JPS6120820B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子時計の改良に関するもので、ステ
ツプモータの消費電力の低減下のためにステツプ
モータの駆動電力自動制御手段を備えた電子時計
の電池寿命末期での安定動作、低消費電力を目的
としたものである。

以下、アナログ電子腕時計を例にとつて本発明
を説明する。

従来、一般に使用されているアナログ型の水晶
腕時計の表示機構は、第１図に示されているよう
に構成されている。ステータ１、コイル７、ロー
タ６によつて構成されているモータの出力は輪列
２，３，４，５に伝達され、図示されていないが
更に幾つかの輪列によつて秒針、分針、時針、場
合によつてはカレンダーを駆動している。

次に、従来用いられている電子腕時計の回路構
成の一例を第２図に示す。発振回路１０の約32K
Hzの信号は分周回路１１によつて１秒信号に変換
される。１秒信号は、パルス合成回路１２によつ
て7.8ｍ秒、２秒周期の信号に変換され、駆動イ
ンバータ１３ａ，１３ｂの入力１５，１６には位
相が１秒ずれた、同じ周期、同じパルス幅の信号
が加えられる結果、コイル１４には１秒毎に電流
の流れる向きの変わる反転パルスが加えられ２極
に着磁されたロータ６は、一方向に回転する。

この時のコイル電流波形の一例を第３図に示
す。

ところで、従来の電子腕時計の駆動パルス幅
（上記の例では7.8ｍ秒）コイル抵抗、巻数、その
他ステツプモータ各部の寸法等は、輪列負荷が重
くなつた場合、磁界中におかれた場合低温下で電
池内部抵抗が著しく大きくなつた場合、電池寿命
末期で電池電圧が低下した場合等でも安定してス
テツプモータを駆動できる様に設計してあり、大
きなトルクを必要としない場合では電力を浪費し
ている状態であり、時計の低消費電力化のさまた
げとなつていた。

そこで、このような欠点を除去するために、ス
テツプモータの動作状態を検出する回転検出装置
等を設け、駆動電力（一般的には駆動パルス幅）
を連続的又は段階的に変化させて最低限の電力で
駆動する方法が最近提案されている。

本発明は、上記の様に低消費電力化のために、
ステツプモータの回転検出装置等を備えた電子時
計の電池寿命末期での安定動作及び特に後に具体
的に説明する補正駆動式駆動電力自動制御方式で
の電力の浪費の防止する方法を提供する。

電力自動制御手段の一例としてステツプモータ
のロータの回転検出装置を用いた補正駆動方式を
取り上げて説明する。

動作を要約すると、通常は従来より短いパルス
幅でステツプモータを駆動し、その後でロータが
回転したかどうかを調べるために検出パルスをス
テツプモータのコイルに加え、コイルと直列に挿
入した抵抗の電圧レベルによつて、ロータが回転
したかどうかを検出し、もし回転していなかつた
場合には、より長いパルス幅でステツプモータを
再駆動して補正すると言うものである。

次に本発明の実施例を具体的に説明する前に、
ロータの回転検出の原理を説明する。

次に本実施例の電子腕時計に使用されているス
テツプモータの回転原理について説明する。第４
図１は、飽和しやすく作られた可飽和部１７で接
続している一体構成のステータで、図には明示さ
れていないがコイル７を巻いた磁心と磁気的に係
合している。また、このステータ１には径方向に
２極に着磁されたロータ６の回転方向を決めるた
めにノツチ１８がつけてある。第４図は、コイル
７に電流が加えられた直後の状態を示しておりコ
イル７に電流が加えられていない時は、ロータ６
は、ノツチ１８とロータ磁極のなす角度がほぼ90
度の位置で、静止している。この状態でコイル７
に矢印の方向に電流を流すとステータ１に第４図
のように磁極ができ、ロータ６は反撥して時計方
向に回転する。コイル７を流れる電流が切れると
ロータ６は、第４図と磁極が逆になつた状態で静
止する。この後コイル７に反対方向に電流を流す
ことによりロータ６は順次時計方向に回転を続け
る。

本実施例の電子腕時計に使用したステツプモー
タは、可飽和部１７を持つ一体ステータで構成さ
れているのでコイル７に電流を流した時の電流波
形は、第３図のようになだらかな立上り特性を示
す。これは、ステータ１の可飽和部１７が飽和す
るまでの間はコイル７から見た磁気回路の磁気抵
抗が非常に低く、その結果、抵抗Ｒ、コイル直列
回路の時定数τが大きくなるためである。これを
式で表わすと次のようになる。τ＝Ｌ／Ｒ、Ｌ≒
N²／Rm、これからτ＝N²／（Ｒ×Rm）ただ
し、Ｌ：コイル７のインダクタンス、Ｎ：コイル
７の巻数、Rm：磁気抵抗である。ステータ１の
可飽和部１７が飽和すると飽和した部分の透磁率
は、空気と同じになるのでRmは増加し、前記回
路の時定数τは小さくなり、第３図の如く電流波
形は急に立上る。本実施例の電子腕時計に用いて
いるロータ６の回転、非回転の検出は、前述した
抵抗、コイル直列回路の時定数の違いとしてとら
えている。次に図面を用いて時定数の差がでる理
由を説明する。

