スイッチの基礎

Ryan Smoot/著

スイッチの基礎

スイッチは、日常生活のあらゆる場面で広く普及しているだけでなく、その多様性も多岐にわたります。機械的操作や電気的操作、手動または電子的な動作などの基本的な違いに加え、サイズ、形状、入力、出力、インターフェース、機能にはほぼ無限のバリエーションがあります。肉眼で見えるスイッチから、特殊な機器なしでは動かないようなスイッチに至るまで、選択肢は無限にあるように見えます。すべてのスイッチには長所と短所がありますが、特定のタイプのスイッチを使用する理由が、ただ審美性であったり、インターフェースのスタイルが気に入ったからであったり、ということもよくあります。しかし、利用可能なさまざまなスイッチを基本的に理解することで、製品設計者は、形式だけでなく機能面でも何が最もよく機能するかについて、情報に基づいた意思決定を行うことができます。

BJT、MOSFET、IGBT、またはその他の半導体設計に基づく電子スイッチは、コスト削減と機能の増加により、人気が高まっています。しかし、ほとんどのスイッチング・アプリケーションには、依然として理想的なソリューションではなく、機械的な接触による開閉に依存するスイッチがまだ多く使われています。スイッチは操作の他に、手動または電子的に動作し、ある状態から別の状態に変更することができます。手動作動は、多くの場合、物理的な操作によって行われ、一方、電子スイッチは通常、圧力、温度、時間、または任意の様々なセンサー入力に基づいて動作します。このスイッチに関するトピックはかなり広範であることから、物理的な操作をおこなう、アクチュエータ型のスイッチに本投稿では焦点を絞っていきましょう。

SPST、SPDT、DPDTなど

スイッチに関する話し合いでは、ポールとスローについて理解する必要があります。簡単に言うと、ポールは、1つのスイッチが制御できる回路の数を示します。一方、スローは、スイッチが選択できる接点の数を示します。この概念は、簡単な図でよく理解することができます。

単極単投(SPST)スイッチの図
単極単投(SPST)スイッチの図スイッチ

単極と単投のみを持つスイッチ(便宜上、SPSTと呼ばれる)で見られるように、これには制御可能な回路は1つだけで、スイッチは1つの接点だけを開閉します。これを、単極で双投スイッチ(SPDT)と比較してみてください。

単極双投(SPDT)スイッチの図面
単極双投(SPDT)スイッチの図面スイッチ

SPDTスイッチでは、制御する回路は1つだけですが、スイッチは2つの異なる接点間で変更することができます。SPDTスイッチでは、単純に回路を開閉するだけではなく、回路の向きを変えることができます。

双極双投(DPDT)スイッチの図面
双極双投(DPDT)スイッチ

双極、双投、またはDPDTスイッチでは、この単一スイッチが制御する両方の2つの回路があり、両スイッチには間を切り替える2つの接点があります。SPST、SPDT、DPST、DPDTは最も一般的なスイッチ構成ですが、スイッチのポール数とスロー数の制限は理論上ありません。問題を簡素化するために、2つ以上の極またはスローがある場合、頭字語は「S」または「D」の代わりに数字を使用します。例えば、3つのポールと6つのスローを提供するスイッチは、メーカーによって3P6Tスイッチとして販売されていることが多いでしょう。5つのスローを持つ単極は、SP5Tと記載することができます。この命名法はかなり一般的ですので、この用語とその表現の両方を確実に理解することは、アプリケーションに最適なスイッチを選択する上で非常に重要です。

スイッチ選択時に考慮すべき特長

スイッチのポールとスローに加え、メーカーが製造するさまざまなスイッチの種類を区別する特徴が多くあります。以下は、考慮すべき一般的な機能の包括的なリストですが、すべてを網羅したものではありません。

サイズ

前述したように、米粒よりも小さい、目に見えるか見えないほどの大きさのスイッチもありますが、フォークリフトなしでは移動できないほどの大きさのスイッチもあります。ハイパワー産業用アプリケーションでは、大きなサイズのスイッチは、単に必要だからというだけでなく、手袋をはめた手でも操作でき、微細な動きができない状況でも制御できることから好まれています。しかし小型のエンベデッド製品では通常、妥当な範囲で可能な限り小さいサイズが求められています。

