目

次

学習のねらい ............................................................................................ 1
第1週

材料力学 ..................................................................................... 3

1.1

力の表し方 ................................................................................................... 41.1.1

重さと質量の関係 .................................................................................. 4

1.1.2

力のモーメント ..................................................................................... 5

1.1.3

モーメントの和 ..................................................................................... 5

1.1.4

隅力 ....................................................................................................... 7

1.1.5

力のつり合い ......................................................................................... 81.2

応力とひずみ .............................................................................................. 11

1.2.1

フックの法則 ....................................................................................... 111.2.2

垂直応力 .............................................................................................. 11

1.2.3

垂直ひずみとポアソン比 ..................................................................... 121.2.4

応力−ひずみ曲線 ................................................................................ 13

1.3

せん断 ........................................................................................................ 16

1.3.1

せん断応力 .......................................................................................... 16

1.3.2

せん断ひずみ ....................................................................................... 17

1.4

はりの曲げ ................................................................................................. 19

1.4.1

はりに加わる力 ................................................................................... 19

1.4.2

はりのつり合い ................................................................................... 20

1.4.3

せん断力と曲げモーメント .................................................................. 21

1.4.4

せん断力図と曲げモーメント図 ........................................................... 22

1.4.5

断面 2 次モーメント ............................................................................ 25

1.4.6

ねじりモーメント ................................................................................ 27

1.4.7

応力集中 .............................................................................................. 28『まとめと練習問題』................................................................................. 30
第2週

流体力学 ................................................................................... 33

2.1

流体と流れの性質....................................................................................... 34〜i〜2.1.1

流体の性質 .......................................................................................... 34

2.1.2

流体と流れ .......................................................................................... 35

2.2

流体静力学 ................................................................................................. 362.2.1

圧力と測定法 ....................................................................................... 36

2.2.2

浮力 ..................................................................................................... 38

2.2.3

理想流体 .............................................................................................. 39

2.2.4

連続の式 .............................................................................................. 41

2.3

流体動力学（1）.......................................................................................... 412.3.1

運動方程式 .......................................................................................... 41

2.3.2

ベルヌーイの定理 ................................................................................ 42

2.3.3

ベルヌーイの定理の応用 ..................................................................... 43

2.4

流体動力学（2）.......................................................................................... 47

2.4.1

層流と乱流 .......................................................................................... 47

2.4.2

管内の流れ .......................................................................................... 48

2.4.3

摩擦損失 .............................................................................................. 50

2.4.4

境界層 ................................................................................................. 52

2.4.5

抗力と揚力 .......................................................................................... 53『まとめと練習問題』................................................................................. 57
第3週

熱力学 ...................................................................................... 593.1

圧力と温度の単位....................................................................................... 60

3.1.1

SI 単位系 ............................................................................................. 613.1.2

圧力・温度・エネルギーの単位 ........................................................... 61

3.2

熱力学の法則 .............................................................................................. 63

3.2.1

第ゼロ法則 .......................................................................................... 63

3.2.2

第一法則 .............................................................................................. 633.2.3PV 線図 ............................................................................................... 65

3.2.4

理想気体 .............................................................................................. 66

3.2.5

第二法則 .............................................................................................. 683.3

熱機関 ........................................................................................................ 68

3.3.1

サイクル .............................................................................................. 68

3.3.2

カルノーサイクル ................................................................................ 69

3.3.3

熱の移動と管路 ................................................................................... 70

3.4

エントロピと各種サイクル......................................................................... 75

3.4.1

エントロピ .......................................................................................... 75〜 ii 〜3.4.2

エンジンサイクル ................................................................................ 76『まとめと練習問題』................................................................................. 79
第4週

機械力学 ................................................................................... 81

4.1

振動の基礎 ................................................................................................. 82

4.1.1

調和振動 .............................................................................................. 82

4.1.2

運動方程式 .......................................................................................... 83

4.1.3

エネルギー .......................................................................................... 85

4.1.4

自由振動 .............................................................................................. 864.2

減衰振動と強制振動 ................................................................................... 884.2.1

粘性減衰振動 ....................................................................................... 88

4.2.2

クーロン摩擦による減衰 ..................................................................... 89

