サーボモーターの特性と選定ポイント～制御の仕組みをわかりやすく解説～

サーボモーターは、位置、速度、トルクを
精密に制御するために使用されるモーターであり、
ロボット工学、自動化機器、工作機械などの
分野で非常に重要な役割を果たしています。

本記事では、サーボモーターの特性と
機械設計における選定ポイントについて詳しく解説します。

サーボモーターの特性

サーボモーターの構造

サーボモーターは通常、モーター、エンコーダ、
および制御装置（サーボアンプ）で構成されています。

この構造により、目標とする位置や速度を
フィードバック制御によって正確に制御することが可能です。

サーボシステムは、出力軸の位置や速度を計測し、
それを基にしてモーターに適切な指示を出します。

サーボモーターの動作原理

サーボモーターは、制御信号に基づいて回転角度や速度を制御します。

通常、制御信号はパルス幅変調（PWM）信号として供給され、
モーターが目標の位置または速度に到達するまで動作します。

この過程で、エンコーダやポテンショメーターが現在の位置を監視し、
差異があればその都度モーターの回転を調整します。

サーボモーターの特性

1. 高精度な位置制御
   • サーボモーターは、フィードバック機構により
     正確な位置制御が可能です。
   • 細かな精度で軸の位置を制御することができるため、
     工作機械やロボットのアーム制御などに適しています。
2. 高速応答性
   • サーボモーターは応答速度が非常に速く、
     短時間で目標の位置や速度に到達できます。
   • これにより、高速で動作する
     機械においても精度を保つことができます。
3. トルク制御
   • サーボモーターは、トルクを正確に制御できるため、
     過負荷時に適切なトルク制御を行い、
     モーターや機械を保護することができます。
4. 静音性
   • サーボモーターは動作音が小さく、
     特に低速で動作する際に静音性が求められる装置に適しています。

サーボモーターの種類

サーボモーターにはいくつかの種類があり、用途に応じて適切なものを選定する必要があります。

• ACサーボモーター
  • 交流電源を用いたサーボモーターで、
    高トルクや高速応答性が求められる場合に使用されます。
  • 産業用機械や工作機械で広く採用されています。
• DCサーボモーター
  • 直流電源を用いたサーボモーターで、
    位置制御や速度制御に優れています。
  • ロボットや精密機械でよく使用されます。

サーボモーターの制御の仕組み

～位置や速度を思い通りに動かす技術～

サーボモーターは、位置・速度・トルクを
高精度でコントロールできるモーターです。

普通のモーターが「回すだけ」なのに対し、サーボモーターは
「決められた位置や速度まで正確に動かす」ことができます。

ロボット、工作機械、カメラのレンズ制御など、
精密な動きが必要な場面で使われます。

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制御の基本は「フィードバック」

サーボモーターの特徴は、
常に自分の動きを確認しながら動くことです。

これを「フィードバック制御」といいます。

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制御の流れ

サーボモーターの動きは、以下の3つの要素で成り立っています。

① 指令（コントローラーからの指示）

コントローラー（制御装置）から
「○度回転しろ」「○mm動け」などの命令が送られます。

これはいわば「目標の動き（目標値）」です。

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② 実際の動きを測定（センサー）

サーボモーターにはエンコーダという
回転位置センサーが付いています。

モーターが「今どこまで動いたか」をリアルタイムで検出します。

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③ 比較と修正（ドライバ）

エンコーダから得た「実際の位置」と「目標位置」を比較します。

差（誤差）があれば、その分だけ
回転を速くしたり遅くしたりして補正します。

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例え話で理解

サーボモーターは、車の運転でいうと
カーナビを見ながら運転する人のようなものです。

• カーナビ（コントローラー）
  • 「次の交差点で右折」＝目標位置
• ドライバー（モーターとドライバ）
  • 「あ、まだ曲がってない、ハンドルを切ろう」＝補正
• ミラーや窓からの確認（エンコーダ）＝現在位置の検出

