JP2020080621A - ステッピングモータの駆動装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータの駆動を迅速に開始する。【解決手段】フィルタ部１３６は、ＰＷＭ信号発生部１３５が発生させたＰＷＭ信号１４１を平滑化して直流電圧を生成する。リミッタ部１３７は、上記直流電圧をリミット値以下に制限したＶＲＥＦ電圧１３９を出力する。モータドライバ１２５は、ＶＲＥＦ電圧１３９に基づいて、ステッピングモータ１１６を駆動するための駆動電流を制御する。ＰＷＭ信号発生部１３５は、ステッピングモータ１１６の駆動開始の際に、第１のオンデューティ（１００％）のＰＷＭ信号を発生させ、その後、ＰＷＭ信号のオンデューティを第１のオンデューティより低い第２のオンデューティ（７０％）に切り替える。【選択図】図１０

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動制御を行うステッピングモータの駆動装置および画像形成装置に関する。

従来、ステッピングモータの駆動制御を行う駆動装置が知られている（例えば、特許文献１）。ステッピングモータを所望に回転駆動しトルクを発生させるために、ステッピングモータ内で構成される巻線抵抗に対し、予め決められた駆動電流を供給する必要がある。半導体ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いたモータの駆動装置においては、定電流チョッピングと呼ばれる各巻線相の定電流駆動や回生電流を流すための複雑なシーケンス制御を行うものが存在する。

一般に、ステッピングモータ用の駆動装置は、電流検出抵抗に発生した電圧が予め決められた電圧に達すると、駆動電流供給をＯＦＦにして回生電流制御を行う。電流検出抵抗に発生する電圧はコンパレータで基準電圧と比較される。この基準電圧は、ドライバＩＣの端子に印加されるリファレンス電圧（以下、ＶＲＥＦ電圧）を基にＤＡＣ（Ｄ／Ａコンバータ）などにより生成される。また、ＰＷＭ信号を利用し、駆動電流をＶＲＥＦ電圧で可変する駆動装置は、ＰＷＭ信号をフィルタ回路によりＤＣ（直流）状に変換することで、安定した定電流駆動チョッピング制御が実現されるようなＶＲＥＦ電圧を生成することができる。

特開２００９−２０７２４６号公報

定電流チョッピングにより、ＶＲＥＦ電圧が、ステッピングモータの駆動開始までに直流状の電圧として安定するべきターゲット電圧に安定するよう、ＰＷＭ信号のオンデューティを設定したとする。この場合、フィルタ回路が時定数を有することから、ＶＲＥＦ電圧はターゲット電圧に直ちには到達しない。そのため、ステッピングモータの駆動開始時間が長くなるという問題がある。一方、仮に、ＰＷＭ信号のオンデューティを高く設定し、例えば、オンデューティを１００％（予め特定されたＰＷＭ周期においてオンパルスのみ存在し、オフパルスが存在しない）に設定したとする。この場合、立ち上がり時間を短くできる。ところが、ＶＲＥＦ電圧が予め決められた駆動電流に対応する電圧値を超える（オーバーシュートする）可能性がある。そうなると、ステッピングモータの巻線の焼き付きや半導体ドライバＩＣ内のＦＥＴへのストレスを発生させるおそれがある。そのため、ＰＷＭ信号のオンデューティをあまり高く設定できない。

本発明は、ステッピングモータの駆動を迅速に開始することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、ＰＷＭ信号を発生させる発生手段と、前記発生手段により発生されたＰＷＭ信号を平滑化して直流電圧を生成するフィルタ部と、前記フィルタ部により生成された直流電圧をリミット値以下に制限したリファレンス電圧を出力する制限手段と、前記制限手段により出力されたリファレンス電圧に基づいて、ステッピングモータを駆動するための駆動電流を制御する制御手段と、を有し、前記発生手段は、前記ステッピングモータの駆動開始の際に、第１のオンデューティのＰＷＭ信号を発生させ、その後、前記ＰＷＭ信号のオンデューティを、前記第１のオンデューティより低い第２のオンデューティに切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、ステッピングモータの駆動を迅速に開始することができる。

画像形成装置の構成図である。 ステッピングモータの駆動装置の要部のブロック図である。 ＶＲＥＦ電圧の電圧変位を示す図である。 ＶＲＥＦ電圧の電圧変位を示す図である。 ＶＲＥＦ電圧の電圧変位を示す図である。 ＶＲＥＦ電圧の電圧変位を示す図である。 制御基板ユニットのブロック図である。 ＯＵＴＰＵＴの定電流チョッピング波形と電圧波形とを示す図である。 制御基板ユニットの要部のブロック図である。 モータ駆動電流制御処理のフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るステッピングモータの駆動装置が適用される画像形成装置の構成図である。この画像形成装置１００は、電子写真方式の画像形成装置である。画像形成装置１００は、感光体１０９、一次帯電器１１１、電位センサ１１２、露光器１２１、現像器１２２、転写部１０８、クリーナ１０７及び定着器１１３を備える。画像形成装置１００は、シート１１０を収納する給紙カセット１２０のほか、給紙ローラ１１９及び搬送ローラ１１７、１１８を備える。給紙カセット１２０や、シート１１０が搬送される搬送経路には、複数のセンサ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６が設けられる。シート１１０の搬送方向に沿って、センサ１０４、１０５、１０６が所定の間隔で配置される。画像形成装置１００は、ステッピングモータ（以下、単に「モータ」と記す）１１４、１１５、１１６を備える。画像形成装置１００は、不図示のコントローラにより動作が制御される。不図示のコントローラは、制御基板ユニット１２４に含まれ、後述するＣＰＵ１５７（図７）を含む。

