(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源より供給される動力により回転する回転体にブレーキをかけることにより回転体の回転周期を制御する回転制御装置であって、
回転体の回転数に対応した回転信号を発生する回転検出手段と、回転体の目標回転数に対応した目標信号を発生する目標信号発生手段と、
前記回転検出手段より出力される回転信号と前記目標信号発生手段より出力される目標信号との位相差を検出してブレーキ制御信号となる位相差補償信号を発生する位相差補償手段と、
前記回転信号および目標信号の周波数差を検出してブレーキ制御信号となる周波数差補償信号を発生する周波数差補償手段と、
前記位相差補償手段の位相差補償信号および前記周波数差補償手段の周波数差補償信号によりブレーキの掛け方を制御するブレーキ制御手段と、を備、
前記位相差補償手段は、位相差検出手段とその出力を受ける補償信号発生手段とを含み、
前記回転信号と目標信号とは繰り返しパルス波形であり、
前記位相差検出手段は、目標信号の立ち上がり、または、立ち下がりで加算または減算されるとともに、回転信号の立ち上がり、または、立ち下がりで減算または加算されて各信号の立ち上がり、または、立ち下がりの数を積算するカウンタを備えて構成され、このカウンタの出力を位相差信号として出力することを特徴とする回転制御装置。
【請求項２】
前記周波数差補償手段は、周波数差補償信号を保持する周波数差補償保持手段を備え、
前記ブレーキ制御手段は、回転制御を開始した直後の制御開始段階と回転制御が安定している時の定常制御段階との２つの制御モードを有し、
前記制御開始段階においては、周波数差補償手段の周波数補償信号により回転制御を行い、
定常制御段階においては、回転制御が安定して制御開始段階から定常制御段階へ切り替える時に前記周波数差補償保持手段により保持された周波数差補償信号と前記位相差補償信号との加算信号によりブレーキ制御を行うことを特徴とする請求項１記載の回転制御装置。
【請求項３】
前記ブレーキ制御手段は、前記制御開始段階において、回転制御が安定したことを周波数差により判定することを特徴とする請求項２記載の回転制御装置。
【請求項４】
前記ブレーキ制御手段は、前記制御開始段階において、制御開始から予め定めた一定時間経過したときに回転制御が安定したとみなし、制御開始段階から定常制御段階への切り替えを行うことを特徴とする請求項２記載の回転制御装置。
【請求項５】
前記補償信号発生手段は、積分作用を含む位相差補償フィルタを含み、
この位相差補償フィルタは前記位相差信号の符号を検出する符号検出回路と、位相差信号の絶対値により分周比を可変する分周器と、分周器の出力を前記符号により加算または減算するカウンタと、を含むことを特徴とする請求項１記載の回転制御装置。
【請求項６】
前記回転体は、機械的エネルギ源と、輪列を介して連結される前記機械的エネルギ源によって駆動されて誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する発電機と、前記輪列に結合された指針とを備える電子制御式機械時計における前記発電機であることを特徴とする請求項１〜５記載の回転制御装置。
【請求項７】
前記回転体は、機械的エネルギ源と、動力伝達機構を介して連結される前記機械的エネルギ源によって駆動される作動部材とを備える玩具における前記回転部材であることを特徴とする請求項１〜５記載の回転制御装置。
【請求項８】
前記回転体は、電気的エネルギ源と、前記電気的エネルギ源によって駆動される電動機とを備える玩具における前記電動機であることを特徴とする請求項１〜５記載の回転制御装置。
【請求項９】
前記回転体は、エンジンと、前記エンジンで駆動されてモータとしても機能する発電機とを備えたハイブリッドカーにおける前記発電機であることを特徴とする請求項１〜５記載の回転制御装置。
【請求項１０】
動力源より供給される動力により回転する回転体にブレーキをかけることにより回転体の回転周期を制御する回転制御方法であって、
回転体の回転数に対応した回転信号と、回転体の目標回転数に対応した目標信号とを比較してその位相差を検出するとともに、
前記回転信号と目標信号との周波数差を検出し、
前記位相差に応じた位相差補償信号と、前記周波数差に応じた周波数差補償信号とにより回転体のブレーキを制御するにあたり、
前記位相差の検出は、繰り返しパルス波形である目標信号の立ち上がり、または、立下りでカウンタが加算または減算されるとともに、繰り返しパルス波形である回転信号の立ち上がり、または、立ち下がりで前記カウンタが減算または加算されて、各信号の立ち上がり、または立ち下がりの数を前記カウンタで積算して出力することによることを特徴とする回転制御方法。
【請求項１１】
回転制御を開始した直後の制御開始段階では、周波数差補償信号により回転体のブレーキ制御を行い、
回転制御が安定したらその時点での周波数差補償信号を保持するとともに、定常制御段階に切り替え、
定常制御段階では、保持した周波数差補償信号と前記位相差補償信号との加算信号により回転体のブレーキ制御を行うことを特徴とする請求項10記載の回転制御方法。
【請求項１２】
前記制御開始段階において、回転制御が安定したことを周波数差により判定することを特徴とする請求項11記載の回転制御方法。
【請求項１３】
前記制御開始段階において、制御開始から予め定めた一定時間経過したときに回転制御が安定したとみなし、制御開始段階から定常制御段階への切り替えを行うことを特徴とする請求項11記載の回転制御方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、回転制御装置および回転制御方法に係り、詳しくは、ゼンマイ、エンジン、電力、人力等を利用して各種の回転体を回転させる際にその回転体を調速する回転制御装置および回転制御方法に関するものである。
背景技術
ゼンマイが開放する時の機械エネルギを発電機で電気エネルギに変換し、その電気エネルギにより回転制御手段を作動させて発電機のコイルに流れる電流値を制御することにより、輪列に固定される指針を正確に駆動して正確に時刻を表示する電子制御式機械時計として、特公平７−119812号公報に記載されたものが知られている。
この電子制御式機械時計では、発電機のロータの回転に基づく信号をカウンタに入力し、一方で水晶発振器からの信号もカウンタに入力し、これらの各カウンタの値を比較し、その差に基づいて発電機を制御することでその回転速度を制御していた。このカウンタは、基準クロックパルス（Refパルス）と、発電機回転周期パルス（Ｇパルス）の位相差を比較してＧパルスが進みであればU/Dカウンタをダウンカウントし、遅れであればアップカウントしており、いわゆる積分カウンタで構成されていた。
そして、Refパルスの１周期間の時間を測定して得られた値と、積分カウンタで得られた値が一致した時点から発電機にブレーキがかかり、Refパルスの１周期間の時間測定が終了するまでブレーキが持続されていた。従って、積分カウンタの値は、ブレーキ開放時間を設定していることになる。つまり、積分カウンタの値には、目標速度（Refパルス）に対して、Ｇパルスの平均速度が一致するような、ブレーキ開放時間Ｎが積算されていた。すなわち、このシステムでは、積分制御を採用していた。
しかしながら、このような積分制御方式は、１周期毎に出力される信号をカウンタでカウントしながら比較するため、十分に長い時間にわたるロータの平均速度は設定された時間に調速することができ、平均的な調速運針が可能である反面、即座にはロータの回転速度を調整することができず、応答性が低いという問題があった。その上、ゼンマイの力とブレーキ制動力の力関係が目標の周波数に整定するまで、いくらかの位相偏差が生じてしまうという問題もあった。
