からくり技術研究所では、「ロボット製作に使える機械工学のメカニズムを実際に動かしてみよう！」ということで、地道に短めの記事でやっていくコーナーです。
主に、ロボット製作で使うための機械的な仕組みを実際に作って、動かして、測定してみます。
この連載記事では、タミヤ模型さんの「楽しい工作キット」と３Dプリンター「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」を使って、仕組みを組み立てています。
今回は「チューブポンプ」を使った液体／空気の循環の製作記事です。
構造はどんなかな。
ポンプというと「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」があるな。
長期間使えて、交換はチュープのみで良いものだ。
さっそく、作ってみるぞ！
- 同じ速度で、同量の液体や空気を、送ることができる
- 動力は、モーター１つを使う
- 速度や、ポンプ稼働に使うトルクが得るため、ギア設定が変更しやすいものを使う
動作を単純化して考える
いきなりCADソフトなどで３Dモデル化！ってできればいいですが、そこまで優秀な頭は持っていないので、
まずは、「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」の動作を単純化して考えます。
動作イメージ
「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」は次のような仕組みで、液体や気体を送ることができます。
チューブをつぶすように配置されたパーツが、チューブをつぶしながら回転することで、
チューブポンプのローラが、回転時にチューブまたはホースを圧縮し、真空状態が発生することでチューブ内に流体が引き込まれます。
次の画像では、流体がポンプチューブに引き込まれ、ポンプ内のローラによりトラップされ、次のローラがチューブ上を通過するときに放出されるイメージを示しています。
ローラが回転すると、チューブ内に真空状態が発生し、更に次の流体が引き込まれ、次のローラ通過に備えます。
圧力がかけられるときにチューブをローラとトラックの間に完全に封じ込めることによって、ポンプに正の変位の作用が加わるため、逆流が防止されます。
これにより、ポンプが稼働していないときの逆止弁（チェックバルブ）が不要になります。
特徴
「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」は、次のような特徴があります。
＜特徴＞
- チューブのみが流体と接触するため、ポンプが流体を汚染したり、流体がポンプを汚染したりすることがなくなる
- 流量を安定させることができる
- どのくらい量を流すかを細かく制御できる
- 空回し（液体がない状態）でも故障しない
- 逆回転させると流れる方向が逆になる
- 長期間利用時に、チューブのみを交換すればよい（経済的）
３Dモデルを作ってみる
３Dモデルを作成しました。
真ん中のローラー部が、回転することで、ポンプとして動作するイメージです。
ローラー部と背面パーツの間の隙間は、今回使用するチューブを押しつぶした際のサイズにしています。
この隙間のサイズは、使用するチューブの外径、内径、と硬さによって変わってきます。
試作用のデータを作る
今回の構造は、少し複雑になっているので、３Dプリンターを使って各パーツを作っていきます。
３Dプリンター「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」を使って印刷しますので、印刷データ生成ソフト「PrusaSlicer」を使います。
３Dプリントデータは以下のパーツ毎に生成しました。
- 背面パーツ
- ローラー
- ローラー固定パーツ（裏）
- ローラー固定パーツ（表）
- 表面パーツ
印刷データ生成時には、次の条件に注意して配置すると失敗が少なく作業がはかどります。
- 印刷面席が大きいパーツは単体で生成する
- 小さいパーツは複数並べて配置してもいいが、プリンターのノズルの移動量を抑える
- ウォームなどのネジ山は縦方向に印刷する
ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+で印刷する
今回は、「PETG」フィラメントを使用して「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」で印刷しました。
フレームの一部を印刷する際にひげが出ましたが、その他のパーツは非常にきれいに印刷できました。
各パーツとも、精度バッチリで、スムーズに回転します。
今回使った３Dプリンターとフィラメントはこちら！
「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」
「ORIGINAL PRUSA MK4」※
販売されたらリンクをご紹介予定です！
動力部分
「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」を動作させるためには、ある程度トルクのあるモーターとギアの組み合わせが必要となります。
そのため、今回は、動力部分のトルクをギア比で調整することができる次のものを使用しました。
今回使った動力部分はこちら！
タミヤ テクニクラフトシリーズ No.1 遊星ギヤーボックスセット
ギアを最大４００：１に設定できる遊星ギアを用いたギアボックスセットです。モーターも付属しています。別売りのシャフトとの接続を行うための部品（ジョイントメタル）もついているので、高トルクで使用する際にも、滑りがない動作が実現できます。モーターは、３V使用なので、電池２本の電池ボックスと一緒に使えます。
モーターへの給電には、電流の方向をスイッチで変更できる、次のものを使用しました。
