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アクシス・ネット技術コラム

技術コラムを連載でお届けいたします。
「ケースレー428−PROG型電流電圧変換アンプのエミュレーション・モード搭載したA4280高速電流電圧変換アンプ」の開発現場より、不定期でお送りします。
投稿日時: 2019-10-18 11:33:03 (1 ヒット)
閑話休題 今までの経験してきた技術の歴史を書きたくなってしまいました。
ここでの記述は、すべて筆者個人の歴史です。散文で記載します。
他人にはわかりにくくて、何のことかわからないかもしれません。
お暇なら、お付き合いください。

最初にある電気の測定器の記憶は、
小学生の頃 プラモデル屋さんに船の模型を買いに行った時
電池を測定する電圧計(もちろんアナログ)をおまけで貰いました。
電池しか測れませんし、すぐ壊れた記憶しかありません。
この頃まで、家のテレビとラジオは真空管でした。
テレビが壊れた時、父親の知人が直してくれたことがカッコよく見えました。

小学生の理科の実験で電池を作ったことも薄っすら覚えています。

中学生でオームの法則が試験に出た。
テレビもラジオもトランジスタになっていたような。
父親の検電ドライバーをコンセントに突っ込み光らせて遊ぶ。
その後、コンセントに金属の板を突っ込みショートさせ火花を飛ばす。
ヒューズ交換を覚える。
深夜放送聞くために某社IC700なるラジオを買ってもらう。
初めてICという言葉を聞いた。

学生時代 高電圧の最初授業で、電気を習う限り電気で死ぬなと教えられ
何度か感電はしたが、未だ生きている。
最高11kVで感電したことがあるがエネルギ―が小さかったので致命傷にならず。

横河YEWの電圧計 電流計を使って電気の実験。もちろんアナログの針が振れるので
下の鏡を使って数値を読み取る。

半田ごての先を握って初めてのやけど。右手の平が真っ白。。。

人生初オシロ、岩通シンクロスコープ。テクトロニクスやHP等メジャーは知らず
岩通のシンクロスコープに感激。おそらくトランジスタの波形を見たはず。

実験室でソニーの電卓を使う、表示はニキシー管。

個人用電卓 松下JEシリーズを(通称ブタデン)友人が購入。筆者は計算尺を使用して計算。

翌年、オムロンの関数電卓を5000円で購入。

授業でフォートランを学ぶ。(お約束でヤッホーフォートランランと歌う)

就職し 某社で、半導体モジュールの試作の下請け。大きな電源(100Aクラス)の組立。
太陽電池パネルの試作。低温半田で手が荒れ放題(鉛ですから)

転職し システムのサービスをするため、デジタルマルチメータを会社から支給される。
会社のワープロは、ワープロ部屋がありシャープの書院 
8インチのシングルディスクをロードし机の上の漢字キーを押して文章をつくる。
横でテレックスがガチャガチャパンチカードを打ち出していました。

システムがハングアップするのでノイズアナライザ―なるものを設置し徹夜で監視。
ノイズ波形とハングアップの関係を知る。

アップルコンピュータを知り、日本橋で台湾製コンパチのパイナップルコンピュータを
部品で買って組み立てる。 アップルのゲームソフトがそのまま走りました。

またまた転職 分析器のお仕事をするようになり、赤外分光FTIRとNMRのメンテナンスで化学測定を知る。
X線解析も少し学ぶ。

赤外分光で半導体の素材測定(EPI CO濃度)を知る。

再度転職 某計測器メーカーで、デジタルオシロとデジタイザーのサービスをする。毎日デジタル・オシロの修理。
バンド幅100MHzサンプリング100MS/s メモリ50KW でも 300万円くらいしていましたね。
オプションで FFTとアベレージをつけると400万円 高級外車が買えます。 
BMWが100MS/sで データが取れればBMWを買いますね。 オシロは150Km/hで走りません。
無理やり、携帯電話を持たされる。ノキアを初めて知る。
テクトロがアナログをやめて、デジタル・オシロを出す。

