JP2009297956A - 記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録装置において、キャリッジの減速時に、モータの逆起電力のためにモータに流す電流の最小値が制限される。このために、振動や騒音が発生しやすい。
【解決手段】 キャリッジの減速時に、キャリッジの移動量と目標軌道とのいずれか一方あるいは両方が、所定の閾値よりも絶対値で大きい場合は、モータドライバへの入力信号を所定の値で保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明はインクジェットプリンタなどの記録装置に関する。特に、記録ヘッドを搭載したキャリッジの駆動に関するものである。

エレクトロニクス技術の著しい発展に伴い、計算機の処理能力は格段な進歩を遂げている。特に、カラー画像処理を行なうためには大量のデータを短時間で処理しなくてはならない。従来では処理速度の面で困難があったが、近年の計算機の能力向上は、このようなカラー画像処理をごく一般的なものとするまでになっている。

また、カラー画像を出力するための記録装置も利用範囲が急速に拡大している。従来の写真印刷にとってかわり、インクジェットプリンタに代表される記録装置を用いてカラー画像を出力する場面が増えている。小は名刺サイズから大はＢ０以上のポスターサイズに至るまでインクジェットプリンタの活用範囲は拡大している。また、記録装置の普及に伴って、装置に対する画質向上とスループット向上の要求は高まる一方である。一般に記録装置では記録ヘッドを記録媒体に対して走査させながら印字を行なう。このため、記録ヘッドを搭載するキャリッジに対しては、さらなる高精度化と高速化が求められている。

このような要求に対して、記録装置では、キャリッジの移動量をエンコーダで検出して、別途定めた目標移動量と該移動量との差に応じてキャリッジを駆動するという、いわゆるサーボ機構が採用されている。外部の計算機から記録データを受信すると、サーボ機構によりキャリッジが駆動されて、一定の走査速度に達した時点で印字が開始される。一回走査に相当する記録データの記録が終了するとキャリッジは停止する。さらに記録データがある場合はキャリッジの駆動と記録が繰り返される。

このようなキャリッジの駆動パターンを図的に示すならば、典型的には図５のようなパターンとなる。まず、加速区間で振動と騒音を発生しないように滑らかな加速がなされる。次に、等速区間において、キャリッジが所定の走査速度で駆動されている間に記録が実行される。そして、記録終了後の減速区間では、加速区間と同様に、振動と騒音の発生を回避しながらキャリッジを速やかに減速、停止させている。すなわち、サーボ機構は、等速区間においては等速性を保持するように、また、加速区間と減速区間では、速度や駆動状態の急激な変化で振動や騒音が発生しないように動作する。

振動および騒音が発生する原因の一つは、記録装置が持っている機械的な固有振動がキャリッジの駆動によって励振されることである。キャリッジの駆動に含まれる周波数成分から、すなわち、キャリッジに発生する加速度の周波数成分あるいはキャリッジに与える駆動力の同成分から、該固有振動数に相当する成分を排除することが重要である。一般に機械的な固有振動はある程度以上の高周波数帯域に存在する。よって、キャリッジの駆動に周波数帯域制限を設けることが有効である。また、もう一つの原因としては、加速度の変化量、すなわちジャークの大きさが挙げられる。ジャークの最大値を制限することで振動および騒音の発生を回避することが出来る。

従来の技術では、駆動パターンの生成において振動および騒音の回避を考慮した公知例がある。位置、速度、加速度の目標軌道に周波数帯域制限を設けること、そして、加速度の目標軌道の微分であるジャークに最大値の制限を設けている（特許文献１）。

しかしながら、駆動パターンとはサーボ機構に与える入力である。出力に相当するのは制御対象の実際の位置、速度、加速度であり、出力に入力と同様な制限が掛けられなければ振動と騒音の発生は避けられない。そのための公知な技術は散見されない。
特開平８−２８６７６１号公報（第１図）

