JP7565093B2 - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動装置に関する。

ステッピングモータは、精密・光学計測機器分野、半導体製造装置機器分野、ＯＡ・コンピュータ周辺機器分野、航空宇宙機器分野、バイオ・医療機器分野、ＦＡ機器分野、レーザー通信機器分野、環境機器分野など幅広い分野で使用されている。

これらの技術分野の中でも特に、ステッピングモータは、分析装置や半導体製造装置などの高精度な位置制御が求められる機器の駆動源として用いられる。高精度な位置制御が求められる機器である分析装置の一例では、試料を搭載した試料テーブルをＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ三次元的に移動させ、更には試料テーブルを回転や傾斜させて、試料テーブルに載置された試料に電磁波（光）を照射し、試料が反射、透過、吸収する際、波の強さが変化したり、あるいは別の電磁波（光）を発する時に検出器で検出することで目的の機能が実現可能となる。
かかる分析装置は、ステッピングモータの回転軸をボールネジ等からなるネジ機構部を介して試料テーブルに連結し、ステッピングモータを回転駆動させることにより試料テーブルをＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向などに移動させると共に、所望の停止位置を保持するよう構成されている。

従来、分析装置や半導体製造装置に適用されるステッピングモータの駆動装置は、ステッピングモータの停止時における発熱を抑制するため、当該ステッピングモータの励磁電流を駆動時と停止時で異ならせ且つ停止時の電流値を駆動時の電流値より減少させる所謂“停止時カレントダウン機能”を備えている（特許文献１）。

しかしながら、ステッピングモータの励磁電流を駆動時と停止時で異ならせた場合には、ステッピングモータの駆動時における発熱量と停止時における発熱量が異なり、停止後のステッピングモータの温度が駆動時の温度に対して変動（低下）する。そのため、ステッピングモータによりネジ機構部を介して試料テーブルを移動させて位置決めを行う分析装置などの高精度な位置制御が求められる機器では、ステッピングモータの停止中に当該ステッピングモータの温度変化に起因したネジ機構部等の熱収縮により試料を載置した試料テーブルの位置がずれる、所謂試料ドリフト（specimen drift）が発生するという技術的課題を有していた。
また、従来、ステッピングモータの駆動装置は、ステッピングモータの回転数にかかわらず、ステッピングモータに通電する励磁電流の電流値を一定に設定して当該ステッピングモータを回転駆動するよう構成されている。
しかしながら、ステッピングモータの励磁電流の値を一定に設定して当該ステッピングモータを回転駆動すると、図１２に示されるように、ステッピングモータの回転数に応じて出力トルクが変動する（特許文献２）。
このように、従来のステッピングモータの駆動装置では、ステッピングモータの回転数に応じて発生トルクが変動するが、当然のことながら、ステッピングモータの励磁電流の値は、当該ステッピングモータに要求される出力トルクを上回るよう設定される。そのため、ステッピングモータに要求される出力トルクを上回る励磁電流が無駄に費消され、ステッピングモータの不本位な温度上昇等を招くという技術的課題を有している。

特開２００４－１１１６８４号公報（［０００４］） 特開２００７－１８５０５２号公報（［図２］等））

本発明の目的は、ステッピングモータの励磁電流を一定値とした場合に比較して、励磁電流が無駄に費消されるのを抑制するとともに、ステッピングモータの出力トルクを一定に維持することが可能なステッピングモータの駆動装置を提供する。

請求項１に記載された発明は、指令情報に基づいてステッピングモータを駆動する励磁シーケンスを生成し、前記励磁シーケンスに基づいて前記ステッピングモータの複数の巻線に励磁電流として通電して駆動するステッピングモータの駆動装置において、
前記励磁シーケンスを規格化された値として生成する励磁シーケンス生成手段と、
前記励磁シーケンス生成手段が生成する規格化された前記励磁シーケンスが一方に入力され、他方に入力される信号であって前記励磁電流の電流設定値を決定する信号と乗算処理を行う乗算部と、
前記乗算部から出力される乗算処理後の前記励磁シーケンスに応じて前記ステッピングモータの各巻線に通電する励磁電流を制御する手段であって、出力端子毎に２つの電流制御素子を有する出力部と、前記２つの電流制御素子を駆動する駆動回路と、前記出力部から前記ステッピングモータの各巻線に流れる前記励磁電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出信号に基づいて前記ステッピングモータの各巻線に通電される前記励磁電流の電流値が前記乗算部から出力される乗算処理後の前記励磁シーケンスと等しくなるよう前記駆動回路を制御する電流制御回路とを有する電流制御出力手段と、
負荷の駆動に必要な必要トルクが一定の条件下で前記ステッピングモータを一定の励磁電流で駆動したとき、予め定められた回転数以下では出力トルクが前記必要トルクを上回るのを抑制して前記出力トルクを一定に維持するように、前記励磁電流の電流設定値を決定する信号を前記ステッピングモータの回転数に応じて変更する変更手段と、
を備えるステッピングモータの駆動装置である。

請求項２に記載された発明は、前記変更手段は、前記励磁電流の電流設定値を一定として前記ステッピングモータの回転数を変化させた場合における前記ステッピングモータのトルク変動に基づいて前記ステッピングモータの回転数に対する前記励磁電流の電流設定値が決定される請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置である。

