工学系

2019年10月31日

研究成果のポイント

・電子・電気機器の誤動作や発熱の原因となる電磁ノイズを定量化するための方程式を考案し、電磁ノイズ現象の起源を物理的に解明した。
・電磁ノイズの発生原因を特定することは困難であり、これまで熟練技術者の経験やノウハウをもとに対策が行われてきた。
・電磁ノイズ現象は信号線路の間に生じる干渉だけでなく、それらに接続される電気素子の接続状態によって発生することを理論的に証明した。
・電磁ノイズを最小化するための最適な回路構造を提案することができるようになった。

概要

大阪大学大学院基礎工学研究科大学院生の神野崇馬さん(博士後期課程3年、特別研究員DC2)と木虎秀二さん(博士後期課程3年)、土岐博特任教授(本学名誉教授)、阿部真之教授は、電気・電子回路内に発生する電磁ノイズ現象を定量化するための理論を考案し、その発生メカニズムを解明することで、電磁ノイズが発生しない回路構造を理論的に導出することに成功しました。

本研究成果は、2019年10月21日に国際論文誌「Scientific Reports」(オンライン)に掲載されました。

私たちの身の回りのほとんどの機器は電気で動き、制御されています。電磁ノイズはそれらの内部で発生し、誤動作や温度上昇などの様々な問題を引き起こしています。電気回路は電気を通す導体で構成され、そこに電気を流すことで信号や電力などを送ることができます。それと同時に、回路は周りの導体(環境)と電磁干渉しているため、電磁ノイズが発生しています。電磁干渉は人間の目には見えないため、電磁ノイズの発生原因を特定することは困難であり、それらの対策の多くは熟練技術者の経験やノウハウをもとに施されています。将来、私たちの生活は電気で制御された機器の普及によりますます便利になりますが、それに伴い電磁ノイズによる問題が生じるリスクも大きくなります。よって、電磁ノイズの発生メカニズムを物理的に解明することは、次世代回路設計において非常に重要なことであります。

本研究では、電磁ノイズ現象を記述するために、電気回路を信号の往復路である2本の導線で表し、環境を1本の導線で表した3本線回路を用いました(図1)。その結果、信号を表すノーマルモードと、電磁干渉を表すコモンモードを定式化することができるようになりました。さらに、3本線回路の入力や出力での接続関係を考慮することで、それぞれのモードの振る舞いを表す方程式を導出することができました。その結果、回路と環境の幾何学的な位置関係と、それらに接続される素子との電気的な接続関係によって、コモンモードがノーマルモードに変換され、電磁ノイズが発生することを理論的に証明することに成功しました。

今回の研究成果により、様々な回路の幾何学的構造と電気的接続条件での理論計算ができるようになりました。その結果、電磁ノイズを無くすためには、回路が環境に対して幾何学的に対称な構造を有し、かつ回路と環境が電気的に対称に接続された構造が唯一の解であることを導出することに成功しました(図2)。さらに、今まで目では見えなかった電磁ノイズ現象の振る舞いを定量化し、時間的に追うことができるため、より直感的に現象を理解することができるようになりました。本研究成果によって導出した電磁ノイズ現象の定量化技術は、これまでの経験的なアプローチではなく、理論的アプローチであるため電磁ノイズの原因を根本的に無くすことができる可能性があります。

図1 本研究で用いた電気回路の周りの環境を考慮した3本線回路。
(a):幾何学的非対称構造・電気的非対称接続、(b):幾何学的対称構造・電気的対称接続。

図2 本研究で導出した方程式を用いて導出したコモンモードからノーマルモードへの電磁ノイズ変換率。
電気的対称構造(図1(a))と非対称構造(図1(b))を有するそれぞれの回路の幾何学的構造(d13)を変化させた。変換率の値が大きいほど電磁ノイズの発生量は大きくなり、0の場合は電磁ノイズが発生しない。幾何学的対称かつ電気的対称の場合にのみ電磁ノイズ変換率が0となる。

本研究成果の今後の展開

神野崇馬さんと木虎秀二さん、土岐博特任教授(本学名誉教授)、阿部真之教授は電磁ノイズのないノイズレスインフラを実現し、機器の性能改善だけでない、「超低消費電力」で「超低廃熱」という高付加価値の機器を利用できる社会の実現を目指しています。具体的には、ノイズレスな構造を理論的に明らかにし、「電磁ノイズの革新的低減による低消費電力化にブレークスルーをもたらすことができる」というPOC(Proof Of Concept)の実証を目指しています。本手法が先端技術を汎用技術へと展開し、ノイズレスインフラの考えが、社会的・経済的にインパクトのある事業に育つための指針を得ることに挑戦しています。

ノイズレスインフラの実現に向けた活動を積極的に進め、基礎研究としての電磁ノイズの研究と、社会実装に向けた電磁ノイズが低減される機器に関する応用研究を行いたいと考えています。ノイズレスインフラの考えは社会のあらゆる場面でいろいろなアイデアが出てくることを期待しており、基礎研究の段階から本学共創機構産学共創本部と協力しながら、多くのパートナーを探していきたいと考えています。研究だけでなく知的財産権取得に向けた取り組みを今後も積極的に行います。

研究者のコメント

本論文はこれまでの簡易な物理モデルを用いた電磁ノイズ定量化手法とは全く異なるアプローチをしており、電磁ノイズを純粋な物理現象として解明したいというモチベーションの元に作成しました。今回発表した内容は理論的に電磁ノイズ現象を定量化し、削減する手法となっていますが、今後、本研究手法の妥当性を証明するための実験を行う予定です。その論文ではさらに深い電磁ノイズ現象に関する考察も行っております。さらに、本研究手法の実用化に向けて2次元・3次元における数値計算アルゴリズムも開発しています。(特許出願済み)

特記事項

本研究成果は、2019年10月21日に国際論文誌「Scientific Reports」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:“Mechanism of Common-mode Noise Generation in Multi-conductor Transmission Lines”
著者名:Souma Jinno, Shuji Kitora, Hiroshi Toki, and Masayuki Abe
URL:https://www.nature.com/articles/s41598-019-51259-w

参考URL

大阪大学 大学院基礎工学研究科 附属極限科学センター 阿部研究室
http://www.ae.stec.es.osaka-u.ac.jp/wp/

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