JP2009050057A - ステップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高トルクを得られ、重い大きな慣性体の指針を駆動出来るのと同時に、アナログ式電子時計の小型化を可能とするステップモータを提供することを目的とする。
【解決手段】径方向に２極に着磁されたロータ磁石とロータ軸とを有するロータと、磁芯に導線を巻き回した励磁コイルと、励磁コイルに駆動パルスを印加する励磁手段と、磁芯の両端に結合し、かつ中央に配したロータ孔にロータを配設することで、励磁コイルで励磁された磁束の流れをロータ磁石に導くステータと、を備え、励磁手段を、ロータ磁界方向でロータ磁石が停止する第１の位置から、回転軸を中心として負方向に回転させて第２の位置とした後に、正方向にロータを回転させる形態とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、アナログ式電子時計に用いられるステップモータに関する。

まず、従来のアナログ式電子時計の構成について概略説明する。この従来のアナログ式電子時計は、大別して水晶振動子を含み基準信号を発生する回路部と、その基準信号に従い間欠回転駆動し、歯車を介して回転を伝達するステップモータと、その駆動力により回転する時刻表示用指針とにより構成される。

時刻表示用の指針は、アナログ式電子時計の美的デザイン上非常に重要とされていて、重い大きな慣性体の指針を用いることが多々ある。その際に、この指針を駆動出来るだけのステップモータが必要となる。しかし、従来腕時計などの小型のスペースに収める必要のある小体積のステップモータでは、発生出来るトルクの大きさに限界があるために、駆動出来る指針の慣性体の大きさは制限され、デザインの自由度は非常に小さいものであった。

ここで、この課題を解決するための従来のアナログ式電子時計における高トルク駆動を可能としたステップモータの構成が開示された(例えば、特許文献１参照のこと)。図１６は、従来のステップモータ２０２ｂを説明するための上面図及び断面図である。なお、図１６に示す右図は、左図におけるＣ−Ｃ断面を示している。

図１６に示す様に、この従来のステップモータ２０２ｂは、径方向に２極に着磁されたロータ磁石1とロータ軸２とを有するロータ３と、磁芯４に導線５を巻き回した励磁コイル６と、励磁コイル６に駆動パルスを印加する励磁手段７と、磁芯４の両端に結合し、かつ中央に配したロータ孔８にロータ３を配設することで、励磁コイル６で励磁された磁束の流れをロータ磁石１に導くステータ９とを備えて構成されている。

そして、この励磁手段７は、正方向にロータを回転させる方向に通電させたのち、５０［ｍｓ］以内にさらに正方向にロータを回転させる方向に通電させて、１秒間でロータ３を３６０［ｄｅｇ］回転させる様に駆動を行う。これにより、そのロータ３の運動を、減速輪列１９ｂを介し、図示しない時刻表示用の指針を回転させる。そのため、一般的な時計用ステップモータのように、ロータ３を１秒間で１８０［ｄｅｇ］回転させるものとは異なり、ロータ３を１秒間で３６０［ｄｅｇ］回転させることから、２倍大きい減速比で時刻表示用指針を駆動するため２倍程度の高トルクで指針を駆動することが出来る。

特開平６−２８１７５７（第１貢、第１図）

しかしながら、この特許文献１に記載のステップモータ２０２ｂでは、先に示した様に、通常の２倍の高トルクを得ることができるものの、減速輪列１９ｂが一般的な時計用ステップモータに対して２倍程度の大きさとなってしまっていた。

ここで、この特許文献１に記載のステップモータ２０２ｂの課題について説明する。図１７（ａ）は、一般的な時計用ステップモータの上面図及び断面図を示しており、図１７（ｂ）は、特許文献１に記載のステップモータの上面図及び断面図である。また、図１７（ａ）の右図には、左図におけるＤ−Ｄ断面を示し、図１７（ｂ）の右図には、左図にお
けるＥ−Ｅ断面を示した。

図１７（ｂ）より明らかなように、特許文献１に記載のステップモータ２０２ｂの減速輪列１９ｂは、図１７（ａ）に示す一般的な時計用ステップモータ２０２ａの減速輪列１９ａよりもかなり大型化し、アナログ式電子時計の小型化が困難であることが判る。

この様に、特許文献１に記載のステップモータ２０２ｂでは、通常の２倍の高トルクを得ることができるものの、モータサイズの小型化に弊害があることが容易に理解できよう。

そこで、本発明の目的は上述のような課題を解決するもので、高トルクが得られ、重い大きな慣性体の指針を駆動出来、アナログ式電子時計の小型化を可能とするステップモータを提供することを目的とする。

