(57)【要約】【課題】低消費電力駆動が可能で、また高トルクを得ることができ、更に特性のばらつきを少なくすることが可能なステップモータを提供することを目的とする。【解決手段】２極着磁された永久磁石と回転軸とを有する回転体と、励磁コイルが巻き回され、第１、第３の磁極端とを有する励磁ヨークと、検出コイルが巻き回され、第２、第４の磁極端とを有する検出ヨークと備え、第２、第４の磁極端は、同一平面上において第１、第３の磁極端の間に配置され、各磁極端間には、高磁気抵抗部が設けられ、第１または第３の磁極端の回転体との対向部を成す回転軸における角度θ１は、第２または第４の磁極端の回転体との対向部を成す回転軸における角度θ２よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図２
2010200475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向に２極に着磁された永久磁石と回転軸とを有する回転体と、
励磁コイルが巻き回され、前記回転軸を中心に相対峙して配置される第１の磁極端と第３の磁極端とを有する励磁ヨークと、
検出コイルが巻き回され、前記回転軸を中心に相対峙して設けられる第２の磁極端と第４の磁極端とを有する検出ヨークと、
を備えるステップモータであって、
前記第２および第４の磁極端は、同一平面上において、前記第１および第３の磁極端の間に配置され、
前記第１から第４の磁極端の形状は、前記励磁コイルに無印加状態で前記回転体が静止する静的安定方向が、前記励磁コイルを励磁させることで発生する電磁的安定方向に対して、直交する方向となる様に形成し、
前記第１および第３の磁極端と、前記第２および第４の磁極端との間には、空隙または非磁性部材による高磁気抵抗部が設けられ、
前記高磁気抵抗部の形状は、前記電磁的安定方向に対して直交する方向であり、かつ前記静的安定方向に平行な前記第２および第４の磁極端の中心を通る軸に対して略対称な平面状となるように形成され、
前記第１または第３の磁極端の前記回転体との対向部を成す前記回転軸における角度θ１は、前記第２または第４の磁極端の前記回転体との対向部を成す前記回転軸における角度θ２よりも大きい、
ことを特徴とするステップモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腕時計の時刻指針用針やカレンダー等を回転駆動させるためのステップモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
時計の時刻を修正する時やカレンダーを合わせるときに、ステップモータの逆回転動作を行う機能や、通常運針時よりも高速で動かす機能が望まれている。ステップモータの逆回転動作を行う場合には、回転体であるロータ磁石の初期磁極位置を把握して、磁極位置に応じた適切な駆動パルスを供給する必要がある。また、ステップモータを高速で動かして早送りを行う際は、通常の駆動パルスよりも間隔（周期）の短い早送り用の駆動パルスを供給する必要がある。さらに、時刻あわせを行うためには正転逆転いずれの場合にも、早送り中の運針ミス、すなわち、ロータの回転ミスは無いように駆動する必要がある。
【０００３】
そして、時刻修正時における正転逆転機能、及び高速駆動のためには、低消費電力で、かつ高トルクで駆動されるステップモータの要求は高いものになっているとともに、ばらつきの無い性能の安定した製品であることが強く望まれている。そのような中、正逆２方向の回転動作をつかさどる２つの磁気回路を有した従来技術が開示されている。この２つの磁気回路は各々励磁コイルを備え、磁気的に互いに分離されており、ロータは２極着磁され、ロータ穴は４極の磁極を備えた２相電磁ステップモータで構成されている。（例えば特許文献１参照）
【０００４】
（従来のステップモータの構成の説明：図１４）
ここで、この従来技術のステップモータの構造を説明する。図１４は、従来のステップモータの構成を示す図面である。
【０００５】
図１４に示す様に、ステップモータは、
ステータ１０１と、ステータキャビティ１０３の内部に回転可能に設置されるロータ１０５と、励磁コイルである巻き線１０７とを備える。ステータキャビティ１０３はステータ１０１内に設けられると共に、本質的に円形を有している。ロータ１０５の回転軸はステータ１０１の主要な面に対して直角である。ステータ１０１は４つの磁極１０９、１１３、１１１、１１５、及び２つの分路を備えており、各々の磁極はアームによって外側に伸びて２つの分路を形成し、各々の分路には、巻き線１０７を有している。また、これらアームの各々は隣接するアームと、ステータキャビティ１０３の周りで９０度の角度をなして伸びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−１１５１６７号公報（第２−４頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この特許文献１に記載の従来のステップモータは、下記に記載の問題点を有する。
【０００８】
