JPS6235360B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として電子腕時計のステツプモータ
の動作検出回路の改良に関する。

特に電子腕時計用超小形ステツプモータの様に
低消費電力が要求されているステツプモータでは
低消費電力の方法として、ステツプモータ自身の
電気―機械変換効率の向上の他に、通常時は低電
力で駆動し、何らかの原因で正常にロータが回転
しなかつた時には正常時よりも大電力で、速やか
に再駆動する、云わゆる補正駆動方式が考案され
ている、補正駆動方式の最も重要となる部分は、
何如にして、ロータの回転、非回転を検出する事
である。その方法として、通常の駆動パルス印加
後のロータの回転、振動運動によつて励磁コイル
に誘起される電圧または電流によつてロータの回
転、非回転を判断する方法が考えられている。

第１図、第２図は従来の一般的なステツプモー
タと、駆動回路の一例である。駆動インバータ４
の出力が“Ｈ”となると励磁コイル３（以後コイ
ル、と略記する。）には矢印の方向に電流が流
れ、ステータ１に磁極を形成し、ロータ２を１ス
テツプ（この例では２極ロータであるので180
゜）回転させる。次に、もう１ステツプ回転させ
るにはコイル３に今とは反対に電流を流すべくイ
ンバータ５の出力をＨとし、インバータ４の出力
を“Ｌ”とすればよい。この時にコイル３の電流
波形の一例を第３図に示す。区間Ａは駆動インバ
ータ４または５によつて印加された駆動パルスに
よる電流、区間Ｂはロータの回転、振動運動によ
つてコイル３に誘起されループ７に生ずる電流で
ある。この区間Ｂでの電流波形がステツプモータ
の負荷状態に応じて変化するので、この電流波形
の変化を検出する事によつてステツプモータの負
荷状態検出が可能になる。

従来、考えられていた検出回路としては、第４
図、第５図の様な回路である。この回路の動作原
理は本発明の回路においても共通であり後に詳述
する。さて、第４図、第５図の回路は、それぞ
れ、インピーダンス素子（抵抗）１６や二値論理
素子（コンパレータやロジツクゲート）１７を１
つだけ用意して、スイツチング素子によつて入力
端子を切り換えるので、IC上に構成する際に、
インピーダンス素子、二値論理素子による面積増
加が少ないと言うメリツトがある反面、アナログ
信号が通加するゲート（第４図１５，１６第５図
２８，２９）の基板が電源及びグランドからイン
ピーダンス素子によつて、電位的に浮く事により
生ずる。言わゆる基板効果があるために、結果と
して二値論理素子１７によるアナログ信号検出特
性が悪化すると言う現象があつた。この基板効果
については後に詳述する。

本発明は上述の様な従来例の欠点を排除すべく
なされたものであり、高性能な検出特性を持つた
検出回路を提供する事を目的としてなされたもの
である。

以下、図面に従つて本発明を詳細に説明する。
第６図は本発明による検出回路の一例である。

Ｐ形MOSFETゲート（以後ゲートと略記す
る。）１０，１２，Ｎ形MOSFETゲート（以後ゲ
ートと略記する。）１１，１３は第２図の従来例
で、駆動用インバータ４，５を構成していたゲー
トである。駆動インバータの出力端子１８と１９
はコイル３の両端に接続すると同時に検出抵抗４
０と４１、電圧比較器４４と４５の正入力にそれ
ぞれ直接に接続されている。本実施例の波形検出
回路は前記、検出抵抗４０，４１、電圧比較器４
４，４５によつて構成されていて、電圧比較器４
４，４５の負入力を共に、基準電圧を得るための
電源電圧分圧抵抗４７の中間端子に接続する事に
より、コイルに生ずる誘起電圧波形が一定電圧値
以上に達するか、否かの検出をしている。

次に本回路による動作検出原理を説明する。第
７図に各ゲートの入力信号を示す。区間T₁はコ
イルに駆動パルスが印加されるタイミングであ
る。即ちゲート１０と１３のみがON状態である
ので電源から矢印２２の経路で電流が流れる。次
にゲート１３，４２のみON状態にしたとする。
この時にはコイル３と検出抵抗４０を含む閉ルー
プ２３を形成する。この時のロータ２の運動によ
るコイル３の誘起電圧をｅ、コイル３とゲート４
２，１３との合成内部抵抗ｒ、検出抵抗４０の抵
抗値をＲとすると接続点１８の電位V₁₈は、V₁₈＝
eR／（Ｒ＋ｒ）で表わされる。ここでＲ≫ｒと
すればV₁₈＝ｅとなる。従つてＲ≫ｒの条件さえ
成立すればV₁₈をコイルの誘起電圧と見做して良
い。第８図にV₁₈の波形の一例を示す。この例で
は、検出抵抗値50KΩ、コイル抵抗28KΩ、巻数
9800ターンでステツプモータはほぼ無負荷状態で
ある。この誘起電圧波形V₁₈からロータの回転角
θがほぼ第８図の様に推測できる。ステツプモー
タの負荷が増していくと、誘起電圧波形は相似形
を保ちながらも徐々に波形のピーク値が下り、振
動の周期が長くなる。

