第 15 章　サーボモータ¶

DC モータ（第 13 章）が「速度を指令する」モータだったのに対し、サーボモータは「角度を指令する」モータ です。ホビーロボットのアーム、ロボット脚、カメラパン／チルト、グリッパ（挟む手）などに多用されます。

代表ボード：Arduino Uno R3

この章で壊しやすいもの

マイコン本体（USB 給電のままサーボを動かしてブラウンアウト → 頻発）
サーボモータ（無理な角度指令で内部ギアが焼損）
電源（複数サーボ同時駆動で突入電流オーバー、電池膨張）
サーボホーン（オーバートルクで内部スプラインがなめる）

この章のゴール¶

ホビーサーボの PWM 信号仕様（20ms 周期、1〜2ms パルス幅）を理解する
Arduino Servo ライブラリで角度指令ができる
電源容量 の見積もりと、複数サーボでのブラウンアウト対策を実装できる
ストール（= サーボが目標角度に到達できず、モータが回らない状態で最大電流が流れ続ける過負荷状態）時の発熱と焼損リスクを避ける

1. 動機：角度を直接指令したい¶

DC モータで特定の角度に止めるには、エンコーダ + PID 制御 のフィードバックループが必要で、ソフトウェアが複雑になります。サーボモータは この制御回路を内蔵した「角度指令式モータ」 です。パルス幅を送るだけで目標角度に動いて止まります。

ホビーサーボ（SG90、MG996R 等）：可動範囲 0〜180°、内部にポテンショメータと制御基板
産業用サーボ：可動範囲 360° 以上、高精度、高価

本書で扱うのは ホビーサーボ です。

2. ホビーサーボの PWM 仕様¶

サーボモータの PWM 信号仕様

周期 20 ms（50 Hz） 固定
HIGH パルス幅 1〜2 ms が角度に対応
- 1.0 ms → 0°（左端）
- 1.5 ms → 90°（中央）
- 2.0 ms → 180°（右端）
LOW 時間は 18〜19 ms（パルスの合間）

これは第 14 章で扱った一般的な PWM とは別物で、パルス位置変調（PPM） に近い制御です。Arduino の analogWrite では扱えず、専用ライブラリ（Servo）を使います。

3. 配線とコード¶

3.1 ホビーサーボの 3 線¶

色	意味
赤	V_CC（モータ電源、4.8〜6 V）
茶 / 黒	GND
オレンジ / 黄 / 白	信号（PWM）

3.2 `Servo` ライブラリの基本¶

#include <Servo.h>

Servo myServo;

const int SERVO_PIN = 9;   // Timer1 を使う D9 推奨

void setup() {
  myServo.attach(SERVO_PIN);   // ピンを指定
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  myServo.write(0);         // 0°（左端）
  delay(1000);
  myServo.write(90);        // 90°（中央）
  delay(1000);
  myServo.write(180);       // 180°（右端）
  delay(1000);

  // より細かい制御：マイクロ秒単位でパルス幅を指定
  myServo.writeMicroseconds(1500);   // 中央（1.5 ms）
  delay(1000);
}

Servo ライブラリは Timer1 を使う

Arduino Uno の Servo ライブラリは Timer1 を占有するため、D9, D10 の analogWrite（PWM）が使えなくなります。モータドライバを D9/D10 に繋いでいる場合は、D3 や D11（Timer2）に移すか、別のボードを検討します。

3.3 機械的な接続¶

サーボの回転軸に「サーボホーン」（付属のプラスチック腕）を取り付ける
ホーンの取り付けねじ（M2 など、型番で違う）を使う
サーボホーンを取り付ける向き は、0°／90°／180° のどこを「機械的な中央」にするかで決まる
- ホーン取り付け手順：①サーボをマイコンに接続して電源を入れ、②servo.write(90) をスケッチから実行してサーボが「ジジッ」と動いて静止するのを確認、③電源を入れたまま（またはサーボは指令を保持するので、電源を切っても手で動かさなければ位置は保たれる）、サーボホーンを取り付け、④ホーン固定ねじを締める。この手順で、機械的な中央（ホーンが真横を向く位置）が 90° の指令に一致する

4. 素朴な（NG）設計：USB 給電で複数サーボを駆動¶

NG 例¶

Arduino Uno の 5V ピンからサーボの VCC を取り、USB 給電で動かす。

USB 5V → Arduino 5V ピン → サーボ 赤線
Arduino GND → サーボ 黒線
D9 → サーボ 信号線

これはサーボ 1 個なら動くこともありますが、複数サーボでは確実にブラウンアウト します。

何が起きるか¶

サーボ 1 個の定常電流：50〜100 mA
サーボ 1 個のストール電流：500 mA 〜 1 A（動作開始時、負荷トルクが大きいとき）
Arduino Uno の USB 給電上限：500 mA（USB 2.0）
サーボ 2〜3 個を同時に動かすと、電流要求が USB 上限を超え → VCC 低下 → Arduino がブラウンアウトリセット（第 4 章 §7）

5. 正しい設計：外部電源 + V 分離 / GND 共通¶

5.1 電源を分ける¶

Arduino は USB 給電（ロジック側）
サーボは外部電源（単 3 × 4 本 = 6V、または 5V レギュレータ経由の AC アダプタ）
両電源の GND は共通に（第 4 章 §5）

