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汎用コントローラーを2つのPCBに分割した方がよい理由 汎用コントローラーを2つのPCBに分割した方がよい理由 1 min Thought Leadership 私は常に、成功のためには他者の成功を真似し、失敗を避ける必要があると考えてきました。私が職務を始めた頃は、Raspberry Piのような単一基板のコンピューターは存在せず、Arduinoを産業アプリケーション向けに真剣に考える人はいませんでした。私が自分で設計した汎用コントローラーのメンテナンスを初めて行うことになったときの苦労を想像してみてください。それは、火災警報のコントローラーで、50本を超えるワイヤーが手作業でネジ止めされていました。私は、障害のある8ピンのEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）を交換する必要がありました。顧客は不満を持っており、私はこの作業を迅速に、間違いなく行うよう圧力をかけられていました。このときから、私は汎用コントローラーの設計を複数の物理モジュールに分割するようになりました。同様に今日、Raspberry Pi は産業用アプリケーションに使用されています。これはコストだけではなく、そのモジュール化設計のためでもあります。 汎用コントローラーとは 電子機器産業におけるコンポーネントと労働力のコストが増大し続けていることから、 デザインのフットプリントを最小限にする のは論理的です。しかし、汎用コントローラーの設計においては、長期的にこれが最良の選択肢ではないこともあります。 スマートフォンやテレビのような民生用電子機器とは異なり、汎用コントローラーは一般的な仕様で設計され、多くの場合に小規模で使用されます。ファームウェアが異なれば、同じコントローラーでも異なる機能を果たすようになります。例えば、同じコントローラーを支払い機のコントローラー、セキュリティ管理コントローラー、または単純なデータ監視ステーションとして使用できます。 一般的な汎用コントローラーは、次の部分で構成されます。 マイクロコントローラー（MCU） SRAM、 FRAM 、フラッシュ、EEPROMなどのメモリチップ 周辺機器インターフェイス（イーサネット、USB、 RS485 記事を読む
PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？ PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？ 1 min Thought Leadership 自分の手掛けたものを誰かに修理してもらわなければならないとき、私は技術者としての落ち度を感じてしまいます。それが電子機器であれ、たまにしか担当しない木工品であれ、まずは自分で何とかしてみるまでは助けを求めたくありません。ただし、配管となると話は別です。その場合は すぐさま 助けを呼ぶことになります。 自分が手掛けた製品は自分で修理したい―そんな衝動が働きますが、問題なのは多くの企業がそれを求めていないことです。ケースを空けるために専用のドライバーが必要になったために、ラベルを破いて正式に保証を無効にしたことは数え切れないほどです。しかも、バッテリー交換のためだけにです。ここで専門的なアドバイスを1つお届けしましょう。どうしてもバッテリーを交換したいのに、細長いネジ穴に対してドライバーが小さすぎるとします。この場合は、プラスドライバーと輪ゴムでどうにか対処できることがあります。まず、輪ゴムを細長いネジ穴の上に置きます。不安定な細長いネジ穴にドライバーがしっかりと、はまるまで押し込み、ネジを外します。 とはいえ、開けたケースが混乱と後悔の詰まったパンドラの箱に化けてしまったこともあります。LCDモニターは、VCRの焼け焦げたコンデンサーを交換するのとは大違いなのです。 自分が手掛けた機器の修理に対してどんな考えを持っていても、製品の設計を開始する前には、消費者による修理について必ず考慮すべきでしょう。消費者が自分で製品を修理できるようにするのか？消費者が自由に修理業者を選べるようにするのか？それとも、企業が提供するサービスや特別に訓練された技術者だけを利用できるようにするのか？では、いろいろな選択肢を比較しながら、関連する法的要件についても見ていきましょう。 社内での対応 多くの製造業者は、消費者が自分で製品を修理できないようにしたいと考えています。