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静電気と空気の絶縁耐力

静電気というのは電気を扱う製品にとって非常に厄介で、動作不良や故障を引き起こします。

もう本当に厄介です。

今回は筐体に入った電子装置について考えます。

というか、世の中に出ているほとんどの製品は箱に入っています。

その箱は金属製の場合もあれば、樹脂製の場合もあります。

さて、どちらが静電気が厳しいでしょうか。

正解は、樹脂製です。

金属製は電気を通しやすいので一見すると危険に思えますが、静電気が入ってきても筐体を通ってどこかに逃げて行ってくれるので、中身の電子部品には静電気が流れません。

ところが、樹脂製は電気を通さないので、静電気が入ってきたときに筐体に流れずに中身の部品に流れてしまいます。だから、壊れやすいのです。

このように静電気というのは電気が流れやすいところに流れていく性質があるので、「周りは絶縁体。電気を流しやすい部品は電子部品のみ」という状態が一番危険です。

大昔の製品ならとにかく、最近の製品はプラスチック筐体が多いので静電気が中に入りやすい状況です。

もしプラスチック(樹脂)の絶縁能力が無限大だとすれば静電気なんて怖くないのですが、実際には有限ですし、通常つなぎ目があるので隙間もあります。

静電気は薄いプラスチックの絶縁限界を超えたときや小さな隙間から製品の内部に入ってしまいます。

絶縁耐力

絶縁体の能力として、「絶縁耐力」という言葉があります。

ここでは静電気試験の目安である15kVで考えていきます。

例えば、空気の絶縁耐力は3.0kV/mmですので、15kVの静電気では5mmの空気があれば絶縁できるわけです。

……と言いたいのですが、実際の空気はホコリが浮いたり水分があったりで絶縁能力が低下しているので1kV/mm程度しかないらしく、15kVに対しては15mm程度なければ絶縁できません。

一般的なプラスチックであるポリカーボネートの絶縁能力は16-18kV/mm程度ですので、1mmの厚みがあれば絶縁できることになります。

素材の絶縁耐力を調べることで、何ミリあればどの程度の静電気に耐えられるか計算することができます。

距離の確保の仕方

上記の絶縁耐力から、15kVに耐えるには空気なら15mm、ポリカーボネートなら1mm程度の距離が必要になります。

静電気を打つ場所(=人が触れると想定される場所)から中の部品まで、これだけの距離を確保できれば静電気が中身に到達することはないわけです。

例えば、ものすごく大きな樹脂筐体の中に小さな回路が入っていて、スイッチなどが表面に露出していなければ、距離が15mm以上あるので空気だけで絶縁できて静電気は入りません。

しかし、実際の製品は筐体ぎちぎちに基盤や部品が入っていますので、そんな距離は取れません。

となると、空気の絶縁能力に頼ることはほぼ不可能で、プラスチックの絶縁能力に頼ることになります。

つまり、製品を1mm以上の厚みのプラスチックでくまなく覆って、どこに触っても人間の指と中身の部品の間にプラスチックが挟まるようにします。

しかし、問題はどうしても出来てしまうつなぎ目です。

このつなぎ目から中の部品まで15mm以上の距離があれば、空気が絶縁してくれるから問題ないのですが、そうはいかない場合はなんとかしないといけません。

1,つなぎ目を完全になくす:接着剤のようなものを流し込んで完全に固めてしまう方法です。最近は接着剤で完全に密閉してしまう製品も多いです。

2,嵌めあいを深くして15mm以上の距離を確保する:嵌めあいを深くすると、静電気が表面から中の部品に到達するまでの距離が長くなります。

どちらにしろ、面倒な代物です。

以上、小田切でした。

電子回路は意外とアバウトなシロモノであることについて

閑話休題的な話。

 

電子回路というのは「きっちり」したものだと大抵の人は思っています。

しかし、エンジニアは知っています。

「適当なもの」だと。

 

そして、適当なものだからこそきちんと動かすのが面倒だと。

 

