JP4833617B2 - 印字媒体搬送装置及び印字媒体搬送方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリンタ等の画像形成装置及び印字媒体搬送方法における印字媒体搬送装置に係り、より具体的には、モータの制御方法、モータの制御装置、これらモータの制御方法、制御装置を用いたプリンタ、これらモータの制御方法、制御装置を実現するためのコンピュータプログラム及びコンピュータシステムに関する。

速度プロファイルを用いた速度フィードバック制御によって位置送りをおこなうシステムは、インクジェットプリンタの印刷媒体搬送装置を始めその他の分野でも多く使用されている。しかし、速度プロファイルによって位置送り動作をおこなう場合、速度プロファイルからずれが生じた場合に、プロファイル上での目標位置到達地点では、実際の移動距離にずれが発生してしまう。また、速度プロファイルとのずれが大きい場合にアンダーシュートやオーバーシュートが大きく、振動的になり、位置送りが不安定になってしまうなどの問題がある。

速度プロファイルを使用したモータ駆動制御方式としては、例えば特開２００１−２２４１８９号公報（特許文献１参照）、特開２００１−１６９５８４号公報（特許文献２参照）、特開２００３−３４８８７８号公報（特許文献３参照）などがある。
特開２００１−２２４１８９号公報 特開２００１−１６９５８４号公報 特開２００３−３４８８７８号公報

このような速度プロファイルを使用したモータ制御方式にてモータを制御する場合に、モータの駆動負荷に関わらず、一定プロファイルを目標として駆動してしまうと、モータが所定の回転速度に達するまでの時間がモータの駆動負荷によってばらついてしまうことなどによって、モータの駆動負荷が小さい場合は、短時間で所定の回転速度に達し、逆に、モータの駆動負荷が大きい場合は、所定の回転速度に達するまでに長時間を要してしまう。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの駆動負荷に変化があった場合でも、適切にモータを制御し、目標位置までの移動を短時間で実現することができるモータ制御方法、および、該制御方法を実行するモータ制御装置を実現することにある。

請求項１の発明は、インクジェットプリンタの印字媒体搬送装置において、インクヘッド一走査書き込み後に印字媒体を副走査方向に移動させる場合に、該印字媒体の移動は速度プロファイルを用いたフィードバック制御で実現し、その速度プロファイルは加速領域、等速移動領域、減速領域、低速等速移動領域、再減速領域からなり、前記加速領域から等速移動領域への切り替えは速度情報、その他の領域の切り替えは目標位置との距離によっておこなうことを特徴としたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記減速領域の速度プロファイルは目標位置との距離との関数によって決定されることを特徴としたものである。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記減速領域において速度Ｖ１から 速度Ｖ２に減速するときの速度目標値Ｖｔは、エンコーダの回転によって前記エンコーダ上のスリットがエンコーダセンサにより計測され、前記エンコーダセンサの出力がカウンタによって計測されて得られる制御サンプリング周期間のパルス数から求められるエンコーダパルスのカウント値Ｐｒの関数で、
Ｖｔ＝（Ｐｒ×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ１×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−Ｖ１））／（Ｌｐ）
である、
ただし、Ｐ１は速度Ｖ１におけるカウント値、Ｐ２は速度Ｖ２におけるカウント値、Ｌｐはエンコーダパルスの分解能、
ことを特徴としたものである。

請求項４の発明は、インクジェットプリンタの印字媒体搬送方法において、インクヘッド一走査書き込み後に印字媒体を副走査方向に移動させる場合に、該印字媒体の移動は速度プロファイルを用いたフィードバック制御で実現し、その速度プロファイルは加速領域、等速移動領域、減速領域、低速等速移動領域、再減速領域からなり、前記加速領域から等速移動領域への切り替えは速度情報、その他の領域の切り替えは目標位置との距離によっておこなうことを特徴としたものである。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記減速領域の速度プロファイルは目標位置との距離との関数によって決定されることを特徴としたものである。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記減速領域において速度Ｖ１から速度Ｖ２に減速するときの速度目標値Ｖｔは、エンコーダの回転によって前記エンコーダ上のスリットがエンコーダセンサにより計測され、前記エンコーダセンサの出力がカウンタによって計測されて得られる制御サンプリング周期間のパルス数から求められるエンコーダパルスのカウント値Ｐｒの関数で、
Ｖｔ＝（Ｐｒ×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ１×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−Ｖ１））／（Ｌｐ）
である、
ただし、Ｐ１は速度Ｖ１におけるカウント値、Ｐ２は速度Ｖ２におけるカウント値、Ｌｐはエンコーダパルスの分解能、
ことを特徴としたものである。

