JP2004163947A - 画像読取装置のモータ駆動制御装置及びそれを備えた画像読取装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 DCモータによる位置決め制御及びブレーキ制御を精度よく行わせることができ、もってモータの振動を小さく抑えることができて画像読取精度を向上させることができる画像読取装置を提供する。
【解決手段】 画像読取装置のキャリッジを直流モータを用いて駆動する画像読取装置のモータ駆動制御装置であって、キャリッジの駆動方向に沿って設けられた位置検出用スケールと、キャリッジに設けられ、位置検出用スケールを非接触で検出する光センサと、センサによる検出信号に基づいて直流モータを駆動する制御部とを備え、特に直流モータがリニアモータで構成された場合、キャリッジの移動に伴って光センサにより得られる三角波パルスを所定基準位置で反転し、それをモータに負帰還させることでブレーキ動作を行わせるようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は電子複写機、ファクシミリ、スキャナなどの画像読取装置のモータ駆動制御装置に関し、特にそのモータ駆動制御により行われる位置決めを精度良く行うことができる画像読取装置のモータ駆動制御装置及びそれを備えた画像読取装置に関するものである。
画像読取装置のモータ駆動制御については、例えば、ステッピングモータの駆動制御として、等間隔で黒白の線が引かれた万線チャート上をフォトインタラプタでスキャンした場合に生じるパルス幅に基づいてキャリッジの振動の程度を判断し、振動吸収の助走時間の最適化を図り、スキャナ装置の負荷の個々のバラツキ、スキャナ装置使用頻度による負荷の変化等によらず、カラー原稿画像を色ずれなく安定して読み取ることができる技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このステッピングモータを駆動制御し、それによりキャリッジを駆動制御する構成を示したものが図18である。図18によれば、画像読取装置の副走査方向に互いに隔てて駆動軸1と従同軸2が並設されるとともに、これら軸1,2に無端状にワイヤ3が懸架され、このワイヤ3にキャリッジ4が取り付けられている。駆動軸1はステッピングモータ5の回転に連動可能に設けられている。そして、駆動パルス発生器6により発生されたパルスを用いてモータドライバ7が駆動信号をステッピングモータ5に与え、ステッピングモータ5が所定量だけ駆動されて、駆動軸1が回転させられ、駆動軸1に懸架されたワイヤ3が回転駆動されてキャリッジ4を駆動しその位置制御を行う。
特開平8−256272号公報 (第3―6頁、第9図)
しかしながら、ステッピングモータ5を使用すると、位置決め制御は容易であるものの、このような技術においても、ステッピングモータ5の構造上に起因する振動は依然大きく、特にカラースキャナのように振動の影響が懸念される読取装置においては、このステッピングモータ5の使用による振動が画像の読取精度に大きな悪影響を及ぼす。一方、DCモータ、とりわけボイスコイルモータに代表されるリニアモータはその構造上に起因する振動が小さく、ステッピングモータに比べて優れるが、従来の技術では、その位置決め制御とブレーキ制御を精度良く行わせることができなかった。
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、DCモータによる位置決め制御及びブレーキ制御を精度よく行わせることができ、もってモータの振動を小さく抑えることができて画像読取精度を向上させることができる画像読取装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するため、本発明は、画像読取装置のキャリッジを直流モータを用いて駆動する画像読取装置のモータ駆動制御装置であって、キャリッジの駆動方向に沿って設けられた位置検出用スケールと、前記キャリッジに設けられ、前記位置検出用スケールを非接触で検出するセンサと、前記センサによる検出信号に基づいて前記直流モータを駆動する制御部とを備えてなるものである。
