電気設計って、どうやってるの?:初めてプラ製品を作る人に伝えたいこと(4)

この記事では…
電気設計の作業や流れについて、よくご存じでではない皆さん向けに解説します。
(執筆:林光邦/株式会社テクノラボ 代表取締役)

今回のテーマは、電気設計です。

PlaBaseに寄せる解説記事ということで、電気設計について触れるのは少し範疇外かもしれないのですが、製品開発として知っていて損はないですし、外部に委託する場合でも最低限の概要だけは押さえたい話です。

詳しくならなくてもかまいません。ここではひとまず、ある程度、「分かった気になる」ことを目標にしましょう。

回路図の例

大枠としての電気設計作業の内容


エレクトロニクスの開発は、大枠としては次のような流れで進みます。

1)基本要求仕様の抽出
2)基本回路ブロックイメージの検討
3)基本の部品選定
4)原理試作の製作と検証
5)回路設計
6)プロトタイプ製作と評価
7)回路設計、部品選定の最終決定
8)量産部品の調達
9)量産試作基板の製作(基板実装)
10)通信、VCCI(電磁波規制の規格)など、各種試験
11)検査仕様の決定

個別に説明していくことは、「全体を見通す」という本連載の趣旨からそれてしまうので、今回は割愛しましょう。ただ「全体としてこんな流れで進んでいくのか」と、まずはご理解ください。その上で、素人である私たちが、どこを抑えると、「分かった気になる」でしょうか?

そのポイントを、以下3つまとめました。ここを押さえておけば、「分かった気になる」はずです。

電気設計で押さえておきたいポイント①:達成する機能


最初に行うことはエレクトロニクスが「作ろうとするもの」=基本要求仕様を決めることです。
一般には要求仕様とは「必要とされる機能」を列挙し、その機能を実行する手順をフローチャートにしてまとめたものを指します。 ただしその本質は電気回路を通じて「何をさせたいのか?」を明確にすることです。だからフローチャートではなくとも、誤解なく外注業者に意図が伝わればそれは基本要求仕様と言って問題ないでしょう。

例えば、簡単に挙げるならば、次のような要求も要求仕様といえるでしょう。

・患者さんの位置をリアルタイムで把握するために、患者さんにつけたタグから常に電波を発信させ、それをどこかで常に受信し続ける機能を満たしたい
・川の推移を計測し、その情報を30分ごとにクラウドに挙げる機能を満たしたい
・来場者の顔を撮影して、年代や性別などの属性に分析。来場時間ごとにその属性を記録する機能を満たしたい

……などです。

つまり装置に「やらせたいコト」を明確にするのが要求仕様と考えてください。そしてそれはいつ誰に聞かれてもブレずに答えられるようになっていれば、相手にも伝わるものとなります。

ただ多くの方は、この要求がしばしば頻繁にブレがちなので、加工業者が自衛のために依頼者の要請をフローチャートで縛り付けるわけなのです。

電気設計で押さえておきたいポイント②:部品選定


次に要求仕様を満たすために、どんな部品を使うかのイメージを固めます。

近年は電気部品が非常に進化していて、部品を組み合わせるだけである程度の機能が発揮できるようになりつつあります。自作パソコンのようですね。電気の知識が乏しくても、どんな部品があるかを知ることで完成する基板の構成が予想出来る訳です。

当社で良く委託を受けるIoT機器の開発を参考に、どんな風に部品を選定してゆくかを紹介します。

1)センサー類/カメラ等
まずはその装置にどんな情報を集めさせるかを考えます。 そしてその機能を満たすためのセンサーやカメラを選定します。センサーとは、温度や加速度、傾きや照度、CO2濃度など、色々なものを測る装置で、世の中には本当にたくさんのセンサーが流通していますから、ぜひ一度調べてみると良いでしょう。
そしてこれらのセンサーを使って集める情報が決まれば、電気仕様は結構明確になっていきます。

センサーの例(黄色い丸印)

2)通信モジュール/メモリー
次にその集まった情報をどうやって集計して、使用するのかを考えます。定期的に情報を人が回収するならばメモリーに蓄積すれば十分ですし、一方常に遠隔監視する必要があるならば、クラウドに挙げる必要があります。当然クラウドに挙げるために何らかの通信環境が必要です。通信環境として無線LANや「Bluetooth(ブルートゥース)」が使えるかも知れませんし、携帯電話のような3G・4G(携帯電話の通信規格の、第三世代と第四世代)回線が必要になるかも知れません。あるいは優先ケーブルをつなぐ必要があるかも知れません。