従来技術を用いたステップモータは、高トルクを目的として２コイル使用し９０度ステップを行う場合や、低消電を目的として１コイル１８０度ステップ駆動を行う場合の両方の動作において、正逆どちらの回転方向であっても厳密に同じ動作を行わせることが可能
であり、正逆両方の回転方向に対して同じ性能であるという特徴を有する。しかし、このように高トルク目的の２コイル９０度ステップ駆動と低消電目的の１コイル１８０度ステップ駆動の両方動作を正逆両回転方向とも同性能を有するステップモータにおいては、１コイル１８０度ステップ駆動において更なる低消費電力化を達成することが難しいという課題があった。
【０００９】
このことについてさらに詳しく説明する。ステップモータを低消費電力駆動したい場合は１パルスで１８０度ステップが可能な１８０度ステップ駆動を行うことが一般的であるが、ロータに対して、第１の磁極１０９、第２の磁極１１１、第３の磁極１１３、および第４の磁極１１５の対向する部分が全て同じ形状を有していることから、２つの分路を通るロータ磁石の磁束量はほぼ同等となり、このことによって２つの分路における電気機械結合係数はほぼ同等となる。しかし、１８０度ステップ駆動をするときには、どちらか一方の分路を使用するため、更なる低消電化のためには使用する分路の磁気特性を上げる必要があるが、４つの磁極が同等の形状を有しているために、形状の変更によって１８０度ステップ駆動時に使用する分路の磁気特性を上げることができず、更なる低消費電力化を達成することが容易ではない。
【００１０】
そこで本発明は上記課題を解決し、正逆高速回転駆動が可能なステップモータにおいて、低消費電力駆動が可能で、また高トルクを得ることができ、更に特性のばらつきを少なくすることが可能なステップモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、下記に記載されたような技術構成を採用するものである。
【００１２】
本発明のステップモータは、径方向に２極に着磁された永久磁石と回転軸とを有するロータ（回転体）と、励磁コイルが巻き回され、回転体を中心に相対峙して配置される第１の磁極端と第３の磁極端とを有する励磁ヨークと、検出コイルが巻き回され、回転軸を中心に相対峙して設けられる第２の磁極端と第４の磁極端とを有する検出ヨークと、を備えるステップモータであって、第２および第４の磁極端は、同一平面上において、第１および第３の磁極端の間に配置され、第１から第４の磁極端の形状は、励磁コイルに無印加状態で回転体が静止する静的安定方向が、励磁コイルを励磁させることで発生する電磁的安定方向に対して、直交する方向となる様に形成し、第１および第３の磁極端と、第２および第４の磁極端との間には、空隙または非磁性部材による高磁気抵抗部が設けられ、高磁気抵抗部の形状は、電磁的安定方向に対して直交する方向であり、かつ静的安定方向に平行な第２および第４の磁極端の中心を通る軸に対して略対称な平面状となるように形成され、第１または第３の磁極端の回転体との対向部を成す回転軸における角度θ１は、第２または第４の磁極端の回転体との対向部を成す回転軸における角度θ２よりも大きいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
上述したように、本発明のステップモータでは、
第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ１が第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ２よりも大きいため、第１の磁気回路における永久磁石の磁束量φ１を多くすることができ、電気機械結合係数ｎ×φ１を大きくすることができることから、駆動トルク”Ｔｄ＝ｎ×φ１×ｉ×ｓｉｎθ”を大きくすることができるために、駆動トルクＴｄを維持したままであれば電流値ｉを下げる事で低消費電力を達成することができ、電流値ｉを維持したままであれば駆動トルクＴｄを大きくすることで高トルク特性を得ることができる。
【００１４】
また、第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ１が第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ２よりも大きいため、一定幅ｗを有する高磁気抵抗部と回転体との対向部をなす回転軸における角度θ３を小さくすることができるので、角度θ３のばらつきを小さくすることができる。すなわち、第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ１および第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ２のばらつきが小さくなり、安定した駆動電流で、高いトルクによりモータ駆動を行うことができる。また、第２の磁気回路における永久磁石の磁束量φ２もほぼ一定になるため、第２の磁気回路においては検出コイルによる回転検出逆起電圧波形を安定して得ることができるため、正確な回転検出を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のステップモータの構造を示す分解斜視図である。
