3Dプリンタの楽しみ SP10用ＦＧ への応用（１）

最近、3Dプリンタが使用できるようになったので遊んでいます。

3Dプリンタとは言っても、本格的なものではなく民生向けのものです。PLAだと造形も比較的容易で精度も良くできるようです。

今回使用した3D プリンタ
　Flash Forge Adventure 3

フリーの3D CAD (Design Spark Mechanical)でモデルを作成して、STLで出力、それをプリンタ付属のスライスソフトで加工用のファイルを作成するという流れで作業を行います。元々メカ屋ではないので、適当にやっています。
CADも慣れればそんなに難易度は高くはないですし、アイディアを形にできるというのは兎も角楽しいです。
CNCにも魅力は感じるのですが、3Dプリンタは音も小さいところが良いですね。

お決まりのフィギュア等を作ってみたのですが、珍しく創作意欲を掻き立てるものがあり、
今回は、以前から作りたかったプレーヤ周辺の課題について取り組み始めることにしました。

先ずは１つ目の課題、FGの製作にトライしてみました。

SP10MK1 FG内蔵化計画

以前からSP10に精度の高いFGが内臓できたら良いのになあと考えていましたが、アイディアとしては他社のDD用のモータを分解すると基板にあるプリント基板形式のFGです。これの良いのは、全周で積分されるのでマグネットの偏芯などの影響がないFG波形が得られることです。良さは分かっていてもプリント基板化しないと駄目であるので、妄想で終わっていました。

3Dプリンタで造形したコアパターンに、マグネットワイヤー（ポリウレタン線）を組み合わせることで出来そうだと考えて、先ずは巻き枠を作成してみました。

ＦＧの理論

「DCブラシレスモータの使い方」萩野弘司著　オーム社　７６ページのプリントコイル式FGの項に記載の式によった。

SP10は２０極のロータマグネットを持っているので、１極あたりの角度は１８度になる。その１極を奇数分割するような巻き線構造をプリントパターンで形成すると、１回転あたり極数の奇数倍の半分のパルスが得られることになる。
FGのパルスの数は、ppr（pulse per rotation)という単位を使う。
目ぼしい分割数の場合のpprを計算してみると次のようになる。（既存の金田式ＴＴアンプに使用されているＦＧに近いものをリストアップしてみました。）

9分割　　90[ppr]
15分割　150[ppr]
17分割　170[ppr]
19分割　190[ppr]

開発方針

高い方が制御が細かくできるので、工作精度の限界的なものを作ることも目指したいが、3Dプリンタ方式の限界もあるのでそこは工作しながら、探っていくことも必要。

また、分割数を多くすると発電電圧も落ちていくらしいのでこの辺りはトレードオフなのでしょうね。

とりあえずは、上記の表の難易度の低いところから試作してみて動作を確認しながら、分割数を上げていくのが良いでしょう。
その一方で、工作精度の問題もあるので、工作精度的な視点ではどの程度か探ることもやってみるべき。

試作１号

加工精度を見るための１号機。１極を25分割したもの。これだと、33回転で138.8Hz出力になる。
出来上がったコアの細部を見ると溝が潰れている箇所があるのと、力をかけると櫛歯構造の部分が折れてしまう。
この分割数では無理だと判断。

四角い穴は正弦波駆動用のホールセンサーＩＣを入れる予定の穴。マニアのスケベ心です。
hir*hir*183さんのTN400の正弦波駆動のパクリですね。

試作２号

分割数を９に抑えたもの、溝を内周から外周まで通すように配置したこともあり、0.26のマグネットワイヤでもしっかり配線できる。モータに入れてみて発電の具合を確かめてみると、

がーん。発電しない。

考えてみると、本の例題にあるモータとローターマグネットの着磁方向が違うことが原因。
SP10のロータマグネットは、円筒上になっていて、この内径から外径方向に向けてNS（あるいはＳＮ)と着磁されているため、磁石の下側の端面全面にコイルが当たるようにしたのでは、鎖交する磁束がN側とS側のものでキャンセルされるため発電されないのだ。
したがって、コイルの形状を変えて配置することで対応することにした。これはやってみないと気がつきませんでした。

