具有旋轉傳感器的旋轉機器的製作方法

2023-12-09 13:18:31 1

專利名稱：具有旋轉傳感器的旋轉機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可對旋轉軸或連結在旋轉軸上的被旋轉體的旋轉速度或旋轉角進行控制的旋轉機器。
背景技術：
比如，彩色複印機和彩色印表機等圖像處理裝置(圖像形成裝置)，分別具備四色(黑、黃、蘭、紅)的感光鼓，這些感光鼓，由作為旋轉機器的電動馬達進行低速旋轉驅動(40rpm到100rpm)。在對感光鼓進行旋轉驅動的馬達上，在上述的低速旋轉之中，不產生使圖像惡化的旋轉不均勻的問題是人們所期望的。
因此，設置檢測馬達的旋轉軸或與該旋轉軸連結的感光鼓的連結軸的旋轉速度的編碼器，並根據該編碼器的輸出信號對感光鼓(直接地對馬達旋轉軸或連結軸)的旋轉速度進行控制。作為編碼器，比如，採用如下的光學式編碼器，即，將形成有由在圓周方向等間隔配置的多個狹縫構成的光學圖案的編碼器盤同軸地安裝到上述旋轉軸等上，並且夾持該光學圖案來配置發光元件和受光元件(以下統稱為旋轉檢測器)，輸出對應於旋轉檢測器隨著編碼器盤的旋轉而有無受光的脈衝信號(ON/OFF信號)。
另外，為了提高編碼器的旋轉檢測精度，已知有在一個編碼器盤上配備兩個旋轉檢測器的構成(比如，參照特開平7-140844號公報)。具體地，如同圖11A以及圖11B所示，編碼器200具備同軸地安裝在旋轉軸202上並與該旋轉軸202一體旋轉的編碼器盤204；在編碼器盤204的外周附近等間隔地在圓周方向上形成的多個狹縫(光學圖案)204A；配置在相對於旋轉軸202的軸心對稱的兩個位置上的旋轉檢測器206、208。
而且，與編碼器200電連接的控制裝置分別輸入旋轉檢測器206、208的輸出信號，並對這些輸出信號進行平均化，從而消除編碼器盤204相對於旋轉軸202的安裝誤差(偏心)等的影響。也就是，由於基於上述安裝誤差的旋轉檢測誤差，為旋轉軸202每旋轉一圈變化1個周期的正弦波狀，因此可以通過對配置在相隔180°的位置上的兩個旋轉檢測器206、208產生的輸出信號進行平均化而消除。由此，在具備該編碼器200以及控制裝置的構成中(旋轉檢測方法)中，可以得到消除了上述起因於安裝誤差的誤差成分的真實的旋轉速度(角速度)。
但是，如果由低價格的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)構成，該編碼器盤204就會由於縱方向和橫方向的膨脹率的不同而產生歪斜而變成大致橢圓形。該PET制編碼器盤204的變形，在70°左右的高溫環境下變得很顯著。由於基於這樣的編碼器盤204的變形的旋轉檢測誤差，為旋轉軸202每旋轉一圈變化2個周期的正弦波狀，因此無法用上述以往的技術來消除。因此，在高溫環境下使用的編碼器200中，以往需要採取一定對策，比如使用高價的玻璃制的編碼器盤204等。

發明內容
本發明的目的在於，鑑於以上的事實而提供一種旋轉機器，它可以消除被檢測構件旋轉一圈則變化1周期的誤差成分和旋轉一圈則變化2周期的誤差成分，以高精度檢測出安裝了被檢測構件的檢測對象的旋轉速度或旋轉角。
為了實現本發明的目的，提供一種具備旋轉軸、被檢測構件、至少三個旋轉檢測器、控制裝置的旋轉機器。被檢測構件，形成為盤狀，與旋轉軸一體旋轉。至少三個旋轉檢測器，與被檢測構件相鄰，以90度間隔依次配置在該被檢測構件的圓周方向上，並分別形成對應於該被檢測構件的旋轉速度以及旋轉角中的一方的輸出信號。控制裝置，根據從至少三個旋轉檢測器的輸出信號得到的、消除了2周期誤差成分以及1周期誤差成分的兩方的旋轉檢測信號，對旋轉軸的旋轉速度以及旋轉角中的一方進行控制。


通過以下的敘述和說明將會對本發明的目的、特性和優點有更好的了解。
圖1是表示本發明的實施例的外轉子型馬達的概要構成的側剖面圖。
圖2A是表示構成本發明的實施例的外轉子型馬達的編碼器的主視圖。
圖2B是表示圖2A的編碼器的側視圖。
圖3A是表示構成本發明的實施例的外轉子型馬達的碼盤整體的主視圖。
圖3B是將圖3A的一部分放大表示的主視圖。
圖4是表示本發明的實施例的外轉子型馬達的概要電氣構成的框圖。
圖5A是表示碼盤的偏心狀態的主視圖。
圖5B是表示碼盤的橢圓化的主視圖。
圖5C是將包含於碼盤的旋轉中的誤差成分中的1周期成分以及2周期成分分開表示的線圖。
圖6A是表示構成本發明的實施例的外轉子型馬達的編碼器的碼盤相對於旋轉軸偏心且變形的狀態下的各旋轉傳感器的配置的主視圖。
圖6B是表示各旋轉傳感器的輸出信號的線圖。
圖7是表示本發明的實施例的CPU運算的旋轉速度檢測結果的線圖。
圖8A是表示將本發明的實施例的CPU的運算的旋轉速度檢測結果進行了快速傅立葉變換的FFT波形的線圖。
圖8B是表示將為了比較而表示的旋轉傳感器的原始波形進行了快速傅立葉變換的FFT波形的線圖。
圖9A是表示本發明的實施例的變形例的編碼器的主視圖。
圖9B是表示圖9A的編碼器的側視圖。
圖10是表示將本發明的實施例或變形例的外轉子型馬達應用於圖像處理裝置的適用例的概要立體圖。
圖11A是表示以往的編碼器的主視圖。
圖11B是圖11A的編碼器的側視圖。
具體實施例方式
根據圖1到圖8對本發明的實施例的電動馬達(旋轉機器)、即外轉子型馬達10進行說明。首先，對外轉子型馬達10的馬達部10A的整體概要構成進行說明，然後對本發明的主要部分、即作為旋轉控制裝置的旋轉控制部10B進行說明。
