JPH04312396A - ステッピングモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はステッピングモータ駆動
回路、詳しくは１個のステッピングモータで効率優先の
バイポーラ駆動とトルク優先のユニポーラ駆動との何れ
も可能にしたステッピングモータ駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、ステッピングモータの駆
動方式にはバイポーラ駆動とユニポーラ駆動の２つがあ
り、それぞれに対応してバイポーラ巻線型とユニポーラ
巻線型のステッピングモータがある。これら２種のステ
ッピングモータの構造は同じであるが、巻線方式だけが
バイポーラとユニポーラで変わる。そして、ステッピン
グモータの特性は、巻線の巻数や線径を変えることによ
り、「効率を優先した駆動」か「トルクを優先した駆動
」かを選ぶことができる。

【０００３】以下、２相のステッピングモータをバイポ
ーラ駆動もしくはユニポーラ駆動する場合のモータ巻線
と、その駆動回路を図５〜８により説明する。

【０００４】図５は２相のバイポーラ巻線型ステッピン
グモータの要部回路図で、永久磁石からなるロータ３１
の外周に配置され、ステータコアに巻回された２組のバ
イポーラ巻線３２，３３がそれぞれ配設されている。同
巻線３２もしくは３３に通電する通常の駆動回路は、図
６に示すように、１組のステータ巻線３２もしくは３３
に対しＰＮＰト型ランジスタ３４，３５およびＮＰＮ型
トランジスタ３６，３７からなるブリッジ回路に直流電
源４２から給電して構成され、これが２組設けられてい
る。なお、各トランジスタに並列に接続されたダイオー
ド３８〜４１は逆起電力の防止用である。

【０００５】このように構成されたバイポーラ巻線型ス
テッピングモータの駆動回路によれば、上記トランジス
タ３４と３７を同時にオンすれば、バイポーラ巻線の端
子（１）から（２）へ、またトランジスタ３５と３６を
同時にオンすれば端子（２）から（１）へ通電され、こ
のオンオフのシーケンスによりロータ３１の回転方向が
決定される。そして、ステータコアに巻かれている全巻
線を使用しているので、後述するユニポーラ巻線型のス
テッピングモータに比較して高効率になっている。

【０００６】図７は、２相のユニポーラ巻線型ステッピ
ングモータの要部回路図で、永久磁石からなるロータ５
１の外周に、中間タップを有する２組のユニポーラ巻線
５２，５３がそれぞれ配設されている。同巻線５２，５
３に通電する通常の駆動回路は、図８に示すように１組
のステータ巻線５２の中間タップ（１）を直流電源５８
の陽極側に、該中間タップ（１）の前段部の第１巻線部
および後段部の第２巻線部がＮＰＮ型トランジスタ５４
，５５と逆起電力防止用ダイオード５６，５７との並列
回路をそれぞれ介して上記直流電源５８の陰極側に接続
して構成されており、これが２組設けられている。

【０００７】このように構成された上記ユニポーラ巻線
型のステッピングモータ駆動回路においては、上記トラ
ンジスタ５４，５５のオンオフのシーケンスにより、ロ
ータ５１の回転方向が決定される。そして上記バイポー
ラ型の場合に比し、駆動回路が簡単なのでローコストで
あるが、全巻線の１／２しか使用しないため効率が低い
。　　ここでステッピングモータのトルク特性につき、
図９（Ａ），（Ｂ）により説明する。一般に、ステッピ
ングモータにおいて、その駆動巻線がバイポーラ型であ
れユニポーラ型であれ、モータ巻線はインダクタンスＬ
を有する。従って、上記図６，８における何れかのトラ
ンジスタをオンしたときに各巻線に流れる電流は、電源
電圧をＶ、巻線抵抗をＲ、巻線のインダクタンスをＬ、
印加時間をｔとすれば下式のように与えられる。

