JP6515454B2 - ステッピングモータ及び時計 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、2極着磁されたほぼ丸型のロータ磁石と、2つの主磁極及び1つの副磁極を備えるステータとから構成されるステッピングモータが開示されている。
それゆえ、ロータがインデックストルクのピークを乗り越えて次の静止安定位置まで回転するのに必要なエネルギーが大きく、消費電流が大きくなってしまっていた。
しかし、多極着磁のロータ磁石を形成するためには2極着磁のものに比べて複雑で高価な金型、着磁機が必要であるとの問題がある。
また、腕時計等の小型の機器の動力源としてステッピングモータを用いる場合、ロータ磁石も極めて小型にする必要があるが、小型の多極着磁のロータ磁石を形成することは極めて困難である。
このため、小型の機器に用いられるステッピングモータに搭載されるロータ磁石は2極着磁であることが製造上望ましい。
しかし、ロータ磁石を小型にするためには、製造上、円柱か立方体の形状であることが望ましい。このため、ロータ磁石の形状をあまりにも複雑にすると小型化が困難になるという問題があった。
また、モータを低消費電流化するためには磁石は極力円柱形状に近いことが望ましい。
径方向に偶数のM極着磁された円柱形状のロータ磁石を備えるロータと、
前記ロータを受容するロータ受容部が形成され、前記ロータの外周に沿って配置された奇数のN数磁極を有するステータ本体と、このステータ本体と磁気的に結合して設けられたコイルと、を備えるステータと、
前記ロータの偶数の着磁極数のMと前記ステータの磁極数のNとの積で1周を分割した角度より小さい所定の回転角度毎に設けられたロータ停止手段と、
前記ロータを前記所定の回転角度で回転させる駆動パルスを前記コイルに印加する駆動パルス供給回路と、
を備え、
前記駆動パルス供給回路は、前記ロータ停止手段による前記ステータに対する前記ロータの停止角度位置に基づいて、複数の印加パターンを交互に行う印加パターンを選択することを特徴としている。
このため、容易に製造可能な構成により、低消費電流でステッピングモータを駆動させることができるという効果を奏する。
以下、図1から図9を参照しつつ、本発明に係るステッピングモータの第1の実施形態について説明する。本実施形態に係るステッピングモータは、例えば腕時計の指針を動作させる運針機構や日付機構等を駆動させるために適用される小型のモータであるが、本発明に係るステッピングモータを適用可能な実施形態はこれに限定されるものではない。
図1に示すように、ステッピングモータ100は、ステータ(Stator;固定子)1と、ロータ(Rotor;回転子)5とを備えている。
ロータ磁石50としては、例えば希土類磁石等(例えば、サマリウムコバルト磁石等)の永久磁石が好適に用いられるが、ロータ磁石50として適用可能な磁石の種類はこれに限定されない。
また、本実施形態では、径方向に2極着磁されたロータ磁石50が用いられているが、これに限定されない。
例えば、2極着磁を4極着磁、さらには、6極着磁としてもよい。
すなわち、ロータ磁石50の着磁極数が偶数(M)となっていればよい。
ロータ5は、後述するステータ本体10のロータ受容部14に受容され、回転支軸51を回転中心として回転可能に配置されている。なお、本実施形態において、ロータ5は、後述する2つのコイル(第1コイル22a,第2コイル22b)に同時又は順次に駆動パルスが印加されることによって、ロータ受容部14内で正転方向(すなわち時計回りの方向)及び逆転方向(すなわち反時計回りの方向)いずれの方向にも所定のステップ角で回転可能となっている。
回転支軸51には例えば時計の指針を運針させるための輪列機構を構成する歯車等(図示せず)が連結されており、ロータ5が回転することにより、この歯車等を回転させるようになっている。
ロータ側凹部52は、ロータ5の静止状態を維持させるロータ側静止部である。
ステータ本体10は、直状部11aとこの直状部11aの一端側にほぼ左右対称に張り出した張出部11bを備えほぼT字型に形成されたセンターヨーク11と、このセンターヨーク11の直状部11aの他端側にほぼ左右対称に設けられた一対のサイドヨーク12(12a,12b)とからなり、外形がほぼ錨形状となっている。
ステータ本体10は、例えばパーマロイ等の高透磁率材料によって形成されている。
また、本実施形態では、3つの磁極15が120度毎に現れるようになっているが、これに限定されない。
例えば、5つの磁極が72度毎に現れるようになっていてもよい。
すなわち、ステータ本体は、励磁状態において、ロータの外周に沿って配置された奇数のN数磁極が現れるようになっていればよい。
本実施形態では、ロータ受容部14の周囲であってセンターヨーク11側に現れる磁極15を第1磁極15a、ロータ受容部14の周囲であってサイドヨーク12a側に現れる磁極15を第2磁極15b、ロータ受容部14の周囲であってサイドヨーク12b側に現れる磁極15を第3磁極15cとする。
すなわち、後述する第1コイルブロック20aは、その一端側がステータ本体10のセンターヨーク11の張出部11bと磁気的に連結され、第1コイルブロック20aの他端側はステータ本体10のサイドヨーク12aの自由端と磁気的に連結されている。また、第2コイルブロック20bは、その一端側がステータ本体10のセンターヨーク11の張出部11bと磁気的に連結され、第2コイルブロック20bの他端側はステータ本体10のサイドヨーク12bの自由端と磁気的に連結されている。
これにより、本実施形態では、これら2つのコイルブロック20のコイル22(第1コイル22a、第2コイル22b)に後述する駆動パルス供給回路31から駆動パルスが印加され、これによりコイル22から磁束が生ずると、磁束はコイルブロック20の磁心21及びこれと磁気的に連結されているステータ本体10に沿って流れ、3つの磁極15(第1磁極15a、第2磁極15b、第3磁極15c)の極性(S極・N極)が適宜切り替えられる。
各ステータ側凹部16は、ロータ側凹部52の幅とほぼ一致する幅に形成されている。
ロータ5はロータ磁石50に設けられたロータ側凹部52の数とステータ1に設けられたステータ側凹部16の数の最小公倍数と同じだけの静止安定位置(すなわち、ロータ5が磁気的に安定して静止する位置、インデックストルク(保持トルク)がピークとなる位置)を得ることができる。
