JPS6114748B2 - - Google Patents

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ツプモータ
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、特に腕時計にあつては、時間標準が極めて正
確であり、表示時間の信頼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
きな要因となつている。電気機械変換機構を有す
る水晶時計にあつては、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、従来のステツ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つて、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１本となつていて幅が非
常に狭くなつたステータ最細部g₁，g₂によつてつ
ながつている。このステータ２，３はコイル４を
巻いた継鉄５にネジ６，６′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２
ａ，３ａを設けて、ロータ１の静止時の極磁（Ｎ
およびＳ）位置をステータ２，３の一方にずらし
ている。磁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極の磁気定反発
力、吸引力により、ロータ１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180゜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ある。
この種のステツ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
タであつた。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半
径Srとの比は0.6≦Rr／Sr≦0.9が低電力化どの点
から最適であるとされ、実際、最近のこの種のス
テツプモータにおいてはRr／Srは0.65〜0.7とな
つている。

この理由は、背景に従来のステツプモータ用の
ロータ磁石の性能が最大エネルギー積で10〜
15M・Ｇ・Oc程度のものを用いるということに
あつた。実際に従来は実用化し得る磁石材料とし
て希土類コバルト磁石で上に述べたような10〜
15M・Ｇ・Oc程度のものに限られているからで
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Sm₂（Co，Fe，Cu，Zr）₁₇
という新組成及びこれの最適時効処理法の開発に
よつてて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、性能が飛躍的にアツ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SmCo₅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
計用ステツプモータに適用し、これの最適化、お
よびステツプモータの飛躍的な効率アツプをはか
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、上記の従来のステツプモー
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／Srが0.6以上でなければなら
なかつたのは第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・cm〜４ｇ・
cm）が得られないという理由からであつた。しか
し、強力な磁石（例えばBHmax＝20〜30M・
Ｇ・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
つた。Rr／Sr≧0.6以上では当然ながらもつて大
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／Sr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BHmax＝30のもの
で、Rt／St＝1.0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／Srが0.6以
下の方が消費電流が小さくなり、Rr／Srが、
0.45〜0.6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Srのステータ内周面積の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／Sr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Ｄが少なくな
ることからRr／Sr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Ｄ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Pr／Srが大きくなる
に従つて増加し、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
の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頼性の点
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つ
て現われることになる。例えば電池電圧が少し下
がつ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、Rt，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／St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35ｇ・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が小さくなるなど増加し、特にRt／Stが
0.8より小さくなると急激な増加を示す。一方、
起動電流の方はＲ／Stが大きくなるに従つて増加
はするが、勾配はゆるやかである。従つてこの結
果から判断して、Rt／Stは0.8以上の方がモータ
の低電力化にとつ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なども考慮に入れれ
ば、上限はほぼ1.2〜1.25程度が当然だろう。

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（Rt／Sr≧0.6，Rt／St＝0.7〜0.8、磁
石のBHmax＝10〜15）のそれぞれ良いものを比
較すると15〜20％も消費電力の低減が可能となつ
ている。従来のモータの一例の消費電流（出力ト
ルク3.5ｇ・cm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ツプモータの消費電
流は１μＡ程度にするのがほとんど限界であつた
が、本発明によれば0.8μＡ、あるいはもつと小
さくなる可能性もある。

以上述べたように本発明は超高性能な磁石を電
子時計用ステツプモーターのローターに適用する
ことにより大幅な効率アツプとモーターの構造の
最適化をはかつたものであるが、従来のモーター
の構成と本発明のモーター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
モーターの構成でありステーターの内径１１に対
しローター１２の外径が比較的近い値になつてい
るためロータ１２とステーター１１とのギヤツプ
１０が小さいのに対し、本発明の第７図ｂの構成
はステーターの内径１４とローター１５の外径の
差が大きく、それらのギヤツプ１６が従来のもの
に比し非常に大きいことがである。

常識的に考えるとローターとステーターとのギ
ヤツプが大きくなることが、モーターの変換効率
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ツ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、ステーター弐内径を同じとした
ときローターの径は本発明の構成にもとづく方が
小さくできる。即ちローターのイナーシヤを軽減
できるためである。イナーシヤが小さくなれば、
回転中のイナーシヤ損失が少なくなり率が向上す
る。

第２の理由は、ローターステーター間の磁束分
布による。当然のことながらモーターの出力は、
ローター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、ローターとステータ
ー間の磁気吸引力が大きくなり駆動のときこの吸
引力に打ち勝つて駆動する必要がありそれだけ消
費電流が増大する。又、この磁気的吸引力はモー
ター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ツプモーターは
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ツプモータの構成（第７図
ａ）では、ローターとステーター１１間のギヤツ
プ１０が小さいためローターの磁束１３は殆んど
全てステーター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（７図ｂ）では、
ギヤツプ１６が大きいため磁気的吸引力に作用す
る磁束１７とローター自身で閉じる磁束１８に分
かれ、この磁束１８が比較的多いのが特徴であ
る。従つて、第７図ａとｂが磁気的吸引力が同じ
であるとすると、ローターの総磁束は図面ｂの方
が多くなる（それ自身で閉じる磁束１８が多いた
め）。従つて同じ駆動力を与えれば総磁束の多い
同図ｂ即ち本発明の構成のステツプモータの方が
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
電費電力で駆動でき効率アツプがはかれるのであ
る。

以上、本発明の実施例につき詳説したが、本発
明はここで述べた実施例に限定されるものではな
く、種々の改良・変更・応用が可能である。例え
ば、第１図のステータ２，３は一本につながつた
ものでなくg₁，g₂の位置で切り離されているもの
でも良いし、第８図に示すような形状のステータ
でも良い。またロータも完全な円筒型でなく第９
図に示すような一部に円筒面を有するものであれ
ばさしつかえない。

【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／Sr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／Sr
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／Stとの関係を示す図である。第
７図は、ロータ・ステータ間の磁束分布を示す図
である。第８図は、ステータ形状の他の１例であ
る。第９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，３
ａ……ノツチ、Rr……円筒型ロータ磁束の半
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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 径方向に２極に着磁された永久磁石材より成
   るロータと、前記ロータの外周に対向し前記ロー
   タをほぼ包囲する内周部を有する高透磁率材から
   成る板状ステータと、前記ステータと磁気的に結
   合するコイルによつて構成され、前記ステータは
   前記内周部にロータ位置決めのためのノツチ等の
   異形部を有し、前記ロータの半径Rrと、前記ス
   テータの前記ロータと対向する面の半径Srとの
   間に、0.6＞Rr／Sr＞0.3なる関係をもたせること
   により、前記ロータ外周と前記ステータ内周の径
   方向間の隙間内にロータ自身で閉じる磁束を存在
   させるよう構成し、且つ、前記ロータの厚さRt
   と前記ステータの厚さStとの間に1.5＞Rt＞St≧
   0.8なる関係をもたせるとともに、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。