在圖1中，表示了外轉子型馬達10的側剖面。如該圖所示，外轉子型馬達10由馬達部10A、以及後述的旋轉控制部10B構成。馬達部10A具備定子12，定子12具備定子基座14。定子基座14由大致形成為圓筒狀的中央筒部16、從中央筒部16的一端部的外周部向軸直角方向突出的平板狀的定子罩18構成。
在中央筒部16的外周部上，通過壓入、粘接或者螺釘等固定有定子鐵心20。在該定子鐵心20上，纏繞有線圈22。而且，中央筒部16的內部設置著向軸方向貫通該中央筒部16的軸孔16A。另一方面，定子罩18具有向中央筒部16側的相反側突出的多個安裝部18A，各安裝部18A為向裝置上固定之用。而且，在定子罩18中，設置有在中央筒部16的直徑方向外側向厚板方向貫通的多個(本實施例是3個)傳感器孔18B。
而且，外轉子型馬達10，具備與轉子24以及與該轉子24一體旋轉的輸出軸26。輸出軸26通過配置在中央筒部16的軸孔16A內的兩個軸承28，同軸並自由旋轉地支撐在該中央筒部16上。輸出軸26，其兩端部分別從軸孔16A(定子12)突出。該輸出軸26是由旋轉控制部10B控制旋轉速度的對象，相當於本發明的旋轉軸或者旋轉體。
轉子24，具備轉子罩30、以及固定在該轉子罩30上的磁鐵32。轉子罩30，作為整體形成為近似有底筒狀，具有底部30A、沿著該底部30A的外周豎立設置的圓筒部30B、設置在底部30A的軸心部上的圓筒狀的軸套部30C而構成。該轉子罩30，以將輸出軸26插入到軸套部30C的狀態，被同軸地固定在該輸出軸26上。而且，圓筒部30B，從直徑方向外側覆蓋住定子12的線圈22，在其內面上固定著磁鐵32並使之與線圈22對向。
如上所述，本實施例的外轉子型馬達10，是具有磁鐵轉子的無電刷馬達，向線圈22供給電流，則由該線圈22以及磁鐵32的磁力作用，轉子24以及輸出軸26就會相對於固定在裝置上的定子12進行旋轉的構成。
該外轉子型馬達10，具備作為用於控制輸出軸26的旋轉速度的旋轉控制裝置的旋轉控制部10B。旋轉控制部10B，以用於檢測輸出軸26的旋轉速度的編碼器34、根據編碼器34的輸出而控制輸出軸26的旋轉速度的控制器50(參照圖4)為主要構成要素而構成。
編碼器34，具備作為被檢測構件的碼盤36。碼盤36與輸出軸26同軸地固定並構成該輸出軸26的旋轉速度的被檢測部。具體地，碼盤36，形成為圓環板狀(圓板狀、也就是圓盤狀)，在其軸心部上固定著軸套構件38。另外，通過將該軸套構件38嵌在輸出軸26上，碼盤36與輸出軸26同軸並可以一體旋轉地安裝。在這種狀態下，碼盤36相對於定子罩18來說位於中央筒部16的相反一側。
在該碼盤36的外周附近，如圖2A以及圖3A所示，在整個圓周上沿圓周方向等間隔地形成規定數目的狹縫36A，並構成作為被檢測圖案的光學圖案37。各狹縫36A，可在碼盤36的板厚方向上透過光線地設置，在本實施例中狹縫36A的狹縫數目為1500。
下面進行具體說明。碼盤36，由作為透明的樹脂材料的聚對苯二甲酸乙二醇酯(以下稱PET)構成，在其外周附近在整個圓周上沿圓周方向等間隔地設置規定數目(1500根)的作為遮光部的不透光部36B，在各不透光部36B之間分別形成作為透光部即導光部的狹縫36A。在本實施例中，通過用不透明的墨水等印刷到碼盤36的表面而不透明地設置各不透光部36B。如圖3B所示，各不透光部36B為由該碼盤36的外周邊來規定碼盤36的直徑方向的外周邊，並且直徑方向的內邊呈沿著與碼盤36同軸的虛擬圓的圓弧狀。而且，不透光部36B的圓周方向的兩邊，呈沿著該碼盤36的半徑方向(放射方向)的直線狀。由如上所述，各不透光部36B的形狀，形成為如同用相似形狀的扇形切除扇形的直徑方向內側而得到的形狀。另外，由於互為相同形狀的不透光部36B以圓周方向的寬的兩倍的節距等間隔地配置在該圓周方向上，因此，在各不透光部36B之間，就形成了與各不透光部36B基本相同形狀的狹縫36A。
本實施例中，碼盤36的外徑Do為44.5mm，而連結各不透光部36B的直徑方向內邊的上述虛擬圓C的直徑Di為36.5mm。而且，沿碼盤36的圓周方向的各狹縫36A的寬W、節距P(＝2W)，在碼盤36的直徑方向各部分中，如下地設定。在與連結各狹縫36A(不透光部36B)的直徑方向中央部分的碼盤36同軸的節圓Cp(直徑Dsc＝40.425mm)橫穿的部分，分別設定各狹縫36A的寬W＝42.3μm，節距P＝84.7μm。而且，在與通過各狹縫36A的直徑方向內邊附近的碼盤36同軸的虛擬圓Ci(直徑Dsi＝直徑37mm)橫穿的部分，分別設定為各狹縫36A的寬W＝38.7，節距P＝77.5μm。而且，在與通過各狹縫36A的直徑方向外邊附近的碼盤36同軸的虛擬圓Co(直徑Dso＝直徑44mm)橫穿的部分，分別設定為各狹縫36A的寬W＝46.1μm，節距P＝92.2μm。所以，如上所述，用扇形分別切除扇形的直徑方向內側而得到的形狀的各狹縫36A(不透光部36B)，實質上形成為可以作為近似矩形(長方形)而評價的形狀。
另外，由於將上述尺寸的狹縫36A與不透光部36B交互地配置在碼盤36的圓周方向上，因此狹縫36A沿著碼盤36的整個圓周等間隔地、一周設置1500條，從而構成上述光學圖案37。而且，與上述節圓Cp的周長25.4mm(1英寸)對應的狹縫36A的數量為300條。換言之，節圓Cp的周長為5英寸。由如上所述，在該實施例中，狹縫36A的數量為1000根以上的1500條，每單位周長的狹縫36A的數量為150行/英寸(150條/25.4mm)以上的300行/英寸。所以，形成狹縫36A的不透光部36B也以300行/英寸的密度，每周設置1500條。另外，貫通圖3A所示的碼盤36的軸心部的貫通孔36C是用於嵌合軸套構件38的。
