検索キーワード履歴
      • 発行日 2023年10月31日
      • 最終変更日 2023年10月31日
    • 1

    ステッピングモータ完全ガイド

     ステッピングモーターガイド

    本ガイドは、AI、オートメーション、制御についてより詳しくご紹介する産業用オートメーションハブの一部です。

    本ガイドでは、ステッピングモーターがどのように動作するのかを簡単に説明した後、市販されている一般的なステッピングモーターの例と、ステッピングモーターが最適な日常的な役割について説明します。

    ステッピングモーターとは?

    ステッピングモーターはブラシレス同期DCモーターの一種で、他の多くの標準的な電気モーターとは異なり、直流電圧が遮断されるまで任意の回転数だけ回転し続けるわけではありません。

    ステッピングモーターは、精密な始動と停止を行うためのデジタル入出力デバイスの一種です。ステッピングモーターは、電流が相ごとに並んだコイルに流れる構造になっており、このコイルを順番にオン/オフすることができます。これにより、モーターは一度に数分の一回転することができ、これらの個々のあらかじめ決められた位相は「ステップ」と呼ばれます。

    ステッピングモーターは、1つの全回転を、より小さな(そして本質的に等しい)いくつもの部分回転に分割するように設計されています。実用的な目的では、ステッピングモーターに設定された度数や回転角度を移動するよう指示するために、これらを使用することができます。その結果、ステッピングモーターは、高度な精度を必要とする機械部品に、微細で正確な動きを伝達するために使用することができます。

    ステッピングモーターは一般的にデジタル制御され、オープンループのモーションコントロール位置決めシステムの主要部品として機能します。ステッピングモーターは、より明確に定義された回転位置、速度、トルクを主張する能力により、極めて厳格な動作制御を必要とするタスクに理想的に適しており、保持または位置決め用途で最も一般的に使用されています。

    ステッピングモーターの仕組み

    通常のブラシ付きDCモーターでは、電圧が端子に印加され、それによって固定磁石ハウジング(「ステーター」)内でワイヤーコイルが速度で回転します。

    このセットアップでは、回転するワイヤーコイル(「ローター」)が事実上電磁石となり、おなじみの磁気の引力と斥力の原理に基づいてモーターの中心で高速回転します。

    ブラシ(電気接点)と整流子として知られる回転式電気スイッチの組み合わせにより、ワイヤーコイルに流れる電流の方向を素早く交互に変えることができます。これにより、アセンブリに十分な電圧が供給されている限り、ローターコイルが一方向に回転し続けます。

    このタイプのモーターの潜在的な欠点は、電力が遮断されるまで任意の回転数で連続回転することです。このため、モータの正確な停止点を制御することが非常に難しく、より精密な制御を必要とする用途には不向きです。モーターへの電源のオン・オフを手動で制御しても、微細で正確な動作を行うために必要なスタートストップ精度を得ることはできません。

    ステッピングモーターでは、セットアップはまったく異なります。ステッピングモーターは、固定された磁石のハウジング内で回転するワイヤーコイルローターの代わりに、中心で回転する一連の「歯付き」電磁石の周囲に配置された固定ワイヤーハウジング(この場合はステーター)で作られています。

    ステッピングモーターは、ステッピングモータードライバーによって制御されるパルス状の電流を中心軸の周囲で回転する歯車状の部品の正確な1ステップの動きに変換します。

    ステッピングモーターの各パルスは、ローターを正確に固定された1回転の増分で動かします。電流がモーター外周に順番に配置されたワイヤーコイル間で切り替わるため、回転部は必要に応じて全回転または部分回転を行うことができ、また、回転のいずれかのステップで極めて急速に停止させることもできます。

    結局のところ、通常のDCブラシ付きモーターに対するステッピングモーターの本当の強みは、既知の再現可能な位置や間隔に素早く位置決めし、その位置を必要なだけ長く保持できることです。このため、ロボット工学や印刷などの高精度アプリケーションで非常に役立ちます。

    ステッピングモーターの種類

    日本で販売されているステッピングモーターには数多くの種類があり、それぞれの機能を知ることで、どの種類があなたの考えている用途に最も適しているかを判断することができます。

