JP4697731B2 - 印字媒体制御装置、画像形成装置、並びに、プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、印字媒体制御装置、画像形成装置、並びに、プログラムおよび記録媒体に関し、特に、紙搬送装置を有するインクジェットプリンタ等の画像形成装置に適用して好適である。

インクジェットプリンタのように印刷媒体を間欠移動させながら画像を形成する画像形成装置においては、印字媒体の高精度な移動位置精度が必要とされ、その解決策として、印字媒体の移動量を元にフィードバック制御を用いて高精度な移動を実現するという手法がとられてきている。

特許文献１では、モータを動力源として使用して機構を駆動する機器におけるモータの制御において、モータに所定の駆動パラメータを与えて、機構を駆動する予備駆動を行い、予備駆動を行っている間に、機構の移動を監視して、該機構を始動させるのに必要なモータへの指令値を求め、この指令値を駆動パラメータの初期値として用いて、フィードバックを利用してモータの駆動を制御している。
これにより、制御対象物及び機構部分の摩擦力の個体差や使用環境の差異にかかわらず、高速かつ高精度な位置制御を可能としている。
特開２００２−３４５２７８号公報

上記のフィードバック制御は、制御応答性を高くする（目標移動プロファイルからのずれを少なくする）ためには制御ゲインを高く設定する必要がある。
しかしながら、制御ゲインを高くすることにより機構の剛性が不十分であると機構自体が振動してしまい、高精度な位置移動を実現することができないほか、機構自体が振動してしまい大きな騒音を発生してしまうなどの問題がある。
また、この機構剛性は、機構自体の組み付けや、経時変化などのバラつきによって変化してしまうためにこれまでは制御ゲインに十分余裕をとり低く設定するなどして対応することが必要である。

上記のような理由から制御ゲインを高くすることにより制御応答性を高くし、高速に位置移動を精度高く実現できるが、機構の剛性によっては逆に位置移動精度を悪化させてしまうために十分な制御ゲインを実現することができなかった。

本発明は、上述した実情を考慮してなされたものであって、機械毎、時間毎にばらつき、変化する機構剛性であっても、簡便な手段によって高速高精度な位置制御を実現し、高品質な印字が可能となる印字媒体制御装置、およびこの印字媒体制御装置を用いた画像形成装置、並びに、印字媒体制御装置の機能を実現するプログラムおよびそのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、モータを動力源として印刷媒体を移動制御する印字媒体制御装置において、前記モータを駆動する駆動軸の回転量を検出する回転量検出手段と、ある一定移動量となるまで前記モータに与える制御トルクを増加させ、所定の移動量に到達したときに前記制御トルクを開放する予備駆動動作を行い、前記回転量検出手段で検出された回転量の最大値と前記所定の移動量に到達後一定時間以上経過したときの安定した回転量との差に応じて、前記差が大きければ大きいほど前記駆動軸の回転方向の逆方向へかける力を小さくして、印字動作の際の制御トルクを変更するフィードバック制御をする制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の印字媒体制御装置を備え、印刷媒体を移動させながら画像形成および印字を行うことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、コンピュータに、請求項１に記載の印字媒体制御装置の機能、または、請求項２に記載の画像形成装置の機能を実現させるためのプログラムである。
請求項４に記載の発明は、コンピュータが読み取り可能な記録媒体であって、請求項３に記載のプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体である。

本発明によれば、簡便な予備駆動動作によって機構剛性の計測を行い、その結果を元に制御パラメータを変更することで、機構剛性に応じた制御パラメータの設定が可能となるため、機構剛性に依存しない高速高精度な位置制御が可能となるので、高品質な印字が可能となる。

また、停止位置付近での制御パラメータを回転方向によって変更することで、振動発生の少ない高精度な位置制御が可能である。

以下、図面を参照して本発明に係る好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る印字媒体制御装置の構成例を示す図で、駆動プーリ１と従動プーリ２の間に張架された印字媒体搬送用のベルト３は、駆動プーリ１の軸を回転駆動するモータ４によって回転駆動され、その回転量は駆動プーリ１と同軸上に取り付けられたエンコーダ５上のスリットをエンコーダセンサ６によって計測し、このエンコーダセンサ６の出力をカウンタ７によって計数することで計測される。
制御コントローラ８は、このカウンタ７で計測された駆動プーリ１の回転量をもとに移動量を計算し、計算された移動量と目標とする移動量との差異がなくなるようにモータ４をフィードバック制御して回転駆動制御する。

