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メカトロ・センサ The ビギニング
制御に用いるセンサの選定と使い方

定価(税込)  2,200円

著者
サイズ A5判
ページ数 178頁
ISBNコード 978-4-526-08001-2
コード C3053
発行月 2019年09月
ジャンル 機械

内容

IoT社会、ロボットやAIの普及などの要因で重要度が増しているセンサについて、機械設計者に必要な「これだけは知っておかなければいけない」ポイントを、イラストや図面、写真を用いてやさしく紹介する本。メカトロニクス関連設計において必要なセンサの基礎知識を楽しく理解できる。

西田麻美  著者プロフィール

(にしだ まみ)
電気通信大学大学院電気通信学研究科知能機械工学専攻博士後期課程修了。工学博士。
国内外の中小企業や大手企業に従事しながら、搬送用機械、印刷機械、電気機器、ロボットなど機械設計 ・ 開発 ・ 研究業務を一貫し、数々の機器 ・ 機械を約20年に渡って手がける。現在は、大学教員として奉職する傍ら、2017年に株式会社プラチナリンクを設立(代表取締役)。メカトロニクス・ロボット教育および企業の技術指導を専門に、人材育成コンサルティングを行う。自動化推進協会常任理事技術委員長、電気通信大学一般財団法人目黒会理事技術委員長などを歴任。
書籍・執筆多数(日刊工業新聞社)。メカトロニクス関係のTheビギニングシリーズは、「日本設計工学会武藤栄次賞Valuable Publishing賞(2013年)」、「関東工業教育協会著作賞(2019年)」を受賞。日本包装機械工業会「業界発展功労賞(2017年)」など各種教育活動で表彰される。

株式会社プラチナリンク URL:https://platinalink.co.jp/

目次

第1章 機械を制御するためのメカトロ・センサの狙い

1.メカトロニクスの5大要素
2.メカトロニクス要素とセンサの関係
3.メカトロ・センサの呼び方と区分
4.メカトロ・センサが有する2つの立ち位置
5.制御方法によってセンサの選定が変わる
6.シーケンス制御とフィードバック制御
7.シーケンス制御のセンサMAP
8.フィードバック制御のセンサMAP
9.アナログ出力におけるセンサ技術
10.ディジタル出力におけるセンサ技術
11.メカトロ・センサが持つ五感
12.メカトロ・センサの測定対象は主に「物理量」
13.メカトロ・センサの測定対象(事例)
14.内界センサと外界センサ
15.測定対象(物理量)の性質が持つ効果や現象
16.物理量と単位変換
17.センサの選び方の「絞り込み項目」


第2章 メカトロ・センサを知るための「電気信号」と「入出力」のいろは

1.センサには2つの重要な機能がある
2.電気信号の種類
3.電気信号の使い方
4.アナログ信号とディジタル信号
5.アナログ信号とディジタル信号の伝達上の違い
6.アナログ信号とディジタル信号の表現の仕方
7.電気信号の機能の呼び方 ~入力と出力~
8.電流出力と電圧出力
9.アナログ入出力とスケーリング
10.ディジタル入出力とインタフェース
11.ディジタル信号の入出力と変換(しきい値)
12.しきい値にはTTLとCMOSがある
13.直接変換型と間接変換型/リニアライズ
14.センサは信号変換の連鎖である
15.電圧値に変換するためのいろいろな変換方式
16.センサの基本構造/電源線と信号線
17.センサのNPNとPNP(トランジスタ)
18.NPNとPNPの接続の仕方
19.電源の形式/バイポーラとユニポーラ
20.センサには電源の有無が重要!
[コラム]Dr.まみ先生の30分間メイキング! センサを動かしてみよう その1


