今回は「迷い箱」にリクエスト投稿のあった、暗くなると自動的に点灯する自転車ライトの製作です。

　ナショナルPanasonicの自転車用ライトにサイクルセンサーライト「かしこいランプ」という商品があります。
　電池式で、走行中に暗くなると自動的に点灯するライトです。明るい時、また停車中は消灯します。

　「同じようなものを１００円ショップ商品を使って作れないか？」というのがご依頼でした。
　そして丁度それに使えそうな自転車用ランプもあったことから、今回の「かしこいっぽいライト」の製作に至りました。

　しかしなぜ「かしこい」ではなく「…っぽい」のでしょうか？
　それは記事を読み進んでゆくうちに明らかになります。

　基本になる自転車ライトは「ＨＥＡＤＬＩＧＨＴ(自転車のヘッドライト)」です。１００円ショップ他社でもほとんど同じ商品が販売されているのでどれでも構いません。
　追加の回路を組み込む隙間があれば市販の自転車ライトでも結構です。
　肝心の「暗くなったら点灯」「走行中に点灯」の機能を司る回路は最初は自作する予定でしたが、１００円ショップの自転車用品で左の「自動点滅スポークリフレクター」(株式会社タヤ製作所)があるということをお教え頂きましたので、今回の心臓部とも言えるパーツも１００円ショップ製品で賄います。
　いずれも１００円ショップオレンジで購入しました。

　さすがにこの２つを単に接続するだけでは「かしこいランプ」を再現することができませんので、少しだけ電子部品を追加して回路を組みます。

　「自動点滅スポークリフレクタ」から信号線を出して、「自転車のヘッドライト」の中に追加回路を組み込むという手もあります。それぞれのライトに電池が必要ですし、別々だと自転車への取り付けが面倒なので今回は「自転車のヘッドライト」の中に全てを組み込んでしまいます。

　「自動点滅スポークリフレクタ」の中の基板はこんな感じです。

　ＩＣチップ(黒いモールドの中)、振動センサ(青い部品)、光センサ(右下のCDS)、赤色ＬＥＤが２個と電池ホルダー金具が付いています。

　コンパクトな基板の上に最低限の部品で必要な機能を実現しています。
　振動センサは分解するとこのようになっています。
　真ん中が膨らんだ金属接点２枚でケースを挟んで空間を作り、そこに金属ボールが自由に転がれるようになっています。

　静止している時はセンサの傾きが小さい時はボールは空間の中央付近にあって下側の接点にしか接触せずに電流は流れません。
　同じく静止している時で傾きが大きな時にはボールは「フチ」のほうに偏って上下両方の接点に接触して電流が流れます。
　つまり静止している時にはスイッチがＯＮまたはＯＦＦの状態のいずれかで固定されています。

　振動すると、ボールが中で転がり接点間で非接触と接触の状態に不安定に変化します。
　つまり振動するとＯＮとＯＦＦの状態が変化するスイッチとなっています。

　振動センサーというと振動を感知したら何らかの信号を発する高度な物を想像されるかもしれませんが、振動を感知したらＯＮになるようなスイッチではありません。
　このような振動感知センサーは昔からあります。

　回路図はこのようになります。

　ＩＣの感知入力端子に振動センサー(スイッチ)とＣＤＳ(光センサー)が並列に接続されています。
　内部で高インピーダンスでプルアップされています。

　出力はよくあるオープンコレクタタイプでＬＥＤを点灯させているようです。
● センス入力のはたらき
　この回路がどのように振動を感知しているか、また暗い時だけ働くしくみについて説明します。

● 明るい時
　明るい時はＣＤＳの抵抗値が低いため、センス入力の電圧はＧＮＤに接続された状態になってほぼ０Ｖ近くに下がっています。
　ＣＤＳとは光が当たると抵抗値が小さくなり、光が当たらないと抵抗値が大きくなるセンサー素子です。

　この状態では振動センサーがＯＮになってもＧＮＤに接続する働きは既にＣＤＳが行っているので状態は変わりません。
　もちん振動センサーがＯＦＦになってもＣＤＳがＧＮＤに引き落としている限りセンス入力の電圧はほぼ変わりません。

