(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄心を用いずスパイラル構造を持つ素子を使用することで、低周波に対応し、数Ａの電流を流せ、軽量かつ小型の可変変圧装置の提供。【解決手段】鉄心を用いないスパイラルインダクタを複数使用して、それらのスパイラルインダクタ２０１、２０３の相対的な位置を変化させることにより、それらのスパイラルインダクタ間の相互インダクタンスを変化させ、軽量で小型であるにも関わらず、低周波において変圧することを可能とし、複数接続して使用、あるいは、スパイラルインダクタの導体面積を増やすことで数アンペアの電流を流すことが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に渦巻状のコイルを形成した入力側の第１のスパイラルインダクタを有する第１の基体と同じく平面上に渦巻状のコイルを形成した出力側の第２のスパイラルインダクタを有する第２の基体とを重ねあわせ、前記第１と第２のスパイラルインダクタの重なった面積が変化するように、前記第１若しくは第２の基体を動かすことにより、前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタの間の相互インダクタンスを変化させ前記第１のスパイラルインダクタに入力した電圧に対する前記第２のスパイラルインダクタからの出力電圧を変動させ出力端子から出力する機構を有する、もしくは出力端子に並列にキャパシタを接続した機構を有することを特徴とする可変変圧装置。
【請求項２】
卵型や扇型にひずんだ形状を持つことを特徴とする、前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタが、共有する軸を中心に導体がまかれている機構を有しており、前記基体のいずれか、及び両方が軸を中心に回転することによって前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタが重なり合った面積を変化させることで、相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有することを特徴とする請求項１記載の可変変圧装置。
【請求項３】
前記第１の基体と前記第２の基体のいずれかが平行移動することにより、前記第 1 のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタの重なった面積を変化させることで、相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有することを特徴とする請求項１記載の可変変圧装置。
【請求項４】
前記第１の基体と前記第２の基体の間の距離を変動させることによって、前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタの間の相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有することを特徴とする請求項１記載の可変変圧装置。
【請求項５】
前記第１の基体と前記第２の基体をそれぞれ複数積層し、相互インダクタンスを変化させることで、入力電圧に対する出力電圧を変動させ、複数の電圧を同時入力、または同時出力を可能とする機構を有することを特徴とする請求項１から４記載の可変変圧装置。
【請求項６】
前記可変変圧装置を複数並列、若しくは直列に接続した機構を有することを特徴とする請求項１から５記載の可変変圧装置。
【請求項７】
前記第１の基体と前記第２の基体を重ね合わせ、重ね合わせた前記基体を覆うために前記基体よりも大きいサイズの磁性体によって前記重ね合わせた基体を上下から挟み込み、前記いずれかの磁性体を回転あるいは平行、及び上下に移動させ前記磁性体と前記重ね合わせた基体の重なる面積を変化させること、あるいは前記重ね合わせた基体と前記いずれかの磁性体の距離を変化させることによって相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有することを特徴とする可変変圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変変圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の変圧装置に使用されるコイルの多くは鉄心に導体を巻きつけた形状であり、特に変圧装置には二重三重に配線が必要となり、より一層大きく、重く、持ち運びが困難であるため、軽量で小型の変圧装置が望まれている。
【０００３】
近年、鉄心を用いないコイルであるスパイラルインダクタの開発が進みつつあり、様々な場面で用いられつつある。これらは、ＩＣ内部において用いられることも多く、ＩＣ内部においてスパイラルインダクタを用いた変圧を行うシステムの研究なども行われている。上記問題の解決策の一つとして、これらの利用が考えられるが、一般的な可変変圧装置の代替えになるような、低周波で使用可能で、少なくとも数アンペアの電流を流せるような変圧装置、特に可変変圧装置の開発は未だ進んでいない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許公開平１０−１２４６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、特許公開平１０−１２４６０に開示された技術では鉄心を使用せず、従来品より小型の変圧装置であるが、可変出来ず高周波にのみ対応しているため、低周波での使用が難しい。
