月: 2021年2月

エアピッカーとは

エアピッカーとは、円筒形の中空ゴムがエアー注入で膨らみ、ワークの内側に接触して保持する部品です。

摩擦を活用することでワークを固定しつつ、表面に傷をつけない特長を持っています。また、エアピッカーの仕組みを応用したエアグリッパーは、ワークの外面を保持する用途で使用されます。

エアピッカーの適用範囲は広く、1つのサイズで異なる内径のワークを扱うことが可能です。大きさが違うワークを取り扱えることでチャック交換の手間を削減でき、作業効率を向上させられます。標準的な製品はクロロプレンゴムを使用していますが、耐熱性や衛生性が求められる用途にはシリコンゴムが採用されています。

エアピッカーの使用用途

エアピッカーの使用用途として、搬送用途での利用、テスト工程での利用、ロボットハンドとしての利用、シリコンタイプの特殊用途の4つを解説します。

1. 搬送用途での利用

エアピッカーは、ガラス瓶やペットボトル、缶などのデリケートな素材の搬送に適しています。内側を把持する設計により、表面に傷をつけることなくスムーズに移動させることが可能です。またサランラップなどのロール製品の巻き取りや搬送にも活用されています。

2. テスト工程での利用

燃料タンクやマフラー、ポンプなどのエアリークテストでもエアピッカーは活躍します。ゴム部がワーク内径に適応するため、密閉してテストの精度を高めます。

3. ロボットハンドとしての利用

産業用ロボットや協働ロボットのエンドエフェクタとしても使用されています。異径ワークの把持に対応できるため、特に多品種生産のラインでの柔軟性が求められる場面で活用されています。

4. シリコンタイプの特殊用途

シリコンゴム製のエアピッカーは、食品や衣料品業界での利用が進んでいます。衛生性や耐熱性を活かし、食品の搬送や繊細な素材の取り扱いが必要な場面でも活用されています。

エアピッカーの原理

エアピッカーの原理として、摩擦を利用した保持機構、エアー注入・排気による動作、経年劣化と注意点、摩擦力の調整と安全性の4つの順に解説します。

1. 摩擦を利用した保持機構

エアピッカーは、ワークの内面に膨らんだゴムが接触することで摩擦力を生じさせて保持します。ゴム部が同心円状に膨らむため、1つのエアピッカーで複数サイズのワークを対応できるのが特徴です。

2. エアー注入・排気による動作

エアーの注入と排気によって迅速かつ確実に動作します。高速動作が、生産ラインの効率を高めます。また最大で自重の70倍のワークを保持できる高い保持力を備えています。

3. 経年劣化と注意点

使用環境や時間の経過によって、ゴム部に割れや摩耗が発生する可能性があります。特に鋭利な物や紫外線にさらされる環境では劣化が進行しやすいため、定期的な点検や適切なメンテナンスが必要です。

4. 摩擦力の調整と安全性

エアピッカーは摩擦力を利用するため、摩擦係数の低い素材や滑りやすい表面を持つワークには注意が必要です。供給圧力を調整することで、割れやすい部品を適切に保持することが可能です。

エアピッカーの種類

エアピッカーの種類として、ゴム材質による分類、サイズと形状の分類、特殊仕様のエアピッカーの3つを解説します。

1. ゴム材質による分類

一般的にクロロプレンゴム製が使用されています。クロロプレンゴムは耐油性や耐摩耗性に優れており、標準的な用途に適しています。一方シリコンゴム製は耐熱性や衛生性が高く、食品業界や高温環境での使用に適している点が特徴です。

2. サイズと形状のバリエーション

エアピッカーは適用ワークの内径に応じてさまざまなサイズが用意されています。1つのサイズで異径ワークに対応可能な設計は、チャック交換の手間を削減し生産効率を向上させます。

3. 特殊仕様のエアピッカー

特定の環境や用途向けに設計された特殊なエアピッカーも存在します。例えば、耐薬品性が求められる環境用や高頻度な動作に対応できる製品などがあります。

参考文献
https://www.bridgestone.co.jp/products/dp/pneumatic_holders/examples.html
https://jp.misumi-ec.com/pdf/mold/10_mo0089.pdf

荷重計測器とは

荷重計測器は、荷重 (力、質量、トルクなど) を電気信号に変換し、その大きさを計測・出力するセンサー装置のことで、「ロードセル」とも呼ばれます。

名前の由来は英語の「LOAD」 (荷重を受ける) と「CELL」 (単位素子) からきています。

特に、ひずみゲージ式ロードセルが広く普及しており、温度変化に対する影響の小ささや高い精度、シンプルな構造によるメンテナンスの容易さ、摩擦や可動部分が少ない長寿命性が特徴です。このような特性から、産業から家庭まで幅広い分野で使用されています。

