NSTDAのITAP事業でInGauge USB 2.1の回路を再設計し、CE/FCC試験に合格

課題の背景

この事例の課題は、お客様に届けるすべてのInGauge USBを安定して動作させ、CE/FCCの試験に合格させることでした。InGauge USBは、デジタルノギスなどのデジタル測定器から値を受け取り、USBケーブル経由のHID（Human Interface Device：コンピューターがキーボードとして認識するデバイス）としてコンピューターやタブレットに送信する機器です。そのため、測定値を紙に書き留めることなく、プログラムの入力欄にすぐ入力できます。

初代（V1.0）は回路基板へのはんだ付けと配線を一台ずつ行う必要があり、一部の機体ではデジタルノギスから値を取得できない、またはフットスイッチの信号を誤って読み取ることがありました。組立を誤ったものは廃棄するしかなく、回路もCE/FCC規格に対応する設計になっていませんでした。当社は、機器をお客様に届ける前にこれらの規格に合格することを目標としていました。

要件と制約

新しいバージョンは、InGauge USBの従来の機能をすべて果たしたうえで、プロジェクトの期間内に初代の弱点を解消する必要がありました。主な要件と制約は次のとおりです。

• デジタル測定器から値を受け取り、キーボードから入力するのと同じようにUSB HIDでコンピューターへ送信する
• XLRコネクタ経由でフットスイッチに対応し、作業員が踏んで値を送信できるようにする
• CEおよびFCCの試験に対応できる回路を設計する
• 試作機は製造前に高温・高湿環境で試験する
• 熟練者に頼る作業を減らす（初代は一台ずつはんだ付けと配線が必要だったため）
• プロジェクト期間の6か月（2020年7月20日 – 2021年1月20日）以内に完了する

なぜ既存の機体を一台ずつ修正せず、回路を新たに設計したのか

当社が回路を新たに設計したのは、旧モデルの分析により、不具合の原因が製造方法にあると判明したためです。一台ずつのはんだ付けと配線には熟練者が必要で、多数の配線を接続するためミスも起きやすい状態でした。そこで、メーカーで実装済みの状態で納入されるプリント基板（PCB）により、手作業のはんだ付けと配線を当社の工程からなくしました。

当社は機器の機能を変更せず、回路、製造方法、試験方法を見直しました。静電気・逆電流・短絡に対する保護回路は設計段階から組み込み、回路がCE/FCCの試験に対応できるようにしました。当社チームはState Diagram（動作状態の遷移図）に沿って制御ファームウェアを新たに開発しました。

この作業では役割分担を明確にしました。プロジェクトのコンサルタントである専門家が回路の分析と設計を担当し、当社チームがファームウェア、ケース、製造工程を担当しました。

納入物

プロジェクト完了時に、当社はInGauge USB バージョン2.1と、このバージョンの製造に用いる製造・試験手順を得ました。主な項目は次のとおりです。

• メーカーで実装済みの状態で納入される新しい回路とPCB（静電気・逆電流・短絡に対する保護回路付き）
• 当社が設計し、製造を委託したアルミケース
• State Diagramに沿った制御ファームウェア（実際の現場で試験済み）
• 組立前の回路受入検査手順と、試験結果のデジタルファイルへの記録
• ケーブルの名称ラベルと、各工程のサンプル動画を添付したマニュアル
• 外部の試験機関によるCEおよびFCCの試験結果

InGauge USB バージョン2.1は、プロジェクトから製品へどのように発展したか

当社はバージョン2.1を、原因の特定、回路設計、試作機の試験、製造工程の策定、CE/FCC試験への提出という順序で開発しました。プロジェクト完了後、試験に合格したこのバージョンは、当社が販売・レンタルするInGauge製品へと発展しました。

1. 1

   旧モデルの問題の原因を特定

   旧モデルの製造方法から原因を特定しました。

2. 2

   回路とPCBを新たに設計

   特定した原因に基づいて回路とPCBを新たに設計しました。

3. 3

   試作機の試験とアルミケースの製作

   試作機を高温・高湿環境で試験し、その後ケースを製作しました。

4. 4

   ファームウェアの開発と受入検査手順の策定

   ファームウェアを開発し、実際の現場で試験して、受入検査手順を策定しました。

5. 5

   CEおよびFCCの試験に提出

   本体を外部の試験機関に送り、CE/FCCの試験を受けました。

プロジェクト後の実際の利用については、工場のQC部門へのInGauge USBレンタル・販売事例をご覧ください。この事例ではInGauge USB バージョン2.1を使用しています。

プロジェクト総括レポートで確認できた成果

プロジェクト総括レポートによると、InGauge USB バージョン2.1はCEおよびFCCの試験に合格し、組立と試験にかかる時間はV1.0の75–90分から一台あたり15–25分になりました。必要な作業員は2名から1名になり、試験に合格する製品の割合は約75パーセントから99パーセント超に向上しました。

15–25分は社内での組立と試験のみを数えた時間です。回路基板はメーカーで実装済みの状態で届くためです。このセクションの数値は、当社が自ら記録してプロジェクトに報告した値です。

深圳のWALTEK Testing Groupが、CE（EN 55032 / EN 55035）およびFCC Part 15 Subpart Bの規格に基づいてバージョン2.1を試験しました。レポートでは、このバージョンがMitutoyoとTeclockの2メーカーのデジタル測定器に対応することも確認されています。

私たちが学んだこと

この取り組みから、多数の台数を繰り返し製造する電子機器の開発に役立つ原則が得られます。

• 検査を増やす前に製造方法を見直します。不具合の原因が手作業のはんだ付けと配線にある場合、回路基板をメーカーで実装済みの状態で納入する設計にすることで、その不具合の発生箇所を工程からなくせます。
• 合格すべき規格は設計要件であり、最終工程ではありません。初代はCE/FCCに対応する設計ではありませんでした。そのためバージョン2.1では、静電気・逆電流・短絡に対する保護回路を最初から設計に組み込みました。
• 製造工程は引き継げるものでなければなりません。結果をデジタルファイルに記録する受入検査、ケーブルの名称ラベル、マニュアル内のサンプル動画により、品質が少数の熟練者に左右されなくなります。

この手法をお客様の業務に適用する方法

繰り返し製造する電子機器を開発している場合は、この事例と同じ作業順序を利用できます。製造方法から原因を特定し、合格すべき規格に対応する回路を設計し、結果を記録できる受入検査手順を策定します。調整が必要なのは、お使いの機器の規格と使用環境です。

InGaugeを生産ラインで使用する場合

機器を自社で開発せず、InGaugeを購入またはレンタルする場合は、決定前に次の点を確認してください。

• お使いの測定器のメーカーとモデル。プロジェクトのレポートではMitutoyoとTeclockで試験しています。その他のサブモデルは、まず実際に接続して試すことをお勧めします。
• 値を受け取る接続先のプログラム（Excel、既存のQCシステム、タブレット上のInQCアプリなど）。InGaugeはキーボードから入力するのと同じように値を送信するためです。
• 測定作業の内容（フットスイッチが必要かどうか）と、機器を接続する測定箇所の数
• 買い取りかレンタルか。InGaugeには買い取りと月額レンタルの両方があります。価格は製品ページをご覧ください。