La présente invention concerne un moteur pas à pas pour appareil horométrique, agencé pour que son rotor effectue une rotation de 360" pour chaque impulsion électrique délivrée à un bobinage associé au stator, comprenant un rotor formé d'un aimant permanent magnétisé diamétralement de maniére à présenter une paire de pôles, le stator entourant le rotor et étant formé d'un matériau magnétiquement perméable pour produire un flux magnétique autour du rotor lors du passage d'un courant à travers le bobinage, et des moyens de positionnement au repos, c'est-à-dire en l'absence de courant dans le bobinage, formés d'au moins un aimant permanent fixe.
L'invention vise tout particuliérement l'obtention d'un moteur pas à pas miniature apte à être utilisé dans une montre-bracelet électronique ou une piéce analogue.
On pourrait rapprocher de cette définition générique le contenu d'une demande de brevet allemande publiée, N" 1488747, qui propose un moteur pas à pas dont le rotor effectue une rotation de 360" pour chaque impulsion électrique délivrée à son bobinage, le rotor étant à aimantation permanente et présentant deux pôles magnétiques, et un aimant permanent supplémentaire étant disposé de maniére à ramener le rotor dans une position de repos déterminée.
Toutefois, dans le moteur selon cette publication allemande (qui semble du reste être un gros moteur pour lequel les pro blémes se posent et se résolvent d'une maniére différente de ce qu'il en est pour un petit moteur), la forme des pôles de stator joue un rôle important, en coopération avec ledit aimant, pour définir la position de repos du rotor. En effet, pour qu'un aimant permanent disposé de la manière représentée par exemple à la fig. I de la publication allemande en question puisse définir avec une certaine précision une position de repos du rotor, il faut que les pièces de stator comprennent des parties amincies qui donnent au flux magnétique dû audit aimant une répartition particuliére.
Les pôles de stator doivent donc être formés avec une configuration relativement compliquée, plus compliquée en tous les cas qu'une simple forme circulaire, sans discontinuité. La fabrication du moteur s'en trouve compliquée, étant donné qu'il est fort difficile d'établir le dimensionnement des portions amincies de façon adéquate en vue d'une production en grandes séries, puisque l'erreur maximum (de fabrication et de montage) admissible est extrêmement petite, par exemple approximativement + 10 u dans le cas d'un moteur utilisé pour une montre électronique et devant donc consommer trés peu d'énergie. C'est pour cette raison que les dimensions ont été classiquement établies par ajustage de la position des pièces de stator qui doivent alors être agencées pour pouvoir être déplacées, ce qui à nouveau implique des complications notables.
Une construction de moteur ne présentant pas ces complications, ct avcc laquelle même une quelconque modification de la minceur d'une partie dc stator se produisant accidentellement par suite d'une erreur ou d'une imprécision de fabrication ne modifiera pas la position effcctive que le rotor prendra au repos, s'avérerait donc d'un avantage certain, en particulier pour un moteur de trés faible encomblement et de trés faible consommation destiné à une montre.
On remarque encore que la construction proposée par la publication allemande antérieure en question exige qu'un entrefer soit prévu sur le circuit magnétique prirJcipal, soumis à l'action du bobinage d'excitation du moteur, afin que le flux de l'aimant de positionnement au repos ne soit pas court-circuité Åa travers ce circuit magnétique principal. Cet entrefer implique à son tour que le bobinage fournisse à chaque impulsion une plus grande énergie.
Bien sûr, ce moins bon rendement était semble-t-il sans importance pour le moteur relativement gros selon la publication antérieure considérée, mais il est loin d'en aller de même pour un petit moteur tel que celui que l'invention vise à fournir.
On peut du reste relever encore un moteur antéricuoemcnt proposé par la deuxiéme addition, N" 68711, au brevet
FR N" 1033643. Ce moteur, pour pièce d'horlogerie, comprenait un rotor formé d'un aimant permanent magnétisé diamétralement et un stator entourant le rotor qui effectue une rotation d'un demi-tour à chaque impulsion de courant dans le bobinage de stator, puis un second demi-tour, qui ramène le rotor en sa direction initiale, à la fin de cette impulsion, sous l'influence du flux magnétique dû à la magnétisation du rotor lui-même. Toutefois, ce moteur antérieur ne répond pas en fait à la définition générique précédemment énoncée, du fait qu'il ne comprend pas des moyens de positionnement au repos fonnés d'au moins un aimant permanent (en dehors du rotor).
Avec cet autre moteur antérieurement connu, les difficultés précédemment mentionnées ne seraient pas résolues, et de plus il manque à ce moteur antérieur selon la publication française au moins un élément, dont l'absence met de toute maniére ce moteur antérieur-là hors de considération.
