イライラ棒ってご存知ですか?

昔、ウッチャンナンチャンのバラエティ番組で大人気だったゲームです。

複雑な形状の金属製のコースに電極棒を入れて触れないよう、スタートからゴールまで様々な障害物を乗り越えていくというもの。

テレビでは、失敗すると火薬が爆発するなどのキビシイ罰が下されてました。

そこまで派手なものは無理だとしても、電気でライトを光らせたり、ブザーを鳴らしたり、アイディア次第でいろんな工夫ができそうです。

なにより作るのもおもしろいし、出来上がって遊ぶのももちろん楽しい!というわけで、小学生あるいは中学生の自由研究や工作にはまさにうってつけの題材 ではないでしょうか。

先日、小学生ならぬおじさんの夏休みの工作として、実際に作ってみました。

ちょいと半田付けをして、(バッテン)の文字の形でLEDを光らせたり、ブザーを鳴らしたり、そしてビリビリ機能 も付けてみました。

ご興味がありましたらご覧ください~
ぜひ親子ご一緒で!!


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イライラ棒

材料と工具

材料は、不用品のリサイクル、手持ちの材料(別の工作の時に買っていたもの)や100円ショップなどの利用で、できるだけお金をかけないようにして作りました。

キットのようなものを買ってきて設計図通り作るのでは面白くないですからね。

材料

台座とコース
  • 板(適当な大きさ、1枚)
  • 柱用の端材(高さ5cm程度、2個)
  • ねじくぎ(柱固定用、2本)
  • 針金(アルミ線2.0Φ~2.5Φ、1m程度)
  • ストロー(絶縁部分用、1本)

回路
  • 基板(5cm×5cm程度、1枚)
  • 電池ボックス(単三×4本、1個)
  • 電池(単三、4本)
  • ブザー(1個)
  • LED(必要なだけ、豆電球でも可)
  • 抵抗(300Ω~500Ω、LEDと同数、豆電球なら不要)
  • スイッチ(電源ON/OFF用、1個)
  • 端子台(太い電線の接続用、1個)
  • 幅2cm程度の木片(基板固定用)
  • 細い電線(回路部品間の接続用、30cm程度)
  • 太い電線(コースおよび電極棒と回路との接続用、1m程度)
  • ワニ口クリップ(2個)

電極棒
  • 竹(1フシ分ぐらい)
  • ペットボトルのフタ(2個)
  • 針金(アルミ線。コースと同じものを少し)
  • 振動モーター(1個)

その他
  • 養生テープ
  • シールテープ
  • 接着剤(木工用ボンド、エポキシ樹脂あるいはグルーガン)
  • 半田

つづきまして、工具です。

工具

  • プラスドライバー
  • ニッパーまたはペンチ
  • ワイヤーストリッパーまたはカッターナイフ
  • キリ
  • 半田ごて
  • 半田ごて台

結構たくさんあると印象もたれるかもしれませんね。あくまでも今回の実例です。

■ 100円でライトと電池ケースとスイッチを入手する方法

後日、こちらのサイト で紹介されていたのを見つけたのですが、100円ショップで売られてる自転車ライトを使うというアイディアがありました。まさに目からウロコ。ライトとスイッチがあって、電池ケースにもなる。まさにその手があったか!です。

体験談ではお子さんと一緒に楽しそうに作られてます。最初の回路図は息子さんが書いたんですね。すごい!