例えば、図2(a)に示すように、ロータ磁石50にロータ側凹部52が2つ設けられ、ステータ1にステータ側凹部19が3つ設けられている場合には、インデックストルク(保持トルク)は、いずれかのロータ側凹部52がいずれかのステータ側凹部19と対向する位置でピークとなり、図2(b)に示すように、ロータ5の静止安定位置は6箇所となる。
これに対して、本実施形態では、図3(a)に示すように、ロータ磁石50にロータ側凹部52が2つ設けられ、ステータ1にステータ側凹部19が12つ設けられている。この場合には、図3(b)に示すように、インデックストルク(保持トルク)がピークとなるロータ5の静止安定位置は12箇所となる。
ローターの微細な回転角度を実現するためには、360度を、実現したい回転角度で割った数だけ、インデックストルク(保持トルク)のピークの数が必要となる。
このため、図2(a)及び図2(b)に示す例では、ロータ5を60度ずつの回転角度で回転させることができるが、これよりも細かいマイクロステップで回転させることはできない。この点、本実施形態のように、インデックストルク(保持トルク)のピークの数が12箇所現れる場合には、30度の微細な回転角度でロータ5を回転させることが可能となる。
これに対して、図3(a)及び図3(b)に示すように、ステータ側凹部16を12個設けて、インデックストルク(保持トルク)のピークの数が12箇所現れるようにした場合に、ロータ5の回転トルクを0.20μNmとし、十分なインデックストルクのピークを得られるようにするために必要な駆動パルスのパルス幅(駆動パルスの長さ)は、1.0msecであり、パルス速度は、最大で1000ppsであった。また、このような回転トルクを得るために必要な消費電流は、1.00μAであった。
当該シミュレーションにより、ステータ側凹部16を12個設けた場合の方が、ステータ側凹部19を3個設けた場合よりも、十分なインデックストルクのピークを得るためにコイル22にかける駆動パルスの長さが短くてよく、必要な消費電流も低くて済むことが分かった。
なお、ステータ側凹部16を多くしてロータ5のステップ角度を小さくした方がコイル22にかける駆動パルスの長さが短くてよく、必要な消費電流も低くて済むが、ステータ側凹部16をさらに多く細かくしていくと、インデックストルクの波形が著しく不安定になり、ロータ5の位置を十分に維持できないおそれが生じる。このため、小型のロータ5を備えるステッピングモータにおいては、ステータ側凹部16を12個設ける本実施形態の構成が、モータの安定的な駆動の観点等から好ましい。
なお、ステータ本体10、第1コイルブロック20a、第2コイルブロック20bの連結手法は、ステータ本体10、第1コイルブロック20a、第2コイルブロック20bを磁気的に連結可能なものであればよく、ビス止めに限定されない。例えば、ステータ本体10と、第1コイルブロック20a及び第2コイルブロック20bとを溶接固定する手法等であってもよい。
なお、ステッピングモータ100は、ステータ本体10と2つのコイルブロック20とを固定するビスによって、図示しない装置内や基板上等に固定されてもよい。
基板17上には、第1コイルブロック20aの第1のコイル端子171及び第2のコイル端子172が実装されている。第1コイル22aの導線端部24,24は、それぞれ基板17上の第1のコイル端子171、第2のコイル端子172に接続されており、第1コイル22aは、この第1のコイル端子171及び第2のコイル端子172を介して、図2等に示すように、後述する駆動パルス供給回路31に接続されている。
同様に、基板18上には、第2コイルブロック20bの第1のコイル端子181及び第2のコイル端子182が実装されている。第1コイル22bの導線端部24,24は、それぞれ基板18上の第1のコイル端子181、第2のコイル端子182に接続されており、第2コイル22bは、この第1のコイル端子181及び第2のコイル端子182を介して、図2等に示すように、駆動パルス供給回路31に接続されている。
本実施形態では、駆動パルス供給回路31は、第1コイル22aと第2コイル22bとにそれぞれ個別に駆動パルスを印加して、ロータ5を、30度ずつ回転させるようになっている。
本実施形態において、ステータ1のロータ受容部14の内周面には、ほぼ均等間隔で12個のステータ側凹部16(ステータ側静止部)が設けられ、ロータ5が、ロータ磁石50の外周面に設けられた2つのロータ側凹部52(52a,52b;ロータ側静止部)のうちのどちらかがいずれかのステータ側凹部16と対向する位置で停止することで、ロータ5が30度ずつのステップを刻むことができるようになっている。
すなわち、ステータ1のロータ受容部14の内周面に設けられたステータ側凹部16(ステータ側静止部)とロータ磁石50の外周面に設けられたロータ側凹部52(52a,52b;ロータ側静止部)とから、30度ずつのロータ停止手段が形成されている。
具体的には、駆動パルス供給回路31は、いずれかのロータ側凹部52(52a,52b)がいずれかのステータ側凹部16と対向する位置でロータ5が静止するように駆動パルスを適宜コイル22(第1コイル22a及び第2コイル22b)に印加する。
なお、ロータ5は、30度ずつ回転するが、駆動パルスを連続的に印加することよって、60度、120度、180度、240度、300度、360度ずつ回転しているかのようにすることも可能である。
図5において、第1の印加パターン(これを「mode1」という)は、第1コイル22a及び第2コイル22bともに1.0mAの駆動パルスを印加するパターンであり、第2の印加パターン(これを「mode2」という)は、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスを印加し第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスを印加するパターンであり、第3の印加パターン(これを「mode3」という)は、第1コイル22aのみに1.0mAの駆動パルスを印加するパターンであり、第4の印加パターン(これを「mode4」という)は、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスを印加し第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスを印加であり、第5の印加パターン(これを「mode5」という)は、第1コイル22a及び第2コイル22bともに−1.0mAの駆動パルスを印加するパターンであり、第6の印加パターン(これを「mode6」という)は、第1コイル22aのみに−1.0mAの駆動パルスを印加するパターンであり、第7の印加パターン(これを「mode7」という)は、第2コイル22bのみに1.0mAの駆動パルスを印加するパターンであり、第8の印加パターン(これを「mode8」という)は、第2コイル22bのみに−1.0mAの駆動パルスを印加するパターンである。
