JP2694010B2 - 正逆回転可能なステッピングモータ及びその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、永久磁石を具備するロータと、その磁場の
一部に鎖交する２つの磁場発生用コイルと、ロータを複
数の休止位置の１つに維持する位置決め手段とを具備す
る正逆回転可能なステッピングモータの２つのコイルに
同時に電流を供給してロータを１ステップずつ回転させ
る方法、及び、前記２つのコイルによる励磁を互いに対
称な方向に永久磁石へ印加する手段をさらに具備する正
逆回転可能なステッピングモータに関する。

〔従来の技術〕

前述の包括的定義に一致するステッピングモータは例
えば電気時計の指示針を駆動するために用いられる。

米国特許第4,371,821号はその様なステッピングモー
タとして例えば３つの磁極面を有するステータであって
それらの間にロータの永久磁石を受ける実質的に円筒状
の空間を定めロータの回転軸はこの円筒状空間の軸と実
質的に一致するものを記述している。

ロータの永久磁石は約90゜の角度で回転軸に交わる磁
化の軸を有している。

アーチ型の磁極面の各々はモータの回転軸の周りで約
120゜にわたって拡がり磁極片の第１の端部に位置して
いる。

これら磁極片の第１端部の各々はその磁極片の他端に
位置する高い磁気抵抗を有する区域によって他の２つの
磁極片の第１端部に接続されている。

第１及び第２の磁極片の第２端部は第１のコイルが巻
かれた第１のコアで接続され、第１及び第３の磁極片の
第２端部もまた第２のコイルが巻かれた第２のコアで接
続されている。

最後に、モータのステータはロータを２つの休止位置
のいずれかに維持するためロータの位置決めトルクを発
生する手段を具備している。これら休止位置はロータの
回転軸を約90゜の角度で切り第１の磁極面の中央を通過
する直線の方向を永久磁石の磁化の軸とする位置であ
る。したがってこの直線は第１の磁極面の対称軸である
と共に第２及び第３の磁極面どうしの対称軸である。

それ故、コイル内に電流が流れるときコイルによって
発生する磁場は磁極面によって定まる円筒空間内でこの
対称軸に関して互いに対称な方向をとる。

前述の米国特許第4,371,821号に記述された別の具体
例において、モータのステータは磁極片を持たずコアの
ないコイルは部分的にロータの磁石を囲む実質的に枠の
形状を有している。

これらコイルの平面は或る角度をなしその２等分平面
はロータの回転軸を含んでいる。

したがってこれらのコイルによって発生する磁場の方
向はこの２等分平面に関して対称でありロータの回転軸
に垂直である。

この具体例においても、モータはロータを２つの角度
的休止位置のいずれか１つに維持するロータ位置決めト
ルクを発生する手段を有しそれら休止位置は前と同様に
ロータの永久磁石の磁化の軸が前述の対称軸の方向であ
る様な角度位置にある。

前述の米国特許第4,371,821号もまた前述のモータを
制御する方法を記述している。

この方法は２つの部分からなる駆動パルスをコイルに
加えることによっている。各駆動パルスの第１部分の期
間において、コイルには絶対値の等しい電圧が供給され
その極性はロータの磁石に印加される磁場であってこれ
らコイルによって発生する磁場の和によって発生する合
成磁場が前に定義した休止方向に垂直な方向を有しロー
タが所要の回転の向きで回転する様な向きを有する極性
である。各駆動パルスの第１部分の終期において、コイ
ルの一方に供給される電圧は休止方向と平行な方向と駆
動パルスが始まる以前にロータの磁石の磁化の軸が持っ
ていた向きと反対の向きとを合成磁場を有する様に反転
される。

駆動パルスのこれら２つの部分の各々は数ミリ秒間接
続する。

このモータは他のすべての要因が同一であれば双方の
回転の向きにおいて同じトルクを発生するという利点を
有している。

しかしながら、モータが正確にそして最大の効率で動
作するためにはロータが正確に90゜だけ回転したときに
駆動パルスの第２の部分が始まる必要がある。

このことを実際に達成することは困難であり、その理
由は駆動パルスの第１部分の期間でロータが回転する角
度はそれが打ち勝つべき抵抗トルクに依存するからであ
る。

駆動パルスの第１部分の期間中に供給される様なやり
方でモータのコイルに電流が供給されるときには、駆動
トルクがロータがその休止位置の１つを占めるとき最大
値をとりロータが回転し始めたとき急速に低下する。さ
らには、駆動パルスの第２の部分の期間中に供給される
様なやり方でコイルに電流が供給されるときには、駆動
トルクはロータがその休止位置の１つを占めるときゼロ
でありロータの回転角の関数として極めて徐々に増加す
る。

駆動パルスの第１の部分によってロータが正確に90゜
だけ回転したならば駆動パルスの第２の部分の始期にお
いてモータが発生するトルクはその最大値をとる。しか
し、ロータに作用する対抗または抵抗トルクのためにロ
ータが90゜まで回転できなかったときモータが発生する
トルクはその最大値よりも小さく、そしてこの大きさは
対抗トルクが大きくなるほど、即ち駆動パルスの第１の
部分によって回転した角度が小さくなるほど、小さくな
る。

結果としてモータの効率は極めて低くそして所与の機
械的負荷を駆動するためには１方向のみに回転可能な通
常のステッピングモータよりも多くの電気エネルギが消
費される。

