JP3653883B2 - ステッピングモータの制御装置および計時装置 - Google Patents
ステッピングモータの制御装置および計時装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータの制御装置に関し、特に、電池などの電源電圧を降圧して電子時計のステッピングモータなどを正転および逆転駆動するのに好適な省電力型の制御装置および計時装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータは、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ピング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パルス信号に分周する。そして、そのパルス信号に合わせて駆動パルスをステッピングモータに供給し、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】
電子腕時計を代表とした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ピング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。また、太陽電池などの発電装置を内蔵した電子腕時計も開発されており、これらについては、使用されないときはステッピングモータを停止して電力消費を低減することも考えられている。
【０００４】
停止状態の電子腕時計の運針を再開するとき、あるいは、電子時計の時刻合わせを行うときに、時針、分針あるいは秒針といった時計針を早送りして時刻を再設定することが多く行われている。これに対し、時計針を逆方向（反時計方向）に回転した方が時刻合わせのための時間を短縮できるケースは多い。しかしながら、計時装置などに採用されているステッピングモータ、およびモータの駆動力を時計針に伝達する輪列などは、正転方向（時計方向）に時計針を回転するのに適した構成となっており、逆転方向（反時計方向）に時計針を回転できるようになっていても、逆転するためには正転より大きなトルクが必要となる。このため、ステッピングモータを逆転するために必要な作動電圧は、正転時の作動電圧よりも高くなり、正転および逆転が可能にするためには高電圧の駆動パルスを出力する駆動回路を設ける必要がある。従って、逆転を可能にしようとすると駆動パルスを高電圧にする必要があるので通常駆動する際に消費される電力が増加してしまう。
【０００５】
さらに、ロータを１ステップアングル正転する際は、１つの駆動パルスで駆動できるのに対し、逆転時には反動などを利用して大きなトルクを得るために複数の駆動パルスを組み合わせてステッピングモータに供給する必要がある。さらに、逆転時に供給される駆動パルスは十分な実効電力を備えている必要があるので、パルス幅を短くできない。従って、１ステップアングル逆転するために最小限必要なトータルのパルス幅が長くなってしまい逆転用の駆動パルスの周波数を高くすることができない。このため、逆転できたとしても消費電力が上がり時計針を早送りするスピードが上げられないので、時刻合わせの時間を短縮するメリットはそれほど大きくならない。また、適当なパルス幅の複数の駆動パルスを供給する必要があるため、駆動パルスを供給する制御回路が複雑となり、さらに、ステッピングモータの固体差などに合わせてそれぞれのパルス幅を設定することは非常に難しい作業となる。
【０００６】
これらの理由により、逆転方向の駆動が時刻合わせの時間や電力を削減するために有効であっても、時刻合わせの頻度が少ないことを考慮すると通常時の消費電力を増加したり、制御回路やパルス幅の設定が複雑になることを見込んでまで逆転駆動するメリットは少ない。従って、計時装置において逆転駆動が採用される機会は非常にすくなかった。
【０００７】
そこで、本発明においては、正転するときの消費電力を上げずに逆転駆動可能なステッピングモータの制御装置を提供することを目的としており、これにより、時刻合わせなどに際し逆転駆動を採用可能な計時装置を提供することを目的としている。さらに、数少ない駆動パルスの組み合わせによって逆転駆動可能とし、逆転方向の早送りの速度を向上できるステッピングモータの制御装置を提供することを目的としている。また、制御系統を簡易化すると共にパルス幅の設定も容易なステッピングモータの制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のステッピングモータの制御装置は、ロータと、このロータを回転駆動する磁界が駆動コイルによって励磁されるステータとを有するステッピングモータの制御装置において、前記駆動コイルに駆動パルスを供給する駆動手段と、前記駆動手段に複数の電圧の電力を供給可能な電源部と、前記ロータを第１の方向に微小回転させるために前記電源部から第１の電圧を前記駆動手段に供給して前記駆動パルスを発する第１の制御手段と、前記ロータを前記第１の方向と反対の第２の方向に回転するように前記電源部から前記第１の電圧より高く前記第１の電圧の出力極性を反転させた第２の電圧を前記駆動手段に供給して前記駆動パルスを発し、前記微小回転での反動を利用して前記ロータを前記第２の方向に回転させる第２の制御手段とを有するステッピングモータの制御装置であって、前記電源部は、蓄電手段と、この蓄電手段の出力電圧を降圧して複数の電圧の電力を供給可能な降圧手段とを有することを特徴とする。
さらに、前記第２の制御手段は、前記駆動パルスに先立って前記電源部から前記第２の電圧より低い第３の電圧を前記駆動手段に供給して前記ロータを前記第１の方向に微小回転する補助パルスを発する補助パルス制御手段を備えていることを特徴とする。
さらに、前記第２の制御手段は、前記ロータを前記第２の方向に吸引する第１の前記駆動パルスおよび前記ロータを前記第２の方向に反発するための第２の前記駆動パルスを発生させ、少なくとも前記第２の駆動パルスを発生するときに前記駆動手段に前記電源部から前記第２の電圧を供給することを特徴とする。
さらに、前記第２の制御手段は、さらに、前記第１の駆動パルスと前記第２の駆動パルスの間に所定の時間だけ前記駆動コイルの両端をオープンにすることを特徴とする。
さらに、本願発明の計時装置は、前記のいずれかのステッピングモータの制御装置と、 前記駆動パルスにより時計針を運針するステッピングモータと、複数の周波数のパルス信号を出力するパルス合成手段とを有し、前記パルス信号のいずれかにより前記第１の制御手段が前記ステッピングモータを正転して前記時計針を時計方向に回転し、前記パルス信号のいずれかにより前記第２の制御手段が前記ステッピングモータを逆転して前記時計針を反時計方向に回転することを特徴とする。
【００２７】
【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、ステッピングモータ１０と、このステッピングモータ１０を駆動する制御装置２０と、ステッピングモータ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。本例のステッピングモータ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の内部において励磁される磁界により回転するロータ１３を備えている。本例のロータ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）のステッピングモータ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。
【００２８】
ステッピングモータ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。
