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学習机用LEDランプ
   
2013/12/20

構想

最近孫の為に製作開始した学習机は専用の照明器具を組み込むことで進めてきています。 当然ながらそれは電気工作が主体となるために学習机とは分離して記録しておく事にします。

エジソンが白熱電球を発明して以来一般的な照明器具は白熱電灯、蛍光灯と変化し、省エネの観点からLEDを使ったものに全面転換されようとしています。 従ってここでもLEDを使った照明器具が前提です。 LEDの最大のメリットは発光効率の良さであり、大光量の物は熱として砲弾型やFlux型と呼ばれる物はそれらが許される最大電流で駆動されても自己発熱は極僅かであり、白熱電球は元より蛍光管の発熱量より大幅に小さいです。 従ってそれら発熱量僅少のLEDの利用が私の興味の対象となっています。

もうひとつ触れておきたいのはLEDの購入単価です。 蛍光灯の照明器具で40W以上の明るさを持つ照明器具を発熱量の少ないLEDで構成すると80〜300本程の数量が必要になります。 そうすると単価によってはかなり製作コストに差異が出ます。 例えば今回使うFlux型という7.6mm角のLEDではスペックは別としても単価が、\30(10個単位で販売されている無名に近い商品)から\95(100個単位で販売されている著名な日本メーカー製)と玉石混交の状態です。  例えば今回は84本のFlux型LEDを使っていますので、前者であれば\2520で済みますが、後者であると\7,980.-です。 その差が\5460.-、3倍以上の出費の違いがありますからどう判断すべきか迷う方は多いと思います。

しかし私は総合的な信頼性、性能、寿命などを始めとした全てにおいての判断から躊躇なく後者を選択してきています。 そして今回選んだLEDは日亜化学のNSPWR70CS-K1です。 そのスペックを簡単に紹介しておきます。

   形式: Flux型
   大きさ: 7.6 x 7.6mm
   駆動電圧/電流: 3.1V/50mA
   光度: 20ルーメン/50mA(Typical)
   半値角: 80度
   発光色: 白色

このLEDは2009年初めに発売されたもので右のような外観です。 そしてこれを大光量の懐中電灯の
製作
に使っています。 変化の早い電子業界では超寿命と言える商品かもしれません。 8本のLED
によるテストの結果で明るさがで1mの距離にて約88ルクスを得られ大変吃驚致しました。

大量のLEDを駆動する方法として、AC100Vを整流しボルテージレギュレーターによる定電流回路で40数本の直列LEDを私は好んでいますが、NSPWR70CS-K1の公称Vfは3.1Vとなっているものの以前9本のLEDを直列にして50mAで駆動した時の駆動電圧は26.55Vでした。 Vfの平均値は3.95Vということです。 AC100Vを直接整流し負荷電流が100mA程あるとすると、DC出力電圧は130〜132V取れます。 それと定電流回路でのロスを5VとするとLED駆動電圧は125〜127V取れることになるので、これを平均Vfの2.95Vで割ってやると42〜43本のLEDが駆動できる事になります。 これらは最近製造されたものでVfの実際値を確認しないとなりませんが、設計目標としては42本を1系統の駆動本数とします。 1系統42本で1mの距離でどの程度の明るさになるかというと、8本のNSPWR70CS-K1を50mAで駆動し1mの距離で88ルクスでしたから42本では、42÷8 x 88 = 462ルクスとなります。 この明るさは以前製作したLED電気スタンドとほぼ同じ明るさですが半値角は50度と狭いので、総光量はかなりアップします。 ということで42本でも問題は無さそうなのですが、ここでは贅沢にも2系統(84本)で進めます。

前述のように84本のLEDのコストは\7,980.-もしますから1系統(42本)で済ませれば、\3,990.-で済むのでコスト的に有利です。 但し84本駆動は天井灯にも使えるような明るさになりますので、その実験・検証をやってみたいのと、明るさを抑えるのであれば駆動電流を減らせばほぼ比例して消費電力が下がり、LEDの負荷が軽くなる分寿命も更に長くなるでしょうから、\3,990.-の超過出費も無駄とは言えないと思います。 ということで骨格がまとまりましたので、詳細設計をしてみました。

 右の図が回路図です。 電源スイッチにマイクロスイッチを使っているの
 は、この照明器具は水平回転式として本棚下に収めその時にマイクロス
 イッチでON/OFFさせます。

 全波整流後に誘雷などの瞬間高電圧で破壊されるのを防止する為のバ
 リスターが入っています。 その後に平滑コンデンサーを4本入れていま
 すが、駆動回路を収める箱の高さが低く太いコンデンサーは入らないの
 で複数の並列接続としています。  次の0.1Aのヒューズは過大電流に
 よる発火防止が目的です。 AC100V入力部にも1Aのヒューズが入っておりこちらは回路全体の為の安全弁ですが、こちらは電源ON時の突入電流(最大14A)で溶断しないように1Aとしています。

