JP6433328B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、腕時計などのアナログ式電子時計に用いられる２つの駆動コイルを用いたステップモータ（以降、「２コイル式ステップモータ」 と称する。）のステータ構造及び駆動制御機構に関する。

腕時計などのアナログ式電子時計では、秒針、分針、時針等の指針の通常運針に用いられる一般的なステップモータは１つの駆動コイルを用いてステップモータ（以降、「１コイル式ステップモータ」と称する。）の駆動を行なうが、腕時計の駆動時間の持続性向上のため、ステップモータの低電力化が要求される。
このため、腕時計に用いられるステップモータはロータの回転、非回転を正確に判断し、常に必要最小限のエネルギー量の通常運針パルスで駆動し、ロータが非回転の場合には、ただちにエネルギー量の大きな補正パルスで補正駆動する回転検出・負荷補償技術が多く用いられている。

一方で電波受信等により時刻修正する際、素早く指針を標準時刻に合わせるには、正転逆転を同じ駆動周波数で早送り運針駆動できる特許文献１の２コイル式ステップモータが望ましい。
しかしながら、特許文献１の２コイル式ステップモータの場合、２つのコイル５、６から出力される磁束を１個の回転子４（以降、「ロータ」と称する。 ）に作用させるため、固定子１（以降「ステータ」と称する。）に設けられたロータ４を収納する孔周辺にはスリット２ａ、２ｂ、２ｃ又は、ノッチ４１、４２、４３が３箇所必要である。
また、１コイル式ステップモータでは、特許文献２のように２箇所のエアギャップが必要となるが、エアギャップに非磁性体６で挟み、非磁性体６を溶接し、ステータ２、３の寸法のばらつきによるモータの特性のばらつきを防止できるステータ２、３が提案されている。

特公昭６３−３４７０７号公報（第６項 第１図、第１３図） 特公昭５８−１４１４５号公報（第２頁、第２図）

図５ａは特許文献１図１３のロータ４とステータ１にコイル５、６を設けた全体図であり、図５ｂは特許文献１図１３のロータ４から発生する磁束の流れを示した図である。
まず、コイル５，６によりロータ４を駆動する場合について説明する。
コイル５，６に駆動パルスを印加すると、ステータ１に磁束が発生する。この磁束は、ロータ４を駆動するのに充分な程強い。従って、３箇所のノッチ４１、４２、４３を磁路の狭い狭窄部としておくと、狭窄部が磁束飽和することで磁気的に切断したとみなせ、特許文献１の図１と同様の状態となり、ロータ４を駆動させることが出来る。従って、ロータ駆動に関しては、スリットに代えてノッチとすることは問題無い。

続いて、ロータ４駆動後にロータ４が回転したか否かを検出する場合について説明する。ロータ４の回転検出を行う場合、駆動後のロータ４の自由振動に基づきコイル５，６に発生する逆起電流を検出することが不可欠である。
しかしながら、図５ｂに示すようにロータ４から発生する磁束は、コイル５、６から出力
される磁束よりもはるかに小さいため、ノッチ４１、４２、４３は磁気飽和を起こさない。そのため、ロータ４から発生した磁束の多くはコイル５、６を通過しないで、磁束Φ１１ａ、Φ１２ａに示すように、ノッチ４１、４２、４３を磁路として通過し、ロータ４から発生する磁束がロータ孔周辺で閉じてしまう。結果として、磁束Φ２１ａ、Φ２３ａ、Φ２０ａに示すような駆動コイル５、６を通過する磁束は少ないため、ロータ４の回転変化による磁束の変動が伝わらず、回転検出ができない。
従って、回転検出を行うには、図５ａのステータ２３の構造よりも特許文献１図１のようにスリット２ａ、２ｂ、２ｃを設けたほうが望ましい。

しかしながら、特許文献１の図１のステータ１の構造は、コイル５、６を形成するステータ１とは切り離さなくてはならない。このため、ステータ１はコイル５、６部に配置されるステータと３つのステータとなるため、各ステータの位置精度の調整が困難な上、組立工数も上がるため、生産性の面から困難である。

また、３つのステータを特許文献２のように非磁性体６をスリットに入れて非磁性体６とステータをレーザー溶接などで接合する場合、非磁性体６を３箇所に挿入するため、生産の工数が増大してしまう。さらに、３箇所のスリットで完全に切断した場合、各スリットの向きに合わせて切断するため、切断の位置精度が低くなる上、生産の工数が増大してしまう。

