JP3777429B2 - コントロールされない指針運動の強度の低減方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ステッピングモータによりステッピングモータの回転子を介して回転駆動され機械的ストッパに当接する指針が、ステッピングモータをスイッチオフする際に行うコントロールされない指針運動の強度の低減方法に関する。
従来技術
Klaus Mayer著の論文”ステッピングモータとそのステップ持続時間”(Feiwerktechnik & Messtechnik誌 99(1991)7−8,327〜332頁)から公知のステッピングモータは、モータ軸に取付けられている永久磁石形回転子を有し、この回転子は、2つのコイル装置の回転磁界の中で回転する。回転子の軸に指針を取付けると、ステッピングモータを制御することにより、所定回転角を設定でき、この回転角を指針により目盛盤を介して表示することが可能である。このような装置は、例えば回転数、速度及びその他の自動車固有の情報のために自動車搭載組合せ計器の中に設けることが可能である。この場合通常、目盛の下端にストッパピンを、指針のためのストッパとして設け、とりわけ、ステッピングモータをスイッチオンした直後に指針をこのストッパに向かって動かして、これにより、ステッピングモータの回転子のための定められている初期位置を得る。現在まで通常使用されているステッピングモータの場合、指針とステッピングモータとから成る機構が機械的に緊張されているという問題がしばしば発生する。なお、指針と回転子との間に変速伝動装置が配置されていることもある。何故ならば機械的構成要素が、回転子トルクによりストッパに押しつけられると弾性変形されるからである。このような変形の原因はとりわけ、指針の弾性と、変速伝動装置の機械的遊びとにある。指針がストッパに当接した後にステッピングモータをスイッチオフするとしばしば、この機構の緊張が瞬間的に消滅し、これにより指針がストッパから飛び離れることがある。指針がストッパからコントロールされないで飛び離れると表示誤差が発生することがある。更に、多くの場合に運転者は、指針が突然にストッパから飛び離れると不快に感ずる。
発明の利点
ステッピングモータをスイッチオフする前に、指針がストッパから飛び離れることを低減する措置、例えば指針をスイッチオフの前に所定平衡調整回転角だけストッパから離れ運動させるか、又は、スイッチオフの後にステッピングモータを1回だけ所定スイッチオフ時間間隔の後に所定スイッチオン時間間隔にわたりステッピングモータを再びスイッチオンする措置を実施する本発明の方法の利点は、前述のようなコントロールされない指針運動の強度を低減することにある。この場合、強度とは、指針が機械的ストッパから飛び離れる際の指針の予測される回転角のことである。これにより得られる利点は、ステッピングモータにより駆動される指針がスイッチオフの後でも、正確に定められている位置に位置し、これにより表示の精度及びひいては読取り精度が改善されることにある。更に、読取る人間が指針運動に対して抱く主観的な感じが改善される。
指針離れ運動の利点は、指針がストッパから制御されて回転運動することにより、回転子の自由回転の回転角が最小のステップ角度より大きくはならず、これにより、回転子ひいては指針の回転特性が非常に静かであることにある。
スイッチオフの後に再びスイッチオンすることの利点は、スイッチオン及びスイッチオフを交互に行う方式から、ステッピングモータの非常に簡単な制御が得られ、この制御により、指針トルクに追従する回転子を、コントロールして捕捉でき、これにより、コントロールされない指針運動の強度を低減できることにある。
メモリ媒体から平衡調整回転角を読出すことにより得られる利点は、異なるステッピングモータに対して、及び、指針、伝動装置等の異なる機械的弾性に対して、及び、弾性に影響する異なる環境条件に対して、それぞれ最適な平衡調整回転角を、メモリ媒体のメモリ内容を簡単に変更することにより設定できることにある。
指針がストッパから回転運動して離れる際の回転速度をより小さく選択すると、読取る人間にとって主観的に快適な指針特性が得られる、何故ならば緩慢な指針運動は、急速な指針運動に比してより目立たないからである。
平衡調整回転角にわたり回転運動が行われる間に磁界強度を低減すると、機械的に緊張されているこの機構を完全に緊張解除するために必要な平衡調整回転角を低減でき、これによりスイッチオフプロセスが短縮する。指針がストッパから離れる時間と、ステッピングモータをスイッチオフする時間との間に制御コイルの磁界の磁界強度を低減すると、コントロールされない指針運動の強度を低減することが、平衡調整回転角を過剰に小さく選択した場合に可能となり、有利である。
スイッチオフ時間間隔を長くすると得られる利点は、回転子運動のための時間を長くとれることにある、何故ならば指針回転速度とひいては回転子回転速度とが、緊張解除されたこの機構では指針トルクが低減されることに起因して減少するからである、なお、前述のように回転子運動のための時間を長くとれると有利である理由は、これにより、スイッチオフ時間間隔を長くとれ、回転子が、回転速度が低減されたにもかかわらず、このスイッチオフ時間間隔の中で少なくとも1/2の回転子回転だけ指針トルクの方向に回転運動し、回転子が、再びスイッチオンされると安定位置に強制的に置かれ、この安定位置では小さい指針トルクしか発生しないことにある。
最短のスイッチオフ時間間隔を、ステッピングモータの回転子が更に完全に1回転だけ回転運動する際の最短時間間隔より短く選択し、最長のスイッチオフ時間間隔を、ステッピングモータの回転子が更に完全に1回転だけ回転運動する際の最長時間間隔より短く選択することにより得られる利点は、回転子がスイッチオフ時間間隔の間に、1回転子回転より短い角度距離しか回転運動せず、これにより、その際に発生する最大の回転子回転速度が制限されることにある。