一次帯電器１１１は、感光体１０９の表面を一様に帯電する。表面が一様に帯電された感光体１０９は、露光器１２１により画像信号に応じて露光されることで、画像信号に応じた静電潜像が形成される。現像器１２２は、静電潜像を現像して感光体１０９の表面にトナー像を形成する。電位センサ１１２は、静電潜像の電位を測定するために、露光器１２１による露光位置と、現像器１２２による現像位置との間に設けられている。感光体１０９の表面に形成されたトナー像は、転写部１０８によって給紙カセット１２０から給紙されたシート１１０に転写される。転写後に感光体１０９に残留する転写残トナーは、クリーナ１０７により回収される。トナー像が転写されたシート１１０は、定着器１１３によりトナー像が定着されて画像形成装置１００の外へ排出される。これにより、画像が印字された成果物が得られる。

シート１１０の給紙動作について説明する。コントローラは、給紙動作を開始する際に、給紙カセット１２０のシート１１０の有無をセンサ１０３により検知する。コントローラは、給紙カセット１２０にシート１１０が有る場合、給紙ローラ１１９により、給紙カセット１２０に収納されているシート１１０の給送を開始する。コントローラは、モータ１１５により給紙ローラ１１９を駆動する。給紙ローラ１１９は、シート１１０を１枚ずつ給紙カセット１２０から搬送ローラ１１７へ搬送する。センサ１０４は、搬送経路における給紙ローラ１１９と搬送ローラ１１７との間に設けられる。センサ１０４は、給紙ローラ１１９から搬送ローラ１１７までの搬送経路にある検知位置をシート１１０が通過したか否かを検知する。コントローラは、センサ１０４の検知結果に応じて、シート１１０が所定タイミング以内に上記検知位置を通過したか否かを検知する。

搬送ローラ１１７は、モータ１１６により回転される。コントローラは、センサ１０４がシート１１０を検知するとモータ１１６により搬送ローラ１１７を駆動する。搬送ローラ１１７は、回転することで、給紙ローラ１１９から搬送されたシート１１０を搬送ローラ１１８へ搬送する。センサ１０５は、搬送経路における搬送ローラ１１７と搬送ローラ１１８との間に設けられる。センサ１０６は、搬送ローラ１１７から搬送ローラ１１８までの搬送経路にある検知位置を、シート１１０が通過したか否かを検知する。コントローラは、センサ１０６の検知結果に応じて、シート１１０が所定タイミング以内に上記検知位置を通過したか否かを検知する。

搬送ローラ１１８は、モータ１１４により回転される。コントローラは、センサ１０６がシート１１０を検知するとモータ１１４により搬送ローラ１１８を駆動する。搬送ローラ１１８は、回転することで、搬送ローラ１１７から搬送されたシート１１０を転写部１０８へ搬送する。搬送ローラ１１８がシート１１０を転写部１０８へ搬送するタイミングは、感光体１０９に形成されたトナー像が転写部１０８に搬送されるタイミングに応じて調整される。これによりシート１１０と感光体１０９に形成されたトナー像とが、転写部１０８を重なって通過し、トナー像の転写が行われる。コントローラは、感光体１０９上のトナー像がシート１１０に重なって転写部１０８を通過するように、搬送ローラ１１８によるシート１１０の搬送速度を制御してもよい。

排紙トレーセンサ１０１は、シート１１０が定着器１１３を通って排出トレー１２３上に排出されたか否かを検知する。排紙トレーセンサ１０１は、装置１００のＪＯＢ（ジョブ）が一定時間発生せず、低い消費電力を維持する低消費電力モード中でも、排出されたシート１１０が排出トレー１２３から除去されたことを検知可能できるしくみを持つ。低消費電力モード時に排出トレー１２３上から紙が除去された場合、ユーザが機器に対し何らから操作を行う可能性があるため、画像形成装置１００は低消費電力モードから通常スタンバイ状態へ復帰する。

カセット状態検知センサ１０２は、例えばユーザがシート１１０を補充するために給紙カセット１２０を機外に引き出した際に反応する。カセット状態検知センサ１０２は、排紙トレーセンサ１０１と同様に、低消費電力モード中でも給紙カセット１２０の引き出しを検知できるしくみを持つ。低消費電力モード時に給紙カセット１２０を引き抜くなどのユーザ操作が発生した場合、次のＪＯＢ投入に備え、画像形成装置１００は低消費電力モードから通常スタンバイ状態へ復帰する。

センサ１０１〜１０６は、例えばフォトインタラプタにより構成される。センサ１０１〜１０６は、各々、発光部（例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ））及び発光部から放出された光を受光する受光部（例えばフォトトランジスタ）を備える。シート１１０が搬送経路の検知位置に設けられる遮蔽物を押してＬＥＤとフォトトランジスタとの光路を遮蔽することで、センサ１０１〜１０６は、シート１１０の有無を検知することができる。なお、センサ１０１〜１０６は、搬送経路を搬送／排出されるシート１１０を検知位置で検知できるか、あるいはカセット内のシート１１０の有無を検知できる構成であれば、構成は例示したものに限定されない。

画像形成装置１００は、制御基板ユニット１２４を有する。制御基板ユニット１２４には、モータドライバ１２５が配置されている。負荷であるモータ１１６を駆動するために、コネクタ１２９によって、モータドライバ１２５とモータ１１６との間において、駆動信号線が信号線ケーブルに接続されている。すなわち、Ａ相モータ駆動信号線１２６、／Ａ相モータ駆動信号線１２７はそれぞれ、ステッピングモータ１１６のＡ相信号線ケーブル１３４、／Ａ相信号線ケーブル１３２に接続されている。また、Ｂ相モータ駆動信号１２８、／Ｂ相モータ駆動信号１３０はそれぞれ、ステッピングモータ１１６のＢ相信号線ケーブル１３３、／Ｂ相信号線ケーブル１３１に接続されている。

