JP2016118559A - 歯車セットの角度位置検出用の容量式装置を備えた電気機械装置および歯車セットの角度位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストであり信頼性が高い、歯車セットの角度位置検出用の容量式装置を備えた電気機械装置を提供する。【解決手段】電気機械装置は、一体に回転する歯車セットおよびアナログ表示部材１４と、ステッピングモータと、歯車セットの角度位置を検出するための容量式装置とを備え、容量式装置は、ロータ４，１０と、ステータ１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ，２４，２６ａ，２６ｂ，２６ｃと、電子測定回路とを有し、ステータ１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ，２４，２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、第１の静電容量を有する第１の電極対１８ａ，１８ｂと、第２の静電容量を有する第２の電極対２０ａ，２０ｂとを含み、ロータ４，１０は、該ロータ４，１０の角度位置に２つの静電容量の値が依存するように構成されており、電子測定回路は、第１の静電容量と第２の静電容量に対応する値の間の差異を表す出力信号を生成するように設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、第一に、電気機械装置に関するものであり、これは、回転歯車セットと、ステッピングモータと、ステッピングモータを制御するように構成された電子制御回路と、ステッピングモータを歯車セットに接続する駆動輪列と、容量式検出装置とを備え、駆動輪列の伝動比は、ステッピングモータが所定整数のモータステップ数で歯車セットを正確に完全な１回転をさせて、これにより、それらのステップで歯車セットの完全な１回転を該整数通りの互いに等距離の角度位置に分割するようになっており、また、容量式検出装置は、歯車セットと一体に回転するロータと、ステータと、電子測定回路とを有し、ステータは、静電容量を有する一対の電極を含み、ロータは、該ロータの角度位置に容量値が依存するように構成されており、電子測定回路は、容量値に応じた信号を生成して、電子制御回路に供給するように構成されている。本発明は、第２に、容量式検出装置を備えるとともに上記の定義に従った電気機械装置の一部をなす歯車セットの角度位置を特定するための方法に関する。

上記の定義を満たす電気機械装置が既に知られている。そのような電気機械装置の例は、アナログディスプレイを備えた電子時計にみられる。そのような時計のうち一部のものでは、文字盤の上で回転する指針の他に、デジタル内部計時器を備える。この内部計時器は、指針の進行を制御するのと同じ電気インパルスによって刻時される。このような状況では、原理的には、指針と計時器は同期して進行する。特に、そのような内部計時器を多機能時計において用いることが知られており、その場合、同じ指針が、時刻を表示するため、あるいは、例えばアラーム時刻のような第２の情報を表示するために、提供される。実際に、内部計時器は、指針が第２の情報の表示に使用されている間に経過する時間の計測が継続可能であることを望む場合に、必要である。その後、指針が、その時刻表示機能に戻るときに、内部計時器に保持された情報によって、指針を正しい時刻に戻すことが可能となる。

しかしながら、上記のような用途で満足を得るためには、時計の指針で表示される時刻と内部計時器で与えられる時刻との間に差異が生じることを防ぐ必要がある。そのような差異は、例えば、時計が衝撃を受けた場合に、または電磁干渉もしくは機械的干渉（例えば、輪列の埃）に起因して、生じ得ることが知られている。そのような干渉の結果として、一部の時計のモータではステップを損失する。従って、クォーツ式アナログ時計はいずれも、制御インパルスの計数と指針の角度位置との間に差異を示す可能性がある。この差異は、補正されるのが遅れると、結果的に完全に誤った表示となるまで増大することがある。

また、多機能時計では、表示されるべき種々の数値に応じて、指針を進めるだけではなく、逆に戻すことも可能でなければならない。さらに、多機能時計の指針は、機能の切り替え時に、その位置を迅速に進めたり逆に戻したりして変更可能でなければならない。これらの制約を満たすため、一般に、多機能時計の指針は、専用のモータでそれぞれ駆動する。このため、多機能時計では、通常、上記の単一の内部計時器に代えて、指針ごとのモータの制御インパルス用のアップダウンカウンタ回路を備えている。また、多機能時計のモータは、はるかに大きな応力に耐えなければならないことも、理解されるであろう。このような状況では、多機能時計の場合、差異すなわち指針の同期ずれのリスクも、他の時計に比べてはるかに高くなる。

上記の問題を克服するために、指針の実際の位置の検出によって、モータ制御インパルスの単純なカウント／逆カウントを補足することが知られている。特許文献１は、特に、アナログディスプレイを備えるとともに指針の１つと一体に回転する歯車を含む時計ムーブメントを有する時計について記載している。その歯車は、回転軸と外周との間の中間領域に位置する少なくとも１つの開口を有するプレートで形成されている。時計は、さらに、その歯車の角度位置を検出するための装置を備えている。この装置は、歯車が基準角度位置にあるときのプレート開口の直下に位置するように配置された誘導式センサまたは容量式センサを有する。このセンサは、直近にある金属の量の変化を感知する。この場合、誘導式センサであるか容量式センサであるかに応じて、センサで検出される信号の周波数または振幅は、それが中実部分に対向しているか、あるいは歯車プレートの開口に対向しているかによって変化し、これにより、検出信号の周波数または振幅は、プレート開口がセンサにちょうど対向する位置を通過するときに（最大値または最小値であり得る）極値に達する。この装置は、さらに、各ステップ後の信号周波数または振幅を保存するためのメモリを有する。本明細書に添付された図８は、「先行技術」と表示されており、これは特許文献１の図６に相当するものである。これは、歯車が１ステップずつ進む際に誘導式センサで検出される信号の周波数グラフである。上述の先行技術文献では、このグラフに掲載された情報から歯車の角度位置を特定するためには、基準角度位置を設定する必要があることを教示している。その基準位置は、プレート開口がセンサにちょうど対向する位置とすることができ、これにより、基準位置はグラフのピークに対応する。この時計は、例えば図８におけるピーク半値中間点を計算することにより、基準角度位置に対応するグラフ上の点を特定するように構成された電子的手段を備える。特定された２つの半値点の間の具体的な角度差δαによって、特定の角度セクタを判別することが可能となり、そこから基準角度位置を推定することが可能となるはずである。基準角度位置がグラフ上で特定されたら、グラフ上のその他の点のそれぞれに対応する角度を知ることは容易であり、それは単に、その基準角度位置から当該グラフ上でその点を隔てている一定角度ステップの数をカウントすることによる。