Le but de la présente invention est de fournir un moteur pas à pas du type générique précédemment défini et ne présentant pas les inconvénients susmentionnés, c'est-à-dire un moteur pas à pas ayant une faible consommation de puissance, de l'ordre de quelques mierowatts, et assurant un couple de sortie aussi élevé que possible malgré tout, ce moteur devant tout particulièrement présenter une construction et un agencement simples et peu coûteux, permettant un assemblage facile qui assure un fonctionnement correct sans nécessiter un ajustement.
Dans ce but, I'invention propose un moteur pas à pas pour appareil horométrique, du type générique précédemment défini, caractérisé en ce que l'aimant permanent ou les aimants permanents formant lesdits moyens de positionnement sont disposés à proximité immédiate de la périphérie du rotor de façon à établir une seule position à laquelle le rotor revient forcément en pOSitiOn de repos, sans que la forme du stator ou sa disposition par rapport au rotor ait à intervenir dans I'établissement de cette seule position de repos.
Ainsi, dans le moteur pas à pas selon l'invention, les pièces de stator agissent seulement pour entraîner le rotor en réponse au passage du courant dans le bobinage tandis que c'est seulement audit aimant (ou auxdits aimants) que revient l'action de positionner le rotor dans sa position de repos, les deux fonctions de positionnement (en travail et au repos) du rotor étant donc bien séparées, I'une étant seulement l'affaire du stator tandis que l'autre est seulement l'affaire dudit aimant ou desdits aimants.
Le dessin annexé illustre, comparativement à un moteur pas à pas antérieurement connu, des formes d'exécution du moteur pas à pas selon l'invention dans ce dessin:
la fig. I est une vue en plan d'un moteur pas à pas du type connu:
la fig. 2 représente le schéma d'un circuit d'entraînement pour le moteur de la fig. I;
la fig. 3 est une vue en plan d'un moteur constituant une forme d'exécution de l'objet de l'invention:
la fig. 4 est une vue en plan d'une autre forme d'exécution d'un moteur selon l'invention
la lig. 5 est une vue en coupe selon la ligne AA de la lig. 4:
la fig. 6 est une vue en plan d'une forme d'exécution encore différente d'un moteur pas à pas selon l'invention, et
la fig. 7 est une vue en coupe selon la ligne AA de la fig. 6.
Sur la fig. I, on voit un moteur pas à pas de type connu qui comprend un rotor I formé d'un aimant permanent magnétisé diamétralement pour présenter une paire de pôles, une paire de piéces de stator 2 et 3 qui entourent le rotor 1, et un bobinage 5 bobiné autour d'une partie de circuit magnétique par laquelle sont jointes les deux parties de stator 2 et 3, de maniére à produire un flux magnétique autour du rotor lorsqu'un courant est amené à circuler dans le bobinage.
Comme on le voit, les parties des pièces de stator 2 et 3 qui entourent le rotor I ont une forme semi-circulaire et doivent être décalées cn vue d'amener le rotor à fonctionner de manière stable dans une direction définie en réponse à des impulsions de courant dans le bobinage 5. Lorsquc ce décalage ô est établi, comme représenté, d'une manière correcte, les pôles du rotor 1 viennent s'arrêter d'une manière stable dans la direction indiquée par la flèche 6.
Lorsqu'une impulsion de courant traverse le bobinage 5 dans ces conditions pour produire une magnétisation N dans la pièce de stator 2 et une magnétisation S dans la pièce de stator 3, les effets d'attraction et de répulsion qui s'exercent entre les pôles du rotor 1 et les pôles magnétiques des pièces de stator 2 et 3 amènent le rotor à entrer en rotation puis à venir s'arrêter après une rotation d'approximativement 1800. Lorsqu'une impulsion de courant passe ensuite dans le bobinage 5 dans le sens opposé de la précédente impulsion, le rotor effectue à nouveau une rotation de 180" puis s'arrête. Ce processus se répète à chaque impulsion alternée.
On vient de décrire le fonctionnement d'un moteur pas à pas connu dont le rotor est magnétisé pour présenter deux pôles, mais il est bien clair que si l'on a davantage de pôles, par exemple six pôles, une seule impulsion provoquera une rotation d'autant plus faible, 60" pour un rotor à six pôles. En principe, même un rotor à dix pôles ou un rotor ayant encore davantage de pôles fonctionne de la même manière. Bien qu'un tel moteur pas à pas satisfasse quelques-unes des conditions imposées pour une montre électronique, il présente encore un certain nombre de défauts et ne donne pas satisfaction. En premier lieu, il faut noter que l'importance du décalage 6 des pièces de stator doit être établi de manière extrêmement adéquate sous peine de fonctionnement défectueux.
