JP3653850B2 - ステップモータの駆動装置、その制御方法および計時装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステップモータの駆動装置およびその制御方法に関し、特に、ステップモータの駆動電力を低減可能な駆動装置およびその制御方法、さらに、この駆動装置を用いた計時装置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１ＭＨｚ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。さらに、小型で携帯に適した電子装置は、集積化が進み、ユーザーの様々なニーズに対応して多機能化が進んでいる。例えば、計時機能を備えた小型の電子装置には、電力を消費する種々の機能が搭載されており、全体の電力消費は増加傾向にある。また、太陽電池などを用いて自動的に発電を行って電池の交換なしに長期間、何処でも自由に使用できる携帯型電子機器も考案されている。これらの機器に搭載される発電システムからは大きな電流密度を得にくいため、ステップモータを駆動するために消費される電力をさらに低減することが望まれている。
【０００４】
そこで、本発明においては、ステップモータを駆動するために用いられた電力の一部を回収することによって電力消費を低減可能な駆動装置およびその制御方法を提供することを目的としている。特に、本発明においては、小型・携帯型の電子機器などに適した簡単な構成で部品点数も少ない装置によって電力の一部を回収可能な駆動装置および制御方法を提供することを目的としている。そして、多機能化、あるいは電池の廃棄や交換の不要な太陽電池などの発電システムを採用した計時装置等の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駆動装置および制御方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、いっそうの省電力化を実現するために、ステップモータの駆動コイルに発生する誘導起電力を用いてステップモータに供給された電力の一部を回生するようにしている。すなわち、ステップモータに駆動パルスを供給してロータを回転させると、ロータはすぐには停止せず慣性によって動く。このロータの動きによって駆動コイル（ステータ）の磁束密度が変化するので、誘導起電力が発生する。本発明においては、この誘導起電力による電流をさらに時間的に変化させ、磁束密度の変化と電流の変化によって大きな誘導電圧を駆動コイルに発生させて電池などの電源に電気エネルギーを回生するようにしている。このため、本発明の駆動装置は、ステップモータの駆動コイルに断続的に駆動パルスを供給して前記ステップモータを駆動する駆動装置において、電源から供給された駆動電力をオンオフして前記駆動コイルに前記駆動パルスを印加する少なくとも１つのスイッチ手段と、このスイッチ手段をバイパスして前記駆動コイルと前記電源を接続し、前記駆動電力の逆方向に電流を流すバイパス手段と、前記駆動パルスが供給された後に前記駆動コイルを短い周期でオープン、ショートを繰り返すチョッパ制御手段とを有することを特徴としている。さらに、前記短い周期は、数ｋ〜数１０ｋＨｚであることを特徴としている。
【０００６】
本発明の駆動装置によれば、スイッチ手段によって駆動パルスを駆動コイルに供給したのち、短絡手段によって駆動コイルを短絡する。これによって、ロータの動きに起因する磁束密度の変化によって短絡電流が発生し、駆動コイルを流れる。さらに、短絡手段を短い周期でオンオフを繰り返すことによって、短絡電流が急速に変動する。この電流の変化によって駆動コイルにさらに大きな誘導起電力が発生する。この誘導起電力による電圧（誘導電圧）が電源電圧より大きくなると、バイパス手段を介して電源に電流が流れ、電池あるいはコンデンサなどの電源が充電され、ロータの運動エネルギーが電気エネルギーとして回生される。
【０００７】
本発明の駆動装置のスイッチ手段には、トランジスタスイッチを用いることが可能であり、さらに、バイパス手段としてトランジスタスイッチの寄生ダイオードを用いることができる。さらに、スイッチ手段によって駆動コイルに異なった極性の駆動電力を印加し、駆動コイルに極性の異なる磁界を発生させるバイポーラ型の駆動回路の場合は、短絡手段はＣＯＭＳなどからなるスイッチ手段で駆動コイルを駆動電力の同一の極へ接続すれば良い。このように、本発明の駆動装置は特別な昇圧回路などを必要とせず非常に簡易な構成で実現でき、ステップモータに供給したエネルギーの一部を回生してステップモータの駆動に必要な電力消費を低減することが可能となる。
【０００８】
時計針を運針するためにステップモータを用いている計時装置においては、一定の時間間隔で出力される時間信号に基づき断続的に駆動パルスをステップモータに供給する駆動装置に対し本発明を適用することによって、計時装置の電力消費を低減できる。従って、電力の限られた小型で携帯に適した電子装置においても、計時機能に加えて他の機能を有効に活用することができ、また、電池の寿命を延ばし、あるいは電池の交換を不要にすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔バイポーラ型の駆動回路の例〕
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、本発明に係る駆動回路を備えたステップモータの制御装置の概要を示してある。本例の制御装置１０は、２相ステップモータ１を１相、２相あるいは１−２相励磁によって駆動できる装置である。ステップモータ１はＰＭ型のステップモータであり、ステータに駆動コイル２ａおよび２ｂが装着されており、このステータの内部で永久磁石によって構成されたロータ５が回転するようになっている。本例の制御装置１０は、ステップモータ１の駆動コイル２ａおよび２ｂに駆動パルスを供給する駆動回路２０ａおよび２０ｂと、水晶振動子などの基準発振源１１を用いて基準周波数の基準パルスを出力する発振回路１２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を出力する分周回路１３と、分周回路１３から供給されたパルスに基づき駆動回路２０ａおよび２０ｂを制御する制御回路１５と、さらに、駆動回路２０ａおよび２０ｂに駆動パルスの電力を供給する電源１９を備えている。なお、本例の駆動回路２０ａおよび２０ｂは同じ構成のバイポーラ型の駆動回路であり、以降においては一方の駆動回路を用いて説明する。
【００１０】
図２に、駆動回路２０から駆動コイル２に方形の駆動パルスが供給されたときに駆動コイル２に流れる電流が変化する様子を示してある。時刻ｔ０に駆動パルスが供給され電圧が高レベルになると、駆動コイル２に電流が流れ磁界が発生する。これによってロータが回転すると逆起電力が発生し電流が減少する。そして、時刻ｔ１に駆動パルスの電圧が低レベルになっても駆動コイルを流れる電流は０にならない。永久磁石によって構成されたロータが駆動された後に慣性で動きさらに、無励磁保持トルク（ディテントトルク、コギングトルク）によって停止するセットリングタイムの間、その停止位置の前後で振動する。このため、駆動パルスが終了した後でも駆動コイルを貫通する磁束密度が変化するので駆動コイルに誘導起電力が発生する。駆動パルスをオフにするときは、図３に示す駆動回路２０のｐチャンネルトランジスタＰ１およびＰ２がオンになっているので、駆動コイル２の両側が短絡された状態となっており、図２に示したような電流が駆動コイル２にながれる。そして、このままでは、誘導起電力による電流は駆動コイル２で消費され、ジュール熱となって放散する。そこで、本発明においては、この電力を回収するようにしている。
【００１１】
図３に、本例の駆動回路２０の構成を示してある。上述したように、本例の駆動回路２０はｐチャンネルＭＯＳトランジスタ（以降においてはＭＯＳ）２１、２２およびｎチャンネルＭＯＳ２３、２４をバイポーラ型の駆動回路を構成するように接続してあり、これらのＭＯＳ２１、２２、２３および２４によって電源１９から供給される電力を制御し、駆動コイル２に極性の異なる駆動パルスを交互に供給できるようになっている。このような駆動回路２０はＣＭＯＳなどを用いて簡単に構成できるものであり、他の制御回路などと共に１つの基板上にモノリシック化することも可能である。
【００１２】