欧州特許第０９５２４２６号明細書

上述の従来のソリューションには、いくつかの欠点がある。特に、誘導式センサを使用することは、エネルギー的にコストがかかりすぎることになり得る。また、容量式センサは、特に、環境に敏感であり、製造公差および組立て公差に起因する擾乱に敏感であるという欠点がある。また、上述のように、上記特許文献で開示された角度位置検出方法は、検出信号の極値に関連付けられた基準角度位置を特定することに基づいているが、一方、容量式センサの１つの欠点は、場合によっては、角度位置検出が必要な歯車の振動が、センサの上方を開口が通過することによる変化よりも大きく信号に影響し得ることである。このような状況では、欧州特許第０９５２４２６号明細書に開示されている検出方法は、信頼性が低い可能性がある。このため、上記の先行文献では、実信号を擾乱と区別するために、さらに、基準角度位置として、その両側で擾乱なく信号波形がある程度の対称性の仮定に従う位置を選択することも提案している。しかしながら、信号波形に関するこのような仮定は、歯車プレート開口の形状および／またはセンサ電極の幾何学形状に関して厳しい制約を伴うことは、理解されるであろう。

本発明の目的は、上述の先行技術の問題を克服することである。本発明は、一方で、本明細書に添付の請求項１に従った電気機械装置を、他方で、本明細書に添付の請求項１２に従った、電気機械装置の歯車セットの角度位置検出のための方法を、提供することにより本目的を達成する。

なお、「ロータ」という用語は、本明細書で、装置の「ステータ」と呼ばれる固定部分と電気的または磁気的に相互作用する、電気機械装置（本例では、容量式検出装置）の回転部分を指して用いられることは、理解されるであろう。

本発明によれば、ステータは、ロータの角度位置によって変化する第１の静電容量を有する第１の電極対と、ロータの角度位置によって変化する第２の静電容量を有する第２の電極対とを含む。また、電子測定回路により供給される信号は、第１と第２の静電容量に対応する値の間の差異を表している。従って、特に、アイソメトリックな、すなわち同じロータ効果に対して同等の標準値を有する、第１と第２の静電容量の差異測定を用いることにより、容量式検出装置は、環境に関連した擾乱効果、ならびに製造公差および組立て公差に関連した擾乱効果の大部分を中和可能であることは、理解されるであろう。特に、差異測定によって、ロータの振動に関連した擾乱のほぼ全てを中和することができる。

本発明によれば、ステッピングモータの一連のステップによって、その位置を把握する必要がある歯車セットがとり得る整数通りの異なる角度位置が決まる。この場合、歯車セットの角度位置は、離散変数と考えることができる。さらに、電子測定回路によって出力に供給される生成信号の振幅は、この離散変数の関数と考えることができる。また、上述の擾乱効果があることによって、歯車セットが同じ角度位置を２回続いて通過するときに電子測定回路により供給される信号振幅は変化することがある。従って、１回転ごとに歯車セットがとる角度位置は常に同じであるにもかかわらず、実際に電子測定回路によって供給される信号振幅は角度位置の周期関数とみなすことができないことは、理解されるであろう。

本発明によれば、電子制御回路に保存されたテーブルによって、歯車セットの複数の異なる角度位置を、出力信号の基準値に対応付けることができる。保存されているこれらの信号値は、初期校正作業において実施される測定から推定された値であって、擾乱効果がないときに電子測定回路によって供給される信号振幅に相当する値とみなすことができるため、基準値と呼ばれる。測定ごとに異なり得る実際の信号振幅とは違って、信号基準値は周期関数を規定するものであり、そしてその関数の周期長は、歯車セットを完全に１回転させるのに必要なモータステップ数に相当することは、理解されるであろう。また、関数が周期的であるので、歯車セットがとり得るそれぞれの異なる角度位置は、周期関数の異なる位相に関連付けられる。

本発明の方法のステップのうちの１つは、歯車セットがとり得る角度位置と同数の相関値を計算する演算を含む。計算されるそれぞれの相関値は、一方で、１回転にわたって実際に測定された一連の出力信号値と、他方で、完全な１回転にわたる一連の信号基準値との間の相関値であり、その回転の始点は、それぞれの相関値計算ごとに異なり、この始点は、歯車セットがとり得る角度位置から選択されるものである。なお、歯車セットがとり得る角度位置を、モータステップで規定される互いに等距離の全ての角度位置とする場合、完全な１回転にわたる複数通りの一連の信号基準値は、信号の一周期全体にわたって持続する期間内の一連の基準値からなる全ての円順列で構成されることは、理解されるであろう。この後に続く本発明の方法のステップは、計算された全ての相関値のうち、その絶対値が最大である相関値を判別することにより、ロータの角度位置を特定することである。上記のことから、本発明の方法によって、最初にロータの基準角度位置を特定する必要なく、ロータの角度位置検出が可能となることは、理解されるであろう。