本発明のステップモータは基本的に下記記載の構成を採用するものである。
本発明のステップモータは、径方向に２極に着磁されたロータ磁石とロータ軸とを有するロータと、磁芯に導線を巻き回した励磁コイルと、励磁コイルに駆動パルスを印加する励磁手段と、磁芯の両端に結合し、かつ中央に配したロータ孔にロータを配設することで、励磁コイルで励磁された磁束の流れをロータ磁石に導くステータと、を備え、励磁手段が、ロータ磁界方向でロータ磁石が停止する第１の位置から、回転軸を中心として負方向に回転させて第２の位置とした後に、正方向にロータを回転させることを特徴とするものである。

また、本発明のステップモータは、前述した第２の位置が、第１の位置から４５度負方向に回転させた位置であることを特徴とするものである。

また、本発明のステップモータは、前述したロータ孔が、励磁コイルへの無印加状態でロータ磁石の静止するロータ磁界方向が、コイル磁界方向に対して直交する方向となる様に形成されていることを特徴とするものである。

この様にステップモータを構成すれば、正方向にも逆方向にもロータを回転させることが出来る。

また、本発明のステップモータは、前述したロータ孔が、励磁コイルへの無印加状態でロータ磁石の静止するロータ磁界方向が、コイル磁界方向に対して直交する方向から正方向に４５度回転した方向となる様に形成されていることを特徴とするものである。

この様にステップモータを構成すれば、励磁磁界によるロータ磁石を正方向に回転させようとする力を最大にして、ロータ磁石で発生するトルクを最大とすることが出来る。

また、本発明のステップモータは、前述したロータ孔の形状が、ステータのロータ孔近傍に配したスリットと、スリット方向と直交する方向に配した、当該スリットより大きな面積のノッチとにより形成されていることを特徴とするものである。

この様にステップモータを構成すれば、簡単な仕組みで励磁コイルへの無印加状態でロータ磁石の静止するロータ磁界方向を、コイル磁界方向に対して直交する方向とさせることが出来る。したがって、正方向にも逆方向にも回転させることが出来る。

また、本発明のステップモータは、前述した励磁手段が、第２の位置とした後に正方向
に回転させる際に、励磁コイルに直列にハイインピーダンスを付与する期間と、付与しない期間とを切替えて行う手段であることを特徴とするものである。

この様にステップモータを構成すれば、ロータ回転中の逆起電圧によるロータに作用する電磁ブレーキを低減させ、ロータを減速させずに回転させることが出来る。したがって、回転が終了した際の減衰振幅が一定以上あるために、ロータの回転、非回転を判断し易い電流波形を得ることが出来る。

また、本発明のステップモータは、前述した励磁手段が、第２の位置とした後に正方向に回転させる際に、励磁コイルに正方向の駆動パルスを印加した後に、負方向の加振パルスを印加する手段であることを特徴とするものである。

この様にステップモータを構成すれば、ロータ回転中に更にロータを加速させることが出来る。回転が終了した際の減衰振幅が一定以上あるために、ロータの回転、非回転を判断し易い電流波形を得ることが出来る。

また、本発明のステップモータは、時計の指針を運針するためのモータであって、指針の運針速度を、使用者が時刻の表示を見るための表示モードである通常運針モードと、通常運針モードよりも高速に指針を運針するための高速運針モードとに切替えて制御する制御回路をさらに有し、通常運針モードのときは、励磁コイルの全てのコイルを使って指針の運針を行い、高速運針モードのときは、励磁コイルの一部を使って励磁し、他の一部をオープン状態となる様にして指針の運針を行うことを特徴とするものである。

この様にステップモータを構成すれば、通常運針モードと高速運針モードとで、励磁コイルのインダクタンスと抵抗値を変更させることが出来る。したがって、低消電力で駆動させたい通常運針モードのときには、高インダクタンス、高抵抗とすることで少ない電流で駆動させることが出来、更に高トルクが必要となる高速運針モードのときには、低インダクタンス、低抵抗とすることで大きな電流で駆動させることが出来る。

本発明のステップモータは、従来の構成のように、ロータ磁界方向でロータ磁石が停止する第１の位置からいきなりロータ磁石を正方向に回転させるのではなく、第１の位置から一端、励磁コイルが無印加の状態でもロータ磁石自身の磁界により正方向に回転しようとする力が作用する位置に回転させる。その後に励磁コイルを励磁することで、励磁磁界によるロータ磁石を正方向に回転させようとする力と、先述のロータ磁石自身の磁界により正方向に回転しようとする力とを合わせて発生させているので、ロータ磁石に非常に大きなトルクを発生させて、重い大きな慣性体の指針を駆動出来る。この様にして、ステップモータ自身が高トルクを発生出来るため、従来の構成の様に、わざわざ減速比によるトルク増加を図る必要がなく、モータ自身のサイズを極力小さくすることができ、アナログ式電子時計の小型化を可能とする。

