JP2023547977A - 電磁障害を軽減するためのシステム、装置および方法 - Google Patents

電磁障害を軽減するためのシステム、装置および方法 Download PDF

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Abstract

電磁障害軽減装置は、電源と、電源コードと、少なくとも電源を包囲しているとともに、電源コードから物理的に隔離されている電源筐体と、少なくとも電源コードおよび電源と導通している低値抵抗器と、電源筐体と装置筐体との間に配置されたコンデンサと、を備えている。装置筐体は電源筐体を包囲しており、装置筐体は、電源筐体から距離をあけて配置されており、コンデンサは、前記装置筐体および電源筐体によって形成されている。

Description

本開示は、医療器具に関する。より詳細には、本開示は、医療装置および実験装置に関連する電磁障害を軽減するためのシステム、装置および方法に関する。
第一線の技術アナリストらによると、技術は指数関数的な速度で進歩している。かつては手動ツールや原始的なプロセスを利用していた多くの業界において、マイクロコンピュータ、センサおよびその他の最新部品の導入による技術革新が起こっている。その結果、個人の家庭や職場にも、かつてない量のコンピュータハードウェアおよび回路が存在している。この電子機器の氾濫によって、EMI(電磁障害)に関する2つの問題が発生している。第1の問題は、EMIによってエラーの発生しやすいデバイスが多数存在していることである。第2の問題は、さらに多くの数のデバイスが、EMIの原因となることである。
EMIは、電子機器の性能に致命的な影響を与え、動作エラーを誘発し、動作不能状態を発生させるおそれがある。上記問題は、このようなEMIの原因となるデバイスの普及率が年々増加している状況であるため、さらに深刻化している。特に、携帯電話、ポータブルコンピュータ、BLUETOOTH(登録商標)、GPS、Wi-Fi等のワイヤレス技術によって、EMI問題が悪化している。
EMIは、伝導EMIおよび放射EMIの2種類に分類できる。伝導EMIは、導体の物理的な接触によって発生し、放射EMIは誘導によって発生するため非接触である。概して、伝導EMIは低周波数で発生し、放射EMIは高周波数で発生する。一般的に、EMIは、発電機やモータ等の、性能の高くないコンポーネントから発生する。このようなコンポーネントの多くは、スイッチモード電源を備えており、高速のスイッチング速度に起因して、伝導EMIおよび放射EMIの両方が発生する。
特に、EMIは、病院で使用される装置に悪影響を及ばすおそれがある。生命維持システム、バイタル監視装置、人工呼吸器等の装置は、EMIの影響を受けやすいため、EMIから保護する必要がある。病院においては、EMIの発生源が別の非常に重要な医療装置である場合が多いため、問題が特に複雑である。
EMIの問題を軽減するために、電源コード入力に「xコンデンサ」を配置して、筐体および配線から電源に電流を戻し、電源コードに沿って伝導しないようにすることも可能である。このような「xコンデンサ」は良好に機能する場合も多いが、「xコンデンサ」によってアースに流れる接地電流が増加する可能性がある。しかし、医療機器では、他の機器とは異なり、患者の電気装置に誤動作が発生しないようにアース接地電流を最小限に抑える必要がある。逆に、「xコンデンサ」を小さくすると、接地電流は低減できるが、EMIの軽減が不十分になる。
このため、接地が好ましくない環境でEMIを低減するという問題を解決するシステムおよび方法を提供することが望ましい。デバイスが、低周波数範囲においてEMIに関する安全ガイドラインを満たさない場合は多い。高周波エミッションに影響を与えることなく低周波エミッションを低減するためには、電源の筐体が接地から電気的に隔離されていることが望ましい。
また、現在のEMI軽減技術の欠点を改善するために、電源筐体および装置筐体の壁部がコンデンサのプレートを構成しているコンデンサを形成することが望ましい。
