JP2010028890A - 単相ステップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の回転補正方式よりも、更なる低消電駆動を可能とするステップモータ駆動方法を提供することを目的とする。
【解決手段】モータ機構と、ロータ制御機構と、を備えた単相ステップモータにおいて、ロータ制御機構は、ロータを回転駆動させる度に、予めロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の一定の磁界を作用させて、現在のロータ負荷の大きさと方向に相当するロータ初期位置情報を検出し、その後に、当該ロータ初期位置情報を考慮して選択された駆動パルスを励磁コイルに与えて、ロータをステップ回転駆動させる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、腕時計などのアナログ式電子時計に用いられる単相ステップモータに関する。

腕時計などのアナログ式電子時計において、秒針、分針、時針等の指針の運針に用いられる単相ステップモータは、充電あるいは電池交換が頻繁に出来ないことから、特に低消費電力が要求される。そのための方法として、回転補正方式が一般的に採用されている（例えば、特許文献１参照）。

この回転補正方式を採用した、特許文献１に記載の従来の単相ステップモータの構成および作用について図面を用いて説明する。
図１７は、一般的な単相ステップモータのモータ機構の上面図を示し、図１８は、ロータに負荷が作用し、ロータ初期位置が変化した際にバネのような復帰力として作用する保持トルクのロータ初期位置±Δθ［ｄｅｇ］の関係を示す図である。

［従来の単相ステップモータの構成の説明：図１７、図１８］
まず、従来の単相ステップモータの構成について説明する。
図１７に示すように、従来のモータ機構２０１は、ロータ磁石５１とロータ軸５２からなるロータ５３と、磁芯５７に導線５８が巻かれた励磁コイル５９を有し、ロータ孔５４が形成されたステータ５６とを有する。また、このモータ機構２０１において、ロータ５３は回転方向（図では反時計方向）を決定するために、コイル磁界が作用する方向７０からα［ｄｅｇ］反時計方向に傾く位置を、初期位置７１（θ＝０［ｄｅｇ］）となるように設計される。初期位置７１は、保持トルクがゼロとなる安定位置として設定される。

そして、初期位置７１からの１８０［ｄｅｇ］を１ステップとして、安定位置から次の安定位置までステップ回転駆動する。以下、保持トルクがゼロとなる安定位置から次の安定位置まで、１８０［ｄｅｇ］だけロータ５３を回転させることを、ステップ回転駆動として説明する。しかし、実使用上においては、電子時計を腕につけた姿勢などの影響により、時針、分針や秒針などの指針の負荷が、輪列を介してロータ５３に作用する場合がある。この様に、ロータ５３に指針の重力負荷が掛かると、そのときのロータ初期位置は、設計上の初期位置７１（θ＝０［ｄｅｇ］）から±Δθ［ｄｅｇ］だけ移動してしまう。

この様な重力負荷が掛かったときであっても、図１８に示すように、ロータ５３には保持トルク６０が作用しており、重力負荷が作用した場合には、保持トルク６０がゼロとなる安定位置の方向（図中の矢印の方向）に復帰力として機能している。そして、この重力負荷と保持トルクとが釣り合った位置で、ロータ５３は静止する。ここで、ロータ初期位置θが±４５［ｄｅｇ］の時に保持トルク６０は最大となり、この大きさまでの重力負荷であれば、ロータ５３は耐えることが出来る。しかし、指針の重い重力負荷がロータ５３に作用している際などには、必要最小限のエネルギー量の駆動パルスでは、常に安定して、ロータ５３をステップ回転駆動させることが出来ないので、上述した回転補正方式を行う必要が生じる。

［回転補正方式の作用の説明：図１９−図２１］
次に、この回転補正方式の作用について説明する。
図１９は、回転補正方式の駆動シーケンスを示す図である。図２０（ａ）は、ステップ回転駆動したときの励磁コイルに加える駆動パルスと、ロータのステップ回転駆動に相関
して発生する駆動電流波形を示し、図２０（ｂ）は、そのときのロータ変位を示す図である。また、図２１（ａ）は、正常にステップ回転駆動しなかったときの駆動パルスと駆動電流波形を示し、図２１（ｂ）は、そのときのロータ変位を示す図である。

まず、ロータ５３をステップ回転駆動させるにあたって、図１９に示すように、ステップ回転駆動させられるだけの必要最小限のエネルギー量の駆動パルスを印加する（ＳＴＥＰ１）。このとき、指針によるロータ５３への重力負荷は殆ど作用していないので、予め設定された、図２０（ａ）に示す駆動パルス６２ａを励磁コイル５９に印加することで、図２０（ｂ）に示す様に、ロータ変位曲線６１ａは０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］まで、正常に変位する。その後に、ロータ回転検出手段によりロータのステップ回転駆動の可否を検出する（ＳＥＴＰ２）。ここで、図２０（ａ）に示す駆動電流波形６３ａにおけるピーク６４ａと６５ａを検出できた時点で、正常にロータ５３がステップ回転駆動したと判断して、そのまま処理を終了する。

それに対して、例えば、指針の重力負荷によってロータ５３が規定位置から負方向に元々ずれており（図２１（ｂ）：ロータ変位曲線６１ｂ参照）、大きな負荷がロータの逆回転方向に作用している場合は、図２０（ａ）の駆動パルス６２ａと同じ大きさのエネルギーの駆動パルス６２ｂを励磁コイル５９に加えても（図２１（ａ）参照）、図２１（ｂ）に示すように、負の位置からスタートしたロータ５３は、ステップ回転駆動させようとする方向とは逆方向に保持トルクが作用しているので、上記駆動パルス６２ｂでは１８０［ｄｅｇ］までロータ５３をステップ回転駆動させることが出来ない。

そして、ＳＴＥＰ２でロータ５３がステップ回転駆動しなかったと判断した場合は、ＳＴＥＰ１で加えた駆動パルス６２ｂよりも十分大きなエネルギー量の補正用駆動パルスを励磁コイル５９に印加し（ＳＴＥＰ３）、確実にロータ５３をステップ回転駆動させて、一連の処理が終了する。

