JP6159910B1

JP6159910B1 - 移動玩具

Info

Publication number: JP6159910B1
Application number: JP2016180981A
Authority: JP
Inventors: 滉一朗加藤
Original assignee: 加藤恵子
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: JP2018033901A

Abstract

【課題】市販の直流電源（乾電池等）を用いて簡便に実現したリニアモータで駆動する移動玩具を提供する。【解決手段】移動玩具１０は、素線の始端１１及び終端１２が規定され巻き方向を揃えて作製したコイル１５と、隣接するコイル１５の中心軸１６，１６の間隔で定義される配列ピッチＰがコイル外径の１．０〜１．４倍の範囲に含まれる一定値となるように複数のコイル１５を支持する支持板２０と、複数のコイル１５の素線の始端１１を全て短絡させる短絡部材２１と、複数のコイル１５の素線の終端１２に個別に形成される接点２２と、互いに隣接するコイル１５が成す一対の接点２２，２２に対し直流電源を切替自在に接続する接続切替部と、コイル中心軸１６の方向に沿って極性が互いに反転するようにかつ配列ピッチＰの１．２〜２．０倍の間隔Ｋで配置される二つの磁石３１，３２が固定された移動体３０と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータ駆動による移動玩具に関する。

固定子に誘導磁場を発生するコイルを用い、移動子に永久磁石を用いるリニアモータが工業的に広く応用されている（例えば特許文献１）。

特開２０１６−１２３２１３号公報

一方において、学校教育関係者や生徒等に対する電磁気学の啓発を目的とし、リニアモータ駆動を簡便に実現した工作玩具の作製及びその動作デモ公開が検討されている。
しかし、工業的に応用されているリニアモータは、三相交流を駆動電源に用いるものであったり高度なプロセッサ制御を伴うものであったりするために、専門知識を有さない一般人が要素部品からリニアモータを作製することは困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、市販の直流電源（乾電池等）を用いて簡便に実現されるリニアモータ駆動による移動玩具を提供することを目的とする。

本発明に係る移動玩具は、素線の始端及び終端が規定され巻き方向を揃えて作製したコイルと、隣接する前記コイルの中心軸の間隔で定義される配列ピッチがコイル外径の１．０〜１．４倍の範囲に含まれる一定値となるように配列された複数の前記コイルを支持する支持板と、複数の前記コイルの素線の始端及び終端のいずれか一方を全て短絡させる短絡部材と、複数の前記コイルの素線の始端及び終端の残りの他方に個別に形成される接点と、互いに隣接する前記コイルのペアが成す一対の前記接点に対し直流電源を切替自在に接続する接続切替部と、前記コイル中心軸の方向に沿って極性が互いに反転するようにかつ前記配列ピッチの１．２〜２．０倍の間隔で配置される二つの磁石が固定された移動体と、を備えることを特徴とする。

本発明により、市販の直流電源（乾電池等）を用いて簡便に実現されるリニアモータ駆動による移動玩具が提供される。

（Ａ）本発明の第１実施形態に係る移動玩具の構成を示す上面図、（Ｂ）同Ｂ−Ｂ断面図、（Ｃ）同Ｃ−Ｃ断面図、（Ｄ）移動体の拡大断面図。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第１実施形態に係る移動玩具の動作を示す回路図。（Ａ）（Ｂ）第２実施形態に係る移動玩具の動作を示す回路図。（Ａ）第３実施形態に係る移動玩具の構成を示す上面図、（Ｂ）（Ｃ）第３実施形態に係る移動玩具の動作を示す回路図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように第１実施形態に係る移動玩具１０は、素線の始端１１及び終端１２が規定され巻き方向を揃えて作製したコイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）と、隣接するコイル１５の中心軸１６，１６の間隔で定義される配列ピッチＰがコイル外径の１．０〜１．４倍の範囲に含まれる一定値となるように配列された複数のコイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）を支持する支持板２０と、複数のコイル１５の素線の始端１１及び終端１２のいずれか一方（図では始端１１）を全て短絡させる短絡部材２１と、複数のコイル１５の素線の始端１１及び終端１２の残りの他方（図では終端１２）に個別に形成される接点２２（２２_Ｉ〜２２_ＶＩＩ）と、互いに隣接するコイル１５のペアが成す一対の接点２２，２２に対し直流電源（図示略）を切替自在に接続する接続切替部（図示略）と、コイル中心軸１６の方向に沿って極性が互いに反転するようにかつ配列ピッチＰの１．２〜２．０倍の間隔Ｋで配置される二つの磁石３１，３２が固定された移動体３０と、を備えている。

