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実体顕微鏡(SMZ-2B)のバルサム切れの修理

最近の電子部品はすごく小さいので、回路いじりには実体顕微鏡があると便利です。そんなことで私にとっては、無くてはならない道具になっています。

▼実体顕微鏡 ニコン SMZ-2B
実体顕微鏡 SMZ-2B
目の代わりなので良い状態に保ちたいのですが、最近やった分解清掃でレンズの貼り合わせ面に曇りがあることが判明しました。

ネットで調べてみると、これはバルサム切れと呼ばれる現象のようで、古いカメラのレンズで起こり易い問題みたいです。修理方法はいろいろな事例がネットに公開されていますが、レンズを分離して接着面を清掃し、再度UV接着剤で貼り直すという手順でやるようです。

そういう資料を読んでいると、何だか自分にも出来そうな気がしてきたのでやってみました。以下その手順を写真多めで紹介します。

▼問題のレンズ
レンズの曇り(バルサム切れ、変色)
これはズーム用光学系の最終レンズですが、レンズの中が曇っています。なお、この写真は以前の記事で使ったものと同じです。

▼レンズ固定リングを外してみた
下部最終レンズ
出来るだけ分解する範囲を拡げたくなかったので、レンズを固定しているリングネジを外し、レンズだけ抜き取ることを試みたのですが、無理でした。

▼レンズホルダごと外した
レンズアセンブリ
仕方が無いので、レンズを固定している板バネを外し、レンズホルダごとレンズを外しました。なおレンズホルダの外周はテーパー加工されていて、押しネジと板バネでベース面に押し付けて固定するような構造になっていました。この押しネジ(イモネジ)は光軸の調整に影響するので、いじってはいけません。(ゆるみ防止に接着剤が塗られています)

レンズホルダにケガキを入れ、後で元の向き(回転方向)に戻せるようにしておきました。また、レンズにもマジックインキで印を付け、レンズホルダに対する向きが判るようにしておきました。

▼レンズ
外したレンズにマーク付け
ホルダから外したレンズです。剥がすと2枚のレンズ相互の位置関係が判らなくなるので、ダイヤモンドヤスリで合いマークをコバ面に刻んでおきました。以降の作業で有機溶剤をいっぱい使うので、マジックインクのマーキングでは消えてしまいます。

▼バルサムの劣化の状態
バルサムの劣化状態
横から強力なライトを当てると判り易くなりますが、全面が白濁していてソフトフォーカスフィルタを入れたような状態になっています。

これからが第一関門のレンズの分離です。加熱急冷を繰り返す方法がよくやられているみたいですが、レンズが割れそうで怖いのでアセトンに漬けっぱなしにして、ゆっくりと接着剤を溶かしていく方法でやりました。

▼アセトンに浸漬して超音波洗浄
アセトンに漬け、時々超音波洗浄
単に漬けておくだけでは時間がかかりそうなので、超音波を併用しました。中の白い磁器製の容器(焼きプリンの容器?)にアセトンとレンズを入れておき、その容器を水の入った超音波の洗浄槽に入れて時々超音波をかけました。

この超音波洗浄機は5分で出力が自動的にOFFになるので、気付いた時に(30分間隔程度で)時々超音波を入れるというやり方で使いました。また。アセトンの容器にはアルミ箔で作った簡単な蓋をかぶせて、蒸発防止対策としました。

▼剥離の様子
剥離進行中
周辺が透明になって、接着剤が溶け出していることが判ります。

▼剥離が進む
剥離進行中
透明な部分が拡がり、中の樹脂が白くなっています。アセトンに溶けやすい部分とそうでない部分が微小なセル状になって存在しているような気がします。この写真は開始から4時間くらい経った状態です。

さすがに夜は超音波を入れることは出来ないのでアセトンに漬けっぱなしでそのまま放置しておきました。

▼分離成功
分離成功
一晩放置し、翌朝見てみると全面が透明になっていました。アセトンに漬け始めてから約12時間後です。指でずらすと、ぬるりという感触でレンズを分離することが出来ました。

▼レンズの構成
貼り合わせレンズ
剥がすことで判ったレンズの構成です。左が対物レンズ側で光はこちらから入ってきます。全体としては凹レンズになっていて、後ろ側にメニスカスな凸レンズ(B)を貼り付けるという構造になっていました。