この様に、図２０（ａ）と図２１（ａ）の駆動電流波形６３ａ、６３ｂは、ピーク６４ａ、６４ｂの大きさの違いと、ピーク６５ａの有無の違いがあり、明らかにそのプロファイルが相違している。そこで、ロータ回転検出手段は、図２１（ａ）で示した現象を、ストローブパルスを打つなどして検出し、ロータ５３がステップ回転駆動をしなかったことを検知することができ、それにより補正用駆動パルスを励磁コイル５９に改めて印加して、ステップ回転駆動しなかったロータ５３を確実に回転駆動させることが出来る。

また、特許文献１の回転補正方式を改良し、予め異なるエネルギー量の駆動パルスを数種類用意しておき、ロータ５３が規定の駆動パルスを与えたとしても、ロータ５３がステップ回転駆動しなかったと判断し、改めて励磁コイル５９に補正用駆動パルスを供給したとしても、未だロータ５３がステップ回転駆動しなかった場合に、先に励磁コイル５９に供給したエネルギー量の駆動パルスよりも、１段階大きなエネルギー量の補正用駆動パルスにランクアップして供給することで、よりロータ５３を回転させ易くする、多段階回転補正方式なども既に実用化されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭５４−７５５１９公報（第２項右下欄−第３頁左上欄、第８−９図） 特開昭５４−７７１６６公報（第２項右上欄−第２頁右下欄、第４図）

特許文献１の回転補正方式において、ロータのステップ回転駆動の可否の検出を行うためには、必要最小限とはいえ、まずはステップ回転駆動させられるだけのエネルギー量の
駆動パルスを励磁コイル与える必要がある。ここで、ステップ回転駆動させるためのエネルギー量は、数百［ｎＪ］程度である。また、このエネルギー量を加えたとしてもロータがステップ回転駆動出来なかった場合に、速やかに供給される補正用駆動パルスのエネルギー量は、数千［ｎＪ］程度である。そのため、通常時の駆動パルスと補正用駆動パルスの２種類だけでは、補正用駆動パルスが出続けてしまい、エネルギー供給過多となってしまうことは明らかである。

また、特許文献２に記載の電子時計を採用し、この電子時計を腕に装着したときの姿勢により、１段階ずつ大きなエネルギー量の補正用駆動パルスにランクアップしていったとしても、すぐに十分なエネルギー量（ロータをステップ回転駆動させることができるエネルギー量）の駆動パルスになるとは限らず、ロータがステップ回転駆動されずに、何度も補正用駆動パルスが出続けてしまうことが多かった。

また、特許文献２に記載の電子時計では、一度ランクアップさせた補正用駆動パルスを、負荷が軽くなった際にランクダウンさせるタイミングが分からないために、仮に負荷が軽くなっていたとしても、ランクアップした状態の補正用駆動パルスを与え続けてしまうことも多かった。つまり従来の回転補正方式では、まだまだ無駄なエネルギー供給が多く、更なる低消費電力化の達成は困難であった。

そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、従来の回転補正方式よりも、更なる低消費電力の駆動を可能とする単相ステップモータを提供することにある。

本発明の単相ステップモータは、基本的に下記記載の構成を採用するものである。
本発明の単相ステップモータは、径方向に２極に着磁されたロータ磁石を有するロータと、ロータ孔と励磁コイルを有し、このロータ孔にロータ磁石を配設することで、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、を有するモータ機構と、励磁コイルに駆動パルスを供給することにより、ロータをステップ回転駆動制御するロータ制御機構と、を備える。更に、上記ロータ制御機構は、上記駆動パルスとして、異なるエネルギー量の駆動パルスを複数備え、ロータをステップ回転駆動させる前に、ロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界を作用させ、検出したロータ初期位置情報に応じて、複数の駆動パルスから所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して励磁コイルに与えて、ロータをステップ回転駆動する、ことを特徴とするものである。

なお、ここで示した“回転させない程度”とは、保持トルクがゼロとなる安定位置である初期位置（θ＝０［ｄｅｇ］）から、せいぜい±９０［ｄｅｇ］まで駆動する程度のことを指す。したがって、そのときに必要となるエネルギー量は、数十［ｎＪ］程度である。

また、本発明の単相ステップモータは、上述したと同様のモータ機構とロータ制御機構を備えてなり、このロータ制御機構が、励磁コイルに対し、ロータ初期位置情報を決定するためのロータ初期位置検出パルスと、ロータをステップ回転駆動させるための駆動パルスとを印加する励磁手段と、ロータ初期位置検出パルスを励磁コイルに供給して、ロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界をロータに作用させたときの、励磁コイルで発生する出力信号を検出する検出手段と、この検出手段からの出力信号に基づき、ロータ初期位置情報を検出して出力する波形判別部と、異なるエネルギー量の複数の駆動パルスの内から、ロータ初期位置情報に基づき所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して励磁コイルに供給する駆動パルス選択部と、を備えて構成される。

また、本発明の単相ステップモータは、上述したと同様のモータ機構とロータ制御機構
を備えてなり、このモータ機構が、励磁コイルにより印加される磁界方向に対して直交する方向に配置した別検出コイルを更に備え、また、ロータ制御機構が、励磁コイルに対し、ロータ初期位置情報を決定するための第１のロータ初期位置検出パルスと、ロータをステップ回転駆動させるための駆動パルスとを印加する第１の励磁手段と、別検出コイルに対し、励磁コイルへ印加する駆動パルスと同じ周期で、第２のロータ初期位置検出パルスを印加する第２の励磁手段と、ロータ初期位置検出パルスを励磁コイルに供給して、ロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界を作用させたときの、励磁コイルで発生する第１の出力信号を検出する第１の検出手段と、ロータ初期位置検出用の磁界を作用させたときの、別検出コイルで発生する第２の出力信号を検出する第２の検出手段と、第１の検出手段の第１の出力信号に基づき、第１のロータ初期位置情報を検出して出力する第１の波形判別部と、第２の検出手段の第２の出力信号に基づき、第２のロータ初期位置情報を検出して出力する第２の波形判別部と、異なるエネルギー量の複数の駆動パルスの内から、第１と第２のロータ初期位置情報に基づき所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して励磁コイルに供給する駆動パルス選択部と、を備えて構成される。

