アナログエンジニア

１９６９年学園紛争が吹き荒れた頃、卒業研究で微圧計を手作りしたことがある。

測定原理は、ガラス管に張った薄いゴム膜と鏡の小片、投光器、２個のCdSを使い、ゴム膜外周よりの傾きを光てこで拡大、電気信号に変換するものであった。

感度は抜群で、ドアの開閉に伴う室内圧力や音声波形も捉える事ができた。周波数特性も1ｋHz程度はあったらしい。製作費は数100円。

高感度の割に、直径数ｍｍの膜を使っているので、局所的な圧力変化波形も観測することができる。

薄いゴム膜の材質が天然ゴムであったので、数日でゴムが劣化する欠点があったが実験には差し支えはなかった。

この微圧計を用いて、水中への空気吹き込み時の圧力変化を詳細に解析した。空気流量は、泡式細管式の流量計を用いた。泡で空気の隔壁を作り、その移動速度をストップウォッチで計測するタイプのものである。

ストローをコップにつけて空気を吹き込むと、ぶくぶくと泡が出る。水と空気の界面には表面張力が働いており、泡が半球を超えると、泡が急激に膨らみ管から離れる。同時にあぶくは弾性球の振動ほ式に従って振動波形が認められる。

アナログエンジニアの原体験の一つである。製品を作るのでなければ、費用を掛けないで様々な実験ができるのだ。

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アナログエンジニア，私のブログタイトルであり，また私の本業でもある。

日常生活の記録の形式はあまり取っていない。

基本的にリンクによる引用，コメントは少ない。

では，何のためにこのブログを書いているか。

若いアナログエンジニア特にアナログ回路設計者への私の自己流の考え方を伝えるためである。

工学者の多くは，会社に所属して技術情報などに関する守秘義務を負う。退職したのちも同様である。

したがって，会社で得た情報は，会社の許可を得て公開した情報以外は書きにくい。しかし，今は技術士事務所を自営し，最低限の測定機材も持っている。自分の機材で取得できる，取得した実務的感覚・データを公開できるのである。

当面このスタイルを変えることはないだろう。

研究者ならともかく，理系人間の多数は会社に所属し実務的な多くの課題に立ち向かわざるを得ない。逆に大学などでは，論文ネタにならない活動は抑制される。したがって，アナログ電子回路のような泥臭いと言われる分野では，専門に研究なさっている先生方は実に少ない。

実務を知らないで，若い人にエンジニアとしての訓練を施すことができるのか。そこにアナログエンジニアの層の厚みと質の課題がある。

ポストドクの問題は承知している。しかし、社会は研究と教育だけで動いているのではない。企業のエンジニアは，多くの場合理論もさることながら，学際的な差し迫った課題の解決をしなければならないことも多い。そのニーズに「学」は答えているのだろうか。

また，アナログエンジニア不足を嘆く企業側にも，その責任の一端はあるだろう。アナログ技術者を黒子として使い捨ててこなかったか、疑問は残る。

そして、現実空間における多彩な現象を感じ取るのではなく、バーチャルの世界に子供たちを放置してこなかったか。高度なセンシング技術、電子機器に囲まれながら、その中身を知らない、知ろうとしない、知ろうとさせない社会に理系的な感性を持つ人間が育つ余地は少ない。

物は仕様書を描けばだれかが作ってくれるだろうという感覚では物つくりは成り立たない。子供たちは真に物を作る喜び以上に、厚遇されない職種に興味を示さないだろう。ここに理系離れの深刻さがある。

物つくりに努力し社会に何らかの形で貢献した，貢献できる人間の優遇策も必要であると考えるアナログエンジニアである。

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電力定格だけではなく、抵抗にも電圧定格がある。

最近は小型のチップ抵抗が増え、電圧定格が数10Vの部品も多くなった。デジタル部では電圧定格が制約になることはほとんどないが、電源系を含むアナログ回路、とくに高電圧を扱う回路では、電圧定格がネックになって部品サイズを決めることもある。