図２は、ステッピングモータの駆動装置の要部のブロック図である。ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号発生部１３５、フィルタ部１３６、リミッタ部１３７（制限手段）およびモータドライバ１２５が直列に接続されている。ＰＷＭ信号発生部１３５は、それぞれ設定されるＨＩ（ハイ）電圧およびＬＯＷ（ロー）電圧に基づいて、ＰＷＭ信号１４１を発生させる発生手段である。ＬＯＷ電圧はＧＮＤ電位あるいは０Ｖとするが、マイナスの電圧としてもよい。ＰＷＭ信号１４１は、ＨＩ電圧パルス期間／｛ＨＩ電圧パルス期間＋ＬＯＷ電圧期間｝をオンデューティとする信号である。オンデューティは可変である。

フィルタ部１３６は、ＰＷＭ信号発生部１３５で発生されたＰＷＭ信号１４１を交流電圧から直流電圧に近似的に変換する。すなわち、フィルタ部１３６は、ＰＷＭ信号１４１を平滑化して直流電圧を生成する。フィルタ部１３６は、抵抗Ｒ１（Ω）とコンデンサＣ１（Ｆ）を有する。ＰＷＭ信号１４１の周波数をｆとする。フィルタ部１３６により生成される直流電圧は、｛１／｛１＋Ｒ１×２×π×ｆ×Ｃ１｝｝×ＨＩ電圧（Ｖ）となる。フィルタ部１３６のカットオフ周波数は、√３／｛２×π×Ｒ１×Ｃ１｝である。このカットオフ周波数よりＰＷＭ周波数ｆを高くすることで、リップル電圧を抑制し平滑された直流電圧に近似可能である。

本実施の形態では、ＰＷＭ信号１４１の周波数が、フィルタ部１３６のカットオフ周波数より高いことを前提とする。また、フィルタ部１３６を使用することで、ＰＷＭ信号の周波数とオンデューティが一定であれば、直流電圧に近似できることを前提とする。なお、ＰＷＭ信号の周波数とオンデューティが変化した際には、直流電圧の立ち上がり時間や立下り時間、コンデンサＣ１への充電電圧は変化し得る。

リミッタ部１３７は、抵抗Ｒ２、ツェナーダイオードＺＤ１を有する。リミッタ部１３７は、フィルタ部１３６により生成された直流電圧をリミット値以下に制限したＶＲＥＦ電圧１３９（リファレンス電圧）をモータドライバ１２５へ出力する。すなわち、リミッタ部１３７は、フィルタ部１３６から入力される直流電圧の値を、フィルタ部１３６内の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧した電圧値に抑制できる。あるいは、リミッタ部１３７は、ツェナーダイオードＺＤ１を用いてフィルタ部１３６からの直流電圧より低く電圧ドロップさせることで、ＶＲＥＦ電圧１３９を生成できる。

なお、直流電圧をリミット値以下に制限するために、リミッタ部１３７は、抵抗Ｒ２あるいはツェナーダイオードＺＤ１のいずれかを使用してもよいし、両方を使用してもよい。これら両方を使用する場合、例えば、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の分圧電圧である「｛Ｒ２／｛Ｒ１＋Ｒ２｝｝×ＨＩ電圧」より高く設定するとよい。そうすれば、ＰＷＭ信号のＨＩ電圧は、オンデューティが１００％であってもツェナー電圧以上になることが無い。また、｛Ｒ２／｛Ｒ１＋Ｒ２｝｝×ＨＩ電圧×オンデューティ（％）がツェナー電圧以下の場合は、リミット値は、｛Ｒ２／｛Ｒ１＋Ｒ２｝｝で分圧した電圧値となる。これ以外の方法で、例えば、ターゲット電圧より大きい電圧をカソード側、ＶＲＥＦ電圧１３９をアノード側とするダイオード接続などにより、リミッタ部１３７によるピーク電圧を制限してもよい。

モータドライバ１２５は、例えば、アナログＩＣなどで構築される。モータドライバ１２５は、リミッタ部１３７から供給されたＶＲＥＦ電圧１３９に基づいて、モータ１１６を駆動するための駆動電流を制御する制御手段である。モータドライバ１２５は、リファレンス電圧検知部１３８および駆動電流制御部１４０を有する。リファレンス電圧検知部１３８は、ＶＲＥＦ電圧１３９を検知し、検知したＶＲＥＦ電圧に基づいて駆動電流の基になる制御信号を生成し、この制御信号を駆動電流制御部１４０へ供給する。駆動電流制御部１４０は、供給された制御信号に基づいて、モータ１１６を駆動するための駆動電流を制御する。

図３は、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティを１００％以外の固定値（例えば、７０％）にした場合のＶＲＥＦ電圧１３９の電圧変位を示す図である。ＶＲＥＦ電圧１３９は、ＰＷＭ信号１４１の印加開始（発生開始）から上昇し、印加開始から遅延時間Ｔ１の経過後にターゲット電圧１へ安定している。ＶＲＥＦ電圧１３９の電圧変位は、フィルタ部１３６およびリミッタ部１３７の構成（図２）によって生じる。ここで、仮にリミッタ部１３７が無いと仮定した場合は、｛Ｒ２／｛Ｒ１＋Ｒ２｝｝×ＨＩ電圧×オンデューティ（％）がターゲット電圧１となる。一般に、ターゲット電圧は、モータ駆動開始時までに直流状の電圧として安定しているべきＶＲＥＦ電圧の値として予め既知であり、ターゲット電圧に対応するようにＰＷＭ信号のオンデューティが定められる。