回路図

今回作成した電気系統の回路図です。

イライラ棒の回路図
ブザーがスピーカー記号になってますがご容赦ください。

パワーLED隣の抵抗は、300Ωから500Ω程度のものを使えばで良いと思います。

ビリビリ機能は、電極棒の中に振動モーターを仕込むことで実現しました。要はスマホなどに入っているバイブレーション機能を使ったなんちゃってビリビリ機能です。さすがに本当に電流を流して感電させるわけにもいかないので。。。

バッテンのLED隣の抵抗につきましては、振動モーターの抵抗分(今回のものは20Ωぐらいでした)を考慮すると、パワーLED用の抵抗より少し小さ目の値にすべきですが、まあ、同じものでも大丈夫でしょう。
X(バッテン)のLED

動作の説明

スイッチをONにすると、パワーLEDが点灯します。ただし、それだけではその他の部分に電流は流れません。

端子台に接続された針金のコースと、電極棒の輪っかが接触することで、そのほかの部品にも電流が流れ、バッテンのLEDが光り、ブザーが鳴り、電極棒内の振動モーターが ビリビリ(実際はブー)と動きます。

端子台

LEDについて

今回は、手元にあったのでLEDを使ってみました。

もちろん、豆電球でもOKです。

LEDは消費電力が少なく、長寿命です。機能的にもいろんな色で点灯できるとか、反応が速くてマイコンのプログラムで制御しやすいといった様々な特長がありますので、電子工作にはもってこいの素材だと思います。

ただ、LEDは使用方法がちょっとだけ面倒です。というのも、次のようなお約束があるからです。

  • 極性(プラスとマイナス)がある
  • 抵抗が別途必要

LEDには長さが違う2本の足があります。長い方をプラス側、短い方をマイナス側につなぎます。逆にすると光りません。

LEDカラフル
また、LED自体には内部抵抗がほとんどないので、電池に直結すると電流が流れすぎて壊れてしまいます。そのため、流れる電流を制限するための 抵抗を付ける 必要があります。

ホームセンターなどで売られているLEDですと、抵抗がセットになって売られたりします。
ホームセンターのLED
抵抗付きで売られてるLED

電池での工作ならだいたいそれでOKなんですが、実は回路構成によって必要な抵抗値はケースバイケースなんです(例えば電池をいくつ直列にして使うかなど)。

便利なことに、条件に合った抵抗値を自動で計算してくれるサイトが沢山あります(”LED 抵抗 計算“などと検索してみてください)。

抵抗値を求める計算方法はわりと簡単ですので、興味があればご自分で調べてみてはいかがでしょう(LEDそのものの原理となると奥深いですが・・・)。



一方、おなじみの豆電球の場合は、発光するフィラメント自体が抵抗体です。これで自然と電流が制限されますので、別途の抵抗は不要です。

ただし適正電圧以上に電圧をかけてしまうと電流が流れ過ぎるので、やはり切れてしまいますけどね。


ブザーについて

ブザーにもいろいろ種類があります。

  1. 電池に直接接続すれば鳴るもの
  2. 音の信号を与える必要があるもの
  3. メカニカルなブザー

1.は発振回路が内蔵されたものです。ピーという連続音が出ます。電源につなぐだけで鳴るので、簡単な電子工作では重宝するタイプです。

2.は外部に発信回路が必要ですのでちょっと使うのが難しくなります。しかし入力する信号をコントロールすることで、メロディーを奏でることもできます。

3.はブザーというかベルという感じですかね。あんまり小型のものはないみたい。

今回は1.の電源をつなぐだけで鳴るタイプを使います。ホームセンターでも次のものが売られてました。

ミニブザー
ただこれは定格電圧が1.5Vと、電源(6V)に直結するには低めだし、ちょっと高かった(500円以上だったかと)ので、今回はAmazonで、以下のものを購入して使いました。(海外から送られてくるようで、2-3週間かかっちゃいました)


この製品の場合は3V-24Vの電圧範囲で使えます。電源に直接接続するだけで鳴らすことができました。

なお、このタイプのブザーには極性がありますのでご注意ください。赤線をプラス側、黒線をマイナス側に接続します。

振動モーターについて

振動モーターは、Amazonなんかでも売られています。例えばこんなの。


この製品の場合、標準電圧は1.5V~3Vのようです(レビューを見ると0.5Vあたりから動き始めるとの情報あり)。

これなら今回の回路で多分使えると思います。


「多分」なんて、無責任ですみません。
実際のところ、今回は使わなくなった古い携帯電話をばらして、中の振動モータを取り出してリサイクルしたので・・・
振動モーターは指矢印のところ

