ステッピングモーターの基本特性
ステッピングモーターの基本的な特性は以下の通りです：
ステップ角度:
ステッピングモーターは、電気パルスを与えることで一定の角度（ステップ角度）で回転します。ステップ角度は、モーターの設計や構造によって異なりますが、一般的なステッピングモーターでは1.8度や0.9度が一般的です。この特性により、モーターの回転を正確に制御することができます。
「写真の由来：Nema 16 バイポーラステッピングモーター 1.8°8.7Ncm (12.3oz.in) 0.6A 3.96V 39x39x20mm 4 ワイヤー」
ステップ数と分解能:
ステッピングモーターは、一回の回転を複数のステップに分割して動作します。ステップ数は、1回転あたりのステップ数で表され、モーターの構造によって異なります。例えば、1.8度ステップ角のモーターでは、1回転を360度で割った200ステップが一般的です。ステップ数が多いほど、より細かな位置制御が可能となります。
トルク特性:
ステッピングモーターは、ステップパルスを与えることで一定のトルクを発生します。このトルクは、モーターの設計や電流制御方法によって決まります。ステッピングモーターは一定のトルクを保持する能力があり、停止状態でトルクをかける「ホールドトルク」と回転状態で発生する「動作トルク」があります。
高トルク低速特性:
ステッピングモーターは、低速域でのトルク特性が優れています。一般的に、ステッピングモーターは高トルクを発揮する能力がありますが、高速回転や高負荷状態ではトルクが低下する傾向があります。
「写真の由来：Nema 17 ユニポーラステッピングモーター 1.8°32Ncm (45.3oz.in) 0.4A 12V 42x42x48mm 6 ワイヤー」
オープンループ制御:
ステッピングモーターはオープンループ制御が可能です。つまり、位置検出センサー（例：エンコーダ）などのフィードバック制御装置を必要とせず、パルス制御によって正確な位置制御を行います。ただし、オープンループ制御ではモーターの位置に対するフィードバック情報が得られないため、負荷変動や外乱に対しては感度があります。
ステッピングモーターは、正確な位置制御や連続回転ではなく、一定の角度でのステップ運動が求められるアプリケーションに適しています。それらの特性により、精密な位置決めや定角度回転、低速高トルクなどの要件を満たすことができます。
ステップ角度:
ステッピングモーターは、電気パルスを与えることで一定の角度（ステップ角度）で回転します。ステップ角度は、モーターの設計や構造によって異なりますが、一般的なステッピングモーターでは1.8度や0.9度が一般的です。この特性により、モーターの回転を正確に制御することができます。
「写真の由来：Nema 16 バイポーラステッピングモーター 1.8°8.7Ncm (12.3oz.in) 0.6A 3.96V 39x39x20mm 4 ワイヤー」
ステップ数と分解能:
ステッピングモーターは、一回の回転を複数のステップに分割して動作します。ステップ数は、1回転あたりのステップ数で表され、モーターの構造によって異なります。例えば、1.8度ステップ角のモーターでは、1回転を360度で割った200ステップが一般的です。ステップ数が多いほど、より細かな位置制御が可能となります。
トルク特性:
ステッピングモーターは、ステップパルスを与えることで一定のトルクを発生します。このトルクは、モーターの設計や電流制御方法によって決まります。ステッピングモーターは一定のトルクを保持する能力があり、停止状態でトルクをかける「ホールドトルク」と回転状態で発生する「動作トルク」があります。
高トルク低速特性:
ステッピングモーターは、低速域でのトルク特性が優れています。一般的に、ステッピングモーターは高トルクを発揮する能力がありますが、高速回転や高負荷状態ではトルクが低下する傾向があります。
「写真の由来：Nema 17 ユニポーラステッピングモーター 1.8°32Ncm (45.3oz.in) 0.4A 12V 42x42x48mm 6 ワイヤー」
オープンループ制御:
ステッピングモーターはオープンループ制御が可能です。つまり、位置検出センサー（例：エンコーダ）などのフィードバック制御装置を必要とせず、パルス制御によって正確な位置制御を行います。ただし、オープンループ制御ではモーターの位置に対するフィードバック情報が得られないため、負荷変動や外乱に対しては感度があります。
ステッピングモーターは、正確な位置制御や連続回転ではなく、一定の角度でのステップ運動が求められるアプリケーションに適しています。それらの特性により、精密な位置決めや定角度回転、低速高トルクなどの要件を満たすことができます。
ステッピングモーターのバイポーラ型とユニポーラ型の違いは何ですか？
ステッピングモーターのバイポーラ型とユニポーラ型の主な違いは、駆動方式と制御の複雑さです。
バイポーラ型ステッピングモーター：
2つのコイルを持ち、4つの端子（2つのコイルの各端子）があります。
駆動にはHブリッジ回路が必要です。Hブリッジは、電流の極性を切り替えることでステッピングモーターを制御します。
バイポーラ型は、モーターの回転方向を制御するために電流の極性を切り替える必要があります。
バイポーラ型は、ユニポーラ型に比べて制御回路が複雑であり、ドライバ回路が必要です。
バイポーラステッピングモータ
バイポーラ型は、より高いトルクと精度を提供する傾向があります。
ユニポーラ型ステッピングモーター：
ユニポーラ型は、バイポーラ型よりも多くの端子（フェーズ）を持ちます。通常は5つまたは6つの端子があります。
ユニポーラ型は、各コイルの中間点に分割されたワイヤ（フェーズ）を持ち、簡単に制御可能です。
ユニポーラ型は、バイポーラ型に比べて制御回路が簡単であり、ドライバ回路が不要な場合があります。
ユニポーラステッピングモータ
ユニポーラ型は、バイポーラ型に比べてコストが低くなる傾向があります。
ユニポーラ型は、バイポーラ型に比べてトルクや精度が若干低くなる場合があります。
バイポーラ型とユニポーラ型の選択は、特定のアプリケーションの要件や制御の複雑さ、コストなどに基づいて行われます。バイポーラ型は、より高いパフォーマンスや精度が求められる場合に適していますが、ユニポーラ型は簡単な制御や低コストを必要とする場合に適しています。
