JP3575232B2

JP3575232B2 - 画像出力装置

Info

Publication number: JP3575232B2
Application number: JP17791697A
Authority: JP
Inventors: 茂樹村松
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: JPH1120143A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクタンクとともに印字手段が所定方向へ移動して印字を行う画像出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、印字ヘッドにインクタンクを備えているインクジェットプリンタ等の画像出力装置では、印字ヘッドキャリッジ駆動装置でフィードバック制御を行っており、印字ヘッドを安定して動作させるようにしている。
【０００３】
この印字ヘッドキャリッジ駆動装置のフィードバック制御では、固定制御係数を用いているもの、また適応制御理論を用いているものもある。適応制御理論としては、例えば、「モデル規範適応制御」（鈴木隆、防衛大学校、電気学会、システム・制御研究会、研究会資料、ＳＣ−９５−２２）に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の画像出力装置では制御の前提条件として、線形時不変系でプラントの次数が既知であると仮定した制御を行っているが、実際には非線形な外乱も存在し、プラントモデルを完全に把握することは困難である。つまり、非線形な外乱の存在により前提条件が崩れてしまい、正確な制御系の状態を推定できない。
【０００５】
また、インクジェットプリンタ等の画像出力装置では、インクの消費量によって印字ヘッドの重量が変化し、印字ヘッドを移動させる場合の慣性も変化する。このような動作を制御するため、適応制御理論の演算を高速タイプのＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ）やＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）で行おうとした場合、非常に高価なものとなってしまう。
【０００６】
近年では、インクタンクの交換の手間を省くため、インク収容量を大きくする場合があり、このようなインクタンクを備えた印字ヘッドでは、インクの消費による印字ヘッドの重量変化が大きくなり、上記問題が顕著に現れてしまう。
【０００７】
本発明は、低コストで慣性変化にも十分対応できる画像出力装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために成された画像出力装置である。すなわち、本発明の画像出力装置は、インクタンクを備えている印字手段と、印字手段を所定方向に移動させる駆動手段と、所定の補償値に基づき駆動手段に対する駆動制御を補償する補償手段と、インクタンクから吐出したインクの量またはインクタンクに残っているインクの量に基づき補償手段における補償値を設定する補償値設定手段とを備える画像出力装置において、補償手段として、積分定数および比例定数による伝達関数を用いるもので、この積分定数および比例定数として数１による計算で求めるものである。
【０００９】