本発明は、従来の回転補正方式と異なり、単相ステップモータを構成するロータをステップ回転駆動させる前に、必要に応じてロータ初期位置情報を検出し、その後に、当該ロータ初期位置情報に応じて、複数の駆動パルスから所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して励磁コイルに与えて、ロータをステップ回転駆動させることにある。そのため、従来の方法の様に、ロータがステップ回転駆動されずに、何度も補正用駆動パルスを出力し続けてしまうことがない。

また、必要に応じて現在のロータの状況として、ロータの負荷が軽くなったことを直ぐに検出できるので、必要以上のエネルギー量の駆動パルスを励磁コイルに与え続けてしまうこともない。つまり、本発明によれば、無駄なエネルギーを励磁コイルに供給することが無くなり、低消費電力化が達成出来る。

本発明では、ロータをステップ回転駆動させる前に、ロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界を作用させ、ロータ初期位置情報を検出することが大きな特徴の一つである。特に最良の形態においては、更に、（１）ステップ回転駆動の“度に”ロータ初期位置情報を検出することと、（２）“回転させない程度”というのが、保持トルクがゼロとなる安定位置である初期位置（θ＝０［ｄｅｇ］）から、せいぜい±数［ｄｅｇ］駆動する程度で、ほとんどロータは回転しないことにある。

このような特徴を備えた単相ステップモータとすることで、ロータをステップ回転駆動させる前に、毎回ロータ初期位置情報を検出し、その後に、当該ロータ初期位置情報に応じて、複数の駆動パルスから所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して励磁コイルに与えて、ロータをステップ回転駆動させることが出来る。そのため、毎回無駄なエネルギー供給がなく、必要最小限のエネルギー量の駆動パルスでステップ回転駆動が出来、補正用駆動パルスを用いなくてはならない状況はかなり減る。つまり、本発明によれば、従来の回転補正方式では到底達成出来なかったレベルの低消費電力化が可能となる。以下に、本発明の単相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。

［駆動システム構成の説明：図１］
まず、本発明の一つの実施形態の単相ステップモータの駆動システム構成について説明する。
図１は、本実施形態の単相ステップモータの駆動システム構成例を示す図である。

図１に示す様に、この単相ステップモータ１０１は、モータ機構２０１とロータ制御機構２０２とからなる。このモータ機構２０１は、単相ステップモータにおけるロータ５３をステップ回転駆動させる機構を示しており、ロータ制御機構２０２は、モータ機構２０１におけるロータ５３を、本機構で生成する制御信号により制御する機構を示している。以下に、このモータ機構２０１とロータ制御機構２０２のそれぞれの構成を示す。

モータ機構２０１は、ロータ５３と、ステータ５６とからなる。ロータ５３は、径方向に２極に着磁されたロータ磁石５１とロータ軸５２とを有する。またステータ５６は、磁芯５７に導線５８を巻き回した励磁コイル５９と、ロータ５３を配設するためのロータ孔５４とを備え、励磁コイル５９で励磁された磁束の流れをロータ５３に導く。この様に、モータ機構２０１は、励磁コイル５９からの磁界をロータ磁石５１に作用させる機能を果たし、ロータ制御機構２０１から印加される駆動パルスでもって、ロータ５３をステップ回転駆動させ、このロータ５３および輪列を介して時針、分針、秒針等の指針を回転駆動させる。

また、ロータ制御機構２０２は、励磁コイル５９に対し、ロータ初期位置情報を決定するためのロータ初期位置検出パルスと、ロータ５３をステップ回転駆動させるための駆動パルスとを印加する励磁手段３を有する。この励磁手段３によって、ロータ初期位置検出パルスを励磁コイル５９に供給して、ロータ５３を回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界をロータ５３に作用させる。なお、このときに必要となるエネルギー量は、数［ｎＪ］〜十［ｎＪ］程度である。そしてロータ初期位置検出パルスを供給したときの、励磁コイル５９で発生する出力信号を電流検出手段４で検出し、電流検出手段４からの出力信号をアンプ５で増幅する。そしてこのアンプ５からの出力から、ロータ初期位置情報を検出して、波形判別部６でロータ初期位置情報を出力する。そして、異なるエネルギー量の複数の駆動パルスの内から、このロータ初期位置情報に基づき所定のエネルギー量の最も好ましい駆動パルスを選択して、駆動パルス選択部７を介して励磁手段３に供給する。

ここで励磁手段３は、パルス発生源１とスイッチ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとからなり、駆動パルス選択部７からの信号により、スイッチ２ａ〜２ｄのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御することで、励磁コイル５９に印加するパルスの幅や、電流を流す方向を切り替える。例えば、スイッチ２ｂ、２ｃがＯＮで、スイッチ２ａ、２ｄがＯＦＦの場合、励磁コイル５９に対して図面上左から右側に電流が流れる。スイッチ２ａ、２ｄがＯＮで、２ｂ、２ｃがＯＦＦの場合、励磁コイル５９には図面上右から左側に電流が流れる。このように二つ一組でスイッチを動ささせる。

そしてこのように電流を流す方向を切り替えることで、この単相ステップモータ１０１は、ロータ５３を一定方向に安定して回転させ続けることが出来るようになる。また、このＯＮとＯＦＦのタイミングにより、パルス幅変調にてロータ５３の制御を行う場合、励磁コイル５９に印加する駆動パルスの幅を設定出来る。例えば、駆動コイル５９に複数の異なるエネルギー量の駆動パルスを選択的に印加させるには、パルスの幅を長くすれば大きなエネルギー量の駆動パルスを印加させることが出来、パルスの幅を短くすれば小さなエネルギー量の駆動パルスを印加させることが出来る。

