JP4688040B2 - Ｎ相ステッピングモータの超マイクロステップ駆動方法及び同駆動方法にて駆動されるｎ相ステッピングモータ、並びに同ステッピングモータを搭載した超精密測定機器及び超精密加工機器 - Google Patents

Description

本発明は、スター結線、環状結線等のＮ相ステッピングモータを、新たな電子回路を追加することなく、基本ステップ角αを従来以上に超細分化し、超低速及び低騒音の等速モータ駆動を可能にした超マイクロステップ駆動方法及び同駆動方法により駆動されるＮ相ステッピングモータ、並びに同ステッピングモータを装備した超精密測定機器及び超精密加工機器に関する。

一般的なＮ相ステッピングモータは、外部指令パルスを受けて、パルス総数に比例する角度だけモータ回転子が回転駆動される。詳しくは、Ｎ相ステッピングモータの各励磁相に電流を流し、励磁により発生する電磁力をもってモータ回転子を引きつけるトルクベクトルを発生させる。

Ｎ相ステッピングモータにおける従来のマイクロステップ駆動方法は、機械的構造から決定される基本ステップ角αを微小ステップ角α’にｎ分割して、電子回路と論理回路を制御することによって、微小（マイクロ）ステップごとの励磁周期Ｔに対する複数個の励磁パターンの各励磁電流の出力時間の割合である出力割合を制御して、微小ステップ角α’を歩進させて回転駆動している。

ここで、励磁パターンとは、励磁状態にある励磁相と、各励磁相における励磁電流方向との組合せであって、複数種類の励磁パターンが、論理回路に内蔵されたメモリに格納されており、後述する励磁パターン出力回路からスイッチング素子を介して励磁シーケンスに従って各励磁相を励磁する。

マイクロステップ駆動方法によるＮ相ステッピングモータは、基本ステップ角αをｎ分割した微小ステップ角α’（＝α／ｎ）を歩進するマイクロステップ毎の励磁周期Ｔの間に、所要数の励磁パターンを所定の順番にて出力して駆動される。

図２（ｂ）を用いて、５相ステッピングモータを具体例にした励磁パターンの励磁手順について説明する。図２（ｂ）では、矢印で示された励磁電流Ａ〜Ｅ及び励磁電流ａ〜ｅの向きを、５相ステッピングモータの励磁相１ａ〜１ｅに対する励磁電流の流れる向きに合わせて示している。

励磁相１ａ〜１ｅの１相以上に対して、励磁電流を同時に流した場合が、一つの励磁パターンとなる。例えば、励磁電流Ａ、Ｂを同時に流した場合が一つの励磁パターンになり、これを励磁パターンＡＢとして、以下に表記する。

一般的なＮ相ステッピングモータは、励磁パターン出力回路から各励磁パターンを所定の順番で出力し、各励磁パターンに対応するトルクベクトルを得て、ロータを所定の角度をもって回転駆動する。

図２（ａ）を用いて、５相ステッピングモータを具体例とし、励磁電流Ａ〜Ｅ及び励磁電流ａ〜ｅの通電時に得られるトルクベクトルＶＡ〜ＶＥ及びトルクベクトルＶａ〜Ｖｅについて、簡単に説明する。

図２（ａ）では、５相ステッピングモータの励磁相１ａ〜１ｅに、励磁電流Ａ〜Ｅ及び励磁電流ａ〜ｅを流したときに得られるトルクベクトルＶＡ〜ＶＥ及びトルクベクトルＶａ〜Ｖｅの方向を、矢印の向きで示している。同図において矢印Ａ〜Ｅ及び矢印ａ〜ｅで示すトルクベクトルの向きが、図２（ｂ）に示した励磁電流Ａ〜Ｅ及び励磁電流ａ〜ｅに対応する電流が出力されたときのベクトルの向きである。

複数の励磁相に励磁電流を同時に流し、各励磁相から生じるトルクベクトルが合成されて、所要の合成トルクベクトルが得られる。例えば、励磁電流Ａ、Ｃを流してそれぞれから得られるトルクベクトルＶＡ及びトルクベクトルＶＣが合成されて、トルクベクトルＢ方向の合成トルクベクトルＶＡＣが得られる。

ところで、例えば特許３３６４５２２号公報（特許文献１）によれば、上述した基本ステップ角αをｎ分割した微小ステップ角α’（α／ｎ）をマイクロステップさせるステッピングモータのマイクロステップ駆動方法が提案されている。この提案では、５相ステッピングモータのマイクロステップごとに、３つの励磁パターンを含む励磁周期Ｔ内の各励磁パターンに対する励磁電流の出力時間を漸増又は漸減させることでステッピングモータを駆動している。

また、特許文献１に記載された駆動方法に類するステッピングモータの駆動方法が、例えば特開２００４−２６６９７４号公報（特許文献２）にも開示されている。この特許文献２によれば、スター結線方式の３相ステッピングモータの駆動方法が例示されており、上記特許文献１に記載された駆動方法と同様に、ステッピングモータの駆動回路に流れる総電流を一定とするように制御する定電流コントロール回路を備えている。

この特許文献２に記載された実施例について、図９及び図１０を用いて簡単に説明する。図９は、特許文献２に示されたマイクロステップ駆動回路の構成図を示している。図９において、矢印Ｕ、Ｖ、Ｗ、ｕ、ｖ、ｗは、ステッピングモータ１０５の各励磁相に流れる励磁電流の向きを示している。図１０は、励磁周期Ｔを１００μｓとして、基本ステップ角１から基本ステップ角２までのマイクロステップごとの個別の励磁パターンｖＵｗ、ＵｗＶ、ｗＶｕの、励磁周期Ｔに対する励磁電流の出力の各割合と、励磁周期Ｔ内における励磁電流の各出力時間とを示している。

図９に示した定電流コントロール回路１０２は、総電流センシング抵抗１０３により検出された検出電圧と、予め設定された基準電圧とを比較して、電源用スイッチング手段１０８のオン／オフ制御を行うことで、モータ駆動用電圧１１８を制御し、供給する総電流が一定となるように制御している。

図１０では、基本ステップ角αを１００分割した場合のマイクロステップ駆動の例を示している。同図において、１００マイクロステップの各励磁周期Ｔ（１００μｓ）における励磁パターンごとに出力される励磁電流の出力割合（％）の変化と、各マイクロステップごとの１励磁周期Ｔにおける３つの各励磁パターンの出力時間（μｓ）の変化とを示している。同図においては、励磁パターンｖＵｗの出力割合を５０％から０％へと１％ずつ漸減させるとともに、励磁パターンｗＶｕの出力割合を０％から５０％へと１％ずつ漸増させており、励磁パターンＵｗＶの出力割合は常に５０％と一定としており、各マイクロステップごとの、励磁パターンｖＵｗの出力時間を０．５μｓずつ漸減させ、励磁パターンｗＶｕの出力時間を０．５μｓずつ漸増させている。一方、励磁パターンＵｗＶのマイクロステップごとの出力時間を５０μｓとして一定とし、励磁パターンｖＵｗ、励磁パターンｗＶｕ及び励磁パターンＵｗＶの出力時間のトータルを常に励磁周期Ｔ（１００μｓ）に等しくしている。

このように特許文献２の実施例では、励磁パターンｖＵｗ、ｗＶｕの出力時間を、マイクロステップごとに、それぞれ一定の割合で漸減、漸増するように変化させるとともに、励磁パターンＵｗＶの出力時間を一定として、励磁パターンｖＵｗ、ＵｗＶ、ｗＶｕの各励磁パターンから得られるトルクベクトルを合成し、この合成して得られる合成トルクベクトルを順次変化させることで、スター結線方式の３相ステッピングモータを、所定の角度をもって回転駆動する。
特許第３３６４５２２号公報 特開２００４−２６６９７４号公報

上記特許文献１及び２に記載された先行技術では、ステッピングモータの分解能を向上させるため、上記最小単位時間ｔを可能な限り短く設定して、基本ステップ角αの分割数ｎを増やすという手段を用いると同時に、外部からの指令パルスの入力ごとに最小単位時間ｔを基準として漸増又は漸減させている。これを、上述した特許文献２の実施例を元に具体的に説明する。図１０に示すように、特許文献２の実施例における励磁パターンｖＵｗ、ｗＶｕの出力時間を漸増・漸減させる最小単位時間ｔは０．５μｓである。特許文献２の実施例では、指令パルスの入力ごとに、各励磁パターンｖＵｗ、ｗＶｕごとの出力時間を０．５μｓずつ漸増又は漸減させている。また、基本ステップ角αの分割数ｎは１００である。そして、ここでの駆動パターンの駆動に要する時間、すなわち３つの励磁パターンに対する励磁電流の各出力時間のトータルである励磁周期Ｔを１００μｓとしている。

