JP5751806B2 - モータ駆動装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータの速度制御を行うモータ駆動装置と、このモータ駆動装置を備えた画像形成装置に関する。

電子写真方式によって記録用紙上にトナー像を転写し、そのトナー像を定着プロセスによって記録用紙に定着させる画像形成装置が普及している。近年、このような画像形成装置において、ユーザの生産性向上への要求がますます高まっており、この要求に対応し、画像形成装置の印刷速度を速める方法等が導入されている。

ここで、電子写真方式を用いた画像形成装置では、記録用紙は、モータが駆動する搬送ローラによって搬送されながら、給紙、転写、定着、排紙という一連の画像形成工程を経る。これらの画像形成工程に記録用紙を搬送するため、モータ駆動装置は各工程に設置されたモータを適切に駆動するように設計されている。よって、画像形成装置における生産性を高めるために、モータ駆動装置には、モータを速やかに起動して所望の回転速度で安定して回転させることが求められる。

一般的なブラシレスモータのモータ駆動装置は、モータの回転速度を予め定めた目標回転速度と比較し、その差分を加速指令又は減速指令を意味する速度制御指令信号として出力する制御回路を備えている。また、モータ駆動装置は、モータの駆動回路への入力電圧を定めるため、制御回路から出力される速度制御指令信号を積分する積分回路を備えている。モータ駆動装置は、積分回路の出力電圧（積分電圧）に基づいてモータを駆動し、これによりモータは目標回転速度に一致するように回転する。

画像形成装置の印刷速度を速める１つの方法として、モータの起動時間の短縮が挙げられ、そのためには、前述した積分回路に含まれるコンデンサの容量を下げる方法が知られている。これは、モータを起動するために起動指令を与えても、実際には積分回路が所定レベルに充電されるまでモータは起動しないため、積分用コンデンサの容量を下げることで充電時間を短縮して、より速やかにモータを起動させるというものである。

しかしながら、積分用コンデンサの容量を小さくすると、定常回転時においてモータの回転速度と目標回転速度とのわずかな差に過剰に応答し、回転むらが大きくなってしまうという問題がある。すなわち、積分用コンデンサの容量を変化させる方法は、モータの起動時間と回転むらにトレードオフの関係があるため、モータの起動時間を速めるために回転むら特性を低下させるという代償を伴う。そこで、積分用コンデンサの容量を変更せずに、回転むら特性を変化させることなく起動時間を短縮する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５（ａ）は、従来技術に係るモータ駆動方法を模式的に示す図である。このモータ駆動方法では、加速指令信号（i）に従って積分電圧を増大させるが（iii）、このとき、クランプ回路から一定のクランプ電圧Ｖｃｒｍｐを出力していることで（ii）、モータの駆動回路への入力電圧が一定レベルより下がらないように制約する（iv）。これにより、モータに加わる負荷が軽く、モータの起動に必要な入力電圧（以下「起動必要電圧」と記す）Ｖｔｒｇがクランプ電圧Ｖｃｒｍｐより低い場合には、積分回路が充電するのを待つ必要がない。こうして、モータ起動時に必要であった積分回路の充電時間を省くことで、モータを速やかに起動することができる（v）。

特開平５−１５１８２号公報

図５（ａ）のモータ駆動方法は、クランプ電圧Ｖｃｒｍｐよりも起動必要電圧Ｖｔｒｇが低い場合に採用することができるが、クランプ電圧Ｖｃｒｍｐが起動必要電圧Ｖｔｒｇより低い場合には採用することができない。図５（ｂ）を参照してその理由を説明する。図５（ｂ）は、図５（ａ）のモータ駆動方法においてクランプ電圧Ｖｃｒｍｐが起動必要電圧Ｖｔｒｇより低い場合のモータの起動特性を模式的に示す図である。図５（ｂ）の（i）〜（iii）は図５（ａ）の（i）〜（iii）と同じであるので、説明を省略する。図５（ｂ）の（iv）に示されるように、クランプ電圧Ｖｃｒｍｐが起動必要電圧Ｖｔｒｇより低い場合、積分回路が充電されて、積分回路の出力電圧が起動必要電圧Ｖｔｒｇに至るまでの間は、モータは起動しない。その結果、図５（ｂ）の（v）に示されるように、モータ駆動回路への入力電圧が起動必要電圧Ｖｔｒｇに達してからモータが起動するため、起動が遅れることになる。すなわち、図５（ａ）のモータ駆動方法は、モータの負荷の状態によっては、モータを速やかに起動させることができない。

