Transcript H18講義スライド（MS-PowerPoint）

第５章 センサの基礎知識
メカトロニクス機械を作り上げるには，センサ
についての幅広い知識と経験が必要！
5.1 センサの使用方法
★センサの使い方は大きく分けて２つ！
（ａ） メカトロ機械の制御用
（ｂ） 機械の性能測定用
ロボット，自動車用エンジン，FA・・・
実験用エンジン，各種実験装置・・・
(1) メカトロ機械の制御用センサ
CCDカメラ
赤外線センサ
●ロボット，ＦＡ，自動車用エンジンの電子制御・・・
●定性的なデータが重要となることが多い。
●寸法，信頼性，耐環境性，寿命などが重要となることが多い。
(2) 機械の性能測定用センサ
●パソコン計測が主流。
●定量的なデータが重
要となることが多い。
●取扱い性，測定精度
が重要となることが多い。
圧力センサ
5.2 センサの分類
(1) 人間の器官とセンサ
備 考
人間の 人間の センサの種類
器官
感覚
目
視覚
光センサ
物体の有無，色，イメージ
耳
皮膚
聴覚
触覚
音響センサ
振動センサ
温度センサ
圧力センサ
空気の振動
圧力（力），加速度など
温度，風速（流量）
舌
味覚
（味センサ）
化学的性質
鼻
臭覚
（臭いセンサ） 化学的性質，ガスセンサ
(2) 測定対象による分類
センサの種類
光センサ
センサの種類
力センサ
磁気センサ
温度センサ
超音波センサ
変位センサ
位置センサ
速度センサ
主に直接的な測定
対象（光エネル
ギーなど）による分
類。
加速度センサ
距離センサ
光センサ
磁気センサ
温度センサ
湿度センサ
ガスセンサ
化学センサ
音声認識
インテリジェントセンサ
具体的な測定対象（工学的な物理
量）による分類。
★使い方やメカトロ機械の種類によって，分類方法は様々。
5.3 センサの種類と使用方法
★どのような種類があるのか？
★何を測りたいときのどのようなセンサを使うのか？
(1) ひずみを測るセンサ
●力学量を測定するための最も基本となるセンサ。
●金属線の抵抗の変化を利用している。
ひずみゲージ
●ひずみゲージの接続例
ひずみゲージとパソコンとの接続
(2) 力を測るセンサ
●ひずみゲージを利用した力センサ。
ロードセル
ロードセルの基本構造
●ロードセルの使用例
２分力計を用いた魚ロボットの推進性能測定
●ロードセルの使用例
車いす介助者の段差乗り上げ時の負担を測定する装置【設計中】
(3) トルクを測るセンサ
トルク変換器
トルク変換器の基本構造
●トルク変換器の使用例
IPM発電機
ACサーボモータ
トルク変換器
発電機性能評価装置
発電機効率　％
●トルク変換器の使用例
85.0%
800
80.0%
700
600
75.0%
500
70.0%
400
65.0%
抵抗 ４Ω　効率
抵抗 ６Ω　効率
抵抗 ８Ω　効率
抵抗 ４Ω　出力
抵抗 ６Ω　出力
抵抗 ８Ω　出力
60.0%
55.0%
50.0%
0
500
1000 1500 2000
駆動回転数 ｒ
ｐｍ
発電機の性能評価例
300
200
100
0
2500
(4) 圧力を測るセンサ
ブルドン管式圧力計
ひずみゲージ式圧力センサ
●圧力センサの使用例
4
圧力センサ
Pe(Pa)
Pc(Pa)
Pbuf(Pa)
Pe（計算）
Pc（計算）
Pbuf（計算）
3.9
圧力　P [MPa]
3.8
3.7
3.6
3.5
3.4
3.3
3.2
3.1
3
-50
0
50
100
150
200
250
クランク角度 θ [deg]
300
350
400
4
Pe(Pa)
Pc(Pa)
Pbuf(Pa)
Pe（計算）
Pc（計算）
Pbuf（計算）
3.9
圧力　P [MPa]
3.8
3.7
3.6
3.5
3.4
3.3
3.2
3.1
圧力センサ
