JP4497105B2 - 計器装置 - Google Patents

Description

本発明は、指針の駆動をステップモータによって行う計器装置に関するものである。

指針の駆動源としてステップモータを採用した計器装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この計器装置は、例えば、自動車において車速を示す計器として用いられるものであって、車速を示す入力アナログ量の変化度合いが大きくても、違和感のない指針の回動を可能としたものである。具体的には、指針の今回の目標指示角度と現指示角度との差が、減速開始基準値よりも大きい間、即ち、車速の増大度合い或いは減少度合いが大きい間は、今回の目標指示角度と先回の目標指示角度との変化量が、ステップモータの先回の駆動量と所定の加速量との和以上であれば、当該加速量分に基づいて指針の回動の仕方を速くする。一方、今回の目標指示角度と現指示角度との差が減速開始基準値以下、即ち、車速の増大度合い或いは減少度合いが小さくなったときには、上述した加速量分に基づいて指針の回動の仕方を遅くする。
特開２００３−１３０８８４号公報

ところで、計器装置において、指針の目標指示位置を定めるために、概してセンサや他のＥＣＵ等から、その目標指示位置に関連する目標位置関連データを取得することが多い。このデータは、例えば、図６に示すようなパルス信号によって与えられる。このパルス信号は、周期が一定で、その周期中にパルス信号がオンとなる期間、すなわち、デューティ比が、目標指示位置に応じて変化するものである。

このようなパルス信号の周期が、ステップモータの制御周期に比較して相当に長い場合、具体的には、複数のステップモータの制御周期がパルス信号の周期に含まれるような場合、指針を滑らかに駆動することが困難になる。この点について、図７を用いて詳しく説明する。

パルス信号における周期Ｔが経過する毎に、そのパルス信号のデューティ比から、指針の目標指示位置に対応するステップモータの目標回転角度を求めることができる。目標回転速度が求められると、ステップモータに対して、現状の回転角度からその目標回転角度へステップモータを回動させるための駆動信号が出力される。

ここで、上述したパルス信号の周期Ｔよりも短い制御周期で、ステップモータへの駆動信号を更新することができる場合、その周期Ｔの初期の制御周期においては、現状の回転角度と目標回転角度との角度差が大きくなる。このため、図７に示すように、周期Ｔの初期の制御周期におけるステップモータの回動量（回転角度の量）は大きくなる。しかしながら、このステップモータの回動によって、目標回転角度との角度差が減少するため、その後の制御周期では、図７に示すように、ステップモータの回動量が相対的に小さくなってしまう。このように、同一周期Ｔ内に含まれる各制御周期における回動量が大きく変動する結果、そのステップモータによって駆動される指針は、息継ぎをしているような、それを見るものにとって違和感を生じさせるような動きとなってしまう。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、ステップモータの制御周期よりも長い周期で、指針の目標指示位置に関連するデータを取得する場合であっても、ステップモータによって指針を滑らかに駆動することが可能な計器装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の計器装置は、
指針と、
指針の指示位置を変化させるステップモータと、
所定の周期で、指針の目標指示位置に関連する目標位置関連データを取得し、当該目標位置関連データに基づいて、ステップモータの目標回転角度を定め、当該目標回転角度まで回動させるように、ステップモータに駆動信号を出力する駆動手段とを備えた計器装置であって、
駆動手段は、ステップモータに対して出力する駆動信号を、所定の周期よりも短い制御周期で更新するものであって、
制御周期が訪れる毎に、最新の目標位置関連データから求められた目標回転角度を、その制御周期に対応する目標回転角度データとして記憶し、所定の周期に対応する制御周期の数の最新の目標回転角度データを当該制御周期の数で除算することにより、制御周期に対する除算目標回転角度を算出し、この除算目標回転角度を用いて、制御周期に対応するように分割した分割目標回転角度を算出する算出手段を備え、
所定の周期に含まれる制御周期毎に、分割目標回転角度に基づいて更新した駆動信号をステップモータに出力することを特徴とする。

上述したように、請求項１に記載の計器装置においては、所定の周期毎に定められる目標回転角度に基づいて、制御周期に対応するように分割した分割目標回転角度を算出する。そして、各制御周期においては、ステップモータをその分割目標回転角度まで回動させるように駆動信号が出力される。この結果、所定の周期毎に定められる目標回転角度と現状の回転角度との角度差が大きい場合でも、各制御周期におけるステップモータの回動量を平準化することが可能となるので、指針を滑らかに駆動することができる。

