JPS631022B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔利用分野〕 本発明は、時計に適する単相ステツプモータに
係り、特に、その正転・逆転の両方向に駆動可能
な駆動方法に関するものである。 〔先行技術〕 従来の単相ステツプモータの原理図を示す第１
ａ図において、直径方向にSN極を有する円筒状
永久磁石１はこのモータの回転子を成している。
固定子は、軟質強磁性体製の磁心３および磁極片
４ａ，４ｂと、付勢時に空隙に磁束を作る単一の
巻線２とから成つている。静止している時には、
回転子は第１ａ図に示すように、磁気抵抗が最小
となる位置、すなわち静止安定角θの位置とな
る。正パルスが巻線に与えられると、回転子は１
ステツプすなわち180゜回転する。次に負のパルス
が与えられると回転は同じ方向に次の１ステツプ
回転し、以下同様の動作となる。ここで述べた方
向を正転方向とする。 第１ｂ図は、モータを正転方向に進めさせる交
番極性の簡単なパルスを第１種類のパルス列とし
て時間の関数で示している。各パルスの継続時間
は、モータの設計により一般に４〜12ｍｓであ
る。 第１ｃ図は、回転子１に作用するトルクＣの値
を、第１ａ図に示すように計つた回転角αの関数
で表わした周知のグラフである。第１ｃ図におい
て、横座標は回転子の正転方向に一致させて＋α
がとられており、縦座標は回転子を正転方向に駆
動しようとするトルクを正の向きにとつている。
従つて、トルクの値が負であれば、それは回転子
を逆転方向に駆動する向きのトルクである。周知
のように、モータの回転子の受けるトルクは２つ
のトルクの成分からなつている。静トルクCaは、
磁石のみによるもので、回転子を保持するように
働く。一方動トルクCabは、磁石の磁束と、巻線
に電流を流した時に生ずる巻線の磁束との相互作
用によるものである。こうしたモータの構造にお
いては、これらのトルクCa，Cabは互いに約45゜
だけ位相がずれている。 モータの消勢時、すなわち、巻線２が付勢され
ていない時、回転子１には静トルクCaすなわち
保持トルクのみが働く。第１ｃ図を参照すると、
S₁の回転角（すなわちα＝０）にある回転子を＋
α側に少し回転させると、回転子に働く静止トル
クCaは負となるから回転子は−αへ向かわせら
れるトルクを受け、逆に、回転子を−α側に少し
回転させると静止トルクCaは正となるから回転
子は＋αへ向かわせられるトルクを受ける。従つ
て、S₁はその点から少しずれると元へ（S₁へ）戻
る方向のトルクを受ける平衡状態の安定点であ
る。同様にS₂′（α＝−180゜）、S′₂（α＝＋180゜）
も
平衡状態の安定点である。これに対し、I₁′（α＝
−90゜）およびI₁（α＝＋90゜）は、正確にその位置
に回転子があるときはトルクが働かないが、その
位置からずれると回転子にはそのずれが増大する
方向のトルクが働く平衡状態の不安定点である。
巻線に正パルスが与えられると、極４ａはＮ極、
極４ｂはＳ極（第１ａ図）となり、動トルクCab
が発生する。この動トルクCabにより、回転子は
正転方向に点S₁から点I₁に移動し、点I₁から点S₂
への残りの移動部分は点S₁からI₁へ回転する間に
蓄えられた運動及び電位エネルギーにより行なわ
れ、点S₁からS₂へ時計方向に180゜回転する。面A₁
はモータに供給される正転方向の有効エネルギー
を表わし、面A₂は逆転方向に働く保持乃至位置
エネルギー（摩擦損失によるエネルギーを付加す
る必要がある）を表わす。これら２つのエネルギ
ーは、反対極性なので、モータを１ステツプ進め
るにはA₁がA₂より大きくなければならない。従
来のステツプモータは以上のように動作する。 第２図は、供給パルスの極性を第１ｂ図に示す
ものとは反転した場合の動トルクを回転子の回転
角度の関数で表わしたもので、動トルクは極性が
逆になつて−Cabで示されている。第２図には、
その極性と大きさが磁石のみに依存しているので
変化していない静トルクCaも示されている。巻