次に第９図に最大負荷時と過負荷時の誘起電圧
波形及びロータの回転角をａ，ｂで示す。

最大負荷Ｑではロータの回転が遅く、また１ス
テツプ回転した後に振動しないために誘起電圧に
は起伏は少ない。また、過負荷時ｂではロータが
初期位置にもどる時に負荷方向に大きなピーク電
圧が誘起される。さて、誘起電圧波形からロータ
の回転、非回転を判断する方法は種々考えられる
が、第８図で示したピークｑの有無で判定するの
が回路的にも簡単であり確実である。つまり駆動
パルス印加後のピークｐによる誤検出をさけるた
めに数ｍ秒後から検出をはじめ、所定の時間内に
所定の電圧レベル以上の誘起電圧に達すれば回
転、達しなければ、非回転と判断する。但し、こ
の方法では第９図ａの様に最大負荷時では回転し
ているにもかかわらず非回転と見做されてしまう
が、補正駆動方式等に本検出回路を用いている場
合には、同方向の補正パルスが余計に出すぎるだ
けでありロータが回転し過ぎる事はない。

以上が、本発明の回路に用いている動作検出の
基本原理である。

次に駆動パルス印加後に高抵抗回路と低抵抗ａ
回路を断続的にスイツチングする効果について述
べる。従来の駆動回路は第２図の如く２個のイン
バータで駆動するため非駆動時はインバータと形
成するドライバー内の低抵抗でモータのコイル両
端は短絡されており、このとき第３図の様にこの
短絡回路に電流は流れ、この電流をドライバー用
低抵抗トランジスタでジユール熱として消費する
ことによりロータに制動をかけている。又、第６
図に示す方式では、ドライバー回路の他に更に高
抵抗の検出抵抗４０，４１が直列に接続されてお
り制動回路の電流は前者と比較すると小さくな
る。そこで、ロータの制動時に、この両者の回路
をスイツチングを行なう。この時のタイミングチ
ヤートを第７図に示す。こうすることにより制動
回路には急激な電流の変化が起こる。ところがモ
ータのコイルはインダクタンスが大きいため、こ
の電流の変化には追従できずに、制動回路の抵抗
ＲとコイルのインダクタンスＬによる時定数τ＝
Ｌ／Ｒなる一次遅れの応答を示す。このとき検出抵抗 ４０又は４１の両端に発生する電圧は、第３図に
示す制動回路の時は零ボルトであり、第６図に示
す検出抵抗４０又は４１を通る制動回路に切り換
えた瞬時、コイル３は第３図の制動時の電流をそ
のまま流し続けようとするため、比較的高抵抗で
ある検出抵抗４０又は４１の両端には一瞬高い電
圧が発生し、その後、前記の時定数τでこの高い
電圧は減衰し、第８図に示す電圧波形の電圧にな
る。この時の電圧波形を第１０図に示す。この方
式の特徴はロータ制動を行なう回路の抵抗値を切
り換えるだけで、制動時にモータが誘起する電圧
を増幅することが可能であり、第８図に示す波形
のピーク電圧ｑが0.6ボルト程度であるのに対
し、第１０図に示すピーク電圧は１ボルト以上と
なることである。このため、第８図のピーク電圧
ｑを検出するためには、0.2ボルト程度に閾値電
圧をもつコンパレータが必要であつた。ところ
が、時計用としてコンパレータを考えた場合、そ
の駆動電圧が1.5ボルト前後であるため、動作範
囲が狭くなつてしまい、0.2ボルト程度の閾値を
もつコンパレータでは感度が低くなつてしまい、
この増幅度を上げるためにはIC上のコンパレー
タの面積を大きくするなどの対策が必要であつ
た。

それに対しこの方式では、１ボルト以上のピー
ク電圧が得られることから、コンパレータの最も
感度の高い6.5〜1.0ボルト程度の範囲が使えるの
でコンパレータの設計が容易になりIC内でのコ
ンパレータ面積も小ささくてすむ様になる。

更に第６図に示す電圧比較器４４，４５は
CMOSIC内では最も単純な構成要素であるイン
バータで代用することも可能であり、又、フリツ
プフロツプの入力に直接入力することも可能であ
る。

次に前述の基板効果について述べる。

第４図ゲート１５，１６の部分を第１１図ａに
示す。又、第５図のトランスミツシヨンゲート２
８，２９は第１２図ａに示す。第１２図ａに於
て、Ｎチヤンネルトランジスタ５５は、の働らき
は第１１図ａと等価であるので、第１１図ａで説
明する。

第１１図ａのＮチヤンネルトランジスタ５２
は、バツクゲートがＰ―Wellで構成され、Vssに
接地されている。ここでソース側をVin、ドレイ
ン側をVoutとして、Vinに加える電圧を可変させ
ていくと、第１１図ｂに示す５３の曲線の特性を
示す。理想的なアナログスイツチの特性は、第１
１図ｂの５４の特性である。従つて第１１図ａの
使い方では、アナログ信号のスイツチング素子と
しては限界があることがわかる。

