JP2559722Y2

JP2559722Y2 - メカトロニクス教育実験装置

Info

Publication number: JP2559722Y2
Application number: JP1993048427U
Authority: JP
Inventors: 一男神崎; 晴久川崎; 豪佐藤
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2008-01-19
Also published as: GB9417842D0; US5562454A; JPH0719753U; GB2281653B; GB2281653A

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、学校等におけるメカト
ロニクス教育において有用なメカトロニクス教育実験装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】メカトロニクスは機械，電気電子，コン
ピュータを含む総合技術であり、これらの技術は、体験
的な学習により、効果的に修得すべきことが望まれる。

【０００３】従来のメカトロニクス教育機器は、駆動制
御回路をコンパクトに詰め込んだ構成となっており、コ
ンピュータから情報を送って機器を動かすようになって
いる。また、自動制御機器は、パネルにブロック線図が
描かれ、可変抵抗器などのダイヤルを回して機械を動か
すような構成のものが多い。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、駆動制
御回路をコンパクトに詰め込んでメカトロニクス教育機
器を構成した場合、初心者にその機能を理解させること
は困難である。また、パネルにブロック線図が描かれ可
変抵抗器などのダイヤルを回して機械を動かす形式の自
動制御機器では、機械が動くまでの過程も見たり触れた
りすることができ、具体的に理解することのできるもの
ではない。

【０００５】このため従来のメカトロニクス教育機器で
は、その教育の効果が、これら教育機器を用いない単な
る講義による場合と、あまり変わらなかった。

【０００６】そこで、本考案の目的は、上記課題を解決
し、ブロック内部の構成までが視覚的に認識でき、か
つ、ブロック間の接続切断が自在で動作を容易に理解し
うるメカトロニクス教育実験装置を提供すること、ま
た、実験中における安全も十分に確保し得るメカトロニ
クス教育実験装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のメカトロニクス教育実験装置は、駆動回路
ユニット及びフィードバックユニットを、それぞれのユ
ニツト盤上に、自動制御のブロック図のブロックに対応
させた回路基板（１２〜１８；２２〜２６）を信号の流
れに従って配設したもので構成し、各回路基板上には、
信号の流れ方向に見て基板の上流端部と下流端部とに設
けた学習者に操作を許す入出力端子（１，３，４）を除
き、学習者が触れることを禁止する基板中間領域を覆う
大きさの透明板（１０７）を設け、上記各回路基板の学
習者が触れることを禁止する入出力端子（７，８，９，
ａ）には予め配線を施し、学習者に操作を許す入出力端
子（１，３，４）間のみを学習時に接続線（Ｌ１〜Ｌ
６）で接続可能とした構成のものである（請求項１）。

【０００８】さらに、コンピュータ及び電源を除く部分
を、駆動回路ユニット（１０）、フィードバックユニッ
ト（２０）及び運動機構ユニット（３０）の３部に分割
し、駆動回路ユニット（１０）及びフィードバックユニ
ット（２０）は、それぞれのユニット盤（１１；２１）
上に、自動制御のブロック図のブロックに対応させた上
記回路基板（１２〜１８；２２〜２６）を信号の流れに
従って配設したもので構成したものである（請求項
２）。

【０００９】上記各回路基板（１２〜１８；２２〜２
６）は裏面側に配線を施して構成し、この各回路基板
は、脚（１０１）を付けて上記ユニット盤（１１；２
１）から浮かせて取り付け、一つのブロックであること
を強調する（請求項３）。

【００１０】本考案において、上記駆動回路ユニット
（１０）は、変位減算器・ゲイン調整器基板（１２；図
６）、速度減算器・積分加算器基板（１３；図８）、電
流検出器基板（１４；図９）、電流減算器・ゲイン調整
器基板（１５；図１０）、電圧増幅器基板（１６；図１
１）、積分回路・ゲイン調整器基板（１７；図１２）及
び電力増幅器基板（１８；図１３）を備え、また、フィ
ードバックユニット（２０）は、波形整形回路基板（２
２；図１４）、ゲイン調整器基板（２３；図１５）、方
向弁別回路基板（２４；図１６）、カウンタ回路基板
（２５；図１４）、及びＤＡ変換器・レベル調整器基板
（２６；図１８）を備える構成とするのがよい（請求項
４）。

【００１１】また、上記運動機構ユニット（３０）は、
ユニット盤（３１）上に、運動機構（３２）と、これを
歯車減速機（３４）又は歯車増速機（８０）を介して駆
動するＤＣサーボモータ（３３）と、速度センサ（３
５）及び変位センサ（３６）とを設けた構成であり、上
記運動機構（３２）は、ベルト・プーリ機構（７２〜７
４）、スライダ・クランク機構（７６）、四節リンク機
構（７９）、ネジ送り機構（８１）のいずれか一つで構
成し、その危険な運動部分を透明なボックス（７５）で
覆った構成とするのがよい（請求項５）。

【００１２】更に、上記運動機構ユニット（３０）は、
ＤＣサーボモータ（３３）の回転速度を定格の半分程度
以下に落とし、該ＤＣサーボモータ（３３）で上記機構
（７２〜８１）を駆動する駆動系の回転軸に、振動を起
こさせるための慣性円板（３３ａ）を取り付けた構成と
するのがよい（請求項６）。

【００１３】

【作用】請求項１及び２の構成によれば、コンピュータ
及び電源を除く部分が、３ユニット（１０，２０，３
０）から成ることが、ユニット盤（１１；２１）を単位
として直ちに視認されると共に、その駆動回路ユニット
（１０）及びフィードバックユニット（２０）の内部構
成は、ユニット盤（１１；２１）の領域内に信号の流れ
に従って配設した回路基板（１２〜１８；２２〜２６）
により、それぞれ講義による自動制御のブロック図のブ
ロックに対応することが視認される。この回路基板（１
２〜１８；２２〜２６）は、従来のように見たり触れた
りすることができずに具体的に理解することのできない
ものではなく、文字通り実際に組み立てた回路基板であ
るので、ブロック内部の構成までも実際に視覚的に認識
することができる。

