JP5086116B2 - 時計用ステップモータ - Google Patents

Description

この発明は、アナログ電子時計の指針を駆動するための駆動源として使用される時計用ステップモータに関する。

アナログ電子時計の駆動源には、一般にステップモータ（ステッピングモータあるいはパルスモータとも称される）が採用されている。そのステップモータは、永久磁石からなるロータと、そのロータを回転自在に挿入させるロータ孔を有する軟磁性体のヨークとそのヨーク（磁心）と一体のコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなるステータとを備えており、そのコイルにパルス電流を流すことによって、ロータが一定角度だけ回転する。

そして、ステータのヨークにおけるロータ孔の周囲には、コイルによる磁界によってロータに駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部と、ロータに保持トルクを作用させために機能する一対の内ノッチとを設けている。
駆動トルクはロータを回転させるためのトルクであり、保持トルクはロータの回転方向を決めるとともに、コイルの非通電時にロータの位置を安定させるためのトルクである。この保持力によって、針が衝撃によって飛ぶのを抑える。

このようなステップモータを小さな腕時計のケース内に組み込み、小さな電池等の電源によって長期間に亘って指針を駆動できるようにするため、従来から小型化と高効率（低消費電力、高トルク）化を図る種々の工夫がなされている。
例えば特許文献１には、図３４に簡略化して示すように、ステータ１０のヨーク２０に二つのロータ３１，３２を別々の回転軸で設け、磁気回路としては、１つのコイル２５に二つのロータ３１，３２が並列につながった構成にして、コイルを鎖交するロータの磁石からの磁束量を増やすようにしたものが提案されている。

また、正逆回転が可能なステップモータとして、例えば特許文献２には、図３５に簡略化して示すように、互いに直交し、磁気分離された二組のヨーク４１，５１とコイル４２，５２からなる４極のステータ４０，５０を、ロータ３０に対して同一平面に配置したものが提案されている。このステップモータは二つのコイル４２，５２に印加するパルスの極性の同異によってロータを正回転又は逆回転させることができる。

特開昭５４−９４６１２号公報 特開平５−１１５１６７号公報

しかしながら、図３４に示すステップモータは、ロータの磁石による磁束を増やしたことによりコイル芯が磁束飽和を起こし易くなる。そのため、コイル芯の幅もしくは厚さを増してその断面積を大きくする必要があるが、そうするとコイルの巻き径が大きくなり、コイルの線長が増加して電気抵抗が増えてしまい、実際には高効率（高トルク）の達成が困難になる。
また、二つのロータの各回線軸に設けた各小歯車（カナ）を一つの減速用歯車に噛み合わせて、その歯車の回転を指針駆動用輪列に伝達するが、二つの小歯車と一つの歯車とを各歯車の位相を合わせて正確に噛み合わせるのは困難である。仮に噛み合わせられたとしても、二つのロータが全く同じタイミングで回転しないと、互いの回転を止める負荷になってしまうという問題もある。

図３５に示すステップモータは、ステータの二つのコイルによって発生して各ヨークの磁路を通る磁束は、二つの大きなギャップ（スリット又は磁束飽和部に相当する）を通過するため低下し、駆動トルクを効率的に発生させることができないという問題がある。
一般の時計用ステップモータは、消費電力を少なくするためコイルの巻き数を非常に多くしているが、その巻き数を減らしてコイルに流す電流を多くすれば、駆動トルクを増加させて高トルク駆動は可能にはなるが、常時消費電力が増加するため時計用には適さなくなる。

この発明は、上記のような問題を解決して、１個のロータで効率よく高トルクを発生させることができ、しかも常時は低消費電力駆動が可能であり、かつ製造が容易な時計用ステップモータを提供することを目的とする。

この発明による時計用ステップモータは上記の目的を達成するため、永久磁石からなる１個のロータと、それぞれ該ロータを回転自在に挿入させるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと該ヨークと一体のコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなる２個のステータとを備えている。その２個のステータは、ロータ孔の位置を上記１個のロータに対して一致させてその軸方向に重ねて互いに絶磁して配置された第１のステータと第２のステータである。
その第１のステータは、上記ロータに駆動トルクを作用させる機能と、そのロータの回転方向を決めるとともに上記コイルの非通電時にロータの位置を安定させるための保持トルクを上記ロータに作用させる機能とを有し、上記第２のステータは、上記ロータに駆動トルクを作用させる機能は有するが、上記保持トルクを上記ロータに作用させる機能は有さない。

上記第１のステータのヨークにおけるロータ孔の周囲には、上記コイルによる磁界によって上記ロータに上記駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部と、上記保持トルクをロータに作用させるために機能する一対の内ノッチとを設け、上記第２のステータのヨークにおけるロータ孔の周囲には、上記コイルによる磁界によって上記ロータに上記駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリットと、該一対のスリットを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチとを、互いにロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるとよい。

あるいは、前記第２のステータに代えて、ヨークにおけるロータ孔の周囲には、コイルによる磁界によってロータに上記駆動トルクを作用させるために機能する一対の磁束飽和部を設け、一対の内ノッチは設けない第２のステータを備えてもよい。
また、上記第１のステータと第２のステータとは、空隙もしくは非磁性体のスペーサを介して絶磁するとよい。

上記第１のステータのコイル芯は、上記ヨークの厚さ方向における中央より上記第２のステータのヨークに近い位置に設け、上記第２のステータのコイル芯は、上記ヨークの厚さ方向における中央より上記第１のステータのヨークに近い位置に設けるのが望ましい。
また、上記第１のステータと第２のステータとを、その各コイルのコイル芯の方向が平面上で互いに直交又は平行するか、もしくは同一方向になるように配置するとよい。

