JPH07236299A - 鉄心モータ装置及び鉄心モータの駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 励磁巻線に発生するキックバック電圧を遅ら
せ、励磁巻線に本来の駆動電流が流れ易くしてトルクリ
ップルを小さくし、高トルクを実現する。 【構成】 鉄心モータと駆動回路５１とを備える。駆動
回路５１は、鉄心モータの２相のコイル２１，２２への
通電の相切り換えによって、２相のコイル２１，２２に
発生する位相の異なる逆起電圧の位相情報に基づいて駆
動制御信号を生成する。駆動回路５１は、２相のコイル
２１，２２への通電の相切り換えによって、通電がオフ
されるコイル２１又は２２に発生する逆起電圧を、通電
がオフされるコイル２１又は２２に接続されているスイ
ッチング素子のオフになるタイミングを所定時間遅延さ
せることによって短絡させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄心モータ装置及びそ
の駆動制御方法に関し、特に、複数の励磁巻線への通電
の相切り換えにより回転子を回転させる鉄心モータを備
えた鉄心モータ装置及びその制御駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータは、駆動信号にパル
ス信号を用い、１個のパルス信号毎に一定の角度ずつ回
転子を回転駆動する。従って、ステッピングモータは、
単位時間当たりに供給する駆動パルスの数を制御すると
によって回転速度を制御することができる。

【０００３】ステッピングモータとして、円筒状をなす
永久磁石からなる回転子の外周に、複数の励磁用のコイ
ルからなる固定子を配置して構成したものが知られてい
る。このステッピングモータを構成する回転子は、周回
り方向に一定の回転角毎に着磁の方向を変えた複数の着
磁部が設けられている。一方、固定子は、回転子の各着
磁部に対向して歯が設けられ、これら歯に例えば２相の
コイルを構成する励磁コイルが巻回されている。そし
て、各励磁コイルへの通電の相切り換えを行うことによ
って、回転子の回転が行われる。

【０００４】ところで、ステッピングモータの駆動方法
として、各相を構成するコイルの一方にのみ電流を流し
て駆動するユニポーラ駆動方法と、各相を構成するコイ
ルに交互に方向を切り換えて電流を流すことによって駆
動するバイポーラ駆動方法が知られている。

【０００５】ここで、２相のステッピングモータをバイ
ポーラ駆動させるための従来の駆動回路を図１を用いて
説明する。この図１に示す駆動回路１は、２相のコイル
にパルス状の駆動電流（以下、駆動パルスという。）を
流して回転子を回転させる駆動部２と、駆動部２の駆動
タイミングを制御する駆動制御部３とを備えている。こ
の駆動制御部３は、各相のコイルの両端にそれぞれ発生
する逆起電圧を検出する逆起電圧検出部４と、逆起電圧
検出部４からの信号に基づいて駆動部２を制御するタイ
ミング信号を出力する駆動ロジック部５とから構成され
る。そして、駆動回路１は、コイルに発生する逆起電
圧、すなわち電気角θに対する各相のコイルの磁束密度
φの変化ｄφ／ｄθに基づいて、回転子と各コイルとの
相対的な位置情報を求め、この位置情報に基づいた駆動
パルスを生成してステッピングモータを駆動するように
なっている。

【０００６】具体的には、回転子が回転すると、回転子
の着磁部からのコイルＣ_A ，Ｃ_B を通る磁束が変化し、
各コイルＣ_A 及びＣ_B の磁束密度の変化ｄφ_A ／ｄθ及
びｄφ_B ／ｄθは、図２中の（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに、π／２の位相差を有する関係となる。

【０００７】そして、コイルに発生する逆起電圧は、磁
束密度の変化に比例する。すなわち、図２中の（ｃ）に
示すように、Ａ相のコイルＣ_A には、図２の（ｃ）中の
Ｖ_Aで示すような逆起電圧が発生し、Ｂ相のコイルＣ_B
には、図２の（ｃ）中のＶ_Bで示すような逆起電圧が発
生する。また、回転子を逆方向に回転すると、図２中の
（ｃ）に示すように、Ａ相のコイルＣ_A には、図２の
（ｃ）中のＶ_A ’で示すような逆起電圧が発生し、Ｂ相
のコイルＣ_B には、図２の（ｃ）中のＶ_B ’で示すよう
な逆起電圧が発生する。そこで、逆起電圧検出回路４で
は、逆起電圧のゼロクロス位置Ｐ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、・・
・を、例えば差動増幅回路を用いて検出することによっ
て、位置情報の検出が行われる。そして、この位置情報
に基づいてコイルＣ_A 及びＣ_B への通電が行われる。

【０００８】具体的に、例えばＡ相のコイルＣ_A への通
電を行うための印加電圧Ｖ₀ は、通常、図２の（ｄ）に
示すように、ゼロクロス位置Ｐ₁ （電気角π／２）を中
心にπ／４ずつ相前後したものとなっている。したがっ
て、駆動ロジック部５は、逆起電圧検出回路４で検出さ
れた位置情報に基づいて、π／４で立ち上がり、３π／
４で立ち下がるタイミング信号を生成して、駆動部２に
供給し、駆動部２は、このタイミング信号に同期した駆
動電圧Ｖ₀ をコイルＣ_A に印加する。この印加電圧Ｖ₀
に応じてＡ相のコイルＣ_A に流れる電流Ｉ_A は、図２の
（ｅ）に示す如き波形となる。また、Ｂ相のコイルＣ_B
への通電も、Ａ相のコイルＣ_A への通電と同様に行われ
る。この場合、コイルＣ_B への通電角は、コイルＣ_A へ
の通電角に対してπ／２遅れたものである。