第3章 メカトロ・センサの代表的な特性

1.メカトロ・センサの7つの「基本特性」
2.センサを選ぶときの指針「電気的特性」
3.電気的特性には静特性と動特性がある
4.第1番目に重要な特性「感度」
5.どのくらい細かく測れるか「分解能」
6.どの方向に対して感度が良いか「指向性」
7.制御のしやすさ、使いやすさ「線形性(直線性)」
8.測定可能な最大値の幅「フルスケール」
9.行きと帰りは同じかどうか「ヒステリシス」と「応差」
10.どの程度同じ反応を繰り返せるか「再現性」と「単調性」
11.どのくらい素早く、正しく、追従するか「応答性」
12.周波数(Hz)と回転数(rpm)の関係
13.応答時間(立ち上がり時間と立ち下がり時間)
14.応答性を示す目安「時定数」
15.応答がにぶくなる部分を知る「周波数特性」
16.時間遅れをどれくらいカバーできるか「ゲイン」
17.測定範囲内の遅れに収まっているか「位相」
18.センサの応答の限界を知る「ボード線図」
19.周波数特性の用語~まとめ~


第4章 データシートの読み方とキャリブレーション

1.データシートと言えば「凡例」
2.データシートを読む前の準備
3.一瞬たりとも超えてはならない「絶対最大定格」
4.安心して使える範囲が示される「推奨動作条件」
5.安定動作の生命線「電源ユニットの選び方」
6.電源を決めるときに必要な「消費電流と定格出力電流」
7.交流を使うときにチェックする「最大実効電流」
8.変動するので気をつけて!「電源電圧」と「ピーク・ツー・ピーク」
9.誤差の要因となる「オフセット電圧」
10.変動割合が比例となる「レシオメトリック特性」
11.放置しているときに注意する「保存温度」
12.使っているときに注意する「動作温度」
13.熱によって特性が変化する「温度ドリフト」
14.寿命を考えるなら「ディレーティングカーブ」
15.直線性が保証される「出力飽和範囲」
16.誤差が生じる発生要因
17.補正しなければならない3つの誤差
  「ゲイン誤差」「オフセット誤差」「線形性誤差」
18.キャリブレーションと較正テーブル
19.センサの証明書「トレーサビリティ」
20.キャリブレーションの方法~その1~
21.キャリブレーションの方法~その2~
22.誤差の予測をしよう!「回帰分析」と「最小二乗法」
[コラム]Dr.まみ先生の30分間メイキング! センサを動かしてみよう その2


第5章 シーケンス制御で使われるセンサ

1.シーケンス制御の構成と概要
2.シーケンス制御で選定されるセンサMAP
3.代表的な4つの接触式センサ
4.接触式センサのポイント
5.接触式センサの接点の名称
6.接触式センサの用語と説明
7.代表的な非接触式センサ ~光センサ~
8.光電センサと選定ポイント
9.光電センサの検討項目と応用例
10.フォトインタラプタ(フォトカプラ)
11.フォトインタラプタの応用
12.近接センサ
13.イメージセンサ(CCD)
14.磁気センサと分類
15.加速度センサとジャイロセンサ
16.ひずみゲージ ・ロードセル
17.温度センサ
18.自動化におけるセンサ応用例 <その1>
19.自動化におけるセンサ応用例 <その2>
[コラム]Dr.まみ先生の30分間メイキング! センサを動かしてみよう その3


第6章 フィードバック制御で使われるセンサ

1.フィードバック制御(サーボ機構)の概要
2.フィードバック制御で使うセンサMAP
3.ディジタル/位置と速度を検出/ロータリーエンコーダ
4.ロータリーエンコーダ/インクリメンタル型
5.インクリメンタル型の方式
6.インクリメンタル型の逓倍機能
7.インクリメンタル型の仕様と検出方式
8.インクリメンタル型の特性と使用条件
9.ロータリーエンコーダの出力形式
10.ロータリーエンコーダ/アブソリュート型
11.アブソリュートの分解能
12.アナログ/位置と速度を検出/レゾルバ
13.レゾルバの軸倍角
14.アナログ/速度を検出/タコジェネレータ
15.タコジェネレータの仕様と選定ポイント
16.アナログ/速度を検出/磁気センサ
17.アナログ/位置を検出/ポテンショメータ
18.ポテンショメータの仕様
19.ポテンショメータのカーブ曲線
20.自動化におけるセンサ応用例(スキャニングシステム)
21.自動化におけるセンサ応用例(2つのコンベアの高速同期制御)
[コラム]Dr.まみ先生の30分間メイキング! センサを動かしてみよう その4