もちろん本構成でのチョッパ駆動も可能であり、そのときにはスイッチ２ａ〜２ｄのＯＮ／ＯＦＦをこまめに切りかえる。本構成を使ってチョッパ駆動を行えば、Ｄｕｔｙ（ＯＮ，ＯＦＦの比率）を変えるだけで、駆動パルスのエネルギー量を容易に変化させることが出来る。

また、実際のロータ初期位置を把握するために、励磁コイル５９に予め供給するロータ初期位置検出パルスは、駆動パルスよりも特別小さなエネルギー量であるために、パルスの幅は数十［ｕｓ］程度であり、二つ一組のスイッチ２ｂ、２ｃまたは２ａ、２ｄの一方をこの時間だけＯＮにさせておくことで、ロータ初期位置検出パルスを励磁コイル５９に与え、磁界をロータ５３に作用させることが出来る。もちろん、ロータ初期位置検出パルスに、上記チョッパ駆動を用いることも可能である。また、上記説明では電流検出により実際のロータ初期位置を決定したが、これを逆起電圧を測定することで決定しても構わない。

［単相ステップモータの動作の駆動シーケンスの説明：図２−１、図３］
次に、本実施形態の単相ステップモータの作用について説明する。
図２−１は、本実施形態の単相ステップモータの駆動シーケンスを説明するための図である。図３（ａ）は、本実施形態の単相ステップモータの動作（駆動パルスと駆動電流波形変化）を説明するための図であり、図３（ｂ）はそのときの動作（ロータ初期位置の変化）を説明するための図である。

図２−１に示す様に、本実施形態では、ロータ５３をステップ回転駆動させるにあたって、従来のようにいきなりステップ回転駆動させられるだけの必要最小限のエネルギー量の駆動パルスを印加するのではなく、その前に予め、“ステップ駆動させる度に毎回”ロータ５３を回転させない程度のロータ初期位置検出用磁界を作用させる（ＳＴＥＰ１）。具体的には、図３（ａ）に示すような数十［μｓ］程度の短いパルス幅のロータ初期位置検出パルス９を、励磁コイル５９に印加する。このとき、初期位置検出電流１０が励磁コイル５９に流れる。また、このとき図３（ｂ）に示すように、ロータ５３はほんのわずかに動くだけで、ほとんど回転しない。

次に、初期位置検出電流１０を電流検出手段４により検出した出力信号から、波形判別手段６によって、ロータ初期位置情報を検出する（ＳＴＥＰ２）。この様にしてロータ初期位置情報を検出することで、現在ロータ５３に作用している負荷の大きさと方向が推測できる。ここでのロータ初期位置検出の動作原理の詳細については、後述する。

次に、駆動パルス選択部７で推測された負荷の大きさと方向に基づき、複数の異なるエネルギー量の駆動パルスから、負荷が掛かっているロータ５３をステップ回転駆動させるのに必要なエネルギー量の駆動パルスを選択し、励磁手段５９に供給する（ＳＴＥＰ３）。具体的には、図３（ａ）の駆動パルス１１が、負荷の大きさと方向に基づき選択されたものであり、このときに、励磁コイル５９には駆動電流１２が流れ、図３（ｂ）に示すように、ロータ変位曲線８は、０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］まで、正常にステップ回転駆動して処理が終了する。もしこのＳＴＥＰ２〜３で初期位置検出電流１０を検出し、ロータ５３により重い負荷が作用していたと判断すれば、よりパルス幅を広げるなどしてエネルギー量を大きくした駆動パルス１１が、駆動パルス選択部７で選択される。

この様に、本例では、初期位置検出用の動作を、ロータ５３のステップ回転駆動の度に毎回行っている。このようにすることで、ロータ制御機構２０２の構成を簡単なものにし、エネルギーの消費量を少なくすることが出来る。なおここで、一連のステップの内のあるステップ回転駆動では本例の方法を採用し、他のステップ回転駆動においては、例えば前記の特許文献１又は２に記載されたような回転補正方式を採用することも可能である。つまり、この様な動作を採用する場合は、必ずしもステップ回転駆動の度にロータ初期位置検出を行うのではなく、複数回のステップの内の何回かに本例を採用することとなる。

［駆動シーケンスの変形例の説明：図２−２］
次に、駆動シーケンスの変形例について説明する。
図２−２では、ロータ５３のステップ回転駆動の度に、ロータ初期位置検出動作と、従来の回転補正方式の両方を組み合わせた例を示している。

まず、ロータ５３をステップ回転駆動させるにあたって、ロータ初期位置検出用の磁界を励磁コイル５９に作用させ（ＳＴＥＰ１）、ロータ初期位置情報を検出し（ＳＴＥＰ２）、負荷が掛かっているロータ５３をステップ回転駆動させるのに必要なエネルギー量の駆動パルス１１を選択し、励磁手段３に供給する（ＳＴＥＰ３）。ここまでは、図２−１と全く同じシーケンスである。

この後、従来の回転補正方式と同様に、励磁コイル５９に流れる駆動電流波形１２より、ロータ５３が正常にステップ回転駆動しているか否かを検出する（ＳＴＥＰ４）。ここで、正常にロータ５３がステップ回転駆動したと判断されれば、そのまま処理を終了する。

万が一、ＳＴＥＰ４でロータ５３がステップ回転駆動しなかったと判断した場合は、ＳＴＥＰ３で加えた駆動パルスよりも十分大きなエネルギー量の補正用駆動パルスを励磁コイル５９に印加して（ＳＴＥＰ５）、確実にロータ５３をステップ回転駆動させて、一連の処理を終了させる。

