JP3832435B2 - ステッピングモーターの制御装置、その制御方法および計時装置 - Google Patents
ステッピングモーターの制御装置、その制御方法および計時装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータの制御装置および制御方法に関し、特に、低消費電力の電子時計などに適した制御装置および制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータは、パルスモータ、ステッピングモータ、階動モータあるいはデジタルモータなどとも称され、デジタル制御装置のアクチュエータとして多用されているパルス信号によって駆動されるモータである。近年、携帯に適した小型の電子装置あるいは情報機器が開発されており、これらのアクチュエータとして小型、軽量化されたステッピングモータが多く採用されている。このような電子装置の代表的なものが電子時計、時間スイッチ、クロノグラフといった計時装置である。図７にステッピングモータを用いた腕時計装置などの計時装置の一例を示してある。この計時装置９は、ステッピングモータ１０と、このステッピングモータ１０を駆動する制御装置２０と、ステッピングモータ１０の動きを伝達する輪列５０、および輪列５０によって運針される秒針６１、分針６２および時針６３を備えている。ステッピングモータ１０は、制御装置２０から供給される駆動パルスによって磁力を発生する駆動コイル１１と、この駆動コイル１１によって励磁されるステータ１２と、さらに、ステータ１２の内部において励磁される磁界により回転するロータ１３を備えており、ロータ１３がディスク状の２極の永久磁石によって構成されたＰＭ型（永久磁石回転型）のステッピングモータ１０となっている。ステータ１２には、駆動コイル１１で発生した磁力によって異なった磁極がロータ１３の回りのそれぞれの相（極）１５および１６に発生するように磁気飽和部１７が設けられている。また、ロータ１３の回転方向を規定するために、ステータ１２の内周の適当な位置には内ノッチ１８が設けられており、コギングトルクを発生させてロータ１３が適当な位置に停止するようにしている。
【０００３】
ステッピングモータ１０のロータ１３の回転は、かなを介してロータ１３に噛合された五番車５１、四番車５２、三番車５３、二番車５４、日の裏車５５および筒車５６からなる輪列５０によって各針に伝達される。四番車５２の軸には秒針６１が接続され、二番車５４には分針６２が接続され、さらに、筒車５６には時針６３が接続されており、ロータ１３の回転に連動してこれらの各針によって時刻が表示される。輪列５０には、さらに、年月日などの表示を行うための伝達系など（不図示）を接続することももちろん可能である。
【０００４】
この計時装置９では、ステッピングモータ１０の回転によって時刻を表示するために、ステッピングモータ１０には基準となる周波数の信号をカウント（計時）して定期的に駆動パルスが供給される。ステッピングモータ１０を制御する本例の制御装置２０は、水晶振動子などの基準発振源２１を用いて基準周波数の基準パルスやパルス幅やタイミングの異なるパルス信号を発生するパルス合成回路２２と、パルス合成回路２２から供給された種々のパルス信号に基づきステッピングモータ１０を制御する制御回路２３を備えている。さらに、制御回路２３は、後述する駆動回路を制御する駆動制御回路２４と、回転検出などを行う検出回路２５を備えている。駆動制御回路２４は、駆動回路を介して駆動コイル１１に対しステッピングモータ１０の駆動用ロータ１３を駆動するための駆動パルスを供給する駆動パルス供給部２４ａと、駆動パルスに続いて駆動用ロータ１３の回転検出用に誘導電圧を誘起する回転検出パルスを出力するための回転検出パルス供給部２４ｂと、駆動用ロータ１３が回転しなかったときに駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを出力するための補助パルス供給部２４ｃと、補助パルスに続いて消磁用に補助パルスと極性の異なる消磁パルスを出力するための消磁パルス供給部２４ｄと、さらに、駆動パルスの実効電力を調整するためのレベル調整部２４ｅを備えている。また、検出回路２５は、回転検出パルスによって得られた回転検出用の誘導電圧を設定値と比較して回転の有無を検出し、その結果を駆動制御回路２４にフィードバックできるようになっている。
【０００５】
駆動制御回路２４の制御の基にステッピングモータ１０に様々な駆動パルスを供給する駆動回路３０は、直列に接続されたｎチャンネルＭＯＳ３３ａとｐチャンネルＭＯＳ３２ａ、およびｎチャンネルＭＯＳ３３ｂとｐチャンネルＭＯＳ３２ｂによって構成されたブリッジ回路を備えており、これらによって電池４１からステッピングモータ１０に供給される電力を制御できるようになっている。さらに、ｐチャンネルＭＯＳ３２ａおよび３２ｂとそれぞれ並列に接続された回転検出用抵抗３５ａおよび３５ｂと、これらの抵抗３５ａおよび３５ｂにチョッパパルスを供給するためのサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａおよび３４ｂを備えている。従って、これらのＭＯＳ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａおよび３４ｂの各ゲート電極に駆動制御回路２４の各パルス供給部２４ａ〜２４ｅからそれぞれのタイミングで極性およびパルス幅の異なる制御パルスを印加することにより、駆動コイル１１に極性の異なる駆動パルスを供給したり、あるいは、ロータ１３の回転検出用のパルスを供給することができる。
【０００６】
図８に、制御装置２０の動きをフローチャートに纏めて示してある。まず、ステップＳＴ１で計時用の基準パルスをカウントして１秒を計測する。１秒が経過すると、ステップＳＴ２において駆動パルス供給部２４ａの制御によって駆動パルスＰ１を出力する。続いて、ステップＳＴ３で回転検出用パルス供給部２４ｂの制御によって回転検出用パルスＳＰ２を出力し、得られた電圧を検出回路２５で設定値を比較してロータ１３の回転を確認する。回転が確認できない場合は、補助パルスを用いて確実にロータ１３を回転させるサブルーチンを実効する。このサブルーチンにおいては、まず、ステップＳＴ４において、補助パルス供給部２４ｃの制御の基に実効電力の大きな補助パルスＰ２を供給してロータ１３を確実に回転させる。補助パルスＰ２が出力されるとステップＳＴ５において消磁パルス供給部２４ｄの制御の基に消磁パルスＰＥを出力する。次いで、レベル調整部２４ｅにおいて、次に出力される駆動パルスＰ１の実効電力を１段階アップする。そして、これらのステップを行うとメインルーチンに戻り、以下のプロセスを実効する。
【０００７】
ステップＳＴ３において、ロータ１３の回転が確認された場合は、上記のサブルーチンを行わずステップＳＴ７においてカウンタｎを加算する。そして、ステップＳＴ８において、カウンタｎの値が第１の設定値Ｎ０に達していない場合はステップＳＴ１に戻って上記の工程を繰り返す。カウンタｎの値が第１の設定値Ｎ０に達している場合は、一定の実効電力の駆動パルスＰ１によってロータ１３が第１の設定値Ｎ０回だけ連続して回転したことになるので、ステップＳＴ９においてレベル調整部２４を用いて次の駆動パルスＰ１の実効電力を１段階下げる。そして、ステップＳＴ１０においてカウンタｎを零クリアして次のサイクルに備える。
【０００８】
図９にステッピングモータ１０を回転駆動するために駆動コイル１１に一方の極性の磁界を励起するｐチャンネルＭＯＳ３３ａ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ａおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａの各ゲートＧＰ１、ＧＮ１およびＧＳ１と、逆方向の磁界を励起するためのｐチャンネルＭＯＳ３３ｂ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ｂおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ｂの各ゲートＧＰ２、ＧＮ２およびＧＳ２に供給される制御信号をタイミングチャートを用いて示してある。このステッピングモータの制御装置２０は、計時装置９のステッピングモータ１０を制御するために１秒ごとの運針を行うようになっており、駆動回路３０にはサイクリックに１連の制御信号が供給される。まず、時刻ｔ１に、例えばパルス幅Ｗ１０の駆動パルスＰ１を出力するための制御信号が駆動制御回路２４の駆動パルス供給部２４ａから駆動極側のｎチャンネルＭＯＳ３２ａのゲートＧＮ１およびｐチャンネルＭＯＳ３３ａのゲートＧＰ１に供給される。駆動パルスＰ１に続いて、時刻ｔ２にロータ１３の回転検出を行う回転検出用のパルスＳＰ２を出力するための制御パルスが駆動制御回路２４の回転検出パルス供給部２４ｂから駆動極側のｐチャンネルＭＯＳ３３ａのゲートＧＰ１およびサンプリング用のＭＯＳ３４ａのゲートＧＳ１に供給される。この回転検出パルスＳＰ２は、デューティーが１／２程度のチョッパパルスであり、ロータ１３が回転したときに駆動コイル１１に励起される誘導電流を回転検出用抵抗３５ａの出力電圧として得られるようにしている。そして、回転検出用抵抗３５ａの電圧が検出回路２５で設定値と比較され、ロータ１３が回転したか否かが判るようになっている。
【０００９】
回転検出パルスＳＰ２によって励起される誘導電圧が設定値に達しない場合は、ロータ１３が回転しなかったものと判断され、ステップＳＴ４において時刻ｔ３に補助パルスＰ２を出力するための制御信号が駆動制御回路２４の補助パルス供給部２４ｃから駆動極側のｎチャンネルＭＯＳ３２ａのゲートＧＮ１およびｐチャンネルＭＯＳ３３ａのゲートＧＰ１に供給される。補助パルスＰ２は、ロータ１３が必ず回転する程度のエネルギーをもった駆動パルスＰ１よりも実効電力の大きなパルス幅Ｗ２０の駆動用のパルスである。補助パルスＰ２が出力されると、これに続いて時刻ｔ４にステップＳＴ５において消磁用のパルスＰＥを出力するための制御パルスが駆動制御回路２４の消磁パルス供給部２４ｄから逆極側のｎチャンネルＭＯＳ３２ｂのゲートＧＮ２およびｐチャンネルＭＯＳ３３ｂのゲートＧＰ２に供給される。この消磁パルスＰＥは、実効電力の大きな補助パルスＰ２によって発生したステータ１２および駆動コイル１１の残留磁束を低減するためのものであり、補助パルスＰ２とは逆極となるパルスを供給することによって実現している。消磁パルスＰＥを供給することによりステッピングモータ１０を１ステップアングル回転駆動する一連のサイクルは終了する。
【００１０】
時刻ｔ１から１秒経過した時刻ｔ１１からステッピングモータ１０をさらに１ステップアングル回転するための次のサイクルが開始される。このサイクルでは、前のサイクルと反対側のＭＯＳ３２ｂ、３３ｂおよび３４ｂが駆動極側になる。先のサイクルと同様に、まず、時刻ｔ１１に駆動パルスＰ１が出力されるが、前回のサイクルで補助パルスＰ２が出力されているので、レベル調整部２４ｅによって実効電力が１段階上昇した駆動パルスＰ１が選択されており、例えば、前のサイクルの駆動パルスより広いパルス幅Ｗ１１の駆動パルスＰ１が時刻ｔ１１に出力される。さらに、時刻ｔ１２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力され、これによってロータ１３の回転が検出されないと、さらに、時刻ｔ１３に補助パルスＰ２が出力され、これに続いて時刻ｔ１４に消磁パルスＰＥが出力される。
【００１１】
