速度感知→LED発光 小型装置の自作

質問

はじめまして。
自分は弓道をたしなんでいるのですが、
夜間の練習では、矢を肉眼で補足することができません。
そこで、筈[はず]と呼ばれる、矢を弦にはめる切り込みの入ったような部分があるのですが、そこをLEDで発光させることができたら、と考えました。

そして検索していくと、
http://homepage3.nifty.com/ikai-kyugu/hikaruhazu.htm
といった感じのものが出てきて、まさに自分が探していたものだったのですが、これを見ていると自分で作りたくなってきました。

そこで、どなたか知識のある方に、
時速100キロくらいで感知する小型のセンサー
の入手先と、具体的な基盤他の構築方法を教えていただければと思い、質問させていただいた次第です。
基本は、直径1センチに満たない筒状の矢の中に収まる範囲で、スピードを感知→発光といったシンプルな装置を作りたいと思っています。

よろしくお願いします。

回答No.10

ekuko1919 · ベストアンサー

＞　今週末、豆電球とソケットあたりを購入してみたいと思います。

豆電球は意味が無いです。
ＬＥＤより消費電力が大きいため、ＬＥＤを光らせる電力を得られない今、豆電球では実験になりません。

エナメル線を入手したのであれば、まず、大きさに拘らないでＬＥＤを点灯できる大きさの発電機(器)を作ってみてください。
それから小型化していけばいいと思います。

ついでですので、i-field79さんへ質問を。

＞　コンデンサを使った簡単な遅延点灯回路

回路構成をどのようにお考えでしょうか？

お礼

大変遅れて申し訳ございません…
長い間お付き合いいただき、本当にありがとうございました。
現在、教えていただいた事柄を参考に、試行錯誤しています。
完成を目指して頑張ります。

本当にありがとうございました。

回答No.11

i-field79

秋月電子で「高輝度２色振動フラッシャー」というものが販売されているようですので、参考に挙げておきます。(少々大きめですが)

＞回路構成をどのようにお考えでしょうか？
専門家でないので具体的に挙げることはできません(しません)が、トランジスタ1石(＋コンデンサと抵抗)でも実現できるでしょう。今はチップ型のコンデンサなど小型軽量な部品もいろいろ出てきていますし、それらの応用で小型化は可能ではないでしょうか。微小な起電力でLEDを光らせるのと同様、はじめは大きく重くとも、やってみないことには始まりませんし。

筒の中で鉄球が動くスイッチの中にばねを仕込んで、往復運動で点滅させるなんてのも思いつきましたが、それくらいだと回路も要らないのでもっと単純ですね。

参考URL：

http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=M-1611&s=score&p=1&r=1&page=#M-01611

お礼

大変遅れて申し訳ないです。
ご回答の程、ありがとうございました。
試行錯誤を繰り返していますが、やはりうまく来ません…
また、少しつづけてみて、再度質問してみたいと思います。
ありがとうございました。

回答No.9

i-field79

ANo.8 にお答えします。

1cm角というのは、基板に実装されている状態で切り出して流用するならそれくらいと書いたまでで、実際のICのサイズはそれ以下(数mm)でしょう。チップを固めている樹脂を(どうにかして)除去するか、チップそのものを入手できれば解決します。
スイッチというのも前のリンク先の写真や実物を見ていただければわかりますが大仰なものではなく、接点がついたり離れたりすればいいだけなので、どのようにも自作できます。(鉄球が筒の中を移動するようなものなど)
それこそICを使わずとも、コンデンサを使った簡単な遅延点灯回路のようなものを作れば実現できるかも知れません。

また、電池で小型軽量なものは探せばいくらでもありますよ。
下の例は釣りの「浮き」用ですが、3Vで0.55gです。
お手本にしている商品がすでにICとセンサ、電池を使用して実現できているのですから、それはできないということはないでしょう。

参考URL：

http://ctlg.national.jp/product/info.do?pg=04&hb=BR425

回答No.8

ekuko1919

＃７さんへ、お節介ながら・・・。

弓道の矢の内径は、ＥＡＳＴＯＮ　２０２５(主に男性が使用)で５．５ｍｍ程度、１９１３(主に女性が使用)で４．５ｍｍ程度です。
すなわち、１ｃｍ角などと言うものは格納できません。
それに、ボタン電池はどんなに小さくても０．８ｇはあります。(リチウムCR1220型)
それを２個使っただけで１．６ｇ。１ｇと言う仕様を満足できません。
さらに、スイッチも必要なんて、問題外です。
ちなみに、高輝度赤ＬＥＤを十分に発光させるには１．７Ｖ－３ｍＡ程度で十分です。