本発明の他の特徴および効果は、添付の図面を参照して、単なる非限定的な例として提示される以下の説明を読解することで明らかになるであろう。

図１は、本発明の第１の具体的な実施形態による電気機械装置の容量式検出装置を示す部分平面図であり、容量式検出装置は、歯車で構成されたロータと、２対の電極を含むステータとを備える。 図２は、図１の電気機械装置の部分断面図であり、容量式検出装置を示している。 図３は、図１および図２に示す電気機械装置の容量式検出装置の電子測定回路の具体的な一実施形態の電子回路図である。 図４は、歯車セットが、ステッピングモータで駆動されることで、全て互いに等距離にある複数の角度位置を順次とって、完全な１回転するときに、第１と第２の静電容量の差異を表す信号がとり得る様々に異なる値を、例として示すグラフである。 図５は、パラメトリックモデルの典型的な確率変数に対応する区分線形関数のグラフである。 図６は、図４の実験曲線上の点がとる値に合わせてモデルの全てのパラメータを調整した後の、図５のパラメトリックモデルのグラフ図である。 図７Ａは、本発明の第２の実施形態による容量式検出装置のステータの模式図である。 図７Ｂは、そのステータを図７Ａに示している容量式検出装置のロータの模式図である。 図７Ｃは、図７Ａおよび図７Ｂの容量式検出装置用の基準値曲線の構築に用いる３つのグラフを記載している。 図８は、先行技術の欧州特許第０９５２４２６号明細書の図６の複写である。

図１および図２は、それぞれ、本発明の電気機械装置の具体的な一実施形態に対応するクォーツ時計ムーブメントの部分平面図および部分断面図である。本発明によれば、時計ムーブメントは、回転歯車セットと、ステッピングモータと、ステッピングモータを歯車セットに接続する駆動輪列と、ステッピングモータを制御するように構成された電子制御回路と、容量式検出装置とを備える。本発明の効果的な実施形態によれば、電子制御回路は、特に、ステッピングモータの制御インパルスをカウントするための回路を含む。

部分図である図１および図２は、より具体的には、（全体を図２で参照する）容量式検出装置、および真１０と一体の歯車４で構成された回転歯車セットを示していることは、理解されるであろう。より詳細に図１を参照すると、歯車４は、プレート８と、プレートを取り囲む歯部６とを有していることが分かる。また、プレート８に貫通して開口１６が開けられていることも分かる。歯車４は、幾何学的回転軸１２を規定する真１０と一体である。これらの図面は、さらに、回転歯車セットに関連付けられたアナログディスプレイの、この場合は指針の形態をとるアナログ表示部材１４を示している。指針は、真１０に固定して取り付けられている。図示の例では、指針は、時、分、秒を表示するためか、または時計で表示可能な他のいずれかの情報を表示するために用いることができる。なお、指針は、開口１６に対して角度オフセットを有し得ることは、理解されるであろう。しかしながら、図１の例示とは異なり、指針の重量で生じるトルクを、開口が設けられていることによるアンバランスによって少なくとも部分的に相殺できるように、指針は、開口１６の中心の方向に向いていることが好ましい。図示していない別の実施形態によれば、アナログ表示部材１４は、文字盤に配置された環状窓の中を動くカーソルを備えたディスクなど、他の回転表示要素で構成することができる。

ステッピングモータ（図示せず）は、例えば、バイポーラ「Ｌａｖｅｔ」型モータとすることができる。輪列（図示せず）は、好ましくは、モータを歯車４に接続する減速歯車で構成される。最後に、電子制御回路（図示せず）は、好ましくは、時計用途の周知のタイプのマイクロコントローラである。さらに、本発明によれば、容量式検出装置は、その歯車セットと一体に回転するロータと、ステータと、電子測定回路とを有する。本例では、歯車４は、電気的に接地された金属歯車である。この特徴によって、歯車４と、これが取り付けられている真１０は、共同で、容量式検出装置のためのロータ機能すなわち回転部分を実現することが可能となる。従って、本例では、同じ１つの歯車セットで、回転歯車セットと検出装置のロータ機能を同時に実現していることは、理解されるであろう。

図１は、ステータが、それぞれ１８ａ、１８ｂおよび２０ａ、２０ｂで参照される２対の電極を含むことを示している。これらの電極は、ムーブメント２の地板と一体のプリント回路基板（ＰＣＢ）２２上に示されている。本例では、それぞれの電極対（１８ａ、１８ｂおよび２０ａ、２０ｂ）は、互いに平行にＰＣＢ２２上に形成された２つの直線状導電帯で構成されている。２対の電極は、歯車４のプレートの下で径方向に延在していることと、それらの間に約６０°の角度をなしていることが分かる。また、図示の実施形態では、２対の電極が互いにアイソメトリックである、すなわち同じロータ効果に対するノルム値が同等であること、さらには、それらを軸１２の周りに回転させるとぴったり重なることも確認できる。この特徴の１つの利点は、擾乱効果がないときに、ロータの完全な１回転にわたる静電容量Ｃ１、Ｃ２の平均値が等しく、静電容量Ｃ１、Ｃ２のそれぞれに対してロータの影響がないときに、差Ｃ１−Ｃ２がゼロであることである。また、図１では、電極１８ｂと２０ｂを互いに接続するとともに接続端子２６ｃに接続する導電路２４を、ＰＣＢに保持していることも分かる。電極１８ａと２０ａは、それぞれ接続端子２６ａと２６ｂに接続されている。図１で分かるように、それぞれの電極対を形成する２つの導体は、互いに平行かつ小間隔で離間して延在している。２つの導体が近接していることによって、それぞれの電極対は、いくらかの静電容量を有するコンデンサのような挙動を示す（第１の電極対１８ａ、１８ｂの静電容量をＣ１で示し、第２の電極対２８、２０ｂの静電容量をＣ２で示す）。また、図１と２を同時に参照して、電極対１８ａ、１８ｂおよび２０ａ、２０ｂは、歯車４のプレート８に対して、歯車４の少なくとも１つの角度位置において各対の電極を隔てる空隙が少なくとも部分的に開口１６の下となるように配置されていることにも注目すべきである。さらに、これらの電極対は、歯車４の少なくとも１つの位置において、１対の２つの電極が同時に、少なくとも部分的に開口１６の下となるように配置されることが好ましい。また、一対の電極の空隙幅は、好ましくは、歯車プレート８からＰＣＢ ２２の高さを隔てている距離にほぼ等しいことも規定される。

