JP2005140562A - 指示計器および初期化駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステッピングモータの脱調リセットを不要な脱調をおこすことなく確実に行なえるようにする。
【解決手段】 ステッピングモータの回転出力を減速ギア機構を介して指針４に伝達して指針を回動させるようにした指示計器であって、指針の回動を機械的に停止するストッパ機構５によって指針の回動が停止された際に指針が指示する位置に対して、指針を所定角度回動させた際に指針が指示する位置を目盛開始位置（目盛０）とする。指針４を離零方向へ所定角度（例えば１度）移動するようにステッピングモータを駆動した後に、指針４を帰零方向へ移動するようにステッピングモータを駆動し、ステッピングモータの回転を機械的に停止させるストッパ機構によってステッピングモータの回転が停止されたことを検出した後に、指針４をストッパ機構５から離れる方向へ所定角度回動させるようにステッピングモータを駆動する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ステッピングモータを指針の駆動源として用いる指示計器およびステッピングモータの脱調状態をリセットする初期化駆動装置に関する。

ステッピングモータを指針の駆動源として用いる指示計器では、脱調リセットを行なうために、指針を帰零位置に向け回動させストッパ機構によって指針を帰零位置で停止させることで、指針の基準位置を設定している。指針が移動している間すなわちステッピングモータのマグネットロータが回転している間は、界磁巻線に誘起電圧が生ずる。指針が帰零位置で停止しマグネットロータの回転が停止したときは、界磁巻線に誘起電圧が生じない。そこで、ステッピングモータを帰零方向へ駆動する過程において、ステッピングモータの界磁巻線を無励磁状態に切り替え、界磁巻線に生ずる誘起電圧が所定のしきい値電圧以下になったときに指針が帰零位置に達したものと判定し、脱調リセット動作を終了させている。
特開２００１−３１４０９９号公報 特開２００２−２５０６４１号公報 特開２００３−１５８８９４号公報

従来の指示計器は、ストッパ機構によって指針の回動が機械的に停止される位置を指針の基準位置とし、その基準位置を目盛のゼロ位置としている。そして、指針の回動が機械的に停止される位置（ストッパに被駆動部材を押し付けた状態）でステッピングモータの駆動出力を停止し、脱調リセット動作を終了している。このため、停止位置でギアの遊び分が若干発生した場合など、ギアバックラッシュによって本来停止するべき被駆動部材の位置が、ギアの遊び分ずれ脱調をおこす可能性がある。

本発明はこのような課題を解決するためなされたもので、脱調リセット動作終了時に被駆動部材の不要な動きを低減することができ、脱調リセット後に脱調してしまうのを防ぐことができる指示計器および初期化駆動装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため本発明に係る指示計器は、ステッピングモータの回転出力を減速ギア機構を介して指針に伝達して指針を回動させるようにした指示計器であって、指針の回動を機械的に停止するストッパ機構によって指針の回動が停止された際に指針が指示する位置に対して、指針を所定角度回動させた際に指針が指示する位置を目盛開始位置としたものである。

本発明に係る初期化駆動装置は、ステッピングモータの回転動作に連動して回動される指針の回動方向が、ストッパ機構によって指針の回動が機械的に停止される位置へ向う方向となるようにステッピングモータを駆動し、ストッパ機構によってステッピングモータの回転が停止されたことを検出した後に、指針の回動が機械的に停止される位置から離れる方向へ指針を所定角度だけ回動するようにステッピングモータを駆動することを特徴とする。

本発明に係る指示計器は、ストッパ機構によって指針の回動が停止された際に指針が指示する位置に対して目盛のゼロ位置を所定角度ずらしている。このため、脱調リセット動作は、ストッパ機構によって指針の回動が停止される位置へ向う方向へステッピングモータを駆動し、指針の回動がストッパ機構によって機械的に停止された位置から指針を目盛のゼロ位置へ移動するようステッピングモータを駆動することになる。これにより、ギアバックラッシュ等によって脱調をおこすことを防止できる。

本発明に係る初期化駆動装置は、ストッパ機構によってステッピングモータの回転が停止されたことを検出した後に、指針の回動が機械的に停止される位置から離れる方向へ指針を所定角度だけ回動させるので、ギアバックラッシュ等によって脱調をおこすことを防止できる。

