(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２極に着磁された永久磁石からなる１個のロータと、
前記ロータを回転自在に挿入されるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと該ヨークに一体となるコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなるステータを２個有し、
前記２個のステータは、前記ロータ孔の位置を互いに一致させて前記ロータの軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置された第１のステータと第２のステータとであり、
それぞれの前記コイルに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを発生する駆動手段により該駆動パルスをそれぞれの前記コイルに印加することで、前記ロータを回転させるステップモータにおいて、
前記２個のステータの前記ロータ孔の周囲には、前記コイルによる磁界によって前記ロータに駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部を設け、
前記２個のステータに備える前記一対のスリット又は磁束飽和部は、一方の前記ステータに保持トルクを生じさせて他方の前記ステータによりその保持トルクを打ち消す位置となっていることで、
前記２個のステータと前記ロータとの間では、前記コイルの非通電時に前記ロータの位置を安定させるための保持トルクが生じないことを特徴とするステップモータ。
【請求項２】
２極に着磁された永久磁石からなる１個のロータと、
前記ロータを回転自在に挿入されるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと該ヨークに一体となるコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなるステータを２個有し、
前記２個のステータは、前記ロータ孔の位置を互いに一致させて前記ロータの軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置された第１のステータと第２のステータとであり、
それぞれの前記コイルに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを発生する駆動手段により該駆動パルスをそれぞれの前記コイルに印加することで、前記ロータを回転させるステップモータにおいて、
前記２個のステータの前記ロータ孔の周囲には、前記コイルによる磁界によって前記ロータに駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部を設け、
前記２個のステータと前記ロータとの間では、前記コイルの非通電時に前記ロータの位
置を安定させるための保持トルクが生じないステップモータと、
前記駆動パルスを発生するために、少なくとも４つのスイッチ素子によるＨブリッジ回路２組よりなる駆動回路を備えており、
前記４つのスイッチ素子のうち、前記Ｈブリッジ回路の高電位側の素子は、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ及びＮ−ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとを並列に接続した回路であるトランスファーゲートで構成され、
前記駆動パルスの実効電圧は、前記ロータに負荷として作用している静止摩擦トルク又は動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値であると共に前記スイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧よりも小さい電圧値であることを特徴とするステップモータ装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記ロータの回転と非回転とを検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記駆動パルスの実効電圧を可変する可変電圧手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載のステップモータ装置。
【請求項４】
前記可変電圧手段は、前記実効電圧を、
前記ロータが静止状態から回転開始するときには、前記静止摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるようにし、
前記ロータが連続回転しているときには、前記動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるように可変することを特徴とする請求項３に記載のステップモータ装置。
【請求項５】
前記駆動パルスは、前記２個のコイルを１−２相励磁するものであり、それぞれの前記コイルに印加される電圧は、２相通電区間の実効電圧値を１相通電区間の実効電圧値よりも小さくすることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載のステップモータ装置。
【請求項６】
前記２個のステータのうち、一方の前記ステータに設ける前記スリットと他方の前記ステータに設ける前記スリットとは、前記ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けることを特徴とする請求項１に記載のステップモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つのステータと１つのロータを有し、特に、アナログ電子時計の指針を駆動するための駆動源として使用される連続運針をするための時計用のステップモータ及びそれを用いたステップモータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ電子時計の駆動源には、入力するパルス状の駆動信号に同期して回転する、いわゆるステップモータ（ステッピングモータやパルスモータ、あるいは同期モータとも称される）が用いられており、一般に単相ステップモータが採用されている。
【０００３】
その単相ステップモータは、永久磁石からなる１個のロータと、そのロータを回転自在に挿入させるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと、そのヨーク（磁心）と一体のコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなる１組のステータとを備えており、そのコイルにパルス電流を流すことにとよって、ロータが一定角度だけ回転する。
【０００４】
そして、ステータのヨークにおけるロータ孔の周囲には、コイルによる磁界によってロータに駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部と、ロータに保持トルクを作用させために機能する一対の内ノッチとを設けている。
駆動トルクはロータを回転させるためのトルクであり、保持トルクはロータの回転方向を決めるとともに、コイルの非通電時にロータの位置を安定させるためのトルクである。この保持トルクによって、針が衝撃によって飛ぶのを抑えることもできる。
【０００５】
パルス電流の通電により、ロータが一定角度だけ回転する、その１ステップ動作に要する時間はわずか数［ｍｓ］程度であり、再び１［ｓ］後にパルス電流を通電するまでの間、コイルには非通電でありロータは停止したままである。このような運針をステップ運針と呼び、通電時間が非常に短いために消費電力は小さく、腕時計に用いられる小さな電池であっても長期間に亘って指針を駆動できる。そのため、現在多くの腕時計に単相ステップモータが用いられているのである。
【０００６】
また、パルス電流を１［ｓ］周期間隔で通電するのではなく、数十［ｍｓ］周期の間隔で通電し、減速比をその周期分増やすことで、運針がさも連続的に動いているように見せることができる。このような運針方法を連続運針と呼ぶ。このような運針方法は多くの提案を見るものであり、そのような運針をする時計は、主に置時計などでは広く普及しており、近年では腕時計に採用されることも多い。特に腕時計にあっては、秒針が１秒ごとに運針するものが主流である中で、秒針が連続運針するものは、特に注目されている。
【０００７】
上述の運針方法を行なう従来から知られている単相ステップモータの構成を、図２５を用いて説明する。
図２５において、永久磁石よりなるロータ１０３は、ヨーク１０１１に設けられたロータ孔１０１１ａに回転自在に挿入され、そのロータ孔１０１１ａにはロータ１０３に駆動トルクを作用させるために必要な磁束飽和部１０１１ｄと、保持トルクを作用させるための内ノッチ１０１１ｃとが設けられている。
コイル１０１３へのパルス電流の方向を一定周期毎に切り替え、保持トルクに打ち勝つだけのトルクが発生するようなエネルギーを与えた場合に、ロータを１８０［ｄｅｇ］ずつ一定方向に回転させることができる。
図２５に示したこのような単相ステップモータの構成は広く知られているものであるが、例えば、特許文献１に一例が開示されている。
【０００８】
このようなステップモータにあっては、ロータの駆動に際する高効率化や低消費電力化の取り組みが多く成されている。例えば、２つの単相ステップモータをロータの軸方向に重ねる構成が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２に示した従来技術は、連続運針をするものではないが、２つの単相ステップモータを制御することで、正逆回転を可能としたステップモータとなっている。
【０００９】
特許文献２に示した従来技術を、図２６を用いて説明する。
図２６において、互いに直交し、磁気分離された２つのヨーク２０１１，２０２１と、２つのコイル２０１３，２０２３とからなるステータ２０１，２０２を、ロータ２０３に対して同軸上に配置してある。ヨーク２０１１，２０２１にはロータ回転方向に対して同じ位相関係となるようにロータ孔２０１１ａ，２０２１ａ、及び内ノッチ２０１１ｃ，２０２１ｃが配置されており、１８０［ｄｅｇ］ずつ回転する。
【００１０】
このステップモータは、２つのコイル２０１３，２０２３より通電する側を選択することで、正回転又は逆回転を切り替えることができる。製造技術に歴史がある単相ステップモータ用のステータ２０１，２０２をロータ軸方向に重ねるのみで良いために、製造し易い構造である。
【００１１】
また、２つの単相ステップモータをロータの軸方向に重ねる構成の他の例として、効率よく高トルクを発生させると共に、低消費電力化を行なえる技術も知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭５５−４５５４号公報（第２頁、第1図）
【特許文献２】特公平７−９３８０７号公報（第２頁、第１図）
【特許文献３】特開２００９−１８９０８０号公報（第５頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図２５に示した従来知られている単相ステップモータの構造では、ロータ１０３に保持トルクが作用しており、それに打ち勝ち回転させるために十分高い電圧を印加して回転させる必要がある。そして、ロータ１０３が停止する際には保持トルクによりロータ１０３を位置決めするトルクが作用し、減衰振動をしながら静的安定位置で停止する。そのために、１ステップあたりの角速度の変動幅が非常に大きくなってしまう。そうすると、連続運針をするとき、秒針の振れとして時計の使用者には違和感として認識されてしまうという問題がある。この秒針の振れは、長い秒針を設けた場合などに顕著になる。
【００１４】
その１ステップあたりの角速度波形の様子を逆起電力による細かな速度変動などは無視し、かなり簡略化して模式的に示したものが図２７である。図中、１０８ａ，１０８ｂは角速度波形である。角速度の変動幅はΔωｄで示している。また、図には角速度波形の１つを拡大した拡大部も表している。その拡大部においてＴ１，Ｔ２は区間、αは領域を示している。
図２７（Ａ）は、変動幅が非常に大きく、正側から負側にまで変化する様子を示している。図２７（Ｂ）は、角速度の変動幅がなく理想的な角速度波形を示している。
【００１５】
ロータに作用する保持トルクがあると、そのロータを回転駆動させようとしたときに、駆動トルクが保持トルクを上回るように駆動パルスをコイルに印加する必要がある。図２７（Ａ）に示したように、駆動パルスを印加してそれにより発生した駆動トルクにより、
