JP2019188779A - 電子機器及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリッジの速度制御において、振動抑制と追従性を両立する電子機器を提供する。【解決手段】対象物の移動を検出し、その検出信号に基づいて、第１の周期で対象物に対する第１のフィードバック制御を行うための制御量を推定する一方、その検出信号に基づいて、第１の周期より短い第２の周期で対象物に対する第２のフィードバック制御を行うために、対象物の第１状態量とその時間微分で得られる第２状態量を推定する。推定された制御量に基づいて、第１のフィードバック制御のための第１操作量を生成し、推定された第１状態量と第２状態量とに基づいて、第２のフィードバック制御のための第２操作量を生成する。推定された対象物の第１状態量又は予め定められた目標値が第１閾値より大きい場合は、第１操作量との第２操作量とに基づき対象物への操作量を生成し、第１閾値未満の場合は、第１操作量のみを用いて対象物への操作量を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は電子機器及びその制御方法に関し、特に、例えば、シリアル型の記録装置のキャリッジ等の移動物体の駆動制御の技術に関する。

シリアル型プリンタにおいてモータにより往復移動するキャリッジの駆動はエンコーダを用いたＰＩＤ制御などのフィードバック制御が一般的である。シリアル型のインクジェットプリンタにおいて、インクを吐出する記録ヘッドを搭載するキャリッジの走査を行う駆動部では、インク着弾位置の安定化のためにキャリッジ走査時の速度変動が重視されている。このため、キャリッジの速度変動を安定化させる制御を実現することが求められている。

特許文献１に記載の印刷装置およびゲイン補正方法では、特定の制御対象を動作させた所定期間における速度変動量に基づいた補正比率に応じて、ＰＩＤ制御のための定数（ゲイン）を補正する。特許文献１によれば、速度変動量が大きいほどＰＩＤ制御のための補正比率を小さくすることができ、その結果、過剰な変動が抑制され、制御対象の速度変動の収束を実現させることができる。

特開２０１１−１０２０１２号公報

特許文献１の印刷装置およびゲイン補正方法では、制御対象の速度変動を収束させるために、制御対象の制御ゲインを結果的に下げることになる。このため、制御対象物の過剰な振動を抑制することは可能かもしれないが、制御対象物の応答性を損なうことになる。制御対象物の状態変化の中における振動抑制と追従性の両立が課題となる。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、フィードバック制御の追従性と制御対象物の振動抑制を両立できる電子機器とその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の電子機器は、以下の構成を備える。

即ち、対象物の移動を制御する電子機器であって、前記対象物の移動を検出する検出手段と、前記検出手段から出力される検出信号に基づいて、第１の周期で前記対象物に対する第１のフィードバック制御を行うための制御量を推定する第１の推定手段と、前記検出手段から出力される検出信号に基づいて、前記第１の周期より短い第２の周期で前記対象物に対する第２のフィードバック制御を行うために、前記対象物の第１状態量と該第１状態量を時間微分して得られる第２状態量を推定する第２の推定手段と、前記第１の推定手段により推定された制御量に基づいて、前記第１のフィードバック制御のための第１操作量を生成する第１の生成手段と、前記第２の推定手段により推定された前記第１状態量と前記第２状態量とに基づいて、前記第２のフィードバック制御のための第２操作量を生成する第２の生成手段と、前記対象物への操作量を生成する合成手段と、を備え、前記合成手段は、前記第２の推定手段によって推定された前記対象物の前記第１状態量又は予め定められた目標値が第１閾値より大きい場合は、前記第１操作量と前記第２操作量とに基づき前記対象物への操作量を生成し、前記対象物の前記第１状態量又は前記目標値が前記第１閾値未満の場合は、前記第１操作量と前記第２操作量のうち前記第１操作量のみを用いて前記対象物への操作量を生成することを特徴とする。

また本発明を別の側面から見れば、対象物の移動を制御する電子機器における制御方法であって、前記対象物の移動を検出する検出工程と、前記検出工程において出力される検出信号に基づいて、第１の周期で前記対象物に対する第１のフィードバック制御を行うための制御量を推定する第１の推定工程と、前記検出工程において出力される検出信号に基づいて、前記第１の周期より短い第２の周期で前記対象物に対する第２のフィードバック制御を行うために、前記対象物の第１状態量と該第１状態量を時間微分して得られる第２状態量を推定する第２の推定工程と、前記第１の推定工程において推定された制御量に基づいて、前記第１のフィードバック制御のための第１操作量を生成する第１の生成工程と、前記第２の推定工程において推定された前記第１状態量と前記第２状態量とに基づいて、前記第２のフィードバック制御のための第２操作量を生成する第２の生成工程と、前記対象物への操作量を生成する合成工程と、を備え、前記合成工程では、前記第２の推定工程において推定された前記対象物の前記第１状態量又は予め定められた目標値が第１閾値より大きい場合は、前記第１操作量との前記第２操作量とに基づき前記対象物への操作量を生成し、前記対象物の前記第１状態量又は前記目標値が前記第１閾値未満の場合は、前記第１操作量と前記第２操作量のうち前記第１操作量のみを用いて前記対象物への操作量を生成することを特徴とする制御方法を備える。

本発明によれば、フィードバック制御の追従性と制御対象物の振動抑制を両立することができる。

記録装置のキャリッジモータの駆動制御部におけるフィードバック制御構成を示すブロック図である。 第１状態量と第２状態量との関係を示す２次元座標空間の図である。 特定の外乱周波数が存在する際の速度変動の周波数特性を示す図である。 制御対象の速度に応じた速度変動の抑制率を示す図である。 制御対象としてキャリッジの速度プロファイルを示す図である。 キャリッジモータの駆動制御部に対し、フィードバック制御構成を適用した際の伝達関数を示した図である。 本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録装置の主要機構部分を示す斜視図である。 図７に示す記録装置の制御部を示すブロック図である。 図７〜図８で示した記録装置におけるキャリッジ駆動制御の詳細を説明するブロック図である。 Ａ相Ｂ相のエンコーダ信号を示す図である。 キャリッジを往復移動させるキャリッジモータ駆動制御を示すフローチャートである。 キャリッジ速度に応じて第２制御部のみを動作させてキャリッジを往復移動させるキャリッジモータ駆動制御を示すフローチャートである。

