JP5495989B2 - Step motor and step motor apparatus using the same - Google Patents
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Description
この発明は、2つのステータと1つのロータを有し、特に、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連続運針をするための時計用のステップモータ及びそれを用いたステップモータ装置に関する。 The present invention has two stators and one rotor, and in particular, a step motor for a timepiece for continuous hand movement used as a drive source for driving a pointer of an analog electronic timepiece and a step using the same The present invention relates to a motor device.
アナログ電子時計の駆動源には、入力するパルス状の駆動信号に同期して回転する、いわゆるステップモータ(ステッピングモータやパルスモータ、あるいは同期モータとも称される)が用いられており、一般に単相ステップモータが採用されている。 As a driving source of an analog electronic timepiece, a so-called step motor (also called a stepping motor, a pulse motor, or a synchronous motor) that rotates in synchronization with an input pulse-shaped driving signal is used. Step motor is adopted.
その単相ステップモータは、永久磁石からなる1個のロータと、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1組の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とよって、ロータが一定角度だけ回転する。 The single-phase stepping motor has a rotor made of a permanent magnet, a soft magnetic yoke having a rotor hole into which the rotor is rotatably inserted, and a coil wound around a coil core integrated with the yoke (magnetic core). And a set of stators composed of attached coils, and a pulse current is passed through the coils to rotate the rotor by a certain angle.
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。この保持トルクによって、針が衝撃によって飛ぶのを抑えることもできる。
Around the rotor hole in the yoke of the stator, a pair of slits or magnetic flux saturation portions that function to apply a driving torque to the rotor by a magnetic field generated by a coil, and a pair of functions that function to apply a holding torque to the rotor An inner notch is provided.
The driving torque is a torque for rotating the rotor, and the holding torque is a torque for determining the rotation direction of the rotor and stabilizing the position of the rotor when the coil is not energized. This holding torque can also prevent the needle from flying due to an impact.
パルス電流の通電により、ロータが一定角度だけ回転する、その1ステップ動作に要する時間はわずか数[ms]程度であり、再び1[s]後にパルス電流を通電するまでの間、コイルには非通電でありロータは停止したままである。このような運針をステップ運針と呼び、通電時間が非常に短いために消費電力は小さく、腕時計に用いられる小さな電池であっても長期間に亘って指針を駆動できる。そのため、現在多くの腕時計に単相ステップモータが用いられているのである。 When the pulse current is applied, the rotor rotates by a certain angle. The time required for the one-step operation is only a few [ms]. The coil is not turned on until the pulse current is supplied again after 1 [s]. Energized and the rotor remains stopped. Such a hand movement is called a step hand movement. Since the energization time is very short, the power consumption is small, and even a small battery used in a wristwatch can drive the pointer over a long period of time. Therefore, single-phase stepping motors are currently used in many watches.
また、パルス電流を1[s]周期間隔で通電するのではなく、数十[ms]周期の間隔で通電し、減速比をその周期分増やすことで、運針がさも連続的に動いているように見せることができる。このような運針方法を連続運針と呼ぶ。このような運針方法は多くの提案を見るものであり、そのような運針をする時計は、主に置時計などでは広く普及しており、近年では腕時計に採用されることも多い。特に腕時計にあっては、秒針が1秒ごとに運針するものが主流である中で、秒針が連続運針するものは、特に注目されている。 In addition, it is considered that the hand movement is continuously moving by energizing the pulse current at intervals of several tens [ms] instead of energizing the pulse current at intervals of 1 [s], and increasing the reduction ratio by that period. Can show. Such a hand movement method is called continuous hand movement. Such a hand movement method sees many proposals, and timepieces with such a hand movement are widely used mainly in table clocks and the like, and in recent years are often used in watches. Especially in wristwatches, the one in which the second hand moves continuously every second is the mainstream, and the one in which the second hand moves continuously is particularly attracting attention.
上述の運針方法を行なう従来から知られている単相ステップモータの構成を、図25を用いて説明する。
図25において、永久磁石よりなるロータ103は、ヨーク1011に設けられたロータ孔1011aに回転自在に挿入され、そのロータ孔1011aにはロータ103に駆動トルクを作用させるために必要な磁束飽和部1011dと、保持トルクを作用させるための内ノッチ1011cとが設けられている。
コイル1013へのパルス電流の方向を一定周期毎に切り替え、保持トルクに打ち勝つだけのトルクが発生するようなエネルギーを与えた場合に、ロータを180[deg]ずつ一定方向に回転させることができる。
図25に示したこのような単相ステップモータの構成は広く知られているものであるが、例えば、特許文献1に一例が開示されている。
The structure of a conventionally known single-phase stepping motor that performs the above-described hand movement method will be described with reference to FIG.
In FIG. 25, a
When the direction of the pulse current to the coil 1013 is switched at regular intervals and energy is generated to generate torque that can overcome the holding torque, the rotor can be rotated by 180 [deg] in a constant direction.
The configuration of such a single-phase step motor shown in FIG. 25 is widely known. For example,
このようなステップモータにあっては、ロータの駆動に際する高効率化や低消費電力化の取り組みが多く成されている。例えば、2つの単相ステップモータをロータの軸方向に重ねる構成が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特許文献2に示した従来技術は、連続運針をするものではないが、2つの単相ステップモータを制御することで、正逆回転を可能としたステップモータとなっている。
In such stepping motors, many efforts have been made to increase efficiency and reduce power consumption when driving the rotor. For example, a configuration in which two single-phase stepping motors are stacked in the axial direction of the rotor is known (see, for example, Patent Document 2).
Although the prior art shown in
特許文献2に示した従来技術を、図26を用いて説明する。
図26において、互いに直交し、磁気分離された2つのヨーク2011,2021と、2つのコイル2013,2023とからなるステータ201,202を、ロータ203に対して同軸上に配置してある。ヨーク2011,2021にはロータ回転方向に対して同じ位相関係となるようにロータ孔2011a,2021a、及び内ノッチ2011c,2021cが配置されており、180[deg]ずつ回転する。
The prior art shown in
In FIG. 26,
このステップモータは、2つのコイル2013,2023より通電する側を選択することで、正回転又は逆回転を切り替えることができる。製造技術に歴史がある単相ステップモータ用のステータ201,202をロータ軸方向に重ねるのみで良いために、製造し易い構造である。
This step motor can be switched between forward rotation and reverse rotation by selecting the energized side from the two
また、2つの単相ステップモータをロータの軸方向に重ねる構成の他の例として、効率よく高トルクを発生させると共に、低消費電力化を行なえる技術も知られている(例えば、特許文献3参照。)。 As another example of a configuration in which two single-phase stepping motors are stacked in the axial direction of the rotor, a technique that can efficiently generate high torque and reduce power consumption is also known (for example, Patent Document 3). reference.).
図25に示した従来知られている単相ステップモータの構造では、ロータ103に保持トルクが作用しており、それに打ち勝ち回転させるために十分高い電圧を印加して回転させる必要がある。そして、ロータ103が停止する際には保持トルクによりロータ103を位置決めするトルクが作用し、減衰振動をしながら静的安定位置で停止する。そのために、1ステップあたりの角速度の変動幅が非常に大きくなってしまう。そうすると、連続運針をするとき、秒針の振れとして時計の使用者には違和感として認識されてしまうという問題がある。この秒針の振れは、長い秒針を設けた場合などに顕著になる。
In the structure of the conventionally known single-phase step motor shown in FIG. 25, the holding torque acts on the
その1ステップあたりの角速度波形の様子を逆起電力による細かな速度変動などは無視し、かなり簡略化して模式的に示したものが図27である。図中、108a,108bは角速度波形である。角速度の変動幅はΔωdで示している。また、図には角速度波形の1つを拡大した拡大部も表している。その拡大部においてT1,T2は区間、αは領域を示している。
図27(A)は、変動幅が非常に大きく、正側から負側にまで変化する様子を示している。図27(B)は、角速度の変動幅がなく理想的な角速度波形を示している。
FIG. 27 schematically shows the state of the angular velocity waveform per step by ignoring fine velocity fluctuations due to the back electromotive force and considerably simplified. In the figure, 108a and 108b are angular velocity waveforms. The fluctuation range of the angular velocity is indicated by Δωd. The drawing also shows an enlarged portion in which one of the angular velocity waveforms is enlarged. In the enlarged portion, T1 and T2 indicate sections, and α indicates a region.
FIG. 27A shows a state in which the fluctuation range is very large and changes from the positive side to the negative side. FIG. 27B shows an ideal angular velocity waveform with no fluctuation range of angular velocity.
ロータに作用する保持トルクがあると、そのロータを回転駆動させようとしたときに、駆動トルクが保持トルクを上回るように駆動パルスをコイルに印加する必要がある。図27(A)に示したように、駆動パルスを印加してそれにより発生した駆動トルクにより、
保持トルクが負荷として作用している区間をロータが乗り越えるまでが区間T1であり、それを超えて今度はロータが保持トルクによって回転し始めて、やがて静的安定位置で回転し終わる区間を区間T2とすると、ロータの角速度の変動は、区間T1と区間T2との両方で起きている。ただし、区間T1と区間T2とでは、その発生要因が異なる。
If there is a holding torque acting on the rotor, it is necessary to apply a driving pulse to the coil so that the driving torque exceeds the holding torque when the rotor is driven to rotate. As shown in FIG. 27 (A), the drive torque generated by applying the drive pulse is as follows:
The section T1 is a period until the rotor gets over the section in which the holding torque acts as a load. After that, the section starts to rotate at the static stable position after the rotor starts rotating by the holding torque. Then, the fluctuation of the angular velocity of the rotor occurs in both the section T1 and the section T2. However, the generation factor is different between the section T1 and the section T2.
すなわち、区間T1にあっては、駆動トルクが保持トルクに打ち勝とうとするために発生するものであり、保持トルクと駆動パルスの実効電圧との兼ね合いでその変動の大きさ(変動幅)は変わるのである。保持トルクを簡単に超えるほど大きな駆動トルクを発生するような高い実効電圧の駆動パルスを用いてしまうと、ロータは回転しやすくなるものの、かえって角速度の変動を招いてしまう。
一方、区間T1を経てその後にロータが所定角度回転し終わるまでの区間T2にあっては、保持トルクが作用してロータが減衰振動をしながらやがて停止するために起こるものであり、保持トルクの大きさでその変動の大きさ(変動幅)も変わるのである。なお、領域αは、角速度の負の変動の領域を示しており、保持トルクが小さければ、この領域αにおける角速度の変動も小さくなる。
That is, in the section T1, it is generated because the drive torque tries to overcome the holding torque, and the magnitude of the change (variation width) changes depending on the balance between the holding torque and the effective voltage of the drive pulse. is there. If a driving pulse having a high effective voltage that generates a driving torque that is so large as to easily exceed the holding torque is used, the rotor is likely to rotate but the angular velocity fluctuates.
On the other hand, in the section T2 after the section T1 until the rotor finishes rotating at a predetermined angle, this occurs because the holding torque acts and the rotor eventually stops while performing the damping vibration. The magnitude of the change (variation width) also changes with the size. Note that a region α indicates a region where the angular velocity is negatively changed, and if the holding torque is small, the variation in the angular velocity in the region α is also small.
図27(A)に示した角速度波形108aの変動を抑制するために、1秒間あたりに発生させるパルス数を増やし、輪列の減速比を増やすことで、秒針の振れの度合いを使用者に認識され難くすることができる。
しかし、そうすると、消費電力はパルス数に比例して増加してしまうため、図25に示した従来知られている単相ステップモータを腕時計のような小さな電池しか搭載できない機器に適用した場合には、寿命が短く、電池交換が頻繁に必要となってしまうという問題が代わりに発生してしまう。
In order to suppress fluctuations in the
However, if this is done, the power consumption increases in proportion to the number of pulses. Therefore, when the conventionally known single-phase step motor shown in FIG. Instead, the problem of short life and frequent battery replacement will occur.
特許文献2に示した従来技術を応用して電子時計の秒針を連続運針させようとしても、やはり保持トルクがロータ203に作用しているから、180[deg]ずつステップ運針させるために、角速度の変動は図27の(A)の角速度波形108aと同じになってしまい、やはり秒針の振れとして時計の使用者に違和感として認識されてしまうという問題がある。
Even if the second hand of the electronic timepiece is continuously operated by applying the conventional technique shown in
特許文献3に示した従来技術は、高効率で高トルクを発生させることができる技術であるが、保持トルクがロータに作用しているから、角速度の変動幅もある。ロータの回転をそのまま指針に伝達する機構を搭載した電子時計の場合は、その秒針を連続運針させるとき、秒針の振れが発生してしまうことがある。
The conventional technique shown in
つまり、ロータの角速度の変動を小さくすることで電子時計の秒針の振れを小さくするには、ロータにかかる保持トルクを小さくすれば図27(A)に示す区間T2の角速度の変動が改善される。そして、そのような保持トルクが小さいロータを、より小さい実効電圧の駆動パルスで駆動すれば区間T1の角速度の変動が改善される。
しかしながら、そのような、ロータにかかる保持トルクが極めて小さく、かつ角速度の変動を発生しないような低いで実効電圧で動作できるステップモータは、いまだ提案がなされていない。
That is, in order to reduce the fluctuation of the second hand of the electronic timepiece by reducing the fluctuation of the angular velocity of the rotor, the fluctuation of the angular velocity in the section T2 shown in FIG. 27A is improved by reducing the holding torque applied to the rotor. . And if the rotor with such a small holding torque is driven with the drive pulse of a smaller effective voltage, the fluctuation | variation of the angular velocity of the area T1 will be improved.
However, no proposal has been made for a step motor that can operate at an effective voltage at such a low level that the holding torque applied to the rotor is extremely small and that the angular velocity does not fluctuate.
本発明は上記のような問題を解決し、図27(B)の角速度波形108bにあるように角速度の変動幅が小さい特性で、時計の使用者に秒針の針の振れを違和感として意識させない連続運針を実現し、低消電力駆動が可能で、かつ製造が容易なステップモータ及びそれを用いたステップモータ装置を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problems, and has a characteristic in which the fluctuation range of the angular velocity is small as shown in the
この発明によるステップモータは、上記の目的を達成するため、以下に示す構成を採用
するものである。
In order to achieve the above object, the step motor according to the present invention employs the following configuration.
2極に着磁された永久磁石からなる1個のロータと、このロータを回転自在に挿入されるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと、このヨークに一体となる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を2個有し、2個のステータは、ロータ孔の位置を互いに一致させてロータの軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置された第1のステータと第2のステータとであり、それぞれのコイルに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを発生する駆動手段によりこの駆動パルスをそれぞれのコイルに印加することで、ロータを回転させるステップモータにおいて、
2個のステータの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を設け、2個のステータとロータと間では、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が生じないことを特徴とする。
Wind a conductor around a single rotor made of a permanent magnet magnetized with two poles, a soft magnetic yoke having a rotor hole into which the rotor is rotatably inserted, and a coil core integrated with the yoke The two stators are arranged in such a manner that the positions of the rotor holes coincide with each other so that the positions of the rotor holes coincide with each other and are shifted in spatial phase from each other and demagnetized from each other. The first stator and the second stator, and by applying a drive pulse to each coil by a drive means that generates a predetermined drive pulse with an electrical phase shifted in each coil, the rotor is In the step motor to rotate,
Around the rotor holes of the two stators, a pair of slits or a magnetic flux saturation portion that functions to apply a driving torque to the rotor by a magnetic field by the coils is provided, and the non-coil between the two stators and the rotor is not provided. The holding torque for stabilizing the position of the rotor when energized does not occur.
このような構成を有することで、保持トルクが生じないために低い実効電圧でロータを駆動でき、角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針が実現できる。 With such a configuration, since no holding torque is generated, the rotor can be driven with a low effective voltage, and a smooth continuous hand movement with a small fluctuation range of the angular velocity can be realized.
2個のステータに備える一対のスリット又は磁束飽和部は、それぞれのステータごとに保持トルクを生じさせない位置となっていてもよい。 The pair of slits or the magnetic flux saturation portions provided in the two stators may be in positions where no holding torque is generated for each stator.