第５図は、コイル７に電流を流し始めた時の磁
界の様子を示したもので、ロータ６は、回転可能
な位置に磁極が来ている。磁束線２０はロータ６
から発生した磁束の様子を示したもので、実際に
は、コイル７と鎖交する磁束も存在するが、ここ
では省略した。磁束線２０ａと２０ｂは、ステー
タ１の可飽和部１７ａ，１７ｂで、第５図の矢印
の方向に向いている。可飽和部１７は、多くの場
合、まだ飽和していない。この状態でロータ６を
時計方向へ回転すべくコイル７に矢印の如く電流
を流す。コイル７によつて発生する磁束１９ａ，
１９ｂはステータ１の可飽和部１７ａ，１７ｂ
で、ロータ６から発生した磁束２０ａ，２０ｂと
それぞれ強め合うために、ステータ１の可飽和部
１７は、すみやかに飽和する。

この際、ロータ６には、ロータ６を回転させる
のに十分な磁束が発生するが、第５図では省略し
た。

この時のコイル７に流れる電流の波形を示した
のが第７図２２である。

一方、ロータ６がなんらかの理由で回転できず
に戻つてしまつたところへコイル７に電流を流し
た時の磁束の状態を示したのが第６図である。

本来、ロータ６を回転させるためにはコイル７
には矢印と反対の向き、つまり、第５図と同じ向
きに電流を流さなければいけないのであるが、コ
イル７には、１回毎に電流の向きが変わる反転電
流が加えられるので、ロータ６が回転できなかつ
た時は、このような状態になるのである。ロータ
６は、回転できなかつたのであるからロータ６か
ら発生する磁束の向きは、第５図と同じである。

コイル７には第５図と反対の方向に電流が流れ
るので磁束の向きは、２１ａ，２１ｂのようにな
る。ステータ１の可飽和部１７ａ，１７ｂでは、
ロータ６とコイル７によつて発生する磁束が互い
に打消し合つており、１の可飽和部を飽和させる
ためには、より長い時間を必要とする。

この状態を示したのが、第７図の２３である。

実施例によれば、コイル線径0.23mm、ターン数
10000ターン、コイル直流抵抗3KΩ、ロータ径
1.3mm、可飽和部最小幅0.1mmのステツプモータに
おいて、ステータ１の可飽和部１７が飽和するま
での第７図における時間差Ｄは１ｍsecであつ
た。第７図の２つの電流波形２２，２３で明らか
なように、コイルのインダクタンスは、Ｃの範囲
で、ロータ６の回転時が小さく、非回転時が大き
くなつている。前記仕様ステツプモータに於て、
Ｄの範囲における等価インダクタンスは、回転時
電流波形２２ではＬ＝５ヘンリ、非回転電流波形
２３ではＬ＝40ヘンリであつた。このインダクタ
ンスにコイル直流抵抗ＲΩと検出用受動素子とし
て、例えば抵抗ｒΩが直列に接続され、電源VD
に接続されたとき、検出用抵抗素子の両端に発生
する電圧を例えばCMOSインバータの閾値Vth、
つまり電圧1/2VDで検出することにより、容易に
インダクタンスの変化を検出できる。ｒの両端に
発生する電圧が1/2VDとなることより次式が得ら
れる。（1/2）・VD＝ｒ／（Ｒ＋ｒ）・｛１−EXP
（−（Ｒ＋ｒ）・ｔ／Ｌ）｝ この式で、Ｒ＝3KΩ，ｔ＝1msec，Ｌ＝40ヘ
ンリのときｒ＝29KΩである。又、第７図電流波
形２２のとき飽和時間が約0.4msecあるので、Ｒ
＝3KΩ，ｔ＝0.6msec，Ｌ＝５ヘンリとして計算
すると前記の式よりｒ＝7.1KΩとなる。

つまり検出用抵抗素子の範囲は7.1KΩ〜29KΩ
で検出可能となる。この結果は実験結果とも一致
した。

以上でロータの回転検出の原理の説明を終える
が、一般にステツプモータの駆動電力自動制御を
行なおうとする場合、何らかの形でアナログ量の
検出を行なう回路が必要となる。前述の例では検
出用抵抗素子の端子を入力端とするCMOSインバ
ータがこれに当る。

