JPH11332291A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 励磁電力を抑え、かつ、回転を円滑化し得る
簡易な構成のステッピングモータを提供する。 【解決手段】 本発明のステッピングモータは、励磁信
号によって次のステップ位置までステップ動作するため
のステップ位置を定める極歯を形成したステータと、こ
れに対向して回転駆動されるロータとから構成され、前
記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、その検
出信号に応じて励磁通電を調節する励磁調節手段とを設
けることにより、ロータの回転位置に応じて励磁を調節
するべく構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステップ動作を行
うステッピングモータに関し、特に、励磁電力を抑え、
かつ、回転を円滑化し得る簡易な構成のステッピングモ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータは、固定側に形成し
た位置決め部と、これに対向するロータと、このロータ
を入力パルスと対応して次の位置決め部までステップ動
作させる励磁制御部とからなり、この励磁制御部によっ
て位置決め部までを単位としてロータがステップ動作を
行う。

【０００３】上記構成のステッピングモータは、オープ
ンループ制御による簡易な構成の制御部により、特に、
２相励磁制御の場合は、パルス指令に応じてロータが確
実にステップ動作するべく、各相を所定角度範囲で重複
して順次励磁するべく制御することにより、慣性や負荷
によるミスステップを回避し、確実なステップ送り動作
による位置決めを可能としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ス
テップモータは、そのステップ動作後の停止行程におい
てロータを極歯と対応するステップ位置に留め置くため
に、回転駆動との対応のない電力消費が避けられない。
この付加的な電力消費の問題は、特に負荷の小なる場合
に顕著となる。また、この電力消費に伴う発熱を冷却す
るための冷却手段として所要の放熱面積を確保する必要
から必然的に全体構成が大きくなり、小型化の点で障害
となっていた。

【０００５】本発明の目的は、励磁電力を抑え、かつ、
回転を円滑化し得る簡易な構成のステッピングモータを
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、ステップ位置を定める極歯を形成したステータと、
これに対向して回転駆動されるロータとからなり、励磁
信号によって次のステップ位置までステップ動作するス
テッピングモータにおいて、前記ロータの回転位置を検
出する位置検出手段と、その検出信号に応じて励磁を調
節する励磁調節手段とを備え、ロータの回動に対応して
励磁を調節するべく構成する。上記ステッピングモータ
は、励磁調節手段がロータの回転位置に応じて励磁を調
節することにより、ロータの回動に対応した回転駆動が
可能となるので多様なステップ動作が可能となる。前記
位置検出手段と励磁調節手段とを本体と一体的に構成し
た場合は、システム環境を変えることなくステッピング
モータをそのまま組込むことができるので、取扱いの簡
易化を図ることができる。

【０００７】前記位置検出手段によるロータの検出位置
は、ステップ動作の行程途中から励磁電力を抑えた状態
でロータがステップ動作しうる安定角度範囲内に定める
ことにより、ロータが安定角度範囲内の検出位置に達す
ると励磁が抑えられ、以後は自由回転に準ずる状態でス
テップ動作することから、回転が円滑化されるとともに
電力消費が抑えられ、それに伴って冷却手段の簡易化を
図ることができる。

【０００８】前記検出信号のタイミングをロータの回動
速度に応じて調節する角度調節手段を備える場合は、負
荷に応じた円滑なステップ動作が可能となる。ロータを
ステップ動作後の位置に保持しうる範囲に励磁を調節す
るべく構成した場合は、回転の円滑化を確保しつつミス
ステップを確実に防止できる。また、ロータをステップ
動作後の位置に停止するためのコイル電流の回生手段を
備える場合は、簡易な構成によってミスステップを確実
に防止できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】上記技術的思想を適用した具体的
な実施形態について以下に説明する。図１は本発明を２
相励磁制御に適用した例によるステッピングモータの基
本動作図である。ロータ角度特性図とその制御信号のタ
イミングチャートを表わす基本動作図により、ステッピ
ングモータの基本動作をなすステップ動作について説明
する。

