2016年3月28日月曜日

100均の時計の水晶発振子を使った回転装置(バレリーナ)

100均の時計の水晶発振子を使って
回転装置を作成し、バレリーナを回してみました。

時計に入ってる水晶発振子は32,768Hz215Hz)で発振しています。
周波数が215Hzなので15分周すると1秒のパルスを得ることができます。

今回の装置では1秒間隔にコイルに電流が流れ、
バレリーナの下の永久磁石とコイルが反応をして回転します。

ダイソーで販売の時計を使用しました。

中を開けるとこのようになっています。
下の黄色い丸部分が今回使用する基板です。

「トランジスターベースへ」のところに
細い線が接続されていますが取り外します。
「ブザー用」のところには
ブザーがついていますが、これも取り外します。
100均で販売されている時計は
だいたい同じような基板が付いていると思います。
目覚まし機能がない時計(壁掛け)は「ブザー用」はありませんが
同じように出来ると思います。

0.5mmφのポリウレタン銅線をプラスチック製のボビンに170回巻きました。
0.35~0.7mmφ程度の被覆線でもOKです。
(ボビンいっぱいに巻いた状態。
例えば0.35mmφ300回巻きなどでもOK。1mmφ100回では巻き数が取れずNG。
細い方が ほんの少し動きが悪いような気がしますが、電池の持ちはいいかな?
今回は動きの一番良かった0.5mmφを使用しました。)

回路は下のように組みました。
(回路は私が考えたもので、もっといい方法があるかも知れません。)

15cm×9cmの板に貼りました。


コイルは立てて 小皿に貼り、
その手前にはカードケースに穴を開けたものを2枚 貼っています。
(魚串のズレ防止のため)

バレリーナを支えるための支柱は白いストローを使用しました。

上部はダイソーの6mmφ×3mmの磁石を入れて
針が直接磁石と接触できるように 少し穴をあけています。


バレリーナは、発泡スチロール、モール、不織布などで作成。
魚串に差しました。(残酷??)
上部は串と針の先端をビーズ経由で接続
(エポキシ系接着剤で貼り付け)
下部はM2用のワッシャー3枚と、磁石2個
(磁石の極性は逆にしていますが、同じ極性でも回ります。)

電池が弱ってきたら、磁石を4個(N極 S極を交互に)貼ると
バレリーナの回転が ある程度 復活します。



⑦の上部の針を⑥の磁石にくっつけて、
魚串の先端を⑤のカードケースの穴に入れたら完成です。

コイル部分が見えないように
白いケースをかぶせてもいいかも知れません。

ビデオで撮ってみました。


<水晶発振子を使った基板について自由研究>

時計から取り出した基板を単3乾電池1本に接続し、
下のA、B 間の電圧波形を見てみました。
(もともと細いコイルが接続されていた端子です。)

正方向に約1.1V、その1秒後に負方向に約1.1V パルスの発生をしています。
(1秒毎に正・負の繰り返しです。)


AとBに直接 今回作成したコイルを接続しただけでも動きそうですが
電流が少なく、ほとんど動きません。

そこでトランジスタを使うことにしました。
A、Bを トランジスタのベースとエミッタに接続すると
周期が2秒(周波数0.5Hz)のパルス発生になります。

それでもバレリーナは回転するのですが、
回転が弱いので、上の回路図のように、
トランジスタを2個使い、A又はBのどちらかがパルスを発生すれば
コレクタ電流が流れるようにしました。
これで周期1秒(周波数1Hz) となりました。

1秒に1回パルス発生をして、その瞬間にコイルに電流が流れ、
そのときのコイルと磁石の位置関係で、回る方向が決まります。

時計回りに回っているときに、
コイルと磁石が さらに時計回りとなる位置関係なら連続回転し、
反時計回りとなる位置関係ならブレーキがかかります。

1秒に1回の出力なので電池の持ちは非常に良いと思います。

(単3アルカリ乾電池1本で、どれだけ持つか試したところ、
最初の2~3日は 元気に回転していましたが、徐々に元気がなくなってきました。
10日目に磁石を4個にして元気挽回しましたが
12日目、左右に動くだけで 全く回転しなくなってしまいました。
14日目もまだ左右に動いてますが、ここで観察は終わることにします。)


これ以外の実験や工作も掲載していますので、
是非こちら ↓ も見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見えない場合もあります。)


100均の時計の水晶発振子を使った回転装置 は、上橋智恵の考案作品です。




4 件のコメント:

  1. 智恵さん、
    この間はアルキメデスの螺旋のボルトについて教えて頂きありがとうございました。

    最近は学校の休み時間などに、記事を楽しみに読ませていただいています。
    智恵さんの豊富なアイデアと、
    簡潔で要領を得た解説には、僭越ながらいつも驚かされるばかりです。

    現在、「リードスイッチを使った永久コマ」を作ろうとしているのですが、
    これについていくつかアドバイスいただければありがたいです。

    1:コマに加わる反発力がいまいち弱いようなのですが、コツはありますか?

    コイルは4センチくらいの鉄のボルトにφ0.2のエナメル線を200回くらい巻きつけました。
    コマはブログの記事と同じように、ワッシャーと爪楊枝で、ネオジウム磁石を二つつけて作成しました。
    リレースイッチはコイルの直上に張り付け、その上に皿を置いています。

    現状ではリレーのオンオフにかかわらずコマの磁石がボルトの両端に引き付けられてパタンと倒れるだけで、回転が加速しないです。ネオジウム磁石とボルトが近すぎるのかなと思い両者を離すと、こんどは何の磁力も感じません。

    電磁石の磁力が弱いのかなと考え、
    巻き数を増やすか、電池を2つ直列に繋ぐか
    エナメル線の太さを0.4にするか・・・どうしたものかと思っています。

    2:LEDは必要ですか?
    これは電流のオンオフが起こっていることの目印以外の用途はありますか。

    以上2点、教えて頂ければ幸いです。
    よろしくお願いいたします。

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    1. 達哉さん
      いつも見て下さってありがとうございます。嬉しいです^^

      早速ご質問の件ですが
      1、0.2mmφのエナメル線を200回巻きは少し弱いような気がします。私がやったときは0.35mmφを400回巻きました。
      出来れば0.4mmφを200~300回程度巻いたもので試されてもいいかな。と思います。

      2、LEDは逆起電力を利用して光らせているのと同時に、大きな逆起電力がリードスイッチにかかることを防止しています。もしLEDを入れないのであれば、整流用のダイオードを入れておくという方法もあります。全く入れなくってもすぐにリードスイッチが壊れることはありませんが、徐々に壊れていく可能性が高いと思います。

      是非頑張って作って見て下さいね。
      うまく回ることを楽しみにしています。

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  2. 智恵さん、
    お返事ありがとうございます。

    エナメル線を太くして再度挑戦してみます。

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    1. 達哉さん、是非頑張ってみてね。また何かあればいつでもどうぞ ヾ(^o^)

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