JP2007120956A - 電子機器動作検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子機器の動作状況を外部から非接触で検出することにより、安全性、低価格化、利便性を向上させる。
【解決手段】 電子機器が動作することによって発生するコモンモードノイズを、該電子機器に接続されている電源コードや信号線に本発明装置の検出部を挟み、検出されたコモンモードノイズを本発明装置内の増幅器により増幅し、かつ必要周波数選択する。
該電子機器が動作したことにより発生したコモンモードノイズと、非動作時のノイズとを比較し、その増減により該電子機器の動作状況を検知、判断し、電気信号を出力する。
【表１】
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器の動作を非接触にて検出する検出器に関する。

従来の電子機器の動作を検出する方法は、特開平１１−５５７６１にも記してあるが、機器内部にその電気製品の操作スイッチに併設されたスイッチ、動作位置検出リミットスイッチ、ポテンションスイッチ等の機械接点や半導体スイッチで代表される電気的スイッチによる方法、また、絶縁を要求される場合はフォトカプラーやカレントトランス等を利用する方法が主なものであった。

これらの検出デバイスを用い、外部の機器とインターフェースを確立し、信号のやり取りをし、機器の動作状態を知ることができている。

特開平１１−５５７６１号公報 特開２００５−２１４９０２号公報

しかしながら、電子機器の動作状況を電子機器購入後に確認しようとした場合、該電子機器に動作状態を示す信号を出すためのインターフェース回路が新たに必要となる。インターフェース回路を該電子機器に追加しなければならず、特別な電気的知識が必要となり、一般には困難である。

そこで、本発明の目的は、上述の課題に関し、該電子機器には一切手を加えずに、該電子機器の動作状態を、特別な電気的知識を持たない人でも、容易に使用できる検出装置を提供することを目的とする。

本発明による検出装置は、主に被検出電子機器に電源を供給している対の電源線等に、検出装置内蔵の検出器を挟み込むことにより被検出電子機器の動作状況を判断するものであり、被検出電子機器には一切の改造はもちろんのこと、被検出電子機器と電気的接続せずにその動作状態を知る方法を提供するものである。

具体的には、被検出電子機器が動作することにより発生するノイズ、特にコモンモードノイズに関し、そのノイズ信号を測定し、それにより被検出電子機器が動作中か非動作中かを判断する検出装置を提供するものである。

一般的に電子機器においてノイズ発生の主な原因は、電流、電圧、電荷、磁束の急激な変化をする回路素子によると考えられる。具体的には、電子機器内部のスイッチング電源回路やインバータ回路等のスイッチング素子で、素子が高速で開閉を行うため急激な電流電圧変化を起こすため発生するノイズや、他には、出力整流用整流素子の電流変化によるノイズ、スイッチングコンバータトランスの漏れ磁束によるノイズ、入出力コンデンサの突入電流やリップル電流によるノイズなどが主として考えられる。ノイズのレベルについては、電子機器の負荷が重くなったときは、スイッチング素子に流れる電流が増えるためノイズもそれに比例し、増加する。このように電子機器の動作によってノイズのレベルは変化する。

電子機器より発生するノイズは、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズに分けられる。ノーマルモードノイズは電子機器内部で比較的容易に減衰させることが可能であるが、コモンモードノイズはＬＦＴ（ラインフィルタートランス以下ＬＦＴと略す。）、Ｙコンデンサ等を組み合わせたフィルタで減衰させるが、安全規格上、漏れ電流規制によりＹコンデンサの容量値は規制をうける。そのため、規制のないＬＦＴのインダクタンス値を大きくして、ノイズを減衰させることが一般的なコモンモードノイズの対策法である。ただ、インダクタンス値を大きくするためには、コアの実効インダクタンスの高い物を選択するか、ＬＦＴに捲回されたコイル巻数を多くしなければならない。巻き数を多くすると、巻き線間に発生する浮遊容量が増加し、高周波でのインピーダンスが低下し、ノイズ減衰量が不足する。更に、コイルの直流抵抗による発熱により巻き数を多くできない等、コモンモードノイズを減衰させるのは極めて困難であり、ある程度のノイズは電子機器が動作することにより発生し、外部に漏れてしまう。さらにその電子機器の動作状況によりノイズは増減する事が知られている。