【０００６】
本発明は、以上のような従来の欠点を鑑み、鉄心を用いずスパイラル構造を持つ素子を使用することで、低周波に対応し、数アンペアの電流を流せ、軽量かつ小型の可変変圧装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明は平面上に渦巻状のコイルを形成した入力側の第１のスパイラルインダクタを有する第１の基体と同じく平面上に渦巻状のコイルを形成した出力側の第２のスパイラルインダクタを有する第２の基体とを重ねあわせ、前記第１と第２のスパイラルインダクタの重なった面積が変化するように、前記第１若しくは第２の基体を動かすことにより、前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタの間の相互インダクタンスを変化させ前記第１のスパイラルインダクタに入力した電圧に対する前記第２のスパイラルインダクタからの出力電圧を変動させ出力端子から出力する機構を有する、もしくは出力端子に並列にキャパシタを接続した機構を有する。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の可変変圧装置において、卵型や扇型にひずんだ形状を持つことを特徴とする、前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタが、共有する軸を中心に導体がまかれている機構を有しており、前記基体のいずれか、及び両方が軸を中心に回転することによって前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタが重なり合った面積を変化させることで、相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有する
【０００９】
第３の発明は、第１の発明の可変変圧装置において、前記第１の基体と前記第２の基体のいずれかが平行移動することにより、前記第
1 のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタの重なった面積を変化させることで、相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有する。
【００１０】
第４の発明は、第１から第３の発明の可変変圧装置において、前記第１の基体と前記第２の基体の間の距離を変動させることによって、前記第１のスパイラルインダクタと前記第２のスパイラルインダクタの間の相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有する。
【００１１】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記第１の基体と前記第２の基体をそれぞれ複数積層し、相互インダクタンスを変化させることで、入力電圧に対する出力電圧を変動させ、複数の電圧を同時入力、または同時出力を可能とする機構を有する。
【００１２】
第６の発明は、第１から第５の発明のいずれかを複数並列、若しくは直列に接続した機構を有する。
【００１３】
第７の発明は前記第１の基体と前記第２の基体を重ね合わせ、重ね合わせた前記基体を覆うために前記基体よりも大きいサイズの磁性体によって前記重ね合わせた基体を上下から挟み込み、前記いずれかの磁性体を回転あるいは平行、及び上下に移動させ前記磁性体と前記重ね合わせた基体の重なる面積を変化させること、あるいは前記重ね合わせた基体と前記いずれかの磁性体の距離を変化させることによって相互インダクタンスを変化させ、出力電圧を変動させる機構を有する。
【００１４】
このような構成からなる本発明を用いることにより、低周波に対応し、また、数アンペアの電流を流せ、軽量かつ小型の可変変圧装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上より、鉄心を用いないスパイラルインダクタを複数使用して、それらのスパイラルインダクタの相対的な位置を変化させることにより、それらのスパイラルインダクタ間の相互インダクタンスを変化させ、軽量で小型であるにも関わらず、低周波において変圧することを可能とし、複数接続して使用、あるいは、スパイラルインダクタの導体面積を増やすことで数アンペアの電流を流すことが可能となる可変変圧装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の模式図の斜視図である。
【図２】本発明の入力部分を示した斜視図である。
【図３】本発明の出力部分を示した斜視図である。
【図４】本発明の機構部を示した斜視図である。
