工作と競馬

電子工作、プログラミング、木工といった工作の記録記事、競馬に関する考察記事を掲載するブログ

カテゴリ: 12.電子工作(その他)

概要

KiCadとFusion PCBで基板を作ってみた。


背景と目的

KiCadとFusion PCBで基板を作りたくなったので、やってみる。


詳細

0.方針

KiCadの使い方は、Web上にたくさんあるし、本も出ているのでそれを参考にするとして、とりあえず作ってちゃんとうごいたという記録をする。なお、手元にこちらの本があるので参考になった。


1.KiCadで設計

今回作成するのは、ESP-WROOM-32を使った簡単なダッシュボタンとする。

  • ESP-WROOM-32
  • 単3乾電池2本で駆動
  • ボタンは3つ

いきなりだが、作成した回路は以下。ESP-WROOM-32の部品データは、Web上に転がっていると思ったが、意外と見つけるのに苦労したので結局自分で作った。

少し説明しておくと、

  • J2、J4はジャンパ接続部だが、接続した状態でボタンを操作することで、EN、IO0のレベルが変化し、プログラム書き込みモードに入ることができるようになっている。
  • ボタンを押したときにL→Hとなるようにし、スリープ解除トリガになるようにしている。

という感じ。

sch

基板レイアウトは以下。基板設計の知識はないので、見様見真似だが、一般的注意は守ったつもり。

手はんだを想定しているがESP-WROOM-32モジュールの高さ以下で押さえたいので、トランジスタ、コンデンサなどの部品は表面実装型を選択。なので、トランジスタは(SC-59,JEITA)というパッケージのものが見当たらなかったので作成。抵抗はリード部品でも問題ない。タクトスイッチのボタン部分は背が高くてもいいので、手に入りやすいこちらを使用。

pcb


2.Fusion PCBに発注

Fusion PCBは、どうやらスイッチサイエンスPCBの委託先のようだが、かなり安い。今回作る基板は、10cm×5cmに収まり、10枚で十分なので、ただ、表面処理を一応鉛フリー半田レベラーを選択したので、$12.9となった。そして、悲しいことに配送料のほうが高く、$19.15を取られ、全部で$32.05ドル。

2018/7/30に発注したところ、31日には in Productionとメールが届いた。8/3には、出来上がって発送した旨のメールが届いた。というわけで、実質2,3日で発送される様子。ただ、海外から船便?で配送という感じなので、そこから1週間後の8/10に到着。まあ、2週間程度なのでよしとする。


3.出来上がった基板と動作確認

出来上がったものは、以下。当然ながら、目視の限りおかしなところはない。

DSC_0488

さっそく、部品実装してみたのが、以下。1.27mmピッチのESP-WROOM-32を手半田するのはうまくいくか不安だったが、大して難しくなかった。

DSC_0489

そして、Arduinoで、プログラムを書き込んで動作を確認したところ、所望の動作をした!というわけで、自作のIoTダッシュボタンが完成。家中に置いて使える。(ただし、Web側のシステム構築を何もしていない。IFTTTやMicrosoft Flowあたりを使うと簡単にできるかな。)


4.ケースに入れる

タカチのTW5-3-9を使うのを想定して基板を作成しているので、ケースに入れてみた。まずまずよい感じに収まっているのではないだろうか。ボタンが小さいのが少し気になるが、まあいいだろう。

DSC_0490


まとめ

KiCadとFusion PCBで基板を作り、ちゃんと出来上がった。今後も、Fusion PCBを使って基板づくりをしたい。

概要

NFC延長アンテナを自作し、動作することが確認できた。


背景と目的

スマホやタブレットなどのデバイスについているNFC読み取り部は、機種によって搭載位置が異なる。背面についているデバイスでは、手に持って固定されたタグにかざすのはやりやすいが、逆にデバイスを固定してタグをかざす場合にはやりにくい。そこで、背面についているデバイスのアンテナを延長して、デバイスの横などに受信部を移設にトライする。


詳細

1.情報収集

世の中には、すでにNFC延長アンテナというものが売られているのでそれを買えばよいのではあるが、こちらの動画にあるように、自作している例もある。そこで、自作してみたい。


2.設計と製作

上記のリンク先サイト内のコメントを頼りに、いきなり作成してみた。もちろん、デバイス本体の改造は不要である。

  • エナメル線(直径0.4mm)を2m程度使用
  • コイル状のアンテナ部(直径約4㎝で、8~9ターン程度)を2つ用意し、接続
  • アンテナ同士の間隔は、タブレット等の横に引き出せる長さとして約10cm

DSC_0067

図2 出来上がった延長アンテナ

使い方としては、一方のコイルの上に、タブレットの背面読み取り部等を合わせて載せ、もう一方のコイルの上に、タグをかざすという感じだ。


3.動作確認

以下の通り、読み取ることができた!きわめて単純な構造ではあるが、実使用できそうだ。壁にタブレットを設置し、タブレット横に引き出した受信部にタグをかざして読み取らせるという使い方ができそうだ!