電圧定格を超えると、抵抗の信頼性は保障されない。抵抗パターンの閃絡もあり得るし、部分放電による抵抗値の変化もあり得る。

高電圧抵抗は細長く大きい。実装時のプリント基板の絶縁距離を確保するためにも大きくなければならない。

抵抗の電圧定格は、最大の電源電圧より低くて構わないが、他の抵抗による分圧効果も考えると同時に1故障時の過渡電圧にも耐えるような設計が望ましい。相対的に大きな基板面積を占めるので、むやみに余裕を見ることも現実的ではない。もちろん高電圧と高速性は相反する項目である。

使用する抵抗値が決まったら、まず、電力低格をチェックする。電源電圧・電流が決まっているので、中間の抵抗のみを真面目に計算する。もちろん、抵抗の電力定格はディレーティングして用いる。

故障しない部品はない。悲惨な重大故障や連鎖故障を回避するためにも、コストの問題もあるがせめて１故障では連鎖故障にならないようにしたいものである。抵抗の電圧定格違反は見落とされがちな項目であるが、進行性の故障に発展する可能性がある。

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通称パスコン。電源とGND（基準電位）の間に挿入する。

アナログ回路だけではなく、デジタル回路にも付加する。

部品の扱う電流と消費電流変化の速さに依存して、必要な容量値は異なる。リード線付きのコンデンサでは、品種、リードの長さ、太さによって寄生インダクタンスが変化する。

形状が小さいコンデンサほど、高い周波数まで電源バイパス効果を期待するので、素子の電源ピン近くに配置する。過渡電流は素子とコンデンサコンデンサで作るループを流れるので早い電流変化するループ面積を減らした方が効果的であるし、耐ノイズ性も向上する方向である。

コンデンサの周波数特性を比較してみれば一目瞭然であるが、同一品種なら容量値が小さいほど周波数特性が延びている。それで、必要に応じて、0.1μF前後のセラミックかフィルムコンデンサと数μF程度の電解コンデンサを並列接続で使うことがある。タンタルコンデンサは低インピーダンスとなる周波数が比較的広い。

電源回路は、電圧検出点で電圧を一定に制御しているだけで、電源回路電圧が一定であっても、部品のところで一定電圧になるとは限らない。寄生抵抗も寄生インダクタンスもある。遠くで消費電流の急峻な変動があると、その周りの電源電圧が変動する。

リード線付き部品で扱える周波数は数10MHｚ程度までである。チップ部品ならもっと高い周波数まで可能である。

電源パスコンは低インピーダンス回路なので、短絡故障モードのある電解コンデンサを使う際には焼損に留意する必要がある。一時、ヒューズ付きタンタルコンデンサが市販されていた。

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昨日、家庭用消火器のセールスがやってきた。キャッチフレーズは使用後の後始末が簡単な消火器。

値段を聞けば、通常の粉末消火器の3倍、泡消火器の数倍の値段である。なにか、コストパフォーマンスが変。

消火器は万一の時の備え、しかも有効期限がある。つかわないで有効期限が普通は来るのだ。しかも、新しい物を買えば消火器は専門店などに行けば引き取ってくれる。

消火器を使うような場面は一度も経験したことがない。万一の火災を消化するための、被害は大きいが使う確率の少ない保安装置だ。その時に、多少後始末が大変でも、担保しているリスクに比べて無視できる。

使用後の後始末が簡単で高価格なら、設置する目的上意味がない。有効期限が２倍で２割増しなら買う人もいるだろうが・・・。

せめて有効期限が２倍長く、１－２割増しの価格ならアピールポイントにはなるだろう。

当然、短時間の会話でお引き取りを願った。

これは、消火器の話であるが、基本機能はそのままに枝葉末節な高機能化の製品はいくらでも世の中にあふれている。

価格維持のためだろうが、コンシューマユースの製品では使わない機能や使ってみると十分こなれていない新機能を搭載した新製品だらけ。何か間違っているような気がする。

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コンデンサCの基本式は　CV＝Q　（V：コンデンサの両端電圧V：Qは電荷）である。このときには、電圧Vの向きと電荷の正負は同じ方向に取っている。