    バイポーラ型ステッピングモーター

    バイポーラ型ステッピングモーター

    バイポーラ型ステッピングモーターには、Hブリッジ回路を使用して相を流れる電流を反転させるオンボード・ドライバーが搭載されています。極性を交互に変えながら相に通電することで、すべてのコイルがモーターを回転させることができます。

    実用的には、これは、標準的なユニポーラ型ステッピングモーター(一度にワイヤーコイルの50%しか使用しない)よりも、バイポーラの方がコイル巻線がよりよく利用されることを意味し、バイポーラ型ステッピングモーターの方がより強力で効率的に動作します。バイポーラ型ステッピングモーターは、技術的には駆動がより複雑ですが、必要な命令や動作の大部分を処理する内蔵ドライバーチップが付属している傾向があります。

    ユニポーラ型ステッピングモーターは、ステッピング機能を実行するために電流の流れを反転させる必要がないため、内部電子回路がよりシンプルで安価に製造できます。

    バイポーラ型ステッピングモーター製品を見る

    Hybrid stepper motor

    ハイブリッドステッピングモーター

    ハイブリッドステッピングモーターは、ハーフステッピングやマイクロステッピングなどの技術により、さらに精度を高めることができます。マイクロステッピングは、コイルに交互の正弦/余弦波形を送るようにドライバーをプログラムすることで、モーター内の固定ステップ数を増やす方法です。これにより、ステッピングモーターは標準的なセットアップよりもスムーズで正確に動作するように設定できます。

    ハイブリッドステッパーモーターは通常、マグネットローターの外側の2つの異なるカップにオフセットされた極または歯を持ちます。これはまた、ステップと回転をより正確に制御できることを意味し、標準的なステッピングモーターよりも静かな動作、高いトルク対サイズ比、大きな出力速度を提供します。

    ハイブリッドステッピングモーター製品を見る

    ステッピングモーターは何に使われるのですか?

    ステッピングモーターは、多くの産業や分野で幅広い用途があり、一般的な用途には以下のようなものがあります:

    • コンピューティング
    • ロボット工学
    • カメラ
    • 印刷とスキャン
    • プロセスオートメーションと包装機械
    • 流体制御システムのバルブパイロットステージの位置決め

    このセクションでは、これらの日常的なアプリケーションのいくつかをもう少し詳しく見てみましょう。

    3Dプリンター用ステッピングモーター

    一般的な3Dプリンターのパーツリストには、ほとんどの場合、何らかのステッピングモーターが含まれています。これは、3Dプリンタでステッピングモータを使用することで、プリンタがデジタルスキャンからの情報を物理的な3Dオブジェクトに変換しようとしている間に、非常に正確で正確な動作と回転を実行することができます、非常に正確でコスト効率の高い方法だからです。

    3Dプリンターのステッピングモーターとドライバーは、X軸、Y軸、Z軸の両方を個別に、または同時に、厳密に制御して動かすことができます。つまり、エンコーダーやその他の追加のソフトウェアやセンサーを使用しなくても、極めて正確な動きと位置決めを実現できます。

    ほとんどの3Dプリンターには、複数のステッピングモーターが組み込まれています。ステッピングモーターは通常、造形プラットフォームとフィラメント押出機の両方にあり、フィラメントを引き込み、印刷の全期間を通じて一貫した均一な材料供給を制御するために使用されます。

    CNC用ステッピングモーター

    ステッピングモーターは、ほとんどのタイプのCNC機械に電力を供給するためのサーボモーターに代わる選択肢です。CNC用途には、工場や製造現場で、あらかじめプログラムされたコンピュータソフトウェアが工作機械の操作や物理的な動きを制御する、非常に幅広い製造工程が含まれます。

    CNC用途におけるステッピングモーターは、サーボモーターよりも「安価な」代替品として見られることが多いのですが、これは古い技術の知識に基づく単純化しすぎであり、今日では必ずしも厳密に正確ではありません。ステッピングモーターは確かに、同じ出力でサーボモーターよりも安価ですが、最新のバージョンは汎用性が高い傾向にあります。その結果、ステッピングモーターは、工作機械からデスクトップ・コンピューターや自動車に至るまで、はるかに一般的に利用できるようになり、より幅広い機械やシステムで見られるようになりました。

