JPS649597B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子時計用ステツプモータの動作安定
化のための改良に関する。

第１図はアナログ電子時計の一般的なブロツク
図である。発振回路１は水晶振動子等を原振とし
て時間基準となる高周波信号を発生する。分周回
路２は前記高周波信号を順次分周して以降の回路
の動作に必要な周波数を有する信号を作る。駆動
回路３はステツプモータ４を駆動するための駆動
パルスを作成出力する。ステツプモータ４は電気
機械変換器である。表示機構５はステツプモータ
４から出力される機械運動を減速、伝達、表示す
る。発振回路１、分周回路２、駆動回路３は電子
回路７として一片の集積回路上に構成されていて
電池６より電力を供給され動作する。

第２図はステツプモータ４と表示機構５の構成
を摸式的に示した図である。ステツプモータ４は
磁心８ａにワイヤ８ｂを数千ないし数万回巻いた
コイル８と、ステータ９と、径方向に２極に着磁
されたロータ１０とにより構成される。ステータ
９にはロータ１０の回転方向を定めるためにノツ
チ部９ａを有する。表示機構５は輪列１１と、指
針１２、さらに図示していないが、文字板や、カ
レンダ機構等により構成される。

第３図は従来のステツプモータの駆動波形の一
例である。ステツプモータ５は１秒毎に極性の反
転するパルス幅Ｒの駆動パルスによりロータ１０
を180度づつ一定方向に回転させる。

ところで、この様なステツプモータでは駆動電
圧が変動すると動作が不安定になる現象がある。

第４図はこの様子を示したもので横軸は駆動パ
ルス幅、縦軸は駆動電圧である。領域Ａは安定回
転の領域、領域Ｂは駆動不足で回転不能な領域、
領域ＣおよびC′は駆動パルス終了のタイミングが
悪く駆動後ロータが初期位置までもどつてきてし
まい非回転となる不安定動作領域である。

ＣとC′の領域でのステツプモータの動作を説明
する。

第５図Ａ，Ｂはロータの回転の様子を示した図
である。第５図Ａはステータ９が励磁されていな
い時のロータ１０の静止位置を示す。ステータ９
には最大磁気ポテンシヤル点となるノツチ部９ａ
があるためにロータ１０はステータ磁極を結ぶス
テータ磁極線１６に対して約45度傾むいて静止す
る。ステータ９が駆動パルスにより励磁されると
ロータ１０は矢印１７の方向に回転する。

第６図はロータ１０の回転を示すグラフであ
り、横軸は時間、縦軸はロータ回転角θである。
グラフ１３は時刻T₁まで駆動パルスを印加した
場合である。駆動パルス印加中はステータ磁極線
（θ＝180度）を中心に振動し、駆動パルス印加後
は初期静止位置から180度回転した位置（θ＝225
度、第５図Ｂの位置２０）まで移動する。

第５図Ｂは矢印１８はこの移動を示す。ところ
が駆動パルス遮断のタイミングが第６図T₂，T₃
で示す様なタイミング、即ちロータ１０がステー
タ磁極（θ＝180度）を通り過ぎてから逆転方向
に戻つてくる区間の中に入つた場合には、駆動パ
ルス遮断後ロータ１０の慣性によつて逆転方向に
回転し続け、初期位置まで戻つてしまい、結果的
に非回転となる。この様に駆動パルス遮断のタイ
ミングが、T₂，T₃のタイミングに重なる事は、
同一駆動電圧でパルス幅を変化させた場合にも起
こるし、また、パルス幅一定として駆動電圧を変
化させた場合にも起こる。

第４図でＣで示した領域は第６図T₂のタイミ
ングで駆動パルスを遮断した場合の非回転領域で
あり、C′はT₃のタイミングによるものである。

この様な不安定動作の発生する領域はステツプ
モータのコイル、ロータ、インデツクストルク等
の仕様によつて変化する。

このため従来はこの領域を避けるために設計上
の制約を受けていた。特にリチウム電池や、過酸
化銀電池、または充電装置を備えた二次電池の様
に初期的または恒久的に電圧変動がある電池を電
源とした場合には想定される電圧範囲内において
不安定動作領域を避けなければならない。