パソコンでパワーマックを買う。その後、世の中はWindows95一色 しばらく頑張るが、Microsoftに屈服。
自作PCにはまる。 現在まで20台くらいは組んでいると思う。それでも Windowsは大嫌い。

毎年、オシロスコープ性能が倍々ゲームで価格据え置き。アッという間に 10GHz 20GS/s 10MW になっていました。

懲りずに転職 微小電圧、微小電流の装置の技術営業で、μV pA 測定をする。ソースメータ―、エレクトロメータ
パラメータ・アナライザを知る。微細加工ナノテクを知る。

この頃は、化合物半導体 高電圧、大電流の測定をする。

システム・インテグレータとしていろいろな太陽電池測定システムをつくる。
2年間は、毎日太陽電池の測定をしていた。

現在、バイオ関係の特殊センサーの計測装置の製作。センサーの測定 定量化を行う。


結局、多大なる失敗の連続
『エンジニア失格 恥の多い人生を送ってきました』

でも、失敗があるかこそ経験豊かなエンジニアが育つと信じています。

このコラムは おそらく、なんのこっちゃで終わるはず。
まあ、アナログ測定に興味があるエンジニアの方に
笑ってもらえれば幸いです。

試験的に少し砕けたコラムにしてみました。
次回は、まともなコラムになる予定
(今まで、まともと信じています)
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-17 15:21:55 (1 ヒット)
今までのコラムでは、部品や測定というユニットのお話を中心にしてきましたが
今回は、少し大きな視点でお話をさせていただきます。

近頃、IoTという言葉をよく聞くようになりました。
データをインターネット経由で通信しデータベースの構築や
末端装置をインターネット経由で操作する等、いろいろなビジネスが展開されようとしています。


バイオセンサーも、患者の状態を把握し医療装置をリモート・コントロールで操作することも
そんなに遠い未来でないかもしれません。

SFのような世界を想像しがちですが、電気回路に例えればオペアンプのフィードバックを思い起こします。
基準の数値に対して出力がプラスなら、マイナスのバイアスになるようにネガティブ・フィードバックを
かけて状態を安定にする。 変動が大きいと発振してしまいそうですが。。。

患者だけでなく、例えば運転等をしてる人の健康状態のパラメータ(体温、血圧 脳波等)から 
自動運転に切り替えるなんていうことになるかもしれません。

個人的には、インフルエンザ・ウィルスに汚染さえれた電車やバスの情報がわかり
すぐに消毒して感染をふせいでほしいのですが。
それと、食品売り場のO-157がバイオセンサーで簡単に検出できればうれしいです。

それには、まずバイオセンサーが下処理なくサンプルを測定できることが重要になると思います。

例えば、唾液や小水、血液をバイオセンサーにつけると測定されたデータがインターネット経由で送られ
A.I.がデータサーバーの症例と照合し結果を表示するということができそうです。

この近未来の技術の実現には、もちろん医学が必要ですが
細菌、エクソソーム ウィルス等 症状を診断することに必要な微小な物質の確実な検出が要求されます。
細菌の大きさは、10μm エクソソームやウィルスは 30nm-200nm 程度あり混在する溶液中を単独の測定だけで
違いや種類を判別することは難しいと思われます。

何等かの電極に、細菌とウィルスが混ざった溶液を流し信号を見たとすると
バイオセンサーが1CHのみでは、判別ができません。
仮にすべて球体として考えて 直径10μmと100nmでは、100倍違います。
断面積で10,000倍 体積で10,00,000倍になり 電気的な反応がこれに比例すると考えると
1CHのセンサーですべて発見するのは、難しいと言わざるを得ません。

おそらく、マイクロ流路でサンプルを選別しそれぞれの測定に適したセンサーに流し
データを測定する技術の確立が必要ということになります。

このあたりは、ナノテクで解決していくしかないのでしょう。
その後、アナログ技術でバイオセンサーの感度を上げて正確な信号を測定できれば
完成に近づくことでしょう。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-16 11:27:30 (3 ヒット)
前回は、バイオセンサーとAIの基礎的なこと書きましたが、
もう少し技術的にお話しようと思います。

