JP2008046933A - 位置決め制御装置、位置決め制御装置の制御方法、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実験的や経験的な調整を不要とし補償器の定数を変更しても検出系の特性により制御系の制御性能が低下することのない位置決め制御装置を提供する。
【解決手段】位置検出器７６の位相の異なる２つのアナログ出力信号と夫々を２値化した２値化信号に基づいて処理を行う第１の速度演算部８１と第２の速度演算部８２とを備え、所定の条件によって前記２つ速度演算部８１、８２を切り換えて速度フィードバックを行う位置決め制御装置において、２値化信号の周波数と制御系の応答周波数に基づいて速度演算部８１、８２の切り換え条件を設定する切り換え部８３を備えるようにした。
【選択図】図１０

Description

本発明は、複写機、プリンタ等の画像形成装置における位置決め制御装置、位置決め制御装置の制御方法、及びこの位置決め制御装置を用いる画像形成装置に関するものである。

従来から、精密位置決めステージ、ＧＪの副走査駆動系、工作機械等の精密位置決めが必要な分野における高分解能の位置決め装置、画像形成装置に使用する位置決め制御装置等では、速度演算回路を備え、速度により切り換えたり、エンコーダパルスと内挿値に基づいた速度信号を使用したりして適切な位置決め制御を行うことが知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
従来技術である特許文献１では、低速領域用と高速領域用の速度演算回路を備え速度により切り換えることが開示され、特許文献２では、高速時には、エンコーダパルスに基づいた速度信号を、低速時には、エンコーダパルスと内挿値に基づいた速度信号を使用することが開示されている。
特許文献３では、分解能の異なる２つのエンコーダを備え、分解能の低いエンコーダを分解能の高いエンコーダで補正し、その機構を記録紙搬送装置に展開することが開示されている。

本出願人の研究では、無端ベルトにベルトマークセンサ（リニアエンコーダ）を備え、無端ベルトを支持するローラに回転角度センサ（ロータリエンコーダ）を備えたベルト搬送装置が開発され、その装置をインクジェットプリンタやマルチファンクションプリンタの紙搬送装置に展開している。
さらに、本出願人の研究では、アナログ出力のエンコーダを使用し、４逓倍カウンタのカウント値と内挿値を合成し分解能を向上させるとともに、カウント値と内挿値の位相ずれによって発生する誤差を補正する技術が開発され、この位置検出装置を用いた画像形成装置がある。

従来技術として、さらに、特許文献１には、エンコーダの２相アナログ信号を微分し論理信号により、前記微分値を選択することによって速度を算出する低速領域の速度検出手段（第１の速度演算回路）と、２相アナログ出力信号を２値化した２値化信号をｆＶ変換して速度を算出する高速領域の速度検出手段（第２の速度演算回路）と、切り換え回路を備え、夫々を切り換え回路によって切り換えることが記載されている。
また、特許文献２では、１つのエンコーダ出力を使用し、高速時にはパルスカウンタから位置情報を取得し、低速時には内挿演算より取得し、２つの位置情報を所定の参照速度で切り換えることによってサーボ制御装置の性能を向上させることが記載されている。

特許文献１及び２では、２つの速度検出手段を切り換えることによって、位置決め制御装置の性能を向上させているが、この切り換えタイミングについての詳細な記載はなく、特許文献２では、所定の参照速度で切り換えるとの記載があるだけである。
制御系の性能を向上させるためには、この切り換え条件が重要である。例えば、制御系に要求される応答周波数よりもセンサ入力の帯域が狭ければ、前記応答周波数を実現できない。これに対して、センサ入力の帯域が広すぎても高周波領域のノイズが増えるため、制御系の誤差が増加し、制御性能の低下や安定性が低下する可能性がある。特許文献２のように、所定の参照速度に固定してしまうと、制御系の補償器の定数を変更する場合に、上記のような制御性能が低下する問題が発生する可能性がある。

加えて、特許文献１及び２では、２種類の速度検出手段を切り換えて速度フィードバックを行っているが、マイナーループに速度フィードバックループを備えた位置決め制御装置では、その外側に位置フィードバックループを備えている。
この位置フィードバックに関する記載がない。位置フィードバックループは、目標位置とフィードバックされる位置情報から速度フィードバックループの目標速度を算出する部分であることから、フィードバックされる位置情報の分解能は重要である。
本発明者は、インクジェットエンジンの搬送ベルトによる記録紙の搬送機構に関する技術を理解しており、このインクジェットエンジンの記録紙の搬送には、生産性や高画質化の要求によって、高速かつ高精度な位置決めが要求されている。例えば、数ｍｍの改行時、数十ｍ秒の時間で数μｍの位置決めバラツキとなる性能と安定性が要求されている。

特許文献３では副走査の誤差を低減するためにリニアエンコーダを使用することを提案しているが、このリニアエンコーダのピッチが粗いため、高分解能のロータリエンコーダで補完することを提案している。しかし、リニアエンコーダとロータリエンコーダ間の剛性の問題があり、両エンコーダの位相を合わせることは難しい。
また、位相を合わせることが可能であっても、ロータリエンコーダの分解能を向上させるためにはコードホイールの拡大が必要となり、機構レイアウトの問題やコードホイールの剛性の問題から現実的でなくなる。

