(57)【要約】【課題】  記録装置の経年的な負荷変動に適応し、かつ、十分な応答速度を持った安定したキャリッジ駆動制御を実現する記録装置とキャリッジ駆動制御方法とを提供することである。【解決手段】  記録装置の経年的な負荷変動の結果である実際のキャリッジ等速移動中に得られるモータドライバへの制御信号に基づいて、フィードフォワード制御における調整値を得、これを次のキャリッジ走査に反映する。【選択図】    図３
2006159696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録ヘッドを搭載したキャリッジをキャリッジモータの駆動力により往復移動させて記録媒体に記録を行なう記録装置であって、
前記キャリッジモータを駆動するモータドライバと、
前記キャリッジの位置と速度とを検出する検出手段と、
前記キャリッジに対して駆動指令を与える駆動指示手段と、
前記駆動指示手段による駆動指令と前記検出手段によって検出されたキャリッジ位置及びキャリッジ速度とに基づいて前記キャリッジの駆動を前記モータドライバを介してフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御手段から前記モータドライバへの制御信号と、前記駆動指示手段からの駆動指令とに基づいて、前記モータドライバへの制御信号を調整するフィードフォワード制御手段とを有し、
前記フィードフォワード制御手段は、
前記キャリッジの等速移動期間中に、所定のサンプリング周期で前記モータドライバへの制御信号を保持し、
前記キャリッジの減速移動期間中に、前記モータドライバへの制御信号の調整値を演算し、
前記減速移動期間に続く前記キャリッジの停止期間中に、前記調整値が次のキャリッジ走査に反映されるようにすることを特徴とする記録装置。
【請求項２】
前記駆動指令は、前記キャリッジの位置指令と速度指令と加速度指令とを含むことを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項３】
前記フィードフォワード制御手段は、
前記キャリッジの加速度指令を入力して積分する比例及び積分フィルタ回路と、
前記キャリッジの速度指令と前記モータドライバへの制御信号と前記比例及び積分フィルタ回路からの出力とを入力して前記比例及び積分フィルタ回路の積分ゲインを調整する調整回路とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の記録装置。
【請求項４】
前記調整回路では、前記キャリッジの等速移動期間中に所定のサンプリング周期で得られた前記モータドライバへの制御信号と前記比例及び積分フィルタ回路からの出力との差が極小であるように、前記キャリッジ減速移動期間中に前記積分ゲインを調整することを特徴とする請求項３に記載の記録装置。
【請求項５】
前記フィードフォワード制御手段は、
前記キャリッジの加速度指令を入力する第１の比例ゲイン回路と、
前記キャリッジの速度指令を入力する第２の比例ゲイン回路と、
前記キャリッジの速度指令と前記モータドライバへの制御信号と前記第２の比例ゲイン回路からの出力とを入力して前記第２の比例ゲイン回路のゲインを調整する調整回路とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の記録装置。
【請求項６】
前記記録ヘッドは、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドであることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項７】
前記インクジェット記録ヘッドは、熱エネルギーを利用してインクを吐出するために、インクに与える熱エネルギーを発生するための電気熱変換体を備えていることを特徴とする請求項６に記載の記録ヘッド。
【請求項８】
記録ヘッドを搭載したキャリッジをキャリッジモータの駆動力により往復移動させて記録媒体に記録を行なう記録装置で用いるキャリッジ駆動制御方法であって、
前記キャリッジに対して駆動指令を与える駆動指示工程と、
前記キャリッジの位置と速度とを検出する検出工程と、
前記駆動指示工程における駆動指令と前記検出工程において検出されたキャリッジ位置及びキャリッジ速度とに基づいて前記キャリッジの駆動を、前記キャリッジモータを駆動するモータドライバを介してフィードバック制御するフィードバック制御工程と、
前記フィードバック制御工程における前記モータドライバへの制御信号と、前記駆動指示工程における駆動指令とに基づいて、前記モータドライバへの制御信号を調整するフィードフォワード制御工程とを有し、
前記フィードフォワード制御工程は、
前記キャリッジの等速移動期間中に、所定のサンプリング周期で前記モータドライバへの制御信号を保持し、
前記キャリッジの減速移動期間中に、前記モータドライバへの制御信号の調整値を演算し、
前記減速移動期間に続く前記キャリッジの停止期間中に、前記調整値が次のキャリッジ走査に反映されるようにすることを特徴とするキャリッジ駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は記録装置及びキャリッジ駆動制御方法に関し、特に、例えば、インクジェット記録ヘッドをキャリッジに搭載したシリアル記録を行う記録装置及びキャリッジ駆動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