本発明では、補償値設定手段においてインクタンクから吐出したインクの量またはインクタンクに残っているインクの量に基づいた補償値の設定を行っていることから、インクの消費量に応じて変化する印字手段の慣性変化に対応して印字手段の的確な駆動制御を行うことができるようになる。また、補償値の設定として伝達関数の積分定数および比例定数を数１によって計算で求めるため、複雑で高速な演算を行うことなく最適な補償値を用いた印字ヘッドの駆動制御を行うことができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の画像出力装置における実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の画像出力装置の一例であるインクジェットプリンタ１の主要部を説明する模式図である。インクジェットプリンタ１は、印字ヘッド１０を移動させながらインクを吐出して印字を行う装置である。
【００１１】
この印字ヘッド１０には、黒色のインクを収容するインクタンクＢ、黄色のインクを収容するインクタンクＹ、マゼンタ色のインクを収容するインクタンクＭ、シアン色のインクを収容するインクタンクＣが取り付けられており、印字ヘッド１０とともに移動する。
【００１２】
印字ヘッド１０は、ＤＣモータ１３によって回転するプーリ１２に掛けられたベルト１１に取り付けられている。すなわち、ＤＣモータ１３を所定方向へ回転させることによりプーリ１２を回転させ、ベルト１１を図中横方向に移動して印字ヘッド１０を平行移動させる（矢印▲１▼参照）。
【００１３】
ＤＣモータ１３には、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダから成る回転検出部１４が取り付けられ、さらに、この検出した回転に基づきＤＣモータ１３の回転を制御する制御部１５が設けられている。
【００１４】
また、本実施形態における制御部１５は、印字ヘッド１０の各インクタンクＢ、Ｙ、Ｍ、Ｃの質量を検出してＤＣモータ１３の回転制御における補償値を設定している。
【００１５】
図２は印字ヘッドの移動における速度プロファイルである。すなわち、印字ヘッドは所定の印字を行うためその移動速度を増していき、一定の速度となった段階で印字を行う（印字区間）。そして、例えば１ライン分の印字を終了した後、反対方向へ移動してスタート位置まで戻るようにする（戻り区間）。
【００１６】
制御部１５（図１参照）は、ＤＣモータ１３（図１参照）の回転を制御して上記のような印字ヘッドの往復移動を安定して行えるようにする。特に本実施形態では、各インクの消費量から印字ヘッドの質量を検出し、その検出した質量に応じて制御における補償値を変更している。
【００１７】
図３は制御部１５のブロック構成図である。制御部１５はワンチップ（１ＣＨＩＰ）ＣＰＵによるハードウェアと、ＤＣモータ１３に対する回転制御補償を行うソフトウェア（Ｓｏｆｔｗａｒｅ）とから構成されている。
【００１８】
以下、各構成要素について説明する。先ず、ハードウェア構成におけるエンコーダＩ／Ｆ１５１は、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダ１４ａで検知した信号を受け、ノイズ成分を除去して出力する。
【００１９】
回転方向検出回路１５２は、例えばフリップフロップを用いてエンコーダＩ／Ｆ１５１から出力される複数の位相のパルス信号に基づきＤＣモータ１３の回転方向を検出する回路である。
【００２０】
また、エッジ間検出回路１５３では、エンコーダＩ／Ｆ１５１から出力されるパルス信号の例えば立ち上がり間隔を検出する。カウンタ回路１５４は、エッジ間検出回路１５３で検出した１つのエッジ間におけるＦａｓｔクロック数を計数する。Ｆａｓｔクロック発生回路１５５は、カウンタ回路１５４で使用するＦａｓｔクロックを発生する。
【００２１】
メモリー１５６は、カウンタ回路１５４で計数したＦａｓｔクロック数を記憶するものである。タイマー回路１５７はサンプリングを行うための期間を設定する。
【００２２】
また、ソフトウェア構成における目標速度設定部２０１では、制御を行うＤＣモータ１３の回転における目標速度を設定する。速度データ演算部２０２では、演算速度データ＝Ｆａｓｔクロック／キャプチャーから成る演算を行って実際のＤＣモータ１３の回転速度を演算する。
