Arduino Nanoとジャイロセンサーで実現する精密ドリル深度表示システム

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Nano R3	1
ジャイロセンサー GY-521 (MPU-6050)	1	I2C接続
7セグメントディスプレイ 8桁 (MAX7219搭載、SPI)	1
タクトスイッチ	1	深度記憶ボタン
電源スイッチ	1
電源：単3/単4電池ボックスまたはモバイルバッテリー	1式	単3×6本推奨
3Dプリントケース	1	STLファイル同梱
ネオジム磁石	1	本体固定用

必要な工具

• 3Dプリンター（ケース製作用、Anycubic i3 Mega等）

使用するアプリとオンラインサービス

• Arduino IDE

プロジェクト概要

ベンチドリルの深度調整は、本体側面のハンドル（約270°回転）と目盛りで行うのが一般的ですが、加齢や照明不足でミリ単位の読み取りが困難になります。本プロジェクトでは、ハンドル軸にジャイロセンサー（加速度計）を取り付け、回転角度からドリル深度を演算、大型7セグメントLEDに表示する装置を自作しました。

測定方式の検討

• 超音波距離計：反射板機構が必要で複雑
• ワイヤーエンコーダー：バネ返し・フォトインタラプタ等で自作は大変
• ロータリーエンコーダー：分解能不足、ギア増速が必要
• 加速度計（ジャイロセンサー）：ハンドル軸（六角ナット SW17）に直接取付可能、ケーブルが絡まない、安価、小型 → 採用

コンセプト

1. ドリル先端で表面に傷をつけ（ゼロ点）
2. ボタンを押して現在位置を「ストップ位置（目標深度）」として記憶
3. ドリル送りながら現在深度を表示、ストップ位置到達で「StOP」警告表示

センサー取り付けブラケット

ドリルのハンドル軸はSW17（17mm二面幅）の六角ナット。3Dプリントでセンサーホルダー兼六角ソケットを作成、軸にはめ込むだけで固定。

配線

GY-521 (MPU-6050) - I2C接続

• VCC → 5V
• GND → GND
• SCL → A5
• SDA → A4
• XDA, XCL, ADO, INT → 未接続

7セグメントモジュール (MAX7219) - SPI接続

• VCC → 3.3V
• GND → GND
• DIN → D12
• CS → D10
• CLK → D11

ボタン

• 入力ピン → D9 (INPUT_PULLUP)

電源

単3電池6本直列（9V）を電源スイッチ経由で全系に供給。

ケース設計

Autodesk Fusion 360で設計、Anycubic i3 Megaで造形。ネオジム磁石を埋め込み、ドリル本体（金属筐体）にワンタッチ脱着可能。邪魔な時は即座に取り外せます。

Arduinoスケッチのポイント

ライブラリ

• LedControl.h：MAX7219制御（ライブラリマネージャからインストール）
• Wire.h：I2C通信（MPU-6050は専用ライブラリ不使用、レジスタ直接アクセス）

MPU-6050初期化の重要ポイント

// MPU-6050起動
Wire.begin();
Wire.beginTransmission(0x68);
Wire.write(0x6B); Wire.write(0x00); // スリープ解除
Wire.endTransmission(true);

// ★この待機が最重要！USB接続時は不要だが、外部電源起動時はこれがないとセンサーが応答しない
delay(1000); 

// 加速度計レンジ設定 ±8g
Wire.beginTransmission(0x68);
Wire.write(0x1C); // ACCEL_CONFIG
Wire.write(0x10); // 00010000 = ±8g
Wire.endTransmission(true);

外部電源起動時、センサーがデータを返さない問題 に数日悩まされました。delay(1000) 追加で解決。この1行がプロジェクト最大の山場でした。

オフセット補正

セットアップ時に100回サンプリングし、静止時の誤差平均をオフセットとして保存。

角度算出と360°化

加速度センサーのX軸角度：

AccAngleX = atan(AccY / sqrt(AccX^2 + AccZ^2)) * RAD_TO_DEG;
// 平滑化（相補フィルタ的）
TotalAngleX = 0.5 * TotalAngleX + 0.5 * AccAngleX;

センサー出力は -90°〜+90° なので、Z軸・Y軸の符号から象限を判定し 0°〜360° に変換：

delta = 0;
if (AccZ < 0) delta = 180.0 - TotalAngleX * 2.0;
if (AccZ > 0 && AccY < 0) delta = 360.0;
DrillingMachineAngle = TotalAngleX + delta;
if (DrillingMachineAngle > 350) DrillingMachineAngle = 0; // 0°付近の揺らぎ対策

深度換算

実測：ハンドル最大回転角 316° = 最大深度 50mm

currentPos = 50.0 / 316.0 * DrillingMachineAngle; // mm

表示ロジック

• 左4桁：現在深度（小数点第1位、dtostrfで文字列化し桁ごと表示）
• 右4桁：ストップ位置未設定なら空白、設定済みなら残り深度、到達なら「StOP」（小文字tは setRow(0,2,B00001111) で自作）
• ボタン押下で現在位置をストップ位置に記憶、一瞬「8888」表示

組み立てとテスト

初回テスト時、センサー水平取り付け後、ホルダー回転機構で表示が「0.0」になるよう微調整。実使用では反応速度・精度ともに満足のいく結果。大型LEDで老眼鏡なしでも読み取り可能。

Paul Akers氏の「2 Second Lean」の言葉通り：「不便を感じたら、考えて作れ」。楽しい工作になりました！

参考リンク

• MPU-6050入門 (Medium)
• Arduino Playground - MPU-6050
• CircuitDigest - MPU6050インターフェース
• Rob Tillaart氏のGY-521ライブラリ
• Paul Akers著「2 Second Lean」
• ドイツ語版記事：techpluscode.de

コードとCADデータ

• スケッチ：drilling-depth.ino（全文同梱）
• 3Dモデル：drilling-depth-3d-model_Yn2q0MSNa4.zip
• 回路図：