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アンパンマン NEWわくわくクレーンゲーム (おもちゃ修理)

 地元の自治体が開催するおもちゃ病院のドクターをやっています。おもちゃの修理ではネットを検索して修理方法の参考にすることが効果的で、他のドクターさんが書かれた記事に助けられることがよくあります。ということで、恩返しを兼ねて私が担当したおもちゃの中で、参考になりそうなものをこのブログで紹介していきたいと思います。

 今回の記事は、アンパンマン NEWわくわくクレーンゲーム(アガツマ製)です。このおもちゃのアマゾンへリンク

  故障の症状としては「パケットが上下しない、開かないことがある」 というものです。

▼アンパンマン NEWわくわくクレーンゲーム
アンパンマン NEWわくわくクレーンゲーム
 おもちゃのクレーンゲームにはいろんなタイプがあるようですが、これは比較的新しく販売された物のようで、ネットでもこのおもちゃを修理した記事はあまり見かけませんでした。(あくまでも2017年8月時点の話です)

▼ギアボックスのフタを開ける
クレーンメカボックスのフタを空けた状態
 ギアボックスの中身が見えるまで分解を進めます。この写真はギアボックスの上の蓋を開けた状態です。他のクレーンゲームでは、この状態でチェーンの巻取りドラムの状態が判る点検窓があるようなのですが、このおもちゃにはそのような窓はありません。

 この写真に見えているケース(B)を開けないとギアボックスの中身は見えないのですが、ケース(B)は下のギアボックスの軸受けを兼ねているので、これを外した状態ではメカを動かすことが出来ません。つまり巻取りドラムの動作状態を目で見て確かめることが出来ない訳で、ここはぜひ点検窓を復活させてもらいたいです。

▼巻き上げ機構
巻き上げ機構
 ケース(B)を開けると巻き上げメカが出てきます。

 奥のオレンジ色の部品がチェーンの巻き上げドラムで、右側がモーター直結、左はヒステリシスを持った動き(遅れ動作)をするドラムです。二つのドラムの動きのズレを利用してパケットの上下と開閉を行っています。

 なお、ネットの記事を見ると、以前のバージョンでは右側のドラムの更に右側にギアがあり、ここに上死点下死点を決めるストッパーがあったようです。でもこのおもちゃにはそのような仕掛けはありません。そういうもの使わなくても、パケットが上死点に達するとそれ以上チェーンを巻けなくなるので、それをストッパー代わりにしたようです。

 こういう機構にするとチェーンに大きな力が加わるのが心配ですが、一方で上死点/下死点を決めるストッパーの調整は不要になるというメリットがあります。それに部品も減るのですから、こういう方向に進化(退化?)していくのも仕方ないでしょう。

 なお、巻き上げドラムの制御にはセンサーなどは使っておらず、タイマーだけで行っているようです。つまり一定時間回せばパケットが下がって開いて、閉じて、巻き上げ動作が行われます。次のサイクルではモーターを逆転させて同じことをやらせています。もちろんタイマーの時間は余裕を持たせた時間が設定されていますが、言い換えると上死点まで巻き上げられてもタイムアップするまでモーターは廻り続けることになります。

▼巻き上げギアの歯が変形
歯車変形
 はんだコテか何かを触れたのでしょうか、ギアが変形していました。最初はこれが動作不良の原因かと思ったのですが、どうもこれは不良の原因では無かったようです。ただこのままでは不安なので、歯型をナイフで修正し、相手の歯車のシャフトに薄いワッシャを入れて噛み合い位置を少し左にずらして応急処置しておきました。

 ここまでが分解と応急処置で、以下が修理した内容です。

◆処置-1 ディテントロックバネ圧強化 (この処置は不要かも?)