また、本発明は、キャリッジに画像を光学的に読み取る画像読取手段を備えた構成を有する画像読取装置であって、前記キャリッジを駆動する直流モータと、前記キャリッジの駆動方向に沿って設けられた位置検出用スケールと、前記キャリッジに設けられ、前記位置検出用スケールを非接触で検出するセンサと、前記センサによる検出信号に基づいて前記直流モータを駆動する制御部とを備えてなるものである。
以上に詳述したように本発明によれば、DCモータによる位置決め制御及びブレーキ制御を精度よく行わせることができ、もってモータの振動を小さく抑えることができて画像読取精度を向上させることができる画像読取装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
図1(A)は本発明の実施の形態1におけるDCモータを用いた画像読取装置のモータ駆動装置を示す。実施の形態1では、固定されるDCモータを用いてキャリッジを駆動する場合について説明する。図1(A)においては、画像読取装置10の副走査方向に互いに隔てて駆動軸1と従同軸2が並設されるとともに、これら軸1,2に無端状にワイヤ3が懸架され、このワイヤ3にキャリッジ4が取り付けられている。また読取装置の副走査方向には、駆動されるキャリッジ4に隣接して位置検出用のスケール(スリット板)11が設けられている。
キャリッジ4にはスリット板11のスリットを検出して副走査方向の位置検出を行うための光センサ12が設けられ、この光センサ12により検出された検出信号に基づいて演算部13で位置が演算される。演算部13で位置が演算されると駆動量演算部14はこの位置に基づいてモータ駆動量を演算し、その演算値をモータドライバ7に帰還信号として出力する。この帰還信号に基づいてモータドライバ7はモータ駆動信号をDCモータ15に与えDCモータ15を駆動する。DCモータ15が駆動されるとそれに無端ワイヤ3が連動して駆動されキャリッジ4が移動し、その位置制御が行われる。DCモータ15としては、ブラシモータ、ブラシレスモータが適用可能である。なお、光センサ12と演算部13は位置検出部16を構成している。また演算部13と駆動量演算部14は制御部17を構成している。
図1(B)は図1(A)に示される位置検出部16の構成をより詳細に示すものであり、位置検出部16は、光センサ12の受光電流信号を電圧信号に変換するIV変換器13a及び電圧信号をデジタル値に変換するAD変換器13b及びAD変換器13bの出力に基づいて位置を演算する位置演算部13cを含む。また位置演算部13cは、駆動量演算部14とともにCPUを用いて構成され得る。
図2(A)および図2(B)はスリット板11と光センサ12との位置関係を示すとともに、光センサ12の構成を示す図であり、図2(A)は透過型センサを示している。この場合、光センサ12はスリット板11を隔てて投光器12aと受光器12bが備えられる。図2(B)は反射型センサを示している。この場合、光センサ12はその投光器12aより照射された光のスリット板11による反射光が受光器12bで受光できるように投光器12aと受光器12bがスリット板11に対向して並設されている。
図3(A)及び図3(B)はスリット板に形成されるスリット形状を示したものであり、透過型センサを用いる場合のスリット形状を示している。また図3(C)及び図3(D)はスリット板に形成されるスリット形状を示したものであり、反射型センサを用いる場合のスリット形状を示している。これらの形状において、図3(A)及び図3(C)のスリット形状は、副走査方向の一端側から他端側にかけてその高さ方向幅が直線的に大きくなる形状(三角形状)を有している。位置検出部16では、副走査方向の位置に対するスリット板11の高さ方向幅の変化による受光量の変化に基づいて、副走査方向における位置の検出を行う。図3(B)及び図3(D)では、スリット形状は副走査方向に一定の間隔を隔てて設けられる複数のスリットで、且つそれらスリットが全て一定定幅を有するスリットの集合体で形成される。位置検出部16では、このスリットの有無に基づく受光量の変化からそのスリット検出数に基づいて位置の演算検出を行う。これらスリットは、スリット板11に開口を設けるほかに、透過部と非透過部、あるいは反射部と非反射部を印刷物を用いて形成すると低コストで実現できる。この場合、ガラス板に印刷を施すことも可能である。
