JP3601315B2 - ステップモータの制御装置、制御方法および計時装置 - Google Patents
ステップモータの制御装置、制御方法および計時装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステップモータの制御装置および制御方法さらにはその制御装置を有する計時装置に関し、特に、電子時計のステップモータなどを駆動させるのに好適な省電力型の制御装置および制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ステップモータは、パルスモータ、ステッピングモータ、階動モータあるいはデジタルモータなどとも称され、デジタル制御装置のアクチュエータとして多用されているパルス信号によって駆動されるモータである。近年、携帯に適した小型の電子装置あるいは情報機器が開発されており、これらのアクチュエータとして小型、軽量化されたステップモータが多く採用されている。このような電子装置の代表的なものが電子時計、時間スイッチといった計時装置である。この計時装置においては、水晶発振子などを用いた発振回路から基準パルスを供給し、この基準パルスを1Hzなどの計時に適した周波数の時間信号に分周する。そして、その時間信号に合わせて駆動パルスをステップモータに供給し、計時装置の秒針などを運針するようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
これらの携帯用に適した小型の電子装置においては、搭載可能な電源が限られているので、長時間、安定した動作を行うためにはステップモータなどによって消費される電力をできるだけ低減することが重要である。このため、ステップモータを用いた電子時計においては、ステップモータに供給する駆動パルスの実効電力を、個々の電子時計に固有の条件あるいは使用されている環境条件などに対し適当な値に自動的に設定し、ステップモータを駆動するために消費される電力を低減できるようにしている。駆動パルスの実効電力を制御する方法は幾つかあり、例えば、駆動パルスのパルス幅あるいはパルス高さを制御する方法がある。また、駆動パルスを複数のサブパルスで構成し、サブパルスのデューティーを変えることにより実効電力を制御する方法もある。
【0004】
ステップモータの消費電力を低減するのに加えて、電子装置全体で消費される電力を低減することも考慮されており、このため、近年においては、水晶振動子などの基準発振源を用いた発振回路から出力される基準パルス(基準信号)の発振周波数を下げることによって、発振回路で消費される電力を低減することが考えられている。また、基準パルスを低周波にすることにより、分周回路などの回路要素を減らすことができ、回路側の動作周波数も低下するので回路側の消費電力をさらに低減することが可能となる。
【0005】
しかしながら、駆動パルスの実効電力をサブパルスのデューティで制御している制御装置では、発振回路から供給される基準パルスの周波数が低下すると、サブパルスのデューティーを制御できる分解能が低下してしまう。例えば、基準パルスの周波数が32kHzであれば1kHzのパルス信号のデューティーを1/32の刻み幅(分解能)で制御可能であるが、基準パルスの周波数が半分の16kHzに低下すると制御可能な刻み幅は1/16と大きくなり分解能は劣化してしまう。このため、駆動パルスの実効電力をステップモータの作動状態に合致した最も低く、適当な値の実効電力に制御することが難しくなる。この結果、駆動パルスの電力が不足して運針ミスが発生するのを避けるためには、従来の発振周波数が高い基準パルスを用いた刻み幅の狭いときよりも、実効電力の高い駆動パルスが供給されることになる。したがって、モータの消費電力が上がり、計時装置全体としては、基準パルスの発振周波数を下げて省電力化した効果を活かすことができない。
【0006】
そこで、本発明においては、簡易な構成あるいは方法で基準信号の発振周波数よりも実質的に高い分解能でデューティーを制御することができるステップモータの制御装置および制御方法を提供し、計時装置における消費電力をさらに低減可能とすることを目的としている。そして、携帯装置に適用可能な省電力タイプのステップモータの制御装置および制御方法を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、デューティの異なるパルス信号を適当な割合で合成することにより、実効的に、すなわち、駆動パルスあるいはサブパルス単位で巨視的に捉えたときに、基準信号から通常得られるデューティーのパルス信号に対し、その中間のディーティのパルス信号を合成し、基準信号の発振周波数を下げても駆動パルスの制御可能な実効電力の分解能を従来と同様あるいはそれ以上に高くできるようにしている。