このような構成を有することで、組立時にそれぞれのステータの位置関係について、さほどの精度を要するものではなくなり、組立易いという効果を有することができる。 By having such a configuration, the positional relationship of the respective stators at the time of assembly is not required so much accuracy, and an effect of being easy to assemble can be obtained.
2個のステータに備える一対のスリット又は磁束飽和部は、一方のステータに保持トルクを生じさせて他方のステータによりその保持トルクを打ち消すような位置となっていてもよい。 The pair of slits or magnetic flux saturation portions provided in the two stators may be in a position where a holding torque is generated in one stator and the holding torque is canceled by the other stator.
このような構成にすれば、それぞれのステータの位置関係を、組み付け時に調整することで、保持トルク打ち消すことができるから、角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。 With such a configuration, it is possible to cancel the holding torque by adjusting the positional relationship of the respective stators at the time of assembly, so that it is possible to have an effect of realizing a smooth continuous hand movement with a small fluctuation range of the angular velocity. .
第1のステータと第2のステータとのそれぞれに、一対のスリットとそのスリット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設け、一対のスリットと一対の内ノッチとは、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるようにしてもよい。 Each of the first stator and the second stator is provided with a pair of slits and a pair of inner notches for canceling the holding torque generated by the slits. The pair of slits and the pair of inner notches You may make it provide on the line | wire which passes orthogonally through the center.
このような構成を有することで、スリットによりコイルからの磁界が効率的に漏れてロータに作用するため、より低い電圧で駆動でき低消電化という効果を有することができる。 By having such a configuration, the magnetic field from the coil efficiently leaks through the slit and acts on the rotor, so that it can be driven at a lower voltage and can have the effect of reducing power consumption.
第1のステータと第2のステータとのそれぞれに磁束飽和部を設け、2個のステータに備わる磁束飽和部同士は、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるようにしてもよい。 A magnetic flux saturation part may be provided in each of the first stator and the second stator, and the magnetic flux saturation parts provided in the two stators may be provided on a line orthogonal to each other through the center of the rotor hole.
このような構成を有することで、ロータ孔に内ノッチを設ける必要がないために金型の高寿命化という効果を有することができる。 By having such a configuration, it is not necessary to provide an inner notch in the rotor hole, so that an effect of extending the life of the mold can be obtained.
一方のステータには、一対のスリットとそのスリット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、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けており、他方のステータには、磁束飽和部を設けており、一方のステータに設ける一対のスリットと他方のステータに設ける磁束飽和部とは、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設ける
ようにしてもよい。
One stator is provided with a pair of slits and a pair of inner notches for canceling the holding torque generated by the slits on a line perpendicular to the center of the rotor hole. The pair of slits provided in one stator and the magnetic flux saturation part provided in the other stator may be provided on a line perpendicular to the center of the rotor hole.
このような構成を有することで、組立時のステータの位置関係の精度をさほど要することがなく組立でき、また内ノッチのないステータを一方だけでも用いることができるから、そのステータを製造する際の金型の高寿命化という効果も有することができる。 By having such a configuration, it is possible to assemble without requiring much accuracy of the positional relationship of the stator at the time of assembly, and it is possible to use only one of the stators without an inner notch. It can also have the effect of extending the life of the mold.
2個のステータのうち、一方のステータに設けるスリットと他方のステータに設けるスリットとは、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるようにしてもよい。 Of the two stators, the slit provided in one stator and the slit provided in the other stator may be provided on a line orthogonal to each other through the center of the rotor hole.
このような構成を有することで、スリットによる低消電化と、組立時の調整による保持トルクの打ち消しによるスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。 By having such a configuration, it is possible to achieve the effects of low power consumption by the slit and realization of smooth continuous hand movement by canceling the holding torque by adjustment at the time of assembly.
この発明によるステップモータ装置は、上記の目的を達成するため、以下に示す構成を採用するものである。 The step motor device according to the present invention employs the following configuration in order to achieve the above object.
上記説明したステップモータの構造を有し、かつ、駆動手段は、駆動パルスを発生するために、少なくとも4つのスイッチ素子によるHブリッジ回路2組よりなる駆動回路を備えており、駆動パルスの実効電圧は、ロータに負荷として作用している静止摩擦トルク又は動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値であると共にスイッチ素子を構成するMOSFETの閾値電圧よりも小さい電圧値であるようにしてもよい。 The step motor structure described above, and the drive means includes a drive circuit including two sets of H-bridge circuits by at least four switch elements in order to generate a drive pulse, and the effective voltage of the drive pulse. May be a voltage value that generates a torque larger than the static friction torque or the dynamic friction torque acting as a load on the rotor, and may be a voltage value smaller than the threshold voltage of the MOSFET that constitutes the switch element.
このような構成を有することで、摩擦トルクをわずかに上回る程度のトルクで駆動するため、余計な加減速がなく、角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。 By having such a configuration, driving is performed with a torque that is slightly higher than the friction torque, so that there is no need for extra acceleration / deceleration and the effect of realizing a smooth continuous hand movement with a small fluctuation range of angular velocity can be achieved.
駆動手段は、ロータの回転と非回転とを検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に基づいて駆動パルスの実効電圧を可変する可変電圧手段と、を有するようにしてもよい。 The drive unit may include a detection unit that detects rotation and non-rotation of the rotor, and a variable voltage unit that varies the effective voltage of the drive pulse based on the detection result of the detection unit.
このような構成を有することで、非回転時の補正が可能なため、常にエネルギー的に余裕のあるパルスで駆動する必要がなく、最小のエネルギーで駆動するができ、低消電化という効果を有することができる。 By having such a configuration, correction at the time of non-rotation is possible, so there is no need to always drive with a pulse having sufficient energy, and it is possible to drive with the minimum energy, and there is an effect of low power consumption. be able to.
可変電圧手段は、実効電圧を、ロータが静止状態から回転開始するときには、静止摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるようにし、ロータが連続回転しているときには、動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるように可変するようにしてもよい。 The variable voltage means sets the effective voltage to a voltage value that generates a torque larger than the static friction torque when the rotor starts to rotate from a stationary state, and generates a torque larger than the dynamic friction torque when the rotor is continuously rotating. You may make it vary so that it may become the voltage value to generate | occur | produce.
このような構成を有することで、起動時やリセット時に確実に駆動できるという効果を有することができる。 By having such a structure, it can have the effect that it can drive reliably at the time of starting or resetting.
駆動パルスは、2個のコイルを1−2相励磁するものであり、それぞれのコイルに印加される電圧は、2相通電区間の実効電圧値を1相通電区間の実効電圧値よりも小さくするようにしてもよい。 The drive pulse excites two coils in 1-2 phase, and the voltage applied to each coil makes the effective voltage value in the two-phase energization section smaller than the effective voltage value in the one-phase energization section. You may do it.
このような構成を有することで、2相通電区間での余分なエネルギー投入による加減速がなくなり、低消電化とスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。 By having such a configuration, there is no acceleration / deceleration due to excessive energy input in the two-phase energization section, and it is possible to achieve the effect of realizing low power consumption and smooth continuous hand movement.
この発明によるステップモータは、2個のステータとロータとの間では、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が生じないという、従来にない特徴を有している。このために、角速度の変動幅を小さくすることができる。これにより、電子時計の秒針の運針に用いたとき、その秒針が長い秒針であっても、秒針の振れは発生しない。電子時計の秒針が連続運針するときでもスムースな運針が可能になる。
また、この発明によるステップモータ装置は、ステップモータ自体に保持トルクがないため、ロータを駆動し始める期間においても、それぞれのコイルに印加する駆動パルスの実効電圧を小さくできるから、その結果、角速度の変動幅が小さいことに加えて、より消費電力を小さくすることができる。
さらにまた、それぞれのステータ自体は複雑な構造ではないため、製造しやすいという効果もある。
The step motor according to the present invention has an unprecedented feature that no holding torque is generated between the two stators and the rotor to stabilize the position of the rotor when the coil is not energized. For this reason, the fluctuation range of the angular velocity can be reduced. Thereby, when used for moving the second hand of an electronic timepiece, even if the second hand is a long second hand, the second hand does not shake. Smooth hand movement is possible even when the second hand of the electronic watch moves continuously.
In addition, since the stepping motor device according to the present invention has no holding torque in the stepping motor itself, the effective voltage of the driving pulse applied to each coil can be reduced even during the period in which the rotor starts to be driven. In addition to the small fluctuation range, the power consumption can be further reduced.
Furthermore, since each stator itself is not a complicated structure, it has the effect that it is easy to manufacture.
ステップモータは、1個のロータに対して2個のステータを上下に重ねる構成を有している。2つのステータは、各ロータ孔の位置を1個のロータに対して一致させており、そ
の軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置している。
ステップモータは、ステータによりロータに駆動トルクを作用させる機能は有しているが、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させる機能は有していない。
そして、そのようなステップモータを、ロータに負荷として作用している摩擦トルクをわずかに上回る程度の駆動トルクを作用させてロータを回転させる。このため、余分な加減速がなく、ロータの角速度の変動幅も小さくて済むのである。
The step motor has a configuration in which two stators are vertically stacked on one rotor. The two stators are arranged such that the positions of the respective rotor holes coincide with one rotor, and are superposed with their spatial phases shifted in the axial direction and demagnetized from each other.
The step motor has a function of applying a driving torque to the rotor by the stator, but does not have a function of applying a holding torque to the rotor when the coil is not energized.
Then, such a step motor causes the rotor to rotate by applying a driving torque that slightly exceeds the friction torque acting as a load on the rotor. For this reason, there is no excessive acceleration / deceleration, and the fluctuation range of the angular velocity of the rotor can be small.
保持トルクをロータに作用させない構成としては、以下の4つの実施形態がある。
第1実施形態は、上下のステータそれぞれにスリットと内ノッチを備え、それぞれのステータで保持トルクを打ち消す構成である。
第2実施形態は、上下のステータそれぞれに磁束飽和部を備えることで保持トルクを生じさせない構成である。
第3実施形態は、一方のステータにスリットと内ノッチ、他方のステータに磁気飽和部を設けており、いわば第1及び第2実施形態の構成を合わせた構成である。
第4実施形態は、上下のステータそれぞれにスリットを備え、それぞれのステータにより生じる保持トルクを上下のステータに設けるスリットの配置位置により打ち消す構成である。
以下、各実施形態を図面を用いて説明する。
There are the following four embodiments for preventing the holding torque from acting on the rotor.
In the first embodiment, a slit and an inner notch are provided in each of the upper and lower stators, and the holding torque is canceled by the respective stators.
In the second embodiment, a holding torque is not generated by providing a magnetic flux saturation portion in each of the upper and lower stators.
In the third embodiment, a slit and an inner notch are provided in one stator, and a magnetic saturation part is provided in the other stator, which is a combination of the configurations of the first and second embodiments.
In the fourth embodiment, a slit is provided in each of the upper and lower stators, and the holding torque generated by each stator is canceled by the arrangement position of the slits provided in the upper and lower stators.
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
[第1実施形態の構成の説明:図1〜図3]
図1〜図3は、ステップモータの第1実施形態の構成を示す図であり、図1は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の第1のステータと第2のステータとをロータ軸方向に分離させた状態を示す斜視図、図3は第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。
[Description of Configuration of First Embodiment: FIGS. 1 to 3]
1 to 3 are diagrams showing the configuration of a step motor according to a first embodiment, FIG. 1 is a perspective view of the step motor, and FIG. 2 is a first stator and a second stator of the step motor shown in FIG. FIG. 3 is a plan view showing the first stator and the second stator arranged side by side on the left and right sides of the stator.
第1実施形態のステップモータの特徴は、上下に重ねたステータそれぞれで、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、それぞれのステータに一対のスリットと、その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設けており、スリットと内ノッチとは互いに直交するように設けている。これにより保持トルクをロータに作用させない構成としている。
The feature of the step motor of the first embodiment is a configuration in which the holding torque is not applied to the rotor when the coils are not energized in each of the stators stacked vertically.
Specifically, each stator is provided with a pair of slits and a pair of inner notches for canceling the holding torque generated by providing the pair of slits, and the slits and the inner notches are orthogonal to each other. Provided. Thus, the holding torque is not applied to the rotor.
図1において、3は永久磁石からなる1個のロータである。11はロータ3を回転自在に挿入させるロータ孔11aと一対のスリット11bと一対の内ノッチ11cとを有する軟磁性体のヨーク(磁心)、12はヨーク11と一体となるコイル芯、13はコイル芯12に導線を巻きつけたコイルである。これらで第1のステータ1を構成している。
同様に、21はロータ3を回転自在に挿入させるロータ孔21aと一対のスリット21bと一対の内ノッチ21cとを有する軟磁性体のヨーク、22はコイル芯、23はコイルであり、これらで第2のステータ2を構成している。
なお、コイル13,23は細い導線を巻回したものであるが、その様子は図面を見やすくするために省略している。
In FIG. 1, 3 is one rotor made of a permanent magnet. 11 is a soft magnetic yoke (magnetic core) having a rotor hole 11a into which the
Similarly, 21 is a soft magnetic yoke having a rotor hole 21a into which the
In addition, although the
そして、コイル13とコイル23とに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを印加する駆動手段30とを備えている。なお、駆動手段30の詳細については後述する。
And the drive means 30 which applies the predetermined drive pulse which shifted the electric phase to the
図1に示すように、第1のステータ1と第2のステータ2とは、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、その軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置している。双方のステータの絶磁は、図示しない保持部材などより空隙を有するようにしているが、図示はしないが双方のステータ間に非磁性体のスペーサを挿入することにより絶磁してもよい。このようなスペーサを用いた絶
磁の詳細については後述する。
なお、図示しないがロータ3には歯車が固定され、秒針までは歯車輪列のみにより駆動力が伝えられている。
As shown in FIG. 1, the
Although not shown, a gear is fixed to the
このような第1のステータ1と第2のステータ2との位置関係及びロータ孔周辺の構成を見易くするようにロータ3の軸方向の中心線Aに沿って分離させた図が図2である。
図2に示すように、本実施形態で説明する第1のステータ1と第2のステータ2とは同形状である。図2に示す例では、上側の第2のステータ2は、下側の第1のステータ1を上下にひっくり返して配置している。このように、ステータを重ねているが、2つのステータは同形状であるため、ステップモータを製造しやすいという特徴もある。
FIG. 2 is a diagram separated along the axial center line A of the
As shown in FIG. 2, the
図3は第1のステータ1と第2のステータ2とを横に並べるように示す平面図であり、それぞれのステータに設けるスリットと内ノッチとの位置関係を説明する図である。
図3に示すように、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13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11bと、その一対のスリット11b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11cとが設けられており、これらは互いにロータ孔11aの中心を通って直交する中心線a及び中心線bの各線上に設けている。つまり、スリット11bと内ノッチ11cとは、90[deg]ずれる位置関係にある。
FIG. 3 is a plan view showing the
As shown in FIG. 3, around the rotor hole 11a in the
同様に、第2のステータ2のヨーク21におけるロータ孔21aの周囲にも、コイル23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21bと、その一対のスリット21b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21cとが設けられており、これらは互いにロータ孔21aの中心を通って直交する中心線e及び中心線dの各線上に設けている。つまり、スリット21bと内ノッチ21cとは、90[deg]ずれる位置関係にある。
Similarly, a pair of slits 21b functioning for applying a driving torque to the
なお、内ノッチ11c,21cは、ロータ孔11a,21aの内周からその径方向に形成された切り込みである。
また、図3に示す中心線gと角度θとについては後述する説明に用いるものであるから、ここでの説明は省略する。
The inner notches 11c and 21c are cuts formed in the radial direction from the inner periphery of the rotor holes 11a and 21a.
Further, since the center line g and the angle θ shown in FIG. 3 are used for the explanation to be described later, the explanation here is omitted.