遅延時間Ｔ１は、フィルタ部１３６の時定数に依存し、｛｛Ｒ１×Ｃ１｝／０．６３２｝である。仮に、直流状の電圧として安定していない遅延時間Ｔ１経過前のＶＲＥＦ電圧１３９に基づきモータドライバ１２５を駆動すると、駆動電流が少なくモータ駆動に必要な負荷トルクを発生させることができない。すると、脱調などの回転不良の原因となる。フィルタ部１３６のコンデンサＣ１の容量値は許容差を数％以上有する。従って、遅延時間Ｔ１を考慮し、ＶＲＥＦ電圧１３９が十分に直流電圧として安定してからモータ駆動を開始することが必要となる。

図４は、リミッタ値による制限が無いとし、且つＰＷＭ信号１４１のオンデューティを途中で変化させた場合のＶＲＥＦ電圧１３９の電圧変位を示す図である。図４の例では、リミッタ部１３７を設けず、ＰＷＭ信号１４１の発生（出力）開始時のオンデューティを１００％とし、途中でＰＷＭ信号１４１のオンデューティを１００％より低い固定オンデューティ（例えば、７０％）に切り替えた場合を示している。

ＰＷＭ信号１４１の発生開始時のオンデューティを１００％とすることで、ＶＲＥＦ電圧１３９はターゲット電圧１に対してオーバーシュートし、ターゲット電圧１より高いピーク電圧Ｐ１まで上昇する。ピーク電圧Ｐ１になった時点で、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティが切り替わって上記固定オンデューティに制御されると、ＶＲＥＦ電圧１３９はやがてターゲット電圧１に推移し安定する。遅延時間Ｔ２は、ＰＷＭ信号１４１の発生開始時を始点として、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティが１００％から１００％以下の上記固定オンデューティに切り替わった後、ターゲット電圧１に安定するのに充分な時間である。

このように、リミッタ部１３７が存在しない場合に、ＶＲＥＦ電圧１３９がターゲット電圧１を超えるためには、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティ１００％の期間を一定程度確保する必要がある。その際、フィルタ部１３６のコンデンサＣ１の容量の許容公差内でのバラツキや、抵抗Ｒ１の抵抗値の許容公差内でのバラツキを考慮する。また、モータの駆動電流が過少とならないよう、マージンを含めてターゲット電圧１を設定する必要がある。一方、ピーク電圧Ｐ１が過大だと駆動電流が極端に大きくなり、モータドライバ１２５やモータに損傷を与えるおそれがある。また、ＶＲＥＦ電圧１３９がターゲット電圧１より高い状態でモータを駆動すると、モータ起動時の駆動周波数に依存して負荷トルクが大きすぎて脱調するおそれがある。あるいは、ドライバＩＣやモータ自体の発熱や、駆動電流過多によるＧＮＤや電源のノイズの増大による誤動作やＥＭＩなどの原因となるおそれもある。そのため、遅延時間Ｔ２の経過を待ってからモータ駆動を開始することが必要となる。

図５は、本実施の形態における、リミッタ値による制限を設け、且つＰＷＭ信号１４１のオンデューティを途中で変化させた場合のＶＲＥＦ電圧１３９の電圧変位を示す図である。

ＰＷＭ信号１４１の発生開始時のオンデューティを第１のオンデューティ（例えば、１００％）とすることで、ＶＲＥＦ電圧１３９は、ターゲット電圧１より高いピーク電圧Ｐ１（図４）に向けて急激に上昇しようとする。しかし、ＶＲＥＦ電圧１３９は、リミッタ部１３７により、リミット値であるピーク電圧Ｐ２に制限され、それ以上上昇しない（図５）。ＰＷＭ信号１４１の発生開始時から所定時間Ｔ０（第１の時間）が経過したタイミングで、ＰＷＭ信号発生部１３５は、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティを第１のオンデューティから第２のオンデューティに切り替える。第２のオンデューティは、第１のオンデューティより低く、例えば、７０％である。

ＰＷＭ信号１４１が第２のオンデューティに制御されると、ＶＲＥＦ電圧１３９はやがて（遅延時間Ｔ３（第２の時間）の経過以前に）ターゲット電圧１に推移し安定する。遅延時間Ｔ３は、ＰＷＭ信号１４１の発生開始時を始点として、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティが第１のオンデューティから第２のオンデューティに切り替わった後、ＶＲＥＦ電圧１３９がターゲット電圧１に安定するのに充分な時間である。図５の例におけるＰＷＭ信号１４１の切り替わり前後のオンデューティおよび切り替えタイミングが図４の例と同じであるとすると、遅延時間Ｔ３（図５）は遅延時間Ｔ２（図４）より短くなる。図５の例におけるオンデューティの切り替えタイミングが図４の例より早ければ、遅延時間Ｔ３は遅延時間Ｔ２より一層短くなる。

リミット値は、ターゲット電圧１より大きく、且つ、フィルタ部１３６により生成された直流電圧がリミット値以下に制限されないと仮定した場合における上記直流電圧の最高値（ピーク電圧Ｐ１）よりもターゲット電圧１に近い。これにより、遅延時間Ｔ３を極力短くすることができる。特に、次の理由により、リミット値に相当するピーク電圧Ｐ２がターゲット電圧１に近い値であるほど、遅延時間Ｔ３は短くなる。ピーク電圧からターゲット電圧１までの放電時間は、｛｛Ｃ１容量値×｛ピーク電圧−ターゲット電圧１｝｝／放電電流｝と算出できる。ここで、コンデンサＣ１の容量値とターゲット電圧１は、図４の例と図５の例では同一である。ピーク電圧Ｐ２はピーク電圧Ｐ１より低い。ＰＷＭ信号の周波数が高いほど、ＶＲＥＦ電圧１３９は、遅延時間Ｔ２または遅延時間Ｔ３の経過後、よりリップルの少ない直流電圧となる。放電電流は、抵抗Ｒ１を介したＰＷＭ信号１４１のＨＩ電圧期間の充電電流とＬＯＷ電圧期間の放電電流とにより決まる。