その後ボルテージレギュレーターであるLM317LZを使った定電流回路が2系統ありますが、それぞれ電流値を高(45mA)、中(23mA)、低(13mA)に切り替えられるようにしています。 ここで最大で50mAの駆動電流が許されているにも拘らず45mAに抑えているのは、上述のように明るさは十分取れるので駆動電流を下げて高寿命を期待している点にあります。

 この回路を元にランプブロック部分の構想を描いてみ
 ました。 右は10種類ほど描き上げてこれなら良さそ
 うと考えているもので、上から透視したように描いて
 いますのでLEDは底側から見ていることになります。

 基本は1列に22本のLEDを並べそれを4列とした長方
 形です。 但しこれではランプブロックのカバーを取り
 外すように出来ないので4隅のLEDを取り除きM3のネジスペースとします。 そうするとLEDの使用本数は、
 22 x 4 - 4 = 84本となります。 結線は横方向に行って来いのスタイルでスタートと終了は図の左側になって
 いますが、ランプブロックに固定するアームも左側に付き好都合です。

さてLED駆動回路は高さ30mmの箱に収めて棚の下に取り付けますが、その基板レイアウトは右の図のよ
うに考えています。 この図は棚の下側から透視して見たように描いてあり、実際には上が後側に、左は右
側に、基板は部品取り付け面となります。

上から下方向に電流は流れて行き右下側のコネクターからランプブロックへの出力が取り出されるようにな
っています。 ダイオードのブリッジ接続の後にバリスタが繋がれていますが、これはサージ電圧により電
解コンデンサーがパンクするのを防止する為に入れていますので、結線上電解コンデンサの後に入れない
ような配慮が必要です。

その電解コンデンサは横に寝かしています。 これはケースの高さ内寸が24mmしかないための処置です
が実装時には電解コンデンサを接着剤で動かないよう固定すべきです。

左側上方に縦に並べているのはマイクロスイッチです。 オムロン製のP2VW-5L2-1でAC125V 5A 1C接
点という内容ですが、アクチュエータが長めで先端にローラーが付いており、収納時にランプブロック部がロ
ーラーを押し込むように作動しOFFとなります。 ON-OFFの作動範囲は4mm前後にありますので、駆動回
路ボックスを固定する際位置調整が出来るようにしておく必要があります。




2013/12/27

構想の続きと基礎実験

このLEDランプの机への装着はこのランプを最大手前に引き出した時に、光軸中心が
本棚全面から200mm、左右方向は中心になるように想定されています。 その辺り
は右の図をご覧頂いた方が理解が早いでしょう。

申し遅れましたがLEDランプとそのアームはL字型を形成していますが、それは回転
軸が本棚の手前の方に寄って欲しかったからです。 さすればその後ろ側にかなり
のスペースが出ますので、駆動回路ボックス(図では緑色の部分)を組み込むスペ
ースが十分残ります。 そして駆動回路ボックスの前側の面はLEDランプアームのスト
ッパーとなりますし、ランプユニット(紫色の部分)の背面は駆動回路ボックスに擦る
ように接触しますが、そこにはマイクロスイッチがあってランプのON/OFFをやるという
次第です。

これらLEDランプアームや駆動回路は本棚の下にぶら下がるように固定されますが、それらの右側には高さ30mmで右端まで延びるボックスが付きます。 このボックスの左端にはトグルスイッチが取り付けられON-OFF-ONの3段切替になりますが、上から高、低、中の3段階の明るさを選択します。 そしてその右にはACアウトレットが4個並びます。 アウトレットの並び方はテーブルタップに良くあるような配列だとDCアダプターみたいなものを繋ぐと他のアウトレットに被って使用可能なアウトレット数が減りますが、この配列であればそのようなことはありません。

さて構想として一応まとまりましたので、LEDの動作実力値の測定や明るさの再確認をして詳細設計に進みます。
LEDの動作実力測定は4年半前に購入した物と最近不足分を買い増しした中から10本ずつを無作為に選びブレッドボードに挿しこみました。 それぞれに220Ωの抵抗を?ぎ±2電源で50mA及び45mAの駆動電流となるよう出力電圧を可変しました。

結果を先に言ってしまうと新・旧のLEDの差異は僅少でした。 10本直列のVfは50mA駆動で新が29.52V、旧は29.41Vでした。 また45mA駆動時には新が29.24Vで、旧は29.15Vです。 色味の差についてはこの下の写真も見て欲しいのですが、駆動電流を変化しても色の違いは認識できませんでした。 これなら新・旧のLEDをひとつの袋にごちゃ混ぜにしても問題ないと思われます。 以上の結果を元に、Vfとしては2.92Vを設計値として再確認をしてみます。

