JP2655645B2 - ステッピングモータ制御方法およびその制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、コイルと、機械的な負荷に機械的に結合さ
れる回転子と、コイルに磁気的に結合される永久磁石と
を有する形式のステッピングモータの制御方法およびそ
の制御装置に関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする問題点〕

前記の形式のステッピングモータは知られており、特
に、針による表示を用いるたいていの電子時計に見出さ
れる。

そのような時計において、ステッピングモータの回転
子は、通常、２極性の永久磁石からなり、この永久磁石
の帯磁軸は回転子の回転軸と直角をなす。この永久磁石
は、固定子を介してステッピングモータのコイルに磁気
的に結合されている。この固定子には、実質上、円筒形
の空洞が設けられ、この円筒形の空洞内で、回転子が回
転する。この円筒形の空洞壁に作られたノッチは回転子
に位置決めトルクを与える。この位置決めトルクは回転
子を保持しようとするものであるかまたは、２つの安定
した平衡位置のうちの一方または他方に回転子を戻そう
とするものである。

そのようなステッピングモータは、よく知られている
からここには示されないが、下記の記述における例とし
て用いられる。

回転子が１ステップ回転することが要求されるとコイ
ルに駆動パルスが印加されるように、ステッピングモー
タの制御回路が設けられる。

より簡単な制御回路の場合には、駆動パルスの長さが
固定される。したがって、駆動パルスの発生中、ステッ
ピングモータに与えられる電気エネルギの量は、回転子
によって駆動される機械的な負荷にほとんど依存しな
い。回転子によって駆動される機械的な負荷が最も高い
値にあるときでさえも、駆動パルスの長さは、回転子が
正確に回転するのに十分でなければならない。しかし、
機械的な負荷がめったに最も高い値にならないので、大
部分の電気エネルギは消費される。通常、限られた容量
の電力供給源が電気エネルギとして特に、電子時計内に
設けられる。これによって、ステッピングモータの電気
エネルギ消費を減少させるために多くの装置が考え出さ
れてきた。

これらの全ての装置は、回転子によって駆動される機
械的な負荷値を定めるための手段と、この機械的な負荷
値に対して駆動パルスの発生中、ステッピングモータに
与える電気エネルギの量を調整するための手段とを有す
る。

ステッピングモータに与えられる電気エネルギの量の
調整は、通常、駆動パルスの持続時間を変えることによ
って行われる。

この持続時間は、例えば米国特許US−Ａ−4,446,413
号に記載されているように、各駆動パルスの発生中、直
接に設定してもよい。このような場合、各駆動パルスの
発生中、ステッピングモータの回転子によって駆動され
る機械的な負荷に依存する電気的な大きさを測定する測
定回路を有する。この回路は、一定の諸条件を満たした
ときに、与えられた駆動パルスを中断させる信号を発生
する。これらの条件は回路特性によって定まる。

また、駆動パルスの持続時間は、例えば米国特許US−
Ａ−4,272,837号に記載されているように、間接的に設
定してもよい。そのような場合には、駆動パルスの発生
中、回転子によって駆動される機械的な負荷に依存する
特有の電気的な大きさを、駆動パルスの消滅後、測定す
る測定回路を有する。この測定結果が、回路特性によっ
ても定まる一定の条件を満たすならば、このことは、回
転子がそれ以前の駆動パルスに応答してまったく回転し
なかったことを示す。このため、測定回路は次に述べる
駆動パルスの持続時間を変える信号を発生する。また、
必要ならば、それ以前の駆動パルスに応答して行わなか
ったステップを回転子に行わせるために、測定回路によ
って発生した信号によって、１つのまたはいくつかの修
正パルスがステッピングモータに与えられる。

各駆動パルスの終りと次の駆動パルスの始めとの間で
ステッピングモータのコイルを短絡させるために、上述
した大部分の制御装置が設けられる。

駆動パルスの発生中、ステッピングモータに与えられ
る電気エネルギが、何らかの理由で、必要以上にはるか
に大きくなったならば、ステッピングモータのコイルに
おける短絡は、特に、回転子を１ステップ以上回転させ
ないようにしたり、例えば震動によって何らかの偶発的
な回転子の回転に応答して、駆動パルスと駆動パルスと
の間で、回転子に電気的制動トルクを与えたりする。こ
の電気的制動トルクは、回転子を現在の位置に保持する
ために既述した位置決めトルクと組合わさっている。

上述した装置によって発生した駆動パルスの持続時間
は、回転子が角度位置に達するために必要とされる時間
より短時間である。位置決めトルクは、外部エネルギの
供給によらずに、この角度位置から次の安定した平衡位
置に回転子を回転させることができるような方向と大き
さを持つ。

上述した角度位置は、次に述べるように、しきい角度
位置として表される。

このしきい角度位置は回転子の回転を妨げる摩擦に依
存するので、このしきい角度位置は固定されず、可変さ
せられる。駆動パルスの終点と、回転子がしきい角度位
置に達した時点との間で、特に、このロータ自身の運動
エネルギと、回転子によって駆動される種々の素子の運
動エネルギとに応じて、回転子は回転し続ける。

さらに、駆動パルスの終末においてコイルを短絡する
ことにより、電流がコイルに電流が流れつづけることが
可能になる。したがって、駆動パルスの終末においてコ
イルに存在する磁気エネルギの大部分は、回転子および
回転子により駆動される要素の運動エネルギと協力する
機械的エネルギに変換され、それにより回転子をしきい
値角度位置へ向って回転させることができる。一部の磁
気エネルギのみが、コイルを通して流れる電流によって
熱として放散される。