【００２３】
速度補償演算部２０３は、速度データ演算部２０２で演算した実際の回転速度を目標速度設定部２０１で設定した目標速度にするための補償値を演算する。始動ＰＷＭ値設定部２０４では、ＤＣモータ１３の回転を開始する際のＰＷＭ（位相幅変調）値を設定する。
【００２４】
位置補償演算部２０５は、速度誤差累積値２０６と目標位置設定部２０７での目標位置とに基づいて位置補償値を演算している。
【００２５】
また、ソフトウェア構成の中の速度補償演算部２０３、始動ＰＷＭ値設置部２０４、位置補償演算部２０５からの出力は、各々ＰＷＭ出力回路３００に入力される。このＰＷＭ出力回路３００からは、各データに基づきＤＣモータ１３を駆動するための所定デューティのパルス信号が出力される。
【００２６】
ＰＷＭ出力回路３００から出力されるパルス信号は貫通電流防止回路３０４、電流制御回路３０５、ドライバー回路３０６を介してＤＣモータ１３に入力される。すなわち、ＤＣモータ１３は、ＰＷＭ出力回路３００から出力されるパルス信号のデューティに応じた回転速度で回転することになる。
【００２７】
また、回路イネーブル信号３０１は、回転制御において何らかのトラブルが発生した場合にイネーブル信号を貫通電流防止回路３０４へ出力し、各回路の破損を防止するようにしている。
【００２８】
上記のソフトウェア構成は、ＲＯＭ３０２内に格納されたプログラム処理をＲＡＭ３０３に読み込み、これを実行することによって実現している。
【００２９】
次に、このような構成から成る制御部１５における実際の回転制御の例を説明する。図４は第１実施形態における回転制御の概略を示す図である。第１実施形態においては、先ずインク量検出（Ｓ１）を行い、検出したインク量をＣＰＵに入力し（Ｓ２）、そのインク量から印字ヘッドの質量計測または推定を行う（Ｓ３）。
【００３０】
その後、質量に応じたテーブルを用いて制御補償機の補償係数を読み取り（Ｓ４）、補償器の係数を変更し（Ｓ５）、この係数を用いた速度補償を行って制御動作を行う（Ｓ６）。
【００３１】
図５は第１実施形態における具体的な処理フローチャートである。先ず、ステップＳ１０１に示すように残りのインク量（以下、単に「インク量」と言う。）の検出を行う。インク量の検出としては、例えば印字回数からインクの消費量を求めてインク量を計算したり、印字ヘッドの駆動電流やトルクセンサの値からインク量を検出する。また、フォトセンサ、磁気センサ、メカニカルセンサを用いてインクの消費量を検知し、インク量を計算してもよい。
【００３２】
次いで、ステップＳ１０２に示すように検出したインク量の平均値を計算する。そして、以下の処理において、インク量の平均値と所定のしきい値とを比較して、インク量に応じた補償器係数を設定した制御を行う。
【００３３】
ここで、インクが満ちている場合の印字ヘッドの質量を１０００グラム、４色のインクで各インクタンク１つ当たり１００グラムのインクを収容できるものとすると、全てのインクを消費した場合には印字ヘッドの質量が６００グラムとなり、インクが満ちている場合と比べて４００グラムの差が生じることになる。
【００３４】
この例では、１００グラム毎（１００グラム、２００グラム、３００グラム、４００グラム）にしきい値を設定し、予め設定されたテーブルデータに基づき補償器係数（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）をロードする。
【００３５】
すなわち、ステップＳ１０３では、インク量の平均値＜１００グラムか否かを判断し、１００グラムに満たない場合にはＹｅｓとなってステップＳ１０４に示す補償器係数（ａ）のロードを行う。
【００３６】