実力値を確認するテスト中です。 20本駆動ですから最終的な使用本数の1/4以下ですが、めちゃめちゃ明るい。

これは45mA駆動で露出を切り詰めていますが、上10本が4年半前に購入した物で手前はつい最近購入した10本です。 発色の違いは全く認められません。 これは肉眼でも同様です。

Vfの値が2.92Vとごく僅かな変化ですので駆動LED本数を調整することはなかろうと計算してみました。 ところで メーカーの技術資料では入出力電圧差は最大で40Vとなっています。 また最低でも2.5Vほどないとレギュレーターとして働きません。 入出力電圧がこの間に入れば良いわけですが、AC100Vがふらつくとこの入出力電圧の変化になります。 例えば10%AC100Vラインが上がると10V上昇しますが直流電圧では14Vの上昇になります。 従ってこの電圧上昇に耐えるようにしたらAC100Vの時の入出力電圧差は40Vよりも14V低い36V以下とせねばなりません。 AC100Vが下がった場合レギュレーターICは破壊には至らず、入出力電圧が2.5Vより下がると定電流制御をしなくなり設定定電流値より低くなります。 従って光量が低下するだけで済みます。 こんな理由から私はシリーズレギュレーターの入出力電圧差を6〜10Vになるよう調整し、入出力電圧アップ時のマージンを増やして安全性を高めています。

以前の状態(平均Vf=2.95V)では入出力電圧差は4.8Vでしたが、Vfが
2.92Vに変わることで入出力電圧差は5.7Vに上昇いたしますが、私が設
定している許容範囲に入っておりますので定数調整は不要です。
ただし以上は無作為に選んだ10本の平均値によるもので、実際の42本
駆動ではバラツキによる変化が出る可能性が残っています。 それにつ
いては後程回路を組み立ててテストして確認する必要があります。

右は設計上のVf変更に伴う回路各部の推測電圧値の変更とACアウトレットを追加したものです。

Vf値の変更によりレギュレータ入出力間電圧は5.7Vとしていますが、これは整流後の直流電圧が130Vで始めて成り立ちますが、そうなるかどうかは回路全体を組んで動作させないと確認できません。 但し過去の経験からは130Vは取れず、128〜129Vとなる公算が大です。 そうなると入出力電圧差は5.7Vから3.7〜4.7Vに下がりますが、レギュレーターが正常動作する範囲にはまだあるのでその場合はOKです。

ACアウトレットは4個取り付けますが、その入力部にはネオン管によるONインジケーター付きのロッカースイッチを配しました。 またその前段にはバリスターを追加しています。

ところでバリスタは200Vとだけ書いてありますが、KOAのNVD14UC(D)200という品番で、バリスタ電圧は185〜225V、許容回路電圧 AC(rms)130V、DC 170V、エネルギー耐量 27.5J、サージ耐量 5000Aというスペックです。 以前はNVD14UC(D)150というバリスタ電圧が135〜165Vの物を使っていましたが許容回路電圧が低すぎるので変更しています。

さて以上で2つの回路基板の製作に入りました。

最近多用しているMade in Chinaの250 x 200mmのエポキシプリント基板(\945.-と廉価なのが嬉しい)から2枚を切り出します。

切断面の研摩処理をし所定の大きな穴加工が終わった基板。 上がLED固定用で下が駆動回路用です。

駆動回路基板に所定の部品を取り付け、トグルスイッチへの引出し線も配線しました。 これでLED基板の組立をしようとしたのですが?

私の毎朝の日課である5.5kmの散歩をしている時にフッと、『LEDは明るさが駆動電流にほぼ比例するから明るさの調整が楽で良いな!』なんて考えていました。 『その時にVfの変動は僅かで済むし』と考えた時に、

『まてよIfを変化させた時にVfの変化が僅かと言っても沢山のLEDを直列にした時はトータルのVfの変化量は大きいぞ! 0.1V変化しただけで44本直列だったら4.4Vも変化する、0.5V変化したら22Vにもなる。 これは明るさ可変の機能が問題を起こしかねないぞ?』 と気がつきました。

そこで駆動電流を変えた時のVfの変化量を実測してみる必要があると考えたました。 その結果次第で駆動回路の変更を余儀なくされる事もあり得ます。 次回にはその様子をお伝えいたします。




2014/01/03

LEDのVf実状調査と対策検討

先週に引き続き駆動電流が下がった時の問題を検証して行きますが先週言い忘れたことがありますので、考えておくべき問題をもう一度整理しておきます。

  1.LEDの駆動電流が下がるとレギュレータの入出力電圧が増加する。

  2.AC100V回線は電圧変動があり、それによってレギュレータの入出力電圧も変動する。

  3.LEDの駆動電流が下がると消費電流が下がり、電源の直流出力電圧は上昇する。 これもレギュレータの入出力電圧増加
    に繋がる。

  4.以上3つの原因によりレギュレータの入出力電圧が40Vを超えるとレギュレータは破壊に繋がる。


1.LEDの駆動電流を変化した時のVfの変化を実測しレギュレータの入出力電圧の変化を予測
  LEDに所定の駆動電流を与えた時のVfを測定してみました。 以前Vfの平均値を測定した時には10本直列にしてVfトータルを
  求めその10分の1を平均Vfとしましたが、LEDのばらつきも見たかったので新・旧各5本を無作為に選んで1本1本測定することに
  しました。 この時Ifは電源に付属する余り上等ではない電流計で読み取っていますので、ここから測定誤差が発生しやすいこ
  とは頭に入れておく必要があります。

