[ Home > 電気製品の EMC／安全適合性 > EMC のための設計テクニック (第2版) ]
翻訳: T. Sato
| この記事の著者、Keith Armstrong は、 EMC や機能安全に関する様々なセミナーやコンサルティングを世界各国で行なっています。 彼のサービスに関心のある方は、佐藤に、 あるいは直接 Keith Armstrong に 連絡して下さい。 |
| この記事の訳者、佐藤は、 現在テスト・ラボに所属しており、 EMC に関するコンサルティング、設計/対策支援などのサービスを提供しております。 この種のサービスに関心のある方は、佐藤に 連絡して下さい。 |
このシリーズは UK EMC Journal に 1999年に発表された記事 [1] のアップデートであり、 全ての応用領域 (家電、商用、娯楽、産業、医療と看護、自動車、鉄道、海事、航空宇宙、軍事など) の、 電子、PCB、及び機械設計者に関係する基本的なグッド EMC プラクティスを含む。 電磁干渉 (EMI) によって引き起こされる安全上のリスクはここではカバーしない ―― この点に関するより詳しい情報は、[2] を参照されたい。
これらの記事は、通常どの EMC テクニックを用いるべきで、 それらを通常どのように適用すべきかという、実際的な論点を扱う。 何故それらが必要なのか、あるいは何故それらが働くのかはカバーされないが、 それらは学術的に良く理解されており、何十年もの実践で良く証明されている。 EMC の基礎の良い理解はエンジニアリングの不足や過剰の防止を助けるために大いに有用であるが、 これらの記事の範囲を超える。
これらの６個の記事でカバーされるテクニックは：
上述のトピック全てに関して多くの教科書や記事が書かれているので、 この雑誌の記事の形式では、様々な課題を提示し、 最も重要な基本的なグッド・プラクティス EMC 設計テクニックを示す以上のことはできない。 より進んだ学習とより詳細な EMC 設計テクニックのために、参考文献が示される。
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| Figure 4A: 放射スペクトラムとその用途 (2.5GHz までのみが示されている) |
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| Figure 4B: 電子／電気デバイスが発生するスペクトラム (2.5GHz までのみが示されている) |
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| Figure 4C: 1882年のシールド効果試験 |
「スクリーン」には電子工学における他の一般的な用途 (例えばディスプレイ・スクリーン) があるので、 この記事では「スクリーン」のかわりに「シールド」という単語を用いる。 ケーブル・シールドは [4] の 2.6章で扱われているので、 この記事は他の種類のシールドに関するものとなる。 ケーブル・シールドが、特に 100MHz 以上で良く機能するためには、 そのシールド・ケーブルの両端に接続されている機器もシールドされ、 そのシールドがケーブル・シールドに 360°接続されている必要があることに注意されたい。
Figure 4A は、2.5GHz までの放射電磁界スペクトラムと、 その民間での一般的な用途の一部を示す。 2.5GHz 以上のスペクトラムは、そのような周波数で使用することのできる安価な半導体の開発により、 非常に急速に発展している。
Figure 4B は、いくつかのありふれた電子デバイスが放射する典型的な電磁スペクトラムと、 電気的接点でのスパークによって引き起こされる放射性のノイズの例を示す。 放射スペクトラムを放送や通信などのために使用できるようにするためには、 それを電子／電気ノイズから保護しなければならないことは明白である。
上の理由のため、シールドは長年用いられてきたテクニックであり、 Figure 4C は 1882年からのシールド効果 (SE) の試験法の一部を示す (Erlangen の Siemens EMC Test Laboratory の Anton Kohling の好意による)。
設計の不適切なシールドは、 製品のエミッションやイミュニティをシールドがなかった時よりも悪化させ得る。 一般に、単に供給者のカタログからシールド・エンクロージャを選び、 それ以上の作業が不要であろうと期待することはできない ―― 必要なシールド性能を購入したエンクロージャに発揮させるためには、 多くの考慮すべき設計や組み立てのテクニックがある。 この記事で述べる点に充分な注意を払わなかったことによって シールド・エンクロージャの性能を完全に台無しにしてしまうことは、極めて容易である。
シールドに関する多くの教科書や研究論文が書かれており、 [5] の 34章はその非常に包括的なリストを含んでいる。 今は PC 上で動くいくつもの回路シミュレータもあり、 シールドの効果のシミュレートのために用いることができる。 この記事は、波動方程式や、その種の細部には踏み込まない ―― その代わりに、シールドが望んだように機能する機会を持つようにし、 また不愉快な、かつ／もしくは高いものに付く経験を避けるために考慮する必要があることを述べる。
シールドの設計や選択は「黒魔術」ではないが、それでも、 あるシールド構造が製品に組み込まれた時にどのような性能を達成するかを「厳密に」予測することは、 特に 100MHz 以上の周波数においては難しく、 最も費用効果の良いものを見付けるために様々な選択肢を試すことがしばしば必要となる。 プロジェクトの最初からそのような柔軟性を持つように計画し、設計することは非常に価値があり、 John R Barnes [5] が「策略のための余地」と呼び、私が「対マーフィー設計」と呼ぶものの例である。 私のアプローチは有名なマーフィーの法則に基づく ―― 私は、マーフィーが彼らのために用意しているかも知れない驚きを予想しようとする設計者が その設計目標とスケジュールにより確実に達し、 また適合試験に不合格となったプロジェクトの最後で無理矢理押し込まれるシールド (あるいは期待されたよりも複雑なシールド) なしで済ませられることから、 できあがった製品がより低い総生産コストを持つことに気付いた。
シールドは、常に、その一方を他方に存在する電磁界から保護する必要がある、
２つのゾーンのあいだの境界に取り付けられる。
この記事は、通常は製品と外部電磁環境のあいだの境界に取り付けられるシールド
――シールドされた製品全体のエンクロージャ―― を考える。
シールドは、製品内、例えばスイッチング電源と敏感なアナログ回路のあいだで用いらることもでき、
その設計は、全てではないとしても、同一の設計テクニックのほとんどを共有するであろう。
その金属面とコンポーネントや導体とのあいだの電気的接続は コモン・モード (CM) 電流の管理とリターンを助け、また SE の向上を助ける。 これが効果的であるためには、向上が必要な最大の周波数において、 その電気的接続は非常に低いインピーダンス (例えば ＜ 1Ω) を持たなければならない。 インピーダンスがレジスタンスを意味しないことに注意すること ―― 無線周波数 (RF) においては、 最も顕著となるのは通常は誘導性リアクタンス (2πf L) であり、 1Ω は、例えば 300MHz においては 530pH 程度のインダクタンスを意味する。 通常の細いワイヤは、その長さ 1mm 当たり 1nH 程度のインダクタンスを持つ。
このテクニックは、シールド・エンクロージャの必要性をなくすために、 あるいは少なくともその SE 要求を、従ってそのコストを低減するために、 充分な SE を与えるかも知れない。 EMC 技術者は dB で考えるので、小さい改善 ――例えば 3dB―― の重要性を見過ごしやすい。 3dB は悩む価値があるようには聞こえないが、 それは SE 性能の 50% の向上を示し、300MHz 以上の周波数においては シールド・エンクロージャの製造の総コストが 50% (あるいはそれ以上) 上がることも充分にあり得る。 従って、シールド全てを全体のエンクロージャにまかせるよりも、 SE を数 dB 向上させるためにそれぞれの機会をとらえた方が費用効果が良い。
完全な空間的シールドは、しばしば「ファラデー・ケージ」 ――これは、通常はそうではない、穴だらけの箱 (ファラデー氏の最初のバージョンのような) が許容できるような印象を与え得るが―― として知られている。
既に述べたように、シールドは、あるゾーンを他が発生する電磁界から保護するために、 製品内でも使用できる。 このようなシールドにも、 エンクロージャ全体のシールドに対するものと同じ設計テクニックが適用される。
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| Figure 4D: 「入れ子」になったシールドとフィルタの例 |
コストを節約するためには、シールドの必要性を減らすために、 このシリーズの第１部 [6] で述べたようにデバイスを選択し、回路を設計すべきである； そして、PCB はシールドを適用できるように設計すべきである (後述)； そして、モジュールやサブ・アセンブリはシールドを適用できるように設計すべきである。 最後に、全体のエンクロージャは、シールドを適用できるように設計すべきである。
シールドは常にコストと重量を加えるが、上のアプローチは、 設計の自由度が制限され、簡単な変更でさえも非常にコストを要するプロジェクトの後半で SE の向上が必要であることがわかった時の遅延と再設計のコストも著しく低減しながら、 通常は最小の総生産コストを達成するであろう。 そもそもシールドできるように設計されていなかった 金属やプラスチックのエンクロージャにシールドを後付けするのは非常に難しいものとなり得るが、 これは後の章で明確になるだろう。
Figure 4D に示されているような「入れ子」になった安価なシールドは、 単一の全体のエンクロージャ・シールドに頼るよりも通常費用効果が良いだけではなく、 より確実でもある。 例えば、もし 900MHz で 60dB のシールドが必要で、 それがシールドされた全体のエンクロージャのみによって達成されるならば、 そのエンクロージャや組み立てのわずかな欠陥が その SE を容易に 20dB 以下にまで低下させ得るだろう。 だが、もし Figure 4D に示すように それぞれが 900MHz で 30dB を与える３つのレベルの安価なシールドが用いられたならば、 その総生産コストは少なくなり得るし、 その外側のエンクロージャが欠陥や損傷を生じ、 あるいは予期される誤使用 (例えばカバーを外す) があったとしても 全体としての SE を必要な 60dB よりも低下させないであろう。
費用効果の良い生産のための要求は、設計に際して常に考慮すべきである。
少量だけ手作りされる製品に適したシールド設計は、
自動生産ラインで何万個も生産される製品のためには適切ではないかも知れない。
大量生産におけるコストの圧力は、
通常は PCB 上のシールドがエンクロージャのシールドよりも好ましいことを意味する。
実際、後で述べるように、1GHz よりも上では、
エンクロージャ・シールドに全面的に頼ることは非常に困難／高価なものとなり得るため、
PCB レベルのシールドがほぼ不可欠である。
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| Figure 4E: シールドによる反射と吸収 |
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| Figure 4F: 吸収とシールド |
Figure 4E はシールドの総体的な動作を示す。 その波動インピーダンスに依存して、 入射波の伝搬は最初の「高 - 低」インピーダンス不連続 (導体の表面) で反射され、 残りはその材料内に透過波として届き、 その材料の抵抗によって熱に変わることによって吸収される。 透過波がその導体の裏面の「低 - 高」インピーダンス不連続に達した時、 一部は再び反射されて導体内に留まり、 残りは入射波が減衰したものとしてシールドの裏面を出る。
透過波はシールド材内で面のあいだで反射を繰り返し、 その度にシールドの外側の波を増やし、徐々に減衰する。 0.25mm よりも厚いほとんどの金属については、 大抵は減衰した入射波を増加させる最初のものよりも後の反射を無視できる。 だが、非常に薄い材質を扱う時、例えばディスプレイをシールドする時 (後述) には、 再反射は達成される総 SE の顕著な悪化をもたらし得る。
近傍界においては、電界は通常は非常に高いインピーダンスを持つので、 高導電性の面を持ち、またシールドすべき最大の周波数において低インピーダンスでの 保護される回路の RF 基準面への接続を持つ限り、非常に薄い材料で容易に反射される。 だが、近傍磁界は低いインピーダンスを持つ傾向があり、それほど多くの反射を生じない ―― そのシールドは透過波の吸収により強く依存し、良い SE を得るためには金属の適当な厚さ (関係する周波数における表皮深さの何倍かの ―― 後述) を必要とする。
遠方界において、「平面」波は中程度のインピーダンスを持つ。 例えば、空気や真空の中においては、その波動インピーダンスは 377Ω に近く (それは他の媒体の中では低下するであろう)、 従って良い SE は表面導電率と厚さの双方に依存する。 Figure 4F は、シールドされた電子回路のエミッションとイミュニティを、 吸収がどのように向上させるかを図示する。
0.75mm 以上の厚さ、そして 200kHz 以上の周波数において、 ほとんどの通常の金属材は良い SE を与え、10MHz 以上では素晴らしい SE を持つ。 そのような周波数におけるシールド・エンクロージャでの問題は、 大抵は開口やケーブルの貫通によって引き起こされ、これは後の章でカバーする。
多くの教科書やフリーなガイド (例えば [7]) が、
シールド材の SE を波動方程式と第一原理からどのように計算するかを述べている。
これは非常に興味深い理論的演習であるが、
その結果は電磁界発生源の遠方界に適用されるだけであり、
シールドが発生源の近傍にある時の SE の予測では全く正確でないかも知れない (後述)。
また、それらは通常は、
ほとんど常に現実の SE 性能を支配する開口とケーブル貫通の影響を無視する。
表皮深さ (δ) は、侵入した磁界によって生じた電流を表皮効果がおおよそ 9dB 減少する、 シールド材内での深さである。 従って、表皮深さの３倍の厚さに過ぎない材料も、 そのシールドによって達成される総 SE (１回目と２回目の反射による) に、 おおよそ 27dB の減衰を加えるであろう。
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| Figure 4G: 表皮深さの式とグラフ |
アルミニウム、銅、銀、金などは高い導電率と 1 の非透磁率 (空気と同一) を持ち、 0.75〜3mm の通常の構造材の厚さでは表皮深さ幾つ分かの吸収を与えるので、 200kHz 以上のどのような種類のフィールド (電界、磁界、あるいは電磁界) のシールドにも良い。
軟鋼は、低い周波数において 300 程度で、 1MHz よりも上の周波数で 1 に低下する比透磁率を持つ強磁性体であり、 10kHz よりも下の周波数に対しては著しく小さい δ を与え、 しばしばシールドのためにより良い選択となる。 ニッケルは一般に用いられているもう１つの強磁性金属であり、 軟鋼やその他の強磁性金属と同様、ある周波数よりも上で磁性を失う。 軟鋼、ニッケル、そして他のほとんどの／全ての強磁性金属は 銅やアルミニウムのような良導体よりも低い導電率を持ち、 これはより低い反射率を持つことを意味する。
錫で厚くめっきされた軟鋼やニッケルは広範囲の周波数のために良い材料となり得る ―― 鋼やニッケルは低い周波数で良い吸収を与え、錫めっきは良い反射を与える。 異なる等級の鋼 (特にステンレス) は軟鋼とは異なる導電率と透磁率を持ち、 同一の SE のためにはかなり厚くすることが必要となるかも知れない。
表皮深さに関するより詳しい情報は、[8]、及び [5] の Table 34-1 を参照されたい。
非常に低い周波数の磁界からの保護は、隔離 ――敏感なデバイスや回路を低いフィールド強度の領域に配置する―― によって最も良く達成され、 また (可能であれば) その発生源を放射が少なくなるように変更することで そのフィールドのレベルを低減することによっても最も良く達成される。 オシロスコープ、テレビ、そしてコンピュータのモニタ・ディスプレイで歴史的に用いられていたような 陰極線管 (CRT) デバイス、光電子増倍管、電子顕微鏡、そしてその他のデバイスの一部は、 磁界に特に敏感である。 今日では、CRT ディスプレイに対する最も容易な解決は、 単にそれを液晶ディスプレイ (LCD) デバイスで置き換えることである。
そのようなフィールドからのシールドが必要であり、 必要となる鋼やニッケルの厚さが実際的でないならば、 例えばミューメタル、ラジオメタル、パーマロイなどの、 典型的には 10,000 から 350,000 の範囲の高い μr の値の 特別な強磁性金属を使用することができる。 そのような金属での設計は反射や吸収についてのものではなく、 シールドされる領域から磁束を逸す ――「フラックス・ダクティング」と呼ばれることがある―― ために用いられる。
全ての強磁性材料は充分に強い磁界で飽和し得るし、 そうなればシールドとして良く機能せず、あるいは熱くさえなり得る。 この理由のため、 ハム・フィールドの低減のために主電源変圧器の上に置かれる鋼や高透磁率の金属の箱は、 飽和し、所望の利益を達成できなくなり得る。 時には、そのような強い磁界を受けないように、その箱を大きくすることだけが必要である。
一般論としては、材料の透磁率が高くなれば飽和磁束密度は低くなるので、 普通のテクニックは、非常に高透磁率の材料の他の層から分けられた、 低い、あるいは中程度の透磁率の材料の１つ以上の層を用いることである。 その低い、あるいは中程度の透磁率の材料は、 その非常に高い透磁率の材料が飽和せずに扱える程度に磁束密度を低減するために、 フィールドに面する側になければならない。
いくつかの企業は非常に低い周波数の磁界のシールドの目的のために ２層や３層のラミネート材を生産しており、 いくつかの企業は例えば電子顕微鏡の保護のために それから大きいシールド・エンクロージャを作っている。
中程度や高い透磁率の材料は、通常は取り扱いや加工のストレスに非常に敏感である。 鋭い打撃はその透磁率の相当の部分を失わせ得るし、 そうなると水素雰囲気中で高温でアニールしなければならなくなる。 従って、そのような材料は、最終的な組み立てを行なえるような形で、 既に専門の製造業者によって成形され、アニールされたものを購入することが最良である。
