JP2006271127A - ステッピングモータの停止制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータの停止時のステップずれや振動を抑制する停止制御方法を安価に提供する。
【解決手段】ステッピングモータの停止制御において、停止位置に対応した特定の励磁相の励磁を、停止制御開始時からモータの回転停止まで保持すると共に、必要によりこの特定の励磁相の励磁電流を停止制御開始後に規定値から可変させたことを特徴としている。さらには、モータ停止後に励磁状態を保持してロータを脱調させると共に、この脱調を開始した励磁相に対してロータを電気角2π×ｎ（ｎは自然数）回転させて停止させ、この脱調状態においても励磁電流値を可変したことを特徴としている。
【選択図】 図３

Description

本願発明は、ステッピングモータの制御方法の分野に属し、特に、ステッピングモータを停止させる際の制御方法に関する。

パチンコ、スロットマシン、等の遊技機の回転図柄表示装置は、外周面に各種図柄を配列表示した円筒形の図柄リールを、モータ駆動により回転駆動させ、区々のタイミングで停止させることにより、特定の図柄を表示窓に表示させるものである。

この図柄リールを回転させる駆動モータとして、従来からステッピングモータ（以下、「モータと略称」する。）が用いられている。このモータは、ロータの周囲に配置した多数個のステータのコイルに電流を流してステータを磁化し（これを励磁という）、この励磁を定められた手順（シーケンス）に従って切り替えることで、ロータを回転させるものである。

通常、このモータを回転させるには、励磁させるパルス間隔を定速回転と同じ幅になるまで徐々に短くする制御（これをスローアップ制御という）を行っていた。反対にモータを停止させるには、上記と逆の制御（スローダウン制御）を行っていた。

モータの停止制御方法としてはスローダウン制御の他にもあり、例えば、４相多極型ステッピングモータの場合において、４相全てを励磁させると共にある一定時間その励磁を保持させて停止させる制御方法があり、特許文献１に開示されていた。

また、特許文献２には、特許文献１にあるような全相励磁を行った後、モータの停止位置に対応する1相の逆相に印加しているパルスを遮断する3相励磁方式が開示されていた。
特開２００２−１５９６２７号公報（第５頁、第５図） 特開２００２−１５９６２６号公報（第５−６頁、第２図）

しかしながら、スローダウン制御は、定速回転から徐々に速度を下げて停止させるため、短時間にモータを停止させることが難しいものであった。さらに、スローダウン制御のパルスレートの決定は、その求め方の一般的な計算式はあるものの、実際には使用するモータのトルク特性と回転対象物のイナーシャ、他にもモータのダンピング特性やモータと回転対象物との共振なども影響してくるため、この停止制御のプログラム作成には時間がかかり、その結果、モータ開発のコストアップの要因となっていた。

また、特許文献１の発明にある４相全てを励磁させる停止制御方法は、停止制御のプログラム作成が不要となる利点があるが、４相全てを励磁させることにより、モータの磁気回路上での合成磁界ベクトルが0となるためにロータの保持力が弱く、モータを停止させたい励磁相に対して数ステップずれてしまう問題があった。加えて、磁気回路で合成磁界ベクトルが０ということは、モータ特性の残留トルクの影響が非常に大きくなってモータ特性がばらつくこととなり、これを原因とするモータ停止時のステップずれも発生していた。この残留トルクを一定の値に治めるために、モータ製造時においては、通常の製造工程ではあまり行わないマグネットの磁力調整やロータサイズの微調整などで残留トルク調整を行う必要が生じ、その結果、モータの製造コストが高くなっていた。

