(57)【要約】【課題】電圧源を電流源に変換する変換効率の高い電源装置を提供する。【解決手段】電源装置６０は、１次コイル１と２次コイル２とから成る変成器３０を備える。１次側には、直流電圧源１０ｂを交流電力に変換する交流電源１０ｃが含まれる。変成器３０の１次コイル１にキャパシタ３を直列接続し、交流電源１０ｃに接続する。１次コイル１単体の実効直列抵抗をＲｗ（Ω）、２次コイル２を短絡したときの、１次コイル１の実効直列抵抗をＲｓ（Ω）、１次コイル１が、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数をｆ１（Ｈｚ）とする。ｆ１は１００ｋＨｚ以上となるように、変成器３０が構成されている。さらに、１次コイル１を駆動する周波数をｆ１（Ｈｚ）未満の周波数に設定する。このように電源装置６０を構成し、１次側に接続された直流電圧源１０ｂを、２次側出力で電流源に変換する。【選択図】図１
2009142039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源と、
前記直流電圧源の直流電力を交流電力に変換する電力変換手段である交流電源と、
少なくとも１個のキャパシタと、
変成器と、を少なくとも含み、
前記変成器の１次コイルの一端にキャパシタの一端が接続された２端子の直列回路が、前記交流電源に接続して構成され、
前記直流電圧源を、前記変成器を介して交流電流源に変換する電源装置において、
前記変成器を構成する１次コイル単体の実効直列抵抗をＲｗ（Ω）、
前記変成器の２次コイルを短絡したときの、前記１次コイルの実効直列抵抗をＲｓ（Ω）、
前記変成器が、Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足する最高周波数をｆ１（Ｈｚ）、とすると、
前記ｆ１（Ｈｚ）が１００ｋＨｚ以上となるように、前記変成器が構成されており、
前記１次コイルが、前記ｆ１（Ｈｚ）未満の周波数であるｆｄ（Ｈｚ）で駆動され、
前記変成器の２次コイルの出力が負荷を電流駆動する、電源装置。
【請求項２】
さらに、前記変成器の２次コイルを開放したときの、前記１次コイルの実効直列抵抗をＲｎ（Ω）、
前記変成器が、Ｒｓ＞Ｒｎ、を満足する最高周波数をｆ２（Ｈｚ）、とすると、
前記１次コイルが、前記ｆ２（Ｈｚ）未満の周波数であるｆｄ（Ｈｚ）で駆動される、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
さらに、前記変成器は、２本の導線を同一平面上で巻回して、１次コイルおよび２次コイルが構成されており、
前記１次コイルが、前記ｆ２（Ｈｚ）未満の周波数であるｆｄ（Ｈｚ）で駆動される、請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記１次コイルの少なくとも一方の端子にキャパシタが直列接続され、
前記１次コイルと前記キャパシタが直列接続された２端子回路が、前記交流電源に接続されており、
前記交流電源は、
電流を流し出す第１の半導体素子と、
電流を引き込む第２の半導体素子と、を含み、
前記交流電源の出力は、前記２端子回路に電流を流し出す時間ｔ１と、
前記２端子回路から電流を引き込む時間ｔ２と、を交互に有する、請求項１から３のいずれかに記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電流駆動素子の駆動電源に関し、特に電流駆動素子を駆動する擬似的な電流源となる電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の電源は、交流、直流を問わず、電圧源である。すなわち、一般の電源は、負過電流値に関わらず、出力電圧が、略一定に保たれる。その一方で、電源には、電圧源とは異なる特性を持つ電流源がある。電流源は、負荷抵抗値にかかわらず、負荷電流が一定となる特性を持っている。すなわち、負荷抵抗値が低下すると出力電圧が低下する。負荷抵抗値が上昇すると出力電圧が上昇する。このような特性を持つ電流源は、ＬＥＤなどの電流駆動性負荷を駆動するのに適している。
【０００３】
本願の図１７は、異なる順方向電圧を持つ、赤色ＬＥＤ５ａ、緑色ＬＥＤ５ｂ、青色ＬＥＤ５ｃの各色のＬＥＤを同一の直流電圧Ｖｄ（Ｖ）で駆動する場合の回路図である。赤色ＬＥＤ５ａ、緑色ＬＥＤ５ｂ、青色ＬＥＤ５ｃの各色のＬＥＤには、電流制限抵抗４ａ，４ｂ，４ｃがそれぞれ接続されている。本願の図１７の駆動方法では、電流制限抵抗４ａ〜４ｃにより電力損失が発生する。電流制限抵抗、あるいは駆動回路による電力損失を回避するため、特開２０００−１６８４３２号公報：米国特許６，３９６，４６６（特許文献１）には、インダクタ、ダイオード、スイッチ、およびコンデンサを使用して複数のＬＥＤを駆動する回路が記載されている。