低周波シールドのためのもう１つのテクニックはアクティブ・キャンセルであり、 高レベルの電源周波磁界で汚染された環境で CRT VDU のイメージを安定させるために特に、 少なくとも２つの企業がこのテクニックを開発した。 絶縁された導体の枠が保護される領域の周囲に置かれ、 音声周波電力増幅器が保護される空間内の磁界 (磁界計で測定される) のほとんどをキャンセルするようにそれぞれを駆動する。 CRT ディスプレイが LCD で置き換えられていることからこれはあまり使われないようになっているが、 依然として電子顕微鏡やその他の磁界に敏感な科学／医療測定に応用を見出している。
10MHz 以上ではごく薄い金属から 100dB 以上の SE を得ることは容易であるが、 全ての実際のシールドの SE は継目、接合部、扉、カバーなどの小さい開口 (ギャップ) からの、 そしてケーブルの貫通からの漏洩によってさえも深刻に損なわれる 100dB を達成するシールド・エンクロージャは非常にコストを要し、 通常は軍やその他の非民間組織によって用いられる類のものである。
開口とケーブルの貫通の管理は良い SE の値の達成のための鍵であり、 100kHz 以上の周波数ではシールドを作っている金属の種類や厚さよりも重要となる。 人々は、しばしば非常に高価なシールド・エンクロージャを購入し、 その開口やケーブル・ポートを正しく設計し損ねることによって、 あるいは組み立てに充分な注意を払わないことによって、その SE を完全に損なう。
シールドの設計に関する多くの情報、例えば [9]、[10]、[11]、[12] が無料で入手できるが、 この有用な情報を提供している企業の多くの企業の事業のかなりの部分が 開口の影響を制限するために用いられる導電性ガスケットの供給にあるとは言え、 開口とケーブルの貫通の SE への実際の影響をはぐらかす傾向がある。
電磁シールドを水やガスの配管 (隙間が漏れを意味する) と比較するのは誘惑的であるが、 シールドの開口からの漏洩はそのようには機能しない ―― その箱の内側と外側のフィールドは、 圧力のかかった水やガスがそうするように隙間から噴出しない。
その代わりに、既に述べたように、フィールドがシールドの金属に当たったとき、 その表面を電流が流れる (Figure 4F を参照)。 その「表面電流」が開口に出会った時、 それはその周囲を流れるために好ましい経路から逸れなければならない。 電流を逸せることは、それに関係する 開口を通って真直に通過する (シールド材を直進することを意味する) のと 直角の方向のインダクタンスと磁界を生じ、シールドの SE を低下させる。
開口を迂回するために作られたインダクタンスを表面電流が流れると、 このインダクタンスに自ずと電位差が生じ、開口を横切って現れる。 これらの電位差は、これもエンクロージャの SE を低下させる、新たな電界を生じる。
特定の周波数においてその開口を通る漏洩を大きく増幅する共振が生じ得る。 これらの共振周波数がクロック高調波などの内部の周波数と一致した時、 これらの周波数においてエミッションとイミュニティの試験で不合格となる可能性が高まる。 ベースバンド・アナログ回路は通常は非常に広い周波数範囲のノイズに対して敏感である (例えば 20Hz〜20kHz での動作が意図された音声回路は 通常は少なくとも 500MHz までの変調 RF フィールドに敏感であり得る) ので、 共振する開口は、それらをその共振周波数においてより敏感にする傾向がある。 開口に影響する２つの主な種類の共振がある： 開口自身の共振、及びエンクロージャの内部空洞の共振。
開口の寸法が共振するとき、 それは表面電流が開口を迂回することによって生じる電界と磁界を増幅する共振ゲイン (Q) を持つ。 それは実質的に完全に同調した「偶発的アンテナ」である。 ほとんどの材料の導電率は共振している開口での抵抗性損失が僅かとなるようなものであるので、 その Q は非常に高く、40dB や 60dB にさえもなり得る。
エンクロージャの内部共振も非常に高い値の Q を持ち得るし、 シールドの内面のいくつかの領域の表面電流を増幅させ得る。 これらの「共振ホット・スポット」の１つが開口を含む場合、 その開口からの漏洩はその共振周波数、及びその付近でかなり増加する。 これらの共振問題の双方は、後で述べる。
これらの共振のため、シールド・エンクロージャの SE は、 通常は共振周波数付近でのいくつかのかなり鋭い低下を示す。 EMC 技術者は、SE のディップの周波数における波長を、 シールドの開口 (例えば継目、接合部、表示、換気など) の寸法と、 またシールドを貫通する任意のケーブルの長さと関連付けることで、 この事実を良くない SE の原因を追跡するために用いる。
だが、SE は、時には、広い周波数範囲にわたって、共振以外の形で深刻に損なわれ得る。 私は、マイクロ・コントローラ上の PCB 実装型シールドの 直径 4mm に過ぎない穴 (プラスチックのスナップ式 PCB 取り付け用ピラーのために意図された) からの 130MHz に達する劇的なレベルのエミッションを見たことがある。 特定の種類のマイクロ・コントローラに関係する特に強力な近傍電磁界は そのシールド・カンに相当の電流を引き起こし得たが、 その高レベルのエミッションを引き起こしたのは、 その 0V プレーンの 4mm の穴の周囲を迂回するこの電流であった。 その穴は偶発的アンテナとして振る舞ったが、 その直径も PCB 実装型シールドも 130MHz では共振の近くにはなかった。 その穴の上に小さい黄銅の板を半田付けするとそのエミッションは劇的に減少し、 量産での変更は単にその取り付け用ピラーを PCB のシールドされた領域に侵入しないように僅かに動かすことであった。
開口におけるシールドの「漏洩」の真の性質の理解は、 細長い開口の長手を表面電流の方向と合わせられるならば、 その漏洩は小さくなる筈であることを示す。 勿論、この設計テクニックは表面電流の方向がわかっていることを、 そしてそれが１つの支配的な方向を持つことを必要とする。 これは、例えばその表面電流が主として電流が流れているコイルの近さによる場合のような 単純な状況ではかなり明白となり得るが、 ほとんどの現代的な製品の複雑さは、 コンピュータ・シミュレーション (後述) が必要となり得ることを意味する。
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| Figure 4H: シールドの開口の偶発的アンテナ効果 (2.5GHz までのみが示されている) |
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| Figure 4J: 遠方界における単一の開口の SE のためのガイド |
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| Figure 4K: PC ケースのシールド効果試験の結果 |
この仮定は Figures 4H と 4J を描くために用いられ、 ほとんどの実際的な状況で有用とするのに充分に良く SE を予測するようである。 それは、少なくとも、何もしないよりは良い設計ツールである。 その予測が不正確であることがわかったならば、 特定の製品で用いられている技術や構成での実際的な経験に従って洗練させることができるかも知れない。 Figure 4H は Figure 4B のスペクトラムの使用とノイズのプロットを用いるが、 さらにシールドの開口によって作られる偶発的アンテナの効率をプロットしている。
共振において、開口がどれだけ広いか狭いか、 あるいはその開口を通してエンクロージャ内を見通すことができるかどうかさえも、 僅かな違いしか生じない。 塗膜や酸化皮膜よりも広くない開口 (しばしば板金部品の接合部に作られるような) や、 ラビリンス状の構造を持つものでさえも、 その共振周波数において、指を差し込めるほど広い同様の開口と同程度に漏洩する。
無垢の金属、あるいは導電性のめっきが付けられた２つの表面が、 良い RF 接続を作るスポット熔接やねじなどで固定される場合でさえも、 その固定箇所のあいだで低抵抗の接続が行なわれていると仮定すべきではない。 固定のあいだの全てのスペースは、 その最長の寸法 g がその固定のピッチである開口として扱うべきである。 固定での RF 接続の品質が疑わしい、あるいは製品の寿命中に劣化するかも知れない場合、 シールド設計はそれに応じて大きい開口を仮定すべきである。
Figure 4H は開口漏洩の問題の感触を掴むために有用であるが、 Figure 4J は遠方界のためのシールドの設計のために、実用上さらに有用である。 それは、例えば、単一の開口を持つシールド・エンクロージャについて、 1GHz で 40dB の SE の達成のためは、 最大の開口寸法がおおよそ 1.5mm よりも大きいべきではないことを示す。 Figure 4J は単一の開口に適用されるが、 ほとんどの製品はいくつかの開口を持ち、SE をさらに低下させることに注意されたい (後述)。
良い性能が欲しい時にしばしば EMC 技術者が用いる λ/100 の「規則」は 34dB の SE しか与えず、それも単一の開口に対してである。 より日常的な λ/10 の「規則」に従うことは、 実際には SE が正の値となるであろうことを確かとするだけである ―― 用いられている λ の値よりも短くない波長の周波数について、 そのシールドは少なくとも何もないよりは良い筈である。
実際のシールドは、通常は多数の接合部、継目、操作部、表示、換気口、 リムーバブル・ストレージ・メディアのためのスロットなどを備え、 然るべく設計されていない限りはその全てが偶発的アンテナとして振る舞い得る。 単一の開口を持つものでさえも、良い値の SE を得ることは明らかに容易ではない。 Figure 4K は、1997年における商用のパーソナル・コンピュータ (PC) のエンクロージャの 技術水準の概念を与える。 現代的な PC の製造業者は、 (例えば USA の FCC 要求への適合のために) より高い周波数までで、 より大きな SE を達成しなければならない。 PC に透明なエンクロージャを取り付ける流行は、 それを 40以上の国で EMC 規制に不適合とすることは確実で、 隣人や、ことによると上空を飛行する航空機とさえも干渉を生じるかも知れない。 そのようなファッショナブルな人々が、彼らの洒落た PC を 病院やその他の重要な施設に近過ぎるところで使わないことを望むだけである。
時には、エンクロージャは良い SE 性能を与えることが要求され、
例えばある種の軍用機器は 10kHz から 18GHz で少なくとも 80dB の SE を必要とするかも知れず、
ある種の重要な商用／産業用製品は 350MHz 前後の周波数で
120kV/m に達するフィールドを生じ得る電磁兵器に耐える必要があるかも知れない [13]。
そのような場合、任意の／全ての開口と導体の貫通の設計と組み立てに、
非常にしっかりとした注意が必要である。
開口が λ/6 よりも離れている時、ある角度ではその漏洩は相殺され、 エミッションの「ビーム」を生じ得る。 結果として、周波数とエンクロージャ上の開口の位置に依存する特定の角度からは、 その SE はその開口全てが互いに λ/6 以内にあった時に達成されたであろうよりも良くなるであろうし、 (単純な仮定によれば) 決して悪くはならない筈である。
従って、全てを考え合わせると、複数の開口が必要な場合、それらが互いにできる限り離れるように エンクロージャ上に分散させた方が、SE のために良さそうである。
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| Figure 4L: 単純な SE の式からの奇妙な結果 |
Figure 4L は、同一の総開口面積を持つ小さい穴の配列よりも、 単一の大きい穴の方がかなり良いことを示唆する。 だが、現実世界では、その逆が真である： エンクロージャ上の単一の大きな開口は、同一の総開口面積の小さい穴の配列よりも悪い SE を持つ。 実際、大きな開口を多くの小さいもので置き換えることは普通に行なわれており、 換気用開口のための良いシールド手段であるとみなされている。
これはシールド設計における非常に重要な問題を強調する ―― 単純な公式は、一般的な使用のためにはほとんど役に立たない。 シールドの公式を単純にするためには、大きな単純化の仮定をいくつか置いて、 マクスウェル方程式から導出しなければならなかった ―― 従って、それは、 それらの仮定が適用される非常に限定された物理的状況に対して適するだけである。 実際の製品での現実のシールドは数学的に非常に複雑であり、 コンピュータ・シミュレーション (後述) は、 役に立つ精度 (例えば ±10dB) で SE を予測する唯一の現実的な方法である。
コンピュータ・シミュレータがないので、私のアプローチは、 エミッションやイミュニティの試験に合格するものと期待した最小コストの設計が 実際には充分に良くないことがわかったならば、コンポーネント (あらかじめ設計してサンプルを入手した導電性ガスケット、及び／もしくはシールド・カンのような) を取り付けることによって数分でその SE を改善できるように、 シールドを素早くかつ容易に改善できるように設計することである。
例えば [14]、[15」、[16] のような、
インターネット経由で無料で入手できる簡単なシールド設計ツールがいくつかあるが、
それらが現実の SE の予測でどの程度正確であるかは知らない。
例えば、[14] は上のものに似た単純な公式を用いている。
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| Figure 4M: 特定の状況のために導出された式による SE の妥当な予測 |
l: 元の矩形の穴の辺の長さ
g: 小さい矩形の穴の辺の長さ
p: 小さい穴のピッチ (間隔)
d: シールド材の厚さ
このガイドの式は、関係する最大の周波数において g ＜ λ/6 である時にのみ有効である。 矩形のものの代わりに小さい丸穴を用いるならば、g はその直径を示し、S は 3dB 高くなる。 Figure 4M は、この式を Figure 4L に似た例に適用すると、 その SE が 25dB 程度改善される筈であることを示す。 これが実際の製品に対して非常に正確となるかどうかを言うことは難しいが、 少なくとも、それは現実のシールドの挙動とより良く相関する。
上の式は、穴の配列が元の単一の大きな穴の外形内に収まっている時に適用されるだけである。
これは、穴のあいだの金属の格子に取られる面積のため、
その配列の開口面積は単一の大きな穴よりも小さくなることを意味する。
例えば換気の目的のため、同一の開口面積を達成するために穴の数を増やすことは、
明らかにその SE をある程度低下させるであろうが、その式はこれをカバーしない。
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| Figure 4N: 金属ボックス内の反射によって引き起こされる共振と「定在波」 |
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| Figure 4P: 実際の空洞共振の例 |
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| Figure 4Q: ボックスの中身によって低下した空洞共振周波数の例 |
Figure 4N は、空洞共振の予測のためによく用いられる単純な式を示す。 シールド・エンクロージャはその境界全てで低いインピーダンスを持つので、 l、m、n を ３つの軸の任意のものに沿った平行する金属面のあいだに入る半波長の個数を示す整数 (0, 1, 2, 3,...) 、 そして L、W、及び H をそれぞれメートルでのその箱の長さ、幅、及び高さとして、 f = 150√{(l / L)2 + (m / W)2 + (n /H)2 } で MHz で与えられる周波数における、 半波長の整数 (自然数) 倍の空洞共振のみを生じ得る。 (その寸法がミリメートルであれば、共振周波数は GHz で与えられる。)
Figure 4N は、上の式の２つの解 ――１つは (1, 0, 0) モードとして知られている l = 1、m = 0、そして n = 0 であるもの、 そして１つは (3, 0, 0) モードとして知られている l = 3、m = 0、そして n = 0 であるもの―― のフィールド分布を図示する。 これらの例は、これらの共振周波数における電界分布の「定在波」パターンを示す。 この波は本当は静止しておらず、 実際にはその箱の２つの面のあいだで光の速度で反射を繰り返すが、 非常に高速な計器がない限り静止しているように見える。
(27, 13, 19) のような非常に複雑なモードを考えることもできるが、 主に我々は、側面間の (x, 0, 0)、前面と後面の (0, x, 0)、 そして上面と下面の (0, 0, x) などの単純な共振モードに関心がある。 重要な共振の１つは、最低の内部共振周波数を与える、 ３次元の対角上の対向する角のあいだでの (1, 1, 1) モードである。
Figure 4P は、その共振周波数の１つ (これは (3, 0, 0) モードとなる) での、 ３次元フィールド・ソルバによるシールド・ボックス内の電界強度のプロットの例を示す。 ボックス上の小さい開口を通したフィールドの漏洩がはっきりと見える。
ボックス内に金属構造、プリント基板、ケーブルなどを追加することはその共振周波数に影響し、 Figure 4Q に示した例のように、通常はその共振周波数を低くする。 それらは新たな共振周波数も加え得る。
エンクロージャの空間内の共振ホット・スポットは、
ケーブル、及び／もしくは PCB 間のクロストーク現象の共振周波数における増幅に伴い、
時にはシグナル・インテグリティに顕著な影響を持ち得る。
慎重な設計は、
特に敏感な、あるいはノイジーなコンポーネント (あるいはそれらに関係する導体) が、
それらが適切にシールドやフィルタされていない限り
ホット・スポットの近くに置かれないことを確かとするであろう。
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| Figure 4R: 信号源が開口の近くにある時には近傍界に対する SE は低くなる |
だが、製品からのエミッションの低減のためにシールドを用いる時、 シールドは通常は発生源の近傍界にあり、 特に低い周波数においては、平面波を想定した SE は極めて誤ったものとなり得る。 RF 発生源が開口部に近くなれば、SE は悪化する。 平面波 (遠方界) に対して非常に良い SE を持つ非常に小さい開口の配列を通してさえ、 特に低い周波数において、極めて著しい大きさの漏洩が生じ得る ―― より詳しくは [17] を参照。
Figure 4R は開口の周囲の電界と磁界を図示し、それらが、
ノイジーな、あるいは敏感なコンポーネントや導体を置くことを勧められないであろう、
SE が低下した領域に関係していることを示す。