このような構成にすることで、上下に重ねたステータそれぞれで、保持トルクを打ち消すことができ、ロータ3に保持トルクを作用させなくすることができる。
With such a configuration, the holding torque can be canceled by the stators stacked one above the other, and the holding torque can be prevented from acting on the
さらに、第1のステータ1の一対のヨーク11に設けたスリット11bを結ぶ直線aと、第2のステータ2のヨーク22に設けた一対のスリット21bを結ぶ直線dとが互いに直交するようにしたうえで、コイル13のコイル芯12の中心線cと、コイル23のコイル芯22の中心線fとの方向が平面上で互いに直交するように配置している。
Further, a straight line a connecting the slits 11b provided in the pair of
このようにすると、それぞれのコイルにより発生する磁界とロータの磁石との相互作用により発生する駆動トルクの大きさの変動が減り、角速度変動幅が小さくなるという効果がある。 In this way, there is an effect that the fluctuation of the magnitude of the drive torque generated by the interaction between the magnetic field generated by each coil and the magnet of the rotor is reduced, and the angular velocity fluctuation width is reduced.
知られているように、駆動トルクは、ロータの回転中に正弦波状に変化する。2つのステータを直交させると、正弦波状の駆動トルクのピーク近傍となる領域でのみロータを回転させることができる。そうすると、駆動トルクの変動が減り、角速度の変動の幅が小さくなる。 As is known, the driving torque changes sinusoidally during the rotation of the rotor. When the two stators are orthogonal to each other, the rotor can be rotated only in a region near the peak of the sinusoidal drive torque. As a result, the fluctuation of the driving torque is reduced, and the width of the fluctuation of the angular velocity is reduced.
なお、すでに説明したように、ロータ3から秒針までの間には歯車輪列しかないために
、ロータ3の動きと図示しない秒針の動きは1対1の対応をしている。このため、ロータ3に余分な加減速があると(ロータの角速度の変動幅が大きいと)、秒針の振れとして時計の使用者には違和感として認識されてしまう。
As already described, since there is only a tooth wheel train between the
[第1実施形態の作用の説明:図1〜図4]
次に、第1実施形態の作用を図面に基づいて説明する。
図4は、それぞれのステータによってロータに作用する保持トルクを説明するための図である。4aはステータのスリットによる保持トルク、4bは内ノッチによる保持トルク、4はステータによりロータに作用する保持トルクである。横軸はロータ回転角度、縦軸は保持トルクを示している。
[Description of First Embodiment: FIGS. 1 to 4]
Next, the operation of the first embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a diagram for explaining the holding torque acting on the rotor by the respective stators. 4a is the holding torque due to the slit of the stator, 4b is the holding torque due to the inner notch, and 4 is the holding torque acting on the rotor by the stator. The horizontal axis represents the rotor rotation angle, and the vertical axis represents the holding torque.
第1実施形態のステップモータは、図3に示すように、スリット11bを設けた位置から反時計回りに+90[deg]回転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周りにロータ3が回転する角度をθとすると、ロータ3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。
As shown in FIG. 3, the step motor of the first embodiment has a position rotated by +90 [deg] counterclockwise from the position where the slit 11b is provided as the absolute position origin, and the rotor counterclockwise from the absolute position origin. Assuming that the angle at which 3 rotates is θ, the combined holding torque Th (θ) depending on the rotation angle of the
数1において、Tstator1(θ)は第1のステータ1によりロータ3に作用する保持トルク、Tstator2(θ)は第2のステータ2によりロータ3に作用する保持トルクである。Tstator1_slit(θ+π/2)は一対のスリット11bによる保持トルク、Tstator1_notch(θ)は一対の内ノッチ11cによる保持トルク、Tstator2_slit(θ+π/2)は一対のスリット21bによる保持トルク、Tstator2_notch(θ)は一対の内ノッチ21cによる保持トルクである。
In
図4は保持トルクが合成されることでゼロになることを示しており、例えば第1のステータ1を例にすると、一対のスリット11bによる保持トルクTstator1_slit(θ+π/2)である4aが、1対の内ノッチ11cによる保持トルクTstator1_notch(θ)である4bと合成されることで、第1のステータ1によりロータ3に作用する保持トルクTstator1(θ)である4は打ち消されてゼロとなる。
FIG. 4 shows that the holding torque is combined to be zero. For example, when the
このように、一対のスリット11bによる保持トルクTstator1_slit(θ+π/2)をちょうど打ち消すには、一対の内ノッチ11cの切り欠き幅を調整することで保持トルクTstator1_notch(θ)の振幅を調整すればよい。図4に示すように、保持トルクをきれいに打ち消せるのは一対のスリット11bと一対の内ノッチ11cとがロータ孔の中心に対して直交しているからである。 Thus, in order to cancel the holding torque Tstatter_slit (θ + π / 2) by the pair of slits 11b, the amplitude of the holding torque Tstater_notch (θ) may be adjusted by adjusting the notch width of the pair of inner notches 11c. . As shown in FIG. 4, the holding torque can be canceled out because the pair of slits 11b and the pair of inner notches 11c are orthogonal to the center of the rotor hole.
なお、以上の説明は、第1のステータ1を例にしたが、すでに説明したように、第1のステータ1と第2のステータ2とは同形状であるから、第2のステータ2でも同様である。
第2のステータ2においての保持トルクの関係は、前述の文章の符号を読み換えればよく、一対のスリット21bによる保持トルクTstator2_slit(θ+π/2)である4aが、一対の内ノッチ21cによる保持トルクTstator1_notch(θ)である4bと合成されることで、第2のステータ2によりロータ3に作用する保持ト
ルクTstator2(θ)である4は打ち消されてゼロとなる。
In the above description, the
The relationship of the holding torque in the
第2のステータ2の場合にも、1対のスリット21bによる保持トルクTstator2_slit(θ+π/2)をちょうど打ち消すには、一対のノッチ21cの切り欠き幅を調整することで保持トルクTstator2_notch(θ)の振幅を調整すればよい。
Also in the case of the
[第1実施形態の各構成要素の位置関係のまとめ]
ここで、第1実施形態の各構成要素の位置関係をまとめると、次のようになる。
第1のステータ1の一対のスリット11bを結ぶ直線aと、一対の内ノッチ11cを結ぶ直線bとは直交している。同じく、第2のステータ2の一対のスリット21bを結ぶ直線dと、一対の内ノッチ21cを結ぶ直線eとは直交している。この構成により、それぞれのステータにおいて保持トルクを打ち消しあっている。
加えて、直線aと直線dとも直交しており、第1のステータ1のコイル芯12の中心線cと、第2のステータ2のコイル芯22の中心線fとも直交している。この構成により、ロータに作用する駆動トルクの大きさの変動を小さくすることができる。
[Summary of positional relationship of each component of the first embodiment]
Here, it is as follows when the positional relationship of each component of 1st Embodiment is put together.
A straight line a connecting the pair of slits 11b of the
In addition, the straight line a and the straight line d are also orthogonal, and the center line c of the
[第1実施形態の効果の説明]
ここで、第1実施形態の効果についてまとめると、次のようになる。
第1実施形態のステップモータは、2個のステータそれぞれとロータと間で、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が生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができ、このため、アナログ電子時計の指針を連続運針させる際に、その秒針が長い秒針であっても秒針の振れは発生せず、違和感のない運針が可能となる。
[Description of Effects of First Embodiment]
Here, the effects of the first embodiment are summarized as follows.
In the step motor of the first embodiment, since the holding torque for stabilizing the position of the rotor is not generated between each of the two stators and the rotor when the coil is not energized, the fluctuation range of the angular velocity can be reduced. For this reason, when the hands of the analog electronic timepiece are continuously moved, even if the second hand is a long second hand, the second hand is not shaken, and it is possible to move the hand without any sense of incongruity.
第1実施形態のステップモータを用いるステップモータ装置は、コイル13,23に印加する実効電圧は、ロータに負荷として作用している摩擦トルクをわずかに上回る程度の駆動トルクを生じるだけの電圧値でよいから、低い実効電圧でスムースにロータを回転させることができる。
In the step motor device using the step motor of the first embodiment, the effective voltage applied to the
さらに、第1のステータ1及び第2のステータ2の構造は、製造技術の進んでいる単相ステップモータのステータ構造そのままを用いていることができるため、製造し易いという効果もある。
Furthermore, since the structure of the
すでに説明したように、それぞれのステータにおいては、スリットと内ノッチとの位置が決められており、第1のステータ1と第2のステータ2との重なりにおいては、コイル芯の中心線同士の交差状態が決められているが、それぞれのステータ同士の位置関係については、さほどの精度を要するものではない。図1〜図3に示した例では、双方のステータが直交する位置にあるように示しているが、その重なり具合にあっては、双方をわずかの誤差も許されないほど非常に高精度に直交させなければならないというわけではないのである。したがって、第1実施形態のステップモータは、組立において高い精度を必要とせず、更に製造し易い構造となっている。
As described above, in each stator, the positions of the slit and the inner notch are determined, and in the overlap between the
また、2つのステータにはそれぞれスリット11b,21bが設けてあるから、第1のステータ1と第2のステータ2とも、コイル13,23に印加する実効電圧を下げるようにしても、コイル13,23により発生する磁界が効率良く漏れてロータ3に作用し、駆動トルクを発生させることができる。そのため、より低消費電力でロータ3を駆動することができる。
In addition, since the two stators are provided with slits 11b and 21b, respectively, the
[第2実施形態の構成の説明:図5]
次に、第2実施形態のステップモータについて説明する。
第2実施形態のステップモータの特徴は、すでに説明した実施形態と同様に、上下に重ねたステータそれぞれで、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、それぞれのステータにロータを駆動するための一対の磁束飽和部を備えるものの、内ノッチを設けないことで保持トルクを発生しない構成としている。
[Description of Configuration of Second Embodiment: FIG. 5]
Next, the step motor of the second embodiment will be described.
The feature of the step motor of the second embodiment is the configuration in which the holding torque is not applied to the rotor when the coil is not energized in each of the vertically stacked stators, as in the embodiment already described.
Specifically, although each stator includes a pair of magnetic flux saturation portions for driving the rotor, no holding torque is generated by not providing an inner notch.
第2実施形態のステップモータの構成は、図5を用いて説明する。
図5は、第1のステータ1及び第2のステータ2のロータ孔11a,21aの周辺部のみを部分拡大し上下に並べ、コイルなど他の構成要素を省略して示す詳細図である。なお、すでに説明した同一の構成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。
図5においては、説明しやすいように2つのステータを図中上下に並べて示してあるが、1個のロータ3を2つのステータで共有していることは変わっておらず、2個のロータがあるわけではない。
The configuration of the step motor of the second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a detailed view showing only the peripheral portions of the rotor holes 11a and 21a of the
In FIG. 5, two stators are shown one above the other for ease of explanation, but the fact that one
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13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11dのみを設けている。磁束飽和部11dは、ステータに設ける切り欠き状の部分である。同じく、第2のステータ2のヨーク2におけるロータ孔21aの周囲にも一対の磁束飽和部21dのみを設けている。
Around the rotor hole 11 a in the
この第2実施形態では、第1のステータ1のヨーク11に設けた一対の磁束飽和部11dを結ぶ直線を直線a1とし、第2のステータ2のヨーク22に設けた一対の磁束飽和部21dを結ぶ直線を直線d1としている。そして、この直線a1と直線d1とが互いに直交するように上下のステータを配置している。
なお、図5には、直線a1と直交するように直線b1、直線d1と直交するように直線e1を示している。
In the second embodiment, a straight line connecting a pair of magnetic flux saturation portions 11d provided on the
In FIG. 5, a straight line b1 is shown to be orthogonal to the straight line a1, and a straight line e1 is shown to be orthogonal to the straight line d1.
この図5に示す直線a1,d1は、図3に示す、ヨーク11に設けた一対のスリット11bを結ぶ直線aと、ヨーク22に設けた一対のスリット21bを結ぶ直線dとに、位置的に対応しており、図5に示す直線b1及び直線e1も、図3に示す直線b及び直線eに、それぞれ対応しているので、第2実施形態のステップモータの配置関係を理解するためには、図3を参照してその構成においてロータ孔11a,21aの周辺部のみ図5の構成に置き換えるとよい。
The straight lines a1 and d1 shown in FIG. 5 are positioned on the straight line a connecting the pair of slits 11b provided on the
[第2実施形態の作用及び効果の説明]
次に、この第2実施形態における保持トルクを打ち消す作用を説明する。
第1のステータ1及び第2のステータ2には、それぞれ一対の磁束飽和部11d,21dを設けているが、内ノッチを設けなければコイルへの非通電時に保持トルクは発生しない。これは、一般的なステップモータにおいては、ロータ3から発生した磁束のみでは磁束飽和部11d,21dを飽和させるには不十分だからである。そのため、この第2実施形態の場合は、第1のステータ1と第2のステータ2ともそれぞれのステータにおいて、そもそも保持トルクがほとんど生じないのである。
[Description of Operation and Effect of Second Embodiment]
Next, the action of canceling the holding torque in the second embodiment will be described.
The
次に、効果について説明する。
この第2実施形態も、保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができる。第1のステータ1及び第2のステータ2に、それぞれ一対の磁束飽和部11d,21dを設けているために、コイル13,23からの磁界は、まずこの磁束飽和部11d,21dを飽和させてからでないとロータ3に作用しない。このため、コイル13,23に印加する実効電圧を第1実施形態と同じ程度までは下げることができないが、第1実
施形態に比べて製造しやすく、製造コストも低減できるという効果がある。
Next, the effect will be described.
Also in the second embodiment, since no holding torque is generated, the fluctuation range of the angular velocity can be reduced. Since the
すなわち、ステータにスリットがないので、それぞれのヨーク11,12とも1枚の板で構成でき、プレス加工のみでステータを形成することができるという点である。
さらに、内ノッチもないためにロータ孔周辺が円形で済むことによりプレスの金型も単純な形状で済み、その寿命も長くすることができる。これにより、製造コストを低下させることが可能である。
That is, since there is no slit in the stator, each of the
Furthermore, since there is no inner notch and the periphery of the rotor hole is circular, the press mold can be a simple shape, and its life can be extended. Thereby, it is possible to reduce manufacturing cost.
また、第1のステータ1と第2のステータ2とも、それぞれのステータにおいて保持トルクを打ち消しあっているため、第1実施形態と同様に2個のステータの位相関係を高精度で配置するように設計する必要がなく組立の精度を必要としないから、更に製造し易い構造である。
Since the
[第3実施形態の構成の説明:図6]
次に、第3実施形態のステップモータについて説明する。
第3実施形態のステップモータの特徴は、すでに説明した実施形態と同様に、上下に重ねたステータそれぞれで、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、一方のステータに一対のスリットと一対の内ノッチとを互いに直交するように設けて保持トルクを打ち消し、他方のステータにロータを駆動するための一対の磁束飽和部を備えるものの、内ノッチを設けないことで保持トルクを発生しない構成としている。つまり、第1実施形態で説明したステータ構造と第2実施形態で説明したステータ構造とをそれぞれのステータが有している構成である。
[Description of Configuration of Third Embodiment: FIG. 6]
Next, the step motor of the third embodiment will be described.
The feature of the step motor of the third embodiment is a configuration in which the holding torque is not applied to the rotor when the coil is not energized in each of the vertically stacked stators, as in the embodiment described above.
Specifically, although one stator is provided with a pair of slits and a pair of inner notches so as to be orthogonal to each other to cancel the holding torque, and the other stator has a pair of magnetic flux saturation portions for driving the rotor, By not providing the inner notch, the holding torque is not generated. That is, each stator has the stator structure described in the first embodiment and the stator structure described in the second embodiment.
第3実施形態のステップモータの構成は、図6を用いて説明する。
図6は、第1のステータ1及び第2のステータ2のロータ孔11a,21aの周辺部のみを部分拡大し上下に並べ、コイルなど他の構成要素を省略して示す詳細図である。なお、すでに説明した同一の構成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。
また、すでに説明した実施形態と同様に図6においても、説明しやすいように2つのステータを図中上下に並べて示してあるだけで、2個のロータがあるわけではない。
The configuration of the step motor of the third embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a detailed view showing only the peripheral portions of the rotor holes 11a and 21a of the
Also, in the same manner as in the embodiment already described, in FIG. 6, two stators are merely shown side by side in the drawing for ease of explanation, and there are not two rotors.