バイオセンサーから出てくる信号は、もちろんアナログの微小信号がほとんどですが
検出したとしても、μVとかnAでないとデジタル化する装置を簡単にすることができません。
このレベルの信号は、電源によるハムノイズ等の影響を受けます。

具体的には、電源周波数の揺らぎとノイズ 周波数50もしくは60Hzの揺らぎにのったノイズに信号は埋もれます。
バイオセンサーの性質から考える、電気的にインピーダンスの高いデバイスになります。
高周波回路のように50Ω終端ができればどれだけ楽かわかりません。

もちろん50Ω終端をしてしまうと、グランドに信号が流れて消えて終わりです。
ある程度のエネルギ―がないと(電流値が数mA)ないと測定ができません。
mA単位での測定は現実的ではありません。細胞が死んでしまいます。
人間も40mAが10秒流れると死亡します。

バイオセンサーでは、低い電圧μVである場合測定器の入力インピーダンスは10MΩ程度必要です。
もちろんハムノイズを除去するため積分値は、1PLC以上(電源周波数の逆数 50Hzであれば20ms)の
捕捉時間が必要で、20ms以下の速い信号は平均値化さえれ検出できません。
つまり、高速の微小電圧は検出が難しいということになります。
せめて、mV単位で信号がでてくれれば1Mの入力インピーダンスでオシロ等で高速の測定ができますが
なかなか、最先端のセンサーではこの条件も難しそうです。

そこで、より現実的な測定について考察すると物理的には、電荷の変化として
電流を電圧に変換して高速のデジタイザーで捕捉するのが
現実的な解決方法になりそうです。
変化する信号が特定の周波数であれば、ロックインアンプも使えそうです。
但し、単発の信号は測定が難しくなります。

どちらにせよ、ノイズに埋もれた信号を解析することになります。

A.I.がノイズに埋もれた信号を信号として検出するのがよいのか、
ノイズの周波数成分を解析し電気的もしくは
ソフト的にフィルターをかけるのがよいのかは難しい問題です。
おそらく、ハムノイズのような大きなうねりは電気的ばフィルターで
微妙なノイズはソフトフィルターでないと除去できないかもしれません。

ソフトフィルターであればA.I.に組み込んで判断させることも可能でしょう。

まあ、当然なのですがアナログ測定が先でデータ解析の順になるのは
間違いありません。



投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-16 9:58:53 (1 ヒット)
言葉遊びでは、ありませんが
分析 測定 解析 と使い分けを考えてみます。

グーグルを使って調べると概ね筆者の考えと近い答えが返ってきました。

分析 化学で、物質の成分を検出すること

測定 あるものについて、量がどれほどか測って求めること

解析 事柄を細かく分けて、組織的・論理的に調べること

分析は、材料の組成や成分など化学的な装置で調べることで
代表的なものは、赤外分光FTIR 核磁気共鳴NMR X線解析装置 等があります。
筆者は、医者の前で磁気共鳴イメージング装置MRIのことをどうしても
原理が同じなのでNMRと言ってしまうことがあり、3文字英語が大嫌いです。

測定は、計測器マルチメータ(電圧計)オシロスコープ スペアナ 
測り(体重計) 等の計測器をを使い
電気量や重さ 速さ 振動数 比重 等 物理量で決められる数値を調べます。

解析 すでに集められたデータ(ビックデータ)をA.I.等のソフトを使用して
論理的に調べること

分析は簡単にいうと 材質の持つ化学的特徴(組成や化学反応)を調べて定量化
測定は、材質の持つ物理量(重さ 振動数等)及び電子部品等の
電気量(電圧 電流 周波数 誘電率等)を調べて定量化

解析は、これらの手法で集められたデータを調べて最終的に判断をします。

バイオセンサーの製作では
1.分析装置で材料とサンプルを確認 樹脂等とサンプルの組成を分析
2.測定装置で材料の抵抗率 誘電率等 電気量を測定 
3.測定装置で材料とサンプルの違いを定量化(デジタル化)
4.データサーバーにてデータ解析
の手順を踏むことがあります。

