特許 6163864 ステッピングモータ駆動ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6163864

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】ステッピングモータ駆動ユニット

(51)【国際特許分類】

   H02P 8/00 20060101AFI20170710BHJP

【ＦＩ】

   H02P8/00

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-104956(P2013-104956)

(22)【出願日】2013年5月17日

(65)【公開番号】特開2014-140285(P2014-140285A)

(43)【公開日】2014年7月31日

【審査請求日】2016年4月15日

(31)【優先権主張番号】特願2012-275756(P2012-275756)

(32)【優先日】2012年12月18日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003300

【氏名又は名称】東ソー株式会社

(72)【発明者】

【氏名】林 秀知佳

(72)【発明者】

【氏名】石村 想

(72)【発明者】

【氏名】谷川 秀幸

(72)【発明者】

【氏名】生垣 哲郎

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０２５５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６１９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１３５６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１７０７２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ８／００− ８／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａ相コイルとＡＢ相コイルの対およびＢ相コイルとＢＢ相コイルの対を有したユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、前記２対のコイルの両端と前記ドライバとを接続するケーブルと、を設けた、ステッピングモータ駆動ユニットにおいて、前記ケーブルが、
（１）Ａ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ａ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（２）ＡＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＡＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（３）Ｂ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ｂ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、および
（４）ＢＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＢＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
からなる、前記モータ駆動ユニット。

【請求項2】

Ａ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端、およびＢ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端が、それぞれモータ内で接続されている、請求項１に記載のモータ駆動ユニット。

【請求項3】

Ａ相コイルとＡＢ相コイルの対およびＢ相コイルとＢＢ相コイルの対を有したユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、前記２対のコイルの両端から引き出された導線と前記ドライバとを接続するケーブルと、を設けた、ステッピングモータ駆動ユニットにおいて、
Ａ相コイルの一方の端およびＡＢ相コイルの一方の端から引き出された導線、ならびにＢ相コイルの一方の端およびＢＢ相コイルの一方の端から引き出された導線が、それぞれモータ内で接続されており、かつ前記ケーブルが、
（１）Ａ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、Ａ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、ＡＢ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体とを有し、かつＡ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体を他の両導体の間に配置した三層同軸ケーブル、および
（２）Ｂ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、Ｂ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、ＢＢ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体とを有し、かつＢ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体を他の両導体の間に配置した三層同軸ケーブル、
からなる、前記モータ駆動ユニット。

【請求項4】

モータドライバがパルス幅変調（ＰＷＭ）方式モータドライバである、請求項１から３のいずれかに記載のモータ駆動ユニット。

【請求項5】

モータドライバ中のスイッチング素子がパワーＭＯＳＦＥＴである、請求項４に記載のモータ駆動ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ステッピングモータを駆動させるユニットに関する。特に本発明は、ユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、両者を接続するケーブルとを設けた、ステッピングモータ駆動ユニットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ステッピングモータのうち、ユニポーラ型２相ステッピングモータの多くは、図１や図２に示すように、それぞれバイファイラ巻きされた２対のコイル（Ａ相コイル３３とＡＢ相コイル３４、Ｂ相コイル３５とＢＢ相コイル３６）を有しており、各対のコイルは電磁的に強く結合している。ユニポーラ型２相ステッピングモータには、２対のコイルの巻線の一端が、対となるコイルとは逆方向に回生電流が流れるように内部で接続され、コモン線としてモータ外部に引き出されている６線式のモータ３１（図１）と、２対のコイルの巻線の両端が、それぞれモータ外部に引き出されている８線式のモータ３２（図２）がある。なお８線式のモータは、各対のコイルの巻線の一端から引き出されたリード線同士をモータの外部で接続すれば６線式モータと見なすことができる。直接リード線を引き出す代わりに、リード線またはケーブルを接続するためのコネクタが付く仕様のモータもあるが、基本構成は同じである。図１に示す６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ３１のリード線またはコネクタの端子を識別するために、各線または端子を、以下、Ａ相１０１、Ａ相コモン１０２、ＡＢ相（あるいはＡバー相）１０３、Ｂ相１１１、Ｂ相コモン１１２、ＢＢ相（あるいはＢバー相）１１３と呼ぶ。同様に図２に示す８線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ３２のリード線またはコネクタの端子についても、以下、Ａ相１０１、Ａ相リターン１０４、ＡＢ相１０３、ＡＢ相リターン１０５、Ｂ相１１１、Ｂ相リターン１１４、ＢＢ相１１３、ＢＢ相リターン１１５と呼ぶ。