開口の大きさを削減する。 開口を必要よりも大きくさせない。 その共振周波数を関係する最大の周波数よりも充分に高くするために、 Figure 4M に示すように、必要な開口を小さいものに分割する。 金属構造のあいだに長い継目や接合部がある場合、 それらはその継目や接合部に沿って一定の間隔で、 直接的な金属と金属の接続のテクニックを用いて電気的に接続されるべきである。
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| Figure 4S: 直接的な金属と金属の RF 接続の原理 |
しばしば EMC ガスケットと呼ばれる柔軟な導電性ガスケットは、 例えば取り外せるカバー、扉、シールドされた窓、シールドされた換気パネルなどの周囲のように、 開口が長くなければならない場合には特に、開口の寸法の低減のために非常に価値がある。 ガスケットとガスケッティング手法は、後でそのための章で述べる。
必要な小さい開口を可能な限り離して配置する。 その間隔が λ/4 よりも大きくなる周波数については、 一部の角度でエミッションのいくらかの低下が生じるであろう。 600MHz で何らかの有意な影響を得るためには、その間隔は 125mm 以上とすべきである。 必要な開口をエンクロージャの別の面に置くことができれば、さらに良い。 このテクニックによる大きな改善を期待しないこと。
近傍界漏洩の低減。 開口を導電性ガスケットで完全に埋めることが実際的でない場合、 近傍界漏洩の影響がエンクロージャの SE を悪化させることを抑えるために、 全てのワイヤ、ケーブル、PCB トレース、コンポーネントなどが開口の近くにないことを確かとする。 これは、特にノイジーな任意の導体やコンポーネント (例えば、スイッチング電源のフライバック・インダクタ、マイクロプロセッサ、 高速データを運ぶ PCB トレース) については特に重要であり、 また特に敏感な任意のもの (例えば、アナログ増幅器、マイクロプロセッサ、 高データ・レートの信号を運ぶ PCB トレース) のためにも重要である。
私の知る範囲では、使用できる単純な式はないが、
粗っぽいガイドは、任意の周波数で 40dB 以上の SE のためには、
導体やコンポーネントと開口のあいだの間隔は通常は開口の最長の寸法
(すなわち、直径や最長の対角) の少なくとも 1.5倍であるべきだというものである。
低い周波数においては特に、より大きい間隔が推奨される。
これについてのより詳しいことは、
それが用いる結合効率が SE の逆数である
――これは単に負の dB から正の dB へと符号を反転させることを意味する――
ことに注意して、[17] を参照されたい。
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| Figure 4T: マルチ・コンパートメント・シールド・エンクロージャの例 |
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| Figure 4U: 型抜きされた RF 吸収材の例 |
例えば、Figure 4T は、プラスチック・モールド内のリブ ――フォーム・イン・プレースの柔軟な導電性ガスケットが自動組み立て装置によって塗布された―― によって多くの小さいシールドされた内部空間に分割された、 テレコム製品のためのシールドされたプラスチック・エンクロージャの片側を示す。 そのようなマルチ・コンパートメントのシールド・エンクロージャは シグナル・インテグリティのためにも大いに助けとなり得る ―― 製品内の別々の回路を互いにより効果的に分離し、それらのあいだのクロストークを低減する。
空洞共振の吸収材による制動。 懸念されるよりも高い周波数で共振するのに充分に空洞を小さくする (上述) ことができない場合、 ２つの基本的な材質を用いて、エミッションを有意に低減するように空洞の Q を制動できる。
これらの材質は、様々な特性のカーボンやフェライトのフィラーとともに、様々な厚さで供給される。 より多くの制動を与える、かつ／もしくはより低い周波数で機能するタイプは、 通常はより重く、より高価である。 典型的には、それらは数百 MHz よりも上で有意な制動を与えるだけである。 これらの材料は接着剤が付いたものや付いていないシート状のものとして市販されており、 Figure 4U に示すような型抜き加工済みのものとしても入手できる。
一部の製造業者 (例えば Laird Technologies) は、 内面に吸収体を取り付けた状態で供給される「アブソーバー・カン」を、 PCB 上でのシールドのための標準的な部品として提供している。
空洞共振をランダム化する。 懸念されるよりも高い周波数で共振するのに充分に空洞を小さくする (上述) ことができない場合、 エンクロージャの形状、そして開口の形状と位置の慎重な設計によって、SE を向上させられる。 規則的な形状は同一の周波数で共振するモードを持ち、 それらの周波数における総合的な Q をさらに高くする。
例えば、もしある金属の箱が長さ 1m、幅 0.5m、そして高さ 0.25m であれば、 その３つの寸法全ては 600MHz で共振するであろう： 長さで４半波長、幅で２半波長、そして上面と下面のあいだで１半波長。 従って、600MHz (そして、1.2、1.8、2.4GHz などでも) においては、 その空洞の Q は空洞共振で普通であるよりも高くなり、 結果として開口漏洩が大きくなることが予期される。
その解決は、規則的な形状を避けることである。 普通のアプローチの１つは、長さ、幅、そして深さを 3:4:5 の比率とすることであり、 これは悪くはないが、殊に最小コストの製品が必要でれば、 1.5 や 2 のような単純な比率に近過ぎる値を避けながら無理数を用いることによって 改善できるだろう。 √2 などの、選択できる無数の無理数があるが、 建築家や芸術家が何千年も前から知っているように 人の目にとって魅力的なアスペクトを与えることから、 「黄金比」 (1.618) が適切な選択となるかも知れない もし円形を用いるのであれば、円筒や球などの単一の曲率半径を持つ形状を避ける。
もう１つの有用な手法は、平行する金属面を避けることである。 機構的な設計が製図板、三角定規、そしてコンパスを用いて行なわれ、 金属部品が手で板金から切り取られて折り曲げられていた時代には、 直角や円のような規則的な形状を避けることは困難であった。 だが、今日では我々はより大きな柔軟性を持ち、 平行しない面や滑らかに変化する半径を持つ部分に基づく形状を用いたエンクロージャを より容易に設計し、製造し、そして組み立てることができる。
外面が平行な面を持つ直方体、あるいは (さらに悪い) 正直方体や立方体でなければならないとしても、 これはシールドの内面が規則的なものでなければならないことを意味するとは限らない。
内部共振は内部の導電性や誘電性の構造によって変化し、 従ってこのアプローチから確実に利益を得るためには、 想定される開口 (例えば、継目、接合部、扉、表示、換気など) と その内部に置かれそうな物体 (例えば、トレー、棚、ブラケット、PCB、放熱器、ケーブルなど) の形状、寸法、そして位置に基づいた、 シールド・エンクロージャの初期段階での設計シミュレーションが必要である ということを憶えておくことが重要である。
エンクロージャの慎重な設計は、 必要となるシールドとフィルタ手段のコストと重量の低減を助けることによって、 依然として EMC 規制に適合し、現実の使用で充分に信頼できる、最小コストの製品の達成を助け得る。 だが、最小コストの製品が必要な場合に大抵そうであるように、 これは、専門能力と時間の双方について、より多くの設計資源を必要とする。 コンピュータ・シミュレータ (後述) の使用は フィールド理論を学ぶことなしにフィールド解析の専門能力を加える素晴らしい方法であり、 デスクトップ PC 上で走る市販のコンピュータ・シミュレータは、 最もインテリの電磁フィールド理論専門家でさえもやろうとしないであろう、 現実の製品のフィールド分布を容易に予測できる。
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| Figure 4V: 「ダーティ・ボックス」法の使用の例 |
ダーティー・ボックスは、その開口 (上述) とケーブル貫通 (後述) の慎重な設計と共に、 他の任意のシールド・エンクロージャと同様に扱わなければならないことに特に注意すること。 ダーティー・ボックスの壁を貫通する全てのケーブルに隔壁取り付け型フィルタが必要かも知れず、 必要であるとわかった時のために設計上可能とされているべきである (「対マーフィー」設計テクニック ―― 上述)。 これらのフィルタは往々にして 100MHz 以上での高い減衰が必要なだけであり、 従って小さくすることができ、ケーブルがダーティ・ボックスを突き抜ける点のごく近くに取り付けられた フェライト・チョーク ([18] の Figure 3G で示すもののような) で置き換えることさえできるかも知れない。
大きい開口のためのテクニック。 例えば扉、カバー、表示画面などのために開口を大きくしなければならなず、 「ダーティー・ボックス」テクニックが適当ではない場合、 良い SE の達成を助けるために開発されたいくつかのテクニックがある。
上のリストの最初の３つは次の３つの節で述べるが、
導電性ガスケットは他の開口管理テクニック全てと共に使うことができる基本的なテクニックであるので、
この記事の最後に独立した章を設ける。
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| Figure 4W: カットオフ以下の導波路の漏洩は同等の開口よりも遥かに少ない |
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| Figure 4X: いくつかのカットオフ以下の導波路の例の推定された SE |
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| Figure 4Y: シールドの厚さと同等の開口の最長寸法 |
導波路のカットオフ周波数は、 その最大の開口寸法 g (以前と同様、直径か最長の対角) が波長の半分となる点であるので、 g をメートルとすれば、空気中や真空中においては fcutoff = 150 / g MHz となる。 もし g がミリメートルであれば、この式はカットオフ周波数を GHz で与える。
カットオフ周波数以下では、単一の導波路の減衰量は 深さ (d) と最長の開口寸法 (g) の比に依存する。 カットオフ周波数の 0.6倍よりも低い周波数については、 導波路はおおよそ 27 d / g の一定の減衰量を持つので：
Figure 4X の例に示すように、これらの値は、 d の価が無視できる同じ寸法の開口よりも非常に低い漏洩を、 従って遥かに高い SE を示す。
シールド・エンクロージャ内の任意の必要な開口をカットオフ以下の導波路として設計することは、 その SE への影響を極めて著しく低減するであろう。 これらの利益を達成するためには、 そのカットオフ周波数は理想的には少なくとも関係する最大の周波数の倍とすべきである。
どのような開口とも同様、 カットオフ以下の導波路に何らかの導体を通すことはその減衰を完全に損ない、 従ってシールド・エンクロージャの SE を損なうであろうことに注意することが重要である。 その導体の機能 (例えばマウスやキーボードのケーブル、 光ファイバー・ケーブルの耐張ワイヤ、排水管など) にかかわらず、この規則には例外はない。
だが、その比誘電率 (εr) のカットオフ周波数の低下への影響が考慮されている限り、 カットオフ以下の導波路は、 非導電性 (絶縁性) のものをシールド・エンクロージャに出入りさせるためには非常に有用である。
これまで、この議論、そして Figure 4X は、 導波路が空気 (あるいは真空) で満たされていると仮定してきたが、 1 よりも大きい εr を持つ任意の誘電体 (例えば油、蒸留水、ガラス、プラスチックなど) で満たすことは、 fcutoff = 150 / (g √εr) MHz (g がメートルの場合) で与えられるカットオフ周波数をもたらす。 誘電体が混在している場合、その新たなカットオフ周波数を推定するためには 断面全体にわたる εr の平均値を用いる。
[4] は、通常の導電性のケーブルよりも光ファイバー・ケーブルを使うことが EMC のために遥かに良いことを、 そして光ファイバー相互接続のためのコンポーネントと材料のコストは銅よりも高いかも知れないが、 低下した保証コストと向上した顧客満足は、 それらが総合的な会計上の利益を達成することを往々にして意味することを指摘している。 これらの EMC 上の利益に加えて、金属を使っていない光ファイバー・ケーブルは、 SE への影響を無視し得るように カットオフ以下の導波路を通してシールド・エンクロージャの壁を通せる。
多くの種類の光ファイバー用の隔壁取り付け型のコネクタやカップラは、 少なくとも 10GHz までで非常に効果的なカットオフ以下の導波路として機能する。 その隔壁取り付け型コネクタは金属でなければならず、Figure 4S に示した RF 接続原理に従って、 シールドの壁の抜き穴の周辺のシールドに 360°の金属と金属の接続を行なわなければならない。 光ファイバーは高い εr の値を持ち、従ってそのカットオフ周波数は その金属のコネクタやカップラの内径から単純に推定されるよりも低くなるであろう。
カットオフ以下の導波路はチューブである必要はない ―― その形状は機構設計者の想像力と製品の制約によってのみ制限される。 例えば、Figure 4Y は、厚いシールド材 (例えば 1mm の代わりに 3mm) を 同等の (あるいはより小さい) 最長寸法 g の開口と共に用いることは、 それがカットオフ以下の導波路として振る舞い始めることから、 その開口を通る漏洩を顕著に低減することを示す。
上述の、大きい開口を多数の小さいもので置き換える際の式の 27(d/g) の項は、
カットオフ以下の導波路からの寄与を表現する。
Figure 4M に示した例では、その小さい矩形の開口の辺 g が 10mm であるのに対して
そのシールドの厚さ d は 1mm であったので、
それは SE の向上に 2.7dB を加えるだけであった。
だが、もし d が 3mm で g が 5mm であれば、
エンクロージャの SE の向上へのその寄与は、2.6dB から、
より役に立つ 16dB へと増加することだろう。
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| Figure 4Z: シールド用のハニカム金属のいくつかの例 |
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| Figure 4AA: プラスチック製ハニカム・シールド材の例 |
小さい穴は、厚い板金から作られている時 (Figure 4Y に示すように) には特に、 換気のために非常に効果的とは言えない。 換気が重要な場合、大きい穴と同一の換気率と圧力を達成することは、 往々にして小さい穴により大きな「開口面積」を必要とする ―― これは、厚い金属の上の小さい穴による SE の利益を低下させる傾向を持つ。 ハニカム金属の６角形のチューブは非常に薄い壁を持ち、 従って換気のためには単一の大きな開口とほとんど同様に振る舞うが、 SE については多数の非常に高減衰のカットオフ以下の導波路のように振る舞う。
ハニカム金属パネルは、光エネルギーが放射される開口 (例えば、ランプ、レーザーなど) のシールドのためにも用いることができる。 これは表示画面のシールドのためにさえ用いられており、正面から見えるだけとなる (これはセキュリティ意識の高いアプリケーションでは利益となり得る)。 それが完全に金属を使っていないものである限り、 光ファイバー・ケーブルもハニカムを通すことができる。
金属ハニカム・パネルは、 試作品を極度に高価にする大きな NRE (非反復エンジニアリング) 費用を必要とする、 コストを要するアイテムであった。 だが、現代的な製造業者はコンピュータ制御ロボット生産ツールを用いており、 唯一の NRE は３次元図面を取り込むために必要なものだけである。 私は、２年ほど前、 Figure 4Z に示したものに似た約 300mm 角のハニカム・パネルの試作品に対して £150 前後の見積りを受け取った。 10年前であれば、その金額は 10倍程度大きかったことであろう。
シールドの用途で効果的とするためには、ハニカム金属パネルは、 SE を悪化させるであろう追加の開口を生じることを避けるために、 その全周の導電性ガスケットを正しく圧縮するために充分な剛性と充分な固定用の穴を持つ、 良い表面導電性の金属の枠を持たねばならない。 その代わりに、導電性接着剤を用いて接着することもできる。
ハニカム金属は自ずと非常に軽くて頑丈であり、 これは導電性ガスケットを多数の固定具なしに正しく圧縮することを助ける (ガスケットの設計については後述)。 ハニカム・チューブは互いに固着させられているので、最良のシールド性能のためには、 組み立ての後で全体が高導電性めっき (例えば錫) が行なわれたパネルを用いる。 低導電性表面処理は組み立ての後で行なわれたパネルを用いる。
Figure 4AA は最近開発されたシールド製品を示す
―― 全面に導電性めっきが行なわれたハニカム・プラスチックと、
その周囲に付けられた導電性エラストマー・ガスケット。
それはハニカム金属の剛性も強度も持たないが、
ハニカム金属に似た減衰特性を持ちながら、より軽く、またより安価な筈である。
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| Figure 4AB: 固定間隔と同等の継目の重なり |
私は、ある程度 Figure 4AB のように構成された製品を、 そのエンクロージャの内部の 900MHz のオシレータの良くないシールドの原因の同定のために、 近接プローブで調べたことがある。 そのエンクロージャは、(明らかでない理由のため) フランジが 25mm 幅の一辺を除いて 約 8mm 幅のフランジにねじ止めされる、平らな金属の蓋を持っていた。 その蓋はその周囲の 60mm ごとに配置されたねじで押さえ付けられていた。 近接プローブは、8mm のフランジを持つ３辺の周り全体で均一な高レベルのエミッションを、 だが 25mm のフランジのエッジの全長で 10dB 低いエミッションを示した。
その固定具とフランジが導波路を作る (実際にはそうしない) と仮定すると、 上の単純な導波路の式は 60mm の固定間隔のカットオフ周波数が 2.5GHz であり、 従って 900MHz は 27(d/g) の範囲に入るのに充分に低いことを示す ―― これは、8mm のフランジは 3.6dB だが、 25mm のフランジは 12dB の減衰を持つと予測する。 これらの２つの計算された値の差は 8.4dB であり、単純な EMC の式を、現実と、 殊に近接プローブを用いて比較しようとした時に期待できる (あるいは通常そうなる) ものよりも、 近接プローブで測定された 10dB にかなり近い。 近接プローブは、シールドの開発と欠陥の発見のために、 そして連続生産における組み立ての確認のためにも、非常に有用なテクニックである ―― より詳しくは、[19] の第１部と第２部を参照されたい。