しかし、コイル内の電流は駆動パルスが終了した後急
速に減少する。この電流は零に到達した後、方向を変化
させ、モータは発電機として作動することを開始する。

そのとき発生する電気エネルギ（コイル内で全く熱と
して消費される）は、回転子の運動エネルギおよびこの
回転子によって駆動される素子の運動エネルギの一部が
変換されたものである。このようにして、回転子は制動
され、回転子の運動エネルギは、位置決めトルク、これ
らの機械的な素子間の相互摩擦および素子のベアリング
内のピボットの摩擦による第１の抵抗トルク、ステッピ
ングモータの固定子内の磁気的現象による第２の抵抗ト
ルクおよび電気的制動の動作によって発生するトルクの
総和を越えるものでなければならない。

電流の方向変換およびこれによる回転子の電気的制動
の動作開始は、回転子が上述のしきい値角度位置に達す
る前に行われる。したがって、回転子が、電気的制動の
動作にもかかわらず、しきい角度位置に達するために、
電気エネルギに変換されない一部の運動エネルギが十分
あるということが必要である。

言い換えれば、回転子が正確に回転するためにステッ
ピングモータに供給されるのに必要とする電気エネルギ
は、機械的エネルギに変換される有益なエネルギ部分
と、無用と考えられかつコイル内の電流が、上述したよ
うに、方向変換した後消費されるようなエネルギ部分と
からなる。

実際の試験により確認された理論的演算は、ステッピ
ングモータの形式およびステッピングモータを制御する
のに用いられる回路の種類に依存して、前記の役に立た
ない電気エネルギは、回転子が適正に回転するためにモ
ータに供給されることが必要な最小の電気エネルギの25
％の量であることができる。

したがって、既知のステッピングモータの制御方法お
よび制御装置には、ステッピングモータの効率におい
て、実質的な低下を生じるという不利益がある。ステッ
ピングモータにおいて無用に消費される電気エネルギ
は、もちろん、その制御装置の電力供給源によって供給
されなければならない。したがって、その結果として以
下のことが生じる。与えられた容量およびこの容量によ
って定められた容積の電力供給源に対して、この電力供
給源の寿命は実質的に短縮されるか、または与えられた
寿命の電力供給源に対して、この電力供給源の容積は実
質的に増加させるということが生じる。

米国特許US−Ａ−4,467,255号では、ステッピングモ
ータの制御方法が以下のように記載されている。この制
御方法は上述したような制御方法と異なり、駆動パルス
の終点後固定された長さをもつ時間の間ステッピングモ
ータのコイルが開回路状態に置かれて次の駆動パルスの
始まりまで閉回路状態に置かれる。それ以前の駆動パル
スに応答して正確に回転子が回転したかどうか定めるた
めに、駆動パルスの終了後回転子の回転によってコイル
内に誘導された電圧の変化が利用される。

この制御方法の不利益は以下に述べることである。駆
動パルスの終点でコイルが開回路状態に置かれるので、
この駆動パルスの終末においてコイル内に生じる磁気エ
ネルギを機械エネルギに変換することができないという
ことが生じる。

上記の不利益をある程度解消し得るためのこの制御方
法の一例は、また、米国特許US−Ａ−4,467,255号にも
記載されている。この一例では、予め固定された時間の
間、ステッピングモータのコイルは、各駆動パルスの終
点で短絡され、別の固定された時間の間、このコイル
は、開回路状態に置かれて次の駆動パルスの始まりまで
再び短絡される。

しかしながら、コイルが最初に短絡された後に電流の
減少する割合が、コイル特性だけでなく、駆動パルスの
終点で回転子によって達せられる速度にも依存する。こ
れによって、この電流の減少する割合は回転子によって
駆動される機械的な負荷に依存する。したがって、電流
の減少するこの割合は可変となる。もし、最初の短絡動
作に対して設定される時間の長さが、電流が零になるの
に要する時間よりも短いならば、コイルの磁気エネルギ
の一部は、機械的エネルギに変換されずに、それによっ
て失われる。しかし、もし最初の短絡動作に対して設定
される時間の長さが、電流が零になるのに要する時間よ
りも長いならば、電流の方向が変って上述したような無
用な電気エネルギが消費されてしまう。

さらに、米国特許US−Ａ−4,467,255号に開示されて
いる制御方法には、また、再び短絡される前にコイルが
開回路状態に置かれている間の時間の長さは固定される
ことが示されている。

駆動パルスの終点およびその終点後の回転子の速度は
回転子によって駆動される機械的な負荷に依存するの
で、コイルが再び短絡される時点での回転子の角度位置
は可変される。

もしこの角度位置が上記のしきい角度位置より前に設
定されるならば、回転子はこの短絡動作によって制動さ
れ、再び回転子の運動エネルギが無用に消費される。

もし短絡動作時点での回転子の角度位置が第２の安定
した平衡位置に接近しているならば、回転子の運動エネ
ルギは、第２の安定した平衡位置を越えて次の安定した
平衡位置に回転子を至らしめるようにさせるに十分であ
る。したがって、このような場合、回転子は１ステップ
動作ではなく２ステップ動作を行う。したがって、米国
特許US−Ａ−4,467,255号に開示される方法により制御
されるモータの効率および信頼性は満足なものではな
い。

本発明の一つの目的は、前記の不都合な点が消滅させ
られることが可能な方法および装置、すなわち、知られ
ている方法に比べ、制御されるステッピングモータのよ
り高い効率を達成し、特に、時計の信頼性を低減させる
ことなく、与えられた電源の容積に対しステッピングモ
ータに設けられる装置の電源のより長い寿命、または、
与えられた電源の寿命に対し電源のより小なる容積を実
現する方法および装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

