JP2015175672A - 揺動型ステップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧や温度変化があっても信頼性が高く回転検出ができ、ロータの初期位置を安定させることによって、安定した電流波形を得るようにして、更に信頼性の高い回転検出方法と、安定した駆動を提供する。
【解決手段】コイル１７より磁界を発生させ、ロータ２に印加される磁界の向きとコイル１７より磁界が発生しない状態におけるロータ２の安定方向が略平行であることと、駆動エネルギーの余裕有り無しを判断するための第１の検出部と、カレンダーなどの負荷や外部磁場の影響を判断するための第２の検出部を設け、信頼性の高い回転検出方式を行い、安定した駆動を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、指針式電子時計の電気−機械変換器として用いられる、ステップモータの構造に関する。更に詳しくは、ロータが所定の角度振幅で往復運動しながら出力歯車を一往復につき所定角度ずつ駆動するようにした揺動型ステップモータに関する。

指針式電子時計の中に、機械式時計のような、秒針が流れ動くように見える連続運針（スイープ運針ともいい、１秒間に数回から１０数回の小刻み間欠運針であっても良い。）の時計がある。

一般的なステップモータを用いて連続運針を達成するには、駆動の時間間隔を短くし、秒針までの減速比を大きくすれば一応実現できる。しかし、駆動の頻度が増すと共にエネルギーが大きくなり、電源電池の消耗を早めることになる。

このような連続運針を行う指針式電子時計の中で、特に腕時計は、十分な電池寿命を持たせるために大型の電池を搭載せねばならず、時計の小型化や薄型化を図るには大きな支障があった。

連続運針用に減速比を大きく設定した場合には、秒針軸段階での出力エネルギー及び出力トルクが必要以上に十分すぎることに着目し、入力エネルギー、具体的には入力ストロークを減らすことで、高頻度の運動であってもエネルギー的な難点を克服できると考え、ロータを同じ方向に回転させずに所定の角度での往復運動、すなわち揺動運動をさせることとした。

これに関する従来技術としては、下記特許文献１および特許文献２に記載されるようなものが知られている。

特開昭５５−２０４６１号公報 （第３頁、第２図） ＷＯ２０１２／０３２９９３号公報 （第１７頁、図１）

特許文献１および特許文献２に示した従来技術は、以下に示す問題点が存在する。

特許文献１記載の従来技術の揺動型ステップモータは回転検出を行っている記述がなく、回転検出を行っていないため、カレンダーなどの負荷や外部磁場の影響によってロータの回転ミスが発生した場合に運針を補完する補正パルスが出力できずに、時計の針位置がずれてしまう問題が生じる。

また、特許文献２記載の従来技術の揺動型ステップモータは、回転検出手段として、駆動電流が印加され、ロータが一方向に駆動されている期間と、一回の駆動が終わり、復元力によってロータが減衰振動することで、コイルに誘起電圧が発生し、ニュートラル方向に収束する期間の減衰振動によって生じる逆起電力の波形より、所定の駆動が行われたか否かの検証は、波形が所定の検出レベル以上となった検出パルスの本数を計測回路で計測するという特徴を持っているが、駆動電圧や検出抵抗値のばらつき、また温度変化などに
より検出する閾値電圧が変動するため、得られる判定信号数である検出パルスの本数の変化が大きくなり、回転検出としての信頼性確保が難しいという課題があった。

また、ロータはステータによる保持トルクの作用により非磁性のスリット方向にニュートラル位置を取るため、ステータのノッチ寸法、公差やロータ磁石の磁力ばらつきによるロータ保持トルクのばらつきによって安定位置に差が生じることと、ロータは、軸摩擦力と釣り合う位置で停止するので、摩擦負荷変化、温度による粘性変化で停止位置が変わってしまうことで電流波形に差が生じる要因となっていた。

本願発明は、揺動型ステップモータの上記問題を解決するため、駆動電圧や温度変化があっても信頼性が高く回転検出ができ、ロータの初期位置を安定させることによって、安定した電流波形を得るようにして、更に信頼性の高い回転検出方法と、安定した駆動の提供を目的とする。

本発明のステップモータは、上記目的を達成するため、以下の構成を採用するものである。

（１）所定の揺動角度範囲内にて揺動運動を行なうロータと、
前記ロータを駆動するためのステータと、
前記ステータと接続されるコイルと、
前記コイルに前記ロータを駆動させるための、駆動能力の異なる複数種類の駆動パルスを、前記コイルに出力する駆動回路と、
前記駆動回路へ複数種類の駆動パルスの中から1つを選択指示する制御部と、
前記ロータの揺動角度範囲を規制するための回転規制部材と、
さらに、前記ロータは、駆動車に動力を伝達するための送り歯と、
前記回転規制部材に当接することで、前記ロータを所定の揺動角度範囲内に回転を規制する後端部を有する
揺動型ステップモータにおいて、
前記コイルより磁界を発生させ、前記ロータに印加される磁界の向きと
前記コイルより磁界が発生しない状態における前記ロータの安定方向が略平行であり、前記コイルより磁界を発生しない状態のとき、前記ロータの前記後端部は前記回転規制部材に当接することを特徴とする。