こうした通信の方法を決めることが2番目です(それによって通信用の部品が決まります)。

通信モジュールの例

3)マイコン/CPU
そして集めた情報をどのように処理するか、情報の質と量に応じてCPUのスペックが決まります。
カメラ画像を処理するなら高い処理能力が必要でしょうし、温度を送信するだけなら処理能力は低くても十分でしょう。当然CPUの処理能力が高いほど価格も高くなり、電力の消費量が増加します。バッテリーが大きくなり、発熱の問題も気にしなくてはなりません。

4)ディスプレイ/表示器
また集めた情報を端末でどう表示するかを決めるための部品を選びます。LEDライトだけで表示できれば安くて電力消費が少なくすみます。大型LCDディスプレイを使うとバッテリー駆動では電力が不足するかも知れません。

5)バッテリー/電源
こうした部品が決まるとそれらの部品が消費する電力量をもとに、バッテリーの大きさが決まります。電源をつなげっぱなしにできるならこの部分は不要ですが、携行を前提にする製品の場合はバッテリーが大きな制約になったりします。

6)スイッチ・接続用コネクタ
細かい部分では、電源ON/OFFや操作切替のためのスイッチや、カード抜き差しなどのコネクターなど、実際のユーザーが操作する部分の部品も、最初に考慮が必要なことが多いです。

このように機能に関連付けて必要な部品が洗い出されると、電気設計の大まかなイメージは掴みやすくなります。

電気設計で押さえておきたいポイント③:使用環境


もう1つ、気にしたいポイントが装置の使用環境です。

雨風がふきこむ場所で使用されるのか、落として壊される懸念がないのか、持ち運びのために軽く小さくする必要があるのか、逆に動かされないためにしっかり固定する必要があるのか?
こうした使用環境によって、上記の電気部品も使えるものと使えないものが出てくる点も配慮することになります。

3ポイントを押さえた後には?


上記のポイントを押さえた後、電気の専門家に開発を委託して基板を製作することになります。選定した部品によって、大体の機能や電気モジュールの予算等が決まり、「作ろうとするもの」がブロック図というスケッチで表現されていきます。

ちなみに最近はSBC(シングルボードコンピューター)と呼ばれるCPUと基本的な基板がすべてセットになっている便利なものも出回っていて、簡単なIoTデバイスならSBCにセンサーをつないでプログラムをインストールするだけで完成してしまうものもあります。「Arduino(アルデュイーノ)」とか「Raspberry Pi(ラズベリーパイ)」などと呼ばれるものが特に有名です。

SBCの例

さて今回解説した3つのポイントを押さえておけば、電気の専門家に対してもある程度対等な立場でディスカッションができるようになるはずです。

製品見積もりが高ければ、部品の再考によってコストダウンすることもできますし、逆に高機能な部品に差し替えて新たな用途を見つけることも出来るかも知れません。

今回のでちょっと電気のことが「分かった気になって」もらえたらうれしいです。

(次回へ続く)

プロフィール

林 光邦(はやし・てるくに)/株式会社テクノラボ 代表取締役

東京都立大学3年在学時に実家のプラスチック工場に入社し、そのまま社会人経験をスタートしたものの、数年後に倒産し廃業。その後、創業したばかりの株式会社エヌシーネットワークに入社。同社で工場のプロモーションと業務委託のための工場監査を担当し、300を超える町工場を訪問。

2004年、33歳で株式会社テクノラボを創業。平均年間60~80件程度の製品開発を行う。台湾企業とコラボして作った「foop」、インド製薬企業向けの医療機器開発、国内ベンチャーと協働した3Dホログラム造影端末など、黒子に徹しながら現在も多くの新製品開発に関わる。2018年より海洋ごみのリサイクル事業にも参入。

神奈川ビジネスオーディション最優秀賞など、ビジネスコンペティションの受賞多数。

趣味は、犬の散歩とごみ拾い。

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PlaBase編集部
PlaBase[プラベース]

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