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13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11bと、その一対のスリット11b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11cとが設けられており、これらは互いにロータ孔11aの中心を通って直交する中心線a及び中心線bの各線上に設けている。つまり、スリット11bと内ノッチ11cとは、90[deg]ずれる位置関係にある。
By providing a pair of slits 11b functioning for applying a driving torque to the
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23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21dのみを設けている。磁束飽和部21dは、ステータに設ける切り欠き状の部分である。この磁束飽和部21dは、ロータ孔21aの中心を通って直交する中心線d2の線上に設けている。
Around the rotor hole 21 a in the
この第3実施形態では、第1のステータ1のヨーク11に設けた一対のスリット11bを結ぶ直線aと、第2のステータ2のヨーク22に設けた一対の磁束飽和部21dを結ぶ直線を直線d2とが互いに直交するように上下のステータを配置している。
In the third embodiment, a straight line connecting a pair of slits 11b provided in the
なお、この図6には、直線d2と直交する向きに直線e2を示している。これら直線d
2,e2は、図3に示す、ヨーク22に設けた一対のスリット21bを結ぶ直線dと、ヨーク22に設けた一対の内ノッチ21cを結ぶ直線eとに位置的に対応している。第3実施形態のステップモータの配置関係を理解するためには、図3を参照してその構成においてロータ孔11a,21aの周辺部のみ図6の構成に置き換えるとよい。
In FIG. 6, a straight line e2 is shown in a direction orthogonal to the straight line d2. These straight lines d
2 and e2 correspond in position to a straight line d connecting a pair of slits 21b provided in the
なお、以上の説明では、第1のステータ1にスリットと内ノッチとを設け、第2のステータ2には磁束飽和部を設ける構成を説明したが、もちろん、第1のステータ1に磁束飽和部を設け、第2のステータ2にスリットと内ノッチとを設ける構成としてもよい。
In the above description, the
[第3実施形態の作用及び効果の説明]
次に、この第3実施形態における保持トルクを打ち消す作用を説明する。
第2のステータ2には一対の磁束飽和部21dが設けられており、内ノッチを設けなければ保持トルクは発生しない。また、第1のステータ1には、一対のスリット11bが設けられているが、第1実施形態の図4で説明したように、一対のスリット11bによる保持トルクは、それに直交するように設けられた一対の内ノッチ11cによる保持トルクにより打ち消され、やはり保持トルクは発生しない。そのため、この第3実施形態の場合、第1のステータ1と第2のステータ2ともそれぞれのステータにおいて、保持トルクが生じないのである。
[Description of Action and Effect of Third Embodiment]
Next, the action of canceling the holding torque in the third embodiment will be described.
The
次に、効果について説明する。
この第3実施形態も、保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができる。第1のステータ1にはスリット11bと内ノッチ11cとを設けているが、第2のステータ2には一対の磁束飽和部21dを設けている。すでに説明したように、コイル23からの磁界は、まずこの磁束飽和部21dを飽和させてからでないとロータ3に作用しない。このため、コイル23に印加する実効電圧は、コイル13に印加する実効電圧よりも下げることはできないが、2つのステータ全体でみたとき、コイルを駆動するための実効電圧は、第1実施形態と第2実施形態との中間程度まで下げることができる。
Next, the effect will be described.
In the third embodiment as well, since no holding torque is generated, the fluctuation range of the angular velocity can be reduced. The
もちろん、すでに説明したように、第2のステータ2を製造するときは、スリットや内ノッチがないから製造しやすいという効果は有している。この第3実施形態では、2つのステータの構造が異なるが、双方ともにステータにスリット、内ノッチ、磁束飽和部を設けるという構成そのものは知られている構成であるから、ステップモータの製造時の負荷は多くはない。
Of course, as already described, when the
また、第1のステータ1と第2のステータ2とも、それぞれのステータにおいて保持トルクを打ち消しあっているため、第1実施形態及び第2実施形態と同様に2個のステータの位相関係を高精度で配置するように設計する必要がなく、組立の精度をさほど必要としないというメリットもある。
In addition, since the holding torque is canceled in each of the
[第4実施形態の構成の説明:図7]
次に、第4実施形態のステップモータについて説明する。
第4実施形態のステップモータの特徴は、すでに説明した実施形態とは異なり、それぞれのステータはロータへの保持トルクを有しているが、生じる保持トルクを上下のステータに設けるスリットの配置位置により打ち消し、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、それぞれステータに一対のスリットを設け、2つのステータを重ねたとき、双方のスリットが直交するように設けて保持トルクを打ち消す構成としている。つまり、それぞれのステータには保持トルクが発生しているが、2つのステータによりそれを打ち消す構成である。
[Description of Configuration of Fourth Embodiment: FIG. 7]
Next, the step motor of the fourth embodiment will be described.
The feature of the step motor of the fourth embodiment is different from the already described embodiments. Each stator has a holding torque to the rotor, but the generated holding torque depends on the arrangement position of the slits provided in the upper and lower stators. The configuration is such that the holding torque does not act on the rotor when canceling and de-energizing the coil.
Specifically, each of the stators is provided with a pair of slits, and when the two stators are overlapped, both the slits are provided so as to be orthogonal to each other to cancel the holding torque. That is, although holding torque is generated in each stator, the two stators cancel the same.
第4実施形態のステップモータの構成は、図7を用いて説明する。
図7は、第1のステータ1及び第2のステータ2のロータ孔11a,21aの周辺部のみを部分拡大し上下に並べ、コイルなど他の構成要素を省略して示す詳細図である。なお、すでに説明した同一の構成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。
また、すでに説明した実施形態と同様に図7においても、説明しやすいように2つのステータを図中上下に並べて示してあるだけで、2個のロータがあるわけではない。
The configuration of the step motor of the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a detailed view showing only the peripheral portions of the rotor holes 11a and 21a of the
Further, in the same manner as in the embodiment already described, in FIG. 7, two stators are merely shown side by side in the drawing for ease of explanation, and there are not two rotors.
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13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11bが設けられている。この一対のスリット11bは、ロータ孔11aの中心を通る中心線aの線上に設けている。
同じく、第2のステータ2のヨーク21におけるロータ孔21aの周囲にも、コイル23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21bが設けられている。この一対のスリット21bは、ロータ孔21aの中心を通る中心線dの線上に設けている。
Around the rotor hole 11 a in the
Similarly, a pair of slits 21 b that function to apply a driving torque to the
この第4実施形態では、第1のステータ1のヨーク11に設けた一対のスリット11bを結ぶ直線aと、第2のステータ2のヨーク22に設けた一対のスリット21bを結ぶ直線を直線dとが互いに直交するように上下のステータを配置している。
In the fourth embodiment, a straight line a connecting a pair of slits 11b provided in the
なお、この図7には、直線aと直交する向きに直線b2を示し、直線dと直交する向きに直線e3を示している。これら直線b2,e3は、図3に示す、ヨーク11に設けた一対の内ノッチ11cを結ぶ直線bと、ヨーク22に設けた一対の内ノッチ21cを結ぶ直線eとに位置的に対応している。第4実施形態のステップモータの配置関係を理解するためには、図3を参照してその構成においてロータ孔11a,21aの周辺部のみ図7の構成に置き換えるとよい。
In FIG. 7, a straight line b2 is shown in a direction orthogonal to the straight line a, and a straight line e3 is shown in a direction orthogonal to the straight line d. These straight lines b2 and e3 correspond to the straight line b connecting the pair of inner notches 11c provided in the
第4実施形態では、それぞれのステータが有する保持トルクを2つのステータにより打ち消すため、第1のステータ1のヨーク11に設けた一対のスリット11bと、第2のステータ2のヨーク21に設けた一対のスリット21bとは、正しく直交している必要がある。つまり、直線aと直線dとが直交している必要がある。
In the fourth embodiment, a pair of slits 11b provided in the
[第4実施形態の作用及び効果の説明:図4、図8]
次に、この第4実施形態における保持トルクを打ち消す作用を図8を用いて説明する。
図8は図3に示す中心線gで切断した様子を模式的に示す断面図である。
ロータ3’はロータ磁石3aとロータカナ3bとから構成しているものとし細部は省略している。5,5a,5a’,5b,5b’は磁束である。
ロータ磁石3a内で発生した磁束5は、図8右側の矢印のように第1のステータ1のヨーク11及び第2のステータ2のヨーク21にそれぞれ分かれて5a、5bの磁束となって流れ込む。この磁束5a,5bは、図示しないコイル芯を通って再度図8左側の矢印のように磁束5a’,5b’としてロータ磁石3aに戻ることで、磁気回路が構成されている。
[Description of Operation and Effect of Fourth Embodiment: FIGS. 4 and 8]
Next, the action of canceling the holding torque in the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a state cut along the center line g shown in FIG.
The rotor 3 'is composed of a
The
この磁束5a,5bの磁束量の二乗に比例する大きさの保持トルクが、それぞれヨーク11,21によってロータ3に発生する。この第4実施形態では、磁束5a,5bの磁束量が全く同じとなるようにロータ磁石3aとヨーク11,21とが設けられている。そのため、図7に示す第1のステータ1及び第2のステータ2で発生したそれぞれの保持トルクの振幅は等しい。
Holding torques having a magnitude proportional to the square of the magnetic flux amount of the magnetic fluxes 5a and 5b are generated in the
これを上述した数1の式を用いて考える。第1のステータ1の保持トルクをTstator1(θ)、第2のステータ2の保持トルクをTstator2(θ)とおく。この場合、次のようになる。
Tstator1_notch(θ)=Tstator2_notch(θ)=0
This is considered using the above-described equation (1). The holding torque of the
Tstater1_notch (θ) = Tstater2_notch (θ) = 0
また、それぞれの一対のスリットは直交して配置されているために、先述した図4の保持トルクの関係に当てはめてみると、図4における4aがTstator1_slit(θ+π/2)であり、4bがTstator2_slit(θ+π/2)に相当する。そのため、モータ全体としては保持トルクがゼロとなる。 Further, since each pair of slits are arranged orthogonally, when applying the relationship of the holding torque in FIG. 4 described above, 4a in FIG. 4 is Tstat1_slit (θ + π / 2), and 4b is Tstater2_slit. This corresponds to (θ + π / 2). Therefore, the holding torque is zero for the entire motor.
次に、効果について説明する。
この第4実施形態も、保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができる。第1のステータ1に一対のスリット11bを設け、第2のステータ2には一対のスリット21bを設けている。すでに説明したように、ロータ磁石からの磁束を第1のステータ1のヨーク11と第2のステータ2のヨーク21に等しい量を流すためには、ロータ3の軸方向の高さ方向の精度まで出す必要があり、そのため、すでに説明した実施形態に比べ、それぞれのステータ同士の位置関係について高い精度が必要になる。
しかし、内ノッチがないためにロータ孔周辺が円形で済むことによりプレスの金型も単純な形状で済み、その寿命も長くすることができる。また、組立時にそれぞれのステータの位置関係を調整することで、ロータに作用する保持トルクを打ち消し、より角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針を実現できる。
Next, the effect will be described.
In the fourth embodiment as well, since no holding torque is generated, the fluctuation range of the angular velocity can be reduced. The
However, since there is no inner notch and the periphery of the rotor hole is circular, the press mold can be a simple shape, and its life can be extended. Further, by adjusting the positional relationship of the respective stators during assembly, the holding torque acting on the rotor can be canceled out, and a smooth continuous hand movement with a smaller angular velocity fluctuation range can be realized.
また、第1のステータ1及び第2のステータ2とも、それぞれ一対のスリット11b,21bが形成されているために、磁束飽和部を有する場合に比べてそれぞれのコイル13,23に印加する実効電圧を下げることができる。
In addition, since both the
[ステップモータの詳細な説明]
以上、第1実施形態から第4実施形態のステップモータの各構成と作用及び効果を説明した。次に、第1実施形態を例にして、ステップモータの細部やステップモータ装置の駆動回路及び駆動方法について詳述する。
まず、ステップモータの細部及びロータの駆動方法について図面を用いて説明する。各説明においては新たな図面を参照して行なうが、適宜図1〜図3も参照されたい。
[Detailed description of step motor]
In the above, each structure, operation | movement, and effect of the step motor of 1st Embodiment to 4th Embodiment were demonstrated. Next, taking the first embodiment as an example, details of the step motor, the drive circuit and drive method of the step motor device will be described in detail.
First, details of the step motor and a method of driving the rotor will be described with reference to the drawings. Each description will be made with reference to new drawings, but please also refer to FIGS.
[ステータの絶磁構造の説明:図9]
まずは、ステータの絶磁構造に係る具体例について図9を用いて説明する。この構造は、すでにスペーサを用いて絶磁する例として説明したが、ここでは図面を用いて詳述する。
図9は図3に示す中心線gで切断した様子を模式的に示す断面図である。図9(A)は絶磁構造例1、図9(B)は絶磁構造例2を示している。なお、すでに説明した同一の構成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。
[Description of stator demagnetization structure: Fig. 9]
First, a specific example of the stator demagnetization structure will be described with reference to FIG. Although this structure has already been described as an example of demagnetizing using a spacer, it will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a state cut along the center line g shown in FIG. FIG. 9A shows a demagnetizing structure example 1, and FIG. 9B shows a demagnetizing structure example 2. FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure already demonstrated, and those same description is abbreviate | omitted.
図9(A)に示す絶磁構造例1では、第1のステータ1のヨーク11及び第2のステータ2のヨーク21に設けるそれぞれのロータ孔11a,21aを非磁性体の中座6により、ロータ3’の径方向に位置決めをしている。中座6は、ロータ3’の軸方向についてもヨーク11とヨーク21との間の距離を正確に決めている。
In the demagnetization structure example 1 shown in FIG. 9A, the rotor holes 11a and 21a provided in the
また、図9(B)に示す絶磁構造例2では、中座6’はスペーサ6aと下座6bとよりなる構成を有している。第1のステータ1のヨーク11及び第2のステータ2のヨーク21に設けるそれぞれのロータ孔11a,21aをロータカナ3bの軸受けを兼ねた非磁性体の下座6bによりロータ3’の径方向に位置決めしている。また、ロータ3’の径方向
については、スペーサ6aによりヨーク11とヨーク21との間の距離を正確に決めている。
Further, in the demagnetization structure example 2 shown in FIG. 9B, the center seat 6 'has a configuration including a spacer 6a and a lower seat 6b. The rotor holes 11a and 21a provided in the
図9に示す構成とすることで、1個のロータと2個のステータのヨークとが径方向、軸方向に正確に位置決めされる。そのために、それぞれのステータから作用するロータへのトルクが安定し、より速度変動が小さい連続運針の駆動が可能となる。 With the configuration shown in FIG. 9, one rotor and two stator yokes are accurately positioned in the radial and axial directions. For this reason, the torque from each stator to the acting rotor is stabilized, and it becomes possible to drive a continuous hand movement with smaller speed fluctuations.
以上の説明は、第4実施形態の場合のように、一方のステータにより生じる保持トルクを他方のステータによる保持トルクで打ち消す際に、特に有効である。双方のステータを正確に位置決めで切ることに加え、それぞれのステータへの磁束量を等しくすることができるからである。 The above description is particularly effective when the holding torque generated by one stator is canceled by the holding torque by the other stator as in the case of the fourth embodiment. This is because, in addition to cutting both stators accurately, the amount of magnetic flux to each stator can be made equal.
図9に示す絶磁構造例2は、ロータの径方向と軸方向とを別部品により位置決めしており、この点が絶磁構造例1の構成と異なる。絶磁構造例2のように、下座がロータカナの軸受けを兼ねるような構成にすることで、部品点数を減らしたり、部品同士の位置決めを不要にできる。
知られているように、電子時計の内部には余剰な部分が少ない。電子時計が腕時計の場合はさらに余剰部分がなく、ステップモータ周辺は他の部材により混み合っている。本発明のステップモータをこのような電子時計に搭載するときは、搭載する部分の形状などを鑑みて絶磁構造例1と絶磁構造例2との構成を使い分ければよい。
In the demagnetization structure example 2 shown in FIG. 9, the radial direction and the axial direction of the rotor are positioned by separate parts, and this point is different from the configuration of the demagnetization structure example 1. As in the case of the demagnetization structure example 2, by adopting a configuration in which the lower seat also serves as a bearing for the rotor kana, the number of parts can be reduced and positioning between the parts can be made unnecessary.