試作３号

発電のコイルを内側に寄せて配置した。円周全域をカバーさせようとする3Dプリンタの造形に時間が掛かるため、一部にしたのが３号機。１極の分割数を１７にしたもの。
モータにセットしてみると発電はＯＫ。但しレベルが低いのでFG用のアンプが必須。

コイルは教科書の説明図のようにしてしまうと、発電に寄与しない面積が大きくなりノイズを拾いやすくなるので、巻き終わったらもとに戻すように溝を追加した。

試作４号

3号機の全周版で、手元にあったYP-1000から外したモータに内蔵してみた。
当初はFGアンプをモータの外に配置していたがこれだとノイズを拾うので、ステータコイルを取り外してアンプも内蔵してみたが、内蔵しただけでは、ノイズが減らなかった。モータのハウジングをシグナルＧＮＤに接続することでノイズが激減。これは、SP10-MKIIでのKontonさんの成果の流用である。kontonさん、ありがとうございます。

FGの観測波形を載せます。モータのロータを手で回して、アナログオシロの画面をスマホで取ったものです。
波形の途中に明るい部分があるのは、オシロの走査が見えているだけで異常ではないです。
自宅でもデジタルオシロが欲しい！！
走査が隠れた瞬間に取れればよいのですが、綺麗に取るのは難しいですね。
教科書に書いてあるように、積分効果が上手く働き振幅とピッチの変動が無く良い感じですね。
現用システムのＴＴアンプに手を入れたくないので、テスト用にTTアンプを作らないと。

部品棚を探してみるとありましたMHIさんから譲っていただいたプリント基板。あとは、キャンタイプのLF356,LF398, LM319なども出てきましたが、MHIさんの基板がDIPなのでDIP品を購入しようかと思案中。
アンプはLM12Cが出てきたのでこちらを使うかあるいは、ディスクリートで組むかも思案中。現行のTTアンプに合わせるとしたらディスクリートで組むのが良いでしょうね。

蛇足

FGコイルパターンだけを作るつもりであったが、マグネットとのギャップの様子が分からずモータ全体の3Dモデル（もちろん何ちゃってですが)を入れることにしました。断面でみると、マグネットとコイルの位置関係が分かり、こういう目的にも3D　CADは便利ですね。

追加試験の結果、使えそうな見通しが立ったら基板を起こすのが良いでしょうね。
希望者がいれば実費＋郵送費で頒布すると安くできますかね。

[hir*hir*183]

へいぞうさん
ご無沙汰しております。

3Dプリンター 面白そうですね。
私はCNCを使って、AT-666モドキを作り、その外周に360ｹの貫通溝（レコードの外側に位置します）を掘り、位置検出に使用していました。
回転の検出精度は問題なかったですが、DP-80をメインとしたのでお蔵入りとなってしまいました。


最近、工作への気力がどっかに飛んで行ってしましましたので、CNCも2年以上
動いておらず、半田ごても握らなくなってしまいました。
これも充電期間かなと、長い目で考えております。

> hir*hir*183さん
ご無沙汰しています。DP80が好調のようですね。
AT-666もどきも機会があれば紹介していただけると面白いかと思います。

私も実は長い充電期間中で、アンプの製作は休んでいましたが、最近ようやく抜けだそうというところかも。

３Ｄプリンタはいきなり立体ものができるのが新鮮な喜びですね。積層方向で強度が変わったり、温度や速度で出来栄えがかわったりで、安定して作るのにはノウハウが必要だったりと趣味的な要素が多くあり、この辺は苦しみでもあり、面白いところですね。

[cor*n*ce*halus]

3D プリンタでFGではなく、フォトインタラプタで検出するパターンの細かいストロボを製作できないでしょうか?

> cor*n*ce*halusさん
3Dプリンタでストロボパターンのような光学式のパターンができないかという意味ですね。できると思いますが、技術的には難しいと考え磁気式のFGにしました。原理的にはできるのですが、取り付け方や、FGとしての精度を出すのが難しいので諦めました。何か良い案があればできるかもしれませんが...