【００２９】
本例の計時装置１は、ステッピングモータ１０の回転によって時刻が表示されるようになっており、このために、ステッピングモータ１０には所定の周波数のパルス信号に従って出力された駆動パルスが供給される。ステッピングモータ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などを出力する発振分周回路２２と、基準パルスなどからさまざまなタイミングでパルス幅の異なるパルス信号を合成するパルス合成回路２３と、パルス合成回路２３から供給された種々のパルス信号に基づきステッピングモータ１０を制御する制御回路２４を備えている。
【００３０】
本例の制御回路２４は、パルス合成回路２３から供給された、例えば１Ｈｚのパルス信号に基づき駆動回路３１を制御し、正転用の駆動パルスＰ１を供給する正転制御部２５と、正転とは反対の逆方向に回転させる逆転用の駆動パルスＰ２を駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給する逆転制御部２６とを備えている。正転制御部２５は、パルス合成回路２３から供給される適当な周波数のパルス信号に基づき正転方向に早送りする駆動パルスを駆動回路３１からモータ１０に供給する機能も備えており、逆転制御部２６も同様にパルス合成回路２３から供給される適当な周波数のパルス信号を選択して逆転方向に早送りする駆動パルスを駆動回路３１からモータ１０に供給できるようになっている。
【００３１】
本例の逆転制御部２６は、詳しくは後述するように、逆転用の駆動パルスＰ２をロータ１３を吸引する第１の駆動パルスＰ２１およびロータ１３を反発する第２の駆動パルスＰ２２とで合成できるようになっている。さらに、モータ１０のロータ１３に反動を与えて始動するための補助駆動パルスＰａを駆動回路３１から供給する機能も備えている。そのため、補助駆動パルスＰａを駆動回路３１から供給する補助パルス制御部２７と、駆動回路３１から第１の駆動パルスＰ２１および第２の駆動パルスＰ２２を供給する駆動パルス制御部２８とを備えている。駆動パルス制御部２８は、さらに、第１の駆動パルスＰ２１および第２の駆動パルスＰ２２の間に適当な待機時間Ｔｗを設定できるようになっており、この待機時間Ｔｗの間は駆動回路３１を駆動コイル１１から回路的に分離できるようになっている。
【００３２】
制御回路２０によって制御され、ステッピングモータ１０に様々な駆動パルスを供給する機能を備えた本例の駆動回路３１は、２列の直列に接続されたｎチャンネルＭＯＳ３３とｐチャンネルＭＯＳ３２によって構成されたブリッジ回路３４を備えている。従って、これらのＭＯＳ３２および３３のゲートに制御回路２４から印加される制御パルスの極性をステッピングモータ１０のステップアングルに合わせて反転させることにより、駆動コイル１１に極性の異なる駆動パルスを供給でき、ステータ１２に異なる極性の磁場を交互に発生させてロータ１３を所定の方向に回転することができる。また、本例の駆動回路３１は、逆転制御部２６の制御によってブリッジ回路３４を駆動コイル１１から切り離せるスイッチ３５ａおよび３５ｂを備えており、駆動コイル１１を必要に応じてオープンにできるようになっている。
【００３３】
さらに、本例の制御装置２０は、駆動回路３１に電力を供給する電源部４０を備えている。この電源部４０は、電池４１と、この電池４１の電圧を降圧して駆動回路３１に供給できる降圧回路４２を備えている。本例の降圧回路４２は、複数のコンデンサ４３を用いて電源電圧を降圧できるようになっており、例えば、３つの降圧用のコンデンサと１つの平滑用のコンデンサを用いて電池電圧Ｖ０からＶ０、２／３Ｖ０（以降においてＶ１）および１／３Ｖ０（以降においてＶ２）の３つの電圧レベルを設定でき、制御回路２４の正転制御部２５および逆転制御部２６からの指示に基づいてそれぞれの電圧を駆動回路３１に供給できるようになっている。このため、本例の制御装置２０においては、駆動回路３１から、これら３つの電圧レベルＶ０、Ｖ１およびＶ２を備えた駆動パルスをステッピングモータ１０に供給することができる。
【００３４】
図２に本例の制御装置２０によってステッピングモータ１０を駆動する制御方法の第１の例を示してある。本例の制御方法においては、ロータを逆転する際に、補助駆動パルスＰａを供給して、反動をつけてロータを回転するようにしている。まず、ステップ７１において、ステッピングモータ１０の回転方向が判定され、ステップ７２において、正転であれば正転制御部２５の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。本例においては、図３に示すように、ステッピングモータ１０を正転するときは、電圧Ｖ１が電源部４０から駆動回路３１に印加され、１ステップアングルを回転する１駆動周期Ｔ０の間に、電圧Ｖ１の駆動パルスＰ１が１つ駆動回路３１からスッテピングモータ１０に供給される。この駆動パルスＰ１に続いて回転の良否を確認する回転検出用のパルスを供給したり、回転不良のときに強制的にロータを回転するための実効電力の非常に大きなパルスを供給することももちろん可能である。
【００３５】
ステップ７１において、ステッピングモータ１０を逆転すると判断された場合は、逆転制御部２６の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。本例の制御方法においては、まず、ステップ７３において、電圧Ｖ１の補助駆動パルスＰａが供給され、ステップ７４において電圧Ｖ１の第１の駆動パルスＰ２１が供給される。さらに、ステップ７５において、電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２が供給される。すなわち、図３に示してあるように、時刻ｔ０から開始される１駆動周期Ｔ０の間に、先ず時刻ｔ０に補助駆動パルスＰａが供給され、次に時刻ｔ１に第１の駆動パルスＰ２１が供給され、さらに、時刻ｔ２に第２の駆動パルスＰ２２が駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給されるようになっている。時刻ｔ１０、時刻ｔ２０および時刻ｔ３０から開始されるそれぞれの駆動周期Ｔ０においても同様である。
【００３６】
補助駆動パルスＰａは、図４（ａ）に示すように、静的に安定した位置ｒ１にあるロータ１３を正転方向ｄ１に微小回転するためのパルスである。本例のステッピングモータ１０は、２極磁化されたロータ１３が２極のステータ１２の内部で回転するようになっており、内ノッチ１８によってロータ１３が正転方向ｄ１に回転し易い位置に静的安定位置ｒ１が設定されている。従って、ロータ１３は正転方向ｄ１には非常に回転し易くなっているので、本例においては、電圧Ｖ１でパルス幅の狭い実効電力の小さな補助駆動パルスＰａを供給してロータ１３をステータ１２から反発させ、ロータ１３が反対側に吸引されない位置ｒ２まで正転方向ｄ１に微小回転し、その反動で逆転方向ｄ２にロータ１３を始動させている。ステッピングモータ１０の構成によっては、さらに低電圧の電圧Ｖ２のパルスによってロータ１３に反動を与えることも可能である
ステップ７４においてステッピングモータ１０に駆動回路３１から供給される第１の駆動パルスＰ２１は、電圧Ｖ１で補助駆動パルスＰａに対し極性が反転したパルスである。従って、図４（ｂ）に示すように、この第１の駆動パルスＰ２１によってロータ１３はステータ１２に吸引され、補助駆動パルスＰａによって微小回転した位置ｒ２から逆転方向ｄ２に旋回し、静的な安定位置から９０度程度回転した位置ｒ３に達する。
【００３７】