ステップＳ１０３でＮｏとなった場合にはステップＳ１０５へ進み、平均値＜２００グラムか否かを判断する。ここで平均値が２００グラムに満たない場合にはＹｅｓとなってステップＳ１０６に示す補償器係数（ｂ）のロードを行う。
【００３７】
ステップＳ１０５でＮｏとなった場合にはステップＳ１０７へ進み、平均値＜３００グラムか否かを判断する。ここで平均値が３００グラムに満たない場合にはＹｅｓとなってステップＳ１０８に示す補償器係数（ｃ）のロードを行う。
【００３８】
ステップＳ１０７でＮｏとなった場合にはステップＳ１０９へ進み、平均値＜４００グラムか否かを判断する。ここで平均値が４００グラムに満たない場合にはＹｅｓとなってステップＳ１１０に示す補償器係数（ｄ）のロードを行う。
【００３９】
また、ステップＳ１０９でＮｏとなった場合にはステップＳ１１１へ進み、インク交換を指示する。
【００４０】
そして、インク量の平均値に応じて補償器係数をロードした後は、ステップＳ１１２においてその補償器係数への変更を行い、この補償器係数を用いた回転制御を行うことになる。
【００４１】
これによってインク量を考慮した補償器係数を設定することができ、的確な補償器係数を用いて安定した印字ヘッドの移動を実現できることになる。
【００４２】
次に第２実施形態の説明を行う。図６は第２実施形態における回転制御の概略を示す図である。第２実施形態においては、インク量検出（Ｓ１１）、検出したインク量のＣＰＵへの入力し（Ｓ１２）、そのインク量から印字ヘッドの質量計測または推定（Ｓ１３）、補償器係数変更（Ｓ１５）、制御動作（Ｓ１６）は第１実施形態と同様であるが、質量に応じた計算により制御補償器係数を求める（Ｓ１４）処理が相違する。
【００４３】
図７は第２実施形態における具体的な処理フローチャートである。先ず、ステップＳ２０１に示すようにインク量の検出を行う。インク量の検出は、第１実施形態と同様、例えば印字回数からインクの消費量を求めてインク量を計算したり、印字ヘッドの駆動電流やトルクセンサの値から検出する。また、フォトセンサ、磁気センサ、メカニカルセンサを用いてインクの消費量を検知してもよい。
【００４４】
次いで、ステップＳ２０２に示すように検出したインク量の平均値を計算する。次に、第２実施形態では、ステップＳ２０３に示す慣性計算、ステップＳ２０４に示す補償器係数計算によって印字ヘッドの重さに応じた補償器係数を計算で算出し、ステップＳ２０５においてその補償器係数への変更を行う。
【００４５】
ステップＳ２０３に示す慣性計算としては、慣性＝モータ慣性＋ギヤ慣性＋（ヘッド重量＋インク質量）×（プーリ直径／２）^２によって算出する。
【００４６】
また、ステップＳ２０４に示す補償器係数計算では、
機械的時定数＝（モータ抵抗×慣性）／（誘起電圧定数×トルク定数）
電気的時定数＝モータインダクタンス×モータ抵抗
ｋ＝（電源電圧×エンコーダ歯波）／（ＰＷＭ分解能×２×π×誘起電圧定数）
ａ２’＝（機械的時定数×電気的定数）／ｋ
ａ１’＝機械的定数／ｋ
ａ０’＝１／ｋ
ｄ０＝１，ｄ１＝１，ｄ２＝０．５，ｄ３＝０．０３
（ｄ２’^２−ｄ３）×ｔ^２−ｄ２×（ａ１／ａ０）×ｔ＋（ａ２／ａ０）＝０
よりｔを求める。
そして、
Ｋｉ＝（ａ０’／ｔ）×１．２
Ｋｐ＝（ａ０’×（（ａ１／ａ０）−ｔ×ｄ２））／ｔ
補償器係数＝Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓとなり、これをサンプリングタイムに応じてタスティン変換する。
【００４７】
このような補償器係数の算出における具体例を以下に説明する。なお、ここではＰＩ（比例積分）方法を示すが、Ｉ−ＰＤ（積分−比例微分）等であってもよい。
【００４８】
先ず、望ましい制御系の参照モデルを数２とする。
【００４９】
【数２】

