JP2016176823A - 電流計測装置、画像形成装置、搬送装置、及び電流計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに流れる電流を低コストで計測できることを目的とする。【解決手段】モータに流れる第１電流を計測し、前記モータの各相に流れるそれぞれの電流を合成した第２電流を示す第１電圧を第１信号として検出する検出部と、前記第１信号を平滑化して第２信号を生成する平滑部と、前記第２信号を入力する第１入力端子、増幅率を定める第１抵抗器及び第２抵抗器にそれぞれ接続される第２入力端子、前記第２信号を前記増幅率に基づいて増幅させた第３信号を出力する出力端子、グラウンドに接続される第１電源端子、及び第１電源に接続される第２電源端子を有する増幅部と、前記第１入力端子に第２電圧を入力する入力部とを含む電流計測装置が、前記モータが停止している場合に前記第３信号が示す第３電圧を記憶し、前記モータが回転している場合に前記第３信号が示す第４電圧を取得する取得し、前記第３電圧及び前記第４電圧の差に基づいて前記第１電流を計算することにより上記課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流計測装置、画像形成装置、搬送装置、及び電流計測方法に関する。

従来、入力される信号を増幅させるオペアンプ（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）等の増幅器が知られている。

また、第１のオペアンプ及び第２のオペアンプの２つのオペアンプを組み合わせ、まず、第１のオペアンプが有する負帰還部に帰還抵抗を接続させ、第１のオペアンプが有する反転入力端子に入力抵抗を接続させる。次に、第２のオペアンプが有する非反転入力端子を接地させ、第２のオペアンプが有する出力端子を入力抵抗に接続させる。このような非反転増幅回路によって入力オフセット電圧を把握しなくとも、入力オフセットが利得に応じて増幅されないようにできる方法が知られている（例えば、特許文献１等）。

しかしながら、従来の方法では、電流を計測するのに、２つ以上のオペアンプを使用する必要がある。そのため、モータに流れる電流を計測するコストが高くなる虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、モータに流れる電流を低コストで計測できる電流計測装置を提供することを目的とする。

一態様における、モータに流れる第１電流を計測する電流計測装置は、前記モータの各相に流れるそれぞれの電流を合成した第２電流を示す第１電圧を第１信号として検出する検出部と、前記第１信号を平滑化して第２信号を生成する平滑部と、前記第２信号を入力する第１入力端子、増幅率を定める第１抵抗器及び第２抵抗器にそれぞれ接続される第２入力端子、前記第２信号を前記増幅率に基づいて増幅させた第３信号を出力する出力端子、グラウンドに接続される第１電源端子、及び第１電源に接続される第２電源端子を有する増幅部と、前記第１入力端子に第２電圧を入力する入力部と、前記モータが停止している場合に前記第３信号が示す第３電圧を記憶する記憶部と、前記モータが回転している場合に前記第３信号が示す第４電圧を取得する取得部と、前記第３電圧及び前記第４電圧の差に基づいて前記第１電流を計算する計算部とを含む。

本発明の各実施形態によれば、モータに流れる電流を低コストで計測できる。

実施形態に係る電流計測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る電流計測装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 実施形態に係る検出部の回路構成の一例を示す回路図である。 実施形態に係る検出部の回路構成の別の一例を示す回路図である。 実施形態に係る検出部による検出結果の一例を示す図である。 実施形態に係る平滑部の回路構成の一例を示す回路図である。 実施形態に係る増幅部の回路構成の一例を示す回路図である。 実施形態に係る入力部の回路構成の一例を示す回路図である。 実施形態に係る記憶部、取得部、及び計算部の回路構成の一例を示す回路図である。 電動モータを制御し、負荷トルクを推定するためのブロック線図である。 実施形態に係る全体構成の一例を示す回路図である。 実施形態に係る電流計測処理の流れの一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る電流計測処理の流れの別の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る全体構成の回路と等価の回路の一例を示す回路図である。 実施形態に係るダイオードを含む全体構成の回路と等価の回路の一例を示す回路図である。 実施形態に係るダイオードを含む全体構成の回路と等価の回路の別の一例を示す回路図である。 電流計測装置の適用先の一例である画像形成装置の内部構成の一例を示す図である。 画像形成装置の中間転写ユニットの駆動・搬送機構の一例を拡大して示した図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付し、重複した説明を省く。

［第１の実施形態］
＜電流計測装置例＞
はじめに、本実施形態に係る電流計測装置のハードウェア構成の一例について説明する。

図１は、実施形態に係る電流計測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

図１に示すように、電流計測装置１００は、情報処理装置１１０と、電流検出回路（ドライバ側）１６０とを有する。また、情報処理装置１１０は、電動モータ１４０及び位置／回転速度検出部１５０に接続されるドライバ１３０に接続され、ドライバ１３０を介して、電動モータ１４０の回転速度又は回転位置を制御する。さらに、情報処理装置１１０は、電動モータ１４０に流れる第１電流を計算する。

ドライバ１３０は、電流検出回路（ドライバ側）１６０を有し、電動モータ１４０を駆動させる。また、電流検出回路（ドライバ側）１６０は、電動モータ１４０の各相に流れるそれぞれの駆動電流を合成した合成値を検出する。

情報処理装置１１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１１２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１１３、及び補助記憶装置１１４を備える。さらに、情報処理装置１１０は、表示部１１５、入力装置１１６、インタフェース部１１７、及び電流検出回路（装置側）１１８を備える。なお、情報処理装置１１０が有する各部（ＣＰＵ１１１乃至インタフェース部１１７）は、バス１１９を介して相互に接続される。