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バイポーラ型ステッピングモーター：
2つのコイルを持ち、4つの端子（2つのコイルの各端子）があります。
駆動にはHブリッジ回路が必要です。Hブリッジは、電流の極性を切り替えることでステッピングモーターを制御します。
バイポーラ型は、モーターの回転方向を制御するために電流の極性を切り替える必要があります。
バイポーラ型は、ユニポーラ型に比べて制御回路が複雑であり、ドライバ回路が必要です。
バイポーラステッピングモータ
バイポーラ型は、より高いトルクと精度を提供する傾向があります。
ユニポーラ型ステッピングモーター：
ユニポーラ型は、バイポーラ型よりも多くの端子（フェーズ）を持ちます。通常は5つまたは6つの端子があります。
ユニポーラ型は、各コイルの中間点に分割されたワイヤ（フェーズ）を持ち、簡単に制御可能です。
ユニポーラ型は、バイポーラ型に比べて制御回路が簡単であり、ドライバ回路が不要な場合があります。
ユニポーラステッピングモータ
ユニポーラ型は、バイポーラ型に比べてコストが低くなる傾向があります。
ユニポーラ型は、バイポーラ型に比べてトルクや精度が若干低くなる場合があります。
バイポーラ型とユニポーラ型の選択は、特定のアプリケーションの要件や制御の複雑さ、コストなどに基づいて行われます。バイポーラ型は、より高いパフォーマンスや精度が求められる場合に適していますが、ユニポーラ型は簡単な制御や低コストを必要とする場合に適しています。
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ステッピングモーターの主な用途・使用例
ステッピングモーターは，日常生活で私たちの目に直接触れることはないものの，さまざまなシーンで私たちの生活を支えてくれる，数多くの「機械の中」で働いています。
実際にどこに使われているのでしょうか？その一部を代表例としてご紹介します。
ロボットで使われるステッピングモーター
人手不足で，機械化や自動化の重要性が年々高まっています。そんな課題を解決する「工場用のロボット」の中で，ステッピングモーターは活躍しています。
その代表例が「スカラロボット（水平多関節ロボット）」です。水平な動きをメインとするスカラロボットは，「搬送・組み立て・ネジ締め」などの比較的単純な作業を得意としています。例えば，チョコレートを専用箱に箱詰めするシーンなどが，イメージしやすいのではないでしょうか。
センサを持たないステッピングモーターも同様に「比較的単純な繰り返し動作」を得意とする特長があります。かつ安価に位置決めを実現できるので，水平の動きをメインとするスカラロボットにもってこいなのです。
一方もう少し複雑な動き（垂直・婉曲）を必要とするロボットには，センサ付きのサーボモーターが使用されます。
このようにステッピングモーターを始めとするモーターたちは，モノづくりにおいて，省人化・品質向上・コストダウンなどの面で，大きな貢献をしています。
3Dプリンタで使われるステッピングモーター
3Dプリンタは，樹脂を吹き付け積層していくことで，「立体（3次元のオブジェクト）を造形する装置」です。思いついたデザインをすべて造形することができるので，よりよいアイディアを創出でき，また開発期間やコストの削減など，モノづくりや建築業界に大きな革新をもたらしました。サグラダ・ファミリア建築において，3Dプリンタを始めとしたIT技術を導入したことにより「工期がなんと150年以上短縮された」ニュースに，驚いた方も多かったのではないでしょうか。
さて，3Dプリンタのどの部分に，ステッピングモーターは使用されているのでしょうか？
答えは，樹脂を吹き付けるノズルの駆動部。下記の図のように，ノズルの位置決めをおこなう際，ステッピングモーターは活躍しています。
3軸（XYZ軸）のモーターを使用することにより，ノズルを「3次元に移動」させ樹脂を蓄積し，3Dオブジェクトを造形します。
複雑な3Dオブジェクトを造形するためには，制御モーターを用いた正確な位置決めが欠かせないのです。
コピー機で使われるステッピングモーター
今や国内だけでも，年間50万台近く出荷される複写機・複合機。ペーパーレスが推奨されているものの，効率的に業務をおこなうためには欠かせない，OA機器の代表です。近頃はコンビニエンスストアでも，スマートフォンのデータを出力できるなどの多機能なコピー機が増え，便利さを感じられている方も多いかと思います。
さて「情報を読み取り，紙に出力する」という，とてもシンプルな動作。その行程のどこに，ステッピングモーターは使われているのでしょうか？
こちらはみなさまのご想像の通りかもしれません。「原稿スキャン」の動作，「紙送り」の動作で，ステッピングモーターは力を発揮しています。
まず原稿スキャンの動作。滑らかに歪みなく原稿を読み取るために，制御・位置決めをおこなっています。次に紙送りの動作。コピー機の内部には「紙送り用のローラー」が複数使用されています。そのローラーを動かし，紙を「素早く正確に」送るのが，ステッピングモーターの役割です。
プリントミスをすることなく，歪みのないきれいなコピーをするために，ステッピングモーターが活躍しています。
基板検査装置で使われるステッピングモーター
先に基板検査装置とはどういった機械か？をご紹介いたします。基盤検査装置とは，文字のままにはなりますが「基板」を「検査」する装置です。私たちの身の回りの電気製品や自動車には全て「電子基板」が使われています。電子基板に多数の電子部品を集約し，相互に働くことによって製品は正常な動作をおこなっています。
その基板に少しでも不具合があれば（例えばハンダの一部がショートする），製品は動くことができません。その不具合を回避するために，検査をおこなう際使用するのが「基板検査装置」です。
基板検査は「印刷工程検査」「マウント工程検査」「リフロー工程検査」などの複数の工程があり，従来は人間の目で検査をおこなっていました。しかし基板の小型化や人手不足により，「基板検査装置」を用いた検査の役割が大きくなっています。