また本発明のステップモータの構成は、ロータ磁石自身の磁界により正方向に回転しようとする力が最大になる位置まで一端回転させる様になっているので、ロータ磁石で発生するトルクを、更に大きくすることが出来る。

本発明のステップモータは、従来の構成と同様に、径方向に２極に着磁されたロータ磁石とロータ軸とを有するロータと、磁芯に導線を巻き回した励磁コイルと、励磁コイルに駆動パルスを印加する励磁手段と、磁芯の両端に結合し、かつ中央に配したロータ孔にロータを配設することで、励磁コイルで励磁された磁束の流れをロータ磁石に導くステータ
とを有する形態となっている。

この本発明のステップモータにおける励磁手段は、ロータ磁界方向でロータ磁石が停止する第１の位置から、回転軸を中心として負方向に回転させて第２の位置とした後に、正方向にロータを回転させることに特徴がある。

つまり、従来の構成では、ロータ磁石がちょうど安定した位置で停止した状態となっているので、ロータ磁石自身の磁界により負方向に戻そうする力に抗するように、励磁磁界によるロータ磁石を正方向に回転させようとする力を発生させて回転させていた。それに対して、本発明のステップモータは、予め正方向とは逆方向に回転させてから、ロータ磁石が元の安定した位置に戻ろうとする不安定な位置になるように駆動しているので、ロータ磁石自身の磁界により正方向に回転しようとする力と、励磁磁界によるロータ磁石を正方向に回転させようとする力それぞれの最大値が発生するように効率良くあわせることができる。これにより、ロータ磁石に非常に大きなトルクを発生させることが出来る。以下に、本発明のステップモータの具体的な構成を図面に基づいて説明する。

まず、本実施形態のステップモータについて説明する。図１は、本発明のステップモータの構成例を示す上面図及び断面図である。

図１に示すように本発明のステップモータ１００ａは、先に示す様に、径方向に２極に着磁されたロータ磁石1とロータ軸２とを有するロータ３と、磁芯４に導線５を巻き回した励磁コイル６と、励磁コイル６に駆動パルスを印加する励磁手段７と、磁芯４の両端に結合しかつ中央に配した、ノッチ１１を含むロータ孔８の内部にロータ３を配設することで、励磁コイル６で励磁された磁束の流れをロータ磁石１に導くステータ９とを備える形態となっている。なお、本図に示す符号２００は、ロータ角度原点の位置を示しており、このロータ角度原点位置２００を基準として、角度θ１が反時計方向を正とした場合のロータ３の移動角度量を示している。このロータ３の回転駆動詳細については、後述する。本図では、ロータ磁石１のＳ極からＮ極へ向かうロータ磁界方向が、矢印で示すコイル磁界方向２１に対して、１３５［ｄｅｇ］を向いている状態が、励磁コイルへの無印加の状態となっている。

次に、本発明のステップモータの動作原理について説明する。図２は、本発明のステップモータの動作原理を説明するための図であり、（ａ）から（ｅ）の順にしたがって、ロータを１８０［ｄｅｇ］反時計回転方向（正方向）に回転させた場合の動作手順を示している。

図２（ａ）に示す状態は、励磁コイル６（図１参照）が無印加のときのロータ３の状態を示している。このとき、ロータ磁石１自身の磁界により回転しようとする力がちょうどゼロとなって安定した位置を第１の位置とする。

次に、図２（ｂ）に示す様に、図１に示した励磁コイル６を励磁し、ロータ磁石１を第１の位置から時計回転方向（負方向）に４５［ｄｅｇ］回転させる。このとき、ロータ磁石１自身の磁界により正方向に回転しようとする力が最大値となる。この状態になった後に、励磁手段７により、励磁コイル６を反時計回転方向（正方向）に回転させるように励磁する。

次に、図２（ｃ）（ｄ）に示す様に、ロータ磁石１に作用している正方向のトルクにより、正方向にロータ３を回転させる。

次に、図２（ｅ）に示す、再び励磁コイル６が無印加の状態となる。このとき、ロータ磁石１自身の磁界により回転しようとする力がちょうどゼロとなって安定して停止した位置が、再び次ステップの第１の位置となる。これで１ステップ１８０［ｄｅｇ］の回転が完了する。

次のステップでは、励磁コイル６の通電方向を先のステップと正負切替えるのみで、同じように１８０［ｄｅｇ］回転させることが出来るため、次のステップ以降の説明は省略する。