【0003】

ユニポーラ型２相ステッピングモータは、定電圧または定電流で制御するモータドライバとを組み合わせて用いられ、定電流で制御する場合はＰＷＭ方式（パルス幅変調方式）による制御が多く用いられる。ユニポーラ型２相ステッピングモータとモータドライバとの間はケーブルにより接続される。

【0004】

従来から用いられている、６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルの一例を図３および図４に示す。図３に示すケーブルは、モータドライバとモータとのＡ相１０１同士、Ａ相コモン１０２同士、ＡＢ相１０３同士、Ｂ相１１１同士、Ｂ相コモン１１２同士、ＢＢ相１１３同士がそれぞれ絶縁体１２２で被覆された電線で接続され、当該６本の電線が撚られて１本の束となった態様となっている。図４に示すケーブルは、モータドライバとモータとのＡ相１０１同士、Ａ相コモン１０２同士、ＡＢ相１０３同士、Ｂ相１１１同士、Ｂ相コモン１１２同士、ＢＢ相１１３同士が、それぞれ同軸ケーブルで接続され、
モータドライバとモータとのＡ相１０１同士を接続した同軸ケーブル、モータドライバとモータとのＡ相コモン１０２同士を接続した同軸ケーブル、およびモータドライバとモータとのＡＢ相１０３同士を接続した同軸ケーブルの３本、ならびに
モータドライバとモータとのＢ相１１１同士を接続した同軸ケーブル、モータドライバとモータとのＢ相コモン１１２同士を接続した同軸ケーブル、およびモータドライバとモータとのＢＢ相１１３同士を接続した同軸ケーブルの３本が、
それぞれ撚られて束となった態様となっている。なお、各同軸ケーブルの外側の導体はフレームグランド１２１と接続しており、シールドの役割を果たしている。

【0005】

ユニポーラ型２相ステッピングモータが６線式（図１）の場合、ＰＷＭ方式モータドライバの多くは、前記モータのＡ相コモン１０２とＢ相コモン１１２に所定の直流電圧（図１の場合２４Ｖ）を印加した上で、Ａ相を励磁する時はＡ相のスイッチング素子を以下の（Ａ）から（Ｄ）に示すようにＯＮ／ＯＦＦさせる。
（Ａ）Ａ相のスイッチング素子をＯＮにすることで、励磁電流がＡ相コイル３３を流れる。（Ｂ）前記電流が時間と共に増加して所定の電流値に達した時点で、Ａ相のスイッチング素子をＯＮからＯＦＦに切り替えると、電流がＡ相のスイッチング素子を流れることができなくなるため、ほぼ等しい大きさの回生電流がＡＢ相コイル３４に流れる。
（Ｃ）ＡＢ相コイル３４を流れる回生電流が徐々に減少する。
（Ｄ）所定の時間またはＯＮ／ＯＦＦ周期の残りの時間が経過した時点で、再び前記スイッチング素子をＯＮに切り替える。
代表的なＰＷＭ方式モータドライバではＯＮ／ＯＦＦが数十μ秒の周期でくりかえされる。加速時には、励磁電流によって電源からステッピングモータに供給されるエネルギーを回生電流によって回収されるエネルギーより大きくするため、ＯＮ時間がＯＦＦ時間より長くなる。一方、減速時には、回収されるエネルギーを供給されるエネルギーより大きくするため、ＯＦＦ時間がＯＮ時間より長くなる。

【0006】

ここで、ステッピングモータ３１とモータドライバ１１とを接続するケーブル２１が長くなると、ケーブル２１に由来するインダクタンスが増加するが、ケーブルのインダクタンスは他のケーブルのインダクタンスと逆方向の電磁結合をもたない。したがってケーブルのインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーはスイッチング素子がＯＦＦとなった時に他のケーブルに回生されない、漏れインダクタンスとなり、スイッチング素子に高い電圧がかかる。スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを用いた場合は、Ｃ−Ｅ間電圧が過度に上がると、接合温度が上昇し、一次降伏に続いて二次降伏を起こし、破壊に至る。スイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、二次降伏は起こさず、安定性に優れているものの、ブレークダウン電圧より高い電圧が加わると、アバランシェ現象が生じることが知られている。アバランシェ現象は大きな電圧がスイッチング素子にかかった間だけに発生するので、持続時間は短いが、電圧×電流×時間に等しい熱が生じ、局所的にパワーＭＯＳＦＥＴのセル温度が上昇する。パワーＭＯＳＦＥＴでは通常アバランシェ耐量が大きなＭＯＳＦＥＴが使われるが、脆弱な設計のＭＯＳＦＥＴを使用した場合、アバランシェ動作による損失が繰り返されると、半導体結晶の劣化が蓄積されてアバランシェ耐量が低下し、最終的には、寄生トランジスタがＯＮになり、スイッチング素子の破壊に至ることがある。一方、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦは数十ｋＨｚの頻度で繰り返し起こるので、単位時間あたりの全発熱量も無視できない。そのため、発熱量に対して、ドライバの冷却が十分でないと温度が過剰に上昇し、劣化が早まったり、破壊に至るという問題がある。

