(57)【要約】【課題】ブートストラップダイオードを省略したブートストラップ回路であって、ハイサイド駆動電圧の低下の問題に対処する新たなブートストラップ回路を提供する。【解決手段】ブートストラップ回路は、充電された電圧をハイサイド駆動回路２に印加するコンデンサＣ１と、電源端子とコンデンサＣ１の両端とに接続される電圧調整回路４とを備える。電圧調整回路４は、電源端子を介して得られた電流によりコンデンサＣ１を充電し、コンデンサＣ１が所定の電圧まで充電されたとき、電源端子からコンデンサＣ１への電流パスを切断する。【選択図】図１
2017169090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源端子及び接地端子の間に互いに直列に接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子と、前記ハイサイドスイッチング素子を駆動するハイサイド駆動回路と、前記ローサイドスイッチング素子を駆動するローサイド駆動回路とを備えた負荷駆動回路のためのブートストラップ回路であって、
前記ブートストラップ回路は、
充電された電圧を前記ハイサイド駆動回路に印加するコンデンサと、
前記電源端子と前記コンデンサの両端とに接続される電圧調整回路とを備え、
前記電圧調整回路は、前記電源端子を介して得られた電流により前記コンデンサを充電し、前記コンデンサが所定の電圧まで充電されたとき、前記電源端子から前記コンデンサへの電流パスを切断することを特徴とするブートストラップ回路。
【請求項２】
前記電圧調整回路は、第１及び第２のトランジスタと、抵抗と、ツェナーダイオードとを備え、
前記電圧調整回路は、前記コンデンサが前記ツェナーダイオードの逆方向電圧まで充電されたとき、前記電源端子から前記コンデンサへの電流パスを切断することを特徴とする請求項１記載のブートストラップ回路。
【請求項３】
前記第１のトランジスタのゲートならびに第２のトランジスタのゲート及びドレインは、互いに接続され、かつ、前記抵抗を介して前記電源端子に接続され、
前記第１のトランジスタのドレインは前記電源端子に接続され、前記第１のトランジスタのソースは、前記コンデンサを介して、前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の間のノードに接続され、
前記第２のトランジスタのソースは、前記ツェナーダイオードを介して、前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の間のノードに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノードは前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の間のノードに接続され、前記ツェナーダイオードのカソードは前記第２のトランジスタのソースに接続され、
前記第１のトランジスタ及び前記コンデンサの間のノードの電圧が前記ハイサイド駆動回路に印加されることを特徴とする請求項２記載のブートストラップ回路。
【請求項４】
前記電圧調整回路は、前記ローサイド駆動回路から発生されたローサイド駆動信号に従って動作し、前記ローサイド駆動信号がハイレベルになったとき、前記コンデンサへの充電を開始し、前記コンデンサを充電する充電電流を予め決められた時間にわたって増加させることを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載のブートストラップ回路。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの１つに記載のブートストラップ回路と、
電源端子及び接地端子の間に互いに直列に接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子と、
前記ハイサイドスイッチング素子を駆動するハイサイド駆動回路と、
前記ローサイドスイッチング素子を駆動するローサイド駆動回路とを備えることを特徴とする負荷駆動回路。
【請求項６】
請求項５記載の負荷駆動回路と、
前記負荷駆動回路から電力供給を受けるモータとを備えることを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項７】
請求項６記載のモータ駆動システムを備えることを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
請求項６記載のモータ駆動システムを備えることを特徴とする搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブートストラップ回路、負荷駆動回路、モータ駆動システム、画像形成装置、及び搬送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーム回路あるいはハーフブリッジ回路は、高電位側に配置されたハイサイドスイッチング素子と、低電位側に配置されたローサイドスイッチング素子とを備えている。一般に、ハイサイドスイッチング素子を駆動するために、これを駆動するハイサイド駆動回路の電源を、ハイサイドスイッチング素子の電位（ＭＯＳＦＥＴであればソース電位、ＩＧＢＴであればエミッタ電位）よりも一定電位だけ高くする必要がある。
