JP7501258B2 - ムーブメントおよび電子時計 - Google Patents

Description

本発明は、ムーブメントおよび電子時計に関する。

指針用のステッピングモーターを駆動する駆動回路として、電流制御駆動回路と、回転検出駆動回路とを備え、これらの駆動回路を選択回路で切り替えて制御するアナログ電子時計が知られている（例えば特許文献１参照）。
前記選択回路は、時分針などの指針の通常駆動時には、回転検出駆動回路を選択して消費電力を低減し、帰零などの指針の早送り時には、電流制御駆動回路を選択して指針を高速運針している。

特開２０２０－１６５３１号公報

前記電流制御駆動回路は、ステッピングモーターのコイル抵抗値を小さくし、駆動開始時になるべく多くのエネルギーが入るようにすれば、コイルに流れる電流が大きくなり、モーターの駆動スピードも速くできる。
一方、コイル抵抗値が小さいと、回転検出駆動回路による駆動時に所定以上のエネルギーが入り、ローターが一度に２ステップ回転してしまうなどの不安定な現象が起こる可能性がある。
このため、電流制御駆動回路と、回転検出駆動回路とを切り替えてステッピングモーターを駆動する場合に、電流制御駆動回路による早送りの高速化と、回転検出駆動回路による動作の安定性とを両立できる抵抗値のコイルを有するステッピングモーターを組み込んだムーブメントおよび電子時計が求められていた。

本開示のムーブメントは、ローターおよびコイルを備えるステッピングモーターと、入力された駆動信号に対応する駆動電流を前記コイルに供給するドライバーと、前記コイルに流れる電流値を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路で検出した前記電流値に基づいて第１の駆動信号を前記ドライバーに出力する第１の駆動手段と、前記ローターの回転を検出する回転検出回路と、前記コイルに供給する前記駆動電流の供給時間が異なる複数種類の第２の駆動信号のうち選択された第２の駆動信号を前記ドライバーに出力可能であり、前記第２の駆動信号の出力後、前記回転検出回路によって前記ローターが回転していないことが検出された場合は、予め設定された補正駆動パルスを前記ドライバーに出力可能に構成された第２の駆動手段と、を有し、前記コイルの抵抗値Ｒ[Ω]と前記ステッピングモーターの駆動電圧Ｖ[Ｖ]とが、９００Ｖ[Ω]≦Ｒ≦１１００Ｖ[Ω]、１．８[Ｖ]≦Ｖ≦２．４[Ｖ]を満たすことを特徴とする。

本開示の電子時計は、前記ムーブメントを備えることを特徴とする。

実施形態の電子時計を示す正面図である。 前記実施形態のステッピングモーターの構成を示す図である。 前記実施形態のムーブメントを示すブロック図である。 前記実施形態のドライバーを示す回路図である。 コイル抵抗値と駆動電圧との関係を示すグラフである。

電子時計１は、図１に示すように、時針２、分針３、秒針４と、文字板５と、りゅうず６と、ボタン７とを備える３針のアナログ電子時計である。また、電子時計１は、標準電波やＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から送信される衛星信号を受信するアンテナを内蔵し、受信した信号に基づいて時針２、分針３、秒針４の指示時刻を修正する電波修正時計である。
電子時計１は、時針２、分針３、秒針４を駆動する時刻表示用のステッピングモーター４０と、図示略の輪列とを有するムーブメント１０を備える。

図２に示すように、ムーブメント１０に設けられるステッピングモーター４０は、ステーター１３１と、コイル１３０と、ローター１３３とを備える。コイル１３０の両端は、後述するドライバー５１の出力端子Ｏ１、Ｏ２に導通され、ローター１３３は、径方向に２極に着磁された磁石である。したがって、ステッピングモーター４０は、電子時計用に用いられる２極単相ステッピングモーターであり、後述するように、ドライバー５１に入力される駆動信号によって駆動される。
なお、時刻表示用のステッピングモーター４０は、１つでもよいし、複数設けてもよい。このステッピングモーターは、図３に示すモーター駆動回路２０によって制御され、各々の機能に合わせて通常駆動と早送り駆動とを切り替えて制御する。