本発明によれば、容量式検出装置２のロータ（すなわち、歯車４と、さらに同じく金属で構成されている場合の真１０）は、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２が共にロータの角度位置に依存するように構成されている。図示の実施形態では、歯車４のプレート８に開口１６が設けられており、これにより、静電容量Ｃ１、Ｃ２がロータの角度位置に反応するようにしている。一対の電極の静電容量は、その電極対の直上に開口１６が位置しているときに最大であることは、導体の存在により促される一方から他方への電荷移動がもはやないことから、理解されるであろう。なお、注目されるのは、ＰＣＢ ２２を同様に歯車４の上方に配置することができるということである。その場合、開口１６が電極対の直下に位置しているときに静電容量が最大値に達し得ることは、理解されるであろう。

図３は、図１および図２の容量式検出装置での使用に適した電子測定回路の電子回路図である。図示の電子回路の動作原理は、接続端子２６ａ、２６ｂによって電極１８ａおよび２０ａに通電し、そして通電に応じて、相互に共通端子２６ｃに接続された電極１８ｂおよび２０ｂに蓄積される電荷量を測定することである。

図３において全体を参照符号２８で示す電子回路は、２つの異なる動作モードを有するように構成されている。それらは、ゼロにリセットするための（Ｓ０で示す）動作モードと、（Ｓ１で示す）測定動作モードである。２つの動作モード間の切り替えは、図３において表示Ｓ０またはＳ１のいずれかで表されるいくつかのスイッチに制御信号を送るように構成された電子制御回路（図示せず）によって制御される。表示Ｓ０またはＳ１は、該スイッチが閉じている動作モードに対応している。それらのスイッチは、好ましくは、電子測定回路を実現する集積回路のトランジスタで構成されることが規定される。

再び図３を参照すると、動作モードＳ０では、全ての電極１８ａ、２０ａ、１８ｂ、２０ｂが接地されている（ＶＣ）ことが分かる。また、増幅器１５の非反転入力（＋入力）も接地されている一方、増幅器１５の出力は、その反転入力と短絡されている。このような条件では、回路のどの位置でも電流および電圧はゼロである。その後、電子回路を動作モードＳ１に切り替えると、Ｓ０で参照される全てのスイッチは開き、Ｓ１で参照される３つのスイッチは閉じられる。このような条件では、電極１８ａと２０ａは、通電されて、それぞれ基準電位ＶＰとＶＮに設定される。２つの結合された電極１８ｂ、２０ｂは共に、増幅器１５の反転入力に接続される。また、同図では、増幅器１５の出力とその反転入力との間に短絡がもはやないことも分かる。このとき、増幅器の出力は、Ｃ１３で参照されるコンデンサを介して反転入力に接続されている。電極１８および２０ａに通電された結果として、結合電極１８ｂと２０ｂで電荷を交換することは、理解されるであろう。また、Ｃ１とＣ２の値が等しくない場合には、電子回路は、残留電荷を結合電極に供給することになる。この残留電荷は、静電容量Ｃ１が静電容量Ｃ２よりも大きい場合は、負電荷で構成され、静電容量Ｃ１が静電容量Ｃ２よりも小さい場合は、正電荷で構成される。また、２つの結合電極１８ｂ、２０ｂに出入りする電荷の移動を担う電圧によっても、増幅器１５の２つの入力間に電位差が生じる。こうして、増幅器１５は、この電位差が残っている限り、電流を伝える。従って、増幅器は、増幅器の２つの入力間の電圧が再びゼロになるまでコンデンサＣ１３に充電することになる。このとき、コンデンサＣ１３の端子間電圧ＶＭは、以下の関係によって決まる。

また、コンデンサＣ１３の端子間電圧は、増幅器１５の出力の信号の振幅に等しいことも理解されるであろう。つまり、電圧ＶＭは、電子測定回路の出力の信号の値に相当する。また、ロータの完全な１回転にわたる静電容量Ｃ１、Ｃ２の平均値が等しい場合、完全な１回転にわたる平均出力信号値（ＶＭ）がゼロに等しいことも注目され得る。

図４は、歯車４の３６０°回転に相当する６°間隔の６０回の順次測定において、増幅器１５の出力の信号がとる値を例として示すグラフである。上記で、所与の電極対の静電容量は、その電極対の直上に開口１６が位置しているときに最大となることが確認された。図４で確認できるように、その現象は、曲線の全体形状に反映される。実際に、開口１６が電極１８ａ、１８ｂの上を通過するときに、静電容量Ｃ１は、曲線の第１の正のピークとなる最大値に達する。その後、開口が電極２０ａ、２０ｂの上を通過するときに、静電容量Ｃ２が増加することによる負のピークが観測される。注目されるのは、曲線の形状は、実施形態ごとに大きく異なり得るということである。具体的には、２つのピークの形状は、開口１６の形状および寸法に依存する。また、２つのピーク間の曲線の形状は、特に、ＰＣＢ上での２対の電極１８ａ、１８ｂ、２８、２０ｂの配置に大きく依存し、それらは、図１の好ましい実施形態では、ＰＣＢ上において、６０°で、すなわち図４の曲線の最大値と最小値との間の角度値で、好ましくは離間している。また、基準角度「０」は、文字盤上の針の位置に関連した通常の時計用語を用いると９時の位置である図１における指針の位置に対応していることも、図４から推定できる。