【０００３】
この電圧を印加するための方式の１つとして、例えば特許文献１及び２に開示されたような、ブートストラップ回路がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のブートストラップ回路は、低電圧のＶＤＤと、ブートストラップダイオード（ＢＳＤ）とを用いて構成され、ハイサイド駆動電圧が「ＶＤＤ−（ＢＳＤの順方向電圧）」になってしまうという欠点がある。
【０００５】
そこで、別のブートストラップ回路として、ブートストラップダイオードを使用せず、高電圧のメイン電源からハイサイド駆動電圧を生成する方式が既に知られている。
【０００６】
しかし、ブートストラップダイオードを使用せず、高電圧のメイン電源からハイサイド駆動電圧を生成する従来のブートストラップ回路では、ＰＷＭのデューティ比が大きいときにハイサイド駆動電圧が下がってしまうという問題があった。一方、ハイサイド駆動電圧が下がらないように充電電流を大きくした場合には、ＰＷＭのデューティ比が小さいときに消費電流が大きくなってしまい、現実的ではないという問題があった。
【０００７】
本発明は、ブートストラップダイオードを省略したブートストラップ回路であって、ハイサイド駆動電圧の低下の問題に対処する新たなブートストラップ回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、
電源端子及び接地端子の間に互いに直列に接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子と、前記ハイサイドスイッチング素子を駆動するハイサイド駆動回路と、前記ローサイドスイッチング素子を駆動するローサイド駆動回路とを備えた負荷駆動回路のためのブートストラップ回路であって、
前記ブートストラップ回路は、
充電された電圧を前記ハイサイド駆動回路に印加するコンデンサと、
前記電源端子と前記コンデンサの両端とに接続される電圧調整回路とを備え、
前記電圧調整回路は、前記電源端子を介して得られた電流により前記コンデンサを充電し、前記コンデンサが所定の電圧まで充電されたとき、前記電源端子から前記コンデンサへの電流パスを切断することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ブートストラップダイオードを省略したブートストラップ回路であって、ハイサイド駆動電圧の低下の問題に対処する新たなブートストラップ回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図２】第２の実施形態に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図３】第１の比較例に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図４】第２の比較例に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図５】第３の実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。
【図６】第４の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す概略図である。
【図７】第５の実施形態に係る搬送装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。図１の負荷駆動回路は、ＰＷＭ回路１、ハイサイド駆動回路２、ローサイド駆動回路３、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１、ローサイドスイッチング素子ＳＷ２、電圧調整回路４、及びコンデンサＣ１を備える。ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１のドレインは、電源電圧ＶＩＮのノード（すなわち電源端子）に接続される。ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１のソース及びローサイドスイッチング素子ＳＷ２のドレインは互いに接続される。ローサイドスイッチング素子ＳＷ２のソースは接地される。ＰＷＭ回路１は、ＰＷＭ信号ＰＷＭ＿Ｈ及びＰＷＭ＿Ｌを発生してハイサイド駆動回路２及びローサイド駆動回路３にそれぞれ送る。ハイサイド駆動回路２は、ＰＷＭ信号ＰＷＭ＿Ｈに従ってハイサイドスイッチング素子ＳＷ１を駆動する。ローサイド駆動回路３は、ＰＷＭ信号ＰＷＭ＿Ｌに従ってローサイドスイッチング素子ＳＷ２を駆動する。図１の負荷駆動回路は、電源電圧ＶＩＮから、モータなどの負荷を駆動するための出力電圧ＶＯＵＴを発生する。
【００１３】
