JP3831127B2 - 交流電力波形中のノイズを除去する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力波形中のノイズ（寄生波）を除去する装置に関するものであって、例えば１００Ｖの商業交流電力源から供給される正弦波であるべき交流波形に、例えばホワイト・ノイズ又は電磁干渉による寄生波ノイズが重畳され、その結果、そのような交流電力源から電力の供給を受ける電磁機器（電子機器を含む）に対して悪影響を与えるのを防止するための装置に関するものである。更に具体的には、電気機器内の個々の機能回路に挿入するのではなく、電源有力回路に接続することにより、当該電子機器全体に対して総括的に働かせるための装置である。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、個々の機能回路に対して、Ｌ、Ｃ、Ｒの時定数で決定される特定の周波数に同調して、接地へのバイパス機能、又は電流素子機能を与えることによる濾波器などが用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のこの種の装置においては、容量性インピーダンス又は誘導性インピーダンスを利用するので、どうしても周波数選択性を生じ、全周波数帯域に対して均一な効果を期待することができず、電磁干渉ノイズの悪影響はある程度回避できたが完全ではなかった。ホワイト・ノイズに至っては、満足すべき結果が得られていなかった。
つまり、交流電源からの不特定かつ不安定な周波数スペクトルを有するノイズ又は干渉波により齎される、音響機器の場合は音声の歪み、映像機器の場合は画像又は色相の乱れ、などを回避することができなかった。
【０００４】
また、電磁機器内には、コイルの他にトランス、抵抗器、コンデンサー、半導体素子などの電気、電子部品が多数接続内蔵されており、上記定在波雑音を含む出力電流は、これら部品のもつインダクタンス、コンダクタンス、キャパシタンスなどの成分や熱雑音、散乱などの材料物性的な成分の影響を受けて、更に電流の０レベル付近における定在波雑音を助長する結果となっている。
【０００５】
これらの定在波雑音は本来、入力信号に忠実であるべき正規の出力信号に重畳され、入力側の信号を忠実に変換することができないのが実状である。従来のこのような電磁機器は、入力信号の音響、映像、データ記録などへの変換を不正確かつ不明瞭なものとし、これらの科学性、芸術性を喪失させ、あるいは人の視聴覚神経をいたずらに刺激し、社会環境、芸術文化、精神衛生及び科学技術上、極めて大きな悪影響を及ぼしている。これをこのまま放置することは、社会的にみて容認することのできない重大な問題である。
【０００６】
本発明は、この問題を解決することと、単にこの問題を解決するばかりでなくて、装置メーカーがそのような配慮を施さずに製造して出荷した電磁機器に対しても、電源入力回路に接続するだけで、末端のユーザが任意かつ容易に後付け可能な装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、特許第２７３１４５６号特許公報に開示された発明の特許権者の一人である。その発明に係る「弱電回路」内の機能回路に個別的に接続される音質改善用のＰＮ接合素子（サーモモジュール）の特性に着目して、これを「強電回路」の電源回路に総括的に適用して上記の課題の解決手段とする。
【０００８】
上記のＰＮ接合素子は、ペルチェ効果により温度差を作り、ゼーペック効果により熱電流を発生させるものであって、上記特許の請求項１を参照して説明すると、下記のとおりのものである。
【０００９】
図６において、熱電能を有する半導体のＰ形材料部６２及びＮ形材料部６３を接合部６４で接合してなる接合対と、上記接合部とは反対側の夫々の材料の電極部６５及び６６とよりなる素子６１であって、Ｐ形材料部６２及びＮ形材料部６３間に第一方向の電流が流れるとき、上記接合部６４にペルチェ発熱を生じると共に両電極部６５及び６６にペルチェ吸熱を生じ、上記発熱及び吸熱による過渡的温度差ΔＴｔがゼーペック効果により過渡的な第一極性の逆起電力を接合部６４と両電極部６５及び６６との間に発生し、上記第一方向とは反対の第二方向に電流が流れるとき、上記の過渡的な温度差ΔＴｔを逆転させることにより反対の第二極性の逆起電力を両電極部６５及び６６間に発生するようにしたことにより、ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生させ定在波雑音の原因となる逆電磁気誘導電流を抑制しうる電磁気回路信号波形の改善素子。
