2017年5月29日月曜日

振動するオブジェ(山あり谷あり編)

山あり谷あり編を作ってみました。


 ①
電磁石は前回と同様、
M16×55mmの六角ボルトに
0.35mmφのポリウレタン銅線を1本あたり2300回巻いています。
これを2本並列に接続し、
電源トランスHT-3005 の15V端子に繋いでいます。
ヒューズは1次側に入れました。
土台の黒い部分は前回と同様、ダイソーのクリップボードを使用し
強度を増すため、下に板を貼っています。



上に乗せる台は、アルミ板(厚み0.3mm)で波型に作成し、
クリップボードから剥がした紙を貼りました。
線路も前回と同様、2mmφアルミ丸棒、
磁石も外径6mm、内径3mm、高さ3mm、着磁方向:高さ方向
(ネオマグで購入したもの)で前回と同じです。
磁石の周囲にはテープを貼っています。
 ③
②を①の電磁石の上に置いて完成です。

このような動きになります。

今回の装置では
交流15Vに電磁石を2本並列に繋ぎましたが
2本の合計電流は0.177Aでした。
(1本あたり約0.09A)

そのため電磁石、電源トランスともに 温度上昇はほとんどなく、
1時間動かした後の電磁石の鉄心の温度は
36.1℃と体温以下でした。

前回の「のぼりおり編」の場合は
なるべく高くまで上昇させようと、電流0.19A流しました。
0.1A程度でも上昇するにはするのですが、
あまり高くまで上昇してくれませんでした。

今回の装置の場合、0.09Aと少ない電流でうまくいったのは、
リング磁石が常に電磁石の近くを移動していることが
大きな理由だと思いますが、
棒に対して横向き(磁石は棒にぶら下がった状態)で移動するので
安定しているせいもあるのかな?と思います。

逆にこの装置に0.2A程度の電流を流すと、
アルミ棒&磁石は電磁石から10cmくらい離さないと
うまく動いてくれませんでした。
(0.09Aの場合、約3~4cmくらいです。)


前回の装置でも今回の装置でも
アルミ棒に対して、リング磁石は傾いた状態で移動します。
(前回の上下する装置)

(今回の装置)

ネジの進行方向と同様に、
(磁石の傾き)と(回転方向)によって、進行方向が決まるのでは?
と思っています。

また方向転換時は磁石がビーズに接触し、
(磁石の傾き)又は(回転方向)が変わるのでは?と思います。

こちらの映像は、前回の上下する装置のものですが、
電磁石の影響がなくなり、上昇から下降に方向転換するときのものです。
映像が不鮮明なので、回転方向に関しては、
映像から察して、多分こっち向き? と思う方向を記入しています。
(上から見た場合の回転方向です。)
この映像では、回転方向を維持したままのように見えるので、
上昇時と下降時の磁石の傾きが変わっていると思います。


磁石に貼ってるテープの影響で
反時計回りに回りやすいのかな?と思います。




2017年5月24日水曜日

振動するオブジェ(のぼりおり編)

先日、Facebookで佐藤慶次郎氏の「振動するオブジェ」の
ビデオを紹介して頂きました。

この映像に魅せられ、私も作ってみたい!! と思い、挑戦してみました。
さすがに佐藤慶次郎氏ような芸術作品を作ることは無理ですが、
リング状のネオジム磁石をのぼりおりさせることが出来ました♪


この装置は交流電源に繋ぐことで、
電磁石のN極、S極が毎秒60回入れ替わります。
(60㎐地域に住んでます・・・σ(^^)
それにより、リング状のネオジム磁石が振動し、
うまく回転に代わったところで、磁石が上下していると思います。

電磁石はM16×55mmの六角ボルトに
0.35mmφのポリウレタン銅線を1本あたり2300回巻きました。
これを3本直列にして、0.2Aヒューズを入れて100Vの電源に繋ぎました。

土台はダイソーのクリップボードで作成しました。

 ③
中央に電磁石を3個置き、
手前にアルミ丸棒2mmφを6本立てています。
リング状のネオジム磁石が振動から、うまく回転に代わる位置は割と微妙で
電磁石に近付き過ぎても、離れすぎてもうまくいかず、
反応を試しながら、1本ずつ棒を立てていきました。
下の方も反応が悪く、磁石が上ってくれないので
反応の良いところにストッパー役のビーズを置いています。