速度プロファイルを切り替えて、移動および停止制御をおこなうことで、特に、減速領域において、目標位置との距離（移動開始からのエンコーダパルスのエッジの数に相当する目標停止カウント値と、現在のカウント値位置）に応じて、速度プロファイルを決定するために、目標位置に近づくに連れ、減速量が緩やかになるため、減速領域から低速等速移動領域へ切り替えた場合の目標速度の変化を小さくすることが出来、減速した後の一定速度に変更する場合のずれが低減される。

また、目標値からの差分によって速度が決まっているため、目標位置付近での目標速度は必ず低速になり、変動の少ない停止位置動作が可能となる。

モータの駆動開始信号によって、モータの回転動作を開始し、モータ自体の回転角、モータに取り付けたローラの外周の移動距離、駆動ローラに取り付けたベルト等の移動を目標とする角度、もしくは駆動ローラの表面の移動量を物理量として、モータを駆動制御させる場合に、モータの駆動軸もしくはモータから減速機構などを介して駆動される被駆動軸上に取り付けたエンコーダ等によってモータの回転量もしくは移動量を検出し、その回転量の変化量をフィードバックすることで、目標位置までの移動制御を実現する。

図１は、本発明による印字媒体搬送装置の一構成例を示す図で、駆動プーリ１、従動プーリ２上に張掛されたベルト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と同軸上に設置されたエンコーダ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をおこなう。このカウンタ７での駆動プーリ１の回転量を元に制御コントローラ８によって目標移動量までモータ４を回転駆動させる。

図２は、このときの制御コントローラ８の構成例を示し、図中の、加速プロファイル８ａ、等速プロファイル８ｂ、減速プロファイル８ｃ、低等速プロファイル８ｄ、再減速プロファイル８ｅを、図３に示す速度プロファイルの加速領域ａ、等速移動領域ｂ、減速領域ｃ、低速等速移動領域ｄ、再減速領域ｅへの変更条件によって切り替えて制御をおこなう。最後の停止動作領域ｆでは速度プロファイルは用いずに位置制御により最終位置制御をおこなう。

切り替えは、図２中の、カウンタ値速度情報判定手段８ｇによって、カウンタインターフェース８ｆを介してカウンタ７で得られた駆動軸の回転量を元にそれぞれのプロファイル８ａ〜８ｅの切り替えをおこなう。カウント値による切り替えは、そのカウント値を元に判断をおこない、速度情報はカウンタ値速度情報判定手段８ｇにおけるカウントデータのサンプリング周期とそのカウント値の差分から判断する。

それぞれの速度プロファイルに応じた目標位置、速度に応じてＰＩ（比例＋積分）コントローラ８ｈによってモータの駆動トルクを算出し、モータインターフェース８ｉを介してモータ４を回転駆動することで、目標位置までのベルト移動動作を実現する。

図４は、図３に示したプロファイルの切り替え処理のフローを示す図で、目標位置までの移動は、図３に示すような速度プロファイルを使用して移動制御を実現する。なお、図３に示す速度プロファイル中の、ａの部分の領域はモータ回転開始からある一定速度まで加速をおこなう加速領域、ｂの部分の領域は一定速度で移動をおこなう等速移動領域、ｃの部分の領域は一定速度から低速の一定速度まで減速する減速領域、ｄの部分は低速で移動する低速等速移動領域、ｅの部分は最終目標地に停止するまえの再減速領域、ｆの部分は目標位置への停止動作を実現する停止動作領域である。