ただ単に動作電圧範囲を広くとりたいのであれ
ば駆動パルス幅を充分広く（第４図の例では約11
ｍsec以上）設定すれば良いが、その場合には消
費電流が極端に増加し、小型電池で長寿命を要求
される電子時計には適さない。

本発明は一定の出力トルクを確保しつつ高効率
で動作電圧範囲の広いモータを設計する上で大き
な障害となつてい前述の様な不安定動作領域を完
全に無くしてしまう駆動方法を提供する事を目的
としたものである。

本発明の基本的な特徴は、駆動パルス印加後に
一定時間、駆動パルスの10％ないし70％の実効電
力で駆動中間電力励磁パルスを出力し、その後無
励磁状態にする事により、駆動パルス印加後のロ
ータの運動を安定化させる事である。ステツプモ
ータの動作を磁気ポテンシヤルを用いて説明す
る。

第７図はロータの回転角θと磁気ポテンシヤル
エネルギを示すグラフでコイル電流が０の状態21
から電流波形のピーク電流によつて励磁されてい
る状態２９までの種々の電流によつて励磁されて
いる状態の磁気ポテンシヤルエネルギ曲線を示
す。

第８図は前述の不安定動作時のコイル電流波形
であり、区間３０は駆動パルス印加中の電流波形
であり、区間３１は駆動パルス印加後に形成され
るコイルを含む閉ループに流れる電流である。
（電源からの電力消費となるのは区間３０の駆動
パルス印加中の電流だけである。） 駆動パルスが印加されコイルに励磁電流が流
れ、ある時点では電流値によつて磁気ポテンシヤ
ル曲線が唯一与えられ、その磁気ポテンシヤル曲
線とその時点でのロータ回転角によつてロータに
加わる力が決定される。第８図の例で駆動パルス
が遮断される時点ではロータは回転角が270度位
から180度の方向に回転している途中であり、そ
の時の磁気ポテンシヤル曲線は２６ないし２８の
様に傾斜が大きく、従つてロータは大きな逆転方
向の回転力を得ている。

そして駆動パルス遮断後は電流値が急激に減衰
してしまい、従つて磁気ポテンシヤル曲線は２１
ないし２３の比較的起伏の小さいものとなり、ロ
ータは慣性力によつて回転角135度付近に生じて
いる磁気ポテンシヤルの最大点を越えて初期位置
まで戻つてしまう。以上が不安定動作時のステツ
プモータの動作の説明である。

本発明では駆動パルス遮断後の一定区間３１に
於いてピーク電流値より低い電流値を持続させる
事により第７図の２３ないし２７の磁気ポテンシ
ヤルを維持する。この区間を中間電力励磁状態と
呼び、この状態ときにステツプモータに印加され
る信号を中間電力励磁パルスと呼ぶ。この区間に
ロータの運動は減衰し、次に駆動パルスを完全に
遮断し、無励磁状態とした時には、ロータは回転
角約225度の安定位置まで回転し静止する。

さて上記の中間電力励磁パルスを作る手段は
種々考えられる。一例として、この区間だけいく
つかのゲート素子を介してコイルにインピーダン
ス素子を接続する方法。何らかの手段により高低
二段階の電圧を発生させ、駆動時（励磁状態）は
高電圧の中間電力励磁状態では低電圧の駆動パル
スを印加する方法（第９図）等が考えられるが、
以下に説明する断続パルスを印加する方法が構造
上簡単で、確実であり、無駄な電力損失もなく有
利である。