すなわち、積分制御は、図26のブロック線図で表すことができる。一般に発電機／電動機に使われる伝達関数は、1/s（sT＋１）となることが知られている。これは、図26に示すように、1/（sT＋１）の１次遅れの伝達関数601と、1/sの積分頃602によって構成されている。従って、制御対象である発電機自身に積分要素が含まれていることになる。この制御対象に積分制御のみを行った場合を想定したボード線図を図27,28に示す。
これらのボード線図において、回転制御が安定する条件としては、位相余裕つまり利得0db（ゲイン交点）時の位相が−180゜よりも進みであることと、ゲイン余裕つまり位相−180゜（位相交点）時の利得が0db以下であることが必要である。
しかしながら、積分制御だけの場合、図27に示すように、制御対象で−90゜、積分制御によってさらに−90゜位相が遅れるため、−180゜近辺の位相特性となっている。このため、積分制御だけでは、位相余裕やゲイン余裕が取れないため、安定した制御が難しくなる。このため、特公平７−119812号公報の時計では、かなり低い周波数で制御しなければならず、0.016Hz以下程度の応答性となってしまう。
また、仮に、積分カウンタのゲインを100倍にした場合を図28に示す。この場合も、位相余裕は−180゜より遅れとなり、安定した制御は期待できない。
以上のデータからも明らかなように、従来の積分制御のみでの制御では、平均した調速は可能であるが、位相偏差が解消されないという問題点があった。
また、制御の応答性が遅いため、腕時計において腕を振って加速度が発生した場合のような急激な外乱に対してほとんど対応できないという問題もあった。
さらに、前記時計では、動力としてゼンマイを使用するため、その巻き方の程度により回転力が大きく変化し制御誤差が生じてしまうため時計の遅れや進みが発生する。また、腕時計として利用する場合には腕の動きによってロータなどに加速度が発生し、これが外乱となり制御状態が不安定となってしまい針の動きが変動したり、進みや遅れが発生するという問題もあった。
このような積分制御は、回転体の制御として広く利用されているため、上記のような問題点は、時計に限らず、各種の回転体、例えば、ゼンマイによって人形などの回転体が回転動作する各種玩具や、オルゴールのドラム、ガソリンエンジンと電気モータを組み合わせたハイブリッドカーの電気モータ等、調速制御が必要な各種の回転体を制御する場合にも同様の問題がある。
本発明の第１の目的は、回転体の位相偏差も解消でき、かつ制御システムの応答性が速く、外乱にも強い回転制御装置および回転制御方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、回路規模を小さくできて腕時計等の小型の機器に利用することができるように、回路構成を簡単にできる回転制御装置および回転制御方法を提供することである。
発明の開示
本発明は、動力源より供給される動力により回転する回転体にブレーキをかけることにより回転体の回転周期を制御する回転制御装置であって、回転体の回転数に対応した回転信号を発生する回転検出手段と、回転体の目標回転数に対応した目標信号を発生する目標信号発生手段と、前記回転検出手段より出力される回転信号と前記目標信号発生手段より出力される目標信号との位相差を検出してブレーキ制御信号となる位相差補償信号を発生する位相差補償手段と、前記回転信号および目標信号の周波数差を検出してブレーキ制御信号となる周波数差補償信号を発生する周波数差補償手段と、前記位相差補償手段の位相差補償信号および前記周波数差補償手段の周波数差補償信号によりブレーキの掛け方を制御するブレーキ制御手段と、を備え前記位相差補償手段は、位相差検出手段とその出力を受ける補償信号発生手段とを含み、前記回転信号と目標信号とは繰り返しパルス波形であり、前記位相差検出手段は、目標信号の立ち上がり、または、立ち下がりで加算または減算されるとともに、回転信号の立ち上がり、または、立ち下がりで減算または加算されて各信号の立ち上がり、または、立ち下がりの数を積算するカウンタを備えて構成され、このカウンタの出力を位相差信号として出力することを特徴とするものである。
本発明では、回転体の回転信号と、その回転体の目標信号との位相を比較し、その位相差に基づいて回転体のブレーキ回路にブレーキ制御信号となる位相差補償信号を入力しているので、いわゆる位相同期回路制御つまりPLL（phase−locked loop）制御を実現できる。このため、例えば回転体の１周期毎の回転信号波形を比較してブレーキレベルを設定できるため、一旦ロックレンジに引き込めば、信号波形が瞬時に大きく変動することがない限り、応答性の速い安定した制御システムを実現することができる上、位相偏差も無くすことができる。
さらに、位相差補償手段のほかに周波数差補償手段を設けているため、回転体の回転制御を開始した直後等、PLL制御におけるロックレンジから外れている際に、周波数差補償手段を用いて回転信号と目標信号との位相差を無視して速度差を０に近づける制御を行うことができ、回転体をロックレンジに迅速に引き込むことができる。従って、この周波数差補償手段で速度差を０に近づけた後に、位相差補償手段で回転制御すれば、位相差補償手段のみで制御した場合に比べて大きな位相偏差が蓄積されることを防止でき、回転体の調速制御を迅速に行うことができる。
この場合、位相差検出手段をカウンタで構成すれば、回路構成を簡単にできて機器の小型化を容易に実現でき、コストも低減できる。さらに、複数のカウンタ値を保持可能なカウンタを用いることができるので、広い範囲で位相差を検出でき、位相差が累積された場合でもその累積値を保持することができるため、累積の位相差に応じた制御を行うことができ、より正確な調速制御を行うことができる。
ここで、前記周波数差補償手段は、周波数差補償信号を保持する周波数差補償保持手段を備え、前記ブレーキ制御手段は、回転制御を開始した直後の制御開始段階と回転制御が安定している時の定常制御段階との２つの制御モードを有し、前記制御開始段階においては、周波数差補償手段の周波数補償信号により回転制御を行い、定常制御段階においては、回転制御が安定して制御開始段階から定常制御段階へ切り替える時に前記周波数差補償保持手段により保持された周波数差補償信号と前記位相差補償信号との加算信号によりブレーキ制御を行うことが好ましい。
本発明では、制御開始段階では周波数差補償手段による周波数差補償信号によって回転制御を行うために、回転体の回転数が目標回転数に対して大きくずれている場合でも、迅速に目標回転数に近づけることができ、応答性良く回転制御を行うことができる。
さらに、定常制御段階では、周波数差補償信号と位相差補償信号との加算信号を用いて回転制御しているので、周波数差補償信号でおおよそのブレーキ量を設定でき、位相差補償信号は周波数差補償信号で制御できない微少な制御を行うためのブレーキ量を設定すればよいため、各信号を加算することで最適な制御量を迅速に求めることができ、回転制御の応答性をより一層向上することができる。
その上、周波数差補償信号は、概算のブレーキ量を算出できればよいため、周波数差補償手段の構成も簡略化できる。
前記ブレーキ制御手段は、前記制御開始段階において、回転制御が安定したことを周波数差により判定してもよい。周波数差で判定すれば、確実にかつ比較的容易に回転制御が安定したことを判定することができ、回転体のばらつきによらずに適切に制御の切替を行うことができる。
また、前記ブレーキ制御手段は、前記制御開始段階において、制御開始から予め定めた一定時間経過したときに回転制御が安定したとみなし、制御開始段階から定常制御段階への切り替えを行うものでもよい。時間によって判断すれば、周波数差で判断する場合に比べて回路構成を簡易にでき、回路を容易に小型化できて腕時計等の小型の機器に容易に適用できる。
