JP2015211555A - モータ駆動装置、モータ制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

モータ駆動装置、モータ制御装置及び画像形成装置 Download PDF

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Shigeru Kameyama
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Abstract

【課題】使用する信号線の数を低減できるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】モータを駆動するモータ駆動装置は、制御装置から少なくとも2つのレベルを使用する制御信号を受信する受信手段と、制御信号のレベルが変化しなかった期間により制御信号が、モータの回転速度を制御する第1制御信号であるか、モータの動作状態を設定する第2制御信号であるかを判定する判定手段と、判定手段の判定結果によりモータを駆動する駆動手段と、を備えている。
【選択図】図3

Description

本発明は、モータ駆動技術に関する。
画像形成装置などの駆動源として、DCモータや、ステッピングモータ等が用いられている。ここで、特許文献1や非特許文献1に記載されている様に、DCモータの駆動には、通常、専用のドライバICが使用される。
特開2000−316289号公報
「TB6640FTGデータシート」、株式会社東芝、2012年1月9日
ドライバIC等で構成されるモータ駆動装置は、モータ制御装置により制御される。例えば、モータ駆動装置は、モータ制御装置から受信するパルス幅変調(PWM)信号により、モータの回転速度を制御する様に構成されている。さらに、モータ駆動装置は、モータの動作状態、例えば、回転方向の設定や、ブレーキ機能(ショートブレーキ)による停止等の設定のための信号をモータ制御装置から受信する様に構成されている。
モータ制御装置がモータ駆動装置に対して、モータの動作状態を設定する方法としては、設定内容毎の個別の信号線を使用する方法と、個別の信号線ではなく、シリアル通信による1つの信号線を使用する方法が存在する。いずれにしても、モータの動作状態を設定するために、モータ制御装置とモータ駆動装置とを接続する1つ以上の信号線を必要とし、ハードウェアには、そのための入出力端子を設けなければならず、そのサイズが大きくなる。
本発明は、使用する信号線の数を低減できるモータ駆動装置、モータ制御装置、及び、当該モータ駆動装置を含む画像形成装置を提供するものである。
本発明の一側面によると、モータを駆動するモータ駆動装置は、制御装置から少なくとも2つのレベルを使用する制御信号を受信する受信手段と、前記制御信号のレベルが変化しなかった期間により前記制御信号が、前記モータの回転速度を制御する第1制御信号であるか、前記モータの動作状態を設定する第2制御信号であるかを判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果により前記モータを駆動する駆動手段と、を備えていることを特徴とする。
本発明によると、モータ駆動装置とモータ制御装置との間の信号線の数を低減できる。
一実施形態による画像形成装置の構成図。 一実施形態によるモータの駆動系統を示す図。 一実施形態による制御信号を示す図。 一実施形態によるロジック部の構成図。 一実施形態によるロジック部の動作の説明図。 一実施形態による設定信号による設定内容を示す図。 一実施形態による制御シーケンスを示す図。 一実施形態によるモータの駆動系統を示す図。 一実施形態による制御信号を示す図。 一実施形態によるロジック部の構成図。 一実施形態による速度制御部の構成図。
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。
<第一実施形態>
図1(A)は、一実施形態による画像形成装置10の構成図である。なお、画像形成装置10は、例えば、印刷装置、プリンタ、複写機、複合機、ファクシミリ等とも呼ばれ得る。画像形成装置10は、本実施形態では、電子写真方式によるものであり、画像形成部1は、トナー像を形成する。カセット25に収納された記録材は、給紙ローラ26により搬送路2に送り出され、画像形成部1は、搬送路2を搬送される記録材に、形成したトナー像を転写する。トナー像が転写された記録材は、定着部24により加熱・加圧され、トナー像の定着が行われる。トナー像の定着が行われた記録材は、その後、画像形成装置外へと排出される。なお、定着部24は、モータ15により回転駆動される。