（２）（１）において揺動型ステップモータは駆動回路から印加された駆動パルスとは逆相に発生したコイルの逆起電流を検出する第１の検出部を有し、
第１の検出部は前記駆動パルスが印加された後にコイルから発生する逆起電流の検出結果によって駆動エネルギーの余裕有り、無しを判断することを特徴とする。

（３）（１）または（２）において揺動型ステップモータは駆動パルスとは同相に発生したコイルの逆起電流を検出する第２の検出部を有し、
第２の検出部は駆動回路から駆動パルスが印加されたコイルから発生する逆起電流の検出結果によってカレンダーなどの負荷や外部磁場の影響を判断することを特徴とする。

上記本発明の（１）の側面によれば、ロータの安定方向である静止安定方向とロータに印加される磁場の向きである電磁的安定方向が一致するステータを用いていることから、ロータの停止位置において、ロータに設けられた後端部が回転規制部材に押し付けられる方向に保持トルクを有していることから、ロータ停止位置が安定するため、安定した電流波形を得ることが出来る。
上記本発明の（２）の側面によれば、逆相に発生する電流波形を検出することによって駆動エネルギー不足を判断することができるため、ロータの駆動力を補う補正パルスを出力でき、次回の駆動パルスから駆動エネルギー不足とならない駆動エネルギーを与えることができ、安定した駆動を行うことができることによって、駆動電圧変化にも対応でき、また温度変化にも安定した検出が可能である。

上記本発明の（３）の側面によれば、同相に発生する電流波形を検出することによって負荷が加わったことを判断することができるため、ロータの駆動力を補う補正パルスを出力でき、次回の駆動パルスから駆動エネルギー不足とならない駆動エネルギーを与えることができ、最適な駆動パルスを出力することによる低消費電力化を達成できる。

ステップモータの要部構成を説明する平面図である。 静止安定方向を説明する図である。 電磁的安定方向を説明する図である。 輪列機構を説明する図である。 ロータの詳細を説明する図である。 ロータカナによる星車駆動を説明する図である。 回転規制部位置決め精度を説明する図である。 揺動型ステップモータの動作を説明する図である。 ステップモータのコイルに印加する駆動パルスとコイルに発生する電流波形を示す図であって、（ａ）は正常動作時の電流波形を説明する図、（ｂ）は駆動エネルギーが十分では無いときの電流波形を説明する図、（ｃ）は負荷が働いた場合に裏波形が発生した場合の電流波形を説明する図、（ｄ）は、（ａ）（ｂ）（ｃ）の各逆起電流を拡大し、比較した図である。 回転検出を説明するフローチャート図である。 実施形態の全体構成を説明するブロック図である。 制御回路構成を説明する駆動回路図である。

［実施形態の構成について説明］
以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は時計に適用した場合を元にしているが、発明に関係のない構成、例えば、地板や受類、指針や駆動回路基板などの時計の構造部品については、説明や図示を省略している。

［実施形態の全体構成の説明：図１１］
本発明の揺動型ステップモータ１００を時計に用いた全体構成について図１１のブロック図を用いて説明する。

１００は揺動型ステップモータ１００であり、３は揺動型ステップモータ１００を駆動する駆動回路であり、１０５は駆動回路３を制御する制御部である。

１０１は時刻表示を行う秒針、分針、時針を駆動する時刻輪列であり、揺動型ステップモータ１００より動力が伝達される。

１０４は揺動型ステップモータ１００内のロータ２（図１参照）の回転検出を行う検出部１０４であり、第１検出部１０２と第２検出部１０３を有する。

駆動回路３は、駆動能力の異なる複数種類の駆動パルスを揺動型ステップモータ１００に出力可能に構成されている。具体的には、駆動パルスはチョッピングパルスであり、そ
のデュティー比を異ならせることで駆動能力を異ならせている。

制御部１０５は図１１に示すように駆動回路３に接続され、駆動回路３に対し上記複数種類の駆動パルスの中から最適な駆動パルスを指示し、駆動回路３は制御部１０５で指示された駆動パルスを出力する。この制御部１０５は、マイクロコンピュータ等によって構成することができる。

揺動型ステップモータ１００に接続する検出部１０４には、揺動型ステップモータ１００内のロータ２の自由振動によりコイル１７（図１参照）に誘起される逆起電流が供給されるようになっており、この逆起電流を利用して、一定値以上の電流を検出する。検出部１０４は、第１検出部１０２と第２検出部１０３を有している。
第１検出部１０２は、逆起電流のうち表側の電流波形を検出するように構成され、第２検出部１０３は、逆起電流のうち裏側の電流波形を検出するように構成されている。
また、検出部１０４はロータの回転、非回転を、第１検出部１０２と第２検出部１０３の検出結果から判断することができるように構成されている。検出部１０４の結果を制御部１０５にフィードバックして、駆動回路３から最適な駆動パルスが揺動型ステップモータ１００に与えられる。検出部１０４の詳細な説明は後述する。