第１０図はＡ，Ｂ，Ｃ本発明による駆動電圧波
形の一例である。第９図、第１０図Ａ，Ｂ，Ｃに
於いて区間Ｅは駆動パルス印加区間（励磁状態）
区間Ｆは中間電力励磁区間（状態）、それ以外の
区間は無励磁状態である。第１０図Ａ，Ｂ，Ｃは
中間電力励磁区間Ｆでの中間電力励磁パルスパル
断続のデユーテー比や、区間の長さの種々の例を
示す。中間電力励磁区間Ｆの長さや、断続の周
期、デユーテー比は個々のステツプモータの仕
様、公差範囲、動作電圧範囲等によつて最適に決
定する事ができる。

第１１図は、第１０図Ａの駆動パルス波形をス
テツプモータに印加した時のコイル電流波形の例
である。駆動パルス幅は6.8ｍsec、中間電力励磁
パルスは周期0.99ｍsec、デユーテイ比１：３の
４パルスである。コイルのインダグタンスにより
駆動パルスが断続されてもコイル電流はある程度
平均化され、ステツプモータは中間電力励磁状態
となる。また電池からの電力を要するのは駆動パ
ルスが印加されている部分だけであるので中間電
力励磁区間で消費される電力は非常に少なくする
事ができる。

以上で本発明の概略説明を終え、次に本発明を
固定パルス駆動方式と、近年一般化しつつある補
正駆動方式に応用した実施例を図面に従つて詳細
に説明する。

第１２図、第１３図は１秒運針の電子時計に本
発明を適用した第１の実施例の回路図およびタイ
ミング図である。

発振回路１は水晶振動子を用いて32768Hzの基
準信号を発生する。分周回路２は前記基準信号を
順次分周して16384HzのQ₁、8192HzのQ₂、から１
HzのQ₁₅までの信号を発生させる。駆動パルス合
成回路５４は信号Ｑ６、Ｑ７を入力とするオアゲ
ート３３と、オアゲート３３の出力と信号Ｑ８を
入力するオアゲート３５と、オアゲート３５の出
力と信号Ｑ９を入力とするアンドゲート３７から
成る。中間電力励磁パルス合成回路５５は信号
４，５を入力とするオアゲート３４と、駆動パ
ルス合成回路５４のオアゲート３３の出力と信号
Ｑ８を入力とするアンドゲート３６と、アンドゲ
ート３６の出力と信号Ｑ９を入力するオアゲート
３８と、オアゲート３４と３８の出力を入力とす
るアンドゲート３９から成り、駆動パルス出力回
路５６は信号Ｑ１０〜１５を入力とするアンドゲ
ート３２と、駆動パルス合成回路５４のアンドゲ
ート３７の出力と中間電力励磁パルス合成回路５
５のアンドゲート３９の出力を入力とするオアゲ
ート４０と、アンドゲート３２とオアゲート４０
の出力を入力とするアンドゲート４１から成り、
駆動回路５７は駆動パルス合成回路５４のアンド
ゲート３２の出力をクロツクとしその出力をデ
ータ端子に入力するＤ形フリツプフロツプ４２
と、駆動パルス出力回路５４のアンドゲート４１
の出力とＤ形フリツプフロツプ４２のＱ出力を入
力とするナンドゲート４３と、駆動パルス出力回
路５４のアンドゲート４１の出力とＤ形フリツプ
フロツプ４２の出力を入力とするナンドゲート
４７と、ナンドゲート４３の出力を入力するバツ
フア用インバータ４５と、ナンドゲート４７の出
力を入力する同じくバツフア用インバータ４６か
ら成り、ステツプモータ４は駆動回路５７のイン
バータ４５，４６の出力をコイルに入力してい
る。