ステップ７５においては、制御回路２０の駆動パルス制御部２８によって電源部４０から電圧Ｖ０の電力が駆動回路３１に供給される。このため、ステッピングモータ１０には、駆動回路３１から高電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２が供給される。この駆動パルスＰ２２は、図３に示すように、第１の駆動パルスＰ２１に対し極性が反対のパルスである。従って、この第２の駆動パルスＰ２２によって、図４（ｃ）に示すように、ロータ１３は駆動パルスＰ２１によって到達した位置ｒ３からステータ１２の反発力を受け、次のステップアングルの静的な安定位置ｒ４まで回転する。
【００３８】
このように、本例の制御方法においては、ロータを正転するときは電圧Ｖ１の駆動パルスＰ１を用いており、逆転するときは電圧Ｖ１の補助駆動パルスＰａ、電圧Ｖ１の第１の駆動パルスＰ２１および電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２を用いている。例えば、腕時計装置などの携帯型の計時装置１に用いられるステッピングモータ１０は、正転の最小作動電圧が０．９Ｖ程度であるのに対し、大きなトルクが必要とされる逆転の最小作動電圧は１．１Ｖ程度と高くなる。これに対し、本例の制御装置２０は、降圧回路４２を備えた電源部４０を有しているので、電圧Ｖ０、Ｖ１およびＶ２といった複数の電圧を駆動回路３１に印加できるようになっている。従って、大きな最小作動電圧が必要とされる逆転時には高電圧Ｖ０の駆動パルスを供給することによって逆転を可能とし、一方、逆転に比べて低電圧で駆動できる正転時には低電圧Ｖ１の駆動パルスを供給することにより低い消費電力でステッピングモータ１０を駆動できるようにしている。駆動回路３１やステッピングモータ１０における消費電力は、電圧の２乗に比例するので、できるかぎり電圧が低い方が消費電力が少なくて済む。さらに、同じ実効電力の駆動パルスを供給することを考えると、電圧を下げて電流を上げた方が駆動コイルの巻き数を減らすことができるのでステッピングモータ自身および計時装置などが小型化でき、また、組立コストを低減できるといったメリットもある。従って、本例の制御装置２０においては、降圧回路４２を用いて電池電圧Ｖ０を降圧することにより、通常の運針を行う正転方向はステッピングモータ１０をできるかぎり低い電圧で駆動し、一方、逆転方向にステッピングモータ１０を駆動する高電圧が必要となるときは、電池電圧Ｖ０を有効に活かして逆転できるようにしている。
【００３９】
また、逆転駆動する際も、最もトルクが必要とされる図４（ｃ）に示した次のステップアングルの安定位置ｒ４にロータ１３を移動するときに高電圧Ｖ０の駆動パルスＰ２２を供給することによりロータ１３に十分なエネルギーを与えられるようにしている。従って、駆動パルスＰ２２に加え、反動用の補助駆動パルスＰａと吸引用の駆動パルスＰ２１とを組み合わせた３つの駆動パルスでロータ１３を逆転することができる。高電圧で実効電力の大きな駆動パルスＰ２２を採用することにより数少ない駆動パルスでロータを逆転できるので、逆転のための１駆動周期Ｔ０を短くすることが可能であり、逆転方向の早送りの周波数を高くすることができる。さらに、逆転制御部２６においては、３つの駆動パルスのパルス幅やタイミングを調整すれば良いので、逆転方向の駆動パルスの設定も容易であり、逆転制御部２６の構成も簡易化できる。
【００４０】
さらに、本例の制御方法においては、駆動パルスＰ２２に先攻する補助駆動パルスＰａおよび駆動パルスＰ２１は低電圧Ｖ１とし、駆動パルスＰ２２にのみ高電圧Ｖ０としてあるので、逆転時の消費電力も必要最小限に止めることができる。
【００４１】
図５に本例の制御装置２０によってステッピングモータ１０を駆動する制御方法の第２の例を示してある。本例の制御方法においては、ロータ１３を逆転する際に、高電圧Ｖ０の第１の駆動パルスＰ２１および第２の駆動パルスＰ２２を供給するようにしている。まず、ステップ７１において、ステッピングモータ１０の回転方向が判定され、ステップ７２において、正転であれば正転制御部２５の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。これらのステップ７１および７２の動作は上述した第１の例と同様であり、正転するために電圧Ｖ１の電力が電源部４０から駆動回路３１に供給され、電圧Ｖ１の駆動パルスＰ１がスッテピングモータ１０に供給される。
【００４２】
ステップ７１において、ステッピングモータ１０を逆転すると判断された場合は、逆転制御部２６の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。本例の制御方法においては、ステップ７４において、逆転制御部２６により高電圧Ｖ０の第１の駆動パルスＰ２１が供給され、さらに、ステップ７５において、電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２が供給される。また、本例の制御方法においては、ステップ７４と７５の間に待機時間Ｔｗを設定するステップ７６が設けられている。ステップ７６においては、制御回路２４の逆転制御部２６により駆動回路３１のスイッチ３５ａおよび３５ｂがオフになり、駆動回路３１と駆動コイル１１の接続が遮断されるようになっている。駆動コイル１１が駆動回路３１から切断されることにより、駆動コイル１１はオープンになるのでステップ７６においてはステータ１２からロータ１３には力が働かない。
【００４３】
図６に、本例の制御方法により逆転時に駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給される駆動パルスを示してある。時刻ｔ０から始まる１駆動周期Ｔ０において、図７（ａ）に示すように、正転するのに都合の良い安定位置ｒ１から逆転方向ｄ２にロータ１３を駆動するためにロータ１３をステータ１２に吸引する第１の駆動パルスＰ２１が供給される。本例においては、反動を用いないでロータ１３を逆転方向に始動するために高電圧Ｖ０の駆動パルスＰ２１を用いている。駆動パルスＰ２１のパルス幅が長くなりすぎると、駆動パルスＰ２１によってロータ１３がステータ１２に吸引されるためロータ１３を正転方向ｄ１に戻す力が発生する。このため、本例においては、駆動パルスＰ２１のパルス幅を短くし、駆動パルスＰ２１を供給するステップ７４に続いて待機時間Ｔｗをセットできるステップ７６を実効することにより、図６に示すように時刻ｔ５〜時刻ｔ６（Ｔｗ）の間は駆動コイル１１に電圧を印加しないようにしている。さらに、本例では、ステップ７６において駆動コイル１１をオープンするようにしているので誘導電流も駆動コイル１１には流れず、駆動コイル１１からロータ１３の動きを阻害する力が発生しないようにしている。従って、図７（ｂ）に示すように、ロータ１３は、第１の駆動パルスＰ２１および駆動パルスＰ２１による慣性によって安定位置ｒ１からほぼ９０度回転した位置ｒ３にスムーズに到達できる。この位置ｒ３で上述した制御方法と同様に高電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２を供給することにより、反発力によって次のステップアングルの安定位置までロータ１３を回転することができる。時刻ｔ１０からの次の駆動サイクルＴ０では、パルスの向きが反転することを除き上記と同様の駆動パルスＰ２１およびＰ２２が再び駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給される。
【００４４】
