メカトロ工作に関わる人にとって、正確な知識と技術は不可欠です。この記事では、モータ制御、センサ活用、はんだ付け、通信方式など、メカトロ工作の基本となる10の重要なトピックについて、クイズ形式で学べる内容をお届けします。これらの基礎知識を確認・習得することで、より安全で効果的なメカトロ製作が可能になります。ステッピングモータの特性から、PWM制御、歯車の機能、入力チャタリング対策、PID制御の要点まで、実践的な問題を通じて理解を深めましょう。メカトロ分野における基礎知識の習得に、ぜひこの記事をご活用ください。
Q1 : I2Cバスでよく使われるプルアップ抵抗の代表的な値はどれか？
I2Cはオープンドレイン（またはオープンコレクタ）でプルアップ抵抗によりラインをHighに引き上げます。代表的な値としては4.7kΩがよく使われ、特に100kHzや400kHzの標準・高速モードで安定した通信が可能です。バス長やデバイス数、容量によっては2.2kΩや10kΩが選ばれることもありますが、100kΩや1MΩでは立ち上がりが遅くなり通信が不安定になり、220Ωでは消費電流が増えてデバイスに負担がかかるため注意が必要です。
Q2 : ステッピングモータの共振や振動を抑える一般的な対策はどれか？
ステッピングモータは低速付近で共振や振動が発生しやすく、単純に電流を上げたり電源電圧を下げるだけでは根本解決にならないことが多いです。効果的な対策としては、マイクロステッピングや高分解能ドライバの採用、アンチレゾナンス（モータドライバ内蔵または外付け）機能、機械的ダンパーや粘性ダンパの導入、支持構造の剛性向上、ギヤやベルトの適正化などを組み合わせることです。これにより振動を抑え、静粛性と位置精度を改善できます。
Q3 : 直流ブラシモータをPWM制御する場合、回転速度とPWMデューティ比の関係として最も正しいのはどれか？
直流ブラシモータのPWM制御では、デューティ比が増えると供給される平均電圧が上がるため、負荷条件が同じなら回転速度は一般に増加します。ただし負荷や電源、モータの特性、機械的摩擦などにより完全に比例するわけではなく飽和や変動もあるため、速度制御が必要な場合は速度フィードバックを用いた制御（クローズドループ）や適切なゲイン設定を行うのが望ましいという点も理解しておく必要があります。
Q4 : メカトロ工作でリチウムイオン電池を使用する際に必ず取り入れるべき安全対策として最も重要なのはどれか？
リチウムイオン電池は高エネルギー密度である反面、過充電や過放電、短絡が発生すると発火や破裂の危険があります。そのためBMS（バッテリーマネジメントシステム）や過電流保護、温度監視などの保護回路を必ず組み込み、メーカー推奨の適正充電器を使用して充電・放電管理を行うことが必須です。適切な保護と運用手順、セルのバランス管理を怠ると重大事故につながるため、安全対策が最優先です。/>
Q5 : ステッピングモータと直流ブラシモータの主な違いとして、位置制御をオープンループで正確に行えるのはどれか？
ステッピングモータは一定のステップ角を持ち、ステップ数を制御することで開ループでも任意の角度まで比較的正確に位置決めできます。エンコーダ付き直流モータやサーボモータはフィードバック（クローズドループ）による位置制御を前提とすることが多く、ブラシレスDCは速度制御やトルク制御が主体です。ステッパは低速での高トルク・簡易制御が利点ですが、脱調や振動、低速での共振などの課題があり、用途に応じてドライバやマイクロステップ制御を用いることが一般的です。これにより外部センサ無しでの位置決めが可能になるため、工作機や小型ロボットのメカトロ工作でよく使われます。
Q6 : DCモータのPWM制御において、可聴帯域ノイズを避けるために推奨されるスイッチング周波数はどれか？
PWMの周波数を可聴域（一般に20Hz～20kHz）より高く設定するとモータからのビープ音やハム音を低減できます。多くの設計では約20kHz以上を選ぶことで人の可聴範囲を越え、騒音が気にならなくなります。ただし周波数を上げるとスイッチング損失やEMIが増えるため、ドライバの能力や放熱、電磁対策（フェライト、スナバ回路等）を考慮する必要があります。周波数選定はモータのインダクタンスやドライバ特性、効率のバランスで決定します。
Q7 : 歯車比が4:1（減速機）で接続された場合、出力軸のトルクと回転速度はどのように変化するか？
歯車比4:1の減速機は入力軸1回転に対して出力軸が1/4回転するため、回転速度は1/4に低下します。力（トルク）は理想的には回転速度の逆比例で増加するため約4倍になります（摩擦や効率損失を除く）。出力トルクはトルク＝入力トルク×減速比×効率で見積もられ、同時に出力の停止力や細かい位置決め性能が向上します。選定時は許容トルク、効率、バックラッシュ、耐久性を考慮してください。
Q8 : リミットスイッチなどの接点入力でチャタリング（多重検出）を防ぐ最も確実な方法はどれか？
接点チャタリングは物理的接触の振動で短時間にオンオフが発生する現象で、単一の対策では完全に排除できないことが多いです。実務では入力にRC低域フィルタやシュミットトリガ回路を入れてハード面でノイズを低減し、マイコン側で一定時間安定した状態が続いてから入力を有効とするソフトウェアデバウンスを行う組合せが確実です。これにより応答性と信頼性のバランスが取れ、誤検出を抑えられます。
Q9 : PID制御における積分（I）項の主な効果はどれか？
積分項は時間にわたる誤差の累積を補正し、最終的な目標値に到達しても残る定常偏差を小さくする、あるいはゼロに近づける働きをします。ただし積分を大きくすると系の位相余裕が減少して振動やオーバーシュートが発生しやすくなるため、適切なゲイン調整が必要です。一般的なチューニングでは比例（P）で応答性を改善し、積分（I）で定常誤差を除去、微分（D）で振動抑制や応答の先読みを行います。
Q10 : はんだごてのこて先の清掃で推奨される方法はどれか？
はんだ付け作業ではこて先の酸化膜や余分なフラックスを除去して熱伝導を保つことが重要です。濡れスポンジで拭く方法もありますが、温度ショックでこて先の寿命を短くする場合があるため、真鍮製のスポンジ（ブラスウール）を用いてやさしくこて先を掃除する方法が広く推奨されます。これによりはんだの湿りが良くなり、均一で良好なはんだ付けが可能になります。必要に応じてこて先の表面に新しいはんだを馴染ませて保護します。
まとめ
いかがでしたか？ 今回はメカトロ工作クイズをお送りしました。
皆さんは何問正解できましたか？
今回はメカトロ工作クイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください！
次回のクイズもお楽しみに。
