JP5057655B2

JP5057655B2 - ブラシレスモータ駆動装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP5057655B2
Application number: JP2005145674A
Authority: JP
Inventors: 実紀市村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: JP2006325319A

Description

本発明は、電流消費量に応じたトルク特性を発生させ、かつ、予め設定された設定値以上の過負荷トルクが印加された時には過負荷保護回路が働いて、直ちに停止するように制御するブラシレスモータ駆動装置及びこのブラシレスモータ駆動装置を備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリ、又はそれらの機能を複合した画像形成装置では、負荷の駆動源として、高寿命でメンテナンスが楽なブラシレスモータが使用されている。ブラシレスモータはモータ巻線に誘起される誘導電圧によって磁石回転子を回転させるもので、その駆動装置の一例を図１１により説明する。図１１は従来の一般的なブラシレスモータ駆動装置の例を示す回路図である。このブラシレスモータ駆動装置は、ブラシレスモータのモータ巻線部１０の３つの巻線に順に駆動電流を供給するため、３段の半導体スイッチング素子、抵抗、キャパシタなどで構成された駆動トランジスタ回路１と、この駆動トランジスタ回路１を動作させるモータドライバＩＣ２と、オペアンプ、キャパシタ、抵抗などで構成された定常過負荷保護回路３を備えている。駆動トランジスタ回路１には、半導体スイッチング素子の電流を検知するための電流検出抵抗Ｒｘが設けられている。

ＳＴＡＲＴ／ＳＴＯＰ信号ラインに信号が入力されると、モータドライバＩＣ２が動作し、駆動トランジスタ回路１を動作させて、モータ巻線部１０の３つの巻線に順に駆動電流を印加し、誘起される誘導電圧によって図示しない回転子を回転させる。又、モ―タドライバＩＣ２は、モータが所定の回転数となり同期がとれると、ロック信号を出力する。ＳＴＡＲＴ／ＳＴＯＰ信号に停止のための負の信号が入力されると、モータドライバＩＣ２は駆動トランジスタ回路１に対する出力を止めるため、モータが回転動作を停止すると共に、所定の回転数からはずれたことを受けて、モータドライバＩＣ２はロック信号の出力を停止する。

もし、動作中に過負荷トルクがかかったり、モータ巻線のショートなどの理由で、駆動トランジスタ回路１内の電流検出抵抗Ｒｘに過電流が流れた場合、電流検出抵抗Ｒｘの電位が所定の電位より高くなるため、モータドライバＩＣ２は電流検出抵抗Ｒｘの電位が所定の電位より高くなったことを検知して、ロック信号の出力を停止し、定常過負荷保護回路３に過電流が流れたことをあらわす信号が入力されるため、定常過負荷保護回路３はモータの起動時間、例えば２〜３ｓｅｃで動作しない程度の所定の時間、例えば５ｓｅｃ後にリミッタ信号をモータドライバＩＣ２に入力することで、駆動トランジスタ回路１が停止し、モータを停止させる。

このようなブラシレスモータをはじめ、巻線を有するモータは巻線に過負荷が加わると、発煙や発火する可能性がある。そこで、例えば特許文献１では、負荷トルクが一瞬でも過負荷トルク設定値を越えるとモータを停止させる技術が、又、特許文献２では、電磁開閉器や電動機タイマといった大掛かりな装置を用いて、瞬間的な過負荷トルクでは運転が続行され、一定時間以上の過負荷時のみ電動機を停止停止する技術が、更に、特許文献３では、運転時間毎過電流検出値を切り換えるとともに、過電流検知による動作停止をマイクロコンピュータ管理（ソフト制御）により行っている技術が提案されている。
特開２００４−１０８０００号公報特開平５−３２１２２７号公報特開平９−１４０１８４号公報

