(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間基準信号を出力する発振回路と、前記発振回路の出力信号を入力して分周する分周回路と、前記分周回路の出力信号を入力して時刻情報を表示するための出力信号を合成する波形合成回路と、前記波形合成回路の出力信号を入力して静電モ−タを駆動する駆動信号を出力するモ−タ駆動回路と、前記モ−タ駆動回路の出力信号を入力することによりステ−タと微小間隔を有して回転するロ−タと、前記ロ−タの回転により動作する時刻表示機構とを有し、複数の固定電極を有する前記ステ−タと、微小間隔を介して保持され、指針と結合され、可動電極を有するロ−タとの両電極間に電圧を印加することにより指針が水平方向に回転移動する平行吸引力型静電モ−タにおいて、ステ−タ円周上で均等に３０分割され順次第１、第２及び第３の固定電極とすることにより周期的に３組の固定電極を１０個ずつ有し、他方ロ−タ上にはステ−タ上固定電極と同一幅でステ−タとの微小間隔を保持できるように均等に２０分割された形状を有する可動電極を有し、秒針を１秒毎にステップ運針させるに際して固定電極への電圧印加を１秒毎に順次第１、第２、第３に切り換えてなることを特徴とするアナログ式電子時計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は指針を用いて時刻表示を行うアナログ式電子時計に関し、更に詳しくは駆動モ−タとして静電モ−タを用いたアナログ式電子時計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のデジタル技術の進歩にも拘わらず、時刻表示方式としてはいまだにアナログ式が主流となっている。この理由として時計には正確性と同時に装飾性が要求されており、表示品質及びデザイン性の高さなどからアナログ優位は替わりそうにない。現状のアナログ式電子時計の駆動モ−タにはステッピングモ−タが用いられており、広く普及している。
【０００３】
近年、エコロジ−意識の高揚から時計に対しても有害金属を含んだ電池を使用しないことが望まれており、さらには電池交換不要のシステム構築が急がれている。このための方策として前者に対してはリチウム電池の使用が有効であるが数年に一度の電池交換作業は煩雑であるため早急に後者を実現する必要がある。後者に対しては電池容量のアップ、更なる低消費エネルギ−対策などが考えられるが、腕時計としての外径寸法制約から大容量電池は使用できず、ステッピングモ−タについても原理的制約からこれ以上の飛躍的な消費電流低減は期待できない状況にある。
【０００４】
また電池交換不要システムとして太陽電池もしくは発電機構の応用があるが現状では時計駆動のための消費エネルギ−量に比して発電能力が小さいために初期起動特性や駆動寿命などに課題を残している。
【０００５】
また、マイクロマシン技術の進展により時計に静電モ−タを用いることも提案されている。「Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｗｏｂｂｌｅ  ｍｏｔｏｒｓ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｏｒ  ｗｒｉｓｔｗａｔｃｈ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」  Ｌ. Ｐａｒａｔｔｅ、Ｎ. Ｆ. ｄｅ  Ｒｏｏｉｊ, Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，Ｔｈｅ  ７ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｊｕｎｅ  ７−１０, １９９３に開示されている。しかし、いまだ原理的な検討段階にとどまっており、運動方法についても連続回転が前提となっておりステップ運針に関する考察はなされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
時計外観は従来のアナログ式の運針状態を踏襲しつつ更なる低消費エネルギ−化を図るための一手段として静電モ−タは大きな可能性を有しているが、前述のように実用化に向けてはまだまだ解決しなければならない問題が多い。特に一般的な静電モ−タ構造においては発生する回転力が小さいことと静電モ−タを用いたステップ運針が実現できていないことが大きな課題として挙げられる。
【０００７】