荷重計測器の使用用途

荷重計測器は、力の測定が必要なあらゆる場面で利用されています。使用用途として産業用途、商業用途、家庭・個人用途、特殊用途の4つの用途が考えられます。

1. 産業用途

産業分野では、ロードセルは製造設備や試験機に組み込まれています。例えば、食品や飲料製造ラインでのパッケージ重量測定、建設業での機材荷重管理、化学工業での配合原料の計量などが挙げられます。また、大型の産業用はかりやコンベヤスケールでも重要な役割を果たしています。

2. 商業用途

スーパーマーケットの量り売りの計量器、物流で使用される台はかりなどの商業用途があります。

3. 家庭・個人用途

体重計やキッチンスケールの中にもロードセルが搭載されています。ロードセルにより、正確な測定が日常生活の一部として簡単に行えます。

4. 特殊用途

航空や宇宙分野では、荷重計測器が安全性確認のための機体部品検査に使用されます。また、医療分野では、人工関節やインプラントの耐久性を評価する試験装置にも使用されています。

荷重計測器の原理

荷重計測器の原理を理解する上で、ひずみゲージの原理とホイートストンブリッジ回路に分類して読めば理解しやすいと考えられます。

1. ひずみゲージの原理

荷重計測器の基本構造は、力を受けて歪む「起歪体」と、その歪みを電気信号として検出する「ひずみゲージ」で構成されています。

金属は、機械的に引っ張られたり圧縮されたりすると、電気抵抗が変化する性質を持っています。金属の性質を利用してひずみを計測するのがひずみゲージの役割です。

2. ホイートストンブリッジ回路

ひずみゲージの抵抗変化は非常に小さいため、正確に検出するには専用の電気回路が必要です。検出に使用されるのが「ホイートストンブリッジ回路」です。

4つの抵抗をひし形に配置し、ひずみゲージが受けた微小な抵抗変化を電圧信号として変換します。電圧は比例定数 (ゲージ率) やひずみに基づいて計算され、負荷された力の大きさとして表示されます。

3. 数式の背景

ひずみと電気抵抗の変化は以下の式で表されます。

$\Delta R/R=K\times \epsilon$

• $R$：元の抵抗値
• $\Delta R$：変化した抵抗値
• $K$：ゲージ率（約2.0）
• $\epsilon$：ひずみ

上記の計算をもとに、荷重計測器は力を数値化して表示します。

荷重計測器の種類

荷重計測器には用途に応じてビーム型ロードセル、S字型ロードセル、コラム型ロードセル、ダイヤフラム型ロードセルの4種類があります。

1. ビーム型ロードセル

ビーム型は台はかりや小型の測定装置に多く用いられるタイプです。細長い形状で、荷重を受けた際に曲げ応力が発生しやすい設計になっています。精度が高く、家庭用から工業用まで幅広い用途に適しています。

2. S字型ロードセル

S字型は、引張力と圧縮力の両方を測定できる特徴があります。主にクレーンスケールや吊り下げ型の重量測定に用いられます。

3. コラム型ロードセル

コラム型は、高負荷に耐える設計で、大型の産業用スケールや橋梁試験装置で使用されます。その耐久性と長寿命性から、過酷な環境でも信頼性を発揮します。

4. ダイヤフラム型ロードセル

ダイヤフラム型は、薄い板状の起歪体を使用するタイプで、荷重の影響を均等に分散する構造が特徴です。医療や精密機器など、高い精度を求められる分野で活用されています。

参考文献
https://www.unipulse.tokyo/techinfo/loadcetthowto/
https://www.aandd.co.jp/products/loadcell/introduction/cell_intro01.html#h01
https://www.aandd.co.jp/pdf_storage/tech_doc/loadcell/t_cell_faq_ver1.pdf

ケーブルベアとは

ケーブルベアとは、丈夫な連結構造で配線を保護する装置です。

これらのリンクは電線が内部に収容され、機械の動作に伴って適切に配線されたまま移動できる仕組みです。ケーブルチェーンやケーブルキャリアなどとも呼ばれます。ケーブルなどを外部からのダメージや絡まりから保護し、整然とした状態で保持することが可能です。これにより、ケーブルの寿命を延ばし、故障やメンテナンスのリスクを減少させます。

