2016年12月13日

Raspberry Piカメラ用ケースの作成 -第2回:3Dプリントの流れ

はじめに

前回は作成したカメラケースを紹介したので、今回は作成過程を説明します。
作成過程の説明は2回に分け、今回は3Dプリントの流れ、次回はカメラ用ケース作成過程を説明します。
 

目次

 

1. 3Dプリンターの仕組み

3Dプリントでは3Dプリンターが作成物を造形します。造形方法は複数あり、安価な家庭用3Dプリンターだと熱溶解積層法が一般的です。
Youtubeに熱溶解積層法で造形している動画があったので、紹介します
 
 
上の動画のように熱溶解積層法では溶かした材料をノズルから出力していき、その層を積み重ねることで造形します。
作成したい3Dモデルの断面図通りに3Dプリンターのノズルを動かすことで、3Dプリントを行うことが出来ます。
 

2. データ作成の流れ

3Dプリントを行うには3Dプリンターのノズルを断面図通りに動かす必要があるわけですが、そのためにはいくつかのデータを作る必要があります。その流れは以下の通りです。
  1. 3D CADで3Dモデルを作る
  2. 作成した3DモデルをSTLファイル(汎用的な3Dデータ)に変換する
  3. STLファイルをGコード(3Dプリンタを動かすためのデータ)に変換する
  4. Gコードを元に3Dプリンターが造形する
 
最初に必要となるのは造形物の3Dモデルです。これを3D CADで作ります。作り方はまた後ほど説明します。
 
2016-12-13 (7).png
図1 3Dモデル
 
3Dモデルの作成を終えたら、その3DモデルをSTLファイルという形式に変換します。
基本的に作成した3Dモデルは作成に使用した3D CADでしか開けません。そこで他のソフトなどとやり取りが出来るように、STLファイルと呼ばれる汎用的な3Dデータに変換します。こうすることで他のソフトと3Dモデルをやり取りすることが出来ます。
 
2016-12-13 (8).png
図2 STLファイル
 
上図のようにSTLファイルは物体を三角形の集合体として表現しています。この三角形の数が多ければ多いほどデータ容量は大きくなりますが、高精細なモデルとなります。
また、STLファイルの時点でSTLビューワーと呼ばれるソフトを使い、そのモデルが現実的かどうかのチェックをします。例えば、厚みが0となっている箇所はないかとか、2つの物体が重なっていないかなどのチェックです。
 
モデルに問題がないのであれば、STLファイルをGコードに変換します。Gコードは3Dプリンターのノズルの動きを表したデータで、変換ソフトをスライサーといいます。
Gコードは動きを表しているので、この軌跡通りに3Dプリンタのヘッドが動きます。特に図4のように真上から見ると、ノズルの動きが分かりやすいと思います。
 
2016-12-13 (11).png
図3 Gコードの3Dモデル
 
2016-12-13 (9).png
図4 Gコードの3Dモデル(真上)
 
あとはこのGコードを3Dプリンターに読み込まれば、造形することができます。
 
3Dプリントを行うためには3Dモデル・STLファイル・Gコードといった3つのデータを作成する必要がありますが、(精度を求めなければ)STLファイルやGコードは変換することで作成できます。ですので、3Dプリントを行うために作成するメインのデータは3Dモデルです。
 

3. 3Dモデルの作り方

3Dモデルを作成するための3D CADは多数ありますが、私はAUTODESK社の123D Designを使いました。
Autodesk社 123D Design
 
この3D CADは無償で使うことが出来ます。また、私はDMM.makeのサイトに使い方の動画が掲載されています。
この記事でも3Dモデルの作成方法を簡単に説明しますが、詳細な使い方はDMM.makeの方を参考にしてください。
DMM.make 動画でマスターする、3Dデータのつくり方 3D CADコース
 
123D Designでは平面図を書き、その平面図を立体にし、それらの立体を組み合わせる、という行程を繰り返して3Dモデルを作成します。
 
まずスケッチと呼ばれる平面図を書きます。
 
2016-12-13 (16).png
図5 スケッチの作成
 
2016-12-13 (2).png
図6 完成したスケッチ
 
次にそのスケッチに対して押し出しという操作を行って立体にします。
 
2016-12-13 (13).png
図7 押し出しの様子
 
押し出しでは立体を作るだけでなく、削除することも出来ます。
 
2016-12-13 (14).png
図8 押し出しによる削除
 
このように123D Designではスケッチで図形を書き、そのスケッチを押しだしで立体にして3Dモデルを作っていきます。
ここでは説明しませんが、押し出しを高さ方向だけでなく回転方向に押し出したり、立体の角を丸くする面取りしたり、他にも様々な操作があります。
 

まとめ

今回は簡単にですが、3Dプリントを行うために必要なデータについてと、3Dモデルを作成する方法について説明しました。
次回は実際にカメラケースを作成した過程などについて説明します。
 