上記課題に対して、本発明においてはステッピングモ−タに替わる新しい駆動モ−タとして静電モ−タを用い、更にはアナログ時計の指針を回転駆動するための電極構造を工夫することにより、従来時計と同様に１秒毎のステップ運針を達成しつつ大幅な消費エネルギ−の低減化を達成することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるアナログ式電子時計は、時計基準信号を出力する発振回路と、発振回路の出力信号を入力して分周する分周回路と、分周回路の出力信号を入力して時刻情報を表示するための出力信号を合成する波形合成回路と、波形合成回路の出力信号を入力して静電モ−タを駆動する駆動信号を出力するモ−タ駆動回路と、モ−タ駆動回路の出力信号を入力することによりステ−タと微小間隔を有して回転するロ−タと、ロ−タの回転により動作する時刻表示機構とを有することを特徴とする。
【０００９】
更に具体的には、多数の固定電極を有するステ−タと可動電極を有するロ−タを微小間隔を介して相対配置し、両電極間に電圧を印加することによりロ−タが水平方向に移動する平行吸引型静電モ−タ構造を用い、ロ−タの変位量から規正される間隔毎にステ−タ上に形成された第１、第２及び第３の固定電極に順次電圧を掃引印加することにより指針を回転移動させる。さらには上記静電モ−タ構造を文字板に対してアナログ指針と反対位置に配置し、かつ指針はロ−タの動きと呼応して運針するように結合されている。
【００１０】
【作用】
上記のような構造を有する静電モ−タにおいて、可動電極と固定電極間に電圧を印加することによりロ−タを移動させその結果として指針を回転移動させるに際して、固定電極の電圧印加電極を第１、第２、第３に順次切り換えて選択することによりロ−タは水平方向への一定変位を繰り返す。
【００１１】
例えば秒針の運針を想定した場合には、図３に示すようにステ−タ２の円周上で３０分割された第１の固定電極３ａとロ−タ１の円周上で２０分割された可動電極４ａとの間に電圧印加することにより第１の固定電極３ａと相対する１０箇所の可動電極４ａとの間に回転力が発生し可動電極４ａは第１の固定電極３ａと正対する位置まで回転運動する。この時、第２の固定電極３ｂに対して前記１０箇所の可動電極４ａと隣接する可動電極４ｂの一部が相対する位置にある。ついで１秒後に第２の固定電極３ｂと可動電極４ｂの間に電圧印加することにより上記と同様にして図４に示すように可動電極４ｂは第２の固定電極３ｂと正対する位置まで回転運動を行う。同様にして次の１秒後には第３の固定電極３ｃに、更に次の１秒後には再び第１の固定電極３ａに電圧印加を順次切り換えていくことにより結果的に１秒毎のステップ運針を実現できる。
【００１２】
この時の回転移動力は固定電極と可動電極間に発生する。又静電モータ構造は文字板の裏側に構成されるために時計外観品質とは無関係に形状、大きさを設定できる。このために最大で時計文字板とほぼ同面積を静電モ−タ構造のために使用できるようになり、必要寸法が大きく取れるために十分な回転移動力が得られる。また、複数箇所のステ−タとロ−タ間に働く力の総計が回転移動力として発生するため従来に比して十分大きな力が得られる。この回転力はロ−タから指針に伝達されステップ運針を実現する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は第１の実施の形態に用いる平行吸引型静電モ−タ構造の一部を示す上面模式図、図２はロ−タの動きを模式的に説明する模式図である。図１において外径４ｍｍ程度のロ−タ１とステ−タ２が微小間隔ｄを介して相対することにより静電モ−タ６を構成している。ここでは、秒針のステップ運針を達成するためにステ−タ２上に形成された固定電極３をステータ２の円周上に均等に３０分割してある。他方、ロ−タ１の円周上には一つの固定電極３の幅と同じ幅でかつ均等に２０分割となるように可動電極４を形成した。
【００１４】
ロ−タ１及びステ−タ２はマイクロマシニング技術として有名なＬＳＩ微細加工技術、成膜技術及び電鋳技術などを用いて試作した。これらの技術は「動くシリコンへ  Ｓｉマイクロマシニング技術」、日経エレクトロニクス１９８９．８．２１に開示されている。ガラス基板上にＬＩＧＡ（ＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃＧａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ  Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）プロセスを用いて必要形状の反転形状にレジスト形成し、次いでＮｉ電鋳を行うことにより必要形状のロ−タ１及びステ−タ２を形成した。この際、ロ−タ１の下部及び外周部に予めＣｕメッキ層を形成し工程の最後に電解エッチングを行うことでＣｕメッキ層のみを除去することによりロ−タ１の基板からの遊離及びステ−タ２との微小間隔を得た。今回は可動電極間に固定電極幅の半分のスペ−スを設けるようにロ−タ歯型形状を形成することで上記仕様を満たした。
