショックジターのような比較的細かい周期の速度変動をも軽減可能であるということが理解される。
分離した周方向の加速度、遠心力、及び重力加速度（の方向）は、それぞれ、第１の回転体１の角加速度、角速度、角度に対応し、これらの総合情報を得ることにより、加速度センサ１個の場合よりも広範囲な回転制御、例えば、ドラム１周期成分の速度変動とショックジターとを同時に軽減するなどが容易に達成できる。

図４は加速度センサの第１の配置例を示す概略図である。図５は加速度センサの第２の配置例を示す概略図である。図６は加速度センサの第３の配置例を示す概略図である。
図７は加速度センサの第４の配置例を示す概略図である。図８は加速度センサの第５の配置例を示す概略図である。図９は加速度センサの第６の配置例を示す概略図である。
図４乃至図９を参照して、加速度センサとしては、１次元または２次元または３次元の加速度センサ３ａ、３ｂを、被回転体（第１の回転体１）または回転駆動軸（図示せず）上の１箇所、望ましくは２箇所に設置する。
次元の異なる加速度センサ、例えば１次元センサ３ａと２次元センサ３ｂをそれぞれ１箇所ずつ配置することも考えられる。１次元センサ３ａや２次元センサ３ｂでは、加速度センサが感度を有する方向を被回転体の軸と垂直の平面上に揃える。
図示してないが加速度センサが１箇所だけの場合は、被回転体または回転駆動軸の回転中心以外の位置に配置する。このとき１次元加速度センサの場合は、加速度センサが感度を有する方向を被回転体の周方向の加速度が加わる方向に揃える。
３次元加速度センサの場合は、被回転体の軸方向の加速度を無視することで、２次元加速度センサと同様に扱える。もちろん被回転体の軸方向の加速度を本発明と別の目的のために検知することは、まったく制限しない。
加速度センサには、角加速度と１対１で対応する周方向の加速度以外に重力加速度も加わっている。角加速度が大きく、加速度センサに加わる周方向加速度が重力加速度と比べて十分に大きい場合は、重力を無視できる。
また、２次元センサ３ｂに加わる重力加速度は回転周期に同期して方向が変わり、１次元加速度センサ３ａに加わる重力加速度は回転周期に同期して増減するので、その位相が判れば加速度センサに加わる重力加速度成分を或る程度取り除くことができる。

加速度センサを２箇所に設置する場合は、設置の位置は任意に決めることができるが、検知データから被回転体の角加速度や角速度・角度を容易に算出できる配置として、図４乃至図９に示したような配置が考えられる。
図４乃至図９においては加速度センサ３ａ、３ｂがブロック矢印で示されている。矢印の方向は加速度センサ３ａ、３ｂが感度を有する方向を示し、１直線状に２方向の矢印が１次元加速度センサ３ａ、４方向の矢印が２次元加速度センサ３ｂをそれぞれ示している。
加速度センサが２個有れば、特許文献２にも示されているとおり、重力加速度とそれ以外の加速度を完全に分離することが可能になる。特許文献２では遠心力と重力を分離しているが、本発明においては、周方向の加速度を重力から分離することに主眼を置いている。
そのために、２個ある加速度センサ３ａ、３ｂのうちの１個は、回転中心以外の場所に配置し、少なくとも周方向に感度を有するように配置する。残りの１個の加速度センサ３ｂまたは３ａは、やはり回転中心以外の場所に配置して少なくとも周方向に感度を有するようにするか（図４、図６、図７、図９）、あるいは、回転中心に配置する（図５、図８）。