またアルミ丸棒の長さも、長すぎても短すぎても良くないようで、
今回は25cmとしました。
磁石が振動することで、棒も振動しています。
この棒の振動も、磁石の のぼりおりに影響している気がします。
電磁石の極性も3本とも同じ方向にした方が高く上昇します。

上下するネオジム磁石は外径6mm、内径3mm、高さ3mm、着磁方向:高さ方向
http://www.neomag.jp/shop/shoppingcart/itemdetail.php?itemno=MAG09585054870039&qty=1
の周囲に、細く切ったビニールテープを貼りました。
色んなサイズの磁石や棒、パイプ、針金等々 試しましたが、
このサイズの磁石と、2mmφのアルミ丸棒の組み合わせが
一番よく上昇しました。

スイッチ、ヒューズは装置裏側に取り付けました。

電磁石にカバーをかぶせて完成です。
動くとこんな感じです。

佐藤慶次郎氏の「振動するオブジェ」は
Maker Faire Tokyo 2013」で、今江科学さんが展示をされていたそうです。
私も今回これを作成するにあたり、
今江科学さんの作品を参考にさせて頂きました。

今江科学さんの「振動するオブジェの動作試験」では
くまとりモーターを使っておられました。

当初 私はくまとりモーターの回転磁界を利用して、
磁石を回転させているのかしら?
・・・と思っていました。

でも、くまとりモーターで回転磁界を得られるのは、
ローターの入っている直径数cmのところだけです。
どうも、回転磁界で磁石を回転させているのではなく、
交流を鉄心に巻いたコイルに流し、ネオジム磁石を振動させ、
それを回転に変えて磁石が移動する仕組みのようです。
 ならば、電磁石でもいけるのでは?と思い、今回、電磁石で作成しました。

実は、くまとりモーターでもやってみました。
ネットで調べると「くまとりモーター」としての販売はあまりされていないようで、
扇風機等から取り出さないと入手できないかも知れません。

写真左は小型扇風機(17/14W  50/60Hz)から、
右はサーキュレーター(32/30W 50/60Hz)から
取り出したくまとりモーターです。

右側のくまとりモーター(ローターを外した状態)は
電源に接続してから約10分で、115℃の温度ヒューズが切れてしまいました。
私がファンから取り出したくまとりモーターは発熱が凄いようです。

温度ヒューズのところを短絡し、電流を測ってみたところ
(切り替えスイッチの一番強モード)
ローターを入れた状態で0.43A、抜いた状態で0.69Aでした。

左のくまとりモーターは右ほどではありませんが、
30分もすれば、手で触れられないほど過熱しています。
扇風機やサーキュレーターはファンで送風することで、
くまとりモーターの発熱を抑える効果もあるのかも知れないですね。

もちろん、くまとりモーターでも
リング状のネオジム磁石は、良い動きをしてくれるのですが、
どうしても、発熱が気になり、今回は電磁石で作成することにしました。
電磁石も1800回巻き→ 2000巻き → 2300回巻き/1個
と巻き数を増やしていきました。

結局2300回巻き×3個直列を100Vに繋いで、電流0.19A
30分間 電源オンにしたあとの電磁石の鉄心の温度は45.5℃となりました。
(改めて1時間測定をやってみると、なんと43.9℃・・・
外気温が1時間測定時の方が低かった影響でしょうか。
いずれにしても、長時間駆動させても温度がそれほど上昇せず良かったです)

近いうちに、もう1種類「振動オブジェ」を作成したいと思っています。
ぜひ、また見てやって下さい。



2017年5月18日木曜日

はじめての「ボルト人形」

以前から一度作ってみたいと思っていた「ボルト人形」に挑戦してみました。

初めてボルト人形の「ボルタ」の写真を見たのが約10年くらい前です。
新日鉄の広報誌に時々「ボルタ」の写真が掲載されていました。
初めて見た時は衝撃を覚え、切り抜いて机の上にずっと置いてました。
「ボルタ」は室蘭市の市民団体「てつのまちぷろじぇくと」(テツプロ)
企画・製作されているそうで、
新日鉄室蘭の関係で広報誌に掲載されていたのだと思います。