ＣＰＵ１１１は、補助記憶装置１１４に格納されるプログラム１２０を実行する演算装置及び制御装置である。

ＲＯＭ１１２は、不揮発性メモリである。また、ＲＯＭ１１２は、例えば、プログラム１２０をＣＰＵ１１１が実行するのに必要な各種プログラム及びデータ等を格納する記憶装置として機能する。具体的には、ＲＯＭ１１２は、ＢＩＯＳ（Ｂａｓｉｃ Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｙｓｔｅｍ）及びＥＦＩ（Ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ Ｆｉｒｍｗａｒｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等のブートプログラム等を格納する。

ＲＡＭ１１３は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）又はＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置である。また、ＲＡＭ１１３は、プログラム１２０がＣＰＵ１１１によって実行される際に作業領域を提供する。

補助記憶装置１１４には、各種プログラムがインストールされる。即ち、補助記憶装置１１４は、例えばハードディスク等である。

表示部１１５は、電動モータ１４０の制御目標値（目標回転速度又は目標位置）を入力するための画面、電動モータ１４０の回転速度の検出結果（実測値）、及び回転位置の検出結果（実測値）を表示するための画面等を表示する。さらに、推定された負荷トルク（推定トルク値）等を表示するための画面を表示する。

入力装置１１６は、情報処理装置１１０に対して各種入力操作（制御目標値を入力したりするための操作）を行うための操作部材であり、例えば、マウス及びキーボード等が含まれる。

インタフェース部１１７は、制御対象である電動モータ１４０を制御するための制御値を、電動モータ１４０に接続されるドライバ１３０に送信する。また、インタフェース部１１７は、位置／回転速度検出部１５０より、制御対象である電動モータ１４０の状態を示す情報（回転速度の実測値又は回転位置の実測値等）を受信する。さらに、ドライバ１３０が有する電流検出回路（ドライバ側）１６０は、電動モータ１４０の各相に流れるそれぞれの駆動電流を合成した合成値を示す信号を平滑化する。次に、情報処理装置１１０は、電流検出回路（装置側）１１８を介して、増幅される信号を受信する。

電流検出回路（装置側）１１８は、電流検出回路（ドライバ側）１６０より送信される信号が有するノイズを除去する。また、電流検出回路（装置側）１１８は、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換 コンバータ）によってＡ／Ｄ変換等を行い、インタフェース部１１７から信号を入力する。

ドライバ１３０は、インタフェース部１１７より送信される制御値に基づいて、電動モータ１４０を駆動する。また、電動モータ１４０は、例えば、３相のブラシレスモータ（ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ−ｃｕｒｒｅｎｔ）モータ）等である。なお、電動モータは、他の種類のモータでもよい。

位置／回転速度検出部１５０は、例えば電動モータ１４０が有し、検出信号（回転速度を示す信号又は回転位置を示す信号）を出力する。具体的には、位置／回転速度検出部１５０より出力される検出信号は、回転速度を示す実測値又は回転位置を示す実測値として、ドライバ１３０を介してインタフェース部１１７に送信される。さらに、本実施形態において、位置／回転速度検出部１５０には、例えば、２相エンコーダ又は１相フォトディテクタ等が含まれる。また、位置／回転速度検出部１５０には、ＦＧ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）センサ又はホール素子センサ等の磁気センサが含まれてもよい。

電流検出回路（ドライバ側）１６０は、例えばドライバ１３０が有する。また、電流検出回路（ドライバ側）１６０は、ローパスフィルタ（ｌｏｗ−ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ）等を有し、電動モータ１４０の各相に流れるそれぞれの駆動電流を合成した合成値を示す信号を平滑化する。さらに、電流検出回路（ドライバ側）１６０は、オペアンプ等を有し、信号を増幅させる。また、電流検出回路（ドライバ側）１６０は、増幅させた信号をハーネス等で電流検出回路（装置側）１１８に送信する。なお、電流検出回路（ドライバ側）１６０が行う処理の一部又は全部は、電流検出回路（装置側）１１８が行ってもよい。

＜機能構成例＞
図２は、実施形態に係る電流計測装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。具体的には、電流計測装置１００は、検出部２００、平滑部２０１、増幅部２０２、入力部２０３、記憶部２０４、取得部２０５、及び計算部２０６を含む。

＜検出部の例＞
検出部２００は、電動モータ１４０の各相に流れるそれぞれの駆動電流を合成した第２電流Ｉ２を示す第１電圧Ｖ１を第１信号ＳＩＧ１として検出する。

図３は、実施形態に係る検出部の回路構成の一例を示す回路図である。

検出部２００は、例えば電流検出回路（ドライバ側）１６０（図１）によって実現される。具体的には、検出部２００は、例えば、図３に示すように、いわゆるシャント（ｓｈｕｎｔ）抵抗器４３０を有する。

また、図３に示すように、電流検出回路は、トランジスタ４０１乃至４０６を有する。具体的には、トランジスタ４０１乃至４０３が有するそれぞれのエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）端子は、トランジスタ４０４乃至４０６が有するそれぞれのコレクタ（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）端子と接続される。

電動モータ１４０の各相に流れるそれぞれの駆動電流は、第１固定子巻線４１１、第２固定子巻線４１２、及び第３固定子巻線４１３にそれぞれ流れ、それぞれの駆動電流を合成した電流が第２電流Ｉ２である。図示するように、第１固定子巻線４１１は、トランジスタ４０１が有するエミッタ端子及びトランジスタ４０４が有するコレクタ端子にそれぞれ接続される。また、第２固定子巻線４１２は、トランジスタ４０２が有するエミッタ端子及びトランジスタ４０５が有するコレクタ端子にそれぞれ接続される。さらに、第３固定子巻線４１３は、トランジスタ４０３が有するエミッタ端子及びトランジスタ４０６が有するコレクタ端子にそれぞれ接続される。