さらにはロータに加わる負荷トルクが低い場合には駆
動パルスの第１部分が終わる以前にロータが90゜回転し
た位置に達する。

駆動パルスのこの第１部分の終期においてモータへ加
えられる電気エネルギは純粋な損失として消費され、こ
のモータの効率がさらに低下する。

さらに、前述の位置に達した後において、駆動パルス
の第１部分の終期まではロータはこの位置付近で振動す
る。したがって、駆動パルスの第２の部分がそのステッ
プを正しく完遂するかわりに所要の向きと反対の向きに
ロータを駆動するという危険性が無視できない。それ故
にモータに動作の信頼性は保証し得ない。

また、各駆動パルスの期間中に一方のコイル内の電流
の向きを反転させる必要があるために、駆動する機械的
負荷に合わせて供給される駆動パルスの幅を調節するこ
とによってステッピングモータの消費電力を減らすため
の周知の型の回路を前述のモータ制御回路に組み合わせ
ることは困難である。

米国特許第4,514,676号はこれらの欠点のいくつかを
回避するモータの制御方法を提案している。

この方法によれば、一方のコイルは一方の向きにロー
タを回転させるだけのために電流が供給され、他方のコ
イルは他方の向きにロータを回転させるだけのために電
流が供給される。

ロータの休止位置の各々について、所要の回転の向き
に対応するコイルに加えられる電圧の極性はこのロータ
がこの休止位置にあるときにロータの磁石へ印加される
磁場がロータの休止方向に対して約120゜の角度をなす
様に選択される。

このモータがこの方法に従って制御されるとき、それ
が発生するトルクは増加しつつ始まり、ロータが約30゜
だけ回転したときに最大値を通過しその後減少する。

ロータの回転角の関数としての駆動トルクのこの様な
変化は前述した米国特許第4,371,821号に記載の方法で
モータが制御される場合の改良となる。そして、前述し
た欠点のほとんどが除去される。

それにもかかわらず、一方のコイルのみに電流が供給
されるという事実のために他のすべての要因が等しい場
合においてこのコイル内のジュール効果による損失は前
述の米国特許第4,371,821号記載の方法でモータが制御
されるときよりも大きい。したがってモータの効率は後
者の制御方法によっても実質的に改善されない。

米国特許第4,546,278号もまた上記の定義に相当する
モータを記述している。このモータとその制御方法につ
いては、この方法は米国特許第4,371,821号記載の方法
のほぼ同じ欠点を有しているという事を述べるにとどめ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の第１の目的は、前に与えられた定義に対応す
るステッピングモータを制御する方法であって、モータ
によって発生されるトルクがロータの回転角度の関数と
して改善された変化特性を有し、モータの効率並びにそ
の動作特性が実質的に改善される方法を提案することに
ある。

また本発明の第２の目的はその方法によって制御され
るに特に適したステッピングモータを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段並びに作用〕

前述の第１の目的は、２つの極を有し第１の磁場を発
生する永久磁石を具備するロータと、該第１の磁場の第
１の部分が鎖交し励磁電流に応じて第２の磁場を発生す
る第１のコイルと、該第１の磁場の第２の部分が鎖交し
励磁電流に応じて第３の磁場を発生する第２のコイル
と、該第１及び第２のコイルが励磁されていないとき、
静磁気力によって該ロータを２つの休止位置の任意の１
つに維持するための位置決め手段とを具備し、該第１の
磁場の該第１及び第２の部分は該永久磁石内に第１の合
成磁場を形成するものであり、該第１及び第２のコイル
を励磁する電流の向き及び／又は強度を調節することに
より、該第２及び第３の磁場によって該永久磁石内に発
生する第２の合成磁場の方向及び向きを変化可能に構成
されている正逆回転可能なステッピングモータを制御す
る方法であって、ロータが１ステップだけ回転すべきと
き毎に該第１及び第２のコイルが同時に励磁され、かつ
その励磁の全期間にわたって励磁電流の向きが一定に保
たれ、かつ励磁の初期でロータが該休止位置にあるとき
に該第１の合成磁場から該第２の合成磁場までの角度を
該ロータが回転すべき向きに測ると該角度が約110゜か
ら約160゜の間になるように該第１及び第２のコイルを
励磁することを特徴とする正逆回転可能なステッピング
モータの制御方法によって達成される。

前述の第２の目的は２つの極を有し第１の磁場を発生
する永久磁石を具備するロータと、該第１の磁場の第１
の部分が鎖交し、励磁によって第２の磁場を発生する第
１のコイルと、該第１の磁場の第２の部分が鎖交し、励
磁によって第３の磁場を発生する第２のコイルと、該永
久磁石へ第１の方向に該第２の磁場を印加する第１の手
段と、該ロータの中心を通る所定の対称軸に関して該第
１の方向に対称な第２の方向に該永久磁石へ該第３の磁
場を印加する第２の手段と、該第１及び第２のコイルが
励磁されていないとき静磁気力によって該ロータを２つ
の休止位置の任意の１つに維持するための位置決め手段
とを具備する正逆回転可能なステッピングモータであっ
て、該位置決め手段は該休止位置の各々において第１の
磁場の該第１及び第２の部分によって該永久磁石内に形
成される合成磁場が該対称軸に対して約20゜ないし約70
゜の角度を形成する様に配置される正逆回転可能なステ
ッピングモータによって達成される。

〔実施例〕

一実施例として第１図に図解的に示されたモータ１
は、前述の米国特許第4,371,821号のモータと同様に、
実質的に円筒状の穴３が開けられたステータ２を具備し
ている。

円筒状の穴３は３つの磁極片4,5及び６のそれぞれが
約120゜の範囲に拡がる第１の端部磁極面4a,5a及び6aに
囲まれている。

２つの磁極面5aと6aは、磁極面4aの中央を通り、かつ
穴３の中心を通る軸７に関して互いに対称に配置されて
いる。磁極面4aはしたがってそれ自身がこの軸７に関し
て対称に配置されている。磁極面4a,5a及び6aの間に位
置しステータ２の他の部分よりも磁気抵抗が大きくなる
様に狭くなった部分8,9及び10によって磁極片4,5及び６
はその２つづつが接続されている。