線に与えられるパルスの大きさが等しいので、動
トルク−Cabは逆極性であるが、その大きさは
Cabに等しい。しかしこのような場合には、面
A′₁で表わされたモータを逆転させる向きのエネ
ルギーは、正転方向の保持エネルギーA′₂より小
さい。従つて、回転子は反対方向には回転できな
い。巻線に与えるパルスの大きさを増しトルク−
C′abを得れば、この反対方向への回転という目
的を達することができるが、これはモータの駆動
系を実現するのに非常に大きな不利を生む。なぜ
なら、パルスの大きさを増すことは、電源系を複
雑にし、特に電池を電源としかつ小形化をめざす
時計では著しい不都合となる。 以上に、永久磁石形の回転子と、単一の単相巻
線をもち、正転方向では逆転方向に比して回転子
の駆動が容易であるようにするため、上記単相巻
線の消勢時に回転子が静止安定角θにて静止する
ように構成された固定子とをもつ単相ステツプモ
ータに関して、図示の一例を参照して説明した。 このような単相ステツプモータを２方向に回転
させる新しい解決法が、本出願人の出願に係る特
開昭55−117497号に開示されている。この方法で
は、(a)所定の数学的関係を満すためには慣性モー
メントと回転子の極対の体積及び数に考慮を及ぼ
すことと、(b)又モータの巻線に交番極性の２つの
パルス列を与えることとにより、逆転方向に回転
子を駆動することが要旨となつている。そして逆
転させるには、第１パルスにより回転子は正転方
向に１ステツプより小さい角度だけ（第２図の点
I₁の少し手前まで）回転する。この第１パルスに
すぐ続いて第１パルスと反対極性の第２パルスが
与えられ、この第２パルスにより回転子は逆転方
向のトルクを受け逆転方向に点S₁から完全に１ス
テツプ分まで（点S′₂まで）回転する。 前記方法は、基本的には時針と分針とを有する
時計に、すなわち１分ごとに回転子が１ステツプ
だけ進むモータに適用するものである。しかしこ
うした回転子では、上記(a)の要請をみたすため重
量とか構成が複雑であるという不利を補つてなお
両方向への正確な動作を保証するためには、それ
だけ電流を多く流さねばならず、時計の通常動作
中でさえ電流消費量が増加するという欠点があ
る。従つて、この種のモータは、回転子が１秒ご
とにステツプするため秒針を有する時計にはあま
り適していない。さらに、この先行技術のもので
は、上記(b)の要請をみたすためにモータの巻線に
一組の混み入つた交番パルスを供給しなければな
らないので、パルス供給系を難しくしてしまう欠
点もある。 〔概要〕 従つて、本発明の目的は、両方向に回転可能
で、前記問題を解決したステツプモータの駆動方
法を提供することである。このステツプモータに
おいては、電流消費は一方向にのみ回転するモー
タの消費量を越えず、又、モータ巻線に簡単な種
類の交番パルスを供給することによつて、従来装
置では得られなかつた逆転方向へのより確実な回
転が可能となる。 本発明によれば、永久磁石形の回転子と、複数
の巻線部分に分割された単相巻線をもつ固定子に
して、前記回転子の正転方向ではその逆転方向に
比して前記回転子の駆動を容易にするため、前記
単相巻線の消勢時に前記回転子が予定の静止安定
角にて静止するように構成された固定子とを有す
る単相ステツプモータが用いられる。 そして、正転駆動時には、前記複数の巻線部分
を直列接続する過程と、正転方向の駆動トルクを
生じるようにして、前記回転子が所定の正転方向
角速度に至るまでの間、前記複数の巻線部分に電
圧を印加する過程と、その後ほぼ続いて前記複数
の巻線部分を短絡する過程とにより、正転方向の
１ステツプの歩進が行われる。 また、逆転駆動時には、前記複数の巻線部分を
並列接続する過程と、逆転方向の駆動トルクを生
じるようにして、前記回転子が所定の逆転方向角
速度に至るまでの間、前記複数の巻線部分に電圧
を印加する過程と、これに続く所定時間前記複数
の巻線部分を開回路状態におく過程と、その後前
記複数の巻線部分を短絡する過程とにより、逆転