［ロータ初期位置検出の説明：図４−図８］
次に、本実施形態のロータ初期位置検出の動作原理について説明する。なお、以下の説明で示すロータ初期位置からの変位Δθの定義については、図１７を参照されたい。
図４〜図８は、本実施形態のロータ初期位置検出の動作原理を説明するためのロータ初期位置検出パルスと初期位置検出電流波形の図であり、それぞれ実際のロータ初期位置である、図１７に示した設計上の初期位置７１からの変位を示すロータ初期位置からの変位Δθが、−３５［ｄｅｇ］の場合、−１０［ｄｅｇ］の場合、０［ｄｅｇ］の場合、＋１０［ｄｅｇ］の場合、＋３５［ｄｅｇ］の場合の５つのケースを示している。

ロータ初期位置θは、指針等の作用によるロータ負荷の大きさと作用する方向により、保持トルクがゼロとなる安定位置として設定された初期位置７１（図１７参照）から、プラス方向にもマイナス方向にも変化する。ここではΔθ＝０［ｄｅｇ］の位置を保持トルクがゼロとなる設計上の初期位置として説明する。まず、第１ケースとして、特に大きな負荷が、ロータ回転方向とは逆方向（逆回転方向）に作用している場合を図４に示す。

図４に示す例では、ロータ５３が逆回転方向に移動した位置で保持トルクと釣り合い、Δθ＝−３５［ｄｅｇ］の位置となっている。このときに、ロータ初期位置検出パルス９を励磁コイル５９に作用させると、励磁コイル５９に流れる初期位置検出電流１０は図示のように変化し、予め設定したスレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となるまでの時間１４は、約１．００［ｍｓ］になる。

また第２ケースでは、先ほどの第１ケースよりは小さいが、指針等の作用により比較的大きな負荷が、ロータ回転方向とは逆方向（逆回転方向）に作用している。ここでは、ロータ５３は逆回転方向に移動した位置で保持トルクと釣り合い、例えばΔθ＝−１０［ｄｅｇ］の位置となる。そして、ロータ初期位置検出パルス９を励磁コイル５９に作用させると、図５に示すように、励磁コイル５９に流れる初期位置検出電流１０が変化し、予め設定したスレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となるまでの時間１４は、約０．９８［ｍｓ］になる。

また第３ケースでは、ロータ５３にはほとんど負荷が作用しておらず、保持トルクがゼロとなる安定位置であるΔθ＝０［ｄｅｇ］で安定している。このときは、ロータ初期位
置検出パルス９を励磁コイル５９に作用させると、図６に示すように、励磁コイル５９に流れる初期位置検出電流１０が変化し、予め設定したスレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となるまでの時間１４は、約０．８０［ｍｓ］になる。

また第４ケースでは、比較的大きな負荷が、ロータ回転方向と同じ方向（正回転方向）に作用している。ここでは、ロータ５３は逆回転方向に移動した位置で保持トルクと釣り合い、例えばΔθ＝＋１０［ｄｅｇ］の位置となる。このときに、ロータ初期位置検出パルス９を励磁コイル５９に作用させると、図７に示すように、励磁コイル５９に流れる初期位置検出電流１０が変化し、予め設定したスレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となるまでの時間１４は、約０．５５［ｍｓ］になる。

また第５ケースでは、特に大きな負荷が、ロータ回転方向と同じ方向（正回転方向）に作用している。ここでは、ロータ５３は逆回転方向に移動した位置で保持トルクと釣り合い、例えばΔθ＝＋３５［ｄｅｇ］の位置となる。そして、ロータ初期位置検出パルス９を励磁コイル５９に作用させると、図８に示すように、励磁コイル５９に流れる初期位置検出電流１０が変化し、予め設定したスレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となるまでの時間１４は、約０．４６［ｍｓ］になる。

このように、ロータ初期位置検出パルス９を印加した際の励磁コイル５９に流れる初期位置検出電流１０は、ロータ５３に掛かる負荷の量に応じて、異なった時間１４を検出できていることが判る。このような違いが起こる理由は、ロータ初期位置からロータ５３が、負荷量の違いにより、ほんのわずかだけ変位した際の、逆起電圧が異なるためである。この違いは、流れる初期位置検出電流１０、特に過渡状態の電流波形に大きな違いとなって現れる。

［波形判別部の構成と作用の説明：図９］
次に、本実施形態の単相ステップモータにおける、ロータ制御機構を構成する波形判別部の具体的な構成と、作用について説明する。
図９は、本実施形態の波形判別部の構成例を示す図である。なお、本図には、波形判別部の構成とともに、励磁コイルに流れる初期位置検出電流１０と、コンパレータから出力されるコンパレータ出力１６を一緒に示している。

図９に示すように、波形判別部６は、励磁コイルに流れる初期位置検出電流１０に対し、スレッシュホールド値を設定するコンパレータ１５と、コンパレータ出力１６から励磁コイルに流れる初期位置検出電流１０が、予め設定されたスレッシュホールド値になる時間を算出するカウンタ１８を有する。カウンタ１８は、クロック１７の周期で時刻をカウントし、ロータ初期位置情報である時刻情報をデジタルデータとして駆動パルス選択部７に出力する。そして、この駆動パルス選択部７は、先に示したように、ロータ初期位置情報に基づいて、現在ロータ５３に掛かっている負荷の大きさと方向を推測し、エネルギー量の異なる複数の駆動パルスの中から最も適したエネルギー量の駆動パルスを選択し、その最適な駆動パルスを励磁コイル５９に供給する。ここでは、ロータ初期位置情報（ロータ初期位置からの変位Δθ）から、負荷の大きさと方向が決まり、下記表１に示す、エネルギー量が異なる複数の駆動パルスから、最適な駆動パルスを選択している。

上述した５種類のエネルギー量の駆動パルスが予め設定されていたとすると、例えば、ロータ初期位置からの変位Δθとして−２５［ｄｅｇ］が検出されたら、表１の中のΔθ＝−３５［ｄｅｇ］のときの特大エネルギーの駆動パルスを選択して励磁コイルに供給することで、確実にロータ５３をステップ回転駆動させることが出来る。