［実施形態の説明：図１〜図７］
次に揺動型ステップモータ１００の構造に関して図１〜図７を用いて説明する。

［ステップモータの要部構成の説明：図１］
図１は揺動型ステップモータ１００の要部構成を示した図である
図１において、２はロータであり、１は磁性材料の板材より成るステータでステータ１ａ、ステータ１ｂより構成されている。１５は磁性材の板材より成るコイル芯で、ステータ１の両端にある膨大部２０ａ、ｂが重なり、図示しない地板にネジ止め固定されて、磁気的に結合されている。１７はコイル、１８は巻枠であり、コイル１７は巻枠１８の間に細線が巻回されているが、その細部は図面では省略している。

[静止安定方向の説明：図２]
図２はロータ磁石２１の静止安定方向１６を示すために図１の揺動型ステップモータ１００の一部を拡大した図であり、ステータ１はロータ穴１３を有し、ロータ穴１３には、２極に着磁されたロータ磁石２１が回転自在に配置されており、ロータ穴１３周辺にはロータ磁石２１の回転軸であるロータ軸２２に対して対称な位置に非磁性部１１ａ、１１ｂを有している。

また、ロータ穴１３には凹形状のノッチや段差を設けないことによって、ロータ磁石２１の磁束は、ステータ１とコイル芯１５とで形成される磁気回路を通り、安定方向としては、非磁性部材１１ａと１１ｂとを結んだ直線１１ｃと直交する方向にロータ磁石２１のＮ極、Ｓ極が向いた方向において安定状態を持つ。この方向が静止安定方向１６である。

[電磁的安定方向の説明：図３]
図３はロータ磁石２１の電磁的安定方向を示した図である。

コイル１７に通電し紙面右方向に磁束を発生させた場合に、コイル１７によって発生した磁束はコイル芯１５から、膨大部２０ａ、ステータ１ａ、ステータ１ｂ、膨大部２０ｂと通り、コイル芯１５に戻る。このとき、ロータ穴１３を通過する磁束は、非磁性部を結んだ直線１１ｃに対して直交するように磁束が流れる。この方向が電磁的安定方向１９である。

[輪列機構の説明：図４]
次に本発明の輪列機能について図４を用いて説明する。

４１は歯車Ａ、４２は歯車Ｂ、４３はカナＡ、４４はカナＢ、４５は出力歯車であり、出力歯車４５は時刻輪列１０１（図示せず）につながっている。

歯車Ａ４１に隠れて歯先の図示は無いが３１は星車Ａ、歯車Ｂ４２に隠れて歯先の図示はないが３２は星車Ｂで、２はロータである。

星車Ａ３１と歯車Ａ４１とカナＡ４３とは同軸で設けられており、これにより星車Ａ３１と歯車Ａ４１とが関連し合うように結合されており、星車Ｂ３２と歯車Ｂ４２とカナＢ４４とは同軸で設けられており、これにより星車Ｂ３２と歯車Ｂ４２とが関連し合うように結合されている。

星車Ａ３１、星車Ｂ３２の歯は同数で、互いの歯先同士が噛みあわない位置に設けられている。

歯車Ａ４１と歯車Ｂ４２との歯は同数で、両歯車は互いに噛み合っている。

歯車Ｂ４２と同軸で設けられているカナＢ４４には出力歯車４５が噛み合っており、この構成により、両星車は一方が駆動されるとき他方も連動して同じだけ逆方向に回転する。

つまり、星車Ａ３１と星車Ｂ３２とが交互に駆動されることによって、出力歯車４５が所定角度ずつ同じ方向に回転する。

［ロータの詳細説明：図５］
次に本発明のロータ２について図５を用いて説明する。

ロータ２において、２１はロータ磁石で円筒形を成しており、その直径方向に磁化されている。ロータカナ２５は送り歯２３、後端部２８より構成され、ロータ軸２２に接合されている。

また、ロータ磁石２１の磁化方向はロータカナ２５の長辺方向と一致しており、ロータ磁石２１のＮ極はロータカナ２５の先端部である送り歯２３方向とし、Ｓ極はロータカナ２５の後端部２８方向に磁化されている。

［ロータカナ２５による星車駆動の説明：図６］
次に本発明のロータ２による星車Ａ３１、星車Ｂ３２の駆動について図６を用いて説明する。

図６は、ロータ２のロータカナ２５によって星車Ａ３１、星車Ｂ３２が送られることを説明するための図であり、位置関係がわかるよう、歯車Ａ４１、歯車Ｂ４２を図示していない。

送り歯２３は星車Ａ３１、星車Ｂ３２にそれぞれ当接する面（歯面）が送り歯２３の両端のカム面２７Ａ、２７Ｂとして形成されていて、ロータ２の往復運動により、カム面２７Ａが星車Ａ３１を送り、カム面２７Ｂが星車Ｂ３２を送る。よって、ロータ２の回転は、星車Ｂ３２より歯車Ｂ４２へ伝達され、出力歯車４５を介して秒針、分針、時針を駆動する時刻輪列１０１を回転させる。