而且，編碼器34，具備作為輸出對應於各個碼盤36的旋轉速度的信號的旋轉檢測器的三個旋轉傳感器40。如圖2B所示，各旋轉傳感器40，是各自具有一對支架42、44的、從截面基本形成為呈コ字形狀的透過型光斷路器(光IC)，使碼盤36的狹縫36A形成部位以非接觸狀態位於該支架42、44之間。
另外，各旋轉傳感器40，分別在一方的支架42上設置發光元件(照射部)42A，並且在離開支架42的對向的另一方的支架44上設置受光元件(受光部)44A。作為碼盤36的導光部的各狹縫36A，構成為當其被配置在發光元件42A以及受光元件44A之間時，可以將從發光元件42A照射的光引導到受光元件44A上。而且，作為遮光部的各不透光部36B，構成為當其被配置在發光元件42A以及受光元件44A之間時，可以遮住從發光元件42A照射來的光使之不照射到受光元件44A上，使不能由受光元件44A檢測到照射光。由此，各旋轉傳感器40，是根據各發光元件42A發出的光通過狹縫36A後是否被受光元件44A接受來輸出脈衝(ON/OFF)信號的構成。所以，各旋轉傳感器40，在輸出軸26每旋轉一圈(360°)時分別發生1500個脈衝，該脈衝數對應於碼盤36的旋轉角，脈衝寬度(ON/OFF的切換時間)或每單位時間的脈衝數對應碼盤36的旋轉速度。
將這些旋轉傳感器40分別安裝在基板46上，而基板46固定在定子罩18的中央筒部161側的面上。由此，各旋轉傳感器40相對於定子12是不動的。而且，各旋轉傳感器40插在定子罩18的傳感器孔18B中，將碼盤36的狹縫36A形成部位分別插入到各支架42、44之間。由此，各旋轉傳感器40就能夠輸出對應於伴隨輸出軸26的旋轉而在支架42、44之間相對移動的碼盤36的旋轉速度的脈衝信號。
另外，如圖2所示，各旋轉傳感器40，以分別朝向輸出軸26的軸心的狀態，沿著碼盤36的圓周方向間隔90°而配置。以下，當區別各旋轉傳感器40而進行說明的情況下，將配置在圖2所示的相對角0°的旋轉傳感器40稱為第一旋轉傳感器40A，將配置在相對角90°的旋轉傳感器40稱為第二旋轉傳感器40B，將配置在相對角180°的旋轉傳感器40稱為第三旋轉傳感器40C。
而且，外轉子型馬達10，具備覆蓋編碼器34的蓋構件45。蓋構件45以從設置於軸心部的透孔45A向輸出軸26突出的狀態，嵌到定子罩18的傳感器孔18B的內邊並固定在定子12上。由此，編碼器34(由各旋轉傳感器40檢測碼盤36的旋轉速度的部位)通過蓋構件45可以防止外部的光或異物的侵入。
另外，在安裝有各旋轉傳感器40的基板46上，設置容許定子12的中央筒部16向軸直角方向移動的切口或長孔，定子罩18的傳感器孔18B，作為容許旋轉傳感器40沿著上述中央筒部16的移動方向的移動的長孔。由此，為了各旋轉傳感器40不幹涉碼盤36，將中央筒部16插入到安裝有各旋轉傳感器40的基板46的切口或長孔中，然後將基板46相對於定子12向輸出軸26的軸直角方向(圖2A所示的箭頭A的方向)移動，從而形成可將碼盤36插入到各旋轉傳感器40的支架42、44之間的構成。另外，也可以取代該構成，而採用將基板46分割成多個的構成。
而且，在安裝有各旋轉傳感器40的基板46上，設置有通過帶插頭的配線與外接電源(都沒有在圖中表示)連接的連結器48。另外，在該基板46上，安裝著檢測轉子24的磁極位置的霍爾元件(圖中未表示)、用於控制向線圈的通電的控制器50等、以及用於驅動、控制外轉子型馬達10(馬達部10A)所必須的所有的電氣部件。另外，在安裝在基板46上的電氣部件中，也可以將供馬達部10A的驅動的部件歸屬於馬達部10A。
如圖4所示，控制器50，由作為運算裝置的CPU52和驅動器54所構成。驅動器54，分別與馬達部10A的線圈22以及外部電源(連結器48)進行電連接，向線圈22供給電流。CPU52，分別接受各旋轉傳感器40的輸出信號以及從外部來的轉速指令信號的輸入，並根據這些信息控制通過驅動器54向線圈22的供電的有無、供給電流的大小。
也就是，CPU52根據各旋轉傳感器40的輸出信號檢測出輸出軸26的旋轉速度，將檢測出的結果與轉速指令信號進行比較，並控制驅動器54向線圈22供給的電流(反饋控制)，以消除其差值。以下，對利用CPU52檢測輸出軸26的旋轉速度進行詳細說明。另外，在以下的說明中，將第一旋轉傳感器40A的輸出信號稱為E1、第二旋轉傳感器40B的輸出信號稱為E2、第三旋轉傳感器40C的輸出信號稱為E3。
這裡，碼盤36的旋轉中心與輸出軸26的旋轉中心完全一致，並且如果沿著將該一致的旋轉中心作為中心的正圓來形成狹縫36A，則各旋轉傳感器40的輸出信號E1、E2、E3，分別正確地對應於輸出軸26的真實的旋轉速度。
但是，如果如圖5A所示的作為圓形盤的碼盤36與輸出軸26之間出現偏心，就會如圖5C中實線所示的那樣，產生輸出軸26旋轉一圈(1500個脈衝)則變化1個周期的正弦波狀的誤差成分(以下稱為1周期成分或1周期誤差成分)。而且，例如如果由於碼盤36(狹縫36A)的歪斜產生如圖5B所示的橢圓化而成為橢圓形盤，就會如圖5C的雙點劃線所示，產生輸出軸26旋轉一圈則變化2個周期的正弦波狀的誤差成分(以下稱為2周期成分或2周期誤差成分)。所以，如果將輸出軸26的旋轉角設為θ，1周期成分可以用Asinθ來表示，2周期成分，如果將與1周期成分的相位差設為α，則可以用Bsin2(θ+α)來表示。