電子機器は各国によりノイズ規制があり、その値は規格により決められている。図３に主要な規格値を図示した。電源ラインへ戻る帰還雑音（雑音端子電圧）はＣＩＳＰＲ２２、ＶＣＣＩ、ＦＣＣ等により決められている。一般的に規制値の約１／５程度のノイズが、上市されている民生用電子機器のノイズレベルである。また、工業用機器に関しては、ノイズレベルの規制値は低く、規制の厳しい民生用の機器での動作確認ができれば十分である。また、周波数帯域で規制値が定まっており、高周波帯域での規制値は高く、厳しくなっている。

本発明で利用する帯域は１ＭＨｚ以下で、規制値としては６０ｄＢμＶから８０ｄＢμＶ以下のところである。この帯域のコモンモードノイズを検出装置内蔵の検出器により取り出し、フィルタ、増幅器、積分回路、検波整流回路を通し、直流電圧に変換する。この電圧を基準電圧（被検出電子機器が非動作状態の値で、自由に設定できる。）と比較し、被検出機器の動作状態を判断する。判断した結果はオン・オフのデジタル信号やアナログ出力、またＡＤ変換したデジタル出力値として出力することも可能である。その値を時間データとともにデータロガーに蓄積したり、ＰＣとＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃ、シリアルポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ１３９４等のインターフェースを用い出力データを取り込むことが可能である。または、検出装置に直接インターネット等へのインターフェースを取り付け、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ等のプロトコルを用い、インターネット上にデータをアップさせ通信することも可能となる。

その後の利用は、携帯電話やＰＣ、ＰＤＡ等インターネットに接続された機器を介し、遠距離からの該電子機器の動作、利用状態の監視、電子機器不具合の発見等様々な応用が可能となる。

本発明により、コモンモードノイズの発生しやすい機器、特に、ＴＶ（テレビジョン）、ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）等の映像録画再生装置、ＰＣ（パーソナルコンピュータ以下同様）、電子レンジ等においてスイッチング電源、ＤＣ−ＤＣコンバータ等や内部に発振器を搭載しているもの、蛍光灯などの放電による発光照明機器、調光装置付の照明機器、更に冷蔵庫、エアコン、洗濯機、インバータ調理器、ＩＨ炊飯器などのインバータ搭載機の動作検出に効果がある。一方、電熱線ヒータによる電熱器や白熱電灯照明器等の機器は、コモンモードノイズが出くいので、動作検出の効果は少ない。

本検出装置は被検出電子機器が、販売後であっても動作検出必要となった時点で、非接触で動作検出が可能なため、被検出電子機器には何ら手を加えることなく容易に動作を検出することが可能となる。そのため汎用性は非常に高い。また、被検出電子機器本体とは電気的接続が不要であるため、安全かつ安価に製造、設置することができる。更に、検出装置内蔵の検出器はＬＦＴとしての働きを兼ねさせることが可能であり、被検出電子機器のノイズ低減にも効果がある。

「実施形態の効果」
以下、本発明の実施形態の例について図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、たとえば図１に示すような構成の検出装置に適用される。コモンモードノイズを検出する手段として図２のＣ型フェライトコア1、２を用いた。高周波特性と絶縁性を考慮しＮｉ−Ｚｎ系のフェライトを用いる。このＣ型コア１、２の２個それぞれにφ０.２−１ＵＥＷのエナメル銅線を各１５ターンずつ捲回し、検出コイル３、４とする。被測定電子機器の電源供給線５を図２下図のように挟み込む。

