ステッピングモーター の原理・仕組み・種類・用途を紹介

本ガイドでは、ステッピングモーターの動作を説明した後、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用途について説明します。

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、ステッピングモーターは、電流が相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（そして本質的に同じ）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、正確な動きを伝達するために使用されています。

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、定義された回転位置、速度、トルクを保証する機能を持つため、厳格な動作制御を必要とする作業に最適で、保持やは位置決め用途で最も一般的に使用されています。

通常のブラシ付きDCモーターでは、端子に電圧が印加され、固定磁石のハウジング（「マグネットケース」）内でコイルを高速回転させます。

この仕組みでは、回転するコイル（「ローター」）が電磁石となり、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、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、モーター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。

このタイプの欠点は、電力が遮断されるま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動作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、仕組みが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電流を、中心軸の周囲で回転する歯車状の部品の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停止させることもできます。

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、既定の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用途で非常に役立ちます。

一般的な3Dプリンタ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プリンターでステッピングモータを使用することで、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する際に、非常に精密で正確な動作や回転を実行することができるためです。

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プリンタは複数のステッピングモータを内蔵しています。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搭載されており、フィラメントを引き込み、印刷期間全体を通じて一貫して均等な材料を機械に供給するために使用されます。

ステッピングモーターは、ほとんどの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、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、これは古い知識であり、今日では必ずしも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、最新の機器は汎用性が高く、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、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からで、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部品よりも故障しやすい部品です。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。

ステッピングモーターは、コンピュータープログラミングスキルの基礎を学ぶ愛好家向けに、Raspberry Pi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ごく一般的な周辺機器です。

Raspberry Piのスターターキットは通常、簡単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、自分のスキルを高め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、一般的に捉えられています。ステッピングモーターをいくつか順番につなげることで、ホビイストたち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、RS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接続できる、安価な5Vバージョンから始めることができます。

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画像の歪みを防止することができます。

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システムで使用するための機能を他にも備えています。

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、用途は様々に存在し、購入する際には、どの構成がどのような種類の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、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。