  Ifは高輝度時の45mA、中輝度の23mA、低輝度の13mAの3種類とし、測定後に高輝度と中輝度のVfの差と高輝度と低輝度の
  Vfの差を算出してやります。

テストNo. 13mA Vf 23mA Vf 45mA Vf 45mA→23mA
Vf降下
45mA→13mA
Vf降下
旧タイプ品(2009/05購入)
2.74V 2.80V 2.92V 0.12V 0.18V
2.75V 2.82V 2.94V 0.12V 0.19V
2.73V 2.80V 2.91V 0.11V 0.18V
2.75V 2.83V 2.95V 0.12V 0.20V
2.75V 2.82V 2.95V 0.13V 0.20V
5本平均 2.74V 2.81V 2.93V 0.12V 0.19V

新タイプ品(2013/12購入)
2.75V 2.82V 2.95V 0.13V 0.20V
2.74V 2.81V 2.93V 0.12V 0.19V
2.76V 2.83V 2.95V 0.12V 0.19V
2.76V 2.83V 2.96V 0.13V 0.20V
2.73V 2.80V 2.91V 0.11V 0.18V
5本平均 2.75V 2.82V 2.94V 0.12V 0.19V

10本平均 2.75V 2.82V 2.94V 0.12V 0.19V

  設計値では45mA駆動電流時の設計上のトータルVfは123.1V、レギュレータの出力電圧は124.3V、電源回路の直流出力電
  圧は130Vですからレギュレータの入出力電圧は5.7Vでした。 テストの結果では45mAから23mAに駆動電流を減らした時に
  Vfは平均して0.12V下がります。 これを42本直列に繋ぎますので合計で5.04V下がります。 従ってトータルVfは123.1V
  118.06Vとなります。 45mAから13mAに駆動電流が下がった時にはVfは合計で7.98V下がり、トータルVfは123.1V
  115.12Vとなります。

  このトータルVfが下がった分はどこに行ってしまうかと言いますと、レギュレータでの損失となって現れます。 つまり45mAの時
  は5.7Vであった入出力間の電圧が23mAの時には10.74Vに増加し、13mAの時には13.68Vに増加します。 これらの値であ
  れば40Vの絶対最大定格に対し十分なマージンがあり問題ないのですが?


2.AC100V回線の電圧変動による影響
  商用交流回線には電圧変動がありますので、それによる影響を考えておかないとなりません。 まず電力会社の義務として
  AC100V回線は電圧変動が95〜107Vの間に収まるようになっているそうです。 一方電気製品のメーカーはそれよりも幅広い
  90〜110Vの電圧変動でも壊れないことを保証しています。
  従って我々が作るAC100Vを電源とする機器もメーカーと同様90〜110Vで壊れたり動作不良が発生しないようにすればよいと
  思われます。

  まず90Vまで下がった場合にはレギュレータが定電流を維持できなくなり設定電流より小さな電流となります。 その場合は暗
  くなるだけでレギュレータを始め回路部品が壊れるようなことはありませんから不問と致します。

  次に110Vまでの電圧に上昇した場合には電源部の直流出力電圧はAC100Vで130Vと数値は1.3倍になるので110Vに上昇し
  た時も1.3倍に増加と考えると、45mAから23mAに変化した時に電源の直流出力電圧は143Vとなりレギュレータの入出力電圧
  差は23.74V、45mAから13mAに変化した時には入出力電圧差は26.68Vとなります。 何れも最大定格(40V)に対して十分
  とは言えないもののマージンがありますので一応OKと言えるでしょう。


3.消費電流が下がると電源の直流出力電圧が上がりレギュレータの入出力電圧が下がる問題
  駆動電流を変化させるということは消費電流が変化するということですが、この時に電源回路の直流出力電圧は変化します。
  そうなるのは、10Ωの入力抵抗による電圧降下の変化、整流用ダイオードでの電圧損失の変化、コンデンサーインプットの平滑
  回路での損失の変化などの和になりますが、計算で予測するのはいささか困難で、実際の回路を運転して測定する必要があり
  ます。


1.と2.はレギュレータの入出力電圧がどうなるかをおおよそ予測できますが、最後の先週忘れていた3.の要素は作って実験しないと判りませんので、LEDブロックの基板を組み上げ実働試験に進みました。