【００１４】更に、各回路基板（１２〜１８；２２〜２
６）上には透明板（１０７）が設けられ、該透明板（１
０７）により、基板領域両側の学習者に操作を許す入出
力端子（１，３，４）を除き、学習者が触れることを禁
止する基板中間領域については、覆われている。このた
め、学習者がブロック内部の構成までも実際に視覚的に
認識することができるという上記作用効果を維持しつ
つ、回路基板上の学習者が触れることを禁止する部位を
保護することができる。また、これによって学習させた
いブロックの接続系統に関わる入出力端子（１，３，
４）だけを学習者に触れさせるので、例えばバナナチッ
プの付いたコードによる接続線（Ｌ１〜Ｌ６）を、学習
時に必要な最小限の本数だけにして、学習者の混乱を防
止しつつ、接続を完成させることができる。

【００１５】請求項３では、回路基板（１２〜１８；２
２〜２６）の裏面側に配線を施しているので回路構成の
理解が容易であると共に、この各回路基板をユニット盤
（１１；２１）から浮かせて取り付けているので、一つ
のブロックであることを学習者に視覚的に強調すること
ができる。

【００１６】請求項４では、上記駆動回路ユニット（１
０）が、変位減算器・ゲイン調整器、速度減算器・積分
加算器、電流検出器、電流減算器・ゲイン調整器、電圧
増幅器、積分回路・ゲイン調整器及び電力増幅器の各基
板（１２〜１８）を備え、また、フィードバックユニッ
ト（２０）が、波形整形回路、ゲイン調整器、方向弁別
回路、カウンタ回路、及びＤＡ変換器・レベル調整器の
各基板（２２〜２６）を備えるので、漠然とのみ分かっ
ている学習者に対して、具体的には分からせるという、
実際的な教育を行うことができる。

【００１７】また請求項５では、上記運動機構ユニット
（３０）の運動機構（３２）が、ベルト・プーリ機構
（７２〜７４）、スライダ・クランク機構（７６）、四
節リンク機構（７９）、ネジ送り機構（８１）のいずれ
か一つで構成し、その危険な運動部分を透明なボックス
（７５）で覆っているので、不注意により学習者が接触
して負傷する危険が回避される。

【００１８】更に請求項６では、上記運動機構ユニット
（３０）の安全性を高めるため、ＤＣサーボモータ（３
３）の回転速度を定格の半分程度以下に落としている。
このようにすると、本来の定格速度では出現する振動現
象が現われなくなり、振動をなくす制御が学習不可能と
なる。しかし、請求項６では、ＤＣサーボモータ（３
３）で上記機構（７２〜８１）を駆動する駆動系の回転
軸に、振動を起こさせるための慣性円板（３３ａ）を取
り付けているので、高速回転による危険を回避しつつ、
高速回転時の振動を抑さえるフィードバック制御の学習
を行うことができる。

【００１９】

【実施例】以下、本考案の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。図１及び図２に本メカトロニクス教育実験
装置の概略構成を示す。本装置は、中継端子・電源ユニ
ット４０及びコンピュータ５０を除く自動制御部分を、
駆動回路ユニット１０、フィードバックユニット２０及
び運動機構ユニット３０から成る３つのユニットに分割
し、システム全体の流れと機能を把握できるようにして
いる。コンピュータ５０には、それ自体の学習という面
をも考慮し、いわゆるワンボードタイプマイコン相当の
ものを用いているが、パーソナルコンピュータを用いる
ことも勿論できる。

【００２０】（１）駆動回路ユニット及びフィードバックユニット図２に示すように、駆動回路ユニット１０及びフィード
バックユニット２０の各ユニットには複数個の回路基板
が平面的に配設されており、各回路基板は自動制御にお
けるブロック図における機能毎のブロック（図１参照）
に対応している。

【００２１】詳述するに、駆動回路ユニット１０は、金
属製のユニット盤１１上に、変位減算器・ゲイン調整器
基板１２（図６）、速度減算器・積分加算器基板１３
（図８）、電流検出器基板１４（図９）、電流減算器・
ゲイン調整器基板１５（図１０）、電圧増幅器基板１６
（図１１）、積分回路・ゲイン調整器基板１７（図１
２）、及び電力増幅器基板１８（図１３）を備えてい
る。

【００２２】また、フィードバックユニット２０は、金
属製のユニット盤２１上に、波形整形回路基板２２（図
１４）、ゲイン調整器基板２３（図１５）、方向弁別回
路基板２４（図１６）、カウンタ回路基板２５（図１
４）、及びＤＡ変換器・レベル調整器基板２６（図１
８）を備えている。

【００２３】（ａ）入出力端子これらの基板１２〜１８及び基板２２〜２６は、自動制
御のブロック図におけるブロックと同じ配置関係で設け
られており、そのブロック図における信号の流れ方向に
見て基板の上流側端部に最低限１個の入力端子を、ピン
差込孔付ネジ端子，タップ又はコネクタの形で有し、ま
た同様に、基板の下流側の端部には出力端子を、ピン差
込孔付ネジ端子，タップ又はコネクタの形で有する。