另外，碼盤36與輸出軸26之間的偏心，比如，起因於碼盤36向輸出軸26安裝時的安裝誤差，而碼盤36的橢圓化(歪斜)，比如在由縱橫的膨脹率不同的材料構成碼盤36的情況下，在高溫環境下特別顯著。另外，本實施例的碼盤36，以PET構成，所以縱橫的熱膨脹率不同，在70°以上的環境下很容易發生橢圓化。
另外，圖5C表示以基準的脈衝寬度(比如，旋轉軸以一定速度旋轉的情況下的沒有誤差的脈衝信號1周期的時間)為1時的誤差量為縱軸，以旋轉傳感器40所檢測出的累積脈衝數為橫軸，1周期成分的誤差峰值為基準脈衝寬度的0.35％(最大振幅A＝0.0035)，2周期成分的誤差峰值為基準脈衝幅度的0.15％(最大振幅B＝0.0015)的情況下的、單一的旋轉傳感器40(在與圖6B的關係中，為第一旋轉傳感器40A)的輸出信號(原始波形)所包含的1周期成分以及2周期成分。
如上所述，當如圖6A所示，在碼盤36相對於輸出軸26產生偏心並橢圓化的情況下，就會如圖6B所示，產生1周期成分和2周期成分重合的誤差波形Ee。包含於各旋轉傳感器40A、40B、40C的輸出信號E1、E2、E3中的誤差波形Ee，會由於各旋轉傳感器40A、40B、40C的配置而分別錯開90°的相位，並分別用Ee(θ)、Ee(θ+π/2)、Ee(θ+π)來表示。
另外，CPU52，可執行地保存以下所示的公式(1)，並採用從各旋轉傳感器40輸入的信號E1、E2、E3執行公式(1)的運算，從而算出消除了1周期成分以及2周期成分的旋轉檢測信號P(θ)。
P={E1+E2}/2]]>-2/4{E1(+/4)-E3(+/4)}]]>公式(1)公式(1)的右邊第一項，是將第一旋轉傳感器40A的信號E1和與該第一旋轉傳感器40A的相位相差90°而配置的第二旋轉傳感器40B的信號E2進行平均得到的，該算出的結果(不是獨立算出的)相當於本發明的第一修正信號。該公式(1)的右邊第一項，如圖5C所示，由於在正弦波狀的2周期成分中具有相當於半周期的90°(375個脈衝)的相位差的兩點的大小相同而正負相反(極大與極小的相位差是90°)，因此，通過對具有90°的相位差的兩個旋轉傳感器40A、40B的信號E1、E2進行平均化(錯開90°而重合)，從而消除2周期成分(刪去)。
具體地，如果將基於轉速指令信號的旋轉速度與輸出軸26的實際的旋轉速度的差，也就是包含應該檢測的輸出軸26的旋轉誤差的真實的旋轉速度(以下稱馬達的實際旋轉速度)作為Me，則馬達的實際旋轉速度Me，由於不依賴於旋轉傳感器40的位置(相位)，因此包含誤差成分的信號E1、E2，分別如下所示地表示。
E1(θ)＝Ee(θ)+Me(θ)＝Asinθ+Bsin2(θ+α)+Me(θ)公式(2)E2(θ)＝Ee(θ+π/2)+Me(θ)＝Asin(θ+π/2)+Bsin2(θ+α+π/2)+Me(θ)公式(3)將這些公式(2)與公式(3)分別代入公式(1)的右邊第一項並計算，則該公式(1)的右邊第一項表示為{E1(θ)+E2(θ)}/2＝Asin(π/4)×sin(θ+π/4)+Me(θ) 公式(4)從而得到作為誤差成分而只含有包含於1周期成分以及馬達實際旋轉速度Me中的旋轉誤差的信號(第一修正信號)。
另一方面，公式(1)的右邊第二項，基本上是計算第一旋轉傳感器40A的信號E1和與該第一旋轉傳感器40A偏差180°相位而配置的第三旋轉傳感器40C的信號E3的差分的部分，該算出的結果(不是獨立算出的)相當於本發明的第二修正信號。該公式(1)的右邊第二項，如圖5C所示，由於在正弦波狀的2周期成分中具有相當於1周期的180°(750個脈衝)的相位差的兩點的大小以及正負都相等，因此，通過取具有180°的相位差的兩個旋轉傳感器40A、40C的信號E1、E3的差分(錯開180°並扣除)，從而消除2周期成分(刪去)。
具體地，信號E1由上述公式(2)表示，信號E3如以下的公式表示。
E3(θ)＝Ee(θ+π)+Me(θ)＝Asin(θ+π)+Bsin2(θ+α+π)+Me(θ) 公式(5)從公式(2)和公式(5)，可以將信號E1和信號E3的差分表示為E1(θ)-E3(θ)＝2Asin(θ) 公式(6)得到作為誤差成分而只包含1周期成分的信號。如果將公式(6)與公式(4)進行比較，則公式(6)中的1周期成分，相對於公式(4)的1周期成分，相位延遲了π/4(45°，本實施例中為188個脈衝)，以sin(π/4)2，也就是以 的比例具有不同的振幅。因此，在公式(1)的右邊第二項中，為了與右邊第一項的相位一致而前進π/4個相位，並且為了使振幅一致而乘以係數 由以上所述，CPU52通過進行公式(1)的運算，即從右邊第一項扣除右邊第二項，就可以消除1周期成分(刪去)，並得到只包含馬達實際旋轉速度Me(θ)的旋轉檢測信號P(θ)。
另外，CPU52，在本實施例中，相對於運算右邊第一項的數據，使用π/4(188個脈衝)角度之前的數據進行右邊第二項的運算，換言之，就是推進π/4前的數據的相位，以與實時的數據相匹配，從而將右邊第二項的相位與右邊第一項的相位匹配。因此，CPU52將信號E1以及E3的π/4之前的數據，一直存儲在其數據區域中。
另外，該CPU52，根據作為公式(1)的運算結果的旋轉檢測信號P(θ)，即，馬達實際旋轉速度Me，向驅動器54輸出控制信號，使該馬達實際旋轉速度Me成為1(與基準脈衝寬度一致)。該CPU52相當於本發明的控制裝置、旋轉修正部以及控制部，或者旋轉檢測電路。