本例の制御方法においても、大きなトルクが必要とされる逆転時には高電圧Ｖ０の駆動パルスがステッピングモータ１０に供給され、回転に必要なトルクの小さな正転時には低電圧Ｖ１の駆動パルスがステッピングモータ１０に供給されるようになっている。従って、正転時の消費電力を増大することなくロータを逆転することが可能である。また、高電圧の第１の駆動パルスＰ２１と第２の駆動パルスＰ２２の２つのパルスの組み合わせによりステッピングモータ１０を逆転できるので、パルス幅が短く、実効電力の大きな駆動パルスにより逆転することができる。従って、１ステップアングル回すために必要なトータルのパルス幅を狭くすることができるので、逆転速度を向上することが可能となる。また、２つの駆動パルスの組み合わせで逆転できるので、制御回路も簡易化でき、駆動パルスの設定も容易になる。従って、本発明により、時刻合わせなどに実際に使用できる逆転用の制御方法、制御装置を提供することができる。
【００４５】
以上のような電圧の異なる駆動パルスをステッピングモータに供給可能な制御方法および制御装置を採用することにより、ステッピングモータ１０を正転および逆転駆動できると共に、駆動時に消費される電力を小さくすることができる。また、逆転する際には２つあるいは３つの数少ないパルスの組み合わせて１ステップアングルを駆動することができるので、簡単な制御回路あるいはソフトウェアで逆転制御することが可能である。また、駆動パルスの幅やタイミングの調整も容易となる。従って、本例の制御装置および制御方法を採用することにより、運針停止から復帰する際に時計針を早送りしたり、あるいは、現地時刻に合わせて時計を時刻合わせする際に、ステッピングモータを逆転して反時計方向に時計針を進められる計時装置を提供することができる。
【００４６】
なお、上記において説明した駆動パルスＰ１、補助駆動パルスＰａ、第１および第２の駆動パルスＰ２１およびＰ２２は、１つの矩形パルスの代わりに、パルス幅の狭い複数のサブパルスによって形成することも可能である。さらに、１つの駆動パルス、例えば、第１の駆動パルスＰ２１あるいは第２の駆動パルスＰ２２をステッピングモータ１０のコギングトルク（無励磁保持トルク、ディテントトルク）曲線を反映した複数の電圧のサブパルスによって構成することにより、さらに電力の使用効率の良い制御装置を提供することができる。また、上述した第１の制御方法と第２の制御方法における駆動パルスの組み合わせは自由であり、第２の制御方法に補助駆動パルスＰａを追加したり、第１の制御方法に待機時間Ｔｗを設定することはもちろん可能である。
【００４７】
また、上記の例では、計時装置に好適な２相のステッピングモータを例に本発明を説明しているが、３相以上のステッピング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、各相に共通した制御を行う代わりに、各相毎の適したパルス幅およびタイミングで駆動パルスを供給することも可能である。また、ステッピング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相励磁であっても良く、逆転可能なステッピングモータの制御に対し本発明を適用することによって制御系統を簡略化でき、消費電力を低減することができる。
【００４８】
また、電源電圧を降圧する降圧回路の代わりに逆転駆動する際に電源電圧を昇圧する昇圧回路も設けて逆転用の高電圧の駆動パルスを供給できるようにすることももちろん可能である。さらに、電源部によって用意される電圧レベルは３段階に限定されるものではなく、４段階以上の電圧レベルを供給できるようにしてももちろん良い。さらに、電源は、本例のように電池に限らず、太陽電池などの発電装置によって充電される大容量のコンデンサなどを電源として用いることももちろん可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の制御装置においては、ステッピングモータに対し、正転用に低電圧の駆動パルスを供給し、逆転用に高電圧の駆動パルスを供給できるようにしている。従って、逆転するときは高電圧の駆動パルスにより十分なトルクを確保することが可能であり、確実にロータを逆転することができる。また、正転するときは低電圧の駆動パルスにより低消費電力で駆動できる。従って、計時装置に対し本発明の制御装置を用いることにより、通常の正転で運針されるときは、消費される電力は低く保つことが可能であり、時刻合わせなどの場合のように時計針を反時計方向に運針した方が時間および消費電力の浪費を防止できる場合は逆転を行える計時装置を提供することができる。さらに、逆転する際に高電圧の駆動パルスを採用することにより、駆動パルスの実効電力を大きくできるので、数少ないパルスの組み合わせで逆転することができ、また、トータルの駆動パルスのパルス幅も短くすることができる。従って、逆転速度の向上を図ることが可能となる。さらに、逆転用の制御回路やソフトウェアを簡略化できるので、逆転機能を持った計時装置を安価に提供できる。また、逆転に必要な駆動パルスの数も減らせるのでパルスの幅やタイミングの調整も容易となる。
【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に示す制御装置を用いた第１の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】図２に示す第１の制御方法においてステッピングモータに供給される駆動パルスの様子を示すタイミングチャートである。
【図４】図３に示す各パルスによりロータが逆転駆動される様子を説明する図であり、図４（ａ）は、補助駆動パルスＰａによりロータが回転する様子を示し、図４（ｂ）は、第１の駆動パルスＰ２１によりロータが回転する様子を示し、さらに、図４（ｃ）は、第２の駆動パルス２２によりロータが１ステップアングル回転する様子を示す図である。
【図５】図１に示す制御装置を用いた第２の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】図５に示す第２の制御方法においてステッピングモータに供給される駆動パルスの様子を示すタイミングチャートである。
【図７】図６に示す各パルスによりロータが逆転駆動される様子を説明する図であり、図７（ａ）は、第１の駆動パルスＰ２１のパルス幅が広すぎる場合を示し、図７（ｄ）は、第１の駆動パルスＰ２１の後に待機時間を設定した場合を示す図である。
【符号の説明】
１・・計時装置
１０・・ステッピングモータ
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・・発振分周回路
２３・・パルス合成回路
２４・・制御回路
２５・・正転制御部
２６・・逆転制御部
２７・・補助パルス制御部
２８・・駆動パルス制御部
３１・・駆動回路
４０・・電源部
４１・・電池
４２・・降圧回路
４３・・降圧用コンデンサ
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、ステッピングモータの制御装置に関し、特に、電池などの電源電圧を降圧して電子時計のステッピングモータなどを正転および逆転駆動するのに好適な省電力型の制御装置および計時装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータは、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ピング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パルス信号に分周する。そして、そのパルス信号に合わせて駆動パルスをステッピングモータに供給し、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】
電子腕時計を代表とした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ピング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。また、太陽電池などの発電装置を内蔵した電子腕時計も開発されており、これらについては、使用されないときはステッピングモータを停止して電力消費を低減することも考えられている。