【０００９】上述したように、各相のコイルＣ_A 及びＣ
_B への逆起電圧を検出することによって、位置情報を検
出することにより、駆動回路１は位置情報を検出するた
めのホール素子の如き位置センサを用いことなく、正確
にステッピングモータを駆動させることができる。

【００１０】ここで、駆動部２の動作について説明す
る。

【００１１】図１に示した駆動部２の１つのコイルに対
する基本的な構成は、図３の（ａ）で表される。そし
て、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ４を同時に
オン状態にすると、励磁電流Ｉ_A がトランジスタＴｒ
１、コイルＣ、トランジスタＴｒ４を通って流れる。こ
の励磁電流Ｉ_A は、前述したＡ相のコイルＣ_A に流れる
電流である。次に、トランジスタＴｒ１とトランジスタ
Ｔｒ４をオフ状態とした後に、トランジスタＴｒ２とト
ランジスタＴｒ３を同時にオン状態にすると、励磁電流
Ｉ_A と逆方向の励磁電流がトランジスタＴｒ３、コイル
Ｃ、トランジスタＴｒ２を通って流れる。この動作を繰
り返すことにより、ステッピングモータのバイポーラ駆
動が行われる。

【００１２】ところで、上述のようにトランジスタＴｒ
１とトランジスタＴｒ４が同時にオフ状態となったとき
には、コイルＣに逆起電圧（いわゆるキックバック電
圧）Ｖ_K が発生する。このコイルＣのインダクタンスに
起因した逆起電圧Ｖ_K によりトランジスタが破壊されな
いように、図３の（ａ）に示すように、各トランジスタ
Ｔｒ１〜Ｔｒ４のコレクタとエミッタ間にそれぞれ還流
ダイオードＤ₁ 〜Ｄ₄ が配設されている。そして、この
逆起電圧Ｖ_K による還流電流ｉ（ｔ）が還流ダイオード
Ｄ₂ 、コイルＣ、還流ダイオードＤ₃ を介して流れる。
このときの還流電流ｉ（ｔ）の流れを示す等価回路は、
図３の（ｂ）に示すように表される。すなわち、スイッ
チＳ_W がオンで励磁電流Ｉ_A が流れている状態におい
て、スイッチＳ_W をオフ状態とすると、コイルＣの逆起
電圧Ｖ_K に起因した還流電流ｉ（ｔ）が流れる。この還
流電流ｉ（ｔ）は、ダイオードの順方向電圧降下を
Ｖ_f 、ダイオードのオン抵抗をｒ₀ 、コイルのインダク
タンスをＬ、その内部内部抵抗をＲ_m とすると、

【００１３】

【数１】

【００１４】で表される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】２相のステッピングモ
ータを、コイルＣ_A 及びＣ_B に互いに位相がπ／２ずれ
た駆動パルスを供給してステップ駆動させたとき、図１
に示す駆動回路１において、Ａ相のコイルＣ_A 及びＢ相
のコイルＣ_B にそれぞれ流れる電流Ｉ_CA、Ｉ_CBを同時に
表すと、図４の（ａ）に示すようになる。また、Ａ相の
コイルＣ_A の両端の電圧であるコイル電圧Ｖの波形は、
図４の（ｂ）に示すようになる。そして、Ａ相のコイル
Ｃ_A に逆起電圧Ｖ_K が発生すると、図４の（ａ）の電流
波形に示すように、この逆起電圧Ｖ_K により、トランジ
スタＴｒ２及びＴｒ３をオン状態にしたとき、Ａ相のコ
イルＣ_A に流れる電流が阻害される。すなわち、この逆
起電圧Ｖ_K が低下しない限り、コイルＣ_A に流れるべき
本来の励磁電流が流れないことになる。換言すると、従
来の鉄心モータ装置では、インダクタンスによる電流の
落込みをカバーすることができず、この逆起電圧が発生
した際にトルクリップルＴｒ_I が発生してしまう。この
結果、ステッピングモータは、トルクリップルＴｒ_I に
より回転トルクを低下させてしまう。

【００１６】そこで、本発明は、上述したような問題点
を解決し得る新規な鉄心モータ装置及びその駆動制御方
法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鉄芯モータ
装置は、鉄心モータと駆動制御回路とから構成されてい
る。鉄心モータは、鉄心に巻回された２相のコイルへの
通電の相切り換えに応じて電磁誘導により一定角度ずつ
回転子を回転駆動する。駆動制御回路は、２相のコイル
への通電の相切り換えによって、２相のコイルに発生す
る位相の異なる逆起電圧の位相情報に基づいて駆動制御
信号を生成する。駆動制御回路は、２相のコイルへの通
電の相切り換えによって、通電がオフされるコイルに発
生する逆起電圧を、通電がオフされるコイルに接続され
ているスイッチング素子のオフになるタイミングを所定
時間遅延させることによって短絡させる。

【００１８】また、本発明に係る鉄芯モータ装置は、鉄
心モータと駆動制御回路とを備える。鉄心モータは、鉄
心に巻回された複数の励磁巻線への通電の相切り換えに
応じて電磁誘導により一定角度ずつ回転子を回転駆動す
る。駆動制御回路は、相切り換えにより通電がオフされ
る励磁巻線に発生するキックバック電圧を、この励磁巻
線に接続されるスイッチング素子がオフになるタイミン
グを遅らせることにより短絡させる。