それぞれのＭＯＳ２１、２２、２３および２４のそれぞれには、低電圧側から高電圧側に電流が流れるように、すなわち、電源電圧を用いた駆動パルスの電流の流れる方向とは逆に向けてダイオード２５が並列に接続されている。従って、駆動コイル２に電源１９とは逆向きの高い電圧が発生すると、これらのＭＯＳ２１、２２、２３および２４の状態に関係なく、電流がＭＯＳ２１、２２、２３および２４をバイパスしてダイオード２５を介して流れるようになっている。このダイオード２５は、それぞれのＭＯＳと並列にダイオード素子を接続したり、あるいはＰＮ接合によって基板に作りこまれたダイオードを用いることができる。さらに、各ＭＯＳの寄生ダイオードをバイパス用のダイオード２５として用いることも可能である。
【００１３】
図４に、これらのＭＯＳ２１、２２、２３および２４のゲート電極に印加される制御信号φｐ１、φｐ２、φｎ１およびφｎ２をタイミングチャートによって示してある。以下に、このタイミングチャートに基づき図３に示した本例の駆動回路２０の動作を説明する。制御信号φｐ１、φｐ２、φｎ１およびφｎ２は、通常、低レベルに保持される。このため、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２はオンであり、ｎチャンネルＭＯＳ２３および２４がオフである。従って、駆動コイル２には電流が流れず、磁界は発生しない。時刻ｔ１０に制御信号φｐ２およびφｎ２が高レベルになると、ｐチャンネルＭＯＳ２２がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２４がオンする。これによって、図３に実線で示したようにｐチャンネルＭＯＳ２１、駆動コイル２、およびｎチャンネルＭＯＳ２４に電流が流れ、電源１９から駆動コイル２に電力が供給される。すなわち、駆動コイル２に駆動回路２０から駆動パルスが供給された状態となり、駆動コイル２に発生した磁界によってロータが回転する。時刻ｔ１１に制御信号φｐ２およびφｎ２が低レベルになると、駆動パルスがオフとなり、電源１９から駆動コイル２への電力の供給は遮断される。しかしながら、ロータが慣性で回転しているので、駆動コイル２には誘導起電力が発生している。このとき、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオンしているので、駆動コイル２は短絡されており、図３に一点鎖線で示したように駆動コイル２に誘導起電力による電流が流れる。駆動パルスが停止すると、ロータは慣性でそのまま動き、さらに、所定の停止位置を中心に振動する。このため、誘導コイル２を横切る磁束密度も変化し、振動する。その変化の方向によって駆動コイル２に流れる一点鎖線で示した短絡電流の向きも変動する。
【００１４】
時刻ｔ１２に、制御信号φｐ１およびφｐ２を高レベルにすると、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオフとなるので、駆動コイル２に電流が流れなくなる。ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２のスイッチングによって駆動コイル２に流れる電流は急激に減少するので、駆動コイル２に大きな誘導起電力が発生する。このときの誘導電圧が回路抵抗などを含めて電源１９の電圧より高くなると、ＭＯＳ２１、２２、２３および２４をバイパスして駆動コイル２と電源１９を接続するように設けられているダイオード２５を介して、駆動コイル２から逆に電源１９に電流が流れる。これによって、例えば、電源１９として電池あるいはコンデンサを用いていると、これらが充電される。
【００１５】
次に時刻ｔ１３に、制御信号φｐ１およびφｐ２を低レベルにすると、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオンとなるので、駆動コイル２に短絡電流が流れる。このスイッチング操作によって電流が急激に増大するので、駆動コイル２には時刻ｔ１２と逆方向の誘導起電力が発生し、このときの誘導電圧の値が電源電圧を越えると再びダイオード２５を介して電源１９が充電される。このような操作はロータによって駆動コイル２に誘導起電力が誘起されている間、例えば時刻ｔ１４まで連続して続けることにより、ロータの機械的な運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電源１９に回生することができる。上記から判るように、時刻ｔ１１から時刻ｔ１４のエネルギーを回生する間は、制御信号φｐ１およびφｐ２を高速でオンオフすることが望ましい。このため、本例の制御装置１０においては、チョッパ回路１６を設け、数ｋ〜数１０ｋＨｚの高周波パルスを発生させて、制御信号φｐ１およびφｐ２を操作している。
【００１６】
ロータがほぼ停止し、エネルギーの回生が終了した時刻ｔ１５に、制御信号φｐ１およびφｎ１を高レベルにする。これによって、ｐチャンネルＭＯＳ２１がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２３がオンする。従って、駆動コイル２には、図３に実線で示したのと反対側の方向に電流が流れ、異なった極性の駆動パルスが供給される。従って、駆動コイル２には、時刻ｔ１０とは逆方向の磁場が発生し、ロータを回転させる。時刻ｔ１６に制御信号φｐ１およびφｎ１が低レベルになって駆動パルスがオフすると、ロータがほぼ停止する時刻ｔ１７までの間、時刻ｔ１１から時刻ｔ１４と同様にチョッパ回路１６から供給された高周波パルスを制御信号φｐ１およびφｐ２に重ねてロータの運動エネルギーを電気エネルギーとして回生する。
【００１７】
このように、本例の駆動回路２０においては、駆動パルスを供給した後、次の駆動パルスが供給される前に、駆動コイルを短い周期で短絡させることによって駆動コイルに大きな誘導起電力を発生させ、ロータの慣性による運動エネルギーを電気エネルギーとして電源側に回生できるようにしている。従って、ステップモータを駆動するために電源側からステップモータに供給されたエネルギーの一部を回生することができるので、結果として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。また、本例の駆動回路を用いることにより、ステップモータを回動させるために大きな電力を用いても、その残りの部分を回収できるので、ステップモータを確実に駆動でき、その上で省電力化を図ることが可能となる。
【００１８】
また、本例の駆動回路においては、高周波パルスを用いて駆動コイルによって昇圧しているので、ロータの運動エネルギーを電気エネルギーとして電源に回生するために複雑な昇圧回路は不要である。例えば、バイパス回路としてＭＯＳの寄生ダイオードを用いるのであれば、駆動パルスを生成するスイッチング用のＭＯＳに対し、駆動パルスを出力した後、チョッパ回路からの高周波パルスを印加することによってエネルギーを回生できる。さらに、従来、ジュール熱として放出されていたエネルギーを回収できるので、モータの温度上昇の低減などの効果も期待できる。
【００１９】
〔ユニポーラ型の駆動回路の例〕
本発明は、上述したバイポーラタイプの駆動回路のみに限らず、ステップモータの駆動コイルに断続的に駆動パルスを供給する回路であれば適用できることはもちろんである。図５に、ユニポーラタイプの駆動回路の例を示してある。この駆動回路３０は、例えば、２相ステップモータの駆動回路であり、そのステップモータのステータの１番目と３番目の駆動コイル３ａおよび３ｃに駆動パルスを供給する部分を代表して示してある。本例の駆動回路３０は、電源１９から供給された電力をオンオフして、駆動コイル３ａおよび３ｃのそれぞれに駆動パルスを供給するスイッチ３１ａおよび３１ｃと、これらのスイッチ３１ａおよび３１ｃをそれぞれバイパスするように設置されたダイオード３３ａおよび３３ｃと、駆動コイル３ａおよび３ｃを短絡するように設置されたスイッチ３２を備えている。ダイオード３３ａおよび３３ｃは、供給される電力の方向とは逆方向に電流を流すように設置されており、駆動パルスを供給する際のスイッチ３１ａおよび３１ｃの機能を阻害しないようになっている。