たとえば、古典的なタイマーIC(555)とかで時間を測るとしましょう。

これはコンデンサに電荷がたまる時間で時間を計測します。

しかしコンデンサというのは普通に誤差が20%ぐらいあったりします。

なので、1分を測定しようとして設計したのに、ものによっては50秒になってしまったり、ものによっては1分10秒になってしまうわけです。

想像以上に適当な感じなのです。

 

抵抗だって5%も誤差があって、インダクタだって10%以上の誤差があって、CMOSのスレッショルドでさえ誤差があります。

その上、すべての要素が温度や経時変化でさらに変化します。

 

実は電子回路の中できっちりしていて精度の高いものは非常に限られています。

ハッキリ言って水晶振動子ぐらいです。

こいつは誤差が「20ppm(100万分の20)」とかなので、コンデンサなどで時間計測するのに比べて飛躍的に精度が上がります。

ほとんどの電子機器はCPUに水晶振動子が付いています。

だから、水晶振動子でクロックを刻んでいるから正確なのです。

水晶振動子を使用しない時間を測定する仕組みはどれも精度が数%程度です。

 

それ以外はすべて適当です。

高精度抵抗でも1%、そこそこ高精度な電源でも2%程度のずれはあります。

つまり、量産品は個別に調整しない限り、すべての部品で%単位のズレが発生してしまうわけです。

製品全体ではそれ以上のズレが発生することになりますが、それでも製品として成り立つようにしないといけません。

 

ということで、電子回路というものは「きっちりしたものを組み立ててきっちりしたものを作る」のではなく、

「誤差が大きくておおざっぱな物を組み立てて、それでもきちんと動くように考えるのが設計の仕事」

と考えてもらうと現実に近いかと思います。

 

以上、小田切でした。

適当に製品作っても売れませんよ

回路設計とはちょっと違うけど閑話休題的に。

 

自分が勤めていた会社でも自社商品というのを作っていました。

ボチボチ売れたものもありますが、ほとんど売れないものもありました。

というか全体的に見て、開発にかけたコストを回収できてないと思います。

 

なんでそんな風になってしまったのでしょうか。

どうも、「こういう製品を作ろう」と営業だとか役員が考えて作ってしまうのが原因のようです。

逆にある程度顧客になりそうなところにヒアリングして作ったものは、まぁまぁ使われました。

 

つまり、潜在顧客の意見を聞いて作ったものはよくても、こちらが思い込んで作ったものは駄目だったようです。

考えてみれば当たり前ですが、世間で流布している俗説などが悪い気がしています。

名経営者の伝記などで「世の中の人に調査しても新しいものは生まれない。新しい需要を作り出すつもりで新しいものを作れ」的な事が書いてあります。

これを信じれば、思いついた製品を作るのは悪くないように思えてしまいます。

 

なにが間違っているんでしょうね。

 

第一に、企画の本気度が違うんだと思います。

ホンダの創業者の伝記でも「俺はこれを作るんだ!俺はこれを信じているんだ!」みたい熱いパッションで作っています。

ですが、世の中の企画というのは「まぁ、こんなもん作れば売れるんじゃないかなぁ。別に自分はそんなに思い入れ無いけど」みたいなのが多いわけです。

これだけ本気度が違えば失敗するでしょう。

 

第二に、実際の開発ではほとんど新しい物を作ってないということです。

高度成長期に全く新しいジャンルの製品(ウォークマンとか)を作っていればたしかに新しいです。

これはリサーチしても作れない製品だったと思います。

しかし、世の中の殆どの企画というのは類似品があるわけです。

すでにある商品とちょこっとだけ違うものを作っているだけなんです。

だったらリサーチできるので、リサーチを活用したほうがいいですよねって話。

 

とまぁ、こんな感じで、伝説になっているような製品の開発の話というのは特例だと思うんです。

すべての製品の開発でそんな考え方をしていてもうまくいかないと思うんですよね。

なので、「人生をかけていない製品」「類似品がある製品」だったら素直に潜在顧客の意見を聞いてニーズに合わせて開発したほうが上手く行くと思います。

 

まぁ、人生をかけているような熱い製品が見つかれば、そのパッションで貫いちゃってもいいかもしれません。

 

以上、小田切でした。