Si ce décalage Ï des pièces de stator n'est pas exact, les inconvénients suivants peuvent se présenter:
Premièrement, le moteur ne fonctionne pas, ou deuxièmement
le moteur ne fournit pas à sa sortie le couple mécanique voulu lorsqu'il fonctionne, ou troisièmement le moteur fonctionne mal en ce sens qu'il effectue des avances de deux ou plus de deux pas en réponse à une seule impulsion. En vue d'éviter ces trois inconvénients, et d'autres encore, les tolérances admissibles pour le décalage Ï sont extrêmement étroites. Avec un moteur pas à pas à plus de deux pôles, dans lequel l'incrément angulaire par pas est petit, les opérations défectueuses susmentionnées sont encore plus gênantes.
En conséquence, en vue de satisfaire d'une manière optimale les exigences requises directement lors de l'assemblage des parties au moment de la fabrication du moteur, une très grande précision de fabrication est requise, qui devient effectivement prohibitive pour une utilisation pratique; une unité d'ajustement à vernier doit être prévue pour permettre un ajustement positionnel correct du stator. Il en résulte inévitablement un coût élevé pour le moteur pas à pas.
Secondement, I'entrefer entre le rotor et le stator doit être très étroit en vue d'obtenir de bonnes performances et l'aimant permanent formant le rotor doit être établi en un matériau magnétique ayant une haute force coercitive. L'entrefer très étroit empêche également le fonctionnement lorsqu'il s'y trouve de la poussière ou d'autres débris et, par ailleurs, I'usage d'un aimant à haute force coercitive conduit à un coût rehaussé.
Troisièmement, les impulsions de courant de commande doivent être des impulsions de polarité alternée, le courant circulant alternativement une fois dans un sens et une fois dans l'autre.
Un circuit de commande pour fournir de telles impulsions alternées doit être formé par exemple comme le circuit dont le schéma est représenté à la fig. 2, circuit qui comprend quatre transistors
MOS 7, 8, 9, 10. La valeur de pointe des impulsions de courant de commande du moteur doit être très élevée, ce qui requiert des transistors à haute performance, chose dont résulte à nouveau une augmentation de coût.
Quatrièmement, des variations dans la direction de magnétisation du rotor peuvent provoquer des différences d'incrément angulaire pour un pas. En conséquence, si un tel moteur pas à pas est utilisé dans une montre électronique, les positions successives prises par l'aiguille des secondes pourront être irrégulières (un pas
étant plus court ou plus long que le suivant), ce qui est d'un
mauvais effet.
De ce qui vient d'être discuté, il ressort que le moteur pas à
pas classique est affecté de divers défauts. Par contre, le moteur
pas à pas selon l'invention, dont des formes d'exécution vont être
décrites en liaison avec les fig. 3 et suivantes, élimine les désavan
tages susmentionnés et constitue un moteur pas à pas hautement
fiable et de faible coût.
La fig. 3 est une vue en plan qui représente une forme d'exècu- tion du moteur pas à pas selon la conception particulière en
question. Ce moteur comprend un rotor 11 formé d'un aimant
permanent magnétisé diamétralement de manière à présenter une
paire de pôles, une paire d'éléments de stator 12 et 13 qui
entourent le rotor 11, un bobinage 15 bobiné autour de la partie
de jonction entre les éléments de stator 12 et 13, ce bobinage
engendrant un flux magnétique autour du rotor 11 lorsqu'un
courant le traverse. On voit par ailleurs qu'une paire d'aimants 16
et 17 est montée sur les stators 12 et 13 respectivement en des
positions telles que les pôles de polarité opposée se trouvent situés
vis-à-vis l'un de l'autre et symétriquement par rapport au centre
du rotor Il.
De ce fait, les pôles du rotor Il sont sujets à des forces
d'attraction de la part des aimants 16 et 17, et le rotor est arrêté
avec l'orientation de ses pôles représentée par la flèche 18 sur la
fig. 3.
Pour autant que la force d'attraction exercée par les
aimants 16 et 17, de même que la position de ces derniers, soient
convenables, le passage d'une courte impulsion de courant à
travers le bobinage 15, dans un sens tel que l'élément de stator 12
soit magnétisé pour présenter un pôle N et l'élément de stator 13
soit magnétisé pour présenter un pôle S, le rotor Il effectuera une
rotation de 360" pour une seule impulsion appliquée au bobinage,
ceci se répétant pour chaque impulsion de même polarité appli
quee.
Dans un exemple spécifique de construction, le rotor 11 est
formé d'un composé de cobalt et d'un élément de terres rares
(lanthanides), désigné par SmCos, le diamètre du rotor étant de
2 mm et son épaisseur étant de 0,5 mm. Les éléments de stator 12
et 13 définissent un diamètre intérieur de 3 mm; par ailleurs le
bobinage 15 comprend approximativement 9000 spires de fil de
cuivre de 25 u de diamètre, et présente une résistance en courant
continu de 1,7 à 1,8 kfl. Les aimants 16 et 17 sont des aimants
Vicaloy. Lorsqu'une impulsion de commande sous une tension de
1,5 V, d'une durée de 4 à 12 ms et avec un courant de pointe de
800 uA est appliquée, le rotor effectue une rotation de 360" par
impulsion et le couple mécanique de sortie est suffisant pour une
utilisation dans une montre électronique.
