４．４ ループアンテナ一体型ゲルマニウムラジオ

ものづくりの次のテーマでゲルマニウムラジオを作ることにしたので試作をしてみた。
構成は最もシンプルな、コイル・バリコン・ダイオード・イヤホンの４つとする。
回路図などはhttp://www.zea.jp/audio/ge3/ge3_01.htmなどで説明されている。

最初は、コイルは330μHのマイクロインダクタを使った。電灯線にアンテナ線を巻きつけて電灯線アンテナにし、アース端子を手で触ると、やっと１局（SBS,1404KHz）だけかすかに聞こえることが確認できた。

次に、コイルを自作してみようと思い、ガムテープの芯に0.32mmのエナメル線を60回巻いたものを作った。インダクタンスがどうなるかわからないので、10回ごとにタップを出してある。これで試してみたが、やはり電灯線アンテナをつけないと聞こえない。

もっと大きなものを作って見ることにして、100円ショップで適当なものを探し、A4サイズのケースを調達してきた。23cm*32.5cm程度の大きさ。ケーブルは太さ1mm程度のビニール線を使い、27回巻いた。9回ずつタップを出してある。
これで試してみたところ、家の２階のベランダに出てアース端子に1.5mくらいのビニール線をつけると、アンテナをつけなくてもSBSが聞こえることが確認できた。
これでいくことにして、ラジオ本体をコイルのケースにネジで取り付けておいた。

写真は上から、コイルとラジオの全体、ラジオ本体、ケースにコイルを巻いた様子、コイルとラジオ本体の接続、コイルの比較、イヤホンとアース線をつけた様子。

１１．１ ブラシレスモーター

ものづくりで３極モーターを作ったが、ブラシがこすれる音がうるさくて気になるのでブラシのないモーターを作ってみることにした。

ローターに永久磁石を使うので、街の文房具屋さんで棒磁石を調達し、まん中に軸を通す穴を開けてみることにした。知り合いにお願いしてドリルで試してもらったところ、磁石が割れてしまったということで失敗。
あれこれ探したところ、レゴのパーツに磁石があることを発見し、これを使うことにした。レゴのパーツに磁石を取り付け、軸を通して回るようにしてローターを作ったが、けっこう大きなものになってしまった。棒磁石と同じくＮとＳが１対。

ステーターは電磁石を使うので、ネットで探しマルツでソレノイドを購入した。試してみたところ、磁力はレゴの永久磁石よりかなり弱い。自分でコイルを巻いて作るとどの程度のものができるか試してみることにし、鉄芯に0.2mmのエナメル線を約200回巻いたものを作った。これを試してみたら、購入したソレノイドよりも磁力が弱いことが判明。自作はあきらめ、購入したソレノイドを使うことに決めた。ステーターもＮとＳの１対とする。
ボディはレゴで作ることにし、せっかくなので車輪をつけて走れるようにした。今回はモーターを動かすのが目的なので、車はまっすぐ走るだけとし、ステアリングはつけていない。

回転磁界を作るため、ローターがソレノイドに最接近したことをフォトインタラプタで検出するようにした。このタイミングでソレノイドの極性を逆に切り替え、回転磁界を作る。

これでモーターが回るようになった。静かに回ることを期待していたが、ローターの磁石がソレノイドに近付くと急激に力が働くため、そこでカタカタ音が出ることが判明。モノを動かせばなにがしかの音が出るのは仕方ないか。

車を動かすようチェーンをつないでみたところ、全く動かない。ステーターが１対しかないのが弱点だと思うが、なんとか車が動くように悪あがきしてみる。最初のものはローターの磁石はＮとＳ１つずつレゴの磁石を使っていたので、磁石をＮとＳそれぞれ４つずつ使って磁力と重さを強化してみた。これで試してみたところ、ゆっくりであるが車が動いた。
ステーターを２対とか３対に増やすのが最も効果的と思うが今回は車が動いたのでこれで良しとした。

動画は３つあり、最初がモーターの説明で次が車を走らせたもので最後がブラシ付きの３極モーターとブラシレスモーターの音の比較。

４．３ 回転数測定用ストロボ

静大の関係で、子供にものづくりを教えるボランティアを始めた。最初の教材としてコイルを巻いて３極モーターを作ったので、モーターの回転数を測定するためのストロボを作ってみることにした。
今回はLegoは関係ない。

