ステッピングモーター

ステッピングモーター：精密位置決め制御の担い手

ステッピングモーターは、デジタル信号によるパルス電圧によって駆動するモーターの一種です。パルスモーターとも呼ばれ、簡素な回路構成で正確な位置決め制御を実現できることから、様々な機器の位置決め制御に広く用いられています。その動作原理は、固定子コイルへの通電を順次切り替えることで、回転子がステップ状に回転する仕組みです。

ステッピングモーターの主要な特徴

ステッピングモーターは、以下の特徴を持っています。

位置決め精度が高い: パルス数と回転角が比例するため、高い位置決め精度が得られます。
デジタル制御との親和性が高い: デジタル制御回路との接続が容易で、制御システムとの統合がスムーズです。
フィードバック制御が不要: 開ループ制御が可能であるため、複雑なフィードバック回路を必要としません。
エネルギー効率が低い: 他のモーターと比較して、エネルギー効率は低めです。
脱調の可能性: 過大な負荷や高周波数の駆動では、回転子が同期をはずす「脱調」が発生する可能性があります。加減速シーケンスを用いることで、脱調を抑制できます。

ステッピングモーターの分類

回転子の種類によって、ステッピングモーターは大きく以下の3種類に分類されます。

永久磁石型 (PM型): 回転子に永久磁石を使用しており、構造がシンプルで安価です。しかし、ステップ角度を小さくするのが難しいという欠点があります。
可変リラクタンス型 (VR型): 回転子に歯車状の鉄心を使用しており、ステップ角度を小さくできます。ただし、トルクが比較的低めです。
複合型 (HB型): PM型とVR型の両方の特徴を併せ持つタイプです。軸方向に磁石を着磁し、歯車状の鉄心を用いることで、両方のメリットを活かした性能を実現しています。

固定子の巻線構成

ステッピングモーターの固定子には複数の巻線が配置されており、通電する巻線を切り替えることで回転を制御します。一般的なのは二相（二組の巻線）ですが、三相、五相などの構成もあります。巻線構成はモーターの性能に影響を与えます。

ステッピングモーターの動作原理

PM型のステッピングモーターを例に、動作原理を説明します。固定子コイルに電流を流すと、固定子と回転子の磁極が引き合うことで回転子が回転します。電流の向きや通電するコイルを切り替えることで、回転子のステップ状の回転を制御します。例えば、45°ステップのモーターの場合、8つのステップで1回転します。

励磁モード

ステッピングモーターの性能は、巻線への電流の与え方（励磁モード）によっても変化します。代表的な励磁モードは以下の通りです。

一相励磁: 一つの巻線のみ通電。位置決め精度は高いが、減衰運動が残りやすい。
二相励磁: 二つの巻線を同時に通電。一相励磁の約2倍のトルクが得られる。
一-二相励磁: 一相と二相を交互に通電。滑らかな回転を実現できる。
マイクロステップ駆動: 巻線への電流を細かく制御することで、より微細なステップ角度を実現します。

運動形態

ステッピングモーターは、回転運動だけでなく、リニアステッピングモーターのように直線運動を行うタイプも存在します。

用途例

ステッピングモーターは、その高い位置決め精度から、産業機器、コンピューター機器、一般家庭用機器など、幅広い分野で活用されています。具体例としては、産業用ロボット、デジタルカメラ、時計、パチンコ/パチスロ機などが挙げられます。近年では、自動車のドライブ・バイ・ワイヤシステムなどにも採用されています。

まとめ

ステッピングモーターは、シンプルながらも正確な位置決め制御が可能なモーターです。その多様な種類と制御方法により、様々な用途に適応できることから、今後も多くの分野で活用されていくと考えられます。

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