本発明は上記課題を解決し、通常運針のロータのステップ回転駆動の検出を正確に行うことによって負荷状況に応じた運針を行い、時計の低電力化を図ると共に生産性の高い２コイル式ステップモータのステータ構造を提供することを目的とする。

本発明の２コイル式ステップモータのステータ構造は下記記載の構成を採用するものである。すなわち、２極着磁された永久磁石からなるロータと、ロータを回動させる磁力を発生する第１駆動コイル、第２駆動コイルと、第１駆動コイル並びに第２駆動コイルから発生した磁力をロータに誘導するステータと、を有し、ステータは、ロータを収納するロータ孔を有し、ロータ孔の周囲に第１の磁極、第２の磁極、第３の磁極が有り、第１駆動コイルにより、第１の磁極と第３の磁極の間に磁路が形成され、第２駆動コイルにより、第２の磁極と第３の磁極の間に磁路が形成されるステッピングモータにおいて、第１の磁極または第２の磁極と、第３の磁極の間に、低透磁率材又は非磁性体を設けたスリット部が形成され、ステータは、ロータの静的安定点を決めるためのノッチ部を１つ有し、スリット部は、ノッチ部のロータ孔と対向する位置に配置されていることを特徴とする。

上記本発明によれば、ステータを１体に出来ることによって組み立て工程を簡素化出来、回転検出時にロータ１０１から発生する磁束を効率的に駆動コイルの誘導できるため、回転検出が可能となり、負荷状況に応じたぎりぎりのエネルギーのパルスで運針できるので、低消電化が達成できる。

実施形態１におけるモータ部上面図である。 実施形態１におけるステータの生産工程を示した工程図である。 実施形態１におけるステータの生産工程を示した工程図である。 実施形態１におけるステータの生産工程を示した工程図である。 実施形態１におけるロータ１０１から発生する磁束の流れを示した図 実施形態１の変形例１におけるモータ上面図である。 特許文献１図１３のロータ４とステータ１にコイル５、６を設けた全体図 特許文献１図１３のロータ４から発生する磁束の流れを示した図 実施形態１の変形例２におけるモータ部上面図である。 実施形態１の変形例２におけるステータの生産工程を示した工程図である。

［実施形態１の説明］
以下、実施形態１について図面を用いて説明する。なお、実施形態１は時計に適用した場合を元にしているが、発明に関係のない構成、例えば、地板や受類、指針などの時計の構造部品については、説明や図示を省略している。
図１はステータ構造を説明するためのモータ部上面図である。

１００は２コイル式ステップモータのモータ部であり、１０１はＮ極、Ｓ極の２極に着磁されたロータであり、１０２はロータ１０１を収納するロータ孔１０２０を有するステータであり、１０３ａ、１０３ｂは駆動信号を発生磁束に変換し、ステータ１０２を介してロータ１０１に発生磁束を印加する駆動コイルである。
ステータ１０２はロータ孔１０２０周辺に２つのスリット部１０２２ａ、１０２２ｂと磁束飽和部１０２２ｃが設けられ、３つのステータ磁極１０２１ａ、１０２１ｂ、１０２１ｃが形成されている。
駆動コイル１０３ａに駆動パルスが印加されることで、ステータ磁極１０２１ａと１０２１ｃの間に磁路が形成され、
駆動コイル１０３ｂに駆動パルスが印加されることで、ステータ磁極１０２１ｂと１０２１ｃの間に磁路が形成される。
２つのスリット部１０２２ａ、１０２２ｂは非磁性体を挟んだ状態で溶接して形成されているため、磁束飽和部１０２２ｃよりも磁力の流れを制限することができる。

なお、本明細書では、
「磁極間を空間（エアギャップ）で分離したもの」を「空隙部」、
「磁極間を狭窄部などで磁気飽和させ分離したもの」を「磁気飽和部」、
「空隙部に低透磁率材又は非磁性体を充填したもの」を「スリット部」と称する。
たとえば、特許文献１のスリットは「空隙部」に該当し、同文献のノッチは、「磁気飽和部」に該当する。また、特許文献２のエアギャップは「空隙部」に該当する。

