JP6772500B2 - 回転検出装置および電子時計 - Google Patents
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Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を抑制しつつ、回転子の正確な回転検出を実現できる回転検出装置および電子時計を提供することを目的とする。
磁石を有する回転子と、前記回転子を回転させるためのコイルを備える固定子と、を備えるモータの、前記回転子の回転検出を行う回転検出装置であって、
前記コイルに流れる電流値と閾値との差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定するモータ制御部を備え、
前記回転子は、一周の回転範囲の中で磁気的に安定して停止する複数の停止角度があり、
前記モータの前記コイルとして、第1のコイルと、第2のコイルとがあり、
前記モータ制御部は、
前記回転子が回転した場合とそうでない場合との前記磁石の停止角度によって生じる磁束密度差を前記コイルに流れる電流値と閾値との差によって検出するための電流差検出パルスを出力し、
前記回転子が回転し、前記停止角度で停止するか否かを判定し、
前記第1のコイルの磁束密度は、複数の前記停止角度の何れにおいても、前記第2のコイルの磁束密度よりも大きく、
前記第1のコイルに流れる電流値と閾値との差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定する
ことを特徴とする回転検出装置である。
〈第1実施形態の構成〉
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態における電子時計1を示す概略の構成図である。
本実施形態のアナログ式の電子時計1は、4本の指針2a〜2d(表示部)を独立のモータで各々駆動可能なものであり、特には限られないが、例えば、腕に装着するためのバンドを備えた腕時計型の電子時計である。この電子時計1は、例えば各指針2a〜2dと、輪列機構3a〜3d(表示部)を介して各指針2a〜2dをそれぞれ回転駆動するステッピングモータ4a〜4d(モータ)を有している。さらに、電子時計1は、ステッピングモータ4a〜4dを駆動する駆動回路5と、マイクロコンピュータ6と、電源部7と、振動子8とを備えている。
また、ステッピングモータ4と、駆動回路5と、マイクロコンピュータ6(制御部)と、振動子8とを含む部分を「モータ駆動装置10」と呼ぶ。また、マイクロコンピュータ6と、駆動回路5とは、ステッピングモータ4が正常に回転したか否かを検出する機能も有するため、駆動回路5およびマイクロコンピュータ6を、「回転検出装置11」と呼ぶ。
ステッピングモータ4は、固定子47と回転子48とを有している。回転子48は円盤状に形成され周回方向に回動自在に支持されるとともに、径方向に2極着磁された磁石を有している。回転子48において、薄くハッチングを施した部分はS極48Sを構成し、濃いハッチングを施した部分はN極48Nを構成する。回転子48には、例えば希土類磁石等(例えば、サマリウムコバルト磁石等)の磁石が好適に用いられるが、これに限定されない。
駆動回路5は、駆動パルスおよび電流差検出パルスをコイルL1に印加するものであり、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)で構成されたスイッチ素子Tr1〜Tr4で構成したHブリッジ回路を有している。また、スイッチ素子Tr7,Tr8および抵抗R1は、コイルL1に蓄えられたエネルギーを放電する放電回路を構成する。コイルL1の端子電圧をコイル電圧V1と呼び、コイルL1に流れる電流をコイル電流I1と呼ぶ。
次に、図5を参照し、本実施形態の動作を説明する。なお、図5は、駆動回路5の(a)パルス駆動時、(b)電流差検出パルス供給時、(c)電流検出時、および(d)電流検出時(逆方向)の動作説明図である。ステッピングモータ4は、180度のステップ角で回転可能である。図5(a)〜(c)は、あるステップ角から次のステップ角に至るまで、回転子48が180度回転する期間内に駆動回路5に流れる電流を示している。
