酔いどれひぐりんブログ

いま、さまざまな業種でロボットが活躍しています。

たとえば、家庭用を考えたとき、床掃除をしてくれるルンバ、そしてルンバだけでなく、ブラーバといって拭き掃除をしてくれるロボットまであります。ルンバとブラーバは、直線的に掃除するのではなく、ランダムに動きながら床全体をピカピカにしてくれます。

自宅では、エアコンや照明を音声で操作できるようになっています。特に白物家電は進化が止まったように思えますが、外部ガジェットとの連携と、ガジェットに搭載されたロボットが非常に生活を便利にしてくれています。

介護の業界では、パワードスーツを使って介護職員の負担を軽減するとか、施設の利用者さんが夜中に起き上がったらベッドからスマホに通知がいくIoTとか、さまざまなロボットが活躍しています。

製造業の現場では、産業用ロボットが自らAIを搭載し、機械音を聞き分けて、自分で自分の動作不良や故障を検出するなど、かなり進化しています。

このように、たくさんの業界で、ロボットは大活躍しているのです。

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3Dプリンターの進化は止まりませんが、現状は利点と欠点が存在します。次世代にはほとんどの欠点は解消されるでしょう。

利点
3D CADで設計したモデルをそのままプリントアウト（造形）できます。
必要に応じて材料も選択できます。
通常の加工方法が利用できない形状もプリントアウト（造形）できます。

欠点
メカ部品の様に精度、強度が必要な部品には向いていません。
プリントアウトに長時間かかりますので、大量生産に向いていません。
プリントアウトを成功させる為に、モデリングに関わるノウハウが必要です。

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日本は今やロボット産業大国とも呼ばれ、その開発において最前線を走る国の一つと言われています。前述の通り産業用と非産業用のロボットがあります。多くの人はロボットと聞くと人の形状をしたものを思い浮かべるかと思いますが、産業用として使用されるものはそうではないものがほとんどです。生産工場のラインで使用されるものや、建築現場、農作業などで使用されるものなど多岐に渡ります。

非産業ロボット「サービスロボット」の歴史
世界中にある多くの神話や、伝説には泥や石、金属で作られたゴーレムという人造人間が登場するなど、その歴史は「ロボット」という言葉が生まれる前、紀元前にまで遡るとも言われています。
「人の形をした人間でない何か」をロボットと分類するとこのような過去にまでさかのぼることになります。

そこから時代が進み、12世紀～19世紀頃には、フランスのパリを中心に「オートマタ」という機械で動く自動人形が作られました。

日本でも、からくり人形と呼ばれる機械的な仕組みがあり、「茶運び人形」などがオートマタとおなじようなロボットの起源として紹介されることが多くあります。

産業ロボットの歴史
産業用ロボットの歴史としては、1961年に開発されたアメリカのユニメーション社の「ユニメート」、同じくアメリカのAMF社の「バーサトラン」が世界で初めて実用化された産業ロボットとされています。

ユニメートは移動はせず、工場のベルトコンベヤーの横に設置される形態のものです。プログラミングされた関節座標に基づき独自の動きを成すもので、入力工程で保存された動きを運転中に再現するというものでした。

日本国内では、川崎重工業が前述のユニメーション社と技術提携をして日本版のユニメートを1960年代後半に生産開始したことがロボット産業の始まりとされています。日本版ユニメートは自動車製造の際のスポット溶接作業に使用されました。日本でも1970年代に入ると国内大手製造業の多くがロボット産業に参画し始め、1980年代には開発競争が激化し始めます。

一方、当時のロボット開発先進国アメリカでは、1969年にスタンフォード大学が全電動式6軸関節式ロボット「スタンフォードアーム」を開発します。

スタンフォードアームはアームソリューションに基づき動くもので、溶接以外にも組み立て作業などより多くのタスクをこなすことができる技術として注目されました。また、世界で初めて開発された商業的に入手が可能な完全電気式マイコン制御ロボットは、1973年に欧州のABBロボティックスにより開発された「IRB6」です。初期のモデルはスウェーデンの会社に販売され、切削と研磨管の曲げの工程に使用されました。日本と同じく1980年代に入ると世界的にもロボット産業のブームは最高潮となります。そして現在に至るまで開発と採用は右肩上がりに増し、1998年には世界中で69,000台の生産台数から2014年には20万台を超えるところまで成長しています。