本実施形態では、図5に示すように、ロータ5を360度回転させるための駆動パルスの印加区間を(1)から(12)の12の「駆動パルス印加区間」に分け、駆動パルス供給回路31は、それぞれの駆動パルス印加区間における駆動パルスの印加パターン(mode)を、常に適宜切り替えることにより、ロータ5を30度ずつ微細に回転させるようになっている。
図6に示すように、駆動パルス供給回路31は、各駆動パルス印加区間において印加するパルス幅を一定に保つようにし、各駆動パルス印加区間において選択可能な駆動パルスの印加パターン(mode)が複数ある場合には、できるだけ一方のコイル22のみに駆動パルスを印加する印加パターン(mode)を選択するようになっている。
このような印加パターン(mode)の組合せを選択することにより、駆動パルス供給回路31によるパルス制御が単純となり、制御時間ロスを抑えることができるとともに、一方のコイル22のみでロータ5を回転させる区間を多くすることにより、省電力化を実現することが可能となる。
なお、一方のコイル22のみに駆動パルスを印加する印加パターン(mode)が選択された駆動パルス印加区間においては、駆動パルスが印加されない他方のコイル22をハイインピーダンス状態とすることにより、他方のコイル22からロータ5の回転を阻害するようなリアクタンスが生じるのを防止することができ、ロータ5の回転に必要な電力の浪費が抑えられ、より一層省電力化を図ることが可能となる。
本実施形態では、ロータ磁石50のロータ側凹部52aがセンターヨーク11の幅方向のほぼ中央に位置するステータ側凹部16と対向し、ロータ5の径方向において当該ステータ側凹部16と対向する位置にあるステータ側凹部16とロータ磁石50のロータ側凹部52bとが対向した位置(すなわち、図7(1)に示すように、ロータ磁石50のS極が第1磁極15aに最も近接する位置。)を「初期位置」とし、当該位置でロータ5が磁気的に安定して静止している状態を「初期状態」とする。
そして、駆動パルス印加区間(1)から駆動パルス印加区間(12)において、駆動パルス供給回路31がそれぞれ選択した印加パターン(mode)で駆動パルスをコイル22に印加し、これにより、ロータ5が上記初期位置から30度ずつ反時計回り(逆転方向)に360度回転する場合を例としている。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(2)において「mode7」を選択し、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、図7(2)において実線で示す向きの磁束が第2コイル22bに生じ、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図7(3)に示す、初期位置から60度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(3)においても「mode7」を選択し、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、図7(3)において実線で示す向きの磁束が第2コイル22bに生じ、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図7(4)に示す、初期位置から90度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(5)においても「mode4」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、図8(5)において実線で示す向きの磁束が第1コイル22a及び第2コイル22bに生じ、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図8(6)に示す、初期位置から150度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(7)においても「mode6」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、図8(7)において実線で示す向きの磁束が第1コイル22aに生じ、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図8(8)に示す、初期位置から210度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(9)においても「mode8」を選択し、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、図9(9)において実線で示す向きの磁束が第2コイル22bに生じ、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図9(10)に示す、初期位置から270度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(11)においても「mode2」を選択し、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、図9(11)において実線で示す向きの磁束が第1コイル22a及び第2コイル22bに生じ、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図9(12)に示す、初期位置から330度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
なお、ここでは、ロータ5が反時計回り(逆転方向)に回転する場合について説明したが、ロータ5を時計回り(正転方向)に回転させる場合にも、同様に駆動パルス供給回路31が各駆動パルス印加区間において適宜駆動パルスの印加パターン(mode)を選択し、当該modeでコイル22に駆動パルスを印加する。これにより、ロータ5を時計回り(正転方向)に360度回転させることができる。