以上で述べたように、従来技術の記録装置にみられるようなキャリッジのサーボ機構では、加速時もしくは減速時に振動と騒音が発生しやすいという問題点がある。特に、減速時においてこの問題は顕著である。減速時にはアクチュエータであるモータの電流を適切に制御することが困難なためである。

一般に、記録装置に代表されるような民生用機器あるいは産業用機器ではPWM方式のモータドライバが採用されている。図６を用いて同方式のモータドライバの動作とモータ電流の方向について説明する。図６（ａ）は正方向通電の場合である。モータ電流と逆起電力Veとが逆方向になる場合をここでは便宜的に正方向通電と呼んでいる。キャリッジを加速させる場合や等速で走査させる場合に相当する。モータ１０２は出力トランジスタ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄによって駆動される。正方向通電の動作は、上側PWMとして、出力トランジスタ１０１ａがスイッチング、出力トランジスタ１０１ｂ、１０１ｃがオフ、出力トランジスタ１０１ｄがオンである。逆起電力Veとモータドライバへの入力信号であるPWMデューティとに応じてモータ電流の大きさが決まる。

これに対して、図６（ｂ）は逆方向通電あるいはショートブレーキの場合である。キャリッジを減速させる場合が相当する。逆方向通電とは、モータ電流と逆起電力Veとが同方向になる場合を便宜的に呼んでいる。出力トランジスタ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄの状態は、出力トランジスタ１０１ｃがスイッチング、出力トランジスタ１０１ａ、１０１ｄがオフ、出力トランジスタ１０１ｂがオンである。もしくは、ショートブレーキでもキャリッジを減速させる方向にモータ電流が流れる。ショートブレーキに設定した場合における出力トランジスタ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄの状態は、上側オンとして、出力トランジスタ１０１ａ、１０１ｃがオン、出力トランジスタ１０１ｂ、１０１ｄがオフである。逆方向通電とショートブレーキのどちらでもモータ電流の方向は同一である。

キャリッジを滑らかに減速させるためには、モータ電流を所望の状態に制御しなくてはならない。しかしながら、図６（ｂ）逆方向通電あるいはショートブレーキの場合で問題となるのは、モータ電流の最小値が逆起電力Veで制限されることである。モータ電流のなかでも逆起電力Veによる成分は不可制御である。よって、減速のための制動トルクも逆起電力Veによって最小値が制限されて、微小な制動トルクを発生させることは出来ない。このような不都合を無視してサーボ機構を動作させると、減速時にモータ電流の急激な変化が生じてキャリッジに振動あるいは騒音が発生する。

図７は従来技術による記録装置でキャリッジ減速時に振動あるいは騒音が発生するような典型的な場合を示している。キャリッジの速度とモータ電流を時間軸応答で、かつ、減速区間のみで示している。加速区間と等速区間は不図示である。図７（ａ）において破線で示した速度目標軌道と実線で示した速度が一致するように、サーボ機構の動作によってモータ電流が制御される。モータ電流を任意の状態に制御できるならば速度と速度目標軌道を完全に一致させることも可能である。図７（ｂ）はモータ電流である。制動トルクを作用させてキャリッジを速やかに減速させるため、前述したように、モータドライバは逆方向通電かショートブレーキの状態となる。この状態ではモータ電流の中でも逆起電力による成分は不可制御であり、モータ電流を任意の値に制御することは出来ない。減速のための制動トルクも最小値が逆起電力で制限される。これより小さな制動トルクを得ようとすると、逆にキャリッジを加速するようにモータドライバの通電方向を切り換えるしかない。よって、減速区間ではモータドライバの通電方向が頻繁に切り換わってモータ電流の急激な変化が発生する。キャリッジに大きなジャークを与えることになり振動と騒音が励起されてしまう。

