JP4789554B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばブラシレスモータ等のモータの回転を制御するモータ制御装置に関する。

近年、無線ＬＡＮや携帯電話等の通信の手段として電磁波を使用した製品や、ＴＶや電子レンジなどの多種多様の家電製品の市場供給が増えており、これら機器の電子機器から発生される輻射ノイズが氾濫しつつある。またプラント、工場、オフィス内において大型の設備が増えることは消費電力の増大や輻射ノイズの発生につながり、更にオートメーション化やパソコンの普及により輻射ノイズは減ることはない。更に、老朽化した設備は、不要な輻射ノイズの発生源となりつつある。

このような状況下で、新たに機器を導入する場合、その機器が受ける電磁ノイズは計り知れない。これに対してＥＣ諸国などは率先して、勧告化したＥＮ規格（ＥＮ５５０２４／１９９８）等でイミュニティ規格の方法や基準を明確化し、これが機器の性能評価の標準となっている。また、国際標準機関のITU-T及びCISPR等の各機関でも論議が高まっている。特に「CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques：国際無線障害特別委員会）」では、CISPR240でイミュニティ問題を取り扱っている。
コロナ社：情報通信機器のノイズイミュニティ サイエンスフォーラム社：CISPR24-情報技術装置のイミュニティ特性に関する限界値と測定方法

従来の機器は、上述のイミュニティ規格に準拠した方法で評価され、機器の誤動作を防止するために公知の金属材料でノイズの遮蔽物を設け、また回路上にコンデンサやチョークコイルを設けて外部ノイズの影響を緩和している。また、電磁波環境変化に対して、従来のブラシレスモータユニット或はブラシレスモータを搭載した機器も同様に、外部ノイズによる影響を受けてしまう。この結果、モータの回転数が目標とする回転数に対して不安定となることがあった。

このような外部から機器に与えられるノイズによる誤動作を防ぐための手法として、ノイズ遮蔽物や電子回路フィルタを追加する等して対処していた。しかしこのような対処方法では、部品点数が増大し、コストアップを招くという問題がある。

本発明は、上記従来技術の欠点を解決することにある。

また本願発明の特徴は、コストアップを抑えて、外部ノイズによる影響を抑えてモータを安定して回転駆動できるモータ制御装置を提供することにある。

本発明の一態様に係るモータ制御装置は以下のような構成を備える。即ち、
モータのロータ部の径にほぼ等しい径の第１のＦＧパターンを有し、当該第１のＦＧパターンを用いて当該ロータ部の回転に同期して第１誘起電圧を発生させる回転信号発生手段と、
前記第１のＦＧパターンの外側に、前記第１のＦＧパターンによる電磁誘導の影響を受けないように一定の距離を空けて隣接した第２のＦＧパターンを有し、当該第２のＦＧパターンを用いて前記ロータ部の回転に依存しないノイズによる第２誘起電圧を発生させるノイズ信号発生手段と、
前記第１及び第２誘起電圧を入力して差動増幅することにより前記第１誘起電圧から前記ノイズを除いた前記ロータ部の回転に同期した回転信号を出力する差動増幅手段と、
前記差動増幅手段から出力される前記回転信号と、所定の周波数信号との同期を取るように前記モータの回転を制御するモータ回転制御手段と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、コストアップを抑えて、外部ノイズによる影響を抑えてモータを安定して回転駆動できるという効果がある。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳しく説明する。尚、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また本実施の形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須のものとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ駆動回路の機能構成を示す機能ブロック図である。