次の時刻ｔ２１に開始されたサイクルでは、時刻ｔ２１にさらに幅の広いパルス幅Ｗ１２の駆動パルスＰ１が出力される。この実効電力が上昇した駆動パルスＰ１によってロータ１３が回転したことが時刻ｔ２２に出力された回転検出用パルスＳＰ２によって検出されるとサイクルは終了する。パルス幅Ｗ１２の駆動パルスＰ１によって連続して所定の回数Ｎ０だけロータ１３が回転すると、次の時刻ｔ３１から開始されるサイクルでは、実効電力が１段下がった、例えば、パルス幅Ｗ１１の駆動パルスＰ１が出力される。
【００１２】
このように、レベル調整部２４ｅによって駆動パルスＰ１としてはロータ１３を連続して回転駆動できる低い実効電力を備えたものが選択されるようになっており、低消費電力で正確な運針を行い、小型で薄く、寿命の長い計時装置を提供できるようになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、腕時計装置などの計時装置は、さらに小型化するために電池スペースは小さくなり、その一方で長寿命化が図られている。このため、ステッピングモータで消費される電力をいっそう低減することが要求されている。また、計時装置内にユーザの腕の動きなどを捉えて発電を行える発電装置を内蔵し、電池なしでも駆動できる腕時計装置などが開発されている。このような自己発電型の計時装置では、放置されている間などの発電が行われない状態でも長時間継続して動作することが要求されるので、ステッピングモータの消費電力を低減することは重要な課題の１つである。
【００１４】
ステッピングモータを駆動するための駆動パルスの電力は上述したような制御装置あるいは制御方法を採用することによって低減されている。しかしながら、発明者らがさらに詳しく検討したところによると、ほぼ最低限のトルクの駆動パルスによって回転していたステッピングモータが若干のトルク不足によってロータが回転せず補助パルスが出たケースにおいて、次のサイクルで１段階だけ実効電力の大きな駆動パルスが供給されてもトルク不足になるケースが多いことが判った。従って、いったん補助パルスが出力されるとトルク不足の状態が連続して発生し、１段階のレベルアップではたりず一気に２〜３段階レベルアップされた駆動パルスが出力されてしまうケースが多い。このような現象は、運針ミスによって駆動パルスに続いて補助パルスが出力されたときに輪列の歯車に加わるトルクが大きく変動するので、歯車のシャフトと軸受けの位置関係が微小に変動したり、歯車同士の噛み合い位置が変動するなどの原因によって噛み合い負荷が大きく増加してしまうことが原因と考えられる。補助パルスが出力されていったん２〜３段階レベルアップした駆動パルスになってしまうと、その後、複数回、例えばＮ０回連続して駆動できると駆動パルスＰ１の実効電力は１段階下がり、さらにＮ０回連続して駆動できるとようやく元の実効電力の駆動パルスに戻ることになる。さらに、この間に噛み合い負荷が大きくなるケースがあると再び駆動パルスＰ１の実効電力は１〜２段階あるいはそれ以上に上昇してしまう。従って、連続してロータが回転して輪列の状態が補助パルスが出力される前の状態に復帰し、回転に必要なトルクが低くなった状態でも駆動パルスＰ１の実効電力は必要な最低限の電力より多少、例えば、１あるいは２段階程度、さらにそれ以上に大きな値のままになる。
【００１５】
また、補助パルスＰ２が出力される原因を検討すると、その多くは輪列の噛み合い負荷が偶然に増加したことによるケースが多いと考えられる。すなわち、ステッピングモータ１０の動力を時針などに伝達する輪列５０は、複数のギアが組み合わされているので、これらのギアの製造公差あるいは組み立て公差などに起因して周期的に噛み合い負荷が増加するケースがある。上述した制御方法では、１ステップアングルでも噛み合い負荷が増加すると補助パルスＰ２が出力されるので駆動パルスＰ１の実効電力は１段階上昇してしまい、例えば、輪列が稼働する適当な周期の中で２ステップアングル分だけ噛み合い負荷が大きくなる状態があるとすると、このときに駆動パルスＰ１の実効電力は２段階上昇してしまう。さらに、上記のように補助パルスのトルクによって輪列の状態に変動すると、さらに数ステップはトルクが大きな状態が続くことがある。従って、従来の制御装置あるいは制御方法では、ロータを回転するために必要な最低限のトルクを供給できる実効電力の駆動パルスが供給できる制御方式を採用しているにもかかわらず、実際には、それより数段高いエネルギーの駆動パルスが常時供給されていることが多い。
【００１６】
そこで、本発明においては、このような補助パルスあるいは組み立て公差などに起因する輪列の噛み合い具合によって効率の悪くなるタイミングが発生する場合でも、他の効率の良いタイミングはできるだけ低い実効電力の駆動パルスを供給することにより、ステッピングモータの駆動電力をさらに低下することが可能な制御装置および制御方法を提供することを目的としている。そして、小型で長寿命の計時装置や、自己発電型で長時間放置しておいても継続して計時のできる計時装置を実現できる制御方法および制御装置を提供することも本発明の目的の１つである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、駆動パルスに続いて補助パルスが供給されたことによって噛み合い負荷が増加した場合でもロータが数ステップ回転する間に元の状態に復帰してトルクが低くなることが多いこと、および、歯車の公差などに起因して噛み合い負荷が大きくなってしまうのも１あるいは数ステップに限定されることが多いことに着目し、供給されたときに駆動パルスの実効電力を一様に上昇するのではなく、補助パルスから所定の期間内だけ実効電力が多少大きな駆動パルスを供給し、その後は先に設定された低い実効電力の駆動パルスを供給できるようにしている。すなわち、本発明の、多極磁化されたロータと駆動コイルを備えたステータ内で回転駆動可能なステッピングモータの制御装置であって、前記駆動コイルに対し前記ロータを駆動するための第１の駆動パルスを供給する第１の駆動手段と、前記駆動コイルに供給された駆動パルスによって前記ロータが回転したか否かを検出する回転検出手段と、前記ロータの回転が検出できなかったときに前記第１の駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを供給する補助パルス供給手段と、第１の設定回数だけ連続して前記ロータが回転したときに前記第１の駆動パルスの実効電力を段階的に調整するレベル調整手段と、前記補助パルスが供給された後に、第２の設定回数だけ、前記補助パルスが供給された直前の前記レベル調整手段によって調整された駆動パルスの実効電力より数段階だけ大きな実効電力の第２の駆動パルスを供給するようにしている。この第２の駆動パルスはパルス幅を変更したり、あるいは、駆動パルスの電圧を変更することによって駆動パルスの実効電力を制御することができる。
【００１８】
多極磁化されたロータと駆動コイルを備えたステータ内で回転駆動可能なステッピングモータの制御方法であって、前記駆動コイルに対し前記ロータを駆動するための第１の駆動パルスを供給する第１の駆動工程と、前記駆動コイルに供給された駆動パルスによって前記ロータが回転したか否かを検出する回転検出工程と、前記ロータの回転が検出できなかったときに前記第１の駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを供給する補助工程と、第１の設定回数だけ連続して前記ロータが回転したときに前記第１の駆動パルスの実効電力を段階的に低減するレベル調整工程と、前記補助パルスが供給された後に第２の設定回数だけ、前記補助パルスが供給された直前の前記レベル調整工程において調整された前記第１の駆動パルスの実効電力より数段階大きな実効電力の第２の駆動パルスを供給する第２の駆動工程とを有するようにしている。
【００１９】
このような第２の駆動手段あるいは第２の駆動工程を設けることにより、連続してロータを回転した実績に基づき実効電力が低くなった第１の駆動パルスの実効電力を上げずに、何らかの原因によって輪列の噛み合い負荷などが増加し、短時間だけ実効電力の大きな駆動パルスが必要とされる状況に対応することができる。従って、小さな実効電力の駆動パルスで運針できるタイミングでは、必要最小限のエネルギーに設定された第１の駆動パルスを供給することができるのでステッピングモータで消費される電力をさらに低減することが可能になる。一方、負荷が大きくなるステップアングルでは補助パルスに続いて実効電力の大きな第２の駆動パルスが出力されるので、消費電力の大幅な増加に繋がる補助パルスを連続して出力ような事態も防止することができる。
【００２２】
このように、低消費電力でステッピングモータを確実に回転することができる本発明の制御装置と、駆動パルスにより時計針を運針するステッピングモータと、複数の周波数のパルス信号を出力するパルス合成手段とを備えた計時装置を実現することにより、精度が高く、さらに、消費電力が非常に小さな小型で長寿命の計時装置を提供することができる。また、発電装置を内蔵した計時装置に本発明の制御方法あるいは制御装置を採用することにより長時間放置しても運針を継続して行える計時装置を実現することができる。
【００２３】
また、本発明のステッピングモータの制御方法は、論理回路や、マイクロプロセッサーの制御用プログラムなどとしてコンピュータに読み取り可能な媒体に記憶された状態で提供することができ、計時装置にかぎらず低消費電力で精度の高いモータ駆動の要求される装置に適用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
以下に図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態に係る計時装置１の概略構成を示してある。本例の計時装置１は、ステッピングモータ１０を制御装置２０によって駆動し、ステッピングモータ１０の動きを輪列５０を介して秒針６１、分針６２および時針６３に伝達して運針を行うようになっている。ステッピングモータ１０および輪列５０、さらに、制御装置２０の主な構成は図７に基づき説明したものと同様につき、共通する部分には同じ符号を付して以下では詳細な説明を省略する。
【００２５】
本例の計時装置１の制御装置２０に採用されている制御回路２３も駆動制御回路２４と検出回路２５を備えている。本例の駆動制御回路２４は、駆動回路３０を介して駆動コイル１１に駆動パルスＰ１を供給する第１の駆動パルス供給部２４ａと、駆動パルスに続いて回転検出用のパルスＳＰ２を供給する回転検出パルス供給部２４ｂと、駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスＰ２を供給する補助パルス供給部２４ｃと、補助パルスに続いて消磁パルスＰＥを供給する消磁パルス供給部２４ｄと、駆動パルスＰ１の実効電力を制御できるレベル調整部２４ｅと、さらに、第１の駆動パルス供給部２４ａから供給される駆動パルスＰ１より実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１を供給できる第２の駆動パルス供給部２４ｆを備えている。この第２の駆動パルス供給部２４ｆは、第１の駆動パルスＰ１よりも実効電力が数段階大きな第２の駆動パルスＰ１１を補助パルスＰ２から所定の第２の設定回数（本例においてはＭ０回のサイクル）だけ連続して供給するようになっている。
【００２６】