ムーブメント１０に設けられるモーター駆動回路２０は、集積回路（Integrated Circuit）等の半導体装置で構成され、図３に示すように、駆動制御回路２１と、選択回路２２と、電流制御駆動回路２３と、回転検出駆動回路２６と、ドライバー５１と、電流検出回路６１と、回転検出回路６５とを備える。モーター駆動回路２０では、電流制御駆動回路２３が第１の駆動手段であり、回転検出駆動回路２６が第２の駆動手段であり、駆動制御回路２１および選択回路２２が制御手段である。
駆動制御回路２１には、外部から信号Ｓ１が入力される。信号Ｓ１は、電子時計１のＣＰＵ等から出力され、通常運針を実行する通常運針モードと、時刻修正を実行する修正モードとを切り替えるモード信号と、時刻修正時の運針量を設定可能なデータ、例えば、指針が指示している時刻データと、修正後の現時刻データなどが含まれる。

駆動制御回路２１は、外部から入力される信号Ｓ１のモード信号によって、選択回路２２を制御する。すなわち、駆動制御回路２１は、通常運針モード時には、回転検出駆動回路２６から出力される駆動信号がドライバー５１に入力するように選択回路２２を制御する。
また、駆動制御回路２１は、ボタン７が押されて電波受信処理が実行されて現時刻を取得した場合のような修正モード時には、電流制御駆動回路２３から出力される駆動信号がドライバー５１に入力するように選択回路２２を制御する。さらに、駆動制御回路２１は、修正モード時には、電流制御駆動回路２３に対して時刻修正用の制御信号を出力する。すなわち、駆動制御回路２１は、時針２、分針３、秒針４を、現時刻を指示する位置まで移動させるために必要なステッピングモーター４０の駆動ステップ数を算出し、その駆動ステップ数を電流制御駆動回路２３に対して出力する。

選択回路２２は、電流制御駆動回路２３、回転検出駆動回路２６から選択した駆動回路からの信号を読み出してドライバー５１に出力し、ステッピングモーター４０を、電流制御駆動回路２３、回転検出駆動回路２６から選択した駆動回路から出力された駆動信号に基づいて制御する。

ドライバー５１は、図４に示すように、２つのPchトランジスター５２、５３と、４つのNchトランジスター５４、５５、５６、５７と、４つの検出抵抗５８，５９，６３，６４とを備える。各トランジスター５２～５７は、電流制御駆動回路２３または回転検出駆動回路２６から選択回路２２を介して出力されるゲート信号P1、P2、N1、N2、N3、N4によって制御され、モーターのコイル１３０に正逆両方向の電流を供給する。

電流制御駆動回路２３は、電流検出回路６１が検出するステッピングモーター４０のコイル１３０に流れる電流値に基づいて駆動信号を制御する回路である。
電流制御駆動回路２３は、選択回路２２を介して、ドライバー５１に第１の駆動信号を出力する。ドライバー５１は、モーターのコイル１３０に駆動電流を供給する。

電流検出回路６１は、コイル１３０に流れる電流値を検出するものであり、本実施形態では、抵抗値Ｒ１、Ｒ２の検出抵抗５８、５９の両端に発生する電圧と、第１基準電圧、第２基準電圧とを比較することで、コイル１３０に流れる電流値が下限電流値である第１電流値以上であり、上限電流値である第２電流値未満の範囲内であるか否かを検出する。電流検出回路６１は、例えば、基準電圧発生源とコンパレーター等を備えたもので構成できる。
電流検出回路６１は、検出結果として出力DT1、DT2を出力する。出力DT1は、コイル１３０を流れる電流値が第１電流値以上の場合に、Ｈレベルとなり、第１電流値未満の場合にＬレベルとなる。出力DT2は、コイル１３０を流れる電流値が第２電流値以上の場合に、Ｈレベルとなり、第２電流値未満の場合にＬレベルとなる。