本発明の好適な実施例について、さらに具体的かつ詳細に説明する。

以下の説明においては、電子機器の代表的な例としてシリアル型記録装置のキャリッジを移動させるモータの駆動制御を例に挙げる。しかし、記録装置のキャリッジに限らず、モータの駆動により物体を移動させるものであれば、本発明のモータ制御を適用することが可能である。例えば、その記録装置において、記録用紙などの記録媒体を搬送するために用いる搬送モータの駆動制御に適用することもできる。さらには、ＣＣＤラインスキャナやＣＩＳなどをモータを駆動して移動させながら原稿の画像を光学的に読取るスキャナ装置のモータ駆動制御なども本発明に含まれる。

１．フィードバック制御の説明
図１は記録装置のキャリッジモータの駆動制御部におけるフィードバック制御構成を示すブロック図である。図１において、（ａ）は一般的な制御構成を示す図であり、（ｂ）はこの実施例において用いられる制御構成を示す図である。

まず、図１（ａ）を参照して一般的なフィードバック制御構成について説明する。

図１（ａ）に示すように、制御対象（例えば、キャリッジ）２１の状態を検出した検出信号（キャリッジの位置、速度）が制御量推定部（例えば、ＣＰＵ）２３に出力され、位置・速度情報等の制御量を推定する。その制御量が第１制御部（例えば、キャリッジドライバ）２２に出力され、制御対象２１を目標値に収束させるための操作量が演算される。操作量が制御対象２１に出力されることでフィードバック制御ループが構成される。

さて、制御対象を安定して動かすためには、制御対象の特性を鑑みつつ制御上の余裕度を確保して、諸々のパラメータ設定を行う必要がある。余裕度が足りないと振動が発生し、発振現象から制御不能に至る場合もある。一方、この余裕度を取りすぎると制御対象の追従性能が低下するが、振動抑制のために追従性能に制限をかけることは避けられない。

次に、図１（ｂ）を参照してこの実施例で用いられるフィードバック制御構成について説明する。

図１（ｂ）に示されているように、このフィードバック制御では、図１（ａ）で示したフィードバック制御ループに加えて、制御対象２１からの検出信号を用いた別のフィードバック制御ループを形成する。即ち、制御対象２１の状態を検出した検出信号が制御量推定部２３に出力され、キャリッジの位置・速度情報等の制御量を推定する。その制御量が第１制御部２２に出力され、第１制御部２２で制御対象２１を目標値に収束させるための第１操作量が演算される。次に、第１制御部２１から第１操作量が出力され、合成部２６を経て制御対象２１に至ることで、第１のフィードバックループが形成される。

一方、制御対象２１の状態を検出した検出信号は状態量推定部２５にも出力され、状態量推定部２５で第１状態量と第２状態量を推定する。第２状態量は第１状態量を時間微分した関係がある。具体的には、第１状態量と第２状態量は位置と速度の組み合わせ、もしくは速度と加速度の組み合わせからなる値となり、これらが第２制御部２４に出力されるものとなる。そして、第２の制御部２４で第２操作量が演算される。次に、第２制御部２４から第２操作量が出力され、合成部２６で第１操作量と第２操作量とが合成されて制御対象２１に至る。このように、制御対象２１→状態量推定部２５→第２制御部２４→合成部２６→制御対象２１という第２のフィードバックループが形成される。

さて、第１状態量と第２状態量は、例えば、キャリッジの位置（ｘ）と速度（ｖ）、又は、キャリッジの速度（ｖ）と加速度（ａ）の関係になるので、これら２つの状態量（２変数）の関係を２次元座標空間で表現できる。

図２は第１状態量と第２状態量との関係を示す２次元座標空間の図である。図２では、横軸に第１状態量を、縦軸に第２状態量を定義している。

図２に示されるように、その平面において、予め２分割の領域が定義され、その平面が切り替え線と呼ばれる関数により２つの領域に分割されている状態を示している。この領域分割を領域１、領域２と呼ぶ。この切り替え線を表す関数は、第１状態量をＳ１、第２状態量をＳ２とすれば、Ｓ２＝ｋ×Ｓ１という関係で表現される一次関数である。ここで、ｋは切り替え係数である。

図２に示されるように、切り替え線の上部領域（白色）が領域１、下部領域（斜線）が領域２となっている。そして、第１状態量と第２状態量の関係が領域１にある場合には＋符号の操作量を出力し、第１状態量と第２状態量の関係が領域２にある場合には−符号の操作量を出力する。なお。動作条件によっては、領域１が−符号、領域２が＋符号の場合もありえる。この２つの領域をまたぐ毎に符号が切り替わることで操作量はスイッチング動作に相当する動きを実現するものとなる。この様な操作量が第２操作量として第２制御部２４の出力となり、合成部２６を経て制御対象２１に至る。

第１操作量と第２操作量は非同期に更新されるものであり、これらのタイミングを調整しつつ合算するのが合成部２６であり、合算値となる第３操作量を制御対象２１に出力する。

この実施例では、第２制御部２４は、制御対象２１の速度（ｖ）が予め定められた第１閾値より大きい場合（ｖ＞ｖ₁）に上述した処理に基づいて操作量を出力する。これに対して、速度（ｖ）が第１閾値（ｖ₁）よりも小さい場合（ｖ＜ｖ₁）には操作量としてゼロ（０）を出力する。なお、この実施例では、速度が設定した第１閾値と同じ場合（ｖ＝ｖ₁）は、速度（ｖ）が第１閾値より大きい場合（ｖ＞ｖ₁）と同様に、第２制御部２４は上述した処理に基づいて操作量を出力する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。つまり、速度が第１閾値と同じ場合（ｖ＝ｖ₁）は、第２制御部２４は操作量としてゼロを出力してもよい。