残念ながら、矢を射た時の加速度によって、コイルの中で磁石を往復運動させ、誘導起電力を得る方法が最適です。
何故なら、矢の運動エネルギーの極一部を電気エネルギーに変換しているので、離れと同時に光り始め、矢の飛んでいる２秒程度発電してくれれば良く、何より重量物である電池を持たなくて済むからです。

回答No.7

i-field79

100円ショップで売られている「自転車用スポークライト」という商品があります。
振動センサ(といっても簡単なスイッチみたいなもの)が振動を感知すると、中のICがLEDを10秒間ほど点灯させるものです。
この回路が応用できないでしょうか？

加速度センサのようなものでなくても、上記のような振動が感知できればいけるのではないかと思います。リンク先で紹介していた「光る筈」も、おそらく似たような機構ではないかと想像できます。

「スポークライト」の中の基板は500円玉大くらいですが、IC部分を切り出せば1cm角くらいまでは小型化できそうですし、電池も時計用などの小型のものを選択すれば良いように思います。LEDも赤の高輝度タイプにすれば、3V程度で十分駆動できるでしょう。

参考URL：

http://blog.so-net.ne.jp/doggie/2007-02-10

お礼

回答、ありがとうございます。

確かに、簡易型振動センサみたいな感じで、
機構としては、自分が当初想定していたものにほぼあっていますね。
肝心の、ホンモノである「光る筈」という商品が、
実際にどういったシステムで駆動しているのかは、
実際に手元にとってみないとわからないのですが、
これもなかなか面白い構造ですね。

前述されているとおり、
IC部分と振動センサ、それに時計を含めて、
直径が5～7mmくらい、重量が1g程度、であれば、
カンペキだったのですが、やっぱりそううまくはいかないみたいですね…。
もしかしたら、近所のダイソーに売っているかもしれないので、
販売していたら参考として購入してみたいと思います。

貴重なご意見、本当にありがとうございました。

回答No.6

ekuko1919

エナメル線ではなくて、銅線ですか？
エナメル線は、絶縁されていますが銅線は絶縁されていません。
仮に、絶縁電線を購入したのであれば、被覆が厚すぎて効率があがりません。

電圧を上げる方法は、磁力を強くする、巻き線数を増やす、コイルと磁石の距離を狭くする、です。
磁力を増すには、磁石の質で変化させるしかないでしょう(素材と磁力の関係はわかりません)。
２つの磁石を「隙間を空けて(１ｃｍ位？)」連ねても良いかもしれません。
２つの磁石をくっつけても、磁力は増しません。
エナメル線の巻きは、往復させてはいけません。
往復させると電流を打ち消しあってしまいます。
密度を高く巻いてください。
磁石の直径になるべく近くコイルを巻いてください。　＞＞ストローの関係上難しいでしょうか。

ＬＥＤを点灯させるには、１．７Ｖ／３ｍＡ程度必要です。
電圧計は、何を使っているでしょうか？
テスター(回路計・マルチメータ)であれば、測定モードは間違っていませんか？　＞＞交流電圧で測定します。
できれば、オシロスコープで測定できると言いのですが・・・。

とりあえず、色々試してみましょう。

お礼

お返事、ありがとうございます。
遅くなって申し訳ございません。

すみません、勝手に勘違いしていました。
エナメル線を新たに購入してきました。

エナメル線を、隙間なく、ストローに一方から一方へ巻いた
ものの両端をテスターにつなぎ、交流電圧とおぼしきモード(AC.V)
で再度測定した結果、やはり発電していると明確に
判断はできませんでした。(0.1Vくらいまでは反応するのですが、
なにもしなくても表示がたまにそうなります。。)
磁石の直径は、あと1mmほど大きくすることが可能ですので、
新たに購入してみたいと思います。

使用している電圧計は、一般家庭用のもので、
「kaise」「DIGITAL MULTIMETER」「SK-6511」と刻印
されたものです。(本体から黒と赤のコードがでており、
その先の金属部分を電極に接触させるタイプです。)
残念ながら、オシロスコープなど、専門的な道具は
身近には確認できませんので、使用は困難であると思います…