ステータ２はさらに、磁極片４の第２の端部を磁極片
５の第２の端部と磁極片６の第２の端部とにそれぞれ接
続する２つのコア11及び12を具備している。

モータ１は参照番号13及び14で示されそれぞれコア11
及び12上に巻かれた２つのコイルを有している。参照番
号13a及び13bで示されたコイル13の端子と参照番号14a
及び14bで示されたコイル14の端子とは、後に記述され
る制御回路と結合される。

モータ１はさらに、この回転軸15aが穴３の軸に一致
するロータ15を具備している。ロータ15は永久磁石16を
含んでおり、それは図が不必要に複雑化することを避け
るために第１図においてロータ15の唯一の要素として示
されている。

この例において、磁石16はＮとＳで示された２つの磁
極のみを具備している。

コイル13及び14は、当然、磁石16と磁気的に結合す
る。これらのコイルの各々はしたがって磁石16が発生す
る磁場の一部と鎖交する。

これらの部分的な磁場はそれぞれが穴３と磁石16それ
自身を通る。これらの経路は第１図を不必要に複雑化す
ることを避けるために図示されていない。

この磁石16内におけるこれらの２つの部分磁場のベク
トル和による合成磁場は第１図に矢印17で図示されてお
り、以下の記述を通して磁場17と呼ばれる。

この磁場17はロータ15の回転軸15aに直角でありこの
磁石16の磁化の軸に沿って磁石16のＳ極からＮ極へ向か
っている。さらに、ロータ15が軸15aに関して回転する
とき、この合成磁場17もまた軸15aに関してロータ15と
同一の向きに同一の速度で回転する。

コイル13に以下の記述において参照番号I13で示され
る電流が供給されると、それは穴３と磁石16を通りロー
タ15の回転軸15aに直角な第２の磁場を発生する。磁石1
6内におけるこの第２の磁場は矢印18で図示されてい
る。以下の記述を簡単化するため、この磁場は磁場18と
呼ばれる。

第１図における矢印18の向きは電流I13が端子13aから
端子13bへとコイル13内を流れるときの磁場18の向きを
表わしている。磁場18のこの向きと電流I13のこの向き
とは以下の記述において正と定義する。

同様に、コイル14にI14で示される電流が供給される
と、それは同様に穴３と磁石16を通る第３の磁場を発生
するが、この磁石16内のこの磁場は矢印19で図示され磁
場19と呼ばれる。

第１図における矢印19の向きは電流I14がコイル14内
を端子14aから端子14bへと流れるときの磁場19の向きを
表わす。磁場19のこの向きと電流I14のこの向きもまた
正と定義する。

以下の記述において、磁場18及び19とがお互いに形成
する角度及び合成磁場17とで形成される角度について言
及するとき、これらの角度は通常の幾何学の慣習に従っ
て、これらの矢印がその矢のない端部が一致するまで平
行に移動されたときの磁場17,18または19を表わす矢印
によって作られる角度である。第１図に示された例にお
いて、この定義に従えば磁場18と19は互いに約120゜の
角度をなしている。

モータ１はさらに円筒状の穴３の壁に溝21及び22を具
備している。これらの溝21及び22は互いに直径的に対向
し、対称軸７と約45゜の角度をなす直径23上に位置して
いる。

これらの溝21と22が設けられることによってロータ15
にそれを２つの安定平衡位置あるいは休止位置にとどま
らせる傾向を有する位置決めトルクが発生し、その位置
において合成磁場17の方向は直径23に垂直であり、した
がって、第１図において対称軸７に対して参照記号Ａで
示される約45゜の角度を形成する。合成磁場17の方向は
休止方向と呼ばれる。それは第１図において一点鎖線24
で示される。

第１図においてロータ15はその休止位置の１つにあ
り、これをロータ15の第１の休止位置と定義する。ロー
タ15の第２の休止位置は、当然、合成磁場17の向きが第
１図に示されるものと反対の向きにある位置である。

第２図の表は第１図のモータ１を制御するための本発
明に係る方法を表わすものである。

この表の各行L1,L2,L3及びL4はそれぞれモータ１へ印
加される１つの駆動パルスに対応する。I13及びI14で示
される列内の符号＋または符号−はその行に対応する駆
動パルスの期間に電流I13またはI14がそれぞれ正である
か負であるかを示している。この例において、電流I13
とI14は少なくとも絶対値において等しいものとする。

18及び19で示される列内に描かれた矢印はそれぞれ電
流I13,I14によって磁石16内にそれぞれ発生する磁場18,
19の方向と向きを示している。この例において、コイル
13及び14は同一でありコイル13,14によって発生する磁
場が通る磁気回路の磁気抵抗は等しいということも仮定
する。

列Ｒ内の破線で描かれた矢印はその行に対応する駆動
パルスの始期において合成磁場17が有する方向と向きを
示している。

各行L1,L2,L3及びL4について列Ｒ内に実線で描かれた
矢印はその行内に示された電流I13またはI14に応じて発
生した磁場18及び19のベクトル和から生じた磁場Ｒの方
向の向きを表わしている。

列18,19及びＲ内に描かれた矢印は第１図内に描かれ
るとすれば持つであろう方向及び向きを有することに注
意すべきである。

第１図に表わされたモータ１の例において、磁極面4a
は対称軸７に関して対称であり磁極面5aと6aはこの対称
軸７に関して互いに対称であることを再度強調する。

さらに、磁場18及び19の大きさはこの例において等し
いので、合成磁場Ｒは電流I13とI14の向きが同じである
とき対称軸７に平行なあるいはこの軸７に一致した第１
の方向をとり、また電流I13とI14の向きが反対であると
き第１の方向すなわち対称軸７に垂直な第２の方向をと
る。

