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2010年01月の記事

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2010年1月31日(日) 19:23

最後の役者を交代か

 ゴキブリレーザーの動画は、yutubeのオリジナルとニコニコに無断転載されたのとニコニコに自分で登録したのと、3つとも10万再生を超えている。バカ動画って人気だな
(^_^;)
 で、そのグリーンレーザー版が今作ってる奴だが、共振させなくて良い設計であってさえ前途多難だ。かなりヤバい設計上の大穴に気付いた。それは、増幅器の増幅率である。

 タネ火レーザーを増幅する手法はポピュラーだが、多くの場合は増幅率を上げるために何度も増幅器を通している。マルチパス増幅器と言う。
 ところが、マルチパスということはレーザー光線を何度も反射させる必要があり、光学系が大量に必要になる。しかも光路が長くなるため、据え置きレーザーならまだしもレーザー銃だと振動の影響が無視出来ない。かと言って大量の光学系をガチガチに固めると筐体が重くなる。
 調整は光共振器より楽だが、必要なパーツは光共振器よりむしろ多くなりかねない。

 かと言って現在のような1パス設計だと、下手すると増幅率が1.5倍とかの可能性がある。つまり、2ワットのレーザーを入れたら出てきたレーザーは3ワットにしかなっていなかったというオチ。
 どの程度の増幅率になるかは、やってみないと分からない部分がある。Nd:YAGではなくNd:YVO4を使う訳だし。
 増幅率は、励起レーザーのエネルギー密度を上げるほど高くなる。しかし消費電力や排熱の問題から現在より上げるのは難しい。そうなると切り札はここでもQCWとなる。

 増幅器に使用するレーザーダイオードをCWではなくQCWにすれば、エネルギー密度を5倍に出来る(DUTY20ぐらいが標準)。
 数十ワット以上の超大出力レーザーダイオードは、この数年で価格が10分の1になっている。自分がレーザーに手を出し始めた頃は中古でなければ手が届かなかったのに、今では新品の入手も可能だ(※ただし中国製に限る)。まあ食い物じゃないからいいだろ・・・
 増幅器のLDをCWの180ワットからQCWの900ワットに換装すれば、増幅率は恐らく何とかなる。もちろんそれをドライブするには数キロワットの定電流をマイクロ秒単位で正確に制御せねばならないのだが、それはそれで面白い工作になりそうだ。

 タネ火レーザーのパルスタイミングはPIC制御で正確に決められる。同じPICで増幅器のパルス電流も制御すればいい。
 増幅器のレーザーダイオードを光出力900ワットで7マイクロ秒間発振させ、その直後にタネ火パルスレーザーを送り込む。全体は33マイクロ秒のループ処理。これは、蛍光寿命の観点からも有利だ。

 当初の予定では増幅器のレーザーダイオードをドライブするため、いきなりまっとうな定電流回路を組み立てるつもりだった。しかしそれが徒労に終わる確率が無視できない。そこで、少々ロスが大きいのは無視して定電圧電源+電流制限抵抗という例の安直な方式で動作させる。それによって、増幅率の確認を早期に済ませたい。
 嬉しい誤算で十分な増幅率が得られれば、当初の計画を進める。アウトならQCW方式の電源を開発する。

 さて、結晶オーブンは単純な制御プログラムを試しに走らせてみたところ、温度のオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返しつつ徐々に振幅が小さくなり、数十分で安定した。
 市販の結晶オーブンも安定までの時間が <60分 などと書いてあるので結構単純な処理をしているのだろう。

 PICのA/D変換の精度から、自作のものは分解能が約0.2度しかない。だが、プラスマイナス0.2度の範囲には十分キープ出来る。意図的に外部から加熱するなどせず普通の部屋のゆったりした温度変化なら安定性能は問題なさそうだ。
 もっと高速に追従するようにプログラムを改変したいが、箸にも棒にも掛からない役立たずが出来てしまう心配はない模様。

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2010年1月30日(土) 19:28

役者だけは揃った

 PIC16F84を使っていて不満だった点の1つは、MCLR端子。大抵はVccにプルアップして使うが、隣がGNDなのだ。GNDとVccが逆なら使い勝手が良いのに。ずっとそう思っていたら、予想外の改良が行われていた。PIC16F88では、内部プルアップという設定が可能!
 自前でプルアップしなくても良く、この場合MCLRに潰されないためRA5として入力に使用出来るようになる。本番では、LCDとLEDを切り替えるジャンパーとして使いたい。

 デバッグ用に液晶ディスプレイは必須だが、本番ではわざわざ液晶を見るのは使い勝手が悪い。そこで4色のLED発光で、状況が分かるようにする。PIC直結でLEDを光らせると良いこともある。電源電圧低下やヒューズが飛んだ場合などすぐ、LEDが消えるのだ。単に1を出力しっ放しで放置していても、生存モニターとして機能する。もちろん生きていても暴走してる可能性はあり、それはLEDだけでは分からない。しかしそのためにWatchDogTimerが存在している。
 RA5の状態で、LCD制御信号を出力するか4つのLEDを適切に光らせるかを決める。LEDモードではもちろん液晶の代わりにLEDをセットする。