以下、発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明する。

図１は本発明に係る指示計器の模式構造およびブロック構成を示す図である。本実施例では、指示計器として車両用のスピードメータ（車速計）について説明する。指示計器１は、２相式のステッピングモータ２と、減速ギア機構３を介して回動される指針４と、指針４の回動を停止させるストッパ機構５と、ＣＰＵ部６と、誘起電圧検出回路７とからなる。指示計器１はバッテリ８から電源の供給を受けて動作する。ＣＰＵ部６は電源回路等を備えている。ＣＰＵ部６は、イグニッションスイッチ９がオン状態にあるときは、車速センサ１０の検出出力に基づいてステッピングモータ２を駆動し、図示しない目盛盤の車速に対応した目盛位置に指針４を回動させる。

ステッピングモータ２は、Ｓ相コイル（界磁巻線）２１とＣ相コイル（界磁巻線）２２とを備えるステータ（図示しない）と、マグネットロータ２３とを備える。マグネットロータ２３の外周面には、Ｎ極とＳ極とが交互に多数着磁されている。

減速ギア機構３は、入力段ギア３１と、第１の中間ギア３２と、第２の中間ギア３３と、出力段ギア３４とを備える。マグネットロータ２３の回転は入力段ギア３１へ伝達され、各中間ギア３２，３３を介して出力段ギア３４へ伝達される。出力段ギア３４の回動に伴って指針４が回動される。

ストッパ機構５は、出力段ギア３４に取り付けられたストッパ部材５１と、ストッパ部材５１が当接することで指針４の帰零方向への回動を阻止する係止アーム５２とから構成している。なお、ストッパ機構５は、図示しない目盛盤に突起を設け、この突起に指針４が当接することで、指針４の帰零方向への回動を阻止する構造でもよい。ストッパ機構５によって指針４の帰零方向への回動が阻止された状態では、各ギア３１〜３４およびマグネットロータ２３の回動も阻止される。

指示計器１は、指針４の回動を機械的に停止するストッパ機構５によって指針４の回動が停止された際に指針４が指示する位置に対して、指針を所定角度回動させた際に指針が指示する位置を目盛開始位置としている。すなわち、ストッパ機構５によって指針４の回動が停止された位置が車速０キロメートルの目盛位置ではなく、その位置から指針４を所定角度（例えば０．５度）移動させた位置を車速０キロメートルの目盛位置としている。そして、指示計器１の目盛盤には、ストッパ機構によって指針の回動が停止された際に指針が指示する位置に対して、指針を所定角度回動させた際に指針が指示する位置を目盛開始位置として目盛が付けられている。

ＣＰＵ部６は、マイクロコンピュータシステムを用いて構成されており、車速指示制御手段６１と、ＰＷＭ信号生成手段６２と、ＰＷＭ信号の出力回路６３と、脱調リセット動作を制御する帰零処理手段６４等を備える。

車速指示制御手段６１は、イグニッションスイッチ９がオン状態にあるときに、車速センサ１０から供給される車速信号に基づいて指針４の回動方向および回動角度を演算し、ＰＷＭ信号生成手段６２を介してステッピングモータ２を駆動し、図示しない目盛盤の車速に対応した目盛位置に指針４を回動させる。

ＰＷＭ信号生成手段６２は、Ｓ相コイル２１の一端側および他端側に供給する擬似正弦波の各ＰＷＭ信号、ならびに、Ｃ相コイル２２の一端側および他端側に供給する擬似余弦波の各ＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号生成手段６２によって生成された４系統のＰＷＭ信号は、出力回路６３を介して各出力ポートＰ１〜Ｐ４へ供給される。

出力回路６３は、高レベル（電源電圧レベル）の電圧を出力するトランジスタ等のスイッチング素子と、グランドレベルの電圧を出力するトランジスタ等のスイッチング素子とが電源に対して直列に接続された回路が、各出力ポートＰ１〜Ｐ４に対応してそれぞれ設けられている。この出力回路６３は、各スイッチング素子をともにオフ状態に駆動することで、出力ポートを開放（高インピーダンス）状態にすることができる。

本実施例では、出力ポートＰ１からＳｉｎ＋側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ＋が出力され、このＳｉｎ＋側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ＋はＳ相コイル２１の一端側に供給される。出力ポートＰ２からＳｉｎ−側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ−が出力され、このＳｉｎ−側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ−はＳ相コイル２１の他端側に供給される。出力ポートＰ３からＣｏｓ＋側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ＋が出力され、このＣｏｓ＋側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ＋はＣ相コイル２２の一端側に供給される。出力ポートＰ４からＣｏｓ−側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ−が出力され、このＣｏｓ−側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ−はＣ相コイル２２の他端側に供給される。