保持トルクが負荷として作用している区間をロータが乗り越えるまでが区間Ｔ１であり、それを超えて今度はロータが保持トルクによって回転し始めて、やがて静的安定位置で回転し終わる区間を区間Ｔ２とすると、ロータの角速度の変動は、区間Ｔ１と区間Ｔ２との両方で起きている。ただし、区間Ｔ１と区間Ｔ２とでは、その発生要因が異なる。
【００１６】
すなわち、区間Ｔ１にあっては、駆動トルクが保持トルクに打ち勝とうとするために発生するものであり、保持トルクと駆動パルスの実効電圧との兼ね合いでその変動の大きさ（変動幅）は変わるのである。保持トルクを簡単に超えるほど大きな駆動トルクを発生するような高い実効電圧の駆動パルスを用いてしまうと、ロータは回転しやすくなるものの、かえって角速度の変動を招いてしまう。
一方、区間Ｔ１を経てその後にロータが所定角度回転し終わるまでの区間Ｔ２にあっては、保持トルクが作用してロータが減衰振動をしながらやがて停止するために起こるものであり、保持トルクの大きさでその変動の大きさ（変動幅）も変わるのである。なお、領域αは、角速度の負の変動の領域を示しており、保持トルクが小さければ、この領域αにおける角速度の変動も小さくなる。
【００１７】
図２７（Ａ）に示した角速度波形１０８ａの変動を抑制するために、１秒間あたりに発生させるパルス数を増やし、輪列の減速比を増やすことで、秒針の振れの度合いを使用者に認識され難くすることができる。
しかし、そうすると、消費電力はパルス数に比例して増加してしまうため、図２５に示した従来知られている単相ステップモータを腕時計のような小さな電池しか搭載できない機器に適用した場合には、寿命が短く、電池交換が頻繁に必要となってしまうという問題が代わりに発生してしまう。
【００１８】
特許文献２に示した従来技術を応用して電子時計の秒針を連続運針させようとしても、やはり保持トルクがロータ２０３に作用しているから、１８０［ｄｅｇ］ずつステップ運針させるために、角速度の変動は図２７の（Ａ）の角速度波形１０８ａと同じになってしまい、やはり秒針の振れとして時計の使用者に違和感として認識されてしまうという問題がある。
【００１９】
特許文献３に示した従来技術は、高効率で高トルクを発生させることができる技術であるが、保持トルクがロータに作用しているから、角速度の変動幅もある。ロータの回転をそのまま指針に伝達する機構を搭載した電子時計の場合は、その秒針を連続運針させるとき、秒針の振れが発生してしまうことがある。
【００２０】
つまり、ロータの角速度の変動を小さくすることで電子時計の秒針の振れを小さくするには、ロータにかかる保持トルクを小さくすれば図２７（Ａ）に示す区間Ｔ２の角速度の変動が改善される。そして、そのような保持トルクが小さいロータを、より小さい実効電圧の駆動パルスで駆動すれば区間Ｔ１の角速度の変動が改善される。
しかしながら、そのような、ロータにかかる保持トルクが極めて小さく、かつ角速度の変動を発生しないような低いで実効電圧で動作できるステップモータは、いまだ提案がなされていない。
【００２１】
本発明は上記のような問題を解決し、図２７（Ｂ）の角速度波形１０８ｂにあるように角速度の変動幅が小さい特性で、時計の使用者に秒針の針の振れを違和感として意識させない連続運針を実現し、低消電力駆動が可能で、かつ製造が容易なステップモータ及びそれを用いたステップモータ装置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】
【００２２】
この発明によるステップモータは、上記の目的を達成するため、以下に示す構成を採用
するものである。
【００２３】
２極に着磁された永久磁石からなる１個のロータと、このロータを回転自在に挿入されるロータ孔を有する軟磁性体のヨークと、このヨークに一体となるコイル芯に導線を巻きつけたコイルとからなるステータを２個有し、２個のステータは、ロータ孔の位置を互いに一致させてロータの軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置された第１のステータと第２のステータとであり、それぞれのコイルに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを発生する駆動手段によりこの駆動パルスをそれぞれのコイルに印加することで、ロータを回転させるステップモータにおいて、
２個のステータのロータ孔の周囲には、コイルによる磁界によってロータに駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット又は磁束飽和部を設け、２個のステータとロータと間では、コイルの非通電時にロータの位置を安定させるための保持トルクが生じないことを特徴とする。
【００２４】
このような構成を有することで、保持トルクが生じないために低い実効電圧でロータを駆動でき、角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針が実現できる。
【００２５】
２個のステータに備える一対のスリット又は磁束飽和部は、それぞれのステータごとに保持トルクを生じさせない位置となっていてもよい。
【００２６】
このような構成を有することで、組立時にそれぞれのステータの位置関係について、さほどの精度を要するものではなくなり、組立易いという効果を有することができる。
【００２７】
２個のステータに備える一対のスリット又は磁束飽和部は、一方のステータに保持トルクを生じさせて他方のステータによりその保持トルクを打ち消すような位置となっていてもよい。
【００２８】
このような構成にすれば、それぞれのステータの位置関係を、組み付け時に調整することで、保持トルク打ち消すことができるから、角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。
【００２９】
第１のステータと第２のステータとのそれぞれに、一対のスリットとそのスリットによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチとを設け、一対のスリットと一対の内ノッチとは、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるようにしてもよい。
【００３０】
このような構成を有することで、スリットによりコイルからの磁界が効率的に漏れてロータに作用するため、より低い電圧で駆動でき低消電化という効果を有することができる。
【００３１】
第１のステータと第２のステータとのそれぞれに磁束飽和部を設け、２個のステータに備わる磁束飽和部同士は、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるようにしてもよい。
【００３２】
このような構成を有することで、ロータ孔に内ノッチを設ける必要がないために金型の高寿命化という効果を有することができる。
【００３３】
一方のステータには、一対のスリットとそのスリットによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチとを、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けており、他方のステータには、磁束飽和部を設けており、一方のステータに設ける一対のスリットと他方のステータに設ける磁束飽和部とは、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設ける
ようにしてもよい。
【００３４】
このような構成を有することで、組立時のステータの位置関係の精度をさほど要することがなく組立でき、また内ノッチのないステータを一方だけでも用いることができるから、そのステータを製造する際の金型の高寿命化という効果も有することができる。
【００３５】
２個のステータのうち、一方のステータに設けるスリットと他方のステータに設けるスリットとは、ロータ孔の中心を通って直交する線上に設けるようにしてもよい。
【００３６】
このような構成を有することで、スリットによる低消電化と、組立時の調整による保持トルクの打ち消しによるスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。
【００３７】
この発明によるステップモータ装置は、上記の目的を達成するため、以下に示す構成を採用するものである。
【００３８】
上記説明したステップモータの構造を有し、かつ、駆動手段は、駆動パルスを発生するために、少なくとも４つのスイッチ素子によるＨブリッジ回路２組よりなる駆動回路を備えており、駆動パルスの実効電圧は、ロータに負荷として作用している静止摩擦トルク又は動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値であると共にスイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧よりも小さい電圧値であるようにしてもよい。
【００３９】
このような構成を有することで、摩擦トルクをわずかに上回る程度のトルクで駆動するため、余計な加減速がなく、角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。
【００４０】
駆動手段は、ロータの回転と非回転とを検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に基づいて駆動パルスの実効電圧を可変する可変電圧手段と、を有するようにしてもよい。
【００４１】
このような構成を有することで、非回転時の補正が可能なため、常にエネルギー的に余裕のあるパルスで駆動する必要がなく、最小のエネルギーで駆動するができ、低消電化という効果を有することができる。
【００４２】
可変電圧手段は、実効電圧を、ロータが静止状態から回転開始するときには、静止摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるようにし、ロータが連続回転しているときには、動摩擦トルクより大きいトルクを発生させる電圧値になるように可変するようにしてもよい。
【００４３】
このような構成を有することで、起動時やリセット時に確実に駆動できるという効果を有することができる。
【００４４】
駆動パルスは、２個のコイルを１−２相励磁するものであり、それぞれのコイルに印加される電圧は、２相通電区間の実効電圧値を１相通電区間の実効電圧値よりも小さくするようにしてもよい。
【００４５】
このような構成を有することで、２相通電区間での余分なエネルギー投入による加減速がなくなり、低消電化とスムースな連続運針の実現という効果を有することができる。
【発明の効果】
【００４６】
この発明によるステップモータは、２個のステータとロータとの間では、コイルの非通
電時にロータの位置を安定させるための保持トルクが生じないという、従来にない特徴を有している。このために、角速度の変動幅を小さくすることができる。これにより、電子時計の秒針の運針に用いたとき、その秒針が長い秒針であっても、秒針の振れは発生しない。電子時計の秒針が連続運針するときでもスムースな運針が可能になる。
また、この発明によるステップモータ装置は、ステップモータ自体に保持トルクがないため、ロータを駆動し始める期間においても、それぞれのコイルに印加する駆動パルスの実効電圧を小さくできるから、その結果、角速度の変動幅が小さいことに加えて、より消費電力を小さくすることができる。
さらにまた、それぞれのステータ自体は複雑な構造ではないため、製造しやすいという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第1実施形態のステップモータを説明する斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態のステップモータの第１のステータと第２のステータとをロータ軸方向に分離させた状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態のステップモータの第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。
【図４】ステータによってロータに作用する保持トルクを説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施形態のステップモータのロータ孔周辺の詳細図である。
【図６】本発明の第３実施形態のステップモータのロータ孔周辺の詳細図である。
【図７】本発明の第４実施形態のステップモータのロータ孔周辺の詳細図である。
【図８】本発明の第４実施形態を説明するための、ロータ孔周辺を模式的に示す断面図である。
【図９】ステータの絶磁構造を説明するためのロータ孔周辺を模式的に示す断面図である。
【図１０】ロータの駆動パルスを説明するための図である。
【図１１】１相励磁時の駆動を説明する図である。