請求項３に記載された発明は、前記変更手段は、前記ステッピングモータの駆動時における前記励磁電流の電流設定値を停止時と同じ値か停止時よりも大きな値に変更する請求項２に記載のステッピングモータの駆動装置である。

請求項４に記載された発明は、前記変更手段は、前記ステッピングモータの回転数に対する前記励磁電流の電流設定値の関係を予め記憶したテーブルを有する請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置である。

請求項５に記載された発明は、前記指令情報に基づいて前記ステッピングモータの指令回転数を検出する検出手段を備える請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置である。

請求項６に記載された発明は、前記変更手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記励磁電流の電流設定値を変更する請求項５に記載のステッピングモータの駆動装置である。

本発明によれば、ステッピングモータの励磁電流を一定値とした場合に比較して、励磁電流が無駄に費消されるのを抑制するとともに、ステッピングモータの出力トルクを一定に維持することが可能なステッピングモータの駆動装置を提供することができる。

本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。 本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置の機能ブロックを示すブロック図である。 本発明の参考実施の形態１に係る励磁電流生成部が生成するステッピングモータの励磁電流のシーケンスを示すグラフである。 ステッピングモータを一定の励磁電流で駆動した場合における発熱量を示すグラフである。 本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの巻線を示す等価回路図である。 本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの励磁電流を駆動回転数に応じて設定するテーブルを示す図表である。 本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの励磁電流のシーケンスを駆動回転数に応じて変化させた状態を示すグラフである。 本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの回転数に対する励磁電流を示すグラフである。 本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの回転数と温度上昇との関係を示すグラフである。 実験例１の実験装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。 従来のステッピングモータの駆動装置におけるステッピングモータの回転数と発生トルクとの関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置におけるステッピングモータの回転数と励磁電流との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置におけるステッピングモータの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。 実験例２の実験装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係るステッピングモータの回転数に対する励磁電流を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るステッピングモータの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るステッピングモータの励磁電流を設定するテーブルを示す図表である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

[参考実施の形態１]
図１は、本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。

本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、指令周波数弁別電流設定機能を備えたバイポーラ定電流方式の駆動装置（ドライバ）である。すなわち、このステッピングモータの駆動装置１は、ステッピングモータ２を回転駆動する指令信号の周波数を弁別して当該指令周波数に応じてステッピングモータ２を駆動する励磁電流を個別に設定（変更）する機能を備えている。

制御対象としてのステッピングモータ２は、ハイブリッド型やバリアブルレラクタンス型（ＶＲ型）、あるいは永久磁石型（ＰＭ型）などいずれの方式のものであっても良い。ステッピングモータ２は、用途に応じて、２相巻線型や３相巻線型、あるいは６相巻線型など種々の相数の巻線を備えたものを採用することができる。例えば、５相巻線型のステッピングモータ２は、２相巻線型のステッピングモータ２と比較して、駆動装置１の構成がやや複雑となるものの、１パルス当たりの回転角である分解能を大幅に高く設定することが可能である。

ステッピングモータ２は、例えば、ボールネジ等からなるネジ機構部（駆動力伝達機構）を介して駆動対象である試料テーブルに連結され、当該試料テーブルをＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ三次元的に移動させ、更には試料テーブルを回転や傾斜させて位置決めを行う分析装置や半導体製造装置など高精度な位置制御が要求される機器の駆動源として使用される。ただし、ステッピングモータ２の用途は、分析装置や半導体製造装置などに限定されるものではなく、他の種々の機器に適用することができることは勿論である。本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、特に、ステッピングモータ２の発熱に伴う熱的な影響が問題となる機器に対して好適に使用される。

ところで、５相巻線のステッピングモータ２を駆動する本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置（ドライバ）１は、図１に示されるように、大別して、入力部１０と、励磁シーケンス生成部２０と、電流制御及び出力部３０を備えている。

図１は、ステッピングモータの駆動装置１を示すブロック図である。ステッピングモータの駆動装置１は、単一又は複数のＩＣ（Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large-scale Integration）、あるいはこれらと論理回路やＡ／Ｄ変換器等の組み合わせなどによって構成することができる。

ステッピングモータの駆動装置１は、例えば、入力部１０と励磁シーケンス生成部２０が１つの駆動ＩＣで構成され、残りの電流制御及び出力部３０が他の１つの駆動ＩＣで構成される。

また、ステッピングモータの駆動装置１は、入力部１０と、励磁シーケンス生成部２０と、電流制御及び出力部３０のすべてが１つの駆動ＩＣで構成される。

入力回路１１には、ステッピングモータ２によって駆動される対象となる機器である駆動対象機器の制御装置であるコントローラ４０から出力される指令情報の一例としての指令パルス１２が入力される。指令パルス１２は、例えば、ステッピングモータ２を時計回り方向（ＣＷ）に回転駆動（正転）させる第１の指令パルス１２ａと、ステッピングモータ２を反時計回り方向（ＣＣＷ）に回転駆動（逆転）させる第２の指令パルス１２ｂからなる。指令パルス１２は、回転方向及び回転速度を含む第１及び第２の指令パルス１２ａ，１２ｂの代わりに、回転速度を示す指令パルスと回転方向を示す指令レベル信号の組み合わせや、第１及び第２の指令パルス１２ａ，１２ｂ以外に、励磁シーケンスを設定する信号やリセット信号など他の種々の信号を含んでも良い。