As is known, there are few surplus parts inside the electronic timepiece. When the electronic timepiece is a wristwatch, there is no surplus portion, and the periphery of the step motor is crowded with other members. When the stepping motor of the present invention is mounted on such an electronic timepiece, the configurations of the demagnetizing structure example 1 and the demagnetizing structure example 2 may be properly used in view of the shape of the portion to be mounted.
[ロータの駆動の詳細の説明1:図10〜図13]
次に、本発明のステップモータを電子時計の連続運針用に用いるとき、正回転方向に、どのように動かすのかを図10〜図13を用いて説明する。駆動パルスは、1相励磁の場合、2相励磁の場合、1−2相励磁の場合に分けて説明する。
[Detailed Description of Rotor Driving 1: FIGS. 10 to 13]
Next, when the step motor of the present invention is used for continuous hand movement of an electronic timepiece, it will be described with reference to FIGS. The drive pulse will be described separately for 1-phase excitation, 2-phase excitation, and 1-2-phase excitation.
図10(A)は1相励磁駆動時にコイルの一方端の電位を基準にみた場合の印加電圧を示す特性図、図10(B)は2相励磁時のコイルの一方端の電位を基準にみた印加電圧を示す特性図、図10(C)は1−2相励磁時のコイルの一方端の電位を基準にみた印加電圧を示す特性図であり、それぞれの駆動方式により印加電圧が異なることを示している。
図11は1相励磁時のロータの駆動シーケンス図であり、図12は2相励磁時のロータの駆動シーケンス図であり、図13は1−2相励磁時の駆動シーケンス図である。
FIG. 10A is a characteristic diagram showing the applied voltage when the potential at one end of the coil is taken as a reference during one-phase excitation drive, and FIG. 10B is the reference at the potential at one end of the coil during two-phase excitation. FIG. 10C is a characteristic diagram showing the applied voltage with reference to the potential at one end of the coil during 1-2 phase excitation, and the applied voltage differs depending on each driving method. Is shown.
11 is a rotor drive sequence diagram during one-phase excitation, FIG. 12 is a rotor drive sequence diagram during two-phase excitation, and FIG. 13 is a drive sequence diagram during 1-2 phase excitation.
ステップモータは、通常運針時(正回転方向)において、図10(A)〜図10(C)に示すように、1相励磁でも2相励磁でも1−2相励磁でも動作可能である。ただし、コイルに印加する実効電圧が各励磁方式で異なっており、コイル1個あたりに印加する実効電圧は、1相励磁の場合をVr1、2相励磁の場合をVr2、1−2相励磁の場合をVr12とすると、次のような関係にする必要がある。
Vr2<Vr12<Vr1
The step motor can be operated by one-phase excitation, two-phase excitation, or 1-2-phase excitation as shown in FIGS. 10A to 10C during normal hand movement (in the normal rotation direction). However, the effective voltage applied to the coil differs for each excitation method, and the effective voltage applied to each coil is Vr2 for 1-phase excitation, Vr2 for 1-2-phase excitation, and 1-2-phase excitation. If the case is Vr12, it is necessary to have the following relationship.
Vr2 <Vr12 <Vr1
また、本発明のステップモータは、保持トルクを打ち消し又は生じないようにしており、また後述するようにコイルに印加する実効電圧は非常に小さいために、ロータを駆動するときは、2個あるコイルの少なくともどちらか一方を常に通電している状態としなければならない。この点は、従来のステップモータとは異なる点である。 Further, the step motor of the present invention cancels or does not generate the holding torque, and since the effective voltage applied to the coil is very small as will be described later, when driving the rotor, there are two coils. At least one of them must be energized at all times. This point is different from the conventional step motor.
[1相励磁の場合:図10(A)、図11]
まず、1相励磁の場合について説明する。第1のステータ1のコイル13と第2のステータ2のコイル23とのうち、一方をコイルA、他方をコイルBとして説明する。
1相励磁時の場合は、図10(A)に示すように、コイルAとコイルBとに対してどちらか一方のみに通電することを繰り返してロータに回転磁界を作用させることで、ロータ
を所定の方向に回転させる方式である。区間trでロータが360[deg]回転する。
[In the case of one-phase excitation: FIG. 10 (A), FIG. 11]
First, the case of 1-phase excitation will be described. Of the
In the case of one-phase excitation, as shown in FIG. 10A, by energizing only one of coil A and coil B and applying a rotating magnetic field to the rotor, This is a method of rotating in a predetermined direction. The rotor rotates 360 [deg] in the section tr.
図11によりロータが回転していく様子を説明する。なお、この回転している状態は、起動時などではなくロータが定常回転をしているときの状態である。
起動時のロータ磁極の位置は定まっていないが、次第に回転磁界に追従することで定常回転を行う。STEP1においてコイル13に通電することで、コイル13には矢印5dのような磁界が発生し、ロータ3に作用する。矢印5cはロータの磁極方向を表わす。コイル13により発生した磁界に対して倣うようにロータ3の磁極方向は回転をし、STEP2の状態になる。このSTEP1においてコイル23には通電をしていない。また後述するように、それぞれのコイルに印加する実効電圧は低いために、ロータ3は最も回転し易い範囲内のみを回転するために、STEP2の状態でロータ3は回転するためのトルクが摩擦トルクに負けて停止する。
The manner in which the rotor rotates will be described with reference to FIG. This rotating state is a state when the rotor is rotating at a steady rotation, not at the time of starting.
Although the position of the rotor magnetic pole at the time of starting is not fixed, steady rotation is performed by gradually following the rotating magnetic field. By energizing the
続いてSTEP2において、コイル23に通電することで、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、ロータ3に作用し更に回転させる。すると、矢印5cはSTEP3の状態になる。
Subsequently, in
STEP3において、コイル13にSTEP1とは逆方向に通電することで、磁界の矢印5dは図のようになり、ロータ3に作用し更に回転させる。
In
STEP4において、コイル23にSTEP2とは逆方向に通電することで磁界の矢印5eは図のようになり、ロータ3に作用し更に回転させる。すると、矢印5cはSTEP1の状態になる。
In
このように、STEP1からSTEP4までの動作を繰り返すことでロータ3は連続的に正回転方向に回転を続ける。
Thus, by repeating the operations from STEP1 to STEP4, the
[2相励磁の場合:図10(B)、図12]
次に、2相励磁の場合について説明する。図10(B)に示すように、コイルAとコイルBとに対して常に両方に通電することを繰り返してロータに回転磁界を作用させることで、回転させる方式である。この場合、両方に通電しているために、それぞれのコイルに印加する実効電圧を1相励磁の場合よりも下げることができる。区間trでロータが360[deg]回転する。
[In the case of two-phase excitation: FIG. 10 (B), FIG. 12]
Next, the case of two-phase excitation will be described. As shown in FIG. 10B, the coil A and the coil B are rotated by applying a rotating magnetic field to the rotor by repeatedly energizing both the coil A and the coil B at all times. In this case, since both are energized, the effective voltage applied to each coil can be made lower than in the case of one-phase excitation. The rotor rotates 360 [deg] in the section tr.
図12によりロータが回転していく様子を説明する。なお、この回転している状態は、起動時などではなくロータが定常回転をしているときの状態である。
STEP1において、コイル13とコイル23とに通電することで、コイル13には矢印5dのような磁界が、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、ロータ3に作用する。コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3の磁極方向は回転をし、STEP2の状態になる。
The manner in which the rotor rotates will be described with reference to FIG. This rotating state is a state when the rotor is rotating at a steady rotation, not at the time of starting.
In
続いてSTEP2において、STEP1の状態からコイル23のみ通電する方向をSTEP1とは逆にすることで、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3は回転する。すると、矢印5cはSTEP3の状態になる。
Subsequently, in
STEP3において、STEP2の状態からコイル13のみ通電する方向をSTEP2とは逆にすることで、コイル12には矢印5dのような磁界が発生し、コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3は回転する。すると、矢印5cはSTEP4の状態になる。
In
STEP4において、STEP3の状態からコイル23のみ通電する方向をSTEP3とは逆にすることで、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3は回転する。すると、矢印5cはSTEP1の状態になる。
In
このように、STEP1からSTEP4までの動作を繰り返すことでロータ3は連続的に正回転方向に回転を続ける。
Thus, by repeating the operations from STEP1 to STEP4, the
[1−2相励磁の場合:図10(C)、図13]
次に、1−2相励磁の場合について説明する。図10(C)に示すように、コイルAとコイルBとに対して両方に通電する期間と、どちらか一方にのみ通電する期間とを交互に繰り返してロータに回転磁界を作用させることで、回転させる方式である。この場合、両方に通電しているために、それぞれのコイルに印加する実効電圧を1相励磁の場合よりも下げることができるが2相励磁よりは下げることができない。区間trでロータが360[deg]回転する。
[In the case of 1-2 phase excitation: FIG. 10 (C), FIG. 13]
Next, the case of 1-2 phase excitation will be described. As shown in FIG. 10 (C), by rotating the coil A and the coil B in a period in which both are energized and a period in which only one of the coils is energized alternately, a rotating magnetic field is applied to the rotor. This is a rotating method. In this case, since both are energized, the effective voltage applied to each coil can be lowered as compared with the case of one-phase excitation, but cannot be lowered as compared with two-phase excitation. The rotor rotates 360 [deg] in the section tr.
図13によりロータが回転していく様子を説明する。なおこの回転している状態は、起動時などではなくロータが定常回転をしている時の状態である。
STEP1において、コイル13とコイル23とに通電することで、コイル13には矢印5dのような磁界が、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、ロータ3に作用する。コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3の磁極方向は回転をし、STEP2の状態になる。
The manner in which the rotor rotates will be described with reference to FIG. This rotating state is a state when the rotor is rotating in a steady state, not at the time of starting or the like.
In
続いてSTEP2において、STEP1の状態からコイル23の通電をやめ、コイル13のみの通電で発生する磁界をロータ3に作用させることで、ロータ3を回転させる。矢印5cはSTEP3の状態になる。
Subsequently, in
STEP3において、コイル23の通電する方向をSTEP1とは逆にすることで、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3は回転する。すると、矢印5cはSTEP4の状態になる。
In
STEP4において、STEP3の状態からコイル13の通電をやめ、コイル23のみの通電で発生する磁界をロータ3に作用させることで、ロータ3を回転させる。すると、矢印5cはSTEP5の状態になる。
In
STEP5において、コイル13の通電する方向をSTEP3とは逆にすることで、コイル13には矢印5dのような磁界が発生し、コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3は回転する。すると、矢印5cはSTEP6の状態になる。
In
STEP6において、STEP5の状態からコイル23の通電をやめ、コイル13のみの通電で発生する磁界をロータ3に作用させることで、ロータ3を回転させる。すると、矢印5cはSTEP7の状態になる。
In
STEP7において、コイル23の通電する方向をSTEP5とは逆にすることで、コイル23には矢印5eのような磁界が発生し、コイル13とコイル23とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ3は回転する。すると、矢印5cはSTEP8の状態になる。
In
STEP8において、STEP7の状態からコイル13の通電をやめ、コイル23のみの通電で発生する磁界をロータ3に作用させることで、ロータ3を回転させる。すると、矢印5cはSTEP1の状態になる。
In
このように、STEP1からSTEP8までの動作を繰り返すことでロータ3は連続的に正回転方向に回転を続ける。
Thus, by repeating the operations from
発明者の行った実験によると、1−2相励磁の場合がもっとも消費電力を下げることができた。これは、ロータ3が1回転するためのステップ数が1相励磁や2相励磁の倍あり、ロータの余分な加減速が減り、エネルギー消費が抑えられるためである。また、速度変動も最も小さく針の動きも振れが少なくなる。したがって、1−2相励磁の場合が最も好ましい駆動方法であるといえる。
なお、ロータ3を逆回転させるには図10において、コイルAかコイルBのどちらか一方の極性を入れ替えるのみでよい。
According to the experiments conducted by the inventors, the power consumption can be reduced most in the case of 1-2 phase excitation. This is because the number of steps required for one rotation of the
In order to reversely rotate the
[駆動回路の構成の説明:図14、図15]
次に、ステータのコイルに駆動パルスを発生させる駆動回路について図面に基づいて説明する。まず、図を用いて、回路構成について説明する。
図14及び図15は、この発明による駆動回路に係る具体例について説明するための図で、図14はそれぞれのコイルに駆動パルスを印加する駆動回路図、図15は駆動回路を構成するスイッチ素子であるMOS型電界効果トランジスタ(以降は、単にMOSFETと表記する)の電圧電流特性図である。
[Description of Drive Circuit Configuration: FIGS. 14 and 15]
Next, a driving circuit for generating a driving pulse in the coil of the stator will be described with reference to the drawings. First, the circuit configuration will be described with reference to the drawings.
14 and 15 are diagrams for explaining a specific example of the drive circuit according to the present invention. FIG. 14 is a drive circuit diagram for applying a drive pulse to each coil, and FIG. 15 is a switch element constituting the drive circuit. FIG. 2 is a voltage-current characteristic diagram of a MOS field effect transistor (hereinafter simply referred to as MOSFET).
図14に示す駆動回路10は、図1に示す駆動手段30を構成する回路であり、コイルに印加する駆動パルスを発生するために、少なくとも4つのスイッチ素子10a,10b,10c,10dによるHブリッジ回路よりなる。これらスイッチ素子は、MOSFETを用いている。
Hブリッジ回路は、ステータのコイルの数と同じ数だけ必要であり、第1のステータ1のコイル13と第2のステータ2のコイル23とに対応する2組のHブリッジ回路を備えている。
The
The same number of H bridge circuits as the number of coils of the stator is necessary, and two sets of H bridge circuits corresponding to the
各Hブリッジ回路は、コイルへの印加電圧を供給する第1の電源線10g(VDD)と、基準電圧(例えばGND)を供給する第2の電源線10h(VSS)と、4個のスイッチ素子の駆動電圧信号を供給する4本の信号線10iと、を接続されている。信号線10iは、スイッチ素子のMOSFETのゲートにゲート電圧を供給する信号線となっている。 Each H-bridge circuit includes a first power supply line 10g (VDD) for supplying a voltage applied to the coil, a second power supply line 10h (VSS) for supplying a reference voltage (for example, GND), and four switch elements. Are connected to four signal lines 10i that supply the drive voltage signal. The signal line 10i is a signal line that supplies a gate voltage to the gate of the MOSFET of the switch element.
第1の電源線10gと第2の電源線10hとの間にスイッチ素子を2つ直列接続したカラム回路を2つ備えている。一方のカラム回路は、スイッチ素子10aとスイッチ素子10cとを直列接続し、他方のカラム回路は、スイッチ素子10bとスイッチ素子10dとを直列接続している。
直列接続したスイッチ素子間同士を繋ぎ、その接続部分に出力線及び出力端子を設けている。すなわち、一方のカラム回路の出力線を出力線10eとし、その端部に出力端子Out1を備え、他方のカラム回路の出力線を出力線10fとし、その端部に出力端子Out2を備えている。これらの出力端子にコイルを接続することで駆動パルスがコイルに供給される。
Two column circuits in which two switch elements are connected in series are provided between the first power supply line 10g and the second power supply line 10h. One column circuit has a switch element 10a and a switch element 10c connected in series, and the other column circuit has a switch element 10b and a switch element 10d connected in series.
The switch elements connected in series are connected to each other, and an output line and an output terminal are provided at the connection portion. That is, an output line of one column circuit is an output line 10e, an output terminal Out1 is provided at an end thereof, an output line of the other column circuit is an output line 10f, and an output terminal Out2 is provided at an end thereof. A drive pulse is supplied to the coil by connecting the coil to these output terminals.
腕時計用などの一般的なステップモータの駆動回路では、回路規模を小さくするために4つのスイッチ素子10a,10b,10c,10dは、PチャネルMOSFET(以下
、単にP−MOSFETと表記する)、NチャネルMOSFET(以下、単にN−MOSFETと表記する)で構成している。
具体的には、P−MOSFETは高電位側でスイッチ動作し易いため、Hブリッジ回路の高電位側であるVDD側に用いる。N−MOSFETは低電位側でスイッチ動作し易いため、低電位側であるVSS側に配置する。
In a general stepping motor driving circuit for a wristwatch or the like, four switch elements 10a, 10b, 10c, and 10d are composed of P-channel MOSFETs (hereinafter simply referred to as P-MOSFETs), N, in order to reduce the circuit scale. It is composed of channel MOSFETs (hereinafter simply referred to as N-MOSFETs).