特許文献３では、前記リニアエンコーダがパルスエンコーダであるため粗いピッチを補完する必要があるが、リニアエンコーダのアナログ信号により、前記ピッチ間を補完できれば、２つのエンコーダを使用する必要がなくなり、安価、かつベルトの動きを直接検出できるためフルクローズドループの制御系が構築できるため、位置決め性能を向上させることができる。
そのため、現状の製品の装置構成に大幅な変更をすることなく、エンコーダセンサにアナログセンサを使用し、ＡＤコンバータを追加する程度に抑え、内挿演算値と４逓倍のアップダウンカウンタのカウント値を合成することによってエンコーダの分解能を向上させることと、内挿演算値とカウント値の位相差によって生じる誤差を位相補正手段によって補正する技術が提案されている。
位置情報の分解能を向上させる内挿演算は、２相同時の振幅変動に対しては、安定（ロバスト）しているが、エンコーダセンサ等に使用されているローパスフィルタの特性バラツキによって、エンコーダの回転速度や速度が向上するに従い、２相間の振幅変動に違いが生じることがある。

図１３はカウント値と内挿値から合成される位置情報に誤差が生じる現象を説明する概略図である。上記の２相間の振幅変動に違いが生じると、２相によって描かれるリサージュ図形にゆがみが生じ、θ＝ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）の内挿演算の結果に誤差が生じるために、カウント値と内挿値から合成される位置情報に誤差が生じることになる。この現象は図１３に示してあり、図中のθｅが誤差に相当する。
また、上述した技術では、ＡＤコンバータのデータラッチをアップダウンカウンタに同期させるような特別な機構は付加していないため、カウント値と内挿値の間にはデータ取得タイミングの違いによる位相差が生じる。
位相差が±９０°以内であれば、位相補正手段によって補正可能であるが、それ以上の違いが生じてしまうと、カウント値に間違った内挿値を加算してしまうことから、位置情報に誤差が生じることになる。

図１４はＡ相とＢ相の９０°位相の異なる正弦波状の信号の内挿演算を説明する図である。図１５は誤差の種類を示す図である。図１６は象限が切り換わる前後で発生する誤差を説明する図である。
次に、図１４乃至図１６を参照しながら、上述した内挿演算について説明する。ここでは、４つの象限を１つの象限の内挿演算に変換して内挿値を求めている例について説明する。
図１４は、Ａ相とＢ相の９０°位相の異なる正弦波状の信号の内挿演算を図示したものである。前記Ａ相及びＢ相の信号をコンパレータ等で２値化したものがＡ＿ｐｕｌｓｅ Ｂ＿ｐｕｌｓｅである。

Ａ相及びＢ相の信号からθ＝ｔａｎ−１（ｘ）の内挿演算によって内挿を求め、所定の定数によって位置や角度に変換したものが内挿値である。前記２値化信号の立ち上がり及び立下りをカウントした値に前記内挿値を合成（加算）することによって、高分解能を得る。
前記ｘはＡ相及びＢ相のアナログ信号の除算値になるが、４象限を１象限に変換しているため、計算対象の象限によって除算の関係は変化する。表１は計算対象の象限による除算の関係を示している。この表１は第１象限に変換した場合の例である。

次に、位相差によって発生する誤差について説明する。前記誤差は、図１５中のａとｂのタイミングで発生する。現象ａは、カウント値がアップされたのに内挿値が前の象限にある状態である。現象ｂは、カウント値はアップされていないのに内挿値が次の象限にある状態である。
特許第３３１４７９３号 特開２０００−１９４４２１公報 特開２００５−３１９７３９公報

しかしながら、上述したような位相差によって、検出される位置もしくは角度は、図１６中にあるように象限が切り換わる前後で現象ａでは正方向に、現象ｂでは負方向に誤差が発生する。このような誤差を含んだ値をフィードバックして位置決め制御を行う場合、象限の切り換えタイミングで、誤作動を起こしたり制御系が不安定になってしまったりする可能性がある。
この位相差によって発生する誤差を抑える位相補正手段を上述した技術では提案しているが、±９０°以上（±１象限を越える）の位相差が生じた場合、補正しきれなくなってしまう。
特に、プリンタや複写機のような画像形成装置に搭載される演算装置は、安価な部品で構成されるため、アナログ信号を高速でサンプリングすることが不可能であり、前記位相差による誤差は生じ易い。また、２相間のフィルタ特性のバラツキも生じ易いという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、エンコーダ等の位置検出器の２相アナログ出力信号を使用した内挿演算値と、２値化信号を使用した４逓倍カウンタの値から高分解能の位置もしくは角度を検出する機能を備え、２つの速度演算部を切り換えるタイミングを明確にすることにより、実験的や経験的な調整を不要とし、補償器の定数を変更しても検出系の特性により制御系の制御性能が低下することのない２つの速度演算部と切り換え部を備えた位置決め制御装置、位置決め制御装置の制御方法、及び位置決め制御装置を搭載した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、位置検出器の位相の異なる２つのアナログ出力信号と夫々を２値化した２値化信号に基づいて処理を行う第１の速度演算部と第２の速度演算部とを備え、所定の条件によって前記２つ速度演算部を切り換えて速度フィードバックを行う位置決め制御装置において、前記２値化信号の周波数と制御系の応答周波数に基づいて前記第１及び第２の速度演算部の切り換え条件を設定する切り換え部を備える位置決め制御装置を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記切り換え部は、前記位置検出器の２値化信号の周波数が制御系の応答周波数よりも２倍以上高くなる点を切り換え点として設定する請求項１記載の位置決め制御装置を特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記第１の速度演算部は位相の異なる２つの２値化信号をカウントするアップダウンカウンタのカウント値から速度を算出し、前記第２の速度演算部は位相の異なる２つのアナログ信号の内挿値と前記カウント値から速度を算出する請求項１又は２記載の位置決め制御装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記第１の速度演算部は位相の異なる２つの２値化信号のどちらか一方の信号の周期を基本クロックで計測する速度カウンタより速度を算出し、前記第２の速度演算部は位相の異なる２つのアナログ信号の内挿値と２値化信号のカウント値から速度を算出する請求項１又は２記載の位置決め制御装置を特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、第１の位置演算部と第２の位置演算部とを備え、前記切り換え部によって、位置演算部を切り換える位置をフィードバックする請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置決め制御装置を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、位置検出器の位相の異なる２つのアナログ出力信号と夫々を２値化した２値化信号に基づいて処理を行う第１の速度演算部と第２の速度演算部とを備え、所定の条件によって前記２つの速度演算部を切り換えて速度フィードバックを行う位置決め制御装置の制御方法において、前記２つの速度演算部の切り換えを前記２値化信号の周波数と制御系の応答周波数に基づいて前記第１及び第２の速度演算部の切り換え条件を設定する位置決め制御装置の制御方法を特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、位置検出器の２値化信号の周波数が制御系の応答周波数よりも２倍以上高くなる点を切り換え点として設定する請求項６の位置決め制御装置の制御方法を特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、スキャナ部で読み取った原稿画像を給紙部から搬送された記録紙に印字ヘッドから吐出した液滴で印字を行って排紙部へ排紙する画像形成装置において、請求項１乃至５の何れか１項記載の位置決め制御装置を備える画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、２つの速度演算部を切り換えるタイミングを明確にすることにより、実験的や経験的な調整を不要とし、補償器の定数を変更しても検出系の特性により制御系の制御性能が低下することのない２つの速度演算部と切り換え部を備えた位置決め制御装置を提供することができる。
また、本発明によれば、２つの速度演算ステップを切り換えるタイミングを明確にすることにより、実験的や経験的な調整を不要とし、補償器の定数を変更しても検出系の特性により制御系の制御性能が低下することのない２つの速度演算ステップと切り換えステップを備えた位置決め制御装置の制御方法を提供することができる。
また、本発明によれば、位置決め制御装置を備えることによって、高速時でも低速時でも安定した動作を行うことによって高速かつ高精度に位置決めをし、高精度な画像を形成できる画像形成装置を提供できる。