方向の１ステツプの歩進が行われる。 〔実施例〕 以下、第３図〜第１２図を参照して本発明の実
施例を詳細に説明する。 第３図は、本発明によるモータの第１実施例で
ある。これは、第１ａ図とは異なりモータの固定
子の磁心３には、単相巻線となる２つの巻線部分
５，６が並んで配置されている。一例としては、
各巻線は7500巻回、１つの巻線の抵抗値は1900オ
ーム、インダタンスは1.63ヘンリーである。この
第１実施例は、巻線を並列に配置するかわりに、
重ねて配置してもよい。 第４図は、本発明によるモータの原理を示した
第２実施例である。第１ａ図のものと較べると、
この磁気回路は磁極片４ａ，４ｂ及びフレーム９
の他に、巻線部分５，６を有している２つの磁心
７，８を有している。 このような同じ磁気回路に２つの巻線部分を有
するものとしては、他にもいくつか実施例が考え
られる。本発明は、永久磁石形の回転子と、複数
の巻線部分に分割された単相巻線をもち、回転子
の駆動が正転方向では逆転方向よりも容易である
ようにするため、単相巻線の消勢時に回転子が予
定の静止安定角にて静止するように構成した固定
子とを有する単相ステツプモータを、使用するも
のである。 本発明は、モータを正転方向又は逆転方向のい
ずれに回転させるかによつて、複数の巻線部分を
直列又は並列に接続するようにして駆動する。正
転方向（直列接続）の場合、モータの電力消費量
は少なく、よつて時計の通常動作において用いら
れる。一方逆転方向（並列接続）の場合、モータ
の電力消費量は大きいので、時折左回りに時計の
針を回転する時に、たとえば時間をセツトする場
合や時間帯を変更する場合等に用いられる。 モータの作用について第５ａ図乃至第８ｂ図に
基づいて説明するに、これら４組の図面は、２つ
の正転方向の場合と、２つの逆転方向の場合とを
示している。 正転方向 第１表および第１１図に基づいて更に説明する
ように、正転駆動では、直列接続され巻線部分
５，６に第１ｂ図に示されるような正転方向のパ
ルスが与えられ、その後は次のパルスが与えられ
るまで巻線部分は短絡される。 ケース１（正転正常時、第５ａ図・第５ｂ図） モータには第１ｂ図に示すような簡単な交番パ
ルスが供給される。このパルスは正転用に例とし
て選択されたもので、効率を最大にすべくモータ
の動作を最適化するために10ｍｓの継続期間を有
する。第３図及び第４図に示すようなモータの巻
線部分５，６は、後述するスイツチシステム（第
１０図）により直列接続されている。巻線に関す
る値は、抵抗値Ｒ＝3800Ω、巻線数Ｗ＝15000、
インダクタンスＬ＝6.52Hである。１アンペア回
数当りの動トルクCabが3.2・10^-7Vs（ボルト秒）
のモータを用いるとすると、 （動トルク）／（アンペア回数）×（巻回数）＝3.2・1
0^-7×15000〔Vs〕＝4.8・10^-3〔Vs〕＝Cab／ｉ となる（ここで、これをトルク係数と呼ぶ。）。 第５ａ図は、巻線の電流ｉ、回転子の回転角α
および角速度ωを、正転方向の0.3μNｍの有効ト
ルクに対する時間の関数で表わしている。すなわ
ち、第５ａ図の横座標はミリ秒（ｍｓ）にとら
れ、その縦座標はマイクロアンペア（μA）、度
（゜）、ラジアン／秒（rad／ｓ）にとられてい
る。巻線の電流曲線ｉは、電流供給が10ｍｓの間
に行なわれ、その後この巻線が短絡されたことを
表わしている。この短絡は、１ステツプ終了時
に、モータに残つている運動成分を制動するため
である。回転角曲線αは、回転子が１ステツプ
（α＝＋180゜）回転し、約30ｍｓ後に（角速度曲
線ωはゼロに落ちているから）次の静止点で安定
することを示している。第５ｂ図は、角速度ω
を、回転子の回転角αの関数で、0.3μNｍの同様
の負荷状態に関して表わしたものである。この第
５ｂ図には、静トルクCaと、巻線が付勢されて
いる状態での動トルクCabとが、参考のために併
せて示されている。角速度曲線ωにはさらに時間
目盛（ｍｓ）が付され、この目盛によりその時々