また、本例の計時装置１は、電池４１から出力された電力を昇降圧回路４９を介して制御装置２０の駆動回路３０に供給できるようになっている。本例の昇降圧回路４９は、複数のコンデンサ４９ａ、４９ｂおよび４９ｃを用いて多段階の昇圧および降圧ができるようになっており、制御装置２０の駆動制御回路２４から制御信号φ１１によって駆動回路３０に供給する電圧を調整することができる。また、昇降圧回路４９の出力電圧はモニタ回路φ１２によって駆動制御回路２４にも供給されており、これによって出力電圧をモニタすることができる。従って、第１の駆動パルスＰ１および第２の駆動パルスＰ１１の実効電力は、レベル調整部２４ｅが昇降圧回路４９を制御することによって設定することが可能である。このように、本例の計時装置１においては、パルス幅と電圧によって第１の駆動パルスＰ１および第２の駆動パルスＰ１１の実効電力を制御できるので、きめの細かい駆動電力の制御が可能であり、ロータ１３を回転するのに適した電力の駆動パルスを供給して省電力化を図っている。
【００２７】
図２に、本例の計時装置１に採用されているステッピングモータの制御方法の概略をフローチャートを用いて示してある。このフローチャートにおいても、先に図８に基づき説明した制御方法と同様のステップには同じ符号を付してあり、以下では詳しい説明を省略する。まず、ステップＳＴ１で運針用に１秒を計測する。本例の制御装置２０においては、次にステップＳＴ１１において、第２の駆動パルスＰ１１のカウンタｍの値が第２の設定回数Ｍ０に達しているか否かを判断する。カウンタｍの値が第２の設定回数Ｍ０に達している場合は、ステップＳＴ２に移行して第１の駆動パルス供給部２４ａの制御に基づき従来と同様に駆動パルスＰ１を出力する。
【００２８】
一方、カウンタｍが第２の設定回数Ｍ０以下である場合は、ステップＳＴ１２に移行して第１の駆動パルスＰ１に代わり、第２の駆動パルス供給部２４ｆの制御に基づき実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１を出力する。そして、ステップＳＴ１３においてカウンタｍを加算する。補助パルスＰ２が出力されるタイミングは、組み立て公差などの原因によって輪列の噛み合い具合が乱れて効率の悪い状態になっている場合が多い。さらに、このような原因による噛み合い負荷が増加するステップアングルは１ステップあるいは長くても数ステップに限定されているケースが殆どである。また、補助パルスＰ２が出力されたことによって輪列の状態が代わって噛み合い負荷が増加した状態になっても、ロータが数ステップ回転することによってもとの噛み合い負荷の低い状態に復帰することが多い。このため、本例のように、補助パルスＰ２に続いて実効電力が多少大きな第２の駆動パルスＰ１１を適当なステップアングル分だけ出力することによって噛み合い負荷が増加する期間を乗り切ることが可能であり、その後は、先に供給されていた実効電力の小さな第１の駆動パルスＰ１で通常通りの運針を行うことができる。
【００２９】
第１または第２の駆動パルスＰ１またはＰ１１が出力された後は、ステップＳＴ３において回転検出用パルス供給部２４ｂによって検出用パルスＳＰ２が供給され、検出回路２５でロータ１３の回転が正常に行われたか否かが確認される。そして、ロータ１３が回転していない場合はステップＳＴ４で補助パルス供給部２４ｃによって補助パルスＰ２が出力され、これに続いてステップＳＴ５で消磁パルス供給部２４ｄによって消磁パルスＰＥが出力される。さらに、ステップＳＴ６で駆動パルスの実効電力を１段階レベルアップする。その後、本例の制御装置２０において、ステップＳＴ１５で第２の駆動パルスＰ１１を出力するためのカウンタｍを初期化して次のサイクルでは第２の駆動パルスＰ１１が出力されるようにしている。
【００３０】
一方、ステップＳＴ３においてロータ１３の回転が確認されると、ステップＳＴ７において第１の駆動パルスＰ１のカウンタｎがアップされる。そして、ステップＳＴ８で、第１の駆動パルスＰ１の実効電力を低減するための第１の設定回数Ｎ０と比較される。カウンタｎが第１の設定回数Ｎ０に到達しているときはステップＳＴ９で第１の駆動パルスＰ１の実効電力が１段階下げられ、ステップＳＴ１０においてカウンタｎが初期化される。
【００３１】
図３に、タイミングチャートを用いて本例の制御装置からステッピングモータ１０に駆動パルスなどが供給される一例を示してある。図３には、先に説明した図９と同様に、駆動コイル１１にある方向の磁界（駆動極側）を励起するｐチャンネルＭＯＳ３３ａ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ａおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａの各ゲートＧＰ１、ＧＮ１およびＧＳ１と、駆動極側に対して反対となる逆方向の磁界を励起するためのｐチャンネルＭＯＳ３３ｂ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ｂおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ｂの各ゲートＧＰ２、ＧＮ２およびＧＳ２に供給される制御信号を用いて示してあり、図８と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００３２】
まず、上記のフローチャートのステップＳＴ１において時間が経過すると、前のサイクルでは補助パルスＰ２が出力されておらず、また、カウンタｍの値が第２の設定回数Ｍ０に達しているので、時刻ｔ４１に電圧Ｖ１０の第１の駆動パルスＰ１が出力され、最初のサイクルが開始される。次に時刻ｔ４２にステップＳＴ３において回転検出用パルスＳＰ２が出力され、回転が検出されないと時刻ｔ４３にステップＳＴ４で補助パルスＰ２が出力される。補助パルスＰ２が出力されると、時刻ｔ４４にステップＳＴ５で消磁パルスＰＥが出力され１つのサイクルを終了する。
【００３３】
時刻ｔ４１から１秒が経過すると次のサイクルが開始される。前のサイクルで補助パルスＰ２が出力されているので、カウンタｍは零クリアされている。このため、このサイクルでは、ステップＳＴ１１においてカウンタｍが第２の設定回数Ｍ０に達していないので、時刻ｔ５１にステップＳＴ１２で第１の駆動パルスＰ１よりレベルアップされた、すなわち、実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１が出力される。本例の計時装置１においては、昇降圧回路４９によって電圧を制御できるようになっているので、第２の駆動パルスＰ１１として電圧Ｖ１０より高い電圧Ｖ１１の駆動パルスが時刻ｔ５１に出力される。なお、昇降圧回路４９から出力される電圧を制御することによって駆動回路３０からステッピングモータ１０に供給されるパルスの電圧が決定されるが、以下では、簡単のためタイミングチャートに示された制御用のパルスの電圧で駆動パルスの電圧を示してある。
【００３４】
第２の駆動パルスＰ１１に続いて時刻ｔ５２にステップＳＴ３で回転検出用のパルスＳＰ２が供給され、ロータ１３の回転が確認される。同様に次のサイクルにおいても時刻ｔ６１に第２の駆動パルスＰ１１が出力され、次の時刻ｔ６２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力される。さらに、次のサイクルにおいても時刻ｔ７１に第２の駆動パルスＰ１１が出力され、次の時刻ｔ７２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力される。本例の計時装置１においては、第２の設定回数Ｍ０を例えば３に設定してあり、時刻ｔ８１から始まる次のサイクルにおいては、第２の駆動パルスＰ１１のカウンタｍが３になる。従って、時刻ｔ８１から始まる次のサイクルにおいては、ステップＳＴ１１からステップＳＴ２に移行し、補助パルスＰ２（時刻ｔ４３）が供給される前のサイクルより実効電力が１ランクアップした電圧Ｖ１０’の第１の駆動パルスＰ１が時刻ｔ８１に出力される。
【００３５】
このように、本例の計時装置１に採用されている制御装置２０においては、ロータ１３を駆動するための負荷が高くなって補助パルスＰ２が出力される状態になった後に、従来であれば駆動パルス（本例においては第１の駆動パルス）Ｐ１の実効電力を１段階づつ上げて対応していたのに対し、第１の駆動パルスＰ１の実効電力を１ランクだけアップした後に、その第１の駆動パルスＰ１の実効電力よりも１段階またはそれ以上大きな実効電力の第２の駆動パルスＰ１１を供給して負荷が高くなった状態に対処するようにしている。先に説明したように、ロータ１３の負荷が増す主な原因は輪列の噛み合い負荷が微小な製造上のばらつきや組み立て上のばらつきによって増加することに起因しているケースがほとんどである。さらに、その後もロータ１３の負荷が大きな状態が継続する原因は、公差によって噛み合い負荷が増加した状態が続くことがあることと、駆動トルクの大きな補助パルスが供給されることによって輪列の噛み合い状態が低トルクの駆動パルスのときから若干変動してしまうことによるものが殆どである。このため、周期的に発生することも多いが、ロータが数ステップ継続して回転することによって元のトルクで回る状態に復帰するので、負荷が増加するために大きな実効電力のパルスが必要となるステップアングルの数は少ない。従って、本例のように補助パルスＰ２に続いて通常供給される実効電力の駆動パルスＰ１よりも実効電力が多少大きい駆動パルスＰ１１を供給することによって負荷が増えたステップアングルを回転ミスなく駆動することができる。さらに、トルクの非常に大きな補助パルスを連続して供給せずに済むので、消費電力を低減できると同時に輪列の状態を早期に復帰させることができる。そして、噛み合い負荷が増加するステップアングルを経過した後は、実効電力が最小限に絞られた駆動パルスＰ１を供給してロータ１３を駆動することができる。従って、従来のように、実際に必要とされるエネルギーの１あるいは２段階程度あるいはそれ以上に大きな実効電力の駆動パルスが常時供給されるような事態を避けることができ、ステッピングモータで消費される電力をさらに低減することが可能となる。
【００３６】
〔第２の実施の形態〕
図４に、本発明の第２の実施の形態に係る計時装置１の概略構成を示してある。本例の計時装置１は、図１に基づき説明した計時装置とほぼ同じ構成につき、共通する部分については同じ符号を付して以下では詳細な説明は省略する。本例の計時装置１に採用されている制御回路２３は、駆動パルスＰ１を供給する駆動パルス供給部２４ａと、ロータ１３の回転検出用パルスＳＰ２を供給する回転検出用パルス供給部２４ｂと、補助パルスＰ２を供給する補助パルス供給部２４ｃを備えている。
【００３７】
本例の駆動制御回路２４の補助パルス供給部２４ｃは、上述した従来の回路と同様に検出回路２５でロータ１３が回転しないと判定された場合に実効電力の大きな補助パルスＰ２を供給するようになっている。また、補助パルスＰ２に続いて出力される消磁パルスＰＥを制御する本例の消磁パルス供給部２４ｄは、消磁パルスＰＥを従来よりも遅いタイミングで次の駆動パルスＰ１の直前に出力するようになっており、これによって次の駆動パルスＰ１の実質的な実効電力を高めてロータ１３を回転するのに十分なエネルギーを与えられるようにしている。従って、駆動パルスＰ１のエネルギーを増やさずに補助パルスＰ２に続くサイクルでは実質的な実効電力の大きな駆動パルスを供給することができ、回転不良の原因となった噛み合い負荷の増加するステップアングルを乗り切ることができる。また、補助パルスＰ２が連続して供給されるのを防止できるので、輪列の噛み合い状態を早期に噛み合い負荷の低い元の状態に復帰させることができる。従って、本例のステッピングモータ１０の制御回路２０においては、噛み合い公差や軸ずれなどによって負荷が増加したステップアングルを乗り切れば噛み合い負荷の少ない状態に合わせて実効電力がほぼ限界まで低下された駆動パルスＰ１を用いてステッピングモータ１０を駆動できるようになっている。このため、従来のように限界値の数段回上の実効電力の駆動パルスＰ１が供給される機会が大幅に減少し、ステッピングモータを駆動する際の消費電力をさらに低減することができる。
