株式会社 新興技術研究所 取締役会長

熊谷 卓

1955年03月 東京大学工学部精密工学科卒業
...もっと見る 1955年03月 東京大学工学部精密工学科卒業
1955年04月 マミヤ光機株式会社入社
1962年11月 技術士国家試験合格・機械部門技術士登録
1963年03月 株式会社 新興技術研究所設立　代表取締役就任、現在　同社取締役会長（業務内容：自動組立機をはじめ各種自動化設備機器等の開発・製作・技術指導）

【歴任】
米国・欧州自動化技術視察団コーディネータ　8 回
自動化推進協会　理事・副会長
精密工学会　自動組立専門委員会　常任幹事
日本技術士会　理事・機械部会長
中小企業大学校講師
日本産業用ロボット工業会　各種委員
神奈川大学講師
自動化推進協会理事
高度職業能力開発促進センター講師
等を歴任

【業績】
著書
自動化機構300選（日刊工業新聞社）、メカトロニクス技術認定試験教本（工業調査会）ほか多数
講演
アジア生産性機構講演で自動化システムを W・T・MACS で表示・解析を提示（世界初）ほか多数
論文
自動化システムのデバッギング理論「チェック機構と最適稼働率」が欧州年間論文大賞にノミネイトほか多数
発明
メカトロニクス技術実習モジュールの発明、地震予知システム「逆ラジオ」の発明ほか多数

株式会社新興技術研究所 熊谷会長様のご好意による「生産性向上とメカトロニクス技術講座」の 12 回目です。今号から「W・T・MACS の他の要素群」を紹介します。

2-3 W・T・MACS の他の要素群

ここまで、メカニズムの各種の特性についてやや詳しく述べましたが、では、W・T・MACS のなかの他の要素群はどうなっているのでしょうか？ 以下、改めてそれぞれの要素群をもう少し詳しく見ていきましょう。

もう一度図 1-14 を見てください。

（W・T）ワークとツール
前述したようにワーク W は要求元から指定されるもので、ツール T は、ワークとそれに対する仕事の内容次第で専用設計するものと考えていいでしょう。

（M）メカニズム
そのツールを動かすメカニズムは、これも前述の通り、アクチュエータの機械運動を入力としてツールの駆動用の機械運動に変換出力するものです。その変換の内容に「均等変換」と「不均等変換」とがあり、速度特性・力特性など考えるべき多くの内容があることは理解されたと思います。
図 1-14 のメカニズムにある二つのグループの上側が「均等変換」で下側が「不均等変換」のメカニズム群です。

［ A ］アクチュエータの各種と分類

【等速型と可変速型】

次にアクチュエータは、何らかのエネルギを入力として、回転・直進・搖動などの機械運動出力に変換するもので、基本的に「等速型」と「可変速型」とに分類されます。（図 1-14 ではこのような分類表示をしてありません）
「可変速型」というのは、信号の与え方や入力の大きさなどで自動的に速度を変更できるものを言います。

当然、エネルギの種類にはいろいろあります。
空気圧というエネルギを直進の機械運動に変換するアクチュエータが空気圧シリンダで、一般に速度設定は絞り弁で変更できますが、手動設定になっているため等速度型に分類します。
電気というエネルギを入力として回転という機械運動を出力するアクチュエータがモータで、インダクションモータ、リバーシブルモータやシンクロナスモータのように単純に一定速度で回転するだけの「等速型」と、サーボモータやステッピングモータのように入力の与え方で速度を自動可変とする「可変速型」のものとがあります。
また、水流というエネルギを回転という機械運動に変換する山の水車も、風というエネルギを回転という機械運動に変換するオランダの風車も、あるいは火薬の爆発によるエネルギを直進運動に変換するライフル銃もアクチュエータです。
さらに、エネルギとして熱を用いる形状記憶合金の変形復元力も、熱膨張利用によるごく微小寸法の駆動機構もアクチュエータで、アクチュエータの範囲は極めて広いのです。
しかし、通常我々が使うのは、電気系・油空圧系のアクチュエータが殆どでしょう。