ロータ5が磁気的に安定して静止するインデックストルク(保持トルク)のピークは、ロータ側凹部52の数とステータ側凹部16の数との最小公倍数だけが現れるが、本実施形態では、ロータ側凹部52を2つ設け、ステータ側凹部16を12個設けているため、インデックストルク(保持トルク)のピークを12箇所得ることができ、ロータ5を30度ずつの微細な回転角度で正確に回転させることができる。
これにより、少ない消費電流で十分な回転トルクを発生させることができ、ステッピングモータ100の省電力化を実現することができる。
また、このような微細な回転角度で回転可能なロータ5のロータ磁石50を径方向に2極着磁された円柱形状の磁石で構成しているため、ロータ磁石50を、複雑で高価な金型や着磁機を用いずに、簡易かつ安価に製造可能である。
また、本実施形態のロータ磁石50は、円柱形状の磁石に凹部を設けたものであり、形状も単純であるため、極めて小型に形成することも可能である。このため、小型の機器の動力源として用いられるステッピングモータ100に搭載することができ、モータ全体の小型化を実現することができる。
また、本実施形態では、駆動パルス供給回路31が、各駆動パルス印加区間(1)から(12)において、一定のパルス幅で駆動パルスをコイル22に印加するようになっている。このため、制御が容易であるとともに、安定した駆動を行うことができる。
次に、図10から図13(図13(9)から図13(12))を参照しつつ、本発明に係るステッピングモータの第2の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、駆動パルス供給回路31による駆動パルスの印加の仕方のみが第1の実施形態と異なるものであるため、以下においては、特に第1の実施形態と異なる点について説明する。
図10に示すように、駆動パルス供給回路31は、各駆動パルス印加区間において印加するパルス幅を適宜可変とし、すべての駆動パルス印加区間において一方のコイル22のみに駆動パルスを印加する印加パターン(mode)を選択するようになっている。
このように、一方のコイル22のみでロータ5を回転させるように印加パターン(mode)の組合せを選択することにより、一層の省電力化を実現することができる。
なお、一方のコイル22のみに駆動パルスを印加されているときに、駆動パルスが印加されない他方のコイル22をハイインピーダンス状態とすることにより、他方のコイル22からロータ5の回転を阻害するようなリアクタンスが生じるのを防止することができ、ロータ5の回転に必要な電力の浪費が抑えられ、より一層省電力化を図ることが可能となる。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、ロータ5が図11(1)に示す初期位置にある状態から30度ずつ反時計回り(逆転方向)に360度回転する場合を例としている。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(2)において「mode7」を選択し、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT0(例えば0.7msec、以下「T0」について同じ。)のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図11(3)に示す、初期位置から60度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(3)においても「mode7」を選択し、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図11(4)に示す、初期位置から90度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(4)においても、駆動パルス印加区間(2)及び(3)と比較してトルクは低いが「mode7」を選択し、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスを、T0よりも長いT1のパルス幅(例えば1.0msec、以下「T1」について同じ。)だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図12(5)に示す、初期位置から120度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(6)においても「mode6」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図12(7)に示す、初期位置から180度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(7)においても「mode6」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図12(8)に示す、初期位置から210度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(9)においても「mode8」を選択し、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図13(10)に示す、初期位置から270度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(10)においても、駆動パルス印加区間(8)及び(9)と比較してトルクは低いが「mode8」を選択し、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT1のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図13(11)に示す、初期位置から300度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(12)において「mode3」を選択し、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図11(1)に示す初期位置に戻って磁気的に安定して静止する。