84本のLEDを半田付けし終わった状態。 7.62mm角ですので隙間なくびっしりと並びます。

裏面の半田付けの様子。 1直線にワイヤーを横に貼り接続する脚とワイヤーを全て半田付けしてからショートさせない区間を切り落とすことで、作業を早めました。

LED駆動テストの全景。 DMMは電源の直流出力電圧をチェックしています。 DMMが変な電圧を指しているのは、電源をOFF後に電解コンデンサーに溜まっていた電機で徐々に回路電圧が下がっている為です。

電源ON時。 左から駆動電流45mA、23mA、13mAで極めて明るいです。 以前同じLEDの明るさテストをしたときから類推すると、30cmの距離(LEDランプ真下の机の面)では左から約7000ルクス、3500ルクス、1750ルクスという事になります。

このテストの際に測定した各部の電圧を回路図に記入しました。
右の図がそれですが、簡単に各部の状況を説明しておきます。

駆動電流毎のトータルVf値は45mA時121.4V、23mA時116.5V、13mA時
113.6Vでした。(もう1系統はそれぞれ0.1Vずつ高い。) そしてレギュレ
ータの出力端子電圧はそれぞれ1.25Vずつ高くなります。

一方電源の直流出力電圧は45mA時129.2V、23mA時131.8V、13mA時
133.3Vです。 これらはレギュレータの入力電圧でもあるので、レギュレ
ータの入出力電圧は45mA時7.8V、23mA時15.3V、13mA時19.7Vとなり
ます。 AC100Vが最大増加変動した場合直流出力電圧は13〜14V増加しますので、レギュレータの入出力電圧はそれぞれ
21.8V29.3V33.7Vに増加する可能性があります。 レギュレータの最大定格に対するマージンはまだありますが、私は最大
定格の80%を上限にしようと考えておりますので13mA時の状況は不合格です。 また23mA時ももう少しマージンが欲しい所です。

状況が明確になりましたので改善策の結論を出しました。

先ず光量を下げる事にします。 もともと50mAの最大駆動電流で使おうとは考えておりませんでしたので、23mAを高輝度ポジション、13mAを低輝度ポジションとして使う事にします。 このLED10本から50mAの駆動電流で1mの距離にて100ルクスの明るさを得られることは以前のテストで知っていましたので23mA(0.46倍)では46ルクスになります。 そうすると84本を使うと1mでは386ルクス、机上30cmに置く予定の電気スタンドとしては明るさはその約9倍(距離の二乗に反比例)になりますから、3500ルクスとこれでも強烈な明るさになります。 そして13mA駆動であればその0.57倍の明るさですから1995ルクスです。

但し駆動電流を下げるとVfが下がるのでレギュレーターの入出力電圧が増加しますので、1.LEDと直列に抵抗を?ぎレギュレーターの出力電圧を上げます。 2.AC100Vの入力回路の抵抗に抵抗を追加し電源電圧を下げます。 の2つの方法でレギュレータの入出力電圧を3〜10Vの範囲に入るよう調整します。

1.の具体策はLED基板のそれぞれの系統に270Ωを直列に入れて、270 x 0.023 = 6.2V または 270 x 0.013 = 3.5V見掛け上のトータルVfを上昇させます。 これでレギュレータの出力端子電圧は124.1V(23mA時)、118.5V(13mA時)になります。

2.については10Ωの抵抗に更に30Ωを追加(23mA時)、63Ωを追加(13mA)しAC100V回線での電圧降下を図ります。 これにて直流出力電圧(レギュレータの入力電圧)は127.9V(23mA時)、128.5V(13mA時)に下がります。

これらの結果レギュレータの入出力電圧値は、3.8V(23mA時)10V(13mA時)に低下しますからAC100Vが110Vまで増加しても入出力電圧はそれぞれ、17.8V24Vと絶対最大定格40Vに対し十分なマージンが確保できることになります。

以上の変更は基板の修正・変更を最小限に留めるため右のような回路と
して手を加えました。 変更点は、トグルスイッチをON-OFF-ON 2回路か
ら、ON-ON 3回路に変更。 39Ωの抵抗は使わず、そこから引出す線を
削除。 30Ω 2Wと33Ω 2Wを追加し、33Ωをトグルスイッチの23mAポジ
ション側でショートするように接続し、13mA駆動の時に23mA駆動よりも
更にAC100Vを減圧します。 33Ω、30Ωの抵抗はACアウトレットボック
スの中に入れますから、駆動回路基板は全く手をつけずに済みます。
LED基板のみ270Ωの抵抗を2本追加(裏付け)してやります。

右の回路図にはバラック配線でテスト運転した時の各部の電圧実測値を入れておきました。

これでLED駆動回路は完成ですので、次回はLED基板と駆動回路を収めるケースの製作に進みます。




2014/01/10

LEDランプ ケースの製作1

LEDランプは木製のケースに組み込みますが、そのケースを
横方向に回転させて棚下に収め、使う時に引出してやる構造
とします。 そのケースの製作で一番手の掛かる所は回転軸
周りでしょう。