本発明は、モータの負荷のばらつきに関わりなく、モータを速やかに起動させることができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ駆動装置は、モータの回転速度を制御するモータ駆動装置であって、前記モータの回転を検出する検出手段と、前記モータに対する指令信号として加速指令信号及び減速指令信号を生成する速度制御手段と、前記速度制御手段から、前記加速指令信号を受信して充電動作を行い、前記減速指令信号を受信して放電動作を行う充放電手段と、前記充放電手段からの出力電圧が入力されることで前記モータを駆動する駆動手段と、を備え、前記速度制御手段は、前記モータを起動するまでの間、前記充放電手段からの出力電圧が前記モータを回転させない予め定められた基準電圧になるように前記加速指令信号を断続的に出力するとともに、前記モータを起動する前に前記検出手段の検出結果に基づき前記モータが回転していると判別された場合、前記減速指令信号を出力するとともに前記基準電圧を下げることを特徴とする。

本発明に係るモータ駆動装置によれば、モータの負荷のばらつきに関わりなく、モータを速やかに起動させることができ、本発明に係るモータ駆動装置を備えた画像形成装置によれば、生産性を向上させることができる。

本発明に係るモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図である。 図１のモータ駆動装置が備える速度制御回路がモータを起動する前に実行するモータ制御方法（起動前モード）のフローチャートである。 （ａ）は参考例として従来技術によるモータの回転速度応答性を示した図であり、（ｂ）は本実施形態に係る図２のフローチャートに従う起動前モードを用いた場合のモータの回転速度応答性を示した図である。 本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略構成を示す図である。 （ａ）は従来技術に係るモータ駆動方法を模式的に示す図であり、（ｂ）は（ａ）のモータ駆動方法においてクランプ電圧Ｖｃｒｍｐがモータの起動に必要な入力電圧Ｖｔｒｇより低い場合のモータの起動特性を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

＜モータ駆動装置＞
図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示される速度制御回路１０１は、様々な演算を行うＣＰＵと、データ及びプログラムを記憶したＲＯＭと、ＣＰＵの作業領域およびデータ記憶領域として機能するＲＡＭとを有する。速度制御回路１０１は、モータ１０５を加速させるための加速指令信号及びモータ１０５を減速させるための原則指令信号を生成する。コントローラ１０６は、速度制御回路１０１の上位に位置し、速度制御回路１０１の起動と停止、動作モード（起動前モード／速度制御モード）の切替え等を指示する。

積分回路１０２は、速度制御回路１０１から出力された加速指令信号と減速指令信号とを受信する。積分回路１０２は、加速指令信号ＡＣＣを受信した場合には充電動作を行って出力電圧ＶＤを高め、減速指令信号ＤＥＣを受信した場合には放電動作を行って出力電圧ＶＤを減少させる充放電手段として機能する。加速指令信号及び減速指令信号は、積分回路１０２によってアナログ信号へ変換される。なお、積分回路１０２の出力電圧ＶＤは、速度制御回路１０１によって観測することができるようになっている。

積分回路１０２によってアナログ信号に変換された積分回路１０２からの出力電圧ＶＤは、駆動回路１０３へ入力される。駆動回路１０３は、積分回路１０２からの入力電圧（出力電圧ＶＤと同じ）に比例した駆動電流でモータ１０５を駆動する。回転速度検出回路１０４は、モータ１０５の回転速度の大きさに対応した周期を有するＦＧ信号を発生し、速度制御回路１０１がこのＦＧ信号を観測することにより、モータ１０５の回転速度を検出する。

次に、速度制御回路１０１についてより詳細に説明する。速度制御回路１０１の制御フローは、起動前モードと速度制御モードの２つのモードに大別される。速度制御回路１０１は、起動前モードに特徴を有しており、速度制御モードについては、周知の種々のモータ速度制御技術を用いることができる。

図２は、速度制御回路１０１がモータ１０５を起動する前に実行するモータ制御方法（起動前モード）のフローチャートである。速度制御回路１０１は、コントローラ１０６から起動前モードの処理を開始するための動作指令信号を受信したか否かを判定する（ステップＳ１）。動作指令信号を受信するまでは（Ｓ１で“ＮＯ”）、待機状態となる。動作指令信号を受信すると（Ｓ１で“ＹＥＳ”）、速度制御回路１０１は、積分回路１０２の出力電圧を制御するための基準電圧Ｖｃｍｄを設定する（ステップＳ２）。積分回路１０２の出力電圧が基準電圧Ｖｃｍｄのとき、モータ１０５は回転しない。つまり、基準電圧Ｖｃｍｄはモータ１０５の起動必要電圧Ｖｔｒｇよりも小さい。そして、速度制御回路１０１は、基準電圧Ｖｃｍｄと積分回路１０２からの出力電圧ＶＤとを比較する（ステップＳ３）。