図7(b)において、時刻t11〜t12の期間および時刻t13〜t14の期間にコイルL1に印加されるコイル電圧V1は、それぞれ駆動パルスおよび電流差検出パルスである。また、図7(a)において、時刻t14〜t15の期間に流れるコイル電流I1は、図5(c)に示した経路A3で抵抗R1に流れる電流である。また、図7(c)において破線で示す磁界Hは、回転子48の磁石による磁界であり、一点鎖線で示す磁界Hは、磁石による磁界と、電流差検出パルスによる磁界とを加算した結果である。
以上のように、本実施形態の回転検出装置(11)は、
コイルに流れる電流差に基づいて、回転子が回転したか否かを判定するモータ制御部(69)を備え、
モータ制御部(69)は、
回転子が回転した場合とそうでない場合との磁石の停止角度によって生じる磁束密度差をコイルに流れる電流差によって検出するための電流差検出パルスを出力するものである。
ここで「電流差」とは、例えばコイル電流I1のピーク値と閾値Ithとの差である。
また、別の観点において、本実施形態の回転検出装置(11)は、
回転子(48)が正常に回転したと仮定した場合の磁石による第1の磁束密度が、回転子(48)が正常に回転しなかったと仮定した場合の磁石による第2の磁束密度以上になる一のコイルを検査対象コイルとし、第1の磁束密度を下げる方向の磁束を発生させる電流差検出パルスを検査対象コイルに供給する電流差検出パルス生成回路(693)と、
検査対象コイルに流れる電流に基づいて、回転子(48)が正常に回転したか否かを判定する検出判定回路(696)と、
を有するものである。
そして、回転が成功する頻度は、回転が不成功になる頻度よりも高く、電流差検出パルス生成回路(693)は、回転が成功した場合の第1の磁束密度を下げる方向の磁束を発生させるように、電流差検出パルスを検査対象コイル(L1)に供給するので、検査対象コイル(L1)に流れる電流が小さくなる(図6(a)の時刻t3〜t4のようになる)頻度は、電流が大きくなる(図7(a)の時刻t13〜t14のようになる)頻度よりも高くなる。
これにより、本実施形態によれば、消費電力を抑制しつつ、回転子(48)の正確な回転検出を実現できる。
検出判定回路(696)は、供給期間が終了した後に検査対象コイルに流れる電流に基づいて、回転子(48)が正常に回転したか否かを判定する。
また、回転子(48)は、一周の回転範囲の中で磁気的に安定して停止する複数の停止位置を有するものであり、
検出判定回路(696)は、回転子(48)が正常に回転した場合の停止位置に位置するか否かを判定する。
さらに、電流差検出パルスは、ハイ・レベル期間が0.01ミリ秒以上かつ1ミリ秒以下の長さの矩形波である。
ここで「ハイ・レベル期間」とは、例えば、電流差検出パルス生成回路(693)によって、絶対値が零を超える電圧が、検査対象コイルに印加される期間である。
これらの特徴により、コイル(L1)に高周波電流を供給するような公知技術と比較すると、消費電力を大幅に低減することができる。
〈第2実施形態の構成〉
次に、本発明の第2実施形態による電子時計について説明する。本実施形態の電子時計の全体構成は、第1実施形態のもの(図1参照)と同様であるが、第1実施形態におけるステッピングモータ4および駆動回路5に代えて、図8に示すステッピングモータ140および図9に示す駆動回路150が適用される点が異なる。なお、図8、図9において、図1〜図7の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
ステッピングモータ140は、固定子147と回転子48とを有している。回転子48の構成は、第1実施形態のもの(図3参照)と同様である。本実施形態において、回転子48は、後記するコイルL1,L2に駆動パルスが印加されることにより、反時計回り方向と時計回り方向のうちいずれかに、所定のステップ角で回転可能である。なお、本実施形態において、ステップ角は180度である。
本実施形態では、コイルL1,L2に、駆動パルス生成回路692(図2参照)により駆動パルスが印加される。これによりコイルL1,L2から磁束が生じると、この磁束はコイルL1の磁心およびこれと磁気的に連結されている固定子147に沿って流れ、3つの磁極が適宜切り替えられる。
駆動回路150は、駆動パルスを2つのコイルL1,L2に印加するとともに、電流差検出パルスをコイルL1に印加するものであり、MOSFETで構成されたスイッチ素子Tr1〜Tr6で構成したHブリッジ回路を有している。また、スイッチ素子Tr7〜Tr9および抵抗R1は、コイルL1,L2に蓄えられたエネルギーを放電する放電回路を構成する。
