サーボモーターの仕組み：簡単ガイド

サーボモーターは非常に正確な動きで物を動かす。ロボットアームはどうやって止まるべき正しい場所を知るのだろう？飛行機はどうやってフラップを動かすのだろう？私はその答えがサーボモーターであることを知った。この投稿では、この偉大なツールの仕組みについて私が学んだことをお伝えしよう。サーボモーターを正確に動かすためのフィードバック機構について見ていく。また、サーボモーターのさまざまな産業用途についても見ていこう。

サーボモーターとは何か、なぜ重要なのか？

基本的に、サーボモーターは特殊なモーターである。サーボモーターは、回転部分を正確に制御することができます。角度位置や直線位置を制御することができます。また、その速度や加速度といった、動く速さやスピードをコントロールすることもできます。通常のDCモーターは、ただ回っているだけです。しかしサーボモーターは違います。サーボモーターは、ある場所に行き、その位置を保持するように指示することができます。

この技術は、クローズドループ制御システムと呼ばれるスマートなセットアップから生まれる。仕組みはこうだ：サーボモーターに移動する位置を指示する。サーボモーターはそこに移動する。そして、モーター内部のセンサーが、正しい位置にあることをコントローラに伝える。この常にチェックするプロセスが、サーボが非常に正確である理由です。ロボットやCNCマシンなど、正しい場所に移動しなければならないものを作るなら、サーボモーターの仕組みを学ぶべきです。

サーボモーターの中身

サーボモーターを開けると、チームとして働くいくつかの主要部品が見える。これは小さいが賢い道具である。

ACモーターやDCモーターのような通常のモーター。
スピードとトルク（回転力）をコントロールするためのギアもある。
位置を知るセンサー。これは通常、ポテンショメーターかエンコーダーである。
制御回路（コントロール・エレクトロニクス）。センサーを読み取り、モーターに指示を出す。

モーターは動力を与える。ギアはモーターに回転力を与え、それがモーターのトルクとなる。センサーと制御回路は頭脳のような働きをする。これらのパーツを組み合わせることで、サーボ機構はロボット工学やオートメーションで非常にうまく機能するのだ。モーターシャフトはギアに接続する。そしてギアは、外側に見える回転部分に接続される。

クローズドループ・フィードバックメカニズムの仕組み

これがサーボモーターの仕組みの中で最も特殊な部分だ。閉ループ制御システムという考え方が、サーボを他のモーターと違うものにしている。車を駐車することを考えてみよう。道路の端から1フィート離れたところに停めたい。どのくらい離れているかを目で確認し、位置を固定する。目で確認し、修正するのだ。

サーボモーターも同じことをする。コントローラーはモーターにメッセージ（制御信号）を送る。このメッセージは、モーターにある特定の場所、つまり目的の位置に移動するよう指示します。モーターが回転すると、センサー（ポテンショメーターまたはエンコーダー）が常にシャフトの位置を読み取ります。この情報はコントローラに送られます。コントローラーは現在の位置と希望の位置を確認します。もし両者が同じでなければ、モーターに電力を送り続けます。2つの位置が同じになると停止する。このように常に確認と修正を繰り返す仕組みがフィードバック機構である。サーボモーターが正確に位置を保持するのに役立っている。

サーボモーターを制御するには？

サーボモーターにバッテリーをつなぐだけではだめだということがわかった。ただ回転を始めることはできない。サーボモーターは命令を理解するために特別な命令セットを必要とする。この命令はパルス幅変調（PWM）と呼ばれる。

PWM信号とは、電気の短いバーストの集まりである。サーボモーターは、20ミリ秒ごとにこのバースト、つまりパルスを1回受け取ることを期待している。重要なのはパルスの長さで、電気の量ではない。この電気パルスの長さによって、モーターのシャフトがどこを回転すべきかが決まる。

通常、1ミリ秒のパルスは、サーボモーターに片側（0度）まで回すように指示する。
2ミリ秒間続くパルスは、反対側（180°）を向くように指示する。
1.5ミリ秒続くパルスは、中央のスポット（90度）に移動するよう指示する。

正しい電気パルスを送ることで、モーターシャフトを非常に正確に制御することができる。多くの楽しいプロジェクトは、Arduinoのようなコントローラーを使っている。これらのボードにサーボシールドを追加することができる。これにより、複数のサーボモーターを一度に簡単に制御できる。

