野々山勤

平澤秀幸

高沢弘光

柳沢充亨

沼田由一

山田恭央

菊地広一郎

百瀬陽介

2007/12/04

Piezoelectricity（圧電効果）

Piezoelectricity（圧電効果）
圧電素子に圧力を加えれば、電荷は両端に移動された。図①のように天然水晶表面に圧力を与えて、電荷が移動して、Si+とO－は両端に集中してきた。天然水晶は最も感度の高くて安定性のよい素子材料である。

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天然水晶の以外、セラミック素子も使われいる。セラミック素子は出力の高くて、低のノイズの測定に適用する。
表①のように水晶素子とセラミックの特性：.
水晶素子 セラミック素子
天然圧電材料 人工SI材料
電圧感度が高い（直接電荷） 電圧カップリング感度が高い
強度が強い サイズと形状が自由に
安定性（長期間） 高温対応（1000 F (540 C)）
無ビロ電気 ビロ電気有り
温度係数が小さい 温度の指数
Table 1: Comparison of Piezoelectric Materials
さまざまのサイズと形状の素子が利用されている。精密ばねのように幾つのパタンがある。赤いのが水晶、矢印が力の方向である。加速度センサーは通常に重量塊を持っている。図に灰色に示している。加圧型は強度が強い、高頻度の圧／引力の測定に使用する。欠点は温度変化に敏感する。曲折型は小周波範囲、小ショック残留。シェア型はよく加速度センサーに使われって、周波数が広くて、横感度が低くて、ケース静圧力と温度から影響が少ない。

Figure 2: Material Configurations

Structures:（構造）
一般的な圧力型、気圧型、加速度型のセンサーの構造は図3のように。灰色部分はテスト台面、青い部分はセンサー室に綱いている、赤いのは圧電素子である。電極は素子表面に集中している電荷を電流にロックされて、黒い電極から導出する。ロック部分は黄色いで示され、マイクロ回路である。加速度型には緑部分、重量塊を含める。感度によって重量も違う。加速度を測定する時、重量塊Mは素子から力を受けて、Newton第二力論理F=MAで、加速度を簡単計算できる。圧力型と気圧型も素子に与えた力を計算できる。気圧型の場合は振動板を介して、圧力を収集する。

Figure 3: Sensor Construction
加速度、圧力、気圧の力学の相似性を持ってある。混在する時、分離しにくい。不要の成分の感度を落として、必要な成分を取り出す。例えば、精密な圧力センサーはよく補償して、加速感度を減少できる。もう一つ、温度変化をアンプ回路で補償して、温度変化率を減少できる。最後、シェア形状の構造も温度、往復運動とケース圧力などの影響を低減できる。
Signal Conditioning:（信号変換）

期待する信号を出力させるため、変換回路が欠かせない。図4のように、２つの方法で変換を実現できる。1）直接オシロに接続する。２）ICP(IEPE)変換回路に接続して、オシロで観測できる。ICPはセンサーに回路内蔵することでる。無ICPの場合はチャージモードと呼ぶ。

Figure 4: Sensor Systems
この内臓アナログ回路は幾つの機能を持ってある。１）チャージ信号をロー抵抗値の電圧信号に変換する。2）信号のアンプして、減衰を防ぐ。３）フィルタも入れられる。内蔵回路の位置はセンサーの精度を決定的に影響している。
ICP回路と言う概念は１９６７に大きく進展した。IC集積とマイクロ抵抗の製造技術の進歩によって、回路を小さくして、コストも安くなった。従来のICPは簡単化して、使いやすくなった。この２線の信号に、パワーと信号を１本線を共用して、もう1本の線はグランドである。ICP回路は素子材料によって違う。外部から１８～３０ＶＤＣを２ｍＡ低電流で給電する。システムの接続は図５のように：
Figure 5: ICP® Sensor System
このシステムの特徴は、１）内蔵マイクロ回路はロー抵抗値の電圧出力を出力する。２）低電流給電法はコストが低減できる。３）ＩＣＰの伝送電流は長距離で配線できる、ノイズの混入しにくい。４）温度に信号変化が少ない。５）同軸線とツイスト線で信号伝送できる。６）感度と周波特性が給電電圧に影響されていない。
チャージモードセンサーに同様なアンプを使用された。ただ、アンプユニートが外部に設置された。当時、内蔵のアンプはまだ開発されていなかった。初めての圧電素子センサーは１９５０年代に同原理で作れた。このセンサーがうまく行かなかった。外部高精度アンプのコストが高かった。現在、チャージモードセンサーは温度影響強い場合しか使わない。
確かに、チャージモードセンサーは幾つかの利点と欠点を持ってある。１）センサー出力がハイインピーダンスなので、信号をアンプする必要です。２）外部信号調節装置が必要である。３）環境の汚染（ケーブルモーション、電磁気、輻射）に影響されやすい。４）センサーを外部に独立して、高温に使用できる（１０００Ｆ／５４０Ｃ）。５）ローノイズケーブルが使われる。６）感度と周波特性は外部回路に調整される。
まとめ：
圧電センサーは他のセンサーに持たない特徴がある。利点（周波特性、アンプ増幅）と欠点（静態測定できない）は理解して、アプリケーションに正確に選択して使用する。