最長の開口寸法 g を小さくすることは、より多くの RF 接続を加えることを意味するが、
多数の固定具を組み立てることは組み立て時間を加え、製造コストを加える。
必要な RF 接続を行なうために、
単体のスプリング・フィンガーのような小さい導電性ガスケットを代わりに用いることができる。
他に理由がないとしても、ガスケットを圧縮するために充分な機構的固定は依然として必要であろうが、
この手法は長いガスケットを使用しないので、
非常に大きな力を与える機構的困難は避けられる (後のガスケットの章を参照)。
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| Figure 4AC: 導電性ガスケットによる開口寸法 g の低減の例 |
スプリング・フィンガーは通常は帯で供給されるが、 ばらばらのものとして購入し、あるいは帯から切り取ることができる。 それらは、時には、例えば「セミ・パンチ」加工によって、エンクロージャの金属自身に成形される。 多くの他のタイプの帯状のガスケットは「点」で使用するために鋏で切ることができるが、 切断面から導電性の粉が落ちるかも知れないタイプは避けるべきである。 一部の EMC ガスケット製造業者は、特に Figure 4AC に示した目的のための製品、 例えば「ファズ・ボタン」 (Tecknit) や「ガスケット・ドット」を作っている。
シールドの相手の部品が PCB である場合、Gore-Shield SMT のような、
スプリング・フィンガーやその他の多くの種類の RF 接続コンポーネントが
表面実装のものとして市販されている。
適切なコンポーネントは、体積導電性、あるいは表面導電性の何かを含み、
点接触よりも両面での面接触が望ましい。
だが、ワイヤ接続、特にばね状のものに頼る
どのようなコンポーネントも避けることが非常に重要である。
―― そのようなコンポーネントは良い RF 接続のためには高過ぎるインダクタンスを持つ。
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| Figure 4AD: 固定間隔と同等の継目の重なり |
そのカバーとベースのあいだの継目での重なりは、 ベースに組み立てられたときに その疑似導波路の深さ d がフランジとそのエンクロージャの高さのほとんどを含むように、 カバーを平板の代わりに５面の箱とすることによって増やされている。 フランジに沿ったスプリング・フィンガーはカバー内の導電面との接触を行ない、 d よりもかなり小さい g の値を、 従って非常に良い減衰と低いフィールド漏洩を与える。 その５面の金属の箱は自ずと非常に頑丈であり、 ガスケット片の正しい圧縮を確かとすることを助ける。 カバーとベースのあいだの隙間は換気のために用いることができるかも知れない (おそらくは送風器が必要だろう)。
Figure 4AB に示すもののような、複数の固定具で取り付けられたカバーの問題の１つは、 フィールドでの１、２年の使用の後、その固定のほとんどが失われ、 エンクロージャの SE がひどく悪化し得ることかも知れない。 これはカバーを保守のために外さなければならない場合に特に問題である ―― 全てのねじを正しいトルクで元に戻す手間をかけるのは、煩わし過ぎるだけである。 Figure 4AD の設計は、カバーを実に素早く外し、また付け直すことができるようにする 単一の 1/4 回転プラスチック・ファスナーを用いることによって、これを解決する。 そのようなプラスチックのファスナーは、なくすことがない (カバーごとなくさない限り) ような、 「キャプティブ」型のものも市販されている。 そして、勿論、その能動的な「スナップ・イン」動作は、 何年もの動作にわたってガスケット片が最適に圧縮されることを確かとすることを容易にする。
最小の生産コストで非常に良い SE を達成するためにカットオフ以下の導波路のテクニックを使用した、 さらに多くの種類の設計があるが、共通点の１つは、 それらはプロジェクトの開始から設計に組み込まれなければならないことである。 プロジェクトの後の方で不適合問題の「修正」のために、 あるいはフィールドでの干渉に伴う問題の解決のためにこれらのテクニックを使おうとすることは、 通常は非実際的である。
非常に多くの電子機器製造業者は、設計者が他の全てを無視して機能とコストにのみ焦点を当て、 EMC 性能をプロジェクトの最後 ――「CE マークの取得」のために生産前の試作品や初期の生産ユニットが EMC 試験所に送られる時―― まで放っておくことを許す。 プロジェクト管理者の一部が、 設計者が財務的にリスクのある形で振る舞うように要求することさえも知られている。 試験に合格しない時、時間通りに市場に出すために必要な全てを用いた、 その問題を速やかに修正するための緊急処置が開始される。 残念ながら、その時には設計の自由度は非常に制限されており、 現代的なデジタル電子技術は伝統的な設計後の「修正」 (フェライト・ビーズ、銅テープ、コンデンサの追加など) をますます有効でなくしている。 従って、全てを試す何ヶ月もの後で、 関係する莫大なコストと莫大な財務的リスクと共に完全に再設計することが 唯一の解決だということになる可能性がますます高まっている。
カットオフ以下の導波路のような、この記事のシリーズで述べられている 効果的な、費用効果の良い、そして良く知られた EMC テクニックを プロジェクトの開始すぐから用いることが、財務的に遥かに分別のあることである。
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| Figure 4AE: LED や小さいランプを用いた表示のためのカットオフ以下の導波路のテクニック |
Figure 4AE に示すテクニックはシールド・エンクロージャのコストに加わるが、 安価な表面実装 LED を使用できるようにし、 金属のパネルの穴とリード付き LED の非常にびったりとした整列を必要としない。
Figure 4AE に示すようなカットオフ以下の導波路を通して赤外線や光トランスミッタを照射することは、 レーザーを使用するならば Gb/s のレートまでの通信データのための、素晴らしい手法である。 導波路のカットオフ周波数よりも上で動作するマイクロ波送信器も、 SE を劣化させることなしにこの方法でシールドを通して通信できる。
シールド・エンクロージャの外側に表示を取り付けることは開口を回避するが、 勿論、その表示はもはやエンクロージャのシールドの恩恵を受けず、 エンクロージャのシールドを保つためには表示のデータや電力のケーブルは それがシールド・エンクロージャを出る点でフィルタしなければならない (4.3.17章、及び 4.3.18章を参照)。
SE を損なうのに充分に大きい開口が必要な場合、 Figure 4V に示す「ダーティー・ボックス」法を使用できる。 ダーティー・ボックスは、実質的にクリーン・ボックスのシールド面の延長である。 ダーティー・ボックス内には外部電磁環境からの電磁界が存在するので、 それはその内部に置かれたいかなるディスプレイへのシールドも与えない。
クリーン・ボックスの SE を損ない得る開口を作ることを防ぐため、ダーティー・ボックスは、 その接触範囲全体に沿ってクリーン・ボックスの内側と良い RF 接続を行なわなければならない。 その周囲に沿っての多くの固定が、そして高い SE の値を達成する、 あるいは 300MHz 程度よりも上の周波数をシールドするためにはガスケットも必要である。 適当な設計ガイダンスは 4.3.5〜4.3.11章で示した。
勿論、ダーティー・ボックスに取り付けられるディスプレイは
いかなるシールドによっても保護されておらず、
従ってそれ自身で充分に低いエミッションと充分に高いイミュニティを持たねばならない。
ダーティー・ボックスからクリーン・ボックスへのケーブルはエンクロージャの SE を損なうので、
通常はケーブルがダーティー・ボックスに入る箇所でフィルタが必要である。
ダーティー・ボックス内のケーブル長はごく短く、
通常は高い周波数でエミッションとイミュニティの問題を生じるだけであるので、
必要なフィルタは往々にしてダーティー・ボックスの貫通の点のごく近くに取り付けられた
RF 抑制フェライト・シリンダだけとなり得るが、
より高い減衰を与えるために
ダーティー・ボックス自身に取り付けられた貫通フィルタが必要となるかも知れない
(4.3.17章、及び 4.3.18章を参照)。
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| Figure 4AF: 金属メッシュのシールド材の２つの例 |
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| Figure 4AG: 金属の膜とメッシュのシールド・ウィンドウ材によって与えられる SE のいくつかの例 |
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| Figure 4AH: シールド・ウィンドウの RF 接続の例 |
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| Figure 4AJ: 組み立て前のメッシュ・シールド・ウィンドウの例 |
２つの主な技術に基づいた、様々なシールド・ウィンドウが市販されている：
Figure 4AF は２つの種類の金属メッシュ・ウィンドウによって生じる照度の低下の例を示し、 Figure 4AG は金属膜と金属メッシュ・ウィンドウによって与えられる SE のいくつかの例を示す。
シールド・ウィンドウに関する重要な点の１つは、表示の開口のエッジ全周で その導電性材料をエンクロージャのシールドの導電面に直接 RF 接続しなければならず (360°接続として知られている)、従って通常は導電性ガスケットが必要なことである。 これは、シールド・エンクロージャの内面と外面の表面電流 (Figure 4F 参照) のそれぞれが、 妨げられることなしに表示シールドを横切って流れるようにするためである。
シールド・ウィンドウとして用いられている、薄膜でコーティングされたプラスチック・シートは、 その全周の、その導電面とシールド・エンクロージャの導電面のあいだの 導電性ガスケットの圧縮のために充分な剛性を与える金属フレーム内に取り付ける必要があるかも知れない。 LCD 表示が用いられている場合、それ自身のフレームが充分な剛性を持つかも知れない。 フィルムやメッシュが埋め込まれたウィンドウはより厚く、 もし充分に厚ければ追加の補強を何も必要としないほど堅いかも知れない。
Figure 4AH は、機構的固定の必要性を回避するために 導電性シーラントや導電性接着剤を用いた組み立て法を示す。 シーラントや接着剤は圧縮の必要がなく、機構的設計をはるかに単純にする。 UV 硬化型のシーラントや接着剤の使用は組み立て時間を低減し、 そのシールドと環境封止の双方のための効果は、 低いコストで、機構的な固定法よりも良くなり得る。 導電性両面粘着テープを代わりに使用することができ、 これは型抜き (継目なしの) されない限りその環境保護は良くないであろうが、 硬化時間を必要としないという利点を持つ。
Figure 4AJ は、組み立ての直後でまだ余計なメッシュが切り取られていない、 埋め込まれたメッシュを持つメッシュ・シールド表示ウィンドウ (Figure 4AG に示すもののような) の例を示す。 金属メッシュが露出している側の周囲の段差が見える。
それを通して見ようとするのであれば、金属箔とメッシュは非常に薄くなければならず、 この制限はそれが与えられる吸収の量を制限する (4.3.3章を参照)。 非常に高い性能のために、Figure 4Z に示す換気用パネルに似た ハニカム金属ディスプレイ・シールド・ウィンドウも市販されている。 これらは隣り合わせに並べられた多数のカットオフ以下の導波路 (4.3.11章を参照) であり、 その極度に狭い視野角がオペレータの頭が他の誰かが表示を覗き見ることを妨げることを意味し、 主にセキュリティや軍事の用途で用いられている。
非常に薄い絶縁層で分離された複数の非常に薄い導電性フィルムを用いる、
「ナノスケール」組み立てテクニックが開発されている。
その層のあいだの間隔は、他の放射周波数 (RF のような) が強い減衰を受けながら、
所望の範囲の光の波長が顕著な減衰なしに通過するように選択される。
その層の間隔は、可視スペクトラム (例えば、表示、照明など) を、
あるいは光データ通信や特定の種類の計測器のために適当な
特定の範囲の赤外線や紫外線の波長を通すように設定できる。
その解決は、既に 4.3.12章で表示について述べたものと似ている。
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| Figure 4AK: 換気用シールドのいくつかの例 |
カットオフ以下の導波路のテクニック (4.3.11章を参照) は、 換気用の開口のシールドのためにしばしば用いられる ―― Figure 4Y、4Z、4AA、及び 4AK を参照。 多くのハニカム金属は互いに固着させられたセルから成り、 この場合その SE はハニカムとその枠を組み立ての後で金属でめっきすることによって向上し得る。
シールド・ウィンドウと同様、全ての換気用シールドは、 シールド・エンクロージャの開口とその周囲で電気的に接触しなければならない。 低い値の SE や低い周波数のためには 100mm ごとの金属の固定具で充分かも知れないが、 高い値の SE や 1GHz を超えるような周波数のためには、 おそらくはその換気用シールドとエンクロージャ・シールドのあいだに 導電性ガスケットを挟むことが必要だろう。
高度にシールドされた 19インチ・ラック・キャビネットの少なくとも１つの製造業者が、 その上面と下面の換気用開口部に、Figure 4AC と同様の、 だが空気の良い流れのために 10mm 程度の高さのギャップを与えるために スプリング・フィンガーの代わりに金属のスペーサを用いた、 カットオフ以下の導波路のテクニックをを用いている。
換気用シールドは、
それを通過する空気から堆積したシールド上の埃の清掃の必要によって複雑となる。
取り外せるエア・フィルタを追加すれば、
換気用シールドを恒久的に固定したままとすることが可能となる。
良好な電気的接触を維持しながら、シャフトが回転する時の摩擦と摩耗を避けるために、 特別な種類のガスケットが必要である。 通常は銀や炭素の粒子を混合した、導電性グリースを使用できる。 金属のベアリングは常にグリースの膜で覆われているので シャフトとフレームのあいだの電気的接触を行なわず、 従っておそらくは導電性グリースを必要とするだろう。
より良い方法の１つは、プラスチックのシャフトを使用することである。 低い SE が、1GHz 以下で必要なだけであれば、その開口は受け入れられる程度に小さいかも知れないが、 高い SE、及び／もしくは 1GHz 以上のためには、 そのプラスチックのシャフトが導波路のカットオフ周波数を下げるであろうことを忘れずに、 シャフトはカットオフ以下の導波路 (4.3.11章、及び Figure 4AE を参照) を通すべきである。
シールド・エンクロージャを貫通し、また物理的に自由に動けなければならない 他の金属や非導電性のアイテムのために、同様の方法を使用できる。
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| Figure 4AL: シールドと放熱器の組み合わせの例 |
デバイスからの浮遊容量は、良い EMC (そして内部クロストークの低減) のためには PCB に最小のループ面積で戻されなければならない高レベルの RF 電流を、シールドの壁に注入する。 これは、(例えば) PCB の後側の縁に沿って半田付けされた多数のスプリング・フィンガーを用いて、 PCB の 0V プレーンを後ろの壁に RF 接続することによって達成される。 もう１つの方法は、0V プレーンを PCB の後ろのエッジに沿ったエッジがめっきされた帯に拡大し、 その PCB をエンクロージャ内に組み立てられる時に そのエッジを後ろの壁の導電性ガスケットに押し付けることである。
0V プレーンが電流を戻すための最良の経路ではない場合、
エッジに沿った多数の直列コンデンサを介して、
同様の方法で正しい PCB 導体を後ろの壁に RF 接続する。
安全が関係する場合、コンデンサの値、定格、そして安全認証が重要となるであろう。
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| Figure 4AM: シールド・エンクロージャに出入りする全ての導体を
接続、フィルタ、あるいはシールドする |
4.3.15章は、シールドを貫通する、 信号、データ、制御、あるいは電力を運ぶワイヤやケーブルではない 導体 (回転シャフトのような) のために適切なテクニックについて述べている。
シールドの壁を貫通するフィルタのための正しい設計テクニックの詳細は
[3] の 3.3章でカバーされる。
シールドの壁を貫通するシールド・ケーブルのための正しい設計テクニックの詳細は、
[4] の 2.6.5章から 2.6.7章でカバーされる。
ケーブル・シールドを、信号や電力の帰路電流を運ぶためにではなく、
干渉の制御のためにのみ使用することが最良であることに注意されたい
―― 従って同軸ケーブルは EMC のためには推奨されない ([4] の 2.6.2章と 2.6.3章を参照)。
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| Figure 4AN: シールド・エンクロージャを貫通する細いワイヤの
フィールド・ソルバのシミュレーション |
一括シールドを持つ多芯ケーブルにおいては、 その内部導体の一部、あるいは全てに、それ自身のシールドが付けられていることが珍しくない。 それらの内部シールドは主として内部導体間のクロストークを低減するためであるので、 その一括ケーブル・シールドが充分なシールド品質を持ち、 シールドを貫通する点で 360°接続されている限り、 それらのシールドがピッグテールを持ち、あるいはコネクタのピンを通るとしても、 通常は EMC のために重要な問題ではない。
私はしばしば、人々がシールド・エンクロージャに多くの金を費し、 エンクロージャに出入りするケーブルのほとんどの 接続、フィルタ、あるいはシールド接続に素晴らしい仕事をしたが、 それらが高速信号を運んでいないことから マウスやキーボードのケーブルに何もしようとしなかった時の、 エミッション／イミュニティ問題を解決するように求められている ―― だが、勿論、これがその問題の原因である。