【図２】本発明のステップモータにおける回転体孔部分拡大図である。
【図３】本発明のステップモータにおける制御装置の構成を示す図である。
【図４】本発明のステップモータにおける駆動回路と検出コイル回路構成を示す図である。
【図５】本発明のステップモータにおける回転体の動作を説明する図である。
【図６】本発明のステップモータにおける回転体の回転角度に対する回転トルク波形を示す図である。
【図７】本発明のステップモータにおける磁束の流れを示す図である。
【図８】本発明のステップモータにおける磁束の流れを示す図である。
【図９】本発明のステップモータの検出コイル芯に流れる、回転体の回転角度に対する磁束量波形を示す図である。
【図１０】本発明のステップモータにおける、励磁コイルおよび検出コイルで発生する磁束量と、回転体の回転角度との関係を示す図である。
【図１１】本発明のステップモータにおける駆動パルスと逆起電圧波形を示す図である。
【図１２】本発明のステップモータにおける磁束量φ１とφ２を示す図である。
【図１３】本発明のステップモータにおけるθ３変化を示す図である。
【図１４】従来のステップモータの構成を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施例におけるステップモータの構造を示す分解斜視図である。また、図２は、実施例におけるステップモータの回転体孔部分拡大図である。以下、図に基づいて具体的な実施例について説明する。
【実施例】
【００１７】
（ステプモータの構成の説明：図１、図２）
図１において、本実施例のステップモータは、径方向に２極に着磁された永久磁石で、図中点線で示している回転軸２５を中心として配設された回転体１とを有し、回転体１は、回転体孔７に回転自在に挿入されている。
【００１８】
また、このステップモータは、励磁ヨーク１７と検出ヨーク２７とを有する。図１、図２に示す様に、励磁ヨーク１７は、励磁コイル芯５の両端を磁気的に結合し、回転軸２５を中心に、磁極端から回転軸２５までの一定距離を空けて相対峙して配置される第１の磁極端９と第３の磁極端１３と、励磁コイル芯５に導線を巻き回した励磁コイル３を有する。検出ヨーク２７は、検出コイル芯２１の両端を磁気的に結合し、第１と第３の磁極端９、１３とは異なる位置で、回転軸２５を中心に、磁極端から回転軸２５までの一定距離を空けて相対峙して設けられる第２の磁極端１１と第４の磁極端１５と、検出コイル芯２１
に導線を巻き回した検出コイル１９とを備えている。
【００１９】
そして、回転体孔７内側には、切り欠き部５１があり、切り欠き部５１によって回転体１は静的安定方向４７に磁極が向いて静止することができる。
【００２０】
ここで、第１の磁極端９の回転体１との対向部をなす回転軸２５における角度をθ１、第２の磁極端１１の回転体１との対向部をなす回転軸２５における角度をθ２とする。また、図２に図示していないが、第３の磁極端１３は、第１の磁極端９と同一形状で回転軸２５を中心とした対称位置に形成されているため、第３の磁極端１３の回転体１との対向部をなす回転軸２５における角度もθ１となっており、同様に第４の磁極端１５の回転体１との対向部をなす回転軸２５における角度をθ２である。そして、第1〜第４の磁極端９、１１、１３、１５は、θ１はθ２よりも大きいという関係を満たすように回転体１周りに配置されている。
【００２１】
そして、第１及び第３の磁極端と、第２及び第４の磁極端との間に設けられた高磁気抵抗部２３の回転体１との対向部をなす回転軸２５における角度をθ３とする。また、励磁コイル３と検出コイル１９とは制御装置８７に接続されている。この制御装置８７の詳細については、後述する。
【００２２】
なお、この励磁ヨーク１７、励磁コイル芯５、検出ヨーク２７、検出コイル芯２１は、磁気を通しやすい軟質磁性材料であるパーマロイ等で構成されている。また、第１及び第３の磁極端と、第２及び第４の磁極端との間には、高磁気抵抗部２３が設けられており、高磁気抵抗部２３は、電磁的安定方向４９に対して直交する方向であり、かつ静的安定方向４７に平行な第２及び第４の磁極端を中心に通る軸に対して対称な平面状となるように形成されている。そして、高磁気抵抗部２３は、板状の非磁性部材を挿入した後溶接接合されることで磁極端間を固定することから、高磁気抵抗部２３は一定幅ｗを有し、かつ略平行な位置関係にある。また、高磁気抵抗部２３の幅ｗは、狭過ぎると溶接接合時に磁極間が磁気的につながってしまうことで特性低下要因となることがあり、また、広い場合は第１の磁気回路の磁気抵抗増加につながりモータ特性低下となることから、本実施例においては１００μｍ程度が妥当であるものとして説明している。
【００２３】
（制御装置の構成の説明：図３、図４）
次に、本実施例のステップモータを制御する制御装置概要を説明する。図３は、本実施例のステップモータにおける制御装置の構成を示す図面である。
【００２４】
