ＬＥＤマトリックス表示装置の設計・製作 ９（画像表示）

　 LEDマトリックスに画像を表示させるには、いろいろな画像形式を知る必要があります。現在、よく使われるJPG形式やPNG形式は圧縮処理されて保存されています。これに対して、BMP形式やTIFF形式は非圧縮形式で、画像データがそのまま保存されています。このため、ファイルは大きくなります。

LEDマトリックスで使う画像　BMP形式

　LEDマトリックスに表示させるには、最も単純なBMP形式を使います。非圧縮ですが、LEDマトリックスには16x16ドットのサイズなので、ファイルサイズはあまり大きくないためであり、解凍処理が不要なためです。

　バイナリエディタでファイルを開くと、右図のように、16進数の並びが表示されます。

　この先頭(ピンク部分)はヘッダ領域と呼ばれ、ファイルの形式やファイルに関する情報が書かれています。その後に続く部分(緑部分)はデータ領域で、実際のデータが書かれています。

（すべてのファイルは、この形式をしています）

　このヘッダ領域の先頭２バイトが42H、4DH(文字では"BM")であれば、画像のBMP形式のファイルであることを意味します。（それ以外のヘッダ情報は検索すると出てくるので、割愛します）

　表示している画像データは24ビットカラーです。データ領域ではデータが32ビットごとに１ドットのデータとして並んでいます。図の赤枠の場合、「00 00 00 00」となっています。順番にR(赤)、G(緑)、B(青)、D(ダミー)の情報です。この場合はRGBが000000hなので黒色のドットとなります。この様に読みだしたデータを、何も処理することなく、そのまま１ドットのデータとして利用できます。

　このデータを読み込み、LEDマトリックスに画像を表示させます。

　右下の部分が画像を表示している部分です。

　

Ａ４インクジェットプリンタでＡ３用紙（縦半分）に印刷する

 　いつも使っているインクジェットプリンタはＡ４サイズ対応です。

　フェア出展に向けて準備する中で、文字を大きく印刷したいと思い、思いついたのが「Ａ３用紙をカットして印刷すると、文字を大きく印刷できるのではないか」ということです。

　早速、Ａ３用紙を縦長（420x148mm）に切断して、プリンタにセットしました。

印刷データの作成

　印刷するデータを作成するときに、容易サイズの設定を切断した用紙に合わせて、「ユーザ定義サイズ」で設定します。

（私は掲示物を作るときにパワーポイントで制作することが多いです）

印刷データを印刷

　プリンタ印刷するときにも、用紙を「ユーザ定義サイズ」を設定して印刷します。

　私の持っているプリンタは最大216x676mmまで印刷することができます。

　これを利用すると、入手しやすいＡ３用紙を使うと、Ａ３サイズまでとはいきませんが、Ａ３横幅までの印刷は十分可能です。

※メーカや機種により設定が異なります。

圧電ブザー（ピエゾ素子）の利用上の注意

 　圧電ブザーをマイコンなどで利用するときに、ブザーを直接、接続していました。

　しかし、CH32V203マイコンを利用してプログラミングしているときに、ブザー回路を接続して音を鳴らすと、止まったり、リセットがかかる現象が起こりました。

　これまで、あまりなかった現象で原因を探ると、圧電ブザーの使い方が誤っていたことが判明しました。

　村田製作所様の圧電ブザーのドキュメントを見ると、抵抗を直列に入れるなどが書かれています。

　圧電ブザーのピエゾ素子の端子間は絶縁されており、コンデンサのような構造です。そこに電圧駆動で振動させる仕組みです。

　動作はマイコンから、High、Lowを出力すると、ピエゾ素子に充電放電が起こります。この電荷により、素子の変形が起こり、空気振動（音）となります。

　問題はこの充電、放電現象をさせるために、ブザー素子に電流が流れます。抵抗が無いと静電容量は小さいのですが、瞬間的に大きな電流が流れ、これがマイコンが動作不良を起こす現象となります。

　これを回避するために、抵抗を入れるなどの処置が必要となるわけです。抵抗を直列に入れると、ブザー音が小さくなります。

※圧電ブザーをマイコンで制御するＨＰサイトでは、回路を簡単にするために抵抗がなく、直接接続されているものが多いです。もし、マイコン動作が安定しない場合には、この関係を疑って、抵抗を１本直列に入れてみてください。

３Ｄプリンタで「チェーン」機構を作る２

 差し込みピンの設計

　差し込みピンの形状を楕円にする投稿をしました。

　その後も設計、試作する中で、円筒形にするのも一つである子をが分かりました。円筒形の上部分と下部の直径が異なる形状です。

　このようにすると、テーパにより少し力を加えて差し込むと抜けなくなります。

　右図が「チェーン」ブロックです。ピンを差し込むことで、チェーン同士をつなげていきます。

　この「チェーン」ブロックのピンを差し込む穴は、差し込み過ぎないように穴の深さを調整してあります。

チェーンの３Ｄ造形

　３Ｄプリンタで造形するとき、右図のように配置して造形します。この時、横側の穴は、設計では円形ですが、造形すると歪んでしまいます。

　この歪みをうまく利用すると、「ピン」が抜けにくくなります。

３Ｄプリンタで「チェーン」機構を作る

 　３Ｄプリンタで造形したものをつなげるときに、ネジ、ナットを使うとしっかりと接合することができます。しかし、子供たち向けのものづくりキットの設計では、その接合箇所が増えると、製作するときの負担になります。