指令パルス１２からなる速度指令は、例えば、コントローラ４０から停止状態にあるステッピングモータ２を起動した後、所望の周期からなる指令パルス１２により所要の回転方向に所要の回転速度で回転駆動して回転速度（回転数）を徐々に加速（増加）させると共に回転速度が所要の値に達すると当該回転速度を維持（定速駆動）し、更に回転速度を徐々に減速（低下）させると共に回転速度が所要の値まで低下するとステッピングモータ２を停止させ当該停止状態を維持するよう出力される。その際、ステッピングモータ２の回転速度は、指令パルス１２の周期（周波数）に基づいて増減される。なお、指令パルス１２からなる速度指令は、任意であり、定速駆動を経由することなく減速又は増速等を行っても良いことは勿論である。また、指令パルス１２からなる速度指令は、ステッピングモータ２の回転速度を直線状に変化させるものに限らず、曲線状に加速又は減速するものであっても良い。

入力回路１１は、コントローラ４０から入力される第１の指令パルス１２ａ及び第２の指令パルス１２ｂを波形整形した後、波形整形された第１の指令パルス１２ａ及び第２の指令パルス１２ｂを励磁シーケンス生成部２０に出力する。入力回路１１は、例えば、複数のフリップフロップ回路や、ＡＮＤ回路、インバータ回路、ＮＡＮＤ回路などから構成される。

励磁シーケンス生成部２０は、図１に示されるように、例えば、マイクロコンピュータから構成されている。マイクロコンピュータから構成される励磁シーケンス生成部２０は、入力インターフェイス２０１と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０３と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０４と、出力インターフェイス２０５と、これらを互いに接続するバス２０６を備えている。

ＣＰＵ２０２は、ＲＯＭ２０３に予め記憶されたプログラムに基づいてＲＡＭ２０４に随時記憶されるパラメータ等を参照しつつステッピングモータ２の回転駆動を制御する。

図２はマイクロコンピュータから構成される励磁シーケンス生成部２０及び電流制御及び出力部３０を機能毎のブロックに分割して示したブロック図である。

励磁シーケンス生成部２０は、大別して、アップダウンカウンタ２１と、生成手段の一例としての励磁電流生成部２２と、検出手段の一例としての入力周波数計測カウンタ２３と、変更手段の一例としてのテーブル参照部２４と、乗算部２５とを備えている。

アップダウンカウンタ２１は、第１の指令パルス１２ａ及び第２の指令パルス１２ｂをカウント（計数）するカウンタである。アップダウンカウンタ２１は、例えば、カウントの最大値で“０”にリセットされるリングカウンタから構成される。いま、基本ステップ角が０．７２ｄｅｇのステッピングモータ２をフルステップ（０．７２ｄｅｇ／ステップ）で駆動する場合には、アップダウンカウンタ２１の最小値は“０”で、最大値は“９”に設定される。この場合、ステッピングモータ２は、５００パルス（０．７２ｄｅｇ×５００＝３６０ｄｅｇ）で１回転だけ駆動される。すなわち、アップダウンカウンタ２１は、５００／１０＝５０回（周期）だけリセットされることになる。

同じく基本ステップ角が０．７２ｄｅｇのステッピングモータ２を１００，０００パルス／回転（１００，０００／５００＝２００）でマイクロステップ駆動する場合には、アップダウンカウンタ２１の最小値は“０”で、最大値は“１，９９９”に設定される。この場合、ステッピングモータ２は、１００，０００パルス（０．００３６ｄｅｇ×１００，０００＝３６０ｄｅｇ）で１回転だけ駆動される。すなわち、アップダウンカウンタ２１は、１００，０００／２０００＝５０回（周期）だけリセットされることになる。

アップダウンカウンタ２１は、ステッピングモータ２に求められる所定の分解能に応じてその最大値を任意に設定出来るプリセット式のものである。本実施の形態１では、例えば、ステッピングモータ２を５００パルスで１回転だけ駆動させる場合は、アップダウンカウンタの最大値を９とし、ステッピングモータ２を高分解能（例えば、１００，０００パルスで１回転）で駆動したい場合は、アップダウンカウンタの最大値を１，９９９に変更することにより実現出来る。

アップダウンカウンタ２１は、第１の指令パルス１２ａをカウントアップし、第２の指令パルス１２ｂをカウントダウンする。アップダウンカウンタ２１は、カウントアップ又はカウントダウンの結果であるカウント値を励磁電流生成部２２に出力する。

励磁電流生成部２２は、アップダウンカウンタ２１のカウント値に対応して図３に示されるようなステッピングモータ２の各相の巻線に通電する励磁電流データからなる駆動信号の一例としての励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５を生成する。図３はアップダウンカウンタ２１の最小値が“０”で、最大値が“１，９９９”に設定された場合において励磁電流生成部２２が生成する励磁シーケンスを示すタイミングチャートである。