【０００８】

【０００９】そこでステッピングモータを低速駆動すれ
ば、図９（Ａ）に示すように、巻線に印加される矩形波
電圧６１に対し、ステップ状の印加電圧に対する電流変
化は指数関数状なので、巻線を流れる電流は台形波近似
の電流６２となる。従って、ステッピングモータを高速
駆動すると、図９（Ｂ）に示すように電流が完全に立ち
上がる前に立ち下がる状態になるため巻線を流れる平均
電流値が減少する。そして、モータのトルクは電流と巻
線の巻数の積ＡＴ（アンペアターン）に比例するため、
高速になるほどトルクは減少することになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、モー
タのトルクは電流と巻数との積アンペアターンＡＴに比
例するため、モータのトルクは高速になるほど減少する
ことになる。そこで高速駆動時のトルクを増加させる第
１の手段は、モータ巻線の巻数を減らす、もしくは巻数
を減らして線径を太くすることである。即ち、巻線の巻
数を減らせば巻線抵抗Ｒは巻数に比例し、インダクタン
スＬは巻数の２乗に比例するため時定数Ｌ／Ｒを小さく
することができ、時定数Ｌ／Ｒを小さくできれば電流の
立上りを早くすることができるので高速駆動時のトルク
を増加させることができるからである。このように巻数
を減少したときの諸特性を表に纏めると、下記表１のよ
うになる。

【００１１】

【表１】

【００１２】ここで、モータ巻線の巻数を変えたときの
対応を纏めると、〔１〕巻数を大きくすれば定常電流が
小さくなり効率がよくなるが、高速時のトルクが減少す
る。従って、効率優先といえる。

【００１３】〔２〕巻数を小さくすれば、定常電流が大
きくなるから効率は悪くなるが、高速駆動時のトルクを
大きくできる。従ってトルク優先といえる。

【００１４】上記は、パイポーラ巻線でもユニポーラ巻
線でも同じであるが、ユニポーラ巻線では全巻線の１／
２しか使用しないため、巻線スペース上、巻数を大にし
て効率を優先する選択は実際上困難である。

【００１５】従って、巻線により特性を変えることはで
きるが、従来は効率優先かトルク優先かのどちらかの特
性を選ばねばならなかった。つまり一方の特性を優先す
ると他方の特性を捨てなければ成らない。従って、効率
優先の巻線を有するモータでは、高速駆動ができないし
、トルク優先の巻線を有するモータでは、定常電流が大
きくなるから効率が悪く、且つ発熱も大きくなってしま
う。

【００１６】高速駆動時のトルクを増加させる第２の手
段は、巻線の巻数は固定しておき、該巻線に印加する駆
動信号の電圧あるいは電流をステッピングモータ駆動回
路側で切換えることである。即ち、駆動回路内に《１》
高電圧、低電圧２系統の電源を持たせ、低速駆動時は低
電圧、高速駆動時は高電圧側に切換えるようにする。も
しくは、《２》駆動回路を定電流回路にして、定電流値
を切換え、低速駆動時は低電流で、高速駆動時は大電流
で駆動する。

【００１７】しかしながら、駆動回路側で駆動信号の電
圧あるいは電流を切換える手段では、　　〔１〕電源回
路が２系統必要なうえに、切換回路が必要になる。また
、〔２〕定電流回路が必要で可成り複雑になる上、電流
切換回路も必要になる。従って、駆動回路の回路構成が
複雑になるから、コスト高になると共に、実装スペース
も大きくならざるを得ない等の問題があった。

【００１８】そこで本発明の目的は、上記問題点を解消
し、簡単な回路構成で１個のモータを効率優先のバイポ
ーラ駆動とトルク優先のユニポーラ駆動との２特性で駆
動させることのできるステッピングモータ駆動回路を提
供するにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のステッピングモ
ータ駆動回路は、中間タップの前段部の第１巻線部およ
び同タップの後段部の第２巻線部をそれぞれ有してなる
ユニポーラ巻線を複数備えたユニポーラ巻線型ステッピ
ングモータに適合するステッピングモータ駆動回路であ
って、上記ユニポーラ巻線の両端と電源との間に設けら
れ該ユニポーラ巻線をバイポーラ駆動するためブリッジ
接続された複数の第１スイッチング素子と、上記中間タ
ップと電源との間に介挿され自己の導通状態において上
記第１スイッチング素子の開閉動作により上記第１巻線
部および第２巻線部をユニポーラ駆動することを許容す
るための第２スイッチング素子と、を具備してなる。

【００２０】

【作用】このステッピングモータ駆動回路では、ユニポ
ーラ巻線のステッピングモータをバイポーラ駆動回路に
接続、つまりユニポーラ巻線の中間タップ以外の端子を
バイポーラ駆動回路の複数の第１スイッチング素子に接
続し、且つ中間タップと電源ラインとの間に第２スイッ
チング素子を入れる。そして、この第２スイッチング素
子をオフにしてバイポーラ駆動、オンにしてユニポーラ
駆動と切換えて使用する。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を具体的に説明
する。図１は、本発明の一実施例を示すステッピングモ
ータ駆動回路の回路図で、前記図７，８に示したユニポ
ーラ巻線型の２相のステッピングモータに本発明を適用
した例である。

