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ステッピングモータの動作原理

ステッピングモータは、外部の制御パルスによって、内部のロジック回路により、モーターのコイルを制御し一定の時間と順序で正方向か逆方向に通電を行うことで、モーターを正転か逆転に回転させ、或は、ロックさせます。例えば1.8度2相ステッピングモーターの場合、2相コイルに通電励磁すると、出力軸は静止し位置がロックされます。定格電流下で定位置に止まる最大トルクを、保持トルクと言います。1相コイルの電流向きを切り替えた場合、モーターは既定の方向に１ステップ（1.8度）回転します。

同様に、もうひとつのコイルの電流を切り替えた場合、モータは前と反対方向に１ステップ（1.8度）回転します。コイルに電流を次々と切り替え励磁するとモーターは所定の方向に高精度に連続回転します。 1.8度2相ステップモーターは、一周回転するのに200ステップが必要です。（ギヤードステッピングモーター）

2相ステッピングモーターはバイポーラ及びユニポーラ2種類のコイル巻線方式が有ります。バイポーラの場合、各相に一つのコイルを巻きます。連続回転するには同じ巻き線内で電流を次々に向きを切り替え励磁し、駆動回路は、8個の電子スイッチで順番に切替えます。ユニポーラの場合、各相に二つの異なった極性のコイルを巻きます。連続回転するには、同相の二つのコイルを切り替えながら通電させ励磁すれば良い。駆動回路は、４個の電子スイッチで切り替えます。バイポーラモーターは、各相のコイルに100％励磁されており、その出力トルクは、ユニポーラモーターより40％高くなります。

エンコーダの仕組みとは？

　それでは、エンコーダを使ってどのように、「回転方向」、「回転位置」、「回転速度」を知ることができるのでしょうか？ 光学透過型エンコーダを例に、概要を解説しましょう。

　当社の標準的な光学透過型エンコーダの概略図を図2に示しました。主要な構成部品は、（1）LED発光素子、（2）レンズ、（3）コードホイール（回転スリット円板）、（4）受光ICです。受光ICの部分は各社さまざまな形態がありますが、ここでは当社の標準的な構造で説明しましょう。

まず、（1）の「LED発光素子」からの光は錯乱光であるため、（2）の「レンズ」にて集光して平行光に近づけます。（3）の「コードホイール」には、長方形の穴が開いたスリット部と、穴が開いていない部分が有ります。このスリットは1周にわたり等間隔で穴が開いています。スリットを通った光が、受光IC上のフォトダイオードに伝わり、信号変換回路部で処理されて、最終的には「チャネルA（A相）」、「チャネルB（B相）」という2系統の方形波として出力されます（図3）。

　A相とB相の位相関係は世界中のどのメーカーでも共通で、B相はA相から1/4周期ずれて出力されます。このA相、B相という2系統のエンコーダ出力をうまく処理することで、モーターの「回転方向」や「回転位置」、「回転速度」を知ることができるのです。それでは、どのように検出するのか1つ1つ説明しましょう。

 

回転方向の検出

　A相とB相のどちらが先に立ち上がるかを検出することで、回転円板（コードホイール）を取り付けた回転軸の回転方向を判別できます。例えば、エンコーダの回転円板（コードホイール）が正転（時計方向）へ回転している時、A相よりもB相が遅れて立ち上がるとします。このとき、回転ディスクが反転（反時計方向）へ逆回転すると、物理的な回転円板の回転方向が反転するだけなので、今度はB相がA相よりも先に立ち上がります（図3）。またこのような仕組みは、回転方向だけではなく、水平（リニア）駆動時の移動方向の判別にも使えます(ステッピングモーター)。

回転位置の検出

　回転円板（コードホイール）には物理的に光を遮る/透過するスリットが1周期にわたり、等間隔で設けられています。ここでは例として、1周期に360個のスリットが設けられているとします。1つのスリット当たり1つのパルスが出力されますので、1パルス当たり1度の回転位置が検出できることになります。1周期に3600個のスリットを設けた回転円板（コードホイール）にして、同じように検出すれば、0.1度の角度が検出できます。

　さらに、A相とB相の2つの出力信号を使用すると、4倍の角度分解能を実現できます。これは、A相とB相のそれぞれの波形の立ち上がり/立ち下がり位置をカウントすることで、物理的に設けたスリット数よりも細かい角度位置を検出できるからです。また、これらの応用例として回転軸に50歯のギアが付いている場合、回転円板（コードホイール）に50個のスリットがあれば、1歯ずつ制御することができます。

回転速度の検出

　エンコーダから出力される1周期のパルス時間と1周期当たりの出力パルス数を測定することで、下記の式を使って容易に算出できます。

回転速度（r/min)＝（1/（1周期の時間×パルス数））×60

　以上のような動作をするエンコーダをうまく使うことで、モーターの回転方向や回転位置、回転速度を制御することができます。前述のエレベータの例ですと、図4のようにマイクロプロセッサからの制御信号に基いてモーターを駆動すると、回転したモーター軸に付いているコードホイール/エンコーダから信号が出力されます。その後、エンコーダの出力をエンコーダカウンタで処理して、マイクロプロセッサの制御信号と差動比較をしています。モーターを動かすための制御信号とモーター回転の結果を比較することで、狙った回転数に必要な電力だけがモーターに供給されるという仕組みです。このように閉ざされた構成の中で比較演算する形態のことを、「クローズドフィードバックループ」もしくは「クローズドループ」と呼びます。
 