一実施形態において、本開示の発明は、電磁障害軽減装置であって、電源と、電源コードと、少なくとも電源を包囲しているとともに、電源コードから物理的に隔離されている電源筐体と、少なくとも電源コードおよび電源と導通している低値抵抗器と、電源筐体と装置筐体との間に配置されたコンデンサと、を備えている。装置筐体は電源筐体を包囲しており、装置筐体は、電源筐体から距離をあけて配置されており、コンデンサは、装置筐体および電源筐体によって形成されている。
さらに、低値抵抗器を、電源および電源コードと直列に配置してもよい。装置は、第1のxコンデンサおよび第2のxコンデンサをさらに備えていてもよく、第1のxコンデンサおよび第2のxコンデンサは電源筐体内に配置されていてもよい。一実施形態においては、コンデンサは、電源から放出される低周波を低減するように構成されたハイパスフィルタとして機能してもよい。
一実施形態においては、電源筐体はコンデンサの第1のプレートを形成し、装置筐体はコンデンサの第2のプレートを形成する。さらに、誘電材料を第1のプレートと第2のプレートとの間に配置してもよい。一実施形態では、プレート間の距離は、1.397~1.778mm(0.055~0.070インチ)の間である。低値抵抗器の抵抗値は100オーム未満であってもよい。一実施形態では、電源コードは電源にAC90~264Vを入力し、電源は最大15.6アンペアでDC48Vを出力する。
添付の図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、本開示の態様を例示し、記載される説明とともに、本開示の趣旨を示す。
好適な電磁障害軽減の一実施形態を示す図。 望ましくない電磁障害の一実施形態を示す図。 電磁障害を軽減するように構成された装置の一実施形態を示す図。 周波数応答を示すグラフ。 伝導電磁両立性試験装置の一実施形態を示す図。
電子機器における電磁障害を軽減するための装置、システムおよび方法について以下に記載する。
本開示においては、特に明記しない限り、単数形の単語はそれらの複数形の意味を含むと解釈される。さらに、「含む」という用語は限定的ではない。「または」は、特に明記しない限り、「および/または」と同等である。好適な範囲が記載されている場合においても、明確に述べられていない限り、好適な範囲外で動作する実施形態が存在する可能性もある。
図1Aに、理想的な電磁障害軽減の例を示す。例えば、図1に示す装置は、機能している病院内装置であるが、EMIが発生していない。開示を目的として、図1AにEMI軽減方法の望ましい結果を示す。
図1Bに、低周波エミッションが装置の接地を介して移動可能である装置の例を示す。開示を目的として、図1Bには、望ましくない量のEMIが発生しているシステムが示されている。
図1Cに示すように、装置100は、装置筐体102、電源筐体104、電源106、電源コード108、第1のxコンデンサ110、第2のxコンデンサ112、低値直列抵抗器116およびコンデンサ/ハイパスフィルタ114等を有している。
コンデンサ114は、装置筐体102と電源筐体104との間の距離が、例えば、1.397~1.778mm(0.055~0.070インチ)または他の任意の適切な距離である場合に形成される。一実施形態では、コンデンサ距離は、2つの筐体102/104が物理的に互いに最も近い箇所において、装置筐体102および電源筐体104の壁部同士の間で測定される。しかしながら、他の実施形態では、コンデンサ距離がこれ以外の方法で測定され、例えば、筐体の一方が最も多くの電荷を保持している位置で測定されてもよい。一実施形態では、各筐体102/104は、4つの周囲壁部、上壁部および下壁部を有している。このような実施形態では、コンデンサ114は、筐体102/104の2つの対応する壁部に沿って形成される。さらに、このような実施形態では、2つの対応する壁部(コンデンサ114を形成する壁部)の間の距離は、他の対応する壁部の間の距離(例えば、装置筐体102の左壁部と電源筐体104の左壁部との間の距離)よりも短くてもよい。したがって、コンデンサ114を形成する筐体102/104の壁部は、互いに最も近い対応する壁部であってもよい。しかしながら、他の実施形態では、コンデンサ114は、任意の距離をなす壁部の任意の数または組み合わせによって形成されてもよい。