第7章 増幅回路とフィルタ回路~アナログ信号処理技術①~

1.アナログ信号処理とシグナルパス
2.アナログ回路とディジタル回路
3.増幅回路と言えばオペアンプ
4.オペアンプの構成
5.両電源と単電源
6.オペアンプの基本原理
7.オペアンプの機能 ~反転と非反転~
8.オペアンプの増幅率 ~ゲイン~
9.オペアンプの増幅の限界値
10.オペアンプの使い方 ~イマジナリショート~
11.イマジナリショートの考え方
12.オペアンプ回路をシーソーのイメージで考える
13.ノイズとフィルタ回路~低周波と高周波~
14.ローパスフィルタとハイパスフィルタ
15.ローパスフィルタとRC回路
16.ローパスフィルタとハイパスフィルタの仕組み
17.カットオフ周波数
18.増幅回路とフィルタ回路のまとめ(応用例)
[コラム]Dr.まみ先生の30分間メイキング! センサを動かしてみよう その5



第8章 A/D変換器~アナログ信号処理技術②~

1.インタフェースの基礎知識
2.エンコーダとデコーダ
3.A/Dコンバータとコンパレータ
4.2進数と10進数(おさらい)
5.情報の単位:ビットと分解能
6.A/D変換の原理〜標本化、量子化、符号化〜
7.基準電圧(リファレンス電圧)と分解能
8.基準電圧と入出力レンジ
9.サンプリングレートとビット深度
10.A/D変換方式
11.A/D変換の単位:リファレンス電圧と1 LSB
12.分解能と精度の違い
13.センサ(分解能)の目安と選定ポイント
14.A/Dコンバータのデータシートの見方
15.A/D変換器のまとめ

参考資料①
参考資料②

はじめに

「The ビギニングシリーズ」の第4弾は、​
メカトロニクス(機械、電気電子、情報の一体化技術)にとって、​
必要不可欠な「センサ」についてとりあげ、初歩から学ぼうとする方、​
センサを使用してモノを動かしたいという方に向けて、​
最初に読んでいただきたいという思いを込めて執筆した渾身の一冊です。​
したがって、本書は、​
機械システムを制御するためのセンサ(略してメカトロ・センサ)​
についてスポットを当てた内容となっています。​
一般的に、センサは電子部品なので、電気の知識が必要になりますが、​
初心者や異分野の方でも、センサの要点をつかみやすいように、​
できるだけ難しい専門用語や数式の使用は避け、​
多くのイラストや事例を用いてわかりやすく説明しています。​
また、実際の現場では、センサの構造や仕組み・原理原則よりもむしろ、​
多くの中から目的・条件などに合うセンサをどう選定すればよいか​
という実践的能力が求められます。​
そこで、メカトロ・センサを選定する上で、これを知らないと困るであろう​
1)制御のこと(メカトロ・センサの役割)​
2)電気信号や入出力のこと​
3)センサの種類とそれぞれの特徴​
4)センサが持つ特性やデータシートの読み方​
5)センサが取得した情報を処理すること​
など、必要最低限、おさえておくべきポイントを​
1ページ読み切り、章立てにしてまとめています。​
入門書として、多岐に渡るセンサを系統的にまとめていますので、​
メカトロニクス製品に携わる方のより良い製品作りにご活用いただければ幸いです。​
本書を活用して、センサの知識を習得し、​
実際にご自身の手で機械を制御できるようになることを切に期待しています。

西田麻美(工学博士)​

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