　よって、明るい時にはＣＤＳの働きでセンス入力が常にＧＮＤに近いレベルになっていて振動センサーの状態変化は感知しないようになっています。

● 暗い時
　暗い時にはＣＤＳの抵抗値が高いため、ＩＣ内部でプルアップされているセンス入力の電圧は約２Ｖになっています。

　この状態で振動スイッチがＯＮになるとセンス入力の電圧は０Ｖに変化します。
　またＯＦＦに切り替わると２Ｖに戻ります。

　測定した結果、センス入力の電圧が１Ｖを通過する際にトリガーがかかり、タイマーがＯＮになってＬＥＤが点滅を始めます。

　トリガーは電圧が高いほうから低いほうへ１Ｖを通過する際と、低いほうから高いほうへ１Ｖを通過する際の両方でかかります。
　つまりは振動センサーがＯＦＦからＯＮに切り替わる時でも、ＯＮからＯＦＦに切り替わる時のどちらの変動でも感知してタイマーを動作させる回路となっているようです。

　振動センサーの構造上のしくみをちゃんと捉えて正確に働くような両エッジトリガー型のワンショットタイマーに設計されています。

● 「っぽい」感じになる不都合
　明るいとき、暗いときのそれぞれの動作はわかりました。

　では「明るい時から暗くなったら？」「暗い時から明るくなったら？」

　振動センサーがＯＮの場合は、振動センサーがセンス入力をＧＮＤに落としていますので並列に接続されたＣＤＳの抵抗値が変わってもセンス入力の電圧は０Ｖから変わりません。

　しかし『振動センサーがＯＦＦでＣＤＳの抵抗値が変わったら』

　センス入力の電圧は非常に素直にＣＤＳの抵抗値に応じて約０Ｖから２Ｖの間で変化します。
　もしその時に１Ｖを通過したら・・・・やはりタイマーにトリガーがかかってＬＥＤの点滅が始まってしまいます。

　光センサーと振動センサーを並列接続して超簡単に「暗い時には動作しない」回路を作っている弊害として、振動センサーがＯＦＦの状態ではまわりの明るさが変わった時に点滅してしまう「ちょっとおマヌケ」な仕様となっています。

　このおマヌケ仕様のせいで、自動点滅スポークリフレクタの状態では丁度中間の明るさに近い状態で点滅を始めると、自分のＬＥＤの点滅をＣＤＳが感知して永久に点滅を続けてしまうなど、ちょっと不便なところもあります。
　このまま「かしこいっぽいライト」を製作した際にも、停車中でも明るさがある範囲で変化すると勝手にライトが(数十秒〜無限に)点灯してしまうおマヌケライトになりますので、停車中はスイッチを切っておいて頂く必要があります。

　これが「っぽい」という名前の由縁です。

　「自動点滅スポークリフレクタ」の基板を使って「かしこいっぽいライト」を作る回路を考えます。

　まず１つ目は、点滅するＬＥＤ出力で安定して点灯する電球コントロール回路を作ることです。
　もし単純にＬＥＤ出力をトランジスタで増幅して電球を点灯させられる電流に対応させたとしても、点滅されたのでは前照灯としては不便です。ちゃんと点灯するようにしましょう。

　また「自動点滅スポークリフレクタ」は一回の振動で約５秒間点滅を続けますが、平坦な道を走っている時には５秒以上振動を感知できないこともあるので、振動を感知してからの連続点灯時間を２０〜３０秒程度に伸ばします。

　２つ目は「自動点滅スポークリフレクタ」の電源はボタン電池一個の３Ｖです。「自転車ライト」は単３電池４本の６Ｖですから、そのまま６ＶをかけるとＩＣがまた焼けてしまう可能性があります。
　一応実験してみると６Ｖでも焼けずに無事動作していました。
　ということは６Ｖを直接かけても大丈夫みたいなのですが、少しだけ安全の為に整流用ダイオード一個で0.6V程度電圧を下げて供給します。

　最初に作った時には元付いていた赤色ＬＥＤ２個は取り外してそのまま使用しなかったのですが、ちょっと回路を改良して動作モニター用に再利用するようにしました。
　振動センサーが振動を感知したかどうか、ICがちゃんと働いているかどうかを確認できて便利になりました。


　仮の回路図を書いて、ブレッドボード上でテスト回路を組んで細かな部品・定数等を決めてゆきます。

　改造回路図はこのようになりました。


　ＬＥＤの点滅出力をコンデンサの充電タイマーで点滅終了後約２０〜３０秒間は点灯し続けるようにします。
　ＣＲで簡易に時定数を決めているので電源電圧や周囲の温度でで多少時間が変わります。