同様に、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ことが増えている。その記録サイズは小さいものは名刺サイズから大きいものは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、このような記録装置の普及に伴って、記録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記録を行なう。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。
【０００４】
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、別途定めた目標移動量とその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。
【０００５】
外部のホストコンピュータ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、所定の走査速度に達した時点で記録が開始される。一回の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。
【０００６】
図１１は記録動作に伴うキャリッジの駆動パターンを示した典型的な図である。
【０００７】
図１１によれば、まず加速区間で所定の走査速度までキャリッジが加速される。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、キャリッジの減速と停止が行なわれる。この駆動パターンが一回の走査に相当する。さらに記録データがある場合には、同様な駆動パターンが繰り返される。
【０００８】
サーボ機構の動作は、記録を行なうための適切な駆動パターンを生成することと、駆動パターンに追従するようにキャリッジを駆動することである。動作に不具合があるとキャリッジに振動が発生して記録媒体への記録品質が低下してしまう。
【０００９】
振動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。キャリッジに付与する駆動力はその固有振動数に相当する周波数帯域の成分を含まないことが望ましい。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、サーボ機構には高周波数帯域についての帯域制限を適切に設ける必要がある。また、記録装置のような構造体には部材の柔軟性による力伝達の遅れが存在する。むやみに広帯域な駆動パターンを生成しても無意味である。
【００１０】
従来より、駆動パターンの生成において周波数帯域制限の機能を実現した例が知られている。所望の周波数よりも高周波数帯域の成分は急峻に減衰させて、かつ、位置、速度、加速度が互いに微分、積分の関係にあるような駆動パターンの生成器が実現されている（特許文献１）。
【００１１】
さて、駆動パターンとはサーボ機構に与える入力であり、その出力に相当するのは制御対象となるキャリッジの実際の位置、速度、加速度であり、適切な入力に対して出力が追従しなくてはサーボ機構の目的は達成されない。これまでに追従性を向上させるためにいろいろな手法が提案されているものの、有効な技術は見られない。
【００１２】
キャリッジのような構造体を駆動するためのサーボ機構としては、キャリッジの移動量を検出して、目標移動量との偏差に応じて駆動力を逐次更新するというフィードバック制御系を採用するのが常套手段であった。即ち、キャリッジの速度と位置の情報を検出して、速度と位置に関する多重のフィードバックループを構成するのである。工作機械などの大型構造体を制御対象に想定する場合は、これに加えて電磁アクチュエータの電流フィードバックが構成されることもある。フィードバック制御系の目標値追従性はフィードバックループのループゲインによって決定される。ループゲインを高く設定できれば十分な目標値追従性を確保できる。
【００１３】
しかしながら、ループゲインをむやみに高く設定することが不可能なのは周知である。原因は機械的要因、電気的要因、そして計算機の能力的要因に分類される。このうちで最も影響が顕著なのは機械的要因である。即ち、構造体の共振点がフィードバックループを不安定にさせてしまう。共振点を励起しないためにはループゲインを低く設定するしかない。このため、そのフィードバックループにノッチフィルタの採用なども広く検討されているが、適用可能なのは、共振周波数が常に一定な場合に限定される。製造上の問題から共振周波数にばらつくが発生することは十分に考えられるため、大量生産が前提の記録装置ではノッチフィルタの採用は現実的でない。
【００１４】
また、電気的要因としては、電磁アクチュエータのインダクタンスに起因した電流遅れが知られている。駆動回路における素子の遅れも存在する。そして、制御系のサンプリング周期は計算機の処理速度で制限される。制御系に求められる応答性に対してサンプリング周期を十分に短く設定できない場合、間欠的なサンプリングによる位相遅れが発生する。これはフィードバックループの性能劣化を引き起こす。
【００１５】
ここで検討している記録装置については、その省電力、省スペースの観点から、通常、その制御部には１チップのマイクロコンピュータが採用される。マイクロコンピュータの処理能力を考えればサンプリング周期の影響は無視できない。
