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ウェアラブルデバイス: 機能的でお洒落なテクノロジー

Thought Leadership ウェアラブルデバイス: 機能的でお洒落なテクノロジー両親が若い頃の古い写真を見て、「どうしてこんな見苦しい服を着ていたんだろう?」と思うことがありますか? 私が特に気になるのは大きな眼鏡です。ファッションは重要です。流行は変化にするせよ、そのことは昔から変わっていません。モノのインターネット（IoT）やウェアラブル電子機器において、美観は多くの場合に軽視されています。設計者は機能と外観を同時に開発するのではなく、機能を先に決めて、外観とフォームファクターは後回しにする傾向があります。製品を売るためには、ファッションも重要であることを理解する必要があります。外観と機能を適切に両立させた、3つのデバイスを紹介しましょう。上品なギーク映画やテレビ番組を見れば、ギークは以前としてあまり外見が良くないことに気づくでしょう。Fonzieは、年をとってもBig Bang TheoryのSheldonよりもお洒落です。電子機器を購入する人々はオタクのように見られることを望まず、多くのウェアラブルはこの点で失敗しています。 IoTは我々が予測したほど急速に成長していないことが、最近のニュースで明らかになっています。これにはいくつかの理由があり、低消費電力ワイドエリアネットワーク（LPWAN）などのスマートビルディングテクノロジーが遅れていることもその1つです。ウェアラブルはIoT市場のごく一部に過ぎず、その主な理由は不便であることと、お洒落でないことです。利便性については既に解説しましたし、中高齢者から見たファッションの側面についても説明しました。高齢者は、自分の命を救ってくれるなら、格好の悪いデバイスでも身に付けるかもしれません。しかし他の人々は、時計が命を救ってくれることを期待していません。期待するには、時間が分かること、アラームで通知してくれること、歩数をカウントしてくれること、そして外見がいいことです。見た目が悪ければ、お金を費やす価値はありません。それよりは、時間を見るためにはお洒落な時計を購入し、それ以外は携帯電話を使用する方がいいでしょう。ガジェットは適切に動作するだけでなく、格好良く見えることが必要です。

PCB設計におけるDRC: 設計の失敗の防止

Thought Leadership PCB設計におけるDRC: 設計の失敗の防止私は長年にわたって小さなボートを所有しており、水上での趣味に使用していましたが、いくつかの重要なルールに従う必要がありました。ルールの1つは、ボートを水に浮かべる前に、排水プラグを必ず取り付けるということです。新しいボートをが沈んでしまい、回収するために泳ぐくらいなら、ただ泳ぐため水に入る方がはるかに安くつきます。ルールは自分たちを保護するためのものだということは、誰でも知っています。しかし、不注意または意図的に、ルールが無視されることもあります。回路基板の設計にも、従うべきルールがあります。さいわい、今日のPCB設計ソフトウェアにはデザインルールチェック（DRC）が組み込まれています。設計者はこれらを使用するだけで十分です。ルールは設計の失敗を防止するためのものです。基板のDRC 回路基板の設計のサイズや複雑性にかかわらず、デザインルールのチェックは行う必要があります。特定の設計は非常に単純なため、DRCに時間を費やす価値はないと主張する人もいます。しかし、最も単純な設計でも、予期しない設計違反を見逃したたために、大きな問題を引き起こす可能性があります。DRCにより、設計を製造のため提出する前に、設計の整合性を確認できます。回路基板設計のDRCは、ツールごとに名前や説明が異なるため、基板設計ソフトウェアでレイアウトに対してチェックすべき、いくつかの一般的な要素を以下に示します。基板のテクノロジーのルール : レイアウトツールでは、設計の各種物理パラメーターの有効性、たとえば物理レイヤーが正しく定義され、重複していないことをチェックできる必要があります。フットプリント : レイアウトツールは、設計に使用されているフットプリントを個別に、またはバッチモードでチェックできる必要があります。コンポーネント : レイアウトツールを使用して、コンポーネントが適切なフットプリント用に正しく設定されているかどうかをチェックできます。また、コンポーネントの間隔や位置が正しいことや、グリッド上またはグリッド外、および基板の予想される輪郭内に正しく配置されているかどうかもチェックする必要があります。ネット : 基板上の電気的なオブジェクト（ピン、ビア、配線、フィル、プレーン）のクリアランスや、他の電気的な制約をチェックするよう、デザインルールを設定できます。高速