電圧調整回路４及びコンデンサＣ１は、負荷駆動回路のためのブートストラップ回路を構成する。コンデンサＣ１は、充電された電圧をハイサイド駆動回路２に印加するブートストラップコンデンサである。電圧調整回路４は、電源電圧ＶＩＮのノードとコンデンサＣ１の両端とに接続される。
【００１４】
電圧調整回路４は、トランジスタＭ１，Ｍ２、抵抗Ｒ１、及びツェナーダイオードＺＤ１を備える。トランジスタＭ１のゲートならびにトランジスタＭ２のゲート及びドレインは、互いに接続され、かつ、抵抗Ｒ１を介して電源電圧ＶＩＮのノードに接続される。トランジスタＭ１のドレインは電源電圧ＶＩＮのノードに接続され、トランジスタＭ１のソースは、コンデンサＣ１を介して、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１及びローサイドスイッチング素子ＳＷ２の間のノードに接続される。トランジスタＭ２のソースは、ツェナーダイオードＺＤ１を介して、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１及びローサイドスイッチング素子ＳＷ２の間のノードに接続される。ツェナーダイオードＺＤ１のアノードはハイサイドスイッチング素子ＳＷ１及びローサイドスイッチング素子ＳＷ２の間のノードに接続され、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードはトランジスタＭ２のソースに接続される。トランジスタＭ１及びコンデンサＣ１の間のノードの電圧がハイサイド駆動回路２に印加される。
【００１５】
電圧調整回路４は、電源電圧ＶＩＮのノードを介して得られた電流によりコンデンサＣ１を充電し、コンデンサＣ１の電圧がツェナーダイオードＺＤ１の逆方向電圧Ｖｚまで高くなった後に、電源電圧ＶＩＮのノードからコンデンサＣ１への電流パスを切断する。
【００１６】
電圧調整回路４及びコンデンサＣ１により、ブートストラップダイオードを含まないブートストラップ回路を実現することができる。
【００１７】
図１の回路によれば、コンデンサＣ１の充電状態によって、コンデンサＣ１の充電電流が変化する。コンデンサＣ１の電圧が低い時は充電能力が高いが、コンデンサＣ１の電圧がツェナーダイオードＺＤ１の逆方向電圧Ｖｚまで上がると、コンデンサＣ１への電流パスが切断される。これにより、ハイサイド駆動電圧の低下を防止することができる。
【００１８】
図１の回路でも、抵抗Ｒ１により決まる電流を充電完了後もツェナーダイオードＺＤ１に流すが、電位を決めるため用いているので、高抵抗で十分であり、消費電流は少ない。
【００１９】
図１の回路によれば、簡単な構成で電圧調整回路４を提供することができる。
【００２０】
第２の実施形態．
図２は、第２の実施形態に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。図２の負荷駆動回路は、図１の電圧調整回路４に代えて、電圧調整回路４Ａを備える。電圧調整回路４Ａは、図１の電圧調整回路４の構成要素に加えて、ダイオードＤ１、スイッチング素子ＳＷ１１、及びワンショット回路１１を備える。ダイオードＤ１は、ツェナーダイオードＺＤ１と、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１及びローサイドスイッチング素子ＳＷ２の間のノードとの間に接続される。スイッチング素子ＳＷ１１は、ダイオードＤ１に並列に接続され、ワンショット回路１１の制御下で動作する。ワンショット回路１１には、ＰＷＭ回路１から、ローサイド駆動回路のためのＰＷＭ信号ＰＷＭ＿Ｌが入力される。
【００２１】
電圧調整回路４は、ローサイド駆動回路３から発生されたＰＷＭ信号ＰＷＭ＿Ｌに従って動作し、ＰＷＭ信号ＰＷＭ＿Ｌがハイレベルになったとき、コンデンサＣ１への充電を開始し、コンデンサＣ１を充電する充電電流を予め決められた時間にわたって増加させる。図２の回路では、コンデンサＣ１への充電を開始した直後の一定時間にわたって、充電能力を高くしている。図１の回路では、コンデンサＣ１の電圧がツェナーダイオードＺＤ１の逆方向電圧Ｖｚに近づくと充電能力が低くなり、ＰＷＭのデューティ比が大きい場合（すなわち、充電時間が短い場合）にハイサイド駆動電圧が所望の電圧を下回る場合がある。そのため、ワンショット回路１１は、コンデンサＣ１への充電を開始した直後の一定時間にわたって、スイッチング素子ＳＷ１１をオフする信号を生成する。これにより、ダイオードＤ１により電位差が大きくなり充電能力が上がるので、ＰＷＭのデューティ比が大きい場合でも、ハイサイド駆動電圧が所望の電圧を下回ることを防ぐ。
【００２２】
充電開始直後の一定時間のみ充電能力を上げることにより、ＰＷＭのデューティ比が大きい場合にはハイサイド駆動電圧の降下を防ぐことができ、ＰＷＭのデューティ比が小さい場合には消費電流の増加を防ぐことができる。
【００２３】
図２のダイオードＤ１に代えて、ダイオード接続されたトランジスタを用いてもよく、抵抗を用いてもよい。
【００２４】
ここで、図３及び図４を参照して、第１及び第２の実施形態に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の効果について説明する。