【００１６】
さらに、フィードバック制御系の性能のみに頼っていては目標値追従性に限界がある。このため、制御対象の動作を予見して駆動力を決定するという、フィードフォワード制御が提案されている。フィードバック制御が偏差信号に応じた反省作用であるのに対して、フィードフォワード制御は予見作用だからであり、制御対象の特性を正確に把握できるならばフィードフォワード制御の効果は絶大である。フィードフォワード制御が設計どおりに動作すれば、制御対象の動作を目標とする駆動パターンに完全に一致させることができる。
【特許文献１】特開平８−２８６７６１号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら記録装置のキャリッジを対象としたサーボ機構において、フィードフォワード制御を効果的に動作させるには、以下に説明する二つの障壁がある。
【００１８】
一つには、キャリッジの動特性を適切に捕らえなくてはならない点である。サーボ機構とアクチュエータの動特性を適切に捕らえる必要がある。記録装置ではキャリッジを駆動するアクチュエータとしてＤＣモータあるいはＤＣブラシレスモータが採用されている。このようなモータでは回転速度に比例した逆起電力が発生する。逆起電力が動特性に与える影響は無視できない。
【００１９】
二つ目には、負荷が経年変化する点である。モータの回転運動をキャリッジの並進運動へと変換するため、キャリッジはベルト懸架で駆動される。ベルトには所定の初期張力がかかっており、緩みなくキャリッジおよびモータに懸架されているが、ベルトが柔軟部材であることから経年的に張力変動が生じる。サーボ機構にとってベルトの張力変動は負荷変動と等価である。また、キャリッジはガイドシャフトの案内で並進方向に駆動される。キャリッジとガイドシャフトとの間にはわずかながらガタが存在する。ガタ取りのためにキャリッジにはガイドシャフトへの押し付け力が付与されることが多い。これは、コイルばねの使用などによって実現されているが、これにも経年変化が発生することは言うまでもない。
【００２０】
そして、インクジェット記録装置では、その記録動作に伴ってキャリッジ駆動系にインクの付着が発生することが避けられない。インクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）から吐出されたインクのほとんどは記録媒体に付着するが、微量なインクが霧状に散布されてガイドシャフトなどの機構に付着する。インクの付着に伴いキャリッジの走行抵抗は増大する。従って、記録装置の運用に伴って負荷が経年的に増大する。このように、記録装置では負荷変動の存在が無視できないため、フィードフォワード制御系を経年的にも適切に動作させることが困難であった。
【００２１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、記録装置の経年的な負荷変動に適応し、かつ、十分な応答速度を持った安定したキャリッジ駆動制御を実現する記録装置とキャリッジ駆動制御方法とを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために本発明の記録装置は、以下のような構成からなる。
【００２３】
即ち、記録ヘッドを搭載したキャリッジをキャリッジモータの駆動力により往復移動させて記録媒体に記録を行なう記録装置であって、前記キャリッジモータを駆動するモータドライバと、前記キャリッジの位置と速度とを検出する検出手段と、前記キャリッジに対して駆動指令を与える駆動指示手段と、前記駆動指示手段による駆動指令と前記検出手段によって検出されたキャリッジ位置及びキャリッジ速度とに基づいて前記キャリッジの駆動を前記モータドライバを介してフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記フィードバック制御手段から前記モータドライバへの制御信号と、前記駆動指示手段からの駆動指令とに基づいて、前記モータドライバへの制御信号を調整するフィードフォワード制御手段とを有し、前記フィードフォワード制御手段は、前記キャリッジの等速移動期間中に、所定のサンプリング周期で前記モータドライバへの制御信号を保持し、前記キャリッジの減速移動期間中に、前記モータドライバへの制御信号の調整値を演算し、前記減速移動期間に続く前記キャリッジの停止期間中に、前記調整値が次のキャリッジ走査に反映されるようにすることを特徴とする。
【００２４】
なお、前記駆動指令は、前記キャリッジの位置指令と速度指令と加速度指令とを含む。
【００２５】
さて、前記フィードフォワード制御手段は、キャリッジの加速度指令を入力して積分する比例及び積分フィルタ回路と、そのキャリッジの速度指令とモータドライバへの制御信号と前記比例及び積分フィルタ回路からの出力とを入力して前記比例及び積分フィルタ回路の積分ゲインを調整する調整回路とを有するように構成することができる。
【００２６】
この場合、前記調整回路では、キャリッジの等速移動期間中に所定のサンプリング周期で得られたモータドライバへの制御信号と前記比例及び積分フィルタ回路からの出力との差が極小であるように、キャリッジ減速移動期間中にその積分ゲインを調整することが好ましい。
【００２７】
