JP4718150B2

JP4718150B2 - 指示計器

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Publication number: JP4718150B2
Application number: JP2004272995A
Authority: JP
Inventors: 喜好佐々木
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: JP2005156536A; US20050093503A1; EP1528368A2; EP1528368A3; US7034495B2

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交流的な帰零電圧で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、指針が帰零位置に達したものと判定している。
特開２００１−３１４０９９号公報特開２００２−２５０６４１号公報

従来は、誘起電圧を検出するために、界磁巻線を無励磁状態に切り替えるためのスイッチ回路を設けている。また、誘起電圧に基づく帰零判定（指針がストッパ機構に当接したことの判定）をＣＰＵ等で行なうために、誘起電圧をＡ／Ｄ変換器を介して所定のサンプリング周期で取り込み、取り込んだ誘起電圧データに平均化処理等を施した後に、しきい値判定を行なっている。このため、回路部品が多く制御が複雑になるという問題がある。

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、誘起電圧の検出及び誘起電圧に基づく帰零判定を行なう回路の簡易化を図った指示計器を提供することを目的とする。

請求項１に記載されたものは、マグネットロータおよびこのマグネットロータを回転させるための２つの界磁巻線を備えたステータを有するステッピングモータと、前記各界磁巻線に供給され前記マグネットロータを回転させるための擬似正弦波および擬似余弦波の各ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記マグネットロータの回転に伴い回動する指針と、前記指針が帰零位置に戻ったとき指針の回動を停止するストッパ機構とを備える指示計器であって、
前記指針を帰零方向へ回動させるための各ＰＷＭ信号を各界磁巻線に供給して指針を帰零方向へ回動させる際に、一方の界磁巻線へ供給するＰＷＭ信号がグランドレベルにある期間にその一方の界磁巻線のいずれか一端側にＰＷＭ信号を出力する出力ポートを開放状態（高インピーダンス状態）に制御すると共に、該出力ポートの界磁巻線を選択的に誘起電圧検出回路に接続する制御を行う出力ポート選択及び開放接続制御手段と、
前記出力ポート選択及び開放接続制御手段によって選択された界磁巻線を前記誘起電圧検出回路に接続するセレクタと、
前記誘起電圧検出回路に設けられて、前記一方の界磁巻線に誘起された誘起電圧と予め設定したしきい値電圧との大小関係を比較し２値出力を発生する電圧比較器と、
前記出力ポートを開放状態（高インピーダンス状態）に制御している期間における前記電圧比較器の２値出力に基づいて前記指針が回動中であるか前記指針が前記ストッパ機構に当接して指針の回動が停止されているかを判定する帰零判定手段とを備える指示計器を特徴としている。

請求項１に係る指示計器は、界磁巻線にＰＷＭ信号を出力する出力ポートを開放状態（高インピーダンス状態）にすると共に、開放された界磁巻線が誘起電圧の検出巻線として利用されるように、誘起電圧検出回路に接続される。

このため、開放される界磁巻線と、同じ界磁巻線が前記誘起電圧検出回路に接続され、選択された界磁巻線が無励磁状態に切り替えられて、直ちに誘起電圧の検出が開始される。

また、界磁巻線へ供給するＰＷＭ信号がグランドレベルにある期間に出力ポートを開放するので、マグネットロータの回転制御に影響を与えることなく、誘起電圧を検出できる。更に、電圧比較器を用いて誘起電圧のレベルを判定するので、Ａ／Ｄ変換処理等が不要になり回路構成が簡略化される。

しかも、いずれのタイミングでも同様に、誘起電圧のレベルを判定できるので検出精度を向上させることができる。

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は本発明の実施例１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１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とから構成されている。

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。

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、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に、指針４を零（基準）位置に復帰させる処理を行なう。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が零（基準）位置に復帰したと判定する帰零判定手段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２１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１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、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を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に示した帰零判定手段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、帰零判定手段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。帰零判定手段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に示した帰零判定手段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が帰零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、帰零処理のフローチャートである。帰零処理手段６４は、指針４を帰零させる方向にステッピングモータ２を駆動する（ステップＳ１）。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Ｓ２，Ｓ３）。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Ｓ４）、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Ｓ５，Ｓ６）、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Ｓ７）、指針の帰零方向への駆動を継続する。ステップＳ５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、指針が零位置に復帰したものと判断し（ステップＳ８）、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Ｓ９）、ステッピングモータの駆動を停止する（ステップＳ１０）。

図６は、この発明の実施の形態の実施例２の指示計器１０１を示すものである。なお、前記実施例１の指示計器１と同一乃至均等な部分については、同一符号を付して説明する。

まず、構成上の相違点を中心に説明すると、この実施例２の指示計器１０１では、出力回路１６３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スイッチ回路Ｔ１〜Ｔ４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１６３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Ｐ１〜Ｐ４を個別に開放（高インピーダンス）状態にすることができる。

これらの各スイッチ回路Ｔ１〜Ｔ４は、帰零処理手段１６４の出力ポート選択及び開放接続制御手段１６５と接続されていて、選択的に各出力ポートＰ１〜Ｐ４を開放（高インピーダンス）状態にすることができる。

また、この出力ポート選択及び開放接続制御手段１６５には、前記Ｓ相コイル２１及びＣ相コイル２２の一端側又は他端側と、前記誘起電圧検出回路７との間に介在されて、前記各スイッチ回路Ｔ１〜Ｔ４に対応して設けられる各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４を有するセレクタ１６６が接続されていて、出力ポートＰ１〜Ｐ４の界磁巻線を選択的に誘起電圧検出回路７に接続する制御が行われるように構成されている。