Il a été constaté qu'une
large tolérance pouvait être admise concernant les variations de la
force d'attraction qui s'exercent entre le rotor 11 et les aimants 16
et 17, de même qu'en ce qui concerne la position de ces aimants,
ce qui permet une production en grandes séries dans des condi
tions favorables.
On obtient ainsi un moteur pas à pas qui ne demande pas
d'ajustement pour fonctionner de manière stable, ajustement qui
était désavantageusement nécessaire avec les moteurs pas à pas
antérieurement connus.
Puisque l'inerément angulaire pour un pas est de 360', valeur
fort élevée, le risque d'un fonctionnement défectueux tel qu'une
rotation de plusieurs pas en réponse à une seule impulsion est
éliminé. De plus, puisque le rotor ne vient à s'arrêter que dans
une seule position toujours la même, des variations dans la direc
tion de magnétisation des parties aimantées peuvent être négli
gées, ce par quoi on assure de manière constante une haute préci
sion de fonctionnement du moteur pas à pas à une cadence
de 360" par pas.
Il n'est pas nécessaire que le rotor Il soit fait d'un matériau
magnétique à haute performance; I'entrefer entre le rotor et les éléments de stator peut être augmenté, ou plus exactement il doit être augmenté par rapport à ce qui était courant, pour qu'une large tolérance de fabrication soit autorisée, ce qui élimine les problèmes qui pourraient être posés par la pénétration de minuscules débris ou poussières dans l'entrefer.
Il suffit que les impulsions de courant de commande pour le moteur pas à pas soient d'une seule polarité (ou d'une seule phase de courant). De ce fait, le circuit de commande requis peut comprendre seulement un unique transistor MOS de commande, ce qui, par rapport au circuit de commande fournissant des impulsions alternées qui était classiquement requis, constitue une simplification supplémentaire permettant une réduction du coût.
De plus, si l'on établit une comparaison avec la largeur (ou durée) des impulsions de commande à utiliser avec un moteur pas à pas classique comme celui que représente la fig. 1, on constate que la largeur (ou la durée) des impulsions nécessaires pour commander le moteur pas à pas du type particulier ci-décrit peut être réduite pour obtenir une performance égale, ce qui permet une réduction de la consommation de puissance tout en maintenant les mêmes performances.
Les fig. 4 et 5 montrent, respectivement en plan et en coupe selon la ligne AA, une autre forme d'exécution d'un moteur pas à pas conforme à la conception particulière ci-décrite.
Ce moteur comprend un rotor 21 construit de manière similaire à celui de la fig. 3, une paire d'éléments de stator 22 et 23 qui entourent le rotor, et un bobinage 25 bobiné autour de la partie 24 qui joint les éléments de stator. De plus, un très mince aimant annulaire 26 est disposé le long de la périphérie intérieure des éléments de stator 22 et 23, comme le montre la vue en coupe de la fig. 5. Cet aimant 26 est magnétisé diamétralement pour fournir une paire de pôles. Ainsi le rotor 21 vient à s'arrêter dans la position où il a ses pôles orientés en alignement avec les pôles de l'aimant annulaire 26, d'une manière similaire à ce qu'il en était dans le cas de la fig. 3 par rapport aux aimants 16 et 17,
I'effet obtenu et le fonctionnement étant semblables à ce que l'on avait dans le cas du moteur pas à pas représenté à la fig. 3.
Une autre forme d'exécution encore d'un moteur pas à pas selon la conception particulière en question est représentée aux fig. 6 et 7, la fig. 6 étant une vue en plan et la fig. 7 une vue en coupe selon la ligne AA de la fig. 6. On voit sur ces figures que ce moteur pas à pas comprend un rotor 34 formé d'une pièce de matériau à haute perméabilité 31 et d'une paire d'aimants permanents magnétisés axialement 32 et 33, une paire d'éléments de stator 35 et 36 disposés sous le rotor 34, un bobinage 38 bobiné autour de la partie 37 joignant les éléments de stator 35 et 36 de façon à provoquer l'établissement d'un flux magnétique autour du rotor 34 lorsque ce bobinage est traversé par un courant, et un anneau de positionnement du rotor 39 disposé concentriquement avec le rotor et magnétisé diamétralement de manicre à présenter une paire de pôles.