積分回路１０２の出力電圧ＶＤが基準電圧Ｖｃｍｄに達していない場合（Ｓ３で“ＮＯ”）、速度制御回路１０１は加速指令信号ＡＣＣを出力する（ステップＳ４）。ステップＳ４の後には、実際にモータ１０５が回転していないか確認する（ステップＳ５）。

モータ１０５が回転していない場合（Ｓ５で“ＹＥＳ”）、速度制御回路１０１は、モータ１０５を起動させることを示すＯＮ信号をコントローラ１０６から受信したか否かを判定する（ステップＳ８）。ＯＮ信号を受信するまで（Ｓ８で“ＮＯ”）、速度制御回路１０１は、処理をステップＳ３に戻す。

ステップＳ３で積分回路１０２の出力電圧ＶＤが基準電圧Ｖｃｍｄに達している場合（Ｓ３で“ＹＥＳ”）、速度制御回路１０１は加速指令信号ＡＣＣを出力することなく、ステップＳ５で実際にモータ１０５が回転していないかどうか確認する（ステップＳ５）。つまり、出力電圧ＶＤが基準電圧Ｖｃｍｄ未満の間は加速指令信号ＡＣＣを出力し、出力電圧ＶＤが基準電圧Ｖｃｍｄ以上になると加速指令信号ＡＣＣの出力を停止する。加速指令信号ＡＣＣの出力を停止して暫くすると、出力電圧ＶＤが基準電圧Ｖｃｍｄ未満になり、加速指令信号ＡＣＣが再び出力されることとなる。このようにして、加速指令信号ＡＣＣは断続的に積分回路１０２へ入力され、出力電圧ＶＤは基準電圧Ｖｃｍｄ近傍を維持するように制御される。

ステップＳ５でモータ１０５が回転している場合（Ｓ５で“ＮＯ”）、モータ１０５が回転することのないように、速度制御回路１０１は減速指令信号ＤＥＣを出力する（ステップＳ６）。そして、基準電圧Ｖｃｍｄが起動必要電圧Ｖｔｒｇ未満となるように、基準電圧Ｖｃｍｄを所定量下げる（ステップＳ７）。

モータ１０５を起動させることを示すＯＮ信号を受信するまで上述のステップＳ３〜Ｓ８を繰り返すことにより、モータ１０５を回転させることなく出力電圧ＶＤを基準電圧Ｖｃｍｄ近傍に維持するように制御する。一方、ステップＳ８でＯＮ信号を受信した場合（Ｓ８で“ＹＥＳ”）、速度制御回路１０１は、速度制御モードへと移行してモータ１０５を駆動させる。

こうして、積分回路１０２が予め充電された状態からモータ１０５を起動させることができるため、モータ１０５の起動時間を短縮することができる。また、モータ１０５の負荷の状況に依らずに起動時間を短縮できるため、負荷変動により想定よりも重い負荷が加わった場合でも、速やかにモータ１０５を起動させることができる。具体的に、想定よりも重い負荷となっているモータを起動させた際の回転速度応答性について、従来技術と比較して説明する。図３（ａ）は、参考例として従来技術によるモータの回転速度応答性を示した図であり、図３（ｂ）は、本実施形態に係る図２のフローチャートに従う起動前モードを用いた場合のモータの回転速度応答性を示した図である。

図３（ａ）の参考例は、図５（ｂ）を参照して説明した従来技術と同等であり、参考例では、クランプ回路の導入により、モータの起動前におけるモータの駆動回路への入力電圧がクランプ電圧Ｖｃｒｍｐに制約されている。ここでは、想定よりもモータの負荷が重い場合を考えるので、クランプ電圧Ｖｃｒｍｐは起動必要電圧Ｖｔｒｇより低く設定されているものとする。

参考例の場合、時刻ｔ_０に動作指令信号であるＯＮ信号を受信すると、積分回路が充電を開始する。このとき、クランプ回路によってモータの駆動回路への入力電圧はクランプ電圧Ｖｃｒｍｐまで高まっているが、起動必要電圧Ｖｔｒｇには達していないために、モータは起動しない。そして、積分回路が充電されてモータの駆動回路への出力電圧ＶＤが増加し始める時刻ｔ_１までに遅延時間Ａが存在し、その後更に積分回路が充電され、モータの駆動回路への入力電圧が起動必要電圧Ｖｔｒｇに達する時刻ｔ_２までに時間Ｂが必要になる。その結果、ＯＮ信号の受信からモータの起動までには時間Ａ＋Ｂが必要となる。

