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LTspiceをエンジンとしても活用_活用編

LTspice 導入実話<活用編>

“LTspiceをエンジンとしても広く活用
計測器の設計から検証まで欠かせないツールに”
日置電機株式会社様事例

デジタルマルチメーターやデータロガーなど300種類を超える電気計測器を「HIOKI」ブランドで展開する日置電機。ひとりの技術者がLTspiceの存在を2005年末にインターネットで見つけて以来、LTspiceはじわじわと社内に浸透し、今では設計や検証において欠かせないツールのひとつになっています。LTspiceのヘビーユーザーともいえる同社の事例を<導入編><活用編>に分けてお届けします。

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左から日置電機 株式会社 品質保証部設計品質担当課長 永岡 正敬 氏、同社 開発部主任研究員 竹内 悟朗 氏、同社 技術2部 技術9課今泉 憲 氏、同社 開発部主幹研究員 栁澤(やなぎさわ) 浩一 氏、同社 技術部 開発推進課 コンカレント推進担当課長 工藤 真 氏

ばらつき設計の網羅性向上にLTspiceを活用

評価レベルではなく、実際の製品設計にLTspiceが使われるようになったのはいつごろからですか?

栁澤:ライブラリを整備していくにつれてユーザーも増えていきましたが、それでもフリー版は信頼性に欠けるのではないかという声は一部に根強くて、なかなか普及するまでには至りませんでした。旧リニアテクノロジー(現アナログ・デバイセズ)が提供するモデルはいいとしても、そのほかのライブラリの中には単純な4端子回路で近似したものもあったので、精度が得られないのではないか、といった指摘のほか、リニアテクノロジーがLTspiceを無償で提供しているのは何か思惑があるのではないか、といった穿った意見さえありました。

永岡:製品設計にLTspiceを使うようになったのは2009年ぐらいからですね。きっかけは2006年頃なんですが、ばらつきの設計検証が十分でないまま出してしまった製品が市場で確度外れの不良を起こしてしまったことがありました。どの設計者もばらつきを考慮した設計を心がけてはいますが、温度条件や電圧条件などを変えながらさまざまな部品定数を振って評価するのは実のところかなり大変で、全部をやりきれないまま製品として出てしまったのが原因でした。それであればLTspiceを使って検証のカバレッジを広げられないだろうかと考えて、Microsoft Excelを使って、設計値(TYP値)で書かれているネットリストの部品定数を大小に書き換えて、LTspiceをバッチで呼び出して、結果をテキストで取ってきて、感度分析やモンテカルロ解析やワーストケースの結果をグラフ化するという機能をマクロで組んだんです。設計部門に、強制はしないけどもばらつき計算ではこのExcelマクロを道具として使う方法もあるよ、という形で紹介したところ、退社時に仕掛けておくと翌朝に結果が出ている便利さもあって、そのやりかたが定着し普及を後押ししたように思います。

栁澤:品質保証部の課長である永岡がLTspiceにお墨付きを与えてくれたことで、2011年とか2012年ごろになるとフリー版だからどうのこうのと言う人はいなくなりましたね。

竹内:永岡が作成したExcelマクロを見て、なるほど、LTspiceは別のソフトから呼び出す使い方もできるんだ、ということを知って、そのやりかたを真似して全部品のオープン/ショートを実行するツールを作っています。自動車業界では信頼性を担保するためにすべての部品をひとつずつ外して動作を確認しているらしい、という話を聞いていたのですが、200人のエンジニアで300種類の製品を抱えているうちみたいな会社ではとても全部はやりきれません。そこで、本来のネットリストをベースに、部品をひとつずつショートあるいはオープンにしてシミュレーションを実行させるというのをバッチで走らせてみたらいいんじゃないかと。実際にやってみると、単純なオープン/ショートだと、たとえば信号がフローティングになってLTspiceから正常な結果が得られなくなる場合もあるので、オープンの代わりに1GΩの抵抗を入れるとか、ショートの代わりに0.1Ωに抵抗を入れるとかの工夫が必要で、まだツールとして正式に社内リリースはしていないのですが、そういう活用にも取り組んでいます。

御社が作ったそうしたツールをそのまま活用したいと考えるLTspiceユーザーもたくさんいそうですね。

栁澤:ほかのメーカーさんでの活用方法は存じ上げないんですが、LTspiceを単なるシミュレーションソフトとしてだけではなくてバッチ処理のエンジンとして使っているところって、世の中にあまりないんじゃないかと思うんですよ。

