Transcript H18講義スライド（MS-PowerPoint）

メカトロニクス
第１章 メカトロニクスとは
★メカトロニクスとは，エレクトロニクス（電子工学）
の技術と機械を結び付けたもの。
★機械の制御などに電子技術を応用し，機械の高
性能化・自動化を図る。
★最近では，半導体製造技術の発展により，多くの
機械が電子制御化されている。
★講義内容と目的
講義内容
★メカトロニクス要素の関連知識
★メカトロニクス機器の紹介
目的
★高性能な「機械」を作るための知識を得る。
★ 「機械」を組み上げる能力を身につける。
1.1 メカトロ技術を利用した機械
講義内容
★メカトロニクス要素の関連知識
★メカトロニクス機器の紹介
目的
★高性能な「機械」を作るための知識を得る。
★ 「機械」を組み上げる能力を身につける。
様々なメカトロ機械①
最近のエンジンは，
燃料噴射などに電
子制御技術が使わ
れている。
作業を能率的に行うための機械
様々なメカトロ機械②
省電力化のために，
様々な制御技術が
使われている。
生活を便利にするための機械
様々なメカトロ機械③
半導体技術の発展
により，小型・高性
能な電子機器が普
及している。
情報収集・情報処理のための機械
様々なメカトロ機械④
コンピュータ制御
の工作機械が製
造分野で活躍して
いる。
機械を作るための機械
メカトロニクスを利用した機械は多い！
共通のキーワードは？
メカトロニクスを学ぶために必要な知識
★機構学
★計測・制御
★機械要素
★電気・電子部品
★コンピュータ技術
★力学・・・
★マイコン技術（ハードとソフト）
★パワーエレクトロニクス（モータ駆動・インバータ技
術）
★機械の性能測定（パソコン計測）
幅広い知識と要素を組み上げる技術が必
要！
1.2 メカトロニクス関連研究
海上技術安全研究所（三鷹）
海技研の研究内容
●船舶の安全
●環境保全とエネルギーの有効利用
●海上輸送の高度化
●海洋空間の利用技術
研究内容
スターリングエンジン
船のバリアフリー
MOVIE
魚ロボット
(1) 魚ロボットの研究・開発
魚
海中ロボット
•高い推進効率
•高速遊泳
•優れた運動性能
•高効率推進
高速遊泳
多形式魚ロボット
の開発
優れた旋回性能
優れた加速性能
機敏な動き
力強さ
器用さ
どうやって，魚ロボットをおよがすの？
魚はいろいろな泳ぎをしている！
どうやって，魚ロボットをおよがすの？
①リボンのような動き
②体全体で水をおす
ニジマス型
せまいところ
もぬるぬる
ウナギ型
④おひれをパタパタ
③「つばさ」をふる
はやい！
高性能！
力強い！
これでも
泳げる！
マグロ型
ハコフグ型
魚ロボットがおよぐ！
おひれを，しならせながら，ふるのがコツ！
どうすれば，魚ロボットはまがるの？
本ものの魚は，たくさんのひれをうまくつかっている！
どうすれば，魚ロボットはまがるの？
①おひれを左がわ
だけでふる
②体の形を
かえる
③その場で
急せんかい
魚ロボットはよくまがる！
おひれの動きだけで，よくまがる魚ロボットができる！
魚ロボットをもぐらせるには？
本ものの魚は，「うきぶくろ」をうまくつかっている！
魚ロボットをもぐらせるには？
①「つばさ」をつける
②おひれの向きをかえる
魚ロボットをもぐらせるには？
③「おもり」をつける
④「うきぶくろ」をつける
もぐる魚ロボット！
現在までに開発した魚ロボット
基本構造
旋回性能
推進性能
高速化
どうすれば，よくおよぐ魚ロボットができる？
考えるあたま
長い時間およぐ体力
力強いおひれ
見る，聞く，
感じる
スマートなボディ
すばやい動きを
させるメカ
なめらかに動
くおひれ
よくおよぐ魚ロボットができれば・・・
船をなおす
あたらしい船
工場をしらべる
魚をしらべる
海をしらべる
(2) スターリングエンジンの研究・開発
加熱と冷却を繰り返す外燃機関
2つのピストンと熱交換
器で連続的な運転をさ
せている。
実用的な性能を得るた
めに，高圧ヘリウムま
たは水素を使用する。
スターリングエンジンとは
スターリングエンジンの動作原理
①加熱
作動ガスが高温空間へ移
動
②膨脹
圧力が上昇し，作動ガス
がピストンを押す。
③冷却
作動ガスが低温空間へ移
動
④圧縮
α形スターリングエンジン
圧力が低下し，作動ガス
がピストンを持ち上げる。
再生熱交換器（再生器）
再生器はヒータとクーラ
の間に配置され，冷却行
程の熱を加熱行程で再
利用する。
実際の再生器の例（積層金網）
