JP6231466B2 - ノイズキャンセラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響機器及び電子機器のアース電位を安定させ、グランドノイズを除去するグランドスタビライザーなどのノイズキャンセラ装置に関する。

従来のノイズキャンセラ装置として、例えば特許文献１には、ファントム電源方式で電源供給を行なうコンデンサマイクロホンの出力コネクタに、外付けで装着されるノイズ除去装置が開示されている。このノイズ除去装置は、プリント基板の表面に形成したベタパターンによりコンデンサ成分を生成する一方で、プリント基板の両外側に設けた磁性体シートによりインダクタンス成分を生成するもので、外来の輻射ノイズを効果的に減衰させるフィルタとして機能することができる。

特開２０１２−６０２７６号公報

上記特許文献１の技術は、ノイズ除去装置のフィルタ特性を利用して、信号ラインに重畳したノイズをグランドに落として、必要な信号成分だけを信号ラインに残すものである。しかし、ノイズ除去装置で分離されたノイズは、アースを経由して再び機器の信号ラインに重畳することから、持続的にアース電位を手軽に安定化させ、グランドノイズを除去する装置の開発が望まれていた。

そこで本発明は、アース電位を持続的に安定化させ、グランドノイズを効果的に除去できるノイズキャンセラ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、電極板を備えた半導体シートを金属箔で包んだシート組立体を、金属板の間に挟み込んで複数重ねた積層ユニットと、前記金属板に接続され、被接続機器のアース端子からの電気エネルギーを前記積層ユニットに導く接続部と、前記電極板と前記金属板との間に接続され、前記シート組立体からのノイズ成分の位相を回転させて、前記積層ユニットに戻す位相回転回路と、を備え、前記半導体シートは、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消費する材料で構成することを特徴とする。

請求項２の発明は、前記半導体シートが、振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消費する制振材料であることを特徴とする。

請求項１の発明では、被接続機器のアース端子から金属板を通してシート組立体への電流の流れが形成されるので、シート組立体に導かれた電気エネルギーを、半導体シートによって熱エネルギーに変換して効率的に消費することができる。また、金属箔となる銀箔４７と銅箔４８で包んだ半導体シートに電極板４２を備えることで、アースよりノイズ電流を分離する検波用のダイオードが形成され、その分離したノイズ電流が位相回転回路を経て積層ユニットで打ち消されるので、被接続機器のアース電位を持続的に安定化させ、グランドノイズを効果的に除去することが可能になる。

請求項２の発明では、半導体シートとして、商品化されている各種の制振材料を利用して、被接続機器のアース電位を持続的且つ手軽に安定化させることが可能になる。

本発明の好ましい一実施形態におけるノイズキャンセラ装置について、その外観構成を示す斜視図である。 同上、内部構造を示す積層ユニットの平面図である。 同上、図２のＡ−Ａ線断面図である。 同上、シート体を得るまでの手順を示す図である。 同上、シート体の両側に銀箔と銅箔を設けた状態の図である。 同上、シート体を銀箔と銅箔で包んだシート組立体を示す図である。 同上、積層体の主な構成要素を積層した状態を示す図である。 同上、下ケースに完成した積層体と回路ユニットを装着した状態を示す図である。 同上、積層体とアース端子とを接続した状態を示す図である。 同上、積層ユニットと位相回転回路との接続を含めた電気的構成を示す回路図である。 同上、音響機器のアース端子に接続した使用状態を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明におけるノイズキャンセラ装置の好適な実施形態について説明する。

先ず図１において、ノイズキャンセラ装置の外観構成を説明すると、１は装置の外郭をなす筐体、２は筐体１の正面に設けた導電部材からなるアース端子で、本実施形態では３個のアース端子２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えている。筐体１は扁平状で、正面から見てＵ字状に形成された上ケース４および下ケース５と、何れも長円形板状の前蓋６と後蓋７とにより構成される。そして、上ケース４と下ケース５の左右端部を突き合わせて係合することで、前後を開口した中空の筒状体が形成され、この筒状体の前部開口を塞ぐように、アース端子２の端子台となる前蓋６を設ける一方で、筒状体の後部開口を塞ぐように、前蓋６に対向して別な後蓋７を設けることで、筐体１に密閉した内部空間８が形成される。なお、装置の外観形状や、アース端子２の個数などは、図１に示すものに限定されない。