重要なのは CM ノイズであって DM 信号ではなく、 任意の導体は CM ノイズに対して「偶発的アンテナ」のように振る舞い ([4] の 2.2章を参照)、 伝導、及び／もしくは放射によってシールド・バリアの片側でそれをピックアップし、 それを他の側に結合させ、シールドを損なう。
フィールド・ソルバは、この種の問題を非常にすみやかに発見する。
Figure 4AN はシールド・エンクロージャの小さい換気用の穴を通って貫通する
フローティング・ワイヤのシミュレーションを示し、
それがどのようにアンテナのように振る舞い、
金属のバリアの一方から他方へと放射性フィールドを結合させるかを示す。
エンクロージャ・レベルでのシールドは、 集積回路 (IC) 内のシリコンの加工寸法の持続的な縮小と 現代的な表面実装プリント板 (PCB) アセンブリの増大している詰め込み密度のために 増大している製品内のデバイス間の干渉問題に、(それだけで) 対処することはできない。 「ノイジー」な送信器と「敏感」な受信器を持つ組込みのワイヤレス通信の使用の増大は、 この問題を激化させている。
無線通信のマイクロ波帯への移行に従って、 そして IC がさらに高い周波数でさらに高いレベルを放射するのに従って、 エミッション規制はすぐに 2.7GHz までの限度を設定するであろう (欧州において)。 だが、エンクロージャ・シールドは、 高価で、重く、魅力的でない軍用の設計テクニックを用いない限り、 そのような周波数で相当なレベルの減衰を達成するのに適さない。
PCB レベルのシールドは、いくつかの基本的な設計規則に従う限り、 低コストで内部干渉と規制上のエミッションの管理に対処する能力を持つ。 PCB レベルのシールド技術には多くの興味深い発展があり、 低コストな材料と組み立ての容易さとともに向上したシールドを与える。
欧州の環境規制は、
低環境／リサイクル・コストを持つシールド・テクニックの使用の必要性により、
新たな次元を加える。
持続的な表面実装デバイス (SMD) の小型化と PCB の密度の向上は、 製品の所望の水準の機能上の性能の達成のために、 製品の異なる領域を互いにシールドする必要性を増している。
IC 内のシリコン加工寸法の持続的な縮小は、それらを信号の劣化により敏感にしている。 PCB レベルのシールドは、典型的な現代的な電子製品内のノイジーな環境で 現代的な IC を信頼できる動作をさせられる、安価な方法である
製品にワイヤレス (無線) 通信を組み込む時、 その非常に「ノイジー」な送信アンテナの近さは、製品内の他の箇所の敏感な回路 (アナログとデジタルのデバイスはいずれも感受性を持ち得る) への干渉を引き起こす傾向を持つ。 スイッチ・モード変換器やデジタル処理のような「ノイジー」な回路への 非常に敏感な受信アンテナの近さは、 そのワイヤレス通信が働くであろう範囲を低下させ得る。 PCB レベルのシールドは、ワイヤレス通信のために価値があるテクニックである。
多くの現代的なポータブル・コンピューティング・デバイスは 様々なワイヤレス通信 (Bluetooth、IEEE 802.11 のような) を装備しているが、 アンテナは製品のエンクロージャ内に取り付けられており、目には見えない。 そのエンクロージャは明らかにシールドできず、 従ってその代わりに PCB シールド・テクニックを用いなければならない。
規制上の課題も重要である。 IC のシリコンの加工寸法が低下すると、 デジタル・デバイスやスイッチ・モード電力デバイスはより早くスイッチする。 デジタル処理の速度も、持続的に上昇している。 その結果は、現代的な電子製品は、ますます、 1GHz を超える周波数で相当のレベルを放射するようになっているというものである。 だが、1GHz 以上のスペクトラムはますます個人通信のために用いられるようになっているので、 規制上のエミッション規格は 2.7GHz までの (欧州で)、 あるいはそれを超える無線スペクトラムを保護する方向にある。
現代的な製品のエンクロージャは、ますます大きくなるディスプレイ、 様々な種類のケーブルのためのコネクタ、多様なリムーバブル・ストレージ・メディアのためのスロット、 換気のための開口によって穴が開けられており、 組み立ての容易さのために複数の継目をもって構成しなければならない。 より高い周波数においては、かつては無視できた構造上の問題が、 シールド効果 (SE) を深刻に損ない得る。 エンクロージャ全体の SE 要求を低減し、 あるいはエンクロージャ・レベルのシールドを完全になくしさえするために、 PCB レベルのシールドを用いることができる。
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| Figure 4AP: PCB シールドとフィルタの概観 |
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| Figure 4AQ: シールド・カンの取り付けられた PCB の断面 |
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| Figure 4AR: マイクロビア (HDI) PCB 技術を用いた両面シールドの例 |
用いられるプレーン層は通常は 0V 電位にあるが、任意の電位とすることができる。 シールド・カンに出入りするトレースは、シールドされるかフィルタされねばならない (Figure 4AP はフィルタされたトレースのみを示す)。 プレーンが PCB の内層にあるならば、 シールド・カンの反対側にあるトレースとデバイスはシールドされない。 もしシールドすべき回路が PCB の上面と下面に取り付けられたデバイスを持つならば、 双方の面にシールド・カンを取り付けることができる (そして PCB プレーン層は必要とは限らない)。 だが、両面シールド・カンは、自動実装のためにはより厄介である。
PCB の上面と下面のデバイスが異なる回路に関係する場合、 それらは内部 PCB プレーン層を用いることによって (ある程度まで) 互いに分離できる。 これらの回路領域の双方の上に、それぞれが同一のプレーン層を第６の面として用いる シールド・カンを取り付けることも可能である。
シールド・カンに関係する PCB 設計テクニックについてより詳しくは、 [3] の 3.3章、そして [22] の 2.2章を参照されたい。
残念ながら、スルー・ホール・プレート (THP) PCB 構造を用いる場合、 プレーン層の片面の回路に関係するめっきされたスルー・ホールは プレーン層の反対側のシールドされた空間に突き出し、 そこでその回路への「クロストーク」を生じるであろう。 また、共通のプレーン層への、スルーホールの周囲のクリアランス・ホールによる穿孔は、 上面と下面のシールドされた空間のあいだの SE を低下させるであろう。
マイクロビア (HDI) PCB 技術 ([22] の 7章を参照) は、 PCB を完全に貫通しない「閉じられ」て「埋め込まれ」ためっきされた穴を用いるので、 PCB の両面のシールド空間のあいだのより良い分離の達成を可能とする。 マイクロビア PCB 構造 (高密度相互接続 [23] や逐次ビルドアップとしても知られている) の使用は、 プレーン層にまったく穿孔しないことを可能とする。 Figure 4AR は、Figure 4AQ と対比できる、その一般的な原理を図示する。
マイクロビア技術を用いた PCB 構造は、
それらのあいだの切れ目のないプレーン層により、
PCB の両面に組み立てられた回路間の非常に高レベルの分離を達成できる。
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| Figure 4AS: PCB 実装型シールド・カンのいくつかの例 |
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| Figure 4AT: 板金の蓋が押し付けられたダイキャストの「迷路」によって
回路領域がシールドされた DECT 電話の例 |
近年は表面実装シールド・カンがすぐに入手できるようになっており、 50mm 角までのものが他の SMD 部品と同時にうまく自動実装されている。 今は、重量とコストを低減するいくつもの代替の設計が使用できる (あるいは開発されている)。 また、「環境影響」の軽減されたシールド・カンも市販されるようになっている。
取り外せる蓋を持たない金属のシールド・カンはより安価で軽量であり、 より少ない開口を持つことからより良い SE を持つ。 Laird Technologies には、伝統的な長円形の鰯の缶詰のように シールド・カンの上面を「キー」で開けることのできる設計のものがある。 そのシールド・カンを復旧させるためには、 導電性接着剤の付いた新しい金属の蓋をその本体の上に押し付ける。
板金から作られたシールド・カンの変種は、その上縁に沿った金属の突起を持つ、 PCB に半田付けされ、あるいは圧入されるダイキャストの金属の「迷路」状のベースである。 適切な場所に穴が開けられた平らな金属の蓋が、そのベースの上に圧入される。 このテクニックを用いた PCB の例は、Figure 4AT に示す。
最近、プラスチック・モールド・テクニックが、研究／開発が活発な領域となっている。 長年、成形されたプラスチック・シールド・カンは、導電性塗料が塗られ、 あるいは真空蒸着 (スパッタリングなどの) や電気めっきによって金属層が付けられてきた。 だが、そのような部品の自動化された導電性コーティングのための治具費は高くなり得るし、 あるいはコストを要する手での加工を必要とする。
１つの代替は、プラスチックの平らなシートに 導電性インク ――通常は銀―― のメッシュやソリッドな層を印刷し [24] [25]、 あるいは金属でめっきする [26] [27] ことである。 そして、その導電性コーティングされたシートは、望みの形状に熱成形される。 難しいのは、クラックは開口を生じて SE を低下させるであろうから、 クラックを生じることなしに広範囲の PCB レベルのシールドの形状を作るのに 充分に伸びることのできるインクや金属皮膜を設計することである。
導電性のコーティングが行なわれたプラスチック部品は、 充分に強固であればそのまま使用することができるが、 種類によってはプラスチックや金属のサポート (しばしば製品のエンクロージャの内部の成形によって作られる) への取り付けなどの機構的な支持を必要とするであろう。 代替手段の１つは、プラスチック・モールド工程のための「プリフォーム」として、 導電性コーティングされたプラスチック板を用いた熱成形材を用いることである。 これは「モールド内シールド」と呼ばれることがあり、 シールド・ブリフォームが完成したコンポーネントにモールドされ、 これによって手での組み立ての必要を回避する。
導電性コーティングされたプラスチック板をプリフォームとして用いる代わりに、
いくつかの企業 [28] は金属めっきした炭素繊維をモールド内シールド工程で用いている。
(射出成形工程のために用いられるプラスチック材料に導電性材料を混合することは、
できあがった部品が樹脂が多い非導電性の表面を持つ傾向があるために、
それほどうまくいかないことに注意されたい。)
表面実装型の金属シールド・カンはリフロー半田付け法を用いた自動組み立てを意図しており、 通常は温度の均一化を助けるための小さい穴のパターンを持つ [29]。
高性能金属シールド・カンは、往々にして PCB の上面のプレーン層 (あるいはガード・トレース) への 「シーム半田付け」を必要とする [30]。 他の種類の表面実装型のシールド・カンと同様、 大形のものは大抵は PCB の所定のスルーホールに合わせるための２つ以上のピンを持つ。
半田付けされる金属のカンは、「ポップコーン現象」 ――半田接合部を弱める、温度によるその形状の変化―― を防ぐための穴を必要とする。 だが、これらの穴はそれが達成できる SE に影響するので、 金属シールド・ボックスを半田付けしないことによって得られるであろう性能上の利点がある。
金属や、シールドを設けられたプラスチックのシールド・カンと共に、 導電性ガスケットを使用することができる。 両面導電接着剤の付いた型抜きされたガスケット、 あるいは直接塗布式 (form-in-place) 導電性ガスケット・グルー (通常はシリコン樹脂やエポキシ樹脂をベースとしている) は、 シールド・カンを PCB に固定すると共に、 それを第６面のために用いられる PCB プレーン層に電気的に接続するために使用できる。
非接着性導電性ガスケットは、シールド・カンの固定のため、 プラスチック・クリップのような何か別の手段を必要とする。 製品のエンクロージャ (ベースやカバー) の形状によってその場に保持され、 エンクロージャが取り除かれた時には外れる PCB シールドもある。 勿論、ガスケットはシールド・カンの壁の周囲で連続的な接続を与える必要があるとは限らず、 しばしばその代わりに点線状のガスケットが用いられる。
導電性ガスケットにおける最近の興味深い発展は、 「Gore-Shield GS5200 熱／電気的グランディング・パッド」 [31] である。 これは、その上面に熱伝導性で導電性のガスケット材の層を持つ、 表面実装半田付け型のコンポーネントである。 シールド・カンの周囲に配置され、 第６面となるプレーン層への電気的な接続を与えるだけでなく、 シールド・カンの内部のデバイスからの熱の除去も助ける。
プラスチックのシールド・カンを PCB に電気的に接続するもう１つの方法は、 それぞれが PCB の表面の所定のトレースやパッドに確実に押し付けられることを 確かとするようにそれぞれが作られた「突起」をその導電面に持つように、 そのプラスチック部品を設計することである [32]。 それらの突起は、直接塗布式ガスケット・ドットのための場所とすることも、 ガスケットを必要としない「スプリング・フィンガー」として設計することもできる。 このテクニックは半田付けや導電性ガスケットを必要としないが、 既に述べた非接着性ガスケットと同様、 その部品をその位置に保持する何らかの手段を必要とする。
半田付け温度に耐えるプラスチック材を使用すれば、 プラスチック・シールド・カンは、 表面実装金属ケースと全く同様に PCB 上に半田付けできる。 それらは「ポップコーン防止」の穴を必要としないという利点があり、 従ってより高い SE レベルを与えるように設計できる。
Gore は、その外側が後処理でメタライズされた熱成形プラスチック部品を用いる、 彼らが「snapSHOT」シールドと呼ぶものを開発した ―― [33]、[34]、及び Figure 4AS を参照。 それは、PCB に当たる箇所に、穴の開いた小さいフランジを持つ。 それを PCB に組み付ける際には、PCB 上のその穴の位置に 標準的なボール・グリッド・アレー (BGA) 半田ボールが塗布され、 半田付けに際して毛細管現象がそのボールを穴を通って「スナップ」し、 シールドをその位置に保持すると共に、外側の金属層と接触する。 通常の表面実装型のものに対するこの利点は、シールド・カンの内面が絶縁されており、 素子やトレースを偶発的に短絡させ難いことであろう。
メッシュが用いられた場合、その SE は メッシュの開口の寸法で支配される周波数よりも上で低下するであろう。 メッシュ寸法と形状、SE、そして周波数のあいだには、 大きなメッシュ寸法がより低い SE を与える複雑な関係がある [35]。 GHz シールドのためのメッシュは、 ほとんど常に１辺が 3mm よりも小さいものとなるであろう。
100MHz よりも上の周波数では 1μm の厚さの金属膜でさえも高い値のシールドを与え得る [36] ので、 通常は使用する導電性材料は SE のためには重要ではない。 だが、全ての実際的なシールド・カンは、開口と相互接続によって制限される SE を持つ。 これらの点は、以下で述べる。
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| Figure 4AU: 単一の開口の SE の予測 |
シールドの開口は、シールド性能が必要な最大の周波数の波長よりも 充分に小さくなければならない。 Figure 4AU に示すように、 波長の 1/100 の対角寸法の単一の開口を持つシールドで達成される SE は、 当該の周波数で 34dB よりも大きくないことが予期される。
周波数 f の空気中での波長 (λ) は、 300/f mm (f が GHz の場合) である。 PCB 基材 (例えば FR4) の誘電率が PCB 自身の内部での電磁伝搬の速度を自由空間のおおよそ半分に低下させるため、 PCB 内での波長はこれのおおよそ半分となる。
シールドの一面の開口の数が倍になる毎に、 その面に垂直な方向の SE は最大 6dB 低下する。 従って、もしそれぞれが関係する最大の周波数の λ/100 に等しい最長寸法を持つ 8個の同一の開口がシールド・カンの１つの面の上にあれば、 その周波数におけるその面に垂直方向の SE は、 当該の周波数において 16dB よりもそれほど高くなりそうにはない。
内部プレーン層への電気的接続によってシールド・カンに作られた開口は、 部分的には PCB の表面よりも上の空気中にあり、 部分的には所定の周波数における波長が空気中のおおよそ半分となる PCB 内にある。 従って、これらの接続の間隔を決定するためには、 それぞれの開口の全体が PCB 材料の中にあると仮定し、 全体が空気中にある開口について仮定するものの半分の接続間隔を用いるのが最良である。
例えば、もし 50mm 四方のシールド・カンの全ての方向について 3GHz で 20dB の SE を達成する必要があるならば、 この周波数における波長が空気中で 100mm、PCB 材料中で 50mm であることに、 まず注目するであろう。 空気中の直径 1mm の、あるいは PCB 内の 0.5mm の単一の開口は、 シールド・カンの一面で達成可能な最大の SE を 34dB に制限し、 従って 7個の開口で 20dB ということになろう。
そのシールド・カンはそれぞれの辺が 50mm あるので、 プレーン層への 0.5mm の電気的接続間隔はそのエッジに沿った 100個の開口ということになる ―― 我々の 20dB の規定によって許容される 7個よりも遥かに多い。 この状況には、シールド・カンが取り付けられるのと同じ面の プレーン層 (あるいは太い「ガード・トレース」) を用い、 シールド・カンの壁をその全長にわたって その層 (あるいはトレース) に電気的に接続することによって対処できる。 金属のカンに対してこれを行なう伝統的な方法は「シーム半田付け」であるが、 導電性ガスケットや導電性接着剤が適当なものとなり得る。
この時、内部プレーン層への電気的接続は PCB の表面よりも上の空気中に開口を生じない。
だが、まだ、ガード・トレースと PCB 内のグランド・プレーン層とのあいだの
