スイッチの基礎：タイプ、用途、選択のガイド

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。Same SkyのDIPスイッチの全ラインナップをご覧ください。

スイッチのポールとスローとは？

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。

SPSTスイッチとは？

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。

SPDTスイッチとは？

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。

DPDTスイッチとは何ですか？

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

スイッチは、米粒より小さい超小型部品から、両手や重機を必要とする大型の産業用モデルまで、あらゆる形状とサイズで提供されています。

• 小型スイッチは、スペースが限られている組み込みデバイスやポータブルデバイスに最適です。
• 大型スイッチは通常、手袋を着用した動作や高い耐久性が必要な高出力環境や産業環境で使用されます。

デフォルトの状態（一時または維持）

スイッチのデフォルト状態を理解することは、ユーザーインタラクションや自動応答を念頭に入れた設計に不可欠です。

• 強制が解除されると、モーメンタリスイッチはデフォルト状態に戻ります。
• ノーマルオープン（NO）： 回路はデフォルトでは開いており、押すと閉じます。
• ノーマルクローズ（NC）： デフォルトでは回路は閉じており、押すと開きます。
• メンテナンスされたスイッチは、手動で再度変更されるまで新しい状態のままになります。

ポジション数

これは、1つのコンポーネントに統合される個々のスイッチング・エレメントの数を指します。”スロー”と混同される一般的なポイントですが、位置は1つのスイッチユニット内の別々のアクチュエータまたは回路を表します。例：4ポジションDIPスイッチには、4つの独立して作動するスイッチが1つのパッケージにまとめられています。

取り付けオプション

スイッチは、異なる機械的および電気的要件に対応する複数の取付け形式を提供します。

• スルーホール実装： リードはPCBを通過し、反対側にはんだ付けされます。
• サーフェイスマウント（SMT）： コンポーネントはPCBパッドに直接はんだ付けされます。
• パネルマウント フロントパネルのユーザーインターフェイスとエンクロージャーに使用します。
• DINレールマウント 産業用オートメーション環境で一般的。

ピッチ（リード間隔）は、特にブレッドボードやタイトなPCBレイアウトの設計において、スルーホールの設計に特に重要です。

作動オプション

スイッチの作動は、ユーザビリティとアクセシビリティに影響します。

• 手動対電子： スイッチは物理的な力を必要とするか、電子的にトリガーされることがあります。
• ツール起動型対グローブ対応： 精密工具を必要とするものもあれば、過酷な環境条件向けに設計されたものもあります。
• 上昇型アクチュエーターとフラット型アクチュエーターの比較： 上昇したアクチュエーターは、押しやすくなっています。フラットタイプは、凹みがある、または不正開封防止や審美性のために平坦になっている場合があります。

定格電流と電圧

すべてのスイッチは電気定格によって制限されており、回路の要求に適合する必要があります。

• 電圧定格： スイッチが安全に処理できる最大電圧。
• 電流定格： スイッチが過熱または劣化することなく搬送できる最大電流。

これらの評価は必ずしも比例するとは限りません。どちらもユースケースに個別に適合していることを確認してください。

環境要因

過酷な環境やミッションクリティカルな環境では、スイッチの耐久性は電気的性能と同じくらい重要です。

• 侵入保護（IP）定格： 埃や水に対する耐性を定義します。
• 耐振動性： 自動車、航空宇宙、または機械環境で重要。
• 耐破壊性ハウジング： 公共施設での改ざんや衝撃に耐えるように設計されています。

一般的な機械スイッチ

スイッチにはさまざまな種類がありますが、ほとんどの機械的に作動するスイッチは、いくつかのコアカテゴリに分類されます。以下の例は、手動操作で、コンパクト、ポータブル、または組み込みシステムで一般的に使用されていますが、その用途はこれらのアプリケーションに限定されません。

DIPスイッチとは？

DIP（デュアル・インライン・パッケージ）スイッチは、1つのハウジングに統合されたSPSTスイッチのコンパクトなアレイで、スルーホールまたはサーフェイスマウントの形式があります。一般的にブレッドボードや最終製品に埋め込まれており、低電圧、低電流の信号を使用して構成を選択できます。

ジャンパを失うリスクなしに、デバイスIDや構成モードの設定など、半永久的な設定が必要なアプリケーションに最適です。DIPスイッチは、ピアノ、スライド、またはロータリーの形式で使用できます。ロータリーDIPスイッチについては、次のセクションで説明します。

一般的なアプリケーション

• 送信機と受信機
• 信号ルーティング用開発ボード
• 選択可能なモードを備えた産業用制御

詳細については、DIPスイッチのブログをご覧ください。

ロータリーDIPスイッチとは？

ロータリーDIPスイッチは、従来のDIPスイッチの変種で、回転アクチュエータを使用して、複数のディスクリート設定、通常は4～16位置から選択します。小型のドライバーやノブを介して作動し、バイナリコード小数（BCD）または16進形式で出力を提供します。

コンパクトで使いやすい一方で、ロータリーDIPスイッチは通常1つの出力に制限されており、連続使用向けには設計されていません。回転寿命は他の多くのスイッチタイプよりも短くなっています。

主な利点：

• 簡単なロータリー選択
• 小さなPCBフットプリント
• BCDまたは16進符号化のオプション

スライドスイッチとは？

スライドスイッチは、スライディングアクチュエータを使用して回路を開閉します。多くの場合、SST構成です。これらは一般消費者向けデバイスの電源スイッチとして一般的に使用され、DIPスイッチよりも高い電流と電圧の定格があります。