もうすこしわかりやすく測定するために、
今週末、豆電球とソケットあたりを購入してみたいと思います。

回答No.5

ekuko1919

それでは、頑張ってください。
【報告用】

お礼

遅くなって申し訳ございません。
報告いたします。

まず、おもな材料について確認します。単位はmmです。
ストロー4φ　自宅にあったもの
ネオジム磁石3φx4　通信販売
バネ(ステンレス製)3φ　ホームセンター(これは失敗しました。鉄製でないものを今探しています。)
発光ダイオード3φ　ホームセンター
銅線0.3φ　ホームセンター

手近な位置にありましたので、間違えてはいけないと、
まずは実験として代用できるもので作ってみました。
その際に、よく考えずにホームセンターでステンレスバネを購入して
しまったのですが、もちろん磁石に
気持ちよくくっついてくれてしまいますので、
現在、ほかの素材のバネを探しているところです。
ダイオードについては、チップタイプを注文すると高くつきそう
でしたので、とりあえず通常の物をつかってみました。
ほかの部分が完成後、購入を検討しています。

ですが。恐れ多くも
問題はそれ以前のところに発生しました。すみません…
4φのストローに銅線をきっちり巻いて、4cmくらいのコイルを
つくり、抵抗なしで(交流?)電圧測定にかけたのですが、
片手で思いっきりふっても0.05～0.1Vくらいの発電量しか
確認できませんでした。
ネオジム磁石を二連、三連にしての結果ですので、
目標の一つの磁石では豆電球すらつきそうにないです…。
単純に、コイル、ストローを太く、磁石を大きくしても、
0.4Vが限界でしょうか。そんな印象を受けました。

ekuko1919様はどのようにお考えでしょうか。
お手数ですが、今一度、ご助言をいただければ、と思います。

よろしくおねがいします。

回答No.4

ekuko1919

＃２，３です。
大方、ご理解いただけたと思います。

さて、スプリングですが、磁石に固定してしまうと、すぐに往復運動が収束してしまいます。
スプリングの間隔をコイルの幅プラス磁石の幅くらいにするといいでしょう。
スプリングの強さにも注意してください。
スプリングが弱すぎると磁石の運動エネルギーを受け取りきれない可能性があります。
離れの加速度をα、磁石の重さをｍ、スプリングのバネ定数をｋ、スプリングの幅をｌ、磁石にかかる力Ｆとすると、
Ｆ＝ｍα＝ｋｌ
となりますが、
ｍα＜ｋｌ
とする必要があります。
また、この時の比率を８０％くらいにするといいと思います。(要実験です！！)
８０％＝ｍα／ｋｌ

ＬＥＤの色は、赤が最適かと思います。
道場内には、太陽光、蛍光灯など白の光が多いですが、赤の光は全くありません。
夜に街中に出てみてください。
白の光より、赤の車の尾燈の方が目に入りやすいと思います。(それゆえの赤信号・ブレーキランプと言われています。)
青は、最も認識しにくい色の上、同じ電気エネルギーで赤に比べて輝度が低くなります。

磁石の強さとコイルの巻き数と起電力の大きさの関係がハッキリしていないので、どれくらいの大きさの磁石を買っていいか、アドバイスできません(スミマセン)。
でも、できるだけ磁力の強いものがいいです。
起電力が大きすぎたらコイルの巻き数を減らすことで対応できますが、小さすぎたら巻き数を増やさなければなりません。

いずれにしても、コイルを製作後、磁石を入れて振ってみます。
このとき、コイルに２Ｖ程度の電圧が発生していたら成功です。
４Ｖ以上であったら、コイルの巻き数を減らした方がいいでしょう。
ＬＥＤの明るさが不足するようであれば、２本のエナメル線を平行に巻いてコイルを作るといいと思います。(電流が２倍になります。)
電圧が高すぎると、ＬＥＤへダメージを与えるので注意してください。

筈も後ろ側(矢番えしない方)からφ２ｍｍくらいの穴をあけておくと、ＬＥＤ光の損失を防ぐことができるでしょう。
もちろん、無色透明の筈を用意します。

そろそろ製作に移すということ、成功をお祈りいたします。

補足

回答、ありがとうございます。
いつもすみません^^;

なるほど、
スプリングの強さを磁石が当たる力よりも20%ほど、強くすればよい、という解釈で大方間違ってない…ですよね(^^ゞ　何分、頭はあまりよくないですので、稚拙な部分はご容赦ください。<(_ _)>