の回転角αと、回転子の角速度ωとが得られる。
この第１のケースは時計の通常動作におけるもの
である。 ケース２（正転異常時、第６ａ図・第６ｂ図） 上記の後に、何らかのシヨツクにより回転子が
たまたま１ステツプ余分に歩進するようなことが
ないことは既に第２図において説明した。しか
し、ここでは、モータが負パルスを受けて、逆方
向に１ステツプ回転しようとした場合を考えてみ
る。第６ａ図と第６ｂ図はモータがこの負パルス
にどのように反応するかを示しており、結合され
た巻線部分の他の条件は前記ケース１で述べたの
と同様である。回転角曲線αと角速度曲線ωと
は、ある時間（０〜８ｍｓの間）においては回転
子が逆転方向に移動したが、結局出発点に戻り
（８〜18ｍｓの間に）、結局、位置及び運動エネル
ギーは、回転角がα＝−90゜の平衡状態の不安定
点を越すようには回転子を駆動することができな
かつたことを表わしている。次の正パルスは、モ
ータを、ケース１に関して述べた通常状態の動作
に戻し、正転方向へのモータの駆動を継続させ
る。 逆転方向 第２表および第１２図に基づいて更に説明する
ように、逆転駆動では、並列接続された巻線部分
５，６に第９図に示されるような逆転方向のパル
スが与えられ、そのパルスの終了から巻線部分は
一定の間（例えば10ｍｓ）開放状態に置かれた後
短絡される。 ケース３（逆転正常時、第７ａ図・第７ｂ図） モータには第９図に示す簡単な交番パルスが与
えられる。同様のモータでパルスの継続期間は
4.5ｍｓと仮定する。第３図及び第４図に示した
モータの巻線部分５，６は並列接続されていると
する。巻線に関する値は、抵抗値Ｒ＝950Ω、巻
回数Ｗ＝7500、インダクタンスＬ＝1.63Hであ
る。動トルクCab／アンペア回数の値が3.2・
10^-7Vsである場合、前に定義したトルク係数は
2.4・10^-3Vsに減少する。 第７ａ図は、巻線の電流ｉ、回転子の回転角α
および角速度ωを、逆転方向の0.2μNｍの有効ト
ルクに関する時間の関数で表わしている。巻線の
電流曲線ｉは、4.5ｍｓの間だけ電流供給が行な
われ、この後巻線は時間t₁まで開回路となつてい
ることを表わしている。これは、モータ巻線に誘
導される電流による制動を避けるためのものであ
る。時間t₁から次のモータパルスが来るまで、巻
線はケース１で述べたと同様の理由で短絡され
る。電流ｉは正転方向の時の電流よりかなり大き
い（1300μAのオーダー）ことに注目しなければ
ならない。しかし、逆転方向にはたまにしか回転
させる必要がないのでこの電流の増加による電池
寿命の短縮は問題にならない。回転角曲線αは回
転子が逆方向に１ステツプ（α＝−180゜）回転
し、約30ｍｓ後には角速度ωがゼロに落ちている
ことから回転子が次の安定点で安定したことを示
している。第７ｂ図は、モータ角速度ωを、負荷
0.2μNｍの同様の状態に関して回転子の回転角α
の関数で表わしたものである。この第７ｂ図に
も、静トルクCaと、巻線付勢時における動トル
クCabとが、参考のため併せて示されている。又
前記のケースと同様に、角速度曲線ωはさらに時
間目盛（ｍｓ）を有している。このケース３は、
時計をセツト乃至時間帯を変更する場合に針を戻
す時のものである。 ケース４（逆転異常時、第８ａ図・第８ｂ図） 回転子がシヨツクなどで１ステツプずれていた
場合には、第１ｂ図および第１ｃ図に示すような
正パルスの状態でモータが駆動されることになる
ので、このことを考えてみる。モータが正パルス
を受けると、モータは正転方向にステツプしよう
とする。第８ａ図及び第８ｂ図はモータがこの正
パルスに対してどのように反応するかを示してお
り、分割された巻線部分の接続その他の条件は前
記ケース３で述べたのと同様である。巻線は正転
方向の大きい電流パルスを受けることになり、高
角速度で、かつ１つのパルスに対して２つのステ
ツプ（α＝＋360゜）進む。次の負パルスでは、モ
ータは、ケース３に関して述べた逆転方向に動く
ような動作状態に戻つている。 これら第５ａ図乃至第８ｂ図に示したグラフ
