JP2009222112A - ベルト駆動制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減速機構の変動成分やモータの偏心成分も抑えて、高精度なベルト駆動を行うことができるベルト駆動制御装置を提供する。
【解決手段】駆動軸１４の回転角度を検出する駆動軸エンコーダセンサ１８と、無端ベルト３上のエンコーダパターン２４を検出するベルトエンコーダセンサ１９を有し、ベルトエンコーダセンサ１９からの検出信号に基づいてベルト表面速度を演算するベルト速度演算部３０と、駆動軸エンコーダセンサ１８からの検出信号に基づいて駆動軸速度を演算する駆動軸速度検算部３１を有し、ベルト目標速度とベルト速度演算部３０で算出されたベルト表面速度とを比較して、ベルト表面速度の補償演算を行うベルト速度補償器３３を有する第１の速度制御ループと、ベルト速度補償器３３の出力と駆動軸速度検算部３１の出力を比較して、駆動軸速度の補償演算を行う駆動軸速度補償器３５を有する第２の速度制御ループとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、複写機、プリンタ等の画像形成装置に使用される中間転写ベルトなどの無端ベルトの駆動を制御するベルト駆動制御装置及び画像形成装置に関する。

電子写真方式のカラー画像形成装置として、例えば、複数の感光体ドラムにそれぞれ形成された各色のトナー画像を移動する無端ベルト状の中間転写ベルト上に順次重ね合わせるようにして転写（一次転写）して、中間転写ベルト上に転写されたカラー画像を２次転写部材により用紙等の被記録材に転写する構成の画像形成装置が知られている。

このような画像形成装置では、中間転写ベルトの移動速度が変動すると、各色のトナー画像の重ね合わせ位置がずれて色ずれ等の不具合が生じる。前記のような中間転写ベルトの速度変動を防止するために、中間転写ベルトの駆動系にはベルト駆動制御装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

前記特許文献１では、検出手段で検出されたベルト（画像形成ベルト）の走行速度情報から、特定の周波数成分を強調するフィルタ手段によってフィルタリングされた速度情報に基づいて中間転写ベルト（画像形成ベルト）の走行速度を制御するようにしている。
特開２０００−３５６９３６号公報

前記特許文献１では、ベルトの厚み変動や駆動ローラの偏心の影響を、ベルト表面速度をフィードバック制御することによって抑えることができ、また、摩擦等の定常的な外乱は、モータのモータ速度をフィードバック制御することによって抑えることができる。しかしながら、減速機構の変動成分や駆動モータの回転成分の影響を抑えるためには、ベルト表面速度のフィードバック制御系のループで補償する必要がある。そのため、ベルト表面速度のフィードバック制御系のループを、減速機構の変動成分やモータの回転成分よりも高い周波数まで応答させる必要がある。

しかしながら、画像形成装置に用いられるベルト駆動系の機械共振周波数は、通常１０００Ｈｚ以下であり、これが制約条件となるため制御系の応答周波数を高く設定できない。そのため、ベルト表面速度のフィードバック制御系のループでは、減速機構の変動成分やモータの偏心成分を抑えることができない。例えば、ベルト駆動系の共振周波数が５００Ｈｚで、モータの回転周波数が４０Ｈｚの場合、モータによる４０Ｈｚの外乱をベルト表面速度のフィードバック制御系のループでは抑えることができない。

また、モータの回転速度を検出するエンコーダでは、減速機構の変動成分やモータの偏心成分を検出できないため、応答周波数を高く設定できた場合でも、減速機構の変動成分や駆動モータの偏心成分を抑えることができない。

更に、前記特許文献１では、駆動ローラの偏心を抑えるためのフィルタをベルト表面速度のフィードバック制御系に直列に入れているが、複数の速度モードを備える画像形成装置では、各速度モードごとにフィルタのパラメータを用意する必要があり、また応答周波数を広げられないフィードバック制御系に対してフィルタを入れると、位相遅れの影響が大きくなったり、前記ベルト駆動系の機械共振周波数と干渉してしまう等の不具合が生じ、フィードバック制御系の不安定化要因を増加させる。

図２５は、モータ電圧からベルト速度（図のａ）とモータ電圧から駆動軸速度（図のｂ）の周波数応答を示したものである。これからも、中間転写ベルト機構の機械共振周波数以上の周波数となるとベルト表面速度の位相が遅れることより、ベルト表面速度のフィードバック制御だけでは、減速機構の偏心やモータの回転ムラを抑制できないことが分かる。

そこで、本発明は、ベルト表面速度のフィードバック制御系のループを、減速機構の変動成分やモータの回転成分よりも高い周波数まで応答できるようにし、更に、減速機構の変動成分やモータの偏心成分も抑えて、高精度なベルト駆動を行うことができるベルト駆動制御装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、駆動軸に連結された駆動ローラと複数の従動ローラ間に張架された無端ベルトを、前記駆動軸に減速機構を介して連結されたモータの回転により駆動するときにベルト駆動制御を行う制御部を有するベルト駆動制御装置であって、前記駆動軸近傍に設けた、該駆動軸の回転角度を検出するための回転角度検出手段と、前記無端ベルトの移動量を検出するために該無端ベルトに設けられたマーカーを検出するマーカー検出手段とを有し、前記制御部は、前記マーカー検出手段から入力される検出信号に基づいて、移動する前記無端ベルトのベルト表面速度を演算する第１の速度演算手段と、前記回転角度検出手段から入力される検出信号に基づいて、回転する前記駆動軸の駆動軸速度を演算する第２の速度演算手段とを有し、更に、ベルト目標速度と前記第１の速度演算手段で算出されたベルト表面速度とを比較して、移動する前記無端ベルトのベルト表面速度の補償演算を行う第１の速度補償器を有する第１の速度制御ループと、前記第１の速度補償器の出力と前記第２の速度演算手段の出力を比較して、前記駆動軸速度の補償演算を行う第２の速度補償器を有する第２の速度制御ループとを備えたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、前記制御部での制御演算は、デジタル演算器によって実行され、前記第１の速度演算手段は、前記無端ベルトに設けた前記マーカーによって発生されるパルス信号のタイミングで、前記デジタル演算器によりソフトウェア的に演算されるものであり、前記第２の速度演算手段は、前記回転角度検出手段の出力パルス信号のタイミングで、前記デジタル演算器によりソフトウェア的に演算されるものであることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、前記第１の速度演算手段では、ベルト目標速度とベルト表面速度とを比較して速度偏差を求め、該速度偏差のローパスフィルタ処理演算を実行してから、前記第１の速度補償器にその処理演算値を渡すことを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、前記第１の速度補償器は積分要素を備えていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、前記第１の速度演算手段では、ベルト目標速度とベルト表面速度を比較して速度偏差を求める演算と、前記第１の速度補償器の一部である積分演算を実行してから、前記第１の速度補償器にその処理演算値を渡すことを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、前記第２の速度制御ループでは、該第２の速度制御ループに入力される前記第１の速度補償器の出力である駆動軸の目標速度と前記第２の速度演算手段の出力である駆動軸速度とから駆動軸速度偏差を算出して、算出した該駆動軸速度偏差から所定の周波数のみを取り出すフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力に所定ゲインを乗算して、前記第２の速度補償器の出力へ加算する加算手段とを備えていることを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、前記第２の速度制御ループでは、前記第２の速度演算手段の出力である駆動軸速度から所定の周波数のみを取り出すフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力に所定ゲインを乗算して、前記第２の速度補償器の出力へ加算する加算手段とを備えていることを特徴としている。

請求項８に記載の発明は、前記フィルタ手段の演算は、前記第２の速度演算手段によって演算されることを特徴としている。

請求項９に記載の発明は、前記第２の速度制御ループの目標速度を、前記第１の速度補償器の出力もしくはベルト目標速度に所定ゲインを乗算した値に切り換えるための切換え部を備えていることを特徴としている。

請求項１０に記載の発明は、ベルト目標速度に所定ゲインを乗算して、前記第１の速度補償器の出力に加算する加算手段を備え、前記第２の速度制御ループの目標速度とすることを特徴としている。

請求項１１に記載の発明は、前記第２の速度制御ループの目標速度として前記第１の速度補償器の出力を、オン／オフする切換え部を備えていることを特徴としている。

請求項１２に記載の発明は、前記第１の速度制御ループの応答周波数を、前記無端ベルトの厚み変動の周波数および前記駆動軸の回転周波数よりも高く設定する第１の速度補償器を備えていることを特徴としている。

