電子工作や、物理のお話など総集編

はじめに

こんにちは、こんばんは。副部長兼会計兼電子工作班班長、高1の安藤です。今回が3回目となります。2年前は壁に沿って走るロボットの製作記（懐かしい…）、去年はArduinoについてまとめ、早いものでこれを書くのも来年が最後になってしまいました。毎年読んでくれる方がいるのであればただただうれしい限りでございます。この3年間もいろいろありましたね。いつしか、3つも役職を持つとは…。

さて、今年の部誌の内容ですが、これを書いている時点でまだはっきりと決まっておりません(大丈夫なのか?6月5日←提出期限まであと1か月)。はっきりととは言っても去年と違い「はじめに」が「0」なので、方針は決まってはいます。

今年の部誌は短編集形式で行きたいと思います。弁解をさせてもらうと、後に述べる四足歩行のせいで、まともにはんだ付けをしていない期間が長く、そのブランクのために、1つのことで深く掘り下げるものもなく、また書きたいことも多かったからです。

長い長い前置きもここらで閉じさせてもらおうと思います。

参考文献については、最後にまとめて書いておきます。

4足歩行ロボット製作記

はじめに

最初に部品を買い始めて約1年と4か月が過ぎた先日、数々の困難を乗りぬけて、ついに4足歩行ロボットが正常動作しました。マジ大変だった。ここまで来るのに。もう少し早く終わっていれば、他のことにもさらに精を出せたのになぁ、とか今になって思ったりもする。この部誌を読むにあたって、部品などの基礎知識については、ある程度知っていることが前提です。電子部品について、全くわからないのであれば、先に5の内容を読むことをお勧めします。

材料

Arduino Uno(今回は互換品である、Maruduino Uno を使用)　×1
RCサーボモーターS03N-2BBMG/F　×9
測距モジュール GP2Y0A21YK　×1
1/4W 10kΩ 抵抗×2
積層セラミックコンデンサ 0.1μF50V　×1
タクトスイッチ×2
ピンヘッダオスL型(40ピン)　×1
ピンヘッダオスシングル型(40ピン)　×1
DCジャック MJ-179P 2.1mm標準　×1
ユニバーサル基板(大きさ的にはICB-93Sがちょうどいい)　×1
タミヤユニバーサルプレート　×1
乾電池9V　×1
乾電池単3型　×4
電池ボックス単三型4本　×1
電池スナップDCプラグ付き　×2(電池ボックスやスナップは自分の好きなタイプを選ぶほうが良い)
アルミ板　適量
ビス、ナット　必要な分だけ
ワッシャー100個入りを買うとよい。あるとかなり便利
両面テープ、ゴム板など

部品について軽く説明をします。4足歩行ロボットを作るというのに材料はこれだけ?と思う人もいるかもしれません。展示しているのをよく見てもらうと、基板の部分についている部品が少ないことに気づくと思います。これは、4足歩行するロボットの原理がそこまで難しくないことを意味しています。それを1から設計するとなると、部品や回路の知識であったりが必要なのですが、今回はまねて作ったものなので、作ってみて、自分でもよく原理を理解しながら作れました。サーボモーターを一気に9個動かしながら、センサーでは、壁との距離が近すぎると離れるようにするという回路を作って、同時に信号をArduinoに送るという感じの回路です。

これを作っている期間が長かったので、他の団体の展示会とかにも行ってみたりしたのですが、よく展示されているロボット、たとえば2足歩行ロボットなどは、動きをすべてサーボモーターでやっていました。普通のよく見るモーター(DCモーターというのですが)は、限度がなく、基本的にずっと回り続けますよね?しかしながら、サーボモーターは永遠に回り続けるというものではなく、角度を調節しながら、動いたり、止まったりすることのできる、いわばDCモーターの上位互換です。ただし、回ることのできる角度には大体制限があって、DCモーターのようにずっと回り続けることを目的に作られた部品ではありません。そのため、基本的に制御が必要な部品です。そのため今回ではArduinoを使っています。

そして電源なのですが、9Vの乾電池と、単三乾電池4本、すなわち、6Vを電源にしています。これは、考えればわかるのですが、Arduinoを動かすための電源として9Vを使い、モーターで6V使うということです。9個もの、サーボモーターを動かすとなると、さすがに、9Vの乾電池1つでは足りなくなるので、別電源としています。ちなみに、この電池、減るのがとても速いので、電池が原因で動かなくなるというのもよくあります。対策としては、コンセントからの電源をDCジャックに変換して供給するか、エネループなどの充電式の電池を使うほうがいいと思われます。

アルミ板に関しては、綺麗に切る方法を熱心に探していた期間も長かったので、かなり資材を浪費してしまいました。面積的には、よく、ホームセンターの木材売り場の近くにある、銅板や、鉄板や、ステンレスの板などとともに売っている、金属板の売り場にある1000円くらいのアルミ板の大きさで十分です。

ワッシャーは、あるととても便利です。アルミ板を綺麗に切断してもなお、素人のできる正確さには限度があると、自分でも痛いほど身にしみてわかっています。なので、その時のずれを、特にねじ止めするときに、修正できるのがワッシャーです。必須とまでは言いませんが、あったらとても助かると思います。

軽くとか言いながら、これだけ説明してしまいました。これだけ苦労して時間もかけて作ったので言いたいことがたくさんあるんだなぁと思って流してくれれば幸いです。でも、割とあって助かる情報も書いてあると思います。

(追記)詳しい話は、5の部分でも書いてあります。

回路

これが、回路です。本にあったものをスキャンして、加工したものです。見ての通り、回路は割とシンプルです。プログラムするときは、各々のサーボモーターをArduinoにさした時に、どこを動かす部分のサーボモーターかを覚えておかなければいけません。あと、注意すべきところは、電源が2種類あるというところです。

制作の様子

回路について

参考にしている本が、買った当時はまだ発売されたばかりで(今は改訂版も出されている)、回路図を当時あまり参考にしていなく、基板の図を見ながら作っていて、その図が間違っていたために、基板が完成するのにとても時間がかかってしまった。

筐体の組み立てについて

ここが、最も苦労したところであり、そして最も時間がかかったところである。これだけで、軽く10か月使っている説はある(諸事情により、中3の3学期は、部活にきて作業することが少なかったのだが)。アルミ板を切るだけではなく、曲げ加工をするのもとても大変だった。

