発振とは？ | やさしいWEBセミナー

カラオケでスピーカがキーンとなるのはなぜ！？ 
はまちゃん: 橋本先生！この間、カラオケでマイクのボリュームを上げたら、スピーカからキーンという大きな音が出てびっくりしました。一体何が起こっているのでしょうか？

橋本先生：なるほど。それは、「ハウリング」という現象だね。 「ハウリング」は音響設備で起きる現象なんだよ。 機械設計で問題視されている、サーボモータの「発振現象」もこのハウリングとよく似ているんだ。今日は「発振」についてくわしく学んでいこう！

ハウリング現象
橋本先生：まずは、カラオケの「ハウリング」について考えてみよう。 スピーカとマイクを近づけたり、アンプのボリュームを上げると”ピーー”とか”キーン”と鳴る、あの現象のことを「ハウリング」と呼ぶよ。

はまちゃん: マイク、アンプ、スピーカ、それをまたマイクで拾って、ぐるぐる回り続けて止まらなくなってしまうのですね。

橋本先生：その通り。電源を切るか、マイクをスピーカから離さない限り延々に続いてしまうよ。

ハウリング現象と発振
橋本先生：産業機械やロボットなどに使われるサーボやステッピングモータも、まれにハウリングと似た現象が起きるんだ。装置を動かすための指令に対して結果の「フィードバック制御」の情報の遅れや装置の「固有振動数」などが影響しているんだよ。

サーボモータでは「発振」や「共振」という呼び方をしているんだ。 ステッピングモータは、一般的に「オープンループ」といって指令した分だけ動く制御を行っているので「発振」するケースはないんだ。 でも、高精度を要求される場合、サーボモータと同じようにフィードバック制御をすることがあるので、ステッピングモータでも「発振」が起きるケースがあるんだよ。

はまちゃん: カラオケの「ハウリング」と、サーボモータやステッピングモータの「発振」が似ているとは、驚きです！

橋本先生：工作機械や半導体製造装置、製造設備のアクチュエータなどに、多くのサーボモータが利用されているよ。その仕組みについても紹介しておくよ。

送りねじ機構におけるサーボモータの発振現象
 

はまちゃん: 高精度、高応答のためにサーボモータの感度を上げてくると、今度は機械の「固有振動数」を刺激して「発振」が起きてしまうのですね！ また、物の「固有振動数」は、さまざまなところに影響することもわかりました。 「固有振動数」を事前に知ることはできないのでしょうか？

橋本先生：最近では、解析技術が進んで「固有振動数」をシミュレーションすることが出来るんだ。簡易的には以下の計算式で求められるよ。

■送りねじシステム固有振動数の簡易計算式

橋本先生：「発振」や「共振」は部品の破損や装置の故障原因となることがあるので、注意する必要があるんだ。初めて装置を動かすときにサーボシステムの調整をすることが大切なんだよ。

はまちゃん: 「発振」や「共振」の原因や関係性は理解できましたが、「発振」を防ぐ方法はないのでしょうか？

橋本先生：いい質問だね。まずは先程のサーボモータを例にして、「発振」を防ぐ方法を説明していくよ。サーボモータで「発振」や「共振」が発生する原因はなんだったかな？

はまちゃん: サーボ機構のフィードバック制御に入り込んだ外乱（この場合は機械の固有振動数）が原因です。

橋本先生：その通り！具体的な対策方法は以下だよ。

発振を防ぐための対策

対策①：サーボモータのオートチューニング機能で調整<
サーボモータに付属のオートチューニング機能で調整を行う。 初めて動作させる際に行う必要がある。オートチューニング機能がない場合は、サーボモータの制御盤で調整するため、専門的な知識が必要。

対策②：ドライバのフィルタ機能で制御（①で解決できない場合）
機械系の固<有振動数がシステムに入り込まない様に、その固有振動数を把握して電気的に抑制する。 （ノッチフィルタ、電流ループ指令フィルタ）
サーボモータ自体にこの固有振動数を測定する機能が付いている場合もあり。 （周波数応答線図測定）

対策③：高減衰ゴムカップリング（ステップフレックス）を使用
減衰性のあるゴムカップリングにより、共振時の振動を吸収することで、機械・装置のねじり固有振動数のピークが抑えられ、サーボの発振を抑制することができる。（金属カップリングと比較） 高精度位置決めや、油・高温雰囲気で使用する際には、注意が必要。

はまちゃん: サーボモータ自体に備わっている仕組みやカップリングを変更することで、「発振」を防ぐことができるのですね！
「発振」や「共振」についてたくさん勉強して、設計や技術開発について色々な提案ができるようになりたいです！