なお、第1の実施形態と同様に、駆動パルス供給回路31が各駆動パルス印加区間において適宜駆動パルスの印加パターン(mode)を選択し、当該modeでコイル22に駆動パルスを印加することにより、ロータ5を時計回り(正転方向)に360度回転させることもできる。
なお、上記において示したT0及びT1の長さ(パルス幅)は一例であり、例示した長さに限定されない。但し、T0<T1とする。
さらに、第2の実施例では、駆動パルス供給回路31は、駆動パルスのパルス幅を変化させたが、駆動パルスの電流値を変化させてもよい。例えば、パルス幅がT0で駆動パルスが1.0mAの印加とパルス幅がT0で駆動パルスが1.5mAの印加とを用いてもよい。
すなわち、本実施形態では、駆動パルス供給回路31が、すべての駆動パルス印加区間(1)〜(12)において、一方のコイル22のみに駆動パルスを印加することでロータ5を回転させるようになっている。このため、より省電力での駆動を行うことができる。
次に、図14から図17(図17(9)から図17(12))を参照しつつ、本発明に係るステッピングモータの第3の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、駆動パルス供給回路31による駆動パルスの印加の仕方のみが第1の実施形態等と異なるものであるため、以下においては、特に第1の実施形態等と異なる点について説明する。
図14に示すように、駆動パルス供給回路31は、各駆動パルス印加区間において印加するパルス幅を適宜可変とし、すべての駆動パルス印加区間において両方のコイル22に駆動パルスを印加する印加パターン(mode)を選択するようになっている。
このような印加パターン(mode)の組合せを選択することにより、ロータ5の回転トルクを最大限とすることができ、ロータ5の高速駆動を実現することができる。
本実施形態においても、第1の実施形態等と同様に、ロータ5が図15(1)に示す初期位置にある状態から30度ずつ反時計回り(逆転方向)に360度回転する場合を例としている。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(2)においても「mode1」を選択し、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT3のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT3のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図15(3)に示す、初期位置から60度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(3)においても「mode1」を選択し、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT2(例えば0.5msec、以下「T2」について同じ。)のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT2のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図15(4)に示す、初期位置から90度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(5)においても「mode4」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図16(6)に示す、初期位置から150度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(7)においても「mode5」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT3のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT3のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図16(8)に示す、初期位置から210度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(8)においても「mode5」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT3のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT3のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図17(9)に示す、初期位置から240度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(9)においても「mode5」を選択し、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT2のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT2のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図17(10)に示す、初期位置から270度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
さらに、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(11)においても「mode2」を選択し、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT0のパルス幅だけ印加する。これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図17(12)に示す、初期位置から330度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
なお、第1の実施形態等と同様に、駆動パルス供給回路31が各駆動パルス印加区間において適宜駆動パルスの印加パターン(mode)を選択し、当該modeでコイル22に駆動パルスを印加することにより、ロータ5を時計回り(正転方向)に360度回転させることもできる。
なお、上記において示したT0、T2及びT3の長さ(パルス幅)は一例であり、例示した長さに限定されない。但し、T3<T2<T0とする。
