ニキシー管時計修理：破損したIN14の交換

ココナラ経由でのご依頼で、左から2桁目だけが数字の一部分しか表示されないとのこと。

この時点での予想は桁ドライブ回路の損傷かニキシー管の劣化でした。点検作業を発注の上送っていただき、分解点検するとセグメントを駆動する回路は3桁共通で桁を駆動する回路は2桁ごと、というおもしろい回路。共通する他の桁 / セグメントと波形を比較してみるとまったく同じで異常なし。ということでニキシー管の劣化が原因と診断して、修理費用と期間をお見積り。うちにはIN14がないのでロシアかウクライナから仕入れる必要があるので期間は長めになりました。

お見積りに同意いただいて受注。

まさにそのタイミングでTwitterで知人から各種ニキシー管譲渡の打診が！

おかげで良質の管を1週間で入手できました。

さて、修理です。

まずIN-14を外す必要があります。13本のハンダを吸い取ってピンを抜く作業……考えただけでうんざりなのですが……私にはFR-400という強い味方が！　

白光 はんだ吸取器 ＦＲ－４００

300Wのステーション型ハンダ吸取機なのですが……パワーもさることながら、ポンプで一定以上の圧力に下がってからバルブが開く構造なので、一気にハンダが吸い取られスルーホールがつるっつるになります。

今回の修理でも、ピンにノズルを当てて熱が十分浸透したところでピンを動かすようにしながらトリガーを引いて吸い取るx13、この時点でもうニキシー管はグラグラで1本にハンダが残っているだけでした。最後の1本にコテを当てて引っ張れば簡単に外れます。その間、約2分でした……吸い取り線や前に使っていたFR-301なら30分はかかっていたと思います。

さて、無事IN-14を外したあと、新しい（製造50年近いけどね）IN-14を刺して仮止めし、通電。正常に点灯することを確認しました。対角の2本を仮止めしてから、ピンをまっすぐに伸ばしてからカットします。真っ直ぐに伸ばすのは次に修理する人が困らないように。基板に沿ってピンを曲げると、はんだ付けは楽になるんですが、次にニキシー管を交換するときの作業が非常に困難になりますので。さて、全部はんだ付けをすませて、最初の仮止め2本をカットしてからきれいにハンダを盛ります。

動作確認、問題ありません（点灯確認のために「シュタゲモード」にして録画しスローモーションで再生しています）。

フラックスクリーナーで清掃して出来上がり、念のためにサーモグラフィーで発熱箇所などがないか確認してから梱包・発送しました。

いやー……FR-400、ワタシ的には清水の舞台から全裸で飛び降りるぐらいの勇気が必要な金額なんですが、買ってよかったです。商売道具には投資しないとね……。

電池でニキシー管を点灯させる

秋月でリチウム電池CR1225がやけに安かったので思いつきました。1個4円て。

リチウム電池　ＣＲ１２２５　ゴールデンパワー製　（５個入）

真面目な実験ではないです。子供の頃から一度やってみたかった。後悔はしていない。

なおちっこいリチウム電池といえども山程つかえばそれなりの電圧はでます。感電などの事故や廃棄時の火災などには十分気をつけてください。

点灯中の写真取る前にバラしてしまった……

■回路■

SN74141互換のKM155ID1でニキシー管をドライブし、Seeeduno XIAOで制御します。XIAO用の電源はそのままUSBから取ります。ニキシー管駆動電圧はCR1225を44-45本直列にして約145Vを発生させます。

電池のGNDとマイコンとKM155ID1のGNDが浮かないようにしっかり配線すること以外は特に注意することはないです。KM155ID1のABCDとXIAOのGPIO4本を接続します。KM155ID1のVCCはXIAOの5Vピンと接続します。XIAOは3.3V動作ですが、XIAOからの出力電圧は、KM155ID1の入力スレッショルド電圧より充分高いので問題ありません。

KM155ID1が勿体ないので16ピンのICソケットを使っています。ニキシー管IN-12Bは今6本で3-4000円ぐらいでしょうか。ニキシー管用ソケットとKM155ID1はアマゾンで買いました。IN-12Bはウクライナの業者さんから500本買ったうちの1本です。これもアマゾンでも買えます。