Comme on le voit, le rotor 34 est en position de repos dans l'orientation indiquée par la ligne AA, cette orientation résultant des forces d'attraction entre le rotor et l'anneau de positionnement 39. Pour autant que ces forces d'attraction soient de valeur convenable et que l'anneau 39 de positionnement de rotor soit également dans une position convenable, le passage d'une impulsion de courant de courte durée à travers le bobinage 38 dans la direction qui amène l'élément de stator 35 à assumer une polarité S et l'élément de stator 36.à assumer une polarité N, soumet le rotor 34 à l'action d'une force par les pôles magnétiques engendrés dans les éléments de stator 35 et 36, et ce rotor commence à se mouvoir dans le sens horaire (relativement à l'illustration de la fig. 6).
Au moment où chacun des pôles inférieurs des aimants permanents 32 et 33 qui constituent ensemble le rotor 34 s'approche des pôles de même polarité de l'anneau de positionnement de rotor 39, il se produit une tendance à la répulsion et la vitesse de rotation du rotor 34 est graduellement d,,ni- nuée. Toutefois, en choisissant une valeur convenable pour la largeur (c'est-à-dire la durée) de la tension impulsionnelle appliquée au bobinage, on obtient que le rotor 34 maintienne et continue sa rotation après avoir passé cette position de voisinage de pôles de même polarité , jusqu'à ce qu'il ait accompli une révolution complète et vienne s'arrêter de manière stable dans la même position qu'au départ.
Comme on l'a mentionné précédemment dans les moteurs de ce genre antérieurement connus, le degré de décalage entre les éléments de stator dans un plan commun avait une grande influence sur les performances, ce qui nécessitait que des moyens soient prévus pour permettre un ajustement fin de la position des éléments de stator. Dans la forme d'exécution présentement décrite, le décalage dans le plan du rotor qui présentait un problème dans le cas des moteurs antérieurement connus correspond à une différence de hauteur axiale des éléments de stator 35 et 36.
Ceci peut être limité à l'intérieur d'un domaine tout à fait admissible en pratique, sans impliquer de difficultés de fabrication. Le moteur selon la présente forme d'exécution est peu influencé par le décalage des éléments de stator en leur plan, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement satisfaisant avec la précision usuelle en pratique, sans requérir d'ajustement fin. En ce qui concerne la position de l'anneau 39, on a une marge considérable de tolérance, et il est également possible d'admettre son positionnement sans ajustement particulier, de sorte que l'on a un moteur pas à pas qui requiert extrêmement peu d'ajustement pour fonctionner de manière stable, alors que l'on avait reconnu dans la nécessité de faire d'importants ajustements un des désavantages des moteurs pas à pas classiques de ce genre.
De plus, puisque le rotor effectue une rotation de 360" par pas, il constitue un moteur pas à pas de haute stabilité et de haute précision, similairement à ce qui a été mentionné précédemment en liaison avec la première forme d'exécution.
Bien que la conception particulière en question ait été décrite sur la base d'un petit nombre de formes d'exécution, cette conception d'un moteur pas à pas agencé de manière telle que son rotor accomplisse une rotation de 360" par impulsion appliquée au moteur n'est pas limitée aux formes d'exécution décrites. Il est clair que de nombreuses modifications et améliorations pourraient être prévues par rapport à ce qui a été décrit sans sortir du cadre de la conception particulière en question.
The present invention relates to a stepping motor for a horometric apparatus, arranged so that its rotor performs a rotation of 360 "for each electric pulse delivered to a winding associated with the stator, comprising a rotor formed of a permanent magnet magnetized diametrically so as to present a pair of poles, the stator surrounding the rotor and being formed of a magnetically permeable material to produce a magnetic flux around the rotor during the passage of a current through the winding, and positioning means at rest, c ' that is to say in the absence of current in the winding, formed of at least one fixed permanent magnet.
The invention is particularly aimed at obtaining a miniature stepping motor suitable for use in an electronic wristwatch or a similar part.
This generic definition could be compared to the content of a published German patent application, N "1488747, which proposes a stepping motor whose rotor performs a rotation of 360" for each electric pulse delivered to its winding, the rotor being permanently magnetized and having two magnetic poles, and an additional permanent magnet being arranged so as to return the rotor to a determined rest position.
However, in the engine according to this German publication (which, moreover, seems to be a large engine for which the problems arise and are resolved in a different way than in a small engine), the shape of the poles stator plays an important role, in cooperation with said magnet, to define the rest position of the rotor. Indeed, for a permanent magnet arranged in the manner shown for example in FIG. I of the German publication in question can define with some precision a rest position of the rotor, it is necessary that the stator parts include thinned parts which give the magnetic flux due to said magnet a particular distribution.
The stator poles must therefore be formed with a relatively complicated configuration, more complicated in any case than a simple circular shape, without discontinuity. The manufacture of the motor is complicated, given that it is very difficult to establish the dimensioning of the thinned portions in an adequate way for a production in large series, since the maximum error (of manufacture and assembly ) admissible is extremely small, for example approximately + 10 u in the case of a motor used for an electronic watch and therefore having to consume very little energy. It is for this reason that the dimensions have conventionally been established by adjusting the position of the stator parts which must then be arranged in order to be able to be moved, which again involves notable complications.
