はじめに：アナログ回路の逆襲—なぜ今あえてデジタルを使わないのか？
電子工作の世界では、Wi-Fi接続やクラウド連携が可能なESP32やArduinoのようなマイコン（マイクロコントローラ）が主流です。しかし、セキュリティシステムのような 「高速応答性」「超低消費電力」「絶対的な信頼性」 が求められる分野では、あえて複雑なプログラムを排し、アナログ回路のみでシステムを構築する手法が今も生き続けています。
💡 アナログシステムの明確な優位性
| 特徴 | マイコンシステム (デジタル) | アナログ回路システム |
| 応答速度 | ミリ秒単位（プログラムの遅延あり） | マイクロ秒単位（ほぼ遅延なし） |
| 消費電力 | CPUやWi-Fiチップで電力を消費 | 極低消費電力（IC次第で数年駆動） |
| 信頼性 | ソフトウェアのバグやフリーズの可能性あり | 極めて堅牢（部品の故障が少ない） |
| コスト | マイコンと周辺部品が必要 | 非常に安価な汎用ICと受動部品のみ |
この方式は、特にバッテリーで長期間駆動させたい防犯システムや、応答の速さが命の産業用途に最適です。この記事では、圧電サウンダー（ピエゾ素子）の振動を、オペアンプとコンパレータという汎用ICだけでキャッチし、ブザーを鳴らすアナログ回路設計の極意を解説します。
1. システムの核となる市販部品とその選定理由
高性能なアナログセンサーを構築するために、実際に市場で広く使われている汎用部品を選定し、その役割を明確にします。
1-1. センサー：圧電サウンダー/素子
ブザーとして使われるピエゾ素子は、外部からの力や振動によって微弱な交流（AC）電圧を発生する特性（圧電効果）を利用します。ガラス破壊時に発生する数kHz〜十数kHzの鋭い高周波振動を捉えるのに最適です。
| 部品カテゴリ | おすすめ品番・メーカー例 | 特徴と選定のポイント | 入手先（例） |
| 高性能素子 | 7BB-12-9L0 (村田製作所) | 振動検知用途で信頼性が高い標準的なセラミック振動子。高い感度と安定性を持つ。 | 秋月電子通商、Digi-Keyなど |
| 汎用素子 | 汎用 Φ27mm ピエゾ素子 (各種メーカー) | 安価で入手しやすく、ホビーや初期の試作用に最適。リード線付きを選ぶと便利。 | Amazon、電子部品店 |
1-2. 信号処理IC：オペアンプとコンパレータ
プログラムの代わりに信号処理を行うのが、オペアンプ（演算増幅器）とコンパレータです。
| 部品カテゴリ | おすすめ品番・メーカー例 | 役割と選定理由 |
| オペアンプ | LM358 (Texas Instruments, STMicroなど) | 信号の増幅とノイズフィルタリングを担当。2回路入りで汎用性が高く、安価。 |
| コンパレータ | LM339 (STMicro, ON Semiなど) | しきい値との比較判定を行う 「電子的な意思決定装置」 。4回路入りで多くの比較回路を組める。 |
| 低消費電力IC | TLV2451 (Texas Instruments) | バッテリー駆動が必須の場合、μAオーダーの超低消費電力オペアンプを選定する。 |
| トランジスタ | 2SC1815 (KECなど) / BC547 | コンパレータの出力で、ブザー駆動用の大きな電流を流すスイッチとして機能。 |
2. アナログ回路設計の極意：3つのブロックで考える
マイコンを使わないガラス破壊センサー回路は、以下の3つの機能ブロックに分けて設計します。この設計思想を理解すれば、応用も容易です。
ブロック1：信号調整と高周波強調（アクティブフィルタリング）
この回路の目的は、微弱なピエゾ素子の信号を実用レベルに増幅し、ガラス破壊の信号だけをノイズから分離することです。
1. 増幅器（非反転アンプ）
ピエゾ素子の出力は非常に小さいため、まずはLM358などのオペアンプを使って、信号を数百倍に増幅します。
2. ノイズの分離（ハイパスフィルタ機能の埋め込み）
日常生活の振動（風、車の低周波な揺れなど）は、ガラス破壊の信号とは周波数帯域が異なります。HPF（ハイパスフィルタ）は、これらの低周波ノイズ（数十Hz以下）を遮断し、ガラス破壊特有の鋭い高周波信号だけを意図的に強調して増幅します。