更に、スイッチオン時間間隔と先行のスイッチオフ時間間隔との和を、ステッピングモータの回転子がこの時間間隔の中で更に完全に1回転だけ回転運動する際の時間間隔より長く選択すると有利であることが分かった、何故ならばこれにより回転子は、スイッチオフ時間間隔の間の回転運動の後、スイッチオン時間間隔の間に強く制動され、この制動の強さの程度は、次の回転運動も回転子の慣性トルクを丁度克服できる程度であり、これにより回転子の最大回転速度も低減されることにある。
図面
図1は、指針を有するステッピングモータの横断面図である。
図2は、スイッチオフの前に連続的に低減される制御電圧の一般的経過を示す線図である。
図3は、複数回のスイッチオン動作及びスイッチオフ動作を有する回転角の一般的経過を示す線図である。
図4は、スイッチオフの前に平衡調整回転角だけ回転運動される回転角の一般的経過を示す線図である。
図5は、ステッピングモータのための制御回路のブロック回路図である。
図6は、制御コイルを制御するためのインピーダンス回路の概念図である。
図7は、複数回のスイッチオン動作及びスイッチオフ動作を有する制御電圧の経過の1つの例の線図である。
図8は、図7に示されている制御電圧の経過に対する回転角の経過の線図である。
図9は、図7に示されている制御電圧の経過に対する指針トルク及び回転子トルクの安定位置を示す線図である。
図10は平衡調整回転角だけ回転子が回転運動する際の制御コイルの磁界の磁界方向の経過の1例の線図である。
図11は、制御コイルの磁界の磁界方向の図10に示されている経過に対する回転角の経過の線図である。
図12は、制御コイルの磁界の磁界方向の図10に示されている経過に対する回転子トルクの経過の線図である。
図13は、制御コイルの磁界の磁界方向の図10に示されている経過に対する指針トルクの経過の線図である。
図14は、制御電圧が連続的に低減される際の指針トルク及び回転子トルクの安定位置及び準不安定位置の1つの例の線図である。
図15は、指針トルク及び回転子トルクの図14に示されている安定位置及び準不安定位置に対する制御電圧及び指針トルクの経過の線図である。
図16は、指針トルク及び回転子トルクの図14に示されている安定位置及び準不安定位置に対する回転角の経過の線図である。
実施形態の説明
次に本発明を実施の形態に基づいて図を用いて詳細に説明する。
図1はステッピングモータ14の構成を示す。ステッピングモータ14は4つのコイル鉄心13を有し、コイル鉄心13は第1の円周上に、互いにそれぞれ90°ずらされて配置されている。コイル鉄心13はそれぞれ1つの制御コイル15を有する。制御コイル15の端部は、それぞれ対を成して互いに対向して位置し、互いに面している端面に、それぞれ1つの凹状の湾曲部を有し、4つのコイル鉄心13の凹状湾曲部は、第1の円周に同心の別の1つの円周の一部を形成する。これらの2つの円周の中心点には、ほぼ直方体の回転子12が、この中心点に位置し、この回転子12の対称軸線と対称軸線とが交差する交点を中心に回転可能に支承され、この回転子12の端部は、凸状の湾曲部を有し、これらの凸状湾曲部の円周も、この中心点に同心に位置し、これらの凸状湾曲部の半径は、コイル鉄心13の凹状湾曲部の半径にほぼ等しい。回転子12は、永久磁石により形成され、1つのS極と1つのN極とを有する。S極とN極との間の境界線は、回転子12の最短の対称軸線に沿って走行し、従ってS極は回転子12の一端に位置し、N極は回転子12の他端に位置する。回転子12の回転軸線が中心軸線であり回転子12と回転不能に接続されている軸20には指針10が取付けられている。指針10は、時計の針の回転方向とは逆の回転方向に回転すると、機械的ストッパ11に衝突する。2つの互いに対向して位置する制御コイル15には第1の制御電圧U1が印加可能であり、第2の一対の互いに対向して位置する制御コイル15には第2の制御電圧U2が印加可能である。コイル鉄心13はそれぞれ参照記号a,b,c,dにより示されている。
制御電圧U1,U2を、それぞれ1つ又は2つの対の互いに対向して位置する制御コイル15に印加することにより、他方の円周の中の領域内に磁界を発生でき、この磁界は回転子12にトルクを与え、これにより回転子12を回転運動させ、この回転運動は、制御コイル15の磁界の磁界方向が回転子12の磁界方向に平行になり、回転子12のN極が制御コイル15の磁界のS極の前に位置すると終了する、ただしこの場合、その他の力が回転子12に作用しないことを前提とする。
参照記号a,b,c,dは、ステッピングモータ14の動作の説明を容易にし、コントロールされない指針運動の低減方法を説明するのを容易にする方向指示記号として用いられる。次の用語が使用される。制御コイル15の磁界の磁界方向が方向aを有するのは、制御コイル15における制御電圧U1,U2の振幅値が、制御コイル15の磁界のS極が記号aにより示されているコイル鉄心13の前に位置するように設定されている場合である、すなわち、制御コイル15における制御電圧U1,U2の振幅値が、回転子12のN極が記号aにより示されているコイル鉄心13の前で1つの安定位置に動いて到達するように設定されている場合である、ただし、このように安定位置に動いて到達するのは、制御コイル15の磁界の力以外、何等の力も回転子12に作用しないことを前提とする。この場合、回転子12が位置aに位置するのは、回転子12のN極がコイル鉄心13の前に位置する場合であり、コイル鉄心13は記号aにより示されている。この場合、回転子12の位置は次の場合に”安定位置”と呼ぶ、すなわち、回転子12の位置が、制御電圧U1,U2の振幅値が不変に設定されている場合にもはや時間と共に変化せず、回転子12が、この位置から僅かにずれても自動的に再びこの位置に戻る場合である。これに対して回転子12が”準不安定位置”に位置する場合とは、制御電圧U1,U2の振幅値が不変に設定されている場合にはこの位置は時間と共に変化しないが、しかし、回転子12が、この位置から僅かにずれると更にこの位置から離れるように動く場合である。回転子12が”不安定位置”に位置する場合とは、回転子12が、この位置では回転子12に作用するすべてのトルクが非平衡状態にあるのでこの位置に留まらず、時間と共に別の位置に動く場合である。制御コイル15の磁界が回転子12に作用するトルクは、”回転子トルクM12”と呼ばれる。
