電磁界シールドの基礎

電磁界シールドは、外乱電磁界の結合経路を断ち、対象領域に到達する電界・磁界・電力を減衰させるための技術である。高周波ほど「材料」より「開口・継ぎ目・参照面」が支配的になり、低周波ほど「透磁率・飽和・幾何」が支配的になりやすい。

参考ドキュメント

IEEE 299（シールドエンクロージャの遮蔽効果測定手順） https://standards.ieee.org/ieee/299/11952/
TDK EMC設計の手法概説（シールドと開口・スロットの考え方を含む） https://product.tdk.com/system/files/dam/doc/content/emc-guidebook/ja/jemc_basic_01.pdf
村田製作所ノイズ対策基礎講座（シールド効果、多重反射などの整理） https://www.murata.com/ja-jp/products/emc/emifil/library/knowhow/basic/chapter04-p3

1. 何をシールドするのか：近傍界と遠方界

電磁界は電界 $E$ と磁界 $H$ で記述されるが、波源の近傍では $E$ 優勢（高インピーダンス源）と $H$ 優勢（低インピーダンス源）で振る舞いが異なる。遠方界では平面波近似が成り立ち、波のインピーダンス

Z_{w} = \frac{E}{H}

がほぼ一定（自由空間ではおよそ一定）として扱われる。一方、近傍界では $Z_{w}$ が距離や周波数に依存し得るため、同じ材料・同じ厚みでも「電界シールドとして強い」一方で「磁界シールドとして弱い」などの非対称性が現れる。

2. 遮蔽効果の定義

遮蔽効果（Shielding Effectiveness, SE）は、シールド無しの場（または電力）と、シールド有りの場（または電力）の比をデシベルで表す量である。代表的には

電界に対する遮蔽効果

S E_{E} = 20 \log_{10} (\frac{| E_{0} |}{| E_{1} |}) [dB]

磁界に対する遮蔽効果

S E_{H} = 20 \log_{10} (\frac{| H_{0} |}{| H_{1} |}) [dB]

電力（強度）に対する遮蔽効果

S E_{P} = 10 \log_{10} (\frac{P_{0}}{P_{1}}) [dB]

である。測定法や規格により $E$ 、 $H$ 、平面波（電力）いずれを対象にするかが明確に定義されるため、まず「何のSEか」を揃える必要がある。

3. シールドが効く物理：反射・吸収・多重反射（Schelkunoff分解）

金属板や導電性材料の典型的な説明として、遮蔽効果は概念的に

S E \approx R + A + M

で表される。ここで

$R$ ：境界でのインピーダンス不整合に由来する反射損
$A$ ：材料内部での減衰（吸収損）
$M$ ：材料内部での多重反射の補正項

である。実際には条件により $M$ が無視できる場合もあるが、薄い導電層や吸収が小さい条件では $M$ の影響が無視できないことがある。

吸収損の主要なスケールは表皮深さで与えられる。

δ = \sqrt{\frac{2}{ω μ σ}} = \sqrt{\frac{2 ρ}{ω μ}}

ここで $σ$ は導電率、 $ρ$ は抵抗率、 $μ$ は透磁率、 $ω = 2 π f$ である。 $f$ が上がるほど $δ$ は小さくなり、同じ厚み $t$ に対して実効的な吸収は増える方向に働く。

4. 周波数領域で変わる設計思想：低周波磁界と高周波電磁波

低周波磁界（準静的）では、導体反射よりも「磁束を通さない／迂回させる」発想（高透磁率材料による磁束のガイド）が効きやすい。一方、高周波（電磁波領域）では、導体表面電流による反射と、表皮効果に伴う吸収が支配的になりやすい。