以上說明的外轉子型馬達10，比如可以在彩色複印機或彩色印表機等的圖像處理裝置(圖像形成裝置)上，在構成該圖像處理裝置的4色(黑、黃、蘭、紅)的感光鼓上各安裝一個而適用。另外，外轉子型馬達10，可以不用藉助減速器等，直接地並以一定的旋轉速度(40rpm到100rpm)旋轉驅動感光鼓。
另外，在外轉子型馬達10中，可以形成將作為與感光鼓的輸出軸26的連結部的連結軸，在定子罩18的蓋構件45內連結到輸出軸26上，並將碼盤36同軸地安裝到該連結軸上的構成。
下面，說明本實施例的作用。
在上述構成的外轉子型馬達10中，控制器50動作並從驅動器54向線圈22通電後，轉子24、輸出軸26、碼盤36就會一起旋轉。此時，各旋轉傳感器40就會將對應於各個碼盤36的旋轉速度的脈衝信號(ON/OFF信號)輸出到安裝於基板46上的控制器50的CPU52中。
CPU52採用從各旋轉傳感器40輸入的信號E1、E2、E3進行公式(1)的運算(對於右邊第二項採用π/4角度前的信號進行運算)，並得到可僅包含馬達實際旋轉速度Me的旋轉檢測信號P(θ)。另外，CPU52將該旋轉檢測信號P(θ)作為實際的輸出軸26的旋轉速度而與轉速指令信號(所對應的控制目標的旋轉速度)進行比較，並向驅動器54輸出控制信號，使得馬達實際旋轉速度Me為1。驅動器54，根據該控制信號向線圈22供給電流。即，通過控制器50對馬達部10A的輸出軸26的旋轉速度進行反饋控制。
由此，將輸出軸26也就是與輸出軸26連結的被旋轉體(比如感光鼓)精度良好地保持在基於轉速指令信號的設定速度上。
這裡，在外轉子型馬達10、構成外轉子型馬達10的旋轉控制部10B、構成旋轉控制部10B的CPU52中，通過採用在碼盤36的圓周方向(旋轉方向)上間隔90°分別配置的三個旋轉傳感器40的信號E1、E2、E3，而實行公式(1)的運算，可以高精度地檢測出輸出軸26的旋轉速度。也就是，即使由於安裝在輸出軸26上、作為各旋轉傳感器40的直接的旋轉速度的檢測對象的碼盤36相對於輸出軸26偏心(心偏移)、歪斜而產生橢圓化，基於偏心的檢測誤差的1周期成分、基於橢圓化的檢測誤差的2周期成分，由於都可以由公式(1)的運算而消除，因此可以高精度地檢測出輸出軸26的旋轉速度。
更具體地說，如圖7所示，通過將公式(1)的右邊第一項的算出結果(公式(4)右邊的波形)、與公式(1)的右邊第二項的算出結果(在公式(6)的右邊附上負號的波形)進行重合，作為公式(1)的運算結果的旋轉檢測信號P(θ)，與基準脈衝寬度1幾乎一致。因此，旋轉檢測信號P(θ)，由於基本上不含有包含於馬達實際旋轉速度Me中的真誤差以外的誤差，因此，CPU52，為了將該馬達實際旋轉速度Me設定為1(將真的誤差設定為0)，而向驅動器54輸出控制信號，從而，可以將輸出軸26的旋轉速度以高精度保持在基於速度指令信號的一定速度上。
另外，如果將輸出軸26的旋轉速度(基於轉速指令信號的設定速度)為大致90rpm的情況下的、作為CPU52的運算結果的旋轉檢測信號P(θ)進行快速傅立葉變換(FFT)並進行圖示，則如圖8A所示，1周期成分以及2周期成分都降低到可以忽視的程度(兩個振幅約為0.008％，即單向振幅約為0.004％)。也就是，通過CPU52採用各旋轉傳感器40的信號E1、E2、E3進行公式(1)的運算，可以以在使用上完全沒有問題的極高的精度檢測出輸出軸26的旋轉速度。另外，圖8B是用於比較而表示的將一個旋轉傳感器40的輸出信號(比如E1的原始波形)進行了快速傅立葉變換的FFT波形，可以看出在該輸出信號中以較高的比率包含有1周期成分以及2周期成分(單向振幅，1周期成分為大致0.04％，2周期成分為大致0.02％)。也就是，通過CPU52實行的公式(1)的運算，如圖8A所示那樣，各旋轉傳感器40的信號E1、E2、E3中所分別包含的1周期成分以及2周期成分被消除。
這樣，在構成本實施例的外轉子型馬達10的旋轉控制部10B、構成旋轉控制部10B的CPU52(旋轉速度檢測方法)中，可以一起(同時)消除碼盤36旋轉一圈變化1周期的誤差成分和旋轉一圈變化2周期的誤差成分，可以以高精度檢測出作為安裝碼盤36的檢測對象的輸出軸26的旋轉速度。
另外，由於控制裝置為了將馬達實際旋轉速度Me設定為1而控制輸出軸26的旋轉，因此可以防止或者顯著地抑制該輸出軸26(連結的感光鼓等被旋轉體)的旋轉不均勻。而且，由於可以如上所述消除周期成分，因此，可以用低價的PET構成在超過70°左右的高溫環境下使用的碼盤36。
另外，在上述的實施例中，由於採用狹縫36A的數量為1500的碼盤36，因此作為代入到公式(1)的右邊第二項的E1、E3的π/4角度前的數據，必須採用188(750/4)個脈衝前的信號，而且在旋轉檢測信號P(θ)中，1周期成分雖然僅殘留著很少(參照圖7)，但是，比如，可以通過將狹縫36A的數目(每轉一圈的脈衝數)設定為8倍的1496或者1504，則可以更正確地採用π/4前的數據進行公式(1)的運算，也就可以更正確地檢測出輸出軸26的旋轉速度。
而且，CPU52也可以取代公式(1)，比如通過採用以下所示的公式(7)進行運算，一起消除1周期成分以及2周期成分。
P(θ)＝{E1(θ)+E2(θ)}/2+{E2(θ+π/2)+E3(θ+π/2)}/2 公式(7)