【図１２】２相励磁時の駆動を説明する図である。
【図１３】１−２相励磁時の駆動を説明する図である。
【図１４】駆動回路を説明する図である。
【図１５】スイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴの特性を説明する図である。
【図１６】印加電圧とそのときのロータの角速度との関係を示す図である。
【図１７】印加電圧を下げる手法を説明する図である。
【図１８】駆動手段を説明する構成図である。
【図１９】通常運針時に除々に実効電圧を下げていくためのアルゴリズムを説明する図である。
【図２０】１−２相励磁時の第２の駆動方式を説明する図である。
【図２１】１−２相励磁時の第２の駆動方式における通電時間比に対する消費電力の変化を説明する図である。
【図２２】１−２相励磁時の第３の駆動方式を説明する図である。
【図２３】駆動方法選択のアルゴリズムを説明する図である。
【図２４】（Ａ）は高速駆動時の駆動パルス（Ｂ）はステップ状駆動時の駆動パルスを説明する図である。
【図２５】従来技術を説明する図である。
【図２６】特許文献２に示した従来技術を説明する図である。
【図２７】１ステップあたりの角速度波形の様子を説明する模式的な波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
ステップモータは、１個のロータに対して２個のステータを上下に重ねる構成を有している。２つのステータは、各ロータ孔の位置を１個のロータに対して一致させており、そ
の軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置している。
ステップモータは、ステータによりロータに駆動トルクを作用させる機能は有しているが、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させる機能は有していない。
そして、そのようなステップモータを、ロータに負荷として作用している摩擦トルクをわずかに上回る程度の駆動トルクを作用させてロータを回転させる。このため、余分な加減速がなく、ロータの角速度の変動幅も小さくて済むのである。
【００４９】
保持トルクをロータに作用させない構成としては、以下の４つの実施形態がある。
第１実施形態は、上下のステータそれぞれにスリットと内ノッチを備え、それぞれのステータで保持トルクを打ち消す構成である。
第２実施形態は、上下のステータそれぞれに磁束飽和部を備えることで保持トルクを生じさせない構成である。
第３実施形態は、一方のステータにスリットと内ノッチ、他方のステータに磁気飽和部を設けており、いわば第1及び第２実施形態の構成を合わせた構成である。
第４実施形態は、上下のステータそれぞれにスリットを備え、それぞれのステータにより生じる保持トルクを上下のステータに設けるスリットの配置位置により打ち消す構成である。
以下、各実施形態を図面を用いて説明する。
【００５０】
［第１実施形態の構成の説明：図１〜図３］
図１〜図３は、ステップモータの第１実施形態の構成を示す図であり、図１はステップモータの斜視図、図２は図１に示したステップモータの第１のステータと第２のステータとをロータ軸方向に分離させた状態を示す斜視図、図３は第１のステータと第２のステータとを左右に並べて示す平面図である。
【００５１】
第１実施形態のステップモータの特徴は、上下に重ねたステータそれぞれで、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、それぞれのステータに一対のスリットと、その一対のスリットを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチとを設けており、スリットと内ノッチとは互いに直交するように設けている。これにより保持トルクをロータに作用させない構成としている。
【００５２】
図１において、３は永久磁石からなる１個のロータである。１１はロータ３を回転自在に挿入させるロータ孔１１ａと一対のスリット１１ｂと一対の内ノッチ１１ｃとを有する軟磁性体のヨーク（磁心）、１２はヨーク１１と一体となるコイル芯、１３はコイル芯１２に導線を巻きつけたコイルである。これらで第１のステータ１を構成している。
同様に、２１はロータ３を回転自在に挿入させるロータ孔２１ａと一対のスリット２１ｂと一対の内ノッチ２１ｃとを有する軟磁性体のヨーク、２２はコイル芯、２３はコイルであり、これらで第２のステータ２を構成している。
なお、コイル１３，２３は細い導線を巻回したものであるが、その様子は図面を見やすくするために省略している。
【００５３】
そして、コイル１３とコイル２３とに電気的な位相をずらした所定の駆動パルスを印加する駆動手段３０とを備えている。なお、駆動手段３０の詳細については後述する。
【００５４】
図１に示すように、第１のステータ１と第２のステータ２とは、各ロータ孔１１ａ，２１ａの位置を１個のロータ３に対して一致させて、その軸方向に互いに空間的な位相をずらせて重ねると共に互いを絶磁して配置している。双方のステータの絶磁は、図示しない保持部材などより空隙を有するようにしているが、図示はしないが双方のステータ間に非磁性体のスペーサを挿入することにより絶磁してもよい。このようなスペーサを用いた絶
磁の詳細については後述する。
なお、図示しないがロータ３には歯車が固定され、秒針までは歯車輪列のみにより駆動力が伝えられている。
【００５５】
このような第１のステータ１と第２のステータ２との位置関係及びロータ孔周辺の構成を見易くするようにロータ３の軸方向の中心線Ａに沿って分離させた図が図２である。
図２に示すように、本実施形態で説明する第１のステータ１と第２のステータ２とは同形状である。図２に示す例では、上側の第２のステータ２は、下側の第１のステータ１を上下にひっくり返して配置している。このように、ステータを重ねているが、２つのステータは同形状であるため、ステップモータを製造しやすいという特徴もある。
【００５６】
図３は第１のステータ１と第２のステータ２とを横に並べるように示す平面図であり、それぞれのステータに設けるスリットと内ノッチとの位置関係を説明する図である。
図３に示すように、第１のステータ１のヨーク１１におけるロータ孔１１ａの周囲には、コイル１３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット１１ｂと、その一対のスリット１１ｂを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチ１１ｃとが設けられており、これらは互いにロータ孔１１ａの中心を通って直交する中心線ａ及び中心線ｂの各線上に設けている。つまり、スリット１１ｂと内ノッチ１１ｃとは、９０［ｄｅｇ］ずれる位置関係にある。
【００５７】
同様に、第２のステータ２のヨーク２１におけるロータ孔２１ａの周囲にも、コイル２３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット２１ｂと、その一対のスリット２１ｂを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチ２１ｃとが設けられており、これらは互いにロータ孔２１ａの中心を通って直交する中心線ｅ及び中心線ｄの各線上に設けている。つまり、スリット２１ｂと内ノッチ２１ｃとは、９０［ｄｅｇ］ずれる位置関係にある。
【００５８】
なお、内ノッチ１１ｃ，２１ｃは、ロータ孔１１ａ，２１ａの内周からその径方向に形成された切り込みである。
また、図３に示す中心線ｇと角度θとについては後述する説明に用いるものであるから、ここでの説明は省略する。
【００５９】
このような構成にすることで、上下に重ねたステータそれぞれで、保持トルクを打ち消すことができ、ロータ３に保持トルクを作用させなくすることができる。
【００６０】
さらに、第１のステータ１の一対のヨーク１１に設けたスリット１１ｂを結ぶ直線ａと、第２のステータ２のヨーク２２に設けた一対のスリット２１ｂを結ぶ直線ｄとが互いに直交するようにしたうえで、コイル１３のコイル芯１２の中心線ｃと、コイル２３のコイル芯２２の中心線ｆとの方向が平面上で互いに直交するように配置している。
【００６１】
このようにすると、それぞれのコイルにより発生する磁界とロータの磁石との相互作用により発生する駆動トルクの大きさの変動が減り、角速度変動幅が小さくなるという効果がある。
【００６２】
知られているように、駆動トルクは、ロータの回転中に正弦波状に変化する。２つのステータを直交させると、正弦波状の駆動トルクのピーク近傍となる領域でのみロータを回転させることができる。そうすると、駆動トルクの変動が減り、角速度の変動の幅が小さくなる。
【００６３】
なお、すでに説明したように、ロータ３から秒針までの間には歯車輪列しかないために
、ロータ３の動きと図示しない秒針の動きは１対１の対応をしている。このため、ロータ３に余分な加減速があると（ロータの角速度の変動幅が大きいと）、秒針の振れとして時計の使用者には違和感として認識されてしまう。
【００６４】
［第１実施形態の作用の説明：図１〜図４］
次に、第１実施形態の作用を図面に基づいて説明する。
図４は、それぞれのステータによってロータに作用する保持トルクを説明するための図である。４ａはステータのスリットによる保持トルク、４ｂは内ノッチによる保持トルク、４はステータによりロータに作用する保持トルクである。横軸はロータ回転角度、縦軸は保持トルクを示している。
【００６５】
第１実施形態のステップモータは、図３に示すように、スリット１１ｂを設けた位置から反時計回りに＋９０［ｄｅｇ］回転した位置を絶対位置原点とし、その絶対位置原点から反時計周りにロータ３が回転する角度をθとすると、ロータ３の回転角度による合成保持トルクＴｈ（θ）は数１で表わされる。
【００６６】
【数１】
0005495989.tif 000002
【００６７】
数１において、Ｔｓｔａｔｏｒ１（θ）は第１のステータ１によりロータ３に作用する保持トルク、Ｔｓｔａｔｏｒ２（θ）は第２のステータ２によりロータ３に作用する保持トルクである。Ｔｓｔａｔｏｒ１＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）は一対のスリット１１ｂによる保持トルク、Ｔｓｔａｔｏｒ１＿ｎｏｔｃｈ（θ）は一対の内ノッチ１１ｃによる保持トルク、Ｔｓｔａｔｏｒ２＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）は一対のスリット２１ｂによる保持トルク、Ｔｓｔａｔｏｒ２＿ｎｏｔｃｈ（θ）は一対の内ノッチ２１ｃによる保持トルクである。
【００６８】
図４は保持トルクが合成されることでゼロになることを示しており、例えば第１のステータ１を例にすると、一対のスリット１１ｂによる保持トルクＴｓｔａｔｏｒ１＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）である４ａが、１対の内ノッチ１１ｃによる保持トルクＴｓｔａｔｏｒ１＿ｎｏｔｃｈ（θ）である４ｂと合成されることで、第１のステータ１によりロータ３に作用する保持トルクＴｓｔａｔｏｒ１（θ）である４は打ち消されてゼロとなる。
【００６９】
このように、一対のスリット１１ｂによる保持トルクＴｓｔａｔｏｒ１＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）をちょうど打ち消すには、一対の内ノッチ１１ｃの切り欠き幅を調整することで保持トルクＴｓｔａｔｏｒ１＿ｎｏｔｃｈ（θ）の振幅を調整すればよい。図４に示すように、保持トルクをきれいに打ち消せるのは一対のスリット１１ｂと一対の内ノッチ１１ｃとがロータ孔の中心に対して直交しているからである。
【００７０】
なお、以上の説明は、第１のステータ１を例にしたが、すでに説明したように、第１のステータ１と第２のステータ２とは同形状であるから、第２のステータ２でも同様である。
第２のステータ２においての保持トルクの関係は、前述の文章の符号を読み換えればよく、一対のスリット２１ｂによる保持トルクＴｓｔａｔｏｒ２＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）である４ａが、一対の内ノッチ２１ｃによる保持トルクＴｓｔａｔｏｒ１＿ｎｏｔｃｈ（θ）である４ｂと合成されることで、第２のステータ２によりロータ３に作用する保持ト
ルクＴｓｔａｔｏｒ２（θ）である４は打ち消されてゼロとなる。
【００７１】
第２のステータ２の場合にも、１対のスリット２１ｂによる保持トルクＴｓｔａｔｏｒ２＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）をちょうど打ち消すには、一対のノッチ２１ｃの切り欠き幅を調整することで保持トルクＴｓｔａｔｏｒ２＿ｎｏｔｃｈ（θ）の振幅を調整すればよい。