ＰＷＭ信号１４１が１００％以外の固定デューティで推移した際、最終的に安定する電圧がターゲット電圧１である。従って、ターゲット電圧１以上の電圧に推移した状態から１００％以外の固定デューティのＰＷＭ信号１４１が発生すると、コンデンサＣ１の電荷は放電方向となり、最終的にターゲット電圧１に安定する。逆に、ターゲット電圧１以上の電圧に満たない場合に、１００％以外の固定デューティのＰＷＭ信号１４１が発生すると、コンデンサＣ１の電荷は充電方向となり、最終的にターゲット電圧１の電圧に安定する。図５の例で、ＰＷＭ信号１４１の切り替わり前後のオンデューティおよび切り替えタイミングが図４の例と同じであるとする。この場合、ピーク電圧Ｐ２から放電が開始されるが、放電開始時の電圧は、図４の例のピーク電圧Ｐ１からの放電開始以降の電圧推移の途中に存在する。従って、図５の例では、図４の例に比し、オンデューティの切り替わり後、ターゲット電圧１に安定するまでの所要時間は、｛Ｃ１×｛ピーク電圧Ｐ１−ピーク電圧Ｐ２｝／放電電流｝だけ短くなる。

図６は、ターゲット電圧を切り替える場合のＶＲＥＦ電圧１３９の電圧変位を示す図である。ＰＷＭ信号１４１のオンデューティを特定の固定オンデューティに維持したとき、ＶＲＥＦ電圧１３９がターゲット電圧１に安定している。ある時点を始点とする時間Ｔ４の経過時点で、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティを低くすると、その後、ＶＲＥＦ電圧１３９は遅延時間Ｔ５の間に低下し、ターゲット電圧２へ安定する。その後、時間Ｔ６が経過した時点で、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティを１００％にすると、ＶＲＥＦ電圧１３９は、ターゲット電圧１を少し超え、リミッタ部１３７により制限されてピーク電圧Ｐ３に到達して一定となる。ピーク電圧Ｐ３は、ピーク電圧Ｐ２（図５）に相当する。なお、リミッタ部１３７によるリミット値を変更可能に構成してもよい。

時間Ｔ６の経過時点から時間Ｔ７が経過すると、ＶＲＥＦ電圧１３９は低下し始め、その後、遅延時間Ｔ８の経過後には、ターゲット電圧１に推移し、安定する。ピーク電圧Ｐ３を充分に低い値に設定することで、遅延時間Ｔ８を短くすること可能となる。ピーク電圧を低くすることで、駆動電流上昇の切り替えの際の安定制御までの時間を短くできるため、ステッピングモータの回転数の変化などによる軸負荷の変動などへも高速に対応可能となる。さらに、トルク余りや熱損失を低減するステッピングモータの駆動を実現できる。

図７は、制御基板ユニット１２４のブロック図である。モータドライバ１２５、コネクタ１２９、Ａ相モータ駆動信号線１２６、／Ａ相モータ駆動信号線１２７、Ａ相信号線ケーブル１３４、／Ａ相信号線ケーブル１３２、モータ１１６は、図１で説明したものと同一である。ＰＷＭ信号発生部１３５、フィルタ部１３６、リミッタ部１３７、リファレンス電圧検知部１３８、ＶＲＥＦ電圧１３９は、図２〜図６で説明したのと同一である。Ａ相モータ駆動信号線１２６を通じて出力される電圧がＯＵＴＰＵＴ＿Ａであり、／Ａ相モータ駆動信号線１２７を通じて出力される電圧がＯＵＴＰＵＴ＿／Ａである。

ＣＰＵ１５７は、ＲＯＭ／ＲＡＭ１５８のＲＯＭに予め格納されたプログラムをＲＡＭに展開して実行する。ＣＰＵ１５７は、タイマカウンタ１５９を使用して、ＰＷＭ信号発生部１３５に対し、ＰＷＭ信号の生成を指令する。このＰＷＭ信号のオンデューティは、予め決められたＰＷＭ周波数で０〜１００％の範囲で可変である。モータドライバ１２５の駆動電流制御部１４０（図２）は、ＤＡＣ１６０、シーケンサ１６２、ＦＥＴドライバ１６３、保護用抵抗１６５、コンパレータ１６１を有する。コンパレータ１６１は、モータドライバ１２５の外部にある電流検出抵抗である外部抵抗Ｒ３へ流れるモータ駆動電流を検知する。

図８、図９を参照して、モータ駆動時における定電流チョッピング制御でのスローディケイ中のモータドライバ１２５内の動作について説明する。図８は、ＯＵＴＰＵＴの定電流チョッピング波形と電圧波形とを示す図である。図９は、定電流チョッピング制御にかかわる制御基板ユニット１２４の要部のブロック図である。図９において、ＰＷＭ信号発生部１３５、フィルタ部１３６、リミッタ部１３７、リファレンス電圧検知部１３８、ＶＲＥＦ電圧１３９は、図２〜図６で説明したのと同一である。符号１７０〜１７７は電流の流れを示す。

まず、図８で、電流上昇期間について説明する。ＶＤＤ電源に接続されるハイサイドスイッチであるＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６６のソースとドレインとの間のスイッチがＯＮとなりＶＤＤ電源からの電流を流す状態となることで、定電流チョッピングが開始される。その際、ローサイドスイッチであるＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６７はＯＦＦとなり、ＶＤＤ電源からの電流を流さない。それとほぼ同時に、ハイサイドスイッチであるＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿／Ａ１６８のスイッチがＯＦＦとなる。更にローサイドスイッチであるＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿／Ａ１６９がＯＮになると、電流は、１７０→１７１→１７２→コネクタ１２９→モータ１１６内の巻線抵抗→１７３→コネクタ１２９→１７４→１７５→１７６と流れる。そして電流は外部抵抗Ｒ３からＧＮＤの方向へ流れる。