図4(A)〜(D)は位置検出部の構成を示す回路図であり、図4(A)及び図4(B)は透過型センサを用いて位置検出部が構成される場合の回路図、図4(C)及び図4(D)は反射型センサを用いて位置検出部が構成される場合の回路図である。図4(A)の透過型センサでは、フォトダイオードPD1から放射された光がスリット板のスリットを通してフォトトランジスタPTr1で受光された場合に、その受光量により出力電圧OUT1が変化し、最大受光量のときに出力電圧は最小、例えば零となる。
図4(B)の透過型センサでは、フォトダイオードPD2から放射された光がスリット板のスリットを通してフォトトランジスタPTr2で受光された場合に、その受光量により出力電圧OUT2が変化し、最大受光量のときに出力電圧は最大、例えばVccとなる。
図4(C)の反射型センサでは、フォトダイオードPD3から放射された光がスリット板の反射スリットにより反射されフォトトランジスタPTr3で受光された場合に、その受光量により出力電圧OUT3が変化し、最大受光量のときに出力電圧は最大、例えばVccとなる。
図4(D)の反射型センサでは、フォトダイオードPD4から放射された光がスリット板の反射スリットにより反射されフォトトランジスタPTr4で受光された場合に、その受光量により出力電圧OUT4が変化し、最大受光量のときに出力電圧は最小、例えば零となる。
図5(A)〜(C)は、図3(A)及び図3(B)に示したスリット板(フォトインタラプタ)の形状とリニアリティの関係を示した図である。図5(A)で示すように投光器12aの投光面が円形でその全面より平行光が照射され、且つ受光器12bの受光面が円形であるとした場合、図5(B)に示すようにスリット板の端部が副走査方向に対して直交する場合は、そのリニアリティが確保できる範囲bは受光面の直径よりも狭い範囲となる。なお、図中範囲aは受光量の変化領域を示している。次に図5(C)に示すようにスリット板の端部が図3(A)や図3(B)に示すように直線的にその高さ方向幅が増大していく場合は、そのリニアリティが確保できる範囲b2はb1の場合よりも広くなる。
更に図6(A)および(B)に示すように、受光器12bの受光面がスリット状になるように受光面を開口(まわりを遮蔽)し、スリット状受光面12b−1を形成した場合においては、b3、b4で示されるように、図5(A)〜(C)の場合よりも更にそのリニアリティを確保できる範囲を広げることができ、更にその受光面を遮蔽するスリットの傾きを図6(B)に示すように、スリット板の傾きと直交するように設けた場合
θ1=90°−θ2
が最もそのリニアリティ範囲を広くすることができ(b4>b3)、感度も高めることができ、位置検出精度を高めることができる。
そこで、実施の形態1では、図3(A)や図3(B)に示すようなスリット板を用いた場合は、その端部の傾きと直交する傾きを有するスリットで受光面を構成するようにする。これは、受光部の受光面をそのようなスリットを有する遮蔽板で覆うことにより簡単に達成される。
図7は、図6(B)に示した構成を有する位置検出部による位置と検出信号との関係を示す図である。図7によれば、スリット板の長さeは、スキャナの読取原稿の大きさに依存し、例えばA3の読取装置の場合、約500mm程度になる。今、ここでキャリッジ4が一端から他端まで、距離eを移動したとすると、例えば透過型センサにおいて、その受光器の全面がスリット板により遮蔽された場合、センサ出力は0mAである。キャリッジ4が移動しスリット板11による遮蔽量が徐々に減少すると、センサ出力電流は徐々に増大し、スリット板11による遮蔽が皆無となって、その受光器12bの全面が受光可能となった場合、センサ出力電流は10mAとなる。これはキャリッジ4の移動量に比例しており、この電流量をキャリッジの位置情報と見なすことができる。
ここで、光電変換により、例えば5kΩの抵抗で光センサ12の出力電流を電圧変換すると、10mA×5kΩ=5Vとなり、キャリッジ移動量は500mmとなる。この電圧を演算装置に取り込むことで、モータの駆動制御を行うことができる。
図8はそのようなモータの駆動装置の一例を示すブロック図である。図8に示されるモータの駆動装置は、キャリッジ4に設けられた光センサ12と、光センサ12からのセンサ出力電流を電圧信号に変換するIV変換器13aと、IV変換器13aにより得られた電圧信号をAD変換するAD変換器13bと、そのAD変換器13bにより変換されたデジタル電圧値を取り込んで位置演算する演算部を構成するCPU20と、CPU20により演算された位置に基づいて、CPU20よりモータ駆動指示を受けてDCモータ15を駆動するモータドライバ7とを備えている。