4.2.3

強制振動 .............................................................................................. 91

4.2.4

防振 ..................................................................................................... 94

4.3

回転機械の動力学....................................................................................... 95

4.3.1

不つり合い .......................................................................................... 95

4.3.2

つり合わせ .......................................................................................... 96

4.3.3

ふれ回り .............................................................................................. 99

4.3.4

危険速度 ............................................................................................ 101

4.4

往復機械の動力学..................................................................................... 102

4.4.1

ピストン・クランク機構 ................................................................... 102

4.4.2

質量の置き換え ................................................................................. 103

4.4.3

つり合わせ ........................................................................................ 103『まとめと練習問題』............................................................................... 105
STEP UP ............................................................................................ 106
練習問題の解答 ..................................................................................... 107
索

引................................................................................................. 109〜 iii 〜

■ 第 1 週 ■材料力学【学習のポイント】
材料力学は，4 力学のひとつで，機械や構造物の設計では最も重要になる学問です。そのために，現場では数学的な計算と実験的なデータを組み合わせて用いることが多くなります。実
際には，外力に対して各部分の材料にどの位の強度を持たせれ
ば，材料内部の応力や変形が希望数値内に収まるのかを十分に検討しなければなりません。このようにして，機械設備の損傷や破壊を抑えて，長く使用していくことが大切です。

〜3〜

機械工学

第 1 分冊1.1

力の表し方

まず力の定義を知る必要があります。
物体に力を加えると，静止しているものを動かしたり，動いているものを静止させたりすることができ，さらに，物体を変形させたり，破壊させたりすることができます。
力を F とし，物体の質量を m ，加速度を a とすれば，（1.1）

F = maとなります。

すなわち，力は質量×加速度の積で表すことができます。この法則を運動の第 2 法則といったり，あるいは，ニュートンの第 2 法則といったりします。式（1.1）の単位
は 力 F を［N： ニ ュ ー ト ン ］， 質 量 m を［kg］， 加 速 度 a を［m/sec 2 ］ で そ れ ぞ れ 表
します。

1.1.1

重さと質量の関係

体重 66kg の人が，天井から吊り下がっている材料（たとえばロープや針金）にぶ
ら下がっている場合を考えてみましょう。このときのロープに加わる力の大きさはい
くらでしょうか。
地球上にある物体は，地球の中心に向かう加速度（重力の加速度）を常に受けています。
この重力の加速度を g（本分冊では g = 9.8m/sec 2 とする）とおくと，式（1.1）より
F = 66 × 9.8［N］≒ 647［N］となり，この人がぶら下がることによって，材料に 647［N］の力を加えたことになります。
この力を加えることを，荷重を加えるといったりあるいは単に負荷するといったりします。
われわれが日常において重さとか重量といっているのは式（1.1）の m で表している質量のことを指しており，材料の力学で荷重という場合は，日常においていう重さに重力の加速度をかけ合せたものになります。

〜4〜目

次

学習のねらい ............................................................................................ 1
第1週

機械製図 ..................................................................................... 3

1.1

線と図形 ....................................................................................................... 41.1.1

線の種類 ................................................................................................ 4

1.1.2

図形の表し方 ......................................................................................... 71.1.3

投影図の示し方 ..................................................................................... 8

1.2

図形の表現 ................................................................................................. 111.2.1

断面図 ................................................................................................. 11

1.2.2

図形の省略 .......................................................................................... 131.2.3

特殊な図示方法 ................................................................................... 151.3

寸法と公差 ................................................................................................. 181.3.1

寸法の読み方 ....................................................................................... 18

1.3.2

公

1.4

差 ................................................................................................. 22

設計と規格 ................................................................................................. 24

1.4.1

機械設計者に求められるもの ............................................................. 24

1.4.2

JIS と ISO ........................................................................................... 26

1.4.3

図面の機能 .......................................................................................... 26

1.4.4

国際規格のいろいろ ............................................................................ 28『まとめと練習問題』................................................................................. 30
第2週

形状公差 ................................................................................... 31

2.1

寸法の記入 ................................................................................................. 32

2.1.1

サイズ数値の表し方 ............................................................................ 322.1.2

