(57)【要約】【課題】ロータが回転する最小限のエネルギーを供給することにより、低消費電力化が可能なステップモータ駆動装置を提供する。【解決手段】電源回路部２からの直流電圧がスイッチ７ａ〜７ｄによって形成されるブリッジ回路に供給され、制御部６からの各スイッチの開閉タイミング制御により、ロータの回転角度に応じて励磁コイル５９に印加する駆動パルスの幅や電圧の印加方向を切り換えることで、コイル電流の方向やパルス幅変調のデューティー比を制御するように構成されている。回転角度が初期位置から４５度までの間は、４５度位置でのロータの運動エネルギーが、４５度から９０度までの回転により得られるポテンシャルエネルギーと略同一となるように、また、４５度以降は、ロータの回転運動によって発生する逆起電圧を相殺するように、駆動パルスを出力する。モータ機構２０１から回生される電気エネルギーは、電源回路部２を通して蓄電部４に蓄えられる。【選択図】図８
2012050257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２極磁化された永久磁石からなるロータおよびコイルを有するステータを備えた２極単相構造のステップモータと、
前記ロータを一方向に１８０度毎にステップ回転させる交番磁界を前記ステータから発生させるモータ駆動電圧を前記コイルに印加する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、
逆方向回転トルク最大位置での前記ロータの運動エネルギーが、前記逆方向回転トルク最大位置から保持トルクゼロ位置までに得られるポテンシャルエネルギーと略同一となるようにモータ駆動電圧を出力し、
前記逆方向回転トルク最大位置以降は、前記ロータの回転運動によって発生する逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧を出力し、
前記ロータは、静的安定位置から次の静的安定位置まで回転を行なう際に、
前記ロータの回転方向とは逆方向にはたらくトルクが最大となる前記逆方向回転トルク最大位置、
前記ロータに作用するトルクが、前記ロータの回転方向に対して正方向および逆方向のトルクが互いに打ち消しあうことで、見かけ上回転トルクがゼロとなっている回転トルクゼロ位置、
の各位置を通って回転し、前記回転トルクゼロ位置以降は、非励磁状態で正方向に作用するトルクを利用して回転することを特徴とするステップモータ駆動装置。
【請求項２】
前記逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、前記逆方向回転トルク最大位置から前記回転トルクゼロ位置までの間に印加されることを特徴とする請求項１に記載のステップモータ駆動装置。
【請求項３】
前記逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、前記逆方向回転トルク最大位置から前記逆起電圧がゼロクロスする位置までの間に印加されることを特徴とする請求項１に記載のステップモータ駆動装置。
【請求項４】
前記逆起電圧がゼロクロスする位置以降は、逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の電圧を印加することで、電力を回生することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項５】
前記モータ駆動電圧は、電源電圧をＰＷＭ駆動によりデューティー比を調整することで得られる印加電圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項６】
前記逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、電源電圧をＰＷＭ駆動により徐々にデューティー比を小さく変化させることで得られる、前記ロータの回転に伴って変化していく逆起電圧に相当する印加電圧であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項７】
前記逆起電圧がゼロクロスする位置以降は、前記ロータの回転に伴って変化していく逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の電圧であって該逆起電圧の大きさの変化に対応して変化する印加電圧を作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動による駆動パルスで構成し、電力を回生することを特徴とする請求項４に記載のステップモータ駆動装置。
【請求項８】
前記静的安定位置から回転トルクがゼロとなる位置までのモータ駆動電圧印加中の通電電流の波形形状に山が１つしかなく谷がないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１
つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項９】
逆方向回転トルク最大位置での前記ロータの運動エネルギーは、さらに、負荷トルクによって消費されるエネルギー分を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか1つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項１０】
前記ロータの初期位相角は、４０度〜７０度の範囲のいずれかの角度であって、最適には４５度〜６７．５度のいずれかの角度であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項１１】
予め求めた負荷変動と投入エネルギーとの関係を規定したテーブルに基づいて前記モータ駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか1つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項１２】
