JP6907016B2 - 情報処理装置、その制御方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、プリンタなどにおける記録媒体の搬送経路の設計に関するものである。

搬送経路内の記録媒体の挙動をシミュレーションする技術として、特許文献１には、記録媒体を有限要素法による有限要素で表現し、搬送経路内のガイドやローラとの接触判定を行い、運動方程式を数値的に解くことが記載されている。そして方程式を解くことにより、記録媒体とガイドとの接触による搬送抵抗や当接角を評価する設計支援システムが記載されている。

この搬送経路の形状は、シミュレーションモデル作成効率と形状の精度の観点から３次元ＣＡＤから３次元形状情報を読み込むことで定義されることが多く、また接触計算の効率化のために３角形パッチの集合に変換され計算される場合が多い。

また、特許文献２には、記録媒体とガイドとの接触力から記録媒体とガイドが強く接触することで記録媒体上の印刷物に傷やこすれが生じる画像不具合を評価する設計支援システムが記載されている。

特許第３８８６６２７号公報 特許第４０４９９２５号公報

ガイドのリブなどの凸部、ローラ端部が記録媒体と強く接触することによって記録媒体上の印刷物や記録媒体そのものに傷やこすれが生じてしまうものがある。このような現象は局所的に強い接触力が働くことが原因である。

上記のような局所的な接触力をシミュレーションによって評価する際の方法として２つ考えられるがそれぞれ課題がある。

一つ目は前記等価節点力を用いる方法である。しかしながら、この方法には局所的な接触力の解像度が要素サイズの制限を受けるという課題がある。例えば、図１（Ａ）は有限要素で離散化された記録媒体の要素１１と有限要素節点１２、要素サイズよりも狭い間隔で配置されたガイドのリブ１３、そして記録媒体とリブの接触点１４を示している。この接触点で発生した接触力は有限要素の形状関数により等価節点力に換算され要素内の節点に分配され、複数の接触点が存在する場合にはそれらが加算される。

そのため記録媒体要素よりも狭い間隔で配置された各リブとの個々接触力や接触点位置は等価節点力から求めることはできず、また図１（Ｂ）に示すように接触力をコンターで表示した際にも視覚的にどこに強い接触力が発生しているか把握することはできない。なお斜線部が接触力のコンターを表している。

この課題を解決するためには、図１（Ｃ）のように記録媒体の要素をリブ間隔の半分以下に細分化すればよいがその場合、要素数の増大による計算時間の大幅な増加が避けられないという課題がある。なお図１（Ｃ）も図１（Ｂ）同様に斜線部が接触力のコンターを表している。

二つ目は特許文献２記載の方法である。この方法は有限要素法に特定されたものではないが接触点での接触力が入力された閾値を超える場合に接触点座標、接触力、時刻情報、節点情報を外部記憶装置にファイルとして保存し、それをグラフ化や描画領域での可視化に用いるものである。

しかしながら、この方法は局所的な接触力が判定できない場合があるという課題がある。例えば、記録媒体とガイドのリブなどの凸部は搬送性を考え丸みが付いている場合が多く、そのような形状は微小な三角形パッチの集合として表現される。その場合、記録媒体と微小な三角形パッチの集合との間には多数の接触点が密集して発生することになり、その場合それぞれの接触点での接触力を足し合わせた合力は閾値を超える場合にも個々の接触力は閾値以下になり閾値を超える接触力とは判定されない。

そこで、本発明は、要素細分化なしに、抜けもれなく局所的に接触力を評価できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る情報処理装置は、有限要素法により離散化された有限要素解析モデルと他の接触対象となる部材との接触による変形の挙動を時刻毎にシミュレーションする情報処理装置であって、前記有限要素解析モデルの表面となる要素表面を要素表面よりも小さい小領域に分割する分割手段と、前記有限要素解析モデルと前記部材とが接触する前記小領域を特定する特定手段と、前記小領域ごとに接触力を格納する格納手段と、前記格納手段により格納された、前記小領域ごとの接触力を読み込み、前記小領域ごとに接触力を要素表面よりも高い解像度で表示画面上に表示させる表示手段とを有する。