また、トランジスタ４０１乃至４０３がそれぞれ有するコレクタ端子は、電動モータ１４０に電力を供給するモータ電源４２０に接続される。一方、トランジスタ４０４乃至４０６がそれぞれ有するエミッタ端子は、シャント抵抗器４３０に接続される。

図３では、シャント抵抗器４３０が有する一方の端子は、トランジスタ４０４乃至４０６に接続され、シャント抵抗器４３０が有する他方の端子は、グラウンドＧＮＤに接続される。

トランジスタ４０４乃至４０６に対するオン（ｏｎ）又はオフ（ｏｆｆ）は、出力ＯＰＴによって切り替えられる。即ち、出力ＯＰＴによって、モータ電源４２０から駆動電流を流すか否かが切り替えられる。これにより、トランジスタ４０１乃至４０６は、駆動電流を流す電動モータ１４０の各相、即ち、電動モータ１４０の励磁相（固定子巻線４１１乃至４１３のうち、励磁する固定子巻線）を切り替える。

シャント抵抗器４３０は、モータ電源４２０からトランジスタ４０１乃至４０６の少なくともいずれかを流れる駆動電流を合成した第２電流Ｉ２を検出する。また、シャント抵抗器４３０によって検出される第２電流Ｉ２は、第１電圧Ｖ１で示される。即ち、第１電圧Ｖ１は、例えばシャント抵抗器間電圧であり、第１電圧Ｖ１は、第１信号ＳＩＧ１として電流検出回路（ドライバ側）１６０に入力される。

なお、シャント抵抗器間電圧を示す信号は、パルス状の波形で、負荷トルクが大きくなると、振幅が大きくなり、回転速度が上がると、デューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）が大きくなる特性がある。また、シャント抵抗器間電圧を示す信号は、数十ｍＶ程度の振幅を有する微弱な信号である場合が多い。また、シャント抵抗器間電圧信号は、電動モータ１４０のトルク計算等に用いられてもよい。

なお、検出部２００は、シャント抵抗器４３０が有する一方の端子が、モータ電源４２０に接続されるように、シャント抵抗器４３０を有してもよい。

図４は、実施形態に係る検出部の回路構成の別の一例を示す回路図である。

図４は、図３と比較すると、シャント抵抗器４３０が接続される位置が異なる。以下、異なる点を中心に説明する。

図４では、シャント抵抗器４３０は、一方の端子が、モータ電源４２０に接続される。図３に示す構成は、シャント抵抗器４３０をグラウンドＧＮＤ側に有する、いわゆるローサイド検出を行う構成である。これに対して、図４に示す構成は、シャント抵抗器４３０をモータ電源４２０側に有する、いわゆるハイサイド検出を行う構成である。

図３に示すように、ローサイド検出を行う構成にすると、電流検出回路は、シングルエンドの検出回路、即ち、簡単な単一電源のデザインとなるため、設計が容易にできる。また、ローサイド検出を行う構成にすると、電流検出回路は、大きなコモンモード除去比（ＣＭＲ）及びコモンモード耐圧（ＣＭＶ）を持たない構成にできる。

一方、図４に示すように、ハイサイド検出を行う構成にすると、電流検出回路は、電源の近くに配置できるため、制御回路等に接続しやすい。例えば、電源と、制御回路を有する本体とが離れた構成である場合、ハイサイド検出を行う構成にすると、電流検出回路は、本体側で検出が行えるため、ローサイド検出のように、検出結果を本体側に送信する必要が少なくできる。

＜検出部による検出結果例＞
図５は、実施形態に係る検出部による検出結果の一例を示す図である。具体的には、図５は、検出部２００（図２）によって検出される第１電圧Ｖ１の例を示す。図示する第１電圧Ｖ１の最大値Ａは、１００ｍＶ程度となる。一方、第１電圧Ｖ１には、±２０ｍＶ程度のオフセットがある。

＜平滑部の例＞
図６は、実施形態に係る平滑部の回路構成の一例を示す回路図である。

平滑部２０１は、例えば電流検出回路（ドライバ側）１６０（図１）によって実現される。具体的には、平滑部２０１は、第３抵抗器の例である抵抗器４５１と、コンデンサ４５２とを有し、抵抗器４５１と、コンデンサ４５２とが図示するように接続され、ローパスフィルタを実現する。つまり、抵抗器４５１は、第５端子と第６端子とを有し、第５端子が第１信号ＳＩＧ１を入力して、第６端子が平滑化して生成した第２信号ＳＩＧ２を増幅部２０２（図２）に出力するように接続される。

即ち、平滑部２０１は、検出部２００から入力される第１信号ＳＩＧ１が有する信号のうち、所定の周波数以上の周波数となる信号を減衰させる。なお、平滑部２０１が減衰させる信号の周波数は、抵抗器４５１の抵抗値と、コンデンサ４５２の容量とに基づいて定まる。したがって、平滑部２０１は、第１信号ＳＩＧ１が有するノイズを減衰させることができる。次に、平滑部２０１は、第１信号ＳＩＧ１が有するノイズを減衰させて第２信号ＳＩＧ２を出力する。

＜増幅部の例＞
図７は、実施形態に係る増幅部の回路構成の一例を示す回路図である。

増幅部２０２は、例えば電流検出回路（ドライバ側）１６０（図１）によって実現される。増幅部２０２は、オペアンプＡＭＰを有する。また、オペアンプＡＭＰは、第１入力端子の例として正側入力端子ＩＮ１と、第２入力端子の例として負側入力端子ＩＮ２と、出力端子の例として出力端子ＯＵＴとを有する。さらに、オペアンプＡＭＰは、第２電源端子の例として第１電源４２１に接続される正側電源端子ＰＷＲ１と、第１電源端子の例としてグラウンドＧＮＤに接続される負側電源端子ＰＷＲ２とを有する。