加工初期

作業を始めた当初、それも去年の文化祭が始まる前、本にはアルミ板で、4 足歩行ロボットを作ると書いてあったので、楽しそうだなあという感情もあって、挑戦してみることにした。ここからが、中学校生活終盤から高校 1 年生の中間考査が始まる前まで続く地獄の始まりだった。

第一関門

まず、何もわからない状態だったので、とりあえず、先輩に聞いて何で加工するか考えたところ、リョービのジグソーがあった。結果は、うまく切断できず、汚いし、うるさかったので、違う方法を考えることにした。糸鋸で切ったり、いろいろ部活にあるもので試してみたが、工業高校がよくやっているような、綺麗なものには程遠いモノしかできなかった。

金属のこぎり全盛期

川崎のUnidyに行って、のこぎりのところを見ると、金属用のこぎりがあったので、それを購入して、加工してみた。ついに救われると思った。しかしふたを開けてみたら、切りづらく、そして糸鋸でやった時と汚さは相変わらず、それでも無理やり加工して頑張っていったん完成させてみたが、全くダメだった。

暗黒時代

この時代は闇でしかなかった。前述したように回路もおそらくおかしい、筐体はとてもひどい状態、文化祭は終わって、前では、遊んでいるPC班、先輩はいなくなって一気にかかるプレッシャー、研修旅行の課題がうまくいかず自暴自棄になるなど、とても荒れて、作業のやる気も全く起きなかった時代だった。

冬休み、そして 3 学期の暗黒時代再び

考査も終わり、ほっとして、冬休みはFFばかりやっていて、部活もなかった。このころネットで、カッターや金切りばさみを使って加工するという動画を見て、やってみようという気になった。これが救いだった。しかし3学期は、英語のプレゼンの、グループ課題に追われ、班員は全員サボり、自分一人でただただ作業していた日が続き生活のリズムが乱れに乱れまくったせいで、部活もサボって、日々課題に追われるという、つまらないことに明け暮れていた。万力バイスも買ってとりあえずの形で完成してはいたが、見た目も汚いし、うんともすんとも言わないし、動いてもくれなかった。

高校入学式後

本格的に作業も進め、アルミ板の加工も、GW明けにはほぼすべて終わっていた。そして、回路も修正し、中間考査明けに完成して、今に至る。

アルミ板の加工方法まとめ

~~なんか、製作記書いてたらFFについて語りたくなっちゃったよ〜。~~ 今までのものは、自分の体験談を語っただけなので、読み飛ばしてもらっても構わない。というわけで、自分が苦労し、時間もかなりかけたので、アルミ板の加工方法について、お勧めの方法をここで詳しくまとめていきたいと思う。

用意すべき道具

作業台(自分はごみ捨て場から拾ってきた机の天板を使っていた。)
万力バイス(4000円程度の物、大きいほうが良い)
カッター(1000円くらいの大きい物)
アルミ板
ボールペン(油性ペン)
定規(長さは加工するアルミ板の大きさによる)

アルミ板の切断の仕方

1.アルミ板を切断したい形にボールペンで何度も同じ場所をなぞってアルミ板に傷をつけるように書く。この時、油性ペンを使ってもよいが、見た目はボールペンのほうがきれいになるので、絶対に勧めない。(ネジ穴を通す場所まで記しておくとよい)ちなみに、鉛筆、シャーペンは痕すら残らないので、戦力外。できるだけ誤差の内容に書く。

2.カッターで、ある程度書いた線に沿って、傷をつける。ここで、傷を丁寧につけると、傷がはみ出ないので、見栄えがとてもよくなる。とにかく、ここは丁寧に作業したほうが、後の見栄えもよくなる。ここで、むしろカッターだけを使って切断することも可能。2~30回は最低でも同じ場所を傷つける。

3.ある程度傷がついたら、万力バイスも使って傷をつけた場所に沿うように丁寧に曲げる動作を繰り返す。

4.切断完了

アルミ板を曲げるとき

(1)切断の仕方の(1)と(2)をやる。ただしこの時、あまり傷はつけすぎないほうが良い。また、傷はアルミ板の両面につけると良い。大体5回程度傷をつけるだけで十分。(2)曲げるときもわかるとは思うが1回だけで十分だし、曲げなおしたりすると、逆に切断されてしまうので注意が必要。

作り終わった後の感想など

最初に作り終えて、急に4足歩行ロボットが動いたときは、かなり驚いたし、感想としては、生き物みたいで気持ち悪いという印象があった。9個のサーボモーターを使って、動物のような動きをしていた。当たり前といえば当たり前ですが、苦労して作った電子工作の作品とかって、正常に動いてくれた時の感動って、テストで100点取るより感動しますよ。今回は、そんな感動と、気持ち悪いという2つの感情だったので、少し複雑ではありましたけど。

超伝導について

はじめに

これを書こうと思った動機は、とある大学の文化祭で、見て面白いと思ったのがきっかけで、今回に至った。今年はもう無理だろうと思っているが、来年度の文化祭では、間違えなくなんかしらの形で超伝導の発表をしたいと思っているので、来年にご期待ください。

そもそも超伝導とは何ぞや？

「超伝導」と聞いても何のことかわからない人は、これを読んでいる人もいるでしょう。説明だとわかりづらいと思うので、導入部分で印象を持ってもらいたく、画像をのっけます。というわけでどうぞ。

こんな感じのものですが、見たことある人もいると思います。次の項では、詳しく説明したいと思います。

仕組みなど

そもそもの定義とは何だろうか。参考にしたサイトにはこう書いてある

電気抵抗がゼロである
マイスナー効果が観測される。

と。「この2つのことが観測されることが超伝導には必要である。」とも。電気抵抗がゼロ?そう思った人も中に入ると思いますので、説明していきます。

電気抵抗について

電気抵抗というのは、電流が流れるのを妨げるので電気の一部が熱に代わってしまいます。例えば、電化製品を使っているときにもそのことを感じられる時があるでしょう。ドライヤーや電気ポットなどは諸、その性質を使っています。またコンセントにさしていた掃除機などのコードが熱くなるのもこの性質によるものです。これが、大きなエネルギーの損失になります。その電気抵抗がゼロということは、抵抗がないので夏を発生せず、エネルギーの損失もないので、流れている電流は永遠に流れるというものです。

そしてこの状態は、ある特定の物質を混ぜ合わせて作った材料を冷やすと、電気抵抗がなくなるという状態になります。これを、超電導現象といいます。

物質によってなるものとならないものがあり、金、銀、銅などの物質は、冷やすことによって電気抵抗は小さくなるが、ゼロにはならず、超電導にはなりません。

マイスナー効果について

聞いたことがないワードだとは思いますが、こっちのほうがどちらかというと有名だと思います。

簡単に言います。あの画像では、なんか得体のしれないものが浮いていましたよね?はい、そうです。あれは、「マイスナー効果」が原因の一つで起きる現象です。

普通の電導体(常電導体)、ここではわかりやすくするために、通常の温度での磁石を想像してください、では、磁力線が常電導体を通るのですが、超伝導体ではその磁場が超伝導体から排除されるという効果です。

それでは、あの浮遊している磁石はなんでそうなっているのか?

