ホールセンサー方式の「永久コマ」

永久コマには色んな仕組みのものがあります

私は以前、以下のような永久コマを作成しました。

①

2種類の太さのコイルを重ね巻きにしたもの (2009年)

②

リードスイッチ方式の「永久コマ」(2016年)

③

弛張型発振回路の「永久コマ」(2016年)

④

ホールセンサーモジュールを使った「回転カプセル」(2018年)

今回はホールセンサーモジュールではなく、

ホールセンサー単体とトランジスタで作成してみました。

今回、３Dプリンターで印刷したものです。

回路は先日作成した「ホールセンサーモーター」と全く同じです。

コイルも前回と同じく、

ミシンのボビンにφ0.2mmのUEWを700回巻きです。

電源はモバイルバッテリーを使用します。

コイルの中心にラッチタイプのホールセンサー「SS41F」の刻印を上にして貼りました。

(コイルは鉄心なしの空芯です。)

今回使用したお皿は、セリアで3枚100円のものです。

３Dプリンターで作った高台を取り付けました。

コマ

N極とS極が1つずつ下を向くように貼っています。

(2個ともN極を下向きにしても回ります。)

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コマがなぜ回り続けるのか？考察してみましたが

まだよくわからない点も多々あります。

もしお気付きのことがあれば、是非教えて下さい。

＜1＞

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＜2＞

コイルの影響も考えてみました。

ホールセンサーの特徴として、

ホールセンサーの上側にN極が接近 ≒ ホールセンサーの下側にS極が接近

 となります。

上図を考慮すると、コイルの影響を無視した時・考慮した時の

ホールセンサーがオン・オフになる位置の目安はこのようになると思います。

コイルの影響がない場合は（①+②）が周期の半分でDuty比が50%だが、

コイルの影響を考慮すると(③+④)＜（①+②）となり、Duty比は50%より下がる。

この下の写真の左は前回のホールセンサーモーターで

ホールセンサーとコイルは離れていて、コイルの影響がなくDuty比は約50%

右が今回の永久コマで、コイルの影響を受けてDuty比が50%以下となっています。

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ちょっと横道にそれましたが、改めてコマが回転する理由について考えます。

出来ればコイルがオンになって、

少しタイミングが遅れてコイルに電流が流れた方が

うまく回転する説明が付きそうなのでこのようなことも考えてみました。

＜3＞

ホールセンサーの動作時間・復旧時間の影響もあるかと思いましたが、

Rise time 1.5 us、Fall time 1.5 usとなっていて、

影響は小さいかも知れません。

（リードスイッチは動作時間 0.5ms・復旧時間0.05ms程度あります）

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＜4＞

コイルによるのRL回路の過渡現象の影響はあるのでしょうか・・・

今回のRL回路の時定数 はコイル以外のRを無視して

t=L/R 〔s〕

0.00531H/20.3Ω＝0.00026〔s〕= 0.26ms

定常状態の63%の電流値になるまでに約0.26ms

といった計算でいいのでしょうか・・・

(https://www.denken3.net/lecture-r/list/r006/に掲載の図)

コマが1周するのに約15msなので、約0.26msは無視できない時間でしょうか・・・？

ホールセンサーモーター

前回作成した「100円Shopの時計の基盤を使ったバレリーナ」では

時計の基盤と電池電極を使っただけで、

残りの部品がもったいない！と思い、使い道を考えたところ、

このような「ホールセンサーモーター」が完成しました！

時計の秒針のところは摩擦抵抗が少なく軽く回転するので

何かの軸受けとして使えそう・・・思い、

まず「リードスイッチモーター」を作ったのですが、完成した直後

リードスイッチの代わりにホールセンサーで回らないかしら？

と思い始め、挑戦してみることに・・・

ホールセンサーを使ったモーターと言えば「ブラシレスモーター」がありますが、

リードスイッチモーターのような簡単な工作を目標に試行錯誤し、

なんとか完成～  ♪♪(^-^)v

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分針がついてたギアの先端は少し短く切って

(下写真 左が切る前、右が切った後)

これと、秒針がついてたギア(細い針金つきのもの)と中板の３点のみを

黒いケースにおさめました。

こんな感じです。

こちらが3Dプリンターで作成したものです。

回転体にはφ6mm×3mmの磁石を6個取り付けています。

（左は秒針の軸受けを使用したもの、右は軸受けも3Dプリンターで印刷したもの）

磁石はNS交互に取り付けるか Nが全て外向きになるように取り付けます。

(下の方の考察をご覧ください)