一実施形態では、コンデンサ距離は、ユーザによって調整可能であり、手動、自動または付属のコンピュータによって調整可能である。一実施形態では、コンデンサの距離を変更できるように、サーボモータまたは他の同様の構成要素が筐体102/104の間に配置されている。一実施形態では、可変距離は固定されており、調整できない。一実施形態では、ウインチ、くさびまたはネジが、電源筐体104と装置筐体102との間に配置され、コンデンサ距離を微調整できる。このような実施形態および同様の代替的な実施形態は、図1Cに示されている。
装置100は、装置筐体102および電源筐体104を有している。多くの実施形態においては、電源筐体104は、電源106を包囲している。一例においては、電源106は電気入力/出力を有しており、例えば、AC90~264Vの入力および/または最大15.6アンペアでDC48Vの出力を有している。しかしながら、電源106は、任意の適切な電気入力または出力を有していてもよい。電源106は、例えば、AC電源、DC電源または他の一般的な種類の電源である。代替的な実施形態では、電源筐体104は、複数の電源106を包囲している。さらに別の実施形態では、装置筐体102は、複数の電源筐体104を包囲している。
一実施形態では、装置筐体102および電源筐体104の両方が金属で構成され、導電体として機能する。しかし、別の実施形態においては、装置筐体102および電源筐体104が様々な適切な材料から形成される。例えば、別の実施形態では、装置筐体102および/または電源筐体104は、薄膜、フォイルまたは電解質で構成されるか、これらを含んでいる。代替的な実施形態では、2つの筐体のうちの一方が、他方よりも導電性が低くなるように設計された材料から構成される。このような代替実施形態では、導電性の低い方の筐体に起因して、2つの筐体によって構成されるコンデンサの全体的な効果が低下する可能性がある。この代替実施形態は、ハイパスフィルタ114の効果を低下させる可能性があり、これは、コンデンサ114を通過する高周波の割合を減少させたいユーザにとって有益である。
一実施形態では、装置筐体102と電源筐体104との間に誘電材料が配置される。例えば、いくつかの実施形態においては、2つの筐体102/104の間に、ガラス、テフロン(登録商標)、ポリスチレン、二酸化チタン、チタン酸バリウムまたは他の誘電材料が配置される。一実施形態では、電源筐体104、装置筐体102および任意の他の筐体またはコンポーネントが絶縁されている。一実施形態では、電源筐体104、装置筐体102および任意の他の筐体またはコンポーネントが、電気、熱、振動または音から絶縁されている。
さらに別の実施形態においては、装置筐体102および電源筐体104がコンデンサ114を形成していない。このような代替実施形態では、独立したコンデンサが2つの筐体102/104の間に配置される。また、電源筐体104は、電源106を包囲していなくてもよい。このような実施形態では、金属板等の別の構成要素を電源106に導通させて、この別の構成要素がコンデンサ114の半分を形成し、装置筐体102が残りの半分を形成してもよい。一実施形態では、電源106は、低周波を伝送するように構成された別個の接地または他のケーブルに接続される。
いくつかの実施形態ではコンデンサ114はハイパスフィルタとして機能するが、コンデンサ114はローパスフィルタとして構成してもよい。図2を参照して、電磁障害軽減装置100の一実施形態によって、低周波エミッションが低減される。図2に、本開示の発明の実施形態が、低周波数範囲のエミッションの振幅をどのように減少させるかを示す。図2を参照して、電磁障害軽減装置100の一実施形態は、低周波エミッションを低減させるように構成されているが、本発明は、図2に示す勾配および特性に限定されない。他の実施形態においては、装置100のユーザが、特定の用途に応じて、装置100の効果の程度を調節できる。このような実施形態では、本開示の発明は、図2に示される例よりもエミッションに対する影響が大きくても小さくてもよい。