この「目標と現在位置を比べて修正する」動きが、
サーボ制御の本質です。

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サーボモーター制御のメリット

• 高精度
  • ミリ単位・度単位で位置を制御できる
• 安定動作
  • 負荷が変わっても速度や位置を維持
• 効率的
  • 必要な動きだけ行うのでムダが少ない

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サーボモーターは、

１．目標を受け取る（コントローラー）
２．現在位置を確認する（エンコーダ）
３．誤差を修正する（ドライバ）

というフィードバック制御で、位置や速度を正確に動かします。

サーボモーターの選定ポイント

必要なトルク

サーボモーターを選定する際、最も重要な要素の一つがトルクです。

機械にかかる負荷や必要な加速・減速を考慮し、
適切なトルクを持つモーターを選定します。

モーターが提供するトルクは、
機械の重量、摩擦、加速度に基づいて計算する必要があります。

• 定格トルク
  • モーターが連続運転で供給できるトルクです。
  • 設計時に負荷に対応する十分な定格トルクを持つ
    モーターを選ぶことが重要です。
• 最大トルク
  • 一時的に供給できるトルクで、
    急激な加速や突発的な負荷がかかる場合に対応します。

回転速度

サーボモーターの回転速度は、負荷の動きに応じて選定します。

低速で高精度の位置制御が必要な場合や、
高速での動作が必要な場合、
それぞれに適したモーターを選定することが重要です。

• 定格速度
  • モーターが安定して連続運転できる速度を考慮します。
• 高速応答性
  • 高速での動作が必要な場合は、
    モーターの応答性が重要な選定ポイントです。

制御精度

サーボモーターの最大の特徴である制御精度は、特に重要です。

設計する機械の要求する精度に基づいて、
適切なフィードバック機構（エンコーダなど）を備えた
モーターを選定する必要があります。

• 分解能
  • エンコーダの分解能は、位置制御の精度に影響を与えるため、
    必要な精度に応じたエンコーダを選定します。

減速機の選定

減速機（ギアヘッド）は、モーターの出力回転を
減速しつつトルクを増やす装置です。

特にサーボモーターは高速・低トルクな傾向があるため、
そのままでは負荷を駆動できない場合が多く、減速機が必要になります。

動作環境

サーボモーターが使用される環境条件も選定時に考慮するべきポイントです。

高温、多湿、粉塵の多い場所で使用される場合には、
防塵・防水性能を持ったモーターを選定することが必要です。

✅ 防塵・防水

IP規格に基づき、必要な防護性能を持つモーターを選びます。

✅ 温度耐性

高温や低温で使用する場合、モーターの温度耐性や冷却機構を考慮します。

電源条件

サーボモーターにはDCタイプとACタイプがあります。

設計する機械の電源仕様に基づいて、
どちらのタイプを選ぶかが決まります。

一般的に、ACサーボモーターは
高トルク・高出力を求める産業用途に適しています。

• ACサーボモーター
  • 高出力、高トルクが必要な場合や、
    工業用途での使用に向いています。
• DCサーボモーター
  • 小型の機器や精密機械に適しており、
    バッテリー駆動などのDC電源を使用する場合に選定します。

コストと効率

サーボモーターは高精度な制御が可能な一方で、
コストが高くなる傾向があります。

そのため、用途や要求精度に応じて
コストと効率のバランスを取ることが重要です。

• 初期コスト
  • 高性能なサーボモーターは高価ですが、
    機械全体の性能向上に寄与します。
• ランニングコスト
  • 効率の良いモーターを選ぶことで、
    長期的なエネルギーコストを削減することができます。

主なメーカー

三菱電機株式会社　　　　　　メーカーページはこちら

株式会社キーエンス　　　　　メーカーページはこちら

まとめ

サーボモーターは、その高精度な位置制御、高速応答性、トルク制御により、
機械設計において多くの場面で必要不可欠な要素です。

選定においては、必要なトルク、回転速度、制御精度、
動作環境、電源条件、コストを総合的に考慮することが重要です。

適切なサーボモーターの選定により、
機械の性能を最大限に引き出し、
効率的で信頼性の高いシステムを構築することが可能になります。