即ち、オペアンプＡＭＰは、電源電圧の基準をグラウンドＧＮＤとする単電源（片電源といってもよい。）である。したがって、オペアンプＡＭＰが出力する第３信号ＳＩＧ３は、グラウンドＧＮＤが示す０Ｖから第１電源４２１の電源電圧が示す値までとなる。

また、第１電源４２１の電源電圧は、例えば＋５Ｖ等である。なお、第１電源４２１の電源電圧は、オペアンプＡＭＰの仕様によって定まる。

また、増幅部２０２は、第１抵抗器の例として抵抗器４５３と、第２抵抗器の例として抵抗器４５４とを有する。さらに、抵抗器４５３及び抵抗器４５４がそれぞれ有する一方の端子は、負側入力端子ＩＮ２にそれぞれ接続される。さらにまた、抵抗器４５３が有する他方の端子は、グラウンドＧＮＤに接続され、抵抗器４５４が有する他方の端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。

正側入力端子ＩＮ１は、いわゆる非反転端子であり、正側入力端子ＩＮ１には、平滑部２０１から第２信号ＳＩＧ２が入力される。また、正側入力端子ＩＮ１には、入力部２０３から第２電圧Ｖ２が入力される。したがって、第２信号ＳＩＧ２が示す第１電圧は、平滑部２０１から出力される電圧に、第２電圧Ｖ２が加算された電圧となる。

オペアンプＡＭＰは、正側入力端子ＩＮ１に入力される信号を増幅させて、第３信号ＳＩＧ３を生成する。なお、増幅率は、抵抗器４５３の抵抗値及び抵抗器４５４の抵抗値に基づいて定まる。

＜入力部の例＞
図８は、実施形態に係る入力部の回路構成の一例を示す回路図である。

入力部２０３は、例えば電流検出回路（ドライバ側）１６０（図１）によって実現される。具体的には、入力部２０３は、第４抵抗器の例として抵抗器４５５と、第５抵抗器の例として抵抗器４５６とを有する。また、抵抗器４５５は、第２電源４２２に接続される第１端子４５７と、増幅部２０２が有する正側入力端子ＩＮ１（図７）に接続される第２端子４５８とを有する。一方、抵抗器４５６は、グラウンドＧＮＤに接続される第３端子４５９と、増幅部２０２が有する正側入力端子ＩＮ１に接続される第４端子４６０とを有する。

入力部２０３は、抵抗器４５５及び抵抗器４５６で第２電源４２２の電源電圧を分圧した第２電圧Ｖ２を正側入力端子ＩＮ１に入力する。

なお、第２電源４２２は、第１電源４２１（図７）と同じ電源であってもよい。即ち、第２電源４２２及び第１電源４２１は、同じ電源から電力を供給する構成でもよい。同じ電源にすると、電源の種類が少なくなるため、電子回路基板が小さくできる。

＜記憶部、取得部、及び計算部の例＞
図９は、実施形態に係る記憶部、取得部、及び計算部の回路構成の一例を示す回路図である。なお、記憶部２０４は、例えば電流検出回路（装置側）１１８（図１）が有するＡＤＣ２０７及び補助記憶装置１１４等によって実現される。また、取得部２０５は、例えばＡＤＣ２０７等によって実現される。さらに、計算部２０６は、例えばＣＰＵ１１１等によって実現される。

図示するように、増幅部２０２が出力する第３信号ＳＩＧ３は、例えばハーネスＨＲを介して送信される。また、電流検出回路（装置側）１１８（図１）がローパスフィルタＬＰを有し、第３信号ＳＩＧ３が有するノイズは、ローパスフィルタＬＰによって減衰されてもよい。

記憶部２０４は、電動モータ１４０（図１）が停止している場合の第３信号ＳＩＧ３が示す第３電圧Ｖ３を記憶する。

取得部２０５は、電動モータ１４０が回転している場合の第３信号ＳＩＧ３が示す第４電圧Ｖ４を取得する。なお、取得部２０５は、第４電圧Ｖ４を複数取得し、平均値を算出してもよい。

なお、第３電圧Ｖ３は、複数の第３電圧Ｖ３を平均した平均値でもよい。同様に、第４電圧Ｖ４は、複数の第４電圧Ｖ４を平均した平均値でもよい。

計算部２０６は、記憶部２０４が記憶する第３電圧Ｖ３と、取得部２０５が取得する第４電圧Ｖ４との差を計算する。また、計算部２０６は、第３電圧Ｖ３と第４電圧Ｖ４との差に基づいて第１電流Ｉ１（図２）を計算する。

＜ブロック線図の説明＞
次に、電動モータ１４０の回転速度又は回転位置を制御するとともに、負荷トルクを推定するためのブロック線図の一例について説明する。

図１０は、電動モータを制御し、負荷トルクを推定するためのブロック線図である。図１０に示すように、制御部２１０は、制御目標値（目標回転速度ω_ｔｇｔ又は目標位置ｘ_ｔｇｔ）と、フィードバックされる実測値（回転速度の実測値ω_ｄｅｔ又は回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔ）とに基づいて、制御値（電圧値Ｖ_ｃｔｌ）を出力する。

制御部２１０より出力される制御値（電圧値Ｖ_ｃｔｌ）に基づいて、ドライバ１３０では、電動モータ１４０の各相に駆動電流が流される。なお、電動モータ１４０の各相に流れる駆動電流を合成した第２電流は、ドライバ１３０が有するシャント抵抗器を介して電流検出回路（ドライバ側）１６０により検出される。そして、検出される第２電流を示す信号は、電流検出回路（ドライバ側）１６０によって、平滑化及び増幅され、電流検出回路（装置側）１１８を介して信号として推定部２１１に入力される。