さらに、第3の実施例では、駆動パルス供給回路31は、駆動パルスのパルス幅を変化させたが、駆動パルスの電流値を変化させてもよい。例えば、パルス幅がT0で駆動パルスが1.0mAの印加とパルス幅がT0で駆動パルスが0.8mAの印加とパルス幅がT0で駆動パルスが0.6mAの印加とを用いてもよい。
すなわち、本実施形態では、駆動パルス供給回路31が、すべての駆動パルス印加区間(1)〜(12)において、両方のコイル22に駆動パルスを印加し、2つのコイル22によってロータ5を回転させるようになっている。このため、最大限の回転トルクによりロータ5を高速回転させることができる。
次に、図18から図21(図21(9)から図21(12))を参照しつつ、本発明に係るステッピングモータの第4の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、駆動パルス供給回路31による駆動パルスの印加の仕方のみが第1の実施形態等と異なるものであるため、以下においては、特に第1の実施形態等と異なる点について説明する。
図18に示すように、駆動パルス供給回路31は、各駆動パルス印加区間内においてトルクを上昇させる傾向の印加パターン(mode)とトルクを下降させる傾向の印加パターン(mode)とを交互に選択して、細かくモード切り替えを行いながらコイル22に駆動パルスを印加するようになっている。
このような印加パターン(mode)の組合せを選択した場合には、ロータ5を回転させるとともに、回転にブレーキをかける駆動パルスをも組み込むことができるため、所望のステップ角度(本実施形態では30度)の位置で確実にロータ5を停止させることができ、より精密な回転制御を行うことができる。
本実施形態においても、第1の実施形態等と同様に、ロータ5が図19(1)に示す初期位置にある状態から30度ずつ反時計回り(逆転方向)に360度回転する場合を例としている。
具体的には、まず、「mode3」により、第1コイル22aのみに1.0mAの駆動パルスをT4(例えば「T4」は「T0」/4とする、以下「T4」について同じ。)のパルス幅だけ印加する。その後、「mode7」により、第2コイル22bのみに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。さらに、同様に「mode3」による駆動パルスの印加と「mode7」による駆動パルスの印加とをT4のパルス幅ずつ繰り返す。
これにより、ロータ5が反時計回りに回転を開始し、図19(2)に示す、ロータ5が初期位置から30度反時計回りに回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(2)においても「mode3」及び「mode7」を選択し、駆動パルス印加区間(1)と同様に、「mode3」及び「mode7」による駆動パルスの印加を交互に行うように細かく切り替え制御を行う。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図19(3)に示す、初期位置から60度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
具体的には、まず、「mode7」により、第2コイル22bのみに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。その後、「mode4」により、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。さらに、同様に「mode7」による駆動パルスの印加と「mode4」による駆動パルスの印加とをT4のパルス幅ずつ繰り返す。
この場合、第2コイル22bについては常に駆動パルスが印加された状態となる。すなわち、駆動パルス印加区間(3)において、第2コイル22bには、「T4」×4=「T0」(例えば0.7msec、以下「T0」について同じ。)のパルス幅だけ1.0mAの駆動パルスが印加される。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図19(4)に示す、初期位置から90度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(4)においても「mode7」及び「mode4」を選択し、駆動パルス印加区間(3)と同様に、「mode7」及び「mode4」による駆動パルスの印加を交互に行うように細かく切り替え制御を行う。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図20(5)に示す、初期位置から120度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
具体的には、まず、「mode4」により、第1コイル22aに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。その後、「mode4」により、第1コイル22aのみに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。さらに、同様に「mode4」による駆動パルスの印加と「mode6」による駆動パルスの印加とをT4のパルス幅ずつ繰り返す。
この場合、第1コイル22aについては常に駆動パルスが印加された状態となる。すなわち、駆動パルス印加区間(5)において、第1コイル22aには、「T4」×4=「T0」のパルス幅だけ1.0mAの駆動パルスが印加される。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図20(6)に示す、初期位置から150度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(6)においても「mode4」及び「mode6」を選択し、駆動パルス印加区間(3)と同様に、「mode4」及び「mode6」による駆動パルスの印加を交互に行うように細かく切り替え制御を行う。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図20(7)に示す、初期位置から180度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