電荷Qは、電流Iの時間積分値であるから、電圧の時間微分値に容量Cを掛けたものが電流値となる。この電流値の向きは、電圧と同じ方向に取る。

コンデンサの端子電圧は、電流の時間積分であるから、電荷の初期値が問題になるとともに、その電圧は着目する時間内には急変できない。

電圧変化が正弦波であれば、定常状態でのコンデンサのインピーダンスは1/（ｊωC）となる。90°位相が異なるので、虚数単位ｊが付加される。

コンデンサにおいても、電圧と電流の向きの認識はとても重要である。

他の物理式においても、向きや符号を無視して公式丸暗記の方が多く見かけられるが、この状態では応用問題を解くことは難しい。

実用的なコンデンサは、誘電体を使うので、例外を除き温度係数は意外に大きい。

また、コンデンサのみの直列接続は、誘電体の漏れ電流を考えると不定になる。各コンデンサの電圧分担が現実的には確定しない。コンデンサは通常は直列接続すべきではない。

電子回路では一般的な部品であるが、信頼性を保ってその容量値を定数と考え得る状態には実用的にはない。抵抗部品は比較的理想的にオームの法則に従うが、コンデンサはCV＝Qの基本式のみではなく、コンデンサとしての2次特性への関心が不可欠である。

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ピンチ抵抗は、拡散プロセスで作る抵抗で比較的高いシート抵抗が得られる。

その構造は接合型FETとトポロジー的には同じなので、電圧依存性を持つ。浅い拡散と薄い絶縁膜で作ればFET特性になる。通常のアナログバイポーラプロセスでは、数10ｋΩ程度の抵抗を作るために用いられる。

この抵抗は電圧が高くなるにつれ、定電流的（抵抗値が高くなる）になるので、たとえば、カレントミラー回路に使い、オペアンプ回路全体の消費電流を決定する部分に使う。

ピンチ抵抗を用いれば、オームの法則に従う抵抗に比べ、消費電流の電源電圧変化の小さい性能が得られる。通常は、チャネル部に相当する部分にアルミ電極をつけて抵抗値を調整する。

MEMSで使われるピエゾ抵抗は通常ゲート電極を持たない拡散抵抗で作られる。ゲート電極のアルミ膜を付けると、アルミとシリコンの熱膨張差で温度によるヒステリシスが生じやすいからである。センサとして用いられるピエゾ抵抗は、ゲージファクタが100前後と大きいが小ひずみを測定する場合もあるのでｐｐｍオーダーの安定性が必要である。

ゲート電極のないFETは、通電とともにゆっくりと酸化膜表面の電位が安定状態に向かうので、非常にゆっくりとしたドリフトとそのドリフトの温度依存性が認められる。

この対策には、抵抗部の酸化膜の電位を固定してやればよいので、蒸着プロセスとエッチングプロセスを追加することになる。

MEMSセンサにおいて、構造物の微小化に伴い、浅い拡散あるいはイオン打ちこみによる抵抗体の形成と薄い酸化膜の使用は必然となる。ますます、FET効果は顕著になってくるだろう。しかし、安価な用途では、これらのドリフトを消去することなく通常プロセスで作られているであろう。

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私は「逆起電力」という言葉が嫌いである。

逆起電力という言葉は、インダクタンスの電流をｽｲｯﾁﾝｸﾞした時「逆起電力」という一定の電圧の発生を想起させるととともに、インダクタンスをｽｲｯﾁﾝｸﾞした時、電圧主導で回路状態が決まるかの表現になってしまうからである。

