回転モーション制御は現代のオートメーションの中核を成し、ロボットアーム、コンベア、CNC工作機械、その他数え切れ​​ないほど多くのアプリケーションの精密な動きを支えています。従来、こうしたシステムにおいて制御された回転動作を実現するためのソリューションとして、ギヤードサーボモーターが主流でした。その汎用性、比較的低価格、そしてトルクと速度の調整能力により、ギヤードサーボモーターは産業機械において中心的な位置を占めています。

しかし、ダイレクトドライブ回転サーボモーターやクローズドループシステムといった先進的な代替技術の登場により、エンジニアは現代のモーション制御におけるギヤードモーターの役割を再評価し始めています。ギヤードサーボモーターは依然として最適なソリューションなのでしょうか？それとも、性能と信頼性において、より新しい技術がギヤードサーボモーターを凌駕してしまったのでしょうか？

ギア付きサーボモーターの価値提案

ギア付きサーボモーターは、従来の回転式サーボモーターとギア減速機を組み合わせたもので、位置、速度、トルクを精密に制御しながら、低速でも高いトルクを発生できます。

主な利点：

• トルク増幅：ギアボックスはモーターのトルクを増幅し、小型モーターでより大きな負荷を駆動できるようにします。
• 速度マッチング：ギアボックスはモーター速度を低減することで、サーボモーターの最適な動作速度をアプリケーションの要件に合わせて調整するのに役立ちます。
• 機械的利点：高い保持トルクを必要とするアプリケーション（垂直荷重や昇降機構など）では、追加の機械的抵抗がメリットとなります。

ギア付きサーボモーターは、次のような用途で広く使用されています。

• 包装機械
• コンベアシステム
• 自動化された組立ライン
• 巻き取りおよび張力調整アプリケーション
• 関節トルク制約のあるロボットおよびガントリー

統合の容易さとコスト効率の良さから、特に減速とトルク増幅が重要な用途では、数十年にわたりギヤードサーボモーターが好まれてきました。

欠点を理解する：バックラッシュと剛性

ギヤードサーボモーターは広く普及しているにもかかわらず、サーボ性能を低下させる可能性のある課題を抱えています。特に顕著なのは、バックラッシュとねじり剛性の限界です。

バックラッシュとは？

バックラッシュとは、ギアの歯やその他の伝達部品間の機械的な「遊び」のことです。これは、モーターの動きと負荷の応答の間に遅れを生み出します。運動方向が変わると、モーターはまずこの遊びを吸収してから、負荷にトルクを効果的に伝達する必要があります。

これにより、以下のことが起こります。

• 位置の不確実性：エンコーダの読み取り値はモーターシャフトの位置を反映しますが、負荷の位置は反映しません。
• カップリング/デカップリング動作：方向転換時に負荷とモーターが一時的に切断され、再接続されるため、制御精度に影響します。
• チューニングの難しさ：機械的な動作によってノイズや遅延が発生するため、制御システムはパフォーマンスを最適化するのに苦労します。

バックラッシュは通常、分角（1分角 = 1/60度）で測定されます。高精度のギアボックスであっても、3分角から9分角の範囲のバックラッシュが発生することがあります。

ねじり剛性とは？

ねじり剛性とは、トルクがかかった状態でのシステム（シャフト、ギア、カップリング）のねじれに対する抵抗力です。完全に剛性の高いシステムでは、たわみはゼロで、トルクを瞬時に正確に伝達します。実際には、すべての材料は荷重を受けるとわずかに変形し、機械式カップリングはねじりバネのように作用します。

剛性が低いと、次のような問題が生じます。

• エネルギーの蓄積と放出：圧縮されたバネのように、エネルギーは蓄積され、そして放出され、振動を引き起こします。
• 共振：特定の速度では、システムが制御不能に振動することがあります。
• 応答速度の低下：オーバーシュートや不安定さを回避するために、コントローラーはゲイン設定を制限する必要があります。

ねじり剛性が不十分だと、バックラッシュと相まって機械的弾性が生じ、動作制御が複雑になり、システムの整定時間が長くなります。

ダイレクトドライブ回転サーボモーター：より優れたソリューション？

ギア付きソリューションとは異なり、ダイレクトドライブ回転サーボモーターは、ギアボックスや伝動システムを必要とせず、負荷をモーターのローターに直接取り付けます。

性能上の利点：

• ゼロバックラッシュ：ギアやベルトがないため、方向転換時の動作遅れがありません。
• 高いねじり剛性：短く剛性の高い機械経路により、トルク印加時のたわみを最小限に抑えます。
• スムーズな応答：モーターはコントローラーのコマンドに瞬時に反応し、高いチューニングゲインと迅速な整定を実現します。
• 最小限のメンテナンス：ギアの潤滑、バックラッシュ調整、機械摩耗は不要です。