さらに、前記位相差補償手段は、積分作用を含む位相差補償フィルタを含み、この位相差補償フィルタは、前記位相差信号の符号を検出する符号検出回路と、位相差信号の絶対値により分周比を可変する分周器と、分周器の出力を前記符号により加算または減算するカウンタと、を含むことが好ましい。この場合、位相差補償フィルタが補償信号発生手段となり、カウンタの出力が位相差補償信号となる。
位相差信号の絶対値で分周器の分周比を可変しているので、位相差の大きさによって位相差補償信号の大きさも適切に設定できて迅速に位相差を無くすように制御することができる。
また、前記回転体は、機械的エネルギ源と、輪列を介して連結される前記機械的エネルギ源によって駆動されて誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する発電機と、前記輪列に結合された指針とを備える電子制御式機械時計における前記発電機であってもよい。このような電子制御式機械時計に本発明を適用すれば、針合わせのために発電機が停止した状態から針合わせを行って運針を再開した際に、発電機の回転を迅速に目標回転数（水晶振動子からの基準周波数等）に合わせることができ、正確な運針状態に迅速に移行することができる。
さらに、前記回転体は、機械的エネルギ源と、動力伝達機構を介して連結される前記機械的エネルギ源によって駆動される人形などの作動部材と、この作動部材に連動して回転される回転部材とを備える玩具における前記回転部材であってもよい。
また、前記回転体は、電気的エネルギ源と、前記電気的エネルギ源によって駆動される電動機とを備える玩具における前記電動機であってもよい。
このような各種の玩具に本発明を適用すれば、回転部材や電動機の回転速度を正確にかつ迅速に制御でき、玩具で遊んでいる子供の操作等に応じて回転速度を変化させることもでき、変化があって高度な遊びを行うことができる。
前記回転体は、エンジンと、前記エンジンで駆動されてモータとしても機能する発電機とを備えたハイブリッドカーにおける前記発電機であってもよい。このようなハイブリッドカーに本発明を適用すれば、例えばオートクルージング制御を行う際に、発電機を目標回転数で回転させることでエンジン出力を大きく変動させることなく速度調整を行うことができ、低燃費化を図ることもできる。
本発明の回転制御方法は、動力源より供給される動力により回転する回転体にブレーキをかけることにより回転体の回転周期を制御する回転制御方法であって、回転体の回転数に対応した回転信号と、回転体の目標回転数に対応した目標信号とを比較してその位相差を検出するとともに、前記回転信号と目標信号との周波数差を検出し、前記位相差に応じた位相差補償信号と、前記周波数差に応じた周波数差補償信号とにより回転体のブレーキを制御するにあたり、前記位相差の検出は、繰り返しパルス波形である目標信号の立ち上がり、または、立下りでカウンタが加算または減算されるとともに、繰り返しパルス波形である回転信号の立ち上がり、または、立ち下がりで前記カウンタが減算または加算されて、各信号の立ち上がり、または立ち下がりの数を前記カウンタで積算して出力することによることを特徴とするものである。
本発明においては、回転体を位相同期回路制御（PLL制御）と周波数差制御とを併用して制御しているので、回転体の調速制御を迅速に行うことができ、応答性の速い安定した回転体の制御を実現することができる。
この際、回転制御を開始した直後の制御開始段階では、周波数差補償信号により回転体のブレーキ制御を行い、回転制御が安定したらその時点での周波数差補償信号を保持するとともに、定常制御段階に切り替え、定常制御段階では、保持した周波数差補償信号と前記位相差補償信号との加算信号により回転体のブレーキ制御を行うことが好ましい。
本発明では、制御開始段階は周波数差補償信号によって回転制御を行い、定常制御段階では、周波数差補償信号と位相差補償信号との加算信号を用いて回転制御しているので、制御開始時に回転体の回転数が目標回転数に対して大きくずれている場合でも、迅速に目標回転数に近づけることができ、応答性良く回転制御を行うことができるとともに、定常制御段階では、周波数差補償信号で大まかなブレーキ量を設定した上で、位相差補償信号で細かいブレーキ量を調整できるので、最適な制御量を迅速に求めることができ、回転制御の応答性をより一層向上することができる。
本発明の回転制御方法では、前記制御開始段階において、回転制御が安定したことを周波数差により判定してもよい。また、前記制御開始段階において、制御開始から予め定めた一定時間経過したときに回転制御が安定したとみなし、制御開始段階から定常制御段階への切り替えを行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例における電子制御式機械時計の要部を示す平面図である。
図２は、図１の要部を示す断面図である。
図３は、図１の要部を示す断面図である。
図４は、本発明の制御系のブロック図である。
図５は、機械体の制御回路の構成図である。
図６は、本実施例の制御回路の具体的な構成図である。
図７は、本実施例の周波数差検出回路の構成図である。
図８は、本実施例の周波数差補償手段の機能の説明図である。
図９は、本実施例の位相差検出回路の構成図である。
図10は、本実施例の位相差検出回路における波形図である。
図11は、本実施例の位相差補償フィルタの構成図である。
図12は、本実施例の位相差補償フィルタの動作波形図である。
図13は、本実施例のブレーキ制御方法を示すフローチャートである。
図14は、制御切替フローの一例を示すフローチャートである。
図15は、制御切替フローの他の例を示すフローチャートである。
図16は、周波数制御フローを示すフローチャートである。
図17は、Ref1パルス周期計測フローを示すフローチャートである。
図18は、Ｇパルス周期計測フローを示すフローチャートである。
図19は、PLL制御フローを示すフローチャートである。
図20は、図19のＩ値算出フローを示すフローチャートである。
図21は、図20の積分ゲイン選択フローを示すフローチャートである。
図22は、本発明の変形例を示す構成図である。
図23は、本発明の他の変形例を示す構成図である。
図24は、本発明の他の変形例を示す構成図である。
図25は、本発明の他の変形例を示す構成図である。
図26は、本発明の従来例の構成を示すブロック図である。
図27は、従来例におけるボード線図である。
図28は、従来例におけるボード線図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の電子制御式機械時計の要部を示す平面図であり、図２及び図３はその断面図である。
電子制御式機械時計は、ゼンマイ1a、香箱歯車1b、香箱真1c及び香箱蓋1dからなる香箱車１を備えている。ゼンマイ1aは、外端が香箱歯車1b、内端が香箱真1cに固定される。香箱真1cは、地板２と輪列受３に支持され、角穴車４と一体で回転するように角穴ネジ５により固定されている。
角穴車４は、時計方向には回転するが反時計方向には回転しないように、こはぜ６と噛み合っている。なお、角穴車４を時計方向に回転しゼンマイ1aを巻く方法は、機械時計の自動巻または手巻機構と同様であるため、説明を省略する。香箱歯車1bの回転は、７倍に増速されて二番車７へ、順次6.4倍増速されて三番車８へ、9.375倍増速されて四番車９へ、３倍増速されて五番車10へ、10倍増速されて六番車11へ、10倍増速されてロータ12へと、合計126,000倍に増速されている。
二番車７には筒かな7aが、筒かな7aには分針13が、四番車９には秒針14がそれぞれ固定されている。従って、二番車７を1rphで、四番車９を1rpmで回転させるためには、ロータ12は5rpsで回転するように制御すればよい。このときの香箱歯車1bは、1/7rphとなる。