さらに、各制御周期に対応する目標回転角度データを、所定の周期に対応する制御周期の数の最新の目標回転角度データを当該制御周期の数で除算することにより、制御周期に対する除算目標回転角度を算出し、この除算目標回転角度に基づいて、制御周期に対応するように分割した分割目標角度を算出するので、ステップモータの回動量を各制御周期にほぼ均等に振り分けることができることに加え、以下に説明する効果を奏することができる。

指針の目標指示位置に関連する目標位置関連データを、例えば他の制御装置などから通信により取得する場合など、目標位置関連データを取得する周期が、基本とする周期から多少前後することも考えられる。このような場合であっても、上述した構成によれば、制御周期開始時点の最新の目標回転角度を用いて、その制御周期に対する除算目標回転角度を算出し、この除算目標回転角度から、その制御周期における分割目標回転角度を算出することができる。すなわち、この構成は、目標位置関連データの取得周期が変動した場合であっても、指針を滑らかに駆動することができる。

以下、本発明の実施形態による計器装置について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による計器装置１０の全体構成を示すブロック図である。なお、計器装置１０は、指針にて指示すべき目標指示位置に関するデータが、原則として一定周期で取得され、その一定周期内にステップモータの複数の制御周期が含まれる限り、どのような量的表示にも適用できるものである。例えば、本実施形態による計器装置は、車両等において、速度、エンジン回転数、エンジン水温、燃料量、バッテリ充電量等の表示に用いることができる。

図１において、２０はマイクロコンピュータであり、図示しないセンサや他の制御装置から、指針の目標指示位置に関連する関連データを、所定の周期（データ入力周期）Ｔ毎に取得する。このデータ入力周期Ｔ毎に取得される関連データとして、図６に示すような、一定の周期を有し、そのデューティ比によって指針の目標指示位置を示すパルス信号や、目標指示位置を直接的に示す数値データを用いることができる。

マイクロコンピュータ２０は、取得した関連データに基づいて、指針５０の指示位置を目標指示位置に一致させるためのステップモータ４０の目標回転角度を算出する。そして、現状の回転角度からこの目標回転角度までステップモータ４０を回転させるための駆動量を算出し、この駆動量に応じた駆動量信号を駆動回路３０に出力する。駆動回路３０は、入力された駆動量信号に基づいて、ステップモータ４０を回転駆動するための駆動信号を生成する。

なお、図示していないが、本実施形態による計器装置１０は、指針５０に加え、目盛り盤、減速歯車列などの構成を備えている。減速歯車列は、ステップモータ４０と指針５０との間に設けられ、ステップモータ４０の回転を減速して、指針５０の指針軸に伝達する。指針５０は、指針軸に支持されており、指針軸の回動に伴って目盛り盤の表面に沿い回動する。

次に、マイクロコンピュータ２０において実行される処理について、図２のフローチャートに基づき詳細に説明する。

まず、ステップＳ１００では、指針５０の目標指示位置に関連する目標位置関連データが入力されたか否かを判定する。この目標位置関連データは、原則として、データ入力周期Ｔ毎にマイクロコンピュータ２０に入力される。なお、目標位置関連データのマイクロコンピュータ２０への入力は、割込み処理によって受け付けられるようにしても良い。また、マイクロコンピュータ２０自身が、入力されるセンサ信号等に基づいて、データ入力周期Ｔ毎に目標位置関連データを算出しても良く、この場合、新たな目標位置関連データが算出されたとき、このステップＳ１００の判定が「Ｙｅｓ」となる。

ステップＳ１００の判定処理において、「Ｙｅｓ」と判定された場合には、ステップＳ１１０の処理に進み、「Ｎｏ」と判定された場合には、目標位置関連データが入力されるまで待機する。ステップＳ１１０では、入力された目標位置関連データに基づいて、指針５０の指示位置を目標指示位置に一致させるためのステップモータ４０の目標回転角度を算出する。続くステップＳ１２０では、ステップモータ４０の現状の回転角度と目標回転角度との角度差を算出する。

そして、ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０にて算出された角度差を、データ入力周期Ｔに含まれる、ステップモータの制御周期ｔの数で除算して、除算角度差を算出する。本実施形態では、図３に示すように、データ入力周期Ｔに５つの制御周期ｔが含まれる。例えばデータ入力周期Ｔは１００ｍｓ、制御周期ｔは２０ｍｓに設定される。なお、制御周期ｔとは、マイクロコンピュータ２０及び駆動回路３０が、ステップモータ４０の駆動処理を繰返し行う際の周期に相当し、この制御周期ｔ毎に、ステップモータ４０へ出力される駆動信号が更新される。