は、本発明に基づいて２つの巻線部分から単相巻
線を構成したモータが両方向に確実に動作できる
ことを表わしている。本発明によれば、正転方向
には最小電流消費のモータ構成になつており、か
つ逆方向には並列接続した巻線部分に流れる電流
により高位置エネルギーを生むものである。また
回転子にシヨツクが与えられたり、負荷が突然に
増加しても、本発明装置は、正転駆動時誤つた方
向のパルスに対して正転方向にステツプすること
もないし、それとは逆に、誤つた方向のパルスに
応じて逆方向に２回ステツプすることもない。こ
れらの状態は本発明においては考えられない。 最後に、第１０図は、本発明によるモータの電
流供給回路図である。巻線部分５，６には電圧Ｕ
により電流が流れる。スイツチT₁〜T₄は第１ｂ
図又は第９図に示すような二極信号を発生する。
これらスイツチは、またモータ巻線を開路又は短
絡する。スイツチT₅〜T₇は、２つの巻線部分を
直列又は並列接続させる。正転方向か又は逆転方
向かにより、以下の表のような状態となる。

【表】

【表】 第１１図は、正転駆動の動作を説明するため
に、第１表を図示したもので、（T₁）〜（T₇）ス
イツチT₁〜T₇の開閉状態を示し、そのハイレベ
ル（「１」）は閉路を、ローレベル（「０」）は開路
を示している。 スイツチT₅は常時閉路し、スイツチT₆，T₇は
常時開路しているから、正転駆動時は巻線部分
５，６は直列接続の状態である。 第１１図のａには、巻線部分５，６の直列接続
体の両端間に印加されるパルスが示されている。
第１ｂ図と同様に、０〜10ｍsecではT₁とT₂の閉
路により＋Ｕの正パルスが、100〜110ｍsecはT₃
とT₄の閉路により−Ｕの負パルスが印加される。
このように回転子に正転方向の駆動トルクを生じ
るようにして、回転子に第５ａ図および第５ｂ図
に示されるような所定の正転方向角速度に至るま
での間、電圧が印加される。 第１１図のｂには、巻線部分５，６の直列接続
体の両端の開放、短絡の状態が示され、ハイレベ
ル（「１」）は短絡状態である。すなわち、10〜
100ｍsecおよび110〜200ｍsecではT₁とT₃の閉路
により短絡される。かくして、電圧印加後、巻線
部分は次のパルスが与えられるまで短絡される。
この短絡は回転子に制動力を与えるためのもので
ある。 ケース２の説明にて既述の通り、印加されるパ
ルスの極性が回転子に逆転方向のトルクを与える
ようなズレが生じていたとしても、回転子は逆転
方向に１ステツプ回転することはなく、もとの位
置に戻るから、結局そのズレたパルスは無視され
問題を生じない。 次に、第１２図は、逆転駆動の動作の説明のた
めに第２表を図示したもので、スイツチT₅は常
時開路しかつスイツチT₆，T₇は常時閉路してい
るから、巻線部分５，６は並列接続状態である。 第１２図ａから明らかなように、巻線部分５，
６の並列接続体には、第９図のように、０〜4.5
ｍsecでは−Ｕのパルスが、100〜104.5ｍsecでは
＋Ｕのパルスが印加される。すなわち、回転子に
逆転方向の駆動トルクを生じるようにして、回転
子に第7a図および第７ｂ図に示されるような所
定の逆転方向角速度に至るまでの間、電圧が印加
される。 第１２図のｂに示されるように、巻線部分５，
６の並列接続体の両端間は、4.5〜14.5ｍsec（およ
び104.5〜114.5ｍsec）では回転子の逆転方向回転
を自由に行わせるために開放状態にされ、14.5〜
100ｍsec（および114.5〜200ｍsec）では制動のた
めに短絡される。 印加されるパルスの極性にズレが生じた場合に
は、ケース４に関して説明した通りである。 実際には、前記のスイツチT₁〜T₇としては、
トランジスタを使用することが出来る。これらの
スイツチは時計の周波数分周器からの信号により
制御される。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来の単相ステツプモータを示し、
第１ｂ図はこのモータ用の供給信号を表わし、第