第2実施形態において、駆動パルス生成回路692(図2参照)が図9に示すスイッチ素子Tr1〜Tr6をオン/オフすることにより、コイルL1,L2に駆動パルス(図6(b),図7(b)参照)が供給され、回転子48が回転駆動される。上述したように、回転子48は、図8に示す停止位置またはこの位置から180度回転した停止位置で磁気的に安定して停止する。その際、コイルL1,L2の非通電状態においてコイルL1,L2のコアに生じる磁束密度B1,B2を図8内の破線矢印で示す。
ここで、本実施形態の効果を明らかにするため、図10を参照し、本実施形態の比較例によるステッピングモータ160の構成を説明する。
図10は、ステッピングモータ160の平面図である。ステッピングモータ160は、固定子167と回転子48とを有している。固定子167は、略矩形状のセンターヨーク165と、その下方に配置された一対のサイドヨーク164,166と、コイルL1,L2とを有している。サイドヨーク164,166は、回転子48を囲むようにほぼ左右対称に設けられている。センターヨーク165、サイドヨーク164,166は、図8に示した第2実施形態のセンターヨーク145、サイドヨーク144,146とほぼ同様の形状を有している。また、回転子48の下方に形成された凹部167aの形状も、第2実施形態における凹部147aの形状と同様である。
以上のように、本実施形態の電子時計によれば、モータ(4)は、複数のコイルとして、第1のコイル(L1)と、第2のコイル(L2)とを有するものであり、
第1のコイル(L1)の磁束密度(B1)は、複数の停止位置の何れにおいても、第2のコイル(L2)の磁束密度(B2)よりも大きく、かつ、複数の停止位置の何れにおいても、第1のコイル(L1)が検査対象コイルとして選択される。
次に、本発明の第3実施形態による電子時計について説明する。本実施形態の電子時計の全体構成は、第1実施形態のもの(図1参照)と同様であるが、第1実施形態におけるステッピングモータ4および駆動回路5に代えて、図11に示すステッピングモータ170および第2実施形態と同様の駆動回路150(図9参照)が適用される点が異なる。なお、図11において、図1〜図10の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
ステッピングモータ170は、固定子177と回転子48とを有している。回転子48の構成は、第1実施形態のもの(図3参照)と同様である。また、固定子177は、略矩形状のセンターヨーク175と、その下方に配置された一対のサイドヨーク174,176と、コイルL1,L2とを有している。サイドヨーク174,176は、回転子48を囲むようにほぼ左右対称に設けられている。センターヨーク175、サイドヨーク174,176は、第2実施形態の比較例(図10参照)におけるセンターヨーク165、サイドヨーク164,166とほぼ同様の形状を有している。また、これらの交点に形成された孔部172の形状も、図10の比較例における孔部162の形状と同様である。
〈第4実施形態の構成〉
次に、本発明の第4実施形態による電子時計について説明する。本実施形態の電子時計の全体構成は、第1実施形態のもの(図1参照)と同様であるが、第1実施形態におけるステッピングモータ4および駆動回路5に代えて、図12に示すステッピングモータ240および図13に示す駆動回路250が適用される点が異なる。なお、図12、図13において、図1〜図11の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
ステッピングモータ240は、固定子247と回転子48とを有している。回転子48の構成は、第1実施形態のもの(図3参照)と同様である。本実施形態において、回転子48は、後記するコイルL1(第1のコイル)、コイルL2(第2のコイル)、コイルL3(第3のコイル)に駆動パルスが印加されることにより、反時計回り方向と時計回り方向のうちいずれかに、所定のステップ角で回転可能である。なお、本実施形態において、ステップ角は60度である。
駆動回路250は、駆動パルスおよび電流差検出パルスを3つのコイルL1,L2,L3に印加するものであり、MOSFETで構成されたスイッチ素子Tr1〜Tr6,Tr10,Tr11で構成したHブリッジ回路を有している。また、スイッチ素子Tr7〜Tr9,Tr12および抵抗R1は、コイルL1,L2に蓄えられたエネルギーを放電する放電回路を構成する。