ダイレクトドライブモーターは、高極数とカスタム巻線を採用し、低速域で高トルクを発揮するよう設計されています。ギアボックスを必要とせず、ギアモーターと同等の機能を発揮します。

優れた点：

• 精密位置決めシステム（例：半導体製造）
• 光学システムおよび検査装置
• 大型回転テーブルおよびインデクサー
• 高い動的応答を必要とするロボット工学
• サーボプレスおよび工作機械

コスト要因

ダイレクトドライブモーターは、その性能にもかかわらず、高価です。磁性材料の含有量が多い（多くの場合、希土類磁石を使用）、厳しい製造公差、そしてカスタム設計がコストを押し上げます。さらに、同等のトルク容量を持つギヤードモーターよりもサイズが大きくなる傾向があります。

とはいえ、以下の点を考慮すると、その差は歴然としています。

• メンテナンスの削減
• 長寿命
• 機械摩耗なし
• 性能向上
• エンコーダ補正技術の排除

ダイレクトドライブシステムの長期的なROIは、特に高性能アプリケーションにおいて、初期投資を上回る可能性があります。

中間案：負荷エンコーダを備えた閉ループギアシステム

ダイレクトドライブを完全に採用することなく性能ギャップを埋めるため、一部のシステムでは負荷側に二次エンコーダを使用し、完全な閉ループ制御システムを形成します。

この構成では、以下のメリットがあります。

• 実際の負荷位置を測定することで、バックラッシュとコンプライアンスを補正します。
• モーター側のフィードバックのみに頼るよりも、より正確な制御を可能にします。
• アルゴリズムによる補正により、機械的な遅れを補正します。

ただし、これにより次のことが起こります:

• システムの複雑さが増す：エンコーダが2つ必要、配線の追加、信号処理。
• コストの増加：部品の追加、キャリブレーション、統合。
• 機械的な問題が解消されない：バックラッシュとコンプライアンスは物理的に依然として存在する。

これらのシステムは、ダイレクトドライブがコスト的に困難であるものの、ギヤードモーターだけでは必要な精度が得られない場合に効果的です。

構成の比較：ギヤードモーター vs. ダイレクトドライブ vs. クローズドループ

特徴	ギヤードサーボモーター	ダイレクトドライブサーボモーター	ギヤ付き＋負荷エンコーダー
バックラッシュ	中程度（3–9 アーク分）	ゼロ	補償される（完全には除去されない）
ねじり剛性	低〜中程度	高い	低〜中程度
位置精度	中程度	高い	高い
スピード／トルク適合	優れている（ギアボックスによる）	良好（巻線による）	優れている
システムの複雑さ	低い	中程度	高い
メンテナンス	中程度	低い	高い
コスト	低〜中程度	高い	中〜高
最適な用途	一般産業用途	高精度タスク	レトロフィットや予算制約下

 

回転モーションソリューションを選択する際の重要な考慮事項

どの回転モーション制御技術を使用するかを決定する際、エンジニアは複数の要素を検討する必要があります。

• 必要な精度：1分未満の精度は重要ですか？
• 負荷慣性：高慣性負荷には、剛性が高くバックラッシュのないシステムが適しています。
• サイクルタイムと速度：高速システムには、より優れた応答性とチューニングが必要です。
• 予算の制約：ギアモーターは初期費用では有利ですが、長期的なROIは高くありません。
• メンテナンス許容範囲：ギアシステムは摩耗しますが、ダイレクトドライブは摩耗しません。
• 設置スペース：ダイレクトドライブは大型で、既存の設置面積に収まらない場合があります。

どれが最良の選択でしょうか？

万人に当てはまる答えはありませんが、いくつかの明確なガイドラインがあります。

• 中程度の精度が求められる一般的な産業オートメーションにおいては、ギア付きサーボモータは依然として堅実で費用対効果の高い選択肢です。幅広い機械に十分な柔軟性とトルク調整を提供します。
• 特にゼロバックラッシュ、高速応答、高分解能が求められる高性能アプリケーションでは、ダイレクトドライブ式回転サーボモータが優れた技術であり、システムの複雑さを軽減しながら比類のないモーション制御を提供します（ただし、コストは高くなります）。
• コスト重視でありながら精度向上が求められるレガシーシステムや中規模アプリケーションでは、負荷側フィードバックを備えた閉ループギア付きシステムが現実的な妥協案となります。

最終的には、アプリケーションの具体的な性能ニーズ、予算、そしてライフサイクルの期待値によって決定されます。ギア付きサーボモーターは依然としてモーションコントロールのツールボックスにおける貴重なツールですが、モーター設計の進歩により、特に精度と応答性が極めて重要なアプリケーションにおいて、より優れたソリューションが登場しています。
では、ギア付きサーボモーターは最適なのでしょうか？多くの場合、その通りです。しかし、常に最適なのでしょうか？いいえ。ダイレクトドライブとクローズドループソリューションは、次世代のオートメーションにおける回転モーションコントロールの可能性を再定義しています。