2017年8月15日火曜日

鉄の壁をのぼる「Climbing robot」

鉄の壁をのぼる「Climbing robot」を作ってみました。
両側の車輪にネオジム磁石を4個ずつ取り付けて、鉄の壁に貼り付く仕組みです。

Youtubeの「How to make a wheg climbing robot at home」
(Brainergiserさんの作品)を参考にしています。
Brainergiserさんの作品との違いは
車輪の素材&磁石、尻尾に磁石をつけたところ、目を付けたところ等です。
車輪は12mmの角材で作りました。

車輪に付ける磁石は、ダイソーの13mmφのネオジム磁石を
クリアファイルに入れ、テープで留めています。

ttギアモーターの軸の形状に合うように穴をあけて、

③を①の中心にネジ留めしています。

ttギアモーターの上下に薄い板を取り付けました。

下側に6mm×3mmのリング磁石3個をアルミ針金に通して
取り付けたのですが、 

いざ動かしてみると、安定性が悪かったので
12mm×3mm(穴4mm)のリング磁石3個を、
アルミパイプ+木材でしっかり固定しました。

目はダイソーのループエンド(手芸品)に青色LEDを入れています。

目には100Ωの抵抗を入れ、
電源は250mAhのリポパックで配線しました。
リポパック(リチウムポリマーバッテリー)は、
取扱いを間違えると火災や怪我の危険性がありますので、
取扱には十分な注意が必要です。 
もしこれを見て、作って下さる方は こちら ↓ の注意事項をご確認ください。

⑧に④を取り付けたら完成です。

ギア比の違うttモーターを使って2体作ってみました。
左は1:120、右は恐らく1:400くらいありそうな感じです。
左の方がかなり速く走ります。
右はトルクが大きいので、安定した動きです。

このオリに入れておくと、勝手に歩き回ってくれます。
実は、このロボは なかなか真っ直ぐに歩行してくれず、
苦肉の策として、このオリを作りました。

ロボは左と右で、尻尾の長さ&角度を変えました。(赤丸部分)
左のロボの尻尾がもう少し長いと、オリの左上の角を曲がるときに時々 落下します。
右のロボの尻尾がもう少し短いと、オリの右上の角を曲がるときに時々 落下します。
(5回に1回くらい)
尻尾の長さ&角度で落下防止になるとわかったときは
嬉しかったです♪  今回の一番の工夫点 (笑)
理由はよくわからないですが、
トルクの大きさ、磁石を引き離すタイミングや
重力バランスなど関係しているかも知れません。
実は目はつけない方が、落下しにくいのですが、
出来れば付けたかったので・・・(^^;

速く歩くタイプ、遅く歩くタイプともにビデオに撮ってみました。

タミヤのシングルギヤボックス(4速タイプ) を344.2:1で組み立てて
同じように作ってみました。
①単3アルカリ乾電池2本使用では重くて、壁をのぼりきれず断念。
(平坦なところは問題なく動きます。)
②リポパック(3.7V)を使用し抵抗2Ωを入れると、ちゃんと壁を上るのですが
モーターに3.4Vくらいかかっていました。(モーター定格3V)
抵抗4.4Ω入れると、モーターにかかる電圧は2.9Vくらいになりましたが、
壁をのぼりきれず断念しました。
今 思うと、ダイオード1本入れて、
0.7V落とす方法の方が良かったかなぁ?

上で使用のttギアモーターの定格は6Vなので抵抗は入れていません。


2017年8月8日火曜日

「発振回路の永久コマ」や「ソーラーゆらゆら人形」がなぜうまく同期するのか?考えてみました。

以前、作った「弛張型発振回路の永久コマ」
なぜ、「発振回路」と「コマの回転」がうまく同期して 回り続けるのか?
よくわかってなかったので、考えてみることにしました。
 

「発振回路の永久コマ」以外の
「リードスイッチを使った永久コマ」や、
2種類の太さのコイルを同じ鉄心に巻き、トランジスタ1個で制御する永久コマ」は
コマの磁石により、スイッチングしてるので、
同期するのは理解できるのですが・・・

100均のソーラーゆらゆら人形も
発振回路になっていて、
恐らく同じような理由でうまく同期して、綺麗に揺れ続けるのだと思います。
完全に同期しないと、途中 つまづいたような揺れが出てくると思います。
(発振周波数は永久コマに比べ、かなり低いです。2Hz程度?)