すなわち、本発明のステップモータの制御装置は、基準信号に基づき第1のデューティーの第1のパルス信号、および第2のデューティーの第2のパルス信号を生成可能なパルス生成部と、前記第1および第2のパルス信号を合成信号による所定の比率で交互に出力し第3のデューティーの第3のパルス信号を出力可能な合成部と、前記第1および第2のパルス信号に加えて、前記合成部から出力された前記第3のパルス信号に基づくデューティーの異なる駆動パルスをステップモータに供給可能な駆動制御部と、を有し、前記駆動パルスは複数のサブパルスにより構成されており、前記駆動制御部は、前記第1、第2および第3のパルス信号に基づき前記サブパルスのデューティーを制御することを特徴としている。
また、本発明のステップモータの制御方法は、基準信号に基づき第1のデューティーの第1のパルス信号、および第2のデューティーの第2のパルス信号を合成信号による所定の比率で交互に出力し第3のデューティーの第3のパルス信号を出力する合成工程と、 前記第1および第2のパルス信号に加えて、前記合成工程で合成された前記第3のパルス信号に基づきデューティーの異なる駆動パルスをステップモータに対し供給可能な駆動工程と、を有し、前記駆動パルスは複数のサブパルスにより構成されており、前記駆動工程では、前記第1、第2および第3のパルス信号に基づき前記サブパルスのデューティーを制御することを特徴としている。さらに、本発明の計時装置は、基準信号を発生する発振装置と、前記ステップモータの制御装置と、前記ステップモータによって運針される時計針と、を有している。
【0008】
本発明のステップモータの制御装置および制御方法さらに計時装置においては、デューティーが50%の合成用のパルス信号に基づき動作するセレクターなどを用いて第1および第2のパルス信号を選択することにより、第1および第2のパルス信号が均等に現れるパルス信号を合成でき、この合成されたパルス信号は、合成用のパルス信号の周期で平均したときに第1および第2のデューティーの中間のデューティーとなる。もちろん、合成用のパルス信号のデューティーは50%にかぎらず、適当なデューティーの合成用のパルス信号を用いることにより、第1および第2のパルス信号のデューティーの間の適当なデューティーとなるパルス信号を合成することができる。
【0009】
駆動パルスを複数のサブパルスにより構成され、駆動制御部からステップモータに供給している場合は、第1および第2のパルス信号に加えて合成された第3のパルス信号に基づきサブパルスのデューティーを制御することができる。したがって、第1および第2のパルス信号のデューティーに加えて、第3のパルス信号に基づく、第1および第2のパルス信号の間の適当な値のデューティーのサブパルスを生成し出力することができる。このため、基準信号に基づき生成される第1および第2のパルス信号では、制御できるデューティーの分解能が低く、駆動パルスの刻み幅が大きな場合でも、第3のパルス信号を採用することにより、駆動パルスの実効電力の分解能を高く、刻み幅を細かく設定することができる。
【0010】
このように、本発明により、基準信号の発振周波数が低く設定されている装置においても、ステップモータに供給される駆動パルスの実効電力の刻み幅を十分狭くすることができ、ステップモータが稼動している状況に応じた最も低い実効電力の駆動パルスを供給することが可能となる。したがって、基準信号の発振周波数を下げたことによる省電力効果が相殺されることなく、その省電力効果を活かすことが可能となる。
【0011】
本発明のステップモータの制御装置により運針用のステップモータを駆動することにより、基準信号の発振周波数を低くしても駆動パルスの実効電力を細かく制御することが可能である。このため、計時装置などにおいて、モーターの消費電力を上げずに、発振回路の基準信号の周波数を落として回路側の消費電力を削減することが可能となる。
【0012】