【００７２】
［第１実施形態の各構成要素の位置関係のまとめ］
ここで、第１実施形態の各構成要素の位置関係をまとめると、次のようになる。
第１のステータ１の一対のスリット１１ｂを結ぶ直線ａと、一対の内ノッチ１１ｃを結ぶ直線ｂとは直交している。同じく、第２のステータ２の一対のスリット２１ｂを結ぶ直線ｄと、一対の内ノッチ２１ｃを結ぶ直線ｅとは直交している。この構成により、それぞれのステータにおいて保持トルクを打ち消しあっている。
加えて、直線ａと直線ｄとも直交しており、第１のステータ１のコイル芯１２の中心線ｃと、第２のステータ２のコイル芯２２の中心線ｆとも直交している。この構成により、ロータに作用する駆動トルクの大きさの変動を小さくすることができる。
【００７３】
［第１実施形態の効果の説明］
ここで、第１実施形態の効果についてまとめると、次のようになる。
第１実施形態のステップモータは、２個のステータそれぞれとロータと間で、コイルの非通電時にロータの位置を安定させるための保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができ、このため、アナログ電子時計の指針を連続運針させる際に、その秒針が長い秒針であっても秒針の振れは発生せず、違和感のない運針が可能となる。
【００７４】
第１実施形態のステップモータを用いるステップモータ装置は、コイル１３，２３に印加する実効電圧は、ロータに負荷として作用している摩擦トルクをわずかに上回る程度の駆動トルクを生じるだけの電圧値でよいから、低い実効電圧でスムースにロータを回転させることができる。
【００７５】
さらに、第１のステータ１及び第２のステータ２の構造は、製造技術の進んでいる単相ステップモータのステータ構造そのままを用いていることができるため、製造し易いという効果もある。
【００７６】
すでに説明したように、それぞれのステータにおいては、スリットと内ノッチとの位置が決められており、第１のステータ１と第２のステータ２との重なりにおいては、コイル芯の中心線同士の交差状態が決められているが、それぞれのステータ同士の位置関係については、さほどの精度を要するものではない。図１〜図３に示した例では、双方のステータが直交する位置にあるように示しているが、その重なり具合にあっては、双方をわずかの誤差も許されないほど非常に高精度に直交させなければならないというわけではないのである。したがって、第１実施形態のステップモータは、組立において高い精度を必要とせず、更に製造し易い構造となっている。
【００７７】
また、２つのステータにはそれぞれスリット１１ｂ，２１ｂが設けてあるから、第１のステータ１と第２のステータ２とも、コイル１３，２３に印加する実効電圧を下げるようにしても、コイル１３，２３により発生する磁界が効率良く漏れてロータ３に作用し、駆動トルクを発生させることができる。そのため、より低消費電力でロータ３を駆動することができる。
【００７８】
［第２実施形態の構成の説明：図５］
次に、第２実施形態のステップモータについて説明する。
第２実施形態のステップモータの特徴は、すでに説明した実施形態と同様に、上下に重ねたステータそれぞれで、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、それぞれのステータにロータを駆動するための一対の磁束飽和部を備えるものの、内ノッチを設けないことで保持トルクを発生しない構成としている。
【００７９】
第２実施形態のステップモータの構成は、図５を用いて説明する。
図５は、第１のステータ１及び第２のステータ２のロータ孔１１ａ，２１ａの周辺部のみを部分拡大し上下に並べ、コイルなど他の構成要素を省略して示す詳細図である。なお、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。
図５においては、説明しやすいように２つのステータを図中上下に並べて示してあるが、１個のロータ３を２つのステータで共有していることは変わっておらず、２個のロータがあるわけではない。
【００８０】
第１のステータ１のヨーク１１におけるロータ孔１１ａの周囲には、コイル１３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対の磁束飽和部１１ｄのみを設けている。磁束飽和部１１ｄは、ステータに設ける切り欠き状の部分である。同じく、第２のステータ２のヨーク２におけるロータ孔２１ａの周囲にも一対の磁束飽和部２１ｄのみを設けている。
【００８１】
この第２実施形態では、第１のステータ１のヨーク１１に設けた一対の磁束飽和部１１ｄを結ぶ直線を直線ａ１とし、第２のステータ２のヨーク２２に設けた一対の磁束飽和部２１ｄを結ぶ直線を直線ｄ１としている。そして、この直線ａ１と直線ｄ１とが互いに直交するように上下のステータを配置している。
なお、図５には、直線ａ１と直交するように直線ｂ１、直線ｄ１と直交するように直線ｅ１を示している。
【００８２】
この図５に示す直線ａ１，ｄ１は、図３に示す、ヨーク１１に設けた一対のスリット１１ｂを結ぶ直線ａと、ヨーク２２に設けた一対のスリット２１ｂを結ぶ直線ｄとに、位置的に対応しており、図５に示す直線ｂ１及び直線ｅ１も、図３に示す直線ｂ及び直線ｅに、それぞれ対応しているので、第２実施形態のステップモータの配置関係を理解するためには、図３を参照してその構成においてロータ孔１１ａ，２１ａの周辺部のみ図５の構成に置き換えるとよい。
【００８３】
［第２実施形態の作用及び効果の説明］
次に、この第２実施形態における保持トルクを打ち消す作用を説明する。
第１のステータ１及び第２のステータ２には、それぞれ一対の磁束飽和部１１ｄ，２１ｄを設けているが、内ノッチを設けなければコイルへの非通電時に保持トルクは発生しない。これは、一般的なステップモータにおいては、ロータ３から発生した磁束のみでは磁束飽和部１１ｄ，２１ｄを飽和させるには不十分だからである。そのため、この第２実施形態の場合は、第１のステータ１と第２のステータ２ともそれぞれのステータにおいて、そもそも保持トルクがほとんど生じないのである。
【００８４】
次に、効果について説明する。
この第２実施形態も、保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができる。第１のステータ１及び第２のステータ２に、それぞれ一対の磁束飽和部１１ｄ，２１ｄを設けているために、コイル１３，２３からの磁界は、まずこの磁束飽和部１１ｄ，２１ｄを飽和させてからでないとロータ３に作用しない。このため、コイル１３，２３に印加する実効電圧を第１実施形態と同じ程度までは下げることができないが、第１実
施形態に比べて製造しやすく、製造コストも低減できるという効果がある。
【００８５】
すなわち、ステータにスリットがないので、それぞれのヨーク１１，１２とも１枚の板で構成でき、プレス加工のみでステータを形成することができるという点である。
さらに、内ノッチもないためにロータ孔周辺が円形で済むことによりプレスの金型も単純な形状で済み、その寿命も長くすることができる。これにより、製造コストを低下させることが可能である。
【００８６】
また、第１のステータ１と第２のステータ２とも、それぞれのステータにおいて保持トルクを打ち消しあっているため、第１実施形態と同様に２個のステータの位相関係を高精度で配置するように設計する必要がなく組立の精度を必要としないから、更に製造し易い構造である。
【００８７】
［第３実施形態の構成の説明：図６］
次に、第３実施形態のステップモータについて説明する。
第３実施形態のステップモータの特徴は、すでに説明した実施形態と同様に、上下に重ねたステータそれぞれで、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、一方のステータに一対のスリットと一対の内ノッチとを互いに直交するように設けて保持トルクを打ち消し、他方のステータにロータを駆動するための一対の磁束飽和部を備えるものの、内ノッチを設けないことで保持トルクを発生しない構成としている。つまり、第１実施形態で説明したステータ構造と第２実施形態で説明したステータ構造とをそれぞれのステータが有している構成である。
【００８８】
第３実施形態のステップモータの構成は、図６を用いて説明する。
図６は、第１のステータ１及び第２のステータ２のロータ孔１１ａ，２１ａの周辺部のみを部分拡大し上下に並べ、コイルなど他の構成要素を省略して示す詳細図である。なお、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。
また、すでに説明した実施形態と同様に図６においても、説明しやすいように２つのステータを図中上下に並べて示してあるだけで、２個のロータがあるわけではない。
【００８９】
第１のステータ１のヨーク１１におけるロータ孔１１ａの周囲には、コイル１３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット１１ｂと、その一対のスリット１１ｂを設けたことによって生じる保持トルクを打ち消すための一対の内ノッチ１１ｃとが設けられており、これらは互いにロータ孔１１ａの中心を通って直交する中心線ａ及び中心線ｂの各線上に設けている。つまり、スリット１１ｂと内ノッチ１１ｃとは、９０［ｄｅｇ］ずれる位置関係にある。
【００９０】
第２のステータ２のヨーク２１におけるロータ孔２１ａの周囲には、コイル２３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対の磁束飽和部２１ｄのみを設けている。磁束飽和部２１ｄは、ステータに設ける切り欠き状の部分である。この磁束飽和部２１ｄは、ロータ孔２１ａの中心を通って直交する中心線ｄ２の線上に設けている。
【００９１】
この第３実施形態では、第１のステータ１のヨーク１１に設けた一対のスリット１１ｂを結ぶ直線ａと、第２のステータ２のヨーク２２に設けた一対の磁束飽和部２１ｄを結ぶ直線を直線ｄ２とが互いに直交するように上下のステータを配置している。
【００９２】
なお、この図６には、直線ｄ２と直交する向きに直線ｅ２を示している。これら直線ｄ
２，ｅ２は、図３に示す、ヨーク２２に設けた一対のスリット２１ｂを結ぶ直線ｄと、ヨーク２２に設けた一対の内ノッチ２１ｃを結ぶ直線ｅとに位置的に対応している。第３実施形態のステップモータの配置関係を理解するためには、図３を参照してその構成においてロータ孔１１ａ，２１ａの周辺部のみ図６の構成に置き換えるとよい。
【００９３】
なお、以上の説明では、第１のステータ１にスリットと内ノッチとを設け、第２のステータ２には磁束飽和部を設ける構成を説明したが、もちろん、第１のステータ１に磁束飽和部を設け、第２のステータ２にスリットと内ノッチとを設ける構成としてもよい。
【００９４】
［第３実施形態の作用及び効果の説明］
次に、この第３実施形態における保持トルクを打ち消す作用を説明する。
第２のステータ２には一対の磁束飽和部２１ｄが設けられており、内ノッチを設けなければ保持トルクは発生しない。また、第１のステータ１には、一対のスリット１１ｂが設けられているが、第１実施形態の図４で説明したように、一対のスリット１１ｂによる保持トルクは、それに直交するように設けられた一対の内ノッチ１１ｃによる保持トルクにより打ち消され、やはり保持トルクは発生しない。そのため、この第３実施形態の場合、第１のステータ１と第２のステータ２ともそれぞれのステータにおいて、保持トルクが生じないのである。
【００９５】
次に、効果について説明する。
この第３実施形態も、保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができる。第１のステータ１にはスリット１１ｂと内ノッチ１１ｃとを設けているが、第２のステータ２には一対の磁束飽和部２１ｄを設けている。すでに説明したように、コイル２３からの磁界は、まずこの磁束飽和部２１ｄを飽和させてからでないとロータ３に作用しない。このため、コイル２３に印加する実効電圧は、コイル１３に印加する実効電圧よりも下げることはできないが、２つのステータ全体でみたとき、コイルを駆動するための実効電圧は、第１実施形態と第２実施形態との中間程度まで下げることができる。
【００９６】
もちろん、すでに説明したように、第２のステータ２を製造するときは、スリットや内ノッチがないから製造しやすいという効果は有している。この第３実施形態では、２つのステータの構造が異なるが、双方ともにステータにスリット、内ノッチ、磁束飽和部を設けるという構成そのものは知られている構成であるから、ステップモータの製造時の負荷は多くはない。
【００９７】