そんな基板検査装置のどの部分で，ステッピングモーターは働いているのでしょうか。それは，「基板位置を合わせる幅寄せ」の部分です。少しわかりにくいと思いますので，下の図を使ってご紹介します。基板はベルトに乗って，各行程の検査を経て次の行程に送られます。その際基板の「位置がずれてしまったり，角度が曲がってしまったり」しては，正確な検査をすることができません。ステッピングモーターは幅寄せの位置を制御することによって，「ピッタリと整列した状態」で基板を検査に回す働きをしています。
自動改札機で使われるステッピングモーター
駅で切符を通す際の自動改札機でも，ステッピングモーターは使われています。
使用箇所は，乗車券を挿入口から出口まで運ぶ「搬送部分」です。自動改札機の内部は搬送用ベルトを使って，乗車券を搬送していますが，そのベルトはステッピングモーターの動力を使って動いています。朝などのラッシュ時には混雑の原因とならないよう，入口から出口まで「1秒以内」に搬送する必要があります。また正確に出口で動きを止めることで，ピッタリと手元に乗車券を届けることができます。
線材加工機で使われるステッピングモーター
線材加工機とは，線材線を加工するための機械です。
線材は，線のように細長い鋼材のことで，針金のようなものをイメージしていただければ分かりやすいかもしれません。その線材を「長さを切る」「先端の被覆を向く」「ねじってワイヤーにする」「ネジ・バネにする」などさまざまな加工をする機械が，線材加工機です。
ステッピングモーターは線材加工機の「線材の送り部分」に使われています。下の図のように，加工部まで必要な長さの線材を送ります。ステッピングモーターが重宝されている理由としては，ステッピングモーターの「定速で回転する」特長を生かすことで，線材を緩めずに加工部まで送れることがあげられます。
スロットマシンで使われるステッピングモーター
みなさまの身近な存在でもある，「遊戯ゲーム」にも，意外な所で多くのステッピングモーターが使用されています。その代表例が「スロットマシン」です。スロットマシンの一体どこに，ステッピングモーターが使用されているのでしょうか？
答えは「リール」です。リールとは，スロットの3つの絵柄が並ぶ部分のことで，スロットゲームの「正に主役」とも言える部分です。プレーヤーがボタンを押したタイミングに合わせて，リールは「決められた位置にピタッと止まり」ます。その動きを実現する際に，ステッピングモーターは働いています（下図）。スロットゲームをしながらドキドキするのも，ハラハラするのも，実はステッピングモーターが一躍買っているのですね。
クレーンゲームで使われるステッピングモーター
続いてもう１つだけ，遊戯ゲームで使われているステッピングモーターをご紹介します。それは「クレーンゲームのアーム部分」です。
アームを前後左右に「移動」させたり，景品を掴む際に「開閉」させたりする動きは，ステッピングモーターで生み出しています。こちらもまた，クレーンゲームの醍醐味と言える部分を，ステッピングモーターが担っています。ボタンから手を離した瞬間，アームが「時差なくピタッと止まる」のも，景品を掴んだ時の，落ちるか落ちないかの「ギリギリの握力を演出」しているのも，実はステッピングモーターだったりします。
このように，産業用の機械だけでなく，身近な楽しい部分でもステッピングモーターは活躍しています。
監視カメラで使われるステッピングモーター
私たちの街の安全を，日々守ってくれている監視カメラ。その中にもステッピングモーターは，人知れず力を発揮しています。どの部分で働いているのか，それはカメラの「可動部分（首振り部分）」です。監視カメラはその性質上，上下左右だけでなく，時には360°の監視が要求される製品もあります。ステッピングモーターはその移動・位置決めに使われることが多くなります。ただし，ステッピングモーターは「低速回転時に振動が大きくなってしまう」という弱点があるので，低速機（ギヤ）を使用するか，サーボモーターに置き換えるなどの対策が必要になる場合があります。
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ロボットで使われるステッピングモーター
人手不足で，機械化や自動化の重要性が年々高まっています。そんな課題を解決する「工場用のロボット」の中で，ステッピングモーターは活躍しています。
その代表例が「スカラロボット（水平多関節ロボット）」です。水平な動きをメインとするスカラロボットは，「搬送・組み立て・ネジ締め」などの比較的単純な作業を得意としています。例えば，チョコレートを専用箱に箱詰めするシーンなどが，イメージしやすいのではないでしょうか。
センサを持たないステッピングモーターも同様に「比較的単純な繰り返し動作」を得意とする特長があります。かつ安価に位置決めを実現できるので，水平の動きをメインとするスカラロボットにもってこいなのです。
一方もう少し複雑な動き（垂直・婉曲）を必要とするロボットには，センサ付きのサーボモーターが使用されます。
このようにステッピングモーターを始めとするモーターたちは，モノづくりにおいて，省人化・品質向上・コストダウンなどの面で，大きな貢献をしています。
3Dプリンタで使われるステッピングモーター
3Dプリンタは，樹脂を吹き付け積層していくことで，「立体（3次元のオブジェクト）を造形する装置」です。思いついたデザインをすべて造形することができるので，よりよいアイディアを創出でき，また開発期間やコストの削減など，モノづくりや建築業界に大きな革新をもたらしました。サグラダ・ファミリア建築において，3Dプリンタを始めとしたIT技術を導入したことにより「工期がなんと150年以上短縮された」ニュースに，驚いた方も多かったのではないでしょうか。
さて，3Dプリンタのどの部分に，ステッピングモーターは使用されているのでしょうか？
答えは，樹脂を吹き付けるノズルの駆動部。下記の図のように，ノズルの位置決めをおこなう際，ステッピングモーターは活躍しています。
3軸（XYZ軸）のモーターを使用することにより，ノズルを「3次元に移動」させ樹脂を蓄積し，3Dオブジェクトを造形します。
複雑な3Dオブジェクトを造形するためには，制御モーターを用いた正確な位置決めが欠かせないのです。
コピー機で使われるステッピングモーター