【００１５】
この構造における発生する回転力を図２を用いて説明すると、固定電極３及び可動電極４の厚さｂと、固定電極３と可動電極４との微小間隔ｄと、固定電極３と可動電極４との間の比誘電率εを有し、図１に示すように配置された一対のロ−タ１、ステ−タ２間に発生する回転力Ｆは数式Ｆ＝（ｂεＶ2 ）／（２ｄ）で表され、図２中矢印で示した方向に働く。この時の回転力Ｆは固定電極３と可動電極４の相対位置には依存しない。このため固定電極３と可動電極４との間に印可する電圧Ｖを変えずに回転力Ｆを大きくするためには電極の厚さｂ及び比誘電率εを大きくし微小間隔ｄを小さくできれば良い。しかし、いずれも構造上あるいは製造上の制約があるために限界があり、回転力Ｆが大きくできないという問題があった。今回は微細加工技術などを用いることにより電極の厚さｂの値は、ほぼ１００μｍ、微小間隔ｄの値は、ほぼ１０μｍを得た。尚、この場合の比誘電率εの値は、１である。
【００１６】
本発明の第１の実施の形態においては回転力Ｆを複数箇所に同時に発生させることにより結果として大きな回転力を得、合わせてステップ運針を実現するものであり図３を用いて詳細を説明する。固定電極及び可動電極は上述のようにそれぞれ３０分割、２０分割してある。図３は第１固定電極３ａと可動電極４ａ間に電圧が印加されロ−タ１が右回転運動し第１固定電極３ａと可動電極４ａ（図３の斜線の部分。円周上では１０箇所ある。）とが正対した状態を示している。
【００１７】
この状態で電圧印加を継続するとロ−タ１とステ−タ２間に引力が発生するために秒針に対する保持力として作用する。このためステップ運針後の保持時に外力が働いても今の状態に戻そうとする復元力のために指針は正常位置に留まることが可能である。この復元力は外力発生時にのみ発生するため正常時においては何ら特別な力は必要としない。
【００１８】
第１固定電極３ａと可動電極４ａ間に電圧印加した１秒後に第２固定電極３ｂに電圧印加場所を掃引し可動電極４ａｂとの間に３０Ｖを印加することによりロ−タ１の円周上の１０箇所の第２固定電極３ｂと一部相対した可動電極４ｂとの間に合計８×１０-7Ｎの回転力が発生し図４に示すようにロ−タ１は６゜右に回転する。この時、可動電極４ｂが第２固定電極３ｂと正対し停止する（図中斜線で示した部分。円周上では１０箇所ある）。ついで１秒後に第３固定電極３ｃに電圧印加場所を掃引することで図５に示すようにロ−タ１は更に６゜右に回転し可動電極４ａが第３の固定電極３ｃと正対し停止する（図中斜線で示した部分。円周上では１０箇所ある）。以下同様の操作を繰り返すことにより秒針は１秒毎のステップ運針を繰り返す。図３、図４及び図５から明らかなようにロ−タ１は一動作で固定電極ピッチの半分に相当する距離を移動するため本発明の第１の実施の形態においては６°ずつステップ運針できる。更に電圧を印加する固定電極の順序を第１、第３、第２に順次掃引することにより逆回転も可能である。
【００１９】
上記の静電モ−タをアナログ電子時計に組み込んだ時の概略及び時刻表示システムを図６、図７に示す。図７は本発明のアナログ式電子時計の実施例を示すブロック図である。発振回路５１は水晶振動子（図示せず）などを源振として時間基準信号を出力する。分周回路５２は発振回路５１の出力信号を入力して分周する。波形合成回路５３は分周回路５２の出力信号を入力して静電モ−タを駆動するためのパルスを合成する。モ−タ駆動回路５４は波形合成回路５３の出力信号を入力して静電モ−タを駆動する駆動信号を出力する。
【００２０】
静電モ−タ６は、ステ−タ２と微小間隔を有してなるロ−タ１とからなり、ロ−タ１はモ−タ駆動回路５４の出力信号を入力することにより回転する。時刻表示機構５５はロ−タ１の回転を受けて相対運動を行う。
【００２１】