【００１９】さらに、本発明は、鉄心に巻回された２相
のコイルへの通電の相切り換えに応じて電磁誘導により
一定角度ずつ回転子を回転駆動する鉄心モータの駆動制
御方法である。この駆動制御方法は、２相のコイルへの
通電の相切り換えによって、２相のコイルに発生する位
相の異なる逆起電圧の位相情報に基づいて駆動制御信号
を得、２相のコイルへの通電の相切り換えによって、通
電がオフされるコイルに発生する逆起電圧を、通電がオ
フされコイルに接続されているスイッチング素子のオフ
になるタイミングを所定時間遅延させることによって短
絡させる。

【００２０】

【作用】本発明によれば、相切り換えにより通電がオフ
される励磁巻線に発生する逆起電圧をこの励磁巻線に接
続されるスイッチング素子がオフになるタイミングを遅
延させることによって、駆動電流を流れ易くしてトルク
リップルを小さくし、インダクタンスの大きなモータで
あっても高いトルクを有するようにすることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明に係る鉄芯モータ装置の具体的
な実施例を図面を参照して説明する。

【００２２】まず、本発明に係る鉄心モータ装置を構成
する鉄心モータを説明する。この鉄心モータは、複数の
極歯ヨークを交互に噛み合わせるように嵌合して形成し
た固定子を備えるいわゆるクローポール型のステッピン
グモータに適用したものである。

【００２３】このステッピングモータは、マグネットを
回転子１０に用いるものであって、図５に示すように、
回転軸１１の外周囲に円筒状に形成したマグネット１２
を嵌合配設した回転子１０を備えている。この回転子１
０を構成するマグネット１２は、周回り方向に交互に着
磁方向を逆にして複数の着磁部１２ａが設けられてい
る。この例にあっては、１２個の着磁部１２ａが設けら
れている。また、円筒状のマグネット１２の内周側に
は、回転軸１１への取付け部材としてのスリーブ１１ａ
が取付けられている。そして、マグネット１２は、スリ
ーブ１１ａを回転軸１１に密嵌させることによって、回
転軸１１に一体的に取付けられる。

【００２４】一方、固定子１３は、図６に示すように、
第１及び第２の極歯ヨーク１４，１５を組み合わせて形
成した第１のヨーク１６と、第１及び第２の極歯ヨーク
１４，１５を組み合わせて形成した第２のヨーク１７と
を備えている。これら第１及び第２のヨーク１６，１７
には、マグネット１２の各着磁部１２ａに対応する極歯
１４ａ，１５ａが設けられる。

【００２５】そして、第１の極歯ヨーク１４は、図６に
示すように、リング状をなすフランジ部１８を備え、こ
のフランジ部１８の内周側から複数、具体的には６つの
極歯１４ａが等間隔で周回り方向に立ち上がり形成され
ている。これら極歯１４ａは、先端側に向かって先細り
状をなし、さらに内周側に向かって幅狭になるように形
成されている。各極歯１４ａ間に形成される間隙は、第
２の極歯ヨーク１５に形成された極歯１５ａが嵌合する
嵌合部となされる。

【００２６】また、第２の極歯ヨーク１５も、リング状
をなすフランジ部１９を備え、このフランジ部１９の内
周側から複数、具体的には６つの極歯１５ａが等間隔で
周回り方向に立ち上がり形成されている。これら極歯１
５ａも、先端側に向かって先細り状をなし、さらに内周
側に向かって幅狭になるように形成されている。そし
て、各極歯１５ａ間に形成される間隙は、第１の極歯ヨ
ーク１４に形成された極歯１４ａが嵌合する嵌合部とな
される。この第２の極歯ヨーク１５のフランジ部１９に
は、後述するように、固定子１３を構成する第１及び第
２のコイル２１，２２への給電を行うための給電線を構
成するフレキシブル配線基板２３を支持する突片２４が
一体に突設されている。

【００２７】そして、第１の極歯ヨーク１４には、この
極歯ヨーク１４の全体を覆うようにして合成樹脂がモー
ルド成形されることによって、円筒状に巻回された第１
又は第２のコイル２１，２２が嵌合配設されるボビン２
５が一体に形成されている。このボビン２５には、全体
をもって筒状に突設された極歯１４ａ部分に第１又は第
２のコイル２１，２２が嵌合される筒状をなすコイル嵌
合部２６が構成され、フランジ部１８部分に上支持板２
７又は下支持板２８が構成されている。

【００２８】極歯１４ａ部分に構成されるコイル嵌合部
２６の内周側部分は、極歯１４ａに対応する形状となさ
れ、各極歯１４ａの被覆部２９間に第２の極歯ヨーク１
５の極歯１５ａが嵌合される極歯嵌合部３０が形成され
ている。なお、被覆部２９は、相対嵌合される第１の極
歯ヨーク１４の極歯１４ａと第２の極歯ヨーク１５の極
歯１５ａとの間の電気的な絶縁を図る。

