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機構設計者とPCB設計者

PCB開発と機構設計者の関係

PCB開発における機構設計者は、基板と筐体を適切に組み合わせ、製品として成立させるための重要な役割を担います。

機構設計者は、PCBを収納する筐体の設計(基板主導設計)や、既存の筐体に合わせた基板サイズ・形状の決定(機構主導設計)を行います。また、機械図面の作成、試作・評価用レイアウトの設計、コネクタやケーブル、ワイヤハーネスの設計なども担当します。

設計にあたっては、電気設計チームと連携しながら、製品の機能性、信頼性、製造性を確保することが求められます。そのため、機械設計の知識に加え、3D CADやモデリングツールの活用スキル、材料や製造プロセスへの理解も重要です。

機構設計者は、電子設計と機械設計の橋渡し役として、製品開発を円滑に進めるために欠かせない存在です。

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プリントエレクトロニクス設計とは何ですか? プリントエレクトロニクス設計とは何ですか? 1 min Blog 機構設計者(メカエンジニア) 電気技術者 機構設計者(メカエンジニア) 機構設計者(メカエンジニア) 電気技術者 電気技術者 プリントエレクトロニクス設計とは何か?答えは簡単です。それは電子設計です。電子設計を行うために、回路理論、数学的計算、コンピュータベースのシミュレーションを利用します。プリントエレクトロニクス材料を使用して製品の電気的機能と性能を設計します。材料が重要なポイントであり、プリントエレクトロニクスに使用される材料は、従来のPCBで使用される材料とは異なる電気的性能特性を持っています。さらに、 プリントエレクトロニクス材料を使用して異なる方法で電子機器が構築されます。PCBのトレースがどのように行われるかはよく知られています。最初に、電子エンジニアが設計し、電気的要件に基づいて寸法を定義し、設計が完成した後、製造ファイルがリリースされます。 製造では、例えば、マスクされたUV感光性フォトレジストフィルムをUV光にさらすことによって、設計ファイルに従ってPCBの銅上に電気回路をコピーすることでPCBが製造されます。次に、UV光にさらされていない銅がエッチングで取り除かれます。結果として、設計通りのトレースが得られます。その寸法は正確であり、電気的要件を満たしています。プリントエレクトロニクスでは、新しい設計ルール、材料、製造方法を使用して同じ結果を達成する必要があります。 プリントエレクトロニクスの設計の入力と出力は、基本的にPCB設計のそれと同じです。入力と出力の間のコツも同じです:エレクトロニクス設計です。材料情報と設計ルールを設計プロセスに取り入れ、出力は製造ファイルです。PCBとプリントエレクトロニクスのエレクトロニクス設計において同じ物理法則が有効であり、これらが何ができるかの境界を設定します。PCBで作られた回路とプリントエレクトロニクスで作られた回路は、全く同じ機能を持つことができますが、回路設計は見た目も実際にも異なります。これは、電気回路に使用される材料の物理的能力と限界のためです。両方の回路で、インピーダンスを介して電圧差を適用することで電流を流す必要があります。両方の回路で同じ電流を流すためには、インピーダンスを同じレベルに調整するか、回路固有の電圧レベルを設定する必要があります。これらのパラメータは、プリントエレクトロニクス設計で通常扱う必要があります。インピーダンスを微調整し、正しい電圧レベルを設定することで、最適な解決策を探しています。 エレクトロニクス設計では、最終製品の材料特性を知ることが不可欠です。PCBからは、銅の厚さ、シート抵抗、その熱特性、PCB材料の誘電率などを知ることができます。印刷エレクトロニクスからも、まったく同じパラメータを知る必要があります。銀インク導体の最終厚さは何か、その平方抵抗はどのくらいか、基板材料の誘電率はどのくらいか?これらの新しい材料に対して、エレクトロニクス設計を実行します。