それは、もう一つの重要な性質で、ピン止め効果と呼ばれるものがあります。この二つの効果により、超伝導体と磁石の位置関係が固定されて、安定して浮上しているのです。

臨界温度について

超伝導状態になる温度のことを、臨界温度といいます。

超伝導というものが発見されてからはずっと-243℃を超えることはありませんでしたが、現在では-138℃で超電導になる物質も発見されています。

補足説明

よく、「超伝導」と聞くと大体次いで、「液体窒素」という言葉を耳にすることがあると思います。ちょっと興味深い話も聞けたので、大学生から聞いた話の内容も混ぜながら、書きたいと思います。

温度の概念について

中学に入ってからの理科(高校化学基礎かも)では、こんな単位を習うかと思います。K(ケルビン)

Kと℃の関係について、式を書くとこうなります。

\[ T(K) = t(℃) + 273 \]

Kとは、原子・分子の熱運動というものがほとんどなくなる温度を0Kとして定めた温度のことを言い、これを絶対温度といいます。℃はセルシウス温度といい、1気圧の下で氷が溶ける温度を0℃、水が沸騰する温度を100℃と定めた温度の事を言います。熱運動というのは、目には見えない原子・分子が行う運動のこと、1気圧というのは、およそ1023hPaのことです。

と、温度の概念について話したところで本題に入りましょう。

先ほど話した臨界温度について。これはどの物質であってもとても低い温度です。冷凍庫にしまっただけでは到底出せるものでもありません。そこで磁石などの冷却に使うのが、液体窒素です。よく聞きますよね?

なんで液体窒素なのか聞いてきました。まさに上の図(前ページ)

「液体酸素だと何がいけないのですか?」

「液体酸素は、窒素より沸点が高いし、値段も高いので」

「だったら、液体ヘリウムだと何がダメなんですか?」

「液体ヘリウムだと1Lで、3000円くらいするし、研究用で大量の気体を使うから、安いほうがいいです。液体窒素だと1Lで10円(確か)くらいなので」

というかんじで話をしていました。気になって調べてみました。10円とまではいかなかったものの、割とリーズナブルな値段ではありました。これで、今年の文化祭に出せるかなぁと思ったんですが、問題点だらけで、まず、それを保存しておく専用の容器(20万円)が必要。法的な資格はいらないが、保存容器の値段のほかに、取り扱いに注意が必要であるなど、かなり文化祭で出すのは、どうだろうかなぁなんて思ってしまいます。しかし、レンタルもやっているということなので、下調べをもっと詳しくしてからにしようということで、今年は見送り、来年出せたらなぁと。その下調べの一環でございます。この部誌。

超電導の応用例

この項目も、長くなってしまうので、1つだけ紹介します。よく言われているのが、リニアモーターカーですね。リニアモーターカーでは、高額な液体ヘリウムを使っているということも聞きました。リニアモーターカーには、「線路」という概念がないので、車両を浮かせて、左右にある柵みたいなものの中にある磁石のN極とS極が交互に配置されているので、その反発する力を利用して車両を前進させています。その時の車両を浮遊させるために超伝導の技術が利用されています。

まとめ

超伝導に関してはこれで終わりとなります。超電導について、ちょっとでも興味を持ってくれたり、面白いと思ってくれればいいなぁと思っています。

超音波について

はじめに

今回もとある大学の文化祭シリーズ(仮)です。これも、少し気になったので、超電導ほどは深入りしませんが、調べたことなどをまとめていきたいと思います。

僕が見たのは、こんなものです。

画像の中央に白い球が3つほど浮いていますがどうやらこれも超音波と関係があるようです。これを見たのがきっかけで調べようかなぁと思いました。これも後に詳しく説明したいと思います。

余談ですが、大学の文化祭ってとても面白いですよ。なぜって、中学生、高校生のやる文化祭なんかとは、レベルが全く違うんで。小学生が、中学、高校の文化祭を見ると真新しいことだらけで、面白いと思うけれど、それと同じように、高校生が大学生の文化祭を見ると、これまた真新しいものを見られて、面白いと思いました。

ちなみに、この超音波は、今のところ来年の文化祭で出すつもりはありませんので、こういう実験とか、研究を間近で見てみたいならば、それこそ大学の文化祭、オープンキャンパスに行ってみることをお勧めします。おそらく費用面でこれを文化祭に出すのは無理でしょうね。

超音波ってなーに?

超音波とは音の一種です。そもそも人間には300Hzから4kHzの周波数を声として発し、聞くことのできる音は20Hzから20kHzの周波数といわれています。そして、超音波とは、「人間の耳では聞くことのできない音とされています。他にも定義があるらしいのですが、ここではこの定義で説明したいと思います。

超音波も音の一種なので、特徴は理科で習うような音と同じです。真空中では伝わりません。光とは違い、非透明な物質中でも伝わることができます。音と同じように、早さも、気体<液体<個体の順になります。

Hzとは?