本発明によれば、電子制御手段は、歯車セットが順次互いに等距離の角度位置の少なくとも一部を同数の信号基準値に関連付ける保存テーブルを保持している。テーブルを構成する値ペアが保存されるメモリは、好ましくは不揮発性メモリである。不揮発性メモリを使用することによって、（例えば、電池交換による）中断後に通電が再開されたときに歯車セットの角度位置を再校正する必要がなくなることは、理解されるであろう。このような状況では、校正済み基準値は、１回限り、工場で決定されてテーブルに保存される。

歯車セットが順次互いに等距離の角度位置のそれぞれを同数の信号基準値に関連付けるテーブルを保存するための最も簡単な方法は、歯車セットの角度位置と、ステッピングモータの制御インパルスをカウントする回路を、同時に初期化することによって開始し、そしてその後、歯車セットを完全な１回転させることである。この完全な１回転する間の各モータステップ後に、インパルス計数回路は、歯車セットの新たな角度位置の値を供給し、同時に電子測定回路は、対応する差異信号値を供給する。各モータステップで得られた一連の値ペアは、対応テーブルに保存されると、特に単純な信号モデルを構成する。実際の信号値とは違って、信号基準値は、歯車セットの各回転で同じように繰り返されるものと考えることができる。従って、一連の信号基準値は、効果的に、周期関数に対応させることができ、その関数の周期長は、ロータの完全な１回転を達成するのに必要なモータステップ数に相当する。従って、保存された対応テーブルは、ロータの異なる角度位置ごとに基準値を１つ含むだけでよく、対応テーブルは、効果的に、信号基準値の周期性を反映したループ構造を有し得る。なお、基準値の周期性は、その角度分解能がステッピングモータで規定される角度分解能に相当するロータがとる一連の角度位置の循環性を反映していることは、理解されるであろう。

本発明の電気機械装置の容量式検出装置の機能は、（本例では、歯車４と真１０からなるロータで構成される）回転歯車セットの角度位置の検出を可能とすることである。本発明によれば、歯車セットの位置を検出するために、電子制御回路は、歯車セットを１ステップずつ完全に１回転させるようにステッピングモータを制御し、歯車セットの互いに等距離の角度位置のうちの２つの少なくとも一方について、電子測定回路により供給される信号値を保存するための、第１のステップからなる方法を実施する。

第２のステップで、電子制御回路は、第１のステップで保存された一連の信号値と、テーブルから取り出された一連の基準値との間の相関値を計算し、このとき、保存された基準信号の周期性を利用して、電子制御回路は、一連の基準値の始点を新たに１ステップずつ移しては、相関値計算を繰り返す。電子制御回路は、基準値で構成される関数の周期の始点とすることが可能な異なる角度位置の数と同数の回数の相関値計算を実施する。

第３のステップで、電子制御回路は、第２のステップで計算された相関値の中から、その値が最大である相関値を判別し、その相関値に関連付けられた基準信号周期の始点を特定する。このようにして特定された始点は、歯車セットの角度位置に対応していることは、理解されるであろう。実際に、第１のステップで実施された完全な１回転の開始点は、この一連の基準値の始点と同じであるはずである。

電子測定回路の出力の信号の校正済み基準値を格納した対応テーブルを作成する特に簡単な方法について上述した。次に図５および図６を参照して、歯車４の角度位置の関数として校正済み信号基準値を格納した対応テーブルを作成する第２の可能な方法について説明する。図５と以下の表１は、それぞれグラフの形態と式の形態で、歯車セットの所与の角度位置に対応するステップの番号「ｉ」の関数として、電子測定回路により供給される差異信号を表す区分線形モデルを示しており、一方、以下の表２は、これらの基準値を決定するために用いられる様々なパラメータについて説明している。

表１の式で示すように、本例のモデルは、パラメトリックモデルであり、その各種パラメータＭ、ｍ、ｍｏｙ、α、Δ、ｓは、該モデルによって与えられる基準値が実験曲線の代表値を最もよく近似するように調整（適合）されなければならない。ステップの番号「ｉ」の関数として信号の振幅ｆ（ｉ）を示す図５に示すように、本例の主題をなすモデルは、一連の直線セグメントによって構成される。区分線形モデルを用いることの主な利点は、その線形性によって、パラメータを設定するために必要な計算が簡略化されることである。

同じく図５で分かるように、モデルは、４つの全く異なる領域を含んでいる。セグメントａ、ｂ、ｃを含む第１の領域は、電極対１８ａ、１８ｂの上を開口１６が通過することに関連した正のピークに対応している。水平セグメントｄで構成される第２の領域は、２対の電極の間に広がるプレート８の領域の上を開口が通過することに対応している。セグメントｅ、ｆ、ｇを含む第３の領域は、電極対２０ａ、２０ｂの上を開口が通過することに関連した負のピークに対応しており、そして最後に、長い水平セグメントｈで構成される第４の領域は、電極がないＰＣＢ部分の側の上を歯車４の開口１６が通過することに対応している。モデルの各種パラメータがとる値によって、ピークの形状および高さ、ピーク間の間隔の大きさ、平均理論値などが決まることは、理解されるであろう。

モデルの各種パラメータは、例えば、重回帰計算によって設定することができる。本例のモデルは線形であるため、回帰計算は、簡単な多重線形回帰からなるものであり得る。回帰計算によって、容量式検出装置で得られる実験曲線と、パラメトリックモデルから導出された基準曲線との間の（縦座標に関する）垂直偏差が最小となるパラメータの値を求めることができる。