米ヒバの16φ丸棒を固定軸とし本棚に下から埋め込み接着し
ます。 その固定軸に30φナラ材木管で作った回転軸ブロック
を被せて、抜け止めに2mm厚のアルミ円盤を16φ丸棒にネジ
止め固定します。 回転軸ブロック一部を欠き取ってLED基板
を固定したスゥイングアームを嵌め込み固定します。

以上の中で最も手間が掛かるのは回転軸周りについて詳しく
解説します。 材料としたナラ材の木管は直径30φで中心に
16φの穴があいています。 この穴にきつからず緩からず嵌り
こむ丸棒が欲しいのですが、米ヒバの18φ丸棒がちょっぴり
太い棒でした。 そこでこれをカンナと#60、#120のサンドペー
パーを使い、真円を保ちながら若干緩めに入るよう削りました。

少し緩めというのは0.2〜0.3mm位の隙間があるということで
すが、その上に60分硬化開始型エポキシ接着剤を塗りつけて
極力膜厚が均等になるよう慣らし40時間ほど放置して完全硬
化させました。(夏であればもっと短時間で完全硬化するので
すが、気温が低い冬は時間が掛かります。)


このエポキシ接着剤を塗りつけたのは米ヒバが柔らかく、硬いナラの木管と擦れ合うと簡単に削れると思い硬さを高め耐久性を上げようと考えた為です。 当然ながらエポキシを塗った後は丸棒は太くなって回転軸ブロックには入りませんので、再び紙ヤスリで削り調整しないとなりません。 この時は#240以上のサンドペーパーを使い木管との隙間は最小となるよう慎重に作業します。

こうして出来た丸棒は棚板に接着・固定後に現物合わせで切断します。 従って次の作業である木管にアームを挟み込む切り欠き加工を施しました。 

左が米ヒバの18φ丸棒で加工しやすいだけに軸受けとしては摩擦に弱いのが弱点。 右のナラの木管は木材では硬い方に属します。 穴は16φですから丸棒をせっせと削らないとなりません。

カンナと#60、#120のサンドペーパーで6時間掛けて削りました。 右端の方は削っていないのが判ると思います。

木管にはこのように挿入できますが、厳密に言うと中程が最も細くなっています。

削った面に60分硬化開始型エポキシ樹脂を塗りつけて乾燥硬化中で40時間寝かせました。

完全硬化したところで空研ペーパー(#120〜#400)で再度研摩してほんの僅かの隙間となるよう慎重に研摩しました。 表面は艶が無くなりますが実に滑らかな仕上がりになります。

出来上がった丸棒は真中で上下方向に位置し、棚板に接着・固定されてから後ほど切断しますが、その前に回転軸の方を作らないとなりません。 直径30mmで中心に16φの穴があいた木管ですが、図のような寸法に加工します。

10mm幅、深さ6.7mmの切り欠きは精度を上げるためこのようにソーガイドを使い切り込みを入れ、その後ノミで削り落とすというやり方をしました。

深さ6.7mmを守ると写真に見える部分の距離は25mmになります。 これで幅25mm、高さ10mmのアームがすっぽりと収まります。



2014/01/17

LEDランプ ケースの製作2

LEDランプハウジング、アームなどを構成する部材は全て3mm厚アガチスです。 実はアーム部分は4mm厚の材料を3mm厚で両側から挟み計10mmの厚さと考えていました。 しかし購入した3mm厚部材は実測で3.3mm、3枚重ねると10mmでした。 これは大変ラッキーな事で、4mmの部分だけシナ合板の採用を考えていたのですが、全てアガチスで構成できますので木目を生かした仕上に拘れます。

既に終了した丸棒の加工や軸受け部分の加工に較べれば簡単な作業ですが、加工寸法精度は±0.1mmは維持したい所が多いのでノギスの使用は不可欠です。

アームは幅10mmの2本の板を25mm幅の板の両端に寄せて貼り付ければ、5mm幅の溝が出来ます。 この上にもう1枚の25mm幅の板を載せれば25 x 10mmの木管ができます。 そして出来た穴にLEDから出てくる3本のワイヤーを通して回転軸の近辺付近にあけた穴から引き出します。  LEDランプハウジングとアーム上面の板は一体に出来るのですが、それらの木目が直交するようにしたかったので、2枚の板から切り出し組み上げました。 こうするとアームとハウジング部の接続部分の強度が落ちるので、ホゾ構造に近くしてエポキシ接着剤で接合することにより強度を確保しています。