本発明によれば、第１の回転体１または第２の回転体２上に、２個の加速度センサを少なくともこれらの回転体の周方向の加速度に感度を持つ向きに配置し、２個の加速度センサの検知量から、重力加速度と回転角加速度の成分を抽出し、さらに重力加速度の大きさと向きから回転体の回転角度を検知することにより、第１の回転体１または第２の回転体２の角度と角加速度を同時に検知することができる。
また、２個の加速度センサはそれぞれ２次元加速度センサ３ｂにし、第１の回転体１または第２の回転体２の周方向の加速度と同時に径方向の加速度、即ち遠心力も検知することにより、回転体の角度と角加速度に加えて角速度も同時に検知することができる。この場合、回転体の回転軸方向を、重力加速度の方向と一致させないようにする。
加速度センサ３ａまたは３ｂで検知した加速度から重力加速度成分と周方向加速度成分を分離する演算方法は、特許文献２における重力加速度成分と遠心力成分を分離する方法と、成分が違うだけで基本的な考え方は変わらないので、ここでは説明を割愛する。勿論、２次元または３次元の加速度センサであれば、遠心力も同時に分離することが可能である。
アクチュエータ４（図１乃至図３）は、第１の回転体１または第２の回転体２の回転中心を挟んで１８０度対向する位置の２箇所に配置される。各アクチュエータ４は、図２において矢印で示しているように、ピン８を第２の回転体２の周方向に沿って直線状に変位させる。変位の方向も、２個のアクチュエータ４で１８０度異なっている。
ピン８は第１の回転体１に繋がっているので、アクチュエータ４がピン位置を変位させることにより、第２の回転体２に対する第１の回転体１の相対角度、即ち位相を変更することができる。

本発明で用いられるアクチュエータの種類としては、特に制限は無いが、応答が速く、力が強く、微小な変位も精度良く再現可能であることから、ピエゾ素子が特に優れている。そのほかにはボイスコイルなどの電磁的アクチュエータや、ゲルアクチュエータ、静電アクチュエータ、磁歪素子なども候補に挙げられる。
上述した第１の回転体１を感光体ドラムまたは転写ベルトの駆動ローラとして使用すれば、第１の回転体１が感光体ドラムのときは、感光体ドラムの回転速度変動が軽減される。また、第１の回転体１が転写ベルトの駆動ローラである場合は、転写ベルトの速度変動を軽減できる。総じて、バンディングやショックジターを軽減できる回転安定化装置を備えた画像形成装置が得られる。
また、本発明は普通紙複写機、普通紙ファクシミリ、ページプリンタなどに、さらに、遠心力によって擬似重力を発生させている人工天体の制振装置などに応用することができる。

第１の回転体及び第２の回転体を有する回転安定化装置を示す模式図である。 第１の回転体側から第２の回転体を見た模式図である。 加速度センサからアクチュエータに至る情報の流れを示すブロック図である。 加速度センサの第１の配置例を示す概略図である。 加速度センサの第２の配置例を示す概略図である。 加速度センサの第３の配置例を示す概略図である。 加速度センサの第４の配置例を示す概略図である。 加速度センサの第５の配置例を示す概略図である。 加速度センサの第６の配置例を示す概略図である。

符号の説明

１…第１の回転体（駆動ローラ）、２…第２の回転体（フライホイール７）、３…加速度センサ、３ａ…１次元加速度センサ、３ｂ…２次元加速度センサ、４…アクチュエータ、５…加速度センサ計測・制御回路、６…無線通信回路、８…ピン、９…ギア、１０…モータ、１１…軸、１２…給電機構、１３…アクチュエータ制御回路、１４…本体側無線通信回路

Claims (1)

1. 鉛直方向を除く方向を向いた同一軸上に配置された、感光体ドラムまたは転写ベルトの駆動ローラである第１の回転体及びフライホイールを含む第２の回転体を有し、
   第２の回転体はモータにより回転駆動され、
   第１の回転体と第２の回転体とがアクチュエータを介して接続され、
   第１の回転体に加速度センサを備え、
   第２の回転体に前記加速度センサの計測を行う計測回路、前記アクチュエータ及び該アクチュエータの駆動制御を行うアクチュエータ制御回路を備えると共に、
   前記加速度センサは第１の回転体の周方向に感度を有する位置に配置されている画像形成装置であって、
   前記計測回路は、前記加速度センサで検知した加速度に基づいて第１の回転体の角加速度の算出を行ない、
   前記アクチュエータ制御回路は、前記計測回路により算出された角加速度に基づいて、第１の回転体の回転速度変動を軽減するための位相変更量を算出し、
   前記アクチュエータは前記アクチュエータ制御回路により指示された位相変更量に基づいて第１の回転体と第２の回転体との間の回転位相を変更することを特徴とする画像形成装置。

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