回転検出信号発生手段１０１は、モータの回転を検出して差動入力信号１０３を出力する。外部ノイズ信号発生手段１０２は、外部ノイズを検出し、ノイズ成分信号１０４として出力する。ＦＧアンプに代表される差動演算手段１０５は、これら差動入力信号１０３とノイズ成分信号１０４とを入力してモータ回転検出信号１０６を出力する。これによりモータの回転に依存しないノイズが機器或はモータに加わった場合でも、そのノイズ信号はノイズ成分信号１０４に表れる。この際、回転検出信号発生手段１０１であるＦＧパターンにも同様に外部ノイズ成分が注入しており、実際の回転時の（ＦＧ生信号＋ノイズ成分）が差動入力信号１０３に供給される。こうしてノイズ成分信号１０４と、（ＦＧ生信号＋ノイズ成分）の差分を差動演算手段１０５で減算することにより、差動入力信号１０３からノイズ信号が相殺される。これにより外部ノイズが印加された状態においても外部ノイズに依存しない、目的とするモータの回転検出を可能にしている。

また、回転検出信号発生手段１０１と外部ノイズ信号発生手段１０２との位置関係を以下のようにする。例えば、ノイズに対する遮蔽物と回転検出信号発生手段１０１との間に外部ノイズ信号発生手段１０２を位置させる。この状態で外部ノイズの信号レベルが小さいと判断される場合、外部ノイズ信号発生手段１０２を回転検出信号発生手段１０１に隣接させずに、外部ノイズが遮蔽物に遮蔽されず回転検出信号発生手段１０１に回り込む位置にさせる。

［実施の形態１］
図２は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの制御回路の構成を示すブロック図である。

ＣＰＵ２０１は、発振器２０２から供給される基本クロックに基づいて、ＲＯＭ２０６に予め格納された制御プログラムに従って動作する。バス２０３は、ＣＰＵ２０１とＲＯＭ２０６、ＲＡＭ２０４を接続するためのバス線である。ＲＡＭ２０４は、ＣＰＵ２０１が処理を行うためのワークメモリを提供している。また２０５は、各デバイスを動作させるために供給するロジック電源を表している。

ブラシレスモータの制御時、ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０６のプログラムに従って発振器２０２からの基準クロックを分周し、ＣＬＯＣＫ信号線２１２にＣＬＯＣＫ信号を出力する。またＣＰＵ２０１は、内部ポートに接続されたＳＴＡＲＴ／ＳＴＯＰ信号線２１１に、モータ２２５の回転を開始／停止させるため論理レベルの信号を出力する。モータドライバユニット２１０は、このＳＴＡＲＴ／ＳＴＯＰ信号２１１の論理変化と、ＣＬＯＣＫ信号線２１２に入力された分周クロックに従って制御している。モータドライバ速度制御ブロック２１６は、トランジスタ２１７とトランジスタ２１８を動作させ、モータ２２５の巻線２０８に電流を流してモータ２２５を回転させる。こうしてモータ２２５が回転すると、ＦＧパターン３０１，３０２には、その回転数に応じた電圧が誘起される。この誘起した電圧をＦＧアンプ３０３で差動増幅して波形整形し、モータ速度制御ブロック２１６にフィードバックする。

モータ速度制御ブロック２１６は、このフィードバックされたＦＧアンプ３０３の出力信号とクロック信号２１２とが同期するように、トランジスタ２１７とトランジスタ２１８のオン時間を調整する。こうしてモータ２２５の回転の同期が予め規定された範囲の期間になると、ＬＯＣＫ信号線２１３にＬＯＣＫ信号（論理変化）を送出する。２０７はモータの巻き線に電力を供給するためのモータ駆動電源である。

図３は、本発明の実施の形態１に係るモータドライバユニット２１０の速度制御ブロックを更に詳しく説明するブロック図である。

モータ２２５のロータ部４００（この場合はアウタロータ、図４参照）が回転すると、ＦＧパターン３０１，３０２には、ロータ４００の回転周期に応じて電圧が誘起される。これらＦＧパターン３０１，３０２に誘起された電圧は、ＦＧアンプ３０３で差動増幅される。