試してみた所、これも0.5Vぐらいから動き出しました。赤と黒のリード線が付いていましたが、極性は無いようです。

今回は乾電池4本で6Vの電源としてて・・・LEDの制限抵抗が各500Ωとして9個あって・・・振動モーターの抵抗が実測で20Ωで・・・などとごちゃごちゃ計算すると振動モーターにかかる電圧はざっくり1.6Vとなります。

型番なんて書いてないので素性は定かではないのですが、まあ、使えるかなと。 
(-“-; …汗

ちなみに、ブザー同様、振動モーターにもいろいろな種類があります。電源につなげば動いてくれる単純なものから、制御信号を与えないと動かないものもあったりします。

実は私も結局古い携帯電話を3つばらしまして、最後のものでようやく動くものが手に入りました。最初の2つは新しめのモデルで、取り出した振動部品は電源につないだだけでは動かないタイプでした。新しい機種はなにやら高機能なデバイスが使われているようです。

やはり素性のはっきりしたものを使うことをおすすめします。


基板について

LEDやスイッチやブザーなどの部品を取り付けて配線を実装するには、小さい基板があると便利です。以下のようなものがホームセンターでも売られてました。

基板 無数の格子状の穴があいている、このようなタイプの基板は「ユニバーサル(汎用)基板」と言います。(商品には「プリント基板」と書かれてますが)

この穴は通常2.54mmピッチで、ここに部品のリード線を半田付けすることができます。部品どうしの間の配線は自分で行う必要があります。

■ パソコンやスマホの中の基板は?
print circuit board
こちらは「プリント基板」と言い、製品機種ごとにカスタマイズして作られている基板です。

各部品の配置位置が決まっていて、部品間の配線もあらかじめ銅箔で作られています(写真製版技術でプリントされている)ので、部品を半田付けするだけで回路ができあがります。

上のホームセンターで売られてた基板にはプリントされた配線はありませんが、半田付けしやすいように穴の周りに少し金属が「プリント」されてますので、まあプリント基板と称してもウソではないかな。


なお、回路部分が豆電球とブザーぐらいだったら基板は必要ないかもです。たとえば、段ボールや厚紙に穴をあけて部品を植えて、裏でリード線や配線をテープで留めることでも代用できたりします。

作ってみた

前置きが長くなってしまいました。ここからいよいよ制作過程を説明していきますね。

まず、台座を作るところから。

台座の製作

100円ショップで買った小さなスノコが使われないまま物置に放置されてて、なんか不憫だったので利用してみました。

すのこ
スノコなので当然隙間があいてる・・・台座としてはちょっと使いづらいです。短冊状の板はホチキスで留められていただけなので、ひっぺがすとバラバラに。あらためて隙間を詰めて木工用ボンドで貼り直しました。

裏の横棒は長さを合わせてカットしてあります。

すのこを詰めた
使わなくなったまな板とか、適当な大きさの板があればそれでOKです。100円ショップにも手ごろな板があったと思います。


次に、針金を支える柱をとりつけます。板の上で適宜離して、裏からねじくぎでくっつけます。もちろん接着剤でくっつけても良いですよ。

2.5cm×2.5cmぐらいの棒の端材があったので利用しました。柱の高さは適当ですが、5cm以上あると良いと思います。

最終的に、この柱に針金を巻き付けて固定します。

針金は100円ショップで売ってたアルミ線を使用しました。アルミならコースを自由に曲げたり、電極棒の輪っかのサイズを替えたりできます。2.0mm~2.5mmの直径であれば子どもでも手で曲げられると思います。