これからのロボット
ここまで整理したロボットの歴史・発展は、コンピュータの歴史に酷似しています。
コンピューターの世界では、機械式計算機が「計算」を行う 機械であったのに対して、半導体技術、計算機技術の進展により、コントローラとしての適用範囲の広がり、ネットワーク化されることにより、人の思考と記憶、コミュニケーションを代替強化する脳機能の補完系として、 ICT（Information and Communication Technology（情報通信技術））と呼ばれるまでに進化してきています。
これに対してロボットも、人の労働力を代替する、 マニピュレーション技術、移動技術、ビジョンを含む 識別・認識技術、これらを統合した ヒューマノイドと発展してきています。
コンピュータが脳の外化により人の思考・記憶能力を拡張したのに加え、人の身体能力を補完拡張するためにロボット技術（RT）を使用し、超高齢社会における社会のバリアフリー化、個人の能動的活動を支援することが期待されています。

このように現在では産業ロボットとしての活用だけではなく、介護や医療、掃除、警備、レスキューなどのサービスに使われるものや、接客、教育、家庭用などその用途の幅も大きく広がっています。

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1. 電子工作で使うモータにはどんな種類がある？
一口にモータの種類と言っても、技術の進歩によってモータは多様化が進んでいるため、分類方法だけでも電源の種類・トルクの発生原理・モータ構造・用途など、さまざまなものがあります。

2. ブラシ付きDCモータとは

電子工作で馴染みのあるモータは「ブラシ付きDCモータ」です。モータを製造しているメーカーによって、「DCモータ」「直流整流子モータ」「ブラシモータ」「直流整流子電動機」などさまざまな名称で呼ばれています。

ブラシ付きDCモータは、駆動させるための特別な電子回路を用意しなくても乾電池などの電源をつなぐだけで回転する手軽なモータです。使いやすさと価格の安さから、電子工作では最も多用されています。
回転速度の調整や回転方向の設定、ブレーキなどもPWMやモータドライバと呼ばれる制御ICで制御できるので、ラジコンやファンなどにも広く使われます。

手軽に使える反面、欠点もあります。ブラシ付きDCモータは内部に「ブラシ」と呼ばれる接点があり、回転による摩擦でブラシが摩耗しきると使えなくなります。数時間程度の回転では問題ありませんが、継続的な使用によってブラシが摩耗しきってしまえばモータごと交換が必要であり再利用は出来ません。
また接点であるブラシからの火花によるノイズや、ブラシ付きDCモータが動作するときに出る特有の臭いが問題になる場合もあるので、用途によっては別の選択肢も考慮しなければならないモータです。

メリット
電源を供給するだけで回転する
低価格

デメリット
ブラシに起因する問題（寿命・ノイズ・臭いなど）

3. ブラシレスDCモータとは

ブラシ付きDCモータのブラシを排除することで、ブラシに起因する欠点を解決したモータが「ブラシレスDCモータ」です。
ブラシを排除したことでモータ内部の接点が不要になるなど部品点数が減少、その結果、メンテナンス性・重量・寿命・モータ効率・高速回転といったあらゆる面の性能が向上した画期的なモータです。
電源をつないだだけでは動作しないので使用には少し手間がかかるモータですが、効率が良く長寿命なことからバッテリーで駆動する機器に積極的に採用されるモータです。