【００３８】
図５に、本例の計時装置１に採用されているステッピングモータの制御方法の概略をフローチャートを用いて示してある。このフローチャートにおいても、先に説明した制御方法と同様のステップには同じ符号を付してあり、共通する部分については以下では詳しい説明を省略する。まず、ステップＳＴ１で運針用に１秒を計測し、１秒が経過するとステップＳＴ２において駆動パルスＰ１を出力する。これに続いてステップＳＴ３に回転検出用のパルスＳＰ２を出力し、ロータ１３が回転したか否かを検出する。回転が検出されなかったときは、補助パルスＰ２を供給するサブルーチンを実効する。このサブルーチンにおいては、ステップＳＴ４で実効電力の大きな補助パルスＰ２を出力し、次に消磁パルスＰＥを出力し、さらに、駆動パルスＰ１の実効電力を通常通り１ランクアップする。本例においては、消磁パルス供給部２４ｄにおいて消磁パルスＰＥを出力するタイミングを遅らせるようにしており、ステップＳＴ２１において時間経過を計測し、次のサイクルが始まる直前、すなわち、次の駆動パルスＰ１が出力される直前にステップＳＴ５において消磁パルスＰＥを出力するようにしている。補助パルスＰ２が出力された後に消磁パルスＰＥが出力されるとメインルーチンに戻ってステップＳＴ７に移行する。このように、本例の制御方法では、補助パルスＰ２が出力された後に駆動パルスＰ１の実効電力を１ランクアップすると共に、消磁パルスＰＥの電力を用いて大きな力で回転駆動させ、再び補助パルスＰ２が出力されて駆動パルスＰ１の実効電力が連続して２ランクあるいはそれ以上に増加するような事態を防止している。
【００３９】
一方、ステップＳＴ３においてロータ１３の回転が検出された場合は、補助パルスＰ２を出力するサブルーチンは実効されず、ステップＳＴ７においてカウンタｎをアップし、ステップＳＴ８において第１の設定回数Ｎ０と比較する。そして、設定回数Ｎ０にカウンタｎが達している場合はステップＳＴ９において駆動パルスＰ１の実効電力をさらに１段階低減して省電力化を図り、ステップＳＴ１０でカウンタｎを初期化する。
【００４０】
図６に、タイミングチャートを用いて本例の制御装置からステッピングモータ１０に駆動パルスなどが供給される一例を示してある。図６も先に説明した図３と同様に、駆動回路３０を構成するｐチャンネルＭＯＳ３３ａ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ａおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａの各ゲートＧＰ１、ＧＮ１およびＧＳ１、さらに、ｐチャンネルＭＯＳ３３ｂ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ｂおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ｂの各ゲートＧＰ２、ＧＮ２およびＧＳ２に供給される制御信号を用いて示してあり、上述した部分と共通するものについては同じ符号を付して説明を省略する。
【００４１】
時刻ｔ９１に最初のサイクルが開始されると、まず、電圧Ｖ１０の駆動パルスＰ１が駆動極側から出力され、これに続いて時刻ｔ９２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力される。そして、輪列の噛み合い公差などに起因してロータ１３が回転しない場合は、時刻ｔ９３に実効電力の大きな補助パルスＰ２が駆動極側から出力される。次いで、本例の制御方法においては、次のサイクルが開始される時刻ｔ１０１の直前に当たる時刻ｔ９４に消磁用のパルスＰＥが逆極側から出力される。消磁用パルスＰＥが出力されるとすぐに次のサイクルが開始され、時刻ｔ１０１に前のサイクルの逆極側に相当する駆動極側で次の駆動パルスＰ１が出力される。このため、消磁パルスＰＥと駆動パルスＰ１によってロータ１３を駆動するパルスが構成される状態となり実質的な実効電力が増大し、補助パルスＰ２が出力されることによって噛み合い負荷が増加したアングルでもロータ１３を回転させることができる。
【００４２】
時刻ｔ１０２に回転検出用パルスＳＰ２が出力され、回転が検出されると、次のサイクルでは時刻ｔ１１１に補助パルスＰ２が時刻ｔ９３で出力される前より１ランクアップした駆動パルス、すなわち、電圧Ｖ１０’の駆動パルスＰ１が出力される。このように、本例の制御装置および制御方法においては、噛み合い負荷が一時的に増加するために補助パルスＰ２を用いないとロータ１３が回転できない状態となったときに、これに続く駆動パルスＰ１の実効電力を連続的に複数段階増加させることなく噛み合い負荷の高いタイミングを乗り切って精度の高い運針を行うことができる。
【００４３】
以上のように、本例の計時装置１は、補助パルスＰ２が出力された後に、実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１を出力したり、あるいは、消磁パルスＰＥを出力するタイミングを次の駆動パルスＰ１に近づけるようにして実質的に実効電力の高い駆動パルスを供給できるようにしている。このため、噛み合い公差などに起因する非常に短い間だけステッピングモータ１０にかかる負荷の増加に対し、駆動パルスＰ１の実効電力を必要以上に上げずに対応することができる。従って、噛み合い公差などが元の状態に戻ってステッピングモータ１０にかかる負荷も減ると、先に設定した実効電力より１ランクアップした程度の小さな駆動パルスＰ１が出力される。このため、従来においては、噛み合い公差や、その後の補助パルスが出力されたことによる軸ずれなどに起因する殆ど瞬間的な負荷の上昇によって駆動パルスＰ１の実効電力が数段階上昇してしまい結果的に必要最小限の実効電力よりも大きな駆動パルスによってステッピングモータが駆動されていたのに対し、本発明では瞬間的な負荷の上昇に対応できると共に負荷が通常に戻った場合には必要最小限の実効電力の駆動パルスを供給することができる。従って、ステッピングモータで消費される電力を従来よりもさらに低減することが可能となり、小型で長寿命の計時装置を実現したり、また、自己発電型の計時装置において長時間放置されても継続的に稼働する計時装置を提供することができる。また、本発明は腕時計装置などの計時装置に限らず、クロノグラフなどの多機能時計やその他の発電装置およびステッピングモータを内蔵しいた装置においても本発明を提供できることはもちろんである。
【００４４】
なお、上記において説明したそれぞれの駆動パルスＰ１、補助パルスＰ２、および回転検出パルスＳＰ２などの波形は例示であり、計時装置に採用されたステッピングモータ１０の特性などに合わせて設定できることはもちろんである。また、上記の例では、計時装置に好適な２相のステッピングモータを例に本発明を説明しているが、３相以上のステッピングモータに対しても本発明を同様に適用できることはもちろんである。また、各相に共通した制御を行う代わりに、各相毎の適したパルス幅およびタイミングで駆動パルスを供給することも可能である。また、ステッピングモータの駆動方式は、１相励磁に限らず、２相励磁あるいは１−２相励磁であっても良いことはもちろんである。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の制御方法および制御装置はステッピングモータが所定の実効電力の駆動パルスによって連続して動いた場合に駆動パルスの実効電力を徐々に減らしながら低消費電力でステッピングモータを駆動できるものである。さらに、本発明によってステッピングモータの動力を伝達するための輪列の噛み合いの公差や、その後の強制的に回転させるためのトルクの大きな補助パルスの影響によって瞬間的に負荷が増えても、継続的に供給される駆動パルスの実効電力そのものは増加させずに対応することができるので、ほぼ限界まで低減された実効電力の駆動パルスによってステッピングモータを駆動することができる。従って、本発明により、従来にも増して低消費電力でステッピングモータを駆動することが可能となり、今後の小型で長寿命を目指した計時装置や、発電装置を内蔵して電池が不要の計時装置に好適な制御装置および制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータと発電装置を格納した計時装置の概略構成を示す図である。
【図２】 図１に示す制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】 図１に示す制御装置の動きを示すタイミングチャートである。
【図４】 本発明の第２の実施の形態に係るステッピングモータと発電装置を格納した計時装置の概略構成を示す図である。
【図５】 図４に示す制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】 図４に示す制御装置の動きを示すタイミングチャートである。
【図７】 従来の計時装置の概略構成を示す図である。
【図８】 図７に示す制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図９】 図７に示す計時装置に採用されている制御装置の動きを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１、９・・計時装置
１０・・ステッピングモータ
１１・・駆動コイル
１２・・駆動用ステータ
１３・・駆動用ロータ
２０・・制御装置
２１・・水晶振動子
２２・・パルス合成回路
２３・・制御回路
２４・・駆動制御回路
２４ａ・・第１の駆動パルス供給部
２４ｂ・・回転検出用パルス供給部
２４ｃ・・補助パルス供給部
２４ｄ・・消磁パルス供給部
２４ｅ・・レベル調整部
２４ｆ・・第２の駆動パルス供給部
２５・・検出回路
３０・・駆動回路
４１・・電池
４９・・昇降圧回路
５０・・輪列
５１・・五番車
５２・・四番車
５３・・三番車
５４・・二番車
５５・・日の裏車
５６・・筒車
６１・・秒針
６２・・分針
６３・・時針
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータの制御装置および制御方法に関し、特に、低消費電力の電子時計などに適した制御装置および制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータは、パルスモータ、ステッピングモータ、階動モータあるいはデジタルモータなどとも称され、デジタル制御装置のアクチュエータとして多用されているパルス信号によって駆動されるモータである。近年、携帯に適した小型の電子装置あるいは情報機器が開発されており、これらのアクチュエータとして小型、軽量化されたステッピングモータが多く採用されている。このような電子装置の代表的なものが電子時計、時間スイッチ、クロノグラフといった計時装置である。図７にステッピングモータを用いた腕時計装置などの計時装置の一例を示してある。この計時装置９は、ステッピングモータ１０と、このステッピングモータ１０を駆動する制御装置２０と、ステッピングモータ１０の動きを伝達する輪列５０、および輪列５０によって運針される秒針６１、分針６２および時針６３を備えている。ステッピングモータ１０は、制御装置２０から供給される駆動パルスによって磁力を発生する駆動コイル１１と、この駆動コイル１１によって励磁されるステータ１２と、さらに、ステータ１２の内部において励磁される磁界により回転するロータ１３を備えており、ロータ１３がディスク状の２極の永久磁石によって構成されたＰＭ型（永久磁石回転型）のステッピングモータ１０となっている。ステータ１２には、駆動コイル１１で発生した磁力によって異なった磁極がロータ１３の回りのそれぞれの相（極）１５および１６に発生するように磁気飽和部１７が設けられている。また、ロータ１３の回転方向を規定するために、ステータ１２の内周の適当な位置には内ノッチ１８が設けられており、コギングトルクを発生させてロータ１３が適当な位置に停止するようにしている。