各相の励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５は、図３に示されるように、ステッピングモータ２をマイクロステップ駆動するよう当該ステッピングモータ２の第１相から第５相の各巻線に通電する電流データを最大値及び最小値が“＋１”及び“－１”となるよう規格化したものである。図３に示される各相の励磁シーケンスは、例えば、予めＲＯＭ２０３に記憶されており、ステッピングモータ２を駆動する際にＲＯＭ２０３から読み出されてＲＡＭ２０４に一時的に記憶される。

なお、各相の励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５としては、図３に示されるように、台形波に限定されるものではなく、正弦波や矩形波などから構成しても良い。

励磁電流生成部２２から出力された励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５は、図２に示されるように、乗算部２５を介して図７に示される励磁シーケンス８０_１，８０_２，８０_３・・・８０_５となって第１相乃至第５相に対応した各相の電流制御及び出力部３０に入力される。

各相の電流制御及び出力部３０は、ステッピングモータ２の各相の巻線に対応して複数（図示例では、５つ）設けられている。各相の電流制御及び出力回路３０は、例えば、定電流制御回路として構成されている。各相の電流制御及び出力回路３０は、Ｄ／Ａコンバータ３１と、電流制御回路３２と、トランジスタ駆動回路３３と、直列に接続された２つのトランジスタからなるハーフブリッジ回路３４と、電流検出抵抗３５と、電流検出アンプ３６を備える。

Ｄ／Ａコンバータ３１は、励磁シーケンス生成部２０の励磁電流生成部２２から乗算部２５を介して出力される励磁シーケンス８０_１，８０_２，８０_３・・・８０_５をアナログ信号に変換する。

電流制御回路３２は、Ｄ／Ａコンバータ３１によってアナログ信号に変換された励磁シーケンス８０_１，８０_２，８０_３・・・８０_５に基づいて、ステッピングモータ２の各相の巻線に通電する励磁電流Ｉの電流値が所要の値となるよう２つの電流制御素子としての第１及び第２のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２からなるハーフブリッジ回路３４を制御する信号を出力する。

トランジスタ駆動回路３３は、電流制御回路３２から出力される制御信号に基づいて第１及び第２のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２からなるハーフブリッジ回路３４を相補的に駆動する信号を出力する。つまり、トランジスタ駆動回路３３は、第１のトランジスタＴｒ_１をオン状態とする場合、第２のトランジスタＴｒ_２をオフ状態とし、第１のトランジスタＴｒ_１をオフ状態とする場合、第２のトランジスタＴｒ_２をオン状態とするよう第１及び第２のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２からなるハーフブリッジ回路３４をオンオフ駆動する。

第１のトランジスタＴｒ_１のコレクタは、例えば、２４Ｖの直流電源からなる正極のモータ電源＋に接続されている。一方の第２のトランジスタＴｒ_２のエミッタは、接地電位（０Ｖ）に設定された負極のモータ電源－に接続されている。

ハーフブリッジ回路３４の第１のトランジスタＴｒ_１のエミッタと第２のトランジスタＴｒ_２のコレクタの接続点は、電流検出抵抗３５を介してステッピングモータ２の対応する巻線にそれぞれ接続されている。

電流検出抵抗３５の両端の電位差によって検出された励磁電流の電流値は、電流検出アンプ３６によって検出され、アナログ値として電流制御回路３２に入力される。

電流制御回路３２は、電流検出アンプ３６からの検出信号に基づいて、ステッピングモータ２の対応する巻線に通電される励磁電流の電流値がＤ／Ａコンバータ３１によってアナログ信号に変換された励磁シーケンス８０_１，８０_２，８０_３・・・８０_５で指定された値と等しくなるようトランジスタ駆動回路３３に出力する制御信号の値を制御する。

ところで、上記のごとく構成されるステッピングモータの駆動装置１によって駆動されるステッピングモータ２は、図４に示されるように、各相の巻線に流れる励磁電流Ｉの電流値を一定に制御すると、従来のステッピングモータの駆動装置と同様であり、当該ステッピングモータ２によって駆動される負荷が一定の場合であっても、ステッピングモータ２の単位時間あたりの回転数に応じて発熱量が変化する。

ステッピングモータ２の停止時は、図５のステッピングモータ２の等価回路に示されるように、ステッピングモータ２の巻線に流れる電流に起因した抵抗成分Ｒによる発熱（銅損）のみである。これに対して、ステッピングモータ２は、回転を開始すると（回転時）、励磁電流Ｉによる磁気変化に起因した巻線のインダクタンス成分Ｌによる発熱（鉄損）が加わりトータルの発熱量は増加する傾向がある。また、ステッピングモータ２は、回転数が所要の回転数より高くなると、巻線のインピーダンス（ωＬ）が増加して電流が減少する。そのため、ステッピングモータ２の発熱量は、回転数が所要の回転数より高くなると、電流の減少に伴って銅損による発熱も鉄損による発熱も共に少なくなり、発熱量が低下する。

このように、ステッピングモータ２は、負荷が一定であっても、一定の励磁電流で駆動すると、停止時と駆動時とでステッピングモータ２の発熱量が変化する。また、ステッピングモータ２は、停止時の発熱量を抑制するため、停止時の電流値を駆動時と異ならせる（減少させる）と、ステッピングモータ２の停止時の発熱量と駆動時の発熱量の差が更に大きくなり、停止後のステッピングモータ２の温度が駆動時の温度に比較して大幅に低下する。そのため、ステッピングモータ２によりネジ機構部を介して試料テーブルを移動させて試料の位置決めを行う分析装置などの機器では、ステッピングモータ２の停止中に当該ステッピングモータ２の温度変化に起因した熱収縮により試料を載置した試料テーブルの位置ずれる所謂試料ドリフト（specimen drift）が発生する。