本発明によれば、計算時間の増加を抑え、漏れなく局所的な接触力を評価できる。

有限要素で離散化された記録媒体と搬送路ガイドリブとの接触点、及び等価節点力を用いた際の接触力のコンター表示の説明図。 本実施例に係る情報処理装置の構成を示すブロック図。 本実施例に係る情報処理装置の機能の構成を示すブロック図。 本実施例において、シミュレーションを実行する際に表示させる画面構成の一例を示す図。 本実施例による、記録媒体の定義画面例を示す図。 本実施例による、ローラ駆動条件の定義画面例を示す図。 本実施例における運動計算のフローチャート。 本実施例における運動計算結果のアニメーション表示例を示す図。 本実施例における、接触力のコンター表示の設定画面例を示す図。 本実施例における運動計算結果の、接触力のコンター表示例を示す図。 本実施例における、接触力のベクトル表示の設定画面例を示す図。 本実施例における運動計算結果の、接触力のベクトル表示例を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照し具体的に説明する。

［実施例１］
まず、本実施例に係るハードウェア構成について説明する。図２は、本実施例に係る情報処理装置の１つである設計支援装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

図２に示す設計支援装置は、ＣＰＵ２１、表示部２２、記憶部２３、ＲＯＭ２４、ＲＡＭ２５、キーボード２６及びポインティングデバイス２７等から構成される。

ＣＰＵ２１は、コンピュータ全体を制御する中央処理装置である。表示部２２は、ＣＰＵ２１が実行する制御における各種入力条件や解析結果などを表示する。記憶部２３は、ＣＰＵ２１が導いた解析結果などを保存するハードディスクなどである。ＲＯＭ２４は、ＣＰＵ２１が実行する制御プログラム、各種アプリケーションプログラム、データなどを記憶する。ＲＡＭ２５は、上記制御プログラムに基づいて、ＣＰＵ２１が各部を制御しながら処理を行うときに一時的にデータを保存する。キーボード２６は、各種入力条件などを作業者が入力するために用いられる。ポインティングデバイス２７は、マウス、トラックボールなどで構成されている。

本実施例に係る設計支援装置では、上述した各種プログラムを用いて記録媒体搬送シミュレーション（以下、単にシミュレーション）を実行することができる。本実施例で実行されるシミュレーションは、搬送経路及び記録媒体を定義し、シート状の記録媒体が搬送経路内を搬送されながら運動計算を行っていくことでなされる。以下、搬送経路、記録媒体、搬送条件の定義、運動計算についての処理を説明する。なお、係る処理は、ＣＰＵ２１が制御プログラムを実行することでなされる。

次に本発明の設計支援プログラムについて説明する。図３は、本実施例に係る設計支援プログラムの構成を示すブロック図である。このブロック構成はシミュレーション条件設定部３１、シミュレーション実行部３２、計算結果読み込み部３３、領域別接触力表示部３４を有する。

シミュレーション条件設定部は搬送経路の定義、記録媒体定義、搬送条件の一連のプリ処理を行う。シミュレーション実行部は条件設定部で設定された条件に応じた記録媒体の運動を計算する。計算結果読み込み部はシミュレーション実行によって算出された座標の変位や速度、等価節点力に換算した接触力、記領域別接触力格納手段により格納された小領域ごとの接触力の結果を読み込む。領域別接触力表示部は読み込まれた小領域ごとの接触力を画面に表示する。

次に本実施例における設計支援プログラムで実行される処理を図を用いて具体的に説明する。

シミュレーション条件設定部３１で行う処理を説明する。図４は、シミュレーションを実行する際に、ＣＰＵ２１によって表示部２２に表示される画面構成の一例を示す図である。図４に示す画面は、主に手順の切り替えを行うメニューバー４１、定義した搬送経路や結果が表示されるグラフィック画面４２、プログラムメッセージの出力及び必要に応じ数値入力を行うコマンド欄４３で構成される。メニューバー４１での各種定義ボタンを押すことで、各手順のサブ構成メニューが表示される
まず搬送経路の定義について説明する。搬送経路は３次元ＣＡＤから３次元形状情報を読み込むことで定義される。この際に接触計算の効率化のために３次元形状情報が表す搬送経路の形状は３角形パッチの集合に変換される。図４の例では、ファイルメニューの外部データ取り込みによりこの手順を実現している。グラフィック画面４２には、こうしてプログラムに読み込まれた搬送経路形状を表示している。