【００２９】そして、第１及び第２の極歯ヨーク１４及
び１５は、極歯１４ａ及び１５ａを対向させ、互いの極
歯１４ａ及び１５ａを噛み合わせように、すなわち、互
いの極歯１４ａ、１５ａに他方の極歯１４ａ、１５ａが
位置するようにして相対嵌合することによって第１及び
第２のヨーク１６及び１７を形成する。このように第１
及び第２の極歯ヨーク１４及び１５を相対嵌合すること
によって、周回り方向にマグネット１２の各着磁部１２
ａに第１の極歯ヨーク１４の極歯１４ａと第２の極歯ヨ
ーク１５の極歯１５ａが交互に対向させる第１及び第２
のヨーク１６及び１７が構成される。

【００３０】また、第１及び第２のヨーク１６及び１７
は、図５に示すように、第２の極歯ヨーク１５のフラン
ジ部１９を互いに突き合わせるようにして重ね合わせら
れる。

【００３１】そして、ボビン２５に嵌合配設される第１
及び第２のコイル２１，２２は、給電線を構成するフレ
キシブル配線基板２３上に取付けられることによって、
互いの電気的な接続が図られる。このフレキシブル配線
基板２３は、図６に示すように、配線パターン２３ａが
延在された接続扞３１の両端にリング状をなすコイル取
付け部３２，３３を形成している。そして、第１及び第
２のコイル２１，２２は、図６に示すように、配線パタ
ーン２３ａへの電気的な接続が図られて各コイル取付け
部３２，３３上に取付けられる。なお、第１及び第２の
コイル２１，２２の各コイル取付け部３２，３３への取
付けは、各コイル２１，２２と配線パターン２３ａとの
間を電気的な接続を図る導電性の接着剤、さらには他の
接着剤を用いて行われる。

【００３２】フレキシブル配線基板２３上に取付けられ
た第１及び第２のコイル２１，２２は、図５に示すよう
に、各コイル取付け部３２，３３側をそれぞれ第２の極
歯ヨーク１５，１５のフランジ部１９，１９上に重ね合
わせるようにして、極歯１５ａ，１５ａの外周囲に嵌合
される。このとき、フレキシブル配線基板２３の接続扞
３１は、各コイル取付け部３２，３３を対向させるよう
に折り返され、図５に示すように、互いに突き合わせら
れた第２の極歯ヨーク１５，１５に設けられた突片２
４，２４の両面に亘って巻き付けられるように延在され
る。この突片２４，２４上に延在する接続扞３１の一部
には、配線パターン２３ａの一部が外方に臨まされ、後
述す駆動回路に接続される給電線が接続される。

【００３３】なお、フレキシブル配線基板２３のコイル
取付け部３２，３３は、各コイル２１，２２と第２の極
歯ヨーク１５，１５との間の確実な電気的な絶縁を図る
機能を有する。

【００３４】上述のように構成された回転子１０及び固
定子１３は、図５に示すように円筒状に形成されたモー
タケース３５内に順次組み込まれてことによってステッ
ピングモータが組み立てられる。

【００３５】以下においてステッピングモータを組み立
てる手順を説明する。

【００３６】まず、モータケース３４の底面側に固定子
１３を構成する第２のヨーク１７側の第１の極歯ヨーク
１４を収納配設する。このとき、第１の極歯ヨーク１４
は、フランジ部１８の外周縁に切欠き形成された一対の
係合溝３５，３５を、モータケース３４の内周面に高さ
方向に亘って突設された位置決め用の一対の突条部３
６，３６に係合させて収納される。第１の極歯ヨーク１
４は、係合溝３５，３５を突条部３６，３６に係合させ
て収納されることから、モータケース３４内に収納方向
が規制されて配置される。

【００３７】次いで、第１及び第２のヨーク１６，１７
を構成する互いに突き合わせられ、第１及び第２のコイ
ル２１，２２が嵌合配設された第２の極歯ヨーク１５，
１５をモータケース３４内に収納する。このとき、第２
の極歯ヨーク１５，１５は、フランジ部１９，１９の外
周縁に切欠き形成された一対の係合溝３７，３７を突条
部３６，３６に係合させて収納されることにより、モー
タケース３４内に収納方向が規制されて配置される。こ
のように第２の極歯ヨーク１５，１５のモータケース３
４に対する収納方向が規制されることから、第２のヨー
ク１７側の第２の極歯ヨーク１５は、モータケース３４
内に配置されたとき、各極歯１５ａを第１の極歯ヨーク
１４の極歯１４ａ間に嵌合されて第１の極歯ヨーク１４
と一体化されて第２のヨーク１７を構成する。

【００３８】第２の極歯ヨーク１５，１５がモータケー
ス３４内に収納されたとき、第２の極歯ヨーク１５，１
５に突設された突片２４，２４は、モータケース３４の
周壁を切り欠いて形成した切欠き部３８を介してモータ
ケース３４の外方に突出される。従って、突片２４，２
４上に延在されたフランジ配線基板２３の接続扞３１
も、モータケース３４の外方に臨まされる。

【００３９】なお、第２のヨーク１７側の第１の極歯ヨ
ーク１４と第２の極歯ヨーク１５，１５は、互いに組み
合わせられ一体化された状態でモータケース３４内に収
納するようにしてもよい。

【００４０】次に、第２のヨーク１７側の第１の極歯ヨ
ーク１４と第２の極歯ヨーク１５，１５に挿通するよう
にして、回転子１０をモータケース３４内に組み込む。
このとき、回転子１０を構成する回転軸１１の一端部１
１ｂは、図７に示すように、第２のヨーク１７を構成す
る第１の極歯ヨーク１４のフランジ部１８部分に形成さ
れる下支持板２８の中心部に設けられた軸受を構成する
焼結メタル軸受３９に支持される。