次に、図２と図３を参照しながら、ノイズキャンセラ装置の内部構成を説明する。これらの各図において、１１は筐体１の内部空間８に設けられる積層ユニットである。積層ユニット１１は、正面から見て略矩形状の積層体１２と、この積層体１２の一側に設けられ、前記アース端子２に接続するアース配線体１３とにより構成される。本実施形態では、各アース端子２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対応して、３個のアース配線体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが並設されるが、この個数も特に限定されない。

積層体１２は、積層された複数のシート組立体２１の間に、銀板および銅板などの第１金属板２２を挟み込んだ矩形平板状のアースエレメント２３と、アースエレメント２３の一側平面と他側平面にそれぞれ配置される矩形平板状でアルミニウム製の第２金属板２４と、を主な構成要素とする。また積層体１２には、２枚の第２金属板２４の間にアースエレメント２３を狭着させるために、第２金属板２４の四隅に４個の締結部材２５が設けられる他に、第２金属板２４の略中央にアースエレメント２３との導通を図る接続端子２６が設けられる。シート組立体２１は、複数の第１金属板２２の間に挟まれて加圧される第１シート組立体２１Ａと、外側の第１金属板２２と第２金属板２４との間に挟まれて加圧される第２シート組立体２１Ｂの２種類で構成され、第１シート組立体２１Ａと第１金属板２２は、アース配線体１３の取付けを可能にする取付け部２７が延設される一方で、第２シート組立体２１Ｂと第２金属板２４は、そうした取付け部２７を設けない構成となっている。

アース配線体１３は、取付け部２７に設けられる接続端子３１と、前述のアース端子２と接続端子３１との間に設けられる圧着端子付きのケーブル３２と、により構成される。接続端子２６，３１やシート組立体２１の外郭部材は、何れも金属などの導体であり、ケーブル３２をアース端子２と接続端子３１との間に連結することで、アース端子２とシート組立体２１との間の電気的な接続が図られる。

図４〜図９は、ノイズキャンセラ装置の組立工程を順に示したものである。これらの各図に基づいて、ノイズキャンセラ装置の構成をより詳しく説明する。

図４は、アースエレメント２３の構成部材として、リード線４１の一端を接続した銅製の電極板４２と、第１制振シート４３と、第２制振シート４４が右側に示されている。また同図左側には、これらの各部材を組み立てた後のシート体４５が示されており、ここでは第１制振シート４３の一側表面に載せた電極板４２が、別な第２制振シート４４で覆い被されており、また締結部材２５や接続端子２６，３１を取付けるための挿通孔４６が開口形成されている。第１制振シート４３は、平面視でアースエレメント２３とほぼ同形状を有する一方で、第２制振シート４４は平面視で第１制振シート４３よりも小さく、電極板４２よりも若干大きな形状に形成される。

半導体シートとなる第１制振シート４３や第２制振シート４４は、何れも音響機器や電子機器から発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、最終的に熱エネルギーに変換する制振材料が用いられる。この材料は、高分子内に導電性，圧電性，誘電性をもつ機能性材料を分散させた有機系の高分子ハイブリッド系制振材料であり、木曽興業株式会社製の「ＰＩＥＺＯＮシート」という名前で既に商品化されている（詳しくは、例えば特開２０１３−２２８０９７号公報などを参照されたい）。本実施形態で第１制振シート４３として選択使用されたのは、木曽興業株式会社製の音質調整材ｆｏ．ｑ 商品名「ＳＨ−２１Ｅ」であり、第２制振シート４４として選択使用されたのは、木曽興業株式会社製の音質調整材ｆｏ．ｑ 商品名「ＴＡ−３２」である。

第１制振シート４３を第２制振シート４４に貼り合せて、電極板４２を被包したシート体４５が得られたら、図５に示すように、第２制振シート４４を貼り合せていない第１制振シート４３の一側面に銀箔４７を載せ、その状態で第１制振シート４３の他側面から、別な銅箔４８で銀箔４７付きのシート体４５を包む。これにより図６に示すように、銀箔４７と銅箔４８でシート体４５を被包したシート組立体２１が得られる。

銀箔４７は平面視で第１制振シート４３とほぼ同形状を有するが、銅箔４８は平面視で第１制振シート４３よりも大きな形状を有し、そこから第１制振シート４３とほぼ同形状に折り返される。これらの銀箔４７や銅箔４８は、導電性の良好な金属（例えば金など）部材であれば構わない。また、本実施形態のような異なる２種類の金属部材ではなく、１種類の金属部材だけでシート体４５を包んでもよい。銅箔４７や銅箔４８などの金属箔をシート体４５に包むことで、半導体シートである第１制振シート４３や第２制振シート４４と金属箔との接触により、シート組立体２１を恰も整流ダイオードとして作用させることができる。