第4実施形態において、駆動パルス生成回路692(図2参照)が図13に示すスイッチ素子Tr1〜Tr6,Tr10,Tr11をオン/オフする。これにより、コイルL1,L2,L3に駆動パルス(図6(b),図7(b)参照)が供給され、回転子48が回転駆動される。上述したように、回転子48は、図12に示す停止位置またはこの位置から60度、120度、180度、240度、300度回転した停止位置で、磁気的に安定して停止する。
モータ(4)は、複数のコイルとして、第1のコイル(L1)と第2のコイル(L2)と第3のコイル(L3)とを有するものであり、
検出判定回路(696)は、回転子(48)が正常に回転する限り、第1のコイル(L1)と第2のコイル(L2)と第3のコイル(L3)とに対して、所定の順序で電流差検出パルスを供給することを特徴とする。
また、電流差検出パルスが供給される検査対象コイルは、回転子(48)が正常に回転したと仮定した場合の磁石による第1の磁束密度が、回転子(48)が正常に回転しなかったと仮定した場合の磁石による第2の磁束密度以上になるコイルである。
これにより、トリプルコア・タイプのステッピングモータ240においても、消費電力を抑制しつつ、回転子48の回転検出を高精度で行うことが可能になる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
すなわち、回転検出を行った後、次に駆動パルスを供給するまでの間に同様な回転検出を複数回行うと、針がずれたか否かを判定することができる。針がずれたと認識された場合は、針位置を検出して正規の位置に戻すことで針ずれを修正することが可能になる。これにより従来搭載できなかった重量・アンバランスモーメントの大きな秒針、分針、時針を搭載可能とすることができる。
[付記]
<請求項1>
磁石を有する回転子と、前記回転子を回転させるためのコイルを備える固定子と、を備えるモータの、前記回転子の回転検出を行う回転検出装置であって、
前記コイルに流れる電流差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定するモータ制御部を備え、
前記モータ制御部は、
前記回転子が回転した場合とそうでない場合との前記磁石の停止角度によって生じる磁束密度差を前記コイルに流れる電流差によって検出するための電流差検出パルスを出力する
ことを特徴とする回転検出装置。
<請求項2>
前記モータ制御部は、
所定期間、前記コイルに前記電流差検出パルスを出力し、
前記所定期間が終了した後に前記コイルに流れる電流差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の回転検出装置。
<請求項3>
前記回転子は、一周の回転範囲の中で磁気的に安定して停止する複数の停止角度があり、
前記モータ制御部は、前記回転子が回転し、前記停止角度で停止するか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の回転検出装置。
<請求項4>
前記電流差検出パルスは、ハイ・レベル期間が0.01ミリ秒以上かつ1ミリ秒以下の長さの矩形波である
ことを特徴とする請求項3に記載の回転検出装置。
<請求項5>
前記回転子の前記停止角度は、一周の回転範囲の中で2箇所あり、
前記回転子は、回転時に2箇所の前記停止角度に交互に停止し、
前記モータ制御部は、前記回転子の回転時に、前記コイルに供給する前記電流差検出パルスの極性を交互に切り替える
ことを特徴とする請求項3または4に記載の回転検出装置。
<請求項6>
前記モータの前記コイルとして、第1のコイルと、第2のコイルとがあり、
前記第1のコイルの磁束密度は、複数の前記停止角度の何れにおいても、前記第2のコイルの磁束密度よりも大きく、かつ、複数の前記停止角度の何れにおいても、前記第1のコイルに流れる電流差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定する
ことを特徴とする請求項3または4に記載の回転検出装置。
<請求項7>
前記モータの前記コイルとして、第1のコイルと第2のコイルと第3のコイルととがあり、
前記モータ制御部は、前記回転子の回転時に、前記第1のコイルと前記第2のコイルと前記第3のコイルとに対して、所定の順序で前記電流差検出パルスを供給する
ことを特徴とする請求項3または4に記載の回転検出装置。
<請求項8>
請求項1〜7のいずれか一項に記載の回転検出装置と、
表示部と、