参考資料

  1. "3Dプリンターの原理(個人向け)". MONOWEB:. http://d-engineer.com/3dprint/3dprintergenri1.html, (参照日:2016-12-13)
  2. "ここから始める、3Dプリンタ&モデリング基礎知識". Impress Watch:. http://akiba-pc.watch.impress.co.jp/docs/column/3dpcontest/620205.html, (参照日:2016-12-13)
  3. "3Dプリンターの基礎". MONOWEB:. http://d-engineer.com/3dprint/3dprintergenri1.html, (参照日:2016-12-13)
 

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2015年12月20日

番外編 -スイッチングレギュレータ(降圧型、DC/DC変換)

はじめに

前回はリニアレギュレータについて説明しました。今回はスイッチングレギュレータについて説明します。
なお、今回説明するのはスイッチングレギュレータの中でも降圧型DC/DC変換を行うタイプのスイッチングレギュレータです。


目次



1. 仕組み

スイッチングレギュレータは出力のON/OFFを高速で切り替えて(=スイッチングして)降圧を行います(図1)。このやり方は以前にLED調光を行うために使ったPWMと似ています。電圧を70[%]に降圧したいならDuty比を70[%]に、電圧を40[%]に降圧したいならDuty比を40[%]にするといった具合です。

dec18_スイッチングレギュレータ_1.png
図1 スイッチングレギュレータの動作

スイッチングを行っただけだと出力はパルス波ですので、直流電圧ではありません。そこで出力電圧が直流に近づくよう平滑化を行います。平滑化はコンデンサなどを使った平滑回路で行います(図2)。ただし、平滑化を行っても完全な直流電圧とはならず、多少のノイズが乗ります。

dec18_スイッチングレギュレータ_2.png
図2 スイッチングレギュレータ出力の平滑化

このようにスイッチングレギュレータはスイッチングを行ってパルス波を生成し、それを平滑化して直流にすることで降圧を行います。


2. 利点

スイッチングレギュレータの主な利点は2つです。
  • 無駄になる電気エネルギーや発熱が少ない
  • 入力電圧によって効率が変わらない

無駄になる電気エネルギーや発熱が少ない

スイッチングレギュレータはON/OFFを繰り返して降圧するため、OFFの間は電力の消費が減ります(図3)。そのため無駄な電力の消費を少なくできます。

dec18_スイッチングレギュレータ_3.png
図3 スイッチングによる入力電力の変化

無駄な電力が少ないというのは効率が良いとも言い換えられます。効率は以下の式で求められます。

$効率 = \displaystyle{ \frac{出力電圧}{入力電圧} }$

スイッチングレギュレータは最大効率80〜90[%]程度のものが多いです。ですので、無駄になる電力は入力の10〜20[%]程度です。
リニアレギュレータの効率は入出力電圧差にもよりますが、60〜70[%]くらいが多いです。無駄になる電力は30〜40[%]程度とスイッチングレギュレータの倍近くあります。
無駄になった電力は熱に変化します。無駄になる電力が少ないということは部品の発熱が少ないということです。スイッチングレギュレータはリニアレギュレータよりも発熱が少ないため、放熱の設計が楽になります。

効率が入出力電圧差の影響を受けにくい

スイッチングレギュレータはON/OFFを繰り返して降圧するわけですが、どれだけ降圧するかはON/OFFのDuty比で調整できます
例えば入力電圧が高ければその分ONの時間を短くし(図4)、入力電圧が低ければONの時間を長くすればよいです(図5)。

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図4 入力電圧:高、Duty比:低のイメージ

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図5 入力電圧:低、Duty比:高のイメージ

スイッチングレギュレータは入出力電圧差が大きくてもDuty比で調整が可能ですのでリニアレギュレータに比べると、効率が入出力電圧差の影響を受けにくいです。


3. 欠点

スイッチングレギュレータの主な欠点は3つです。
  • 出力にノイズが乗る
  • 部品が高い
  • 外付け回路が必要

出力にノイズが乗る

スイッチングレギュレータはON/OFFを高速で繰り返すので、ノイズの発生源となります。
ノイズは主に2種類あり出力電圧のノイズ電磁波のノイズです(図6)。出力電圧は平滑化を行っても多少変動しているため、この変動がノイズとなります。また平滑前はパルス波なのですが、このパルス波から電磁波が発生しノイズとなります。

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図6 スイッチングレギュレータのノイズ

ノイズがあまりにも多いと製品の動作がおかしくなったり、他の製品にまで影響を与える場合があります。それらを防止するために、スイッチングレギュレータではノイズ対策が必要な場合があります。

部品が高い

スイッチングレギュレータはリニアレギュレータと比較すると価格が高いです。リニアレギュレータが1個¥20〜¥100に対して、スイッチングレギュレータは1個¥200〜¥500程度です。詳細はリニアレギュレータの利点を参照してください。