　このタイマー回路は、通常はＣ１(220μF)に電源電圧とほぼ同じ電圧が充電されていて、トランジスタＱ１にはベース電流は流れません。(ですのでＱ２もＯＦＦです)
　振動を感知して自動点滅スポークリフレクタのＩＣ出力がＯＮになるとＩＣの中のトランジスタとＲ１(330Ω)を通してＣ１の電気は放電されます。同時にＱ１のベース電圧が下がりますのでＥ→Ｂにベース電流が流れ、Ｅ→Ｃ電流も流れますのでＲ４を通してＱ２(パワーＭＯＳＦＥＴ)にゲート電圧を加えてＯＮにし、ランプを点灯させます。

　自動点滅スポークリフレクタの出力は赤色ＬＥＤを点滅させる為の断続信号ですので、そのままではランプも点滅してしまいますが、ＩＣの出力がＯＦＦになっても放電してしまっているＣ１はすぐには元の電圧に充電はされませんので、Ｒ２とＱ１、そしてＲ３を通して徐々に充電されてＱ１が動作しなくなる電圧まで上がる間はＱ１からＱ２方向へ電流を流すことを続けます。
　このＯＦＦ遅延動作で断続信号であるＩＣの出力でも安定してランプを点灯させることと、断続が終了しても一定時間はランプが点灯したままにするタイマー動作を同時に実現しています。

　トランジスタＱ２(パワーＭＯＳ-ＦＥＴ)は使用する電球が普通の自転車ライト用のものや、数Ｗ程度の白色ＬＥＤまでなら問題の無い物を選んでいます。
　今回の設計では「自転車ライト」に最初から付いている4.8V 500mAのクリプトン球用に考えています。FET(2SK2231)の定格が５Ａですが、放熱板を付けていないので発熱等の事を考えて１〜２Ａ程度までが実用範囲です。

　タイマー時間が過ぎて消える際には5〜10秒かけてぼ〜っと消えてゆきます。(この時にＦＥＴが少し発熱します)

　Ｒ５(100K)はＱ１がＯＦＦの時にＦＥＴのゲートが回路から浮いてしまい、静電気などで誤動作しないようにゲート電圧を逃がす為の保護用です。
　Ｒ４(1K)はＦＥＴは電圧入力なので無くても問題はありませんが、パワーＭＯＳ-ＦＥＴの発振防止など「おまじない」の為に入れています。
　またパワーＭＯＳ-ＦＥＴが入手できない場合、パワートランジスタと置き換えてもそのまま動作するようベース抵抗にもなるように考えています。実際に2SC4685と取り替えても動作することを確認しています。(多少消える時のぼ〜っとする時間が長くなります)

　今回の回路では、待機中(消灯中)は回路に数十マイクロアンペア程度のごく少量の電流しか流れていませんので、電池が消耗することはほとんどありません。
　しかし長時間使用しないときは電源スイッチを切るようにしてください。

【ご注意】
　この回路の場合、電源スイッチをＯＦＦにしていた状態からＯＮにすると、コンデンサにチャージする時間(約30秒)ランプが点灯します。
　これは周囲が明るくても必ず点灯しますが故障ではありません。

　電池が減ってきて４Ｖを下回ると、電球はまだ(少し暗く)点灯していますがセンサー回路は動作しなくなって振動とは関係無くライトが点灯しっぱなしになります。
　暗い道でもサイドに取り付けた赤色ＬＥＤが点滅しなくなったら電池を交換してください。充電池の場合は一本が１Ｖを下回りますので終止電圧より低くなります、充電してください。

● 追加回路基板の製作
　今回使用した部品はこんな感じです。
　ユニバーサル基板に回路を組み立てます。
　だいたい２cm×1.5cmくらいの大きさになります。もう少しくらいなら大きくなってもライトの中に入ると思いますが、他機種のライトに組み込む場合の事を考えて最も小さくなるレイアウトで製作しました。