これは第 13 章の DC モータと同じ設計パターンです。

5.2 配線（サーボ 2 個の場合）¶

電池 4.8〜6V（単3 × 4本） ─┬─ サーボ1 赤
                          └─ サーボ2 赤

電池 GND ─┬─ サーボ1 黒
          ├─ サーボ2 黒
          └─ Arduino GND  ← 1 点で共通化（スター接続）

Arduino D9 → サーボ1 信号
Arduino D10 → サーボ2 信号

5.3 デカップリングコンデンサ¶

サーボ電源ラインに 100〜470 μF 電解コンデンサ を入れると、突入電流による電圧低下が緩和されます。サーボ 1 個あたり 100 μF が目安。

電池 + ─┬─ サーボ 赤
        └─ [100 μF 電解 C] → GND

5.4 複数サーボの起動タイミングをずらす¶

全サーボが同時に動き始めると、ストール電流の重ね合わせ で電源が足りなくなります。対策:

#include <Servo.h>

Servo servos[4];
const int PINS[] = {9, 10, 11, 6};

void setup() {
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    servos[i].attach(PINS[i]);
    servos[i].write(90);  // 中央位置で開始
    delay(100);           // 起動タイミングをずらす
  }
}

void loop() {
  // 同時に動かしたい場合も、可能なら時間差を入れる
  for (int angle = 0; angle <= 180; angle += 10) {
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
      servos[i].write(angle);
      delay(5);   // わずかな時間差
    }
    delay(100);
  }
}

6. ストール電流と発熱、オーバートルク¶

6.1 ストール状態¶

サーボが目標角度に到達できない状態（機械的干渉、過負荷、可動範囲外の指令）を ストール と呼びます。このとき:

常時最大電流が流れる（〜1 A / サーボ）
サーボ内部のモータコイルが発熱
数秒〜数十秒で内部ギア or 制御基板が焼損

6.2 対策¶

可動範囲外の指令を送らない（write(200) などは送らない）
サーボホーンが物理的に届かない位置を避ける
壁やフレームに当たらないように機械設計（第 28 章）
長時間同じ位置を保持するなら、トルクが足りているか データシートで確認

6.3 サーボの選定表¶

本書で出会うホビーサーボ:

型番	トルク	電流（ストール）	重量	用途
SG90（9g）	1.8 kg·cm	500 mA	9 g	小型、軽負荷、最安
MG90S（金属ギア）	1.8 kg·cm	500 mA	13 g	SG90 の金属ギア版、耐久性高
MG996R	10 kg·cm	2.5 A	55 g	中型ロボット、アーム
MG995	9.4 kg·cm	2 A	55 g	MG996R の兄弟機

7. 動作確認チェックリスト¶

7.1 電源投入前¶

第 7 章の全項目通過
サーボ用外部電源 が単独の電池 or レギュレータ経由で確保されている
両電源の GND 共通 ができている（導通モードでブザー）
サーボ信号線が PWM 対応ピン（Uno なら Servo が使える D3/D5/D6/D9/D10/D11 など）
3 線の色（赤＝VCC、黒＝GND、オレンジ＝信号）が正しい

7.2 電源投入後¶

サーボが 「ジジ…」と短い唸り声 を出して、指令角度に到達する
指令範囲（0〜180°）で 機械的干渉がない
ストール状態に入っていない（唸り続けていない）
サーボ本体が 触って熱くない（60℃ 超なら即電源 OFF）
マイコンがブラウンアウトしていない（第 8 章 §7 のシリアル監視）

8. よくあるトラブル FAQ¶

サーボが動かない・唸るだけ

電源容量不足：USB 給電ではなく外部電源に
信号線の接続ミス：PWM ピンに繋がっているか
ストール状態：可動範囲外の指令、機械的干渉を確認

サーボが振動し続ける（ブブブ…）

電源の容量不足：VCC が下がって内部制御が不安定
ノイズ：信号線とモータ線を離す、ケーブルを短く
サーボ個体の故障：別個体で確認

マイコンがサーボを動かすと再起動する

ブラウンアウトの典型。 - 電源分離（§5.1） - デカップリング C 追加（§5.3） - それでもダメなら、AC アダプタのほうに切り替え

狙った角度と微妙にずれる

writeMicroseconds で微調整：write(90) の代わりに writeMicroseconds(1500) 等
サーボ個体差（±数度は普通）
機械的なホーンの取り付け位置（§3.3）

起動時にサーボが急に動く

電源投入順とサーボの起動特性による。 - attach() の直前に write(初期角度) を呼んでおく - 電源投入前にサーボを正しい位置に手で戻しておく（電源が入ると動くのでいずれにせよ危険） - 起動シーケンスを緩やかに（徐々に目標角度に移動）

Servo ライブラリを使うと D9/D10 の analogWrite が効かない

Timer1 占有のため仕様。 - D3, D5, D6, D11 の PWM は使える - モータドライバをそちらに移す - または PCA9685（I2C PWM ドライバ） で別系統を作る

9. 次章への橋渡し¶

LED、スイッチ、トランジスタ／MOSFET、DC モータ、PWM、サーボとアクチュエータ系が一通り揃いました。次はロボットの「目と耳」となる センサ の扱い方を扱います。

次の第 16 章「センサ入門」では、アナログ入力、I2C、SPI の 3 つの信号規格を比較し、5V と 3.3V の混在時のレベル変換 という頻出トラブルを中心に扱います。サーボ駆動と並んで、5V/3.3V 混在事故が最も起きやすい領域です。

第 15 章 サーボモータ¶