特許文献１及び２に記載された先行技術にあっては、ステップ角を細分化して駆動し、ステッピングモータの分解能を向上させようとしているが、ここにきて、例えば光制御技術（並列光演算技術、レーザ安定化技術、超高速分光技術、超高速光制御技術、光パルスタイミング同期技術等）、光計測技術（単一光子検出技術、超高速光計測技術、ホログラム計測技術、各種表面分光技術、電界発光計測技術、移動度計測技術、干渉計測技術等）、デバイス技術（光電子デバイス作製技術、有機ＥＬ作製技術、デバイスプロセス技術、有機半導体素子作製技術等）等では、振動などの外因を排除すべく、更なる超低速でかつ高分解能なステッピングモータの駆動が強く要望されている。すなわち、前述の技術分野にあっては超精密加工や超精密検出を行うため、ステッピングモータがあたかも停止状態にあって、しかも正確な位置決めのもとで歩進することが要求されている。

こうした要求に答えるため、例えば特許文献２に記載されたマイクロステップ駆動方法では、図１０に示すように、１００分割された１マイクロステップごとの励磁パターンｗＶｕの出力時間の割合を、最小単位時間ｔを０．５μｓとして０％（０μｓ）から５０％（５０μｓ）まで漸増させると同時に、同じく１マイクロステップごとの励磁パターンｖＵｗの出力割合を５０％から０％へと漸減させており、他の１つの励磁パターンＵｗＶの出力時間の割合を１００マイクロステップの全てにおいて５０％としている。

このように特許文献２に記載されたマイクロステップ駆動方法は、３個の異なる励磁パターンを含む励磁周期Ｔを一定として、１００回のマイクロステップごとに各励磁時間の一部を少しずつ漸減又は漸増させることにより、各励磁相の励磁時に発生するリップルを減少させ、高分解能で振動の少ない円滑なマイクロステップ駆動を可能にしている。

ところで、例えば５相ステッピングモータの基本ステップ角αは０．７２°である。すなわち、通常のステップ駆動であれば、外部指令パルスが５００回入力されてロータが１回転する。一方、５相ステッピングモータにあってトルクベクトルが合成される４相励磁を２相励磁に分解する場合、その励磁の仕方には図３及び図４に示すように２種類の方法がある。この場合、いずれにしても上記最小単位時間ｔは、励磁周期Ｔを分割数ｎの２倍で割った数となる。いま、仮に基本ステップ角α（０．７２°）を８００分割して、励磁周期Ｔを６４μｓとすると、励磁最小単位時間ｔは６４μｓを１６００で割った４０ｎｓとなり、マイクロステップ角は０．０００９°となり、外部指令パルスが４００，０００回でロータが１回転することになる。

こうして分解能を更に向上させようとすれば、電子回路上の各スイッチング素子を駆動可能な現状の最小単位時間ｔよりも出力時間を更に短くしていくことが必要となる。論理回路にあって、励磁に必要な最小単位時間ｔを４０ｎｓに制御することは比較的容易であるが、この最小単位時間ｔをそれ以上に短くすることは、現状ではパワー素子駆動回路におけるスイッチング素子のオン／オフ制御の限界があるため、きわめて難しい。すなわち、最小単位時間ｔを４０ｎｓより短くすると、例えばパワー素子駆動回路上のスイッチング素子によるオン／オフのスイッチング動作が励磁電流の切換え時間に追随できなくなり、所定の励磁を行うための制御ができなくなる。

また、仮に最小単位時間ｔを４０ｎｓにして、基本ステップ角αの分割数ｎを８００よりも多くしていくと、その励磁コントロールの周波数は次第に減少する。例えば、前記最小単位時間を４０ｎｓとして、分割数ｎを８００とすると、励磁周期Ｔは６４μｓで励磁制御時の周波数は１５．６２５ｋＨｚであり、分割数ｎが１０００では励磁周期Ｔが８０μｓとなり、励磁制御の周波数は１２．５ｋＨｚである。更に、分割数ｎを２０００とすると励磁周期Ｔは１８０μｓとなり、励磁制御の周波数は６．２５ｋＨｚとなる。

一方、人間の耳に聞こえやすい音の周波数領域である可聴域内の音の周波数は、一般的に、２０Ｈｚ〜１５ｋＨｚの範囲とされている。上述のように上記最小励磁時間ｔを４０ｎｓとして、分割数ｎを１０００、或いは２０００と単純に増加させると、励磁コントロールの周波数は１５ｋＨｚより小さくなり、極めて耳障りな音が人間の耳に達することになる。つまり、こうしたマイクロステップの駆動方法では、人間の耳に聞こえ易い音の周波数でステッピングモータが駆動されることになり、単純に大きな分割数ｎをもってマイクロステップ駆動を行おうとすれば、ステッピングモータから更に耳障りな高音領域の可聴音が発生し、精密加工機や精密測定機の操作者に極めて不快感を与えるという問題がある。

また、ステッピングモータの回転を停止している間（いわゆる、ＨＯＬＤ時）も、励磁周期Ｔごとに同じ駆動パターンの駆動を繰り返しており、同じく耳障りな高音領域の可聴音が発生する。このため、このようなステッピングモータを組み込んだ精密測定機器等では、ステッピングモータのＨＯＬＤ時にも、耳障りな高音領域の可聴音が発生することから、上述のような各種技術分野に用いられるＮ相ステッピングモータを装備した超精密測定機器や超精密加工機器においては、超低速で駆動され同時に低騒音であるモータ分解能の高いステッピングモータの出現が強く要望されている。

本発明は、こうした従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、特別な電子回路の新たな追加を必要とせずに、従来の電子回路構成をそのまま利用し、単に論理回路の一部を変更するだけで、超低速及び等速回転のステッピングモータの分解能を飛躍的に向上させた超マイクロステップ駆動方法及び同駆動方法により駆動されるＮ相ステッピングモータ、並びに同モータを搭載した超精密測定機器、超精密加工機器を提供することにある。

しかも、ステッピングモータの駆動時に発生する可聴音の発生を防ぎ、さらに、ステッピングモータの回転停止中（ＨＯＬＤ時）に発生する耳障りな高い周波数の音が発生しないマイクロステップ駆動方法を提供することを他の目的としている。他の更なる目的は、以下に述べる説明から明らかになる。

前記目的は、請求項１〜６に記載された発明により達成することができる。
即ち、第１の発明は、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αをｎ分割して、外部指令パルスの入力ごとにα／ｎの微小ステップ角α’を歩進させることを含むマイクロステップ駆動方法にあって、
前記分割された微小ステップ角α’（＝α／ｎ）ごとに、２以上の整数である分割数ｍをもって、前記微小ステップ角α’をｍ分割した微細ステップ角α”（＝α／（ｎ×ｍ））を作成すること、前記微小ステップ角α’の歩進を、異ならせた複数個の励磁パターンからなる組で行うこと、
微細ステップ角α”を歩進させる超マイクロステップを、励磁周期Ｔで前記組内の各励磁パターンを励磁し、前記励磁周期Ｔでの励磁を、少なくとも前記分割数ｍの回数行うこと、前記励磁周期Ｔでの励磁をｍ回の正の整数倍行うことにより、前記微細ステップ角α”の歩進を行ったときの合成トルクベクトルを生成すること、微細ステップ角α”を歩進させた後に続けて次の微細ステップ角α”の歩進を行うこと、
前記超マイクロステップを順次行うごとに、前記組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間を、励磁が可能な最小単位時間ｔを基礎として、各励磁パターンごとに順次増加又は順次減少させ、かつ前記各超マイクロステップにおける前記励磁周期Ｔによるｍ回の各励磁において、前記組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間を規則的に分散させること、
前記超マイクロステップを順次ｍ回行うことにより、前記微小ステップ角α’の歩進を行わせ、前記微小ステップ角α’を歩進させるのに必要なトータルの合成トルクベクトルを生成すること、を特徴とするＮ相ステッピングモータの超マイクロステップ駆動方法を最も主要な構成としている。

好ましい態様によれば、前記分割数ｎが８００より大きな整数であり、前記最小単位時間ｔが４０ｎｓであることが好ましく、前記分割数ｍが２〜５の整数であることが望ましい。

