JPH02259916A - 物体移動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、モータで駆動される物体の移動速度制御装置
、特に物体の移動又は位置に応じてモータの動作を制御
する装置に関する。

［従来の技術］ 本発明の好適な実施例は、インクジェット・プリンタの
シャトル・カートリッジの様な物体の移動を制御する。

ただし、物体を駆動する種々のモータに使用可能である
。

３００ドツト／インチの印字を行い、紙上に像を形成す
る印字動作の精度を高めるには、プリンタ・キャリッジ
の速度を正確に制御する必要がある。所望の速度特性は
、対象物の端部で加速及び減速されて傾斜変化し、通常
は一定となる。この速度特性は、紙を走査する間、モー
タに直接に作用する。ただし、モータ及びキャリッジ駆
動装置は、完全に精密ではない。キャリッジは、通常、
ケーブル及びプーリ・システム又は歯の付いたタイミン
グ・ベルトにより駆動される。タイミング・ベルト又は
ケーブルの剛性には限界があり、キャリッジの実際の速
度特性は完全には一定にならない。むしろ、印刷に欠陥
を生じさせる、好ましくない小さな変動がある。

ケーブル又はベルトは、ダッシュポットを有するばねに
類似し、キャリッジは物体である。ただし、ばねに類似
しているが、ばね及びダッシュポットは、固定した台に
静止されていない。その代わり、これらは、モータ駆動
電流により駆動されるモータの回転子に取り付けられて
いる。ケーブル又はベルトに相当するばねは、回転子で
ある物体に取り付けられている。回転子は、モータ電流
の作用である、モータの固定子及び回転子間の電磁気結
合を介してベースに固定される。電磁気結合は、第２の
ばねにより表すこともできる。キャリッジの小さな変動
の殆どは、実際のモータ作動、及びモータ電流により決
まる理想的な大力モータ作動間の変動による。

［発明が解決しようとする課題］ プリンタにおいて、キャリッジをフレーム上で往復移動
させるためにサーボ・モータをよく使用する。通常、速
度サーボ・ループは、速度信号を生成するために使用す
るエンコーダ又は回転速度計と共に、モータの周囲に形
成される。この方法の欠点は、重いキャリッジ及び可撓
性ケーブル又はベルトにより形成される物体／ばねの結
合が、ループ内に含まれず、使用する実際の点を制御で
きないことである。

したがって、制御ループをキャリッジの周囲に形成し、
実際の点を制御可能にする必要がある。

ただし、キャリッジ、及びケーブル又はベルトにより形
成される物体／ばね共振システムにより、ループの補償
が極めて困難であるので、この制御は容易ではない。

したがって、本発明の目的は、キャリッジ即ち物体の速
度を直接に制御可能である安定且つ高精度の物体移動制
御装置の提供にある。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明は、モー
タで駆動される可撓性部材により、物体の移動を制御す
ることに関し、所定の経路に沿って移動可能な物体と、
その物体の所定の速度特性を表す目標速度信号を発生す
る手段と、可撓性部材に結合された回転子を有し、この
目標速度信号に応答して、所定の経路に沿って物体を移
動させるモータとを含む。第１検出器は、モータ及び物
体間に伸張された可撓性部材の長さの変化を表す物理特
性を検出する。帰還回路は、検出された物理特性に応じ
て物体の目標速度及び実際の速度の差を減少させるよう
に目標速度信号を調整する。

好適な実施例では、この様な調整は、所定経路に沿って
移動可能なキャリッジを有するキャリッジ駆動装置によ
り行われる。ベルトは、モータの回転子に結合され、目
標速度信号に応じて所定経路に沿ってキャリッジを移動
させる。弾性結合部材は、ベルトをキャリッジに結合さ
せると共に、結合部材の歪みを検出するための負荷要素
を有する。この歪みは、ベルトへの負荷即ち力を表し、
その伸びはその負荷に比例する。負荷要素により検出さ
れた歪みに基づき、結合ケーブル又はベルトの伸びを表
す第１帰還慣号が生成される。この信号は、目標速度信
号を調整するために使用される。