Specifically, since the P-MOSFET is easily switched on the high potential side, it is used on the VDD side, which is the high potential side of the H bridge circuit. Since the N-MOSFET is easily switched on the low potential side, it is arranged on the VSS side which is the low potential side.
P−MOSFETは、Low信号(低電位の信号)をゲートに供給した際にソース−ドレイン間が導通され、N−MOSFETは、High信号(高電位の信号)をゲートに供給した際にドレイン−ソース間が導通される。本実施形態で示す望ましい4つのスイッチ素子10a,10b,10c,10dは、スイッチ端子10a,10bをトランスファーゲート、スイッチ端子10c,10dをN−MOSFETとする回路構成である。 The P-MOSFET is electrically connected between the source and drain when a Low signal (low potential signal) is supplied to the gate, and the N-MOSFET is drained when a High signal (high potential signal) is supplied to the gate. Conduction is established between the sources. The desirable four switch elements 10a, 10b, 10c, and 10d shown in the present embodiment have a circuit configuration in which the switch terminals 10a and 10b are transfer gates and the switch terminals 10c and 10d are N-MOSFETs.
スイッチ素子10a,10bに用いるトランスファーゲートは、知られているように、P−MOSFET及びN−MOSFETのソースとドレインとを並列に接続した回路である。
図14に示す例では、スイッチ素子10a,10bにおいては、P−MOSFETのソース側とN−MOSFETのドレイン側とを端子TR1a,TR2aとし、P−MOSFETのドレイン側とN−MOSFETのソース側とを端子TR1c,TR2cとしている。
なお、スイッチ素子10a,10bを構成するトランスファーゲートには、P−MOSFETのゲートに論理反転素子を設けており、N−MOSFETと同じゲート信号で動作するようにしたものである。これにより、高電位でも低電位でも幅広い電位に対応できるスイッチ素子となっている。
As is known, the transfer gate used for the switch elements 10a and 10b is a circuit in which the sources and drains of the P-MOSFET and N-MOSFET are connected in parallel.
In the example shown in FIG. 14, in the switch elements 10a and 10b, the source side of the P-MOSFET and the drain side of the N-MOSFET are terminals TR1a and TR2a, and the drain side of the P-MOSFET and the source side of the N-MOSFET are Are terminals TR1c and TR2c.
The transfer gates constituting the switch elements 10a and 10b are provided with a logic inversion element at the gate of the P-MOSFET, and operate with the same gate signal as that of the N-MOSFET. As a result, the switching element can handle a wide range of potentials, both high and low.
また、図14に示す例では、スイッチ素子10c,10dにおいては、N−MOSFETのドレイン側を端子TR3a,TR4aとし、N−MOSFETのソース側を端子TR3c,TR4cとしている。 In the example shown in FIG. 14, in the switch elements 10c and 10d, the drain side of the N-MOSFET is the terminals TR3a and TR4a, and the source side of the N-MOSFET is the terminals TR3c and TR4c.
4つのスイッチ素子10a,10b,10c,10dは、ゲートにHigh信号又はLow信号を入力するが、その端子はそれぞれ、端子TR1b,TR2b,TR3b,TR4bとしている。 The four switch elements 10a, 10b, 10c, and 10d input a high signal or a low signal to their gates, and their terminals are terminals TR1b, TR2b, TR3b, and TR4b, respectively.
なお、図1に示す駆動手段30には、図14に示す駆動回路10の他に、他の回路も含まれているが、それについては後述する。大切なことは、駆動回路10に同じ構成の2組のHブリッジ回路を備えるということである。
The
図15は、MOSFETのゲート−ソース間電圧VGSとドレイン電流IDとの関係を模式的に示した図であり、いわゆるMOSFETのVgs−Id特性と呼ばれるものである。
図示するように、閾値電圧VHを超える電位差をゲート−ソース間に加えることで、MOSFETはスイッチとして動作をし、ソース−ドレイン間には電圧にほぼ比例して電流が流れ始める。一般的な腕時計用ステップモータの駆動回路として用いられるMOSFETの閾値電圧は0.35[V]〜0.50[V]程度である。
FIG. 15 is a diagram schematically showing the relationship between the gate-source voltage VGS of the MOSFET and the drain current ID, which is called the Vgs-Id characteristic of the so-called MOSFET.
As shown in the figure, when a potential difference exceeding the threshold voltage VH is applied between the gate and the source, the MOSFET operates as a switch, and a current starts to flow between the source and the drain almost in proportion to the voltage. The threshold voltage of a MOSFET used as a drive circuit for a general wristwatch step motor is about 0.35 [V] to 0.50 [V].
本発明のステップモータを時計用として用いるとき、通常運針時においては、コイルに印加する駆動パルスの実効電圧は後述するように摩擦トルクの関係から定まり、MOSFETの閾値電圧よりも小さい0.1[V]〜0.3[V]程度である。そのために、第1の電源線10g(VDD)には駆動パルスの実効電圧として0.1[V]が供給される。
なお、スイッチ素子にゲート電圧を供給する信号線10iには、Low信号としてGNDの0[V]、High信号として腕時計に用いられる電池電圧(例えば1.5[V])
から半分程度降圧した0.75[V]程度の大きさの電圧信号を印加する。
When the step motor of the present invention is used for a timepiece, during normal operation, the effective voltage of the drive pulse applied to the coil is determined from the relationship of friction torque as will be described later, and is 0.1 [which is smaller than the threshold voltage of the MOSFET. V] to about 0.3 [V]. Therefore, 0.1 [V] is supplied to the first power supply line 10g (VDD) as the effective voltage of the drive pulse.
Note that the signal line 10i for supplying the gate voltage to the switch element has a GND signal of 0 [V] as a Low signal and a battery voltage (for example, 1.5 [V]) used for a wristwatch as a High signal.
A voltage signal having a magnitude of about 0.75 [V], which is about half the voltage from the voltage applied, is applied.
[駆動回路の作用の説明:図14]
次に、駆動回路の作用について、図14を参照しつつ説明する。
まず、スイッチ素子10a,10bにトランスファーゲートを用いる理由を説明する。
ここで、一般的な腕時計用ステップモータの駆動回路に用いられているP−MOSFETのみによるスイッチ素子で10a,10bを構成した場合を考えてみる。特にチョッパ駆動のように時間平均により実効電圧を下げる場合ではなく、フルパルス駆動で電圧振幅を下げることで低い実効電圧を印加する場合を考えてみる。
[Description of Operation of Driving Circuit: FIG. 14]
Next, the operation of the drive circuit will be described with reference to FIG.
First, the reason why transfer gates are used for the switch elements 10a and 10b will be described.
Here, let us consider a case in which the switch elements 10a and 10b are constituted by only P-MOSFETs used in a driving circuit for a general wristwatch step motor. In particular, let us consider the case where a low effective voltage is applied by lowering the voltage amplitude by full pulse driving, rather than the case where the effective voltage is lowered by time averaging as in chopper driving.
スイッチ素子を動作させ、ソース−ドレイン間を非通電の状態から導通させるために、端子TR1b,TR2bを介して信号線10iにLow信号(この場合0[V])を供給した場合、P−MOSFETのソース側(TR1a,TR2a)の電位は、第1の電源線10gより供給される実効電圧0.1[V]と低いために、閾値電圧0.35[V]〜0.5[V]を超える電位差をつくりだせずに、ドレイン電流が流れずにスイッチとして動作しない。 When a low signal (in this case, 0 [V]) is supplied to the signal line 10i via the terminals TR1b and TR2b in order to operate the switch element and make the source and drain conductive from the non-energized state, the P-MOSFET Since the potential on the source side (TR1a, TR2a) is as low as the effective voltage 0.1 [V] supplied from the first power supply line 10g, the threshold voltage 0.35 [V] to 0.5 [V] Without generating a potential difference exceeding, drain current does not flow and the device does not operate as a switch.
このような状況にあるため、本発明のステップモータの駆動回路では、スイッチ素子10a,10bにトランスファーゲートを用いている。
トランスファーゲートでは、N−MOSFETがP−MOSFETと並列に接続しているために、この場合には、N−MOSFET側がスイッチとして動作する。ゲートにHigh信号(この場合1[V]程度)が入力されたとき、N−MOSFETのソース側(TR1c,TR2c)の電位は、スイッチ素子10c,10d(これらが導通状態の際)を介して第2の電源線10hよりGND(0[V])が供給されているために、ソース−ドレイン間電圧が1〔V〕となり、電圧を十分に超えているために、スイッチとして動作しドレイン−ソース間に電流が流れる。
トランスファーゲートにすることにより、チョッパ駆動で時間平均として実効電圧を下げる場合や後述するようにロータを高速回転させるために高い電圧(例えば1.5[V])をコイルに印加させる場合には、N−MOSFETの代わりに、並列に接続しているP−MOSFETがスイッチとして動作するため、様々な運針に対応できる。
Because of this situation, the step motor drive circuit of the present invention uses transfer gates for the switch elements 10a and 10b.
In the transfer gate, the N-MOSFET is connected in parallel with the P-MOSFET. In this case, the N-MOSFET side operates as a switch. When a High signal (about 1 [V] in this case) is input to the gate, the potential on the source side (TR1c, TR2c) of the N-MOSFET is switched via the switch elements 10c, 10d (when they are in a conductive state). Since GND (0 [V]) is supplied from the second power supply line 10h, the source-drain voltage is 1 [V], which exceeds the voltage sufficiently. Current flows between the sources.
When a transfer gate is used to lower the effective voltage as a time average by chopper driving or when a high voltage (for example, 1.5 [V]) is applied to the coil to rotate the rotor at a high speed as described later, Instead of the N-MOSFET, a P-MOSFET connected in parallel operates as a switch, so that it is possible to cope with various movements.
次に通常運針時において、コイルに印加する駆動パルスの実効電圧が0.1[V]〜0.3[V]程度が望ましいことについて説明をする。
説明にあっては、簡単のために1つのコイルのみに印加している状態を想定した場合とする。そのとき、ロータに作用するトルクの釣り合いと、印加している側のコイルの電圧の釣り合いは、数2で表される。
Next, it will be described that the effective voltage of the drive pulse applied to the coil is preferably about 0.1 [V] to 0.3 [V] during normal hand movement.
In the description, for the sake of simplicity, it is assumed that a state in which only one coil is applied is assumed. At that time, the balance of the torque acting on the rotor and the balance of the voltage of the applied coil are expressed by the following equation (2).
数2において、θはロータの回転角度、ωはロータの角速度、iはコイルに流れる電流、Kはトルク係数(=逆起電圧係数)、J・dω/dtは慣性負荷、Th(θ)は保持トルク、D・ωは速度依存負荷、TLは摩擦トルク(起動時は静止摩擦トルク、回転時は動摩擦トルク)、eはコイルへの印加電圧、Lはコイルのインダクタンス、Rはコイルの抵
抗である。
In
なお、2個のコイルからロータに作用するそれぞれのトルクの大きさは等しく、コイルの仕様も等しく、等しい印加電圧を加えているとしている。また、コイル間の相互インダクタンスは小さいものとして省略している。
本発明のステップモータは、保持トルクTh(θ)が生じない(ほぼゼロ)構成であるから、数2より、ロータの角速度ω及びコイルに流れる電流iは、コイルへの印加電圧eを小さくすればするほど小さくなることが分かる。
In addition, the magnitude | size of each torque which acts on a rotor from two coils is equal, the specification of a coil is also equal, and it is supposed that the same applied voltage is applied. The mutual inductance between the coils is omitted as being small.
Since the stepping motor of the present invention has a configuration in which the holding torque Th (θ) does not occur (substantially zero), the angular velocity ω of the rotor and the current i flowing through the coil can be reduced by applying the applied voltage e to the coil from
ロータの角速度ωやコイルに流れる電流iが小さくなるにつれて、それらの微分であるdω/dt、di/dtの影響も小さくなる。過渡応答的な挙動をする従来技術のようなステップモータとは異なり、ロータの余分な加減速を極力抑えて摩擦力をわずかに上回る程度の駆動トルクを常に与えることによって、非常に低い角速度で動く駆動方式であるために、数2は数3のように書き換えられる。
As the angular velocity ω of the rotor and the current i flowing through the coil become smaller, the effects of their differentials dω / dt and di / dt become smaller. Unlike conventional stepping motors that have transient response behavior, they move at very low angular velocities by always applying a driving torque that is slightly higher than the frictional force by minimizing excessive acceleration and deceleration of the rotor. Since this is a drive system,
数3において、ロータが1つのステップが完了し終わる時には、ロータの角速度はほぼω=0となり、数3は更に近似的に数4のように書き換えられる。
In
発明者が実験したところによると、K=約6e−4[Vs]、R=約2800[Ω]、e=約0.12[V]のときに、i=約42[uA]、ω=約3[deg/ms]程度という非常に低い回転速度でロータはゆっくりとスムースに回転し続けた。
なお、一般的な時計用の単相ステップモータの駆動時のロータの回転速度は、約35[deg/ms]程度である。このとき、摩擦トルクTLを上述の数4より計算すると、約2.5e−8[Nm]となるが、非常に低速度であることからこのTLは摩擦トルク及びヨークの磁性体のヒステリシス特性に基づく損失によるトルクと考えられる。
実験では、ヨークにはヒステリシスの少ないパーマロイを用いており、ほとんどが摩擦トルクによるものと考えられる。なお、上記実験結果は回転し続けている定常状態であり、起動時には印加電圧を少し上げる必要があるが、これは静止摩擦トルクが動いている状態の摩擦トルク(動摩擦トルク)よりも大きいためであると考えられる。
According to an experiment by the inventors, when K = about 6e −4 [Vs], R = about 2800 [Ω], and e = about 0.12 [V], i = about 42 [uA], ω = The rotor continued to rotate slowly and smoothly at a very low rotational speed of about 3 [deg / ms].
The rotational speed of the rotor when driving a general single-phase stepping motor for a watch is about 35 [deg / ms]. At this time, when the friction torque TL is calculated from the
In the experiment, permalloy with little hysteresis is used for the yoke, and it is considered that most is due to friction torque. Note that the above experimental result is a steady state that continues to rotate, and it is necessary to slightly increase the applied voltage at startup, because this is larger than the friction torque (dynamic friction torque) in the state where the static friction torque is moving. It is believed that there is.
ところで、印加するパルスの幅は、短すぎてもロータが所定の角度まで回転しきらないために、実験などにより所定の角度まで回転させうるようにパルス幅を増やしていくことで設定する。そのため、知られているステップモータのように所定のパルスレートで回転させるというわけではない。しかし、このような設定方法とすることでパルスレートに同期した回転動作をする同期モータ、あるいはその小分類であるステップモータではあるものの、過渡的な起動と停止が少なく速度変動の小さいDCモータのように回転させること
ができる。そのため、非常に速度変動の小さい連続運針を実現できる。
By the way, the width of the pulse to be applied is set by increasing the pulse width so that it can be rotated to a predetermined angle by experiment or the like because the rotor does not rotate to a predetermined angle even if it is too short. Therefore, it does not rotate at a predetermined pulse rate like a known step motor. However, with such a setting method, although it is a synchronous motor that rotates in synchronization with the pulse rate, or a step motor that is a subcategory, it is a DC motor with little transient start and stop and small speed fluctuation. Can be rotated. Therefore, it is possible to realize continuous hand movement with very small speed fluctuation.
[駆動回路の効果の説明:図16]
次に、駆動回路の効果について、図16を参照しつつ説明する。
図16は、印加電圧とそのときのロータの角速度との関係を模式的に示す図である。図16(A)は従来技術の場合、図16(B)は本発明の小さい印加電圧を加えた場合のロータの角速度の関係を示す図である。図中、Δωdは従来技術の角速度の変動幅、Δωfは本発明の角速度の変動幅である。
[Description of the effect of the drive circuit: FIG. 16]
Next, the effect of the drive circuit will be described with reference to FIG.
