メカトロニクス

メカトロニクス
構成
前半（４，５月）鈴木陽介
後半（６，７月）平田慎之介
4/9
4/16
4/23
4/30
5/7
5/14
5/21
5/28
ガイダンス
概要・定義・歴史
構成，センサ1
センサ２，アクチュエータ１
アクチュエータ２
休講
中間試験
休講
1
前回の内容
メカトロニクス
≡ 機械工学と電子工学の融合技術
• メカトロニクスは実は，機械＋コンピュータ
• 機械に複雑な仕事をさせるための仕組みは，
機械だけで作るよりも，電気，コンピュータを使った
方が作りやすい．
• メカトロニクスは，電気，コンピュータを使うことで状
況に応じて複雑な動作をする機械を実現する
2
メカトロニクスシステムの基本構成
3
メカトロニクスシステム
＝電子機械
メカトロシステム
（システム：要素が複数集まり，影響しあってはたらくもの）
メカトロシステム
– メカニズム機械の機構
– センサ
– アクチュエータ
機械を駆動するモータなど
– 動力源
電気など
– コンピュータ
が集まったシステム
4
ビデオ上映
• メカトロニクスの知識「日刊工業新聞社」
– 第４巻メカトロシステムのキーエレメント
（約30分）
• ポイント
–
–
–
–
メカトロシステムの５大要素と機能
センサの基本
アクチュエータの基本
メカニズムの基本
5
まとめ
メカトロシステムは，
• 実世界で（結構ややこしい）仕事をするシステム
インターネットやPCはメカトロではない
– 人間にも似ている
人間
メカトロ
システム
6
メカトロシステムの要素
•
•
•
•
•
センサ
アクチュエータ：機械を駆動するモータなど
コンピュータ
メカニズム：機械の機構
動力源
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センサ
• 実世界の様子を情報（＝電気信号）に変換
→ 計測
といいます
• 人間の感覚器（触覚・視覚・聴覚・味覚・嗅
覚．．．）に対応
• 実世界の何を電気信号に変換するのか？
– 実世界の現象：物理現象・化学現象
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物理量
• 機械量（物，物と物）
– 変位：物が動いた距離 → 距離を電気信号に
– 力 → 力は見えない → 力を変形＝変位に
• 音
– 空気の振動 → 振動＝変位を電気信号に
• 光
– 光電効果：
– 光導電効果：
半導体に光を入れると電子が出る
光が入ると抵抗が下がる
• 磁界
– 電子が力を受ける＝電圧
• 温度
– 温度＝分子の振動 → 抵抗・電圧
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センサの紹介
• 変位センサ
回転角センサ
直線変位センサ
エンコーダロータリーエンコーダリニアエンコーダ
デジタル出力
使用例：ロボットの関節
ポテンショロータリーポテンショ
メータ
メータ
使用例：プリンタのヘッド
リニアポテンショメータ
アナログ出力
誘導起電力型
レゾルバ
差動変圧器
使用例：自動車
10
エンコーダ(encoder)
• 変位をパルス信号に変換して出力
(数十∼数万パルス／回転)
ロータリーエンコーダ
リニアエンコーダ
• インクリメンタル型
• アブソリュート型
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インクリメンタル型
ロータリエンコーダのしくみ
ロータリエンコーダ
a
t
b
t
12
インクリメンタル型エンコーダのしくみ
• 正逆転とA相・B相
A
t
B
+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t
t
反転
+1 +1 +1 +1 +1 -1
t
-1-1 -1 -1
0 1 2 3 4 5 4 3 2 10
Maxon Japan カタログより抜粋
13
アブソリュート型エンコーダのしくみ
0 10
1
２進数だと思うと
9 = 0・23+ 1・22 +0・21 + 1・20
円盤が回ると２進数で0000から
1111まで変化する．
発行素子（LED)と
受光素子（フォトトランジスタ）
回路はインクリメンタル型と同じ
２進数
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
数値
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
14
エンコーダの用途
• 一昔前のマウス（ボールマウス）
スリット
• インクリメンタル型
• アブソリュート型
フォトトランジスタ2個
LED
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センサの紹介
• 変位センサ
回転角センサ
直線変位センサ
エンコーダロータリーエンコーダリニアエンコーダ
デジタル出力
使用例：ロボットの関節
ポテンショロータリーポテンショ
メータ
メータ
使用例：プリンタのヘッド
リニアポテンショメータ
アナログ出力
誘導起電力型
レゾルバ
差動変圧器
使用例：自動車