次に記録媒体を選択する。図５は記録媒体定義ボタンが押されると表示される記録媒体定義用のメニューの一例であり、サイズ選択欄５１と記録媒体種類選択欄５２と記録媒体要素サイズ欄５３と要素細分化サイズ欄５４と記録媒体作成ボタン５５とを有する。図５に示す例では、記録媒体のサイズにＡ４を選択している。次に記録媒体選択欄から記録媒体種を選択する。図５の例では記録媒体Ｂが選択されている。次に記録媒体要素サイズを入力する。図５の例では６ｍｍが入力されている。次に要素細分化サイズを入力する。図５の例では２ｍｍが入力されている。

その後、記録媒体作成ボタンがユーザによりマウスでクリックされるとＣＰＵは組み込まれたデータベースから、選択された記録媒体種をキーとして、記録媒体の物性値のヤング率、厚さ、密度をＲＡＭに格納する。次にＣＰＵは選択された記録媒体のサイズと入力された記録媒体要素サイズから有限要素法により離散化した複数の要素で分割して有限要素解析モデルを作成する。

次にＣＰＵは入力された要素細分化サイズから有限要素解析モデルの表面となる要素表面を小領域に分割する。そして、小領域ごとに固有のインデックスを付与し、小領域がどの要素の部分に当たるかという情報、例えば有限要素法における形状関数の範囲を計算しＲＡＭに格納する。図５では記録媒体要素サイズが６ｍｍ、要素細分化サイズが２ｍｍであるため１要素表面が９個の小領域に分割される。

次に搬送条件の設定を説明する。この搬送条件の設定の処理では、ＣＰＵ２１は、搬送ローラの駆動条件、並びに、搬送ガイド、搬送ローラと記録媒体との接触時の摩擦係数を定義し、ＲＡＭ２５に格納する。なお、搬送条件は、メニューバー４１における「搬送条件」からユーザ指示されることで設定が可能である。

駆動条件は駆動条件定義ボタンが押下され、それぞれのローラが選択されることで、条件設定メニューが開く。図６の例では駆動開始時刻と駆動終了時刻と回転速度のテーブルを作成することで、加減速、逆転などのローラ搬送条件を作成できる。

次に、シミュレーション実行部３２に関する処理について図７のフローチャートを用いて説明する。Ｓ７０１においてＣＰＵ２１はまず、有限要素解析モデルの運動を計算する実時間（計算終了時間）Ｔ、及び運動方程式の解を数値的に求める際に使用する数値時間積分の時間刻みΔｔを設定する。ＴおよびΔｔは予め定められた値を用いてもよいし、ユーザが指示した値を用いてもよい。そしてＣＰＵ２１は、時刻毎のつまり初期時間から計算終了時間Ｔまで時間刻みΔｔ毎の各時間ステップにおいて有限要素解析モデルの運動計算を行い、計算結果をＲＡＭ２５に格納する。本実施例では計算結果をＲＡＭ２５に格納しているが記憶部２３に保存するようにしてもよい。

続いて各時間ステップにおける有限要素解析モデルの運動計算を説明する。ステップＳ７０２においてＣＰＵ２１は、Δｔ秒後の計算を行う際に必要な初期加速度、初期速度及び初期変位を設定する。これらの値としては、１時間ステップの終了の度に、その計算結果（即ち、前回の時間ステップの計算値を初期値とする）が投入される。なお最初の値は予め定められた値を用いる。

次にステップＳ７０３においてＣＰＵ２１は有限要素解析モデルの表面となる要素表面と接触対象となる部材とが接触しているかの判定を行い、接触していると判定された場合はステップＳ７０４〜Ｓ７０６を、そうでない場合にはステップＳ７０７を実行する。