また、機械や装置の可動部分にケーブルを追随させるため、制限された空間内でのスムーズな動作が実現します。これにより、機械の性能や生産性が向上します。ケーブル被覆が傷つくリスクも低減するため、安全性を向上させることも可能です。

ただし、ケーブルベアの設計や選択は、使用する機器や環境に合わせて適切に行う必要があります。不適切な設計や選択が行われるとケーブル摩耗などの問題が発生する可能性があります。

ケーブルベアの使用用途

ケーブルチェーンは、さまざまな産業や分野で広範な使用用途があります。以下はケーブルベアの使用用途一例です。

1. 産業ロボット

 産業用ロボットは自動化された製造ラインや工場で使用される機械です。これらのロボットは高度な運動能力を持ち、製品の組み立てや加工などの作業を行います。

ケーブルベアはロボットアームの各関節部分にケーブルを保護しながら接続させ、運動に伴うケーブルの引っ張りや絡まりを防止します。これにより、ロボットの運動範囲が広がり、高速かつ正確な作業が可能となります。

2. 自動化生産ライン

自動化された生産ラインでは、製品の組み立てや検査、梱包などが自動的に行われます。センサーケーブルや電力ケーブルなどの多くの配線が異なる機器間で移動することが必要です。ケーブルベアはこれらのケーブルを整理し、損傷や絡まりを防ぎつつ生産ライン全体の効率を向上させます。

3. 医療機器

医療分野では、高度な技術を持つ医療機器が使用されています。MRIスキャナーやCTスキャナーなどの装置は精密な動作を要求されるため、内部のケーブルを保護しつつ動作の安定性を確保することが重要です。ケーブルベアはこれらの機器内部でケーブルを整理し、安全かつ効率的な運用を支援します。

ケーブルベアの原理

ケーブルベアは連結されたリンクからなる構造を持ち、内部にケーブルや配管を収容して機械の可動を可能にする装置です。これらのリンクは互いに関節で連結されているため、ケーブル全体が曲がったり伸びたりすることができます。材質としてはアルミや鉄などの金属が使用され、環境に応じて硬質プラスチックが用いられることも多いです。

また、ケーブルベアはケーブルや配管が動作時に摩擦や衝撃を受けるのを軽減することも可能です。ケーブルが絡まることや損傷するリスクを低減するため、機械の正常な運用が維持されます。

ケーブルや配管を外部の環境要因から保護する役割も担います。これにより、化学物質や塵埃などからケーブルを守り、信頼性を向上させることが可能です。

ケーブルベアの選び方

ケーブルベアを選ぶ際に考慮すべき要素は、多岐にわたります。

1. 幅

ケーブルベアの幅は、内部に収容するケーブルや配管の量とサイズに影響を与えます。幅が広いほど、より多くのケーブルを収容することが可能です。

必要なケーブルの数や種類、直径などを考慮し、幅を適切に選ぶことが重要です。幅が狭すぎるとケーブルが絡む可能性があり、幅が広すぎると効率的な保護が難しくなる可能性があります。

2. リンク数

ケーブルベアのリンク数は全体の長さや曲がり具合に影響を与えます。リンク数が多いほど、ケーブルベアの曲がりや伸縮に有利です。

作業領域や可動部の許容範囲に合わせて、適切なリンク数を選ぶことが重要です。過度に長いケーブルベアは不必要な抵抗を生じる可能性があるため、必要な範囲内で調整することが望まれます。

3. 材質

ケーブルベアの材質は環境条件や使用目的によって選ばれます。一般的には、プラスチックや金属が一般的な材質です。

プラスチック製のケーブルベアは軽量で扱いやすく、非常に幅広いアプリケーションに適しています。金属製のケーブルベアは耐久性が高く、高負荷や過酷な環境での使用に有利です。

4. 最大速度

ケーブルベアが機械や装置の可動部分に取り付けられる場合、最大速度が重要です。ケーブルベアの最大速度はチェーン自体やケーブルの引っ張りに影響を与えます。高速な動作が必要な場合は最大速度を適切に選び、ケーブルが過度な引っ張りにさらされないようにする必要があります。

参考文献
https://www.tsubakimoto.jp/power-transmission/cable-carrier/cableveyor/plastic/
http://www.mekatoro.net/digianaecatalog/tsubaki-keburu/Book/tsubaki-keburu-P0004.pdf

ねじインサートとは

ねじインサートとは、めねじの強化や補修のために使われる部品です。

ねじ止めしたい母材の強度が弱くタップによるめねじ加工ができない場合や、タップでめねじを加工して母材の強度が弱くてめねじがつぶれやすい場合に、母材にねじ込むことによってめねじになります。おねじと嵌合するめねじがあるため、機械要素としてはナットの一種です。