【0007】

なお、非特許文献１によると、モータの相コイルの結合（Ａ相コイルとＡＢ相コイルとの電磁結合、またはＢ相コイルとＢＢ相コイルとの電磁結合）の悪さだけでなく、プリント回路板における回路パターンや、ステッピングモータから出るハーネスのリードインダクタンスの増加も、アバランシェ損失の発生要因になるとされている。

【0008】

アバランシェ損失によるモータドライバ温度の上昇を防ぐため、従来は、ユニポーラ型２相ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルの長さを短くしたり、駆動電流を抑えたり、ヒートシンクを付けたり、風通しをよくする等の対策を行なってきた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】三洋半導体 ＳＴＫ６７２−６４０Ｃ−Ｅ データシート

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、両者を接続するケーブルとを設けた、ステッピングモータ駆動ユニットにおいて、前記ステッピングモータを駆動させる電流の大きさが前記モータドライバの許容電流の上限に近い場合、または前記モータドライバ中のバイポーラトランジスタの二次降伏に対する余裕やＭＯＳＦＥＴのアバランシェ破壊に対する余裕が小さい場合、前記モータドライバーを安定に動作させるためには、駆動電流を下げたり、電圧を抑えたり、ケーブルを短くしたり、ヒートシンク等により前記モータドライバを十分に冷却する必要があった。

【0011】

そこで本発明の目的は、ユニポーラ型２相ステッピングモータと前記モータ駆動用モータドライバと両者を接続するケーブルとを設けたステッピングモータ駆動ユニットにおいて、モータドライバを定格の上限に近い条件で使ったり、ケーブルの長さが長い場合においても、モータドライバの発熱を抑えた、高い信頼性を有したユニットを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を鑑みてなされた本発明は、以下の発明を包含する。

【0013】

すなわち本発明の第一の態様は、
Ａ相コイルとＡＢ相コイルの対およびＢ相コイルとＢＢ相コイルの対を有したユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、前記２対のコイルの両端と前記ドライバとを接続するケーブルと、を設けた、ステッピングモータ駆動ユニットにおいて、前記ケーブルが、
（１）Ａ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ａ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（２）ＡＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＡＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（３）Ｂ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ｂ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、および
（４）ＢＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＢＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
からなる、前記モータ駆動ユニットである。

【0014】

また本発明の第二の態様は、Ａ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端、およびＢ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端が、それぞれモータ内で接続されている、第一の態様に記載のモータ駆動ユニットである。

【0015】

また本発明の第三の態様は、
Ａ相コイルとＡＢ相コイルの対およびＢ相コイルとＢＢ相コイルの対を有したユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、前記２対のコイルの両端から引き出された導線と前記ドライバとを接続するケーブルと、を設けた、ステッピングモータ駆動ユニットにおいて、
Ａ相コイルの一方の端およびＡＢ相コイルの一方の端から引き出された導線、ならびにＢ相コイルの一方の端およびＢＢ相コイルの一方の端から引き出された導線が、それぞれモータ内で接続されており、かつ前記ケーブルが、
（１）Ａ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、Ａ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、ＡＢ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体とを有し、かつＡ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体を他の両導体の間に配置した三層同軸ケーブル、および
（２）Ｂ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、Ｂ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体と、ＢＢ相コイルの他方の端のみから引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体とを有し、かつＢ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端が前記モータ内で接続された状態で引き出された導線と前記ドライバとを接続する導体を他の両導体の間に配置した三層同軸ケーブル、
からなる、前記モータ駆動ユニットである。