　電解コンデンサに手持ちの10V品を使用しましたが、6.3V品だともう少し小さくなるでしょう。

　電源など必要な配線は、基板裏の必要ヶ所に直接ハンダ付けします。

　部品の配置とパターンは下図の通りです。
　ちょっとギリギリサイズなので、Ｃ１とＲ１が多少干渉しますので、Ｃ１を左よりになるように配置してください。(干渉しない場合はそのまま)
　このライトのケースだともう１列ぶん広くしてもいいのですが・・・

部品番号	型番	単価
自転車のライト		105 円
自動点滅スポークリフレクタ		105 円
Q1	2SA1048	30 円
Q2	2SK2231	85 円
D1	10D1	20 円
D2	1S1588	10 円
R1	330 Ω	5 円
R2	100K Ω	5 円
R3	47K Ω	5 円
R4	1K Ω	5 円
R5	100K Ω	5 円
C1	220μF/6.3V〜	15 円
ほか	基板・配線材	約 100 円
合計		約 500 円
※ 部品の価格はあくまで目安です。

　トランジスタ、ＦＥＴ、ダイオードはこの型番のものが無い場合は互換品で結構です。不明の場合はパーツショップの方と相談してください。各店の在庫にあわせた互換品を選んでもらえます。

　2SA1048より、ポピュラーな2SA1015のほうが安い場合が多いのでQ1は2SA1015を選ばれるほうが良いかもしれません。
　今回はユニバーサル基板上に乗せますので、特に超小型を選ぶ必要はありません。(手持ちを使ったので…)

　D1の整流用ダイオード10D1(100V/1A)は整流用ならなんでも構いません。
　D2は小信号用シリコンダイオードなら同じく何でもＯＫです。

　トランジスタ、ＦＥＴ、ダイオードは熱に弱い部品ですので、ハンダ付けの際にはあまり時間をかけすぎて壊さないよう注意してください。
　ＦＥＴは静電気に弱い部品です。組み立て作業の際には体や服の静電気を必ず逃がしてから作業してください。

● 自動点滅スポークリフレクタ基板の改造
　自動点滅スポークリフレクタの基板も改造します。

　振動センサーとモールドの中のＩＣを除いてほかの部品を全て取り去ります。

　ＣＤＳは元付いていたパターンから配線して同じ所に接続しておきます。

　電池ホルダー金具が付いていたパターンから電源線を接続します。(＋赤と−黒)

　ＬＥＤのカソードに繋がっていたパターンからＩＣの出力信号を取ります。(茶の線)
　基板に取り付け方向を示す「↓下」の文字を油性ペンで書き込んでいます。
　後でライトの中に取り付ける時にはこの方向で「↓下」側が下方向になるように固定します。他の方向ではセンサーが細かな振動では反応しません。(※後で説明)

● 赤色ＬＥＤをライト両サイドに固定
　基板から取り外した赤色ＬＥＤを再利用します。
　このライトには両サイドにランプの光が漏れるように透明パーツが付けられています。そこに透明接着剤で赤色ＬＥＤをとりつけて、振動センサーが動作した時に赤色に点滅するようにします。

　元の回路では並列接続でしたが、今回は電源電圧が高くなりますので直列に２つ接続します。注意してください。

● ライト本体の電源金具の加工、ＣＤＳ取り付け穴あけ
　電池ボックス金具のうち、−側はそのままではランプ受け金具と繋がっていますので、一旦−側金具を引き抜いて、接続側に出ている部分を曲げて接続されないようにします。

　ヘッド部の真下に直径３mmほどの穴をドリルで開けます。
　これはＣＤＳをここに向けて固定して、明るさを検知するセンサー穴になります。
　下を向けてとりつけるのは街灯などの光の影響を受けなくする為です。
● 配線・接続
　必要な配線を接続します。

　基板間、電源・ランプ、赤色ＬＥＤのそれぞれを接続します。

　ＣＤＳはケース下部の穴にあわせて固定します。
　今回はすぐに固まるホットボンド(グルー)で固定しました。
　穴を下から見るとこんな感じでＣＤＳが奥に見えます。
　内側はそのままでは内部に漏れるランプの光を受けて誤動作してしまいますので、黒いテープ等で覆って内部の光に反応しないようにします。