RA2 AnIN Ref- GND サーミスター AnIN RA1
RA3 AnIN Ref+ 5V KEY1 IN RA0
RA4 OUT Trigger Enable KEY2 IN RA7
RA5 IN LCD/LED select KEY3 IN RA6
GND Vcc
RB0 OUT LCD RW LCD DB7 / LED 150〜 OUT RB7
RB1 OUT LCD RS LCD DB6 / LED 148-149 OUT RB6
RB2 OUT LCD E LCD DB5 / LED 101-147 OUT RB5
RB3 PWM ヒーター LCD DB4 / LED 〜100 OUT RB4

 KEY1から3には、本番ではキースイッチを接続する。3つのキースイッチを使うのではなく、多ポジションのキースイッチ1個。
 しかし実験段階ではプッシュスイッチを接続する。それによってターゲット温度を上下出来るようにする。グリーン出力が最大になるターゲット値を探るのに使う。出力は目で明るさを見るなど論外であり、レーザーパワーメーターの出番だ。

 焦点距離75ミリのレンズが到着し、これでグリーン変換試験の役者が揃った。
 増幅器だけが無い状態で、パーツを予定位置にセットする。それでまっとうな出力のグリーンレーザーが出るかどうか?
 タネ火レーザーだって楽勝のクラス4なので、グリーン出力が数百ミリワット出てしかるべきだ。ここで共立モジュール並しか出ないようでは、先の見通しが暗い。少なくとも、出力が上がらない原因を探る必要が生じる。

 例によって宝石のように美しい。誘電多層膜ならではの非現実的な輝きは、鑑賞するだけでも幸せな気分になる。

 しかしここからが本番。レーザーはパーツ調達よりもパーツを正確な位置に固定するのが更に面倒。パーツが揃っても、実験出来るのはかなり先になる。
 レンズを適切な位置に保持し、微調整を可能とし、更に光路を完全密閉する。そんなモノを製作せねばならない。

 結晶オーブンの端子を、普通の雌ピンヘッドに換装した。というのも普通の雄ピンヘッドを刺そうとした場合、元のままだと刺さり方が浅いのだ。一応動作しているが、信頼性を上げたいと感じた。

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2010年1月29日(金) 21:03

ヒートシンク

 取り付けるヒートシンクは何でもいいが、レーザーハンドガン作成で失敗したときの奴を流用してみる。パワーメーターはレーザーダイオードのように熱に弱い訳ではなく、ごく普通の半導体レベルである。となると最大60ワットで通常はもうちょっと少ない熱を逃がすのに、これは能力的にまずまずである。

 ヒートパイプの柱が僅かに太いため、端を少し削らないとネジ穴を確保出来ない。これが余りにもギリギリであるため、冶具を作らざるを得なかった
 元はもちろんパソコンCPU用だが、数年経つとまるで流行の形式が変わってしまう。極太ヒートパイプの柱1本というこのタイプは、今ではなかなか手に入らない。

 フィンが邪魔になるので、作業空間が確保出来ない。だから、ネジは六角レンチのタイプでなければならない。適切な長さの範囲もシビアなので、自作ミラーマウントの調整ネジを外して所定の長さに切断することで調達。
 実は放熱フィンは取り外し可能であり、昔それでフィンを切り揃えた。だが、それだけに手間の膨大さも分かっている。そうそうフィンを外す気になれない。
 ネジを回すたびにフィンを外すなど、メンテナンス製最悪だ。

 少し斜めにくっついてしまったのだが、実用上は問題ない。

 パワーメーターのド真ん中ではなく、熱源となる受光部側にシフトさせて取り付けてある。

 細部で苦労しつつも、それなりに綺麗に放熱器がくっついた。空冷ファンは5Vで0.18Aのものが2基。

 この段階で、どこにパネルメーターを取り付けてバッテリーケースを取り付けるか検討してみる。すぐに気付いたのは、バッテリーはある程度の長さの配線で外付けにしないと使い勝手が悪いだろうということ。
 レーザー受光ヘッドの周辺に何かくっついていると、測定したい位置に鎮座させられないことがある。ヒートシンクは必須だから仕方ないが、それ以外に何かくっつけたくない。

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2010年1月28日(木) 21:51

パワーメーター

 デジタルパネルメーターの今回の相棒は、レーザーパワーメーターである。光出力の測定に使う。
 これまで1ワット以下では半導体受光素子を利用した手軽なパワーメーターを使い、それ以上はアナログ式の熱量測定型を使っていた。しかし熱量測定型は20秒間の連続照射で温度上昇を見るものであり、照射時間は自前で合わせねばならなかった。非常に使い勝手が悪い。
 測定に時間が掛かるし、一度測定すると冷えるまでしばらく測定出来なくなる。