星車Ａ３１と歯車Ａ４１（図示せず）とカナＡ４３とは同軸で設けられており、これにより星車Ａ３１と歯車Ａ４１とが関連し合うように結合されており、星車Ｂ３２と歯車Ｂ４２（図示せず）とカナＢ４４とは同軸で設けられており、これにより星車Ｂ３２と歯車Ｂ４２とが関連し合うように結合されている。

星車Ａ３１、星車Ｂ３２の歯は同数で、互いの歯先同士が噛みあわない位置に設けられている。歯車Ａ４１と歯車Ｂ４２との歯は同数で、両歯車は互いに噛み合っている。歯車Ｂ４２と同軸で設けられているカナＢ４４には出力歯車４５が噛み合っている。

この構成により、両星車は一方が駆動されると、歯車も同じ回転角度動き、歯車Ａと歯車Ｂとは互いに噛み合っていることから、一方の歯車が回転すると他方の歯車も回転して、ほぼ同じ角度だけ逆方向に回転する。このことによって、星車Ａ３１と星車Ｂ３２とが交互に駆動されることによって、歯車Ａと歯車Ｂとは全てのステップで回転を行い、カナＢ４４に噛み合っている出力歯車４５は毎ステップ所定角度ずつ同じ方向に回転する。

また、ロータ２の揺動運動の中心Ｐ０を挟んで送り歯２３が形成された部分と反対側の部分に、ロータ２の半径方向外側に向けて突出した後端部２８が形成されている。

本実施形態の揺動型ステップモータ１００は図６に示すように、ロータ２の揺動角度範囲（例えば、−４５〜＋４５度）の両端において、ロータ２の後端部２８に突き当てられる回転規制部材５０が備えられている。

揺動型ステップモータ１００のロータ回転角度を規制する回転規制部材５０は板状の非磁性材料で、例えばＢｓ材料（黄銅）にＮｉメッキされることで形成されている。そして、ステータ１とは平面視で少なくとも一部が重なるように積層配置され、回転規制部材５０の略中央部に凹形状の回転規制部５２ａ、５２ｂを設けている。

後端部２８は、回転規制部５２ａ、５２ｂに突き当てられてロータ２の揺動角度範囲を物理的に規制するものである。

ロータ２は矢印で示す方向に磁極方向あるときが静止安定方向１６となる。しかし、回転規制部材に後端部２８が当接することで、静止安定方向１６に回転しようとする回転トルクが働いていることから摩擦負荷や粘性負荷の影響に勝る回転トルクが発生するようにロータ磁石２１の磁力を設定すれば、後端部２８が回転規制部材５０の回転規制部５２に押し付けられる。

このため、ロータ２自体が揺動角度範囲を超えて過剰に回転しようとしても、揺動角度範囲の両端において後端部２８が回転規制部５２の回転規制面５２ａまたは回転規制面５２ｂに物理的に突き当たるため、ロータ２が揺動角度範囲を超えて過剰に回転するのを阻止することができる。

よって、ロータ２の停止位置は回転規制部材５０の壁に当接した位置になり、当接した状態で静止安定方向１６に向こうとする回転トルクを有していることから、回転規制部材の壁から離れることなく、位置ずれは生じることがないことから、ロータの停止位置を安定させることができる。

また、回転規制面５２ａ、５２ｂは、後端部２８の長さ（ロータ２の半径方向に沿った長さ）に応じた、ロータ軸２２からの距離の位置に配置することができるため、後端部２８の長さは短く設定することができ、これによりロータ２の全体の大きさを小型化してロ
ータ２の慣性モーメントを小さくすることができ、低消費電力化することができる。

以上のことからコイル１７に通電し紙面右方向に磁束を発生させ、電磁的安定方向１９に磁束が流れた場合、例えば、ロータ２が揺動運動の回転中心Ｐ０を中心に反時計回りに揺動したときは、カム面２７Ａが星車Ａ３１の歯を押圧して、星車Ａ３１の中心Ｐ１を中心に時計回りに回転させる。このとき、後端部２８は回転規制部５０の回転規制面５２ａに当接する。

また、ロータ２が揺動運動の回転中心Ｐ０を中心に時計回りに揺動したときには、カム面２７Ｂが星車Ｂ３２の歯を押圧して、星車Ｂ３２の中心Ｐ２を中心に反時計回りに回転させる。このとき、後端部２８は回転規制部５０の回転規制面５２ｂに当接する。

［回転規制部位置決め精度説明：図７］
次に本発明の回転規制部材５０の位置決めについて図7を用いて説明する。
図７において、固定用ねじ止め部５６は、ステータ１−コイル１７間の領域６０を除く位置に配置されている。そのため、ステータ１−コイル１７間の領域６０に固定部を配置していた特許文献２と比べ、コイル１７とステータ１との間隔を狭くすることができ、小型化も可能となり、さらに、回転規制部材５０の固定用ネジ部間隔を長く取ることができる。この回転規制部材５０の固定用ネジ部間隔長さとしては、歯車Ａ３１、歯車Ｂ３２の外径の２倍以上あるため、回転規制部材５０を取り付けるときに生じる傾きを小さくすることができる。そのため、ロータ回転中心に対しての回転規制部の位置および回転規制面の位置に関して位置決め精度を向上させることができ、ロータの初期位置を安定させることができる。