今や国内だけでも，年間50万台近く出荷される複写機・複合機。ペーパーレスが推奨されているものの，効率的に業務をおこなうためには欠かせない，OA機器の代表です。近頃はコンビニエンスストアでも，スマートフォンのデータを出力できるなどの多機能なコピー機が増え，便利さを感じられている方も多いかと思います。
さて「情報を読み取り，紙に出力する」という，とてもシンプルな動作。その行程のどこに，ステッピングモーターは使われているのでしょうか？
こちらはみなさまのご想像の通りかもしれません。「原稿スキャン」の動作，「紙送り」の動作で，ステッピングモーターは力を発揮しています。
まず原稿スキャンの動作。滑らかに歪みなく原稿を読み取るために，制御・位置決めをおこなっています。次に紙送りの動作。コピー機の内部には「紙送り用のローラー」が複数使用されています。そのローラーを動かし，紙を「素早く正確に」送るのが，ステッピングモーターの役割です。
プリントミスをすることなく，歪みのないきれいなコピーをするために，ステッピングモーターが活躍しています。
基板検査装置で使われるステッピングモーター
先に基板検査装置とはどういった機械か？をご紹介いたします。基盤検査装置とは，文字のままにはなりますが「基板」を「検査」する装置です。私たちの身の回りの電気製品や自動車には全て「電子基板」が使われています。電子基板に多数の電子部品を集約し，相互に働くことによって製品は正常な動作をおこなっています。
その基板に少しでも不具合があれば（例えばハンダの一部がショートする），製品は動くことができません。その不具合を回避するために，検査をおこなう際使用するのが「基板検査装置」です。
基板検査は「印刷工程検査」「マウント工程検査」「リフロー工程検査」などの複数の工程があり，従来は人間の目で検査をおこなっていました。しかし基板の小型化や人手不足により，「基板検査装置」を用いた検査の役割が大きくなっています。
そんな基板検査装置のどの部分で，ステッピングモーターは働いているのでしょうか。それは，「基板位置を合わせる幅寄せ」の部分です。少しわかりにくいと思いますので，下の図を使ってご紹介します。基板はベルトに乗って，各行程の検査を経て次の行程に送られます。その際基板の「位置がずれてしまったり，角度が曲がってしまったり」しては，正確な検査をすることができません。ステッピングモーターは幅寄せの位置を制御することによって，「ピッタリと整列した状態」で基板を検査に回す働きをしています。
自動改札機で使われるステッピングモーター
駅で切符を通す際の自動改札機でも，ステッピングモーターは使われています。
使用箇所は，乗車券を挿入口から出口まで運ぶ「搬送部分」です。自動改札機の内部は搬送用ベルトを使って，乗車券を搬送していますが，そのベルトはステッピングモーターの動力を使って動いています。朝などのラッシュ時には混雑の原因とならないよう，入口から出口まで「1秒以内」に搬送する必要があります。また正確に出口で動きを止めることで，ピッタリと手元に乗車券を届けることができます。
線材加工機で使われるステッピングモーター
線材加工機とは，線材線を加工するための機械です。
線材は，線のように細長い鋼材のことで，針金のようなものをイメージしていただければ分かりやすいかもしれません。その線材を「長さを切る」「先端の被覆を向く」「ねじってワイヤーにする」「ネジ・バネにする」などさまざまな加工をする機械が，線材加工機です。
ステッピングモーターは線材加工機の「線材の送り部分」に使われています。下の図のように，加工部まで必要な長さの線材を送ります。ステッピングモーターが重宝されている理由としては，ステッピングモーターの「定速で回転する」特長を生かすことで，線材を緩めずに加工部まで送れることがあげられます。
スロットマシンで使われるステッピングモーター
みなさまの身近な存在でもある，「遊戯ゲーム」にも，意外な所で多くのステッピングモーターが使用されています。その代表例が「スロットマシン」です。スロットマシンの一体どこに，ステッピングモーターが使用されているのでしょうか？
答えは「リール」です。リールとは，スロットの3つの絵柄が並ぶ部分のことで，スロットゲームの「正に主役」とも言える部分です。プレーヤーがボタンを押したタイミングに合わせて，リールは「決められた位置にピタッと止まり」ます。その動きを実現する際に，ステッピングモーターは働いています（下図）。スロットゲームをしながらドキドキするのも，ハラハラするのも，実はステッピングモーターが一躍買っているのですね。
クレーンゲームで使われるステッピングモーター
続いてもう１つだけ，遊戯ゲームで使われているステッピングモーターをご紹介します。それは「クレーンゲームのアーム部分」です。
アームを前後左右に「移動」させたり，景品を掴む際に「開閉」させたりする動きは，ステッピングモーターで生み出しています。こちらもまた，クレーンゲームの醍醐味と言える部分を，ステッピングモーターが担っています。ボタンから手を離した瞬間，アームが「時差なくピタッと止まる」のも，景品を掴んだ時の，落ちるか落ちないかの「ギリギリの握力を演出」しているのも，実はステッピングモーターだったりします。
このように，産業用の機械だけでなく，身近な楽しい部分でもステッピングモーターは活躍しています。
監視カメラで使われるステッピングモーター
私たちの街の安全を，日々守ってくれている監視カメラ。その中にもステッピングモーターは，人知れず力を発揮しています。どの部分で働いているのか，それはカメラの「可動部分（首振り部分）」です。監視カメラはその性質上，上下左右だけでなく，時には360°の監視が要求される製品もあります。ステッピングモーターはその移動・位置決めに使われることが多くなります。ただし，ステッピングモーターは「低速回転時に振動が大きくなってしまう」という弱点があるので，低速機（ギヤ）を使用するか，サーボモーターに置き換えるなどの対策が必要になる場合があります。
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ステッピングモータの基本特性
今回は、ステッピングモータの基本特性について説明します。
ステッピングモータの基本特性
この図は、ステッピングモータのトルクと速度の関係を示したものです。縦軸がトルク、横軸はパルスレートです。パルスレートは駆動用パルスの周波数のことで、ステッピングモータでは周波数：Hzの代わりにパルスレート：pps（pulses per second）を使うのが一般的です。青の曲線は「引き込みトルク特性」、黄色は「脱出トルク特性」を表しています。