また、ボルトと母材との間を埋めるブッシュとも言えます。ねじインサートにもいくつかの種類が存在し、商品名で呼ばれることが多くあります。具体的には、金属でよく使用されているEサート、イリサート、エンザート、プラスチック製の母材に対して使用される樹脂用インサートなどです。

近年は部品の軽量化が要求され、低密度の材料の使用も増えてきました。軽く弱い素材を締結する強いめねじをつくるために使用されるのが、ねじインサートです。

ねじインサートの使用用途

ねじインサートは、プラスチック部品など、材料強度が低い部品にめねじをあけたい場合に使用します。プラスチック製部品をねじ締結する際の方法として、まず下穴をあけておき、タッピングねじで締結することも可能です。しかし、そもそもめねじの強度が弱いこと、タッピングねじでは繰り返しの着脱できない可能性もあるため、ねじインサートがよく使われています。

金属製部品の場合は、M3などねじ径が小さい場合や、ねじのかかりしろが少ない場合 (通常3山以下) に、ねじを強く締めるとめねじが破損しやすいため、ねじインサートを使用します。

また、ねじインサートはめねじが破損する、いわゆるなめてしまった場合のリペアにも使用します。めねじよりも少し大きい径のをあけ、そこにねじインサートを挿入することによって、なめてしまっためねじと同じサイズのめねじを再生することが可能です。

ねじインサートの原理

ねじインサートは締結に使うめねじを持ったねじインサートを、一回り大きいおねじによって母材にねじ込み固定することで、めねじを形成します。金属用のねじインサートとしてよく使われているのは、コイル状のEサートと、エンザートです。

Eサートは指定のタップ加工がされた部位に専用工具で挿入しますが、ねじの着脱を繰り返し行うとねじヘリサートが抜けてしまうことがあります。エンザートは穴加工がされた部位にボルトを使って挿入できるため、現場での修繕などでよく使われます。エンザートのねじ山は、Eサートのねじ山に比べて強いのが特徴です。

ねじインサートの種類

ねじインサートは挿入方法によって、大きく3種類に分けられます。

1. コイルタイプ

最も普及しているのがコイルタイプです。ねじ山形状を持つ線材をコイル状にしたもので、ピッチのずれなどにも対応できるのが特徴があります。

2. セルフタップタイプ

ねじインサートを固定するめねじ加工が不要で、下穴に対して直接ねじインサートをねじ込みます。

3. 圧入タイプ

圧入タイプで、ねじインサートの固定にねじは使わず、圧入によって固定するものです。

ねじインサートのその他情報

ねじインサートの使い方

一般的にねじインサートを使用する際には、大きく4つの工程が必要です。手順は以下の通りですが、セルフタップタイプならめねじ加工は不要、圧入タイプはねじ加工そのものが不要となります。

まず、ねじインサートを固定するために、部品にドリル加工で穴を開けます。一般的なねじ締結の際の下穴加工と目的は同じですが、ねじインサートの下穴径の大きさは一般的なねじの下穴径とは異なります。あらかじめ使用するねじインサートに指定された下穴径を確認しておくことが大切です。

次に、タップ加工でねじインサート用のめねじを作ります。タップ加工の要領は通常と変わりません。3つ目の手順として、ゲージ検査を行います。ゲージはインサートねじ用の限界プラグゲージを使います。判定は通り側が通り、止まり側が2回転以上入らないことです。

最後に、ねじインサートを挿入します。専用工具を用いる製品やタングと呼ばれる部分を切り取る製品であれば、タングを切り取り作業は完了です。

参考文献
https://www.sanyu-seiki.com/first/whats_insert.html

ブラシレスDCモータードライバとは

ブラシレスDCモータードライバとは、マイコンなどの制御部からの指示を元にしてモーターを駆動、制御するための半導体デバイスです。

半導体のディスクリート部品を使用し、ドライブ回路を作成することは可能です。しかし、ブラシレスDCモーターの制御はとても複雑なため部品点数が多くなり、ソフトウェアでの制御も複雑になります。

そこで、ソフトウェア開発工数と部品点数を減らすことを目的に、モータードライバが使用されることがあります。 

ブラシレスDCモータードライバの使用用途

ブラシレスDCモータードライバは、ブラシレスDCモーターが使用される機器に必須のデバイスです。ブラシレスDCモーターは、ブラシレスDCモータードライバにで回転数を正確に制御可能です。ハードディスクやNC制御の機械、自動車及びハイブリッド自動車などに使用されています。