図1(B)は、画像形成装置10の制御構成を示している。制御部11は、例えば、プロセッサ及びメモリを含み、プロセッサは、メモリに格納されたプログラムを実行し、メモリに格納されたデータ等を使用して画像形成装置10の各部を制御する。低圧電源12及び高圧電源16は、画像形成装置10の各部に必要な電力を供給する。センサ13は、記録材の有無や、画像形成装置10の温度を検出する各センサを示し、制御部11は、センサ13からの情報により画像形成装置10の状態を判定する。モータ15は、図1(A)に示す定着部24を駆動するモータ15のみならず、画像形成において回転部材を回転させるために使用される各モータの総称である。なお、各モータ15は駆動部60により駆動され、駆動部60は、モータ制御部14により制御される。表示部20は、画像形成装置10の状態をユーザに表示する。なお、制御部11は、形成する画像のデータを、通信コントローラ21経由で、外部のホストコンピュータ22から受信する。
続いて、モータ15の制御構成について図2を用いて説明する。モータ制御部14は、制御部11と通信し、制御部11からの指令に従って駆動部60の制御を行う。このため、モータ制御部14は、駆動部60に制御信号を出力する。また、駆動部60からモータ15の回転速度を示す速度信号を受信して、モータ15の回転速度を取得する。例えば、モータ制御部14は、制御部11からモータ15の目標速度を指定される。モータ制御部14は、速度信号によりモータ15の回転速度を監視して、モータ15の回転速度が目標速度となる様に駆動部60に制御信号を出力する。なお、本実施形態において、モータ制御部14は、モータ15の回転速度をPWM信号により制御する。具体的には、所定のパルス周期内において出力するパルスの幅を長くすることは、回転速度を増加させることに対応し、パルスの幅を短くすることは、回転速度を減少させることに対応する。つまり、PWM信号のパルス幅により回転速度を調整する。
図3は、モータ制御部14が出力する制御信号の説明図である。制御信号は、設定区間とPWM区間に分けられる。PWM区間は、モータ15を目標速度で回転させる様に制御している制御信号の部分である。この区間において、制御信号は、PWM信号(第1制御信号)であり、上述した様に、所定のパルス周期内におけるパルス信号の幅により速度が制御される。一方、設定区間とは、駆動部60に対して、モータの回転方向や、モータに対してショートブレーキを実行するか否かといった、制御内容を指定する区間であり、この区間において制御信号は、設定信号(第2制御信号)である。なお、設定信号とPWM信号を駆動部60に区別させるため、設定信号は、PWM信号のパルス周期より長い間、"ハイ"又は"ロー"レベルが継続する信号とする。
図2に戻り、モータ15は、U、V、Wの3相スター結線されたコイル43と、ロータ44と、ロータ44の位置を検出する3つのホール素子45と、を備えている。駆動部60は、例えば、ドライバICで実現され、モータ15の駆動を行う。具体的には、駆動部60は、3相インバータ61を有し、インバータ61の出力は、各相のコイル43に接続されている。ロジック部62は、ホール素子45が出力する信号から、ロータ44の回転位置を特定し、相切替信号UU、UV、UW、LU、LV、LWを生成する。これら相切替信号により、インバータ61は制御されてモータ15の励磁相を切り替る。これによりロータ44は回転する。
また、モータ15は、ロータ44の回転により誘起電圧が生じるパターンコイル47を備えている。ロジック部62は、パターンコイル47の出力からモータ15の回転速度を判定し、回転速度を、例えば、パルス周期で示す速度信号を生成してモータ制御部14に出力する。図4は、ロジック部62の構成を示す図である。機能設定部64の判定部67はカウンタを備えており、このカウンタは、発振器68からの基準クロックを使用して、入力される制御信号の隣接するエッジ間の時間間隔を計測する。なお、ここでは、PWM信号のパルス周期をT0とする。さらに、カウンタによるカウント値がその上限に達するまでの時間をT1とする。判定部67は、エッジ間の間隔が時間T0(第1期間)を超えると、設定信号であると判定する。なお、カウント値が上限である時間T1(第2期間)に達した場合も設定信号であると判定する。さらに、判定部67は、入力された制御信号を設定信号と判定した場合には、そのレベルが"ハイ"(H)であるのか、"ロー"(L)であるのかを判定する。このカウンタは、制御信号のエッジを検出するか、カウント値がT1になると、0に初期化され、カウントを再開する。判定部67は、信号の判定結果を、"セット"、"PWM信号/設定信号"、"H/L"の3つの信号線により設定部65に通知する。