そこで、本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、図２に示されるように、生成手段としての励磁電流生成部２２が生成する励磁電流をステッピングモータ２の発熱量が変動するのを抑制するよう少なくともステッピングモータ２の回転数に応じて変更する変更手段を備えるように構成されている。

すなわち、本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、図２に示されるように、指令パルス１２に基づいてステッピングモータ２の回転数を検出する検出手段の一例としての入力周波数計測カウンタ２３と、入力周波数計測カウンタ２３によって計測されたステッピングモータ２を回転駆動させる指令パルス１２の周波数（回転数）に基づいてステッピングモータ２に通電する励磁電流の電流値を変更する変更手段の一例としてのテーブル参照部２４及び乗算部２５を備えている。

入力周波数計測カウンタ２３は、入力回路１１から出力される指令パルス１２に基づいて、当該指令パルス１２の入力周波数を計測する。入力周波数計測カウンタ２３は、入力回路１１から出力される指令パルス１２を一定時間（例えば、１ｍｓｅｃ）だけカウントすることにより、指令パルス１２の周波数を計測する。

いま、入力周波数計測カウンタ２３は、一定時間として１ｍｓｅｃあたりの指令パルス１２のカウント数を“１００”とすると、１ｓｅｃあたりの指令パルス１２のカウント数は、１００，０００となる。

本参考実施の形態１では、ステッピングモータ２をマイクロステップ駆動により低速駆動する場合、ステッピングモータ２は、１００，０００パルスの指令パルス１２によって１回転することになる。つまり、当該指令パルス１２によるステッピングモータ２の回転数は、１（ｒｐｓ）となる。同様に、入力周波数計測カウンタ２３の１ｍｓｅｃあたりの指令パルス１２のカウント数を“２００”とすると、当該指令パルス１２によるステッピングモータ２の回転数は、２（ｒｐｓ）となる。

テーブル参照部２４は、図６に示されるように、入力周波数計測カウンタ２３から出力される指令パルス１２の入力周波数に基づいて、ＲＯＭ２０３等に予め記憶された指令パルス１２の入力周波数に応じた回転数と電流設定値の関係を示すテーブルを参照して、励磁電流の電流設定値を決定して当該電流設定値に対応した信号を乗算部２５に出力する。

本参考実施の形態１では、励磁電流生成部２２から出力される励磁シーケンスの電流値が１に規格化されている。そのため、テーブル参照部２４は、図６に示されるように、入力周波数計測カウンタ２３から出力される指令パルス１２の入力周波数に対応した目標とする電流値をそのまま出力するよう設定されている。

乗算部２５は、励磁電流生成部２２から出力される励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５に対して、テーブル参照部２４で参照された励磁電流の電流設定値を乗算して各相の電流制御及び出力部３０に出力する。

テーブル参照部２４は、図４に示されるように、ステッピングモータ２の負荷が一定の条件下で、ステッピングモータ２を駆動する励磁電流Ｉの電流値を一定として当該ステッピングモータ２の回転数を変化させた場合の発熱量特性に基づいて、励磁電流Ｉの電流値を決定している。

更に説明すると、本参考実施の形態１では、後述するように、負荷が一定の条件下において、ステッピングモータ２を一定の励磁電流Ｉで回転駆動した際における当該ステッピングモータ２の発熱量を実験により測定している。そして、ステッピングモータ２の発熱量が一定となるよう当該ステッピングモータ２に通電する励磁電流Ｉの電流値を決定している。

ここで、ステッピングモータ２の発熱量が一定であるとは、停止時を含めステッピングモータ２の発熱量が回転数にかかわらず完全に一定の値となることを意味するものではなく、ステッピングモータ２の発熱量が目標とする発熱量に対して予め定められた所定の範囲内にあれば良いことをいう。所定の範囲内としては、例えば、ステッピングモータ２の発熱量が目標とする発熱量に対して上下１０％の範囲（温度にして±２ｄｅｇ）内に入る場合である。

＜ステッピングモータ駆動装置の動作＞
本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、次のようにして、停止時を含めステッピングモータ２の回転数が変化した場合であっても、ステッピングモータ２の発熱量が変動するのを抑制することが可能となっている。

すなわち、本参考実施の形態１に係るステッピングモータ駆動装置１は、図２に示されるように、コントローラ４０から入力回路１１に第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂが入力されると、入力回路１１は、第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂを整形したパルス信号を励磁シーケンス生成部２０のアップダウンカウンタ２１に出力する。

アップダウンカウンタ２１は、入力回路１１から出力される第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂをアップカウント又はダウンカウントする。アップダウンカウンタ２１のカウント値は、励磁電流生成部２２へと出力される。

励磁電流生成部２２は、図３に示されるように、アップダウンカウンタ２１のカウント値に基づいて、励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５を生成して出力する。

励磁電流生成部２２から出力される励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５は、乗算部２５に入力される。