また、Δθとして＋１５［ｄｅｇ］と検出されたとすると、表１の中のΔθ＝＋１０［ｄｅｇ］のときの小エネルギーの駆動パルスを選択して、励磁コイルに供給することで、確実にロータ５３をステップ回転駆動させることが出来る。万が一、Δθとして＋４５［ｄｅｇ］と検出されたとした場合には、表１の中のΔθ＝＋３５［ｄｅｇ］のときの特小エネルギーの駆動パルスを選択して、励磁コイルに供給すれば良い。

なお、異なるエネルギー量の駆動コイルの種類として、例えば、Δθとして−４０［ｄｅｇ］と検出されたとした場合を考慮して、表中の特大エネルギーの駆動パルスよりも更に大きなエネルギー量を持つ駆動パルスを、上記５種の駆動パルス以外に予め用意しておき、励磁コイルに供給するようにしても良い。

以上のように、本実施形態の単相ステップモータでは、単相ステップモータを構成するロータ５３をステップ回転駆動させる前に、毎回ロータ初期位置情報を検出し、その後に、当該ロータ初期位置情報に応じて、複数の駆動パルスから所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して励磁コイル５９に与えて、ロータ５３をステップ回転駆動させることになる。そのため、毎回無駄なエネルギー供給がなく、必要最小限のエネルギー量の駆動パルスでステップ回転駆動が出来、補正用駆動パルスを用いなくてはならない状況はかなり減る。

この様にして、従来の回転補正方式では到底達成出来なかったレベルの低消費電力化が可能となる。また、図２−２のように従来の回転補正方式と組み合わせることで、突発的な衝撃などで起こりうるロータ５３の非回転という現象を確実に避けることが出来るようになり、さらに信頼性を向上させることも出来る。また、ロータ初期位置からの変位Δθに応じて本実施例以上に細かく駆動パルスを設定することで、より効率的なステップ回転駆動が出来、更なる低消費電力化を達成出来る。

［ロータ初期位置検出パルスの変形例の説明：図１０―図１４］
次に、本実施形態に係るロータ初期位置検出パルスの変形例について説明する。
図１０〜図１４は、ロータ初期位置検出パルスと初期位置検出電流波形の変形例を示す図であり、それぞれロータ初期位置からの変位Δθが−３５［ｄｅｇ］の場合、−１０［ｄｅｇ］の場合、０［ｄｅｇ］の場合、＋１０［ｄｅｇ］の場合、＋３５［ｄｅｇ］の場合の５つのケースを示している。なお、ここで示すロータ初期位置からの変位Δθの定義についても、先に示したと同様に、図１７を参照されたい。

本実施形態のロータ初期位置検出パルス９は、先に示した形態と異なり、１個ではなく複数個（図１０〜図１４の場合は３個）とした点のみが異なっているが、他は実施例１と同じである。なお、本実施例においても、Δθ＝０［ｄｅｇ］の位置を保持トルクがゼロとなる初期位置となっているとして、以下に説明する。

図４−図７に示すように、先の実施形態では、Δθが−３５［ｄｅｇ］の場合、−１０［ｄｅｇ］の場合、０［ｄｅｇ］の場合、＋１０［ｄｅｇ］の場合、＋３５［ｄｅｇ］の場合それぞれにおいて、スレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となる時間１４は、約１．００［ｍｓ］、約０．９８［ｍｓ］、約０．８０［ｍｓ］、０．５５［ｍｓ］、約０．４６［ｍｓ］であった。それに対して、図１０〜図１４に示す本変形例では、スレッシュホールド値１３である１．０Ｅ−０５［Ａ］となる時間１４として、約１．５７［ｍｓ］、約１．５４［ｍｓ］、約１．１７［ｍｓ］、０．８７［ｍｓ］、約０．７8［ｍｓ］を検出できている。

そこで、先の実施例の場合のΔθが−３５［ｄｅｇ］と−１０［ｄｅｇ］の場合の測定データの時間間隔、−１０［ｄｅｇ］と０［ｄｅｇ］の時間間隔、０［ｄｅｇ］と＋１０［ｄｅｇ］の時間間隔、＋１０［ｄｅｇ］と＋３５［ｄｅｇ］の時間間隔を比較すると、０．０２、０．１８、０．３５、０．０９［ｍｓ］であるのに対し、本変形例では、０．０３、０．３７、０．３１、０．０９［ｍｓ］となっている。つまり、本データから、ロータ５３の位置による感度が向上していることが分かる。この様に、ロータ初期位置検出パルス９のパルス数やデューティ比を調整することで、単相ステップモータの構成および仕様に応じて、特に感度が必要となるロータ位置に、感度の高い部分を合わせることが出来る。

［波形判別部の他の形態の説明：図１５］
次に、本発明に係る波形判別部の他の構成例と作用について説明する。
図１５は、本実施形態の波形判別部の構成例を示す図である。

図１５に示すように、波形判別部６’は、励磁コイルに流れる初期位置検出電流１０を積分する積分回路１９と、その出力を受けデジタルデータに変換し、駆動パルス選択部７に出力するＡＤ変換部２０を有する。ここで、駆動パルス選択部７は、先に示した実施例１と同様に、ロータ初期位置情報に基づき負荷の大きさと方向を推測し、複数の異なるエネルギー量の駆動パルスの内から、最も適した駆動パルスを選択して、励磁コイル５９に供給する。

そして、先に示した実施例１では、予め設定されたスレッシュホールド値になる時間１４の違いをロータ初期位置情報として検出していたのに対し、本実施例ではロータ初期位置検出パルスを印加した後の、所定の時間間隔の積分値の大きさの違いから、ロータ初期位置情報を検出している。他の構成は、実施例１と同じであるので、その共通する部材についての説明は省略する。

このように波形判別部６’を構成することにより、ロータ初期位置による初期位置検出電流１０の違いを一部のスレッシュホールド値の交差時間としてだけでなく、電流波形全体の変化量として、より確実に把握することが出来るようになる。