電流制御駆動回路２３は、コイル１３０に流れる電流値を、下限電流値である第１電流値から上限電流値である第２電流値の範囲に維持し、所定の極性反転条件に該当すると、コイル１３０に流れる電流の方向を反転してステッピングモーター４０を高速駆動制御する。
例えば、電流制御駆動回路２３は、ステッピングモーター４０を駆動するためにドライバー５１をオンした後に、出力DT2を参照し、上限電流値である第２電流値以上になったことを検出した場合にドライバー５１をオフする。電流制御駆動回路２３は、ドライバー５１をオフした後、出力DT1を参照し、下限電流値である第１電流値未満になったことを検出した場合にドライバー５１をオンする。これにより、電流制御駆動回路２３は、コイル１３０に流れる電流値を、第１電流値および第２電流値間、つまり略一定の電流値に維持する。
そして、電流制御駆動回路２３は、極性判定条件に該当した場合、例えば、ドライバー５１をオフしている継続時間が閾値を超えた場合に、ゲート信号P1、P2、N1、N2、N3、N4を制御して、コイル１３０に流れる電流の方向を反転する。
電流制御駆動回路２３は、コイル１３０に流れる電流の方向を反転する毎に、駆動制御回路２１から入力された駆動ステップ数を１減算し、駆動ステップ数が０となって時針２、分針３、秒針４が現在時刻を指示すると、電流制御駆動回路２３による駆動を終了し、駆動制御回路２１に通知する。
駆動制御回路２１は、電流制御駆動回路２３から駆動終了の通知を受けると、選択回路２２を制御して回転検出駆動回路２６による通常運針の駆動に切り替える。

回転検出駆動回路２６は、回転検出回路６５がローター１３３の回転を検出した結果に基づいて、モーター駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御駆動を行う回路であり、モーター駆動パルスのパルス幅を、ローター１３３を回転できる最小限に制御することで、省エネルギー化を実現するものである。
すなわち、回転検出駆動回路２６は、第２の駆動信号であるモーター駆動パルスをドライバー５１に出力した後、検出パルスを出力する。
回転検出回路６５は、モーター駆動パルスの出力から所定のマスク時間の経過後に出力された検出パルスによる誘起電圧の大きさを検出する。そして、回転検出回路６５は、誘起電圧が所定の閾値を超えた検出パルスの数によって、ローター１３３が回転したか否かを検出し、その検出結果として出力RDを出力する。例えば、出力RDは、ローター１３３の回転を検出した場合はＨレベルとなり、ローター１３３の非回転を検出した場合はＬレベルとなる。
出力RDがＬレベルとなり、回転検出回路６５でローター１３３が回転していないことが検出された場合、回転検出駆動回路２６は、ローター１３３を確実に回転できる補正駆動パルスを出力する。

第２の駆動信号であるモーター駆動パルスは、くし歯形状のチョッピングパルスである。また、回転検出駆動回路２６は、モーター駆動パルスによってローター１３３が所定回数連続して回転した場合は、次にドライバー５１に出力するモーター駆動パルスの歯数を少なくしたり、dutyを小さくしたりして、コイル１３０に入力するエネルギーを減少させる。
一方、回転検出駆動回路２６は、モーター駆動パルスによってローター１３３が回転せずに補正駆動パルスを出力した場合は、次にドライバー５１に出力するモーター駆動パルスの歯数を増やしたり、dutyを大きくしたりして、コイル１３０に入力するエネルギーを増加させる。