【００２４】また、これらの基板１２〜１８及び基板２
２〜２６は、図７に代表的に変位減算器・ゲイン調整器
基板１２の場合について示すように、ユニット盤１１又
は２１上にネジ１０１ａで取り付けられて脚１０１によ
り支持され、この基板上に、それぞれ図６（ｂ）〜図１
３（ｂ）及び図１４（ｂ）〜図１８（ｂ）に示す具体的
回路の構成部品１０２を担持している。これらの具体的
回路は、保護回路等の本質的でない部分を全て取り去っ
て教科書に記されているそのものの回路としたものであ
り、配線は基板の裏面側に設けることにより、基板の回
路要素の理解を容易にしている。また、ネジ１０１ａを
用いて基板１２〜１８，２２〜２６が脱着可能であるこ
とから、電気的接続部の脱着可能性と相俟って、これら
各基板として学習者が独自に製作した自分の回路基板を
取り付けて実験することができる。

【００２５】図６（ａ）に示す変位減算器・ゲイン調整
器基板１２の場合、基板上に、変位減算器を構成する演
算増幅器１２１、ゲイン調整器を構成する演算増幅器１
２２、それらのレベル調整用可変抵抗器１２３，１２
４，１２５、可変抵抗器１２５を操作するゲイン調整ダ
イヤル１２６、ピン差込孔付ネジ端子から成りＤＡ変換
器の出力と接続される第１入力端子１、帰線用の入力タ
ップ２、ピン差込孔付ネジ端子から成るポジションフィ
ードバックＰＦ用の第２入力端子３、出力タップ５及び
出力コネクタ７，８が担持されている。なおゲイン調整
ダイヤル１２６は基板の最も下流側に位置している。

【００２６】ここで、入力端子１，３及び出力端子４を
構成する「ピン差込孔付ネジ端子」とは、図７に示唆す
るように、両端部に差込チップを有する接続線（本実施
例では両端部にバナナチップを有するコード）の差込チ
ップに対する差込孔１０３を同軸的に穿設した固定突起
１０４と、その突起に嵌装され且つ突起周囲のネジ山と
係合して突起基端との間で導線を挟みうる雌ネジ１０５
とで構成したものである。

【００２７】図３は駆動回路ユニット１０の部分を、ま
た図４はフィードバックユニット２０の部分を拡大して
示したものであり、基板１２〜１８については基板１４
を除き信号が左から右へ、基板２２〜２６については信
号が右から左へ流れるように扱われている。

【００２８】図３の駆動回路ユニット１０においては、
図２の中継端子・電源ユニット４０と２０Ｐのフラット
ケーブル１９ａにて接続されたコネクタ基板１９から、
４系統の給電線５１〜５４が引き出され、これにより各
基板１２〜１８に電源が供給される。教育効果からする
と、各基板１２〜１８にはシリーズに給電線が接続され
て行くことが好ましいが、ループが形成されてノイズ発
生の原因となりかねないので、一箇所から４系統の給電
線５１〜５４を引き出している。なお、ａは電源の給電
線５１〜５４のコネクタを示している。

【００２９】各基板１２〜１８における信号上流側の端
部には入力コネクタ７が、そして下流側端部には出力コ
ネクタ８又は９が設けられ、次のように接続されてい
る。まず、基板１２の出力コネクタ８はライン５５によ
り基板１７の入力コネクタ７に、また出力コネクタ９は
ライン５６により基板１３の入力コネクタ７に接続され
ている。また、基板１８の出力コネクタ８はライン５７
により基板１４の入力コネクタ７に接続され、該基板１
４の出力コネクタ８はライン５８により基板１５の入力
コネクタ７に接続されている。そして、基板１５の出力
コネクタ８はライン５９により基板１６の入力コネクタ
７に接続され、該基板１６の出力コネクタ８はライン６
０により基板１８の入力コネクタ７に接続されている。

【００３０】図４のフィードバックユニット２０におい
ては、図２の中継端子・電源ユニット４０と１０Ｐのフ
ラットケーブル２８で接続されたコネクタ基板２７か
ら、３系統の給電線６１〜６３が引き出され、これによ
り各基板２２〜２６に電源が供給される。また、駆動回
路ユニット１０の場合と同様に、各基板２２〜２６にお
ける信号上流側の端部には入力コネクタ７が、そして下
流側端部には出力コネクタ８又は９が設けられ、次のよ
うに接続されている。

【００３１】まず、基板２２の出力コネクタ８はライン
６４により基板２３の入力コネクタ７に接続されてい
る。また、基板２４の出力コネクタ８はライン６５によ
り基板２５の入力コネクタ７に接続されている。そし
て、基板２５の１６ビットのカウンタ出力コネクタ２５
ａはバスライン６６により基板２６の入力コネクタ２６
ａに接続されるとともに、基板２５の１６ビットのカウ
ンタ出力コネクタ２５ｂは３４Ｐのフラットケーブル６
７により、中継端子・電源ユニット４０におけるＩ／Ｏ
インターフェース端子に接続されている。

【００３２】（ｂ）保護用透明板ところで、上述した回路構成部品のなかには、図６のレ
ベル調整用可変抵抗器１２３、１２４の如く、学習者に
触れて欲しくない部分、即ち、本来の学習と直接関係が
なく、触れると予め設定した値が狂ってしまったり、Ｉ
Ｃの抜き差しにより静電気による内部破壊を起こす等、
むしろ学習に支障が生じる部位がある。そこで、かかる
部位の存在する領域を操作制限用のプラスチック透明板
１０７で覆って、学習者が触れることができいようにす
る。即ち、学習者が触れてよい部分である図６両側の入
出力端子類１，２，３，５，６とゲイン調整ダイヤル１
２６のみを残し、他の中央領域の部分については、図７
に示すように基板上に支柱１０６を立て、この頂部にネ
ジ１０８によりプラスチック透明板１０７を取り付ける
ことにより覆う。