【００４１】なお、回転子１０は、第２のヨーク１７側
の第１の極歯ヨーク１４と第２の極歯ヨーク１５，１５
を収納する前にモータケース３４内に収納するようにし
てもよい。

【００４２】次に、第１のヨーク１６側の第１の極歯ヨ
ーク１４をモータケース３４の開口端側に嵌合するよう
にしてこのモータケース３４内に収納する。このとき、
第１の極歯ヨーク１４のフランジ部１８の外周縁に切欠
き形成された一対の係合溝４０，４０を突条部３６，３
６に係合させて嵌合されることにより、モータケース３
４に対する収納方向が規制されて取付けられる。このよ
うに第１の極歯ヨーク１４は、モータケース３４に対す
る収納方向が規制されることから、モータケース３４内
に配置されたとき、各極歯１４ａを第２の極歯ヨーク１
５の極歯１５ａ間に嵌合させて第２の極歯ヨーク１５と
一体化されて第１のヨーク１６を構成する。

【００４３】第１のヨーク１６側の第１の極歯ヨーク１
４がモータケース３４の開口端側に嵌合配設されると
き、回転子１０を構成する回転軸１１の他端部１１ｃ側
は、第１のヨーク１６を構成する第１の極歯ヨーク１４
のフランジ部１８部分に形成される上支持板２７の中心
部に穿設された貫通孔４２を介してモータケース３４の
外方に突出される。なお、回転軸１１の他端部１１ｃ側
の中途部は、図７に示すように、貫通孔４２内に設けら
れた軸受を構成する焼結メタル軸受４３を介して回転自
在に支持される。

【００４４】そして、モータケース３４の開口端側に嵌
合配設され第１のヨーク１６側の第１の極歯ヨーク１４
は、モータケース３４の開口端側をかしめることによっ
てモータケース３４に固定される。第１のヨーク１６側
の第１の極歯ヨーク１４がモータケース３４に固定され
ることにより、固定子１３がモータケース３４内に位置
決めされて取付けられ、回転子１０が一端部１１ｂ及び
他端側１１ｃの中途部を焼結メタル軸受３９，４３に支
持されてモータケース３４内に回転自在に取付けられる
ことによりステッピングモータが構成される。

【００４５】ここで、上述のように構成された本発明に
係るステッピングモータをバイポーラ駆動させるための
駆動回路を図８を用いて説明する。この図８に示す駆動
回路５１は、第１及び第２（以下、２相という）のコイ
ル２１，２２にパルス状の駆動電流（以下、駆動パルス
という。）を流して回転子１０を回転させる駆動部５２
と、駆動部５２の駆動タイミングを制御する駆動制御部
５３とを備えている。この駆動制御部５３は、各相のコ
イルの両端にそれぞれ発生する逆起電圧を検出する逆起
電圧検出部５４と、逆起電圧検出部５４からの信号に基
づいて駆動部５２を制御するタイミング信号を出力する
駆動ロジック部５５とから構成される。そして、駆動回
路５１は、各コイル２１，２２に発生する逆起電圧、す
なわち電気角θに対する各相のコイルの磁束密度φの変
化ｄφ／ｄθに基づいて、回転子１０と各コイル２１，
２２との相対的な位置情報を求め、この位置情報に基づ
いた駆動パルスを生成してステッピングモータを駆動す
るようになっている。すなわち、この駆動回路５１は、
ステッピングモータをセンサレス駆動するようになって
いる。

【００４６】ここで、駆動部５２の動作について説明す
る。

【００４７】図８に示した駆動部５２の１つのコイルに
対する基本的な構成は、図９の（ａ）で表される。すな
わち、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１３のコレクタは、
電圧がＶ_s の電源に接続されている。トランジスタＴｒ
１のエミッタは、トランジスタＴｒ１２のコレクタに接
続されるとともに、コイルＣの一端側にも接続されてい
る。また、トランジスタＴｒ３のエミッタは、トランジ
スタＴｒ１４のコレクタと接続するととともに、コイル
Ｃの他端側に接続されている。トランジスタＴｒ１２、
Ｔｒ１４のエミッタは接地されている。なお、これらの
トランジスタＴｒ１２、Ｔｒ１４のエミッタは負極性の
電源に接続させるようにしてもよい。

【００４８】そして、トランジスタＴｒ１１とトランジ
スタＴｒ１４を同時にオン状態にすると、励磁電流Ｉ_A
がトランジスタＴｒ１１、コイルＣ、トランジスタＴｒ
１４を通って流れる。この励磁電流Ｉ_A は、Ａ相のコイ
ルＣ_A に流れる電流である。次に、後述するように、ト
ランジスタＴｒ１４をオフ状態とし、それから所定時間
遅らせてトランジスタＴｒ１１をオフ状態とした後、ト
ランジスタＴｒ１２とトランジスタＴｒ１３を同時にオ
ン状態にすると、励磁電流Ｉ_A と逆方向の励磁電流がト
ランジスタＴｒ１３、コイルＣ、トランジスタＴｒ１２
を通って流れる。この動作を繰り返すことにより、ステ
ッピングモータのバイポーラ駆動が行われる。

