EDN Japan連載「Wired, Weird」

チップ部品の搭載数が増えるに従って、実装不良は増加する。だがチップ部品の実装プロセスを理解すれば、多くの不良は防ぐことができる。今回はSMDのチップコンデンサやSMTリレーの実装不具合例について説明する。

電気電子機器の回路基板を設計／製造する上で、リレーとフラックス、および洗浄液が不具合の原因になることは多い。表面実装部品の1つであるSMTリレーについても、取り扱い方を間違えると同様の不具合が発生するので注意が必要だ。

現在の電気機器では、プリント基板にFR-4などのガラスエポキシ（ガラエポ）材料が広く使われている。本来、ガラエポ基板は不燃性であり、基板が単体で燃えることは無い。しかし筆者は、部品が実装されていないにもかかわらず、ガラエポ基板が燃えるという珍しい事故に遭遇した。今回はこの事例を紹介する。

産業機器のZ軸モーターには、電源をオフする時に加工物や可動部が落下しないように防ぐブレーキ機構が搭載されている。このブレーキの制御基板が壊れるというトラブルに、筆者はこれまで何度か遭遇した。そうした事例を調べると、ハードウェアの実装や、制御ソフトウェアの設計に問題があることが分かった。

産業用メカトロニクス機器の不具合解析に従事する筆者の元には、電源を入れたままコネクタを抜き差しする“活線挿抜”が原因で故障した製品がよく持ち込まれる。たとえ機器の設計者が活線挿抜を仕様上「禁止」としていても、現場のユーザーはやむを得ない事情で活線挿抜をしてしまう。設計者もユーザーも、これが故障につながることを認識すべきだ。

RS-485規格のシリアル通信方式は、FA機器の分野に広く普及している。ところが故障品の修理を手掛ける筆者の元には、機器の内部で通信を担うトランシーバICが壊れ、通信不良に陥った機器がたびたび持ち込まれる。調査したところ、電源を入れたまま通信コネクタを抜き差しする“活線挿抜”が、原因を作り出していた。

基板の回路図ではFPGAは単なる「ボックス」状のシンボルとしてしか描かれておらず、そこから入出力の情報を読み取ることは不可能だ。しかしFPGAの内部に構築された回路を把握しなければ、入出力の条件は分からないのである。それが障壁となって、不具合のトラブルシューティングを阻んでしまう。

15年ほど前、筆者は大手メーカーのサーボシステムで危険な事故に遭遇した。そして最近、奇しくも同じメーカーのモータードライバの修理依頼を受け、詳細に回路を確認したところ、安全設計の欠如が見つかった。サーボシステムは近年では“お掃除ロボット”のような製品にも採用されており、消費者のごく身近に存在する。安全の軽視は“すぐそこにある危機”だといえるだろう。

DC-DCコンバータの性能改善が著しい。半導体メーカーが優れた制御ICを数多く開発しているからだ。そうしたメーカーは詳しい技術資料も提供しているので、ともすれば設計者は「DC-DCは簡単だ」と錯覚してしまう。しかし、技術資料をよく理解した上で設計に取り組まなければ、思わぬ落とし穴にはまってしまう危険性がある。

筆者の経験では、電気製品が不良になる原因は十中八九、電源部にある。特にスイッチング電源やモータードライバでは、ある種の部品が共通して問題になる。1988〜2000年にかけて製造された電解コンデンサだ。その時期の電気製品が故障したら、これを真っ先に疑ってほしい。今回は、筆者が実際に遭遇した事例を挙げて説明しよう。

電子システムの設計といえば、かつてはハードが中心だった。設計作業の重点は、回路基板そのものにあった。今ではマイコンやFPGAの活用が進み、すっかりソフト志向になっている。PC上でファームやロジックを設計し、デバッグまで完結する。非常に便利だ。半面、モノづくりの実感を持てる機会が減ってはいないだろうか。

照明用のLED電球がスーパーやコンビニでも販売される時代になり、価格も1000円程度と手ごろになった。その一方、LED照明で目が疲れたり気分が悪くなったりしたという報告もある。原因はちらつきだ。部品代わずか数十円の簡易光センサーで、購入前にLED電球のちらつきを確認すれば、健康被害を回避できる。

さまざまな機能の回路がIC化されて流通している現在、個別素子のトランジスタを使う機会は少ないという方もいるかもしれない。しかしトランジスタは応用範囲が広く、使いこなせばとても便利だ。今回は、通常はオペアンプICやコンパレータICを使って構成する回路を、わずか3個のトランジスタで作る方法を紹介しよう。

フォトカプラは、初期不良と経年劣化以外の要因で不具合を起こすことがないと信じられている。しかし筆者は、この“壊れるはずがない電子部品”に起因する製品の不具合を何度か体験している。最近になって、その不具合発生プロセスを解明できたので紹介しよう。