いくつかの実施形態では、電源筐体104および/または装置筐体102は、連続する1枚のシートから構成される。例えば、このような連続シートを用いる実施形態では、筐体102/104が一体となるように、筐体102/104全体を圧延、3D印刷、型成形または他の方法で製造できる。または、別の実施形態においては、電源筐体104および装置筐体102の一方または両方が複数の部分から構成される。例えば、このような代替的な実施形態では、筐体102/104の両方が、上側、下側、左側、右側、前側および後側を有している。さらに、上側、下側、左側、右側、前側および後側は独立した構成要素であってもよく、これらが固定されることによって装置筐体102または電源筐体104が形成される。
別の実施形態においては、筐体102/104のいずれかが同じ材料のみで形成されていない。例えば、筐体の90%は、導体として十分に機能する当該技術分野で周知の金属で構成され、筐体の10%は、伝導性の低い材料または絶縁体として知られる材料で構成される。このような実施形態は、筐体内に配置する必要があるが、導電性材料に対して特定の至近距離内に配置してはならない高感度のコンポーネントが存在する用途において有益である。
また、一実施形態においては、装置筐体102および/または電源筐体104は、これらの筐体内に配置されたコンポーネントの周囲に配置されたメッシュ、チェーンリンク、フォイルまたは他の可鍛性材料であってもよい。例えば、形状的または物理的に非透過性である従来の固定された筐体の使用が適さない用途においては、可鍛性材料によって、通常は筐体内に存在するコンポーネントを「包む」ことができる。この代替実施形態では、筐体を構成する可鍛性材料は、従来の筐体と同じ特性(例えば、導電率、材料、誘電性等)を多く有していてもよい。
電磁障害軽減装置の一実施形態では、装置が低値抵抗器116をさらに有している。この低値抵抗器116は、例えば、100オーム未満である。特定の実施形態においては、抵抗値が低くなるにつれて低周波導電の振幅が高くなり、かつ/または、抵抗値が高くなるにつれて放射エミッションの量が増加する。一実施形態では、抵抗値は例えば約56オームである。別の実施形態においては、低値抵抗器116が100オームよりも高い。一実施形態では、低値抵抗器116は、少なくとも電源106ならびに接地および/または電源コード108に直列に接続される。別の実施形態においては、低値抵抗器116が少なくとも電源106ならびに接地および/または電源コード108に並列に接続される。
さらに別の実施形態においては、電磁障害軽減装置100が複数の低値抵抗器116を備えている。このような代替実施形態では、複数の低値抵抗器116は、少なくとも電源106ならびに接地および/または電源コード108に直列または並列に接続される。一実施形態では、低値抵抗器116は可変抵抗器である。このような実施形態では、低値抵抗器116は、ユーザによって容易に調整可能である。
電磁障害軽減装置100は、被試験デバイスのAC電源コード108に沿って、100Khz~30Mhzの伝導電磁障害周波数に対して抑制を行うように構成できる。図3を参照して、電磁障害エミッションは、装置100のAC電源コード108をラインインピーダンス安定化ネットワーク304に接続し、ラインインピーダンス安定化ネットワーク304をさらにスペクトルアナライザ302と接続することによって測定できる。ラインインピーダンス安定化ネットワーク304は、主電源306に接続されている。しかし、別の実施形態においては、他の方法および/または構成要素を用いて伝導電磁障害エミッションが測定される。
本開示の発明の代替的な実施形態においては、100Khz~30Mhzの範囲外の伝導電磁障害の抑制を行う。さらに別の実施形態では、装置100は、AC電源コード108以外の構成要素に沿って移動する伝導電磁障害エミッションを抑制する。例えば、このような実施形態では、電磁障害軽減装置100は、周辺デバイスを被試験デバイスに取り付けるコード、被試験デバイスを支持するフレームもしくは構造または被試験デバイスに近接する他の電子機器に沿ったエミッションを抑制するように構成されるが、これらに限定されない。