次にLED駆動回路基板を収めるBOX(前者)とACアウトレットと光量切替スイッチを納めるボックス(後者)を作りました。

前者は3mm厚アガチスを使いボックスとして完成後ボックスを棚板下に固定する為、長さがボックスより
20mm長くて幅はネジを邪魔しない幅のアルミ板を切り出し貼り付けました。 このアルミ板にあけた4個の
穴を通してネジ止めします。 カバーはM3のネジで固定しますので、LED駆動回路の不具合やヒューズ交
換などの場合はボックスの中に簡単にアクセスできます。 それとこのボックスの前面にはLEDアセンブリ
ーのアームを軽くロックするマグネットを埋め込んだ木片を貼り付けてやり、LEDアセンブリーアームが当た
るその位置に鉄板の薄板をL字型に曲げて貼り付けます。(右の図は未表現部分がある構想図面)

 後者は4mm厚のシナ合板を天板/底板に、と9mm厚のシナ
 合板を側板に使いロの字型を組みました。
 その際間にポストを計4箇所に貼り付けており、これらはア
 ルミフロントパネルや背面板のネジ止めに使います。
このボックスの天板にネジ止めの穴(3φ)をあけ、その真下の底に7φの穴をあけてやります。 そして底
板の穴からドライバーを差し込みネジを締めます。 この作業はフロントパネルや背面パネルをネジ止めす
る前にやり、後ほど厚紙を丸く切って底の穴を塞いでしまう(故障しない限り外す事は無い)ことにします。

ACアウトレット/光量切替スイッチボックスの前面パネルは1mm厚のアルミ板で幅が35mmありますが、片端は10mm幅で直角に曲げた物です。 これを210mmの長さで切断後、ACアウトレット3個、ACアウトレットのON/OFFスイッチ、トグルスイッチが取り付く穴とネジ穴6箇所をあけた後にヘヤーライン加工をしてからインスタントレタリングと紙に印刷して両面テープで貼り付けるの2種類の文字入れをしてからアクリルラッカースプレー塗料で2回塗装後水性ウレタンニス艶消しクリヤー1回塗りで板面を保護します。 その後トグルスイッチ固定の為の金具を1mm厚アルミ板で作りアルミパネルの裏側にエポキシ接着剤で固定して完成です。

公称3mm厚のアガチス材(実測3.3mm厚)を切り出して作った部材。 上の4本はアームの材料で、下の4本はLEDランプハウジングの材料です。

4枚を接着して接合面を切削し、仕上げ研摩を施したアーム部分。 先端の飛び出しが擬似ホゾ継ぎになります。

木管で作った軸受け欠き込み部分にアームをエポキシ接着剤で固定し24時間寝かせました。 輪ゴムで支えているのは直角保持です。 またLEDからのワイヤー3本をアームに通してしまいました。

こちらはLEDハウジングの組立てです。 接合部の段差は後ほど研摩して面一にします。 左下に見える穴は?

こんな具合で大きさは3 x 25mm、2つ上の右側の写真に見える突起が刺さり込み中でLEDハウジング天板に接着されます。

ハウジング周囲垂直の角をボーズ面ビット(BZ-10G)で丸めた後アームと共に仕上げ研摩した上で、エポキシ接着剤にて結合しました。

塗るエポキシ接着剤の量を楊子でコントロールし多すぎず少なすぎずとしたため、?ぎ目からはみ出すこともありません。

こちらはハウジングの内側ですが見えない部分でもあるのでワイヤーが通過するトンネル入り口は別としてテンコ盛りにしています。

更にハウジング内側の隅4箇所には10x10x3mmの板を貼り付けます。 これはLED基板を浮かすスペーサーであると同時に基板をネジ止めするため厚みを増す(3→6mm)役目をします。

次にACアウトレット/光量切替スイッチが入るボックスを作ります。 これが背面板を除く全材料で、左の大きな板に刻まれた溝は基板のスライドイン用です。 尚ここから下に組み立て詳細写真が続きます。

こちらはLED基板を収める箱を作る全ての材料で全て3mm厚アガチスです。 この写真から下に組み立て詳細写真が続きます。

4mm厚シナ合板で作った底板に9mm厚シナ合板の側板を貼り付けます。 また中央手前にフロントパネルをネジ止めするためのポストを接着します。

いきなり枠の組み立てです。 使っている接着剤は木工ボンドとしています。 接着力を高めるため圧着保持は不可欠です。

背面のポスト(3箇所)を接着しました。 背面板はポスト位置を確定するため当てているだけで接着してはおりません。

蓋となる板に枠を載せて位置調整を下上で、内部4隅に10x10x3mmの板(ここでは2つだけ見える。)を貼り付けます。(枠には接着しない。) そして当て板を重ねてクランプで圧着保持します。

天板を接着して圧着保持しています。 これでACアウトレット/光量切替スイッチが入るボックスの組み立ては終わりで後ほど前面にアルミ製のパネルが付きます。

蓋の完成です。 この4枚の板は後ほど内部に基板を固定する時スペーサーに丁度当るようにするための物で、皿ネジが貫通します。

そして底板を貼り付けてLED駆動基板ボックスも完成となります。

2つのボックスの接着部分に出来た段差やはみ出た木工ボンドを替刃式ヤスリ(M-20GP)で削り落とした後に仕上研摩をしました。 尚プリント基板スライドインは左下の拡大写真のようになります。