電子回路に広く利用されているトランジスタは、長期間使用しているとブレークダウンに起因する劣化や破損を起こすことがある。ブレークダウンの要因は基板内に隠れていて見つけにくいが、絶対最大定格のある項目に注意を払うことで問題を解決できることがある。

表面実装に対応したチップ部品を使用する機会が増えている。その一方で、チップ部品の特性を良く理解せずに回路を設計して基板を製造すると、想定外の“落とし穴”にはまり込んでしまうことがある。

「無効電力を利用するLED照明」は、商品化を考慮するとまだ安全面などに問題がある。そこで今回は、安全対策をはじめとする、商品化のために改良した回路設計の結果について報告する。

LED照明は多数のLED素子を直列に接続するので、注意深く作業していても部品の取り付けミスを犯しやすい。そこで、基板に実装されたLED素子の故障や極性の確認を簡便に行う検査方法を紹介しよう。この検査方法ではDCモーターの発電機能を使う。

試作したLED照明は、実際に利用する前に、きちんと動作することを確認するための試験を実施する必要がある。組み立てを終えた後で、LED照明にいきなりAC100Vを印加すると、接続ミスや部品ミスが存在する場合に基板の焼損や部品の破裂が発生してしまい、せっかく製作したものが無駄になりかねない。

安価なLED照明は、おいしい部分（AC90V以上）でしか電力を消費しない。これが高効率の秘密だ。そのため、より多くの無効電力が発生してしまう。

LED照明はよいことばかりではない。これまでの照明にはなかった落とし穴が幾つかある。例えば、発光タイミングの問題や発熱が少ないことによる問題、力率の問題だ。低力率に対応するには、LEDの電源回路に工夫が必要だ。

単純なスイッチング電源には、課題が2つある。高調波を多く含むことと、無効電力が増えてしまうことだ。これを防ぐためにPFC回路が役立つが、PFC回路にも欠点がある。そこで、1つの方策を提案したい。

スイッチング電源は、変換効率の高さから従来のシリーズ電源を置き換えた画期的な電源だ。だが、登場した当初は安全性に課題が残る製品も多かった。例えば、焼損である。どうやってこの問題を解決したのだろうか。

ICソケットには課題がある。使いやすいが、機器の信頼性が落ちるからだ。筆者がぶつかったICソケットにまつわる不具合と、その原因を紹介しよう。

Z軸モーターを利用する装置が稼働している際、停電が起きると、Z軸モーターと搬送物が一緒に落下して破損してしまう。そのため、Z軸モーターには必ず落下防止用のブレーキが付けられている。今回は、このブレーキに関連する問題を取り上げる。

ソレノイドバルブは、電気信号をポンプなどを動かすための「エアー信号」に変換する部品だ。応答時間が短く、電気信号を機器内部で直接使わずにすむという利点がある。ただし、消費電力が大きいという課題がある。どうすれば解決できるだろうか。

部品の数を減らせば、製品の信頼性は上がり、コストダウンにつながる。まずはICの数を抑え、次にディスクリート部品を調べる。重要なのはICと部品をうまく組み合わせることだ。インバータの活用例などを紹介する。

ICが普及した現在でも、リレーはノイズが多い環境での入出力用インターフェース部品として活用されている。筆者は、リレーのメーカーが提示している注意事項を十分に確認して回路設計を行っているが、それでも事故が発生してしまったことがある。

部品や基板の焼損事故を引き起こすCMOS ICのラッチアップ。このラッチアップの引き金となるのは、装置を使う人（装置側）と装置を作る人（回路側）の意識の違いである場合が多い。

マルチメーターの赤と黒の端子はどちらがプラスの電位になっているのだろうか。測定時にかかる電圧はどの程度なのだろうか。意外なことに、機器ごとにばらばらだ。そのため、測定対象の部品の劣化を招くこともある。

強電と弱電はどちらも電気を扱う。強電の知識の中には、弱電に役立つものもある。特に有用なのが「スイッチ」に関する知識だ。

アナログオシロスコープは、1機種の使い方を覚えれば他機種も同じように扱うことができる。これがデジタルオシロスコープとの違いだ。波形の同期の取り方やX-Y表示などを題材に、使い方を紹介する。

一言でダイオードといっても、回路全体を見渡して用途に応じたものを使わなくてはならない。回路保護用ダイオードを例に、使い方を示した。

ロジック入出力にはどのような盲点があるのだるか。例えば、オープンコレクタ信号の波形には特有の癖があることだ。過大入力から回路を保護するための直列抵抗にも似たような課題がある。最後に放電抵抗の必要性についても触れる。

2つの装置（回路）のグラウンドがつながるような場合、原因が分かりにくい不具合が生じることがある。故障や誤動作を防ぐには絶縁（アイソレーション）用のフォトカプラが有用だ。グラウンドパターンに溝を入れるという対策が有効な場合もある。

音の発生源はインダクタ。PWM制御は使っていたが、可聴音が出るような周波数ではない。では何が原因なのだろうか。トラブル解決策とあわせて解説した。