また、別の構成として、前記フィードフォワード制御手段が、キャリッジの加速度指令を入力する第１の比例ゲイン回路と、キャリッジの速度指令を入力する第２の比例ゲイン回路と、キャリッジの速度指令とモータドライバへの制御信号と第２の比例ゲイン回路からの出力とを入力して前記第２の比例ゲイン回路のゲインを調整する調整回路とを有するようにすることもできる。
【００２８】
前記記録ヘッドは、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドでも良く、そのインクジェット記録ヘッドは、熱エネルギーを利用してインクを吐出するために、インクに与える熱エネルギーを発生するための電気熱変換体を備えていることがより好ましい。
【００２９】
また他の発明に従えば、記録ヘッドを搭載したキャリッジをキャリッジモータの駆動力により往復移動させて記録媒体に記録を行なう記録装置で用いるキャリッジ駆動制御方法であって、前記キャリッジに対して駆動指令を与える駆動指示工程と、前記キャリッジの位置と速度とを検出する検出工程と、前記駆動指示工程における駆動指令と前記検出工程において検出されたキャリッジ位置及びキャリッジ速度とに基づいて前記キャリッジの駆動を、前記キャリッジモータを駆動するモータドライバを介してフィードバック制御するフィードバック制御工程と、前記フィードバック制御工程における前記モータドライバへの制御信号と、前記駆動指示工程における駆動指令とに基づいて、前記モータドライバへの制御信号を調整するフィードフォワード制御工程とを有し、前記フィードフォワード制御工程は、前記キャリッジの等速移動期間中に、所定のサンプリング周期で前記モータドライバへの制御信号を保持し、前記キャリッジの減速移動期間中に、前記モータドライバへの制御信号の調整値を演算し、前記減速移動期間に続く前記キャリッジの停止期間中に、前記調整値が次のキャリッジ走査に反映されるようにすることを特徴とするキャリッジ駆動制御方法を備える。
【発明の効果】
【００３０】
従って本発明によれば、記録装置の経年的な負荷変動の結果である実際のキャリッジ等速移動中に得られるモータドライバへの制御信号に基づいてフィードフォワード制御における調整値を得、これを次のキャリッジ走査に反映するので、十分な応答速度をもち、かつ、ほぼリアルタイム的に経年的な負荷変動の影響も考慮した安定したキャリッジ駆動制御を実現することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下添付図面を参照して本発明の好適な実施例について、さらに具体的かつ詳細に説明する。
【００３２】
なお、この明細書において、「記録」（「プリント」という場合もある）とは、文字、図形等有意の情報を形成する場合のみならず、有意無意を問わず、また人間が視覚で知覚し得るように顕在化したものであるか否かを問わず、広く記録媒体上に画像、模様、パターン等を形成する、または媒体の加工を行う場合も表すものとする。
【００３３】
また、「記録媒体」とは、一般的な記録装置で用いられる紙のみならず、広く、布、プラスチック・フィルム、金属板、ガラス、セラミックス、木材、皮革等、インクを受容可能なものも表すものとする。
【００３４】
さらに、「インク」（「液体」と言う場合もある）とは、上記「記録（プリント）」の定義と同様広く解釈されるべきもので、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成または記録媒体の加工、或いはインクの処理（例えば記録媒体に付与されるインク中の色剤の凝固または不溶化）に供され得る液体を表すものとする。
【００３５】
またさらに、「ノズル」とは、特にことわらない限り吐出口ないしこれに連通する液路およびインク吐出に利用されるエネルギーを発生する素子を総括して言うものとする。
【００３６】
＜インクジェット記録装置の説明（図１）＞
図１は本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。図１では特にキャリッジ１とキャリッジ１を駆動するための機構に注目している。
【００３７】
図１に示すように、インクジェット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に案内されて矢印Ａの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キャリッジモータ５が連結されている。キャリッジモータ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。
【００３８】
即ち、キャリッジモータ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、スケール８はキャリッジ１の走査方向の移動量を検出するためにキャリッジの移動方向に沿って設けられ、等間隔でスリットが設けられている。そして、キャリッジ１にはスケール８のスリットを読み取ってキャリッジ１の位置検出を行うことができるようにエンコーダ８ａが設けられている。
【００３９】
なお、この実施例の記録装置のキャリッジ１には記録ヘッドとインクを貯留するインクカートリッジとが分離可能な構成で独立に装着される構成となっているが、これら記録ヘッドとインクカートリッジとが一体となったヘッドカートリッジをキャリッジ１に搭載する構成としても良い。
【００４０】
＜インクジェット記録装置の制御構成（図２）＞