次に、このように動作させる理由について図面を参照して説明する。

図３は特定の外乱周波数が存在する際の速度変動の周波数特性を示す図である。

図３（ａ）は、実際の加速度と第２制御部２４での演算に使用される算出加速度とが一致している場合の結果を示しており、その特性は図中の破線で示している。図３（ａ）に示すように、全周波数帯において、速度変動はほぼゼロとなっており、良好な結果となっている。

図３（ｂ）は実際の加速度（ａ）と第２制御部２４での演算に使用される算出加速度とに、一定の遅延が存在する場合の結果を示しており、その特性は図中の太実線で示している。演算に使用する加速度は速度の変化量（ｄｖ／ｄｔ）として算出されるので、この遅延は制御対象２１の速度が遅いほどに大きい。図３（ｂ）に示す結果では、外乱周波数における速度変動が残存するとともに、外乱周波数とは異なる高周波の速度変動が生じている。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）よりも算出加速度の遅延が大きい、即ち、制御対象２１の速度が遅い場合の結果を示している。この場合には、外乱周波数における速度変動が更に大きく残存するとともに、高周波の速度変動も大きくなっている。このように、制御対象２１の速度が遅くなるとフィードバック制御性能は徐々に低下してしまうため、第２制御部２４は、その効果が十分に得られるように制御対象２１の速度が第１閾値以上の時に上述の動作を実行する。なお、第１閾値と比較される制御対象２１の速度は、その目標速度を用いてもよいし、検出された速度を用いてもよい。

また、状態量推定部２５での状態量算出は、制御対象２１の速度（ｖ）と第２閾値とに基づいて、その算出方法を変更する。速度が第２閾値よりも小さい場合には（ｖ＜ｖ₂）、速度が第２閾値より大きい場合（ｖ＞ｖ₂）よりも、制御対象２１の変位量あたりの算出回数を増加させる。なお、第２閾値は第１閾値より大きいものとする（ｖ₂＞ｖ₁）。この実施例では、例えば、リニアスケールとエンコーダセンサを用いて制御対象２１の位置を検出して速度と加速度を算出する場合、制御対象２１の速度が第２閾値よりも小さいときにはエンコーダ信号パルスのＡ相及びＢ相のそれぞれの両エッジを使用する。これに対して、制御対象２１の速度が第２閾値より大きいときには、エンコーダ信号パルスのＡ相及びＢ相のうちいずれか一方の片エッジのみを使用する。なお、この実施例では、速度が第２閾値と同じ場合（ｖ＝ｖ₂）は、速度が第２閾値より大きい場合（ｖ＞ｖ₂）と同様に、状態量推定部２５はエンコーダ信号パルスの片エッジのみを使用する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。つまり、速度が第２閾値と同じ場合（ｖ＝ｖ₂）は、状態量推定部２５はエンコーダ信号パルスのＡ相及びＢ相のうちいずれか一方の片エッジのみを使用してもよい。

このように動作させる理由について図４を参照して説明する。

図４は制御対象２１の速度に応じた速度変動の抑制率を示す図である。

図４において、横軸は制御対象２１の速度（ｖ）である。また、縦軸はエンコーダ信号パルスのＡ相及びＢ相のうちいずれか一方の片エッジのみで状態量算出をした場合に対するエンコーダ信号パルスのＡ相及びＢ相それぞれの両エッジで状態量算出をした場合の速度変動抑制率である。

図４において、抑制率０よりも下側の領域では、片エッジ時を用いた抑制制御よりも両エッジ時を用いた抑制制御の方が速度変動を抑制していることになり、抑制率０よりも上側の領域は両エッジ時よりも片エッジ時の方が速度変動を抑制していることを示す。

図４に示した特性からは、制御対象２１がある速度までは両エッジ使用の方が制御性能が高く、それ以上の速度では片エッジ使用の方が制御性能が高いことが理解できる。これは、ある速度までは検出頻度を上げて算出による遅延を抑えた方がよいことを意味する。但し、検出頻度が上がり過ぎると速度や加速度を算出する際の微分要素によって検出誤差が増幅されて性能が劣化することを意味している。このように、制御対象２１の速度が変化して制御対象２１の状態検出頻度が変化すると制御性能に影響を及ぼすため、状態量推定部２５は制御対象２１の速度が第２閾値以上か否かで上述のように検出頻度を変更するように動作する。

なお、第２閾値と比較される制御対象２１の速度（ｖ）は、その目標速度を用いてもよいし、直前に検出された速度を用いてもよい。

ここで、図１（ｂ）に示したフィードバック制御を、シリアル型記録装置において記録ヘッドを搭載して往復運動するキャリッジの速度制御に適用した例について説明する。

図５は制御対象としてキャリッジの速度プロファイルを示す図である。

図５において、横軸は時間（ｔ）、縦軸はキャリッジの速度（ｖ）である。図５はキャリッジがホームポジションからｔ＝ｔ₁で移動開始し、加速して速度ｖ_cに達して定速移動に移行し、その後、減速してｔ＝ｔ₂で停止する速度プロファイルを描かれている。しかしながら、現実のキャリッジ運動はそのような理想的なものではなく、定速移動中にも外乱などの影響でその速度は微小変動する。速度が微小変動するとは、非常に短い周期で＋の加速度と−の加速度が発生することを意味する。

図５には破線で理想的な速度プロファイルを示し、太い実線で定速移動中の微小な速度変動を示している。

この実施例におけるフィードバック制御では、第１制御部２２が破線で示す速度プロファイルの制御を担当し、制御対象のキャリッジを所望の加速度条件や速度条件に従って目標位置まで移動させる。第１制御部２２は一般的に広く使われているＰＩＤ制御演算を実行し、制御上の余裕度を鑑みつつ諸々のパラメータ設定が行われ、制御帯域が決定され、その制御帯域内において振動を抑えつつ、所望の動きを実現する。