サーボモーターの主な種類は？

サーボモーターを探すと、大きく分けていくつかの種類があることがわかる。ACサーボとDCサーボだ。

パート	ACサーボモーター	DCサーボモーター
パワー	交流（AC）	直流（DC）
仕組み	交流電流を使って回転する磁場を作る。	ブラシと整流子と呼ばれる部品を使用し、ブラシレスの場合もある。
最適	非常に正確な動きを必要とする仕事、工業用途、重いもの。	ホビーロボットや小型工具のような、よりコストのかからないシンプルなプロジェクト。
良いこと	非常によく働き、修理の必要もあまりなく、トルクも高い。	コントロールが簡単で、コストもかからない。
悪いこと	より複雑でコストもかかる。	効率が悪い。ブラシが古くなり、磨耗や破損の原因になります。

リニアサーボモーターもある。これらは円ではなく直線で動く。連続回転サーボもある。これらは通常のモーターと同じようにずっと回転することができるが、速度をコントロールすることができる。正しいサーボモーターを選ぶには、あなたのプロジェクトが何を必要としているかに基づきます。パワー、正確さ、予算などを考慮してください。例えば、大型のCNCマシンでは、強力なACサーボモーターを使用することが多い。

サーボモーターのポテンショメーターとは？

通常のサーボの多くは、位置センサーがポテンショメーターになっている。特にホビープロジェクトで使われるサーボはそうだ。ポテンショメーターとは、変化する抵抗器の一種。つまみがついていて、それを回すことができる。それを回すと、電気抵抗の大きさが変わる。

モーター内部では、ポテンショメーターが最後のギアと連動している。モーターシャフトが回転すると、ポテンショメーターも回転する。制御回路はポテンショメーターに電圧を通す。そして、出てきた電圧を読み取る。出力電圧はシャフトの位置によって異なる。これにより、回路はいつでもシャフトの正確な位置を知ることができる。これはシンプルだが、サーボシステムがフィードバックを得るための良い方法だ。

エンコーダーとリゾルバーとは？

工場での過酷な作業では、ポテンショメーターでは十分な精度が得られない場合があります。このような作業では、サーボモーターはエンコーダーやレゾルバをセンサーとして使用します。

エンコーダーは、動きを電気的なメッセージに変えるセンサーです。エンコーダは、位置以上のことをコントローラに伝えることができます。モーターシャフトの速度と方向を報告することもできます。主に2つのタイプがあります：

インクリメンタルエンコーダー：このエンコーダは変更ポジションで。常にスタート地点が必要だ。
アブソリュート・エンコーダー：常に正確な角度位置を表示します。電源が遮断され、再投入された場合でも位置を知ることができる。

レゾルバもセンサーの一種です。レゾルバは非常に強力で、粗い場所や汚れた場所でよく使用されます。エンコーダと同様に、シャフトの位置をフィードバックします。これらのセンサーはどちらも、ポテンショメーターよりもはるかに正確です。そのため、高度なロボット工学やオートメーション機械で目にすることができます。

サーボモーターはどこで使われているか？

サーボモーターとは何かを知ると、いろいろなところで目にするようになる。サーボモータの用途のリストは非常に長い。なぜなら、非常に多くのものが非常に正確な方法で動く必要があるからです。

サーボが使われる場所をいくつか紹介しよう：

ロボット工学：ロボットアームの各関節にはサーボモーターが付いている場合がある。これにより位置を制御することができる。これは大きな産業用ロボットにも、小さなホビー用ロボットにも当てはまる。ロボットのグリッパーは、サーボモーターを使って適切な力で開閉します。
産業用アプリケーション：工場では、サーボモーターは、動くベルト、ボトルを充填する機械、CNC機械を動かすために使用されています。そのスピードと精度が工場の自動化を可能にしている。
リモコン飛行機：リモコン飛行機は、サーボを使って小さな翼を動かす。ラジコンカーはサーボで操縦する。これはホビー用途では非常に一般的な使い方です。
医療機器：サーボモーターは、スキャナーや手術用ロボットのような病院器具に使用されている。これらのツールでは、正確であることが非常に重要です。
一般的な電子機器：カメラなどにも小さなサーボモーターが搭載されている。サーボモーターは、小さな変化を正確に行うことで、画像を鮮明にする働きをする。

蒸気を使って船の舵を制御するようになった最初の時代から、今日のロボット工学に至るまで、サーボ機構の主要な考え方は、機械を制御する優れた方法であることに変わりはない。