XIOAは基板にピンソケットを取り付け、XIAOにはピンヘッダをはんだ付けしています。なんかソケットだらけの基板ですわ。

■電池ボックス■

Orange 30で出力しました。SK水洗いレジンを使ってます。このレジンは少し厚くなりやすいので、電池の直径の12mmに0.5mmプラスした筒を作り、両端にカバーを作りM3のネジ穴をあけ、上をカバーで覆っています。手で電池を入れるとあぶないので、セラミックピンセットが通る隙間を立てに開け、中心付近からも電池を入れられるスリットを作りました。

私にしては珍しく出力一発目で完璧でしたっ

STLデーターこちらからダウンロードできます。

TareObjects / 3D-Datas

SK水洗いレジンに限りませんが、SLA方式3DプリンタでのM3, M4などの細いネジをモデル化した場合、一応ネジっぽいものが出力されますが、ネジを通すとカスが大量にでます。タップを買っておいて、中仕上げと仕上げを通しておきましょう。タップハンドルなくても手で回せますし（ただ刃で手を切らないように気をつけて）、金属にねじ山を切るときのように1/2回して1/4戻す、とやらなくても大丈夫です。これだけでネジがするっと入るようになりますし、ネジ山崩れにくくなります。まぁ……力入れすぎるとボリって崩壊しますけども。そのためにスプリングワッシャーで「ギリギリ強く締めなくても緩みにくい」ようにしておきましょう。

ハンドタップセット

■配線■

秋月のD基板上に配線します。

最近またジュンフロン使ってます。ちょっと前まで架橋ポリエチレン被覆を使っていたのですが、ジュンフロン被覆はワイヤストリッパー要らないんですよね。

1. ハンダゴテに少し多目にハンダを乗せる。
2. ハンダゴテの表面に垂直にジュンフロン線を当てて2-3秒
3. ジュンフロン被覆がツーッと縮んで1〜1.5mmぐらい導線が出てくる
4. フラックスを塗って、改めてハンダメッキする

これだけで使えます。熱で縮んだ分だけ末端が少し太くなりますが。

電池は電池ケース両端のネジ穴にM3のネジを通して電線を巻きつけました。スプリングワッシャを入れて電線を押さえつつ、電池を潰さない程度に押さえます。

くれぐれも感電しないよう気をつけてください。GNDとつみあがった電池の中間付近でも70V出ていますので結構ビリっとくるはずです（私はやらかしませんでした。感電こわい）。

■ソフト■

ソフト呼ぶのも恥ずかしいほど簡単ですな。ビットが順番に並んでいないのは、KM155ID1/SN74141のABCDが順番に並んでいないためです。

私はこういう場合、配線がGPIOとピン並びが平行になることを優先します。プログラムの処理が複雑にならない場合は、ぱっと配線を見て確認できる方が間違えも少なくなりますし、基板にしたときも簡単です。まぁこれ基板起こすことないと思うけども。

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:

  Serial.begin(115200);
  pinMode( 7, OUTPUT);
  pinMode( 8, OUTPUT);
  pinMode( 9, OUTPUT);
  pinMode(10, OUTPUT);  
}

int num = 0;


void loop() {

  digitalWrite(10, (num & 1) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite( 9, (num & 8) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite( 8, (num & 2) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite( 7, (num & 4) ? HIGH : LOW);

  num++;
  if (num > 9) num = 0;           
   
  delay(200);
}

試作完了！

1. Dynamic Version 0.0 - ESP32の「GPIOにはGeneral Purposeでないものが」
2. Dynamic Version 0.1 - RTCとIR Remote追加
3. Dynamic Version 0.2 - ダイナミック点灯としては試作完了
4. Static Version 0.0 - 別のESP32の落とし穴にハマって抜け出せないのでボツ
5. Static Version 0.1 - シフトレジスタが破損して時間を取られたが問題点すべて解決して試作完了