第２の発明は、前記構成を備えた超マイクロステップ方法により駆動されることを特徴とするＮ相ステッピングモータにあり、第３及び第４の発明は、同Ｎ相ステッピングモータを搭載したことを特徴とする超精密測定機器と超精密加工機器にある。

作用効果

第１の発明によれば、特別な電子回路の追加を必要とせずに、従来の電子回路と論理回路をそのまま利用し、Ｎ相ステッピングモータの回転分解能を飛躍的に向上させるばかりでなく、超低速の駆動が実現でき、しかも回転駆動時もホールド時も耳障りな異音を発生することもなくなる。

すなわち、本発明の超マイクロステップ駆動方法は、従来のマイクロステップ駆動方法と同様に、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αをｎ分割して、外部指令パルスの入力ごとにα／ｎの微小ステップ角α’を歩進させることを前提としている。そして、本発明にあっては、前記分割された微小ステップ角α’（＝α／ｎ）を、更に２以上の整数である分割数ｍをもって分割する。
そして、前記微小ステップ角α’の歩進を行わせるときには、異ならせた複数個の励磁パターンからなる組を一組用いて行っている。微細ステップ角α”を歩進させる超マイクロステップを、励磁周期Ｔで前記組内の各励磁パターンを励磁し、前記励磁周期Ｔでの励磁を、少なくとも前記分割数ｍの回数行い、前記励磁周期Ｔでの励磁をｍ回の正の整数倍行うことにより、前記微細ステップ角α”の歩進を行ったときの合成トルクベクトルを生成している。そして、微細ステップ角α”を歩進させた後に続けて次の微細ステップ角α”の歩進を行っている。
次の微細ステップ角α”の歩進を行うときも、前記の同じ組を用いて行うが、後述するように励磁周期Ｔは変えずに、組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する時間を変更している。
前記超マイクロステップを順次行うごとに、前記組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間を、励磁が可能な最小単位時間ｔを基礎として、各励磁パターンごとに順次増加又は順次減少させている。しかも、前記各超マイクロステップにおける前記励磁周期Tによるｍ回の各励磁において、前記組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間を規則的に分散させている。そして、前記超マイクロステップを順次ｍ回行うことにより、前記微小ステップ角α’の歩進を行わせ、前記微小ステップ角α’を歩進させるのに必要なトータルの合成トルクベクトルを生成する。

その結果、現状で駆動可能な最小単位時間ｔを基準としながら従来以上の高分解能が得られる超マイクロステップ駆動を可能にしている。しかも、上述のようにｎ×ｍ回ごとに外部指令パルスが入力されて、少なくともｍ回の励磁周期Ｔをもって組内の各励磁パターンを励磁するとき、各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間、つまり励磁割合を規則的に分散させて励磁駆動を行っている。
このとき、ｎ×ｍ回のステップごとには最小単位時間ｔを基礎とする人間にとって耳障りな可聴音が理論上は瞬間的に発生することになるが、その発生は連続せず、極めて短い１超マイクロステップごとに瞬時に発生するにすぎないため、耳に残ることがなく、事実上は全く耳に聞こえない。

例えば、好適な態様として、最小単位時間ｔを４０ｎｓに設定し、５相ステッピングモータの基本ステップ角０．７２°を８００分割し、この８００分割された微小ステップ角０．０００９°を更に４分割（ｍを４にしたとき）して、微細ステップ角０．０００２２５°で超マイクロステップ駆動するとき、各超マイクロステップのステップごとに同じ励磁シーケンスに従って２相ずつからなる４つの励磁パターンを、同一励磁周期６４μｓを
もって４回（ｍ回）続けて励磁する。この４回の励磁周期６４μｓにおける励磁パターンごとの励磁時間を、最小単位時間４０ｎｓを基礎として規則的に増減させながら分散させる。
このとき、１超マイクロステップの間に現れる耳障りとなり得る可聴音領域の音の発生時間は僅かに４０ｎｓを単位とする極めて短い時間であり、しかもその瞬時に発生する時間を４回の励磁周期Ｔである２５６μｓと比較すると、その差が極めて大きいことも手伝って、たとえ耳障りな周波数領域の音ではあっても、その発生時間は僅かであるため、実際には人間の耳に残らず聞こえてくることもない。
そのため、前述のような超低速で且つ高分解能をもつステッピングモータを超精密測定機器や超精密加工機器に装備しても、理想的な環境下で超精密な加工や測定を可能にする。

以下、本発明の好適な実施の形態を、添付図面に示す実施例に基づいて具体的に説明する。
以下に述べるマイクロステップ駆動方法の具体的な説明は、ペンタゴン結線方式の５相ステッピングモータを例として挙げているが、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲において多様な変更が可能である。例えば、以下に説明するステッピングモータ、各種電子回路などによる構成以外にも、本発明の課題を解決することができる構成であれば、励磁相の数や結線の仕方にとらわれることなく、また従来から知られている各種の論理回路や電子回路を、本発明の構成の一部として採用することができる。

図１は本発明の超マイクロステップ駆動方法を実現する５相ステッピングモータの回路構成を示しており、ペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータと定電流駆動回路を例として挙げている。

同図に示すように、本発明の最良の形態である５相ステッピングモータの主たる構成は、５相ステッピングモータ１、励磁パターン出力回路２、パワー素子（ＴＲ１〜ＴＲ１０）、パワー素子駆動回路３、ダイオード（Ｄ１〜Ｄ１０）、モータ出力線（ＯＵＴ１〜ＯＵＴ５）、ＰＷＭ（パルス幅変調）定電流駆動コントロール回路４を備えている。

（励磁パターン出力回路）
励磁パターン出力回路２は、基本ステップ角α（＝０．７２°）をｎ×ｍ分割した微細ステップ角α／（ｎ×ｍ）（＝α”）を歩進する超マイクロステップを指示する外部指令パルスＣＷＰ（Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ Ｐｕｌｓｅ）、ＣＣＷＰ（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ Ｐｕｌｓｅ）を回路外から受けている。ここで、ＣＷＰはモータを正転（モータを出力軸側から見て時計回りの回転）させる指示パルスであり、ＣＣＷＰは逆転（正転の逆回転）させる指示パルスである。また、励磁パターン出力回路２では、パワー素子駆動回路３に対して、５相ステッピングモータ１の駆動制御に必要な各種信号を必要に応じて送出している。

図１では、励磁パターン出力回路２内に含まれる主な機能部について、ブロック図にて概略的に示している。このブロック部にて示された３個の主な機能部としては、アドレスカウンタ２ａ（電気角位置管理）、励磁周期カウンタ２ｂ（駆動時間管理、励磁パターン切替指令）、メモリ２ｃ（励磁パターンデータ、出力時間データ）があり、これらの機能部が励磁パターン出力回路２の内部に備えられている。

図１に示すように、励磁パターン出力回路２に備えられたアドレスカウンタ２ａ（電気角位置管理）は、外部指令パルスＣＷＰ、ＣＣＷＰを受けて所定の角度を回転する５相ステッピングモータにおいて、モータ回転子（ロータ）の電気角位置（励磁アドレス）の情報を管理している。電源が入ると、まずイニシャライズされてアドレスカウンタは「０」になる。アドレスカウンタ２ａは、外部指令パルスＣＷＰ、ＣＣＷＰを受けるごとに、この受けたパルスの総数に応じて、保有している電気角位置情報を最新の情報へと更新する。

上記励磁周期カウンタ２ｂは、励磁周期ごとに現在のアドレスカウンタ２ａのアドレス値、すなわち電気位置情報を読み込み、メモリ２ｃにアドレスを指定して、そのアドレスに対応する励磁周期内で励磁すべき励磁パターンデータとその出力時間データとを読み込む。更に、この読み込んだ励磁パターンデータとその出力時間データに従って、各励磁パターンの指定と同励磁パターンの励磁時間だけをパワー素子駆動回路３に順次出力する。

（パワー素子駆動回路）
図１に示すパワー素子駆動回路３は、上述のように励磁パターン出力回路２から、出力すべき励磁パターンの駆動用データや、励磁パターン切替え指令を励磁パターン切替時に受け取っている。この励磁パターン出力回路２から受け取ったデータを基にして、各パワー素子（ＴＲ１〜１０）のゲート（Ｇ）端子に対して所定の信号を送出し、指示された励磁パターンにて所定時間ずつ励磁出力が行われるようにする。詳しくは、パワー素子のゲート端子に印加する電圧値を制御することで、パワー素子内部の通電（例えば、エミッタ電流が流れる等）がなされる。