請求項１３に記載の発明は、前記第２の速度制御ループの応答周波数を、前記モータの回転周波数よりも高く設定する第２の速度補償器を備えていることを特徴としている。

請求項１４に記載の発明は、前記駆動ローラと前記従動ローラの慣性モーメント、前記無端ベルトの剛性、前記減速機構の連結部の剛性のいずれか１つ以上によって発生する機械共振を抑えるための手段を、前記第１の速度補償器が備えていることを特徴としている。

請求項１５に記載の発明は、駆動ローラと複数の従動ローラ間に張架された無端ベルトを備えた画像形成装置において、前記無端ベルトの駆動制御を行うベルト駆動制御装置として、請求項請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置を備えていることを特徴としている。

請求項１６に記載の発明は、前記無端ベルトは、感光体上に形成された複数色の画像が重ね合わされて転写される中間転写ベルトであることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、第１の速度制御ループにベルト表面速度のフィードバックループを、第２の速度制御ループに駆動軸速度のフィードバックループをそれぞれ備えることによって、定常的な外乱成分とモータや減速機構の回転成分を第２の速度制御ループで抑制し、駆動軸（駆動ローラ）の回転成分と無端ベルトの厚み変動等の低い周波数成分を第１の速度制御ループで抑制することができるので、高精度なベルト駆動が可能となるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、演算器による速度検出機構を備えることによって、特別なハードウェアが不要となる。加えて、検出された速度に対しフィルタ処理等の自由度を向上できるベルト駆動制御装置を提供するこができる。

請求項３に記載の発明によれば、検出速度に対しフィルタ処理を行うことによって、速度のサンプリングと制御サンプリングが異なる場合に発生する不具合を改善できるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、積分要素をベルト速度制御補償器に備えることによって、ベルト表面速度の速度偏差を抑制できるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、積分要素の演算を速度演算と同時に行うことによって、速度のサンプリングと制御サンプリングが異なる場合に発生する不具合の改善と、ベルト表面速度の速度偏差の抑制を同時にできるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、特定の周波数成分を取り出し、加算する加算手段を第２の速度制御ループに備えることにより、第２の速度補償器によって設定される通常のゲインでは抑制しきれない特定の周波数成分を抑制できるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、特定の周波数成分を取り出し、加算する加算手段を第２の速度制御ループに備えることにより、第２の速度補償器によって設定される通常のゲインでは抑制しきれない特定の周波数成分を抑制できるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項８に記載の発明によれば、特定周波数成分を取り出すフィルタの演算周期を第２の速度演算手段とすることによって、ベルト表面速度を変えても特定周波数成分を抽出するフィルタを切り換えることのない構成を備えたベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項９に記載の発明によれば、切換え部を備えたことによって、第２の速度制御ループ単体でも駆動できる構成を備えたベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、所定の値を第１の速度補償器の出力に加算する手段を備えたことによって、第１の速度制御ループの応答の遅れを補償できるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項１１に記載の発明によれば、切換え部を備えたことによって第２の速度制御ループ単体でも駆動できる構成を備えたベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項１２に記載の発明によれば、無端ベルトの厚み変動とこの無端ベルトを駆動する駆動軸や、駆動軸近傍に取り付けられた回転角度検出手段の周期成分(主として偏心成分)を、第１の速度制御ループで抑制する構成を備えたベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項１３に記載の発明によれば、モータの周期成分(主としてモータ回転周波数)を第２の速度制御ループで抑制する構成を備えたベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項１４に記載の発明によれば、駆動軸と従動軸の慣性モーメントと、無端ベルトの剛性、もしくは減速機構の連結部の剛性によって発生する機械共振周波数を抑えるための手段を第１の速度補償器が備えることにより、安定したベルト駆動ができるベルト駆動制御装置を提供することができる。

請求項１５に記載の発明の画像形成装置によれば、請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置を備えていることにより、無端ベルトの表面速度を高精度に制御することができるので、請求項１６に記載の発明のように、無端ベルトが中間転写ベルトの場合には、画像形成動作時における中間転写ベルトの表面速度を高精度に制御することが可能となり、高品質な画像を形成できる画像形成装置を提供することができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るベルト駆動制御装置を備えた画像形成装置の要部を示す構成図、図２は、本発明の実施形態１に係る画像形成装置を示す構成図、図３は、本発明の実施形態１に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態における画像形成装置は、無端ベルト状の中間転写ベルトを有する電子写真方式の複写機やプリンタなどのカラー画像形成装置であり、本実施形態におけるベルト駆動制御装置は、画像形成動作時に移動する中間転写ベルトの駆動制御に適用した例である。

本実施形態に係る画像形成装置１は、図２に示すように、配列された４つの画像形成部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、各画像形成部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄでそれぞれ形成された各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）のトナー画像を重ね合わせてフルカラーのトナー画像が転写（１次転写）される無端ベルト状の中間転写ベルト３と、中間転写ベルト３の表面に１次転写されたフルカラーのトナー画像を用紙などの記録材Ｐに転写（２次転写）する２次転写ローラ４を備えている。

画像形成部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、それぞれ感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ、帯電ローラ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ、現像器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ、１次転写ローラ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ、クリーニング装置９ａ，９ｂ，９ｃ，９を有している。各現像器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄには、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナー（現像剤）がそれぞれ収納されている。

中間転写ベルト３は、駆動ローラ１０、従動ローラ１１、対向ローラ１２間に張架されており、駆動ローラ１０の回転駆動により矢印ａ方向に移動する。中間転写ベルト３の画像形成部２ａ〜２ｄ側は、各感光体ドラム５ａ〜５ｄと各１次転写ローラ８ａ〜８ｄとの間のニップ部を移動する。中間転写ベルト３には、テンションローラ１３により所定の張力が付与されている。中間転写ベルト３の対向ローラ１２と対向する外周面側には前記２次転写ローラ４が当接している。

また、図１に示すように、駆動ローラ１０に一体的に連結されている駆動軸１４とモータ１５のモータ軸１６との間には、モータ軸１６に形成したギア部１６ａと噛み合う減速ギア１７が設置されている。減速ギア１７側の駆動軸１４近傍には駆動軸エンコーダセンサ（ロータリエンコーダ）１８が設置されており、中間転写ベルト３近傍にはベルトエンコーダセンサ（リニアエンコーダ）１９が設置されている。駆動ローラ１０の回転によって移動する中間転写ベルト３は、後述するベルト駆動制御部装置２０より駆動制御される。

そして、画像形成動作時には、各帯電ローラ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄにより、所定のプロセススピードで矢印方向に回転している各感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの表面をそれぞれ均一に帯電し、露光装置（不図示）からのレーザ光による露光により、各感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの表面に、入力した画像情報に対応する静電潜像をそれぞれ形成する。そして、各感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの表面の静電潜像に対して、各現像器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにより各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）のトナーをそれぞれ付着させて現像（可視像化）する。これにより、各感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの表面に、イエローのトナー画像、マゼンタのトナー画像、シアンのトナー画像、ブラックのトナー画像がそれぞれ形成される。

そして、転写バイアスが印加された各１次転写ローラ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄにより、これらの各色のトナー画像は、駆動ローラ１０の駆動により移動する中間転写ベルト３上に順次重ね合わされるようにして転写（１次転写）され、中間転写ベルト３上にフルカラーのトナー画像が形成される。そして、このトナー画像の形成に合わせて用紙等の記録材Ｐが、中間転写ベルト３と２次転写ローラ４間の２次転写部に搬送され、記録材Ｐ上にフルカラーのトナー画像が転写（２次転写）される。フルカラーのトナー画像が転写された記録材Ｐは定着器（不図示）に搬送され、定着器（不図示）によりトナー画像が熱定着された記録材Ｐを排出する。

なお、各感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの表面に付着している残トナーは各クリーニング装置９ａ，９ｂ，９ｃ，９により除去され、また、中間転写ベルト３の表面に付着している残トナーは不図示のクリーニング装置により除去される。

ところで、前記した画像形成時に、中間転写ベルト３のベルト表面速度（移動速度）に速度変動が生じてしまうと、４色のドナー画像の重ね合わせ位置がずれてしまったり、トナー画像が伸び縮みしたりする。これによって、記録材Ｐに転写する際に色ずれや色の濃淡等の画像の不具合が生じてしまう。

中間転写ベルト３のベルト表面速度を変化させる原因として、摩擦負荷、回転体（中間転写ベルト３、駆動ローラ１０、従動ローラ１１、対向ローラ１２、駆動軸１４、モータ１５等）の偏心や負荷変動、中間転写ベルト３の厚み変動、減速ギア１７の取付け偏心や負荷変動、エンコーダセンサ（本実施形態では、駆動軸１４に駆動軸エンコーダセンサ１８が取付けた構成であるが、従来ではモータ１５に取り付けられている）の取り付け偏心、モータ１５の回転ムラ、用紙突入やクラッチ（不図示）のＯＮ／ＯＦＦによるトルク変動等が考えられる。