竹内:もちろんバッチ的な使い方だけではなくて、数百MHzぐらいの回路であれば汎用のシミュレータとして日常的に使っています。

今泉:栁澤とふたりでかなり適当に始めたのに(笑)、知らないうちに社内に広まった感じですね。

竹内:実は失敗談もあります。LTspiceで設計を固めたまでは良かったんですが、その回路を回路図CADに入力するときにミスしてしまい、出来上がった基板をボツにしてしまったことがありました。回路図CADである図研のCR8000からはネットリストをLTspice用に吐き出してくれる機能がつきましたが、LTspiceのネットリストとCADのネットリストの一元化をどう進めていくかは課題のひとつと思っています。

設計の効率化や検証漏れの撲滅に大きな成果

LTspiceを導入した効果を挙げてください。

永岡:設計ばらつきの検証に関しては、カバレッジが不足したまま製品として出てしまうケースはゼロになったと考えていて、出荷したあとで確度が外れた、といった不良はなくなりました。LTspiceだけの効果ではないにしても、大きく貢献してくれていると思っています。

今泉:以前担当していたアクティブフィルタの設計はすごく楽になりました。最適な定数を見つけたり、ばらつきを手計算で出そうとするととても大変で、代表的なポイントやコーナーケースをいくつか計算するのがやっとだったのですが、LTspiceを使うと何回も試しながら最適値や最適回路を見つけられるので、今までできなかったことが出来るようになったという意味では比較にならないメリットが得られています。とはいえ、アクティブフィルタ回路をLTspiceに手で入力するのはかなり面倒なので、フィルタ次数やカットオフ周波数や帯域やQ値などを選択するとネットリストを自動で吐き出すツールをMicrosoft Visual Studioで作りました。受動素子は社内で認定が済んで在庫もあるE12系列とかE24系列を登録してあるので、理想値ではなくて実際の部品の値としてネットリストが得られ、作った自分が言うのもなんですが、かなり便利です(笑)。

栁澤:われわれがやっているのが電気計測器の設計なので、部品のパラメータを振って特性への変化を見たい、すなわち感度係数を把握したい、というのがニーズとしてあるんですが、ここら辺の人たちはそういう処理を自動化するツールをさくさくと作ってしまうので、いい意味でちょっとおかしいんですよ(笑)。

新人研修でのフィルタ設計カリキュラムにもLTspiceを導入

LTspiceは研修でも活用されているのでしょうか?

竹内:新人研修には2013年からLTspiceを導入していて、対象カリキュラムはフィルタの設計です。電子系だけではなくて、メカや電気やソフトなどのさまざまな分野の卒業生も参加する研修なので、フィルタを理解してもらうのはなかなか難しいんですが、LTspiceで動作を確認してもらいつつ、余力のある人は実際の部品を使ってブレッドボード上に回路を組んでもらっています。

工藤:私は技術部門をサポートする開発推進課に所属していますが、設計者のスキルアップとして、新入社員以外に、アナログ・デバイセズの代理店の一社であるマクニカ アルティマカンパニーが主催するLTspiceの導入編と応用編をオンサイトで導入しています。とくに制限は設けてはいないのですが、主に入社5~6年目の中堅が受講しています。

最後に、LTspiceへの今後の要望などがあればぜひ聞かせてください。

栁澤:うちで使っているモデルの問題もあるのかもしれませんが、急峻な変化を伴う条件が苦手のような感じがするぐらいですかね。あと、ショートカットキーの割り当てをMicrosoft Windowsアプリケーションの一般的な割り当てにしてもらいたいなと。ある程度はユーザー側で設定できるのですが、完全には同じにならないので。

今泉:LTspiceはバージョンがXVIIに上がりましたが、いろいろ試してみたものの部品ライブラリのフォルダとしてネットワーク上のサーバーを指定できなくなってしまったようで、当社では今もLTspice IVを使い続けています。そこは対応して欲しい点ですね。

栁澤:LTspiceは日置電機の看板製品のひとつでもある電圧を非接触で測る「クランプオンパワーロガー」などの開発で大活躍してくれるなど、今やなくてはならないツールのひとつになっています。いい製品を作るためにも、これからもっともっと活用していきたいと思っています。

ありがとうございました。

※本事例の情報は2018年7月時点のものです。

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