JPH09266698A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子腕時計などに収納されたステップモータ
を駆動するために消費される電力をさらに低減可能な駆
動回路を提供する。 【解決手段】 ステップモータに駆動パルスを供給した
後にロータが慣性で運動しているエネルギーを電源側に
回生する。そのために、電源１９の電力をオンオフして
駆動コイル２に駆動パルスを印加するＣＭＯＳ２１、２
２、２３、２４と、これらをバイパスして電源電力の逆
方向に電流を流すダイオード２５を設け、駆動パルスが
終了した後にＣＭＯＳ２１および２２を短い周期でオン
オフさせる。これによって、駆動コイル２に生じた誘導
起電力の短絡電流をオンオフし、さらに大きな誘導電圧
を得て電源側にエネルギーを回生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ステップモータ
を駆動する駆動装置であって、電源から供給された駆動
電力をオンオフして駆動コイルに駆動パルスを印加する
スイッチ手段と、このスイッチ手段をバイパスして駆動
コイルと電源を接続し、駆動電力の逆方向に電流を流す
バイパス手段と、駆動パルスが供給された後に駆動コイ
ルを短い周期で短絡する短絡手段とを有することを特徴
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
い周期でオンオフすることによって、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２
０ｂ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）２
１、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１
９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ＭＯＳ２
１、２２、２３および２４の状態に関係なく、電流がＭ
ＯＳ２１、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Ｍ
ＯＳ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ＭＯ
Ｓ２３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ＭＯＳ２
１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φｐ
２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φｐ
１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１０ｋ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ＭＯＳ２
１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ＭＯ
Ｓ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φｓ
１、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３
ｃ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３３
ｃを介して駆動コイル３ａおよび３ｃがそれぞれ電源１
９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４
７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５
４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２
０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２
０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１
７ｂ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４
３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１０ｋ
Ｈｚ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φ
ｎ２が高レベルになり、駆動回路２０のｐチャンネルＭ
ＯＳ２２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φｐ
２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φｐ
１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φｓ
７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２
２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ＭＯＳ２
１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φ
１ｋ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、φ
ｎ１、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 紀夫 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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短絡
   する短絡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。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。
5. 【請求項５】 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
   期でオンオフする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。
6. 【請求項６】 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短絡する短絡手段とを
   備えていることを特徴とする計時装置。