まず、分析装置でサンプルの化学的成分の組成や反応を調べ化学的に定量化します。
ただ、バイオセンサーとするには分析装置は大きすぎ高額です。
NMRを例にするとは数千万円しますし、液体窒素 液体のヘリウムが必要になります。

そこで、専用治具(バイオセンサー)と測定器を使いで電気的に定量化し
物質の検出を簡易化することが求められます。

専用治具(バイオセンサー)は、化学的電気的に安定で 製作が容易で量産ができること
測定器は、校正ができ小型化できることが重要です。

もちろん、データは測定器(A/D)でデジタル化されサーバーにビックデータとして保存される。
データサーバーで A.I.を使用し検出結果を自動化する。

ハード的な価値は、バイオセンサーですが
最終的には、データサーバーに蓄積されたデータとA.I.の判定プログラムが
価値を生むビジネスになるのでしょう。

この開発でわかるのも、結果がデジタルになる前のアナログの苦労が大変であることです。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-15 16:17:08 (2 ヒット)
バイオの計測では、溶液中のサンプルをセンサーに呼び込むため
電圧を印加する場合があります。もちろん検出部に影響を及ぼさないように
差動でローノイズであることが、重要になります。
nAの計測で従来のスイッチング電源ではノイズに埋もれて信号の検出ができません。
ましてや、トンネル電流レベルのpAの計測に使用するには、
バッテリー並のローノイズは必要です。
携帯用装置として、全体をバッテリー駆動とするのはありかもしれませんが、
長く使用すると、バッテリーは電圧が変化していきます。
容量をでかくすると、重くなって携帯には不向きですし充電に時間がかかりそうです。
小型ローノイズの電源で 更に電流制限がかけられる必要性があります。
電流もμA単位で制御し、たとえば、正確にDCや方形波で流せる電流制御の電源も
泳動には必要になります。
測定するサンプルにもよりますが、泳動電源と電流アンプはバイオ計測の基本技術です。
ここでも、アナログ技術が開発のキーになります。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-15 15:20:11 (2 ヒット)
バイオセンサーで取り上げたナノテクで形状を振り分けるということですが

実際にはマイクロ流路と呼ばれる数μmの幅の狭い通路に
サンプルを流しセンサーに導きます。

バッファタンクにサンプルを含む溶液を入れ
泳動もしくは、圧力により溶液をマイクロ流路に流します。

電気泳動では、粒子が帯電してくれないと流れません。
圧力で流す場合も、圧力自体でマイクロ流路を壊してしまうかもしれません。
もしくは、圧力でセンサー部の変形が問題になるかもしれません。

どちらも、問題があるので最低限の電圧と圧力 両方で流すのが良いのかもしれません。
もちろん、検出は電気回路を使用したいので 泳動電源には、さまざまな制限が付きます。
最も難しいのは、泳動電圧によりバックグランドに数10μA 流れている電流から
サンプルによる数nAのパルス波形 およそ10000倍のレンジの差があるものを高感度で測定するしかないようです。

電流をACカップリングできれば簡単に測定できそうですが
ACカップリングは、万能ではなく20Hz-250Mhzというようなバンド幅の制限が付きます。
ここで10MHzの方形波信号をACカップリングでオシロ・スコープに入力すると
波形が大きく歪みます。信号の立上りと立下がりが強調されフラットな部分はゼロになります。
更に、これらの構造ができたとして効率よくサンプルを測定するのには、
マイクロ流路を複数にしないといけません。例えば 最低2CH 
できれば16CHになるでしょう。
製品化するためには、更にCH数を増やして感度を上げる技術が必要です。


投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-15 13:12:36 (3 ヒット)
最近、バイオセンサーという言葉をよく聞くようになりました。
従来では、時間もお金もかかる検査を簡単にできるようになるセンサー開発です。
テレビなどの家電品の新開発が行き止まっているような状況で
バイオセンサーという商品は将来性があると注目されています。