電動モータ１４０の各相に駆動電流が流れることで、電動モータ１４０には、所定の回転トルクＴが発生し、電動モータ１４０が駆動する。これに対して、電動モータ１４０には、負荷トルクτがかかるため、電動モータ１４０は、回転トルクＴと負荷トルクτとの差分値に応じた回転速度で回転する。

位置／回転速度検出部１５０では、電動モータ１４０の回転速度が検出され、回転速度の実測値ω_ｄｅｔが制御部２１０にフィードバックされる。

あるいは、検出した回転速度に基づいて回転位置が算出され（又は直接回転位置を検出し）、回転位置は、回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔとして制御部２１０にフィードバックされる。

このように、回転速度の実測値ω_ｄｅｔ又は回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔに基づくフィードバック制御が行われることで、電動モータ１４０は、目標回転速度ω_ｔｇｔ又は目標位置ｘ_ｔｇｔとなるように制御される。

一方、推定部２１１では、電動モータ１４０の回転速度の制御又は回転位置の制御とは別に、逐次、負荷トルクが推定されてもよい。具体的には、目標回転速度ω_ｔｇｔ又は回転速度の実測値ω_ｄｅｔと、電流検出回路（装置側）１１８を介して入力される信号とに基づいて負荷トルクが算出されると、推定部２１１は、負荷トルクを推定できる。

なお、制御目標値（目標回転速度ω_ｔｇｔ又は目標位置ｘ_ｔｇｔ）又は実測値（回転速度の実測値ω_ｄｅｔ又は回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔ）は、制御部２１０の制御周期ごとに出力される。このため、推定部２１１は、制御部２１０の制御周期ごとに、負荷トルクを推定できる。

＜全体構成例＞
図１１は、実施形態に係る全体構成の一例を示す回路図である。

図１１に示す回路には、シャント抵抗器間電圧である第１電圧Ｖ１（図３又は図４）を示す第１信号ＳＩＧ１が入力される。次に、第１信号ＳＩＧ１は、平滑部２０１によって平滑化され、第２信号が生成される。さらに、第２信号は、増幅部２０２が有するオペアンプＡＭＰに入力される。

ここで、平滑化させないでオペアンプに信号を増幅させるには、スルーレート及び利得帯域幅（ＧＢ）積が優れた高価格のオペアンプが必要となる。これに対して、本発明に係る一実施形態では、平滑部２０１が平滑化を行うため、増幅部２０２は、低価格のオペアンプで実現できる。

単電源のオペアンプＡＭＰは、マイナスの出力を行わない場合が多い。具体的には、正側入力端子ＩＮ１に入力される信号がゼロであり、かつ、オフセット電圧がプラスとなると、単電源のオペアンプＡＭＰは、オフセット電圧に基づく出力値を出力する。一方、正側入力端子ＩＮ１に入力される信号がゼロであり、かつ、オフセット電圧がマイナスとなると、単電源のオペアンプＡＭＰは、ゼロを出力する。

そこで、本発明に係る一実施形態では、入力部２０３は、正側入力端子ＩＮ１に、第２電圧Ｖ２を入力する。また、第２電源４２２の電源電圧をＶｒｅｆとすると、第２電圧Ｖ２は、抵抗器４５５と、抵抗器４５６とによってＶｒｅｆを分圧した電圧となる。

また、第２電圧Ｖ２が正側入力端子ＩＮ１に入力されると、正側入力端子ＩＮ１に入力される電圧は、第２電圧Ｖ２分加算される。したがって、正側入力端子ＩＮ１に入力される電圧がマイナスであっても、加算によって、入力部２０３は、正側入力端子ＩＮ１に入力される電圧をプラスにできる。ゆえに、入力部２０３が第２電圧Ｖ２を入力することによって、単電源のオペアンプＡＭＰは、マイナスの電圧が入力されても、出力を行うことができる。

なお、第２電圧Ｖ２は、正側入力端子ＩＮ１に入力されるオフセット電圧がプラスとなる程度の電圧であるのが望ましい。また、正側入力端子ＩＮ１に入力される電圧は、オペアンプの仕様等によって定まる。例えば、オペアンプＡＭＰに−１００ｍＶから＋１００ｍＶの電圧が入力される場合、第２電圧Ｖ２は、＋１００ｍＶ以上であるのが望ましい。さらに、第２電圧Ｖ２に余裕を含ませるため、第２電圧Ｖ２は、＋１００ｍＶの２倍の値である＋２００ｍＶ程度であるのがより望ましい。また、オペアンプＡＭＰは、第１電源４２１（図７）の電源電圧が最大出力となるため、第２電圧Ｖ２は、第１電源４２１の電源電圧以下であるのが望ましい。

次に、オペアンプＡＭＰは、抵抗器４５３の抵抗値及び抵抗器４５４の抵抗値に基づいて定まる増幅率で、正側入力端子ＩＮ１に入力される電圧を増幅させ、第３信号ＳＩＧ３として、ハーネスＨＲを介してＡＤＣ２０７に出力する。なお、第３信号ＳＩＧ３は、ローパスフィルタＬＰによってノイズが減衰されてもよい。

＜電流計測処理の流れの一例＞
図１２は、実施形態に係る電流計測処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１２０１において、電動モータが停止している場合に、記憶部２０４は、ＡＤＣ２０７に入力される第３信号ＳＩＧ３（図１１）が示す第３電圧Ｖ３（図９）を記憶する。例えば、記憶部２０４は、電動モータの負荷測定が行われる前、１日１回等の定期的、及び工場出荷の際等に記憶する。