ところでこれらのアナログ回路は、電源電圧が
変化した場合、その検出特性を一定に保つ事は困
難である。従つて、電源電圧が低下した場合に
は、誤検出の可能性が高くなり、ステツプモータ
の駆動電力自動制御手段を安定に動作させる事が
困難になる。また、特にここで取り上げた補正駆
動方式の場合、電源電圧の低下でステツプモータ
の駆動力が低下し、補正駆動の頻度が極端に増加
すると、従来の固定パルス幅駆動よりも消費電力
が増すと言う欠点を有している。

そこで、最近、電子時計において一般的になり
つつある電池寿命切れ警告装置の電池電圧検出回
路を利用して、電池電圧が低下した場合には駆動
電力自動制御手段の動作を禁止し、固定パルス幅
でステツプモータを駆動すると言うのが本発明の
主旨である。

第８図は本実施例のブロツク図である。発振回
路１０、分周回路１１により基準信号を発生し、
パルス合成回路１２により複数種のパルス信号を
合成する。制御回路６０はパルス合成回路からの
パルス信号を選択して駆動回路３０に出力する。
回転検出回路３２は駆動回路３０に接続されると
共に制御回路５０に入出力を持つ。そして電池電
圧検出回路３１の出力は制御回路６０に接続され
る。

第９図は本実施例の制御回路６０、駆動回路３
０回転検出回路３２の具体的な構成例である。一
定の周期を持つパルス波形を複数作り出すパルス
合成回路１２は簡単なゲートの組み合わせによつ
て容易に構成可能なのでここでは省略している。
また電池電圧検出回路３１の構成は種々知られて
おり、構成そのものは本発明には関係がないので
詳細な説明を省きここではこの機能を説明するだ
けとする。

制御回路６０は、Ｄ形フリツプフロツプ３３
RS形フリツプフロツプ４３、オアゲート３４，
４９、アンドゲート４４，４８，４７，４６、ナ
ンドゲート３５ａ，３５ｂ、インバータ４０，４
５からなる。駆動回路３０は出力インバータを形
成するＰ形とＮ形のMOS−FET３６ａと３６ｂ
及び３７ａと３７ｂにより構成され、回転検出回
路３２は抵抗３８、Ｎ形MOS−FET３９、検出
インバータ４１，４２により構成される。

Ｄ形フリツプフロツプ３３のクロツク入力端子
Ｃはオアゲート４９の出力端子に出力端子Ｑ，
はナンドゲート３５ａ，３５ｂの入力端子に接続
され、またデータ端子Ｃは、自己の出力端子に
接続される。

Ｐ形MOS FET３６ａと３７ｂのソース端子は
電源Ｖ_DDに接続される。

RS形フリツプフロツプ４３のセツト端子Ｓは
インバータ４２の出力端子に、リセツト端子Ｒは
入力点Ｂに、出力端子Ｑはアンドゲート４４の入
力端子に接続される。

上記の構成において、通常の計時動作は以下の
様になる。

Ｄ形フリツプフロツプ３３のデータ端子Ｄは出
力端子に接続されているのでクロツク端子Ｃに
パルスが１つ入る度に出力Ｑ，は反転する。こ
の為オアゲート３４の出力端子Ｅの信号は、２つ
のナンドゲート３５ａと３５ｂのいづれかを交互
に反転通過し、従つてコイル１４の両端には交互
に電圧が印加され、ステツプモータを順次回転さ
せる。

次に本実施例の動作を具体的に説明する。

電池電圧検出回路３１は、定期的に電池電圧を
検出し、所定の電圧以上であれば出力端子Ｑに
“０”を所定の電圧以下であれば“１”を保持す
る。

さて、入力点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにはそれぞれパル
ス合成回路１２より第１０図ａ，ｂ，ｃ，ｄに示
す様なパルスが入力されている。通常時は、電池
電圧検出回路３１の出力端子Ｑは“０”であるの
でパルスａ，ｂはアンドゲート４８，４６を通過
し、また、パルスｄは、アンドゲート４７を通過
せず、これらは、オアゲート４９及び３４によつ
て合成されＥ点では第１０図e₁の様な信号とな
る。

この信号は１秒毎に方向を変えてコイル１４の
両端に印加されるのでコイル１４の両端の電位差
は第１０図f₁の様になる。

さて、駆動パルス５０ａがコイル１４に印加さ
れ（この時Ｐ形MOS FETはON状態であり、抵
抗３８は短絡されている。）ロータが正常に１ス
テツプ回転したとすると、検出パルス５１ａによ
つて検出点Ｇに生ずる電圧波形は、回転検出回路
の原理で説明した様に、立ち上りの遅い第１１図
５４、第１０図g₁の５３ａの様になり検出レベル
Vthまで達せず、RSフリツプフロツプ４３はセツ
トされないので、パルスＣはアンドゲート４４を
通過せず、従つて、補正パルス５２ａは発せられ
ない。逆に何らかの理由により駆動パルス５０ｂ
によりロータは回転できなかつたとすると検出パ
ルス５１ｂによつて検出点Ｇに生ずる電圧波形は
立ち上りの早い第１１図５５、第１０図g₁５３ｂ
の様な波形となり、検出レベルVthまで達し、検
出信号を発する。この結果、補正駆動パルス５２
ｂがコイル１４に印加される。