【０００４】
停止状態の電子腕時計の運針を再開するとき、あるいは、電子時計の時刻合わせを行うときに、時針、分針あるいは秒針といった時計針を早送りして時刻を再設定することが多く行われている。これに対し、時計針を逆方向（反時計方向）に回転した方が時刻合わせのための時間を短縮できるケースは多い。しかしながら、計時装置などに採用されているステッピングモータ、およびモータの駆動力を時計針に伝達する輪列などは、正転方向（時計方向）に時計針を回転するのに適した構成となっており、逆転方向（反時計方向）に時計針を回転できるようになっていても、逆転するためには正転より大きなトルクが必要となる。このため、ステッピングモータを逆転するために必要な作動電圧は、正転時の作動電圧よりも高くなり、正転および逆転が可能にするためには高電圧の駆動パルスを出力する駆動回路を設ける必要がある。従って、逆転を可能にしようとすると駆動パルスを高電圧にする必要があるので通常駆動する際に消費される電力が増加してしまう。
【０００５】
さらに、ロータを１ステップアングル正転する際は、１つの駆動パルスで駆動できるのに対し、逆転時には反動などを利用して大きなトルクを得るために複数の駆動パルスを組み合わせてステッピングモータに供給する必要がある。さらに、逆転時に供給される駆動パルスは十分な実効電力を備えている必要があるので、パルス幅を短くできない。従って、１ステップアングル逆転するために最小限必要なトータルのパルス幅が長くなってしまい逆転用の駆動パルスの周波数を高くすることができない。このため、逆転できたとしても消費電力が上がり時計針を早送りするスピードが上げられないので、時刻合わせの時間を短縮するメリットはそれほど大きくならない。また、適当なパルス幅の複数の駆動パルスを供給する必要があるため、駆動パルスを供給する制御回路が複雑となり、さらに、ステッピングモータの固体差などに合わせてそれぞれのパルス幅を設定することは非常に難しい作業となる。
【０００６】
これらの理由により、逆転方向の駆動が時刻合わせの時間や電力を削減するために有効であっても、時刻合わせの頻度が少ないことを考慮すると通常時の消費電力を増加したり、制御回路やパルス幅の設定が複雑になることを見込んでまで逆転駆動するメリットは少ない。従って、計時装置において逆転駆動が採用される機会は非常にすくなかった。
【０００７】
そこで、本発明においては、正転するときの消費電力を上げずに逆転駆動可能なステッピングモータの制御装置を提供することを目的としており、これにより、時刻合わせなどに際し逆転駆動を採用可能な計時装置を提供することを目的としている。さらに、数少ない駆動パルスの組み合わせによって逆転駆動可能とし、逆転方向の早送りの速度を向上できるステッピングモータの制御装置を提供することを目的としている。また、制御系統を簡易化すると共にパルス幅の設定も容易なステッピングモータの制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のステッピングモータの制御装置は、ロータと、このロータを回転駆動する磁界が駆動コイルによって励磁されるステータとを有するステッピングモータの制御装置において、前記駆動コイルに駆動パルスを供給する駆動手段と、前記駆動手段に複数の電圧の電力を供給可能な電源部と、前記ロータを第１の方向に微小回転させるために前記電源部から第１の電圧を前記駆動手段に供給して前記駆動パルスを発する第１の制御手段と、前記ロータを前記第１の方向と反対の第２の方向に回転するように前記電源部から前記第１の電圧より高く前記第１の電圧の出力極性を反転させた第２の電圧を前記駆動手段に供給して前記駆動パルスを発し、前記微小回転での反動を利用して前記ロータを前記第２の方向に回転させる第２の制御手段とを有するステッピングモータの制御装置であって、前記電源部は、蓄電手段と、この蓄電手段の出力電圧を降圧して複数の電圧の電力を供給可能な降圧手段とを有することを特徴とする。
さらに、前記第２の制御手段は、前記駆動パルスに先立って前記電源部から前記第２の電圧より低い第３の電圧を前記駆動手段に供給して前記ロータを前記第１の方向に微小回転する補助パルスを発する補助パルス制御手段を備えていることを特徴とする。
さらに、前記第２の制御手段は、前記ロータを前記第２の方向に吸引する第１の前記駆動パルスおよび前記ロータを前記第２の方向に反発するための第２の前記駆動パルスを発生させ、少なくとも前記第２の駆動パルスを発生するときに前記駆動手段に前記電源部から前記第２の電圧を供給することを特徴とする。
さらに、前記第２の制御手段は、さらに、前記第１の駆動パルスと前記第２の駆動パルスの間に所定の時間だけ前記駆動コイルの両端をオープンにすることを特徴とする。
さらに、本願発明の計時装置は、前記のいずれかのステッピングモータの制御装置と、 前記駆動パルスにより時計針を運針するステッピングモータと、複数の周波数のパルス信号を出力するパルス合成手段とを有し、前記パルス信号のいずれかにより前記第１の制御手段が前記ステッピングモータを正転して前記時計針を時計方向に回転し、前記パルス信号のいずれかにより前記第２の制御手段が前記ステッピングモータを逆転して前記時計針を反時計方向に回転することを特徴とする。
【００２７】
【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、ステッピングモータ１０と、このステッピングモータ１０を駆動する制御装置２０と、ステッピングモータ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。本例のステッピングモータ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の内部において励磁される磁界により回転するロータ１３を備えている。本例のロータ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）のステッピングモータ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。
【００２８】
ステッピングモータ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。
【００２９】
本例の計時装置１は、ステッピングモータ１０の回転によって時刻が表示されるようになっており、このために、ステッピングモータ１０には所定の周波数のパルス信号に従って出力された駆動パルスが供給される。ステッピングモータ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などを出力する発振分周回路２２と、基準パルスなどからさまざまなタイミングでパルス幅の異なるパルス信号を合成するパルス合成回路２３と、パルス合成回路２３から供給された種々のパルス信号に基づきステッピングモータ１０を制御する制御回路２４を備えている。
【００３０】
本例の制御回路２４は、パルス合成回路２３から供給された、例えば１Ｈｚのパルス信号に基づき駆動回路３１を制御し、正転用の駆動パルスＰ１を供給する正転制御部２５と、正転とは反対の逆方向に回転させる逆転用の駆動パルスＰ２を駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給する逆転制御部２６とを備えている。正転制御部２５は、パルス合成回路２３から供給される適当な周波数のパルス信号に基づき正転方向に早送りする駆動パルスを駆動回路３１からモータ１０に供給する機能も備えており、逆転制御部２６も同様にパルス合成回路２３から供給される適当な周波数のパルス信号を選択して逆転方向に早送りする駆動パルスを駆動回路３１からモータ１０に供給できるようになっている。