①実際には、インダクタンス電流は急変できないので、回路図に描いてなくとももっとも流れやすい経路＝電圧降下の少ない経路に流れる。

②そして、その経路の電圧が決まると、V=L・dI/dtで電流の減少率が決まる。

③電流Iの変化は②を時間的にたどれば、図表化できる。定量化できる。

ここで注意しなければならないことは、②でポテンシャル量である電圧の向きとフローである電流の向きを反対に取っていることである。

ｽｲｯﾁﾝｸﾞの瞬間にインダクタンスを短絡するなら、電圧は外部には発生しない。

よくあるインダクタンスのｽｲｯﾁﾝｸﾞ事例の不良事例として、コレクタ（ドレイン）負荷のインダクタンス電流を切ったときに続流の経路を確保しない例がある。、この場合はC-E耐圧よりも高い電圧の平坦部（コレクタ耐電圧の実力値）が出るとともに、原則として信頼性は保証されない。

アナログエンジニアは電流の切り替え経路を明示しないインダクタンスのｽｲｯﾁﾝｸﾞ回路の図表を好まない。正確な理解を妨げる。

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若い頃、なにかトラブルがあると上司に、あるいはその上司に現場を見てこい、実物を見てこいと何度も言われた記憶がある。

アナログエンジニアは、こと電子機器に関しては「百聞は一見にしかず」に組みしない。ソフトウェアも似たようなものだ。

現在の装置は複雑で、見ただけではわからない。予備知識を持たないで、装置の問題点解決の糸口が判るほど単純ではない。頼りになるのは、トラブル関連部位の図面などドキュメント類である。

それらの書類から、まずは、動作原理を理解し、次に設計上課題となる項目を絞り込んでいく。場合によっては、自社製品を再解析する。見所を把握した上で、現場、現物を見る。

私ならこうすると思った形になっているか、違っていたら、どのような設計方針ならこの形になるのか考える。

使用材料、部品に関しても、知っている材料、部品なら見ただけで判別がつくこともあるが、普通は判らない。この辺りも事前調査が必要である。

なのに、多くの会社では現場主義がいまだに、はびこっているような気がする。

電子回路で言えば、回路のブロック線図、部品の仕様書、実回路図、そして最後に実装状態である。

装置が複雑化する中で、旧来の現場至上主義、現物至上主義は通用しない。

特にトラブルシューティングの場合には、限られた時間で、多くの制約の下で原因究明と対策案を考えなければならない。現状把握が重要である。現状の大半の情報は図面、ドキュメントに含まれる。従って、私は、予備知識なしに現場へ出かけることは少ない。

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昨日、東京でアーチェリーの矢が同級生に刺さる事故が報道された。

生徒Aが矢取りに行く途中、他の一人BがAに向けて矢を番え誤射したらしい。

アーチェリーの基本マナーは、「射線の前方には立たない。前方に人がいるなら弓を下す」である。

アーチェリーは武器由来のスポーツであり、矢の威力は競技用の弓ならその威力は拳銃にも匹敵する。

この事故にはいくつかの問題がある。

まず、生徒Aが生徒Bに矢が残っている間に矢取りに前方に出たことである。普通は全員が６射し終わるまで、射線の後方で待機する。

生徒Bは複数の安全マナー違反を行っている。人が前方にいるときに矢を番えて引いたことだ。しかも、人の方に向けて引いている。

通常、アーチェリーでは素引き（矢を番えないで引く）場合であっても、人の方に向けて引かない約束だ。ゴム引きであっても人の方角に向けて引くことはない。

全日本アーチェリー連盟に所属している高校生とのことであるが、このマナーは知っているはず。高校のアーチェリー部所属の２人だそうだが、あまりにも不安全行為である。

矢が最も安価なカーボンファイバー製だとのことなので、初心者か、射場の道具を借用してのプレーであったのだろう。

アーチェリーは人力で引くので暴発の危険性は少ない。

この事件により、きちんとした施設できちんとしたルール・マナーで楽しんでいる一般アーチャー・競技者への影響を懸念する。

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