卒 業 論 文
ソーラーラジコンカーの製作と効率の検証
石川工業高等専門学校 電気工学科
学籍番号 071204
石過 圭介
主任指導教員
河合 康典 准教授
2012 年 2 月
c 2012 by Keisuke Ishikka
Copyright c
2012
Keisuke Ishikka
All rights reserved
要旨
本研究では，ソーラーラジコンカーに注目し従来の研究のものより小型で走行効率の高
いソーラーラジコンカーを目指し設計・製作を行う。
はじめに，車体の設計を行う。車体を小型で軽量なものにすることを念頭に，取り付け
る部品の大きさを考えながら，位置を調整して設計する。
次に，回路の設計をする。車体の回路はサーボモータで切り替えるようにし，車体を通
常回路，高速回路，後退回路の 3 つのシンプルな回路で走行するよう設計する。
車体が完成したら走行実験を行い，製作したソーラーラジコンカーの性能を検証し，問
題点を挙げ，今後の課題とする。
i
目次
第 1 章 序論
1
1.1
研究の背景と動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
研究の目的
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.3
論文構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
第 2 章 車体の設計及び製作
2
2.1
製作する車体に求める条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.2
車体の仕様
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.3
ステアリング機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
第 3 章 回路の設計及び製作
6
3.1
回路の仕様
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.2
回路の切り替え . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
第 4 章 完成したソーラーラジコンカーの評価
11
4.1
完成した車体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.2
車体の性能評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.3
通常回路の効率計算
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
第 5 章 結論
16
5.1
本研究での成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
今後の課題
16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
謝辞
17
参考文献
18
図目次
ii
図目次
2.1
フロント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
リア . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.3
車体の簡易図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.4
ハンドル機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.1
回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.2
通常回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.3
高速回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.4
後退回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.5
スイッチング機構概略図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.6
製作したスイッチング機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.1
製作した車体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.2
ソーラーパネルを付けた状態
4.3
通常-高速-通常としたモータの電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.4
通常-高速-通常としたモータの電流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.5
通常-高速-通常としたタイヤの回転数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.6
通常-後退としたモータの電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.7
