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メカトロニクスの構成

 メカトロニクスは、メカニカルとエレクトロニクスを合成した和製英語で、センサーから得た信号を、コントローラーで計算したり判断したりして、アクチュエーターでメカニズムを動かすという仕組みになっていて、基本的に電気で動きます。

メカトロニクス機器の例

メカトロニクスと人間を比較すると

 メカトロニクスは、直訳すれば「電子機械」ですから、その究極の目的は人間の代わり、つまり「自動化」です。人間の代わりですから、その構成は人間に例えられます。

メカトロニクスを人間に例えると

 人間は、五感(視覚,聴覚,嗅覚,味覚,触覚)で情報を得て、その情報を脳で過去の記憶や本能で判断し、筋肉を動かして行動します。

 つまり、五感=センサー、脳=コントローラー、筋肉=アクチュエーターと、メカトロニクスの基本構成と同じになります。

 そう考えると、人間は非常に優秀で、高性能なセンサー、高性能なコントローラー、高性能なアクチュエーターを備えています。それぞれ見てみると、

  • 5億7600万画素の視覚センサー
  • 20~2万ヘルツの1000万倍の強度の音を捉える聴覚センサー
  • 他の哺乳類に劣らない嗅覚センサー(犬よりもチョコレートの匂いに敏感)
  • 他の肉食動物と比較にならない1万近くの味覚センサー(草食動物は多い)
  • 13ナノメートルの凸凹を感知できる触覚センサー(スマホの1万倍)
  • スーパーコンピューター「京」の2400倍の処理能力を持つ知能
  • 1ペタバイト(約1125兆バイト)の記憶容量を持つ脳(HD動画数十年分)
  • モーターよりずっと小型軽量でエネルギー効率の良い筋肉

メカトロニクスは極めて性能の悪い自動化方法

 そう考えると、メカトロニクスで実現されるロボットは人間とは比較にならない低性能なものになりますが、人間には実現できない利点がいくつかあります。

  • 人間には不可能な大きさや重量のものを扱える
  • 計算そのものは超高速で間違いもない
  • 百万分の一以下の時間で簡単な判断が可能
  • 24時間365日働ける
  • 食事が必要ない
  • トイレに行く必要がない
  • 文句を言わない
  • 生体ウイルスに感染しない(コンピューターウイルスは感染の可能性あり)
  • 仕事内容によっては人間よりお金がかからない
  • お金を出せば確実に雇える(中小企業にはココ重要!)

メカトロニクスの要素

センサーの動作原理

 メカトロニクス機器で使われる各種センサーの原理について説明します。

マイクロスイッチ

 マイクロスイッチは、リミットスイッチのうち超小型のものをさします。ものによって上の写真のようにレバーやローラーが付いていたりしますが、中身は金属(リン青銅が多い)の接点(コンタクト)です。

マイクロスイッチの内部(左側の斜めに重なっている部分が接点)

磁気近接センサー

磁気近接センサーの例

 コイルに高周波を流し、電流の変化などで近くに磁性体(鉄、ニッケル、コバルト)や非磁性金属(銅、アルミニウム、ステンレスなど)があるかどうかを検出するセンサーです。簡単にいえば小型の「金属探知機」みたいなものです。

磁気近接センサーの原理

 光電センサー

フォトインタラプタ

 光電センサーは、発光ダイオード(LED)とフォト・トランジスター(光センサ)を組み合わせたものが良く使われ、通り抜ける光をさえぎることで作動する「透過型」と、反射光を検出する「反射型」の2種類あります。

透過型光電センサー(フォトインタラプタ)の原理
反射型光電センサー(フォトリフレクタ)の原理

圧力センサー

圧力センサーの写真です
圧力センサー

 圧力(重さ)により曲がった導電体の電気抵抗が変化する性質を利用したセンサーで、大昔は「ひずみゲージ」というニクロム線などの抵抗線を利用したものが使われましたが、現在では「導電性プラスチック」や「半導体」を使った高感度なものが多く使われています。

圧力センサーの原理

温度センサー

 温度を電気信号に変換するセンサーです。使える温度や精度などで色々なセンサーがあります。

バイメタル

バイメタルの原理

 熱膨張率の異なる2種類の金属を貼り合わせて温度が変化すると曲がる金属板を利用したスイッチで、昔は「こたつ」や「クーラー」などの温度を一定に保つ機器で使われましたが、精度がめちゃくちゃ悪いのと、金属疲労により特性が変わったり故障したりするので現在ではほとんど使われませんが、他の温度センサーが壊れたときの最終的な安全スイッチとして使われることがあります。

サーミスター

 半導体の電気抵抗が温度によって大きく変化することを利用した温度センサーで、価格が安く、高感度なので、エアコン、冷蔵庫、炊飯器、オーブン、電気毛布などの家電製品や3Dプリンターなどで良く使われます。