また、電動モータが停止している場合は、電動モータの回転が停止している状態、電動モータにブレーキがかかっている状態、又は回転速度が０ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）状態等である。

ステップＳ１２０２において、制御部２１０は、電動モータを回転させる。

ステップＳ１２０３において、電動モータが回転している場合に、取得部２０５は、ＡＤＣ２０７に入力される第３信号ＳＩＧ３が示す第４電圧Ｖ４（図９）を取得する。即ち、ステップＳ１２０３において、計測したい負荷が電動モータに加えられ、かつ、目標回転速度で電動モータが回転している場合、取得部２０５は、第３信号ＳＩＧ３が示す第４電圧Ｖ４を取得する。

ステップＳ１２０４において、計算部２０６は、第３電圧Ｖ３と、第４電圧Ｖ４との差を計算する。即ち、計算部２０６は、ステップＳ１２０１で記憶部２０４が記憶する第３電圧Ｖ３と、ステップＳ１２０３で取得部２０５が取得する第４電圧Ｖ４との差を計算する。この計算によって、計算部２０６は、オフセット電圧をキャンセルすることができる。

ステップＳ１２０５において、計算部２０６は、第１電流Ｉ１を計算する。

なお、電流計測処理の流れは、例えば図１３に示す流れでもよい。

図１３は、実施形態に係る電流計測処理の流れの別の一例を示すフローチャートである。図１３は、図１２と比較すると、ステップＳ１３０１が加わる点が異なる。以下、異なる点を中心に説明する。

ステップＳ１３０１において、電動モータが回転している場合、取得部２０５は、ＡＤＣ２０７に入力される第３信号ＳＩＧ３が示す第４電圧Ｖ４（図９）を複数取得する。次に、ステップＳ１３０１において、取得部２０５は、取得した複数の値の平均値を算出する。例えば、取得部２０５は、ステップＳ１２０３をサンプリング時間１ｍｓで１００回行い、１００回取得された電圧の平均値を取得する。さらに、後段のステップＳ１２０４では、計算部２０６は、平均値を用いて差を計算する。

平均値を用いると、計算部２０６は、ノイズ等が入力されても精度よく差を計算できる。

＜電流計測処理の処理結果例＞
図１４は、実施形態に係る全体構成の回路と等価の回路の一例を示す回路図である。即ち、図１４は、図１１に示す回路の等価回路の一例を示す。

図１４では、第１信号が示す第１電圧をＶｉｎとする。また、抵抗器４５３の抵抗値を第１抵抗値Ｒ１、抵抗器４５４の抵抗値を第２抵抗値Ｒ２、抵抗器４５１の抵抗値を第３抵抗値Ｒ３、抵抗器４５５の抵抗値を第４抵抗値Ｒ４、及び抵抗器４５６の抵抗値を第５抵抗値Ｒ５とする。さらに、第３信号が示す第３電圧をＶｏとし、第２電源４２２の電源電圧をＶｒｅｆとし、オペアンプに入力される電圧のオフセット電圧をＶｏｓｔとする。

Ｖｉｎに入力がある場合、即ち、ステップＳ１２０２によって電動モータが回転している場合、Ｖｏは、第２電圧をＶ１とすると、下記（１）式のようになる。

次に、Ｖｉｎに入力がない場合（Ｖｉｎ＝０）、即ち、電動モータが停止している場合、ＶｏをＶｏｆｆとすると、Ｖｏｆｆは、下記（２）式のようになる。

即ち、上記（１）式で示すＶｏは、ステップＳ１２０３で取得される第４電圧である。また、上記（２）式で示すＶｏｆｆは、ステップＳ１２０１で記憶される第３電圧である。したがって、ステップＳ１２０４で計算される第３電圧及び第４電圧の差Ｖｏｎは、上記（１）式から上記（２）式を減算し、下記（３）式のようになる。

また、ゲインＧは、上記（３）式から下記（４）式のようになる。

上記（４）式が示すように、ゲインＧは、オフセット電圧を示すＶｏｓｔ及び第２電源４２２の電源電圧を示すＶｒｅｆに依存しない。したがって、オフセット電圧又は第２電源４２２の電源電圧にばらつきがあっても、ゲインＧには、影響が少ない。よって、計算部２０６は、オペアンプＡＭＰにオフセット電圧のばらつきがあっても、精度よく計測誤差を除去できる。

また、ステップＳ１２０５において、第１電流Ｉ１は、シャント抵抗器４３０の抵抗値をＲｆとし、ＡＤＣ２０７によって取得される電圧をＶＡＤＣとすると、下記（５）式のようになる。

上記（５）式において、分母のＲｆに係る係数は、上記（３）式に基づいて計算できる値である。ゆえに、ステップＳ１２０４で、第３電圧Ｖ３と、第４電圧Ｖ４との差を計算すると、計算部２０６は、第１電流Ｉ１を計算できる。

なお、上記（２）式で示すように、Ｖｏｆｆの値は、第１抵抗値Ｒ１、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４、及び第５抵抗値Ｒ５に基づいて求められる。一方、オペアンプＡＭＰが出力できる最大電圧は、第２電源の電源電圧によって定まる。

例えば、第２電源の電源電圧を５Ｖとすると、オペアンプＡＭＰは、０乃至５Ｖの電圧を出力できる。この場合、Ｖｏｆｆを２Ｖとすると、上記（３）式に示すＶｏｎは、２Ｖ乃至５Ｖの電圧となる。これに対して、Ｖｏｆｆの値が大きいと、Ｖｏｎの値は、値の幅が狭くなり、オペアンプＡＭＰの分解能が低くなる場合がある。例えば、Ｖｏｆｆを４Ｖとすると、Ｖｏｎは、４Ｖ乃至５Ｖの電圧となり、Ｖｏｆｆを２Ｖとする場合と比較して、オペアンプＡＭＰの分解能が低くなる。