【００３１】
本例の逆転制御部２６は、詳しくは後述するように、逆転用の駆動パルスＰ２をロータ１３を吸引する第１の駆動パルスＰ２１およびロータ１３を反発する第２の駆動パルスＰ２２とで合成できるようになっている。さらに、モータ１０のロータ１３に反動を与えて始動するための補助駆動パルスＰａを駆動回路３１から供給する機能も備えている。そのため、補助駆動パルスＰａを駆動回路３１から供給する補助パルス制御部２７と、駆動回路３１から第１の駆動パルスＰ２１および第２の駆動パルスＰ２２を供給する駆動パルス制御部２８とを備えている。駆動パルス制御部２８は、さらに、第１の駆動パルスＰ２１および第２の駆動パルスＰ２２の間に適当な待機時間Ｔｗを設定できるようになっており、この待機時間Ｔｗの間は駆動回路３１を駆動コイル１１から回路的に分離できるようになっている。
【００３２】
制御回路２０によって制御され、ステッピングモータ１０に様々な駆動パルスを供給する機能を備えた本例の駆動回路３１は、２列の直列に接続されたｎチャンネルＭＯＳ３３とｐチャンネルＭＯＳ３２によって構成されたブリッジ回路３４を備えている。従って、これらのＭＯＳ３２および３３のゲートに制御回路２４から印加される制御パルスの極性をステッピングモータ１０のステップアングルに合わせて反転させることにより、駆動コイル１１に極性の異なる駆動パルスを供給でき、ステータ１２に異なる極性の磁場を交互に発生させてロータ１３を所定の方向に回転することができる。また、本例の駆動回路３１は、逆転制御部２６の制御によってブリッジ回路３４を駆動コイル１１から切り離せるスイッチ３５ａおよび３５ｂを備えており、駆動コイル１１を必要に応じてオープンにできるようになっている。
【００３３】
さらに、本例の制御装置２０は、駆動回路３１に電力を供給する電源部４０を備えている。この電源部４０は、電池４１と、この電池４１の電圧を降圧して駆動回路３１に供給できる降圧回路４２を備えている。本例の降圧回路４２は、複数のコンデンサ４３を用いて電源電圧を降圧できるようになっており、例えば、３つの降圧用のコンデンサと１つの平滑用のコンデンサを用いて電池電圧Ｖ０からＶ０、２／３Ｖ０（以降においてＶ１）および１／３Ｖ０（以降においてＶ２）の３つの電圧レベルを設定でき、制御回路２４の正転制御部２５および逆転制御部２６からの指示に基づいてそれぞれの電圧を駆動回路３１に供給できるようになっている。このため、本例の制御装置２０においては、駆動回路３１から、これら３つの電圧レベルＶ０、Ｖ１およびＶ２を備えた駆動パルスをステッピングモータ１０に供給することができる。
【００３４】
図２に本例の制御装置２０によってステッピングモータ１０を駆動する制御方法の第１の例を示してある。本例の制御方法においては、ロータを逆転する際に、補助駆動パルスＰａを供給して、反動をつけてロータを回転するようにしている。まず、ステップ７１において、ステッピングモータ１０の回転方向が判定され、ステップ７２において、正転であれば正転制御部２５の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。本例においては、図３に示すように、ステッピングモータ１０を正転するときは、電圧Ｖ１が電源部４０から駆動回路３１に印加され、１ステップアングルを回転する１駆動周期Ｔ０の間に、電圧Ｖ１の駆動パルスＰ１が１つ駆動回路３１からスッテピングモータ１０に供給される。この駆動パルスＰ１に続いて回転の良否を確認する回転検出用のパルスを供給したり、回転不良のときに強制的にロータを回転するための実効電力の非常に大きなパルスを供給することももちろん可能である。
【００３５】
ステップ７１において、ステッピングモータ１０を逆転すると判断された場合は、逆転制御部２６の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。本例の制御方法においては、まず、ステップ７３において、電圧Ｖ１の補助駆動パルスＰａが供給され、ステップ７４において電圧Ｖ１の第１の駆動パルスＰ２１が供給される。さらに、ステップ７５において、電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２が供給される。すなわち、図３に示してあるように、時刻ｔ０から開始される１駆動周期Ｔ０の間に、先ず時刻ｔ０に補助駆動パルスＰａが供給され、次に時刻ｔ１に第１の駆動パルスＰ２１が供給され、さらに、時刻ｔ２に第２の駆動パルスＰ２２が駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給されるようになっている。時刻ｔ１０、時刻ｔ２０および時刻ｔ３０から開始されるそれぞれの駆動周期Ｔ０においても同様である。
【００３６】
補助駆動パルスＰａは、図４（ａ）に示すように、静的に安定した位置ｒ１にあるロータ１３を正転方向ｄ１に微小回転するためのパルスである。本例のステッピングモータ１０は、２極磁化されたロータ１３が２極のステータ１２の内部で回転するようになっており、内ノッチ１８によってロータ１３が正転方向ｄ１に回転し易い位置に静的安定位置ｒ１が設定されている。従って、ロータ１３は正転方向ｄ１には非常に回転し易くなっているので、本例においては、電圧Ｖ１でパルス幅の狭い実効電力の小さな補助駆動パルスＰａを供給してロータ１３をステータ１２から反発させ、ロータ１３が反対側に吸引されない位置ｒ２まで正転方向ｄ１に微小回転し、その反動で逆転方向ｄ２にロータ１３を始動させている。ステッピングモータ１０の構成によっては、さらに低電圧の電圧Ｖ２のパルスによってロータ１３に反動を与えることも可能である
ステップ７４においてステッピングモータ１０に駆動回路３１から供給される第１の駆動パルスＰ２１は、電圧Ｖ１で補助駆動パルスＰａに対し極性が反転したパルスである。従って、図４（ｂ）に示すように、この第１の駆動パルスＰ２１によってロータ１３はステータ１２に吸引され、補助駆動パルスＰａによって微小回転した位置ｒ２から逆転方向ｄ２に旋回し、静的な安定位置から９０度程度回転した位置ｒ３に達する。
【００３７】
ステップ７５においては、制御回路２０の駆動パルス制御部２８によって電源部４０から電圧Ｖ０の電力が駆動回路３１に供給される。このため、ステッピングモータ１０には、駆動回路３１から高電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２が供給される。この駆動パルスＰ２２は、図３に示すように、第１の駆動パルスＰ２１に対し極性が反対のパルスである。従って、この第２の駆動パルスＰ２２によって、図４（ｃ）に示すように、ロータ１３は駆動パルスＰ２１によって到達した位置ｒ３からステータ１２の反発力を受け、次のステップアングルの静的な安定位置ｒ４まで回転する。
【００３８】
このように、本例の制御方法においては、ロータを正転するときは電圧Ｖ１の駆動パルスＰ１を用いており、逆転するときは電圧Ｖ１の補助駆動パルスＰａ、電圧Ｖ１の第１の駆動パルスＰ２１および電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２を用いている。例えば、腕時計装置などの携帯型の計時装置１に用いられるステッピングモータ１０は、正転の最小作動電圧が０．９Ｖ程度であるのに対し、大きなトルクが必要とされる逆転の最小作動電圧は１．１Ｖ程度と高くなる。これに対し、本例の制御装置２０は、降圧回路４２を備えた電源部４０を有しているので、電圧Ｖ０、Ｖ１およびＶ２といった複数の電圧を駆動回路３１に印加できるようになっている。従って、大きな最小作動電圧が必要とされる逆転時には高電圧Ｖ０の駆動パルスを供給することによって逆転を可能とし、一方、逆転に比べて低電圧で駆動できる正転時には低電圧Ｖ１の駆動パルスを供給することにより低い消費電力でステッピングモータ１０を駆動できるようにしている。駆動回路３１やステッピングモータ１０における消費電力は、電圧の２乗に比例するので、できるかぎり電圧が低い方が消費電力が少なくて済む。さらに、同じ実効電力の駆動パルスを供給することを考えると、電圧を下げて電流を上げた方が駆動コイルの巻き数を減らすことができるのでステッピングモータ自身および計時装置などが小型化でき、また、組立コストを低減できるといったメリットもある。従って、本例の制御装置２０においては、降圧回路４２を用いて電池電圧Ｖ０を降圧することにより、通常の運針を行う正転方向はステッピングモータ１０をできるかぎり低い電圧で駆動し、一方、逆転方向にステッピングモータ１０を駆動する高電圧が必要となるときは、電池電圧Ｖ０を有効に活かして逆転できるようにしている。
