- 発行日 2024年6月27日
- 最終変更日 2024年7月1日
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リードスイッチガイド
以下のように校正しました。 本ガイドでは、リードスイッチに焦点を当て、その用途や仕組みについて解説します。
このガイドでは、リードスイッチの基本をカバーします。これには、リードスイッチの機能、種類、および特定の用途のためにリードスイッチを購入する際に考慮すべき点などが含まれます。ガイドの終わりまでには、リードスイッチのさまざまな用途を理解し、リードリレーが何であるかを知り、リードスイッチがノーマルオープン、ノーマルクローズ、または切り替えタイプであることの意味を理解しています。
リードスイッチとは？
リードスイッチは、磁気によって作動（オン・オフや切り替え）する特殊な電気スイッチです。最も一般的なタイプは、2本の細くて柔軟な強磁性金属ワイヤーまたはブレード（リード）が、密閉されたガラスバブルの中にわずかに離れて配置されているのが特徴です。これがリードスイッチの接点として機能します。また、チェンジオーバータイプでは、リードが2枚ではなく3枚であるこも知っておきましょう。
他のほとんどのスイッチでは、スイッチの一部を物理的に操作することで接点を開閉し、電気回路を作ったり壊したりします。代表的な例としては、押しボタンスイッチ、モーメンタリスイッチ、ロッカースイッチなど、ソリッドステートスイッチと呼ばれるものがあります。
しかし、リードスイッチは動作が異なります。リードスイッチは通常、作動中に触れることはありません。その代わりに、磁力を利用して接点を一緒に動かしたり離したりします。使用しているリードスイッチのタイプ（ノーマルオープン、ノーマルクローズ、またはチェンジオーバー）により、磁界に近接すると、2つの金属ブレード間の小さなエアギャップが開いたり閉じたりします。最も単純なモデルでは、リードスイッチの磁石をリードを収容するガラス外囲器に近づけたり遠ざけたりすることで実現します。
磁気リードスイッチは、1936年にベル研究所のウォルター・B・エルウッドによって発明されました。現代版も、エルウッドが1941年に取得した特許のもとで製造されたものとほぼ同じ基本原理を採用しています。今日、リードスイッチは、ラップトップや携帯電話から主要な自動車システム、産業機械、セキュリティセンサーに至るまで、あらゆるアプリケーションやデバイスで使用されています。
リードスイッチの仕組み
リードスイッチは、磁気によって作動する電気スイッチの一種です。作動力は、永久磁石を導入するか、電磁コイルに電流を流すことで発生します。後者の配置がリードリレーの鍵となります。
「リードスイッチはどのように動作するのか」という質問に対する簡単な答えは以下の通りです： リードとして知られる2つの個別のワイヤー接点が、密閉されたガラスの泡または包みに収められています。これがスイッチ接点となります。この気泡は多くの場合、窒素のような不活性ガスで満たされており、パーティクルの蓄積による経時的な性能問題の発生を防いでいます。設置環境によっては、ガラス・エンベロープをプラスチックで包んで強靭性を高めることもあります。
スイッチ・リードは強磁性で、磁力に素早く簡単に反応する鉄ベースの金属で作られています。これは通常、ニッケルと鉄の合金で、通常は52％のニッケルです。より長寿命で使用するために、より強靭な金属でコーティングされています。リードスイッチの種類によっては、ワイヤーの片方だけが強磁性で、もう片方は動きません。両方のリードはブレード状で、接触面積が平らに広く設計されています。これにより、シングルポイント接点よりも高い信頼性を実現しています。
接点は、イリジウム、ロジウム、ルテニウムの薄膜でスパッタリングされ、タングステン、銅、金でできた下地層の上にコーティングされます。抵抗率の低い銀を使用することもでき、水銀を使用するリードスイッチもあります。この追加層は、最適な電気接触のために含まれています。接点が濡れているため、これらのスイッチは、使用しないときに液体金属が垂れて接点を橋渡しするのを防ぐために、取り付けるときに特定の方向に保持する必要があります。
磁界がリードスイッチの外側ケーシングに十分に近づくと、内部の接点が押し寄せたり離れたりします。これにより、動く方向によって回路が作られたり、壊されたりします。ノーマルオープン・リードスイッチ（最も一般的なタイプ）では、2つの接点ブレードがわずかに離れて配置され、その間にエアギャップがあります。このため、磁力が加わるまで、接点が接続された回路は不完全なままとなります。
