JP2006137053A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣブラシレスモータをキャリッジ駆動系に適用する駆動系でホール素子信号を活用することで、転流の時間間隔に左右されることなく、モータ本体に起因するトルク変動自体を相殺する駆動制御を行い、速度変動を減少させ、良好な画像を形成すること。
【解決手段】被記録媒体にインクを吐出して記録を行う記録ヘッドを保持するキャリッジをＤＣブラシレスモータを駆動源として前記被記録媒体の搬送方向に対して交差する方向に往復走査するキャリッジ駆動機構を備えるインクジェット記録装置において、トルク変動を推定して相殺駆動量を求める変動トルク変換器の出力である変動トルク補正値と、前記駆動指令値と変動トルク補正値からモータドライバへの入力となるモータ操作量を求めることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ等の情報処理システムにおいて、文字、画像等の情報を被記録媒体上に出力するために用いられるキャリッジ駆動機構を備えるインクジェット記録装置に関する。

インクジェット記録技術は、微細なノズルからインクを被記録媒体（紙、布、プラスチックシート等）に向けて吐出することによって、直接的に文字や画像を記録するものである。従来から、このようなインクジェット方式の記録ヘッドを持つ記録装置は、複写機、ファクシミリ、プリンタ、ワードプロセッサ、ワークステーション等の出力端末としてのプリンタ或いはパーソナルコンピュータ、ホストコンピュータ、光ディスク装置、ビデオ装置等に具備されるハンディ又はポータブルプリンタとしてこれらの情報処理システムに利用されている。

このような従来のインクジェット記録装置においては、インクジェット記録ヘッドとインクタンクとが一体となった、若しくはインクタンクを更にカートリッジに対し脱着式にしたインクジェットカートリッジを用いるものが知られている。

従来のインクジェット記録装置の一例の基本構成を図４に示す。

図４に示すインクジェット記録装置は、インクジェット記録ヘッドの往復移動（主走査）と、一般記録紙、特殊紙、ＯＨＰフィルム等の記録用シートの所定ピッチごとの搬送（副走査）とを繰り返しつつ、これらの動きと同期させながらインクジェット記録ヘッドから選択的にインクを吐出させ、記録用シートに付着させることで、文字や記号、画像等を形成するシリアル型の記録装置である。

図４において、不図示のインクジェット記録ヘッドを有するカートリッジ１０１は、キャリッジ１０２に着脱可能に搭載されている。このキャリッジ１０２は、駆動モータ１０６に結合された駆動プーリ１０５とアイドラプーリ１０７との間に張設されたタイミングベルト１０４にキャリッジ１０２の一部が固定されており、駆動モータの回転に応じ２本のガイドシャフト１１８、１２０に沿って矢印Ａ’方向に往復移動可能である。

記録用シート１２１は、不図示の搬送ローラにより、インクジェット記録ヘッドのインク吐出面に対面し、且つ、インク吐出面との距離を一定に維持するように、キャリッジ１０２の移動方向と交差する方向（例えば、直交する方向である矢印Ｂ’方向）に搬送される。そして、記録領域まで搬送された記録用シート１２１に対して、不図示のインクタンクから供給されたインクがインクジェット記録ヘッドの吐出口より吐出されることで記録が行われる。

キャリッジ１０２の駆動方法としては、検出手段として２相リニアエンコーダ及び位置サーボ回路を用いてクローズドループによって位置及び速度の制御を行うことが多い。キャリッジの速度変動はインクの着弾を乱す原因となるので、速度変動をなくしていくことが画像形成のポイントになる。

速度変動を押さえるためには、上記のサーボ制御の安定化を図ることが重要となる。しかし、モータ本体から生じるトルク変動を全て抑えることは難しい。トルク変動を引き起こす要因として、モータの構成上どうしても存在する磁極の切り替えによるものや、モータ内の磁石に塗布される磁極の不均一性等が挙げられる。