なお、モータドライバ１２５内部のハイサイドスイッチやローサイドスイッチのＯＮ抵抗は、ＤＭＯＳプロセス技術の発達により非常に低くなっているため、本実施の形態ではこれらの考慮を省略している。コンパレータ１６１は、外部抵抗Ｒ３における、ＧＮＤに接続されている側とは反対側の端子上に発生する電圧値と駆動電流値との予め決められた相関関係の設定に基づき、定電流制御となるように外部抵抗Ｒ３の発生電圧を監視する。ＤＡＣ１６０は、ＶＲＥＦ電圧１３９によってリファレンス電圧検知部１３８内で予め決められたゲインで生成されたデジタル出力値をアナログ電圧へリアルタイムに変換し、コンパレータ１６１の基準電圧として出力する。

コンパレータ１６１は、モータ駆動中に外部抵抗Ｒ３に発生する電圧と基準電圧とを比較する。もし、外部抵抗Ｒ３に発生する電圧が基準電圧を超えた場合、コンパレータ１６１の出力によりシーケンサ１６２がＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６６をＯＦＦにし、ＶＤＤ電源からの電流の流れを止める。一方、ＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６７とＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿／Ａ１６８はＯＦＦのままである。そのため、ＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿／Ａに流れる電流は、１７０→１７１→１７２→１７３→１７４→１７５→１７７に戻る経路をとり、回生電流が継続的に流れる。これは、ＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６６がＯＦＦになると、モータ１１６の回転中に流れこむ電流（１７３）がモータの逆起電力により駆動電流をＯＦＦにせず継続させようとするからである。結果として、ＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６７はＯＦＦであっても、寄生するＢｏｄｙＤｉｏｄｅを介して電流が引き込まれるため、回生電流として継続することになる。この回生電流は、流れる電流経路内のさまざまな箇所を経由することで減衰していく。減衰と同時に予め決められたチョッピング周期に達すると、再度、電流上昇期間がスタートする。この一連のチョッピング周期を、モータ１１６のＡ相、／Ａ相、Ｂ相、／Ｂ相のステップ周期内で繰り返すことでスローディケイでの定電流制御が実現される。

図８に示すチョッピング周期におけるＯＵＴＰＵＴ＿Ａの電圧波形が０Ｖである期間が、前述したスローディケイ中の回生電流が流れる期間となる。チョッピング周期におけるＯＵＴＰＵＴ＿Ａの電圧波形が＋２４Ｖに達するまでの期間は、駆動電流が予め決められた電流（図８では１Ａ）に達するまで上昇するため、定電流チョッピングが実行される。従って、ＶＤＤ電源に接続されるＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６６のソースとドレインとの間のスイッチがＯＮとなり、ＶＤＤ電源からの電流が流れる状態となる。ＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿Ａ１６７のスイッチはＯＦＦとなり、ＶＤＤ電源からの電流は流れない。それとほぼ同時にＨｉｇｈＳｉｄｅＦＥＴ＿／Ａ１６８のスイッチがＯＦＦとなる。さらにＬｏｗＳｉｄｅＦＥＴ＿／Ａ１６９のスイッチがＯＮになると、電流は図９中の１７０→１７１→１７２→コネクタ１２９→モータ１１６内の巻線抵抗→１７３→コネクタ１２９→１７４→１７５→１７６と流れ、外部抵抗Ｒ３からＧＮＤの方向へ流れる。図８に示すように、電流上昇と回生電流による電流減衰が、予め決められたチョッピング周期毎に繰り返されることで、スローディケイによる定電流チョッピングが実現される。

ここでは、モータドライバ１２５のＯＵＴＰＵＴ＿Ａ相とＯＵＴＰＵＴ＿／Ａ相のみを説明したが、例えば、２相励磁のステッピングモータでは、ＯＵＴＰＵＴ＿Ｂ相やＯＵＴＰＵＴ＿／Ｂ相の側も同様に説明できる。更に、ＶＤＤ電源からのモータ巻線への電流の流れが逆となる方向にＯＵＴＰＵＴ＿Ａ相とＯＵＴＰＵＴ＿／Ａ相の各ＦＥＴが制御される場合も同様にして定電流制御を説明できる。

図１０は、モータ駆動電流制御処理のフローチャートである。この処理は、ＲＯＭ／ＲＡＭ１５８のＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵ１５７がＲＯＭ／ＲＡＭ１５８のＲＡＭに読み出して実行することにより実現される。一例として、モータ１１６の駆動電流を変化させる際の処理を説明するが、ステッピングモータ１１４、１１５等の他のステッピングモータの駆動電流の制御にも同様に本処理を適用できる。この処理は、モータドライバ１２５の電源がオンになると開始される。

まず、ステップＳ１０１で、ＣＰＵ１５７は、ＰＷＭ信号発生部１３５に、予め決められた周波数で第１のオンデューティ（１００％）のＰＷＭ信号１４１を出力させる。このＰＷＭ信号１４１はオンデューティ１００％であるため、ＶＲＥＦ電圧１３９は、ターゲット電圧１より高いピーク電圧Ｐ１（図４）に向けて急激に上昇しようとするが、リミッタ部１３７によりリミット値（ピーク電圧Ｐ２）に制限される（図５）。

