JPH0326355B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

１ ロータ、ステータ、コイルより成るステツプ
モータ、発振回路、分周回路、前記ステツプモー
タを駆動する駆動回路、前記テツプモータの回転
を検出回路、前記検出回路の出力信号によつて駆
動パルスの幅を制御する制御回路とを少なくとも
有し、前記回転検出は検出パルスを印加すること
によつて回転・非回転を判定するアナログ電子時
計に於いて、前記検出パルスは前記回転駆動パル
スと同一方向で、かつ複数個用意され、第１の検
出パルスによつて回転と判定された場合逆方向の
安定化パルスを印加し、さらに第２検出パルスを
印加する手段を備え、かつ前記第１と第２の検出
パルスと前記安定化パルスの各々は前記ロータを
通常駆動できないパルス幅に設定してなることを
特徴とするアナログ電子時計。

【発明の詳細な説明】

本発明はアナログ電子時計に関し、特にその電
気機械変換機構であるステツプモータのロータの
位置を判定する方式に関する。 さらに詳述すればロータの位置判定の信頼性を
高め運針の絶対的な信頼性を確保しながらステツ
プモータを最適なパルス幅で駆動し、アナログ電
子時計の低消費電力化を実現しようとするもので
ある。 第１図は、従来一般に使用され本発明にも使用
されているアナログ電子時計のステツプモータを
示す。第１図に示す如くステツプモータはコイル
１，２極に着磁されたロータ２、ステータ３で構
成され、ステータ３は内ノツチ５−ａ，５−ｂ，
外ノツチ４−ａ，４−ｂを持つている。コイルが
励磁されない時は２つの内ノツチと結ぶ方向とほ
ぼ90゜をなす方向でロータ２が停止している。コ
イル１には第２図の如く、極性の異なるパルスが
通常1sec毎に交互に出され、ロータ２が180゜ずつ
回転し輪列を駆動してゆく。従来この駆動パルス
は第２図に示した如く、負荷状態、モータの出力
トルク状態とは無関係に常に一定幅のパルスが加
えられている。（第２図においては6.8ｍsec）こ
の駆動パルス幅は、例えばカレンダー機構を駆動
する場合の如く大きな負荷が加わる場合でも、ス
テツプモータが正常な回転駆動を行なえるように
十分なる安全率をもつて設定されている。そのた
め特に通常の低負荷にあつては、相当無駄な電流
が消費されている。また低温下にあつては電池内
部抵抗の増加により電源電圧がダウンするため、
これによるモータ出力トルクの減少を考慮してあ
らかじめ十分余裕のある出力トルクが出されるよ
うモータの駆動パルス幅が設定されている。これ
も通常温度下にあつては無駄な消費電流となつて
いる。 さらに経年変化による摩擦負荷の増大も、同様
にあらかじめ考慮しておく必要がある。いずれに
しても、モータの正常回転駆動の安全性を高度に
維持するために必要以上の電流消費があり、これ
がアナログ電子時計の低消費電力化の大きな妨げ
となつていた。これを解決する手段として、通常
は従来より短いパルス幅で駆動し、回転した場合
次の駆動パルスは前と同じパルスかあるいはさら
に幅の狭いパルスを供給し、常に負荷状態とモー
タの出力トルク状態に応じた最適のパルス幅でス
テツプモータを駆動しようとする方法が考えられ
ている。こうした最適パルス幅での駆動を実現す
る上で最も重要なことは“ロータが回転したか否
かを判定する”ことにある。従来、この回転・非
回転判定のために、ロータの位置を判定する方法
が提案されている。この方法は第３図に示す如
く、駆動パルス６が印加され、この駆動パルスに
よるロータの過度振動が終了しロータが静止して
いる時に、検出パルス７によつてロータの位置を
判定し、所望の位置にきていない時には補正パル
ス８を出し正常な運針を確保しようとするもので
ある。 さてこのロータ位置判定の方法であるが、今ロ
ータが第４図の如くの位置にあつたとすると、駆
動パルスによつてコイルを励磁した時には、駆動
パルスによる磁束１３が図の如く発生する。この
時駆動パルスが十分大きなければロータは180°回
転し、第５図ａの如くの位置をとる。今第５図ａ
の状態でロータの位置を判定するために検出パル
スが出されると、この検出パルスによつて発生す
る磁束１５は、外ノツチ１２−ａ，１２−ｂの近
傍では、ロータ磁石が発生する磁束１４−ａ，１
４−ｂを打ち消そうとする方向であるため磁気抵