【図５】本発明の要部を表す部分的な側面図である。
【図６】実施例１で用いるスパイラルインダクタの模式図である。
【図７】図１に示す可変変圧装置の電流入力部と出力部を示す回路図である。
【図８】回路パラメータを示す表である。
【図９】２枚のスパイラルインダクタの形状が完全に重なった状態を０°とした場合の２枚のスパイラルインダクタの回転方向と回転角度を説明する図である。
【図１０】周波数特性を示すグラフである。
【図１１】変圧の結果を示すグラフである。
【図１２】論理と実験結果の比較を示す表である。
【図１３】実施例２の要部を表す部分的な斜視図である
【図１４】実施例２の変圧の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本実施形態に係る可変変圧装置について説明する。本発明の可変変圧装置１００の構成は、図１に示すように、入力部２００、出力部３００、機構部４００から構成される。
【００１８】
前記入力部２００は入力側の第１のスパイラルインダクタである２０１と、入力側の第１スパイラルインダクタを有する基体２０３、リード線２０５、２０７、及び入力端子２０９、２１０から構成される。
【００１９】
出力部３００は出力側の第２のスパイラルインダクタ３２１、出力側の第２のスパイラルインダクタを有する基体３２５、出力電圧を伝える円形の導体３２３、３２４、出力電圧を伝える導体３２９、３３０、外部端子につなぐための端子台３３１、３３２、及び出力端子３３５、３３６から構成される、電力出力部である。前記端子台３３１、３３２には、昇圧を考慮する際などにキャパシタを設置できる端子を有する。
【００２０】
機構部４００は回転軸４０１、ハンドル４０３、ノブ４０５から構成される。前記ノブ４０５を回転させると、前記ノブ４０５に付いたねじが緩むあるいは閉まる。ねじが緩んだ時に前記ハンドル４０３を持ち、前記出力部２００と前期機構部４００を、前記回転軸４０１を中心に回転あるいは上下に移動を行う。前期機構部４００および前記出力部３００の位置を決定したら再びノブ前記４０５を回転させ、ねじ部を締めて固定し、出力電圧を決定する。
【００２１】
前記入力部２００には図２で示すように、前記イラルインダクタ２０１が前記基体２０３上に形成されている。また、前記出力部３００には図３で示すように、前期基体３２５の上に前記スパイラルインダクタ３２１が形成されている。
【００２２】
前記スパイラルインダクタ２０１、３２１は、それぞれ、渦巻状の１本の導体が平面状に形成され、前記スパイラルインダクタ２０１と３２１が接触し、導通することを防ぐため、絶縁体の膜でコーティングされたインダクタであり、前記中心軸４０１を周回するように形成されている。
【００２３】
スパイラルインダクタ２０１の各端点にリード線２０５、２０７が接続されており、スパイラルインダクタ３２１の各端点は、出力電圧を伝える円形の導体３２３、３２４に接続され、導体３２３、３２４は出力電圧を伝える導体３２９、３３０に接し、導体３２９，３３０はおのおの端子台３３１、３３３に接続され、その後前記出力端子３３５、３３７に接続される。
【００２４】
次に本可変変圧装置の動作について説明する。本可変変圧装置はスパイラルインダクタ２０１、３２１を重ね合わせ、一方のスパイラルインダクタが回転あるいは水平、垂直に移動したときの相互インダクタンスの変化を用い、電圧の昇圧、降圧をおこなう装置である。
【００２５】
入力端子２０９、２１０に交流電圧を印加すると、リード線２０５、２０７を通って電流がスパイラルインダクタ２０１に入り、スパイラルインダクタ２０１の周囲に交流磁界が発生し、この磁界によりスパイラルインダクタ３２１に誘導起電力が発生する。
【００２６】
これら誘導起電力は鎖交磁束の量によって大きさが変わるため、スパイラルインダクタ２０１とスパイラルインダクタ３２１の重なる面積を変化、あるいはスパイラルインダクタ２０１とスパイラルインダクタ３２１の間の距離を変動させることにより、インダクタンスを変化させ、出力部３００から出力する電圧を変化させる。
【００２７】
また、本実施形態の可変変圧装置で使用するスパイラルインダクタは鉄心を使用する必要が無いので、軽くて薄いため積層しやすく、スパイラルインダクタ２０１とスパイラルインダクタ３２１は、磁界を強くするためそれぞれスパイラルインダクタを積層した物であっても良い。
【００２８】
スパイラルインダクタ２０１、３２１を形成あるいは設置する手段は、前記渦巻導体が形成された基板やシート等を前記基体２０３、及び基体３２５に直接接着させ、固定する方法であってもよい。基板やシート等にスパイラルインダクタを形成するのは、前記基体２０３、３２５等に直接スパイラルインダクタを形成するのと比べて容易であるため、ユーザは安価に変圧する事が可能になる。また基板やシート等は前記基体以外にも様々な物体に設置可能であるため、メーカー等によりあらかじめ変圧対象にスパイラルインダクタが形成されていなくても、ユーザは所望の物体にスパイラルインダクタを設置して変圧することが可能となる。
【００２９】