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は本発明に係る紙搬送装置を備えた画像形成装置であるインクジェット記録装置の一例を示す概略構成図である。図１において、インクジェット記録装置１は、プリンタ部３６の上方にスキャナ部３０を配置し、複写装置として構成されている。スキャナ部３０とプリンタ部３６の間には排紙部４０が形成されている。
スキャナ部３０は、コンタクトガラス３１の下方に走査手段３２が走行可能に配設されており、光源により照明された原稿からの反射光を、ミラー、レンズ等を介してＣＣＤ３３に導き、原稿画像の読み取りが行われる。コンタクトガラス３１の上方には、圧板３４が開閉可能に設けられている。
プリンタ部３６において、下方に配置された給紙カセット２７から排紙部４０に到る記録紙搬送路が図に１点鎖線で示すように形成され、その記録紙搬送路中の所定個所に搬送ローラ２５が適宜設置されている。
なお、符号２４は給紙ローラ、符号２６は排紙ローラである。また、手差しトレイ２８が装置側面に設けられ、この手差しトレイ２８からも給紙ローラ２９を介して記録紙が給送される。

インクジェットエンジン２０は記録紙搬送装置３７を有しており、本実施の形態では静電吸着ベルトを用いて記録紙を副走査方向に搬送するシステムを採用している。静電吸着ベルトによる搬送システムは従来のローラ搬送方式に比べて安定した紙送りが可能である。
記録紙搬送装置３７の上に位置するキャリッジ２１は、印字ヘッド２２を搭載して主走査方向（図面に垂直な方向）に往復移動し、印字ヘッド２２から液滴を吐出して印字を行う。
本実施の形態の印字ヘッド２２はシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｂｋ）の各色に対して１ヘッドの４ヘッド構成である。ただし、ヘッド数はこれに限らず、２色で１ヘッドの２ヘッド構成等でも良い。また、主走査方向に往復移動しないラインヘッドでも良い。

本実施の形態のインクジェット記録装置１は、各色インクカートリッジ２３を印字ヘッド２２とは別に搭載し、このカートリッジ２３内のインクが図示しない供給チューブを介して印字ヘッド２２に供給される。
各色インクカートリッジを印字ヘッドとは別に搭載する方式は、プリントの高速化に伴うインク消費の増大に対応する大容量タイプのカートリッジを使用可能であり、業務用に適した方式である。ただし、インク供給方式は、印字ヘッドとカートリッジ一体のタイプの構成でも良い。

図２は図１の記録紙搬送装置の構成を詳しく示す詳細図である。図３は静電吸着ベルトとプラテンの位置関係を図２より簡略化して示す図１の記録紙搬送装置の概略図である。
図２及び図３を参照して、記録紙を副走査方向に搬送する搬送手段としての静電吸着ベルト２は無端ループ状に形成され、搬送ローラ３とテンションローラ４とに掛け渡されている。
静電吸着ベルト２に電荷を付与する帯電ローラ５、静電吸着ベルト２を除電するための除電ブラシ６、静電吸着ベルト２をクリーニングするためのクリーニングブレード７が、夫々静電吸着ベルト２の外周面に圧接されている。
帯電ローラ５、除電ブラシ６及びクリーニングブレード７は、ブラケット１６に支持されている。このブラケット１６には、クリーニングブレード７により静電吸着ベルト２から除去した紙粉やインク汚れ等を貯留する回収部が設けられている。