これらを外乱と考えると、摩擦負荷は定常的もしくは非常に低い周波数成分であるためフィードバック制御を行うことによって抑制しやすい。中間転写ベルト３の厚み変動も他の前記回転体と比較して低い周波数成分であるため、直接ベルト表面速度が検出できれば、これを使用したフィードバック制御を行うことにより抑制できる。一方、前記回転体の変動成分の中でも減速ギア１７の偏心やモータ１５の回転ムラは、前記回転体と中間転写ベルト３の剛性や、駆動軸１４と減速ギア１７間の連結部の剛性によって生じる機械共振周波数（以下、「中間転写ベルト機構の機械共振周波数」という）に近い周波数となってしまう。

そのため、従来のように、エンコーダセンサが駆動モータに取り付けられている構成では、単純に中間転写ベルト３のベルト表面速度をフィードバックする制御系を構築しただけでは、中間転写ベルト機構の機械共振周波数以下の応答周波数の制御系となり、ゲイン不足により外乱を抑制できず、高精度なベルト駆動を行うことができなかった。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、駆動軸１４の回転角度を検出する駆動軸エンコーダセンサ１８と、中間転写ベルト３の移動量を検出するベルトエンコーダセンサ１９からのセンサ出力に基づいて、中間転写ベルト３の駆動（移動）を制御するベルト駆動制御装置２０を備えている（詳細は後述する）。なお、図１では、中間転写ベルト３上の感光体ドラム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ等は省略している。

図１に示すように、本実施形態では、モータ１５の回転は、モータ軸１６に形成したギア部１６ａと減速ギア１７との噛み合いにより構成される減速機構２２によって減速される。減速機構２２の減速ギア１７には、駆動軸１４が連結されている。なお、減速機構２２として、複数のギアを有するギア列構成や遊星歯車機構等でもよい。減速機構２２に連結されている駆動軸１４近傍には駆動軸エンコーダセンサ１８が設置されており、駆動軸エンコーダセンサ１８により駆動軸１４に取り付けられているコードホイール２３のスリットを読み取る。

駆動軸エンコーダセンサ１８からはコードホイール２３の回転に応じて２値化信号がセンサ出力として出力される。このセンサ出力は、９０度位相の異なる２相の２値化信号でも、単相アナログ信号、２相アナログ信号でもよい。本実施形態における中間転写ベルト３の駆動方向は単一方向にしか駆動されない構成であるため、正転、逆転の制御を行う必要がないため、必ずしも２相出力は必要とならないが、等速性能と停止性能が要求されるような画像形成装置(例えば、１つの感光体ドラムを使用して、複数回の工程で画像を形成する画像形成装置)では、２相出力が必要となる場合がある。

中間転写ベルト３の表面の側面側にはエンコーダパターン２４が刻まれており、このエンコーダパターン２４をベルトエンコーダセンサ１９で読み取ることで、移動するベルト表面速度が検出される。図１では、ベルトエンコーダセンサ１９をテンションローラ１３従動ローラ１１との間に設置しているが、ベルト表面速度を正しく検出するために平坦な部分であればよい。例えば、従動ローラ１１と駆動ローラ１０との間や、駆動ローラ１０と対向ローラ１２の間でもよい。また、各ローラ上にベルトエンコーダセンサ１９を設置した場合には、ローラの曲率の影響が出てしまい、更に、中間転写ベルト３の製造上の厚み変動や環境変化による厚み変動によって、エンコーダパターン２４の間隔が変化してしまうことにより、ベルト表面速度を正しく検出できなくなってしまうために避ける必要がある。なお、エンコーダパターン２４を中間転写ベルト３の背面側に設けてもよい。

エンコーダパターン２４は、シート状のパターンを貼り付けたり、中間転写ベルト３上に直接パターン加工したり、中間転写ベルト３の製造工程で一体加工したりと、製作方法はどのような方法でもよい。また、本実施形態では、ベルトエンコーダセンサ１９は等間隔のスリットを備えた反射式の光学センサを想定しているが、エンコーダパターン２４からベルト表面位置を正確に検出できるセンサであればよく、例えば、ＣＣＤカメラ等を使用し、画像処理によって表面位置を検出するものでもよい。また、ドップラー方式やベルト表面の凹凸から画像処理によって表面位置を検出できるセンサ方式であれば、エンコーダパターン２４を無くすことも可能となる。

駆動軸エンコーダセンサ１８のセンサ出力およびベルトエンコーダセンサ１９のセンサ出力は、ベルト駆動制御部２１に入力され、入力される各センサ出力に基づいて駆動軸１４（駆動ローラ１０）の速度、中間転写ベルト３のベルト表面速度が演算される。そして、この演算結果に基づいて所定の制御演算が行われ、制御演算結果である指令値はモータドライバ３６（図３参照）に出力され、指令値に応じて駆動モータ１５を駆動する。

モータ１５は、ブラシ付きモータでもブラシレスモータでもよいが、モータ１５の形式に応じてモータドライバ３６の駆動回路も変わってくる。また、モータドライバは電圧制御方式でも電流制御方式でもよい。電流制御方式のモータドライバであれば、経時変化や環境変化に対してロバストとなる。モータドライバへの指令値は、アナログ値、デジタル値、ＰＷＭ等、何でもよく、指令値に対して比例した出力の出せるモータドライバであればよい。また、モータドライバ３６はＰＷＭ駆動でもリニア駆動でもよい。制御演算は、アナログ、デジタルのどちらでもよいが、ＣＰＵやＤＳＰ等のデジタル演算器が一般的であり、制御演算はソフトウェアで記述される。単純な制御演算や動作ロジックであって、パラメータ変更が無いのであればハードウェアロジックで制御演算を行わせてもよい。

ベルト駆動制御部２１は、図３に示すように、第１速度演算手段としてのベルト速度演算部３０、第２速度演算手段としての駆動軸速度演算部３１、第１比較器３２、ベルト速度補償器３３、第２比較器３４、駆動軸速度補償器３５、モータドライバ３６を有している。ベルト速度演算部３０は、ベルトエンコーダセンサ１９からのセンサ出力に基づいて中間転写ベルト３のベルト表面速度を演算（算出）する。駆動軸速度演算部３１は、駆動軸エンコーダセンサ１８からのセンサ出力に基づいて駆動軸の駆動軸速度を演算（算出）する。

モータ１５の回転速度は減速機構２２（ギア部１６ａと減速ギア１７）により減速され、減速ギア１７に連結された駆動軸１４、駆動ローラ１０の回転により中間転写ベルト３が矢印ａ方向に駆動（移動）される。駆動ローラ１０によって中間転写ベルト３が駆動されると、中間転写ベルト３の駆動（移動）に合わせて対向ローラ１２、テンションローラ１３、従動ローラ１１も従動回転するように駆動される（以下、駆動されるこれらの中間転写ベルト３、駆動ローラ１０、対向ローラ１２、テンションローラ１３、従動ローラ１１を「ベルト機構３７」という）。

そして、ベルト機構３７が駆動するときの中間転写ベルト３上のエンコーダパターン２４の情報をベルトエンコーダセンサ１９で読み取り、ベルト速度演算部３０はベルトエンコーダセンサ１９から入力されるセンサ出力に基づいてベルト速度を演算し、移動する中間転写ベルト３のベルト表面速度を算出する。算出されたベルト表面速度情報は、第１比較器３２にフィードバックされる。また、駆動軸１４に取り付けられたコードホイール２３のスリットを駆動軸エンコーダセンサ１８で読み取り、駆動軸速度演算部３１は駆動軸エンコーダセンサ１８から入力されるセンサ出力に基づいて回転する駆動軸１４の速度を演算し、駆動軸速度を算出する。算出された駆動軸速度は、第２比較器３４にフィードバックされる。

なお、駆動軸１４用の駆動軸エンコーダセンサ１８はロータリエンコーダ、中間転写ベルト３用のベルトエンコーダセンサ１９はリニアエンコーダであるため、単位系が異なる。一般的に回転速度はｒａｄ／ｓ、直線速度はｍ／ｓとなる。よって、これら２つのエンコーダで求められた速度をどちらか一方の単位系に変換する必要がある。よって、ベルト表面速度に統一する場合はｍ／ｓとなり、駆動軸速度を変換するために単位変換用の係数を駆動軸速度演算部３１に含むことになる。また、駆動軸速度補償器３５もｍ／ｓに合わせる係数を持つことになる。一方。駆動軸速度に統一する場合はｒａｄ／ｓとなり、ベルト速度補償器３３にｒａｄ／ｓに変換する係数を持つことになる。