【００４９】ところで、図９（ａ）に示す回路は、トラ
ンジスタＴｒ４をオフした直後は、図９（ｂ）に示す等
価回路で表される。この等価回路における還流電流につ
いて定量的に計算してみる。

【００５０】ここで、図９（ｂ）の等価回路に使われる
パラメータは、ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_f 、トラ
ンジスタのオン抵抗及びダイオードのオン抵抗をまとめ
た抵抗ｒ₀ 、コイルのインダクタンスＬ、その内部抵抗
Ｒ_m である。また、ダイオードの順方向電圧効果Ｖ
_f は、例えば０．７Ｖとしている。

【００５１】そして、スイッチＳ_W をオフしたときに流
れる還流電流をｉ（ｔ）は、

【００５２】

【数２】

【００５３】という微分方程式（２）で表される。電流
ｉ（ｔ）がゼロより大きい領域について初期値ｉ（０）
＝Ｉ₀ とし、Ｒ＝Ｒ_m ＋ｒ₀ とすると、式（２）は式
（３）となる。

【００５４】

【数３】

【００５５】この式（３）をラプラス変換すると、 Ｒ・Ｉ（ｓ）＋Ｖ_f ／ｓ＋Ｌ・｛ｓ・Ｉ（ｓ）−ｉ
（０）｝＝０ （Ｒ＋Ｌｓ）Ｉ（ｓ）＝Ｌ・ｉ（０）−Ｖ_f ／ｓ

【００５６】

【数４】

【００５７】となる。この式（４）の第２項をラプラス
逆変換できる形、すなわち部分分数の形に変形と、この
第２項の部分分数は、式（５）となる。

【００５８】

【数５】

【００５９】ここで、α，βは式（６）に示す関係を有
する。

【００６０】 α（ｓ＋Ｒ／Ｌ）＋ｓβ＝Ｖ_f ／Ｌ （６） この式（６）のα（ｓ＋Ｒ／Ｌ）＋ｓβ＝Ｖ_f ／Ｌとい
う恒等式が成立するためには、 α＝（Ｖ_f ／Ｌ）・（Ｌ／Ｒ）＝Ｖ_f ／Ｒ （７） β＝−α＝−Ｖ_f ／Ｒ （８） となる。

【００６１】従って、式（４）は、

【００６２】

【数６】

【００６３】となる。この式（９）をラプラス逆変換す
ると、

【００６４】

【数７】

【００６５】となり、ここで、Ｒ_m 》ｒ₀ という関係を
用いて、

【００６６】

【数８】

【００６７】が得られる。

【００６８】一方、図９（ａ）に示すトランジスタＴｒ
１１とトランジスタＴｒ１４を同時にオン状態としたと
きのコイルＣに流れる立ち上がりの電流ｉ（ｔ）は、 ｉ（ｔ）＝Ｅ／Ｒ_m ・｛１−exp（−Ｒ_m ｔ／Ｌ）｝ （１２） である。

【００６９】そして、実際のパラメータ値を、例えば、 電圧Ｅ＝10Ｖ 実際にコイルが有する内部抵抗Ｒ_m ＝20Ω コイルのインダクタンス＝15ｍＨ 着磁極数＝12 定格回転数Ｎ_r ＝1200rpm＝20rps ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_f ＝ 0.7Ｖ として、実際の還流電流ｉ（ｔ）と立ち上がり電流
（ｔ）を求め、これらを時間をずらして合成して表す
と、コイルＣに流れる電流の波形は、図１０（ａ）中の
（○）でプロットしてある曲線で示されているように変
化する。ここで、２相90゜の通電パルス幅Ｔ₀ は、定格
回転数Ｎ_r ＝1200rpm 時には、2.08msec（＝(1/20)/(12
/2)/4 ＝00208sec）であり、時定数τはＬ／Ｒ_m から0.
75msecである。また、図１に示した従来の回路による式
（１）で表される還流電流ｉ（ｔ）の波形は、図１０
（ａ）中の（×）でプロットしてあるような波形にな
る。すなわち、本実施の駆動回路５１では、図中に斜線
で示した分だけ、コイルＣに電流を多く流すことができ
る。

【００７０】また、例えば回転子１０の定格回転数をＮ
_r ＝600rpmにしたときの電流波形を、図１０（ｂ）に示
す。この場合も、本実施の駆動回路５１では、図中に斜
線で示した分だけ、コイルＣに電流を多く流すことがで
きる。なお、これらの図１０（Ａ）及び（ｂ）には、も
う一方の相のコイルに流れる電流を破線で示している。

【００７１】つぎに、図８に示す駆動回路５１におい
て、例えば、式（１１）で求められるコイル２１の還流
電流ｉ（ｔ）と式（１２）で求められるコイル２２の立
ち上がりの電流を加算して、実際の値を代入すると、加
算された電流ｉ_M （ｔ）は、

【００７２】

【数９】

【００７３】となる。そして、２つのコイル２１，２２
に流れる電流のオーバラップ分を考慮して表すと、オー
バラップ区間に対する電流波形ｉ_M （ｔ）は、図１１に
示すようになる。すなわち、コイル２１の還流電流とコ
イル２２の立ち上がりの電流を加えた電流ｉ_M （ｔ）と
しては、ほぼ一定な電流波形が得られる。そして、この
ような還流電流を多く流すためには、図９に示した回路
におけるダイオードＤ₁₃がオフ状態になるまでトランジ
スタＴｒ１１のオン状態を継続させておくとよい。すな
わち、トランジスタＴｒ１１をオン状態からオフ状態へ
の切り換えタイミングを、図１２の模式的なタイミング
チャートが示すように、トランジスタＴｒ１４の切り換
えに比べて時間Ｔ_D だけ遅らせればよい。