図1には、回転子12に制御コイル15の磁界がトルクを生じさせ、このトルクは回転子12を時計の針の回転方向とは逆の回転方向に動かすように作用する場合が示されている。しかし、機械的ストッパ11により回転子12の回転運動は阻止される。機械的ストッパ11は指針10にトルクを生じさせ、このトルクは”指針トルクM10”と呼ばれる。制御コイルU1,U2が、制御コイル15の磁界の磁界方向が方向bとなって現れるように印加されると、回転子12のN極は、記号bを有するコイル鉄心13の真正面には回転して到達せず、位置bから差角度だけ離れている安定位置に留まる。差角度はとりわけ、指針10と軸20と機械的ストッパ11の弾性に依存する。回転子12の安定位置の特徴は、指針10に機械的ストッパ11により作用される指針力FZeigの大きさが、制御コイル15の磁界によるトルクにより回転子12に作用され軸20を介して指針10に働く回転子力FRotの大きさに等しいことになる。制御電圧U1,U2がそのまま維持されると、回転子12はこの位置に留まる。この位置は安定位置であり、この安定位置では、平衡状態にあるこれらの2つのトルクが最大値を有し、この最大値では平衡状態が可能であり、”安定終位置”と呼ばれる。制御電圧U1,U2はスイッチオフされると、回転子力FRotが突然減少し、これにより指針力FZeigが瞬時に消滅し、これにより指針10が、時計の針の回転方向とは反対の回転方向に回転してストッパ11から離れる。
通常、回転子12と指針10との間に伝動装置が接続され、この伝動装置は変速比を有し、この変速比では指針10は、回転子12が動く角度の数分の1しか動かない。このような伝動装置の場合にも大部分の場合、主に使用ピニオンの弾性と伝動装置の遊びとにより発生する弾性が存在する。このような伝動装置により回転子12が、指針10がストッパに衝突する時点と、安定終位置への到達時点との間で数回回転する。安定終位置に到達すると、通常ステッピングモータ14の制御が変化され、制御コイル15の磁界がもはや回転せず、制御コイル15の磁界が1つの角度位置に固定保持される。この段階で回転子12は1つの安定位置に留まるが、しかしこの安定位置は、安定終位置と必ずしも同一でなくともよい。これに続いてステッピングモータ14をスイッチオフしなければならない、すなわち、制御電圧U1,U2を低減して零にしなければならない。この段階で本発明が用いられる。すなわち、ステッピングモータ14をスイッチオフする際、瞬間的なスイッチオフの際に高い確率で発生するコントロールされない指針運動の強度を低減するか、又は、更にはこのような指針運動を完全に回避することを目指す。制御電圧U1,U2を瞬間的にスイッチオフする代りに別の1つの方法を用いる、すなわち、この方法により、回転子力FRotとひいては指針力FZeigとを、瞬間的なスイッチオフの場合に比してより緩慢に低減する。その際、回転子12は制限された速度で動き、従って指針が機械的ストッパ11から目立って飛び離れることは、最小に低減される。この方法は、原理的に3つの種類があり、これらの方法を以下に順次に説明する。
すべての方法に共通な点は回転子12が、回転子力Frotを緩慢に低減するために時計の針の回転方向と同一の回転方向で回転することにある。この場合、図2〜16に示されている線図の共通の基礎となる前提は、ステッピングモータ15の中に例えば中間伝動装置に起因して弾性が存在し、この弾性は充分に大きく、弾性が充分に大きいとは回転子12が、指針10が機械的ストッパ11に衝突した時点の後で複数回にわたり自身を中心に時計の針の回転方向とは反対の回転方向で回転し、この回転は指針10が安定終位置に到達すると終了することを意味することにある。従って逆に、回転子12も複数回回転しないと、指針力FZeigは完全に無くならない。
図2には、第1の方法のための制御電圧U1,U2の経過が示されている。これら2つの制御電圧U1,U2の振幅は双方とも、正弦曲線に沿って変化する。制御電圧U1の位相は制御電圧U2に対して90°だけずれている。これにより回転子12の回転は、時計の針の回転方向とは逆の回転方向で行われる。回転子12は通常マイクロステップ作動で作動される、すなわち、正弦曲線は不連続的な段階で近似され、1つの段階は1つのマイクロステップに相当する。指針10が任意の時点で機械的ストッパ11に衝突すると、回転子12は更に回転し、この回転は、安定終位置に到達し、制御コイル15の磁界により回転子12ひいては指針10に作用する回転子トルクM10が、機械的ストッパ11により指針10に作用する指針トルクM12に等しくなると終了する。回転子12はこの位置に留まり、制御コイル15の磁界の磁界方向はなおも、時計の針の回転方向とは反対の回転方向に回転する。回転子12はこの磁界の回転運動にはもはや追従しない。回転子トルクM12は、回転子12の磁界の磁界方向と、制御コイル15の磁界の磁界方向との間の差角度に依存するので、回転子12は、安定終位置を中心に変動する往復運動を行う。ステッピングモータ14をこの状況でスイッチオフする場合、まず初めに制御コイル15の磁界の回転運動が停止され、この停止は、制御電圧U1,U2が時間的に一定に保持されることにより実現される。これにより回転子トルクM12はもはや変化せず、回転子12の往復運動は減衰しひいては消滅する。回転子12は動いて安定位置に到達し、この安定位置ではトルクは平衡状態にある。この段階でのステッピングモータ14の状態は、3つの異なる方法のための出発点として利用される。