ちょっと意識して生活してみました。
確かに、赤が一番見やすいですね。青はもう…（汗
ご指摘通り、赤を購入したいと思います。
磁石もなるべく強いものを探しますね
筈に穴を…。よくそういう飾りありますね。光を透明な固体の中で拡散させて綺麗に見せる、っていう…。あれみたいな感じですね。自分の技術では穴を空けた断面に細かなキズがついて光を遮断しそうで少し心配ですが、試みてみます☆

電圧、バネなどの細かい点は、
やっぱり試行錯誤してみた方がいいですよね。
なにはともあれ、ご助言通りに作成に転じてみようかと思います。

ながらくお付き合いいただき、本当にありがとうございました。
ekuko1919様のお陰でようやくスタートを迎えられそうです。
自分でこういうものを作るのは初めてですので部品到着が少し楽しみになりそうです。

尚、事後完成の報告をさせていただきたく思い、お礼の欄にはあえて記入せず、補足の欄にお礼、確認の文章を掲載させていただきましたことをご了承ください…。
ひとまず、1週間ほど作成に徹してみたいと思います。
その後完成いたしましたらなるべく迅速に書き込みいたしますので、よろしければ、その経過を見ていただき、万一問題点等があったときに手助けしていただければうれしく思います。

それでは。

回答No.3

ekuko1919

＃２です。
お礼の欄を見ました。

構造としては、

　　　　　　＊＊＊＊＊＊　←コイル　　｜＾＾＾＾｜
==バネ==　　　【磁石】　　　==バネ==　｜　LED　＜
　　　　　　＊＊＊＊＊＊　←コイル　　｜＿＿＿＿｜

こんな感じでしょうか。(貴方の解釈は、ほぼ正しいです。図が見にくいと思いますので、コピー＆ペーストしてメモ帳で見てください。)
スプリングは、板付側・筈側の両方に必要ですね。
しかも、磁石に固定してはいけません。
これで、磁石が２つのバネの間で往復運動するはずです。

＃２のお礼で、

＞　「半波」というのがよくわかりませんでしたので、

とありますので、半波に付いて。
半波とは・・・、
コイルの中で磁石を往復させると、往路では正方向に復路では負方向に電流が発生します。
この時、往復運動が最適に行われると電流は正弦波になります。
正弦波では、正方向の電流と負方向の電流が発生しますが、
ＬＥＤはその名の通りダイオードなので順方向(順バイアスと言います)では光を発し、逆方向(逆バイアスと言います)では電流を阻止します。
ここで、順バイアスでは光を発する＝電力を活用している・・・この期間が全体の半分・・・半波、となります。
全波を活用するには、ダイオードブリッジを使うかダイオードを順逆の２個使うかになりますが、いずれにしても重量が厳しくなります。

＞　ただ、小型コイルがどうしても見つかりませんでした…。

これに合うコイルは、まず存在しないでしょう。
従って、エナメル線を買ってきて自作するしかありません。
内径が２．２ｍｍのストローの周りにΦ０．１～０．３ｍｍくらいのエナメル線を巻きます。
このストローなら、箆の中に収まりませんか？
ストローが無くても、代わりの素材を探しましょう。
もしくは、磁石の重量・磁力とストローの内径との関係で、もう少し磁石の大きさを選ぶ必要もあるでしょう。

ＬＥＤは白よりも赤がいいです。
同じ電力なら、輝度が明らかに高くなります。
それに、視認性が一番いいです。
半減角が３０°は欲しいですね。
ＬＥＤを保護するために、抵抗や定電流ダイオードを入れる必要もあるかもしれません。(重量が増してしまいますが・・・)
コイルと磁力を上手く調整すれば、ＬＥＤの保護回路は無くてもなんとかなると思います。

お礼

な、なるほど…
参考になります。ありがとうございます。

「固定しない」
これは全く予想してませんでした；
もう、なんか猫のおもちゃとかである球にバネがついた感じのやつを想像してたもので…
その構造からすると、矢を降れば「カチカチ」と微かな音が聞こえてくる訳ですね。

半波についての説明、ありがとうございます。
そういえば、ダイオードは一方向のみの電流しか通さない、と聞いたことがありました。と、いうことは半波のままでよければ何もしなくてよい、ということみたいですのでここは問題なさそうですね。

エナメル線・コイルについて
内径2mm弱のストロー、ってあの細めのやつですよね。
そこに線を巻いて自作するわけですか、なんか小学校の頃の電子工作を思い出します^^
この細さなら、保護テープを装着したとしても、十分入りますね。
磁石は、ストローとの内径に合わせて円柱形で直径を選択したほうがいい、ということみたいですので、探してみます。