次に、本発明のステップモータが高トルクを得られる理由について説明する。図３は、本発明のステップモータの保持トルク（ロータ磁石自身の磁界により回転する力）と、ロータ磁石が変位するロータ変位角度との関係を示しており、保持トルク波形１００１のゼロクロス位置が、０［ｄｅｇ］にある場合を示している。本図面の縦軸は、保持トルク（規格値）を、横軸は、ロータ変位角度を示している。また、図４は、ステップモータが高トルクを発生させる理由を説明するための、このステップモータのトルクとロータ角度との関係を示している。本図に示す縦軸は、トルク（規格値）を、横軸は、先に示した図１のロータ角度原点２００の位置から反時計方向を正とした場合の角度量を示しており、ノッチの設置角度を調整して、図３に示した保持トルク波形のゼロクロス位置を変えて、図１に示した１３５［ｄｅｇ］に設定した場合の、保持トルク波形１００１と、励磁コイルへの通電電流が一定時の場合の駆動トルク（励磁磁界によるロータ磁石を正方向に回転させようとする力）波形１００２と、両トルクを重ね合わせた発生トルク（トルク合計）波形１００３をそれぞれ示した。

２極に着磁されたロータ磁石に働く保持トルクは、図３に示すように、ロータの回転に応じた位置により、その大きさを正弦状に変化した値を取る。ここでは、ロータ変位角度が０［ｄｅｇ］と９０［ｄｅｇ］のときに、保持トルクが０の値を取っている。そして、保持トルク（ロータ磁石１自身の磁界により回転しようとする力）がちょうどゼロとなる安定位置をゼロとし、そこから回転させたい方向とは反対に−４５［ｄｅｇ］回転させた場合に、ロータ３が正方向に回転しようとするトルクが最大となる。なお、この保持トルクがゼロとなる安定位置は、先に示した図１や図２にあるノッチ１１の設置角度により調整することが出来る。例えば、コイル磁界方向２１に対し、おおよそ４５［ｄｅｇ］と２２５［ｄｅｇ］の位置にノッチ１１を設けることで、保持トルクがゼロとなる安定位置は、おおよそ１３５［ｄｅｇ］近辺に調整することが出来る。

そして、図４に示す様に、保持トルクがゼロとなる安定位置１３５［ｄｅｇ］から−４５［ｄｅｇ］時計方向に回転させたとき（ロータ角度＝９０［ｄｅｇ］のとき）に、重ね合せた発生トルク波形１００３が最大となることがわかる。この様に、本発明のステップモータの様に動作させれば、保持トルクと駆動トルクのロータ位置による大きさの重ね合せを効率的に利用することが出来る。

次に、本発明のステップモータを１ステップ動作させた場合のシミュレーション結果について説明する。図５（ａ）（ｂ）は、本実施例のステップモータの駆動原理を示す図であり、図５（ａ）に、ステップモータが１ステップあたりの過渡応答動作を行った際の印加電圧と励磁コイルに流れる電流の関係を示し、図５（ｂ）に、同じ過渡応答動作中のロータ変位角度と発生トルクの関係を示した。

図５（ａ）に示すように、励磁コイルに電圧波形１００４のように一端負方向の電圧を印加した後、正方向の電圧を印加する。このときの電流波形は、符号１００５の様に変化する。すると、図５（ｂ）に示すように、ロータ角度変位波形１００６は、−４５［ｄｅｇ］程度まで負方向に回転した後、１８０［ｄｅｇ］まで回転する。この際に発生してい
る発生トルク波形１００３は、約２［ｍｓ］で最大値となる。

このように駆動すれば、保持トルクの最大値と駆動トルクの最大値の両方を合わせた最大の発生トルクを得ることが出来るために、わざわざ減速比を大きくするための減速輪列を設けなくても、比較的重い慣性体である指針等であっても容易に運針することが出来る。この様な作用を受けて、本発明のステップモータを電子時計に搭載すれば、アナログ式電子時計の小型化を可能とすることが出来る。

次に、本発明の他のステップモータの構成例について説明する。図６は、本発明のステップモータの構成例を示す上面図及び断面図である。本実施例に示すステップモータ１００ｂの特徴とする点は、励磁コイル６への無印加状態でロータ磁石１の静止するロータ磁界方向が、矢印で示すコイル磁界方向２１に対して直交する方向となる様に形成されている点である。ステップモータ１００ｂを構成する他の構成は同じであるので、本実施例での説明はこの特徴とする部分についてのみ行い、他の構成についてのここでの詳細な説明は割愛する。

図６に示すように、本発明のステップモータ１００ｂは、励磁コイル６への無印加状態でロータ磁石１の静止するロータ磁界方向が、コイル磁界方向２１に対して直交する方向となる様に形成されている。また、ロータ孔８の形状は、ステータ９のロータ孔8近傍に配したスリット１０と、スリット方向と直交する方向に配した、当該スリット１０より大きな面積のノッチ１１とにより形成されている。