抗は小さく、従つてコイルのインダクタンスは大
きく、検出パルスによる電流はなだらかな立上り
を示す。反対に駆動パルス幅が不十分でロータが
回転せず、第５図ｂの如くの位置をとつた時を考
えてみる。この場合外ノツチ近傍に於てはロータ
磁石から発生する磁束がａの場合とは反対にな
り、検出パルスによる磁束の方向と同一となるた
め磁気抵抗は大きく、従つてコイルのインダクタ
ンスは小さくなる。このため検出パルスによる電
流は急激な立上りを示す。この検出電流の立上り
の違いを判定することによりロータの位置が判定
され、ロータの回転・非回転が判定されるわけで
ある。 ところが周知のようにパルス幅制御機能はロー
タを回転させるのに必要な最少のパルス幅を常に
供給するように機能するため、駆動パルス印加後
のロータ位置は第５図ａの状態かまたはｂの状態
だけではなく第６図の如くの位置をとる場合がご
くまれに発生する。これはロータの磁極の中心位
置が中立点、すなわち２つの内ノツチ１１−ａ，
１１−ｂを結ぶ方向で停止してしまつているもの
である。（この現象を以後中間止まりと呼ぶこと
にする。）この位置は安定点ではないため、何ら
かの外乱、例えば機械的な振動・磁気的な外乱等
があれば、すぐにどちらかの安定点に落ちようと
するわけであるが、このような外乱が全くない場
合はいつまでも中立点で止まつていようとする。 さてこの状態で検出パルスが出されたとする
と、ロータ磁石から発生する磁束１８−ａ，１８
−ｂは外ノツチ近傍に於ては、検出パルスによる
磁束１９と反対になつている。この状態は第５図
ａのロータが回転した場合と磁気的に同様な状態
である。従つて検出パルスによる電流はロータが
回転した場合と同様なだらかな立上りを示し、ロ
ータが回転したと判定されてしまう。ロータが回
転したと判定されると、補正パルスは出されない
まま１秒後に極性が反対になつた次の駆動パルス
が出されるため、ロータは元の位置に引き戻さ
れ、結局時計は２秒遅れとなつてしまう。表示す
る時刻が正現の時刻よる遅れることは精度が絶対
的な使命であるクオーツ時計においては致命的な
欠陥となつてしまう。またこの中間止まりの現象
はパルス幅制御において、パルス列としてあらか
じめ用意してあるパルス幅の数が多ければ多いほ
ど、また経年変化等によつて輪列の負荷が大きく
なればなるほど、さらにまた温度が低くなればな
るほど（潤滑油の粘性が高くなるため）、発生確
率が高くなり、従つて運針の遅れの発生の可能性
が高くなつてゆく。 本発明はかかる従来の欠点を除去し、絶対的な
運針の信頼性を確保しつつロータの回転・非回転
を判別し、ステツプモータの低消費電力化に寄与
しようとするものである。具体的には、第１の検
出パルスが出された後に中間止まり防止用の安定
化パルスを印加することにより中間止まりをなく
し、検出の絶対的な信頼性を確保しようとするも
のである。以下、本発明を図面に従つて詳細に説
明してゆく。 第７図は本発明の一実施例で、コイルに印加す
るパルス波形を示すものである。同図中２０は駆
動パルスで、あらかじめ用意されたいくつかのパ
ルス幅の中から、その時の負荷状態とモータの出
力トルク状態から最も適するであろうと予想され
るパルス幅で出力される。２１は第一の検出パル
ス、２３は第一の補正パルスを示し、第一の検出
パルスがロータの非回転を判定した場合、第一の
補正パルスが出力される。２４，２５はそれぞれ
第二の検出パルス、第二の補正パルスを示し、第
二の検出パルスがロータの非回転と判定した場
合、第二の補正パルスが出力される。２２は本発
明の核心をなすパルスで、前に説明した如くの中
間止まりが発生した場合、ロータを静的な安定点
に引戻そうとするパルスである。（このパルスを
安定化パルスと呼ぶことにする。）該安定化パル
スは第一の検出パルスがロータが回転したと判定
した場合出力されるよう構成されている。 今駆動パルス２０がロータを回転させるのに十
分であるとすると、ロータは第８図に示す如く
180゜回転し、正常な運針をする。同図中θは静的
な安定点からのロータの磁極中心の角度変位を示
すものであり（第１図参照）、θ＝0゜は静的安定
点、θ＝180゜は他の静的安定点、θ＝90゜は本発
明で問題とされている中立点を示している。同図
に於ては、第一の検出パルス２１はロータが回転
したと判定するため補正パルス２３は出力され
