リードリレー用途における磁気干渉低減

リードリレーは磁気の影響を受けやすく、条件によっては性能が低下する場合があります。本レポートでは、リードリレー同士（およびリードリレー間）の磁気
影響を低減するための実用的なアプローチを示します。これらのガイドラインは、多くのケースに適用できます。

電子機器の小型化が進む傾向により、リードリレーは一般に互いに近接して配置されます。リレー間の磁気結合は、動作電圧（ピックアップ）や復帰電圧（ドロップアウト）などのパラメータに
影響を与える場合があります。状況によっては、隣接するリレーが近傍リレーの影響で不利な影響を受けます。

基本的なリードリレー配列について、最悪条件下での実験データを示します。さらに、そのデータの解析を式とともに提示します。データはシングルインラインパッケージ（SIL）のリードリレーで取得しましたが、基本的な物理原理は同じため、多くのリードリレーパッケージに適用できます。

リレー配列／マトリクス設計のチェックリストでは、遭遇しやすい電磁影響を最小化するために必要な要因を網羅します。チェックリストに沿って体系的に検討を進めることで、多くの厄介な変動要因の低減または排除に役立ちます。

マトリクス構造に組み込まれ、電磁妨害（EMI）を受ける環境でリードリレーがどのように動作するかは、内部要因と外部要因を含む多くの要因で決まります。

内部要因： 設計の初期段階で、ユーザーとメーカーは用途について協議し、以下の内部要因をすべて考慮する必要があります：

• コイル線径
• コイル抵抗
• コイルのアンペアターン（AT）
• コイル巻線方向
• コイル巻線端末処理
• リードスイッチアセンブリの種類
• リレー内のリードスイッチ数
• 内部磁気シールド

外部要因：外部要因の制御は一般に、リードリレーの動作環境へ適切に配慮することで実現します。これらの要因にどれだけの対策工数を割くかは、設計性能に対してどの程度不利な影響を与えるかによって決まります。以下の要因を考慮してください：

• 近傍の磁界
• リレーマトリクスにおけるリレー間隔
• 磁極配置（極性の並べ方）
• 外部磁気シールド

隣接するリードリレー間の磁気結合をより理解するために、次の例を考えます。図#1は、PCボード上に隣接して実装された2つのリードリレーを含むリレーマトリクスの一部を示しています。リレーK1とK2は構造が同一で、いずれも電流の流れる方向は同じです。

両方のリレーを励磁したときの磁力線を示します。K1とK2を励磁すると、互いに対向する磁界が相互に不利な影響を及ぼします。これは、K2の磁界がK1の本体内へ伸びている箇所に示されています。

K2のみを励磁し、K1が動作していない場合、K2の動作電圧（ピックアップ）および復帰電圧（ドロップアウト）はメーカー仕様範囲内です。K1が動作している状態でK2を励磁しようとすると、K2の動作電圧および復帰電圧が増加し、メーカー限度を超える可能性があります。

K1をK2と逆方向の電流で励磁している場合、K2を励磁しようとすると、動作電圧および復帰電圧は低下します。

リレーマトリクスはさまざまな形で構成できます。本解析では、代表的な5つの構成についてデータを提示します。極性に関する検討も限定しています。提示する構成と磁極は、リレー磁気相互作用における最悪ケースの影響の一部を示しています。

実験セットアップ

実験データは、幅0.20“のモールドSIPリレーで取得しました。試験マトリクス構成を図#2に示します。

被試験リレー（RUT）の周囲のすべてのリレーを同一の磁極で励磁した状態でデータを取得しました。すべてのリレーを励磁した後、RUT（近傍と同じ磁極）を動作点まで段階的に励磁しました。復帰電圧データも同様の方法で取得しました。

すべてのデータは5Vのコイル駆動で取得しました。同等のアンペアターンを生成する高電圧コイルでも、結果は同様です。アンペアターンが大きいコイルでは、相互作用影響がわずかに増加します。磁気シールド付きリレーのデータについては、磁気シールドは内部にあり、リレーの一体構造です。