更に、好適な実施例では、キャリッジの移動は、直線エ
ンコーダを介して、実際のキャリッジの移動速度に対応
する速度信号を発生させる。この信号も、目標速度の調
整のために外部サーボ・ループに帰還され、目標速度に
対する実際の速度の差を減少させる。

内部及び外部サーボ・ループは、キャリッジが所定経路
に沿って往復移動をする際に、キャリッジの実際の速度
が所望の目標速度になるように制御するための、極めて
安定し効果的な手段として働く。

本発明の物体移動制御装置の構成上の特徴は、所定の経
路に沿って移動可能な物体と、この物体に結合されると
共にモータにより駆動され、上記物体を移動制御する可
撓性部材と、物体の目標移動速度に対応する目標速度信
号を発生し、モータに供給する速度信号発生手段と、モ
ータ及び物体間の可撓性部材の長さの変化に応じた物理
量を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に応じて
、物体の目標速度及び実際の速度の差を減少させるよう
に目標速度信号を調整する帰還手段とを具えることであ
る。

［実施例］ 第１図は、棒状部材（１４）で決まる経路に沿って移動
するキャリッジ（１２）の速度を制御する本発明による
物体移動制御装置（１０）を示す。

棒状部材（１４）は、据え付は台〈１６）で示すフレー
ムに取り付けられる。直流モータ（１８）は、モータ・
ブー１３（２２）及び遊び（アイドラ）・ブー！Ｉ（２
４）の周囲に伸長した１本に繋がったタイミング・ベル
トを駆動する。ベル）（２０）は、第２図に詳細に示す
様に結合部材（２６）を介してキャリッジ（１２）に結
合される。

結合部材（２６）は、図示する様に、内部開口を有する
取り付はブラケッ）（２８）を含む。取り付は端部（２
８ａ）は、留め板（３０）、及び取り付はブラケット（
２８）に留め板（３０）を固定的に支持するための適当
な取り付は手段により、ベルト（２０）に固定して取り
付けられる。

ブラケッ）（２８）は、取り付は端部（２８ａ）の反対
側に対向する１対の細長い弾性腕部（２８ｂ）及び（２
８ｃ）を有する。これらの弾性腕部は、キャリッジ（１
２）に固定して取り付けられ、外側に広がる突縁部を有
するキャリッジ取り付は端部（２８ｄ）に向かって延び
、結合する。

弾性腕部（２８ｂ）及び（２８ｃ）には、歪み計即ちス
トレイン・ゲージ（３２）及び（３４）が取り付けられ
る。このストレイン・ゲージは、ノース・キャロライナ
州、ローリ−のメジャメント・グループ社が、型番ＥＡ
−１３−ＴＯ４３−１０Ｃ１登録商標“トランスデユー
サ・クラス”−として販売するストレイン・ゲージであ
る。取り付はブラケッ）（２８）は、好適には７０７５
Ｔ６型押し出し成型アルミニウムにより作られ、端部（
２８ａ）の幅が約１７．８ミリ、腕部（２８ｂ）及び（
２８Ｃ）の均一厚さ領域の長さが約１２．７　ミ！ｊで
ある。使用可能な他のストレイン・ゲージ及び結合部材
（２６）の形状は、当業者には容易に理解できよう。例
えば、腕部（２８ｂ）及び（２８Ｃ）の内面に２個のス
トレイン・ゲージを追加することにより、４個のストレ
イン・ゲージを使用することもできる。

第１図を参照すると、キャリッジ（１２）は、更に、そ
の上に取り付けられた光学エンコーダ（３６）を有する
。この光学エンコーダ（３６）は、棒状部材（１４）に
固定的に取り付けられた直線エンコーディング帯状片を
読取り、キャリッジが棒状部材（１４）上を往復移動す
るときに、その移動を検出する。エンコーダ（３６）に
より発生されるパルス列は、キャリッジの移動速度に比
例する。パルス列は、周波数−電圧変換器でアナログ信
号に変換される。この信号は、後述する様に、ループ・
フィルタに供給され、アナログ速度信号を生成する。こ
の信号は、ストレイン・ゲージ（３２）及び（３４）に
より発生される位置信号と共に、モータ駆動回路（３８
）内で処理される。目標速度信号は、モータ駆動器（３
８）から出力されて、導体（４０）を介してモータ（１
８）に入力され、棒状部材（１４）上を往復移動するキ
ャリッジ（１２）の速度を制御する。

