耐ノイズとは
耐ノイズとは、電子機器や回路が外部から侵入する不要な信号（ノイズ）の影響を受けにくくする特性である。例えば電磁波や静電気放電、雷サージなどが引き起こす高電圧・高周波成分は、電子回路に誤動作や信号の乱れをもたらす。現代の電子機器は高集積・高速化が進み、その分ノイズに対して非常に敏感になっているため、耐ノイズを向上させる設計は信頼性と安全性を確保するうえで不可欠である。半導体の微細化が進むにつれ、微小な電圧差でも素子が損傷するリスクが高まるため、適切な材料選定やシールド技術、グラウンドのレイアウト設計など、多角的な視点からノイズ対策を施す必要がある。
ノイズの種類と発生源
ノイズには大きく分けて電磁ノイズ、静電気ノイズ、熱雑音、導体ループ経由で侵入するループノイズなどがある。電磁ノイズは高周波成分を伴うことが多く、変圧器やモータ、スイッチング電源が代表的な発生源である。一方、静電気ノイズは人体や摩擦帯電などにより高電圧が瞬間的に発生するケースで起こりやすく、半導体デバイスやICの破壊を引き起こす原因となる。また外部ケーブルがアンテナのように電波を受信し、内部回路へ誘導ノイズをもたらすこともある。これらのノイズは同時に複合的に作用し、製品の誤動作や寿命短縮を誘発するため、幅広い対策手段を講じなければならない。
設計段階での考慮
耐ノイズを実現するためには、製品の設計初期から回路パターンのレイアウトや部品配置を慎重に検討する必要がある。例えばグラウンドを一貫して太く引き回すことでノイズ電位差を最小限に抑えたり、高速信号ラインと電源ラインを分離して相互干渉を減らす工夫が挙げられる。また、電磁シールドによる外部ノイズの遮蔽、フィルタ回路による高周波成分の除去、各種コンデンサによるデカップリングなど、物理的・電気的にノイズ経路を遮断する設計を組み合わせることが重要である。こうした対策は後付けでは効果が不十分である場合が多く、初期段階から複数の手法を統合的に検討することで、より高い耐ノイズ性能を得ることができる。
実装と対策事例
実装段階では、ICを保護するTVSダイオード（Transient Voltage Suppressor diode）やESD保護素子の挿入が一般的である。コネクタ付近にサージアブソーバやメタルオキサイドバリスタ（MOV）を配置し、雷サージによる高電圧が内部に侵入するのを防ぐ手法も多用されている。また、基板表面にコンフォーマルコーティングを施すことで、湿度や塵埃が原因となる放電経路を遮断する効果も得られる。アナログ回路とデジタル回路を分離配置することで、内部で発生するクロックノイズが他の回路ブロックに伝播するのを防止する例もある。このように、実装面での対策を複数組み合わせ、環境ごとに最適化していくことが実働環境における高い耐ノイズを担保するポイントとなる。
試験規格と評価方法
- IEC 61000シリーズ：電磁両立性(EMC)規格の国際基準。EFT/Burst試験やサージ試験などを網羅し、強いノイズ環境下での製品耐性を評価する。
- ESD試験：IEC 61000-4-2などに基づき、人体や周囲環境からの静電気放電に対する耐ノイズ特性を測定する。
- EMI測定：電波暗室内で電磁エミッションを測定し、規格値を超えないか確認する。これにより機器のノイズ発生源を特定し、対策効果を定量化できる。
耐ノイズ試験の課題
高周波回路の実装や大電流を扱うパワーエレクトロニクス分野においては、より厳しいノイズ試験が要求される場合がある。これらの試験規格を満たすことは市場投入や認証取得の前提条件となり、製品の信頼性と品質をアピールする重要な要素でもある。耐ノイズの評価は単一の試験だけでなく、複数の負荷条件や熱・湿度環境下での長期信頼性試験も含めて総合的に実施されることが望ましい。