第２図の表の列L1はロータ15の最初の休止位置から始
まって第１図の矢印25で示される向きに１ステップだけ
ロータ15を回転させるためにモータ１に加えられる駆動
パルスを表わしている。矢印25で示された回転のこの向
きを正の向きの回転と定義する。

この駆動パルスの期間中に、２つのコイル13及び14は
それらを流れる電流I13とI14の双方が正である様にして
同様に供給される。これらの電流に応じてコイル13及び
14によって発生される磁場18及び19はしたがって行L1に
示された方向と向きをとり、それは第１図に表わされた
ものと同一である。

前述した条件において、磁場18及び19のベクトル和か
ら生じる磁場はしたがってその第１の方向すなわち対称
軸７に平行な方向で磁極面4aへ向かう向きをとる。

休止方向24は対称軸７と45゜の角度をなすので、前述
の合成磁場Ｒは駆動パルスの始期において合成磁場17と
135゜の角度をなすことが容易に理解される。この角度
は第２図の表の列ＲにおいてＢで示されている。合成磁
場17から合成磁場Ｒへ測られるその向きは第１図の矢印
25と同じであり正の向きと定義される。

磁場Ｒと17の相互作用はロータ15を正の向きに回転さ
せる駆動トルクを発生する。ただし、電流1I3とI14は充
分に強いものとする。ロータ15のこの回転の間、駆動ト
ルクは増加し始め、合成磁場17が合成磁場Ｒと垂直な位
置すなわちロータ15が約45゜回転した位置にロータ15が
位置するとき最大値となる。

その後この駆動トルクは低下し駆動パルスが中断され
なければ合成磁場17が合成磁場Ｒと同じ方向と向きをと
る位置すなわちロータ15が約135゜回転した位置にロー
タ15が位置するときゼロ値に達する。

実際は、ロータ15がこの位置に到達する前に駆動パル
スは中断され、ロータ15は駆動パルスの中断の後に溝21
及び22によって発生する位置決めトルクによってそして
それ自身の動力学的エネルギとそれが駆動する様々な機
械要素の動力学的エネルギとによってそのステップを完
遂する。

ロータ15がそのステップを完遂したとき、それはその
第２の休止位置を占める。

第２図の表の行L2はモータ１へ印加されそのロータ15
をその第２の休止位置からその正の向きへ１ステップだ
け回転させるための駆動パルスを表わしている。

この駆動パルスの期間中において、２つのコイル13及
び14以前の様に同時に、これらのコイルを流れる電流I1
3とI14が共に負になる様に励起される。

この場合において、合成磁場Ｒは第２図の表の行L1に
相当する駆動パルスの期間中に有していたのと同じ第１
の方向を有しているがそのときの向きとは反対の向きを
有していることが容易に理解される。

合成磁場Ｒと17によってつくられる角度Ｂはかくして
再度、駆動パルスの初期において135゜の値を有し、そ
の向きは同様に合成磁場17から合成磁場Ｒへ向かってお
り、正である。

したがって、ロータ15は再度それを正の方向へ回転さ
せる駆動トルクを受ける。

以前の様に、駆動パルスはロータ15が135゜回転する
前に中断され、ロータ15は位置決めトルクによってそし
てそれ自身の動力学的エネルギ並びにそれが駆動する種
々の要素の動力学的エネルギによってそのステップを完
了する。

このステップを完了したとき、ロータ15はかくして再
度その第１の休止位置を占める。

第２図の表の行L3はモータ１へ印加されロータ15をそ
の第１の休止位置から始まって負の向きで１ステップだ
け回転させる駆動パルスを表わしている。

この駆動パルスの期間中、２つのコイルには電流I13
が負で電流I14が正となる様に供給される。

これらの条件において、合成磁場Ｒはその第２の方向
すなわち対称軸７に直角の方向をとり、磁極面5aから磁
極面6aへ向かう向きをとることが容易に理解される。

駆動パルスの初期において、合成磁場Ｒは再度合成磁
場17と約135゜の角度Ｂをとる。しかしこのとき、この
角度Ｂの向き（同様に合成磁場17から合成磁場Ｒへ向か
って測ったとき）は負である。

したがってロータ15はそれを負の向きに回転させる駆
動トルクを受ける。

以前の様に、駆動パルスは中断されロータ15は位置決
めトルクによりそしてそれ自身の動力学的エネルギとそ
れが駆動する種々な機械部品の動力学的エネルギとによ
ってそのステップを完了する。

ロータ15がこのステップを完了したとき、それはその
第２の休止位置を占める。

第２図の表の行L4はモータ１へ印加されロータ15をこ
の第２の休止位置から始まって負の向きに１ステップだ
け回転させる駆動パルスを表わしている。

この駆動パルスの期間中、コイル13と14は電流I13が
負で電流I14が正となる様に同時に供給される。

これらの条件において、合成磁場Ｒは再度以前の様に
その第２の方向をとるが、その向きは磁極面6aから磁極
面5aへ向いている。

駆動パルスの初期において、合成磁場Ｒは合成磁場17
と135゜の角度Ｂをなして、この角度Ｂは負となる。

したがってロータ15は再度それを負の向きに回転させ
る駆動トルクを受ける。

以前のケースの様に、ロータ15は駆動パルスが中断さ
れた後において位置決めトルクによってそしてそれ自身
の動力学的エネルギ並びにそれが駆動する機械要素の動
力学的エネルギによってそのステップを完了する。