まとめ

NFC延長アンテナを自作し、動作することが確認できた。

概要

 小さな電流(数10uA程度)を測るための電流検出回路を作り、動作を確認した。


背景と目的

 最近たまたま、マイコンのスリープ時の電流を測りたいと思ったが、手元のテスタ等には小さな電流が測定できる機能がないので、自作することにした。


詳細

1.仕様検討

 微小な電流を高い精度で測るには、専用の測定器が必要だろうが、今回は電流のオーダ(数100uAなのか、数10uAなのか、数uAなのか)が把握できればまずはOK。なので、特別なことはせずできるだけ簡単な構成で、済ませたいが、電源ラインに検出抵抗を入れて電圧降下を読み取る方法は避けようと思ったので、Webや書籍等でよく出てくるオペアンプを使った回路にした。

回路図
図1 回路図

 R9の抵抗で電流が電圧に変換される。それを後段の20dBアンプで増幅し、電圧を読み取ることで、電流が分かる。たとえばR9=10Ωとして10mAが入力されれば、10Ω×10mA*10倍で1Vが出力になる。
入力端子は、R9にかかる電圧がU1の出力電圧範囲内であれば、U1の入力端子の仮想ショートが成立するので、回路挿入による電源電圧の低下がなくて済む。

2.実装

 実装はユニバーサル基板で行った。R9はいろいろ切り替えできるように、ディップスイッチで4種類を切り替えられるようにした。回路図には書かなかったが、正負4.5V電源を使い電源には適宜パスコンを配置。

3.動作確認

 1uA~10mAと1桁ずつ異なる電流を入力してみた。ここに載せたのは100uA以下。電流設定するための電源と抵抗の精度がいい加減なので多少ずれがあるが、まずまず合っている。しかし、数uA程度になるとさすがにノイズが多い。まあ、オーダを把握するには十分だろう。R11にコンデンサを並列接続して高域を落とすのを忘れたせいかな。後で追加しよう。

100uA
図3.1 100uAのとき

10uA
図3.2 10uAのとき

1uA
図3.2 1uAのとき


まとめ

 おおよそ目的の回路が作れた。これを使って、マイコンのスリープモード中の電流を測ってみたい。

ちょっとメモしておく。

Raspberry PiのGPIO端子等に刺さる2.54mmピッチのケーブルの端子の通称は、QIコネクタまたは2550コネクタ信号伝達コネクタなど。電子工作をもう何年もやっているが、このコネクタの名前がいまいち統一されておらずよくわからない。
ネット通販でも買えるし、秋葉原の実店舗だと、千石電商、マルツあたりにある。秋月は、2016年12月末頃に行った限り、端子単体は見つからず、端子付きケーブルはたくさん売っている。
よく使うのはメスかな。
http://eleshop.jp/shop/g/g4AM14A/
オスもある。
http://eleshop.jp/shop/g/g78P411/
ハウジングは、1~10くらいまでいろいろある。
https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php?cid=3380

これをかしめるには、エンジニア社の工具PA-20を使う人が多いようだ。
かしめ器PA-20(エンジニア)
だいたいAmazonで3000円。
http://www.engineer.jp/products/nipper/np05/item_01/pa-20

概要

 ついに、発注した基板が製造され、手元に届いた。動作チェックをして問題ないことを確認した。


背景と目的

 前回発注した基板が製造され、ついに手元に届いた。動作チェックをしてちゃんと使えるか確認する。


詳細

1.ついに到着

 発注したのは、12月4日。届いたのが、12月21日。というわけで、2週間以上かかったが、もともと2週間~3週間と言われていたので予定通りと言えるだろう。届いた基板は以下の写真の通り。外観は、おかしな点はなさそうだ。

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図1.1 基板(部品面)

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図1.2 基板(半田面)

2.パターンチェック

 チェックといっても、私は基板の専門知識がないので、見た目とテスターで導通をチェックするだけだ。
基板が小規模なので、ほとんどの部分がテスターでチェックできた。間違いなく設計通りである。
しかし、実はねじ穴周りのベタGNDが逃げていない設計ミスがあり、見事にそのまま出来上がってしまった。まあ、自分のミスなのでしょうがない。