剥がしたレンズの表面をクリーニングしておいて、さてこれからが第二の関門のレンズの貼り合わせです。

▼貼り合わせの準備
貼り合わせ準備
作業を始めると中断出来ないので、必要な物を手の届くところに用意しておきます。

下側のレンズは両面テープでプラ板(青い板)に固定し、合いマークの方向にマジックでマーキングしておきます。
爪楊枝は、貼り合わせた後で、2枚のレンズの外周を両側からいろいろな向きで押し付けることで位置合わせするために使います。
右にあるのはUV接着剤と紫外線照射用のLED(λ=375nm)です。奥にはエアダスターとエタノールスプレーにLEDライトなどが見えています。
背後の白い布はキムワイプを拡げたもので、できるだけ繊維クズを発生させないための配慮です。なおこの写真を見て気付いたのですが、キムワイプでは無くアルミ箔を使った方が良かったかもしれません。

▼上側のレンズに取っ手を付ける
上下のレンズの準備
レンズを扱いやすくするために、上側のレンズに短い棒(M3のデルリン製のスタッドボルト)を両面テープで貼り付け、取っ手代わりにしました。レンズは小さくて扱いにくいので、扱い易くしておくこと、つまり段取りを十分行っておくことが重要です。

▼UV接着剤を滴下
UV硬化樹脂を垂らす
この後で向きを合わせながら上のレンズを重ね、余分な接着剤を外に追い出しながら密着させます。次に爪楊枝を使って2枚のレンズの外周位置をぴったりと合わせます。レンズホルダの内径とレンズ外形のギャップはほとんど無いので、外周をぴったり合わせておかないとレンズがホルダに入らなくなります。

▼UV照射
紫外LEDで硬化
紫外LEDを使って接着剤の硬化を行います。
完全に硬化させるために、この後は太陽の直射光に30分くらい曝しておきました。接着が終わると、レンズの周囲にはみ出した接着剤を削り落とせばレンズの合体は完了です。

▼レンズをホルダに戻す
接着したレンズをホルダに戻す
汚れをクリーニングして、組み込む前の最終確認です。曇りは無くなって綺麗なレンズに蘇りました。

▼本体に戻す
合いマーク
合いマークで元の向きに合わせ、押さえの板バネを取り付けてレンズを固定します。

▼試し撮り
試し撮り
コントラストなどの画像補正無しでこれくらい撮れるようになりました。少し眠い感じなのは照明あるいはカメラの設定のせいか?

◆まとめ
実体顕微鏡のバルサム切れの修理は成功したようで良かったです。観察していても、透明感のある視界が広がって、良い感じです。

修理に使った接着剤が劣化して黄変などしないかがちょっと心配ですが、まあこのまま使ってみることにします。なお、使ったUV接着剤は100円ショップのセリアで買ったハードタイプのUVレジン液(クリア)です。

実体顕微鏡なので光路は左右二つあります。この2つを同時に分解すると、万一光軸やピント位置が狂った時に元に戻すための基準が無くなってしまいます。また、左右の部品を混ぜてしまう恐れもあります。そんなことを考え、修理は片側づつ順番に行いました。つまり作業には二日かかりました。

カメラの交換レンズなら、バルサム切れの修理に失敗してもそのレンズが使えなくなるだけで済みます。しかし実体顕微鏡でもし片側の修理に失敗すると、単眼の顕微鏡になってしまう訳で、これでは価値が激減してしまいます。そんなことで、作業は慎重にやる必要があります。ちなみに両眼立体視の顕微鏡、つまり実体顕微鏡を使うと、その見易さから単眼の顕微鏡には戻れなくなります。

Arduino よもやま話-13 (UNOのCPUを逆挿ししても壊れません)

前回前々回の2回で、「これだけはやるな!Arduino Unoを破壊する10の回路」の記事に書かれている項目につき、それぞれ内容を検討してきました。全体を通した私の意見は、「それほど脅かさなくてもいいんじゃないの。Arduino UNOはそんなに簡単には壊れないよ、」です。あまり心配しないでじゃんじゃん使ってみれば良いと思います。

そんな話の番外編ということで、Arduino UNO のCPUである ATmega328P をソケットに逆挿しした場合の話をします。先に種明かしをしておくと、そんな無茶をしたら壊れるかと思うと、実はそうでもなかったりします。以下はその理由の説明です。