上記第１のステータと第２のステータとを、その各ヨークに設けた一対のスリット又は磁束飽和部を結ぶ直線が同一方向になるように、あるいは互いに直交するように配置するのが望ましい。
上記ロータを、上記第１のステータのロータ孔に挿入される磁石部と上記第２のステータのロータ孔に挿入される磁石部とが歯車部を挟んで同一軸線上で結合した構成にしたり、上記第１のステータのロータ孔に挿入される磁石部と上記第２のステータのロータ孔に挿入される磁石部とを一体に形成し、その軸方向の一端部に歯車部を設けた構成にすることもできる。

この発明による時計用ステップモータは、１個のロータに対してその軸方向に互いに絶磁された二つのステータを重ねて設け、その各ステータにコイルを設けているので、効率よく高トルクを発生させることができ、常時は低消費電力駆動が可能である。また、一方のステータはロータに保持トルクを作用させる機能を持たないため製造が容易である。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
〔第１実施例〕
図１〜図３はこの発明による時計用ステップモータの第１実施例の構成を示す図であり、図１はそのステップモータの斜視図、図２は図１に示したステップモータを時計回りに約９０°回転させて、第１のステータと第２のステータとを分離させた状態を示す斜視図、図３はその第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。

この第１実施例のステップモータは、１個のロータに対して２個のステータを備えている。すなわち、永久磁石からなる１個のロータ３と、そのロータ３を回転自在に挿入させるロータ孔１１ａを有する軟磁性体のヨーク（磁心）１１とそのヨーク１１と一体のコイル芯１１ｂに導線を巻きつけたコイル１２とからなる図１では下側の第１のステータ１と、その同じロータ３を回転自在に挿入させるロータ孔２１ａを有する軟磁性体のヨーク（磁心）２１とそのヨーク２１と一体のコイル芯２１ｂに導線を巻きつけたコイル２２とからなる図１では上側の第２のステータ２とを備えている。

その第１のステータ１と第２のステータ２は、各ロータ孔１１ａ，２１ａの位置を１個のロータ３に対して一致させて、図１に示すようにその軸方向に重ねて互いに絶磁して配置される。この実施形態では、第１のステータ１と第２のステータ２とが重なる部分の間に樹脂等の非磁性体からなる薄板状のスペーサ４を介装して絶磁しているが、空隙によって絶磁してもよい。なお、図２および図３においてはスペーサの図示を省略している。

第１のステータ１は、ロータ３に駆動トルクを作用させる機能と、ロータ３の回転方向を決めるとともにコイル１２の非通電時にロータ３の位置を安定させるための保持トルクをロータ３に作用させる機能とを有する。
そのため、この実施形態では図２に明示するように、第１のステータ１のヨーク１１におけるロータ孔１１ａの周囲には、コイル１２による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット１１ｃと、保持トルクをロータ３に作用させために機能する一対の内ノッチ１１ｄとを設けている。その一対のスリット１１ｃ及び一対の内ノッチ１１ｄは、図３に示すように、互いにロータ孔１１ａの中心（ロータ３の軸心と一致する）を通って所定の角度α（この例では約６０°）で交差する中心線ａとｂの各線上に設けられている。内ノッチ１１ｄは、ロータ孔１１ａの内周からその径方向に形成された切り込みである。

一方、第２のステータ２は、ロータ３に駆動トルクを作用させる機能は有するが、保持トルクをロータ３に作用させる機能は有さない。そのため、この実施形態では、第２のステータ２のヨーク２１におけるロータ孔２１ａの周囲には、コイル２２による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット２１ｃと、その一対のスリット２１ｃを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチ２１ｄとを、図３に示すように、互いにロータ孔２１aの中心を通って直交する中心線ｃとｄの各線上に設けている。

さらに、この実施形態のステップモータは、第１のステータ１と第２のステータ２とが、その各ヨーク１１，２１に設けたそれぞれ一対のスリット１１ｃを結ぶ直線と一対のスリット２１ｃを結ぶ直線（図３に示す中心線ａとｃ）が同一方向すなわち平行になるように、かつ各コイル１２，２２のコイル芯１１ｂ、２１ｂ（図３にその中心線ｅ、ｆを示す）の方向が平面上で互いに直交するように配置されている。

また、第１のステータ１のコイル芯１１ｂは、そのヨーク１１の厚さ方向における中央より第２のステータ２のヨーク２１に近い位置に設け、第２のステータ２のコイル芯２１ｂは、そのヨーク２１の厚さ方向における中央より第１のステータ１のヨーク１１に近い位置に設けている。それによって、第１のステータ１と第２のステータ２とがスペーサ４を介して図１に示すように重ねられた状態で、各コイル１２と２２の高さ位置の差がなるべく少なくなるようにして、ステップモータの高さ寸法の増加を抑えるようにしている。

〔第２実施例〕
図４〜図６はこの発明による時計用ステップモータの第２実施例の構成を示す図であり、図４はそのステップモータの斜視図、図５はその第１のステータと第２のステータとを分離させた状態を示す斜視図、図６はその第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。これらの図において、上述した第１実施例の図１〜図３と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。