デフォルト状態

ほとんどのスイッチにはデフォルト位置はありませんが、デフォルト状態を持つモーメンタリー・スイッチというスイッチがあります。これは外部からの力が止まるとすぐにデフォルト状態に戻ります。このモーメンタリースイッチは、ノーマル・オープン(NO)またはノーマル・クローズ(NC)のいずれかにできます。

ポジション

これにより、1つのユニットに統合されるスイッチの数が決まります。これは、スローと混同されることがありますが、位置は、互いに別々に作動している同じユニット内の独立したスイッチを示します。

取り付けオプション

スイッチは、ほとんどの電子機器と同じレベルの取付けオプションを提供します。スルーホールとサーフェイスマウントを使うことで、スイッチをPCB上に取り付けることができます。スルーホールでは、リードをPCBに貫通させて、基板の反対側にはんだ付けされますが、サーフェイスマウント式のデバイスはパッドの上ではんだ付けされます。リード線が分離する間隔はピッチと呼ばれ、これはサーフェイスマウント式のスイッチとスルーホール式のスイッチの両方に対して重要と言えますが、適切なピッチによってスイッチをブレッドボードにマウントすることが可能になるため、スルーホールでは特に重要です。その他の取り付けオプションには、パネルマウント(多くの場合、電気ボックスの前面やDINレール)のほか、独自の状況に適した複数の取り付けバリエーションがあります。また、サイズと取り付けタイプの間には相関関係があり、小型のスイッチはPCB上で多く見られ、大型のスイッチはパネルマウントまたはDINレールマウントでよく見られます。

スルーホールマウント式DIPスイッチの例
スルーホールマウント式DIPスイッチの例

作動オプション

手動と電子での作動の違いに加え、分厚い手袋を使ってでも使用できるように設計されたスイッチや、小型のドライバーや専用ツールが必要なスイッチもあります。あらゆる作動オプションの中で、最も多くのユーザーが下さなければならない判断がアクチュエータのレベルを上げるかフラットにするかです。

定格電流と電圧

スイッチの中には、わずか数ボルトで0.1アンペア未満の定格のものもありますが、数万ボルトで数百アンペアや数千アンペアのスイッチもあります。電流と電圧の定格は通常相関していますが、必ずしもそうとは限りません。スイッチが大量の電流に耐えられる設計だからといって、それが必ずしもスイッチが高電圧に耐えられる特長を持つということにはなりません。スイッチが、アプリケーションの予想電流と電圧の両方の定格に対応できるかどうかを必ず確認してください。

環境要因

一般的には、これは侵入保護や IP 定格を指し、埃や水の侵入に耐える能力を示します。また、振動や物理的な衝撃から保護する機能もあります。ユーザーからの直接攻撃の後でも動作するよう特別に設計された、破壊防止や強化スイッチがあります。

スイッチやアプリケーションの特定のラインに固有の機能もありますが、これらの属性は製造されたすべてのスイッチに存在します。

一般的な機械スイッチ

種類は無限にあるように見えますが、ほとんどのスイッチは数種類の異なるタイプに適合します。ここでの例は機械的に動作し差動するものですが、より小型のポータブルまたはエンベデッド・システムに減点されず、最も頻繁に見られるものです。

DIPスイッチ

DIPスイッチは、1つのスルーホールまたはサーフェイスマウントのパッケージに取り付けられたスイッチのアレイです。これらはスルーホール式で、一般にブレッドボードに収まるように設計されていますが、通常は完成品に簡単に含めることができるほど小型です。スイッチのアレイは通常、SPSTスイッチのシリーズから構成され、すべてのスイッチは、低電圧または低電流信号で、単一の番号を作成するために、別々にまたはタンデムで使用することができます。これらのスイッチは、ユーザーがジャンパーブロックを失うことなく、半永久的な選択を行う必要がある状況に最適です。ピアノ、スライド、ロータリーなどのさまざまな形がありますが、その中でもロータリースイッチについては以下で詳しく説明します。

DIPスイッチは、トランスミッタやレシーバなどのデバイス上にオプション設定があるアプリケーションで一般的に使用され、同じ用途の産業用アプリケーションでよく使用されています。また、中央マイクロコントローラから異なる周辺機器への信号のルーティング変更用の開発キットでもよく使われています。このスイッチはジャンパーよりも使いやすく、さまざまなオプションがありますが、常時使用や頻繁に使用するようには設計されていません。それにもかかわらず、このスイッチは必要なときに簡単に使用することができます。