以下、各特性の説明です。
■引き込みトルク特性
引き込みトルク特性は、起動トルク特性とも呼ばれ、停止状態のモータが起動できる周波数（パルスレート）と負荷トルクの関係を示しています。引き込みトルク曲線内の領域は「自起動領域」と呼ばれ、起動、停止、逆転が可能な領域です。また、負荷トルクがゼロ＝モータを起動できる限界になる周波数を「最大自起動周波数」と言います。グラフが示すように、周波数が高くなるに連れ起動可能な負荷トルクは低下します。
■脱出トルク特性
脱出トルク特性は、連続特性、スルートルク特性とも呼ばれます。自起動後に負荷トルクを増加していったときに、回転を継続できる周波数を示しています。したがって、引き込みトルク特性より高い値になります。モータが連続動作できる限界を「最大連続動作周波数」と言います。引き込みトルク特性同様に、脱出トルク特性もパルス周波数が高くなると負荷トルクは低下します。
■ホールディングトルク
ステッピングモータは、通電状態で停止しているときに外から力が加わっても、ロータとステータ間の吸引力によって停止位置を保持しようとします。この保持力をホールディング（保持）トルクと呼びます。上図では、動作周波数（パルスレート）がゼロ、つまり停止状態のトルクとして示されています。
ちなみに、ステッピングモータのトルクが動作周波数が高くなると低下するのは、巻線のインダクタンスによって高周波数では電流が流れにくくなるためです。
また、ステッピングモータの引き込みトルク特性と脱出トルク特性は、励磁方法と駆動回路によって違ってきます。したがって、ステッピングモータの特性検討には、駆動方法と回路を含めた全体的な評価が必要です。
キーポイント
・引き込みトルク特性は、起動トルク特性とも呼ばれ、停止状態のモータが起動できる周波数（パルスレート）と負荷トルクの関係を示している。
・引き込みトルク曲線内の領域は「自起動領域」と呼ばれ、起動、停止、逆転が可能な領域。
・負荷トルクがゼロ＝モータを起動できる限界になる周波数を「最大自起動周波数」と言う。
・脱出トルク特性は、連続特性、スルートルク特性とも呼ばれ、自起動後に負荷トルクを増加していったときに、回転を継続できる周波数を示しているおり、引き込みトルク特性より高い値になる。
・モータが連続動作できる限界を「最大連続動作周波数」と言う。
・引き込みトルク特性および脱出トルク特性ともに、パルス周波数が高くなると負荷トルクは低下する。
・ホールディングトルクは、通電状態で停止しているときに外から力が加わっても停止位置を保持しようとする力。
・引き込みトルク特性と脱出トルク特性は、励磁方法と駆動回路によって違ってくる。
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ステッピングモータの基本特性
この図は、ステッピングモータのトルクと速度の関係を示したものです。縦軸がトルク、横軸はパルスレートです。パルスレートは駆動用パルスの周波数のことで、ステッピングモータでは周波数：Hzの代わりにパルスレート：pps（pulses per second）を使うのが一般的です。青の曲線は「引き込みトルク特性」、黄色は「脱出トルク特性」を表しています。
以下、各特性の説明です。
■引き込みトルク特性
引き込みトルク特性は、起動トルク特性とも呼ばれ、停止状態のモータが起動できる周波数（パルスレート）と負荷トルクの関係を示しています。引き込みトルク曲線内の領域は「自起動領域」と呼ばれ、起動、停止、逆転が可能な領域です。また、負荷トルクがゼロ＝モータを起動できる限界になる周波数を「最大自起動周波数」と言います。グラフが示すように、周波数が高くなるに連れ起動可能な負荷トルクは低下します。
■脱出トルク特性
脱出トルク特性は、連続特性、スルートルク特性とも呼ばれます。自起動後に負荷トルクを増加していったときに、回転を継続できる周波数を示しています。したがって、引き込みトルク特性より高い値になります。モータが連続動作できる限界を「最大連続動作周波数」と言います。引き込みトルク特性同様に、脱出トルク特性もパルス周波数が高くなると負荷トルクは低下します。
■ホールディングトルク
ステッピングモータは、通電状態で停止しているときに外から力が加わっても、ロータとステータ間の吸引力によって停止位置を保持しようとします。この保持力をホールディング（保持）トルクと呼びます。上図では、動作周波数（パルスレート）がゼロ、つまり停止状態のトルクとして示されています。
ちなみに、ステッピングモータのトルクが動作周波数が高くなると低下するのは、巻線のインダクタンスによって高周波数では電流が流れにくくなるためです。
また、ステッピングモータの引き込みトルク特性と脱出トルク特性は、励磁方法と駆動回路によって違ってきます。したがって、ステッピングモータの特性検討には、駆動方法と回路を含めた全体的な評価が必要です。
キーポイント
・引き込みトルク特性は、起動トルク特性とも呼ばれ、停止状態のモータが起動できる周波数（パルスレート）と負荷トルクの関係を示している。
・引き込みトルク曲線内の領域は「自起動領域」と呼ばれ、起動、停止、逆転が可能な領域。
・負荷トルクがゼロ＝モータを起動できる限界になる周波数を「最大自起動周波数」と言う。
・脱出トルク特性は、連続特性、スルートルク特性とも呼ばれ、自起動後に負荷トルクを増加していったときに、回転を継続できる周波数を示しているおり、引き込みトルク特性より高い値になる。
・モータが連続動作できる限界を「最大連続動作周波数」と言う。
・引き込みトルク特性および脱出トルク特性ともに、パルス周波数が高くなると負荷トルクは低下する。
・ホールディングトルクは、通電状態で停止しているときに外から力が加わっても停止位置を保持しようとする力。
・引き込みトルク特性と脱出トルク特性は、励磁方法と駆動回路によって違ってくる。
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ステッピングモータの駆動技術
ステッピングモータの色々な駆動制御
オープンループ制御