該公式(7)，其右邊第一項是相互具有90°的相位差的旋轉傳感器40A、40B的輸出信號E1、E2的平均化，而其右邊第二項是相互具有90°的相位差的旋轉傳感器40B、40C的輸出信號E2、E3的平均化。在各項中，消除2周期成分的做法與公式(1)的右邊第一項相同。在公式(7)的右邊第二項中，為了與右邊第一項的相位一致(正確地為偏移180°)，而採用π/2(375個脈衝)角度前的數據。由此，右邊第二項，成為將符號取+而且如圖7的虛線所示的波形，並與右邊第一項重合，從而消除1周期成分。因此，在公式(7)中，通過取右邊第一項與第二項的差分，可以防止連馬達實際旋轉速度Me也被消除。
這樣，具備三個旋轉傳感器40時的CPU52的運算公式，並不限定於公式(1)，如果可以通過加算兩個旋轉傳感器40的各輸出信號而得到消除了2周期成分的第一修正信號，並且通過對與其不同的組合的兩個旋轉傳感器40的各輸出信號進行減法或加法運算而得到消除了2周期成分的第二修正信號，並且以不消除馬達實際旋轉速度Me的方式，對這些第一修正信號以及第二修正信號進行減法或加法運算，從而消除1周期成分，則也可以是任意的運算公式。
特別是，由於外轉子型馬達10、構成旋轉控制部10B的碼盤36，具有分別由每1周1000根以上的1500根的狹縫36A和不透光部36B所構成的光學圖案37，因此，對各旋轉傳感器40的旋轉軸26的旋轉速度的靈敏度(解析度)很高，雖然各旋轉傳感器40的單獨輸出E1、E2、E3容易受到碼盤36相對於輸出軸26的偏心、橢圓化的影響，但是如上所述，由於通過進行採用三個信號E1、E2、E3進行運算，可以一併消除由偏心而產生的1周期成分、由橢圓化而產生的2周期成分，因此，可以以對應於1周的狹縫36A的數量(對光學圖案37的解析度的要求那樣的)高的旋轉檢測精度而檢測出旋轉軸26的旋轉速度，並可根據該高精度的旋轉速度檢測結果，高精度地控制旋轉軸26(維持設定的速度)。
而且，碼盤36的光學圖案37，由於將其狹縫36A的數量設定為150行/英寸以上，因此，可以將本發明適用於實用的所有種類的編碼器34(各旋轉傳感器40與碼盤的組合，特別是透過型光斷路器)，將碼盤36的1周期成分與2周期成分一起消除，並可以高精度地檢測出作為安裝碼盤36的檢測對象的輸出軸26的旋轉速度。
而且，在消除1周期成分和2周期成分的本發明中，可以用如上所述的低價的PET構成碼盤36。另外，由於PET是透明樹脂，如上所述將不透光部36B等間隔地在整個圓周上印刷到碼盤36的圓周方向上，就很容易得到光學圖案37。因此，碼盤36不但在材料上，而且製造成本也降低了。
接著，對構成外轉子型馬達10的旋轉控制部10B的變形例進行說明。另外，對於與上述實施例基本相同的部件、部分附加與上述實施例同樣的符號，並省略對其說明。
如圖9A以及圖9B所示，變形例的旋轉控制部10B，取代編碼器34而具備編碼器60。編碼器60與編碼器34不同之處是它具備四個旋轉傳感器40。各旋轉傳感器40在碼盤36的圓周方向間隔90°地配置。此時，安裝各旋轉傳感器40的基板46，為了組裝到定子罩18上，而進行了適當的分割。以下，將配置在相對位置270°上的旋轉傳感器40作為第四旋轉傳感器40D，將第四旋轉傳感器40D的輸出信號作為E4進行說明。
另一方面，構成本變形例的旋轉控制部10B的控制器50的CPU52，取代公式(1)可執行地保存以下所示的公式(8)。
P(θ)＝{E1(θ)+E2(θ)+E3(θ)+E4(θ)}/4 公式(8)也就是，公式(8)就是簡單地對各旋轉傳感器40的信號E1、E2、E3、E4進行平均化。這裡，E1(θ)、E2(θ)、E3(θ)，由上述的公式(2)、公式(3)、公式(5)所表示，E4(θ)，由以下的公式(9)來表示。
E4(θ)＝Ee(θ+3π/2)+Me(θ)＝Asin(θ+3π/2)+Bsin2(θ+α+3π/2)+Me(θ) 公式(9)所以，作為公式(8)的運算結果的旋轉檢測信號P(θ)，與公式(1)的情況一樣，同時消除1周期成分以及2周期成分，成為可以只包含馬達實際旋轉速度Me(P(θ)＝Me(θ))。比如，通過{E1(θ)+E2(θ)}，也就是具有90°相位差的2個信號的重合，算出消除了2周期成分的第一修正信號E1(θ)+E2(θ)＝2Asin(π/4)×sin(θ+π/4)+2Me(θ) 公式(10)並且，通過{E3(θ)+E4(θ)}，也就是具有90°相位差的2個信號重合，算出消除了2周期成分的第二修正信號E3(θ)+E4(θ)＝2Asin(π/4)×sin(θ+3π/4)+2Me(θ) 公式(11)可以將這些偏移了π(180°)相位的第一修正信號和第二修正信號重合(加法運算)來消除1周期成分。
而且，比如，公式(8)，通過{E1(θ)+E3(θ)}，也就是具有180°相位差的2個信號的重合，算出消除了1周期成分的第一修正信號E1(θ)+E3(θ)＝-2Bsin2(θ+α+π/2)+2Me(θ) 公式(12)並且，通過{E2(θ)+E4(θ)}，也就是具有180°相位差的2個信號的重合，算出消除了1周期成分的第二修正信號E2(θ)+E4(θ)＝-2Bsin2(θ+α+π)+2Me(θ) 公式(13)可以將這些偏移了π/2(90°)相位的第一修正信號和第二修正信號重合(加法運算)來消除2周期成分。
這樣，通過本變形例的構成(旋轉速度的檢測方法)，也可以一起消除1周期成分以及2周期成分並高精度地檢測出馬達部10A的輸出軸26的旋轉速度。也就是，可以取得與上述實施例的同樣效果。而且，在本變形例中，由於只使用實時的數據來消除1周期成分以及2周期成分，所以CPU52不需要預先存儲π/4前的數據，而且也不會產生基於狹縫36A的數量(旋轉一圈的脈衝數)的誤差。另外，輸入具備四個旋轉傳感器40的編碼器60的輸出信號的CPU52，也可以實行公式(1)或者實行公式(7)而算出旋轉檢測信號P(θ)。此時，也可以將第四旋轉傳感器40D作為備用傳感器。