ここで、移動玩具１０を構成する部材は、電源からの電流が通電される部材を除き、磁石３１，３２による磁化や磁束通過に伴う渦電流損の発生を防止するために、樹脂等の非磁性体でかつ電気絶縁体であることが望ましい。

コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）の素線は、エナメル線（絶縁コーティングされた銅線）が用いられる。コイル１５は、素線のターン数が多いほど単位電流当たりの発生磁場が大きくなるが、抵抗値も付随的に大きくなるために単位電圧当たりの発生磁場の増加は望めない。また、素線の線径を太くするほど単位長さ当たりの抵抗値が低下するが、コイル単位断面当たりのターン数を増やせないので発生磁場の増加は望めない。
このため採用される素線の線径及び長さは、コイル１５の中心軸方向１６に大きな磁場が発生するように、直流電源（乾電池）及び素線の定格電流等の条件も鑑みて適宜決定される。

コイル１５の作製は素線を手巻して行うが、ボビン等を作製しそこに巻回する場合の他に、次に例示するようなコイル巻き治具を用いる方法もある。
巻芯として、数ミリの板厚を１０数ミリ角で切り取り、中心に貫通孔をあけたものを作成する。この巻芯の両端面を外径が数十ミリの二枚のワッシャで挟み、頭なしボルトを貫通し、両端をナットで締め付ける。

このように作製したコイル巻き治具を、頭なしボルトの両端において回転自在に支持し、ワッシャを回転させながら素線を手巻きする。なお、素線巻きを終了した後は、コイル巻き治具を解体してコイル１５を取り出す。この際に、コイル素線がバラけないように最新の注意を払う必要がある。なお、コイル素線のバラけを防止するために、素線に瞬間接着剤を塗布しながら、治具による巻き取りを行っても良い。この場合、ワッシャと素線の接着を防止するために、ワッシャ内側面に予め離型フィルムを貼付しておくとよい。なおこの離型フィルムは、レジ袋等を展開したポリエチレンフィルム等が好適である。

支持板２０は、コイル１５の下端面を支持する下板１７とコイル１５の上端面を支持する上板１８とからなる。コイル１５は、下板１７と上板１８に狭持されボルトで固定される。上板１８の上面は、移動体３０の滑走面となるために、ボルトの頭が突出しないように、座繰り穴を加工しておくとよい。
また上板１８の上面には、コイル１５の配列に沿って、平行な一対のレール３５（図１（Ｄ））が設けられている。このレール３５は、三角断面の頂点が移動体３０の本体３３の一部に線接触することにより、接触抵抗を小さくする機能を果たす。さらに、移動体３０の外側面とレール３５の内側面との間に一定のクリアランスが確保されることにより、軌道を外すことなく移動体３０を案内することができる。
なおレール３５は、必須の構成要素ではなく、省略して磁石３１，３２が上板１８の上面に直接接触するようにしてもよい。

コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）の配列ピッチＰは、コイル外径の１．０〜１．４倍の範囲に含まれる一定値となるようにする。ここで配列ピッチＰは、隣接するコイル１５の中心軸１６の間隔で定義される。
ここで配列ピッチＰがコイル外径の１．０倍より小さいと、コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）が重なり、段差を生じるために好ましくない。また配列ピッチＰがコイル外径の１．４倍より大きいと、隣接するコイル１５，１５の隙間に磁束が侵入し、後述する移動体３０の移動に理想的な磁束分布が確保されない。

短絡部材２１は、例えば銅板等の良導電性材料を、支持板２０の下板１７にボルトで締結されている。そして、コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）の素線の始端１１及び終端１２のいずれか一方（図では始端１１）を全てが、このボルトにより短絡部材２１に接続されている。このようにして、コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）の全ての始端１１が短絡されることになる。

接点２２（２２_Ｉ〜２２_ＶＩＩ）には、コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）の素線のうち短絡部材２１の接続側とは反対側（図では終端１２）が接続されている。これら接点２２（２２_Ｉ〜２２_ＶＩＩ）は、支持板２０の下板１７にボルトで締結されている。