図４は、これらＦＧパターン３０１，３０２と、モータ２２５のロータ部４００との位置関係を表した図である。

図において、第１のＦＧパターン３０１は、ロータ４００の回転検知を行うためのプリント板などに印刷されたトレースパターンである。このＦＧパターン３０１は、ロータ４００の径とほぼ同等である。更に、本実施の形態１では、第２のＦＧパターン３０２を設けている。ＦＧパターン３０１は、ロータ４００の回転に応じて電圧が誘起される、この誘起された電圧の変化をＦＧアンプ３０３で増幅して、回転検知周波数信号として速度ディスクリメータ２１７に渡す。

図３の位相比較器２２１はＣＬＯＣＫ信号２１２と、分周器２１８の出力との位相差を検出してＬＰＦ２２０へ電流を流入させる。このＬＰＦ２２０へ出力された位相差信号は直流化され、その直流電圧がＶＣＯ（電圧制御発振回路）２１９へ入力される。こうしてＶＣＯ２１９により、外部からの基準ＣＬＯＣＫ信号２１２に対して予め決められた分周比になるような内部ＣＬＯＣＫ信号２３０にフィードバック制御される。ＣＬＯＣＫ信号２１２の周波数を変化させた場合も同様に、その周波数の変化に追従して同一分周比になるようにフィードバック制御される。ＶＣＯ２１９から出力された内部ＣＬＯＣＫ信号２３０と、バッファアンプ３３０からのＦＧ検出信号２３１との位相差を速度ディスクリミネータ２１７により比較し、ＤＯＵＴ信号線２２８に加減速信号を出力する。内部ＣＬＯＣＫ信号２３０（外部ＣＬＯＣＫ信号２１２の逓倍）に対してＦＧ検出信号２３１の周期が短い場合はモータ２２５の回転数が高いと判断し、内部ＣＬＯＣＫ信号２３０との差分をＤＯＵＴ端子２２８へ減速指令として出力する。逆に、ＦＧ検出信号２３１の周期が長い場合には、その差分を加速指令として出力する。

ＰＬＬ２２２は、このモータ回転速度を検出したＦＧ検出信号２３１と外部より入力される外部ＣＬＯＣＫ信号２１２との位相を比較し、その位相差情報をＰＯＵＴ信号線２２９に出力する。そして、外部ＣＬＯＣＫ信号２１２に対してＦＧ検出信号２３１の位相が進んでいる場合、その位相差分を減速指令として出力する。またＦＧ検出信号２３１の位相が遅れている場合は、その差分を加速指令として出力する。積分アンプ２２３は、速度ディスクリメータ部２１７で得られた内部ＣＬＯＣＫ２３０とＦＧ検出信号２３１との速度誤差と、ＰＬＬ２２２から出力された外部ＣＬＯＣＫ信号２１２とＦＧ検出信号２３１の位相差信号を積分してＤＣ電圧に変換する。この変換されたＤＣ電圧によってＰＷＭオンデュティーが決定される。こうしてモータ２２５の内部に配置された三相の巻線に接続されたドライバ２２４の、トランジスタのドライブ時間を決定して速度制御を行う。

また図４において、第１のＦＧパターン３０１に隣接する外側の円に第２のＦＧパターン３０が配置されている。この第２のＦＧパターン３０２は、差動増幅アンプ（ＦＧアンプ）３０３の非反転入力（＋入力）とＧＮＤ電位３０８との間に接続されている。ここで外部ノイズが発生した場合、第１のＦＧパターン３０１には、（外部ノイズ電圧＋モータ回転検知信号）が誘起される。また第２のＦＧパターン３０２にも同様に、ＧＮＤとの間にコモンモードで外部ノイズ電圧が誘起される。この誘起された外部ノイズ電圧がＦＧアンプ３０３の非反転入力に入力することにより、第１のＦＧパターン３０１の電圧レベルから外部ノイズ成分を減算させることができる。

この結果、ＦＧアンプ３０３の出力は、外部ノイズが発生した場合でもモータ回転信号信号のみとなる。抵抗３０４及び３０５の抵抗値の差は、第１のＦＧパターン３０１と第２のＦＧパターン３０２の隣接具合により変更され、同一点からの外部ノイズレベルとなるように調整される。

