国内では2相ステッピングモーターというと、6本線のユニポーラ形がほとんどで、実際、当社に入荷する2相ステッピングモーターは9割以上がユニポーラ形です。ところがCNCシールドに搭載されているドライバは、バイポーラ用となっており、4本しか端子がありません。

しかし下記の図ように、6本のうち2本を非接続にすることで、バイポーラとして使うことができます。
当社で販売している2相ステッピングモーターを例に接続図を示します。
（実際にCNCシールドで駆動した実績のあるものだけを掲載しています。）

• 56mm角ステッピングモーター [片軸/コネクタ接続/ケーブル付属]
• 56mm角ステッピングモーター [両軸/コネクタ接続/ケーブル付属]
• 42mm角ステッピングモーター [片軸/コネクタ接続/ケーブル付属]
• 42mm角ステッピングモーター [両軸/コネクタ接続/ケーブル付属]

• ミネベア ステッピングモーター 23LM-C352-G1V
• ミネベア ステッピングモーター 23LM-C352-G1V（ギア付き）

• OKI ステッピングモータ KHP42J2501
• 日本サーボ 2相ステッピングモーター KH42HM2R043
• 日本電産サーボ 両軸2相ステッピングモータ KH56JM2U077
• 日本電産サーボ 2相ステッピングモータ KH56JM2U067

• 日本電産サーボ 両軸2相ステッピングモータ KH56KM2MP-003

中古品の2相ステッピングモーターは入荷のたびにこちらのカテゴリに追加しています。

▲ 原点復帰のようす（HD1616-703-001）

Arduino（Grbl）では、LIMITセンサを原点センサとしても使用します。FA（工場の自動化）の設備では、LIMITセンサは多くの場合、マイクロスイッチなどの接点ではなく、フォトマイクロセンサが使われていることが多いと思います。また、フォトマイクロセンサならば原点復帰精度も高めることができるため、今回は当社で販売しているフォトマイクロセンサを使った接続図をご紹介します。

• オムロン フォトマイクロセンサ EE-SX671
• オムロン コード付コネクタ EE-1006

中古品のフォトマイクロセンサは入荷のたびにこちらのカテゴリに追加しています。

フォトマイクロセンサを遮光OFFで使う場合の注意点

オムロンのフォトマイクロセンサには「L」という端子があり、これを＋に接続するか/しないかで動作が変わってきます。具体的には、L端子を非接続にすると「遮光ON」（センサを遮った時にON）となり、＋側に接続すると「遮光OFF」（センサを遮った時にOFF）となります。

FA（工場の自動化）の設備では、フォトマイクロセンサをLIMITとして使う場合、遮光OFFにすることがほとんどです。これは、フェールセーフ、つまり、断線や故障したときに安全側に働くようにするためです。

ただ、Arduinoでは、センサを遮光OFFで使うと困ったことが起きます。1軸に対して遮光OFFのセンサが1つだけなら問題ないのですが、2つになると工夫が必要です。

なぜかというと、CNCシールドのリミット入力は、「X+」、「X-」というように、1軸に対して2つのリミットを接続できるようになっていますが、内部回路をよく確認してみると、実はその二つは同じポートに接続されていて、独立していません。つまり、CPUから見ると、+側のリミットが働いたのか、-側のリミットが働いたのかを判別できないのです。おそらくポートの節約のためにこうしてあるのでしょう。このためソフトウェアにて、+方向に動いているときにリミットが働いたら+リミットと判断し、-方向に動いているときにリミットが働いたら-リミットとして判断しているはずです。

なので、LIMITを二つにする場合、それらをAND接続(直列)に接続する必要があります。しかしマイクロスイッチなどの接点であればAND接続にすればよいだけなので簡単ですが、フォトマイクロセンサはこちらの記事にも書かれているように、AND接続はできません。