一方、第２制御部２４が太い実線で示す微小な速度変動を抑える制御を担当する。第２制御部２４は、第１制御部２２の制御帯域を超えた高周波帯域での微小な振動現象（速度変動）を抑制する。このような速度変動を抑制するためには、発生する＋の加速度に対しては−の加速度を操作量として与える一方、発生する−の加速度に対しては＋の加速度を操作量として与える動作を速度変動の周期に対応した短い周期で行うことが必要である。従って、その制御性能を実現するために十分に短い制御周期が要求されるので、第２制御部２４は少なくとも第１制御部２２の制御周期よりも短い制御周期で制御が実行される。

このように制御周期が十分に短いことで、第２制御部２４では高速なスイッチング動作が実現でき、第１制御部２２の制御帯域を超えた領域まで振動抑制（速度変動抑制）が可能になる。従って、制御対象としてのキャリッジの状態が変化して第１制御部２２によるフィードバック制御だけでは振動現象が発生するような場合でも、第２制御部２４で振動を抑制することが可能になり、追従性を損なうことなく、安定な制御系を構築することができる。

まとめると、加速、定速、減速からなる速度プロファイルをもつ制御対象としてのキャリッジを目標位置に収束させるのが従来のフィードバック制御を行う第１制御部２２の役割となる。第１制御部２２ではキャリッジの位置と速度の情報からなる制御量を用い、ＰＩＤ制御によるフィードバックループ（第１のフィードバックループ）を構成する。一方、第１制御部２２では対応できないキャリッジの微小な速度変動を抑制するのが第２制御部２４の役割となる。第２制御部２４では、位置と速度、又は、速度と加速度の組み合わせからなる状態量を用い、高速なスイッチング制御によるフィードバックループ（第２のフィードバックループ）を構成する。このため、第２のフィードバックループの制御は、第１のフィードバックループの制御よりも短い演算周期で実行される。

図６はキャリッジモータの駆動制御部に対し、上記の制御構成を適用した際の伝達関数を示した図である。伝達関数は、制御対象としてのキャリッジへの外乱を与えた際の速度変動の抑制利得を出力としたものである。図６において、縦軸は伝達比となる利得（ｄｂ）であり、横軸は周波数（Ｈｚ）である。

図６において、破線で示す曲線Ａは第１制御部２２のみを動作させた場合に得られる特性で特性である。一方、太い実線で示す曲線Ｂは第１制御部２２と第２制御部２４の両方を動作させ合成部２６で第３操作量を生成した場合に得られる特性である。曲線Ａと曲線Ｂとを比較すると分かるように、周波数ｆ₀よりも高い周波数領域で、曲線Ｂは小さい値を示し、外乱抑制効果が高いことを示している。周波数ｆ₀は、おおよそ第１制御部２２の制御帯域を示す。従って、第２制御部２４を第１制御部２２と合わせて動作させることで、第１制御部２２の制御帯域よりも高い周波数帯域（３５Ｈｚ〜３００Ｈｚ）で振動抑制効果を発揮する。

２．フィードバック制御の適用例の説明
ここでは、図１（ｂ）を参照して説明したような２つのフィードバックループを形成する制御を適用するシリアル型の記録装置について説明する。

＜記録装置の説明（図７〜図８）＞
図７は本発明の代表的な実施例であるインクジェット方式に従ってインク液滴を吐出するインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を搭載した記録装置の構成を示す外観斜視図である。

記録ヘッド２を搭載するキャリッジ（移動物体）３はガイド軸４により摺動自在に支持されて、記録媒体（シート）１の上で往復移動する。キャリッジ３の移動範囲の一端にはプーリ付きのキャリッジモータ（ＤＣモータ）５が配置され、他端にアイドルプーリ６が配置され、これらにタイミングベルト７が掛けまわされ、キャリッジ３とタイミングベルト７が連結されている。

また、ガイド軸４を中心としてキャリッジ３が回転するのを防ぐために、ガイド軸４と平行に延びて設置されたサポート部材８が設置され、キャリッジ３はサポート部材８によっても摺動自在に支持されている。また、記録ヘッド２には多数の記録素子が設けられており、記録装置の本体部から記録ヘッド２に記録素子の駆動信号を供給するためのＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）１１が配されている。ＦＦＣ１１は細長くかつ薄いフィルム形状をなしており、その内部または表面に駆動信号を伝達するための導体パターンが形成されており、キャリッジ３の移動に伴って屈曲しかつ曲げの中心位置が移動するように可撓性を有している。

さらに、キャリッジ３の外にインクタンク（不図示）が配置され、インクタンク内に貯留されたインクを記録ヘッド２に供給するチューブ１２が配されている。チューブ１２はキャリッジ３の移動に伴って屈曲しかつ曲げの中心位置が移動するように可撓性を有している。これらＦＦＣ１１とチューブ１２からなる接続部材１０はキャリッジ３と記録装置本体の固定部９との間に接続されている。

また、キャリッジ３の位置情報を取得するために用いられるリニアスケール１６は、キャリッジ移動方向（主走査方向）に沿って平行に配置され、キャリッジ３に取り付けられたエンコーダセンサ１５で読取る構成となっている。さらに、記録媒体１の幅方向の両外側には記録ヘッド２の予備吐出したインクを回収する為のインク回収口１４ａ、１４ｂが設けられている。この予備吐出とは、記録開始直前もしくは記録実行中にノズル先端部に付着したインクを記録とは無関係な位置で排出する為の動作である。

このような構成により、キャリッジ３は矢印Ａ方向（主走査方向）に往復移動する。また、記録媒体１は、搬送モータ（不図示）によってキャリッジ３と垂直に交差する矢印Ｂの方向（副走査方向）に搬送される。

図８は図７に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。

図８に示すように、コントローラ６００は、ＭＰＵ６０１、ＲＯＭ６０２、特殊用途集積回路（ＡＳＩＣ）６０３、ＲＡＭ６０４、システムバス６０５、Ａ／Ｄ変換器６０６などで構成される。ここで、ＲＯＭ６０２は後述する制御シーケンスに対応したプログラム、所要のテーブル、その他の固定データを格納する。なお、ＭＰＵ６０１の代わりにＣＰＵを使用してもよく、プログラムに基づき処理を実行可能なプロセッサであればよい。