バイオセンサーの用途としては、
エクソソームの解析によるガン等の病気の早期発見
O-157、インフルエンザ等 細菌及びウィルスの検出
鳥インフルエンザ 豚コレラ等の検疫検査
DNAによる遺伝子情報の解析
海に溶け込んでいるマイクロプラスチックの検出
これらの課題解決が要求されています。

従来センサーで検出ができなかったものを検出するためには、
ナノテクとバイオの融合技術が必要となってきます。

ナノテクの開発技術は、まだ日本には残っていそうです。
家電品の開発は、ほとんど残っていそうにありません。

サンプルのサイズは、エクソソーム、DNAやウィルスで数10nm-100nm
細菌やマイクロプラスチックで1μm―10μm
これらのを正確に検出するには、ナノテクで形状を振り分け、電気の反応に変換できれば
センサ―の出来上がりなのですが、これがどちらも大変です。

サンプルはほとんどがバッファ溶液に溶けており何等かの方法(電気泳動か圧力等)で
センサーを通過させて電気信号に変換する必要があります。
溶液が電解質かそうでないかも大きな問題になります。
電気の反応は、イオン電流で数μA トンネル電流で 数10pA レベルです。
泳動用ローノイズ電源でバイアスをかけ、電流アンプで微小電流を検出すること
一般的です。

空気中の物質をナノサイズで検出するには、もっと課題が出てきます。
空気中を漂うウィルス等を検知できれば、ほとんどSFの世界です。

ナノテク側は、微細加工技術と材料 量産化の問題があり
電気の方も、信号検出は容易ではありません。
レベルも低く反応も速いとなるとノイズとの戦いが待っています。

それと電気屋さんは、どちらかというと化学や医学にあまり関係が無く
化学屋さんやお医者様も電気には強くないという印象があります。
つまり、全く違う研究者とエンジニアを統括して開発をする必要があります。
特殊なデバイス開発とアナログ技術開発がキーになります。



多大な問題と課題が山積みですが
今回は、概要説明でまた次回に続きます。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-4 13:43:25 (4 ヒット)
バイオ関連の測定で 微小電流を測定する場合
ノイズの問題を避けて通りことができません。

イオン電流はμA―nAの単位ですが
トンネル電流では、pAの単位の測定が必要になります。

単位だけでpAというのは簡単ですが、
pA(10の-12乗)は、帯電した人間が電線に近づくだけで流れます。
こうなると、測定する人間がいてはダメということになり
測定装置に近づけません。
何を測っているのかわからないということになってしまいます。

もちろん、正しいシールドやガードを施しグランドがうまく取れており
高感度の測定器を使えば、pAの測定は可能です。

但し、信号が高速である場合 100KHzであった場合は大変です。
電流は、電荷の単位時間当たりの移動量です。
電圧は、電荷のポテンシャル(位置エネルギー)です。
電圧は、高速で測定することが可能ですが、
微小電流の高速測定にはかなり難しい壁が存在します。

通常pAレベルの測定はハムノイズの除去のため 電源周波数の逓倍つまり 
50Hzであれば20msの倍数 通常 200ms間測定し ノイズを除去します。
(60Hzであれば 166.666ms)
100kHz は 時間軸で1周期 10μsで ハムノイズに埋もれることがあります。
例え信号の振幅が十分あったとしても、測定のバンド幅が 数Hzになるので 
信号は減衰して捕捉できません。


電流で測定するのが、難しいので電圧に変換する必要があるのですが
変換方法も問題です。 単なる抵抗だけでは変換できません。

少し話がそれますが、これはマルチメータで電流を測定するのも同じです。
マルチメータの電流測定は、内部抵抗例えば10kΩに1μA流すと10mVという測定方法です。

電気泳動でイオン電流の測定では、1Vで100μA流れたとするも10kΩの抵抗になり
直列にマルチメータを繋いでしまうと電流が半分になってしまうことがあります。
正確に半分ならまだしも、溶液の抵抗は一定でないことがあります。
ノイズに埋もれて電流値もでたらめということになります。

ノイズに関しては、これが正解というのが難しいので
話がどんどんややこしくなってしまいます。

結論としては、ノイズの除去としてシールド、ガードをきちんとり
グランドも一点できちんと落とす。
(グランドからノイズが回り込むこともるので現場での対処が必要な場合もあります。)
微小電流であれば、適正なアンプを選び電圧に変換して測定する。