帰零処理手段６４は、イグニッションスイッチ９がオフに操作されたとき、およびイグニッションスイッチ９がオンに操作されたとき、ならびに、バッテリ８が接続されたときに、指針４を目盛の零（基準）位置に復帰させる処理（脱調リセット処理）を行なう。帰零処理手段６４は、Ｃ相コイル２２の一端側を開放状態に制御する出力ポート開放制御手段６５と、誘起電圧検出回路７の出力に基づいてマグネットロータ２３の回転が停止されたことを検出し、これにより指針４がストッパ位置に復帰したと判定するストッパ位置判定手段６６を備える。

誘起電圧検出回路７は、Ｃ相コイル２２に誘起された誘起電圧に重畳されている高周波ノイズ成分を軽減または除去するための低域通過特性を有するフィルタ回路７１と、誘起電圧と予め設定したしきい値電圧とを比較して２値出力を発生する電圧比較器７２とを備える。電圧比較器７２の２値出力は、入力ポートＰ５を介してＣＰＵ部６内の帰零処理手段６４へ供給される。

図２はＰＷＭ信号の説明図であり、（ａ）はＳｉｎ＋側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ＋を示し、（ｂ）はＳｉｎ−側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ−を示し、（ｃ）はＳ相コイルに印加される信号を示している。（ｄ）はＣｏｓ＋側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ＋を示し、（ｅ）はＣｏｓ−側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ−を示し、（ｆ）はＣ相コイルに印加される信号を示している。

本実施例では、デューティ比が０パーセントの期間（Ｌレベルの期間）と、デューティ比が５０パーセントの期間（パルス状に示した期間）と、デューティ比が１００パーセントの期間（Ｈレベルの期間）との３段階を用いることで、Ｓ相コイル２１に略正弦波形の信号が供給され、Ｃ相コイル２２に略余弦波形の信号が供給されるようにしている。

指針４を離零方向に回動させる場合には、図２に示した電気角が増加する方向に各ＰＷＭ信号が生成・出力され、指針４を帰零方向に回動させる場合には、図２に示した電気角が減少する方向に各ＰＷＭ信号が生成・出力される。本実施例では、電気角３６０度が指針回転角度２度に対応する。なお、電気角と指針回転角度との関係は、ステッピングモータのステップ角度とステッピングモータの駆動方法と減速ギア機構の減速比とによって定まる。

本実施例では、誘起電圧の検出をＣ相側の各ＰＷＭ信号Ｃｏｓ＋，Ｃｏｓ−がともにＬレベル（グランドレベル）となる期間、すなわち、図２に示した電気角が９０度から４５度の範囲で行なう。より具体的には、誘起電圧の検出を図２に示した電気角が９０度から６７．５度の範囲で行なう。

図１に示した出力ポート開放制御手段６５は、図２に示した電気角が９０度になった時点でＰＷＭ信号Ｃｏｓ＋を出力する出力ポートＰ３を高インピーダンスに制御する。これにより、Ｃ相コイル２２の一端側が開放（オープン）状態となる。マグネットロータ２３が回動していれば、その回転速度に応じて磁束変化が発生しているので、磁束変化に応じて誘起電圧がＣ相コイル２２に発生する。

図３は誘起電圧検出回路の動作を説明する図である。（ａ）はＣ相コイル２２に発生した誘起電圧の波形を示し、（ｂ）はフィルタ回路７１の出力を示し、（ｃ）は電圧比較器７２の出力を示す。図３（ａ）に示すように、誘起電圧には高周波のノイズが重畳されていることがあるが、フィルタ回路７１によってノイズが除去される。電圧比較器７２は、図３（ｂ）に示すノイズが除去された誘起電圧と予め設定したしきい値電圧とを比較し、図３（ｃ）に示すように誘起電圧がしきい値電圧を越えている期間はＨレベルの出力を発生する。

図４は誘起電圧検出のタイミングチャートである。（ａ）はＳ相側のＰＷＭ信号Ｓｉｎ＋を示し、（ｂ）は出力ポートＰ３の開放期間を示している。（ｃ）は指針が回動中である場合の誘起電圧を示し、（ｄ）は指針が回動中である場合の電圧比較器の出力を示している。（ｅ）は指針が停止している場合の誘起電圧を示し、（ｆ）は指針が停止している場合の電圧比較器の出力を示している。

