カセットの嵌合部を考える

センサ、カウンタ、モータ駆動部が完成したところで、本体の仕上げを考えなければなりません。もっとも面倒なのが、錠剤入カセットと嵌合する部分です。

錠剤カセットは、本体側の台の上にかみ合う構造になっています。台の部分を取り外してみました。


これを原型にして、レジンで複製したらよさそうです。

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カウンタ零号機、初の稼働テスト

どうも筐体を加工するような工作は苦手です。
モータとセンサを取り付ける適当な容器が見あたらなかったので、ダイソーで買ってきました。

ポリエチレンの容器を。。。

なんか、熱でダレそうな素材ですが、、、まあ乗るのは綾波レイ実験機なので、これでいいでしょう。

ポリエチレンの箱を裏返し、ドリルでモータ固定用の穴2ヶ所と、ロータ軸を出す穴をあけます。ロータの穴はさらにリーマで拡大します。
錠剤が落ちてゆく穴は、ドリルの穴を並べ、ニッパでつないで切り落としました。
そして、モータとセンサを固定します。


センサは位置が決定していないので、今回はテープ固定です。


モータとモータドライバを接続。
センサ基板から555のパルス補正回路へ接続。
回転パルス発生装置とモータドライバを接続。
実験用錠剤・エスタゾラム「アメル」10錠準備完了。

さて、電源をいれます・・・・

あっという間に10錠のカウントが完了してしまいました！もっとゆっくりだと思っていたのに・・・。

やたら振動が多いのは、ステッピングモータのステップ数があまり細かくないからです。
ちょっとうるさいですよね、、、、

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歯車をカット

ステッピングモータの軸に付ける歯車を以前購入したのですが、少々長かったので、カットしてしまいました。

以前の歯車の様子↓



100円ショップで買った工作用カッターナイフの刃をガスレンジで過熱し、ホットナイフの要領で、軸の長さに合わせて切りました。

歯がなまった部分は、おなじく100円で買った、ナイフ状やすりで整形して完成です。

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もっとも小さな錠剤はなにか？

錠剤は、さまざまな大きさや形をしている。テストのための条件を考えてみた。

1. もっとも小さな錠剤
2. もっとも大きな錠剤
3. 異形の錠剤（フルイトラン、ハルシオン、クリノリル、・・・）
4. 赤外線を通すかもしれない透明な錠剤（アルファロール、エパデール、ゲファニール・・・）

医療保険承認薬という条件で、今日は、もっとも小さな錠剤を考えてみた。

オパルモン5ug   直径6.5mm 厚さ2.8mm 重さ100mg
ラシックス20mg　直径8mm   厚さ2.3mm 重さ160mg
メプチンミニ    直径5mm   厚さ2.2mm 重さ57mg 
シグマート2.5mg 直径5mm   厚さ2mm   重さ50mg

お年寄りがヒートから取り出して、つまむのは大変だなと、改めて認識した次第。

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NE555の単安定動作

Signeticsの555と云えば、かつては、それこそ今のPICの如くにプロからアマチュアにまで弄られたICです。ジェネリック品も多数存在し、この応用の広さたるや、豆腐百珍の世界なのです。

この555の単安定動作を使えば、10-20ms幅のパルスを作るのは簡単そうですね。

参考回路を探してみましたが、Signeticsのページでは見つかりませんでした。代わりにLMC555の参考回路を発見。しかも日本語で書いてあります。

もっとも簡単でデジタル的な振る舞いをする555の代表回路で、￣TRIGに負方向のパルスが加わえられると、OUTに指定された幅のパルスが得られるというものです。パルスの幅は、

TH=1.1 × RA × C

という式で得られます。

今回は、10~20msぐらいのパルスを得たいので、RA=100KΩ、C=0.1uFとして、ブレッドボードで実験しました。


昨日の回路(右図）の出力は負論理ですから、そのまま￣TRIGに入れることができます。



オペアンプの出力端子と、555のOUTにプローブを接続し、波形を写してみました。オペアンプが赤、555が黄色です。フォトインタラプタ部分を遮ってみます。

12-13ms程度の幅を持つパルスが出力されています。


つぎに、チャタリングの模倣として、トランジスタの3本足を通してみます。


パルスの幅は拡大されているものの、3つのパルスが出ています。これではチャタリング対策にはなりません。

そこで、RA=330KΩとして試してみました。パルス幅は、計算上36msほどになります。

今度は見事に、1つのパルスとして整形されました。


最後に、フォトトランジスタのコレクタ電流と、555で整形した波形をのせておきます。

RA=100KΩの時


RA=330KΩの時
これで、多少のチャタリングにも負けない、丈夫なセンサ部分が出来たのではないかと思います。

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センサ部の基板化と錠剤カウントを試す

OPアンプを使用した回路はブレボ上で上手く動いているように見えても、基板に組んだときには思うように動かなかったり、厄介極まりない発振を起こすことが多々ある。本体を組み上げてから大幅な設計変更を強いられる前に、ユニバーサル基板に回路を組み、実験しておく必要がある。

