コラム執筆にあたって

みなさん、こんにちは。株式会社プラチナリンク代表取締役の西田麻美です。
メカトロニクスでは、統合力を鍛えることが大きなポイントです。そのためには、個々にある要素技術の知識を身に着けておく必要があります。そこで、第２回目は、「統合力を発揮するために必要なメカトロ要素技術」をテーマとして解説します。

メカトロニクスを支える５つの要素技術

メカトロニクスは、お料理ととてもよく似ています。
お料理をより美味しくするには、野菜、肉、魚、果物などの素材の情報（特徴やメリット、デメリット）をよく知っておくことが重要です。

メカトロニクスには、以下の５つの要素技術（素材）があります。

①メカニズム・・・機械

②アクチュエータ・・・機械・電気電子

③センサ・・・機械・電気電子

④インターフェース回路（ドライバ・制御回路・電源）・・・電気電子

⑤コントローラ（制御技術・ソフトウェア）・・・情報

上記の要素技術は、個別に機能するため、「単機能」と呼ばれています。単機能をシステム全体の機能としてみると、それぞれに固有の役割があります。例えば、料理の素材はその働きによって、エネルギーになるもの、体をつくるもの、体の調子を整えるもの、といった役割があります。５つの要素技術もこれと同じように役割を持っています。まずは、それぞれの技術がどのような役割を持っているのかを学ぶことが重要です。下図は、メカトロニクスの代表である「サーボ機構」の一例ですが、５つの要素技術が適切に連結されることで、はじめて一つのシステムとして機能します。

また、メカトロニクスは学問的に、「機・電・情」の３分野で体系化されています。ここで意識しておかなければならないのは、和食・中華・フレンチと食文化が異なるのと同様に、機械・電気・情報には、それぞれ独自の評価基準や設計に対する考えがあることです。
また文化には、言葉で表しにくいルールや暗黙知も含まれていますので、先入観や思い込みを抱くことのないよう日ごろから、さまざまな技術文化に触れておくことが大事です。それでは、それぞれの要素技術のポイントについて説明していきます。

1．メカニズム

メカニズムとは「機構」を意味し、動力を伝達する機能と運動を作る機能の２つの役割があります。メカニズムを設計する際には、自由度の概念が重要です。部品と部品を拘束し、１～２自由度で設計するシステムを機械、３自由度以上を持つものをロボットと呼び、それぞれ設計的なアプローチが異なります。

メカニズムの主要素部品は大きく分けて以下の５つです。

①ギア群（歯車・ねじ）・・・線形要素部品

②ベルト・プーリ・・・線形要素部品

③チェーン・スプロケット・・・線形要素部品

④カム・・・非線形要素部品（からくり部品）

⑤リンク・・・非線形要素部品（からくり部品）

また、力や速度の伝達・変換の仕方によって、機械部品は使い分けられており、①から③までを「均等変換型部品（または線形要素部品）」と言い、④、⑤は「不均等変換型部品（または非線形要素部品）」と呼びます。
特に、カムとリンクは、往路はゆっくりと動き復路は早く動くなどの「からくり」を作り、システムに固有の特性を持たせる重要な役割を担っています。

2．アクチュエータ

アクチュエータとは、電気などの動力源を運動に変える装置のことで、主な役割はエネルギー変換です。中でもモータは、電源からの電気エネルギーを機械エネルギー（回転運動）に変換する代表的なアクチュエータで、多くの用途に活用されています。

メカトロニクスでモータは、以下の４種類に大別され制御目的に応じて選ばれています。

①直流（DC）モータ・・・制御がしやすいモータ

②交流（AC）モータ・・・力（パワー）が出せるモータ

③ステッピングモータ・・・きめ細やかに位置決めするモータ

④サーボモータ・・・テキパキと位置決めするモータ

また、モータの出力はその大きさに比例するため、構造によっては必要な出力を出せないという欠点があります。そのため⑤油圧アクチュエータ、⑥空気圧アクチュエータも多く採用されています。

3．センサ

メカトロニクスで用いるセンサは、主にメカニズムやアクチュエータの動作や制御に必要な情報を検出する電子部品を指します。つまり、速度（加速度）、角速度（角加速度）、位置（角度）、力などの物理量を対象にセンシングします。

例えば、代表的なものには、以下の４つが挙げられます。

①タコジェネレータ・・・回転速度を計測する（直流系・アナログ）

②ポテンショメータ・・・位置を計測する（直流系・アナログ）

③レゾルバ・・・回転速度・位置を計測する（交流系・アナログ）

④ロータリーエンコーダ・・・回転速度・位置を計測する（パルス・ディジタル）

センサは、千差万別と言われるほど、たくさんの種類があり、システムの性能を左右する五感の役割と取得したデータを信号に変換する２つの役割があります。また、制御に指令を与え、動作の有無を把握するための検出器としてスイッチも多用されています。センサは非常に繊細で、小さい信号（データ）を出力します。コンピュータ側が適切な処理をするためには信号処理のノウハウも不可欠です。

4．インターフェース回路（電気・電子回路/電源）

機械を動かすことを目的に、電気的な特性を持つ部品と部品を配線でつなぎ合わせたものを電気・電子回路と言います。抵抗、コイル、コンデンサ、トランジスタなどの部品群で構成され、アナログ・ディジタルを組み合わせて機械に命を吹き込む役割を担います。

メカトロニクスを支えるメインとなる回路は以下の４です。

①駆動回路・・・アクチュエータを動かす回路

②制御回路・・・コンピュータからの指令を入出力する回路

③センサ回路・・・微弱なセンサの信号を扱うための回路

④電源回路・・・入力電力から必要とされる電力を生成する回路

これらの回路は、システムの入出力部分、モノとモノをつなぐ役割を担っていることから総称してインターフェース回路と呼ばれています。

5．コントローラ（制御技術・ソフトウェア）

メカメカトロニクスで用いられる制御方式の多くは、以下の２種類の方式（古典制御）です。

①シーケンス制御

②フィードバック制御

シーケンス制御では、「順序」「条件」「時間」「計数」の４つの組み合わせだけで、目的の動作を達成できるシンプルな制御方式です。この制御を達成する代表的なコントローラが、プログラマブルロジックコントローラ（英: programmable logic controller、PLC）です。PLCとカムやリンクなどのメカニズム（カラクリ）を工夫して組み合わせれば、高速で確実に目的を達成するシステムを作れます。

一方で、目標値と現在の量とを比較し、目標値に近づけるように制御量を決定するのがフィードバック制御です。産業用ロボットでは、サーボ機構とフィードバック制御の組み合わせは必須です。フィードバック制御には、マイコンをはじめ、様々なコントローラがあります。プログラムを変更すれば、自在に動作を作ることができ、高精度化も可能です。産業用用途ではシーケンス制御が多く用いられており、フィードバック制御はシーケンス制御と組み合わされて活用されています。

 

いかがでしたか？
今回は、メカトロニクスの要素技術についてピックアップし、簡単にご紹介しました。

最終回は、「メカトロ設計のポイントと実践的スキルアップの事例」というテーマでお話しいたします。どうぞお楽しみに！