スパイラルインダクタ２０１、３２１を形成する場所は必ずしも基体２０３、及び基体３２５の表面である必要はなく、例えば、基体２０３あるいは前記基体３２５内部に形成しても良い。また、スパイラルインダクタ２０１、３２１の形状は卵型に限定されない。
【００３０】
図１の形態において、卵型や扇形などに歪んだスパイラルインダクタ２０１、３２１と回転機構を利用することにより、機構を簡単に仕上げることができるという利点がある。
【００３１】
あるいは前記２枚のプリント基板を積層するように配置し、一方のプリント基板を水平移動させ、重なった面積を変化させることにより、相互インダクタンスを変化させて電圧の変動を行う場合、上下に移動させる必要が無く、さらに上部に回転のためのハンドルの設置が不要なため、スペースをより必要としなくてよいという利点がある。
【実施例１】
【００３２】
スパイラルインダクタを形成あるいは設置した前記２枚のプリント基板を積層し、一方のプリント基板を回転させて変圧を行う。本実施例で使用したスパイラルインダクタについて示す。
【００３３】
前記スパイラルインダクタは半円と半楕円を組み合わせ構築され、導体幅を０・５ｍｍ、導体間の幅を１ｍｍ、導体厚を１８μｍに固定される。図６に本実施例で用いるスパイラルインダクタの模式図を示す。
【００３４】
本実施例の回路モデルを図７に示し、前記スパイラルインダクタを２枚用いた変圧部を含む、可変変圧装置の模
式図の斜視図を図１に示す。
【００３５】
本実施例は前記出力側のスパイラルインダクタを前記入力側のスパイラルインダクタの上に重ね合わせ、一方のスパイラルインダクタを回転させることにより、これらのスパイラルインダクタの間に発生する相互インダクタ
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が変動することを利用する。前記入力側と前記出力側のスパイラルインダクタのインダクタンスを
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、及び
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とし、内部抵抗を
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、及び
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とする。
【００３６】
本実施例の測定においては、システムへの影響を考慮し、オシロスコープのみを使用するが、オシロスコープにもキャパシタンス
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と抵抗
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が存在し、これらのプローブの影響を低減させるため、キャパシタ
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と抵抗
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を出力側に接続する。また、これらの素子を利用し、降圧のみでなく、昇圧も行う。これらの素子の値を図８に示す。
【００３７】
本実施例においては、前記入力側のスパイラルインダクタンスは固定し、前記出力側のインダクタンスを可動させる。そこで、前記出力側のスパイラルインダクタが前記入力側のスパイラルインダクタに完全に一致した状態を０°とし、回転角を図９のように
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と表す。この
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を変化させることによって、相互インダクタンス
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と増幅率
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を変動させる。
【００３８】
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が正弦波であるとした場合の電圧効率を求める方程式を下に示す。
【数１】
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【数２】
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【００３９】
ただし、上述の式の各数式は以下の通りとする。
【数３】
2014212198.tif 000019
【数４】
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【数５】
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【数６】
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【００４０】