エアコンだけじゃ無理 夏を乗り切る扇風機の選び方

今年も暑い季節がやってきた。首都圏では6月末に梅雨明けし、夏のような天候の日が増えている。そうなると空調家電が欠かせない。真夏に活躍する家電の代表格といえばエアコンだが、補助として、また、エアコンが苦手な人などに支持されているのが扇風機だ。今回は2018年の扇風機選びについて紹介しよう。

●トレンドは空気の質にこだわった多機能モデル

　扇風機の役割といえばファンを回して風を生み出すことだ。暑い日はその風に当たることで涼をとったり、部屋の空気を攪拌（かくはん）させたりする。汗をかいたときは、汗が引くときの気化熱で涼しさを体感することもできる。

　10年ほど前までは扇風機というと1万円以下のモデルがほとんどで、機能は左右に首を振る程度だった。それが大きく変わったきっかけの一つが東日本大震災だ。震災によりエアコンの利用自粛が広がり、扇風機に注目が集まった。

　そこに登場したのが、低速回転ができて、消費電力が低いDCモーターを採用したBALMUDA（バルミューダ）の扇風機「GreenFan」だ。それまでの扇風機ではできなかったそよ風のような優しい風を実現。モーターだけでなく、独自開発の二重羽根により、広がりのある自然に近い風を生み出せた。

　「GreenFan」のヒットにより、2万円を超える高級扇風機市場が誕生。メーカー各社からさまざまな高級扇風機が登場している。ダイソンやデロンギなどの海外メーカーからは単なる扇風機ではなく、空気清浄機能を搭載したファンも登場している。どちらも羽根がなく、スリムなタワー形状を採用しているのが特徴だ。

最新扇風機を選ぶための3つのポイント

　では実際にどの製品を選ぶのがいいのか。

　1つ目のポイントが価格だ。扇風機は大きく3つの価格帯に分けられる。1万円以下の扇風機はいわゆる旧来型モデルだ。ACモーターを採用し、風速設定は3段階ほどで、左右の首振り機能とタイマー機能を搭載。サイズによっては2000円台から選べる。

　1万円を超える価格帯からは、きめ細かな風速設定が可能なDCモーターを搭載した高機能モデルが選べるようになる。そよ風のような微風に設定できるので、扇風機の強い風が苦手な人でもDCモーターの作り出す風なら大丈夫というケースも多い。また、エアコンと併用する場合は風を回せるサーキュレーター機能を搭載するモデルがお薦め。首を左右だけでなく、上下に向けられるモデルなら、空気を攪拌できる。

　5万円以上では空気清浄機能を搭載する多機能扇風機やデザイン性の高い扇風機などが選択できる。ファンレスモデルは小さな子どもがいる家庭でも安心して使えるのがメリットだ。

　2つ目のポイントは作り出す風のタイプだ。今のトレンドは自然な柔らかい風を作り出す扇風機だが、風の広がり方などがファンの形状によって変わってくる。サーキュレーターのように広がりはないが、遠くまで届く風もある。できるなら、実際に風に当たってみてチェックしたい。

　3つ目が付加機能だ。首振りの角度や風量などを細かく設定できるだけでなく、温度センサーを搭載して自動的に風量を切り替えられる扇風機などもある。空気清浄機能が付いている製品もある。これらから必要な機能をしっかりと選んでおきたい(スイッチング電源)。

価格と機能で選ぶおすすめ扇風機 BEST5

　DCモーターを搭載する扇風機の中では1万円台で購入できるお得な製品。安さの理由は2017年発売モデルのため（2018年モデルは2万円を超える）。ファンにアホウドリの翼形状を取り入れることで、直進性の高い風を実現しているのが特徴だ。また、首を上下、左右に自動で振る「3Dターン」機能を搭載。サーキュレーターのように部屋の空気の攪拌もできる。付加機能としてプラズマクラスターによる衣類消臭モードも搭載。スポット的に当てることで、衣類やソファなどのにおいの除去ができる。風速は8段階で設定可能。

　8枚羽根を採用することで、広い範囲に優しく切れ目のない風を送風できる扇風機。風速は8段階に調整可能。室温に合わせて風量が切り替わる温度センサーを搭載しており、28度を超えると風量が「5」に、25度を切ると風量が「1」に自動的に変わるといった設定ができる。また、2種類のリズム風やだんだんと風量が下がっていく「おやすみ運転」など、多彩な機能を搭載する。左右の首振り角度を90度、70度、45度の3段階で設定できるほか、真上にも向けられるため、空気の攪拌や部屋干しのサポートにも使える。