ここでは、自分が確かめたいということもあり少し脱線したいと思います。Hz、すなわち周波数とはそもそも何なのか?これ、実は、電子工作班の立場としては、トランジスタという部品で、高周波トランジスタ、低周波トランジスタとかよく言ったりするので、ここでまとめておきたいと思います。

周波数(しゅうはすう英:frequency)とは、工学、特に電気工学・電波工学や音響工学などにおいて、電気振動(電磁波や振動電流)などの現象が、単位時間(ヘルツの場合は1秒)当たりに繰り返される回数のことである。Wikipediaから引用

と書いてある。そして、この文章を書いている現在、物理基礎の教科書を見てみると高校の物理基礎でも触れている内容です。どうやら波に関係するらしいです。これで解決しましたね。トランジスタでも、高周波と低周波のものが存在するのも、納得がいきます。

トランジスタとは、簡単に言うと、電流を増幅する、増幅作用と、スイッチング作用を持った端子が3つある部品です。しっかりと別のところで説明したいと思います。

あの写真の解説

さて、それでは、ここまで話したところで、最後に例の写真の原理について説明したいと思います。最後の感想はないです。この現象は「超音波浮揚」と呼ばれるものになります。

そもそも、浮揚とは?

物体が宙に浮くことであり、前の、超電導のところで説明した、磁石のあの画像なんかがいい例だと思います。

下のほうにある円盤のようなもの(ホーン)から、超音波を発生させ、反射板を平行に配置し、球が浮いている場所に定在波音波というものを形成します。そしてこの、気体の疎密差による力を揚力に変えて物体を浮揚させています。詳しくは物理の音の分野を参考にするとよいでしょう。しかし、この程度の揚力では、数mg程度の重さしか浮揚させられないので、あの画像のように、小さい球が浮いているわけです。図のように、大体ピンセットを使って浮揚させることも多いです。

僕が大学のオープンキャンパスに行ったときは、ホーンの部分にもさわることができました。音などは何も聞こえなかったのですが、ホーンの表面は、とてもぬめぬめとした感触となっていました。あと、反射は、床とやったほうが、浮揚は安定していました。また、浮揚中に、ピンセットなどで、球と球の間をつついたりすると、少しなら何の変化もないのですが、あまりやりすぎると、その後は、浮揚することはなくなってしまいました。

以上、大学でのオープンキャンパスでの体験も含めた、超音波の話でした。

3Dプリンタについて

はじめに

前年度に購入予定だった3Dプリンタは予算の都合上今年度、購入し、今年から運用を始めた。3Dプリンタは、テレビで見て知っている、なんて方もたくさんいると思いますが、ここでは印刷の仕組みや、値段、どんなものがあるのかなどについて踏み込んで話をしていきたいと思います。

造形方式の違いと、特徴など

3Dプリンタを語るうえで、これ抜きには話が進まないと思います。なので、まずは、造形方式の違いについて、分類しながら話を進めたいと思います。自分が調べた結果、造形方式の種類は5種類あることがわかりました。自分では、2種類くらいしか知らなかったので、5種類もあってとても驚きました。

熱溶解積層法

この方式が、僕を含め、一般人の中では最も知られた方法なのではないかと思います。展示されているであろう3Dプリンタでも取り入れられている方式です。

リール状に巻かれている、樹脂のフィラメント(熱可塑性樹脂)を、ノズルの先端にあるヒーターで加熱し、溶かして、押し出すことで溶かしたフィラメントを使って造形する方式です。

その溶かしたフィラメントを文字通り積み重ねていくことで、造形物が出来上がります。展示しているものを見てもらえばわかると思うのですが、ノズルの高さは基本的に変わらないので、台の部分の高さを変えて積層しているのがわかると思います。また、完成した造形物を見てもらえばわかると思うのですが、造形物が層状になっているのが、感触だけでもわかると思います。ちなみに、造形物が1層分出来上がった後に、台が下がるのですが、その高さのことを、「積層ピッチ」というそうです。そして気づいている人もいると思いますが、この積層ピッチより細かい形状を作ることはできないので、制度注:精度を求めたい場合は、この積層ピッチが細かい3Dプリンタを使うか、他の造形方法などの3Dプリンタを使うのが良いです。

自分たちが展示しているであろうX-one2は、その機能が付いただけの造形方式です。

樹脂には、2種類あって、一つは、PLA。2つ目はABSというものです。その違いは表にまとめたいと思います。

	PLA	ABS
ノズルの温度(純正フィラメント)	210℃ (180 ~220℃)	230~240℃ (210~250℃)
ヒートベッドの温度	40℃	110℃
冷却ファンの使用	あり	なし

見ての通り、樹脂によって、溶ける温度なども違うため、設定なども3Dプリンタによって変えなければなりません。この温度がしっかりしていないと、樹脂は溶けないし、場合によっては、詰まってしまうこともあります。

自分が知らなかったことなのですが、複数のノズルを使うタイプもあるようです。比較的安価なものが多く家庭用3Dプリンタでは、この方式を採用しているものが多いように思います。

ただ、手入れをしなければいけなくて、ノズルにフィラメントが詰まるというのは、よくおこることです。なので、ノズルの部分だけ取り外すか、ノズルを買い替えるというのが良いでしょう。なので、ノズルは、3個入りで、安い値段で、Amazonで売っていたりします。

光造形法

自分がかけらも聞いたことのない造形方式の一つです。調べてみたのですが、なかなか、高度な造形方式だなぁと思いました。というわけで、まとめていきます。まず、このプリント方式は、実は、3Dプリンタの期限となるもっとも古くから存在する造形方式で、製造業でもよく利用されています。また、制度もよいので、プレゼンやデザインの確認のモデルとしても、また、真空注型や樹脂型のマスタモデルとしても利用されます。紫外線を当てると硬化する、液体状の、「エポシキ樹脂」という者に紫外線レーザーを当てながら硬化させていく方式です。

ただし、この硬化して作るのが、熱溶解積層法と考え方が似ていて、ここでも積層、ピッチと呼ばれるものが存在します。

材料となる液状のエポシキ樹脂をタンクに入れて、レーザーを当てて1層目を硬化させます。そして、硬化した積層面を、熱溶解積層法と同じように、1段下げて、次の層を硬化させていきます。そして、これもまた熱溶解のものと同じで、何層も重ねて、造形していくというのが、この造形方式です。

使われる材料としては、先ほどの、エポシキ樹脂や、アクリル系樹脂。ただし、エポシキ樹脂は、太陽光に弱く、アクリル樹脂はもろくて弱いという欠点があります。

インクジェット方式

こちらもまた、聞いたことのない造形方式ですね。

この方式は、紙に印刷するインクジェットプリンターと同様に液状の樹脂を噴射して印刷する方法です。

特徴としては、高速に複雑で、細かい造形物を作ることができて、造形物の表面が滑らかできれいです。

まず、インクジェットが、移動しながら樹脂やサポート材を噴射していきます。そして、ローラーカッターで指定した1層分の厚みになるように鏡面を削っていきます。そして、いつものように、台を下げて2層目という流れです。