例えば、ロータ５３の微小な振幅の変化であっても、スレッシュホールド値の交差時間だけではわずかな変化量となってしまうが、本実施例のように、ロータ初期位置情報を波形全体の積分値により求めれば、そのロータ５３の変化をより大きな変化量として検出出来る。そのため、先に示した実施例１より、感度良くロータ初期位置情報を検出出来る。

［単相ステップモータの他の構成例の説明：図１６］
次に、本発明の別の実施形態の単相ステップモータの駆動システム構成について説明する。
図１６は、本実施形態の単相ステップモータの駆動システム構成例を示す図である。

図１６に示す様に、この単相ステップモータ１０２は、モータ機構２０１と、ロータ制御機構２０２とからなる。そして、先に示した実施例１の単相ステップモータ１０１の追加の構成として、モータ機構２０１に、更に励磁コイル５９により印加される磁界方向に対して直交する方向に配置した別検出コイル２７をロータ孔５４内に備えている。

また、ロータ制御機構２０２は、実施例１と同様に、励磁手段３と、電流検出手段４と、アンプ５と、波形判別部６、駆動パルス選択部７を有する。また、本実施例では、パルス発生源２１とスイッチ２２からなる励磁手段２３と、電流検出手段２４と、アンプ２５、波形判別部２６を備えている。

この様にすれば、励磁コイル５９だけでなく、別検出コイル２７によるロータ初期位置検出情報を得られる様になるので、駆動パルス選択部７は、励磁コイル５９と別検出コイル２７からの二系統から任意に信号を得ることができる様になる。なお、励磁手段２３は励磁手段３と異なり、ステップ回転駆動させるための駆動パルスは供給しない。

次に、本実施形態の単相ステップモータ１０２の作用について説明する。
ロータ５３をステップ回転駆動させるにあたって、“ステップ駆動させる度に毎回”予め励磁手段３により励磁コイル５９から、ロータ５３を回転させない程度のロータ初期位置検出用磁界を作用させる。このとき、流れる電流を電流検出手段４により検出し、アンプ５を通してその出力信号を増幅し、波形判別手段６によって、第１のロータ初期位置情報を検出する。

続いて、励磁手段２３により別検出コイル２７から、ロータ５３を回転させない程度のロータ初期位置検出用磁界を作用させる。このとき、流れる電流を電流検出手段２４により検出し、アンプ２５を通し出力信号を増幅し、波形判別手段２６によって、第２のロータ初期位置情報を検出する。

この様にして第１、第２のロータ初期位置情報の２つの情報を検出することで、ロータ５３に作用している負荷の大きさと方向が推測できる。そして、駆動パルス選択部７では、推測された負荷の大きさと方向に基づき、異なるエネルギー量の複数の駆動パルスの内から、負荷が掛かっているロータをステップ回転駆動させるのに必要なエネルギー量の駆動パルスを選択し、励磁手段３に供給する。

なお、本実施例では励磁コイル５９、別検出コイル２７の順にロータ初期位置情報を検出した例を示したが、その順を逆としても構わない。また、ロータ５３の位置に応じて、
励磁コイル５９と別検出コイル２７によって得られるロータ初期位置情報から、検出感度が高い方の情報を選択し、選ばれたロータ初期位置情報を使用して、最も好ましい駆動パルスを選択することで、ロータ５３を確実にステップ回転駆動する形態としても良い。

ここで、本実施形態における利点について説明する。
先に示した実施例１で、励磁コイル５９のみによりロータ初期位置情報を検出する例を示したが、図４、図５あるいは、図１０、図１１で示したように、ロータ初期位置からの変位Δθ＝−３５[ｄｅｇ]の場合とΔθ＝−１０［ｄｅｇ］の場合には、スレッシュホールド値１３になる時間１４の差が小さくなっていることが判る。つまり、Δθの変化に対して、情報検出の感度が、ロータ５３の上記角度が４５度よりも小さくなったときに低くなっている。それは、ロータ磁石５１による磁界が、励磁コイル５９による磁界と平行に近づくため、励磁コイル５９に対する逆起電圧変化が小さくなるためであり、これにより、初期位置検出電流１０の変化量が小さくなっている。

一方、図７、図８あるいは、図１３、図１４に示すように、Δθ＝＋１０[ｄｅｇ]の場合とΔθ＝＋３５［ｄｅｇ］の場合には、スレッシュホールド値１３になる時間１４の差は、Δθが０［ｄｅｇ］未満のときより大きくなっていることが判る。

そこで、励磁コイル５９により印加される磁界方向に対して直交する方向に配置した別検出コイル２７でロータ初期位置情報を検出することにより、励磁コイル５９で情報検出感度の低くなるロータ初期位置（Δθが０［ｄｅｇ］よりも小さいとき）であっても、感度良くロータ初期位置情報を検出することが出来る。

具体的には、例えばΔθが−３５［ｄｅｇ］〜−１０［ｄｅｇ］の位置にあるときには、別検出コイル２７からの情報をロータ初期位置情報として利用し、Δθが＋１０［ｄｅｇ］〜＋３５［ｄｅｇ］の位置にあるときには励磁コイル５９からの情報をロータ初期位置情報として利用する。このような構成とすることで、ロータ初期位置情報をより精度良く検出することが出来る。また、そのことにより、Δθの値に応じて更に細かくエネルギー量のことなる駆動パルスを設定出来るようになるため、より効率的なステップ回転駆動が出来、更なる低消費電力化を達成出来るようになる。