[揺動型ステップモータの動作説明：図８]
次に本発明の揺動型ステップモータ１００の動作について図８を用いて説明する。

図８において、星車Ａ３１、星車Ｂ３２、ロータ２、回転規制部材５０を図示してある。歯車Ａ４１、歯車Ｂ４２、ステータ１は図示していない。

図８ａにおいて、ロータ２のロータカナ２５の後端部２８は、回転規制部５０の回転規制面５２ｂに接触した状態であり、この状態において、ロータは回転規制面５２ｂに押し付けられる方向に回転トルクを持つため、ロータカナ２５の後端部２８は回転規制面５２ｂとの隙間が無い状態で停止している。

この状態において、コイル１７を励磁して、ステータ１（図示せず）の星車Ｂ３２方向をＮ極となるように励磁すると、図８ｂのようにステータ１のＮ極とロータ磁石２１のＮ極とが反発することで回転トルクを得て、ロータ２は反時計方向に回転を始める。

さらにコイル１７を励磁することで、ロータカナ２５は星車Ａ３１の歯先と接触して、星車Ａ３１の歯先を押し回しながら回転おこない、図８ｃのようにロータカナ２５の後端部２８が回転規制部材５０の回転規制面５２ａと接触することでロータ２の回転が停止し、星車Ｂ３２の回転も停止する。

ロータカナ２５の後端部である後端部２８は、回転規制部５０の回転規制面５２ａに接触した状態で、回転トルクを持つため、ロータカナ２５の後端部２８は回転規制面５２ａとの隙間が無い状態で停止している。

この状態において、コイル１７を先と逆方向に励磁して、ステータ（図示せず）の星車Ａ３１方向をＮ極となるように励磁すると、ステータのＮ極とロータ磁石２１のＮ極とが
反発することで時計回転方向の回転トルクを得て、ロータ２は時計方向に回転を始める。

さらにコイル１７を励磁することで、ロータカナ２５は星車Ｂ３２の歯先と接触して、星車Ｂ３２の歯先を押し回しながら回転おこない、ロータカナ２５の後端部２８が回転規制部材５０の回転規制面５２ｂと接触することでロータ２の回転が停止し、星車Ｂの回転も停止する。

このように励磁方向を順番に切り替えることによって、往復ステップ動作が可能となる。

次に、揺動型ステップモータ１００が動作したときに生じる電流波形について図９を用いて説明する。

図９のａ−１、ｂ−１、ｃ−１は駆動回路３からコイル１７に印加される駆動パルスを示し、縦軸は電圧、横軸は経過時間を示し、図９のａ−２、ｂ−２、ｃ−２はコイル１７に流れる電流波形を示し、縦軸は電流、横軸は経過時間を示す。また、ａ−３、ｂ−３、ｃ−３は駆動パルス終了後の電流波形を表している。

[通常動作の電流波形説明図：図９（ａ）］
ロータに回転エネルギーが十分あるときの例として駆動パルス幅６ｍｓでデュティー１４／３２の駆動パルスの場合の電流波形を図９ａ−２に示す。

揺動型ステップモータ１００は、回転動作直後はロータ単体での動作をするため、ロータ２の回転速度が増加する。よって、駆動パルス印加中はロータ２が動き始めて回転速度が大きくなったところで、逆起電圧の発生が大きくなり、その影響で電流値が少なくなるため、電流波形としては凹形状６２が生じる。駆動パルスが終了した時点ではロータが回転規制部に当接して停止することによってロータには揺動振動が生じないために、駆動パルス終了後の電流波形ａ−３のように、逆起電圧発生が無く駆動パルス印加後の電流波形（後述の表波形、裏波形）が現れない。

従って、第1検出部１０２、第２検出部１０３とも検出無しとなる。

ロータ２の後端部２８は回転規制面５２ａまたは５２ｂに当接した停止状態において、回転規制面に押し付けられるような回転トルクが作用しているため、停止位置が回転規制面に密着した状態である。

このため、駆動パルスを印加してからのロータ動作角度が回転規制面５２ａと回転規制面５２ｂとの間が可動範囲となり、常に可動範囲が一定に安定しているため、コイル１７に発生する電流波形も安定している。

[駆動エネルギーが十分ではないときの電流波形説明：図９ｂ]
次に揺動型ステップモータ１００に与えられる駆動エネルギーが少し不足している場合の電流波形について説明する。温度変化などによってロータ２に注油される油の粘性変化や時計の姿勢差などによって駆動エネルギーが少し不足している場合の例として、駆動パルス幅６ｍｓでデュティー１２／３２の場合の電流波形を図９ｂ−２に示す。