この第２実施例におけるロータ３および第１のステータ１と第２のステータ２の各構成は、上述した第１実施例のステップモータと殆ど同じである。しかし、第１のステータ１と第２のステータ２の各ヨーク１１，２１におけるロータ孔１１ａ，２１ａの周囲に設けた、それぞれ一対のスリット１１ｃ，２１ｃと内ノッチ１１ｄ，２１ｄの形成位置が第１実施例と若干相違する。第１のステータ１のスリット１１ｃと第２のステータ２のスリット２１ｃは、その一対のスリット１１ｃを結ぶ直線と一対のスリット２１ｃを結ぶ直線（図６に示す中心線ａとｃ）が互いに直交するように設けられている。
このようにすると、一方のステータのコイルによる磁界の他方のステータのコイルによる磁界への影響が少なくなる。つまり、相互インダクタンスが０に近くなる。

第１のステータ１におけるスリット１１ｃと内ノッチ１１ｄとの相対的な位置関係とその機能、および第２のステータ２におけるスリット２１ｃと内ノッチ２１ｄとの相対的な位置関係とその機能は、第１実施例と同じである。その第１のステータ１と第２のステータ２は、各コイル１２，２２のコイル芯１１ｂと２１ｂの方向が第１実施例と同じく平面上で互いに直交するように配置されている。

〔第３実施例〕
図７は、この発明による時計用ステップモータの第３実施例における第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。この図において、上述した第２実施例の図６と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。
この第３実施例におけるロータ３および第１のステータ１の構成は、上述した第２実施例のステップモータと同じである。しかし、第２のステータ２′のヨーク２１′におけるロータ孔２１ａの周囲には、コイル２２による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対の磁束飽和部２１ｅを設け、一対の内ノッチは設けていない。

その一対の磁束飽和部２１ｅは、ロータ孔２１ａの中心を通る径方向の中心線ｇ上にヨーク２１′の外側からロータ孔２１ａの中心方向に対称に形成した凹部によってヨーク２１′の磁路を狭めて磁束を飽和させるようにした部分である。その第２のステータ２′における一対の磁束飽和部２１ｅの中心線ｇは、第１のステータ１における一対のスリット１１ｃの中心線ａと互いに直交する。
しかし、第１実施例と同様に、第１のステータ１における一対のスリット１１ｃの中心線ａと、第２のステータ２′における一対の磁束飽和部２１ｅの中心線ｇとが同一方向すなわち平行になるように、各スリット１１ｃおよび磁束飽和部２１ｅを形成するようにしてもよい。

〔第４実施例〕
図８は、この発明による時計用ステップモータの第４実施例における第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。この図においても、上述した第２実施例の図６と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。
この第４実施例におけるロータ３および第２のステータ２′の構成は、上述した第３実施例のステップモータと同じである。しかし、第１のステータ１′のヨーク１１′におけるロータ孔１１ａの周囲には、コイル１２による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために、一対のスリットに代えて一対の磁束飽和部１１ｅを設けている。その磁束飽和部１１ｅは前述した第２のステータ２′の磁束飽和部２１ｅと同様である。

また、第１のステータ１′のヨーク１１′におけるロータ孔１１ａの周囲には、これまでの各実施例と同様に保持トルクをロータ３に作用させるために機能する一対の内ノッチ１１ｄを設けている。その一対の内ノッチ１１ｄと一対の磁束飽和部１１ｅとは、図８に示すように、互いにロータ孔１１ａの中心（ロータ３の軸心と一致する）を通って所定の角度α（この例では約４５°）で交差する中心線iとhの各線上に設けられている。

その第１のステータ１′における一対の磁束飽和部１１ｅの中心線ｈは、第２のステータ２′における一対の磁束飽和部２１ｅの中心線ｇと互いに直交する。
しかし、第１実施例と同様に、第１のステータ１′における一対の磁束飽和部１１ｅの中心線ｈと、第２のステータ２′における一対の磁束飽和部２１ｅの中心線ｇとが同一方向すなわち平行になるように、各磁束飽和部１１ｅ，２１ｅを形成するようにしてもよい。

〔一般的なステップモータの機能説明〕
ここで、一般的な時計用ステップモータの構成とその保持トルクと駆動トルクについて、図９〜図１２によって説明する。
図９はスリットを設けたタイプの時計用ステップモータを簡略化して示す平面図である。このステップモータはロータ７０とステータ６０とからなり、ステータ６０はロータ７０を回転自在に挿入させるロータ孔６１ａを有する軟磁性体のヨーク６１とコイル芯６１ｂに導線を巻きつけたコイル６２とからなる。そのヨーク６１におけるロータ孔６１ａの周囲には、一対のスリット６１ｃと一対の内ノッチ６１ｄとが所定の角度をなして設けられており、ロータ７０に駆動トルクを作用させる機能と、ロータ７０の回転方向を決めるとともにコイル６２の非通電時にロータ７０の位置を安定させるための保持トルクをロータ７０に作用させる機能とを有する。

図１０は磁束飽和部を設けたタイプの時計用ステップモータを簡略化して示す平面図である。このステップモータも図９に示したステップモータと略同様な構成であるが、ステータ６０′のヨーク６１′にスリットに代えて磁束飽和部（ヨークの磁路を狭くした部分）６１ｅを設けている。

図９に示すステップモータの場合、ロータ７０の回転角度に対してスリット６１ｃによる保持トルクが図１１に細い実線で示すように作用し、内ノッチ６１ｄによる保持トルクが点線で示すように作用するため、それらを合成した太い実線で示す保持トルクがロータ７０に作用する。
スリット６１ｃを設けた位置から時計回りに−９０°戻した位置を絶対位置原点とし、その絶対位置原点から反時計回りにロータ７０が回転する角度をΘとすると、ロータ７０の回転角度による合成保持トルクＴｈ（Θ）は数１で表わされる。図１１における横軸はΘである。