具体的には、PWM信号であれば、"PWM信号/設定信号"信号線をHレベルとし、設定信号であれば、"PWM信号/設定信号"信号線をLレベルとする。さらに、設定信号である場合には、そのレベルを"H/L"信号線のレベルとする。そして、"セット"信号線を所定期間だけHレベルに設定して、設定部65に判定結果を取り込ませる。なお、カウントに上限値T1を設けてカウンタをリセットさせるのは、設定信号において同じレベルを長時間維持する場合においても、判定部67に信号種別の判定を行わせるためである。なお、レジスタ66は、設定信号による設定内容に応じてモータ15の動作状態を保持する。図5は、制御信号と、カウンタのカウント値と、設定部65に出力する3つの信号線のレベルとの関係を示している。駆動部60は、レジスタ66に記録されているモータ15の動作状態に従いモータを制御する。
図6(A)は、設定信号と、レジスタ66に記録するモータの動作状態との関係の例を示している。図6(A)において、動作状態"停止"は、モータ15が停止している状態である。また、動作状態"回転"は、モータ15が所定の速度となる様に回転制御が行われている状態であり、動作状態"フリーラン"とは、ショートブレーキ機能を使用することなく、モータ15を停止させる様に制御している状態である。さらに、動作状態"ブレーキ"とは、ショートブレーキ機能を使用してモータを停止させている状態である。なお、ショートブレーキとは、コイル43をショートさせることでロータ44に生じる電磁力によりロータ44の回転を停止させている状態である。なお、以下では、ショートブレーキ機能を単にブレーキ機能と呼ぶものとする。
図6(A)によると、レジスタ66にモータ15が"停止"状態であると記録されているきに、設定信号を受信すると、そのレベルに応じた回転方向が設定されたものとして、駆動部60は、レジスタ66に設定された回転方向を記録する。また、モータ15が"回転"状態のときに、所定レベル、本実施形態ではLレベルの設定信号を受信すると、駆動部60は、モータ15を"フリーラン"状態に移行させると共に、レジスタ66に、モータ15の動作状態として"フリーラン"を記録する。さらに、モータ15が"フリーラン"状態のときに、Hレベルの設定信号を受信すると、駆動部60は、モータ15を"ブレーキ"状態に移行させると共に、レジスタ66に、モータ15の動作状態として"ブレーキ"を記録する。なお、モータ15が"フリーラン"状態のときに、Lレベルの設定信号を受信すると、駆動部60は、モータ15に対する制御についてはそのまま、モータ15がそのうち停止することから、レジスタ66に、モータ15の動作状態として"停止"を記録する。また、モータ15が"ブレーキ"状態のときに、設定信号を受信すると、駆動部60は、モータ15に対する制御についてはそのまま、モータ15がそのうち停止することから、レジスタ66に、モータ15の動作状態として"停止"を記録する。
図7(A)は、停止中のモータ15を正転させ、その後、フリーランで停止させる場合の、機能設定部64の動作の説明図である。なお、設定信号の内容は図6(A)に従うものとする。図7(A)のA点において、制御信号がLレベルに切り替わり、B点において制御信号がHレベルに切り替わると、その間の期間がT0を超えていることから、制御信号は設定信号であり、かつ、Lレベルが設定されたと、機能設定部64は判定する。また、レジスタ66には動作状態として"停止"が保持されていることから、機能設定部64は回転方向として正転が設定されたと判定し、インバータ制御部63に回転方向を通知する。また、レジスタ66に回転方向を記録する。
その後の制御信号のエッジ間の間隔はパルス周期に対応する期間以下、つまり、時間T0以下であるため、機能設定部64は、制御信号がPWM信号であると判定し、インバータ制御部63に回転を指示し、レジスタ66に"回転"状態であることを記録する。インバータ制御部63は、回転が指示されると、入力される制御信号に基づきモータ15を回転させる。
その後、F点において、直前のエッジであるE点からの時間間隔がT1に達したときに、機能設定部64は、制御信号がLレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態が"回転"であることが示されているので、機能設定部64は、インバータ制御部63に停止を指示する。また、動作状態が"フリーラン"であることをレジスタ66に記録する。その後、機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したG点において、制御信号がLレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"フリーラン"が記録されているので、機能設定部64は、その内にモータ15が停止するものとして、レジスタ66に"停止"状態を記録する。その後、機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したH点において、制御信号がLレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"停止"が保持されていることから、機能設定部64は回転方向として正転が設定されたと判定し、インバータ制御部63に回転方向を通知し、かつ、レジスタ66に回転方向を記録する。