寸法記入方法（1）............................................................................... 332.1.3

寸法記入方法（2）............................................................................... 38

2.2

はめあい方式（JIS B 0401-1：2016 参照）........................................... 48

2.2.1

常用はめあい ....................................................................................... 48

2.2.2

穴基準はめあい方式と軸基準はめあい方式 ......................................... 54

2.3

形体の精度（JIS B 0021：1998 参照）................................................... 55

2.3.1

幾何公差方式 ....................................................................................... 55

2.3.2

幾何公差の指示での注意点 .................................................................. 58〜i〜2.3.32.4

幾何特性の普通公差（JIS B 0419-1991 参照）................................ 59

サイズ公差と幾何公差................................................................................ 60『まとめと練習問題』................................................................................. 62
第3週

加工精度と信頼性 ....................................................................... 63

3.1

加工精度 ..................................................................................................... 64

3.1.1

設計の順序 .......................................................................................... 64

3.1.2

精度設計 .............................................................................................. 65

3.1.3

加工方法とサイズ公差 ......................................................................... 66

3.2

加工費用 ..................................................................................................... 683.2.1

表面粗さと加工時間 ............................................................................ 68

3.2.2

加工方法と表面粗さ ............................................................................ 68

3.3

信頼性と精度 .............................................................................................. 70

3.3.1

はめあいの推奨値 ................................................................................ 70

3.3.2

強度設計 .............................................................................................. 70

3.4

高信頼性設計 .............................................................................................. 74

3.4.1

製造物責任とリスクアセスメント ....................................................... 74

3.4.2

機械システムの寿命 ............................................................................ 76『まとめと練習問題』................................................................................. 82
第4週

電気製図 ................................................................................... 83

4.1

電気の基礎 ................................................................................................. 844.1.1

直流と交流 .......................................................................................... 84

4.1.2

オームの法則 ....................................................................................... 88

4.1.3

コンデンサの役割 ................................................................................ 94

4.2

スイッチとリレー....................................................................................... 99

4.2.1

スイッチ .............................................................................................. 99

4.2.2

リレー ............................................................................................... 101

4.3ダイオードとトランジスタ....................................................................... 103

4.3.1

ダイオード ........................................................................................ 103

4.3.2

トランジスタ ..................................................................................... 106

4.4回路図の読み方 ........................................................................................ 1094.4.1

電子回路図の読み方 .......................................................................... 1094.4.2電気回路図の読み方 .......................................................................... 115『まとめと練習問題』............................................................................... 129
STEP UP ............................................................................................ 130
練習問題の解答 ..................................................................................... 131
索

引................................................................................................. 133〜 ii 〜■ 第 1 週 ■機械製図【学習のポイント】
図面を読むに際して，最初にその対象物の形とサイズ割合を読み取ることです。その後で大きさ，精度，面の状態，その他の事項を読み取っていくとよいでしょう。
このようにして，対象物全体を正しく理解し，設計者の意向を汲み取ることができるようになります。本来の対象物は立体（三次元）であり，それを二次元の図形で示していることがポイントになります。そのためにいくつもの簡略表現が用いられています。
まず，最初は線と図形について学習します。

〜3〜

第 1 分冊

設計製図

1.1

線と図形

1.1.1

線の種類

機械製図に用いる線の形は，図 1.1 に示すものの他に点線，ミシン目線などがあります。
実線
破線
一点鎖線
二点鎖線
図 1.1

代表的な線の種類

さらに，これらの線幅を，極太線（幅約 1.2mm），太線（幅約 0.6mm）細線（幅約0.3mm）の 3 種類の大きさに描き分けて，線の種類を区別します。なお，各線の用途については次にまとめて示します。
（1）線の太さの基準は，0.18，0.25，0.35，0.5，0.7，1，1.4，2.0mm です。
（2）線の用途は，表 1.1 に示します。線の太さの基準は，普通は細線と太線を用い，特殊な用途にのみ極太線を用います。細線，太線，極太線の太さの比率は 1：2：4とします。
さまざまな線の使い方を，図 1.2 に示します。
例 1 に使われている線には番号をつけてありますので，表 1.1 と見比べながら確認してください。
例 2 は容器内部の液面を示したものです。
例 3 ではタンクの薄肉部分を極太線で示しています。
例 4 は繰り返しのピッチ基準を表しています。
例 5 では想像線の役割を示しています。右側に別の部品がくっ付くことを表します。
例 6 ではキー溝カッターで加工する様子を想像するように描いています。
例 7 の（a）は折り曲げる前の状態を想像させるものです。
（b）はリベットを叩いて加工した後の形を想像させようとしています。
（c）は加工後にネジ底を平面にすることを示しています。
〜4〜