図６は本発明の第１の実施の形態を示す断面模式図であり、時針、分針、秒針がそれぞれに独立に構成された静電モ−タにより駆動される様子を示している。秒針４４の動きに注目して説明すると、受け板４６にはロ−タ１の回転軸の軸受けが設けられ秒針軸４５が保持されている。この秒針軸４５には、秒針用ロ−タ４１が組み込まれ秒針用ステ−タ４２と微小間隔を有して配置される。秒針用ロ−タ４１と秒針用ステ−タ４２により秒針用静電モ−タが構成され、外部からの出力信号を受けて秒針用ロ−タが回転運動を行い、この動きは秒針軸４５を介して文字板４３に対して反対位置に勘合された秒針４４に伝わりステップ運針を行う。
【００２２】
分針、時針についても同様に中受け板４７及び地板４８上にそれぞれの駆動用の静電モ−タが形成され、同様にして分針、時針に運動が伝達される。この静電モ−タはマイクロマシニング技術を用いて製造されるために従来のステッピングモ−タに比して非常に薄型であり秒針、分針、時針用としてのそれぞれ個別の静電モ−タを図６のように重ねる構造も可能となる。分針及び時針はロ−タ及びステ−タの電極分割数に従ったステップ運針が可能で例えばロ−タをそれぞれ６０分割、１８分割しておくことにより３０秒及び２０分に一度の運針が達成され従来とほとんど違和感のない運針が実現できる。あるいは分針及び時針に秒針と同一仕様の静電モ−タを用いることにより１種類の静電モ−タで１秒、１分及び１２分に一度の運針が得られる。
【００２３】
第２の実施の形態を図８に示す。ここでは分針用ロ−タ及び時針用ロ−タの回転運動が歯車を介してそれぞれ分針及び時針と勘合された状況を示している。分針６４を例に説明すると、受け板６６には分針用ロ−タ６１の回転軸の軸受けが設けられ、分針軸６５が保持されている。この分針軸６５には分針用ロ−タ６１が組み込まれ分針用ステ−タ６２と微小間隔を有して配置される。分針用ロ−タ６１と分針用ステ−タ６２により分針用静電モ−タが構成され外部からの出力信号を受けて分針用ロ−タが回転運動を行い、この動きは分針用歯車６７を介して文字板６３に対して反対位置に勘合された分針６４に伝わり運針する。
【００２４】
この構成によれば秒針用、分針用及び時針用の静電モ−タは同一基板上に作り込むことが可能なため生産性が大幅に改善できる。更に秒針用、分針用及び時針用の静電モ−タを同一仕様とする場合には一プロセスですべての静電モ−タを作り込むことが可能である。
【００２５】
第２の実施の形態においては分針及び時針運針のための伝達構造を同一構造としたが、他に静電モ−タにより分針運針力を発生し、ここからの力の一部を歯車で時針に伝達することなどでも目的は達成される。
【００２６】
図９、図１０及び図１１を用いて第３の実施形態の詳細を説明する。図９は、第３の実施形態に用いる平行吸引型静電モ−タ構造の一部を示す上面模式図、図１０は、ロ−タの動きを模式的に説明する模式図、図１１は、図９のＡ−Ａ断面を示す模式図である。第３の実施形態においては静電モ−タにおける構造が第１及び第２の実施形態とは異なり図１１に示すように可動電極１４を有するロ−タ１１と固定電極１３を有するステ−タ１２は微小間隔ｅを介して積層配置され静電モ−タ１６を構成している。固定電極１３及び可動電極１４は、第１の実施形態と同様にしてそれぞれ３０分割、２０分割されて図９及び図１０に示す位置に配置した。
【００２７】
具体的にはここでもマイクロマシニング技術を用いることにより外径１３ｍｍ程度の静電モ−タ１６を試作した。この時、可動電極１４と固定電極１３とが半径方向で重なっている電極の長さｗの値は６ｍｍであった。ガラス基板上に固定電極１３の形状にＰｔ電極を形成した後、ゾルゲル法を用いて５μｍ厚のＰＺＴ薄膜を形成することにより誘電体層１５を有するステ−タ１２を構成した。この時に得られたＰＺＴ薄膜の比誘電率εは１０００近い値を示した。第３の実施形態においてはロ−タ１１とステ−タ１２が積層配置されているために前記誘電体層１５がないと微小間隔ｅを維持できず短絡してしまう。この電極間短絡を防止しかつ両電極間に発生する力を大きくするためにＰＺＴ薄膜からなる誘電体層１５の形成は有効である。他方１００μｍ厚のプラスチック板上に可動電極１４の形状にＡｌ電極膜を形成することによりロ−タ１１を構成し、両者をおよそ１０μｍの微小間隙ｅを介して積層配置した。
【００２８】
この時、図１０において固定電極１３と可動電極１４との間に発生するに回転力Ｆは、数式Ｆ＝（ｗεＶ2 ）／（２ｅ）で表され図１０中矢印で示した方向に働く。この回転力Ｆとして固定電極１３と可動電極１４とに印可する電圧Ｖを３０Ｖとして、およそ５×１０-5Ｎの値がが得られた。第１の実施形態との違いは構造の違いによる電極の長さｗの影響が大きい。固定電極１３と可動電極１４との関係は第１の実施形態と同様で第３の実施形態においても固定電極１３への電圧掃引印加により１秒毎のステップ運針が得られた。第３の実施形態においては静電モータ１６の外径が１３ｍｍと大きいが、結果としてこれに比例した大きな力が得られる。更にモ−タ自身は文字板の裏に隠れてしまうために全く実害はない。