なお、AD変換器13bについて、例えば600dpiの精度を得ようとする場合、分解能は500mm/0.0423mm=11820となるので、14ビットのADコンバータにより対応可能である。
このようなモータの駆動装置によるキャリッジの駆動操作の一例を図9に示されるフローチャートに基づいて説明する。例えばキャリッジ4を読取画像の大きさに基づいて所定の位置(例えばデジタル位置PとしてP=128)を指定して(ステップS1)、DCモータ15の駆動をオンすると(ステップS2)、CPU20は位置検出部からの検出信号に基づく現在の位置をデジタル位置Cとして、AD変換器から読み取り(ステップS3)、このCの値とPの値を比較して、Cの値がPの値に等しくなるまでDCモータ15を駆動する(ステップS4N、ステップS3)。そして、Cの値がPの値となった時点でモータの駆動をオフし(ステップS4Y,ステップS5)、その駆動制御処理を終了する。
(実施の形態2)
上述した実施の形態1では、固設されたモータでキャリッジが駆動される場合の構成について説明したが、実施の形態2では、リニアモータとしてのボイスコイルモータ15Aでキャリッジ4を移動させるようにした構成について説明する。この場合、スリット板11としては、例えば図3(B),図3(D)で示されるスリット形状を有するものが使用されることが好ましい。
図10はリニアモータ(ボイスコイルモータ)を用いた場合の、モータ駆動制御装置を示す全体構成図である。この場合キャリッジ4はボイスコイルに取り付けられ、ボイスコイルと一体的に駆動される。キャリッジ4にはまた実施の形態1と同様に光センサ12が設けられ、キャリッジ4に隣設されその副走査方向に延設されたスケーラ(スリット板)11のスリットを検出する。演算部13Aはそのスリットを計数し、例えば基準位置に対して検出されたスリット数を加減算してキャリッジの位置を検出する。そして、所望の位置に到達するまでモータドライバ7を介してボイスコイルモータ15Aを駆動し、所望の位置に到達した場合にモータドライバ7に停止指令を出してその駆動を停止させる。これによりキャリッジ4の位置制御が行われる。
図11(A)および(B)はボイスコイルモータの構成を示す図であり、ボイスコイルモータ15Aはヨーク151上で副走査方向に可動とされたボイスコイル152と、このボイスコイル152の磁界と相互作用してボイスコイル152を副走査方向に駆動させる界磁コイル153とを備える周知の構成を有している。ボイスコイル152には例えばモータドライバ7から供給される電流が流れる。界磁コイル153には例えば一定電流が流される。
図12(A)は、キャリッジの側部に設けられるスリット板11Aを示している。この場合、光センサ12の受光器12bから得られる検出信号は図12(B)に示されるような三角波形状をなす三角波パルスである。なお、光センサの受光器12bは、図12(C)に示すように、スリット板11Aのスリット方向にスリットよりも長い長さを有する長方形状をなしている。
ボイスコイルモータ15Aを用いた場合のキャリッジ4の位置制御(モータの駆動制御)は、基準位置(あるいは初期位置)からボイスコイルモータ15Aを加速、等速駆動してキャリッジ4を移動させた場合、位置検出部16Aにより図12(B)の三角波形状(パルス)が幾つ検出されたかを加減算して、現在位置を検出し、現在位置からあと所定数のパルスをカウントすると目標位置に到達するという時点から減速制御に移り、そして例えば目標位置まで残りスリットが例えば設定値(例えば1つ)となったときに、ブレーキ動作を行うようにする。
この構成は、例えば図13に示される。この場合の制御部は、上述したスリットを検出する光センサ12と、光センサ12からのスリット検出信号に基づいて制御モードを演算する演算部13Aと、演算部13Aが目標位置までの残りスリット検出数を演算し、所定数に達するまでは、演算部の指示に基づき加速、等速制御を行うと共に、演算部13Aが目標位置までの残りスリット検出数を演算し、所定数に達した後、設定値(例えば1つ)に達するまでは、演算部の指示に基づき減速制御を行う駆動制御回路14Aと、演算部13Aが目標位置までの残りスリット検出数を演算し、それが設定値に達した場合に駆動制御からブレーキ制御に切り換える制御切換器(及びスイッチ)22と、切り換え後、演算部13Aの指示に基づきブレーキ制御を行うブレーキ回路14Bとを備えている。これら駆動制御回路14A及びブレーキ回路14Bの出力はそれぞれモータドライバ7に入力される。