モータを回転させる電子回路は、出力軸（シャフト）につながるロータの回転角を常に監視し随時コイルの通電を切り替えます。ブラシレスDCモータの制御は駆動回路の働きが重要です。
ブラシレスDCモータの駆動回路には位置検出センサや複数のパワートランジスタ・ゲートドライバ、また、それらをコントロールするマイコンなど多くの電子部品が必要なため、高度な回路設計のノウハウとソフトウェアの知識が必要です。
近年では、ワンチップの制御ICや、ブラシレスDCモータの制御機能を搭載するマイコンなども増えてきましたが、ブラシレスDCモータはブラシ付きDCモータほど簡単に扱うことはできません。

ちなみに、ブラシレスDCモータの分類は複雑で、モータ自体がインバータの作る交流電流で駆動することから、「ACモータ」に分類する考えもありますが、ブラシレスDCモータは「直流モータ」に区分されることが多いようです。

メリット
軽量・長寿命・モータ効率が良い

デメリット
高価・駆動回路が複雑

4. ステッピングモータとは

「ステッピングモータ」は、回転角が制御できるモータです。前述の2つのモータは長い時間連続回転させる動力源として使われますが、ステッピングモータは主に位置制御に使用します。
ステッピングモータはパルス信号を1回加えると固有の角度、出力軸が動くのが特徴です。このパルス当たりの動作（回転角）を「ステップ角」と呼びます。
例えば、ステップ角が1.8°のステッピングモータなら、200パルスで1回転するので、「100ステップ加えて半回転」「1秒間に1000パルス加えて5回転/秒」のように回転の速度や方向、停止位置などを自在に制御できます。
ステッピングモータは、停止時にもトルクが加わり自己保持力が働くので、停止位置の固定が必要な用途にも使われます。

モータの外部に取り付けたサーボ機構によって正確な停止位置を実現するサーボモータと異なり、ステッピングモータは内部構造によって位置制御を行なうため、構造がシンプルで信頼性が高いのが特徴です。NC加工機や3Dプリンタ、ロボットアームのような、精度の高い位置制御が必要な用途には無くてはならないモータです。

単純なパルスを加えるだけで動作するステッピングモータの駆動回路は比較的シンプルな部類に入ります。しかし、負荷トルクが高すぎたり回転が早すぎたりすると、脱調（送ったパルス数と回転角の不一致）や騒音の問題が起こるため、安定して動かすには機械設計のノウハウも必要になるモータです。

メリット
位置制御が容易
自己保持力を持つ
信頼性が高い

デメリット
ステップ回転なので動作が円滑ではない
長時間の連続回転、高速回転には不向き


5. まずはブラシ付きDCモータから始めてみよう！
本記事では3種類のモータを紹介しました。それぞれのモータにはメリット・デメリットがありますが、電子工作にはブラシ付きDCモータで十分対応できます。
まずはブラシ付きDCモータの動かし方から慣れていき、必要になったところでブラシレスモータやステッピングモータについて学んでいくと良いでしょう。

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大型高効率モータは、ファン、ポンプ、コンプレッサー、生産工場でのFA、加工機、送風設備など多くの産業分野で利用されています。
CO2削減の影響度が高いことから、社会的にも強く高効率であることが求められます。
本ページでは、主に国内の産業分野で利用されている、大型高効率モータについて、定義、種類、用途などを説明します。

大型高効率モータの定義
一般に定格出力が大きなもの、具体的には定格出力が100Wを上回るものが大型モータと呼ばれることが多いようです。
大型モータは消費電力量が多いため、省エネ法のトップランナー制度で省エネ性能を規制されているものがあります。
その規制をクリアした大型モータをトップランナーモータと呼びます。

トップランナーモータの概要
2015年度（平成27年度）からスタートした「トップランナー制度」により、大型モータでよく用いられる三相誘導電動機の一部は、特定機器として規制の対象となりました。
現在、トップランナーモータで規定される効率クラス（目標基準値）は、IE3（プレミアム効率）です。
詳しくは「国内の高効率モータの制度」をご覧ください。