ＤＣブラシモータに比べ、ＤＣブラシレスモータは耐久性、トルク出力に優れ、且つ、スロット数と極数が多いことから電流特性がなだらかになることで、トルク変動にも優れていることが多いことから、キャリッジ駆動系の駆動源としてＤＣブラシレスモータを用いる例も増えている。

ＤＣブラシレスモータをキャリッジ駆動系に適用する際に、ＤＣブラシレスモータ特有のもので、モータそのものの動きを観測することができるホール素子信号を用い、速度変動を軽減しているものもある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２７２１６１号公報（図１）

しかしながら、上述したような従来のＣＲモータの制御では、以下のような問題が生じる。

図５は３相８極ＤＣブラシレスモータの、モータ一回転での1相分のホール信号の出力値を示したものとなる。図５の上部波形がホール信号の生波形となり、２値化されたものが下図の点線となる。一般的なドライバでのコイルの通電順序（以下、転流）は、2値化データのＨＩＧＨ、ＬＯＷ信号でホール素子の状態を認識し、この場合は８状態の判別がつく。最終的には３相分の何れかの切替点を持って転流を行うので、１回転で２４回、転流が起きる。

上記例では、キャリッジが定速駆動区間にあるとき、２値化されたホール素子信号の周期時間を計測して、ＤＣブラシレスモータの転流タイミングを調整している。このやり方では、モータの状態を検知できる数については、
１回転でのモータ状態数＝モータ極数＊ホール素子数
といった制約があり、上記モータでは１回転に２４回となる。

通電切替タイミング前後の時間での調整となるため、転流間の変動までは対応できていない。時間軸を大きく取った時の速度変動に対しては有効と言えるが、転流間の速度変動に対して対応できるとは言いにくい。且つ、モータのトルク変動そのものについて対応している訳ではないので、モータ本体に起因する速度変動の抑制が可能とは言いにくい。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ＤＣブラシレスモータをキャリッジ駆動系に適用する駆動系でホール素子信号を活用することで、転流の時間間隔に左右されることなく、モータ本体に起因するトルク変動自体を相殺する駆動制御を行い、速度変動を減少させ、良好な画像を形成することができるインクジェット記録装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、被記録媒体にインクを吐出して記録を行う記録ヘッドを保持するキャリッジをＤＣブラシレスモータを駆動源として前記被記録媒体の搬送方向に対して交差する方向に往復走査するキャリッジ駆動機構を備えるインクジェット記録装置において、前記キャリッジの位置制御及び定速速度制御を行う補償器演算の出力値である駆動指令値と、前記DCブラシレスモータの機械情報とホール素子電圧情報からモータ角度を求めるモータ角推定演算の出力値であるモータ角値と、前記ＤＣブラシレスモータのホール素子電圧情報とモータ角値と理想ホール素子電圧情報との偏差を求めるホール信号演算の出力値であるホール信号偏差量と、前記ＤＣブラシレスモータが有するホール素子毎のホール信号偏差量の平均値から磁力ばらつきを求める磁力推定演算の出力値である磁力推定値と、前記DCブラシレスモータの機械情報とモータ角値と磁力推定値からトルク変動を求めるトルク変換演算の出力値であるトルク変動補正値と、前記駆動指令値とトルク変動補正値とからモータドライバへの出力となるモータ出力値を求めることを特徴とする。

加えて、上記のモータ出力値は、ソフトウェアによる補償器演算と、ハードウェアによるホール信号演算とホール信号偏差加算演算とトルク変換演算から求められることを特徴とする。

加えて、上記のモータ出力値は、入力駆動信号がＰＷＭ信号であるＰＷＭ駆動型モータドライバとＤＣブラシレスモータの組み合わせにおいて、補償器演算を行う周期毎に更新された駆動指令値に、ＰＷＭ周期毎に更新されるトルク変動補正値を加算して求めることを特徴とする。