【００２９】
第３の実施形態においてロ−タ１１とステ−タ１２との間におよそ１０μｍの微小間隙ｅを設けたが、好ましくは平行吸引力を利用してロ−タ１１が、誘電体層１５上を移動する構造でも良い。この際には誘電体層１５の膜厚で微小間隔ｅが規定されるため発生する回転力は誘電体層１５の比誘電率εに比例して非常に大きなものが得られるが、両者の接触状態がロ−タ１１の回転駆動特性に非常に大きな影響を及ぼす。あまりに平滑な界面は両者が吸着してしまうため適当でなく若干の凸凹が有効である。更に界面部にダイヤモンドライクカ−ボン膜を挿入することにより潤滑性、絶縁性及び機械的特性が大幅に改善される。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、ロ−タに形成された可動電極と、ロ−タの変位量から規正される間隔毎にステ−タ上に分割形成された第１、第２及び第３の固定電極間に順次電圧を掃引印加することによりロ−タをステップ駆動させることができる。この時ロ−タとステ−タ間に働く力は複数箇所に発生するので結果的に従来に比して大きな駆動力を得ることができる。
【００３１】
また、本発明の静電モ−タによれば指針が正常位置にいる時には保持エネルギ−は不要で万が一外部擾乱が加わり指針が変位しようとした時には静電引力により指針を正常位置へ戻そうとする力が有効に働くために無駄なエネルギ−消費がない。この結果、全体としての消費エネルギ−は従来ステッピングモ−タと比較しておよそ半分に低減できた。ステッピングモ−タ部の電気機械変換損や輪列部の摩擦損もしくは上記の保持エネルギ−などが影響しているものと考えられる。また、上記静電モ−タ構造は文字板に対してアナログ指針と反対側に配置されているので従来時計の外観を損なうことがない。さらには構成が簡単でマイクロマシニング技術を用いてバッチ処理されるのでコイル、輪列部材などの面倒な部材が不要となり機構の小型化と共に非常に低コストに作成できるなど波及効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平行吸引型静電モ−タ構造の第１の実施形態を示す上面模式図。
【図２】本発明の第１の実施形態の静電モ−タ構造におけるロ−タの動きを説明する模式図。
【図３】本発明の静電モ−タにおいてステップ運針を行うために第１固定電極と可動電極間に電圧印加した状態を示す模式図。
【図４】第２固定電極と可動電極間に電圧印加することにより図３の状態から６゜右回転した状態を示す模式図。
【図５】第３固定電極と可動電極間に電圧印加することにより図４の状態から更に６゜右回転した状態を示す模式図。
【図６】本発明の静電モ−タをアナログ式電子時計に組み込んだ時の指針とモ−タとの関係の概略を示す第１の実施形態の断面模式図。
【図７】本発明の静電モ−タを用いた時計表示システムを示す図。
【図８】本発明の静電モ−タをアナログ式電子時計に組み込んだ時の指針とモ−タとの関係の概略を示す第２の実施形態の断面模式図。
【図９】本発明の平行吸引型静電モ−タ構造の第３の実施形態を示す上面模式図。
【図１０】本発明の第３の実施形態の静電モ−タにおけるロ−タの動きを説明する模式図。
【図１１】図９におけるＡ−Ａ断面を示す模式図。
【符号の説明】
１  ロ−タ
２  ステ−タ
３  固定電極
３ａ  第１固定電極
３ｂ  第２固定電極
３ｃ  第３固定電極
４  可動電極
４ａ  可動電極
４ｂ  可動電極
６  静電モ−タ
１１  ロ−タ
１２  ステ−タ
１３  固定電極
１４  可動電極
１５  誘電体層
１６  静電モ−タ
４１  秒針用ロ−タ
４２  秒針用ステ−タ
４３，６３  文字板
４４  秒針
４５  秒針軸
４６、６６  受け板
４７  中受け板
４８  地板
５１  発振回路
５２  分周回路
５３  波形合成回路
５４  モ−タ駆動回路
５５  時刻表示機構
６１  分針用ロ−タ
６２  分針用ステ−タ
６４  分針
６５  分針軸
６７  分針用歯車
【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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