一方、入力回路１１から出力される第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂを整形したパルス信号は、入力周波数計数カウンタ２３に入力される。入力周波数計数カウンタ２３は、入力回路１１から出力される第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂの単位時間当たりの数（周波数）を計測してステッピングモータ２の回転数を求める。

ＣＰＵ２０２は、入力周波数計数カウンタ２３によって計測された第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂの単位時間当たりの数である周波数（回転数）に基づいて、テーブル参照部２４によってＲＯＭ２０３等に記憶されたテーブル（図６）を参照し、第１又は第２の指令パルス１２ａ，１２ｂの周波数（回転数）に対応した励磁電流Ｉを決定する。

ＣＰＵ２０２は、励磁電流生成部２２から出力される励磁シーケンス７０_１，７０_２，７０_３・・・７０_５と入力周波数に基づきテーブルを参照して決定した指令電流の値を乗算部２５に入力する。乗算部２５では、その２つの値を乗算し、乗算した結果の値は、図７に示されるように、各相の電流制御回路３０に電流指令値としてそれぞれ出力する。

各相の電流制御及び出力部３０は、図２に示されるように、Ｄ／Ａコンバータ３１によって励磁シーケンス生成部２０の励磁電流生成部２２から乗算部２５を介して出力される図７に示される励磁シーケンス８０_１，８０_２，８０_３・・・８０_５をアナログ信号に変換する。

電流制御回路３２は、Ｄ／Ａコンバータ３１によってアナログ信号に変換された励磁シーケンス８０_１，８０_２，８０_３・・・８０_５に基づいて、ステッピングモータ２の各相の巻線に通電する励磁電流Ｉの電流値が所要の値となるよう２つのスイッチング素子としての第１及び第２のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２からなるハーフブリッジ回路３４を制御する信号を出力する。

トランジスタ駆動回路３３は、電流制御回路３２から出力される制御信号に基づいて第１及び第２のトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２からなるハーフブリッジ回路３４を補完的に制御させるような信号を出力し、ステッピングモータ２の各相の巻線に流れる励磁電流Ｉの電流値を、ステッピングモータ２の回転数が変化すると励磁電流Ｉの電流値を増減するよう制御する。

そのため、本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１では、ステッピングモータ２の回転数に応じて当該ステッピングモータ２の巻線に通電する励磁電流Ｉの電流値を制御することで、停止時を含めステッピングモータ２の回転数が変化した場合であっても、ステッピングモータ２の発熱量（温度）が変動するのを抑制することが可能となる。

＜実験例１及び比較例１＞
図９は本発明の参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１において励磁電流値を図８のように変化させた場合にステッピングモータ２の発熱量の変化に伴って当該ステッピングモータ２の温度がどのように変化するかを確認する実験例１及び比較例１の結果を示すグラフである。

実験例１では、図１０に示されるように、内部の温度が一定に維持される恒温槽５０内に断熱材５１を介してステッピングモータ２を固定した状態で配置した。ステッピングモータ２には、リード線９_１～９_５を介して恒温槽５０の外部に配置された本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１が接続されている。また、ステッピングモータ２のケーシングには、当該ステッピングモータ２の温度を検知する熱電対５２が接触するよう配置されている。熱電対５２は、恒温槽５０の外部に配置された温度測定器５３に接続されている。さらに、本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１には、電源５４及びモータ動作指令発生用パルス発生器５５が接続されている。

そして、本実験例１では、ステッピングモータ２に所定の励磁電流を通電して停止させたときの温度と、モータ動作指令発生用パルス発生器５５によって所定の周波数のパルスを発生させてステッピングモータ２を指定された回転速度で回転駆動させて当該ステッピングモータ２の温度が飽和した時点で恒温槽５０内の温度とステッピングモータ２のケーシングの温度との差をモータの温度上昇として熱電対５２により測定した。

図９は上記実験例１及び比較例１の測定結果を示すグラフである。

この図９から明らかなように、比較例１として、ステッピングモータ２（定格電流０．４Ａ）を駆動装置１で一定の励磁電流である定格電流０．４Ａで駆動した場合の各回転数における温度上昇は、破線の通りである。

ステッピングモータ２の停止時は、非通電時からの温度上昇が３．３ｄｅｇであるのに対して、ステッピングモータ２を５ｒｐｓの回転速度で駆動した場合は、温度上昇が７．６ｄｅｇであり、回転速度の増加に伴って温度が２倍以上に上昇していることが判る。

これに対して、本実験例1の場合は、図８に示されるように、ステッピングモータ２を駆動する励磁電流の電流値を当該ステッピングモータ２の回転数に応じて変更し、ステッピングモータ２の回転数が０以上、１（ｒｐｓ）以下である場合は、０．４００Ａ、ステッピングモータ２の回転数が１を超え、２（ｒｐｓ）以下である場合は、０．３５０Ａ、ステッピングモータ２の回転数が２を超え、３（ｒｐｓ）以下である場合は、０．３００Ａ、ステッピングモータ２の回転数が３を超え、４（ｒｐｓ）以下である場合は、０．２５０Ａ、ステッピングモータ２の回転数が４を超え、５（ｒｐｓ）以下である場合は、０．２００Ａにそれぞれ設定した。

このように、本実験例１では、ステッピングモータ２の駆動時における励磁電流を停止時に比較して、ステッピングモータ２の回転数の増加とともに２０％を超えて０．２００Ａ（５０％）まで低下させている。