【００３３】この透明板１０７は、学習者が基板上の回
路構成部品１０２を視覚的に認識しうるという作用効果
を確保しつつ、同時に、ＩＣ１２１，１２２、可変抵抗
器１２３，１２４、コネクタ８，９等を、学習者から不
用意にいじられないよう防護する機能を果たすこととな
る。なお、設計者や教官等による細かい設定調整を可能
にするため、上記レベル調整用可変抵抗器１２３，１２
４の操作軸に対応する箇所には、ドライバー差込孔１０
９が穿設されている。

【００３４】図８の速度減算器・積分加算器基板１３で
は、両側の入出力端子類１，１ａ，２，３，４，５を除
き、速度減算器を構成する演算増幅器１３１、積分加算
器を構成する演算増幅器１３２、それらの可変抵抗器１
３３，１３４，１３５及び入力コネクタ７の部位をプラ
スチック透明板１０７で覆っており、また、このプラス
チック透明板１０７には、図７の場合と同様に、これら
３つの可変抵抗器１３３〜１３５に対するドライバー差
込み孔１０９を設けている。なお、１ａは入力タップを
示す。

【００３５】図９の電流検出器基板１４では、プラスチ
ック透明板１０７は入出力タップ１ａ，６を除いて全領
域を保護しており、そのドライバー差込み孔１０９は、
演算増幅器１４１，１４２，１４６の可変抵抗器１４３
〜１４５，１４７に対応して４つになっている。

【００３６】図１０の電流減算器・ゲイン調整器基板１
５では、両側の入出力端子類１，２，３ａ，６を除き、
電流減算器を構成する演算増幅器１５１、ゲイン調整器
を構成する演算増幅器１５２、それらの可変抵抗器１５
３，１５４，１５５及び入出力コネクタ７，８の部位を
プラスチック透明板１０７で覆っており、また、このプ
ラスチック透明板１０７には、図７の場合と同様に、こ
れら３つの可変抵抗器１５３〜１５５に対するドライバ
ー差込み孔１０９を設けている。なお、３ａは入力タッ
プを示す。

【００３７】図１１の電圧増幅器基板１６では、プラス
チック透明板１０７は入出力タップ１ａ，６を除いて全
領域を保護しており、そのドライバー差込み孔１０９
は、演算増幅器１６１，１６２の可変抵抗器１６３，１
６４に対応して４つになっている。

【００３８】図１２の積分回路・ゲイン調整器基板１７
では、両側の入力タップ１ａ，出力端子４，出力タップ
５とゲイン調整ダイヤル１７６のみを残し、プラスチッ
ク透明板１０７で覆っている。即ち、プラスチック透明
板１０７は、積分回路を構成する演算増幅器１７１、ゲ
イン調整器を構成する演算増幅器１７２、それらの可変
抵抗器１７３，１７４，１７５，１７７及び入力コネク
タ７の部位を覆っており、また、このプラスチック透明
板１０７には、これらのうちの３つの可変抵抗器１７
３，１７４，１７７に対するドライバー差込み孔１０９
が設けてある。

【００３９】図１３の電力増幅器基板１８では、入力タ
ップ１ａと２６Ｐの出力コネクタ１８ａの部分を残し、
プラスチック透明板１０７で覆っている。

【００４０】次に、フィードバックユニット２０側につ
いては、図１４の波形整形回路２２の場合、プラスチッ
ク透明板１０７は、演算増幅器２２１，２２２、可変抵
抗器２２３，２２４、及び入力コネクタ７の部位を覆っ
ており、プラスチック透明板１０７には演算増幅器２２
１，２２２の可変抵抗器２２３，２２４に対する２つの
ドライバー差込み孔１０９を設けている。

【００４１】図１５のゲイン調整器基板２３について
は、両側の入力タップ１ａと出力端子４及び出力タップ
５と、可変抵抗器２３５のゲイン調整ダイヤル２３６の
部分を残して、演算増幅器２３１，２３２、可変抵抗器
２２３，２２４、及び入力コネクタ７の部位をプラスチ
ック透明板１０７で覆っている。そして、この透明板１
０７には、演算増幅器２３１，２３２の可変抵抗器２３
３，２３４に対する２つのドライバー差込み孔１０９を
設けている。

【００４２】図１６の方向弁別回路基板２４について
は、プラスチック透明板１０７により２個のデュアル・
フリップフロップ２４１，２４２、シュミット回路２４
３及び出力コネクタ８の部位を覆っており、両側のＡ
相，Ｂ相，Ｃ相の“ＰＧ”入力コネクタ２４ａや“アッ
プ”出力タップ５ａ，“ダウン”出力タップ５ｂについ
ては覆っていない。

【００４３】図１７のカウンタ回路基板２５について
は、カウンタ出力コネクタ２５ａ，２５ｂの部分を残
し、カウンタＩＣ２５１〜２５４及びカウンタ入力コネ
クタ７の部分を、プラスチック透明板１０７で覆ってい
る。

【００４４】図１８のＤＡ変換器・レベル調整器基板２
６については、コネクタ２６ａ，カウンタ・クリアスイ
ッチ２６ｂ，出力端子４及び出力タップ５の部分を残し
て、他の部分をプラスチック透明板１０７により覆って
いる。

【００４５】上述したように、回路基板は、回路素子配
置部より左右両側に張り出し、回路素子配置部の上部に
は四隅に脚の付いた透明な平板プラスチック製の保護板
１０７を設けている。また、張り出し部には、コードの
接続端子、電圧などのチェック端子、ゲイン調整用ダイ
ヤルなどの学生が操作できる部品を配置している。裏側
に配線がしてあるので、脚を付け、ユニット盤から浮か
して一つのブロックであることを強調している。