第３図は、代表的ストレイン・ゲージ・ブリッジ回路網
（４２）を示す。２個のストレイン・ゲージ（３２）及
び（３４）は、抵抗器（４４）及び（４６）と共にブリ
ッジ構成に接続され、基準電圧源（４８）により駆動さ
れる。ストレイン・ゲージ（３２）及び（３４）は、図
示する様に接続され、キャリッジ（１２）が移動する際
に、ベル）（２０）と−直線状に並んだ腕部（２８ｂ）
及び（２８Ｃ）が伸縮する、一方のゲージが圧縮力を検
出し、他方は張力を検出する。反対方向に伸縮が生ずる
と、各ストレイン・ゲージは、夫々反対の力を検出する
。歪みが生じると、２個のストレイン・ゲージ（３２）
及び（３４）は、差動増幅器（５０）に供給される差動
電圧を発生する。

増幅器（５０）は、ストレイン・ゲージの負荷を表す出
力信号を生成する。後述する様に、この負荷は、プーリ
　（２２）及びキャリッジ（１２）間のベル）（２０）
の伸びに正比例する。即ち、ベルトの伸びにより生ずる
回転子に対するキャリッジ位置のずれが検出される。

好適な実際の試作品を作成する前に、上述の装置の物体
及びばねの動特性及び補償を、カリフォルニア・サイエ
ンティフィック・ソフトウェアにより、登録商標“ＬＳ
ＡＰ”として販売されているコンピュータ・システムを
使用してモデル化及びシミユレートする。

好適な実施例のモータ（１８）は、ＶＤＯにより製造さ
れた型番Ｍ４８Ｘ２５である。プーリ（２２）は、ピッ
チ０．８の３２個の歯を有する。

タイミング・ベルト　（２０）は、約５１１．０５ミリ
離間された遊びブーり及びモータ・プーリの２つの軸間
に伸び、５３５個の歯を有する。ベルトのＡＥ定数は、
実験的に測定すると、１．０６９ＸＩＱＬＢである。こ
れらのブーりに生ずる有効すＩｌｌ　性１！、ＫＴＯＴ
＝１．３３２Ｘ１０　　ＬＢ−ＩＮである。これにより
、ベルト・プーリ結合の基本周波数ｆ　　＝８０Ｈｚで
ある。回転座標では、剛性係数にθ＝ＫｔｏｔＸＲ２＝
２２１．１　ＬＢ−ＩＮ／ＲＡＤＩ　ＡＮである。

減衰定数は、力がストレイン・ゲージに対する速度Ｘに
比例し、且つベルトの長さしに反比例する、即ちＦ＝ｃ
’ｘ／Ｌの式に基づいて決まる。

この結果、Ｃ゛＝２゜９９４８ＬＢ−３ＥＣ／ＩＮとな
る。総減衰定数Ｃ１゜丁＝３．７３２ｘｌＯＬＢ−３Ｅ
Ｃ／ＩＮである。回転座標単位では、Ｃθ＝６．１９ｘ
ｌ　　ロー’ＬＢ−ＩＮ−３ＥＣ／ＲＡＤ＝Ｂである。

第４図は、第１図の装置の物体／ばねの関係を示す模式
図である。モータの回転子は添字１を有する変数で表さ
れ、キャリッジは添字２を有する変数により表される。

回転子は、トルクＴ及び運動係数Ｊ１を有し、回転子の
位置はθｌにより表される。キャリッジは、計算された
運動係数Ｊ２を存し、その位置はＢ２で表される。ダッ
シュボッ）Ｂｌ及びＢ２は、フレーム及び回転子間と、
フレーム及びキャリッジの間とに夫々配置される。