どうやればこんなのが作れるんだろう?
恐らく溶接かロウ付け?って思っていたのですが、
調べてみると板金用ハンダで出来るとのこと・・・
これなら私にも出来るかな?と思って
これを購入してやってみました。

でもこれが意外に難しい・・・(^^;
電子工作のハンダ付けとはちょっと違う・・・
なんだかんだ思いながら、悪戦苦闘し出来たのがこれです。 






こちらに「ボルタ」の一覧が掲載されています。 
帽子を持ち上げてる人形は
31シャッポのボルタ」を参考に作りました。

下のロボもどきは、私の創造で作ったものです。

こういうのを作ってるときは
時間も忘れ無我夢中になってしまいます。
本当に楽しいです。
是非また新たなボルト人形にも挑戦してみようと思います。




2017年5月12日金曜日

弛張型発振回路を使った音の高低実験

音に関して、全く無知なのですが、
弛張型発振回路を使った音の高低実験に挑戦してみました。

村田製作所「KIDS電子工作」のサイトを参考にさせて頂きました。

スピーカーはダイソーの
「耳もとキューブスピーカー」を使用しました。

回路図です。
可変抵抗のみでは、0~数10kΩあたりの音が鳴らないので
可変抵抗と直列に100kΩを接続しました。

ブレッドボードで組み立てています。
コンデンサは容量の違う4種類を入れ替えながら実験します。
       ① 0.001μF(102) 
     ② 0.01μF(103)
   ③ 0.1μF(104)
④ 1μF(105)
入れ替えやすいように、コンデンサ差し込み穴を手前の中ほどにしています。

可変抵抗は1MΩのものにしました。
可変抵抗に100kΩの抵抗を直列に繋いでいるので、
回路自身の抵抗は 0.1MΩ~1.1MΩの間で変化することになります。

音の高低の様子を動画でご覧ください。
コンデンサー容量が小さい方ほど、また可変抵抗値が低いほど
高い音が出ることがわかります。
その理由については、こちらにわかりやすく書かれています。

スピーカー両端の電圧波形は下のようになります。
<コンデンサ容量0.01μF、可変抵抗0Ωの場合>
周期は約0.5ms(周波数 約2000Hz)、
1周期の間のオン時間は約10μs程度です。

(周期を短くしたグラフ)

<コンデンサ容量1μF、可変抵抗1MΩの場合>
周期は約620ms(周波数 約1.6Hz)、
1周期の間のオン時間は約1.5ms程度です。

(周期を短くしたグラフ)

<スピーカーと並列に10μFの電解コンデンサを接続してみました。>

スピーカー両端の電圧波形は平滑化され、下のグラフ右側のようになりました。
比較のため、上で掲載したものを左側に載せています。

<コンデンサ容量0.01μF、可変抵抗0Ωの場合>
周期は長くなり、1周期のオン時間も長くなりました。
逆起電力も発生しなくなりました。
   
(周期を短くしたグラフ)

<コンデンサ容量1μF、可変抵抗1MΩの場合>
ほど顕著な違いはありませんが、ほんの少しオン時間は長くなっています。
10μFを100μFにするともう少しだけ違いが大きくなりますが
スピーカーからの音が小さくなりました。
  
(周期を短くしたグラフ)

スピーカーと並列に10μFの電解コンデンサを接続すると、
接続前に比べ ほんの少し、音が低く聞こえました。

上の波形図のオン時に、スピーカーのコイルに電流が流れます。
コイルの周囲に磁石があるため、コイルには電磁力が発生します。
磁石は固定されているので、コイルの方が移動し、
コーン紙を振動させることで空気が振動して音として聞こえます。

<Facebookで繋がっている方に色々と教えて頂きました。>
今回の実験は、バイオリンなどの楽器に例えると理解し易いかも知れません。
発振周波数は楽器の基音 (ドレミ) に相当し、パルス幅は音色に相当します。
基音に対する 高調波 (基音の倍数の周波数の音)+α の混合割合により
音色が変わります。(楽器が識別できる)
ここで言う高調波とは、基音が1Hzなら 2Hz 3Hz 4Hz . . . 〜 無限 です。
+α の部分は、高調波以外の部分で楽器の固有の共鳴、共振、残響などです。