ディテントロックバネ圧UP
 右側のオレンジ色のドラムはモーター直結。左側のオレンジ色のドラムは位相遅れで動きます。左のドラムを待機させたい時にパケットの重さなどで勝手に動いては困るので歯車にディテントロックがかかっています。このロックが弱いと左側のドラムが回転してしまってパケットの開閉がおかしくなります。そこで写真のように板バネに詰め物をして実質的な長さを短くしてバネ圧を上げてやりました。詰め物は短く切った爪楊枝を使い、動かないようにホットボンドで固定しました。
 なお、この処置はやらなくてもよかったかも知れません。後で説明します。

◆処置-2 トルクリミッターの改造(トルクアップ)
 巻き上げ機構の中にトルクリミッターが入っているのですが、この伝達トルクが小さいため、巻き上げドラムを正常に動かすことが出来ないことがあるようです。たぶんこれが問題の最大の原因のような気がしますが、以下のように処置しました。

▼トルクリミッター
トルクリミッター
 この写真は説明用にトルクリミッターのクラッチ面にナイフの刃を入れています。下側の大歯車がシャフトに固定されていて、小歯車はクラッチを介して回転する構造になっています。

 減速ギアボックスの出力段にこのトルクリミッターが設置されています。ここでトルクを制限して無理な力が加わらないようになっているのですが、どうもこのトルクの設定値が低すぎるようです。つまり、このトルクリミッターが空回りするために、正常なパケット動作にならないようです。

 たぶん購入直後は問題無いのでしょうが、クラッチ面が馴染んでくると摩擦が減って伝達トルクが下り、不具合が発生するのかも知れません。

▼クラッチバネ強化
伝達トルクUP改造
 トルクリミッターの伝達トルクアップのためにクラッチの押し付けバネ力を上げました。具体的には、直径0.85mm の針金(軟鉄線)を上の写真のように巻き付けてクラッチのバネを圧縮しました。

 針金は、先端を2/3回転くらい廻したフック状にしてバネ部に巻き込み、そのまま回転させてバネの先端に移動。その後所定の長さに切断してペンチで整形しました。なお、針金の太さでトルクの調整が可能で、最初はφ0.65mmの針金を入れたのですがこれではトルク不足だったのでφ0.85mmの物にしました。もし適当なサイズのEリングがあれば、何枚か挿すことで、もっとスマートに処置出来たと思います。

◆処置-3 パケットつり上げチェーンの外れ防止 (この項は写真無し)
 下死点位置ではチェーンがたるむため、チェーン末端のリングがパケットのフックから外れそうになります。万一ここが外れると、たぶんパパが直すことになると思いますが、この修理はかなり大変です。こういう問題が起こらないようにするため、チェーンの先のリングを取り付けた後で、パケットにリングを入れる部分のギャップをホットボンドで閉じておきました。

 これで修理完了です。以下は補足説明です。

▼移動用のギア
走り装置のギア
 これは巻き上げギアの下の段で、クレーンを前後/左右に移動させるメカです。本物のクレーンで走り装置と言われている部分です。

 巻き上げ部の故障だけならここまで分解する必要は無いのですが、実は作業中にモーターの配線が一本切れてしまったのでここを開けるはめに陥りました。

▼走り装置のトルクリミッタ
走り装置のトルクリミッター
 こちらの各軸にもトルクリミッタが取り付けられています。なお、この写真のようにシャフトの長さが違うので、間違えると組み立てることが出来ません。あと、今気付いたのですが、バネの巻き数が違うのでトルクの設定値が違うのかも知れません。

▼モーター直結でクレーンのテスト
モーター直結で動かす
 先人のドクターさんの記事を読むと、修理の前にモーターの配線6本を10cmくらい延長すると作業が楽になるということが書かれています。確かにそうなんでしょうが、面倒です。

 ということで手抜きしてこの写真のように、巻き上げモーターの配線だけ外し、外部電源で直接モーターを回して動作確認を行いました。正規の手順で巻き上げモーターを動かすためには、電源投入後原点復帰がかかり、その後コインを入れ、X軸、Y軸の順でスイッチを操作する必要があり、かなり面倒です。でもこの写真のように直結にすれば、いきなりモーターを正逆に廻せるので便利です。なお電源の電池は単1x3本なので、外部電源の電圧は4.5Vにしました。