また、スリット部１０２２ａと１０２２ｂを結ぶ直線がロータ孔中心を通るように配置されており、２つのスリット部１０２２ａと１０２２ｂの切断面は一直線に形成されている。磁束飽和部１０２２ｃには、磁路の一部を狭めた狭窄部が設けられている。このため、スリット部１０２２ａ、１０２２ｂを除くステータ１０２の中で最も磁束飽和しやすいので、駆動コイル１０３ａ、１０３ｂからの発生磁束によって磁束が飽和して初めて磁気的に切断される。

さらにステータ１０２はロータ孔１０２０周辺にノッチ部１０２３ａ、１０２３ｂが形成されており、ロータ１０１はロータ１０１の中心から磁束飽和部１０２２ｃ方向を０［ｄｅｇ］とした場合（図１のＬ１）、Ｄ１方向に約４５［ｄｅｇ］程度傾いた位置が非動作時の安定位置（図１のＬ２。以降、静的安定位置と称す）となる。なお、「ノッチ部」は、特許文献１の「ノッチ」とは異なるものであり、役割も異なっている。
ロータ１０１は１ステップで１８０［ｄｅｇ］回転するため、ロータ１０１の初期状態は図１に示す状態とロータ１０１の極性が図１とは逆（Ｎ極がＳ極、Ｓ極がＮ極）になる２
つの状態となる。

また、実施形態１において、ロータ１０１がＤ１方向に回転する方向を正転とし、Ｄ２方向に回転するときを逆転とし、使用頻度の多い方向（実施形態１においてはＤ１方向の０〜９０［ｄｅｇ］以内）に静的安定位置を設定したほうが望ましい。逆転方向Ｄ２への駆動には、正転方向Ｄ１より複雑な駆動パルスを必要とし、消費電力も大きいからである。駆動コイル１０３ａはコイル端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２を有し、コイル端子ＯＵＴ２を接地電位であるＶＤＤ電位、コイル端子ＯＵＴ１をＶＤＤ電位よりも低い電位であるＶＳＳ電位として電流を流すことでステータ磁極１０２１ａにはＮ極、ステータ磁極１０２１ｃにはＳ極が発生し、ロータ１０１に磁束を作用させる。

また、駆動コイル１０３ｂはコイル端子ＯＵＴ３、ＯＵＴ４を有し、コイル端子ＯＵＴ４をＶＤＤ電位、コイル端子ＯＵＴ３をＶＳＳ電位として電流を流すことでステータ磁極１０２１ｂにはＮ極が、ステータ磁極１０２１ｃにはＳ極が発生し、ロータ１０１に磁束を作用させる。両コイルとも、逆方向に電流を流せば、ステータ磁極に現れる磁極は反転する。

次に実施形態１における２コイル式ステップモータのステータ１０２を生産するための工程について図２の工程図を用いて説明する。
実施形態１における２コイル式ステップモータのステータ１０２は図２（ａ）から図２（ｆ）の順に磁性体の帯材５０１からプレス加工により形成される。
図２（ａ）は磁性体の帯材５０１からプレス加工によって形成された図であり、ロータ孔１０２０やステータ１０２の外形を形成する。ステータ１０２は、つなぎ部５０３（４箇所）で帯材５０１と繋がっている。

図２（ｂ）は図２（ａ）の状態からカッター等により空隙部１０２２ａ、１０２２ｂを形成した図であり、図２（ｇ）は図２（ｂ）の領域Ｃを拡大した図である。Ｄ３はカッターによる切断方向となり、カッターは１工程で空隙部２０００ａ、２０００ｂを１直線上に形成することが出来るため、生産工程の大幅な削減が出来る。
また、カッターの切断方向Ｄ３と帯材５０１の移動方向Ｄ４を同一方向にすることによってカッター装置の位置は移動する必要がなくなるため、帯材５０１に対するＤ５方向のカッター切断位置が変化しない。
このため、カッターを固定治具とすることができるので、空隙部２０００ａ、２０００ｂの位置精度を向上することが出来る。

図２（ｃ）は図２（ｂ）の状態から空隙部２０００ａ、２０００ｂに非磁性体片５０２を挿入した図であり、空隙部２０００ａ、２０００ｂが切断面を含めて１直線上に形成されているために１つの非磁性体片５０２を空隙部２０００ａ、２０００ｂの両方に挿入することが可能となり、空隙部２０００ａ、２０００ｂに別個の非磁性体片を挿入する場合に比べ、生産工程の大幅な削減が出来る。