● 仮組みテスト

　まずはここまでの状態で組み立て間違いや配線間違いが無いかをよーく確かめ、ＯＫならライトのヘッド部と電池を取り付けて動作テストを行います。

　正常なら「電源を入れると約20〜30秒間ライトが点灯し、５〜10秒かけてぼ〜っと消灯します。」
　明るい部屋の中で(ＣＤＳ穴側を電灯に向けて)ＣＤＳに光を当てておけば、消灯後にいくらセンサーを振っても再度点灯はしません。
　ＣＤＳをしっかり覆って光が当たらないようにすると(振動センサーが接触状態の場合は少し振ると)、赤色ＬＥＤが５秒ほど点滅してライトが「パッ」と点灯します。その状態で約20〜30秒でまた消灯します。
　ＣＤＳを覆ったままで消灯まで待ち、消灯したらこんどは振動センサーを振ってみてまた赤色ＬＥＤが点滅してライトが「パッ」と点灯することを確認します。また約20〜30秒で消灯します。
　点灯中にセンサーを振れば赤色ＬＥＤが点滅してライトの点灯時間は延長されます。
　これで動作テストは完了です。

　もし「点灯しない」「変なにおいがする」「煙が上がる」など、異常がある場合はすぐにスイッチを切って原因を探してください。
　「１分程度待っても消灯しない」場合も回路に誤りがあることが考えられますので、スイッチを切って回路の点検を行ってください。切り離したはずの金具の部分が接触してしまっている可能性もあります。

● 組み込み
　仮組みテストが完了したら、本番組み込みです。

　向かって右側に追加回路基板、左側に自動点滅スポークリフレクタ基板を同じくホットボンドで固定しました。

　自動点滅スポークリフレクタはセンサーの向きがあるので固定する時には方向に注意してください。
　製品により振動センサーの感度の高い方向が逆の物もあるようですので、仮組みの際にじゅうぶん試して方向を決めてください。

　左側のＬＥＤの足と自動点滅スポークリフレクタ基板が触れてしまいそうですので、基板のほうに絶縁テープなどを貼って接触しないようにします。

　「かしこいっぽい」ライトが完成しました。

　自転車ライト＋自動点滅スポークリフレクタ＋追加部品代で合計約５００円で「かしこいっぽい」ライトの完成です！

　外見だけではただの１００円ライトです。
　まさか暗い時に走ると自動点灯する「かしこいっぽい」ライトだとは誰も気がつかないでしょう。（ああ、あまりうれしくありません・・・）

　夜間の走行中は振動を感知するとサイドの赤色ＬＥＤが点滅しますので、外見から「ちょっと普通の１００円ライトと違う」ことがわかります。

　実際に走行テストを数日行いましたがかなり好調です。
　センサーの向きさえ間違わなければ、路面の１センチ程度の凹凸の振動でも感知して点灯します。点灯中は少しの振動でも点灯時間を延長するのでほとんど消えることはありません。(たまーに無反応になるのはご愛嬌)
　ためしにセンサーを逆向きや横向きにすると多少の凹凸では全然反応しませんでした。暗いのに全然点灯しないわ、大きな凹凸の無い道では30秒で消えてしまってライトを手で叩いて振動を与えないと無灯火運転になってしまうほど振動には無反応でした。
　センサーの向きは事前にしっかりと確認しておきましょう。

　今回は自動点灯回路をバイパスする「強制点灯スイッチ」は付けていませんが、必要な方はスイッチを付けてください。(切り離した金具の間を繋ぐスイッチ)

　「暗い時に走ると点灯する」ライトですが、「…っぽい」ちょっとおマヌケな所もありますので、明るさが頻繁な変わるような場所に駐輪していると明るさの変化で勝手に点灯してムダに電池が消耗してしまう可能性があります。
　振動センサーもちゃんと取り付けるとかなり敏感なので、暗い場所に駐輪中に人が自転車に触れたり、何かの振動で勝手に点灯することも考えられますので、心配な方は駐輪中はスイッチを切っておいたほうが良いと思います。
　本物の「かしこいランプ」はどうしているのでしょうね。

　尚、このライトは自動点灯ですがセンサーの個体差等で感度は変わると思います。
　今回改造したものは指定の方向では非常に敏感で少しの振動でも反応して点灯しますが、感度が落ちる物を使用したりとりつけ方向を誤って鈍感なライトになる場合もあります。
　如何なる場合も走行中に自動点灯が働かずにライトが点灯しない事、またそれにより発生する不利益にも責任は負いかねますのでご了承ください。
　改造は自己責任で、使用は趣味の範囲でお願いします。