加圧板１４に適宜な手段で支持された加圧コロ１３は、搬送ローラ３に対向して配置されている。加圧板１４の先端には、先端加圧コロ１５が適宜な手段で支持されている。この先端加圧コロ１５は、静電吸着ベルト２の上辺部の内側に配置されたプラテン１０（図１４参照）に対し、静電吸着ベルト２を押し付ける働きをする。
搬送ローラ３の側方には入口ガイド部材３５が配置されており、給紙部から給送されてきた記録紙を、搬送ローラ３（静電吸着ベルト２）と加圧板１４の間に案内する。
静電吸着ベルト２の上面に静電的に吸着された記録紙は、図において反時計回りに回動する静電吸着ベルト２によって図の右方向から左方向、すなわち副走査方向に搬送される。

テンションローラ４の下流側には、排紙ローラ１７と拍車１８からなる排紙ローラ対が設けられている。テンションローラ４の近傍には分離爪１９が設けられており、分離爪１９によって静電吸着ベルト２から分離された記録紙は、排紙ローラ１７と拍車１８からなる排紙ローラ対によって下流側に送られる。
搬送ローラ３の軸には、コードホイール８が装着されている。コードホイール８には図示しないスリットが形成されており、このスリットを検出するための透過型のエンコーダセンサ９が設けられている。コードホイール８とエンコーダセンサ９によって、ロータリエンコーダを構成している。

図４はベルト搬送機構の伝達機構を示す概略図である。図４には、上記で説明した記録紙搬送装置にも使用されているベルト搬送機構の伝達機構を示している。モータ３８が発生した駆動力は、モータプーリ３９とタイミングベルト４１と搬送ローラ３（図３）の軸の片端面に取り付けられているプーリ４０からなる減速機構を介して、搬送ローラ３へと伝達される。
図２及び図３に示したコードホイール８は、プーリ４０と同軸上もしくはプーリ４０が取り付けられている搬送ローラ３の軸の端面とは反対となる端面に取り付けられている。また、エンコーダセンサ９とコードホイール８からなるロータリエンコーダはモータ軸と同軸上に取り付けられていても良い。

図５は直動ステージを示す概略図である。この直動ステージ４２は回転系の制御対象に代わる構成である。この場合、エンコーダはモータ軸と同軸上のロータリエンコーダでもキャリッジ４４に取り付けられたリニアエンコーダ４６でも良い。モータ４５の回転はボールねじ４２等によって回転運動を直線運動に変換され、キャリッジ４４を駆動する。キャリッジ４４の動きはリニアエンコーダ４６によって位置情報として検出される。
また、図２及び図３を参照して、静電吸着ベルト２の動きを直接検出する図示してないリニアスケールを使用する場合を説明する。コードホイール８やエンコーダセンサ９に代えて、静電吸着ベルト２の裏面には図示しないリニアスケールが形成されている。

リニアスケールは、例えば、静電吸着ベルト２裏面へのアルミ蒸着により形成する（アルミ蒸着してレーザで飛ばして縞模様を形成する）ことができる。使用するリニアスケールはフォトマスクにより製作したもの等、多々あるが製造方法は限定しない。
このリニアスケールは、静電吸着ベルト２裏面に配置されたプラテン１０により邪魔されない所定部位に設けられたものである。静電吸着ベルト２のループ内には、上記リニアスケールを読み取るための反射型のエンコーダセンサ１１が配置されている。
静電吸着ベルト２裏面に形成されたリニアスケールとセンサ１１で、リニアエンコーダを構成する。また、本実施の形態では、静電吸着ベルト２裏側にリニアスケールを形成したが、静電吸着ベルト２表面やこのベルト端面等のベルトの位置が計測できる構成であれば良い。
上記のようなインクジェットエンジンに使用されているロータリエンコーダやリニアエンコーダをアナログ出力のセンサとし、本発明の構成や動作・方法を使用することによってインクジェット記録装置の生産性、安定性及び性能を向上させることができる。

図６は位置のフィードバックループのみからなる位置決め制御装置を示すブロック線図である。図７は位置と速度のフィードバックループからなる位置決め制御装置を示すブロック線図である。一般的な位置決め制御装置のブロック線図である。次に、一般的な位置決め制御装置について説明する。
図６には位置のフィードバックループのみからなる位置決め制御装置を、そして図７には位置と速度のフィードバックループからなる位置決め制御装置を示している。
先ず、図６のブロック線図について説明する。目標値（目標位置）とフィードバックされた位置情報は比較器５０で比較され、位置偏差として位置補償器５１へ入力される。
位置補償器５１では、所定のゲインの乗算や所定のフィルタ処理が行われて、電圧指令値もしくは電流指令値として出力され、ドライバ５２へ入力される。位置補償器５１は、ＰＩＤや位相進みや位相遅れ等の古典制御理論や、図示されていないが、制御対象５４の状態量をフィードバックする現代制御理論に基づく状態フィードバックや、Ｈ∞制御に代表されるロバスト制御理論等のいずれの補償方法を使用しても良い。

ドライバ５２は電圧指令値に応じたモータ電圧を流す電圧制御ドライバもしくは、電流指令値に応じたモータ電流を流す電流制御ドライバから構築される。ここでは、伝達特性が簡単となる電流制御ドライバを使用するものとして説明する。
電流ドライバ５２によってサーボモータ５３は位置補償器５１からの指令電流相当のモータ電流で駆動される。モータの駆動力は、伝達機構を介して制御対象５４を駆動する。制御対象５４の回転位置もしくは位置は位置検出器５５によって検出される。
この位置検出器５５は図５中のリニアエンコーダ４６や、図２中のコードホイール８とエンコーダセンサ９に相当する。位置検出器５５で検出された位置情報は比較器５０へとフィードバックされる。
サーボモータ５３としては、ＤＣブラシ付きモータ、ＤＣブラシレスモータ、ＡＣサーボモータ等が使用できる。前記サーボモータの種類によって、ドライバ５２の駆動形式（単相、三相、ホール素子入力等）も変わってくる。