これを実現するには、参考までに下記のような回路を作るとよいと思います。（この回路は当社で実験し正常に動作することを確認した上で掲載していますのでご安心ください）

なお、この回路を使用するときは、Gbrlの設定の$5（limit pins invert）を1に変更にする必要があります。

▲ 遮光OFFのフォトマイクロセンサを2つ使う場合の回路

フォトマイクロセンサの電源をどこからとるか

オムロンのフォトマイクロセンサの電源電圧は5～24Vと動作範囲が広いので、電源はCNCシールドの5V端子に接続してもよいですし、24Vに接続してもよいと思います。ただ、5V端子に接続した場合、注意が必要な時があります。それは、Arduino基板のDCジャックに外部電源を接続していない時に、フォトマイクロセンサの数が多くなると、5Vの消費電流が増え、USBから供給される電力では賄いきれない可能性があります。そうなると正常に原点復帰ができません。なので、フォトマイクロセンサの数が多い場合は、Arduino基板のDCジャックに外部電源を接続するか、24Vに接続するのがよいと思います。

1軸または2軸のみで原点復帰を行う場合の注意点

原点復帰はデフォルトでZ軸→XY軸というように動作するため、3軸揃っていなければ完了できません。しかし、プロッタのようにZ軸が不要であったり、1軸だけで使うような用途もあると思います。その場合は、こちらの資料の4ページに記載のように、config.hを変更することで、X軸だけまたは、XY軸のみで原点復帰が完了できるようになります。詳しくはこちらをご覧ください。

CNCシールドに搭載されているA4988ドライバモジュールには、モータに電流が流れ過ぎないよう電流を制限する機能が搭載されています。その電流値は、下記の写真のようにドライバ基板上のボリュームを回しながら、ボリュームとGND間の電圧（VREF）を調整することで設定します。下記はその電圧（VREF）を算出するための計算式です。

たとえば42mm角ステッピングモーター［両軸/コネクタ接続/ケーブル付属］の定格電流（Imax）は、1.2Aです。この計算式にあてめるとVREFが0.48Vになるので、ボリュームとGND間の電圧が0.48Vになるよう調整を行ってください。

なお、A4988には運転の頻度によって異なりますが、発熱が大きくなり、CNCシールドに付属のヒートシンクでは不十分になる可能性があります。その場合はヒートシンクを大きくするか、電流値を下げてご使用ください。

▲ ボリュームとGND間の電圧（VREF）を計測しているところ

▲ モーターの定格電流（Imax）が1.2Aならば、ボリュームとGND間の電圧が0.48Vになるように調整を行なう

CNCシールドに搭載されているドライバモジュールは、2相ステッピングモーター用ですので、5相ステッピングモーターは駆動できません。しかし、パルス信号は出力されていますので、これを5相ステッピングモーターのドライバに接続することでコントロールが可能になります。

ドライバモジュールを使わないならばCNCシールドは使う必要はあまりなく、直接Arduino基板から配線してもよいのですが、1軸だけ5相であとは2相というように、混在させて使う場合もあると思いますので、やはりCNCシールドを使うのは便利ではないかと思います。

下記に当社で販売している5相ステッピングモータードライバとの接続図を紹介します。

• オリエンタルモーター ステッピングモーターとドライバのセット PK543-B+UDX5107N

下記は脱調レスのステッピングモーターです。確実性と高速性を求める場合におすすめです。

• オリエンタルモーター 5相ステッピングモーターとドライバのセット AS66AA

下記のページでは2相ステッピングモーターと5相ステッピングモーターを垂直動作と水平動作で比較した動画がご覧になれますので、参考になさってください。

• オリエンタルモーター ステッピングモーターとドライバのセット PK543-B+UDX5107N

2相ステッピングモーターの基本ステップ角は1.8度なのですが、ドライバの電流制御によって、そのステップ角度をさらに細かくすることができます。これを「マイクロステップ駆動」といいます。