A motor construction without these complications, and with which even any change in the thinness of a stator part accidentally occurring due to manufacturing error or imprecision will not change the effective position that the rotor will take at rest, would therefore prove to be a definite advantage, in particular for a very small size and very low consumption motor intended for a watch.
It is also noted that the construction proposed by the earlier German publication in question requires that an air gap be provided on the main magnetic circuit, subjected to the action of the excitation winding of the motor, so that the flux of the positioning magnet at rest is not short-circuited through this main magnetic circuit. This air gap in turn implies that the winding provides each pulse with greater energy.
Of course, this poorer efficiency was apparently unimportant for the relatively large motor according to the prior publication considered, but it is far from the same for a small motor such as that which the invention aims to provide. .
We can, moreover, still note an earlier motor proposed by the second addition, N "68711, to the patent.
FR N "1033643. This motor, for a timepiece, comprised a rotor formed of a diametrically magnetized permanent magnet and a stator surrounding the rotor which performs a half-turn rotation at each current pulse in the winding of stator, then a second half-turn, which returns the rotor to its initial direction, at the end of this pulse, under the influence of the magnetic flux due to the magnetization of the rotor itself. However, this earlier motor does not respond in fact with the generic definition previously stated, owing to the fact that it does not include means for positioning at rest formed by at least one permanent magnet (outside the rotor).
With this other previously known engine, the previously mentioned difficulties would not be resolved, and moreover, according to the French publication, this earlier engine lacks at least one element, the absence of which in any case puts this earlier engine out of consideration. .
The aim of the present invention is to provide a stepping motor of the generic type defined above and not having the aforementioned drawbacks, that is to say a stepping motor having a low power consumption, of the order of of a few mierowatts, and ensuring as high an output torque as possible despite everything, this motor in particular having to have a simple and inexpensive construction and arrangement, allowing easy assembly which ensures correct operation without requiring adjustment.
For this purpose, the invention proposes a stepping motor for a horometric device, of the generic type defined above, characterized in that the permanent magnet or the permanent magnets forming said positioning means are arranged in the immediate vicinity of the periphery of the rotor. so as to establish a single position at which the rotor necessarily returns to the rest position, without the shape of the stator or its arrangement with respect to the rotor having to intervene in the establishment of this single rest position.
Thus, in the stepping motor according to the invention, the stator parts act only to drive the rotor in response to the passage of current in the winding while it is only to said magnet (or to said magnets) that the action returns. to position the rotor in its rest position, the two positioning functions (at work and at rest) of the rotor being therefore well separated, one being only the business of the stator while the other is only the business of said magnet or said magnets.
The appended drawing illustrates, compared with a previously known stepping motor, embodiments of the stepping motor according to the invention in this drawing:
fig. I is a plan view of a stepping motor of the known type:
fig. 2 shows the diagram of a drive circuit for the motor of FIG. I;
fig. 3 is a plan view of an engine constituting an embodiment of the object of the invention:
fig. 4 is a plan view of another embodiment of an engine according to the invention
the lig. 5 is a sectional view along line AA of lig. 4:
fig. 6 is a plan view of a still different embodiment of a stepping motor according to the invention, and
fig. 7 is a sectional view along line AA of FIG. 6.
In fig. I, we see a stepping motor of known type which comprises a rotor I formed of a permanent magnet magnetized diametrically to present a pair of poles, a pair of stator parts 2 and 3 which surround the rotor 1, and a winding 5 wound around a part of a magnetic circuit by which the two stator parts 2 and 3 are joined, so as to produce a magnetic flux around the rotor when a current is made to flow in the winding.
As can be seen, the parts of the stator parts 2 and 3 which surround the rotor I have a semi-circular shape and must be offset in order to cause the rotor to operate stably in a defined direction in response to pulses. current in the winding 5. When this offset ô is established, as shown, in a correct manner, the poles of the rotor 1 come to a stable stop in the direction indicated by the arrow 6.
When a current pulse passes through the winding 5 under these conditions to produce an N magnetization in the stator part 2 and an S magnetization in the stator part 3, the effects of attraction and repulsion which are exerted between the poles of rotor 1 and the magnetic poles of stator parts 2 and 3 cause the rotor to rotate and then come to a stop after a rotation of approximately 1800. When a current pulse then passes through winding 5 in the direction The opposite of the previous pulse, the rotor rotates again 180 "and then stops. This process is repeated with each alternate pulse.
We have just described the operation of a known stepper motor whose rotor is magnetized to have two poles, but it is quite clear that if we have more poles, for example six poles, a single pulse will cause a rotation even lower, 60 "for a six-pole rotor. In principle, even a ten-pole rotor or a rotor with even more poles works the same way. Although such a stepper motor satisfies some- One of the conditions imposed for an electronic watch, it still presents a certain number of defects and does not give satisfaction.First, it should be noted that the magnitude of the offset 6 of the stator parts must be established in an extremely adequate manner otherwise faulty operation.