加えて、上記のモータ出力値は、入力駆動信号がアナログ信号であるリニアアンプ型モータドライバとＤＣブラシレスモータの組み合わせにおいて、補償器演算を行う周期毎に更新される駆動指令値に、ハードウェアの最小駆動周期毎に更新されるトルク変動補正値を加算して求めることを特徴とする。

加えて、上記の理想ホール素子電圧情報は、前記ＤＣブラシレスモータの角度位置を検出する角度検出手段と、前記角度位置検出手段の出力値となるモータ角と、前記ホール素子の基準最大電圧量とにより求めることを特徴とする。

このような手段を用いることで、モータの着磁の不均一性によるトルク変動を相殺する駆動制御を行い、キャリッジの速度変動を軽減させ、良好な画像形成を実現することが可能となる。

本発明によれば、サーボ演算部の出力値に対して、ホール素子信号を用いた磁力ばらつくによるトルク変動を除去する補正値を加算することで、モータの変動成分による速度変動を軽減することが可能となる。

又、インクジェットプリンタのキャリッジ駆動系に適用することで、速度変動を抑えた結果としての着弾精度の向上を図れ、良好な画像品質を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

始めに、ブラシレスモータのホール素子信号と着磁の関係について説明する。

図６は３相８極ブラシレスモータのホール素子信号と発生トルクの関係図となる。図６の最上部がホール素子の出力値となるホール電圧（ホール素子信号）を３相分（Ｕ相、V相、W相）表したもので、図中部が各相のホール電圧を加算したもの、図下部が発生されるトルクである。

３相８極の条件から、モータ一回転中に各相の出力が４周期ずつ存在している。正方向の最大値の時がロータに着磁された、S極が最もホール素子に近い位置に来るときである。ブラシレスモータを駆動するためには、このホール素子の値でモータの磁極位置を判定し、ステータの通電順序を変えていくことになる。一般的なICを用いる際には、ホール電圧は2値化されHigh、Lowのみから判定される。３相８極では、１回転で２４状態モータ各が識別でき、状態に応じて通電方向が変化する。各ホール電圧の合計は０となり、この状態のときには均一なトルクが発生する。

しかし、実際にはホール電圧の出力値は均一ではない。ホール素子はロータ磁極リーケージ・フラックスを利用したものであるので、ロータの磁力の大きさに比例してホール素子の出力も増加すると考えられる。

図７はこの状態を示したものである。図７の最上部が、1相分のホール電圧を表しており、破線部が磁力が均一なロータによる理想ホール電圧の変化となり、実線が不均一なロータである。破線の絶対値より実線の絶対値が大きな場合には、定常より大きな磁力がロータに存在し、この磁極がステータに引き寄せられる時には、定常より大きな力で引き寄せられる。つまり、トルクが大きく、同じ指令値でも速度が速いということである。

逆に、実線が小さいときには磁力が弱いため、トルクが小さく、速度が遅くなる。図７の中部が、ホール電圧の理想ホール電圧に対する偏差量示したもので、同図下部がその際のトルク変動である。

トルク変動は、磁極がステータに最も近づいたときに大きくなるので、実際のホール電圧の振幅が最大となる位置で、最大トルクを発生する訳ではない。しかし、ステータとホール素子の機械的配置は一意で決まるものであり、モータ角さえ分かれば周期的な補正を掛けることは可能である。図７ではトルク発生のイメージを分かり易くするために、時間軸を揃えてトルク変動を表している。

最終的な発生トルクは、モータの持つ各相の発生トルクの加算値から求められる。そのためには、上記ホール電圧の偏差量をもって各磁極の磁力分布とし、モータ角とステータ位置から各相に与える影響を推定してトルク変動量とし、各相トルクを加算して変動トルク推定値とする。

図８は合成された変動トルク図である。図８中の細実線が各相での発生トルクとなり、太実線が合計された変動トルクである。この変動トルクを打ち消すようなモータ出力を、サーボ演算結果に加算していく。

