サーボモーターの選定と発注——負荷条件の渡し方、STO（JIS C 61800-5-2）と停止カテゴリ

この記事が扱う範囲

工場の装置では、搬送軸、位置決めテーブル、プレスの送り、ロボットの関節などにサーボモーターを使う。装置メーカーに装置ごと発注する場合も、交換部品としてモーターとドライバを買う場合も、「サーボモーター 400 W」とだけ書くと、組み合わせるドライバ、検出器、ブレーキの有無、安全機能のどれも決まらない。

この記事は、工業用途の装置に組み込むサーボモーターを選んで発注するとき、仕様書・見積依頼に何を書き、受け取るときに何を確かめるかを整理する。ホビー用や模型用の小型サーボの話ではない。開ループで動くステッピングモーターとの違いや、ステッピングモーターの選び方はステッピングモーターの選び方と発注で、一般のモーター（誘導電動機など）の仕様書の書き方はモーターの仕様書に書くことで扱っている。

サーボモーターは「駆動システム」として指定する

日本産業規格の検索で名称に「サーボ」を含む規格は見当たらず、サーボモーターの寸法や定格を決めた JIS の製品規格は無いものとして扱う。代わりに関係するのが、可変速駆動システム（PDS：電力部・制御部・電動機・センサなどを含むシステム）の規格群 JIS C 61800 と、回転電気機械の共通規格 JIS C 4034-1 である。JIS C 61800-5-2 は、安全関連の駆動システム［PDS（SR）］について、電力部・電動機・センサ・制御部・通信及び入出力を含むものとして図示している^[1]。

つまり、モーターだけを別の製造業者の品に替えたり、ドライバだけを型番の違う品に替えたりすると、検出器の信号や制御の設定が合わず、そもそも動かないか、製造業者が示した性能や安全機能の値が成り立たなくなる。発注では、モーター・ドライバ・ケーブル（動力・検出器）の型番を組で書き、どれか一つを替えるときは製造業者の組合せ表で適合を確かめる。

選定の入口は、買う側が出す負荷の条件

JIS C 4034-1 は回転電気機械の定格と特性を定める規格で、「使用の提示は，購入者の責任である」としている^[4]。購入者は、負荷が変動しないか既知の方法で変動するなら数値で、そうでなければ負荷の時間的変化で、又は予想される使用状態に近い使用の形式（S1〜S10）を選んで提示する^[4]。提示がない場合、製造業者は使用の形式 S1（連続使用）を想定する^[4]。また、回転機の慣性モーメントは通常購入者が設定できず、製造業者が設定する、としている^[4]。

サーボモーターは、加速・減速・停止を短い周期で繰り返す使い方が多い。連続使用の前提で選ぶと、加減速のたびに流れる大きな電流による発熱を見落とす。規格の使用の形式 S4 の例は、負荷時間率に加えて電動機の慣性モーメント（J_M）と負荷の慣性モーメント（J_ext）を付記する形になっている^[4]。サーボモーターの選定でも同じで、次の情報を仕入先に渡せば、製造業者の選定資料で容量・慣性モーメントの比・回生の要否を確かめてもらえる。

表の運転パターンは記入例で、値は装置ごとに設計者が決める。減速機を挟むなら減速比と減速機側の条件も渡す。減速機の選び方は減速機（ギヤードモータ）の選定と発注で、ボールねじの精度等級はボールねじの精度等級で、モーターとねじをつなぐ継手は軸継手（カップリング）の選び方で扱っている。

止め方——停止カテゴリと安全機能を言葉で合わせる

機械の電気装置の規格 JIS B 9960-1 は、停止機能を三つのカテゴリに分けている^[2]。停止カテゴリ 0 は機械アクチュエータの動力を即時に遮断する非制御停止、停止カテゴリ 1 は動力を使える状態で停止させ、停止が完了してから動力を遮断する制御停止、停止カテゴリ 2 は停止完了後も動力を供給したままにする制御停止である^[2]。どのカテゴリの停止機能を備えるかは、リスクアセスメントと機械の機能要求によって決める^[2]。規格の注記は、動力の遮断は、トルクを発生する動力を遮断するだけで十分な場合があり、例えば IEC 61800 規格群に従った PDS などの電子的手段で達成できる、としている^[2]。

JIS C 61800-5-2 は、駆動システムの安全サブ機能を次のように定義し、停止カテゴリとの対応を示している^[1]。

規格には、このほかに安全トルク制限（SLT）、安全絶対位置制限（SLP）、安全回転方向制限（SDI）などの監視機能が並んでいる^[1]。仕様書で「安全機能付き」と書いても、どの機能が要るのかは伝わらない。必要な機能を、規格の略号で名指しする。

STO で止めても、軸が動かないとは限らない

STO は電動機への電力を遮るだけなので、外から力がかかる軸は止まらない。JIS C 61800-5-2 は STO の注記で、外的影響（例えば、懸架貨物の落下）が存在する状況では、危険源を除去するために追加の方策（例えば、機械式ブレーキ）が必要になることがある、としている^[1]。さらに、STO が有効でも、駆動システムの電力部で故障が起きた場合には、残存しているエネルギーで限られた移動が起こり得る、とも注記している^[1]。