　カモメの翼をヒントにして開発された「Kamomefan」は、船舶用のプロペラメーカー「ナカシマプロペラ」の技術と職人技を取り入れた羽根を採用。柔らかく、それでいて遠くまで届く風は、肌触りが良く、心地よさを感じられる。30cmのリビングファンはシリーズの中でも大型だ。 DCモーター搭載で、風量は無段階で調整可能。左右の首振りは90度、60度、30度の3段階に設定でき、上向き70度の角度調節もできる。アロマケースを備えており、扇風機の風で好みの香りを送る機能もある。

　DC モーターを搭載した高品質扇風機ブームを生み出したバルミューダの扇風機の2018年度モデル。 シリーズ累計で30万台を突破するロングセラー商品だ。独自の二重構造の羽根は、 「自然界の風と同じ、大きな面で移動する空気の流れ」を作り出せるのが特徴。 一般的な扇風機と比べて約4倍に広がる風が生み出せる。別売の「Battery&Dock」（価格9800円）を利用することで、コードレスでも最大20時間使える。ホワイト×ブラック、ホワイト×グレー、ダークグレー×ブラック、ホワイト×シャンパンゴールドの4色が選べる。

　独自技術の 「3Dコンフォート・エア テクノロジー」で、立体的な身体全体を包み込むような風を放出する「空気清浄機付きファン」。具体的には、円筒状のボディーの上部から吸い込んだ風を後方から本体の曲面に沿うように放出することで、左右から出た風をぶつけて拡散させる。これによって、より広い範囲に優しい風を届けるられる。デロンギによると、温度ムラも抑えられ、ストレスが31％ダウンするという。吸引部には0.1μmの微粒子を捉えられるフィルターを搭載。ヒーターも内蔵しており、冬場は温風も出せる。

３Dプリンターの基本６（3軸ロボット）

３Dプリンターが騒がれていますが、作ってみたら枯れた技術の融合活用でした。

昔からある３軸ロボットの先端に、基本２で説明した熱で溶かした樹脂を送る機構を

くっつけ、これも昔からCAMで使われているGコードを利用しているだけです。

制御関係をやっている技術者なら、なんだそんなものかと思うはずです。

実際、自分もそうでした。　ただわかってみればなーんだでしたが、そんな使い方があったのかという意味で、目からウロコではありました。

 

光造形にしても同じで、昔からある光硬化樹脂と、直動軸を組み合わせ、ソフトで

スライスした形状を１枚ずつ照射し固めていくだけです。

 

なので、機構部としては特に特殊なものではなく、すごいのは３DCADや、それを

輪切りデータにするソフト（スライサー）、Gコードを解析して、ステッピングモーターを動作させる基本ソフト（marlin等）が無料で手に入るって事なのです。

 

で、本題に入りますが、３軸機構をどうするかで、３Dプリンターの種類が変わってきます。 reprap機ですと、mendelや、prusaなどが有名かと思いますが、制御は同じで

３軸機構が違うだけです。

１．Z軸にX軸が乗り、そこにエクスるトルーダがついて、Y軸のベースが移動する。

２．XY軸にエクストルーダーがついて、Z軸のベースが上下する。

３．デルタ式（ようはパラレルリンク機構）

 

そこにあとは、スライド部にどんな部品を使うか、全体のデザインをどうするかだけです。

説明になってないと思いますが、技術屋が説明するとこうなりますｗ

 

スライド機構はいろいろな種類があり、お金がかかる部分でもあり、うまく作れば、

安くできます。

自分の場合は、アルミフレームと、市販の樹脂ベアリングと、３Dプリンタ部品の組み合わせになりました(中空ステッピングモータ)。

 

３Dプリンター作りは昔やったブロック遊びに似ています。

作っては、組立て、組み立てるともっと良いアイデアが湧いてきて改良する。

その繰り返しが、ブロック遊びのように簡単にできるようになります。

 

先に脳内で組立られれば、その手間がいらないのですが、やはり脳内で想像したものと

、実際目にした時の感覚とは違いがありますので、脳内のイメージを簡単に具現化できる３Dプリンターがあると創作意欲が湧いてきますね。

 

自分の感覚としては、新たな電動工具って感じで扱っています。

電動ドリルや、ジグソーの横に３DプリンターがあってDIYを楽しむってのがあってる

かなぁ~

 

３Dプリンターの解説をしてみようと始めましたが、三日坊主の性格が災いし

更新が滞っています。

しかも、今回はほぼ解説になってない気がしますｗ

 

とりあえず改良した装置の写真を載せますので、機構部に注意して眺めてみて下さい。

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 2号機は、ベース部分が周りのアルミフレームに当たってしまい、造形エリアが小さく

なっていましたので、アルミフレームの長さを変更して、XYは200mmm×200mm

高さも200mmまでできるようにしてみました。

アルミフレームも少し割高ですが、黒にした事で少し高級感がでたと思います。

ベースヒーターもつけたので、造形がさらに安定しました(Nema 11ステッピングモーター)。