しかしながら、上述したブラシレスモータ駆動装置においては、定常過負荷保護回路３の作動時間が例えば５ｓｅｃとすると、それより短い時間、例えば２ｓｅｃ程度の過負荷が想定以上の頻度で印加された場合には過負荷とみなさないが、モータ巻線には断続的に過電流が流れるため、巻線はどんどん温度上昇して、発煙・発火になる可能性がある。このように、特定時間内の過負荷トルクが印加された場合の特定時間内の過電流を許容することにより、モータ巻線が温度過上昇で発煙・発火を起こさない程度の、特定時間内の過負荷トルク印加が断続的に行われてもモータ動作を停止させず、かつ特定時間以上の過負荷トルクや、特定時間内の過負荷トルク印加が短周期で繰り返し行われても、モータ巻線が温度過上昇で発煙・発火を起こしてしまう前に、モータ動作を停止するという安全かつ安定動作を、特にソフトウェア制御せずに実現するブラシレスモータ駆動装置は提案されていない。

本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、特定時間内の過負荷トルク印加の繰り返しを行っても、モータ巻線が温度過上昇により発火・発煙せずに、幅広い負荷トルク動作に対応したモータ動作を、小型かつ、安価なハードウェアのみで実現し、モータの小型化・低価格化を実現することにある。

前記目的を達成するため、第１の手段は、ブラシレスモータを駆動するための駆動電流を供給すると共に、電流検出手段を含む駆動手段と、前記駆動手段における前記電流検出手段からの電流検出値に基づいて前記駆動電流の供給量を制御すると共に、当該駆動電流が所定値より高くなったときに過電流信号を出力するモータドライバ手段と、前記モータドライバ手段から前記過電流信号を入力したときに当該モータドライバ手段へリミッタ出力信号を送出して当該モータドライバ手段の制御により前記駆動手段における前記駆動電流の供給を停止させる過負荷保護手段と、を備えたブラシレスモータ駆動装置において、前記駆動手段の前記駆動電流の供給量における過負荷状態を検出して過負荷検出信号を出力する過負荷検出手段と、前記過負荷検出信号の継続時間及びレベルを検出した過負荷時間検出信号を出力して前記過負荷保護手段が備えるキャバシタの充放電を制御する過負荷時間検出手段と、を備え、前記過負荷保護手段は、前記過負荷時間検出信号が前記キャバシタの充放電を繰り返して所定の閾値に到達するか、或いは当該キャバシタへの充電が継続して当該所定の閾値に到達したときに前記モータドライバ手段へ前記リミッタ出力信号を送出することを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段において、前記過負荷時間検出回路は、デバイス特性を選定して回路定数を変えることにより、前記停止指示信号の出力に係る前記所定時間未満の特定時間を変更可能であることを特徴とする。

第３の手段は、光源から出射された光で感光体を露光して当該感光体上に静電潜像を形成し、当該静電潜像をトナーで現像した顕像を画像情報として記録媒体に転写することで書き込みを行う画像形成装置であって、負荷の駆動源として、第１の手段又は第２の手段のブラシレスモータ駆動装置によって駆動制御される前記ブラシレスモータを備えたことを特徴とする。

第４の手段は、第３の手段において、前記ブラシレスモータ駆動装置は、前記負荷として、２つ以上のものを同時に駆動することを特徴とする。

第５の手段は、第４の手段において、前記ブラシレスモータ駆動装置は、単位時間当たりの前記記録媒体に対する処理枚数に応じて前記２つ以上の負荷を同時に駆動することにより前記ブラシレスモータの過負荷トルクを抑制することを特徴とする。

第６の手段は、第５の手段において、前記ブラシレスモータ駆動装置は、前記２つ以上の前記負荷における特定のものについての連続駆動を繰り返すことにより前記ブラシレスモータの温度過上昇を防止することを特徴とする。

第７の手段は、第４の手段〜第６の手段の何れか１つにおいて、前記２つ以上の前記負荷は、現像材を供給する現像装置を含むことを特徴とする。

第８の手段は、第４の手段〜第６の手段の何れか１つにおいて、前記２つ以上の前記負荷は、カラー現像材を供給する現像装置を含むことを特徴とする。

尚、後述する実施の形態において、駆動手段は駆動トランジスタ回路１に、モータドライバ手段はモータドライバＩＣ２に、過負荷保護手段は定常過負荷保護回路３に、過負荷検出手段は過負荷検出回路１１に、過負荷時間検出手段は過負荷時間検出回路１２に、現像部、現像装置は現像ユニット１０５にそれぞれ対応している。