図７のブロック線図について説明する。目標値（目標位置）とフィードバックされた位置情報は比較器５６で比較され、位置偏差として位置補償器５７へ入力される。位置補償器５７では所定のゲインの乗算や所定のフィルタ処理がされて、目標速度が出力される。
出力された目標速度とフィードバックされる速度情報は比較器５８で比較され、速度偏差として速度補償器５９へ入力される。この速度補償器５９からは所定のゲインの乗算や所定のフィルタ処理が行われて電圧指令値もしくは電流指令値として出力され、ドライバ５２へ入力される。
位置補償器５７、速度補償器５９は、ＰＩＤ、位相進み、位相遅れ等の古典制御理論、図示されていないが、制御対象５４の状態量をフィードバックする現代制御理論に基づく状態フィードバック、Ｈ∞制御に代表されるロバスト制御理論等のいずれの補償方法を使用しても良い。

ドライバ５２は電圧指令値に応じたモータ電圧を流す電圧制御ドライバもしくは電流指令値に応じたモータ電流を流す電流制御ドライバから構築される。ここでは、伝達特性が簡単となる電流制御ドライバを使用するものとして説明する。
電流ドライバ５２によってサーボモータ５３は速度補償器５９からの指令電流相当のモータ電流で駆動される。モータの駆動力は、伝達機構によって制御対象５４を駆動する。位置検出器６０によって、制御対象５４の回転位置もしくは位置が検出される。
位置検出器６０は、図５中のリニアエンコーダ４６や、図２中のコードホイール８とエンコーダセンサ９に相当する。位置検出器６０で検出された位置情報は比較器５６へとフィードバックされる。
位置検出器６０によって検出された位置情報は、速度演算部６１へ入力され、速度情報へ変換されて比較器５８へフィードバックされる。速度演算部６１では、所定周期毎の位置情報の差分や、位置情報の周期を測定する方法（速度カウンタやＦ／Ｖ変換等）によって速度情報を得ることができる。
サーボモータ５３は、ＤＣブラシ付きモータ、ＤＣブラシレスモータ、ＡＣサーボモータ等が使用できる。前記サーボモータの種類によって、ドライバ５２の駆動形式（単相、三相、ホール素子入力等）も変わってくる。
図６及び図７を参照して上述した一般的な位置決め制御装置では、ノイズに強く、扱い易いことから位相の異なる２値化されたエンコーダ信号を使用して位置情報を取得している。

図８は本発明による位置決め制御装置を示すブロック線図である。図９は図８の本発明による位置決め制御装置にエンコーダの２値化信号のパルス間隔を基準クロックでカウントして速度を検出する速度カウンタを付加した構成を示すブロック線図である。
本発明による位置決め制御装置の構成を図８に基づき説明する。ここでは、演算器にＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）を使用し、ホストＣＰＵ（ＨＯＳＴ−ＣＰＵ）６２とホストＩ／Ｆ（ＨＯＳＴＩ／Ｆ）６３を介して、通信を行う形とする。演算器は、ＤＳＰに代えてＣＰＵを使用しても良い。ホストＣＰＵ６２に処理能力があれば、ＤＳＰ６４に代えて、全てホストＣＰＵ６２で処理しても良い。
図示してないモータの回転軸にはロータリエンコーダ６８が取り付けられている。ロータリエンコーダ６８はモータの回転角度を検出し、位相が９０度異なる正弦波もしくは正弦波に近いＡ相及びＢ相のアナログ信号を出力する。Ａ相及びＢ相のアナログエンコーダ信号は２値化回路７０に入力される。

２値化回路７０では、コンパレータ等からなる回路によって所定の電圧のスレッシュレベルで０もしくは１のパルス信号に変換される。また、一般的に、２値化回路７０中では、アナログ信号のノイズに対してロバストとするために、前記スレッシュレベルにヒステリシス特性を持たせている。
これによって、パルス信号のエッジでのチャタリングのような信号レベルの異常動作は防ぐことができる。例えば、図１４に示したパルス信号Ａ＿ｐｕｌｓｅ、Ｂ＿ｐｕｌｓｅは、夫々のパルスのエッジを検出することによって４逓倍を行うアップダウンカウンタ７１に入力されカウントされる。このカウント値に所定の定数を乗じることによって、検出対象の回転角度もしくは位置を検出することができる。

なお、アップダウンカウンタ７１は２相のエッジを検出する方法の他に、エンコーダ周期よりも十分に速い基準クロックによって２相の信号の遷移状態を検出することにより４逓倍カウントすることも可能である。アップダウンカウンタ７１のカウントデータはＤＳＰ６４に取り込まれる。
また、パルス信号Ａ＿ｐｕｌｓｅ、Ｂ＿ｐｕｌｓｅはＰＩＯ（プログラムＩ／Ｏ転送）７２のインポートから２値の状態をＤＳＰ６４に取り込む。ロータリエンコーダ６８の出力のＡ相及びＢ相のアナログ信号は、２値化回路７０に加えてＡ／Ｄコンバータ６９にも入力される。