【０００４】
また、大容量のキャパシタに電荷をチャージする際に、キャパシタに蓄積されるエネルギーと同じエネルギーが、回路中に存在する抵抗により消費されることが知られている。そのため、電圧源を用いてキャパシタをチャージした場合、エネルギー効率は５０％にしかならない。一方、電流源を用いた場合、理論上はエネルギー転送効率を１００％にできる。この一例として、特開平０７−８７６６８号公報：米国特許５，４９８，９５１（特許文献２）には、電気２重層キャパシタを電流源でチャージする方法が記載されている。
【０００５】
さらに、電流源の特性を活かした他の用途として、２個のトランス間に磁気的な結合路を設け、ＬＣＤのバックライト用の２個の冷陰極線管を駆動する回路が、特開２００４−５０６２９４号公報：米国特許６，３１０，４４４（特許文献３）に記載されている。
【０００６】
本発明においては変成器を用いている。変成器を構成するコイルは、コイルに等価的に純抵抗成分が存在する。本願では、他の文献を引用する場合も含め、この純抵抗成分を、「実効直列抵抗」と表記する。実効直列抵抗は、周波数の上昇により増加する。
【特許文献１】特開２０００−１６８４３２号公報（段落番号０００５）
【特許文献２】特開平０７−０８７６６８号公報（段落番号０００５〜０００６）
【特許文献３】特開２００４−５０６２９４号公報（段落番号０００２〜０００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
理想的な定電圧源は、負荷電流の値に関わらず、一定の出力電圧を維持する。極端な場合、出力が短絡されても、出力電圧は一定である。すなわち、理想的な定電圧源は無限大の出力電流を流せる。逆に、理想的な定電流源は、負荷抵抗の値に関わらず、一定の出力電流を維持する。極端な場合、出力が開放されても、出力電流は一定である。すなわち、理想的な定電流源は無限大の電圧を出力できる。
【０００８】
出力電流が無限大で出力インピーダンスがゼロの理想的な電圧源を実現するのは不可能である。同じく、出力電圧が無限大で出力インピーダンスが無限大の理想的な電流源を実現することはできない。実際の電源装置は、電圧源と電流源の中間的特性を持つ。
【０００９】
変成器の出力インピーダンスを高くして、変成器の２次側電圧出力を高くしたものが、電流源に近い特性を持つ電源装置となる。このようにして、擬似的な定電流特性を持つ電源装置を実現できる。具体的には、１次コイルと２次コイルの巻線比を大きくするとともに、１次コイルと２次コイル間の結合係数を低くする。このような変成器は、疎結合トランス、共振トランスとして知られている。
【００１０】
上記したような擬似的な定電流特性を持つ電源装置は、負荷抵抗値が高い場合、２次側の出力電圧も高いので、昇圧回路として用いることもできる。例えば、上述したように、冷陰極線管、ＥＬやＦＬ等のバックライトの駆動電源として用いることができる。
【００１１】
しかしながら、上記のように構成した電源装置では、電源装置自体での電力損失、あるいは電源装置を用いて負荷を駆動する回路での電力損失が避けられない。その一例として、電流駆動素子であるＬＥＤを定電圧直流電源で駆動する場合について説明する。
【００１２】
本願の図１７において、赤色ＬＥＤ５ａの順方向電圧は約２．２Ｖ、純緑色ＬＥＤ５ｂの順方向電圧は約２．８Ｖ、青色ＬＥＤ５ｃの順方向電圧は約３．５Ｖである。電源Ｖｄ＝５Ｖとし、各ＬＥＤに１０ｍＡの電流を流す場合、各電流制限抵抗の値は、
Ｒａ＝（５−２．２）Ｖ／０．０１Ａ≒２７０Ω（Ｅ２４系列の抵抗値）
Ｒｂ＝（５−２．８）Ｖ／０．０１Ａ＝２２０Ω
Ｒｃ＝（５−３．５）Ｖ／０．０１Ａ＝１５０Ω
となって、各ＬＥＤに付加する電流制限抵抗４ａ〜４ｃには異なる抵抗値のものを用いなければならない。そのうえ、電源Ｖｄは順方向電圧が最大のＬＥＤよりも高くしなければならない。よって、上記の場合、順方向電圧が低い赤色ＬＥＤ５ａにおいては、電流制限抵抗Ｒａによる電力損失が、赤色ＬＥＤ５ａの消費電力を上回ってしまう。
【００１３】
電気エネルギーによる発光素子としては、白熱電球、蛍光灯などがある。これらは全て電圧駆動素子である。電気エネルギーを光エネルギーに変換する変換効率は、白熱電球で２０％、蛍光灯で７０％、ＬＥＤでは約５０％程度と言われている。変換効率の点では、蛍光灯の方がＬＥＤより優れているが、寿命の点では、ＬＥＤの方が蛍光灯より長い。しかし、ＬＥＤを駆動するには、前述した電流制限抵抗による電力損失が発生するため、実際のエネルギー変換効率は、２０％から４０％に低下してしまう。