また、第１のステータ１と第２のステータ２とも、それぞれのステータにおいて保持トルクを打ち消しあっているため、第１実施形態及び第２実施形態と同様に２個のステータの位相関係を高精度で配置するように設計する必要がなく、組立の精度をさほど必要としないというメリットもある。
【００９８】
［第４実施形態の構成の説明：図７］
次に、第４実施形態のステップモータについて説明する。
第４実施形態のステップモータの特徴は、すでに説明した実施形態とは異なり、それぞれのステータはロータへの保持トルクを有しているが、生じる保持トルクを上下のステータに設けるスリットの配置位置により打ち消し、コイルへの非通電時に保持トルクをロータに作用させない構成である。
具体的には、それぞれステータに一対のスリットを設け、２つのステータを重ねたとき、双方のスリットが直交するように設けて保持トルクを打ち消す構成としている。つまり、それぞれのステータには保持トルクが発生しているが、２つのステータによりそれを打ち消す構成である。
【００９９】
第４実施形態のステップモータの構成は、図７を用いて説明する。
図７は、第１のステータ１及び第２のステータ２のロータ孔１１ａ，２１ａの周辺部のみを部分拡大し上下に並べ、コイルなど他の構成要素を省略して示す詳細図である。なお、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。
また、すでに説明した実施形態と同様に図７においても、説明しやすいように２つのステータを図中上下に並べて示してあるだけで、２個のロータがあるわけではない。
【０１００】
第１のステータ１のヨーク１１におけるロータ孔１１ａの周囲には、コイル１３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット１１ｂが設けられている。この一対のスリット１１ｂは、ロータ孔１１ａの中心を通る中心線ａの線上に設けている。
同じく、第２のステータ２のヨーク２１におけるロータ孔２１ａの周囲にも、コイル２３による磁界によってロータ３に駆動トルクを作用させるために機能する一対のスリット２１ｂが設けられている。この一対のスリット２１ｂは、ロータ孔２１ａの中心を通る中心線ｄの線上に設けている。
【０１０１】
この第４実施形態では、第１のステータ１のヨーク１１に設けた一対のスリット１１ｂを結ぶ直線ａと、第２のステータ２のヨーク２２に設けた一対のスリット２１ｂを結ぶ直線を直線ｄとが互いに直交するように上下のステータを配置している。
【０１０２】
なお、この図７には、直線ａと直交する向きに直線ｂ２を示し、直線ｄと直交する向きに直線ｅ３を示している。これら直線ｂ２，ｅ３は、図３に示す、ヨーク１１に設けた一対の内ノッチ１１ｃを結ぶ直線ｂと、ヨーク２２に設けた一対の内ノッチ２１ｃを結ぶ直線ｅとに位置的に対応している。第４実施形態のステップモータの配置関係を理解するためには、図３を参照してその構成においてロータ孔１１ａ，２１ａの周辺部のみ図７の構成に置き換えるとよい。
【０１０３】
第４実施形態では、それぞれのステータが有する保持トルクを２つのステータにより打ち消すため、第１のステータ１のヨーク１１に設けた一対のスリット１１ｂと、第２のステータ２のヨーク２１に設けた一対のスリット２１ｂとは、正しく直交している必要がある。つまり、直線ａと直線ｄとが直交している必要がある。
【０１０４】
［第４実施形態の作用及び効果の説明：図４、図８］
次に、この第４実施形態における保持トルクを打ち消す作用を図８を用いて説明する。
図８は図３に示す中心線ｇで切断した様子を模式的に示す断面図である。
ロータ３’はロータ磁石３ａとロータカナ３ｂとから構成しているものとし細部は省略している。５，５ａ，５ａ’，５ｂ，５ｂ’は磁束である。
ロータ磁石３ａ内で発生した磁束５は、図８右側の矢印のように第１のステータ１のヨーク１１及び第２のステータ２のヨーク２１にそれぞれ分かれて５ａ、５ｂの磁束となって流れ込む。この磁束５ａ，５ｂは、図示しないコイル芯を通って再度図８左側の矢印のように磁束５ａ’，５ｂ’としてロータ磁石３ａに戻ることで、磁気回路が構成されている。
【０１０５】
この磁束５ａ，５ｂの磁束量の二乗に比例する大きさの保持トルクが、それぞれヨーク１１，２１によってロータ３に発生する。この第４実施形態では、磁束５ａ，５ｂの磁束量が全く同じとなるようにロータ磁石３ａとヨーク１１，２１とが設けられている。そのため、図７に示す第１のステータ１及び第２のステータ２で発生したそれぞれの保持トルクの振幅は等しい。
【０１０６】
これを上述した数１の式を用いて考える。第１のステータ１の保持トルクをＴｓｔａｔｏｒ１（θ）、第２のステータ２の保持トルクをＴｓｔａｔｏｒ２（θ）とおく。この場合、次のようになる。
Ｔｓｔａｔｏｒ１＿ｎｏｔｃｈ（θ）＝Ｔｓｔａｔｏｒ２＿ｎｏｔｃｈ（θ）＝０
【０１０７】
また、それぞれの一対のスリットは直交して配置されているために、先述した図４の保持トルクの関係に当てはめてみると、図４における４ａがＴｓｔａｔｏｒ１＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）であり、４ｂがＴｓｔａｔｏｒ２＿ｓｌｉｔ（θ＋π／２）に相当する。そのため、モータ全体としては保持トルクがゼロとなる。
【０１０８】
次に、効果について説明する。
この第４実施形態も、保持トルクが生じないために、角速度の変動幅を小さくすることができる。第１のステータ１に一対のスリット１１ｂを設け、第２のステータ２には一対のスリット２１ｂを設けている。すでに説明したように、ロータ磁石からの磁束を第１のステータ１のヨーク１１と第２のステータ２のヨーク２１に等しい量を流すためには、ロータ３の軸方向の高さ方向の精度まで出す必要があり、そのため、すでに説明した実施形態に比べ、それぞれのステータ同士の位置関係について高い精度が必要になる。
しかし、内ノッチがないためにロータ孔周辺が円形で済むことによりプレスの金型も単純な形状で済み、その寿命も長くすることができる。また、組立時にそれぞれのステータの位置関係を調整することで、ロータに作用する保持トルクを打ち消し、より角速度の変動幅の小さいスムースな連続運針を実現できる。
【０１０９】
また、第１のステータ１及び第２のステータ２とも、それぞれ一対のスリット１１ｂ，２１ｂが形成されているために、磁束飽和部を有する場合に比べてそれぞれのコイル１３，２３に印加する実効電圧を下げることができる。
【０１１０】
［ステップモータの詳細な説明］
以上、第１実施形態から第４実施形態のステップモータの各構成と作用及び効果を説明した。次に、第１実施形態を例にして、ステップモータの細部やステップモータ装置の駆動回路及び駆動方法について詳述する。
まず、ステップモータの細部及びロータの駆動方法について図面を用いて説明する。各説明においては新たな図面を参照して行なうが、適宜図１〜図３も参照されたい。
【０１１１】
［ステータの絶磁構造の説明：図９］
まずは、ステータの絶磁構造に係る具体例について図９を用いて説明する。この構造は、すでにスペーサを用いて絶磁する例として説明したが、ここでは図面を用いて詳述する。
図９は図３に示す中心線ｇで切断した様子を模式的に示す断面図である。図９（Ａ）は絶磁構造例１、図９（Ｂ）は絶磁構造例２を示している。なお、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付してあり、それらの同じ説明は省略する。
【０１１２】
図９（Ａ）に示す絶磁構造例１では、第１のステータ１のヨーク１１及び第２のステータ２のヨーク２１に設けるそれぞれのロータ孔１１ａ，２１ａを非磁性体の中座６により、ロータ３’の径方向に位置決めをしている。中座６は、ロータ３’の軸方向についてもヨーク１１とヨーク２１との間の距離を正確に決めている。
【０１１３】
また、図９（Ｂ）に示す絶磁構造例２では、中座６’はスペーサ６ａと下座６ｂとよりなる構成を有している。第１のステータ１のヨーク１１及び第２のステータ２のヨーク２１に設けるそれぞれのロータ孔１１ａ，２１ａをロータカナ３ｂの軸受けを兼ねた非磁性体の下座６ｂによりロータ３’の径方向に位置決めしている。また、ロータ３’の径方向
については、スペーサ６ａによりヨーク１１とヨーク２１との間の距離を正確に決めている。
【０１１４】
図９に示す構成とすることで、１個のロータと２個のステータのヨークとが径方向、軸方向に正確に位置決めされる。そのために、それぞれのステータから作用するロータへのトルクが安定し、より速度変動が小さい連続運針の駆動が可能となる。
【０１１５】
以上の説明は、第４実施形態の場合のように、一方のステータにより生じる保持トルクを他方のステータによる保持トルクで打ち消す際に、特に有効である。双方のステータを正確に位置決めで切ることに加え、それぞれのステータへの磁束量を等しくすることができるからである。
【０１１６】
図９に示す絶磁構造例２は、ロータの径方向と軸方向とを別部品により位置決めしており、この点が絶磁構造例１の構成と異なる。絶磁構造例２のように、下座がロータカナの軸受けを兼ねるような構成にすることで、部品点数を減らしたり、部品同士の位置決めを不要にできる。
知られているように、電子時計の内部には余剰な部分が少ない。電子時計が腕時計の場合はさらに余剰部分がなく、ステップモータ周辺は他の部材により混み合っている。本発明のステップモータをこのような電子時計に搭載するときは、搭載する部分の形状などを鑑みて絶磁構造例１と絶磁構造例２との構成を使い分ければよい。
【０１１７】
［ロータの駆動の詳細の説明１：図１０〜図１３］
次に、本発明のステップモータを電子時計の連続運針用に用いるとき、正回転方向に、どのように動かすのかを図１０〜図１３を用いて説明する。駆動パルスは、１相励磁の場合、２相励磁の場合、１−２相励磁の場合に分けて説明する。
【０１１８】
図１０（Ａ）は１相励磁駆動時にコイルの一方端の電位を基準にみた場合の印加電圧を示す特性図、図１０（Ｂ）は２相励磁時のコイルの一方端の電位を基準にみた印加電圧を示す特性図、図１０（Ｃ）は１−２相励磁時のコイルの一方端の電位を基準にみた印加電圧を示す特性図であり、それぞれの駆動方式により印加電圧が異なることを示している。
図１１は１相励磁時のロータの駆動シーケンス図であり、図１２は２相励磁時のロータの駆動シーケンス図であり、図１３は１−２相励磁時の駆動シーケンス図である。
【０１１９】
ステップモータは、通常運針時（正回転方向）において、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示すように、１相励磁でも２相励磁でも１−２相励磁でも動作可能である。ただし、コイルに印加する実効電圧が各励磁方式で異なっており、コイル１個あたりに印加する実効電圧は、１相励磁の場合をＶｒ１、２相励磁の場合をＶｒ２、１−２相励磁の場合をＶｒ１２とすると、次のような関係にする必要がある。
Ｖｒ２＜Ｖｒ１２＜Ｖｒ１
【０１２０】
また、本発明のステップモータは、保持トルクを打ち消し又は生じないようにしており、また後述するようにコイルに印加する実効電圧は非常に小さいために、ロータを駆動するときは、２個あるコイルの少なくともどちらか一方を常に通電している状態としなければならない。この点は、従来のステップモータとは異なる点である。
【０１２１】
［１相励磁の場合：図１０（Ａ）、図１１］
まず、１相励磁の場合について説明する。第１のステータ１のコイル１３と第２のステータ２のコイル２３とのうち、一方をコイルＡ、他方をコイルＢとして説明する。
１相励磁時の場合は、図１０（Ａ）に示すように、コイルＡとコイルＢとに対してどちらか一方のみに通電することを繰り返してロータに回転磁界を作用させることで、ロータ
を所定の方向に回転させる方式である。区間ｔｒでロータが３６０［ｄｅｇ］回転する。
【０１２２】
図１１によりロータが回転していく様子を説明する。なお、この回転している状態は、起動時などではなくロータが定常回転をしているときの状態である。
起動時のロータ磁極の位置は定まっていないが、次第に回転磁界に追従することで定常回転を行う。ＳＴＥＰ１においてコイル１３に通電することで、コイル１３には矢印５ｄのような磁界が発生し、ロータ３に作用する。矢印５ｃはロータの磁極方向を表わす。コイル１３により発生した磁界に対して倣うようにロータ３の磁極方向は回転をし、ＳＴＥＰ２の状態になる。このＳＴＥＰ１においてコイル２３には通電をしていない。また後述するように、それぞれのコイルに印加する実効電圧は低いために、ロータ３は最も回転し易い範囲内のみを回転するために、ＳＴＥＰ２の状態でロータ３は回転するためのトルクが摩擦トルクに負けて停止する。
【０１２３】
続いてＳＴＥＰ２において、コイル２３に通電することで、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、ロータ３に作用し更に回転させる。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ３の状態になる。