【００１０】本発明は、ロータの回転位置を検出する位
置検出手段と、その検出信号に応じて励磁通電を調節す
る励磁調節手段とを設けることにより、ロータの回転位
置に応じて励磁を調節するクローズドループ制御を行う
ものである。この説明例においては、２相励磁制御のス
テッピングモータにおいてロータが各ステップ位置に達
したことを検出するべく位置検出手段を配置し、その信
号に基づいて励磁を停止することにより、ロータ位置と
対応して励磁通電角度を調節するべく構成したものを示
す。

【００１１】ロータ角度特性は、横軸に経過時間ｔを、
縦軸にステップ動作を単位とする安定位置によってロー
タの角度位置Ｓを示す。本発明の励磁調節による動作例
を実線で、本来の２相励磁制御による動作を破線で表わ
す。励磁調節の具体的内容は、タイミングチャートに示
す励磁入力φＡｉに基づき、ステップ０の安定位置を
基準として励磁出力φＡ０に従って励磁通電し、これに
よってロータが回転駆動され、ステップ１で示す次の
安定位置に達すると、その検出信号φＳＡに応じて励磁
電力を抑えるべく励磁調節手段が励磁出力φＡ０を抑え
て通電を停止する。

【００１２】通電停止の後は、コイルの逆起電力によっ
てロータのオーバーシュートが抑えられる。さらに、ロ
ータは、ホールディングトルクのための通電を要するこ
となく、比較的緩やかに近傍の安定位置に向かう。この
ステップ動作が完結しない場合においても、その角度位
置から次のステップ動作に移る。

【００１３】図２は図１の例の励磁調節手段の信号処理
を示す。励磁調節手段は、図Ａの論理値表に示すごと
く、本来の２相励磁制御によるＡ相の入力信号である励
磁入力φＡｉと位置検出手段による検出信号φＳＡを入
力とし、その排他的論理和による中間信号φＡ’を出力
し、この中間信号φＡ’と上記励磁入力φＡｉの論理積
によって励磁出力φＡ０を得るべく信号処理する。

【００１４】図Ｂは上記信号処理のための論理演算回路
図である。上記励磁入力φＡｉと検出信号φＳＡを入力
とする排他的論理和演算部Ｐを設けて中間信号φＡ’を
出力し、この中間信号φＡ’と励磁入力φＡｉを入力と
する論理積演算部Ｑを設けることにより、上記のとおり
の励磁出力φＡ０を得ることができる。

【００１５】上記信号処理は、本来の２相励磁制御によ
る励磁入力φＡｉをステッピングモータ側に受け、入力
側に影響を及ぼすことなく、このステッピングモータ側
でその位置検出手段に基づいて全てを処理し得ることか
ら、入力信号を受けた後の処理をステッピングモータ側
で完結し得ることを意味する。

【００１６】すなわち、位置検出手段と励磁調節手段を
ステッピングモータに付加することによって上記動作が
可能となる。したがって、上記信号処理部による励磁調
節手段と位置検出手段をステッピングモータに付加し、
このステッピングモータをそのまま従来のステッピング
モータと置き替えることにより、電源および制御側に手
を加えることなく本発明を適用することができる。

【００１７】図３は図１の例の位置検出手段の検出部の
配置例を示すモータ展開図である。２相ステッピングモ
ータは、一般に、ステータ側に形成した２相の極歯Ａ，
Ｂと、この極歯に対向する磁極を形成したロータＲとか
ら構成される。この例においては、ロータＲの磁極がＡ
相，Ｂ相側の極歯と対応する各ステップ位置に達したこ
とを検出するべく位置検出手段を配置する。その検出位
置は、ロータがＡ相側極歯と相対する角度位置に達した
ことを検出する位置Ｘ、および、同ロータがＢ相側極歯
と相対する角度位置に達したことを検出する位置Ｙに位
置検出部を設ける。