ＡＳＩＣ６０３は、キャリッジモータ５の制御、搬送モータ２０の制御、及び、記録ヘッド２の制御のための制御信号を生成する。ＲＡＭ６０４は、画像データの展開領域やプログラム実行のための作業用領域等として用いられる。システムバス６０５は、ＭＰＵ６０１、ＡＳＩＣ６０３、ＲＡＭ６０４を相互に接続してデータの授受を行う。Ａ／Ｄ変換器６０６は以下に説明するセンサ群からのアナログ信号を入力してＡ／Ｄ変換し、デジタル信号をＭＰＵ６０１に供給する。

また、図８において、６１０は画像データの供給源となるホスト装置である。ホスト装置６１０と記録装置１との間ではインタフェース（Ｉ／Ｆ）６１１を介して画像データ、コマンド、ステータス等を、例えば、ＵＳＢ規格に基づくプロトコルを用いて送受信する。

さらに、６２０はスイッチ群であり、電源スイッチ６２１、印刷の開始指示などを行うプリントスイッチ６２２、回復スイッチ６２３などから構成される。

６３０は装置状態を検出するためのセンサ群であり、エンコーダセンサ１５、温度センサ６３２等から構成される。

さらに、６４０はキャリッジ３を矢印Ａ方向に往復走査させるためのキャリッジモータ５を駆動させるキャリッジモータドライバ、６４２は記録媒体Ｐを搬送するための搬送モータ２０を駆動させる搬送モータドライバである。

ＡＳＩＣ６０３は、記録ヘッドによる記録走査の際に、ＲＡＭ６０４の記憶領域に直接アクセスしながら記録ヘッドに対して記録素子（吐出用のヒータ）を駆動するためのデータを転送する。加えて、この記録装置には、ユーザインタフェースとしてＬＣＤやＬＥＤで構成される操作パネル１８が備えられている。また、装置実装上は、スイッチ群６２０が操作パネル１８に含まれていても良い。

ＡＳＩＣ６０３は画像処理やアクチュエータ制御を行うため演算処理部として動作し、ＭＰＵ６０１から命令を受けて演算処理を実行する。詳細は後述するが、ループバック制御演算の一部はＡＳＩＣ２９で実行される。ＭＰＵ６０１はキャリッジのフィードバック制御のための演算の一部を担当し、印刷シーケンスに従って、キャリッジモータ５の駆動演算を実行する。インタフェース６１１を経由してホスト装置６１０からプリント命令が発行された際、記録動作のためにキャリッジ３が往復動作する。

３．記録装置のキャリッジ制御のためのフィードバック制御構成の詳細
ここでは、図１（ｂ）を参照して説明したフィードバック制御構成を、図７〜図８を参照して説明した記録装置のキャリッジ駆動制御への適用について詳細に説明する。

図９は図７〜図８で示した記録装置におけるキャリッジ駆動制御の詳細を説明するブロック図である。

記録装置のキャリッジ制御には、記録ヘッド２による印刷品位を担保するために正確な位置にインクを着弾させるための精度が求められる。記録ヘッド２からのインク液滴の吐出タイミングはキャリッジ３の移動速度（ｖ）から算出されるものであり、その速度変動を最小化することが重要になる。その為、この実施例に従うフィードバック制御における抑制すべき振動対象は、キャリッジ速度になる。従って、図１（ｂ）を参照して説明したフィードバック制御における第１状態量と第２状態量は、キャリッジの速度と加速度の組み合わせとなり、これらの状態量が第２制御部２４に入力される。

また、フィードバック制御における制御対象はキャリッジ３となり、エンコーダセンサ１５からエンコーダ信号が制御量推定部２３と制御量推定部２５に出力される。一般的にエンコーダ信号は、Ａ相Ｂ相と呼ばれる位相が９０度異なる２本のパルス信号が用いられる。この実施例においてもＡ相Ｂ相の２本のパルス信号をエンコーダ信号として用いる。

図１０はＡ相Ｂ相のエンコーダ信号を示す図である。

制御量推定部２３はこのパルス信号をカウントすることで位置情報を推定し、パルス信号のエッジ間隔を計測することで速度情報を推定する。この位置・速度情報等が制御量として、第１制御部２２に相当するＰＩＤ制御演算部３６に出力される。

目標値演算部３５は、キャリッジ３を所望の加速度条件や速度条件に従って目標位置まで移動させるための目標プロファイルを生成し、これを目標値として出力する。ＰＩＤ制御演算部３５は、目標値演算部３５からの目標値と制御量推定部２３からの制御量とを用いてＰＩＤ制御演算を行い、第１操作量として出力する。

エンコーダセンサ１５からのエンコーダ信号は状態量推定部２５にも出力される。状態量推定部２５は、前処理演算部３８からの出力となるレジスタ設定値も入力される。レジスタ設定値は、目標値演算部３５からの目標値を、前処理演算部３８により状態量推定部内で使用する単位系に置換した値である。状態量推定部２５は、エンコーダ信号から速度情報と加速度情報とを推定し、動作目標となるレジスタ設定値との誤差量を計算する。そして、その誤差量となる速度誤差量、加速度誤差量の２つが速度次元と加速度次元の状態量の組み合わせとして、第２制御部２４に相当するスライディングモード制御演算部３９に出力される。

既に述べたように、状態量推定部２５では、制御対象２１の速度（ｖ）に応じて状態量を推定する頻度を変更する。この実施例では、制御対象２１であるキャリッジ３の速度（ｖ）が第２閾値未満（ｖ＜ｖ₂）の場合には頻度を高く、第２閾値以上の時には頻度を低くするように変更する。

