JPH01274658A - 電子時計用変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子時計用変換器に関し、特に水晶時計用と
して多く使用されているステップモータに関するもので
ある。

本発明の目的は、かかる変換器の低消費電力化を図るこ
とにある。

水晶振動子を時間標準とし、秒、分、時等を機械的に針
等で表示するいわゆる水晶式アナログ時計、特に腕時計
にあっては、時間標準が極めて正確であり、表示時間の
信顧性に対して時間標準である水晶振動子の精度と共に
電源電池の寿命が大きな要因となっている。電気機械変
換機構を有する水晶時計であっては、発振回路を含む電
子回路部の消費電力に比較して電気機械変換機構での消
費電力が大きく変換器の高効率化、低消費電力化が電源
電池寿命の増大の上で期待されている。これまでにも変
換器の低消費電力化を図るための方法が種々提案されて
いるが、まだ低消費電力化への要請は非常に大きい。

本発明は、従来のステップモータの中でも最も高効率の
モータを改良することによって、さらに高い効率をもち
、低消費電力のモータを実現した。

以下、実施例について詳細に説明する。

第１図、第２図は、本発明に係るモータであり、１は２
極に着磁されたロータで、このロータ１を囲むようにし
てステータ２．３が配置されている。

ステータ２．３は一体となっていて幅が非常に狭くなっ
たステータ最細部ｇＩｓｇ２によってつながっている。

このステータ２．３はコイル４を巻いた継鉄５にネジ６
．６１で固定され、１組のステータを構成している。ス
テータ２．３にはロータ１が一定方向に回転できるよう
にノツチ２ａ、３ａを設けて、ロータ１の静止時の磁極
（ＮおよびＳ）位置をステータ２．３の一方にずらして
いる。破線はロータ磁極の静止位置を示す。第３図はコ
イル４に印加する駆動電圧波形で、例えば１秒毎に正パ
ルス、負パルスを交互に印加するようにしたいわゆる反
転パルスを形成しており、ロータ１の磁極Ｎ極、Ｓ極は
前記印加電圧によりステータ２．３に生ずるＮ極、Ｓ極
の磁気的反発力、吸引力によりロータｌを１８０’回転
し、更に次のパルスでは、ステータ２．３に生ずるＮ極
、Ｓ極も逆転するので更にロータ１はｉｓｏ”回転し、
これを順次繰り返すことによりロータ１の回転を一方向
で続けて行なうことが可能でる。この種のステップモー
タは従来から使用されているものであり、その中では高
効率の得られるモータであった。従来、この種のモータ
を使用する時には、ロータ半径Ｒｒとステータのロータ
対向面半径Ｓｒとの比は０．６≦Ｒｒ　／　Ｓ　ｒ≦０
．９が低電力化などの点から最適であるとされ、実施、
最近のこの種のステップモータにおいてはＲｒ／Ｓｒは
０゜６５〜０．７となっている。

この理由は、背景に従来のステップモータ用のロータ磁
石の性能が最大エネルギー積で１０〜１５Ｍ−Ｇ・Ｏｅ
程度のものを用いるということにあった。実際に従来は
実用化し得る磁石材料として希土類コバル）！石で上に
述べたような１０〜１５Ｍ−Ｇ・Ｏｅ程度のものに限ら
れていたからである。しかし最近このような磁石にも種
々改良がなされてきて、例えばＳｍ＝　　（Ｃｏ−Ｆｅ
−Ｃｕ−Ｚｒ）＋＋という新組酸及びこれの最適時効処
理法の開発によって３０Ｍ−Ｇ−Ｏｅという超高性能な
時効硬化型５元系磁石が実用化されてきている。この磁
石は、性能が飛躍的にアップしながら他の条件、例えば
コスト、加工条件などに制約されずむしろ従来のＳｍＣ
Ｏ５系磁石より優れている点で実用化し易い磁石である
。

本発明はこのような超高性能な磁石を電子腕時計用ステ
ップモータに適用し、これの最適化、およびステップモ
ータの飛躍的な効率アップをはかるものである。

本発明は、上述の如く、強力な磁石を使用すること、ま
たロータの厚さを増すことにより、Ｒｒ／Ｓｒ＜０．６
として、上記の従来のステップモータに比べ大幅な効率
向上と消費電力の低減を達成している。従来Ｒｒ　／　
Ｓ　ｒが０．６以上でなければならなかったのは第４図
Ｂの従来例に示すように必要な出力トルク（分針におい
て３．５ｇ・Ｃｌ１ｌ〜４ｇ−ｃｍ）が得られないとい
う理由からであった。しかし強力な磁石（例えばＢＨｍ
ａ　ｘ＝２０〜３０Ｍ−Ｃ；・Ｏｅ）を使用し、厚めの
ロータを使用すれば、第４図Ａのような関係が得られ、
Ｒｒ／Ｓｒ＜０．６で必要十分な出力トルクが得られる
ようになった。Ｒｅ　／　Ｓ　ｒ≧０．６以上では当然
ながらもっと大きな出力トルクは得られるが、消費電流
が大きくなるため、低消費電力という目的に合わない。