機械製図

表 1.1
用途による名称

線

の

種

第1週

線の種類による用法（JIS B 0001：2010 抜すい）
類

線

の

用

途

図1.2の
照合番号

対象物の見える部分の形状を表すのに用いる。

1.1

寸法線

寸法を記入するのに用いる。

2.1

寸法補助線

寸法を記入するために図形から引き出すのに用いる。

2.2

引出線

記述・記号などを示すために引き出すのに用いる。

2.3

図形内にその部分の切り口を90度回転して表すのに用いる。

2.4

中心線

図形の中心線（4.1）を簡略に表すのに用いる。

2.5

水準面線（1）

水面，油面などの位置を表すのに用いる。

2.6

対象物の見えない部分の形状を表すのに用いる。

3.1（1）図形の中心を表すのに用いる。
（2）中心が移動した中心軌跡を表すのに用いる。

4.1
4.2

外形線

太い実線

回転断面線

細い実線

細い破線
または太い破線

かくれ線
中心線

細い一点鎖線

特に位置決定のよりどころであることを明示するのに用いる。

4.3

ピッチ線

繰返し図形のピッチをとる基準を表すのに用いる。

4.4

特殊指定線

特殊な加工を施す部分など特別な要求事項を適用すべき範囲を表すのに用いる。

5.1

基準線

想像線（2）

太い一点鎖線

細い二点鎖線

重心線（1）隣接部分を参考に表すのに用いる。
（2）工具，ジグなどの位置を参考に示すのに用いる。
（3）可動部分を，移動中の特定の位置または移動の限界の位置で表すのに用いる（4）加工前または加工後の形状を表すのに用いる。
（5）図示された断面の手前にある部分を表すのに用いる。

6.1
6.2
6.3

断面の重心を連ねた線を表すのに用いる。

6.7

対象物の一部を破った境界，または一部を取り去った境界を表すのに
用いる。

7.1

6.4
6.5

破断線

不規則な波形
細い実線
またはジグザグ線

切断線

細い一点鎖線で，端部および方向の変わる部分を太くしたもの（3）ハッチング

細い実線で，規則的に並べたもの

図形の限定された特定の部分を他の部分と区別するのに用いる。たとえば，断面図の切り口を示す。

9.1

細い実線

（1）外形線およびかくれ線の延長を表すのに用いる。
（2）平面であることを示すのに用いる。
（3）位置を明示するのに用いる。

10.1
10.2
10.3

極太の実線

薄肉部の単線図示を明示するのに用いる。

11.1

特殊用途の線

断面図を描く場合，その切断位置を対応する図に表すのに用いる。
8.1

注 （1） JIS Z 8316には，規定していない。
（2） 想像線は，投影法上では図形に現れないが，便宜上必要な形状を示すのに用いる。
また，機能上・工作上の理解を助けるために，図形を補助的に示すためにも用いる。
（3） 他の用途と混用のおそれがないときは，端部および方向の変わる部分を太くする必要はない。
備考

細線，太線および極太線の太さの比率は，1：2：4とする。

例 8 では，左側が断面図ですが，あえて出っ張り部分があることを示すために 6.5の想像線が描かれています。
例 9 では外形線の延長を示しています。
例 10 は平面であることや位置を示しています。
〜5〜