前記コイルに流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流値から演算により逆起電圧を算出する逆起電圧算出手段と、
前記算出された逆起電圧に応じて、前記駆動電圧のデューティー比を設定するためにフィードバックされることを特徴とする請求項５，６，８〜１１のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項１３】
パルス印加後の一定時間後に電流の大きさを検出し、
ある大きさ以上であれば回転と判断し、ある大きさより小さければ非回転と判断することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【請求項１４】
駆動パルスの印加と同時に設定されたサンプリング間隔でコイルに流れる電流値を検出する手段と、
電流値からの演算により逆起電圧を算出する手段と、
算出された逆起電圧からロータの角速度を算出し、積分することでロータの回転角度の変位量を算出する手段と、を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載のステップモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステップモータ駆動装置に関し、特に、最小限の電力でステップモータを駆動することにより電力の消費を低減することができる２極単相構造のステップモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、腕時計等の小型電子機器の駆動部に用いられるステップモータは、一定の時間間隔で供給される駆動パルスを駆動コイルに印加して励磁することによってロータを回転させるように構成されている。これらの小型電子機器では、充電あるいは電池交換が頻繁にできないことから、特に低消費電力のステップモータ駆動方法が求められている。
【０００３】
特許文献１には、電流波形で窪んだ位置（ステータの隙間部）をロータ磁極が通過する位置で駆動パルスを止める技術が開示されている。特許文献２には、パルス印加後にコイルを開放状態にして電流を流さないようにすることで、逆起電力（逆起電圧）によるブレーキをかけないようにする技術が開示されている。特許文献３には、ロータ回転を安定化させるために、駆動パルス印加後に中間電力励磁状態というパルスを供給する技術が開示されている。特許文献４には、第１の所定時間Ｔ１中にモータ巻線に所定の電圧を与える過程と、前記第１の時間に続いて第２の時間Ｔ２中にほぼ一定の電流をモータ巻線に与える過程を含む時計用単相ステッピングモータの給電方法の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５９１９９号公報
【特許文献２】特開平９−９３９９０号公報
【特許文献３】特開昭５６−１６４９８４号公報
【特許文献４】特開昭５９−０４６５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示される技術では、ロータ磁極が通過する位置で一気に駆動パルスの供給を止めるとロータが駆動していることにより発生する逆起電圧によりコイルには駆動パルスと逆方向の電流が流れることになり、ブレーキが作用してしまい問題である。また、この位置で駆動パルスの供給を止めてもロータが保持ポテンシャルのピーク位置（９０［ｄｅｇ］）を乗り越えて駆動するには、駆動パルス供給時に十分なエネルギーを供給しておく必要があり、省電力化が困難である。
特許文献２に開示される技術では、コイルを開放状態として電流を流さないことで、インダクタンスに蓄積されたエネルギーを捨ててしまうことになり、エネルギーを有効に利用できないという問題がある。
【０００６】
特許文献３に開示される技術では、駆動パルスのエネルギーの大きさの規定もなく、中間励磁状態のエネルギーの大きさも規定されていない。これらのエネルギーの大きさの規定がなければ、ロータは無駄な加速をしてしまい、エネルギーを無駄に供給してしまい、問題である。
特許文献４に開示される技術では、ロータは駆動トルクが有効に発生する区間（ロータが０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで回転する区間）を過ぎてからも積極的に電流を流しており、消費電力を少なくできない問題がある。
【０００７】
上述のようにステップモータの駆動に係る消費電力を削減するとしても、時刻を計時する時計等に使用するステップモータの場合、常に確実にロータを回転させることが必要である。
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、ロータが回転する最小限のエネルギーを供給することにより、電力消費を抑えることを可能にしたステップモータ駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のステップモータ駆動装置は、基本的に下記の記載事項を採用するものである。
【０００９】
本発明のステップモータ駆動装置は、２極磁化された永久磁石からなるロータおよびコイルを有するステータを備えた２極単相構造のステップモータと、前記ロータを一方向に１８０度毎にステップ回転させる交番磁界を前記ステータから発生させるモータ駆動電圧を前記コイルに印加する駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、逆方向回転トルク最大位置での前記ロータの運動エネルギーが、前記逆方向回転トルク最大位置から保持トルクゼロ位置までに得られるポテンシャルエネルギーと略同一となるようにモータ駆動電圧を出力し、前記逆方向回転トルク最大位置以降は、前記ロータの回転運動によって発生する逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧を出力し、前記ロータは、静的安定位置から次の静的安定位置まで回転を行なう際に、