特許文献２の発明にある3相励磁方式の場合は、ロータの保持力が強いために停止位置ずれの発生は無いが、モータ特性の静止トルクと回転対象物である図柄リールのイナーシャや剛性との関係により、振動が発生してしまう問題があった。振動を抑制して停止させるためには、開発段階からモータ特性の選定および図柄リールのイナーシャと剛性の調整を十分に行う必要があるため開発期間が長くなり、開発コストが高くなっていた。さらに、４相励磁後に３相励磁を行った場合、振動は抑制されるが、４相励磁区間でステップがずれると、そのステップがずれた状態のまま３相励磁の停止位置まで回転し、モータが停止する際に一瞬動くことがあった。このため、モータが遊技機の回転図柄表示装置に使用されている場合は、図柄がずれることになり遊戯者に違和感を与える可能性があった。さらに、全相励磁を行うため、４相励磁と同じく高コストのモータを使用する必要があった。

ところで、モータの一般的な制御方法は、1相励磁や2相励磁や1−2相励磁等のどの励磁方式にしても理論励磁シーケンスに従うものであるが、3相励磁、４相励磁方式は、理論励磁シーケンスだけの制御方法ではないため、3相励磁、４相励磁方式に対する特性を保証するためには、特別な試験を追加する必要があり、これにより製造コスト上昇の要因となっていた。

上記の課題を解決するために、本願発明のモータの停止制御方法は、以下の方法を採用している。

すなわち、モータの停止制御において、停止位置に対応した特定の励磁相の励磁を、停止制御開始時からモータの回転停止まで保持することを特徴としている。別言すれば、特定の励磁相の励磁時間をモータの定速回転時の入力パルスよりも長く設定していることに特徴がある。

また、特定の励磁相の励磁電流を、停止制御開始後に規定値から可変させたことを特徴としている。なお、可変させる励磁電流値は、モータ特性やモータの回転対象物のイナーシャに等に合わせて適宜に設定する必要がある。

さらには、モータ停止後に励磁状態を保持してロータを脱調させると共に、この脱調を開始した励磁相に対してロータを電気角2π×ｎ（ｎは自然数）回転させて停止させることを特徴とし、この脱調状態においても励磁電流値を可変するようにしている。

加えて、ロータが実際に停止した後には、励磁電流値を停止制御開始時の励磁電流値から変更していることを特徴としている。なお、特定の励磁相の停止制御を２相励磁で行っている場合には、励磁電流値は各相同じに設定する必要がある。

なお、特許請求の範囲の書類と上記の課題を解決するための手段の欄で記載した括弧付き符号は、発明の構成の理解を容易にするため参考として図面符号を付記したもので、この図面上の形態に限定するものでないことはもちろんである。

本願発明は、特定の励磁相における励磁状態の保持及びその励磁電流の調整のみでモータの振動を抑制しつつ安定した停止状態の確保を可能としているため、停止制御の開発時間も短く済み、開発コストが低く抑えられる効果を奏する。

また、この停止制御方法は、色々なステッピングモータ、ユニポーラとバイポーラの駆動方式、1励磁と2相励磁と１−２相励磁およびマイクロステップの各種励磁方式と幅広く使うことが可能である。

さらに、意図的にロータを脱調させることで、停止時におけるモータの振動抑制を行うことが可能である。このため、例えば、従来は難しいとされた遊技機の図柄リールの振動抑制にも適用可能であり、その産業界への貢献は顕著である。

以下に、本願発明にかかるモータの停止制御方法の実施形態例について、図面に基づき詳細に説明する。

なお、本実施例のモータは、ユニポーラ駆動の４相多極型のステッピングモータであり、従来構造と同様にロータの周囲に配置した多数個のステータのコイルに電流を流してステータを励磁し、この励磁をシーケンス制御（１―２相励磁方式）してロータを回転させるものである。また、本実施例のモータは、パチンコ、スロットマシン等の遊技機に配設される図柄リール（以下、「リール」と略称する。）の回転駆動に用いられるものであるため、以下の説明ではモータの出力軸にこのリールを配置した場合として説明するが、これによりモータの回転対象物をリールに限定するものではないことはもちろんである。