このＡ／Ｄコンバータ６９では、Ａ相及びＢ相のアナログ信号を数ビット（ｂｉｔ）のデジタル信号に変換し、このデジタル信号はＤＳＰ６４に取り込まれる。ＤＳＰ６４のバス（ＢＵＳ）６５にはＲＯＭ６６、ＲＡＭ６７が配置されており、ＲＯＭ６６内のプログラムやＲＡＭ６７に配置されたデータに基づいて位置決め制御演算や内挿演算、位相補正演算が実行される。
演算プログラムは、高速化のためにＲＯＭ６６からＲＡＭ６７上に展開して実行してもよい。制御演算結果は、Ｄ／Ａコンバータ７４を介して電流指令値もしくは電圧指令値としてアナログ信号でモータドライバ７３へ入力され、図示してないモータが駆動される。
ここでは、Ｄ／Ａコンバータ７４を介してモータドライバ７３へ指令値を出力しているが、バス６５に配置され、デジタル値で直接駆動できるモータドライバを使用しても良い。また、ＰＷＭ出力によってモータドライバへ指令値を渡しても良い。
上記では、パルス信号の２値の状態をＰＩＯ７２より取得するとしているが、ＡＳＩＣ等によって前記アップダウンカウンタ７１等を含んだ周辺回路を構成し、そのＡＳＩＣ等の周辺回路からＤＳＰ６４が、直接前記２値信号の状態を、レジスタ等を通して読み取れる構成でも良い。

ロータリエンコーダ６８はモータの回転軸と同軸上でなく、伝達機構の途中や制御したい軸上に取り付けられていても良い。また、図８では回転系を対象として説明しているが、図５に示したような直動ステージ４３でも良い。
この場合、エンコーダはモータ軸と同軸上のロータリエンコーダでもキャリッジ４４に取り付けられたリニアエンコーダ４６でも良い。モータ４５の回転はボールねじ４２等によって回転運動を直線運動に変換され、キャリッジ４４を駆動する。
キャリッジ４４の動きはリニアエンコーダ４６によって位置情報として検出される。上述した図９は、エンコーダの２値化信号のパルス間隔を基準クロックでカウントして速度を検出する速度カウンタ７５を図８の構成に付加しただけなので、図８と同一部分に同一符号を付して全体の説明は省略する。

図１０は図７の位置決め制御装置に本発明の構成を適用した位置決め制御装置を示すブロック線図である。図１０の位置決め制御装置では、２相２値化信号を出力する位置検出器に代えて、２相アナログ信号を出力する位置検出器７６とする。
この位置検出器７６の出力は、２値化回路７７によって２相２値化信号として出力され、アップダウンカウンタ７８によってカウントされ、そのカウント値が出力される。アップダウンカウンタ７８は、一般的に、Ａ相及びＢ相パルスのアップ／ダウンエッジを検出する４逓倍カウンタが使用される。
一方、２相アナログ信号は、内挿演算器７９に入力され内挿値が算出される。ここには図示していないが内挿値を算出する際、２相２値化信号の状態を検出する必要がある場合もある。内挿値とカウント値には図示してない所定の定数を乗算し、加算器８０において合成される。

内挿値とカウント値の合成値を算出する場合、両信号の位相ずれを補正するために、図示してない位相補正器によって合成値の補正を行う場合もある。カウント値は、第１速度演算器８１において所定サンプリング時間ごとの差分演算によって第１の速度が算出される。
また、第１の速度を算出する場合、２値化信号のどちらか一方の信号の周期を基準クロックによって算出する速度カウンタや、ｆＶ変換器を使用することもできる。
この場合、２つの信号の夫々のデューティ比の違いによって生じる速度変動を抑えることが可能であり、かつハードウェアで構築すると制御演算の演算負荷を低減することが可能である。しかし、速度が遅い領域になると４逓倍カウンタを用いる場合と比較して、情報量が不足する問題もある。

内挿値とカウント値から算出された合成値は、第２速度演算器８２に入力され、所定サンプリング時間ごとの差分演算によって第２の速度が算出される。第１の速度と第２の速度は速度切換え器８３によって切り換えられる。
この切り換えの条件は、速度フィードバックループの応答周波数をω_cとすると、アップダウンカウンタ７８の変化の仕方、すなわち、エンコーダ周波数ω_encを比較することによって行う。エンコーダ周波数ω_encは、第１の速度から簡単に求めることができる。
例えば、速度をＶ_enc（パルス／秒）とした場合、単純にＨｚ＝パルス／秒（ｐｕｌｓｅ／ｓ）となり、ω_enc（ｒａｄ／ｓ）＝Ｖ_enc（パルス／秒）／（２π）となる。

切り換え条件として、エンコーダの情報が制御系の応答周波数ω_c以上あるようにするために、エンコーダ周波数がサンプラのサンプリング周波数と考えると、サンプリングしたい周波数の２倍以上となる必要がある（ナイキスト周波数より）。切り換え部における切り換えタイミングの明確な設定値を示すことによって、位置決め制御装置の動作に応じて最適となる条件を提供することができる。
従って、この考え方から切り換え点をω_swとすると、

・・・（１）
となるように設定され、速度切換え器８３では、（１）式の条件を満たしている場合、第１の速度を選択し、満たしていない場合、第２の速度を選択する。

上記２倍の値は限界値であるため、一般的には、５倍から１０倍位に設定される。また、第１の速度と第２の速度の切換え点近傍では、ω_encの微小な変化やノイズによって、第１の速度になったりあるいは第２の速度になったりする不安定な状態を避ける必要がある。
このため、第１の速度から第２の速度に切り換わる（高速→低速）時は、