図14はボイスコイルモータ15Aを用いた場合のブレーキ動作を行わせるブレーキ回路14Bを示している。また図15(A)〜(D)は、このブレーキ動作の原理を示す動作説明図である。図14に示されたブレーキ回路14Bは図13の回路において、スイッチSWをブレーキ回路14Bに接続した場合に構成される回路である。このブレーキ回路は、図14に示すように、例えばレジスタ142に登録された基準値Xを中心にして光センサ12の出力を反転増幅する反転増幅回路141を備えて構成されることができる。即ち負の定数を光センサ12の出力に乗じてモータドライバ7に負帰還させることにより行われる。これによれば、基準値Xに制御目標が収束し、モータを例えば手で動かそうとすると、光センサ12の出力はV1xの矢印に沿って信号が増大する方向となるが、これに対してモータドライバ7に帰還される信号は、モータに対してV1が反転したV2によって制御を行うことから、モータはV1xとは反対にV2xの矢印の方向に動作しようとして結果的にモータを現状の光センサ位置に止めておくように働く。これによりモータはブレーキ状態になり反対方向へ動かそうとしても正方向へ動かそうとしてももとの位置に止まろうとする。
駆動制御回路14Aにおいて、等速制御は、例えばPLL制御ループによる負帰還制御を行うことで達成することができる。
図16は等速制御回路の構成の一例を示し、図17における(A)〜(U)は各部のタイムチャートを示している。図16中Rは抵抗、Cはコンデンサを示している。図17中(A)は駆動基準パルスをなすM-CK(マスタークロック)であり、このクロックとセンサ出力の誤差信号を一定値以下にすることを目標に負帰還制御が施される。今、目的の誤差が1クロック分とすると、制御が定常状態にあるときセンサ出力は(D)のように、定常偏差が1クロック分となる。このときEX-OR回路による分周クロックとセンサ出力の差は(H)のようにgの幅となり、1クロック分となる。この誤差信号を+側信号として、1クロックの信号幅を−側信号として2.5Vを基準信号とした検波回路で合成すると(M)のような波形となる。これを平滑回路に通すと2.5Vを中心に+側、−側に均一に+、−の両波形が存在することから、平滑波形は(N)のように三角波形となり更に平滑すると2.5V平均となる。これをモータの駆動信号として負帰還すると2.5Vは基準値であることから現状を維持する。
ここで、モータの回転が若干遅くなり、分周クロックとセンサ出力の誤差が(I)のhのように大きくなると、平滑信号は(P)のように2.5Vよりも高くなり、これをモータの駆動信号として負帰還すると、モータの回転数は上がり、誤差信号も(J)のj幅よりも狭くなり、結果的に(H)のgの幅へ近づき負帰還は平衡する。
また、モータの回転が若干速くなり、分周クロックとセンサ出力の誤差が(J)のjのように小さくなると、平滑信号は(U)のように2.5Vよりも低くなり、これをモータの駆動信号として負帰還するとモータの回転数は下がり誤差信号も(J)のj幅よりも広くなり、結果的に(H)のg幅へ近づき負帰還量は平衡する。
なお、加速及び減速はモータ速度の基準をなす駆動パルスをそれぞれ高域及び低域に移行させて行うことができる。