駆動エネルギーが不足してくると、駆動パルス印加が終了した時点ではロータ２の後端部２８が回転規制面５２ａまたは５２ｂに当接していない状態となり、ロータ２は駆動パルス印加時の回転エネルギーと静止安定方向１６に働く保持トルクによって回転を継続する。

このため、駆動パルス印加終了後にもロータ磁石２１が動くことによりコイル芯１５に流れる磁束量に変化が生じ、コイル１７に逆起電圧が誘起され、電流波形としては、駆動パルス印加後に駆動パルスとは逆相に表波形６４が現れる。そして、電流波形ｂ−３のように上に凸の表波形が見られ、電流値が０のラインに対しての差を表検出として検出を行っている。従って、第1検出部１０２での検出が有り、第２検出部１０３での検出は無しとなる。

[裏波形利用の説明（カレンダー等の逆回転方向負荷）：図９ｃ］
また、駆動パルスを印加後、ロータが停止しているときにカレンダー駆動時に加わる逆回転方向の負荷によってロータの位置が動かされた場合の電流波形について図９ｃ−２に示す。

駆動パルス印加後の無負荷状態においては、後端部２８が回転規制部５２ａまたは５２ｂに接触して停止しているが、カレンダー機構などによる逆方向負荷が加わっている場合、保持トルクに逆らう方向の力が加わるので、励磁が切れた後、ロータ２が逆回転方向に動かされる。

ロータ２が動かされることによって、コイル芯１５に流れる磁束量に変化が生じ、コイル１７に逆起電圧が誘起され、電流波形としては、駆動パルス印加後に駆動パルスとは同相に裏波形６５が現れる。そして、電流波形ｃ−３のように下に凸の裏波形が見られ、電流値が０のラインに対しての差を裏検出として検出を行っている。従って、第1検出部１０２での検出は無く、第２検出部１０３での検出が有りとなる。

図９（ｄ）は、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）で示した逆起電流波形を拡大しまとめて示した図である。このように、表波形はロータが正回転方向に動き続け、後端部２８が回転規制部５２ａまたは５２ｂに接触して停止するまでの間に現れる波形であり、裏波形は、後端部２８が回転規制部５２ａまたは５２ｂに接触して停止している状態において、逆回転方向の負荷によってロータが逆回転するときに現れる波形であることから、表波形検出を行ってから裏波形検出を行うということになる。

[裏波形の利用説明（外部磁場）]
また、揺動型ステップモータ１００に外部から磁場が加わった場合、外部磁場の大きさ、方向によっては、ロータ２の位置が逆回転方向に動かされるということがあり、この場合も裏波形が見られるという特徴を持つ。

[制御回路構成を説明する駆動回路図：図１２]
次に駆動回路３の構成、動作について図１２を用いて説明を行う。
図１２に示すように、駆動回路３は、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ７０ａとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ａとを直列に接続し、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ７０ｂとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｂとを直列に接続し、これら直列回路を並列に接続して構成されたブリッジ回路を備えている。また、それぞれの直列回路のｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴとの接続中点同士をつなぐようにコイル１７を接続している。
また、回転検出に用いるスイッチ手段としてｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｃ、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｄを有し、検出抵抗７２ａ、７２ｂを介してコイル１７、検出部１０４に接続されている。

揺動型ステップモータ１００を駆動する場合、駆動回路３はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ７０ａの制御信号Ｐｎ１、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ａの制御信号Ｐｐ１、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ７０ｂの制御信号Ｐｎ２、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｂの制御信号
Ｐｐ２を制御部１０５より制御されることによって、コイル１７に供給される電力を制御し、電流を流す方向を変えることができる。

検出方法は通常の時計用モータに用いられる技術を用いており、ロータが１ステップ動いた後の自由振動によりコイル芯の磁束が変化し、電磁誘導によってコイルには電流が誘起され、その誘起電流を検出することで正常に回転したのか、あるいは回転できずに元の位置に戻ったのかを判別する。

このため、検出部１０４でロータ２の回転検出を行う場合、検出動作を指示するストローブパルスを検出部１０４より駆動回路３へ出力し、駆動回路３内のＭＯＳＦＥＴの接続状態を制御する。

回転検出時（ストローブパルスタイミング）の駆動回路３は、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ７０ａとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ａ、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ７０ｂとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｂをＯＦＦさせ、コイル１１の両端をオープン状態にし、かつｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｃ、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６８ｄをＯＮし、検出抵抗７２ａ、７２ｂにコイルの逆起電流を流す経路を作り回転検出を行う。

検出抵抗７２ａ、７２ｂは、１２０ｋΩまたはそれ以上の大きな抵抗をつけることができ、しきい値電圧をほぼ０ｖレベルにすることができることから、駆動電圧や検出抵抗値がばらついてもしきい値電圧はほぼ０ｖレベルで変らず、また、温度変化によって検出抵抗値が変化したとしても回転検出のためのしきい値電圧はほぼ０ｖレベルであることから、回転検出としての信頼性を高くすることができる。

上記動作によって検出部１０４では図９（ｂ）に示す表波形６４を第1検出部１０２、裏波形の検出は図９（ｃ）に示す裏波形６５を第２検出部１０３にて駆動パルス印加後の電流波形の検出を行うことによってロータ２の回転検出を行う。