図２は、目標位置まで移動する際の制御コントローラ８における速度プロファイルを示している。
目標位置までベルト３を回転移動させるには、図２の速度プロファイルに応じたモータトルクを制御コントローラ８からモータ４に与えることで実現する。
モータ４を回転駆動するには、図２の（Ａ）の部分のように停止状態から徐々に速度を目標最高速度まで加速させる。目標速度に達した時点で（Ｂ）の部分の等速移動に切り替え、目標位置近傍まで等速での回転動作を継続させる。

目標位置の手前一定値で（Ｃ）の部分のように減速動作を行い、ある一定速度になるまで減速動作を行う。その後、目標位置の更に近傍まで（Ｄ）の部分のように低速かつ等速で近づき、目標位置手前で更に（Ｅ）の部分のように減速し、目標位置近くで速度制御から（Ｆ）の部分のように位置制御へ切り替える。
このような速度プロファイルによって移動制御を行うことで、目標位置までのスムーズかつ高速な移動が実現できる。

図３は、図２に示したような速度プロファイルで移動制御を行った場合のベルト３上の印字媒体の特定点の目標位置への接近具合を示す図である。ここで、印字媒体の特定点の移動開始位置が原点であり、点線で示したところが目標移動位置である。図３によれば、印字媒体の特定点が図２の速度プロファイルに応じて移動し、最終的に目標位置に到達することがわかる。

このような位置制御を行ったときに、制御パラメータを固定しておくと停止位置付近では、機構剛性の違いによって相違がでてくる。
図４は、縦軸が偏差を示し、横軸が時間を示し、機構剛性が低い場合の停止位置付近での目標位置との偏差を表した図である。横軸４００付近が図２で位置制御に切り替わる（Ｅ）から（Ｆ）の部分に相当している。
図５は、縦軸が制御トルクを示し、横軸が時間を示し、図４に対応した時間において、制御コントローラ８からモータ４に印加している制御トルク量を表している。

機構剛性が低い場合には、図２の（Ａ）から（Ｅ）の部分では、モータ駆動点からエンコーダ検出部分までに捩れが生じるために、回転方向に捩れが生じた状態で移動を行う。ところが、図２の（Ｅ）から（Ｆ）にかけては、回転駆動トルク量が弱くなるために、捩れが戻ろうとする力が働き、制御コントローラ８は捩れによる反力を考慮していないために、図４に示すような振動的な挙動となる。
また、捩れによる反力が目標位置に到達した後も残るため、図５で示すようにモータ４に与える制御トルク量がゼロではなく、ある一定量を与えることで目標位置へ停止するようにしている。これは、モータ駆動点とエンコーダ５の間に捩れが生じており、その捩れが戻ろうとする力とモータ４からの駆動力が釣り合って停止状態を保持しているためである。

次に、図６は、縦軸が偏差を示し、横軸が時間を示し、剛性が高い場合の停止位置付近での目標値との偏差を表わした図である。図４と図６を比べると、剛性が高い場合は明らかに振動が少なくなることがわかる。
図７は、縦軸が制御トルク量を示し、横軸が時間を示し、図６に対応した時間において、制御コントローラ８からモータ４に印加している制御トルク量を表している。
剛性が高い場合の制御トルク量は、捩れ量が小さいために捩れによる反力が小さく、停止時の制御トルク量は摩擦とつりあう値となり移動方向とは逆回転方向の制御トルク量となる場合も生じる。

このような図５と図７との違いは、機構剛性の差によって発生しており、この機構剛性を次のような簡便な予備駆動動作によって検出することができる。
図８は、予備動作時の制御コントローラ８におけるモータ４に与える制御トルク量を計算するフローチャートである。
図８において、ＰＷＭはモータ４に与える制御トルク量、ＣＯＵＮＴはカウンタ７で計測した回転量、ｘは予備駆動で動作させる回転量、Ｓａｍｐは制御サンプリング数である。Ｓａｍｐは、実際には割り込み等によって一定周期でカウントアップする値であるが、ここでは模式的に変数として扱っている。