ここで、加速領域ａでは、等速移動領域ｂでの移動速度をＶ１としたとき、目標速度をＶ１としてエンコーダの回転によって得られる制御サンプリング周期間のパルス数から求められる速度Ｖ０が、Ｐｃをサンプリング周期間のエンコーダパルス数、Ｔｓをサンプリング周期、Ｌｐをエンコーダパルスの分解能（駆動軸換算）とするとき、
Ｖ０＝Ｐｃ×Ｌｐ／Ｔｓ
でもとめ、このＶ０＝Ｖ１の条件を満たすまで、目標速度をＶ１として速度制御を実施する。加速領域ａと等速移動領域ｂの切り替えは、上記Ｖ０＝Ｖ１の条件が成立した場合におこなう。

等速移動領域ｂの等速移動領域は、目標速度をＶ１として速度制御をおこなうことで、モータの駆動制御をおこなう。
等速移動領域ｂから減速領域ｃへの切り替えは、目標位置（移動開始からのエンコーダパルスのカウント値）と現在の移動開始からのカウント値の差分値によって判断する。目標カウント値をＰｔ、現在のカウント値をＰｒとしたときに、目標位置Ｐ１が、
Ｐ１＝Ｐｔ−Ｐｒ
を満足した場合に、等速移動領域ｂから減速領域ｃへの切り替えを実施する。

減速領域ｃにおいては、速度Ｖ１から速度Ｖ２までの減速をおこなう。このときの速度目標値Ｖｔは、エンコーダパルス数のカウント値Ｐｒによる関数、
Ｖｔ＝（Ｐｒ×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ１×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−Ｖ１））／（Ｌｐ）
で求める。

Ｐ１は等速移動領域ｂから減速領域ｃへ切り替える目標カウント値から現在カウント値を引いた値、Ｐ２は減速領域ｃから低速等速移動領域ｄへ切り替える目標カウント値から現在カウント値を引いた値、Ｌｐはエンコーダパルスの分解能（駆動軸換算）である。目標カウント値をＰｔ、現在のカウント値をＰｒとしたときに、最終目標位置Ｐ２が
Ｐ２＝Ｐｔ−Ｐｒ
を満足した場合に、減速領域ｃから低速等速移動領域ｄへの切り替えを実施する。

低速等速移動領域ｄは、目標速度をＶ２として速度制御をおこなうことで、モータの駆動制御をおこなう。
低速等速移動領域ｄから減速領域ｅへの切り替えは、目標位置（移動開始からのエンコーダパルスのカウント値）と現在の移動開始からのカウント値の差分値によって判断する。目標カウント値をＰｔ、現在のカウント値をＰｒとしたときに、目標位置Ｐ３が、
Ｐ３＝Ｐｔ−Ｐｒ
を満足した場合に、低速等速移動領域ｄから減速領域ｅへの切り替えを実施する。

減速領域ｅにおいては、速度Ｖ２から停止までの減速をおこなう。このときの速度目標値Ｖｔは、エンコーダパルス数のカウント値Ｐｒによる関数、
Ｖｔ＝（Ｐｒ×（Ｖ２）／（Ｐ３）−（Ｐ１×（Ｖ２）／（Ｐ３）））／（Ｌｐ）
で、求める。
Ｐ３は低速等速領域ｄから減速領域ｅへ切り替える目標カウント値から現在カウント値を引いた値、Ｌｐはエンコーダパルスの分解能（駆動軸換算）である。

減速領域ｅから最終停止領域ｆへの切り替えは、目標位置（移動開始からのエンコーダパルスのカウント値）と現在の移動開始からのカウント値の差分値によって判断する。目標カウント値をＰｔ、現在のカウント値をＰｒとしたときに、最終目標位置Ｐ４が
Ｐ４＝Ｐｔ−Ｐｒ
を満足した場合に、減速領域ｅから最終停止領域ｆへの切り替えを実施する。

最終停止領域ｆでは、位置フィードバック制御やオープンループでの目標位置との現在のカウント数の差によってモータ駆動指令値を変更するような位置送り動作によって、目標位置への停止を実現する。
これらの速度プロファイルごとに、速度目標値を決定し、エンコーダパルスのカウント値により速度目標値の切り替えを実現することで、目標位置までの移動と停止を実現する。