外付け回路が必要

スイッチングレギュレータの出力はパルス波形ですので、直流にするには平滑回路を外付けする必要があります。図7はスイッチングレギュレータ(LT1776CN8)とその平滑回路の回路図です。

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図7 スイッチングレギュレータ回路例(秋月電子通商 通販コード:I-02788)

3端子レギュレータの外付け回路(コンデンサ×2)と比べると、スイッチングレギュレータの外付け回路はだいぶ複雑です。そのため、リニアレギュレータと比べるとスイッチングレギュレータは回路設計が難しいです。


まとめ

以上、スイッチングレギュレータについて説明しました。説明したことをまとめると以下のようになります。
  • スイッチングレギュレータはON/OFFの切り替え(スイッチング)によって、電圧変換を行う
  • OFFにしている間は電力消費が少ない
  • 利点:無駄になる電気エネルギーや発熱が少ない、入出力電圧差によって効率が変わらない
  • 欠点:ノイズが発生する、部品が高い、回路設計が複雑
利点や欠点はリニアレギュレータと反対です。
個人の電子工作で電源を選ぶ場合、外付け回路が複雑という欠点の影響が多いのでスイッチングレギュレータを使う場面は少ないと思います。とはいえ1[A]以上の電流を扱うような場合にリニアレギュレータを選ぶと放熱の設計が大変ですので、必要な電流が大きい場合はスイッチングレギュレータを使った方がいいと思います。


参考資料

  1. 著書名:CQ出版社. 書名:トランジスタ技術2013年6月号. 出版社:CQ出版社, 出版年:2013, 参照頁(pp.120-132)
  2. 作者名:イーター電機工業株式会社. "効率は高い方がいい!". サイト名:イーター電機工業株式会社. https://www.eta.co.jp/concept/cp_efficiency.cfm, (参照日:2015-12-19)
  3. 作者名:ローム株式会社. "降圧型スイッチングレギュレータの動作原理". サイト名:Tech Web. http://micro.rohm.com/jp/techweb/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s-dcdc/90, (参照日:2015-12-19)
  4. 作者名:Texas Instruments. " スイッチング・レギュレータ". サイト名:Texas Instruments. http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/glossary/switching_regulator.page, (参照日:2015-12-19)


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2015年12月13日

番外編 -リニアレギュレータ

はじめに

前回は電源について説明し、その中で「直流を直流に変換するDC/DCコンバータがある」と述べました。
DC/DCコンバータにはリニアレギュレータスイッチングレギュレータがあります。今回はリニアレギュレータについて説明します。
(厳密にはDC/DCコンバータ{レギュレータ}はリニアレギュレータもスイッチングレギュレータも含みます。ですがリニアレギュレータはレギュレータ、スイッチングレギュレータはDC/DCコンバータと呼称する場合が多いです)


目次



1. リニアレギュレータとは

降圧と昇圧

リニアレギュレータについて説明する前に降圧と昇圧について説明します。DC/DCコンバータには降圧型昇圧型の2種類があります。
降圧型は電圧を降下させて出力するタイプ(図1)、昇圧型は電圧を上昇させて出力するタイプ(図2)です。

dec11_リニアレギュレータ_1.png
図1 降圧型DC/DCコンバータ

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図2 昇圧型DC/DCコンバータ

リニアレギュレータは降圧型です。

降圧の仕組み

リニアレギュレータは余分な電気エネルギーを熱エネルギーとして捨てることで降圧しています。
入力電圧5[V]、出力電圧3.3[V]のリニアレギュレータを例に考えます。5[V]の電気エネルギーの内、3.3[V]より下は必要な電気エネルギーですが、それより上は不要な電気エネルギーです(図3)。

dec11_リニアレギュレータ_3.png
図3 リニアレギュレータの電気エネルギー配分1

リニアレギュレータは必要な分の電気エネルギーは電気のまま出力し、不要な分の電気エネルギーは熱エネルギーに変換して捨てます(図4)。

dec11_リニアレギュレータ_4.png
図4 リニアレギュレータの動作

このようにリニアレギュレータは電気エネルギーの一部を熱エネルギーとして捨てることで、降圧を行っています。


2. 利点

リニアレギュレータの利点は主に3つです。
  • 部品代が安い
  • 回路設計が容易
  • 出力する電気が安定している

部品代が安い

リニアレギュレータ(三端子レギュレータ)はスイッチングレギュレータ(DC/DCコンバータ)と比較すると部品代が安いです。
例えば秋月電子通商で「三端子レギュレータ」を検索すると、1個当たり¥20〜¥100程度です。一方、「DCDCコンバータ」で検索すると、1個当たり¥200〜¥500程度です。
このようにリニアレギュレータの価格はスイッチングレギュレータの数分の一程度と、比較的安価です。