本例によれば、パラメトリックモデルは、図４の実験曲線に合わせて調整されると、図６に示す基準曲線の形をとり、これは、同様にステップの番号「ｉ」の関数として信号振幅ｆ（ｉ）を示している。図６の曲線を図５の曲線と比較すると、特に、モデルの調整による結果として、この具体的な例では、パラメータα＝０かつパラメータΔ＝２ｓとなったことが明らかである。全てのパラメータが調整されたら、電子制御回路は、得られた基準曲線値を、歯車セットの異なるいくつかの角度位置を対応する基準値に関連付けるテーブルの形式で、メモリに保存する。

当然のことながら、電子測定回路によって供給される差異信号を、歯車セットの角度位置の関数としてモデル化する他の可能な方法がある。単純化されたモデルは、１≦ｉ≦ｓｐｒについて以下の式で定義される。

ここで、ｓ１、ｓ２は整数であって、ｓ１は、測定信号の理論最大位置であり、ｓ２は、その信号の理論最小位置である。さらに、Ｗｉｄｔｈ１およびＷｉｄｔｈ２は、２＊Ｗｉｄｔｈ１が測定信号の最大値に対応する理論ピーク幅あり、かつ２＊Ｗｉｄｔｈ２が測定信号の最小値に対応する理論トラフ幅であるように、予め定義された２つの正のパラメータである。

電子測定回路の出力信号の校正済み基準値を格納する対応テーブルを作成する他の方法は、以下のようにして基準曲線を生成することにある。まず最初に、ステッピングモータによって歯車セットをＮ回の完全な回転をさせて、ステップごとに１サンプルを測定する。このようして、Ｘ個のサンプルを得ることができる。そして、それらのＸ個のサンプルに離散フーリエ変換を適用して、周波数スペクトルを生成する。次に、周波数スペクトルの高調波に逆離散フーリエ変換を適用して、高調波のみとし、これにより、歯車セットのＮ回の回転に対応するサンプルを含む第２の曲線を生成する。この場合、基準曲線は、第２の曲線のＮ回転のうちの第１の回転に対応するサンプルで構成される。あるいはこれに代えて、基準曲線は、第２の曲線のＮ回転で平均したサンプルで構成される。

なお、相関値計算のためのアルゴリズムのほとんどは、相関を確認すべき値セットに、そのデータの一部の欠落がある場合であっても、結果を得ることが可能であるということに留意すべきである。従って、初期校正作業で、全ての可能な角度位置についての基準値が得られない場合であっても、その後続いて相関値演算を実行して、歯車セットの角度位置を有効に特定することは依然として可能である。基準値を求めるためにパラメトリックモデルを用いることの利点は、欠損値がある場合であっても、線形近似により外挿することで正確であるということである。この場合、後述するように、計算速度を上げるために、ロータの極性を考慮して、例えば半分など、相関値計算を実行するための基準値の所定のサブセットを抽出することが可能である。

次に、図７Ａ、７Ｂ、７Ｃを参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ロータの模式的歯車１０４に形成された模式的開口１６の形状および寸法において、第１の実施形態と本質的に異なる。図７Ｂに示すように、模式的開口１１６は、Ａｌｐｈａ＿ｈｏｌｅで参照される環セクタ形状を有し、その開口は、１回転の３分の１（１２０°）にほぼ等しい。第２の実施形態の容量式検出装置のステータは、第１の実施形態に関連して説明したものと全く同様である。特に図７Ａでは、２対の模式的電極１１８ａ、１１８ｂ、１２０ａ、１２０ｂは、模式的開口１１６にちょうど対向して通過可能であるように寸法設定されていることと、それら２対の間に常に約６０°であるＡｌｐｈａ＿ｅｌｅｃで参照される角度をなしていることが分かる。

ロータに形成された開口を画定する環セクタは、２対の電極を隔てる角度よりもはるかに大きい角度に、図示の例では２倍大きい角度にわたっているので、模式的開口１１６は、両方の電極対に同時に対向することができ（図７Ｃを参照）、これは、開口が及ぶ角度セクタが電極間の角度位置差よりもはるかに小さい図１の好ましい実施形態では決してあり得ないことである。従って、上記のことから、本発明によれば、ロータにおける開口の幅を規定する角度は、２対の電極を隔てる角度よりも、はるかに大きくても、はるかに小さくてもよいことは理解されるであろう。ただし、開口が２対の電極間の距離よりも小さい場合であっても、それぞれの静電容量Ｃ１およびＣ２の最大値として顕著なピークが必ず現れるように、開口は、必ず、図７Ａにおいて参照符号Ｄで具体化される１対の２つの電極を隔てる距離と少なくとも同じ大きさであることが規定される。また、この電極間距離Ｄ＿Eｌｅｃは、レーザー設定によって極めて微細に調整できるが、好ましくは、測定される静電容量に対してロータに形成された開口の影響が可能な限り大きくなるように、系統的にＰＣＢとロータ歯車との間の縦あがき以上の大きさであるように構成されるべきであることは、注目され得る。

図７Ａ、７Ｂ、７Ｃで示す実施形態の利点は、ロータ歯車の３０％近い重量増加が得られることであり、これは慣性の面で有利であるため、ステッピングモータの実現がより容易に可能となり、これによってエネルギー節約が得られる。この場合、例えば、同時に、対称性のためにセクタＡｌｐｈａ＿ｈｏｌｅの中央に配置される指針のサイズひいては体積を増加させることもでき、回転系のアンバランスを損なうことなく、ディスプレイの読み取り易さが向上する。

記載した種々の実施形態から考えて、スロットに限定されることなく、様々なタイプの開口が可能であることは、理解されるであろう。さらにロータの質量ひいては慣性が低減される、歯車セットの中心の範囲内に広がる「カットケーキ」形の凹部を想定することもできる。