また、発振周波数を変えない場合においては、本発明のステップモータの制御装置によりモータの駆動パルスの実効電力をさらに細かく制御することが可能になる。このため、モータに供給される駆動パルスの実効電力を駆動可能な最小限の電力となるようにさらに細かく制御できるので、モータの消費電力を削減することが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。図1に、本発明に係る計時装置1の概略構成を示してある。本例の計時装置1は、ステップモータ10と、このステップモータ10を制御する制御装置20と、ステップモータ10の動きを伝達する輪列50、および輪列50によって運針される秒針61、分針62および時針63を備えている。本例のステップモータ10は、制御装置20から供給される駆動パルスによって磁力を発生する駆動コイル11と、この駆動コイル11によって励磁されるステータ12と、さらに、ステータ12の内部で回転するロータ13を備えている。このロータ13はディスク状の2極の永久磁石によって構成されており、PM型(永久磁石回転型)の1相のステップモータ10となっている。ステータ12には、駆動コイル11で発生した磁力によって異なった磁極がロータ13の回りのそれぞれの相15および16に発生するように磁気飽和部17が設けられている。また、ロータ13の回転方向を規定するために、ステータ12の内周の適当な位置には内ノッチ18が設けられており、これによってコギングトルクを発生させてロータ13が適当な位置に停止するようにしている。
【0014】
ステップモータ10のロータ13の回転は、かなを介してロータ13に噛合された五番車51、四番車52、三番車53、二番車54、日の裏車55および筒車56からなる輪列50によって各針に伝達される。四番車52の軸には秒針61が接続され、二番車54には分針62が接続され、さらに、筒車56には時針63が接続されており、ロータ13の回転に連動してこれらの各針によって時刻が表示される。輪列50には、さらに、年月日などの表示を行うための伝達系など(不図示)を接続することももちろん可能である。
【0015】
本例の計時装置1は、ステップモータ10の回転によって時刻が表示される。従って、ステップモータ10は所定の周波数(1Hz)の時間信号に従って出力された駆動パルスによって駆動される。ステップモータ10を制御する本例の制御装置20は、水晶振動子などの基準発振源21を用いて基準周波数の基準パルスBPを出力する発振回路22と、基準パルスを分周して特定の幾つかの周波数のパルスWP1〜WPm(mは適当な整数)を出力する分周回路23と、ステップモータ10に供給する駆動パルスを生成するためのパルス信号などを分周回路23から供給されたパルス群24に基づき出力するパルス信号生成回路(波形合成回路)25を備えている。パルス信号生成回路25からは、複数のパルス信号が出力され、本例においては、例えば、ステップモータ10に供給する駆動パルスDPを生成するためのパルス信号P1、ステップモータ10が回転しなかったときに充分に大きな駆動パルスを供給してステップモータ10を回転させるためのパルス信号(補助パルス)P2、および大きな駆動パルスが供給された後に駆動コイル11に残留する磁力を消すために供給する消磁パルスPEを生成するためのパルス信号P3などが出力される。
【0016】
制御装置20は、さらに、パルス信号生成回路25から供給されたこれらのパルス信号に基づき駆動回路31を制御し、駆動回路31のCMOS31および32を動作させる駆動制御回路30を備えている。そして、駆動制御回路30によって制御された駆動回路31からステップモータ10の駆動コイル11に駆動パルスが供給され、ステップモータ10が駆動される。さらに、駆動回路31から駆動コイル11へ駆動パルスを供給する配線には、駆動パルスを供給した後に生ずる誘起電圧などからロータ13の回転・非回転を検出する検出回路39が接続されている。駆動制御回路30には、この検出回路39からの検出信号が供給され、さらに適切なタイミングで適切な実効電力の駆動パルスが供給されるように調整される。
【0017】
本例の制御装置20においては、駆動パルスDPが複数のパルス幅の狭いサブパルスSPから構成されており、これらのサブパルスSPのデューティーを変えることにより駆動パルスDPの実効電力を制御できるようになっている。このため、パルス信号生成回路25から、デューティーの異なるサブパルスSPを生成するためのパルス信号GP1〜GPn(nは適当な整数)が供給されている。
【0018】