なお、本発明において使用するパワー素子の好適なタイプとしては、印加する電圧を変化させることで素子の電流制御を行う電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のＭＯＳタイプ（ＰＯＷＥＲ ＭＯＳ ＦＥＴ）がある。しかし、本発明を実施できるパワー素子であれば、電界効果トランジスタの他のタイプである、例えばＦＥＴ接合形等、何れのパワー素子も用いることができる。

このように、パワー素子駆動回路３は、励磁パターン出力回路２から励磁パターンの駆動データを受けて、出力する励磁パターンに応じて各パワー素子（ＴＲ１〜１０）に与える電圧を制御することによって、各パワー素子（ＴＲ１〜１０）を通電させ、５相ステッピングモータ１の各励磁相１ａ〜１ｅに励磁電流を流している。

（ＰＷＭ定電流駆動コントロール回路）
図１に示すＰＷＭ（パルス幅変調）定電流駆動コントロール回路４では、ドライバ（モータ駆動装置）の電源に供給された電圧が変換されたモータ駆動電圧を、５相ステッピングモータ１の各励磁相１ａ〜１ｅに対して、高速でＯＮ／ＯＦＦ制御しながら印加している。

ステッピングモータにおける一般的な定電流駆動方式は、ステッピングモータに通常よりも高い電圧をパルス状に印加し、これを平滑化して駆動電圧とし、所定の電流値に達するまでの立ち上がりを迅速化すると同時に、常に一定の電流が流れるように電子回路を用いて制御する方式である。

特に、本実施例に示すＰＷＭ定電流駆動方式を用いた駆動回路では、励磁相１ａ〜１ｅに直列に設けられた電流検出抵抗５（０．２〜０．５Ω程度）にかかる駆動電圧値を測定するとともに、励磁相に流れる実効電流を監視している。そして、この電流検出抵抗５の検出電圧値が基準電圧値と比較して、このときの前記電流検出抵抗５を流れる実効電流が設定値となるようにモータ駆動電圧を制御する。一般にモータ駆動電圧は、ステッピングモータが停止して保持状態にあるとき（ホールド時）が最も低く、また回転中は回転速度が増すとモータコイルのインピーダンスが増加するため、低速ではモータ駆動電圧は低く、高速ではモータ駆動電圧は高くなる。このようにモータ駆動電圧が上下することによって前記電流検出抵抗５に流れる電流が変化する。この電流を一定にするように前記駆動電圧を制御する。こうして、５相ステッピングモータ１の各励磁相１ａ〜１ｅに流れる総電流値は、このＰＷＭ定電流駆動コントロール回路４によって制御されることで、一定に保たれている。

（励磁パターンの典型例）
図３及び図４を用いて、５相ステッピングモータ１の基本ステップ角α（＝０．７２°）を歩進する基本ステップにおいて、各基本ステップにて出力される励磁パターンの典型例について説明する。図３、４に示すように、左側の列には、各基本ステップを示すＳＴＥＰ：０〜９において、励磁相１ａ〜１ｅの内の４相（実際は、２相励磁を２回連続して行う（２相−２相励磁）ことで４相励磁を合成している。）に対して、励磁電流Ａ〜Ｅと励磁電流ａ〜ｅを流したときの励磁パターンを示している。また、右側の列には、この４相励磁パターンの合成に用いる２相の励磁パターンの組み合わせ１、２をそれぞれ示している。また、各励磁相１ａ〜１ｅと、励磁電流の向きについては、図２（ｂ）を用いた上述の説明通りである。

なお、この４相励磁パターンを２相励磁に分解する場合には、図３及び図４に示すように、２種類の励磁パターンの組み合わせ１、２があるが、本実施例では何れの組み合わせも用いることができる。また、励磁パターンや励磁パターンの出力順序の説明を容易に理解しやすくするために、「→」という表記を以下に用いるものとする。例えば、励磁パターンＢＣから励磁パターンＡＤに切り替わることを示す表記は、ＢＣ→ＡＤと表わしている。

本実施例における５相ステッピングモータ１の各基本ステップ（ＳＴＥＰ：０〜９）は、基本ステップ角αを歩進しており、ここで基本ステップ角αは０．７２°であるので、全１０ステップを歩進すると７．２°だけ５相ステッピングモータ１が回転する。５相ステッピングモータ１は、この基本ステップ（ＳＴＥＰ：０〜９）を繰り返されることで回転駆動される。例えば、この基本ステップ（ＳＴＥＰ：０〜９）を５００回繰り返すと、モータ回転子が３６０°、即ち１回転することになる。

図３の左側の列に示すように、合成される４相励磁パターンは、ＡＢＣＤ→ＢＣＤＥ→ＣＤＥａ→ＤＥａｂ→Ｅａｂｃ→ａｂｃｄ→ｂｃｄｅ→ｃｄｅＡ→ｄｅＡＢ→ｅＡＢＣの順序で励磁される。

次に、上記４相励磁パターンを合成するには、以下に記載した組み合わせ１における２相励磁パターンを連続して出力することによりなされる。４相励磁パターンＡＢＣＤを得るためには、励磁パターンＢＣ、励磁パターンＡＤを連続出力されたものを合成しており、これをＢＣ→ＡＤと表記して、以下の説明は簡略化して行う。即ち、４相励磁パターンＢＣＤＥはＣＤ→ＢＥであり、４相励磁パターンＣＤＥａはＤＥ→Ｃａであり、４相励磁パターンＤＥａｂはＥａ→Ｄｂであり、４相励磁パターンＥａｂｃはａｂ→Ｅｃであり、４相励磁パターンａｂｃｄはｂｃ→ａｄであり、４相励磁パターンｂｃｄｅはｃｄ→ｂｅであり、４相励磁パターンｃｄｅＡはｄｅ→ｃＡであり、４相励磁パターンｄｅＡＢはｅＡ→ｄＢであり、４相励磁パターンｅＡＢＣはＡＢ→ｅＣである。

一方、図４の左側の列に示すように、合成される４相励磁パターンは、上記で示したものと同様にＡＢＣＤ→ＢＣＤＥ→・・・→ｄｅＡＢ→ｅＡＢＣの順序で出力される。また、４相励磁パターンを合成する別の組み合わせである２相励磁の組み合わせ２では、４相励磁パターンＡＢＣＤを得るために、励磁パターンＡＢ、励磁パターンＣＤを連続出力して合成しており、これをＡＢ→ＣＤと表記して、組み合わせ１と同様に、以下の説明は簡略化している。即ち、４相励磁パターンＢＣＤＥはＢＣ→ＤＥであり、４相励磁パターンＣＤＥａはＣＤ→Ｅａであり、４相励磁パターンＤＥａｂはＤＥ→ａｂであり、４相励磁パターンＥａｂｃはＥａ→ｂｃであり、４相励磁パターンａｂｃｄはａｂ→ｃｄであり、４相励磁パターンｂｃｄｅはｂｃ→ｄｅであり、４相励磁パターンｃｄｅＡはｃｄ→ｅＡであり、４相励磁パターンｄｅＡＢはｄｅ→ＡＢであり、４相励磁パターンｅＡＢＣはｅＡ→ＢＣである。
このように、５相ステッピングモータ１の各基本ステップ（ＳＴＥＰ：０〜９）ごとに、２相励磁パターンを連続して励磁出力することで、４相励磁パターンを合成している。

なお、上記の各基本ステップごとの４相励磁パターンを合成する２相励磁パターンでは、励磁相のコイル巻線の結線部は、出力段のパワー素子を介してモータ駆動電圧（図中「＋」で示す）、又は、ＧＮＤ（図中「−」で示す）に接続されている。この励磁相の結線部が必ず「＋」又は「−」に接続されていることで、電圧のかかっていなかった結線部に、急激に電圧がかかることで発生するハイインピーダンス状態を回避することができる。

（マイクロステップ駆動方法の基本原理）
図５を用いて、従来から知られるマイクロステップ駆動方法の基本原理について説明する。この基本原理の説明には、図３に示した基本ステップ間（ＳＴＥＰ：０〜１、励磁ベクトルＡＢＣＤ〜ＢＣＤＥ）を多分割して微小ステップ角α’を歩進するマイクロステップを代表例として用いている。

