JP2006101655A - 指針駆動装置の選別方法および指示計器 - Google Patents

Abstract

【課題】 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する指針駆動装置において、ストッパによってマグネットロータの回転が停止されたときのマグネットロータの着磁位置と励磁コイルとの位置関係がオーバー帰零処理に適したものを選別する。
【解決手段】 選別に先立って指針を目盛０位置に帰零させる（Ｓ１１）。予め設定した初期出力電気角から指針を帰零方向に動かすオーバー帰零信号を電気角で−３π＋α（αはπ／２よりも小さな値）分だけ供給して（Ｓ１２）、−３π＋αの電気角出力を保持する（Ｓ１３）。選別用スイッチが操作されると（Ｓ１４）、−３π＋α〜−３π−αの選別用オーバー帰零信号を供給し（Ｓ１５）、−３π±αの間に指針４が跳ね上がった場合はオーバー帰零不適合と判定する（Ｓ１６，Ｓ１７）。
【選択図】 図８

Description

本発明は、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する指針駆動装置（ステッピングモータユニット）の選別方法および指示計器に係り、詳しくは、ストッパによってマグネットロータの回転が停止されたときのマグネットロータの着磁位置と励磁コイルとの位置関係がオーバー帰零処理に適したものを選別する方法および指示計器に関する。

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。指針が帰零位置に達した以降も交流帰零信号を供給すると、指針がストッパから跳ね上がる現象が発生する（特許文献１参照）。
特開２０００−５０６９５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、交流帰零信号（ステッピングモータを逆転方向へ駆動する交流信号）の供給を停止し、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。

そこで、指針の回動が機械的に停止される位置（ストッパ位置）から指針を離零方向に少し回動させた位置を指針の基準位置とすることが考えられる。この場合、オーバー帰零処理として、オーバー帰零信号（指針が基準目盛位置を指示するための初期電気出力角度から例えば電気角３π分だけ帰零方向へ動かす信号）をステッピングモータへ供給し、強制的に１回脱調させ、この後、応力を除くために例えば電気角π分だけ離零方向へ駆動する信号をステッピングモータへ供給して、指針を基準位置とする。

ところが、最大に帰零方向に駆動したときの電気角（最大帰零角）の近傍で脱調が発生するステッピングモータユニットの場合、脱調しなければ指針は基準位置（目盛ゼロ位置）を指示するのであるが、脱調すると指針の指示値がステッピングモータの１ステップ角だけずれてしまう。

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、オーバー帰零処理の最大帰零角付近で脱調を起こす可能性のある指針駆動装置を選別する方法を提供することを目的とする。また、オーバー帰零処理の最大帰零角付近で脱調を起こすことのない指示計器を提供することを目的とする。

本発明に係る指針駆動装置の選別方法は、複数の励磁巻線および複数の磁極を備え複数の励磁巻線の励磁状態の変化に追従して回転する回転子を備えたステッピングモータと、前記回転子の回転を減速して指針を回動する減速ギア機構と、前記指針の回動を機械的に停止するストッパ機構とを備えた指針駆動装置の選別方法であって、予め設定した初期出力電気角から指針を帰零方向に動かすオーバー帰零信号を前記複数の励磁巻線に供給し、前記初期出力電気角を元に電気角（２Ｎ＋１）π−α（Ｎは整数、αはπ／２よりも小さな値）だけオーバー帰零を行ない、その点を開始点とし、その後、電気角２αだけさらにオーバー帰零を行った時を終了点とし、この間に、前記指針が離零方向に動いたものをオーバー帰零処理不適合と判定する。

本発明に係る指示計器は、ステッピングモータと、前記ステッピングモータの回転出力を指針へ伝達する減速ギア機構と、前記指針の回動を機械的に停止するストッパ機構とを備える指示計器であって、前記ステッピングモータは、複数の磁極を備える回転子と複数の励磁巻線とを備え、前記ストッパ機構によって前記回転子の回動が停止されたストッパ位置における前記回転子の着磁位置と前記励磁巻線との位置関係が、予め設定した初期出力電気角から指針を帰零方向に動かすオーバー帰零信号を前記複数の励磁巻線に供給し、前記初期出力電気角を元に電気角（２Ｎ＋１）π−α（Ｎは整数、αはπ／２よりも小さな値）だけオーバー帰零を行ない、その点を開始点とし、その後、電気角２αだけさらにオーバー帰零を行った時を終了点とし、この間に、前記回転子が前記ストッパ位置から離れる方向へ回動しない位置関係になっている。

本発明によれば、オーバー帰零処理の最大帰零角付近で脱調を起こす可能性のある指針駆動装置を選別することができる。例えば、オーバー帰零処理を交流帰零信号の電気角で３π分行なう場合、−３π＋αから−３π−αの間で指針が跳ね上がるものをオーバー帰零処理不適合として選別し、指針が跳ね上がらないものをオーバー帰零処理適合として選別できる。また、オーバー帰零処理の最大帰零角付近で脱調を起こすことのない指示計器を提供することができる。