これらのパラメータを用いた場合の、変圧システムの周波数特性は図１０のようになり、共振周波数は８．８ＭＨｚである。前記出力側のスパイラルインダクタを回転させた時、電圧が広範囲で変動することが望ましいため、システムの周波数を９．５ＭＨｚとする。
【００４１】
図１１に本変圧システムを用いた実験結果を示す。横軸に回転角
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を示し、縦軸に増幅率
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を表す。増幅率が、前記出力側のスパイラルインダクタを回転させることにより、約０．４４倍から約２．４５倍の間で変動していることがわかる。
【００４２】
転角度を０°に固定した場合の理論値を図８に示した各素子値と（数２）を用いて求め、図１２に理論値と実測値を示す。０°の場合も１８０°の場合も数％以下の誤差であり、精度良く測れていることがわかる。また、スパイラルインダクタ間のキャパシタンスや、電場によるスパイラルインダクタ間の結合を考慮しない式を用いて計算を行った結果、概ね実測値と等しい値がでていることより、これらの影響は概ね考慮する必要がないと考えられ、増幅率は一方のスパイラルインダクタインダクタを回転させることによる相互インダクタンスの変化により変動すると考えられる。
【００４３】
以上の結果より、入力電力が１００Ｖならば、４４Ｖから２４５Ｖまで変圧が可能であるといえる。
【００４４】
更に室温が１８度の中、ＤＣ０．８Ａの電流を前記インダクタに１５分間流した時、プリント基板の色の変化さえも無いことを確認していることから、２Ａの変圧装置が必要な場合、例えば１Ａで３５μｍ厚の導体で、１ｍｍの導体幅が必要であると仮定して、インダクタンスの電流容量を２５０ｍＡと仮定すれば１６枚のスパイラルインダクタンスが必要になるが、１枚のスパイラルインダクタンスが約８ｇなので、軸などを含まない変圧器の総重量は約１２８ｇとなり、非常に軽量であると言える。電流容量を０．８Ａと仮定した場合、総重量は４８ｇとなり、なお一層軽量なシステムを構成することが出来ること言える。
【００４５】
さらに、本発明ではＭＨｚレベルの高周波を必要としているが、商用電源は５０Ｈｚや６０Ｈｚであり、低周波である。これらの問題に対処するため、スパイラルインダクタのサイズを大きくする必要があると考えられるが、それでも本発明は一般的な変圧装置より十分軽量で薄く構築できると言える。
【実施例２】
【００４６】
円形で、導体幅と導体間が０．１２７ｍｍ、導体厚が３５μｍのスパイラルインダクタを表と裏、両面に形成した
10枚のプリント基板を用い、６枚を入力側とし、残りの４枚を出力側とする。これら入力側基板を２枚ずつ積層し３組に分け、出力側基板も２枚ずつ積層し２組に分ける。
【００４７】
２枚ずつ積層された前記入力基板の間に、前記出力基板を挟み、前記入力基板の組と前記出力基板の組が互い違いになるように構成する。
【００４８】
本実施例においては、前記入力側のインダクタは固定し、前記出力側のインダクタを前記入力側インダクタに平行にスライドさせるように移動させることで、前記入力、及び前記出力基板の重なりあっている面積を変化させ、前記入力側と前記出力側に発生する相互インダクタスを変化させることで入力電圧を変化させ出力する。
【００４９】
本実施例の要部を表す部分的な斜視図を図１３に示す。本実施例は出力側インダクタを有する基板５０１、５０２、入力側インダクタを有する基板５０４、５０５、５０６、出力側リード線５０３、入力側リード線５０７から構成される。
【００５０】
図１４に本システムを用いた変圧の結果を示す。横軸に出力インダクタのスライド距離を示し、縦軸に、入力に対する出力電圧の増幅率を示す。出力インダクタのスライド距離が増えるほど、増幅率が低くなることが分かり、本実施例では、前記システムを使用して、入力電圧の実効値が１００Ｖとした場合、約４．７Ｖから約３０Ｖまで生成が可能であることが分かる。
【符号の説明】
【００５１】
１００  変変圧装置
２００  力部
３００  力部
４００  構部
２０１  力側の第１のスパイラルインダクタ
２０３  力側の第１のスパイラルインダクタを有する基体
２０５、２０７  リード線
２０９、２１０  入力端子
３２１  出力側の第２のスパイラルインダクタ
３２５  出力側の第２のスパイラルインダクタ２１を有する基体
３３１、３３２  外部端子につなぐための端子台
３３５、３３６  キャパシタ付き出力端子
３２３、３２４  出力電圧を伝える円形の導体
３２９、３３０  出力電圧を伝える導体
４０１  回転軸
４０３  ハンドル
４０５  ノブ
５０１〜５０２  出力側インダクタを有する基板
５０４〜５０６  入力側インダクタを有する基板
５０３  出力側リード線
５０７  入力側リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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