特に自動車では、ドアロック用モーター、電動パワーステアリング用モーター、ヘッドライト光軸駆動用モーター用など多数使われています。 

ブラシレスDCモータードライバの原理

モーターの中では電磁石は固定されています。そのため、コイルに流す電流の向きを変えることで、「引き合う・反発する」という電磁石の極性を決めることが可能です。

ブラシレスDCモーターを駆動させるには、電子的なコントロールが必要です。モーターを回転させるために、モーター巻き線に流れる電流の向きを変化させることで、回転磁界を生み出す必要があります。

交流電源を利用して動作するインダクションモーターなどは、交流電圧を使用することで回転磁界を作ります。しかし、ブラシレスDCモーターは直流電源で動作するため、同様の方式は使えません。

DCモーターの中でもブラシ付きDCモーターに関しては、整流子とブラシが電流の向きを変化させる役割を担います。一方で、ブラシレスDCモーターはトランジスタなどの半導体スイッチを使用することで、電流の向きを変化させることが可能です。

ブラシレスDCモータードライバの特徴

ブラシレスDCモータードライバを使うメリットとして、豊富なオンチップ保護機能やマイコン制御ソフトウェアの作成工数の短縮が挙げられます。その他、部品点数を削減し基板実装面積の最小化し、簡単にモーター駆動を実現することが可能になる点もメリットです。

また、ブラシ付きDCモーターでは、上述した通りブラシを用いて電流の向きを制御します。しかし、ブラシは摩耗するため定期的に交換の必要があり、短寿命で保守の手間がかかる点がデメリットです。ブラシレスDCモータードライバはブラシを使用しない電流制御のため、長寿命でメンテナンス性が高くなっています。

ブラシレスDCモータードライバのその他情報

1. ブラシレスDCモーターのコイル構成

ブラシレスDCモーターは3つのコイルを有します。コイルの一方は他のコイルと接続されており、1つをプラス、他方をマイナスに接続することで2つのコイルに電流を流す仕組みです。

各コイルは2つの半導体スイッチと接続されており、スイッチを順に制御することでモーターを回転させています。ブラシレスDCモーターは半導体スイッチを順に制御して回転磁界を作り、モーターを回転させるためブラシレスDCモータードライバが必要になります。

2. マイコンとの関係

モーターを回転、駆動させるタイミング、速度を制御するために、マイコンは必要なデバイスです。しかし、マイコンが有する入出力ポートからはモーターを直接回転、駆動できるようなドライブ能力がないことがほとんどです。

この場合、マイコンとモーターの間で制御するための信号をモータードライバが代わりに行うことで、モーターを駆動することが可能になります。モータードイバより信号を受け取ったモーターは、各電磁石の極性を変えて、モーターを動かします。

参考文献
https://emb.macnica.co.jp/articles/7058/

ドアセンサーとは

ドアセンサーとは、ドアが開いたり閉じたりしたことを検知するためのセンサーです。

一般的に建物や車両などの出入り口やドアに設置されます。物理的なドアの動きや変化を検知して、適切な動作を実行するのが目的です。ドアセンサーはセキュリティシステムに組み込むことで、不正な侵入を検知することが可能です。

ドアが無理やり開けられた場合や、開いたことがない時間帯に開いた場合にアラームを発するなど、セキュリティを強化することができます。また、自動ドアや自動制御システムに使用され、人がドアを手動で開け閉めする動作が不要となります。特に高頻度で利用される場所では、効率的な解決策です。

ただし、一部のドアセンサーは、振動や環境の変化によって誤って動作することがあります。これにより誤ったアラームや自動ドアの開閉が発生する場合も多いです。

ドアセンサーの使用用途

ドアセンサーは、さまざまな用途で使用されます。以下は主な使用用途の一例です。

1. 自動ドア

自動ドアは、ドアセンサーを用いて人がドアに近づいたときに自動的に開閉する仕組みです。センサーは一般的に赤外線や超音波を利用して、人の動きを検知します。人がドアに近づくと、センサーが反応してドアが自動的に開く装置です。

公共施設や商業施設、病院などで特に利用されます。バリアフリーのアクセスを提供し、出入りをスムーズにすることが可能です。

2. セキュリティ

建物や施設のセキュリティ強化に重要な役割を果たす部品です。ドアセンサーはドアに取り付けられ、ドアの開閉を監視します。不正な侵入が試みられたり、営業時間外にドアが開いたりした場合、アラームシステムによって警告を発信することがあります。