前記ロータの回転方向とは逆方向にはたらくトルクが最大となる前記逆方向回転トルク最大位置、前記ロータに作用するトルクが、前記ロータの回転方向に対して正方向および逆方向のトルクが互いに打ち消しあうことで、見かけ上回転トルクがゼロとなっている回転トルクゼロ位置、の各位置を通って回転し、前記回転トルクゼロ位置以降は、非励磁状態で正方向に作用するトルクを利用して回転することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、前記逆方向回転トルク最大位置から前記回転トルクゼロ位置までの間に印加されることを特徴とし、あるいは、前記逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、前記逆方向回転トルク最大位置から前記逆起電圧がゼロクロスする位置までの間に印加されることを特徴とする。  
【００１１】
また、本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記逆起電圧がゼロクロスする位置以降は、逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の電圧を印加することで、電力を回生することを特徴とする。  
【００１２】
また、本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記モータ駆動電圧は、電源電圧をＰＷＭ駆動によりデューティー比を調整することで得られる印加電圧であることを特徴とする。  
【００１３】
また、本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、電源電圧をＰＷＭ駆動により徐々にデューティー比を小さく変化させることで得られる、前記ロータの回転に伴って変化していく逆起電圧に相当する印加電圧であることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記逆起電圧がゼロクロスする位置以降は、前記ロータの回転に伴って変化していく逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の印加電圧であって該逆起電圧の大きさの変化に対応して変化する印加電圧を作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動による駆動パルスで構成し、電力を回生することを特徴とする。  
【００１５】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記静的安定位置から回転トルクがゼロとなる位置までのモータ駆動電圧印加中の通電電流の波形形状に山が１つしかなく谷がないことを特徴とする。
【００１６】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、逆方向回転トルク最大位置での前記ロータの運動エネルギーは、さらに、負荷トルクによって消費されるエネルギー分を含むことを特徴とする。  
【００１７】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記ロータの初期位相角は、４０度〜７０度の範囲のいずれかの角度であって、最適には４５度〜６７．５度のいずれかの角度であることを特徴とする。  
【００１８】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、予め求めた負荷変動と投入エネルギーとの関係を規定したテーブルに基づいて前記モータ駆動電圧を印加することを特徴とする。
【００１９】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、前記コイルに流れる電流値を検出する電流検出手段と、前記電流値から演算により逆起電圧を算出する逆起電圧算出手段と、前記算出された逆起電圧に応じて、前記駆動電圧のデューティー比を設定するためにフィードバックされることを特徴とする。  
【００２０】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、パルス印加後の一定時間後に電流の大きさを検出し、ある大きさ以上であれば回転と判断し、ある大きさより小さければ非回転と判断することを特徴とする。  
【００２１】
上記本発明のステップモータ駆動装置は、上記した同様のステップモータ駆動装置を備え、駆動パルスの印加と同時に設定されたサンプリング間隔でコイルに流れる電流値を検出する手段と、電流値からの演算により逆起電圧を算出する手段と、算出された逆起電圧からロータの角速度を算出し、積分することでロータの回転角度の変位量を算出する手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、ロータが回転する最小限のエネルギーを供給することにより、電力消費を抑えることを可能にしたステップモータ駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】２極単相ステップモータ駆動装置を説明する図である。
【図２】ロータの回転角度と保持トルクとの関係を説明する図である。
【図３】ロータが静的安定位置から次の静的安定位置に回転するまでの間の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーとの関係を説明する図である。
【図４】本発明に係る２極単相ステップモータに第１期と第２期に印加する印加実効電圧の波形を説明する図である。
【図５】図４の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【図６】電流一定時の駆動トルクを説明する図である。
【図７】印加実効電圧を変化させた場合のロータ角度とロータ角速度との関係を説明する図である。
【図８】電力回生手段を備えた２極単相ステップモータシステムを説明する図である。