【0016】

また本発明の第四の態様は、モータドライバがパルス幅変調（ＰＷＭ）方式モータドライバである、前記第一から第三の態様のいずれかに記載のモータ駆動ユニットである。

【0017】

また本発明の第五の態様は、モータドライバ中のスイッチング素子がパワーＭＯＳＦＥＴである、前記第四の態様に記載のモータ駆動ユニットである。

【0018】

以下、本発明を詳細に説明する。

【0019】

本発明における、ユニポーラ型２相ステッピングモータが有する２対のコイル（Ａ相コイルとＡＢ相コイルの対、およびＢ相コイルとＢＢ相コイルの対）の両端とモータドライバとをそれぞれ接続するケーブル（以下、単に本発明のケーブルとする）は、
（１）Ａ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ａ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（２）ＡＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＡＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（３）Ｂ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ｂ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、および
（４）ＢＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＢＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
からなることを特徴としている。

【0020】

具体的には、ユニポーラ型２相ステッピングモータが８線式３２（図２）の場合、
（１）モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体と、モータのＡ相リターン１０４とドライバのＡ相リターン１０４とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（２）モータのＡＢ相１０３とドライバのＡＢ相１０３とを接続する導体と、モータのＡＢ相リターン１０５とドライバのＡＢ相リターン１０５とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（３）モータのＢ相１１１とドライバのＢ相１１１とを接続する導体と、モータのＢ相リターン１１４とドライバのＢ相リターン１１４とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、および
（４）モータのＢＢ相１１３とドライバのＢＢ相１１３とを接続する導体と、モータのＢＢ相リターン１１５とドライバのＢＢ相リターン１１５とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
からなるケーブルを設ければよい。一例を図６に示す。

【0021】

なお図６では、モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体、モータのＡＢ相１０３とドライバのＡＢ相１０３とを接続する導体、モータのＢ相１１１とドライバのＢ相１１１とを接続する導体、およびモータのＢＢ相１１３とドライバのＢＢ相１１３とを接続する導体を内側（内部導体）に、モータのＡ相リターン１０４とドライバのＡ相リターン１０４とを接続する導体、モータのＡＢ相リターン１０５とドライバのＡＢ相リターン１０５とを接続する導体、モータのＢ相リターン１１４とドライバのＢ相リターン１１４とを接続する導体、およびモータのＢＢ相リターン１１５とドライバのＢＢ相リターン１１５とを接続する導体を外側（外部導体）に、それぞれ配置しているが、配置関係が逆転（例えば、モータのＡ相リターン１０４とドライバのＡ相リターン１０４とを接続する導体が内側で、モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体が外側）してもよい。なお同軸ケーブル中、内側導体と外側導体とは等しい電流が互いに逆方向に流れる。

【0022】

一方ユニポーラ型２相ステッピングモータが６線式３１（図１）の場合、Ａ相コイルの一方の端とＡＢ相コイルの一方の端とがモータ内で接続され（Ａ相コモン）、Ｂ相コイルの一方の端とＢＢ相コイルの一方の端とがモータ内で接続され（Ｂ相コモン）ていることから、
（１）モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体と、モータのＡ相コモン１０２とドライバのＡ相コモン１０２とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（２）モータのＡＢ相１０３とドライバのＡＢ相１０３とを接続する導体と、モータのＡ相コモン１０２とドライバのＡ相コモン１０２とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（３）モータのＢ相１１１とドライバのＢ相１１１とを接続する導体と、モータのＢ相コモン１１２とドライバのＢ相コモン１１２とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、および
（４）モータのＢＢ相１１３とドライバのＢＢ相１１３とを接続する導体と、モータのＢ相コモン１１２とドライバのＢ相コモン１１２とを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
からなるケーブルを設ければよい。一例を図５に示す。