【０１２４】
ＳＴＥＰ３において、コイル１３にＳＴＥＰ１とは逆方向に通電することで、磁界の矢印５ｄは図のようになり、ロータ３に作用し更に回転させる。
【０１２５】
ＳＴＥＰ４において、コイル２３にＳＴＥＰ２とは逆方向に通電することで磁界の矢印５ｅは図のようになり、ロータ３に作用し更に回転させる。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ１の状態になる。
【０１２６】
このように、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ４までの動作を繰り返すことでロータ３は連続的に正回転方向に回転を続ける。
【０１２７】
［２相励磁の場合：図１０（Ｂ）、図１２］
次に、２相励磁の場合について説明する。図１０（Ｂ）に示すように、コイルＡとコイルＢとに対して常に両方に通電することを繰り返してロータに回転磁界を作用させることで、回転させる方式である。この場合、両方に通電しているために、それぞれのコイルに印加する実効電圧を１相励磁の場合よりも下げることができる。区間ｔｒでロータが３６０［ｄｅｇ］回転する。
【０１２８】
図１２によりロータが回転していく様子を説明する。なお、この回転している状態は、起動時などではなくロータが定常回転をしているときの状態である。
ＳＴＥＰ１において、コイル１３とコイル２３とに通電することで、コイル１３には矢印５ｄのような磁界が、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、ロータ３に作用する。コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３の磁極方向は回転をし、ＳＴＥＰ２の状態になる。
【０１２９】
続いてＳＴＥＰ２において、ＳＴＥＰ１の状態からコイル２３のみ通電する方向をＳＴＥＰ１とは逆にすることで、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３は回転する。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ３の状態になる。
【０１３０】
ＳＴＥＰ３において、ＳＴＥＰ２の状態からコイル１３のみ通電する方向をＳＴＥＰ２とは逆にすることで、コイル１２には矢印５ｄのような磁界が発生し、コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３は回転する。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ４の状態になる。
【０１３１】
ＳＴＥＰ４において、ＳＴＥＰ３の状態からコイル２３のみ通電する方向をＳＴＥＰ３とは逆にすることで、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３は回転する。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ１の状態になる。
【０１３２】
このように、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ４までの動作を繰り返すことでロータ３は連続的に正回転方向に回転を続ける。
【０１３３】
［１−２相励磁の場合：図１０（Ｃ）、図１３］
次に、１−２相励磁の場合について説明する。図１０（Ｃ）に示すように、コイルＡとコイルＢとに対して両方に通電する期間と、どちらか一方にのみ通電する期間とを交互に繰り返してロータに回転磁界を作用させることで、回転させる方式である。この場合、両方に通電しているために、それぞれのコイルに印加する実効電圧を１相励磁の場合よりも下げることができるが２相励磁よりは下げることができない。区間ｔｒでロータが３６０［ｄｅｇ］回転する。
【０１３４】
図１３によりロータが回転していく様子を説明する。なおこの回転している状態は、起動時などではなくロータが定常回転をしている時の状態である。
ＳＴＥＰ１において、コイル１３とコイル２３とに通電することで、コイル１３には矢印５ｄのような磁界が、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、ロータ３に作用する。コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３の磁極方向は回転をし、ＳＴＥＰ２の状態になる。
【０１３５】
続いてＳＴＥＰ２において、ＳＴＥＰ１の状態からコイル２３の通電をやめ、コイル１３のみの通電で発生する磁界をロータ３に作用させることで、ロータ３を回転させる。矢印５ｃはＳＴＥＰ３の状態になる。
【０１３６】
ＳＴＥＰ３において、コイル２３の通電する方向をＳＴＥＰ１とは逆にすることで、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３は回転する。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ４の状態になる。
【０１３７】
ＳＴＥＰ４において、ＳＴＥＰ３の状態からコイル１３の通電をやめ、コイル２３のみの通電で発生する磁界をロータ３に作用させることで、ロータ３を回転させる。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ５の状態になる。
【０１３８】
ＳＴＥＰ５において、コイル１３の通電する方向をＳＴＥＰ３とは逆にすることで、コイル１３には矢印５ｄのような磁界が発生し、コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３は回転する。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ６の状態になる。
【０１３９】
ＳＴＥＰ６において、ＳＴＥＰ５の状態からコイル２３の通電をやめ、コイル１３のみの通電で発生する磁界をロータ３に作用させることで、ロータ３を回転させる。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ７の状態になる。
【０１４０】
ＳＴＥＰ７において、コイル２３の通電する方向をＳＴＥＰ５とは逆にすることで、コイル２３には矢印５ｅのような磁界が発生し、コイル１３とコイル２３とにより発生した磁界を合成した方向に倣うようにロータ３は回転する。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ８の状態になる。
【０１４１】
ＳＴＥＰ８において、ＳＴＥＰ７の状態からコイル１３の通電をやめ、コイル２３のみの通電で発生する磁界をロータ３に作用させることで、ロータ３を回転させる。すると、矢印５ｃはＳＴＥＰ１の状態になる。
【０１４２】
このように、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ８までの動作を繰り返すことでロータ３は連続的に正回転方向に回転を続ける。
【０１４３】
発明者の行った実験によると、１−２相励磁の場合がもっとも消費電力を下げることができた。これは、ロータ３が１回転するためのステップ数が１相励磁や２相励磁の倍あり、ロータの余分な加減速が減り、エネルギー消費が抑えられるためである。また、速度変動も最も小さく針の動きも振れが少なくなる。したがって、１−２相励磁の場合が最も好ましい駆動方法であるといえる。
なお、ロータ３を逆回転させるには図１０において、コイルＡかコイルＢのどちらか一方の極性を入れ替えるのみでよい。
【０１４４】
［駆動回路の構成の説明：図１４、図１５］
次に、ステータのコイルに駆動パルスを発生させる駆動回路について図面に基づいて説明する。まず、図を用いて、回路構成について説明する。
図１４及び図１５は、この発明による駆動回路に係る具体例について説明するための図で、図１４はそれぞれのコイルに駆動パルスを印加する駆動回路図、図１５は駆動回路を構成するスイッチ素子であるＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以降は、単にＭＯＳＦＥＴと表記する）の電圧電流特性図である。
【０１４５】
図１４に示す駆動回路１０は、図１に示す駆動手段３０を構成する回路であり、コイルに印加する駆動パルスを発生するために、少なくとも４つのスイッチ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄによるＨブリッジ回路よりなる。これらスイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴを用いている。
Ｈブリッジ回路は、ステータのコイルの数と同じ数だけ必要であり、第１のステータ１のコイル１３と第２のステータ２のコイル２３とに対応する２組のＨブリッジ回路を備えている。
【０１４６】
各Ｈブリッジ回路は、コイルへの印加電圧を供給する第１の電源線１０ｇ（ＶＤＤ）と、基準電圧（例えばＧＮＤ）を供給する第２の電源線１０ｈ（ＶＳＳ）と、４個のスイッチ素子の駆動電圧信号を供給する４本の信号線１０ｉと、を接続されている。信号線１０ｉは、スイッチ素子のＭＯＳＦＥＴのゲートにゲート電圧を供給する信号線となっている。
【０１４７】
第１の電源線１０ｇと第２の電源線１０ｈとの間にスイッチ素子を２つ直列接続したカラム回路を２つ備えている。一方のカラム回路は、スイッチ素子１０ａとスイッチ素子１０ｃとを直列接続し、他方のカラム回路は、スイッチ素子１０ｂとスイッチ素子１０ｄとを直列接続している。
直列接続したスイッチ素子間同士を繋ぎ、その接続部分に出力線及び出力端子を設けている。すなわち、一方のカラム回路の出力線を出力線１０ｅとし、その端部に出力端子Ｏｕｔ１を備え、他方のカラム回路の出力線を出力線１０ｆとし、その端部に出力端子Ｏｕｔ２を備えている。これらの出力端子にコイルを接続することで駆動パルスがコイルに供給される。
【０１４８】
腕時計用などの一般的なステップモータの駆動回路では、回路規模を小さくするために４つのスイッチ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下
、単にＰ−ＭＯＳＦＥＴと表記する）、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下、単にＮ−ＭＯＳＦＥＴと表記する）で構成している。
具体的には、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴは高電位側でスイッチ動作し易いため、Ｈブリッジ回路の高電位側であるＶＤＤ側に用いる。Ｎ−ＭＯＳＦＥＴは低電位側でスイッチ動作し易いため、低電位側であるＶＳＳ側に配置する。
【０１４９】
Ｐ−ＭＯＳＦＥＴは、Ｌｏｗ信号（低電位の信号）をゲートに供給した際にソース−ドレイン間が導通され、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴは、Ｈｉｇｈ信号（高電位の信号）をゲートに供給した際にドレイン−ソース間が導通される。本実施形態で示す望ましい４つのスイッチ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、スイッチ端子１０ａ，１０ｂをトランスファーゲート、スイッチ端子１０ｃ，１０ｄをＮ−ＭＯＳＦＥＴとする回路構成である。
【０１５０】
スイッチ素子１０ａ，１０ｂに用いるトランスファーゲートは、知られているように、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ及びＮ−ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとを並列に接続した回路である。
図１４に示す例では、スイッチ素子１０ａ，１０ｂにおいては、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴのソース側とＮ−ＭＯＳＦＥＴのドレイン側とを端子ＴＲ１ａ，ＴＲ２ａとし、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴのドレイン側とＮ−ＭＯＳＦＥＴのソース側とを端子ＴＲ１ｃ，ＴＲ２ｃとしている。
なお、スイッチ素子１０ａ，１０ｂを構成するトランスファーゲートには、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴのゲートに論理反転素子を設けており、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴと同じゲート信号で動作するようにしたものである。これにより、高電位でも低電位でも幅広い電位に対応できるスイッチ素子となっている。
