JPS6056400B2 - 時計用パルスモ−タ−の駆動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 時計用として使用されている定方向回路パルスモータは
永久磁石回転子、固定子、及び駆動コイルからなり、固
定子の磁極間中心より一定角度に静止安定点をもち、パ
ルス巾の短かい交互パルスにより駆動され、−ステップ
づつ回転して次の静止安定点に移動する。

この静止安定点は回転子磁極と、固定子間の位置エネル
ギーが最小となる点であり、駆動パルスが印加されない
時に永久磁石回転子が安定に停止している永久磁石回転
子の磁極中心位置を示し、固定子の外周、内周形状、固
定子と回転子間のギャップ等により定まり、狭い範囲で
はあるが内周形状例えば切溝の位置等によつて任意の位
置に設定することができる。また、秒針、分針、時針等
の指針の修正に用いられる正逆転可能なパルスモーター
も数種提案されているが、いずれも２個の駆動コイル、
３〜４個の固定子を使用しなければならず体積的に大き
く厚くなり、駆動には４相パルスを必要とし、回路も複
雑となり、実現性に乏しいものてある。また回転方向は
パルス相の印加順序を変えることて制御されるため誤動
作によつて、回転子磁極とパルス相の対応関係がくずれ
ると回転方向が変つてしまうという欠点がある。本発明
は永久磁石回転子、固定子、駆動コイルより構成された
少なくとも１つの静止安定点を有するパルスモーターに
於て、該静止安定点を電磁的に任意の位置に移動させる
ことを目的とする。

本発明はまた、永久磁石回転子、固定子、駆動コイルよ
り構成された、少なくとも１つの静止安Ｊ定点を有する
定方向回転パルスモーターに於て、静止安定点を電磁的
に移動させた後逆転駆動パルスを印加することにより逆
方向回転を可能とすることを目的とする。以下実施例に
ついて説明する。

； 第１図は従来の定方向回転パルスモーターの一実施
例で、１０１は回転子、１０２、１０３は固定子、１０
４は駆動コイルで、固定子内周に切溝を設けることによ
り、静止安定点１０７，１０８を設定している。

固定子１０２，１０３の磁極中心１１５，１１６と静止
安定点１０７，１０８とのなす角を静止安定角αとする
と、後述する如く、αが小さいときに異なる極性の交互
駆動パルスにより駆動される永久磁石回転子と駆動パル
スの位相が回路上のトラブルによつて正転時と逆になる
と大きな逆方向駆動力を受け逆転する。この異なる極性
の駆動パルスにより逆転する限界の磁極中心１１５，１
１６からの角度を可逆回転角βとすると、時計用モータ
ーとしては、永久磁石回転子と駆動パルスの位相のずれ
によつても常に正方向回転を維持する必要から、静止安
定角αは可逆回転角βより大きく設定してある。一般に
静止安定角αは切溝位置によつて設定できる。例えば第
１図に於て２つの切溝１０５，１０６を結ふ直線とほＳ
゛直交する直線上に回転子の２つの磁極中心Ｎ，Ｓがき
たときが、固定子と回転子磁石の相互の引きトルクＴ（
θ）が最小となり、静止安定点１０７，１０８となる。
従つて２つの切溝を結ふ直線を回転子中心を中心として
幾分回転させ、すなわち切溝１０５，１０６がそれぞれ
磁極中心１１５，１１６に近づくように切溝１０５，１
０６の位置を決めれば、静止安定角αは可逆回転角βよ
り大きく設定できる。このようにして静止安定角αを可
逆回転角βより大きく設定してある。

可逆回転角βは設計的要因すなわち相対する固定子磁極
の間隔、固定子内径と永久磁石回転子外径との隙間など
によつて決定される。第２図は本発明によるパルスモー
ターの一実施例て１は正方向回転時を示し、第１図と同
じく２０１は回転子、２０２，２０３は固定子、２０４
は駆動コイルて固定子内周に切溝を設けることにより、
静止安定点２１１，２１２を設定してい．”る。