3.実装して動かしてみる

 部品を実装してみた様子が図3。ちょっと部品交換したりして汚いが、動作はOKだ。
写真では、マイクで音を拾うとビーコン信号が発信されるようにしてある。

IMG_3222
図3 実装した様子

4.まとめ

 以上、設計通り問題なく動く基板ができた。
実は、この話を知り合いの回路設計エンジニアにしたところ、料金が安すぎてやばいんじゃないか?と、かなり強い疑いの視線を向けられたが、そんな心配も吹き飛ばされた。
というわけで、これからの工作でどんどん使っていけそうだ。(趣味の範囲では十分OKということで)


まとめと今後の課題

 スイッチサイエンスの基板製造サービスを使って、無事基板を作ることができた。料金が安いので趣味の工作でどんどん使っていけると思う。

概要

 基板配線パターン図の作成、デザインルールチェック、エラーチェックを完了し、スイッチサイエンスに発注した。


背景と目的

 前回の続きで、いよいよ基板配線パターンを作成し、発注までこぎつける。


詳細

1.配線パターンの作成

 作成したのは、図1。
基板サイズは、MB005と同じサイズで、両面基板。また、4隅のマウント穴も同じ位置。
JP5は、MB005と接続するため、注意深く位置を決めた。
他の部品は、回路図に書いた位置関係と同じような感じ。また、この図だと表示させていないが、両面とも空きエリアはベタGND。
パターンの良し悪しは、ともかく、無事に作成完了。

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図1 作成した配線パターン

2.デザインルールチェック、CAMプロセッサ

 初めての私にとって、このDRCやらCAMプロセッサやらがいまいちイメージわかない世界だったが、スイッチサイエンスの場合、こちらにEagle用のDRUファイルとCAMファイルが用意されているので、これをそれぞれダウンロードし、それぞれを実行するだけだった。
エラーは、いくつか出たが、修正して0できた。
CAMプロセッサは、詳細はよくわからないが、とにかく無事必要なファイル=ガーバーデータが得られた。

3.発注

 いよいよ発注する。こちらのページで、2で用意した各ファイルをzipでまとめたものをアップロード。すると、以下の図3のように、プレビュー画像がでてきた。これは、イメージがわいて非常に良い。

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図3 プレビュー

 そして、各設定値を入力。サイズは、最も小さい5×5cm。枚数は5枚。厚さその他は、すべてデフォルト。価格はたったの1389円!お遊びや試作で使うのに全く躊躇が要らない値段だ。
ただし、送料が1080円かかるので、全体で約2500円だが、それでも十分安い。
というわけで、発注をかけた。
納期は2~3週間程度だそうだ。なので、じっくり待つ。その間に、他の工作でもしようか。


まとめと今後の課題

 スイッチサイエンスでの発注にこぎつけた。次回は、出来上がり基板を受け取り組み立てる。

概要

 基板CAD EAGLEで、部品マクロを用意し、回路図を作成した。


背景と目的

 前回の続きで、いよいよ回路設計に入る。


詳細

1.部品マクロの準備

 基板CADで、回路図、基板パターンを作成する場合、まず使用する部品のデータ=部品マクロが必要。参考書にも、Webにも一通りの作り方が載ってはいたのだが、今回私が作ろうとしている回路の部品は、EAGLEのライブラリの中にあるものを流用すればどうにかなりそうだった。

 というわけで、EAGLEの部品ライブラリからかき集めてきたのが図1。参考書によれば、プロジェクトごとに使う部品をまとめたライブラリを作ってしまうのが楽だということなので、それに従った。
オペアンプのNJU7062は、リニアテクノロジのライブラリlinear.lbrにRC4559という8ピンDIP2回路入りオペアンプがあったので、これを流用し名前だけ変えた。Spice等でシミュレーションするとなると、こうはいかないだろうが、今回はシンボルとパッケージデータだけ流用するのでこれでOK。抵抗、コンデンサもデフォルトのrcl.lbrを利用。

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図1 部品マクロを集めたライブラリ

2.回路図を描く

 作成した回路図は図2。マイク、CdS、圧力センサ、赤外線人感センサ、スイッチ等を接続できる。
回路図は、LTSpice等と同様の使い勝手だったが、部品やワイヤをまとめて移動するのに、方法がわからず苦労した。こちらのサイトに方法が載っていて参考になった。
というわけで、どうにか完成。次回は、これをもとに、初めてのパターン設計だ。