具体的には、前者（ｖ＜ｖ₂）の場合はエンコーダ信号Ａ相Ｂ相それぞれの立ち上がり、立ち下がりの両エッジ全てのタイミングで状態量を推定する。後者（ｖ≧ｖ₂）の場合はエンコーダ信号のＡ相の立ち上がりエッジのタイミングのみで状態量を推定する。なお、この実施例では、後者（ｖ≧ｖ₂）の場合に、閾値を複数設定し、上記２つの場合の中間として、Ａ相のみの立ち上がり及び立ち下がりの両エッジのタイミングで状態量を算出するようにしてもよい。

スライディングモード制御演算部３９では、速度誤差量、加速度誤差量の２変数からなる２次元平面空間が形成される。図２を参照して説明した２次元平面の領域判別は、
Ｓ ＝ 切り替え係数 × 加速度誤差量 ＋ 速度誤差量
から求められる。ここで、Ｓ＞０であれば、現状態量は切り替え線の上部となる領域１に位置する。これに対して、Ｓ＜０であれば、現状態量は切り替え線の下部となる領域２に位置する。Ｓ＝０の場合は、Ｓ＞０かＳ＜０のどちらか一方と定義して扱うものとなる。そして、その領域判別結果に基づき操作量の符号が決定され、第２操作量として出力される。なお、切り替え係数も、前処理演算部３８からの出力となるレジスタ設定値により更新される。

また、既に述べたように、第２制御部２４は制御対象２１の速度が第１閾値以上の場合にのみ演算処理に基づく操作量を出力するものなので、上記のスライディングモード制御演算部３９は同様に構成される。制御対象２１の速度が第１閾値よりも小さい場合には、スライディングモード制御演算部３９はゼロを出力する。なお、この実施例では、速度が第１閾値よりも小さい場合には、スライディングモード制御演算部３９は、操作量の生成を停止することにより、出力をゼロとしている。しかしながら、本発明はこの実施例に限定されない。例えば、速度が第１閾値よりも小さい場合において、スライディングモード制御演算部３９は操作量の生成は行うが、出力はゼロとしてもよい。また、スライディングモード制御演算部３９がゼロを出力するとは、ゼロという値を出力する場合だけでなく、出力しない場合も含むものとする。

ここで、第１操作量と第２操作量の更新タイミングについて説明する。

第１操作量はＰＩＤ制御演算部３６が実行される毎に更新される。図１（ｂ）に示したフィードバック制御が適用される記録装置のキャリッジモータ駆動制御部（キャリッジモータドライバ）には、１ＫＨｚ程度の周期で制御演算が実行されることが多い。これに対して、第２操作量はスライディングモード制御演算部３９が実行される毎に更新される。ここでは、エンコーダ信号のパルス変化を想定しており、およそ数ＫＨｚ〜２０ＫＨｚ程度の周期で制御演算が実行される。このような非同期な関係な入力に対し、合成部２６ではタイミングを調整しつつ第１操作量と第２操作量とを合算する。合成部２６では、操作量の合算結果に基づくＰＷＭ信号をモータドライバ６４０に出力する。そして、モータドライバ６４０によりキャリッジモータ５が回転し、タイミングベルト７を経由してキャリッジ３が移動する。

スライディングモード制御演算部３９をエンコーダ信号のパルス変化に起因した高速演算を実現するため、ここではＡＳＩＣ等のハードウェアで実行することを想定している。

図７において、２点鎖線で囲まれた範囲がＡＳＩＣ６０３において実現される。図７から分かるように、ＡＳＩＣ６０３は、スライディングモード制御演算部３９、状態量推定部２３、状態量推定部２５、合成部２６の機能を担当する。これに対して、図７において、太い点線で囲まれた範囲はＭＰＵ６０１においてプログラムを実行することにより実現される。図７から分かるように、ＭＰＵ６０１は、ＰＩＤ制御演算部３６、目標値演算部３５、前処理演算部３８の機能を担当する。

このように、ＭＰＵ６０１とＡＳＩＣ６０３とでフィードバック制御を分担するのは、ＡＳＩＣ６０３で実現される部分で扱われる情報の更新周期が、ＭＰＵ６０１で実現される部分で扱われる情報の更新周期よりも短いためである。

目標値演算部３５により目標値が更新される毎に前処理演算部３８も実行され、ＡＳＩＣ６０３のレジスタ領域に、最新のレジスタ設定値が設定される。前処理部演算部３８では、スライディングモード制御演算３９で実行する位相切り替え線の演算や状態量推定部２５の推定演算で時々刻々と変化する変数値の一部を、ＰＩＤ制御演算部３６の演算周期の間のみパラメータ値として管理するための計算を行う。フィードバック制御全てをＡＳＩＣで実行することは集積回路の肥大化を招き、処理の柔軟性や融通性を欠くものとなるので、この実施例では、演算精度と回路規模で折り合いをつけ、計算の一部をＭＰＵの前処理演算部３８が更新タイミングで実行する。

また、スライディングモード制御演算部３９で用いる制御パラメータを、キャリッジ３の動作状態により変更しても良い。その場合、目標値演算部３５による目標値から、キャリッジ３が加速状態や定速状態や減速状態のうち、いずれの状態の区間にあるかの判別を行う。そして、その区間ごとに、位相切り替え線の算出に用いる切り替え係数を変更することで、キャリッジ動作条件に応じた適切な切り替え線を選択し、速やかな収束を実現できる。

図１１はキャリッジを往復移動させるキャリッジモータ駆動制御を示すフローチャートである。

駆動制御が開始されると、まずステップＳ１では第２制御部２４の出力をゼロ（０）に設定する。第２制御部２４の出力がゼロであれば、キャリッジモータの駆動は第１制御部２２によってのみフィードバック制御される。次のステップＳ２では、状態量推定部２５の推定演算頻度が“高く”なるように状態推定演算に使用するエンコーダ信号パルスのエッジをＡ相Ｂ相の両エッジに設定する。そして、ステップＳ３ではキャリッジモータ５の駆動を開始する。