ここで、図３の速度プロファイル上で、減速領域ｅ、最終停止領域ｆを設けずに、低速等速領域ｄの状態から、目標位置との差分値に応じて停止動作へ移行し、停止動作を実現しても構わない。

このように、上述した速度プロファイルを用いて位置移動制御を実現することにより、図１の駆動プーリ１が取り付けられた駆動軸上の負荷等が変動したときに、駆動軸の減速状態が変化した場合でも安定に停止動作を実現することが可能となる。

一方、図５に示すような従来の速度プロファイルでは、縦軸速度、時間で速度プロファイルを生成し、ａで示す領域は時間Ｔ０まで速度Ｖ１まで加速をおこない、ｂで示す領域では時間Ｔ０からＴ１の間速度Ｖ１で移動をおこない、ｃで示す領域では時間Ｔ１からＴ２の間に速度Ｖ１からＶ２へと減速をおこない、ｄで示す領域では、時間Ｔ２からＴ３の間速度Ｖ２で移動をおこない、ｅで示す領域では時間Ｔ３からＴ４の間速度Ｖ２から停止付近までの減速をおこない、ｆで示す領域で最終目標位置への停止制御をおこなう。

この方式では、機構の特性が把握できており、負荷条件もほぼ一定の場合は、シミュレーション等によって対象となる機構に対して速度プロファイルを作成し、実際の動作確認により、最適な時間に対する速度プロファイルを得ることができるが、負荷条件等の違いによって、同一時間内で速度変更が実現できないなどの問題が生じ、図１の駆動軸プーリ１が取り付けられた駆動軸の動きが、図５に示した速度プロファイルと異なった動きとなる場合がある。

特にｃの減速領域においては、速度プロファイルが時間で一定の場合（時間・速度プロファイル…時間に基づいた速度プロファイル）に、機構の負荷が想定していた値と異なる場合は、図６に示すように、速度プロファイルからずれが生じ、その後も速度プロファイルに追従するために減速に加え、加減速をおこなうこととなり、目標速度に到達しようと大きな速度変動を発生させてしまい、結果として目標位置への到達時間を要してしまうこととなる。

さらに、機構剛性が十分でない場合には、振動系になってしまい、機構共振周波数が低い場合などは発振状態になってしまうことも考えられる。
また、時間で速度を管理しているため、目標位置に対して減速が不十分な場合は、目標速度より速い速度で移動する時間が長くなるため、実際に移動する距離が長くなり、目標とする移動位置を大きく通り過ぎてしまうこともあり、より振動的になることがある。

これに対して、本発明では、速度プロファイルを目標位置に応じて前述した位置と速度が線形の関係になるような式を用いて生成するために、目標位置に近づくほど速度プロファイル上の速度は遅くなり（位置・速度プロファイル…目標位置との距離に基づいた速度プロファイル）、制御される速度も遅くなる。つまり、位置の変化量も小さくなり、速度プロファイルの目標速度の変化も少なくなる。つまり、図７に示すように、速度が減速開始付近では、一定の速度があるために時間あたりの移動量が大きくなり、速度プロファイルの変化も大きいが、目標位置との距離が短くなり、減速するほど単位時間あたりの移動距離が短くなり、目標速度の変化量が小さくなる。目標速度は低く設定されるが、移動量は逆転方向になることが無いために、速度プロファイルは一定速の設定となり、目標速度に対して実際の速度が振動する現象は発生しにくくなる。

図７に示すように、時間に応じて速度プロファイルを固定した場合は、目標値との差が大きくなると減速量が大きくなり、図６と同様な点線の軌跡のように振動し易い状態であるが、位置に応じた速度プロファイルの場合は、図７の線Ｘに示すように減速量が目標位置からの距離に応じて決まるために、大きな振動を起し難い。

これは、図８に示すように、一定加速度で速度が変化した場合に、時間関数で目標速度を求めた場合の軌跡図で、時間・速度プロファイル（ａ）に比べ、位置に応じて速度プロファイルを変更した場合の位置・速度プロファイル（ｂ）は、減速開始時点では速度が速いために減速量が大きくなり、減速終端では速度が遅いために移動距離が少なくなり、つまりは速度変化量が少なくなることから、横軸を時間で見た場合の速度変化が少なくなり、速度Ｖ２に対して緩やかな目標速度を自動的に生成する効果も得られる。