スイッチ３１ａ、３１ｃおよび３２は、上述した駆動回路２０と同様に制御回路１５からの制御信号φｓ１、φｓ２およびφｓ３によって制御される。ロータを駆動コイル３ａおよび３ｃによって回転させる場合は、例えば、制御信号φｓ１およびφｓ２によってスイッチ３１ａおよび３１ｃを閉じて、駆動コイル３ａおよび３ｃに極性の異なる磁場を励起する。このとき、制御信号φｓ３によって短絡用のスイッチ３２は開放した状態である。ロータが回転すると、制御信号φｓ１、φｓ２およびφｓ３によってスイッチ３１ａおよび３１ｃを開いて、スイッチ３２を閉じる。これによって、駆動コイル３ａおよび３ｃが短絡され、ロータの動きに起因する磁束密度の変化によって誘導起電力が発生し、短絡電流が流れる。そこで、上記の回路と同様に、スイッチ３２をチョッパ回路からの高周波パルスを用いてオンオフする。この結果、駆動コイル３ａおよび３ｃのそれぞれに高圧の誘導電圧が発生し、スイッチ３１ａおよび３１ｃのそれぞれをバイパスするダイオード３３ａおよび３３ｃを介して駆動コイル３ａおよび３ｃがそれぞれ電源１９に接続され、電源１９にエネルギーが回生される。本例では、短絡用のスイッチ３２を２つの駆動コイル３ａおよび３ｃを接続するように設けてあるが、それぞれの駆動コイル３ａおよび３ｃを短絡するように別々の短絡用のスイッチを設け、この短絡用のスイッチを高周波パルスによって駆動しても良いことはもちろんである。
【００２０】
〔計時装置の例〕
図６に、本発明に係るステップモータの駆動回路を適用して運針用のステップモータを駆動する計時装置の例を示してある。本例の計時装置８は、ステップモータ４０と、このステップモータ４０を制御する制御装置１０と、ステップモータ４０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４０は、制御装置１０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４１と、この駆動コイル４１によって励磁されるステータ４２と、さらに、ステータ４２の内部で回転するロータ４３を備えている。このロータ４３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４０となっている。ステータ４２には、駆動コイル４１で発生した磁力によって異なった磁極がロータ４３の回りのそれぞれのステータ端部４５および４６に発生するように磁気飽和部４７が設けられている。また、ロータ４３の回転方向を規定するために、ステータ４２の内周の適当な位置には内ノッチ４８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が適当な置に停止するようにしている。
【００２１】
ステップモータ４０のロータ４３の回転は、かなを介してロータ４３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４３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。
【００２２】
本例の計時装置８は、ステップモータ４０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４０は所定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４０を制御する本例の制御装置１０は、上述したバイポーラ型の駆動回路を備えた制御装置とほぼ同様の構成であり、ステップモータ４０に供給される駆動パルスが計時に適した所定の時間間隔で供給されるようになっている。そのため、水晶振動子などの基準発振源１１を用いて基準周波数の基準パルスを出力する発振回路１２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を出力する分周回路１３と、高周波パルスを重畳するためのチョッパ回路１６と、これらの回路から供給されたパルス信号に基づき駆動回路２０の各スイッチを制御する制御回路１５を備えている。
【００２３】
さらに、本例の制御装置１０は、制御回路１５からの制御信号に基づき電源１９からの電力を駆動パルスとしてステップモータ４０に供給する駆動回路２０を備えている。この駆動回路２０は、ＭＯＳトランジスタ２１、２２、２３および２４を用いたバイポーラ型であり、すでに説明したバイポーラ型の駆動回路とほぼ同様なので共通する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００２４】
また、本例の制御装置１０は、駆動回路２０から駆動コイル４１へ駆動パルスを供給する配線に、駆動パルスを供給した後に生ずる誘起電圧などによってロータ４３の回転・非回転を検出する検出回路１８が接続されており、制御回路１５はこの検出回路１８からの検出信号によってロータの回転・非回転を判断し、非回転の場合は通常の駆動パルスより電力の大きな駆動パルスをステップモータ４０に供給して確実にステップモータが回転するようにしている。回路が簡単で確実にロータの回転・非回転を判断できるため、ロータの回転に起因する誘導電圧を用いてロータの回転を検出することが多い。本例の検出回路１８も駆動コイル１１に発生した誘導電圧を用いて判断しているので、駆動コイル１１から電源にエネルギーを回生するタイミングと、検出回路１８が検出を行うタイミングを分離する必要がある。このためにｐチャンネルＭＯＳによるスイッチ１７ａおよび１７ｂを設けてある。これらのＭＯＳ１７ａおよび１７ｂも制御回路１５からの制御信号φｓ７およびφｓ８によって制御される。もちろん、ロータの回転・非回転を検出する方法は、本例に限定されることはなく、特公昭６１−１５３８４などに開示されているステータ４２に磁束を発生させる時定数の差を検出したり、ロータ４３の回転角をセンサーなどを用いて検出するなどの手段を採用しても良い。また、電気エネルギーを電源に回生する間に発生する電圧、極性およびタイミングによって判断しても良く、これにより、エネルギーの回生とロータの回転・非回転の判断を同じタイミングで行えるので、より多くエネルギーを回生できる。
【００２５】
駆動回路２０のＭＯＳ２１、２２、２３および２４、さらに、検出回路１８のＭＯＳ１７ａおよび１７ｂへの制御信号φｐ１、φｐ２、φｎ１、φｎ２およびφｓ７、φｓ８は、分周回路１３から供給されるタイミング信号φ０、φ１、φ２、φ３およびチョッパ回路１６から供給される高周波パルスφ８ｋおよびφ１ｋに基づき出力される。これらの制御信号が出力される様子を図７に示してある。分周回路１３から供給される各タイミング信号φ０、φ１、φ２およびφ３は同一の周期、例えば、計時に適当な１Ｈｚのサイクル信号であり、それぞれの信号のレベルが変動するタイミングを変えてある。一方、チョッパ回路１６から供給される信号φ８ｋおよびφ１ｋは、短い周期の信号であり、例えば、エネルギーを回生用の信号φ８ｋは数ｋ〜数１０ｋＨｚの信号であり、回転・非回転の検出用の信号φ１ｋは数１００Ｈｚから数ｋＨｚの信号である。
【００２６】
時刻ｔ２０に、タイミング信号φ０が低レベルから高レベルに変わると、制御信号φｐ２およびφｎ２が高レベルになり、駆動回路２０のｐチャンネルＭＯＳ２２がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２４がオンする。駆動回路２０のｐチャンネルＭＯＳ２１はオンしているので、これによって、ｐチャンネルＭＯＳ２１、駆動コイル４１、およびｎチャンネルＭＯＳ２４に電流が流れ、電源１９から駆動コイル４１に電力が供給される。すなわち、駆動コイルに駆動回路２０から駆動パルスが供給された状態となり、ステップモータ４０のロータ４３が１８０度回転する。時刻ｔ２１にタイミング信号φ２が低レベルから高レベルになると、制御信号φｐ２およびφｎ２が低レベルにり、駆動パルスがオフとなる。従って、電源１９から駆動コイル２への電力の供給は遮断される。しかしながら、ロータ４３が慣性で回転している。このため、駆動コイル４１には誘導起電力が発生し、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオンしているので駆動コイル４１の両端は短絡されており、短絡電流が流れる。従って、上述したように、制御信号φｐ１およびφｐ２に高周波パルスを重ねると短絡電流が急激に変化し、駆動コイル４１に大きな誘導電圧が発生する。従って、駆動コイル４１からバイパス用のダイオード２５を介して電源１９に向けて電流がながれ、ロータ４３の運動エネルギーが電気エネルギーとして回生される。
【００２７】
