ノイズ対策部品/EMI除去フィルタ

第4章

空間伝導と対策

4-4. ノイズのシールド

4-2-1項ではノイズの空間伝導を遮断するにはシールドが使われることを述べました。このシールドは、多くの場合電磁シールドとして働いています。ここでは電磁シールドの一般的な特性と、効果的に使うためのいくつかの留意点を紹介します。

4-4-1. シールドの構成

(1) 電子機器のシールド

電子機器で使われるシールドは、下図に示すように、本体や回路基板、ケーブルなどを覆うように使われます。この項では図のようにノイズがシールドを貫通する部分に注目し、主に材料的な特性から、電磁シールドが電波を遮断する効果を説明します。
シールドは、ノイズが外部に放射する場合にも、反対に外部のノイズが回路に侵入する場合にも使われます。アンテナの場合と同様に、この2つの効果は同等ですので、ここではノイズの放射に注目して話を進めます。

Example of shield configuration for electronic devices

【図4-4-1】電子機器のシールドの構成の例

(2) シールド効果の分解

図4-4-1のようにノイズをシールドで閉じ込めるときの効果は、一般にシェルクノフの式を使って説明されています。
図4-4-2のように、左側から電波がシールドに当たって、右側に漏れるときのシールドの効果を考えます。シールドにより、右側に漏れる電波は、左側から当たる電波よりもSE(dB)だけ弱くなるとします。シェルクノフの式では、シールドの効果SE は以下のように3つの項目の和で表されています。

Formula4-4-1
(式4-4-1)
  1. R電波が表面で反射される損失(反射損)
  2. A電波がシールド内部で減衰する損失(減衰損)
  3. B電波が表面と裏面で多重反射する効果(多重反射効果)

Shielding effect

【図4-4-2】シールドの効果

このうちBの多重反射効果は、Aの吸収損が小さい特殊な条件下(例えばごく薄い金属箔の場合などです)でなければ影響が小さいため、ここでは無視することとします。
シェルクノフの式は近似式なのですが、実用上十分な精度があり、シールドの効果を理解するのに便利なので広く使われています。詳細な解説は専門書[参考文献 3]をご参照いただくとして、ここではこの式を元にシールドの一般的な性質を紹介します。

4-4-2. シールドの性質

(1) 金属板であれば、薄くても100dB程度のシールド効果

シェルクノフの式を使った計算結果の例として、銅板の場合を図4-4-3に示します。

Shielding effect of copper plate

【図4-4-3】銅板のシールド効果

ここで、図4-4-3(a)は厚みを0.1mmとしたときの周波数特性を表しています。シールド効果SEは赤い線で示されており、0.1~1000MHzの全ての周波数で100dB以上の効果が得られています。一般の電子機器のノイズ対策であれば、100dBは十分に大きな効果であると考えられます。
図4-4-3(b)は周波数を10MHzに固定して、厚みを変化させたときの計算結果です。10µm程度のごく薄い銅板であっても実用的なシールド効果があることがわかります。これらの効果の内訳を以下で説明します。

(2) 反射損

図4-4-3の青い線は反射損Rを表しています。図から、銅であれば反射損だけでも100dB近い効果が得られていることがわかります。
反射損は、図4-4-4のように電波が左から右に伝わるときに、空間の固有インピーダンスと、シールド材の固有インピーダンスの間のインピーダンスマッチングが非常に悪いために発生します。空間の固有インピーダンスが377Ωであるのに対して、銅板の固有インピーダンスは10MHzではわずか1.17mΩであり、その差は実に32万倍になっています。このため、電波のエネルギーは銅板の中にほとんど侵入できません。
ここで固有インピーダンスというのは、対象の材料の中を電波が平面波として伝わるときの性質を表したもので、伝送線路の特性インピーダンスに相当する量です。電界と磁界の比率を表しており、材料の誘電率ε、透磁率µ、導電率σ、周波数ƒなどにより定まる値です。
一般に金属は導電率が極端に大きいため、固有インピーダンスがごく小さくなります。
図4-4-3では銅の場合を示しましたが、例えば鉄の場合は導電率が一桁小さく、また、透磁率が1000倍も高いために、反射損は多少小さくなります。それでも10MHzで60dB近い反射損があります。したがって、たいていの金属材料で、実用上問題ない程度の反射損が得られるといえます。この反射損は、厚みに関係なく得られます。(厚みが極端に薄い場合は多重反射効果による補正が必要です)
導電率で反射させているということは、抵抗が高い部分があるとシールド効果が損なわれることを意味しています。例えばシールド板に継ぎ目がある場合などでは、接続部分に抵抗があるとシールド効果が大きく損なわれます。接続部の導通を確実にするために、導電性のガスケットなどが使われます。