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は本発明に係る指針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。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と減速ギア機構３とストッパ機構５とで指針駆動装置が構成される。

ステッピングモータ２は、Ｓ相コイル（励磁巻線）２１とＣ相コイル（励磁巻線）２２とを備えるステータ（図示しない）と、マグネットロータ（回転子）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（１０極）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、ストッパ機構５によって指針４の回動が機械的に停止される位置（ストッパ位置）を基準位置（車速ゼロを指示するときの位置）とするのではなく、ストッパ位置から少し（例えば１度程度）回動させた位置を基準位置としている。

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・脱調補正制御手段６１と、ＰＷＭ信号生成手段６２と、ＰＷＭ信号の出力回路６３とを備える。

車速指示・脱調補正制御手段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。また、車速指示・脱調補正制御手段６１は、イグニッションスイッチ９がオフにされたときに、後述するステッピングモータ２の脱調を補正するための制御を行なう。

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。

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。

図２はステッピングモータの駆動原理を示す図である。１０極等間隔着磁されたマグネットロータ２３の周りに、２個のコイル２１，２２を９０度の間隔で配置する。各コイル２１，２２に９０度位相をずらしたＳＩＮ波形の電圧を印加すると、各コイル２１，２２に流れる電流が変化し（各コイルの巻線抵抗値は同等）、マグネットロータ２３側に発生する磁界の変化によりマグネットロータ２３が回転する。ＳＩＮ波形１周期（回路出力１周期）で、図中の（１）〜（５）に示すように、マグネットロータ２３が７２度回転する。

図３は減速ギア機構の動作を示す図である。入力段ギア３１と第１の中間ギア３２との減速比を１／Ａとし、第２の中間ギア３３と出力段ギア３４との減速比を１／Ｂとし、全体で１／（Ａ×Ｂ）の減速比としている。本実施の形態では、マグネットロータ２３が７２回転すると指針４は２度回転するようにしている。

図４は脱調補正制御動作を示すフローチャート、図５は脱調補正制御時のステッピングモータ駆動信号の説明図である。車速指示・脱調補正制御手段６１は、イグニッションスイッチ９のオフに伴う指針の帰零を終了すると、脱調補正制御を開始する。この脱調補正制御では、指示値ゼロに対応する初期出力電気角から指針を帰零方向に動かすオーバー帰零信号を電気角３π分に亘って出力するオーバー帰零処理を行ない（図４のＳ１、図５のｔ１〜ｔ２）、最大に帰零方向に駆動したときの電気角（最大帰零角）を所定時間保持する出力保持処理を行ない（図４のＳ２、図５のｔ２〜ｔ３）、次に指針を離零（上昇）させる方向に動かす離零信号を電気角π分に亘って出力する離零（上昇）処理を行ない（図４のＳ３、図５のｔ３〜ｔ４）、最大離零角３πから電気角π分だけ戻した電気角２πの出力状態を所定時間保持する出力保持処理（図４のＳ４、図５のｔ４〜ｔ５）を行なう。

図６は脱調補正制御時の指針の動きを示す図である。図６（ａ）に示すように、指針４が目盛０を指示している状態から、オーバー帰零信号を電気角３π分に亘って出力するオーバー帰零処理がなされると、図６（ｂ）に示すように、指針４の帰零方向への回動はストッパ位置で規制されるため、ステッピングモータ２は少なくとも１回脱調する。ステッピングモータ２の各励磁巻線に最大帰零角（初期出力角度から−３π）の信号を供給している状態で指針４がストッパ位置で停止していれば、最大離零角３πから電気角π分だけ戻す離零（上昇）処理によって、図６（ｃ）に示すように、指針４は目盛０を指示する。

ここで、ストッパによってマグネットロータの回転が停止されたときのマグネットロータの着磁位置と励磁コイルとの位置関係によっては、最大帰零角（初期出力角度から−３π）の信号を供給したときに２回目の脱調が生ずることがある。この場合、最大離零角３πから電気角π分だけ戻す離零（上昇）処理後の指示位置は、図６（ｃ）に示すように、目盛０よりも１ステップ角（２度）だけずれる。

そこで、指針駆動装置を指示計器等に組み込む前に、個々の指針駆動装置がオーバー帰零処理に適合しているか否かを選別し、オーバー帰零処理に適合している指針駆動装置を指示計器等に組み込む。

図７は指針駆動装置の選別用制御装置のブロック構成図である。選別用制御装置１００の基本構成は図１に示したものを同じである。選別用制御装置１００は、選別準備開始スイッチ９０１と選別開始スイッチ９０２とを備えている。ＣＰＵ部６００は、選別処理手段６４０を備えている。