…と書いたな。それは間違いだった（追記5/6）

• Static Version 0.2 - MOSFETドライブの特性向上
• Static Version 0.3 - MOSFETドライブの安全性向上、今度こそ試作完了

なんだかんだで基板7枚、ブレッドボードから数えれば8バージョンで完成しました。

そしてあとはソフトだ…。

エモい。

今更ですがESP32でニキシー管時計を作る

■はじめに■

先日、知人Kさんから依頼されてニキシー管時計を修理しました。一度うまくいったんですが、数日後また破損。もう一度調べてみたら高圧側のトランジスタが破損。交換しても直らなかったのであとはわからーんとギブアップしました。申し訳ない。

K氏はオークションで入手したそうですが……基板はヤニまみれ（フラックス洗ってない）でICもニキシー管もソケット無しの直付け状態、少し経験のある人なら基板見ただけで「ギャッ」と叫びたくなる代物でした。

ちゃんと作ればそれなりにできるんじゃね？ってことで、ついうっかり､アマゾンでニキシー管と74141互換チップなどをポチってしまいました。

てことで作ります。

■仕様と設計■

せっかくニキシーなので時計の基本機能をTTL（Nシリーズ）やDTLで作ったら超クールなのですが、そこまでは攻めません。手元にゴロゴロしているESP32を使います。ESP-WROOM-02と比べてGPIOが潤沢なので時計も簡単に作れます（そういえばまだESP32でデジタルクロック作ってないな）。

最近の私は3.3Vが標準電圧で、5Vは高圧です。しかしニキシー管は180vという超高圧で動作しますので怖いとかいっていられません。高圧を作るには、DC/DCを使います。せっかくADC付きのCPUがあるので、それをコントローラにして昇圧チョッパー回路で高圧を作ります。

ニキシー管はダイナミックドライブにして、セグメントドライブには前記の通り74141を使い、カラム側のスイッチにはMOSフォトカプラを使います。これならよっぽどバカな失敗をやらかさない限りはCPUなどが壊れることがないので。CPUはまだしもMacに高圧かかったらもう生きていけません。

チョッパ昇圧回路のスイッチング周波数とかL値どうしようかなと思っていたら、計算式が見つかった。すごいよインターネッツ。試算するとだいたい経験則と近い値が返ってきたので、使わせていただきます（Rds=200mΩ,L=220uH,V=5v,I=0.1Aで520kHz）。ありがとうございます。

昇圧チョッパー回路のスイッチング周波数の計算

なお、ESP32にはPWMをわりと細かく制御できるledcなんたらという命令群がありますが、8bit精度の場合には320khzあたりが上限みたいです。1000000hzと指定してもこのぐらいの周波数しか出てきません。手持ちのMOSFET（パワーＭＯＳＦＥＴ　ＴＫ６Ｑ６０Ｗ　（６００Ｖ６．２Ａ））はRdsが600mΩ程度なので上記計算式からL=470uHを使えば良い感じで昇圧回路が働くのではないかと思われます（ブレッドボードの直流抵抗もバカにならないんですが、とりあえず気にしない）。整流にはファストリカバリダイオード（ファストリカバリダイオード　１ＪＵ４１　（１０本入））、キャパシタにはこれ（電源用電解コンデンサ　　　４７μＦ４００Ｖ１０５℃（ルビコンＢＸＣ））を使います。ESP32のledcなんたらについてはこの辺。

ESP32 Arduino: LED PWM fading

■実験■

とにもかくにも高圧回路。次にニキシー管点灯を実験します。

マイコンで制御する高圧発生回路は以前はと撃退用にLPC1114FN28で作りました。今回もよくあるMOSFET使用のチョッパー型昇圧回路を作ります。発生電圧の計測は抵抗で1/100に分圧しマイコンのADCを使います。MOSFETはNPNトランジスタでドライブします。

MOSFETの使い方に関しては、ここの解説が定番かと思います。

MOS FETによるスイッチングの基礎 | マルツオンライン

PWM周期はカットアンドトライで詰めて300vまで出せることを確認しました。コンデンサなどの耐圧がボトルネック（400V）なので、こんなに高くする必要はもちろんないんですが、PWMのデューティーとリニアに比例するあたりで使わないと制御プログラムが複雑になるので。