図２は図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。
【００４１】
図２に示すように、コントローラ６００は、ＭＰＵ６０１、後述する制御シーケンスに対応したプログラム、所要のテーブル、その他の固定データを格納したＲＯＭ６０２、キャリッジモータ５の制御、搬送モータＭ２の制御、及び、記録ヘッド３の制御のための制御信号を生成する特殊用途集積回路（ＡＳＩＣ）６０３、画像データの展開領域やプログラム実行のための作業用領域等を設けたＲＡＭ６０４、ＭＰＵ６０１、ＡＳＩＣ６０３、ＲＡＭ６０４を相互に接続してデータの授受を行うシステムバス６０５、以下に説明するセンサ群からのアナログ信号を入力してＡ／Ｄ変換し、デジタル信号をＭＰＵ６０１に供給するＡ／Ｄ変換器６０６などで構成される。
【００４２】
また、図２において、６１０は画像データの供給源となるコンピュータ（或いは、画像読取り用のリーダやデジタルカメラなど）でありホスト装置と総称される。ホスト装置６１０と記録装置１との間ではインタフェース（Ｉ／Ｆ）６１１を介して画像データ、コマンド、ステータス信号等を送受信する。
【００４３】
さらに、６２０はスイッチ群であり、電源スイッチ６２１、プリント開始を指令するためのプリントスイッチ６２２、及び記録ヘッド３のインク吐出性能を良好な状態に維持するための処理（回復処理）の起動を指示するための回復スイッチ６２３など、操作者による指令入力を受けるためのスイッチから構成される。６３０はホームポジションｈを検出するためのフォトカプラなどの位置センサ６３１、環境温度を検出するために記録装置の適宜の箇所に設けられた温度センサ６３２等から構成される装置状態を検出するためのセンサ群である。
【００４４】
さらに、１５はキャリッジ１を矢印Ａ方向に往復走査させるためのキャリッジモータ５を駆動させるキャリッジモータドライバ、６４２は記録媒体Ｐを搬送するための搬送モータＭ２を駆動させる搬送モータドライバである。なお、キャリッジモータドライバ１５はエンコーダ８ａからの出力信号に基づいてサーボ機構６４０によって制御される。
【００４５】
ＡＳＩＣ６０３は、記録ヘッド３による記録走査の際に、ＲＡＭ６０２の記憶領域に直接アクセスしながら記録ヘッドに対して記録素子（ヒータ）の駆動データ（ＤＡＴＡ）を転送する。
【００４６】
以下、以上の構成の記録装置のキャリッジ制御の実施例について説明する。
【実施例１】
【００４７】
図３は本発明の実施例１に従うキャリッジのサーボ機構６４０を示したブロック図である。
【００４８】
キャリッジ１を記録媒体に対して走査するにはキャリッジ１の位置および速度の情報が必要となる。この位置および速度はエンコーダ８ａの信号をもとに抽出される。速度検出器１３ではエンコーダ８ａ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８ａが出力するパルス列の時間幅を計測するか、或いは、その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も公知のものでありエンコーダ８ａが出力するパルス列をカウントすることでキャリッジ位置の情報を得る。
【００４９】
駆動パターン生成器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指令値、速度指令値、加速度指令値の形式で出力する。これらの値は互いに微分、積分の関係が保持されている。位置検出器１４が出力する位置情報は駆動パターン生成器９が出力する位置指令値から比較減算されて位置補償器１０に導かれる。一方、速度補償器１１は速度検出器１３が出力する速度と、駆動パターン生成器９が生成する速度指令値と、位置補償器の出力信号と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１０は比例動作、速度補償器１１は比例＋積分動作を行なう。
【００５０】
駆動パターン生成器９が生成する加速度指令値は、フィルタ１２を通過した後に、速度補償器１１の出力と加算されて制御入力を形成する。制御入力はキャリッジモータドライバ１５へ与える入力信号となる。キャリッジモータドライバ１５は制御入力の電力増幅を行なう。キャリッジモータ５には制御入力に比例した電圧が印加されると、キャリッジ１を駆動するための駆動トルクを発生する。この駆動トルクはベルト３などの機構を介してキャリッジ１を走査方向に駆動するための駆動力へと変換される。
【００５１】
加速度指令値からフィルタ１２を介して制御入力となる伝達パスが所謂フィードフォワード制御系に相当する。フィルタ１２が適切に設計されていれば、キャリッジ１に生ずる加速度を加速度指令値と全く同一とすることが可能である。フィルタ１２を設計するには、制御入力に対するキャリッジ１の動特性を解析しなくてはならない。この実施例ではその動特性を電気系と機械系とに分けて解析する。
【００５２】
図４はキャリッジモータドライバ１５とキャリッジモータ５の電気的な動特性を示すモデル図である。
【００５３】
図５はキャリッジ１を含む機構の機械的な動特性を示すモデル図である。
【００５４】
なお、図４〜図５に使用する記号は以下の通りである。
【００５５】
ｓ：ラプラス演算子
θ：キャリッジモータ５の回転角［rad］
ｕ：制御入力
Ｅ：キャリッジモータ５への印加電圧［Ｖ］