その後、キャリッジ３の速度（ｖ）が目標値に追従するように第１制御部２２によりフィードバック制御が行なわれ、ステップＳ４では、制御対象としてのキャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値以上であるかどうかを調べる。ここで、キャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値以上（ｖ≧ｖ₁）であると判断されるまで、キャリッジモータ５の駆動を続ける。これに対して、キャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値以上（ｖ≧ｖ₁）であると判断されると処理はステップＳ５に進み、第２制御部２４での処理と、操作量出力を開始する。

更に、ステップＳ６ではキャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値より大きい第２閾値以上であるかどうかを調べる。ここで、キャリッジ３の速度（ｖ）が第２閾値以上（ｖ≧ｖ₂）であると判断されるまで、第２制御部２４での処理と操作量出力を続ける。これに対して、キャリッジ３の速度（ｖ）が第２閾値以上（ｖ≧ｖ₂）であると判断されると処理はステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、状態量推定部２５の推定演算頻度が低くなるように状態推定演算に使用するエンコーダ信号エッジをＡ相の片エッジに設定する。これにより、状態量推定部２５における推定頻度が“低く”なる。その後、ステップＳ８では、キャリッジ３の速度（ｖ）が第２閾値未満であるかどうかを調べる。ここで、キャリッジ３の速度（ｖ）が第２閾値未満（ｖ＜ｖ₂）であると判断されるまで、状態量推定部２５での低頻度での推定を続ける。これに対して、キャリッジ３の速度（ｖ）が第２閾値未満（ｖ＜ｖ₂）であると判断されると処理はステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、状態量推定部２５の状態推定演算に使用するエンコーダ信号エッジをＡ相Ｂ相の両エッジに設定する。これにより、状態量推定部２５における推定頻度が“高く”なる。その後、ステップＳ１０では、キャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値未満（ｖ＜ｖ₁）となったかどうかを調べる。ここで、キャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値未満（ｖ＜ｖ₁）であると判断されるまで、状態量推定部２５での高頻度での推定を続ける。これに対して、キャリッジ３の速度（ｖ）が第１閾値未満（ｖ＜ｖ₁）であると判断されると処理はステップＳ１１に進み、第２制御部２４での処理を停止して操作量出力をゼロに設定する。

その後、第１制御部２２によりキャリッジ３が停止するまでキャリッジモータ５のフィードバック制御が行なわれ、ステップＳ１２で、キャリッジモータ５の駆動を停止し、一回の駆動制御動作が終了する。

従って以上説明した実施例に従えば、第１制御部と第２制御部からなるフィードバック制御構成を記録装置のキャリッジ駆動制御に適用し、キャリッジ速度に従って第２制御部の処理と出力とを制御するとともに、状態量推定部の推定頻度を切替える。これにより、フィードバック制御の制御対象物であるキャリッジ振動抑制と追従性を両立できるので、キャリッジ駆動制御をより精確に行うことが可能になり、高品位な画像記録を実現することができる。

なお、以上説明した実施例では、キャリッジ速度に応じた第２制御部の動作・停止の制御と、状態推定部２５の推定演算頻度の変更の両方を行うとしていたが、本発明はこれに限定されるものではない。いずれか一方のみ、例えば、キャリッジ速度に応じた第２制御部の動作・停止の制御のみを実行するようにしても良い。

また、上記実施例では、速度が第１閾値よりも小さい場合には、第２制御部の動作を停止して出力をゼロとすることにより、合成部２６へは第１制御部からの出力（第１操作量）のみが入力された。よって結果的に、速度が第１閾値よりも小さい場合には、合成部２６は、第１操作量のみを用いて対象物の操作量を生成した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、速度が第１閾値よりも小さい場合に、第２制御部は第２操作量を生成して出力するものの、合成部２６は、入力された第２操作量は用いず、第１操作量のみを用いて対象物の操作量を生成してもよい。つまり、いずれの場合であっても、本発明の実施形態では、速度が第１閾値よりも小さい場合には、合成部２６は、第１操作量と第２操作量とのうち第１操作量のみを用いて対象物の操作量を生成する。

図１２はキャリッジ速度に応じて第２制御部のみを動作させてキャリッジを往復移動させるキャリッジモータ駆動制御を示すフローチャートである。なお、図１２において、既に図１１を参照して説明したのと同じ処理ステップには同じステップ参照番号を付して、その説明を省略する。

図１２によれば、図１１に示したフローチャートから状態推定部２５に係る処理を省略し、ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２のみを実行する。

３．フィードバック制御の別の適用例の説明
本発明は上述のように、モータの駆動により物体を移動させるものであれば適用することが可能なので、例えば、多機能プリンタ（ＭＦＰ）のスキャナユニットや単機能のスキャナ装置のＣＩＳやＣＣＤセンサを移動させるスキャナモータの制御に適用できる。

スキャナユニットは、画像読取性能を担保するためにＣＩＳやＣＣＤセンサの光源点灯タイミングとスキャナユニットの移動量を一致させて画像信号を取得する必要がある。通常、光源点灯タイミングは、スキャナユニットの移動速度が一定であることを前提としているので、スキャナユニットの速度変動を抑制することが重要である。このため、抑制すべき振動対象がスキャナユニットの移動速度になるので、速度と加速度の状態量の組み合わせを上述の第２制御部を適用する。そして、基本的には、図７を参照して説明したキャリッジ制御構成と同じ構成で制御すれば良い。

これにより、従来の制御のみでは抑えきれなかったスキャナユニットの高周波数での微小な振動を抑制するとともに、フィードバック制御追従性を改善することができる。その結果、高品位な画像読取が達成できる。

さらに本発明は図７〜図８で説明したような記録装置の搬送ローラ駆動制御にも適用できる。記録装置ではキャリッジ走査ごとに搬送ローラを回転させて、記録媒体を間欠搬送するが、このときの搬送量変動を抑制するために本発明のフィードバック制御を適用することができる。この場合、制御対象物は記録媒体の搬送量となるので、搬送ローラの回転量を第１状態量とし、搬送ローラの回転速度を第２状態量として上述の第２制御部に入力すればよい。