悩ましいところですが、多くの場合にこれにはもっともな理由があります。高電圧、傷つきやすい部品、特許で保護されたコンポーネントは、適切な予防措置がない状態で消費者に機器の分解を許可していない、という明確な理由です。 社内ですべての修理を行う場合は、送られてきた修理品や現地での修理に対応する十分に訓練されたスタッフが必要です。一方で、製品が「消耗品」であれば、修理するよりも新しいものに取り換えたほうが安くつく場合もあるでしょう。この場合は故障率を把握して、保証期間中に問題が発生したすべての製品を交換する体制を整備しなければなりません。 指定した技術者に修理を委託することもできるでしょう。 修理の選択肢を提供する 消費者が製品を修理できるものにしたほうが容易な場合もあります。コンポーネントの複雑さによっては、交換部品の販売が新しい収益源になることもあります。私が勤めていた会社では、元のハードウェアの交換と同じくらい独自のバッテリーの交換に対応していました。これは、プリンター用の新しいインクの購入に似ています。 いずれにしても説明書は作成する必要があるため、特別に訓練された修理業者を説明書に記載して提供することもできます。ここでは、適切なガイダンスと免責事項も含めておきます。たとえば、エンジン、回転翼、高電圧など、製品の中には安全に扱わないと危険なものがあるからです。警告ラベルが必要なコンポーネントが製品に含まれる場合は、修理ガイドに説明を明記しておきます。 オープンな修理については、諸経費を大幅に節約し、長期的にサービスを提供することができます。これは技術者にとってもありがたい話です。 法的要件 どの方法を採用するかにかかわらず、法的な要件についても考慮する必要があります。「消費者が合法的に所有している製品を自分で修理することは許可されるべき」という指針に基づいて、米国の複数の州で 「修理支持」の法律 の制定が進められてます。また、海外では修理に対応できないという議論もあります。これは特に、農業や自動車の業界にずっと依存してきた地域経済にとっての強力な動機でしょう。 一部の大手企業は、この法案に積極的に反対しています。多くの場合、これは特許を取得できる設計に関して懸念があるからです。また、顧客にメンテナンスサービスを提供するための独占請負契約からの収益を守りたいと考えている企業も数多く存在します。 中小企業では、請負契約や売上の競争が激しくなるでしょう。この法案の支持者は、独占的なサービスでなく顧客サービスによって成り立つ市場を期待しています。修理する権利を持つ消費者は修理したハードウェアを売買しやすくなるものの、それによって企業の全体的な売上が減少する可能性があります。 記事を読む
超低電力の不揮発性メモリの誕生を予測させるスピン波技術の飛躍的な前進 超低電力の不揮発性メモリの誕生を予測させるスピン波技術の飛躍的な前進 1 min Thought Leadership 私の大学では、量子力学が必修須科目ではありませんでした。何かを真に「理解する」ことは不可能で、わかるのはその確率だけだ、というのが前提だったのです。私には少しばかげた考えのように思えました。その後、私は上級電磁気学と信号処理を学びましたが、意味のわからない膨大な量の数字に対処しなければなりませんでした。一部の学生がこの講義を選択してくれたのは本当にうれしいことです。現在の量子技術を飛躍的に進展させてくれているのは、彼らにほかならないのですから。最近、ある研究チームがスピントロニクス（スピン波エレクトロニクス）での発見を詳述した論文を発表しました。この発見によって、メモリなどの実際のスピントロニクス デバイスのための道が切り開かれるかもしれません。こうした記憶装置には、不揮発性や超低電力駆動といったいくつかの強みが備わることになるでしょう。これらの利点は、モノのインターネット（IoT）などの組み込みアプリケーションにとっては最適な選択肢になる可能性がありますが、フラッシュメモリにとっては手ごわい競合になるでしょう。 スピン波技術 最近の大躍進の話に進む前に、まずはスピン波技術がどういうものなのかを確認しておきましょう。その後で、研究者チームが発見した内容についてご紹介します。 従来の電子機器では、電子電荷を使って情報の保存と操作が行われます。 トランジスタには、電流を流すオンの状態と電流を流さないオフの状態 があります。スピントロニクスでも電子が利用されますが、情報は電荷特性ではなくスピンを使って 保存されます 。電子スピンにも2つの状態がありますが、これらは放射される小さな磁場を測定することで識別されます。