次に、本発明のステップモータの動作原理について説明する。図７は、本発明のステップモータの動作原理を説明するための図であり、（ａ）から（ｅ）の順にしたがってロータを１８０［ｄｅｇ］反時計回転方向（正方向）に回転させた場合の動作手順を示している。

図７（ａ）に示す状態は、励磁コイル６（図６参照）が無印加のときのロータ３の状態を示している。このとき、ロータ磁石１自身の磁界により回転しようとする力がちょうどゼロとなって安定した位置を第１の位置とする。

次に、図７（ｂ）に示す様に、励磁コイル６を励磁し、ロータ磁石１を第１の位置から時計回転方向（負方向）に４５ｄｅｇ回転させる。このとき、ロータ磁石１自身の磁界により正方向に回転しようとする力が最大値となる。この状態になった後に、励磁手段７により、励磁コイル６を反時計回転方向（正方向）に回転させるように励磁する。

次に、図７（ｃ）（ｄ）に示す様に、ロータ磁石１に作用している正方向のトルクにより、ロータ３を正方向に回転させる。

次に、図７（ｅ）に示す、再び励磁コイル６が無印加の状態となる。このとき、ロータ磁石１自身の磁界により回転しようとする力がちょうどゼロとなって安定した位置が、再び次ステップの第１の位置となる。これで１ステップ１８０［ｄｅｇ］の回転が完了する。

次のステップでは、励磁コイル６の通電方向を先のステップと正負切替えるのみで、同じように１８０［ｄｅｇ］回転させることが出来るため、次のステップ以降の説明は省略する。

次に、本発明のステップモータが高トルクを得られる理由について説明する。図８は、
本発明のステップモータのトルクとロータ角度との関係を示す図である。なお、図８の縦軸は、トルク（規格値）を、横軸は、先に示した図６のロータ角度原点２００の位置から反時計方向を正とした場合の角度量を示している。なお、本図では、保持トルク波形１００１のゼロクロス位置を、ノッチの設置角度を調整することで、図６に示した９０［ｄｅｇ］に設定した場合の、保持トルク波形１００１と、励磁コイルへの通電電流が一定時の場合の駆動トルク（励磁磁界によるロータ磁石を正方向に回転させようとする力）波形１００２と、両トルクを重ね合わせた発生トルク（トルク合計）波形１００３を示した。

図８に示す様に、保持トルクがゼロとなる安定位置９０［ｄｅｇ］から−４５［ｄｅｇ］時計方向に回転させたとき（ロータ角度＝４５［ｄｅｇ］のとき）に、重ね合せた発生トルク波形１００３が駆動トルク単体の場合よりも大きくなっていることがわかる。本発明のステップモータをこの様に動作させれば、保持トルクと駆動トルクのロータ位置による大きさの重ね合せを効率的に利用することが出来る。

次に、本発明のステップモータを１ステップ動作させた場合のシミュレーション結果について説明する。図９（ａ）（ｂ）は、本実施例のステップモータの駆動原理を示す図であり、図９（ａ）に、ステップモータが１ステップあたりの過渡応答動作を行った際の印加電圧と励磁コイルに流れる電流の関係を示し、図９（ｂ）に、同じ過渡応答動作中のロータ変位角度と発生トルクの関係を示した。

図９（ａ）に示すように、励磁コイルに電圧波形１００４のように一端負方向の電圧を印加した後、正方向の電圧を印加する。このときの電流波形は、符号１００５の様に変化する。すると、図９（ｂ）に示すように、ロータ角度変位波形１００６は、−４５［ｄｅｇ］程度まで負方向に回転した後、１８０［ｄｅｇ］まで回転する。この際に発生している発生トルク波形１００３は、約２［ｍｓ］で最大値となっている。

このように駆動すれば、保持トルクと駆動トルクの両方を合わせた大きな発生トルクを得ることが出来る。また、本実施形態の構成は、図６に示したように、励磁コイル６への無印加状態でロータ磁石１の静止するロータ磁界方向が、コイル磁界方向に対して直交する方向に設定されているため、励磁コイル６への通電方向を正負切替えるのみで、正方向にも逆方向にも回転させることが出来る。

また、本実施形態の構成は、ロータ孔８の形状が、ステータ９のロータ孔８近傍に配したスリット１０と、スリット方向と直交する方向に配した、当該スリット１０より大きな面積のノッチ１１とにより形成されているために、簡単なしくみで励磁コイル６への無印加状態でロータ３の静止するロータ磁界方向を、コイル磁界方向に対して直交する方向とすることを可能とした正逆回転型のステップモータとすることが出来る。