数１において、Ｔslit（Θ）はスリット６１ｃによる保持トルク、Ｔnotch（Θ）は内ノッチ６１ｄによる保持トルク、Ｔslitはスリット６１ｃによる保持トルクの振幅（最大絶対値）、Ｔnotchは内ノッチ６１ｄによる保持トルクの振幅（最大絶対値）、Ｔｈは合成保持トルクの振幅（最大絶対値）、θｎは内ノッチ６１ｄを設けた位置の絶対位置原点からの角度、θｉはスリット６１ｃによる保持トルクと合成保持トルクとの位相差である。
図１０に示すステップモータの場合は、磁束飽和部６１ｅによる保持トルクは殆ど発生しないので、図１１に細い実線で示した内ノッチ６１ｄによる保持トルクのみによって、ロータ７０の回転角度に対する保持トルクが決まる。

時計用ステップモータは、図１２に点線で示す保持トルクと、コイルに通電することによってスリット又は磁束飽和部が飽和した後に発生する同図に細い実線で示す駆動トルク（ロータの磁石の磁化とコイルからの磁界との積による）との合成トルクである太い実線で示すトルクがロータに作用して、ロータが１８０°ずつステップ回転する。なお、図１２における横軸は、図１１における横軸の回転角度Θを位相差θｉだけ右へシフトした回転角度θである。図１２に点線で示す保持トルクは、図１１に太線で示した合成保持トルクＴｈ（Θ）に相当する。
そのロータ回転時の運動方程式と電圧方程式は数２のようになり、この関係からステップ動作の過渡応答動作を推測することができる。

数２において、Θ＋θｉ＝θとし、Ｔｈ（Θ）＝０となる位置を回転初期位置として、その回転初期位置から反時計回りにロータが回転する角度をθとする。なお、Ｎはコイルの巻き数、Φはコイルに鎖交する磁束量、ｉはコイルに流れる電流値、Ｔ_Ｌは負荷、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｒはコイルの抵抗値、ωはロータ回転の角速度である。
数２の運動方程式における左辺のＪ・ｄω／ｄｔはロータを回転させるトルク、右辺の第１項は駆動トルク、第２項は保持トルク、第３項は負荷である。電圧方程式における左辺のｅはコイルの端子間電圧である。

〔この発明によるステップモータの機能説明〕
次に、この発明による時計用ステップモータの機能について、図１３〜図１５を参照して説明する。
時計用ステップモータは低消費電力駆動が必要であり、コイルの巻き数を限界まで多くしている。さらに高トルクで高効率の駆動を実現するためには、ロータの磁石を大きくして、その磁束を増やす必要がある。しかし、ロータの磁石の磁束を増やすとステータ側が磁束飽和してしまい、モータの寸法を大きくできない時計用ステップモータでは、更なる高効率化と高トルク化の実現は困難であった。また、仮にモータ寸法を大きくすることが許容できたとしても、コイル芯が太くなるため、そこに巻き付ける導線の長さも長くなってしまい、電気抵抗が増えてしまう。その様な構成にすると多くの電流を流せなくなり、高効率化が更に困難になる。

そこで、この発明による時計用ステップモータは、前述の各実施例に示したように、１個のロータに対して２個のステータを、その各ヨークのロータ孔の位置を一致させて軸方向に重ねて互いに絶磁して配置することによって、ロータの磁石を大きくして磁束を増やしてもステータ側が磁束飽和を起こしにくくなる。また、この発明の構成にすれば、コイル芯を太くする必要がないため導線長を短くでき、コイルの電気抵抗を極力抑えた形態にすることができる。その結果、コイルに通電したときにロータに作用する駆動トルクを増加して、高トルクで高効率の駆動を実現した。

また、第１のステータには、図９又は図１０によって前述したようにヨークにおけるロータ孔の周囲に、一対のスリット又は磁束飽和部と一対の内ノッチとをその中心線が所定の角度（例えば約６０°又は約４５°）をなすように設け、ロータに駆動トルクを作用させる機能と、ロータの回転方向を決めるとともにコイルの非通電時にロータの位置を安定させるための保持トルクをロータに作用させる機能とを有する。

しかし、第２のステータには図１３（Ａ）に簡略化して示す第２のステータ８０のように、そのヨーク８１におけるロータ孔８１ａの周囲に、コイル８２による磁界によってロータ７０に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット８１ｃと、その一対のスリット８１ｃを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すためにスリット８１ｃと略同じ大きさの一対の内ノッチ８１ｄとを、互いにロータ孔８１ａの中心を通って直交する線上に設け、保持トルクを発生しないようにしている。

この場合、スリット８１ｃによってロータ７０に作用する保持力は図１４に実線で示すようになり、内ノッチ８１ｄによってロータに作用する保持力は図１４に点線で示すようになる。すなわち、両保持力は大きさが略等しく位相が反転しているため、打ち消し合って０になる。
あるいは、図１３（Ｂ）に簡略化して示すように、第２のステータ８０′のヨーク８１′におけるロータ孔８１ａの周囲には、コイル８２による磁界によってロータ７０に駆動トルクを作用させるために機能する一対の磁束飽和部８１ｅを設けた場合には、内ノッチを設けなければ保持トルクは発生しない。

ここで、このように第２のステータに保持トルクを発生させないようにすることによる効果を説明する。
図１５に示す例は、前述した第１実施例のステップモータと同様な構成で、第１のステータ１Ａのヨーク１１Ａと第２のステータ２Ａのヨーク２１Ａの両方に、スリット１１ｃ，２１ｃに対して所定角度（約６０°）をなすように内ノッチ１１ｄ，２１ｄを同相に設け、それぞれ保持力を発生するようにしたものである。この図１５において、図３と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。