要約すれば、ロータ15を回転させるために、その期間
中において２つのコイル13及び14に対して極性の変化し
ない電圧が常に同時に供給される。

さらには、磁場13及び14のベクトル和から生じる磁場
Ｒが各駆動パルスの初期において合成磁場17と約135゜
の角度Ｂをなす様にそして合成磁場17から合成磁場Ｒへ
向かって測ったこの角度Ｂの向きがロータ15を回転すべ
き向きである様にこれらコイル13及び14へ電流が供給さ
れる。

各駆動パルスの初期において合成磁場17が合成磁場Ｒ
とで形成する角度Ｂは135゜の値を有し、モータ１から
供給されるトルクは増加しながら始まりロータ15が45゜
だけ回転したとき、すなわち合成磁場17の方向が合成磁
場Ｒの方向と垂直であるとき最大値となる。

実際には駆動パルスは一般にロータが約50゜ないし約
70゜だけ回転したとき中断されるので、モータ１によっ
て発生するトルクは必然的に駆動パルスの全期間におけ
る最大値に近い値を有している。

さらに、モータ１のコイル13及び14内の電流の向きは
駆動パルスの全期間にわたって変化しないのであるか
ら、モータが前述の米国特許第4,371,821号に記載の方
法で制御されるとき駆動パルスの第１部分の終期で起こ
り得るような不必要な電力消費及び／又はロータの回転
の向きの反転の危険性がない。

その結果、他のすべての条件が同一であれば、モータ
１の効率及びその動作の信頼性は米国特許第4,371,821
号記載のモータについてのものより大である。

モータ１の効率はこれも前述した米国特許第4,514,67
6号記載の方法によって制御されるモータの効率よりも
同様に大であり、それは２つのコイルへ同時に電流が供
給されるという事実によるものである。

前述の角度Ｂの値、すなわち135゜のモータ１の効率
が最大となる値である。しかしながら、効率をそれほど
減ずることなくこの角度Ｂを約110゜ないし約160゜の間
で選択することは可能である。特に、Ｂの値を135゜よ
りも大きくすることで、その電力消費をわずかに増加す
るだけでモータ１により大きい駆動トルク（ステップ毎
の駆動トルクの積分値）を付与することが可能となる。

第３図は、第１図のモータ１を第２図の表のような方
法で制御するための回路の一実施例を示している。

本図においは、モータ１の一部であるコイル13と14及
びそれらの端子13a,13b及び14a,14bのみが示されてい
る。

第３図の制御回路は参照符号T1〜T6で示された６個の
MOSトランジスタを具備している。

トランジスタT1,T3及びT5はｐ型でありそれらのソー
ス電極は図示されていない電源の正極＋に接続されてい
る。

トランジスタT2,T4及びT6はｎ型でありそれらのソー
ス電極は同じ電源の負極−に接続されている。

以降に記述される信号の低レベル及び高レベルの論理
状態は記述される種々の電気要素にも供給されている前
述の電源の負端子−の電位及び正端子＋の電位にそれぞ
れ対応するものとする。

当然のことながら、トランジスタT1,T3とT5はそれら
のゲート端子が低レベルあるいは高レベルの状態である
かによって導通または非導通の状態となり、トランジス
タT2,T4及びT6についてはその逆となる。

トランジスタT1及びT2のドレイン端子は共にコイル13
の端子13aに接続されている。

トランジスタT3及びT4のドレイン端子は共にコイル14
の端子14aと伝達ゲートP1の一方の端子とに接続され、
その他方の端子はコイル13の端子13bに接続されてい
る。

トランジスタT5及びT6のドレイン端子は共にコイル14
の端子14bと伝達ゲートP2の一方の端子とに接続され、
その他方の端子はコイル13の端子13bに接続されてい
る。

通常の様に伝達ゲートP1及びP2はそれらの制御電極に
印加された信号が低レベルであるか高レベルであるかに
よって非導通または導通状態となる。

トランジスタT1〜T6のゲート端子及びゲートP1とP2の
制御電極は図示の如くANDゲート31〜36,ORゲート37と3
8、インバータ39と40、及びＴ型フリップフロップ41を
具備する論理回路Ｌの出力S1〜S7に接続されている。

このフリップフロップ41の出力Ｑ及びは入力Ｔに印
加される信号がＨレベルからＬレベルへ変化する毎に状
態を変える。

回路Ｌの様々な要素の相互接続と出力S1〜S7への接続
については詳細に記述しないが、その理由はこの回路Ｌ
あるいは同じ機能を達成する回路の構成は以下に記述す
るその動作から容易に推論することができるからであ
る。

第３図の回路はさらに制御信号発生回路Ｇを具備して
おり、その出力g1とg2は論理回路Ｌの入力e1とe2に接続
されている。

回路Ｇは、モータ１が駆動パルスを受けとるべき時期
毎にその出力g1に発生する信号（信号g1とする）が低レ
ベルから高レベルへ変化し、モータ１のロータ15が適切
に１ステップ回転するに充分な駆動パルスの期間中、こ
の信号g1が高レベルにとどまり、次に信号g1が低レベル
に戻る様に構成される。

この回路Ｇはさらにロータ15が正または負の向きへ回
転すべきか否かによってその出力g2に発生する信号（信
号g2とする）が低レベルまたは高レベルに保たれる様に
構成される。

回路Ｇもまた詳細に記述されないが、その理由はその
構成がモータ１を備えた装置のタイプに依存するもので
ありその設計は当業者に容易に明らかになるからであ
る。

第３図の回路において、制御信号g1が低レベルである
限り信号g2の状態にかかわらずトランジスタT1〜T6のす
べてのゲート端子及び伝達ゲートP2の制御電極は低レベ
ルであり伝達ゲートP1の制御電極は高レベルであること
は明らかである。