図2に、パルス信号生成回路25において、デューティーの異なるパルス信号GPiを生成する回路の一例を示してある。本例のパルス信号生成回路25においては、発振回路22から供給された基準周波数、例えば、32kHzの基準信号BPと、この基準信号BPが分周された適当な周波数、例えば、2kHzのパルス信号WPhとに基づきデューティーの分解能(刻み幅)dが1/16のパルス信号GPiをそれぞれ生成することができる複数のパルス生成回路(以降では生成回路)27を備えている。そして、このパルス生成回路27で生成されたパルス信号GPiは駆動制御回路30に供給される。さらに、本例のパルス信号生成回路25は、生成回路27から出力されたデューティーが1/16だけ異なるパルス信号GPiおよびGPi+2が入力されるセレクター回路28を備えている。このセレクター回路28は、デューティーの異なるパルス信号GPiとパルス信号GPi+2が所定の比率(以下では50%)で交互に出力され、パルス信号GPiとデューティーが1/32だけ異なるパルス信号GPi+1が合成される合成回路であり、合成されたパルス信号GPi+1も駆動制御回路30に供給される。
【0019】
セレクター回路28は、例えば、出力側が接続された2つのアンドゲート29aおよび29bを備えており、一方のアンドゲート29aにはパルス信号GPiと合成用のパルス信号(合成信号)CPが入力され、他方のアンドゲート29bにはパルス信号GPi+2と反転した合成信号CPが入力されている。このため、セレクター回路28からは、合成信号CPが高レベルのときはパルス信号GPiが出力され、合成信号CPが低レベルのときはパルス信号GPi+2が出力される。そして、合成信号CPのデューティーが50%のときは、パルス信号GPiとGPi+2が均等の間隔で出力される。したがって、刻み幅が1/16のパルス信号GPiおよびGPi+2の中間のデューティー、すなわち、1/32の刻み幅のパルス信号GPi+1がセレクター回路28から出力される。そして、パルス信号GPiおよびGPi+2に加えて合成されたパルス信号GPi+1も駆動制御回路30に供給され、駆動パルスDPの実効電力を制御するために利用される。
【0020】
図3に、本例の制御装置20において適当な実効電力の駆動パルスDPを得るプロセスの概要をフローチャートで示してある。まず、ステップST1で発振回路22にて基準パルスBPが出力される。次に、ステップST2において、パルス信号生成回路25に設けられた複数の生成回路27によってデューティーの異なる複数のパルス信号GPjが生成される。この生成回路27によって生成されるパルス信号GPjを奇数番目のパルス信号とすると、次のステップST3において、セレクター回路28に隣接する奇数番目のパルス信号GPjのペアーが入力される。そして、セレクター回路28に入力された奇数番目のパルス信号GPjが合成信号CPにしたがって交互に出力され、それらの間の偶数番目のパルス信号GPkが合成される。さらに、ステップST4において、生成された奇数番目のパルス信号GPjおよび偶数番目のパルス信号GPk、すなわち、パルス信号生成回路25で生成された全てのパルス信号GPi(i=1からn)が駆動制御回路30に供給される。そして、駆動制御回路30ではそれらのパルス信号GPiの中から適当なデューティーのパルス信号に基づいて所定の実効電力の駆動パルスDPが生成され、ステップモータに供給される。
【0021】
図4にセレクター回路28で中間のデューティーのパルス信号が生成される例をタイミングチャートを用いて示してある。基準パルスBPに基づき生成される周波数が2kHzのパルス信号GPiおよびGPi+2(図3に示した奇数番目のパルス信号GPj)のデューティーがそれぞれ8/16および9/16であると、これらを1kHzで50%デューティーの合成信号CPで合成することにより、パルス信号GPiおよびGPi+2が交互に現れる。したがって、デューティーが17/32のパルス信号GPi+1(図3に示した偶数番目のパルス信号GPk)を出力することができる。このため、駆動制御回路30においては、パルス幅が3msのパルス信号P1とパルス信号GPi+1とを合成することにより、デューティーが17/32のサブパルスSPで構成された駆動パルスDPを生成して駆動回路31を駆動することができる。
【0022】
図5に、上記と異なった周波数である0.5kHzの合成信号CP’を用いてパルス信号GPi+1を合成した例を示してある。本例でも、合成されたパルス信号GPi+1には、合成信号CP’の半周期毎にパルス信号GPiおよびGPi+2が現れており、合成信号CP’の周期で平均するとデューティーが17/32となるパルス信号GPi+1が生成されている。しかしながら、駆動パルスの生成信号P1のパルス幅が合成信号CP’の周期の整数倍になっていないために、このパルス信号GPi+1とパルス幅が3msのパルス信号P1とを合成すると、サブパルスSPのデューティーが平均して25/48の駆動パルスDPを出力することができる。さらに、合成信号CPのデューティーを変えることによって、中間的なデューティーのパルス信号GPを出力することが可能であり、デューティーが25%、50%および75%の合成信号CPを供給することにより、デューティーの刻み幅が1/64のパルス信号GPを合成して出力することも可能である。