通常-後退としたモータの電流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.8
通常-後退としたタイヤの回転数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.9
コンデンサの充放電の特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.10 コンデンサを充電して高速回路での消費 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
iii
表目次
2.1
モータの仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.1
ソーラーパネルの仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.2
コンデンサの仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.3
各回路でのスイッチ
7
4.1
車体の仕様
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1
第 1章
序論
1.1
研究の背景と動機
近年，地球環境への影響を考慮して各国で自然エネルギーの開発が進められている。そこ
で自然エネルギーの一つである太陽光エネルギーを利用したソーラーカーに注目する。ソー
ラーカーは太陽光エネルギーのみで動作するので二酸化炭素の排出が抑えられ，地球温暖
化の抑制が期待されている。しかし，太陽光エネルギーには発電量が天候に左右されるこ
とや, 太陽電池の発電量が低いなどの課題がある。
1.2
研究の目的
本研究は，従来の研究より軽量化・小型化したソーラーラジコンカーを製作すること，よ
り走行効率を高めた回路を検証することを目的とする。製作する車体はソーラーラジコン
カーコンテストの競技規定に従い仕様を決定する。
1.3
論文構成
本論文では，ソーラーラジコンカー（以下，
「車体」という）の設計・製作を行い，その
性能の評価を行う。
2 章では，車体の設計及び製作について述べる。3 章では，走行回路の設計及び製作につ
いて述べる。4 章では，製作した車体を検証する。そして 5 章で本研究についてまとめ，今
後の課題について述べる。
第 2 章 車体の設計及び製作
2
第 2章
車体の設計及び製作
2.1
製作する車体に求める条件
製作する車体は，実用性が高く従来の研究のものより小型・軽量化したものを目指す。そ
こで以下の点に重点を置き車体を設計する。
1. 車体の小型化
2. シンプルで使いやすい回路
3. エネルギー効率を良くする
4. 軽量化
2.2
車体の仕様
• 全体のサイズ
設計する車体の大きさは全国ソーラーラジコンカーコンテスト [1] の競技規則に従い決
定する。規則は，全長 1000 [mm] 以内，全幅 500[mm] 以内であり，サイズが 145[mm]
× 165[mm] のソーラーパネルを 3 枚の使用とコンデンサは 3 つまでが使用可能である
というものである。この条件でより小型になるよう取り付ける部品の大きさも考慮し
て全長 320 [mm]，全幅 300 [mm]，ホイールベース 180 [mm]，トレッド 155 [mm] で
車体を設計する。
• シャーシ
従来の研究ではベニヤ板やアルミ板を使っていた。本研究では軽量化を図るためバサ
ル材を使うこととする。
2.2. 車体の仕様
3
• フロント
フロントにはサーボモータでステアリング操作ができるようステアリング機構を設計
する。ステアリング機構にはタミヤ製のステアリングパーツセットを使いアッカーマ
ン方式により部品の位置を設定する。ステアリング機構の詳細については 2.3 節で解
説する。フロント部分の写真を図 2.1 に示す。
図 2.1: フロント
• リア
リアタイヤの軸にギアを取り付けモータの動力を伝える後輪駆動とする。リアの部分
の写真を図 2.2 に示す。
図 2.2: リア
• モータ
使用するモータとギアヘッドはそれぞれ DC モータ（型番：118683），ギアヘッド（型
番：110322）のともに maxon 社のものを使う。減速比は 19:1 である。モータのギア
ヘッドを付ける前と後の仕様を表 2.1 に示す。
第 2 章 車体の設計及び製作
4
表 2.1: モータの仕様
DC モータ
公称電圧
起動電流
最大連続トルク
最大連続トルク
[V]
[A]
[mNm]
時の回転数 [rpm]
ギアヘッド装着前
4.8
1.90
5.55
3610
ギアヘッド装着後
4.8
1.90
105
190
• ギア
モータの動力をリアに伝えるためのギアは POWER’S 社のものを使う。当初車体の重
量を m=500 [g] と仮定しギアを設定したので，タイヤにかかる力を F =mg（重力加速
度 g=9.8 [m/s]）より F =4.9 [N] として考えた。タイヤの半径 l は 27 [mm] のものを使
うので，必要なトルクは T =F l より，T =132.3 [mNm] 以上必要となる。よってモー
タとタイヤのトルク比は 105:132.3 なので，ギア比は 1:1.26 となる。モータのギアの
歯数は 16 なのでリアのギアは歯数が 20 のものを使う。