◆あれこれ
 処置-1のディテントロックバネ圧強化はやらなくてもよい可能性が高いです。というのは、最初はトルクリミッターが空回りする原因は、このディテントロックが強すぎるためと考えて、ディテントロックの爪を削ってしまった経緯があります。結果としてロックを弱くし過ぎてしまったので再度爪を再生させています(PPのプラ板を差し込み、熱溶着)。たぶんここは最初の部品の状態で大丈夫だと思いますが、もしディテントロックが弱くてパケットの開閉がうまくいっていない場合は、この例のように処置すれば調整可能です。

 アマゾンのこのおもちゃのカスタマレビューを読むと、壊れやすいという話が多いです。確かにメカの駆動音が大きくていかにも壊れそうな感じです。もう少しすっと動いてくれるといいのですがコストの問題で難しいのでしょうか、でも結構値段の高いおもちゃなんですが。あと、ギアボックス内に大量にオイルが入っていたのは故障と騒音対策のためかも知れません。

 この修理ではトルクリミッターの伝達トルクアップを行いましたが、この改造により他の部分に無理がかかってそっちが壊れないか、一抹の不安はあります。

◆まとめ
 ということで、アンパンマンの NEWわくわくクレーンゲームの修理完了しました。これと同じ設計の物ががいつまで販売されるか判りませんが、どこかのおもちゃドクターさんの参考になれば幸いです。

 あと、それは違うぞ!などのご指摘がありましたらコメントで教えて頂くと嬉しいです。

MFT2017の見学レポ

 真夏の恒例イベントになったMake Fair Tokyo (MFT2017) に行ってきました。

 行ったのは8月6日で、開催日の二日目というか最終日。以下見学のミニレポです。

▼会場入り口
MFT2017
 会場は東京ビッグサイトです。同時開催で「鉄道模型コンテスト2017」、「デザインフェスタ」、「癒しフェア」なんてのもやってました。

▼会場
MFT2017
 会場はビッグサイトの東7、8 ホールで、ここは最近出来たホールのようです。以前のMFTはとても混雑していて通路を歩くのにも苦労することが多かったのですが、最近は通路が広くてゆったりと見て回ることが出来るようになりました。ただここはビッグサイトの一番奥なので、駅から遠くて大変です。

 以下、原則撮影順に紹介していきます。また、情報は少しずつ追加、修正していくことにします。

▼不思議な歯車
不思議な歯車

不思議な歯車

 普通なら隣の歯車は逆回転しますが、この歯車は隣の歯車も同じ方向に回転します。何でだ? 

▼LED照明で育てる閉鎖ビオトープ
閉鎖ビオトープ

▼電子楽器ウダー I02-07
ウダー
 宇田さんお変わり無さそうでした。離れた場所からアイコンタクトでご挨拶。

▼テスラコイル I03-01
テスラコイル
 今年は快調に火花を飛ばしていたようです。(去年は1台ダウンしていました)

▼いしかわきょーすけさん G03-08
いしかわきょーすけさん
 きょーすけさんの直動機構は大好きです。モダンタイムスのように10台が一生懸命動いていました。1台当たり2軸と1サーボなので、合計するととんでもない自由度になりますが、それが二日目でも全部動いているのだからたいしたものです。

▼字がうまいロボット G03-07
字がうまいロボット
 いしかわきょーすけさんのブースの真後ろに字のうまいロボットの展示がありました。双方でやってることは似ていますが、目指す方向性がかなり違うのが面白いです。

▼Flash Air E01-01
FlashAir
 じむさんお元気そうで何よりです。同人誌頂きました、ありがとうございます。実はこのクレーンゲームと同じ物の修理を頼まれているので、メカの動作状態ばかり見ていてすみません。

▼O'Baka Project 瓶に入れるおじさん E08-03
瓶に入れるおじさん
 Makeの常連の方で去年はラズパイを大量に使ったカメラを展示されていました。「芸風が変わった、というか元に戻ったんですね、」と聞くと、「同じことやってると飽きちゃうんで、、」とのお話。 Maker Faire New York 2017 に出店して受賞されていたとは恐れ入りました。筋金委入りのMakerです。