上記の制御を行っている間、制御信号φｓ７およびφｓ８は高レベルに保たれており、ｐチャンネルＭＯＳ１７ａおよび１７ｂはオフになっている。従って、駆動パルスおよび回生時の電圧変動は検出回路１８には供給されない。時刻ｔ２２にタイミング信号φ２が低レベルから高レベルに反転すると、制御信号φｐ１に上述したほぼ１ｋＨｚ程度の高周波パルスφ１ｋが重ねられ、制御信号φｓ７に、同じ高周波パルスφ１ｋを反転した信号が重ねされる。そして、制御信号φｐ２は低レベルに保持される。従って、駆動コイル４１は高周波パルスφ１ｋの周期でｐチャンネルＭＯＳ２１および２２によって短絡され、その両端に発生した誘導電圧は高周波パルスφ１ｋの周期でｐチャンネルＭＯＳ２２および１７ａを介して検出回路１８に印加される。従って、時刻ｔ２２以降のロータの回転によって駆動コイル４１に発生した誘導電圧は高周波パルスφ１ｋの周期で増幅され、電源電圧を基準値として検出回路１８によって検出される。そして、この誘導電圧の変動パターンなどからロータの回転・非回転が判断される。この検出する工程をタイミング信号φ３が低レベルから高レベルに反転する時刻ｔ２３まで行って、ステップモータを駆動する１つのサイクルが終了する。なお、ロータが非回転であることを検出した場合は、これらのサイクルに続いて、電力の大きな駆動パルスをステップモータに供給し、確実に回転を行わせる工程が実行される。
【００２８】
時刻ｔ２４に、タイミング信号φ０が高レベルから低レベルに変わると、次のステップモータを回転するサイクルが開始される。タイミング信号φ０の変化に伴って時刻ｔ２４に制御信号φｐ１およびφｎ１を高レベルとなる。これによって、ｐチャンネルＭＯＳ２１がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２３がオンする。従って、駆動コイル４１には前のサイクルと反対側の方向に電流が流れ、異なった極性の駆動パルスが供給される。従って、駆動コイル４１のステータ４２には逆の位相の磁界が発生し、ロータ４３が再び１８０度回転する。時刻ｔ２５にタイミング信号φ１が高レベルから低レベルに反転すると、制御信号φｐ１およびφｎ１が低レベルになって駆動パルスがオフする。そして、高周波パルスφ８ｋが制御信号φｐ１およびφｐ２に重ねられ、ロータの運動エネルギーが電気エネルギーとして回生される。時刻ｔ２６にタイミング信号φ２が高レベルから低レベルに判定すると、エネルギーの回生からロータの回転・非回転の検出に移行し、制御信号φ２に高周波パルスφ１ｋが、そして、制御信号φｓ８に高周波パルスφ１ｋを反転した信号が重ねられる。これによって、上記と同様にロータの回転による誘導電圧が検出回路１８によって電源電圧を基準に判断される。時刻ｔ２７にタイミング信号φ３が高レベルから低レベルに反転すると、ロータを駆動するサイクルは終了する。これに続いて、ロータが非回転のときは、上記と同様に大きなパルス幅の駆動パルスがステップモータに供給され回転される。
【００２９】
本例の制御装置１０においては、タイミング信号φ１〜φ３および高周波パルスφ８ｋ、φ１ｋを用いて制御回路１５によって上記の制御信号φｐ１、φｎ１、φｐ２、φｎ２、φｓ７およびφｓ８が出力されており、その回路の一例を図８に示してある。このような論理回路を用いた制御回路１５はＣＭＯＳなどのスイッチング素子を用いて構成でき、また、駆動回路２０もバイパス用のダイオードも含めてＣＭＯＳなどのスイッチング素子を用いて実現できる。検出回路１８、分周回路など、本例の制御装置１０を構成するその他の回路も同様であり、本例の制御装置１０は半導体基板上に公知のＩＣプロセスを用いて形成することが可能である。従って、本例の制御装置は電子腕時計などの小型で携帯に適した電子装置内に、場所を取らず容易に収納することが可能である。そして、本例の制御装置を用いることにより、ステップモータからエネルギーを回生してステップモータの駆動に必要な電力の省力化を図れる。
【００３０】
本願の発明者らの測定によると、上記の計時装置において、デューティー比が２５〜７５％で周波数が４〜８ｋＨｚ程度にチョッピングされた高周波パルスを用いて、ステップモータに入力したエネルギーの５％程度のエネルギーを電源側へ回生できることが判っている。従って、本例の制御装置を用いることによって消費電力を５％程度低減することができる。この測定は、精度の高く逆起電力の発生を極力抑えた１体型ステータを備えた計時装置用のステップモータに本発明を適用した場合の効果であり、従来の２体型ステータの計時用ステップモータや、アクチュエータなどに用いられるステップモータに本発明を適用することにより、さらに大幅な省電力化を期待できる。
【００３１】
なお、上記の例では、１相あるいは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相励磁方式によって断続的にステップモータに駆動パルスが供給されれば良い。さらに、本発明の駆動装置によって駆動されるステップモータはＰＭタイプに限定されず、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。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、ロータの慣性による運動エネルギーを、駆動コイルに発生する誘導起電力に変換し、さらに駆動コイルを流れる短絡電流を変動させることによって駆動コイルを昇圧手段として用いることによって電源側に回生している。従って、複雑な昇圧回路を用いずに簡単にステップモータに供給されたエネルギーの一部を回生することができ、結果として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することができる。
【００３３】
従って、本発明により、ステップモータを駆動するために消費される電力を低く抑えることが可能となり、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駆動装置およびその制御装置を提供できる。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、小型化および太陽電池などの発電装置を内蔵することによって電池の交換をなくせるようにしている。従って、本発明を適用することによって、発電量の少ない電源を用いた装置であっても低消費電力で計時を確実に行うことが可能なり、電子腕時計などに搭載された多様な機能を有効に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動回路を用いたステップモータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ステップモータにおいてロータの慣性運動に伴って発生する誘導電圧の一例を示すグラフである。
【図３】図１に示す駆動回路の動作を説明する図である。
【図４】図１に示す駆動回路のＭＯＳに供給される制御信号を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明のユニポーラ型の駆動回路を示す図である。
【図６】本発明の駆動回路を用いた計時装置の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示した制御回路から駆動回路に供給される制御信号を示すタイミングチャートである。
【図８】図６に示した制御回路の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・ステップモータ
２、３・・駆動コイル
５・・ロータ
１０・・制御装置
１１・・水晶振動子
１２・・発振回路
１３・・分周回路
１５・・制御回路
１６・・チョッパ回路
１８・・検出回路
１９・・電源
２０、３０・・駆動回路
１７、２１〜２４・・ＭＯＳトランジスタ
２５、３３・・ダイオード
３１、３２・・スイッチ
４０・・ステップモータ
４１・・駆動コイル
４２・・ステータ
４３・・ロータ
５０・・輪列
６１・・秒針
６２・・分針
６３・・時針
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステップモータの駆動装置およびその制御方法に関し、特に、ステップモータの駆動電力を低減可能な駆動装置およびその制御方法、さらに、この駆動装置を用いた計時装置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１ＭＨｚ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。さらに、小型で携帯に適した電子装置は、集積化が進み、ユーザーの様々なニーズに対応して多機能化が進んでいる。例えば、計時機能を備えた小型の電子装置には、電力を消費する種々の機能が搭載されており、全体の電力消費は増加傾向にある。また、太陽電池などを用いて自動的に発電を行って電池の交換なしに長期間、何処でも自由に使用できる携帯型電子機器も考案されている。これらの機器に搭載される発電システムからは大きな電流密度を得にくいため、ステップモータを駆動するために消費される電力をさらに低減することが望まれている。
【０００４】