今回使った電池ボックスはこちら！
タミヤ 楽しい工作シリーズ 単三電池ボックス スイッチ付き
スイッチ付きの電池ボックスです。スイッチにより電流の流れを切り替えてモーターなどを逆回転などができます。
単三電池2本を直結しています。
このパーツの固定用ネジは、2㎜のものが使われています。楽しい工作シリーズの他の商品は基本3㎜なので注意が必要です。
・電池ボックス1個
・組み立て式逆転スイッチ､
・固定用ビスや配線コード
各パーツの固定方法
今回使った固定用部材はこちら！
楽しい工作キットで作るものを取り付けるベースになります。
私は、試作をする際に、このプレートの上にいろいろ固定して動かしています。おすすめとしては、このプレートの四隅にスペーサなどを取り付け、少し地面から浮かせるようにすると、部品を取り付けた際のナットやネジの出っ張りを吸収できますよ！ぜひ試してみてくださいね！
・プレート本体
・取付パーツ
・ネジ、ナット類（M3のみ）
2本ずつ入っているので、自動車などの製作にも使いやすいですよ！
・ 3×150mm六角シャフト2本
・ 3×100mm六角シャフト2本
・ 3×100mm両ネジシャフト2本
・ 3×100mm丸シャフト2本
・ネジ、ナット類（M3のみ）
また、動力部品の軸と「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」の軸を合わせるために、次のようにネジとナットを使用して、微調整できるようにしました。
真ん中のナットを調整してパーツを上下に微調整することができます。
固定は４つの足をこの仕組みにすることで、微妙な軸調整ができるようになります。
固定は、上のナットを合わせることで固定できますよ～。
試作であれば、これで十分です。
組み立て
部品は揃いましたので、組み立てててみました。
「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」と動力部品である「遊星ギア」の回転軸を合わせるように配置しました。
３つのローラーの軸には、次のステンレス製のシャフト（3㎜）を使いました。
強度もよく安心感があります。
回転するローラー部品をシャフトに固定するのに、次の「イモネジ」を使いました。
一つあれば、しばらくは事足ります。
ローラー部の組み立ても問題なくできました。
さすがの造形精度です。
チューブは、次の熱帯魚用のものを使いました。
柔らかく、品質も高いので、選んでいます。
4.5ｍあるので、いろんな用途に使えます。
チューブをポンプ内に配置した様子は、次のとおり。
きちんと収まっていて、気持ちいい瞬間です。
動かしてみよう
それでは、実際に動かしてみましょう。
動作が見やすいように赤く色づけた水を、左から右へ移してみました。
うまく液体を搬送することができていますね！
完成しました！
＜実は…＞
ここまで来るのに、ローラーの直径を変えて、何回かトライしました。
大きすぎるとローラー部がうまく回転せず、小さすぎると吸い込み圧が弱い。
微調整を繰り返しました。意外と微調整しているときは、楽しかったりします。
試行錯誤の結果、ローラーがたくさんたまりました。。。
編集後記
いかがだったでしょうか。
原理と、機構がわかると、自作も意外とできちゃうんです！
３Dプリンターで作ったパーツも、強度はあるので、試作にはピッタリです。
今回の「チューブポンプ（蠕動ポンプ）」を使えば、液体や空気を使った工作などにも活かせそうです。
皆さんも、挑戦してみては、いかがでしょうか！
今回の記事は以上となります。
最後までご覧いただきありがとうございました。
記事内でご紹介した商品はこちら！
「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」
「ORIGINAL PRUSA MK4」※
販売されたらリンクをご紹介予定です！
「PETGフィラメント」
今回はこちらのフィラメントを使っています。安価ですが安定していますので参考にしてください。
タミヤ テクニクラフトシリーズ No.1 遊星ギヤーボックスセット
ギアを最大４００：１に設定できる遊星ギアを用いたギアボックスセットです。モーターも付属しています。別売りのシャフトとの接続を行うための部品（ジョイントメタル）もついているので、高トルクで使用する際にも、滑りがない動作が実現できます。モーターは、３V使用なので、電池２本の電池ボックスと一緒に使えます。
タミヤ 楽しい工作シリーズ 単三電池ボックス スイッチ付き
スイッチ付きの電池ボックスです。スイッチにより電流の流れを切り替えてモーターなどを逆回転などができます。
単三電池2本を直結しています。
このパーツの固定用ネジは、2㎜のものが使われています。楽しい工作シリーズの他の商品は基本3㎜なので注意が必要です。
・電池ボックス1個
・組み立て式逆転スイッチ､
・固定用ビスや配線コード
楽しい工作キットで作るものを取り付けるベースになります。
私は、試作をする際に、このプレートの上にいろいろ固定して動かしています。おすすめとしては、このプレートの四隅にスペーサなどを取り付け、少し地面から浮かせるようにすると、部品を取り付けた際のナットやネジの出っ張りを吸収できますよ！ぜひ試してみてくださいね！
・プレート本体
・取付パーツ
・ネジ、ナット類（M3のみ）
2本ずつ入っているので、自動車などの製作にも使いやすいですよ！
・ 3×150mm六角シャフト2本
・ 3×100mm六角シャフト2本
・ 3×100mm両ネジシャフト2本
・ 3×100mm丸シャフト2本
・ネジ、ナット類（M3のみ）
一つあれば、しばらくは事足ります。
4.5ｍあるので、いろんな用途に使えます。
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