高電圧PCB設計についての検討事項

Thought Leadership 高電圧PCB設計についての検討事項私は以前、高電圧の応用は電力工学だけに必要なものだと考えていました。発電所や変電所で働く気はまったくなかったので、高電圧PCBの設計について学ぶことを免れていたわけです。ところが、空間の応用に興味を持った時点で、その考えが間違っていたことに気付きました。そして、怠惰な自分と向き合わざるを得なくなってしまったのです。高電圧の応用は、製造や発電所から医療や航空宇宙まで、ほぼすべての業界に存在しています。高電圧の応用に向けたPCBの設計では、設計や製造の全工程でさまざまな内容を検討しなければなりません。基板は過酷な状況で稼働することが条件となっており、部品や材料の寿命に大きな影響を受けます。これに挑戦しようという意気込みがある場合は、レイアウトの作成を開始する前に、いくつかの検討事項を確認しておきましょう。動作周波数についての検討事項製品の動作周波数は、 ESD と同様に高電圧設計に影響を及ぼし、ノイズ管理は基板に影響を及ぼします。これは、高周波が低い電圧でアーク放電を成し、信号線の周辺でより厳重なスペースが必要になるからです。周波数帯のもう一端にある低電圧DCについても、特別な検討が必要になります。特定の環境条件では、DC差動がエッチングやエレクトロケミカルマイグレーションの原因になることがあります。これらはどちらも望ましいものではなく、エレクトロケミカルマイグレーションは高電圧設計の性能や寿命により大きな危険をもたらします。というのも、導体パッドやトレースに whisker と呼ばれる微細な導電性のフィラメントが「成長」し、最終的には電位間でショートが発生する可能性があるからです。ここでは少なくとも、アーク放電を成しやすいポイントが発生し、基板の効果的な沿面距離と空間距離が減少します。エレクトロケミカルマイグレーションはスズや銀で最も多く発生するものの、ときには銅でもフィラメントが破壊されることがあります。危険を最小限にするためには、不純物を含まないスズや銀をPCBの仕上げに使用しないことです。スズを使用する場合は、鉛の含有量が少ないものが推奨されます

PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法

Thought Leadership PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法デートで出掛けたディナーのパスタに髪の毛が入っていたということほど、悲惨な話があるでしょうか。口に入れた後に気付いたとすればなおのことでしょう。この悲劇を避ける方法は2つあります。ひとつは、料理を口に運ぶ前に髪の毛が入っていないかどうかを徹底的に確かめること。もうひとつは、料理に髪の毛が入ってしまう危険を完全になくすこと（ただし、この場合は別のレストランを選ぶ必要があるかもしれません）。PCBの設計では、2～3本の髪の毛がそれほど大きな損害をもたらすことはありませんが、QCではどんなに微細な短絡も大問題になります。短絡を見つけるのには時間がかかるうえ、その修正コストはPCB実装よりも高額になることがあります。レストランの食事に髪の毛が入っていては困るように、設計でも短絡が発生するのを回避しなければなりません。とはいえ、人間はミスをするものです。短絡を完全には回避できないかもしれませんが、成功事例を実践して危険を最小限にすることは可能なはずです。微細な短絡とは何か？どのように発生するのか？短絡は、関連していない2つの信号間の想定外の接続によって発生します。たとえば、正の電圧がGND信号と接続した場合には短絡と見なされます。信号が太い銅箔で接続されていれば、短絡は肉眼でも確認できます。これは、PCBが機械を使わずに手作業で作成されている場合にあてはまります。微細な短絡が懸念事項となるのは、PCBが機械で製造される場合です。これは、髪の毛のように細い銅箔が2つの信号を接続してしまうことがあるからです。こうした短絡は、実装されたPCBで一連のQCテストが実施されるまで、肉眼では特定できません。残念ながら、製造工程のこうした遅い段階で短絡が見つかると、それまでに費やした時間や原材料のコストは確実に無駄になります。短絡がどのように発生するのかを理解するためには、 PCB製造の一般的なプロセスを把握しておく必要があります。通常、PCBは非導電性の基板にラミネート加工された銅箔を使って製造されます。電気回路をPCBに実装するための一般的な方法は写真製版法で、電気回路の画像を含むシルクスクリーンのラミネートが、フォトレジストコーティングされたPCB上に配置されます。次に、PCBに紫外線（UV）が照射され、シルクスクリーンで覆われていない領域がアンモニアベースの溶液でエッチング除去されます。大半の場合、これらの処理は自動で行われ、問題がある場合は信号のパッドやトラックに接続する細い銅箔が残ることになります。製造後に徹底したテストを実施しない場合は、製造のその後の段階で不要な問題が発生する危険があります。大半の場合、微細な短絡を早い段階で特定することはほぼ不可能微細な短絡は適切な電気テストによって削減可能 PCB設計を独学で勉強した私にとって、製造後の電気テストを実施しなかったために大変な痛手を負ったことは最大の教訓の1つです。「製造後に必要な電気チェックは PCBの製造業者がすべて請け負ってくれる」と考えるのは安全ではありません。PCBを実装工程に送る前に、必ずフライングプローブテストなどの電気テストを実施して合格するようにしてください。フライングプローブテストでは、高精度のプローブが高速で移動しながらコンポーネントのパッドやビアをチェックし、製造での欠陥や設計のミスが特定されます。なお、電気テストは100%確実なものではなく、微細な短絡を特定できない場合もあります。とはいえ、欠陥のあるPCBを実装工程に送ってしまう危険は大幅に低減できます。また、電気テストを通過したPCBに欠陥が見つかった場合に製造業者が確実に補償してくれれば、危険をさらに減らすことができます。上記の場合、評判のよい製造業者であれば、欠陥のあるPCBを交換し、実装されたコンポーネントの費用を弁償してくれます。 PCBは実装工程に送る前に必ずテストすること微細な短絡の発生を削減するために設計者が実践できること