逆起電力はサーボ機構に不連続性を与える。図８はこの様子を説明するものであり、モータドライバへ入力するPWMデューティとモータ電流との関係を模式的に示している。符号は、加速区間あるいは等速区間でPWMデューティとモータ電流が正であるとする。PWMデューティの符号に応じてモータドライバの通電方向が切り換わる。すると、逆起電力のために、同図の点Aから点Bへ、あるいは点Bから点Aへというように、PWMデューティに対してモータ電流の変化が急峻となる点が出来る。これが制動トルクの急峻な変化を発生させることにつながって、キャリッジに振動と騒音が励起されてしまう。

本発明は上述の事情を鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、記録装置において、減速時に振動と騒音の発生を回避できるようなキャリッジのサーボ機構を提供することである。また、本発明の目的は、振動と騒音の発生を回避することで、サーボ機構の動作の再現性とキャリッジの耐久性とに優れた記録装置を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明による記録装置は、記録ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させて記録を行なう記録装置であり、かつ、該記録ヘッドを搭載したキャリッジと、キャリッジに推力を付与するモータと、キャリッジの移動量を検出する移動量検出器と、キャリッジの移動量に対して目標軌道を与える目標軌道生成器と、モータを駆動するモータドライバと、該移動量と該目標軌道に応じてモータドライバへの入力信号を演算する制御ループとを有し、キャリッジの減速時に、該移動量と該目標軌道のいずれか一方あるいは両方が、所定の閾値よりも絶対値で大きい場合は、該制御ループがモータドライバへの入力信号を所定の値で保持するように動作する記録装置である。

また、請求項２に記載の本発明による記録装置は、該移動量検出器がキャリッジの速度を検出し、該目標軌道生成器は速度目標軌道を生成する記録装置である。

本発明の効果は以下のようである。

まず、記録装置のキャリッジで振動と騒音を抑制することが出来る。キャリッジを速やかに、かつ滑らかに減速できるので、記録装置のスループット向上を果たすことができる。特に減速時における駆動の再現性が上がるのでスループットの安定化にも寄与する。不要な振動が励起されないことから機構の耐久性は向上する。

また、民生機器あるいは産業機器である記録装置においては、モータドライバとしてPWM方式が一般に採用されている。仮にリニア方式のモータドライバを採用すると、モータ電流をリニアに制御できるので振動と騒音の抑制にも寄与が大きい。しかしながら、リニア方式では電力効率が落ちることは周知であり、ドライバの大容量化と熱対策が必須となる。これは記録装置のコストアップに直結する。本発明はPWM方式のモータドライバを想定している。同方式で振動と騒音の抑制が実現できることで、記録装置のコストアップが防止できる。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。

図４はキャリッジ１とキャリッジ１を駆動するための機構とを示した斜投影図である。記録ヘッドを搭載するキャリッジ１は２本のガイドシャフト２に案内されて走査方向に往復運動をする。ベルト３はベルトホルダ４を介してキャリッジ１に固定されている。また、ベルト３はプーリ６とアイドルプーリ７に弛みなく懸架されている。プーリ６とアイドルプーリ７はキャリッジ１の走査方向の両端にそれぞれ配置されている。プーリ６にはアクチュエータであるモータ５が連結されている。モータ５が発生する駆動力はプーリ６、アイドルプーリ７、ベルト３を介してキャリッジ１に推力として伝達される。すなわち、モータ５の回転運動はこれらの機構を介してキャリッジ１の並進運動に変換される。また、エンコーダ８はキャリッジ１の走査方向の移動量を検出ための検出器である。

図１は本発明によるキャリッジ１のサーボ機構を示したブロック線図である。キャリッジ１を記録媒体に対して走査するときにはキャリッジ１の位置および速度の情報が必要となる。この変位および速度はエンコーダ8の信号をもとに抽出される。速度検出器１３の動作はエンコーダ８の出力から速度の情報を生成するものである。その動作は公知であって、例えばエンコーダ８が出力するパルス列の時間幅を計測するか、あるいは、該パルス列の単位時間あたりの変化量を演算する。位置検出器１４の動作も公知である。エンコーダ８が出力するパルス列をカウントすることで位置の情報を得る。