次に、ベルト駆動制御部２１による中間転写ベルト３の駆動制御を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

ベルトエンコーダセンサ１９からのセンサ出力に基づいてベルト速度演算部３０によりベルト表面速度を算出し、駆動軸エンコーダセンサ１８からのセンサ出力に基づいて駆動軸速度演算部３１により駆動軸速度を算出する（ステップＳ１）。

そして、ベルト目標速度算出器（不図示）から出力されるベルト目標速度とベルト速度演算部３０により算出されたベルト表面速度は、第１比較器３２で比較され、ベルト速度偏差が出力される。このベルト速度偏差はベルト速度補償器３３に入力され、駆動軸目標速度が出力される。この駆動軸目標速度と駆動軸速度演算部３１により算出された駆動軸速度は、第２比較器３４で比較され、駆動軸速度偏差が出力される。駆動軸速度補償器３５は入力される駆動軸速度偏差に基づいて、モータ電圧値を算出する（ステップＳ２）。このモータ電圧値をＰＷＭ値に変換してモータドライバ３６に入力し（ステップＳ３）、駆動モータ１５を回転駆動する。

なお、図４に示したフローチャートでは、２つの速度（ベルト表面速度と駆動軸速度）を最初に取得する形で説明しているが、ベルト速度制御ループ（第１の速度制御ループ）と駆動軸速度制御ループ（第２の速度制御ループ）の速度偏差を算出する演算の前に各速度を取得してもよい。また、ベルト速度制御ループと駆動軸速度制御ループを同一の制御周期で演算する形式として説明しているが、それぞれのループが異なる制御周期で演算する形式でもよい。この場合、内側になるループの応答が外側のループの応答よりも速くなる必要があるため、“駆動軸速度制御ループの制御周期≦ベルト速度制御ループの制御周期”となる必要がある。

また、同一の制御周期で演算する場合は、駆動軸速度制御ループで必要とされる応答周波数を実現できる制御周期を用意する必要がある。一般的に応答周波数の１０倍以上が理想的である。また、前記ステップＳ３では、モータ電圧相当のＰＷＭ値をセットしているが、モータドライバ３６がアナログ入力やデジタル入力の場合、Ｄ／Ａコンバータ出力となるアナログ電圧値やデジタル値を設定することになる。モータドライバ３６が電流制御ドライバの場合は、電流指令値相当の値をＰＷＭやアナログ値、デジタル値で設定することになる。

次に、前記ベルト速度演算部３０について説明する。ベルト速度演算部３０は、パルス間隔をハードウェアでＦ／Ｖ変換して速度相当の電圧として出力してもよい。もしくは、パルスの一方のエッジ(立ち上がりもしくは立下りエッジ)から次のパルスのエッジまでの間隔を基本クロックで測定する速度カウンタをハードウェアで構築されていてもよい。この場合、パルス間距離／（速度カウンタのカウント値×基本クロック周期）が速度になる。

すなわち、速度カウンタの逆数が速度に比例することになる。または、ＣＰＵやＤＳＰ等の演算器が制御演算等の演算を行っても十分な演算能力がある場合、前記パルスの入るＩＯポートを常時観測することによって、パルスのエッジを検出し、パルス間隔をソフトウェア的に測定し、速度をソフトウェア処理で算出する。この場合、ＩＯポートを観測する周波数がエンコーダ周波数よりも十分に高い必要がある。

しかしながら、より演算器を効率よく利用するためにＣＰＵやＤＳＰ等の演算器の割り込みを利用して、パルスの一方のエッジ(立ち上がりもしくは立下りエッジ)によって、割り込みを発生させ、そのときの時間と、前回の割り込み時の時間との差分を取って、パルス間隔の時間を測定し、“パルス間距離／パルス間隔の時間”の演算によって、速度を算出する方法が用いられる。パルス間隔の時間測定は、演算器内にハードウェアとして用意されるクロックカウンタを利用し基本クロックをカウントすればよいが、速度演算処理やクロックカウンタの制御はソフトウェアとして処理することとなる。

よって、このような割り込み処理により速度演算を行う場合は、パルス周波数が速すぎる速度演算に処理時間が取られてしまい、主演算である制御演算が所定時間内に終らなくなってしまう可能性がある。そのため、各種演算時間の見積が重要である。また、他の方法として、ＯＳを搭載する演算器を使用する場合は、ＯＳの機能であるソフトウェア割り込み処理によって、ソフトウェア演算により速度を算出できる。この場合、演算器の割り込み処理と比較すると、時間のばらつきが大きくなる場合があり、ハードウェア的な割り込み処理よりも速度の精度が悪くなることがある。

また、駆動軸１４に取付けられたコードホイール２４の情報を駆動軸エンコーダセンサ１８で読み取り、その出力をパルス出力としたとき、駆動軸速度演算部３１で実行される速度演算も上記で説明したベルト速度演算部３０と同様な構成によって実現される。演算器の割り込みを利用してソフトウェア演算によって速度を算出する場合は、通常、ベルト速度演算部３０で利用されるＩＯポートや割り込みポートとは別のポートが利用される。割り込み演算の場合は、ソフトウェア演算もベルト速度演算部３０とは異なるルーチンに飛んで、専用の処理が行われる。

以下では、ＣＰＵやＤＳＰ等の演算器の割り込み処理ルーチンを速度検出に使用する構成を例にして説明する。

図３に示したような２重の速度制御ループを持ち、第１比較器３２、ベルト速度補償器３３、第２比較器３４、駆動軸速度補償器３５での制御演算周期と、ベルト速度演算部３０、駆動軸速度演算部３１での速度演算周期が別々である場合、例えば、制御演算は、演算器のタイマ割り込みで周期的に演算され（周期Ａ）、速度演算は上記で示すようなパルスのエッジ周期によって算出される（ベルト速度演算：周期Ｂ、駆動軸速度演算：周期Ｃ）。

前記周期Ａが前記周期Ｂや前記周期Ｃよりも長い（周波数が低い）場合、周期Ｂや周期Ｃの演算結果を周期Ａの演算ルーチンに渡すと、ダウンサンプリングとなってしまう（一般的に、周期Ａ≧周期Ｂ≧周期Ｃとなる）。これによって、例えば、図 ５（ａ），（ｂ）に示すように、周期Ｂもしくは周期Ｃに含まれる周期Ａのナイキスト周波数以上の周数成分が、周期Ａのナイキスト周波数以下に折り返し周波数として現れてしまう。これにより、実際には無いはずの周波数成分が出てきてしまう可能性がある。

このため、制御系では、前記実際に無いはずの周波数成分に対しても抑制するような動作をしてしまうため、幾何的には発生しない周波数成分の回転ムラを信号処理が原因で発生させてしまう可能性がある。

そこで、ベルト速度演算部３０や駆動軸速度演算部３１において、ローパスフィルタ処理により帯域制限を行うことによってエイリアシングの発生を防ぐことができる。ローパスフィルタの形式はＦＩＲフィルタでもＩＩＲフィルタのどちらでもよい。また、ベルト速度演算部３０の割り込み処理ルーチンにおいて、ベルト速度演算部３０の演算と第１比較器３２の演算を行った後、前記エイリアシング防止のローパスフィルタ処理を行ってもよい)。第１比較器３２の演算は単純な比較演算であるため、速度演算の割り込み演算に入れても演算負荷の問題はない。

ベルト速度演算部３０の割り込み処理ルーチンで行われる上記動作を、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、ベルト速度算出演算を行ってから（ステップＳ１１）、次にベルト目標速度とベルト速度の速度偏差の演算を行い（ステップＳ１２）、その後ローパスフィルタ演算を行う（ステップＳ１３）。

駆動軸速度制御ループは駆動軸速度補償器３５によって安定化され、駆動軸速度制御ループに加わる外乱を抑制するように制御される。このループの外側にベルト速度制御ループを備える場合、ベルト速度補償器３３を単に比例項としただけでは、中間転写ベルト３に加わる外乱等によって定常的な速度偏差が発生してしまう。そこで、ベルト速度補償器３３に積分要素を備えることによって、ベルト速度制御ループは１型となり、ベルト速度偏差を０にすることができる。また、前記周期Ｂの演算においてローパスフィルタによる帯域制限をしていれば、ベルト速度補償器３３の積分要素の演算は前記周期Ａで行うことができる。

前記周期Ｂの演算において、ローパスフィルタ演算をすることに変えて、ベルト補償器３３に備える積分要素の演算を周期Ｂのベルト速度演算と同じ割り込みルーチンで実行することにより、帯域制限をかけることと同じ役割（−２０ｄＢ／ｄｅｃのゲインの傾きを持ち、１ｒａｄ／ｓ以上の周波数を０ｄＢ以下にする)と、定常速度偏差を抑える積分要素の役割を果たすことができる。