【図９】本発明に係る２極単相ステップモータに第１期〜第３期に印加する印加実効電圧の波形を説明する図である。
【図１０】図９の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【図１１】本発明に係る２極単相ステップモータに第１期〜第４期に印加する印加実効電圧の波形を説明する図である。
【図１２】図１１の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【図１３】第１期および第２期に印加する印加電圧を説明する図である。
【図１４】図１３の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【図１５】第１期〜第３期に印加する印加電圧を説明する図である。
【図１６】図１５の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【図１７】第１期〜第４期に印加する印加電圧を説明する図である。
【図１８】図１７の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【図１９】図６とは異なるロータの初期位相角を持つ場合の電流一定時の駆動トルクを説明する図である。
【図２０】図１９の場合の初期位相角とロータの回転角度との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。  
【００２５】
図１は、２極単相ステップモータ駆動装置を説明する図である。  
２極単相ステップモータ駆動装置１０１は、モータ機構２０１とモータ機構２０１を駆動するモータ制御機構２０２を備える。モータ制御機構２０２については、図８を用いて後述して説明する。
モータ機構２０１は、ロータ５３と、ステータ５６とからなる。ロータ５３は、径方向に２極に着磁されたロータ磁石５１とロータ軸５２とを有する。ステータ５６は、磁芯５７に導線５８を巻き回した励磁コイル５９と、ロータ５３を配設するためのロータ孔５４とを備え、一対のスリット４１を有した構成になっており、励磁コイル５９で励磁された磁束の流れをロータ５３に導く。この様に、モータ機構２０１は、励磁コイル５９からの磁界をロータ磁石５１に作用させる機能を果たし、モータ制御機構２０２（図８参照）から印加される駆動パルス（印加電圧）によってロータ５３を反時計方向に回転させようとする駆動トルクが発生し、ロータ５３をステップ回転駆動させる。
【００２６】
励磁コイル５９の導線５８にはロータ５３が１８０［ｄｅｇ］毎に駆動パルスの印加方向が交互に切り替わり励磁コイル５９を流れる電流の方向が切り替わる。図４に示す印加電圧の実効値（以下、「印加実効電圧」という）のグラフでは、励磁コイル５９の一方端（例えば、励磁コイル５９の左側の電圧）を正と規定し、駆動パルスの印加方向が逆方向になった時は、印加実効電圧が負として示される。
【００２７】
ロータ５３の初期位相角θｉの位置を基準角度（θ＝０［ｄｅｇ］）とする。なお、図１〜図１８では初期位相角θｉは４５［ｄｅｇ］としている。基準角度（θ＝０［ｄｅｇ］）であるロータ５３の回転始めの位置から逆方向回転トルクが最大となる位置（θ＝４５［ｄｅｇ］）になるまでの間（以下、「第１期」と称する）は、保持トルクが最大となる位置でのロータ５３の角速度（以下、回転速度とも言う）ωによる運動エネルギー（１／２＊Ｊ＊ω＾２）が少なくとも保持ポテンシャルＰｈの半分（１／２＊Ｐｈ）となるようなエネルギーを与えることができる電圧を印加し駆動トルクを発生させる。逆方向回転トルクと保持トルクの関係については図２を用いて後述する。
【００２８】
逆方向回転トルクが最大となる位置から少なくとも回転トルクがゼロになるロータ５３の回転角度までの間（以下、「第２期」と称する）は、第１期に蓄えられた運動エネルギーを有効に利用し、第２期に必要な保持ポテンシャルを乗り越え、回転する。そのために、ロータ５３の回転に伴って変化していく逆起電圧に相当する電圧を印加することにより、ロータ５３にブレーキを発生させず、余分な加速も発生させない。また、逆方向回転トルク最大位置以降、回転トルクゼロ位置までの回転に対して、第１期までにコイルに蓄えられた磁気エネルギーにより正側の電流が流れることで、ロータ５３に正の駆動トルクが発生し回転力にわずかながらでも寄与することで、励磁コイル５９に蓄えられた磁気エネルギーを利用できるため、励磁コイル５９に蓄えられた磁気エネルギーが無駄に消費されない。
【００２９】
この点に関して補足すると、一般的なモータと異なり、特に腕時計の運針用に用いられるような２極単相構造のステップモータは、励磁コイル５９が数千ターンもあるため、インダクタンスが数［Ｈ］と非常に大きく、励磁コイルのインダクタンス成分に蓄えられる磁気エネルギーは比較的大きい。第２期にロータ５３の回転に伴って変化していく逆起電圧に相当する電圧を印加することで、磁気エネルギーを無駄に熱として消費してしまうのではなく、駆動のために有効活用させることは、更なる低消費電力化に有用である。
【００３０】
運動エネルギー（１／２＊Ｊ＊ω＾２）と保持ポテンシャルＰｈの半分（１／２＊Ｐｈ）とがほぼ等しいときに最も低消費電力となる。回転トルクゼロ位置（（９０＋α）［ｄｅｇ］）から１３５［ｄｅｇ］の位置までの期間を第３期と称し、１３５［ｄｅｇ］の位置から１８０［ｄｅｇ］の位置までの期間を第４期と称する。１３５［ｄｅｇ］は回転トルクが最大となる位置である。
【００３１】
図１に示されるようにモータ機構２０１において、ロータ５３は回転方向を決定するために（図１では反時計方向）、励磁コイル５９によって生成されるコイル磁界が作用する方向６０からθｉ［ｄｅｇ］反時計方向に傾く位置を、初期位置６１（θ＝０［ｄｅｇ］）となるように設計されている。初期位置６１は、保持トルクがゼロとなる安定位置として設定される。
【００３２】
図２は、ロータの回転角度と保持トルクとの関係を説明する図である。図２に示されるように、ロータ５３の回転位置を初期位置６１に引き戻そうとする保持トルクは、ロータ５３の初期位置６１（θ＝０［ｄｅｇ］）からθ＝４５［ｄｅｇ］の位置まで増大する。