[回転検出を説明するフローチャート図：図１０]
次に第１検出部１０２で検出する表波形と第２検出部１０２で検出する裏波形の検出を行い、揺動型ステップモータ１００の駆動パルスを制御する方法について図１０のフローチャートを用いて説明する。

[ロータに回転エネルギーが十分あるときの回転検出説明]
ロータに回転エネルギーが十分ある場合について説明を行う。

揺動型ステップモータ１００における回転駆動をＳＴＥＰ０より開始し、ＳＴＥＰ1にて良好な状態で回転していることを計数するためのカウンタを０にセットし、ＳＴＥＰ２へ移行し、揺動型ステップモータ１００を駆動するタイミングになったら駆動パルス出力を行う。

図９−ａのように駆動エネルギーに余裕があるときは、ＳＴＥＰ２の駆動パルス出力後、ロータの自由振動が生じないため、表波形、裏波形は生じない。

このため、ＳＴＥＰ３での第１検出部による検出結果は無しとなり、ＳＴＥＰ６に移行する。

続くＳＴＥＰ６でも第２検出部による検出結果は無しとなり、ＳＴＥＰ７に移行する。この検出条件をまとめた表を図１０（ｂ）に示して有り、検出条件（３）が第１検出部の表検出無し、第２検出部の裏検出無しでエネルギー余裕で回転している状態と判断できる
。

ＳＴＥＰ７では駆動が良好な状態で回転していることを計数するためのカウンタをプラス１し、ＳＴＥＰ８にてカウンタの計数が５１２カウント以上である場合は駆動パルスのエネルギーが過剰である可能性が高いため、ＳＴＥＰ９に移行して駆動パルスのデュティー比をランクダウンしてエネルギー量を減らし、ＳＴＥＰ１に移行してカウンタの計数を０にしてＳＴＥＰ２に移行する。

ＳＴＥＰ８にてカウンタの計数が５１２カウント以上でない場合はカウントの計数を保持したままＳＴＥＰ２に移行する。

[駆動エネルギーが十分ではないときの回転検出説明]
次に駆動エネルギーが十分ではない場合について説明を行う。

揺動型ステップモータ１００における回転駆動をＳＴＥＰ０より開始し、ＳＴＥＰ１にて良好な状態で回転していることを計数するためのカウンタを０にセットし、ＳＴＥＰ２へ移行し、揺動型ステップモータ１００を駆動するタイミングになったら駆動パルス出力を行う。

駆動エネルギーが十分ではないときは、ＳＴＥＰ２の駆動パルス出力後、ロータ２の自由振動が発生するため、図９（ｂ）のように裏波形は発生しないが、表波形が生じる。

このため、ＳＴＥＰ３の第１検出部による検出結果は有りとなり、ＳＴＥＰ４に移行する。この検出条件を図１０（ｂ）の表を用いて説明すると、検出条件（１）が第１検出部の表検出有り、第２検出部の裏検出は行わず、エネルギー不足で非回転である状態と判断できる。

そして、ＳＴＥＰ４において駆動パルスよりもエネルギーの大きな補正パルスを出力し、ＳＴＥＰ５に移行する。

ＳＴＥＰ５では駆動パルスのデュティーを１ランク上げ、駆動パルスのエネルギーを大きくし、ＳＴＥＰ１に移行し、良好な状態で回転していることを計数するためのカウンタを０にセットし、ＳＴＥＰ２へ移行する。

[裏波形利用の説明（カレンダー等の逆回転方向負荷）
次にカレンダー等の逆回転方向負荷が発生した場合について説明を行う。

揺動型ステップモータ１００における回転駆動をＳＴＥＰ０より開始し、ＳＴＥＰ１にて良好な状態で回転していることを計数するためのカウンタを０にセットし、ＳＴＥＰ２へ移行し、揺動型ステップモータ１００を駆動するタイミングになったら駆動パルス出力を行う。

揺動型ステップモータ１００は、カレンダー駆動時に加わる逆回転方向の負荷によってロータの位置が動かされた場合、励磁が切れた後、保持トルクに逆らう方向の力が加わるので、ロータが逆回転方向に動かされるため、図９（ｃ）のように表波形は発生しないが、裏波形が発生する。

このため、ＳＴＥＰ３での第１検出部による検出結果は無しとなり、ＳＴＥＰ６に移行する。続くＳＴＥＰ６では第２検出部による検出結果は有りとなり、ＳＴＥＰ４に移行する。この検出条件を図１０（ｂ）の表を用いて説明すると、検出条件（２）が第１検出部
の表検出無し、第２検出部の裏検出は有りとなって、逆回転の負荷が加わっていて非回転である状態と判断できる。

そして、ＳＴＥＰ４で補正パルス出力後にＳＴＥＰ５に移行し、ＳＴＥＰ５では駆動パルスのデュティーを１ランク上げ、駆動パルスのエネルギーを大きくし、ＳＴＥＰ１に移行し、良好な状態で回転していることを計数するためのカウンタを０にセットし、ＳＴＥＰ２へ移行する。