これに対して図３（ｂ）の本実施形態では、時刻ｔ_０でのＯＮ信号の受信前に積分回路１０２の出力電圧ＶＤが予め定めた基準電圧Ｖｃｍｄになるように、加速指令信号ＡＣＣを生成して積分回路１０２を充電させている。そのため、ＯＮ信号の受信後にモータ１０５を起動させるために加速指令信号ＡＣＣを与え続けると、参考例で必要とされた充電のための経過時間Ａが必要ない。よって、参考例の場合よりも速やかに積分回路１０２の出力電圧ＶＤを高め、時間ｔ_３に至るまでの経過時間Ｃ（Ｃ＜Ａ）でモータ１０５を起動することができる。

＜画像形成装置＞
図４は、本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略構成を示す図である。画像形成装置において、像担持体である感光体４０１は矢印Ａの方向に回転する。感光体４０１の周囲には、現像ユニット４１０とクリーナ装置４０８が配置されており、現像ユニット４１０は３台の色現像装置４１０Ｙ，４１０Ｍ，４１０Ｃと黒現像装置４１０Ｋから構成されている。なお、色現像装置４１０Ｙ，４１０Ｍ，４１０Ｃはそれぞれ、感光体４０１上の静電潜像をイエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ）のトナーで現像する。

感光体４０１上で現像された各色のトナー像は、転写装置４０７によってローラ４２０，４２１，４２２，４２３に張架された中間転写ベルト４０２に、順次、転写されて、４色のトナー像が重ね合わされる。ローラ４２０は中間転写ベルト４０２を駆動する駆動ローラとして、ローラ４２１とローラ４２３は中間転写ベルト４０２の張力を調節するテンションローラとして、ローラ４２２は２次転写ローラ４２４のバックアップローラとしてそれぞれ機能する。

中間転写ベルト４０２を挟んでローラ４２０と対向する位置には、ベルトクリーナ４０９が設けられていて、中間転写ベルト４０２上の残留トナーがブレードで掻き落とされる。記録紙カセット４２５からピックアップローラ４２６で搬送路に引き出された記録紙はローラ対４２７，４２８によって２次転写ローラ４２４と中間転写ベルト４０２との当接によって形成されるニップ部に給送される。中間転写ベルト４０２上に形成されたトナー像は、このニップ部で記録紙上に転写され、定着装置４０４で熱定着されて、画像形成装置外へ排出される。

この画像形成装置では、画像を形成する際に、先ず、帯電装置４０５に電圧を印加して感光体４０１の表面を所定の帯電部電位で一様にマイナス帯電させる。続いて、帯電された感光体４０１上の画像部分が所定の露光部電位になるようにレーザースキャナからなる露光装置４０６で露光され、静電潜像が形成される。露光装置４０６は画像信号に基づいてレーザをオン／オフすることにより、画像に対応した静電潜像を形成する。

現像装置４１０の現像ローラには、色毎に予め設定された現像バイアスが印加されており、静電潜像は現像ローラを通過するときにトナーで現像され、トナー像として可視化される。トナー像は転写装置４０７で中間転写ベルト４０２に転写され、更に２次転写ローラ４２４で記録紙に転写され、記録紙は定着装置４０４に送給される。フルカラープリント時は、中間転写ベルト４０２上で４色のトナーが重ね合わされた後、記録紙に転写される。以上のような工程を経て、カラー画像が記録紙に複写される。

感光体４０１上に残留したトナーは、予備清掃装置でクリーニングしやすい帯電状態にされ、クリーナ装置４０８で除去・回収され、最後に、感光体４０１は除電装置（不図示）で一様に０ボルト付近まで除電されて、次の画像形成サイクルに備える。

画像形成タイミングは、中間転写ベルト４０２上の予め定められた位置を基準として制御される。中間転写ベルト４０２はローラ４２０，４２１，４２２，４２３からなるローラ類に掛け渡されていて、テンションローラとして機能するローラ４２１，４２３によって一定の張力が与えられている。ローラ４２２（バックアップローラ）とローラ４２３（テンションローラ）の間には、基準位置を検知する反射型センサ４３０が配置されている。反射型センサ４３０は、中間転写ベルト４０２の外周面端部に設けられた反射テープ等のマーキングを検知して基準信号を出力する。