If this offset Ï of the stator parts is not exact, the following disadvantages may occur:
First, the motor does not work, or second
the motor does not provide the desired mechanical torque at its output when operating, or third, the motor malfunctions in that it advances two or more steps in response to a single pulse. In order to avoid these three drawbacks and others, the allowable tolerances for the offset Ï are extremely tight. With a stepper motor with more than two poles, in which the angular increment per step is small, the above-mentioned faulty operations are even more troublesome.
Accordingly, in order to optimally satisfy the requirements required directly during the assembly of the parts at the time of manufacturing the engine, very high manufacturing precision is required, which effectively becomes prohibitive for practical use; a vernier adjustment unit must be provided to allow correct positional adjustment of the stator. This inevitably results in a high cost for the stepper motor.
Secondly, the air gap between the rotor and the stator must be very narrow in order to obtain good performance and the permanent magnet forming the rotor must be made of a magnetic material having a high coercive force. The very narrow air gap also prevents operation when there is dust or other debris therein and, moreover, the use of a high coercive force magnet results in increased cost.
Third, the drive current pulses must be pulses of alternating polarity, with the current flowing alternately once in one direction and once in the other.
A control circuit for supplying such alternating pulses must be formed, for example, like the circuit whose diagram is shown in FIG. 2, circuit which includes four transistors
MOS 7, 8, 9, 10. The peak value of the motor drive current pulses must be very high, which requires high performance transistors, which again results in an increase in cost.
Fourth, variations in the direction of magnetization of the rotor can cause differences in angular increment for a pitch. Consequently, if such a stepping motor is used in an electronic watch, the successive positions taken by the seconds hand may be irregular (one step
being shorter or longer than the following), which is a
bad effect.
From what has just been discussed, it emerges that the stepper motor
not classic is affected by various shortcomings. On the other hand, the engine
step by step according to the invention, embodiments of which will be
described in conjunction with figs. 3 and following, eliminates the disadvantages
above-mentioned stages and is a highly
reliable and low cost.
Fig. 3 is a plan view showing one embodiment of the stepping motor according to the particular design in
question. This motor comprises a rotor 11 formed of a magnet
permanent magnetized diametrically so as to present a
pole pair, a pair of stator elements 12 and 13 which
surround the rotor 11, a coil 15 wound around the part
junction between the stator elements 12 and 13, this winding
generating a magnetic flux around the rotor 11 when a
current flows through it. We also see that a pair of magnets 16
and 17 is mounted on the stators 12 and 13 respectively in
positions such that the poles of opposite polarity are located
vis-à-vis each other and symmetrically with respect to the center
of rotor II.
As a result, the poles of the rotor II are subject to forces
of attraction from magnets 16 and 17, and the rotor is stopped
with the orientation of its poles represented by arrow 18 on the
fig. 3.
As long as the force of attraction exerted by the
magnets 16 and 17, as well as the position of the latter, are
suitable, the passage of a short current pulse to
through the winding 15, in a direction such as the stator element 12
is magnetized to present an N pole and the stator element 13
is magnetized to present a pole S, the rotor It will perform a
360 "rotation for a single pulse applied to the winding,
this is repeated for each pulse of the same polarity applied
quee.
In a specific example of construction, the rotor 11 is
formed from a compound of cobalt and a rare earth element
(lanthanides), denoted by SmCos, the diameter of the rotor being
2 mm and its thickness being 0.5 mm. The stator elements 12
and 13 define an inner diameter of 3mm; moreover the
winding 15 comprises approximately 9000 turns of
copper 25 u in diameter, and has a current resistance
continuous from 1.7 to 1.8 kfl. Magnets 16 and 17 are magnets
Vicaloy. When a control pulse at a voltage of
1.5 V, with a duration of 4 to 12 ms and with a peak current of
800 uA is applied, the rotor rotates 360 "by
momentum and the mechanical output torque is sufficient for a
use in an electronic watch.
It was found that a
a wide tolerance could be allowed for variations in the
attractive force acting between the rotor 11 and the magnets 16
and 17, as well as with regard to the position of these magnets,
which allows a production in large series in condi
favorable statements.
We thus obtain a stepping motor which does not require
adjustment to work stably, adjustment that
was disadvantageously necessary with stepper motors
previously known.
Since the angular inertia for a step is 360 ', value
very high, the risk of faulty operation such as
rotation of several steps in response to a single impulse is
eliminated. In addition, since the rotor only comes to a stop in
one position always the same, variations in the direction
tion of magnetization of the magnetized parts can be negli
aged, whereby a high level of precision is ensured
operation of the stepper motor at a speed
of 360 "per step.