【００７４】しかしながら、ステッピングモータのセン
サレス駆動を行うためには、逆起電圧検出部５４で逆起
電圧を検出しなければならない。この遅延時間Ｔ_D が、
定格回転数Ｎ_r 、極数等のパラメータで決められる通電
のパルス幅Ｔ₀ の半分以上あると、図１０（ａ）から明
らかなように逆起電圧のゼロクロス位置の検出ができな
くなる。これにより、ステッピングモータの駆動回路５
１はセンサレス駆動ができなくなってしまう。センサレ
ス駆動も満足しながら還流電流を適正に流すことができ
る遅延時間Ｔ_D は、逆起電圧検出する逆起電圧検出回路
５４の動作のマージンＴ_M も考慮して、 Ｔ_D ＝Ｔ₀ ／２−Ｔ_M （１３） で与えられる。動作のマージンＴ_M が近似的にゼロなら
ば、遅延時間Ｔ_D は、通電のパルス幅Ｔ₀ の半分程度に
なる。

【００７５】具体的には、図８に示す駆動回路５１にお
いて、駆動ロジック部５５からトランジスタＴＲ１１、
ＴＲ１３、ＴＲ１５、ＴＲ１７のゲートに供給する駆動
信号のオン状態からオフ状態への切り換えを、従来のト
ランジスタＴＲ１とトランジスタＴＲ４、トランジスタ
ＴＲ３とトランジスタＴＲ２、トランジスタＴＲ５とト
ランジスタＴＲ８、トランジスタＴＲ７とトランジスタ
ＴＲ６を同時にオン／オフ制御していた場合よりも、遅
延時間Ｔ_D だけ遅らせることにより、キックバック電圧
による電流のパスが、例えばコイル２１に流れる電流に
ついては、トランジスタＴＲ１１、コイル２１、ダイオ
ードＤ₁₃を通るパスとなる。したがって、この駆動回路
５１では、従来の回路に比して、ダイオードの電圧降下
が１段分減ることになる。この１段分減ることによる電
流が還流電流として増えることになる。また、この構成
によって還流ダイオードの使用数量を半分に削減するこ
とができる。

【００７６】また、接地電圧に乗るノイズも低減するこ
とができるので、逆起電力の検出が安定に行え、モータ
の駆動動作を安定化することができる。

【００７７】このようにオーバラップ通電が行われる
と、図１３（ａ）に示すように、ギャップ領域を小さく
することができる。これに応じて駆動回路５１は、図１
３（ｂ）に示すように、コイルの両端の電圧Ｖに発生す
るトルクリップルＴ_RIを低減することができ、同一のス
テッピングモータであっても高いトルクが得られること
になる。

【００７８】以上のように、本実施の駆動回路５１で
は、本来の駆動電流が流れ易くしてトルクリップルを従
来より小さくし、インダクタンスの大きいステッピング
モータであっても高いトルクの特性のモータにでき、ス
テッピングモータの特性を向上させることができる。ま
た、この構成では、還流ダイオードの使用数量を半分に
削減することができるので、製造コストの低減を図るこ
ともできる。

【００７９】さらに、接地電圧に乗るノイズも低減する
ことができるので、逆起電力の検出が安定に行え、モー
タの駆動動作を安定化することができる。

【００８０】

【発明の効果】本発明に係る鉄芯モータ装置では、相切
換えにより通電がオフされる励磁巻線に発生するキック
バック電圧をこの励磁巻線に接続されるスイッチング素
子がオフになるタイミングを遅らせることにより、本来
の駆動電流が流れ易くしてトルクリップルを従来より小
さくし、インダクタンスの大きいステッピングモータで
あっても高いトルクの特性のモータにでき、ステッピン
グモータの特性を向上させることができる。

【００８１】また、２相モータ巻線を用いることによ
り、制御の簡便さを図ることができる。

【００８２】この構成では、還流ダイオードの使用数量
を半分に削減することができるので、製造コストの低減
を図ることもでき、接地電圧に乗るノイズも低減するこ
とができるので、逆起電力の検出が安定に行え、モータ
の駆動動作を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の鉄芯モータ装置における駆動回路の概略
的なブロック回路図である。