【０１５１】
また、図１４に示す例では、スイッチ素子１０ｃ，１０ｄにおいては、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴのドレイン側を端子ＴＲ３ａ，ＴＲ４ａとし、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴのソース側を端子ＴＲ３ｃ，ＴＲ４ｃとしている。
【０１５２】
４つのスイッチ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、ゲートにＨｉｇｈ信号又はＬｏｗ信号を入力するが、その端子はそれぞれ、端子ＴＲ１ｂ，ＴＲ２ｂ，ＴＲ３ｂ，ＴＲ４ｂとしている。
【０１５３】
なお、図１に示す駆動手段３０には、図１４に示す駆動回路１０の他に、他の回路も含まれているが、それについては後述する。大切なことは、駆動回路１０に同じ構成の２組のＨブリッジ回路を備えるということである。
【０１５４】
図１５は、ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間電圧ＶＧＳとドレイン電流ＩＤとの関係を模式的に示した図であり、いわゆるＭＯＳＦＥＴのＶｇｓ−Ｉｄ特性と呼ばれるものである。
図示するように、閾値電圧ＶＨを超える電位差をゲート−ソース間に加えることで、ＭＯＳＦＥＴはスイッチとして動作をし、ソース−ドレイン間には電圧にほぼ比例して電流が流れ始める。一般的な腕時計用ステップモータの駆動回路として用いられるＭＯＳＦＥＴの閾値電圧は０．３５［Ｖ］〜０．５０［Ｖ］程度である。
【０１５５】
本発明のステップモータを時計用として用いるとき、通常運針時においては、コイルに印加する駆動パルスの実効電圧は後述するように摩擦トルクの関係から定まり、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧よりも小さい０．１［Ｖ］〜０．３［Ｖ］程度である。そのために、第１の電源線１０ｇ（ＶＤＤ）には駆動パルスの実効電圧として０．１［Ｖ］が供給される。
なお、スイッチ素子にゲート電圧を供給する信号線１０ｉには、Ｌｏｗ信号としてＧＮＤの０［Ｖ］、Ｈｉｇｈ信号として腕時計に用いられる電池電圧（例えば１．５［Ｖ］）
から半分程度降圧した０．７５［Ｖ］程度の大きさの電圧信号を印加する。
【０１５６】
［駆動回路の作用の説明：図１４］
次に、駆動回路の作用について、図１４を参照しつつ説明する。
まず、スイッチ素子１０ａ，１０ｂにトランスファーゲートを用いる理由を説明する。
ここで、一般的な腕時計用ステップモータの駆動回路に用いられているＰ−ＭＯＳＦＥＴのみによるスイッチ素子で１０ａ，１０ｂを構成した場合を考えてみる。特にチョッパ駆動のように時間平均により実効電圧を下げる場合ではなく、フルパルス駆動で電圧振幅を下げることで低い実効電圧を印加する場合を考えてみる。
【０１５７】
スイッチ素子を動作させ、ソース−ドレイン間を非通電の状態から導通させるために、端子ＴＲ１ｂ，ＴＲ２ｂを介して信号線１０ｉにＬｏｗ信号（この場合０［Ｖ］）を供給した場合、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴのソース側（ＴＲ１ａ，ＴＲ２ａ）の電位は、第１の電源線１０ｇより供給される実効電圧０．１［Ｖ］と低いために、閾値電圧０．３５［Ｖ］〜０．５［Ｖ］を超える電位差をつくりだせずに、ドレイン電流が流れずにスイッチとして動作しない。
【０１５８】
このような状況にあるため、本発明のステップモータの駆動回路では、スイッチ素子１０ａ，１０ｂにトランスファーゲートを用いている。
トランスファーゲートでは、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴがＰ−ＭＯＳＦＥＴと並列に接続しているために、この場合には、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ側がスイッチとして動作する。ゲートにＨｉｇｈ信号（この場合１［Ｖ］程度）が入力されたとき、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴのソース側（ＴＲ１ｃ，ＴＲ２ｃ）の電位は、スイッチ素子１０ｃ，１０ｄ（これらが導通状態の際）を介して第２の電源線１０ｈよりＧＮＤ（０［Ｖ］）が供給されているために、ソース−ドレイン間電圧が１〔Ｖ〕となり、電圧を十分に超えているために、スイッチとして動作しドレイン−ソース間に電流が流れる。
トランスファーゲートにすることにより、チョッパ駆動で時間平均として実効電圧を下げる場合や後述するようにロータを高速回転させるために高い電圧（例えば１．５［Ｖ］）をコイルに印加させる場合には、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴの代わりに、並列に接続しているＰ−ＭＯＳＦＥＴがスイッチとして動作するため、様々な運針に対応できる。
【０１５９】
次に通常運針時において、コイルに印加する駆動パルスの実効電圧が０．１［Ｖ］〜０．３［Ｖ］程度が望ましいことについて説明をする。
説明にあっては、簡単のために１つのコイルのみに印加している状態を想定した場合とする。そのとき、ロータに作用するトルクの釣り合いと、印加している側のコイルの電圧の釣り合いは、数２で表される。
【０１６０】
【数２】
0005495989.tif 000003
【０１６１】
数２において、θはロータの回転角度、ωはロータの角速度、ｉはコイルに流れる電流、Ｋはトルク係数（＝逆起電圧係数）、Ｊ・ｄω／ｄｔは慣性負荷、Ｔｈ（θ）は保持トルク、Ｄ・ωは速度依存負荷、ＴＬは摩擦トルク（起動時は静止摩擦トルク、回転時は動摩擦トルク）、ｅはコイルへの印加電圧、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｒはコイルの抵
抗である。
【０１６２】
なお、２個のコイルからロータに作用するそれぞれのトルクの大きさは等しく、コイルの仕様も等しく、等しい印加電圧を加えているとしている。また、コイル間の相互インダクタンスは小さいものとして省略している。
本発明のステップモータは、保持トルクＴｈ（θ）が生じない（ほぼゼロ）構成であるから、数２より、ロータの角速度ω及びコイルに流れる電流ｉは、コイルへの印加電圧ｅを小さくすればするほど小さくなることが分かる。
【０１６３】
ロータの角速度ωやコイルに流れる電流ｉが小さくなるにつれて、それらの微分であるｄω／ｄｔ、ｄｉ／ｄｔの影響も小さくなる。過渡応答的な挙動をする従来技術のようなステップモータとは異なり、ロータの余分な加減速を極力抑えて摩擦力をわずかに上回る程度の駆動トルクを常に与えることによって、非常に低い角速度で動く駆動方式であるために、数２は数３のように書き換えられる。
【０１６４】
【数３】
0005495989.tif 000004
【０１６５】
数３において、ロータが１つのステップが完了し終わる時には、ロータの角速度はほぼω＝０となり、数３は更に近似的に数４のように書き換えられる。
【０１６６】
【数４】
0005495989.tif 000005
【０１６７】
発明者が実験したところによると、Ｋ＝約６ｅ−４［Ｖｓ］、Ｒ＝約２８００［Ω］、ｅ＝約０．１２［Ｖ］のときに、ｉ＝約４２［ｕＡ］、ω＝約３［ｄｅｇ／ｍｓ］程度という非常に低い回転速度でロータはゆっくりとスムースに回転し続けた。
なお、一般的な時計用の単相ステップモータの駆動時のロータの回転速度は、約３５［ｄｅｇ／ｍｓ］程度である。このとき、摩擦トルクＴＬを上述の数４より計算すると、約２．５ｅ−８［Ｎｍ］となるが、非常に低速度であることからこのＴＬは摩擦トルク及びヨークの磁性体のヒステリシス特性に基づく損失によるトルクと考えられる。
実験では、ヨークにはヒステリシスの少ないパーマロイを用いており、ほとんどが摩擦トルクによるものと考えられる。なお、上記実験結果は回転し続けている定常状態であり、起動時には印加電圧を少し上げる必要があるが、これは静止摩擦トルクが動いている状態の摩擦トルク（動摩擦トルク）よりも大きいためであると考えられる。
【０１６８】
ところで、印加するパルスの幅は、短すぎてもロータが所定の角度まで回転しきらないために、実験などにより所定の角度まで回転させうるようにパルス幅を増やしていくことで設定する。そのため、知られているステップモータのように所定のパルスレートで回転させるというわけではない。しかし、このような設定方法とすることでパルスレートに同期した回転動作をする同期モータ、あるいはその小分類であるステップモータではあるものの、過渡的な起動と停止が少なく速度変動の小さいＤＣモータのように回転させること
ができる。そのため、非常に速度変動の小さい連続運針を実現できる。
【０１６９】
［駆動回路の効果の説明：図１６］
次に、駆動回路の効果について、図１６を参照しつつ説明する。
図１６は、印加電圧とそのときのロータの角速度との関係を模式的に示す図である。図１６（Ａ）は従来技術の場合、図１６（Ｂ）は本発明の小さい印加電圧を加えた場合のロータの角速度の関係を示す図である。図中、Δωｄは従来技術の角速度の変動幅、Δωｆは本発明の角速度の変動幅である。
【０１７０】
図１４を用いて説明した回路の構成であるとすると、通常運針時、コイルには図１６（Ｂ）のような小さい実効電圧を印加させてもスイッチ動作を正常にさせることができる。本発明のステップモータでは、保持トルクを生じさせないようにしているため、駆動トルクを発生させるのに必要な大きい印加電圧を加える必要がない。従来から知られている単相ステップモータは、保持トルクを上回るような大きい印加電圧が必要であり、ロータが大きな加減速を繰り返すことで角速度の変動幅Δωｄも大きくなっていたが、そのような動作は起こさない。
常に摩擦トルクをわずかに上回る程度の駆動トルクを常に作用させて回転させる駆動でよいから、余分な加減速がなく、ロータの角速度の変動幅Δωｆも小さくて済む。
【０１７１】
ロータが１ステップあたり、図１６（Ｂ）のような角速度の動きをつなげていくことで、速度変動の小さい運針を実現できる。つまり、連続運針を行なうとき、その角速度の変動は緩やかな正弦波のようになり、そして、すでに説明した図２７（Ｂ）に示したような目標とするフラットな角速度波形１０８ｂに近い波形になるのである。
【０１７２】
図１６（Ａ）のような従来技術の場合、印加電圧をＶｄ［Ｖ］、通電時間をｔｄ［ｓ］とし、その区間にコイルに流れる平均電流をｉｄ［Ａ］とした場合、入力エネルギーＥｄ［Ｊ］は、Ｅｄ＝Ｖｄ＊ｉｄ＊ｔｄである。
一方、図１６（Ｂ）に示す本発明の場合、印加電圧をＶｆ［Ｖ］、通電時間をｔｆ［ｓ］とし、その区間にコイルに流れる平均電流をｉｆ［Ａ］とした場合、入力エネルギーＥｆ［Ｊ］は、Ｅｆ＝Ｖｆ＊ｉｆ＊ｔｆである。
【０１７３】
図１６（Ａ）では、ｔｄ［ｓ］が小さいが、Ｅｄ［Ｖ］及びｉｄ［Ａ］は大きくなる。一方、図１６（Ｂ）では、ｔｆ［ｓ］は大きいが、Ｅｆ［Ｖ］及びｉｆ［Ａ］は小さくなる。
所定のパルスレートに設定するためにｔｆを任意に設定することができず、ロータが所定の角度を回転しきるのみ十分な幅のパルスに設定する必要があるものの、従来技術のようにパルス数に比例して消費電力が上がっていくことはなく、印加する実効電圧を下げることで入力エネルギーである消費電力を上げることなく連続運針を実現できる。
【０１７４】
なお、繰り返しになるが、印加電圧をほぼ摩擦トルクに釣り合う程度にまで下げることができるのは、本発明のステップモータが保持トルクを有さない構成であるためである。保持トルクを有していないから、図１６（Ｂ）には、図２７（Ａ）に示した領域α（角速度の負の変動の領域）は存在せず、角速度の変動幅Δωｆは大変小さくなっている。
【０１７５】
［駆動回路の変形例の説明：図１７］
次に、駆動回路の実効電圧を下げる手法について、図１７を参照しつつ説明する。
なお、本発明で言う実効電圧とは、電圧振幅値だけを言うのではなく、印加する時間幅も考慮した時間平均を取った値のことである。
図１７は、印加電圧としてチョッパ電圧を加えた場合の電流の関係を模式的に示す特性図である。図１７（Ａ）は、印加電圧Ｖａの電圧パルス７ｃの振幅が大きく、この印加電
圧Ｖａを腕時計に用いられているような電池電圧（例えば１．５［Ｖ］）のままチョッパとした場合の電流特性９ｃを示している。
図１７（Ｂ）は、電池電圧を半分程度（例えば０．７５［Ｖ］）に降圧したものを印加電圧Ｖｂの電圧パルス７ｄとし、チョッパとした場合の電流特性９ｄを示している。
図１７（Ｃ）は、電池電圧を１／１０から１／１５程度に降圧したものを印加電圧Ｖｃの電圧パルス７ｅとし、チョッパではなくフルパルスとして印加した場合の電流特性９ｅを示している。