第1の方法の特徴は次の経過にある。すなわち、第1の開始時点t0から制御電圧U1,U2の振幅値は連続的に低減される。その際、これら2つの制御電圧U1,U2の位相の相互間関係はもはや変化されない。制御電圧U1,U2の振幅を低減することにより回転子トルクM12が低減され、これにより指針10が、回転子トルクM10に追従して時計の針の回転方向とは反対の回転方向に回転する。これにより指針トルクM10も減少する。このようにしてこれら2つのトルクが低減される。ステッピングモータの瞬間的なスイッチオフの際のコントロールされない指針運動の強度は、この時点での指針力FZeigと、ひいては指針トルクM10とに依存するので、このコントロールされない指針運動の期待している強度も減少する。従って、ステッピングモータ14のスイッチオフを行う時点を、制御電圧U1,U2が低下してより小さい振幅値に到達した後にすると、コントロールされない指針運動の程度が減少する。制御電圧U1,U2の振幅を大幅に低下すると特に有利である。これにより終了時点t1では制御電圧U1,U2は双方とも値零に低下する。とりわけ、制御電圧U1,U2を連続的に低下して値零にすることが可能な場合、コントロールされない指針運動はもはや全く発生しない。この第1の方法に関する詳細は、図14〜16に基づいて説明する。
指針力FZeigを低減する第2の方法として、図3に示されているように開始時点t0から双方の制御電圧U1,U2を第1のスイッチオフ時間間隔ta1にわたりスイッチオフし、次いで第1のスイッチオン時間間隔te1にわたり再びスイッチオンする。次いで複数のこのようなプロセスが続き、これらのプロセスはそれぞれ、第2のスイッチオフ時間間隔ta2、第2のスイッチオン時間間隔te2、第3のスイッチオフ時間間隔ta3及び第3のスイッチオン時間間隔te3と続く。第3のスイッチオン時間間隔te3の後、終了時点t1に到達し、ステッピングモータ14はもはやスイッチオンされない。スイッチオフ時間間隔ta1,ta2,ta3の間に回転子12は、回転子12の安定位置から指針力FZeigの方向に動き、スイッチオン時間間隔te1,te2,te3の間に再び、再びスイッチオンされたステッピングモータ14の制御コイル15の磁界により、より小さい回転子トルクM12を有する安定位置に捕捉され、この安定位置で安定化される。このようにして回転子が1回転する毎に回転子トルクM10がある所定値だけ減少し、ひいては指針力FZeigもある所定値だけ減少する。回転子の回転はこの方法により時間的に制御されて終わる。従ってこの場合も、指針トルクM10がステップ状に減少することにより、期待するコントロールされない指針運動の強度が低減される。この第2の方法に関する詳細は、図7〜9に基づいて説明する。
第3の方法のための回転角経過が図4に示されている。回転子12の回転角φは、回転子12が時計の針の回転方向とは反対の回転方向に回転運動すると減少する。回転子12が、増加する指針トルクM10により制動されて停止し、安定終位置に強制的に達すると直ちに、最小回転角φminに到達する。第3の方法では、ステッピングモータ14がスイッチオフされる前に回転子12が開始時点t0から、制御コイル15を制御することにより回転方向を反転されて平衡調整回転角Δφだけ時計の針の回転方向に動かされ、これにより同様に指針力FZeigも低減される。回転子12のこの回転運動も、突然のスイッチオフの際の回転運動と異なりコントロールされて行われる。平衡調整回転角Δφに到達するとステッピングモータ14は、終了時点t1でスイッチオフされる。回転子12はスイッチオフの前に平衡調整回転角Δφだけ動かされたので、終了時点t1では、低減された指針力FZeigしか回転子12に作用せず、これにより、指針10が機械的ストッパ11からコントロールされないで飛び離れる際の飛び離れる強度は低減される。最適な場合、平衡調整回転角Δφは丁度、指針運動M10が低減されて値零に到達するように選択される。この方法に関する詳細は、図10〜13に基づいて説明する。
図5に示されている装置は、ステッピングモータ14を制御するために用いられる装置であり、これにより本発明の方法を実施する。測定抵抗RMを有する測定器4は、ステッピングモータ駆動回路3に前置接続されている。ステッピングモータ駆動回路3の出力側は駆動回路電圧U1s,U2sを出力し、駆動回路電圧U1s,U2sはパルス幅変調器2に供給される。パルス幅変調器2の出力側でありパルス幅変調された電圧U1p,U2pを出力する出力側と、ステッピングモータ14の入力側との間にはインピーダンス回路16が配置され、インピーダンス回路16の出力側は制御電圧U1,U2を出力する。ステッピングモータ駆動回路3は更に2つの入力側端子を有し、これらの入力側端子には供給電圧UAが入力され、供給電圧UAは供給電圧源5により発生される。更にスイッチオフ装置18が設けられ、スイッチオン装置18はメモリ媒体19及び経過制御装置17を有する。スイッチSは経過制御装置17に接続され、経過制御装置17は4つの出力側を有し、これらの出力側のうちの第1の出力側は、インピーダンス回路16に接続され、第2の出力側は、パルス幅変調器2に接続され、第3の出力側は供給電圧源に接続され、第4の出力側はステッピングモータ駆動回路3に接続されている。メモリ媒体19は経過制御装置17に接続されている。