本発明においては、コイルと、機械的な負荷に機械的
に結合される回転子と、該コイルに磁気的に結合される
永久磁石とを有するステッピングモータを制御するステ
ッピングモータを制御する方法であって、 該回転子が１ステップ回転することが要求されると該
コイルに駆動パルスを印加する段階、 該コイルを駆動パルスの終末においてはじめて短絡す
る段階、 該コイルを開路状態に戻す段階、そして、 該コイルを次の駆動パルスが始まるまで二度目に短絡
する段階、を具備し、 該コイルは、該コイルがはじめて短絡されている間に
該コイルを流れる電流が零の値になることに反応して開
路状態にされ、該コイルが開路状態にされている間に該
回転子の回転によりコイルに誘起される電圧の零の値に
応答して二度目に短絡されるようになっていることを特
徴とするステッピングモータを制御する方法、が提供さ
れる。

本発明においてはまた、コイルと、機械的な負荷に機
械的に結合される回転子と、該コイルに磁気的に結合さ
れる永久磁石とを有するステッピングモータを制御する
装置において、該装置は、該回転子が１ステップだけ回
転されるたびに、該コイルに駆動パルスを与えるための
第１の手段、該コイルを、該駆動パルスの終末において
最初に短絡する第２の手段、 該最初の短絡動作後に、該コイルを開路状態に戻すた
めの第３の手段、および、該コイルを、該開路後に、二
度目に短絡する第４の手段、を具備し、該第３の手段
は、該コイルがはじめて短絡されるとき該コイルに流れ
る電流が零の値を通過することを検出する手段、および
電流の該零の値の通過に応答し該コイルが開路状態にな
るようにする手段を包含し、該第４の手段は、該コイル
が開路状態にある間に該回転子の回転により該コイルに
誘起される電圧の零の値に応答し該コイルを短絡するよ
う配置されている、ことを特徴とするステッピングモー
タを制御する装置、が提供される。

〔実施例〕

第１図および第２図は、本発明によるステッピングモ
ータの制御方法の一実施例を示す図であり、この実施例
は、駆動パルスの発生中、回転子によって駆動される機
械的な負荷に依存して、各駆動パルスの持続時間を調整
するための手段を有する定電圧形の回路によって行われ
る。

第１図において、制御回路がステッピングモータに駆
動パルスを与え始める時点はt0で示され、駆動パルスの
発生中、コイルに与えられる電圧はUaで示される。

時点t0で、回転子が安定した平衡位置のうちの１つの
平衡位置（第２図で示されたS1かまたはS1に非常に近接
した位置）に停止されるとし、かつ電圧Uaの極性は回転
子を第２の安定した平衡位置（第２図で示されたS2）に
向かって回転させるとする。

電圧Uaに応じてコイル内に流れる電流ｉは、既知のよ
うに、第１図の曲線Iaと同様の曲線を時点t0から示す。

さらに、コイルを通して流れる電流ｉによって発生し
た駆動トルクに応じて、回転子は第２の安定した平衡位
置S2に向かって回転する。

電圧Uaの電力供給源とコイルとの接続を断ちかつコイ
ルを短絡させることによって、ステッピングモータの制
御回路は、時点t1で駆動パルスを中断するものとする。
この制御回路は、回転子によって駆動される機械的な負
荷によって定まる、すなわち回転子の構造によって定ま
るような時点t1を設定する。

時点t1で、回転子は角度位置（A1参照）にある。点A1
は通常60゜より小さい角度だけ点S1から離れていること
が実際には示されている。

コイルを通して流れる電流ｉは、曲線（第１図に示さ
れたIc）に従って時点t1から減少し始める。この曲線形
状は、コイルの特性すなわちコイルの抵抗とコイルの誘
導率および回転子の回転によってコイルに誘導される電
圧すなわち回転子の速度および永久磁石とコイルとの間
の結合係数に依存する。

既知の方法のごとく、時点t1でコイル内で得られる磁
気エネルギは、点S2に向かって回転子を回転させる機械
的エネルギに変換される。

本発明による制御方法において、コイルに流れる電流
ｉは、少なくとも時点t1から測定され、この電流が零と
なる時点が検出される。この時点は第１図においてt2で
示される。

時点t2において制御回路は、コイルの短絡を解放し、
コイルを開路状態にする。

時点t2で第２図に示された点A2に達した回転子は、も
ちろん、点S2に向かって回転し続ける。

時点t2以後、時点t1から零であったコイルの端子電圧
は、回転子の回転によってコイル内に誘導された電圧に
等しくなる。この電圧は第１図においてUiとして示され
る。

また、回転子によって駆動される機械的な負荷によっ
ても定まる時間の経過後、回転子は第２図に示される点
A3に達する。その点A3で、ステッピングモータのコイル
と永久磁石との結合係数は零になる。したがって電圧Ui
も零になる。

本発明による制御方法において、電圧Uiが測定され、
電圧Uiが零になる時点が検出される。この時点は第１図
においてt3として示される。

制御回路は、時点t3で、ステッピングモータを第２番
目の短絡を行う。ステッピングモータの回転子は、時点
t3で、上述のしきい角度位置（第２図においてALで示さ
れる）と第２の安定した平衡位置S2との間に位置される
点A3に達する。このようにして、回転子は、回転子自身
の運動エネルギと回転子によって駆動される構成部の運
動エネルギおよび位置決めトルクCpに応答して回転し終
える。