【００１０】
図６に示す上記の音質改善ＰＮ接合素子６１は、導電形の異なるｐ形材料６２及びｎ形材料６３の接合対よりなり、接合部６４と反対側の材料端面６５、６６は、電極端子としてリード線６７、６８が接続され、それぞれ接合境界層を形成している。図６（ａ）は、バルク状材料を接合した音質改善素子。図６（ｂ）は、薄膜又は厚膜状材料を接合した音質改善素子。図６（ｃ）は、バルク状材料を接合金属片６９を用いてΠ形に接合した音質改善素子である。
【００１１】
ここでＰ形材料の絶対熱電能を「αＰ」とし、Ｎ形材料の絶対熱電能を「αＮ」とすると、これら両材料同士の接合対の相対熱電能αＲは、両材料の絶対熱電能の差（αＰ−αＮ）であると定義づけされる。図１に示す接合素子６１に、例えばＰ形６２よりＮ形６３に電流が流れると、接合部４には素子６１の相対熱電能αＲ＝αＰ−αＮ、電流Ｉ及び接合部６４の絶対温度Ｔに比例したペルチェ発熱αＲ・Ｉ・Ｔを生じ、両電極部６５、６６には、それぞれ素子６１の相対熱電能αＲ電流Ｉ及び電極部６５、６６の絶対温度Ｔに比例したペルチェ吸熱（αＰ−αＣｕ）・Ｉ・Ｔ及び（αＣｕ−αＮ）・Ｉ・Ｔを生じるので、それらのペルチェ吸熱の合計値としてαＲ・Ｉ・Ｔを生じる。その結果、接合部６４は温度上昇し、両電極部６５、６６は温度降下し、接合部６４と電極部６５又は６６（６５と６６の温度は同じ）との間に温度差ΔＴを生じる。その温度差ΔＴは、素子の電気抵抗Ｒによるジュール熱Ｉ²Ｒと熱抵抗の逆数である熱コンダクタンスＫによる熱貫流ＫΔＴの影響を受けて過渡的に変化する。
【００１２】
しかし、電流の急激な変化に対しては、ジュール熱と熱貫流の影響は極めて少なく、その温度差ΔＴは、主としてペルチェ吸熱及び発熱によって、極めて敏速かつ過渡的に変化し、接合部６４の温度がＴｈ、両電極部６５、６６の温度がいずれもＴｃとなった時点で、両電極部６５、６６の間には温度差がないにも拘らず、接合部６４と両電極部６５、６６の間には、過渡的温度差ΔＴｔ＝Ｔｈ−Ｔｃを生じる。
【００１３】
発生したこの過渡的温度差ΔＴｔは、ゼーペック効果により素子の相対熱電能αＲに比例した過渡的な逆起電力αＲΔＴを接合部６４と両電極間６５、６６との間に与える。Ｐ形６２よりＮ形６３へ過渡的電流が流れる場合、電極６５はプラス、電極６６はマイナスの極性をもつ。素子に流れる電流の向きが逆転すると、接合部温度と両電極部の温度及び電極の極性が逆になる。
【００１４】
これらペルチェ吸、発熱及びゼーペック逆起電力は素子の接合部６４及び両電極６５、６６の接合境界層における電子の極めて敏捷な挙動によって生じるものであるから、これが電磁気装置のコイル回路に流れる電流方向の急激な反転時にコイルのインダクタンス成分によって、出力電流の０点付近に発生し、定在波雑音の原因となる逆電磁気誘導電流を速やかに抑制し、出力信号を正規な波形に保ち、著しい改善を齎すものである。
【００１５】
導電形の異なる材料としては、表１に見られるように、金属及び化合物の絶対熱電能が計測され、その大きさの順に熱電系列として示されていて、正及び負の絶対熱電能の大きな材料が存在する。好適な材料としては、熱電半導体材料が挙げられる。この材料は、使用する温度領域において絶対熱電能αと導電率σが大きく熱伝導率κが低いもので、同一電流に対する温度差ΔＴ₁の発生及び逆起電力αΔＴの発生の効果が大きい。ｚ＝α²σ／κは、一般に熱電材料の性能指数と呼ばれ、この値の大きな材料を用いた接合素子が良質の音質改善素子とみなされる。
【００１６】
このように音質改善素子として認識されていた素子に用いる材料の例を、更に具体的に述べれば、現時点においては常温付近において性能指数ｚ（５行前の式を参照）の大きいビスマス・テルル系材料がある。
【００１７】