本発明によれば、ブラシレスモータの過負荷トルク印加時の過電流が予め設定された期間内で過負荷トルクの印加限界時間を示す所定時間（モータ巻線部が過負荷トルクの印加に伴う温度過上昇により発火・発煙を起こす危険を生じる実験的に得られた時間）未満の特定時間に及んで繰り返し継続しなければ、過負荷トルクの印加を許容する駆動制御を行うため、そのようなタイミングで過負荷トルク印加が繰り返し行われても、モータ巻線部が温度過上昇により発火・発煙せずに、幅広い負荷トルク動作に対応したモータ動作を、小型かつ、安価なハードウェアのみで実現し、モータの小型化低価格化を達成することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明に係るブラシレスモータ駆動装置の一実施の形態を示す回路図である。このブラシレスモータ駆動装置は、上述した図１１の従来のブラシレスモータ駆動装置に、駆動トランジスタ回路１の出力状態を検知して過負荷か否かを検知する、オペアンプ、抵抗、キャパシタなどで構成された過負荷検出回路１１と、この過負荷検出回路１１が過負荷を検出したときの出力信号によって過負荷の時間を検出し、その出力信号を定常過負荷保護回路３のキャパシタに印加する、キャパシタや抵抗で構成された過負荷時間検出回路１２を付加したものである。なお、この実施の形態においては、定常過負荷保護回路３のオペアンプの出力側は、図１１と異なりモータドライブＩＣのみに接続されている。

図１のブラシレスモータ駆動装置の動作を図２ないし図５により説明する。図２は９００ｍｓｅｃの過負荷が単発印加されたとき、図３は９００ｍｓｅｃの過負荷が断続的に印加されたとき、図４は２〜４ｓｅｃの過負荷が断続的に印加されたとき、図５は５ｓｅｃ以上の過負荷が印されたときのブラシレスモータ駆動装置のＡからＤ点における動作波形をそれぞれ示す図である。Ａ点は駆動トランジスタ回路１の電流検出抵抗Ｒｘの入力点、Ｂ点は過負荷検出回路１１の出力点、Ｃ点は過負荷時間検出回路１２の出力点、Ｄ点は定常過負荷保護回路３の出力点である。

今、図１のブラシレスモータ駆動装置において、仮に正常動作の範囲内であり、かつ、モータ巻線部１０に発火・発煙を起こさない９００ｍｓｅｃの過負荷が単発で印加された場合、この過負荷を図２のＡに示すような波形とすると、過負荷検出回路１１の出力は、図２のＢに示すように、約９００ｍｓｅｃのパルス出力となる。しかしながら、過負荷時間検出回路１２の出力は、図２のＣに示すように、キャパシタが充分に充電される時間ではないのでリミッタがかかるスレッシュ電圧に到達せず、過負荷検出時間回路１２の出力としては、図２のＤに示すように、電位の変化ない。したがって、正常動作を維持する。

もし、正常動作の範囲内であり、かつ、モータ巻線分１０が発火・発煙を起こさない９００ｍｓｅｃの過負荷が、図３のＡに示すように、断続的に繰り返し印加された場合、過負荷検出回路１１の出力は、図３のＢに示すように、約９００ｍｓｅｃのパルス出力を断続的に繰り返し出力する。これにより、負荷時間検出回路１２の出力は、図３のＣに示すように、キャパシタへの充放電を繰り返すが、リミッタがかかるスレッシュ電圧に到達せず、過負荷検出時間回路１２の出力は、図３のＤに示すように、電位の変化なく、正常動作を維持する。