こうしたシート組立体２１の製造により、取付け部２７の有無で外形の異なる２種類の第１シート組立体２１Ａと第２シート組立体２１Ｂとを用意する。次に図７に示すように、シート組立体２１と、第１金属板２２と、第２金属板２４とを積層して、積層体１２の組み立てを行なう。ここでは先ず、４枚の第１金属板２２の間に３枚の第１シート組立体２１Ａをそれぞれ挟み込み、その両外平面に別な形状の第２シート組立体２１Ｂをそれぞれ配置して、シート組立体２１と第１金属板２２とを積層したアースエレメント２３を得る。そして、アースエレメント２３の両外平面に、平面視で第２シート組立体２１Ｂと同形状の第２金属板２４を配置することで、積層体１２の主な構成要素を積層する。第１金属板２２や第２金属板２４には、それぞれ挿通孔５０，５１が開口形成されているが、これは前記挿通孔４６と同じ目的で、当該挿通孔４６と重なり合う位置に設けられる。図７に示す状態から、積層体１２に挿通孔４６，５０，５１を介して締結部材２５を取付けて、その主な構成要素を密着固定し、さらに接続端子２６を取付けて、積層体１２としての組み立てを完成させる。

上記アースエレメント２３は、シート組立体２１を５段積み重ねた構成となっているが、これは積層体１２としての機能を高めるためのもので、段数については特に限定されない。また、積層体１２の最外層をなす第２金属板２４は、積層体１２として振動を共振させないために、第１金属板２２とは別な材料の異種金属とするのが好ましい。各々のシート組立体２１は、第１金属板２２を介して相互に導通が図られると共に、積層体１２に接続端子２６を取り付けることで、第１シート組立体２１Ａおよび第２シート組立体２１Ｂと接続端子２６との導通も図られる。

図８は、完成した積層体１２を下ケース５に収容した状態を示している。ここではさらに、前述の接続端子２６を利用して、第２金属板２４の外平面にグランドノイズキャンセリング用の回路ユニット５５が取付け固定される。回路ユニット５５は、各シート組立体２１から引き出されたリード線４１と接続端子２６との間に接続され、樹脂製のケーシング５６の内部に位相回転回路５７（図１０を参照）を備えている。ここでは図示しないが、位相回転回路５７はプリント基板に各種電子部品を実装して構成される。

図９は、完成した積層体１２とアース端子２とを接続した状態を示している。ここでは前蓋６にアース端子２を取付けて、その前蓋６を下ケース５に装着し、積層体１２の取付け部２７において、挿通孔４６，５０を介して取付けられる接続端子３１と、アース端子２の基端部との間を、ケーブル３２で連結する。接続端子３１を取付け部２７に取付けることで、第１シート組立体２１Ａと接続端子３１との導通が図られる。その後、下ケース５に別な後蓋７を装着し、積層体１２とアース配線体１３を含む積層ユニット１１と、回路ユニット５５とを覆うように、上ケース４を下ケース５に被せて装着することで、図１に示すノイズキャンセラ装置の外観が完成する。

図１０は、積層ユニット１１と位相回転回路５７との接続を含めたノイズキャンセラ装置の電気的構成を示している。同図において、位相回転回路５７は、コンデンサＣ１の他に抵抗Ｒ１，Ｒ２を備えた第１回路６１と、コンデンサＣ２，Ｃ３の他に抵抗Ｒ３，Ｒ４を備えた第１回路６２と、コンデンサＣ４，Ｃ５，Ｃ６の他に抵抗Ｒ５，Ｒ６を備えた第３回路６３と、により構成される。

第１回路６１は、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１とによる並列回路の一端に、一方の第２シート組立体２１Ｂの電極板４２から引き出されたリード線４１を接続し、その並列回路の他端と接続端子２６との間に、抵抗Ｒ２を接続して構成される。第２回路６２は、直列接続したコンデンサＣ２，Ｃ３と抵抗Ｒ３とによる並列回路の一端に、各々の第１シート組立体２１Ａの電極板４２から引き出されたリード線４１を接続し、その並列回路の他端と接続端子２６との間に、抵抗Ｒ４を接続して構成される。第３回路６３は、直列接続したコンデンサＣ４，Ｃ５，Ｃ６と抵抗Ｒ５とによる並列回路の一端に、他方の第２シート組立体２１Ｂの電極板４２から引き出されたリード線４１を接続し、その並列回路の他端と接続端子２６との間に、抵抗Ｒ６を接続して構成される。