「発振回路の永久コマ」の回路図です。


以下、電磁石両端の波形です。
コマを回していない状態の電磁石両端の電圧波形
(22Hz、正最大電圧約1.5V、逆起電力約2.2V)
 

電源をオフにして、コマを回したときの電磁石両端の電圧波形
コマを回すと、コマに貼った磁石が電磁石の上を横切り、
電磁誘導が発生します。     
周期、発生電圧はコマの回転速度により、変化します。
(下は約66Hz0.03V発生しています。
電源オンで安定して回転しているとき、だいたいこれくらいの速度と思います。

コマが安定して回っているときの電磁石両端の電圧波形
①の発振回路の波形に②の電磁誘導の波形が重なった感じです。

左はコマが電磁石に接近しているとき、
右はコマが電磁石から離れた位置にあるときで
上の映像のようにコマが公転軌道を描くようなときは
この下の波形の左~右を繰り返す感じです。
公転せず、定位置(電磁石の真上で回転)のときは ほぼ左の状態です。

コマの回し初めから、安定して回り始めた時までの波形の映像です。
コマは上の映像のように、公転軌道を描くように回っていて
電磁石に接近したり離れたりしています。

この映像の最初 速くコマをまわしました。
映像の3秒~6秒目あたり、オフ時に波数が3つ少々見えます。
オン時の回転も含めると 恐らく1周期の間に4回転しているような気がします。
7秒目以降は3回転になったような気がします。
6秒目から7秒目では発振周波数も大きく変化しています。
安定後も 刻々と周期が変わっているようですが、
いずれの場合も 誘導電圧が負から正に変わる瞬間に
電磁石がオンになるように見えます。


ピンクの丸の波数は、
コマの重さ や 電池電圧、コマと電磁石の位置等で変化すると思います。
(波数が多いほど高速回転)
以前、もう少し重いコマの時は、波数は1.5でした。
今回のピンクの丸の波数は2.5で
発振回路のオフ時にコマは2.5回転し、
オン時に0.5回転するのかな?と思います。

<私の考察>
上の波形を元に以下のように考察してみましたが、自信はありません。
間違い等、ご指摘頂けると幸いです。

考察①
コマの回転によりコイルに発生する誘導電圧は下の図のようになります。

考察②
コマの回転によりコイルに発生する誘導電圧とコマの位置関係を考えてみました。
磁石のN極がコイルに最接近したときが、誘導電圧の正の最大(②のところ)
磁石のS極がコイルに最接近したときが、誘導電圧の負の最大(④のところ)
になると思います。

考察③
コイルに流れる電流は、電圧よりも位相が90度遅れます。(理論上)
そのため、下の②の状態の時、電磁石に電池からの電流が流れはじめたときに
N極同士が反発して回転力を増します。
③の状態のときもコイルに電流は流れ続けていて、
S極はN極に引き寄せられ回転力を増します。
④の状態のときに、電池からの電流は切れますが、
慣性力でコマは回転を続けます。

コマの磁石がコイルの上で移動するときに発生する誘導電圧が
負から正に変わる瞬間に電磁石がオンになることが、
うまく同期するポイントになっていると思います。
(のところ)
この状態でうまくトリガが働き、オンになるのでしょうか?
また、オフになるタイミングも
誘導電圧が正から負に変わる瞬間のような気がします。
(のところ)


この装置、磁石を逆極性で貼らなくっても
例えば、N極、N極を下に向けて貼っても回転し続けます。

そのときの電磁石両端の波形です。
一見、コマによる電磁誘導は見られませんが・・・

拡大すると、やはり電磁誘導が発生してるのがわかります。
この場合は発振回路のオフ時にコマは0.75回転し、
オン時に0.25回転するのかな?と思います。

同極なので、N極が近付くか離れるかによる電磁誘導です。
N極、S極を下にしたときよりも、弱い電磁誘導になっています。
(さらに回転速度が落ちるので尚更弱くなります。)