材料としては、ABS樹脂に似ている、ABSライクや、PPライク、ラバーライクなどです。複数のノズルがある場合はこれらの材料を複合した造形物を作ることができるそうです。

粉末石膏(せっこう)造形

粉末を使って作るというのは、実は、テレビで見て僕が3Dプリンタを知った最初の出来事だったので、実は、割と最近までは、3Dプリンタの印刷方法の主流はこの方法(または次紹介する方法)なのかなぁと思っていた。

この方法では、高速に複雑で、細かい造形物を作ることができ、インクで着色できて、カラーでも印刷できるという、かなりよいメリットがありますが、反面、石膏であるため、きょうどが弱いというデメリットもあるようです。表現が正しいかわかりませんが、諸刃の剣みたいなものですかね。

この粉末石膏造形は材料である粉末を造形テーブルに敷き詰めて、レーザーや接着剤で固める造形方式です。

まずは、ローラーを使って造形ステージに1層分の粉末を敷き詰め、インクジェットヘッドから接着剤を噴射して固めます。そして1層目が完成したらいつものようにステージを下げるという動作の繰り返しです。

石膏はどうやら材料費が安いようです。自分は美術部で、石膏を使った作品を作ったことがあるのですが、かなり大変でした。石膏は、さわったことがある人はわかると思うのですが、落としただけで簡単に割れてしまいます。あと、面白い性質もあって、水に普通溶かして使うのですが、溶かすと、熱を軽く帯びてきます。ここら辺の話は科学の分野ですかね。

粉末焼結造形

いよいよ最後の造形方法です。この方法だと、金属や樹脂など、さまざまな材料が使えるようで、複雑な形状を作成できるが、表面はざらつくようです。

まずは、金属や樹脂の粉末をローラーにより造形テーブルに敷き詰めて、紫外線レーザーを当てて1層目を固め、テーブルを下げてと、いつもの繰り返しです。

ABS樹脂とPLA樹脂の違い

この項目は、展示されている3Dプリンタの解説がメインになろうかと思います。家庭用3Dプリンタでよく使われている素材ですが、そもそも、この素材を使うのが、最初で説明した、熱溶解積層法で使われています。

ABS樹脂とはとある英語の頭文字を3つ取った名称です。表面光沢に優れていて、着色することもできるので、デザインを含む外観部品に適しています。また、比較的強度も高く粘りもあることから、力が加わるものにも適用できます。

PLA樹脂は植物由来の樹脂でできているため、プリント中は、樹脂独特の嫌な臭いを発しません。先ほどの表を見てもわかる通り、この樹脂は、プリントするときの樹脂温度がABS樹脂より低く、高温に弱いです。差のため、弾力性がなく、固いという特徴があります。そのため、サンドペーパーや、ヤスリ等で表面がけをするのが難しく、塗料もなじみにくいです。材料が粘り強いため、大型の造形物を作るのに適しています。

用途

よく言われている用途は、試作でしょう。本物の材料を使って試作するより、3Dプリンタを使ったほうがいいですからね。あとは、意匠確認や、治工具、最終製品を作ることなどに利用できます。

まとめ

この項での3Dプリンタは、主に3Dプリンタの造形方法などの違いを説明したのがメインであるので、お勧めの3Dプリンタや、値段などについては一切触れていません。あくまで、技術的なお話だと思ってくれると嬉しいです。

電子工作で使われる主な部品について

前書き

実はこの文章、書き始めが、部誌の提出期限かなりギリギリです(提出期限が過ぎて7日ほど)。なので、主に中2の部員が書いた部誌の内容は、ほぼすべて内容を見させてもらいました。今年の部誌、ほとんどが自分の趣味(真面目)を書いているか、技術系の話ばかりじゃないですか(怒)?電子工作とか、アニメ系の話とか触れている人が全くと言っていいほどいないんですよ。今年はもう、真面目な方向で統一しようということで、電子工作がらみの話も少ないので、聞こえは悪いかもしれませんが急遽入れた内容になります。少し内容も調整したほうがいいかなぁとは思ったので。何年か前にも同じようなことを書いていた先輩もいたんですが、それを超えられるようにしたいと思います。あの、長くなりそうな予感がするので、一気に読まないほうがいいかと思います。

概要(前書きと概要って何が違うんだ?)

さて、では1つ1つ見ていきますか。先輩の過去の部誌をあさってみたところ、8個の部品について説明していました。僕は基板など、基本的な部分から、とにかく使われる部品について何もわからない人にも、1から説明したいと思います。

基板(+ブレッドボード)

ブレッドボード?とりあえず無視してください。

基板という言葉は、誰でも聞いたことがあるでしょうか?認知度がどれくらいかはよくわからないんですが、多分聞いたことがないという人は珍しいのかなぁ、どうでしょう?

右に挙げたのが、基板の一つですね。実はこれがICB-93Sです。基板の中でも、ユニバーサル基板といいます。この基板には表裏があって、銅箔があるのが、裏です。基板といえば、緑色を想像する、なんて方もいると思います。それも基板です。間違いありません。

大体、緑色のものは、プリント基板であることが多いです。プリント基板の場合は、基板の部分で、かなり後に説明するスズメッキ線というものを使わずに基板にハンダづけができます。しかし、この、ユニバーサル基板はスズメッキ線を使う必要がありますが、自由に配線をすることができるので、危険な回路を作るときや、ハンダづけの練習をしたい人には、こっちの基盤をお勧めします。

さて、回路を組む時にはこの基板を使うしかないのでしょうか?はんだ付けができない人にも朗報です。はんだ付けしなくても回路を組む方法はあります。それが右にある、ブレッドボードという部品です。基板買うよりこっちを買うほうがどう考えてもコスパがいいです。横の2列は縦に、残りの10列は、5列ずつ、横につながっています。

ただし、このブレッドボードを使うには別に、ジャンパー線というものを買わなければいけなく、また、このブレッドボードの穴に入らない部品などもあるので、注意が必要です。

ハンダ

さらっと行きます。右の図です。ハンダごてを当てて、溶かして、それを基板や銅線や、部品の足につけます。ハンダは、鉛とスズの合金であることが多く、コンセントにさしただけの半田ごてでも解けるように融点が低くなっています。