被覆が付いた針金ですと電気を通しません。被覆が付いていないものを使ってください。


針金on台座
試しに針金を置いてみたところ

回路部分の製作

半田付け

基板の穴に部品を差し込んで半田付けします。LEDを使う場合は極性を間違わないように注意しましょう。

その次に部品のピンの間に細い電線を半田付けして配線します。


部品や配線の半田付けでは次のようなポイントに気を付けましょう。

  • 部品をしっかり固定すること(マスキングテープが便利)
  • 配線は回路図通りか
  • ショートしてないか

配線のチェックは都度行うことをおすすめします。

チェックが最後だけだとごちゃごちゃして分かりづらいし、失敗していたら他の部分もやり直さないといけなかったりしますので。


■ 半田付けについて

半田付け方法を分かりやすく説明している動画がありました(5分51秒)。
東大の学生さん向けのようですね。





細い電線の被覆をむくには、ワイヤーストリッパーという道具があると便利です。ワイヤストリッパーが無ければカッターナイフでも構いません。

カッターを使う場合は、細い電線をころがして周りに少しだけ切込みを入れ、被覆を抜き取ります。

深く切り込みを入れてしまうと肝心の銅線を切ってしまいますし、切込みが薄すぎれば被覆が抜けません。ちょっと慣れが必要ですが、何回か練習すればうまくできるようになりますよ~


次の写真が基板に部品を実装した例です。基板は他で使った余りの切れ端を使っています。

基板
  1. 9個のLEDを並べたXの字
  2. ×のLEDの電流制限用の抵抗
  3. ブザー
  4. パワーオンを示すLEDの電源制限用の抵抗
  5. パワーオンを示すLED
  6. 乾電池ボックスを接続する端子
  7. 電源ON/OFFスイッチ
  8. 端子台

基板の裏側はこんな感じ↓↓ あまり上手ではないのでお手本にはなりませんが・・・
Bottom view

今回は「端子台」というパーツを使って太い電線(コースや電極棒との接続用)をネジ留め固定することにしています。

電線に強い力が加わった場合に基板や回路に損傷を与えないためです。特に気にならなければ基板に直接太い電線を半田付けしちゃってももちろん構いません。

>>Amazonで”端子台”で検索する

導通チェック

基板の半田付けが終わったら、導通チェックをします。

  1. 電池をつなぐ
  2. 電源スイッチを入れる
  3. →パワーオンのLEDが点灯するか?
  4. 端子台に固定した配線同士を接触させる
  5. →ブザーがなり、×のLEDが点灯するか?

NGなら回路図と自分で作った回路を見比べて間違い探しです。

OKになったら、基板を先ほどの台座に固定します。基板の裏に部品が出っ張ってますから、木片等で高さを稼いでグルーガンで固定するとよいでしょう。

電極棒の製作

要は、コースを通すための針金の輪っかをつけて、それを電線で回路につなげてやればOK。

ただ、それだけだとちょっとつまらないので、前述したように 振動モーターによるビリビリ機能 をつけました。


で、電極棒の胴体部分ですが、ネットで調べると、ボールペンを利用する方法などが出ていました。なるほど、なるほど。

ただし、振動モーターを取り付けるにはボールペンではちょっと細いしなあ・・・ということで、いろいろ探しましたが適当なのがみつからず、結局、竹にしました。

昔、本当の竹で作った竹馬かあったのでちょいと上の方を切り落とし


竹の太さは、ペットボトルのフタかぶさる程度の太さ(細さ)のものを選びました。

ペットボトルのフタに穴をあけて、アルミ針金を通し、エポキシ樹脂で固定しました。これを二つ作り、竹の両端に被せて取付けることにします。

片側のフタの針金をコースを通す 大き目の輪っか にし、もう片方のフタの針金をワニ口クリップを取り付ける 小さ目の輪っか にします。

このフタから内側に延びた針金の間に振動モーターをつなげます。モーターのリード線には赤いリード線と黒いリード線がついています。通常のセンスですとプラス側を赤い線、マイナス側を黒い線にするんですが、試してみたところ、振動モーターはどちらに接続しても問題なく振動しました。