・・・（２）
第２の速度から第１の速度に切り換わる（低速→高速）時は、

・・・（３）
の形のヒステリシス特性を持たせると良い。

α₁₂、α₂₁はヒステリシスの幅である。また、ノイズ対策として前記第１の速度から求まるエンコーダ周波数ω_encをＦＩＲフィルタやＩＩＲフィルタによってローパスフィルタ処理しても良い。上記では、速度切り換え部８３において第１の速度を周波数に変換して比較する例を説明したが、速度の形で比較しても良い。
加えて、速度フィードバックループの外側にある位置フィードバックループに位置切換え器８４を備えた事例について説明する。図７、図１０の位置決め制御装置の位置フィードバックループは、目標位置とフィードバックされる位置情報は比較器５６で比較され、位置偏差として出力される。

前記位置偏差は位置補償器５７に入力され、所定のゲインの乗算や所定のフィルタ処理が行われ、出力される。この出力は、マイナーループである速度フィードバックループの目標速度となる。
低速領域では、この目標速度を滑らかにするために、カウント値と内挿値から合成された位置である第２の位置を位置フィードバックに使用する。高速領域では、目標速度のノイズを低減するためにカウント値である第１の位置を位置フィードバックに使用する。この切り換えを、位置切換え器８４によって行う。位置切換え器８４は、上記で説明した速度切換え器８３と同様に、位置フィードバックループの応答周波数ω_cpに所定の定数を乗算した値、すなわち、切り換え点ω_swpと、アップダウンカウンタ７８の変化の仕方、すなわち、エンコーダ周波数ω_encを比較することによって行う。

エンコーダ周波数ω_encは第１の速度から簡単に求めることができる。切り換え条件等や動作は、図１０で説明した速度切換え器８３と同様である。図１０には、図７と同様な、ドライバ５２、モータ５３、制御対象５４が示されている。
制御対象の動作に応じた分解能の目標速度の演算や、目標位置のプロファイルが生成できるように、位置演算部を切り換える切り換え部と位置フィードバックを備えることによって、安定した位置決め動作ができる位置決め制御装置を提供することができる。

図１１は図６の位置決め制御装置に本発明を適用した位置決め制御装置を示すブロック線図である。図１０で説明したと同様に、この位置決め制御装置では、２相２値化信号を出力する位置検出器に代えて、２相アナログ信号を出力する位置検出器７６とする。
位置検出器７６の出力は、２値化回路７７によって２相２値化信号として出力され、アップダウンカウンタ７８によってカウントされ、カウント値が出力される。アップダウンカウンタ７８は、一般的に、Ａ相及びＢ相パルスのアップ／ダウンエッジを検出する４逓倍カウンタが使用される。
一方、２相アナログ信号は、内挿演算器７９に入力され、内挿値が算出される。ここには図示していないが内挿値を算出する際、２相２値化信号の状態を検出する必要がある場合もある。

内挿値とカウント値には図示してない所定の定数を乗算し、加算器８０において合成される。内挿値とカウント値の合成値を算出する場合、両信号の位相ずれを補正するために図示してない位相補正器によって、合成値の補正を行う場合もある。
カウント値からは、周波数検出器８５において所定サンプリング時間ごとの差分演算等によってエンコーダ周波数ω_encが算出される。また、エンコーダ周波数ω_encを算出する場合、２値化信号のどちらか一方の信号の周期を基準クロックによって算出する周波数カウンタや、ｆＶ変換器を使用しても良い。
前記カウント値を第１の位置、前記カウント値と内挿値の合成値を第２の位置とする。第１の位置と第２の位置は位置切換え器８６によって切り換えられる。この切り換えは、位置フィードバックループの応答周波数ω_cpに所定の定数を乗算した値、すなわち、切り換え点ω_swpと、周波数検出器８５のエンコーダ周波数ω_encを比較することによって行う。
切り換え条件等や動作は、図１０で説明した速度切換え器８３と同様であり、前記速度フィードバックループの応答周波数ω_cを位置フィードバックループの応答周波数ω_cpに置き換えて考えればよい。

次に、上記の速度切換え器もしくは位置切換え器の動作に加えて、前記切換え器のパラメータの変更について説明する。速度フィードバックループの速度補償器のパラメータを変更すると、前記速度フィードバックループの応答周波数ω_cは変化する。
すなわち、速度制御系であるので、比例ゲインと応答周波数ω_cは比例関係にある。よって、速度補償器を変化させると同時に前記速度切り換え部８３で設定されているω_sw等の切り換え点を前記比例ゲインと比例して変化させる。
これによって、速度補償器のパラメータと速度切換え器のパラメータを別々に設定する必要はなくなり、速度フィードバックループに要求される最適な切り換え状態を保つことができる。

同様に、マイナーループに速度フィードバックループを備えた位置決め制御装置の位置フィードバックループ、もしくは、位置フィードバックループのみの位置決め制御装置の位置補償器に位相進み及び遅れ補償器等を使用している場合には、応答周波数ω_cpと位置補償器の比例ゲインは比例関係にある。
このため、速度切換え器８３の切り換え点の変更の例と同様に位置切換え器８４もしくは位置切換え器８６の切り換え点を比例ゲインと比例させて変化させる。
これによって、位置補償器のパラメータと位置切換え器のパラメータを別々に設定する必要はなくなり、位置フィードバックループに要求される最適な切り換え状態を保つことができる。
上記で説明した位置決め制御装置の速度フィードバックループ及び位置フィードバックループの制御演算、速度切換え器及び位置切換え器は、オペアンプやアナログスイッチ等を使用したアナログ電気回路にて構築も可能であるが、一般的には、図８及び図９で説明したデジタル演算装置にてソフトウェア的に構築できる。