【図２】上記鉄芯モータ装置の動作を説明するための各
種波形図である。

【図３】上記駆動回路における一つの相側のコイルを駆
動する駆動部の構成を示す回路図である。

【図４】上記駆動回路からコイルに流れる電流と電圧の
波形を示すが波形図である。

【図５】本発明に係る鉄芯モータの分解斜視図である。

【図６】鉄心モータの固定子を示す分解斜視図である。

【図７】鉄心モータの縦断面図である。

【図８】本発明に係る鉄心モータ装置の駆動回路の概略
的なブロック回路図である。

【図９】上記駆動回路における一つの相側のコイルを駆
動する駆動部の構成を示す回路図である。

【図１０】上記駆動回路がコイルに出力する電流の過渡
応答波形を示す図である。

【図１１】上記駆動回路から出力される電流のオーバラ
ップ区間に対する電流量を示すグラフである。

【図１２】上記駆動回路のトランジスタのオン／オフ状
態とコイルに流れる電流量を説明するタイミングチャー
トである。

【図１３】上記駆動回路からコイルに流れる電流と電圧
の波形を示すが波形図である。

【符号の説明】

１０ 回転子 １１ 回転軸 １２ マグネット １３ 固定子 １６ 第１のヨーク １７ 第２のヨーク ２１ 第１のコイル ２２ 第２のコイル ３５ モータケース ５１ 駆動回路 ５２ 駆動部 ５３ 駆動制御部 ５４ 逆起電圧検出部 ５５ 駆動ロジック部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄心に巻回された２相のコイルへの通電
   の相切り換えに応じて電磁誘導により一定角度ずつ回転
   子が回転駆動する鉄心モータと、 上記２相のコイルに発生する互いに位相の異なる逆起電
   圧の位相情報に基づいて駆動制御信号を生成する駆動制
   御手段とを備え、 上記駆動制御手段は、２相のコイルへの通電の相切り換
   えによって、上記通電がオフされるコイルに発生する逆
   起電圧を、上記通電がオフされるコイルに接続されてい
   るスイッチング素子のオフになるタイミングを所定時間
   遅延させることによって短絡させることを特徴とする鉄
   心モータ装置。
2. 【請求項２】 上記駆動制御手段による上記所定時間Ｔ
   _D は、上記２相のコイルにするパルス幅をＴ_O 、逆起電
   圧を検出するためのマージンをＴ_M としたとき、 Ｔ_D ＝Ｔ_O ／２−Ｔ_M で与えられることを特徴とする請求項１記載の鉄心モー
   タ装置。
3. 【請求項３】 上記駆動制御手段による上記所定時間
   は、通電のパルス幅の略半分に相当する時間であること
   を特徴とする請求項１記載の鉄心モータ装置。
4. 【請求項４】 上記駆動制御手段は、 上記２相のコイルの各励磁巻線へ駆動電流を供給する第
   １の電源端子及び第２の電源端子と、 上記第１の電源端子と上記励磁巻線の一端との間に接続
   された相切り換え用の第１のスイッチング素子と、 上記第２の電源端子と上記励磁巻線の一端との間に接続
   された相切り換え用の第２のスイッチング素子と、 上記第１の電源端子と上記励磁巻線の他端との間に接続
   された相切り換え用の第３のスイッチング素子と、 上記第２の電源端子と上記励磁巻線の他端との間に接続
   された相切り換え用の第４のスイッチング素子と、 同時にオフ状態になる際に上記第１のスイッチング素子
   のオフタイミングを上記第４のスイッチング素子より遅
   らせ、上記第３のスイッチング素子のオフタイミングを
   上記第２のスイッチング素子よりも遅らせて上記励磁巻
   線に駆動電流を出力することを特徴とする請求項１記載
   の鉄心モータ装置。
5. 【請求項５】 鉄心に巻回された複数のコイルへの通電
   の相切り換えに応じて電磁誘導により一定角度ずつ回転
   子が回転駆動する鉄心モータと、 上記相切り換えにより通電がオフされる励磁巻線に発生
   するキックバック電圧を、この励磁巻線に接続されるス
   イッチング素子がオフになるタイミングを遅らせること
   により短絡させる駆動制御手段とを備えてなる鉄心モー
   タ装置。
6. 【請求項６】 上記励磁巻線として、２相モータ巻線を
   用いることを特徴とする請求項５記載の鉄心モータ装
   置。
7. 【請求項７】 上記駆動制御手段は、 上記励磁巻線へ駆動電流を供給する第１の電源端子及び
   第２の電源端子と、 上記第１の電源端子と上記励磁巻線の一端との間に挿入
   された相切り換え用の第１のスイッチング素子と、 上記第２の電源端子と上記励磁巻線の一端との間に挿入
   された相切り換え用の第２のスイッチング素子と、 上記第１の電源端子と上記励磁巻線の他端との間に挿入
   された相切り換え用の第３のスイッチング素子と、 上記第２の電源端子と上記励磁巻線の他端との間に挿入
   された相切り換え用の第４のスイッチング素子と、 同時にオフ状態になる際に上記第１のスイッチング素子
   のオフタイミングを上記第４のスイッチング素子より遅
   らせ、上記第３のスイッチング素子のオフタイミングを
   上記第２のスイッチング素子よりも遅らせて上記励磁巻
   線に駆動電流を出力することを特徴とする請求項５記載
   の鉄心モータ装置。
8. 【請求項８】 鉄心に巻回された２相のコイルへの通電
   の相切り換えに応じて電磁誘導により一定角度ずつ回転
   子を回転駆動する鉄心モータの駆動制御方法であり、 上記２相のコイルへの通電に相切り換えによって、上記
   ２相のコイルに発生する位相の異なる逆起電圧の位相情
   報に基づいて駆動制御信号を得、 上記２相のコイルへの通電の相切り換えによって、上記
   通電がオフされるコイルに発生する逆起電圧を、上記通
   電がオフされるコイルに接続されているスイッチング素
   子のオフになるタイミングを所定時間遅らせることによ
   いって短絡させることを特徴とする鉄心モータの駆動制
   御方法。
9. 【請求項９】 上記遅延させる上記所定時間は、通電の
   パルス幅の略半分に相当する時間であることを特徴とす
   る請求項８記載の鉄心モータの駆動制御方法。