図５に示すように、マイクロステップごとに、所要数の励磁パターンを所定の順番にて出力する駆動パターンは、励磁パターンＢＣ、ＡＤ、ＣＤ、ＢＥから構成されている。この励磁パターンＢＣ、ＡＤ、ＣＤ、ＢＥにおいて、１つの駆動パターンの励磁周期Ｔに対する励磁パターンＢＣ、ＡＤ、ＣＤ、ＢＥごとの出力時間の出力割合（％）の変化を示している。同図に示すように、励磁ベクトルＡＢＣＤの位置での出力時間の出力割合は、励磁パターンＢＣ及びＡＤに対して５０％であり、励磁パターンＣＤ及びＢＥは０％である。例えば、励磁周期Ｔが１００μｓの場合は、励磁パターンＢＣ及びＡＤが５０μｓずつ出力され、励磁パターンＣＤ及びＢＥは出力されない。

また、外部指令パルスＣＷＰ、ＣＣＷＰが新たに入力されるまでの間は、励磁周期Ｔごとに、励磁パターンＢＣ、ＡＤ、ＣＤ、ＢＥの出力、即ち、駆動パターンの出力による励磁を繰り返している（つまり、ＢＣ→ＡＤ→ＣＤ→ＢＥ→ＢＣ→ＡＤ→ＣＤ→ＢＥ→・・・）。そして、新たな外部指令パルスが入力されると、励磁パターンＢＣ及びＡＤの出力時間を最小単位時間ｔだけ減らして、励磁パターンＢＣ及びＡＤの出力割合を減少させる。一方、新たな外部指令パルスが入力されると、励磁パターンＣＤ及びＢＥの出力時間は、最低単位時間ｔだけ増えて、励磁パターンＣＤ及びＢＥの出力割合を増加する。

このようにして得た新たな励磁パターンから得られるトルクベクトルの合成トルクベクトルによって、微小ステップ角α’を歩進するマイクロステップが行われる。以降も同様にして、マイクロステップごとに、最小単位時間ｔをもって、励磁パターンＢＣ及びＡＤの出力時間を減らし、励磁パターンＣＤ及びＢＥの出力時間を増やしていく。

なお、ここで各励磁パターンを増減させる時間として最小単位時間ｔを用いたが、これに限定されるものではなく、ステッピングモータの仕様に応じた時間をもって増減させることが可能である。

さらに出力割合の例を挙げると、図５に示すように、励磁ベクトルＡＢＣＤと励磁ベクトルＢＣＤＥの中間位置（励磁ベクトルＡＢＣＤＥ）では、励磁パターンＢＣ、ＡＤ、ＣＤ、ＢＥが出力割合２５％にて出力されている。例えば、励磁周期Ｔが１００μｓの場合は、各励磁パターンが２５μｓずつ出力される。

さらに別の出力割合の例として、励磁ベクトルＢＣＤＥの位置での出力割合は、励磁パターンＢＣ及びＡＤに対して０％であり、励磁パターンＣＤ及びＢＥは５０％である。例えば、励磁周期Ｔが１００μｓの場合は、励磁パターンＢＣ及びＡＤは出力されず、励磁パターンＣＤ及びＢＥは５０μｓずつ出力される。

このように、従来のマイクロステップ駆動方法によって駆動される５相ステッピングモータは、微小ステップ角α’を歩進するマイクロステップごとに、励磁周期Ｔにおける各励磁パターンの出力割合を、例えば最小単位時間ｔをもって漸増又は漸減するように変化させ、各励磁パターンから得られるトルクベクトルを合成することで、所望の合成トルクベクトルを得て、回転駆動が行われている。

（本発明のＮ相ステッピングモータの超マイクロステップ駆動方法の前提技術）
図６は本発明の前提技術であるマイクロステップの駆動手順を示している。以下に、図６に基づいて本発明の前提技術であるマイクロステップ駆動方法を具体的に説明する。
図１に示す電子回路において、電源が入ると、まずアドレスカウンタ２ａはイニシャライズされて、そのアドレス値は「０」をとり、励磁周期カウンタ２ｂがこのときのアドレス値「０」を読み込むと同時に、メモリ２ｃに格納されているアドレス値「０」に対応する「励磁パターンＢＣと出力時間データＴ／２」と「励磁パターンＡＤと出力時間Ｔ／２」とを読み込む。この読み込んだデータに従って、最初の励磁パターンＢＣを指定して、出力時間Ｔ／２だけ励磁するようにパワー素子駆動回路３に出力する。次いで、励磁パターンＡＤを指定して出力時間Ｔ／２だけ励磁するようにパワー素子駆動回路３に出力する。このアドレスカウンタ値が「０」のとき、他の２つの励磁パターンＣＤ及びＢＥは励磁されない。従って、ここでは図２（ａ）に矢印で示すＢとＣとのトルクベクトルを合成して、その中間方向を向く合成トルクベクトルが生成される。

次に、２番目の外部指令パルスが入力されると、アドレスカウンタ２ａは２番目のアドレス値を「１」に更新する。アドレス値が更新されると、励磁周期カウンタ２ｂはアドレス値「１」に対応する「励磁パターンＢＣと出力時間データＴ／２−ｔ」、「励磁パターンＣＤと出力時間ｔ」、「励磁パターンＡＤと出力時間Ｔ／２−ｔ」及び「励磁パターンＢＥと出力時間ｔ」を読み込み、パワー素子駆動回路３に向けてそれぞれの励磁パターンと出力時間データとを順次出力し、各励磁パターンＢＣ、ＣＤ、ＡＤ及びＢＥを順次切り替えながら前記所定の時間ずつ励磁して、それらの出力割合に応じたトルクベクトルを合成して合成トルクベクトルを生成する。このようにして、ｎ回のマイクロステップ駆動ごとに各励磁パターンを、例えば図６に示すとおり、励磁パターンＢＣのマイクロステップごとの励磁時間を、最小単位時間ｔを増減の基礎として、（Ｔ／２）→（Ｔ／２−ｔ）→（Ｔ／２−２ｔ）→（Ｔ／２−３ｔ）→・・・→（０）のように順次減少させると同時に、励磁パターンＣＤのマイクロステップごとの励磁時間を、最小単位時間ｔを増減の基礎として、（０）→（ｔ）→（２ｔ）→（３ｔ）→・・・→（Ｔ／２）とｎ回に渡って順次増加させる。励磁パターンＡＤ、ＢＥについても同様に励磁して、基本ステップ角αをマイクロステップ駆動する。

同図にあっては、ｎ回の外部指令パルスが入力するたびに、パワー素子駆動回路３は励磁周期カウンタ２ａからの出力を受けて、最小単位時間ｔを基礎として増減する４つの励磁パターンを励磁パターンシーケンスに従って４回の励磁周期Ｔを繰り返しながら順次励磁している。ここで、外部指令パルスの出力周期が励磁周期Ｔよりも長い場合には、アドレスカウンタ２ａによるアドレス値の進み量が忠実になされるため、超低速でかつ滑らかな高分解能をもつ超マイクロ駆動が可能となるが、外部指令パルスの出力周期が励磁周期Ｔよりも短い場合、ステップごとの励磁周期Ｔよりもアドレスカウンタによるアドレス値の進み量が大きくなり、結果的に歩進速度が粗くなっていく。

つまり、図６にあって励磁周期Ｔよりも外部指令パルスの出力周期が十分長い場合は、励磁ベクトルは外部指令パルスに忠実に一段目、二段目、三段目、・・・とアドレスを飛ばすことなく励磁ベクトルが進むが、外部指令パルスの周期が励磁周期Ｔより短くなると、例えば一段目、三段目、五段目、・・・、或いは一段目、四段面、六段目、・・・のように励磁ベクトルの間引きがなされるようになる。しかし、このように間引きはなされるものの、励磁自体は励磁周期Ｔによって管理されているため、励磁出力の周波数は常に１／Ｔとなる。

いま、仮に基本ステップ角αの分割数ｎが８００で、最小単位時間ｔを４０ｎｓ、励磁周期Ｔが６４μｓとした場合、励磁コントロールの周波数は１５．６２５ｋＨｚとなり、可聴音領域から外れることになる。従って、この場合にはホールド時であるか回転駆動時であるかを問わず、ステッピングモータの駆動による騒音は発生しない。