Ｋc：制御入力からキャリッジモータ５への印加電圧までの変換係数［Ｖ］
Ｒ：コイルの直流抵抗 ［Ω］
Ｌ：コイルのインダクタンス［Ｈ］
ｉ：キャリッジモータ５に流れるモータ電流［Ａ］
Ｋt：キャリッジモータ５のトルク定数［Nm/A］
τ：キャリッジモータ５の発生トルク［Nm］
ｒ：プーリ６の半径 [ｍ]
Ｊ：回転運動系の慣性モーメント［kg.m2］
Ｄ：回転運動系の粘性抵抗［Nm/(rad/s)］
Ｍ：キャリッジ１の質量［kg］
Ｃ：並進運動系の粘性抵抗［N/(m/s)］
図４において、キャリッジモータ５への印加電圧（Ｅ）は制御入力（ｕ）に比例するとした。両者は式（１）で結びつけられる。キャリッジモータ５の電気的な特性は、コイルの直流抵抗（Ｒ）、コイルのインダクタンス（Ｌ）、そしてキャリッジモータ５の回転角速度（ｓθ）に比例した逆起電力で表される。制御入力とモータ電流（ｉ）の関係は式（２）となる。式（２）は、制御入力に対してモータ電流がキャリッジモータ５のインピーダンスと逆起電力によって決まることを示している。
【００５６】
Ｅ  ＝  Ｋc ・ｕ                              ……  （１）
（Ｌｓ＋Ｒ）ｉ  ＋  Ｋt ・ｓθ  ＝  Ｋc ・ｕ  ……  （２）
図５において、キャリッジ１はベルト３を介してプーリ６に牽引される。ベルト３の張力はプーリ６の回転運動に対する負荷となる。これは回転運動系に対する粘性抵抗（Ｄ）としてモデル化される。一方、ガタ取りのためにキャリッジ１に付与する押し付け力やインク付着による走行抵抗は、キャリッジ１の並進運動に対する負荷として表される。これは並進運動系の粘性抵抗（Ｃ）としてモデル化される。キャリッジモータ５の発生トルクτと、そのときキャリッジ１に生ずる加速度ｓ2ｘとの関係は式（３）で表される。
【００５７】
｛（Ｍ＋Ｊ／ｒ2）ｓ＋（Ｃ＋Ｄ／ｒ2）｝ｓ2ｘ＝ｓτ  ……  （３）
キャリッジモータ５の発生トルクは式（４）に示すようにモータ電流に比例する。以上より、制御入力からキャリッジ１の加速度までの伝達関数は式（５）で表される。
【００５８】
τ＝Ｋt ・ｉ                        ……  （４）
【００５９】
【数１】
2006159696.tif 000003
【００６０】
……  （５）
従って、式（５）が制御入力からみたキャリッジ１の動特性の解析結果である。これをもとにフィルタ１２を設計すればよい。
【００６１】
駆動パターン生成器９が生成する加速度指令値と、このとき生ずるキャリッジ１の加速度とを一致させるためには、式（５）で表された伝達関数の逆システムをフィルタ１２で実現すればよい。ただし、インダクタンス（Ｌ）による遅れは小さいので無視する。フィルタ１２の伝達関数をＧとすると、伝達関数（Ｇ）は式（６）のように表される。式（６）からわかるように、フィルタ１２は比例＋積分フィルタの構成となる。
【００６２】
【数２】
2006159696.tif 000004
【００６３】
……  （６）
図６はフィルタ１２の構成を示すブロック図である。
【００６４】
図６に示すように、フィルタ１２は加速度指令値に対して、積分器１９と（比例＋積分）フィルタの折点周波数に相当する積分ゲイン２０を作用させた後に、加速度指令値と加算して、最後にフィルタゲイン１８を乗ずるような構成である。積分ゲイン２０とフィルタゲイン１８は式（６）の解析結果から一意に決定される。式（６）において、（１／ｓ）を含んだ積分項に着目すると、ＣおよびＤは機械的な負荷の影響を示し、また、Ｋt2／Ｒキャリッジはモータ５の逆起電力の影響を示している。
【００６５】
図７は実施例１の有効性を示すシミュレーション結果の図である。図７では速度指令値に対するキャリッジ１の速度の追従性を加速区間と等速区間で示している。
【００６６】
図７（ａ）はフィルタゲイン１８をゼロとしてフィードフォワード制御を行なわない場合のシミュレーション結果である。図７（ａ）で、破線は速度指令値、実線はキャリッジ１の速度を示す。図７（ａ）が示すように、加速区間では速度指令値と比較して明らかに速度の立ち上がりが鈍い。等速区間に入っても速度指令値との偏差が残っている。これは加速期間中に記録を行うことにつながるので記録品質の低下を招いてしまう。速度補償器１１と位置補償器１０のゲインを十分大きく設定できるのであれば、フィードバック制御系のみでも必要な応答性を確保することは可能であるが、現実的ではない。フィードバックループのループゲインは機構の共振点を励起しない程度に制限されるからである。
【００６７】
図７（ｂ）はフィルタ１２から積分器１９を除いた場合のシミュレーション結果である。積分器１９を除くとは積分ゲイン２０をゼロに設定した場合と等価である。図７（ｂ）が示すように、速度の立ち上がりは改善するが、等速区間においては速度指令値との偏差が残っている。
【００６８】
図７（ｃ）は、式（６）に示した解析結果を受けて、フィルタ１２を（比例＋積分）フィルタとして適切に設定した場合のシミュレーション結果である。キャリッジ１の応答は速度指令値とほとんど一致している。このシミュレーション結果は、フィルタ１２を（比例＋積分）フィルタとして適切に設定した場合には、速度指令値に対する実際の速度の追従性は大幅に改善され、この実施例の有効性は明らかであることを示している。
【００６９】
図３に戻り、この実施例についてさらに説明する。
【００７０】