【００３９】
また、逆転駆動する際も、最もトルクが必要とされる図４（ｃ）に示した次のステップアングルの安定位置ｒ４にロータ１３を移動するときに高電圧Ｖ０の駆動パルスＰ２２を供給することによりロータ１３に十分なエネルギーを与えられるようにしている。従って、駆動パルスＰ２２に加え、反動用の補助駆動パルスＰａと吸引用の駆動パルスＰ２１とを組み合わせた３つの駆動パルスでロータ１３を逆転することができる。高電圧で実効電力の大きな駆動パルスＰ２２を採用することにより数少ない駆動パルスでロータを逆転できるので、逆転のための１駆動周期Ｔ０を短くすることが可能であり、逆転方向の早送りの周波数を高くすることができる。さらに、逆転制御部２６においては、３つの駆動パルスのパルス幅やタイミングを調整すれば良いので、逆転方向の駆動パルスの設定も容易であり、逆転制御部２６の構成も簡易化できる。
【００４０】
さらに、本例の制御方法においては、駆動パルスＰ２２に先攻する補助駆動パルスＰａおよび駆動パルスＰ２１は低電圧Ｖ１とし、駆動パルスＰ２２にのみ高電圧Ｖ０としてあるので、逆転時の消費電力も必要最小限に止めることができる。
【００４１】
図５に本例の制御装置２０によってステッピングモータ１０を駆動する制御方法の第２の例を示してある。本例の制御方法においては、ロータ１３を逆転する際に、高電圧Ｖ０の第１の駆動パルスＰ２１および第２の駆動パルスＰ２２を供給するようにしている。まず、ステップ７１において、ステッピングモータ１０の回転方向が判定され、ステップ７２において、正転であれば正転制御部２５の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。これらのステップ７１および７２の動作は上述した第１の例と同様であり、正転するために電圧Ｖ１の電力が電源部４０から駆動回路３１に供給され、電圧Ｖ１の駆動パルスＰ１がスッテピングモータ１０に供給される。
【００４２】
ステップ７１において、ステッピングモータ１０を逆転すると判断された場合は、逆転制御部２６の制御の下にステッピングモータ１０が駆動される。本例の制御方法においては、ステップ７４において、逆転制御部２６により高電圧Ｖ０の第１の駆動パルスＰ２１が供給され、さらに、ステップ７５において、電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２が供給される。また、本例の制御方法においては、ステップ７４と７５の間に待機時間Ｔｗを設定するステップ７６が設けられている。ステップ７６においては、制御回路２４の逆転制御部２６により駆動回路３１のスイッチ３５ａおよび３５ｂがオフになり、駆動回路３１と駆動コイル１１の接続が遮断されるようになっている。駆動コイル１１が駆動回路３１から切断されることにより、駆動コイル１１はオープンになるのでステップ７６においてはステータ１２からロータ１３には力が働かない。
【００４３】
図６に、本例の制御方法により逆転時に駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給される駆動パルスを示してある。時刻ｔ０から始まる１駆動周期Ｔ０において、図７（ａ）に示すように、正転するのに都合の良い安定位置ｒ１から逆転方向ｄ２にロータ１３を駆動するためにロータ１３をステータ１２に吸引する第１の駆動パルスＰ２１が供給される。本例においては、反動を用いないでロータ１３を逆転方向に始動するために高電圧Ｖ０の駆動パルスＰ２１を用いている。駆動パルスＰ２１のパルス幅が長くなりすぎると、駆動パルスＰ２１によってロータ１３がステータ１２に吸引されるためロータ１３を正転方向ｄ１に戻す力が発生する。このため、本例においては、駆動パルスＰ２１のパルス幅を短くし、駆動パルスＰ２１を供給するステップ７４に続いて待機時間Ｔｗをセットできるステップ７６を実効することにより、図６に示すように時刻ｔ５〜時刻ｔ６（Ｔｗ）の間は駆動コイル１１に電圧を印加しないようにしている。さらに、本例では、ステップ７６において駆動コイル１１をオープンするようにしているので誘導電流も駆動コイル１１には流れず、駆動コイル１１からロータ１３の動きを阻害する力が発生しないようにしている。従って、図７（ｂ）に示すように、ロータ１３は、第１の駆動パルスＰ２１および駆動パルスＰ２１による慣性によって安定位置ｒ１からほぼ９０度回転した位置ｒ３にスムーズに到達できる。この位置ｒ３で上述した制御方法と同様に高電圧Ｖ０の第２の駆動パルスＰ２２を供給することにより、反発力によって次のステップアングルの安定位置までロータ１３を回転することができる。時刻ｔ１０からの次の駆動サイクルＴ０では、パルスの向きが反転することを除き上記と同様の駆動パルスＰ２１およびＰ２２が再び駆動回路３１からステッピングモータ１０に供給される。
【００４４】
本例の制御方法においても、大きなトルクが必要とされる逆転時には高電圧Ｖ０の駆動パルスがステッピングモータ１０に供給され、回転に必要なトルクの小さな正転時には低電圧Ｖ１の駆動パルスがステッピングモータ１０に供給されるようになっている。従って、正転時の消費電力を増大することなくロータを逆転することが可能である。また、高電圧の第１の駆動パルスＰ２１と第２の駆動パルスＰ２２の２つのパルスの組み合わせによりステッピングモータ１０を逆転できるので、パルス幅が短く、実効電力の大きな駆動パルスにより逆転することができる。従って、１ステップアングル回すために必要なトータルのパルス幅を狭くすることができるので、逆転速度を向上することが可能となる。また、２つの駆動パルスの組み合わせで逆転できるので、制御回路も簡易化でき、駆動パルスの設定も容易になる。従って、本発明により、時刻合わせなどに実際に使用できる逆転用の制御方法、制御装置を提供することができる。
【００４５】
以上のような電圧の異なる駆動パルスをステッピングモータに供給可能な制御方法および制御装置を採用することにより、ステッピングモータ１０を正転および逆転駆動できると共に、駆動時に消費される電力を小さくすることができる。また、逆転する際には２つあるいは３つの数少ないパルスの組み合わせて１ステップアングルを駆動することができるので、簡単な制御回路あるいはソフトウェアで逆転制御することが可能である。また、駆動パルスの幅やタイミングの調整も容易となる。従って、本例の制御装置および制御方法を採用することにより、運針停止から復帰する際に時計針を早送りしたり、あるいは、現地時刻に合わせて時計を時刻合わせする際に、ステッピングモータを逆転して反時計方向に時計針を進められる計時装置を提供することができる。
【００４６】