図３に示す様に、ステップモータにおける制御装置８７は、水晶振動子２９などの基準発振源を用いて基準となるパルスを発生するパルス合成回路３１と、パルス合成回路３１から出力された種々のパルス信号に基づきステップモータを制御する駆動制御回路３３とを備えている。この駆動制御回路３３は、マイクロコンピュータ等によって構成されている。
【００２５】
駆動制御回路３３は、ロータ駆動回路３５を介して、励磁コイル３に対し駆動パルスを供給し、回転体１を回転させる。ここで回転体１が回転をしなかったときには、駆動パルスより実効電力の大きな補償パルスを出力する。また、この駆動制御回路３３は、検出コイル回路３７に含まれる検出側スイッチング機構を制御して、検出コイル１９から逆起信号を出力させる。このロータ駆動回路３５と検出コイル回路３７の具体的な構成の詳細については、後述する。
【００２６】
また、駆動制御回路３３に接続するロータ回転検出回路３９には、上記検出側スイッチング機構を制御して、検出コイル１９に誘起される逆起電圧である検出波形から逆起信号
が供給される。なお、この逆起電圧を利用して、回転体の磁極位置を判断する手法には、上述した検出コイル回路３７に含まれるスイッチング機構を制御して、検出コイル１９から出力される逆起信号でもって判断する手法や、単に逆起電圧の検出波形からピーク値のレベルで判定する手法、あるいは検出波形の電圧値が反転する現象（ゼロクロス）を捉える手法がある。また、ロータ回転検出回路３９は、励磁コイル３にも接続されており、励磁コイル３で発生した逆起電圧を用いて、回転体１の磁極位置を判断することも可能になっている。
【００２７】
ここで、上述したロータ駆動回路３５と検出コイル回路３７の具体的な構成について説明する。図４（ａ）は、上述した制御装置８７に含まれるロータ駆動回路３５の構成を示す図面であり、図４（ｂ）は、検出コイル回路３７の構成を示す図面である。
【００２８】
制御装置８７に含まれるロータ駆動回路３５は、直列に接続されたｎチャンネルＭＯＳ４３ａとｐチャンネルＭＯＳ４１ａ、およびｎチャンネルＭＯＳ４３ｂとｐチャンネルＭＯＳ４１ｂとによって構成されたブリッジ回路を備えており、これらにｎチャンネルＭＯＳ４３ａの制御信号Ｐｎ１、ｐチャンネルＭＯＳ４１ａの制御信号Ｐｐ１、ｎチャンネルＭＯＳ４３ｂの制御信号Ｐｎ２、ｐチャンネルＭＯＳ４１ｂの制御信号Ｐｐ２を制御することによって、電源からステップモータの励磁コイル３（図１参照）に供給される電力を制御し、電流が流れる方向を切り替えることができる様になっている。
【００２９】
また、検出コイル回路３７における検出コイル１９（図１参照）の両端は、ｐチャンネルＭＯＳ４５ａとｐチャンネルＭＯＳ４５ｂとが並列に接続されており、この検出コイル回路３７を構成するｐチャンネルＭＯＳ４５ａは、制御信号Ｐｔ１によって制御でき、ｐチャンネルＭＯＳ４５ｂは制御信号Ｐｔ２によって制御できるようになっている。そして、このｐチャンネルＭＯＳ４５ａ、４５ｂを一定間隔で切り替えて検出コイル１９を短絡させて、スイッチ切り替えたときに発生する電圧と、逆起電圧波形とが一致したときの、逆起信号を検出することができる様になっている。なお、この検出コイル１９は、検出コイル芯２１に対して開放して逆起電力を検出しない状態にもできるようになっている。
【００３０】
（ステップモータの動作の説明：図５、図６）
次に、ステップモータの回転体１の回転動作、およびここで発生する駆動トルクについて説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、ステップモータの回転体１の回転動作を示した、後述する第１〜第４の姿勢を示す図である。また、図６は、ステップモータの回転動作に伴い発生する、回転体が得る回転トルクと、回転体の角度との関係を示す図面である。
【００３１】
図５（ａ）に示す様に、ステップモータは、静的安定方向４７に対して電磁的安定方向４９が略９０度傾く様に、切り欠き部５１および第１〜第４の磁極端９、１１、１３、１５が配設されており、図６に用いられる回転体の角度は電磁的安定方向４９の第１の磁極端９方向を０度位置として、第２の磁極端１１における静的安定方向４７を９０度位置、第３の磁極端１３における電磁的安定方向を１８０度位置、第４の磁極端１５における静的安定方向を２７０度位置としている。
【００３２】
図５（ａ）は第１の状態を示しており、駆動パルスが供給されないように制御信号が制御されて、励磁コイル（図示せず）に電流が流れず、無励磁状態である。このとき、切り欠き部５１により、回転体１のＮ極が第２の磁極端１１方向、Ｓ極が第４の磁極端１５方向を向いた静的安定方向４７で停止する。そして、この第１の状態において回転体１に作用するトルクは、図６における点ａとなる。したがって、このときの回転体１の回転トルク値は、ほぼ０となる。
【００３３】
次に、図５（ｂ）では第２の状態を示す。制御回路を制御して駆動パルスを出力して、