ステップＳ１４０では、ステップモータ４０の現状の回転角度に対して、ステップＳ１３０にて算出された除算角度差だけ増減する角度を、今回の制御周期ｔにおける分割目標回転角度とし、この分割目標回転角度に応じた駆動量信号を駆動回路３０に出力する。そして、ステップＳ１５０では、制御周期ｔが経過したか否かを判定することで、今回の制御周期ｔの終了時点まで待機する。このステップＳ１４０及びＳ１５０の処理により、ステップモータの回転角度は、制御周期ｔ毎に、各々の制御周期ｔにおける分割目標回転角度に一致するように制御される。

ステップＳ１６０では、データ入力周期Ｔに含まれる全制御周期によるステップモータの駆動処理が終了したか否かを判定する。この判定処理において「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ１４０の判定処理に戻り、そのときのステップモータの現回転角度と除算角度差とに基づいて、分割目標回転角度、ひいては駆動量信号を更新して、新たな制御周期ｔにおけるステップモータの駆動を実行する。一方、ステップＳ１６０の判定処理において「Ｙｅｓ」と判定された場合には、ステップＳ１００に戻り、目標位置関連データの入力を待機する。

上述したフローチャートに示す処理によって、ステップモータ４０が駆動された場合の作用効果について、図３を用いて説明する。

上述したように、本実施形態では、各制御周期ｔに対応する分割目標角度を定め、ステップモータ４０の回転角度がこの分割目標角度に一致するように、ステップモータ４０に駆動信号を出力する。この分割目標角度は、ステップモータ４０の現状の回転角度から目標目標回転角度までの角度差を、データ入力周期Ｔに含まれる制御周期ｔの数で除算した除算角度差に基づいて設定される。すなわち、分割目標角度は、データ入力周期Ｔで得られた目標回転角度を、各制御周期ｔに対してほぼ均等に分割したものである。この結果、図３に示すように、ステップモータ４０が現状の回転角度から目標回転角度に達するまでの回動量を、各制御周期に均等に振り分けることができるので、ステップモータ４０によって極めて滑らかに指針５０を駆動することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々、変形して実施することができる。

例えば、各制御周期ｔにおける分割目標角度は、上述した実施形態における手法以外の種々の方法によって定めることができる。例えば、図４に示すように、まず、データ入力周期Ｔ毎に得られる目標回転角度と、データ入力周期Ｔの時間とに基づいて、データ入力周期Ｔの終了時点で、ステップモータ４０の現状の回転角度から目標回転角度まで変化する目標変化率を求める。そして、各制御周期ｔの実行前に、その目標変化率及び制御周期ｔの開始時点までの経過時間に基づいて、当該制御周期ｔに対応する分割目標回転角度を算出する。このようにしても、データ入力周期Ｔで得られた目標回転角度を、各制御周期ｔに対してほぼ均等に分割した分割目標角度を定めることができる。さらに、この場合、目標変化率と制御周期ｔの開始時点までの経過時間を乗算することによって、各制御周期ｔにおける分割目標回転角度を算出できるため、各制御周期ｔにおける、分割目標回転角度算出のための演算負荷を低減することができる。

さらに、分割目標角度は、図５（ａ），（ｂ）に示す方法によって算出しても良い。図５（ａ）、（ｂ）に示す、分割目標角度の算出方法について、以下に詳細に説明する。

この方法では、まず、図５（ｂ）に示すように、各制御周期ｔの開始時点で、その時に得られている最新の目標回転角度を、その制御周期ｔに対応する目標回転角度データとして記憶する。例えば、時刻Ｔ_１においては、得られている最新の目標回転角度は、“Ａ”であるため、時刻Ｔ_１から始まる制御周期ｔに対応する目標回転角度データとして、“Ａ”が記憶される。一方、時刻Ｔ_２では、新たな目標位置関連データに基づいて、目標回転角度Ｂが算出されているので、時刻Ｔ_２から始まる制御周期ｔに対応する目標回転角度データとして、“Ｂ”が記憶される。