3. アクセス制御

ドアセンサーは、アクセス制御システムにも活用されます。センサーが認識する特定の条件を満たすユーザーだけがドアを開けられるように制御することで、セキュリティを強化することが可能です。

例えば、スマートカードや指紋認証などを用いてアクセスを管理する場合にドアセンサーが活用されます。

ドアセンサーの原理

ドアセンサーは、さまざまな方法でドア開閉を検知します。ただし、共通する原理はドアの開閉による物理的な変化を検知することです。これらのセンサーはドアの状態を検知するために、開閉によって発生するさまざまな物理的な変化をセンシングする仕組みを持っています。

センサーが物理的な変化を検知すると、それに応じた信号を生成することが多いです。例えば、ドアが閉じた場合には閉信号を生成し、ドアが開いた場合には開信号を生成します。

センサーが生成した信号は、セキュリティシステムや自動制御システムなどに伝達されます。これにより、適切なアクションが実行することが可能です。セキュリティシステムには、ドアの開閉状態に応じたアラームを発信するために利用されます。

ドアセンサーの種類

ドアセンサーには、さまざまな種類があります。以下は一般的なドアセンサーの種類一例です。

1. 磁気センサー

ドアとドアフレームに磁石を取り付けて使用されるセンサーです。ドアが閉じるとドア本体に取り付けた磁石がドアフレームの磁石に引き寄せられるため、磁石同士が接触します。この磁石同士の接触を検知することで、ドアが閉じていることを確認することが可能です。

磁気センサーはシンプルで耐久性があり、多くの場所で利用されています。

2. 光センサー

ドアの開閉によって光の遮蔽を検知する原理で動作するセンサーです。一般的に赤外線を使用し、ドアの開閉位置にセンサーを設置します。ドアが閉じているときには、光のビームがセンサーまで直接届きますが、ドアが開くと光のビームが遮られることで開いた状態を検知します。

光センサーは非接触で動作するため、自動ドアやセキュリティシステムに広く利用することが可能です。

3. プレッシャーセンサー

ドアの開閉によって生じる圧力変化を検知するセンサーです。一般的にドア本体の一部に設置され、ドアが閉じるときにはその部分がドアフレームに密着して圧力がかかります。ドアが開くと、密着していた部分が離れることで圧力が変化します。

プレッシャーセンサーは耐久性が高く、屋外などの厳しい環境でも使用されることが多いです。

参考文献
https://www.keyence.co.jp/products/safety/safety-door/

高電圧オペアンプとは

高電圧オペアンプ（英語: High voltage operational amplifier）とは、数十～数百 Vの入出力電圧で動作させることができるオペアンプのことです。標準的なオペアンプではカバーできない電圧範囲を扱う場合に使用します。

使用する際には、高電圧に伴う規制や安全性を考慮し、保護回路なども含めて適切に設計する必要があります。場合によっては大電流による発熱が生じるため、放熱設計や熱保護も重要になります。

高電圧オペアンプの使用用途

高い電圧を扱うアプリケーションにおいて、標準的なオペアンプの動作電圧範囲ではカバーできない場合に高電圧オペアンプの使用が選択肢として挙げられます。

例えば、インクジェットプリンタや超音波トランスデューサなどに用いられるピエゾ変換器、他のICやモジュールのテストを行う自動試験装置、光による検出や測距のシステムに用いられる高輝度レーザーダイオードなど、これらの用途では高い電圧において正確な制御が必要になるため、高電圧オペアンプが用いられます。

高電圧オペアンプの原理

高電圧オペアンプの動作は標準的なオペアンプと基本的に同じであり、反転入力と非反転入力の電位差を非常に高い利得で増幅します。入力インピーダンスが高い、出力インピーダンスが低い、2つの入力端子間のイマジナリーショートなど標準的なオペアンプと同じように使うことができます。

高い電圧範囲に対応させるために、標準的なオペアンプに外付け部品を組み合わせて出力電圧をブーストする方法もあります。しかし、回路が複雑でコストが高くなること、部品が多く基板レイアウトの制約があること、部品の特性ばらつきや基板レイアウトに影響されて出力に歪みが生じ直線性が悪化することなどが問題点として挙げられます。

高電圧オペアンプを用いることでこれらの問題が解決されます。他にも、ESD保護回路、スルーレートを速くするブースト回路、容量性や誘導性の負荷に対しても安定して駆動させる回路、過熱保護や過電流保護回路などが一つのICとしてパッケージされているものもあるため、そのようなものを用いると設計が容易になります。

参考文献
https://www.analog.com/media/jp/technical-documentation/data-sheets/ADHV4702-1_jp.pdf