ベルトは、係数に１２のばね及び係数Ｂ１２のダッシュ
ポットにより表される。この運動は、次の２つの式によ
り表される。

Ｊ１θｒ＝　　Ｋ＋２　（Ｂ＋−ｅａ）　　　Ｂ＋ｉ　
　（ｅｔ　　ｅｉ）−Ｂ、（θ、）十Ｔ Ｊ、Ｂ２　＝　Ｋ　１＊　（Ｂ＋−Ｂ２）　　＋Ｂ１２
　（６’ｌ　　Ｂ２）Ｂ２　　（ｅａ） トルクＴに関して解くとき、この式をラプラス・ドメイ
ンで表すと、 （Ｊ＋ｓ”＋　（Ｂ＋２＋Ｂ＋）Ｓ＋Ｋ１２）θｒ　　
　（Ｂ１２Ｓ＋Ｋ１２）Ｂ２　＝　Ｔ　　　（Ｂ１２　
ｓ　＋　Ｋ１２）　Ｂ＋　＋（Ｊ２　ｓ”＋　（Ｂｔａ
＋　Ｂ２）　ｓ　＋　Ｋ＋２）θ２＝０となる。この式
をラプラス・ドメインに変換し、キャリッジの速度と同
様に、モータ及びキャリッジの位置変数について解くと
、次の様になる。

Ｔ　　（ｓ）　　　ｓ’＋Ｄり５３＋　Ｄｔ　Ｓ２＋　
Ｄｔ　ＳＴ　　（ｓ）　　　　ｓ’＋Ｄコ　ｓ　’　＋
　Ｄ　２　　ｓ　２＋　Ｄ　ＩｓＴ　　（ｓ） ｓ’＋　Ｄ３ｓ２＋　Ｄａ　Ｂ＋　Ｄｔここで、 である。

これらの変数の値を次に示す。

Ｔ　　（ｓ） ｓ’＋　Ｄ３　ｓ’＋Ｄ２ｓ＋Ｄ＋ （口、ｌ　　ＬＢ＠３　３　　ＩＰＳ）Ｊ、＝　１゜４
　５　９Ｘ１　０−’ＬＢ−ＩＮ−３ＥＣ２Ｊ２＝８．
６０Ｘ１０−’ＬＢ−Ｉ　Ｎ−３ＥＣ２第５図は、上に
示す伝達関数の考えに基づいた、第１図に示す制御装置
（１０）の概略構成のブロック図を示す。モータ駆動器
（３８）は、目標速度信号を、順次、信号合成器（５４
）　、補償器（５６）及び信号合成器（５８）に送る目
標速度信号発生器（５２）を含む。結合器（５８）から
の信号は、電力増幅器（６０〉に供給され、電力増幅器
（６０）は、モータ（１８）を駆動する信号を出力する
。モータ（１８）の出力は、ベルト（２０）に供給され
るトルクである。このトルクは、ブロック（６２）によ
り表されるモータ及びベルトの物体／ばね減衰効果を介
して作用する。

この結果、位置移動ブロック（６４）に供給される位置
信号が発生され、位置移動ブロック（６４）を通過した
後、信号合成器（５８）で目標速度信号と合成される。

この帰還位置信号は、目標速度信号をオフセットし、移
動中の所望の実際の位置からのキャリッジの位置のずれ
を減少させる。

モータ（１８）からのトルクは、更に、ブロック（６６
）で示す物体／ばね減衰効果を介して作用し、速度変化
利得回路（６８）に入力されるキャリッジ速度信号を発
生する。速度変化利得回路（６８）では、適当な補償信
号が発生されて、信号合成器（５４）に供給され、目標
速度信号のレベルを調整して、目標速度からの実際の速
度のずれを減少させる。この様に、内部及び外部サーボ
・ループの両方の効果により、キャリッジを直接に制御
できる極めて安定した模作システムが得られる。

上述した伝達関数を使用して、第６図に示す実際の制御
装置（７０）を構成する。第６図において、第５図に示
す構成要素と同じものには、同一の参照番号が付されて
いる。補償器（５６）は、５００Ｈｚで極大を有する２
個の低域通過フィルタと、所望の全体的ループ・利得に
相当するように倍率調整された利得回路（７２）を含む
。この利得は、好適には５０に設定されている。ブロッ
ク（７４）に示す倍率調整器の利得２／１５により、目
標速度信号は調整され、電力増幅器（６０）に入力され
る。電力増幅器（６０）は、利得係数２であり、１００
０Ｈｚで極大を有する。使用するモータのトルク係数は
、Ｑ、５８７５である。