 上の写真でテープLEDが光っている瓶には食用油が入っているそうです。残留水分で絶縁は大丈夫か、とか気になりますがともかくやっちゃう行動力はすごいです。ちなみにTUBAME-KFCという油に漬けたスパコンがあったことを思い出しました。

▼GHz2000さん E12-09
Ghz2000さん
 こちらで Universal ESPduino の基板を600円で購入。手持ちで余っているESP8266のモジュールを実装する予定です。これが今回のMFT2017で買った唯一の物です。なお、GHz2000さんのところでは以前ユニバーサルのを買ったことがあります。

▼RaspberryPi百葉箱 E11-07
ラズパイ百葉箱
 私がアナレンマのデーター可視化に使わせて頂いている Ambient同じような名前(ラズパイ百葉箱)のチャンネルがあるので、てっきりその方かと思ってお声がけしたのですが、無関係の方でした。でもAmbientの紹介をさせて頂いたら興味を持って頂いた感触です。

▼デカトロン
デカトロン
 実際に動いているところを見たのは何十年ぶりだろうか。すみません、どちらのブースだったか判らなくなりました。

▼等身大3D LED Cube E06-07
大規模LEDアレー
 この手の物は年々大規模になります。カメラで撮影した画像をそのまま実物大で表示しています。

▼磁性流体でできた生命体  E03-09
磁性流体
 これ、今回のMFT2017で私が一番感心した展示です。磁性流体で出来た黒いトゲトゲをコントローラーで移動したり分裂させたり出来ます。おまけにタブッレットの画像をハーフミラーで合成して目玉などを表示して効果を付けています。といっても肝心の画像を撮り忘れたので、文章で説明されても意味不明ですね。

 磁極に磁性流体が少し残ってしまうことがあるのが残念でした。後で考えると、ポールの残留磁気の影響のような気がします。軟磁性のポールを使う、あるいはコイルの通電を終わった後で逆方向にちょっと弱いパルスを入れて消磁してやるといいのかも知れません。まあ既にやられているかも知れませんが、こういうのってその場で思い付けばその先の会話が出来たはずです。

▼石華工匠のビスマス C02-08
ビスマス結晶
 去年出展されていなかった(と思う)ので、今年こそは安いのでいいからビスマスの結晶を買いたかったのですが、会場での物販はやっていないそうでした。なお、Amazonで買えるそうです。

▼見えます!周期的運動 C02-01
ストロボ
 私が見るのはこれで3年目。毎年パワーアップしてます。
 これ以外に鳥の羽根を振動させてストロボで見る展示がありました。鳥の羽根を振動させてストロボで見る展示は他にもあってなかなか綺麗でした。特に羽根の光沢が微妙に変化する様子が印象的でした。

▼6になりたがるサイコロ
6になりたがるサイコロ
 ケースは3Dプリンタで作ったそうです。サーボモーター5個使って立方体を展開するメカが面白い、というかそういう発想がすばらしい。

▼古いCPUの評価ボード
古いCPU
 8080やZ80に並んで個人的に懐かしい6800や6809がありました。6800のマシン語なら今でもいくつか覚えてます。回路の情報やらモニタプログラムなどはいろいろと公開されているので、スクラッチから作るよりは楽なんだそうです。4kや8k BASIC なんかも入れて動かすことが出来るそうです。やりませんかと誘われたけど、いや私はC言語でいいです。

◆写真を撮り忘れた展示
・でんはさんの作られた各種のマーブルマシンは面白かったです。特に球を飛ばして正確に受け取るのはすごい。これ見とれてしまって、写真を撮るのを忘れました。もっと知りたい方は下記リンクで、
 MFT2017のdennhaさんの出展案内 denha's channel

▼バックヤード
バックヤード
 ここは遠くに東京ゲートブリッジが見える場所でした。羽田空港の 22 と 23滑走路に着陸が行われていたのでその様子が良く見えました。更に Flightrader24を見ながら実際の機体を見ることが出来たので楽しかったです。特に22へ向かう飛行機が東京ゲートブリッジを少し過ぎた地点で左旋回して滑走路に正対していく様子を見ることが出来ます。