この回転によってコイル内に誘導された電流（第１図
においてIiとして示されている）は、ロータを電気的に
制動させる。

この制動の動作はロータを遅らせて、これによって比
較的遅いスピードで第２の安定した平衡点S2にロータが
至る。

わずかに回転子が振動した後、回転子は点S2で静止す
るかまたは点S2に非常に近接する点内で静止する。

コイルは、次の駆動パルスの始まりまでに短絡状態に
あり、次の駆動パルスが始まった後、上述の工程がくり
返えされる。このようにして、位置決めトルクとコイル
の短絡による電気的制動トルクとが結合された効果によ
って、駆動パルスと駆動パルスとの間で、回転子が現在
位置しているような安定した平衡位置（知られている制
御方法のように）に回転子が維持される。

上述したような本発明による制御方法によって制御さ
れるステッピングモータに対して、コイルが時点t2で開
回路状態にあるので、電流ｉは、時点t2で零になった後
方向を変えることができないことがわかる。

このことは、以下のような方法とは逆になる。この方
法とは、コイルが、常に、駆動パルス間で短絡されるよ
うな既知の方法であるか、あるいはコイルが短絡される
間の設定された時間が、電流が零になるまでに要した時
間より大きいときに上述した米国特許US−Ａ−4,467,25
5号に記載されている方法である。

時点t2と時点t3の間では、本発明による制御方法によ
って制御されるステッピングモータの回転子に、電気的
制動トルクは与えられない。このようにして、回転子と
回転子によって駆動される素子との運動エネルギは、回
転子が点A2にあるとき回転子の回転に抵抗する位置決め
トルクと、既述した磁気的なおよび機械的な原因の抵抗
トルクとだけに打ち勝つ必要がある。

その上、電気エネルギは、もちろん、時点t2後、コイ
ル内で消費されない。したがって、駆動パルス間でステ
ッピングモータに与えられなければならない電気エネル
ギ量が、既知の方法のうちの１つの方法によって制御さ
れるステッピングモータに与えられなければならない電
気エネルギ量に対してかなり減らすことができるような
大きさに、ステッピングモータの制御回路は形成される
ことができる。

既述したように、ステッピングモータの形式および制
御回路の形式によるが、この減少は25％に達し得る。

本発明による制御方法によって制御されるステッピン
グモータを有する装置において電源のために与えられた
大きさ（したがって与えられた容量）に対して、この電
源の寿命は、このようにして、実質上、増加するかまた
は、与えられた寿命に対して、この電源の大きさはかな
り縮小される。

また、本発明による制御方法は以下のことを可能にす
る。駆動パルスの終点すなわち時点t1で、コイルに生じ
る全ての磁気エネルギが使用されかつ機械的エネルギ
（コイルに流れる電流のために浪費は無視する）に変換
されるときだけ、ステッピングモータのコイルは開路状
態に置かれる。

このことは、コイルがショートされる間設定された時
間が、電流が零になるのに要した（可変の）時間より短
い場合において、米国特許US−Ａ−4,467,255号に記載
されてた方法において生ずることは反対である。

そのような場合、本発明による制御方法は、電気エネ
ルギの消費をも解消することができる。

さらに、本発明による制御方法は、また、以下のこと
も可能にする。すなわち、ステッピングモータのコイル
が再び短絡された時点t3で、回転子についての点A3は、
しきい角度位置ALと第２の安定した平衡位置S2との間に
ある。したがって、回転子は、位置決めトルクのみに応
答して正確にステップ動作を終了することが確実であ
る。

それに加えて、点A3は点A2から十分に離れていること
が確実にされ、回転子が点S2を越えてあまり遠くへ進行
し不本意に余分なステップ動作を行う不都合を生ずるこ
とがないようにされる。

このように、本発明による制御方法は、米国特許US−
Ａ−4,467,255号に記載された制御方法に比べると、ス
テッピングモータの動作の安全性を改善している。

第１図および第２図はまた、本発明による方法の変形
例をも示す。この変形においては、誘起される電圧Uiが
予め定められた値Udに到達するのは、電圧Uiが零になる
時点t3ではなく、時点t2より後の時点t3′であり、この
場合に電圧値Udはコイルが開路状態にある間に検出され
るものであり、コイルはこの時点t3′において再び短絡
される。

第１図の破線で示された曲線は、この実施例における
電圧Uiおよび電流Iiの変化を示し、時点t3′で回転子が
達する角度位置は、第２図においてA3′であらわされ
る。

この変形は、前記の方法と僅かに相違し、知られてい
る方法に比べて、前記の方法の場合と同じ利点を提供す
る。

知られている方法と比較すると、この変形は、ステッ
ピングモータが開路状態にある時間、および回転子が例
えば衝撃により発生する偶発的な角度的加速に、より敏
感になる時間を幾らか減少させるという利点を有する。

第３図は上述した第１の制御方法を実行するための一
具体例を示す回路図である。この回路は電子時計の一部
を形成し、この電子時計の表示装置（図示せず）は、針
または平円盤からなり、上述したような（すなわち、コ
イル１および回転子の永久磁石２によって象徴されるよ
うな）ステッピングモータによって駆動される。

第３図に示された回路は、４つのMOSトランジスタTr
1,Tr2,Tr3およびTr4からなり、通常の駆動パルスを発生
する。

トランジスタTr1およびTr2はＰ型トランジスタであ
り、これらのソースは図示しない電力供給源の正の端子
に接続されている。この正の端子は記号＋によって示さ
れる。