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ポテンショメータ(Potentiometer)
角度・位置を抵抗値に変換→電圧や電流を計測
信号出力
+5V 0V
+5V
信号出力
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小峯龍男 Technical alacarte より
ポテンショメータの用途
• ラジコンサーボ
ポテンショメータ
ロボワン参加ロボットレトロ
（電通大の学生が作ったものです）
サイキット社サーボキットWebページより
センサの紹介
• 変位センサ
回転角センサ
直線変位センサ
エンコーダロータリーエンコーダリニアエンコーダ
デジタル出力
使用例：ロボットの関節
ポテンショロータリーポテンショ
メータ
メータ
使用例：プリンタのヘッド
リニアポテンショメータ
アナログ出力
誘導起電力型
レゾルバ
差動変圧器
使用例：自動車
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差動変圧器
• ２次コイルの交流電圧の差を見る
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多摩川精機カタログより
レゾルバ
多摩川精機 smartsyn カタログより
21
レゾルバ
• 悪使用環境（冷熱・振動・水・埃）での長期間の信頼性
• 自動車（エンジンから足回り、車室内…）で使われている
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レゾルバの用途
• プリウスのモータ&発電機
日経Automotive Technology 2007年冬号より
レゾルバ
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センサの評価項目
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
測定範囲
精度
分解能
感度
環境特性
周波数特性
過渡特性
再現性
ヒステリシス
線形性,直線性
測定できる範囲
測定のたびの誤差の上限値
測定値の最小変化
出力/入力
環境からの影響
正弦波を入れたときの出力特性
応答性
入力の瞬時の変化への追従性能
同じ入力には，同じ出力をするか
入力が増加中と減少中でズレがないか
入出力の関係が１次式で表せるか
24
アナログ信号(analogue signal)と
デジタル信号(digital signal)
• ポテンショの信号
信号出力
– 角度に応じた電圧
電圧
+5V 0V
+5V
信号出力
時間
角度
時間
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アナログ信号とデジタル信号
• エンコーダの信号
– 角度に応じたカウント値
カウント値
時間
角度
t
時間
+1 +1 +1 +1 +1 -1
-1-1 -1 -1
0 1 2 3 4 5 4 3 2 10
t
アナログ信号とデジタル信号
出力
010
1
1
0
1
0
1
0
1
0
時間
角度
時間
27
アナログ信号とデジタル信号
• アナログ信号
– 整数では表せない
実数が必要
• 切り捨てて整数にして，コンピュータで扱う
– A/D(analogue/digital)変換
– 連続な量
• デジタル信号
– 飛び飛びの量
– 整数で表せる
• ２進数でもあらわせる → コンピュータで扱える
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精密さと正確さ
• 精密さ
– 一つの測定量に対する複数回の測定を行ったと
き，その測定値のばらつき（分散，標準偏差）が
小さいこと
• 正確さ
– 測定値のかたより，すなわち平均値と真の値との
差，が小さいこと
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精密さと正確さ
• どっちが正確，精密？
ノイズ源
（+5Vのはずが実際には，）
+5V
出力電圧
+5.8V
出力電圧
出力電圧[v]
出力電圧[v]
2.9
2.5
2.5
時刻
正確
時刻
精密
問題
１．身の回りにあるメカトロニクスシステムを
３つ挙げよ．
２．１度の分解能で回転を計測するためには１周
何パルス出力するロータリーエンコーダが必要
か？
– ロータリーエンコーダの
軸は回転軸に直結
– エンコーダは４逓倍で
カウントできる
精度１度
ロータリー
エンコーダ
31
エンコーダの数え方
• ロータリーエンコーダのパルス数
＝スリットの数
– 500パルスのエンコーダ
→ １周５００スリット
カウント
a
1
2
3
・・・
500
1
t
b
t
z
t
1 2 3 4 5 6 7 8 9
4倍細かく数えられる４逓倍できる
1
9
9
7
1
9
9
8
1
9
9
9
2
0 1 2 3 4
0
0
32

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