図7(B)は、停止中のモータ15を逆転させ、その後、ブレーキ機能を利用して停止させる場合の、機能設定部64の動作の説明図である。図7(B)のA点において、設定信号がHレベルに切り替わり、B点において設定信号がLに切り替わると、その間の期間がT0を超えていることから、機能設定部64は設定信号としてHレベルが設定されたと判定する。また、レジスタ66には動作状態として"停止"が記録されていることから、機能設定部64は回転方向として逆転が設定されたと判定し、インバータ制御部63に回転方向を通知し、かつ、レジスタ66に回転方向を記録する。
その後の制御信号のエッジ間の間隔はT0以下であるため、機能設定部64は、制御信号がPWM信号であると判定し、インバータ制御部63に回転を指示し、レジスタ66に"回転"状態であることを記録する。インバータ制御部63は、回転が指示されると、入力される制御信号に基づきモータ15を回転させる。
その後のE点のエッジからF点のエッジまでの間隔は、時間T0を超えているので、機能設定部64は、制御信号がLレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態が"回転"であることが示されているので、機能設定部64は、インバータ制御部63に停止を指示する。また、動作状態が"フリーラン"であることをレジスタ66に記録する。その後、機能設定部64は、F点のエッジからG点のエッジまでの間隔が時間T0を超えていることから、制御信号がHレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"フリーラン"が記録されているので、機能設定部64は、ブレーキ機能の使用が指示されたと判定し、インバータ制御部63にブレーキ機能を行う様に指示する。また、機能設定部64は、レジスタ66に"ブレーキ"状態を記録する。その後、機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したH点において、制御信号がLレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"ブレーキ"が保持されていることから、機能設定部64は、モータ15が既に停止、或いは、その内に停止すると判定し、レジスタ66に"停止"状態を記録する。その後、機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したI点において、制御信号がLレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"停止"が保持されていることから、機能設定部64は回転方向として正転が設定されたと判定し、インバータ制御部63に回転方向を通知し、かつ、レジスタ66に回転方向を記録する。
図7(C)は、図7(B)のG点において、制御信号をLレベルに変化させずに、Hレベルを維持し続けた場合の機能設定部64の動作の説明図である。機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したG点において、制御信号がHレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"フリーラン"が記録されているので、機能設定部64は、ブレーキ機能の使用が指示されたと判定し、インバータ制御部63にブレーキ機能を行う様に指示する。また、機能設定部64は、レジスタ66に"ブレーキ"状態を記録する。その後、機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したH点において、制御信号がHレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"ブレーキ"が保持されていることから、機能設定部64は、モータ15が既に停止、或いは、その内に停止すると判定し、レジスタ66に"停止"状態を記録する。その後、機能設定部64は、カウンタ値がT1に達したI点において、制御信号がHレベルの設定信号であると判定する。レジスタ66には動作状態として"停止"が保持されていることから、機能設定部64は回転方向として逆転が設定されたと判定し、インバータ制御部63に回転方向を通知し、かつ、レジスタ66に回転方向を記録する。