【００１４】
特に、順方向電圧が異なる（発光波長が異なる）ＬＥＤを同一の直流定電圧源で駆動する場合、順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）の低いＬＥＤに接続される電流制限抵抗が消費する電力が大きくなる。電流制限抵抗の代わりに、カレントミラーやオペアンプを使い定電流回路が実現できる。しかし、これらの定電流回路では、トランジスタなどの能動性素子が電力を消費してしまうため、エネルギー変換効率を改善することはできない。
【００１５】
一方で、電力損失の無い電流源を用いてＬＥＤを駆動すると、電流制限抵抗等による電力損失を回避できる。また、高電圧低電流で作動する負荷などを駆動する場合、昇圧回路や駆動回路による電力損失を軽減できる。有機ＥＬなども、電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率は９０％以上と言われている。しかし、駆動回路による電力損失のため、高効率を発揮できていないのが現状である。
【００１６】
電流源は上述したような利便性の高い特性を持っている。しかしながら、一般に入手可能な電源である商用電源、電池などは全て電圧源である。電圧源を電流源に変換する際に、電力損失の無い変換手段が実現されることにより、電源の特性に起因する電力損失を回避できる。しかし、電圧源を電流源に変換するには、特許文献１、特許文献３に記載のような、複雑な回路や特殊な変成器が必要となる。
【００１７】
そのため、簡便な回路構成で、厳密な定電流性を持たずとも、特定の負荷抵抗値の範囲にて負荷電流が略一定となる電流源の実現が望まれている。あるいは、低電圧の電源源から、高電圧を出力可能な高効率の電源装置の実現が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明の目的は、簡便な回路構成で、電流駆動素子を駆動するための電力損失の少ない電源装置、および低電圧直流電源を高電圧に昇圧する電源装置を提供することである。
【００１９】
この発明は、直流電圧源と、直流電圧源の直流電力を交流電力に変換する電力変換手段である交流電源と、少なくとも１個のキャパシタと、変成器と、を少なくとも含み、変成器の１次コイルの一端にキャパシタの一端が接続された２端子の直列回路が、交流電源に接続して構成され、直流電圧源を、変成器を介して交流電流源に変換する電源装置において、変成器を構成する１次コイル単体の実効直列抵抗をＲｗ（Ω）、変成器の２次コイルを短絡したときの、１次コイルの実効直列抵抗をＲｓ（Ω）、変成器が、Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足する最高周波数をｆ１（Ｈｚ）、とすると、ｆ１（Ｈｚ）が１００ｋＨｚ以上となるように、変成器が構成されており、１次コイルが、ｆ１（Ｈｚ）未満の周波数であるｆｄ（Ｈｚ）で駆動され、変成器の２次コイルの出力が負荷を電流駆動する。
【００２０】
この発明によると、理論上の関係を満足するコイルを選んで変成器を構成し、１次側回路に直列共振回路を設けることにより、１次側で昇圧された電圧が、巻線比通りに２次側で得られる。また、巻線比１：１の変成器で、昇圧効果が得られる。このようにして、電力変換効率のよい擬似的な定電流源が得られる。
【００２１】
好ましくは、変成器の２次コイルを短絡したときの、１次コイルの実効直列抵抗をＲｎ（Ω）、変成器が、Ｒｓ＞Ｒｎ、を満足する最高周波数をｆ２（Ｈｚ）、とすると、１次コイルが、ｆ２（Ｈｚ）未満の周波数であるｆｄ（Ｈｚ）で駆動される。
【００２２】
この例では、理論上の理想的な条件で変成器を作動させることにより、さらに昇圧性能を向上させることができる。
【００２３】
好ましい具体例として、変成器は、２本の導線を同一平面上で巻回して、１次コイルおよび２次コイルが構成されており、１次コイルが、ｆ２（Ｈｚ）未満の周波数であるｆｄ（Ｈｚ）で駆動される。
【００２４】
この例は、変成器を構成するコイル単体の実効直列抵抗が計測できない場合の変成器の選択方法と作動条件を規定している。
【００２５】
好ましくは、１次コイルの少なくとも一方の端子にキャパシタが直列接続され、１次コイルとキャパシタが直列接続された２端子回路が、交流電源に接続されており、交流電源は、電流を流し出す第１の半導体素子と、電流を引き込む第２の半導体素子と、を含み、交流電源の出力は、２端子回路に電流を流し出す時間ｔ１と、２端子回路から電流を引き込む時間ｔ２と、を交互に有する。