FIG. 16 is a diagram schematically showing the relationship between the applied voltage and the angular velocity of the rotor at that time. FIG. 16A shows the relationship of the angular speed of the rotor in the case of the prior art, and FIG. 16B shows the relationship of the angular velocity of the rotor when the small applied voltage of the present invention is applied. In the figure, Δωd is the fluctuation width of the angular velocity of the prior art, and Δωf is the fluctuation width of the angular velocity of the present invention.
図14を用いて説明した回路の構成であるとすると、通常運針時、コイルには図16(B)のような小さい実効電圧を印加させてもスイッチ動作を正常にさせることができる。本発明のステップモータでは、保持トルクを生じさせないようにしているため、駆動トルクを発生させるのに必要な大きい印加電圧を加える必要がない。従来から知られている単相ステップモータは、保持トルクを上回るような大きい印加電圧が必要であり、ロータが大きな加減速を繰り返すことで角速度の変動幅Δωdも大きくなっていたが、そのような動作は起こさない。
常に摩擦トルクをわずかに上回る程度の駆動トルクを常に作用させて回転させる駆動でよいから、余分な加減速がなく、ロータの角速度の変動幅Δωfも小さくて済む。
If the circuit configuration described with reference to FIG. 14 is used, the switching operation can be made normal even when a small effective voltage as shown in FIG. In the step motor of the present invention, since the holding torque is not generated, it is not necessary to apply a large applied voltage necessary for generating the driving torque. Conventionally known single-phase stepping motors require a large applied voltage exceeding the holding torque, and the angular velocity fluctuation range Δωd has become large as the rotor repeatedly accelerates and decelerates. No action is taken.
Since the drive may always be performed by rotating the drive torque that is slightly higher than the friction torque at all times, there is no extra acceleration / deceleration, and the fluctuation range Δωf of the rotor angular velocity is small.
ロータが1ステップあたり、図16(B)のような角速度の動きをつなげていくことで、速度変動の小さい運針を実現できる。つまり、連続運針を行なうとき、その角速度の変動は緩やかな正弦波のようになり、そして、すでに説明した図27(B)に示したような目標とするフラットな角速度波形108bに近い波形になるのである。
By connecting the movement of the angular velocity as shown in FIG. 16 (B) per step, it is possible to realize a needle movement with a small speed fluctuation. That is, when continuous hand movement is performed, the fluctuation of the angular velocity becomes a gentle sine wave, and a waveform close to the target flat
図16(A)のような従来技術の場合、印加電圧をVd[V]、通電時間をtd[s]とし、その区間にコイルに流れる平均電流をid[A]とした場合、入力エネルギーEd[J]は、Ed=Vd*id*tdである。
一方、図16(B)に示す本発明の場合、印加電圧をVf[V]、通電時間をtf[s]とし、その区間にコイルに流れる平均電流をif[A]とした場合、入力エネルギーEf[J]は、Ef=Vf*if*tfである。
In the case of the prior art as shown in FIG. 16A, when the applied voltage is Vd [V], the energization time is td [s], and the average current flowing through the coil in that section is id [A], the input energy Ed [J] is Ed = Vd * id * td.
On the other hand, in the case of the present invention shown in FIG. 16B, when the applied voltage is Vf [V], the energization time is tf [s], and the average current flowing through the coil in that section is if [A], the input energy Ef [J] is Ef = Vf * if * tf.
図16(A)では、td[s]が小さいが、Ed[V]及びid[A]は大きくなる。一方、図16(B)では、tf[s]は大きいが、Ef[V]及びif[A]は小さくなる。
所定のパルスレートに設定するためにtfを任意に設定することができず、ロータが所定の角度を回転しきるのみ十分な幅のパルスに設定する必要があるものの、従来技術のようにパルス数に比例して消費電力が上がっていくことはなく、印加する実効電圧を下げることで入力エネルギーである消費電力を上げることなく連続運針を実現できる。
In FIG. 16A, td [s] is small, but Ed [V] and id [A] are large. On the other hand, in FIG. 16B, tf [s] is large, but Ef [V] and if [A] are small.
Although tf cannot be arbitrarily set to set a predetermined pulse rate, and it is necessary to set a pulse having a sufficient width so that the rotor can rotate a predetermined angle, the number of pulses cannot be set as in the conventional technique. The power consumption does not increase proportionally, and continuous hand movement can be realized without increasing the power consumption, which is the input energy, by reducing the applied effective voltage.
なお、繰り返しになるが、印加電圧をほぼ摩擦トルクに釣り合う程度にまで下げることができるのは、本発明のステップモータが保持トルクを有さない構成であるためである。保持トルクを有していないから、図16(B)には、図27(A)に示した領域α(角速度の負の変動の領域)は存在せず、角速度の変動幅Δωfは大変小さくなっている。 In addition, although it repeats, it is because the step motor of this invention is a structure which does not have holding torque that it can reduce to the grade which applies an applied voltage substantially to friction torque. Since there is no holding torque, the region α (region of negative fluctuation of angular velocity) shown in FIG. 27A does not exist in FIG. 16B, and the fluctuation width Δωf of angular velocity becomes very small. ing.
[駆動回路の変形例の説明:図17]
次に、駆動回路の実効電圧を下げる手法について、図17を参照しつつ説明する。
なお、本発明で言う実効電圧とは、電圧振幅値だけを言うのではなく、印加する時間幅も考慮した時間平均を取った値のことである。
図17は、印加電圧としてチョッパ電圧を加えた場合の電流の関係を模式的に示す特性図である。図17(A)は、印加電圧Vaの電圧パルス7cの振幅が大きく、この印加電
圧Vaを腕時計に用いられているような電池電圧(例えば1.5[V])のままチョッパとした場合の電流特性9cを示している。
図17(B)は、電池電圧を半分程度(例えば0.75[V])に降圧したものを印加電圧Vbの電圧パルス7dとし、チョッパとした場合の電流特性9dを示している。
図17(C)は、電池電圧を1/10から1/15程度に降圧したものを印加電圧Vcの電圧パルス7eとし、チョッパではなくフルパルスとして印加した場合の電流特性9eを示している。
[Description of Modification of Driving Circuit: FIG. 17]
Next, a method for reducing the effective voltage of the drive circuit will be described with reference to FIG.
The effective voltage referred to in the present invention is not only the voltage amplitude value but also a value obtained by taking a time average considering the time width to be applied.
FIG. 17 is a characteristic diagram schematically showing the relationship of current when a chopper voltage is applied as the applied voltage. FIG. 17A shows the case where the amplitude of the voltage pulse 7c of the applied voltage Va is large, and the applied voltage Va is a battery voltage (for example, 1.5 [V]) as used in a wristwatch and is used as a chopper. The current characteristic 9c is shown.
FIG. 17B shows a current characteristic 9d when the battery voltage is reduced to about half (for example, 0.75 [V]) as a
FIG. 17C shows a current characteristic 9e when the battery voltage is lowered from about 1/10 to 1/15 as a voltage pulse 7e of the applied voltage Vc and applied as a full pulse instead of a chopper.
電流特性9c,9d,9eのそれぞれの実効値Ia,Ib,Icは、それぞれ同程度の値である。チョッパ化した場合、Dutyを調整することで、実効値を制御できる。しかし、印加電圧が大きいほど、基本周波数を高くしていかないとDutyによる実効値の調整は困難となる。
例えば、図17(A)及び図17(B)の場合、区間tgを仮に30分割にした場合、図17(A)では、1.5×1/30=0.05[V]分の実効電圧の分解能しかないのに対して、図17(B)では、0.75×1/30=0.025[V]であり、図17(A)の倍の分解能を持つことができる。
The effective values Ia, Ib, and Ic of the
For example, in the case of FIG. 17A and FIG. 17B, if the section tg is divided into 30, in FIG. 17A, the effective for 1.5 × 1/30 = 0.05 [V]. In contrast to the voltage resolution only, in FIG. 17B, 0.75 × 1/30 = 0.025 [V], which is twice that of FIG. 17A.
先述したように本発明のステップモータに必要な実効電圧の値は0.1〜0.3[V]程度であるために、仮に摩擦トルクに釣り合うように、0.175[V]近傍で電圧を調整しようとしても、図17(A)の場合には、0.05[V]幅の0.15[V]、0.20[V]の値しか取り得ない。入力エネルギーは実効電圧の二乗に比例するために、電圧が0.05[V]変化することで大きく変動してしまい、過剰なエネルギーをロータの回転に投入してしまうか、ロータの回転に不十分なエネルギーしか投入できないことになってしまう。また、チョッパ駆動のために周波数を上げていくにつれて、回路の消費電力を上がってしまうという問題も発生する。
そのため、本発明のステップモータでは、印加電圧を可能な限り下げ、最後のチョッパで実効電圧を微調整するというのが、製造誤差などによるばらつきの影響の大きい摩擦トルクに対して印加電圧を設定し易い手法と言える。
As described above, since the effective voltage value required for the step motor of the present invention is about 0.1 to 0.3 [V], the voltage near 0.175 [V] is set so as to balance the friction torque. In the case of FIG. 17A, only values of 0.15 [V] and 0.20 [V] having a width of 0.05 [V] can be obtained. Since the input energy is proportional to the square of the effective voltage, it fluctuates greatly when the voltage changes by 0.05 [V], and excessive energy is input to the rotation of the rotor or is not effective for the rotation of the rotor. Only enough energy can be input. In addition, there is a problem that the power consumption of the circuit increases as the frequency is increased for chopper driving.
For this reason, in the step motor of the present invention, the applied voltage is set to the friction torque that is greatly affected by variations due to manufacturing errors, etc. It can be said that it is an easy method.
[駆動手段の説明:図18]
次に、すでに説明した駆動手段30について、図18を参照しつつ説明する。
図18は、ステップモータと駆動手段の構成を説明するための図である。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。図18において、30aは可変電圧手段、30bは検出手段である。
[Description of Driving Means: FIG. 18]
Next, the driving means 30 already described will be described with reference to FIG.
FIG. 18 is a diagram for explaining the configuration of the step motor and the driving means. The same numbers are assigned to the same configurations already described. In FIG. 18, 30a is a variable voltage means, and 30b is a detection means.
駆動手段30は、コイル13,23に駆動パルスを印加する駆動回路10と、駆動回路10からコイル13,23に流れる電流情報などを読み取ることでロータ3の回転や非回転を検出する検出手段30bと、検出手段30bの検出結果に基づいて駆動パルスの実効電圧を可変したり、駆動回路10に送る制御信号のDutyを可変するための可変電圧手段30aと、を備える。
The driving
次に、図18に示す駆動手段30の作用及び効果について説明する。
ロータ3が非回転と判断されると、可変電圧手段30aでは通常運針時のために実効電圧を下げた印加電圧を駆動回路10に供給している状態を切り替えて、実効電圧を上げ必ず回転するように余裕のあるエネルギーをコイル13,23に供給する。実効電圧の上げ方として電圧振幅自体を上げる方法や、Dutyを高くする方法をとり得る。
Next, the operation and effect of the
When the
説明したように本発明のステップモータは、実効電圧を摩擦トルクに釣り合う程度にまで下げている。摩擦トルクは環境などの影響により経時変化し易く、摩擦トルクが上昇するとロータ3は回転できなくなってしまう。しかし、図18に示す駆動手段30のように
すれば、高い実効電圧をコイルに供給できるから、非回転時にも必ず回転させることができるようになるのである。
As explained, the step motor of the present invention reduces the effective voltage to a level that matches the friction torque. The friction torque is likely to change with time due to the influence of the environment and the like, and when the friction torque increases, the
[駆動手法の説明:図10、図19]
次に、図18に示す駆動手段30の制御の仕方について、図10及び図19を参照しつつ説明する。
図19は、通常運針時に除々に実効電圧を下げていくためのアルゴリズムである。
[Description of Driving Method: FIGS. 10 and 19]
Next, how to control the driving means 30 shown in FIG. 18 will be described with reference to FIGS. 10 and 19.
FIG. 19 shows an algorithm for gradually decreasing the effective voltage during normal hand movement.
起動時(STEP1)には、ロータや輪列には静止摩擦トルクが作用しているために、高い実効電圧を印加しないと回転しない。この電圧としては0.2〜0.3[V]程度である。例えば、図10(A)〜図10(C)に示す区間trをn=1として、nがa(aは整数で2以上)回経過したと判断したら(STEP2)、中程度の実効電圧に下げる(STEP3)。この電圧は0.15[V]〜0.2[V]程度である。 At startup (STEP 1), since static friction torque acts on the rotor and the train wheel, it does not rotate unless a high effective voltage is applied. This voltage is about 0.2 to 0.3 [V]. For example, if the section tr shown in FIGS. 10A to 10C is set to n = 1 and n is determined to have passed a (a is an integer of 2 or more) times (STEP 2), the effective voltage becomes a medium level. Lower (STEP 3). This voltage is about 0.15 [V] to 0.2 [V].
そしてまた、nがb(bは整数で2以上)回経過したと判断したら(STEP4)、更に低い実効電圧に下げる(STEP5)。この電圧は0.08[V]〜0.15[V]程度である。ロータがこの低い実効電圧のまま回転し続けていれば、そのままの電圧であるが、万が一回転しなかったら、先述したような非回転を検出した場合の処理として実効電圧を上げ(例えば本アルゴリズムではSTEP1)、再度図19のアルゴリズムにしたがって実効電圧を下げていく。もちろん実効電圧の制御は先述したようにチョッパのDuty制御をしても構わない。 When it is determined that n has passed b (b is an integer of 2 or more) times (STEP 4), the voltage is lowered to a lower effective voltage (STEP 5). This voltage is about 0.08 [V] to 0.15 [V]. If the rotor continues to rotate at this low effective voltage, the voltage remains as it is, but if it does not rotate, the effective voltage is increased as a process when non-rotation is detected as described above (for example, in this algorithm, (Step 1) The effective voltage is lowered again according to the algorithm of FIG. Of course, the effective voltage may be controlled by duty control of the chopper as described above.
このように起動時などに高い実効電圧で駆動し、除々に実効電圧を下げていく制御を行うことにより、確実な回転と低消費電力化を達成することができる。 As described above, by driving with a high effective voltage at the time of start-up or the like and gradually decreasing the effective voltage, reliable rotation and low power consumption can be achieved.
[1−2相励磁時の第2の駆動方式の説明:図20]
すでに図10〜図13を用いて本発明のステップモータを電子時計の連続運針用に用いるとき、正回転方向に、どのように動かすのかを説明した。ここでは、1−2相励磁の場合の駆動パルスの第2の駆動方式を、図20を用いて説明する。この駆動方式は、2相通電する区間の時間幅がすでに説明した駆動方式と異なっている。
図20(A)は、図10(C)を用いてすでに説明した1−2相励磁の駆動パルスを示す図であり、図20(B)は、第2の駆動方式であり、より望ましい1−2相励磁の駆動パルスを示す図である。
[Description of Second Driving Method at 1-2 Phase Excitation: FIG. 20]
It has already been described with reference to FIGS. 10 to 13 how the stepping motor of the present invention is moved in the forward rotation direction when it is used for continuous hand movement of an electronic timepiece. Here, the second driving method of the driving pulse in the case of 1-2 phase excitation will be described with reference to FIG. This drive method is different from the drive method already described in the time width of the two-phase energization section.
FIG. 20 (A) is a diagram showing the drive pulse of 1-2 phase excitation already described with reference to FIG. 10 (C), and FIG. 20 (B) is the second drive method and is more desirable 1 It is a figure which shows the drive pulse of -2 phase excitation.
1−2相励磁では、図20(A)のように、2相通電する区間tr2と1相通電する区間tr1とが交互に配置される。しかし、図20(B)に示す第2の駆動方式では、2相通電する区間tr2の幅を1相通電する区間tr1よりも短くする駆動パルスを印加している。 In the 1-2 phase excitation, as shown in FIG. 20A, the section tr2 in which the two-phase energization is performed and the section tr1 in which the one-phase energization is performed are alternately arranged. However, in the second driving method shown in FIG. 20B, a driving pulse is applied so that the width of the two-phase energizing section tr2 is shorter than the one-phase energizing section tr1.