2.3
ステアリング機構
設計する車体は後輪をモーターにつなげ，前輪で右左折の操縦をする。車は曲がるとき
左右の前輪が同じ角度だけきれるとすると，外輪が内輪より大回りの軌道で進むことにな
るので，前輪の左右の車輪で進む距離に差が出てしまい，横滑りの原因，走行する上で大
きな抵抗になってしまう。そこで，左右どちらに曲がっても内輪が外輪より大きくきれるよ
うにするため文献 [2] を参考にアッカーマン方式でハンドル機構を設計する。
アッカーマン方式とは図 2.3 のように旋回するときすべての車輪の旋回中心が一つの点に
重なり，すべての車輪が同心円を描いて旋回するようハンドル機構を設計するステアリン
グ方式である。アッカーマン方式に従い，内輪のきれ角をα，外輪のきれ角をβ，左右の車
輪間の幅を K ，前後の車輪間の幅を L とし，図 2.4 の K ，L，r，d を設定する。図 2.3 より
1
OF
1
OE
=
， =
tan α
DF
tan β
CE
(2.1)
1
OF
OE
1
−
=
−
tan α tan β
DF
CE
(2.2)
K −r
K
=
d
L
(2.3)
図 2.4 と式 (2.1) より
となる。
2.3. ステアリング機構
5
ソーラーラジコンカーコンテスト [1] の規則の範囲内で，式 (2.3) の K ，L，r，d を以下
のように設定した。
K=130 [mm]，L=180 [mm]，r=120 [mm]，d=15 [mm]
β
α
C
d
D
L
L
r
α
F
E
β
K
図 2.3: 車体の簡易図
O
K
図 2.4: ハンドル機構
第 3 章 回路の設計及び製作
6
第 3章
回路の設計及び製作
3.1
回路の仕様
設計した回路を図 3.1 に示す。回路は，通常回路・高速回路・後退回路の 3 つで走行する
よう設計し，それぞれの回路はサーボスイッチによって切り替える。回路にはソーラーパ
ネルを 3 枚と充電用にコンデンサを 3 つ並列につなげたものを組み合わせている。回路の使
用したソーラーパネルとコンデンサの仕様を表 3.1-3.2 に示す。製作した回路を図 3.1 に示
し，各回路でのスイッチの切り替えを表 3.3 に示す。
表 3.1: ソーラーパネルの仕様
最大電圧 [V]
最大電流 [mA]
最大発電力 [mA]
3.0
343.0
1109
表 3.2: コンデンサの仕様
会社名
型番
最大使用電圧 [V]
公称静電容量 [F]
NEC/TOKIN
FG0H225ZF
5.5
2.2
3.1. 回路の仕様
7
太陽電池
+
ON
OFF
OFF
SW6
太陽電池
SW5
ON
+
+
コンデンサ
SW3
SW4
M
+
SW1
SW2
SW7
図 3.1: 回路図
表 3.3: 各回路でのスイッチ
通常回路
高速回路
後退回路
SW1
ON
OFF
OFF
SW2
OFF
ON
OFF
SW3
OFF
OFF
ON
SW4
ON
OFF
OFF
SW5
OFF
ON
OFF
SW6
OFF
ON
OFF
SW7
OFF
OFF
ON
第 3 章 回路の設計及び製作
8
• 通常回路
通常回路は太陽の光が強いときに使う回路である。2 枚のソーラーパネルでモータを
動かし，もう 1 枚を並列に繋げたコンデンサの充電に用いる。通常回路の簡易図を図
3.2 に示す。
太陽電池
+
OFF
OFF
太陽電池
SW5
SW6
+
+
コンデンサ
SW4
M
+
SW1
図 3.2: 通常回路
• 高速回路
高速回路は太陽の光が弱いときに使う回路である。ソーラーパネル 3 枚と充電してい
たコンデンサをすべて直列になるよう配線を切り替え，走行速度を上昇させる。高速
回路の簡易図を図 3.3 に示す。
太陽電池
太陽電池
+
+
ON
SW6
SW5
ON
+
コンデンサ
M
+
図 3.3: 高速回路
SW2
3.2. 回路の切り替え
9
• 後退回路
後退回路は車体を後退させるときに使う回路である。通常回路とモータへの配線を逆
にすることで，走行方向を反転させる。このときも 1 枚のソーラーパネルでコンデン
サを充電している。後退回路の簡易図を図 3.4 に示す。
太陽電池
+
SW3
M
+
SW7
図 3.4: 後退回路
3.2
回路の切り替え
回路の切り替えはサーボモータ（Futaba 製 AM2 チャンネル MEGATECH JUNIOR）
を回転させることによって行う。サーボモータはコントローラのトリガの引き具合でその
回転角を変化させる。なので，その回転角の変化で通常回路・高速回路・後退回路のスイッ
チを切り替え，それぞれの回路で走行するよう設計する。スイッチング機構の概略図を図
3.5 に，写真を図 3.6 に示す。
第 3 章 回路の設計及び製作
10
SW1
SW2
SW3
SW7
SW5,6
SW4
図 3.5: スイッチング機構概略図
図 3.6: 製作したスイッチング機構
11
第 4章
完成したソーラーラジコンカーの評価
4.1
完成した車体
完成した車体の写真を図 4.1∼4.2 に，車体の寸法や重さの仕様は表 4.1 に示す。車体は従
来の研究より重量が 150g ほど軽く，全長も 100mm 近く短いコンパクトなものになったが，
ソーラーパネルが大きかったため若干バランスが悪くなった。
図 4.1: 製作した車体
4.2
図 4.2: ソーラーパネルを付けた状態
車体の性能評価