調整器１６は機械的な負荷の変動に応じてフィルタ１２を適切に調整するように動作する。この実施例におけるキャリッジ１のサーボ機構は、負荷変動が発生しても調整器１６の動作によってフィルタ１２が適切に調整されるため、キャリッジ１の応答性は極めて安定する。
【００７１】
図８はフィルタ１２と調整器１６との関係を示すブロック図である。
【００７２】
図８に示すように、キャリッジモータドライバ１５へ導かれる制御入力と、駆動パターン生成器９が出力する速度指令値と、フィルタ１２の出力に応じて、調整器１６はフィルタ１２の積分器１９にかかる積分ゲイン２０を調整する。既に背景技術で説明したように、ベルト張力による回転運動系の負荷やインク付着による並進運動系の負荷には経年変化が存在する。式（６）で示した解析結果によると、負荷変動を示すパラメータＣおよびＤは（１／ｓ）を含んだ積分の項に懸かるものである。よって、負荷変動に応じてフィルタ１２の積分ゲイン２０を適切に調整すればサーボ機構の動作は極めて安定となる。
【００７３】
負荷変動を検出するには、キャリッジ１を走査しているときの等速区間においてキャリッジモータドライバ１５へ与える制御入力を記録すればよい。なぜなら、フィルタ１２の入力は駆動パターン生成器９の出力する加速度指令値であるから、フィルタ１２の伝達関数を示した式（６）で（１／ｓ）を含む項は、加速度指令値の１階積分で速度指令値に掛かる係数を示しているとも言える。等速区間では加速度指令値はゼロであるの対して、速度指令値は所定の走査速度と等しい一定値である。よって、等速区間においてフィルタ１２の出力を決めるのは積分器１９と積分ゲイン２０による成分である。
【００７４】
以上の検討より、等速区間における制御入力に応じて積分ゲイン２０を調整すればよいことがわかる。従って、等速区間における制御入力とフィルタ１２の出力との差を減少させる方向に積分ゲイン２０を調整すればよい。
【００７５】
図９は調整器１６の動作シーケンスを時系列的に示した図である。
【００７６】
まず、キャリッジの等速移動区間において、処理１として、速度指令値が所定の走査速度と一致しているときはキャリッジ１の駆動状態が等速区間にあると判断する。処理２として、サーボ機構のサンプリング周期ごとに、フィルタ１２の出力とモータドライバ１５へ与える制御入力を記録する。
【００７７】
次に、キャリッジの減速移動区間では、処理３として、速度指令値よりキャリッジ１の駆動状態が減速区間にあることを判断する。処理４として、記録したフィルタ１２の出力および制御入力とから、両者の差を極小とするように、フィルタ１２における適切な積分ゲイン２０を演算保持する。この段階では、積分ゲイン２０は保持するだけであって更新はされない。キャリッジ１の駆動中に更新を行なうと、更新のタイミングでキャリッジ１に振動の発生する場合があるためである。処理５として、積分ゲイン２０の更新値が一旦演算されれば減速区間での処理は終える。
【００７８】
そして、次の走査に移る前に短時間の停止区間（停止期間）があるので、その停止区間において、処理６として、積分ゲイン２０の値を更新する。
【００７９】
従って以上説明した実施例に従えば、キャリッジの等速移動区間においてサーボ機構のサンプリング周期ごとに、フィルタ１２の出力とモータドライバ１５へ与える制御入力を記憶手段（メモリ）に記憶しておき、キャリッジが減速移動区間に入ると積分ゲインの更新値を得るための演算を行い、次のキャリッジ走査に移る前のキャリッジ停止区間で積分ゲインの値を更新するので、ある時点のキャリッジ走査において求められた積分ゲインの調整値を次の走査に反映させることができる。これにより、キャリッジ駆動系の経年変化に関係する負荷変動をほぼリアルタイムにキャリッジ駆動制御に反映することができ、安定的なキャリッジ駆動を実現することができる。
【実施例２】
【００８０】
実施例１で説明してきたように、駆動パターン生成器９の出力する加速度指令値に対して（比例＋積分）フィルタを作用させてモータドライバ１５に与える制御入力とすれば、キャリッジ１の運動をその指令値と同一させることができた。
【００８１】
ところで、加速度指令値を積分器１９と積分ゲイン２０に作用させるのは、加速度指令値の１階積分である速度指令値に積分ゲイン２０を作用させることと実質的に等価である。また、駆動パターン生成器９は、互いに微分と積分の関係にあるような加速度指令値と速度指令値を出力する。
【００８２】
従って、以上のような関係を考慮してフィルタ１２の代わりに比例ゲインを用いたサーボ機構を構成しても良い。
【００８３】
図１０は本発明の実施例２に従うサーボ機構の構成を示すブロック図である。
【００８４】
なお、図１０において、既に図３で説明したのと同じ構成要素には同じ参照番号を付しその説明は省略する。
【００８５】
図１０に示す構成では、加速度指令値に対して比例ゲイン１７ａを作用させると同時に速度指令値に比例ゲイン１７ｖを作用させ、両者を加算して制御入力への寄与分としている。
【００８６】
従って、実施例１では加速度指令値のみを考慮したフィルタを用いたが、この実施例のサーボ機構では速度指令値も考慮するので時間積分のための時間を必要とせず、キャリッジ１の動作に所望の目標値追従性を付与することができる。
【００８７】
調整器１６は制御入力、速度指令値、比例ゲイン１７ｖの出力に応じて、速度指令値にかかる比例ゲイン１７ｖを適切に調整する。調整器１６の作用は実施例１の場合と同様であり、負荷変動が発生してもキャリッジ１の応答性は極めて安定したものとなる。