[裏波形の利用説明（外部磁場）]
また、揺動型ステップモータ１００に外部から磁場が加わった場合、外部磁場の大きさ、方向によっては、ロータ位置が逆回転方向に動かされるということがあり、この場合も裏波形が発生する。

この場合もカレンダー等の逆回転方向負荷が発生した場合と同様の動作で対応が出来る。

以上のように、揺動型ステップモータ１００においては、ＳＴＥＰ２の駆動パルス出力後にＳＴＥＰ３、ＳＴＥＰ６で表波形検出、裏波形検出を行い、表波形、裏波形の有無によって駆動パルスの最適状態の判断をおこなう方式であり、駆動パルスが回転負荷に対して余裕がない場合は駆動パルスよりもエネルギーの大きな補正パルスを出力し、次の駆動パルス出力を前回の駆動パルスよりもエネルギー的に大きくし、駆動パルスが回転負荷に対して余裕がある状態が一定回数以上続いた場合は次の駆動パルス出力を前回の駆動パルスよりもエネルギー的に小さくするため、最適な駆動パルスで駆動することが出来、低消電化が可能となりながらも信頼性の高い駆動を行なうことが出来る。

また、姿勢が変化し、負荷変動が生じたときでも、エネルギーの余裕有無判断することができることから安定動作が可能であり、また、低温、高温への温度変化にも対応できる。

更に、歯車に衝撃など加わってＲＴが動かされた場合にも、裏波形を検出できるような衝撃検出期間と検出パルスを設定することで、衝撃有無の判断可能で適切な衝撃対応パルスを出力することができ、信頼性高い検出方式とできる。

１ａ ステータ
１ｂ ステータ
１１ａ 非磁性部
１１ｂ 非磁性部
１１ｃ 直線
１３ ロータ穴
１５ コイル芯
１６ 静止安定方向
１７ コイル
１８ 巻枠
１９ 電磁的安定方向
２ ロータ
２０ 膨大部
２１ ロータ磁石
２２ ロータ軸
２３ 送り歯
２５ ロータカナ
２７Ａ、２７Ｂ カム面
２８ 後端部
３１ 星車Ａ
３２ 星車Ｂ
４１ 歯車Ａ
４２ 歯車Ｂ
４３ カナＡ
４４ カナＢ
４５ 出力歯車
５０ 回転規制部材
５２ 回転規制部
５２ａ、５２ｂ 回転規制面
５６ ねじ穴
６０ ステータコイル間領域
６２ 凹形状
６４ 表波形
６６ 裏波形
６８ ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ
７０ ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ
７２ 検出抵抗

Claims (4)

1. 所定の揺動角度範囲内にて揺動運動を行なうロータと、
   前記ロータを駆動するためのステータと、
   前記ステータと接続されるコイルと、
   前記コイルに前記ロータを駆動させるための、駆動能力の異なる複数種類の駆動パルスを、前記コイルに出力する駆動回路と、
   前記駆動回路へ複数種類の駆動パルスの中から1つを選択指示する制御部と、
   前記ロータの揺動角度範囲を規制するための回転規制部材と、
   さらに、前記ロータは、駆動車に動力を伝達するための送り歯と、
   前記回転規制部材に当接することで、前記ロータを所定の揺動角度範囲内に回転を規制する後端部を有する
   揺動型ステップモータにおいて、
   前記コイルより磁界を発生させ、前記ロータに印加される磁界の向きと、
   前記コイルより磁界が発生しない状態における前記ロータの安定方向が略平行であり、前記コイルより磁界を発生しない状態のとき、前記ロータの前記後端部は前記回転規制部材に当接することを特徴とする揺動型ステップモータ。
2. 前記駆動パルスの出力後前記コイルに発生する、前記駆動パルスと逆相の逆起電流を検出する検出する第１検出部と、
   前記駆動パルスの出力後前記コイルに発生する、前記駆動パルスと同相の逆起電流を検出する検出する第２検出部と、を有し、
   前記制御部は、前記第１検出部と前記第２検出部の検出結果から、前記駆動パルスの種類を選択指示する
   ことを特徴とする請求項１に記載の揺動型ステップモータ。
3. 前記第１検出部で前記逆相の逆起電流が検出されたと判断した場合、
   前記制御部は、次回の前記駆動パルスを出力するときに、より駆動力の高い前記駆動パルスを選択指示する
   ことを特徴とする請求項２に記載の揺動型ステップモータ。
4. 前記制御部は、前記第１検出部で前記逆相の逆起電流が検出されないと判断した場合、さらに前記第２検出部の検出結果を確認し、
   前記第２検出部で前記同相の逆起電流が検出されないと判断した場合には、今回出力した前記駆動パルスの選択指示を維持し、
   前記第２検出部で前記同相の逆起電流が検出されたと判断した場合には、より駆動力の高い前記駆動パルスを選択指示する
   ことを特徴とする請求項２に記載の揺動型ステップモータ。

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