▼戦利品
MFT2017の戦利品
 これからゆっくりと読ませて頂きます。

 Makeが夏休み中の開催になったからでしょうか、子供の比率が高くなってきました。それはそれでいいんでしょうが、小さな子供のための安全対策などもしっかりとしないといけないでしょう。あと、今回から屋外の展示が無くなったようですが、この暑さではそれも仕方ないんでしょうね。

電力量計(積算電力計)の軽負荷時の特性測定

 購入した電力量計にスタンドを取り付けたので安全に測定することが出来るようになりました。

▼スタンドを取り付けた電力量計(100V/30A、単相3線式)
電力量計
 この電力計は検定の期限内なので精度は保証されているはずです。ただ仕様書を見ると、電流がフルスケールの3.3%までの範囲しか測定精度のグラフがありません。つまりフルスケールは30Aなので約1Aまでの精度は保証されているようですが、それ以下は保証外ということになるようです。なお、この件はこの前の記事へのコメントで匿名さんからも指摘がありました。

 まあ電力の取引で、1A以下の電流域の精度なんて、あまり重要では無いということなんででしょう。でも100Vで1Aは100Wな訳で、電子工作で扱う電力としてはまだ大きな値です。ということで、この領域がどれくらいの精度になっているか気になります。

 気になるなら自分で測ってみるしかありません。ということで、手持ちの計測器を動員して精度を測定してみました。

【注】 この電力計は単相3線式なので、本来なら正相と逆相の両方を使って測定すべきですが、この記事では正相側だけを使って測定しました。

▼測定回路図 (図-1)
順接続回路図

▼測定の様子
電力量計の特性測定回路
 テスターで負荷電圧を測定し、電流はカレントトランスを使ってDMMで測定しました。また電流波形はオシロでモニタしています。白いテーブルタップの左側にカレントトランスがあります。

▼目盛りの読み取り
目盛りの読み取り
 電流が小さいので円盤はゆっくりとしか動きません。そこで円盤に刻印されている1回転を100等分した目盛りを自作のLED付きルーペを使って見て回転速度を割り出しました。

▼カレントトランスの負荷抵抗
変流器の負荷抵抗
 この抵抗は実測で298Ωです。ここがこの測定の重要ポイントなので測定器からミノ虫クリップなどが集中しています。

 CTの巻き数比は1:3000 で、一次側は5ターンにしているので、実質的な変流比は1:600となり、負荷抵抗の両端電圧を2.013倍すると一次側の電流が判ります。なお使ったカレントトランスは秋月の SR-3702-150N/14Zで特性を調べた記事はこちら。

▼電流の測定(CTの負荷抵抗の電圧測定)
電流値
 カレントトランスの負荷抵抗の電圧は4.5桁のDMMで測定しました。このDMMの交流レンジはTrueRMSでは無く、平均値測定の実効値表示なのが残念ですが、分解能は高いので小さな変化が良く判ります。
 ちなみに、ミニオシロには実効値測定機能がありますが、分解能が悪いので目安くらいにしか使えません。DMMでは172.28mVと5ケタまで値が判るのに対して、ミニオシロでは0.17Vとたったの2ケタです。まあ無いよりはずっとマシではあります。

▼使用した負荷抵抗 (R2)
使用した負荷
 測定には抵抗負荷が必要なので上の写真のような物を使いました。5W電球。10W電球、50W電球、20Wはんだコテ、40Wはんだコテです。なお、はんだコテは温度が上がると抵抗が大きく変わるので、安定するまで待って測定を行いました。