ｐ形材料の例としては、（Ｓｂ₂Ｔｅ₃)_A(Ｂｉ₂Ｔｅ₃)_B(Ｓｂ₂Ｓｅ₃)_c、ただしＡ＝７０〜７２、Ｂ＝２３〜２７、Ｃ＝３〜５にＴｅをドナーとして添加したものがある。ｎ形材料の例としては、（Ｂｉ₂Ｔｅ₃)_D(Ｓｂ₂Ｔｅ₃)_E(Ｂｉ₂Ｓｅ₃)_F、ただしＤ＝９０〜９８、Ｅ＝０〜５０、Ｆ＝２〜５にＳｂＩ₃、ＨｇＢｒ₂のような金属ハロゲン化物をドナーとして添加したものがある。
【００１８】
このような材料で構成した前記のＰＮ接合素子を、たとえばＴＶの水平又は垂直偏向回路に場合の例を図７に示す。図７の（ａ）は正規の「のこぎり」波を示し、（ｂ）は定在波ノイズが重畳された不規則な「のこぎり」波を示す。後者が画像の質を悪化させるが、前記のＰＮ接合素子を回路中に直列接続することにより、正規の「のこぎり」波（ａ）に復帰させる効果が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
たとえば、東京電力が需要者へ供給している５０Hzの周波数を有する交流電流は、１／１００秒ごとに、その流れの方向が変化する。電流を構成する電子粒の流れは、電子粒が質量を有し、したがって、慣性を有することから、そのような１／１００秒ごとの方向転換に即応できずに（急には止まれなくて）互いにぶつかり合って、電子がカオスの状態となる。この状態がホワイト・ノイズを発生させる。
【００２０】
本発明は、電子がカオスの状態となって電子同士が衝突することも防止するようにしたことと、このような着眼点を例えば家庭用のオーディオ機器、ＴＶ等の画像表示機器の内部構造に手お触れることなく、その電源である商業交流電力の供給を受ける段階で、課題解決に結びつけて実現するために、「ペルチェ効果により温度差を作り、ゼーペック効果により熱電流を発生させる」特徴を有する、ノイズ低減素子を採用したこととに、格別な意義を有する。
【００２１】
【実施例】
本発明は多相交流、例えば三相交流の電源回路でも同様に実施可能であるが、以下に単相交流１００Ｖの電源回路を実施例として示す。日本国内の商業交流電力は通常１００Ｖで供給されるが、動力電源用の２００Ｖ、又は外国の２２０Ｖ以上の電圧に適合させるように設計変更可能である。耐電圧を考慮して回路設計すれば、電圧の上限はなく、配電回路の高電圧又は、送電回路の超高電圧にも対応可能である。ダイオード及びＰＮ接合素子の電流容量を目標値に合わせて選択すれば、高電流即ち、高電力容量のものに設計変更することが可能である。
【００２２】
図１に示す基本回路においては、交流入力（ＩＮ）及び出力（ＯＵＴ）間の２本のラインＬ及びＲ（注：単相交流の場合を例示するが、三相交流の場合は３本のラインとなる）を、それぞれ並列接続された分岐ラインａ及び分岐ラインｂに分割し、分岐ラインａはダイオードｄａと、ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生しうるＰＮ接合素子ｔａとを直列接続してなる順方向電流路Ｃ−ａ−ｄａ−ｔａ−Ｄを形成し、分岐ラインｂはダイオードｄｂと、前記ＰＮ接合素子ｔａとを直列接続してなる逆方向電流路Ｃ−ｂ−ｄｂ−ｔｂ−Ｄを形成する。つまり、ラインａのＰＮ接合素子ｔａは、ダイオードｄａによって整流された直流電流が流れたとき、接合部が冷却される方向に接続される。
【００２３】
ラインｂも同様の回路構成にして、本回路の（ＯＵＴ）に負荷である機器を接続する。本器の使用時にはＰＮ接合素子ｔａに半波整流による脈流電流が一定方向で流れペルチェ効果により接合部が冷却され発生した温度差によってゼーペック効果により熱発電器となり入力側より入ったノイズを内在させた電流が熱発電子流群に変えられ圧送される。
【００２４】
図１は、ラインＬ及びラインＲの２本のラインをそれぞれ分岐ラインａ、ｂに分割してダイオード及びＰＮ接合素子の直列接続回路を形成させた状態を図示したが、ラインＬ又はラインＲの２本のラインの内の何れか１本のラインのみを分岐ラインとし、残りのラインは通常の状態（つまり、上記の直列接続回路を形成させない状態）に残してもよい。
【００２５】
図２は、図１の回路の出力側にＮＰ方向を逆方向に接続ループ状に入れたもので、この動作は２個の素子で一方の接合部が冷却に他方は加熱になり、そして熱電池がショートされたことになるため大きな電流がこのループ内に生じている。このループ内の電流は（ＯＵＴ）に接続した機器の負荷変動に応じて電子群を送りグランドに圧送する。また機器側から反射波が出た場合は吸収する。