トランジスタTr3およびTr4はｎ型トランジスタであ
り、小さな値の抵抗３を介して、記号−によって示され
る電力供給源の負の端子に接続されている。抵抗３の機
能は後述する。

トランジスタTr1およびTr3のドレインは、共に、コイ
ル１の第１の端子に接続されており、トランジスタTr2
およびTr4のドレインは、共に、コイル１の第２の端子
に接続されている。

後述する電子回路は、また、上述した電力供給源によ
って電力供給される。これらの電子回路を形成する論理
ゲート、インバータおよびフリップフロップの入力およ
び出力の論理レベルは、これらの電位が電力供給源の負
（−）の端子の電位に実質上等しいとき“ロウ（lo
w）”として示され、およびこれらの電圧が電力供給源
の正（＋）の端子の電圧に等しいとき“ハイ（high）”
として示される。

したがって、トランジスタTr3およびTr4も以下述べる
ｎ型の他のMOSトランジスタも、それらのゲートがロウ
のときは遮断され、ハイのときは通電される。他方、ト
ランジスタTr1およびTr2は、それらのゲートがハイのと
きは遮断され、ロウのときは通電される。

トランジスタTr3およびTr4は駆動パルス制御回路４の
入力に接続されている。この駆動パルス制御回路４は、
前記駆動パルスの発生中、ステッピングモータの回転子
によって駆動される機構的な負荷に依存する各駆動パル
スの長さを設定する。

駆動パルス制御回路４は、例えば、既述した米国特許
US−Ａ−4,446,414号に記載した回路と同様である。後
者の回路は、各駆動パルスの発生中、回転子の永久磁石
２の回転によってコイル１内に誘導された電圧値を常に
計算する。コイル１を流れる電流によって、抵抗３の端
子間に発生する電圧を利用して、この計算が行われる。
この回路は、誘導された電圧が予め定められた値に達す
るのに要した時間を測定することによって、回転子によ
って駆動される機械的な負荷の値を定める。そのとき、
この回路は、駆動パルスが測定された時間によって中断
されるような最適の時点を定め、この最適の時点でハイ
となる信号を回路４の出力に発生する。

コイル１の端子は、２つのトランスミッションゲート
６および７を介して差動増幅器５の非反転入力に接続さ
れる。この非反転入力は、また、抵抗８を介して電力供
給源の負（−）の端子にも接続される。差動増幅器５の
反転入力は、直接、負（−）の端子に接続される。

コイル１の端子は、また、２つのｎ型のMOSトランジ
スタTr5およびTr6のドレインにも接続される。このトラ
ンジスタTr5およびTr6のソースは、共に、差動増幅器９
の非反転入力および抵抗10を介して電力供給源の負
（−）の端子にそれぞれ接続される。差動増幅器９の反
転入力は、直接、負（−）の端子に接続されている。

差動増幅器５および９の両方とも大きな増幅をもつた
めに、これらの差動増幅器の出力は電力供給源の正
（＋）の端子の電位を得る。すなわちこれらの非反転入
力が電力供給源の負（−）の端子の電位に関して正の電
位を有するとすぐに、これらの差動増幅器の出力はハイ
になる。差動増幅器５および９の出力は電力供給源の負
（−）の端子の電位を有する。すなわち差動増幅器５お
よび９の出力は、非反転入力の電位が反転入力の電位に
等しくなるかまたは反転入力に対して負となるとき、ロ
ウになる。

トランスミッションゲート６および７は、制御電極が
ロウのとき遮断され、制御電極がハイのときは通電す
る。

トランジスタTr1〜Tr6のゲートとトランスミッション
ゲート６および７は、オアゲート11〜15,38および39、
およびアンドゲート16〜21を有する論理回路Ｌの出力に
接続されている。

ゲート11〜21,38および39の相互の接続およびトラン
ジスタTr1〜Tr6のゲートおよびトランスミッションゲー
ト６および７の制御電極との接続は図面において明瞭に
されているので詳細な説明は省略する。さらに、オアゲ
ート11〜21,38および39により遂行される機能は、他の
態様で相互接続される他のゲートを有する他の論理回路
により遂行されることが可能である。

論理回路Ｌの入力を形成するオアゲート11〜15および
アンドゲート16〜21の入力は、フリップフロップ22〜2
7、アンドゲート28〜31およびインバータ32,33からなる
順序回路Ｓの出力に接続されている。

フリップフロップ22〜27は全てＴ形であり、すなわ
ち、リセット入力Ｒがロウである場合には、フリップフ
ロップの出力Ｑは、クロック入力Ｃがロウからハイへ切
換えられるときはいつでも、状態を変化させる。リセッ
ト入力Ｒがハイであると、出力Ｑは、入力Ｃの状態にか
かわらず、ロウに維持される。

論理回路Ｌの入力と順序回路Ｓの出力との間の接続お
よび順序回路Ｓの構成部の入力と出力との接続は、論理
回路Ｌに関して上記した接続と同様の理由のため、どち
らも詳細に説明しない。

最後に、順序回路Ｓの入力は、駆動パルスの長さを定
めるための駆動パルス制御回路４、差動増幅器5,9およ
び、発振器35と共に電子時計の時間基準を形成する周波
数分割器34の出力に接続されている。