完成した車体を実際に晴れた日に走らせると，コントローラの指示どうりにすべての回
路が機能し，右左折も問題なく行えた。しかし，日が傾きソーラーパネルにあたる光の量
が少なくなると，速度が落ち，走行に支障をきたすことがあった。これは想定していた重
量より車体が重く設計されたことが原因だと考えられる。
車体の性能を測定しようとした時期には，ソーラーパネルの発電では不十分なほど太陽
の光が弱くなっていた。そのため，DC 電源の電圧をかけ，後輪を自作したローラ装置に乗
せるように車体を設置して，走行実験を行った。実験結果を図 4.3∼4.10 に示す。
第 4 章 完成したソーラーラジコンカーの評価
12
表 4.1: 車体の仕様
重量 [g]
700
全長 [mm]
320
全高 [mm]
120
全幅 [mm]
300
ホイールベース [mm]
180
トレッド [mm]
155
タイヤ半径 [mm]
27
モータ
DC モータ
ギア比
1：1.25
駆動方法
後輪駆動
• 通常回路-高速回路-通常回路と制御した測定結果
まず通常回路で動作させ，高速回路に切り替えその変化を確認し，再び通常回路に戻
して動作させた。このときのモータの電圧・電流，タイヤの回転数の変化のグラフを
図 4.3∼4.5 に示す。電圧の変化から高速回路時にはコンデンサの充電分を消費しなが
ら動作していることが分かり，タイヤの回転数が上昇していることから走行速度が増
モータにかかる電圧[V]
モータに流れる電流[A]
して，高速回路として機能していることが確認できる。 time[s]
図 4.3: 通常-高速-通常としたモータの電圧
time[s]
図 4.4: 通常-高速-通常としたモータの電流
4.2. 車体の性能評価
タイヤの回転数[rpm]
13
time[s]
図 4.5: 通常-高速-通常としたタイヤの回転数
• 通常回路-後退回路と制御した測定結果
通常回路と後退回路の動作を比較した。通常回路と後退回路は回路としてはモータに
加わる電圧の正負の違いのみとなっている。これは測定結果の図 4.6∼4.8 のモータの
モータにかかる電流[A]
モータにかかる電圧[V]
電圧・電流，タイヤの回転数の値が±が逆になっていることからも確認できる。
time[s]
図 4.6: 通常-後退としたモータの電圧
time[s]
図 4.7: 通常-後退としたモータの電流
第 4 章 完成したソーラーラジコンカーの評価
タイヤの回転数[rpm]
14
time[s]
図 4.8: 通常-後退としたタイヤの回転数
• コンデンサの性能測定
コンデンサに充電し無負荷時の自然放電と高速回路の時の消費の測定結果を比較した。
自然放電させたときの充電量の変化を図 4.9 に，高速回路時のコンデンサの消費を図
4.10 に示す。これらの図から充電されたコンデンサの最大放電電圧はおよそ 2.5V だ
と分かる。また充電されたコンデンサの放電は高速回路ではおよそ 90 秒保たれるこ
コンデンサの充電量[V]
コンデンサの充電量[V]
とが確認された。
time[s]
time[s]
図 4.9: コンデンサの充放電の特性
図 4.10: コンデンサを充電して高速回路での
消費
4.3. 通常回路の効率計算
4.3
15
通常回路の効率計算
通常回路時に測定した値から効率を計算した。まず効率は入力した電気エネルギーに対
する出力の機械エネルギーの比率で表される。ここでそれぞれのエネルギーは
電気エネルギー = V × I
(4.1)
機械エネルギー = T o(トルク) ×ω (回転角速度)
(4.2)
で表される。この式のそれぞれの値に通常回路時に得た値を当てはめると，およそ電圧は
9.4V，電流は 0.15A，回転角速度 [rad/sec] は回転数 400rpm から換算して
To =
400
× 2π = 42
60
(4.3)
トルク [mNm] はモータのトルク定数 7.99mNm/A とモータから後輪までのギア比より
ω = 7.99 × 0.15 × 19 ×
1
= 18.2
1.25
(4.4)
となる。これらの値から効率を計算すると式 (4.1)-(4.4) より
効率 =
となった。
T o ×ω
× 100 = 54.2 ％
V ×I
(4.5)
第 5 章 結論
16
第 5章
結論
5.1
本研究での成果
本研究で，ソーラーラジコンカーは従来の研究のものよりコンパクトにでき，700g とわ
ずかですが軽いものになった。また，それぞれの制御回路は正常に動作し，前輪のハンド
ル機構もスムーズに走行するものになった。
5.2
今後の課題
本研究では，走行効率を考慮したソーラーラジコンカーを設計し，すべての機構の動作
を確認できたが，依然として車体の重量が重く，効率が良いとは言い難いものとなった。
今後は，車体の部品をそれぞれより軽いものに取り換えるなどして，軽量化を進めてく
必要がある。
17
謝辞
本研究を進めるにあたり，御指導と助言をいただきました河合康典准教授に心より深く
感謝いたします。ならびに，河合研究室メンバーにも深く感謝いたします.
最後に，これまでの学生生活を可能にし，暖かく見守っていただいた両親，兄弟に深く
感謝します.。
参考文献
18
参考文献
[1] http://www.solar-rc.jp/ ソーラーラジコンカーコンテスト
[2] 中村，
“ エネルギー効率と実用性を考慮したソーラーラジコンカーの製作, ”石川工業
高等専門学校卒業論文, 2011.