測定器4は測定抵抗RMを介して、例えば温度又は回転数RPMを測定するために用いられ、更に例えば求められた測定値を、ステッピングモータ14で調整する回転角φに変換するために用いられる。調整する回転角φの値は測定器4からステッピングモータ駆動回路3に伝達され、ステッピングモータ駆動回路3は、調整する回転角φの値を、駆動回路電圧U1s,U2sの2つの相応する値に変換する。パルス幅変調器2は、このパルス幅変調器2に供給される駆動回路電圧U1s,U2sの値を、相応するパルス幅変調された制御電圧U1p,U2pに変換する。これらのパルス幅変調された制御電圧U1p,U2pは、図6に関連して後に詳述するインピーダンス回路16を介してステッピングモータ14に供給され、ステッピングモータ14では、制御電圧U1,U2の到来電圧値は制御コイル15に供給され、これにより、回転子12と一緒に軸20に取付けられている指針10を回転させる。本発明では、スイッチSが作動され、次いで経過制御装置17が始動され、次いで3つの前述の方法のうちの1つ又は複数の方法が、ステッピングモータ14がスイッチオフされる前に実行される。第1の方法によりステッピングモータ14の磁界強度を低減する方法は、スイッチオフ装置18とインピーダンス回路16との間の接続を介して、インピーダンス回路16の中に存在するインピーダンスのインピーダンス値を変化でき、この変化を行うことにより制御電圧U1,U2の振幅を減じることにある。同様に本発明では、経過制御装置17が、パルス幅変調器2の中のパルス幅変調された制御電圧U1p,U2pのパルス幅を減じるように制御する。更に本発明では、ステッピングモータ14の中の制御コイル15の磁界の磁界強度を減じることができ、この減じる方法は、ステッピングモータ駆動回路3の供給電圧UAを低下することにある。3つすべての作用形態、すなわちインピーダンス回路16への作用形態、パルス幅変調器2への作用形態、及びステッピングモータ駆動回路3への作用形態は次のように制御する、すなわち、制御コイル15の磁界の磁界強度が連続的に又は不連続的段階でより低い値に減じられるように制御する。同様に、3つすべての作用形態は、第2の方法において複数のスイッチオフ動作及びスイッチオン動作を実現するように制御することも可能である。経過制御装置17の第4の出力側導線は直接にステッピングモータ駆動回路3につながり、これにより第3の方法で経過制御装置17が回転角φを制御するようにできる。まず初めに経過制御装置17はメモリ媒体19から、平衡調整回転角Δφのための値を取出し、次いでこの値をステッピングモータ駆動回路3に供給し、次いでこのステッピングモータ駆動回路3が、ステッピングモータ14の回転子12が平衡調整回転角Δφだけ機械的ストッパ11から離れるように回転運動するように制御する。この場合、スイッチSの作動は開始時点t0で行われ、スイッチオフ動作の終了は経過制御装置17により終了時点t1で行われる。経過制御装置17は次のように構成されると特に有利である、すなわち、スイッチオフ過程が、緊張された部材の弾性に影響する可変の環境量例えば温度、湿度等へ整合されるように行われると特に有利である。これを実現するためには勿論、環境量の当該のパラメータ値が測定装置から経過制御装置17に供給されなければならない。
図6には、インピーダンス回路16のための1つの実施例が示されている。この場合、分圧器抵抗R1と可変抵抗RVとから成る分圧器が、インピーダンス回路16の入力側に並列に接続され、この入力側には制御電圧U1pが印加されている。分圧器抵抗R1に並列に制御コイル15が接続され、制御コイル15はコイル鉄心13に巻かれている。これら2つの抵抗R1,RVはインピーダンス回路16を形成している。
可変抵抗RVの抵抗値を変化することにより、分圧器抵抗R1で降下する電圧、すなわち制御コイル15のための制御電圧U1を形成する電圧を変化できる。従って経過制御装置17によるスイッチオフプロセスは、可変抵抗RVの抵抗値を変化することにより、制御電圧U1の振幅値が変化するように行う。
図7には、第2の方法のための制御電圧U1,U2の電圧経過が示されている。この電圧経過に従って回転子12の回転角φも変化し、その際の回転角φの経過が図8に示され、指針10及び回転子12のトルクM10,M12に基づいて安定位置を示す線図が図9に示されている。第2の方法の動作を、図7,8及び9に基づいて関連して説明する。回転子12が開始時点t0の前に安定位置にあり、この安定位置は、回転子12のN極を位置aと位置bとの間に定めることを前提とする。この場合更に、制御コイル15に次のように電流が流されることを前提としている、すなわち、制御コイル15の磁界が回転子12のN極を位置bに回転するように電流を流すことを前提としている。この磁界方向bは、この第3の方法では一定のままである。図9には線ζが示され、この線ζは、指針トルクM10の理想的経過を、回転角φを横軸にして表す。回転子トルクM12の経過は線ωにより表されている。回転子12が開始時点t0の前に位置する安定位置は、参照記号A1により示されている。位置aと位置bとの間の安定静止状態では指針10の指針トルクM10の大きさは、回転子12の回転子トルクM12の大きさに正確に等しい。開始時点t0で制御電圧U1,U2はスイッチオフされる。これに続いて指針トルクM10は、ステッピングモータ14の制御コイル15の磁界がスイッチオフされたことに起因して、指針10を時計の針の回転方向に回転して位置aへ向かって回転する。この場合、指針10は順次に位置a,d,c及びbを越えて動く。指針10が位置aを越える時点と、指針10が位置bを越える時点との間に制御電圧U1,U2は再びスイッチオンされる。これに続いて、ステッピングモータ14の中にステッピングモータ14の中の制御コイル15により再び発生される磁界は、回転子12の回転運動を捕捉し、ひいては指針10の回転運動を捕捉し、回転子12を第1の捕捉時点tx1で1つの新安定位置に強制的に置き、この新安定位置も位置aと位置bとの間に位置する。指針トルクM10は、回転子12のこの回転動作の間にわたり低減されるので、新安定位置A2は位置bにより近い位置に位置する。回転子12が新安定位置A2に制御コイル15の磁界により捕捉されて置かれた後、制御電圧U1,U2が再びスイッチオフされる。これに続いて回転子12が再び回転を開始し、位置a,d,c及びbを越え、第3の安定位置A3に到達する。