【００２５】
図３は、第１の比較例に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。図３は、ブートストラップダイオードを使用していない従来のブートストラップ回路を示す。この回路の場合、抵抗Ｒ１で決まる電流によりコンデンサＣ１を充電するが、コンデンサＣ１の充電完了後も、ツェナーダイオードＺＤ１に同じ電流を流し続ける。そのため、ＰＷＭのデューティ比が大きい場合、ハイサイド駆動電圧を所望の電圧より下回らないようにするためには抵抗値を下げる必要があるが、そうすると、ＰＷＭのデューティ比が小さい場合に消費電流が非常に大きくなってしまい、現実的ではない。
【００２６】
図４は、第２の比較例に係るブートストラップ回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。図6は、ブートストラップダイオードを備え、低い電源電圧ＶＤＤを用いた従来のブートストラップ回路を示す。この回路の場合、コンデンサＣ１の充電後のハイサイド駆動電圧はＶＤＤ−Ｖｆとなってしまい、十分な駆動電圧を確保できない場合がある。
【００２７】
図１及び図２の回路によれば、図３及び図４の回路の問題点を解決し、ハイサイド駆動電圧の低下の問題に対処することができる。
【００２８】
第３の実施形態．
図５は、第３の実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。図５のモータ駆動システムは、直流のモータ２１を正及び負の方向に駆動するために、図１の負荷駆動回路を２組備えた構成を有する。図５のモータ駆動システムは、ＰＷＭ回路１Ａ、ハイサイド駆動回路２−１，２−２、ローサイド駆動回路３−１，３−２、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１−１，ＳＷ１−２、ローサイドスイッチング素子ＳＷ２−１，ＳＷ２−２、電圧調整回路４−１，４−２、コンデンサＣ１−１，Ｃ１−２、及びモータ２１を備える。ハイサイド駆動回路２−１、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１−１、ローサイド駆動回路３−２、ローサイドスイッチング素子ＳＷ２−２、電圧調整回路４−１、及びコンデンサＣ１−１は、モータＭを例えば正の向きに駆動する。ハイサイド駆動回路２−２、ハイサイドスイッチング素子ＳＷ１−２、ローサイド駆動回路３−１、ローサイドスイッチング素子ＳＷ２−１、電圧調整回路４−２、及びコンデンサＣ１−２は、モータＭを例えば負の向きに駆動する。
【００２９】
図５のモータ駆動システムは、図１の負荷駆動回路を備えたことにより、ハイサイド駆動電圧の低下が生じにくくなっているので、モータ２１を正確に駆動することができる。
【００３０】
モータ駆動システムは、図１の負荷駆動回路に代えて、図２の負荷駆動回路を備えてもよい。
【００３１】
図５のモータ駆動システムは、例えば第４及び第５の実施形態で説明する画像形成装置又は搬送装置において用紙を搬送するために使用可能である。
【００３２】
第４の実施形態．
図６は、第４の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す概略図である。画像形成装置１００は、原稿読取装置１１１及び本体１２０を備える。本体１２０は、感光体１１２ａ〜１１２ｄ、定着部１１３、転写ベルト１１４、転写ローラ１１５，１２１、搬送ローラ１１６，１１８、給紙ローラ１１７、用紙１１９、排紙トレー１２２、センサ１２３、及びローラ１３０，１５２，１５５，１５６などを備える。第３の実施形態に係るモータ駆動システムは、用紙１１９を搬送するための給紙ローラ１１７及び搬送ローラ１１６，１１８などに適用可能である。
【００３３】
第５の実施形態．
図７は、第５の実施形態に係る搬送装置の構成を示す概略図である。搬送装置２００は、モータ２１−１，２１−２、搬送ローラ２０１，２０２、及び制御装置２１０を備える。第３の実施形態に係るモータ駆動システムは、プリプレグ、プラスチックシート、紙幣等のシートを搬送する搬送装置において、搬送ローラを駆動するモータ等に用いるものであってもよい。
【００３４】
第３の実施形態に係るモータ駆動システムは、画像形成装置及び搬送装置だけでなく、自動車、ロボット、アミューズメント機器等の他の分野の装置に適用されてもよい。
【００３５】
本発明の態様に係るブートストラップ回路、負荷駆動回路、モータ駆動システム、画像形成装置、及び搬送装置は、以下の構成を備えたことを特徴とする。
【００３６】
第１の態様に係るブートストラップ回路によれば、
電源端子及び接地端子の間に互いに直列に接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子と、前記ハイサイドスイッチング素子を駆動するハイサイド駆動回路と、前記ローサイドスイッチング素子を駆動するローサイド駆動回路とを備えた負荷駆動回路のためのブートストラップ回路であって、
前記ブートストラップ回路は、
充電された電圧を前記ハイサイド駆動回路に印加するコンデンサと、