【0023】

なお図５では、モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体、モータのＡＢ相１０３とドライバのＡＢ相１０３とを接続する導体、モータのＢ相１１１とドライバのＢ相１１１とを接続する導体、およびモータのＢＢ相１１３とドライバのＢＢ相１１３とを接続する導体を内側（内部導体）に、モータのＡ相コモン１０２とドライバのＡ相コモン１０２とを接続する導体およびモータのＢ相コモン１１２とドライバのＢ相コモン１１２とを接続する導体を外側（外部導体）に、それぞれ配置しているが、配置関係が逆転（例えば、モータのＡ相コモン１０２とドライバのＡ相コモン１０２とを接続する導体が内側で、モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体が外側）してもよい。さらに同軸ケーブルが、三層（内部、中間層、外部）の導体を有したケーブル（三層同軸ケーブル）の場合、図７に示すように、
（１）モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体を内側（内部導体）に、モータのＡ相コモン１０２とドライバのＡ相コモン１０２とを接続する導体を中間層（中間層導体）に、モータのＡＢ相１０３とドライバのＡＢ相１０３とを接続する導体を外側（外部導体）に、それぞれ配置した三層同軸ケーブル、および
（２）モータのＢ相１１１とドライバのＢ相１１１とを接続する導体を内側（内部導体）に、モータのＢ相コモン１１２とドライバのＢ相コモン１１２とを接続する導体を中間層（中間層導体）に、モータのＢＢ相１１３とドライバのＢＢ相１１３とを接続する導体を外側（外部導体）に、それぞれ配置した三層同軸ケーブル、
からなる態様とすればよい。なお図７に示す態様において、内側の導体と外側の導体は逆転（例えば、モータのＡＢ相１０３とドライバのＡＢ相１０３とを接続する導体が内側で、モータのＡ相１０１とドライバのＡ相１０１とを接続する導体が外側）してもよい。

【0024】

ちなみに三層の導体を有した同軸ケーブルを、８線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ３２（図２）に適用する場合は、４本の三層同軸ケーブルを用い、外側導体をフレームグランドと接続し、シールドとすればよい。

【0025】

本発明のケーブルを構成する同軸ケーブルは、一芯シールドケーブルであり、
内部導体および絶縁層によって内部導体と絶縁された外部導体（二層同軸ケーブル）、または
内部導体、絶縁層によって内部導体と絶縁された中間層導体および絶縁層によって中間層導体と絶縁された外部導体（三層同軸ケーブル）、
から構成されており、各導体の断面積はモータ駆動電流を勘案して決めればよい。絶縁層や外被には、ＥＴＦＥ、ＦＥＴ、ＰＦＡ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂やポリエチレンや塩化ビニルなどが使われる。同軸ケーブルのインダクタンス、キャパシタンスおよび特性インピーダンスは、内部導体の外径と外部導体の内径、および絶縁体の誘電率や透磁率によって決まり、５０Ωや７５Ωの特性インピーダンスをもつ高周波同軸ケーブルの場合、外部導体の内径に対する内部導体の外径の比率が３から６である。前記比率が大きいと、所定の電流を許容する太さの内部導体に対してケーブルの外径が太くなり、扱いにくくなる上、ケーブルのインダクタンスが大きくなる。したがって本発明のケーブルを構成する同軸ケーブルとして二層同軸ケーブルを用いる場合、内部導体の外径に対する外部導体の内径の比率を１．１から２．５までの間とすると好ましく、１．１から１．７までの間とするとさらに好ましい。また本発明のケーブルを構成する同軸ケーブルとして三層同軸ケーブルを用いる場合、内部導体の外径に対する中間層導体の内径の比率を１．１から２．５までの間とし、かつ中間層導体の外径に対する外部導体の内径の比率を１．１から２．５までの間とすると好ましく、内部導体の外径に対する中間層導体の内径の比率を１．１から１．７までの間とし、かつ中間層導体の外径に対する外部導体の内径の比率を１．１から１．７までの間とすると、より好ましい。このような一芯シールドケーブル（同軸ケーブル）はＴＥＭＰ−ＦＬＥＸ ＣＡＢＬＥ社、日興電線株式会社、進興電線株式会社などで製造されている。

【0026】

特定のケーブルを使う場合のアバランシェ損失は、ドライバの出力電圧とケーブルに流れる電流を測定したり、ドライバの温度を測定することによって評価できる。図５に示す態様のように２本の導線を１本にまとめる場合、当該ケーブルの両端近くで、半田付けや圧着端子などを使って１つの導線群に束ねることができるが、ドライバ基板や中継基板上の配線パターンを使って束ねてもよい。なおケーブルは、直接ドライバまたはモータ（コイル）と接続してもよく、コネクタを経由して接続してもよい。

【0027】

本発明のモータ駆動ユニットに設けるモータドライバとして、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式モータドライバを用いると、ユニポーラ型２相ステッピングモータを高い電力効率で駆動可能なため好ましい。ＰＷＭ方式モータドライバは、三洋半導体株式会社製ＳＴＫ６７２−６４０Ｃ−Ｅや、サンケン株式会社製ＳＬＡ７０８０Ｍシリーズ等、複数のメーカから、さまざまな仕様のモータドライバが市販されている。モータドライバのスイッチング素子としては、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体が使用できるが、中でもオン抵抗が低くスイッチング時間も短いパワーＭＯＳＦＥＴが好ましく、特に垂直ドレイン形ＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳＦＥＴ）が好ましい。