【００２２】図１において、２組のユニポーラ巻線１１
，２１の両端（２），（３）および（５），（６）に、
該ユニポーラ巻線１１，２１をバイポーラ駆動するため
の２組のブリッジ回路が接続されている。この２組のブ
リッジ回路は、第１スイッチング素子であるトランジス
タ１〜４とトランジスタ１２〜１５とこれら各トランジ
スタにそれぞれ並列に接続された逆起防止用のダイオー
ド６〜９とダイオード１６〜１９とで構成されている。

【００２３】上記ユニポーラ巻線１１，２１の中間タッ
プ（１），（４）と電源ラインＶｃｃとの間には、第２
スイッチング素子であるＰＮＰ型トランジスタ５と逆起
電力防止用のダイオード１０との並列回路が接続される
と共に、電源ラインＶｃｃと接地間に直流電源２０が接
続されている。

【００２４】このように構成された本実施例においては
、第２スイッチング素子であるＰＮＰ型トランジスタ５
をオフすれば、ユニポーラ巻線１１，２１の全巻線を利
用できるので、第１スイッチング素子であるトランジス
タ１〜４からなるブリッジ回路によりユニポーラ巻線（
２）−（１）−（３）の全巻線を、またトランジスタ１
２〜１５からなるブリッジ回路によりユニポーラ巻線（
５）−（４）−（６）の全巻線を、それぞれ利用したバ
イポーラ駆動が可能になる。そして、例えばユニポーラ
巻線１１を例にすると、トランジスタ２，３をオフして
トランジスタ１，４をオンすれば、端子（２）−（１）
−（３）方向に通電され、トランジスタ１，４をオフし
てトランジスタ２，３をオンすれば端子（３）−（１）
−（２）方向に通電される。

【００２５】一方トランジスタ５をオンすれば、ユニポ
ーラ巻線１１，２１の中間タップ（１），（４）が電源
ラインＶｃｃに接続されるので、ユニポーラ巻線１１，
２１のユニポーラ駆動が可能になる。そして、トランジ
スタ１，２をオフしてトランジスタ３もしくは４をオン
・オフし、また、トランジスタ１２，１３をオフしてト
ランジスタ１４もしくは１５をオン・オフすることによ
り、ユニポーラ巻線１１および２１のユニポーラ駆動が
可能になる。

【００２６】図２は、本実施例を１相励磁で駆動した場
合のタイムチャートで、図の最上段に記載されたステッ
プ番号１〜８と１８〜２４が低速回転のバイポーラ駆動
時を、ステップ番号９〜１７が高速回転のユニポーラ駆
動時をそれぞれ示している。そして、各トランジスタ１
〜５および１２〜１５の“Ｈ”レベルは各トランジスタ
のオンを、また“Ｌ”レベルはオフを示している。従っ
て、トランジスタ１，２のように電源ライン側のＰＮＰ
型トランジスタの場合には、該トランジスタがオンすれ
ばそのコレクタ電位も“Ｈ”レベルになるが、トランジ
スタ３，４のように接地側のＮＰＮ型トランジスタの場
合には該トランジスタがオンすればそのコレクタ電位は
“Ｌ”レベルになる。

【００２７】さて、各トランジスタ１〜５，１２〜１５
の全てがオフの停止状態からステップ１に入ると、トラ
ンジスタ５はオフなので、バイポーラ巻線１１，１２の
中間タップ（１），（４）は無接続である。従って、全
巻線を利用した効率優先のバイポーラ駆動がステップ８
まで継続して行われる。

【００２８】ステップ１でトランジスタ１，４がオンす
るとユニポーラ巻線１１の端子（２）−（１）−（３）
の方向に通電され、ステップ２ではトランジスタ１２，
１５がオンするのでユニポーラ巻線２１の端子（５）−
（４）−（６）の方向に通電される。ステップ３ではト
ランジスタ２，３がオンするのでユニポーラ巻線１１の
端子（３）−（１）−（２）の方向に通電され、ステッ
プ４ではトランジスタ１３，１４がオンするのでユニポ
ーラ巻線２１の端子（６）−（４）−（５）の方向に通
電される。そして、ステップ５〜８では上記ステップ１
〜４の繰返しが行われる。