ステップＳ１０２では、ＣＰＵ１５７は、タイマカウンタ１５９を使用し、予め設定したタイマ条件１が成立する（ＰＷＭ信号１４１の発生開始時から所定時間Ｔ０が経過する）まで待つ。そして、タイマ条件１が成立すると、ＣＰＵ１５７は、ステップＳ１０３で、オンデューティを第１のオンデューティから第２のオンデューティに切り替えたＰＷＭ信号１４１をＰＷＭ信号発生部１３５に出力させる。第２のオンデューティは、例えば７０％であるがこれに限定されない。オンデューティが切り替わったことで、ＶＲＥＦ電圧１３９は、ターゲット電圧１に向かって減衰していく（図５）。

ステップＳ１０４では、ＣＰＵ１５７は、タイマカウンタ１５９を使用し、予め設定したタイマ条件２が成立する（ＰＷＭ信号１４１の発生開始時から遅延時間Ｔ３が経過する）まで待つ。そして、タイマ条件２が成立すると、ＣＰＵ１５７は、ステップＳ１０５で、モータ１１６の回転駆動を開始するための処理を行う。すなわち、ＣＰＵ１５７は、回転駆動手段として機能し、モータドライバ１２５により制御される駆動電流に基づくモータ１１６の回転駆動を開始する。遅延時間Ｔ３が経過していれば、ＶＲＥＦ電圧１３９は、ターゲット電圧１に充分に安定しているので、駆動電流過多によるノイズの増大やＥＭＩなどを抑制することができる。

ステップＳ１０６では、ＣＰＵ１５７は、複数のセンサ１０１〜１０６の検知結果等に基づき、モータ１１６の駆動を停止するかどうかをモータ回転中に常時判別し、駆動を停止すべき状態となるまで待つ。そして、モータ１１６の駆動を停止すべき状態と判別すると、ＣＰＵ１５７は、ステップＳ１０７で、モータ１１６の回転駆動を停止するための処理を開始し、ステップＳ１０８で、モータ１１６の回転駆動を止める（ＨＯＬＤ状態にする）。すなわち、ステップＳ１０８では、ＣＰＵ１５７は、モータ１１６の回転駆動を止めると同時に、Ａ相、／Ａ相、Ｂ相、／Ｂ相のいずれかあるいは複数の相に、定電流チョッピングによりモータ回転駆動時より低い相電流を流す。これにより、各相信号はパルス状に変化せず、モータ１１６は、その回転軸が相電流で励磁固定されたＨＯＬＤ状態となる。モータ１１６をＨＯＬＤ状態にする理由は、モータ回転起動時に、ロータやステータの位置を負荷トルクが発生しやすい位置にするためである。具体的には、ステップＳ１０８では、ＣＰＵ１５７は、ＰＷＭ信号発生部１３５に対し、ＰＷＭ信号１４１のオンデューティを７０％からそれより低い値（例えば、３０％）に切り替え、相励磁電流を低く抑えている。ＨＯＬＤ時のオンデューティの値は、駆動モードによって、システム全体の消費電力や、モータやモータドライバの昇温などを加味し、予め効率の良い数値に決められており、従って３０％に限定されない。

ステップＳ１０９では、ＣＰＵ１５７は、ＰＷＭ信号のオンデューティを３０％にしてモータ１１６をＨＯＬＤ状態にした状態で、システム（コントローラ）からのモータ駆動の再開始要求等によって、モータ駆動を再開すべきか否かを判別する。そして、モータ駆動を再開すべきと判別した場合は、ＣＰＵ１５７は、処理をステップＳ１０１に戻す。この場合、ＰＷＭ信号のオンデューティは３０％から１００％へ切り替わり、次のモータ駆動開始に備える。一方、モータ駆動を再開すべきでないと判別した場合は、ＣＰＵ１５７は、ステップＳ１１０で、モータドライバ１２５の停止要求等によって、モータドライバ１２５自体を停止すべきか否かを判別する。そして、モータドライバ１２５自体を停止すべきでないと判別した場合は、ＣＰＵ１５７は、処理をステップＳ１０９に戻す。一方、モータドライバ１２５自体を停止すべきと判別した場合は、ＣＰＵ１５７は、ステップＳ１１１で、モータドライバ１２５を停止させる。その後、ＣＰＵ１５７は、図１０の処理を終了させる。

本実施の形態によれば、リミッタ部１３７は、ＰＷＭ信号発生部１３５が発生させたＰＷＭ信号１４１が平滑化された直流電圧をリミット値以下に制限したＶＲＥＦ電圧１３９を出力する。モータドライバ１２５は、ＶＲＥＦ電圧１３９に基づいて、ステッピングモータ１１６を駆動するための駆動電流を制御する。ＰＷＭ信号発生部１３５は、ステッピングモータの駆動開始の際に、第１のオンデューティ（１００％）のＰＷＭ信号を発生させ、その後、ＰＷＭ信号のオンデューティを第１のオンデューティより低い第２のオンデューティ（７０％）に切り替える。これにより、ターゲット電圧１に安定するまでの時間を短縮できるので、ステッピングモータの駆動を迅速に開始することができる。

また、遅延時間Ｔ３（第２の時間）の経過を待ってステッピングモータ１１６の回転駆動を開始するので、モータの回転不良、発熱、誤動作、ＥＭＩなどを抑制することができる。

また、リミット値は、ターゲット電圧１より大きく、且つ、フィルタ部１３６により生成された直流電圧がリミット値以下に制限されないと仮定した場合における上記直流電圧の最高値よりもターゲット電圧１に近い。これにより、遅延時間Ｔ３を極力短くすることができ、ステッピングモータの駆動開始を早めることができる。

