モータ軸直接駆動型単一モータ
ライントレーサキットの開発
平岡 延章* 十河 宏行* 由良 諭* 正箱 信一郎*Single Motor Line Tracer with Intermittent Motor Shaft Direct Drive Scheme
Nobuaki HIRAOKA, Hiroyuki SOGO, Satoshi YURA and Shinichiro SHOBAKOAbstract

A single motor line tracer type training kit that has basic factors on mechatronics systemsuch as sensor, actuator, power drive, micro-controller and control code is described. The kit
has a base plate of printed circuit board where one small DC motor and follower legs madeof meandering aluminum wire are fixed by nylon fasteners. Electronic devices including
micro-controller and battery cases are soldered to the PCB, and a photo reflector for line
tracing is placed in front of the motor. For cost cut, the number of motor is reduced down to
one and motor shaft direct drive method without reduction gears is used. Intermittent drive
scheme is introduced to overcome the insufficient degree of freedom for forward andsteering motions due to single motor system. Key design concept is briefly described, anddiscussed.

Keywords : Single Motor Line Tracer, Motor Shaft Direct Drive, Intermittent Drive Scheme,Low-Cost Training Kit, Mechatronics System井３）が模型駆動に用いることを提案し，製作事例を紹介している．
次章で，単一モータライントレーサキットの基本コ

1. はじめにモノづくりの動機付けにおいては，仕組みが簡単で確実に動作する機械システムを自分で組み立て，その．．．．
からくりからモノづくりに興味を持たせるリアルな経験が大切である．ここでは，機械電子工学科が電気情ンセプトと基本構造を示し，単一モータで二自由度（走行･操舵）のライントレースを実現するための動作原理

報工学科有志と協力して実施してきた小学生向けモノを述べる．続いて，アイデア着想から現在の形に至るづくり体験講座「からくり工房 201x」１）用に開発したまでの開発過程を概観し，若干の考察を加えて小文の安価な組立工作キットの仕組みと開発概況について報まとめとする．

告する２）．
2. 基本コンセプトと全体構造

ここで紹介する組立キットは，プリント回路基板を2.1 開発コンセプト

土台として，電池ボックスや模型用ＤＣモータを回路基板に直接取り付けた自立自走型のライントレーサで別報４）で紹介し当学科の学生実験実習用として供用ある．部品点数を少なくし，安価かつ組み立てやすい中の組立教材キットから，さらに部品点数を削減してキットに仕上げるため，モータの数を一つとし，減速コストカットすることを考える過程で，単一モータラ機を廃してモータ軸で床面を直接駆動する方式とする． イントレーサのアイデアが生まれた．
アイデアの実現に際し，著者らが重視したキット設
なお，モータ軸直接駆動のアイデアは古く，例えば三計の基本コンセプトを以下に列挙する．
＊・メカトロニクスの基本要素を具備すること．

香川高等専門学校機械電子工学科

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独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要8(2017)

・卓上で何がしかの知的な動作をすること．
・正しく組み立てることで確実に動作すること．
・組み立て作業が容易であること．
・部品点数が少なくローコストであること．
・入手容易な物品で構成すること．
2.2 基本構造
図１に開発した単一モータライントレーサの写真（後方から見たはんだ面と前方から見た部品面）を示す．
ライントレーサの基本構造は，プリント回路基板を土図２ 単一モータライントレーサの電子回路図台として，その上に小型ＤＣモータ，電池ボックス，光センサ，電子回路等を実装する一体の自立/自律型であり，定数の増減に対して余裕を持たせた値である．

ある．モータ軸とアルミ線を曲げ加工した後脚による床面を直接駆動するモータ一つでライントレース動３点支持とし，モータ軸で床面を直接駆動する．

作を行うためには，モータの正逆転動作が必須となる．
マイクロコントローラによりＤＣモータの正逆転を行うには，二つの回路選択がある．一つは，Ｈブリッジ回路を用いる方法で，電力素子４個が必要となる．モ

部品面ータ動作時にパワー素子２個分相当の電圧損失があり，低電圧大電流型の負荷を駆動する場合，電圧効率が低い．二つ目は，正転と逆転で別々の電源（電池）を用いるシングルエンド回路である．電池が余分に必要となはんだ面る点を除けば，回路構成が簡単で部品数は少ない．
低電源電圧動作では，いずれの回路でもハイサイド側の電力素子の駆動に工夫を要し，コンプリメンタリ

図１ 単一モータライントレーサペア素子の使用，もしくはレベルシフタまたはフォトカプラが必要となる．ここでは，部品点数の少ないシモータは，回路基板上に張ったビニル紐（配線結束用）ングルエンド型を採用し，パワー素子としてリードリで固定位置を定め，基板の穴に通した結束バンドで締レー（機械接点）を用いることで，ハイサイド側の駆動め付けて固定する．
前端下部に光センサ（黒い箱状）を，のため部品が増加するという不都合問題を解決した．