この研究チームは、エレクトロニクスのベースをトランジスタからスピンに置き換える方法を見つけたのです。 最近、シンガポール国立大学のチームは、スピン波の分野を 飛躍的に進展させました。スピントロニクスの問題の1つは、異方性が原因で波信号の方向がバラバラになってしまうことのようですが、Adekunle Adeyeye教授が率いるこの研究チームは 新しい構造 を使って、同じ信号を複数の方向へ同時に伝搬させました。この構造では外部の磁場が必要ないため、実装がより簡単になります。チームは以前、外部の磁場がない状態で スピン波信号を送信、操作する方法を発見しました。これら2つの発見を組み合わせれば、スピントロニクス デバイスの誕生にさらに近づけるでしょう。 電子は次のトランジスタになるかもしれない スピントロニクスの強み 新しいからといって、それが必ず役に立つとは限りません。では、スピン波の技術は何を実現してくれるのでしょうか？ スピントロニクスにはメモリの応用に活用できる 記事を読む
Google Glassの仕組みと使用されるコンポーネント Google Glassの仕組みと使用されるコンポーネント 1 min Thought Leadership かつて、Arthur C. Clarkeは「 十分に進歩した技術は、魔法と区別がつかない」と言いました。それが真実であれば、Googleは大勢の魔女や魔法使いを雇わなければなりません。長年にわたって技術の限界を押し広げてきたGoogleでは、たくさんのアイデアが実を結ぼうとしています。 自動運転車 などの製品が実現しつつありますが、私個人としては Googleが出資に参加している スマートセンサー プラットフォーム に 希望を託しています 。とはいえ、期待されている最も素晴らしい技術といえば、何と言ってもGoogle Glassでしょう。2012年と2013年に世間を驚かせたこの製品を見て、私たちはインターネットが目元で利用できる世界に思いを巡らせました。先日、Glassが エンタープライズ・エディション （Glass EE）として復活することが正式に発表され、この夢の世界が職場で現実のものになろうとしています。そこで、最初のGlassの仕組みと利用されたコンポーネントについて確認したうえで、新しいGlass EEで利用されるコンポーネントについて考えてみたいと思います。 仕組み Google Glassの長所の1つは単純明快なことです。私が最初にGlassを目にしたときは、何かの魔法のようなものを使って機能しているのに違いないと真剣に考えたほどです。しかし、さらに調べてみると、Googleの技術者は私たちと同じように魔法を使えない普通の人たちでした。彼らは優れたプリズムとプロジェクターのシステムを使って、情報を直接ユーザーの目に送っているのです。送信された情報は、一方のアームに搭載されているチップと小さなコンピューターで収集、処理されます。 記事を読む
高齢者向けのお洒落で機能的なウェアラブル テクノロジー 高齢者向けのお洒落で機能的なウェアラブル テクノロジー 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 最近、スマートウォッチで年を確認したことがありますか? 2017年現在、私は若い人たちがウェアラブルを身に付けて歩き回っているのはよく見かけますが、年配の人が付けているのはあまり見かけません。これは、 アメリカ人が高齢化 し、さらに多くの人々が今後数年間に統計上の高齢者に加わることによる 新たな機会を示して います。年配の人たちは、若い人たちとは異なる理由でウェアラブルを必要としています。年配の人たちは、自分たちの安全を保ち、健康状態を監視してくれるデバイスを探し求めています。ただし、他の人たちと同じこともいくつか気にしています。具体的には外観と利便性です。現在市場に存在するデバイスのいくつかは、高齢者向けのウェアラブル テクノロジーがどのような外観であるべきかを的確に示しています。 高齢者を対象にする PCBおよび製品の設計者の大多数は高齢者ではないと考えていいでしょう。我々はまだそれほど年をとっていないため、高齢者の必要や要求を予測するのは多少困難です。ほとんどの人たちと同様に、高齢者も見た目と利便性については気にしています。また、ウェアラブルを使用して自分たちの健康状態を確認し、健康を保つことにも関心を持っています。 私の祖母は、見た目に気を使っています。