具体的には、まず、「mode6」により、第1コイル22aのみに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。その後、「mode8」により、第2コイル22bのみに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。さらに、同様に「mode6」による駆動パルスの印加と「mode8」による駆動パルスの印加とをT4のパルス幅ずつ繰り返す。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図20(8)に示す、初期位置から210度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(8)においても「mode6」及び「mode8」を選択し、駆動パルス印加区間(7)と同様に、「mode6」及び「mode8」による駆動パルスの印加を交互に行うように細かく切り替え制御を行う。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図21(9)に示す、初期位置から240度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
具体的には、まず、「mode8」により、第2コイル22bのみに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。その後、「mode2」により、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。さらに、同様に「mode8」による駆動パルスの印加と「mode2」による駆動パルスの印加とをT4のパルス幅ずつ繰り返す。
この場合、第2コイル22bについては常に駆動パルスが印加された状態となる。すなわち、駆動パルス印加区間(9)において、第2コイル22bには、「T4」×4=「T0」(例えば0.7msec、以下「T0」について同じ。)のパルス幅だけ1.0mAの駆動パルスが印加される。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図21(10)に示す、初期位置から270度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(10)においても「mode8」及び「mode2」を選択し、駆動パルス印加区間(9)と同様に、「mode8」及び「mode2」による駆動パルスの印加を交互に行うように細かく切り替え制御を行う。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図21(11)に示す、初期位置から300度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
具体的には、まず、「mode2」により、第1コイル22aに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加するとともに、第2コイル22bに−1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。その後、「mode3」により、第1コイル22aのみに1.0mAの駆動パルスをT4のパルス幅だけ印加する。さらに、同様に「mode2」による駆動パルスの印加と「mode3」による駆動パルスの印加とをT4のパルス幅ずつ繰り返す。
この場合、第1コイル22aについては常に駆動パルスが印加された状態となる。すなわち、駆動パルス印加区間(5)において、第1コイル22aには、「T4」×4=「T0」のパルス幅だけ1.0mAの駆動パルスが印加される。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図21(12)に示す、初期位置から330度回転した位置でロータ側凹部52a,52bといずれかのステータ側凹部16とが対向し、ロータ5が磁気的に安定して静止する。
次に、駆動パルス供給回路31は、駆動パルス印加区間(12)においても「mode2」及び「mode3」を選択し、駆動パルス印加区間(11)と同様に、「mode2」及び「mode3」による駆動パルスの印加を交互に行うように細かく切り替え制御を行う。
これにより、ロータ5がさらに30度反時計回りに回転し、図19(1)に示す初期位置に戻って磁気的に安定して静止する。
なお、第1の実施形態等と同様に、駆動パルス供給回路31が各駆動パルス印加区間において適宜駆動パルスの印加パターン(mode)を選択し、当該modeでコイル22に駆動パルスを印加することにより、ロータ5を時計回り(正転方向)に360度回転させることもできる。
すなわち、本実施形態では、駆動パルス供給回路31が、各駆動パルス印加区間内においてトルクを上昇させる傾向の印加パターン(mode)とトルクを下降させる傾向の印加パターン(mode)とを交互に選択して、細かくモード切り替えを行いながらコイル22に駆動パルスを印加するようになっている。
このような印加パターン(mode)の組合せを選択することにより、ロータ5を回転させるとともに、回転にブレーキをかける駆動パルスをも組み込むことができるため、所望のステップ角度(本実施形態では30度)の位置で確実にロータ5を停止させることができ、より精密な回転制御を行うことが可能となる。
なお、複数のコイルブロックを備える方が、より大きな回転トルクを得ることができるとともに、駆動パルスを印加する印加パターンが多くなるため、用途に応じた多様なモード選択が可能となり、好ましい。
また、ロータ側凹部52は、着磁したときにロータ磁石50の磁極の頂点にあることが望ましいが、これに限定されない。ロータ側凹部52は、ロータ磁石50の磁極の頂点又はその近傍に設けられていればよく、頂点からある程度ずれた位置に形成されていてもよい。
例えば、ロータ側静止部は、ロータ磁石50の外周面からロータ受容部14の内周面に向かって突出する凸部であってもよく、この場合には、ステータ側静止部もロータ磁石50に向かって突出する凸部とする。
例えば、各実施形態で例示した手法を2つ以上、用途に応じて切り替えて適宜適用できるようにしてもいい。
例えば、ステータは、ステータ本体と、一つながりの長尺な磁心を備える1つのコイルブロックとで構成されていてもよい。