ビア・ホールの間隔によって生じる開口の問題がある。
通常の THP PCB テクニックを用いてそれらを 1mm よりも大きく近付けることは難しいが、
その SE を著しく向上させるためにカットオフ以下の導波路のテクニック (後述) を使用できる。
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| Figure 4AV: カットオフ以下の導波路のいくつかの推定 (空気 と FR4) |
SE に対する本当の利益は、開口の厚さ (シールド・カンの内側から外側へ達するために電磁波が伝搬しなければならない距離) が開口の対角や直径と同等となり、 カットオフ以下の導波路の効果が有効となり始める所から生じ始める。 4.3.11章は、カットオフ以下の導波路の設計テクニックについて述べた。 Figure 4AV は、導波路内の材料が空気である時、 またそれが PCB 内に作られていて FR4 で満たされている時の、いくつかの例を与える。
シールドすべき周波数が 1GHz よりも高い時、 シールドの開口は通常は空気中で 3mm、あるいは PCB 内で 1.5mm よりも小さい必要があるが、 カットオフ以下の導波路のテクニックは多過ぎる PCB 面積を犠牲にすることなく使用できる。
上記の 3GHz で 20dB の SE 規定のシールド・カンの例において、 シールド・カンの第６面を与えるプレーン層と PCB の上面のプレーン層 (あるいはガード・トレース) とのあいだの電気的接続を与える スルーホールの間隔による問題があった。 もしプレーン間 (あるいはガード・トレースとプレーン) の垂直方向の間隔が 1.6mm で、 ビア・ホール間の横方向の間隔を 1mm としたならば、 できあがる開口の対角はおおよそ 2mm となり、 37.5GHz 前後 (PCB 内での 50% の伝搬速度を仮定) のカットオフ周波数を与える ―― 関心がある 3GHz よりも充分に高い。
上面のプレーン (あるいはガード・トレース) と内層のプレーンの 6mm の重なりは、 それぞれの開口について 3GHz において 81dB 程度の SE を達成するであろう。 シールド・カンの 50mm の側面は 1mm の幅の開口を 50個必要とし、 この量は全体としての SE をおおよそ 47dB まで、34dB 程度低下させるであろう。 これは 20dB の SE 規定と比較して非常に良い値であり、 カットオフ以下の導波路のテクニックがいかに有効となり得るかを示している。
上面のプレーン (あるいはガード・トレース) と シールド・カンの第６面を与える層とによって作られたカットオフ以下の導波路は、 その壁の内面や外面を超えて広がっても、 あるいは部分的に内側や外側にあっても良いことに注意されたい。
PCB 内で使用されるカットオフ以下の導波路のテクニックと同様、
それはシールド・カンのその他の開口の影響の低減のためにも使用できる。
カットオフ以下の導波路を通して導体を引き回してはならないことに注意することが重要である
―― そうすることは、その SE をゼロに低下させるであろう。
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| Figure 4AW: PCB シールド・カン内のクロストークへの
空洞共振の影響 ([33] [34] より) |
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| Figure 4AX: PCB シールド・カンの SE への空洞共振の影響 ([33] [34] より) |
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| Figure 4AY: 固定されるだけのマルチ・コンパートメント・シールドの例 |
f = 150 √ { (l / L)2 + (m / W)2 + (n / H)2 }我々は、通常、l = 1、m = 1、及び n = 1 (「1,1,1」モード) の時の、 その最長の寸法、その「3D 対角」の最低の共振周波数に最も関心を持つ。 この時、50×30×5mm のシールド・カンは、2.56GHz の最低の共振周波数で共振する。 同じカンに対する 1,0,0 (長手方向) と 0,1,0 (横方向) のモードは、3GHz と 5GHz で生じ得る。
シールド・カン内の共振は その内部の電界や磁界のシールド・カン内の「ホット・スポット」における局所的な増幅を生じ、 これは同一のシールド・カンで覆われる回路間の結合の増加を生じる。 Figure 4AW は、あるシールド・カン内で測定された結合を示す [33] [34]。
また、その内部共振周波数においてシールド・カンの SE は低下し、 [33] [34] では 20dB の低下が記録されている。 この SE の低下は、それらにより多く漏洩させる、 開口や導体の貫通に近い局所的な強いフィールド (ホット・スポット) によるもののようである。 Figure 4AX は、Figure 4AW で測定されたものと同一のシールド・カンの SE を示す。
従って、関係する周波数範囲で内部共振が生じることを防ぐために、 関係する最大の周波数における波長の半分よりも充分に小さい長さと幅の寸法を持つ シールド・カンを用いるのが最良である。 それぞれのコンパートメント内での共振周波数を関係する最大の周波数よりも充分に高くし、 また回路間の相互作用 (クロストーク) の低減を助けるために、 １つのシールド・カン部品の中に複数のコンパートメントを設けることができる [34]。
Figure 4AS は複数のコンパートメントを持つ PCB シールド・カンの一例を示し、 Figure 4AY にはさらにいくつかを示す。 Laird Technologies は、 PCB 実装型シールドをより有効に、また組み立て易くすると主張する、 「モールド・イン・プレース」エラストマー・リブを開発した。 Figure 4AY の左側は、携帯電話のための両面シールド・カンの例を示す (Figure 4AR で示すようなマイクロビア・テクノロジーを用いるが、 カンを PCB に半田付けしていない)。
分解写真に示されている携帯電話の PCB は、複数のコンパートメントを持つシールド・カンの外周と、 またその内部の金属の仕切りと一致する、多数のグランド・トレースを両面に持つ。 そのシールド・カンは、PCB と同様、 プラスチック・ケースの半分にモールドされた形状の中に配置される。 半分づつのケースが互いに嵌め合わされる時、全ては自ずと揃い、 その「モールド・イン・プレース」導電性エラストマー・リブがガード・トレースと接触する。 組み立ては非常に容易であり、またリサイクルのための解体も非常に容易である。
Figure 4AY の右側は、類似の複数のコンパートメントを持つ PCB シールド・カンと そのカンの内部と境界部の壁に沿った周囲のガード・トレースを持つ PCB、 そしてカンの壁の上の「モールド・イン・プレース」ガスケットを示すが、 これは突き出した金属のフィンガーによって PCB にクリップされる。 これらのフィンガーは PCB に切り抜かれた小さいスロットにクリップされるが、 何ら電気的接続は行なわない。 Figure 4AY の携帯電話の場合と同様、 組み立ては単に部品を互いに押し付けるだけのことであり、分解は容易である。
関係する周波数範囲内で共振するシールド・カンを避けることが実際的でないならば、 正方形 (そして立方体) の形状を、また 長さ、幅、そして高さのあいだに単純な関係 (例えば 3:2:1) を持つ構造を避けるべきである。 これは、そのような形状はいくつかの周波数において長さと幅 (あるいは L、W、そして H の寸法の任意の２つか３つ) の共振を同時に生じるためである。 これらの周波数におけるホット・スポットにおける内部フィールドの増幅は特に激しくなり、 望ましくない結果をもたらす可能性が高い。
共振の一致の回避を助けるために、L、W、及び H のあいだの関係は、 理想的には √2 (1.414...) や「黄金比」 (1.618...) のような無理数とすべきである。 シールド・カンの向かい合う面が平行でないことも助けとなるであろうが、 おそらくは PCB アセンブリのあまり好ましくない外観のため、 このテクニックはそれほど使われていない。
シールド・カン内の空洞共振が潜在的に問題となる場合のもう１つの有用なテクニックは、
Laird Technologies の Q-Zorb [36] のようなマイクロ波吸収材を用いることである。
通常は 1〜2mm の厚さで、シールド・カンの蓋の内側に貼り付けられる、
フェライト粒子を混合したエラストマーがある。
これらは磁界を熱に変換し、それによってシールド・カン内の電界と磁界の双方の共振を制動する。
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| Figure 4AZ: 一体の PCB シールド・カンを持つ光ファイバー送信器／受信器 |
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| Figure 4BA: 完全にシールドされた PCB アセンブリの例 |
だが、PCB シールド・カンの下の回路への接続のために導体が用いられるならば、 カンの SE を悪化させないためには、 その境界を貫通する導体全ては、上の 4.3.17章で述べた原理に従って、 RF 接続、フィルタ、あるいはシールドのいずれかが行なわなければならない。
シールドされた PCB トレースが PCB のシールドされた領域に出入りする場合、 それらはシールド・カンの周囲のガード・トレースのビア・ホール全てに接続される ２つのプレーン層のあいだのストリップラインとして引かなければならない。 その２つのプレーン層はめっきされた貫通ビア・ホールで互いに電気的に接続されなければならず、 これらのビアが λ/30 よりも離れておらず (例えば、1GHz までの周波数のためには 10mm 以下)、 望ましくはより近いことが推奨される。
シールドされたケーブルが PCB シールド・カンに出入りする場合、 そのコネクタやグランドはシールド・カンの開口の全周で、 またケーブル・シールドの全周で、直接的な電気的接続を行なわなければならない。 これはしばしば 360°シールド接続と呼ばれることがあり、 [4] の 2.6.5章から 2.6.7章で述べたように、 丸型コネクタ、あるいは導電性ガスケットを備えた角形コネクタを用いて最もうまく行なえる。
残念ながら、RJ11、RJ45 (Figure 4AP 参照)、USB2.0、Firewire などの、 「現代的」なデジタル・データ相互接続に関係する多くのコネクタは、 継目のある安価な曲げられた金属の本体を用いるので、深絞りされたタイプほど良くない。 それらは角形のものでもあるが、多くの場合、導電性ガスケットの代わりに、 少数の曲げられた金属の小片での多点接続を用いる。 その一般に安価な (そして厄介な) 設計の結果として、 製品と PCB のいずれのレベルであれ、エンクロージャの SE へのその影響は、 一般にかなり劣ったものである。 だが、少数の製造業者は向上した SE 特性を持つタイプを提供しており、 購入する価値が充分にある。
上の全ての非常に興味深い結果は、 PCB の全周の「ビア・ウォール」で互いに縫い合わされたPCB の上面と下面のプレーン層と、 露出したデバイスとトレース全ての上に取り付けられたシールド・カンを用いて、 完全にシールドされた PCB アセンブリを作ることは、非常に容易であるということである。 その例を Figure 4BA に示す。
Figure 4BA に示すアセンブリの部品面を見れば、金属
――シールド・カンの上面の金属、あるいは上面の 0V プレーンの金属――
のみが見えることだろう。
その上面の 0V プレーンは実際にはガード・トレースの延長であるので、
半田付け、導電性ガスケット (Figure 4AZ 参照)、
あるいは多点のスプリング・フィンガーを用いて、それぞれのカンの周囲に RF 接続される。
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| Figure 4BB: トレースとケーブルがフィルタされた、
部分的にシールドされた PCB アセンブリの例 |
リード付きの貫通フィルタは、シールド・カンの適切な寸法の穴にねじ込まれ、 あるいは半田付けされる。 だが、Figure 4AP に示すように、SMD 型は PCB 上に寝かされ、 シールド・カンの壁の下端の小さい開口を通して突き出す。 ３端子 SMD フィルタを通すために壁に切りぬかれる穴は、「鼠穴」として知られている (「トムとジェリー」の漫画を見慣れた人には明らかであろう理由から)。 ３端子 SMD フィルタの性能は、 0V プレーン・ビア・ホールとガード・トレースへのシールド・カンの接続ポイントが そのフィルタ部品の本体に対して対象に配置されていれば、向上するであろう。
PCB パッド・パターンの例と、 100MHz 以上の周波数で PCB 実装型フィルタの性能がどのように劇的に向上するかを示すグラフを含む、 フィルタとシールドとの組み合わせでの使用についての詳細は、 [3] の 3.3.3章と 3.3.4章を参照されたい。
Figure 4BB は、シールドとフィルタが行なわれた PCB アセンブリの構成を図示する。 状況によっては、 シールドされていないコンポーネントへの静電気放電が直接生じることを防ぐための プラスチックの箱やその他の手段を別として、 そのようなアセンブリはそれ以上の EMC 対策を必要としないかも知れない。
時には、フィルタとシールド・カンの使用のみによって充分な EMC 性能を達成できる。
EMC 試験 [37] に際して、最小コストの３端子フィルタ、貫通コンデンサ、フェライト・ビーズ、
あるいはゼロ・オーム・リンクでさえも実験する価値があるかも知れないので、
フィルタのためのパッド・パターンがそのようなデバイスの多様性に適応するであろうことを
確かとすることは助けとなる。
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| Figure 4BC: IC のためのシールドと放熱器の組み合わせの例 |
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| Figure 4BD: シールドと放熱器の組み合わせのための市販の部品の例 |
放熱器のベースは、 シールド・ウォールとの何年もの接触の後で腐食を生じないように選ばれた金属を用いた、 高導電性の面を持たねばならない。 放熱器は (状況によってはそうすることもできるであろうが)、 通常はシールド・ウォールに半田付けされない。 通常、シールド・カン・ウォールを PCB に取り付けるために用いることのできる 様々な「感圧」テクニック全ては、 ウォールの放熱器のベースへの電気的な接続のためにも使用できる。 シールド・ウォールと放熱器のベースとのあいだの電気的な接続の間隔の規則は、 PCB プレーンとのあいだの接続のための規則 (上述) と同一である。
Figure 4BD は、Intel が彼らの IC のために設計したシールドの例を示す。
それは、PCB のガード・トレースへの半田付けのための金属のタブと、
放熱器のベースとの多点 RF 接続のためのその上面のスプリング・フィンガーを持つ。
同じ図は、放熱器にクリップすることのできる、スプリング・フィンガー式の「額縁」シールドも示す。
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| Figure 4BE: FLO/EMC を用いたシールドのシミュレーションの例 |
単純な矩形のエンクロージャの遠方界 SE への少数の開口の影響の予測を助けられる いくつかのフリーな SE 計算プログラムが、インターネット上にある (例えば [15] [16])。 だが、近傍界と遠方界の双方の、 複数の開口、異なった開口形状／寸法、λ/4 よりも大きい開口間隔、 複雑なエンクロージャ形状、そして導体の貫通に対する、 SE の妥当に正確な予測のためには、 例えば Flomerics の FLO/EMC のような、PC ベースの 3D フィールド・ソルバが必要である。
フィールド・ソルバがない場合、妥当な精度のための最良の賭けは、 後での不愉快な驚きを避けるためにプロジェクトの初期段階で、 実際の構造、そして内部の電子回路やその他の何であれを可能な限り真似て、 その SE を EMC 試験所で試験することである。 そのうちの少数のみが標準化されているものの、 エンクロージャの SE 試験のための様々な手法がある。 例えば、自作できる近傍界プローブ ([19] の第１部、第2部、及び第４部を参照)、 あるいは Richard Marshall Ltd (www.design-emc.co.uk) が作っているもののような 卓上型のストリップ・ライン試験装置を用いて、 EMC 試験所を使わずに試験を行なうことも可能である。
SE は、組み立ての手法と品質、材料、
そして内部の PCB やケーブルによって大きく変化するであろうから、
20dB の SE 「安全余裕」を確保する、
あるいは最終的な製品の EMC 試験に際してエミッション／イミュニティ問題が生じたならば
少なくとも SE を少なくとも 20dB 改善できるように設計しておくことが最良である。
初期設計段階のあいだに必要な追加の時間の僅かな量は、
プロジェクトの後の段階での財務的なリスクの低減によって充分以上に報われるであろう
([22] の第１章を参照)。
ガスケットは、化学的なもの (例えば腐食の防止のための) は言うまでもなく、 いくつものしばしば矛盾する機構的な、また電気的な要求に適合しなければならない。 シールド・ガスケットは、時には環境シールとなることも求められ、その歩み寄りに加わる。 圧力が除かれた時にガスケットが元の形状に戻らない場合、 それは「圧縮永久歪み」を生じており、 従って扉や取り外し可能なパネルのためには適切でない。 ガスケットの設計や選択の際に考慮すべき点は、以下のものを含む：
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| Figure 4BF: 体積導電性エラストマー EMC ガスケットのいくつかの例 |
それらは環境シール特性を持ち、潰し過ぎたならば圧縮永久歪みを生じ得る。 圧縮永久歪みは、通常は、組み立て中にガスケットの保持も助ける溝を設計し、 過剰圧縮を防ぐ機械的特性 (「バンプストップ」のような) を持つことによって防がれる。 (溝の設計については後を参照。)
これらのガスケットの導電性は最適な圧縮が行なわれた時でさえもそれほど高くないので、 それらが達成できる SE は金属メッシュやスプリング・フィンガーのタイプほど良くない。 高い圧縮力が取り付け面を歪ませてエンクロージャの SE を低下させるかも知れない、 プラスチックや板金のエンクロージャのガスケットのためには、 中空押し出しエラストマーがより適当であるが、 それらはソリッドなタイプよりもさらに低い導電性を持つ。