この状態においてトランジスタT1,T3及びT5並びにゲ
ートP1は導通状態であり、トランジスタT2,T4及びT6並
びにゲートP2は非導通である。コイル13と14はしたがっ
て短絡されこれらのコイルには電流が流れない。

駆動パルスがモータ１へ印加されるべきときに、信号
g1は高レベル状態に変化しこの駆動パルスのとるべき期
間の全体にわたって高レベルにとどまる。

信号g1が高レベル状態に変化するときに信号g2とフリ
ップフロップ41の出力Ｑが低レベルであれば、トランジ
スタT3とT5は非導通となりトランジスタT6は導通状態と
なり、その他のトランジスタとゲートP1とP2は以前の状
態にとどまる。

したがってトランジスタT1、コイル13、ゲートP1、コ
イル14及びトランジスタT6を経て電源の＋端子から−端
子へと電流が流れる。コイル13と14においては、この電
流はそれぞれ端子13aから端子13bに向かって及び端子14
aから端子14bへ向かって流れる。

したがって２つのコイル13と14内の電流は正と定めら
れた向きに流れ、かくして駆動パルスは第２図の表の行
L1について記述された様にモータ１へ加えられる。

この駆動パルスの終期において、すなわち信号g1が低
レベル状態に戻るときにトランジスタT3とT5は導通状態
に戻りトランジスタT6は再び非導通となる。同時に、フ
リップフロップ41の出力Ｑは高レベル状態へ変化する。

次の駆動パルスの始期においてすなわち信号g1が高レ
ベル状態に戻るときに信号g2が低レベルのままであれ
ば、トランジスタT1とT3は再び非導通となりトランジス
タT2は導通状態となり、その他のトランジスタ及びゲー
トP1とP2は信号g1が低レベルであったときの状態にとど
まる。

この状態において、トランジスタT5、コイル14、ゲー
トP1、コイル13及びトランジスタT2を経て電源の＋端子
から−端子へと電流が流れる。

コイル13と14において、この電流はそれぞれ端子13b
から13aへ向けて及び端子14bから端子14aへ向けて流れ
る。

これらの２つのコイルにおいて、電流は負と定義され
た向きに流れ、駆動パルスは第２図の行L2について記述
されたものに対応する。

この駆動パルスの終期において、トランジスタT1とT3
は再度導通状態になり、トランジスタT2は再び非導通と
なる。同時にフリップフロップ41の出力Ｑは低レベル状
態に戻るので信号g2が低レベルのままであれば次の駆動
パルスは再度第２図の表の行L1に対応する。

しかしながら、信号g1が高レベル状態に変わる瞬間に
おいて信号g2が高レベル状態にありフリップフロップ41
の出力Ｑが低レベルであれば、トランジスタT3とT5及び
ゲートP1は非導通となり、一方トランジスタT4とゲート
P2は導通状態になる。

したがってトランジスタT1、コイル13、ゲートP2、コ
イル14とトランジスタT4を経て電源の＋端子から−端子
へと電流が流れる。この電流はコイル13において正の向
きに流れコイル14において負の向きへ流れ、駆動パルス
は第２図の表の行L3について記述されたものに対応す
る。

このパルスの終期において、トランジスタT4とゲート
P2は再び非導通となりトランジスタT4とゲートP1は再び
導通状態になる。同時にフリップフロップ41の出力Ｑは
高レベル状態となる。

次の駆動パルスの始期において信号g1が高レベル状態
に戻るときに信号g2が高レベルのままであれば、トラン
ジスタT1とT5並びにゲートP1は再び非導通となり、一方
トランジスタT2とゲートP2は再び導通状態となる。

したがって、トランジスタT3、コイル14、ゲートP2、
コイル13とトランジスタT2を経て電源の＋端子から−端
子へと電流が流れる。この電流はコイル14内を正の向き
に流れコイル13内を負の向きに流れて、駆動パルスは第
２図の表の行L4について記述されたものに対応する。

この駆動パルスの終期において、トランジスタT1とT5
並びにゲートP1は再び導通状態になり、一方トランジス
タT2とゲートP2は再び非導通となる。同時に、フリップ
フロップ41の出力Ｑは低レベル状態に戻るので、信号g2
が高レベルのままであれば次の駆動パルスは再び第２図
の表の行L3に対応する。

記述された例において、モータ１はいわゆる「定電
圧」モードにおいて制御されるが、その理由はコイル13
と14はこの特定の期間に互いに直列に接続され、各駆動
パルスの全期間において制御回路の電源電圧を受け取る
からである。

モータはいわゆる「定電流」モードにおいてもすなわ
ちコイル13と14を流れる電流が各駆動パルスの全期間に
おいて少なくとも近似的に一定になる様に供給すること
もできることは明白である。

この様な回路は例えば欧州特許出願EP−Ａ−0057663
に記述されており、そこにおいてそれは単一のコイルを
有し回転の向きが１つのみであるステッピングモータを
制御するために用いられる。

コイル13と14を有し２つの回転の向きを有するモータ
１について用いるために必要なこの回路の修正について
は当業者に容易に明らかになるのでここに記述しない。

さらにモータ１の制御回路はそれがどの様なタイプで
あろうと、このモータに駆動される機械的負荷に駆動パ
ルスの幅を合わせるための回路と組み合わせ得ることは
自明である。