図３で説明すると、ベルトエンコーダセンサ１９の出力パルスによる割り込み演算処理ルーチンにおいて、ベルト速度演算部３０と第１比較器３２とベルト速度補償器３３の一部である積分要素の演算を行うものである。つまり、速度偏差を速度検出のタイミングごとに積分することになるので、正しい位置偏差を算出していることを意味している。

連続系の積分要素はラプラス変換で１／ｓとして表されるが、離散系の積分要素はｚ変換で、下記の式（１）又は式（２）として表される。なお、ｔｓはサンプリング時間、ｚは１サンプル進みを意味する。

ｔｓ／（ｚ−１） …（１）
ｚ・ｔｓ／（ｚ−１）…（２）

ベルト速度演算部３０の割り込み処理ルーチンで行われる上記動作を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、ベルト速度算出演算を行ってから（ステップＳ２１）、次にベルト目標速度とベルト速度の速度偏差の演算を行い（ステップＳ２２）、その後積分演算を行う（ステップＳ２３）。

このように、本実施形態によれば、ベルト目標速度とベルト速度演算部３０で算出されたベルト表面速度とを比較して、移動する中間転写ベルト３のベルト表面速度の補償演算を行うベルト速度補償器３３を有する第１の速度制御ループと、前記ベルト速度補償器３３の出力と駆動軸速度演算部３１の出力を比較して、駆動軸速度の補償演算を行う駆動軸速度補償器３５を有する第２の速度制御ループとを備えることによって、定常的な外乱成分とモータ１５や減速機構２２等の回転成分を第２の速度制御ループで抑制し、駆動軸（駆動ローラ１０）１４の回転成分と中間転写ベルト３の厚み変動等の低い周波数成分を第１の速度制御ループで抑制することができるので、高精度なベルト駆動が可能となるベルト駆動制御装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態では、図８に示すように、図３に示したベルト駆動制御部２１に変換係数部３８を設けた構成である。なお、他の構成は、図３に示したベルト駆動制御部２１と同様であり、重複する説明は省略する。本実施形態では、ベルト目標速度に変換係数を乗算し、駆動軸速度制御ループの第２比較器３４で加算することによって、外側にあるベルト速度制御ループの応答の遅れを補償し、ベルト目標速度の変化に対して素早く応答できるようにした。このときのベルト目標速度に乗算される変換係数は、前記ベルト表面速度と駆動軸速度の単位変換をする変換係数であったり、前記変換係数よりも多少小さい値であったりする。

このとき、駆動軸速度制御ループは主として変換係数部３８からの変換係数値で動作し、それの補正値としてベルト速度補償器３３から値が出力される。このような構成(フィードフォワード)とする場合、ベルト目標速度を急激に変化させると、速度のオーバーシュートが大きくなってしまうため、加減速時のベルト速度プロファイルを工夫する必要がある。

（実施形態３）
前記したように、ベルト速度制御ループと駆動軸速度制御ループからなる２重の制御ループを設けることによって、抑制すべき周波数成分を各速度制御ループに分離することができる。しかしながら、市販製品として使用されている複写機やプリンタ等の画像形成装置では、周期性外乱が大きく、かつ機械共振周波数が低いため、制御系の安定範囲で設定できるゲインでは目標仕様値まで抑制できないことがある。ここでは、駆動軸速度制御ループで抑制するモータの回転ムラが大きいため、駆動軸の機械共振周波数による振動が出ない範囲でゲインを設定しても、前記モータの回転ムラによる周期成分を抑制しきれない場合を考える。

これを解決するために、図９に示すように、本実施形態におけるベルト駆動制御部２１は、バンドパスフィルタ３９と加算器４０を更に有しており、バンドパスフィルタ３９により駆動軸速度補償器３５に入力される駆動軸速度偏差に所定の周波数を抽出するフィルタ処理を行い、所定の比例要素を乗算した後、駆動軸速度補償器３５の出力に加算する。他の構成は、図８に示したベルト駆動制御部２１と同様である。なお、図３に示したベルト駆動制御部２１と同様でもよい。

そして、第２比較器３４の出力である駆動軸速度偏差に対し、バンドパフィルタ３９で所定の周波数(ここでは、モータ１５のモータ回転周波数)を抽出し、所定ゲイン動モータ１５のモータ回転数を抑制するのに不足しているゲイン分)を乗算する。そして、加算器４０において、抽出した値と駆動軸速度補償器３５の出力が加算され、その加算値によってモータドライバ３６を駆動する。

（実施形態４）
図１０に示すように、本実施形態におけるベルト駆動制御部２１は、バンドパスフィルタ４１により駆動軸速度に対して所定の周波数を抽出するフィルタ処理を行い、所定の比例要素を乗算した後、駆動軸速度補償器３５の出力に加算する。他の構成は、図９に示したベルト駆動制御部２１と同様である。

そして、駆動軸速度演算部３５の出力である駆動軸速度に対し、バンドパフィルタ４１で所定の周波数(ここでは、モータ１５のモータ回転周波数)を抽出し、所定ゲイン(モータ１５のモータ回転数を抑制するのに不足しているゲイン分)を乗算する。そして、加算器３７において、抽出した値と駆動軸速度補償器３５の出力が加算され、その加算値によってモータドライバ３５を駆動する。

前記実施形態３、４で使用される各バンドパスフィルタ３９、４１は、特定周波数のみ位相遅れなく抽出できるものが理想であるが、現実的な特性は図１１（ａ），（ｂ）に示すような周波数特性を持っているものである。

このバンドパスフィルタ３９、４１の演算は、駆動軸速度補償器３５と同じ演算周期（周期Ａ）で演算することができる。例えば、演算周期500μｓ（サンプリング周波数２ｋＨｚ）とし、３８Ｈｚの周波数を抽出するバンドパスフィルタの伝達関数Ｇは、下記の式（３）で表される。
Ｇ＝（0.003132−0.003132ｚ^−２）／（1−1.98ｚ^−２＋0.9937ｚ^−２） …（３）

ここでは、バンドパスフィルタを離散系の２次のＩＩＲフィルタとしたが、ＦＩＲフィルタや次元の異なるフィルタやアナログフィルタを使用してもよい。また、抽出される特定周波数において、位相遅れが生じる場合は、位相を合わせて加算する等の手段が必要である。

図１２（ａ），（ｂ）は、バンドパスフィルタの有無による駆動軸速度制御ループの開ループ周波数応答である。なお、図１２（ａ），（ｂ）において、実線はバンドパスフィルタが有る場合であり、破線はバンドパスフィルタが無い場合である。図１２（ａ），（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタによって、約３８Ｈｚのゲインが増加していることが分かる。

図１３は、駆動軸速度制御ループを駆動し、抽出した信号に乗算する比例要素を０〜１００（×０〜×１００）まで変化させたときの駆動軸の周波数特性の変化を示したものである。上記比例要素を大きくしていくことによって、約３８Ｈｚの周波数成分が小さくなっていることが分かる。すなわち、所定の周波数成分を抑制できていることを示している。

しかしながら、図１１、図１２から分かるように、バンドパスフィルタによって抽出された信号は位相の変化を伴う。そのため、前記比例要素を大きくしていくと制御系の位相変動が大きくなり、制御系の安定性に影響が出てくる。図１３からも、特定周波数以外の周波数成分が大きくなってしまうことが分かる。よって、前記比例要素による特定周波数の増幅は、制御系の位相余有によって限界が決まってくる。

図１４（ａ），（ｂ）は、同じパラメータを使用した前記バンドパスフィルタ３９、４１の出力を示したものである。図１４（ａ）がバンドパスフィルタ３９の出力、図１４（ｂ）がバンドパスフィルタ４１の出力である。

バンドパスフィルタ３９の入力は速度偏差であることから０近傍のデータであるため、フィルタ出力も０近傍から出力されるが、バンドパスフィルタ４１の入力は速度であり、初期値が大きいため、フィルタの出力が安定するまで大きな値となってしまう。フィルタ時定数よりも十分時間が経過すれば、フィルタの状態変数が安定するためどちらの出力も同じものとなる。よって、バンドパスフィルタを使用する場合は、出力が安定する時間を考慮する必要がある。

また、前記した図９、図１０においては、加算器４０として同様に説明しているが、駆動軸速度入力と駆動軸速度偏差入力では符号が反転するため、図１０の構成では、バンドパスフィルタ４１の演算内で符号を反転させるか、加算器４０において駆動軸速度補償器３５の出力からバンドパスフィルタ４１の出力を減算させる処理となる。