なお、アルミ線は半田付けできないので、リード線を長めに剥いて、アルミ線にグルグル巻きにし、その外側をシールテープで固定しました。

アルミの針金に電線を半田付けしようとしたがくっつかず

アルミ針金にリード線を長めに巻き付けて、その上からシールテープで固定


竹を縦に半分に割り、片側にエポキシ樹脂で振動モーターを固定します。この、縦に半分に割れることも竹を選んだ重要なポイントだったりします。
竹を割る時、トゲに注意しましょう

振動モーターの振動がロスなく伝わるように、振動モーターと電極棒とをエポキシ樹脂(グルーガンでも良いと思います)でしっかり固定しました。

エポキシ接着剤が流れないようマスキングテープを堤防として


配線類を竹の中に収め、竹を元通りあわせて周りを養生テープで固定します。

両端にフタをつけ、シールテープで固定します。

この時は下側にはキャップを使ってませんでした


太い電線とコースあるいは棒との間の接続

今回はワニ口クリップで接続するようにしました。理由は次の2点。

・今後の拡張性
・引っ張られたときにすぐ外れる

コース部分を変更しても回路部分を流用できます。もっと大きいものにするとか。


回路から伸ばした太い電線に付けたワニ口クリップでコースとイライラ棒につなげばできあがりです。

全体を組み合わせるとこんな感じ

写真では、片側にメガネクリップを付けて針金を固定しています。これは電極棒を外せるようにしたかったので。

実際は電極棒をコースから外すことはあまりないと思うので、あんまり意味なかったですけどね・・・


柱のところにあるストローは電極棒の安全地帯です。テープを巻いても良いですけど。

遊んでみた

イライラするというよりは、ドキドキハラハラしますね。

大人でもけっこう集中力が必要です。

チャレンジしている人の顔を見ているだけでも結構笑えます。でももし金品などを賭けたら・・・真剣になったりして。

楽しく遊びましょう。(^▽^;)


上下に蛇行するコースは比較的簡単ですが、前後というか奥行きがあるととたんに難易度があがります。

ループなんか無理~。電極棒を持ち替えないと通過できないので、プルプルしてしまいます。

難しすぎるコースも考え物。

コースを自分で考えてチャレンジするのも面白いですね。


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保護者の方へ

安全面だけはくれぐれもご注意ください。

工作などをする際には小さな怪我はやむを得ない面もありますが、工具等の正しい使い方や危険な箇所を理解し、基本通りに作業をすれば大きな怪我は防げます。

工作する際には必ず大人の人が見てあげるようにしてください。

■ 気を付けるポイント
  • 電池をショートさせない
  • 半田付けでは火傷や火事に注意
  • 半田ごてを置いておくしっかりした台を用意する
  • 半田ごてはこまめにコンセントから抜く
  • 電線の被膜を剥く時にカッターの刃に気を付ける
  • 針金の切り端に注意(丸めるかテープなどを巻く)
  • 竹を割る時にはトゲに注意


おわりに

家内が小学校の学童をお手伝いしています。

10月になると秋祭りがあって、ゲームやいろいろな出し物やゲームなどでわいわいやるとのこと。そこで遊べるゲームを何か作ってみようと思ったのが今回の工作のきっかけでした。

こんなので興味をもってもらって、子どもたちがもっとすごい工作にチャレンジしてくれたらうれしいなと思います。

いよいよ2020年には小学校でプログラミング教育が必修化されるようですし、中学生くらいだったらマイコンを載せてカウントダウンタイマー付きにするとか、私のなんかよりもっとアイディアあふれる凝ったものもできちゃいそう。


今回は以上です。
最後までお読みくださり、ありがとうございました。


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