2007/12/14

3Dプリンター

担当の三原です。
今回は3Dプリンターなるものに触れてみたいと思います。

最近社内にて３Dプリンターという機器が少し話題になっています。
３Dプリンターとは３次元のCADデータ（立体的な図面）があれば、その形状をその場で造形できるすばらしい機械です。

プリンターというと紙に文字や写真を印刷するものですが殆ど仕組みは同じようなものです（インクジェットプリンター）
どういうものかというと、紙の代わりに粉を敷き、インクの代わりにボンドを塗布します。
普通のプリンターは印刷したら紙が出てきますが、3Dプリンターでは塗布したボンドの上に0.08mmくらいの間隔でまた粉を敷くということを繰り返して徐々に高くなり完成に至ります。
製品を横から輪切りにした絵を積み重ねていくイメージです。
粉を使用しないタイプもありこちらはABSという樹脂を熱で溶かして非常に細い線を重ねて造形するタイプです。

例えば、トランシーバーを作ろう！となった時にケースをどうするか？？
デザイン等が決定して最終的には金型というものを使用して作成するのですが、それまでが大変です。金型を作成するにはお金と手間が非常に掛かるので、気軽に作成することは許されません。
しかし、CAD上で描いた図面だけでは実際に基板を入れたり各種スイッチや金物、ネジ穴や上下ケースの勘合性などが分かりません。通常モックサンプルなる金型を使用しない製品サンプルを作ります。そのサンプル作成も結構な費用と日数が掛かります・・・。
そんな時に３Dプリンターがあると数時間でサンプルが作成出来ます！　
しかも、１個あたりのコストは数百円なので業者さんに依頼することを思えば激安です！
さすがに業者さんのサンプルの出来栄えには及ばないものの勘合性や部品配置の問題点などを確認するには十分な性能があると思います。

しかしながら、実はアイテックにはこの3Dプリンターはありません。
導入したいなー ・・・というところから検討が始まったばかりです。
次回コラム執筆時には導入されていることを願いながら今回はこの辺で！

2007/12/27

マイコンのお話し

担当の高沢です。

今回は組み込み機器では欠かせないマイコンのお話しをしたいと思います。

マイコンは大別してＣＩＳＣ型とＲＩＳＣ型に分けられます。

ＣＩＳＣ　・１命令で複雑な機能を実現する命令を持つ。
　　　　　・複雑な命令を実現するために内部構造も複雑になり、処理速度の向上が難しくなる。
　　　　　　組み込みマイコンではルネサスのＨ８シリーズやＮＥＣの７８シリーズこれに該当します。

ＲＩＳＣ　・１命令の長さが決まっているので同時実行しやすく、複数命令の同時実行により処理
　　　　　　速度が上がる。
　　　　　　組み込みマイコンではルネサスのＳＨシリーズやＮＥＣのＶ８５０がこれに該当します。

一般的に価格やサイズを優先する場合（特定小電力や微弱などの無線通信など）はＣＩＳＣ型を、
高速性を優先する場合（画像処理や高速通信など）はＲＩＳＣ型を使います。

プロセッサという観点からみると他にＤＳＰがあります。
ＤＳＰは演算を如何に高速で行うかに特化したプロセッサです。
信号処理の演算はΣ（シグマ）の数式が登場します。
このΣは乗算と加算が使われ、高速化の為、乗算と加算を同時に行う必要があり、
DSP内部に積和演算回路を用意されています。
ただ、近頃の高機能マイコンには積和演算回路が実装されているので
マイコンとＤＳＰの区別が少なくなってきています。
ＤＳＰは年々高速化されてきていますが、あくまでソフトウェア上で動作しますので
処理には限界があります。
更なる高速が必要な場合はハードウェアでシステムを構築する必要があります。
ここで登場するのがＦＰＧＡです。
ＦＰＧＡについては当社発行のメルマガ（柳沢執筆）を読んでみて下さい。

今後、システムの複雑化、高速化などが進みソフトウェアで実現させるのか
ハードウェアで実現させるのかトレードオフを見極める技術が必要になって
きています。

参考になりましたか？今回はこのへんで．．．．

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