第１の磁極端９をＮ極に、第３の磁極端１３をＳ極になるように励磁する。この状態で、第１の磁極端９のＮ極と回転体１のＮ極とが反発し、第３の磁極端１３のＳ極と回転体１のＳ極とが反発することで、回転体１は、反時計方向の回転トルクを得る。ここで、第２の状態における回転体１に作用する回転トルク値は、図６における点ｂとなり、このときの回転体１は、正の回転トルクを得て反時計方向に回転する。
【００３４】
この様にして、回転トルクを得た回転体１は、図５（ｂ）に示す様に、反時計方向に回転を行い、図５（ｃ）の第３の状態に示す様に、第１の磁極端９のＮ極と回転体１のＳ極とが吸引し合うとともに、第３の磁極端１３のＳ極と回転体１のＮ極とも吸引し合って、回転体１は、電磁的安定方向４９に移動する。そして、回転体１の磁極端が、電磁的安定方向４９と略一致した第３の状態となる。ここで、図６において、第２の状態である点ｂから、第３の状態である点ｃまで移動する間に働くトルクは、常に正のトルク値のまま回転する。このときの第３の状態において、回転体１に作用する回転トルク値は、ほぼ０の回転トルクとなるが、回転体１が回転エネルギーを持つことから、反時計方向の回転運動を継続させることができる。
【００３５】
そして、回転体１が第３の状態を取ったタイミングにおいて、励磁コイルを無励磁状態とすることで、回転体１の磁極端と第１と第３の磁極端９、１３との間に働く力は、保持トルクによる反時計方向の回転トルクのみとなる。その結果、回転体１は、電磁的安定方向４９を通過して、図５（ｄ）に示す、回転体１のＮ極が、第４の磁極端１５方向を向く第４の状態（回転体１が静止安定方向４７で安定した状態）まで回転を行う。従って、図６において、第３の状態であるｃ点から第４の状態であるｄ点までは、正の保持トルクを受けて回転し、第４の状態における回転トルクについては、ほぼ０となる。
【００３６】
なお、回転体１のＮ極が第２の磁極端１１を向いている状態から時計方向に回転させる場合は、第１の磁極端９をＳ極に、第３の磁極端１３をＮ極になるように制御することで、回転体１のＮ極と第１の磁極端９のＳ極とを吸引させ、回転体１のＮ極と第３の磁極端１３のＮ極とを反発させる。この様に、本実施例のステップモータは、正転逆転いずれの方向の回転も可能となっていることが判る。
【００３７】
従って、上記関係でもって第１から第４の磁極端９、１１、１３、１５が配置されたステップモータは、第１、第３の磁極端９、１３に印加する駆動パルスによって、１ステップ１８０度回転動作が可能となり、従来の構成の様な１相ステップモータと同様に、低消費電力での回転駆動が可能となる。
【００３８】
（ステップモータ動作に伴う磁束の流れの説明図：図７、図８）
次に、図５（ａ）〜（ｄ）で示した第１〜第４の状態におけるステップモータの回転体の動作に伴う磁束の流れに関して説明する。図７（ａ）（ｂ）は、図５で説明した第１と第２の状態のおける磁束の流れを示す図である。図８（ａ）（ｂ）は、第３と第４の状態における磁束の流れを示す図面である。
【００３９】
図７（ａ）に示す第１の状態では、励磁コイル３による励磁磁束は無く、回転体１のＮ極が第２の磁極端１１の方向を向き、Ｓ極が第４の磁極端１５の方向を向いて静止しており、回転体１の磁束は、Ｎ極から出たものが第２の磁極端１１に入り、検出コイル芯２１を通り、第４の磁極端１５から回転体１のＳ極に流れ込む磁路を形成している。このときの磁気回路を第２の磁気回路とする。
【００４０】
また、図７（ｂ）に示す第２の状態では、回転体１のＮ極は第２の磁極端１１の方向を、Ｓ極は第４の磁極１５方向を向いている状態のため、回転体１の磁束は、検出コイル芯２１を通るよう流れる。ここで、励磁コイル３に電流を流して磁束を発生させて、第１の
磁極端９がＮ極に、第３の磁極端１３がＳ極となるように励磁することで、励磁コイル３による磁束は、励磁コイル芯５から第１、第３の磁極端９、１３へと流れて励磁コイル芯５に戻る磁路を形成する。この時の励磁コイル３による磁束の流れる磁気回路を第１の磁気回路とする。
【００４１】
また、図８（ａ）に示す第３の状態では、回転体１のＮ極は第３の磁極端１３の方向を向き、回転体１のＳ極は第１の磁極端９の方向を向いているため、回転体１により生じる磁束は、第３の磁極端１３から励磁コイル芯５、そして第１の磁極端９へと流れる。このとき、励磁コイル３により生じる磁束も同様に、励磁コイル芯５から第１の磁極端９、第３の磁極端１３へと流れて励磁コイル芯５に戻るため、回転体１の磁束と、励磁コイル３による磁束はともに同じ経路となる。そのため、検出コイル芯２１に流れる磁束はゼロとなり、回転体１が第２の状態から第３の状態になることで、検出コイル芯２１を流れる磁束量の変化が生じることとなる。
【００４２】
また、図８（ｂ）に示す第４の状態では、励磁コイル３に電流を流さないため励磁磁束は無く、回転体１のＮ極は、第４の磁極端１５の方向を向き、Ｓ極は第２の磁極端の１１方向を向く。そのため、回転体１の磁束は、第４の磁極端１５から検出コイル芯２１、そして第２の磁極端１１を流れるように磁気回路を構成する。そして、検出コイル芯２１に流れる磁束は、第１の状態において流れる磁束の方向と逆向きとなる。従って、回転体１が、第１から第４の状態に変化する間に、検出コイル芯２１を流れる磁束は方向が変化する。