そこで、本発明においては、ステップモータを駆動するために用いられた電力の一部を回収することによって電力消費を低減可能な駆動装置およびその制御方法を提供することを目的としている。特に、本発明においては、小型・携帯型の電子機器などに適した簡単な構成で部品点数も少ない装置によって電力の一部を回収可能な駆動装置および制御方法を提供することを目的としている。そして、多機能化、あるいは電池の廃棄や交換の不要な太陽電池などの発電システムを採用した計時装置等の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駆動装置および制御方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、いっそうの省電力化を実現するために、ステップモータの駆動コイルに発生する誘導起電力を用いてステップモータに供給された電力の一部を回生するようにしている。すなわち、ステップモータに駆動パルスを供給してロータを回転させると、ロータはすぐには停止せず慣性によって動く。このロータの動きによって駆動コイル（ステータ）の磁束密度が変化するので、誘導起電力が発生する。本発明においては、この誘導起電力による電流をさらに時間的に変化させ、磁束密度の変化と電流の変化によって大きな誘導電圧を駆動コイルに発生させて電池などの電源に電気エネルギーを回生するようにしている。このため、本発明の駆動装置は、ステップモータの駆動コイルに断続的に駆動パルスを供給して前記ステップモータを駆動する駆動装置において、電源から供給された駆動電力をオンオフして前記駆動コイルに前記駆動パルスを印加する少なくとも１つのスイッチ手段と、このスイッチ手段をバイパスして前記駆動コイルと前記電源を接続し、前記駆動電力の逆方向に電流を流すバイパス手段と、前記駆動パルスが供給された後に前記駆動コイルを短い周期でオープン、ショートを繰り返すチョッパ制御手段とを有することを特徴としている。さらに、前記短い周期は、数ｋ〜数１０ｋＨｚであることを特徴としている。
【０００６】
本発明の駆動装置によれば、スイッチ手段によって駆動パルスを駆動コイルに供給したのち、短絡手段によって駆動コイルを短絡する。これによって、ロータの動きに起因する磁束密度の変化によって短絡電流が発生し、駆動コイルを流れる。さらに、短絡手段を短い周期でオンオフを繰り返すことによって、短絡電流が急速に変動する。この電流の変化によって駆動コイルにさらに大きな誘導起電力が発生する。この誘導起電力による電圧（誘導電圧）が電源電圧より大きくなると、バイパス手段を介して電源に電流が流れ、電池あるいはコンデンサなどの電源が充電され、ロータの運動エネルギーが電気エネルギーとして回生される。
【０００７】
本発明の駆動装置のスイッチ手段には、トランジスタスイッチを用いることが可能であり、さらに、バイパス手段としてトランジスタスイッチの寄生ダイオードを用いることができる。さらに、スイッチ手段によって駆動コイルに異なった極性の駆動電力を印加し、駆動コイルに極性の異なる磁界を発生させるバイポーラ型の駆動回路の場合は、短絡手段はＣＯＭＳなどからなるスイッチ手段で駆動コイルを駆動電力の同一の極へ接続すれば良い。このように、本発明の駆動装置は特別な昇圧回路などを必要とせず非常に簡易な構成で実現でき、ステップモータに供給したエネルギーの一部を回生してステップモータの駆動に必要な電力消費を低減することが可能となる。
【０００８】
時計針を運針するためにステップモータを用いている計時装置においては、一定の時間間隔で出力される時間信号に基づき断続的に駆動パルスをステップモータに供給する駆動装置に対し本発明を適用することによって、計時装置の電力消費を低減できる。従って、電力の限られた小型で携帯に適した電子装置においても、計時機能に加えて他の機能を有効に活用することができ、また、電池の寿命を延ばし、あるいは電池の交換を不要にすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔バイポーラ型の駆動回路の例〕
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、本発明に係る駆動回路を備えたステップモータの制御装置の概要を示してある。本例の制御装置１０は、２相ステップモータ１を１相、２相あるいは１−２相励磁によって駆動できる装置である。ステップモータ１はＰＭ型のステップモータであり、ステータに駆動コイル２ａおよび２ｂが装着されており、このステータの内部で永久磁石によって構成されたロータ５が回転するようになっている。本例の制御装置１０は、ステップモータ１の駆動コイル２ａおよび２ｂに駆動パルスを供給する駆動回路２０ａおよび２０ｂと、水晶振動子などの基準発振源１１を用いて基準周波数の基準パルスを出力する発振回路１２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を出力する分周回路１３と、分周回路１３から供給されたパルスに基づき駆動回路２０ａおよび２０ｂを制御する制御回路１５と、さらに、駆動回路２０ａおよび２０ｂに駆動パルスの電力を供給する電源１９を備えている。なお、本例の駆動回路２０ａおよび２０ｂは同じ構成のバイポーラ型の駆動回路であり、以降においては一方の駆動回路を用いて説明する。
【００１０】
図２に、駆動回路２０から駆動コイル２に方形の駆動パルスが供給されたときに駆動コイル２に流れる電流が変化する様子を示してある。時刻ｔ０に駆動パルスが供給され電圧が高レベルになると、駆動コイル２に電流が流れ磁界が発生する。これによってロータが回転すると逆起電力が発生し電流が減少する。そして、時刻ｔ１に駆動パルスの電圧が低レベルになっても駆動コイルを流れる電流は０にならない。永久磁石によって構成されたロータが駆動された後に慣性で動きさらに、無励磁保持トルク（ディテントトルク、コギングトルク）によって停止するセットリングタイムの間、その停止位置の前後で振動する。このため、駆動パルスが終了した後でも駆動コイルを貫通する磁束密度が変化するので駆動コイルに誘導起電力が発生する。駆動パルスをオフにするときは、図３に示す駆動回路２０のｐチャンネルトランジスタＰ１およびＰ２がオンになっているので、駆動コイル２の両側が短絡された状態となっており、図２に示したような電流が駆動コイル２にながれる。そして、このままでは、誘導起電力による電流は駆動コイル２で消費され、ジュール熱となって放散する。そこで、本発明においては、この電力を回収するようにしている。
【００１１】
図３に、本例の駆動回路２０の構成を示してある。上述したように、本例の駆動回路２０はｐチャンネルＭＯＳトランジスタ（以降においてはＭＯＳ）２１、２２およびｎチャンネルＭＯＳ２３、２４をバイポーラ型の駆動回路を構成するように接続してあり、これらのＭＯＳ２１、２２、２３および２４によって電源１９から供給される電力を制御し、駆動コイル２に極性の異なる駆動パルスを交互に供給できるようになっている。このような駆動回路２０はＣＭＯＳなどを用いて簡単に構成できるものであり、他の制御回路などと共に１つの基板上にモノリシック化することも可能である。
【００１２】
それぞれのＭＯＳ２１、２２、２３および２４のそれぞれには、低電圧側から高電圧側に電流が流れるように、すなわち、電源電圧を用いた駆動パルスの電流の流れる方向とは逆に向けてダイオード２５が並列に接続されている。従って、駆動コイル２に電源１９とは逆向きの高い電圧が発生すると、これらのＭＯＳ２１、２２、２３および２４の状態に関係なく、電流がＭＯＳ２１、２２、２３および２４をバイパスしてダイオード２５を介して流れるようになっている。このダイオード２５は、それぞれのＭＯＳと並列にダイオード素子を接続したり、あるいはＰＮ接合によって基板に作りこまれたダイオードを用いることができる。さらに、各ＭＯＳの寄生ダイオードをバイパス用のダイオード２５として用いることも可能である。
【００１３】