永磁チャックとは

永磁チャック (英: Permanent Magnetic Chuck) とは、工作機械や精密加工機械などにおいて金属工作物を保持するための磁力装置です。

永磁チャックは永久磁石を内蔵しており、電源を必要とせずに磁力を発生させることができます。電源を必要とせずに磁力を発生するため、電力消費が非常に少ない点が特徴です。

これにより、電気代を節約できるだけでなく、工場のエネルギー効率を向上させることができます。また、電磁チャックと比較して、永磁チャックは制御装置や電源の設定が不要です。そのため、取り扱いが簡単であり、作業者の操作負荷が軽減されます。

ただし、永久磁石の性質上、磁力の調整が電磁チャックよりも難しいことがあります。磁力を変更したい場合には、磁石の交換や特殊な手段が必要となることが多いです。また、高温環境では永磁チャックの磁力が低下する可能性があるため注意が必要です。

永磁チャックの使用用途

永磁チャックは工作機械や精密加工機械において、さまざまな用途で利用されます。以下は永磁チャックの主な使用用途のいくつかです。

1. 研削

研削加工は、主に平面や円筒などの金属製工作物の表面を高精度で削る加工方法です。研削機は研削盤と呼ばれるテーブルの上に工作物を乗せ、砥石を回転させて工作物の表面に切り込みを加えます。

永磁チャックは研削盤のテーブルに取り付けられ、工作物をしっかりと保持する役割を果たす装置です。これにより、工作物が砥石によって正確に削られ、高い平面精度や仕上げ品質が得られます。

研削は歯車や軸受などの精密な部品の製造や、表面仕上げが重要な場合に広く使用されます。

2. フライス盤

フライス盤は回転するフライスカッターを用いて、金属製工作物の表面や形状を削る加工方法です。永磁チャックはフライス盤のテーブルに取り付けられ、工作物を固定します。

フライス盤ではフライスカッターを複数の軸に沿って動かすことで、工作物を加工します。永磁チャックの使用により工作物が安定して保持され、複雑な形状や穴の加工が可能です。フライス盤は、金属製部品の切削や形状加工に広く用いられます。

3. エンドミル盤

エンドミル盤は、小さな金属製部品やワークピースの精密な加工に用いられる機械です。永磁チャックはエンドミル盤のテーブルに取り付けられ、小さな工作物を確実に保持します。エンドミル盤では、エンドミルと呼ばれる細くて長い切削工具を用いて穴あけや溝切り、複雑な形状の加工が行われます。

永磁チャックの使用により、小さな工作物がしっかりと固定され、高い精度と安定性が確保されます。エンドミル盤は、電子部品や精密機器の製造において重要な役割を果たします。

永磁チャックの原理

永磁チャックは、永久磁石による磁力を利用して工作物を保持する仕組みです。永久磁石は外部の電力供給なしで、永続的に磁力を発生する特性を持っています。これを利用して工作物を引き寄せる磁力を発生し、固定することが可能です。

チャック本体は鋼製または鋳鉄製であることが多く、永久磁石が内蔵されています。矩形や円形などの平面状であり、工作物を保持する面があります。チャック本体に内蔵された永久磁石は複数の磁極を持っており、通常はS極とN極が交互に配置されていることが多いです。これにより、チャックの面全体に均一な磁力が発生します。

加工作業中には、工作物を磁力によってしっかりと固定させることが可能です。工作物がずれることなく、高い加工精度が実現できます。また、電源を必要としないため、電磁チャックと比較して電力消費が少なく、省エネルギーな保持方法として利用されます。

永磁チャックの選び方

永磁チャックを選ぶ際には、以下の重要な要素を考慮することが重要です。これらの要素によって、加工対象や作業条件に最適な永磁チャックを選択できます。

1. サイズ

永磁チャックの選び方の基本は、加工する工作物のサイズと形状に合わせることです。工作物がチャックの表面に十分に収まるか、固定できるかを確認します。

2. 保持力

加工対象の重さと固定が必要な保持力を考慮します。工作物の重量に対して適切な保持力を持つ永磁チャックを選択し、安全かつ効果的な保持ができることが重要です。

3. 平坦度

加工の精度や平坦度が要求される場合は、永磁チャックの平面精度も重要です。高い平面精度が得られるチャックを選択し、加工品質を確保します。

参考文献
https://www.jsat.or.jp/sites/default/files/2017-11/2008622162557.pdf
https://www.jp.tdk.com/tech-mag/ninja/021
https://www.magever.net/magnet-yoke/