ホールセンサー(US1881LUA)は左右に移動できるようにしました。

刻印の面がこちらを向いています。

US1881LUAはラッチタイプです。

コイルはφ0.2mmを約700回巻きました。

ホールセンサー(US1881LUA)の電圧範囲は3.5V～24Vなので、

5Vのモバイルバッテリーを使用することにしました。

回路はこのようにしました。

当初、コイルにLEDを逆向き並列接続にして、

コイルが切れるときの自己誘導起電力でLEDを光らせようとしましたが、

LEDに直列抵抗を入れても、切れてしまうものがあり、

ひょっとすると時々大きな逆起電力が発生してるのかな？と思って、ダイオードに変更。

LEDはパイロットランプとしてつけておきました。(LEDはなくても回ります)

配線をしたところです。

ホールセンサーと磁石、コイルと磁石の間隔はなるべく狭い方がよく回ります。

上の動画では、コイルは空芯にしていますが、

鉄心を入れると、より速く回転をします。

上の動画で なんとなく神戸ポートタワー？なるものをご覧頂きましたが

神戸ポートタワーのような構造を「双曲面構造」と言うそうです。

なぜ？横から見ると、曲線に見えるのか？３DCADで確認してみました。

～～～～～～～～～～＜考察＞～～～～～～～～～～

ホールセンサーには大きく分けて3種類あります。

・アナログ出力タイプ(リニアタイプ)

・ラッチタイプ

・スイッチタイプ

それぞれの詳細説明はこちらにわかりやすい書かれています。

https://emb.macnica.co.jp/articles/10315/

アナログ出力タイプのものは、以前 「磁気浮上装置」や「磁気測定器」で使用しましたが、

今回、リードスイッチモーターのように使用するなら、

「ラッチタイプ」又は「スイッチタイプ」かな？と思って、

手持ちのホールセンサーを見ると、以前に秋月電子通商で購入していた

ラッチタイプのUS1881LUA があったので、これで作成しました。

ラッチタイプのホールセンサーはN極が近付くとHIGHになり、

S極が近付くとLOWになります。

(S極が近付かないとHIGHのままです)

(ラッチタイプはバイポーラとも呼ばれるそうです)

ホールセンサーの位置によって回転方向が変わるのは下図ような理由です。

(リードスイッチモーターと同様です。)

ラッチタイプはS極が接近しないとLOWになりません。

ところが、下図左のように6個全てN極を外向きにしても回転します。

そしてこの方が回転も速いです。

その理由は下図の右のような磁力線により、

N極同士の間がS極とみなされ、LOWになるのでは？と考えました。

この後、AliExpressで購入した「US1881」でも試したところうまく回転しました。

ただ、N極とS極の反応が逆になっているのか？

N極をすべて外向きに貼った装置では、

ホールセンサーの刻印じゃない方を磁石に接近させることでうまく回転しました。

(みなしのS極ではLOWには出来るが、HIGHにはできない？？？)

AliExpressで購入したスイッチタイプのホールセンサー「A3144E」も

うまく回転しました。

スイッチタイプには単極検出(ユニポーラ)と両極検出(オムニポーラ)がありますが、

「A3144E」はユニポーラと思います。

(N接近でHIGH 離してもHIGH保持、S接近でLOW 離すとHIGH)

(「OH137」もユニポーラのようです。)

 

ローターが回転しているときの、コイル両端①～②の電圧波形です。

①

「US1881LUA」(ラッチタイプ)    

＜ローターの磁石はNS交互・コイルは空芯＞

②

＜ローターの磁石はNが全て外・コイルは空芯＞

③

＜ローターの磁石はNが全て外・コイルは鉄心入り＞

④

「A3144E」(スイッチタイプ ユニポーラ) 

＜ローターの磁石はNS交互・コイルは空芯＞

ラッチタイプとスイッチタイプではDuty比が違うことがわかりました。

次はこの回路を使って、「永久コマ」に挑戦します♪

100円Shopの時計基板を使ったバレリーナ(改良版）

2016年にこのようなものを作りました。

https://eneene7.blogspot.com/2016/03/100.html

このときは思いつくまま回路を作って、

動いたのでこれでいいか・・・といった感じで終わらせていましたが

先日、横浜の師匠のMukujiiさんに回路を見て頂き、

今回はコレクタ接地回路をエミッタ接地回路に変更、

装置も3Dプリンターで作成、磁石の個数も増やして

前回作より、よく回る改良版を作成しました。

こちらが今回作ったものです。

いつものことながら、作り始めると止まらず13個作成・・・(笑)