しかし、前述のとおりのマイクロステップ駆動を踏まえて、更に高分解能を備えた超マイクロステップ駆動を実現させようとすると、例えば最小単位時間を４０ｎｓとして、基本ステップ角αの分解数ｎを１０００又は１６００に増加させた場合には、それぞれの励磁周期Ｔは８０μｓ、１２８μｓとなり、励磁コントロールの周波数はそれぞれ１２．５ｋＨｚ、７．８１２５ｋＨｚとなって、いずれも１５ｋＨｚ以下の可聴音領域となり、特に耳障りな可聴音が発生してしまう。また、このように励磁周期Ｔが延びるということは励磁周期Ｔと最小単位時間ｔとの差が大きくなることを意味し、そのことによって励磁電流のリップルが大きくなり、結果的に振動を誘発して超低速駆動時の回転の滑らかさを損なうことになる。

本発明者らは、上述の特許文献１及び２により確立されている従来のマイクロステップ技術の利点を最大限に活かした上で、ステッピングモータとして要求される特性を損なうことなく更に高分解能を備えた超マイクロステップ駆動方法を実現させるには、如何なる手法を採用すればよいかを詳しく検討した。その結果、図６に示した５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動にあって、最小単位時間ｔを４０ｎｓとするとき、基本ステップ角αである０．７２°を８００分割すると励磁周期Ｔが１６００×４０ｎｓ＝６４μｓとなり、励磁コントロールの周波数は１／１６００＝１５．６２５ｋＨｚとなり可聴音領域から外れており、同時に励磁電流のリップルも発生しないことを踏まえると、このステップ駆動を踏襲し、最初のステップにて６４μｓの励磁周期の４つの励磁パターンを励磁してトルクベクトルを得たのち、続くステップにて６４μｓの励磁周期の４つの励磁パターンの励磁時間の割合を変えて得るトルクベクトルを先にステップにて生成された前記トルクベクトルとを更に合成すれば、２倍の励磁周期にて中間のトルクベクトルをつくりだすことができるとの考えに立って以下に述べる実施例を実現するに到った。

以下、本発明の代表的な実施例を、本発明の前提技術を示した図６を参照しつつ図７及び図８に基づいて具体的に説明する。
ここで、図７及び図８は本発明の第１及び第２実施例による超マイクロステップ駆動手順を示している。なお、以下の実施例の説明では、理解をしやすくするため、上述の説明と同様に、励磁周期をＴ、最小時間単位をｔとしているが、具体例にはＴが６４μｓ、ｔが４０ｎｓである。また、以下の実施例では、その説明を簡略化するために、各励磁パターンにおける出力時間を補足した表記を用いている。例えば、励磁パターンＢＣの出力時間がＴ／２の場合、励磁パターンＢＣとして出力時間Ｔ／２を基準として以下のように表わす。詳しくは、励磁パターンＢＣの出力時間が最小単位時間ｔずつ漸減する場合には、ＢＣ（Ｔ／２）→ＢＣ（Ｔ／２−ｔ）→ＢＣ（Ｔ／２−２ｔ）、・・・、→ＢＣ（０）と表記する。

更に、図７及び図８に示す超マイクロステップ駆動において、各マイクロステップごとに、４回の励磁周期Ｔにて駆動される４個の励磁パターンを出力順に並べるとともにその出力時間を補足する表記を用い、出力時間付励磁シーケンスｋ１〜ｋｎとして簡略化している。

例えば、前提技術を示す図６において、第１番目のステップを示す一段目の励磁周期Ｔにおける励磁パターンごとに出力時間を附記した励磁シーケンス、ＢＣ（Ｔ／２）→ＣＤ（０）→ＡＤ（Ｔ／２）→ＢＥ（０）を出力時間付励磁シーケンスｋ１で表す。また、第２番目のステップを示す二段目の励磁周期Ｔにおける励磁パターンごとに出力時間を附記した励磁シーケンス、ＢＣ（Ｔ／２‐ｔ）→ＣＤ（ｔ）→ＡＤ（Ｔ／２−ｔ）→ＢＥ（ｔ）を出力時間付励磁シーケンスｋ２で表し、出力時間付励磁シーケンスｋ３は、第３番目のステップを示す三段目の励磁周期Ｔにおける励磁パターンごとに出力時間を附記した励磁シーケンス、ＢＣ（Ｔ／２‐２ｔ）→ＣＤ（２ｔ）→ＡＤ（Ｔ／２−２ｔ）→ＢＥ（２ｔ）を意味する。以下は同様に繰り返されて、励磁パターンごとに出力時間を附記した励磁シーケンスＢＣ（０）→ＣＤ（Ｔ／２）→ＡＤ（０）→ＢＥ（Ｔ／２）が最後の出力時間付励磁シーケンスｋｎとなる。

次に、上記表記を使って本発明の実施例１を具体的に説明する。この実施例１は基本ステップ角α（０．７２°）を（ｎ×ｍ）分割するものであり、分割数ｍが２の場合の実施例である。すなわち、基本ステップ角αをｎ分割して得られる微小ステップ角α’を更に２分割した微細ステップ角α”（＝α／（ｎ×２））を歩進させて超マイクロステップにて駆動する。図示例によれば、この微細ステップ角α”を歩進する超マイクロステップによる駆動を、超マイクロステップごとに、それぞれ４回の励磁周期Ｔをもって駆動される。ここで、始めの分割数ｎは、励磁周期Ｔが６４μｓ、最小単位時間ｔが４０ｎｓとすると、６４０００／４０＝１６００となる。

このときの超マイクロステップは、続けて入力される２回の外部指令パルスごとに生成される合成ベクトルを一組として、二組を組み合わせて上述の微小なステップ角α／ｎの歩進を実現させるものである。具体的には、図７における一段目の２回の励磁周期Ｔと２段目の２回の励磁周期Ｔにおける各励磁パターンについて見ると、一段目にあっては１回目と２回目の励磁駆動はＢＣ（Ｔ／２）→ＡＤ（Ｔ／２）と同じであり、この励磁駆動により合成ベクトルを生成している。これを二段目について見ると、既述したとおりアドレスカウンタ２のアドレス値「０」が「１」に更新されており、１回目の励磁周期における励磁駆動は前記一段目と同様にＢＣ（Ｔ／２）→ＡＤ（Ｔ／２）であるが、２回目の励磁周期ＴではＢＣ（Ｔ／２−ｔ）→ＣＤ（ｔ）→ＡＤ（Ｔ／２−ｔ）→ＢＥ（ｔ）のように励磁駆動して、新たな合成ベクトルを生成し、この一段目と二段目の合成ベクトルとを組み合わせて、図７の一段目に示す微小ステップα’（α／ｎ）を歩進させるに必要な合成ベクトルを生成し、これを３段目以降も励磁パターンごとの励磁時間の割合を順次漸減、漸増させながら励磁駆動をｎ×ｍ段、すなわちｎ×ｍ回繰り返して、トータルとして基本ステップ角αを歩進させるに必要なトルクベクトルを生成する。このとき、各超マイクロステップごとに、４回の励磁周期Ｔ内の各励磁パターンに対する励磁出力の出力割合を規則的に分散するように変えている。

これを出力時間付励磁シーケンスで説明すると、分割数ｍが２の場合に、励磁ベクトルＡＢＣＤの位置の超マイクロステップにおける出力時間を付した励磁シーケンスは、４回の励磁周期Ｔともに同じＢＣ（Ｔ／２）→ＣＤ（０）→ＡＤ（Ｔ／２）→ＢＥ（０）であり、出力時間付励磁シーケンスｋ１を４回連続して行っているので、ｋ１→ｋ１→ｋ１→ｋ１と表すことができる。

次に、この励磁ベクトルＡＢＣＤから微細ステップ角α”を一つ超マイクロステップするのに、出力時間付励磁シーケンスｋ１をとる励磁周期Ｔと、ＢＣ（Ｔ／２‐ｔ）→ＣＤ（ｔ）→ＡＤ（Ｔ／２−ｔ）→ＢＥ（ｔ）からなる励磁周期Ｔとが１回おきに連続的に出力されている。すなわち、これを出力時間付励磁シーケンスで表すと、ｋ１→ｋ２→ｋ１→ｋ２となる。三段以降の超マイクロステップの励磁については、出力時間付励磁シーケンスを用いて簡略的に示していくと、ｋ２→ｋ２→ｋ２→ｋ２、ｋ２→ｋ３→ｋ２→ｋ３、ｋ３→ｋ３→ｋ３→ｋ３、ｋ３→ｋ４→ｋ３→ｋ４、・・・、ｋｎ−１→ｋｎ→ｋｎ−１→ｋｎ、ｋｎ→ｋｎ→ｋｎ→ｋｎと変化している。そして、図７に示すように、この超マイクロステップごとに、各駆動パターンの各励磁パターンの出力時間を、漸増又は漸減している。例えば、図６の一番左側の励磁パターンＢＣにおいては、Ｔ／２、Ｔ／２、Ｔ／２−ｔ、Ｔ／２−ｔ、Ｔ／２−２ｔ、Ｔ／２−２ｔ、・・・、２ｔ、２ｔ、ｔ、ｔ、０、０というように２段ずつ同じ出力時間で順次出力時間を漸減させている。

