Toshi's Blog

ギター用エフェクトペダル
今までで、ギター用のエフェクトペダルを数多く作ってきました。自作が難しいデジタル回路のものを除いたアナログ回路のものは、ほぼ全種類作って来ました。

　■私が作ってきたエフェクトペダルの一覧ページ

プリント基板の自作
最初の数台は、ユニバーサル基板で手配線（Point-to-point）で作っていました。そのうち、アナログディレイや、ノイズリダクションのペダルの様に、比較的回路規模が大きいものは、ユニバーサル基板で手配線では基板サイズが大きくなり、ケース（筐体）がバカでかくなってしまいます。そこで、通常のサイズのケースに収められるように、自分でプリント基板を設計してみるきっかけになりました。

設計と製造
基板の設計は、オープンソースの基板設計CAD「KiCAD」を使ってみました。回路図を書き、部品を選定して回路図と紐付けて、実際の基板上にパターンを引いて部品をつなぎます。設計は何とか自分でできますが問題は製造をどうするかです。国内の基板メーカーでも作れますが、価格が数万円になってしまい、とても個人の趣味には向きません。

一方で、「プリント基板」でググると、中国のメーカーがたくさん見つかります。なんと縦横10cmまでのサイズなら、試作を$5（約700円）で行ってくれます。FeDexの輸送費のほうが高い($20)のですが、それでも4000円弱で作れます。
私が利用させてもらったメーカーは、「FusionPCB」と「PCB gogo」です。どちらも、CADデータをネットで登録するだけで試作してくれて、出来上がりも一般的な製品のプリント基板と変わりません。とても高品質です。

　■(参考)池澤あやかの自由研究：中国・深センのハードウェア企業「Seeed」にプチインターンした

（追記 2025/02/22）
最近話題のプリント基盤メーカーは「JLCPCB」です。なんと、$2で5枚の試作を行ってくれます。また、高かった海外からの輸送も、日本国内のポスト投函便（ネコポスなど）を利用して、通常￥788（今だと￥150）と言う、訳がわからないほど安く配送してもらえます。

KiCADでのプリント基板設計
プリント基板を設計するには、最初に回路図を描かなければなりません。エフェクトペダルの回路自体を、１から設計することは難しいと思います。ググって出てくる既製品の回路図を基にして作ることになります。

エフェクトペダルを作るのに必要な最低限の電子部品は、

　・抵抗
　・コンデンサ
　・トランジスタ/FET
　・オペアンプ
　・ダイオード

です。これらが何をするものか程度の基礎知識は必要です。海外製のエフェクトペダルの回路は、もう製造されていない古い部品が使われていたり、日本の店舗では売っていない部品が使われていたりします。これらの代替品を見つけることが必要です。

必要なスキル
私自身は、もう30年以上前になってしまいましたが、オーディオメーカーで当時は流行っていた「ミニコンポ」の設計をやっていました。当時はWindowsパソコンも無い時代でしたので、回路図はCADではなく手書きでした。基板は手書きでパターンを方眼紙に書き、専任のオペレータがCAD装置に入力する感じでしたが、オーディオ関係の部品はほぼ知っています。

全く回路図や部品についての知識が無い方は、最初からプリント基板を設計するのは困難だと思います。私自身はスキルが高いとは思いませんが、20代の頃に5年以上の経験があるため、KiCADを覚えるのに時間はさほどかかりませんでした。

設計のフローの概要
KiCADでのプリント基板設計のフローは、以下の様な感じです。下記のフローを見ていただき、説明が何のことかを理解することから始めていただくのが良いと思います。

１）回路図を書く
実機を解析して書き起こされた回路図や、サービスマニュアルの回路図をネットで見つけ、これを回路図エディタに入力します。この際、フォーンジャックやDCジャックなどの接続部分も、部品として回路図に入れます。

２）部品が入手可能かを調べる
古いエフェクターには、現在製造されていない部品が使われている場合があります。トランジスタ、FET、ICなどです。秋月電子や千石電商などで検索して、これらの主要部品が入手可能かを調べます。

入手できない場合は、その部品の仕様書をネットで探して、入手可能な部品の中から同じ動作をする代替え部品を見つけます。トランジスタ、FET、ICなどで、代替え可能かどうかの判断は、電子部品の基礎知識が必要です。わからない場合は、ネットで「(部品名)　代替え」や「(部品名) replace」などでググり、情報を集める必要があります。

３）回路図とフットプリントを紐つける
使用する部品が決まり、回路図が確定したら、回路図の部品と実際の基板上の形状（フットプリント）を紐つけます。KiCADでは、「フットプリントを割り当て...」のメニューで行います。

フットプリントとは、基板上の部品の穴位置とパッド（ハンダ付けされる部分）の形状のデータです。この形状が、後に行う基板設計時に画面に出てきます。

例えばオペアンプなどのDIP部品の場合、ピン間はほとんどが2.54mmですが、ICの幅が部品によって異なる場合があります。KiCADに登録されているフットプリントライブラリから、実際に使う部品の形状に合っているものを探して、部品毎に指定します。