例えばバルス幅を変えることが出来ると、高調波の割合が変わり、
音の高さ (ドレミ) は一緒で音色が変わります。
 究極は正弦波で基音のみとなります。
100円のスピーカーをお使いですが、
不良品でなければ500Hz位より高い周波数では実験に支障はないと思います。
低い発振周波数になるとスピーカーの再生能力限界から基音が聞こえなくなります。
一般のステレオスピーカーを使ってもせいぜい50Hz位までしか再生出来ません。



<私の質問>
今回、私の装置では1Hzくらいでも途切れ途切れに音が聞こえます。
このときに聞こえている音は、
100均スピーカーでも聞こえる 500Hz以上ということなのですか? 

そうです。 この時の基音を1Hzとすると、
スピーカーは1Hzを再生出来ないし(音が小さい)
再生しても人には聞こえないので 
(一般的に聞こえるのは 2020kHzと言われてます)
聞こえているのは主に基音の倍数の周波数の高調波と、
スピーカーの低音再生限界を越えたことによる、スピーカーの歪です。
オシロの波形から判断すると、2.5Vのパルスが入力されているので
最大で 0.78W 程度の入力となり、
スピーカーの定格 0.25W を越えるので、
歪の音がかなりの部分を占めていると思います。

コンデンサ容量1μF、可変抵抗1MΩの場合
周期は620msくらいで、オンになっている時間は1.5ms程度です。
もし、周期が620msと変わらず、オンの時間が10μsになると、
高い音が途切れ途切れに聞こえるようになるのかしら?

まず、基音が1.6Hz 位で、スピーカーが再生してないし、
もし再生してても人には聞こえないので誤解し易いですが、
音の高さ( ドレミ) を決めているのは基音ですね。
 なので、パルス幅を変えると高調波成分の割合が変わり音色が変わると思います。
ご指摘の様に高く聞こえるかも知れませんし、
ひょっとすると音の大きさが変わるのかも知れません。
基音が聞こえて無いので、実際にどんな風に聞こえるか興味深いですね。 


周期が620msと変わらず、オンの時間が310msになると、
音は聞こえなくなってしまうかしら?

310msオンー310msオフー310msオンー310msオフ
を繰り返すと、
(今回のような+側にシフトしたような矩形波の場合)
入力は、最大値 0.78W 0Wが同じ時間 交互に入るので、
0.78/2=0.39W と定格0.25Wを超えているので
ひょっとするとスピーカーが壊れるかも知れません。
もし、
600msオンー20msオフー600msオンー20msオフ
を繰り返すと、
大幅に定格オーバーとなり、
恐らくスピーカーが壊れ、 ご指摘の様に音は聞こえなくなってしまうかも。
スピーカーにはほぼ連続して600ms間、2.5V位の直流が入り(0.78W入力)
その後20ms休んでまた直流がかかります。
 この時、休んだ瞬間スピーカーが動きますから音がします。
直感的には、パルス入力に似た音だと思います。
2.5Vの直流負荷に耐えられるスピーカーならそのまま音がでますが、
0.25W定格なのでボイスコイルの接着が緩み、音が歪んで壊れると思います。

教えて下さった方は、P社でスピーカーの開発をされていた技術者の方です。
鳥のお写真もプロ級の腕前で、いつも楽しみに拝見しています。
その方がアップされてたお写真です。
  

<渡辺聰明様から、興味深いことを教えて頂きました>
・矩形波の周波数をf[Hz]とすると
f=sin2πft1/3sin3(2πft) 1/5sin5(2πft) 1/7sin7(2πft) 1/9sin9(2πft)+・・・・
の関係があり、これを次々に合成していくと矩形波のグラフらしくなります。
(ネットで検索するとこのような解説がありました。)
http://www.maroon.dti.ne.jp/koten-kairo/works/fft/intro2.html

・発振器の正弦波出力をアンプに入れ2Hzぐらいから始めた場合、
 スピーカーのコーンは周波数に応じた目に見える振動をしているのに、
音は聞こえません。
 10Hzでも振動していますが音は聞こえません。20Hz辺りから聞こえます。