▼CPUを抜いた Arduino UNO の基板
UNO R3 チップを抜いた状態
Arduino でいろいろな物を作っていると、CPU のチップを差し替えたくなることがあります。プログラムを書いたチップを抜いて別のところで使いたい、というのが一番多い理由でしょう。

CPUを抜かれた基板には新しいCPUを挿すことになりますが、この時に向きを間違えることがあります。実は私、何度も間違えてます。

上の写真はCPUを抜いた状態ですが、ICソケットが見えています。ここにチップを挿すのですが、向きとしては、ソケットの右上が1番ピンなのでそれに合わせて挿さないといけません。ICソケットにはオリエンテーションマークとして、1番ピン側のモールドに半円形の切込みが入っているので、それを見て作業することになります。でも、何度も抜き差しをしているとソケットに傷が付いて、オリエンテーションマークが判り難くなってしまい、それが原因で逆向きに挿してしまうことが起こり易くなります。

逆挿しすると、もちろん全く動かないのですぐに気付きます。というか、「やっちゃった、CPUを壊してしまった!」と思って焦ります。恐る恐る正しい向きに挿し直すと、幸いなことに問題無く動くので壊れていませんでした。そんな経験が何度かあります。

実はATmega328のチップは逆挿ししても壊れない(壊れにくい)ようにピンアサインされています。

前置きが長くなりましたが、そのあたりの理由を紐解いてみます。

▼ATmega328Pを正しく挿した場合と逆挿しした場合
チップの逆挿し
左が正しく挿した場合、右が逆挿しした場合です。CPUには水晶やリセットピンなどが接続されますが、壊れるかどうかを検討するだけなら、電源ピンだけ考えれば良いです。

問題は右の図なので、この状態でどういうことが起こるか検討してみます。

1.逆挿ししてもGNDは正しく接続されています、つまり、8と22ピンは問題はありません。この二つのピンは180度回転した位置にあるので、逆挿ししてもGNDに接続されます。
2.AREFピン(21ピン)に+5Vが接続されています。このピンはハイインピーダンスなので、電圧が加わっても特に問題はありません。
3.PD4(6ピン)に+5Vが加わるのは本来の使い方ではありません。しかし、以下のような理由から壊れることは無いはずです。
 a. +5Vが加わると、ピンのVCC側の保護ダイオードを経由してチップ全体に電源が供給されることになりますが、これが原因で壊れることはありません。電源が入っていないはずの回路がインターフェイスからの信号で動きはじめ、ゾンビのようにLEDがうっすらと点灯、なんて現象を経験された方は多いと思いますが、あれと同じことです。

 b. 上のようなパスからチップに電源が供給されるので、内部CRオシレータを使う設定になっていれば、プログラムが起動するかも知れません。問題になるのはI/Oピンの電源/GNDへのショートによる過大電流ですが、出力ポートの電流供給能力は適度に制限されているので壊れることはありません。

ということで、逆挿ししてもチップが壊れることは無いはずです。

ところで、良い機会なので基板の表示文字の向きと、CPUチップの向きについて書いておきます。

▼Arduino UNO の基板
UNO R2
これは UNO R2 の基板ですが、シルク印刷の文字はこの写真の向きに置けば正常に読めます。しかし、CPUのチップは1番ピンを右上に向けて挿さないといけないので、チップのマーキングは逆さまに向けて挿す必要があります。

うっかり両者の向きは同じだと思い込んで、CPUを挿してしまうのが、間違いの原因の一つだと思います。基板の1番ピンの横にシルクで、大きめの白点をオリエンテーションマークとして印刷しておいてもらうとこういう間違いが減ると思います。

◆まとめ
ATmega328PのDIPパッケージでは、
 ・逆挿ししてもGNDは正しく接続される。
 ・逆挿しすると電源は接続されない(無関係なピンに接続される)
という状態になるのでチップが壊れることは無いということです。

このようになるのは偶然ではなく、逆挿ししても致命的なダメージを受けないようにピンアサインを工夫しているのだと思います。

そういえば標準ロジックのICは、対角の7と14、あるいは8と16ピンがGNDと電源にアサインされていたので、逆挿しすると確実に壊れました。壊れ方は色々ですが、IC の背中がぷっくり膨らむという一発芸をやって、和ませてくれるチップなんてありました。