図４に、これらのＭＯＳ２１、２２、２３および２４のゲート電極に印加される制御信号φｐ１、φｐ２、φｎ１およびφｎ２をタイミングチャートによって示してある。以下に、このタイミングチャートに基づき図３に示した本例の駆動回路２０の動作を説明する。制御信号φｐ１、φｐ２、φｎ１およびφｎ２は、通常、低レベルに保持される。このため、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２はオンであり、ｎチャンネルＭＯＳ２３および２４がオフである。従って、駆動コイル２には電流が流れず、磁界は発生しない。時刻ｔ１０に制御信号φｐ２およびφｎ２が高レベルになると、ｐチャンネルＭＯＳ２２がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２４がオンする。これによって、図３に実線で示したようにｐチャンネルＭＯＳ２１、駆動コイル２、およびｎチャンネルＭＯＳ２４に電流が流れ、電源１９から駆動コイル２に電力が供給される。すなわち、駆動コイル２に駆動回路２０から駆動パルスが供給された状態となり、駆動コイル２に発生した磁界によってロータが回転する。時刻ｔ１１に制御信号φｐ２およびφｎ２が低レベルになると、駆動パルスがオフとなり、電源１９から駆動コイル２への電力の供給は遮断される。しかしながら、ロータが慣性で回転しているので、駆動コイル２には誘導起電力が発生している。このとき、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオンしているので、駆動コイル２は短絡されており、図３に一点鎖線で示したように駆動コイル２に誘導起電力による電流が流れる。駆動パルスが停止すると、ロータは慣性でそのまま動き、さらに、所定の停止位置を中心に振動する。このため、誘導コイル２を横切る磁束密度も変化し、振動する。その変化の方向によって駆動コイル２に流れる一点鎖線で示した短絡電流の向きも変動する。
【００１４】
時刻ｔ１２に、制御信号φｐ１およびφｐ２を高レベルにすると、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオフとなるので、駆動コイル２に電流が流れなくなる。ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２のスイッチングによって駆動コイル２に流れる電流は急激に減少するので、駆動コイル２に大きな誘導起電力が発生する。このときの誘導電圧が回路抵抗などを含めて電源１９の電圧より高くなると、ＭＯＳ２１、２２、２３および２４をバイパスして駆動コイル２と電源１９を接続するように設けられているダイオード２５を介して、駆動コイル２から逆に電源１９に電流が流れる。これによって、例えば、電源１９として電池あるいはコンデンサを用いていると、これらが充電される。
【００１５】
次に時刻ｔ１３に、制御信号φｐ１およびφｐ２を低レベルにすると、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオンとなるので、駆動コイル２に短絡電流が流れる。このスイッチング操作によって電流が急激に増大するので、駆動コイル２には時刻ｔ１２と逆方向の誘導起電力が発生し、このときの誘導電圧の値が電源電圧を越えると再びダイオード２５を介して電源１９が充電される。このような操作はロータによって駆動コイル２に誘導起電力が誘起されている間、例えば時刻ｔ１４まで連続して続けることにより、ロータの機械的な運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電源１９に回生することができる。上記から判るように、時刻ｔ１１から時刻ｔ１４のエネルギーを回生する間は、制御信号φｐ１およびφｐ２を高速でオンオフすることが望ましい。このため、本例の制御装置１０においては、チョッパ回路１６を設け、数ｋ〜数１０ｋＨｚの高周波パルスを発生させて、制御信号φｐ１およびφｐ２を操作している。
【００１６】
ロータがほぼ停止し、エネルギーの回生が終了した時刻ｔ１５に、制御信号φｐ１およびφｎ１を高レベルにする。これによって、ｐチャンネルＭＯＳ２１がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２３がオンする。従って、駆動コイル２には、図３に実線で示したのと反対側の方向に電流が流れ、異なった極性の駆動パルスが供給される。従って、駆動コイル２には、時刻ｔ１０とは逆方向の磁場が発生し、ロータを回転させる。時刻ｔ１６に制御信号φｐ１およびφｎ１が低レベルになって駆動パルスがオフすると、ロータがほぼ停止する時刻ｔ１７までの間、時刻ｔ１１から時刻ｔ１４と同様にチョッパ回路１６から供給された高周波パルスを制御信号φｐ１およびφｐ２に重ねてロータの運動エネルギーを電気エネルギーとして回生する。
【００１７】
このように、本例の駆動回路２０においては、駆動パルスを供給した後、次の駆動パルスが供給される前に、駆動コイルを短い周期で短絡させることによって駆動コイルに大きな誘導起電力を発生させ、ロータの慣性による運動エネルギーを電気エネルギーとして電源側に回生できるようにしている。従って、ステップモータを駆動するために電源側からステップモータに供給されたエネルギーの一部を回生することができるので、結果として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。また、本例の駆動回路を用いることにより、ステップモータを回動させるために大きな電力を用いても、その残りの部分を回収できるので、ステップモータを確実に駆動でき、その上で省電力化を図ることが可能となる。
【００１８】
また、本例の駆動回路においては、高周波パルスを用いて駆動コイルによって昇圧しているので、ロータの運動エネルギーを電気エネルギーとして電源に回生するために複雑な昇圧回路は不要である。例えば、バイパス回路としてＭＯＳの寄生ダイオードを用いるのであれば、駆動パルスを生成するスイッチング用のＭＯＳに対し、駆動パルスを出力した後、チョッパ回路からの高周波パルスを印加することによってエネルギーを回生できる。さらに、従来、ジュール熱として放出されていたエネルギーを回収できるので、モータの温度上昇の低減などの効果も期待できる。
【００１９】
〔ユニポーラ型の駆動回路の例〕
本発明は、上述したバイポーラタイプの駆動回路のみに限らず、ステップモータの駆動コイルに断続的に駆動パルスを供給する回路であれば適用できることはもちろんである。図５に、ユニポーラタイプの駆動回路の例を示してある。この駆動回路３０は、例えば、２相ステップモータの駆動回路であり、そのステップモータのステータの１番目と３番目の駆動コイル３ａおよび３ｃに駆動パルスを供給する部分を代表して示してある。本例の駆動回路３０は、電源１９から供給された電力をオンオフして、駆動コイル３ａおよび３ｃのそれぞれに駆動パルスを供給するスイッチ３１ａおよび３１ｃと、これらのスイッチ３１ａおよび３１ｃをそれぞれバイパスするように設置されたダイオード３３ａおよび３３ｃと、駆動コイル３ａおよび３ｃを短絡するように設置されたスイッチ３２を備えている。ダイオード３３ａおよび３３ｃは、供給される電力の方向とは逆方向に電流を流すように設置されており、駆動パルスを供給する際のスイッチ３１ａおよび３１ｃの機能を阻害しないようになっている。
スイッチ３１ａ、３１ｃおよび３２は、上述した駆動回路２０と同様に制御回路１５からの制御信号φｓ１、φｓ２およびφｓ３によって制御される。ロータを駆動コイル３ａおよび３ｃによって回転させる場合は、例えば、制御信号φｓ１およびφｓ２によってスイッチ３１ａおよび３１ｃを閉じて、駆動コイル３ａおよび３ｃに極性の異なる磁場を励起する。このとき、制御信号φｓ３によって短絡用のスイッチ３２は開放した状態である。ロータが回転すると、制御信号φｓ１、φｓ２およびφｓ３によってスイッチ３１ａおよび３１ｃを開いて、スイッチ３２を閉じる。これによって、駆動コイル３ａおよび３ｃが短絡され、ロータの動きに起因する磁束密度の変化によって誘導起電力が発生し、短絡電流が流れる。そこで、上記の回路と同様に、スイッチ３２をチョッパ回路からの高周波パルスを用いてオンオフする。この結果、駆動コイル３ａおよび３ｃのそれぞれに高圧の誘導電圧が発生し、スイッチ３１ａおよび３１ｃのそれぞれをバイパスするダイオード３３ａおよび３３ｃを介して駆動コイル３ａおよび３ｃがそれぞれ電源１９に接続され、電源１９にエネルギーが回生される。本例では、短絡用のスイッチ３２を２つの駆動コイル３ａおよび３ｃを接続するように設けてあるが、それぞれの駆動コイル３ａおよび３ｃを短絡するように別々の短絡用のスイッチを設け、この短絡用のスイッチを高周波パルスによって駆動しても良いことはもちろんである。
【００２０】
〔計時装置の例〕