時間で STO に移る SS1-t（時間制御）については、検出できないまま機能を失うことがあり、STO が働くまでの間に電動機が止まらないことがあるので、その機能喪失で危険が生じる可能性がある用途には適用できない、と規格は書いている^[1]。同じ理由で、時間制御の SS2-t にも同様の制約がある^[1]。

垂直軸や、ばねで押し戻される軸では、モーターに付いたブレーキの扱いを製造業者の資料で確かめる。ブレーキが停止中の保持を目的にしたものか、動いている軸を止める制動に使えるものかは、製品ごとに違う。保持用のブレーキを非常時の制動に使う設計にすると、ブレーキの摩耗や破損につながるおそれがあるので、装置の設計者と仕入先の間で、その用途に使えると資料に書いてあるかを確かめておく。

製造業者に出させる安全の情報

JIS C 61800-5-2 は、安全関連の駆動システムの製造業者が、安全マニュアルの中で使用者に情報を提供するとし、次のような項目を文書化して使用者が利用できるようにする、と定めている^[1]。

1. 機能仕様。各安全サブ機能の詳細な説明（制限値違反への反応を含む）、フォールト反応機能、各安全関連機能の応答時間、有効・無効になる条件、同時に有効になる機能の優先順位。
2. 安全度の情報。SIL 又は SIL 能力、各安全サブ機能の PFH 値、パフォーマンスレベル（PL）とカテゴリを適用する場合は JIS B 9705-1 に従った宣言。
3. 使用する環境と動作条件。保管・輸送・設置・調整・試験・運用・保全を考慮した定義。電磁的な環境を含み、規格は「駆動システムから 20 cm 未満の距離にある携帯無線送信機は安全サブ機能を妨害する可能性がある」といった警告文を例に挙げている^[1]。

JIS C 61800-5-2 は SIL 3 以下の安全サブ機能を実装する駆動システムに適用し、個々の用途の危険源の分析や、安全サブ機能に割り当てる SIL を決めることは規定していない^[1]。どの安全度が必要かは、装置のリスクアセスメントで装置側が決め、その値を満たす駆動システムを選ぶ、という順になる。見積依頼では「STO 付き」だけでなく「STO：SIL 2 以上、応答時間を安全マニュアルで提示」のように、必要な値と提出物を書く。

EMC——使う場所でカテゴリを選ぶ

JIS C 4421 は、可変速駆動システムの電磁両立性（EMC）の要求事項を定め、使う場所を第 1 種環境（住宅環境と、住宅用の低電圧商用電力系統に中間変圧器なしでつながる商業・軽工業施設）と第 2 種環境（それ以外の商業・軽工業・工業用環境）に分けている^[3]。駆動システムはカテゴリ C1〜C4 に分かれ、C3 は第 2 種環境で用いることを想定し第 1 種環境で用いることを想定していないもの、C2 は両方の環境で用いることを想定するが第 1 種環境では専門家だけが設置・調整できるもの、などと定義されている^[3]。

工場の構内変電設備の下で使う装置と、事務所や住宅に近い建物で低圧の商用電源から直接受電して使う装置とでは、必要なカテゴリが違う。仕入先が「C3 対応」と示した駆動システムを、第 1 種環境に当たる場所で使う計画なら、ノイズフィルタなどの対策を追加するか、別のカテゴリの品を選ぶことになる。規格は、感度の高い装置を近くで用いる場合には、規格の値よりさらにエミッションを下げる対策が要ることもある、としている^[3]。

電源を切った後もしばらく危ない

駆動システムの中にはコンデンサがあり、電源を切ってもすぐには放電しない。JIS C 61800-5-1 は、駆動システム内のコンデンサが電源遮断後 5 秒以内に電圧 60 V 未満又は残留電荷 50 μC 未満に放電しなければならないとし、機能上などの理由で満たせない場合は、規格の定める情報と表示の要求事項に従う、としている^[5]。保全の手順書には、製造業者が示す放電時間と、作業前に電圧を確かめる手順を入れる。盤全体で同じ問題をどう扱うかは制御盤の製作を外注する仕様書の残留電圧の節で扱った。盤側の規格 JIS B 9960-1 は、5 秒以内に 60 V 以下にすることを求め、適用しない部品を蓄積電荷 60 μC 以下としているので^[2]、駆動システムの規格とは基準の値が異なる。どちらの規格で確かめた値かを書類で区別しておく。