第３図に示された回路の動作は第１図、第２図および
第４図を参照して説明される。

第４図において、S34,S4,S5およびS9を参照符号とし
た図は周波数分割器34、駆動パルス制御回路４および差
動増幅器5,9の出力の論理状態をそれぞれ示す。Q22〜Q2
7を参照符号とした図はフリップフロップ22〜27の出力
Ｑの論理状態をそれぞれ示す。最後に、Tr1〜Tr6および
6,7を参照符号とした図は、トランジスタTr1〜Tr6およ
びトランスミッションゲート６および７の遮断状態（参
照符号ｂ）かあるいは通電状態（参照符号ｃ）をそれぞ
れ示す。

第４図における時点t0〜時点t3は第１図における時点
t0〜時点t3と同一である。

各駆動パルスの始まる前では、フリップフロップ23〜
26の出力Ｑはロウであり、フリップフロップ27の出力Ｑ
はハイであることは以下に説明されることから明らかで
ある。

この説明において、最初にフリップフロップ22の出力
はロウであるとする。

これらの条件で、トランジスタTr1〜Tr6のゲートおよ
びトランスミッションゲート６および７の制御電極はロ
ウになる。したがって、トランジスタTr1とTr2は通電状
態であり、トランジスタTr3およびTr4とトランスミッシ
ョンゲート６および７は遮断状態である。

したがって、コイル１はトランジスタTr1およびTr2を
介して短絡される。この短絡により電気的制動は、回転
子を現状の安定した平衡位置に維持するために回転子の
位置決めトルクの効果に付加される。この説明を始める
に当り、この位置は第２図においてS1として示される。

トランジスタTr3〜Tr6およびトランスミッションゲー
ト６および７は遮断状態であるので、駆動パルス制御回
路４の入力および差動増幅器５および９の非反転入力は
抵抗3,8および10を介してそれぞれロウに保持される。
したがって、駆動パルス制御回路４および差動増幅器５
および９の出力は、また、ロウである。

周波数分割器34は、ステッピングモータが１ステップ
だけ回転するたびに（例えば毎秒ごとに）パルスを送出
する。

これらのパルスのうち１つのパルスは第１図および第
４図におけるt0時点で発生される。このパルスに応答し
て、フリップフロップ27の出力はロウになり、フリップ
フロップ22および23の出力Ｑはハイになる。このフリッ
プフロップ22および23の出力Ｑのハイ状態に応答してト
ランジスタTr2は遮断状態となり、トランジスタTr4は通
電状態になる。

したがって、駆動パルスはコイル１に与えられる。こ
のコイル１の各端子は、トランジスTr1を介して電力供
給源の正（＋）の端子と、トランジスタTr4および抵抗
３を介して電力供給源の負（−）の端子とにそれぞれ接
続されている。

この駆動パルスに応じてコイル１を通して電流が矢印
Ｉによって示される方向に流れ、ステッピングモータの
回転子が回転し始める。

さらにまた、この電流に比例した電圧が、駆動パルス
の長さを定めるために駆動パルス制御回路４の入力に印
加される。

ステッピングモータの回転子によって駆動される機械
的な負荷の値によって定まる時間の長さだけ時点t0から
離れている時点t1で、駆動パルス制御回路４の構成によ
って定まる条件が満たされ、駆動パルス制御回路４の出
力はハイとなり、このようにして駆動パルスの終点が示
される。

フリップフロップ23の出力Ｑが再びロウとなり、フリ
ップフロップ24の出力Ｑがハイになる。

このハイ状態に応じて、トランジスタTr1およびTr4は
遮断状態になり、ところが、トランジスタTr3およびTr6
は通電状態になる。このようにして、コイル１は電力供
給源の正（＋）の端子から断たれ、トランジスタTr6、
抵抗10および３およびトランジスタTr3を介して短絡さ
れる。

したがってコイルを通して流れた電流は、そのときだ
け、特に、抵抗10を介して流れる。その電流が流れてか
ら短時間後に、差動増幅器９の出力はハイになり、この
ようにして、フリップフロップ25の出力Ｑをハイにさせ
る。インバータ32の出力が同時にロウになるので、回路
はこの状態を維持する。

コイル１を通してまだ流れている電流は、回転子を回
転し続けるために、回転子および回転子によって駆動さ
れる機械的な構成部の慣性によるトルクと結合する駆動
トルクを発生する。

コイル１を流れる電流は急速に減少する。時点t2にお
いて電流が零になると、差動増幅器９の出力がロウにな
り、インバータ32の出力がハイになる。それによって、
フリップフロップ24の出力Ｑがロウとなり、フリップフ
ロップ26の出力Ｑがハイとなる。

フリップフロップ24の出力Ｑのロウ状態に応答して、
トランジスタTr3およびTr6は遮断状態となる。このよう
にして、コイル１は開回路状態に置かれ、コイル１を通
して電流が流れない。

しかしながら、ステッピングモータの回転子は、回転
子自身の運動エネルギと、回転子によって駆動される機
械的な構成部の運動エネルギとに応答して回転し続ける
が、時点t2後コイル１を通して電流が流れないので、回
転子は電気的に制動されない。

したがって、時点t2での回転子の角度位置A2と上述し
たしきい角度位置ALとの間で、回転子の運動エネルギと
回転子によって駆動される機械的な構成部の運動エネル
ギとが、位置決めトルクCpと上述した磁気的なおよび機
械的な原因の抵抗トルクとの総和に打ち勝つ必要があ
る。しきい角度位置ALを越えて、その方向が変化した位
置決めトルクは、回転子を回転するために、維持した運
動エネルギによって生じるトルクに加算される。