この第１のステータ１Ａと第２のステータ２Ａを、図１に示したステップモータと同様に組み付けてステップモータを構成しても、コイル１２，２２に通電したときにロータ３に作用する駆動トルクを増加して、高トルクで高効率の駆動を行うことは可能である。
しかし、スリット１１ｃ，２１ｃ（または磁束飽和部）や内ノッチ１１ｄ，２１ｄの寸法は精度が非常に厳しく、モータの性能に大きな影響を及ぼす保持トルクの値は、少しの精度のずれでも大きく変化してしまう。まして、２個のステータ１Ａと２Ａをロータ３の軸方向に積層する場合、それを精度よく組み上げることは非常に難しい。

これに対して、この発明による時計用ステップモータでは、前述のように第２のステータは駆動トルクのみを発生して保持トルクは発生しないので、第１のステータとの組み上げ状態によって全体の保持トルクが変化するようなことはない。そのため、高トルクで高効率の駆動を行うことが可能な時計用ステップモータを容易に製造することができる。

〔この発明の他の実施例〕
次に、この発明による時計用ステップモータの他の実施例を、図１６〜図１９によって説明する。図１６および図１７は、この発明による時計用ステップモータの他の異なる実施例の斜視図であり、図１８および図１９はロータの構成が異なる実施例の分解斜視図である。これらの図において、この発明の第１実施例である図１〜図３と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。

図１６に示す実施例は、前述した第１実施例と同様な第１のステータ１と第２のステータ２とが、その各コイル１２，２２のコイル芯１１ｂ，２１ｂの方向が平面上で互いに平行するように配置されている。
図１７に示す実施例は、同様な第１のステータ１と第２のステータ２とが、その各コイル１２，２２のコイル芯１１ｂ，２１ｂの方向が平面上で互いに同一方向になるように配置されている。

図１８に示す実施例は、永久磁石からなるロータ３′を、第１のステータ１のロータ孔１１ａに挿入する下部３ａと第２のステータ２のロータ孔２１ａに挿入する上部３ｂとに分けその間に歯車部（カナ）３ｃを挟んでそれらを同軸上に設けて構成し、その歯車部３ｃを各指針（秒針、分針、時針）を回動させるための輪列５の平歯車５ａに噛み合せるようにしたものである。
図１９に示す実施例は、永久磁石からなるロータ３″を、第１のステータ１のロータ孔１１ａに挿入する部分と第２のステータ２のロータ孔２１ａに挿入する部分を一体の円柱部３ｄとして形成し、その上端面側に同軸の歯車部（カナ）３ｅを設けて構成し、その歯車部３ｅを各指針を回動させるための輪列５の平歯車５ａに噛み合せるようにしたものである。

このようなロータの構成は、時計内の実装スペースやレイアウト等によって選択すればよい。
これらの各実施例におけるその他の構成は、前述した第１実施例と同じであり、第１のステータ１と第２のステータ２は、互いに平行なスリット１１ｃ，２１ｃを有している。しかし、これに限るものではなく、第１のステータと第２のステータを前述した第２乃至第４実施例のいずれと同様に構成してもよい。また、その第１のステータと第２のステータのスリット又は磁束飽和部同士を互いに平行にしても、互いに直交させるようにしてもよい。

また、図１８および図１９に示した各実施例を変形して、その第１のステータ１と第２のステータ２とを、図１６に示した実施例のように各コイル１２，２２のコイル芯１１ｂ，２１ｂの方向が平面上で互いに平行するように配置してもよい。あるいは、図１７に示した実施例のように各コイル１２，２２のコイル芯１１ｂ，２１ｂの方向が平面上で互いに同一方向になるように配置してもよい。
さらに、前述した各実施例における第１のステータと第２のステータの各コイルは同じ大きさ（巻き数）に限るものではなく、その巻き数が異なってもよい。

第１、第２のステータのコイルの巻き数を変えることにより、一方のコイルにのみ通電して駆動したときのモータの特性が変わる。例えば、巻き数が多い方のコイル側だけで駆動すると、電流があまり流れず低消費電力駆動になるが、巻き数が少ない方のコイル側だけで駆動すると、電流が多く流れかつ電流の立ち上がりも早いため高速駆動が可能になる。

〔基本的な駆動回路とその各種駆動例〕
図２０、図２２、および図２４はこの発明による時計用ステップモータの基本的な駆動回路による各種の駆動状態を示す回路図であり、この駆動回路によって駆動されるこの発明による時計用ステップモータは、第１のステータ１と第２のステータ２を分離して左右に並べて示している。これらの図では、第１実施例の図３に示した第１のステータ１と第２のステータ２の例で示しているが、他のいずれの実施例のものでもよい。
図２１、図２３、および図２５はその各駆動状態における駆動回路の各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を時間経過とともに示すタイミングチャートである。

この駆動回路は、図２０に示すように４個のスイッチングトランジスタ（以下単に「スイッチ」という）Ｔｒ１〜Ｔｒ４によってブリッジ回路を構成し、その入力端子ａ，ｂ間に直流電源６から電圧を印加し、出力端子ｃ，ｄ間に接続されたこの発明による時計用ステップモータにおける第１のステータ１のコイル１２と第２のステータ２のコイル２２にパルス電流を流す。そのコイル１２とコイル２２の接続状態がスイッチＴｒ５，Ｔｒ６によって切り替えられる。