【００４３】
このように、無励磁状態において回転体１のＮ極とＳ極とが第２、第４の磁極端１１、１５の方向を向いた静的安定方向４７で安定状態をとる。なお、この静的安定方向で回転体１が安定する形態が、Ｎ極が第２の磁極端１１方向を向き、Ｓ極が第４の磁極端１５方向を向く第１の形態と、Ｎ極が第４の磁極端１５方向を向き、Ｓ極が第２の磁極端１１方向を向く第２の形態の２通りをとり得る。
【００４４】
（検出コイル芯に流れる磁束量変化説明図：図９）
次に、図７、図８に示した回転体１の回転に伴い発生する、検出コイル芯２１に流れる磁束量の変化について説明する。図９は、回転体の回転角度とその際に発生する磁束量との関係を示す図面であり、横軸に回転体の磁極が向いている方向の回転角度を示し、縦軸に検出コイル芯２１を通る磁束量を示している。なお、本図では、検出コイル芯２１を流れる磁束の方向が、第４の磁極端１５から第２の磁極端１１の方向に流れるときを正とし、第２の磁極端１１から第４の磁極端１５に流れるときを負としている。
【００４５】
図５（ａ）（ｂ）、図７（ａ）（ｂ）に示した、回転体１が第１、第２の状態においては、回転体１のＮ極が第２の磁極端１１方向を向いており、図９に示す様に、このとき検出コイル芯２１を流れる磁束量は、点ａに示す−φとなる。
【００４６】
そして、図５（ｃ）、図８（ａ）に示した、回転体１が回転した第３の状態における検出コイル芯２１の磁束量は、図９に示す点ｂであり、回転体１の磁束量が、ほぼ０になる。また、図５（ｄ）、図８（ｂ）に示した、回転体１が第４の状態における検出コイル芯２１の磁束量は、図９に示す点ｃで磁束量がφとなり、このとき最大値をとる。
【００４７】
又、磁束量の変化により得られる逆起電圧値Ｖは、Ｖ＝Ｎ×ｄφ／ｄｔ（Ｎは検出コイル巻き数）で求めることができ、式を変形するとＶ＝Ｎ×（ｄφ／ｄθ）×ｄθ／ｄｔとなる。この式におけるｄφ／ｄθは、図９の波形の傾きに相当する項である。
【００４８】
（励磁コイル芯、検出コイル芯の磁束量変化の説明：図１０）
次に、励磁コイルにより、第１の磁気回路を通る磁束量が変化した場合の検出コイル芯の磁束量変化について説明する。図１０は、励磁コイルおよび検出コイルで発生する磁束量と、回転体の回転角度との関係を示す図面である。
【００４９】
励磁コイルに磁束を流さない状態で回転体を回転させた場合の、磁束量計算値波形を示している曲線Ａ（実線）では、励磁コイルによる磁束量が常に０となるので、回転体による磁束量だけとなり、磁束量は−φからφに変化する波形となっていることが判る。
【００５０】
励磁コイルに磁束を流した状態で回転体を回転させた場合の磁束量計算値波形を示している曲線Ｂ（点線）では、曲線Ａのデータに励磁コイルによる磁束量φが加算されて、磁束量が０から２φに変化する波形となる。この様に励磁コイルを励磁することにより、第１の磁気回路を通る磁束は、励磁磁束量分だけ、曲線Ａに対してシフトすることがわかる。
【００５１】
これに対して、第２の磁気回路である検出コイル芯を通過する磁束量変化を示している曲線Ｃによれば、励磁コイルを励磁した場合（曲線Ｂ）であっても、励磁しない場合（曲線Ａ）であっても、曲線Ｃは結果として同一の値を取っている。これは、検出コイル芯には励磁コイルの磁束が流れず、励磁コイルの励磁の影響を全く受けずに、回転体１の磁束量の変化を検出することが可能となっているからである。
【００５２】
なお、励磁コイルにより生じる磁束量は変化しやすく、例えば、電圧パルスがチョッパーパルスであったり、低消費電力化や、負荷補償のためにパルスデューティーを変化させることによっても、励磁コイルに生じる磁束量は変動する。また、電源電圧値変動などによっても励磁コイルの磁束量が変化することになるが、いずれの場合においても、検出コイル芯を通過する磁束量はそれらに影響を受けずに、回転体１のみの磁束を取得することができる。したがって、本形態によれば、逆起電圧波形である検出波形を用いることで、正確な磁束位置を把握できる。
【００５３】
（駆動パルスと検出波形との関係の説明：図１１）
次に、駆動パルスと検出波形との関係について説明する。図１１は、その駆動パルスと検出波形との関係を示した図であり、横軸は時間を、縦軸は電圧値を示している。なお、本図上段には、励磁コイルに供給される駆動パルスを示し、下段には、検出コイルに生じる検出波形（逆起電圧波形）を示し、励磁コイルに駆動パルス５５が供給されて励磁コイルが励磁されている期間を励磁期間５７とし、検出コイルに生じる検出波形５９を用いた回転検出を行う期間を検出期間６１としている。また、励磁期間５７の後、励磁コイルに駆動パルス５５が供給されない期間を休止期間６３としている。
【００５４】
図１１に示す様に、本実施例のステップモータは、励磁期間５７と休止期間６３とを交互に設けているので、任意の回転速度で回転することが可能となる。これは、従来の構成と同じである。
【００５５】