前記電源端子と前記コンデンサの両端とに接続される電圧調整回路とを備え、
前記電圧調整回路は、前記電源端子を介して得られた電流により前記コンデンサを充電し、前記コンデンサが所定の電圧まで充電されたとき、前記電源端子から前記コンデンサへの電流パスを切断することを特徴とするブートストラップ回路。
【００３７】
第２の態様に係るブートストラップ回路によれば、第１の態様に係るブートストラップ回路において、
前記電圧調整回路は、第１及び第２のトランジスタと、抵抗と、ツェナーダイオードとを備え、
前記電圧調整回路は、前記コンデンサが前記ツェナーダイオードの逆方向電圧まで充電されたとき、前記電源端子から前記コンデンサへの電流パスを切断することを特徴とする。
【００３８】
第３の態様に係るブートストラップ回路によれば、第２の態様に係るブートストラップ回路において、
前記第１のトランジスタのゲートならびに第２のトランジスタのゲート及びドレインは、互いに接続され、かつ、前記抵抗を介して前記電源端子に接続され、
前記第１のトランジスタのドレインは前記電源端子に接続され、前記第１のトランジスタのソースは、前記コンデンサを介して、前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の間のノードに接続され、
前記第２のトランジスタのソースは、前記ツェナーダイオードを介して、前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の間のノードに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノードは前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の間のノードに接続され、前記ツェナーダイオードのカソードは前記第２のトランジスタのソースに接続され、
前記第１のトランジスタ及び前記コンデンサの間のノードの電圧が前記ハイサイド駆動回路に印加されることを特徴とする。
【００３９】
第４の態様に係るブートストラップ回路によれば、第１〜第３の態様のうちの１つの態様に係るブートストラップ回路において、
前記電圧調整回路は、前記ローサイド駆動回路から発生されたローサイド駆動信号に従って動作し、前記ローサイド駆動信号がハイレベルになったとき、前記コンデンサへの充電を開始し、前記コンデンサを充電する充電電流を予め決められた時間にわたって増加させる。
【００４０】
第５の態様に係る負荷駆動回路によれば、
第１〜第４の態様のうちの１つに記載のブートストラップ回路と、
電源端子及び接地端子の間に互いに直列に接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子と、
前記ハイサイドスイッチング素子を駆動するハイサイド駆動回路と、
前記ローサイドスイッチング素子を駆動するローサイド駆動回路とを備えることを特徴とする。
【００４１】
第６の態様に係るモータ駆動システムによれば、
第５の態様に係る負荷駆動回路と、
前記負荷駆動回路から電力供給を受けるモータとを備えることを特徴とする。
【００４２】
第７の態様に係る画像形成装置によれば、第６の態様に係るモータ駆動システムを備えることを特徴とする。
【００４３】
第８の態様に係る搬送装置によれば、第６の態様に係るモータ駆動システムを備えることを特徴とする。
【符号の説明】
【００４４】
１，１Ａ…ＰＷＭ回路、
２，２−１，２−２…ハイサイド駆動回路、
３，３−１，３−２…ローサイド駆動回路、
４，４−１，４−２，４Ａ…電圧調整回路、
１１…ワンショット回路、
２１，２１−１，２１−２…モータ、
Ｃ１，Ｃ１−１，Ｃ１−２…コンデンサ、
Ｄ１…ダイオード、
Ｍ１，Ｍ２…トランジスタ、
Ｒ１…抵抗、
ＳＷ１，ＳＷ１−１，ＳＷ１−２…ハイサイドスイッチング素子、
ＳＷ２，ＳＷ２−１，ＳＷ２−２…ローサイドスイッチング素子、
ＳＷ１１…スイッチング素子、
ＺＤ１…ツェナーダイオード、
１００…画像形成装置、
１１１…原稿読取装置、
１１２ａ〜１１２ｄ…感光体、
１１３…定着部、
１１４…転写ベルト、
１１５，１２１…転写ローラ、
１１６，１１８…搬送ローラ、
１１７…給紙ローラ、
１１９…用紙、
１２０…本体、
１２２…排紙トレー、
１２３…センサ、
１３０，１５２，１５５，１５６…ローラ、
２００…搬送装置、
２０１，２０２…搬送ローラ、
２１０…制御装置。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４５】
【特許文献１】特許第５５８２１１５号公報
【特許文献２】特許第５６１５４３５号公報
【図１】
2017169090.tif 000003
【図２】
2017169090.tif 000004
【図３】
2017169090.tif 000005
【図４】
2017169090.tif 000006
【図５】
2017169090.tif 000007
【図６】
2017169090.tif 000008
【図７】
2017169090.tif 000009