第２図のパルスモーターは第１図の従来の定方向回転モ
ーターとモーター本体は同じであり、この場合も静止安
定角αは可逆回転角βより大に設定して、定常時の永久
磁石回転子と駆動パルスの位相のすれによる逆転を防止
している。このパ・ルスモーターを逆転させるには、静
止安定角αが可逆回転角βより小さくなるように回転子
を幾分回転させるような初期動作を付与した後に逆転用
駆動パルスを印加してやればよい。ここで第２図２の如
く正方向駆動すなわち、駆動コイル２０４に固定子２０
２を弱いＳ極、固定子２０３を弱いＮ極となる様に微少
な励磁電流を流すと、永久磁石回転子は時計方向に弱い
回転力を受け、回転子と固定子との問の引きトルクとつ
り合つた点まで角度γだけ正方向へ移動し第２図２の如
く平衡点２１８となる。この移動角γ〉α−βであれば
、実質的に静止安定点２１１が可逆回転位置２１３を越
えて、正逆両方向回転可能な領域に移動した・ことにな
り、次いで逆転駆動パルスを印加することにより逆回転
が可能となる。第３図は第２図のパルスモーターの正回
転の状態の説明図、第４図は逆回転の状態の説明図を示
す。

第５図は本発明のパルスモーターを用いた水晶時計の主
要構成図て、５０１は水晶発振回路、５０２は分周回路
、５０３は波形変換回路、５０４は駆動回路、５０５は
駆動コイル、５０６はスイッチＳである。

第６図は波形変換回路、駆動回路の一実施例てあり、第
７図は各部の波形図、第８図は正転時の回転角に対する
トルク曲線で、Ｐ１は駆動力、Ｔ１は回転子と固定子間
の引力による保持力を示す。

第９図は逆転時の回転角に対するトルク曲線でＰ２は駆
動力、Ｐ３，Ｐ４は、静止安定点を移動させるための弱
い励磁電流による引きトルクＴ２は保持力を示す。電子
時計に用いられるパルスモーターの運動方程式は、近似
的にここに で表わせる。

但しＪ：回転子の慣性モーメント μ：流体抵抗係数 Ａ（θ）：トルク係数又は電気機械結合係数Ｔ（０）
：固定子と回転子磁石相互の引きトルク（保持力）θ：
回転角 １（ｔ）：駆動電流 Ｌ：駆動コイルのインダクタンス Ｅ：印加電圧 Ｐ：駆動トルク α：Ｔの固定子スリット巾中心に対する初期位相角でα
は正転時、−αは逆転時を示す。

ρ（θ）：負荷 てある。

第２図のパルスモーターに於て、正転の場合、第２図１
の状態て回転子２０１は静止安定角αで静止安定点２１
１，２１２に静止している。

静止安定点２１１は第８図の正転時のトルク曲線のＲに
対応している。第（１）式でみるように、負荷ρ（θ）
が零てあれはモータの回転子に実質的に作用する駆動ト
ルクは駆動電流に基づく発生駆動トルクＰと、引きトル
クＴ（θ）との差又は和のトルクである。