次の表は設計上の整理である（境界は連続であり、周波数・距離・波源で入れ替わる）。

対象	支配的になりやすい要因	代表材料	注意点
低周波の磁界（近傍界H）	高透磁率による磁束のバイパス、飽和	高透磁率合金、積層構造	飽和磁束密度が設計を決める。隙間や継ぎ目の磁気抵抗が支配的になりやすい
低周波の電界（近傍界E）	導体による静電遮蔽	金属箔、導電塗装	接地の取り方でコモンモード結合が変化する
高周波の平面波（遠方界）	反射＋吸収（表皮効果）	Cu/Al/Fe系金属、導電複合材	開口・スロットが「アンテナ」になり得る
高周波だが磁界結合が強い	渦電流による減衰、磁性損失も関与	金属＋磁性シートの複合	発熱、共振、局所的な電流ループに注意

5. 材料選択の観点：導電率・透磁率・厚み・複合化

5.1 金属（Cu, Al, 鋼など）

金属は高い導電率により反射損 $R$ が大きく、また高周波では表皮効果で吸収損 $A$ が増える。薄い金属箔でも高周波電界に対しては有効になり得る一方、低周波磁界に対しては効きにくいことがある。

5.2 高透磁率材料（低周波磁界向け）

磁界シールドでは、透磁率の大きい材料で磁束を「通しやすい経路」に誘導し、シールド内へ入る磁束を減らす。重要なのは透磁率だけでなく、飽和、加工ひずみによる特性変化、隙間（磁気抵抗）である。

5.3 磁性シート・複合シールド（近傍界の抑制）

磁性フィラーを含むシートは、近傍界での磁界成分を抑制する目的で用いられる。導電層と組み合わせた多層化により、薄型化と広帯域化を両立させる設計が採られることがある（用途により最適構成は変わる）。

5.4 導電性高分子・導電塗装・メタライズド材

軽量化や加工性を重視する場合、導電フィラー（炭素系、金属系）で導電ネットワークを形成した複合材が選ばれる。導電率が金属に比べて小さいため、同じSEを狙うなら厚みや多層化、吸収の確保が必要になる場合がある。

6. 構造設計がSEを決める：継ぎ目・開口・ケーブル貫通

高周波では「穴があると半減」ではなく、穴やスロットが特定周波数で強く放射・透過するため、狭い領域の性能が全体を支配し得る。代表的な論点を列挙する。

継ぎ目（接触抵抗、導通不良）
- 電流の戻り経路が途切れると、継ぎ目がスロットアンテナとして振る舞い得る
- ガスケット（導電性ガスケット等）や面圧、導電面処理が支配的になる
開口（換気口、表示窓、メッシュ）
- 開口は波導波路として扱え、カットオフ（遮断）を満たす設計が有効になる場合がある
- 例えば代表寸法 $a$ を持つ開口のカットオフ周波数は、概念的に $f_{c} \propto c / (2 a)$ のスケールで増減する（形状・境界条件で係数は変わる）
貫通（ケーブル、コネクタ）
- シールド筐体のSEは、貫通部のフィルタリングや360度シールド接続で決まる場合が多い
- シールドの「端末処理」が不十分だと、ケーブルがアンテナとして支配的な漏れ経路になり得る

7. 測定法と規格

シールドの評価は、試料形態（筐体か平板材か）、周波数帯、近傍界か平面波かにより標準手法が分かれる。代表例を比較する。

目的	対象	主な手法	周波数帯の例	得られる量
シールドルーム・筐体のSE	エンクロージャ	アンテナを内外に置く測定（標準化された手順）	kHz〜GHz（規格により定義）	$S E_{E}, S E_{H}$ または平面波SE
平板シールド材のSE	シート・フィルム	同軸伝送線路治具で挿入損失を測る（ASTM系）	およそ数十MHz〜GHz帯（規格で定義）	平面波SE（そこから近傍界換算の議論もある）
TEMセル系の簡便測定	シート材	TEMセル類似構造による測定（機関法）	低周波〜GHz帯（装置法で定義）	電界SE、磁界SEなど
反響室（Reverberation chamber）	筐体・材料・システム	統計的に均一な場を用いる標準法（IEC系）	典型的に高周波側で有利	放射試験・イミュニティ・SEの関連量

