Fiber Optic Illuminator

実体顕微鏡、外科用の手術顕微鏡の下で細かい作業を行うとき、顕微鏡の拡大倍率を上げると、暗くなってよく見えない。別途、照明装置が必要である。普通の照明装置は熱も発生するので、照明装置が近いと対象の生体標本が痛む。そこでグラスファイバーを束ねた光のガイドを作り、熱源である光源そのものは対象から遠ざけるということになったのが、ん十年も前のことだ。この光源は普通の電球ではなくハロゲンランプが使われていた。このハロゲンランプは低電圧高電流で動作する(例えば21 V、7 Aとかだ)ため、光源の電源は100 Vから電圧を落としさらに太い配線が必要なので、でかい重たいトランスがあるのが普通だ。さらにこのハロゲンランプの寿命は短く、すぐきれちゃうのだ。高価でもあるのだ。当時はこれしかないからしょうがなかったわけだが、最近は明るい LED が普及してきたので、光源は LED になっている。

研究室が耐震工事のため引っ越しを繰り返したり、退職した研究者の物品が余ったりして、この光ファイバーを使った光源が余ったのだが、引っ越しのどさくさで光源が見当たらない。光ファイバー部分だけがある。

細かい工作の必要があって、顕微鏡下で行うので、このファイバーを利用することにし、 LED を使った光源を作ることにした。
材料はいずれも秋月電子通商からだ。
1.【I-06966】放熱基板付クールホワイトLED XPGWHT 5Wクラス 価格:¥200
2.【P-06719】CREEチップLED用レンズ LL01CR-DF40L06-M2-T 価格:¥100
3.【K-06300】1000mA 可変定電流パワーLEDドライバーキット 価格:¥840
4.【M-01804】超小型スイッチングACアダプター12V1A 100V~240V GF12-US1210 価格:¥650
5.【P-05051】放熱器(ヒートシンク)54x50x15mm 価格:¥110
6.【P-10211】金属ケース MB-4 (アルミ製) 価格:¥780
他には、電源のコネクタ、電源スイッチ、パイロットランプとなる青色LEDとこれに直列につなぐ抵抗 (1KΩ)、基板、スペーサ等である。主要な部品その他をあわせても5千円/台にもならない。
光ファイバーを固定するための金具は、ホームセンターで水道の配管部品と思われる真鍮の部材(500円位)を見つけた。穴の径が光ファイバーの根本の外径(15 mm)よりちと大きな(16 mm)ナット様のパーツだ、中にネジが切ってあって径が大きくなっているのでアクリル・パイプをいれて光ファイバーがぐらつかないようにした。フライス盤で削ってケースにとりつけるためのネジ穴を作った。6個もあるけど、全部は使わない。3ヶ所だけだ。大体6ケの穴の位置は、型紙をつくって、センターポンチでアルミ箱と同じ位置にマークするのだが、管理者が実施すると一致しないのが普通だ。その程度の精度でしか工作できない。6ケのうち3ケが合えばいいのだ。右のネジは突っ込んだ光ファイバーの根本を固定するためのネジだ。

LED は配線をはんだ付けし、レンズを取り付け(両面テープの・ようなものが付いていたが接着剤で止めた)、放熱器に取り付けた。LED はアルミの放熱板の上にあるわけだが、このアルミの板を放熱器に、LED の載っているアルミ板と放熱器の間にシリコン放熱グリースを塗布して3ミリのネジ2本で取り付けた、ネジは配線に直接接触してもかまわないように、プラスチックネジを使えばいいのだが、プラスチックネジは耐久性がなく経年変化で必ず折れる。そこで金属ネジにテフロンのチューブをかぶせ、テフロンチューブが押し付けるようにして、ネジの金属部部分が接触しないように取り付けた。

アルミ箱のなかに基板等はスペーサで適当に配置・固定した。可変定電流パワーLEDドライバーキットには電流調節用の半固定抵抗10KΩがあるので、これを使わずパネルに10kΩのポテンシオメータをつけてこれに配線した。電流調節=明るさ調節となる。箱の中がすかすかなのは、AC 電源アダプタを内蔵することを考えているからだ。 AC 電源アダ。電流調節=明るさ調節となる。箱の中がすかすかなのは、AC 電源アダプタを内蔵することを考えているからだ。 AC 電源アダプタはスイッチング電源なので変なノイズを出す。したがってシールドした金属箱内に納めたほうが、生体の電気現象を記録するときに使うのには良い場合がある。光ファイバーで光源と標本の間は距離を置くから必要ないかもしれない。必要があったら内蔵させることにする。
放熱器にはファンが必要になるかもということで、電源が15Vになるかも、そして用意したのが12V用のファンなので100Ωの直列に入れる抵抗も用意しておいたが、結果として使わないことになった。