あとは可変抵抗もADCに接続して手動で設定電圧を可変できるようにしておき、発生した高圧も分圧抵抗通して別のADCに入力。可変抵抗で調節した値に電圧が自動調整されるコードを実行して、プレートに高圧、適当な数字をGNDに接続して、点灯テストをしました。IN-12Aの場合、120Vぐらいからセグメント？の一部が光り始め125Vでフル点灯になりました。よっしゃよっしゃ。

その後、一度部品をバラして組み直したら何故か電圧が60Vぐらいしか上がらなくなってしまいました。原因は電解コンデンサの極性が逆でした。怖い怖い。これヘタすれば爆発しますからね。気をつけましょう。なお逆接続で使った電解コンデンサは内部の劣化が進んでいる可能性が高いので、勿体ないけど廃棄します。申し訳ない＞電解

で、この電圧管理部分は他の処理でブロックされるわけにはいかないので、別タスクとして起動します。Arduino ESP32はFree RTOSベースなのでありがたいです。

■そして茨の道■

ニキシー管には12本の端子があります。6桁だと72本っすね……ええもう修行僧になって配線しましたよ。今回ダイナミック点灯で数字に関しては全部並列です。なので、エナメル線を使いました。先日UEW線を試してみてイマイチだったのですが、線を細いものに変えてみたらばっちりでした。

ポリウレタン銅線（UEW線・エナメル線）を使う

ラグにエナメル線を2回通して絡めておき、少し温度を高めにしたハンダごてでじっくり溶かし込んでやります。イヤな煙が出るけど、気にしません。ざっと2時間ぐらいかかりましたが、最初にワイヤを全部切っておいて試行錯誤なしなら小一時間ぐらいでしょうか。なお、写真上の方にあるのは、導通確認用に作った定電流IC+LED付き電池ボックスです。

先週金曜日にiPhone Xが届いたのですが、なんかムダに写真がキレイですｗ　なおソケットの色むらは買ったときからで私が焦がしたわけではないので念のため。

それからアノードは各桁ごとに配線します。写真ではオレンジ色の配線。高圧側なので一応26AWGのシリコンワイヤを使いました。ダイナミック点灯のコードを書いて、無事6桁点灯しました。最初隣の桁が薄ぼんやり点灯する現象が起こったのですが、そこはソフトウェア制御なので、ガードタイムを設けてカバー。

コーヒーカップ、洗いなさい

■ソフト■

と、ここまで三連休のうち7時間ぐらいで終わりました。時計のソフトは何度も作っているので、翌週末の午後で何とか完成。もうちょっと掃除したら公開します。

でも、時計として使うには、ちゃんとケースに入れないとダメですね。電流弱いからトラッキング現象で炎上、なんてことにはならないでしょうけども。

ってことで、そのうちケースとソフト掃除が終わったら続きを書きます。

修理依頼：ニキシー管時計

修理して欲しいと持ち込まれたので、昼休みを利用して直してみました。

まずACアダプタの電圧を測る。接触が悪いものの12v出ている。次に接続してみる。うんともすんともいわない。バラして、高圧電源を見てみると安定して出ている様子。

基板にフラックスが付着していてハンダ箇所がよく見えないので洗浄ブースで簡易洗浄する。どんなハンダを使ったのか知らないけど、ヤニがとにかく落ちなくて、しばらく不織布にクリーナーを浸してパックしてから専用ブラシで落として乾燥。ホーザンのフラックスクリーナーを買ってみたんだけど、サンハヤトの方が落ちるしキレイに乾くなぁ。

見ると、ハンダが浮いている箇所がある。ベンチにセットして、補修。私の扱う基板はもっと小さいので滅多に使わないんだけど、今回はまさにピッタリ（写真撮り忘れた）。

再度電源を入れると、少し表示が出てきた！　操作しながら表示を見てみると、0-9, ドットはそれぞれ出ているので、セグメント側は生きている。10H桁が非表示で、1H桁に10H表示が重なっているところを見るとカラムドライバICのハンダ付け不良と思われる（トランジスタの故障なら1Hに重なることはない）。ので、ドライバICの怪しいところを一旦ハンダを除去してから盛り直し。冷ましてから電源をいれたら無事動作。スイッチも操作できる。