ステップＳ７０４においてＣＰＵ２１は接触位置、抗力、摩擦力といった接触力を計算する。

次にステップＳ７０５においてＣＰＵ２１はステップＳ７０４で計算された接触位置の情報から小領域のインデックスを計算することで小領域を特定し、特定された小領域ごとの接触力を加算しＲＡＭに格納する。

次にステップＳ７０６においてＣＰＵ２１はステップＳ７０４で計算された接触力、接触位置の情報から要素内各節点において発生する接触力の全成分の等価節点力を計算し、要素内各節点の接触力に加算しＲＡＭに格納する。

ステップＳ７０７においてＣＰＵ２１は有限要素解析モデルの表面となる要素表面と接触対象となる部材の全組合せについてステップＳ７０３の判定が終了したかを判定し、終了していない場合は次の組合せについてステップＳ７０３の判定を実行する。終了した場合はステップＳ７０７を実行する。

次にステップＳ７０８においてＣＰＵ２１は有限要素解析モデルの各要素について復元力の計算を行い、要素内各節点の復元力に加算しＲＡＭに格納する。

次にステップＳ７０９においてＣＰＵ２１は上記以外の有限要素解析モデルの各有限要素節点に働く力である減衰力、重力、空気抵抗力、及びクーロン力を計算しＲＡＭに格納する。

次にステップＳ７１０においてＣＰＵ２１はその時間ステップで有限要素解析モデルの各有限要素節点かかる合力としてステップＳ７０６、ステップＳ７０８、ステップＳ７０９で計算されたそれぞれの有限要素節点に働く力を加算しＲＡＭに格納する。

次にステップＳ７１１においてＣＰＵ２１は、ステップＳ７１０で求めた有限要素節点に働く総力を有限要素節点の質量で除し、この除算の結果に初期加速度を加算することで、Δｔ秒後における当該有限要素節点の加速度を求める
次にステップＳ７１２においてＣＰＵ２１は、ステップＳ７１１で求めた加速度にΔｔを乗じ、この乗算の結果に初速度を加算することで、Δｔ秒後における当該有限要素節点の速度を求める。

次にステップＳ７１３においてＣＰＵ２１は、ステップＳ７１２で求めた速度にΔｔを乗じ、この乗算の結果に初期変位を加算することで、Δｔ秒後における当該有限要素節点の変位を求める。

本実施例では、ステップＳ７１１〜Ｓ７１３一連のΔｔ秒後の物理量の計算にＥｕｌｅｒの時間積分法を採用しているが、Ｋｕｔｔａ−ｍｅｒｓｏｎ、Ｎｅｗｍａｒｋ−β法、Ｗｉｌｌｓｏｎ−θ法などの他の時間積分法を採用してもよい。

ステップＳ７１４では計算時刻が設定した実時間Ｔに到達したか否かを判定し、到達していれば運動計算手順を終了する。到達していない場合は再度ステップＳ７０２に戻り時間積分を繰り返し、計算時刻が設定した実時間Ｔに到達した場合は運動計算を終了する。

本実施例において、運動計算の中で追加されているのはステップＳ７０５のみであり、計算時間の増加はわずかである。対して要素の細分により局所的な接触力を評価しようとする場合、要素、節点数の増加による計算時間の増加がある。さらに、本実施例で採用したＥｕｌｅｒの時間積分法のような陽解法を用いた場合には、安定的に計算するための時間刻みΔｔに制限があり、おおよそ要素サイズに比例してΔｔを小さくする必要がある。従って、時間ステップの繰り返し数が増加することによる計算時間の増加が生じる。記録媒体の有限要素にシェル要素を用い要素サイズを三分の一にした場合、概算で２７倍の計算時間が必要になる。