目

次

学習のねらい ............................................................................................ 1
第 1 週 締 結 ........................................................................................ 3
1.1 ねじ .............................................................................................................. 4
1.1.1 ねじの機能 ............................................................................................ 4
1.1.2 ねじの名称と用語 .................................................................................. 5
1.1.3 ねじの力学 ............................................................................................ 6
1.1.4 ねじの種類 ............................................................................................ 7
1.1.5 ボルト・ナットの代表的な使用法 ......................................................... 9
1.1.6 ねじのゆるみと対策 ............................................................................ 10
1.1.7 ねじのトラブル事例 ........................................................................... 12
1.2 溶接 ............................................................................................................ 14
1.2.1 溶接の原理 .......................................................................................... 14
1.2.2 アーク溶接 .......................................................................................... 14
1.2.3 溶接継手と溶接箇所 ............................................................................ 16
1.2.4 溶接欠陥と検査 ................................................................................... 17
1.2.5 溶接のトラブル事例 ............................................................................ 19
1.3 リベット ..................................................................................................... 22
1.3.1 リベットの方法 ................................................................................... 22
1.3.2 熱間リベットと冷間リベット .............................................................. 23
1.3.3 トラブルの兆候 ................................................................................... 24
1.3.4 リベットのトラブル事例 ..................................................................... 24
1.4 組み付け ..................................................................................................... 26
1.4.1 締結 ..................................................................................................... 26
1.4.2 アライメント ....................................................................................... 27
1.4.3 メカニズムの精度 ................................................................................ 28
1.4.4 ずれの測定方法 ................................................................................... 29『まとめと練習問題』................................................................................. 32
第 2 週 伝達と変換 ................................................................................ 33
2.1 歯車・ベルト .............................................................................................. 34
2.1.1 歯車の種類 .......................................................................................... 35
2.1.2 歯車の伝動 .......................................................................................... 35
2.1.3 モジュール .......................................................................................... 39
2.1.4 歯車の用語 .......................................................................................... 40
2.1.5 歯車の材質 .......................................................................................... 41
2.1.6 歯面の損傷と診断・検査 ..................................................................... 41
2.1.7 歯車のトラブル事例 ............................................................................ 42
2.1.8 ベルト ................................................................................................. 45
2.2 カム ............................................................................................................ 49
2.2.1 カムの種類 .......................................................................................... 49
2.2.2 カムの運動 .......................................................................................... 53
2.3 リンク ........................................................................................................ 57〜i〜2.3.1 リンクの基本 ....................................................................................... 57
2.3.2 リンクの応用 ....................................................................................... 60
2.4 軸と軸受 ..................................................................................................... 63
2.4.1 軸 ......................................................................................................... 63
2.4.2 軸継手 ................................................................................................. 64
2.4.3 軸への締結 .......................................................................................... 65
2.4.4 軸受の種類 .......................................................................................... 68
2.4.5 すべり軸受 .......................................................................................... 70
2.4.6 転がり軸受 .......................................................................................... 72
2.4.7 軸のトラブル事例 ................................................................................ 80『まとめと練習問題』................................................................................. 84
第 3 週 密封装置（シール）...................................................................... 85
3.1 O リング ..................................................................................................... 86
3.1.1 密封装置の種類 ................................................................................... 86
3.1.2 O リング .............................................................................................. 87
3.1.3 O リングの取り扱い ............................................................................ 88
3.2 ガスケット ................................................................................................. 90
3.2.1 メタルガスケット ................................................................................ 90
3.2.2 非金属ガスケット ................................................................................ 90
3.2.3 その他のガスケット ............................................................................ 91
3.3 メカニカルシール....................................................................................... 92
3.3.1 メカニカルシールの構造 ..................................................................... 92
3.3.2 密封端面 .............................................................................................. 92
3.4 その他の密封装置....................................................................................... 93
3.4.1 グランドパッキン ............................................................................... 93
3.4.2 オイルシール ...................................................................................... 94『まとめと練習問題』................................................................................. 95
第 4 週 トライボロジー .......................................................................... 97
4.1 潤滑の種類 ................................................................................................. 98
4.1.1 潤滑の必要性 ...................................................................................... 98
4.1.2 摩擦の原理と潤滑理論 ......................................................................... 98
4.1.3 潤滑剤の種類 ..................................................................................... 102
4.2 グリース ................................................................................................... 104
4.2.1 グリースの種類 ................................................................................. 104
4.2.2 グリースの特徴 ................................................................................. 106
4.2.3 グリースと潤滑油の比較 ................................................................... 107
4.2.4 グリースの選定 ................................................................................. 107
4.3 潤滑油 ...................................................................................................... 108
4.3.1 流体潤滑と境界潤滑 .......................................................................... 109
4.3.2 軸受油の選択 ..................................................................................... 109
4.3.3 歯車と潤滑 ........................................................................................ 112
4.4 潤滑油の使用 ............................................................................................ 116
4.4.1 潤滑の方法 ........................................................................................ 116
4.4.2 給油 ................................................................................................... 117
4.4.3 油の劣化 ............................................................................................ 117『まとめと練習問題』............................................................................... 119
STEP UP ............................................................................................ 120
練習問題の解答 ..................................................................................... 121
索 引................................................................................................. 123〜 ii 〜■ 第 1 週 ■締結【学習のポイント】
機械要素にもさまざまなものがあります。ここでは，部品や材料を固定する要素を最初に取り上げています。ねじ，溶接，リベットなどです。次週で，部品同士に回転運動などがあるときの接続要素として，歯車や軸を取り上げています。さらに，それらの軸を支える軸受について取り上げています。
それぞれの要素に対して，実際に起きたトラブル事例を学ぶこと
から，よりよい設計方法のポイントを身に付けることができます。
ねじ，溶接，リベットは，機械・構造物の組立に用いられています。
ねじは，ボルト・ナットなどのねじ継手として重要な一時締結要
素です。また，おねじとめねじの相互回転によって小さな回転モーメントで大きな軸方向力を得る推力ねじとしても使われています。
溶接とリベットは，永久締結要素です。溶接は，リベットに比べて継手効率（つないだ板と１枚の板との強度比）が大きいので，重量の軽減ができます。溶接棒，工法，検査法などの進歩によって，応用範囲が広くなりました。リベットは，構造が簡単で，溶接に比べて熱の影響が少なく，信頼性が高いので，圧力容器，鉄鋼構造物，
船舶，航空機など多方面で使われています。