で、あとはケースをお掃除して再梱包。所要時間30分、そのうち20分が清掃時間でした。

【追記】その後のご依頼では、こんな故障がありました。

• 勝手に再起動してしまう
• 電源の断線でした。日本製の端子に交換しました。
• 特定の数字だけが表示されなくなる
• カソードドライバ破損、ドライバの高圧トランジスタを交換しました
• 全然表示がでなくなった
• K155ID1破損。原因は起動時の過電圧だったため、K155ID1を交換し、保護素子を追加
• 表示がぼやける
• カソード側回路の不良と思われますが基板が樹脂で固まっていて修理できませんでした。
• 特定の桁だけ表示されない
• ニキシー管が破損していました。特殊な管でしたがたまたまヤフオクに出品されていたので入手し、交換しました。修理代よりも材料費が高かった……。
• 表示が固まって動かない
• 受託前のヒアリングでマイコンの問題と推測したのですが、マイコンは交換できないので修理できる見込みがないためお請けしませんでした。
• ゴーストがひどい
• ニキシー管がスパッタで汚染されていました。一度時計からニキシー管をすべて取り外し、強めの電流を流して電極を清掃しました。少し影響は残ったものの、かなり目立たなくなりました。
• etc

【追記終わり】

他の修理事例はこちら：

ニキシー管時計修理：破損したIN14の交換

動かなくなったニキシー管時計やキットでお困りの方、Twitterの　@TareObjects　までDMでご相談ください。フォロー外でもお気軽にどうぞ。

また直接取引がご不安でしたらココナラ「ニキシー管時計修理相談」をお使いください（ただし料金にココナラの手数料を上乗せさせていただきます）。

ココナラでのご依頼はココナラ記載の手順でお願い致します。

Twitterの場合には：

1. 現物写真、購入先URL、症状などをお知らせください。メッセージ等でやりとりをして修理可能かどうかを判断します。
2. 直せそうな場合、着手金として5,000円をご送金ください。
3. 私の住所をお知らせしますので、しっかり梱包した上でご送付願います。「ガラス製品」と書いてクロネコヤマトで送ると安全に届く確率が上がります（今まで破損なし）。
4. 届き次第、検査を行い推定原因と修理費の見積もりをお伝えします。修理費が折り合わない場合および原因不明の場合にはご相談の上、商品をご返送します。その場合でも着手金はお返しできません、予めご了承ください。
5. 修理費用は通常の場合前記着手金＋5,000円＋部品代ですが、特殊な作業が必要な場合についてはご相談とさせてください（今までそうなったケースはないですが念のため）。
6. 修理完了時には充分な時間動作確認を行った後、撮影した動画をお送りするとともに残りの代金をご請求申し上げます。残りの代金をアマゾンギフト等でご送金ください。入金確認後、ご指定の住所にご返送します。
7. 返送した日から3ヶ月以内に同種のトラブルが発生した場合には、ご連絡ください。無償で再修理対応させていただきます。
8. 最後に、作業中の事故・天災等により破損する可能性は皆無ではありません。ご依頼時よりも悪化したケースは今まで一度もありませんが、その場合には商品の返却とお預かりした金額の返金以上の責はご容赦願います。

なお、以下のような場合は難しいです。

• ケースが溶接・接着されていて開かない場合（1回ありました）
• 開けられることをご確認いただけると助かります
• 基板が樹脂で固められていて端子の電圧を見たりハンダ付けができない
• 腕時計タイプや中国の個人作家さんの製品にその傾向があります。前者は防湿のため、後者は機密保持なんでしょうか。
• 基板表裏面の写真を基板正面からと、斜めから明かりをかざして表面状態がわかる写真を撮っていただけると判断しやすいです。

お気軽にご相談ください。