前記バンドパスフィルタ３９、４１は所定の周波数を抽出するものである。そのため、駆動軸速度補償器３５と同じ演算周期（周期Ａ）で演算させる場合、演算周期が周期Ａで固定となると、抽出したい周波数ごとに前記式（３）相当のバンドパスフィルタ３９、４１のパラメータを用意する必要がある。複写機やプリンタなどの画像形成装置等では、厚紙モードやカラーモード、白黒モード等の作像モードに合わせて駆動速度が変わることがあるため、各モードの速度に合わせたバンドパスフィルタのパラメータを複数用意し、モードに合わせてパラメータを切り換えることになる。

一方、駆動軸速度演算部３１の割り込み周期（周期Ｃ）で前記バンドパスフィルタ３９、４１の演算を行うようにすると、作像モードに応じて駆動軸速度が変化するため、駆動軸速度演算部３１の割り込み周期（周期Ｃ）が変化する。これは駆動軸速度に応じてバンドパスフィルタ３９、４１の通過周波数が自動的に変化することになる。よって、前記式（３）相当のモータ回転周波数を抽出するバンドパスフィルタ３９、４１のパラメータを１つ用意しておけば、作像モードによって駆動軸の回転数が変わっても、必ずモータ１５の回転周波数を抽出できることになる。

図１５（ａ），（ｂ）は、前記式（３）のバンドパスフィルタを使用して、フィルタ演算のサンプリング周波数を０．５倍、１．０倍、１．５倍（図中のａ（サンプリング１）、ｂ（サンプリング２）、ｃ（サンプリング３）に対応）としたときのフィルタ特性を示したものである。図１５（ａ），（ｂ）から明らかなように、演算周期が変わることによってフィルタ特性が変わっていることがわかる。

図９におけるバンドパスフィルタ３９の演算を含む駆動軸速度演算部３１の割り込み処理ルーチンで行われる動作を、図１６に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、駆動軸速度算出演算を行ってから（ステップＳ３１）、次に駆動軸目標速度（ベルト速度補償器３０の出力、もしくはこれにフィードフォワードの値を加算した値）と、駆動軸速度の速度偏差である駆動軸速度偏差の演算を行い（ステップＳ３２）、前記駆動軸速度偏差からバンドパスフィルタ３９の演算を行う（ステップＳ３３）。

図１０におけるバンドパスフィルタ４１の演算を含む駆動軸速度演算部３１の割り込み処理ルーチンで行われる動作を、図１７に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、駆動軸速度算出演算を行ってから（ステップＳ４１）、駆動軸速度からバンドパスフィルタ４１の演算を行う（ステップＳ４２）。

（実施形態５）
前記実施形態１で述べたように、中間転写ベルト３の表面にはエンコーダパターン２４が刻まれており、このエンコーダパターン２４をベルトエンコーダセンサ１９で読み取り、前記したベルト速度演算処理によって移動する中間転写ベルト３のベルト表面速度を検出している。この際、何らかの原因でエンコーダパターン２４の一部が欠損したり、汚れたりすることによって、ベルトエンコーダセンサ１９が正しいセンサ出力を出さなくなる不具合が生じる可能性がある。また、生産性を重視するユーザにおいては、前記不具合を改善するまでの間、多少の画像品質の低下があってもこの画像形成装置を使用し続けたい要求がある。

また、中間転写ベルト３上のエンコーダパターン２４とベルトエンコーダセンサ１９との間の間隔の変動がエンコーダ信号の変動（パルス間隔のばらつき）につながってしまうため、所定の周波数以下では動作させないような手段をとることもある。これは、中間転写ベルト３を駆動し始めるときにベルトエンコーダセンサ１９のセンサ出力が出ないことを意味する。

このため、ベルトエンコーダセンサ１９のセンサ出力が出ない場合においても安定的に中間転写ベルトを駆動させる必要がある。そこで、本実施形態では、駆動軸速度制御プール単体からなる単ループ制御と、駆動軸速度制御ループとベルト速度制御ループからなる２重ループ制御のどちらでも駆動できる構成とした。

本実施形態では、図１８に示すように、図８に示したベルト駆動制御部２１に切替えスイッチ部４２を設けた構成である。切換え部４２は、リレーやアナログスイッチ等からなるハードウェアスイッチ以外にも、制御系演算がソフトウェアで構成されている場合は、ソフトウェアによる切り換えによっても実現できる。他の構成は、図８に示したベルト駆動制御部２１と同様であり、重複する説明は省略する。

以下、本実施形態のベルト駆動制御部２１による駆動制御について説明する。

先ず、中間転写ベルト３のベルト表面速度が駆動開始から等速となるまで駆動するときの動作を説明する。最初は切換え部４２を変換係数部３８側に切り換え、ベルト目標速度を変換係数部３８によって駆動軸目標速度に変換される。変換された駆動軸目標速度は、切換え部４２を介して駆動軸速度制御ループの第２比較器３４に入力され、フィードバックされる駆動軸速度と比較されて駆動軸速度補償器３５に入力される。

そして、駆動軸速度が所望の速度になったところで、切換え部４２をベルト速度補償器３３側に切り換えて、駆動軸速度制御ループ単体の単ループ制御から駆動軸速度制御ループとベルト速度制御ループからなる２重ループ制御へ切り換える。なお、切換え部４２を変換係数部３８側からベルト速度補償器３３側に切り換えたとき、ベルト速度補償器３３へは予めベルト速度偏差が入力されているため、状態変数は速度偏差相当の値であり、２重ループ制御の定常時相当の値になっていない。

そのため、この切り換え時に速度の低下が発生してしまう。そこで、切り換え時に２重ループ制御の定常状態相当の状態変数の値を設定してやることによって、切り換え時の速度変動を小さくすることができる。

図１９は、単ループ制御（図のａ）のステップ応答と２重ループ制御（図のｂ）のステップ応答の測定結果を示した図である。図１９から明らかなように、単プール制御系（図のａ）は応答周波数の向上と機械共振周波数の関係から位相余裕が不足し、比較的オーバシュートが大きい系となっている。このような特性の制御系では、単ループ制御において目標速度をステップ的に与えてしまうと、図１９のようにオーバシュートが大きくなってしまうため、目標速度が滑らかに増加するような目標速度プロファイルを使用した方がよい。

次に、ベルトエンコーダセンサ１９のセンサ出力に異常が生じたときの動作を説明する。ベルトエンコーダセンサ１９に異常が生じた場合には、切換え部４２をベルト速度補償器３３側から変換係数部３８側に切り換えて、２重ループ制御から単ループ制御に切り換える。なお、上記の切換え部４２の切り換えは、ベルト速度の演算を行うベルト速度演算部３０において、ベルトエンコーダセンサ１９の信号の状態や動作シーケンスを判断して切り換えを行う構成でもよい。

（実施形態６）
図２０に示すように、本実施形態におけるベルト駆動制御部２１は、ベルト速度補償器３３の下流側に切換え部４３を設けている。他の構成は、図８に示したベルト駆動制御部２１と同様である。

本実施形態では、単ループ制御時には切換え部４３をＯＦＦし、２重ループ制御時には切換え部４３をＯＮすることにより、単ループ制御と２重ループ制御への切り換えを行う構成である。

切換え部４３は、リレーやアナログスイッチ等からなるハードウェアスイッチ以外にも、制御系演算がソフトウェアで構成されている場合は、ソフトウェアによる切り換えによっても実現できる。また、切換え部４３の切り換え動作は、速度制御演算を行う演算器において、ベルトエンコーダセンサ１９の信号の状態や動作シーケンスを判断して行ってもよい。

この制御系で、切換え部４３をＯＮとした場合、マイナーループである駆動軸速度制御ループに渡される値（駆動軸速度の目標値）は、変換係数部３８を介して変換されたベルト目標速度と、ベルト速度補償器３３の出力の加算値である。マイナーループの目標速度は、変換係数部３８の出力が主の値となり、ベルト速度補償器３３の出力で前記主の値を補正することになる。

このように、本実施形態の構成では、切換え部４３をＯＦＦにした単ループ制御から、切換え部４３をＯＮにした２重ループ制御に切り換えても、ベルト速度補償器３３の状態変数の値に大きな変動が無いため、切り換え時の速度変動を小さく抑えることができる。