第１実施形態における接続切替部（図示略）は、直流電源２３の正極及び負極のそれぞれから直接リード線を介して伸びるプローブである。このプローブの先端を、隣接するコイル１５のペアが成す一対の接点２２，２２に直接接触させることで、電流供給を行うコイル１５，１５のペアを自在に切り替える。

移動体３０は、本体３３とこの本体３３に固定された二つの磁石３１，３２とから構成される。この磁石３１，３２は、磁力の大きいものが望ましく、ネオジム磁石が好適に用いられるが特に限定はない。
この二つの磁石３１，３２の固定方向は、コイル中心軸１６の方向に沿ってＮ極及びＳ極の極性が互いに反転するように定められる。さらに二つの磁石３１，３２の間隔Ｋは、配列ピッチＰの１．２〜２．０倍の範囲で定められる。

この磁石３１，３２の間隔Ｋが、配列ピッチＰの１．２倍未満であると、後述するような移動体３０の移動の安定性が確保されない。すなわち、移動体３０の静止時にコイル１５から磁石３１，３２に付与される吸着力／反発力は、中心軸１６の方向成分のみとなる。このために、接続切替部（図示略）による切替動作をした際に、移動体３０を上方向に跳ね上げる大きな力が付与され、移動の安定性が確保されない。
一方で、この磁石３１，３２の間隔Ｋが、配列ピッチＰの２．０倍よりも大きいと、コイル１５の中心軸１６近傍の高磁場領域から磁石３１，３２までの距離から大きくなるために、移動体３０は十分な推進力を得ることができない。

図２の回路図に基づいて第１実施形態に係る移動玩具の動作を説明する。
図２（Ａ）に示すように、直流電源２３の正極プロープを接点２２_Ｉに接続し、負極プロープを接点２２_ＩＩに接続すると、コイル１５_Ｉに下向きの磁束が励起されコイル１５_ＩＩに上向きの磁束が励起される。このコイル１５_Ｉ，１５_ＩＩのペアの上に、磁石３１，３２が吸着するように移動体３０を配置する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、直流電源２３の正極プロープを接点２２_ＩＩに接続し、負極プロープを接点２２_ＩＩＩに接続すると、コイル１５_ＩＩに下向きの磁束が励起されコイル１５_ＩＩＩに上向きの磁束が励起される。するとコイル１５_ＩＩ上の磁石３２には、吸着力から一転して斜め上方向の反発力が付与される。この斜め上方向の反発力は、水平方向に力成分を有しているために、移動体３０を移動させる推進力となる。
このプローブの接続切替時に移動体３０に作用する推進力は、磁石３１，３２の間隔Ｋがコイル配列ピッチＰの１．２〜２．０倍の範囲に設定されていることに基づいている。仮にＫ≦Ｐの条件では、プローブの接続切替時に移動体３０は、上方に飛ばされるか反対方向に後退することになる。

図２（Ｂ）の状態で推進力の付与された移動体３０は、移動した後、図２（Ｃ）に示すように、コイル１５_ＩＩ，１５_ＩＩＩのペアの上に、磁石３１，３２が吸着して静止する。
以降、同様に正極プロープ及び負極プロープを、一つずつずらして隣り合う接点２２，２２に接続することにより、対応するコイル１５，１５のペアの上に移動体３０が順次移動する。また、上記説明では、図中左から右への移動体３０の移動を解説したが、逆方向の移動も可能である。

（第２実施形態）
次に図３を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図３において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態の移動玩具１０において接続切替部５０は、直流電源２３の正極及び負極にそれぞれ接続する正極端子２５及び負極端子２６と、レバー設定２４の切り替えに同期して正極端子２５を複数のコイル１５の接点２２（２２_Ｉ〜２２_ＶＩＩ）にそれぞれ接続する複数の出力端子２７（２７_Ｉ〜２７_ＶＩＩ）のうちいずれか一つに短絡させる第１回路５１と、レバー設定２４の切り替えに同期して正極端子２５に短絡したコイル（図３Ａでは１５_ＩＩＩ）に隣接してペアを成すコイル（図３Ａでは１５_ＩＶ）の接点２２（図３Ａでは２２_ＩＶ）に負極端子２６を短絡させる第２回路５２と、を有している。