ステッピングモータは入力する指令パルス列信号に応じてコイル電流を順次切り替え一定角度ごと回転します。 この特長を最大に利用した制御方法がオープンループ制御です。
オープンループ制御の欠点
・ロータ固定停止状態では磁気によりロータが固定されるので大きな静止トルクが得られますが、コイルに電流が流れ続け発熱損失が大きい。
・高速回転、急加速、急減速などの急運転は、脱調して制御できません。
クローズループ制御
オープンループ制御の欠点を改善するテクニックとして、 エンコーダを付けロータの現在位置情報と速度情報をフィードバックし、 指令パルス列との誤差を補正しながら駆動制御する仕組み。 システムはオープンループ制御に比べ複雑になりますが、信頼性の高い高い精度の位置決めが可能です。 また、位置固定時にもDCサーボモータの様に電流が流れ続けないないので発熱も少なくなりますし 脱調しにくいので高速回転や急激な挙動運転も可能になります。
欠点は、エンコーダや位置、速度サーボ制御回路を必要するため、 回路システムが複雑になり、コストが高くなります。
駆動テクニック
ステッピングモータの駆動方法は、電磁コイルを用いた機構であり DCモータと同様に定電圧駆動方式と定電流駆動方式の2種類が利用できます。
定電流制御が一般的
より高品位な運転では、ステッピングモータ駆動は定電流制御が適しています。 ダイレクトパルス入力による定電圧駆動方式は、回路構成が簡単ですが、 電源変動や負荷変動、高速域においてトルク特性が得にくく、脱調し易い欠点があります。
一方、定電流駆動方式は現在最も広く使用されている駆動方式で、 安定なトルク特性が得られる特徴があります。
定電流PWMチョッピング駆動方式
電流検出抵抗RFでモータコイル電流を電圧VRFとして検出し、基準電圧VREFと比較します。 検出したVRFがVREFより高くなれば、ドライブ回路をOFFしPWM Timerで設定された時間が経過した後に、 再度、ドライブ回路がONし、コイルに電流が流れます。 つまり、VREFで設定した電圧で定電流制限する制御を行う仕組みです。 この方式を定電流PWMチョッピング方式といいます。
定電流値は、次式で設定します。
IRF(A) ＝ VREF(V) ÷ RF(Ω)
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skysmotor.comはブラシレスDCモータと平行軸ギヤードモータなどを販売している専門的なオンラインサプライヤーです。お客様に競争力のある価格、または効率的なサービスを提供しております。
オープンループ制御
ステッピングモータは入力する指令パルス列信号に応じてコイル電流を順次切り替え一定角度ごと回転します。 この特長を最大に利用した制御方法がオープンループ制御です。
オープンループ制御の欠点
・ロータ固定停止状態では磁気によりロータが固定されるので大きな静止トルクが得られますが、コイルに電流が流れ続け発熱損失が大きい。
・高速回転、急加速、急減速などの急運転は、脱調して制御できません。
クローズループ制御
オープンループ制御の欠点を改善するテクニックとして、 エンコーダを付けロータの現在位置情報と速度情報をフィードバックし、 指令パルス列との誤差を補正しながら駆動制御する仕組み。 システムはオープンループ制御に比べ複雑になりますが、信頼性の高い高い精度の位置決めが可能です。 また、位置固定時にもDCサーボモータの様に電流が流れ続けないないので発熱も少なくなりますし 脱調しにくいので高速回転や急激な挙動運転も可能になります。
欠点は、エンコーダや位置、速度サーボ制御回路を必要するため、 回路システムが複雑になり、コストが高くなります。
駆動テクニック
ステッピングモータの駆動方法は、電磁コイルを用いた機構であり DCモータと同様に定電圧駆動方式と定電流駆動方式の2種類が利用できます。
定電流制御が一般的
より高品位な運転では、ステッピングモータ駆動は定電流制御が適しています。 ダイレクトパルス入力による定電圧駆動方式は、回路構成が簡単ですが、 電源変動や負荷変動、高速域においてトルク特性が得にくく、脱調し易い欠点があります。
一方、定電流駆動方式は現在最も広く使用されている駆動方式で、 安定なトルク特性が得られる特徴があります。
定電流PWMチョッピング駆動方式
電流検出抵抗RFでモータコイル電流を電圧VRFとして検出し、基準電圧VREFと比較します。 検出したVRFがVREFより高くなれば、ドライブ回路をOFFしPWM Timerで設定された時間が経過した後に、 再度、ドライブ回路がONし、コイルに電流が流れます。 つまり、VREFで設定した電圧で定電流制限する制御を行う仕組みです。 この方式を定電流PWMチョッピング方式といいます。
定電流値は、次式で設定します。
IRF(A) ＝ VREF(V) ÷ RF(Ω)
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ロボットの動きの仕組み
ここまで説明しましたロボットの歯みがきの仕組みをまとめてみましょう。
【必要な装置】
（１）センサ系
：周辺をみる装置（カメラ）
：つかんだときの力を測る装置（圧力センサ）
（２）制御系
：物の形・色・力などを判断する装置（コンピュータ）
（３）駆動系
：腕と手など，物をつかむ装置（アーム・モータ）
【必要な機能】
（１）もの（歯ブラシ・歯みがきチューブ）を探す
「探す」は、「みる」「判断」「動作」の三つの機能から構成されています。
▼みる：カメラで周辺をみる。
▼判断：カメラのデータを調べて，対象となるものと，形・色が一致するかどうかを判断し，腕や指に命令を送る。※必要なデータは、歯ブラシの形，歯みがきチューブなどの形状，青，赤などの基本な色
▼動作：判断が一致したら対象のものの方向へ腕を伸ばしつかむ。
（２） もの（歯ブラシ・はみがきチューブ）を持ち上げる
「持ち上げる」は、「触る」「判断」「動作」の三つの機能から構成されます。
▼触る：指で歯ブラシの柄やチューブに触れ，つかむ力を測る。
▼判断：つかむ力が適当かどうかを判断し，指・腕に命令を送る。
※必要なデータ－ブラシの柄やチューブをつかむのに適当な力（圧力）
▼動作：判断に応じて指の力を強めたり弱めたりしながら腕でものを持ち上げる。