 こんな仕掛けを使って測定を行いました。以下がお待ちかねの測定結果です。

▼測定結果 (表-1)
順接続の特性

 左の表が負荷電力で、右が電力量計で測った測定結果です。電力が大きくなると測定誤差が小さくなっていきます。なおNo.7は暖房用の600Wの電気ヒーターです。
 なお、負荷ゼロ(No.1)で測定電力が3.15Wとなっているのは、電力量計の潜動によるもので、何も負荷が無くてもメーターが廻る現象です。ちなみに、この潜動は円盤に2か所設けられたクリーピング防止穴で止まるので、永久にこの電力が続く訳ではありません。

▼グラフ
順接続
 赤い点線は誤差が無い場合の理想ラインです(No.7は値が大きいので省略)。理想ラインに対して 3Wくらい上にオフセットした値が測定値となっています。軽負荷でも確実に円盤の回転が始まるように潜動トルクが与えられているのだと思いますが、そのトルクがそのままプラスの誤差となって表れている形になっています。ただ、表-1 の No7 に示したように負荷が大きくなると、この誤差はほとんど問題にならなくなってきます。
 
 ここまでで普通の使い方の話は終わりです。でも、せっかく測定出来る状態を立ち上げたので、電力量計の逆接続をやってみました。こんなこと、実際に使用中の電力量計では出来ません。

▼逆接の回路図 (図-2)
逆接続の回路図
 電力量計の入出力が逆になっています。

▼特性測定結果 (表-2)
逆接特性

 無負荷の電力測定結果(円盤の回転速度)は1.44Wとなっています。逆接続にしても潜動トルクは同じはずなので、順接続と同じ3.15Wになりそうですが、実際には半分くらいの値になっています。

 この原因は電圧コイルに流れる電流によるものだと思います。図-2を見ると判り易いですが、電流コイル(L1)には電圧コイル(L2)の電流も流れるので、その分測定結果が小さくなったのだと思います。他には、軸が正転/逆転で廻り易さが違うのかもしれません、あるいはもっと別の要因があるのかも知れませんが、私には判らない領域です。

 なお、電圧コイルには潜動トルクを発生させるためにくま取りコイルが付いているそうです。これってインダクションモーターみたいなものです。ただ、モーターとしては性能(効率)が極めて悪い物が付いていると考えておけば良さそうです。ちなみに電圧コイルは仕様書では電圧回路と書かれていますが、その皮相電力は4.2VA、損失電力は0.8Wとなっています。損失電力0.8Wとすると、ちょっと計算が合わないですが、まあこれ以上細かい話はいいかと思います。

▼逆接続のグラフ
逆接続
 負荷を増やすとメーターが逆転する様子です。結構リニアに変化しています。なお逆転防止機能付きの電力量計ではこういう逆転は起こらないはずです。

◆まとめ
 軽負荷の場合の電力量計の挙動が判りました。この電力量計の場合、約3Wくらいのプラスのオフセットが付いて値が表示されるようで、その点を注意しておけば100W以下の領域でも使えそうです。

 とは言っても電力が小さくなると円盤の回転速度が遅くなり、測定時間も増えるのでじっと見ているのは大変です。クリーピング防止ホールが2個あるのでこの穴を光学的に検出し、Arduinoで計算して電力を表示させると面白そうです。

 この電力量計を自作のGTI のコンセントに入れて、電力の流れが逆転する様子を見てみました。すると、太陽パネルの発電量が大きくなるとメーターが逆転して逆潮流する様子を見ることが確認出来ました(あくまでも設置場所のコンセントでの逆潮流です)。ただ、その送電量が予想より少なかった点が気になっていたのですが、今回の測定でその謎が少し解けました。潜動トルクの分(約3W)だけ小さく測定されていたようです。

 この記事で使った誘導型の電力計はどんどんスマートメーターに交換されています。こういう 遊び 測定 が出来るのは今だけかも知れません。

【ご注意】
1) 記事中にも書きましたがこの記事は単相3線式の片側だけを使って測定したものです。
2) 今回の測定結果は私が所有する個体に関するものです。他の個体のことは判りません。
3) この記事で行った測定は仕様の範囲外の領域なので、どんな結果が出てもメーカーに苦情など言ってはいけません。
4) AC100Vラインの配線は危険なので、何度も確認して慎重に行う必要があります。 
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