以上、本実施形態では、1つの信号線により、速度を制御するためのPWM信号と、動作内容の設定を行うための設定信号を送信する。つまり、モータの動作状態を設定する設定信号のための個別の信号線を設けない。この構成により、駆動部60とモータ制御部14との間の信号線の数を少なくすることができる。つまり、駆動部60やモータ制御部14には、モータの動作状態を設定する信号線のための入出力端子を設ける必要がなく、これら部品を小型化できる。
<第二実施形態>
続いて、第二実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。図8は、本実施形態でのモータ15の制御構成を示す図である。第一実施形態とは、ロジック部62にPWM信号を出力する速度制御部69を設けた点で第一実施形態と相違する。つまり、本実施形態において、ロジック部62は、モータ制御部14からPWM信号を受信するのではなく、ロジック部62の速度制御部69がPWM信号を生成してインバータ制御部63に出力する。
図9は、本実施形態においてモータ制御部14が駆動部60に出力する制御信号を示している。本実施形態では、第一実施形態のPWM区間が、その周期で目標速度を示すクロック信号の区間であるクロック区間に置き換えられる。なお、クロック信号は、第一実施形態と同様にモータ15の回転速度を制御する際に出力される。第一実施形態と同様、本実施形態において、設定信号は、クロック信号の周期より長い期間、信号がLレベル又はHレベルにされることにより判定される。
図10は、本実施形態のロジック部62の構成図である。なお、パターンコイル47からの信号により速度信号を生成する速度信号生成部74は、図4においては省略されていたが、図4のロジック部62も有するものである。さらに、速度制御部69の構成を図11(A)に示す。位相比較器71は、制御信号に含まれるクロック信号と、速度信号の位相を比較し、その結果に基づいてクロック信号に対する、速度パルスの位相の遅れ又は進みを示す信号をチャージポンプ72に出力する。なお、本例では、位相の遅れをチャージ信号で通知し、位相の進みをディスチャージ信号で通知している。チャージポンプ72は、通知される位相の遅れ又は進みに応じたチャージポンプ(CP)電圧を出力する。具体的には、チャージポンプ72は、チャージ信号により位相の遅れが通知されると、その遅れ量に応じてCP電圧を上昇させ、ディスチャージ信号により位相の進みが通知されると、その進み量に応じて出力電圧を減少させる。信号生成部73は、CP電圧に応じてPWM信号を生成する。具体的には、CP電圧が上昇すると、速度が目標速度より遅いことからパルス幅を増加せる。逆に、CP電圧が減少すると、速度が目標速度より速いことからパルス幅を減少させる。図11(B)に、速度制御部69の各部における信号を示す。
図6(B)に本実施形態における設定信号の内容を示す。図6(A)に示す第一実施形態とは異なり、本実施形態では、回転しているモータ15を、"フリーラン"状態を経由させることなく、直接、"ブレーキ"状態に移行させることができる。なお、第一実施形態において、直接、"ブレーキ"状態に移行させることができないのは、パルス幅で速度を制御しているため、停止させる際に、速度を増加させる方向にパルス幅を変化させることができないからである。しかしながら、本実施形態では、PWM信号を駆動部60において生成しているため、回転中のモータ15に対して直接ブレーキをかける制御が可能となる。
[その他の実施形態]
なお、上述した実施形態において、モータ15と、モータ15を駆動する駆動部60と、駆動部60を制御するモータ制御部14と、を有する画像形成装置により説明を行った。しかしながら、駆動部60は、モータ15を駆動するモータ駆動装置として実現することもできる。また、モータ制御部14は、モータ駆動装置を制御するモータ制御装置として実現することもできる。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
15:モータ、14:モータ制御部、67:判定部、63:インバータ制御部

Claims (14)

  1. モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    制御装置から少なくとも2つのレベルを使用する制御信号を受信する受信手段と、
    前記制御信号のレベルが変化しなかった期間により前記制御信号が、前記モータの回転速度を制御する第1制御信号であるか、前記モータの動作状態を設定する第2制御信号であるかを判定する判定手段と、