ユニバーサル基板の一部に15mm幅の切り欠きを作り、その両側に発光部と受光部を設置。
ブレッドボード上のカウンタ部に接続し、実際に錠剤を使って落下テストを行ってみた。
センサ基板は水平、錠剤は垂直という条件となっている。

結果は誤カウントもなく計測できた。後半は、念のためにオシロでOPアンプの出力波形を観測した結果。
2本足のLEDを落とすとパルスは2つ、3本足のパワトラを落とすと3つ波形が出ているあたりは、律儀です。

スイープ速度と画面更新の関係で、画面外に表示されて見えないパルスがあるのは3万円のオシロだからかもしれません。

次に、センサ配置による隙間の影響を考えてみました。棒を、フォトトランジスタを1,2,3と順に遮るように動かした結果です。

まず、直径3mmほどの耳掻きです。


赤いラインはフォトトランジスタの負荷抵抗にかかる電圧（前回の回路図の点Aの電圧）、黄色いラインはOPアンプの出力電圧の変化です。

センサ間隙に耳掻きが入ったときには、光量が増加しているのがわかります。センサは3つなので、下向きの山は3つになっています。しかしどちらかのセンサをわずかに遮るサイズなので、シュミットトリガの働きもあり、出力は1つのパルスになっています。


次は、直径1mmもないLEDの足です。


センサの間隙に収まった際には、光が遮断されていないことがわかりました。出力波形も山3つです。対策としてはセンサの密度を上げるのが簡単で正攻法なのですが、サイズ的には面実装の超小型品をつかわなければならないなど現実的ではありません。

カウントする錠剤は、もっとも小さい（薄い）ところでも1mmはあるでしょうから重複カウントされる心配は少ないのですが、さらに10ms～20msのタイマを加えパルスの最短幅を10~20msに揃えるか、PIC側でその処理を行うか、という対策を、ダメ押しでしておく必要があると思います。


それにしても、OPアンプの出力に、リンギングのような波形が見られるのが大変気になります。

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OPアンプによるヒステリシス回路

前回作成したフォトインタラプタには欠点があります。それは発光側と受光側の距離に反比例して、フォトトランジスタのコレクタ電流が減少することです(TPS616データシート参照）。負荷抵抗に発生する電圧がPIC入力端子の閾値を超えないと、ソフトウェアで変化を検出することができません。

LEDの輝度を上げるのは限界があります。
そこで、今回はOPアンプを使用してみました。この方式では、反応する閾値を設定できることと、ヒステリシスを持たせられるという利点があります。

その回路図です。
受光部に幅を持たせるため、TPS616を3つ直列にしています。どの受光部が遮られてもコレクタ電流が低下します。このほかに小信号用ダイオードを介して並列にする方法や、シュミットトリガ入力を持つORを使う方法も考えられますが、部品点数が増えて面倒なのでやめました。


シュミットトリガになる動作を解説しておきます。
今回の実験回路での発光ダイオードとフォトトランジスタの距離は15mmで、障害物が全くないときの点Aの電圧は約1.65Vでした。


まず、OPアンプの出力が0Vである場合です。バイアス抵抗は次の等価回路と考えられます。
この時の点Bの電圧は1.17Vとなるので、点Aの電圧がこの電圧を下回らないと、出力は反転しません。



次に出力が反転すると等価回路は次のようになり、
今度は点Aの電圧が1.43Vを越えなければ、出力が反転しないことになります。

つまり、R4とR5でバイアスを決定し、R6でヒステリシスの幅を決めることができます。
ただし実際には、OPアンプの出力の幅は0→5Vではありませんし、負荷側の影響も受けますから計算通りにはなりません。E12やE24に収まるよう、実験で適当に決定する必要があります。

以下、光の遮断と、点Bの電圧変化の様子です。

最後に。東芝の光センサという資料ですが、p.63のOPアンプを使用したシュミットトリガの回路図が変な気がするのですが、どうなんでしょう。

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