ブロック（６８）で示す速度伝達利得回路は、倍率０．
０３０６である。

内部サーボ・ループは、ブロック（７４）でストレイン
・ゲージ感度係数２２３を与える。

３０．０００Ｈｚで動作可能の増幅器が、フィルタ（７
６）により表される。進み／遅れブロック（７８）は、
出力が４０Ｈｚでゼロ、２０００Ｈ２で極大となる回路
を有し、ストレイン・ゲージを補償する。ブロック（８
０）により表される容量性結合は、出力がＯＨｚでゼロ
であり、０、０１６で極大となる。１０００Ｈｚの低域
通過フィルタ（８２）は、好適には１０に設定された内
部ループ・利得回路（８４）に結合される。

伝達関数は、上述の様に、発生する物体／ばね減衰によ
り、この装置内に影響する。

第７図、第８図及び第９図は、物体／ばね減衰力学作用
をモデル化するために、伝達関数を使用したコンピュー
タ・シミニレ−ジョンにより得た、この制御装置の種々
の動作特性を示す。これらの図にふいて、（８６）、（
９０）、及び（９４）はｄＢを表す曲線であり（８８）
、（９２）及び（９６）は位相余裕度を表す曲線である
。

第７図は、外部ループがディスエーブルされた状態での
制御装置のボード線図である。共振ピークは、２−０６
　Ｈｚを丁度超えた周波数にあり、位相のずれ−１３５
°即ち位相余裕度４５゛で、ＯｄＢ利得である。

第８図は、内部ループがディスエーブルされた状態での
制御システムを示し、速度帰還信号のみを使用している
。このボード線図は、共振周波数でわずかな増加と、位
相のずれ一１３５°でわずかなｄＢ損失を示している。

総合的な制御装置の動作は、第９図のボード線図により
表される。この図では、共振周波数ピーりはなく、位相
のずれ一１３５°で、利得ＯｄＢである。

第６図の装置は、略所望どうりに動作することが分かる
。したがって、この装置は極めて動作が安定しており、
モータ及びキャリッジの作動を効率よく制御することが
でき、キャリッジの所望の移動速度特性を得ることがで
きる。この様な、制御装置は、所定の経路に沿って移動
する物体の速度を制御する必要があるどの様なモータ駆
動物体にも応用できる。更に、ストレイン・ゲージ及び
それに関連する結合部材により形成される負荷要素は、
ベルト又はケーブルのたわみにより生ずる物体の位置変
化を決めるために使用される。ケーブルのたわみを表す
信号を生成するために、他の装置を使用してもよい。

［発明の効果］ モータ及びキャリッジ間に伸張されたベルト又はケーブ
ルの長さの変化を表す物理特性を検出し、検出された物
理特性に応じて物体の目標速度及び実際の速度の差を減
少させるように目標速度信号を調整することにより、キ
ャリッジの移動速度を安定且つ高精度に制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による物体移動制御装置の好適な実施例
を示す簡略構成図、第２図は第１図においてベルト及び
キャリッジの結合部の負荷要素を示す部分拡大図、第３
図は第２図の負荷要素を使用したブリッジ回路の簡略図
、第４図は第１図の装置のばね及び物体の関係を示す簡
略図、第５図は第１図の装置に使用するサーボ・ループ
回路を示すブロック図、第６図は第５図の更に詳細なブ
ロック図、第７図、第８図及び第９図は第６図の動作特
性を表すボード線図である。 図中において、（１２）は物体、（２０）は可撓性部材
、（３２）、（３４）は検出手段、（３８）はモータ、
（５２）は速度信号発生手段、（６４）は帰還手段であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定の経路に沿って移動可能な物体と、 該物体に結合されると共にモータにより駆動され、上記
   物体を移動制御する可撓性部材と、上記物体の目標移動
   速度に対応する目標速度信号を発生し、上記モータに供
   給する速度信号発生手段と、 上記モータ及び物体間の上記可撓性部材の長さの変化に
   応じた物理量を検出する検出手段と、該検出手段の検出
   結果に応じて、上記物体の上記目標速度及び実際の速度
   の差を減少させるように上記目標速度信号を調整する帰
   還手段と を具えることを特徴とする物体移動制御装置。