図６に、本発明に係るステップモータの駆動回路を適用して運針用のステップモータを駆動する計時装置の例を示してある。本例の計時装置８は、ステップモータ４０と、このステップモータ４０を制御する制御装置１０と、ステップモータ４０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４０は、制御装置１０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４１と、この駆動コイル４１によって励磁されるステータ４２と、さらに、ステータ４２の内部で回転するロータ４３を備えている。このロータ４３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４０となっている。ステータ４２には、駆動コイル４１で発生した磁力によって異なった磁極がロータ４３の回りのそれぞれのステータ端部４５および４６に発生するように磁気飽和部４７が設けられている。また、ロータ４３の回転方向を規定するために、ステータ４２の内周の適当な位置には内ノッチ４８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が適当な置に停止するようにしている。
【００２１】
ステップモータ４０のロータ４３の回転は、かなを介してロータ４３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４３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。
【００２２】
本例の計時装置８は、ステップモータ４０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４０は所定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４０を制御する本例の制御装置１０は、上述したバイポーラ型の駆動回路を備えた制御装置とほぼ同様の構成であり、ステップモータ４０に供給される駆動パルスが計時に適した所定の時間間隔で供給されるようになっている。そのため、水晶振動子などの基準発振源１１を用いて基準周波数の基準パルスを出力する発振回路１２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を出力する分周回路１３と、高周波パルスを重畳するためのチョッパ回路１６と、これらの回路から供給されたパルス信号に基づき駆動回路２０の各スイッチを制御する制御回路１５を備えている。
【００２３】
さらに、本例の制御装置１０は、制御回路１５からの制御信号に基づき電源１９からの電力を駆動パルスとしてステップモータ４０に供給する駆動回路２０を備えている。この駆動回路２０は、ＭＯＳトランジスタ２１、２２、２３および２４を用いたバイポーラ型であり、すでに説明したバイポーラ型の駆動回路とほぼ同様なので共通する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００２４】
また、本例の制御装置１０は、駆動回路２０から駆動コイル４１へ駆動パルスを供給する配線に、駆動パルスを供給した後に生ずる誘起電圧などによってロータ４３の回転・非回転を検出する検出回路１８が接続されており、制御回路１５はこの検出回路１８からの検出信号によってロータの回転・非回転を判断し、非回転の場合は通常の駆動パルスより電力の大きな駆動パルスをステップモータ４０に供給して確実にステップモータが回転するようにしている。回路が簡単で確実にロータの回転・非回転を判断できるため、ロータの回転に起因する誘導電圧を用いてロータの回転を検出することが多い。本例の検出回路１８も駆動コイル１１に発生した誘導電圧を用いて判断しているので、駆動コイル１１から電源にエネルギーを回生するタイミングと、検出回路１８が検出を行うタイミングを分離する必要がある。このためにｐチャンネルＭＯＳによるスイッチ１７ａおよび１７ｂを設けてある。これらのＭＯＳ１７ａおよび１７ｂも制御回路１５からの制御信号φｓ７およびφｓ８によって制御される。もちろん、ロータの回転・非回転を検出する方法は、本例に限定されることはなく、特公昭６１−１５３８４などに開示されているステータ４２に磁束を発生させる時定数の差を検出したり、ロータ４３の回転角をセンサーなどを用いて検出するなどの手段を採用しても良い。また、電気エネルギーを電源に回生する間に発生する電圧、極性およびタイミングによって判断しても良く、これにより、エネルギーの回生とロータの回転・非回転の判断を同じタイミングで行えるので、より多くエネルギーを回生できる。
【００２５】
駆動回路２０のＭＯＳ２１、２２、２３および２４、さらに、検出回路１８のＭＯＳ１７ａおよび１７ｂへの制御信号φｐ１、φｐ２、φｎ１、φｎ２およびφｓ７、φｓ８は、分周回路１３から供給されるタイミング信号φ０、φ１、φ２、φ３およびチョッパ回路１６から供給される高周波パルスφ８ｋおよびφ１ｋに基づき出力される。これらの制御信号が出力される様子を図７に示してある。分周回路１３から供給される各タイミング信号φ０、φ１、φ２およびφ３は同一の周期、例えば、計時に適当な１Ｈｚのサイクル信号であり、それぞれの信号のレベルが変動するタイミングを変えてある。一方、チョッパ回路１６から供給される信号φ８ｋおよびφ１ｋは、短い周期の信号であり、例えば、エネルギーを回生用の信号φ８ｋは数ｋ〜数１０ｋＨｚの信号であり、回転・非回転の検出用の信号φ１ｋは数１００Ｈｚから数ｋＨｚの信号である。
【００２６】
時刻ｔ２０に、タイミング信号φ０が低レベルから高レベルに変わると、制御信号φｐ２およびφｎ２が高レベルになり、駆動回路２０のｐチャンネルＭＯＳ２２がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２４がオンする。駆動回路２０のｐチャンネルＭＯＳ２１はオンしているので、これによって、ｐチャンネルＭＯＳ２１、駆動コイル４１、およびｎチャンネルＭＯＳ２４に電流が流れ、電源１９から駆動コイル４１に電力が供給される。すなわち、駆動コイルに駆動回路２０から駆動パルスが供給された状態となり、ステップモータ４０のロータ４３が１８０度回転する。時刻ｔ２１にタイミング信号φ２が低レベルから高レベルになると、制御信号φｐ２およびφｎ２が低レベルにり、駆動パルスがオフとなる。従って、電源１９から駆動コイル２への電力の供給は遮断される。しかしながら、ロータ４３が慣性で回転している。このため、駆動コイル４１には誘導起電力が発生し、ｐチャンネルＭＯＳ２１および２２がオンしているので駆動コイル４１の両端は短絡されており、短絡電流が流れる。従って、上述したように、制御信号φｐ１およびφｐ２に高周波パルスを重ねると短絡電流が急激に変化し、駆動コイル４１に大きな誘導電圧が発生する。従って、駆動コイル４１からバイパス用のダイオード２５を介して電源１９に向けて電流がながれ、ロータ４３の運動エネルギーが電気エネルギーとして回生される。
【００２７】
上記の制御を行っている間、制御信号φｓ７およびφｓ８は高レベルに保たれており、ｐチャンネルＭＯＳ１７ａおよび１７ｂはオフになっている。従って、駆動パルスおよび回生時の電圧変動は検出回路１８には供給されない。時刻ｔ２２にタイミング信号φ２が低レベルから高レベルに反転すると、制御信号φｐ１に上述したほぼ１ｋＨｚ程度の高周波パルスφ１ｋが重ねられ、制御信号φｓ７に、同じ高周波パルスφ１ｋを反転した信号が重ねされる。そして、制御信号φｐ２は低レベルに保持される。従って、駆動コイル４１は高周波パルスφ１ｋの周期でｐチャンネルＭＯＳ２１および２２によって短絡され、その両端に発生した誘導電圧は高周波パルスφ１ｋの周期でｐチャンネルＭＯＳ２２および１７ａを介して検出回路１８に印加される。従って、時刻ｔ２２以降のロータの回転によって駆動コイル４１に発生した誘導電圧は高周波パルスφ１ｋの周期で増幅され、電源電圧を基準値として検出回路１８によって検出される。そして、この誘導電圧の変動パターンなどからロータの回転・非回転が判断される。この検出する工程をタイミング信号φ３が低レベルから高レベルに反転する時刻ｔ２３まで行って、ステップモータを駆動する１つのサイクルが終了する。なお、ロータが非回転であることを検出した場合は、これらのサイクルに続いて、電力の大きな駆動パルスをステップモータに供給し、確実に回転を行わせる工程が実行される。
【００２８】