補足として、国内ではシート材評価に特化した独自手法（TEMセル概念を取り入れた方法など）も提案・提供されている。

8. 計算・シミュレーション

電磁界シールドは「材料定数」だけでなく「開口・共振・戻り電流経路」の問題であるため、計算電磁気学が有効である。

全波解析（FEM, FDTD, MoM）
- 開口・スロット・筐体共振、内部の定在波、ケーブル結合を扱える
- 材料は表面インピーダンス境界条件や薄膜モデルで扱うと計算が安定する場合がある
等価回路化（低周波〜中間域で有効）
- 継ぎ目の接触抵抗・インダクタンス、ガスケットの等価インピーダンスなどを回路要素で近似する
- 設計変数（面圧、接触長、ピッチ）とSE変化の感度解析に向く
逆解析・パラメータ同定
- 測定Sパラメータや挿入損失から、シート抵抗や有効導電率、複素透磁率のモデルパラメータを推定する枠組みが用いられる
- ただし、モデルの不定性（開口や治具の寄生が支配すると一意に決まらない）を常に点検する必要がある

9. 応用例

通信機器・携帯機器：薄型化と開口（スピーカ、窓、アンテナ）共存が課題である
電力変換（インバータ、SiC/GaN）：スイッチング高調波による広帯域ノイズが問題になりやすい
車載：長いハーネスと筐体が混在し、貫通部設計が支配的になりやすい
医療・計測：低周波磁界の影響を避ける必要があり、高透磁率材と導体層の多層化が採られることがある
シールドルーム・暗室：規格に沿ったSE測定と維持管理が中心課題になる

まとめ

電磁界シールドは、遮蔽効果の定義（ $E$ 、 $H$ 、平面波）、反射・吸収・多重反射という物理、表皮深さによる周波数スケーリング、そして開口・継ぎ目・貫通といった構造支配を同時に扱うことで成立する。目的周波数帯と結合形態（近傍界か遠方界か）を最初に固定し、材料選択と構造設計を測定規格に整合させて閉じることが、再現性のあるシールド設計の中心である。

参考資料

ASTM D4935-18（平板材料のSE測定：同軸伝送線路治具） https://img.antpedia.com/standard/files/pdfs_ora/20211203/ASTM D4935-18.pdf
IEC 61000-4-21:2011（Reverberation chamber法） https://cdn.standards.iteh.ai/samples/16080/59f25197e3914860832f0605eeb4d07b/IEC-61000-4-21-2011.pdf
MIL-STD-285 原文（旧来のエンクロージャ減衰測定法） https://www.hftechnology.nl/wp-content/uploads/MIL-STD-285.pdf
MIL-STD-285 概要（日本語PDF） https://www.emc-ohtama.jp/emc/doc/mil-std-285-explained.pdf
KEC関西電子工業振興センター：シールド材試験（シート材の測定法例） https://www.kec.jp/testing/kec-method/
電磁波シールド材の設計法（反射・吸収・多重反射補正の定式化例） https://orist.jp/technicalsheet/99027.PDF
Clarification of Basic Concepts for Electromagnetic Shielding Materials（理論分解の整理） https://arxiv.org/pdf/2112.03272

電磁界シールドの基礎 ​

参考ドキュメント ​

1. 何をシールドするのか：近傍界と遠方界 ​

2. 遮蔽効果の定義 ​

3. シールドが効く物理：反射・吸収・多重反射（Schelkunoff分解） ​

4. 周波数領域で変わる設計思想：低周波磁界と高周波電磁波 ​

5. 材料選択の観点：導電率・透磁率・厚み・複合化 ​

5.1 金属（Cu, Al, 鋼など） ​

5.2 高透磁率材料（低周波磁界向け） ​

5.3 磁性シート・複合シールド（近傍界の抑制） ​

5.4 導電性高分子・導電塗装・メタライズド材 ​

6. 構造設計がSEを決める：継ぎ目・開口・ケーブル貫通 ​

7. 測定法と規格 ​

8. 計算・シミュレーション ​

9. 応用例 ​

まとめ ​

参考資料 ​