DIPスイッチの例
DIPスイッチの例

ロータリーDIPスイッチ

ロータリーDIPスイッチは、DIPスイッチのサブセットで、DIPスイッチの形式を使用しますが、ロータリー選択形式で設定します。これにより、ユーザーは、通常4~16位置の間のさまざまなディスクリート オプションからひとつ選択できます。小さなスクリュードライバーで作動させるか、または隆起しているアクチュエータノブがある場合は指で作動させることができます。リニアDIPスイッチと同様に、これらはスルーホールまたはサーフェイスマウントのいずれかになりますが、リニアDIPスイッチとは異なり、出力はBCDか16進のいずれかになります。小さなフットプリントと使いやすさという点では同じメリットを多く共有しますが、ユーザーは良い意味でも悪い意味でも単一出力に制限されます。また、これらのスイッチは、連続使用向けには設計されていません。その他のスイッチがライフタイム回転数が数十万から数百のところ、数万回程度です。

ロータリーDIPスイッチの例
ロータリーDIPスイッチの例

スライドスイッチ

スライドスイッチは、その名の通り、アクチュエータを一方の方向に、または他方の方向にスライドさせることによって使用します。電源スイッチとして最も一般的な用途で使用される場合、このスイッチはSPST構成になることが多く見られます。そのため、通常このタイプのスイッチは、DIPスイッチよりも高い電圧と高い電流である、より高い頻度で使用するための定格となっています。このスイッチは通常はSPSTですが、複数のポールやスローでも提供されています。ただし、複数のスローを使用すると、スイッチを目的の位置にスライドさせることが難しくなります。容量はDIPスイッチよりも比較的大きいものの、依然として比較的低電力であり、ほとんどの場合、PCBにサーフェイスマウントまたはスルーホールでマウントします。民生用電子機器では、アクセスしやすいDIPスイッチとして使用されることがありますが、このアプリケーションでは、使いやすさと偶発的な作動のバランスをとることが困難な場合があります。

スライドスイッチの例
スライドスイッチの例

触覚スイッチ

触覚スイッチは、触感性のあるクリックを持つボタンであり、そのため触覚スイッチという名称になっていますが、通常クリック音も発生します。このスイッチはかなり小型で、常にモーメンタリーです。低電圧、低電流信号用に設計されており、物理的な堅牢性を備えた電子機能に対応するようにつくられています。触覚スイッチは、数十万、数百万、あるいは数千万回もの作動が測定されたライフサイクルを持つ、ほぼ連続での使用を想定されています。これだけでなく、高いIP定格に対応するシーリングも簡単に行えます。このスイッチは常にPCB上に取り付けられていますが、スルーホール、サーフェイスマウント、またはエッジマウントが可能です。通常はポールを1つしか持っていませんが、複数のスローを持つことも珍しくありません。触覚スイッチも非常に一般的に使用されており、多彩な機能を備え、幅広いメーカーから販売されています。ユビキタス性、小型サイズ、堅牢さに優れたこのスイッチは、ゲームコントローラー、リモコン、ガレージドアなどの家電製品、さらにはインターフェース用のシンプルなモーメンタリースイッチを必要とする医療、自動車、産業用アプリケーションでも人気を博しています。

触覚スイッチの例
触覚スイッチの例

ロッカースイッチ

ロッカースイッチには、中央にピボットがあり、2つのオプションを切り替えます。これらのスイッチはモーメンタリーなものもありますが、通常はそうではありません。多くの場合、このような電源レベル回路の電源スイッチは、高電圧かつ高電流用に定格されているため、電源レベル回路用の電源スイッチとして動作します。ロッカースイッチは、デバイスやキャビネットの外側にパネルマウントできますが、スルーホールまたはサーフェイスマウントも可能です。このスイッチは、スイッチのステータスをオンまたはオフの位置で示すために、LED、または古いモデルでは白熱電球で点灯されていることもよくあります。また、IP定格にも対応できるため、過酷な環境でも使用することができます。インターフェースと作動は簡単に理解でき、そのことはこのスイッチが家電製品でよく使用されている主な理由の1つです。家電分野では、他の多くのスイッチよりも若干高価になる傾向がありますが、その理由は、サイズが大きく、追加機能があるためです。ロッカースイッチは、トグルスイッチと連動する産業アプリケーションでよく使用されており、偶発的な差動を防止するためのカバーを持っている場合もあります。また、これらのタイプのスイッチは、4輪駆動車両など、さまざまな機能のオン/オフを切り替える車にも搭載されています。