そのうちの8個を並べている場面もあるので是非ご覧ください。

BGMの「星に願いを」はこちらからDLさせて頂きました。

https://meteoricstream.com/midi_detail/21.html#download

「100円Shopの時計の構造について」の説明動画も作ってみました。

①

これが3Dプリンターで作成したものです。

左の2つ（土台・上板）は熱溶解方式の3Dプリンターで

右の３つ(磁石用・がびょう用・人形)は光造形方式の3Dプリンターで作成しましたが

熱溶解方式の3Dプリンターでも造形出来ます。

この3Dデーター(Step・Stl 形式)はこちらにアップしています。

https://www.eneene.com/3d/ballerina.zip

穴のサイズが合わないときなどは、Stepファイルを修正してみて下さい。

②

100円Shopの時計を分解し、水晶振動子のついた基板と

電池の電極を取り出しました。

この電極はダイソーのこの壁掛け時計から取り出したもので、

３Dデーターはこの電極に合ったものとなっています。

(セリアの時計やダイソーでもアラーム機能のついたものは電極の形が異なります。)

スイッチはこのスイッチのサイズで3Dデータを作っています。

③

これらをこのようにハンダ付け

(リード線の先端には耐熱通信機器ビニル電線 0.65mm 単芯線の

被覆を剥がしたものをハンダ付けしています。)

④

３Dプリンターで作った土台に貼りました。

上以外の配線は、工作教室で出来ないかと思い、ブレッドボードで試作しています。

⑤

コイルは0.3mmφのUEWを300回、ボビンに巻いています。

ミシンの下糸を巻く機能を使って早く巻くことが出来ました。

⑥

回路はこのようにしました。

⑦

人形のスカートは、不織布で作成。

糸で運針して絞るのがいいと思うのですが、

これまた工作教室で実施したとき、子供が安全に出来る方法を・・・と思い

このような方法を考えました。

⑧

前回は中心軸にバーベキューの串を使っいて、

バレリーナを串刺しにしている点が気になっていました(^^;

今回、何を使おうかと色々と考えていたところ、太めの「フラワー用ワイヤー」を発見！

白い紙が巻かれていて、今回の装置との色合いも良く、

#18は太さが1.2mm(鉄心は太さ1.0mm)とシッカリしています。

⑨

フラワー用ワイヤーを13.5cm、白いストロー2本は14.5cmにカットしました。

⑩

３Dプリンターで作成したものに、

磁石(φ6mm×3mm)はN・S交互にはめ込み、画鋲は先が上を向くようにして

瞬間接着剤で貼りました。

⑪

フラワー用ワイヤーに、⑦と⑩を通して

ゆるい場合はボンドで接着します。

⑫

人形の手足は3mmモールとビーズで作成

「モール」と言うのは日本だけのようで、

AliExpressで購入するときは「pipe cleaner」で検索すると出てきました。

(結局発注した5mmモールはやや太めだったので、使用しませんでしたが・・・)

⑬

回転体はφ6mm×3mmのネオジム磁石にぶら下げて回します。

3Dプリンターで作成したものに磁石をはめこみ(NSどちらでもOK)

⑭

土台と上板はφ6mmのストローでつなぎました。

⑮

土台の下の穴にワイヤーを入れ、上の磁石に画鋲をくっつけてぶら下げて完成です。

＜考察＞

動画の中にも載せておりますが、

時計の基板にコイルが接続されていたところの電圧波形を見ると、

1秒ごとに正と負のパルスが繰り返し発生しています。

時計の基板をそのまま使って①・②にコイルを接続し

バレリーナが回転しないか？試してみましたが、パワー不足で回りませんでした。

前回はコレクタ接地回路で作りましたが、

今回は電力利得が有利なエミッタ接地回路にしました。

＜回転方向について＞

コイルに1秒に一瞬、電流がながれたとき、コイルと磁石の位置関係が

下図の左の場合は、

N極同士が反発し、S極が引き寄せられることで時計回りの方向に回転をします。

右の場合もN極同士が反発し、S極が引き寄せられますが

この状態では反時計回りの方向に回転をします。

また時計回りの方向に回転をしている途中、

左の図の位置でコイルに電流が流れると回転の勢いが増します。

逆に右の図の位置でコイルに電流が流れるとブレーキがかかります。

これ以降は動画には記載していませんが、

もし下図ようになった場合はどちらに回転するの？と疑問がわきます。

実際、13台作ったうちの1台だけですが、

電池電圧が1.4V程度まで弱ると、この位置で時々止まってしまうものがありました。

それ以外の12台はアルカリ乾電池の場合、

1.0V程度まで 止まらず回転します。

この位置で止まらないようにする対策も考えてみました。

コイルを1個追加して下図のように接続すると、

コイルAとコイルBには1秒ごとに交互に電流が流れます。

コイルAに電流が流れたときに動かなくっても、

コイルBに電流が流れたときには回転をします。

余談ですが、15個分解した時計の基板のうち、

1個だけ不良品があり、発振したりしなかったり・・・

結局、この1個は使えませんでした。