本発明の単相ステップモータの構成例を示す図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの駆動シーケンスを説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの駆動シーケンスを説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明に係る波形判別部の構成例を示す図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明の単相ステップモータの動作を説明するための図である。（実施例１） 本発明に係る波形判別部の構成例を示す図である。（実施例２） 本発明の単相ステップモータの他の構成例を示す図である。（実施例３） 従来の単相ステップモータにおけるモータ機構の構成を示す上面図である。 従来の回転補正方式を説明するための図である。 従来の回転補正方式における駆動シーケンス図である。 従来の回転補正方式の動作を説明するための図である。 従来の回転補正方式の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ パルス発生源
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ スイッチ
３ 励磁手段
４ 電流検出手段
５ アンプ
６、６’ 波形判別部
７ 駆動パルス選択部
８ ロータ変位曲線
９ ロータ初期位置検出パルス
１０ 初期位置検出電流
１１ 駆動パルス
１２ 駆動電流
１３ スレッシュホールド値
１４ 時間
１５ コンパレータ
１６ コンパレータ出力
１７ クロック
１８ カウンタ
１９ 積分回路
２０ ＡＤ変換部
２１ パルス発生源
２２ スイッチ
２３ 励磁手段
２４ 電流検出手段
２５ アンプ
２６ 波形判別部
２７ 別検出コイル
５１ ロータ磁石
５２ ロータ軸
５３ ロータ
５４ ロータ孔
５６ ステータ
５７ 磁芯
５８ 導線
５９ 励磁コイル
１０１、１０２ 単相ステップモータ
２０１ モータ機構
２０２ ロータ制御機構

Claims (8)

1. 径方向に２極に着磁されたロータ磁石を有するロータと、ロータ孔と励磁コイルを有し、前記ロータ孔に前記ロータ磁石を配設することで、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、を有するモータ機構と、
   前記励磁コイルに駆動パルスを供給することにより、前記ロータをステップ回転駆動制御するロータ制御機構と、を備えた単相ステップモータにおいて、
   前記ロータ制御機構は、
   前記駆動パルスとして、異なるエネルギー量の駆動パルスを複数備え、
   前記ロータをステップ回転駆動させる前に、前記ロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界を前記ロータに作用させ、検出したロータ初期位置情報に応じて、前記複数の駆動パルスから所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して前記励磁コイルに与えて、前記ロータをステップ回転駆動する、
   ことを特徴とする単相ステップモータ。
2. 前記ロータ初期位置検出用の磁界は、前記ステップ回転駆動の度に供給させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の単相ステップモータ。
3. 前記ロータ制御機構は、前記励磁コイルから前記ロータ初期位置情報を検出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の単相ステップモータ。
4. 前記モータ機構は、検出コイルを有し、
   前記ロータ制御機構は、前記検出コイルから前記初期位置情報を検出する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の単相ステップモータ。
5. 径方向に２極に着磁されたロータ磁石を有するロータと、ロータ孔と励磁コイルを有し、前記ロータ孔に前記ロータ磁石を配設することで、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、を有するモータ機構と、
   前記励磁コイルに駆動パルスを供給することにより、前記ロータをステップ回転駆動制御するロータ制御機構と、を備えた単相ステップモータにおいて、
   前記ロータ制御機構は、
   前記励磁コイルに対し、ロータ初期位置情報を決定するためのロータ初期位置検出パルスと、前記ロータをステップ回転駆動させるための前記駆動パルスとを印加する励磁手段と、
   前記ロータ初期位置検出パルスを前記励磁コイルに供給して、前記ロータを回転させない程度のロータ初期位置検出用の磁界を前記ロータに作用させたときの、前記励磁コイルで発生する出力信号を検出する検出手段と、
   前記検出手段からの出力信号に基づき、前記ロータ初期位置情報を検出して出力する波形判別部と、
   異なるエネルギー量の複数の駆動パルスの内から、前記ロータ初期位置情報に基づき所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して前記励磁コイルに供給する駆動パルス選択部と、を備える
   ことを特徴とする単相ステップモータ。
6. 前記波形判別部は、
   前記励磁コイルで得られる前記出力信号に対し、スレッシュホールド値を設定するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力から、前記出力信号が予め設定されたスレッシュホールド値になる時間を算出するカウンタと、を有し、
   前記出力信号が前記スレッシュホールド値になる時間により、前記ロータ初期位置情報
   を検出して出力する
   ことを特徴とする請求項５に記載の単相ステップモータ。
7. 前記波形判別部は、
   前記励磁コイルで得られる前記出力信号を積分する積分回路を有し、
   前記ロータ初期位置検出パルスを印加した後に、前記出力信号の、所定の時間間隔の積分値から、前記ロータ初期位置情報を決定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の単相ステップモータ。
8. 径方向に２極に着磁されたロータ磁石を有するロータと、ロータ孔と励磁コイルを有し、前記ロータ孔に前記ロータ磁石を配設することで、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、を有するモータ機構と、
   前記励磁コイルに駆動パルスを供給することにより、前記ロータをステップ回転駆動制御するロータ制御機構と、を備えた単相ステップモータにおいて、
   前記モータ機構は、前記励磁コイルにより印加される磁界方向に対して直交する方向に配置した別検出コイルを更に備え、
   前記ロータ制御機構は、
   前記励磁コイルに対し、ロータ初期位置情報を決定するための第１のロータ初期位置検出パルスと、前記ロータをステップ回転駆動させるための前記駆動パルスとを印加する第１の励磁手段と、
   前記別検出コイルに対し、前記励磁コイルへ印加する駆動パルスと同じ周期で、第２のロータ初期位置検出パルスを印加する第２の励磁手段と、
   前記ロータ初期位置検出パルスを前記励磁コイルに供給して、前記ロータを回転させない程度の前記ロータ初期位置検出用の磁界を作用させたときの、前記励磁コイルで発生する第１の出力信号を検出する第１の検出手段と、
   前記ロータ初期位置検出用の磁界を作用させたときの、前記別検出コイルで発生する第２の出力信号を検出する第２の検出手段と、
   前記第１の検出手段の第１の出力信号に基づき、第１のロータ初期位置情報を検出して出力する第１の波形判別部と、
   前記第２の検出手段の第２の出力信号に基づき、第２のロータ初期位置情報を検出して出力する第２の波形判別部と、
   異なるエネルギー量の複数の駆動パルスの内から、前記第１と第２のロータ初期位置情報に基づき所定のエネルギー量の駆動パルスを選択して前記励磁コイルに供給する駆動パルス選択部と、を備える
   ことを特徴とする単相ステップモータ。

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