本発明の効果的な実施形態によれば、ステッピングモータは、所定方向にモータを動作させるためには、その極性をステップごとに反転させる必要がある制御インパルス通電を受けるように構成されたバイポーラモータである。そのようなバイポーラモータは、当業者には周知である。特に、欧州特許第０３４１５８２号には、そのようなバイポーラモータの１つが記載されており、これは、ステップごとに両方向に回転可能に構成されており、所定の回転方向を維持するためには、ある方向の後は他方の方向に交互の極性で制御インパルスを受ける必要がある。従って、このようなモータで歯車４を１ステップずつ完全に１回転させる場合に、一連のステップを２つのカテゴリに分けられることは、理解されるであろう。第１のカテゴリは、奇数ステップ（第１ステップ、第３ステップ、第５ステップなど）で構成され、第２のカテゴリは、偶数ステップ（第２ステップ、第４ステップなど）で構成される。奇数ステップは、第１の方向の極性の制御インパルスによって実現され、偶数ステップは、他方の方向の極性の制御インパルスによって実現される。

上述の偶数モータステップと奇数モータステップの区別が可能であることは、歯車４を正確に１回転させるのに必要な所定整数のモータステップ数が偶数である場合に効果的である。実際に、その場合、歯車４が順次とる角度位置から、偶数モータステップ後に続いて達する、それらの角度位置のうちの半分と、奇数モータステップ後に続いて達する、それらの角度位置のうちのもう半分とを区別することが可能である。効果的な変形例によれば、電子制御回路に保存される対応テーブルは、ロータの角度位置の関数としての信号基準値に加えて、ロータの各角度位置について、当該角度位置に達するのに必要とするのは偶数モータステップであるか奇数モータステップであるかに応じたパリティ表示（奇数または偶数）を格納している。上記の対応テーブルの特徴によって、結果的に位置検出方法を簡略化することが可能である。実際に、計算されるべき相関値の個数を２分の１にできることは理解されるであろう。

また、本明細書の主題をなす実施形態に対して、添付の請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者に自明な種々の変更および／または改良を実施できることも明らかであろう。

２ 容量式検出装置
４ 歯車（ロータ）
８ 歯車のプレート
１０ 真（ロータ）
１２ 回転軸
１４ アナログ表示部材
１６ 開口
１８ａ，１８ｂ 電極対（ステータ）
２０ａ，２０ｂ 電極対（ステータ）
２２ プリント回路基板（ステータ）
２４ 導電路（導体）（ステータ）
２６ａ 接続端子（ステータ）
２６ｂ 接続端子（ステータ）
２６ｃ 接続端子（ステータ）
２８ 電子測定回路
１０４ 歯車
１１６ 開口
１１８ａ，１１８ｂ 電極対
１２０ａ，１２０ｂ 電極対
Ｃ１ 静電容量
Ｃ２ 静電容量

Claims (19)