【0023】
このように、本例の計時装置1の制御装置20においては、基準信号BPに基づき生成されたデューティの異なるパルス信号GPiを合成信号CPによって、例えば、50%の割合で合成することにより、平均的なデューティーがこれらのパルス信号GPiの中間となるデューティーのパルス信号GPi+1を生成することができる。従って、これらのパルス信号GPiおよびGPi+1を用いることにより、基準信号BPによって得られる刻み幅より狭い刻み幅でサブパルスのデューティーを制御することが可能であり、基準信号BPの分解能より高い分解能で駆動パルスDPの実効電力を制御することができる。このため、本例の制御装置20においては、例えば、基準信号BPの発振周波数を従来より1ランク落とした周波数の低い基準信号を採用しても、従来と同じ精度で駆動パルスDPの実効電力を制御することが可能である。従って、低い周波数の基準信号BPを採用したときに、適当な実効電力の駆動パルスが得られずにモーターの消費電力が逆に増加してしまうことはなく、モーターの消費電力を従来通り制御することができる。あるいは、合成パルスCPのデューティーを変えることによって、さらに刻み幅の狭い制御が可能となるので、モーターの消費電力をさらに低減することも可能である。
【0024】
一方、基準信号BPの周波数を低くすることにより発振回路22およびその他の回路における消費電力は低くなり、また、分周回路23における分周段を削減することができるので、回路側の消費電力は低くなる。従って、本例の計時装置1においては、周波数の低い基準信号BPを採用することにより、装置全体の消費電力を低減することが可能となる。また、合成信号のデューティーを制御することにより、さらに基準信号BPの発振周波数を下げられることは上述した通りであり、これによりいっそう消費電力を削減することが可能となる。
【0025】
なお、上記の例に示したように発振周波数を下げる代わりに、発振周波数を変えずに本発明を適用することにより、モータの駆動パルスの実効電力をさらに細かく制御することが可能になる。このため、本発明の制御装置および制御方法により、モータに供給される駆動パルスの実効電力を駆動可能な最小限の電力となるようにさらに細かく制御できるので、モータの消費電力を削減することが可能になる。
【0026】
また、上記の例では、計時装置に好適な2相のステップモータを例に本発明を説明しているが、3相以上のステップモータに対しても本発明を同様に適用できることはもちろんである。また、ステップモータの駆動方式は、1相励磁に限らず、2相励磁あるいは1−2相励磁であっても、もちろん良く、さらに、本発明の制御方法および制御装置によって制御されるステップモータはPMタイプに限定されないことはもちろんであり、VR型あるいはハイブリッド型などのステップモータに対しても本発明を適用できる。
【0027】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のステップモータの制御装置および制御方法さらに計時装置においては、周波数の低い基準信号によって生成されたデューティーの異なるパルス信号を合成することにより、それらの中間的なデューティーのパルス信号を合成することができる。このため、基準信号の発振周波数を下げても、従来と同様あるいはそれ以上に細かな刻み幅で駆動パルスのデューティー制御を行うことが可能である。従って、ステップモータを駆動するのに必要な最小限の実効電力の駆動パルスを供給でき、ステップモータの消費電力の増加を抑えることができる。このため、基準信号の周波数を下げることにより回路側の消費電力が削減される効果を十分に活かすことが可能となり、ステップモータを駆動するために消費される電力を削減することができる。
【0028】