 
矩形波にすると2Hzぐらいから音が聞こえます。
  コーンが出たり、引っ込むときに可聴音を発しているからです。


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今回の実験に当たって、多くの方から色々と教えて頂き
音に関して、ほんの少しだけ理解出来た気がします。
色々と奥深く、まだまだ理解出来てないことが多いですが
これからも、もう少し勉強してみようと思います。
教えて下さった方々に感謝しています♪


2017年5月7日日曜日

たつの市こどもサイエンスひろばに「自動連続ガウス加速器」を展示して頂きました。

「自動連続ガウス加速器」を
展示して下さることになり、再挑戦!!
今回で4代目(4台目)になります。

今までは乾電池を使用していましたが、
今回は電源アダプターを使っています。

また スタートボタンも取り付けました。
始動時、便利になりました。

鋼球がレールを通過するときに、
リレーがオンになり連続で動き続ける仕組みですが
連続モードをオフにして、手動のみ(上記のスタートボタン)のみに
切り替え可能なスイッチも取り付けました。

発射部分です。

今回使用したモーターは
定格12V、10rpmのものです。
Aliexpressで500円以下で購入しました。
これです。
モーターベースはなるべく非磁性体のものにしたかったので、
100均のディスプレイスタンドを切って作りました。

固定用の磁石は6mmφ×3mmの柱状ネオジム磁石です。
同じサイズのものがダイソーで販売されていますが、
今回はマグファイン製にしました。
ダイソーのものより磁力が強く、良く飛ぶ上に飛び方が安定していました。
(磁力が強い方が、スィートスポットに当たりやすいため安定した飛び方になると思います。)
表面コーティング(ニッケルめっき)もダイソーのものよりしっかりしており、
衝突による浸食がダイソーのものより少ないです。
6mmφ×70mmのストローの先に、UVレジンで接着しています。
消耗したらストロー毎取替えです。
取替えしやすいように、マジックテープで押さえるようにしました。



球形磁石の方は、中国製を使用することにしました。
球形磁石もマグファイン製を試してみました。
磁力が強くよく飛ぶのですが、
浸食されたときの様子が、中国製の方が良かったことと、
なんと言っても価格が10分の1以下なので、これに決定!!
1個当たり7円程度ですが、5000回くらいの衝突に耐えてくれます。

左がマグファイン製、右が中国製の浸食された磁石の様子です。
左の状態では不発が多くなります。
右の磁石もここまで浸食されると飛び方が悪くなります。
黒い粉が出てくるので、この辺りで磁石交換となります。

かごに入った鋼球は、らせん形の滑り台を降りて
小さいかごを通って、レールに乗ります。
このレール(直線状の2本)がスイッチになっています。
大きなかごは、ダイソーの「シリコン折りたためるじょうご」
小さいかごはガチャポンケースです。
大きなかごのところは、プラスチック製や金属製のものでは
鋼球が跳ねて飛び出てしまいます。
ゴム製品を貼ると、跳ねがおさまります。

モーター定格12V、電源アダプターは11V(250mA)を使用しましたが
リレーは9V用を使用しています。
12V用のリレーでも試してみましたが、
鋼球がレールを通過したときにオンにならないときがあります。
レールと鋼球の接触抵抗が数十MΩあるためと思います。
実は9Vリレーでもオンにならないときがあり、
コンデンサ(4.7~9.4μF)を入れることで、完全にオンになりました。
手動スイッチの方は100Ωを直列に入れて、リレーのコイル対策としました。

動画では飛んでる球が見にくいですが、
実物ではもう少しよく見ることが出来ます。


「自動連続ガウス加速器」ではガウス加速器の仕組みがわかりにくいので、
このようなものも作成しました。

レールに10mmφ×15mmの円柱磁石を固定し
その右側に10mmφの鋼球4個を置いています。

円柱磁石に①鋼球 ②磁石球を衝突させます。

レールの右端にストッパーをつけています。

磁石に衝突した鋼球と磁石球は強力にくっつき
手では取り外しにくいので、取り外し棒で外します。


たつの市のこどもサイエンスひろばです。

入口近くの一等地に置いて頂きました~♪



色々と楽しい展示品があって、面白いです。




たつの市に行かれる際は、是非「こどもサイエンスひろば」に立ち寄って頂き
「自動連続ガウス加速器」も見て頂けると嬉しいです♪