ここには挙げていないが多くの文献はこの様な調節回
路を記述しており、したがって周知でありここには記述
しない。

コイル13と14が第３図の回路の様な回路によって制御
されるとき、駆動パルスの期間中に常に互いに直列に接
続される。

明らかにこれは唯一の可能な接続ではない。すなわち
コイル13と14は各駆動パルスの期間中に並列に接続され
ても良いしあるいはロータが１つの向きに回転するとき
に直列となり他の向きに回転するときに並列となっても
良い。

それらの設計は当業者に容易に明らかになるので、こ
れらの接続を達成する制御回路は記述されない。

第１図に示されたモータ１の例において磁場18と19が
それらが双方とも正または負であるとき約120゜の角度
をなし一方の磁場が正で他方が負であるとき約60゜の角
度をなす。

さらに、第２図を参照したモータ１の動作に関する記
述について仮定した様に、磁場18及び19が常に同じ強度
を持つならば（Ｊで表わす）、それらのベクトル和で形
成される合成磁場Ｒの強度はそれらが共に正または負で
あるかあるいは一方が正で他方が負であるかによって異
なる。

第１のケースにおいて、すなわちロータ15が正の方向
に回転するとき合成磁場Ｒの強度はＪに等しく、一方第
２のケースにおいて、すなわちロータ15が負の方向へ回
転するときそれは に等しい。

モータ１によって発生するトルクは合成磁場Ｒの強度
に比例するが、それはしたがってロータ15が負の向きに
回転するときには正の向きに回転するときと比べて 大きくなる。

必要があれば、ロータ15の回転の向きの関数としての
モータ１によって発生するトルクのこの変動を除くある
いは少なくとも減少するために様々な方策が採用され
る。

つまり、例えば第３図の制御回路を第４図に表わす様
々な形に修正することが可能である。

第４図に示されたゲート31及び34、インバータ39及び
フリップフロップ41は同じ参照番号を有する第３図の要
素と等価である。また、ゲート31〜34の出力は第３図と
同一の形で同一の要素へ接続されている。後者の要素は
第４図に示されていない。

第３図の出力g1及びg2と同一の信号を供給する出力g1
及びg2に加えて、第４図の回路Ｇはパルスg3として表わ
された周期的パルスの連続によって形成される信号を供
給する出力g3を具備している。後に明らかになる理由の
ために、パルスg3の幅は駆動パルスの幅と比べて短か
い。

第４図の回路はANDゲート42をも具備しており、その
出力は第３図においては回路Ｇの出力g1に接続されてい
たゲート31及び34の入力に接続されている。ゲート42の
入力は回路Ｇのこの出力g1とNANDゲート43の出力とにそ
れぞれ接続されている。

ゲート43の入力は回路Ｇの出力g2と出力g3とに接続さ
れている。

信号g2が低レベル状態にあれば、すなわちロータ15が
正の向きへ回らねばならないときは第４図の回路は第３
図のそれと全く同様に動作する。

しかしながら、信号g2が高レベル状態にあるとき、す
なわちロータ15が負の向きに回転せねばならないときは
コイル13及び14は信号g3が高レベル状態となると毎に周
期的に電流源から切り離され短絡される。コイル13及び
14に流れる電流は信号g3が高レベルであるときに中断は
されない。その理由はこれらのコイルが或るインダクタ
ンスを有して短絡されるからである。しかし、もちろん
任意の瞬間におけるこの電流の大きさはコイル13と14が
持続的に電源へ接続されているときに流れるであろう電
流よりも小さい。

したがってこの電流が になる様なパルスg3のデューティ比を選択すれば充分で
ある。かくして、モータ１によって発生するトルクはロ
ータ15のどちらの回転の向きに対しても同じになる。

第１図に示されたモータ１において、ロータ15の磁石
16は２つの磁極のみを有しており、溝22及び23で構成さ
れるこのロータ15に対する位置決め手段は合成磁場17の
休止方向が対称軸７と45゜の角度Ａを成す様に配置され
ている。

前述した特に簡潔な方法でモータ１が制御されるとき
すなわち電流I13とI14が等しいときにモータ１の効率が
最大となる角度であるという理由で角度Ａのこの値は特
に有利である。

しかしながらモータ１の制御の前記方法を変更するこ
となくその効率をそれ程減ずることなく角度Ａが約20゜
ないし約70゜の間になる様な形でロータ15の位置決め手
段を配置することが可能である。

角度Ａが20゜ないし70゜の範囲の内側または外側の任
意の値をとりそれにもかかわらずその動作が前述した動
作と同様になる様にモータ１を制御するといった方法で
ロータ15の位置決め手段を配置することも可能である。

その様な場合において、一般に電流I13とI14は互いに
異なる値にすべきであり、加えてロータ15の回転の向き
に応じて変えるべきである。

これは磁場18及び19の方向が所与のモータについて固
定であるためである。合成磁場Ｒが合成磁場17に対して
所与の値、例えば135゜の値を有する角度Ｂを成すこと
を要求されるとすれば、磁場18及び19の強度すなわち電
流I13及びI14の強度は互いに異なる値である必要がある
ことは容易に理解されよう。

角度Ａの値によっては、向きに関する前述の定義に従
って、ロータ15を正の向きに回転させることを意図した
駆動パルスの期間中に磁場18及び19すなわち電流I13及
びI14が互いに反対の向きを有し、ロータ15を負の向き
に回転させることを意図した駆動パルスの期間中にこれ
ら電流I13及びI14が同一の向きを有することもあり得る
ことも理解されよう。

したがってこの様な場合におけるモータ１の制御方法
を記述するためには、ロータ15をそれぞれの第１の休止
位置及びその第２の休止位置からその第１の回転の向き
に回転させるための駆動パルスの期間中にこの電流I13
またはI14が有する向きを電流I13またはI14のそれぞれ
第１の向き及び第２の向きと定義することがより好都合
である。