ノーマルクローズ・スイッチでは、静止時に接点はすでに接触しています。磁力が加わると、接点が押し広げられ、回路が遮断されます。いずれの場合も、1つまたは複数の接点ブレードのバネ力により、磁力が加わっていない時の自然な位置に戻ります。
最後に、チェンジオーバースイッチには3つのリードがあります。これは、3番目の接点との接続を閉じる前に、1つの接点が別の接点との接続を開くようになっています。
リードスイッチの回路記号
一般的な回路図上のリードスイッチのシンボルは、右図のようになります。
特定のデバイスやタスクに使用される特定のタイプのいずれであっても、この部品は、一般的な設計上の問題に対して汎用性が高く、安価なソリューションを提供するため、広く支持されています。
リードスイッチの動作を理解する覚えておくべき重要項目があります：
- 電気回路のスイッチは、可動橋のように動作し、電流の流れは橋の上を移動する交通量に相当します。スイッチを開ければ電流は流れず、閉じれば電流が流れます。リードスイッチもこの意味では同じです。
- 磁石が存在しない場合、リードスイッチは自然に元の位置に固定され、それ以外の方法で作動させることはできません。言い換えれば、外部磁場がなければ、多かれ少なかれ冗長な装置となります。
- コンタクト・ブレードを動かすのに必要な磁石の種類と大きさは、いくつかの要因によって決まります。これらには、リードスイッチの組立、サイズ、感度、および外部磁界をスイッチハウジングにどれだけ近づけることができるかが含まれます。
- リードスイッチの主な利点の1つは、物理的に操作する必要がないこと、つまり、デバイス内に埋め込んで隠すことができることです。このため、リードを作動させるために磁力がより大きな距離を移動しなければならないことが多く、適切な強力磁石を選択する際にはこの点を考慮する必要があります。
- 磁石の種類によっては、特に強力なもの（ネオジムなど）を選ぶ場合もあれば、全体的に磁場は弱いが浸透深度が深いもの（フェライトなど）を選ぶ場合もあります。スイッチの位置にもよりますが、これも部品の選択に影響を与える要因になります。
- リードスイッチの感度は一般的にアンペアターン（AT）で測定され、多くの場合、一般的な用途では10～60の領域です。数字が小さいほど感度が高い（作動しやすい）ことを示します。
- リードスイッチの一般的な感度は、位置、距離、スイッチに対する磁石の向き、磁石自体の極性など、他のさまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。多くの場合、最も信頼できる結果を得るために、両コンポーネントの最適な配置を見つけるには、ある程度の実験が必要です。
- また、磁石が通過する際に複数の作動をテストすることも重要です。これは、特に磁界がリードに与える影響が、相対位置のわずかな変化で絶えず変化するような高感度スイッチではよくあることです。多くのアプリケーションでは、スイッチのオン・オフを繰り返す原因となる不正確な磁石の動きは問題となります。ドア開閉機構やアラームシステムと連動したセンサーが良い例です。
リードスイッチの用途
リードスイッチは、磁界の有無に敏感に反応するよう特別に設計されています。この特性により、無数のアプリケーションで利用されています。一般的な用途としては、鉄道模型用のリードスイッチから、中核的な自動車システムやセキュリティ装置まで、さまざまなものがあります。
さらに、日常的なリードスイッチの使用例としては、以下のようなものがあります：
- ノートパソコンや携帯電話：リードスイッチは、クラムシェル設計やケースに使用され、蓋を閉めたときにデバイス画面の電源を切ることができます。
- 近接センサー付きの自動ドアや、冷蔵庫のドアに接続された照明。
- セキュリティアラームのようないたずら防止システム：近接センサーとして機能し、磁石が窓枠やドアジャムのスイッチから離れるとトリガーします。
- 風速を測定する風速計や、流量、検出装置。
- 食器洗い機、洗濯機、シャワーの液面センサーや温度ヒューズなどの自動停止装置。
- 蓋やガードが正しく取り付けられていない場合に機器の電源が全く入らないようにする安全機能（フードプロセッサー、電動工具など）。
- 液体計、自動ブレーキアシスト、ドアセンサー、スピードメーターなどの自動車システム。
リードスイッチの利点と他のスイッチとの比較
これ以外のリードスイッチの利点は以下の通りです：
- スイッチを作動させるために物理的にアクセスする必要がない。
- 他のほとんどの電子スイッチタイプよりも消費電力が低い。
- 電気的干渉の可能性を低減。
- 最初に完全に配線する必要がなく、回路外でのテストが容易。
- 信頼性、耐久性、コンパクト、安価（少なくとも低電圧アプリケーション用に設計された場合、大多数がそうである）。
- 感度と精度の点で高度にカスタマイズ可能。