そして、本実施例のステップモータは、励磁コイルに駆動パルス５５を供給し、回転体に回転トルクを与える励磁期間５７において、回転体が回転することによる磁束の変化から、検出波形５９を検出コイルで得ることができる。したがって、検出波形５９を用いた回転検出を行う検出期間６１を励磁期間５７と重ねて設定することが可能となる。このとき、検出波形５９は、検出期間６１が終わった後に、０値を下回る（ゼロクロスする）波形となっている。
【００５６】
そして、前述した駆動制御回路３３（図３参照）は、この検出期間６１の途中に、任意の間隔で検出コイル回路３７（図３参照）の検出側スイッチング機構を切り替えることで
、検出コイルでもって検出期間６１中に一定数の検出信号（逆起信号）が検出されたら、回転体が動作していると判断する。この様に、励磁期間５７にオーバーラップして検出期間６１を設けることで、検出したときの回転体の早いタイミングでの回転判断を行うことができる。
【００５７】
また、上述したものとは別の検出方法である、検出波形５９のピーク値に基づき回転体の位置を検出する場合には、本図に示した励磁期間５７が終了する直前であっても、ピーク値を検出することができるため、励磁期間５７内で回転体の回転を確認することができる。この様な場合であっても、やはり早いタイミングで確実に回転体の位置が把握できる。そして、回転体の回転動作が確認できたら、駆動パルスの供給を中断する制御を行うことができるので、モータの駆動電力の低消費電力化が望める。
【００５８】
また、更に他の検出手法である、検出波形５９がゼロクロスしたことにより、回転体の回転を判断する場合であっても、上記と同様に早いタイミングで回転体の回転位置を把握できる。
【００５９】
（磁極端対向角度差θ１−θ２に対する磁束量φ１、φ２を説明する図：図１２）
第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度を磁極端対向角度θ１、第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度を磁極端対向角度θ２としたとき、θ１−θ２に対しての、第１の磁気回路に流れる磁束φ１と第２の磁気回路に流れる磁束φ２に関し、図１２を用いて説明する。
【００６０】
図１２の横軸は第１または第３の磁極端対向角度θ１と第２または第４の磁極端対向角度θ２において、θ１−θ２（ｄｅｇ）を示しており、縦軸は磁束量（Ｗｂ）を示しており、第１の磁気回路に流れる磁束φ１と第２の磁気回路に流れる磁束量φ２を示すと、第１の磁気回路を流れる磁束量φ１はθ１−θ２に対して増加の関係があり、第２の磁気回路を流れる磁束量φ２は、θ１−θ２に対して減少の関係となる。そして、θ１−θ２がほぼ０を境としてφ１＞φ２となることが判る。従って、従来例ではθ１＝θ２であったため、磁束量がａ点であったが、θ１−θ２＞０の範囲におけるｂ点においては、第１の磁気回路に流すことのできる磁束量φ１を多くすることができ、ｂ点においては磁束量を約２５％もｕｐさせることができる。このことによって第１の磁気回路の電気機械結合係数ｎ×φ１を大きくすることが可能となり、従って１ステップ１８０度回転動作において従来例よりも低消費電力での回転駆動が可能となる。また、消費電力を同じとして考えれば高トルクでの回転駆動が可能となる。
【００６１】
検出コイル芯２１を流れる磁束量φ２変化は、励磁コイルによる励磁磁束の影響をまったく受けることないため、検出コイル芯の磁束量φ２を小さくしたとしても正確にｄφ／ｄθを得ることができ、ステップモータに発生する逆起電圧値を得ることができるため、回転体の回転判断を行うことができる。
【００６２】
（高磁気抵抗部対向角度θ３の変化を説明する図：図１３、図２）
次に、図１３及び図２を用いて第１の磁極端対向角度θ１と、第２の磁極端対向角度θ２におけるθ１−θ２に対しての高磁気抵抗部対向角度θ３の関係を説明する。図１３横軸は、θ１−θ２（ｄｅｇ），縦軸は一定幅ｗを有する高磁気抵抗部２３と回転体との対向部をなす回転軸における角度を高磁気抵抗部対向角度θ３（ｄｅｇ）としたグラフである。このグラフよりθ１−θ２を大きくすると、θ３を小さくすることができることが判る。従って、第１の磁極端対向角度θ１を大きくし、第２の磁極端対向角度θ２を小さくすることで、高磁気抵抗部幅ｗに加工誤差が生じたとしてもθ１−θ２が大きい方が高磁気抵抗部対向角度θ３の誤差を低減させることができることから、磁極端対向角度θ１、θ２も誤差を少なくすることができ、第１の磁気回路に流れる磁束量φ１のばらつきを低
減可能となることから安定した特性を得ることができるとともに第２の磁気回路に流れる磁束量Φ２のばらつきも低減可能となる。
【００６３】
このことを具体的数値で説明すると、θ１−θ２＜０の範囲にあるｃ点においては、高磁気抵抗部の幅ｗが１００μｍのとき、その対向角度θ３が１３．４３度、高磁気抵抗部の幅ｗが加工誤差によって１０５μｍとなったときには、その対向角度θ３＝１４．２２度となり、θ３の誤差は０．７９度となる。一方θ１−θ２＞０の範囲にあるｄ点においては、高磁気抵抗部幅１００μｍに対して対向角度θ３＝８．７７度で狭くできるとともに、高磁気抵抗部幅が１０５μｍのときには対向角度θ３幅９．２３度となり、θ３の誤差は０．４６度となる。従って、高磁気抵抗部の加工誤差が同じ場合であっても、抵抗角度θ３の誤差を少なくすることができる。