一方、異常動作であり、長時間繰り返し続けるとモータ巻線が発火・発煙を起こす可能性がある、図４のＡに示すような、２〜４ｓｅｃの過負荷が断続的に繰り返し印加された場合、過負荷検出回路１１の出力は、図４のＢに示すように、２〜４ｓｅｃのパルス出力を断続的に繰り返し、その結果過負荷時間検出回路１２の出力は、図４のＣに示すように、キャパシタへの充放電を繰り返し、ついにはリミッタがかかるスレッシュ電圧に到達すると、定常過負荷保護回路３は、図４のＤに示すように、リミッタ出力信号をモータドライバＩＣ２に対して出力し、モータドライバＩＣ２の制御により駆動トランジスタ回路１におけるモータ巻線部１０への駆動電流の供給を停止させ、モータ動作を停止する。

更に、図５のＡに示すように、図１のＡ点に５ｓｅｃ以上の定常的な過負荷トルクがかかった場合は、モータ巻線が発火・発煙を起こす可能性があるため、即座にモータ動作を停止させる必要がある。このような場合、過負荷検出回路１１の出力は、図５のＢに示すように、パルスを連続的に出力し、この出力によって過負荷検出時間回路１２は、図５のＣに示すように、定常過負荷保護回路３のキャパシタへ充電電圧を出力し、このキャパシタが充電されてリミッタがかかるスレッシュ電圧に到達すると、定常過負荷保護回路３は放電してリミッタ出力信号をモータドライバＩＣ２に対して出力し、モータドライバＩＣ２の制御により駆動トランジスタ回路１におけるモータ巻線部１０への駆動電流の供給を停止させ、モータ動作を停止する。

図６は上述したブラシレスモータ駆動装置が適用された画像形成装置の一例を示す概略構成図である。この画像形成装置は、ファクシミリ機能やプリンタ機能などの複合機能を備えたデジタル複合機である。このカラ画像形成装置は、原稿を読み込むためのスキャナユニット１０１、ベルト状の感光体で構成された感光体ベルトユニット１０２、ポリゴンモータ等を制御することにより、スキャナユニット１０１等から送られてきた画像データをレーザ光で感光体ベルトユニット１０２に書き込むための書き込みユニット１０３、感光体ベルトユニット１０２を帯電させるための帯電ユニット１０４、マゼンタ（以下、Ｍと称する）、シアン（以下、Ｃと称する）、イエロー（以下、Ｙと称する）、ブラック（以下、と称するＫ）のトナーがそれぞれ貯蔵された４個のトナーボトル１０６に対して、それぞれ各色専用に設けられ、トナーボトル１０６がセットされた状態で４色それぞれを制御されることにより、感光体ベルトユニット１０２上の潜像を色毎にカラー現像し、顕像化するための現像ユニット１０５、感光体ベルトユニット上１０２上の１色毎のトナー画像を一次転写し、各色が重畳されたフルカラーの画像が転写される中間転写ベルトユニット１０７、各色一次転写後に、感光体ベルトユニット１０２の潜像部分以外についたトナーを除去するための感光体クリーニングユニット１０８、感光体クリーニングユニット１０８により、感光体ベルトユニット１０２から除去された廃トナーを貯めるための廃トナーボトル１０９、第一給紙トレイ１１１又は第二給紙トレイ１１２から給紙・搬送された転写紙に対して、中間転写ベルトユニット１０７から転写して転写紙上にカラー画像を形成するための二次転写ユニット１１０、二次転写の際に中間転写ベルトユニット１０７に残ったトナーを除去するための中間転写ベルトクリーニングユニット１１３、中間転写ベルトクリーニングユニット１１３により中間転写ベルトユニット１０７から除去された廃トナーを貯めるための中間転写廃トナーボトル１１４、二次転写されたトナーを加熱及び加圧して転写紙に定着させるための定着ユニット１１５、排紙トレイに転写紙を排紙するための排紙ユニット１１６、定着ユニット１１５にオイルを塗布することにより定着性・光沢性を維持するための定着オイル塗布ユニット１１７などから構成されている。