目標軌道生成器９は、キャリッジ１が記録媒体に対して走査する際の時間軸プロファイルを位置目標軌道、速度目標軌道、加速度目標軌道の形式で出力する。これらの量は互いに微分、積分の関係にある。位置検出器１４が出力する位置の情報は目標軌道生成器９が出力する位置目標軌道と比較減算されて位置補償器１０に導かれる。速度補償器１１は、速度と速度目標軌道との差信号および位置補償器の出力信号を導いて補償値を生成する。このように位置と速度の二重ループを構成することはサーボ機構の常套手段である。通常、位置補償器は比例動作、速度補償器は比例＋積分動作を行なう。

切換器１２は、減速時にキャリッジ１の振動と騒音を回避する目的でモータドライバ１５の状態を適切に切り換えるように動作する。図８で説明したように、モータドライバ１５の通電方向が切り換わると、逆起電力の影響でモータ電流に大きな不連続性が生ずる。一般にモータ５を時間的な目標プロファイルに沿って減速あるいは停止させる際にはモータドライバ１５の通電方向に切り換えが発生する。逆起電力はモータ５の回転速度に比例するので、キャリッジ１の速度が高いときほど、モータドライバ１５の通電方向を切り換えた際にモータ電流の変化が大きくなり、キャリッジ１に伝達する制動トルクの変化も大きい。これはキャリッジ１のジャークが大きいことを意味する。ジャークは騒音につながる。よって、キャリッジ１の速度が高いときに通電方向の頻繁な切換を行なうとキャリッジ１に振動と騒音が発生してしまう。本発明の本質は、減速時において、キャリッジ１の速度が高いときにはモータドライバ１５への入力信号を所定の値に保持して、通電方向の頻繁な切り換えを回避することである。これによって、キャリッジ１の振動と騒音を避けている。

切換器１２の動作を図２のフローチャートを用いて説明する。なお、キャリッジ１の走査は往復で行なわれるため、移動量や補償値などの状態量は往復動作に対応して正負の符号をとる。同図では説明を簡潔にするために正の符号を基準としている。すなわち、各状態量が正の場合にキャリッジ１の走査方向の駆動を表わすものとする。切換器１２の主要な動作として、キャリッジ１が減速区間にあって、かつ、速度あるいは速度目標軌道が閾値よりも大きいときは、モータドライバ１５の状態をショートブレーキに設定してキャリッジ１に減速のための制動トルクを付与している。通電方向の頻繁な切り換えを回避する目的で常にショートブレーキの状態としている。

図２において、まず、処理ブロック２０１はキャリッジ１が減速区間にあるかを判断する。走査の状態は加速区間、等速区間、減速区間に区分される。本実施例では目標軌道生成器９の出力する加速度目標軌道が負の場合は減速区間にあると判断している。加速区間か等速区間にある場合は処理ブロック２０５以下が実行される。速度補償器１１が出力する補償値の絶対値に応じてPWMデューティが設定され、さらに、処理ブロック２０６で補償値の符号を判断する。補償値が正の場合はモータドライバ１５を正方向通電、負の場合は逆方向通電とする。

処理ブロック２０１で減速区間にあると判断された場合は、さらに処理ブロック２０３によって速度あるいは速度目標軌道の大きさで処理が分岐される。速度が予め定められた速度閾値よりも大きいか、あるいは速度目標軌道が速度閾値よりも大きい場合は、モータ５の逆起電力が大きく、モータドライバ１５の通電方向を頻繁に切り換えるとキャリッジ１に振動や騒音が発生すると判断される。よって、補償値の符号と絶対値によらずモータドライバ１５を常にショートブレーキに設定する。すなわち、減速区間にあって、かつ、速度あるいは速度目標軌道が所定の速度閾値よりも大きいときは、モータドライバ１５の設定は常にショートブレーキとなり通電方向の切り換えが発生しない。なお、ショートブレーキの状態では制動トルクが逆起電力で定まり、キャリッジ１の位置および速度に偏差に応じて制動トルクの補正は行なわれない。一般に位置補償器１０もしくは速度補償器１１には積分動作が含まれるため、積分動作のワインドアップを防止する目的で、処理２０４は積分リセットを実行する。