【0028】

本発明のモータ駆動ユニットにおいて、ステッピングモータが有するコイルの両端から外部に引き出されたリード線は、多くの場合、ばらけることがないようにバンド等で束ねられたり、撚られた態様で使われるが、余分な部分を切り落とされてもよい。また、束ねたリード線もしくは撚られたリード線の間に隙間が開かないよう、スパイラルチューブまたはテープを巻きつけることで束ねてもよい。リード線を撚り合わせる場合は、Ａ相コイルの両端またはＡＢ相コイルの両端から引き出されたリード線と、Ｂ相コイルの両端またはＢＢ相コイルの両端から引き出されたリード線とを、別個に撚り合わせてもよいし、前記リード線全てをまとめて撚り合わせてもよい。

【発明の効果】

【0029】

本発明は、
Ａ相コイルとＡＢ相コイルの対およびＢ相コイルとＢＢ相コイルの対を有したユニポーラ型２相ステッピングモータと、前記モータ駆動用モータドライバと、前記２対のコイルの両端と前記ドライバとを接続するケーブルと、を設けた、ステッピングモータ駆動ユニットにおいて、前記ケーブルが、
（１）Ａ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ａ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（２）ＡＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＡＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
（３）Ｂ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、Ｂ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、および
（４）ＢＢ相コイルの一方の端と前記ドライバとを接続する導体と、ＢＢ相コイルの他方の端と前記ドライバとを接続する導体とを有した同軸ケーブル、
からなることを特徴としている。本発明により、モータドライバ中のスイッチング素子の損失が減少するため、ヒートシンクを小型化しても温度上昇を抑えることが可能となり、場合によってはヒートシンクを外すことも可能となる。その結果、ステッピングモータ駆動ユニットの信頼性と耐久性を向上させながら、モータドライバの小型化が可能となる。また本発明は、ケーブルの長さを長くしてもモータドライバの温度上昇を抑えることができる。そのため、モータドライバをステッピングモータから離して設置することができ、設計の自由度も向上する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータと前記モータ駆動用モータドライバとを設けたモータ駆動ユニットの模式図。

【図2】８線式ユニポーラ型２相ステッピングモータと前記モータ駆動用モータドライバとを設けたモータ駆動ユニットの模式図。

【図3】モータ駆動ユニットに設ける従来のケーブルの一例を示した図（６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ用）。（ａ）は側面図であり、（ｂ）は断面図である。

【図4】モータ駆動ユニットに設ける従来のケーブルの一例を示した図（断面図）（６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ用）。

【図5】本発明のモータ駆動ユニットに設けるケーブルの一例を示した図（６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ用）。

【図6】本発明のモータ駆動ユニットに設けるケーブルの一例を示した図（８線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ用）。

【図7】本発明のモータ駆動ユニットに設けるケーブルの一例を示した図（６線式ユニポーラ型２相ステッピングモータ用）。

【実施例】

【0031】

以下、生化学分析装置で用いる分注装置を移動させるためのステッピングモータ駆動ユニットを用いた比較例および実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、これらの例は本発明を限定するものではない。

【0032】

比較例１
ユニポーラ型２相ステッピングモータとして６線式ステッピングモータであるオリエンタルモータ株式会社製ＰＫ２６６−０３Ａと、モータドライバとして三洋半導体株式会社製ＳＴＫ６７２−６４０Ｃ−Ｅとを、図３に示すようなＡＷＧ２０規格の被覆ワイヤを６本束ねた１．３ｍのケーブルを用いて、前記モータのリード線（０．３ｍ）と前記ドライバのＡ相同士、Ａ相コモン同士、ＡＢ相同士、Ｂ相同士、Ｂ相コモン同士、ＢＢ相同士をそれぞれ接続することで、モータ駆動ユニットを作製した。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは１．００μＨ、キャパシタンスは７２ｐＦであった。

【0033】

ＰＫ２６６−０３Ａを駆動電流３Ａ、ハーフステップ、最大４０００ＰＰＳで分注装置を往復運動させて評価した。モータドライバにはヒートシンクをつけず、モータドライバのケース温度はモータドライバの金属面に白金測温体を貼り付けて測定した。電圧プローブと電流プローブを用いてオシロスコープによりＡ相の出力電圧とＡ相の電流を測定した結果、アバランシェ現象の継続時間は１３６ｎｓ、アバランシェ電流は１．２２Ａであった。またモータドライバのケース温度は９９℃であった。