時刻ｔ２４に、タイミング信号φ０が高レベルから低レベルに変わると、次のステップモータを回転するサイクルが開始される。タイミング信号φ０の変化に伴って時刻ｔ２４に制御信号φｐ１およびφｎ１を高レベルとなる。これによって、ｐチャンネルＭＯＳ２１がオフし、ｎチャンネルＭＯＳ２３がオンする。従って、駆動コイル４１には前のサイクルと反対側の方向に電流が流れ、異なった極性の駆動パルスが供給される。従って、駆動コイル４１のステータ４２には逆の位相の磁界が発生し、ロータ４３が再び１８０度回転する。時刻ｔ２５にタイミング信号φ１が高レベルから低レベルに反転すると、制御信号φｐ１およびφｎ１が低レベルになって駆動パルスがオフする。そして、高周波パルスφ８ｋが制御信号φｐ１およびφｐ２に重ねられ、ロータの運動エネルギーが電気エネルギーとして回生される。時刻ｔ２６にタイミング信号φ２が高レベルから低レベルに判定すると、エネルギーの回生からロータの回転・非回転の検出に移行し、制御信号φ２に高周波パルスφ１ｋが、そして、制御信号φｓ８に高周波パルスφ１ｋを反転した信号が重ねられる。これによって、上記と同様にロータの回転による誘導電圧が検出回路１８によって電源電圧を基準に判断される。時刻ｔ２７にタイミング信号φ３が高レベルから低レベルに反転すると、ロータを駆動するサイクルは終了する。これに続いて、ロータが非回転のときは、上記と同様に大きなパルス幅の駆動パルスがステップモータに供給され回転される。
【００２９】
本例の制御装置１０においては、タイミング信号φ１〜φ３および高周波パルスφ８ｋ、φ１ｋを用いて制御回路１５によって上記の制御信号φｐ１、φｎ１、φｐ２、φｎ２、φｓ７およびφｓ８が出力されており、その回路の一例を図８に示してある。このような論理回路を用いた制御回路１５はＣＭＯＳなどのスイッチング素子を用いて構成でき、また、駆動回路２０もバイパス用のダイオードも含めてＣＭＯＳなどのスイッチング素子を用いて実現できる。検出回路１８、分周回路など、本例の制御装置１０を構成するその他の回路も同様であり、本例の制御装置１０は半導体基板上に公知のＩＣプロセスを用いて形成することが可能である。従って、本例の制御装置は電子腕時計などの小型で携帯に適した電子装置内に、場所を取らず容易に収納することが可能である。そして、本例の制御装置を用いることにより、ステップモータからエネルギーを回生してステップモータの駆動に必要な電力の省力化を図れる。
【００３０】
本願の発明者らの測定によると、上記の計時装置において、デューティー比が２５〜７５％で周波数が４〜８ｋＨｚ程度にチョッピングされた高周波パルスを用いて、ステップモータに入力したエネルギーの５％程度のエネルギーを電源側へ回生できることが判っている。従って、本例の制御装置を用いることによって消費電力を５％程度低減することができる。この測定は、精度の高く逆起電力の発生を極力抑えた１体型ステータを備えた計時装置用のステップモータに本発明を適用した場合の効果であり、従来の２体型ステータの計時用ステップモータや、アクチュエータなどに用いられるステップモータに本発明を適用することにより、さらに大幅な省電力化を期待できる。
【００３１】
なお、上記の例では、１相あるいは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相励磁方式によって断続的にステップモータに駆動パルスが供給されれば良い。さらに、本発明の駆動装置によって駆動されるステップモータはＰＭタイプに限定されず、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。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、ロータの慣性による運動エネルギーを、駆動コイルに発生する誘導起電力に変換し、さらに駆動コイルを流れる短絡電流を変動させることによって駆動コイルを昇圧手段として用いることによって電源側に回生している。従って、複雑な昇圧回路を用いずに簡単にステップモータに供給されたエネルギーの一部を回生することができ、結果として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することができる。
【００３３】
従って、本発明により、ステップモータを駆動するために消費される電力を低く抑えることが可能となり、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駆動装置およびその制御装置を提供できる。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、小型化および太陽電池などの発電装置を内蔵することによって電池の交換をなくせるようにしている。従って、本発明を適用することによって、発電量の少ない電源を用いた装置であっても低消費電力で計時を確実に行うことが可能なり、電子腕時計などに搭載された多様な機能を有効に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動回路を用いたステップモータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ステップモータにおいてロータの慣性運動に伴って発生する誘導電圧の一例を示すグラフである。
【図３】図１に示す駆動回路の動作を説明する図である。
【図４】図１に示す駆動回路のＭＯＳに供給される制御信号を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明のユニポーラ型の駆動回路を示す図である。
【図６】本発明の駆動回路を用いた計時装置の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示した制御回路から駆動回路に供給される制御信号を示すタイミングチャートである。
【図８】図６に示した制御回路の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・ステップモータ
２、３・・駆動コイル
５・・ロータ
１０・・制御装置
１１・・水晶振動子
１２・・発振回路
１３・・分周回路
１５・・制御回路
１６・・チョッパ回路
１８・・検出回路
１９・・電源
２０、３０・・駆動回路
１７、２１〜２４・・ＭＯＳトランジスタ
２５、３３・・ダイオード
３１、３２・・スイッチ
４０・・ステップモータ
４１・・駆動コイル
４２・・ステータ
４３・・ロータ
５０・・輪列
６１・・秒針
６２・・分針
６３・・時針
Claims (7)
- ステップモータの駆動コイルに断続的に駆動パルスを供給して前記ステップモータを駆動する駆動装置において、電源から供給された駆動電力をオンオフして前記駆動コイルに前記駆動パルスを印加する少なくとも１つのスイッチ手段と、このスイッチ手段をバイパスして前記駆動コイルと前記電源を接続し、前記駆動電力の逆方向に電流を流すバイパス手段と、前記駆動パルスが供給された後に前記駆動コイルを短い周期でオープン、ショートを繰り返すチョッパ制御手段とを有することを特徴とするステップモータの駆動装置。
- 請求項１において、前記スイッチ手段はトランジスタスイッチであり、前記バイパス手段は前記トランジスタスイッチの寄生ダイオードであることを特徴とするステップモータの駆動装置。
- 請求項１において、前記駆動装置は、前記スイッチ手段によって前記駆動コイルに異なった極性の前記駆動電力を印加可能なバイポーラ型であり、前記短絡手段は、前記スイッチ手段を前記駆動コイルが前記駆動電力の同一の極へ接続することを特徴とするステップモータの駆動装置。
- 請求項３において、前記スイッチ手段は、少なくとも１組のＣＭＯＳであり、前記バイパス手段が前記ＣＭＯＳの寄生ダイオードであることを特徴とするステップモータの駆動装置。
- 電源から供給された駆動電力をオンオフしてステップモータの駆動コイルに駆動パルスを供給するスイッチ手段と、このスイッチ手段をバイパスして前記駆動コイルと前記電源を接続し、前記駆動電力の逆方向に電流を流すバイパス手段と、前記駆動コイルを短絡する短絡手段とを有する駆動装置の制御方法であって、
前記スイッチ手段によって前記駆動パルスを断続的に前記駆動コイルに供給するステップと、
前記駆動パルスを供給した後に、前記短絡手段を短い周期でオンオフを繰り返すステップとを有することを特徴とするステップモータの駆動装置の制御方法。 - 時計針を運針するステップモータと、
一定の時間間隔で出力される時間信号に基づき断続的に駆動パルスを前記ステップモータに供給する駆動装置とを有し、
この駆動装置は、電源から供給された駆動電力をオンオフして前記駆動コイルに前記駆動パルスを生成するスイッチ手段と、このスイッチ手段をバイパスして前記駆動コイルと前記電源を接続し、前記駆動電力の逆方向に電流を流すバイパス手段と、前記駆動パルスが供給された後に前記駆動コイルを短い周期でオープン、ショートを繰り返すチョッパ制御手段とを備えていることを特徴とする計時装置。 - 請求項１または５または６において、前記短い周期は、数ｋ〜数１０ｋＨｚであることを特徴とするステップモータの駆動装置。
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