特に、電子時計に用いられている様に、Ｖ_DD＝
1.57V、Ｎチヤンネルのトランジスタの閾値電圧
が0.5V程度で使用すると、理想的伝達特性であ
る５４の特性と一致している範囲は0.5V以下と
なつてしまい、0.5V以上の検出信号が発生した
場合でも、0.5Vの信号としてしか、伝達できな
いという結果になつてしまう。

これが、ソース電位が、基板と結線されていな
いために生ずる基板効果である。

第１２図ａはＰチヤンネルトランジスタと、Ｎ
チヤンネルトランジスタを組合せ、一般にアナロ
グスイツチとして用いられているトランスミツシ
ヨンゲートであるが、Ｎチヤンネルトランジスタ
５５は第１１図ａに示すＮチヤンネルトランジス
タと同等な動作を示し、Ｐチヤンネルトランジス
タ５６はＮチヤンネルトランジスタ５５のゲート
信号をインバータ５７を介してゲート信号となつ
ている。第１２図ｂに於て、５８の特性はＮチヤ
ンネルトランジスタの信号伝達特性、５９はＰチ
ヤンネルトランジスタの信号伝達特性であり、第
１２図ａの様なトランスミツシヨンゲートの伝達
特性は６０に示す特性となる、又、ドレインソー
スの区別はないから、６２の特性としても示され
る。ここで、重要なことは、理想的なアナログス
イツチの特性６１に対し、誤差が大きくなる部分
が生ずるということである。

一般にトランジスタの閾値電圧に比べ駆動電圧
（ここではゲート電圧）が十分に高い時はこの基
板効果は少なくなり、直線に近くなるが時計に使
われている様に、ローパワー用ICで、閾値電圧
と駆動電圧が、比較的近い時にはこの誤差の範囲
は大きくなつてくる。

従つて、ロータが、非回転、回転の違いによる
アナログ信号の大小によりロータの非回転、回転
を判断する時に、この検出信号の伝達経路に、第
１１図ａ，第１２図ａの様なアナログスイツチを
入れることは動作を不安定にするという欠点があ
つた。

以上、説明した様に、本発明によれば、高性能
なステツプモータの動作検出回路が実現でき、ス
テツプモータの低消費電力化、高効率利用が、可
能となり、その工業的価値は計り知れない。

また、本発明は、実施例に示した、ステツプモ
ータ、検出回路のみならず、同様な手段を用いる
検出回路ならば、応用可能な事は、言うまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が対象とするステツプモータの
一例、第２図はステツプモータの駆動回路の一
例、第３図はステツプモータ駆動時のコイル電流
波形の一例、第４図、第５図は従来の動作検出回
路の一例、第６図、第７図は、本発明による動作
検出回路の一実施例と、そのタイミングチヤー
ト、第８図と第９図は、コイルの誘起電圧波形と
ロータの回転角を示すグラフ、第１０図は、本発
明の実施例による検出電圧波形の一例、第１１図
ａ，ｂ、第１２図ａ，ｂは基板効果についての説
明図である。 １…ステータ、２…ロータ、３…コイル、４，
５…駆動用インバータ、１０，１１，１２，１
３，１５，１６，２５，２６，４２，４３…
MOSFETゲート、２８，２９…トランスミツシ
ヨンゲート、２１，３０，３１，４０，４１…検
出抵抗（インピーダンス素子）、１７，２７，４
４，４５…電圧比較器（波形検出回路）、２０，
４７…基準電圧設定抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 着磁されたロータとステータとステータを一
   時的に磁化するためのコイルを主な構成要素とす
   るステツプモータに対して駆動回路から駆動パル
   スを印加した後、コイルに発生するロータの自由
   振動に基く誘起電圧を検出してステツプモータの
   回転非回転を判別する動作検出回路において、駆
   動パルス印加後コイルとインピーダンス素子を直
   列に含む閉ループを形成するゲート素子と、駆動
   パルス印加後のロータの自由振動に基く誘起電流
   が前記閉ループ内を流れた結果生じる電圧値との
   基準電圧値とを比較してロータの回転・非回転を
   判別する電圧比較器とを有し、なおかつ、前記イ
   ンピーダンス素子と電圧比較器は各々一対あり前
   記コイルの両端に直接に一対のインピーダンス素
   子と電圧比較器が接続されており、各々のインピ
   ーダンス素子は駆動パルスの極性に応じて前記ゲ
   ート素子により択一的に選択され前記閉ループを
   形成することを特徴とするステツプモータの動作
   検出回路。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記インピ
   ーダンス素子は抵抗素子であり、その抵抗値は前
   記コイルの直流抵抗値以上であるステツプモータ
   の動作検出回路。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記電圧比
   較器はコンパレータであり、基準電圧は電源電圧
   をあるインピーダンス素子で分圧して得られるス
   テツプモータの動作検出回路。