第２実施形態の接続切替部５０は、市販されている二回路六接点のロータリースイッチで実現される。このロータリースイッチは、外観図を省略するが、１〜６の六段階に切り替え設定する回転レバーを有している。第１回路５１には、一つの入力端子（正極端子２５）とレバー設定により択一的に選択される六つの出力端子２７が形成されている。第２回路５２には、一つの入力端子（負極端子２６）とレバー設定により択一的に選択される六つの出力端子２８が形成されている。

図３の回路図に基づいて第２実施形態に係る移動玩具の動作を説明する。
図３（Ａ）に示すように、レバー設定２４を「３」にすると、コイル１５_ＩＩＩに下向きの磁束が励起されコイル１５_ＩＶに上向きの磁束が励起される。すると、このコイル１５_ＩＩＩ，１５_ＩＶのペアの上に、磁石３１，３２が吸着するように移動体３０が移動する。
次に、図３（Ｂ）に示すように、レバー設定２４を「４」にすると、コイル１５_ＩＶに下向きの磁束が励起されコイル１５_Ｖに上向きの磁束が励起される。すると、このコイル１５_ＩＶ，１５_Ｖのペアの上に、磁石３１，３２が吸着するように移動体３０が移動する。

以降、レバー設定２４を、連続的に切り替えることにより、対応するコイル１５，１５のペアの上に移動体３０を連続的に移動させることができる。また、上記説明では、図中左から右への移動体３０の移動を解説したが、逆方向の連続移動も可能である。
なお、図示を省略するが、連続通電によるコイル１５の発熱を防止するために、直流電源２３と接続切替部５０との間に、常閉のボタンスイッチを配置するとよい。

（第３実施形態）
次に図４を参照して本発明における第３実施形態について説明する。図４において図１及び図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。この第３実施形態は、第１実施形態を発展させた態様で説明されるが、第２実施形態を同様に発展させた態様とすることもできる。
第３実施形態の移動玩具１０では、複数のコイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）の各々に対し並列に、電流の正逆方向で点灯態様が切り替わる発光ダイオード５５（５５_Ｉ〜５５_ＶＩＩ）が設けられている。
第３実施形態に適用される発光ダイオード５５は、極性を逆転して並列接続した発色の異なる二つのダイオードで構成されている。

図４（Ｂ）（Ｃ）の回路図に基づいて第３実施形態に係る移動玩具の動作を説明する。
図４（Ｂ）に示すように、直流電源２３の正極プロープを接点２２_Ｖに接続し、負極プロープを接点２２_ＶＩに接続すると、コイル１５_Ｖに励起される下向き磁束に対応する発光ダイオード５５_Ｖの一方が点灯し、さらにコイル１５_ＶＩに励起される上向き磁束に対応する発光ダイオード５５_ＶＩの一方が点灯する。そして、図示を省略するがコイル１５_Ｖ，１５_ＶＩのペアの上に、磁石３１，３２が吸い寄せられて移動体３０が移動する。

次に図４（Ｃ）に示すように、直流電源２３の正極プロープを接点２２_ＶＩに接続し、負極プロープを接点２２_ＶＩＩに接続すると、コイル１５_ＶＩに励起される下向き磁束に対応する発光ダイオード５５_ＶＩの一方が点灯し、さらにコイル１５_ＶＩＩに励起される上向き磁束に対応する発光ダイオード５５_ＶＩＩの一方が点灯する。そして、図示を省略するがコイル１５_ＶＩ，１５_ＶＩＩのペアの上に、磁石３１，３２が吸い寄せられて移動体３０が移動する。

第３実施形態のように移動玩具１０が構成されることで、発光ダイオード５５の発光により、励起されるコイルの位置及びその磁束方向を、オペレータ並びに観察者が、視認することができる。これにより、移動体３０の動きと発生磁場との関係を対応付けて理解する助けになる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）を直線的に配列して移動体３０の軌道を直線的なものとしたが、これらを曲線的にすることができる。また、コイル１５（１５_Ｉ〜１５_ＶＩＩ）を閉ループ状に配列して移動体３０の軌道を環状にすることもできる。