同様に，カメラと圧力センサ，腕や指の機構とコンピュータがあれば，チューブから歯みがきを出すなどの動作はできそうですが，複雑な動作になればなるほどそれを実現するのは容易ではありません。
また，例えば，誰かがいたずらをして，歯みがきチューブの代わりに形も色も似たような練りわさびチューブを置いたとしましょう。人間でしたら，口にブラシを入れる前に，わさび特有のつんとするにおいで，あるいは口に入れてからでも，わさびと歯みがきの味の違いはすぐにわかるでしょう。しかし，においを感じたり，味を感じたりする仕組みのないロボットでは，そのまま歯みがきを続けるしかありません。これを避けるために，ロボットには更に次のような仕組みが必要となります。
（３）においを判断する
においを判断するには、次の三つの機能が必要です。
▼かぐ：においセンサを歯みがきに近づけにおいを測る。
▼判断：においが歯みがきかそれとも他のものかを判断する。
▼動作：においが歯みがきであれば歯みがき動作を続ける。そうでなければ歯みがき中止する。
以上のように，人間は，日常生活の中で色，におい，力など様々な情報を外部から取り入れ，それに基づいて判断を行い，次の動作を決めています。現在のロボットはそのほんの一握りの部分ができるだけなのです。
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【必要な装置】
（１）センサ系
：周辺をみる装置（カメラ）
：つかんだときの力を測る装置（圧力センサ）
（２）制御系
：物の形・色・力などを判断する装置（コンピュータ）
（３）駆動系
：腕と手など，物をつかむ装置（アーム・モータ）
【必要な機能】
（１）もの（歯ブラシ・歯みがきチューブ）を探す
「探す」は、「みる」「判断」「動作」の三つの機能から構成されています。
▼みる：カメラで周辺をみる。
▼判断：カメラのデータを調べて，対象となるものと，形・色が一致するかどうかを判断し，腕や指に命令を送る。※必要なデータは、歯ブラシの形，歯みがきチューブなどの形状，青，赤などの基本な色
▼動作：判断が一致したら対象のものの方向へ腕を伸ばしつかむ。
（２） もの（歯ブラシ・はみがきチューブ）を持ち上げる
「持ち上げる」は、「触る」「判断」「動作」の三つの機能から構成されます。
▼触る：指で歯ブラシの柄やチューブに触れ，つかむ力を測る。
▼判断：つかむ力が適当かどうかを判断し，指・腕に命令を送る。
※必要なデータ－ブラシの柄やチューブをつかむのに適当な力（圧力）
▼動作：判断に応じて指の力を強めたり弱めたりしながら腕でものを持ち上げる。
同様に，カメラと圧力センサ，腕や指の機構とコンピュータがあれば，チューブから歯みがきを出すなどの動作はできそうですが，複雑な動作になればなるほどそれを実現するのは容易ではありません。
また，例えば，誰かがいたずらをして，歯みがきチューブの代わりに形も色も似たような練りわさびチューブを置いたとしましょう。人間でしたら，口にブラシを入れる前に，わさび特有のつんとするにおいで，あるいは口に入れてからでも，わさびと歯みがきの味の違いはすぐにわかるでしょう。しかし，においを感じたり，味を感じたりする仕組みのないロボットでは，そのまま歯みがきを続けるしかありません。これを避けるために，ロボットには更に次のような仕組みが必要となります。
（３）においを判断する
においを判断するには、次の三つの機能が必要です。
▼かぐ：においセンサを歯みがきに近づけにおいを測る。
▼判断：においが歯みがきかそれとも他のものかを判断する。
▼動作：においが歯みがきであれば歯みがき動作を続ける。そうでなければ歯みがき中止する。
以上のように，人間は，日常生活の中で色，におい，力など様々な情報を外部から取り入れ，それに基づいて判断を行い，次の動作を決めています。現在のロボットはそのほんの一握りの部分ができるだけなのです。
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ステッピングモータの長所と短所
ステッピングモータの動作原理を理解したところで、他のモータ種類と比較した長所と短所をまとめておくと便利です。
長所
•ステッピングモータは内部構造により、モータの位置を検出するセンサが不要です。モータは「ステップ」を行って動くので、そのステップを数えるだけで、その時点でのモータの位置を求めることができます。
•さらに、ステッピングモータの制御は非常に簡単です。モータはドライバを必要としますが、正しく動作するための複雑な計算や調整を必要としません。一般的には制御の労力は、他のモータと比較して低くなります。マイクロステッピングにより、最大約0.007°の高い位置精度を達成できます。
•ステッピングモータは、低速で良好なトルクを提供し、位置を保持するのに最適であり、また寿命が長い傾向があります。
短所
•負荷トルクが高過ぎると、ステップを逃す可能性があります。これは、モータの実際の位置を知る方法がないため、制御に悪影響を及ぼします。ステッピングモータでマイクロステッピングを使用すると、この問題がさらに発生し易くなります。
•モータは、静止している状態でも常に最大電流を消費します。これにより、効率が低下して過熱が発生する可能性があります。
•ステッピングモータはトルクが小さく、高速ではかなりの音を発生します。
•最後に、ステッピングモータは電力密度が低く、トルク-イナーシャ比が低いです。
要約すると、ステッピングモータは安価で制御しやすいソリューションが必要な場合や、高速での効率や高トルクが必要のない場合に適しています。
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skysmotor.comは精密遊星ギアボックスモータと中空ステッピングモータなどを販売している専門的なオンラインサプライヤーです。お客様に競争力ある価格、または効率的なサービスを提供しております。
長所
•ステッピングモータは内部構造により、モータの位置を検出するセンサが不要です。モータは「ステップ」を行って動くので、そのステップを数えるだけで、その時点でのモータの位置を求めることができます。
•さらに、ステッピングモータの制御は非常に簡単です。モータはドライバを必要としますが、正しく動作するための複雑な計算や調整を必要としません。一般的には制御の労力は、他のモータと比較して低くなります。マイクロステッピングにより、最大約0.007°の高い位置精度を達成できます。