【0034】

比較例２
ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルとして、図４に示すような、ＴＥＭＰ−ＦＬＥＸ ＣＡＢＬＥ社製同軸ケーブル１２ＣＸ−０１（内部導体の外径：０．９６ｍｍ、外部導体の内径：１．０９ｍｍ、外部導体の外径：１．５０ｍｍ）を６本束ねた１．３ｍのケーブルを用いた他は、比較例１と同様に評価した。なお、各同軸ケーブルの内部導体には、前記モータと前記ドライバのＡ相１０１同士、Ａ相コモン１０２同士、ＡＢ相１０３同士、Ｂ相１１１同士、Ｂ相コモン１１２同士、ＢＢ相１１３同士が、それぞれ接続されており、各ケーブルの外部導体には、フレームグランド１２１が接続されている。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．１５μＨ、キャパシタンスは４．７ｐＦであった。

【0035】

結果、アバランシェ現象の継続時間は１３４ｎｓ、アバランシェ電流は０．９６Ａであった。またモータドライバのケース温度は９４℃であった。

【0036】

比較例３
ユニポーラ型２相ステッピングモータを外してドライバの近くに置き、図３に示すようなＡＷＧ２０規格の被覆ワイヤを６本束ねた０．１１ｍのケーブルを用いてモータのリード線とドライバを接続した他は、比較例１と同様に評価した。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．３５μＨ、キャパシタンスは３２５ｐＦであった。

【0037】

結果、アバランシェ現象の継続時間は９６ｎｓ、アバランシェ電流は１．１８Ａであった。またモータドライバのケース温度は９１℃であった。

【0038】

実施例１
ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルとして、図５に示すような、ＴＥＭＰ−ＦＬＥＸ ＣＡＢＬＥ社製同軸ケーブル１２ＣＸ−０１（内部導体の外径：０．９６ｍｍ、外部導体の内径：１．０９ｍｍ、外部導体の外径：１．５０ｍｍ、絶縁層：ＥＴＦＥ、外被：ＦＥＰ）を２本撚って束ねた１．３ｍのケーブル２組を用いた他は、比較例１と同様に評価した。当該同軸ケーブルの外部導体の内径は内部導体の外径の１．１４倍である。なお、一方の組の同軸ケーブルの内部導体には、前記モータおよび前記ドライバのＡ相１０１同士ならびにＡＢ相１０３同士が、それぞれ接続されており、外部導体は、ともに前記モータおよび前記ドライバのＡ相コモン１０２同士が接続されている。また、他方の組の同軸ケーブルの内部導体は、前記モータおよび前記ドライバのＢ相１１１同士ならびにＢＢ相１１３同士が、それぞれ接続されており、外部導体は、ともに前記モータおよび前記ドライバのＢ相コモン１１２同士が接続されている。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．３５μＨ、キャパシタンスは３２５ｐＦであった。

【0039】

結果、アバランシェ現象の継続時間は９３ｎｓ、アバランシェ電流は０．６８Ａと比較例１および比較例２よりも減少していた。またモータドライバのケース温度も８６．５℃と、比較例１および比較例２よりも低下していた。さらに、短いケーブルを使った比較例３よりも温度が低下していた。

【0040】

実施例２
ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルとして、図７に示すような、ＴＥＭＰ−ＦＬＥＸ ＣＡＢＬＥ社製同軸ケーブル１２ＣＸ−０１（内部導体の外径：０．９６ｍｍ、外部導体の内径：１．０９ｍｍ、外部導体の外径：１．５０ｍｍ、絶縁層：ＥＴＦＥ、外被：ＦＥＰ）の外周に銅箔を巻き（巻いた銅箔の内径：１．９９ｍｍ、巻いた銅箔の外径：２．０６ｍｍ）、さらにその外側に熱収縮チューブを被せて作成した１．３ｍの三層同軸ケーブルを２本用いた他は、比較例１と同様に評価した。本実施例で作製した三層同軸ケーブルの中間層導体（同軸ケーブルの外部導体）の内径は内部導体の外径の１．１４倍であり、外部導体（巻いた銅箔）の内径は中間層導体の外径の１．３３倍である。２本の三層同軸ケーブルのうち、一方の三層同軸ケーブルの内部導体（同軸ケーブルの内部導体）には前記モータと前記ドライバのＡ相１０１同士が、中間層導体（同軸ケーブルの外部導体）には前記モータと前記ドライバのＡ相コモン１０２同士が、外部導体（巻いた銅箔）には前記モータと前記ドライバのＡＢ相１０３同士が、それぞれ接続されており、他方の三層同軸ケーブルの内部導体には前記モータと前記ドライバのＢ相１１１同士が、中間層導体には前記モータと前記ドライバのＢ相コモン１１２同士が、外部導体には前記モータと前記ドライバのＢＢ相１１３同士が、それぞれ接続されている。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．２２μＨ、キャパシタンスは７４４ｐＦ、ＡＢ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．２０μＨ、キャパシタンスは３８５ｐＦであった。