この電子制御式機械時計は、ロータ12、ステータ15、コイルブロック16から構成される発電機20を備えている。ロータ12は、ロータ磁石12a、ロータかな12b、ロータ慣性円板12cから構成される。ロータ慣性円板12cは、香箱車１からの駆動トルク変動に対しロータ12の回転数変動を少なくするためのものである。ステータ15は、ステータ体15aに４万ターンのステータコイル15bを巻線したものである。
コイルブロック16は、磁心16aに11万ターンのコイル16bを巻線したものである。ここで、ステータ体15aと磁心16aはPCパーマロイ等で構成されている。また、ステータコイル15bとコイル16bは、各々の発電電圧を加えた出力電圧がでるように直列に接続されている。
次に、電子制御式機械時計の制御回路について、図４〜９を参照して説明する。
図４には、本実施形態の機能を示すブロック図が示されている。このブロック図において、動力源101はゼンマイ1aであり、動力伝達手段102は歯車７〜11等からなる増速輪列であり、表示手段106は指針（分針13、秒針14等）であり、回転体103は発電機20のロータ12である。動力源101の発生する力で動力伝達手段102を介して駆動される回転体103の回転数は、ブレーキ手段104により減速され、このブレーキの程度により回転体103を目標回転数で回転するように制御することができる。
回転体103からは回転信号105が出力される。回転信号105は回転体103の回転数に比例した繰り返しパルス信号である。回転信号105の目標周波数を例えば10Hzとすれば、回転信号105が10Hzになったときに動力伝達手段102に連動し回転する針よりなる表示手段106が正確に時刻を表示する。
回転体103とブレーキ手段104はどのようなものでもよく、ここでブレーキと表現したなかには負のブレーキ作用つまり加速作用も含む。本実施形態では、回転体103は発電機20のロータ12であり、ブレーキ手段104は発電機20の出力に接続された可変抵抗器やスイッチである。このスイッチは、例えばFETなどのスイッチング素子として利用できるトランジスタ等を用いることができ、発電機20の出力端をショートさせてブレーキを掛けるものなどが利用できる。さらに、発電機20の出力に電流を流し込めば加速させることもできる。また、ブレーキ手段104は、回転体103に摩擦力を加えて減速させるブレーキでもよく、回転体103の種類に応じて適宜設定すればよい。
つぎに、この電子制御式機械時計を制御する制御系の構成を図５に示す本発明の制御系のブロック図で説明する。制御回路には、発電機20等からなる機械体111、目標信号発生手段112、周波数差補償手段114、位相差補償手段118、ブレーキ信号生成手段116が設けられている。
機械体111からはパルス波形よりなる回転信号105が出力する。また、目標信号発生手段112からは同じくパルス波形の目標信号113が出力する。目標信号113の周波数は、例えば10Hzである。これらの回転信号105、目標信号113は、周波数差補償手段114、位相差補償手段118にそれぞれ入力される。
周波数差補償手段114では、目標信号113と回転信号105との周波数差により周波数差補償信号115が生成される。周波数差補償信号115は、回転信号105が目標信号113の10Hzより速ければさらにブレーキをかける方向に、遅ければブレーキを緩める方向に設定される。これにより回転体103は目標回転数に近い回転数で回転する。
位相差補償手段118では、目標信号113と回転信号105との位相差、例えば両信号113,105の立ち下がりの時間差にもとづいて位相差補償信号119を生成する。位相差補償信号119は、例えば、目標信号113の立ち下がりが回転信号105の立ち下がりよりも先に現れれば回転信号105が遅れているとしてブレーキを緩める方向に振れる。
ブレーキ信号生成手段116では、周波数差補償信号115と位相差補償信号119によりブレーキ信号117を発生し、この信号117により機械体111の回転体103の回転を制御する。適正に制御ループの定数が設定されれば回転体103は目標信号113と同期して回転することになり、指針等の表示手段106は正確な時刻を表示することができる。
図６は、図５の制御回路のより具体的な構成図である。本実施形態の制御回路をこの図によりさらに詳しく説明する。
目標信号発生手段112は、水晶発振器121および分周器122で構成され、水晶発振器121の出力を分周器122で分周し、目標信号113を生成している。
周波数差補償手段114は、周波数差検出回路123と、周波数差補償フィルタ124と、保持回路125とからなる。
周波数差検出回路123は、目標信号113と回転信号105の周波数差を図示しないクロックを計数することにより算出する。周波数差補償フィルタ124は、積分比例微分機能などで実現でき、制御ループが安定になるように構成されていればよい。本実施例では最も簡単な利得調整を行う装置のみで構成した。
保持回路125は、切り替え信号129により周波数差補償フィルタ124の出力132をそのまま通すか、指定された時刻の補償フィルタ出力132の値を保持するかを選択することができるように構成されており、この保持回路125で周波数差補償保持手段が構成されている。
次に、位相差補償手段118について説明する。位相差補償手段118は、位相差検出回路126と、位相差補償フィルタ127とからなる。
位相差検出回路126は、目標信号113と回転信号105との位相差を検出するように構成されている。この位相差は、補償信号発生手段である位相差補償フィルタ127により位相差補償信号119に変換される。
位相差補償フィルタ127には定常位相誤差をなくするために誤差信号を積分して出力する積分要素が含まれる。機械体111のブレーキ信号117に対する応答の時定数は、回転体103や動力伝達手段102の慣性の影響でかなり大きく１秒程度であるため、安定条件より位相差補償フィルタ127の時定数は10秒程度以上に設定される。
位相差補償フィルタ127には制御信号として切り替え信号129が入力される。切り替え信号129は、フィルタ動作を動作状態と停止状態に切り替えるためと、フィルタからの位相差補償信号119の出力を出すか出さないかを切り替えるために使用される。
一方、ブレーキ信号生成手段116は、加算器130およびブレーキパルス発生回路131を備えて構成されている。
加算器130は、周波数差補償手段114から出力される周波数差補償信号115と、位相差補償手段118から出力される位相差補償信号119とを加え合わすものである。この加算器130の出力はブレーキパルス発生回路131に入り、ブレーキパルス発生回路131はブレーキ信号117を発生する。このブレーキ信号117によって機械体111がブレーキ制御される。
以上説明したような制御方式を用いることにより、回転体103は目標信号113に位相同期して回転するため水晶発振器（水晶振動子）121の精度をもって正確に回転し、これにより表示手段106は正確な時刻を表示できる。
図７は周波数差検出回路123の具体的な構成図である。周波数差検出回路123は、第１のカウンタ141、第２のカウンタ142、および減算器146を備えている。第１のカウンタ141は目標信号113の周波数を計測するため、目標信号113の立ち下がりでクリアされ次の立ち下がりまで周波数差検出回路123に入力されるクロック143をカウントする。第１のカウンタ141の出力144は目標信号113の立ち下がりで保持された値が次の立ち下がりまで出力している。