ロッカースイッチの例
ロッカースイッチの例

プッシュボタンスイッチ

プッシュボタンスイッチは、多くの場合単にボタンと呼ばれます。他のほとんどのスイッチに見られる横方向または回転運動と比べると、作動が出入りする点が独特です。通常は円形ですが、正方形や長方形の場合もあり、モーメンタリーなこともあります。多くの場合、点灯してスイッチがオン/オフの状態であることを示すインジケータとして使われるLEDを搭載しています。さまざまな電力レベルや信号レベルの電圧、電流を処理でき、PCBまたはパネルマウントでよく使用されます。このスイッチは使いやすく、ユーザーが絶えず変化する公共の場所でのアプリケーションでよく使用されており、学習曲線は必要ありません。プッシュボタンは非常に頑丈で、特定の反破壊シリーズを作成でき、これらの機能と高いIP定格を備えているため、エレベーターや地下鉄などの過酷な環境に最適です。サイズ、LEDオプション、アンチ・バンダル・シリーズに使用される高品質の材料は、通常、他のスイッチよりもかなり高価になります。ネットワーキングや、コンピュータ周辺機器、オーディオ、その他の機器に使用される、よりシンプルな小型のプッシュボタンスイッチは、より安価になります。

プッシュボタンスイッチの例
プッシュボタンスイッチの例

トグルスイッチ

トグルスイッチは、取り付け位置から離れて伸びたレバーで知られており、ユーザーが手袋を着用していたり、微細なモーターの動きが妨げられる状況に最適です。目立つ造りをしたレバーにより、LEDを追加することなく現在の状態を視覚的に把握でき、大きな動作を持つため、スイッチが切り替えられたかどうかがはっきりわかります。これらは、さまざまなバリエーションで見られ、さまざまなポールやスローを備えています。モーメンタリースイッチとして構成できる場合もありますが、これはあまり一般的ではありません。垂直または水平オプションのいずれかでPCBにマウントできますが、パネルマウントされていることがよくあります。容易な作動、迅速な視覚的フィードバック、安全装置を容易に統合できる機能により、産業または科学アプリケーションに最適です。ただし、取り付けポイントから本質的には離れているため、垂直方向に限られたスペースでは理想的とは言えません。航空機、制御機器、医療機器など、よりミッションクリティカルなアプリケーション向けに設計されているため、コストも高くなります。

トグルスイッチの例
トグルスイッチの例

スイッチの各種オプションの比較

スイッチには極めて多くのものがあり、ここで説明するスイッチは、そのごく一部にすぎません。しかし、ここで挙げるごく小さなサブセットは、多くのアプリケーションを網羅するのに十分であり、その異なる長所と短所によって、設計者はプロジェクトに最適なソリューションを見つけることができます。

今まで議論したスイッチについて、主な機能と代表的な構成の概要を以下に示します。これらの一般論についてはほとんどの場合例外がありますが、それでも各スイッチの能力の大まかな概念は提供できると思います。

DIP ロータリー スライド 触感 ロッカー プッシュボタン トグル
ポール/スロー 複数 複数 シングル シングル シングル シングル シングル
コスト 低い 低い 中程度 低い 中程度 高い 高い
長寿 低い 低い 中程度 高い 中程度 中程度 中程度
電流/電圧定格 低い 低い 中程度 低い 中程度 中程度 中程度
取り付けオプション PCB PCB PCB/パネル PCB PCB/パネル PCB/パネル パネル

その他のリソース

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Ryan Smoot

技術サポートエンジニア

CUI Devices製品に関する幅広い知識を持つRyan Smootは、多岐にわたる分野の技術サポートとアプリケーションサポートを提供しています。彼が管理するCUI Devicesの堅牢なCADモデルライブラリは、エンジニアにとって製品設計の合理化に役立つ極めて有益なリソースを提供しています。Ryanは、プライベートな時間ではランニングや、アウトドア、妻や生まれたばかりの子供と一緒に過ごす時間を楽しんでいます。

 
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