【００４６】（２）運動機構ユニット運動機構ユニット３０は、金属製のユニット盤３１上
に、運動機構３２と、これを駆動するＤＣサーボモータ
３３及び歯車減速機３４と、タコメータジェネレータか
ら成る速度センサ３５と、変位センサたる光エンコーダ
３６と、接続基板３７とを設けた構成である。接続基板
３７には、ＤＣサーボモータ３３用の２６Ｐの入力コネ
クタ３７ａが設けられ、該入力コネクタ３２ａ及びフラ
ットケーブル１８ｂを介して、ＤＣサーボモータ３３
は、上述の駆動回路ユニット１０における電力増幅器１
８の出力コネクタ１８ａに接続され、電力増幅器１８か
ら電力供給を受けるようになっている。また、接続基板
３７には、速度センサ３５用の“ＴＧ”出力端子３８
と、光エンコーダ３６用の１０Ｐの“ＰＧ”出力端子３
９とが設けられ、光エンコーダ３６用の１０Ｐの出力端
子３９は１０Ｐのフラットケーブル３９ａを介してフィ
ードバックユニット２０の方向弁別回路基板２４の“Ｐ
Ｇ”入力コネクタ２４ａと接続されている。なお、速度
センサ３５用の“ＴＧ”出力端子３８は学習時に学習者
により接続線Ｌ４により波形整形回路基板２２の“Ｔ
Ｇ”入力端子１と接続される。

【００４７】運動機構ユニット３０の運動機構３２に
は、学習用として、次の４種類が用意されている。

【００４８】ベルト・プーリ機構これは、例えばプリンタのプラテンを回すのに使われて
いるため、有効な教材となるものである。

【００４９】図１９及び図２０において、ＤＣサーボモ
ータ３３、速度センサ（タコメータジェネレータ）３５
及び光エンコーダ３６を、この順序で軸直結一体に組み
込まれており、ＤＣサーボモータ３３の出力軸は、歯車
減速機３４を経て、運動機構３２のベルト・プーリ機構
を構成するプーリ７２の回転軸７１に連結され、このプ
ーリ７２はタイミングベルト７３を介してベルト・プー
リ機構の大径のプーリ７４を回転させるようになってい
る。この場合、学習者が不注意により運動機構３２に接
触する危険を防止するため、歯車減速機３４及び運動機
構３２の部分は、透明な長方形のプラスチック製ボック
ス７５により覆われている。

【００５０】自動制御の場合、位置決めだけでなく、発
生している振動を止めるような制御の学習をさせたい。
しかし、上記ＤＣサーボモータ３３の回転数は、実際の
３０００ｒｐｍでは危険であるため、ここでは１／１５
の回転数に落としてある。しかし、このようにすると、
学習すべき振動を伴なって回転してくれないという矛盾
がある。そこで、ＤＣサーボモータ３３の出力軸には、
わざと振動するような慣性円板３３ａを取り付けてあ
り、速度フィードバックを入れると振動が止まるような
関係を実現している。当該構成は、後述するスライダ・
クランク機構、四節リンク機構及びネジ送り機構にも備
えられている。

【００５１】また、ＤＣサーボモータ３３には、６０Ｗ
のモータを用い、これを３０Ｗのモータ用として設計
し、それしか電流を流さないようにしている。これは学
校等での高頻度の使用にも耐えられる高い信頼性を得る
ためである。勿論、これを駆動するトランジスターも焼
く危険があるので、余裕をとって設計している。

【００５２】スライダ・クランク機構これは自動車、蒸気機関、工作機械等に使われているの
で、有用な教材となるものである。

【００５３】図２１及び図２２に示すように、ＤＣサー
ボモータ３３の出力軸は、上記歯車減速機３４を経て、
運動機構３２の回転軸７１に連結され、この回転軸７１
にはスライダ・クランク機構７６の後端が取り付けら
れ、該クランク機構７６の先端は、水平ロッド７８に沿
って滑動自在なスライダ７７に枢着されている。ここで
も危険防止のため、歯車減速機３４及びスライダ・クラ
ンク機構７６の回転部分は、透明なプラスチック製ボッ
クス７５により覆われている。

【００５４】四節リンク機構図２３及び図２４に示す運動機構ユニット３０は、上記
のスライダ・クランク機構と殆ど同じであり、運動機構
３２の回転軸７１に四節リンク機構７９の一端が取り付
けられている点で相違する。歯車減速機３４及び四節リ
ンク機構７９の回転部分が透明ボックス７５により覆わ
れる点も同じである。但し、４つのリンクの長さは、い
ずれか一つのリンクが一回転するという条件を満たすよ
うに製作されている。

【００５５】ネジ送り機構これは例えば工作機構の刃物台の送りに使われているた
め、有用な教材となるものである。

【００５６】図２５及び図２６に示すネジ送り機構の場
合の運動機構ユニット３０を示す。ＤＣサーボモータ３
３の出力軸を増速機８０に連結し、その出力軸を運動機
構３２の回転軸７１として得て、これにネジ送り機構８
１の送りネジ８２を連結している。

【００５７】このネジ送り機構８１は他の機構と異な
り、暴走した場合に対処できるようにしている。すなわ
ちストッパー８３でモータ電源を切るようにし、かつク
ッション付けている。

【００５８】（３）学習実験システム学習学習に際しては、上述したピン差込孔付ネジ端子１，
３，４間のみが学習者に自由な接続と取り外しを許され
るように定めることが好ましい。本装置の場合、既にコ
ネクタ７，８，９等で配線済みとして提供する所は、透
明板１０７によって覆ってあり、学習者が触れることが
できないため、この要請を満足し、装置自らが学生等に
当該ルールを強要することになる。