このような構成の検出器が図１の検出部１０１である。被測定電子機器１０２から発生したコモンモードノイズ電流は、電源供給コード１０２aを流れる。

電源供給コード１０２aは、この検出部１０１のコアによって挟み込まれている。（貫通させてあってもよい）図１の回路ブロックでは、巻き線１０１ａに相当する。

被測定電子機器１０２から発生し、電源供給コード１０２aを流れるコモンモードノイズ電流は、巻き線１０１ａを介し、同コアに捲回されている検出コイル１０１ｂ、１０１ｃに誘導電流が流れ、コイル１０１ｂおよび１０１ｃの両端に誘導電圧が発生させる。この検出コイル１０１ｂ、１０１ｃに発生する電圧をフィルタ部１０３に通し、必要な低周波帯域部分を取り出し、差動増幅部１０４の入力とする。ペアのコイル１０１ｂ、１０１ｃを用いたのは、外来ノイズの影響を極力排除する構成にするためである。外来ノイズの少ない場合や被測定電子機器からの発生ノイズの大きいと思われる場合などは、単一の検出コイル構成でもよい。

被測定電子機器が非動作時（図４の被測定電子機器スタンバイ時の波形参照 ほぼ非動作時に相当する波形である。）、検出コイル１０１ｂ、１０１ｃの両端に発生する電流は１０ｍＶｐ−ｐであった。また、被測定電子機器を動作させた場合（図４の被測定電子機器動作時の波形参照）のコイル両端に発生する電流は３０ｍＶｐ−ｐであった。このノイズはフィルタ部１０３に入り、外来ノイズ、不要な高周波信号、高調波信号の通過を制限する。フィルタの構成は、抵抗とコンデンサを用いた３次のΠ型ローパスフィルターを用いたが、高周波帯域で検出装置への影響がないことが確認できれば特にどんなフィルタを用いてもよい。通過帯域制限されたフィルタ部１０３からの出力信号は差動増幅部１０４の入力信号となる。差動増幅部１０４はＯＰアンプ（演算増幅器、オペレーションアンプ以下同様）１０４ａ、１０４ｂを用い微小信号を増幅するための差動増幅回路を形成した。差動増幅を用いたのは、外来ノイズ等の同相信号を打ち消すためである。ＯＰアンプ１０４ａ、１０４ｂの出力をＯＰアンプ１０４ｃの入力とし、差動増幅部全体で約１００ｄＢの信号増幅を行った。増幅率を調整できるように可変抵抗器１０４ｄを設けてある。図１の回路は、ＯＰアンプのオフセットを調整したうえで、超低周波帯域までの増幅を意図し、直流増幅回路を用いたが、コンデンサで直流成分をカットし、バイアス調整やオフセット調整の安易な交流増幅を行ってもよい。差動増幅部１０４からの出力は、出力コンデンサ１０４ｆのところで約１Ｖｐ−ｐ（スタンバイ時）から３Ｖｐ−ｐ（動作時）の電圧を得ることができた。この非動作時に発生する電圧は、電源ケーブルが他の機器から発生するノイズを検出したバックグランドノイズである。

整流部積分回路部１０５に入力した交流信号はダイオード１０５ａ，１０５ｂ、コンデンサ１０５ｃで倍電圧整流されたのち、抵抗１０５ｄ、コンデンサ１０５ｆの積分回路を通した後出力し、ＡＤ変換部・デジタル処理部１０６の入力となる。抵抗１０５ｅは積分コンデンサ１０５ｆの放電抵抗である。

ＡＤ変換部・デジタル処理部１０６に入力された信号は、マイクロコンピュータ１０６ａのＡＤ変換入力部に入る。本発明で使用したマイクロコンピュータ１０６ａはアナログ、デジタル入出力ポート、ＡＤ変換器、内部クロック発振器、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリーを持った１チップのマイクロコンピュータである。マイクロコンピュータ１０６ａのＡＤ変換入力部に入力された信号は内部のＡＤ変換器でアナログ信号からデジタル信号に変換される。マイクロコンピュータ１０６ａのソフトにより移動平均等のフィルタ処理をへて、マイクロコンピュータ１０６ａの出力ポートに時間データとともにデジタルデータで出力し、出力インターフェース１０７から外部のＰＣ等の入力信号となる。