第８図の正転時の回転角に対するトルク曲線図の駆動ト
ルク曲線Ｐ１で示すように、静止安定点２１１が磁極間
中心２１５に近づく程、言いかえると、静止安定角αが
小さい程、初期駆動力ＱＲは大きくなる。従つて、静止
安定角αが小さい時に回路上のトラブルによつて正転時
とは逆極性の駆動パルスが駆動コイルに印加され、例え
ば第１図の状態で固定子１０３がＳ極、１０２がＮ極と
なるように駆動コイルが励磁されると、駆動トルクは回
転子１０１を反時計方向へ回転させようとする力となり
、初期駆動力ＱＲが大であるから、引きトルクＴ１に打
勝つて逆転してしまう。静止安定角αが大きいときは初
期駆動力ＱＲは小さくなり、しかも反時計方向の回転角
に対して駆動力は急激に減少するため、引きトルクＴ１
の方が大きくなり、これに打勝つて逆転することはでき
ない。時計用ステップモータは逆転する限界の可逆回転
角βより大きく静止安定角を設定してあり、正常の使用
状態で逆転することを防止している。このパルスモータ
ーを時針、分針、秒針の修正をするために逆転させるに
は何等かの手段によつて逆転駆動パルス印加時に静止安
定角αを可逆回転角βより小さく設定してやればよい。
第９図の逆転時の駆動トルク曲線図で示すように、第２
図２の駆動コイル２０４に正方向駆動となるように微少
な励磁電流を流すと回転子は弱い正方向回転力を受け、
この駆動トルクＰ３と引きトルクＴ２のつり合つた平衡
点２１８（グラフ上のＶ点）で静止する。この移動角度
γ〉α−βてあれば、実質的に静止安定点２１１が可逆
回転位置２１３を越えて、正逆両方向回転可能な領域に
移動したことになり、次いで逆転駆動パルスを印加する
ことにより逆転が可能となる。即ち、回転子が前記■点
にある時に弱励磁したパルスと逆極性の駆動パルスを印
加すると初期駆動力Ｕ■が大であるから逆転が可能とな
る。

この時引きトルク曲線Ｔ２の大きさはＶ″１，■である
がこれも補助的に逆回転力となる。即ち、発生駆動トル
クと引きトルクの和が初期駆動トルクとなり確実に逆転
が可能となる。第２図で安定点２１８，２１９を固定子
２０２側に設定したのは逆転時のモータ駆動トルクを向
上するためである。正常回転時は駆動コイル２０４には
極性の異なる交互パルスφ１，φ２が第６図に示す回路
で印加される。第６図において、波形変換回路５０３は
ＦＦ６Ｏｌ，６Ｏ７，６Ｏ２，６Ｏ８，６ｌＯ、ＮＡＮ
Ｄゲート６０３，６０４，６０５，６０６、０Ｒゲート
６０９，６１３，６１４、ＡＮＤゲート６１１，６１２
及びスイッチＳ５Ｏ６て構成され、駆動回路は、Ｐ−０
ｈＭ０Ｓトランジスター６１５，６１６，６１７，６１
８、Ｎ−ＣｈＭＯＳトランジスター６１９，６２０で構
成されており、Ｐ一ＪｃｈＭＯＳトランジスター６１７
と、Ｎ−ＣｈＭＯＳトランジスター６１８は比較的高い
出力抵抗値に設定してある。

５０５は駆動コイルてある。

定常時はスイッチＳは電源の高電位側に接地されており
、ＦＦ６ｌＯ出力はＯ（５なつており、φ０，？弓はＡ
ＮＤゲート６１１，６１２を通過し得ないため、駆動回
路にはＩｌ，ｂ２のみが印加されている。最初にφ１パ
ルスが駆動コイル２０４に印加され固定子２０２がＳ極
、２０３がＮ極に励磁され、回転子２０１のＮ極は固定
子２０３のＮ極で反発、２０３のＳ極て吸引、回転子の
Ｓ極は２０３のＮ極で吸引、２０２のＳ極て反発され、
正方向（時計方向）に回転力を受け第３図１の如くに回
転する。回転子は保持力Ｔ（θ）＝０の位置３０７、第
８図のｘ点まで静止位置から約９０置一般には１ステッ
プの回転角度の半分まで回転させれは、それ以後はＴ（
０）が正となり、保持力によつて次の安定点３１２、第
８図のＺ点に引込まれる。駆動パルス巾の下限は回転子
がｘ点に到達する以前に切れても回転子が負の保持力に
打勝つてＸ点に到達しうるだけの運動エネルギーを与え
ることができれば回転は可能であるが、負荷トルクの影
響を考えて設定するのがよい。パルス巾の上限を考えて
みると、駆動力Ｐ１と保持力Ｔ１の和が零の位置Ｗに達
するが、ここで駆動パルスが切れても、Ｔ１が正である
から回転子は正方向回転力を受け次の安定点Ｚに向おう
とするため特に長さの制限はないが消費電流を少なくす
るため１６ミ１Ｊｓｅｃ以下が適当である。回転子は第
３図２の如く１８０ 子のＮ極が静止安定点３１２、第８図のＺ点に達してあ
る程度減衰振動して停止する。