そして、本実験例1では、図９に示されるように、ステッピングモータ２の停止時は、非通電時からの温度上昇が３．３ｄｅｇであるのに対して、ステッピングモータ２を５ｒｐｓの回転速度で回転駆動した場合は、温度上昇が４．３ｄｅｇであり、回転速度の増加に伴う温度上昇が約１ｄｅｇと大幅に抑制されて平準化が達成されていることが判る。

ここで、ステッピングモータ２の熱容量をＣ、ステッピングモータ２の発熱量をΔＱ、ステッピングモータの温度変化をΔｔとすると、
Δｔ＝ΔＱ／Ｃ
と表すことができる。

したがって、ステッピングモータ２の温度変化Δｔは、ステッピングモータ２の熱容量Ｃが一定であるから当該ステッピングモータ２の発熱量ΔＱに比例する。

このように、本参考実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１では、ステッピングモータ２の回転数に応じて各相の巻線に通電される励磁電流Iの電流値を制御することにより、停止時を含めステッピングモータ２の回転数が変化した場合であっても、ステッピングモータ２の発熱量（温度）が変動するのを抑制できることが判った。

[実施の形態１]
図１１は、実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。

従来、ステッピングモータの駆動装置１は、ステッピングモータ２の回転数にかかわらず、ステッピングモータ２に通電する励磁電流Ｉの電流値を一定に設定して当該ステッピングモータ２を回転駆動するよう構成されている。

しかしながら、ステッピングモータ２の励磁電流Ｉの値を一定に設定して当該ステッピングモータを回転駆動すると、図１２に示されるように、ステッピングモータ２の回転数に応じて出力トルクが変動する（特開２００７－１８５０５２号公報（［図２］等））。

このように、従来のステッピングモータの駆動装置では、ステッピングモータ２の回転数に応じて発生トルクが変動するが、当然のことながら、ステッピングモータ２の励磁電流の値は、当該ステッピングモータ２に要求される出力トルクＴ１を上回るよう設定される。そのため、ステッピングモータ２に要求される出力トルクＴ１を上回る励磁電流が無駄に費消され、ステッピングモータ２の不本位な温度上昇等を招くという技術的課題を有している。

そこで、本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、ステッピングモータ２の励磁電流を一定値とした場合に比較して、ステッピングモータ２の出力トルクが変動するのを抑制することが可能なステッピングモータの駆動装置を提供することを目的としている。

そして、本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、ステッピングモータを駆動する駆動信号を生成する生成手段と、ステッピングモータのトルクが変動するのを抑制するよう生成手段が生成する励磁電流を少なくともステッピングモータの回転数に応じて変更する変更手段とを備えるよう構成されている。

すなわち、本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、図１１に示されるように、ステッピングモータ２のトルクが変動するのを抑制するよう励磁電流生成部２２が生成する励磁電流の電流値をステッピングモータ２の回転数に応じて変更する変更手段の一例としてのテーブル参照部２４を備えている。

テーブル参照部２４は、図１２に示されるように、ステッピングモータ２の負荷が一定の条件下で、ステッピングモータ２を駆動する励磁電流Ｉの電流値を一定として当該ステッピングモータ２の回転数を変化させた場合の出力トルク特性に基づいて、励磁電流Ｉの電流値を決定している。

更に説明すると、本実施の形態１では、図１２に示されるように、負荷が一定の条件下において、ステッピングモータ２を一定の励磁電流Ｉで回転駆動した際における当該ステッピングモータ２の出力トルクを実験により測定している。そして、図１４に示されるように、ステッピングモータ２のトルクが一定となるよう当該ステッピングモータ２に通電する励磁電流Ｉの電流値を図１３に示すように決定している。

本実施の形態１では、図１１に示されるように、テーブル参照部２４として機能するＣＰＵ２０２がＲＯＭ２０３に予め記憶されたステッピングモータ２の回転数と励磁電流の電流値との関係を示すテーブル（図１８）を参照して、ステッピングモータ２に通電する励磁電流Ｉの電流値を決定する。

＜実験例２＞
図１７は本発明の本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１において励磁電流値を図１６に示すように変化させた場合にステッピングモータ２の出力トルクがどのように変化するかを確認した実験例２の結果を示すグラフである。

実験例２では、図１５に示されるように、ステッピングモータ２の回転軸５にプーリ６１を取り付ける。一端が固定されたスプリング秤６２の計測部に糸６３を接続する。糸６３をプーリ６１に巻き付けて糸６３がプーリ６１に対してスリップしないよう摩擦力を作用させて、ステッピングモータ２の出力トルクを測定した。

糸６３を下方に引っ張る力ｆが過大とならないように設定すると、ステッピングモータ２の出力トルクＴは、
Ｔ＝（スプリング秤の読み）×（プーリの半径）
によって与えられる。

最初は、プーリ６１に摩擦力を掛けない状態でステッピングモータ２を測定する回転数で回転駆動させる。

次に、プーリ６１に摩擦力を掛けない無負荷状態から糸６３を下方に引っ張ることによりプーリ６１に摩擦力を加えていき、ステッピングモータ２が指定回転数に同期して回転しなくなるときの荷重をスプリング秤６２から読み取る。

