長良の落陽。

サーボモータは正確かつ素早く回転する機械ですが、モータ単体だけでは何もできません。モータを動かすためには、司令塔の役割を果たす「プログラマブルコントローラ（PLC）」と、実際にサーボモータを動かす「サーボアンプ」（ドライバ）が基本的には必要です。サーボアンプは、容量ごとに異なるサーボモータの性能を最大限に発揮できるようにチューニングされているため、メーカーによって両者がセットで販売されることが一般的です。

では、具体的にサーボモータは、どのような仕組みで動くのでしょうか？

まず、司令塔であるプログラマブルコントローラから、サーボモータをどう動かすべきか「位置/速度/回転力」についての目標値が出されます。位置なら、ある目標値でピタリと止められます。速度なら、低速から高速まで、一気に目標速度まで加速することが可能です。回転力については、サーボモータにかかる力（負荷）が急に変化しても目標の回転力を維持できます。

このようなプログラマブルコントローラからの目標値を受けるのが「サーボアンプ」です。サーボアンプは、サーボモータが目標値どおりに動くために必要な出力（電力）を供給します。ただし、本当にサーボモータが指令どおりに動いたかどうかは分かりません。そこで、前述のエンコーダが実際のサーボモータの回転位置や速度を検出し、その電気信号をサーボアンプに返します。

この信号のことを「フィードバック信号」（feedback）と呼びます。図の矢印のように、エンコーダがサーボモータからの信号を摂取し（feed）、それをサーボアンプ側に戻すわけです（back）。そして、プログラマブルコントローラから出された目標値とフィードバック信号を比較して、その誤差がゼロに近づくように、サーボモータの出力をうまくコントロールしていくわけです。

このような制御は、フィードバック信号がサーボアンプ側に戻され、閉じられたループを構成するため、「クローズド・ループ制御」と呼ばれています。サーボモータの最大のメリットである正確な位置/速度/回転力は、このクローズド・ループ制御によって生み出されるのです。

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3Dプリンターは業務用3Dプリンターを含めると、様々な造形方法が存在します。一般的な家庭用3Dプリンターでは「熱溶解積層方式」と「光造形方式」の2種類が一般的です。しかし、業務用の3Dプリンターでは高精度を求めた造形方式を採用しています。そこで今回は、家庭用3Dプリンターができる4つの活用法と、業務用３Dプリンターができる3つの用途を紹介します。3Dプリンターを利用することで、私たちの生活にどのような彩を与えてくれるのでしょうか。

家庭用3Dプリンターと、業務用3Dプリンターでは用途が大きく異なるケースがあります。そこで、家庭用プリンターと業務用3Dプリンターそれぞれの主な用途を紹介します。

業務用3Dプリンターの活用法を理解するには、家庭用3Dプリンターの用途を把握する必要がありそうです。家庭用プリンターを購入する目的はそれぞれ異なりますが、主に以下の目的で購入する方が多いようです。

・子供の学習目的

・ハンドメイド製品制作

・CADのテストプリント

・3Dプリンターの理解を深めるため

家庭用3Dプリンターでも、本格的な造形物を制作することが可能ですが、主に、簡単な構造物の制作や、お子さんの学習理解を深めるために利用している方が多いようです。家庭用3Dプリンターで「CADの概念」を理解して、設計などの仕事に就く方も年々増加しているようです。

業務用3Dプリンターの主な用途

 

業務用3Dプリンターの造形方式は家庭用3Dプリンターの造形方式よりも多く存在しています。以下に業務用3Dプリンターの用途と造形方式を示します。

・機械部品の制作

・歯科モデルの制作

・建築モデルの制作

造形方針種類

・熱溶解積層方式

・光造形方式

・材料噴射

・粉末床溶融結合方式

・結合剤噴射

業務用のプリンターでは主に以上で挙げた方式でプリントアウトします。以上で挙げた方式では具体的に、どのような活用事例があるのでしょうか。

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制御用に使用されているモーターは、ＤＣモーターやステッピングモーターとＡＣサーボモーターになります。