モノのインターネットのハードウェアプラットフォームのフレキシブル化

Thought Leadership モノのインターネットのハードウェアプラットフォームのフレキシブル化子供の頃に熱中したり執着したりしたものを覚えていますか? 私が若かった頃、誰もがポケモンと、子供でも触れる電子機器に熱中していました。これら2つの熱狂はやがて、たまごっちという最終的な流行に結びつきました。これは大ヒットして、携帯電子機器の人気と、小さく非現実的な動物に対しての子供たちの愛情を生み出しました。最近では、PCBにおける2つの熱狂、すわなちフレキシブル電子回路とモノのインターネット（IoT）が結合しました。自作用開発基板のようなハードウェアプラットフォームはIoTの誕生に役立ち、フレキシブルハイブリッドエレクトロニクス（FHE）はそのIoTを成熟へ導くために役立っています。技術者は、Arduinoのような大きなブランドと互換性のあるフレキシブルな基板や周辺機器の設計を開始しています。IoT開発者が必要とするコンポーネントを搭載した、使いやすい基板を設計することで、この動向に加わることができます。フレキシブルなハードウェアプラットフォームの利点完全フレキシブルおよびリジッドフレキシブルPCBは長年にわたり、航空宇宙などハイテク産業に限って使用され、ローバーが他の惑星まで飛行するために役立っていました。しかし今日では、これらのPCBの利点は地球に戻って、開発基板やその周辺機器に利用されるようになっています。フレキシブルなハイブリッド電子機器では、従来型電子機器の低コストや性能と、フレキシブル回路の容積やフォームファクターの利点を組み合わせて活用しています。一部の組織は将来の完全にフレキシブルな電子回路を構想していますが、現在のところはハイブリッドで妥協する必要があります。フレキシブルハイブリッド電子回路は、フレキシブルな基板に従来型のコンポーネントを実装するものです。従来型の電子機器コンポーネントは長年にわたり、コスト、速度、消費電力の点で高度に最適化が行われてきました。フレキシブルなアナログも多少存在しますが、比較すると性能的には見劣りするものです。また、十分に使用され実績のあるチップを使い慣れていることから、デバイスで簡単に使用できます。しかし、リジッドPCBには多くの欠点があります。主な問題点は曲がらずに折れる傾向があること、サイズ、および動的な圧力を処理できないことです。フレキシブル基板にコンポーネントを取り付けることで、これらすべての問題を解決できます。言うまでもなくFHEは曲がるように作られており、一部のFHEは 200,000回もの曲げ耐性があります。信頼性に加えて、折り曲げ可能な基板はフォームファクターも小さく、通常のPCBでは収まらないような領域にも折りたたんで収納可能です。

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

Thought Leadership 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