また図３において、コンデンサ３１１，３１２のそれぞれは、第１及び第２のＦＧパターン３０１，３０２の直流カット用コンデンサ、３０４，３０５のそれぞれは抵抗を示している。

図５は、外部ノイズが全く無く、モータ２２５の回転が安定している際の、外部ＣＬＯＣＫ信号２１２とＦＧアンプ３０３の出力波形を示す図である。

図６は、従来のように第１のＦＧパターンのみを使用した場合において、外部ノイズが印加された場合のＦＧアンプ３０３の出力を説明する図である。

図６において、４０１と４０２は外部ノイズによる影響を示している。速度ディスクリミネータ２１７やＰＬＬ制御部２２２は、ＶＣＯ２１９から出力された内部ＣＬＯＣＫ信号２３０と外部ＣＬＯＣＫ信号２１２と周期幅や位相を比較している。こうして外部ノイズ成分４０１や４０２の分だけ加速や減速を行って、ＣＬＯＣＫ信号２１２に同期させるように制御している。しかしながら、ノイズが繰り返し印加されるか、或は時間的に長く印加された場合は、ＣＬＯＣＫ信号２１２に同期させる制御が追いつかなくなる。これにより、モータ２２５の回転数が既定された範囲を超えてしまうことになる。これにより、ＬＯＣＫ信号２１３（図２）がＵＮＬＯＣＫ状態となってしまう。これにより機器の制御によっては、モータ２２５の回転異常であると判断し、ＳＴＡＲＴ信号／ＳＴＯＰ信号２１１をＳＴＯＰにして、モータ２２５の回転を停止させる等の状態を引き起こしてしまう。

図７は、第２のＦＧパターン３０２をＦＧアンプ３０３の非反転入力（＋）端子に入力し、ＧＮＤとのコモンモードノイズ除去を行う例を説明する図である。

ＦＧアンプ３０３の入力３１０＋とＧＮＤの間には、外部ＣＬＯＣＫ信号２１２と同期してモータ回転信号が発生し、これに例えば４０３や４０４で示すような、外部ノイズ信号が印加されているものとする。しかしこのとき同時に、ＦＧアンプ３０３の反転（−）入力３０７に、第２のＦＧパターン３０２とＧＮＤ間に電圧が誘起され、この電圧に、４０５や４０６で示すノイズ信号が印加されている。この結果、ＦＧアンプ３０３でこれらの差分が取られてノイズが除去され、ＦＧアンプ３０９の出力波形に示すようにノイズを除去できる。

更に従来は、ＦＧパターンに外部ノイズが誘引されＦＧアンプの出力にノイズ成分が現れた結果、後段の速度フィードバック制御系が過敏に反応することにより回転速度が反応してしまう。或は、外部ノイズによりロジック電源やモータ駆動電源が変動してしまう場合があった。このように電源電圧が変動すると、ＦＧアンプの＋入力と−入力に発生するそれぞれのオフセット電位の差がＦＧアンプの出力に差が出てくる。このため、ＦＧパターンから入力されるロータの回転数に応じた真の出力と異なる出力となり、モータの回転が不安定となる問題があった。

しかし、本実施の形態１に係るモータ駆動回路の構成によれば、第２のＦＧパターン３０２はＧＮＤよりコモンモードとしてノイズの影響の割合分変動する。しかし第２のＦＧパターン３０２をＦＧアンプ３０３の＋入力に接続することにより、ＦＧアンプ３０３の電源及び＋入力、−入力も、ＧＮＤをコモンとしたコモンモードでの変動となる。これにより、期待したＦＧアンプ３０３の出力に、より近くなり、外部ノイズによる電源変動の影響も受けにくくなるという効果がある。

尚、第２のＦＧパターン３０２は、モータ２２５のロータの回転により影響を受ける位置に配置できない。また、第１のＦＧパターン３０１からの電磁誘導による干渉がないように、一定の距離を空ける必要がある。