【００２６】
図３は、図２の回路のダイオードの手前、つまり入力側にもＰＮ接合素子ｔａを入れたものである。３７型テレビでの実験では、図１の回路では画質、音質とも使用前より良くなった。図２の回路では図１のものより良好、図３は更に良くなった。図４の（ＩＮ）ラインに逆接続したループ状ノイズ除去素子を入れると更に良くなった。
【００２７】
図６は、拡大して示されており、素子の実寸はこれよりもかなり小さい。例えば、電流容量１０アンペアの素子の寸法（縦×横×長さ）は、おおよそ２mm×２mm×３mm程度、電流容量５０アンペアの素子でも、おおよそ５mm×５mm×３mm程度のものであり、断面積はほぼ電流量に比例し、長さは３mm程度である。
【００２８】
音響機器、映像機器などの電子機器の作動電源として、例えば１００Ｖの商業交流電源を使用するユーザが、容易に接続して使用できるように構成した、延長差込みプラグコード５２付きコンセント５１の一例を図５（ａ）に、壁コンセント差込みプラグ５３付きコンセント５４の一例を図５（ｂ）にそれぞれ示す。図５に示す筐体内に図１〜３に示す電気回路が組み込まれる。
他の実施態様として、例えばヒューズ・ボックス内で、１本のラインと電流遮断器の１つの端子との間に接続しうるように設計すること、又はヒューズ・ボックス内で使用されるヒューズの規格に適合し且つ本来のヒューズと共に差し替え可能な形状、寸法で設計すること、も可能である。
【００２９】
【発明の効果】
ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生しうるＰＮ接合素子は、本来オーディオ音声出力回路、ビデオ画像出力回路などの機能回路内に、設計・製造段階で取付けると格別なノイズ除去効果が得られることが分かっている。
たとえば、図７に示すＴＶの水平又は垂直偏向回路に前記のＰＮ接合素子を挿入した場合に、図７（ｂ）のように定在波ノイズが重畳された不規則な「のこぎり」波が画像の質を悪化させていたのが、正規の「のこぎり」波（ａ）に復帰させる効果が得られることが分かっている。
【００３０】
しかし、そのような配慮がなされていない電磁機器と交流電力供給源との間に、ユーザが選択的に容易に挿入可能なアタッチメント装置化したことにより、この装置を介して例えばＴＶに交流電力を供給するだけで、ご使用のテレビが自然派テレビに大変身し、「人間の目にも耳にも優しいテレビ」になる。つまり、商業交流電力源の中で発生するノイズ性乱流を除きテレビの画面の蛍光色と静電気を大幅に減少させノイジーな音を耳当たりの良い音質に変える効果がある。
回路構成を図１に示すものから、図４に示すものへと多重化するにつれて、効果が更に上昇する。とりわけ効果が著しいＴＶ画面上の映像を例示すると、下記のとおりである。
【００３１】
▲１▼ 自然光による映像（水、山、草、花）
▲２▼ 人間の顔
▲３▼ 変化の早いスポーツ（野球、相撲、フィギアースケート）
▲４▼ ファッション（色彩艶かなもの）
▲５▼ グルメ（同上）
▲６▼ ＶＴＲによる映画
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の第１の実施例を示す回路構成図。
【図２】本発明の装置の第２の実施例を示す回路構成図。
【図３】本発明の装置の第３の実施例を示す回路構成図。
【図４】本発明の装置の第４の実施例を示す回路構成図。
【図５】（ａ）は本発明を実施した延長コード付き電源コンセントを示す図、（ｂ）は壁コンセントに直接的にプラグインして使用する差込型電源コンセントを示す図。
【図６】本発明が利用するＰＮ接合素子の構成を示す図であって、（ａ）はバルク状材料を接合した素子、（ｂ）は薄膜・厚膜状材料を接合した素子、（ｃ）はバルク状材料を接合金属片でΠ形に接合した素子の構造を示す図。
【図７】電子画像表示装置の、水平偏向又は垂直偏向「のこぎり」波形を示す図であって、（ａ）は正規の「のこぎり」波形、（ｂ）は定在波雑音が重畳された不規則な「のこぎり」波形を示す図。
【符号の説明】
ａ 分岐ラインａ
ｂ 分岐ラインｂ
ｄａ ダイオード