そして、各制御周期ｔに対応して記憶された目標回転角度データに対して、移動平均処理を施して、各制御周期ｔの除算目標回転角度を算出する。この場合、移動平均処理の対象となる目標回転角度データの数は、データ入力周期Ｔに含まれる制御周期ｔの数に一致する。従って、図５（ｂ）に示すように、例えば時刻Ｔ_１から始まる制御周期ｔに対しては、その時刻Ｔ_１から始まる制御周期ｔを含む最新の５個の制御周期ｔに対応する目標回転角度データが移動平均処理の対象となり、この場合の除算目標回転角度は（Ａ+Ａ+Ａ+Ａ+Ａ）／５＝Ａとなる。また、時刻Ｔ_２から始まる制御周期ｔに対しては、（４Ａ+Ｂ）／５が除算目標回転角度として算出される。分割目標回転角度は、この除算目標回転角度を用いて、各制御周期に対応するように分割することにより求められる。

このように、データ入力周期Ｔに含まれる制御周期ｔの数の目標回転角度データを対象として移動平均処理を実施して除算目標回転角度を求め、この除算目標回転角度から分割目標回転角度を求めているので、原則として、データ入力周期Ｔで得られた目標回転角度を、各制御周期ｔに対してほぼ均等に分割した分割目標角度を定めることができる。

さらに、図５（ａ）、（ｂ）に示す方法では、以下に説明する効果を奏することができる。指針の目標指示位置に関連する目標位置関連データを、例えば他の制御装置などから通信により取得する場合などは、クロック誤差や通信における待機時間の発生などにより、目標位置関連データを取得する周期が、基本とする周期から多少前後することも考えられる。このような場合、基本とするデータ入力周期が経過しても、新たな目標位置関連データが取得できないことが起こりえる。このような場合でも、図５（ａ），（ｂ）に示す方法によれば、各制御周期ｔに対して、分割目標回転角度を定めることができる。すなわち、各制御周期が開始される時点において得られている最新の目標回転角度を、その制御周期ｔに対応する目標回転角度データとすることで、移動平均処理を実施することができ、その制御周期における分割目標回転角度を算出することができる。

このように、図５（ａ），（ｂ）に示す方法によれば、目標位置関連データの取得周期が変動した場合であっても、各制御周期ｔの分割目標回転角度を適切に設定して、指針を滑らかに駆動することができる。

また、上述した実施形態では説明しなかったが、データ入力周期Ｔ毎に得られる目標回転角度に対して、過去に得られた目標回転角度を用いて（加重）平均処理などのフィルタ処理を行うようにしても良い。これにより、上述した制御周期ｔ毎に分割目標回転角度を定めることと相俟って、より滑らかに指針を駆動することが可能になる。

本実施形態による計器装置１０の全体構成を示すブロック図である。 マイクロコンピュータ２０において実行される処理を示すフローチャートである。 図２のフローチャートに示す処理によってステップモータ４０が駆動された場合の、作用効果を説明するための説明図である。 各制御周期ｔにおける分割目標角度を算出するための、他の方法を説明するための説明図である。 各制御周期ｔにおける分割目標角度を算出するための、その他の方法を説明するための説明図である。 指針の目標指示位置に関連する関連データ信号の一例を示す説明図である。 関連データ信号の取得周期が、ステップモータの制御周期に比較して長い場合に生じる問題を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ 計器装置
２０ マイクロコンピュータ
３０ 駆動回路
４０ ステップモータ
５０ 指針

Claims (2)

1. 指針と、
   前記指針の指示位置を変化させるステップモータと、
   所定の周期で、前記指針の目標指示位置に関連する目標位置関連データを取得し、当該目標位置関連データに基づいて、前記ステップモータの目標回転角度を定め、当該目標回転角度まで回動させるように、前記ステップモータに駆動信号を出力する駆動手段とを備えた計器装置であって、
   前記駆動手段は、前記ステップモータに対して出力する駆動信号を、前記所定の周期よりも短い制御周期で更新するものであって、
   前記制御周期が訪れる毎に、最新の前記目標位置関連データから求められた目標回転角度を、その制御周期に対応する目標回転角度データとして記憶し、前記所定の周期に対応する前記制御周期の数の最新の目標回転角度データを当該制御周期の数で除算することにより、前記制御周期に対する除算目標回転角度を算出し、この除算目標回転角度を用いて、前記制御周期に対応するように分割した分割目標回転角度を算出する算出手段を備え、
   前記所定の周期に含まれる前記制御周期毎に、前記分割目標回転角度に基づいて更新した駆動信号を前記ステップモータに出力することを特徴とする計器装置。
2. 前記目標位置関連データは、他の制御装置から通信により取得されることを特徴とする請求項１に記載の計器装置。

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