図１は本発明における全体ブロック図である。駆動源は、３相のDCブラシレスモータ４で、駆動対象５（キャリッジ）に附属するエンコーダ６から求められる位置、速度情報２６によるフィードバック制御を掛けている。DCブラシレスモータは、PWM信号を入力としたモータドライバ３により駆動される。位置、速度情報はエンコーダ６から発生するA相、B相の信号をもってASIC内部のエンコーダ信号制御部２５により変換される。

CPU側では、主としてサーボ演算を行う。サーボ演算部では、サーボ割り込み周期ごとに位置、速度情報２６を読みに行く。キャリッジの加速、定速、減速動作から成る指令値を発生する指令発生器１の出力と、位置、速度情報２６から補償器２がPWMDUTYを決定する。PWMDUTYはASIC内のPWM指令値レジスタ１５にセットされ、サーボ周期ごとに更新していく。又、モータドライバ３へ出力するPWM信号の駆動周期を決定し、これをPWM周期設定レジスタ１４にセットする。

CPUでの演算結果を受け、ASIC側で補正値を求め、最終的なPWM信号を決定するハードウェア処理部を説明する。

PWM指令値レジスタ１５の値に補正を掛ける変動トルク補正値２４を求めるのが、発生トルク推定部７である。

DCブラシレスモータのホール素子信号であるU相１７、V相１８、W相１９と、モータ機械情報３２からモータ角推定器３３がモータ角値２３を推定する。モータ角値２３を受け、U相比較部８、V相比較部９、W相比較部１０が理想ホール信号との偏差値を出力する。U相が偏差値１:２０、V相が偏差値２:２１、W相が偏差値３：２２となる。各相の偏差値を加算平均して、磁極の磁力ばらつきを推定し磁力推定値３４を出力するのが磁力推定器１１である。

図２はU相比較部８の詳細である。ホール素子波形基準電圧レジスタ２８に設定されたホール電圧の最大値と、モータ角値２３からホール素子電圧推定器２９が推定相電圧３０を出力し、U相１７と相電圧３０から減算器３１により偏差値１：２０が出力される。V相、W相についても同様の処理が行われ、入力相に対応した偏差値が出力される。

変動トルク変換器１２は、変動トルクを推定し、変動トルク補正値２４を求めるものである。

図３は変動トルク変換器１２の詳細図である。U相変動トルク推定器３５と、V相変動トルク推定器３６と、W相変動トルク推定器３７により求められた各相の変動トルクが、加算器４０によって合成され最終的な変動トルクが推定される。この推定トルクを打ち消すようなモータへの補正値を求めるのがPWM変換４１である。

U相変動トルク推定器３５では、モータ角値２３と磁力推定値３４とモータ機械情報３２から単相変動トルク変換器３８が、DCブラシレスモータ４の相毎の、モータ角に応じたトルク変動量を求めるもので、出力値がＵ相トルク変動量３９である。V相、W相についても同様の処理を行い、最終的な変動トルク補正値２４が求められる。

発生トルク推定部７は、PWM周期設定レジスタ１５のセットされた周期データごとに割り込まれ演算が実行される。変動トルク補正値２４が、サーボ周期ごとに更新されるPWM
指令値レジスタ１５の値に加算器２：１３で加算され、PWM設定レジスタ１６にセットされる。PWM設定レジスタ１６に応じたモータ操作量４２がモータドライバ３に入力される。

モータドライバが、PWM駆動方式の場合は、入力されるPWM周期以上の応答は望めないため、PWM周期設定レジスタ１５に書き込まれた周期に応じて、発生トルク推定部７が実行されるが、モータドライバがリニアアンプ駆動型の場合は、ASICを動作させる水晶石の限界で発生トルク推定部７が実行され、より細かな補正を行うことが可能となる。又、PWM変換４１はリニア案分の入力に合わせた変換を行う。

本発明における全体ブロック図である。 U相比較図の詳細ブロック図である。 変動トルク変換器の詳細ブロック図である。 インクジェット記録装置の部分斜視図である。 理想的な状態でのホール信号、トルク値を示す図である。 ホール素子信号と変動トルク図である。 全体変動トルク参考図である。 合成された変動トルク図である。