誘導電圧発生時の波形で
異極(コマの磁石N、S)と同極(コマの磁石N、N)の位置を考察してみました。

異極のときも同極のときも、②のときにN極がちょうど左にくることで
電磁石とコマの磁石がうまく反発して回転力を得るのかな?と思います。
①の位置は異極の場合はN極が近づきS極が離れるので、Nが下ですが、
同極の場合はN極が近づきN極が離れるので、N1が斜め下になるような気がします。
異極の場合は上の①~④で1回転だけど、
同極の場合は①~④で半回転しかしないので、回転速度が遅くなり、
1回 発振する間に、コマは1回転しかしないように思います。


100均のソーラーゆらゆら装置の場合
私の持っているオシロスコープでは残念ながら綺麗な波形が取れませんでしたが
逆起電力はほとんど発生していないようです。

ソーラーゆらゆらで不思議なのは
磁石の下側をN極にしてもS極にしてもうまく揺れ続ける点だと思います。
この場合も上と同じように考察してみました。
(波形がとれなかったので、「永久コマ」のものを使って考えてみます。)


100均のソーラーゆらゆらではソーラーパネルが小さいため
ソーラーパネルと並列に電解コンデンサを接続し、
発振回路オフ時にコンデンサに電荷を溜めておき
発振回路オン時に、(コンデンサ+ソーラーパネル)から電流を送ることで
パワーアップさせてると思います。

2017年7月17日月曜日

手のひらに乗せると光るLED

「手のひらに乗せると光るLED」を作ってみました。
とても簡単に作ることが出来ます。

LEDはガチャポンのケースやピンポン玉に格納しています。


人の体は 抵抗値が高いので低電圧では電流が流れにくいですが
低電圧でも微電流が流れています。
でも、例えば3V程度の乾電池では
電流が流れてるとは全く感じませんよね。

今回作った装置は、手のひらに流れる微電流を、
ダーリントン接続にしたトランジスタで増幅して
LEDを光らせる仕組みにしてみました。


ガチャポンのケースの透明部に
トレーシングペーパーを円錐状にして貼りました。



小さなブレッドボードに回路を組み立てました。
このブレッドボードは縦に5つ繋がった穴が 5列 あります。
スライドスイッチはケースに差し込んでからハンダ付けしています。

この小さなブレッドボードはAliExpressで購入しました。
7個(送料込み)で0.93ドル・・・安いですね。


丸い厚紙の真ん中に LEDの足を差し込んでから
ブレッドボードに差し込んでみました。
LEDはイルミネーションLEDを使用し
拡散キャップを取り付けています。



組み立て後、こんな感じです。


裏側に銅箔テープを貼って、電極をハンダ付けしています。

ピンポン玉でも作ってみましたが
少々手狭な感じです。
半分に切ったところはテープなどで貼らないといけません。

回路はこのようにしてみました。

コレクタ遮断電流(ICBO)対策で
抵抗Rのところに、10kΩ程度の抵抗を入れることが好ましいと思いますが
実際、ここに10~100kΩを入れてみたのですが、
手のひらに押さえつけるようにしないと光りません。
抵抗1MΩを入れると、軽く乗せただけで点灯しますが
あまり意味がありません。そのため、Rは省略しました。
(Rのところは解放した状態)

手のひらから離すと、LEDが光ることはありませんが
Rを省略したことで、ほんの少し電流は流れてる可能性もあるので
使わないときはスライドスイッチを切っておかないと、
電池の消耗が激しいかも知れません。

<追記>
抵抗Rに1MΩ入れても意味がないと思ってましたが、そうでもなさそうです。
イルミネーションLEDは少しでも電流が流れていると
点灯パターンはリセットされず維持した状態になります。
(例えば・・・のパターンの場合)
今回Rがない場合は、手のひらから離しても
点灯パターンを維持していました。
(再び手のひらにのせると、黄色からでも光りはじめる)
1MΩ入れた場合は、手のひらから離すとリセットされ
次に手のひらにのせると、
点灯パターンの最初から光はじめます。
(必ず赤から光りはじめる)
(電流がちゃんと切れてる証拠です)
1MΩでも入れておいた方がいいかも知れないですね。