１ｃ図はトルクの値を正転方向に回転する回転子
の回転角の関数で表わし、第２図は供給パルスの
極性が第１ｂ図に示した極性とは逆の場合のトル
ク値を回転子の回転角の関数で表わし、第３図は
本発明によるモータの第１実施例を示し、第４図
は本発明によるモータの第２実施例を示し、第５
ａ図及び第５ｂ図は本発明により２つの巻線部分
が直列接続された場合の通常パルスに応じて正転
方向に回転するモータの動作特性を表わし、第６
ａ図及び第６ｂ図は本発明により２つの巻線部分
が直列接続された場合の通常パルスとは逆の逆方
向パルスに応ずる正転方向状態におけるモータの
動作特性を表わし、第７ａ図及び第７ｂ図は本発
明により２つの巻線部分が並列接続された場合の
通常パルスに応じて逆転方向に回転するモータの
動作特性を表わし、第８ａ図及び第８ｂ図は本発
明により２つの巻線部分が並列接続された場合の
通常パルスとは逆の逆方向パルスに応ずる逆転方
向状態におけるモータの動作特性を表わし、第９
図は逆転方向に回転させるモータ供給信号を表わ
し、第１０図は本発明によるモータの供給回路を
示し、第１１図は正転駆動を説明するための図で
あり、第１２図は逆転駆動を説明するための図で
ある。 １……永久磁石、２……単一の単相巻線、５，
６……巻線部分、３，７，８……磁心、４ａ，４
ｂ……磁極片、９……フレーム、Ca……静トル
ク、Cab……動トルク、α……回転角。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 永久磁石形の回転子と、複数の巻線部分に分
   割された単相巻線をもつ固定子にして、前記回転
   子の正転方向ではその逆転方向に比して前記回転
   子の駆動を容易にするため、前記単相巻線の消勢
   時に前記回転子が予定の静止安定角にて静止する
   ように構成された固定子とを有する単相ステツプ
   モータの駆動方法であつて； 正転駆動時には、前記複数の巻線部分を有列接
   続する過程と、正転方向の駆動トルクを生じるよ
   うにして、前記回転子が所定の正転方向角速度に
   至るまでの間、前記複数の巻線部分に電圧を印加
   する過程と、その後ほぼ続いて前記複数の巻線部
   分を短絡状態にする過程とにより； 逆転駆動時には、前記複数の巻線部分を並列接
   続する過程と、逆転方向の駆動トルクを生じるよ
   うにして、前記回転子が所定の逆転方向角速度に
   至るまでの間、前記複数の巻線部分に電圧を印加
   する過程と、これに続く所定時間前記複数の巻線
   部分を開回路状態におく過程と、その後前記複数
   の巻線部分を短絡状態にする過程とにより； それぞれ正転方向および逆転方向の１ステツプ
   の歩進を行わせることを特徴とする単相ステツプ
   モータの正転・逆転駆動方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   正転駆動時に前記巻線部分に印加される電圧と、
   逆転駆動時に前記巻線部分に印加される電圧とは
   実質的に等しいことを特徴とする方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記単相巻線は、２つの電気的にほぼ等価な巻線
   部分から成ることを特徴とする方法。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の方法において、
   前記単相巻線は、２つの電気的にほぼ等価な巻線
   部分からなることを特徴とする方法。 ５ 特許請求の範囲第１項〜第４項の何れか１項
   に記載の方法であつて、正転駆動時に前記複数の
   巻線部分に電圧を印加するのは４〜12ミリ秒の範
   囲であり、かつ、逆転駆動時において、前記複数
   の巻線部分に電圧を印加するのは２〜６ミリ秒の
   範囲にあるとともに、前記複数の巻線部分を開回
   路状態におくのは５〜18ミリ秒の範囲にあること
   を特徴とする方法。