次に、ベルト速度制御ループの応答周波数に関して説明する。前記した各本実施形態のように、中間転写ベルト３のベルト表面速度を検出するために中間転写ベルト３の表面側面側にエンコーダパターン２４を設け、ベルト表面速度をフィードバックする制御系を構築すると、駆動軸１４の駆動軸エンコーダセンサ１８以降で発生する比較的低い周波数の変動成分を抑制することができる。よって、駆動軸１４等の回転体の偏心や負荷変動、中間転写ベルト３の厚み変動、駆動軸エンコーダセンサ１８の取り付け偏心等の変動成分を抑制できる。このため、中間転写ベルト３の厚み変動周波数と駆動軸１４（駆動ローラ１０）の回転周波数で、外乱を所望の値に抑制するゲインが必要となる。これについて、図２１を参照して説明する。

前記したように、ベルト速度制御ループの内側にマイナーループとして駆動軸速度制御ループがあり、これによって安定化がなされている。そのため、ベルト速度制御ループの制御対象となる駆動軸速度制御ループの低域ゲインは０ｄBとなっている。ベルト速度補償器３３に定常偏差をキャンセルする積分要素を備えると、ベルト速度制御ループの開ループゲイン（１／ｓ）は、図中に示すように、１ｒａｄ／ｓが交差周波数となる、−２０ｄＢ／ｄｅｃの傾きを持つ。

一般的には、中間転写ベルト３のベルト厚み変動周波数ｆ１よりも駆動軸周波数ｆ２の方が高く、かつ振幅が大きいため、ここでは、駆動軸周波数ｆ２で所望のゲインＧとなるようにパラメータを設定する。即ち、ゲインＧの傾きが−２０ｄＢ／ｄｅｃで、交差周波数がω_ｃ１となるように比例要素を設定する（図中のｇは、必要なゲインを示している）。例として、ベルト速度補償器２１を単純な積分要素と比例要素を直列に配置した形式とすると、連続系で表される補償器は、（１／ｓ）×ω_ｃ１となる。

また、前記した各実施形態において、異なる演算周期の積分要素演算をベルト速度演算部３０で行う場合は、ベルト速度補償器３３では、ω_ｃ１の比例要素の演算となる。実機では、前記ベルト機構３７の機械共振周波数が前記交差周波数ω_ｃ１の近傍にある場合がありそれを安定化するため、また、高域ノイズに対してロバストとするため、ノッチフィルタやローパスフィルタ等のフィルタ演算を入れることもある。

次に、駆動軸速度制御ループの応答周波数に関して説明する。前記した各本実施形態のように、駆動軸１４近傍に駆動軸エンコーダセンサ１８を取り付けると、制御系に影響のある機械共振周波数は、モータ１５の慣性モーメントと前記ベルト機構３７の慣性モーメントと減速機構２２の剛性によって生じるもの（以下、「駆動軸１４の機械共振周波数」という）となり、ベルト機構３７の機械共振周波数よりも高い機械共振周波数となる（例えば、５０Ｈｚに対して２００Ｈｚ）。

そして、駆動軸１４近傍に取り付けた駆動軸エンコーダセンサ１８の出力値をフィードバックし、減速機構２２の偏心やモータ１５の回転ムラによって生じる変動成分よりも高く応答周波数を設定できれば、駆動軸１４近傍に取り付けた駆動軸エンコーダセンサ１８よりも前段で発生する変動成分を抑制することができる。よって、モータ１５の回転周波数で、外乱を所望の値に抑制するゲインが必要となる。これについて、図２２を参照して説明する。

図２２では、駆動軸速度ループの制御対象を駆動軸１４の機械共振周波数がない、単純な１慣性モデルとして説明する。また、ここでは、モータ１５の電圧駆動を考慮する。制御対象には、モータ１５の電気時定数Ｔ_ｅと機械時定数Ｔ_ｍがあり、図２２に示すように、各時定数の逆数（１／Ｔ_ｅと１／Ｔ_ｍ）となる周波数がゲインの折れ点となる。また、制御対象としてのゲインＡは、１／Ｔ_ｍ以下で０ｄＢ／ｄｅｃ、１／Ｔ_ｍ以上１／Ｔ_ｅ以下で−２０ｄＢ／ｄｅｃ、１／Ｔ_ｅ以上で−４０ｄＢ／ｄｅｃとなる。

まず、機械時定数による低域(１／Ｔ_ｍ以下)のゲイン不足を補償するために、積分要素を使用し、モータ１５の回転周波数ｆを抑制するために必要なゲインｇを確保するために、比例要素を使用する（積分要素と比例要素からなるＰＩ要素）。積分要素が入るため、制御系が１型となり摩擦等の定常的な外乱を抑制することができる。なお、低域の外乱抑制効果を得るために、前記ＰＩ要素よりも低域にゲインを増加させるＰＩ要素を追加することもある。

また、モータ１５の回転周波数を抑制するゲインを確保するためには、制御系の応答周波数はモータ１５の回転周波数よりも大きくする必要がある。必要ゲインｇを確保するために、比例要素によって制御対象の交差周波数ω_０２をω_ｃ２に向上させる。これにより、駆動軸速度ループの駆動軸速度補償器３５は、積分要素と比例要素を加算した形式であるＰＩ補償器によって、応答周波数がω_ｃ２となるように設計できる。また、実機の補償器では、高域のノイズに対してロバストとするためにローパスフィルタを入れたり、応答の改善を行うために微分要素を入れることもある。

なお、上記においては、ベルト速度補償器３３と駆動軸速度補償器３５に関して、古典制御理論に基づいて説明を行ったが、現代制御理論やロバスト制御理論を用いた補償器においても、形態や演算方法は異なることがあるが、同様な効果を持たせることとなる。実際の方法として、現代制御理論の場合は、予め積分要素を入れた拡大プラントに対して補償器を設計したり、現代制御理論では、積分要素や比例要素等を周波数重みとして与えたりすることによって補償器を設計する。

（実施形態７）
図２３は、前記ベルト駆動制御部２１の構成の一例を示したブロック図であり、速度カウンタをハードウェアとして備えた構成である。

図２３に示すように、ＣＰＵ５０（もしくはＤＳＰ）からなるデジタル演算器を有しており、この演算器上で動かすプログラムはＲＯＭ５１に記録されている。前記プログラムはＲＯＭ５１上から直接ＣＰＵ５０に読み込まれて実行される。もしくは、高速化およびパラメータ変更に対応するために、ＲＡＭ５２に展開して実行される構成でもよい。

ＣＰＵ５０における制御演算のＯＮ／ＯＦＦや各種パラメータ設定は、ＨＯＳＴインタフェース（ＨＯＳＴ Ｉ／Ｆ）５３を介して上位演算器であるＨＯＳＴ―ＣＰＵ５４と通信によって実現される。ＨＯＳＴ Ｉ／Ｆ５３は、シリアルやパラレルや共有メモリ等どのような方法でもよく、また、通信プロトコルもどのような形式でもよい。

前記ベルトエンコーダセンサ１９からのセンサ出力（パルス出力）は、第１速度カウンタ５５によってパルスのエッジ間隔が計測され、カウント値がレジスタに蓄えられる。また、前記駆動軸エンコーダセンサ１８からのセンサ出力（パルス出力）は、第２速度カウンタ５６によってパルスのエッジ間隔が計測され、カウント値がレジスタに蓄えられる。

そして、中間転写ベルト３の駆動（移動）により制御演算ＯＮとなると、ＣＰＵ５０の内部にあるタイマ割り込み等を使用して所定の周期で制御演算が実行される。この制御演算では、第１速度カウンタ５５と第２速度カウンタ５６のレジスタからパルスのエッジ間隔を読出してベルト表面速度を算出し、制御演算に使用する。そして、この制御演算の結果を前記モータドライバ３６に書き込み、前記モータ１５を駆動する。

なお、図２３に示した構成においては、モータドライバ３６に直接デジタルデータを書き込めるものとしたが、ＰＷＭデータやアナログデータとしてモータドライバ３６側へ出力する形式でもよい。その場合、ＰＷＭを発振するパルス発振器やＤ／Ａコンバータが備えられ、それらに対して演算結果がデジタルデータとして渡される。

図２４は、速度（駆動軸速度、ベルト速度）を演算器の割り込み処理によって算出する構成であり、他の構成は図２３の構成と同様である。

図２４の構成では、ベルトエンコーダセンサ１９のセンサ出力（パルス出力）は、ＣＰＵ５０の割り込みポートに入力され、パルスのＵＰもしくはＤＯＷＮのエッジによって、ＣＰＵ５０のベルト速度演算の割り込みルーチンが処理され、ベルト速度が算出される。同様に、駆動軸エンコーダセンサ１８のセンサ出力（パルス出力）は、ＣＰＵ５０の割り込みポートに入力され、パルスのＵＰもしくはＤＯＷＮのエッジによって、ＣＰＵ５０の駆動軸速度演算の割り込みルーチンが処理され、駆動軸速度が算出される。