【００６４】
これは、定性的には次のような説明で理解できる。ここに、円を分断する一定幅ｗを持つ直線があるとする。この直線が、円の中心付近を通る場合と、中心から離れて円周近くを接するように通る場合とを考えてみると、直線と円が重なる部分の円弧の長さは、前者よりも後者のほうが長くなっていることが想像できる。特に、直線が円周近くに寄るにつれ、重なる円弧の長さが指数関数的に増大することも理解できよう。円弧の長さは円の中心からの角度と一意に対応しており、上述の高磁気抵抗部の対向角度θ３にあたる。
【００６５】
また、図１３のグラフの形状をみると、θ１−θ２＝０となる付近を境にしてグラフの傾きが大きく変わっており、θ１−θ２＞０の領域では、θ１−θ２＜０の領域に較べてグラフの傾きがなだらかになっていることが判る。特に、θ１−θ２が５０度を越えるあたりからその傾向がより一層強くなり、１００度以上ではθ３がほぼ一定となって、高磁気抵抗部の幅ｗの加工誤差による対向角度θ３への影響が最も小さくなる。つまり、θ１−θ２が大きい方が高磁気抵抗部対向角度θ３の誤差を低減させることができるが、θ１−θ２＝０を境にして誤差の低減度合いは小さくなり、逆にθ１−θ２が小さいほどθ３の誤差の増大は顕著になっている。
【００６６】
この様に、本実施例のステップモータは、
第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ１が第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ２よりも大きいため、第１の磁気回路における永久磁石の磁束量φ１を多くすることができ、電気機械結合係数ｎ×φ１を大きくすることができることから、駆動トルク”Ｔｄ＝ｎ×φ１×ｉ×ｓｉｎθ”を大きくすることができるために、駆動トルクＴｄを維持したままであれば電流値ｉを下げる事で低消費電流値を達成することができ、電流値ｉを維持したままであれば駆動トルクＴｄを大きくすることで高トルク特性を得ることができる。
【００６７】
また、第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ１が第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ２よりも大きいため、一定幅ｗを有する高磁気抵抗部と回転体との対向部をなす回転軸における角度θ３を小さくすることができるので、角度θ３のばらつきを小さくすることができ、すなわち、第１または第３の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ１および第２または第４の磁極端の回転体との対向部をなす回転軸における角度θ２のばらつきを小さくすることができることになり、このことにより安定した低消費電流値、高トルクでのモータ駆動を行うことができるとともに第２の磁気回路における永久磁石の磁束量φ２を安定させることができるため、第２の磁気回路においては検出コイルによる回転検出逆起電圧波形を安定して得ることができるため、正確な回転検出を達成することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１  回転体（ロータ）
３  励磁コイル
５  励磁コイル芯
７  回転体孔
９  第１の磁極端
１１  第２の磁極端
１３  第３の磁極端
１５  第４の磁極端
１７  励磁ヨーク
１９  検出コイル
２１  検出コイル芯
２３  高磁気抵抗部
２５  回転軸
２７  検出ヨーク
２９  水晶振動子
３１  パルス合成回路
３３  駆動制御回路
３５  ロータ駆動回路
３７  検出コイル回路
３９  ロータ回転検出回路
４１ａ、４１ｂ  ｐチャンネルＭＯＳ
４３ａ、４３ｂ  ｎチャンネルＭＯＳ
４５ａ  ｐチャンネルＭＯＳ
４５ｂ  ｐチャンネルＭＯＳ
４７  静的安定方向
４９  電磁的安定方向
５１  切り欠き部
５５  駆動パルス
５７  励磁期間
５９  検出波形
６１  検出期間
６３  休止期間
８７  制御装置
【図１】
2010200475.tif 000003
【図２】
2010200475.tif 000004
【図３】
2010200475.tif 000005
【図４】
2010200475.tif 000006
【図５】
2010200475.tif 000007
【図６】
2010200475.tif 000008
【図７】
2010200475.tif 000009
【図８】
2010200475.tif 000010
【図９】
2010200475.tif 000011
【図１０】
2010200475.tif 000012
【図１１】
2010200475.tif 000013
【図１２】
2010200475.tif 000014
【図１３】
2010200475.tif 000015
【図１４】
2010200475.tif 000016