検知信号は、マイクロコンピュータ１０６a内蔵のＥＥＰＲＯＭにデフォルトとして１Ｖに相当するデジタル値を記録させておき、整流部積分回路部１０５からの出力信号と、基準値とを比較判断し出力する。このときの比較判断処理としては、基準値を超えている時間や一定時間内に基準値を超えた回数、その増減、変化量等総合的に判断でする。たとえば、１分間に基準値を連続で超えた場合を機器動作とし検知出力する等さまざまな処理方法が考えられる。

一方基準値は内蔵のデフォルト値だけでなく、後日、ユーザが変更することも可能である。被測定電子機器が動作していない時点でのＡＤ変換値を、スイッチ等の外部コマンドでマイクロコンピュータ１０６a内蔵のＥＥＰＲＯＭに読み込み記録させておき、その値を基準値として使用する方法も考えられる。図５に出力信号の実際例を示す。

出力信号のインターフェース処理としてはＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃ、シリアルポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ１３９４等があり、それによってＰＣ等と通信することが可能となる。本検出装置に直接インターネット等へのインターフェースを内蔵し、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ等のプロトコルを用い、インターネット上にデータをＵＰさせ通信することも可能である。インターネットにデータをアップした後の利用は、携帯電話やＰＣ、ＰＤＡ等を介し、インターネット等の様々な通信方法により、遠距離からの該電子機器の動作、利用状態の監視、電子機器不具合の発見等色々な応用が可能となる。

「他の実施形態」
本検出装置内臓の検出器としてＣ型の割コアを用いたが、他の方式としてはＵ型コアどうし、Ｕ・Ｉコア等の組み合わせ等が考えられる。また、割りコアではなくトロイダル型のコアに延長ケーブルをとして貫通させた電源供給線や信号線を通したものでの検出等も可能である。

また、コアに捲回するワイヤーに関しては、単線のエナメル線を用いたが、同相ノイズを排除するためや信号のバランスをとるためにペア線、ツイスト線を用いるとより効果的である。

更に、検出器に電磁誘導結合方式を用いたが、２枚の電極版の間に電源供給線等の測定ケーブルを通し、静電結合方式による電極間の電圧の変化を測定する方法、ホール素子等の静磁気検出センサーによるノイズ磁界検出法等がある。

本発明に係る検出器からの信号を処理する回路ブロック図である。 本発明に係る検出器部の構成を示す構造図である。 雑音端子の電圧規制値を示す図である。 被検出機器の非動作時と動作時における検出器への信号の図である。 検出装置出力波形の図である。

符号の説明

１ 検出用C型フェライトコアＡ
２ 検出用C型フェライトコアＢ
３ 巻き線Ａ
４ 巻き線Ｂ
５ 被検出機器に電源を供給するための電源コード
１００ 電子機器動作検出装置
１０１ 検出器
１０２ 被検出機器
１０３ 検出器フィルタ部
１０４ 検出器増幅部、
１０５ 整流部 積分回路部
１０６ ＡＤ変換部 デジタル信号処理部
１０７ 出力インターフェースコネクター

Claims (5)

1. 電子機器において、その電子機器に接続される多芯電線に流れるノイズ電流を検出することにより、該電子機器の動作状況を検知することを特徴とした装置。
2. 電子機器において、その電子機器に電力を供給する多芯電線に流れるコモンモードノイズ電流を検出することにより、該電子機器の動作状況を検知することを特徴とした装置。
3. 電子機器において、その電子機器に接続された信号伝達用多芯電線に流れるコモンモードノイズ電流を検出することにより、該電子機器の動作状況を検知することを特徴とした装置。
4. 請求項1、２、３に記載の動作状況を判断する方法として、動作時、非動作時のノイズ電流の増減を比較することにより該電子機器の動作状況を判断することを特徴とした装置。
5. 請求項１、２、３、４に記載のノイズ電流検知器として、検出巻き線を施した磁気コアで、多芯電線を挟み込む構造をした検出器を用いることを特徴とした装置。
   

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