•ステッピングモータは、低速で良好なトルクを提供し、位置を保持するのに最適であり、また寿命が長い傾向があります。
短所
•負荷トルクが高過ぎると、ステップを逃す可能性があります。これは、モータの実際の位置を知る方法がないため、制御に悪影響を及ぼします。ステッピングモータでマイクロステッピングを使用すると、この問題がさらに発生し易くなります。
•モータは、静止している状態でも常に最大電流を消費します。これにより、効率が低下して過熱が発生する可能性があります。
•ステッピングモータはトルクが小さく、高速ではかなりの音を発生します。
•最後に、ステッピングモータは電力密度が低く、トルク-イナーシャ比が低いです。
要約すると、ステッピングモータは安価で制御しやすいソリューションが必要な場合や、高速での効率や高トルクが必要のない場合に適しています。
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ステッピングモーターの基本構造と作動原理について
ステッピングモーターは電気パルス信号が角変移また線変移のオープンループ制御用のステッピングモーター部品が転化して、モーターコイルを施す電気パルス順序、頻度、及び数量を控えることによって、ステッピングモーターの転向、速度と回転角度が制御できる。直線運動で実行構造やギアボックス装置を配置して、もっと複雑に精密なリニアを制御する要求には達することができる。
ステッピングモーターは前後エンドカバー、ベアリング、中心軸、回転鉄心、固定子鉄心、固定子組立部品、スペーサー、螺子などの部品から構成される。ステピングモーターがステッピング器とも呼ばれて、電磁学原理を利用して、電能が機械能に転化されて、モーター固定子が巻き付いているコイルによって、駆動してきる。一般的な場合では、一本のコイルの針金は螺子管ともいう。モーター中で、固定子歯槽が巻きついている針金はワインディング、コイルまた相とも呼ばれる。
作動原理
ステッピングモーターは外来の制御パルスと方向信号、内部の論理電路を通して、ステッピングモーターのワインディングの控えには固定な順方向または逆方向に通電させ、モーターが順方向か逆方向に回転またはロックするように制御する。
1.8度二相ステッピングモーターが例として、二相ワインディングが電励磁を通す時に、モーター輸出軸は静止したりロックオンしたりする。定格電流のもとで、モーターに最大なトルクをロックオンさせることは保持トルクである。その一つの相のワインディングの電流が変更をすれば、モーターは固定な方向に沿って、一歩（1.8度）が回転する。同じことだが、他の相のワインディンの電流が変更をすれば、モーターは前者と逆方向に一歩（1.8度）が回転する。コイルワインディングを通す電流は次第に励磁を変更する時に、モーターが固定な方向の沿って、連続に回転して、運行精度が非常な高い。1.8度二相ステッピングモーターなら一周を回転することには200歩が必要である。
二相ステッピンクモーターはバイポーラステッピングモータとユニポーラステッピングモータという2つのワインディング形式がある。バイポーラステッピングモータの相で一つのワインディングコイルだけがある。モーターが連続に回転する時に、電流は同じなコイル中で次第に励磁を変更して、駆動電路デザインは八つの電子スイッチが必要で、順序に換える。
ユニポーラステッピングモータの相では2つの相反の極性ワインディングコイルがあって、モーターが連続に回転する時に、同じな相の2つのワインディングコイルだけを換えて電励磁をする。駆動電路デザインで四つの電子スイッチしか必要としない。バイポーラ駆動模式下で、相のワインディングコイルは100％励磁であるため、バイポーラ駆動模式下でモーターの輸出トルクはユニポーラ駆動模式より40％を高める。
出典： ステッピングモーターの基本構造と作動原理について
ステッピングモーターは前後エンドカバー、ベアリング、中心軸、回転鉄心、固定子鉄心、固定子組立部品、スペーサー、螺子などの部品から構成される。ステピングモーターがステッピング器とも呼ばれて、電磁学原理を利用して、電能が機械能に転化されて、モーター固定子が巻き付いているコイルによって、駆動してきる。一般的な場合では、一本のコイルの針金は螺子管ともいう。モーター中で、固定子歯槽が巻きついている針金はワインディング、コイルまた相とも呼ばれる。
作動原理
ステッピングモーターは外来の制御パルスと方向信号、内部の論理電路を通して、ステッピングモーターのワインディングの控えには固定な順方向または逆方向に通電させ、モーターが順方向か逆方向に回転またはロックするように制御する。
1.8度二相ステッピングモーターが例として、二相ワインディングが電励磁を通す時に、モーター輸出軸は静止したりロックオンしたりする。定格電流のもとで、モーターに最大なトルクをロックオンさせることは保持トルクである。その一つの相のワインディングの電流が変更をすれば、モーターは固定な方向に沿って、一歩（1.8度）が回転する。同じことだが、他の相のワインディンの電流が変更をすれば、モーターは前者と逆方向に一歩（1.8度）が回転する。コイルワインディングを通す電流は次第に励磁を変更する時に、モーターが固定な方向の沿って、連続に回転して、運行精度が非常な高い。1.8度二相ステッピングモーターなら一周を回転することには200歩が必要である。
二相ステッピンクモーターはバイポーラステッピングモータとユニポーラステッピングモータという2つのワインディング形式がある。バイポーラステッピングモータの相で一つのワインディングコイルだけがある。モーターが連続に回転する時に、電流は同じなコイル中で次第に励磁を変更して、駆動電路デザインは八つの電子スイッチが必要で、順序に換える。
ユニポーラステッピングモータの相では2つの相反の極性ワインディングコイルがあって、モーターが連続に回転する時に、同じな相の2つのワインディングコイルだけを換えて電励磁をする。駆動電路デザインで四つの電子スイッチしか必要としない。バイポーラ駆動模式下で、相のワインディングコイルは100％励磁であるため、バイポーラ駆動模式下でモーターの輸出トルクはユニポーラ駆動模式より40％を高める。
出典： ステッピングモーターの基本構造と作動原理について