コイルの素線として線径φ０．４ｍｍのエナメル線を約８ｍ（約１．２Ω）を使用し、巻芯として２ｍｍ厚のアクリル板を１０ｍｍ角に切り出し、上述の治具を用いてコイルを作製した。コイルの外径は約３５ｍｍであった。７個のコイルを作製し、２ｍｍ厚のアクリル板から切り出した支持板（上板及び下板）で挟み込み、互いに外接するように直線的に配列し固定した。固定に使用したボルトは、ポリカーボネート製のものを使用した。

移動体は、ホームセンタで購入したφ１２ｍｍ，高さ２ｍｍのネオジム磁石を二つ、４０ｍｍの間隔で２ｍｍ厚のアクリル板に固定した。
直流電源として、単１のアルカリ乾電池を二本直列接続して用いた。接続切替部は、ネットで購入した製造元不明の二回路六接点のロータリースイッチを使用した。発光ダイオードは、乾電池１本で発光する公称仕様の製造元不明品を、抵抗を用いず極性逆転して並列結合して用いた。

このようにして、組み立てた移動玩具のロータリースイッチのレバーをゆっくり一方向に回転設定すると、移動体は、停止と移動を繰り返しステップ状に所望位置を移動していく。また、レバーを逆方向に回転設定すると、移動体は、逆方向に移動していく。また、レバーの回転速度を適正にして連続回転すると、移動体は、コイル配列の端から端まで停止せずに等速運動する。

１０…移動玩具、１１…素線の始端、１２…素線の終端、１５…コイル、１６…中心軸、１７…下板、１８…上板、２０…支持板、２１…短絡部材、２２…接点、２３…直流電源、２４…レバー設定、２５…正極端子、２６…負極端子、２７，２８…出力端子、３０…移動体、３１，３２…磁石、３３…本体、３５…レール、５０…接続切替部、５１…第１回路、５２…第２回路、５５…発光ダイオード。

Claims

素線の始端及び終端が規定され巻き方向を揃えて作製したコイルと、
隣接する前記コイルの中心軸の間隔で定義される配列ピッチがコイル外径の１．０〜１．４倍の範囲に含まれる一定値となるように配列された複数の前記コイルを支持する支持板と、
複数の前記コイルの素線の始端及び終端のいずれか一方を全て短絡させる短絡部材と、
複数の前記コイルの素線の始端及び終端の残りの他方に個別に形成される接点と、
互いに隣接する前記コイルのペアが成す一対の前記接点に対し、直流電源を切替自在に接続する接続切替部と、
前記コイル中心軸の方向に沿って極性が互いに反転するようにかつ前記配列ピッチの１．２〜２．０倍の間隔で配置される二つの磁石が固定された移動体と、を備え、
前記接続切替部は、前記直流電源の正極及び負極のそれぞれから直接リード線を介して伸びるプローブであることを特徴とする移動玩具。
素線の始端及び終端が規定され巻き方向を揃えて作製したコイルと、
隣接する前記コイルの中心軸の間隔で定義される配列ピッチがコイル外径の１．０〜１．４倍の範囲に含まれる一定値となるように配列された複数の前記コイルを支持する支持板と、
複数の前記コイルの素線の始端及び終端のいずれか一方を全て短絡させる短絡部材と、
複数の前記コイルの素線の始端及び終端の残りの他方に個別に形成される接点と、
互いに隣接する前記コイルのペアが成す一対の前記接点に対し、直流電源を切替自在に接続する接続切替部と、
前記コイル中心軸の方向に沿って極性が互いに反転するようにかつ前記配列ピッチの１．２〜２．０倍の間隔で配置される二つの磁石が固定された移動体と、を備え、
前記接続切替部は、
前記直流電源の正極及び負極にそれぞれ接続する正極端子及び負極端子と、
レバー設定の切り替えに同期して、前記正極端子を、複数の前記コイルの前記接点にそれぞれ接続する複数の出力端子のうちいずれか一つに短絡させる第１回路と、
前記レバー設定の切り替えに同期して、前記正極端子に短絡したコイルに隣接してペアを成すコイルの前記接点に前記負極端子を短絡させる第２回路と、を有することを特徴とする移動玩具。
請求項１又は請求項２に記載の移動玩具において、
複数の前記コイルの各々に対し並列に、電流の正逆方向で点灯態様が切り替わる発光ダイオードが設けられていることを特徴とする移動玩具。