以上、「これだけはやるな!」という記事に対する一連の検証記事の最後として、「これだけやっても壊れない!」という内容で締めてみました。そんなことでこのネタはおしまいです。

Arduino よもやま話-12 (Arduinoを破壊する10の回路の記事を振り返るー後編)

引き続き、「Arduino を破壊する10の回路の記事」の話の後編です。前回の記事でNo.7まで終わっているので、今回はNo.8から始まります。

◆ No.8 5Vの外部電源を接続した上で、Vinピンも接続する
No.8

こう書かれているのですが、これがさっぱり判らないです。

どうも 5V ピンへ外部から 5V の電源を接続してはいけない、と言いたいようです。でも +5V のポイントへは USB からの +5V(VBUS) が内部で接続されている訳で、これをやっちゃいけないと言うと、UNO の回路自体を否定していることになります。(USBからの給電パスには P-MOSFET が入っていて、DCジャックからの供給電圧が 7.2V 程度以上になると、USB からの電圧を 0.6V 下げる機能が付いています)

ともかく、こうやると5Vレギュレーターへ逆電圧が発生し、破壊されると書かれています。上の回路図に書かれているレギュレーターの仕様が良く判らないのですが、最近の UNO ではレギュレーターに NCP1117 が使われていてこんな回路になっています。なお、図に書き忘れましたが、D1 のカソード側が Vin ピンに接続されています。
Arduino UNO の電源回路
5V レギュレーターの NCP1117 のデーターシートを読むと、入出力電圧の逆転対策として内部に保護ダイオードが入っていました。そんなことで、レギュレーターが逆電流で破壊されるという心配はしなくて良くなっています。

残る問題はVinにパラに入っている Load と言う負荷です。UNOの基板の中にそんなものは無いので、外付けされた負荷なんでしょう。でもそうだとすると、判っていてやっていることなので、これだけはやるな!と言うようなものではない気がします。

ともかく、この No.8 項は意味が良く判らないです。

◆ No.9 Resetピンへ13V以上の電圧を流す
No.9
電圧を流す、となっていて変な日本語になっていますが、ともかくこれをやると CPU の ATmega328P を損傷すると書かれています。

突然 13V という電圧が出てきますが、これは高電圧シリアル書き込みを行う時に RESET ピンに加える電圧です。この電圧の上限は絶対最大定格で 13V となっているので、その通りです。

但し、これは、初代の頃の Arduino UNO 話で、その後出た R2 や R3 では回路が変更されているので、こういう心配はしなくて良いようになっています。もう少し説明すると、

元記事に掲載されている回路。
リセット回路に13V

これはたぶん UNO のバージョンが R1 の頃の回路で、リセットピンは 10KΩ の抵抗で +5V へプルアップされているだけです。これだと外部からリセットピンに高い電圧を加えることが可能です。

しかし、R2 以降では次のような回路になっていて、プルアップ抵抗にダイオード(D2) が並列に追加されています。つまり、ここの電位は +5V にクランプされます。
R2以降のリセット回路
回路の動作としては、左の回路からの信号を、C5 で微分してリセットピンに入力するようになっています。

左の回路からの信号が Low から High に変化した瞬間、もしクランプダイオードが無いと、C5 に溜まっていた電荷でリセットピンの電圧が 10V まで押し上げられてしまいます。こうなると、ちょっとノイズが乗っただけで誤動作する恐れがあります。そこで、ダイオードで上限を +5V にクランプするように改良されたのものだと思います。

方法9 ではリセットピンに外部から 13V 以上を加えてはいいけない、と書いてありますが、実際にはダイオードで5Vにクランプされるので、そういう高い電圧にはならない(可能性が高い)はずです。

なおこれは Arduino UNO の場合の話で、Arduino NANO にはこのダイオードは入っていません。UNO なら CPU のチップを引っこ抜いて高電圧プログラミングを行うことが可能です。一方で NANO のように QFP パッケージの CPU では、チップを取り外すことが出来ないのでオンボードのままで高電圧プログラミングを行う必要があります。その際、ダイオードが入っていると高電圧プログラミングモードに入れることが出来なくなってしまう、と言う事情があるのだと思います。