【０１７６】
電流特性９ｃ，９ｄ，９ｅのそれぞれの実効値Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは、それぞれ同程度の値である。チョッパ化した場合、Ｄｕｔｙを調整することで、実効値を制御できる。しかし、印加電圧が大きいほど、基本周波数を高くしていかないとＤｕｔｙによる実効値の調整は困難となる。
例えば、図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）の場合、区間ｔｇを仮に３０分割にした場合、図１７（Ａ）では、１．５×１／３０＝０．０５［Ｖ］分の実効電圧の分解能しかないのに対して、図１７（Ｂ）では、０．７５×１／３０＝０．０２５［Ｖ］であり、図１７（Ａ）の倍の分解能を持つことができる。
【０１７７】
先述したように本発明のステップモータに必要な実効電圧の値は０．１〜０．３［Ｖ］程度であるために、仮に摩擦トルクに釣り合うように、０．１７５［Ｖ］近傍で電圧を調整しようとしても、図１７（Ａ）の場合には、０．０５［Ｖ］幅の０．１５［Ｖ］、０．２０［Ｖ］の値しか取り得ない。入力エネルギーは実効電圧の二乗に比例するために、電圧が０．０５［Ｖ］変化することで大きく変動してしまい、過剰なエネルギーをロータの回転に投入してしまうか、ロータの回転に不十分なエネルギーしか投入できないことになってしまう。また、チョッパ駆動のために周波数を上げていくにつれて、回路の消費電力を上がってしまうという問題も発生する。
そのため、本発明のステップモータでは、印加電圧を可能な限り下げ、最後のチョッパで実効電圧を微調整するというのが、製造誤差などによるばらつきの影響の大きい摩擦トルクに対して印加電圧を設定し易い手法と言える。
【０１７８】
［駆動手段の説明：図１８］
次に、すでに説明した駆動手段３０について、図１８を参照しつつ説明する。
図１８は、ステップモータと駆動手段の構成を説明するための図である。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。図１８において、３０ａは可変電圧手段、３０ｂは検出手段である。
【０１７９】
駆動手段３０は、コイル１３，２３に駆動パルスを印加する駆動回路１０と、駆動回路１０からコイル１３，２３に流れる電流情報などを読み取ることでロータ３の回転や非回転を検出する検出手段３０ｂと、検出手段３０ｂの検出結果に基づいて駆動パルスの実効電圧を可変したり、駆動回路１０に送る制御信号のＤｕｔｙを可変するための可変電圧手段３０ａと、を備える。
【０１８０】
次に、図１８に示す駆動手段３０の作用及び効果について説明する。
ロータ３が非回転と判断されると、可変電圧手段３０ａでは通常運針時のために実効電圧を下げた印加電圧を駆動回路１０に供給している状態を切り替えて、実効電圧を上げ必ず回転するように余裕のあるエネルギーをコイル１３，２３に供給する。実効電圧の上げ方として電圧振幅自体を上げる方法や、Ｄｕｔｙを高くする方法をとり得る。
【０１８１】
説明したように本発明のステップモータは、実効電圧を摩擦トルクに釣り合う程度にまで下げている。摩擦トルクは環境などの影響により経時変化し易く、摩擦トルクが上昇するとロータ３は回転できなくなってしまう。しかし、図１８に示す駆動手段３０のように
すれば、高い実効電圧をコイルに供給できるから、非回転時にも必ず回転させることができるようになるのである。
【０１８２】
［駆動手法の説明：図１０、図１９］
次に、図１８に示す駆動手段３０の制御の仕方について、図１０及び図１９を参照しつつ説明する。
図１９は、通常運針時に除々に実効電圧を下げていくためのアルゴリズムである。
【０１８３】
起動時（ＳＴＥＰ１）には、ロータや輪列には静止摩擦トルクが作用しているために、高い実効電圧を印加しないと回転しない。この電圧としては０．２〜０．３［Ｖ］程度である。例えば、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示す区間ｔｒをｎ＝１として、ｎがａ（ａは整数で２以上）回経過したと判断したら（ＳＴＥＰ２）、中程度の実効電圧に下げる（ＳＴＥＰ３）。この電圧は０．１５［Ｖ］〜０．２［Ｖ］程度である。
【０１８４】
そしてまた、ｎがｂ（ｂは整数で２以上）回経過したと判断したら（ＳＴＥＰ４）、更に低い実効電圧に下げる（ＳＴＥＰ５）。この電圧は０．０８［Ｖ］〜０．１５［Ｖ］程度である。ロータがこの低い実効電圧のまま回転し続けていれば、そのままの電圧であるが、万が一回転しなかったら、先述したような非回転を検出した場合の処理として実効電圧を上げ（例えば本アルゴリズムではＳＴＥＰ１）、再度図１９のアルゴリズムにしたがって実効電圧を下げていく。もちろん実効電圧の制御は先述したようにチョッパのＤｕｔｙ制御をしても構わない。
【０１８５】
このように起動時などに高い実効電圧で駆動し、除々に実効電圧を下げていく制御を行うことにより、確実な回転と低消費電力化を達成することができる。
【０１８６】
［１−２相励磁時の第２の駆動方式の説明：図２０］
すでに図１０〜図１３を用いて本発明のステップモータを電子時計の連続運針用に用いるとき、正回転方向に、どのように動かすのかを説明した。ここでは、１−２相励磁の場合の駆動パルスの第２の駆動方式を、図２０を用いて説明する。この駆動方式は、２相通電する区間の時間幅がすでに説明した駆動方式と異なっている。
図２０（Ａ）は、図１０（Ｃ）を用いてすでに説明した１−２相励磁の駆動パルスを示す図であり、図２０（Ｂ）は、第２の駆動方式であり、より望ましい１−２相励磁の駆動パルスを示す図である。
【０１８７】
１−２相励磁では、図２０（Ａ）のように、２相通電する区間ｔｒ２と１相通電する区間ｔｒ１とが交互に配置される。しかし、図２０（Ｂ）に示す第２の駆動方式では、２相通電する区間ｔｒ２の幅を１相通電する区間ｔｒ１よりも短くする駆動パルスを印加している。
【０１８８】
２相通電する区間においては、２つのコイルによりロータは駆動トルクを作用させられるために、駆動トルクに余裕がある。そこで、図２０（Ｂ）のような駆動パルスを印加することで、２相通電する区間の駆動トルクを下げても回転できるのである。
【０１８９】
［１−２相励磁時の第２の駆動方式の効果の説明：図２１］
次に、この第２の駆動方式による効果について図２１を用いて説明する。
図２１において、縦軸は消費電力、横軸は２相通電区間と１相通電区間との時間の比を示している。それぞれの時に印加する実効電圧を可変することで消費電力の違いについて第１実施形態の場合に得られた実験結果を示す概要図である。
【０１９０】
この図で０：１０の時は１相励磁と同じであり、１０：０は２相励磁と同じであり、５
：５は一般的な１−２相励磁の場合である。図２１に示すように、２相通電区間と１相通電区間の時間比を３：７程度にした場合に、消費電力は最も下がった。
なお、上述のように、これらの調整は、区間ｔｒ２と区間ｔｒ１との時間幅を変えるのみで良いために、制御や調整が容易である。
【０１９１】
［１−２相励磁時の第３の駆動方式の説明：図２２］
図２０を用いて説明した第２の駆動方式では、２相通電する区間の時間幅を変えることで、２相通電する区間の駆動トルクを下げたが、図１０（Ｃ）を用いてすでに説明した区間ｔｒ２と区間ｔｒ１との時間幅が同じである駆動方式であっても、Ｄｕｔｙ、周波数、実効電圧を変えることで駆動トルクを下げるようにしても構わない。それが図２２に示す第３の駆動方式である。
【０１９２】
図２２（Ａ）では、チョッパ駆動の場合で、２相通電区間のＤｕｔｙを１相通電区間のＤｕｔｙよりも小さくしている場合であって、Ｄｕｔｙを変えるのみで良いために最も制御し易い。
図２２（Ｂ）もチョッパ駆動の場合で、２相通電区間の周波数を１相通電区間の周波数よりも小さくしている場合であって、Ｄｕｔｙは同じである。この場合、周波数を増やす必要があり、図２２（Ａ）の場合よりも消費電力が増えてしまうが、より高い分解能で実効電圧を調整できるという利点がある。
図２２（Ｃ）は、フルパルスで駆動する場合であって、電圧振幅を変えることで区間ｔｒ２の実効電圧Ｖｆ２を区間ｔｒ１の実効電圧Ｖｆ１よりも小さくしている。このような微妙な電圧変化を付けるためには、降圧回路の規模が多少大きくなってしまうという課題があるが、チョッパ駆動の場合と異なりコイルに流れる電流にノイズがのりにくく、電流からロータの回転情報を抽出し易いという利点がある。
【０１９３】
［ロータの駆動の詳細の説明２：図２３、図２４］
次に、本発明のステップモータを電子時計に用い、その運針を、高速駆動、ステップ状駆動、連続運針用と切り換えて用いるとき、それぞれをどのように動かすのかを図２３及び図２４を用いて説明する。
図２３は、駆動方法選択のアルゴリズムについて説明するための図であり、図２４（Ａ）は高速駆動時の駆動パルスの例、図２４（Ｂ）はステップ状駆動時の駆動パルスの例を示す図である。
【０１９４】
これまでは、特に通常運針時の特に連続運針について速度変動が小さく、低消電力で駆動する方法について説明してきた。しかし、駆動パルスを選択することにより、その他の駆動方法も可能となる。
図２３では、まず初期化処理（ＳＴＥＰ１）として、ロータの初期位置を決めるためのパルスを印加する。続いて正回転か逆回転かを選択（ＳＴＥＰ２）する。続いて高速駆動か通常運針かを選択（ＳＴＥＰ３）を行う。
【０１９５】
ＳＴＥＰ３で高速駆動の選択を行うと（選択は図示しない外部スイッチなどの信号に基づく）、高実効電圧（例えば電池電圧の１．５［Ｖ］）をコイルに印加し、また高い周波数の高速運針パルス（図２４（Ａ）を参照）を出力する（ＳＴＥＰ５）。高速運針パルスはクロノグラフなどに用いることができる。本発明のステップモータは一般的な単相ステップモータと異なり、ロータからの磁束はそれぞれ２つのステータに分かれ、それぞれのコイルを鎖交する。そのため、それぞれのコイルに発生する逆起電圧が小さくなるため、特に高速回転させた場合には逆起電圧と電源電圧とのバランスにより決まってくる回転速度の限界が高く、単相ステップモータの場合よりも高速に駆動させることができる。
【０１９６】
ＳＴＥＰ３で通常運針を選択すると、次にステップ状運針かどうかを選択（ＳＴＥＰ４
）する。
ここでステップ状運針を選択すると、高実効電圧（例えば電池電圧の１．５［Ｖ］）で、ステップ状運針パルス（図２４（Ｂ）を参照）をコイルに印加する（ＳＴＥＰ６）。なお、図２４（Ｂ）では２相励磁としているが、１相励磁でも、１−２相励磁でも構わない。
ステップ状運針とは、例えばロータを１０回転分高速で送り（区間ｔｓｔｅｐ）、その後ロータを停止させた状態のままにし（区間ｔｓｔａｙ）、ある所定の周期後に再度ロータを１０回転分高速で送り、再びその後ロータを停止させた状態のままにしておくなどとする運針方法のことである。このような運針方法をすることにより、使用者は針がまるでステップ運針をしているかのように認識することができる。
【０１９７】
ＳＴＥＰ４でステップ状運針ではない連続運針を選択すると、先述してきたような低実効電圧（例えば０．１〜０．３［Ｖ］）の連続運針パルスをコイルに印加する（ＳＴＥＰ７）。
【０１９８】
このように本発明のステップモータは、連続運針以外の駆動方法も選択でき、使用者は運針を気分に応じて選択できる。
【０１９９】
以上、第１実施形態を例にして、本発明のステップモータの細部や駆動回路及び駆動方法について図面を用いて説明したが、もちろん、それらは第１実施形態に限定するものではない。スペーサを用いた絶磁構造や駆動手法は、他の実施形態においても用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２００】
この発明は、腕時計をはじめとする各種の指針を備えた電子時計の駆動源として利用できる。電池のような一次電池を電源とするもののほか、太陽電池や熱発電素子あるいは機械式発電ユニットなどと二次電池との組合せを電源とするものにも適用することができる。
【符号の説明】
【０２０１】
１  第１のステータ
２  第２のステータ
１１，２１  ヨーク
１１ａ，２１ａ  ロータ孔
１１ｂ，２１ｂ  スリット
１１ｃ，２１ｃ  内ノッチ
１１ｄ，２１ｄ  磁束飽和部
１２，２２  コイル芯
１３，２３  コイル
３，３’ロータ
３ａ  ロータ磁石
３ｂ  ロータカナ
４，４ａ，４ｂ  保持トルク
５，５ａ，５ｂ  磁束
５ｃ，５ｄ，５ｅ  磁界
６’  中座
６ａ  下座
６ｂ  スペーサ
９ｃ，９ｄ，９ｅ  電流特性
１０  駆動回路
３０  駆動手段
３０ａ  可変電圧手段
３０ｂ  検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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