第２のカウンタ142も第１のカウンタ141と同様に回転信号105の立ち下がりから立ち下がりまでの周波数差検出回路123のクロック143を積算し回転信号105の立ち下がりで保持した値が出力145となる。第１のカウンタ141の出力144から第２のカウンタ142の出力145を引き算した結果が減算器146で演算され周波数差信号147となる。周波数差検出回路123に入力されるクロック143を例えば1000Hzとし、目標信号113を10Hz、回転信号105を15Hzとすれば周波数差信号147は33程度のカウント値となる。上記では、目標信号113や回転信号105の立ち下がりを用いた場合を説明したが立ち上がりを用いてももちろん良い。
図８は周波数差補償手段114の機能の説明図である。この図により周波数差補償手段114の役目を説明する。周波数差補償手段114が無いと位相差補償手段118のみで制御ループが構成されるが、機械体111の時定数は前述したように１秒程度であるため位相差補償フィルタ127の時定数で決まるループ系の時定数は10秒程度以上にしないと安定化できない。このとき、位相差補償フィルタ127の積分要素がブレーキ信号117の平均値を決めることになるが制御開始から積分要素の積分値が定常状態になるのに10秒程度かかることになる。この応答時間の間に回転体103は高速な回転状態から目標信号113に同期した回転数にゆっくりと落ち着く。これを時計の利用者からみれば時計の秒針の動きが落ち着くまでに10秒以上の時間がかかることになり不安感をいだかせることになる。周波数差補償手段114によりこの応答時間を機械体111の応答時間である１秒程度に短縮することができる。これは周波数差制御ループのループ利得を非常に大きくしても安定であることによるものである。
図８には、切り替え信号129をさらに４信号に分けて示した。即ち、制御開始信号54、周波数制御有効信号53、サンプル信号52、位相差制御有効信号51である。起動時刻60で電源が入り水晶発振器121などが起動し、しばらくの後、目標信号が目標周波数57で安定する。その後で制御開始時刻61で周波数制御有効信号53が「１」になり周波数差補償手段114が動作する。このときにはまだ位相差補償手段118は動作していない。周波数差補償手段114の働きにより過渡応答時間59の間に回転信号周波数56は概ね定常値に落ち着く。過渡応答時間59は１秒程度に納めることができる。過渡応答時間59の後に切り替え時刻62においてサンプル信号52により周波数差補償信号115をその時の値に保持する。さらに切り替え時刻62において位相差制御有効信号51により位相差制御のループを閉じる。切り替え時刻62においては、周波数差補償信号によって回転信号105はほぼ目標周波数の近くになっているため切り替え時刻62で閉じられる位相差制御ループの応答は短時間で収束する。保持された周波数差補償信号15は動力源101の発生力により高速に回転しようとする回転体103の回転数を目標信号113の周波数に同期する回転数に減速するのに必要なブレーキ力に当たるため、動力源101の発生力が変動すると保持された周波数差補償信号115は適切な値でなくなる。例えば動力源101がゼンマイであるときにゼンマイが次第にほどけると発生力は小さくなるので制御開始時にゼンマイがいっぱいに巻かれた状態において保持された周波数差補償信号115は過大となってしまう。周波数差補償信号115を適切な値に設定しなおすために時間63にて周波数制御に切り替えることができる。
切り替え時刻62において、周波数差補償手段114から位相差補償手段118に切り替える理由は、両手段により同時に制御をかけると両手段の相互干渉のため制御ループが非安定になり易く具体的な設計が難しくなるためである。
保持された周波数差補償信号115の値は概略のブレーキ力に対応した値であるため精密な値でなくてよい。それゆえ、切り替え時刻62は下記のいずれの方法で設定してもよい。
第１の方法は、周波数差信号147を監視し、予め定めた絶対値以内になったら切り替えを行うものである。第２の方法は、周波数制御ループの応答時間の設計値から定めた時間が経過したら切り替えを行うものである。
前者の方法では、機械体111の特性がばらついても適切なタイミングで切り替えができる利点がある。後者の方法では、タイマで構成できるので回路構成が簡単になる利点がある。
図９は位相差検出回路126の構成図である。従来多用される位相差検出回路は位相差が一周期以内でしか検出信号がリニアに得られないのに対し、本実施例の位相差検出回路126は一周期以上の広い範囲でもリニアな検出信号が得られる。
具体的に、位相差検出回路126は、立ち下がり検出回路171と、立ち下がり検出回路172と、アップダウンカウンタ173とを備えて構成されている。なお、本実施形態の位相差検出回路126は、目標信号113と回転信号105の立ち下がりを使って位相差信号174を得ているが、立ち上がりを使ってもよい。
位相差検出回路126では、目標信号113の立ち下がりを立ち下がり検出回路171で検出しアップ信号175とする。同様に回転信号105の立ち下がりを立ち下がり検出回路172で検出してダウン信号176を得る。アップ信号175とダウン信号176とをアップダウンカウンタ173に入力しアップ信号175とダウン信号176の計数の差を求め位相差信号174とする。これは、計数をはじめた時点からの目標信号113と回転信号105とのパルス数の差を求めていることになる。
図10（Ａ）に位相差検出回路126の波形図を示す。位相差信号波形83は、目標信号波形81の立ち下がり毎に１増え回転信号波形82の立ち下がり毎に１減る。ここでは、位相差信号は回転信号105に対する目標信号113の進み具合として定義されているため、図10（Ａ）の左側部分では回転信号波形82の周期が長いので位相差信号83は正方向に動き、図10（Ａ）の右側部分では回転信号波形82と目標信号波形81が同じ周期であるため位相差信号波形83は両信号の位相差を示す短いパルスを出し、平均的には僅かに正の値を持って変化しない。位相差信号波形83は１周期の位相を１と数えると１以上の位相差を波形のレベルで表現し、１以下の位相差をパルス幅変調された波形であらわしたものを合成した波形となっている。
図10（Ｂ）には、目標信号の位相85と回転信号の位相84と位相差86を上部のグラフに対応させて示している。位相差信号波形83を低域通過フィルタに通せば位相差86と同じ変化をしていることが分かる。
このような位相差検出回路126を使用することにより、機械体111へ外乱が加わり一時的に位相差が１周期以上に大きくなった場合においてもその位相差が保存されるため位相差が次第に減少するようにブレーキが調整される。このため、累積的な時計の表示ずれが生じることがない。機械体111への外乱としては、本発明を腕時計に応用したときに腕の運動による加速度が考えられる。また、この位相差検出回路126はカウンタで構成されているため回路構成が簡単であり小規模な回路で実現できる。
図11は位相差補償フィルタ127の構成図である。この補償フィルタ127は、積分と比例よりなるいわゆるPI制御をなしている。位相差信号191は乗算器192により適切な定数が乗算され比例部分の制御信号199となる。また、位相差信号191は積分要素203により積分部分の制御信号200となる。比例部分の制御信号199と積分部分の制御信号200は加算器201で加え合わされて位相差補償信号119として出力される。
積分要素203は、位相差補償フィルタ127のクロック194を分周する分周器195と、位相差信号の符号を判定する符号判定回路193と、符号198でアップするかダウンするかを変え、分周されたクロック196をカウントするアップダウンカウンタ197とよりなる。分周器195は、位相差信号191の絶対値によってその分周比が変えられる構成となっていて、絶対値が「１」の時の分周されたクロック196の周波数をf1とすると絶対値が「２」であれば分周されたクロック196の周波数はf1の２倍となるように分周される。前記f1により積分利得を調整することができる。乗算器192は補償フィルタの比例利得を決めるための要素である。この乗算器192は実際に掛け算をしてもよいしシフトによるものであってもよい。位相差補償フィルタ127を上記の様に構成することにより、小さな回路規模で実現することができる。