図２４の構成では、ソフトウェアで速度演算を行うため、図２３の構成よりも演算器能力が必要となるが、速度信号に対するフィルタ処理等が容易であり、速度演算に関する自由度が大きいものとなる。なお、図２４の構成では、前記したように制御演算処理はタイマ割り込み等で所定の周期で実行するものとしているが、ベルトエンコーダセンサ１９による割り込みで、ベルト速度補償器３３等のベルト速度制御ループの演算を、駆動軸エンコーダセンサ１８による割り込みで、駆動軸速度補償器３５等の駆動軸速度制御ループの演算を行ってもよい。この場合、駆動軸速度によって制御系の応答周波数が変化することに注意する必要がある。

本発明の実施形態１に係るベルト駆動制御装置を備えた画像形成装置の要部を示す構成図。 本発明の実施形態１に係る画像形成装置の要部を示す構成図。 本発明の実施形態１に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図。 ベルト駆動制御部による中間転写ベルトの駆動制御を示すフローチャート。 （ａ）は、元の周波数成分を示す図、（ｂ）は、ダウンサンプリング後の周波数成分を示す図。 ベルト速度演算部の割り込み処理ルーチンで行われる動作を示すフローチャート。 ベルト速度演算部の割り込み処理ルーチンで行われる動作を示すフローチャート。 本発明の実施形態２に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態３に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態４に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図。 （ａ），（ｂ）は、バンドパスフィルタの周波数特性の一例を示す図。 （ａ），（ｂ）は、バンドパスフィルタの有無による駆動軸速度制御ループの開ループ周波数応答を示す図。 駆動軸速度制御ループを駆動し、抽出した信号に乗算する比例要素を０〜１００まで変化させたときの駆動軸の周波数特性の変化を示した図。 （ａ）は、実施形態３におけるベルト駆動制御装置のバンドパスフィルタの出力を示す図、（ｂ）は、実施形態４におけるベルト駆動制御装置のバンドパスフィルタの出力を示す図。 （ａ），（ｂ）は、バンドパスフィルタを使用してフィルタ演算のサンプリング周波数を０．５倍、１．０倍、１．５倍としたときのフィルタ特性を示す図。 駆動軸速度演算部の割り込み処理ルーチンで行われる動作を示すフローチャート。 駆動軸速度演算部の割り込み処理ルーチンで行われる動作を示すフローチャート。 本発明の実施形態５に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図。 単ループ制御のステップ応答と２重ループ制御のステップ応答の測定結果を示した図。 本発明の実施形態６に係るベルト駆動制御装置の構成を示すブロック図。 中間転写ベルトの厚み変動周波数と駆動軸の回転周波数で、外乱を所望の値に抑制するために必要なゲインについて説明した図。 モータの回転周波数で、外乱を所望の値に抑制するために必要なゲインについて説明した図。 ベルト駆動制御部の速度カウンタをハードウェアとして備えた構成の一例を示したブロック図。 速度（駆動軸速度、ベルト速度）を演算器の割り込み処理によって算出する構成の一例を示したブロック図。 （ａ），（ｂ）は、モータ電圧からベルト表面速度、駆動軸速度の周波数応答を示した図。

符号の説明

１ 画像形成装置
３ 中間転写ベルト（無端ベルト）
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 感光体ドラム
１０ 駆動ローラ
１５ モータ
１８ 駆動軸エンコーダセンサ
１９ ベルトエンコーダセンサ
２０ ベルト駆動制御装置
２１ ベルト駆動制御部
２２ 減速機構
３０ ベルト速度演算部
３１ 駆動軸速度演算部
３２ 第１比較器
３３ ベルト速度補償器
３４ 第２比較器
３５ 駆動軸速度補償器
３６ モータドライバ
３８ 変換係数部
３９、４１ バンドパスフィルタ
４０ 加算器
４２、４３ 切換え部

Claims (16)

1. 駆動軸に連結された駆動ローラと複数の従動ローラ間に張架された無端ベルトを、前記駆動軸に減速機構を介して連結されたモータの回転により駆動するときにベルト駆動制御を行う制御部を有するベルト駆動制御装置であって、
   前記駆動軸近傍に設けた、該駆動軸の回転角度を検出するための回転角度検出手段と、
   前記無端ベルトの移動量を検出するために該無端ベルトに設けられたマーカーを検出するマーカー検出手段とを有し、
   前記制御部は、前記マーカー検出手段から入力される検出信号に基づいて、移動する前記無端ベルトのベルト表面速度を演算する第１の速度演算手段と、
   前記回転角度検出手段から入力される検出信号に基づいて、回転する前記駆動軸の駆動軸速度を演算する第２の速度演算手段とを有し、
   更に、ベルト目標速度と前記第１の速度演算手段で算出されたベルト表面速度とを比較して、移動する前記無端ベルトのベルト表面速度の補償演算を行う第１の速度補償器を有する第１の速度制御ループと、
   前記第１の速度補償器の出力と前記第２の速度演算手段の出力を比較して、前記駆動軸速度の補償演算を行う第２の速度補償器を有する第２の速度制御ループとを備えた、
   ことを特徴とするベルト駆動制御装置。
2. 前記制御部での制御演算は、デジタル演算器によって実行され、前記第１の速度演算手段は、前記無端ベルトに設けた前記マーカーによって発生されるパルス信号のタイミングで、前記デジタル演算器によりソフトウェア的に演算されるものであり、前記第２の速度演算手段は、前記回転角度検出手段の出力パルス信号のタイミングで、前記デジタル演算器によりソフトウェア的に演算されるものである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動制御装置。
3. 前記第１の速度演算手段では、ベルト目標速度とベルト表面速度とを比較して速度偏差を求め、該速度偏差のローパスフィルタ処理演算を実行してから、前記第１の速度補償器にその処理演算値を渡す、
   ことを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載のベルト駆動制御装置。
4. 前記第１の速度補償器は積分要素を備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
5. 前記第１の速度演算手段では、ベルト目標速度とベルト表面速度を比較して速度偏差を求める演算と、前記第１の速度補償器の一部である積分演算を実行してから、前記第１の速度補償器にその処理演算値を渡す、
   ことを特徴とする請求項４に記載のベルト駆動制御装置。
6. 前記第２の速度制御ループでは、該第２の速度制御ループに入力される前記第１の速度補償器の出力である駆動軸の目標速度と前記第２の速度演算手段の出力である駆動軸速度とから駆動軸速度偏差を算出して、算出した該駆動軸速度偏差から所定の周波数のみを取り出すフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力に所定ゲインを乗算して、前記第２の速度補償器の出力へ加算する加算手段とを備えている、
   ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
7. 前記第２の速度制御ループでは、前記第２の速度演算手段の出力である駆動軸速度から所定の周波数のみを取り出すフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力に所定ゲインを乗算して、前記第２の速度補償器の出力へ加算する加算手段とを備えている、
   ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
8. 前記フィルタ手段の演算は、前記第２の速度演算手段によって演算される、
   ことを特徴する請求項６又は請求項７記載のベルト駆動制御装置。
9. 前記第２の速度制御ループの目標速度を、前記第１の速度補償器の出力もしくはベルト目標速度に所定ゲインを乗算した値に切り換えるための切換え部を備えている、
   ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
10. ベルト目標速度に所定ゲインを乗算して、前記第１の速度補償器の出力に加算する加算手段を備え、前記第２の速度制御ループの目標速度とする、
    ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
11. 前記第２の速度制御ループの目標速度として前記第１の速度補償器の出力を、オン／オフする切換え部を備えている、
    ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
12. 前記第１の速度制御ループの応答周波数を、前記無端ベルトの厚み変動の周波数および前記駆動軸の回転周波数よりも高く設定する第１の速度補償器を備えている、
    ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
13. 前記第２の速度制御ループの応答周波数を、前記モータの回転周波数よりも高く設定する第２の速度補償器を備えている、
    ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
14. 前記駆動ローラと前記従動ローラの慣性モーメント、前記無端ベルトの剛性、前記減速機構の連結部の剛性のいずれか１つ以上によって発生する機械共振を抑えるための手段を、前記第１の速度補償器が備えている、
    ことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置。
15. 駆動ローラと複数の従動ローラ間に張架された無端ベルトを備えた画像形成装置において、
    前記無端ベルトの駆動制御を行うベルト駆動制御装置として、請求項請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載のベルト駆動制御装置を備えている、
    ことを特徴とする画像形成装置。
16. 前記無端ベルトは、感光体上に形成された複数色の画像が重ね合わされて転写される中間転写ベルトである、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の画像形成装置。

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