一実施形態では、電磁障害軽減装置は、電源と、電源コードと、少なくとも電源を包囲する電源筐体とを有している。このような実施形態では、電源を電源コードから物理的に隔離してもよい。しかしながら、電源は、電源コードと(例えば、追加の回路やワイヤ等を介して)導通していてもよい。装置は、低値抵抗器およびコンデンサを有していてもよい。低値抵抗器は、少なくとも電源コードおよび電源と導通しており、コンデンサは、電源筐体と装置筐体との間に配置される。一実施形態では、装置筐体が電源筐体を包囲し、装置筐体は電源筐体から離れて配置され、コンデンサは装置筐体と電源筐体とによって形成される。低値抵抗器は、電源および電源コードと直列に配置される。
さらに別の実施形態では、装置は第1のxコンデンサおよび第2のxコンデンサを有し、第1のxコンデンサおよび第2のxコンデンサは電源筐体内に配置される。コンデンサは、電源から放出される低周波を低減するように構成されたハイパスフィルタとして構成してもよい。電源筐体はコンデンサの第1のプレートを形成し、装置筐体はコンデンサの第2のプレートを形成する。さらに別の実施形態では、誘電材料が第1のプレートと第2のプレートとの間に配置される。また、2枚のプレートは互いから距離をあけて配置されており、その距離は1.397~1.778mm(0.055~0.070インチ)である。しかしながら、距離は、他の任意の適切な値であってもよい。一実施形態では、低値抵抗器の抵抗値は100オーム未満である。別の実施形態では、電源コードは電源にAC90~264Vを入力し、電源は最大15.6アンペアでDC48Vを出力する。
上記実施形態に関連して本発明を説明したが、多くの代替例、修正例および変形例が可能であることは、上記の説明から当業者には明らかであろう。したがって、上記の本発明の実施形態は、限定的ではなく例示を意図したものである。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。

Claims (9)

  1. 電磁障害軽減装置であって、
    電源と、
    電源コードと、
    少なくとも前記電源を包囲しているとともに、前記電源コードから物理的に隔離されている電源筐体と、
    少なくとも前記電源コードおよび前記電源と導通している低値抵抗器と、
    前記電源筐体と装置筐体との間に配置されたコンデンサと、を備え、
    前記装置筐体は前記電源筐体を包囲しており、
    前記装置筐体は、前記電源筐体から距離をあけて配置されており、
    前記コンデンサは、前記装置筐体および前記電源筐体によって形成されている、電磁障害軽減装置。
  2. 前記低値抵抗器が、前記電源および前記電源コードと直列に配置されている、請求項1に記載の電磁障害軽減装置。
  3. 第1のxコンデンサおよび第2のxコンデンサをさらに備え、前記第1のxコンデンサおよび前記第2のxコンデンサが前記電源筐体内に配置されている、請求項1に記載の電磁障害軽減装置。
  4. 前記コンデンサが、前記電源から放出される低周波を低減させるように構成されたハイパスフィルタとして機能する、請求項1に記載の電磁障害軽減装置。
  5. 前記電源筐体が前記コンデンサの第1のプレートを形成しており、前記装置筐体が前記コンデンサの第2のプレートを形成している、請求項1に記載の電磁障害軽減装置。
  6. 前記第1のプレートと前記第2のプレートとの間に誘電材料が配置されている、請求項5に記載の電磁障害軽減装置。
  7. 前記距離が1.397~1.778mm(0.055~0.070インチ)である、請求項6に記載の電磁障害軽減装置。
  8. 前記低値抵抗器の抵抗値が100オーム未満である、請求項7に記載の電磁障害軽減装置。
  9. 前記電源コードが前記電源にAC90~264Vを入力し、前記電源が最大15.6アンペアでDC48Vを出力する、請求項8に記載の電磁障害軽減装置。
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