アルツハイマー病にかかった後でさえ、祖母はほぼ毎日、きれいなシャツと宝石類を身につけています。高齢者は同様に、ウェアラブルの 外観が良いことも 望んでいます。シャツから大きなペンダントがはみ出しているようなものはお洒落ではなく、便利でもありません。若い人たちにとって使いやすさは長所ですが、必須ではありません。若い人たちはメニュー操作やリストのスクロールを簡単に扱えます。しかし、重度の関節炎を患った人にとっては、小さなタッチスクリーンの小さなボタンをクリックすることは 簡単ではありません 。高齢者向けのデバイスを設計するときは、高齢者の物理的な機能障害を考慮し、使いやすさを最優先にする必要があります。また、この巨大な市場に参入するには、外観の良さも求められます。 ウェアラブルがこのくらい見た目が良ければ申し分ないでしょう。 機能に関する限り、高齢者は歩数を数えることは考えていません。これらの人たちは、自分たちの健康上の問題点をトラッキングするために役立つデバイスを求めています。高齢者の90%以上は最低1つ、 77%は2つ以上 の慢性疾患を抱えています。ウェアラブルは、睡眠習慣、脈拍、ストレスレベルなどを記録し、これらの疾患の管理に役立つことが可能です。病気と関連して、転倒も高齢者にとっては大きな心配点です。高齢者にとっては腰の怪我が 死を意味する 場合もあるため、転倒を記録し、可能なら予防することが重要です。自社のデバイスが機能の点で他社のものを凌駕することを期待するなら、創造的になる必要があります。創造性からどのような製品が生み出されるか、いくつかの例を紹介しましょう。 記事を読む
PCBでリンギングが発生する理由とその解決方法 PCBでリンギングが発生する理由とその解決方法 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 最初の電気工学ラボで、スイッチの出力をデバウンスするための回路を作りました。オシロスコープの画面で、最初のガタガタした信号とその後のデバウンスされた出力を見たのを覚えています。生活の中でこんなに害のないものが、そんなに 面倒になるなんて、心の底から不安に感じました。それが、信号ノイズやアーチファクトに対する苦しみの始まりにすぎないことを、1年生の私が知らなかったのは、幸運でした。リンギングは、製品性能について特にイライラさせられる効果の1つです。 リンギングとは何か? PCBや他の電子システムでは、リンギングとは、オシロスコープで見ると池の上のさざ波のように振動する電圧出力または電流出力のことです。その振動は、電源オンやスイッチ切り替えなど、入力信号の突然の変化に対する反応です。 多くの場合、振動によって出力信号は、上限と下限の両方で許容範囲を外れ、徐々に滑らかになります。振動が許容範囲内に収まるのにかかる時間を、整定時間と呼びます。 出力信号の独特の形のため、リンギングを時々「リップル」と呼びます。ただし、普通、リップルは、ACスイッチト電源を使用し、電源が、適切にまたは十分にAC波形を抑制しない場合の出力を特に指します。 リンギングの原因は? リンギングの源は、電源の他に、トレースが「長い」か短いかによって異なります。 一般的な目安では、デジタル回路で、（負荷までと戻りの）ラウンドトリップ伝搬時間が、信号立ち上がり時間と同等の場合、トレースは「長い」と考えられます。ストリップラインまたはマイクロストリップの作業をしている場合、少し複雑になるので、経路長および、リンギングなどの伝送路効果を最小化する出発点として Glen Dash のページを推奨します。 長いトレースと短いトレースに戻ります。トレースが短い場合、リンギングの原因は、寄生インダクタンスや寄生容量です。パルスまたは入力の突然の変動によって、寄生コンポーネントが、その固有振動数で共振し、出力にリンギング効果が現れます。長いトレースでは、リンギングの原因は、インピーダンスのミスマッチによる信号反射である可能性がより高くなります。 信号ノイズで、大学生の私は過度に不安を感じましたが 業界に入れば、信号ノイズが破滅的結末をもたらす場合もあります。 リンギングがシステムにどう影響するのか? ノイズの多いオシロスコープのために実存の危機に苦しむ、ということがなければ、素晴らしいことです。セラピーの費用がずっと少なくてすみます。それでも、リンギングは、あなたの人生や製品設計にネガティブな影響を及ぼす可能性があります。 EMIの増加: リンギングは、ノイズや干渉を生成する可能性があり、また、しばしば生成します。そのEMIは、基板に拡散または伝導し、さまざまな性能問題の原因となります。 電流フローの増加 記事を読む