ロータ５３は、初期位置６１に引き戻そうとする保持トルクが最大の位置（θ＝４５［ｄｅｇ］）を経過すると、保持トルクはロータ５３がθ＝９０［ｄｅｇ］の位置のときに大きさがゼロとなる。そして、θ＝１３５［ｄｅｇ］の位置で、ロータ５３を次の静的安定位置（θ＝１８０［ｄｅｇ］）に回そうとする保持トルクは最大となる。θ＝１８０［ｄｅｇ］の位置はロータ５３の静的な安定位置であり、ロータ５３に作用する保持トルクはゼロとなる。
【００３３】
ここで、回転トルク、逆方向回転トルク、正方向回転トルク、保持トルク、および摩擦トルクの関係について説明する。  
保持トルクは、ロータ５３にロータ磁極とステータとの位置関係によって形成される磁場が作用し、ロータの回転位置が変化した際に、バネ力のように初期位置へと復元するように作用するトルクである。本構成では、保持トルクは、ロータ５３の回転角度θが０［ｄｅｇ］〜９０［ｄｅｇ］まではロータ５３を時計周りに回転させ、ロータ５３を静的安定位置に戻そうとする。さらに、ロータ５３の回転角度θ＝９０［ｄｅｇ］で０となり、９０［ｄｅｇ］〜１８０［ｄｅｇ］で反時計周りに回転させるように作用する。
摩擦トルクはロータ５３の回転方向とは逆回転方向に作用する潤滑油などの粘性や接触摩
擦により生じるトルクであり、ロータ５３の回転によって発生するとともに回転を妨げるように作用する。  
回転トルクは、保持トルクから摩擦トルクを減算した物理量である。そして、逆方向回転トルクは、回転トルクがロータ５３を時計回り方向に回転させようとする場合に用い、正方向回転トルクは、回転トルクがロータ５３を反時計周りに回転させようとする場合に用いる。
【００３４】
なお、ロータ５３の保持トルクがゼロである回転位置９０［ｄｅｇ］とロータ５３の回転トルクゼロである回転位置（９０＋α）［ｄｅｇ］との差の「α」は、ロータ軸５２の摩擦トルクとロータ５３の保持トルクとの釣り合う角度である。つまり、ロータ５３の回転位置が９０［ｄｅｇ］以降、保持トルクは正回転方向（図１では、反時計回り方向）に作用するが、摩擦トルクは逆回転方向（図１では、時計周り方向）に作用するため、この釣り合った位置が９０＋α［ｄｅｇ］となる。
【００３５】
図３は、ロータが静的安定位置から次の静的安定位置に回転するまでの間の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーとの関係を説明する図であり、特に最も低消費電力で駆動する際のエネルギーの関係を示す。なお、ロータ５３の回転角度０［ｄｅｇ］において、運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーが０であることからわかるように、図３は、ロータ５３の停止状態から駆動し始める場合を示している。
【００３６】
図１に示されるようなモータ機構２０１において、低消費電力化を考えるには、ロータ５３の慣性モーメントに比例する運動エネルギーと保持ポテンシャル（更に、可能であればインダクタンスの蓄積エネルギーと負荷損失）の時間的なエネルギーの推移、授受の関係を厳密に考える必要がある。
本発明では、モータ機構２０１への過剰なエネルギーの供給を避けるために、１／２＊Ｊ＊ω４５＾２≧１／２＊Ｐｈ  としている（「＝」の時に最も低消費電力）。つまり、ロータ５３が回転角度４５［ｄｅｇ］（逆方向回転トルク最大位置）の位置で全エネルギーは両辺の和１／２Ｊ＊ω４５＾２＋１／２Ｐｈとなる。ここで、ω４５＾２とは、ロータ５３の回転角度４５度の位置における角速度ωの２乗を表わす演算式である。
【００３７】
より厳密に考えると、１／２＊Ｊ＊ω４５＾２＋１／２＊Ｌ＊ｉ２≧１／２＊Ｐｈ＋ＴＬ＊π／４となる。なお、ＴＬは負荷トルクである。このように、逆方向回転トルク最大位置（ロータ５３の回転角度４５［ｄｅｇ］）でのロータ５３の運動エネルギーとして負荷トルクＴＬによって消費されるエネルギー分を含ませてもよい。例えば、通常運針時には負荷トルクＴＬはほとんど輪列の摩擦トルクのみであり、その大きさは比較的小さいが、カレンダー機構など、大きな負荷が作用するときにはその分の負荷トルクも考慮した運動エネルギーを持たせる必要がある。図３に示すΔＥは、負荷トルクＴＬを考慮した運動エネルギーである。
【００３８】
ロータ５３が回転角度（９０＋α）［ｄｅｇ］（回転トルクゼロ位置）の位置に来ると、運動エネルギーはポテンシャルエネルギーに変換され、さらに、ロータ５３が次の静的安定位置（１８０［ｄｅｇ］）に位置する時にはポテンシャルエネルギーは再び運動エネルギーに変換される。この時の運動エネルギーの大きさは回転角度４５［ｄｅｇ］の位置でのエネルギーの大きさ（運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和）とは異なっており、ロータ回転中に作用する負荷トルクＴＬの大きさにより変化する。
【００３９】
一般に、ステップモータを高速駆動する場合でも実際には１ステップずつ動作が完了しており、静止状態からステップ駆動している。そのため、エネルギー的には運動エネルギーを保有したまま次の回転に継続するようにはされていない。
【００４０】
一方、図３において、ロータ５３の回転角度１８０［ｄｅｇ］では、ロータ５３は運動エネルギー（１／２＊Ｊ＊ω’＾２）を有する。そこで、ロータ５３の回転動作継続中には、その有する運動エネルギーを利用することによって、次のステップ駆動での駆動パルスによって与えるエネルギーをその運動エネルギー分減らすこともできる。
【００４１】
図４は、本発明に係る２極単相ステップモータに第１期と第２期に印加する印加実効電圧の波形を説明する図である。第１期には、保持トルクが最大となる位置でのロータ５３の回転速度ωによる運動エネルギー（１／２＊Ｊ＊ω＾２）が少なくとも保持ポテンシャルＰｈの半分（１／２＊Ｐｈ）となるようなエネルギーを電源回路から投入できるように電圧を印加する。第２期には、ロータ５３の回転に伴って変化していく逆起電圧に相当する電圧を印加する。