3
-50
0
50
100
150
200
容積 V [cm3]
スターリングエンジンの性能評価
250
300
350
400
●圧力センサの使用例
スターリングエンジンの性能評価例
(5) 物体の有無を測るセンサ
赤外線LED
赤外線受光センサ
赤外線センサ
フォトカプラ
●赤外線センサの使用例
●フォトカプラの使用例
魚ロボットの性能評価装置
●フォトカプラの使用例
スターリングエンジンの回転数計測
(6) 回転角度を測るセンサ
ロータリエンコーダ
ロータリエンコーダの基本構造
●ロータリエンコーダの使用例
ロータリエンコーダ
スターリングエンジンのクランク角度計測
(7) 距離を測るセンサ
●超音波を発信し，対象物で反射してくる
超音波を再度センサヘッドで受信する。
●音波の発信から受信までの時間を計測
することで対象物の位置を検出する。
超音波センサ
●超音波センサの使用例
魚群探知機
潜水艦の通信機器
●レーザセンサの使用例
レーザセンサ
スターリングエンジンのピストン位置計測
●レーザセンサの使用例
スターリングエンジンのピストン位置計測
●セミフリーピストン形スターリングエンジン
(8) 温度を測るセンサ
バイメタル
http://www.sksato.co.jp/
アルコール式温度計
(8) 温度を測るセンサ
シース型熱電対
●ゼーベック効果：２種類の金属や
半導体の接合部に温度差をつけると
電位差を生じる現象
●熱電対の使用例
熱電対
銅製ヒータ（φ6×t1.0×64本）
スターリングエンジンの性能測定
(9) 流量を測るセンサ
タービン式流量計
浮き子式流量計
マスフロー流量計
(10) イメージセンサ
CCDカメラ
（光センサの一種）
CCDカメラを搭載した
魚ロボット
●3次元CCDカメラの適用
●魚ロボットに2台のCCDカメラを搭載し，物
体の立体認識を試みる。
●映像信号を水中でリアルタイムに通信す
るシステムを構築する。
●CCDカメラの使用例
●CCDカメラの使用例
【演習問題①】
★身近な生活用品に，何らかのセンサを取り
付け，高性能化・高機能化を図りたい。具体
的な方法を提案しなさい。
その構造・原理を図面で表し，機能および役
立つ理由を文章で説明しなさい。
5.4 センサ活用例
★センサを利用した実験装置・研究内容を紹介。
計測用車いす
（2000年設計・試作）
車いす用走行補助装置
（2001年度卒業研究）
(1) 計測用車いす
移動手段
旅客船
船舶特有の問題
動揺
船の旅
安
全？
危
険？
快
適？
不
快？
手動車いすの走行特性
計測用車いすの開発
計測用車いすの開発
市販の汎用手動車いす
駆動トルクと回転角度の測定
船内での走行実験における
取り扱いやすさ
多くの研究・教育機関での
利用しやすさ
ワイヤレス化
低コスト化
設計時の問題
ハンドリムと車輪と
の距離が短い。
トルク測定装置
の形状に制限を
受ける。
トルク測定装置が車
輪の回転運動に伴
い回転する。
車輪の回転数変
動が大きい。
車輪の回転角
度の測定精度
に十分な配慮を
要する。
信号線のとりまわしが難しい。
計測用車いすの基本構造
(a) 外観
(b) 測定部の構造
測定装置系統
駆動トルクの測定
回転角度の測定
データ測定
トルク・仕事・仕事率
走行軌跡と旋回特性
傾斜装置における走行実験
床寸法：5.5 m×5.5 m
傾斜角度：0～10 deg
測定結果の一例（傾斜角度７deg）
縦断走行
(a) 速度
(b) 仕事率
横断走行
走行軌跡
計測用車いすのまとめ
1.
本計測用車いすは，ひずみゲージにより駆動ト
ルクを測定でき，ロータリエンコーダにより車輪
の回転角度を測定できる。
2.
これらの測定値をパソコンで処理することで，
車いすの走行特性を調べることができる。
3.