【００２９】ステップ９に入ると、第２スイッチング素
子であるＰＮＰ型トランジスタ５がオンするので、ユニ
ポーラ巻線１１，２１の中間タップ（１），（４）が電
源電位に設定され、ユニポーラ駆動が開始されてステッ
プ１７まで続く。そして、この間は電源側のＰＮＰ型ト
ランジスタ１，２および１２，１３はオフになっている
。

【００３０】ステップ９ではトランジスタ４がオンなの
で、ユニポーラ巻線１１の中間タップ（１）の後段部の
第２巻線部に通電される。ステップ１０ではトランジス
タ１５がオンなので、ユニポーラ巻線２１の中間タップ
（４）の後段部の第２巻線部に通電される。また、ステ
ップ１１ではトランジスタ３がオンなので、ユニポーラ
巻線１１の中間タップ（１）の前段部の第１巻線部に通
電される。ステップ１２ではトランジスタ１４がオンな
ので、ユニポーラ巻線２１の中間タップ（４）の前段部
の第１巻線部に通電される。次のステップ１３〜１７で
は上記ステップ９〜１２と同じ動作が繰返し実行される
。

【００３１】ステップ１８に入ると、第２スイッチング
素子であるＰＮＰ型トランジスタ５がオフするので、ユ
ニポーラ巻線１１，２１の中間タップ（１），（４）が
無接続になり、これによって、ユニポーラ巻線１１，２
１のバイポーラ駆動が開始される。このステップ１８〜
２４は、上記ステップ１〜８に同じなのでここでの説明
を省略する。

【００３２】ここで、本実施例におけるバイポーラ巻線
１１，２１の時定数について説明すると、全巻線が同一
線径で巻回されているとすると、ユニポーラ駆動時の巻
線抵抗をＲ、インダクタンスをＬとすれば、バイポーラ
駆動時の巻線抵抗は巻数が倍になるから２Ｒとなり、イ
ンダクタンスは巻数の２乗に比例するから４Ｌとなる。 そこで時定数は、ユニポーラ駆動時がＬ／Ｒ、バイポー
ラ駆動時が２Ｌ／Ｒにそれぞれなる。

【００３３】図３は、時間ｔに対するトルクＴを示す線
図で、実線Ｌ１が効率優先のバイポーラ駆動時を、破線
Ｌ２がトルク優先のユニポーラ駆動時をそれぞれ示して
いる。図から明らかなように、ユニポーラ駆動時はその
時定数がＬ／Ｒなので、２Ｌ／Ｒの時定数を有するバイ
ポーラ駆動に比し、その立上りが急峻になっている。従
って、ユニポーラ駆動のほうがバイポーラ駆動に比しト
ルクの立上りが問題になる高速駆動に適している。

【００３４】一方、定常電流は、電源ラインＶｃｃの電
圧Ｖが同じなので各トランジスタの飽和電圧を無視すれ
ば、ユニポーラ駆動時にはＶ／Ｒなのに対し、バイポー
ラ駆動時にはＶ／２Ｒとなるから、バイポーラ駆動のほ
うがユニポーラ駆動より消費電流が少なくてすむ。従っ
て、バイポーラ駆動は、トルクの立上りがあまり問題に
ならない低速駆動時の高効率駆動に適している。

【００３５】次に定常トルクについて説明する。ユニポ
ーラ駆動時にはバイポーラ駆動時に比し、消費電流が倍
になるのに対し、巻数が半分になる。従って、アンペア
ターンＡＴとしては両者とも同じになるから、定常トル
クも同じになる。これが上記図３におけるｔ＝∞ でトルクＴが同一値に収斂する理由である。

【００３６】上述した点を纏めると、電源電圧をＶ、ユ
ニポーラ巻線の第１巻線部もしくは第２巻線部の抵抗お
よびインダクタンスをＲおよびＬ、時間をｔとし、Ｋを
定数とすれば下記表２のようになる。

【００３７】

【表２】

【００３８】以上の説明では２相のステッピングモータ
を例にして説明したが、例えば５相等のステッピングモ
ータにも適用できること勿論である。また、励磁方式と
してて１相励磁で説明したが、例えば２相励磁とか、１
−２相励磁の場合にも適用できることは言うまでもない
。