【００４２】
第１期と第２期に励磁コイル５９に印加する電圧（駆動パルス）は、あらかじめ予測結果に基づいたテーブル（図示せず）を用いて生成できる。このテーブルは、メモリなどに記憶されており、電池電圧の変化、カレンダーなどの重負荷作用時など、あらかじめ予測できる変動条件に基づいて設定されたものである。
第２期に逆起電圧相当の電圧を印加することにより、ロータ５３にブレーキが発生せず、また、余分な加速も発生しない。また、インダクタンスとして作用する励磁コイル５９に蓄積されたエネルギーも前述したように逆方向回転トルク最大位置４５［ｄｅｇ］から９０＋α［ｄｅｇ］までの回転にもわずかながら寄与することから、無駄に消費されるのを防止できる。逆起電圧相当の電圧の生成方法の例は図８を用いて後述する。
【００４３】
図５は、図４の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。図４に示される印加実効電圧が励磁コイル５９の導線５８に印加されたとき、励磁コイル５９の導線５８には、図５に示される電流が流れる。図５に示されるように、ロータ５３の静的安定位置から逆方向回転トルク最大位置（第１期）を経て回転トルクゼロ位置（第２期）までのモータ駆動電圧印加中において、通電電流の波形形状に山が１つしかない。電流波形を観察することで、概略ロータの回転角度を推定することができる。例えば、電流波形の山のピーク近傍でロータは概略４５［ｄｅｇ］回転しており、もし逆起電圧の影響による谷の影響が現れていれば、谷のピーク近傍でロータは概略９０［ｄｅｇ］回転しているということを、概略推定できる。本発明のように第１期と第２期に特徴的な駆動パルスを印加すると、図５の第１期と第２期に示されるように、山が１つしかなく谷がない通電電流の波形形状となる。
【００４４】
図５では第２期より後の時間において電流が負側に流れ、その後、励磁コイル５９に流れる電流は正の方向に流れている。電流が負側に流れる期間には電源から電圧が印加されていない期間であり、励磁コイル５９には逆起電圧によって生じる電流が流れる。電流が負側に流れることはロータ５３にブレーキが作用していることを意味し、このためロータ５３の回転の安定性が低くなる。そして、その後の正方向の電流の増加は、ロータ５３が磁気抵抗の小さい次の静的安定位置までに移動する間に、励磁コイル５９に流れる電流を表している。
【００４５】
図６は、電流一定時の駆動トルクを説明する図である。これは、ロータ５３の初期位相角θｉが４５［ｄｅｇ］近傍の場合である。駆動トルクの波形はｓｉｎ曲線である。励磁コイル５９に流す電流を一定とした場合、ロータ５３の回転角度に対する駆動トルクは、ロータ５３の磁極がステータ５６のスリット４１に最も近づいたときにピークをむかえるため、ちょうど逆方向回転トルク最大位置（４５［ｄｅｇ］）で最大となり、逆起電圧がゼロクロスする位置（θ＝１３５［ｄｅｇ］）で駆動トルクはゼロとなる。励磁コイル５９に一定の電流を流した場合、駆動トルクの平均値が大きいほうがより効率的にロータ５３を回転させることができる。参考までに、第１期の期間中における駆動トルクの平均値
を、Ｋｍｅａｎとして示してある。
【００４６】
図７は、印加実効電圧を変化させた場合のロータ角度とロータ角速度との関係を説明する図である。横軸にロータ５３のロータ角度θ、縦軸にロータ角速度ωをとる。印加実効電圧を小から大に変化させると、逆方向回転トルク最大位置であるθ＝４５［ｄｅｇ］におけるロータ５３のロータ角速度ωは増大していく。印加実効電圧を大きくするということはロータ５３に与えるエネルギーを増大することであり、ロータ５３は該エネルギーを運動エネルギーとして保持する。
【００４７】
図８は、電力回生手段を備えた２極単相ステップモータ駆動装置を説明する図である。モータ機構２０１は図１を用いて説明したとおりである。ここではモータ制御機構２０２を中心に説明する。電源回路部２から直流電圧が、スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって形成されるブリッジ回路に供給される。各スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄのＯＮ／ＯＦＦのタイミングが制御部６によって制御され、励磁コイル５９に印加するパルスの幅や、印加する電圧の方向を切り換え、電流を流す方向を切り替える。本明細書では、図８において励磁コイル５９の通電により、ロータ５３に作用する磁界方向が図中右から左に作用し、ロータ５３が反時計方向に回転させる方向に磁界が作用する方向が正、逆が負という。なお、この実施形態では、電源回路部２にはモータ機構２０１から回生される電気エネルギーを蓄える蓄電部４が取り付けられている。なお、電気エネルギーを回生しない場合には蓄電部４を用いなくてよい。
【００４８】
励磁コイル５９の導線５８に流す電流の方向を切り替えることで、この単相ステップモータ駆動装置１０１は、ロータ５３を一定方向に安定して回転させ続けることができるようになる。また、このＯＮとＯＦＦのタイミングにより、パルス幅変調にてロータ５３の制御を行う場合、励磁コイル５９に印加する駆動パルスの幅を設定できる。例えば、駆動コイル５９に複数の異なるエネルギー量の駆動パルスを選択的に印加させるには、パルスの幅を長くすればするほど大きなエネルギー量の駆動パルスを印加することができる。一方、パルスの幅を短くすれば小さなエネルギー量の駆動パルスを印加させることができる。
【００４９】
第２期、第３期において逆起電圧を相殺するモータ駆動電圧は、ロータ５３の回転に伴って変化していく逆起電圧に相当する印加電圧として作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動により徐々にデューティー比を小さく変化させた駆動パルスである。具体的には、直流電圧である電源電圧から各スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄをＯＮ／ＯＦＦすることによるスイッチング時間の制御（ＰＷＭ制御）を行なって駆動パルスを生成する。