【０００３】
ステッピングモータ１０のロータ１３の回転は、かなを介してロータ１３に噛合された五番車５１、四番車５２、三番車５３、二番車５４、日の裏車５５および筒車５６からなる輪列５０によって各針に伝達される。四番車５２の軸には秒針６１が接続され、二番車５４には分針６２が接続され、さらに、筒車５６には時針６３が接続されており、ロータ１３の回転に連動してこれらの各針によって時刻が表示される。輪列５０には、さらに、年月日などの表示を行うための伝達系など（不図示）を接続することももちろん可能である。
【０００４】
この計時装置９では、ステッピングモータ１０の回転によって時刻を表示するために、ステッピングモータ１０には基準となる周波数の信号をカウント（計時）して定期的に駆動パルスが供給される。ステッピングモータ１０を制御する本例の制御装置２０は、水晶振動子などの基準発振源２１を用いて基準周波数の基準パルスやパルス幅やタイミングの異なるパルス信号を発生するパルス合成回路２２と、パルス合成回路２２から供給された種々のパルス信号に基づきステッピングモータ１０を制御する制御回路２３を備えている。さらに、制御回路２３は、後述する駆動回路を制御する駆動制御回路２４と、回転検出などを行う検出回路２５を備えている。駆動制御回路２４は、駆動回路を介して駆動コイル１１に対しステッピングモータ１０の駆動用ロータ１３を駆動するための駆動パルスを供給する駆動パルス供給部２４ａと、駆動パルスに続いて駆動用ロータ１３の回転検出用に誘導電圧を誘起する回転検出パルスを出力するための回転検出パルス供給部２４ｂと、駆動用ロータ１３が回転しなかったときに駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを出力するための補助パルス供給部２４ｃと、補助パルスに続いて消磁用に補助パルスと極性の異なる消磁パルスを出力するための消磁パルス供給部２４ｄと、さらに、駆動パルスの実効電力を調整するためのレベル調整部２４ｅを備えている。また、検出回路２５は、回転検出パルスによって得られた回転検出用の誘導電圧を設定値と比較して回転の有無を検出し、その結果を駆動制御回路２４にフィードバックできるようになっている。
【０００５】
駆動制御回路２４の制御の基にステッピングモータ１０に様々な駆動パルスを供給する駆動回路３０は、直列に接続されたｎチャンネルＭＯＳ３３ａとｐチャンネルＭＯＳ３２ａ、およびｎチャンネルＭＯＳ３３ｂとｐチャンネルＭＯＳ３２ｂによって構成されたブリッジ回路を備えており、これらによって電池４１からステッピングモータ１０に供給される電力を制御できるようになっている。さらに、ｐチャンネルＭＯＳ３２ａおよび３２ｂとそれぞれ並列に接続された回転検出用抵抗３５ａおよび３５ｂと、これらの抵抗３５ａおよび３５ｂにチョッパパルスを供給するためのサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａおよび３４ｂを備えている。従って、これらのＭＯＳ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａおよび３４ｂの各ゲート電極に駆動制御回路２４の各パルス供給部２４ａ〜２４ｅからそれぞれのタイミングで極性およびパルス幅の異なる制御パルスを印加することにより、駆動コイル１１に極性の異なる駆動パルスを供給したり、あるいは、ロータ１３の回転検出用のパルスを供給することができる。
【０００６】
図８に、制御装置２０の動きをフローチャートに纏めて示してある。まず、ステップＳＴ１で計時用の基準パルスをカウントして１秒を計測する。１秒が経過すると、ステップＳＴ２において駆動パルス供給部２４ａの制御によって駆動パルスＰ１を出力する。続いて、ステップＳＴ３で回転検出用パルス供給部２４ｂの制御によって回転検出用パルスＳＰ２を出力し、得られた電圧を検出回路２５で設定値を比較してロータ１３の回転を確認する。回転が確認できない場合は、補助パルスを用いて確実にロータ１３を回転させるサブルーチンを実効する。このサブルーチンにおいては、まず、ステップＳＴ４において、補助パルス供給部２４ｃの制御の基に実効電力の大きな補助パルスＰ２を供給してロータ１３を確実に回転させる。補助パルスＰ２が出力されるとステップＳＴ５において消磁パルス供給部２４ｄの制御の基に消磁パルスＰＥを出力する。次いで、レベル調整部２４ｅにおいて、次に出力される駆動パルスＰ１の実効電力を１段階アップする。そして、これらのステップを行うとメインルーチンに戻り、以下のプロセスを実効する。
【０００７】
ステップＳＴ３において、ロータ１３の回転が確認された場合は、上記のサブルーチンを行わずステップＳＴ７においてカウンタｎを加算する。そして、ステップＳＴ８において、カウンタｎの値が第１の設定値Ｎ０に達していない場合はステップＳＴ１に戻って上記の工程を繰り返す。カウンタｎの値が第１の設定値Ｎ０に達している場合は、一定の実効電力の駆動パルスＰ１によってロータ１３が第１の設定値Ｎ０回だけ連続して回転したことになるので、ステップＳＴ９においてレベル調整部２４を用いて次の駆動パルスＰ１の実効電力を１段階下げる。そして、ステップＳＴ１０においてカウンタｎを零クリアして次のサイクルに備える。
【０００８】
図９にステッピングモータ１０を回転駆動するために駆動コイル１１に一方の極性の磁界を励起するｐチャンネルＭＯＳ３３ａ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ａおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａの各ゲートＧＰ１、ＧＮ１およびＧＳ１と、逆方向の磁界を励起するためのｐチャンネルＭＯＳ３３ｂ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ｂおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ｂの各ゲートＧＰ２、ＧＮ２およびＧＳ２に供給される制御信号をタイミングチャートを用いて示してある。このステッピングモータの制御装置２０は、計時装置９のステッピングモータ１０を制御するために１秒ごとの運針を行うようになっており、駆動回路３０にはサイクリックに１連の制御信号が供給される。まず、時刻ｔ１に、例えばパルス幅Ｗ１０の駆動パルスＰ１を出力するための制御信号が駆動制御回路２４の駆動パルス供給部２４ａから駆動極側のｎチャンネルＭＯＳ３２ａのゲートＧＮ１およびｐチャンネルＭＯＳ３３ａのゲートＧＰ１に供給される。駆動パルスＰ１に続いて、時刻ｔ２にロータ１３の回転検出を行う回転検出用のパルスＳＰ２を出力するための制御パルスが駆動制御回路２４の回転検出パルス供給部２４ｂから駆動極側のｐチャンネルＭＯＳ３３ａのゲートＧＰ１およびサンプリング用のＭＯＳ３４ａのゲートＧＳ１に供給される。この回転検出パルスＳＰ２は、デューティーが１／２程度のチョッパパルスであり、ロータ１３が回転したときに駆動コイル１１に励起される誘導電流を回転検出用抵抗３５ａの出力電圧として得られるようにしている。そして、回転検出用抵抗３５ａの電圧が検出回路２５で設定値と比較され、ロータ１３が回転したか否かが判るようになっている。
【０００９】
回転検出パルスＳＰ２によって励起される誘導電圧が設定値に達しない場合は、ロータ１３が回転しなかったものと判断され、ステップＳＴ４において時刻ｔ３に補助パルスＰ２を出力するための制御信号が駆動制御回路２４の補助パルス供給部２４ｃから駆動極側のｎチャンネルＭＯＳ３２ａのゲートＧＮ１およびｐチャンネルＭＯＳ３３ａのゲートＧＰ１に供給される。補助パルスＰ２は、ロータ１３が必ず回転する程度のエネルギーをもった駆動パルスＰ１よりも実効電力の大きなパルス幅Ｗ２０の駆動用のパルスである。補助パルスＰ２が出力されると、これに続いて時刻ｔ４にステップＳＴ５において消磁用のパルスＰＥを出力するための制御パルスが駆動制御回路２４の消磁パルス供給部２４ｄから逆極側のｎチャンネルＭＯＳ３２ｂのゲートＧＮ２およびｐチャンネルＭＯＳ３３ｂのゲートＧＰ２に供給される。この消磁パルスＰＥは、実効電力の大きな補助パルスＰ２によって発生したステータ１２および駆動コイル１１の残留磁束を低減するためのものであり、補助パルスＰ２とは逆極となるパルスを供給することによって実現している。消磁パルスＰＥを供給することによりステッピングモータ１０を１ステップアングル回転駆動する一連のサイクルは終了する。
【００１０】
時刻ｔ１から１秒経過した時刻ｔ１１からステッピングモータ１０をさらに１ステップアングル回転するための次のサイクルが開始される。このサイクルでは、前のサイクルと反対側のＭＯＳ３２ｂ、３３ｂおよび３４ｂが駆動極側になる。先のサイクルと同様に、まず、時刻ｔ１１に駆動パルスＰ１が出力されるが、前回のサイクルで補助パルスＰ２が出力されているので、レベル調整部２４ｅによって実効電力が１段階上昇した駆動パルスＰ１が選択されており、例えば、前のサイクルの駆動パルスより広いパルス幅Ｗ１１の駆動パルスＰ１が時刻ｔ１１に出力される。さらに、時刻ｔ１２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力され、これによってロータ１３の回転が検出されないと、さらに、時刻ｔ１３に補助パルスＰ２が出力され、これに続いて時刻ｔ１４に消磁パルスＰＥが出力される。
【００１１】
次の時刻ｔ２１に開始されたサイクルでは、時刻ｔ２１にさらに幅の広いパルス幅Ｗ１２の駆動パルスＰ１が出力される。この実効電力が上昇した駆動パルスＰ１によってロータ１３が回転したことが時刻ｔ２２に出力された回転検出用パルスＳＰ２によって検出されるとサイクルは終了する。パルス幅Ｗ１２の駆動パルスＰ１によって連続して所定の回数Ｎ０だけロータ１３が回転すると、次の時刻ｔ３１から開始されるサイクルでは、実効電力が１段下がった、例えば、パルス幅Ｗ１１の駆動パルスＰ１が出力される。
【００１２】
このように、レベル調整部２４ｅによって駆動パルスＰ１としてはロータ１３を連続して回転駆動できる低い実効電力を備えたものが選択されるようになっており、低消費電力で正確な運針を行い、小型で薄く、寿命の長い計時装置を提供できるようになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、腕時計装置などの計時装置は、さらに小型化するために電池スペースは小さくなり、その一方で長寿命化が図られている。このため、ステッピングモータで消費される電力をいっそう低減することが要求されている。また、計時装置内にユーザの腕の動きなどを捉えて発電を行える発電装置を内蔵し、電池なしでも駆動できる腕時計装置などが開発されている。このような自己発電型の計時装置では、放置されている間などの発電が行われない状態でも長時間継続して動作することが要求されるので、ステッピングモータの消費電力を低減することは重要な課題の１つである。