よく間違えるのは、トランジスタやFETのピン番号の並び方です。回路図上のエミッタ、コレクタ、ベースなどのピンが、実際の部品でどう並んでいるか調べて、ピン番が適合するフットプリントを指定する必要があります。

４）PCBエディタで基板を設計する
フットプリントを紐つけができたら、使用する部品がPCBエディタ上で見られる様になります。以下の様なステップで設計します。

• 配線幅とクリアランスを決める：主に信号と電源のラインに分けて、基板上の配線幅と隣り合う配線の距離（クリアランス）を決めて、「ネットクラス」に登録します。私は、電源幅は0.4mm、信号幅は0.2mm、クリアランスは全て0.2mmにしています。


• 基板の外形を描く：ケースの形状に合わせて、基板の形状（Edge Cuts）をPCBエディタで書きます。


• 部品を並べる：回路図上の信号の流れを見ながら、基板の形状内に部品を並べてゆきます。信号の入力から出力への流れに沿って、最初にICやトランジスタなどの主要部品を配置し、その近辺に、抵抗やコンデンサ、ダイオードなどの他の部品を置いて行きます。この際に、部品の形状範囲（Courtyard）が他の部品と重ならない様にします。ワイヤーを繋ぐ入出力の位置も意識します。


• シルク印刷の文字を整える：フットプリントには、基板上に白い文字で部品番号を印刷するための「シルク（Silkscreen）」データが付いています。このシルク文字の位置を整えて、基板上で部品の番号が分かる様にします。任意の文字も書けますので、基板やエフェクターの名称を付けることもできます。


• 電源を配線する：まず、電源ラインだけを配線します。２層基板の場合、私は電源は表面を主に使って配線しています。GNDは配線しません。GNDは最後にベタアースにして、まとめて繋ぎますので、ここでは放置します。


• 信号を配線する：信号を可能な限り短い線で配線します。ギターエフェクタは、信号の周波数が低く、SN比要求もそれほど高くないので、とにかく繋げば大丈夫です。一筆書きのゲームの様に、ひたすら頭を使って繋ぎます。既存の配線が邪魔で、一筆書きで繋げない場合は、「ビア（表面裏面を繋ぐ穴）」を打って、表面→裏面、裏面→表面にジャンプして配線します。「ビア」を打てば繋ぐのは簡単です。


• GNDを繋ぐ：GNDの配線は行いません。ベタアース（KiCADでは「導体ゾーン」）を基板の表面裏面の両方に作成し、GNDを繋ぎます。「デザインルールチェッカー」の機能を使って、設計した基板を自動検査し、未配線がないかを確認します。未配線GNDのエラーがある場合は、特定の部品のピンのGNDエリアが「島」になっていて、浮いている状態になっています。表面裏面のベタアース間に「ビア」を追加し、「島」が全て繋がる様にします。「ビア」は、何個打っても、基板の製造料金が変わるわけではないので、私は、とにかく打ちまくっています。


• 基板を検査する：「デザインルールチェッカー」の機能で、部品やシルク印刷の重なり、未配線がないかを検査します。全てOKになれば完成です。

５）基板を発注する
価格の安い中国のメーカーにお願いする場合、KiCADから必要なファイルを出力（KiCADでは「プロット」）します。必要なデータは、基板メーカーのサイトに書いてありますので、その通りにKiCADから出力し、ZIPに固めてメーカーのWEBページに登録して支払いをすれば発注できます。発注はとても簡単です。

本気でプリント基板設計をやってみたい人へ
ギターのアナログのエフェクトペダルの回路はとても簡単です。最初は回路図を理解するところから始めて、万能基板でディストーションやオーバードライブなどの簡単なものから始めると良いと思います。あの有名なオーバードライブ「VEMURAM Jan Ray」も、回路はメチャクチャ簡単です。使われているICはオペアンプ１個だけです。勉強と言うより経験のほうが大事です。何個か作れば、そのうち何となく理解できるようになると思います。

電子部品の知識のほうが先かも
KiCADの使い方を覚えるよりも、電子部品について知ることのほうが先だと思います。Jan Rayくらいなら、ブレッドボードでも作れますので、先に実験してみてはどうかと思います。

 ■（追記2024/12/02）エフェクトペダル試作に使う 私のブレッドボード

KiCAD自体はフリーなので、まずは、試すだけ試してみれば良いと思います。未経験の方は、最初は何のことか、さっぱり分からないと思いますので、本気で覚えたいなら、参照書を1冊買うことをおすすめします。

何がベストかはわかりませんが...
タダのネット情報ではなく、いくらか投資して本を買うと本気度が増すと思います。ネットの情報をいくつか見てみましたが、初心者に向けてなのか、KiCADのダウンロード方法とか、どうでも良いことをやたら丁寧に書いているものが多く、あまり役に立ちそうにありません。肝心の設計に関しては、部品についての解説が少なく、未経験の方には理解が難しいものが多いと思います。

　■KiCADの参考書を探してみる（トラ技のムック、TRSP No.148 がおすすめ）