ちなみに、高電圧プログラミングの回路は、ATmega328P用のヒューズリセッターの製作の記事に出てきます。リセットピンに高電圧をかける場合、安全のために数キロΩの抵抗を介して行うのが定石です。

◆ No.10 最大電流以上の電流を流す
No10
説明は「10個以上のI/OピンをHIGHに設定し、(例えばLEDを光らせるために)20mAをそれぞれから流す。I/Oピンから流されるの最大電流は200mAであるため、マイコンにダメージを与える。」となっています。

これはチップの絶対最大定格に書いてある Vcc と GND ピンの最大電流の値のことを言ってます。例として以下の回路図が掲載されています。
No.10、LEDをたくさん
たくさん LED を点灯させると、Vcc/GND ピンの電流リミットを超えるので注意してね、ということです。これは重要な制限ですが、実はもう一つ条件があるので、そちらも頭に入れておかないといけません。

ポートの出力電流にはバンク毎の合計の値の上限にも制限があり、データーシートの 32.2. DC 特性の注釈に以下のように記載されています。ATmega328Pのデーターシート(日本語版)

注3: 各I/Oポートは安定状態(非過渡時)に於いては検査条件(VCC=3Vで10mA,VCC=5Vで20mA)よりも多くのシンク電流を流すこと
ができますが、次の条件を厳守しなければなりません。
① ポートC5~0、ADC7,6のIOLの合計が100mAを超えるべきではありません。
② ポートC6、D4~0のIOLの合計が100mAを超えるべきではありません。
③ ポートB7~0、D7~5のIOLの合計が100mAを超えるべきではありません。
IOLが検査条件を超える場合、VOLも仕様書での値を超えます。表の検査条件よりも大きなシンク電流は保証されません。
注4: 各I/Oポートは安定状態(非過渡時)に於いては検査条件(VCC=3Vで10mA,VCC=5Vで20mA)よりも多くのソース電流を流すこと
ができますが、次の条件を厳守しなければなりません。
① ポートC6~0、D4~0、ADC7のIOHの合計が150mAを超えるべきではありません。
② ポートB7~0、D7~5、ADC6のIOHの合計が150mAを超えるべきではありません。
IOHが検査条件を超える場合、VOHも仕様書での値を超えます。表の検査条件よりも大きなソース電流は保証されません。


なんだかいっぱい書いてありますが、要はポートのグループ毎にソースとシンクに分けて電流の合計に制限があるということです。大きな電流が流れると、ダイの中の電圧分布が悪化するので、こういう制限が設けられているのだと思います。なお、これは絶対最大定格ではないので、素子の劣化や破壊につながるものではありません。

◆まとめ
以上で各条件というか、方法への突っ込みは終わりです。

こうやって見直してみると、妥当な意見もあるし、設計変更で前提条件が変わってしまった項目もあるようです。また、私の意見が入っているので、必ずしも公平なジャッジになっていないかも知れません。ともかく、Arduino UNO のハードを理解するのにはなかなか良い教材であることは間違い無いです。

Arduino のソフトに関するドキュメントはいっぱいあるのですが、ハードに関するドキュメントはあまり見かけません。ハードウェアリファレンスあるいはボードリファレンスのようなものがあれば、こういう議論は起きなかった気がします。例えば、Arduino UNO だったら、
 1) +5V と +3.3V ピンは出力用。ここに外部から電源を接続してはならない。
 2) Vin ピンは入力用。このピンに負荷を接続してはならない。
このようなことが決まっていたら、No5 から No8 までのような議論は起こらなかったのではないかと思います。
まあ、「難しいことは抜きで、ともかく実際に使って勉強しましょう」というのが Arduino のスタイルなので、あえて難しいことは言わないようにしているのかも知れません。

【2020/3/22追記】
mmさんからこの記事へのコメントで教えて頂いたのですが、「これだけはやるな!」の元になった記事は10 Ways to Destroy An Arduinoという記事だったようです。元記事の方にはやってはいけない理由の詳しい説明と、どうやったら改善できるかまで書かれていました。どうも電気的に壊れ難く対策した、Ruggeduino というボードの宣伝資料のようで、Youtube の解説動画まで用意されていました。
ちなみに、Ruggeduino は値段が高くて $55くらいするようですが、それだったら壊れても惜しくない中華の互換ボードを買って、壊した時のがっかり感を体験した方が良い気がします。
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