ず、安定化パルス２２、さらに第二の検出パルス
２４が出力される。第９図は第８図と反対に駆動
パルス２０がロータを回転させるには不十分であ
つた場合を示す。この場合、検出パルス２１は非
回転と判定するための補正パルス２３が出され、
ロータは180゜回転し、正常な運針が確保される。 第１０図は駆動パルス２０による出力トルクを
負荷トルクとがちようどバランスしてしまい、θ
＝90゜の中立点で止まつたいわゆる中間止まりが
発生した場合を示している。従来、この中間止ま
りが発生した場合、運針の遅れとなつていた。 本発明に於ては、第一の検出パルスの後に、安
定化パルス２２を用意することによつてこの問題
を解決している。すなわち、第１０図に示した如
く第一の検出パルス２１が出力された後もなおθ
＝90゜の中立点にロータが静止していた場合でも、
安定化パルス２２がロータをθ＝0゜の静的な安定
点に引き戻してしまうわけである。安定化パルス
によつてロータがθ＝0゜の位置に引き戻される
と、第二の検出パルスはロータが非回転であつた
と判定するため第二の補正パルス２５が出力され
る。この補正パルスは十分な出力トルクが得られ
るよう設定されているためロータは必らず回転
し、θ＝180゜の位置に移動し正常な運針が確保さ
れる。従つて本発明の如く、第一の検出パルス後
に、安定化パルスを用意することによつて、従来
偶数秒遅れの原因となつていた問題はなくなり、
運針の絶対的な信頼性を確保することが可能とな
る。 次に安定化パルスを出す方向についてであるが
駆動パルスと同一方向に出す場合と、本発明の如
く反対方向へ出す場合の２通り考えられるが、実
験によると本発明の如く反対方向へ出力する方が
圧倒的に有効であることが確認されている。すな
わちより狭いパルス幅の安定化パルスで、ロータ
を静的な安定点に引き戻せることが確認されてい
る。これは中間止まりが発生した場合、ロータを
回転させようとする方向よりも引戻そうとする方
が、輪列の負荷が小さいという理由と、さらに磁
気ポテンシヤルの曲線が回転させようとする方向
と引き戻そうとする方向とでは非対称である等の
理由が考えられる。いずれにしても本発明の如
く、安定化パルスを駆動パルスの方向と反対方向
に出力する方が中間止まりに対して有効である。 次に本発明を実現する具体的な回路構成につい
て述べる。第１１図は、本発明による回路構成の
ブロツク図を示すもので、発振部４０、分周部４
１、パルス形成部４２、制御部４３、駆動・検出
部４４で構成されている。発振部では水晶振動子
の発振により例えば32768Hzの時間基準信号が形
成され、分周部ではこの時間基準信号を1/2Hzま
で分周する。パルス形成部では、第１４図および
第１５図のタイミングチヤートに示すφ，S₁，
S₂，S₃，S₄，S₅のパルス波形が形成される。以上
の発振部、分周部、パルス形成部は、本発明を実
現する上で不可欠の要素であるが、本発明が規制
する範囲ではないため詳述するのは避ける。また
これらの論理的に容易に構成される。第１２図は
駆動・検出部の回路構成例、第１３図は制御部の
回路構成例、第１４図、第１５図は制御部、駆
動・検出部の各信号のタイミングチヤートであ
る。第１４図において、φは1/2Hz信号、S₁は通
常時の駆動パルス幅を規定する信号であり、“Ｈ”
（論理レベルHIGH）区間である84が駆動パルス
の幅Paを決定している。この通常時の駆動パル
スPaは、第１１図のブロツク図で示した如く、
モータの回転・非回転の情報をもつたS₁₃の信号
によつて、パルス幅がコントロールされ、モータ
に加わる負荷に応じたパルス幅を持つて出力され
る。S₂は検出パルスを出すタイミングと検出パル
スの幅を規定する信号であり、“Ｈ”区間である
８５，８６が検出パルスPs₁，Ps₂の出力タイミン
グと幅を決定している。P₅₁が第１の検出パルス、
P₅₂が第２の検出パルスである。S₃は検出区間を
規定する信号であり、８７，８８が検出区間を示
している。S₄は補正パルスを規定する信号であ
り、“Ｈ”区間である８９，９０が補正パルスを
出すタイミングと補正パルスの幅を決定してい
る。Pb₁が第１の補正パルス、Pb₂が第２の補正
パルスである。S₅は中間止まり防止用の安定化パ
ルスを規定するものであり、“Ｈ”区間である９
１が安定化パルス幅Pcを決定している。 以上の信号が、パルス形成部から制御部に入つ