【００５９】学習者は、ここで両端部に設けた差込チッ
プの付いた接続線を用い、その差込チップ（図示せず）
を、ピン差込孔付ネジ端子１，３，４のピン差込孔１０
３に挿入することによって、図１の実験回路を完成させ
る。

【００６０】図中、Ｉはシステム学習の場合をを示す。
IIはアナログ制御の実験の場合、III はディジタル制御
の実験の場合である。

【００６１】システム学習Ｉの場合、学習者は、図２に
示すように、接続線Ｌ１により、基板１２の“ＤＡ”入
力端子１を中継端子・電源ユニット４０の“ＤＡ”出力
端子に接続し、そして接続線Ｌ２により、基板１３の
“Ｖ１”出力端子４を基板１５の“Ｖ１”入力端子１に
接続する。また、積分回路の作用効果を学習するとき
は、接続線Ｌ３により、基板１７の“ＳＫ”出力端子４
を基板１３の“ＳＫ”入力端子３に接続する。

【００６２】また、フィードバック系を構成するため
に、学習者は、接続線Ｌ４により、“ＴＧ”速度センサ
出力端子３８を波形整形回路基板２２の入力端子１に接
続し、接続線Ｌ５により、フィードバックユニット２０
のゲイン調整器基板２３の“ＶＦ”出力端子４を基板１
３の“ＶＦ”入力端子３に接続し、そして接続線Ｌ６に
より、ＤＡ変換器・レベル調整器２６の“ＰＦ”出力端
子４を基板１２の“ＰＦ”入力端子３に接続する。

【００６３】このように、学習者が接続すべき入出力端
子同士には“ＶＦ”等の同一名称を付してあり、学習者
の混乱を防止している。

【００６４】更に、不慣れな学生にも取り扱い易いよう
に、電源ユニット４０には２つの電源スイッチ４１，４
２（図２）が設けてある。このうち、一方の電源スイッ
チ４１は、これを押すと回路だけの電圧が入り、学習者
は、モータが停止している状態下で、回路の測定をオシ
ロスコープ等を用いて行うことができる。他方のスイッ
チ４２は、モータ用の電源スイッチであり、上記回路系
のチェックが済んだ後に投入される。このように２段階
にスイッチを設けてあることは、自動的にするよりも安
全性に対して教育的な効果があると考えられる。そし
て、更に実際の実験を行っている期間中に対する非常停
止用ボタン４３も設けてあり、これを切ると運動機構ユ
ニット３０が止まるようになっている。この非常停止用
ボタン４３には、その所在が容易に確認でき且つ操作が
容易にできるような大型のものが用いられている。

【００６５】駆動回路ユニットにおける機能の把握ｉ）ＤＡコンバータから受けた電流は数１０ｍＡオーダ
の微弱な値なので、トランジスタを用いた電力増幅回路
によって０〜４Ａの電流に増幅し、モータに流す。 ii）減算回路を設け角変位・角速度のフィードバック値
の減算を行う。 iii ）変位減算回路にゲイン調整器を設け、電力増幅器
前段の電圧増幅回路の入力電圧を、ＤＡコンバータの出
力と同一の電圧に設定する。 iV）電流フィードバックはモータ駆動電流の変動を押さ
え、指令値に対する電流の応答性をよくする。ｖ）積分回路を設け定常偏差を小さくし、固体摩擦など
の外乱の影響を小さくする。即ち、摩擦がでるものに対
しては、積分回路を入れることにより、摩擦でずれてく
るずれ量を集積してそれを加えてやり、以て摩擦がない
のと同じように停止させる、という作用効果の学習であ
る。

【００６６】フィードバックユニットにおける機能の把握ｉ）モータ軸を決められた角度だけ回転させて停止させ
るには、現在位置をセンサで検出して指令値と突き合わ
せ、足りなければさらに回転、行き過ぎたら逆転させ、
一致したら止める方法（変位フィードバック制御）をと
る。 ii）変位フィードバック回路では、光エンコーダからの
パルス信号をカウンタで係数し、それをＤＡコンバータ
でアナログ電圧に変換して、駆動回路ユニットの変位減
算回路に入れる。 iii ）フィードバック制御では、オーバーシュートによ
る振動を小さくするために、速度フィードバックを付加
し、ゲイン調整器によって最適な減衰にする。 iV）あるいは変位フィードバックを外し、速度フィード
バックだけにすると、コンピュータ出力は速度指令値と
なり、それに対応した速度で連続回転することになる。例えば一定スピードで動いて何秒か経過したら止めよ、
という指令を入れると、ある所まで行って止まるはずで
あるが、オープン制御ではそこが不正確である。ところ
が、変位フィードバックを掛けてやると、ある所まで行
って、もしも合わなければ、まだ電圧の差があるので、
その信号が流れてモータを回すことになり、ピタリと所
定位置に止まることになる。ｖ）ディジタル制御III の実験の場合は、カウンタ回路
の出力を１６ビットの並列信号のまま中継端子盤のＩ／
Ｏインタフェース端子に接続する。また、速度フィード
バック回路も中継端子盤のＡＤコンバータ端子に接続す
る。

【００６７】（４）自動制御学習の容易性上記実施例によれば、次のような自動制御学習の容易性
が得られる。

【００６８】コンピュータで作られた指令値は、イン
ターフェース，駆動制御回路を経て、サーボモータを駆
動し、減速機を経て運動機構が動く。本装置では、学生
等がこの一連の手順や信号の流れと動作を、配線や測定
によって容易に追うことができる。即ち、変位フィード
バックや速度フィードバック、積分回路の接続及び切断
は、バナナチップの付いたコード（接続線Ｌ１〜Ｌ６）
によって直接行うので、回路作成の感覚をもつことがで
きる。しかも、取り扱いが簡単で耐久性に強い。