これは運動方程式（１）の左辺の第２項の係数μ（流体
抵抗係数）が比較的小さいためであるが、μをある程度
大きくすれば臨界制動も可能である。第３図２の状態で
φ２パルスが駆動コイルに印加されると、固定子３０２
はＮ極、３０３はＳ極に励磁され、回転子３０１のＮ極
は固定子３０２のＮ極て反発３０３のＳ極て吸引、回転
子３０１のＳ極は固定子３０２のＮ極て吸引、３０３の
Ｓ，極で反発され、正方向回転力を受け１８００回転し
、第２図１の状態にもどる。

以後交互パルスにより同じ状態をくり返して正方向に回
転を続ける。

次に駆動回路についてみると第６図においてり．ユーズ
等の外部操作部材に連動したスイッチＳ５Ｏ６は電源の
高電位側に接地されており、ＦＦ６Ｏ８の出力端子ａは
常にＯであり、ＮＡＮＤゲート６０４，６０５の出力端
子Ｄ，ｅは１であるため、入力信号φ１，φ２はＮＡＮ
Ｄゲート６０３，６０６を介して駆動回路５０４に印加
される。

信号が印加されないときは、駆動回路のＭＯｓトランジ
スタのゲート入力は１となつており、Ｎ−ＣｈＭＯＳト
ランジスタ６１９，６２０がオンとなつており、駆動コ
イル５０５の両端６２１，６２２は零レベルである。い
まｂ１が印加されると、Ｐ一ＣｈＭＯＳトランジスタ６
１５がオン、ｉ１はまた０Ｒゲート６１３を介してＰ−
ＣｈＭＯＳトランジスタ６１７、Ｎ−ＣｈＭＯＳトラン
ジスタ６１９の共通人力ゲートに印加されて、トランジ
スタ（以後Ｔｒとする）６１７→オンＴｒ６ｌ９→オフ
とする。但しＴｒ６ｌ７、Ｔｒ６ｌ．，８の出力抵抗は
高めに、少なくとも駆動コイルの直流抵抗以上に設定し
てあるため、駆動電流は主に、Ｔｒ６ｌ５→６２１→駆
動コイル→６２２→Ｔｒ６２Ｏの径路を流れる。Ｂ２が
印加されたときも同様にして、Ｔｒ６ｌ６、６１８がオ
ン、Ｔｒ６２Ｏがオフとなり、駆動電流は主に、Ｔｒ６
ｌ６→６２２→駆動ｌコイル→６２１の径路を流れる。
駆動コイルには２相交互パルス電流が流れて、パルスモ
ーターは正方向に回転している。逆回転の例として、第
２図１の状態を考えると、これはパルスφ２の印加によ
り第３図２の状態から１ステップ回転して静止している
状態である。

このとき第７図のｔ＝ちでスイッチＳ５Ｏ６に連動した
りユーズ等の外部操作部材を操作して、スイッチＳを低
電位側にたおせばＳ＝０となり、ＦＦ６Ｏ８の出力端子
ａ＝１となる。ＦＦ６Ｏ７の出力端子ｂはｔ＝ｔ１以前
に印加されたφ２パルス７０１のＮＡＮＤゲート６０６
出力端子ｇの出力了２によつてｂ＝１となつているため
ＮＡＮＤゲート６０４の出力端子ｄ＝０となり、次のφ
１パルス７０２はＮＡＮＤゲート６０３によつて阻止さ
れる。一方、ＦＦ６ｌＯ出力ｈ＝１となり、φ０，Ｉ０
はＡＮＤゲート６１１，６１２を通過可能となり、０Ｒ
ゲート６１３，６１４を介して駆動回路に印加される。