これにより第１回路６１では、リード線４１を通して流れ込んだノイズ成分の位相が、１個のコンデンサＣ１により９０度回転し、抵抗Ｒ２からアースとなる接続端子３１に戻される。また第２回路６２では、リード線４１を通して流れ込んだノイズ成分の位相が、２個のコンデンサＣ２，Ｃ３により１８０度回転（反転）し、抵抗Ｒ４からアースとなる接続端子３１に戻される。さらに第３回路６３では、リード線４１を通して流れ込んだノイズ成分の位相が、３個のコンデンサＣ４，Ｃ５，Ｃ６により２７０度回転し、抵抗Ｒ６からアースとなる接続端子３１に戻される構成となっている。

位相回転回路５７の構成は、図１０に示すものに限定されない。本実施形態では、３つの第１回路６１〜第３回路６３を組み合わせた構成としているが、第２回路６２だけで構成した位相反転回路としてもよいし、コンデンサＣ１〜Ｃ６や抵抗Ｒ１〜Ｒ６などの受動素子の他に、各種の能動素子を組み込んだ回路構成としてもよい。

図１１は、上記構成におけるノイズキャンセラ装置の使用状態を示しており、ここではアース端子２Ａ，２Ｂ，２Ｃの何れか一つに、外部製品である音響機器Ｍのアース端子Ｅを接続して、ノイズキャンセラ装置を使用する。図１１では、音響機器Ｍのアース端子Ｅが、導線Ｓを用いてアース端子２Ｃに接続されているが、他のアース端子２Ａまたはアース端子２Ｂに接続してもよい。また、別の音響機器や電子機器のアース端子を、残りのアース端子２Ａ，２Ｂに接続してもよい。

これにより、音響機器Ｍのアース端子Ｅから導線Ｓ，アース端子２，アース配線体１３を順に経て、積層体１２に流れ込んだノイズを含む信号成分は、アースエレメント２３のアンテナとなる第１金属板２２を通して各シート組立体２１に伝わり、そこで半導体シート（第１制振シート４３および第２制振シート４４）による電気エネルギーから熱エネルギーへの変換作用によって、信号成分の電位変動が吸収消費される。それと共に、シート組立体２１におけるダイオードの検波作用によって、半導体シートで減衰された信号成分の中からノイズ電流が分離され、回路ユニット５５内の位相回転回路５７に送り出される。

位相回転回路５７では、第１回路６１における１個のコンデンサＣ１が、一方の第２シート組立体２１Ｂで分離されたノイズ電流の位相を９０度回転させ、第２回路６２における２個のコンデンサＣ２，Ｃ３が、各第１シート組立体２１Ａで分離されたノイズ電流の位相を１８０度回転させ、第３回路６３におけるコンデンサＣ４，Ｃ５，Ｃ６が、他方の第２シート組立体２１Ｂで分離されたノイズ電流の位相を２７０度回転させる。これらの位相回転されたノイズ電流は、抵抗Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６を介して位相回転回路５７から接続端子２６に送り出され、第１金属板２２を通して各シート組立体２１に伝わることで、互いに打ち消される。こうして、本実施形態のノイズキャンセラ装置を音響機器Ｍに使用した場合は、アース端子Ｍに発生するグランドノイズを除去し、音響機器Ｍの雑音を小さくして音楽信号を明瞭に再生できる。また、音響機器Ｍ以外の電子機器であっても、グランドノイズの効果的な除去が期待できる。

本実施形態のノイズキャンセラ装置は、半導体シートとなる第１制振シート４３および第２制振シート４４を、銀箔４７や銅箔４８に包んで構成されたシート組立体２１の間に、銀板や銅板による第１金属板２２を挟み込んでアースエレメント２３を形成することで、音響機器Ｍのアース端子Ｅに生じる電位変動を半導体シートに吸収し、これを熱エネルギーに変換消費して、アース電位の安定化を図るものである。つまり、電気伝導率の良い銀や銅の第１金属板２２を使用することで、音響機器Ｍのアース端子Ｅからシート組立体２１への電流の流れを形成し、木曽興業株式会社製の商品名「ＰＩＥＺＯＮシート」として提供される半導体シートを利用して、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して効率的に消費する。