次に、本発明のステップモータの他の形態について説明する。図１０は、本実施例のステップモータの励磁手段の構成例を説明するための図である。本実施例の特徴とする点は、実施例２に示したステップモータ１００ｂ（図６参照）の励磁手段７で、予め第１の位置から第２の位置とした後に、ロータ３を正方向に回転させる際に、励磁コイル６に直列にハイインピーダンスを付与する期間と、付与しない期間とを切替えて行う点にある。他の構成は先の実施例で示した形態と同じであるので、本実施例での説明はこの特徴とする部分についてのみ行い、他の構成についてのここでの詳細な説明は割愛する。

図１０に示すように、本実施例における励磁手段７ａは、電源１８からの導線５（励磁コイル６を構成する導線５）に流れる電流の方向をスイッチング手段１４、１５、１６、１７により切替える。例えば、スイッチング手段１４、１７を導通状態とし、スイッチン
グ手段１５、１６を非導通状態とすることで、導線５に図面左上から右下へ電流を流すことが出来る。また、スイッチング手段１５、１６を導通状態とし、スイッチング手段１４、１７を非導通状態とすることで、導線５に図面右上から左下へ電流を流すことが出来る。また、励磁手段７ａには、導線５と直列にハイインピーダンス１２を設け、スイッチング手段１３によりハイインピーダンス１２と導通状態にするか、非導通状態にするかを切替えることが出来る様になっている。

次に、励磁手段の動作手順について説明する。図１１（ａ）（ｂ）は、本実施例のステップモータの駆動原理を示す図であり、図１１（ａ）に、ステップモータが他の駆動方法を行った際の１ステップあたりの過渡応答動作における印加電圧と励磁コイルに流れる電流の関係を示し、図１１（ｂ）に、ロータ変位角度と発生トルクの関係を示した。なお、図１１（ａ）のｔ１、ｔ３は、ハイインピーダンスを付与しない期間で、ｔ２はハイインピーダンスを付与する期間を示している。

先に示した図９（ａ）では、電流波形１００５における５［ｍｓ］近辺の電流（逆起電流）により、ロータに電磁ブレーキが作用してしまい、ロータが減速してしまう。したがって、このときロータ角度変位波形１００６（図９（ｂ）参照）が、１８０［ｄｅｇ］を十分越えるほど変位せず、また、電流波形１００５（図９（ａ）参照）に検出時の基準点となるゼロクロスを持つようなしっかりとした逆起波形が得られていない。そのため、正確にロータが回転、非回転したかを判断することが困難となる場合がある。

それに対して、図１１（ａ）に示すように、期間ｔ１で電圧波形１００４のように一端負方向の電圧を印加した後、正方向の電圧を印加する。続いて、期間ｔ２でハイインピーダンスを付与することで、本来、導線５（図１０参照）に流れるはずの電流を低く抑えることが出来る。このときの電流波形は、符合１００５の様に変化する。その結果、図１１（ｂ）に示すように、ロータ角度変位波形１００６は、−４５［ｄｅｇ］程度まで負方向に回転した後、１８０［ｄｅｇ］まで回転する。ところが、このとき１８０［ｄｅｇ］を十分越えるほど変位しているので、ロータは減衰振動をする。その結果、図１１（ａ）に示すように電流波形１００５に逆起波形が現れてしまうこととなる。通常時計用のステップモータでは、この逆起波形を利用し、ある振幅以上であればロータが回転、ある振幅以下であればロータが非回転と判断し、非回転であれば確実にロータを回転させることが出来るだけの充分なエネルギーを与えることで、ロータを確実に回転駆動させることが出来る。

このように、保持トルクと駆動トルクの両方を合わせた大きな発生トルクを得ることが出来るだけでなく、本実施形態の構成は、ロータを減速させずに回転させることが出来る。したがって、回転が終了した際の減衰振幅が一定以上あり、検出時の基準点となるゼロクロスを持つために、ロータの回転、非回転を判断し易い電流波形を得ることを可能としたステップモータとすることが出来る。

次に、本発明のステップモータの更に他の形態について説明する。図１２（ａ）（ｂ）は、本実施例のステップモータの駆動原理を示す図であり、図１２（ａ）に、ステップモータ１００ｂが、更に他の駆動方法を行った際の１ステップあたりの過渡応答動作における印加電圧と励磁コイルに流れる電流の関係を示し、図１２（ｂ）に、ロータ変位角度と発生トルクの関係を示した。本実施例の特徴とする点は、励磁手段が、第２の位置とした後に正方向に回転させる際に、励磁コイルに正方向の駆動パルスを印加した後に、負方向の加振パルスを印加する点にある。他の構成は先の実施例で示した形態と同じであるので、本実施例での説明はこの特徴とする部分についてのみ行い、他の構成についてのここでの詳細な説明は割愛する。