映像で見るとこんな感じです。

先日、たつのサイエンスひろばに行ったときに
森本先生(かがく教育研究所 ファラデーラボ 代表)から
人体抵抗経由で圧電スピーカーを使って音を鳴らす場合は、
トランジスタ1個でもOKということをお伺いし 実物も見せて頂きました。
この場合 勿論、上のように1人の指~指でも音が鳴るし
20人が手をつないで、両端の人が電極を触っても音が鳴るそうです。

私の作った装置でも、20人が手を繋いでも光るか?
また機会があれば試してみたいです。



これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)


2017年6月24日土曜日

リードスイッチモーター 光ルンです♪

前回作成したリードスイッチモーター ネオジム磁石編の
ローターにLEDを取り付けて、回転しながら光る装置を作ってみました。

ローターを光らせる方法としては、
ローターにボタン電池を取り付けて、
ボタン電池からLEDに給電させる方法も考えられますが
今回は相互誘導を利用して光らせています。

装置は前回と同様のもので
ローターにイルミネーションLEDを4個取りつけました。

単3アルカリ乾電池1個でも、光りながら回るのですが
2個にした方が光り方が良かったので2個にしました。
2個にするとリードスイッチモーターは勢いよく回り過ぎるので
抵抗4.7Ω入れています。

水色の輪が相互誘導の1次側のコイル、
ローターに付いているコイルが2次側のコイルです。

回路図です。
<1次側>
リードスイッチモーター回路と、相互誘導1次側回路を並列にしています。
1次回路の方はブロッキング発振回路になっていて、
高周波発振をしています。(数10~1000k㎐程度)
そのため、2次側コイルに誘導されやすく、
割と簡単な仕組みでも相互誘導が楽しめます。

<2次側>
2次側コイルにLEDを直結しても光るのですが、
高速でオンオフを繰り返す点滅のため、
連続した電流が必要なイルミネーションLEDは、
最初の1色しか光りません。
そのため、半波整流をしています。
半波整流にすると完全オフがなくなり
色の変化が見られますが、脈動により、
ローターを回転をさせると細かく点滅しているように見えます。





これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)



2017年6月22日木曜日

リードスイッチモーター(ネオジム磁石、フェライト磁石使用)

2009年にセロテープカッターを使った
「リードスイッチモーター」を作りました。
そのときの作品はこれです。


2009年作の電磁石は
くぎに0.35mmφのエナメル線を約10m巻いて作りました。
装置がもう残っていないので、実際に電流測定は出来ませんが
1.5Vの乾電池に接続した場合、恐らく0.8A程度だと思います。
エナメル線等の巻線の安全電流は、0.35mmφの場合、0.245Aなので、
安全電流をかなり超えてしまっています。

学校で電磁石を作る場合でも、
例えば0.4mmφのポリウレタン銅線 10mを使用して作るとします。
0.4mmφ、10mの場合、抵抗値は約1.4Ω、
1.5Vに接続すると、計算上 約1.06A流れますが、
安全電流は0.32Aと、かなりオーバーしています。

1.5Vで1Aだと消費電力は1.5Wなので、
これくらいなら大丈夫、
30Vに接続し 1A流すと、30Wで危険!
と思ったりもしそうですが、
単位長さ当たりの消費電力は同じです。




ただ、一つの鉄心に巻く場合は
長いほうが巻数も増え、熱がこもりやすいので
危険性は増すと思います。

安全電流は使用状況や冷却方法によっても違うとのことです。
(安全電流値はここの下の方に、それぞれの太さの電流が纏めて書いてあります。)
http://oyaide.com/catalog/products/p-1104.html

リードスイッチモーターのようにオンオフを繰り返すようなものは
安全電流はある程度超えてもいいのかも知れませんが
連続して電流を流す場合は、
やはり安全電流の範囲内にする方がいいのでしょうか・・・?
ご存知の方がおられたら、教えて下さい。

計算してみたところ
0.1~1mmφのポリウレタン銅線を使用する場合
1.5V接続時に 安全電流を確保するには
長さ約31~34m必要です。
でも手軽に電磁石実験を行う場合、
30mも使用していないのではないでしょうか?