すなわち、第２の駆動手段である回転検出駆動回路２６は、モーター駆動パルスの歯数やdutyによって、コイル１３０に供給する駆動電流の供給時間が異なる複数種類の第２の駆動信号のうち、選択された第２の駆動信号をドライバー５１に出力可能である。回転検出駆動回路２６は、回転検出回路６５によるローター１３３の回転検出結果が所定条件に該当する場合、例えば、ローター１３３が連続して所定回数回転した場合や、ローター１３３が回転せずに補正駆動パルスを出力した場合に、複数種類の第２の駆動信号から異なる第２の駆動信号を選択する。
以上により、回転検出駆動回路２６による通常運針では、モーター駆動パルスによってコイル１３０に入力するエネルギーを必要最小限にでき、省電力化を実現できる。

［ステッピングモーターのコイル］
ステッピングモーター４０のコイル１３０の抵抗値Ｒ[Ω]と、前記ステッピングモーターの駆動電圧Ｖ[Ｖ]とは、９００Ｖ[Ω]≦Ｒ≦１１００Ｖ[Ω]、１．８[Ｖ]≦Ｖ≦２．４[Ｖ]を満たすように設定されている。これらの条件は、以下に説明するように、実験結果に基づいて設定されている。

第１の実験は、回転検出駆動回路２６によるステッピングモーター４０の駆動制御を行った場合の駆動電圧およびコイル１３０の抵抗値と、駆動の安定性との関係を調べたものである。この第１の実験の結果を図５に示す。
図５において、「○」はステッピングモーター４０が安定して駆動したことを示す。なお、ステッピングモーター４０の駆動が安定するとは、回転検出駆動回路２６で設定したモーター駆動パルスならびにそのばらつきの範囲でローター１３３を十分に回転させる領域があり、ローター１３３が回転している際に正常な回転の判定ができ、ローター１３３が回転していない場合には回転していないことを確実に判定できる状態を意味する。
図５において、「△」は駆動が不安定、例えば、ローター１３３が２ステップ分回転することなどで不安定となったことを示す。「×」は、ローター１３３の動きが速すぎるなどして、回転検出回路６５による回転検出ができなかったことを示す。
図５に示すように、コイル１３０の抵抗値が小さくなると、回転検出駆動回路２６による駆動制御時に、ローター１３３の回転が不安定になったり、回転検出ができなくなり、安定した駆動ができないことが分かる。したがって、コイル１３０の抵抗値Ｒは、ステッピングモーター４０の駆動電圧をＶとすると、９００Ｖ［Ω］以上に設定する必要があることが判明した。

第２の実験は、電流制御駆動回路２３によるステッピングモーター４０の駆動制御を行った場合の駆動電圧およびコイル１３０の抵抗値と、駆動速度との関係を調べたものである。
一般に、ステッピングモーター４０のコイル１３０の抵抗値Ｒが高くなると、コイル１３０に流れる駆動電流が小さくなり、電流制御駆動回路２３によるステッピングモーター４０の駆動制御時に早送りのスピードが遅くなる。すなわち、電流制御駆動回路２３によるステッピングモーター４０の駆動制御では、駆動電圧が高いほど、またコイル１３０の抵抗値Ｒが低いほどステッピングモーター４０の駆動スピードを高くできる。このため、第２の実験として電流制御駆動回路２３によるステッピングモーター４０の駆動実験を行ったところ、ローター１３３を数百Ｈｚ、例えば３００Ｈｚ程度で動かすためには、コイル１３０の抵抗値Ｒは、ステッピングモーター４０の駆動電圧をＶとすると、１１００Ｖ［Ω］以下に設定する必要があることが判明した。

さらに、ステッピングモーター４０の駆動電圧Ｖを、１．８［Ｖ］以上、２．４［Ｖ］以下に設定したのは、以下の理由からである。すなわち、駆動電圧を１．８［Ｖ］未満にすると、特に電流制御駆動回路２３において、コイル１３０に供給する電力が小さくなり、ステッピングモーター４０を高速で駆動することが困難となる。
また、駆動電圧を２．４［Ｖ］よりも大きくすると、特に回転検出駆動回路２６において、コイル１３０に入力されるエネルギーが高くなりすぎる場合があり、ローター１３３が２ステップ分回転しやすくなる。また、駆動電圧が高いと、腕時計のような一次電池や二次電池を電源とする電子時計１では持続時間も短くなる。