フリップフロップ26の出力Ｑが時点t2においてハイに
なるにともない、トランスミッションゲート７およびト
ランジスタTr5は導通状態になる。したがって、回転子
の回転によりコイル１に誘起される電圧は増幅器５の入
力に印加され、該増幅器の出力は極めて短かい時間後
に、ハイになる。したがって、フリップフロップ27の出
力Ｑはハイになる。同時にインバータ33の出力はロウに
なるので、フリップフロップ25および26の出力Ｑはハイ
に維持される。

回転子が時点t3で位置A3に達すると、永久磁石２とコ
イル１との結合係数およびこのためのコイル１内に誘導
された電圧は零になる。このようにして、差動増幅器５
の出力はロウになり、インバータ33の出力はハイにな
る。

このインバータ33の出力のハイ状態に応答して、フリ
ップフロップ25および26の出力Ｑはロウになる。

その結果、トランスミッションゲート７およびトラン
ジスタTr5は再び遮断状態となり、トランジスタTr1およ
びTr2は再び導電状態になり、それにより、コイル１は
再び短絡される。このようにして、回転子は電気的に再
び制動される。しかし、位置決めトルクCpは、電力供給
源のエネルギなしで、第２図の安定した平衡位置に回転
子を回転させるような方向を持つ。コイル１の短絡のた
めに電気的な制動動作および位置決めトルクCpは点S2の
範囲内での回転子の変動を急激に止めさせ、また、この
位置で回転子を維持させることができる。

時点t3後、第３図の回路は、現にハイにあるフリップ
フロップ22の出力を除いては、時点t0以前にあった全く
同じ状態に再びなる。第３図の回路は周波数分割34の出
力が新しいパルスを発生するまでこの状態が保持され
る。

この新しいパルスに応答する第３図の回路の動作は、
前に記述される場合の動作に極めて類似しているから、
ここでの詳細な説明は省略する。

この新しいパルスに応答して、トランジスタTr1は遮
断状態になり、トランジスタTr3は通電状態になる。こ
のようにして、コイル１に与えられた駆動パルスは上述
した駆動パルスに対して逆の極性を有し、この駆動パル
スに応じてコイル１の電流は矢印Ｉの方向とは反対の方
向に流れる。

しかし、抵抗３に流れる電流に比例する電圧は前記と
同じ極性を有する。

与えられた駆動パルスが中断されねばならない時点で
この電圧に応答して駆動パルス制御回路４によって生じ
たハイ状態は、それ以前のケースのごとく、コイル１を
短絡させる。しかし、このケースにおいて、この短絡は
トランジスタTr5、抵抗10および３およびトランジスタT
r4を通して行われる。

上述したように、コイルを通して流れ続ける電流によ
って抵抗10で発生した電圧は差動増幅器９の非反転入力
に印加される。

この電流が零になると、インバータ32の出力は再びハ
イになる。再び上述したように、このハイ状態はコイル
１を開回路状態に置き、コイル１で誘導された電圧Uiを
差動増幅器５の非反転入力に印加する。しかしながら、
この場合、電圧Uiは、まさに通電状態にあるトランスミ
ッションゲート６を介して差動増幅器５のこの入力に印
加される。

電圧Uiが零になると、インバータ29の出力が再びハイ
になる。再び上述したように、このハイ状態はトランジ
スタTr1およびTr2を再び通電状態にし、これによってト
ランジスタTr1およびTr2を介してコイル１を短絡させ
る。

第３図の回路は時点t0以前のようなまさに同じ状態に
再びなり、周波数分割34が新しいパルスを発生するまで
この状態が維持される。この新しいパルスは、もちろ
ん、時点t0で発生したパルスと同様の効果を有する。

上述した回路の変形は、また第３図にも示されてい
る。

この変形において、差動増幅器５の反転入力は、電力
供給源のマイナス（−）端子に接続されないで、例え
ば、装置の電力供給源のプラス（＋）端子とマイナス
（−）端子との間に直列に接続された２つの抵抗で構成
される電圧分割器を有する基準電圧源に接続される。こ
れらの抵抗は、第３図において波線で示されており、参
照符号36および37を付している。

抵抗36および37は、差動増幅器５の非反転入力に印加
する電圧が上述した電圧Udとなるような値を有する。

すでに知られているように、第３図の回路におけるこ
の変形は、既述したステッピングモータの制御方法の変
形を実行するのに適している。実際に、この変形の回路
において、コイル１が開路状態に置かれている間、コイ
ル１内に誘導された電圧が値Udに達する時点すなわち時
点t3′で、差動増幅器５の出力はロウになる。

本発明は、また、どんな種類のステッピングモータの
制御にも、このステッピングモータが１つのコイルまた
は複数のコイルを具備するか否か、および／または固定
子を介しまたは介さずにコイルに結合される２極または
多極の永久磁石を具備するか否かにかかわらず、良好に
適合する。

また、本発明は、どのような制御方法によるかに拘ら
ず、すなわち、全て同じ極性かあるいは交替する極性を
有する駆動パルスによる制御方法でも適用できる。

さらに、ステッピングモータのための制御回路は、既
述した制御回路と相違するものであり、駆動パルスの長
さを定めるための回路４を含むものである。

この回路４は、駆動パルスの終了後、回転子によって
駆動される機械的な負荷を定め、かつこの機械的な負荷
によって、次の駆動パルスの持続時間を調整する同じ種
類の回路でもよい。

また、回路４はなくてもよい。そのとき、前記の例に
おいて、回路４の出力に接続される回路Ｓの入力は、例
えば、周波数分割器34に接続されることが可能であり、
該周波数分割器は各時点t0から設定された時間長だけ離
間した時点において信号を発出する。この種の接続は、
第３図において破線4aであらわされる。そのような場合
には、もちろん、駆動パルスの長さは、一定であり、前
記の時間長に等しい。

