- 0201 LEDをピアス前面にできるだけ多く載せるため、市販のLEDスタッドピアスの金属製バッテリーホルダーを活かし、宝飾パーツと単一LEDを独自の回路基板に置き換えた
- 既存のCH32V003ベースのバッジ回路とファームウェアを3分の1サイズに縮小し、1mmピッチの8x8マトリクスを直径9mmの円内に52個のLEDで実装した
- 高価なHDI基板の代わりに、2層基板2枚を貼り合わせる手作りボードサンドイッチを作り、総コストを50ドル未満に抑えようとした
- 0201部品はピックアンドプレース装置の仕様外だったが、テープ上のピック位置補正とリフロー後の整列により、大半が一貫した格子に収まった
- 小さなLR521電池2個では初期の消費電流を支えにくかったため、コンデンサ追加とクロック低下、約0.25%のデューティサイクルで全体電流を約8mAまで下げた
市販のピアスを52 LEDマトリクスに変える
- 出発点は、0201 LEDをスタッドピアス前面に可能な限り多く載せることだった
- 市販のLEDスタッドピアスは非常に安価で、2個のLR521セルを入れる小型の成形バッテリーホルダーを備えている
- プラスチック製の宝石と単一LEDは取り外し、金属構造物は新しい回路の電源接続部として再利用した
- 電気的には、以前作成したCH32V003ベースのバッジと回路・ファームウェアは同一である
- 最大の難点は、3mm LEDピッチのバッジを1mmピッチに縮小して面積を1/9にしつつ、基板の周囲に太い縁も設けない設計だった
HDIの代わりに作った手作りのブラインド・埋め込みビア構造
- ブラインドビアや埋め込みビアを持つ多層基板なら必要な精度を得られるが、小さなHDI基板の発注でも数百ドルから始まる
- プロジェクト全体のコストを50ドル未満に抑えるため、2層基板2枚をはんだパッド配列で貼り合わせる方式を選んだ
- パッドは主に外周に配置し、接続状態を確認できるようにしたが、実際の確認には基板をパネルから切り離す必要があるという制約があった
- ビアのドリル径は0.25mmで、最も安価なPCBオプションの一般的な最小値である0.3mmより小さいため、第2の価格帯に入った
- LED間隔が1mmまで縮まると、めっき穴周辺の銅厚の不均一さも目立つ問題になった
1mmピッチ8x8マトリクスの組み立て
- メインディスプレイは1mmピッチの8x8マトリクスで、円形の外形に合わせて角を切り落とし、直径9mmの円内に52個のLEDを収めた
- パネルの上下幅は5mmで、全体のパネルサイズは23mm × 28.5mmである
- 片方の基板にはステンシルでソルダーペーストを塗り、ペーストを塗らないもう一方の基板を上に載せてサンドイッチ構造を作った
- 基板厚はそれぞれ0.6mmなので、サンドイッチ後の全厚は1.2mmを少し超える
- より高温のはんだを使えば後工程で接合部が外れるリスクを減らせたが、直径0.5mmのパッドと手元のソルダーペーストの制約から、通常の方法で進めた
ステンシルと0201部品配置の試行錯誤
- スチールステンシルには複数の設計をまとめて載せ、単一基板用のステンシルだけを注文しても費用的に成り立つほど安価だった
- 最初のミスは、ステンシルにfiducialを入れなかったことだった
- 最初の基板ではQFNパッドで位置合わせを確認できた
- パネルから1枚の基板を切り離した後は、2枚目の基板の位置合わせが非常に難しくなった
- 2つ目のミスは、0201パッド用の開口を小さくしすぎた可能性があることだった
- もう少し大きければ、ステンシル作業の負担を減らせたかもしれない
- 最初の試行では大半のパッドはうまくいったが、一部はペーストが不足しており、スキージの圧力と速度を正確に合わせないと仕上がりの良い結果は得られなかった
- 最初のピアスの後にステンシルを十分清掃しなかったため、残留物が乾いてしまい、2つ目のピアス作業はさらに厄介になった
ピックアンドプレース装置で0201 LEDを載せる
- 52個の0201 LEDを手で配置するのも不可能ではなかったが、ピックアンドプレース装置で可能かを確かめることが目標だった
- 0201部品は装置の公称仕様を外れていたが、最小の真空ノズルでも部品をつかむこと自体には大きな問題は見られなかった
- 初期の問題は配置精度よりもテープ供給の側にあった
- 装置動作中に机が揺れると、0201 LEDは保護フィルムが剥がれたテープから飛び出しやすかった
- テープ穴は4mmピッチだが、0402や0201部品は部品間隔がそれより狭い
- 2mm間隔テープでは、装置が1ステップではなく半ステップずつ進む必要がある
- 安定したピックアップのため、テープから部品をつかむ位置にオフセットを適用した
- 既定位置はフィルムが剥がれた領域からほぼ4mm離れており、部品が飛び出す余地が大きかった
- 最初の配置結果には全体的にやや下寄りの系統誤差があったが、部品間の一貫性は良好だった