ハンダごて

前述のハンダを溶かすためにある道具です。普段、はんだ付けで使うのは、30Wが多いです。場合によっては40Wであることもありますが、自分は30W信者です。40Wだと、ちょっと使いづらいという個人的な理由ですが。ただし、コイルガンの製作などで、太い銅線が必要な時には、最大100Wまであるのですが、60Wなどを使うときもあります。

銅線(+スズメッキ線+ジャンパー線)

文字通り「銅線」です。自分たちは、白黒で分かりにくいかもしれませんが、右の図とおそらく同じものをよく使っています。

銅線にもいろいろな太さがあって、ショートしたら危険な回路などを組む時には、図より太い銅線を使うことが多いです。主にコイルガンで使う、昇圧回路ですかね。黒い部分をはがすと、銅線の本体が出てきます。カッターを使ってはがすことが多いです。

一方、左の図はスズメッキ線と呼ばれるもので、先ほど紹介したユニバーサル基板の裏で、線同士をつなげるときは銅線ではなく、このスズメッキ線を使う場合が多いです。銅線と違い、ニッパーで切断したらそのまま使うことができます。ただし、ハンダとはなじみづらいので、ラジオペンチなどを使って線同士をつなげるのが良いでしょう。

さらに左の図は、ジャンパー線と呼ばれるものです。主にブレッドボードや、ピンヘッダ(後述)の穴にさして使います。ArduinoやRaspberry Piを使うときにも使えます。あると便利な一品です。オスとメスの使い分けによって色々な種類があります。

抵抗類

ようやく部品に入ります。この項を抵抗類としたのは、抵抗の種類がたくさんあるからです。抵抗は大きく、固定抵抗、可変抵抗、シャント抵抗(ここでは触れない)に分かれます。

まずは、固定抵抗について、抵抗の値が固定されているごくごく一般の抵抗です。固定抵抗にも、炭素皮膜抵抗や、金属皮膜抵抗などと別れています。また、それらの抵抗は、4~6本の色が書いてあり、カラーコードといいます。

色	1，2 番目	3 番目	4 番目
黒	0	\(10^0\)	-
茶	1	\(10^1\)	1%
赤	2	\(10^2\)	2%
橙	3	\(10^3\)	0.05%
黄	4	\(10^4\)	-
緑	5	\(10^5\)	0.5%
青	6	\(10^6\)	0.25%
紫	7	\(10^7\)	0.1%
灰	8	\(10^8\)	-
白	9	\(10^9\)	-
金	-	\(10^{-1}\)	10%
銀	-	\(10^{-2}\)	5%

上の表が、カラーコードと呼ばれるものです。この内容は暗記しておいても個人的には損はないと思います。というか、暗記しておいた方が助かる場面が多いです。1、2番目はそのまま読みます。3番目は、1、2番目に読んだ数字にかけます。それで得た数値に許容差をつけると、得られた数値∓̠何%という結果が得られます。

試しに、1個だけ例を。1番目の色が、茶色。2番目の色が黒色。三番目の色が赤色。4番目の色が金色だとどうなるでしょうか?

計算結果は、\( 10×102(Ω)=1000Ω=1kΩ(\mp5\%) \)という結果になります。なので、この表を覚えておくと、抵抗の抵抗値を自分で求めることができます。

そして、上の図が、炭素皮膜抵抗の図です。ちゃんと4本の色の線がみえるとおもいます。この図は、茶黒橙金、です。\( 10kΩ(\mp5\%) \)です。金属皮膜抵抗も同じ感じです。

そして上の図が、可変抵抗です。音量調節のボリュームなんかによく使われています。端子は2本のものと3本のものとあります。こっちにはカラーコードはないので、後ろに書いてある数値で判別しなければいけません。

そして、上のものが、半固定抵抗です。真ん中の部分をドライバーで回して、抵抗値を調節します。端子は3本であることが多いです。可変抵抗と性能に大きな違いはありません。半固定抵抗も、可変抵抗も、大体端子は2本しか使わないことが多いです。

トランジスタ

電子工作をするのには切っても切れ離せないくらい重要な部品です。前の超音波でも一部出てきました。根本の部分から説明をしたいと思います。

まず基本的な概念となるN型半導体と、P型半導体について。

簡単に説明すると、N型半導体は、電子が余分にあるもの。P型半導体は電子が不足しているもの。という認識だけで大丈夫です。この後も少しだけ出てくると思います。

それらの半導体を3つ組み合わせたものが、トランジスタで、NPN型と、PNP型のトランジスタがあって、型番にも影響します。そこで、周波数の話にもなります。

xxxx には、4 つの数字が入ります。自分が良く見る順番としては、2SC>2SA>2SD>2SBの順ですかね。2SBなんて見たことがないと思います。そして、低周波用もあまり見かけないし、使われないですね。2SC型は最もよく見ます。2SAと2SDはたまに見ることがあります。

型番	概要
2SAxxxx	PNP型高周波用
2SBxxxx	PNP型低周波用
2SCxxxx	NPN型高周波用
2SDxxxx	NPN型低周波用

右が、トランジスタの図です。E(エミッタ)C(コレクタ)B(ベース)の3つの端子からなっています。どのトランジスタも、この順だと思います。次はその原理についてです。

NPN 接合の場合のみ

1.最初に、E-C間に、Eを-として、電圧をかけます。この時に電流は流れません。 2.ここで、追加で、E-B間にEを-として、電圧をかけます。すると、トランジスタ全体に電流が流れます。軽く説明すると、P型と、N型を合計で3枚くっつけているので、電子の移動を利用して、E-B間に電流を流すと、それに従って、E-C間には、何10~何100倍の電流が流れます。これを、増幅作用といいます。

増幅作用

E-B間にわずかな電流を流すことで、E-C間にその何倍もの電流を流すことができる。その何倍になるかを示す値のことを直流電流増幅率(hFE)という。
E-B 間のわずかな電流変化が、E-C間の電流に大きな変化をもたらします

スイッチング作用

増幅作用の仕組みを利用しています。
電流の大小ではなく、ONとOFFの違いだけが制御の対象であり、Bに与える小さな信号によってより大きな電流を操作できるので、メカニカルなリレースイッチの代わりに利用されることもあります。

ダイオード類(LED)