図７は上述した画像形成装置の電気的な構成を示すブロック図である。図７において、３０１は本画像形成装置のシステム制御を行うＣＰＵであり、ＣＰＵ３０１がＲＯＭ３０２に格納されているプログラムに従って、ＲＡＭ３０３をワークエリアに使用しつつ、本画像形成装置を統括して制御する。操作パネル３０４はオペレータが各種設定等を行うためのもので、Ｉ／Ｏ制御部３０５は、紙サイズ検知やジャム検知などを行う各種センサ３０６の入力及び負荷を駆動する各種モータ３０７の出力制御信号をＣＰＵ３０１の命令に基づいて制御を行う。３０９はスキャナ部、３０８はスキャナ部３０９を制御する読み取り制御部、３１１はプロッター部、３１０はプロッター部３１１の制御を行う書込み制御部である。更に、ファクシミリ通信の電話回線Ｉ／Ｆとなる網制御装置３１３、網制御装置３１３の制御を含む各種通信制御を行う通信制御部３１２も設けられている。

上述した画像形成装置における画像の読み取りから複写、あるいはファクシミリ受信画像やパーソナルコンピュータからのデータ画像の形成動作は従来の画像計装置と同じであるので、その詳細な説明は省略する。

図８は画像形成装置が正常に動作したときの４つの現像ユニットのタイミングチャート、図９は単色現像が異常過負荷状態で繰り返しオンしたときのタイミングチャート、図１０は単色現像の異常過負荷状態が５ｓｅｃ以上続いたときのタイミングチャートである。図８に示すように、感光体ベルトユニット１０２に対して現像ユニット１０５は、Ｋ現像からＣ現像、そしてＹ現像、最後にＭ現像の順に接離して、感光体ベルトユニット１０２に対して書き込まれたトナーの一次転写を行っていくが、Ｋ現像とＭ現像が距離的に離れているため、連続枚数出力時には、転写時間短縮のためにはＭ現像がオフする９００ｍｓｅｃ前にはＫ現像をオンさせる必要がある。更には、黒を使う頻度が高いためにＫ現像のトナー量は多色と比較して多く、必然的にＫ現像を駆動する時に一番トルクが大きくなるため、これらを１つのモータで駆動する場合はＭ現像からＫ現像時の９００ｍｓｅｃが正常動作範囲内で一番厳しい状態となる。この場合に、図１に示すブラシレスモータを使えば、実力的に厳しい小型モータ１個による駆動でも、モータ動作を停止せずに、正常動作かつ安全動作を実現できる。

一方、ソフトウェア暴走、もしくはメカ的な故障などにより異常負荷が印加された場合、例えば図９に示すように、Ｋ、Ｃ、Ｙ、Ｍの単色現像が異常過負荷状態で、繰り返し２〜４ｓｅｃオンするような異常動作や、図１０に示すように、Ｋ、Ｃ、Ｙ、Ｍの単色現像が異常過負荷状態で、５ｓｅｃ以上続くような異常動作においても、上述したブラシレスモータ駆動装置を用いることにより、ソフトウェア暴走時でも、モータ巻線が発火・発煙を起こすことなく、モータ動作を安全に停止することができる。

また、画像形成装置のＣＰＭ（ＣｏｐｙＰｅｒＭｉｎｕｉｔｅ）は、ハードウェアが共通でソフトウェア制御のみ異なるのが一般的である。例えば、２４ＣＰＭ機と３２ＣＰＭ機では、現像ユニット１０５のオン／オフ時間／周期を変更する必要があり、それを実力的に厳しい小型モータ１個により駆動するためには、システムとしての正常動作時にモータ動作停止しないためにＣＰＭに応じて、過負荷を許容できる時間を切り換える必要がある。この場合ＣＰＭに応じて過負荷時間検出回路１２の諸定数を切り換えることで、実現できる。

更に、モータ巻線部１０の温度過上昇を防止するためにモータ動作を停止する場合、ＣＰＭに応じて過負荷となる周期を変更する必要があるが、これについても過負荷時間検出回路１２の諸定数を切り替えることで実現できる。