図１２（ａ）に示すように、励磁コイルに電圧波形１００４のように一端負方向の電圧を印加した後、正方向の電圧を印加する。続いて４．５［ｍｓ］近辺で負方向の電圧を更に印加（加振パルスを印加）する。このときの電流波形は、符合１００５の様に変化する。このようにすることで、先に示した図７（ｄ）の状態にあるロータを、更に加速させるための励磁磁界を作用させることが出来る。その結果、図１２（ｂ）に示すように、ロータ角度変位波形１００６は、−４５［ｄｅｇ］程度まで負方向に回転した後、１８０［ｄｅｇ］まで回転する。ところが、このとき１８０［ｄｅｇ］を十分越えるほど変位しているので、ロータ３は減衰振動をしてしまう。その結果、図１２（ａ）に示すように電流波形１００５に逆起波形があらわれるので、ロータ３の回転、非回転を判断し易い電流波形を得ることを可能としたステップモータとすることが出来る。

次に、本発明の他のステップモータの構成例について説明する。図１３は、本発明のステップモータの構成例を示す上面図であり、図１４は、本実施例のステップモータの励磁手段の構成例を示す図面である。

図１３に示す様に、本実施例で示すステップモータ１００ｃは、励磁コイルが二つに分かれて、導線５ａ、５ｂとなって磁心４に巻かれている。本実施例で示すステップモータ１００ｃを構成する他の構成は、先に示した構成と同じであるので、本実施例での説明はこの特徴とする部分についてのみ行い、他の構成についてのここでの詳細な説明は割愛する。

本実施例の特徴とする点は、図１４に示す様に、直列につながった導線５ａ、５ｂの間にスイッチング手段２０により、導線５ｂと導通とするか、非導通にするかを切替える点である。また、ここでは図示しないが、指針の運針速度を、使用者が時刻の表示を見るための表示モードである通常運針モードと、通常運針モードよりも高速に指針を運針するための高速運針モードとに切替えて制御する制御回路をさらに有する。

通常運針モードにおいて、時刻表示するための指針を運針する場合、スイッチング手段２０を切替え、導線５ａ、５ｂを導通状態とする。このようにすることで、先に示した図１３の励磁コイル６は、全てのコイルを使って指針の運針を行う。

また、高速運針モードにおいて、時刻表示するための指針を高速で運針する場合、スイッチング手段２０を切替え、導線５ａ、５ｂとを非導通状態とする。このようにすることで、先に示した図１３の励磁コイル６の導線５ａのみを使って励磁し、５ｂをオープン状態となる様にして指針の運針を行うことが出来る。

次に、励磁コイル６の導線５ａのみを用いて、本発明のステップモータを１ステップ動作させた場合のシミュレーション結果について説明する。図１５（ａ）（ｂ）は、本実施例のステップモータの駆動原理を示す図であり、図１５（ａ）に、ステップモータが１ステップあたりの過渡応答動作を行った際の印加電圧と励磁コイルに流れる電流の関係を示し、図１５（ｂ）に、ロータ変位角度と発生トルクの関係を示した。なお、図１５（ａ）のｔ１、ｔ３はハイインピーダンスを付与しない期間で、ｔ２はハイインピーダンスを付与する期間を示している。

図１５（ａ）に示すように、期間ｔ１で、励磁コイルに電圧波形１００４のように一端負方向の電圧を印加した後、正方向の電圧を印加する。また、期間ｔ２でハイインピーダンスを付与し、流れる電流を低く抑える。このときの電流波形は、符号１００５に示す様に変化する。すると、図１５（ｂ）に示すように、ロータ角度変位波形１００６は、−４
５［ｄｅｇ］程度まで負方向に回転した後、３６０［ｄｅｇ］まで回転する。この際に発生している発生トルク波形１００３は、約２［ｍｓ］で最大値となる。そして、約９［ｍｓ］の段階で、電流の減衰が収まり、次のステップのための励磁が出来ている状態となる。励磁コイル６の導線５ａ、５ｂを両方使って駆動した実施例３で示した形態（図１１で示した形態）と比較し、本実施例で示した励磁コイル６の導線５ａのみを用いて駆動した形態（図１５で示した形態）とすれば、低インダクタンス、低抵抗となるために、大きな電流で駆動させることが出来る。その結果、駆動トルクを更に大きくすることが出来るため、高速に指針を運針させることが出来る。