図12は位相差補償フィルタ127の動作波形図である。位相差信号波形211は、「マイナス２（−２）」から次第に正の方向になり一時「プラス１（＋１）」になった後再び「マイナス１」に変化している。符号波形213は位相差信号波形211が正のとき「１」（ハイレベル）となっている。分周されたクロック波形214はクロック212を位相差信号波形211の絶対値が「２」のときは２分周、「１」のときは４分周している。尚、この分周比は波形を模式的にあらわすために設定したものであり実際の分周比とは異なる。実際の分周比は積分利得が適切になること等を考慮して決めることができる。分周されたクロック214を符号波形213に従ってカウントすると積分部分の制御信号波形215が得られ、これは位相差信号波形211を積分した波形になっている。
位相差信号波形211の絶対値が大きいと分周比が小さくなってしまう。図12の例では、絶対値が「３」で分周比が１となる。絶対値が「４」以上のときは分周比を１にすればよい。この処理は積分利得を誤差信号に対してクリップすることに対応する。外乱として30％の回転体の回転数変動を起こす外力を想定しても位相差信号191の絶対値は「４」から「５」程度であり、クリップしても制御特性としては問題ない。
次に、本実施形態における動作を図13〜18のフローチャートをも参照して説明する。
例えば、停止状態の電子制御式機械時計のゼンマイを巻き上げて作動し始めた場合等、時計が起動すると、まず制御切替フローが起動する（ステップ１、以下ステップをＳと略す）。
制御切替フローは、前述の周波数差補償手段114によるブレーキ制御から位相差補償手段118によるブレーキ制御に切り替えるタイミングを設定するものである。具体的には、図14に示すように、設定した一定時間経過後に切り替え信号を出力するフローと、図15に示すように、周波数差補償手段114の周波数差補償信号115が設定した周波数範囲内に達すると切り替え信号を出力するフローとのいずれかが設定されている。
図14に示すフローでは、起動すると、まず切り替え信号が解除（初期化）され（S11）、保持回路125でのデータ保持も解除される（S12）。続いて、時間計測用パルスを計数するカウンタが開始され（S13）、カウンタ値が設定値に達したかを判断し（S14）、設定値に達すると段階切替回路128から切り替え信号が出力される（S15）。
なお、このフローチャートには記載していないが、周波数制御の減算結果に「０」未満つまり「−」の値が発生した場合にはｆ値（周波数差補償信号115）は０となり、FB信号（リセット信号）を出力するように設定されている。そして、このFB信号によって時間計測用のカウンタ値はリセットされ、再び０からカウンタが再開される。これによって、切り替え信号が出力された時には、ｆ値が０になることを防止している。
一方、図15に示すフローでは、起動すると、まず切り替え信号が解除（初期化）され（S21）、保持回路125でのデータ保持も解除される（S22）。続いて、後述する周波数制御フローからの出力ｆ値（周波数差補償信号115）を取り込み（S23）、このｆ値が設定した周波数範囲内であるかを判断し（S24）、設定値内であれば段階切替回路128から切り替え信号が出力される（S25）。
これらの段階切替回路128からの切り替え信号が入力されるまでは、図13に示すように、周波数差補償手段114により周波数制御が行われる（S2）。
周波数差補償手段114による周波数制御は、図16に示すように、まず、Ref1パルス（目標信号113）の周期と、Ｇパルス（回転信号105）の周期とを所定の周波数ゲインパルスCfを用いてカウントして計測する（S31）。
そして、計測された各値（Rrf1値、Ｇ値）を減算器146に入力し、「ｆ＝Ref1値−Ｇ値」の減算を行ってｆ値を算出する（S32）。そして、このｆ値が０以上であるかを判断し（S33）、０未満の場合、つまり減算器146の演算結果が「マイナス」になった場合には「ｆ値＝０」とする（S34）。そして、ｆ値を周波数差補償信号115として出力する（S35）。
このため、切り替え信号が入力されるまでは、ｆ値（周波数差補償信号115）によりブレーキ制御が行われる。
なお、Ref1パルスの周期とＧパルスの周期とは、図17,18に示す手順で計測される。
すなわち、Ref1パルスは、まず第１のカウンタ141をリセットし（S36）、Ref1パルスの周期時間を周波数ゲインパルスCfによってカウントして計測する（S37）。そして、Ref1パルス周期の計測が終了したかを周波数ゲインパルスCfの入力の有無などで判断し（S38）、計測が終了した場合にはカウント値をRef1パルスとしてレジスタ等に出力する（S39）。そして、次のRef1パルスの周期時間の計測を繰り返す。
同様に、Ｇパルスも、まず第２のカウンタ142をリセットし（S40）、Ｇパルスの周期時間を周波数ゲインパルスCfによってカウントして計測する（S41）。そして、Ｇパルス周期の計測が終了したかを判断し（S42）、計測が終了した場合にはカウント値をＧパルスとしてレジスタ等に出力する（S43）。そして、次のＧパルスの周期時間の計測を繰り返す。
このレジスタに記憶された各カウント値（Ref1値,G値）144,145が、図16のフローのS31の計測値とされている。
周波数制御を行っている際に、図13に示すように、切り替え信号が入力されると（S3）、保持回路125によってその時点でのｆ値（周波数差補償信号115）がレジスタに読み込まれて保持される（S4）。従って、これ以降は、ｆ値の値は周波数制御の切り替え信号が入力された時点での値に固定される。
そして、この固定されたｆ値と、位相差補償手段118からの出力とを加算器130で加算した信号でPLL制御によるブレーキ制御が行われる（S5）。
位相差補償手段118では、図19に示すような手順でブレーキ信号が算出される。まず、起動時から前記切り替え信号が入力されるまで、つまり周波数差補償手段114によってブレーキ制御が行われている間は、位相差検出回路126によって位相差信号をカウントする（S51）。具体的には、目標信号113の入力によりアップし、回転信号105の入力によりダウンするアップダウンカウンタ173で位相差信号を計数する。
そして、切り替え信号が入力されると（S52）、位相差補償フィルタ127によりＰ値（制御信号199）およびＩ値（制御信号200）を算出する（S53）。
Ｐ値は、アップダウンカウンタ173でカウントされた位相差信号の位相偏差量ｅに対して乗算器192で比例ゲイン乗算（シフト）処理を行うことで算出される。
一方、Ｉ値は、図20のフローで算出される。すなわち、まず、位相偏差量ｅによって積分ゲインの選択処理を行う（S61）。具体的には、図21に示すように、分周器195に位相偏差量ｅを入力し（S71）、位相偏差量ｅが１未満であれば（S72）、位相偏差量ｅを０と判定し、積分ゲインパルスは0Hzを選択する（S73）。位相偏差量ｅが１未満でなければ（S72）、位相偏差量ｅが１であるかを判定し（S74）、１であれば積分ゲインパルスはCi1Hzを選択する（S75）。
また、位相偏差量ｅが１でなければ、３未満であるかを判定し（S76）、３未満であれば位相偏差量ｅが２と判定し、積分ゲインパルスはCi2Hzを選択する（S77）。
さらに、位相偏差量ｅが３未満でなければ、３であるかを判定し（S78）、３であれば積分ゲインパルスはCi3Hzを選択する（S79）。また、位相偏差量ｅが３でなければ、積分ゲインパルスはCi4Hzを選択する（S80）。
そして、選択された積分ゲインパルス（0,Ci1,Ci2,Ci3,Ci4）を出力する（S81）。