一般に、マトリクスにおける動作電圧（ピックアップ）の磁気相互作用が最悪に近い条件は、すべてのリレー磁界が同一極性で、かつ隣接リレーの磁界のみが影響する場合です（図#2）。リレーが端面同士で実装されたマトリクスでは、相互作用はやや低減されます（図2dおよび2e）。この効果は図6bで確認できます。

提示した想定最悪条件では、復帰電圧は増加して動作電圧に追従し、ほぼ同じ電圧変化を維持するため、実際には大きな懸念事項ではありません。隣接リレーの磁極がRUTと逆（加勢）となる場合、復帰電圧が主要な懸念となる可能性があります。

この状況は、リレーに適切な電圧極性を割り当て、製造の一貫したリレーを使用することで回避できます。動作電圧の変化（ÄPI）は、相互作用影響ありの動作電圧から相互作用影響なしの動作電圧を差し引いた値として定義します。提示した動作電圧の増加率は、5Vの公称コイル電圧で算出しました。数式で示すと、% ΔPI = ΔPI(100)/5 volts 式#1

あるマトリクスにおいて、動作電圧の変化量は、動作電圧レベルが異なるリレー同士でも本質的に同じままです。たとえば、相互作用なしで動作電圧が2.3Vのリレーは、相互作用ありで2.7Vへシフトします（ΔPIは0.4V）。次に、同じマトリクスで同条件の別のリレーを考え、初期動作電圧が2.6Vの場合、相互作用により動作電圧は3.0Vへ上昇します（この場合もΔPIは0.4Vです）。

磁気相互作用の影響の算出

リードリレーに対する磁気相互作用の影響をさらに確認するため、図#5bに示す、0.20“ピッチ（磁気シールドなし）の5V SILリレーによる3リレーマトリクス例を考えます。試験は、単体での実測動作電圧が2.6Vである中央リレーを対象に行います。外側2つのリレーは、コイルに5Vを印加して動作させます。

中央リレーを励磁し、想定される動作電圧変化を計算できます。

まず動作電圧の変化を計算します。本例では次の式を使用します：

ΔPI =(% ΔPI x Vnom)/100
式#2

ここで、ΔPI＝想定される動作電圧変化。

% ΔPI＝公称電圧で算出され、実験データのグラフに示される相互作用率。Vnom＝メーカーが規定する公称コイル電圧。

PIwc = Plact + ΔPI
式#3

PIwc＝相互作用条件下における最悪ケースの増加後動作電圧。

Plact＝外部磁気干渉なしの実動作電圧。

図#6aを参照すると、公称コイル電圧5Vでの磁気相互作用は14.2%です。式#2を用いてΔPIを計算すると：

ΔPI = (14.2 x 5)100 = 0.71 volts

このリレーの実動作電圧は2.6Vです。したがって、式#3により最悪に近い動作電圧は次のとおりです：

PIwc = 2.6 + 0.71 = 3.31 volts
式#4

算出したPlwcの値は、考え得るすべての極性（磁気および電気）条件下における当該マトリクスの最悪ケースとなる可能性があります。算出したΔPIの値は、動作電圧範囲全体にわたって良好な近似となります。

さらに、ΔPI ~ ΔDO、すなわちマトリクスにおける復帰電圧変化は、動作電圧変化に近い形で追従します。たとえばPIwcの計算において、磁気影響なしで復帰電圧が1.4Vと測定された場合、上記条件では2.11Vへ変化します。特殊な復帰条件が必要となる稀なケースを除き、このような復帰電圧変化は問題になりません。

磁気影響の低減方法

• 内部シールド付きリードリレーの指定
• マトリクスへの外部磁気シールド適用
• リレー間隔の拡大
• 隣接リレーの同時動作の回避
• 特殊マトリクス構成の設計