回路設計が容易

リニアレギュレータの中でもよく使われるのが三端子レギュレータです。三端子レギュレータの端子は入力・出力・GNDの3つです(図5)。

dec13_三端子レギュレータ.jpg

図5 三端子レギュレータ(秋月電子通商 通販コード:I-08678)

三端子レギュレータの回路は基本的に入力側と出力側にコンデンサを1つずつ付けるだけです(図6)。あとは入力側に電圧を入力すれば、出力側から電圧が出力されます。

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図6 三端子レギュレータ回路

三端子レギュレータ自身を含めても部品点数は3点と少ないため、回路設計が容易です。
(上記の例は出力電圧が固定の場合です。3Gカメラで使用した三端子レギュレータは出力電圧が可変ですので、電圧設定用の抵抗器が必要です)

出力する電気が安定している

リニアレギュレータは不要な電気を熱として捨てますが、捨てることで出力する電気が安定(=平滑化)します。
リニアレギュレータに入力する電圧が不安定な場合でも不安定な部分は熱として捨てられるので、出力されるのは安定した部分の電気です(図7)。

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図7 リニアレギュレータによる平滑化


3. 欠点

リニアレギュレータの欠点は主に2つです。
  • エネルギーの効率が悪い
  • 放熱の設計が必要

エネルギーの効率が悪い

リニアレギュレータは不要な電気エネルギーを熱エネルギーとして捨てるため、捨てる分のエネルギーが無駄です(図8)。特に入力電圧と出力電圧の差(入出力電圧差)が大きいほど、効率が悪くなります。

dec11_リニアレギュレータ_7.png
図8 リニアレギュレータの電気エネルギー配分2

電気エネルギーの量は電力、ワット[W]で表せます。電力をP[W]、電圧をV[V]、電流をI[A]とすると、電力の計算式は下記の通りです。

$P = V \times I $

例えば、入力電圧5[V]、出力電圧3.3[V]、出力電流50[mA]の場合を考えます。(入力電流=出力電流です)入力電力をPin[W]、必要な電力(出力電力)をPout[W]、不要な電力をPloss[W]として計算すると以下のようになります(図9)。

$ P_{in} = 5 \times 50 = 250[mW] $

$ P_{out} = 3.3 \times 50 = 165[mW] $

$ P_{loss} = ( 5 - 3.3 ) \times 50 = 85[mW] $

dec11_リニアレギュレータ_8-1.png
図9 リニアレギュレータの電力計算1

この場合、入力電力に対する不要な電力の比率は 85/250 = 0.340 です。

次に入力電圧12[V]の場合を計算します。式などは省略しますが、Pin=600[mW]、Pout=165[mW]、Ploss=435[mW]となり、不要な電力の比率は0.725です(図10)。

dec11_リニアレギュレータ_9-2.png
図10 リニアレギュレータの電力計算2

入力電圧が5[V]から12[V]になることで、無駄な電力の比率は0.340から0.725に上昇しました。このようにリニアレギュレータでは入出力電圧差が大きいほど効率が悪くなります

放熱の設計が必要

リニアレギュレータは電気エネルギーを熱に変換して捨てているため、熱が発生します。発生する熱が多すぎると部品や回路などの温度が上がり続け、最悪の場合は部品や回路が壊れます
そのため、リニアレギュレータを使う場合は電力に合わせた放熱設計が必要です。主な放熱の方法はリニアレギュレータに放熱板などを取り付けることです(図11)。

dec13_放熱板.JPG
図11 放熱板(秋月電子通商 通販コード:P05049)

発生する熱は捨てる電力の量で決まります。入出力電圧差や出力電流が大きいと捨てる電力が増えるので、より多くの熱を放熱できる設計をしなければなりません。


まとめ

以上、リニアレギュレータについて説明しました。説明したことをまとめると以下のようになります。
  • リニアレギュレータは降圧型のDC/DCコンバータ
  • 不要な電気エネルギーを熱エネルギーとして捨てることで降圧している
  • 利点は安い、回路設計が容易、出力電圧が安定
  • 欠点は効率が悪い、放熱設計が必要

欠点はあるものの価格や回路設計などの利点もありますので、消費電流が数十[mA]程度の場合は三端子レギュレータが便利です。
次回はもう一つのDC-DCコンバータ、スイッチングレギュレータについて説明します。


参考資料

  1. 著書名:CQ出版社. 書名:トランジスタ技術2013年6月号. 出版社:CQ出版社, 出版年:2013, 参照頁(pp.115-116)
  2. 作者名:ローム株式会社. "リニアレギュレータの動作原理". サイト名:Tech Web. http://micro.rohm.com/jp/techweb/knowledge/dcdc/s-dcdc/01-s-dcdc/72, (参照日:2015-12-13)


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