〜3〜

締結
1.1.2

第1週

ねじの名称と用語

図 1.2 と図 1.3 で，ねじの基本的事項を説明します。
①リード L
ねじのつる巻線に沿って軸のまわりを 1 周するとき，軸方向に進む距離です。
②ピッチ P
互いに隣り合うねじ山の相対応する 2 点を軸線方向に測った距離です。
③一条ねじ，多条ねじ
リードとピッチが等しいものを一条ねじといい，n 条ねじは L=nP です。
④有効径 d p
ねじ溝の幅がねじ山の幅に等しくなるような仮想的円筒の直径です。
⑤フランク角 a：
ねじ山の軸断面形において，ねじ面との交線をフランクといい，フランクと軸線に直角な直線となす角です。
めねじ
P/2

谷底

P/2
フランク角a

ねじみぞ内径（Dc）

有効径（Dp）

谷の径（Dr）

フランク角a

ねじ山の角度ピッチ（P）
山頂

ねじ山
めねじ

山頂
P/2

P/2

フランク角aフランク角a

軸線

谷底

おねじ

リード（L）

有効径（dp）

ピッチ ピッチ（P） （P）

外径（dc）

ねじ山の角度ピッチ（P）

谷の径（dr）

ねじ

おねじ
図 1.2

ねじの各部名称（2 条ねじ）

図 1.3

〜5〜

ねじ山部分の各部名称

第 1 分冊

機械要素

1.1.3

ねじの力学

図 1.4 のように，直径 d p の円柱に傾斜角 b（リード角）の斜面を巻き付けると，斜面は円柱面上につる巻線（らせん）を描きます。このつる巻線に沿ってねじ山をつけたものがねじです。つる巻線が円柱を 1 回転したときに軸方向に進む距離をリードといい，リード L とリード角 b には次の関係があります。
L = rd p tanb
つる巻線