Reflection of radio wave at the surface of shielding plate

【図4-4-4】シールド板の表面で電波が反射

(3) 減衰損

図4-4-3の緑の線は減衰損を表しています。この損失は、周波数が高くなるほど、材料の厚みが厚くなるほど、急激に大きくなる性質があります。このため、例えば図4-4-3(a)の場合ですと、100MHz以上の周波数では減衰損が反射損を上回り、全体では200dB以上という極めて大きなシールド効果が得られることになります。

Attenuation of radio wave inside the shielding plate

【図4-4-5】シールド板の中で電波が減衰

減衰損は、一般的には表皮効果として知られている性質によって電波が減衰するものです。電波が金属に侵入するとき、表面から表皮の厚さδまで侵入すると、電波は0.37倍まで減衰する性質があります。このためシールド板が表皮の厚さよりも厚いときは顕著な効果が期待できます。
同じ厚みのシールド材を使うとき、表皮の厚さが薄い材料の方が、減衰損が優れているといえます。図4-4-6に、一般的なシールド材である銅、アルミ、鉄について、表皮の厚さを計算した結果を示します。周波数が高くなると薄くなり、減衰損が期待できるようになることがわかります。10MHzでは銅は20µm以上で、鉄では2µm以上で減衰損が期待できます。
表皮の厚さは、材料の透磁率µ、導電率σによっても変わります。導電率や透磁率が大きいほど、薄くなります。図4-4-6で、銅に比べて鉄は導電率は低いものの、透磁率が圧倒的に大きいために、表皮の厚さは1ケタ薄くなっています。このため、鉄は銅に比べて、反射損は小さいものの減衰損が大きい材料であるといえます。(図4-4-6は鉄の比透磁率が1000であると仮定して計算していますので、正確ではありません)

Skin depth of metal plate
【図4-4-6】金属板の表皮の厚さ

(4) シールド効果に影響する材料パラメータ

以上のように、金属板をシールドに使うときは、

  1. (i)シールド材を厚くする(減衰損が大きくなります)
  2. (ii)導電率を大きくする(減衰損、反射損の両方が大きくなります)
  3. (iii)透磁率を大きくする(減衰損が大きくなります)

ほど、大きな効果が得られるといえます。
通常は、金属板であればどのような材料、厚みでも実用上十分なシールド効果がありますが、以下に述べるようにループアンテナの近くで100kHz以下の低周波を扱うときは、材料や厚みが重要になることがあります。

4-4-3. 低周波磁界のシールド

図4-4-6の計算結果に見られるように、周波数が低くなると、表皮の厚さは厚くなります。このため0.1mm程度の薄い金属板を使うときは、銅やアルミでは1MHz以下、鉄の場合でも10kHz以下の低い周波数では、大きな減衰損は期待できなくなります。このような低周波のノイズを減衰損でシールドするには、かなり厚い材料が必要になります。
ところで前項で述べたように、たとえ減衰損がなくても、通常の場合は反射損によって十分大きなシールド効果が期待できることになっています。ただしこれは、材料の固有インピーダンスが空間の固有インピーダンスよりも極端に小さいことが前提となっています。
ところがシールド材がノイズのアンテナの近くに置かれたときは、波動インピーダンス(電界と磁界の比率)が空間の固有インピーダンス(377Ω)とは違っています。アンテナの近くの波動インピーダンスについては、4-4-2項を参照ください。アンテナの近くにシールド材が置かれたときの反射損は、この波動インピーダンスにより左右されます。
特に図4-4-7のようにループアンテナの近くでは磁界が強く、波動インピーダンスが377Ωよりはずっと小さくなっています。このためシールド材の固有インピーダンスとのインピーダンスミスマッチが小さくなり、反射損が小さくなっています。これを補うには減衰損を大きくする必要があるのですが、低周波では表皮の厚さが厚くなるため、相当に厚い材料を使う必要があります。
以上の理由により、ループアンテナの近くで、なおかつ低周波のノイズは、銅などの良導体ではシールドしにくくなっています。このような場合には、銅板よりも表皮の厚さが薄い鉄板が適しているといえます。また、電磁シールド以外の、磁気シールドなどの手法が必要になる場合があります。

Difficult to shield low frequency magnetic field
【図4-4-7】低周波磁界のシールドは難しい

4-4-4. シールドケースの接続

このように、材料としてのシールドの効果はシェルクノフの式によって見積もることができるのですが、電子機器に実際に使われるときは、このとおりの効果が得られないのが一般的です。この主な原因として、シールドの接続部分や開口部がネックになり、材料の性能を十分引き出せないことが挙げられます。ここではシールドケースを接続する際の留意点を紹介します。