- いくつかのLEDは傾いたが手で押して修正でき、リフロー後にはほぼすべてが正確な格子整列になった
ピアスの電源接続と電力問題の解決
- プラスチック製の宝石の下にある既存のピアス回路には、小さな基板と部品2個があった
- バッテリーケースは正極で、ポスト中央の細い線が負極なので、新しい回路はこの2点に接続すればよい
- 当初は回路を完全にテストしないままはんだ付けして組み上げたが、すぐに再度開けて修正する必要が出た
- 元のファームウェアの消費電力が大きすぎて小型電池では電流を支えられず、電圧降下でCH32V003 brownout detectorがチップをリセットした
- 装着状態でも再プログラムは可能だったが、非常に面倒だった
- ワニ口クリップで正極に接続した
- 1本のワイヤを先端に当てて負極を作り、別のワイヤを内側に当ててデバッグピンに接触させた
- 電源安定化のため、22uFと0.1uFのコンデンサを並列に追加した
- 物理的に小さい大容量セラミックコンデンサは内部抵抗が高いことがあるため、複数の値を並列にする方法が役立つ場合がある
- チップクロックは48MHzから1.5MHzに下げた
- この変更はデバッガ接続にも影響した
- 通常なら電源投入直後に接続するユーティリティで復旧できるが、このピアス構造ではデバッグ制御のために電源を扱うのが難しい
- 最終状態ではデューティサイクル約0.25%、全体の消費電流は約8mAである
完成品とソースコード
- 完成後、2つ目のピアスも同じ方法で製作し、撮影機材が作業スペースを邪魔するという追加の難しさもあった
- 装着写真とともに、長時間露光とフラッシュを組み合わせてLEDの軌跡が残る画像も試した
- プロジェクトのソースコードはバッジと同じで、git.mitxela.comとGitHubにある
- その後、片方のピアス中央の死んだLEDを交換し、別個のプロジェクトページの代わりに修理動画を公開した
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
デザイン面では、もっとインダストリアルなバージョンのほうが好みで、よりサイバーパンクっぽかった。それでもこれもかなりすっきりしている
驚いたのは、0.65×0.65mm RGB LEDが存在すること。記事に出てくるLEDの長辺を二乗したのと同じ大きさだ。厚さもわずか0.25mmで、紙数枚程度。こういうものを顔に貼ってメイクで自然になじませれば、かなりサイバーパンクな演出ができそう。配線も望めばほぼ好きなだけ細いものが手に入る
電気的にどう動作していたのかは分からないが、高級版は上まぶたに沿って個別制御できるLEDが入っているように見えて、かなり格好よかった
「印象的な電子工学プロジェクトではあるけど、実際に誰が付けたいと思うイヤリングなんだ？」なんて冗談かと思った。STEM系の女性なら、こういうセットにかなりの額を払う人は多いと思う
industrial[0]は少し難解すぎるし、led-ring variant[1]は少し地味だが、LEDマトリクス全体なら本当に圧倒的だ
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
本当に素晴らしいし、これを買って身に着ける人をたくさん知っている。製品化して充電式にし、LEDのプログラミングも簡単にすれば、間違いなく売れそう
自分のウェブサイトが作者の https://mitxela.com/projects ページのように見えるようになったら、人生で成功したと宣言できそう
これをもとに、ペンダント、OLEDディスプレイ、耳に掛けて接続する別体のバッテリーホルダーといったアイデアをスケッチしてみた [1]
似たようなデザインはイヤホンやIEMにも格好よさそうで、照明を音楽と同期できるなら特に良さそう。真面目な話、頭の中のデザインをスケッチする方法は誰もが学ぶべきだ。うまく描く必要はなく、伝えられる程度で十分
このサイズで可能かは分からないが、音や音楽に合わせて選択的にアニメーションや脈動効果を出すバージョンなら、ナイトクラブで大受けしそう
PCBを2×2レイヤーのサンドイッチとして重ねているのを見ると、かなり格好いい。少量生産では1-2-1 PCBより安く済むだろうし、Appleも同じ方式を使っている
Mike Harrisonをインスピレーションとして挙げている動画なら、とりあえず好意的に見る。 https://electricstuff.co.uk/
最小の円形OLEDディスプレイがどの程度なのか気になる。ここで使われている0201より一段小さい01005 LEDもあるが、そのくらいになるとOLEDディスプレイと実質的に近くなる
現時点では、小型化の最大の制約はLEDそのものではなくビアのように思える。LEDにパッドが3つあり、外側の2つが互いに接続されているなら、ビアなしで片面基板上にマトリクスを作れる