これらの定義を用いれば、角度Ａの任意の地につい
て、ロータ15をその第１の向きに回転させるためには電
流I13及びI14は共にその第１及び第２の向きを交互にと
らねばならず、ロータ15をその第２の向きに回転させる
ためには電流I13はその第１及び第２の向きを交互にと
らねばならず電流I14は電流I13がその第１の向きにある
ときその第２の向きをとらねばならずその逆もまた同様
であると言うことができる。

角度Ａがわかれば、角度Ｂを所望の値にするために各
駆動パルス期間中に電流I13及びI14がとるべき強度と向
きを決定することは容易である。この決定は簡単な３角
法的計算によってなし得るものでありここには記述しな
い。

角度Ａが45゜とは異なる値であるモータの例について
もその構造について記述せず、そしてそれらの制御回路
の構成は前述の説明から容易に誘導し得る。

記述している例において、本発明に係る方法は米国特
許第4,371,821号に記載のモータと同様に２つの磁極を
有する永久磁石を囲む３つの磁極面を有するモータの制
御に採用されている。

この方法は〔産業上の利用分野〕において与えられた
定義に納まる任意の他のモータであってそのロータが永
久双極磁石を有するもの、例えば前述の米国特許第4,54
6,278号に記載のモータの制御に適用し得ることは当業
者に明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るモータの一具体例の平面図、 第２図は本発明に係る方法が第１図のモータを制御する
ために用いられるときこの方法を表わす表、 第３図は本発明に係る方法を達成するための第１図のモ
ータの制御回路の一例を表わす図、 第４図は本発明に係る方法を達成するための第１図のモ
ータの制御回路の他の例を表わす図。 図において、 １……モータ、 ２……ステータ、 4,5,6……磁極片、 4a,5a,6a……磁極面、 ７……対称軸、 11,12……コア、 13,14……コイル。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−156662（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−151899（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−190271（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−85055（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−50803（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−31772（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4371821（ＵＳ，Ａ) 米国特許4546278（ＵＳ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの極を有し第１の磁場を発生する永久
   磁石を具備するロータと、 該第１の磁場の第１の部分が鎖交し励磁電流に応じて第
   ２の磁場を発生する第１のコイルと、 該第１の磁場の第２の部分が鎖交し励磁電流に応じて第
   ３の磁場を発生する第２のコイルと、 該第１及び第２のコイルが励磁されていないとき、静磁
   気力によって該ロータを２つの休止位置の任意の１つに
   維持するための位置決め手段とを具備し、 該第１の磁場の該第１及び第２の部分は該永久磁石内に
   第１の合成磁場を形成するものであり、 該第１及び第２のコイルを励磁する電流の向き及び／又
   は強度を調節することにより、該第２及び第３の磁場に
   よって該永久磁石内に発生する第２の合成磁場の方向及
   び向きを変化可能に構成されている正逆回転可能なステ
   ッピングモータを制御する方法であって、 ロータが１ステップだけ回転すべきとき毎に該第１及び
   第２のコイルが同時に励磁され、かつその励磁の全期間
   にわたって励磁電流の向きが一定に保たれ、かつ励磁の
   初期でロータが該休止位置にあるときに該第１の合成磁
   場から該第２の合成磁場までの角度を該ロータが回転す
   べき向きに測ると該角度が約110゜から約160゜の間にな
   るように該第１及び第２のコイルを励磁することを特徴
   とする正逆回転可能なステッピングモータの制御方法。
2. 【請求項２】前記角度は実質的に135゜に等しい請求項
   １記載の方法。
3. 【請求項３】前記位置決め手段はロータの該休止位置の
   各々において前記第１の合成磁場が前記永久磁石内の前
   記第２及び第３の磁場の方向の対称軸に対して実質的に
   45゜となる様に配置され、前記第１及び第２のコイルは
   同時に実質的に等しい強度で励磁される請求項１記載の
   方法。
4. 【請求項４】前記ロータを複数の連続するステップで回
   転の第１の向きに回転するとき、前記第１及び第２のコ
   イルは共に正の向きに励磁することと、共に逆の向きに
   励磁することを交互に繰り返し、 該ロータを複数の連続するステップで回転の第２の向き
   に回転するとき、前記第１及び第２のコイルは一方が正
   の向きに励磁され他方が逆の向きに励磁されることと、
   一方が逆の向きに励磁され他方が正の向きに励磁される
   ことを交互に繰り返す請求項1,2または３記載の方法。
5. 【請求項５】２つの極を有し第１の磁場を発生する永久
   磁石を具備するロータと、 該第１の磁場の第１の部分が鎖交し、励磁によって第２
   の磁場を発生する第１のコイルと、 該第１の磁場の第２の部分が鎖交し、励磁によって第３
   の磁場を発生する第２のコイルと、 該永久磁石へ第１の方向に該第２の磁場を印加する第１
   の手段と、該ロータの中心を通る所定の対称軸に関して
   該第１の方向に対称な第２の方向に該永久磁石へ該第３
   の磁場を印加する第２の手段と、該第１及び第２のコイ
   ルが励磁されていないとき静磁気力によって該ロータを
   ２つの休止位置の任意の１つに維持するための位置決め
   手段とを具備する正逆回転可能なステッピングモータで
   あって、 該位置決め手段は該休止位置の各々において第１の磁場
   の該第１及び第２の部分によって該永久磁石内に形成さ
   れる合成磁場が該対称軸に対して約20゜ないし約70゜の
   角度を形成する様に配置される正逆回転可能なステッピ
   ングモータ。
6. 【請求項６】前記角度は実質的に45゜に等しい請求項５
   記載のステッピングモータ。