スイッチＴｒ５，Ｔｒ６は切り替えスイッチであり、いずれもＯＦＦのときは、図２０に示す切り替え状態になり、出力端子ｃ，ｄ間に第１のステータ１のコイル１２と第２のステータ２のコイル２２を直列に接続する。
スイッチＴｒ５がＯＮで、スイッチＴｒ６がＯＦＦのときには図２２に示す切り替え状態になり、出力端子ｃ，ｄ間に第１のステータ１のコイル１２のみを接続し、第２のステータ２のコイル２２はオープンにする。
スイッチＴｒ５，Ｔｒ６がいずれもＯＮのときは、図２４に示す切り替え状態になり、出力端子ｃ，ｄ間に第１のステータ１のコイル１２と第２のステータ２のコイル２２を並列に接続する。

したがって、各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ６を図２１に示すように制御して、図２０に示す駆動回路で第１のステータ１のコイル１２と第２のステータ２のコイル２２を直列に接続して駆動すると、低消費電力で通常運針モードに適する。しかし、コイルのインダクタンスが大きくなるため、高速駆動には適さない。
各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ６を図２３に示すように制御して、図２２に示す駆動回路で第１のステータ１のコイル１２のみに通電して駆動すると、コイルのインダクタンスと電気抵抗が小さくなり、電流も増加するので高速・高トルク駆動に適する。
時計用ステップモータの場合は、低消費電力が非常に要求されるため、コイルの巻き数が非常に多い。そのため、一方のステータのコイルにのみ通電しても駆動トルクの低下は少なく、インダクタンスと電気抵抗の減少により電流が増加し、ある程度の高トルク駆動は可能である。

各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ６を図２５に示すように制御して、図２４に示す駆動回路で第１のステータ１のコイル１２と第２のステータ２のコイル２２を並列に接続して駆動すると、２個のステータ１，２による駆動トルクが純粋に加算されて駆動できるので、一層高速・高トルク駆動に適する。
このように、この発明による時計用ステップモータは、低消費電力での通常運針モードや、目的に応じた高速・高トルク駆動モードなど種々の駆動が可能になる。

〔正逆回転可能な駆動回路とその各種駆動例〕
次に、正逆回転可能な駆動回路とそれによる各種の駆動例を図２６〜図３２によって説明する。
図２６はこの発明による時計用ステップモータの正逆回転可能な駆動回路の例を示す回路図であり、直流電源６にスイッチＴｒ１〜Ｔｒ４による第１のブリッジ回路Ｂ１とスイッチＴｒ７〜Ｔｒ１０による第２のブリッジ回路Ｂ２とが並列に接続されている。そして、その第１のブリッジ回路Ｂ１によって第１のステータ１のコイル１２に通電し、第２のブリッジ回路Ｂ２によって第２のステータ２のコイル２２に通電するように構成されている。

この駆動回路によって駆動されるこの発明による時計用ステップモータは、第１のステータ１と第２のステータ２を分離して左右に並べて示している。この図２６では、第２実施例の図６に示した第１のステータと第２のステータの例で示しているが、２個のステータ１、２のスリット、又は磁束飽和部が直交しているものであれば、先に示したいずれの実施例のものでもよい。
図２７はロータ３を正回転（反時計回り）方向に駆動する場合、図２８はロータ３を逆回転（時計回り）方向に駆動する場合の、それぞれスイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０のＯＮ／ＯＦＦ制御を時間経過とともに示すタイミングチャートである。
図２９は正回転方向の場合、図３０は逆回転方向の場合のそれぞれ駆動動作を説明するための行程図である。

まず、正回転方向の場合の動作を説明する。時計用ステップモータの永久磁石からなるロータ３が、図２９（Ａ）に示すようにＳ極が左側でＮ極が右側の状態で停止して第１のステータ１による保持トルクによって保持されている状態から、図２７に示すように図２６の各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０のＯＮ／ＯＦＦが制御されると、そのロータ３が正回転（反時計回り）方向、図２９では左回転方向に１回転する。

図２７に示すように、最初にスイッチＴｒ１，Ｔｒ４をＯＮにし、コイル１２に通電して第１のステータ１のヨーク１１を図２９（Ａ）に示すように励磁し、ロータ３を左回転させて同図（Ｂ）に示す回転位置にした状態で、スイッチＴr８，Ｔｒ９もＯＮにして、コイル２２に通電して第２のステータ２のヨーク２１を同図（Ｂ）に示すように励磁し、ロータ３をさらに左回転させて同図（Ｃ）に示すように、最初の状態から１８０°左回転した状態にする。このときロータ３はＳ極が右側でＮ極が左側の状態になっている。

その後、スイッチＴｒ２，Ｔｒ３をＯＮにし、コイル１２に前述とは逆極性で通電して第１のステータ１のヨーク１１を図２９（Ａ）とは逆の極性に励磁し、ロータ３を左回転させた後、スイッチＴｒ７，Ｔｒ１０もＯＮにして、コイル２２に前述とは逆極性で通電して第２のステータ２のヨーク２１を同図（Ｂ）とは逆の極性に励磁し、ロータ３をさらに左回転させて最初の状態から３６０°左回転（１回転）した状態にする。これによって、ロータは最初の状態に戻る。

次に、逆回転方向の場合の動作を説明する。時計用ステップモータの永久磁石からなるロータ３が、図３０（Ａ）に示すようにＳ極が左側でＮ極が右側の状態で停止して第１のステータ１による保持トルクによって保持されている状態から、図２８に示すように図２６の各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０のＯＮ／ＯＦＦが制御されると、そのロータ３が逆回転（時計回り）方向、図３０では右回転方向に１回転する。