この場合、ステータ本体が本実施形態と同様にセンターヨークと一対のサイドヨークとを備える場合には、例えば、コイルブロックの磁心のほぼ中央部をステータ本体のセンターヨークと磁気的に連結し、この結合部分の両側に第1コイル及び第2コイルを設け、磁心の一端側を一方のサイドヨークの一端と磁気的に連結し、磁心の他端側を他方のサイドヨークの一端と磁気的に連結する。
ステータをこのような構成とした場合には、コイルブロックを一対で構成する場合と比較して部品点数を少なくすることができる。
すなわち、本実施形態のステッピングモータ200は、例えば、図22に示すように、アナログ表示部501を備える時計500において、指針502(図22では、時針と分針のみを示している。なお、指針は図示例に限定されない。)を運針させるための運針機構(輪列機構)503を構成する歯車にロータ5の回転支軸51が連結される。これにより、ステッピングモータ200のロータ5が回転すると、運針機構503を介して指針502が指針軸504を中心にアナログ表示部501において回転する。
このように、本実施形態のステッピングモータ200を時計の運針機構を駆動させるモータとして適用した場合には、2つのコイル22を備える場合でも、ロータ5の回転検出を、簡易かつ正確に行うことができ、ステッピングモータ200の高精度の回転制御を行うことができるため、高精度での運針を実現することができる。
なお、ステッピングモータ200は、時計の運針機構を駆動させるものに限定されず、各種機器の駆動源として適用することが可能である。
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
<請求項1>
径方向に偶数のM極着磁された円柱形状のロータ磁石を備えるロータと、
前記ロータを受容するロータ受容部が形成され、前記ロータの外周に沿って配置された奇数のN数磁極を有するステータ本体と、このステータ本体と磁気的に結合して設けられたコイルと、を備えるステータと、
前記ロータの偶数の着磁極数のMと前記ステータの磁極数のNとの積で1周を分割した角度より小さい所定の回転角度毎に設けられたロータ停止手段と、
前記ロータを前記所定の回転角度で回転させる駆動パルスを前記コイルに印加する駆動パルス供給回路と、
を備えることを特徴とするステッピングモータ。
<請求項2>
前記ロータ停止手段は、
前記ロータ磁石の外周面であって磁極の頂点又はその近傍に形成されたロータ側凹部と、
前記ステータの前記ロータ受容部の内周面に均等間隔で形成され、前記ロータ側凹部の幅とほぼ一致する幅のステータ側凹部と、
を有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。
<請求項3>
前記ステータは、前記コイルを2つ備え、
前記駆動パルス供給回路は、前記コイルに前記駆動パルスを印加するか否か及び前記駆動パルスを印加する場合には当該駆動パルスの方向を切り替えることにより、複数の印加パターンのうちから適宜選択された印加パターンで前記コイルに駆動パルスを印加することを特徴とする請求項1又は2に記載のステッピングモータ。
<請求項4>
前記駆動パルス供給回路は、前記ロータ停止手段による前記ステータに対する前記ロータの停止角度位置に基づいて、印加パターンを選択することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載のステッピングモータ。
<請求項5>
前記駆動パルス供給回路は、前記ロータ停止手段による前記ステータに対する前記ロータの停止角度位置に基づいて、パルス幅の異なる印加パターンを選択することを特徴とする請求項4に記載のステッピングモータ。
<請求項6>
前記駆動パルス供給回路は、前記ロータ停止手段による前記ステータに対する前記ロータの停止角度位置に基づいて、複数の印加パターンを交互に行う印加パターンを選択することを特徴とする請求項4又は5に記載のステッピングモータ。
<請求項7>
請求項1から請求項6の何れか一項に記載のステッピングモータを備えた時計。
5 ロータ
10 ステータ本体
11 センターヨーク
12a サイドヨーク
12b サイドヨーク
14 ロータ受容部
15a 第1磁極
15b 第2磁極
15c 第3磁極
16 第1の凹部
20a 第1コイルブロック
20b 第2コイルブロック
21 磁心
22a 第1コイル
22b 第2コイル
24 導線端部
31 駆動パルス供給回路
50 ロータ磁石
52 第2の凹部
100 ステッピングモータ
Claims (5)
- 径方向に偶数のM極着磁された円柱形状のロータ磁石を備えるロータと、
前記ロータを受容するロータ受容部が形成され、前記ロータの外周に沿って配置された奇数のN数磁極を有するステータ本体と、このステータ本体と磁気的に結合して設けられたコイルと、を備えるステータと、
前記ロータの偶数の着磁極数のMと前記ステータの磁極数のNとの積で1周を分割した角度より小さい所定の回転角度毎に設けられたロータ停止手段と、
前記ロータを前記所定の回転角度で回転させる駆動パルスを前記コイルに印加する駆動パルス供給回路と、
を備え、
前記駆動パルス供給回路は、前記ロータ停止手段による前記ステータに対する前記ロータの停止角度位置に基づいて、複数の印加パターンを交互に行う印加パターンを選択することを特徴とするステッピングモータ。 - 前記ロータ停止手段は、
前記ロータ磁石の外周面であって磁極の頂点又はその近傍に形成されたロータ側凹部と、
前記ステータの前記ロータ受容部の内周面に均等間隔で形成され、前記ロータ側凹部の幅とほぼ一致する幅のステータ側凹部と、
を有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。 - 前記ステータは、前記コイルを2つ備え、
前記駆動パルス供給回路は、前記コイルに前記駆動パルスを印加するか否か及び前記駆動パルスを印加する場合には当該駆動パルスの方向を切り替えることにより、複数の印加パターンのうちから適宜選択された印加パターンで前記コイルに駆動パルスを印加することを特徴とする請求項1又は2に記載のステッピングモータ。 - 前記駆動パルス供給回路は、前記ロータ停止手段による前記ステータに対する前記ロータの停止角度位置に基づいて、パルス幅の異なる印加パターンを選択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。
- 請求項1から請求項4の何れか一項に記載のステッピングモータを備えた時計。
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