【００１４】
ステッピングモータを駆動するための駆動パルスの電力は上述したような制御装置あるいは制御方法を採用することによって低減されている。しかしながら、発明者らがさらに詳しく検討したところによると、ほぼ最低限のトルクの駆動パルスによって回転していたステッピングモータが若干のトルク不足によってロータが回転せず補助パルスが出たケースにおいて、次のサイクルで１段階だけ実効電力の大きな駆動パルスが供給されてもトルク不足になるケースが多いことが判った。従って、いったん補助パルスが出力されるとトルク不足の状態が連続して発生し、１段階のレベルアップではたりず一気に２〜３段階レベルアップされた駆動パルスが出力されてしまうケースが多い。このような現象は、運針ミスによって駆動パルスに続いて補助パルスが出力されたときに輪列の歯車に加わるトルクが大きく変動するので、歯車のシャフトと軸受けの位置関係が微小に変動したり、歯車同士の噛み合い位置が変動するなどの原因によって噛み合い負荷が大きく増加してしまうことが原因と考えられる。補助パルスが出力されていったん２〜３段階レベルアップした駆動パルスになってしまうと、その後、複数回、例えばＮ０回連続して駆動できると駆動パルスＰ１の実効電力は１段階下がり、さらにＮ０回連続して駆動できるとようやく元の実効電力の駆動パルスに戻ることになる。さらに、この間に噛み合い負荷が大きくなるケースがあると再び駆動パルスＰ１の実効電力は１〜２段階あるいはそれ以上に上昇してしまう。従って、連続してロータが回転して輪列の状態が補助パルスが出力される前の状態に復帰し、回転に必要なトルクが低くなった状態でも駆動パルスＰ１の実効電力は必要な最低限の電力より多少、例えば、１あるいは２段階程度、さらにそれ以上に大きな値のままになる。
【００１５】
また、補助パルスＰ２が出力される原因を検討すると、その多くは輪列の噛み合い負荷が偶然に増加したことによるケースが多いと考えられる。すなわち、ステッピングモータ１０の動力を時針などに伝達する輪列５０は、複数のギアが組み合わされているので、これらのギアの製造公差あるいは組み立て公差などに起因して周期的に噛み合い負荷が増加するケースがある。上述した制御方法では、１ステップアングルでも噛み合い負荷が増加すると補助パルスＰ２が出力されるので駆動パルスＰ１の実効電力は１段階上昇してしまい、例えば、輪列が稼働する適当な周期の中で２ステップアングル分だけ噛み合い負荷が大きくなる状態があるとすると、このときに駆動パルスＰ１の実効電力は２段階上昇してしまう。さらに、上記のように補助パルスのトルクによって輪列の状態に変動すると、さらに数ステップはトルクが大きな状態が続くことがある。従って、従来の制御装置あるいは制御方法では、ロータを回転するために必要な最低限のトルクを供給できる実効電力の駆動パルスが供給できる制御方式を採用しているにもかかわらず、実際には、それより数段高いエネルギーの駆動パルスが常時供給されていることが多い。
【００１６】
そこで、本発明においては、このような補助パルスあるいは組み立て公差などに起因する輪列の噛み合い具合によって効率の悪くなるタイミングが発生する場合でも、他の効率の良いタイミングはできるだけ低い実効電力の駆動パルスを供給することにより、ステッピングモータの駆動電力をさらに低下することが可能な制御装置および制御方法を提供することを目的としている。そして、小型で長寿命の計時装置や、自己発電型で長時間放置しておいても継続して計時のできる計時装置を実現できる制御方法および制御装置を提供することも本発明の目的の１つである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、駆動パルスに続いて補助パルスが供給されたことによって噛み合い負荷が増加した場合でもロータが数ステップ回転する間に元の状態に復帰してトルクが低くなることが多いこと、および、歯車の公差などに起因して噛み合い負荷が大きくなってしまうのも１あるいは数ステップに限定されることが多いことに着目し、供給されたときに駆動パルスの実効電力を一様に上昇するのではなく、補助パルスから所定の期間内だけ実効電力が多少大きな駆動パルスを供給し、その後は先に設定された低い実効電力の駆動パルスを供給できるようにしている。すなわち、本発明の、多極磁化されたロータと駆動コイルを備えたステータ内で回転駆動可能なステッピングモータの制御装置であって、前記駆動コイルに対し前記ロータを駆動するための第１の駆動パルスを供給する第１の駆動手段と、前記駆動コイルに供給された駆動パルスによって前記ロータが回転したか否かを検出する回転検出手段と、前記ロータの回転が検出できなかったときに前記第１の駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを供給する補助パルス供給手段と、第１の設定回数だけ連続して前記ロータが回転したときに前記第１の駆動パルスの実効電力を段階的に調整するレベル調整手段と、前記補助パルスが供給された後に、第２の設定回数だけ、前記補助パルスが供給された直前の前記レベル調整手段によって調整された駆動パルスの実効電力より数段階だけ大きな実効電力の第２の駆動パルスを供給するようにしている。この第２の駆動パルスはパルス幅を変更したり、あるいは、駆動パルスの電圧を変更することによって駆動パルスの実効電力を制御することができる。
【００１８】
多極磁化されたロータと駆動コイルを備えたステータ内で回転駆動可能なステッピングモータの制御方法であって、前記駆動コイルに対し前記ロータを駆動するための第１の駆動パルスを供給する第１の駆動工程と、前記駆動コイルに供給された駆動パルスによって前記ロータが回転したか否かを検出する回転検出工程と、前記ロータの回転が検出できなかったときに前記第１の駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを供給する補助工程と、第１の設定回数だけ連続して前記ロータが回転したときに前記第１の駆動パルスの実効電力を段階的に低減するレベル調整工程と、前記補助パルスが供給された後に第２の設定回数だけ、前記補助パルスが供給された直前の前記レベル調整工程において調整された前記第１の駆動パルスの実効電力より数段階大きな実効電力の第２の駆動パルスを供給する第２の駆動工程とを有するようにしている。
【００１９】
このような第２の駆動手段あるいは第２の駆動工程を設けることにより、連続してロータを回転した実績に基づき実効電力が低くなった第１の駆動パルスの実効電力を上げずに、何らかの原因によって輪列の噛み合い負荷などが増加し、短時間だけ実効電力の大きな駆動パルスが必要とされる状況に対応することができる。従って、小さな実効電力の駆動パルスで運針できるタイミングでは、必要最小限のエネルギーに設定された第１の駆動パルスを供給することができるのでステッピングモータで消費される電力をさらに低減することが可能になる。一方、負荷が大きくなるステップアングルでは補助パルスに続いて実効電力の大きな第２の駆動パルスが出力されるので、消費電力の大幅な増加に繋がる補助パルスを連続して出力ような事態も防止することができる。
【００２２】
このように、低消費電力でステッピングモータを確実に回転することができる本発明の制御装置と、駆動パルスにより時計針を運針するステッピングモータと、複数の周波数のパルス信号を出力するパルス合成手段とを備えた計時装置を実現することにより、精度が高く、さらに、消費電力が非常に小さな小型で長寿命の計時装置を提供することができる。また、発電装置を内蔵した計時装置に本発明の制御方法あるいは制御装置を採用することにより長時間放置しても運針を継続して行える計時装置を実現することができる。
【００２３】
また、本発明のステッピングモータの制御方法は、論理回路や、マイクロプロセッサーの制御用プログラムなどとしてコンピュータに読み取り可能な媒体に記憶された状態で提供することができ、計時装置にかぎらず低消費電力で精度の高いモータ駆動の要求される装置に適用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
以下に図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態に係る計時装置１の概略構成を示してある。本例の計時装置１は、ステッピングモータ１０を制御装置２０によって駆動し、ステッピングモータ１０の動きを輪列５０を介して秒針６１、分針６２および時針６３に伝達して運針を行うようになっている。ステッピングモータ１０および輪列５０、さらに、制御装置２０の主な構成は図７に基づき説明したものと同様につき、共通する部分には同じ符号を付して以下では詳細な説明を省略する。
【００２５】
本例の計時装置１の制御装置２０に採用されている制御回路２３も駆動制御回路２４と検出回路２５を備えている。本例の駆動制御回路２４は、駆動回路３０を介して駆動コイル１１に駆動パルスＰ１を供給する第１の駆動パルス供給部２４ａと、駆動パルスに続いて回転検出用のパルスＳＰ２を供給する回転検出パルス供給部２４ｂと、駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスＰ２を供給する補助パルス供給部２４ｃと、補助パルスに続いて消磁パルスＰＥを供給する消磁パルス供給部２４ｄと、駆動パルスＰ１の実効電力を制御できるレベル調整部２４ｅと、さらに、第１の駆動パルス供給部２４ａから供給される駆動パルスＰ１より実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１を供給できる第２の駆動パルス供給部２４ｆを備えている。この第２の駆動パルス供給部２４ｆは、第１の駆動パルスＰ１よりも実効電力が数段階大きな第２の駆動パルスＰ１１を補助パルスＰ２から所定の第２の設定回数（本例においてはＭ０回のサイクル）だけ連続して供給するようになっている。
【００２６】
また、本例の計時装置１は、電池４１から出力された電力を昇降圧回路４９を介して制御装置２０の駆動回路３０に供給できるようになっている。本例の昇降圧回路４９は、複数のコンデンサ４９ａ、４９ｂおよび４９ｃを用いて多段階の昇圧および降圧ができるようになっており、制御装置２０の駆動制御回路２４から制御信号φ１１によって駆動回路３０に供給する電圧を調整することができる。また、昇降圧回路４９の出力電圧はモニタ回路φ１２によって駆動制御回路２４にも供給されており、これによって出力電圧をモニタすることができる。従って、第１の駆動パルスＰ１および第２の駆動パルスＰ１１の実効電力は、レベル調整部２４ｅが昇降圧回路４９を制御することによって設定することが可能である。このように、本例の計時装置１においては、パルス幅と電圧によって第１の駆動パルスＰ１および第２の駆動パルスＰ１１の実効電力を制御できるので、きめの細かい駆動電力の制御が可能であり、ロータ１３を回転するのに適した電力の駆動パルスを供給して省電力化を図っている。
【００２７】
図２に、本例の計時装置１に採用されているステッピングモータの制御方法の概略をフローチャートを用いて示してある。このフローチャートにおいても、先に図８に基づき説明した制御方法と同様のステップには同じ符号を付してあり、以下では詳しい説明を省略する。まず、ステップＳＴ１で運針用に１秒を計測する。本例の制御装置２０においては、次にステップＳＴ１１において、第２の駆動パルスＰ１１のカウンタｍの値が第２の設定回数Ｍ０に達しているか否かを判断する。カウンタｍの値が第２の設定回数Ｍ０に達している場合は、ステップＳＴ２に移行して第１の駆動パルス供給部２４ａの制御に基づき従来と同様に駆動パルスＰ１を出力する。