(1) シールドケースを組み立てるとき

先に述べたように、金属板のシールド効果は主に導電率によって発生しています。すなわち、シールド面に電流が流れやすいことが重要です。シールド面に開口部や隙間があると電流が流れにくくなるため、シールド効果が損なわれます。
図4-4-8に示すように、シールドケースの接続部分をしっかり接続します。導電性ガスケットなどを使い、シールド面を連続的に接続すると、良好なシールドが維持できます。ネジや接触点だけで接続する場合は、ネジや接触点の間隔を小さくします(波長の1/20程度)。
シールドケースに図4-4-9のように隙間が残っていると、隙間の長さが1/2波長になる周波数で特に電波が飛びやすくなるので注意が必要です。(例えば12cmCDのスロットの場合は、約1.2GHzになります)

Connection of shielding case
【図4-4-8】シールドケースの接続

Effect of a slit opening

【図4-4-9】スリット状の開口の影響

(2) 電波のシールド以外の要素

シールドに開口部があったり、対象物の全周を囲わなかったり、シールドから配線が突き出すことによりシールドが破れると、シールドケース自体がアンテナとなり電波が放射されることがあります。このような状態を、シールドにコモンモードノイズが誘導されているといいます。
これは図4-4-9に示した開口部分がノイズのアンテナになる問題とは別の現象で、図4-4-10(a)に示すようにシールドケース全体や、システム全体がアンテナとして働くものです。大きなサイズのアンテナとなりますので、開口部のサイズで想定されるよりも低周波のノイズが放射します。
図4-4-10(a)に記載したように、浮遊静電容量などで駆動されるためエネルギーはそれほど強くは無いのですが、完全なシールドが必要な場合はこのような可能性にも留意する必要があります。
これを防ぐには、図4-4-10(b)に記載したように、

  1. (i)配線が突き出ている場合はフィルタを挿入する
  2. (ii)開口部が問題のときは開口を小さくする、もしくは内部のノイズ源を開口部から遠ざける
  3. (iii)対象物の全周を囲っていないときは、囲う側を増やす

などを行います。これらの方法は、グラウンドの強化としても有効です。

Improvement for sections with broken shield

【図4-4-10】シールドが破れる部分の改善

4-4-5. シールドケーブルの接続

(1) シールドケーブルのグラウンド

シールドケースの主な働きは「ノイズを内部に閉じ込める」と表現できるのですが、シールドケーブルの場合はシールド部分が電流の通り道としても働く作用があります。このためシールドをグラウンドに接続する部分で、特に注意が必要です。
シールド部分が電流の通り道として働いている例に、図4-4-11に示す同軸ケーブルがあります。ご存知のように同軸ケーブルはシールドケーブルとしても使えますが、理想的な伝送線路でもあります。シールド外皮である外部導体は、信号電流の帰路となっています。
同軸ケーブルではない一般のシールドケーブルでも、シールドのグラウンドへの接続は同様の考えが適用できます。電流の帰路とシールドが明確に分けられている場合もありますが、通常の電子機器のノイズ対策では、共通の考えが使えます。
そこで、ここでは同軸ケーブルを例にシールドの接続を説明します。

Coaxial cable

【図4-4-11】同軸ケーブル

同軸ケーブルに信号を伝えるには、図4-4-11(b)に示すように、シールド外皮を回路グラウンドにつなぎます。このようにすることにより、内部導体に流れる電流による電磁界を、外部導体に流れる電流により相殺することができるので、ケーブルからのノイズの放射が無くなります。
一般のシールドケーブルの場合も、シールドケーブルの両端で、グラウンドに接続します。ただし、静電シールドの場合は一方の端だけでよいときがあります。

(2) シールドケースへの接続

このケーブルのシールドを、シールドケースに接続するときは、どのようにすれば良いのでしょうか。図4-4-12に、2つのシールドケースをつないだときの模式図を示します。
図4-4-12のように、シールドを完全に接続するには、シールドケーブルの外皮を全周で、シールドケースに接続する必要があります。通常、このためにはシールドコネクタが使われます。
なお、このときシールドケースが双方で大地グラウンドに接続されていると、図4-4-12に示すように、グラウンドループができたり、1点アースの原則が守れなくなったりします。これらは比較的低周波のノイズ障害を無くすための一般的な設計指針に反することになります。すなわち、ノイズの放射を無くすためにシールドを追求すると、低周波のノイズが増える恐れがあるということになります。
このように、ノイズ対策ではしばしば、グラウンドの接続の有無がトレードオフの関係になる場合があり、ケースバイケースで対処せざるを得ない部分が残っています。(例えば、図4-4-12で片方の大地グラウンドを外すと上記の問題点は解消するのですが、場合によっては感電の危険が増したり、静電気に弱くなったりすることが考えられます)