続いて、図20に示すように、Ｇパルスの位相が進みであるか遅れであるかを符号判定回路193で判定し（S62）、進みである場合には、その進み量を選択した積分ゲインパルスで計測し、その計測量でアップダウンカウンタ197をアップカウントする（S63）。また、遅れである場合には、その遅れ量を選択した積分ゲインパルスで計測し、その計測量でアップダウンカウンタ197をダウンカウントする（S64）。
このアップダウンカウンタ197のカウント値がＩ値（制御信号200）となって出力される（S65）。
Ｐ値、Ｉ値を算出したら、図19に示すように、Ｇパルスの進み偏差を判定する（S54）。Ｇパルスが進み偏差の場合には、加算器201で「Ｈ値＝Ｉ値＋Ｐ値」の演算を行った結果（Ｈ値、位相差補償信号119）を加算器130に出力する（S55）。一方、遅れ偏差の場合には、「Ｈ値＝Ｉ値−Ｐ値」の演算を行った結果を加算器130に出力する（S56）。
そして、この演算結果のＨ値（位相差補償信号119）と前記保持回路125に保持されたｆ値（周波数差補償信号115）とを、加算器130で加算してブレーキ信号（Ｎ値）を算出し（S57）、ブレーキ制御を行う。なお、本実施形態では、周波数制御およびPLL制御の各ブレーキ制御時に、所定のパルス（Ref2パルス）を用いてチョッパリング制御を行っている（S58）。
このような本実施形態では、次のような効果がある。
（１）位相差補償手段118を設けているので、PLL制御により回転体103の回転を制御できる。このため、例えば回転体103の１周期毎の回転信号105の波形を比較してブレーキレベルを設定できるため、一旦ロックレンジに引き込めば、信号波形が瞬時に大きく変動することがない限り、応答性の速い安定した制御を行うことができる上、位相偏差も無くすことができる。従って、回転体103を目標信号113に同期させて正確に回転させることができ、かつ回転体103の速度が大きく変動しないためにブレーキによるエネルギーロスを最小限に抑えることができ、回転体103を長時間回転させることができて長寿命化を図ることができる。
このため、本実施形態を電子制御式機械時計に適用すれば、非常に高精度の時刻表示を行うことができるとともに、持続時間の長い時計にすることができる。。
（２）位相差補償手段118のほかに周波数差補償手段114を設けているため、回転体103の回転制御を開始した直後後、PLL制御におけるロックレンジから外れている際に、周波数差補償手段114を用いて回転信号105と目標信号113との位相差を無視して速度差を０に近づける制御を行うことができ、回転体103をロックレンジに迅速に引き込むことができる。そして、この周波数差補償手段114で速度差を０に近づけた後に、位相差補償手段118で回転制御しているので、位相差補償手段118のみで制御した場合に比べて大きな位相偏差が蓄積されることを防止でき、回転体103の調速制御を迅速に行うことができる。すなわち、本実施形態では、制御開始段階では周波数差補償手段114による周波数差補償信号115によって回転制御を行うために、回転体103の回転数が目標回転数に対して大きくずれている場合でも、迅速に目標回転数に近づけることができ、応答性の良い回転制御を行うことができる。
このため、特に電子制御式機械時計に適用した場合には、針合わせで発電機20を停止した状態から運針を開始した場合でも、正常な運針状態に迅速に移行することができる。
（３）さらに、定常制御段階では、周波数差補償信号115と位相差補償信号119との加算信号を用いて回転制御しているので、周波数差補償信号115でおおよそのブレーキ量を設定でき、位相差補償信号119は周波数差補償信号115で制御できない微少な制御を行うためのブレーキ量を設定すればよいため、各信号を加算することで最適な制御量を迅速に求めることができ、回転制御の応答性をより一層向上することができる。
（４）その上、周波数差補償信号115は、概算のブレーキ量を算出できればよいため、周波数差補償手段114の構成も簡略化できる。
（５）ブレーキ制御をチョッパリングを利用して実現しているので、発電電力を一定以上に保ちながら、制御トルクを増加できる。このため、システムの安定性を維持しながら、効率的なブレーキ制御を行うことができる。
（６）段階切替回路128が、前記制御開始段階において回転制御が安定したことを周波数差により判定する場合には、確実にかつ比較的容易に回転制御が安定したことを判定することができ、回転体103のばらつきによらずに適切に制御の切替を行うことができる。
（７）段階切替回路128が、前記制御開始段階において制御開始から予め定めた一定時間経過したときに回転制御が安定したとみなし、制御開始段階から定常制御段階への切り替えを行う場合には、タイマー等を用いればよいため、周波数差で判断する場合に比べて回路構成を簡易にできる。
（８）周波数差検出回路123や位相差検出回路126をカウンタ141,142,173を用いて構成しているので、回路構成を簡単にでき、回路を容易に小型化できて腕時計等の小型の機器に容易に適用できるとともに、コストも低減できる。
さらに、複数のカウンタ値を保持可能なカウンタ141,142,173を用いているので、広い範囲で位相差等を検出でき、位相差が累積された場合でもその累積値を保持することができるため、累積の位相差に応じた制御を行うことができ、より正確な調速制御を行うことができる。
（９）位相差補償手段118の位相差補償フィルタ127では、位相差信号191の絶対値で分周器195の分周比を可変して積分ゲインパルスを選択できるので、位相差の大きさによって位相差補償信号119の大きさも適切に設定できて迅速に位相差を無くすように制御することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、位相差補償手段118のＰ値およびＩ値を加減算してから、周波数差補償手段114のｆ値（周波数差補償信号115）と加算していたが、図22や図23に示すように、周波数差補償手段114の出力（周波数差補償信号115）と、位相差補償手段118の出力Ｉ値（積分カウンタ出力200）とを加算器501で加算した後に、位相差補償手段118のＰ値（比例ゲイン出力199）を位相偏差量の遅れ進み（符号）に応じて加減算器502で加減算するようにしてもよい。
なお、図22は、段階切替回路（制御切り替え回路）128が一定時間で切替器503、504を切り替える場合の構成図であり、図23は、段階切替回路（制御切り替え回路）128が周波数差制御回路の出力（周波数差）により切替器503、504を切り替える場合の構成図である。そして、制御開始段階には、切替器504が位相偏差量絶対値検出器505に接続されていないことから、切替器503によって周波数差補償手段114の出力（周波数差補償信号115）がそのまま加算器501に出力され、この周波数差補償信号115によってPWM（パルス幅変調）換算器506を介して回転体103が調速制御される。
一方、段階切替回路（制御切り替え回路）128で制御開始段階から定常制御段階に切り替えられると、切替器503は切替時の周波数差補償信号115を保持する保持回路（レジスタ）125に接続し、この値がその後出力される。また、切替器504は位相比較偏差カウンタ173に接続し、位相偏差量絶対値検出器505で検出された位相偏差量ｅに応じたアップダウンカウンタ（積分カウンタ）197の出力200と、乗算器（比例ゲイン）192の出力199とが加算器501、加減算器502に入力される。加算器501では、周波数差補償信号115と出力200とが加算され、加減算器502では位相偏差量ｅの符号に応じて出力199が加減算される。なお、この加減算器502の出力がマイナスになると切替器507が加減算器502の出力から０出力に切り替えられる。そして、加減算器502の出力によってPWM換算器506を介して回転体103が調速制御される。