図１２は図１０に基づいた速度切り換えの流れを示すフローチャートである。このフローチャートでは、切り換え点ω_swにはヒステリシスを設定しないものとして説明する。
始めに、２値化信号のカウント値より第１速度を演算し、エンコーダ周波数ω_encに換算する（Ｓ１）。エンコーダ周波数ω_encと上記で説明した設定方法によって設定された切り換え点ω_swを比較し（Ｓ２）、エンコーダ周波数ω_encが切り換え点ω_sw以上の値であれば第１速度を選択し、フィードバックする（Ｓ３）。ステップ（Ｓ３）で切り換え点ω_sw以上の値でないならば、第２速度を選択し、フィードバックする（Ｓ４）。
以上のようにエンコーダ周波数に応じて速度演算器や位置演算器を切り換える装置及び手法において、内挿演算を使用しない条件下では、演算器の演算負荷が低減できる。
また、位置決め制御装置では高分解能な内挿演算が必要となる領域は極低速領域もしくは停止領域である。よって、内挿演算を必要としない領域では、例えば、画像形成装置では、画像処理演算等の制御演算とは異なる処理演算へ演算器の能力を配分することが可能となる。

本発明に係る紙搬送装置を備えた画像形成装置であるインクジェット記録装置の一例を示す概略構成図である。 図１の記録紙搬送装置の構成を詳しく示す詳細図である。 静電吸着ベルトとプラテンの位置関係を図２より簡略化して示す図１の記録紙搬送装置の概略図である。 ベルト搬送機構の伝達機構を示す概略図である。 直動ステージを示す概略図である。 位置のフィードバックループのみからなる位置決め制御装置を示すブロック線図である。 位置と速度のフィードバックループからなる位置決め制御装置を示すブロック線図である。 本発明による位置決め制御装置を示すブロック線図である。 図８の本発明による位置決め制御装置にエンコーダの２値化信号のパルス間隔を基準クロックでカウントして速度を検出する速度カウンタを付加した構成を示すブロック線図である。 図７の位置決め制御装置に本発明の構成を適用した位置決め制御装置を示すブロック線図である。 図６の位置決め制御装置に本発明を適用した位置決め制御装置を示すブロック線図である。 図１０に基づいた速度切り換えの流れを示すフローチャートである。 カウント値と内挿値から合成される位置情報に誤差が生じる現象を説明する概略図である。 Ａ相とＢ相の９０°位相の異なる正弦波状の信号の内挿演算を説明する図である。 誤差の種類を示す図である。 象限が切り換わる前後で発生する誤差を説明する図である。

符号の説明

１ 画像形成装置（インクジェット記録装置）、８ 位置検出器（コードホイール）、９ 位置検出器（エンコーダセンサ）、２０ インクジェットエンジン、２２ 印字ヘッド、２７ 給紙部（給紙カセット）、３０ スキャナ部、４０ 排紙部、５０ 比較器、５１ 位置補償器、５２ ドライバ、５３ モータ、５４ 制御対象、５５ 位置検出器、６１ 速度演算部、６８ ロータリエンコーダ、７１ アップダウンカウンタ、７５ 速度カウンタ、７６ 位置検出器、７７ ２値化回路、７８ カウンタ、７９ 内挿演算器、８０ 第１速度演算部（第１速度演算器）、８２ 第２速度演算部（第２速度演算器）、８３ 切り換え部（速度切換え器）、８４ 切り換え部（位置切換え器）、８５ 周波数検出器、８６ 切り換え部（位置切換え器）

Claims (8)

1. 位置検出器の位相の異なる２つのアナログ出力信号と夫々を２値化した２値化信号に基づいて処理を行う第１の速度演算部と第２の速度演算部とを備え、所定の条件によって前記２つ速度演算部を切り換えて速度フィードバックを行う位置決め制御装置において、前記２値化信号の周波数と制御系の応答周波数に基づいて前記第１及び第２の速度演算部の切り換え条件を設定する切り換え部を備えることを特徴とする位置決め制御装置。
2. 前記切り換え部は、前記位置検出器の２値化信号の周波数が制御系の応答周波数よりも２倍以上高くなる点を切り換え点として設定することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
3. 前記第１の速度演算部は位相の異なる２つの２値化信号をカウントするアップダウンカウンタのカウント値から速度を算出し、前記第２の速度演算部は位相の異なる２つのアナログ信号の内挿値と前記カウント値から速度を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め制御装置。
4. 前記第１の速度演算部は位相の異なる２つの２値化信号のどちらか一方の信号の周期を基本クロックで計測する速度カウンタより速度を算出し、前記第２の速度演算部は位相の異なる２つのアナログ信号の内挿値と２値化信号のカウント値から速度を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め制御装置。
5. 第１の位置演算部と第２の位置演算部とを備え、前記切り換え部によって、位置演算部を切り換える位置をフィードバックすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置決め制御装置。
6. 位置検出器の位相の異なる２つのアナログ出力信号と夫々を２値化した２値化信号に基づいて処理を行う第１の速度演算部と第２の速度演算部とを備え、所定の条件によって前記２つの速度演算部を切り換えて速度フィードバックを行う位置決め制御装置の制御方法において、前記２つの速度演算部の切り換えを前記２値化信号の周波数と制御系の応答周波数に基づいて前記第１及び第２の速度演算部の切り換え条件を設定することを特徴とする位置決め制御装置の制御方法。
7. 位置検出器の２値化信号の周波数が制御系の応答周波数よりも２倍以上高くなる点を切り換え点として設定することを特徴とする請求項６の位置決め制御装置の制御方法。
8. スキャナ部で読み取った原稿画像を給紙部から搬送された記録紙に印字ヘッドから吐出した液滴で印字を行って排紙部へ排紙する画像形成装置において、請求項１乃至５の何れか１項記載の位置決め制御装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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