ダイオードというのは、右の図にある部品です。本来はトランジスタよりも先に書くべきかもしれません。ダイオードという部品には、極性があり、A(アノード)とK(カソード)の2種類があります。ダイオードは、P型半導体と、N型半導体をくっつけたもので、Aの端子は、P型と、Kの端子は、N型とつながっています。灰色の部分があるほうがKです。勘のいいひとは、ダイオードの特性について、ここで気づいたかもしれません。ダイオードの基本的な特性はずばり、整流作用です。AからKにしか電流を流さないという性質を持っています。Aと、電池の+を、Kと、電池の-をつなげればいいです。要するに、Aが+、Kが-です。

反対側には、ほとんど電流を通さないだけで、電流が通らないことはないのですが、かなりの高電圧を流さなければいけなく、また、その時には壊れてしまうことも多いです。よって、スイッチとしての機能も待っているため、スイッチング作用も持っています。

これを派生したものもありますよね?そう、LEDです。別名は「発光ダイオード」ですからね。ダイオードとつなげ方は同じです。線が長いほうが、Aです。なので、長いほうが+と習った人もいるかもしれません。

コンデンサ類

コンデンサというのは、電気を蓄えたり、放出したりする部品です。物理部では、ここ数年、個コイルガンが流行っているため、500個ほどをつなげたコンデンサの塊や、超巨大なコンデンサもあったりします。自分は、小学校の理科の実験のキットの中にこれが入っていた記憶があります。種類はいくつもあるのですが、電子回路の中では、なんかしらの部分で必ず使われていることが多いです。

コンデンサには大きく3つの役割があります。

1つ目は、充電したり、放電させることで、電圧の変化を吸収し、電圧を安定させます。
2つ目は、電気の通り道で、余計なノイズを横道にそらし、ノイズを取り除きます。
3つ目は、直流はさえぎり、周波数で信号をより分け、信号を取り出します。

ノイズとは

すべての電子回路に存在し、電気信号の無作為な変動のことです。一般的には望ましくはないです。

信号について

電気通信や信号処理、さらには、電子工学伝搬において、時間や空間に伴って変化する任意の量のことです。

コンデンサには色々な種類があります。モーターによく取り付けるのは、積層セラミックコンデンサで、コイルガンなどによく使うのは、電解コンデンサです。

モーター類

モーターにもいくつか種類があります。4足歩行のところでもかなり書きましたが、普通のDCモーターと、サーボモーターというものがあります。DCモーターは、電気が流れている限り、永遠に回り続け、サーボモーターは、マイコンを使って角度をしっかりと、制御して、動かすというものです。左の図がDCモーターです。

以前学校から最も近い鶴見のタミヤの店に歩いて行ったときに写真をとったのですが、見ての通り、15種類もモーターがあります。あの日は、1年で最も雪が降った日でしたね。かなり辛かったのを覚えています。最も高いものは、1個で800円するものもありますが、これはあくまで、タミヤの物なので、もっとすごいものも世の中にはあるはずです。

これと形が似ているもので、マイクロモーターというものもあります。これが右の図です。DCモーターと同じですが、シャフトの部分が細いくらいです。

次は、サーボモーターです。これが、左の図です。これは、よく売っている最も安いサーボモーターです。1個400円くらいです。自分が使ったら物は、1個1000円です。1480円の物や、2000円ほどするものもあります。見えづらいかもしれませんが、モーターのギアの部分に付属の物をつけて、それごと、アルミ板や、アクリル板につけてギミックを完成させます。サーボモーターは、Arduinoなどのマイコンとともに使うことが非常に多く、プログラムもほぼ必須の部品です。関連書籍などもたくさん出ているので、まずはArduinoから始めるといいと思います。メタルギアサーボモーターというものもあります。モーターは、電子回路の中でもよく電力を消費する部品で、電力(W)がそもそも少ないと動かない部品なので、後述のリレーや、モータードライバーという部品を一緒に使うこともほとんどです。モーター単品を動かす回路ならあまり必要はないのですが。

リレー(継電器)

右図の部品です。リレーというのは、外部から電気信号を受け取り、電気回路のON/OFFや切り替えを行う部品です。運動会などでもよくやるリレーと同じように、このリレーも電気信号を受け取り、スイッチをON/OFFすることにより、次の電子部品に信号を伝える働きをしています。この中にはコイルとスイッチが入っていて、コイルに電流が流れると、磁力が発生してスイッチを物理的に動かします。なので、この部品が正常に動作しているとき、時折、カチカチっと音が鳴っているのが聞こえることがあります。これは、エレクトロ・マグネティック・リレーといいます。

この、リレーはもともと、小電力の入力によって大電力のオンオフを制御することが当初の目的でした。今では、安全性、操作性、操作の確実性が増すことなどにより、電力的な増幅の目的だけではありません。

この部品も高く、部品屋に行くと、あまりかさばっていないのに値段が10000越えをするときがあって、その時の原因は、このリレーの大量購入であることもあります。割と値段は1個あたりが高いです。

モータードライブ IC

モータードライブICは、かなりの電力を使うモーターの助けになる、モーター専用のICです。ハイパワーなモーターは、電池を大量につなぐのではなく、これを使います。面倒くさいので、自分はよく、モータードライバーと呼んでいます。左の図は、よく売られている、完成しているモータードライバーで、右の物は、自分で自作しなければいけないモータードライブICです。

自分の意見ですが、どう考えても左のほうを買うほうが楽だと思います。安いし手間もかからないので。型番もいろいろあるので、使い方は、ネットで調べるのが一番だと思います。配線するのは大変だと思います左の図のTA7291Pというのは、現時点でおそらく最もよく使われていると思うので、いくつもネットに記事が載っています。それ以外でなければ、部品屋のサイトなどに飛び、データシートで、1本1本の端子の役割(入力、出力、+、など)を調べるといいと思います。データシートとは、部品の情報が、主に英語や、日本語で書いてあるというものです。トランジスタやICなどの部品を使うときなどにはかなり助けになるでしょう。

マイコン類

マイコンとは、マイクロコンピュータの略称です。後述ので、ICと非常によく見た目が似ているのが、このPICマイコン(上)です。詳しくは触れません。プログラムを書き込み、電子回路の制御をするのが、このマイコンのお仕事です。その、最もポピュラーなものが、われらがArduinoなのです。Arduinoに関しては去年まとめたので、内容かぶりになるので、画像だけ載っけときます。図は、Arduino Uno(下)です。最もよく使われています。