時刻を計時する計時部と、
前記計時部が計時する前記時刻を前記表示部に表示させる制御部と、
を備えることを特徴とする電子時計。
2,2a〜2d 指針(表示部)
3,3a〜3d 輪列機構(表示部)
4,4a〜4d,140,170,240 ステッピングモータ(モータ)
5 駆動回路
6 マイクロコンピュータ(制御部)
7 電源部
8 振動子
10 モータ駆動装置
11 回転検出装置
47 固定子
48 回転子
69 モータ制御部
613 計時回路(計時部)
692 駆動パルス生成回路
693 電流差検出パルス生成回路
696 検出判定回路
L1 コイル(第1のコイル)
L2 コイル(第2のコイル)
L3 コイル(第3のコイル)
Tr1〜Tr12 スイッチ素子
Claims (7)
- 磁石を有する回転子と、前記回転子を回転させるためのコイルを備える固定子と、を備えるモータの、前記回転子の回転検出を行う回転検出装置であって、
前記コイルに流れる電流値と閾値との差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定するモータ制御部を備え、
前記回転子は、一周の回転範囲の中で磁気的に安定して停止する複数の停止角度があり、
前記モータの前記コイルとして、第1のコイルと、第2のコイルとがあり、
前記モータ制御部は、
前記回転子が回転した場合とそうでない場合との前記磁石の停止角度によって生じる磁束密度差を前記コイルに流れる電流値と閾値との差によって検出するための電流差検出パルスを出力し、
前記回転子が回転し、前記停止角度で停止するか否かを判定し、
前記第1のコイルの磁束密度は、複数の前記停止角度の何れにおいても、前記第2のコイルの磁束密度よりも大きく、
前記第1のコイルに流れる電流値と閾値との差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定する
ことを特徴とする回転検出装置。 - 前記モータ制御部は、
所定期間、前記コイルに前記電流差検出パルスを出力し、
前記所定期間が終了した後に前記コイルに流れる電流値と閾値との差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の回転検出装置。 - 前記電流差検出パルスは、ハイ・レベル期間が0.01ミリ秒以上かつ1ミリ秒以下の長さの矩形波である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の回転検出装置。 - 前記回転子の前記停止角度は、一周の回転範囲の中で2箇所あり、
前記回転子は、回転時に2箇所の前記停止角度に交互に停止し、
前記モータ制御部は、前記回転子の回転時に、前記コイルに供給する前記電流差検出パルスの極性を交互に切り替える
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転検出装置。 - 前記モータの前記コイルとして、第1のコイルと第2のコイルと第3のコイルとがあり、
前記モータ制御部は、前記回転子の回転時に、前記第1のコイルと前記第2のコイルと前記第3のコイルとに対して、所定の順序で前記電流差検出パルスを供給する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転検出装置。 - 磁石を有する回転子と、前記回転子を回転させるためのコイルを備える固定子と、を備えるモータの、前記回転子の回転検出を行う回転検出装置であって、
前記コイルに流れる電流値と閾値との差に基づいて、前記回転子が回転したか否かを判定するモータ制御部を備え、
前記モータの前記コイルとして、第1のコイルと、第2のコイルとがあり、
前記モータ制御部は、
前記回転子が回転した場合とそうでない場合との前記磁石の停止角度によって生じる磁束密度差を前記コイルに流れる電流値と閾値との差によって検出するための電流差検出パルスを出力し、
前記第1のコイルの磁束密度は、前記第2のコイルの磁束密度よりも大きい
ことを特徴とする回転検出装置。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の回転検出装置と、
表示部と、
時刻を計時する計時部と、
前記計時部が計時する前記時刻を前記表示部に表示させる制御部と、
を備えることを特徴とする電子時計。
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