Electrical ＆ Magnetic EM上島Lab 代表

上島 敬人

【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電...もっと見る 【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電の設計開発部門にて下記業務に従事。
《商品設計（電気系）》
　ハードウェア設計・評価：アナログ設計、SW電源、インバーター等
　プリント基板設計：製造性、法規に熟知した実装パターン設計
　品質・信頼性評価：EMC、熱、電気系信頼性評価・対策
　開発マネジメント：FMEA、DR、法規等QMS管理・対内外折衝、VE推進
《電気系開発技術・システム開発》
　CAD/PDMを中心としたシステム開発・運用
　CAE：電磁界シミュレーションを活用したEMC検証、対策

【取得資格】
　iNARTE EMC Design Engineer

前回に続いてノイズまみれの配線の話題です。電子制御基板を中心に電力の流れを見ると、入り口である電源線、負荷への出力線、様々なセンサー、ものによっては表示装置との接続といったように大抵の機器には配線があります。
配線には目的（接続先の負荷）により、主たる信号以外に信号をとりまく歪み成分（ノイズ）を含んでいます。この歪みがなぜ起きるのかについては別の機会に論じてみようと思います。
第1話ではノイズを含んだ主信号を伝達する配線が、SN比の小さい（ノイズに弱い）信号線に近接すると影響を受けるということを、クーロン力で表現してみました。クーロン力を小さくするにはクーロン力が距離の2乗に反比例する理論式から、距離をとればいいことがわかります。しかしながら、機器のサイズには種々の理由で制限があるため、クーロン力が十分弱められる距離をとることができない場合があります。では、こんな時にはどうすればいいのか、その解決方法の一つとして、シールドが挙げられます。

シールドの原理

シールドというのは信号線などを、ノイズ発生源から導体で遮蔽する状態を言います。では、シールドするとなぜノイズを遮断できるのか。この現象を電気磁気学の基本理論のひとつであるガウスの法則から論じてみます。

ガウスの法則は次のように表現されます。

はっきり言って、これがシールドとどういう関係にあるのか、読んだだけではよくわかりませんよね。図に現してみると次のようになります。

クーロン力がまた出てきて、ますますシールドとどういう関係にあるのか？？？ですね。ガウスの法則を単位面積で見てみます。

つまり、電荷から発せられた電場のベクトル量（大きさ）はクーロン力に比例し、真空の誘電率で決定される電気力線の総本数であると論じているということです。
配線に戻ります。負荷に接続されノイズを含んだパワー線を電荷とみると、信号線に到達する電荷からの電気力線を減少させることがその影響を最小にするということが想像できると思います。パワー線と信号線の間に電位ゼロの導体が挿入されると、電気力線は電位ゼロの導体で終了し、導体の向こうにある信号線には到達しません。どうやらシールドとガウスは旧知の仲のようですが、電位がゼロではない導体など、不十分なシールドでは電気力線の一部が信号線に到達してしまい、少なからず影響を受けることになり親友ではなさそうです。

商品開発での配線あれこれ

商品の開発を進めるなかで、電気設計者と構造設計者の火花が散る要因の一つが配線処理です。例えば、プリント基板を収納するケースのあちこちに配線用の穴を開けるのは金型が複雑になるなど構造上の制約があるため配線はまとめたいと考えます。一方、電気設計者としては配線の意味毎に分離したいと考えます。実際、私も商品設計時代に妥協したためにエミッションで課題になり四苦八苦したあげく対策できず、構造設計と製造部門と押し問答となりながらも配線をまとめてきたことがあります。
配線をシールドするには、シールド線を利用したり、導体で囲ったり方法は様々です。ところがシールド線はコストが高く、導体で囲むといってもそう簡単ではありません。たどり着いた施策は、SN比の小さい信号線は『束にしてひねる』でした。ツィストペアーという手法があります。ツイストペアーケーブルというのは信号線とGND線を撚り合わせることでシールド効果を発生させるものですが、プリント基板から引き出される信号線にはGND線も含まれ、またワイヤーは導体ですからこれらを束ねて撚るのは相対的にツイストペアーと同等の効果となったわけです。

この状態は美しく配線処理をして組み立てしやすくしたい製造部門にも共感を得ることができ、製造のスタンダードにもなりました。束ねると逆効果になる信号を設計視点で見極めておく必要がありますが、意味のある構成を指示するのは設計者の責任でもあると思います。

最後までお読みいただきありがとうございました。
次回は『アンペールの法則』を考えていきたいと思います。