まず、ＰＷＭとＳａｍｐとをゼロに設定する（ステップＳ１、Ｓ２）。
ＰＷＭを０とした状態からサンプリング周期毎にＳａｍｐをインクリメントし（ステップＳ３）、ＰＷＭ値をインクリメントする（ステップＳ４）。
このとき、カウンタ７で計測したＣＯＵＮＴの値がｘの値に達していないときには（ステップＳ５のＮＯ）、ステップＳ３へ戻って、次のサンプリング周期でＳａｍｐをインクリメントし、ＰＷＭをインクリメントし、ＣＯＵＮＴの値とｘの比較を行う。
一方、ＣＯＵＮＴの値がｘと同じになった時点で（ステップＳ５のＹＥＳ）、この繰り返し処理を抜けて、ＰＷＭの値をゼロに戻して処理を終了する（ステップＳ６）。

この図８の処理動作と平行して、同一サンプリング周期で図９に示す処理動作も同時に実施する。
まず、カウンタ７で計測される回転量の最大値を保持するＭＡＸの値をゼロに設定する（ステップＳ１１）。
サンプリング周期ごとにＳａｍｐをインクリメントし（ステップＳ１２）、カウンタ７で計測されたＣＯＵＮＴとＭＡＸとを比較して、ＣＯＵＮＴの値の方が小さいときには（ステップＳ１３のＹＥＳ）、ステップＳ１２へ戻る。
一方、ＭＡＸよりもＣＯＵＮＴの値が大きい場合には（ステップＳ１３のＮＯ）、ＭＡＸをＣＯＵＮＴの値で置き換える（ステップＳ１４）。この処理を繰り返してＳａｍｐが所定のサンプリング数（ｅｎｄ）になるまでステップＳ１２へ戻る。
サンプリングが終了すると、ＭＡＸにカウンタ７が計測した回転量の最大値が記録される。

図８、図９のような処理を実施した際、剛性の違いによるＰＷＭとＣＯＵＮＴの値は、図１０、１１に示した値となる。ここで、図１０は剛性が低い場合、図１１は剛性が高い場合のＰＷＭとＣＯＵＮＴの値を示している。また、図１０，１１の左の縦軸は制御トルク量を示し、右の縦軸は回転量を示し、横軸は時間を示している。

まず、図１０の剛性が低い場合について説明する。
図１０において、ＰＷＭ（モータトルク指令値）を増加させていくと、それに伴いＣＯＵＮＴの値（エンコーダの回転量）も増加し、ｘの値（図１０では６０に設定）に達した時点で、ＰＷＭ値をゼロに戻す。ＰＷＭ値をゼロに戻した時点で剛性が低い場合は、捩れが発生しており、これを戻そうとする力が働くため、ＣＯＵＮＴの値が減少（逆転）し、安定な位置へ振動しながら収束していく。

次に、図１１の剛性が高い場合について説明する。
図１１において、目標位置に到達後、ＰＷＭ値をゼロに戻した場合、多少の振動はあるものの、ほぼＰＷＭ値をゼロに戻した時のＣＯＵＮＴの値で安定している。
このような予備駆動動作を行い、図９の処理で求めた移動最大回転量（ＭＡＸ）と、ある一定時間以上経過したときの安定した回転量（ＣＯＵＮＴの値）を比較することで、機構の剛性を予測することが可能となる。
この予備駆動動作での結果をもとに、制御コントローラ８での制御パラメータの変更を実施する。

図１１の結果は、制御パラメータを制御対象がほぼ剛体（剛性が非常に高い状態）として設計した場合の結果であり、目標位置に到達した後も振動している。これは、停止時の制御パラメータとして回転方向に共通の制御ゲインをかけているためであり、順方向（ＣＯＵＮＴの値が増加する方向）では捩れが戻ろうとするため、停止するためには、順方向のトルクが捩れと釣り合うくらい必要となる。しかし、逆方向については、捩れが戻ろうとする力が駆動力に追加されてしまうため、順方向と同じ駆動トルクをかけると意図した以上に逆転してしまう結果となってしまう。

この問題を回避するために、予備駆動動作での剛性予測結果をもとに、回転方向に応じて制御パラメータの変更を行う。ここで、制御対象を剛体とみなしたときの制御パラメータをＧａｉｎ、順方向への制御パラメータをＰ＿Ｇａｉｎ、逆転方向への制御パラメータをＲ＿Ｇａｉｎ、予備駆動動作で計測した最大の回転量ＭＡＸ、一定時間後に収束したときの回転量をＳ＿ＣＯＵＮＴとする。