第４期における逆起電圧がゼロクロスする位置以降は、ロータ５３の回転に伴って変化していく逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の印加電圧を作り出すために、直流電圧の電源電圧を各スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄをＯＮ／ＯＦＦすることによるＰＷＭ駆動で駆動パルスを生成し、モータ機構２０１の励磁コイル５９に生じた誘導電流による電力を蓄電部４に蓄電（回生）することができる。
【００５０】
モータ機構２０１の励磁コイル５９に流れる電流を検出するために抵抗９が、スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄから構成されるブリッジ回路とモータ機構２０１と配線経路に直列に接続されている。抵抗値が既知である抵抗９に掛る電圧を検出し、検出された検出電圧値をプロセッサ８に入力し、抵抗９を流れる電流値を算出する。抵抗値９を流れる電流値を基に逆起電圧値を算出することができる。求められた逆起電圧値を、電源電圧のＰＷＭ制御による駆動パルスのデューティー比の設定にフィードバックすることができる。抵抗９を流れる電流の電流値の検出および逆起電圧値の算出は所定のサンプリング間隔で行う。
【００５１】
プロセッサ８では、前記算出した電流値を元に逆起電圧の値を算出したり、算出された逆起電圧からロータ５３の角速度を算出し、ロータ５３の回転角度を積算したり、積算された角度情報からロータ５３の回転判断を行う。逆起電圧からロータの角速度を算出する際に必要となる定数などは予めメモリなどに記憶させておく。なお、ロータ５３が回転したか否かは、負荷が軽い場合にはロータ５３の回転角度の変位量が９０［ｄｅｇ］となったか否かで確認することができる。これによって、ロータ５３の回転位置をある程度正確に予測できるため、回転、非回転の誤検出が少なく、電流振幅の大きさでは負荷変動時に対応が難しいため、無駄な補正パルス印加によるエネルギーの消耗を避けることができる。なお、詳細な記載は省くが、回転、非回転を検出するセンサを別途設けて、そのセンサ信号を利用して２極単相ステップモータに印加する印加実効電圧を調整する方法であっても、もちろん構わない。
【００５２】
上述したように抵抗９の電圧値を検出することによって、モータ機構２０１の励磁コイル５９に流れる電流の大きさを検出することができ、検出した電流値がある大きさ以上であればロータ５３は回転と判断し、ある大きさより小さければ非回転と判断することができる。例えば、図５の右側が正に流れる範囲（第４期に相当）での電流値は、保持トルクによってロータ５３が正回転方向に加速され運動エネルギーを持つことで逆起電圧が発生し、誘導電流が流れるため、この電流値がある値以上であれば、保持トルクにより加速されて回転していることが分かる。 
【００５３】
図９は、本発明に係る２極単相ステップモータに第１期〜第３期に印加する印加実効電圧の波形を説明する図である。第１期および第２期に印加される印加実効電圧は、図４を用いて説明したとおりである。第３期において図示される電圧を印加することによって、図１０に示されるように第３期において励磁コイル５９に電流が流れず、ロータ５３の回転をより安定化させることができる。
【００５４】
図１０は、図９の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。図５に示される電流の波形と比較すると、図５では第３期において電流が負側に流れロータ５３にブレーキがわずかに作用しているのに対し、図１０では電流が負側に流れていずゼロであるためブレーキが作用していない。このためロータ５３はより安定的に回転することができる。これは励磁コイル５９に電流が流れないことを意味しておりエネルギーが無駄に消費されることを防止している。
【００５５】
図１１は、本発明に係る２極単相ステップモータに第１期〜第４期に印加する印加実効電圧の波形を説明する図である。第１期および第２期に印加される印加実効電圧は、図４を用いて説明したとおりである。第３期は図９を用いて説明したように、図示される電圧を印加することによって、図１２に示されるように第３期において励磁コイル５９に電流が流れず、ロータ５３の回転をより安定化させることができる。
【００５６】
第４期では、ロータ５３の回転に伴って変化していく逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の電圧を印加することで、蓄電部４（図８参照）に電力を回生できる。負方向の電圧を印加することは、図８のスイッチ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄのオン・オフを制御し、電源電圧をＰＷＭ駆動による駆動パルスで構成することによって可能である。負方向の電圧を印加するようにスイッチを操作することにより、電源回路２側から励磁コイル５９ＧＮＤ側に電流が流れる経路が形成される。逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の印加実効電圧を印加することにより、電流は励磁コイル５９から電源回路２側へ流れるために、蓄電部４に電気エネルギーを回生できる。負方向の電圧を印加するようにスイッチを操作することが重要であり、この操作によりスイッチでの電圧損失が少なく効率的に電気エネルギーを回生できる。
【００５７】
図１２は、図１１の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。第４期の電流による電力が蓄電部４（図８参照）に回生電力として蓄電される。
【００５８】