計算が終了したら結果表示を実行する。運動計算の実行結果は結果表示ボタンを押すことで確認できる。図８はアニメーション表示のメニューの例である。再生ボタン８２、コマ送りボタン８１および８３、初期ステップに戻るボタン８０、コンター表示ボタン８４、ベクトル表示ボタン８５により表示画面上に計算された記録媒体の挙動を幾何形状で表示させ、計算の結果を表示させている。

次に領域別接触力表示部４４について説明する。領域別接触力表示部４４ではステップＳ７０５で格納された小領域ごとの接触力を、有限要素解析モデルの変形結果が対応する小領域を描画領域としてコンター、もしくはベクトルを表示する。

まずコンター表示処理について具体的に説明する。図８に示すアニメーション操作画面上の接触力コンター表示設定ボタン８４を押すと接触力コンター表示設定を行うための接触力コンター表示設定メニューが表示され、そこでの設定に沿って小領域ごとの接触力コンターが表示される。

図９は接触力コンター表示設定メニューの一例であり、コンター表示切替ボタン９１とコンター表示接触力選択ボタン９２とコンター最小値入力欄９３とコンター最大値入力欄９４を有する。コンター表示を行うにはコンター表示切替ボタンを選択しコンター表示を有効にする。図９ではコンター表示を有効化されている。次に表示を行う接触力に対応するコンター表示接触力選択ボタンを選択する。図９では摩擦力を選択している。次にコンター最小値入力欄、コンター最大値入力欄に値を入力する。図９ではコンター最小値入力欄に０Ｎ、コンター最大値入力欄に０．８Ｎが入力されている。

その後ＯＫボタンがクリックされるとＣＰＵ２１はＲＡＭ２５に格納された全ての時刻、全ての小領域の選択されている接触力、この場合は摩擦力ベクトル、の大きさを計算する。その計算された値と入力されたコンター最小値、コンター最大値から各時刻、各小領域の色を計算しＲＡＭ２５に格納する。

次にＣＰＵ２１は結果表示時刻での各小領域の色で有限要素解析モデル要素表面内の各小領域を要素表面単位として表示部に描画する処理を行う。アニメーションを再生した場合も同様に各結果表示時刻での各小領域の色で有限要素解析モデル要素表面の各小領域を表示部に描画する処理を行う。

図１０（Ａ）は接触力コンター表示を実行した際のアニメーション表示のメニューの例である。有限要素解析モデル要素表面の各小領域の接触力が大きいものほど濃淡が濃く描画されている。また図１０（Ａ）は図８のアニメーション表示のメニューの例に加えコンターの値の範囲を示すカラーバー１０１が表示される。

図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の点線１０２部分を拡大したもので、一点鎖線１０３が要素１１より解像度の高い小領域を表している。従来通りの要素サイズで局所的な接触力を視覚的に把握できる。

次にベクトル表示処理について具体的に説明する。図１１は接触力ベクトル表示設定メニューの一例であり、ベクトル表示切替ボタン１１１とベクトル表示接触力選択ボタン１１２とベクトル表示サイズ入力欄１１３と非表示ベクトル入力欄１１４とを有する。ベクトル表示を行うにはベクトル表示切替ボタン１１１を選択し、ベクトル表示を有効にする。図１１ではベクトル表示を有効化されている。またベクトル表示に用いるベクトルは、接触力の大きさや、接触力を有限要素解析モデルの等価節点力に換算した値を表すベクトルなどのいずれか一方を選択的に表示できる。

次に表示を行う接触力に対応するベクトル表示接触力選択ボタン１１２を選択する。図１１では摩擦力を選択している。

次にベクトルの大きさを１Ｎあたり何ｍｍで表示するかをベクトル表示サイズ入力欄１１３に入力する。図１１では３０ｍｍ／Ｎが入力されている。

次に微小な接触力も全てベクトルを描画すると視認性が悪化するため、非表示にするベクトルの閾値を非表示ベクトル入力欄１１４に入力する。図１１では０．６Ｎが入力されている。