ｔａ ＰＮ接合素子
５１ 延長差込みプラグコード付きコンセント
５４ 壁コンセント差込みプラグ付きコンセント
６２ Ｐ形材料部
６３ Ｎ形材料部
６４ 接合部

Claims (7)

1. 交流電力波形中のノイズを除去するため交流電力源と交流電磁機器の電源入力との間に接続する装置であって、
   交流電力源の各相のライン（例えばＬ、Ｒ）の内の少なくとも１本のラインを並列接続された分岐ラインａ及び分岐ラインｂに分割し、
   前記並列接続された分岐ラインａが、ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生しうる１個のＰＮ接合素子ｔａ及び１個のダイオードｄａの直列接続回路を構成し、
   前記並列接続された分岐ラインｂは、ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生しうる１個のＰＮ接合素子ｔｂ及び１個のダイオードｄｂが前記分岐ラインａとは逆極性の直列接続回路を結成し、
   前記並列接続された分岐ラインａ及びｂは、入力側接続点Ｃ又はＥと、出力側接続点Ｄ又はＦで接続されて電流の環流ループを形成するようにし、
   交流電力入力端（ＩＮ）に、入力コネクタ、差込みプラグ又は電源コード付き差込みプラグを設け、
   交流電力出力端（ＯＵＴ）に、出力コネクタ、コンセント又は延長コード付きコンセントを設けてなることを特徴とする交流電力波形中のノイズを除去する装置。
2. 前記並列接続された分岐ラインａ及びｂの出力側接続点Ｄ又はＦと出力（ＯＵＴ）の端子との間に、逆並列接続された前記ＰＮ接合素子ｔａ２、ｔｂ２をそれぞれ直列接続したことを特徴とする、請求項１記載の交流電力波形中のノイズを除去する装置。
3. 前記各分岐ラインａの入力側に位置するダイオードの陽極と入力（ＩＮ）の端子との間に、前記ＰＮ接合素子ｔａ３を順方向に直列接続し、前記各分岐ラインｂの入力側に位置するダイオードｄｂの陰極と入力（ＩＮ）の端子との間に前記ＰＮ接合素子ｔａ３を逆向きにしたＰＮ接合素子ｔｂ３を直列接続したことを特徴とする、請求項２記載の交流電力波形中のノイズを除去する装置。
4. 前記ラインの前記ＰＮ接合素子ｔａ３とｔｂ３の入力側接続点Ｇ又はＨと入力（ＩＮ）との間に逆並列接続された前記ＰＮ接合素子ｔａ４、ｔｂ４をそれぞれ直列接続したことを特徴とする、請求項３記載の交流電力波形中のノイズを除去する装置。
5. 前記交流電力源の各相のラインの内の少なくとも１本のラインの前記入力端子から出力端子に至る回路を電気的に絶縁されたケースに収納してなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項記載の交流電力波形中のノイズを除去する装置。
6. 入力交流電力が三相交流である場合には、前記交流の入力線が３本のラインよりなり、各ラインの回路構成が前記請求項１乃至４のいずれか１項記載の交流電力波形中のノイズを除去する装置。
7. 前記ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生しうるＰＮ接合素子として、熱電能を有する半導体のＰ形材料部２及びＮ形材料部３を接合部４で接合してなる接合対と、上記接合部とは反対側の夫々の材料の電極部５及び６とよりなる素子１であって、Ｐ形材料部２及びＮ形材料部３間に第一方向の電流が流れるとき、上記接合部４にペルチェ発熱を生じると共に両電極部５及び６にペルチェ吸熱を生じ、上記発熱及び吸熱による過渡的温度差ΔＴｔがゼーペック効果により過渡的な第一極性の逆起電力を接合部４と両電極部５及び６との間に発生し、上記第一方向とは反対の第二方向に電流が流れるとき、上記の過渡的な温度差ΔＴｔを逆転させることにより反対の第二極性の逆起電力を両電極部５及び６間に発生するようにしたことにより、ペルチェ効果及びゼーペック効果を同一素子内で発生しうる電気波形の改善素子を利用することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項記載の交流電力波形中のノイズを除去する装置。

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