サーミスターを使った体温計の例

温度センサーIC

IC温度センサー

 半導体温度センサーと補正回路を集積回路(IC)にしたもので、高感度で高精度で比較的安価なため、サーミスターの代わりに使われることも多くなりました。

熱電対(ねつでんつい)

 異種の金属を接合すると、温度により微弱な電流が発生することを利用した温度センサーで、他の温度センサーと比較すると高温(1000℃程度まで)測定できることが特徴ですが、近年は温度の高い物体が発する赤外線から温度を推定する「焦電センサー」に置き換えられつつありますが、半導体は放射線に弱いので、原子力発電所などでは現在でも使われています。

焦電センサー

 ある種のセラミックなどは赤外線を電圧に変換します。それを利用して人体が発する赤外線から体温を測ったり、非接触で高温の物体の温度を測ったりします。これを多く集めて温度分布を映像で見られるようにしたのが「サーモグラフィー」です。

焦電センサー
焦電センサーを応用した人感センサーの原理
焦電センサーを使った耳で測る体温計の例(右端が焦電センサー)

放射線センサー

放射線センサー(ガイガーミュラー管)

 昔は放射線センサーといえば「ガイガーミュラー管」でしたが、近年では半導体を使った小型軽量のものが多くなっています。

センサーの種類と特徴

 ロボットや自動機械を実現する「メカトロニクス」で、人間の五感に相当するものが「センサー」です。センサには目的に応じて各種のものがあって、自動車や家電製品などにも多く使われています。

リミットスイッチ(マイクロスイッチ)

 単純なセンサーで、作動するとオンまたはオフになるものです。比較的寿命が短く、作動音も聞こえますが、動作確認がしやすいのと機械的に作動するので故障はあっても誤作動の可能性は低いです。このような特長から非常用の安全センサーとしても使われています。

リミットスイッチ(マイクロスイッチ):単純なセンサーで対象物によって色々な種類がある

光電センサー

 半導体などの光の強さを電流に変換する素子を使ったセンサーで寿命が長く作動音がせず非接触で対象物を傷つけたり妨害したりせず動作速度が速いです。

光電センサーの画像です
光電センサー:光の透過や反射などで対象物を検知します

磁気近接センサー

 磁気の変化で金属などの対象物を検知します。光電センサーと違って汚れに強く、プラスチック板などで隠しても作動します。簡単に言えば小型の金属探知機でポケットに入れた小銭などにも反応します。また、道路の下に埋めて駐車場の精算機を作動させたり、速度取り締まりに使ったりします。

磁気近接センサーの写真です
磁気近接センサー:磁力の変化で対象物を非接触で検知します

圧力センサー

 電子はかり、エレベーターの定員オーバー、自動ドアの検知マット、体重計などに使われている、重さによる「ひずみ」を検知して作動します。下の写真のものは変化が大きいため、タッチスイッチとしても利用可能です。

圧力センサーの写真です
圧力センサー:圧力(ひずみ)を電気抵抗の変化で検知します

超音波センサー

 人間の耳に聞こえない周波数の高い空気の振動(超音波)を発射して、対象物に反射して戻って来るまでの時間を計測することによって対象物までの距離がわかります。

 車の前後のバンパーや対人ロボットに使われていて、障害物に衝突しないように制御したり注意喚起したりするのに使われます。また、手の届かない天井などまでの距離を測る電子メジャーとしても使われています。

 ただし、超音波が伝搬する速さは気圧や温度によって変わり、補正しないとミリメートル単位の正確な距離はわかりません。

 言わば「電子コウモリ」のようなものです。もっと複雑なものに超音波の反射によりお腹の中を画像で見られる「超音波エコー検査装置」などの応用や魚群探知機などの大掛かりなものもあります。

超音波センサーの写真です
超音波センサー:超音波を発射して対象物に反射して戻って来るまでの時間で距離がわかります

人感センサー(焦電センサー)

 人体や熱を持つ物体が発する赤外線を感知して、人が居るかどうかや、たくさん集めて温度分布を映像で見られる「サーモグラフィー」と基本的な原理は同じです。ヘビなどの変温動物はエサになる哺乳動物が発する赤外線を検知できるので暗闇でも狩りができると言われています。

人感センサーの画像があります
人感センサー(焦電センサー):中央の白い丸型のもの

センサーの動作原理

センサー図鑑

リミットスイッチとマイクロスイッチ
各種半導体光学センサー実験回路(左からCdS、フォトトランジスタ、フォトインタラプタ)
磁気センサー(リードスイッチ)
防犯用ドアセンサー
光電スイッチ
磁気近接センサーの写真です
磁気近接センサー
圧力センサーの写真です
圧力センサー
超音波センサーの写真です
超音波センサー
IC温度センサー
温湿度センサーモジュール
CT電流センサー
人感センサー
焦電センサー
転倒スイッチ

センサーの解説