モータ上方に動作状態表示用のＬＥＤ（部品面側が黄なお，ここで用いたリードリレー巻線の定格電圧が５色に光っている）を取り付け，中央下部に２本の単４型V であるため，２個のモータ用電池にボタン電池１個乾電池を，上部にマイクロコントローラとリードリレを追加し，制御部電源電圧を４.５V にかさ上げした．

ー（２本並んだ黒い箱）を実装した．後端下部にアルミ

図３は，はんだ面から見た回路基板のアートワーク

線を洋服ハンガー型に曲げ加工して中央部を持ち上げである．外寸は，幅８４mm×高さ４５mm で，切削た形状の支持脚を取り付け，はんだ面側の後方上部に型のプリント基板加工機を用いて学科内の実験室で作

ボタン電池を配置した．っている．
裏文字に見える赤色のデータは部品面（この2.3 電子回路回路図を図２に示す．マイクロコントローラを中心に，左に光センサと押しボタンスイッチの入力要素を，右にＬＥＤとモータ制御素子の出力要素を描いた．制御部の電源は，別報４）に記した電源分離を行い模型用ＤＣモータの短絡モードにより生じる不具合に対処した．R5 の役割は，アートワーク布線の都合で発生したジャンパー線であり，回路設計上は０として特段の支障はない．図中の回路定数は設計中央値の数値例で

図３ はんだ面から見た回路基板のアートワーク

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平岡延章

他:モータ軸直接駆動型単一モータライントレーサキットの開発

図の裏面）側の加工データである．

では，歩幅小，中が適度な動作になり，歩幅大は前端右側下方に引かれた線の中から「□」もしくは「△」が大きく左右に振れるワイルドな動作となる．乾電池の組のどちらかを選んでビニル紐を張ることにより，が消耗すると，歩幅小では，うまく前進できなくなりモータの床面に対する取り付け角度を大（□），小（△）

歩幅中，大が適度な運動となってくる．プログラム例

から選択できる．
右下端が光センサの取り付け位置で，に示したモード切り替えは，ライントレース時の動作

基板左下端の切れ込みに洋服ハンガー型に整形したアの変化を楽しむためと同時に，動作に伴う電池消耗にルミ線の中央下部を持ち上げて差し込み，後脚の中央対処して電池動作時間を長くするための工夫でもある．

支持部とする．ボタン電池用電池ボックスは，電池の負極がプリント回路基板のパターン銅箔と直接接触す

2.5 原価計算

るよう，はんだ面側に実装して配線の無駄をなくした．

組立キットの部品表と 2016 年夏時点の部品原価を表１に示す．価格は，安価な通信販売事業者から部品2.4 制御プログラムを 10 個，100 個単位で購入した場合の部品単価から算制御プログラムの流れのサンプル例を図４に示す．

出したものである．回路基板については，未加工の定電源オンに続くオンチップパワーオンリセットの動作

尺生基板（約 1 m×1 m）の購入価格から割り出したプ

後プログラムがスタートし，入出力ポートとタイマやリント基板素材の価格である．

割込みなどの初期設定をした後，ライントレースを行う無限ループに入る．

表１ 部品表と原価計算例

図４ 制御プログラムの流れの一例
電源オン時の初期モードは，モータ停止モードで，この状態でライントレーサを走行させる床面に置き，センサの感度を調整し，床の白黒に対する応答を確認することができる．割込み駆動の押しボタンスイッチを押すと，図４の右上に示した順序で８個の動作モードが順に切り替わる．したがって，床面に描かれた黒ラインの右もしくは左エッジをトレースするライント

文献４で紹介したＤＣモータを２個使用する形式のレース動作を，それぞれ３種類の歩幅で実行できる．

ライントレーサキットとの比較で，部品点数が８３％

ここで，ライントレーサの歩幅は，空間距離ではな（41→34 点）に減少し，組み立て工数が少なくなった．

くモータを駆動する時間幅でプログラムしており，そまた，部品表からネジ類がなくなり，組み立て難易度

れぞれのモードにおける一歩の移動距離は電池の新しが下がった．キット原価も若干ではあるが割安となっい/古いや消耗の度合いにより変動する．新しい乾電池た．

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3. 単一モータによるライントレース動作

続回転させるのではなく，モータ電流を断続して間欠

3.1 間欠駆動運動の観察回転させると，静摩擦による蹴りだし効果を利用でき，前章で述べた単純な構造の機構に取り付けたモータ

パルス状ではあるがより大きな駆動力を繰り返し発生

一つ（１自由度）を回転させるだけで，ライントレースさせることができる．

（前進と操舵の２自由度）動作ができるだろうか？

マイクロコントローラ搭載機器では，通常ＰＷＭ駆

ここで提案したライントレーサで，モータを間欠駆動法によりＤＣモータの速度制御を行うため，間欠駆動する際の一歩ごとの動きを観察して，模式的に表し動の実装にあたりハードウェア，ソフトウェア上の仕たものが図５である．大きな三角形の各頂点は床面と組みに特別な追加負担はない．したがって，モータ軸の接地点（モータ軸と後脚の両端）を表し，赤印がモー直接駆動では，間欠駆動法†が一つの有効な選択肢でタ軸側である．モータを間欠駆動すると，図中に丸印ある．