 このパワーメーターは熱電対を利用したもので、かなりポピュラーだ。そして電圧計同様に、結果出力回路が内蔵されていてこのヘッドだけで役に立つという組み込み用の製品。
 光出力1ワットあたり、0.1Vの電圧を出力する。だから、小数点の位置をズラせた電圧計と組めばそのまま光出力のワット数を直読出来る。
 仕様上は測定上限60ワットで、そのためにはヒートシンクを取り付けねばならない。また、60ワットでは6V出力なので、電圧計はレンジ切り替えが必要だ。光出力20ワット以上かどうかで切り替えることになる。

 ところが大問題があり、インターフェイスとなる4ピンの役割が不明なのだ。データシートにさえ書かれていないという手抜き。FDKのDCコンバーターでもそうだったが、恐らく書くまでもない業界の常識なのだろう。
 仕方ないので、回路を取り出して調べる。

 分かっているのは、電源としてプラスマイナス12Vから24Vまでを必要とすること。これで4ピンだから、役割は自明である。GNDと電源+と電源−と結果電圧出力。
 目立つ2つののうち1個は素性が判明し、オペアンプだった。その出力端子がピンに直結されていたので左端がOUTと確定。残るパズルは3個。

 回路を筐体にネジ止めする穴がGNDなのもほぼ確実。テスターで導通を確認し、右から2番目がGNDと判明。後はどっちが+でどっちが−かが判明すれば良い。

 オペアンプの絶対定格がプラスマイナス18Vだった。24VまでOKな仕様だから電源はそれなりに安定化されていると想像出来るが、ここは無難かつオペアンプの常道通りプラスマイナス15Vの電源を接続するのが良いだろう。

 筐体に取り付けたりヒートシンクを取り付けるのに便利なように、4面にネジ穴が入っている。しかもレーザー関連機器にありがちなインチネジではなく、日本でポピュラーな3ミリのネジに対応している。

 しかし、ヒートシンク等の側に正確な間隔でネジ穴を開けるのは実際かなり難しい。そこでいつも通り「まずは冶具から」だ。
 アルミ棒に穴を開けてネジ止めし、ステンレス板を後から接着。これで完璧に間隔の合ったドリルガイドが手に入る。

 完成すれば、これまでより高精度にレーザーの光出力をレポート出来るだろう。

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2010年1月27日(水) 21:23

ちょいと寄り道

 PWMのDUTYを40Hすなわち25%に設定して2時間ほど放置。室温から55〜60度の上昇を経てほぼ落ち行く。
 今度は80Hすなわち50%で延々放置。上昇は110〜115度で平衡した。

 大雑把に、レジスターに書き込む値を+1するごとに平衡温度が0.9度程度高くなるようだ。この情報は、クローズドループ制御の収束を速くするための補助に使わせて貰う。

 実験装置として役立てるには、ボタンを押すことでターゲット温度を手軽に変えられるようにしたい。グリーンレーザー出力が最も大きくなる温度を探らねばならない。
 絶対温度が分かる必要はない。A/D変換値での最適点さえ分かれば良い。本番基板を作った際にその値を流用出来るように、分圧精密抵抗は使い回す予定である。最初から、少し足を残して実装してある。

 いよいよ設定温度にキープするための制御ロジックをプログラム可能だが、その前にちょっと寄り道。

 これは、電圧計である。いわゆるテスターと称するデジタルマルチメーターに対し、デジタルパネルメーターと呼ぶ。電圧測定の単機能だが、パネル内部に回路がビルトインされていて表示部分単体で機能する。
 もちろん組み込み用途である。

 類似品は秋月でも買えるが、これは秋月のものとは桁違いの価格と桁違いの精度を持つ。要するに、高精度な電圧計を探したらこのタイプが一番安かったのだ。
 表示は4桁半で、温度変化なども含めて3桁半程度の精度はある。普通の安売り電圧計は遙かに精度が悪い。

 電圧は当然外付けにする必要がある。
 レンジはピン1つで2Vまでと20Vまでに切り替え。
 試行錯誤した結果、GND共通実装が無難っぽい。

 こんなものを用意したのは、高精度シャント抵抗と組み合わせて電流値を高精度に測定し、レーザーダイオード・ドライバーの開発で役立てようとの目論見である。
 しかしその前に別の装置に組み込むつもりで買った。

 世の中にあるセンサーには、結果を電圧で出力するものが多い。温度センサーでポピュラーな方式である。電圧計を接続すれば値を直読出来て便利なのだ。
 このパネルメーターは、そのような使い方を想定していて小数点の位置を自由に決められる。

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