さて、電池電圧が低下して、電池電圧検出回路
３１の出力Ｑが“１”状態になつたとするとアン
ドゲート４６，４７，４８はパルスａ，ｄを遮断
し、パルスｄのみを通過させる。また、RS形フ
リツプフロツプ４３はリセツト信号のみ入力しセ
ツトされる事がないのでパルスｃもアンドゲート
４４を通過する事はできない。従つてＥ点の信号
は入力点Ｄから入力されるパルスｄだけのe₂の様
な固定的波形となり、従来の様な固定パルス幅駆
動となる。

以上で動作説明を終えるが、入力点Ｄに入力さ
れるパルスを第１１図d′の様な２秒を周期として
変化するパルスにすれば、この実施例は、そのま
ま電池寿命切れ警告回路となる。

この様に本発明によれば比較的簡単な回路の変
更で、電池寿命末期でのステツプモータの安定動
作、特に補正駆動式駆動電力自動制御方式での電
力浪費の防止が可能となりその効果は大きい。

なお、ここで取り上げた以外のステツプモータ
や、駆動電力自動制御手段の原理、構造であつて
も本発明は有効であり、ステツプモータの形式や
駆動電力自動制御手段の原理、構造等によつて本
発明は何ら制限されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アナログ形電子時計の表示機構の一
例、第２図は水晶発振式電子時計の回路構成、第
３図は従来のステツプモータの電流波形、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図はステツプモータの電流波形の一例、
第８図は本発明の実施例のブロツク図、第９図、
第１０図は、実施例の具体的構成例と、タイムチ
ヤート、第１１図は、実施例の抵抗端の電圧波形
の一例である。 １……ステータ、２，３，４，５……輪列、６
……ロータ、７……コイル、１０……水晶発振回
路、１１……分周回路、１２……パルス合成回
路、１３ａ，１３ｂ……駆動用インバータ、１４
……コイル、１５，１６……インバータ入力端
子、１７ａ，１７ｂ……可飽和磁路部、１８ａ，
１８ｂ……ノツチ部、１９ａ，１９ｂ，２０ａ，
２０ｂ，２１ａ，２１ｂ……磁束線、２２，２３
……電流波形、３０……駆動回路、３１……電池
電圧検出回路、３２……回転検出回路、３３……
Ｄ形フリツプフロツプ、３４，４９……オアゲー
ト、３５ａ，３５ｂ……ナンドゲート、３６ａ，
３７ａ……Ｐ形MOS FET、３６ｂ，３７ｂ，３
９……Ｎ形MOS FET、３８……抵抗、４０，４
１，４２，４５……インバータ、４３……RS形
フリツプフロツプ、４４，４６，４７，４８……
アンドゲート、５０ａ，５０ｂ……駆動パルス、
５１ａ，５１ｂ……検出パルス、５２ａ，５２ｂ
……補正駆動パルス、５３ａ，５３ｂ……検出端
電位、５４，５５……検出端電位、６０……制御
回路、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ステツプモータと、基準信号発生手段と、前
   記基準信号発生手段からの出力信号により通常駆
   動パルスや補正駆動パルスを含む複数のパルス信
   号を合成するパルス合成手段と、前記パルス合成
   手段の出力を選択して出力する制御回路と、前記
   制御回路の出力信号により前記ステツプモータを
   駆動する駆動回路と、前記ステツプモータの回
   転・非回転を検出して前記制御回路に信号を出力
   する回転検出回路と、電池電圧を検出して前記制
   御回路に信号を出力する電池電圧検出回路とを備
   え、前記制御回路は前記回転検出回路の動作を制
   御すると共に前記回転検出回路からの非回転を検
   出した信号により補正駆動パルスを選択出力する
   手段と、前記電池電圧検出回路の電池電圧の低下
   を検出した信号により前記回転検出回路の動作を
   禁示すると共に通常と異なる駆動パルスを選択し
   て出力する手段を有することを特徴とする電子時
   計。 ２ 前記通常と異なる駆動パルスは、通常駆動パ
   ルスに比べて実効電力値が大である特許請求の範
   囲第１項記載の電子時計。 ３ 前記通常と異なる駆動パルスは、通常駆動パ
   ルスと異なるタイミングで出力される特許請求の
   範囲第１項記載の電子時計。