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図2 回路図


まとめと今後の課題

 EAGLEで回路が描けた。次回は、配線パターンを作成する。

概要

 スイッチサイエンスの基板製造サービスを使って基板を作ってみることにした。今回は、回路の構想を練って、基板CADのEAGLEを準備した。


背景と目的

 私は、今まで電子工作では、趣味の範囲なのでたくさん作る必要がないことと、そういったニーズにこたえてくれる業者も知らなかったため、基板はもっぱらユニバーサル基板に手はんだであった。しかし、電子部品通販サイトのスイッチサイエンスに、最も小規模な場合1395円と格安な小ロット生産向け基板製造サービスがあることに気づいた。そこで、今までやったことがないオリジナルの基板作成にトライしたくなった。
今回は、まず基板作成をするための準備として何を作るかということと、基板CADを準備することにした。


詳細

1.作るものの構想

 いざ、作ろうとなると何にするか迷う。せっかくなので、手配線しづらいものをやってみたいとは思ったが、基板CADに慣れていないのに複雑なものを作るのは厳しいので、かなり悩んだ挙句以下のようなものにすることにした。

 MB005は、図1にある約3センチ角のBLEビーコン基板。入力端子にHIGH/LOW信号を与えてビーコンのON/OFFができる。(すでに、販売終了となってしまったようで、非常に残念。)
センサ出力に応じて、ビーコン信号のON/OFFができれば、遊べそう。SONYのMESHタグみたいな感じかな。(あんなにちゃんとしたモノはもちろん作れないが)

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図1 MB005

2.基板CAD

 次に、基板を作成するためのCADを準備する。
CADは世の中にたくさんあるが、スイッチサイエンスの基板製造サービスで紹介されていることや、アマチュア向けのフリー版があり、参考書やWeb上での情報もたくさんあるEAGLEを使うことにした。
参考書として、以下を購入。ただし、これは少しバージョンが古いもので書かれているので、変更点は適宜Web等で情報収集が必要だろう。

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図2.1 EAGLEの参考書

2.1 インストール

 とりあえず、最新版と思われた7.6を入手。これを書いている間に7.7が出たようだが気にしない。
インストール方法は、Web上に山ほど情報があるので、ここでは触れない。

2.2 ソフト立ち上げ

 とりあえず、ソフトを立ち上げてみた。とりあえず、無事環境は整ったかな。
サンプルプロジェクトの中に、Arduinoを使ったものがあったので開いてみた様子が以下。

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図2.2 立ち上げた様子


まとめと今後の課題

 プリント基板作成の準備が整った。次回は、部品ライブラリの準備と回路図の作成を行う。

電子工作でいつも使っていたブレッドボードが、最近どうも接触不良が多くなってきた。それは、10年以上前に買ったものなので、さすがに寿命が来たようだ。というわけで、ブレッドボードを交換することにした。 下の写真が、今まで使っていたもの。 IMG_3134
ちなみに、ブレッドボードの裏側はこんな感じになっている。初めて知った。 IMG_3135
そして、新しいモノに取り換えたのが以下。 今まで使っていたものと全く同じモデル。 IMG_3136
それにしても、10年以上よく頑張ってくれました。 これを買ったときは、トランジスタの動作もロクにわからず、いろいろ遊んだ。接続を間違えてトランジスタから煙が出たりもしたな。

概要

 リニアステージの送りねじシャフトにモータを接続して、ステージが動かせるか試した。


背景と目的

 前回、モータ以外の部品を仮組み立てした。今回は、モータを送りねじに接続し、モータを動かしたときにステージが動くか試す。


詳細

1.モータとギヤボックス

 モータとギヤボックスは、タミヤの3速クランクギヤーボックスセットと付属のモータを使うことにした。理由は、手持ち品があったから。ギヤ比は3速のうち最も高速なものを使用することにする。
また、シャフトは付属品だと無駄に長くて邪魔なので、少し短いもの(手持ち品のダブルギヤボックス付属のものと思われる)を使った。

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図1 モータとギヤボックス

2.接続と試し動作

 モータを接続したのが図2。シャフトカプラの穴に対して少し緩かったが、イモネジで固定することでちゃんと固定できた。
この状態で、電池(単3エネループ2本直列)をつないでシャフトを回転させてみたところ、動きはするのだが、シャフトカプラに対してシャフトがまっすぐ入っていないため、振動と騒音が大きかった。そこで、振動が小さくなるように何度がシャフトを挿しなおしたところ、そこそこスムーズに回るようになった。
というわけで、こちらの動画のように、ステージが動くようになった。また、試しにスマホ(100数十グラム程度)を載せてみたが、全く問題なく動かせることも確認した。ここまでは、狙い通りだ。

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図2 シャフトにモータを接続したところ


まとめと今後の課題

 というわけで、どうにかモータでステージを動かせるところまで来た。次は、オーバーラン防止と回転数検出のためのフォトリフレクタ部分の設計と制作を行いたい。

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