【0041】

結果、アバランシェ現象の継続時間は１０３ｎｓ、アバランシェ電流は０．８Ａと比較例１および比較例２よりも減少していた。またモータドライバのケース温度も８８℃と、比較例１および比較例２よりも低下していた。さらに、短いケーブルを使った比較例３よりも温度が低下していた。

【0042】

実施例３
ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルとして、図５に示すような、進興電線株式会社製シールド付１芯ケーブルＭＶＶＳ ０．１８／７×１Ｃ（内部導体の外径：０．５４ｍｍ、外部導体の内径：１．２５ｍｍ、外部導体の外径：１．５０ｍｍ、絶縁層：塩化ビニル、外被：塩化ビニル）を２本撚って束ねた１．３ｍのケーブル２組を用いた他は、比較例１と同様に評価した。当該ケーブルの外部導体の内径は内部導体の外径の２．３１倍である。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．３μＨ、キャパシタンスは４２７ｐＦであった。

【0043】

結果、アバランシェ現象の継続時間は１２０ｎｓ、アバランシェ電流は０．８８Ａと比較例１および比較例２よりも減少していた。またモータドライバのケース温度も９１℃と、比較例１および比較例２よりも低下していた。さらに、短いケーブルを使った比較例３とほぼ同じ温度であった。

【0044】

実施例４
ステッピングモータとモータドライバとを接続するケーブルとして、図５に示すような、株式会社日興電線製シールド付１芯ケーブルＥＴＦＥ（Ｙ）１９／０．２０３（内部導体の外径：１．０２ｍｍ、外部導体の内径：１．３２ｍｍ、外部導体の外径：１．５０ｍｍ、絶縁層：ＥＴＦＥ、外被：ＥＴＦＥ）を２本撚って束ねた１．３ｍのケーブル２組を用いた他は、比較例１と同様に評価した。当該ケーブルの外部導体の内径は内部導体の外径の１．２９倍である。本ケーブルのＡ相とＡ相コモン間のインダクタンスは０．３３μＨ、キャパシタンスは５２５ｐＦであった。

【0045】

結果、アバランシェ現象の継続時間は１２５ｎｓ、アバランシェ電流は０．７０Ａと比較例１および比較例２よりも減少していた。またモータドライバのケース温度も８９℃と、比較例１および比較例２よりも低下していた。さらに、短いケーブルを使った比較例３よりも温度が低下していた。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明により、ドライバの発熱が低く、信頼性の高いステッピングモータ駆動ユニットを提供することができる。このため、高い信頼性が要求され、多数の駆動ユニットが搭載される、生化学分析装置等の自動分析装置に設置するモータ駆動ユニットとして特に好ましいといえる。さらに本発明により、ケーブルを長くしてもドライバの発熱を抑えることができるため、ドライバをステッピングモータから離して設置することができる。このため、設計の自由度を向上させることができる。

【符号の説明】

【0047】

１１：２相ステッピングモータドライバ
１２：相励磁制御回路
１３：パワーＭＯＳＦＥＴ
１４：電流検出抵抗
２１：ケーブル
３１：６線仕様の２相ユニポーラステッピングモータ
３２：８線仕様の２相ユニポーラステッピングモータ
３３：Ａ相コイル
３４：ＡＢ相コイル
３５：Ｂ相コイル
３６：ＢＢ相コイル
１０１：Ａ相
１０２：Ａ相コモン
１０３：ＡＢ相
１０４：Ａ相リターン
１０５：ＡＢ相リターン
１１１：Ｂ相
１１２：Ｂ相コモン
１１３：ＢＢ相
１１４：Ｂ相リターン
１１５：ＢＢ相リターン
１２１：フレームグランド（ＦＧ）
１２２：絶縁体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】