以上の点から、電流制御駆動回路２３および回転検出駆動回路２６を切り替えて、１つのステッピングモーター４０を駆動する場合、ステッピングモーター４０の駆動電圧Ｖは、１．８［Ｖ］≦Ｖ≦２．４［Ｖ］に設定し、ステッピングモーター４０のコイル１３０の抵抗値Ｒは、９００Ｖ［Ω］≦Ｒ≦１１００Ｖ［Ω］に設定することが必要であることが分かる。

さらに、ステッピングモーター４０のコイル１３０の抵抗値Ｒを、９００Ｖ［Ω］≦Ｒ≦１０００Ｖ［Ω］と低い範囲に設定すると、回転検出駆動回路２６での動作の安定性を維持しつつ、電流制御駆動回路２３での早送りのさらなる高速化を実現できる。

［実施形態の効果］
本実施形態のムーブメント１０によれば、ステッピングモーター４０のコイル１３０の抵抗値Ｒ[Ω]と、ステッピングモーター４０の駆動電圧Ｖ[Ｖ]とが、９００Ｖ［Ω］≦Ｒ≦１１００Ｖ［Ω］、１．８［Ｖ］≦Ｖ≦２．４［Ｖ］を満たすように設定している。このため、電流制御駆動回路２３と回転検出駆動回路２６とを切り替えてステッピングモーター４０を駆動制御する場合に、電流制御駆動回路２３での早送りの高速化と、回転検出駆動回路２６での動作の安定性とを両立することができる。

駆動制御回路２１は、時針２、分針３、秒針４の通常の運針制御を行う際に、回転検出駆動回路２６を用いてステッピングモーター４０を駆動しているので、ステッピングモーター４０を確実に駆動できて消費電力も低減できる。
一方、電波受信などで時刻表示を修正する場合、電流制御駆動回路２３によるモーター駆動制御を用いているので、時針２、分針３、秒針４の早送りを高速で行え、短時間で表示を切り替えることができる。

［他の実施形態］
なお、本開示は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本開示に含まれるものである。
前記実施形態では、コイル１３０の抵抗値Ｒ[Ω]が、９００Ｖ［Ω］≦Ｒ≦１１００Ｖ［Ω］を満たすように設定していたが、９００Ｖ［Ω］≦Ｒ≦１０００Ｖ［Ω］を満たすように設定しても良い。すなわち、コイル１３０の抵抗値の上限値を１０００Ｖ［Ω］に抑制すれば、回転検出駆動回路２６での動作の安定性を維持しつつ、電流制御駆動回路２３での早送りの更なる高速化、たとえば４００Ｈｚ程度の高速化を実現できる。

電子時計１は、前記実施形態のように、電波受信によって現時刻の指示に早送りで修正する時計に限定されず、スマートフォンと通信可能なコネクテッドウォッチでもよい。コネクテッドウォッチの場合、時刻を指示する指針の通常運針時には回転検出駆動回路２６を用いてステッピングモーター４０を駆動し、各種情報を指示するために指針を早送りする場合には電流制御駆動回路２３を用いてステッピングモーター４０を駆動すればよい。例えば、コネクテッドウォッチの機能を切り替えた表示を時針２で行う場合は、第１の駆動手段である電流制御駆動回路２３でステッピングモーター４０を駆動することで、短時間で表示を切り替えることができる。また、第２の駆動手段である回転検出駆動回路２６を用い、例えば５分間隔でステッピングモーター４０を駆動することで、時針２を間欠的に運針できて通常時刻を指示することができる。