センサー類

センサーもいくつか種類があります。LEDを常に光らせておいて、近くまたは、反対側にセンサーを置いて、出したLEDの光(赤外線の可能性もあり)の反射の様子により、電流を流さないなどLEDの一種であるものから、人を感知するセンサー、温度、湿度を感知するセンサーなどもあります。多すぎるので、画像は省略させていただきます。

スイッチ

文字通りスイッチです。人の手で、ON/OFFを操作することのできるものです。押しボタンスイッチや、スライドスイッチ、タクトスイッチなど様々です。仕組みは、スライドすると、端子同士のつながっている部分が変わる。ボタンの先には、電気を通すアルミ板などが付いていて、押すと全部の端子とつながるなど、リレーやICと違って、簡単であることが多いです。

電源系統

皆さんが日ごろよく使う、単3、単4電池や、時計などに使われている、ボタン電池、ボックス電池(9V乾電池)や充電式の電池など様々です。物理部では、たまに、コンセントから直接電気をとる、ACアダプタも使います。(右図)

IC(集積回路)

ICというのは、日本語名では、集積回路といいます。ICは、トランジスタや、抵抗がたくさん詰まって1つの部品になったものです。トランジスタなどを大量に使う回路を作るときには、こっちを使ったほうがいいです。SSI、MSI、LSIとあります。MSIとLSIは集積度が高く、それらが普通に生産されるようになると、そのうち、マイクロプロセッサなど、比較的複雑なものをLSI、汎用ロジックICなど、自分たちが日ごろよく使うものを、ICと大雑把に呼び分ける程度の分類となりました。電子工作をするときは、この部品が熱に弱いので、ソケットに入れて、ソケットの端子をハンダづけすることが多い、というか、ICをそのままハンダづけするのは、正直バカだけだと思います。

オペアンプ

集積回路の一種で、自分は、実物を見たことも使ったこともないのですが、よく使う部品らしいです。見た目がICと似ているものもあります。増幅器、電圧比較器、加算器、発振器、など、多種多様な用途があります。右図が、オペアンプの回路記号です。

本などを読んでいてもかなり深い部品だと思われます。この部品一つで、回路設計の本の約6分の1を占めていました。

小物類

まずは、だいぶ前に名前だけ出した、ピンヘッダですね。左が、銅線などをハンダづけするオスのピンヘッダ、右が、ジャンパー線や、オスのピンヘッダなどを指すメスのピンヘッダです。割と汎用性は高いです。

この上の物は、基板に実装はできませんが、アクリル板などにくっつける、ブザーです。ビーという非常に単純な音しか出ません。期待はしないほうがいいです。

上の物は、マイコンのところで紹介しようかどうか迷ったのですが、Raspberry Piです。Arduinoとは少々異なっています。SDカードを別途買って、OSもインストールしなければいけません。最新版はRaspberry Pi3です。

タミヤの製品たち

多すぎて、すべて紹介しきるのは無理です。よく使うのは、ツインギアモーターボックスゴムタイヤの4個入り、ユニバーサルプレートですね。ちなみに、ギヤーボックスだけでも上の画像ほどあるそうです。こんなにあって使い分けなんかするんですかね?ラジコンのほうはよくわからないので、その辺の理由についてはよくわかりません。ただ、ギア比などはあるため、何種類かの使い分けはします。

ほかにも、プーリーセットや、水中で使えるギヤーボックス、ユニバーサルアームセット、ラダーチェーンセット、前述した、高性能なモーターたち、などがあります。自分は、何年もお世話になっています。

ハンダごて以外に使う道具たち

上にあるものを主に使っています…。嘘です。そんなことを言ってみたいですいつか。いつか…この中で使っているものは、真ん中下の電動ドライバーくらいです。あとは、そもそも部活にはありません(当たり前)。実は、コンプレッサーは部活にあります。

メインで使っているのは、上の手動工具類です。ただし、六角レンチは使わないのでなく、スパナも小さいモノしかないです。その代わり、充実しているのは、接着剤と、ペンチ、ニッパー、ドライバーです。あとは、ハンマー、のこぎり、カッター、バイスなどです。ニッパー、ペンチ、接着剤はとてもよく使います。特殊ドライバーもたまにあると便利です。自分は自前のもの持っています。アマゾンで2000円くらいで購入できました。

主な買い出しをする店

基本的に僕らが買い出しで、部品を買うのは、秋葉原です。その日は、交通費だけでおよそ1000円は持ってかれるのが、辛いです。

主な店は、

秋月電子部品

土曜によく行くことが多いので、自分は、この店に入るときは、「満員電車に突っ込んでくる」などといいます。土曜はとても混んでいます。ですが、日曜日は、すいていることが多いです。八潮にも店があって、そっちのほうが、品ぞろえがいいとかいうことを聞いたことがあります。

千石電商

品数はいいです。いろいろなフロアがあるので、部品を探すのは大変だったりします。

マルツ 1 号店、2 号店

自分は、この店は、最後の砦だと思っています。秋月と千石になかったら3つ目のこの店で大体そろうからです。

Unidy ラゾーナ川崎

工具や、木材などはここで調達してくることが多いです。

まとめ

これで、自分の思いつく限りの伝えておくべき自分の知識含めた、電子工作をするときに使う部品の説明は以上です。これ以外にもあると思いますが、大体はこれらだけで一通りの電子回路は組めると思います。先輩の物は、4ページで、幅と文字の大きさも大きかったので、自分では、頑張ったなと思います。基本となる部品には、詳しく説明をしたつもりですが、途中の部分からは、仕組みなども、すべて書ききれなかったところもあります。詳しくは自分で調べてみてください。では、電子部品などについては、ここらで締めたいと思います。ここまで読んでくださってありがとうございました。

全体についてのまとめ

「今年は、電子工作をあまりやっていないから、かけることも少ないだろう。だからいくつかに項目を分けて書いたら、いい感じになるんじゃないかなぁ」とかわけわからないことをほざいてた昔の自分を殴りに行きたい気分です。今は。正直、こんな超大作になるとは思いもしませんでした。ここまで、最後まで、読んでくれた人は、猛者といってもいいでしょう。すごいと思います。また、ありがとうございました。今年も、物理部展#2018に来ていただき、ありがとうございました。ぜひ、AsanotheBestへの投票もよろしくお願いします。