L
L

b

L

rdP
dP
図 1.4

ねじの原理

図からわかるように，ねじは ｢斜面の力学｣ の応用です。いま，図 1.5 のようにボ
ルトとナットで部品Ⅰ，Ⅱが結合されている場合を考えます。ただし，ねじの断面は四角形とします。さらにナットで部品を締め上げる場合，斜面のモデルは図 1.6 のよ
うに表せます。ここで，F はねじの軸方向に作用している力，n はナットとボルトのねじ面の摩擦係数，ナットの有効径の所に与える力を P とし，ナットと座面の摩擦は無視します。このとき，力のつり合いの式は次のように書けます。
P － Nsinb － nNcosb = 0
F ＋ nNsinb － Ncosb = 0
2 つの式より P を求めると，
P = F（tanb ＋ n）/（ 1 － ntanb）
ここで，摩擦角 t を用いて n = tant とおくと，P = F（tanb ＋ tant）/（ 1 － tanttanb）= Ftan（b ＋ t）となり，締付けトルク T は
T = P（d p / 2）= F（d p / 2）tan（t ＋ b）
〜6〜

目

次

学習のねらい ............................................................................................ 1
第 1 週 モータと電力 ............................................................................... 3
1.1 DC モータ .................................................................................................... 4
1.1.1 モータとは ............................................................................................ 4
1.1.2 DC モータ ............................................................................................. 7
1.2 AC モータ .................................................................................................. 11
1.2.1 誘導電動機の原理 ................................................................................ 11
1.2.2 単相誘導電動機 ................................................................................... 14
1.3 ステッピングモータ ................................................................................... 16
1.3.1 ステッピングモータの種類 .................................................................. 16
1.3.2 ステッピングモータの制御 .................................................................. 18
1.3.3 励磁方法 .............................................................................................. 20
1.3.4 自起動周波数 ....................................................................................... 21
1.4 モータと電力 .............................................................................................. 23
1.4.1 電力について ....................................................................................... 23
1.4.2 電力量について ................................................................................... 24
1.4.3 正弦波について ................................................................................... 24
1.4.4 ベクトル表示について ......................................................................... 26
1.4.5 交流の電力 .......................................................................................... 29『まとめと練習問題』................................................................................. 32
第 2 週 モータの駆動技術 ....................................................................... 33
2.1 インダクションモータの駆動 ..................................................................... 34
2.1.1 インダクションモータの種類と特徴.................................................... 34
2.1.2 インダクションモータの特性 .............................................................. 34
2.1.3 始動方法と制動方法 ............................................................................ 37
2.2 三相モータの駆動方法................................................................................ 40
2.2.1 三相モータの主回路 ............................................................................ 40
2.2.2 モータの正・逆転 ................................................................................ 44
2.2.3 スターデルタ始動回路 ......................................................................... 45
2.3 モータの制動・各種モータ......................................................................... 47
2.3.1 モータの制動 ....................................................................................... 47
2.3.2 各種モータ .......................................................................................... 49
2.4 DC モータ・ステッピングモータの制御 .................................................... 53
2.4.1 DC モータ制御の種類 .......................................................................... 53
2.4.2 DC モータの始動と制動 ..................................................................... 53
2.4.3 DC モータの各種制御 .......................................................................... 56
2.4.4 DC モータの各種駆動回路 ................................................................... 58
2.4.5 ステッピングモータの制御 .................................................................. 63『まとめと練習問題』................................................................................. 69〜i〜第 3 週 負荷・トルク計算 ....................................................................... 71
3.1 慣性モーメントの計算................................................................................ 72
3.1.1 モータ選定の手順 ................................................................................ 72
3.1.2 慣性モーメント ................................................................................... 74
3.2 トルクの計算（1）...................................................................................... 78
3.2.1 モータにかかるトルクの計算 .............................................................. 78
3.2.2 モータの仮選定 ................................................................................... 82
3.3 トルクの計算（2）...................................................................................... 83
3.3.1 加速トルクの計算 ................................................................................ 83
3.3.2 実効トルクの計算 ................................................................................ 84
3.3.3 特性チェック ....................................................................................... 85
3.3.4 モータの制御 ....................................................................................... 86
3.4 モータ選定の考え方 ................................................................................... 87
3.4.1 モータ制御システム ............................................................................ 87
3.4.2 サーボモータへの要求 ......................................................................... 90
3.4.3 サーボモータの選び方 ......................................................................... 92『まとめと練習問題』............................................................................... 100
第 4 週 インバータ制御・サーボ制御....................................................... 103
4.1 インバータ制御 ........................................................................................ 104
4.1.1 汎用インバータ ................................................................................. 104
4.1.2 汎用インバータの原理 ....................................................................... 105
4.2 インバータ制御回路技術 .......................................................................... 107
4.2.1 基本回路 ............................................................................................ 107
4.2.2 制御特性 ............................................................................................ 109
4.2.3 使用上の注意 ..................................................................................... 111
4.3 インバータの応用..................................................................................... 115
4.3.1 瞬時電圧降下（瞬停）時の運転 ......................................................... 115
4.3.2 簡易位置決め装置 .............................................................................. 117
4.3.3 ベクトル制御によるインダクションモータのサーボ制御 .................. 118
4.4 サーボシステム ........................................................................................ 119
4.4.1 サーボコントローラの選定 ................................................................ 119
4.4.2 サーボコントローラの仕組み ............................................................ 120
4.4.3 入出力信号とサーボアンプ ................................................................ 122
4.4.4 サーボモータの選定 .......................................................................... 128『まとめと練習問題』............................................................................... 133
STEP UP ............................................................................................ 134
練習問題の解答 ..................................................................................... 135
索 引................................................................................................. 137〜 ii 〜■ 第 1 週 ■モータと電力【学習のポイント】
英語で motor というと，いろいろな意味があります。
たとえば，動かす人や物，自動車，運動筋肉（神経），それとモー
タなど。
したがって，日本語で使われる電動機といった意味以外にも数々の場面で使われることになります。いわゆる物理的な力を引き起こす元になるもの，と考えればよいでしょう。
昔々の機械式時計がディジタルに置き換わってから久しいですが，実際の物を動かすロボットになってきますと，従来のモータの働きにとって代わるものはまだ現れていません。確かに，超音波モータやバイオモータなどは考案されましたが，全面的に主役を占める
ことはまずないでしょう。
モータ以外のアクチュエータ（actuator: 駆動するもの）としては，
油空圧シリンダや電磁ソレノイドなどがあげられます。
この週では，各種モータの原理と使い方を中心に学習します。
子供のころに，小学校の理科の時間でエナメル線を巻いてモータを作った経験のある人や，ラジコンやミニ四駆をニッカド電池で走らせたことのある人は，どうかひとつそのころを想い出しながら，新鮮な気持でページを読み進めてください。