オームの法則、キルヒホッフの回路理論の法則、マクスウェル方程式も印刷エレクトロニクスに適用されます。市場には数百種類の異なる導電性インクがあり、それぞれに独自の平方抵抗率があります。一部のインクは高い導電性を持っています(それでも通常、純銅よりはるかに高い)が、硬化後には全く伸びることができません。他のインクは硬化後に伸ばすことができますが、導電性はさらに悪いです。エレクトロニクス設計では、最終硬化後に使用されるインクの平方抵抗がどのくらいであるかを理解することが重要です。 別の設計上の課題は、印刷エレクトロニクスに使用される材料パラメータが使用される生産方法に依存することです。導電性インクの印刷方法、これらの硬化方法、導体の下に印刷された他のインクがどのように影響するか、例として、最終的な平方抵抗に影響を与えます。生産を変更する場合は、レイアウト設計を変更する必要があるかもしれません。または、その生産は設計の電気回路要件に応じて設定されなければなりません。印刷エレクトロニクスの製造方法を知っていることが非常に重要です。これはPCBでは違いはありませんが、これらがどのように構築されているか、この特定の生産の制限は何かを知る必要がありますが、PCBでは、製造方法はより標準化されており、各製造は基本的にわずかな能力差を持って似ています。印刷エレクトロニクスでは、まだこのレベルにはありません。 導電性インクは、いくつかの方法で印刷することができます。最も使用されている方法は、スクリーン印刷とインクジェット印刷であり、Googleで検索すると他にも多くの方法が見つかります。印刷プロセスに関連する重要なことは、製造能力とその制限を理解することです。トレース間に必要な最小クリアランスはどれくらいですか?何層の導電層を使用できますか?トレースの最小幅と最大幅はどれくらいですか?使用する予定の生産の設計ルールに慣れ、これらの設計ルールに対して設計をチェックしてください。PCB設計ツールで利用可能な多くの設計ルールは、正しいルール定義で印刷エレクトロニクス設計にそのまま使用できます。製造に電子設計ツールがサポートしていない設計ルールが含まれている場合、手動で設計ルールチェックを行う必要があります。たとえば、印刷された誘電体で隔てられた複数の導電層を使用できる場合、1層目と2層目の導電層トレース間には、同じ層上に印刷されたトレース間と全く同じ設計ルールが適用されることを意味します。そして、これは標準のPCB設計ツールではサポートされていません。 また、印刷された電子機器には機能を得るためのコンポーネントが必要であり、印刷された電子回路上のコンポーネントの組み立ては標準的なはんだ付けプロセスではありません。印刷電子機器に使用される典型的な材料はプラスチックであり、これはPCBやFPCと比較して熱特性が異なることを意味します。これは、接着材料も異なることを意味します。低温はんだ、導電性接着剤、またはその他の接着材料は、印刷電子機器のSMAに典型的であり、これらはコンポーネントのための特別なフットプリントを必要とする場合があります。コンポーネントの下にトレースを配置できますか?特別なキープアウトエリアが必要ですか?印刷電子機器にどのようなコンポーネントを配置できますか?これらは、PCBのSMAと比較して異なる視点から考える必要がある質問です。さらに、表面実装組立のための製造ファイルは異なる場合があります。ペーストステンシルファイルを使用できますか、それとも代わりにディスペンシンググルーマップを提供する必要がありますか?SMAが何を要求するか事前に確認してください。 プリントエレクトロニクスは比較的新しい技術領域であるため、材料特性や製造方法に関する情報は、PCBと同じ規模で利用可能ではありません。さらに、異なる電気特性を持つプリント導電性インクが大量に存在し、特性は製造装置や方法によって完成品でどのように表れるかが異なります。設計は、新しい材料や製造方法に対する電子工学の理論を実装することに依存しています。私にとって、電子設計とは、理論、物理学、数学を利用して電気的機能性と性能を保証することを意味します。これらの方法は、入力として材料の知識を必要とします。プリントエレクトロニクスでは材料情報が不足しており、時には計算の裏付けなしに決定が行われることがあると私は見てきました。それは設計ではなく、推測に過ぎません。そして、それは電子設計ではありません。 次の PCB設計でAltiumがどのように役立つか知りたいですか? Altiumの専門家に相談するか、Altium Designerのドキュメントで 印刷電子機器について読むか、 印刷電子材料や Tactotekでの印刷電子機器に関するポッドキャストを聞いて、基板に直接電子回路を印刷する方法について詳しく学んでください。 記事を読む
