ステッピングモーター

2025年10月29日

ステッピングモーター

英語表記: Stepper Motor

概要

ステッピングモーターは、組み込み機器（IoTデバイスやマイコン）において、デジタル信号に応じて決まった角度（ステップ角）で正確に回転する、非常に重要なアクチュエータです。マイコンからのパルス信号の数と順序によって、回転量と方向を極めて正確に制御できる点が最大の特徴です。この精度の高さから、フィードバック機構を省略できるオープンループ制御が可能となり、リソースが限られた組み込みシステムにおける位置決めや移動制御の中核を担う重要な部品となっています。

詳細解説

ステッピングモーターが組み込み機器（IoTデバイス, マイコン）→ センサーとアクチュエータ → アクチュエータ制御の文脈でなぜ重要なのかを理解するためには、その動作原理と制御方法を知ることが欠かせません。

組み込み機器における目的

ステッピングモーターの最大の目的は、「正確な位置決め」と「精密な速度制御」を簡単に行うことです。通常のDCモーターは連続的に回転し続けますが、ステッピングモーターはデジタルな「ステップ」単位で動きます。この特性により、マイコンは回転量を計算しやすく、センサー（エンコーダなど）を使って現在の位置を確認する手間（フィードバック）を省けることが多いのです。これは、コストや処理能力に制約があるIoTデバイスにとって、非常に大きな利点です。

主要な構成要素と動作原理

ステッピングモーターは主にロータ（回転子）とステータ（固定子）で構成されています。

ロータ: 永久磁石、または電磁石（リアクタンス型の場合）でできており、回転する部分です。
ステータ: 周囲にコイルが巻かれた電磁石であり、固定されています。

マイコンからの指令は、まず「モータードライバーIC」に送られ、このドライバーがステータのコイルに流す電流のON/OFFや方向を切り替えます。

動作の仕組みは非常にシンプルです。特定のコイルに電流を流すと磁力が発生し、ロータはその磁力に引きつけられて停止します。次に、隣のコイルに電流を流すと、ロータは磁力の向きが変わった隣の位置へ移動します。この「コイルに電流を流す順序」と「パルス信号の数」をデジタル的に制御することで、ロータをステップ角分だけ回転させることができます。

例えば、ステップ角が1.8度のモーターであれば、マイコンが200個のパルス信号を送ると、モーターはちょうど360度（1回転）することになります。マイコンのプログラム側で「今、何パルス送ったか」をカウントするだけで、正確にモーターの位置を把握できるのです。これが、アクチュエータ制御における「オープンループ制御」の典型例です。

制御の進化：高精度化への貢献

組み込み機器の要求が高まるにつれて、より滑らかで高精度な制御が求められるようになりました。ステップ角が1.8度でも、用途によっては粗すぎる場合があります。これを解決するのが、「ハーフステップ駆動」や「マイクロステップ駆動」といった技術です。

ハーフステップ駆動: 2つのコイルに同時に電流を流すことで、通常のステップの中間の位置にロータを停止させます。これにより、ステップ角が半分になり、分解能が2倍になります。
マイクロステップ駆動: コイルに流す電流をアナログ的に調整し、磁力のバランスを細かく制御することで、1ステップをさらに数十〜数百に分割します。例えば、1.8度のステップを1/256に分割すると、0.007度以下の精度で位置決めが可能になります。

このマイクロステップ技術は、特に静音性や滑らかさが求められる医療機器や、超精密な位置決めが必要な半導体製造装置（組み込み制御の範疇）において、マイコンによるアクチュエータ制御の可能性を大きく広げました。

ただし、ステッピングモーターには弱点もあります。高速で駆動しようとすると、パルスの切り替えにロータの動きが追いつかなくなり、位置がずれる「脱調」が発生するリスクがあります。組み込みシステムの設計者は、この脱調を防ぐための適切な加速・減速制御をマイコンプログラムに組み込む必要があります。

具体例・活用シーン

ステッピングモーターは、その特性上、IoTデバイスや小型ロボット、事務機器など、身の回りの多くの組み込み機器で活躍しています。

組み込み機器での具体的な採用例

3Dプリンタ：最も代表的な例です。プリンタヘッドやステージをX軸、Y軸、Z軸に沿って正確に移動させるために、ステッピングモーターが使用されます。ここでは、数ミクロン単位の正確な位置決めが必須であり、マイコンは膨大なパルス信号のシーケンスを管理しています。
監視カメラ（パン・チルト機構）：IoT監視カメラが左右（パン）や上下（チルト）に動く際、ユーザーが指定した角度に正確に向きを変えるために使われます。
ATM/自動販売機：紙幣や硬貨を正確な位置に送り出す機構や、商品を排出する機構に組み込まれています。
レーザーカッター・CNCルーター：素材を精密に加工するために、切削ヘッドを正確に動かします。

初心者向けのアナロジー（比喩）

ステッピングモーターの動作を理解する上で、私はよく「デジタルな時計の針」のメタファーを使います。

一般的なアナログ時計の針は、気づかないうちに滑らかに動き続けていますよね。これはDCモーターのようなものです。しかし、ステッピングモーターは、秒針が「カチッ、カチッ」と音を立てて、1秒ごとに正確に区切られた位置にジャンプするデジタル時計の針のようなものです。

このモーターは、組み込み機器の世界における「忠実な歩兵」のような役割を果たします。

マイコン司令官が「前へ、一歩！」と命令（パルス）を出すたびに、この歩兵（ロータ）は必ず決まった距離（ステップ角）だけ進みます。途中で疲れて歩幅が変わったり、道に迷ったりすることがありません。そのため、司令官は、外部の監視員（センサー）を雇うことなく、「今、何歩進んだか」を計算するだけで、正確な現在地を知ることができるのです。この信頼性が、コストや電力に制限のある組み込み機器において、ステッピングモーターが愛される理由です。