特殊条件

図#6で示した条件では、励磁されたリレーに囲まれた、単体の非励磁リレーでデータを取得しました。実際の多くの用途では、リレーはさまざまな状況下で
励磁されます。通常はリレーのバンクがまとめて励磁されます。

たとえば図2aで取得したデータは、同一マトリクス内のリレーを次の方法で励磁することで、おおむね1/2に低減されます。すなわち、中央リレーを監視しながら、すべてのリレーをランプ電圧で同時に励磁します。

この場合、相互作用影響は1/2になります。リレーを同時に励磁している限り、ランプ速度をさらに速く（ほぼステップ関数）しても同じ効果が観測されます。

この相互作用低減は、接点閉成時点に存在する周囲磁界が小さいために起こります。実際の動作電圧は通常、公称電圧のおおよそ半分です。

条件によっては、コイルの巻線方向と端末処理の方向を一貫させることで、特に近接実装時に磁気
影響を低減できます。

図#4に示すマトリクスは、対向する磁極と一貫したコイル製造条件を用い、磁気シールドの追加コストなしで相互作用を低減します。この効果（図#2）は、図#1に示す配線により実現されます。

図#2のデータは、極性が同一方向の、同様の非磁気シールドSIL 15個マトリクスにおける図#3のデータと比較できます。改善（相互作用低減）は、図#3の6%に対して図# 5では2.5%です。

• 印加電圧：最大負荷時かつ50 °Cにおいて、電源は最小4.9Vまで低下する場合があります。状況によっては、負荷電圧がトランジスタ／ダイオードの電圧降下（動作温度範囲で最大0.7V）と直列になる場合があります。電源の実効電圧は4.3Vへ低下し、これがリレーコイルへ実際に印加される電圧です。
• 温度影響：システムの最大動作温度が50 °Cで、指定されたリレー動作電圧が25 °Cにおいて5V公称コイル電圧で最大3.6Vの場合、50 °Cでは最大3.6Vから最大3.96Vへの上昇が見込まれます。
• 使用可能なPCボードスペース：5 x 10のリレーマトリクス（50リレー）が必要です。ボード上にリレーを収めるため、過密配置が必要です（使用可能なボード面積は7.75 in.2のみ）。4. 隣接リレー間距離：リレーは0.20“ピッチで配置し、10リレー×5列とする必要があります。5.
• マトリクスの励磁：この用途では、同時に励磁されるリレーは最大3個です。図#3aに、本用途に必要な相互作用データを示します。ここでの最悪ケースは、非磁気シールドで0.20“間隔の場合で、7.5%です。式2を用いると、相互作用影響は最悪ケースの動作電圧増加0.38Vとして算出されます。6.

• 磁気シールド：磁気シールドは使用しないと判断します。7. 寿命特性。一般に、中～高レベル負荷をスイッチングする場合、寿命特性を最適化するため、コイル電圧のオーバードライブは約100%（実動作電圧のおおよそ2倍）とするのが望ましいです。ここではリレーコイルのオーバードライブは小さいですが、低レベルスイッチングのみが想定されます。したがって、寿命特性への影響はないはずです。
• 設計解析：項目5の結果を項目2の結果に加えると、相互作用条件下で最大動作電圧は4.34Vへ上昇します。これは最小電圧4.3Vを超過します。この時点で最も単純なアプローチは、おそらく電源電圧を上げるか、初期の最大動作電圧定格を3.6Vから少なくとも最大3.2Vまで下げることです。これにより、最悪条件下でも十分な追加オーバードライブが確保されます。

リードリレーに対する磁気相互作用の影響は、無視すると重大な問題になり得ます。解決策は多数あります。

本記事では、基本的なマトリクスタイプにおける最悪ケースシナリオを定めるための基礎を示しました。提示したチェックリストを参照することで、リレーマトリクス設計の体系的アプローチを
実現できます。

設計プロセスの早い段階で、ユーザーがリレーメーカーに相談することを強く推奨します。この手法に従うことで、予測不能なリレーマトリクス性能の発生可能性を大幅に低減できます。