このように、この実施例にあっては、２回の微細マイクロステップ駆動により、図６に示す一段目の微小ステップ角α／ｎから二段目の微小ステップ角α’の歩進へと近づき、３回目の微細マイクロステップ駆動にて、図６に示す二段目の微細マイクロステップ駆動の微小ステップ角α’を確実に歩進させる。この駆動手順をｎ×２回繰り返して、トータルとして基本ステップ角αを回動させるに必要な合成トルクベクトルを得ている。すなわち、２回の超マイクロステップ駆動にて微小ステップ角α’の１／２の微細ステップ角α”を歩進するに必要なトルクベクトルを、４回の励磁周期６４μｓごとに含まれる４個の励磁パターンの励磁時間を所定の割合で変化させて生成し、２回の超マイクロステップ駆動により得られる合成トルクベクトルをもって微小ステップ角α’を歩進させている。

図８は基本ステップ角αをｎ分割するとともに各分割ごとに更に４分割する超マイクロステップ方法を示している。このように分割数ｍが４の場合も、分割数ｍが２の場合と同様に説明できる。すなわち、微小ステップ角α’を更に４分割するとともに、この４分割された微細ステップα”を歩進する超マイクロステップにて駆動する。また、この超マイクロステップによる駆動は、４回の励磁周期６４μｓに含まれる各４つの励磁パターンの出力時間の割合を変化させた各励磁シーケンスに従ってなされる。この分割数ｍが４の場合にも、４回の微細ステップ角α”を歩進する超マイクロステップによる駆動は、超マイクロステップごとに、４回の励磁周期Ｔ（＝６４μｓ）を使って駆動している。更に、１回の超マイクロステップの駆動により進む微細ステップ角α”を、従来のマイクロステップにより進む微小ステップ角α’（＝α／ｎ）の１／４に相当するように、超マイクロステップごとに駆動される４回の励磁周期Ｔにおける励磁パターンＢＣ，ＣＤ，ＡＤ，ＢＥの励磁時間の割合（出力）を変化させている。

これを図８に基づいて具体的に説明すると、この分割数ｍが４の場合の超マイクロステップ駆動方法では、図６で前提となる実施例として示したｎ分割された各マイクロステップ間を、さらに４分割してステップ駆動している。
分割数ｍが４の場合に、最初の励磁ベクトルＡＢＣＤの超マイクロステップにおける出力時間付励磁シーケンスは、励磁周期Ｔにて、ＢＣ（Ｔ／２）→ＣＤ（０）→ＡＤ（Ｔ／２）→ＢＥ（０）からなる出力時間付励磁シーケンスｋ１を４回連続的に励磁している（即ち、ｋ１→ｋ１→ｋ１→ｋ１）。つまり、各超マイクロステップごとの駆動時間は、４Ｔとなっている。つまり、各超マイクロステップにおける駆動時間が４倍の４Ｔとなり、ステップ数が４倍されているので、従来の基本ステップを駆動するのに要していた時間ｎＴの１６倍の駆動時間を要することになる。

次に、励磁ベクトルＡＢＣＤの位置から一回の超マイクロステップが済むと、出力時間付励磁シーケンスｋ１を３回と、出力時間付励磁シーケンスｋ２を１回とからなる励磁駆動がなされる（ｋ１→ｋ１→ｋ１→ｋ２）。
それ以降の超マイクロステップの励磁については、出力時間付励磁シーケンスを用いて簡略的に示していくと、〔ｋ１→ｋ１→ｋ２→ｋ２、ｋ１→ｋ２→ｋ２→ｋ２〕、〔ｋ２→ｋ２→ｋ２→ｋ２、ｋ２→ｋ２→ｋ２→ｋ３、ｋ２→ｋ２→ｋ３→ｋ３〕、ｋ２→ｋ３→ｋ３→ｋ３〕、〔ｋ３→ｋ３→ｋ３→ｋ３、…〕、〔…、ｋｎ−１→ｋｎ−１→ｋｎ−１→ｋｎ−１〕、〔ｋｎ−１→ｋｎ−１→ｋｎ−１→ｋｎ、ｋｎ−１→ｋｎ−１→ｋｎ→ｋｎ、ｋｎ−１→ｋｎ→ｋｎ→ｋｎ、ｋｎ→ｋｎ→ｋｎ→ｋｎ、となる。また、各駆動パターンの各励磁パターンの出力時間は漸増又は漸減している。

このように、微細角度α”を歩進する超マイクロステップごとに、４個の超マイクロステップごとに得られる合成トルクベクトルを順次組み合わせて超合成トルクベクトルを生成し、微細ステップ角α”（α／（ｎ×４））をｎ×４回順次駆動してトータルで基本ステップ角αを超マイクロステップ駆動する。

ここで、本発明の実施例２を示す図８と本発明の前提技術を示す図６とを比較すると、図８において図６の第１段、第２段、第３段、・・・の励磁シーケンスに相当する段数は、第１段、第５段、第９段、・・・と、４回の超マイクロステップを経て１つの微小ステップ角α’（α／ｎ）を進ませていることが理解できる。本実施例では、５相ステッピングモータの基本ステップ角が０．７２°で、最小単位時間ｔを現状で励磁可能な４０ｎｓに設定し、分割数ｎは励磁コントロールの周波数が可聴音領域の上限である１５ｋＨｚから外れる８００を基本としており、このときの各励磁周期Ｔも６４μｓと変わらない。この状態でマイクロステップ駆動を行っても、記述したとおり駆動回転中は勿論、ホールド中でも可聴音が発生しないばかりか、励磁電流のリップルも問題になることはない。

ところが本実施例２では、前記基本の駆動条件に微小ステップ角α’を更に４分割するのであるから、トータルの分割数（ｎ×ｍ）は３２００となり、その分解能は８００から６４００（３２００×２）へと極めて高くなる。そうなると、励磁周期Ｔは４０ｎｓ×６４００＝２５６μｓとなり、励磁コントロールの周波数は１／２５６μｓ＝３．９０６２ｋＨｚとなって、可聴音域内（２０Ｈｚ〜１５ｋＨｚ）に入ってしまい、駆動中であれば常に耳障りな音が発生することになる。

そこで本実施例２では実施例１と同様に、微細ステップ角α”（α／（ｎ×４））の歩進に必要なトルクベクトルを、各励磁周期６４μｓの励磁パターンに対する励磁時間の出力の割合を変化させながら駆動し、４回の連続する超マイクロステップ駆動にて従来の１回のマイクロステップの微小ステップ角α’を歩進させるに必要なベクトルを合成する。こうしてｎ×４回のステップを繰り返して基本ステップ角である０．７２°を歩進させる。つまり、本発明にあっては各超マイクロステップごとに、励磁コントロールの周波数が可聴音の音域から外れる（１５ｋＨｚを越える）周波数である励磁周期６４μｓを基本として駆動するとともに、同時に各励磁周期ごとの励磁パターンに対する励磁時間を、最小単位時間ｔ（４０ｎｓ）を基礎として、予め決められた順序で変化させることによって、可聴音の発生と励磁電流のリップルの問題を事実上なくすことに成功したものである。

これを図８を用いて具体的に説明すると、図８の上から二段目のステップでは、左から４番目の励磁周期６４μｓにおいて励磁パターンＣＤ及びＢＥが最小単位時間ｔ（４０ｎｓ）励磁される。すなわち、この二段目のステップでは最小単位時間ｔの励磁が６４μｓ×４＝２５６μｓの周期で現れる。このときの励磁コントロールの周波数は可聴音域である３．９０６２５ｋＨｚとなる。また、図８において上から三段目の励磁パターンＣＤ及びＢＥに対しては最小単位時間４０ｎｓをもって２回ずつ励磁される。この励磁パターンＣＤ及びＢＥは６４μｓ×４回の励磁周期の左から３番目と４番目で現れ、その周波数は３．９０６２５ｋＨｚとなり、理論上は可聴音域である。四段目では、励磁パターンＣＤ及びＢＥの励磁がなくなるため、その励磁抜けの周期は６４μｓ×４回＝２５６μｓごとに１回現れる。従って、このときの周波数は３．９０６２５ｋＨｚとなり、同じく理論上は可聴音域である。しかしながら、これら一段目〜四段目までのパワー素子のスイッチング周波数はいずれも１５．６２５ｋＨｚで変わらない。