- 機械的摩耗が非常に少ないため、動作寿命が長い（通常、数百万回から数十億回の作動が可能）。
- 多くの危険な環境での使用に適している。リードスイッチは密閉されているため、腐食することがなく、作動時にスパークする危険性もない。
リードスイッチの種類
リードスイッチとその付属品を検索すると、幅広いデザインと構成が見つかります。その多くは、特定の用途で使用するために販売されています。単純なリードスイッチは受動部品であり、機能するために継続的な電力を必要としないことに注意しましょう。
特定の専門的なタイプ、例えば連続的な検出の役割（例えば近接センサーや速度検出器）でトリガーするように設計されたホールスイッチなどは、意図したように動作するために、他の様々なコンポーネントやデバイスを含む回路に取り付ける必要があります。そのようなスイッチングアセンブリの多くは、適切に動作するために一定の電流の流れを必要とします。
販売されているリードスイッチの例としては、以下のようなものがあります：
- Arduinoリードスイッチ（モジュール、カウンター、速度計、リレー）
- 防水リードスイッチ
- 電気リードスイッチ
- NCリードスイッチ
- 磁気リードスイッチ
- プラスチック製リードスイッチ
- 高電流リードスイッチ
- カプセル型リードスイッチ
- 円筒形リードスイッチ
- 双安定リードスイッチ
- ラッチングリードスイッチ
- チェンジオーバーリードスイッチ
- ハムリンリードスイッチ
- ホール効果センサー
- ミニリードスイッチ
- マイクロリードスイッチ
ノーマルオープン（NO)とノーマルクローズ（NC)のリードスイッチ
上記のすべての製品は、特定の使用ケースを目的としたリードスイッチの例です。また、幅広いリードスイッチのサイズ、構成、および材料から選択することができます。しかし、このタイプのスイッチはすべて、ノーマルオープンとノーマルクローズの2つの基本カテゴリのいずれかに大別されます。
ノーマルオープンリードスイッチ（NO）
最も一般的なタイプです。NOリードスイッチは、静止位置ではブレード間にエアギャップがあり、オフになっています（開いています）。磁力をかけると、2つのリードが分極し、接点が一緒に押され、回路が完成します。こうして、電流がスイッチを横切って流れるようになります。磁場が再び十分に遠ざかると、接点はその柔軟性によって生じる自然なバネの力によって離れた位置に戻ります。
ノーマルクローズリードスイッチ（NC）
NCリードスイッチは逆の働きをします。リードは自然な位置ですでに接触しており、閉回路を提供し、磁石が存在しないときにスイッチを横切って電流が流れるようになっています。極性を反転させた磁界を導入すると、接点が押し広げられ、回路が切断されます。
磁石をスイッチケースに固定したままにしておくだけで、NOスイッチからNCスイッチを作ることができることに注意してください。この例では、1つ目の磁石の効果を無効にするために、（より強い）逆極性を持つ2つ目の磁石を導入する必要があります。
リードリレーとは？
リードリレーは、電磁石を使用して1つまたは複数のリードスイッチを制御する電気スイチアセンブリです。単純なリードスイッチが永久磁石を使用することが多いのに対し、リードリレースイッチの磁界は、スイッチを取り囲むコイルに電流を流すことで必要に応じて生成されます。
リードリレーは、複数のスイッチを同時に（または順番に）作動させる必要がある場合によく使用されます。かつては電話交換システムの基幹を形成していましたが、現在では自動試験装置や電子計測装置でよく見られます。また、ほとんどの標準的なリードスイッチよりも高い電圧（最大数キロボルト）に耐えるように設計することができます。このため、リードリレーは、一部の高電力スイッチング用途で高電圧リレーとして現在も使用されています。
リードスイッチの寿命
リードスイッチの寿命は、他のほとんどのスイッチタイプに比べ、非常に長いのが一般的です。材料自体の疲労が問題になることはほとんどありません。接点が受ける機械的な動きの範囲は比較的小さいため、接点が使用される金属固有の疲労限界よりはるかに低いのです。リードスイッチ全体の寿命に影響を与える主な要因は動作電圧です。リードスイッチの大部分は、かなり低い電流用に設計されています（ほとんどの場合250V以下）。単一のスイッチでより高い電気負荷をサポートするように構築された製品を購入することもできますが、それらは高価になる傾向があります。リードスイッチの全体的な寿命や長期信頼性に影響を与える可能性のあるその他の要因には、以下のようなものがあります：
- 接点のアーク放電（通常は放電による）
- 交流負荷と直流負荷
- 環境要因 - リードスイッチは振動や衝撃に弱い
- 他の磁界からの干渉