It is not necessary that the rotor It is made of a material
high performance magnetic; The air gap between the rotor and the stator elements can be increased, or more precisely it must be increased compared to what was usual, so that a wide manufacturing tolerance is allowed, which eliminates the problems which could be posed. by the penetration of tiny debris or dust in the air gap.
It is sufficient that the control current pulses for the stepper motor are of a single polarity (or of a single current phase). Therefore, the required control circuit can comprise only a single MOS control transistor, which, compared to the control circuit providing alternating pulses which was conventionally required, constitutes a further simplification allowing a reduction in cost.
In addition, if a comparison is made with the width (or duration) of the control pulses for use with a conventional stepping motor such as that shown in FIG. 1, it is found that the width (or duration) of the pulses required to control the stepper motor of the particular type described herein can be reduced to obtain equal performance, which allows a reduction in power consumption while maintaining the same performance.
Figs. 4 and 5 show, respectively in plan and in section along line AA, another embodiment of a stepping motor according to the particular design described above.
This motor comprises a rotor 21 constructed in a manner similar to that of FIG. 3, a pair of stator elements 22 and 23 which surround the rotor, and a coil 25 wound around the portion 24 which joins the stator elements. In addition, a very thin annular magnet 26 is disposed along the inner periphery of the stator elements 22 and 23, as shown in the sectional view of FIG. 5. This magnet 26 is diametrically magnetized to provide a pair of poles. Thus the rotor 21 comes to a stop in the position where it has its poles oriented in alignment with the poles of the annular magnet 26, in a manner similar to what it was in the case of FIG. 3 with respect to magnets 16 and 17,
The effect obtained and the operation being similar to what we had in the case of the stepping motor shown in FIG. 3.
Yet another embodiment of a stepping motor according to the particular design in question is shown in FIGS. 6 and 7, fig. 6 being a plan view and FIG. 7 is a sectional view along the line AA of FIG. 6. It can be seen from these figures that this stepping motor comprises a rotor 34 formed of a piece of high permeability material 31 and of a pair of axially magnetized permanent magnets 32 and 33, a pair of stator elements 35 and 36 arranged under the rotor 34, a coil 38 wound around the part 37 joining the stator elements 35 and 36 so as to cause the establishment of a magnetic flux around the rotor 34 when this coil is traversed by a current , and a rotor positioning ring 39 disposed concentrically with the rotor and diametrically magnetized so as to have a pair of poles.
As can be seen, the rotor 34 is in the rest position in the orientation indicated by the line AA, this orientation resulting from the attractive forces between the rotor and the positioning ring 39. In so far as these attractive forces are of suitable value and the rotor positioning ring 39 is also in a suitable position, the passage of a short duration current pulse through the winding 38 in the direction which causes the stator element 35 to assume a polarity S and the stator element 36. to assume a polarity N, subjects the rotor 34 to the action of a force by the magnetic poles generated in the stator elements 35 and 36, and this rotor begins to move clockwise (relative to the illustration in fig. 6).
As each of the lower poles of the permanent magnets 32 and 33 which together constitute the rotor 34 approaches the poles of the same polarity of the rotor positioning ring 39, there is a tendency towards repulsion and rotational speed. of rotor 34 is gradually reduced. However, by choosing a suitable value for the width (that is to say the duration) of the impulse voltage applied to the winding, it is obtained that the rotor 34 maintains and continues its rotation after having passed this position near the poles of same polarity, until it has completed a complete revolution and comes to a stable stop in the same position as at the start.
As previously mentioned in previously known motors of this kind, the degree of offset between stator elements in a common plane had a great influence on performance, which necessitated that means be provided to allow fine adjustment. the position of the stator elements. In the presently described embodiment, the offset in the plane of the rotor which presented a problem in the case of the previously known motors corresponds to a difference in axial height of the stator elements 35 and 36.
This can be limited to within a field which is entirely admissible in practice, without involving manufacturing difficulties. The motor according to the present embodiment is little influenced by the offset of the stator elements in their plane, which makes it possible to obtain satisfactory operation with the precision usual in practice, without requiring fine adjustment. With regard to the position of the ring 39, there is a considerable margin of tolerance, and it is also possible to admit its positioning without particular adjustment, so that we have a stepping motor which requires extremely little adjustment to operate in a stable manner, while the need for large adjustments had been recognized as one of the disadvantages of conventional stepper motors of this kind.
In addition, since the rotor rotates 360 "in steps, it constitutes a stepping motor of high stability and high precision, similar to what was previously mentioned in connection with the first embodiment.
Although the particular design in question has been described on the basis of a small number of embodiments, this design of a stepper motor arranged such that its rotor rotates 360 "per pulse applied to the motor. engine is not limited to the embodiments described It is clear that many modifications and improvements could be provided over what has been described without departing from the scope of the particular design in question.