回転子12は第2の捕捉時点tx2で第3の安定位置A3に捕捉されて置かれる、何故ならば制御コイル15の磁界は、制御電圧U1,U2が再びスイッチオンされることにより適切な時間に、回転子12が位置bを越える時点の前にスイッチオンされたからである。再び指針トルクM10は回転子12がこの回転動作を行うことにより低減され、これにより第3の安定位置A3は再び位置bにより近い位置に位置する。回転子12の回転速度は、時計の針の回転方向での回転運動の都度に指針トルクM10が減少することに起因して減少する。これは図8から分かる、すなわち、安定位置A1,A2及びA3の間の急峻側縁の急峻度が、時間tの経過につれてかつ回転角φが小さくなるにつれて減少することから分かる。制御電圧U1,U2を再びスイッチオフすると、回転子12が再び回転運動を開始し、回転子12は安定位置A3から出発して順次に位置a,d及びcを越える。位置cを越えると、指針トルクM10は値零に低下する、すなわち、この段階で指針10は指針力FZeig無しに機械的ストッパ11に当接している。回転子12がこの第1の零トルク時点tx3で位置する不安定位置は参照記号Eにより示されている。しかしステッピングモータ14はまだスイッチオンされているので、回転子トルクM12は依然として、位置Eと位置bとの間の差角度に起因して回転子12に作用する。従って回転子12には、不安定位置Eに到達した時点以後は回転子トルクM12のみしか作用しなくなる。この回転子トルクM12により回転子12が不安定位置Eから出発して回転して安定位置Fに到達し、この安定位置Fは安定位置bに一致する。安定位置Fではトルクがもはや回転子12に作用しないので、回転子12は安定位置bに留まる。回転子12が位置bに第2の零トルク時点tx4で到達すると、次いで制御電圧U1,U2は終了時点t1で最終的にスイッチオフされる。制御電圧U1,U2を更にスイッチオン又はスイッチオフしても、何等の効果も無く、指針10はその位置に留まったままである。従って指針トルクM10が段階的に低減され、回転子12は最大で1度に1回転だけ回転できる。指針10が回転子12に変速伝動装置を介して接続されている場合、回転子12が最大に回転すると、すなわち1回転すると、指針10はそれに相応して僅か回転運動を行う。この場合、機械的ストッパ11から障害となるような指針10の飛び離れが発生しない。
スイッチオン時間間隔te1,te2,te3とスイッチオフ時間間隔ta1,ta2,ta3の長さを選択する際に大きさを定めるための基準として次の点を指摘しておく。回転子12の回転速度は指針トルクM10が減少すると共に同様に減少するので、順次に続くスイッチオフ時間間隔ta1,ta2,ta3は増加するように選択されなければならない。回転子12は、スイッチオフ時間間隔ta1,ta2,ta3の間にほぼ1回転を行うために、スイッチオフ時間間隔ta1,ta2,ta3の間に少なくとも位置aを越えて回転しなければならない、何故ならばこれにより回転子12は、再びスイッチオンされても回転子12の前の安定位置に戻されることが無くなるからである。一方、スイッチオフ時間間隔ta1,ta2,ta3を次の程度に短く選択しなければならない、すなわち次の程度とは、制御コイル15の磁界が、順次のスイッチオン時間間隔te1,te2,te3の間に次のように適切な時間に再び形成される程度のことである、すなわち適切な時間とは、回転する回転子12が次の安定位置で制御コイル15の磁界により捕捉され、完全な1回転より僅かに小さな回転子回転区間を回転した後に位置するこの安定位置で制御コイル15の磁界により捕捉され、この安定位置に強制的に置かれるようにする時間のことである。スイッチオン時間間隔te1,te2,te3は、回転する回転子12がこの安定位置で充分に制動される程度に大きく選択しなければならない。これにより、回転子12が丁度終了した回転から、次の回転のためのエネルギを連行しないことが達成され、これが達成されることは好適である、何故ならばこれが達成されない場合、回転の間に到達する回転子12の速度が増加するからである。本発明では、ステッピングモータ14がスイッチオフされる際の最大の回転子速度は、理想的な場合には指針10が機械的ストッパ11から飛び離れない程度に小さい値に制限される。従って、図7〜9に示されている例ではスイッチオン時間間隔te1,te2,te3は、回転子12が位置aに到達した時点の後に開始し、回転子12が位置A3に到達した後に終了しなければならない。
図10には第3の方法のためのステッピングモータ14の中の制御コイル15の磁界の方向の時間経過が示されている。図11は、図示されている曲線βに基づいて回転子12の回転角φの相応する経過を示す。更に図12は回転子トルクM12のおおよその経過を示し、図13は指針トルクM10のおおよその経過を示す。図10〜13を基礎にして第3の方法を次に詳細に説明する。
この場合にも出発点として、回転子12のN極が開始時点t0の前に位置aと位置bとの間の安定位置A1に位置することを前提とする。制御コイル15の磁界は、まず初めに磁界方向bを有する。開始時点t0以後は制御コイル15の磁界の磁界方向は切換えられ、従って制御コイル15の磁界の新磁界方向は位置aに向いている。これはフルステップ作動に相当する、なおフルステップ作動はこの方法の過程の説明をわかりやすくするために用いる。しかしこの方法はマイクロステップ作動にも適する。制御コイル15の磁界の磁界方向が切換わることにより、回転子トルクM12の正負の符号も反転し、これにより回転子2が時計の針の回転方向で回転する。その際に回転子12は位置aを越えて第2の安定位置A11に到達する。その際に回転子トルクM12は再び、一定のままの位置にある、すなわち指針トルクM10に等しい値にある。その際に回転子12の回転速度は、第1の方法及び第3の方法の場合のようには急激に増加しない、何故ならばこの場合には回転子は1/4回転を行う前に再び制動されて停止するからである。