［本開示のまとめ］
本開示のムーブメントは、ローターおよびコイルを備えるステッピングモーターと、入力された駆動信号に対応する駆動電流を前記コイルに供給するドライバーと、前記コイルに流れる電流値を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路で検出した前記電流値に基づいて第１の駆動信号を前記ドライバーに出力する第１の駆動手段と、前記ローターの回転を検出する回転検出回路と、前記コイルに供給する前記駆動電流の供給時間が異なる複数種類の第２の駆動信号のうち選択された第２の駆動信号を前記ドライバーに出力可能であり、前記第２の駆動信号の出力後、前記回転検出回路によって前記ローターが回転していないことが検出された場合は、予め設定された補正駆動パルスを前記ドライバーに出力可能に構成された第２の駆動手段と、を有し、前記コイルの抵抗値Ｒ[Ω]と前記ステッピングモーターの駆動電圧Ｖ[Ｖ]とが、９００Ｖ[Ω]≦Ｒ≦１１００Ｖ[Ω]、１．８[Ｖ]≦Ｖ≦２．４[Ｖ]を満たすことを特徴とする。
本開示のムーブメントによれば、第１の駆動手段と、第２の駆動手段とを切り替えてステッピングモーターを駆動制御する場合に、第１の駆動手段での早送りの高速化と、第２の駆動手段での動作の安定性とを両立することができる。

本開示のムーブメントにおいて、前記コイルの抵抗値Ｒ[Ω]は、９００Ｖ[Ω]≦Ｒ≦１０００Ｖ[Ω]を満たすことを特徴とする。
本開示のムーブメントによれば、第２の駆動手段での動作の安定性を維持しつつ、第１の駆動手段での早送りの更なる高速化を実現できる。

本開示の電子時計は、前記ムーブメントを備えることを特徴とする。
本開示の電子時計によれば、第１の駆動手段での早送りの高速化と、第２の駆動手段での動作の安定性とを両立することができる。

１…電子時計、１０…ムーブメント、２０…モーター駆動回路、２１…駆動制御回路、２２…選択回路、２３…電流制御駆動回路、２６…回転検出駆動回路、４０…ステッピングモーター、５１…ドライバー、６１…電流検出回路、６５…回転検出回路、１３０…コイル、１３３…ローター。

Claims (3)

1. ローターおよびコイルを備えて指針を駆動するステッピングモーターと、
   入力された駆動信号に対応する駆動電流を前記コイルに供給するドライバーと、
   前記コイルに流れる電流値を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路で検出した前記電流値に基づいて第１の駆動信号を前記ドライバーに出力する第１の駆動手段と、
   前記ローターの回転を検出する回転検出回路と、
   前記コイルに供給する前記駆動電流の供給時間が異なる複数種類の第２の駆動信号のうち選択された第２の駆動信号を前記ドライバーに出力可能であり、前記第２の駆動信号の出力後、前記回転検出回路によって前記ローターが回転していないことが検出された場合は、予め設定された補正駆動パルスを前記ドライバーに出力可能に構成された第２の駆動手段と、を有し、
   前記コイルの抵抗値Ｒ[Ω]と前記ステッピングモーターの駆動電圧Ｖ[Ｖ]とが、
   ９００Ｖ[Ω]≦Ｒ≦１１００Ｖ[Ω]、１．８[Ｖ]≦Ｖ≦２．４[Ｖ]を満たし、
   前記指針を通常駆動する場合には前記第２の駆動手段によって前記ステッピングモーターを駆動し、前記指針を早送り駆動する場合には前記第１の駆動手段によって前記ステッピングモーターを駆動する
   ことを特徴とするムーブメント。
2. 請求項１に記載のムーブメントにおいて、
   前記コイルの抵抗値Ｒ[Ω]は、
   ９００Ｖ[Ω]≦Ｒ≦１０００Ｖ[Ω]を満たす
   ことを特徴とするムーブメント。
3. 請求項１または請求項２に記載のムーブメントを備えることを特徴とする電子時計。

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