ていく信号がある。 第１２図は駆動・検出部であり、４７，４８は
Ｐチヤンネルトランジスタ、４９，５０はＮチヤ
ンネルトランジスタであり、ステツプモータ４６
の駆動部を構成している。５１，５２はＮチヤン
ネルトランジスタであり、検出抵抗５３，５４を
スイツチングする。ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは各
トランジスタのゲート端子であり、第１４，１５
図におけるａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの信号がそれ
ぞれ印加される。５７，５８はコンパレータであ
り、O₁（又はO₂）の電位が、５５，５６抵抗で分
割される基準電位Vthより大きいときは“Ｈ”、
小さいときは、“Ｌ”を出力するよう構成されて
いる。コンパレータ５７，５８の出力信号（S₁₀，
S₁₁）はANDゲート６０，６１へ各々接続され、
ORゲート６２へと接続されている。ANDゲート
６０，６１、ORゲート６２により、S₃の信号
が、“Ｈ”である検出区間に限りゲートが開き、
φが“Ｈ”の時、O₁端子のデータが、φが“Ｌ”
の時、O₂端子のデータがORゲート６２から出力
される。この信号がS₁₂の信号である。S₁₂は、６
３と６４のNORゲートで構成されるセツトリセ
ツト型のフリツプフロツプのセツト信号となつて
いる。リセツト信号は検出パルス決定するS₂信号
である。このフリツプフロツプの出力信号S₁₃は
第１１図のブロツク図で示した如く、パルス形成
部、制御部へフイードバツクされる。 第１３図は、制御部であり、パルス形成部で形
成されたφ，S₁，S₂，S₃，S₄，S₅と駆動・検出部
からフイードバツクされたS₁₃の信号とから、第
１２図の駆動・検出部のゲート端子に入力する信
号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを形成する回路であ
る。第１２図の駆動・検出部、第１３図の制御部
の動作を第１４図のタイミングチヤートに従つて
説明してゆく。まず区間Ａの１秒間の動作から説
明する。この区間Ａは、通常時駆動パルスPaに
よつてロータが回転し、第１の検出パルスも、第
２の検出パルスも共に回転と判定する時の動作を
示している。第１３図において、S₁からPaパル
スを規定する８４が入るとORゲート６８の出力
は“Ｈ”となる。この時φは“Ｈ”であるので
ANDゲート７４が開き、ORゲート７５の出力は
“Ｈ”となる。NOTゲート８１によつて信号は反
転し、ｂは“Ｌ”となる。ｄも同様にORゲート
７９、NOTゲート８３を通り“Ｌ”が出力され
る。一方ａ，ｃ，ｅ，ｆはS₃，S₄，S₅がいずれも
“Ｌ”であるため、ａ，ｃには“Ｈ”が、ｅ，ｆ
には“Ｌ”が出力される。従つて、第１２図にお
いては、Ｐチヤンネルトランジスタ４７がOFF、
４８がONし、Ｎチヤンネルトランジスタ、４９
のON、５０がOFFすることになり、コイル４６
にO₂からO₁に向けて電流が流れる。 Paパルスに引き続き、S₂から第１の検出パル
スPs₁８５が出てくるわけであるが、Paパルス以
後、Ps₁パルス以前の区間においては、S₁，S₂，
S₃，S₄，S₅がいずれも“Ｌ”であるため、ａ，
ｂ，ｃ，ｄはいずれも“Ｈ”となり、コイルの両
端O₁，O₂は“Ｌ”を保つたままとなる。 さてS₂から８５の如く第１の検出パルスPs₁が
入ると、先ほどのS₁のPaパルスと全く同様にａ
＝“Ｈ”，ｂ＝“Ｌ”，ｃ＝“Ｈ”，ｄ＝“Ｌ”となり
、
コイルに検出電流が流れる。次にS₃から検出区間
を決定するパルス８７が入つてくると、ANDゲ
ート７６から“Ｈ”が出力され、ｅには“Ｈ”
が、ｃには“Ｌ”が出力される。従つて、コイル
４６に流れていた検出電流が検出抵抗５３を介し
て流れるため、O₁端子には第１４図９２の如く
波形が発生する。（ロータはPaパルスによつて回
転しているので、波形のピーク値は小さい。）波
形９２のピークはVthよりも小さいため、第１２
図のコンパレータ５７の出力は“Ｌ”であり、従
つて６３，６４のフリツプフロツプはセツトさせ
ずS₁₃は“Ｈ”を保つたままとなる。S₁₃が“Ｈ”
であるため、第１３図のANDゲート６６が開き、
S₅から入つてくる安定化パルスが出力されるが、