スプリング秤６２から読み取った値を上述した式に当てはめたときの値Ｔがその回転数におけるステッピングモータ２の出力トルク（脱出トルク）となる。

図１７は上記実験例２の結果を示すグラフである。

この図１７から明らかなように、ステッピングモータ２（定格電流６Ａ）を従来のステッピングモータの駆動装置によって定格電流６Ａで駆動した場合の各回転数における出力トルクは、図のＸに示す通りである。

負荷の駆動に必要なトルクを２Ｎｍとした場合、図１７から明らかなように、ステッピングモータ２の回転数が１０（ｒｐｓ）以下では、当該ステッピングモータ２の発生トルクが負荷の駆動に必要なトルクである２Ｎｍを大幅に上回り過剰となる。

これに対して、本実験例２に係るステッピングモータの駆動装置１では、図１７のＹに示されるように、ステッピングモータ２の回転数に応じて励磁電流の電流値を図１６に示されるよう変更することにより、ステッピングモータ２の回転数が１０（ｒｐｓ）以下における当該ステッピングモータ２の出力トルクを略２Ｎｍで一定に維持することができることが判る。

このように、本実施の形態１に係るステッピングモータの駆動装置１は、ステッピングモータ２の励磁電流を一定値とした場合に比較して、ステッピングモータ２の出力トルクが変動するのを抑制することができる。

そのため、従来のステッピングモータの駆動装置のように、ステッピングモータ２を比較的遅い速度で回転駆動していた場合など、当該ステッピングモータ２によって駆動される装置においてテーブル等の被駆動対象物に過大なトルクが作用する虞れをトルク制限装置やストッパー等の装置を用いることなく回避することが可能となる。

その他の構成及び作用は、前記参考実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

なお、前記実施の形態では、ステッピングモータを分析装置や半導体製造装置などに適用した場合について説明したが、ステッピングモータの用途としては、分析装置や半導体製造装置に限定されるものではなく、光学機器や医療機器など他の種々の機器に適用することができることは勿論である。

また、前記実施の形態では、ステッピングモータとして５相巻線型のステッピングモータについて説明したが、ステッピングモータは５相巻線型のものに限定されるものではなく、２相巻線型や３相巻線型などにも同様に適用することができることは勿論である。

また、前記実施の形態では、バイポーラ型の巻線を備えたステッピングモータについて説明したが、ユニポーラ型の巻線を備えたステッピングモータであっても同様に適用することができることは勿論である。

１…ステッピングモータの駆動装置
２…ステッピングモータ
１１…入力回路
２１…アップダウンカウンタ
２２…励磁電流生成部
３０…電流制御及び出力部
２３…入力周波数計測カウンタ
２４…テーブル参照部
２５…乗算部

Claims (6)

1. 指令情報に基づいてステッピングモータを駆動する励磁シーケンスを生成し、前記励磁シーケンスに基づいて前記ステッピングモータの複数の巻線に励磁電流として通電して駆動するステッピングモータの駆動装置において、
   前記励磁シーケンスを規格化された値として生成する励磁シーケンス生成手段と、
   前記励磁シーケンス生成手段が生成する規格化された前記励磁シーケンスが一方に入力され、他方に入力される信号であって前記励磁電流の電流設定値を決定する信号と乗算処理を行う乗算部と、
   前記乗算部から出力される乗算処理後の前記励磁シーケンスに応じて前記ステッピングモータの各巻線に通電する励磁電流を制御する手段であって、出力端子毎に２つの電流制御素子を有する出力部と、前記２つの電流制御素子を駆動する駆動回路と、前記出力部から前記ステッピングモータの各巻線に流れる前記励磁電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出信号に基づいて前記ステッピングモータの各巻線に通電される前記励磁電流の電流値が前記乗算部から出力される乗算処理後の前記励磁シーケンスと等しくなるよう前記駆動回路を制御する電流制御回路とを有する電流制御出力手段と、
   負荷の駆動に必要な必要トルクが一定の条件下で前記ステッピングモータを一定の励磁電流で駆動したとき、予め定められた回転数以下では出力トルクが前記必要トルクを上回るのを抑制して前記出力トルクを一定に維持するように、前記励磁電流の電流設定値を決定する信号を前記ステッピングモータの回転数に応じて変更する変更手段と、
   を備えるステッピングモータの駆動装置。
2. 前記変更手段は、前記励磁電流の電流設定値を一定として前記ステッピングモータの回転数を変化させた場合における前記ステッピングモータのトルク変動に基づいて前記ステッピングモータの回転数に対する前記励磁電流の電流設定値が決定される請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置。
3. 前記変更手段は、前記ステッピングモータの駆動時における前記励磁電流の電流設定値を停止時と同じ値か停止時よりも大きな値に変更する請求項２に記載のステッピングモータの駆動装置。
4. 前記変更手段は、前記ステッピングモータの回転数に対する前記励磁電流の電流設定値の関係を予め記憶したテーブルを有する請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置。
5. 前記指令情報に基づいて前記ステッピングモータの指令回転数を検出する検出手段を備える請求項１に記載のステッピングモータの駆動装置。
6. 前記変更手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記励磁電流の電流設定値を変更する請求項５に記載のステッピングモータの駆動装置。

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