ＬＥＤは赤の方が見えるんですか…
ちょっと、個人的に、白や青にしてみたかったんですけど、残念です^^;気を取り直して、赤を探してみます☆
抵抗などが入ってしまうとちょっと自分には手が負えなくなってしまいますので、低電流+高輝度+赤色+小型チップのダイオードを探してみたいと思います。

こんな感じで大丈夫ですか…?
早速、各パーツを注文してみたいと思うのですが…。
最後に、もう一度、指南をお願いします。

回答No.2

ekuko1919

私は、弓道経験者で、電子回路を扱う仕事もしています。
残念ながら、＃１の回答では、そのＨＰにある「＋１ｇ」という条件をクリアできません。
加速度センサも高価だし、電池を使うなんてそれだけで、矢の質量が２倍になるでしょう。

さて、その筈の仕組みを考えてみます。
おそらく、小型磁石がコイルの中を往復運動できるようにスプリングで支持されているのではないでしょうか。
「離れ」の加速で小型磁石がコイルの中を往復運動すれば、その運動で交流電流が発生します。
その電流をＬＥＤに流しているのでしょう。(回路を簡単にかつ軽量にするなら半波しか利用しない。)
矢の飛んでいる時間は、近的で２秒以内。
これくらいの時間は、小さな磁石を往復運動させることができるのではないでしょうか。
ＨＰに書いてある「徐々に光が弱くなります」とは、磁石の往復運動が徐々になくなってくるので、起電力が小さくなるためでしょう。
磁石が0.4g、コイルが0.3g、ＬＥＤが0.2g、その他0.1gと言った所でしょうか。
ＬＥＤもチップタイプでも超高輝度型を使えば、１ｍＡで１０００ｍｃｄ位のものもあるのではないでしょうか。

お礼

回答、ありがとうございます。
なるほど、それなら確かに、実用に耐えうるモノができそうですね。
商品を見ただけで構造を予想できるとは、尊敬するばかりです^^

そこでなんですけど、ちょっと調べてきました。
小型磁石:円柱形ネオジム磁石 φ[半径]2×[高]2(mm)　吸着：0.06kg
http://www.rakuten.co.jp/magnet/428409/443395/
超高輝度LED:白色チップ2×3(mm)厚さ1.2mm 1mA-30mA
http://www.densikiki.co.jp/led.htm (下部)

ってな感じのものを見つけました。
こんなので問題ないですかね?
ただ、小型コイルがどうしても見つかりませんでした…。

また、基本構造ですが、
―――――――コイル―――――――┌───
　　　　　　　　　　[磁石]～～細いバネ～～｜　筈　　
―――――――コイル―――――――└───
みたいな感じで大丈夫ですか?
>回路を簡単にかつ軽量にするなら半波しか利用しない。
とおっしゃってましたが、「半波」というのがよくわかりませんでしたので、こんな感じのつくりになってしまったのですが…

もし、お時間がありましたら、あと少々、お付き合いくだされば助かります。よろしくお願いします。

回答No.1

my_namae_ue

電子機器の専門家です
超小型で時速100Kを空中で感知するセンサーは容易にはありません。
しかし、サイトを見てみると、どうも加速度センサーのようですね。
これなら簡単です。
円筒形の筒の底にタクトスイッチを付け、その上に重りを置きます
タクトスイッチは100ｇの感度ですからだいたい100ｇ少し切れるくらい
それに、加速度が加わると、100ｇがそれ以上の重さになり
一瞬スイッチが入ります。
それを、コンデンサーに充電して、その電圧を増幅し、LEDを駆動してください。　電池は　リチウム電池か、水銀電池で。
部品は全て秋葉原などの電気街で入手できます。
回路は、少し難しいでしょうが、参考回路のURLは以下です。

参考URL：

http://www.audio-q.com/car/bs-005.htm

お礼

返事、遅れてすみません。
迅速な解答ありがとうございました。
しかし、No2の方のおっしゃる通り、原理としては文句なしなのでしょうけど、その重さの方で使用の本質といいますか、目的が損なわれてしまいます。
自分の説明不足でした。一応、「矢」なので、1gでも少しなりとも差はでてしまうんです。。100gでは実用できそうもないですね(^^ゞ
わざわざ、ありがとうございました。