「Ｌ」または「Ｒ」で示した点付近を中心とした円弧に沿ってモータ軸端が動き，１回の On/Off で例えば図4. 着想から実現までを振り返って中の矢印分だけ移動する．

4.1 着想とスケルトンモデルによる検証
ライントレーサの部品数を削減するため，駆動モータを一つにしたい．しかし，運動自由度を考えると無BLA

理がありそうだ．モータの回転方向を正逆転させるだ
けでは，ただ同じ場所を往復運動することしかできな

Cいだろう．でも，試してみよう．図６は，この機構のアイデア確認に用いた簡易模型である．

D乾電池

R
図５ 間欠駆動時の接地点の運動
スイッチ

図５の事例では，モータを左に１歩，右に２歩だけモータ
リード線

図６ 動作確認用スケルトンモデル

間欠駆動した際の運動を示しており，結果としてモータ軸端（赤三角）が A → B → C → D と前方（図の右方

このスケルトンモデルは，両面プリント基板の切れ向）に向かって移動していく．
モータ軸付近の床面の白端をはんだ付けして機構の骨格を作り，模型用のＤＣ黒を光センサにより検知して，図に示すように白黒のモータを軸が床に対して斜めになるよう，針金入りの境界線方向にモータを駆動すれば，境界線を行き来しリボン紐でプリント基板に縛り付けたものである．さながら少しずつ前に進むライントレーサが実現できる． らに，後方の水平部の両端に抵抗器のリード線をはんなお，ここで示した一連の運動に関する力学モデル

だ付けしてソリ状にしたバラック模型である．中立付を用いた解析は，今後進める予定である．の長レバートグルスイッチを介して乾電池１個を繋ぐことで，手動により正転・停止・逆転の操作ができる．

3.2 モータ軸直接駆動と間欠駆動

手動でスイッチを小刻みに切り替えると，軽いバラモータ軸直接駆動では，モータ軸と床面は点接触でック模型は勢い良く前へ前へと進んだ！ まったく予あり，連続回転するモータ軸と床面は動摩擦を介する想外の動作ではあったが，これが単一モータライントすべり接触となる．
したがって，
文献３に記述があり，レーサ開発のスタートとなった．ちなみに，モータの文献５,６で解説されているとおり，駆動力の伝達は不取り付け角度を図６に示す前傾とは逆の後傾にすると，安定である．また，床面が弾塑性変形して軸荷重によモータの適切な断続操作でバラック模型の後退運動がりくぼみができる場合，くぼみから抜け出すことがで確認できた．

きず駆動軸の空転を生じやすい．
ところで，モータ軸が静止状態から回転を始める際† 間欠駆動法は，ＰＷＭ(パルス幅変調)駆動と同じには，静止摩擦力が作用するため，一般に動摩擦駆動On/Off 駆動であるが，負荷慣性による運動の平滑化時より大きな駆動力が得られる．モータ軸を単純に連が起こらない低周波数領域の断続動作である．

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他:モータ軸直接駆動型単一モータライントレーサキットの開発

4.2 実用可能なキットの実現に向けてやわらかくて加工が容易であり，入手性もよい．
また，マイクロコントローラ制御のライントレーサに仕上リング状にすることで，必要な支持強度が得られる．

げるまでに，三つの困難があった．はじめは，２章の最後は，ライントレーサの質量の問題である．リー

電子回路の節で述べたとおりで，最少の部品数でＤＣドリレーの巻線仕様から，４.５V の電源電圧を得るたモータの正逆転駆動を簡単かつ確実に実現する方法をめに単３乾電池３個を用いて，図７に示す Ver.1 を作見出すことであった．

製したが，重心が高く不安定かつ重い（124 g：乾電池

模型用ＤＣモータの駆動に使用できる安価で入手容を含む）というのが試作の結果であった．

易なＨブリッジＩＣがあれば話しは簡単であるが，低そこで，重心を下げるために電池を回路基板両面に電圧で比較的大電流の模型用ＤＣモータの駆動に適す

振り分け，軽量化のためにモータに直接電力を供給しるものは見出せなかった．個別のパワー半導体素子でない乾電池１本を単４型に変更した「からくり工房

Ｈブリッジを構成すると素子数が増加し，またコンプ2015」モデル（Ver.2，103g：乾電池を含む）を図８に示

リメンタリ素子を使わない限りハイサイド側の駆動にす．重心が下がるとともに，若干の質量減を実現できさらに余分な部品が必要となる．一方，コンプリメンたが，はんだ面に配置した電池ボックスの取り付けとタリ素子は高価であり，また入手性が悪い．