経験がものをいう測定です。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-4 13:36:57 (3 ヒット)
いつ出るかわからない信号を1つ捕捉するだけなら
オシロスコープやデータロガーのシングル・トリガで捕まえれば
いいのですが、不定期におこる現象を長時間例えば24時間取り続け、
尚且つ 取り逃がしたくない場合はどうすれば良いのでしょう。

途轍もないメモリを持ったデジタイザでずっと取り続ける。
まあ、間違いではないのですが途轍もなく高い装置を買うことになってしまいます。

1MHzでサンプリングした場合、サンプリング間隔は1μ秒になり
24時間(86,400秒)は、86.4Gの高速メモリーが必要になります。
計測器がありません。

100KHzのサンプリングで捕捉できる場合でも 8.64Gのメモリーが必要となり
相当高額な装置になってしまいます。

また、取ったデータが膨大で現象を探すだけでも大変です。
検索ソフトを作製し現象を探すことになります。

ここで少し考え方を変えてみましょう。

もし、現象と現象の間隔が10μs程度以上あり、現象が起こらなかった時間に意味が無い場合
現象が起きた波形のみを取り、タイムスタンプを押して次の現象が起きるまでを繰り返しできたとすると
どうなるのでしょう。

ある程度の高速メモリー (GHzサンプリング可能)が トータル160M あり、
20msの現象を分解能1μsで波形だけを捕捉したとすると(1波形メモリ20K)8000個 取れる計算になります。
各現象の間隔が不定期でいつ起こるかわからない場合でも、起こった現象のみを捕捉すればよいのであれば
捕捉条件(トリガ)をセットして待っておけば良いのです。

オシロスコープには、このようなロングメモリでセグメント機能を持った機種があります。
縦軸分解能も16bitある機種もあり、高速高分解能の波形評価が可能です。

捕捉できた波形はコンピュータに転送し、データ処理にてヒストグラム等で解析をすることもできます。

この機能は、研究機関での波形補足だけでなくデジタルオシロならではの複雑なトリガの
組み合わせを使用することにより回路の不良化解析にも応用できます。
開発中の回路の動作検査にて繰り返し波形を計測しばらつきを見ることも可能です。
また、オシロスコープは、4CH同時測定が可能なので複数の信号の時間間隔の測定もできます。

効率よくデータを多数捕捉し、簡単にデータ解析を行うシステムを構築することができます。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-4 13:29:33 (4 ヒット)
ものすごい ご無沙汰ですが、コラムを再開します。

最近では、バイオの市場において電気泳動に関する
アプリケーションが増えてきています。
溶液中に溶けている粒子で電荷を帯びているものを電場によって移動させます。
まず、イオン電流というと溶液の中を流れる電流なのですが
単位はμA 電圧としては10V以下というところがほとんどです。

溶液の抵抗と誘電率にもよりますが
直径で30个らい長さ50个らいの筒に溶液(例えば生理食塩水)を入れ
直流電圧を印加し電流を測定すると
抵抗と容量をもった特性のIVカーブ(電流―電圧)を描きます。
溶液を挟んで電極があるのでコンデンサを作ったことになります。
IVカーブの最初の部分は、コンデンサに充電された部分で
CRの時定数によるカーブです。

電流が一定になれば、溶液の抵抗値がわかります。
泳動が一方向であるならば、バイアス電圧を印加しながら
容量を測定すれば、溶液のより正しい電気特性(抵抗、容量)が
測定できることになります。

コンデンサの測定というよりダイオードの測定に近いのかもしれません。
イオン電流を正確に制御するには、電圧印加型の電源では制御できません。
理論的には、出力インピーダンスの大きい(100MΩ以上)の電源で
溶液の変動があっても一定の電流が出力できることが重要になります。
更に電源は差動であることが望ましいということが言えます。

イオントフォレシス等、能動的に電流印加をする場合もは、電源の特性が重要です。
投稿者: axis

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