φｏがＴｒ６ｌ７，６ｌ９の共通ゲートに印加されると
、Ｔｒ６ｌ７→オンＴｒ６ｌ９→オフとなり、第７図７
０４の如く微少電圧が駆動コイルに印加され、第２図１
の固定子２０３はＮ極、２０２はＳ極に微弱に励磁され
る。回転子は正方向にいく分回転し、第９図の弱い励磁
電流による引きトルクＰ３と、保持力Ｔ２の和が０の位
置Ｖ（ＶＯ■＝■■２）第２図２の２１８で平衡して静
止安定する。一方ＦＦ６Ｏ７の他の出力端子Ｃ＝０とな
つているためＮ，ＡＮＤゲートの６０５の出力端子ｅ＝
１であり、φ２はＮＡＮＤゲート６０６を通過して出力
端子ｇにはＢ２パルス７０３が現れる。

このＢ２によつて、ＦＦ６Ｏ８の出力端子ａ＝０にリセ
ットされ、以後φ１は通過可能となる。したがつて第２
図２の状態でＩ２パルスが駆動回路に印加され第４図１
の如く固定子４０３がＳ極、固定子４０２がＮ極となり
回転子４０１のＮ極は固定子４０２のＮ極により反発、
固定子４０３のＳ極により吸引、回転子４０１のＳ極は
固定子４０２のＮ極により吸引、固定子４０３のＳ極に
より反発され、左方向（反時計方向）回転力を受け、逆
転する。

駆動力は第４図１の４１０、第９図のＹ″点で零となる
が、この点では回転子は負の保持力に打勝つ充分な運動
エネルギーをもつているため、容易にＹ″点から、保持
力Ｔ＝０の点ｘ″に到達し、回転子自身の運動エネルギ
ーと正の保持力とによつて次の安定点に向う。

駆動パルスのパルス巾の下限は正転時と同様にして設定
できるが、上限の方は第９図において、駆動力Ｐ２と保
持力Ｔ２の和が零の位置Ｗ″（Ｗ″１Ｗ″＝Ｗ″Ｗ″２
）はＴ２の負の領域であるから駆動パルス巾が充分広い
とパルス印加中に回転子はＷ″点附近にもどり、パルス
が切れると最初の安定点２１１、■点にもどつてしまう
可能性があるため、あまり広いパルス巾のパルスは適当
ではない。この場合も１６ミリＳｅｃ以下が適当である
。駆動パルスφ２７０３が切れたとき、回転子はｘ″点
を越えているが門。が駆動回路のＴｒ６ｌ８、Ｔｒ６２
Ｏの共通ゲートに印加されて、Ｔｒ６ｌ８→オン、Ｔｒ
６２Ｏ→オフとなり、第７図７０６の如く微少電圧が駆
動コイルに印加され、第４図２の如く、固定子４０２は
Ｎ極、固定子４０３はＳ極に微弱に励磁されているため
、この励磁電流による引きトルクＰ４と保持力Ｔ２の和
が０の位置Ｖ″（Ｖ″１■″＝■″Ｖ″２）、第４図２
の４１９で平衡して静止安定する。この状態でＩ，パル
スが駆動コイルに印加されると、固定子４０３はＮ極、
固定子４０２はＳ極に励磁され、回転子４０１のＮ極は
固定子４０２のＳ極で吸引、４０３のＮ極て反発、回転
子４０１のＳ極は固定子４０２のＳ極て反発、４０３の
Ｎ極て吸引され逆方向回転力を受′月８００回転し、第
２図２の状態にもどる。以後交互パルスにより同じ状態
をくり返して逆方向に回転を続ける。正回転→逆回転に
はφ２をもう一度駆動コイルに印加する例を示したがス
イッチＳ接地直前に印加されたパルス相のパルスをもう
一度印加すれば回転方向を容易に変えることができる。