次にこの回路の動作を説明する。ゲート３２は
１Hzから32Hzまでの信号Q₁₅，Q₁₄，Q₁₃，Q₁₂，
Q₁₁，Q₁₀を入力し、その論理積をとる。

その出力信号は第１３図４７に示すように１秒
を周期したパルス幅15.6ｍの信号となる。ゲート
３３と３５は128Hz256Hz512Hzの信号Q₈，Q₇，Q₆
の論理和ととり、さらにゲート３７により64Hz信
号Q₉と論理積がとられる。この結果ゲート３７
の出力信号４８は第１３図４８に示すような周期
15.6ｍ秒、パルス幅6.8ｍ秒の信号となる。同様
にゲート３８の出力信号４９は周期15.6ｍ秒パル
ス幅10.7ｍ秒のパルス信号となる。またゲート３
４には1024Hzと2048Hzの否定信号₄，₄が入力
され論理和をとる。この出力信号は第１３図５０
に示すような周期0.98ｍ秒、パルス幅0.24ｍ秒の
信号となる。さらに、これらの信号４７，４８，
４９，５０はゲート３９，４０，４１により合成
され、第１３図５１に示すうな１秒周期の信号と
なる。フリツプフロツプ４２は１秒信号４７によ
つて毎秒、出力Ｑ，を反転する。従つて信号５
１はゲート４３と４５、ゲート４４と４６に交互
に振り分けられステツプモータ４のコイル出力端
子５２，５３には第１３図５２，５３の様に交互
に駆動パルスが出力される。

この結果、ステツプモータ４のコイルには第１
０図Ａに示すような交互に極性の反転する駆動パ
ルス波形が印加され、前述の様な励磁状態、中間
電力励磁状態、無励磁状態を有する事による本発
明の効果を発揮する。

次に第２の実施例として、近年一般化しつつあ
るいわゆる補正駆動方式に本発明を適用した例に
ついて説明する。

第１４図Ａ，Ｂの駆動電圧波形によつて従来の
補正駆動方式の動作を簡単に説明する。

第１４図Ａの例では先づ通常駆動パルスＰ１ス
テツプモータを駆動し、その後の区間の間で何ら
かの手段によりロータの回転検出を行う。その結
果ロータが非回転と判定された場合には補正駆動
パルスＰ２で再駆動し、回転と伴定された場合に
は補正駆動は行なわない。

以上の動作を毎秒くり返す。通常パルスＰ１の
パルス幅は補正駆動パルスＰ２のパルス幅よりも
短かく設定されていて、低出力トルク、低消費電
力であるが、実動作中はほとんどの場合、通常駆
動パルスＰ１のみで回転可能であるので、ステツ
プモータとしての最大出力トルクは補正駆動パル
スＰ２で確保しつつ低消費電力化が可能となる。
ロータの回転検出回路も、全体の具体的手段につ
いては特開昭53−114467、特開昭54−75520等を
参照されたい。

第１４図Ｂは補正駆動方式の他の例である。所
定の区間（ｎ秒間）は回転、非回転にかかわら
ず、通常駆動パルスＰ１だけ毎秒駆動し、ｎ秒後
に表示機構内に設けられたスイツチ機構により、
表示機構が所定の回数運針をしたか否かを検出
し、運針回数が足りなかつた場合には、比較的高
い周波数の補正駆動パルスＰ２によつて速やかに
補正駆動を行い、表示時刻を正規の時刻に修正す
る。

さて、本発明は上記いずれの場合にも適用可能
である。

その場合、通常駆動パルスＰ１と補正駆動パル
スＰ２のいずれか、または両方に中間電力励磁パ
ルスが出力される中間電力励磁区間を設ける事が
考えられるが、一般に通常駆動パルスは低出力で
あり最低動作電圧が高いので本発明により除去し
ようとしている不安定動作領域に対する余裕は大
きく本発明適用による効果は小さい。一方補正駆
動パルスは消費電流が多くならない範囲内で、で
きるだけ駆動パルス幅を長く設定し出力トルクが
大きくなるように設計したいので、本発明の適用
によつて不安定動作領域が除去される事は多大な
効果を発揮する。

第１５図は上記の理由によつて補正駆動パルス
Ｐ２にのみ本発明を適用した補正駆動方式による
駆動パルス波形の一例である。動作は第１４図Ａ
で説明した補正駆動方式とほとんど同じであるが
補正駆動パルスＰ２に中間電力励磁区間Ｆが付加
される点だけが異る。