まずLEDが光る懐中電灯を調達した。1WのLEDつきというもの。コントローラは数字表示がついたタイマー用のPIC基板を使うことにする。モーター駆動用のTA7291Pが電流を１A流せるので、これでLEDを駆動することにした。

懐中電灯の電池ホルダー部分を改造してPIC基板からLEDを点灯できるようにした。ボディの部分に穴を開け、そこからケーブルを通している。

回転数はRPM(Revolution Per Minute)で表示するようにした。自動車のエンジンの回転数などと同じで１分間の回転数で表す。表示が３桁しかないので240RPMから9990RPMまでの範囲とし、１の位は常に０として表示しないようにした。表示は24から999までとなる。
LEDの点灯時間は１回転の1/128の時間としてある。角度で約３度になる。

LEDに流す電流をどの程度にするか検討する。モーター用の電池をつければ1Aでも流せるはずだが、ロジック用の電源で出来る範囲でやってみることにした。ロジック用の電源は単４電池２ヶで3Vにし、これを昇圧して5Vを作っている。電流は200mAまで。
まず、10Ωの抵抗を直列に入れてやってみたが、まだいけそうなのでもう一つ10Ωの抵抗を並列につけ、5Ωにした。これで多分400mAくらい流れているはず。電源の容量をオーバーしている可能性が高いが、点灯時間のデューティーが1/128なので問題なく動いている。

ストロボを使った回転数の測定のやりかたを調べてみたところ、回転部分に１か所だけ線または点をつけ、その見え方で判断することがわかった。速い回転数から測定を始め、回転部分が停止して見えるところで、線または点がいくつ見えるかを確認する。３つ見えたら３倍の回転数、２つ見えたら２倍の回転数で、１つだけ見えるところが正しい回転数になる。

これで自分で作成した３極モーターの回転数を測定してみたところ、2420RPMであった。
LEDにもっと電流を流してもう少し広い範囲を照らしたい、とか回転数の設定の精度をもう１桁増やしたい、などの改善点が見えてきたが、とりあえず回転数の測定はできるので今回はこれでヨシとする。

今回は動画はうまく撮れなかったので写真だけである。
最後の３枚がストロボで回転数を測定しているもの。カメラのシャッターは1/4秒。
最後から３枚目がモーターが停止している状態、次が点が１つだけ見える状態で2420rpm、最後がその倍の回転数でストロボが光り、点が２つ見える状態。

１０．８ クルクル回って動く３輪車

クルクルつながりで、クルクル回って動く３輪車を作った。
クルクル回転しながら目標の方向に進んでいく。前・後・右・左は、ボディが回転しながらほぼ直線的に目標に向かっていく。右回転・左回転・上回転・下回転はボディが回転しながら、進行方向も回転する。

ボディの回転角度を測定するため、最初はジャイロの角速度センサを使ってみたが、角度を求めるために積分する必要があり、ここで誤差の影響が大きいのかうまく角度を求めることができず、車輪の回転数を測定するよう変更した。フォトインタラプタを左右の車輪の歯車につながるもう一つの歯車に取り付け、ここで回転数を測定する。

制御の仕組みは、ボディが９０度回転するごとに、次の駆動方向を決める。
たとえば、前に進む時は、最初の９０度は左の車輪を前進させてボディを右に回転させ、つぎの２７０度までは右の車輪を後退させてボディを右に回転させ、最後の３６０度までは左の車輪を前進させてボディを右に回転させる。
右回転など、方向が回転する場合は、制御を約１００度毎に行うようにした。ボディが右回転していれば、進行方向も右に曲がり、左回転していれば左に曲がる。
前進と右方向は右回転しながら進み、後退と左方向は左回転しながら進むようにした。