【００２８】
一方、カウンタｍが第２の設定回数Ｍ０以下である場合は、ステップＳＴ１２に移行して第１の駆動パルスＰ１に代わり、第２の駆動パルス供給部２４ｆの制御に基づき実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１を出力する。そして、ステップＳＴ１３においてカウンタｍを加算する。補助パルスＰ２が出力されるタイミングは、組み立て公差などの原因によって輪列の噛み合い具合が乱れて効率の悪い状態になっている場合が多い。さらに、このような原因による噛み合い負荷が増加するステップアングルは１ステップあるいは長くても数ステップに限定されているケースが殆どである。また、補助パルスＰ２が出力されたことによって輪列の状態が代わって噛み合い負荷が増加した状態になっても、ロータが数ステップ回転することによってもとの噛み合い負荷の低い状態に復帰することが多い。このため、本例のように、補助パルスＰ２に続いて実効電力が多少大きな第２の駆動パルスＰ１１を適当なステップアングル分だけ出力することによって噛み合い負荷が増加する期間を乗り切ることが可能であり、その後は、先に供給されていた実効電力の小さな第１の駆動パルスＰ１で通常通りの運針を行うことができる。
【００２９】
第１または第２の駆動パルスＰ１またはＰ１１が出力された後は、ステップＳＴ３において回転検出用パルス供給部２４ｂによって検出用パルスＳＰ２が供給され、検出回路２５でロータ１３の回転が正常に行われたか否かが確認される。そして、ロータ１３が回転していない場合はステップＳＴ４で補助パルス供給部２４ｃによって補助パルスＰ２が出力され、これに続いてステップＳＴ５で消磁パルス供給部２４ｄによって消磁パルスＰＥが出力される。さらに、ステップＳＴ６で駆動パルスの実効電力を１段階レベルアップする。その後、本例の制御装置２０において、ステップＳＴ１５で第２の駆動パルスＰ１１を出力するためのカウンタｍを初期化して次のサイクルでは第２の駆動パルスＰ１１が出力されるようにしている。
【００３０】
一方、ステップＳＴ３においてロータ１３の回転が確認されると、ステップＳＴ７において第１の駆動パルスＰ１のカウンタｎがアップされる。そして、ステップＳＴ８で、第１の駆動パルスＰ１の実効電力を低減するための第１の設定回数Ｎ０と比較される。カウンタｎが第１の設定回数Ｎ０に到達しているときはステップＳＴ９で第１の駆動パルスＰ１の実効電力が１段階下げられ、ステップＳＴ１０においてカウンタｎが初期化される。
【００３１】
図３に、タイミングチャートを用いて本例の制御装置からステッピングモータ１０に駆動パルスなどが供給される一例を示してある。図３には、先に説明した図９と同様に、駆動コイル１１にある方向の磁界（駆動極側）を励起するｐチャンネルＭＯＳ３３ａ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ａおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａの各ゲートＧＰ１、ＧＮ１およびＧＳ１と、駆動極側に対して反対となる逆方向の磁界を励起するためのｐチャンネルＭＯＳ３３ｂ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ｂおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ｂの各ゲートＧＰ２、ＧＮ２およびＧＳ２に供給される制御信号を用いて示してあり、図８と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００３２】
まず、上記のフローチャートのステップＳＴ１において時間が経過すると、前のサイクルでは補助パルスＰ２が出力されておらず、また、カウンタｍの値が第２の設定回数Ｍ０に達しているので、時刻ｔ４１に電圧Ｖ１０の第１の駆動パルスＰ１が出力され、最初のサイクルが開始される。次に時刻ｔ４２にステップＳＴ３において回転検出用パルスＳＰ２が出力され、回転が検出されないと時刻ｔ４３にステップＳＴ４で補助パルスＰ２が出力される。補助パルスＰ２が出力されると、時刻ｔ４４にステップＳＴ５で消磁パルスＰＥが出力され１つのサイクルを終了する。
【００３３】
時刻ｔ４１から１秒が経過すると次のサイクルが開始される。前のサイクルで補助パルスＰ２が出力されているので、カウンタｍは零クリアされている。このため、このサイクルでは、ステップＳＴ１１においてカウンタｍが第２の設定回数Ｍ０に達していないので、時刻ｔ５１にステップＳＴ１２で第１の駆動パルスＰ１よりレベルアップされた、すなわち、実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１が出力される。本例の計時装置１においては、昇降圧回路４９によって電圧を制御できるようになっているので、第２の駆動パルスＰ１１として電圧Ｖ１０より高い電圧Ｖ１１の駆動パルスが時刻ｔ５１に出力される。なお、昇降圧回路４９から出力される電圧を制御することによって駆動回路３０からステッピングモータ１０に供給されるパルスの電圧が決定されるが、以下では、簡単のためタイミングチャートに示された制御用のパルスの電圧で駆動パルスの電圧を示してある。
【００３４】
第２の駆動パルスＰ１１に続いて時刻ｔ５２にステップＳＴ３で回転検出用のパルスＳＰ２が供給され、ロータ１３の回転が確認される。同様に次のサイクルにおいても時刻ｔ６１に第２の駆動パルスＰ１１が出力され、次の時刻ｔ６２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力される。さらに、次のサイクルにおいても時刻ｔ７１に第２の駆動パルスＰ１１が出力され、次の時刻ｔ７２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力される。本例の計時装置１においては、第２の設定回数Ｍ０を例えば３に設定してあり、時刻ｔ８１から始まる次のサイクルにおいては、第２の駆動パルスＰ１１のカウンタｍが３になる。従って、時刻ｔ８１から始まる次のサイクルにおいては、ステップＳＴ１１からステップＳＴ２に移行し、補助パルスＰ２（時刻ｔ４３）が供給される前のサイクルより実効電力が１ランクアップした電圧Ｖ１０’の第１の駆動パルスＰ１が時刻ｔ８１に出力される。
【００３５】
このように、本例の計時装置１に採用されている制御装置２０においては、ロータ１３を駆動するための負荷が高くなって補助パルスＰ２が出力される状態になった後に、従来であれば駆動パルス（本例においては第１の駆動パルス）Ｐ１の実効電力を１段階づつ上げて対応していたのに対し、第１の駆動パルスＰ１の実効電力を１ランクだけアップした後に、その第１の駆動パルスＰ１の実効電力よりも１段階またはそれ以上大きな実効電力の第２の駆動パルスＰ１１を供給して負荷が高くなった状態に対処するようにしている。先に説明したように、ロータ１３の負荷が増す主な原因は輪列の噛み合い負荷が微小な製造上のばらつきや組み立て上のばらつきによって増加することに起因しているケースがほとんどである。さらに、その後もロータ１３の負荷が大きな状態が継続する原因は、公差によって噛み合い負荷が増加した状態が続くことがあることと、駆動トルクの大きな補助パルスが供給されることによって輪列の噛み合い状態が低トルクの駆動パルスのときから若干変動してしまうことによるものが殆どである。このため、周期的に発生することも多いが、ロータが数ステップ継続して回転することによって元のトルクで回る状態に復帰するので、負荷が増加するために大きな実効電力のパルスが必要となるステップアングルの数は少ない。従って、本例のように補助パルスＰ２に続いて通常供給される実効電力の駆動パルスＰ１よりも実効電力が多少大きい駆動パルスＰ１１を供給することによって負荷が増えたステップアングルを回転ミスなく駆動することができる。さらに、トルクの非常に大きな補助パルスを連続して供給せずに済むので、消費電力を低減できると同時に輪列の状態を早期に復帰させることができる。そして、噛み合い負荷が増加するステップアングルを経過した後は、実効電力が最小限に絞られた駆動パルスＰ１を供給してロータ１３を駆動することができる。従って、従来のように、実際に必要とされるエネルギーの１あるいは２段階程度あるいはそれ以上に大きな実効電力の駆動パルスが常時供給されるような事態を避けることができ、ステッピングモータで消費される電力をさらに低減することが可能となる。
【００３６】
〔第２の実施の形態〕
図４に、本発明の第２の実施の形態に係る計時装置１の概略構成を示してある。本例の計時装置１は、図１に基づき説明した計時装置とほぼ同じ構成につき、共通する部分については同じ符号を付して以下では詳細な説明は省略する。本例の計時装置１に採用されている制御回路２３は、駆動パルスＰ１を供給する駆動パルス供給部２４ａと、ロータ１３の回転検出用パルスＳＰ２を供給する回転検出用パルス供給部２４ｂと、補助パルスＰ２を供給する補助パルス供給部２４ｃを備えている。
【００３７】
本例の駆動制御回路２４の補助パルス供給部２４ｃは、上述した従来の回路と同様に検出回路２５でロータ１３が回転しないと判定された場合に実効電力の大きな補助パルスＰ２を供給するようになっている。また、補助パルスＰ２に続いて出力される消磁パルスＰＥを制御する本例の消磁パルス供給部２４ｄは、消磁パルスＰＥを従来よりも遅いタイミングで次の駆動パルスＰ１の直前に出力するようになっており、これによって次の駆動パルスＰ１の実質的な実効電力を高めてロータ１３を回転するのに十分なエネルギーを与えられるようにしている。従って、駆動パルスＰ１のエネルギーを増やさずに補助パルスＰ２に続くサイクルでは実質的な実効電力の大きな駆動パルスを供給することができ、回転不良の原因となった噛み合い負荷の増加するステップアングルを乗り切ることができる。また、補助パルスＰ２が連続して供給されるのを防止できるので、輪列の噛み合い状態を早期に噛み合い負荷の低い元の状態に復帰させることができる。従って、本例のステッピングモータ１０の制御回路２０においては、噛み合い公差や軸ずれなどによって負荷が増加したステップアングルを乗り切れば噛み合い負荷の少ない状態に合わせて実効電力がほぼ限界まで低下された駆動パルスＰ１を用いてステッピングモータ１０を駆動できるようになっている。このため、従来のように限界値の数段回上の実効電力の駆動パルスＰ１が供給される機会が大幅に減少し、ステッピングモータを駆動する際の消費電力をさらに低減することができる。
【００３８】
図５に、本例の計時装置１に採用されているステッピングモータの制御方法の概略をフローチャートを用いて示してある。このフローチャートにおいても、先に説明した制御方法と同様のステップには同じ符号を付してあり、共通する部分については以下では詳しい説明を省略する。まず、ステップＳＴ１で運針用に１秒を計測し、１秒が経過するとステップＳＴ２において駆動パルスＰ１を出力する。これに続いてステップＳＴ３に回転検出用のパルスＳＰ２を出力し、ロータ１３が回転したか否かを検出する。回転が検出されなかったときは、補助パルスＰ２を供給するサブルーチンを実効する。このサブルーチンにおいては、ステップＳＴ４で実効電力の大きな補助パルスＰ２を出力し、次に消磁パルスＰＥを出力し、さらに、駆動パルスＰ１の実効電力を通常通り１ランクアップする。本例においては、消磁パルス供給部２４ｄにおいて消磁パルスＰＥを出力するタイミングを遅らせるようにしており、ステップＳＴ２１において時間経過を計測し、次のサイクルが始まる直前、すなわち、次の駆動パルスＰ１が出力される直前にステップＳＴ５において消磁パルスＰＥを出力するようにしている。補助パルスＰ２が出力された後に消磁パルスＰＥが出力されるとメインルーチンに戻ってステップＳＴ７に移行する。このように、本例の制御方法では、補助パルスＰ２が出力された後に駆動パルスＰ１の実効電力を１ランクアップすると共に、消磁パルスＰＥの電力を用いて大きな力で回転駆動させ、再び補助パルスＰ２が出力されて駆動パルスＰ１の実効電力が連続して２ランクあるいはそれ以上に増加するような事態を防止している。