【００６９】また、電子回路がブロック対応であり、配
線の接続で機能を変えることができ、自動制御（制御工
学）の基本を理解しやすい。また、接続によって、アナ
ログ制御とディジタル制御の両方を学習することがで
き、講義で学んだことを実際に体験できる。

【００７０】また、学習者が独自に製作した回路基板に
ついても、接続コネクタ７，８，ａ及び接続端子１〜６
等により、システム中に任意に組み込んで、その作用効
果を確認することができる。

【００７１】変位フィードバックゲイン、速度フィー
ドバックゲイン、積分回路ゲインの調整は、学習者が容
易に行うことができる。その他のゲイン調整やレベル調
整は半固定（透明プラスチックに孔あけ）とし、指導員
以外はタッチできないようにしたので、学習者は、学習
事項にのみ専念することができる。

【００７２】アナログ制御とディジタル制御の切り替
えは、ＤＡ変換器からの出力コードと速度フィードバッ
クのコードの差し替えだけで可能である。カウンタから
ＤＩＯインタフェースへの並列多線入力は、コードはそ
のままとし、ソフトで切り替え得る。

【００７３】モータと負荷を接続したアナログ制御の
実験では、伝達関数法の理論に対応した通常の範囲の実
験が可能である。すなわち、速度制御，位置決め制御，
ＰＩＤ補償などである。

【００７４】ディジタル制御の実験では、アナログ制
御でできることの他に、３年生に教えている通常範囲の
実験以外のもの、例えば、サンプリング周期の影響の学
習や、状態変数法による理論等に対応した高度な制御
も、発展的に可能とする余地がある。

【００７５】

【考案の効果】以上述べたように、本考案によれば次の
ような効果が得られる。

【００７６】１）請求項１及び２の装置によれば、全体
を構成するユニット構成と、その駆動回路及びフィード
バックの各ユニットの内部構成を、講義による自動制御
のブロックに対応したブロックで、且つ信号の流れに対
応した回路基板により直接に視認できる。この回路基板
は、従来のように見たり触れたりすることができずに具
体的に理解することのできないものではないので、ブロ
ック内部の構成までも実際に視覚的に認識することがで
きる。

【００７７】更に、各回路基板上には透明板が設けら
れ、該透明板により、基板領域両側の学習者に操作を許
す入出力端子を除き、回路基板は、学習者が触れること
を禁止する基板中間領域を覆われている。このため、学
習者がブロック内部の構成までも実際に視覚的に認識す
ることができるという作用を維持しつつ、回路基板上の
学習者が触れることを禁止し保護することができる。ま
た、学習させたいブロックの接続系統に関わる入出力端
子だけを学習者に触れさせるので、少数の接続線によ
り、学習者の混乱を防止しつつ接続を完成させることが
できる。

【００７８】２）請求項３では、回路基板の裏面側に配
線を施しているけれども、回路基板の表側へ部品を配置
しているので、回路図から回路構成の理解が容易である
と共に、この各回路基板は、ユニット盤から浮かせて取
り付けてあるので、一つのブロックであることを学習者
に視覚的に強調することができる。

【００７９】３）請求項４では、上記駆動回路ユニット
が、変位減算器・ゲイン調整器、速度減算器・積分加算
器、電流検出器、電流減算器・ゲイン調整器、電圧増幅
器、積分回路・ゲイン調整器及び電力増幅器の各基板を
備え、また、フィードバックユニットが、波形整形回
路、ゲイン調整器、方向弁別回路、カウンタ回路、及び
ＤＡ変換器・レベル調整器の各基板を備えるので、漠然
とのみ分かっている学習者に対して、具体的には分から
せることができる。

【００８０】４）また請求項５では、上記運動機構ユニ
ットの運動機構が、ベルト・プーリ機構、スライダ・ク
ランク機構、四節リンク機構、ネジ送り機構のいずれか
一つで構成し、その危険な運動部分を透明なボックスで
覆っているので、不注意により学習者が接触して負傷す
る危険が回避される。

【００８１】５）更に請求項６では、上記運動機構ユニ
ットの安全性を高めるため、ＤＣサーボモータの回転速
度を定格の半分程度以下に落としている。このようにす
ると、本来の定格速度では出現する振動現象が現われな
くなり、振動をなくす制御が学習不可能となる。しか
し、請求項６では、ＤＣサーボモータで上記機構を駆動
する駆動系の回転軸に、振動を起こさせるための慣性円
板を取り付けているので、高速回転による危険を回避し
つつ、高速回転時の振動を抑さえるフィードバック制御
の学習を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例におけるメカトロニクス教育
実験装置の実験接続例を示す図である。

【図２】本考案の一実施例におけるメカトロニクス教育
実験装置を示す図である。

【図３】図２の駆動回路ユニット部分の拡大図である。

【図４】図２のフィードバックユニット部分の拡大図で
ある。

【図５】図２の運動機構ユニット部分の拡大図である。

【図６】図２の駆動回路ユニットの変位減算器・ゲイン
調整器基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図７】電子回路基板とプラスチック透明板との組立状
態を示す断面図である。

【図８】図２の駆動回路ユニットの速度減算器・積分加
算器基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図９】図２の駆動回路ユニットの電流検出器基板部分
を示したもので、（ａ）はその基板を、（ｂ）は該基板
の実際回路を示す図である。

【図１０】図２の駆動回路ユニットの電流減算器・ゲイ
ン調整器基板部分を示したもので、（ａ）はその基板
を、（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１１】図２の駆動回路ユニットの電圧増幅器基板部
分を示したもので、（ａ）はその基板を、（ｂ）は該基
板の実際回路を示す図である。