Ｒｒ　／　Ｓ　ｒを変えた時の消費電流の測定例を第５
図に示す。この時の使用磁石はＢＨｍａ　ｘ＝３０のも
ので、Ｒｔ／５ｔ＝１゜０で一定である。ステータのノ
ツチの大きさ（面積）はそれぞれのロータに最適な大き
さとする。

第５図Ｃは、出力トルクが３．５ｇ−ｃｍの時の消費電
流である。このようにＲｒ　／　Ｓ　ｒが０．６以下の
方が消費電流が小さくなり、Ｒｒ　／　Ｓ　ｒが０゜４
５〜０．６のときに最も小さくなる。Ｒｒ　／　Ｓｒを
大きくするとステータのノツチ面積は小さくしなければ
ならないため、この辺のステータの微妙な差がモータ性
能に大きな影響を与える。これはノツチの面積は半径Ｓ
ｒのステータ内内部面積の０．５％程度でしかないため
、わずかの形状の違いでも大きな比率の面積変化となる
からである。

このＣの曲線はＲｒ　／　Ｓ　ｒが小さくなりすぎると
消費電流が増加することを示している。起動電流りが少
なくなることがらＲｒ　／　Ｓ　ｒの値は０．　３位ま
で効果があるがそれ以下にすることは逆に消費電流の増
加につながる。

また第５図りは出力トルクがほぼ０の時の消費電流、す
なわちモータが起動するのに必要な最低電流である。こ
の電流値はＲｒ／Ｓｒが大きくなるに従って増加し、特
に０．６〜０．７より大きくなると急に増加する。これ
はロータの慣性（慣性は半径に４乗に比例する）が増加
することが主な原因である。この起動電流値が大きいこ
とは信頬性の点から見て好ましいことではない。すなわ
ち起動電流３．５ｇ−ｃｍの出力トルクが得られる電流
との差が小さいということになるので、入力エネルギー
のわずかの違いが出力トルクの大きな変動となって現れ
ることになる。例えば電池電圧が少し下がっただけで出
力トルクがダウンして、止まりなどが発生する。さらに
、これはパルス幅制御方式モータなど負荷に応じて出力
エネルギーを変える方式のモータとしての使用にも適し
ていない。

ここでロータの厚さＲｔとステータの厚さＳｔについて
説明する。第６図は、Ｒｒ、Ｓｒなど他の条件は変えず
にロータの厚さのみを変えて（すなわちＲｔ／ｓＬを変
えて）、消費電流を測定したものである。第６図Ｆは出
力トルク３．５ｇ・ｃｍ時の消費電流であり、第６図Ｇ
は、起動に必要な最低電流である。出力トルク３．５ｇ
−ｃｍ時の消費電流ＦはＲｔ／Ｓｔが小さくなるほど増
加し、特にＲＥ／Ｓｔが０．８より小さくなると急激な
増加を示す。一方、起動電流Ｇの方はＲｔ／Ｓｔが大き
くなるに従って増加はするが、勾配はゆるやかである。

従ってこの結果から判断して、Ｒｔ／Ｓｔは０．８以上
の方がモータの低電力化にとって有利であると言える。

又このＲｔ／Ｓｔの比の上限については、ここでは１．
２迄のデータが得られているが、さらに大きくできる可
能性がある。しかし常識的に考えて、この値を１．５以
上にすることは無意味であろう。そして時計の薄型化と
いう実装上の問題なども考慮に入れれば、上限はほぼ１
．２〜１．２５程度が適当だろう。

このようにして得られた本発明のモータと従来のモータ
（Ｒｒ／Ｓｒ≧０．６．Ｒｔ／５ｔ＝０゜７〜０．８、
磁石のＢＨｍａ　ｘ＝１０〜１５）のそれぞれ良いもの
を比較すると１５〜２０％もの消費電力の低減が可能と
なっている。従来のモータの一例の消費電流（出力トル
ク３．５ｇ−０時）は第５図Ｅに示すようなものである
。従来の方式ではステップモータの消費電流は１μＡ程
度にするのがほとんど限界であったが、本発明によれば
０．８μＡ、あるいはもっと小さ（なる可能性もある。

以上述べたように本発明は超高性能な磁石を電子腕時計
用ステップモータのロータに適用することにより大幅な
効率アップとモータの構造の最適化をはかったものであ
るが、従来のモータの構成と本発明のモータの構成の大
きな違いは第７図に示す如きである。即ち第７図（ａ）
は従来のモータの構成でありステータの内径１１に対し
ロータ１２の外径が比較的近い値になっているためロー
タ１２とステータ１１とのギャップｌＯが小さいのに対
し、本発明の第７図（ロ）の構成はステータの内径１４
とロータ１５の外径の差が大きく、それらのギャップ１
６が従来のものに比し非常に大きいことである。