切換器１２の動作フローは以上のようである。図１のブロック線図に戻ると、切換器１２は、速度閾値、加速度目標軌道、速度目標軌道、速度、補償値などの状態量に応じてモータドライバ１５へ与える入力信号を決定する。また、速度補償器１１に積分動作が含まれるときはワインドアップ防止のために積分リセットを実行する。

図３は本発明による記録装置の動作を示した時間軸応答である。同図の上から順にキャリッジ１の速度、モータドライバに与えるPWMデューティ、そしてモータ５のモータ電流を同一の時間軸で示している。同図の網掛け部は、減速区間にあり、かつ、速度が速度閾値よりも大きい状態を示す。このとき、モータドライバ１５はショートブレーキの状態に保持される。モータ電流はモータ５の逆起電力によって決まるので、モータ電流と速度は相似で滑らかな波形となる。減速区間にあっても速度が速度閾値よりも小さい場合は、位置および速度の偏差に応じてサーボ機構が動作する。このとき、モータドライバ１５の通電方向が頻繁に切り換わりえるが、速度が小さいことと、キャリッジ１が位置目標軌道の近くに位置することから、モータ電流の変化量も僅かである。よって、減速区間でキャリッジ１の振動や騒音が発生することを回避できる。

なお、実施例においては、モータドライバ１５をショートブレーキの状態する場合を開示したが、本発明の実施形態はこのような場合に限定されるものではない。本発明の本質は、減速区間において、キャリッジ１の速度が高いときにはモータドライバ１５への入力信号を所定の値に保持して、通電方向の頻繁な切り換えを回避することである。よって、ショートブレーキに限らず、例えば通電方向は逆方向としてPWMデューティを所定の値に固定しても同等な効果が得られる。また、キャリッジ１が減速区間にあることを判断するために、実施例では加速度目標軌道の符号を判断基準としたが、位置目標軌道など他の信号を使用しても構わない。このように本発明は様々な形態で実施可能である。

本発明の好適な実施形態を示す図面。 実施形態のフローチャートを示す図面。 本発明によるキャリッジの動作を示す図面。 キャリッジの機構的な構造を示す図面。 キャリッジの典型的な駆動パターンを示す図面。 モータドライバの通電方向を示す図面。 従来技術によるキャリッジの動作を示す図面。 モータドライバの入出力特性を模式的に示す図面。

符号の説明

１ キャリッジ
２ ガイドシャフト
３ タイミングベルト
４ ベルトホルダ
５ モータ
６ プーリ
７ アイドルプーリ
８ エンコーダ
９ 目標軌道生成器
１０ 位置補償器
１１ 速度補償器
１２ 切換器
１３ 速度検出器
１４ 位置検出器
１５ モータドライバ
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ 出力トランジスタ
１０２ モータ
１０３ 電流検出抵抗
２０１〜２０８ 処理ブロック

Claims (2)

1. 記録ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させて記録を行なう記録装置において、
   前記記録ヘッドを搭載したキャリッジと、前記キャリッジに推力を付与するモータと、前記キャリッジの移動量を検出する移動量検出器と、前記キャリッジの移動量に対して目標軌道を与える目標軌道生成器と、前記モータを駆動するモータドライバと、前記移動量と前記目標軌道に応じて前記モータドライバへの入力信号を演算する制御ループとを有し、
   前記キャリッジの減速時に、前記移動量と前記目標軌道のいずれか一方もしくは両方が、所定の閾値よりも絶対値で大きい場合は、前記制御ループが前記モータドライバへの入力信号を所定の値で保持するように動作する記録装置。
2. 前記移動量検出器は前記キャリッジの速度を検出し、前記目標軌道生成器は速度目標軌道を生成し、前記閾値は速度に関する閾値であることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。

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