指針４を帰零方向に回動するようにステッピングモータ２を駆動している状態で、電気角が９０度から６７．５度までの間、出力ポートＰ３の高インピーダンス状態にして、Ｃ相コイル２２の一端側を開放状態にする。なお、本実施例では、指針の帰零処理時には電気角４５度を２ミリ秒で駆動しているので、出力ポートＰ３を高インピーダンス状態にする時間は１ミリ秒である。

図４（ｃ）および図４（ｅ）で点線はＣ相側のＰＷＭ信号Ｃｏｓ＋を示しており、誘起電圧は実線で示している。Ｃ相コイル２２には、出力ポートＰ３の開放に伴う過渡電圧が一時的に生ずることがあるが、その後はマグネットロータ２３の回動に伴う磁束変化に応じた誘起電圧が発生する。図４（ｃ）に示すように、指針が帰零途中にあり、マグネットロータ２３が回動している状態では、磁束変化に応じた誘起電圧が発生し、その誘起電圧はしきい値電圧を越えるので、図４（ｄ）に示すように、電圧比較器７２の出力はＨレベルとなる。

図１に示したストッパ位置判定手段６６は、出力ポートＰ３の開放を停止する直前のタイミングで電圧比較器７２の出力を取り込む。なお、ストッパ位置判定手段６６は、出力ポートＰ３の開放期間の後半において、電圧比較器７２の出力を所定の時間間隔で複数回に亘って取り込むようにしてもよい。ストッパ位置判定手段６６は、電圧比較器７２の出力がＨレベルである場合は、指針４が回動中であるものと判断し、帰零処理を継続する。

指針の回動がストッパ機構５によって停止され、マグネットロータ２３の回動も停止している状態では、磁束変化が生じない。そのため、図４（ｅ）に示すように、誘起電圧は発生しないので、図４（ｆ）に示すように、電圧比較器７２の出力はＬレベルとなる。

図１に示したストッパ位置判定手段６６は、出力ポートＰ３の開放を停止する直前のタイミングで電圧比較器７２の出力を取り込み、Ｌレベルであれば指針４がストッパ位置に復帰したものと判断し、ステッピングモータ２の駆動を停止する。

図５は帰零処理（脱調リセット処理）のフローチャートである。帰零処理手段６４は、ＰＷＭ信号生成手段６２を介して初期角度のＰＷＭ信号（ステッピングモータ駆動信号）を所定時間（例えば１００ミリ秒）に亘って出力させる（ステップＳ１）。次に、帰零処理手段６４は、指針を離零させる方向にステッピングモータ２を駆動し、指針を１度分だけ上昇させる（ステップＳ２）。次に、帰零処理手段６４は、指針４を帰零させる方向（ストッパ機構に向う方向）にステッピングモータ２を駆動する（ステップＳ３）。そして、Ｓｉｎ＋側のＰＷＭ信号を出力しているタイミングで、Ｃｏｓ＋側の出力ポートＰ３を開放（高インピーダンス）状態にする（ステップＳ４，Ｓ５）。入力ポートＰ５から誘起電圧検出出力（電圧比較器７２の出力）を取り込み（ステップＳ６）、その論理レベルがＨレベルであれば指針回動中であると判定し（ステップＳ７，Ｓ８）、Ｃｏｓ＋側の出力ポートＰ３をＰＷＭ信号の出力状態に戻して（ステップＳ９）、指針の帰零方向への駆動を継続する。ステップＳ７で誘起電圧検出出力（電圧比較器７２の出力）がＬレベルであれば、指針がストッパ位置に達したものと判断し（ステップＳ１０）、Ｃｏｓ＋側の出力ポートＰ３をＰＷＭ信号の出力状態に戻し（ステップＳ１１）、指針４をストッパ位置から離れる方向へステッピングモータ２を駆動し、指針４を所定角度（例えば０．５度）分だけ上昇させる。これにより、指針４は目盛０の位置を指示することになる（ステップＳ１２）。

図６は帰零処理（脱調リセット処理）時の指針の動きを示す図である。図６（ａ）は帰零処理を開始する前の指針４の位置を示している。なお、図６では、指針４が目盛０を指示している状態から脱調リセット処理を行なう場合を示している。帰零処理が開始されると、図６（ｂ）に示すように、指針４は離零方向へ１度分上昇された後に、図６（ｃ）に示すように、指針４は帰零方向（ストッパ方向）へ移動される。そして、ストッパ機構５によって指針４の帰零方向への回動（ステッピングモータの回動）が停止されたことが検出されると、ステッピングモータ２の帰零方向への駆動が停止される。次に、図６（ｄ）に示すように、指針４はストッパから離れる方向へ所定角度だけ移動される。これにより、指針４は図示しない目盛盤の車速０の目盛位置を指し示す。

