リードスイッチの動作特性

概要

リードスイッチは、1930年代後半にBell Labsによって最初に発明されました。しかし、センサおよびリードリレーとして広く用途が見いだされるようになったのは1940年代になってからです。当時は、各種のステッピング／スイッチング用途、初期の電子機器や試験装置などで使用されていました。1940年代後半にはWestern Electricが局用電話交換局でリードリレーの使用を開始し、現在でも一部の分野では使用されています。リードスイッチは通信技術の発展に大きく貢献しました。長年の間に複数のメーカーが参入と撤退を繰り返し、中には必要以上に長く市場に残り、低品質・低信頼性で市場を汚した例もありました。しかし現在のリードスイッチメーカーの大半は、非常に高品質で高信頼性のスイッチを製造しています。これが、これまでにない成長を生み出しています。

今日、リードスイッチ技術は、試験・計測機器、医療用電子機器、通信、自動車、セキュリティ、家電、汎用など、あらゆる市場セグメントで使用されています。成長率はかつてないほど強く、世界の生産量が需要に追いつかない状況です。技術としてのリードスイッチは独特です。気密封止構造のため、ほぼあらゆる環境で存在・使用できます。構造は非常にシンプルですが、製造では多くの技術領域にまたがります。品質と信頼性の要となるのは、ガラスと金属による気密封止であり、使用するガラスと金属は線膨張係数が正確に一致している必要があります。そうでない場合、クラックや封止不良が発生します。接点材（通常はロジウムまたはルテニウム）をスパッタまたはめっきで付与する工程も、半導体技術に近い超クリーン環境で精密に実施する必要があります。半導体と同様に、製造中に異物が存在すると損失、品質・信頼性問題の原因になります。

お客様のニーズに対応するため、Standex Detectは自社の組立ラインを構築することを決定しました。リードスイッチは1968年から英国で、2001年からは
ドイツで生産されています。

長年にわたり、リードスイッチは約50 mm（2インチ）から3.9 mm（0.15インチ）へと小型化されてきました。これらの小型サイズにより、特にRFおよび高速時間領域の要求において、さらに多くの用途が開拓されました。

リードスイッチの特長

• 最大10,000 Vのスイッチング対応
• 最大5 Aのスイッチング電流対応
• 信号損失なしで10 nano-Voltsまでのスイッチング／通電対応
• 信号損失なしで1 femtoAmpまでのスイッチング／通電対応
• 最小限の信号損失で最大7 GigaHzまでのスイッチング／通電対応
• 接点間絶縁：最大10¹⁵ W
• 接点抵抗（オン抵抗）：代表値50 milliOhms（mW）
• オフ状態で電源・回路不要
• ラッチ機能対応
• 動作時間：100 ms～300 ms
• 動作温度範囲：–55 °C～+200 °C
• 空気、水、真空、油、燃料、粉じん雰囲気など、あらゆる環境での動作対応
• 耐衝撃：最大200 Gs
• 耐振動：50 Hz～2000 Hzで最大30 gの振動環境に対応
• 長寿命：摩耗部品がなく、5 V以下・10 mAでの負荷スイッチングでは、数十億回の動作に達します
• 消費電力ゼロ：携帯機器・電池駆動機器に最適
• スイッチングノイズなし

リードスイッチの基本

リードスイッチは、2枚の強磁性ブレード（一般に鉄とニッケルで構成）を、ガラスカプセル内に気密封止した構造です（図#1）。ブレードはガラスカプセル内で互いに重なり合い、両者の間にギャップを持ち、適切な磁界が存在すると接触します。両ブレードの接点部には、通常ロジウムまたはルテニウムといった非常に硬い金属がめっきまたはスパッタで形成されています。これらの硬質金属により、重負荷でスイッチングしない限り、非常に長い寿命が期待できます。カプセル内のガスは通常、窒素または同等の不活性ガスです。

一部のリードスイッチでは、スイッチング能力（最大10 kV）および高電圧の絶縁耐力を高めるため、内部を真空にしています。リードブレードは、永久磁石または電磁コイルによる外部磁界に曝されると、磁束の導体として機能します。逆極性の極が形成され、磁力がリードブレードのばね力を上回ると接点が閉じます。外部磁界が低下し、リード間の力がリードブレードの復元力を下回ると、接点は開きます。

上記のリードスイッチは、2 Form A（ノーマリオープン）またはSPST（単極単投）に相当するリードスイッチです。所定の構成で複数スイッチを使用する場合は、2 Form A（2つのノーマリオープンスイッチ、またはDPST（2極単投））、3 Form A（3つのノーマリオープンスイッチ）などと表現します。ノーマリクローズ（N.C.）スイッチは1 Form Bと表現します。共通ブレード、ノーマリオープンブレード、ノーマリクローズブレードを備えたスイッチ（図#2）は、1 Form C（SPDT（単極双投））と表現します。

3枚のリードブレードはいずれも強磁性体ですが、ノーマリクローズ接点の接点部は非磁性金属で、強磁性ブレードに溶接されています。磁界に曝されると、2枚の固定リードはアーマチュアとは逆の同一極性になります。その結果、可動片はノーマリ
オープンブレード側へ移動します。

図3は、永久磁石を用いたリードスイッチの一般的な動作を示しています。

銅の絶縁線を巻いたコイルを使用する場合。図4を参照してください。

図のように永久磁石をリードスイッチに近づけると、各リードは図に示す吸引側の磁極性で磁化されます。外部磁界が十分に強くなると、磁気吸引力によりブレードが閉じます。リードブレードは焼鈍および処理により、磁気リテンティビティを除去します。磁界を取り除くと、リードブレード上の磁界も消散します。リードブレードに残留磁気があると、開閉挙動に影響します。適切な処理と適切な焼鈍は、製造における重要な工程です。