その後ＯＫボタンがクリックされるとＣＰＵ２１はＲＡＭ２５に格納された全ての時刻、全ての小領域の選択されている接触力（この場合は摩擦力ベクトルの大きさが、非表示ベクトル入力欄１１４に入力された以上のもの）について計算を行う。つまり、入力されたベクトル表示サイズから表示するベクトル長さを計算しそれに単位化した接触力ベクトルを乗じた表示ベクトルを計算しＲＡＭ２５に格納する。

次にＣＰＵ２１は結果表示時刻で有限要素解析モデル要素表面の各小領域の中央を起点としてその時刻での表示ベクトルを表示部に描画する処理を行う。結果表示時刻で有限要素解析モデル要素表面の各小領域の中央を起点としてその時刻での表示ベクトルを表示部に描画する処理を行う。

図１２（Ａ）は接触力ベクトル表示を実行した際のアニメーション表示のメニューの例である。有限要素解析モデル要素表面の各小領域の接触力が大きいものほどベクトルが長く描画されている。図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の点線１２１部分を拡大したもので従来通りの要素サイズで局所的な接触力を視覚的に把握できる。

［その他の実施例］
本発明は、上述の実施例の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上のような本実施例による接触力の表示によって、従来技術では要素の細分化なしには実現困難であった、局所的な接触力を視覚的に把握することができる。

Claims (10)

1. 有限要素法により離散化された有限要素解析モデルと他の接触対象となる部材との接触による変形の挙動を時刻毎にシミュレーションする情報処理装置であって、
   前記有限要素解析モデルの表面となる要素表面を要素表面よりも小さい小領域に分割する分割手段と、
   前記有限要素解析モデルと前記部材とが接触する前記小領域を特定する特定手段と、
   前記小領域ごとに接触力を格納する格納手段と、
   前記格納手段により格納された、前記小領域ごとの接触力を読み込み、前記小領域ごとに接触力を要素表面よりも高い解像度で表示画面上に表示させる表示手段と
   を有することを特徴とする情報処理装置。
2. 前記有限要素解析モデルは、シート状の記録媒体を有限要素法により離散化して得られるモデルであることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
3. 前記表示手段は、前記有限要素解析モデルのシミュレーション後の変形結果と前記部材の幾何形状とを描画するための描画領域を設け、前記格納手段により格納された小領域ごとの接触力を読み込み、前記描画領域の有限要素解析モデル要素表面の対応する小領域に、接触力の大きさを色で表示することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の情報処理装置。
4. 前記表示手順は、前記有限要素解析モデルのシミュレーション後の変形結果と前記部材の幾何形状とを描画するための描画領域を設け、前記格納手段により格納された小領域ごとの接触力を読み込み、前記描画領域の有限要素解析モデル要素表面の対応する小領域に接触力の大きさをベクトルで表示することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の情報処理装置。
5. 前記表示手段は、前記部材の接触力を前記有限要素解析モデルの等価節点力に換算した値を、要素表面単位で色あるいは濃淡によるコンター表示することを特徴とする請求項３に記載の情報処理装置。
6. 前記表示手段は、前記ベクトルと、前記接触力を前記有限要素解析モデルの等価節点力に換算した値のベクトルとのいずれか一方を選択的に表示する事を特徴とする請求項４に記載の情報処理装置。
7. 前記格納手段は、同じ小領域で発生した前記接触力の全成分を加算して格納することを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
8. 前記表示手段は、前記格納手段によって格納された接触力が閾値を超えた場合、その旨を通知するメッセージを表示することを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
9. 有限要素法により離散化された有限要素解析モデルと他の接触対象となる部材との接触による変形の挙動を時刻毎にシミュレーションする情報処理装置の制御方法であって、
   前記有限要素解析モデルの表面となる要素表面を要素表面よりも小さい小領域に分割し、
   前記有限要素解析モデルと前記部材とが接触する前記小領域を特定し、
   前記小領域ごとに接触力を前記情報処理装置の格納手段に格納し、
   前記格納された、前記小領域ごとの接触力を読み込み、前記小領域ごとに接触力を要素表面よりも高い解像度で前記情報処理装置の表示画面上に表示させることを特徴とする情報処理方法。
10. コンピュータを、請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載された情報処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。

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