製造性を考慮した設計は部品選定から始まる 表紙 製造性を考慮した設計は、部品選定から始まります 1 min Blog 機構設計者(メカエンジニア) 技術マネージャー 機構設計者(メカエンジニア) 機構設計者(メカエンジニア) 技術マネージャー 技術マネージャー 試作ビルドの2週間前、あるチームは、数か月前に定格電流を理由に選定した基板対電線コネクタが「新規設計非推奨」(NRND)に変更されていたことを知ります。その部品を扱っている唯一のディストリビュータの在庫は、必要数量を下回っており、メーカーの補充納期は40週間との回答でした。最も近い代替品は同じケーブルと嵌合できますが、フットプリントが異なり、高さも約1mm高くなります。 そこで電気設計者はコネクタ周辺を再配線することになります。しかし高くなったハウジングが筐体内のボスと干渉し、機械設計者はそのボスを移動して金型見積もりを取り直さなければならず、結果として試作ビルドのスケジュールは数週間遅延します。 この一連の手戻りは、すべて最初のコネクタ選定にさかのぼります。その部品は単一メーカー製で、選定当時から在庫は薄かったにもかかわらず、電気的仕様だけを基準に採用されました。そしてNRND通知が出るまで、誰も再確認しなかったのです。Design for manufacturability(DFM)は、こうした初期判断に生産要件を織り込み、リリースまで継続して見直せるようにする考え方であり、ほとんどの電子製品では、その判断を機械設計と電気設計が共同で行うことを意味します。 重要なポイント 初期の部品選定、アーキテクチャ、製造方法の選択は、製品コストの主要因を決定づけます。したがって、それらの判断を行う際には生産要件も考慮する必要があります。 部品を最初に選定する際に、ライフサイクル状況、パッケージ、ディストリビュータ在庫を確認し、そのうえで認定済み代替品、または対策計画をBOMに記録しておきましょう。 推奨部品リストによって固有部品を減らし、スタックアップを決める前に、製造業者の対応可能なスタックアップ構成とインピーダンス許容差を入手しておきましょう。 コネクタ選定や部品高さのような共有判断事項は、早い段階で機械設計者と電気設計者が一緒に決めるべきです。 製造コストはどこで決まるのか コスト見積もりに関する研究で昔からよく言われている経験則では、製品コストの約70%は設計初期段階で決まるとされています。『Design for Manufacturability』の著者であるDavid M. Andersonも、予算の観点から同じ傾向を説明しています。すなわち、設計が完了する時点では製品予算のうち実際に使われたのは約8%にすぎない一方で、その時点ですでに約80%のコストが実質的に確定している、というものです。どちらも概算ですが、示している内容は同じです。つまり、コストは早い段階で固定化されるのです。 各プロジェクト段階は、それ以前の判断の積み重ねの上に成り立っています。そのため、問題の発見が遅れるほど、一般に修正コストは高くなります。大規模なハードウェアおよびソフトウェアシステムにおけるエラー修正コストの増大を定量化した NASAの研究では、要求定義段階で1単位のコストで修正できる要求エラーが、設計段階では3~8単位、製造段階では7~16単位、統合・試験段階では21~78単位のコストになることが示されました。 こうして固定化されるコストの多くは、日常的な設計判断のほんの一部から生じます。以下の4つの実践は、機械設計者と電気設計者が最も直接的に制御できる項目に対応するものです。 レイアウト開始前にコストを下げる4つのDFM実践 記事を読む