2相通電する区間においては、2つのコイルによりロータは駆動トルクを作用させられるために、駆動トルクに余裕がある。そこで、図20(B)のような駆動パルスを印加することで、2相通電する区間の駆動トルクを下げても回転できるのである。 In the section where the two-phase energization is performed, the drive torque is applied to the rotor by the two coils, so there is a margin in the drive torque. Therefore, by applying a driving pulse as shown in FIG. 20B, rotation can be performed even if the driving torque in the section in which two-phase energization is performed is reduced.
[1−2相励磁時の第2の駆動方式の効果の説明:図21]
次に、この第2の駆動方式による効果について図21を用いて説明する。
図21において、縦軸は消費電力、横軸は2相通電区間と1相通電区間との時間の比を示している。それぞれの時に印加する実効電圧を可変することで消費電力の違いについて第1実施形態の場合に得られた実験結果を示す概要図である。
[Explanation of the effect of the second driving method during 1-2 phase excitation: FIG. 21]
Next, the effect of the second driving method will be described with reference to FIG.
In FIG. 21, the vertical axis represents power consumption, and the horizontal axis represents the time ratio between the two-phase energization section and the one-phase energization section. It is a schematic diagram which shows the experimental result obtained in the case of 1st Embodiment about the difference in power consumption by varying the effective voltage applied at each time.
この図で0:10の時は1相励磁と同じであり、10:0は2相励磁と同じであり、5
:5は一般的な1−2相励磁の場合である。図21に示すように、2相通電区間と1相通電区間の時間比を3:7程度にした場合に、消費電力は最も下がった。
なお、上述のように、これらの調整は、区間tr2と区間tr1との時間幅を変えるのみで良いために、制御や調整が容易である。
In this figure, 0:10 is the same as 1-phase excitation, 10: 0 is the same as 2-phase excitation, and 5
: 5 is the case of general 1-2 phase excitation. As shown in FIG. 21, when the time ratio between the two-phase energization section and the one-phase energization section is about 3: 7, the power consumption is the lowest.
As described above, these adjustments are easy to control and adjust because it is only necessary to change the time width between the section tr2 and the section tr1.
[1−2相励磁時の第3の駆動方式の説明:図22]
図20を用いて説明した第2の駆動方式では、2相通電する区間の時間幅を変えることで、2相通電する区間の駆動トルクを下げたが、図10(C)を用いてすでに説明した区間tr2と区間tr1との時間幅が同じである駆動方式であっても、Duty、周波数、実効電圧を変えることで駆動トルクを下げるようにしても構わない。それが図22に示す第3の駆動方式である。
[Explanation of the third driving method during 1-2 phase excitation: FIG. 22]
In the second driving method described with reference to FIG. 20, the driving torque in the section in which the two-phase energization is performed is reduced by changing the time width of the section in which the two-phase energization is performed, but the description has already been given with reference to FIG. Even in the drive method in which the time widths of the section tr2 and the section tr1 are the same, the drive torque may be lowered by changing the duty, frequency, and effective voltage. This is the third driving method shown in FIG.
図22(A)では、チョッパ駆動の場合で、2相通電区間のDutyを1相通電区間のDutyよりも小さくしている場合であって、Dutyを変えるのみで良いために最も制御し易い。
図22(B)もチョッパ駆動の場合で、2相通電区間の周波数を1相通電区間の周波数よりも小さくしている場合であって、Dutyは同じである。この場合、周波数を増やす必要があり、図22(A)の場合よりも消費電力が増えてしまうが、より高い分解能で実効電圧を調整できるという利点がある。
図22(C)は、フルパルスで駆動する場合であって、電圧振幅を変えることで区間tr2の実効電圧Vf2を区間tr1の実効電圧Vf1よりも小さくしている。このような微妙な電圧変化を付けるためには、降圧回路の規模が多少大きくなってしまうという課題があるが、チョッパ駆動の場合と異なりコイルに流れる電流にノイズがのりにくく、電流からロータの回転情報を抽出し易いという利点がある。
In FIG. 22A, in the case of chopper driving, the duty of the two-phase energizing section is made smaller than the duty of the one-phase energizing section, and it is only necessary to change the duty, so that control is most easy.
FIG. 22B is also a case of chopper driving, where the frequency of the two-phase energization section is smaller than the frequency of the one-phase energization section, and the Duty is the same. In this case, it is necessary to increase the frequency, and power consumption increases as compared with the case of FIG. 22A, but there is an advantage that the effective voltage can be adjusted with higher resolution.
FIG. 22C shows the case of driving with a full pulse, and the effective voltage Vf2 in the section tr2 is made smaller than the effective voltage Vf1 in the section tr1 by changing the voltage amplitude. In order to apply such a subtle voltage change, there is a problem that the scale of the step-down circuit becomes somewhat large, but unlike the case of chopper drive, it is difficult for noise to be applied to the current flowing in the coil, and the rotation of the rotor from the current There is an advantage that information can be easily extracted.
[ロータの駆動の詳細の説明2:図23、図24]
次に、本発明のステップモータを電子時計に用い、その運針を、高速駆動、ステップ状駆動、連続運針用と切り換えて用いるとき、それぞれをどのように動かすのかを図23及び図24を用いて説明する。
図23は、駆動方法選択のアルゴリズムについて説明するための図であり、図24(A)は高速駆動時の駆動パルスの例、図24(B)はステップ状駆動時の駆動パルスの例を示す図である。
[Detailed Description of Rotor Drive 2: FIGS. 23 and 24]
Next, when the step motor of the present invention is used for an electronic timepiece and its hand movement is switched between high speed driving, step-like driving and continuous hand movement, how to move each of them will be described with reference to FIGS. 23 and 24. explain.
FIG. 23 is a diagram for explaining an algorithm for selecting a driving method. FIG. 24A shows an example of a driving pulse during high-speed driving, and FIG. 24B shows an example of a driving pulse during step-like driving. FIG.
これまでは、特に通常運針時の特に連続運針について速度変動が小さく、低消電力で駆動する方法について説明してきた。しかし、駆動パルスを選択することにより、その他の駆動方法も可能となる。
図23では、まず初期化処理(STEP1)として、ロータの初期位置を決めるためのパルスを印加する。続いて正回転か逆回転かを選択(STEP2)する。続いて高速駆動か通常運針かを選択(STEP3)を行う。
Up to now, a method of driving with low power consumption has been described, particularly with respect to continuous movement during normal hand movement, especially with a small speed fluctuation. However, other driving methods are possible by selecting the driving pulse.
In FIG. 23, as an initialization process (STEP 1), a pulse for determining the initial position of the rotor is applied. Subsequently, either forward rotation or reverse rotation is selected (STEP 2). Subsequently, selection is made between high-speed driving and normal hand movement (STEP 3).
STEP3で高速駆動の選択を行うと(選択は図示しない外部スイッチなどの信号に基づく)、高実効電圧(例えば電池電圧の1.5[V])をコイルに印加し、また高い周波数の高速運針パルス(図24(A)を参照)を出力する(STEP5)。高速運針パルスはクロノグラフなどに用いることができる。本発明のステップモータは一般的な単相ステップモータと異なり、ロータからの磁束はそれぞれ2つのステータに分かれ、それぞれのコイルを鎖交する。そのため、それぞれのコイルに発生する逆起電圧が小さくなるため、特に高速回転させた場合には逆起電圧と電源電圧とのバランスにより決まってくる回転速度の限界が高く、単相ステップモータの場合よりも高速に駆動させることができる。 When high speed driving is selected in STEP 3 (selection is based on a signal from an external switch or the like not shown), a high effective voltage (for example, 1.5 [V] of the battery voltage) is applied to the coil, and high frequency high speed hand movement is applied. A pulse (see FIG. 24A) is output (STEP 5). The high-speed hand movement pulse can be used for a chronograph or the like. Unlike the general single phase step motor, the step motor of the present invention divides the magnetic flux from the rotor into two stators, and links the coils. Therefore, since the back electromotive voltage generated in each coil becomes small, especially when rotating at high speed, the limit of the rotational speed determined by the balance between the back electromotive voltage and the power supply voltage is high. Can be driven at a higher speed.
STEP3で通常運針を選択すると、次にステップ状運針かどうかを選択(STEP4
)する。
ここでステップ状運針を選択すると、高実効電圧(例えば電池電圧の1.5[V])で、ステップ状運針パルス(図24(B)を参照)をコイルに印加する(STEP6)。なお、図24(B)では2相励磁としているが、1相励磁でも、1−2相励磁でも構わない。
ステップ状運針とは、例えばロータを10回転分高速で送り(区間tstep)、その後ロータを停止させた状態のままにし(区間tstay)、ある所定の周期後に再度ロータを10回転分高速で送り、再びその後ロータを停止させた状態のままにしておくなどとする運針方法のことである。このような運針方法をすることにより、使用者は針がまるでステップ運針をしているかのように認識することができる。
When normal operation is selected in STEP3, next, it is selected whether or not it is stepped operation (STEP4
)
Here, when the step-like hand movement is selected, a step-like hand movement pulse (see FIG. 24B) is applied to the coil with a high effective voltage (for example, 1.5 [V] of the battery voltage) (STEP 6). In FIG. 24B, two-phase excitation is used, but one-phase excitation or 1-2 phase excitation may be used.
For example, the step-shaped hand movement means that the rotor is fed at a high speed for 10 revolutions (section tstep), and then the rotor is kept stopped (section tstay), and the rotor is fed again at a high speed for 10 revolutions after a predetermined cycle, It is a method of moving the needle that keeps the rotor stopped after that. By performing such a hand movement method, the user can recognize as if the needle is stepping.
STEP4でステップ状運針ではない連続運針を選択すると、先述してきたような低実効電圧(例えば0.1〜0.3[V])の連続運針パルスをコイルに印加する(STEP7)。
When a continuous operation that is not a stepped operation is selected in
このように本発明のステップモータは、連続運針以外の駆動方法も選択でき、使用者は運針を気分に応じて選択できる。 As described above, the step motor of the present invention can select a driving method other than the continuous hand movement, and the user can select the hand movement according to the mood.
以上、第1実施形態を例にして、本発明のステップモータの細部や駆動回路及び駆動方法について図面を用いて説明したが、もちろん、それらは第1実施形態に限定するものではない。スペーサを用いた絶磁構造や駆動手法は、他の実施形態においても用いることができる。 As described above, the details of the step motor, the drive circuit, and the drive method of the present invention have been described with reference to the drawings by using the first embodiment as an example, but, of course, they are not limited to the first embodiment. The demagnetization structure and the driving method using the spacer can be used in other embodiments.
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。電池のような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との組合せを電源とするものにも適用することができる。 The present invention can be used as a drive source for an electronic timepiece having various hands including a wristwatch. In addition to a battery that uses a primary battery such as a battery as a power source, a battery that uses a combination of a secondary battery and a solar battery, a thermoelectric generator, a mechanical power generation unit, or the like can also be applied.
1 第1のステータ
2 第2のステータ
11,21 ヨーク
11a,21a ロータ孔
11b,21b スリット
11c,21c 内ノッチ
11d,21d 磁束飽和部
12,22 コイル芯
13,23 コイル
3,3’ロータ
3a ロータ磁石
3b ロータカナ
4,4a,4b 保持トルク
5,5a,5b 磁束
5c,5d,5e 磁界
6’ 中座
6a 下座
6b スペーサ
9c,9d,9e 電流特性
10 駆動回路
30 駆動手段
30a 可変電圧手段
30b 検出手段
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ロータを回転自在に挿入されるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと該ヨークに一体となる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を2個有し、
前記2個のステータは、前記ロータ孔の位置を互いに一致させて前記ロータの軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置された第1のステータと第2のステータとであり、
それぞれの前記コイルに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを発生する駆動手段により該駆動パルスをそれぞれの前記コイルに印加することで、前記ロータを回転させるステップモータにおいて、
前記2個のステータの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を設け、
前記2個のステータに備える前記一対のスリット又は磁束飽和部は、一方の前記ステータに保持トルクを生じさせて他方の前記ステータによりその保持トルクを打ち消す位置となっていることで、
前記2個のステータと前記ロータとの間では、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が生じないことを特徴とするステップモータ。 One rotor composed of permanent magnets magnetized in two poles;
Having two stators comprising a soft magnetic yoke having a rotor hole into which the rotor is rotatably inserted, and a coil in which a conductive wire is wound around a coil core integrated with the yoke;
The two stators are arranged such that the positions of the rotor holes coincide with each other and overlap each other in the axial direction of the rotor with a spatial phase shifted from each other and demagnetized from each other. A stator,
In the step motor that rotates the rotor by applying the driving pulse to each coil by a driving unit that generates a predetermined driving pulse with an electrical phase shifted to each coil.
Around the rotor holes of the two stators, a pair of slits or magnetic flux saturation portions that function to cause a driving torque to act on the rotor by a magnetic field generated by the coils,
The pair of slits or magnetic flux saturation portions provided in the two stators are in a position where a holding torque is generated in one stator and the holding torque is canceled by the other stator.
Between the two stators and the rotor, a holding motor for stabilizing the position of the rotor is not generated when the coil is not energized.
前記ロータを回転自在に挿入されるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと該ヨークに一体となる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を2個有し、
前記2個のステータは、前記ロータ孔の位置を互いに一致させて前記ロータの軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置された第1のステータと第2のステータとであり、
それぞれの前記コイルに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを発生する駆動手段により該駆動パルスをそれぞれの前記コイルに印加することで、前記ロータを回転させるステップモータにおいて、
前記2個のステータの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を設け、
前記2個のステータと前記ロータとの間では、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が生じないステップモータと、
前記駆動パルスを発生するために、少なくとも4つのスイッチ素子によるHブリッジ回路2組よりなる駆動回路を備えており、
前記4つのスイッチ素子のうち、前記Hブリッジ回路の高電位側の素子は、P−MOSFET及びN−MOSFETのソースとドレインとを並列に接続した回路であるトランスファーゲートで構成され、
前記駆動パルスの実効電圧は、前記ロータに負荷として作用している静止摩擦トルク又は動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値であると共に前記スイッチ素子を構成するMOSFETの閾値電圧よりも小さい電圧値であることを特徴とするステップモータ装置。 One rotor composed of permanent magnets magnetized in two poles;
Having two stators comprising a soft magnetic yoke having a rotor hole into which the rotor is rotatably inserted, and a coil in which a conductive wire is wound around a coil core integrated with the yoke;
The two stators are arranged such that the positions of the rotor holes coincide with each other and overlap each other in the axial direction of the rotor with a spatial phase shifted from each other and demagnetized from each other. A stator,
In the step motor that rotates the rotor by applying the driving pulse to each coil by a driving unit that generates a predetermined driving pulse with an electrical phase shifted to each coil.
Around the rotor holes of the two stators, a pair of slits or magnetic flux saturation portions that function to cause a driving torque to act on the rotor by a magnetic field generated by the coils,
Between the two stators and the rotor, the position of the rotor is reduced when the coil is not energized.
A stepping motor that does not generate holding torque to stabilize the position,
In order to generate the drive pulse, a drive circuit comprising two sets of H bridge circuits by at least four switch elements is provided,
Of the four switch elements, the high-potential side element of the H-bridge circuit is composed of a transfer gate that is a circuit in which the sources and drains of the P-MOSFET and N-MOSFET are connected in parallel.
The effective voltage of the drive pulse is a voltage value that generates a torque larger than the static friction torque or the dynamic friction torque acting as a load on the rotor, and a voltage value that is smaller than the threshold voltage of the MOSFET that constitutes the switch element. There is a step motor device.
前記ロータが静止状態から回転開始するときには、前記静止摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるようにし、
前記ロータが連続回転しているときには、前記動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるように可変することを特徴とする請求項3に記載のステップモータ装置。 The variable voltage means, the effective voltage,
When the rotor starts to rotate from a stationary state, a voltage value that generates a torque larger than the static friction torque is set.
The step motor device according to claim 3, wherein when the rotor is continuously rotating, the step motor device is varied so as to have a voltage value that generates a torque larger than the dynamic friction torque.
Of the two stators, and the said slits provided in said slit and the other of the stator provided on one of said stator, to claim 1, characterized in that provided on a line perpendicular through the center of the rotor hole Step motor described.
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