1. 電気機械装置であって、一体に回転する歯車セットおよびアナログ表示部材（１４）と、ステッピングモータと、前記ステッピングモータを制御するように構成された電子制御回路と、前記ステッピングモータを前記歯車セットおよび前記アナログ表示部材（１４）に接続する駆動輪列と、容量式検出装置（２）とを備え、前記駆動輪列の伝動比は、前記ステッピングモータが所定整数のモータステップ数で前記歯車セットを正確に完全な１回転させて、これにより、前記モータステップで前記歯車セットの完全な１回転を前記整数通りの互いに等距離の角度位置に分割するようになっており、前記容量式検出装置（２）は、前記歯車セットと一体に回転するロータ（４；１０）と、ステータ（１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ，２２，２４，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）と、電子測定回路（２８）とを有し、前記ステータは、第１の静電容量（Ｃ１）を有する第１の電極対（１８ａ，１８ｂ）を含み、前記ロータ（４；１０）は、該ロータ（４；１０）の角度位置に前記第１の静電容量（Ｃ１）の値が依存するように構成されており、前記電子測定回路（２８）は、前記第１の静電容量（Ｃ１）の値に応じた信号を生成して、前記電子制御回路に供給するように構成されている、電気機械装置において、
   前記ステータ（１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ，２２，２４，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）は、第２の静電容量（Ｃ２）を有する第２の電極対（２０ａ，２０ｂ）を含み、前記第２の静電容量（Ｃ２）の値は、前記ロータ（４；１０）の角度位置に依存することと、
   前記電極対（１８ａ，１８ｂ；２０ａ，２０ｂ）および前記電子測定回路（２８）は、前記信号が前記第１の静電容量（Ｃ１）と前記第２の静電容量（Ｃ２）に対応する値の間の差異を表すように構成されていることと、
   前記電子制御手段は、前記歯車セットの前記互いに等距離の角度位置について、前記ロータ（４；１０）の角度位置の関数としての前記信号の基準値を格納した、保存された対応テーブルを保持していること、を特徴とする電気機械装置。
2. 前記電子制御回路は、前記ステッピングモータにより実施されたステップをカウントするために、前記ステッピングモータの制御インパルスをカウントするための回路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気機械装置。
3. 前記ステッピングモータは、所定方向に該モータを動作させるためには、その流れ方向をステップごとに反転させる必要がある電流インパルス通電を受けるように構成されたバイポーラモータであることと、
   前記電子制御回路に保存された前記対応テーブルは、前記ロータ（４；１０）の角度位置の関数としての前記信号の基準値に加えて、前記ロータ（４；１０）の各角度位置について、当該角度位置に達するのに必要とするのは偶数モータステップであるか奇数モータステップであるかに応じたパリティ表示（偶数または奇数）を格納していることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械装置。
4. 前記容量式検出装置（２）の前記ロータ（４；１０）は、導電性材料で構成された歯車（４）であって、そのプレート（８）に貫通して所定の形状および寸法の開口（１６）が開けられている歯車を含み、前記容量式検出装置は、前記第１の電極対（１８ａ，１８ｂ）の一方の電極および前記第２の電極対（２０ａ，２０ｂ）の一方の電極がそれぞれ前記ロータ（４；１０）の第１の角度位置および第２の角度位置において前記開口（１６）に少なくとも部分的に対向するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械装置。
5. 前記第１の電極対および前記第２の電極対の電極（１８ａ，１８ｂ；２０ａ，２０ｂ）は、前記ロータ（４；１０）の軸（１２）に垂直な同一平面内に広がっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気機械装置。
6. 前記２対の電極（１８ａ，１８ｂ；２０ａ，２０ｂ）は、互いにアイソメトリックであって、前記２対のうちの一方を前記軸（１２）の周りに回転させるとぴったり重なる、ことを特徴とする、請求項５に記載の電気機械装置。
7. 前記容量式検出装置（２）の前記ステータ（１８ａ；１８ｂ；２０ａ；２０ｂ；２２；２４；２６ａ；２６ｂ；２６ｃ）は、前記第１の電極対の一方の電極（１８ｂ）を前記第２の電極対の一方の電極（２０ｂ）に接続する導体（２４）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気機械装置。
8. 前記アナログ表示部材（１４）は指針であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気機械装置。
9. 前記指針は、前記ロータ（４；１０）と一体であって、前記指針の重量で生じるトルクを、前記開口が設けられていることによるアンバランスによって少なくとも部分的に相殺できるように、前記指針は、前記開口（１６）の中心の方向に向いていることを特徴とする、請求項８に記載の電気機械装置。
10. 前記ロータ（４；１０）の角度位置の関数としての前記信号の基準値を格納している前記対応テーブルは、前記電子制御回路の不揮発性メモリに保存されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気機械装置。
11. 前記信号の基準値は、前記ロータ（４；１０）の角度位置の関数を規定し、該関数は区分線形関数であることを特徴とする、請求項９に記載の電気機械装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の電気機械装置のアナログ表示器（１４）と一体に回転する歯車セットの角度位置を特定するための方法であって、
    Ｉ．前記歯車セットと一体のロータ（４；１０）を１ステップずつ完全な１回転させるように、前記ステッピングモータを制御するとともに、前記歯車セットの前記互いに等距離の角度位置のうちの２つの少なくとも一方について、前記電子測定回路（２８）により供給される信号値を保存する、ステップと、
    ＩＩ．前記保存されたテーブルから、前記歯車セットの前記整数通りの互いに等距離の角度位置の少なくとも一部と、同数の前記信号の基準値との対応付けを取り出し、このとき、複数通りの一連の基準値が、それぞれ、前記互いに等距離の角度位置のうちの２つの角度位置の前記少なくとも一方からなる異なる可能な円順列に対応し、そして、供給された前記信号の保存された一連の値と、複数通りそれぞれの前記一連の基準値との間の相関値を計算するステップと、
    ＩＩＩ．複数通りの異なる前記一連の基準値について計算された前記相関値のうち、その値が最大である相関値を判別することにより、前記アナログ表示器（１４）の角度位置を特定するステップとを含む方法。
13. 上記ステップ（Ｉ）において、前記歯車セットの前記互いに等距離の角度位置の全てについて、前記電子測定回路（２８）により供給される前記信号の値を保存することと、
    上記ステップ（ＩＩ）において、前記一連の基準値の複数通りの数は、前記所定数に等しく、前記複数通りは、それぞれ、前記等距離の角度位置の全てからなる異なる円順列に対応することを特徴とする、請求項１２に記載の、歯車セットの角度位置を特定するための方法。
14. 前記電気機械装置の前記ステッピングモータは、所定方向に該モータを動作させるためには、その流れ方向をステップごとに反転させる必要がある電流インパルス通電を受けるように構成されたバイポーラモータであり、当該方法は、
    前記所定数は偶数であることと、
    上記ステップ（Ｉ）において、前記歯車セットの前記互いに等距離の角度位置のうちの２つの一方について、前記電子測定回路（２８）により供給される前記信号の値を保存することと、
    上記ステップ（ＩＩ）において、前記一連の基準値の複数通りの数は、前記所定数の半分に等しく、前記複数通りは、それぞれ、前記互いに等距離の角度位置のうちの２つの前記一方からなる異なる円順列に対応すること、を特徴とする、請求項１２に記載の、歯車セットの角度位置を特定するための方法。
15. 当該方法は、対応テーブルを作成する予備ステップを含み、該作成ステップは、理論曲線を生成することと、前記容量式検出装置によって得られる実験曲線に応じて、前記理論曲線のパラメータを調整することとを含む、請求項１２に記載の、歯車セットの位置を特定するための方法。
16. 前記理論曲線の生成は、前記歯車セットを１ステップごとに完全な１回転させることと、前記回転に応じて前記電子測定回路により供給された信号の値を保存することとを含む、請求項１５に記載の、歯車セットの位置を特定するための方法。
17. 前記理論曲線の生成は、前記電子測定回路により供給された前記値の最大値を特定することを含み、このとき、前記理論曲線は、前記最大値までの立ち上がりエッジと、平坦部と、その後の立ち下がりエッジとを順次含む、請求項１６に記載の、歯車セットの位置を特定するための方法。
18. 前記理論曲線の生成は、前記電子測定回路により供給された前記値の最大値に対応する第１ステップを特定することと、前記値の最小値に対応する第２ステップを特定することとを含み、このとき、前記理論曲線は、その中心に前記第１ステップが対応する第１の正の平坦部と、その中心に前記第２ステップが対応する第２の負のプラトー部とを含む、請求項１６に記載の、歯車セットの位置を特定するための方法。
19. 周波数スペクトルを得るために、前記電子測定回路により供給された前記値のフーリエ変換を実行することと、その後、前記スペクトルの高調波の逆変換を実行することとを含む、請求項１６に記載の、歯車セットの位置を特定するための方法。

Images