Connection to shielding case
【図4-4-12】シールドケースへの接続

(3) 回路基板への接続

このような問題はあるのですが、一般的にはシールドケーブルのグラウンドは、図4-4-12のように両端のシールドケースにしっかりと接続したうえで、回路グラウンドに接続します。このようにすることで、

  1. (i)ノイズに対して、シールドケースと一体となったシールド構造を提供する
  2. (ii)信号に対して、正しい電流帰還経路を提供する

ことができます。
図4-4-13に、同軸ケーブルを例に、回路基板への接続を示します。
図4-4-13(a)は配線で回路基板に接続する場合です。ケーブルのシールド外皮は同軸コネクタによってシールドケースに接続されます。このようにすることで、正しいシールド構造が作れます。
図4-4-13(b)は、同軸コネクタと回路基板の間も短い同軸ケーブルで接続しています。この場合は、信号の伝送に対して、より正しい経路を作れます。なお、このとき同軸ケーブルのグラウンドを、回路基板側でも接続するように注意します。

Ground of shielded cable

【図4-4-13】シールドケーブルのグラウンド

4-4-6. 不適切なシールドの例

(1) ピッグテール

シールドケーブルの正しくないグラウンドの接続の例として、ピッグテールとよばれる構造があります。これは、図4-4-14(a)のようにシールド外皮をワイヤ状に束ねてグラウンドにつなぐ方法です。接続は容易なのですが、束ねた部分にインピーダンスが発生し、シールド効果が損なわれます。
図4-4-14(b)はピッグテールをシールドケースに接続した例です。この場合、ノイズのシールドの接続先としては妥当なのですが、ピッグテールによってシールドの効果が損なわれています。また、信号の電流の帰り道がありません(図では、比較的遠い個所のシールドケースのグラウンドを介して電流が帰ります)。このような場合、信号の電流によってグラウンドにノイズが誘導され、シールドケーブルはこのノイズのアンテナとして働いてしまいます。
図4-4-14(c)はピッグテールを回路グラウンド側に接続した例です。この場合、信号の電流の帰り道としては妥当なのですが、シールドケースとシールドケーブルのグラウンドが切り離されています。このため、シールド効果は著しく損なわれます。

Example of inappropriate ground
【図4-4-14】不適切なグラウンドの例

(2) ピッグテールを改善するには

実は図4-4-14(c)はシールドケースが無い場合や、1点アースの原則からシールドケースに接続できない場合に、一般的にやむを得ず行われている接続です。ノイズをしっかり除去するにはおすすめできないのですが、この状態を改善する方法を図4-4-15に示します。
図4-4-15(a)は、信号のシールドをしっかり行う場合です。回路基板と同軸ケーブルの接続を、専用のコネクタで行います。この回路基板のグラウンドが安定であれば、ケーブルのシールドは比較的有効に機能します。
回路基板のグラウンドを安定にするために、シールドケースがある場合は、図のようにできるだけケーブルの根元で回路グラウンドをシールドケースに接続します。1点アースの設計指針から接続できない場合は、図のようにコンデンサを介して接続する場合もあります。
図4-4-15(b)はEMI除去フィルタでノイズを除去する例です。シールドケーブルから露出している部分でシールドが破れていますので、この部分にフィルタを装着し、ノイズの出入りを遮断します。図では同軸ケーブルで示しましたが、差動信号の場合は、この部分にコモンモードチョークコイルを使います。

Example of improving the ground

【図4-4-15】グラウンドを改善する例

(3) シールドの破れ

シールドケーブルのシールド外皮が破損すると、どのような影響があるでしょうか。例えば図4-4-16(a)のように円周方向に亀裂がある場合は、たとえ幅がわずかであっても全周が切れてしまうと深刻な影響があります。シールド電流は長さ方向に流れており、この電流を妨げるためです。1カ所でも亀裂があると、ケーブル全体の効果を損ないます。
図4-4-16(b)のように、長手方向に亀裂がある場合は、シールド電流を妨げませんので、比較的影響は少なくなります。

Example of fissure in shielded cable
【図4-4-16】シールドケーブルの亀裂の例

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「4-4. ノイズのシールド」のチェックポイント

  • シールド効果は反射損と減衰損で形成される
  • ほとんどの場合、薄い金属板で十分な効果がある
  • シールドケーブルのシールドは、シールドケースに全周で接続する