【００８８】
なお、実施例１〜２において、調整器１６の動作は制御入力と速度指令値などに応じて比例ゲイン１７ｖ或いはフィルタ１２の積分ゲイン２０を調整する場合について説明したが、本発明はこれにより限定されるものではない。例えば、キャリッジ１の駆動状態が加速区間、等速区間、減速区間のいずれにあるかを判断するために、実施例１〜２では速度指令値を使用しているが、加速度指令値を使用しても同様な判断は可能であるし、キャリッジ１の速度を使用してもよい。
【００８９】
また、調整器１６の作用によって比例ゲイン１７ａ或いはフィルタ１２のフィルタゲイン１８を調整してもよい。これによって、さらにキャリッジ１の目標値追従性を向上させることができる。
【００９０】
さらに、以上説明した実施例では、一回の走査において調整器を動作させて、その更新値を次の走査に反映させていたが、このような調整の実行はこのように毎回の走査で行なってもよいし、例えば、複数回の走査に対して一回の割合で実行してもよい。また、この積分ゲインの演算は、停止期間の長さに余裕があれば、停止期間に行っても構わない。
【００９１】
いずれにしても以上説明したように、これらの実施例では、キャリッジの動特性を大きく左右するような機械的な負荷の影響とモータの逆起電力の影響を考慮したフィードフォワード制御をキャリッジのサーボ機構に導入したことで、例えば、ベルトの張力やガイドシャフトへのインク付着などの負荷の経年変化によらず、耐性が高く、かつ、安定的にサーボ機構の目標値追従性の改善を図ることができる。なお、サーボ機構６４０の働きをコントローラ６００が兼ねても構わない。即ち、コントローラ６００がエンコーダ８ａから信号を入力し、キャリッジモータドライバ１５に対して制御信号を出力する形態であっても構わない。
【００９２】
さらに、以上の実施例において、記録ヘッドから吐出される液滴はインクであるとして説明し、さらにインクタンクに収容される液体はインクであるとして説明したが、その収容物はインクに限定されるものではない。例えば、記録画像の定着性や耐水性を高めたり、その画像品質を高めたりするために記録媒体に対して吐出される処理液のようなものがインクタンクに収容されていても良い。
【００９３】
以上の実施例は、特にインクジェット記録方式の中でも、インク吐出を行わせるために利用されるエネルギーとして熱エネルギーを発生する手段（例えば電気熱変換体やレーザ光等）を備え、前記熱エネルギーによりインクの状態変化を生起させる方式を用いることにより記録の高密度化、高精細化が達成できる。
【００９４】
また以上の実施例はシリアルスキャンタイプのインクジェット記録装置を例として説明したが、本発明はこれに限らず、他の記録方式、例えば、熱転写記録方式などを採用した記録装置にも本発明は有効に適用できる。
【００９５】
加えて、以上の実施例のようなシリアルスキャンタイプのものでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装置本体に装着されることで装置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のカートリッジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。
【００９６】
さらに加えて、本発明のインクジェット記録装置の形態としては、コンピュータ等の情報処理機器の画像出力装置として用いられるものの他、リーダ等と組合せた複写装置、さらには送受信機能を有するファクシミリ装置の形態を採るもの等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１に従うキャリッジのサーボ機構６４０を示したブロック図である。
【図４】キャリッジモータドライバ１５とキャリッジモータ５の電気的な動特性を示すモデル図である。
【図５】キャリッジ１を含む機構の機械的な動特性を示すモデル図である。
【図６】フィルタ１２の構成を示すブロック図である。
【図７】実施例１の有効性を示すシミュレーション結果の図である。
【図８】フィルタ１２と調整器１６との関係を示すブロック図である。
【図９】調整器１６の動作シーケンスを時系列的に示した図である。
【図１０】本発明の実施例２に従うキャリッジのサーボ機構６４０を示したブロック図である。
【図１１】記録動作に伴うキャリッジの駆動パターンを示した典型的な図である。
【符号の説明】
【００９８】
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  キャリッジモータ
６  プーリ
７  アイドルプーリ
８  スケール
８ａ  エンコーダ
９  駆動パターン生成器
１０  位置補償器
１１  速度補償器
１２  フィルタ
１３  速度検出器
１４  位置検出器
１５  キャリッジモータドライバ
１６  調整器
１７ａ、１７ｖ  比例ゲイン
１８  フィルタゲイン
１９  積分器
２０  積分ゲイン
【図１】
2006159696.tif 000005
【図２】
2006159696.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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