また、本発明は、電子制御式機械時計に適用する場合に限らず、回転錘を用いて発電する自動発電機式のものや電池を内蔵した一般的なクオーツ時計等に適用してもよい。
さらに、本発明は、ばね動力で動作する各種玩具に適用してもよい。例えば、玩具は、図24に示すように、ゼンマイ301と、このゼンマイ301を巻き上げる巻上げ機構302と、ゼンマイ301の機械的エネルギを伝達する伝達機構303と、この伝達機構303に接続されて前記機械的エネルギで作動する作動部材304と、前記伝達機構303または作動部材304に接続されて前記機械的エネルギで回転する回転体305と、この回転体305の回転数を調速する本発明の回転制御装置306とを備える。
このような玩具としては、例えば、コンパクトを閉じるとゼンマイ301が巻かれ、開くとゼンマイ301が開放されてコンパクト内の人形や動物等が動作する開閉式玩具がある。この開閉式玩具では、巻上げ機構302がコンパクトの開閉機構で構成され、人形等の動作を調速制御することができる。
前記玩具としては、ゼンマイ駆動で走行する自動車型の走行玩具がある。この玩具は、手動もしくはプルバック式（タイヤを床に着けた状態で玩具をバックさせてゼンマイを巻き上げる方式）でゼンマイ301を巻上げ、ゼンマイ301のエネルギでタイヤを回転させて走行させるものであり、回転制御装置306を備えることで走行速度を正確に調速することができ、スイッチなどで目標信号を可変できるようにしておくことで走行速度を可変させることができる。
前記玩具としては、ゲーム盤上を走行する走行体を誘導する走行体誘導ゲーム盤がある。この玩具でも、走行体の走行速度を正確に調速することができ、別途タイマなどを用いることなく、一定時間での走行が可能になる。
さらに、ゼンマイ301で作動部材304である歩行機構を作動させることで、歩行する人形、動物型の玩具に本発明を適用すれば、歩行時間を調整できて歩行時間を長くすることもできる。
また、ゼンマイ301で作動部材304である擬音発生ユニットを作動させることで擬音が発生する玩具に本発明を適用すれば、一定スピードで擬音発生ユニットを駆動できて安定した音を出力できる。
さらに、ゼンマイ301で作動部材304であるカード回転機構を作動させることで、メッセージが記載されたグリーティングカード等を回転表示させる玩具に本発明を適用すれば、グリーティングカードを一定速度で長時間旋回させることができる。
また、巻上げ機構302である紐を引くことでゼンマイ301を巻上げ、紐を離すとゼンマイ301が開放されてドラムに巻き取られ、その動作によって人形などが回転する携帯用のゲーム玩具に本発明を適用すれば、ドラムへの紐の巻き取り時間つまり人形などの動作時間を正確に設定できる。
さらに、ゼンマイ301でレコード盤を回転させて音を発生させるトーキングゲーム玩具に本発明を適用すれば、レコード盤を所定速度で安定して回転させることができ、音声や動作を安定させることができる。
さらに、本発明は、ハイブリッドカーのオートクルージング機構に適用してもよい。ハイブリッドカーは、図25に示すように、エンジン401の出力を動力伝達手段（クラッチ）402を介して発電機403に伝達して発電し、蓄電部材（バッテリー）404に充電するとともに、発進時や低速時、さらには加速時等に蓄電部材（バッテリー）404の電力で発電機403を駆動してモータとして動作させ、車輪を駆動するものである。また、ブレーキ時にも発電機403の電磁ブレーキを応用した回生ブレーキにより発電している。このようなハイブリッドカーにおいて、本発明の回転制御装置を利用して発電機403を調速制御する。この場合、一定速度で走行するオートクルージング機構をエンジン側の動力で速度を制御するものではなく、発電機403の回転速度を目標周波数に同期するように制御回路405およびブレーキ制御回路406を利用して調速制御することで行うことができる。
エンジン401で発電機403を回転させて充電すると、オートクルージングの設定速度によって発電機403に発生する電圧が、蓄電部材404の電位に対して低い場合には、充電することができなかったり、充電効率が低下する。
これに対し、発電機403の調速でオートクルージングを実現した場合には、チョッパリングでブレーキ制御を行うことで、制動力を得ながら、チョッパ昇圧の効果（常時回生ブレーキ状態）により起電圧を高くすることができ、調速制御しながら充電効率の低下を防ぐことができる。なお、この際の昇圧充電のレベルは、エンジン401の入力エネルギによって調節することができる。
さらに、ハイブリッドカーだけではなく、ブレーキを掛けた際にその減速時の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる回生リターダ（発電機）を備えた車両にも、本発明の回転制御装置を設けることができる。
また、本発明は、時計、玩具、自動車に限らず、回転体の調速制御が必要なものに広く適用することができる。
以上のような本発明によれば、動力源より供給される動力により回転する回転体にブレーキをかけることにより回転数を制御する回転制御装置を、位相差補償手段と周波数差補償手段とを備えて構成したことにより、回転体を目標信号に同期させて回転させることができるとともに、応答性の速い安定した回転制御を実現することができる。
また、前記周波数差補償手段が、周波数差補償信号を保持する周波数差補償保持手段を備え、ブレーキ制御手段が、回転制御を開始した直後の制御開始段階と回転制御が安定した定常制御段階との２つの制御モードを備え、前記制御開始段階では、周波数差補償手段の周波数補償信号により回転制御を行い、定常制御段階では、回転制御が安定して制御開始段階から定常制御段階へ切り替える時に前記周波数差補償保持手段により保持された周波数差補償信号と前記位相差補償信号との加算信号によりブレーキ制御を行えば、回転体の回転数が目標回転数に対して大きくずれている場合でも、迅速に目標回転数に近づけることができ、応答性良く回転制御を行うことができる。
また、前記制御開始段階において、回転制御が安定したことを周波数差により判定した場合には、回転体のばらつきによらずに適切に制御の切り替えができる。
また、前記制御開始段階において、制御開始から予め定めた一定時間経過したとき安定したとみなし制御開始段階から定常制御段階への切り替えを行うことにより、簡単な回路構成で制御の切り替えができる。
また、位相差補償手段や周波数差補償手段において、位相差や周波数差を検出する際にカウンタを用いれば、回路構成を簡単にできて小型化も容易になり、腕時計などの小型の機器にも容易に組み込むことができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる回転制御装置および回転制御方法は、各種の回転体を高精度にかつ迅速に調速制御するために有用であり、特に電子制御式機械時計等の各種の時計等の小型の装置に組み込まれる回転制御装置に用いるのに適している。
【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２６】
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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２５】
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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２７】
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【図２８】
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