〜3〜

第 1 分冊

モータと電力1.1

DC モータ

1.1.1

モータとは

すでに述べたように英語で motor というと，いろいろな意味があります。
たとえば，何かを動かす人，何かを動かす装置，自動車，運動筋肉や運動神経，それと電気のモータなどです。どれもが最終的には物理的な力を引き起こす仕組みのことを指しています。
本書で取り扱うのは，もちろん電気のモータのことです。外部からコイルに電流を流すと，回転力や直進力が簡単に得られるのがモータです。
実際に，モータはさまざまなところに使われています。
携帯電話のマナーモードを知らせるメカニズム，オーディオ機器，洗濯機のような家電製品の中に。
自動車のウィンドウの開閉，電動車椅子の駆動に。
ロボットの関節軸の駆動，コンベアの移送，機械主軸の駆動に。
サイズの小さなものから大きなものまで。
パワーの少ないものから大きいものまで。
エンジニアとしては，そのあたりの使い分けを知る必要があります。
電動モータの動く原理は基本的に同じです。
図 1.1 に示すように，N と S の磁極が作る磁界中に置かれた電線に電流を流すと，直角方向に電線を動かす力が発生します。これが有名なフレミングの左手の法則と呼ばれるものです。この Fleming's left hand rule は，この講座のテキスト中に何度か出てきます。
磁界の方向と電流の方向が決まると，電磁力の発生方向が決められます。それを覚えやすくしたものが図 1.2 になります。
電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するのが，この法則によって示されます。なお，合せてフレミングの右手の法則についても，図 1.3 と図 1.4 に示します。
これは左手の法則を逆にしたものです。磁界中で電線を動かすと，電線に起電力が発生して電流が流れます。機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するわけで，これが発電機の原理となっています。
〜4〜