【図１２】図２の駆動回路ユニットの積分回路・ゲイン
調整器基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１３】図２の駆動回路ユニットの電力増幅器基板部
分を示したもので、（ａ）はその基板を、（ｂ）は該基
板の実際回路を示す図である。

【図１４】図２のフィードバックユニットの波形整形回
路基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１５】図２のフィードバックユニットのゲイン調整
器基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１６】図２のフィードバックユニットの方向弁別回
路基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１７】図２のフィードバックユニットのカウンタ回
路基板部分を示したもので、（ａ）はその基板を、
（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１８】図２のフィードバックユニットのＤＡ変換器
・レベル調整器基板部分を示したもので、（ａ）はその
基板を、（ｂ）は該基板の実際回路を示す図である。

【図１９】ベルト・プーリ機構を持つ運動機構ユニット
を示した平面図である。

【図２０】図１９の運動機構ユニットの正面図である。

【図２１】スライダ・クランク機構を持つ運動機構ユニ
ットを示した平面図である。

【図２２】図２１の運動機構ユニットの正面図である。

【図２３】四節リンク機構を持つ運動機構ユニットを示
した平面図である。

【図２４】図２３の運動機構ユニットの正面図である。

【図２５】ネジ送り機構を持つ運動機構ユニットを示し
た平面図である。

【図２６】図２５の運動機構ユニットの正面図である。

【符号の説明】

１，３，４学習者に操作を許す入出力端子７，８，９，ａ学習者が触れることを禁止する入出力
端子１０駆動回路ユニット１１ユニット
盤１２変位減算器・ゲイン調整器基板（回路基板）１３速度減算器・積分加算器基板（回路基板）１４電流検出器基板（回路基板）１５電流減算器・ゲイン調整器基板（回路基板）１６電圧増幅器基板（回路基板）１７積分回路・ゲイン調整器基板（回路基板）１８電力増幅器基板（回路基板）２０フィード
バックユニット２１ユニット盤２２波形整形
回路基板（回路基板）２３ゲイン調整器基板（回路基板）２４方向弁別
回路基板（回路基板）２５カウンタ回路基板（回路基板）２６ＤＡ変換器・レベル調整器基板（回路基板）３０運動機構ユニット３１ユニット
盤３２運動機構３３ＤＣサー
ボモータ３３ａ慣性円板３４歯車減速
機３５速度センサ３６変位セン
サ７２プーリ（ベルト・プーリ機構）７３ベルト
（ベルト・プーリ機構）７４プーリ（ベルト・プーリ機構）７５透明なボ
ックス７６スライダ・クランク機構７９四節リン
ク機構８０歯車増速機８１ネジ送り
機構１０１各回路基板の脚１０７透明板Ｌ１〜Ｌ６学習時に配線する接続線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０９Ｂ 25/02 Ｇ０６Ｆ 15/20 Ｄ

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】駆動回路ユニット及びフィードバックユ
ニットを、それぞれのユニット盤上に、自動制御のブロ
ック図のブロックに対応させた回路基板を信号の流れに
従って配設したもので構成し、各回路基板上には、信号
の流れ方向に見て基板の上流端部と下流端部とに設けた
学習者に操作を許す入出力端子を除き、学習者が触れる
ことを禁止する基板中間領域を覆う大きさの透明板を設
け、上記各回路基板の学習者が触れることを禁止する入出力
端子には予め配線を施し、学習者に操作を許す入出力端
子間のみを学習時に接続線で接続可能としたことを特徴
とするメカトロニクス教育実験装置。
【請求項２】請求項１に記載のメカトロニクス教育実
験装置であって、コンピュータ及び電源を除く部分を、
駆動回路ユニット、フィードバックユニット及び運動機
構ユニットの３部に分割し、駆動回路ユニット及びフィ
ードバックユニットは、それぞれのユニット盤上に、自
動制御のブロック図のブロックに対応させた上記回路基
板を信号の流れに従って配設したもので構成したことを
特徴とするメカトロニクス教育実験装置。
【請求項３】上記各回路基板は裏面側に配線を施して
構成し、この各回路基板は、脚を付けて上記ユニット盤
から浮かせて取り付け、一つのブロックであることを強
調したことを特徴とする請求項１または２に記載のメカ
トロニクス教育実験装置。
【請求項４】上記駆動回路ユニットは、変位減算器・
ゲイン調整器基板、速度減算器・積分加算器基板、電流
検出器基板、電流減算器・ゲイン調整器基板、電圧増幅
器基板、積分回路・ゲイン調整器基板及び電力増幅器基
板を備え、また、フィードバックユニットは、波形整形
回路基板、ゲイン調整器基板、方向弁別回路基板、カウ
ンタ回路基板、及びＤＡ変換器・レベル調整器基板を備
えることを特徴とする請求項２または３記載のメカトロ
ニクス教育実験装置。
【請求項５】上記運動機構ユニットは、ユニット盤上
に、運動機構と、これを歯車減速機又は歯車増速機を介
して駆動するＤＣサーボモータと、速度センサ及び変位
センサとを設けた構成であり、上記運動機構は、ベルト
・プーリ機構、スライダ・クランク機構、四節リンク機
構、ネジ送り機構のいずれか一つで構成し、その危険な
運動部分を透明なボックスで覆ったことを特徴とする請
求項２〜４いずれかの項に記載のメカトロニクス教育実
験装置。
【請求項６】上記運動機構ユニットは、ＤＣサーボモ
ータの回転速度を定格の半分程度以下に落とし、該ＤＣ
サーボモータで上記機構を駆動する駆動系の回転軸に、
振動を起こさせるための慣性円板を取り付けたことを特
徴とする請求項５記載のメカトロニクス教育実験装置。