オヤイデ電気のHPに
「エナメル線などの巻線の許容電流2.5A/mm2が標準とされる」
と書いてあり、上で書いた安全電流
この値に基づき算出されたようです。
http://www.oyaide.com/application/files/1714/7557/2543/201602.pdf

いずれにしても、安全電流を守って電流を下げると、
電池の寿命が長くなるのでいいですよね♪
コイルが大きくなりすぎて、見た目が悪くなりますが・・・

ここまで、ポリウレタン銅線などの巻線の安全電流に関して、不明な点が多く、
色々と書いてしまいましたが、もしご存知の方がおられたら
どうか教えて下さい。宜しくお願いします。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
今回、Facebookで色々と教えて頂きました。
ポリウレタン銅線の指標として温度指数E(120℃)と書かれています。
安全電流というより、どうもこの温度が目安となりそうです。
実際に電流を流して、暫くたってから 手で触っても、
熱いと感じない電磁石なら、OKかも知れないですね。

この後、オヤイデ電機さんに安全電流に関して
問い合わせをして下さった方がおられます。
「安全電流とはその電流の範囲であれば連続して流してもいい値だそうです。
許容電流はこれ以上流すと危険な値だそうです。
UEWには許容電流表示はないそうです。
安全電流を越えたからすぐに問題になる事はないそうです。
別途温度上昇限度が規程されているとのことです。」


~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

<ここから 今回作った装置に関してです。>

M4×55mmの鍋小ねじに0.4mmφのポリウレタン銅線を
1000回巻いたものです。


今回の安定バージョンを作成するために試したものは
☆ 鉄心は、空芯、2mmシャフト、くぎ、M3・M4・M5の小ネジ
☆ ポリウレタン銅線は0.32mmφ、0.35mmφ、0.4mmφ
☆ 巻き数は 600回巻、700回巻、800回、900回、1000
それぞれ全ての組み合わせを試したわけではありませんが
かなりの数の電磁石を作りました。(笑)
ポリウレタン銅線は再使用しながらですが・・・

4mmφのポリウレタン銅線を使用した場合1.5Vに接続し、
安全電流(0.32A)を確保するには、長さ33m以上必要です。

今回600回巻いた状態で0.315Aと安全電流以下となりましたが
安定性からすると、うまく逆回転しないときがあるので、
もう少し巻き数を増やすことに・・・
(電池が新しいうちは逆回転するが、電池電圧が下がると難しい。)

さらに100回ずつ巻き数を増やして試してみると、
安定感が増していくのもよくわかりました。

★ 電流は700回巻きで0.27A、800回で0.25A
900回で0.22A、1000回で0.17Aでした。
1000回巻きを単3アルカリ乾電池2個に繋ぐと0.31Aとなり、
1000回以上巻くと、3Vかけても安全電流以下となります。


セロテープカッターのローター部分?に穴を開け
ダイソーのネオジム磁石(6mmφ)を差し込みました。
極性は全て同じです。
 ③
プーリの中心を置くところのくぼみの一部をふさぎました。
(逆回転をしたときに移動するのを避けるため)


リードスイッチ用のアームを取り付けました。



リードスイッチは4mmφのストローに入れて使用することに・・・

上から見たところです。
このリードスイッチと磁石の位置関係で
時計回りに回転したり、反時計回りに回転したりします。



回路図です。
LEDは本来の極性とは逆向きです。
コイルに流れる電流が切れるときの
自己誘導起電力を使用して光らせるためです。

電磁石の極性はネオジム磁石と反発するようにしておくと
ローターが逆回転しやすくなります。


ローターにはスポンジシートを貼ってちょっとカラフルにしてみました。
 


動画で撮ってみました。

さらに、2009年と同様にフェライト磁石を使ったものも作ってみました。
これもネオジム磁石編と同様に
M4×55mmの鍋小ねじに0.4mmφのポリウレタン銅線を
1000回巻いた電磁石を使用しています。

磁石は12.7mmφ×5mmのフェライト磁石を6個、
使用済みのテープの枠に貼っています。
(磁石はダイソーのマグネットから取り出したものです。)

フェライト磁石も良く回ります。

ネオジム磁石は磁力が強いので、電磁石との反発力も大きくなりますが
コギングも強くなるので、
フェライト磁石より断然よく回るということはありませんでした。
見た感じではほぼ同程度の回転に見えました。

<リードスイッチがなぜ回るのか?考察してみました>

<リードスイッチがなぜ逆回転するのか?考察してみました>



これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)