(A)は本発明の実施の形態1における画像読取装置のDCモータの駆動装置を説明する概略図であり全体構成図、(B)は本発明の実施の形態1における画像読取装置のDCモータの駆動装置を説明する概略図であり位置検出部を示す構成図である。 (A)は光センサを示す図であり透過型センサを用いた光センサを示す図、(B)は光センサを示す図であり反射型センサを用いた光センサを示す図である。 (A)は位置検出スリット形状を示す図であり透過型センサを用いる場合の遮蔽スリット形状を示す図、(B)は位置検出スリット形状を示す図であり透過型センサを用いる場合の遮蔽スリット形状を示す図、(C)は位置検出スリット形状を示す図であり反射型センサを用いる場合の反射スリット形状を示す図、(D)は位置検出スリット形状を示す図であり反射型センサを用いる場合の反射スリット形状を示す図である。 (A)は光センサをより具体的に示す回路図であり透過型センサを示す図、(B)は光センサをより具体的に示す回路図であり透過型センサを示す図、(C)は光センサをより具体的に示す回路図であり反射型センサを示す図、(D)は光センサをより具体的に示す回路図であり反射型センサを示す図である。 (A)は光センサとリニアリティの関係を示す図であり投光部と受光部を示す図、(B)は光センサとリニアリティの関係を示す図であり遮蔽板の形状による検出感度のリニアリティを示す図、(C)は光センサとリニアリティの関係を示す図であり遮蔽板の形状による検出感度のリニアリティを示す図である。 (A)は受光部の形状による検出感度のリニアリティを示す図、(B)は受光部の形状による検出感度のリニアリティを示す図である。 光センサの位置に対するセンサ出力電流とその時のセンサ出力電圧を示す図である。 モータ駆動制御装置を示すブロック図である。 モータ駆動制御回路の動作を示すフローチャートである。 実施の形態2における画像読取装置のリニアモータの駆動制御装置を説明する概略図である。 リニアモータの構成を示す図である。 (A)はボイスコイルモータの位置検出用スリット板を示す図、(B)は位置検出センサを構成する光センサの出力を示す図、(C)は光センサの受光器とスリット板におけるスリットとの関係を示す図である。 制御部の構成を示す図である。 ブレーキ回路を示す図である。 (A)はブレーキ回路の動作原理を説明する図でありセンサの非反転出力を示した図、(B)はブレーキ回路の動作原理を説明する図でありセンサの反転出力を示した図、(C)はブレーキ回路の動作原理を説明する図でありセンサの非反転出力と反転出力を重ねて示した図、(D)はブレーキ回路の動作原理を説明する図でありブレーキ動作の模式図である。 負帰還制御回路を示す回路図である。 負帰還制御回路の各部の波形を示すタイムチャートである。 従来の画像読取装置のモータ駆動装置を示す図である。
符号の説明
1 駆動軸、2 従同軸、3 ワイヤ、4 キャリッジ、7 モータドライバ、10 画像読取装置、11 スケール、12 光センサ、13 演算部、14 駆動量演算部、15 DCモータ、16 位置検出部、17 制御部。

Claims (5)

  1. 画像読取装置のキャリッジを直流モータを用いて駆動する画像読取装置のモータ駆動制御装置であって、
    キャリッジの駆動方向に沿って設けられた位置検出用スケールと、
    前記キャリッジに設けられ、前記位置検出用スケールを検出するセンサと、
    前記センサによる検出信号に基づいて前記直流モータを駆動する制御部とを備えてなる画像読取装置のモータ駆動制御装置。
  2. 請求項1に記載の画像読取装置のモータ駆動制御装置において、
    前記制御部は、前記センサにより検出された検出信号に基づいて前記キャリッジの位置を演算する演算部を備えている画像読取装置のモータ駆動制御装置。
  3. 請求項2に記載の画像読取装置のモータ駆動制御装置において、
    前記位置検出用スケールは副走査方向にその検出幅が変化する形状を有し、前記演算部は前記センサにより検出された前記検出幅に基づいて位置を検出する画像読取装置のモータ駆動制御装置。
  4. 請求項2に記載の画像読取装置のモータ駆動制御装置において、
    前記位置検出用スケールには副走査方向に等間隔で設けられた複数のスリットが設けられ、前記演算部は前記スリットにより形成され前記キャリッジの駆動に伴って前記センサにより検出される検出パルスの数に基づいて位置を検出する画像読取装置のモータ駆動制御装置。
  5. 請求項2に記載の画像読取装置のモータ駆動制御装置において、
    前記センサは光を照射する投光器と前記位置検出用スケールを隔てて前記投光器に対向して設けられ、前記投光器より照射された光のうち前記位置検出用スケールにより遮られなかった光を受光する受光器とを備えた透過型センサである画像読取装置のモータ駆動制御装置。
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