接著，說明將上述實施例或者變形例的外轉子型馬達10適用於彩色印表機或彩色複印機等的圖像處理裝置(圖像形成裝置)的例子。
如圖10所示，圖像處理裝置，具備分別對應於紅、蘭、黃、黑的四個感光鼓70、72、74、76。各感光鼓70、72、74、76，圍繞軸心旋轉，從而將分別形成的對應於各種顏色的調色劑圖像複製在複寫體上。在各感光鼓70、72、74、76上，連接著作為各自的旋轉驅動裝置的外轉子型馬達10。具體地，將外轉子型馬達10的輸出軸26直接連接成可以與各感光鼓70、72、74、76一體旋轉。各外轉子型馬達10，是將其定子12(定子罩18)分別固定在圖像處理裝置的殼體78上，並向線圈22通電，從而轉子24向規定的方向旋轉，並旋轉驅動各感光鼓70、72、74、76的構成。
這裡，外轉子型馬達10，由於具有小型在低旋轉速度區域中發生高轉矩的特性，因此，即使與圖像處理裝置的感光鼓70等直接連接，也可以以充分的轉矩旋轉驅動該感光鼓70等，不會導致圖像處理裝置的大型化。特別是，在外轉子型馬達10中，由於是薄型(扁平)構造，因此很適於配置在各感光鼓70等的背面(軸方向端部)的狹窄空間。而且，外轉子型馬達10，由於是具有上述的磁鐵轉子的無電刷馬達，因此可以低成本製造而不會導致圖像處理裝置的高成本化。
另外，這樣地將小型高轉矩的外轉子型馬達10直接連結到感光鼓70等上以後，由於不需要通過齒輪和傳動帶等對感光鼓70等進行旋轉驅動，因此可以抑制感光鼓70等的旋轉不均勻，提高圖像質量。也就是，可以實現圖像處理裝置的高精度化。特別是，外轉子型馬達10，由於具備三個旋轉傳感器40(上述實施例)或四個旋轉傳感器40(上述變形例)，並以如上所述的高精度對輸出軸26也就是感光鼓70等的旋轉速度進行控制，因此就進一步抑制了感光鼓70等的旋轉不均勻。
這樣，在與圖像處理裝置的感光鼓70等直接連接，並旋轉驅動該感光鼓70等的外轉子型馬達10中，就可以不導致圖像處理裝置的大型化以及高成本化，而抑制感光鼓70等的旋轉不均勻。
另外，在上述實施例以及變形例中，說明的例子都是用旋轉控制部10B(編碼器34、60，控制器50)構成外轉子型馬達10，但是本發明並不限定於此，比如，也可以把旋轉控制部10B(編碼器34、60)安裝在作為被旋轉體的感光鼓等上，與外轉子型馬達10獨立地構成。
而且，在上述實施例以及變形例中，說明的例子都是可執行地存儲有運算公式(1)、(8)等的CPU52與驅動器54一起安裝在基板46上的優選構成，但是本發明並不限定於此，比如，也可以把作為旋轉檢測電路的CPU52(的功能)組合到控制適用外轉子型馬達10的裝置(圖像處理裝置等)的控制裝置中。而且，也不限定在CPU52中實行運算公式(1)、(8)的優選的構成，比如，也可以在組合了加法器、減法器、延遲電路等的電路(旋轉檢測電路)中進行運算。
進而，在上述的實施例以及變形例中，說明的是為了將輸出軸26的旋轉速度保持在規定的速度上而消除碼盤36的旋轉速度中的1周期成分以及2周期成分的例子，但是本發明並不限定於此，比如，也可以高精度地檢測出對應於輸出軸26的旋轉角的碼盤36的旋轉角。所以，本發明的外轉子型馬達10、控制器50、CPU52，並不限定於適用於圖像處理裝置而對旋轉鼓的轉速進行控制，毫無疑問它可以適用於所有的用途。
而且，在上述的實施例以及變形例中，所說明的是編碼器34、60由具有可透過光的狹縫36A的碼盤36、作為透過型光斷路器(光學式傳感器)的各旋轉傳感器40而構成的例子，但是，本發明並不限定於此，作為編碼器，比如，也可以是具備反射型的光斷路器的構成，並可以採用其他的電磁式、磁阻式、霍爾效應式等的各種編碼器。
進而，在上述實施例以及變形例中，說明了採用無刷的外轉子型馬達10作為馬達的例子，但是本發明不限定於此，比如，作為馬達也可以採用內轉子型馬達或具有電刷的馬達、交流馬達等各種形式的馬達。
本發明並不限定於說明書中所描述的實施例，本領域的技術人員可以容易地進行變更。
權利要求
1.一種旋轉機器，其特徵在於，具備旋轉軸；被檢測構件，形成為盤狀並與上述旋轉軸一體旋轉；至少三個旋轉檢測器，與上述被檢測構件相鄰，以90度間隔依次配置在該被檢測構件的圓周方向上，並分別形成對應於該被檢測構件的旋轉速度以及旋轉角中的一方的輸出信號；控制裝置，根據從上述至少三個旋轉檢測器的上述輸出信號得到的、消除了2周期誤差成分以及1周期誤差成分的兩方的旋轉檢測信號，對上述旋轉軸的旋轉速度以及旋轉角中的一方進行控制。
2.如權利要求1所述的旋轉機器，其特徵在於，上述控制裝置，根據上述至少三個旋轉檢測器中的對應的兩個輸出信號來算出消除了上述2周期誤差成分的第一修正信號；上述控制裝置，根據上述至少三個旋轉檢測器中的對應的兩個輸出信號來算出消除了上述2周期誤差成分的第二修正信號；根據上述第一修正信號以及上述第二修正信號，上述控制裝置，算出消除了上述1周期誤差成分的上述旋轉檢測信號。
3.如權利要求2所述的旋轉機器，其特徵在於，通過將上述至少三個旋轉檢測器中的對應於上述第一修正信號的上述兩個旋轉檢測器中的一方的上述輸出信號加算到另一方的上述輸出信號上，上述控制裝置，從上述第一修正信號中消除上述2周期誤差成分；通過將上述至少三個旋轉檢測器中的對應於上述第二修正信號的上述兩個旋轉檢測器中的一方的上述輸出信號，對另一方的上述輸出信號進行加法或者減法運算，上述控制裝置，從上述第二修正信號中消除上述2周期誤差成分；通過在使上述第二修正信號的相位以及振幅分別與上述第一修正信號的相位以及振幅一致的基礎上，將上述第二修正信號對上述第一修正信號進行加法或者減法運算，上述控制裝置，從上述旋轉檢測信號中消除上述1周期誤差成分。