スルーホールとサーフェイスマウントのオプションがあるスライドスイッチは、作動は簡単ですが、正確な制御がより困難になるため、複数のスローが関与すると課題が生じる可能性があります。

一般的なユースケース：

• 家電
• 小型電源回路
• 内蔵コントロールパネル

詳細については、スライドスイッチのブログをご覧ください。

触覚スイッチとは？

触覚スイッチは、押したときに物理的かつ可聴的なフィードバックを提供する小さな瞬間的な押しボタンスイッチです。低電圧と低電流に限定されていますが、高い耐久性のために設計されており、何百万もの作動ライフサイクルがあります。

触覚スイッチは、高い侵入保護のために密閉することができ、消費者および産業インターフェイスの両方で広く使用されています。

注目すべき特徴：

• ユーザー確認のフィードバックをクリックします
• サーフェイスマウント、スルーホールまたはエッジマウント
• 長寿命でコンパクトなデザイン

一般的なアプリケーション

• ゲームコントローラーとリモコン
• 車載インターフェイス
• 医療または産業ユーザーインターフェイス

触覚スイッチブログで詳細をご覧ください。

ロッカースイッチとは？

ロッカースイッチは中央のピボットポイントを介して動作し、通常はオンとオフの状態を切り替える。これらは、主電源電圧や大電流のアプリケーションに適しており、瞬時または保守が可能です。

多くの場合、パネル取付けのロッカースイッチには、状態表示用の照明（LEDまたは電球経由）が含まれ、屋外または過酷な環境用に密封できます。

主な特徴：

• 直感的な作動と視覚的なステータス
• 高電圧/電流機能
• オプションの照明と天井

アプリケーション例：

• 家電のパワースイッチ
• 産業機器
• 車両アクセサリ制御

プッシュボタンスイッチとは？

プッシュボタンスイッチは、他のほとんどのスイッチタイプの横方向または回転移動とは異なり、内向きにボタンを押すと作動します。これらは通常瞬間的、可視性やステータス表示のために点灯することができます。

さまざまなサイズと取り付けオプションで利用可能なプッシュボタンスイッチは、低消費電力信号と高出力作動の両方に適しています。耐衝撃性を備えた高耐久モデルは、公共環境や過酷な環境条件で一般的です。

一般的なユースケース：

• エレベーターとキオスク
• ネットワーキングおよびテレコム機器
• オーディオまたは計器パネル

詳細については、プッシュボタンスイッチのブログをご覧ください。

トグルスイッチとは？

トグルスイッチは、位置を切り替えて、強い触覚と視覚的なフィードバックを提供する突出レバーを備えています。グローブをはめた操作や精密な作動が制限された環境に最適です。

幅広いポールとスローにより、トグルスイッチは複雑な回路要件に対応できます。通常は瞬間的ではありませんが、一部のモデルではこの動作が許可されています。

利点：

• 産業条件での操作が容易
• 高い信頼性のフォーマットで利用可能
• 多くの場合、パネルマウントでアクセス性を確保

アプリケーション例：

• 航空および制御計装
• 医療機器
• 過酷な環境または手袋を着用したユーザー環境

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。

主な取り組み

• スイッチは、サイズ、作動方法、インターフェーススタイルの幅広い多様性を持つ、ほぼすべての電子機器に不可欠なコンポーネントです。
• 機械スイッチは、BJT、MOSFET、IGBTなどの電子スイッチ技術の人気が高まっているにもかかわらず、市場では依然として支配的です。
• ポールとスローは基本的な概念です。
• 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。
• スローは、ポールごとに使用可能な出力パスの数を示します。
• 一般的なスイッチ構成には、SPST、SPDT、DPST、DPDTがあり、ポールとスローの数に基づいて多くのバリエーションがあります。
• 交換機を選択する際に考慮すべき主な機能は次のとおりです。
  • サイズ（産業規模に対して超小型）
  • デフォルトの状態（一時または維持）
  • ポジション数
  • パネルマウント、DINレール、PCBサーフェイスマウント、スルーホールなどのオプションがあります。
  • 作動方法（手動対電子、工具対指作動）
  • 電圧定格と電流定格
  • 環境保護（IP定格、耐振動、耐破壊性）
• 一般的なタイプの機会スイッチとその代表的なアプリケーション：
  • DIPスイッチ – エンベデッドシステムと産業用システムにおける半永久的な設定のためのコンパクトSPSTアレイ
  • ロータリーDIPスイッチ – BCDまたは六角出力を備えた小型フットプリントセレクタ
  • スライドスイッチ – 小型デバイスと家電製品のオン/オフ制御
  • 触覚スイッチ - 高いサイクル寿命のモーメンタリスイッチ、ユーザーインターフェースに最適
  • ロッカースイッチ – 直観的な操作と照明を備えた高電流スイッチ
  • プッシュボタンスイッチ – シグナリングとアクチュエーションのための堅牢で使いやすいスイッチ
  • トグルスイッチ – レバー作動式、グローブフレンドリー、産業システムとクリティカルシステム用スイッチ
• スイッチの選択は機能と形状の両方に依存し、多くのアプリケーションで電気仕様や機械仕様と同様に美観とインターフェーススタイルが重要です。