前面パネルだ。穴の中心とLED の中心が一致していない...ま気にしない。ように見えるがカメラの軸と一致していないからで、ほぼ中央にある。

とりあえず、最大の出力で1時間駆動し、放熱器のフィンにさわったが、ほのかに温かいくらいなので、ファンは取り付けないことにした。静音ですな。

出来上がったが、従来と異なり光源部分が軽く、ファイバーのほうが重たいのでファイバーを動かすと光源の箱の位置がすぐ動いちゃう。別に問題になるわけではないけどね。

というわけです。

電源にスイッチングACアダプタ12 V 1A を使ったら、LED に流れる電流の最大は300 mA、ところが15 V 1.2 A というのを使ったら275 mA と何故か逆だ。LEDでの電圧降下は3.0 V と同じだ(当然だけど)。この1000 mA 可変定電流パワーLEDドライバーキットの動作は;

R4 の 0.1 Ωの電圧降下とADJ 入力の電圧で電流値を決めている。LX 端子が中のFETのソースに、ドレインがGND に接続してあってこのFETを制御することによりLX から GND に流れる電流値を決めている。(0.1 X ADJ[V])/(2.5 X RS) {Ω]mA だそうで、5.1 V のツェナーダイオードでクランプしてあるから、電源電圧に関係なくADJは0.55 V〜2.62 Vの範囲で変化する。 RS が 0.1 Ωだから計算では出力電流は 0.22 〜 1.05 Aの範囲で変化することになる。しかし300mAしか流れない。電源電圧が高いとR1とD1 のツェナーダイオードに流れる電流が大きくなりR1 での電圧降下が大きくなるのでADJの最大電圧が逆に小さくなってしまうからかもね。もうちと高い電圧の電源を用意して試してみるかも。

もっと電源電圧を高くしないと電流は流れない。というのが、作り上げてから回路や部品のスペックを読んで気がついたわけです。この LED は 300 mA より 1000 mA のほうが2.5倍も明るい

何も考えず、電流流せば光るだろとやるからこんなことになる。試作品なんてこんなものさ。

そこそこ明るいのでいいやと、いつものように妥協するのです。

[ 追記 ] 208.5.14

電流測定する場所をまちがえていた。senjyuさんの指摘が正しかった。この電流制御キット、入力と出力のコネクタが同じで(という言い訳で)、誤って電流制御キットの入力電流を測定していた。電源電圧が 12 V 時でLED に流れる電流を104 mAから 945 mA に調整できていた。15 V 時で 110 mA 〜 956 mAでした。ま、管理人のやることは粗忽であるTypical Results ですね。

1000 mA 近く流して、つまり最大の輝度で室温25度で1時間放置したが、放熱器のフィンの温度は40度位なので、箱の空気の流れを良くするための穴を空けることや、ファンの取り付けは行わないとした。

「Fiber Optic Illuminator」への7件のフィードバック

    1. >科学誌印刷業者さん

      いやいや、フライス盤の使い方なんて、ド素人で、平になればいいや 程度です。

  1. 今の気候だからほのかに温かですが、真夏だとアチチになるかもしれません。ファンの代わりに、空気孔を開けるのはいかがですか。

    1. >senjyuさん

      コメントありがとうございます。ケースに空気が流れるように穴を空けることは当初から計画していました。しかし、室温で1時間点灯させて放熱器がほのかに温かい程度なので、穴をあけるのをやめました。ケースに穴をあけるのなら放熱器の下と上で、さらにファンをつければ万全かと思います。いまのところ300mAしか流れておらず、スペックでは最大許容電流が1500 mAで、1000 mA で問題ないので電源電圧を高くして電流量を増やし、輝度を挙げることを試みます。そのとき熱くなるようなら穴を開けます。

  2. >いまのところ300mAしか流れておらず
    一次側(12V)に300mA流れているだけで、LEDには1000mA流れているということはないのですか。

    1. senjyuさん

      いえ、LED に流れる電流を測定してです。明日、もっと高い電源電圧でテストしてみます。

  3. 検証のはやさに感服します。
    「LEDが少ないときは、入力電圧が高いと、効率が悪くなる」とのカタログ内容が証明されました。

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