【００１８】検出位置は、対をなす極歯の配置ピッチを
隔ててもその効果は同一であることから、検出センサの
大きさに応じて両センサを一体的に、または、一方を位
置Ｙに代えて隣の位置Ｚに検出部を分離して配置する。
上記位置検出手段は、ロータの実際の回転角度位置を検
出しうる任意の手段、例えば、ピーク磁束を検出しうる
ホール素子等の磁気センサの他、オプティカルインタラ
プタ等の光学センサ等を適用することができる。

【００１９】図４は図１の例の励磁回路図である。励磁
信号を出力する励磁制御部Ｃの各信号は、排他的論理和
演算部Ｐと論理積演算部Ｑとを介し、極歯コイルＴのス
イッチング素子Ｓの制御端子に入力する。センサ信号φ
ＳＡ，φＳＢは、反転演算部Ｉ…によって処理した反転
信号と合わせ、それぞれの排他的論理和演算部Ｐに入力
する。上記排他的論理和演算部Ｐと論理積演算部Ｑ、お
よび反転演算部Ｉによって２相励磁制御の場合の励磁調
節手段を構成する。また、コイルに逆起電力を流すため
のダイオード等によるコイル電流の回生手段Ｄを備え
る。

【００２０】上記励磁調節手段は、励磁制御部Ｃの励磁
入力を受けるステッピングモータの制御入力側に介設す
ることにより、同励磁制御のもとにおいて、極歯コイル
Ｔの駆動電源Ｖｃｃをロータの回転角度位置に応じて調
節することができる。上記コイル電流の回生手段Ｄは、
ロータの慣性動作に応じてコイルの逆起電力を流すこと
により、ロータをステップ動作後の位置に停止すること
ができるものであれば、上記の他に、一般の回生手段、
およびツェナーダイオード、電源側への回生等の各種の
態様によって構成することができる。

【００２１】図５は図１の例についての連続動作を示す
説明図である。ロータは、タイミングチャートに示す２
相励磁制御の励磁入力φＡｉに基づき、基準とするステ
ップ０から回転駆動され、センサによる検出信号φＳＡ
による図示せぬ反転演算部からの処理信号を受け取ると
励磁信号φＡｏが抑えられ、この励磁調節によってロー
タがステップ１又はその近傍に至る。次に、励磁入力φ
Ｂｉおよび検出信号φＳＢにより励磁出力φＢｏが抑え
られてステップ２に達する。さらに、励磁入力φＡｉ，
φＢｉの図示せぬ逆相信号及び検出信号φＳＡ，φＳＢ
による図示せぬ反転演算部からの信号処理に従ってステ
ップ３，４に達する。

【００２２】このように、タイミングチャートに示す如
く２相励磁制御信号が入力されてロータが回転駆動さ
れ、また、ロータの回転にともない、位置検出信号によ
る励磁調節がステップ単位で繰り返し処理される。その
結果、ロータは、上記各ステップ位置において、逆起電
力とディテントトルクの範囲で、急激な回転変動を受け
ることなく、連続的な回転駆動がなされる。

【００２３】図６は図１の例について負荷変動による回
転動作を示す説明図である。タイミングチャートに示す
励磁入力φＡｉ，φＢｉおよびそれらの図示せぬ反転信
号とによる２相励磁制御信号が入力される場合におい
て、軽負荷のときはロータが急加速化され、それに伴
って検出信号φＳＡ，φＳＢ等の検出タイミングが早ま
り、短時間で励磁が停止する。一方、重負荷のとき
は、上記と逆に、ロータ回転が低下し、それに伴って検
出信号φＳＡ，φＳＢ等のタイミングが遅れ、この検出
までの長時間にわたる励磁によってステップ位置まで確
実に回転駆動される。したがって、本発明の励磁調節手
段は、負荷と対応して励磁調節することとなるので、負
荷変動を受ける場合でも、回転変化の少ない平均化され
た回転が得られる。