炭素粒子が混合された発泡 PTFE (テフロン) のタイプが市販されており (例えば W. L. Gore から)、
EMC シールドと、特に攻撃的な環境での環境シールとを組み合わせるために有用かも知れない。
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| Figure 4BG: ロボットによって塗布されているフォーム・イン・プレース・ガスケットの例 |
これらの液状ガスケットの一部は、 Figure 4AH に示すような用途のために、接着剤としても使用することができ、 我々の多くは自動車のリア・ウィンドウの熱線への接続の修理のための 「導電性エポキシ」の使用を見慣れている。
そのエラストマーは通常はシリコーンであり、実に硬く、
特にプラスチック部品によるその全長にわたる適切な圧縮の達成を実に困難とする。
最近、設計がより容易な、遥かに柔軟でより適応性の良いガスケットを作る、
塗布の後で発泡するタイプが開発されている。
これらは、Figure 4AY に示す
「モールド・イン・プレース」ガスケットで用いられる種類の材料である。
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| Figure 4BH: 導電性のコーティングや被覆を持つポリマー EMC ガスケットのいくつかの例 |
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| Figure 4BJ: メタル・メッシュ EMC ガスケットのいくつかの例 |
一般に用いられているメッシュ材は、以下のものを含む：
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| Figure 4BK: スプリング・フィンガー EMC ガスケットの例 |
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| Figure 4BL: 特殊なスプリング・フィンガー EMC ガスケットの例 |
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| Figure 4BM: D-I-Y スプリング・フィンガーの例 |
スプリング・フィンガーは非常に低い圧縮力を持ち、 何年ものあいだ平らに潰されたとしても圧縮永久歪みを起こさないので、 手での挿入／抜去や開閉が容易でなければならず、高い使用頻度を持つ、 モジュール、扉、あるいはパネルのために非常に適切である。 その摺動接触動作は 酸化物や腐食生成物の皮膜や汚れを除去することによって良い RF 接続の維持を助け、 それらは金属面との良いインピーダンス整合を持つ。
スプリング・フィンガーは、 服の袖に引っかかってもぎとられるような偶発的な損傷を、非常に受け易い。 スプリング・フィンガーとそれらのあいだの隙間の寸法はインダクタンスを生じさせるので、 高い周波数や重要な用途のためには、 ほとんどの EMC 用や RF 試験用のチャンバーの扉でしばしば見られるように、 ２列の使用が必要かも知れない。 スプリング・フィンガーの扉用ガスケットを持つシールド・ルームについては、 毎年ワセリンを塗布するようにというのが通常の指示であるが、 これが機器の取り扱い説明書で要求されることは稀である。
スプリング・フィンガーは、様々な方法で取り付けることができる：
それらは、そのフィンガーストックのめっきと電気的に適合する 高導電性の材料でめっきされた平坦な接触面を、両面に必要とする。 硬い酸化表面 (純アルミニウムのような) やポリマー・パッシベーションを持つ材料は不適切である。
最良の RF 接続は突起ではなく面での接触を必要とするが、 完璧ではない接触面でより良い結果を与える突起を持つタイプのスプリング・フィンガーがある。 他のタイプのガスケットと同様、スプリング・フィンガーは、 丸型シールド・コネクタの嵌合ペアの RF 接続での使用のために、環状にできる (例えば [4] の Figure 2T のように)。 Figure 4BL にはいくつかの例を示し、これは D 型コネクタのための、 また PC の拡張カード・スロットのための、いくつかのスプリング・フィンガーも示す。
追加の組み立て手順を必要としないように
製品の金属構造内にスプリング・フィンガーを設計することは、容易なものとなり得る。
Figure 4BM は、洒落たプラスチックのカバーの下に、
サーバーの電子回路が収められている金属の箱に接続するためのスプリング・フィンガーが
その縁の周囲に設けられた無垢のスプリング鋼の板が取り付けられた、
Sun Microsystems のサーバーの例を示す。
このような金属板は１回の打ち抜き作業で元の板から切り取って曲げることができ、
通常は低抵抗の接触を与えるために錫めっきされる。
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| Figure 4BN: 他の種類の導電性ガスケットのいくつかの例 |
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| Figure 4BP: ガスケット機構設計情報のいくつかの例 |
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| Figure 4BQ: ガスケット機構設計情報のもういくつかの例 |
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| Figure 4BR: 産業用キャビネットの扉のガスケットの例 |
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| Figure 4BS: ガスケットの溝の設計の例 |
選択されたタイプのガスケットを圧縮するために充分な強度と固定を持つように 蓋、カバー、扉などを設計することは容易ではなく (4.6.7章を参照)、 この記事の範囲を超える。 ガスケット製造業者の一部は、 板金エンクロージャでのガスケットの使用に関するアドバイスのような、 機構設計における相当の技術的支援を与える、 非常に有用なアプリケーション・ノートを提供している。
Figures 4BP と 4BQ は、シールド・エンクロージャが 彼らの導電性ガスケットを正しく圧縮するように設計されることを助けるために ガスケット製造業者によって提供されたデータと、その他の設計情報の例を示す。 より詳しい情報については、[11]、[12]、[39]、[40]、[41]、及び [42] を参照されたい。 より柔軟なガスケットは機構設計を容易にするが、 その機器の生涯にわたって良い電気的接触を達成するように 皮膜、酸化物、あるいは汚れを突き抜け難いので、 その両面の接触面に高品質の耐腐食導電面を必要とする。
Figure 4BR は、EMC シールドとともに環境シールドを与えるために 導電性のゴムやシリコーン・コンパウンドを用いた、 産業用キャビネットの扉のための典型的なガスケット設計を示す。 そのような用途ではしばしばスプリング・フィンガーも用いられるが、 この場合、Figure 4BR のステンレス鋼のキャビネットの写真に示されているように、 開閉に際して摺動するように側面に取り付けられる。
数百 kHz よりも上では、扉やパネルの安全接地に用いられている緑／黄のワイヤは EMC に対しては何の利益もないことを注意しておく価値がある。 これは、単一のワイヤの代わりに、 蝶番に沿ったいくつもの短い幅広の接地ストラップを用いれば、 数 MHz まで拡大できるかも知れない。
組み立て易く、かつ SE の維持に有効とするためには、 ガスケットは適切な機構的条件を必要とする。 もしそれらが単に表面に貼り付けられ、組となる部品の間で潰されるだけであれば、 それらは望むほど良くは機能しないかも知れない ―― ガスケットを圧縮しようとして固定ねじを締め付けるほど、 固定具のあいだのギャップは撓み、漏れのあるギャップを開き得る。
これはエンクロージャの組となる部品の不充分な強度のためであるが、 ガスケットを押し込むための溝なしで、組となる部品を充分に頑丈にすることは困難である。 この溝は、組み立てに際してガスケットを正しく配置し、保持することも助ける。 この溝の寸法は、組となる半身が正しく取り付けられた時に、 低い接触抵抗を与えるために最適にガスケットが圧縮されることを確かとする。
その溝は固定が締め付けられ過ぎた時に ガスケットが永久圧縮歪みやその他の損傷を生じるほど潰されないように、 また組となる半身が歪まないように設計されるべきである。 溝を用いない場合、バンプストップや類似の機構的形状を用いるべきである。 このタイプの設計を Figure 4BS に図示し、 製造業者の設計情報の部分的な例を Figure 4BQ に示す。
Figure 4BS は、ダイキャスト、あるいは塊から削り出されたエンクロージャを図示するが、 ガスケット製造業者のアプリケーション・ノートは、 Figure 4BR に (部分的に) 示すように、 ガスケットの保持と最良の圧縮のために板金エンクロージャをどのように設計するかを述べる。
全てのガスケットの詳細と寸法は製造業者の図面に示されている筈であり、
それに対する提案された変更全てはシールドと EMC への影響を評価される。
塗装作業が他の供給者に移管された時、
マスキングの情報が図面に示されていなかったためにガスケットが役に立たなくなるのは、
珍しいことではない。
使用される塗装工程の変更も (違う塗装職人と同様)、
マスクされていないガスケット取り付け面への過剰スプレーの程度の違いに伴い、
有害な影響を持ち得る。
マスキング層を持つ特殊な導電性テープの使用は、4.7.4章で述べる。
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| Figure 4BT: 固定、撓み、そして SE |
より薄い、あるいはより柔軟な材料では、Figure 4BT に示すように、
通常は撓んだ形状となり、SE を低下させ得る開口を生じる歪を防ぐために、
固定間隔を小さくする必要があるだろう。
この問題は、それを付けるように設計されていないエンクロージャに
ガスケットを追加しようとする時には珍しくない。
エミッション試験に際して、固定具が SE を向上させようとして締め付けられるが、
特定のトルクを超えると SE が逆に悪化する時、歪みは非常に明らかとなる。
陽極処理はアルミニウムの非常に一般的な表面処理であるが、 酸化層の厚さを増やすことによって働き、絶縁性の表面を作る。 それはシールド・エンクロージャのために適当な表面処理ではないが、 陽極処理されたフロント・パネルがその引っかき強度のために重要であると考えられ、 全てのシールド接続箇所で切削によってそれが除去されていた製品を見たことがある。
アロクローム、アロジン、Iridite (イリダイト)、Oakite(R) Chromicoat は いずれもアルミニウムのための商用の導電性防錆仕上げである。 これらは良い反射率を持ち、良い RF 接続の達成を助け、良い SE の達成を助けるが、 一部のものは継目で有用な導電性を達成するためにかなりの接触厚を必要とするかも知れない。 これらの手法の一部は、特定有害物質の制限に関する指令 (2002/95/EC) によって 欧州連合内で違法化されている６価クロムに頼っているので、 ３価クロムやその他の化学物質に基づく代替手段が開発されている (4.7.8章を参照)。 単純な工程ではないものの、アルミニウムは錫めっきすることもできる。 錫めっきを行なう理由は、それを半田付け可能とし、 あるいは (例えば錫めっきされた鋼や銅との) 金属接触における電位差を低減して 腐食を低減するためである (4.7.9章を参照)。
軟鋼は、穏当な導電率を、また低周波磁界のシールドを助ける相当の比透磁率を持つ (4.3.4章と Figure 4G を参照)。 鋼の表面は酸化 (錆び) も生じ、従ってシールド・エンクロージャの良い RF 接続のために 鋼は通常は亜鉛や錫でめっきされる。 亜鉛は金属として、あるいは「ガルバナイジング」としてめっきされ、 EMC の目的では金属の方が良い。 錫も２つの形 ――つや消し、あるいは光沢―― でめっきすることができ、 RF 接続や半田付けが容易であることから EMC のためにはつや消し仕上げの方が良い。 亜鉛と錫は鋼よりも高い導電性を持ち、従ってそれらでのめっきは反射率を改善する。
ガルバナイズ、もしくは亜鉛めっきされた鋼の板 (例えば「Zintec」) は錆の防止を助けるが、 それでもその切り口が錆びる。 Zintec のようなめっきされた板のもう１つの問題は、 それらはしばしば絶縁材であるポリマー皮膜でパッシベートされた状態で供給され、 高圧縮力の導電性ガスケットをそれに伴う機構設計の困難全てのもとで使うことなしに、 良い SE を達成するために必要な RF 接続を行なうことを不可能とすることである。 従って、生地の金属から金属部品を作り、その後でのみ亜鉛や錫でめっきするのが最良である。
ステンレス鋼は軟鋼よりも低い導電率と透磁率を持ち、加工が難しく、より高価であるので、 通常は、食品加工や頻繁に濡れることになるその他の特別な分野でのみ用いられる。 だが、ステンレス鋼のキャビネットは通常は分厚い金属で作られ、 (衛生上の目的のために) 高品質のシーム熔接が行なわれるので、 それらはしばしば素晴らしいシールド・エンクロージャとなる (Figure 4BR の写真を参照)。
銅、黄銅、錫、及び類似の金属は高い導電率を持ち、容易に加工できるが、 それらの高いコストはそれらが通常は PCB シールド・カンのような小さいエンクロージャでのみ使用されることを意味し、 それでさえも錫めっき鋼の方が一般的である。
亜鉛金属めっきは、高湿度下で純白の「ブルーム」を生じ得る。 クロメート加工工程はこれを防ぐために亜鉛表面をパッシベートし、 (ポリマー・パッシベーションと異なり) 導電性の表面を保てる。 上で議論したように、現在、クロメート・パッシベーション工程は ６価クロムを３価のもので置き換えるように変更されつつあるが、 全ての金属をうまくパッシベートできるわけではなく、さらなる開発が必要である。
金属や金属部品がシールド・エンクロージャを作るために用いられるものである場合、 図面で「パッシベーションなし」、 あるいは「クロメート・パッシベーションのみ」を指定することが非常に重要である。 そうでさえも、板金や金属部品のどのロットを製造業者の倉庫に受け入れる前にも、 表面抵抗試験 (非常に滑らかなプローブと低い圧力を用いた) が常に推奨される。
鋳造、あるいは「塊から削り出された」金属で作られたエンクロージャは、 板金のロールから作られたものに対していくつかの利点を持つ：
EMC 上の利益 (これは一部の高性能用途で鋳造や削り出しのエンクロージャをほぼ必須とする) を別として、
鋳造や削り出しのエンクロージャの適切な設計は板金よりも組み立てを早くて容易にし、
その通常は高い材料や加工の費用のオフセットを助け得る。
伝統的な「イエロー・パッシベーション」が適用されていれば めっき業者がその金属部品に何かをしたことは明白であるが、 透明なポリマーが用いられていれば それを目視や触診によって裸の金属と見分けることは不可能である。
多くの製品製造業者は、彼らの光沢のある金属部品が 実際には目に見えない絶縁パッシベーション層を持つことに気付くまで、 シールド問題に悩まされる。 時には、金属部品が完璧に良い表面導電性仕上げで何年も供給されていたにもかかわらず、 突然、また何の警告もなしに、ポリマー・パッシベーション層を持つものを受け取るようになり得る ―― これは、その企業の購買担当者が供給者を変え、 あるいはその供給者がその変更を行なうと一方的に決定したためかも知れない。
幾多の製造業者の高くついた経験に基づき、 私は今は、受け入れに際して表面導電率試験を行ない、 この試験とその仕様を製造図面と発注書に含めることを常に推奨する。 この試験に合格しない全ての納品物は供給者の費用負担で差し戻され、 規定された時間内にその試験に合格する部品と交換しなければならない旨を、 供給者と契約しておくことが最良である。
試験される金属表面に滑らかな導電性パッドを押し付ける２つのスプリング接点と 低電圧電子ブザーを手持ち型のデバイスに取り付けた、 適当な試験デバイスを作ることは容易である。 表面導電率に対する最良の感度のためには、その導電性パッドを、 その上に発泡材の上に導電性ファブリックを被せたタイプ (後述) のような 導電性ソフト・ガスケットを貼り付けた錫めっき銅で作ることができる。 そのソフト・ガスケットはサンプルに押し付けられて均一な低い圧力を与え、 何らかの鋭いエッジ、粒子、あるいは削り屑が誤った低い読みを与える可能性の低減を助ける。
アロクロメートされたアルミニウムの表面は陽極処理されたものとそっくりに見え、 陽極処理はより一般的な処理であるので、設計や購入の作業の中で誤りを生じ易い。 アロクロームされたアルミニウムで作られた時に良い SE を持つ製品は、 全く同じように見える陽極処理されたアルミニウムで作られた時、 突然不適合となり得る。 その解決は、上でポリマー・パッシベーションについて述べたように、 導電性であるべき全ての部品を、製造業者の倉庫への受け入れの前に確認することである。
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| Figure 4BU: メタライズされた紙の使用の例 |
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| Figure 4BV: メタライズされた布で作られたシールド・テントの例 |
導電布は、メタライズされた繊維が長く、糸に撚り合わせられ、 布とするために編まれることを除き、同様の方法で作られる。 導電布は、 しばしば Figure 4BV に示すようなシールド・テントを作るために用いられ、 移送のために丸めることができることから、軽さと携帯性の利点を持つ。 例えば輸送中のミサイル、あるいは警察や警備隊が押収した携帯電話のように、 製品をシールドする必要があり、シールドの見掛けが問題ではないならば、 メタライズされた布が往々にして非常に適切な材料となる。
金属と比較して、メタライズされた紙や布は低い導電性を持ち、
従って低い値の反射と吸収を持つ。
塗装工程を管理する必要を避ける１つの解決方法は、 3M やその他から市販されている、導電性感圧接着剤で金属表面に貼り付けられる、 上面にマスキング・テープ層を持つ特別な金属テープを用いることである。 そのテープは、その金属を塗装する前に、 ガスケットが接触しなければならない部分の上に貼り付けられる。 塗装の後で、光沢のある金属テープを露出させるために、 そのマスキング・テープ層が剥される。 そのテープの下の金属は、その導電性接着剤によって酸化や腐食から保護される。