感光体４０１の外周の長さと中間転写ベルト４０２の周長は、１：ｎ（ｎは整数）で表される整数比になっている。このように設定しておくことで、中間転写ベルト４０２が１周する間に感光体４０１は整数回回転するため、中間転写ベルト４０２が１周する前と同じ位置に戻ることができる。よって、中間転写ベルト４０２上に４色を重ね合わせる際に、感光体４０１の回転ムラによる色ズレを回避することができる。

この画像形成装置では、上述の通り、記録紙が記録紙カセット４２５から定着装置４０４を通って排紙されるまでに、記録紙を搬送するための搬送ローラが複数存在する。ピックアップローラ４２６やローラ対４２７，４２８の他にも、一度、定着装置４０４で画像形成を終えた記録紙の裏面にも画像形成するためにローラ対４２７に記録紙を搬送する不図示の搬送路があり、その搬走路にも複数の搬送ローラが存在する。

これらの搬送ローラは、記録紙の位置を基準にして駆動を開始し、次に記録紙を搬送する下流側に配置された搬送ローラへ記録紙の受け渡しを行い、記録紙が通過した後に停止する。また、感光体４０１や定着装置４０４に内蔵されるローラも定速度で駆動され、作像や転写、定着といった各画像形成プロセスが実行される。

画像形成装置が備える上述の複数の搬送ローラは、図１を参照して説明した本発明の実施形態に係るモータ駆動装置を用いて、図２に示したフローチャートに従って駆動制御される。すなわち、ユーザが画像形成装置に画像形成動作を開始する指令を与えると、複数の搬送ローラをそれぞれ駆動する各モータ駆動装置は、動前モードに切り替わる。そして、実際に複数の搬送ローラをそれぞれ起動させるために、画像形成装置の制御装置であるコントローラ１０６が各モータ駆動装置へＯＮ信号を発信することで、複数の搬送ローラを駆動させるモータが起動し、これにより記録紙が搬送される。

このとき、記録紙の材質変化等によって搬送時の負荷トルクに変動があった場合でも、モータを短時間で確実に起動させることができる。なお、トナーの増減により負荷トルクが変動する現像ユニット４１０や定着装置４０４の駆動モータにも本発明の実施形態に係るモータ駆動装置を適用することができる。これにより、画像形成装置での生産性を高めることができる。

＜他の実施形態＞
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。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

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画像形成装置に供給し、画像形成装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムコードを読み出して実行する処理である。この場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

１０１ 速度制御回路
１０２ 積分回路
１０３ 駆動回路
１０４ 回転速度検出回路
１０５ モータ

Claims (2)

1. モータの回転速度を制御するモータ駆動装置であって、
   前記モータの回転を検出する検出手段と、
   前記モータに対する指令信号として加速指令信号及び減速指令信号を生成する速度制御手段と、
   前記速度制御手段から、前記加速指令信号を受信して充電動作を行い、前記減速指令信号を受信して放電動作を行う充放電手段と、
   前記充放電手段からの出力電圧が入力されることで前記モータを駆動する駆動手段と、を備え、
   前記速度制御手段は、前記モータを起動するまでの間、前記充放電手段からの出力電圧が前記モータを回転させない予め定められた基準電圧になるように前記加速指令信号を断続的に出力するとともに、前記モータを起動する前に前記検出手段の検出結果に基づき前記モータが回転していると判別された場合、前記減速指令信号を出力するとともに前記基準電圧を下げることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 記録紙に画像を形成するために、前記記録紙を搬送する搬送ローラと、前記搬送ローラを回転させるモータと、前記モータを駆動させるモータ駆動手段とを備える画像形成装置であって、
   前記モータ駆動手段は、
   前記モータの回転を検出する検出手段と、
   前記モータに対する指令信号として加速指令信号及び減速指令信号を生成する速度制御手段と、
   前記速度制御手段から、前記加速指令信号を受信して充電動作を行い、前記減速指令信号を受信して放電動作を行う充放電手段と、
   前記充放電手段からの出力電圧が入力されることで前記モータを駆動する駆動手段と、を備え、
   前記速度制御手段は、前記モータを起動するまでの間、前記充放電手段からの出力電圧が前記モータを回転させない予め定められた基準電圧になるように前記加速指令信号を断続的に出力するとともに、前記モータを起動する前に前記検出手段の検出結果に基づき前記モータが回転していると判別された場合、前記減速指令信号を出力するとともに前記基準電圧を下げることを特徴とする画像形成装置。

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