図２８に示すように、最初にスイッチＴｒ８，Ｔｒ９をＯＮにし、コイル１２に通電して第２のステータ２のヨーク２１を図３０（Ａ）に示すように励磁し、ロータ３を右回転させて同図（Ｂ）に示す回転位置にした状態で、スイッチＴｒ１，Ｔｒ４もＯＮにして、コイル１２に通電して第１のステータ１のヨーク１１を同図（Ｂ）に示すように励磁し、ロータ３をさらに右回転させて同図（Ｃ）に示すように、最初の状態から１８０°右回転した状態にする。このときロータ３はＳ極が右側でＮ極が左側の状態になっている。

その後、スイッチＴｒ７，Ｔｒ１０をＯＮにし、コイル２２に前述とは逆極性で通電して第２のステータ２のヨーク２１を図３０（Ａ）とは逆の極性に励磁し、ロータ３を右回転させた後、スイッチＴｒ２，Ｔｒ３もＯＮにして、コイル１２に前述とは逆極性で通電して第１のステータ１のヨーク１１を同図（Ｂ）とは逆の極性に励磁し、ロータ３をさらに右回転させて最初の状態から３６０°右回転（１回転）した状態にする。これによって、ロータは最初の状態に戻る。

なお、図２７および図２８から分かるように、ロータを１８０°ステップ回転させる際にその回転の前半だけしかコイルに通電していない。それは図１２から明らかなように、その回転の前半は保持トルク（図１２に点線で示す）に打ち勝つ駆動トルク（図１２に細い実線で示す）が必要であるが、後半は保持トルクが回転方向に作用するので、コイルに通電して駆動トルクを発生させなくても回転するためである。そこで、消費電力を抑えるために後半はコイルに通電しないのである。

さらに、回転速度を速めるために、図３１に示すように図２６の各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０のＯＮ／ＯＦＦを制御し、ロータを１８０°ステップ回転させるごとにその初期の短時間だけ第１、第２のステータのコイル１２，２２の両方に同一回転方向に駆動トルクを発生させるように通電して、駆動トルクを増加させるようにすることができる。

図３１は、正回転方向の場合における各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０の図２７に示したＯＮ／ＯＦＦ制御に、ロータの各ステップ回転駆動の初期に短時間だけ第２のステータのコイル２２にも、その後の通電とは逆極性の通電をするための制御（幅の狭いＯＮパルス）を加えた例である。
逆回転方向の場合には、各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０の図２８に示したＯＮ／ＯＦＦ制御に、ロータの各ステップ回転駆動の初期に短時間だけ第１のステータのコイル１２にも、その後の通電とは逆極性の通電をするための制御を加えればよい。

図３２は、通常の２相励磁駆動と同様に駆動する場合における図２６の各スイッチＴｒ１〜Ｔｒ１０のＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。このように駆動すると、最も高トルクで滑らかな駆動が可能になる。

〔ロータの回転を検出可能な駆動回路〕
図３３は、ロータの回転を検出可能な駆動回路の例を示す回路図であり、図２２に示した第１のステータ１のコイル１２にのみ通電して駆動する回路を、スイッチＴｒ５，Ｔｒ６を省略して構成し、第２のステータ２のコイル２２をロータ３の回転検出用センサとして使用する。

そのため、コイル２２の端子間に抵抗Ｒを接続し、ロータ３の回転によってコイル２２に誘起される電流を電圧に変換して検出手段（回路）７に入力させ、検出手段７がその電圧の有無によってロータ３の回転／非回転を検出して、その検出結果を制御手段（回路）８に知らせ、非回転の場合には制御手段８が駆動パルスの修正などの補償動作を行なってロータ３を確実に回転させ、時計における指針の運針を確実にすることができる。

この発明は、腕時計をはじめとする各種の指針を備えた電子時計の駆動源として利用できる。一次電池を電源とするもののほか、太陽電池や熱発電素子あるいは機械式発電ユニットなどと二次電池の組み合わせを電源とするものにも適用することができる。

この発明による時計用ステップモータの第１実施例の構成を示す斜視図である。 図１に示したステップモータを時計回りに約９０°回転させて第１のステータと第２のステータとを分離させた状態を示す斜視図である。 その第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。 この発明による時計用ステップモータの第２実施例の構成を示す斜視図である。 図４に示したステップモータの第１のステータと第２のステータとを分離させた状態を示す斜視図である。

その第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。 この発明による時計用ステップモータの第３実施例における第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。 この発明による時計用ステップモータの第４実施例における第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。 スリットを設けたタイプの一般的な時計用ステップモータを簡略化して示す平面図である。 磁束飽和部を設けたタイプの一般的な時計用ステップモータを簡略化して示す平面図である。

図９に示した時計用ステップモータにおいてロータに作用するスリットと内ノッチによる保持トルクとロータの回転角度との関係を示す曲線図である。 図９に示した時計用ステップモータにおいて保持トルクとコイルに通電した後に発生する駆動トルクによりロータに作用するトルクとロータの回転角度との関係を示す曲線図である。 この発明による時計用ステップモータにおける保持力を発生しないようにした第２のステータの異なる例を簡略化して示す平面図である。 図１３の（Ａ）に示したステータにおいて保持力が発生しない理由を説明するための曲線図である。 ２個のステータが両方とも保持力を発生するようにした場合の例を示す図３と同様な平面図である。