そして、このセレクタ１６６では、前記出力ポート選択及び開放接続制御手段１６５によって選択された、出力ポートＰ１〜Ｐ４のＳ相コイル２１又はＣ相コイル２２の一端側を、この誘起電圧検出回路７に接続して、選択された界磁巻線が無励磁状態に切り替えられると、直ちに誘起電圧の検出が開始されるように構成されている。

次に、この実施例２の指示計器１０１の作用について説明する。

この実施例２の指示計器１０１では、図７に示す、帰零処理のフローチャートに沿って作用を説明すると、帰零処理手段１６４は、指針４を帰零させる方向にステッピングモータ２を駆動する（ステップＳ１１）。そして、何れかのＰＷＭ信号を出力しているタイミング（ステップＳ１２）で、選択された何れかの出力ポートＰ１〜Ｐ４を開放（高インピーダンス）状態にする（ステップＳ１３）と共に、開放された界磁巻線を行き電圧検出回路７に接続する（ステップＳ１４）。

そして、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Ｓ１５）、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Ｓ１６，Ｓ１７）、選択された出力ポートＰ１〜Ｐ４をＰＷＭ信号の出力状態に戻して（ステップＳ１８）、指針の帰零方向への駆動を継続する。ステップＳ１６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、指針が零位置に復帰したものと判断し（ステップＳ１９）、選択された出力ポートＰ１〜Ｐ４をＰＷＭ信号の出力状態に戻し（ステップＳ２０）、ステッピングモータ２の駆動を停止する（ステップＳ２１）。

この実施例２の指示計器１０１では、前記実施例１の作用効果に加えて、更に、Ｓ相コイル２１又はＣ相コイル２２の一端側又は他端側にＰＷＭ信号を出力する出力ポートＰ１〜Ｐ４を選択的に開放状態（高インピーダンス状態）にすると共に、開放されたＳ相コイル２１又はＣ相コイル２２が、誘起電圧の検出巻線として利用されるように、前記セレクタ１６６によって、前記各スイッチ回路Ｔ１〜Ｔ４に対応する各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４が切り換えられて、前記誘起電圧検出回路７にＳ相コイル２１又はＣ相コイル２２の一端側又は他端側が接続される。

このため、開放されるＳ相コイル２１又はＣ相コイル２２と、同じＳ相コイル２１又はＣ相コイル２２が、前記誘起電圧検出回路７に接続され、選択されたＳ相コイル２１又はＣ相コイル２２が、無励磁状態に切り替えられて、直ちに誘起電圧の検出が開始される。

また、Ｓ相コイル２１又はＣ相コイル２２へ供給するＰＷＭ信号がグランドレベルにある期間に出力ポートＰ１〜Ｐ４を開放するので、マグネットロータ２３の回転制御に影響を与えることなく、誘起電圧を検出できる。

更に、電圧比較器７２を用いて誘起電圧のレベルを判定するので、Ａ／Ｄ変換処理等が不要になり回路構成が簡略化される。

他の構成及び作用効果については、前記実施例１と同一乃至均等であるので説明を省略する。

なお、前記実施例１．２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。

本発明の実施の形態の実施例１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。実施例１のＰＷＭ信号の説明図である。実施例１の誘起電圧検出回路の動作を説明する図である。実施例１の誘起電圧検出のタイミングチャートである。実施例１の帰零処理のフローチャートである。本発明の実施の形態の実施例２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。実施例２の帰零処理のフローチャートである。

符号の説明

１，１０１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
６ＣＰＵ部
７誘起電圧検出回路
２１Ｓ相コイル（界磁巻線）
２２Ｃ相コイル（界磁巻線）
２３マグネットロータ
６２ＰＷＭ信号生成手段
６３，１６３出力回路
６４，１６４帰零処理手段
６５出力ポート開放制御手段
６６帰零判定手段
７２電圧比較器
Ｔ１〜Ｔ４スイッチ回路
１６５出力ポート選択及び開放接続制御手段
１６６セレクタ
Ｓ１〜Ｓ４スイッチ素子

Claims

マグネットロータおよびこのマグネットロータを回転させるための２つの界磁巻線を備えたステータを有するステッピングモータと、前記各界磁巻線に供給され前記マグネットロータを回転させるための擬似正弦波および擬似余弦波の各ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記マグネットロータの回転に伴い回動する指針と、前記指針が帰零位置に戻ったとき指針の回動を停止するストッパ機構とを備える指示計器であって、
前記指針を帰零方向へ回動させるための各ＰＷＭ信号を各界磁巻線に供給して指針を帰零方向へ回動させる際に、一方の界磁巻線へ供給するＰＷＭ信号がグランドレベルにある期間にその一方の界磁巻線のいずれか一端側にＰＷＭ信号を出力する出力ポートを開放状態（高インピーダンス状態）に制御すると共に、該出力ポートの界磁巻線を選択的に誘起電圧検出回路に接続する制御を行う出力ポート選択及び開放接続制御手段と、
前記出力ポート選択及び開放接続制御手段によって選択された界磁巻線を前記誘起電圧検出回路に接続するセレクタと、
前記誘起電圧検出回路に設けられて、前記一方の界磁巻線に誘起された誘起電圧と予め設定したしきい値電圧との大小関係を比較し２値出力を発生する電圧比較器と、
前記出力ポートを開放状態（高インピーダンス状態）に制御している期間における前記電圧比較器の２値出力に基づいて前記指針が回動中であるか前記指針が前記ストッパ機構に当接して指針の回動が停止されているかを判定する帰零判定手段とを備えることを特徴とする指示計器。