    前記判定手段の判定結果により前記モータを駆動する駆動手段と、
    を備えていることを特徴とすることをモータ駆動装置。
  2. 前記判定手段は、前記制御信号の隣接するエッジ間の時間が第1期間より大きい場合、前記第2制御信号であると判定することを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記判定手段は、前記制御信号のレベルが変化することなく第2期間に達すると、前記第2制御信号であると判定し、前記第2期間は前記第1期間より長いことを特徴とする請求項2に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記第1制御信号は、前記第1期間より短いパルス幅の信号であり、
    前記駆動手段は、前記パルス幅に応じた回転速度となる様に前記モータを駆動することを特徴とする請求項2又は3に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記第1制御信号は、前記第1期間より短いパルス幅の信号であり、
    前記駆動手段は、前記パルスの周期に応じた回転速度となる様に前記モータを駆動することを特徴とする請求項2又は3に記載のモータ駆動装置。
  6. 前記第2制御信号は、前記モータの回転方向、ブレーキ機能により前記モータを停止させること、ブレーキ機能を使用することなく前記モータを停止させること、の少なくとも1つの指示を行うものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
  7. 前記モータの動作状態が記録されるレジスタをさらに備えており、
    前記レジスタに前記モータの動作状態として停止が記録されているときに前記第2制御信号を受信すると、前記駆動手段は、前記第2制御信号のレベルに基づき前記モータの回転方向を設定することを特徴とする請求項6に記載のモータ駆動装置。
  8. 前記レジスタに前記モータの動作状態として停止が記録されているときに前記第1制御信号を受信すると、前記駆動手段は、前記レジスタに記録されている回転方向に前記モータを回転させることを特徴とする請求項7に記載のモータ駆動装置。
  9. 前記レジスタに前記モータの動作状態として回転が記録されているときに前記第2制御信号を受信すると、前記駆動手段は、ブレーキ機能を使用することなく前記モータを停止させること特徴とする請求項7又は8に記載のモータ駆動装置。
  10. 前記レジスタに前記モータの動作状態として、ブレーキ機能を使用することなく前記モータを停止させていることが記録されているときに所定レベルの前記第2制御信号を受信すると、前記駆動手段は、ブレーキ機能により前記モータを停止させること特徴とする請求項9に記載のモータ駆動装置。
  11. 前記レジスタに前記モータの動作状態として回転が記録されているときに前記第2制御信号を受信すると、前記駆動手段は、前記第2制御信号のレベルに応じて、ブレーキ機能を使用することなく前記モータを停止させるか、ブレーキ機能により前記モータを停止させること特徴とする請求項7又は8に記載のモータ駆動装置。
  12. モータを駆動するモータ駆動装置を制御するモータ制御装置であって、
    前記モータ駆動装置に制御信号を送信する送信手段を備えており、
    前記制御信号は、前記モータの回転速度を制御する第1制御信号と、前記モータの動作状態を設定する第2制御信号とを含み、
    前記第1制御信号及び前記第2制御信号は、前記制御信号のレベルが変化しなかった期間により区別されることを特徴とするモータ制御装置。
  13. 前記制御信号の隣接するエッジ間の時間が第1期間以下であると、前記制御信号は前記第1制御信号であり、前記第1期間より長いと、前記制御信号は前記第2制御信号であることを特徴とする請求項12に記載のモータ制御装置。
  14. 回転部材を含む画像形成装置であって、
    前記回転部材を回転させるモータと、
    前記モータを駆動する請求項1から11のいずれか1項に記載のモータ駆動装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。
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JP2018141377A (ja) * 2017-02-27 2018-09-13 株式会社デンソー 車両用冷却ファンモータ制御装置
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