【００２４】図７は本発明の位置検出手段の検出位置と
回転動作の関係を示す説明図である。位置検出手段によ
るロータの検出位置が、次の安定位置より前側の場合
は、検出タイミングの進みΔＴ１により、基準とする安
定位置（ステップ０）から始まる励磁が次の安定位置
（ステップ１）の手前で停止される。逆に、検出位置が
次の安定位置より後側の場合は、検出タイミングの遅
れΔＴ２により、次の安定位置（ステップ１）を超えて
から励磁が停止される。

【００２５】この場合、位置検出手段の検出位置は、ス
テップ動作の行程途中から励磁入力の通電を抑えた状態
でロータがステップ動作しうる安定角度範囲内に位置を
定めた上で、その検出信号に応じて励磁調節手段が励磁
電力を抑えるべく励磁入力の通電を調節する。

【００２６】上記範囲に検出位置を定めることにより、
ロータがその検出位置に達すると以後の励磁が抑えら
れ、ロータは自由回転に準ずる状態でステップ動作する
ことから、電力消費が抑えられ、それとともに冷却手段
の簡易化を図ることができる。また、検出位置に応じた
タイミングの違いによって多様なステップ動作が可能と
なるので、ミスステップを避け、安定回転を図るべく、
負荷等の状況に対応することが可能となる。

【００２７】上記検出タイミングは、時間的に前後に調
節することによっても多様なステップ動作を得ることが
できる。例えば、ロータの回動速度に応じて検出信号の
タイミングを調節する角度調節手段を備えることによ
り、前記同様に、負荷に応じた円滑なステップ動作が可
能となる。上記ロータの回動速度は、直前のステップ動
作における位置検出信号によって求めることができる。

【００２８】図８は本発明の励磁調節の他の方法による
回転動作を示す説明図である。この励磁方法は、基準
位置をなすステップ０から所定の励磁通電により回転駆
動し、ロータが検出位置に達した後は、ロータをその
ステップ位置に保持しうるトルク範囲に励磁調節するべ
く励磁調節手段を構成する。この励磁調節により、ミス
ステップを確実に防止することが可能となる。この励磁
調節方法により、ホールディングトルクによってステッ
プ位置に保持するＶＲ形等のステッピングモータにも本
発明を適用することが可能となる。

【００２９】以上に述べたとおり、本発明の構成は、ロ
ータの回転位置を検出する位置検出手段と、その検出信
号に応じて励磁を調節する励磁調節手段を備えることに
より、ロータの回転位置に応じてその励磁を変化させる
ことを特徴とする。この励磁調節によってロータの回動
に対応した回転駆動が可能となるので多様なステップ動
作が可能となることから、その適用範囲は上記説明例に
限られず、ステッピングモータ全般について広く適用す
ることができる。

【００３０】励磁調節の一例として、ロータが安定角度
範囲内に達した後に励磁を停止するべく構成する場合
は、ロータを進める行程と対応して励磁され、ロータを
各安定位置に引き戻すための励磁電力を要しないことか
ら、電力消費が抑えられ、かつ、負荷に応じて回転が円
滑化され、低速から高速に及ぶ安定回転を得ることがで
きる。

【００３１】その他、本発明は、ステッピングモータに
特有の基本的な問題、すなわち、オープンループ制御に
よるステップ動作なるが故に、制御可能な速度領域が制
限され、また、特定の速度域で共振振動が発生するとい
う問題、脱出トルクが落込む不安定現象を呈する問題、
逆転やミスステップ等の問題をも、クローズドループ制
御による励磁調節によって共に解決することができる。
したがって、本発明のステッピングモータは、オープン
ループ制御による簡易な制御と、ステッピングモータの
位置決め特性を確保した上で、ＤＣモータの広い回転域
に及ぶ安定性と高能率の動力出力を合わせて得ることが
できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明のステッピングモータは以下の効
果を奏する。ロータ位置検出手段と励磁調節手段を設
け、ロータ位置に応じてコイルの励磁を調節することに
より、ロータの回動に対応した回転駆動が可能となるの
で多様なステップ動作が可能となる。前記位置検出手段
と励磁調節手段とを本体と一体的に構成した場合は、シ
ステム環境を変えることなくステッピングモータをその
まま組込むことができるので、取扱いの簡易化を図るこ
とができる。