リブとは

リブは反り防止や機械強度を増すために使われる機械構造の一つです。

リブ構造が最もよく用いられるのは成形品です。特に薄い板を成形する場合、様々な要因で反りが発生します。その反りを抑えるためにリブ構造が用いられます。

単純に板厚を増すと使用材料が増えたり逆にボイドと呼ばれる空気が入りやすくなったりするため、強度を高めるという点では、剛性に影響する断面二次モーメントや強度に影響する断面係数を大きくするためのリブ構造をつける方が効果的です。

リブの使用用途

力が加わる箇所の強度を増したいところで使用されます。単純に板厚を厚くすることで、強度を増すことができますが、部品が重たくなったり、材料費が高くなるなどの問題もあるため、剛性に影響する断面二次モーメントや強度に影響する断面係数を大きくするためにリブ構造が用いられます。

また、意匠面など外観部品で複雑な形状に向いているプラスチックの成形品の場合、平面部が反ってしまい、意匠を損ねることがあるので、反り対策にも用いられています。

リブの原理

板金部品で強度を増すためにはリブを溶接する方法もありますが、曲げ部に三角リブとよばれるプレス加工によるリブ形成の方法もあります。プレス加工の場合、溶接ほどの作業工数がかからないため、安価に補強リブをいれることができます。

プラスチック成形品の場合、リブが太ければ太いほど反りは減りますが、太すぎるとリブの裏側は凹んでしまうヒケを引き起こしてしまいます。裏側の意匠が気にならない場合は、ある程度太くても問題ありませんが、通常は板厚の1/2程度の太さのリブをつけることでヒケを防ぐことができます。

また、リブの高さは板厚の3倍以下、根元のRは板厚の1/4~1/2程度が基準となっています。高すぎるとリブがショートなど成形不良の原因になり、根元のRが小さい場合は、応力集中により壊れやすくなります。逆にRが大きすぎると、その部位だけ肉厚となりヒケが発生したり、ボイドが発生して逆に強度を弱めてしまいます。
成形品なので抜き勾配も必要で、0.5~1.5°が必要です。

参考文献
https://seihin-sekkei.com/plastic-design/rib-design/

絶縁型ゲートドライバとは

縁型ゲートドライバ（英語: Isolated gate driver）とは、スイッチング電源やスイッチングレギュレータに用いられるスイッチング素子（パワーMOSFET、IGBTなど）のオン/オフを制御する電子回路の一つで、制御システムから信号が入力される低電圧側とスイッチング素子を駆動する高電圧側が分離されています。

つまり、制御システムを大電力の電力変換部から電気的に隔離させることができるため、電源システムの安全性を向上させることができます。

絶縁型ゲートドライバの使用用途

大電力を扱う電源システムでは、スイッチング素子をはじめ電力変換部の各部品には数百 Vの高電圧が印加されたり、数十 Aの大電流が流れることがあります。

万が一、電源システムの故障や各部品の損傷が発生した場合、そのような高電圧や大電流が制御システムに突入し、制御システムが破壊される可能性があります。さらに、そのシステムをユーザが扱っている場合、感電の危険性もあります。

このような事故を防ぐために、絶縁型ゲートドライバを用いて制御システムを電力変換部から隔離することは有効な手段であると言えます。

絶縁型ゲートドライバの原理

ゲートドライバには低電圧側の制御システムで高電圧側のスイッチング素子を駆動する際のインタフェースの役割があります。

例えば、スイッチング素子としてパワーMOSFETを用いる場合、オンさせるときはソースに対してゲートにかける電圧をしきい値電圧より十分に高くする必要があります。通常この電圧は制御システムより高い電圧になります。また、高速にオン/オフさせるために、ゲート容量の充放電時間を早くすることも重要です。つまり、ゲートドライバはレベルシフタとしての機能とアンプとしての機能を持っています。

絶縁型ゲートドライバによって低電圧側と高電圧側が分離されるため、使用する際はそれぞれに異なる電源を供給します。また、信号パスも分離されるため、信号を伝搬する手段としてトランスやフォトカプラといった部品が用いられます。

これらの絶縁する手段によって、同相過渡耐圧（CMTI）やサージ耐圧といった性能が変わってくるので、用途に応じて適切に選ぶ必要があります。また、信号の伝搬遅延時間や立ち上がり/立ち下がり時間といった性能も考慮する必要があります。

参考文献
https://www.analog.com/media/jp/analog-dialogue/volume-52/number-2/articles/isolated-gate-drivers-what-why-and-how_jp.pdf
https://detail-infomation.com/gate-driver-type/