このように、本実施例の構成によれば、通常運針モードと高速運針モードを任意に切替えることが出来る。そして、図１３に示した、通常運針モードのときは、励磁コイル６の全てのコイルである導線５ａと導線５ｂを使って指針の運針を行い、低消費電力で駆動させることが出来る。また、高速運針モードのときは、励磁コイル６の一部である導線５ａのみを使って励磁し、他の導線５ｂをオープン状態となる様に切替えて制御することで、更に高トルクを発生させ、高速運針がモードを可能とする。

本発明のステップモータの構成例を示す上面図及び断面図である。（実施例１） 本発明のステップモータの動作原理を説明するための図である。（実施例１） 本発明のステップモータの保持トルクとロータ変位角度との関係を示す図である。（実施例１） 本発明のステップモータが高トルクを発生させる理由を説明するための図である。（実施例１） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例１） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例１） 本発明のステップモータの他の構成例を示す上面図及び断面図である。（実施例２） 本発明のステップモータの動作原理を説明するための図である。（実施例２） 本発明のステップモータが高トルクを発生させる理由を説明するための図である。（実施例２） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例２） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例２） 本発明のステップモータの更に他の構成例を示す図である。（実施例３） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例３） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例３） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例４） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例４） 本発明のステップモータの更に他の構成例を示す上面図である。（実施例５） 本発明のステップモータの更に他の構成例を説明図である。（実施例５） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例５） 本発明のステップモータの駆動原理を示す図である。（実施例５） 従来のステップモータの構成例を説明するための上面図及び断面図である。 従来のステップモータの課題を説明するための上面図及び断面図である。 従来のステップモータの課題を説明するための上面図及び断面図である。

符号の説明

１ ロータ磁石
２ ロータ軸
３ ロータ
４ 磁心
５、５ａ、５ｂ 導線
６ 励磁コイル
７、７ａ、７ｂ 励磁手段
８ ロータ孔
９ ステータ
１０ スリット
１１ ノッチ
１２ ハイインピーダンス
１３、２０ 切換手段
１４、１５、１６、１７ スイッチング手段
１８ 電源
２００ ロータ角度原点
２１ コイル磁界方向
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ ステップモータ
１００１ 保持トルク波形
１００２ 駆動トルク波形
１００３ 発生トルク（トルク合計）波形
１００４ 電圧波形
１００５ 電流波形
１００６ ロータ角度変位波形

Claims (8)

1. 径方向に２極に着磁されたロータ磁石とロータ軸とを有するロータと、
   磁芯に導線を巻き回した励磁コイルと、
   前記励磁コイルに駆動パルスを印加する励磁手段と、
   前記磁芯の両端に結合し、かつ中央に配したロータ孔に前記ロータを配設することで、前記励磁コイルで励磁された磁束の流れを前記ロータ磁石に導くステータと、を備え、
   前記励磁手段は、前記ロータ磁界方向で前記ロータ磁石が停止する第１の位置から、前記回転軸を中心として負方向に回転させて第２の位置とした後に、正方向に前記ロータを回転させる
   ことを特徴とするステップモータ。
2. 前記第２の位置は、前記第１の位置から４５度負方向に回転させた位置である
   ことを特徴とする請求項１に記載のステップモータ。
3. 前記ロータ孔は、前記励磁コイルへの無印加状態で前記ロータ磁石の静止するロータ磁界方向が、コイル磁界方向に対して直交する方向となる様に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のステップモータ。
4. 前記ロータ孔は、前記励磁コイルへの無印加状態で前記ロータ磁石の静止するロータ磁界方向が、コイル磁界方向に対して直交する方向から正方向に４５度回転した方向となる様に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のステップモータ。
5. 前記ロータ孔の形状は、前記ステータのロータ孔近傍に配したスリットと、スリット方向と直交する方向に配した、当該スリットより大きな面積のノッチとにより形成されている
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のステップモータ。
6. 前記励磁手段は、前記第２の位置とした後に前記正方向に回転させる際に、前記励磁コイルに直列にハイインピーダンスを付与する期間と、付与しない期間とを切替えて行う手段である
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のステップモータ。
7. 前記励磁手段は、前記第２の位置とした後に前記正方向に回転させる際に、前記励磁コイルに正方向の駆動パルスを印加した後に、負方向の加振パルスを印加する手段である
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のステップモータ。
8. 前記ステップモータは、時計の指針を運針するためのモータであって、
   指針の運針速度を、使用者が時刻の表示を見るための表示モードである通常運針モードと、前記通常運針モードよりも高速に前記指針を運針するための高速運針モードとに切替えて制御する制御回路をさらに有し、
   前記通常運針モードのときは、前記励磁コイルの全てのコイルを使って前記指針の運針を行い、
   前記高速運針モードのときは、前記励磁コイルの一部を使って励磁し、他の一部をオープン状態となる様にして前記指針の運針を行う
   ことを特徴とする請求項６または７に記載のステップモータ。

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