ところでメカニズムの解説で出力速度をゼロにしたとき、出力の力は無限大と前述しましたが、可変速アクチュエータではそうはなりません。
メカニズムの場合は入力エネルギが一定なのですが、アクチュエータで速度を落とすということは駆動されるべき負荷が一定であっても、これを駆動するアクチュエータに与えるエネルギを減少していくことなのです。
そして、アクチュエータに与える入力エネルギをゼロにすれば、出力速度はゼロになります。
これでは、速度特性を末端減速にすることはできますが、どう考えても末端増力にはなりません。

【固定ストローク型と力・速度バランス型】

さて、アクチュエータについては「等速型」「可変速型」の分け方のほかに、「固定ストローク型」と「力・速度バランス型」の分け方があります。

「固定ストローク型」は、スタートすると「必ず所定のところまで進む」アクチュエータです。

例えば電磁ソレノイドや油圧シリンダなどは通常十分強いものを使って、少々負荷の変動があっても原則として最終端まで駆動されるような使い方をします。したがって「固定ストローク型」と考えていいでしょう。
空気圧シリンダもほぼ同様な使い方が多く「固定ストローク型」と言えます（負荷が大きいと速度が落ちて終端まで行ききれないことも無いとは言えませんが）。
ステッピングモータの場合は、原理的には図 2－23 に示すように回転子に取付けた永久磁石を、周りに置いた複数の電磁石が、A0－B0－C0－・・・と順番に引っ張るので、1 ステップの駆動量は一定です。これも「固定ストローク型」の典型です。

〈今は永久磁石が電磁石 A0 に引っ張られているが、A0 の電源を切って電磁石 B0 に
通電すると永久磁石は A0 から B0 へと駆動される。
電磁石 A0 と B0 とのなす角がステッピングモータの 1 ステップの駆動量となる。 〉

ところが少し負荷の慣性が大きくなって、1 ステップ分を動くのに予定より時間がかかったとすると、制御のほうではその間に B0 から C0、C0 から D0 へと通電を切り替えてしまいます。すると永久磁石から見てどんどん遠い方の電磁石が引っ張ろうとしますが、遠いので力は弱く、とても引っ張れません。
したがって、一回でも追従ミスがあると、永久磁石はどこへ行って良いかわからず、「その辺をうろうろ」して、回転できなくなってしまいます。
1 ステップ分だけ遅れてついて来るというわけにはならないのです。
順調に 1 ステップずつ動いていたのが調子が狂ってしまうので、これを「ステッピングモータの脱調」と呼びます。

これに対し、「力・速度バランス型」というアクチュエータがあります。
これはサーボモータをはじめインダクションモータ、直流モータなど、基本的に負荷がかかると速度が落ちるアクチュエータがこれに入ります。

さて今、或るモータが出力 P1 で負荷を駆動し、速度 V1 で回転しているとします。

ここでクイズです。

つまり「力・速度バランス型」のアクチュエータでは、右下がり特性の範囲で安定した駆動ができるのです。インダクションモータなどは通常使用領域では右下がり特性になっていますが、ある範囲までしか対応していません。
サーボモータの場合は本来、速度ゼロから最高速度まで全範囲で右下がり特性になっているはずです（別の例もあるようです）。したがって荷物が重くなれば「少し遅いけれどどうにかついて来る」ということになります。ここがステッピングモータと違うところです。
外部負荷が大きくなってモータが停止してしまった状態では、最大の出力トルクで回転しようと一生懸命頑張っていて、少しでも負荷が軽くなればすぐに回りだす、というのがサーボモータ自身の特性のはずです。ところが、最近では、停止してしまうと殆どの場合、専用コントローラが「エラー」として電源を落としてしまいます。
もちろんその方が安全ではありますが、ちょっと特殊な使い方をしようと思うと不便なこともあるようです。

次回は、コントローラとインターフェイスについて説明します。

株式会社新興技術研究所 熊谷 卓 による「生産性向上とメカトロニクス技術講座」は、クリエイティブ・コモンズ
表示 – 非営利 – 継承 2.1 ライセンスの下に提供されています。
Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.1 Japan License