これを実現するために制御コイル15の磁界の磁界方向の回転周波数は、目盛盤上の測定値を指示するため回転子12の従来の回転作動の場合に比してより小さく選択されている。これに続いて制御コイル15の磁界の磁界方向が更に切換えられて位置dに向き、従って回転子12が再び時計の針の回転方向に回転する。その際に指針トルクM10は再び、より小さい値に減少し、指針トルクM10と回転子トルクM12とが等しくなり、これにより再び第3の安定位置A12が得られる。更に磁界方向の変化が、位置c及び位置bを介して発生する。その際に回転子12は、別の安定位置A13及びA14を越えて動く。指針トルクM10が零点を越えると直ちに、回転子トルクM12しか作用しなくなり、この回転子トルクM12は制御コイル15の磁界により回転子12に生じ、この回転子トルクM12は回転子12を、制御コイル15により丁度定められた磁界方向に動かす。回転子12が、最後に有効な磁界方向に回転した瞬間に回転子トルクM12も値零に低下し、従って何等のトルクももはや回転子12に作用しない。従って回転子12は最後の安定位置A15に留まる。従ってこの場合にも指針トルクM10は最大値からステップ状に低減され、この低減は、回転子12が平衡調整回転角Δφだけ時計の針の回転方向に回転して機械的ストッパ11から遠ざかって動かされることにより実現された。従ってこの場合にも、指針10が機械的ストッパ11から飛び離れることは、指針トルクM10を調整して低減することにより防止される。これにより、ステッピングモータ14をスイッチオフする際に予測されるコントロールされない指針運動の強度は低減される。理想的な場合、回転子12が時計の針の回転方向に回転される際の回転角度は丁度、指針トルクM10が零となる大きさである。このようにすると、ステッピングモータ14をスイッチオフする際、コントロールされない指針運動が発生しない。
本発明では第3の方法を第1の方法又は第2の方法と組合せて利用することも可能であり、このような利用方法は、平衡調整回転角Δφだけ回転することに加えて、制御電圧U1,U2の振幅が低減されるか、又は、交互にスイッチオン動作とスイッチオフ動作とが行われる。これによりスイッチオフ動作を付加的に短縮できる。
図14には第1の方法の指針トルクM10の経過が線ζを用いて示され、回転子トルクM12の経過が線γ1,γ2,γ3及びγ4が示されている。図15には制御電圧U1,U2の振幅の対応する経過が示され、指針トルクM10のおおよその経過が示されている。図16は回転子12の回転角φの対応する経過が示されている。図14,15及び16を用いて第1の方法の経過を説明する。
この場合も出発位置として、回転子12は位置aと位置bとの間の安定位置A1に留まっていると仮定する。制御コイル15の磁界の磁界方向は、全方法において位置bに向いている。開始時点t0から制御電圧U1,U2の振幅は連続的に低下する。これにより制御コイル15の磁界は連続的に弱まり、これにより回転子12は指針運動M10に追従して時計の針の回転方向に動く。その際に更に指針トルクM10が減じる。安定位置A1から位置aまでの運動が図14に示されている。制御電圧U1,U2の振幅が低減され、この低減の程度は回転子トルクM12が、初期の曲線γ1の経過から曲線γ2の経過へ変化する程度である。その際に指針トルクM12は線ζに沿って安定位置A1から準不安定位置D1へ移動する。準不安定位置D1に到達すると直ちに次の状態となる、すなわち、制御コイル15の磁界の磁界強度を更に低減する都度、回転子12に作用する回転子トルクM12が減少される状態となる。これに応じて回転子12は準不安定位置D1から回転して出て、位置d,c及びbを越えて第2の安定位置A2に到達する。この第2の安定位置A2は、線ζと、線γ2により表される回転子トルクM12との交点から得られる。低下速度が僅かである場合、位置A1と位置D1との間の回転子速度は、位置D1と位置A2との間の回転子速度に比して比較的小さい、何故ならば位置A1と位置D1との間の回転子速度は、制御電圧U1,U2の振幅を低減することにより定められ、位置D1と位置A2との間の回転子速度は、回転子12の機械的時定数により定められるからである。機械的時定数は、作動条件の下で回転子12の固有周波数の逆数に等しい。この固有周波数は勿論、回転子12に連結されている機械的部材例えば軸20、場合により設けられている伝動装置、及び指針10等にも依存し、回転子12の振動開始特性を定める。小さい低下速度を選択することにより回転子12は、第3の方法の場合にスイッチオンフェーズによる制動の場合と同様にほぼ1回転の後に再び制動される。この場合も、制御電圧U1,U2の振幅を低減すると、回転子は安定位置A2からより緩慢に回転して第2の準不安定位置D2に到達し、この第2の準不安定位置D2は、回転子トルクM12が位置aで指針トルクM10と丁度等しい大きさである場合に発生する。回転子トルクM12はこの場合、図14の線γ3により表される。この場合にも回転子12は再び準不安定位置D2から回転して出て、位置d,c及びbを越えて第3の安定位置A3に到達する。次いでこのような動作が、位置D3,A4,D4,A5,D5に関して繰返され、このような動作の繰返しは、指針トルクM10が値零に低下すると終了する。この段階で回転子12は不安定位置Eに位置する。この不安定位置Eでは回転子12には指針トルクM10はもはや作用せず、回転子トルクM12のこの時点でまだ残存する部分のみが回転子12に作用する。この残存する回転子トルクM12により回転子12は不安定位置Eから回転して最終的な安定位置Fに到達し、この最終的な安定位置Fの特徴は、回転子12のN極が位置bの前に位置することにある。この位置に回転子12は、制御電圧U1,U2の振幅が零に低下し、最終時点t1に到達するまで留まる。制御電圧U1,U2の振幅は既に零であるので、ステッピングモータ14は既にスイッチオフされている。この第1の方法では回転子12が交互に緩慢な運動と急速な運動とを行い、急速な回転運動は最大で1回りの回転子回転に制限され、これにより回転子12の速度はコントロールされずに増加することが無く、ひいては指針10が機械的ストッパ11から飛び離れることが無い。制御コイル15の磁界の磁界強度を低減する際に値零にすることは必ずしも必要ではない。コントロールされない指針運動の強度の低減は、回転子12が準不安定位置から回転して安定位置に到達するまでの回転の間の回転子トルクM10を低減することにより既に達成されている。しかしこのような動作過程が、突然のスイッチオフ動作の前に行われる回数が多い程、この強度は小さくなる。