傾斜装置上における手動車いすの基本特性を
測定・評価することができた。
(2) マイコン制御による車いす走行補助装置
船舶のような動揺条件下において手動車いすが、安全かつ
快適に操作できるような補助装置を開発する。
手動車いすの構造と走行特性
山側
・前輪にキャスタを使用。
・後輪のトルクの与え方
により直進・旋回を行う。
・重心が後輪車軸の前方
に位置する。
谷側
手動車いすの構造
前輪キャスタ
走行補助方法の検討
A. 前輪の向きの制御
B. 後輪の回転制御（ブレーキ）
C. 後輪の回転制御（回転補助）
D. 重心の制御
• どんな車いすにも簡単に取り付けられる。
• 安全に補助効果が得られる。
補助ブレーキ装置の構造
傾斜角センサについて
・ 振り子を応用し、車いす
の傾斜角を測定
・ マイクロスイッチが、傾斜
角によって2段階に作動
角度センサ構造
マイコンによるブレーキ装置の制御
補助ブレーキのサーボモー
タをマイコンで制御する。
・スイッチの組み合わせによ
り、サーボモータの回転角の
制御を行い、ブレーキ力を調
節できる。
回路図
製作した補助ブレーキ装置
補助ブレーキ装置を使用した実験
全長10mの走行路面中央右側に傾斜をつけ傾斜
角による影響を調べる。
実験に使用した走行路面
補助ブレーキ
制御なし
トルク（Nm)
60
谷側後輪 N m
山側後輪 N m
30
0
-30
0
2
4
6
8
10
走行距離（
ｍ）
補助ブレーキ
制御あり
トルク（Nm)
60
谷側後輪 N m
山側後輪 N m
30
0
-30
0
2
4
6
走行距離（
ｍ）
8
傾斜角3度での左右のトルクの様子
10
補助ブレーキ
制御なし
トルク（Nm)
60
谷側後輪 N m
山側後輪 N m
30
0
-30
0
2
4
6
8
10
走行距離（
ｍ）
補助ブレーキ
制御あり
トルク（Nm)
60
谷側後輪 N m
山側後輪 N m
30
0
-30
0
2
4
6
8
走行距離（
ｍ）
傾斜角5度での左右のトルクの様子
10
補助ブレーキ
制御なし
トルク（Nm)
60
谷側後輪 N m
山側後輪 N m
30
0
-30
0
2
4
6
8
10
走行距離（
ｍ）
補助ブレーキ
制御あり
トルク（Nｍ）
60
谷側後輪 N m
山側後輪 N m
30
0
-30
0
2
4
6
8
走行距離（
ｍ）
傾斜角7度での左右のトルクの様子
10
車いす走行補助装置のまとめ
1. 動揺する船舶において，手動車いすの走行が困難
になる原因を調べ，走行補助方法を検討した。
2. 補助方法の検討結果を踏まえ，マイコン制御の補助
ブレーキ装置を製作した。
3. 手動車いすが波状の走行面を走行する際，本補助
ブレーキ装置が左右のトルク差を減少させることを
確認できた。
(3) 機械制御式車いす走行補助装置
手動車いすの操作・走行特性
(ａ)平面走行時
(ｂ)波状面走行時
波状面走行時の操作と車いすの挙動
走行補助装置の基本構造
通常時
［慣性走
トルクが異なる時
［方向修正］
走行補助装置の構造
走行補助装置の部品と外観
カムの形状
走行補助装置を取り付けた車いす
機械制御式車いす走行補助装置のまとめ
1. 車いすにクラッチ機構を取り付けることで，波状面の
直進走行が容易になった。
2. 歯車のバックラッシュやクラッチの切り替えの強弱に
よって，わずかな方向修正が難しい。
3. ばねの強さやカム角度の調整機構が必要である。
【演習問題②】
★我が国は諸外国に例を見ない早さで人口
の高齢化が進んでおり，21世紀の半ばには
国民の3人に1人が65歳以上という超高齢社
会の到来が予測されている。このような背景
のもとで，高齢化社会に役立つメカトロニクス
機械を考えなさい。
その構造・原理を図面で表し，機能および役
立つ理由を文章で説明しなさい。