スターリングエンジンの高出力化
耐圧・耐熱材料
ＰＶ＝mＲＴ
高圧ガス（He，H2）を封入
すると，仕事が増える！
厳重な
シール機構
圧力容器構造
スターリングエンジンの特徴と問題点
優れた特徴
●高熱効率性
再生熱交換が可能
●燃料の多様性
温度差があれば動作可能
●低騒音・低公害
爆発がない
問題点
●製作コスト
高温熱交換器・耐圧構造
●用途開発
スターリングエンジンに適した用途は？
各種エンジンの出力と熱効率
スターリングエンジンの用途
(1) 主動力源（交通機関）への適用
(2) 排熱回収システム
(3) コジェネレーション
(4) バイオマス利用システム
(5) 海中動力源
(6) 太陽熱利用システム
(7) 山岳地用スターリングエンジン
(8) 工学教育／教材
排熱回収システム開発のプロジェクト概要
停泊している船舶のディーゼルエンジ
ンから放出される排ガスが，港湾地域
の大気環境汚染の原因となっている。
東京湾
その対策は急務
●停泊中の船舶による環境汚染
東京都環境局
東京港内の年間排出量推計
解決方法として・・・
停泊中の発電用ディー
ゼルエンジンを停止させ
るシステム
陸上からの電力供給
年間34000隻が入港
自動車の約8倍！
インフラ設備，導入コスト・・・
排熱回収による発電・
蓄電システム
低温排熱利用技術・・・
●排熱回収システム
開発コンセプト
●必要最小限の電力を貯蔵する。
●設置スペースが小さい。
●既存船への設置が可能である。
★2 kWで2日間の蓄電
★10 kW×10時間の利用
●試作した実験用スターリングエンジン
仕様および目標性能
実験用スターリングエンジン（1号機）の構造
ピストン径
100 mm
ストローク(DP)
36 mm
ストローク(PP)
28 mm
定格ガス圧力
3～4 MPa
定格ガス温度
280～300℃
定格回転数
1000 rpm
目標出力
500 W
ヒータ管材質
銅合金
再生器
SUS製積層金網
クーラ管材質
SUS304
発電機
誘導式
●実験用エンジンの外観
銅製ヒータ（φ6×t1.0×64本）
●発電システム
三相誘導発電機
（ハーメティック
式）
高効率発電のための
インバータ技術
発電用インバータ回路
●実験用スターリングエンジンの性能測定
エンジン
電気ヒータ
●測定装置系統
エンジン・シ
ステムの性
能評価のた
めのパソコン
計測技術
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Pm =2.5M Pa（
図示出力）
Pm =3.0M Pa（
図示出力）
Pm =3.5M Pa（
図示出力）
Pm =2.5M Pa（
ガス温度）
Pm =3.0M Pa（
ガス温度）
Pm =3.5M Pa（
ガス温度）
300
250
200
150
100
50
He, Tair_in=400degc, Qair=1000L/min, #60
0
200
400
600
800 1000
エンジン回転数　N [rpm ]
1200
0
1400
膨脹空間ガス温度　Te [℃]
図示出力　Wi [W]
●作動ガス圧力の影響
●現状での最高
図示出力は約
300W程度
●エネルギーバランスの一例
実験：2006/7/6（断熱）
作動ガス：He
エンジン回転数：700rpm
平均圧力：3.0MPa
高温熱源温度：400℃
高温熱源流量：1000L/min
システム開
発には，高度
な要素技術
と総合的な
評価が必要
●講義内容（H17年度）
第１回 メカトロニクスとは
概要
第２回 マイコンの基礎
電子部品
第３回 マイコンの利用技術
回路製作
第４回 マイコンのプログラム技術
動作確認
第５回 センサの基礎知識
センサの原理
第６回 センサ応用技術と計測
実際の計測
第７回 アクチュエータの基礎
モータの原理
第８回 直流モータを動かす回路
回路製作
第９回 直流モータのPWM制御
プログラム
第１０回 メカトロ機械の制御理論
制御技術
第１１回 機構と機械要素
メカ
第１２回 メカトロ機械の設計
設計と製
作？
第１３回 メカトロニクスと機械設計
第１４回 レポート提出と口頭発表
●講義について
1. 毎回，演習課題を行い，提出する（出席
点呼の代わり。成績評価に反映？）。
2. 期末テストについては未定（昨年度はレ
ポート課題）。
3. ＰＣスライドを利用。
4. 講義ノートをインターネットで公開予定。
http://www.nmri.go.jp/env/khirata/