［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２に係るモータドライバユニット２１０の速度制御ブロックを更に詳しく説明するブロック図である。尚、前述の図３と共通する部分は同じ記号で示し、それらの説明を省略する。また、この実施の形態２に係るブラシレスモータの制御ブロックは、前述の図２と同じであるため、その説明を省略する。

この実施の形態２と実施の形態１との相違点は、第２のＦＧアンプ５０２を設け、第２のＦＧパターン３０２と直流カットコンデンサ５０４と抵抗５０１を第２のＦＧアンプ５０２の（＋）入力と（−）入力端子との間に接続している。更に、この第２のＦＧパターン３０２は、フィードバック抵抗５０３を介してＦＧアンプ３０３の＋端子に入力されている。こうしてＦＧアンプ３０３は、この第２のＦＧパターン３０２とＦＧパターン３０１との間でコモンモードノイズ除去を行っている。その他の回路の動作は、前述の図３の場合と同様である。

図９は、本実施の形態に係るプリンタの外観図である。

図９において、画像形成装置であるプリンタ本体６００と、その本体６００に給紙される用紙を収容している紙搬送用カセット６０１が示されている。

図１０は、本実施の形態に係るプリンタの構造を説明する断面図である。

基板ユニット７６及び画像系装置に接続されたパソコンもしくは複写動作を行うべき操作部（不図示）などから画像形成開始信号が発せられると、選択されたカセット或は手差しトレイから給紙動作を開始する。例えばカセットから給紙された場合について説明すると、まずピックアップローラにより、カセットから転写材Ｐが一枚ずつ送り出される。そして転写材Ｐが給紙ガイド１８の間を案内されてレジストローラ１９の位置まで搬送される。その時レジストローラ１９の回転は停止されており、転写材Ｐの先端はニップ部に突き当たる。その後、プリンタが画像の形成を開始するタイミング信号に基づいて、レジストローラ１９が回転を始める。この回転時期は、転写材Ｐと画像形成部より中間転写ベルト８上に一次転写されたトナー画像とが二次転写領域においてちょうど一致するようにそのタイミングが設定されている。

一方、画像形成部では画像形成動作の開始信号が発せられると、各色のドラム上に静電潜像が形成される。副走査方向の画像形成タイミングは、中間転写ベルト８の回転方向において一番上流にある感光ドラム（本実施の形態の場合はＹ）から順に各画像形成部間の距離に応じて決定され制御される。また各ドラムの主走査方向の書き出しタイミングについては、回路（不図示）から動作制御により１つのＢＤセンサ信号（本実施の形態ではＢｋに配置されている）を用いて、擬似ＢＤセンサ信号を生成し制御する。こうして形成された静電潜像は、前述したプロセスにより現像される。そして一番上流にある感光ドラム２ａに形成されたトナー画像が、高電圧が印加された一次転写用帯電器５ａによって一次転写領域において中間転写ベルト８に一次転写される。こうして一次転写されたトナー像は、次の一次転写用帯電器５ｂまで搬送される。そこでは前記したタイミング信号により、各画像形成部間をトナー像が搬送される時間だけ遅延して画像形成が行われており、前画像の上にレジストを合わせて次のトナー像が転写される。以下も同様の工程が繰り返され、最終的に４色のトナー像が中間転写ベルト８上に一次転写される。

その後、転写材Ｐが二次転写領域（二次転写ローラ１２）に進入して中間転写ベルト８に接触し、転写材Ｐの通過タイミングに合わせて二次転写ローラ１２に高電圧を印加する。そして前述したプロセスにより中間転写ベルト８上に形成された４色のトナー画像が転写材Ｐの表面に転写される（二次転写）。この二次転写後、転写材Ｐは搬送ガイド３４によって定着ローラニップ部まで正確に案内される。そして定着フィルム１６ａ，加圧ローラ１６ｂを有する定着器１６において、熱及びニップの圧力によってトナー画像が転写材Ｐに定着される。その後、転写材Ｐは外排紙ローラ２１により搬送され、機外に排出されて一連の画像形成動作を終了する。