4.如權利要求2所述的旋轉機器，其特徵在於，上述至少三個旋轉檢測器中的對應於上述第一修正信號的上述兩個旋轉檢測器，相互離開90度；上述至少三個旋轉檢測器中的對應於上述第二修正信號的上述兩個旋轉檢測器，相互離開180度；通過將上述至少三個旋轉檢測器中的對應於上述第二修正信號的上述兩個旋轉檢測器中的上述一方的上述輸出信號，從上述另一方的輸出信號中減去，上述控制裝置，從上述第二修正信號中消除上述2周期誤差成分；通過在使上述第二修正信號的上述相位以及振幅分別與上述第一修正信號的上述相位以及振幅一致的基礎上，從上述第一修正信號中減去上述第二修正信號，上述控制裝置，從上述旋轉檢測信號中消除上述1周期誤差成分。
5.如權利要求1所述的旋轉機器，其特徵在於，上述至少三個旋轉檢測器，包含第一～第三旋轉檢測器；上述控制裝置，根據以下的公式算出上述旋轉檢測信號，P={E1+E2}/2-2/4{E1(+/4)-E3(+/4)}]]>其中，P(θ)為上述旋轉檢測信號，E1為上述第一旋轉檢測器的輸出信號，E2為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開90度的上述第二旋轉檢測器的輸出信號，E3為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開180度的上述第三旋轉檢測器的輸出信號。
6.如權利要求1所述的旋轉機器，其特徵在於，上述至少三個旋轉檢測器，包含第一～第三旋轉檢測器；上述控制裝置，根據以下的公式算出上述旋轉檢測信號，P(θ)＝{E1(θ)+E2(θ)}/2+{E2(θ+π/2)+E3(θ+π/2)}/2其中，P(θ)為上述旋轉檢測信號，E1為上述第一旋轉檢測器的輸出信號，E2為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開90度的上述第二旋轉檢測器的輸出信號，E3為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開180度的上述第三旋轉檢測器的輸出信號。
7.如權利要求1所述的旋轉機器，其特徵在於，上述至少三個旋轉檢測器，包含第一～第四旋轉檢測器；上述控制裝置，根據以下的公式算出上述旋轉檢測信號，P(θ)＝{E1(θ)+E2(θ)+E3(θ)+E4(θ)}/4其中，P(θ)為上述旋轉檢測信號，E1為上述第一旋轉檢測器的輸出信號，E2為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開90度的上述第二旋轉檢測器的輸出信號，E3為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開180度的上述第三旋轉檢測器的輸出信號，E4為從上述第一旋轉檢測器沿上述圓周方向離開270度的上述第四旋轉檢測器的輸出信號。
8.如權利要求1所述的旋轉機器，其特徵在於，上述旋轉機器為電動馬達。
9.如權利要求8所述的旋轉機器，其特徵在於，上述馬達用於驅動感光鼓；上述旋轉軸，為了與上述感光鼓一體旋轉而連結在該感光鼓上。
10.如權利要求1所述的旋轉機器，其特徵在於，上述至少三個旋轉檢測器，分別是具有照射部以及受光部的光學式旋轉傳感器，上述受光部，從上述照射部離開，並為了接受從該照射部照射的光而與該照射部對向；上述被檢測構件是具有光學圖案的樹脂制的碼盤，上述光學圖案，包含在上述碼盤的整個圓周上、在該碼盤的圓周方向上交互地配置的多個導光部以及多個遮光部；在配置於上述各光學式旋轉傳感器的上述照射部以及受光部之間時，上述各導光部將從上述照射部照射的光引導至上述受光部；在配置於上述各光學式旋轉傳感器的上述照射部以及受光部之間時，上述各遮光部，對上述受光部遮住從上述照射部照射的光，使得上述受光部不能檢測出上述照射光。
11.如權利要求10所述的旋轉機器，其特徵在於，上述多個導光部，包含1000個以上的導光部。
12.如權利要求10所述的旋轉機器，其特徵在於，上述多個導光部的密度被設定為在每25.4mm的圓周方向的長度上，存在150個以上的上述導光部。
13.如權利要求10所述的旋轉機器，其特徵在於，上述樹脂制的碼盤，由聚對苯二甲酸乙二醇酯構成。
全文摘要
本發明提供一種旋轉機器，在安裝於馬達輸出軸上的圓板狀碼盤的圓周方向上間隔90度而配置的三個旋轉傳感器，分別輸出對應於碼盤旋轉速度的信號。碼盤如果相對於輸出軸偏心，就會產生旋轉一圈則變化1個周期的誤差成分(1周期成分)，如果變形為橢圓狀，就會產生旋轉一圈則變化2個周期的誤差成分(2周期成分)。控制裝置，將對第一旋轉傳感器的輸出信號與第二旋轉傳感器的輸出信號平均化而消除了2周期成分的第一修正信號、和由第一旋轉傳感器的輸出信號與第三旋轉傳感器的輸出信號的差分而消除了2周期成分的第二修正信號，與殘留的1周期成分的相位以及振幅匹配並進行加法或者減法運算，從而算出消除了1周期成分以及2周期成分的旋轉檢測信號。
文檔編號G05D13/00GK1616971SQ200410094688
公開日2005年5月18日 申請日期2004年11月12日 優先權日2003年11月13日
發明者內山治彥, 夏目英彥 申請人:阿斯莫株式會社