ここでは、ステッピングモーターとＡＣサーボーモーターについてご説明させていただきます。

ステッピングモーターやＡＣサーボモーターの構造の違いから制御の方法も違います。

ステッピングモーターがオープンループ制御で、

ＡＣサーボモーターがクローズドループ制御に大きくわかれます。

クローズドループ制御は、フィードバック制御とも云います。

サーボとは、主人に仕えると云う意味があります。

会社でよく仕事ができる人と同じです。

指示がでて進捗状況を随時報告して状況により修正して目標に到達します。

一方的に仕事をしていては、例え仕事ができたとしてもなにがなんだかわかりませんね。

ステッピングモーターの構造から、パルスを与えて回転状態が決まってきます。

パルスで指令した応答に対してオープンなのでオープンループ制御と云います。

モーターが回転している状態を把握していないので、極端に云えば本当にモーターが回っているかどうかわかりません。

オープンループ制御に対して、クローズドループ制御は、パルスで指令した応答に対してクローズでモーターの回転を検出してフィードバックして制御します。

すなわち、パルスを指令してモーターが回転したことを把握して次々に指令を出していきます。

ステッピングモーターは執行するエレメントとして、メカトロニクスの一つのキーワードな産品であれ、いろいろな自動化式な制御のシステムに応用される。マイクロエレクトロニクスとコンピューターの発展につれて、ステッピングモーターの需要量はだんだんが増していき、色な国民的な経済分野で応用される。

工業級的なステッピングモーターとドライバの使用環境温度は理論的には負20度から正50度までぐらいである。実際的な応用で、ステッピングモーターは東北には負40度ぐらい、東南の亜高速道路には料金所でケースに正65度に達し、ステッピングモーターが正常に運行することができる。

宇宙工業と軍事工業ではステッピングモーターとドライバの使用環境に特殊な要求があるので、ステッピングモーターの温度範囲が負50度から正130度までに達する。そんなステッピングモーターの材料と技術ははるかに工業級によりすごく、その価格が工業級的なステッピングモーターにより100倍も高い。

高温な環境では、ステッピングモータドライバの部品もドリフトを出現し、功電流の輸出能力が厳しく下がる。更に部分のICとモジュールが75度の保護を設定した、ステッピングモーターのマグネットが熱消磁を出現し、トルクが下がり、高くすぎる温度がエナメル線絶縁層に溶融される。そのため、環境の温度は50度以上に達するステッピングモーターを使用すれば、50％以上の残量を選択ｈしなければならない。

低温な環境ではステッピングモーターの部分な材料が脆化な現象が生じる。ステッピングモータドライバの部分な部品はパラメーターのドリフトがあるから、予めに通電で五から十五分を予熱している。

出典： ステッピングモーターの使用環境には温度の要求について

ACを整流してDCに変換する原理については先に説明しましたので、その後の動作にあたるスイッチング方式のDC/DC変換の原理についても簡単に説明します。

図6は、代表的な制御方法であるPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)方式による降圧の原理を示しています。PWMは、周期(周波数)を一定としてONとOFFの時間比、つまりデューティサイクルを調整する制御方法で、様々なアプリケーションで使用されています。PWMでは、DC電圧をスイッチによって必要なデューティサイクルのACに変換し、再び整流してDCに戻すことで所望のDC電圧を得ます。例えば100VDCをスイッチによって周期の25%をON、残りをOFFという25:75のACに変換します。（スイッチング電源）

そのACを整流-平滑、つまり平均化してDCにすると電圧は25%分に該当する25VDCに変換されます。実際には、DC/DC変換は電力変換であり、変換効率を加味しなければならないので、図のようにちょうどにはなりませんが、このような原理に基づきます。また、負荷電流が増えれば電圧が降下し、制御回路はパルス幅を増やして電圧を設定値に戻すために帰還制御を行うので、パルス幅も一定ではありません。（ステッピングモーター）

話しを整理すると、AC/DC変換は入力のAC電圧をそのまま整流-平滑してDCに変換し、そのDCを再度高周波のACに変換して、再び整流-平滑して所望のDC電圧に変換するという流れになります。前述のトランス方式に比べ、AC/DC変換を2回も行うので複雑に感じるかもしれません。確かに複雑になるのですが、大きなメリットがあるため、近年ではスイッチング方式を採用するAC/DCコンバータが増えてきています。