スイッチングとリニアの電圧レギュレーター: どちらが電力管理回路に最適か スイッチングとリニアの電圧レギュレーター: どちらが電力管理回路に最適か 1 min Blog 目の前でコンデンサーが爆発したのを見たことがありますか? 私が電子機器の設計を始めたとき、まさにこれを体験しました。また私は、最初は「単純な」プロジェクトと設定されていたもので、パワーバジェットの計算に失敗しました。その結果、試作のPCBで電圧レギュレーターが、目玉焼きができるほど、またはもっと酷く真っ赤に焼けてしまいました。 それ以後に私は、設計の優雅さや洗練さはそれほど重要でないことに気付きました。電力管理回路の構成で間違いを犯せば、その設計は事実上無価値になってしまいます。パワーバジェットの計算、周囲の温度、そして私の事例では電圧レギュレーターなど中核の電力管理コンポーネントの選択が、PCBプロジェクトの成功を左右することがあります。 組み込みシステムにおける電力管理回路の機能 私は組み込みシステムの設計を10年以上行い、マイクロコントローラーの驚異的な進化を目にしてきました。マイクロコントローラーは、歴史的なZilogから今日のCortex M4プロセッサーまで進化してきました。Bluetooth LEやZiBeeなどのテクノロジーにより、組み込みシステム業界はさらに変革しました。しかし、電力回路を適切に設計する必要性は依然として変わっていません。適切な電力回路なしでは、このような優れたテクノロジーもただの「部品」にすぎず、しかも過熱し、溶けて燃えはじめ、悪臭を放つことになります。 コンデンサーを別として、適切に設計された電源回路の中心には必ず 電圧レギュレーター があります。その名前が示すように、電圧レギュレーターは安定した電圧を供給し、組み込みシステムが安定して動作できるようにします。電圧レギュレーターは高電圧の入力を受け付け、電子デバイスの動作に必要な電圧に降圧し、同時に安定化を行います。 3.3Vのコンポーネントが一般的になる前は、マイクロコントローラー（MCU）と集積回路（IC）はすべて5Vで動作していました。LM7805は単純な5Vのリニア電圧レギュレーターで、当時良く知られていた部品番号です。実際に、この製品は単純で極めて洗練されているため、今日でも一般的に選択されています。3.3Vが主流の動作電圧となったとき、LM1117-33が効率的なリニア電圧レギュレーターとして使われるようになりました。 リニア電圧レギュレーターの制限 集積回路が3.3V対応に移行した期間があり、この期間にマイクロコントローラーは急速に進化しました。設計者は従来、マイクロコントローラーの入力と出力の数を重視していました。その後で、UARTS、イーサネット、USBなどの統合された機能の数と、急速に増大していく処理能力に注意を向けるようになりました。やがて、リニア電圧レギュレーターは限界に直面することになりました。 これらの手軽なヒートシンクによって、リニアレギュレーターを冷却できます。 多くの人々は、リニア電圧レギュレーターを扱うとき、電流定格を絶対視するという初歩的な過ちを犯します。これが大きな問題となったのは、LM7805電圧レギュレーターの定格は5V、1.5Aだったためです。しかし、実際にこの電圧で扱うと、良くて一部のコンポーネントが溶け、悪ければプロセス内で燃焼が発生する恐れがあります。リニア電圧レギュレーターを選択するときは、最低でもあと3つのパラメーターを考慮する必要があります。 消費電力のレベルは、入力と出力の電圧差を考慮し、その値と負荷電流とを乗算することで計算できます。12Vを5Vにレギュレートし、組み込みシステムが100mAを消費するなら、消費電力は0.7Wです。これを念頭に、LM7805は最大125℃の温度で動作できることに注意します。この温度を超えると、溶解や燃焼など望ましくない現象が発生します。 しかし、TO-220パッケージの一般的なLM7805の熱抵抗は65℃/Wです。すなわち、周囲の環境温度に加えて、1Wごとに65℃だけ温度が上昇します。一部の地域では平均気温が約35℃なので、動作時のLM7805は100℃に達します。定格最大電流である1.5Aの10%未満しか使用していないにもかかわらず、許容される最大温度に近づくことになります。 スイッチング電圧レギュレーターが、文字通り冷静な選択である理由 リニア電圧レギュレーターは、その特性から 電力要件の大きい 記事を読む