従って3つすべての方法に共通な点は、指針トルクM10がコントロールされて低減され、これにより、指針10が機械的ストッパ11から目立つ程に飛び離れることが全く無いか又はほぼ無い。本発明では3つの方法は互いに組合せて、それぞれの用途に整合された解決法を得ることができる。この場合例えば、回転子12をまず初めに平衡調整回転角Δφだけ機械的ストッパ11から離れるように回転し、次いで制御電圧U1,U2の振幅を連続的に低減するか、又は、複数のスイッチオン動作及びスイッチオフ動作により指針トルクM10を低減することが可能である。
図1〜16に示されている前述のステッピングモータ14は、4つの制御コイル15と4つのコイル鉄心13とを有する。しかし本発明の方法は、任意の別のタイプのステッピングモータ14にも適する。例えば公知のステッピングモータ14は、ただ2つの制御コイル15を有し、制御コイル15のコイル鉄心13はC形に形成され、これら2つの制御コイル15のコイル鉄心13のそれぞれ1つの脚部は互いに接続され、従ってコイル鉄心13のただ3つ端面が、120°の角度で互いにずれて円周に分散配置されており、このステッピングモータ14にも本発明の方法は利用可能である。
本発明での指針10とは一般的に、軸20に対してほぼ垂直に取付けられているレバーのことである。このレバーは必ずしも回転角φの表示に使用される必要はない。例えば剛性材料例えば鋼又はその他の金属等から成る第1の指針を軸20に取付け、軸20は機械的ストッパ11に衝突し、通常は透明材料から形成される回転角φを表示する別の指針10を同様に軸20に固定することも可能である。これにより、回転角φを表示する指針10の障害となる高い弾性が、第1の指針10の小さい弾性により置換され、これにより、小さい指針トルクM10を有する安定終位置が得られる。
前述の方法の代りに別の方法を使用して、指針10がストッパ11から飛び離れることを低減することもでき、例えばストッパ11に衝突する際に指針速度を低減することもできる。
Claims (8)
- ステッピングモータ(14)により前記ステッピングモータ(14)の回転子(12)を介して回転駆動され機械的ストッパ(11)に当接する指針(10)が、前記ステッピングモータ(14)をスイッチオフする際のコントロールされない指針運動の強度の低減方法において、
スイッチオフの前に所定平衡調整回転角(Δφ)だけ前記指針(10)を前記ストッパ(11)から離れるように運動させることを特徴とするコントロールされない指針運動の強度の低減方法。 - 平衡調整回転角(Δφ)の値を、メモリ媒体(19)から読出すことを特徴とする請求項1に記載のコントロールされない指針運動の強度の低減方法。
- 指針(10)が平衡調整回転角(Δφ)の角度距離にわたり回転運動する際の距離運動のために、より小さい回転速度を選択することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のコントロールされない指針運動の強度の低減方法。
- 指針(10)が平衡調整回転角(Δφ)の角度距離にわたり距離運動する間又はその後、及び、ステッピングモータ(14)をスイッチオフする前に前記ステッピングモータ(14)の磁界の磁界強度をより小さい値に低減することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1つの請求項に記載のコントロールされない指針運動の強度の低減方法。
- ステッピングモータ(14)により前記ステッピングモータ(14)の回転子(12)を介して回転駆動され機械的ストッパ(11)に当接する指針(10)が、前記ステッピングモータ(14)をスイッチオフする際のコントロールされない指針運動の強度の低減方法において、
スイッチオフの後に少なくとも1度だけ所定スイッチオフ時間間隔(ta1,ta2,ta3)の後に所定スイッチオン時間間隔(te1,te2,te3)にわたり前記ステッピングモータ(14)を再びスイッチオンする措置を実施することを特徴とするコントロールされない指針運動の強度の低減方法。 - ステッピングモータ(14)を複数回にわたりスイッチオン及び再びスイッチオフし、その際に複数のスイッチオフ時間間隔(ta1,ta2,ta3)を順次に長くすることを特徴とする請求項5に記載のコントロールされない指針運動の強度の低減方法。
- 最短のスイッチオフ時間間隔(ta1,ta2,ta3)を、ステッピングモータ(14)の回転子(12)が更に完全に1回転だけ回転運動する際の最短時間間隔より短く選択し、最長のスイッチオフ時間間隔(ta1,ta2,ta3)を、前記ステッピングモータ(14)の前記回転子(12)が更に完全に1回転だけ回転運動する際の最長時間間隔より短く選択することを特徴とする請求項6に記載のコントロールされない指針運動の強度の低減方法。
- スイッチオン時間間隔(te1,te2,te3)と先行のスイッチオフ時間間隔(ta1,ta2,ta3)との和を、ステッピングモータ(14)の回転子(12)がこの時間間隔の中で更に完全に1回転だけ回転運動する際の時間間隔より長く選択することを特徴とする請求項7に記載のコントロールされない指針運動の強度の低減方法。
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