    CNCステッピングモーターはまた、エンコーダーを必要としないという点で、サーボモーターよりも非常に重要な利点があります。サーボモーターは、ステッピングモーターよりも本質的に理解するのも操作するのも複雑です。この複雑さの一因は、エンコーダーが含まれているという事実で、エンコーダーは、信頼性の高いサーボモーターのほとんどのコンポーネントよりも故障しやすいのです。ステッピングモーターはエンコーダーを必要としないため、理論的にはサーボモーターよりも信頼性が高くなります。

    さらに、ステッピングモーターは(サーボモーターとは異なり)ブラシレスモーターであるため、ベアリングが正常に作動していれば、定期的な交換は必要ありません。

    Raspberry Pi用ステッピングモーター

    ステッピングモーターは、基本的なコンピュータープログラミング・スキルの基礎を学ぶ家庭の愛好家向けに、ラズベリーパイのシングルボードコンピューティングモジュールに追加するための極めて一般的な周辺機器です。

    Raspberry Piのスターターキットは通常、非常に素朴な構成で販売されており、個々のユーザーが好きなパーツを好きな順番で追加し、Pythonなどのプログラミング言語を使って新しいコンポーネントの制御を学び、自分のスキルセットを増やしていくというものです。

    Raspberry Piのユーザーコミュニティでは、小型で安価なステッピングモーターの操作と制御を学ぶことは、LEDのオン/オフサイクルやその他の単純なスイッチやブザーの制御を学んだ後の論理的な次のステップとして、非常に一般的に捉えられています。事実上、これらのステッピングモーターををいくつか順番につなげることで、家庭のホビイストは簡単でプログラム可能なロボットを作り始めることができます。

    このような用途に適したステッピングモーターは、英国市場で多数販売されており、Raspberry Piマザーボード上のヘッダーで簡単にインターフェイスできる、非常に安価な5Vバージョンから始めることができます。

    カメラ用ステッピングモーター

    ステッピングモーターは、ハイエンドカメラ技術のさまざまな用途で広く使用されています。レンズ内オートフォーカスや絞り設定などの極めて精密な内部制御にも、セキュリティカメラや遠隔監視システムのハウジングや外部機構にも使用されています。

    特に、ステッピングモーターとモーター駆動のカメラスライダーは、カメラ位置決めリグの非常にスムーズな操作を可能にします。つまり、セキュリティ機器から撮影された映像は、視野の周囲でカメラが物理的に動くことによって引き起こされる潜在的に問題のある画像の歪みから確実に保護されます。

    ステッピングモーターは、静止状態でのフルトルク、すべての動作入力に対する極めて正確で即時の応答時間、あらかじめ決められた動作の一貫した再現性、固定されたステップサイズによって定義されるシンプルなオープンループ制御など、カメラやビデオ監視の位置決めシステムで使用するための魅力的な特徴を他にもいくつか備えています。

    概要

    ステッピングモーターは、非常に汎用性が高く、信頼性が高く、コスト効率が高く、正確なモーターの動きを制御する方法です。そのため、ステッピングモーターは、オートメーションとコントロールギアという、より幅広いカテゴリーにおいて、重要かつ広く使用されているサブセットを形成しています。

    ステッピングモーターのブランド、サイズ、定格トルク、設計スタイル、および意図されたアプリケーションは、英国および世界中で非常に多く販売されているため、購入を計画する際には、どの構成がどのような種類のユーザー環境に最も適しているかを正確に把握することが不可欠です。

    ステッピングモーターの購入や使用に関する詳細な情報やアドバイス、サーボモーター、その他のモーター、またはオートメーションや制御機器全般に関するお問い合わせは、当社のカスタマーサポートチームまでお気軽にご連絡ください。

    ステッピングモーターの注目ブランド

    以下のリンクをクリックして、当社の最も人気のあるブランドのステッピングモーター製品をご覧ください。

    もっと知る

    さまざまな種類のモーターの詳細を知りたい場合や、産業用オートメーションハブをチェックしたい場合は、以下のリンクをクリックしてください。