【００３９】図４は、本実施例の応用例としてプリンタ
の高速印字モードと低速印字モードとの切換えに適用し
た場合のブロック構成図で、駆動回路２３は前記図１で
説明した高速のユニポーラ駆動と低速のバイポーラ駆動
とを切換えることのできるステッピングモータ駆動回路
である。この駆動回路２３の第１，第２スイッチング素
子である各トランジスタのベースにマイコン２２から上
記各トランジスタをオンする信号Ａ〜ＥおよびＡ′〜Ｄ
′が送出されると、駆動回路２３はステッピングモータ
２４をバイポーラ駆動もしくはユニポーラ駆動させる。 これにより、同モータ２４は印字メカニズム２５のヘッ
ド駆動を高速印字モードもしくは低速印字モードに切換
えることになる。なお、上記マイコン２２の切換シーケ
ンスは、例えば各種のスイッチ群で形成された印字速度
切換回路２６でコントロールされている。

【００４０】この他にも、例えばカメラにおけるオート
フォーカス用のフォーカシングレンズ駆動とズーム光学
系のズームレンズ駆動とを１個のモータで切換えて行う
場合、オートフォーカス時はシャッタレリーズタイムラ
グを短くする必要があるので、高速性が要求されるが、
ズームレンズ駆動では速度はあまり要求されない。この
ような場合にオートフォーカスをユニポーラ駆動で、ズ
ームレンズ駆動をバイポーラ駆動で、それぞれ行うこと
により単一の駆動方式で駆動した場合に比較して高速化
または低消費電力化が実現できる。

【００４１】上記実施例では、速度切換えに使用した例
で説明したが例えば負荷トルクが異なる２種類の被駆動
体を、小さい負荷の被駆動体は効率優先のバイポーラ駆
動で、また大きい負荷の被駆動体はトルク優先のユニポ
ーラ駆動で、それぞれ切換駆動する場合にも適用するこ
とができる。例えばカメラを例にとれば、オートフォー
カスするのに前玉移動で行うときは可成りのトルクを要
するので、トルク優先のユニポーラ駆動を、ズーム系で
はレンズ系のメカニカル負荷が小さいので効率優先のバ
イポーラ駆動を、それぞれ行う。

【００４２】その他、単一の被駆動体でも、駆動位置に
より負荷が変化する場合とか、あるいは定速駆動と高ト
ルクを必要とする加減速駆動とを切り換えて使用するよ
うな場合にも本発明を適用できる。

【００４３】上記実施例によれば、簡単な回路構成つま
り通常のバイポーラ駆動回路に第２スイッチング素子１
個を追加したのみで、効率を優先したバイポーラ駆動と
トルクを優先したユニポーラ駆動とを切換えることがで
き、１個のモータに２種類の特性をもたせることができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、ユニ
ポーラ巻線の中間タップと電源との間に介挿された第２
スイッチング素子をオン・オフするだけで、効率優先の
バイポーラ駆動とトルク優先のユニポーラ駆動とを適宜
選択できるという顕著な効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すステッピングモータの
駆動回路の回路図。

【図２】上記図１における１相励磁時のタイムチャート
。

【図３】本実施例における時間ｔに対するトルクＴの線
図。

【図４】本実施例の応用例のブロック構成図。

【図５】従来の２相バイポーラ巻線型ステッピングモー
タの要部回路図。

【図６】上記図５に対応した駆動回路の回路図。

【図７】従来の２相ユニポーラ巻線型ステッピングモー
タの要部回路図。

【図８】上記図７に対応した駆動回路の回路図。

【図９】従来のステッピングモータのタイムチャート。

【符号の説明】

１，２，３，４，１２，１３，１４，１５……トランジ
スタ（第１スイッチング素子）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中間タップの前段部の第１巻線部および同
   タップの後段部の第２巻線部をそれぞれ有してなるユニ
   ポーラ巻線を複数備えたユニポーラ巻線型ステッピング
   モータに適合するステッピングモータ駆動回路であって
   、上記ユニポーラ巻線の両端と電源との間に設けられ該
   ユニポーラ巻線をバイポーラ駆動するためブリッジ接続
   された複数の第１スイッチング素子と、上記中間タップ
   と電源との間に介挿され自己の導通状態において上記第
   １スイッチング素子の開閉動作により上記第１巻線部お
   よび第２巻線部をユニポーラ駆動することを許容するた
   めの第２スイッチング素子と、を具備してなるステッピ
   ングモータ駆動回路。