本発明は、このように、ステップモータを駆動するために制御装置で消費される電力を低減することができるので、近年、小型化、多機能化している携帯型機器に好適なステップモータの制御方法および制御装置として好適である。例えば、電子腕時計などの携帯型機器においては、多機能化によって消費電力が増加し、その一方で小型化が進んでいるので容量の多きなバッテリーを搭載することが困難になっている。また、太陽電池などの発電装置を内蔵することによって電池をなくせるようにしている腕時計もある。これらの発電量の少ない電源を用いた計時装置であっても、本発明の制御方法および制御装置を適用することにより、低消費電力で計時を確実に行うことが可能なので、長時間、信頼性の高い時計表示が可能となり、また、電子腕時計などに搭載された計時装置以外の多様な機能を有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の制御装置を格納した計時装置の概略構成を示す図である。
【図2】図1に示した制御装置のパルス生成回路のうち、デューティーの異なるパルス信号を合成するための合成回路の一例を示す図である。
【図3】図1に示した制御装置により実効電力の異なる駆動パルスが生成される過程を示すフローチャートである。
【図4】図2に示した合成回路によりデューティーの異なるパルス信号を合成し、そのパルス信号により駆動パルスを合成することを説明するタイミングチャートである。
【図5】図4と異なる合成信号によりデューティーの異なるパルス信号を合成し、そのパルス信号により駆動パルスを合成することを説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
1・・計時装置
10・・ステップモータ
11・・駆動コイル
12・・ステータ
13・・ロータ
20・・制御装置
21・・水晶振動子
22・・発振回路
23・・分周回路
25・・パルス信号生成回路
27・・生成回路
28・・セレクター回路
30・・駆動制御回路
31・・駆動回路
39・・回転・非回転の検出回路
50・・輪列
61・・秒針
62・・分針
63・・時針
Claims (6)
- 基準信号に基づき第1のデューティーの第1のパルス信号、および第2のデューティーの第2のパルス信号を生成可能なパルス生成部と、
前記第1および第2のパルス信号を合成信号による所定の比率で交互に出力し第3のデューティーの第3のパルス信号を出力可能な合成部と、
前記第1および第2のパルス信号に加えて、前記合成部から出力された前記第3のパルス信号に基づくデューティーの異なる駆動パルスをステップモータに供給可能な駆動制御部と、を有し、
前記駆動パルスは複数のサブパルスにより構成されており、前記駆動制御部は、前記第1、第2および第3のパルス信号に基づき前記サブパルスのデューティーを制御する、
ステップモータの制御装置。 - 前記合成部は、デューティーが50%の合成用のパルス信号である前記合成信号に基づき前記第1および第2のパルス信号を選択可能なセレクターを備えている、請求項1に記載のステップモータの制御装置。
- 基準信号に基づき第1のデューティーの第1のパルス信号、および第2のデューティーの第2のパルス信号を合成信号による所定の比率で交互に出力し第3のデューティーの第3のパルス信号を出力する合成工程と、
前記第1および第2のパルス信号に加えて、前記合成工程で合成された前記第3のパルス信号に基づきデューティーの異なる駆動パルスをステップモータに対し供給可能な駆動工程と、を有し、
前記駆動パルスは複数のサブパルスにより構成されており、前記駆動工程では、前記第1、第2および第3のパルス信号に基づき前記サブパルスのデューティーを制御する、
ステップモータの制御方法。 - 前記合成工程では、デューティーが50%の合成用のパルス信号である前記合成信号に基づき前記第1および第2のパルス信号を選択する、請求項3に記載のステップモータの制御方法。
- 基準信号を発生する発振装置と、
前記基準信号に基づき第1のデューティーの第1のパルス信号、および第2のデューティーの第2のパルス信号を生成可能なパルス生成部と、
前記第1および第2のパルス信号を合成信号による所定の比率で交互に出力し第3のデューティーの第3のパルス信号を出力可能な合成部と、
前記第1および第2のパルス信号に加えて、前記合成部から出力された前記第3のパルス信号に基づきデューティーの異なる駆動パルスをステップモータに供給可能な駆動制御部と、
前記ステップモータによって運針される時計針と、を有し、
前記駆動パルスは複数のサブパルスにより構成されており、前記駆動制御部は、前記第1、第2および第3のパルス信号に基づき前記サブパルスのデューティーを制御する、
計時装置。 - 前記合成部は、デューティーが50%の合成用のパルス信号である前記合成信号に基づき前記第1および第2のパルス信号を選択可能なセレクターを備えている、請求項5に記載の計時装置。
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