【００３３】前記位置検出手段によるロータの検出位置
は、ステップ動作の行程途中から励磁電力を抑えた状態
でロータがステップ動作しうる安定角度範囲内に定める
ことにより、ロータが安定角度範囲内の検出位置に達す
ると励磁が抑えられ、以後は自由回転に準ずる状態でス
テップ動作することから、回転が円滑化されるとともに
電力消費が抑えられ、それに伴って冷却手段の簡易化を
図ることができる。

【００３４】前記検出信号のタイミングをロータの回動
速度に応じて調節する角度調節手段を備える場合は、負
荷に応じた円滑なステップ動作が可能となる。ロータを
ステップ動作後の位置に保持しうる範囲に励磁を調節す
るべく構成した場合は、回転の円滑化を確保しつつミス
ステップを確実に防止できる。また、ロータをステップ
動作後の位置に停止するためのコイル電流の回生手段を
備える場合は、簡易な構成によってミスステップを確実
に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を２相励磁制御に適用した例によるステ
ッピングモータの基本動作図

【図２】図１の例の励磁出力を得るための信号処理

【図３】図１の例の位置検出手段の配置例を示すモータ
展開図

【図４】図１の例の励磁回路図

【図５】図１の例についてその連続動作を示す説明図

【図６】図１の例について負荷変動による回転動作を示
す説明図

【図７】本発明の位置検出手段の検出位置と回転動作の
関係を示す説明図

【図８】本発明の励磁調節手段による他の調節方法によ
る回転動作を示す説明図

【符号の説明】

Ａ，Ｂ ２相極歯 Ａｃｃ 励磁電源 Ｃ 励磁制御部 Ｄ コイル電流の回生手段 Ｉ 反転演算部（励磁調節手段） Ｐ 排他的論理和演算部（励磁調節手段） Ｑ 論理積演算部（励磁調節手段） Ｒ ロータ Ｓ スイッチング素子 Ｔ コイル Ｘ，Ｙ，Ｚ 検出位置（位置検出手段） φＡｉ，φＢｉ Ａ，Ｂ相励磁入力信号 φＡ０，φＢ０ Ａ，Ｂ相励磁出力信号 φＳＡ，φＳＢ Ａ，Ｂ相位置検出信号 φＡ’ Ａ相中間信号

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステップ位置を定める極歯を形成したス
   テータと、これに対向して回転駆動されるロータとから
   なり、励磁信号によって次のステップ位置までステップ
   動作するステッピングモータにおいて、前記ロータの回
   転位置を検出する位置検出手段と、その検出信号に応じ
   て励磁を調節する励磁調節手段とを備えてなることを特
   徴とするステッピングモータ。
2. 【請求項２】 前記位置検出手段と励磁調節手段とを本
   体と一体的に構成す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。
3. 【請求項３】 前記位置検出手段によるロータの検出位
   置は、ステップ動作の行程途中から励磁電力を抑えた状
   態でロータがステップ動作しうる安定角度範囲内に定め
   てな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。
4. 【請求項４】 前記励磁調節手段は、ロータの回動速度
   に応じて検出信号のタイミングを調節する角度調節手段
   を備え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。
5. 【請求項５】 前記励磁調節手段は、ロータをそのステ
   ップ動作後の位置に保持しうる範囲に励磁通電を調節す
   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。
6. 【請求項６】 前記励磁調節手段は、ロータをステップ
   動作後の位置に停止するためのコイル電流の回生手段を
   備え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。