一方ANDゲート６７は閉じ、S₄から入つてくる
第１の補正パルスは出力されない。第１４図にお
ける８６の第２の検出パルス、８８の第２の検出
区間、９０の第２の補正パルスが出力される時の
動作も、前と全く同様に、ロータはすでに回転し
ているので、O₁端子に発生する検出電圧９８は
Vthを超えることはなく、S₁₃は“Ｈ”を保つた
ままとなり、第２の補正パルスPb₂９０は出力さ
れない。 次に第１４図における区間Ｂの動作について説
明する。この区間Ｂにおいては、通常時の駆動パ
ルスP′aがロータを回転させるのには不十分であ
り、第１の検出パルスによつて非回転と判定さ
れ、補正パルスPb′₁が出力される時のタイミング
チヤートを示したものである。ロータが非回転で
あるため、第１の検出パルスP′s₁によつてコイル
のO₂端子には９３の如くピーク電圧がVthを超え
る検出電圧が発生する。従つて第１２図のORゲ
ート６２の出力信号S₁₂には第１４図９４の如く
“Ｈ”が発生し、S₁₃は“Ｌ”となる。S₁₃に“Ｌ”
がラツチされると、S₅の安定化パルスP′c９１′は
出力されずに、第１の補正パルスP′b₁８９′が出
力され、ロータは180゜回転し、正常な運針を保
つ。 第１の補正パルスP′b₁が出力されると、ロータ
は必らず回転するので、第２の検出パルスP′s₂８
６′によつて発生する検出電圧は９９の如く、
Vthを超えない。従つて、第１２図の６３，６４
が構成されるフリツプフロツプはP′s₂でセツトさ
れたままで、S₁₃は“Ｈ”を保つので、第２の補
正パルスは出力されない。 第１５図は第１４図と同様に、第１２，１３図
の各部の信号タイミングチヤートを示すものであ
り、同図の区間Ｃは、駆動パルスPaによつて、
本発明で問題としている中間止まりが発生した場
合の動作を示したものである。この場合、第１の
検出パルスPs₁は回転と判定するため、S₁₃は
“Ｈ”を保つたままである。従つて第１の補正パ
ルスPb₁は出力されず、変わりに安定化パルスPc
が出力される。安定化パルスPcによつてロータ
は引き戻され、第２の検出パルスPs₂が出力され
るてO₁端子には９６の如く、Vthを超える検出電
圧が発生し、S₁₃は“Ｌ”となる。従つて第２の
検出パルスPb₂が出力され、ロータは180゜回転し、
正常な運針を保つことになる。 本発明に於ては、通常動作時には、第１，第２
の検出パルスと安定化パルスが出力されるため、
消費電流の増加が必配になる。しかし、第１，第
２の検出パルス幅を0.36ｍsec、安定化パルスの
パルス幅を0.24ｍsecと設定した場合、実験によ
ると第１，第２の検出パルスによる平均の消費電
流は各々１４nA，安定化パルスによる平均の消
費電流は１０nAで、合計でも３８nAと非常に微
少であり、これによつて、電池寿命が左右される
ような必配はない。 以上説明してきた如く本発明によれば、第１の
検出パルス後に駆動パルスと反対方向に中間止ま
り防止用の安定化パルスを印加することによつ
て、従来運針の遅れの原因となつていた中間止ま
りの発生をなくし、運針の絶対的な信頼性を確保
することができる。また安定化パルスの幅は微少
でよいため、安定化パルスを加えたことによる消
費電流の増加も心配ない。 以上、本発明は何らのコストアツプの要因もな
く、IC内部のロジツクを変えるだけでアナログ
電子時計に応用でき、極めて実用性の高いもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はアナログ電子時計のステツプモータを
示す図。第２図は従来のステツプモータ駆動波
形。第３図はパルス幅制御機能を有する従来のス
テツプモータの駆動波形。第４図、第５図、第６
図はステツプモータの動作説明図。第７図は本発
明の一実施例を示すコイルに印加する電圧波形を
示す図。第８図、第９図、第１０図はロータの角
度変位とコイルに印加する電圧波形を示す図。第
１１図は本発明による回路構成を示すブロツク
図。第１２図は本発明による駆動・検出部を示す
回路図。第１３図は本発明による制御部を示す回
路図。第１４図、第１５図、第１２，１３図にお
ける各部の信号を示すタイミングチヤート図。 ９…ロータ、１０…ステータ、１６−ａ，１６
−ｂ…ロータ磁石による磁束、４５…ステツプモ
ータ、４６…モータコイル、６５，６９，８０，
８１，８２，８３…NOTゲート。