こうやってまじめに作ったものであるが、動きはバカバカしい。
自分で操作していても、どちらに進めようとしているのかすぐにわからなくなってしまう、、。

１０．７ クルクル回して動かす３輪車

またもや２番煎じであるが、今度は３輪車をクルクル回すコントローラで動かした。
右側の歯車で右の車輪を動かし、左側の歯車で左の車輪を動かす。

４輪車とは違う動かし方になるが、前進・後退はほぼまっすぐ動かせるし、方向転換やその場で回転も無理なくできる。クネクネ動かすのもできる。

コントローラが安定して動くようにいくつか改良してきた。一番効果があったのはフォトインタラプタの取り付けの高さを微調整したこと。これで安定して希望の位相とデューティーで出力を得られるようになった。ネジにはスプリングワッシャをいれてゆるみにくくしてある。
次は、歯車とフォトインタラプタを取り付けてあるブロックの強度を補強したこと。これで歯車とフォトインタラプタの位置がずれにくくなった。

１０．６ クルクル回すコントローラ

ロータリーエンコーダのアプリを考えていて、歯車をクルクル回してコントロールする４輪車のリモコン、というアイデアを思いつき、さっそく作ってみた。

回す歯車はステアリング用と車輪駆動用の２つを用意する。
車輪は歯車をクルクル回す方向と速さで前進・後進と速度を制御することにした。ステアリングは歯車の位置でハンドルの角度を制御するようにしてみたが、車輪とステアリングで歯車の動かし方が違うと操作しにくいことに気がつき、ステアリングもクルクル回して制御するように変更した。

歯車は大きい歯車と小さめの歯車を同じ軸に取り付け、ロータリーエンコーダを大きい歯車に取り付け、小さめの歯車を手で回す。勢いよく回すと２－３秒は回っているので、続けて回せば連続して走ったりハンドルが動いたりする。

赤外線の信号を送信するのに100ms弱の時間がかかり、ステアリングと車輪の信号を送るので、それぞれ100msずつ時間をとることにし、200msの周期で信号を送ることにした。
歯車の回転の変化を検出するのに200msの時間が必要となり、車輪やハンドルの動きの開始や停止に遅れが生じるのが気に入らないが、今回はこのまま使うことにした。

PICの基板は、最初は三輪車のものをはずして使っていたが、最初に作ったPIC18F1320の基板が空いているのを思い出し、こちらに移植した。
赤外線LEDは基板に実装されていないので、別基板に組み込んだ。トランジスタでドライブするようにして、駆動電流も大きくしてある。

動画は２つあり、最初はコントローラの説明で次は４輪車を動かすデモ。

孫の反応
動かし方を説明したら、少し遊んでいたが、興味はないようですぐにやめてしまった。

１０．５ ロータリーエンコーダ

これまで歯車の回転数はフォトインタラプタ１つで測定していたが、これだと回転の方向は検出できないので、きちんとしたロータリーエンコーダの取り付けを検討した。少し調べてみたところで、歯車にフォトインタラプタを２ヶ付ければよいことに気がつき、さっそく実験してみた。

ユニバーサル基板にフォトインタラプタをハンダ付けして固定するので、取り付けの間隔は2.54mmの倍数となる。とりあえず一番近くに並ぶように取り付けてみた。
これで２つのフォトインタラプタの出力を見たところ、最初の写真のように位相がほぼ180度ずれており、ロータリーエンコーダとしては使えないことが判明。

次に、２つのフォトインタラプタを接着剤で接着して取り付けてみた。１つはリード線を基板にさしこんで固定し普通に配線するが、もう１つの方は基板には取り付けできないので空中配線となる。これで実験してみたところ、２番目の写真のように位相はほぼ90度のずれで、デューティーもほぼ１：１となっており、十分使えると判断した。

４輪車のステアリングの歯車の回転数の測定にロータリーエンコーダを組み込んだ。
手で歯車を動かしても方向と回転数を測定できるので、一度直進状態に設定するとモーターで動かしても手で動かしても常に位置を検出できるようになった。

次に、３輪車の左右の車輪にロータリーエンコーダを取り付け、逆立ちして歩かせてみようとした。動いた方向が分かれば多少役に立つはず、と思ったが、残念ながらいいかげんな制御では歩くのは無理、ということが良く分かった。
３輪車のほうは、ロータリーエンコーダを取り付けると、他の機能が使えなくなるし、大きな歯車を追加しないといけなくて見た感じも美しくないので、小さめの歯車にフォトインタラプタを１つ付けて回転数を数えるようにしておいた。

ロータリーエンコーダならではのアプリを考えることにする。