なお、上記において説明した駆動パルスＰ１、補助駆動パルスＰａ、第１および第２の駆動パルスＰ２１およびＰ２２は、１つの矩形パルスの代わりに、パルス幅の狭い複数のサブパルスによって形成することも可能である。さらに、１つの駆動パルス、例えば、第１の駆動パルスＰ２１あるいは第２の駆動パルスＰ２２をステッピングモータ１０のコギングトルク（無励磁保持トルク、ディテントトルク）曲線を反映した複数の電圧のサブパルスによって構成することにより、さらに電力の使用効率の良い制御装置を提供することができる。また、上述した第１の制御方法と第２の制御方法における駆動パルスの組み合わせは自由であり、第２の制御方法に補助駆動パルスＰａを追加したり、第１の制御方法に待機時間Ｔｗを設定することはもちろん可能である。
【００４７】
また、上記の例では、計時装置に好適な２相のステッピングモータを例に本発明を説明しているが、３相以上のステッピング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、各相に共通した制御を行う代わりに、各相毎の適したパルス幅およびタイミングで駆動パルスを供給することも可能である。また、ステッピング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相励磁であっても良く、逆転可能なステッピングモータの制御に対し本発明を適用することによって制御系統を簡略化でき、消費電力を低減することができる。
【００４８】
また、電源電圧を降圧する降圧回路の代わりに逆転駆動する際に電源電圧を昇圧する昇圧回路も設けて逆転用の高電圧の駆動パルスを供給できるようにすることももちろん可能である。さらに、電源部によって用意される電圧レベルは３段階に限定されるものではなく、４段階以上の電圧レベルを供給できるようにしてももちろん良い。さらに、電源は、本例のように電池に限らず、太陽電池などの発電装置によって充電される大容量のコンデンサなどを電源として用いることももちろん可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の制御装置においては、ステッピングモータに対し、正転用に低電圧の駆動パルスを供給し、逆転用に高電圧の駆動パルスを供給できるようにしている。従って、逆転するときは高電圧の駆動パルスにより十分なトルクを確保することが可能であり、確実にロータを逆転することができる。また、正転するときは低電圧の駆動パルスにより低消費電力で駆動できる。従って、計時装置に対し本発明の制御装置を用いることにより、通常の正転で運針されるときは、消費される電力は低く保つことが可能であり、時刻合わせなどの場合のように時計針を反時計方向に運針した方が時間および消費電力の浪費を防止できる場合は逆転を行える計時装置を提供することができる。さらに、逆転する際に高電圧の駆動パルスを採用することにより、駆動パルスの実効電力を大きくできるので、数少ないパルスの組み合わせで逆転することができ、また、トータルの駆動パルスのパルス幅も短くすることができる。従って、逆転速度の向上を図ることが可能となる。さらに、逆転用の制御回路やソフトウェアを簡略化できるので、逆転機能を持った計時装置を安価に提供できる。また、逆転に必要な駆動パルスの数も減らせるのでパルスの幅やタイミングの調整も容易となる。
【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に示す制御装置を用いた第１の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】図２に示す第１の制御方法においてステッピングモータに供給される駆動パルスの様子を示すタイミングチャートである。
【図４】図３に示す各パルスによりロータが逆転駆動される様子を説明する図であり、図４（ａ）は、補助駆動パルスＰａによりロータが回転する様子を示し、図４（ｂ）は、第１の駆動パルスＰ２１によりロータが回転する様子を示し、さらに、図４（ｃ）は、第２の駆動パルス２２によりロータが１ステップアングル回転する様子を示す図である。
【図５】図１に示す制御装置を用いた第２の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】図５に示す第２の制御方法においてステッピングモータに供給される駆動パルスの様子を示すタイミングチャートである。
【図７】図６に示す各パルスによりロータが逆転駆動される様子を説明する図であり、図７（ａ）は、第１の駆動パルスＰ２１のパルス幅が広すぎる場合を示し、図７（ｄ）は、第１の駆動パルスＰ２１の後に待機時間を設定した場合を示す図である。
【符号の説明】
１・・計時装置
１０・・ステッピングモータ
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・・発振分周回路
２３・・パルス合成回路
２４・・制御回路
２５・・正転制御部
２６・・逆転制御部
２７・・補助パルス制御部
２８・・駆動パルス制御部
３１・・駆動回路
４０・・電源部
４１・・電池
４２・・降圧回路
４３・・降圧用コンデンサ
５０・・輪列
６１・・秒針
６２・・分針
６３・・時針
Claims (5)
- ロータと、このロータを回転駆動する磁界が駆動コイルによって励磁されるステータとを有するステッピングモータの制御装置において、
前記駆動コイルに駆動パルスを供給する駆動手段と、
前記駆動手段に複数の電圧の電力を供給可能な電源部と、
前記ロータを第１の方向に微小回転させるために前記電源部から第１の電圧を前記駆動手段に供給して前記駆動パルスを発する第１の制御手段と、
前記ロータを前記第１の方向と反対の第２の方向に回転するように前記電源部から前記第１の電圧より高く前記第１の電圧の出力極性を反転させた第２の電圧を前記駆動手段に供給して前記駆動パルスを発し、前記微小回転での反動を利用して前記ロータを前記第２の方向に回転させる第２の制御手段とを有するステッピングモータの制御装置であって、
前記電源部は、蓄電手段と、この蓄電手段の出力電圧を降圧して複数の電圧の電力を供給可能な降圧手段とを有することを特徴とするステッピングモータの制御装置。 - 請求項１において、前記第２の制御手段は、前記駆動パルスに先立って前記電源部から前記第２の電圧より低い第３の電圧を前記駆動手段に供給して前記ロータを前記第１の方向に微小回転する補助パルスを発する補助パルス制御手段を備えていることを特徴とするステッピングモータの制御装置。
- 請求項１において、前記第２の制御手段は、前記ロータを前記第２の方向に吸引する第１の前記駆動パルスおよび前記ロータを前記第２の方向に反発するための第２の前記駆動パルスを発生させ、少なくとも前記第２の駆動パルスを発生するときに前記駆動手段に前記電源部から前記第２の電圧を供給することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
- 請求項３において、前記第２の制御手段は、さらに、前記第１の駆動パルスと前記第２の駆動パルスの間に所定の時間だけ前記駆動コイルの両端をオープンにすることを特徴とするステッピングモータの制御装置。
- 請求項１から３のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置と、
前記駆動パルスにより時計針を運針するステッピングモータと、
複数の周波数のパルス信号を出力するパルス合成手段とを有し、
前記パルス信号のいずれかにより前記第１の制御手段が前記ステッピングモータを正転して前記時計針を時計方向に回転し、前記パルス信号のいずれかにより前記第２の制御手段が前記ステッピングモータを逆転して前記時計針を反時計方向に回転することを特徴とする計時装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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-
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