ゆえに、Ｖｏｆｆは、値が小さいのが望ましい。したがって、上記（２）式（Ｖｏｆｆ）の値が小さくなるように、第１抵抗値Ｒ１、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４、及び第５抵抗値Ｒ５をそれぞれ調整し、上記（４）式が調整されると、オペアンプＡＭＰの分解能を高くすることができる。

なお、電流計測装置１００は、ダイオード（ｄｉｏｄｅ）を、さらに含んでもよい。

図１５は、実施形態に係るダイオードを含む全体構成の回路と等価の回路の一例を示す回路図である。また、ダイオードは、図１６に示す位置に含まれてもよい。

図１６は、実施形態に係るダイオードを含む全体構成の回路と等価の回路の別の一例を示す回路図である。

図１４と、図１５及び図１６とを比較すると、電流計測装置１００がダイオードＤＩＯを含む点が異なる。具体的には、図１５では、ダイオードＤＩＯは、図示するように、ダイオードＤＩＯが有するカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）が抵抗器４５１に接続される。即ち、図１５に示す構成にすると、電流は、抵抗器４５１からＶｉｎ側に流れにくくなる。

一方、図１６では、ダイオードＤＩＯは、図示するように、ダイオードＤＩＯが有するカソードが抵抗器４５５に接続される。即ち、図１６に示す構成にすると、電流は、抵抗器４５５から抵抗器４５１に流れにくくなる。

図１４のように、入力部を構成する抵抗器４５５、抵抗器４５６、及び第２電源４２２を有する回路が接続されると、第２電源４２２から電流がＶｉｎ側に流れる場合がある。これに対して、図１５のように、Ｖｉｎ側から抵抗器４５１の間又は図１６のように、抵抗器４５５から抵抗器４５１の間にダイオードＤＩＯを接続させると、電流が、第２電源４２２から電流がＶｉｎ側に流れるのを少なくできる。

＜まとめ＞
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る電流計測装置１００では、
・検出部は、シャント抵抗器を有し、シャント抵抗器間電圧信号を検出する構成とした。
・平滑部は、検出したシャント抵抗器間電圧信号を平滑化し、平滑化された信号をオペアンプに入力する構成とした。
・入力部は、オペアンプに入力される電圧に第２電圧分加算する構成とした。
・増幅部は、オペアンプを有し、オペアンプに入力される信号を増幅させる構成とした。
・記憶部は、電動モータが停止している場合の第３信号が示す第３電圧を記憶する構成とした。
・取得部は、電動モータが回転している場合の第３信号が示す第４電圧を取得する構成とした。
・計算部は、第３電圧及び第４電圧の差を計算し、差の値から第１電流値を計算する構成とした。

このように、本実施形態では、増幅部は、１つのオペアンプで実現できるため、２つ以上のオペアンプを使用する場合と比較して、少ないオペアンプで増幅部を実現できる。したがって、本実施形態に係る電流計測装置は、モータに流れる電流を低コストで計測できる。

［第２の実施形態］
上記第１実施形態では、電流計測装置１００の適用先が明示されていなかった。しかしながら、上記第１実施形態で説明した電流計測装置１００は、例えば、駆動ローラを回転駆動する駆動用の電動モータが配された画像形成装置に適用することができる。また、電流計測装置１００は、自動車、ロボット、及びアミューズメント機器等にも適用可能である。

図１７は、電流計測装置の適用先の一例である画像形成装置の内部構成の一例を示す図である。具体的には、図１７に示すように、画像形成装置１３００は、中間転写ユニット１３１０と、光書込ユニット１３２０と、スキャナ１３３０と、原稿自動搬送装置１３４０と、給紙装置１３５０とを有する。

また、図１８は、画像形成装置の中間転写ユニットの駆動・搬送機構の一例を拡大して示した図である。具体的には、図１８に示すように、中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構は、中間転写体としての中間転写ベルト１４０９、像担持体としての感光ドラム１４０１乃至１４０４、一次転写部材としての１次転写ローラ１４０５乃至１４０８、及び駆動ローラ１４１０を有する。また、中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構は、二次転写対向ローラ１４１１、二次転写ローラ１４１２、テンションローラ１４１３、及び従動ローラ１４１４等を有する。なお、駆動ローラ１４１０は、駆動手段としての駆動用の電動モータにより回転駆動される。

画像形成装置１３００が有する中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構に由来する異常画像は、周期的又はランダムに帯状の濃度ムラが発生するバンディング現象等を原因とする場合がある。また、バンディング現象の中でも、特に記録媒体１４１５の先端又は後端の駆動・搬送機構通過の際若しくは２種類の駆動・搬送機構の接離の際等に生じるショックにより、特定のタイミングで帯状の濃度ムラが発生するショックジターという現象がある。

ショックジターによるバンディング現象の対策として、記録媒体１４１５の先端又は後端が２次転写領域を通過する際の負荷トルクの変動に対して、駆動ローラ１４１０の回転速度変動を軽減する方法がある。即ち、負荷トルクが変動しても、一定回転で駆動ローラ１４１０が回転するように制御する方法がある。

駆動ローラ１４１０を回転駆動する駆動用の電動モータの制御に、上記各実施形態に係る電流計測装置１００を適用することで、電流値から負荷トルクが高い精度で推定できる。そして、画像形成装置１３００は、推定される負荷トルクをフィードバックすることで、ショックジターによる負荷トルクの変動の影響を低減させることが可能となる。