この発明による時計用ステップモータの他の実施例の斜視図である。 この発明による時計用ステップモータの他の異なる実施例の斜視図である。 この発明による時計用ステップモータの第１実施例とロータの構成が異なる実施例の分解斜視図である。 図１８に示した実施例とロータの構成が異なる実施例の分解斜視図である。 この発明による時計用ステップモータの基本的な駆動回路による２コイル直列接続での駆動状態を示す回路図である。

図２０に示す駆動状態の場合の各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 この発明による時計用ステップモータの基本的な駆動回路による１コイルのみでの駆動状態を示す回路図である。 図２２に示す駆動状態の場合の各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 この発明による時計用ステップモータの基本的な駆動回路による２コイル並列接続での駆動状態を示す回路図である。 図２４に示す駆動状態の場合の各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。

この発明による時計用ステップモータの正逆回転可能な駆動回路の例を示す回路図である。 ロータを正回転方向に駆動する場合の図２６における各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 ロータを逆回転方向に駆動する場合の図２６における各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 正回転方向の場合の駆動動作を説明するための行程図である。 逆回転方向の場合の駆動動作を説明するための行程図である。

ロータをより高速で正回転方向に駆動する場合の図２６における各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 通常の２相励磁駆動と同様に駆動する場合の図２６における各スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 ロータの回転を検出可能な駆動回路の例を示す回路図である。 高トルクを得ようとする従来のステップモータの一例を簡略化して示す平面図である。 高トルクを得ようとする従来のステップモータの他の例を簡略化して示す平面図である。

符号の説明

１，１′：第１のステータ ２，２′：第２のステータ
３，３′，３″：ロータ ４：スペーサ
５：輪列 ５ａ：平歯車
６：直流電源 ７：検出手段 ８：制御手段
１１，１１′，２１，２１′：ヨーク １１ａ，２１ａ：ロータ孔
１１ｂ，２１ｂ：コイル芯 １１ｃ，２１ｃ：スリット
１１ｄ，２１ｄ：内ノッチ １１ｅ，２１ｅ：磁束飽和部
１２，２２：コイル Ｒ：抵抗
Ｔｒ１〜Ｔｒ１０：スイッチングトランジスタ（スイッチ）

Claims (10)

1. 永久磁石からなる１個のロータと、それぞれ該ロータを回転自在に挿入させるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと該ヨークと一体のコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなる２個のステータとを備え、
   該２個のステータは、前記ロータ孔の位置を前記１個のロータに対して一致させてその軸方向に重ねて互いに絶磁して配置された第１のステータと第２のステータであり、
   前記第１のステータは、前記ロータに駆動トルクを作用させる機能と、該ロータの回転方向を決めるとともに前記コイルの非通電時に前記ロータの位置を安定させるための保持トルクを前記ロータに作用させる機能とを有し、
   前記第２のステータは、前記ロータに駆動トルクを作用させる機能は有するが、前記保持トルクを前記ロータに作用させる機能は有さない
   ことを特徴とする時計用ステップモータ。
2. 前記第１のステータの前記ヨークにおける前記ロータ孔の周囲には、前記コイルによる磁界によって前記ロータに前記駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部と、前記保持トルクを前記ロータに作用させるために機能する一対の内ノッチとを設け、
   前記第２のステータの前記ヨークにおける前記ロータ孔の周囲には、前記コイルによる磁界によって前記ロータに前記駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリットと、該一対のスリットを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチとを、互いに前記ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の時計用ステップモータ。
3. 前記第１のステータの前記ヨークにおける前記ロータ孔の周囲には、前記コイルによる磁界によって前記ロータに前記駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部と、前記保持トルクを前記ロータに作用させるために機能する一対の内ノッチとを設け、
   前記第２のステータの前記ヨークにおける前記ロータ孔の周囲には、前記コイルによる磁界によって前記ロータに前記駆動トルクを作用させるために機能する一対の磁束飽和部を設け、前記一対の内ノッチは設けない
   ことを特徴とする請求項１に記載の時計用ステップモータ。
4. 前記第１のステータと第２のステータとは、空隙もしくは非磁性体のスペーサを介して絶磁されてい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時計用ステップモータ。
5. 前記第１のステータの前記コイル芯は、前記ヨークの厚さ方向における中央より前記第２のステータのヨークに近い位置に設け、前記第２のステータの前記コイル芯は、前記ヨークの厚さ方向における中央より前記第１のステータのヨークに近い位置に設けたことを特徴とする請求項４に記載の時計用ステップモータ。
6. 前記第１のステータと前記第２のステータとが、その各前記コイルのコイル芯の方向が平面上で互いに直交又は平行するか、もしくは同一方向になるように配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の時計用ステップモータ。
7. 前記第１のステータと前記第２のステータとが、その各前記ヨークに設けた一対のスリット又は磁束飽和部を結ぶ直線が同一方向になるように配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の時計用ステップモータ。
8. 前記第１のステータと前記第２のステータとが、その各前記ヨークに設けた一対のスリット又は磁束飽和部を結ぶ直線が互いに直交するように配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の時計用ステップモータ。
9. 前記ロータが、前記第１のステータの前記ロータ孔に挿入される磁石部と前記第２のステータの前記ロータ孔に挿入される磁石部とが歯車部を挟んで同一軸線上で結合して構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の時計用ステップモータ。
10. 前記ロータが、前記第１のステータの前記ロータ孔に挿入される磁石部と前記第２のステータの前記ロータ孔に挿入される磁石部とが一体に形成され、その軸方向の一端部に歯車部が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の時計用ステップモータ。

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