導電性塗料やエポキシは、バインダーと導電性フィラーから成る。
それらは金属よりも低い導電性を持つので、より低い反射率を持つ。
銀を混合したエポキシは、時に腐食を低減するために用いられ、
その反射率は新しい時の金属ほど良くないものの、
おそらくは腐食した時よりは良いであろう。
プラスチックの導電性コーティングにおける最も重要な問題は、 少なくとも意図された動作寿命にわたって、 そのコーティングがプラスチック上にしっかりと付着し続けることを確かとすることである。 異なるタイプのプラスチックは異なるコーティング材とコーティング工程を必要とし、 導電性皮膜のフレークや剥離は信頼性を低下させ得るし、安全上のリスクの増加さえ引き起こし得る。 導電性コーティングが、曝露された環境 (温度、結露、塩水噴霧など) にかかわらず、 製品の予期される寿命にわたってひび割れたり剥離したりしないことを確かとするために、 加速寿命試験が強く推奨される。
ある種の導電性コーティング、特に塗装における問題の１つは、 充分な機械的圧力を加えられれば剥離し、あるいは摩擦に伴って摩耗し得ることである。
メタライズされたコーティングは非常に薄く、 従って数百 MHz 以下の周波数での減衰は良くなく、 低い周波数での吸収の向上のためにしばしば強磁性体であるニッケルが用いられる。 だが、プラスチックの塗装やめっきの欠点にかかわらず、 そのような材料から作られたエンクロージャの SE は、 ソリッドな金属から作られたエンクロージャと全く同様に、 通常は開口や導体の貫通によって制限される。 プラスチック・エンクロージャの導電性コーティングにも同様に適用される、 シールドの基本的な課題については、4.3章を参照されたい。
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| Figure 4BW: コーティングされたプラスチック・エンクロージャの RF 接続の
典型的な問題 |
導電性コーティングが継目を取り巻いている場合でさえも、 その継目の全長にわたる接触は決して生じず、 金属部品の場合と同様、接触は少数の「高地」でのみ生じる。 温度変動もその接触点を動かし、シールドの開口の大きさを変え、 エンクロージャの SE を予測不能にさせ得る。
この問題に対処する１つの方法は、シールドされたプラスチック・エンクロージャを、 「組み込まれた」プラスチックのスプリング・フィンガーを含めて設計することである。 導電性コーティングされた時、 これらは組となる部品のシールド面と良い RF 接続を行なえる。
上で金属のエンクロージャについて述べたように、 継目や接合部に導電性ガスケットを使用できるが、プラスチックの低いヤング率は、 必要な圧縮力を機械的な歪みなしに達成することがより困難であることを意味する。 だが、そのような設計上の特性を後付けすることは非常にコストがかかるかも知れないものの、 ガスケットをうまく使用できるように設計することは可能である。 従って、プラスチックのエンクロージャを 導電性コーティングを用いてシールドする可能性がある場合には、 それを最初から「組み込まれた」スプリング・フィンガーや 導電性ガスケットのために適切な固定具を含めて設計することが、強く推奨される。
試作品は通常は手での塗布による導電性コーティングを用い、 その品質や厚さは作業者のスキルに依存して変動するであろう。 連続生産で手での塗布が用いられる時、 払われる注意は少なくなり、その SE は損なわれるかも知れない。 自動コーティング工程はより良い再現性を与える筈であるが、 その結果は試作品の手で塗布されたコーティングでのものとは非常に異なり得るので、 それが用いられる時には、最終的な EMC 試験は自動工程を用いた製品で行なうべきである。
内部の導電性コーティングと同様、追加の外部コーティングは、 プラスチック・エンクロージャの SE を改善し得る。 プラスチック部品の全面を導電性コーティングすることは、 Figure 4BW で図示した RF 接続の問題の克服も助け得る。 外面のコーティングは、その上塗りが RF 接続を損なわない限り、 より美観的に好ましいように上塗り塗装できるかも知れない。
プラスチック・エンクロージャに導電性コーティングを追加してシールドを後付けする際には、
沿面距離と空間距離を低下させて安全上のリスクを増加させないように、注意が必要である。
その導電性コーティングのために気中放電を生じ易くなり得るため、
しばしば、静電気放電 (ESD) に対するイミュニティが損なわれる。
それらは、表面上に形成され、表面の研削、ヘリコイル・インサートの使用、 あるいは類似の手法なしに良い RF 接続を行なうことを難しくする、 基礎となるプラスチックやレジンの「スキン」の影響を受ける。 この絶縁性のスキンは、接合部に作られる長い開口の防止を難しくし、 またコネクタ、グランド、そしてフィルタの本体との良い接続を与えることも困難にする。
他の問題は、ある部分でエンクロージャを弱くし (導電性フィラーの過剰)、 他ではシールドを欠如させ得る (導電性フィラーの不足)、 導電性の粒子のポリマーやレジンへの混合の不均一性を含む。 これは、フィラーの不足を生じ易い角で特に問題となる。
炭素繊維と (それ自身が導電性である) 自己導電性ポリマーに基づく材料が 入手できるようになり始めているが、それらは金属の高い導電性を持たず、 従ってある厚さに対して同程度に良い SE を与えない。
導電性プラスチックの導電率は、通常はフィラーのバルクの材料のそれよりもかなり低く、 従って反射率と吸収はいずれも悪化する。
多くの導電性プラスチック・コーティングと体積導電性プラスチックの低い導電率は、 高い故障電流や雷からの高レベルのサージ電流を扱えるようにすることを妨げる。 このような高電流事象は、その材料に損傷を与え得る、顕著な熱を発生する。
プラスチック・モールドの代わりにマグネシウム (あるいは亜鉛) 合金の鋳造を使用でき、 勿論、シールドとしての使用がより容易であり、より容易にリサイクルできる。 マグネシウム合金はプラスチックのように軽くなり得るし、 同じ強度に対してより薄くて軽くなり得るが、より高価であるので、 強度の向上、寸法と重量の低減、あるいは洒落たアイテムのために使用される傾向がある。
６価クロムを用いたクロメート・パッシベーションは数十年にわたって驚嘆すべきテクニックであったが、 ６価クロムが水道に入り込んだ時には非常に深刻な癌疾患を引き起こし得る。 全ての金属にその良い特性全てを与える (だが癌のリスクのない)、 ６価クロムを直接代替する表面処理はないが、 特定の用途／金属に対しては同程度に良い、あるいは一部の試験ではさらに良いかも知れない、 代替のコーティングがある [43]。 米軍はアルミニウムのための TCP と呼ばれる３価クロム・コーティングを開発し、 これは他の金属の一部に対しても有効であり、商業的に入手可能となっている。 亜鉛めっき鋼への TCP の適用も、有望そうである。
真空蒸着は「エコ・フレンドリー」であり、錫やアルミニウムは無害でリサイクルし易いので、 圧入、クリップ、あるいは半田付けされる真空蒸着されたプラスチックのシールド・カンは、 プラスチック・エンクロージャ自身を導電性コーティングする、 あるいは体積導電性のプラスチックを用いるよりも、小さい環境負荷を持つかも知れない。 [25] は熱成形されたシールド・インサートが プラスチック・エンクロージャのリサイクルをいかに助けるかを、 また [29] は表面実装金属カンの取り外しとリサイクルがいかに容易であるを述べる。
ある種の腐食生成物は半導体 (非線型抵抗) として振る舞い、 これはそれを流れる任意の AC に高調波を発生させ得る。 それらは RF 波形の復調もし得るし、 ２つ以上の AC 信号を相互変調させてその和と差の周波数の新たな周波数を生じさせ得る。 これらはエミッションを加え、あるいは イミュニティ問題を引き起こし得る。 コネクタ、アンテナ、そして接地構造の腐食は、 他の無線周波数に干渉しないようにその高調波やスプリアス・エミッションに厳しい規定を持つ RF 送信器について特に問題である。
酸素、二酸化硫黄、あるいは類似の汚染物質などのガスは、 通常は、上で述べた、より反応性の低い金属でのめっき (例えば鋼の上の亜鉛めっき) や 他の何種類もの表面処理によって対処される。 小さい、硬い接触点を用いた多点 RF 接続は、常温圧接を生じ、 小さいがガス・タイトなガスからの腐食に影響されにくい接続を生じるほど高い圧力を生じ得る。 この目的でしばしば歯付座金が用いられるが、スプリング・フィンガーの章で述べたように、 高い周波数での RF 接続には点ではなく面での接触が望ましい。
異なる金属間の継目をブリッジする液体は、 その電気的効果によって非常に急速な腐食を引き起こし得る。 環境シール・ガスケットはそのようなガスや液体を継目から遠ざけることを助けるが、 (結露防止ヒーターが用いられない限り) 結露は機器内で起こり得るので、 接点に類似の材料を用いることも良いプラクティスである。
腐食は、水 (例えば結露)、ビール、食品や飲料、ジェット燃料、血や組織液、 あるいはその他の様々な液体のような電解質の存在下で、 異なる材料が近接している、あるいは接触している時に、最も生じ易い。 ２つの異なる金属と電解質は「偶発的電池」を生じ、 液体が２つの金属のあいだをブリッジしているあいだ、電流が陰極から陽極に常に流れるであろう。 その偶発的電池の陽極側 (ガルバニック系列上で最も陽のもの) はその金属を腐食生成物に変えるが、 陰極側 (最も陰のもの) が最も激しい影響を受ける。
金属は、それぞれのグループをおおよそ 0.3V の範囲として ガルバニック系列に従って５つのグループに分けることができ、これを以下に示す：
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| NAVAIR AD 115 [44] からの腐食防止の手引き |
異種の金属はそのガルバニック効果の低減のためにめっきすることができ、 例えばアルミニウムに対しては銅よりも錫めっき銅の方が良いパートナーである。 めっきされた時、その異種の金属の接合部はいかなる液体からも保護され、 従ってガルバニック腐食を生じないであろう。 だが、めっきの傷やピンホールは下地の金属を露出させ得るので、 めっきは予期された機械的ストレスに対して充分に厚くなければならず、 また充分な品質を持たなければならない。
異種の金属の接合部を通る AC や DC の電流は、 電解質として振る舞う液体が存在しない時でさえも、ガルバニック腐食を加速させる (これが自動車のバッテリー端子に常に分厚くグリースが塗られている理由である)。 従って、電流が大きくなり得る時には、 同一のグループに属する金属、あるいは同一の金属を使用することが最良である。 異種の金属を同一の金属でめっきする ――例えば錫めっきアルミニウムと錫めっき銅―― ことは、そのめっき表面が充分に丈夫で、ピンホールを持たない限り、 電気的腐食を防ぐ良い方法である。
[45] の Appendix E は腐食の防止のための相当量の有用な情報と設計ガイドを含み、 さらなる調査のための参照文献の宝庫である。
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| Figure 4BY: ３種類の異なるガスケットに対する腐食試験の例 |
4.6章で述べたように、機器の寿命にわたってエンクロージャの SE を充分に良く維持するためには、 導電性ガスケットはそれが接触する材料とガルバニック的にコンパチブルでなければならない。 Figure 4BY は、３つの異なる種類のガスケットで分離された ２つのアルミニウム円盤に対する、標準的な 144時間塩水噴霧試験の影響を示す。 最も不適切なガスケットはサンプル A、最良のものはサンプル C であった。 接合部が塩水噴霧に曝されないかも知れないとしても、144時間は長い時間ではなく、 この試験は接合部がより普通の環境で何年もの期間にわたって どの程度良く持ちこたえるかも知れないかの指標である。
良いガスケット製造業者は、彼らの製品と様々な金属とのコンパチビリティに関する、 相当の試験データを提供できる筈である。
「ベーパー・フェーズ腐食防止」 (www.cortecVpCI.com 参照) のような、
有用であることが示されるかも知れない、現代的な腐食保護材料がある。
私はこのテクニックについての経験はないが、これが緩やかに昇華し、
ガスや液体に対するバリアとなるが機械的圧力によって容易に除去される分子層で
近くの全てのものをコーティングする、
ソリッドな材料のペレットに基づいているものと理解している。
[2] The Institution of Engineering and Technology (IET, was the Institution of Electrical Engineers, IEE), Professional Network on Functional Safety, "EMC and Functional Safety Resource List", from the "Publications & Downloads" page at http://www.cherryclough.com.
[3] Keith Armstrong, "Design Techniques for EMC, Part 3 - Filtering and Suppressing Transients",
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(日本語版は http://t-sato.in.coocan.jp/compliance.html で閲覧可能)
[4] Keith Armstrong, "Design Techniques for EMC, Part 2 - Cables and Connectors",
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[5] John R Barnes, "Robust Electronic Design Reference Book, Volume I", Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN: 1-4020-7737-8. See Chapter 34 for shielding and shielding design.
[6] Keith Armstrong, "Design Techniques for EMC,
Part 0 - Introduction, and Part 1 - Circuit Design and Choice of Components",
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[8] RF Cafe, Skin Depth, http://www.rfcafe.com/references/electrical/skin_depth.htm.
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[12] "Technical Notes", Laird Technologies, technical information and guidance on shielding and gasketting, available from: http://www.lairdtech.com/pages/catalogs/emi.asp (scroll down the page to the "Technical Notes" section).
[13] William A. Radasky, "The Threat and Detection of Electromagnetic Weapons at Airports and on Aircraft", 2005 IEEE Conference on Technologies for Homeland Security, Boston, Massachusetts, 26 April 2005, available from http://ieeexplore.ieee.org.
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[15] A free SE calculator (for far-field SE): http://www.emc.york.ac.uk/examples/screening/index.html.
[16] A free SE calculator (for far-field SE): http://www.amanogawa.com/index.html (click on 'EMC/EMI', then 'Java Applets', then on 'Shielding Effectiveness')
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[18] Keith Armstrong,
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[23] The basic standard on microvia PCB technology is IPC-2315, from the Institute of Printed Circuits at http://www.ipc.org.
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[44] NAVAIR AD 115 "Electromagnetic Compatibility Design Guide for Avionics and Related Ground Equipment", 3rd Edition June 1988, Naval Air Systems Command, Department of the Navy, Washington DC, USA. This document does not appear to be easily obtainable via the Internet, and has probably been superseded by a more recent US military standard.
[45] John R Barnes, "Robust Electronic Design Reference Book, Volume II, Appendices", Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN 1-4020-7738-6
これは、Keith Armstrong 氏が EMC+Compliance Journal 上で発表した文書を、 その許諾を得て 佐藤が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
2007-10-27