図８は指針駆動装置の選別制御動作を示すフローチャート、図９は指針駆動装置の選別制御動作時のステッピングモータ駆動信号の説明図である。選別処理手段６４０は、選別準備開始スイッチ９０１が操作されると、選別準備事前帰零処理を行なう（図８のＳ１１）。この選別準備事前帰零処理では、交流帰零信号を出力してステッピングモータ２を逆転方向へ駆動し、指針を帰零位置（目盛０位置）にする。次に、オーバー帰零処理を行なう（図８のＳ１２）。このオーバー帰零処理では、指針帰零位置（目盛０位置）に対応する初期出力角から−３π＋α分のオーバー帰零信号をステッピングモータ２に供給する（図９のｔａ〜ｔｂ）。そして、初期出力角から−３π＋αの電気角出力を選別開始スイッチ９０２が操作されるまで保持する（図８のＳ１３、図９のｔｂ〜ｔｃ）。

選別準備開始スイッチ９０２が操作されると（図８のＳ１４）、選別用オーバー帰零処理を行なう（図８のＳ１５）。この選別用オーバー帰零処理では、−３π＋α〜−３π−αの選別用オーバー帰零信号をステッピングモータ２に供給する（図９のｔｃ〜ｔｄ）。そして、選別用オーバー帰零処理の期間、すなわちオーバー帰零信号の電気角が−３π＋α〜−３π−αの間に指針４が跳ね上がるか否かをチェックする（図８のＳ１６）。指針４の跳ね上がりチェックは目視によって行なってもよいし、指針の動きをカメラで撮像し画像処理によって行なってもよい。指針４が跳ね上がった場合その指針駆動装置はオーバー帰零不適合と判定し（ステップＳ１７）、指針４が跳ね上がらない場合その指針駆動装置はオーバー帰零適合と判定する（ステップＳ１８）。

これにより、初期出力角から−３π±αの間で指針４が跳ね上がる指針駆動装置（ステッピングモータユニット）を選別できる。ここで、αは選別を行なう角度範囲であり、その値はπ／２よりも小さな値としている。

本実施の形態では、選別を行なう範囲を初期出力角から−３π±αとする例を示したが、選別を行なう範囲は、−（２Ｎ＋１）π±α（Ｎは整数、αはπ／２よりも小さな値）であってもよい。

本発明に係る指針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。 ステッピングモータの駆動原理を示す図である。 減速ギア機構の動作を示す図である。 脱調補正制御動作を示すフローチャートである。 脱調補正制御時のステッピングモータ駆動信号の説明図である。 脱調補正制御時の指針の動きを示す図である。 指針駆動装置の選別用制御装置のブロック構成図である。 指針駆動装置の選別制御動作を示すフローチャートである。 指針駆動装置の選別制御動作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
６，６００ ＣＰＵ部
７ 誘起電圧検出回路
２１ Ｓ相コイル（励磁巻線）
２２ Ｃ相コイル（励磁巻線）
２３ マグネットロータ（回転子）
６１ 車速指示・脱調補正制御手段
６２ ＰＷＭ信号生成手段
６３ 出力回路
１００ 選別用制御装置
６４０ 選別処理手段
９０１ 選別準備開始スイッチ
９０２ 選別開始スイッチ

Claims (2)

1. 複数の励磁巻線および複数の磁極を備え複数の励磁巻線の励磁状態の変化に追従して回転する回転子を備えたステッピングモータと、前記回転子の回転を減速して指針を回動する減速ギア機構と、前記指針の回動を機械的に停止するストッパ機構とを備えた指針駆動装置の選別方法であって、
   予め設定した初期出力電気角から指針を帰零方向に動かすオーバー帰零信号を前記複数の励磁巻線に供給し、前記初期出力電気角を元に電気角（２Ｎ＋１）π−α（Ｎは整数、αはπ／２よりも小さな値）だけオーバー帰零を行ない、その点を開始点とし、その後、電気角２αだけさらにオーバー帰零を行った時を終了点とし、この間に、前記指針が離零方向に動いたものをオーバー帰零処理不適合と判定することを特徴とする指針駆動装置の選別方法。
2. ステッピングモータと、前記ステッピングモータの回転出力を指針へ伝達する減速ギア機構と、前記指針の回動を機械的に停止するストッパ機構とを備える指示計器であって、
   前記ステッピングモータは、複数の磁極を備える回転子と複数の励磁巻線とを備え、前記ストッパ機構によって前記回転子の回動が停止されたストッパ位置における前記回転子の着磁位置と前記励磁巻線との位置関係が、予め設定した初期出力電気角から指針を帰零方向に動かすオーバー帰零信号を前記複数の励磁巻線に供給し、前記初期出力電気角を元に電気角（２Ｎ＋１）π−α（Ｎは整数、αはπ／２よりも小さな値）だけオーバー帰零を行ない、その点を開始点とし、その後、電気角２αだけさらにオーバー帰零を行った時を終了点とし、この間に、前記回転子が前記ストッパ位置から離れる方向へ回動しない位置関係になっていることを特徴とする指示計器。

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