尚、本実施の形態３では、上流側からイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順に配置したが、これは装置の特性で決定されるもので、この限りではない。

本実施の形態に係るブラシレスモータユニットは、図１０の６０２で示すように配置されている。このブラシレスモータユニット６０２は、第１のＦＧパターン３０１とその輪郭の外側に第２のＦＧパターン３０２が印刷されたプリント基板を備えている。更に、このプリンタ本体６００は、モータを回転させるための制御回路を有し、コントローラ基板７６のＣＰＵより、図２に示すようにＣＬＯＣＫ信号２１２とＳＴＡＲＴ／ＳＴＯＰ信号２１１を供給し、ＬＯＣＫ信号２１３に受け渡される。ここでモータ２２５のロータは、第１のＦＧパターン３０１上に存在している。この形態では、ブラシレスモータユニット６０２の周辺を遮蔽物でカバーしない限り、前述の実施の形態１，２に記載の効果と同等の効果が得られる。また、この場合のシーケンスおよび効果は、前述の実施の形態１と同様である。

以上説明したように本実施の形態によれば、外部ノイズに対するブラシレスモータの回転を安定化することができる。また、従来のＦＧパターンに、更にＦＧパターンを隣接して追加するだけで、安価にノイズ対策を行うことができる。これにより機器自体のコストを低減させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るモータ駆動回路の機能構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの制御回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るモータドライバユニットの速度制御ブロックを更に詳しく説明するブロック図である。 ＦＧパターン１，２とモータのロータ部との位置関係を表した図である。 外部ノイズが全く無く、モータの回転が安定している際の、外部ＣＬＯＣＫ信号とＦＧアンプの出力波形を示す図である。 従来のように第１のＦＧパターンのみを使用した場合において、外部ノイズが印加された場合のＦＧアンプの出力を説明する図である。 第２のＦＧパターンをＦＧアンプの非反転入力（＋）端子に入力し、ＧＮＤとのコモンモードノイズ除去を行う例を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るモータドライバユニットの速度制御ブロックを詳しく説明するブロック図である。 本実施の形態３に係るプリンタの外観図である。 本実施の形態３に係るプリンタの構造を説明する断面図である。

Claims (7)

1. モータのロータ部の径にほぼ等しい径の第１のＦＧパターンを有し、当該第１のＦＧパターンを用いて当該ロータ部の回転に同期して第１誘起電圧を発生させる回転信号発生手段と、
   前記第１のＦＧパターンの外側に、前記第１のＦＧパターンによる電磁誘導の影響を受けないように一定の距離を空けて隣接した第２のＦＧパターンを有し、当該第２のＦＧパターンを用いて前記ロータ部の回転に依存しないノイズによる第２誘起電圧を発生させるノイズ信号発生手段と、
   前記第１及び第２誘起電圧を入力して差動増幅することにより前記第１誘起電圧から前記ノイズを除いた前記ロータ部の回転に同期した回転信号を出力する差動増幅手段と、
   前記差動増幅手段から出力される前記回転信号と、所定の周波数信号との同期を取るように前記モータの回転を制御するモータ回転制御手段と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記第１及び第２のＦＧパターンは、同一基板上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記モータは、ブラシレスモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータ回転制御手段は、
   前記所定の周波数信号と前記差動増幅手段の出力とを入力してＰＬＬ制御を行うＰＬＬ回路を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記回転信号発生手段は、直流カット用のコンデンサ及び前記差動増幅手段のゲイン調整用の抵抗器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
6. 前記ノイズ信号発生手段は、直流カット用のコンデンサ及び、前記差動増幅手段のゲイン調整或は第２誘起電圧のレベル調整用抵抗器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
7. 前記差動増幅手段の前段で、前記第２誘起電圧を増幅する増幅手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

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