これにより、より高精度な搬送制御を実現することが可能になる。

１ 記録媒体、２ 記録ヘッド、３ キャリッジ、４ ガイド軸、
５ キャリッジモータ、６ アイドルプーリ、７ タイミングベルト、
８ サポート部材、９ 固定部、１０ 接続部材、１１ ＦＦＣ、１２ チューブ、
１３ サブフレーム、１４ａ、１４ｂ インク回収口、１５ エンコーダセンサ、
１６ リニアスケール

Claims (12)

1. 対象物の移動を制御する電子機器であって、
   前記対象物の移動を検出する検出手段と、
   前記検出手段から出力される検出信号に基づいて、第１の周期で前記対象物に対する第１のフィードバック制御を行うための制御量を推定する第１の推定手段と、
   前記検出手段から出力される検出信号に基づいて、前記第１の周期より短い第２の周期で前記対象物に対する第２のフィードバック制御を行うために、前記対象物の第１状態量と該第１状態量を時間微分して得られる第２状態量を推定する第２の推定手段と、
   前記第１の推定手段により推定された制御量に基づいて、前記第１のフィードバック制御のための第１操作量を生成する第１の生成手段と、
   前記第２の推定手段により推定された前記第１状態量と前記第２状態量とに基づいて、前記第２のフィードバック制御のための第２操作量を生成する第２の生成手段と、
   前記対象物への操作量を生成する合成手段と、を備え、
   前記合成手段は、前記第２の推定手段によって推定された前記対象物の前記第１状態量又は予め定められた目標値が第１閾値より大きい場合は、前記第１操作量と前記第２操作量とに基づき前記対象物への操作量を生成し、前記対象物の前記第１状態量又は前記目標値が前記第１閾値未満の場合は、前記第１操作量と前記第２操作量のうち前記第１操作量のみを用いて前記対象物への操作量を生成することを特徴とする電子機器。
2. 前記第２の推定手段は、前記対象物の前記第１状態量が前記第１閾値より大きい値である第２閾値より大きい場合における前記第２状態量の推定頻度よりも、前記対象物の前記第１状態量が前記第２閾値未満の場合における前記第２状態量の推定頻度を高くすることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 前記対象物の前記第１状態量又は前記目標値が前記第１閾値未満の場合、前記第２の生成手段からの出力がゼロとなることにより、前記合成手段は、前記第１操作量と前記第２操作量のうち前記第１操作量のみを用いて前記対象物への操作量を生成することを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
4. 前記対象物の前記第１状態量又は前記目標値が前記第１閾値未満の場合、前記第２の生成手段が前記第２操作量の生成を行わないことにより前記第２の生成手段からの出力がゼロとなり、前記第１のフィードバック制御と前記第２のフィードバック制御とのうち前記第１のフィードバック制御のみを用いて前記対象物の移動が制御されることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
5. 前記第１状態量と前記第２状態量の組み合わせは、前記対象物の速度と加速度であることであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電子機器。
6. 前記電子機器は、記録ヘッドを搭載したキャリッジを往復移動させて前記記録ヘッドにより記録媒体に記録を行う記録装置であり、
   前記対象物は前記キャリッジであることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の電子機器。
7. 前記第１状態量は、前記キャリッジの速度であり、
   前記第２状態量は、前記キャリッジの加速度であることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
8. 前記検出手段は、前記キャリッジの位置を検出するエンコーダセンサを備え、
   前記第２の推定手段は、前記エンコーダセンサから出力されるエンコーダ信号パルスのエッジ間隔を計測することで前記キャリッジの速度を推定することを特徴とする請求項６又は７に記載の電子機器。
9. 前記第２の推定手段は、前記キャリッジの速度が前記第２閾値未満の場合は、前記エンコーダ信号パルスのＡ相とＢ相それぞれの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを用いて前記キャリッジの速度を推定し、前記キャリッジの速度が前記第２閾値より大きい場合は、前記エンコーダ信号パルスのエッジとしてＡ相とＢ相のうちいずれか一方の片エッジのみを用いて前記キャリッジの速度を推定することを特徴とする請求項８に記載の電子機器。
10. 前記第１の生成手段は、プログラムをプロセッサが実行することにより実現され、
    前記第１の推定手段と、前記第２の推定手段と、前記第２の生成手段と、前記合成手段とはＡＳＩＣにより実現されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子機器。
11. 前記電子機器は、ＣＩＳ又はＣＣＤセンサを搭載したスキャナユニットを移動させて前記スキャナユニットにより原稿の画像を読取るスキャナ装置、又は、記録ヘッドを搭載したキャリッジを往復移動させて前記記録ヘッドにより記録媒体に記録を行う記録装置に該スキャナ装置を備えた多機能プリンタであり、
    前記対象物は前記スキャナユニットであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子機器。
12. 対象物の移動を制御する電子機器における制御方法であって、
    前記対象物の移動を検出する検出工程と、
    前記検出工程において出力される検出信号に基づいて、第１の周期で前記対象物に対する第１のフィードバック制御を行うための制御量を推定する第１の推定工程と、
    前記検出工程において出力される検出信号に基づいて、前記第１の周期より短い第２の周期で前記対象物に対する第２のフィードバック制御を行うために、前記対象物の第１状態量と該第１状態量を時間微分して得られる第２状態量を推定する第２の推定工程と、
    前記第１の推定工程において推定された制御量に基づいて、前記第１のフィードバック制御のための第１操作量を生成する第１の生成工程と、
    前記第２の推定工程において推定された前記第１状態量と前記第２状態量とに基づいて、前記第２のフィードバック制御のための第２操作量を生成する第２の生成工程と、
    前記対象物への操作量を生成する合成工程と、を備え、
    前記合成工程では、前記第２の推定工程において推定された前記対象物の前記第１状態量又は予め定められた目標値が第１閾値より大きい場合は、前記第１操作量との前記第２操作量とに基づき前記対象物への操作量を生成し、前記対象物の前記第１状態量又は前記目標値が前記第１閾値未満の場合は、前記第１操作量と前記第２操作量のうち前記第１操作量のみを用いて前記対象物への操作量を生成することを特徴とする制御方法。

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