配線が煩雑で，組み立てに苦労するモデルとなった．

ふとしたことから，小さなリードリレーが安価に販売されていることに気づき，問題は一気に解決した．
リレーは磁気駆動の機械接点であるため，駆動コイル側と負荷（機械接点）側は電気的に絶縁されており，使部品面用にあたってハイサイド側であるかローサイド側であるかを意識する必要がない．
二つ目は，後部の支持構造とその素材である．回路基板に簡単かつ強固に取り付けできる構造と素材は何か？ 図７は，ライントレーサの機能を持つ試作 Ver.1

はんだ面の写真である．後脚は，ピアノ線（φ１mm）を回路基板にあけた穴に通し，はんだ付けで基板銅箔に固定した．
丸線のはんだ付け固定は十分に強固ではないため，長期間の使用を考えると補助支持/固定対策が必要である．また，この太さのピアノ線を回路基板に通した

図８ 乾電池を回路基板の両面に配した Ver.2

後に，図のように曲げ加工するのは容易ではない．
以上の開発過程を経て，当初の諸課題を克服した図１の「からくり工房 2016」モデル（Ver.3，全質量 66g：はんだ面乾電池を含む）が，実用に耐える現行モデルである．ア
ルミ線を用いた後ろ足を持ち，モータ駆動用に単４乾部品面電池を２個，制御回路用の電圧かさ上げにボタン電池１個を使用している．モータ軸には，金属軸の上にビニルパイプ（魚釣用カラミ止パイプ： 外径２mm，内径１.５mm，長さ５mm 程度に切断）を差し込んで静/動摩擦の増加を図った．イラストにより部品を示した
公開講座用「部品表」の上にキット（Ver.3）一式（大きさの都合で回路基板を除く）の部品を並べると図９の図７ 試作ライントレーサ Ver. 1

ようになる．

いくつかの試行錯誤を経て，図１に示したようにφ5. まとめ

１.２mmの園芸用アルミ線を洋服ハンガー状に加工し模型用ＤＣモータ一つで動作する仕組みの簡単なロて，モータと同様に回路基板にあけた穴に通した結束ーコストライントレーサキットを紹介した．単一モーバンドで固定する方法にたどり着いた．この素材は，タ化により部品点数を削減し，モータ軸直接駆動法に119独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要8(2017)

図９ 部品表の上においたキット部品一式 (外形寸法の大きい回路基板を除く）

より減速機を廃してコストダウンを図った．本文で紹ロニクス基礎教育用ローコスト組立教材キットの介した工夫を取り入れ，メカトロニクスの基本要素を開発，平成２８年度「全国高専フォーラム」教育研具備する安価かつ組み立て容易な教材キットに仕上げ

究活動発表，D-10，2016．
３．三井康亘，アクリルモーターカーの工作，第２章，た．

日本放送出版協会，1980．

単一モータ化により生じる前進＋操舵に対する運動自由度の不足を，モータの正逆転と間欠駆動により補４．平岡延章，十河宏行，由良諭，正箱信一郎，メカト

う単純な機構を考案し，その動作を確認した．間欠駆

ロニクス基礎教育用ローコスト組立教材キットの動手法は，モータ起動時の静摩擦による蹴りだし効果

開発，
香川高等専門学校研究紀要第８号，pp.105-113，が利用でき，モータ軸直接駆動法の駆動力を高める駆2017.
５．浅野圭佑，白井達也，冨岡巧， ダイレクトモータ動法である．
ここで紹介したライントレーサキットは，2015 年，ーカーの運動特性の解析，日本機械学会ロボティッ

2016 年の夏に実施した小学生向け公開講座「からくりクス・メカトロニクス講演会 '10，2A1-E15，2010．

１）

工房201x」 で用いる組み立て教材として順次開発し，

６．小形遼平，白井達也，冨岡巧，ダイレクトモーター

講座教材として使用しながら実践的に評価し改良したカーの構造の違いによる運動特性の解析，日本機械ものである．ケーススタディではあるが，この小文が学会ロボティックス・メカトロニクス講演会 '10，メカトロニクス教育に携わる諸兄のご参考とならんこ

2A1-E24，2010．とを期待する．
参考文献
１．http://www.kagawa-nct.ac.jp/MS/koukaikouza/koukaikouza.html
２．平岡延章，十河宏行，由良諭，正箱信一郎，メカト120