CNCシールドに搭載されているドライバモジュールは、そのマイクロステップ駆動に対応しており、ステップ角を最大で1/16まで細かくすることができます。

▲ CNCシールドからドライバモジュールを引き抜いたところ

各軸のドライバモジュールを引き抜くと、それぞれに3つのジャンパーピンがあります。これを抜き差しすることで、マイクロステップの分割数を設定することができます。左のジャンパーピンからMS1、MS2、MS3となっており、ショートすることでHighとなります。

分割数を細かくすればするほど、分解能が高まり振動も抑えることができます。このため私たちは、1/16（3つ全てのピンをショート）で使うことがほとんどです。とくに低速域ではその差を実感できます。

MS1	MS2	MS3	分割数
Low	Low	Low	1/1
High	Low	Low	1/2
Low	High	Low	1/4
High	High	Low	1/8
High	High	High	1/16

たとえばこのXYステージは、1/16に設定して動いています。具体的に1mmあたりのステップ数を計算してみましょう。

▲ HD1616-703-001

5相ステッピングモーターのマイクロステップの分割数の設定はドライバによってそれぞれ異なるのですが、たとえば下記のオリエンタルモーター製DFU1507の場合、DIPロータリースイッチで1/1～1/250の16段階の設定ができるようになっています。しかし、ほとんどの5相ステッピングモータードライバは、1/1（Full）か、1/2（Half）の二つしか設定できないことが多いと思います。

▲ DIPロータリースイッチ 1/1～1/250の16段階の設定ができるようになっている

Arduinoから出力されるパルス幅は、出力周波数に関係なく固定されています。そして、そのパルス幅は、デフォルトで10μsとなっています。この10μsというパルス幅は、ドライバによってはフォトカプラのスイッチングが追い付かず、正常に応答できない可能性があります。

当社で販売するドライバについては、応答するか確認した上で出品いたしますのでご安心ください。

▲ Arduinoから出力されるパルス

よく使う項目のみピックアップしてご紹介したいと思います。

$1（次の動作に移るまでの停留時間）

$5（リミット入力の論理設定）

$27（原点復帰後の移動量）

$100（X軸の1mmあたりのステップ数［step/mm］）
$101（Y軸の1mmあたりのステップ数［step/mm］）
$102（Z軸の1mmあたりのステップ数［step/mm］）

$110（X軸の最高速度［mm/min］）
$111（Y軸の最高速度［mm/min］）
$112（Z軸の最高速度［mm/min］）
$120（X軸の加減速度［mm/sec²］）
$121（Y軸の加減速度［mm/sec²］）
$122（Z軸の加減速度［mm/sec²］）

▲ 動作テスト

▲ 配線の様子

▲ XYステージを動かしたときの設定一覧

電源について

CNCシールドには、12-36Vの電源入力端子があります。これはステッピングモーターの駆動用の電源で、ドライバモジュールのVMOTという端子に接続されています。

モーターの定格電圧が数Vなのに、なぜこんなに高い電圧を与えるのかというと、ステッピングモーターは高速回転になると電流の立ち上がりが追いつかなくなり、トルク低下が発生するためです。それを防ぐために定格電圧の何倍、あるいは何十倍もの高い電圧をチョッピングさせています。100V以上の電圧をかけるドライバも少なくありません。

当社では下記の電源をおすすめします。容量は余裕があったほうがよいと思います。

• キーエンス スイッチングパワーサプライ MS2-H100

ダンパについて

一見、ただの円盤のように見えますが、ゲル状のシリコンと慣性体がプラスチックケースに密閉されており、これをステッピングモーターに取り付けると、振動が吸収され回転速度も上げることができます。とくに2相のステッピングモーターに取り付けたとき、その効果を実感することができます。

▲ オリエンタルモーター クリーンダンパ D4CL-5.0

アルミハンドルについて

アルミハンドルを取り付けると、自動だけではなく手動でも動かしたいという場合には便利です。5mm用と6.35mm用の2種類をご用意してございます。

▲ オリジナルマインド アルミハンドル