　例えば、右のような「チェーン」を使った伝達機構を制作するとき、チェーンの部品同士を接続するときに、ネジを使うと、チェーン部品の数（両側から留めると２倍）分のネジが必要になります。

　この作業は子供たちにとって大変なものです。

「ピン」を使って、ネジの代用する

　ネジの代わりをする「差し込みピン」を設計して、組み立て作業を簡単にします。

　ネジ穴はネジでもよく使われる3.0mmと4.0mmです。深さは7.0mm程度です。

　ここにはまるピンを設計します。

ピンは次の図のように、鍔のついたピンです。鍔の厚みは1.0mm程度です。

　差し込む先はテーパを付けて、差し込みやすくしています。

　３Ｄプリンタ（ノズル0.4mmで造形）で造形すると、設計した寸法より、0.05mm～0.1mm程度大きく出来上がります。つまり、ネジ穴3.0mmに対して、ピンの直径を3.0mmにすると入りません。ピンの直径をわずかに小さくすると、うまくいく場合といかない場合が出てきます。これは、造形するときの３Ｄプリンタのノズル穴のサイズにより、造形できる精度からくるものです。

ピンの設計

　これを解消するために、ピンの設計に工夫を加えます。

　形状を「楕円」にすることです。

　　3mmのピンでは長軸3.00mm、短軸2.80mm

　　4mmのピンでは長軸3.95mm、短軸3.80mm

　　（長軸が直径程度、短軸が直径 -0.1mm程度）　

　このようにすることで３Ｄプリンタの造形の特性を吸収して、差し込みやすくなります。

　ネジ穴に、ピンを差し込んだ様子が右図です。ピンが楕円であるため、差し込んだ時に隙間が出来上がります。図では上側（赤矢印）に隙間があります。左右方向はほぼ隙間なしです。

　隙間が少ない方向の摩擦でピンが抜けにくくなります。

ものづくりキット７　マーブルマシンの設計

　このチェーンを使い、ものづくりキット７「マーブルマシン」の設計、試作中です。

　右のようなチェーンをハンドルで回転させる機構です。

脳トレゲームボードを使った制御演習 資料配布

「 脳トレゲーム対応制御学習ボード演習」の資料配布ページです。

演習資料配布

これまで掲載してきた制御学習などをまとめて資料にしました。

　・脳トレゲーム対応制御学習ボード演習（PDF）

　・演習の解答例（ZIP）

学習ボードを「脳トレゲーム」にするためのソースコード

　・脳トレゲームソースコード（ZIP）

　こちらは、解凍後ArduinoIDEよりプログラムを書き込んでください。

訂正・アップデートなど

　こちらで訂正事項や、ソースのアップデート情報を提供いたします。

３Ｄ造形部品のジョイント（接続）の改良

 ３Ｄ造形部品の接続の不具合

　ものづくりキットなどを手軽に接続する方法として、タッピングネジを利用してきました。これは、子供たち（小学生）が簡単に部品を組み立てるときに、ドライバのみで締め付けることで組み上がるためです。

　また、間違えた時にも、簡単にネジを外して、修正することができます。

　しかし、テオヤンセンロボットを製作しようと、「タッピングネジ」を使用して、組み立てました。スムーズに動作できるか調整をしていたところ、良い場合と、うまく動作しない場合があり、その問題を探りました。

　この結果、わかったことがタッピングネジを留めるときに、真っすぐに止めることが難しく、わずかに斜めに入ってしまうことがあります。特にタッピングネジは、ネジ山を作りながら留めるため、わずかなズレが生じます。

　テオヤンセンロボットのように、遊びが少なく、精度が求められる場合にタッピングネジを使うことが難しいということです。

　右の図はネジ止めしたものを裏側から見たものです。ネジの先端が穴の中心からずれています。

ジョイントの改良

　タッピングネジではずれてしまいます。ナットで締めると、ズレは無くなるのですが、厚みが大きくなります。

　

　そこで、思いついたのが、タミヤのギアボックスを組み立てるときに、シャフトにスプリングピン（右図）を差し込むことを思い出しました。

　穴の大きさを調整すれば、ピンを穴に沿って真っすぐに差し込むことができるはずです。

　ただ、スプリングピンは小さく、ハンマーなどで打ち込むのが難しく、何かと考え、「治具」を作成しました。

　片側から「スプリングピン」がはまります。反対側は、素材が金属に比べてPLAのため軟らかいため、保護するために、Ｍ３ネジを入れてあります。

　これで、治具を持ってハンマーで打ち込むことができます。

完成例（テオヤンセン機構）

　スプリングピンを使って、製作したテオヤンセン機構です。

　足部分をボディに止めるときには、ネジを使っていますが、黒い軸を留めるときにはスプリングピンを使っています。

　スプリングピンを使用したメリットは、回転軸の精度が高まるのが一つですが、それ以外に、ネジの頭部分が無く、薄くできることです。

　現在、テオヤンセン機構ロボットのマシン部分が出来上がっています。