見積依頼・仕様書に書く項目

1. 組合せの型番。モーター・ドライバ・動力ケーブル・検出器ケーブル、ブレーキの有無、検出器の方式（アブソリュートかインクリメンタルか）。
2. 負荷の条件。運転パターン、負荷の慣性モーメントと質量、外力、使用の形式（JIS C 4034-1 の記号で表せるならその記号）。
3. 電源と環境。電源の種類・電圧、周囲温度、粉じん・水・油、ケーブル長、EMC のカテゴリ（JIS C 4421）。
4. 安全機能。必要な安全サブ機能（STO・SS1 など）と安全度（SIL 又は PL）、安全マニュアルの提出。
5. 回生と制動。減速時に負荷から戻るエネルギーの処理（回生抵抗などの要否）を製造業者の選定資料で確かめた結果。
6. 提出書類。選定の計算結果、安全マニュアル、取扱説明書、パラメータの設定値の控え。

注文書の書き方の例

搬送装置の水平軸を交換部品として手配する例を示す。

品名：AC サーボモーター・ドライバ一式（交換用）
型番：モーター ○○○、ドライバ ○○○、動力ケーブル ○○○（5 m）、検出器ケーブル ○○○（5 m）。製造業者の組合せ表で適合するものに限る
ブレーキ：なし（水平軸）
安全機能：STO 入力付き。STO の安全度は、装置のリスクアセスメントで決めた要求値（SIL ○ 又は PL ○ 以上）を満たすこと。安全マニュアル（応答時間・SIL・PFH を記載したもの）を添付
提出書類：取扱説明書、出荷時のパラメータ一覧
代替品：型番の変更は不可。製造中止で替える場合は、組合せ表・安全マニュアル・寸法図を事前に提出し、当社の承認を得ること

垂直軸なら、ブレーキの有無と、そのブレーキが保持用か制動にも使えるかの資料を加える。

受け取るときに確かめること

銘板の型番が注文書の組合せと一致しているか、モーターとドライバの容量・電圧が合っているかを見る。安全機能を使う装置では、届いた安全マニュアルの版と、記載された応答時間・安全度の値が、装置の安全設計で使った値と一致しているかを確かめる。交換部品の場合は、元のドライバのパラメータを控えておき、取付け後に同じ設定を入れたうえで、原点復帰や安全機能の動作確認をしてから運転に戻す。

よくある質問

Q. 容量（W）が同じなら、別の製造業者の品に替えられるか。
A. 容量が同じでも、慣性モーメント、検出器の方式、取付け寸法、ドライバの制御の作り方が違う。組で替える前提で、負荷の条件を渡して選び直す。安全機能を使っているなら、安全度の値も装置の安全設計に当て直す。

Q. STO が付いていれば、非常停止の回路は要らないか。
A. JIS B 9960-1 は、非常停止は補助的な保護方策で、一次的なリスク低減手段ではないとしている^[2]。STO は、非常停止を含む停止機能を実現するための手段の一つで、どの停止カテゴリで止めるかは装置のリスクアセスメントで決める。

Q. ステッピングモーターで足りる用途との境目は。
A. 負荷の変動が大きく、ずれたら困るのに位置の確認ができない用途はサーボモーター、軽い負荷を決まった量だけ送る用途はステッピングモーター、という分け方が考え方の出発点になる。比較の観点はステッピングモーターの選び方と発注にまとめている。

Q. 装置ごと発注するときに一緒に指定しておくものは。
A. 同じ装置の保護部品や計器、出荷の荷姿である。電源回路のヒューズは機器用ヒューズの選び方で、圧力計はブルドン管圧力計（JIS B 7505-1）の指定で、輸出の荷姿は木箱・枠組箱の梱包の指定と包装用テープの指定で扱っている。

まとめ

サーボモーターは、モーター・ドライバ・検出器を組にした駆動システムとして、買う側が出す負荷の条件から選ぶ。使用の提示は購入者の責任で、提示しなければ連続使用が前提になる。止め方は停止カテゴリと安全サブ機能の略号で言葉を合わせ、STO は非制御停止で外力のかかる軸を止めないことを前提に、ブレーキなど追加の方策を装置側で決める。安全度の値・応答時間・使用環境は製造業者の安全マニュアルで受け取り、EMC のカテゴリは使う場所の環境で選ぶ。電源を切った後の放電時間も保全手順に入れておく。

出典・参考資料

1. JIS C 61800-5-2:2019 可変速駆動システム（PDS）－第 5-2 部：安全要求事項－機能安全（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2019 年 10 月 21 日制定・2024 年 10 月 21 日確認）
2. JIS B 9960-1:2023 機械類の安全性－機械の電気装置－第 1 部：一般要求事項（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2019 年版に 2023 年 3 月 25 日の追補 1 を反映）
3. JIS C 4421:2008 可変速駆動システム（PDS）－電磁両立性（EMC）要求事項及び試験方法（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2008 年 12 月 20 日制定・2023 年 6 月 20 日確認）
4. JIS C 4034-1:2023 回転電気機械－第 1 部：定格及び特性（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2023 年改正）
5. JIS C 61800-5-1:2016 可変速駆動システム（PDS）－第 5-1 部：安全要求事項－電気的，熱的及びエネルギー（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2016 年 3 月 22 日制定・2025 年 6 月 20 日確認）

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