図１３は、第１期および第２期に印加する印加電圧を説明する図である。電源電圧をＰＷＭ駆動によりデューティー比を調整することで、所望のエネルギーを投入できる印加実効電圧を生成することができる。図４に示されるように、第１期に印加される実効電圧は、第２期に印加される実効電圧より高いので、図１３に示されるように、第１期のデューティー比は高くなっており、第１期のパルス幅は第２期のパルス幅に比較して広い。そして、第２期のパルス幅は時間と共に狭くなっている。
【００５９】
第１期では、保持トルクが最大となる位置でロータ５３のロータ回転速度（ω）による運動エネルギー（１／２＊Ｊ＊ω＾２）が少なくとも保持ポテンシャルＰｈの半分（１／２＊Ｐｈ）以上となるようなエネルギーを投入できる印加電圧を作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動による駆動パルスとする。  
第２期では、ロータ５３の回転位置（角度）に伴って変化していく逆起電圧に相当する印加電圧を作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動により徐々にデューティー比を変化させた駆動パルスとする。  
【００６０】
上述したように、デューティー比を調整することで様々な電圧振幅を作り出すことができる。このため、様々な電圧振幅を生成する電子回路を設ける必要がなく、装置の構成を簡素化できる。図１４は、図１３の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【００６１】
図１５は、第１〜第３期に印加する印加電圧を説明する図である。第１期と第２期のＰＷＭ駆動におけるデューティー比は、図１３を用いて説明したとおりである。第３期では、ロータ３の回転位置（角度）に伴って変化していく逆起電圧に相当する印加電圧を作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動による駆動パルスとする。図１６は、図１５の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【００６２】
図１７は、第１期〜第４期に印加する印加電圧を説明する図である。第１期〜第３期までのＰＷＭ駆動におけるデューティー比は図１３と図１４を用いて説明したとおりである。第４期では、ロータ５３の回転位置（角度）に伴って変化していく逆起電圧の大きさよりも小さい大きさの負方向の印加電圧を作り出すために、電源電圧をＰＷＭ駆動による駆動パルスで構成することで、モータ機構２０１からの電力を蓄電部４に蓄電できる。図１８は、図１７の場合の２極単相ステップモータに流れる電流の波形を説明する図である。
【００６３】
図１９は、電流一定時の駆動トルクを説明する図である。この図は、ロータ５３の初期位相角θｉが６７．５［ｄｅｇ］の近傍の場合である。本発明では、ロータ５３の初期位相角θｉの位置を基準角度（θ＝０［ｄｅｇ］）として、基準角度（θ＝０［ｄｅｇ］）であるロータ５３の回転始めの位置から逆方向回転トルク最大位置（θ＝４５［ｄｅｇ］）まで印加実効電圧を励磁コイル５９に印加する。図６に示される電流一定時の駆動トルクの波形（ｓｉｎ曲線）と較べると、図１９では初期位相角θｉが大きくなっていることから、駆動トルクの最大位置が移動しており、第１期の中央辺りにピークがあらわれていることがわかる。つまり、初期位相角θｉを６７．５［ｄｅｇ］にした場合には、ｓｉｎ曲線のピークを中心とした駆動トルクでロータ５３を駆動できるため、効率的な駆動が可能である。初期位相角θｉが６７．５［ｄｅｇ］の場合が４５［ｄｅｇ］よりエネルギー効率がよい。第１期の期間中における駆動トルクの平均値Ｋｍｅａｎは、図６よりも大きいことが見てとれる。
【００６４】
図２０は、図１９（初期位相角θｉが６７．５［ｄｅｇ］）の場合の初期位相角とロー
タの回転角度との関係を説明する図である。図６では、ロータ５３の初期位相角θｉを４５［ｄｅｇ］として説明した。ロータ５３の初期位相角としては４５［ｄｅｇ］に限定されるものではなく、４０［ｄｅｇ］〜７０［ｄｅｇ］の範囲のいずれかの角度、最適には４５［ｄｅｇ］〜６７．５［ｄｅｇ］の範囲までのいずれかの角度を初期位相角として設定することによって、エネルギー効率が低下することはない。
【符号の説明】
【００６５】
２  電源回路部
４  蓄電部
６  制御部
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  スイッチ
８  プロセッサ（ＣＰＵ）
９  抵抗
５１  ロータ磁石
５２  ロータ軸
５３  ロータ
５４  ロータ孔
５６  ステータ
５７  磁芯
５８  導線
５９  励磁コイル
６０  コイル磁界が作用する方向
６１  初期位置
１０１  ２極単相ステップモータ駆動装置
２０１  モータ機構
２０２  モータ制御機構
【図１】
2012050257.tif 000003
【図２】
2012050257.tif 000004
【図３】
2012050257.tif 000005
【図４】
2012050257.tif 000006
【図５】
2012050257.tif 000007
【図６】
2012050257.tif 000008
【図７】
2012050257.tif 000009
【図８】
2012050257.tif 000010
【図９】
2012050257.tif 000011
【図１０】
2012050257.tif 000012
【図１１】
2012050257.tif 000013
【図１２】
2012050257.tif 000014
【図１３】
2012050257.tif 000015
【図１４】
2012050257.tif 000016
【図１５】
2012050257.tif 000017
【図１６】
2012050257.tif 000018
【図１７】
2012050257.tif 000019
【図１８】
2012050257.tif 000020
【図１９】
2012050257.tif 000021
【図２０】
2012050257.tif 000022