図８中のＴ２のポイントでは、時間による速度プロファイル（ａ）の作成方法では、速度プロファイルが急激に変化するのに対して、位置と速度を線形の関係においた関数による速度プロファイル（ｂ）作成方法では、同一時間内で一定速度まで減速する場合は、減速開始直後の減速量は大きくなるものの、減速後の一定速になる部分の速度変化量が緩やかになるために振動を起し難いプロファイルとなる。これは、速度が遅い場合は、移動量が少なくなり位置の移動量も少なくなることから、位置によって速度を求めており、速度変化量が少なくなるためである。

本発明による印字媒体搬送装置の一構成例を示す図である。 本発明による制御コントローラの構成例を示す図である。 速度プロファイルを示す図である。 プロファイルの切り替え処理のフローを示す図である。 従来の速度プロファイルを示す図である。 図５の減速領域における速度プロファイルの例を説明するための図である。 位置に応じた速度プロファイルを説明するための図である。 時間・速度プロファイルと位置・速度プロファイルを比較して示す図である。

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 (6)

1. インクジェットプリンタの印字媒体搬送装置において、インクヘッド一走査書き込み後に印字媒体を副走査方向に移動させる場合に、該印字媒体の移動は速度プロファイルを用いたフィードバック制御で実現し、その速度プロファイルは加速領域、等速移動領域、減速領域、低速等速移動領域、再減速領域からなり、前記加速領域から等速移動領域への切り替えは速度情報、その他の領域の切り替えは目標位置との距離によっておこなうことを特徴とした印字媒体搬送装置。
2. 前記減速領域の速度プロファイルは目標位置との距離との関数によって決定されることを特徴とした請求項１に記載の印字媒体搬送装置。
3. 前記減速領域において速度Ｖ１から速度Ｖ２に減速するときの速度目標値Ｖｔは、エンコーダの回転によって前記エンコーダ上のスリットがエンコーダセンサにより計測され、前記エンコーダセンサの出力がカウンタによって計測されて得られる制御サンプリング周期間のパルス数から求められるエンコーダパルスのカウント値Ｐｒの関数で、
   Ｖｔ＝（Ｐｒ×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ１×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−Ｖ１））／（Ｌｐ）
   である、
   ただし、Ｐ１は速度Ｖ１におけるカウント値、Ｐ２は速度Ｖ２におけるカウント値、Ｌｐはエンコーダパルスの分解能、
   ことを特徴とする請求項２に記載の印字媒体搬送装置。
4. インクジェットプリンタの印字媒体搬送方法において、インクヘッド一走査書き込み後に印字媒体を副走査方向に移動させる場合に、該印字媒体の移動は速度プロファイルを用いたフィードバック制御で実現し、その速度プロファイルは加速領域、等速移動領域、減速領域、低速等速移動領域、再減速領域からなり、前記加速領域から等速移動領域への切り替えは速度情報、その他の領域の切り替えは目標位置との距離によっておこなうことを特徴とした印字媒体搬送方法。
5. 前記減速領域の速度プロファイルは目標位置との距離との関数によって決定されることを特徴とした請求項４に記載の印字媒体搬送方法。
6. 前記減速領域において速度Ｖ１から速度Ｖ２に減速するときの速度目標値Ｖｔは、エンコーダの回転によって前記エンコーダ上のスリットがエンコーダセンサにより計測され、前記エンコーダセンサの出力がカウンタによって計測されて得られる制御サンプリング周期間のパルス数から求められるエンコーダパルスのカウント値Ｐｒの関数で、
   Ｖｔ＝（Ｐｒ×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ１×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｐ１−Ｐ２）−Ｖ１））／（Ｌｐ）
   である、
   ただし、Ｐ１は速度Ｖ１におけるカウント値、Ｐ２は速度Ｖ２におけるカウント値、Ｌｐはエンコーダパルスの分解能、
   ことを特徴とする請求項５に記載の印字媒体搬送方法。