ACアウトレットボックスの底板前側は幅9mm、深さ1mmで削り落とします。 これは10mmのストレートビットを使って電動トリマーで加工しました。

フロントパネルは幅35mmのL型を長さ210mmで切断し穴あけ加工後ヘヤーライン加工します。 穴の切断にはもうお馴染みになった木工円切り用ブレードでの方法で加工時間が短いです。

ヘヤーライン加工は#240ペーパーをハンドサンダーに取り付けてやりました。 その後ボックスの所定の位置に当ててみました。 見えてる面は底面です。

そして文字入れ。 ONOFF の4種類はインスタントレタリングですがトップ位置に幅5mmの紙を貼りその紙に、「明るさ」、「アウトレットパワーSW」、「3つの合計は1500W以下」 の文字を印刷して貼り付けています。

LED駆動回路ボックスは棚板取り付け面にアルミ板を接着しこれをネジ止めして固定します。 またアームのロックになる11x6x3mmのフェライトマグネットを木片を介して接着しました。

ハウジングとアームの接合部は最も折れやすい部分ですので、外観悪化は無視して補強を追加しました。 またそのそばにL型の薄い鉄板を貼りました。 左のマグネットはここに吸着します。

LEDアセンブリーのアームがマグネットでロックしながらLEDランプを消灯する説明です。 回転軸はこの写真のずーっと下のほうにあります。 上の写真はアームが回転してきてロックされる直前で、左の矢印の先にはマグネットが、右の矢印の先にはマイクロスイッチのアームが飛び出して(ON状態)います。

下の写真はアームが更に回転してマグネットに吸着された状態です。 この時マイクロスイッチのアームは押されてOFF状態になりLEDランプは消灯します。 このマグネットによるロックはごく軽い力で働いているので、軽い力でアームを左方向へ引っ張れLEDランプは点灯状態になります。

ということで完成したLEDランプアセンブリー、LED駆動回路ボックス、ACアウトレット/光量切替ボックス。 ACアウトレット/光量切替ボックスの天板に4つの穴が見えますが、これは固定ネジの穴でドライバーを下から挿入する穴が底板にあいています。 最終的に本棚に取り付ける前に塗装をしないとなりません。



2014/01/24

LEDランプ ケースの製作3

残る作業は塗装、LEDランプアセンブリーアームの抜け止め防止のアルミ円盤(厚さ2.5mm)の切り出し、配線、机の棚板への仮固定です。

塗装はLEDランプハウジング部分は無着色、アーム部分は2倍に薄めたチーク色2回塗りとしその上に水性ウレタンニス透明クリヤー2回、水性ウレタンニス艶消しクリヤー1回塗りです。 LED駆動回路ボックスとACアウトレット/光量切替ボックスはアクリルラッカースプレー(アースブラウン色)を2回塗りしてから水性ウレタンニス艶消しクリヤー1回塗りとし塗膜保護をしています。

本棚棚板への取り付けは16φの丸棒をエポキシ接着剤で埋め込み接着剤が完全硬化後にLEDアセンブリーアームを挿し込んで、丸棒が1mm出る位置で切断します。 そしてLEDアセンブリーアームを0.5mm厚のプラスチックワッシャーで両側から挟み丸棒に挿入後直径30mmのアルミ円板をネジ止めして抜け止め防止とします。 (これらプラスチックワッシャーやアルミ円は平板から作ります。)

LEDアセンブリーアームが収納位置に来た時にマグネットに吸着されて尚且つマイクロスイッチがOFFとなる位置を探して、LED駆動回路ボックスを固定します。 更にACアウトレットボックスを4本のネジで固定してやります。 残るは配線材がばらけないよう固定するのですがそれらは棚板の塗装終了後とします。 以上でLED電気スタンドの製作は終了です。

本棚棚板裏の所定の位置に16φ、深さ15mmの穴をフォスナービットで彫りました。 そして固定軸となる丸棒をエポキシ接着剤で固定します。 写真に見える輪ゴムでの引っ張りは垂直度を保持するためです。

LEDアセンブリーアームを回転軸に固定するのは丸く切断したアルミ板(2.5mm厚)です。 また0.5mmPET板で作ったワッシャーを上下に挟みます。

LED駆動回路ボックスとACアウトレット/光量切替スイッチボックスを本棚棚板裏の所定の位置に固定しました。 アームの回転軸周りのがたはごく僅かで動きはスムーズです。 

こちらがアームを90度回転してLEDランプの使用位置としたところです。 この仮固定を一旦外して棚板の塗装後に配線をして最終固定とします。 私が思考実験でイメージしていたとおりの物が出来たと思います。

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----- 完 -----


 
  
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