なお、本発明に係る各処理の全部又は一部は、アセンブラ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、及びＪａｖａ（登録商標）等のレガシープログラミング言語又はオブジェクト指向プログラミング言語等で記述されたコンピュータに実行させるためのプログラムによって実現されてもよい。即ち、プログラムは、電流計測装置、情報処理装置、又は情報処理装置を含む情報処理システム等のコンピュータに各処理を実行させるためのコンピュータプログラムである。

また、プログラムは、ＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）等のコンピュータが読み取り可能な記憶媒体に格納して頒布することができる。さらに、記憶媒体は、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ブルーレイディスク、ＳＤ（登録商標）カード、又はＭＯ等でもよい。さらにまた、プログラムは、電気通信回線を通じて頒布することができる。

さらに、情報処理システムは、ネットワーク等によって相互に接続される２以上の情報処理装置を有し、各種処理の全部又は一部を複数の情報処理装置が分散、並列、又は冗長してそれぞれ処理を行ってもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

１００ 電流計測装置
１１８ 電流検出回路（装置側）
１４０ 電動モータ
１６０ 電流検出回路（ドライバ側）
２０７ ＡＤＣ
１３００ 画像形成装置
ＡＭＰ オペアンプ

特許第５３３１５７２号公報

Claims (16)

1. モータに流れる第１電流を計測する電流計測装置であって、
   前記モータの各相に流れるそれぞれの電流を合成した第２電流を示す第１電圧を第１信号として検出する検出部と、
   前記第１信号を平滑化して第２信号を生成する平滑部と、
   前記第２信号を入力する第１入力端子、増幅率を定める第１抵抗器及び第２抵抗器にそれぞれ接続される第２入力端子、前記第２信号を前記増幅率に基づいて増幅させた第３信号を出力する出力端子、グラウンドに接続される第１電源端子、及び第１電源に接続させる第２電源端子を有する増幅部と、
   前記第１入力端子に第２電圧を入力する入力部と、
   前記モータが停止している場合に前記第３信号が示す第３電圧を記憶する記憶部と、
   前記モータが回転している場合に前記第３信号が示す第４電圧を取得する取得部と、
   前記第３電圧及び前記第４電圧の差に基づいて前記第１電流を計算する計算部と
   を含む電流計測装置。
2. 前記増幅部は、単電源のオペアンプである請求項１に記載の電流計測装置。
3. 前記検出部は、前記第１電圧を示すシャント抵抗器を有する請求項１又は２に記載の電流計測装置。
4. 前記シャント抵抗器は、一方の端子が、前記モータに電力を供給するモータ電源に接続される請求項３に記載の電流計測装置。
5. 前記シャント抵抗器は、一方の端子が、グラウンドに接続される請求項３に記載の電流計測装置。
6. 前記平滑部は、第３抵抗器を有し、
   前記入力部は、第４抵抗器及び第５抵抗器を有し、
   前記計算部は、前記第１抵抗器、前記第２抵抗器、前記第３抵抗器、前記第４抵抗器、及び前記第５抵抗器のそれぞれの抵抗値に基づいて、前記第３電圧及び前記第４電圧の差を計算する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電流計測装置。
7. 前記第４抵抗器は、第２電源に接続される第１端子及び前記第１入力端子に接続される第２端子を有し、
   前記第５抵抗器は、グラウンドに接続される第３端子及び前記第１入力端子に接続される第４端子を有する請求項６に記載の電流計測装置。
8. 前記第１電源及び前記第２電源は、同じ電源である請求項７に記載の電流計測装置。
9. ダイオードをさらに含み、
   前記ダイオードは、前記第２端子に接続されるカソードを有する請求項７又は８に記載の電流計測装置。
10. 前記第３抵抗器は、前記第１信号を入力する第５端子及び前記第１入力端子に接続される第６端子を有する請求項６乃至９のいずれか一項に記載の電流計測装置。
11. ダイオードをさらに含み、
    前記ダイオードは、前記第５端子に接続されるカソードを有する請求項１０に記載の電流計測装置。
12. 前記平滑部は、コンデンサを有し、
    前記第１信号が有する信号のうち、前記第３抵抗器と、前記コンデンサとによって定まる周波数以上の周波数となる信号を減衰させる請求項６乃至１１のいずれか一項に記載の電流計測装置。
13. 前記取得部は、前記第４電圧を複数取得し、複数の前記第４電圧の平均値を算出する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電流計測装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電流計測装置を有する画像形成装置。
15. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電流計測装置を有する搬送装置。
16. モータに流れる第１電流を計測し、前記モータの各相に流れるそれぞれの電流を合成した第２電流を示す第１電圧を第１信号として検出する検出部と、前記第１信号を平滑化して第２信号を生成する平滑部と、前記第２信号を入力する第１入力端子、増幅率を定める第１抵抗器及び第２抵抗器にそれぞれ接続される第２入力端子、前記第２信号を前記増幅率に基づいて増幅させた第３信号を出力する出力端子、グラウンドに接続される第１電源端子、及び第１電源に接続される第２電源端子を有する増幅部と、前記第１入力端子に第２電圧を入力する入力部とを含む電流計測装置が行う電流計測方法であって、
    前記電流計測装置が、前記モータが停止している場合に前記第３信号が示す第３電圧を記憶する記憶手順と、
    前記電流計測装置が、前記モータが回転している場合に前記第３信号が示す第４電圧を取得する取得手順と、
    前記電流計測装置が、前記第３電圧及び前記第４電圧の差に基づいて前記第１電流を計算する計算手順と
    を含む電流計測方法。

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