【００３９】
一方、ステップＳＴ３においてロータ１３の回転が検出された場合は、補助パルスＰ２を出力するサブルーチンは実効されず、ステップＳＴ７においてカウンタｎをアップし、ステップＳＴ８において第１の設定回数Ｎ０と比較する。そして、設定回数Ｎ０にカウンタｎが達している場合はステップＳＴ９において駆動パルスＰ１の実効電力をさらに１段階低減して省電力化を図り、ステップＳＴ１０でカウンタｎを初期化する。
【００４０】
図６に、タイミングチャートを用いて本例の制御装置からステッピングモータ１０に駆動パルスなどが供給される一例を示してある。図６も先に説明した図３と同様に、駆動回路３０を構成するｐチャンネルＭＯＳ３３ａ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ａおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ａの各ゲートＧＰ１、ＧＮ１およびＧＳ１、さらに、ｐチャンネルＭＯＳ３３ｂ、ｎチャンネルＭＯＳ３２ｂおよびサンプリング用のｐチャンネルＭＯＳ３４ｂの各ゲートＧＰ２、ＧＮ２およびＧＳ２に供給される制御信号を用いて示してあり、上述した部分と共通するものについては同じ符号を付して説明を省略する。
【００４１】
時刻ｔ９１に最初のサイクルが開始されると、まず、電圧Ｖ１０の駆動パルスＰ１が駆動極側から出力され、これに続いて時刻ｔ９２に回転検出用のパルスＳＰ２が出力される。そして、輪列の噛み合い公差などに起因してロータ１３が回転しない場合は、時刻ｔ９３に実効電力の大きな補助パルスＰ２が駆動極側から出力される。次いで、本例の制御方法においては、次のサイクルが開始される時刻ｔ１０１の直前に当たる時刻ｔ９４に消磁用のパルスＰＥが逆極側から出力される。消磁用パルスＰＥが出力されるとすぐに次のサイクルが開始され、時刻ｔ１０１に前のサイクルの逆極側に相当する駆動極側で次の駆動パルスＰ１が出力される。このため、消磁パルスＰＥと駆動パルスＰ１によってロータ１３を駆動するパルスが構成される状態となり実質的な実効電力が増大し、補助パルスＰ２が出力されることによって噛み合い負荷が増加したアングルでもロータ１３を回転させることができる。
【００４２】
時刻ｔ１０２に回転検出用パルスＳＰ２が出力され、回転が検出されると、次のサイクルでは時刻ｔ１１１に補助パルスＰ２が時刻ｔ９３で出力される前より１ランクアップした駆動パルス、すなわち、電圧Ｖ１０’の駆動パルスＰ１が出力される。このように、本例の制御装置および制御方法においては、噛み合い負荷が一時的に増加するために補助パルスＰ２を用いないとロータ１３が回転できない状態となったときに、これに続く駆動パルスＰ１の実効電力を連続的に複数段階増加させることなく噛み合い負荷の高いタイミングを乗り切って精度の高い運針を行うことができる。
【００４３】
以上のように、本例の計時装置１は、補助パルスＰ２が出力された後に、実効電力の大きな第２の駆動パルスＰ１１を出力したり、あるいは、消磁パルスＰＥを出力するタイミングを次の駆動パルスＰ１に近づけるようにして実質的に実効電力の高い駆動パルスを供給できるようにしている。このため、噛み合い公差などに起因する非常に短い間だけステッピングモータ１０にかかる負荷の増加に対し、駆動パルスＰ１の実効電力を必要以上に上げずに対応することができる。従って、噛み合い公差などが元の状態に戻ってステッピングモータ１０にかかる負荷も減ると、先に設定した実効電力より１ランクアップした程度の小さな駆動パルスＰ１が出力される。このため、従来においては、噛み合い公差や、その後の補助パルスが出力されたことによる軸ずれなどに起因する殆ど瞬間的な負荷の上昇によって駆動パルスＰ１の実効電力が数段階上昇してしまい結果的に必要最小限の実効電力よりも大きな駆動パルスによってステッピングモータが駆動されていたのに対し、本発明では瞬間的な負荷の上昇に対応できると共に負荷が通常に戻った場合には必要最小限の実効電力の駆動パルスを供給することができる。従って、ステッピングモータで消費される電力を従来よりもさらに低減することが可能となり、小型で長寿命の計時装置を実現したり、また、自己発電型の計時装置において長時間放置されても継続的に稼働する計時装置を提供することができる。また、本発明は腕時計装置などの計時装置に限らず、クロノグラフなどの多機能時計やその他の発電装置およびステッピングモータを内蔵しいた装置においても本発明を提供できることはもちろんである。
【００４４】
なお、上記において説明したそれぞれの駆動パルスＰ１、補助パルスＰ２、および回転検出パルスＳＰ２などの波形は例示であり、計時装置に採用されたステッピングモータ１０の特性などに合わせて設定できることはもちろんである。また、上記の例では、計時装置に好適な２相のステッピングモータを例に本発明を説明しているが、３相以上のステッピングモータに対しても本発明を同様に適用できることはもちろんである。また、各相に共通した制御を行う代わりに、各相毎の適したパルス幅およびタイミングで駆動パルスを供給することも可能である。また、ステッピングモータの駆動方式は、１相励磁に限らず、２相励磁あるいは１−２相励磁であっても良いことはもちろんである。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の制御方法および制御装置はステッピングモータが所定の実効電力の駆動パルスによって連続して動いた場合に駆動パルスの実効電力を徐々に減らしながら低消費電力でステッピングモータを駆動できるものである。さらに、本発明によってステッピングモータの動力を伝達するための輪列の噛み合いの公差や、その後の強制的に回転させるためのトルクの大きな補助パルスの影響によって瞬間的に負荷が増えても、継続的に供給される駆動パルスの実効電力そのものは増加させずに対応することができるので、ほぼ限界まで低減された実効電力の駆動パルスによってステッピングモータを駆動することができる。従って、本発明により、従来にも増して低消費電力でステッピングモータを駆動することが可能となり、今後の小型で長寿命を目指した計時装置や、発電装置を内蔵して電池が不要の計時装置に好適な制御装置および制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータと発電装置を格納した計時装置の概略構成を示す図である。
【図２】 図１に示す制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】 図１に示す制御装置の動きを示すタイミングチャートである。
【図４】 本発明の第２の実施の形態に係るステッピングモータと発電装置を格納した計時装置の概略構成を示す図である。
【図５】 図４に示す制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】 図４に示す制御装置の動きを示すタイミングチャートである。
【図７】 従来の計時装置の概略構成を示す図である。
【図８】 図７に示す制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図９】 図７に示す計時装置に採用されている制御装置の動きを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１、９・・計時装置
１０・・ステッピングモータ
１１・・駆動コイル
１２・・駆動用ステータ
１３・・駆動用ロータ
２０・・制御装置
２１・・水晶振動子
２２・・パルス合成回路
２３・・制御回路
２４・・駆動制御回路
２４ａ・・第１の駆動パルス供給部
２４ｂ・・回転検出用パルス供給部
２４ｃ・・補助パルス供給部
２４ｄ・・消磁パルス供給部
２４ｅ・・レベル調整部
２４ｆ・・第２の駆動パルス供給部
２５・・検出回路
３０・・駆動回路
４１・・電池
４９・・昇降圧回路
５０・・輪列
５１・・五番車
５２・・四番車
５３・・三番車
５４・・二番車
５５・・日の裏車
５６・・筒車
６１・・秒針
６２・・分針
６３・・時針
Claims (7)
- 多極磁化されたロータと駆動コイルを備えたステータ内で回転駆動可能なステッピングモータの制御装置であって、
前記駆動コイルに対し前記ロータを駆動するための第１の駆動パルスを供給する第１の駆動手段と、
前記駆動コイルに供給された駆動パルスによって前記ロータが回転したか否かを検出する回転検出手段と、
前記ロータの回転が検出できなかったときに前記第１の駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを供給する補助パルス供給手段と、
第１の設定回数だけ連続して前記ロータが回転したときに前記第１の駆動パルスの実効電力を段階的に調整するレベル調整手段と、
前記補助パルスが供給された後に、第２の設定回数だけ、前記補助パルスが供給された直前の前記レベル調整手段によって調整された駆動パルスの実効電力より数段階だけ大きな実効電力の第２の駆動パルスを供給することを特徴とするステッピングモータの制御装置。 - 請求項１において、前記第２の駆動手段は、前記駆動パルスのパルス幅を変更して実効電力を調整可能であることを特徴とするステッピングモータの制御装置。
- 請求項１において、前記第２の駆動手段は、前記駆動パルスの電圧を変更して実効電力を可能であることを特徴とするステッピングモータの制御装置。
- 多極磁化されたロータと駆動コイルを備えたステータ内で回転駆動可能なステッピングモータの制御方法であって、
前記駆動コイルに対し前記ロータを駆動するための第１の駆動パルスを供給する第１の駆動工程と、
前記駆動コイルに供給された駆動パルスによって前記ロータが回転したか否かを検出する回転検出工程と、
前記ロータの回転が検出できなかったときに前記第１の駆動パルスより実効電力の大きな補助パルスを供給する補助工程と、
第１の設定回数だけ連続して前記ロータが回転したときに前記第１の駆動パルスの実効電力を段階的に低減するレベル調整工程と、
前記補助パルスが供給された後に第２の設定回数だけ、前記補助パルスが供給された直前の前記レベル調整工程において調整された前記第１の駆動パルスの実効電力より数段階大きな実効電力の第２の駆動パルスを供給する第２の駆動工程とを有することを特徴とするステッピングモータの制御方法。 - 請求項４において、前記第２の駆動工程は、前記駆動パルスのパルス
幅を変更して実効電力を調整することを特徴とするステッピングモータの制御方法。 - 請求項４において、前記第２の駆動工程は、前記駆動パルスの電圧を
変更して実効電力を調整することを特徴とするステッピングモータの制御方法。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置と、
前記駆動パルスにより時計針を運針するステッピングモータと、
複数の周波数のパルス信号を出力するパルス合成手段とを有することを特徴とする計時装置。
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