図１は遊技機とリールの外観を示す概略図である。この遊技機１はいわゆるスロットマシンであり、箱状本体の前面に形成した開口部に回転する３個のリール２を並列状に配設して構成されるものである。リール２は円筒枠体のフレーム２１の外周面に各種図柄２２を付して成り、その中心部にモータ３が配設されている。このモータ３の出力軸はリール２と連結して、リール２を回転駆動する構成である。なお、遊技機１及びリール２は既存技術から構成されているため、これ以上の詳細な説明は省略する。

次に、上記リールの回転駆動及び停止制御におけるモータの制御方法について、以下に説明する。図２はモータの定速回転時の励磁状態を示すタイムチャートであり、図３はモータ停止時の励磁状態を示すタイムチャートであり、図４〜図７はモータ停止時の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。

モータの定速回転時における励磁状態は、図２に示すように、区間ａを駆動回路の入力1パルス分とすると、区間ｂにおいて各相に入力パルス（３パルス分）を順次励磁する励磁シーケンスが繰返される状態であり、この励磁シーケンスによりモータのロータが回転している。この定速回転状態からモータを停止させる場合には、図３に示すように、特定の励磁相ｃから入力パルス分を超えた区間ＸでＡ相及びＢ相の２相励磁状態を保持させるようにし、ロータを停止させている。別言すれば、ロータが停止するまで、励磁状態を保持していることになる。また、１相励磁の位置で停止させる場合でも、同様に該当１相の励磁状態を入力パルス分より超えた区間で保持すれば良い。

上記の停止制御方法は、ロータを回転させる励磁シーケンスにある励磁相の励磁状態をそのまま保持しているため、特別な停止制御プログラムが不要であり、短時間でリールを停止させることができる。また、励磁状態を一定時間保持しているため、ロータを停止させる位置に対応した特定の励磁相の保持力が一定時間保持されることとなり、ステップずれも抑制することができる。

上記の停止状態時における励磁電流は、図４に示すように、Ａ相とＢ相で励磁状態となっているが、このＡ相とＢ相の励磁電流値を予めモータ特性やリールのイナーシャ等に適合させて可変するように設定すれば、停止時のステップずれや振動をさらに抑制することができる。例えば、図５に示すように、区間Ｘで定速回転時の励磁電流値より上げた励磁電流値Ｙ_Ｈに設定したり、逆に、図６に示すように、励磁電流値を下げた励磁電流値Ｙ_Ｌに設定しても良い。

さらに、この励磁電流の可変制御を応用すれば、図７に示すように、励磁相の励磁を保持させている区間Ｘ_０において、その区間内で励磁電流値Ｙ_１の区間Ｘ_１や励磁電流値Ｙ_２の区間Ｘ_２を既定値から変更して設定することで、多種多様なモータ特性やリールのイナーシャの停止に対応することが可能となる。つまり、区間X_１で定速回転より高い励磁電流Y_１を流すことで強い保持力によりロータを停止させると共に、この強い保持力によって発生する振動を区間X_２の低い励磁電流値Y_２で抑えることが可能となる。ただし、モータの機械角と電気角が一致しない励磁相、例えば１−２相励磁方式では2相励磁の位置で停止させた場合は、この2相への励磁電流を通電状態から0にすると、1ステップ回転してしまうため、所定の励磁電流を流しておく必要がある。また、Ａ相とＢ相の励磁電流値Ｙ_１及びＹ_２は、同じ電流値に設定する必要がある。

なお、これらの励磁電流の可変制御は、汎用のステッピングモータの定電流制御用ドライバＩＣにて可能である。したがって、開発段階時に回転対象物である遊技機のリール停止のパルスレートを決定する際、短時間で停止しない振動が発生する等の問題が生じた場合、使用するモータ特性やリールのイナーシャを調整せずに、停止時の励磁電流値を変更するのみで上記問題を解決でき、開発コストの上昇を抑制することが可能となる利点がある。