図７は帰零処理（脱調リセット処理）時のステッピングモータ駆動信号の説明図である。図７において横軸は時間を示し、縦軸はステッピングモータ駆動信号の電気角（回路出力角度）を示している。ここでは、指針が目盛０位置を指す位置（ギヤの遊びが発生しない位置）を初期出力角度とし、脱調リセット開始時の初期出力角度と処理終了時に停止する回路出力角度が同じ位置になるようにする。そのため、指針がストッパに当接し停止してから、指針が初期出力角度に対応する位置へ戻るよう上昇させる制御を取り入れている。

具体的には、脱調リセット処理の開始時（時点ｔ１）で初期出力角度として例えば電気角１３５度のステッピングモータ駆動信号を出力して所定時間保持し、時点ｔ２から時点ｔ３で指針４を１度分上昇させるようにステッピングモータを駆動し、時点ｔ４から指針４をストッパ機構に向う方向へ移動させる。そして、時点ｔ５を過ぎた時点で指針４の回動がストッパ機構５によって停止されたことを検出すると、その検出時点から電気角３６０度分のステッピングモータ駆動信号を出力し、時点ｔ６から時点ｔ７で減速を行なってステッピングモータ駆動信号の出力を停止する（電気角を保持する）。指針４の回動がストッパ機構５によって停止されている位置で、ステッピングモータ駆動信号の出力を停止する（電気角を保持する）と、ギアの遊びによって脱調をおこす虞れがある。そこで、時点ｔ８から時点ｔ９で、ステッピングモータ駆動信号を初期出力角度１３５度へ戻す。

なお、指針を１度分離零させた後に指針を帰零させる例を示したが、帰零開始に先立って指針を離零方向へ移動する角度は、ステッピングモータのステップ角やステッピングモータの駆動方式等に対応して適宜な角度に設定することができる。

なお、本実施例では、Ｃ相コイル２２の一端側を開放状態にし、Ｃ相コイル２２を誘起電圧検出用コイルとして利用する場合を示したが、Ｓ相コイル２１の一端側を開放状態にし、Ｓ相コイル２１側で誘起電圧を検出するようにしてもよい。なお、その場合は、Ｓ相コイル２１が無励磁となるタイミングで、Ｓ相コイル２１の一端側を開放状態にする。これにより、ステッピングモータ２の駆動に影響を与えることなく、誘起電圧を検出して指針４が回動中であるか停止状態にあるかを検知できる。

本発明に係る初期化駆動装置を備えた指示計器の模式構造およびブロック構成を示す図である。 ＰＷＭ信号の説明図である。 誘起電圧検出回路の動作を説明する図である。 誘起電圧検出のタイミングチャートである。 帰零処理（脱調リセット処理）のフローチャートである。 帰零処理（脱調リセット処理）時の指針の動きを示す図である。 帰零処理（脱調リセット処理）時のステッピングモータ駆動信号の説明図である。

符号の説明

１ 指示計器
２ ステッピングモータ
３ 減速ギア機構
４ 指針
５ ストッパ機構
６ ＣＰＵ部
７ 誘起電圧検出回路
２１ Ｓ相コイル（界磁巻線）
２２ Ｃ相コイル（界磁巻線）
２３ マグネットロータ
６２ ＰＷＭ信号生成手段
６３ 出力回路
６４ 帰零処理手段
６５ 出力ポート開放制御手段
６６ ストッパ位置判定手段
７２ 電圧比較器

Claims (2)

1. ステッピングモータの回転出力を減速ギア機構を介して指針に伝達して指針を回動させるようにした指示計器であって、
   指針の回動を機械的に停止するストッパ機構によって指針の回動が停止された際に指針が指示する位置に対して、指針を所定角度回動させた際に指針が指示する位置を目盛開始位置する指示計器。
2. ステッピングモータの回転動作に連動して回動される指針の回動方向が、ストッパ機構によって指針の回動が機械的に停止される位置へ向う方向となるようにステッピングモータを駆動し、前記ストッパ機構によって前記ステッピングモータの回転が停止されたことを検出した後に、前記指針の回動が機械的に停止される位置から離れる方向へ前記指針を所定角度だけ回動するように前記ステッピングモータを駆動することを特徴とする初期化駆動装置。
   

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