制御機器の基礎知識センサ編【株式会社山武】

制御機器の基礎知識センサ編

第三章センサの上手な使い方・・・2.ノイズ対策

	1.はじめに
	2.ノイズ発生源とその誘導
	3.雑音の形態
	4.ノイズ対策について

■ 1. はじめに

電子機器は処理速度の高速化、低消費電流化およびデジタル機器から発生する高周波ノイズの増大などノイズ環境が悪化していく中で高い信頼性をあげるためノイズに関する議論が盛んになっている。ここではノイズに関する一般的知識を述べる。
1996年1月、欧州では電気・電子機器の電波障害を規制するためのEMC指令（Electromagnetic Compatibility；電磁的両立性）が発効され、CEマーク表示が義務づけられることになった。IECのEMC規格づくりも欧州の動きを反映して活発に進められ多くの国際規格案が規定されつつある。これらの規格と整合性をとりつつJIS化も進んでいる。

■ 2. ノイズ発生減とその誘導

(1)ノイズ源
ノイズとは「信号の伝達を妨害または悪影響を及ぼすような電気的変化」として定義できる。しかし、ここでは誘導負荷をリミットスイッチなどで開閉した時に発生するサージについても含めて考えることにする。
ノイズにはスイッチングと、電源や自動車の点火プラグなどから発生する人工ノイズと、雷や大気の電離作用などによる自然ノイズとに分ける分類方法や、物理的な発生要因別に分ける方法など、様々な分類をされているが、ここでは表4に示すように、ノイズ発生場所の概要を示してある。
(2)ノイズの進入経路
表4に示すノイズの中で内部雑音は回路設計や部品選定、取付けなど製品の開発段階で十分注意すれば防げる問題が多い。一般に応用上問題となるのは外部子雑音に起因する場合が多い。このような外部雑音は図2に示すような経路をたどって近接スイッチに進入する。
ノイズ問題が発生した場合には、ノイズ源を発見することと、それがどのような経路をたどって進入したかを見つけ出すことが重要であり、そのことが有効な対策へと結びつく。

表4　ノイズの原因と発生場所

種類		発生原因	発生場所
内部雑音	熱雑音	電子の不規則な熱運動により発生する	抵抗、トランジスタ
	ハム雑音	電源トランスの漏れ磁束、平滑回路の機能不十分により直接回路へ交流分が混入	電源トランス、ヒータ回路、パイロットランプ
	ショット、フリッカ雑音	電子放出やキャリアの時間的不均一によるもので導電率の変化、印加電圧によって生じる	トランジスタ、電子管
	誘導雑音	回路や配線や部品相互間の静電誘導、磁気誘導、電磁誘導による	プリント基板、配線間
	クリック雑音	回路の接触不良によって生じる	端子端、開閉器、接点
外部雑音	放電	放電を利用した装置、高圧の送電線および自然界の放電現象による	自動車のイグニッション、溶接機、放電加工機、蛍光灯、雷放電、送電線
	放射電波	高周波の電磁波が直接機器や線路に侵入する	無線機、レーダ、パソコン、 OA機器
	誘導雑音	大電力の送電線と接近している低レベルの信号線に影響を与える	配電盤、送電線、動力線
	電子的スイッチング	SCRやパワートランジスタの開閉時のように電流の急激な変化により高周波のノイズが発する	スイッチング電源、インバータモータ、インバータ調光器、SCR、トライアック
	接点開閉過度時	リレー、ソレノイドなどの開閉時のサージや、インラッシュカレントなどによる温度的雑音	リレー、ソレノイド、モータ、白熱ランプ、電磁弁
	配線、接地、抵抗	接地抵抗や電線のインピーダンスにより電位差が発生しノイズとなる	接地、プリント線導電部、電線

図2　外部雑音の電子機器への進入経路

■ 3. 雑音の形態

信号に対しノイズが印加される状態には次の二つの形態がある。

・	ノーマルモードノイズ（正相雑音）
	図3に示すように信号圧力とノイズが直列に加わる形で印加される場合をノーマルモードノイズと呼ぶ。

図3　ノーマルモードノイズ

・	コモンモードノイズ
	図4に示すように、2本の信号線とアースとの間にそれぞれに共通に加わる場合をコモンモードノイズと呼ぶ。コモンモードノイズは、それぞれの信号機とアースとのインピーダンスや負荷のインピーダンスに不平衡が生じている場合に発生する。

図4　コモンモードノイズ

■ 4. ノイズ対策について

センサは、回路技術、ノイズ解析、ノイズシュミレーション技術の進歩により耐ノイズ性は強くなっているが、ノイズの発生という伝播の形態はすでに述べたように複雑であり、使用場所によって異なるため、実際の機器において確認し、最適な対策を行う必要がある。

次にノイズ対策として一般的な方法を説明するが、ノイズ対策はSuppression（抑制）、Shield（遮蔽）、Separate（分離）が基本である。

（1）抑制
電磁開閉器などの誘導負荷の場合、ダイオード、バリスタ、CRなどのサージキラーを付けることにより、ノイズの発生を少なくすることができる。

図5誘導負荷のノイズ対策

（a）ダイオードによる保護		（b）CRによる反故		（c）バリスタによる保護

（2）遮蔽
信号が微弱の場合、特に信号機の配線について注意する必要があるが、シールド線、ツイストペア線を使用することが望ましい。また、直流電流の場合は0（ゼロ）Vラインの接地、交流電源の場合ラインフィルタの使用が効果的である。

（3）分離
ノイズを発生するモータ、電磁開閉器、ソレノイドなどから離して設置し、配線も分離し別配管、別ダクトとすることが望ましい。

（4）その他
機器の小形・軽量化に加えエネルギー変換効率を上げるため、電源ではスイッチングレギュレータ、モータではインバータモータの使用が増大し、これれが発生させる高周波ノイズによりセンサが誤動作する場合があるが、スイッチングレギュレータやインバータモータのFG（Frame　Ground）を接地することにより解決する場合が多い。
また、携帯電話やトランシーバをはじめとした携帯通信機器も急速に普及しており、心臓ペースメーカや医療機器への影響も懸念されているがセンサも例外ではなく影響を受けて正常に動作しない場合がある。このような機器をセンサおよびその配線付近に近づけないような注意も必要である。

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