このときに、剛性が十分高い場合は、
ＭＡＸ＝Ｓ＿ＣＯＵＮＴ
となり、
Ｐ＿Ｇａｉｎ＝Ｒ＿Ｇａｉｎ＝Ｇａｉｎ
とする。また、
ＭＡＸ＞Ｓ＿ＣＯＵＮＴ
の場合は、
一定計数Ｋを用いて
Ｐ＿Ｇａｉｎ＝Ｇａｉｎ、
Ｒ＿Ｇａｉｎ＝Ｇａｉｎ＊（１−（ＭＡＸ−Ｓ＿ＣＯＵＮＴ）＊Ｋ）
とする。

これによってＲ＿Ｇａｉｎ（逆転方向の制御パラメータ）は、順方向に比べ小さな値となるため、捩れの戻りによる力の影響を加味することができ、振動を低減し、安定な停止動作を実現することができる。

印字媒体を間欠駆動させ印字を行うインクジェットプリンタのような画像形成装置に、上述した本発明に係る印字媒体制御装置を用いることで高品質の印字が可能となる。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されたものではない。上述した実施形態を構成する各機能をそれぞれプログラム化して、予め記録媒体に書き込んでおき、この記録媒体に記録されたこれらのプログラムをコンピュータに備えられたメモリあるいは記憶装置に格納し、そのプログラムを実行することによって、本発明の目的が達成されることは言うまでもない。この場合、記録媒体から読み出されたプログラム自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体も本発明を構成することになる。
また、上記プログラムは、そのプログラムの指示に基づき、オペレーティングシステムあるいは他のアプリケーションプログラム等と共同して処理することによって上述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

なお、上述した実施形態の機能を実現するプログラムは、ディスク系（例えば、磁気ディスク、光ディスク等）、カード系（例えば、メモリカード、光カード等）、半導体メモリ系（例えば、ＲＯＭ、不揮発性メモリ等）、テープ系（例えば、磁気テープ、カセットテープ等）等のいずれの形態の記録媒体で提供されてもよい。あるいは、ネットワークを介して記憶装置に格納されたプログラムをサーバコンピュータから直接供給を受けるようにしてもよい。この場合、このサーバコンピュータの記憶装置も本発明の記録媒体に含まれる。
このように、上述した実施形態の機能をプログラム化して流通させることによって、コストの低廉化、および可搬性や汎用性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る印字媒体制御装置の構成例を示す図である。 目標位置まで移動する際の制御コントローラにおける速度プロファイルを示す図である。 図２に示したような速度プロファイルで移動制御を行った場合のベルト上の印字媒体の特定点の目標位置への接近具合を示す図である。 剛性が低い場合の停止位置付近での目標値との偏差を表わした図である。 図４に対応した時間において、制御コントローラからモータに印加している制御トルク量を表している。 剛性が高い場合の停止位置付近での目標値との偏差を表わした図である。 図６に対応した時間において、制御コントローラからモータに印加している制御トルク量を表している。 予備動作時の制御コントローラにおいて、モータに与える制御トルク量を計算するフローチャートである。 予備動作時の制御コントローラにおいて、カウンタが計測した回転量の最大値を計算するフローチャートである。 図８のような処理を実施した際、剛性が低い場合のＰＷＭとＣＯＵＮＴの値を示す図である。 図９のような処理を実施した際、剛性が高い場合のＰＷＭとＣＯＵＮＴの値を示す図である。

符号の説明

１…駆動プーリ、２…従動プーリ、３…ベルト、４…モータ、５…エンコーダ、６…エンコーダセンサ、７…カウンタ、８…制御コントローラ。

Claims (4)

1. モータを動力源として印刷媒体を移動制御する印字媒体制御装置において、
   前記モータを駆動する駆動軸の回転量を検出する回転量検出手段と、
   ある一定移動量となるまで前記モータに与える制御トルクを増加させ、所定の移動量に到達したときに前記制御トルクを開放する予備駆動動作を行い、前記回転量検出手段で検出された回転量の最大値と前記所定の移動量に到達後一定時間以上経過したときの安定した回転量との差に応じて、前記差が大きければ大きいほど前記駆動軸の回転方向の逆方向へかける力を小さくして、印字動作の際の制御トルクを変更するフィードバック制御をする制御手段と、を備えることを特徴とする印字媒体制御装置。
2. 請求項１に記載の印字媒体制御装置を備え、印刷媒体を移動させながら画像形成および印字を行うことを特徴とする画像形成装置。
3. コンピュータに、請求項１に記載の印字媒体制御装置の機能、または、請求項２に記載の画像形成装置の機能を実現させるためのプログラム。
4. コンピュータが読み取り可能な記録媒体であって、請求項３に記載のプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。