また、図８の五段目は、図６の二段目と同様に基本角位置から微小ステップ角α’を歩進させた位置であり、４回の励磁周期Ｔの中においても、ＣＤとＢＥはそれぞれ最小単位時間ｔの励磁が行われている。そのため、可聴音となる周波数は含まれていない。更に、六段目でも、４の励磁周期Ｔの何れにおいてもＣＤとＢＥは励磁されている。そして、六段目では、１回目、２回目、３回目の励磁周期Ｔでは、ＣＤとＢＥはそれぞれ最小単位時間ｔの励磁が行われ、４回目の励磁周期Ｔでは、ＣＤとＢＥはそれぞれ最小単位時間２ｔの励磁が行われる。これは、ＣＤとＢＥとが出現する出現時間の幅（ｔ時間だったものが２ｔ時間となっている。）が異なるだけで、ＣＤとＢＥとが出現する周波数は、１／６４μｓである１５．６２５ｋＨｚになる。つまり、励磁周期Ｔごとに出現時間の幅は変わっても、出現する周波数は６４μｓごとであり、可聴音域外である１５．６２５ｋＨｚで変わらない。

しかしながら、いずれのステップにおいても実際には耳障りな音が耳に達することはない。これは、前述の説明のとおり、耳障りな音が発生する周期が変化していることと、その耳障りな音が発生する時間が４０ｎｓと極めて僅かな時間であることから、この僅かな時間変化がもたらす可聴音の周波数が人の耳には聞こえてこないと考えられる。特に高調波が発生しやすい停止状態で駆動する、いわゆるホールド時にも、実際には耳障りな音が人の耳に聞こえることがない。

以上の説明から理解できるように、本発明によるＮ相ステッピングモータの超マイクロステップ駆動方法によれば、励磁パターン出力回路中の僅かに論理回路だけを一部変更するだけで、極めて低速で且つ滑らかな駆動回転を可能にでき、しかも励磁電流の切替え時に多発しやすいリップルの問題もなく、同時に駆動回転中は勿論として、仮にホールド時であっても作業者にとって耳障りな音の発生が事実上皆無となる、高い分解能を備えたＮ相のステッピングモータを実現する。

このように本発明では、従来からなされてきた基本ステップ角αをｎ分割してステップ駆動するマイクロステップ駆動に加えて、更に分割数をｎ×ｍに増やしてステップ駆動する超マイクロステップ駆動を開発するにあたり、各超マイクロステップごとに用いる励磁周期Ｔの回数を少なくとも２回以上としている。更に、この２回以上の励磁周期に含まれる各励磁パターンの励磁により得られる僅かに異なる合成トルクベクトル同士を更に合成して所望の合成トルクベクトルを得ることで、従来では得られなかった微細ステップ角α”（＝α／（ｎ×ｍ））の歩進による超マイクロステップ駆動を可能にしている。

また、分割数ｍを増やすとともに、超マイクロステップごとの励磁周期Ｔの数を更に増加させることもできるが、その数はリップルの発生を考慮するとき２〜５回程度であることが望ましい。こうして本発明のマイクロステップ駆動方法によって駆動させるＮ相ステッピングモータは、位置決め精度の更なる高精度化や低速回転時の振動抑制が可能となり、高精度位置決め又は超低速のための等速モータとして使用することができるばかりでなく、励磁パターンの切替え時期が励磁が可能な最小単位時間を基礎に全体として規則的に分散させて設定しているため、作業者に不快感を与える定期的に発生する耳障りな可聴音の発生を事実上なくすことか可能となる。

そのため、本発明によるマイクロステップ駆動方法によって駆動されるＮ相ステッピングモータを超精密測定機器や超精密加工機器に搭載すれば、各種の精密技術分野における最適な条件を作りだすことができる。
上記の精密技術分野としては、光制御技術（並列光演算技術、レーザ安定化技術、超高速分光技術、超高速光制御技術、光パルスタイミング同期技術等）、光計測技術（単一光子検出技術、超高速光計測技術、ホログラム計測技術、各種表面分光技術、電界発光計測技術、移動度計測技術、干渉計測技術等）、デバイス技術（光電子デバイス作製技術、有機ＥＬ作製技術、デバイスプロセス技術、有機半導体素子作製技術等）等が挙げられる。

本発明は、本発明の技術思想を適用することができる装置等に対しては、本発明の技術思想を適用することができる。

ペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータ駆動回路図である。 ５相ステッピングモータのトルクベクトルとペンダゴン結線したトルクベクトルに対応する５相ステッピングモータの励磁電流の方向とを示す説明図である。 ５相ステッピングモータの基本ステップにおける励磁パターン図である。 ５相ステッピングモータの他の基本ステップにおける励磁パターン図である。 ５相ステッピングモータの出力割合の一例を示す説明図である。 本発明の前提技術である従来の５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動例を示す説明図である。 本発明の実施例１である超マイクロステップの駆動例を示す説明図である。 本発明の実施例２である超マイクロステップの駆動例を示す説明図である。 ３相ステッピングモータの駆動回路図である。 従来のマイクロステップ駆動例を示す説明図である。

符号の説明

１ ５相ステッピングモータ
１ａ 励磁相
１ｂ 励磁相
１ｃ 励磁相
１ｄ 励磁相
１ｅ 励磁相
２ 励磁パターン出力回路
２ａ アドレスカウンタ
２ｂ 励磁周期カウンタ
２ｃ メモリ
３ パワー素子駆動回路
４ ＰＷＭ定電流駆動コントロール回路
５ 電流検出抵抗
１０１ 励磁パターン発生回路
１０２ 定電流コントロール回路
１０３ 総電流センシング抵抗
１０４ 出力段
１０５ ステッピングモータ
１０８ 電源用スイッチング手段
１０９ コイル
１１７ 電源電圧
１１８ モータ駆動電圧
１１０ ダイオード
Ｔ 励磁周期
ｔ（励磁可能な）最小単位時間

Claims (6)

1. Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αをｎ分割して、外部指令パルスの入力ごとにα／ｎの微小ステップ角α’を歩進させることを含むマイクロステップ駆動方法にあって、
   前記分割された微小ステップ角α’（＝α／ｎ）ごとに、２以上の整数である分割数ｍをもって、前記微小ステップ角α’をｍ分割した微細ステップ角α”（＝α／（ｎ×ｍ））を作成すること、
   前記微小ステップ角α’の歩進を、異ならせた複数個の励磁パターンからなる組で行うこと、
   微細ステップ角α”を歩進させる超マイクロステップを、励磁周期Ｔで前記組内の各励磁パターンを励磁し、前記励磁周期Ｔでの励磁を、少なくとも前記分割数ｍの回数行うこと、
   前記励磁周期Ｔでの励磁をｍ回の正の整数倍行うことにより、前記微細ステップ角α”の歩進を行ったときの合成トルクベクトルを生成すること、
   微細ステップ角α”を歩進させた後に続けて次の微細ステップ角α”の歩進を行うこと、
   前記超マイクロステップを順次行うごとに、前記組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間を、励磁が可能な最小単位時間ｔを基礎として、各励磁パターンごとに順次増加又は順次減少させ、かつ前記各超マイクロステップにおける前記励磁周期Ｔによるｍ回の各励磁において、前記組内の各励磁パターンをそれぞれ励磁する励磁時間を規則的に分散させること、
   前記超マイクロステップを順次ｍ回行うことにより、前記微小ステップ角α’の歩進を行わせ、前記微小ステップ角α’を歩進させるのに必要なトータルの合成トルクベクトルを生成すること、を特徴とするＮ相ステッピングモータの超マイクロステップ駆動方法。
2. 前記分割数ｎが８００より大きな整数であり、前記最小単位時間ｔが４０ｎｓであることを特徴とする請求項１に記載の超マイクロステップ駆動方法。
3. 前記分割数ｍが２〜５の整数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超マイクロステップ駆動方法。
4. 前記請求項１〜３のいずれかに記載の超マイクロステップ駆動方法により駆動されるＮ相ステッピングモータ。
5. 前記請求項４に記載のＮ相ステッピングモータを搭載してなることを特徴とする超精密測定機器。
6. 前記請求項４に記載のＮ相ステッピングモータを搭載してなることを特徴とする超精密加工機器。

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