符号の説明

１ 指令値発生器
２ 補償器
３ モータドライバ
４ DCブラシレスモータ
５ 駆動対象
６ エンコーダ
７ 発生トルク推定部
８ U相比較部
９ V相比較部
１０ W相比較部
１１ 磁力推定器
１２ 変動トルク変換器
１３ 加算器２
１４ PWM周期設定レジスタ
１５ PWM指令値レジスタ
１６ PWM設定レジスタ
１７ U相
１８ V相
１９ W相
２０ 偏差値１
２１ 偏差値２
２２ 偏差値３
２３ モータ角値
２４ PWM調整値
２５ エンコーダ信号制御部
２６ 位置、速度情報
２７ PWM周期割り込み
２８ ホール素子波形基準電圧値レジスタ
２９ ホール素子電圧推定器
３０ 推定相電圧
３１ 減算器
３２ モータ機械情報
３３ モータ角推定器
３４ 磁力推定値
３５ U相トルク推定値
３６ V相トルク推定値
３７ W相トルク推定値
３８ 単相変動トルク変換器
３９ U相トルク変動値
４０ 加算器
４１ PWM変換器
４２ モータ操作量

Claims (6)

1. 被記録媒体にインクを吐出して記録を行う記録ヘッドを保持するキャリッジをＤＣブラシレスモータを駆動源として前記被記録媒体の搬送方向に対して交差する方向に往復走査するキャリッジ駆動機構を備えるインクジェット記録装置において、
   前記キャリッジの位置制御及び定速速度制御を行う補償器の出力である駆動指令値と、
   前記DCブラシレスモータの機械情報とホール素子電圧情報からモータの角度推定を行うモータ角推定器の出力であるモータ角値と、
   前記ＤＣブラシレスモータのホール素子電圧情報とモータ角値から理想ホール素子電圧との偏差を求める単相比較部の出力である偏差値と、
   前記ＤＣブラシレスモータが有するホール素子毎の偏差値から磁力ばらつきを推定する磁力推定器の出力である磁力推定値と、
   前記DCブラシレスモータの機械情報とモータ角値と磁力推定値からトルク変動を推定して相殺駆動量を求める変動トルク変換器の出力である変動トルク補正値と、
   前記駆動指令値と変動トルク補正値からモータドライバへの入力となるモータ操作量を求めることを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記モータ操作量は、ソフトウェアによる補償器の演算と、ハードウェアによるモータ角推定器と単相比較部と磁力推定器と変動トルク変換器の演算から求められることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
3. 前記モータ操作量は、入力駆動信号がＰＷＭ信号であるＰＷＭ駆動型モータドライバとＤＣブラシレスモータの組み合わせにおいて、補償器の演算を行う周期毎に更新された駆動指令値に、ＰＷＭ周期毎に更新される変動トルク補正値を加算して求めることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
4. 前記モータ出力値は、入力駆動信号がアナログ信号であるリニアアンプ型モータドライバとＤＣブラシレスモータの組み合わせにおいて、補償器の演算を行う周期毎に更新される駆動指令値に、ハードウェアの最小駆動周期毎に更新される変動トルク補正値を加算して求めることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
5. 前記単相比較部は、前記DCブラシレスモータのホール素子の基準電圧値とモータ角値から理想ホール素子電圧を推定するホール素子電圧推定器の出力である推定相電圧値と、前記推定相電圧値とホール素子電圧情報との減算から偏差値を出力することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
6. 前記変動トルク変換器は、前記DCブラシレスモータの機械情報とモータ角値と磁力推定値から単相での変動トルクを推定する単相変動トルク推定器の出力である単相トルク変動値と、ＤＣブラシレスモータが有するホール素子毎の単相トルク変動値の加算値となる変動トルクの相殺量を出力することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。

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