また、金属箔となる銀箔４７と銅箔４８で半導体シートを包み込み、その半導体シートに銅製の電極板４２を備えることで、アースよりノイズ電流を分離する検波用のダイオードを形成する。分離されたノイズ電流は、位相回転回路５７のコンデンサＣ１〜Ｃ６を通してその位相が回転され、抵抗Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６を介してアースエレメント２３に戻されることで、互いに打ち消される。これにより、ノイズキャンセラ装置に接続した音響機器Ｍや電子機器のグランドノイズを効果的に除去できる。

特に、本実施形態で使用した半導体シート（音質調整材ｆｏ．ｑシート）は面状で、その接触抵抗低減効果はナノダイヤ添加銅線よりも大きく、第１金属板２２や第２金属板２４の挟み込みによって、一種の加圧導電ゴムの役割を果たしていると考えられる。加えて、ここで用いる音質調整材は制振動効果が大きく、接触抵抗低減と制振動による二重の効果が、音響機器ＭのＳＮ比が大きく向上した理由と考えられる。実際に、本実施形態で使用したノイズキャンセラ装置は、従来例と比較して音響機器Ｍのノイズ成分を−４０ｄＢから−６０ｄＢへと劇的に改善することができた。

以上のように、本実施形態におけるノイズキャンセラ装置は、電極板４２を備えた半導体シートとしての第１制振シート４３や第２制振シート４４を、金属箔である銀箔４７や銅箔４８で包んだシート組立体２１を、金属板である第１金属板２２や第２金属板２４の間に挟み込んで複数重ねた積層ユニット１１と、第１金属板２２に接続され、被接続機器である音響機器Ｍのアース端子Ｅからの電気エネルギーを積層ユニット１１に導く接続部としてのアース端子２やアース配線体１３と、電極板４２と第２金属板２４との間に接続され、シート組立体２１からのノイズ成分の位相を回転させて、積層ユニット１１に戻す位相回転回路５７と、を備えている。また、第１制振シート４３や第２制振シート４４は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消費する材料で構成される。

この場合、音響機器Ｍのアース端子Ｅから第１金属板２２を通してシート組立体２１への電流の流れが形成されるので、シート組立体２１に導かれた電気エネルギーを、半導体シートによって熱エネルギーに変換して効率的に消費することができる。また、金属箔となる銀箔４７と銅箔４８で包んだ第１制振シート４３や第２制振シート４４に電極板４２を備えることで、アースよりノイズ電流を分離する検波用のダイオードが形成され、その分離したノイズ電流が位相回転回路５７を経て積層ユニット１１で打ち消されるので、音響機器Ｍのアース電位を持続的に安定化させ、グランドノイズを効果的に除去することが可能になる。

また、本実施形態の第１制振シート４３や第２制振シート４４は本来、振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消費する制振材料で構成される。

この場合、シート組立体２１を構成する第１制振シート４３や第２制振シート４４として、商品化されている各種の制振材料を利用して、音響機器Ｍのアース電位を持続的且つ手軽に安定化させることが可能になる。この場合、特に好ましい制振材料は、木曽興業株式会社製の商品名「ＰＩＥＺＯＮシート」として提供される音質調整材ｆｏ．ｑシートであり、接触抵抗低減と制振動による二重の効果が得られる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば実施形態で示した金属は、単体若しくは合金を含むものである。また、接続部となるアース端子２やアース配線体１３の構成なども、図示したものに限定されない。

２ アース端子（接続部）
１３ アース配線体（接続部）
１１ 積層ユニット
２１ シート組立体
２２ 第１金属板（金属板）
２４ 第２金属板（金属板）
４２ 電極板
４３ 第１制振シート（半導体シート）
４４ 第２制振シート（半導体シート）
４７ 銀箔（金属箔）
４８ 銅箔（金属箔）
５７ 位相回転回路
Ｅ アース端子
Ｍ 音響機器（被接続機器）

Claims (2)

1. 電極板を備えた半導体シートを金属箔で包んだシート組立体を、金属板の間に挟み込んで複数重ねた積層ユニットと、
   前記金属板に接続され、被接続機器のアース端子からの電気エネルギーを前記積層ユニットに導く接続部と、
   前記電極板と前記金属板との間に接続され、前記シート組立体からのノイズ成分の位相を回転させて、前記積層ユニットに戻す位相回転回路と、を備え、
   前記半導体シートは、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消費する材料で構成されることを特徴とするノイズキャンセラ装置。
2. 前記半導体シートは、振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消費する制振材料であることを特徴とする請求項１記載のノイズキャンセラ装置。