さらにまた、本発明によって制御されるステッピング
モータを含む装置は時計でなくともよい。例えば温度あ
るいは圧力のような何らかの物理的な大きさを測定し、
文字盤上に、ステッピングモータによって駆動される１
本またはそれ以上の針によって物理的な大きさを表示す
るための装置であってもよい。そのような場合には、ス
テッピングモータのコイルに駆動パルスを与えるように
させるパルスは、必ずしも周期的であることを要しない
ことは明らかなことである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来技術における不都合な点を消滅
させることが可能であり、すなわち、制御されるステッ
ピングモータの知られている方法の場合より高い効率が
実現され、特に時計の信頼性を減ずることなしに、与え
られた電力源の容積に対してステッピングモータに設け
られる電力源の、より長い寿命、または、与えられた電
力源の寿命に対して電力源の、より小なる容積が実現さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御方法によって制御されるステ
ッピングモータのコイル端子間の電圧ｕの時間ｔについ
ての変化とコイルを通して流れる電流ｉの時間ｔについ
ての変化とを示す図、 第２図は位置決めのトルクCpの変化およびステッピング
モータのコイルと永久磁石との結合係数Ｇの変化を示す
図、 第３図は本発明による制御方法を実施するための制御装
置を示す回路図、 第４図は第３図における回路構成部および回路の各点で
の信号形態を示す波形図である。 １……コイル、２……永久磁石、 3,8,10……抵抗、４……駆動パルス制御回路、 5,9……差動増幅器、6,7……トランスミッションゲー
ト、 Ｓ……順序回路、Ｌ……論理回路、 Tr1,Tr2,Tr3,Tr4,Tr5,Tr6……MOSトランジスタ、 34……周波数分割器、35……発振器。

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コイルと、機械的な負荷に機械的に結合さ
   れる回転子と、該コイルに磁気的に結合される永久磁石
   とを有するステッピングモータを制御するステッピング
   モータを制御する方法であって、 該回転子が１ステップ回転することが要求されると該コ
   イルに駆動パルスを印加する段階、 該コイルを駆動パルスの終末においてはじめて短絡する
   段階、 該コイルを開路状態に戻す段階、そして、 該コイルを次の駆動パルスが始まるまで二度目に短絡す
   る段階、を具備し、 該コイルは、該コイルがはじめて短絡されている間に該
   コイルを流れる電流が零の値になることに反応して開路
   状態にされ、該コイルが開路状態にされている間に該回
   転子の回転によりコイルに誘起される電圧の零の値に応
   答して二度目に短絡されるようになっていることを特徴
   とするステッピングモータを制御する方法。
2. 【請求項２】該駆動パルスが、設定された長さの時間の
   間、前記コイルに与えられる特許請求の範囲第１項記載
   の方法。
3. 【請求項３】該駆動パルスが、該駆動パルスの発生中、
   該回転子によって駆動される該機械的な負荷によって定
   まる時間の間、該コイルに与えられる、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。
4. 【請求項４】該駆動パルスが、それ以前の駆動パルスの
   発生中、該回転子によって駆動される該機械的な負荷に
   よって定まる時間の間、該コイルに与えられる、特許請
   求の範囲第１項記載の方法。
5. 【請求項５】コイルと、機械的な負荷に機械的に結合さ
   れる回転子と、該コイルに磁気的に結合される永久磁石
   とを有するステッピングモータを制御する装置におい
   て、該装置は、 該回転子が１ステップだけ回転されるたびに、該コイル
   に駆動パルスを与えるための第１の手段、 該コイルを、該駆動パルスの終末において最初に短絡す
   る第２の手段、 該最初の短絡動作後に、該コイルを開路状態に戻すため
   の第３の手段、および、 該コイルを、該開路後に、二度目に短絡する第４の手
   段、を具備し、 該第３の手段は、該コイルがはじめて短絡されるとき該
   コイルに流れる電流が零の値を通過することを検出する
   手段、および電流の該零の値の通過に応答し該コイルが
   開路状態になるようにする手段を包含し、 該第４の手段は、該コイルが開路状態にある間に該回転
   子の回転により該コイルに誘起される電圧の零の値に応
   答し該コイルを短絡するよう配置されている、 ことを特徴とするステッピングモータを制御する装置。
6. 【請求項６】該第１の手段は、設定された長さの時間の
   間、該コイルに該駆動パルスを与える手段を含む、特許
   請求の範囲第５項記載の装置。
7. 【請求項７】該第１の手段は、該駆動パルスの発生中、
   該回転子によって駆動される機械的な負荷により定まる
   時間の間、該コイルに該駆動パルスを与える手段を含
   む、特許請求の範囲第５項記載の装置。
8. 【請求項８】該第１の手段は、以前の駆動パルスの発生
   中、該回転子により駆動される機械的な負荷により定ま
   る時間の間、該コイルに該駆動パルスを与える手段を含
   む、特許請求の範囲第５項記載の装置。
9. 【請求項９】該第４の手段は、零の値まで該誘起される
   電圧の変化を検出する手段と、該零の値までの該誘起さ
   れる電圧の変化に応答して該コイルを二度目に短絡する
   手段とを含む、特許請求の範囲第５項記載の装置。
10. 【請求項１０】該設定される値まで該誘導された電圧の
    変化を検出する該手段は、該設定される値を零以外の電
    圧値に設定する手段を含む、特許請求の範囲第９項記載
    の装置。