国内の高効率モータの制度

トップランナーモータの高効率化技術
モータの効率を向上させるためには、モータ内部の各種損失を低減する必要があります。
トップランナーモータとして指定されている三相かご形誘導電動機の駆動部は、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）から成り立っています。
モータ内部の各種損失を低減するには、回転子に用いられる鉄心の部材を変更したり、固定子の長さや銅の充填率を変える方法などがあります。
さらに、モータ単体だけでなくインバータ駆動など、モータの周辺機器と一体となって最適化を進めます。
これらの技術により、エネルギー効率が向上し、省エネ・ランニングコストの削減などを実現します。

トップランナーモータによる省エネ効果
経済産業省・資源エネルギー庁の試算によると、モータによる消費電力は、日本の産業分野で消費する電力の約4分の3を占め、日本の電力全体でも55％にのぼります。
例えば、37Kw4極50HzのモータをIE1の効率モータからIE3のトップランナーモータに置き換えると、年間4,666Kwの省エネ、74,659円の節約効果※があります。

※
試算条件：運転時間4000h/年 電気料金16円/kWh
もし日本の全ての産業用モータを従来のモータからIE2（高効率 = High Efficiency）のモータに置き換わると、年間87億kWhの電力消費量を削減できます。さらに高性能のIE3（プレミアム効率 = Premium Efficiency）のモータに交換すると、年間155億kWhの電力消費を削減することが出来る計算となります。
この削減量は、日本の消費電力の総量と比較すると約0.9または1.5％です。発電所に換算すると、10数か所～20数か所の発電所を削減できる電力量です。
産業分野で多く使われる大型モータにトップランナーモータを導入すると、大きな省エネ効果が期待できます。

大型高効率モータの種類
大型モータは、各メーカーが様々な分類をしています。例えば電源の種類として直流、交流に分類できますが、私たちは大型モータを動作原理、制御方法などにより、インダクションモータ、サーボモータ、永久磁石モータの3つに分類できると考ています。以下にそれらについて記します。

インダクションモータ（Induction Motor）
誘導電動機とも呼ばれ、産業分野で広く用いられています。固定子（ステータ）が作り出す回転磁界の作用で、電気伝導体の回転子（ロータ）に誘導電流が発生し、滑りに対応する回転トルクが生じる交流電動機です。その中でも大きく分けて単相誘導電動機と三相誘導電動機があります。
トップランナーモータ制度の対象になっているモータは三相誘導電動機です。トップランナーモータの詳細は「国内の高効率モータの制度」をご覧ください。

国内の高効率モータの制度

サーボモータ（Servo Motor）
サーボモータとは、対象の位置、方位、姿勢などを制御量とし、目標値に追従するように作動するサーボ制御に適したモータのことです。サーボ制御とは精度の高いフィードバック制御ともいえ、フィードバックを得るためにセンサを内蔵したサーボモータも数多くあります。

永久磁石モータ（Permanent Magnet Motor）
永久磁石形同期モータ、PMモータとも呼ばれ、回転子であるロータに永久磁石を用いたモータです。界磁に電力を必要としないので、小さな電流で大きなトルクを得ることができます。
また、構造が簡単で大量生産を行いやすい、保守が必要なく、寿命も長いなど数多くのメリットがあります。

大型高効率モータの用途
大型高効率モータは、重化学工業、自動車製造、半導体製造、軽工業など、様々な産業分野、事業部門で使われています。

ポンプ
工業用水のポンプの動力となるのが、大型の高効率モータです。また、油田プラント施設の開発でも、地下深く掘り下げたり、ポンプで原油をくみ上げたりと、インダクションモータ等の大型の高効率モータが多く利用されています。
ベルトコンベア
工場の生産ラインや、物流センターでの商品の仕分け作業で利用されるベルトコンベアの駆動装置として、大型モータが使われています。
ファン・コンプレッサー
空調設備の送風ファンや、気体を圧縮するコンプレッサに大型の高効率モータが使用されます。
産業用ロボット
産業用ロボットは高効率のサーボモータを搭載し、繊細な動作を可能にしています。
プレス機
鉄板等を同一の型で整えるプレス機にも、大きな圧力を加えるために大型のモータが使われています。

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