常識適に考えるとロータとステータとのギャップが大き
くなることが、モータの変換効率の向上には結びつき難
いと考えられる。そこで、本発明の構成が効率アップを
もたらす理由について若干ふれておく。

理由の一つは、ステータの内径を同じとしたときロータ
の径は本発明の構成にもとづく方が小さくできる。即ち
ロータのイナーシャを軽減できるためである。イナーシ
ャが小さくなれば、回転中のイナーシャ損失が少なくな
り効率が向上する。

第２の理由は、ロータステータ間の磁束分布による。当
然のことなからモータの出力は、ロータの総磁束が多い
程大きくなる。しかし、総磁束が多くなればなる程、ロ
ータとステータ間の磁気吸引力が大きくなり駆動のとき
この吸引に打ち勝って駆動する必要がありそれだけ消費
電流が増大する。又、この磁気吸引力はモータの静止時
の安定性にも影響を及ぼすため、小さくすることもでき
ないのでステップモータはこの磁気的吸引力が一定にな
るように設計される。

ところで従来のステップモータの構成（第７図（ａ））
では、ロータとステータ１１間のギャップ１０が小さい
ためロータの磁束１３は殆ど全てステータ１１との磁気
的吸引力に作用する。これに対し、本発明の構成（第７
図（ｂ））では、ギャップ１６が大きいため磁気的吸引
力に作用する磁束１７とロータ自身で閉じる磁束１８に
分かれ、この磁束１８が比較的多いのが特徴である。従
って第７図（ａ）と（ｂ）が磁気的吸引力が同じである
とすると、ロータの総磁束は図面（ｂ）の方が多くなる
（それ自身で閉じる磁束１８が多いため）。従って同じ
駆動力を与えれば総磁束の多い同図面（ｂ）即ち本発明
の構成のステップモータの方がより大きい出力を得るこ
とができる。又、出力が同じ程度とすればより小さい駆
動力、即ち低消費型費電力で駆動でき効率アップがはか
れるのである。

以上の如く本発明は、ロータ半径Ｒｒとステータ内周部
半径Ｓ「との間に ０．３＜Ｒｒ／Ｓｒ＜０．６ なる値をとることによって、ロータ自身で磁束を閉じさ
せ、それによってロータとステータの間の磁束密度を増
加させるという全く新たな構成によって、少ない消費電
力で大きな出力を得られたものであり、過去に本発明の
対象とするステップモータに存在していた両立しない条
件、即ち低消費電流と高出力トルクを十分満足させたも
のである。

特に本発明はステータとして細くくびれた最細部を残し
て円孔が形成されるとともに、円孔内周にロータの位置
決めをなすノツチを形成したものを用い、その円孔とロ
ータを同心に配置したのでロータから出る磁束がロータ
とステータの間のギャップの中で閉じ易い構成となり、
その結果上述の如く消費エネルギーを減じている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による水晶時計用２極ステツプモータ
の構造を示す図である。 第２図は、第１図中のロータ部分の断面図である。 第３図は、コイルに印加するパルス波形である。 第４図は、分針での出力トルクとＲｒ　／　Ｓ　ｒとの
関係を示した図である。 第５図は、モータの消費電流とＲｒ　／　Ｓ　ｒとの関
係を示した図である。 第６図は、モータの消費電流とＲｒ　／　Ｓ　ｒとの示
す図である。 第８図は、ロータ形状の他の１例である。 １・・・ロータ ２．３・・・ステータ ２ａ、３ａ・・・ノツチ Ｒｒ・・・円筒型ロータ磁石の半径 Ｒｔ・・・円筒型ロータ磁石の厚さ Ｓｒ・・・ステータの円筒型ロータ磁石との対向面の半
径 Ｓｔ・・・ステータの厚さ 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士　鈴木喜三部　他１名 第１図 第２図 第３図 第４図 Ｒｈ。 第６図 （α）Ｃ＆） 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２極に着磁された永久磁石材より成るロータと、前記ロ
   ータを同心状に包囲する円孔を有し該ロータと磁気的に
   係合する板状の高透磁率材より成る一体ステータと、前
   記ステータと磁気的に結合するコイルによって構成され
   、前記ロータの半径Ｒ＿ｒと前記ステータの前記円孔の
   半径Ｓ＿ｒとの間に０．６＞Ｒ＿ｒ／Ｓ＿ｒ＞０．３ なる関係を有し、且つ前記ステータは細くくびれた最細
   部を残して前記円孔が形成されるとともに、該円孔の内
   周に前記ロータの位置決めをなすノッチが形成されてお
   り、前記ロータは前記ロータと前記ステータ円孔の間の
   ギャップ内で閉じる磁束を有するとともに、前記ロータ
   を構成する永久磁石材の最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ
   ）は２０Ｍ・Ｇ・Ｏｅ以上であることを特徴とする電子
   時計用変換器。