上記の振動抑制については、以下の停止制御方法も採用可能である。図８はモータ停止時の励磁状態を示すタイムチャートであり、図９はモータの振動抑制制御の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。

すなわち、この停止制御方法は、停止位置に対応した特定の励磁相の励磁を、定速回転時の入力パルス分を超えた時間において保持させてロータを脱調させ、この脱調を開始した励磁相に対してロータを電気角2π×ｎ（ｎは自然数）回転させて停止させる方法である。つまり、図８に示すように、ロータが定速回転している励磁シーケンスの特定の励磁相ｄにおいて、その励磁状態を保持してロータを区間Ｘにおいて脱調させると共に、この脱調を開始した励磁相ｄに対してロータが電気角2π×ｎ回転するまで励磁状態を維持する方法である。

ここで、ロータを電気角2π×ｎ回転させる意味は、ロータの脱調開始させた励磁相の励磁をそのまま保持しているため、電気角2π×ｎの励磁相は脱調を開始した励磁相と同じになり、ロータの保持力が強く安定して停止する励磁相となるからである。また、ｎの値はモータ特性やリールのイナーシャに合わせて設定する必要がある。つまり、モータ特性やリールのイナーシャにより励磁相ｄをそのまま保持させると、ロータが脱調しないで停止してしまうこともあるので、その励磁電流値を変えることで脱調させることができるのである。

なお、通常ステッピングモータの脱調は制御不能状態であり、避けなければならないが、脱調してもロータとリールのイナーシャによりロータは回転し、励磁相をそのまま保持しておくことで、その励磁相の保持力と慣性により回転しているロータを停止させることができる。

さらに、ロータが脱調後に回転して停止するまでに励磁電流の電流値を適宜に変更して振動を抑制しても良い。つまり、図９に示すように、脱調している区間Ｘ_０において励磁相ｄをそのまま保持させて脱調させるので、区間Ｘ_１でＡ相は励磁相ｄから励磁電流値Ｙ_１まで電流値を上昇させている。また、Ｂ相は励磁相ｄから励磁が開始するため、最初から励磁電流値Ｙ_１としている。その後、区間Ｘ_２において、Ａ相、Ｂ相共に電流値を下げて励磁電流値Ｙ_２として振動を抑制している。なお、図９中の区間Ｘは励磁相を保持している区間を示し、その区間Ｘにおける区間Ｘ_１、区間Ｘ_２の長さ、及びＹ_１やＹ_２の励磁電流値は使用するモータ特性やリールのイナーシャに合わせて設定する必要がある。

遊技機とリールの外観を示す概略図である。 モータの定速回転時の励磁状態を示すタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態を示すタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態を示すタイムチャートである。 モータ停止時の励磁状態に対応する励磁電流のタイムチャートである。

符号の説明

１ 遊技機（スロットマシン）
２ リール
２１ フレーム
２２ 図柄
３ モータ

Claims (5)

1. ステッピングモータの停止制御において、停止位置に対応した特定の励磁相の励磁を、停止制御開始時から回転停止まで保持することを特徴としたステッピングモータの停止制御方法。
2. 停止位置に対応した特定の励磁相の励磁電流を、停止制御開始後に可変させることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータの停止制御方法。
3. 停止位置に対応した特定の励磁相の励磁を保持してロータを脱調させると共に、該脱調を開始した励磁相に対してロータを電気角2π×ｎ（ｎは自然数）回転させて停止させることを特徴とする請求項１、又は２記載のステッピングモータの停止制御方法。
4. ロータを脱調させると共に電気角2π×ｎ（ｎは自然数）回転させる励磁状態において、
   励磁相の励磁電流を、停止制御開始後に可変させることを特徴とする請求項3記載のステッピングモータの停止制御方法。
5. 停止制御開始後の励磁電流値とロータが停止した後の励磁電流値を違う設定値とすることを特徴とする請求項２、３、又は４記載のステッピングモータの停止制御方法。
   
   

Images