図２（ｄ）は図２（ｃ）の状態から非磁性体片５０２とステータ１０２をレーザー溶接などにより溶接した図であり、スリット部１０２２ａ、１０２２ｂが形成される。

図２（ｅ）は図２（ｄ）の状態からプレス加工によって形成された図であり、図２（ｈ）は図２（ｅ）の領域Ｄを拡大した図であり、精度の良い磁束飽和部１０２２ｃやノッチ部１０２３ａ、１０２３ｂを形成する。

図２（ｆ）は図２（ｅ）の状態からプレス加工によって形成された図であり、つなぎ部５０３で繋がった帯材５０１からステータ１０２を切り離して、単個のステータ１０２を
得る。

以上のように実施形態１における２コイル式ステップモータのステータ１０２はスリット部１０２２ａ、１０２２ｂの切断面を含めて１直線上に形成することによって、スリット部１０２２ａ、１０２２ｂを形成するカッターの切断工程、スリット部の溝に非磁性体片を挿入する工程の大幅な削減を行なえる上、カッターの切断精度を向上することが可能となる。

図３は実施形態１におけるロータ１０１から発生する磁束の流れを示した図であり、Φ１１ｂ、Φ１２ｂは図５ｂのΦ１１ａ、Φ１２ａと同様にコイル１０３ａ、１０３ｂを通過しない磁束であり、磁束Φ２１ｂ、Φ２３ｂ、Φ２０ｂは図５ｂの磁束Φ２１ａ、Φ２３ａ、Φ２０ａと同様にコイル１０３ａ、１０３ｂを通過する磁束である。

実施形態１は図５ａのように３箇所のノッチ４１、４２、４３を用いた従来技術とは異なり、磁束飽和部１０２２ｃよりも磁束の流れを制限する２つのスリット部１０２２ａ、１０２２ｂを有するため、ロータ４から発生する磁束の多くはコイル１０３ａ、１０３ｂを通過する磁束Φ２１ｂ、Φ２３ｂ、Φ２０ｂとなり、コイル１０３ａ、１０３ｂを通過しない磁束Φ１１ｂ、Φ１２ｂはほとんど発生しない。

このため、ロータ孔１０２０周辺に磁束が通る磁路が存在せず、実施形態１の構成では一体に構成されたステータ１０２でありながらロータ１０１から発生する磁束は駆動コイル１０３ａ、１０３ｂに磁束が流れ、駆動コイル１０３ａ、１０３ｂにロータ１０１の回転変化による磁束の変動が伝わり、回転検出が可能となる。

［実施形態の変形例１の説明］
次に、実施形態１の変形例１について図４を用いて説明する。同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図４は変形例１のステータ構造を説明するためのモータ部上面図であり、１０２ｂはロータ１０１を収納するロータ孔１０２０を有するステータである。
ステータ１０２ｂは実施形態１のステータ１０２と異なり、２箇所のスリット部１０２２ａ、１０２２ｂを結ぶ直線がロータ孔１０２０中心を通らないことを特徴としている。
スリット部１０２２ａと１０２２ｂを結ぶ直線はロータ孔１０２０のステータ磁極１０２１ｃ側からロータ孔１０２０の中心までの間に存在すれば、実施形態１と同様の効果を得ることが出来る。
また、変形例１では実施形態１のノッチ部１０２３ａの代わりに、スリット部１０２２ａにノッチ部の役割を兼用させている。これにより、スペースの効率化を図っている。

［実施形態の変形例２の説明］
次に、実施形態１の変形例２について図６、７を用いて説明する。同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図６は変形例２のステータ構造を説明するためのモータ部上面図であり、１０２ｃはロータ１０１を収納するロータ孔１０２０を有するステータである。
ステータ１０２ｃは実施形態１のステータ１０２と異なり、磁束飽和部１０２２ｃの代わりに空隙部１０２２ｄを有することを特徴としている。空隙部１０２２ｄはスリット部１０２２ａ、１０２２ｂ同様に非磁性体を設けても良いが、本変形例２では非磁性体を設けず、エアギャップとしている。

変形例２のように空隙部１０２２ｄを設けることによってステータ磁極１０２１ａとステータ磁極１０２１ｂ間の磁気的な接続が切断されるため、駆動コイル１０３ａ、駆動コイルｂに流れる磁束が互いに干渉されなくなり、より効率的なモータ駆動、ロータ１０１の回転検出を行うことができる。