第１６図は本発明第３の実施例である。

この例では従来の開放出力電圧1.57V程度の酸
化銀電池用に設計されたステツプモータをそのま
まより高電圧を発生する電源下で作動させるため
に駆動パルスを断続して印加している。これによ
り平均駆動電力は減少し、ステツプモータは
1.57Vで駆動された場合と同じ動作をする。

この断続駆動の区間が第１６図で示すＥの区間
であり、本明細書で定義されている励磁状態にあ
たる。この様な駆動方式に本発明を適用するには
第１６図でＦで示すように区間Ｅに比べてよりド
デユーテイ比の小さい断続パルスを中間電力励磁
パルスとして与えれば良い。

以上で実施例の説明を終える。この様に本発明
によれば比較的簡単な手段で、従来ステツプモー
タ設計上の障害となつていた。不安定動作を除去
する事が可能となり、設計の自由度を増す事がで
きるので、ステツプモータの小型、薄型化や、ロ
ーコスト化、高効率化を行う上で、効果は絶大で
ある。

なお、実施例では１秒運針の電子時計を例に説
明を行つたが他の運針周期を有する電子時計でも
全く同様の効果を有する事は言うまでもない。

特に、固定駆動パルス方式では１秒より長い運
針周期（例えば10秒運針）の方が中間電力励磁区
間を設ける事による消費電力増加の電池寿命に対
する影響が少ないので本発明適用の効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子時計のブロツク図、第２図はステ
ツプモータと表示機構の模式図、第３図は従来の
ステツプモータ駆動パルス波形、第４図は従来の
ステツプモータの動作領域図、第５図Ａ，Ｂ、第
６図はロータの回転の様子を示す説明図、第７図
はステツプモータの磁気ポテンシヤルエネルギー
図、第８図は従来の駆動方式による電流波形、第
９図、第１０図Ａ，Ｂ，Ｃ、は本発明による駆動
パルス波形、第１１図は本発明の駆動方式による
電流波形の一例、第１２図、第１３図は本発明に
よる第１の実施例駆動回路の回路図およびタイミ
ングチヤート、第１４図Ａ，Ｂは従来の補正駆動
方式の駆動パルス波形、第１５図は本発明を補正
駆動方式に適用した第２の実施例の駆動パルス波
形、第１６図は本発明を断続駆動方式に適用した
第３の実施例の駆動パルス波形である。 １……発振回路、２……分周回路、３……ステ
ツプモータ駆動回路、４……ステツプモータ、５
……表示機構、６……電池、７……電子回路、８
……コイル、９……ステータ、１０……ロータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発振回路と、前記発振回路の信号を入力して
   異なる周期の複数のパルス信号を出力する分周回
   路と、磁気的安定点が２つあるステータと、２極
   の永久磁石のロータとコイルから成るステツプモ
   ータと、前記分周回路のパルス信号を入力して前
   記ステツプモータのロータが最大磁気ポテンシヤ
   ル点を越えるように前記ステツプモータを回転駆
   動する駆動パルスを合成出力する駆動パルス合成
   回路と、前記分周回路のパルス信号を入力して前
   記駆動パルスよりも小さい実効電力値を有する中
   間電力励磁パルスを合成出力する中間電力励磁パ
   ルス合成回路と、前記駆動パルスと中間電力励磁
   パルスを入力し前記駆動パルスを出力するととも
   に、前記駆動パルス出力により前記ステツプモー
   タのロータが最大磁気ポテンシヤル点を越えた後
   に前記中間電力励磁パルスを出力する駆動パルス
   出力回路と、前記駆動パルス出力回路の出力を入
   力し前記ステツプモータのコイルに前記駆動パル
   ス及び中間電力励磁パルスを出力して前記ロータ
   を回転させる駆動回路を備えたことを特徴とする
   電子時計。