本発明に係るブラシレスモータ駆動装置の一実施の形態を示す回路図である。９００ｍｓｅｃの過負荷が単発印加されたときの図１の各箇所の動作波形を示す図である。９００ｍｓｅｃの過負荷が断続的に印加されたときの図１の各箇所の動作波形を示す図である。２〜４ｓｅｃの過負荷が断続的に印加されたときの図１の各箇所の動作波形を示す図である。５ｓｅｃ以上の過負荷が印されたときの図１の各箇所の動作波形を示す図である。本発明に係るブラシレスモータ駆動装置が適用された画像形成装置の一例を示す概略構成図である。図６の画像形成装置の電気的な構成を示すブロック図である。画像形成装置が正常に動作したときの４つの現像ユニットのタイミングチャートである。単色現像が異常過負荷状態で繰り返しオンしたときのタイミングチャートである。単色現像の異常過負荷状態が５ｓｅｃ以上続いたときのタイミングチャートである。従来の一般的なブラシレスモータ駆動装置の例を示す回路図である。

符号の説明

１駆動トランジスタ回路
２モータドライバＩＣ
３定常過負荷保護回路
１０モータ巻線部
１１過負荷検出回路
１２過負荷時間検出回路
１０２感光体ベルトユニット
１０５現像ユニット
１０６トナーボトル
１０７中間転写ベルトユニット
１１０二次転写ユニット
１１５定着ユニット

Claims

ブラシレスモータを駆動するための駆動電流を供給すると共に、電流検出手段を含む駆動手段と、前記駆動手段における前記電流検出手段からの電流検出値に基づいて前記駆動電流の供給量を制御すると共に、当該駆動電流が所定値より高くなったときに過電流信号を出力するモータドライバ手段と、前記モータドライバ手段から前記過電流信号を入力したときに当該モータドライバ手段へリミッタ出力信号を送出して当該モータドライバ手段の制御により前記駆動手段における前記駆動電流の供給を停止させる過負荷保護手段と、を備えたブラシレスモータ駆動装置において、
前記駆動手段の前記駆動電流の供給量における過負荷状態を検出して過負荷検出信号を出力する過負荷検出手段と、前記過負荷検出信号の継続時間及びレベルを検出した過負荷時間検出信号を出力して前記過負荷保護手段が備えるキャバシタの充放電を制御する過負荷時間検出手段と、を備え、
前記過負荷保護手段は、前記過負荷時間検出信号が前記キャバシタの充放電を繰り返して所定の閾値に到達するか、或いは当該キャバシタへの充電が継続して当該所定の閾値に到達したときに前記モータドライバ手段へ前記リミッタ出力信号を送出することを特徴とするブラシレスモータ駆動装置。
請求項１記載のブラシレスモータ駆動装置において、前記過負荷時間検出手段は、デバイス特性を選定して回路定数を変えることにより、前記過負荷検出信号の検出に係る前記継続時間の設定値を変更可能であることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置。
光源から出射された光で感光体を露光して当該感光体上に静電潜像を形成し、当該静電潜像をトナーで現像した顕像を画像情報として記録媒体に転写することで書き込みを行う画像形成装置において、負荷の駆動源として、請求項１又は２記載のブラシレスモータ駆動装置によって駆動制御される前記ブラシレスモータを備えたことを特徴とする画像形成装置。
請求項３記載の画像形成装置において、前記ブラシレスモータ駆動装置は、前記負荷として、２つ以上のものを同時に駆動することを特徴とする画像形成装置。
請求項４記載の画像形成装置において、前記ブラシレスモータ駆動装置は、単位時間当たりの前記記録媒体に対する処理枚数に応じて前記２つ以上の負荷を同時に駆動することにより前記ブラシレスモータの過負荷トルクを抑制することを特徴とする画像形成装置。
請求項５記載の画像形成装置において、前記ブラシレスモータ駆動装置は、前記２つ以上の前記負荷における特定のものについての連続駆動を繰り返すことにより前記ブラシレスモータの温度過上昇を防止することを特徴とする画像形成装置。
請求項４〜６の何れか１項記載の画像形成装置において、前記２つ以上の前記負荷は、現像材を供給する現像装置を含むことを特徴とする画像形成装置。
請求項４〜６の何れか１項記載の画像形成装置において、前記２つ以上の前記負荷は、カラー現像材を供給する現像装置を含むことを特徴とする画像形成装置。