次に、変形例２における２コイル式ステップモータのステータ１０２ｃを生産するための工程について図７の工程図を用いて説明する。
変形例２における２コイル式ステップモータのステータ１０２ｃは図７（ａ）から図７（ｆ）の順に磁性体の帯材５０１からプレス加工により形成される。
図７（ａ）から図７（ｄ）までは実施形態１と同様の工程であるので説明は省略する。

図７（ｅ）は図７（ｄ）の状態からプレス加工によって形成された図であり、精度の良い空隙部１０２２ｄやノッチ部１０２３ａ、１０２３ｂを形成する。

図７（ｆ）は図７（ｅ）の状態からプレス加工によって形成された図であり、帯材５０１からステータ１０２ｃを切り離してステータ１０２ｃを得る。
以上のように変形例３における２コイル式ステップモータのステータ１０２ｃは実施形態１と同様にスリット部１０２２ａ、１０２２ｂを形成するカッターの切断工程、スリット部の溝に非磁性体片を挿入する工程の大幅な削減を行なえる上、カッターの切断精度を向上することが可能となる。
また、上記工程の後に空隙部１０２２ｄに非磁性体を溶接、接着してステータ１０２ｃの強度を上げても良い。

［効果の説明］
以上のように２コイル式ステップモータにおいてステータ１０２に磁束飽和部１０２２ｃ又は空隙部１０２２ｄ、スリット部１０２２ａ、１０２２ｂを設けることによってステータを１体に出来、回転検出時にロータ１０１から発生する磁束を効率的に駆動コイル１０３ａ、１０３ｂに誘導し、確実なロータ１０１の回転検出を行うことができるようになるため、負荷状況に応じたぎりぎりのエネルギーのパルスで運針できるため、低消電化できる。
また、スリット部１０２２ａ、１０２２ｂの切削方向を直線にすることによって切断の位置精度を向上し、生産の工数を削減することができる。

１００ モータ部
１０１ ロータ
１０２０ ロータ孔
１０２１ａ、１０２１ｂ、１０２１ｃ ステータ磁極
１０２２ａ、１０２２ｂ スリット部
１０２２ｃ 磁束飽和部
１０２２ｄ 空隙部
１０２３ａ、１０２３ｂ ノッチ部
１０３ａ 駆動コイル１０３ａ
１０３ｂ 駆動コイル１０３ｂ

Claims (7)

1. ２極着磁された永久磁石からなるロータと、
   該ロータを回動させる磁力を発生する第１駆動コイル及び第２駆動コイルと、
   該第１駆動コイル及び該第２駆動コイルから発生した磁力を前記ロータに誘導するステータと、を有し、
   該ステータは、前記ロータを収納するロータ孔を有し、
   該ロータ孔の周囲に第１の磁極、第２の磁極及び第３の磁極を設け、
   前記第１駆動コイルにより、前記第１の磁極と前記第３の磁極の間に磁路が形成され、
   前記第２駆動コイルにより、前記第２の磁極と前記第３の磁極の間に磁路が形成される
   ステッピングモータにおいて、
   前記第１の磁極又は前記第２の磁極と、前記第３の磁極の間に、
   低透磁率材又は非磁性体を設けたスリット部が形成され、
   前記ステータは、前記ロータの静的安定点を決めるためのノッチ部を１つ有し、
   前記スリット部は、該ノッチ部の前記ロータ孔と対向する位置に配置されている
   ことを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記スリット部として、
   前記第１の磁極と前記第３の磁極の間に形成された第１のスリット部と、
   前記第２の磁極と前記第３の磁極の間に形成された第２のスリット部と、を有し、
   該第１のスリット部と該第２のスリット部が直線状に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記第１のスリット部と前記第２のスリット部を結ぶ直線は、前記ロータ孔の前記第３の磁極側の位置から前記ロータ孔の中心までの間に存在する
   ことを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ。
4. 前記第１のスリット部又は前記第２のスリット部は、前記ノッチ部の役割を兼用する
   ことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
5. 前記第１の磁極と前記第２の磁極の間に磁束制限部を有する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のステッピングモータ。
6. 前記磁束制限部は狭窄部によって形成される
   ことを特徴とする請求項５に記載のステッピングモータ。
7. 前記磁束制限部は空隙部によって形成される
   ことを特徴とする請求項５に記載のステッピングモータ。

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