実施例では、定常駆動では定方向回転のパルスモーター
の静止安定点を電磁的に正回転方向（時計方向）に角度
γだけ移動させて逆方向回転を可能としたが、逆に反時
計方向に静止安定点を移動させて、正回転時のパルスモ
ーターの出力トルクを向上させることもできる。

また、正方向回転時と逆方向回転時に異なる電磁的静止
安定点を設定することもできる。さらに静止安定角度を
β以下に設定して正逆回転可能とした場合、逆転時に静
止安定点を移動することによりパルスモーターの逆転時
の出力トルクを増大させることができる。

逆転時に微少電流を励磁のため流すためいく分消費電流
が増加するが使用頻度は少ないため問題はない。また、
逆転時にも最大効率が得られるように設定することが可
能である。静止安定角の移動は保時力の変曲点、したが
つて１ステップの約半分程度可能であり、電気角で±９
０テの移動ができる。

本願の如く構成すれば、パルスモーターの静止安定点を
最大効率の位置に移動することがてきる。

また、従来の定方向回転パルスモーターを静止安定点を
移動させることにより、逆回転も可能とすることができ
る。

さらに、静止安定角αを、両回転領域βより大としてお
けば、パルス相と回転子磁極との対応関係が誤動作によ
つてくずれても逆回転し如めることは防止てき、機械的
な逆転防止機構を必要としない正逆パルスモーターを構
成できる。

さらに定常駆動時より高い周波数の早修正駆動パルスを
駆動コイルに印加することにより、時針、分針、秒針等
の指針の早修正することが可能であり、早修正駆動パル
スの発生スイッチを外部操作部材と連動させて、りユー
ズのない腕時計を構成することがてきる。

さらに時針、分針、秒針等の位置の記憶回路を設け、修
正時に記憶回路の示す数値の数の早修正駆動パルスを駆
動コイルに印加すれば瞬時に設定値に指針を修正するこ
とも可能である。

″図面の簡単な説明 第１図は、従来のパルスモーター、第２図は本発明によ
るパルスモーターの一実施例、第３図は本発明によるパ
ルスモーターの正回転の状態の説明図、第４図は同じく
逆回転の状態の説明図、第５図は本発明によるパルスモ
ーターを使用した水晶時計の主要構成図、第６図は波形
変換回路、駆動回路の一実施例、第７図は波形図、第８
図は正転時のトルク曲線、第９図は逆転時のトルク曲線
を示す。

１０１，２０１，３０１，４０１・・・・・・回転子、
１０２，２０２，３０２，４０２，１０３，２０３，３
０３，４０３・・・・・固定子、１０４，２０４，３０
４，４０４・・・・・・コイル、５０３・・・・・・波
形変換回路、５０４・・・・・・駆動回路、５０６・・
・・スイッチＳ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２極の永久磁石回転子、一対の固定子、１個の駆動
   コイルよりなり、対向する前記一対の固定子の磁極間中
   心と前記永久磁石回転子の磁極中心とは所定角をもつて
   停止し、駆動コイルへの極性の異なる交互パルスを印加
   することにより１パルス１歩進するパルスモータにおい
   て、前記駆動コイルに該永久磁石回転子を異なる極性の
   駆動パルスで逆転する限界の静止安定角まで正転方向に
   移動させる位の大きさの微少の平均励磁電流を流すパル
   ス供給回路を有し、該パルス供給回路からの出力パルス
   を印加することにより前記永久磁石回転子を電磁的に正
   転方向に移動した後、逆転駆動パルスを印加することに
   より逆回転を可能としたことを特徴とする時計用パルス
   モータの駆動制御方法。