【００５０】
また、数３に示す制御対象の伝達関数を分母系列表現にすると数４のようになる。
【００５１】
【数３】

【００５２】
【数４】

【００５３】
さらに、ＰＩＤ（比例積分微分）制御系のブロック線図を図８に示す。
【００５４】
また、制御装置は以下の数５のように示されるとする。
【００５５】
【数５】

【００５６】
ここで、目標値から制御量までの伝達関数は、以下の数６のようになる。
【００５７】
【数６】

【００５８】
これを数２で示す望ましい制御系の参照モデルに等しいとおいて以下の数７を得る。
【００５９】
【数７】

【００６０】
この数７からＣ（Ｓ）を解くと数８のようになる。
【００６１】
【数８】

【００６２】
ところで、Ｉ（積分）動作、ＰＩ（比例積分）動作、ＰＩＤ（比例積分微分）動作、…に応じてＣ_１以降、Ｃ_２以降、Ｃ_３以降、…は使わないため、数８において対応する項の係数は零でなければならない。
【００６３】
しかし、未定パラメータはσだけであって、そのように多くの係数を同時に零にすることはできない。そこで、零にすべき最低次の項の係数を零にする。このことから、σの満たすべき方程式として以下の数９を得る。
【００６４】
【数９】

【００６５】
数８におけるＳ^１の係数を正でできるだけ小さくする（その値がσになる）という条件を満たすために、数９の正の最小の実根σを求め、それぞれの動作に必要なパラメータを数１０のように計算する。
【００６６】
【数１０】

【００６７】
正の実根σが存在しないときは、その制御動作で「調整可能なパラメータの数が許す限りｉ＝２，３，…の順にＳ^ｉの係数をｄ_ｉσ^ｉに等しくする。」という条件を満たす応答が実現できないと解釈される。
【００６８】
また、σ＝０が得られたときは完全な補償ができてしまうことを意味する。
【００６９】
ここで、ＰＩ補償としてσ、Ｃ_０＝Ｋ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}、Ｃ_１＝Ｋ_{ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ}を以下の数１１のように求める。
【００７０】
【数１１】

【００７１】
しかし、このままでは、制御対象物と補償器とプラントとの間でポールキャンセラレーション（極零点消去）が発生するので、制御系として非常に不安定なものとなってしまう。
【００７２】
これは、例えば制御対象物の伝達関数と補償器の伝達関数とが因数分解した時に互いに打ち消しあっていることを示している。
例えば、制御対象物の伝達関数を数１２、補償器の伝達関数を数１３とした場合、開ループ伝達関数は数１４のようになる。
【００７３】
【数１２】

【００７４】
【数１３】

【００７５】
【数１４】

【００７６】
そこで、Ｋ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}を原点からずらすように１．２〜１．３の係数を掛けて使用する。すなわちＫ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}およびＫ_{ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ}は以下の数１５のようになる。
【００７７】
【数１５】

【００７８】
離散系の場合には、このＫ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}およびＫ_{ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ}をサンプリングピリオピリオドに応じて変換（例えば、タスティン変換）して使用する。
【００７９】
このように印字ヘッドの重量に応じた補償器係数を算出することにより、最適な補償値を用いた印字ヘッドの駆動制御を行うことができるようになる。
【００８０】
なお、上記実施形態においては、インクジェットプリンタの例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されることはない。また、第１実施形態で示したしきい値のステップは１００グラム毎に限定されるものではない。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の画像出力装置によれば次のような効果がある。すなわち、本発明でインクタンクに残っているインクの量に基づき補償値を設定することから、印字手段の慣性変化に対応して適切な動作制御を行うことが可能となる。これにより、複雑で高速な演算を行うことなく的確に印字手段の動作を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における画像出力装置の主要部を説明する模式図である。
【図２】印字ヘッドの移動における速度プロファイルを示す図である。
【図３】制御部のブロック構成図である。
【図４】第１実施形態における回転制御の概略を示す図である。
【図５】第１実施形態における処理フローチャートである。
【図６】第２実施形態における回転制御の概略を示す図である。
【図７】第２実施形態における処理フローチャートである。
【図８】ＰＩＤ制御系のブロック線図である。
【符号の説明】
１…インクジェットプリンタ、１０…印字ヘッド、１１…ベルト、１２…プーリ、１３…ＤＣモータ、１４…回転検出部、１５…制御部

Claims

インクタンクを備えている印字手段と、
前記印字手段を所定方向に移動させる駆動手段と、
所定の補償値に基づき前記駆動手段に対する駆動制御を補償する補償手段と、
前記インクタンクから吐出したインクの量または前記インクタンクに残っているインクの量に基づき前記補償手段における前記補償値を設定する補償値設定手段とを備える画像出力装置において、
前記補償手段は積分定数および比例定数による伝達関数を用いるもので、前記積分定数および前記比例定数を

によって求める
ことを特徴とする画像出力装置。