ステッピングモータは何をするもの？

 

ステッピングモータは、細かな角度で断続的にモータ軸を回す小型モータです。

この記事では、モータの種類の選定でお悩みの方に、ステッピングモータが何をするものかを解説します。またモータの専門家でなくても理解できるように、ステッピングモータの動作原理、どんな場面や用途で使うべきか、他の種類のモータに比べたメリットや制約といった設計判断のヒントも紹介します。

ステッピングモータは、物体を正確な位置に移動と停止をさせそれを繰り返します。また比較的低速で物体を回転・移動させたり、物体を停止した状態に保持したりします。回転だけでなく、リードスクリューなどと組み合わせて使うことで、直線運動や開閉なども行えます。具体的には次の動きを実現します。

ステッピングモータを使って実現する動きの例

 

ステッピングモータ以外の種類のモータでも同様の動きをさせることは可能ですが、ステッピングモータは次の点に特長があり、簡単にかつ低コストで制御システムを組むことができます。

ステッピングモータ外観の例

他の種類のモータのように連続的に回転するのとは異なり、ステッピングモータは少しの角度を一歩一歩段階的に回転します。「ステップ」という名前の由来でもある動きです。例えば2相ハイブリッド型ステッピングモータは、1.8度という細かな角度ごとに回転・停止することができ、種類によっては0.9度ごとに回転・停止させることもできます。ドライバの励磁方法によってはさらに細かい角度で回転させることも可能です。

ステッピングモータは、コントローラから出力されるパルスごとに、その角度分だけ回転します。パルスが連続して印加されるとステッピングモータはその間連続して回転しますが、パルスが印加されなくなると、ステッピングモータはそこで停止し位置を保持します。

ステッピングモータの回転速度や回転角度は、パルスの周波数や数で簡単に変えられます。周波数が低くなると回転速度が遅くなり、またパルスの数が多いと回転角度が大きくなります。

ハイブリッド型のステッピングモータでは、モータの回転子には50歯または100歯の小歯が並んでいます。各小歯は永久磁石により帯磁して、固定子の磁極による吸引により回転子側の小歯が吸引され移動します。パルスが印加されるごとに固定子の磁極を変化させることで、回転子が回転したり停止したりします。

ステッピングモータの基本構造

ステッピングモータ回転子の構造（ハイブリッド型ステッピングモータの例）

ステッピングモータ固定子の構造（ハイブリッド型ステッピングモータの例）

ステッピングモータはいくつかの切り口で分類することができますが、ここでは構造と、コイルへの電流の流し方による分類を記します。欲しいトルクや大きさ、コストなどによって選ぶことになります。

構造による分類

コイルへの電流の流し方による分類

ステッピングモータは、主に次のような特長があります。

摺動部が少なく長寿命

ステッピングモータはギアなど摩擦や摩耗により劣化する部品が少なく、結果として比較的長期間使用することができます。

位置のフィードバックが不要で、パルスの入力だけで回転や位置を制御

ステッピングモータは他のモータに比べ、位置制御の仕組みに特長があります。回転子の位置や動きを検知する電子部品が不要で、またパルス信号の入力だけで回転や位置の制御ができます。このため位置制御のプログラムの作成も比較的容易です。このようにステッピングモータを使うことで、他の種類のモータに比べて簡単にかつ安価に制御システムを組むことができます。

低速かつ高トルクの回転が得意

ステッピングモータは低速の回転が可能で、かつ低速時でも高トルクが得られます。他の種類のモータは低速時に高トルクを得るためにギアを使いますが、ステッピングモータは同等のトルクを得るためのギアを必要としないため、小型でシンプルな構成とすることができます。

高精度

ステッピングモータは起動時や停止時の応答性に優れます。また角度誤差が小さく、誤差の累積も起こりません。

停止時の自己保持力に優れる

ステッピングモータは無励磁でも、回転子と固定子の細かな歯同士が磁力で引き合った状態で自己保持することができます。

 

これらに似た特長を持つモータに、ACサーボモータがあります。ACサーボモータは高分解能エンコーダなど位置検出器を備え、また俊敏な動きや安定した速度で回転できるように回転子のイナーシャ（動きにくさ　慣性）が設計されています。そして回転子の位置に応じた正弦波状の電流で駆動します。低速から高速まで広い速度域で安定したトルクを発生する、停止中に位置ずれを起こしても正しい位置に戻る、といったステッピングモータより優れた点があります。しかし高分解能エンコーダや高度な制御を行う駆動装置が必要なためステッピングモータに比べて高価で、またACサーボモータを使った制御システムも複雑になり高コストになります。

ステッピングモータは大まかに、次のようなことが求められる場合に使用することがおすすめです。

以下に、ステッピングモータがどのような製品に使われているかを列記します。しかしこれら以外の用途でもステッピングモータが活用できる可能性があります。

家電・住宅設備

商用機器

工業分野

医療機器

研究分野

宇宙分野

どのような用途で当社ステッピングモータが使われるかの例を、製品シリーズ別に示したのが次の表です。

モータカタログダウンロード

ASPINAでは、環境条件などで異なる要求仕様に対応した製品を開発、製造しています。

ステッピングモータは他の種類のモータに比べ、想定外の負荷変動時に正確な位置を見失うことがあります。これはセンサーやエンコーダによる位置のフィードバックがないためです。負荷を動かすための必要トルクがステッピングモータのトルクを上回ると回転子が脱調し、駆動パターンに比べて遅れが発生したり、回転が完全に停止したりします。

またステッピングモータでは、各ステップ動作の際に減衰振動が発生し、それが脈動となって現れます。この脈動が繰り返し断続的に発生することで、振動や振動によるトルクの低減、騒音が起こります。このような現象は特に、低速回転時およびモータの共振ポイントで起こりやすいです。

ステッピングモータのデメリットを回避・抑制する技術も

ステッピングモータのメリットを最大限生かしつつ、デメリットを回避・抑える技術もあります。例えばエンコーダ付きのステッピングモータであれば、運転状態を正確に把握することが可能です。ステッピングモータの特長である高トルクの回転、運動、停止と、正確な運転制御を行えます。またダンパーを追加することで振動を抑えることができますし、マイクロステップ駆動技術を利用して振動を低減したステッピングモータもあります。

ステッピングモータのデメリットが気になる、あるいは実際に問題が起こっていて困っている場合には、モータを開発しているメーカーに相談しましょう。

ASPINAのステッピングモータは、モータ単体だけでなく、駆動・制御系から機構設計までを含んだシステム部品としてもご提供しています。試作から量産、アフターサポートまで一貫して対応しています。

さまざまな業界、用途、お客様製品に求められる機能や性能、お客様の生産体制に合わせて、最適なご提案をいたします。

具体的なご要望や要求仕様のあるお客様だけでなく、次のようなお困りごとの段階でもお声掛けをいただき、開発から量産にまで対応しています。ぜひ、お気軽にご相談ください。

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ぜひ、お気軽にご相談ください。