これは、増幅回路のフィードバック抵抗（帰還抵抗）とコンデンサの定数を選ぶことで実現します。
ブロック2：ピークホールドと整流（ACからDCへの変換）
フィルタリングされた信号はまだ交流（AC）であり、プラスとマイナスに振動しています。このままではコンパレータで扱いづらいため、デジタル回路でいう「High/Low」判定がしやすい直流（DC）電圧に変換します。
- 整流回路（ダイオード）：ダイオードを接続し、交流信号のプラス側（またはマイナス側）だけを取り出します。
- ピークホールド（コンデンサ）：整流後の信号をコンデンサに充電することで、瞬間的に発生した信号の最大電圧（ピーク値）をしばらく保持させます。これにより、コンパレータが瞬時のピークを見逃すことなく、確実に検知できます。このピーク電圧が、次のブロックで破壊の「規模」を示す値として使われます。
ブロック3：しきい値判定とアラーム駆動（コンパレータ）
このブロックで、センサーが「破壊があった」と判断し、ブザーを鳴らす電気信号を生成します。
1. 電子的な意思決定（LM339を使用）
コンパレータICであるLM339（またはLM358をコンパレータモードで使用）を使います。コンパレータは、2つの入力電圧を比較し、その大小関係に応じて出力（ブザーON/OFF）を切り替える機能を持っています。
- 入力A（信号）：ブロック2で生成されたピークホールド電圧
- 入力B（基準）：可変抵抗で設定した基準電圧（しきい値）
2. アラーム作動ロジック
- 「信号電圧（ピーク）」＞「基準電圧（しきい値）」になった瞬間、コンパレータの出力がONになります。
- このON信号をトランジスタ（2SC1815など）のベースに入力することで、ブザーを鳴らすのに十分な電流を流すスイッチがONになり、瞬時にアラームが作動します。
3. 感度調整（可変抵抗の役割）
アナログ回路において、感度調整は極めて重要です。コンパレータの基準電圧を設定する可変抵抗を回すことで、アラームが鳴る しきい値（電圧） を物理的に変えることができます。これにより、設置場所（交通量の多い場所、静かな場所など）に合わせて誤作動が起きない最適な感度をユーザー自身が調整できます。
4. アナログ式センサーの応用と拡張
マイコンを使わないシンプルな構成は、特定の専門分野で強力な力を発揮します。
4-1. 超低消費電力監視システムへの応用
TLV2451のような低消費電力オペアンプを選定すれば、回路全体の消費電流を数マイクロアンペア（μA）レベルまで抑えることが可能です。
- 応用事例: 電池寿命が最優先されるリモート監視装置や、非常時のみ電源が必要な備蓄庫の防犯システム。電源寿命が大幅に伸びることで、メンテナンスコストを削減できます。
4-2. 産業機械の異常監視（予知保全）
ガラス破壊センサーの原理は、振動解析を応用した 「異常検知システム」 としても機能します。
- 事例: 産業用モーターの軸受にピエゾ素子を貼り付け、通常とは異なる特定の高周波ノイズ（異音）が発生した場合にのみ警告灯を点灯させるシステム。フィルタ回路を特定の周波数帯域に絞ることで、機械の故障を未然に防ぐ予知保全が可能になります。
4-3. ブザー以外の出力方法
コンパレータの出力は、トランジスタを介してブザーだけでなく、多様な負荷を駆動できます。
- リレー駆動: トランジスタでリレー（電磁石スイッチ）を駆動し、より大きな電力のサイレンや照明をONにできます。
- LED点灯: トランジスタでLEDを駆動し、目視による警報を発することができます。
まとめ：アナログ回路は「シンプル・イズ・ベスト」
ESP32のようなデジタル機器に頼らないアナログ回路によるガラス破壊センサーの構築は、電気の基本原理に立ち返る、非常に奥深い電子工作です。
- 高性能な 圧電素子（例：村田製作所 7BB-12-9L0） を選び、
- オペアンプ（例：LM358） で高周波信号を増幅・フィルタリングし、
- コンパレータ（例：LM339） で確実な判定を行う。
この3つのブロックを汎用ICで組み合わせることで、プログラムのバグやフリーズの心配がない、堅牢で信頼性の高いセキュリティシステムを手に入れることができます。ぜひ、この記事を参考に、トランジスタとオペアンプの世界に飛び込み、アナログ回路の持つシンプルでパワフルな魅力を体験してください。