また、ＶＲＥＦ電圧１３９はリミット値に制限されるので、リミット値による制限無しに、ＰＷＭ信号のオンディーティを単に１００％に設定した場合と比べると、モータドライバ１２５やモータに損傷を与えずに済む。すなわち、画像形成装置１００や用紙搬送装置では、モータ駆動の高速化の他にもＰＷＭ信号発生部１３５の異常などの装置に起因する問題により、ＰＷＭ信号のオンディーティが１００％へ張り付く場合が想定される。このような場合であっても、駆動電流のピークを抑えられるなどのフェイルセーフ機能を提供できる。

ところで、ＰＷＭ信号パルス幅が広いと最小電流値が大きくなるので、温度上昇制御が困難となる。すなわち、ＰＷＭ信号の１パルス幅に対する駆動電流の分解能では、モータのＨＯＬＤ状態時の温度上昇を細かく制御することができない。その結果、ステッピングモータの発生トルクとドライバの発熱抑制の両方を満足できない。その一方、ＰＷＭ信号の１パルス幅を小さくするために、ＰＷＭ信号の生成の基となるクロック周波数を高くする方法も考えられる。しかし、クロック周波数を上げることで、システム自体の消費電力や高速処理のためのシステム構成の見直しなどの負担も大きくなり、コストアップに繋がる。

本実施の形態では、ＶＲＥＦ電圧１３９をリミット値に制限するので、基となるクロック周波数を上げることなく、ＰＷＭ信号のオンデューティ１％あたりのターゲット電圧１の分解能を小さくすることができる。より詳細には、ＶＲＥＦ電圧１３９のピーク電圧が抑制されることによって、ターゲット電圧１は、｛{Ｒ２／{Ｒ１＋Ｒ２}}×ピーク電圧Ｐ２×オンデューティ（％）｝となるので、オンデューティの１％あたりに対応するターゲット電圧１の分解能も小さくなる。このため、ターゲット電圧をより細かく制御することが可能となる。ここで、モータ巻線の温度定格によりＨＯＬＤ時の相電流を極力抑制したい場合、ＰＷＭ信号のＨＩ電圧の周期分解能の最小単位時間でＨＯＬＤ時の相電流が決まることを応用できる。ＶＲＥＦ電圧は、｛{ＨＩ電圧／（ＨＩ電圧期間の周期分解能）}−｛ピーク電圧／｛ＨＩ電圧期間の周期分解能｝}｝となる。例えば、ＨＩ電圧期間の周期分解能が同一で２５６であるとすると、ＨＩ電圧＝３.０Ｖ、ピーク電圧＝２．０Ｖのリミッタ電圧であれば、ＶＲＥＦ電圧は、０．０１１７１８７５−０．００７８１２５＝０．００３９０６２５と算出できる。つまり、リミットがあることで、リミットが無いときに比べ、約０．００４Ｖ低い０．００７８ＶのＶＲＥＦ電圧を作り出すことが可能となる。従って、ＶＲＥＦ電圧を基に、相電流の最小値を極力抑えた制御が可能となる。

なお、第１のオンデューティを１００％、第２のオンデューティを７０％としたが、これらに限定されない。第２のオンデューティは第１のオンデューティより低ければよく、第１のオンデューティは１００％より低くてもよい。

なお、本発明のステッピングモータの駆動装置は、画像形成装置に限らず、ステッピングモータを有する各種の装置に適用可能である。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

１１４、１１５、１１６ ステッピングモータ
１２５ モータドライバ
１３５ ＰＷＭ信号発生部
１３６ フィルタ部
１３７ リミッタ部
１３９ ＶＲＥＦ電圧
１４１ ＰＷＭ信号
１５７ ＣＰＵ

Claims (10)

1. ＰＷＭ信号を発生させる発生手段と、
   前記発生手段により発生されたＰＷＭ信号を平滑化して直流電圧を生成するフィルタ部と、
   前記フィルタ部により生成された直流電圧をリミット値以下に制限したリファレンス電圧を出力する制限手段と、
   前記制限手段により出力されたリファレンス電圧に基づいて、ステッピングモータを駆動するための駆動電流を制御する制御手段と、を有し、
   前記発生手段は、前記ステッピングモータの駆動開始の際に、第１のオンデューティのＰＷＭ信号を発生させ、その後、前記ＰＷＭ信号のオンデューティを、前記第１のオンデューティより低い第２のオンデューティに切り替えることを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
2. 前記発生手段は、前記第１のオンデューティのＰＷＭ信号の発生開始から第１の時間が経過したタイミングで、前記ＰＷＭ信号のオンデューティを、前記第１のオンデューティから前記第２のオンデューティに切り替えることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置。
3. 前記第１のオンデューティのＰＷＭ信号の発生開始から、前記第１の時間より長い第２の時間が経過した後、前記駆動電流に基づく前記ステッピングモータの回転駆動を開始する回転駆動手段を有することを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの駆動装置。
4. 前記第２の時間は、前記リファレンス電圧がターゲット電圧に安定するのに充分な時間であることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータの駆動装置。
5. 前記第１の時間は、前記直流電圧がターゲット電圧に到達するのに充分な時間であることを特徴とする請求項２または３に記載のステッピングモータの駆動装置。
6. 前記第２のオンデューティは、ターゲット電圧に対応する値であることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置。
7. 前記リミット値は、前記ターゲット電圧より大きく、且つ、前記フィルタ部により生成された直流電圧が前記リミット値以下に制限されないと仮定した場合における前記直流電圧の最高値よりも前記ターゲット電圧に近いことを特徴とする請求項６に記載のステッピングモータの駆動装置。
8. 前記ターゲット電圧は、前記ステッピングモータの駆動開始時までに前記リファレンス電圧が直流状の電圧として安定するべき値であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載のステッピングモータの駆動装置。
9. 前記第１のオンデューティは１００％であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のステッピングモータの駆動装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のステッピングモータの駆動装置を有することを特徴とする画像形成装置。

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