【００２６】
このような回路構成とすることにより、直流電力を交流電力に変換する変換効率を向上でき、１次コイルの誘導性リアクタンスを打ち消して、さらに力率を改善できる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明は、変成器の１次側に共振回路を設け、変成器の特性と作動条件を規定することにより、ＬＥＤなどの電流駆動性負荷を駆動する擬似的な電流源が実現できる。また、高抵抗値の負荷に、高電圧を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（電源装置の説明：実施形態１）
図１は、本発明における電流駆動素子を駆動する電源装置を示すブロック図である。
【００２９】
図１において、電源装置６０の１次側回路１０は１次コイル１を含み、２次側回路２０は２次コイル２を含み、１次コイル１と２次コイル２とが対向して配置されている。１次コイル１の一端は、キャパシタ３を介して１次側制御回路１０に接続され、１次コイル１の他端は１次側制御回路１０に接続されている。１次側制御回路１０には直流電圧源１０ｂから直流電圧Ｖｄ（Ｖ）が与えられており、１次側制御回路１０に含まれる交流電源１０ｃにより交流電圧に変換される。２次コイル２は２次側制御回路２０ａの入力側に接続されており、２次側制御回路２０ａの出力には負荷ＲＬが接続されている。
【００３０】
１次コイル１単体とキャパシタ３とで成る１次側の直列共振回路のＱをＱｒとする。直列共振回路のリアクタンスがゼロとなると、１次コイル１の両端には、交流電源１０ｃの出力電圧Ｖｔ（Ｖ）のＱｒ倍の電圧Ｖｒ（Ｖ）が発生する。この昇圧された１次コイル１の両端電圧Ｖｒ（Ｖ）は、変成器の原理に従い、２次コイル２の両端に現れる。すなわち、図１において、１次コイル１と２次コイル２の巻線比を１：ｎとした場合、２次コイル２が開放されたときに、２次コイル２の両端には、略、ｎ×Ｖｒ（Ｖ）の電圧が発生する。負荷ＲＬの抵抗値は、所定値Ｐ（Ω）以上に選ばれる。
【００３１】
負荷ＲＬは、電流駆動負荷であり、例えば、ＬＥＤが使われる。負荷ＲＬに抵抗を使用した場合、抵抗の抵抗値をＲｐ（Ω）、２次コイル２の出力電流をＩｃ（Ａ）とすると、負荷ＲＬの両端には、Ｒｐ×Ｉｃ（Ｖ）、の電圧が発生する。例えば、１次コイル１と２次コイル２の巻線比が１：１の場合、２次コイル２が開放されたときには、２次コイル２の両端には、Ｖｒ（Ｖ）の電圧が発生する。このようにして、巻線比が１：１の変成器であっても、１次側の電源電圧Ｖｔ（Ｖ）以上の昇圧された電圧を２次側に発生させることができる。
【００３２】
（変成器に使われるコイルの具体例の説明）
図２は、本発明の一実施形態における電源装置の変成器３０を構成する１次コイル１または２次コイル２の一例であるコイル１ａを示す図である。図３は、図２のように構成されたコイル１ａを２個用いて、変成器３０を構成した際の断面図を示す。
【００３３】
１次コイル１と２次コイル２は、例えば、図２のように、導線１ｘを平面渦巻状に円形に巻回して構成されたコイル１ａが使用される。１次コイル１と２次コイル２は、図３のように、所定距離Ｇ（ｍｍ）を介して両コイルの相対位置が固定されている。この所定距離Ｇは、コイル外径によって変わる。所定距離Ｇを設けなくとも、両コイル間の結合係数は１以下の疎結合状態となる。所定距離Ｇを設けることにより、両コイル間の結合係数を最適な値に調整できる。後述するが、負荷抵抗値が大きい場合などは、所定距離Ｇを設けなくてもよい。あるいは、１次コイル１と２次コイル２とを同一平面上で巻回してもよい。
【００３４】
なお、図２では、コイル１ａを円形に巻回しているが、これに限らず、楕円形、長円形、多角形などに巻回することもできる。また、１次コイル１と２次コイル２の外径寸法、形状を異なるものとすることもできる。さらに、１次コイル１と２次コイル２の相対位置を半固定（可変可能）とし、両コイル間の結合係数を最適な状態に適宜調整することもできる。
【００３５】
１次コイル１と２次コイル２は、少なくとも一方のコイルの対向面の反対側に、磁性材板を装備しているのが好ましい。磁性材板は、コイルのインダクタンスを増加させるとともに、不要輻射を軽減する作用効果を持つ。また、磁性材板のコイル装備面の反対面に、所定の金属板を装備しているとより好ましい。所定の金属板に関しては後述する。
【００３６】
（電源装置を構成する変成器の説明）
電源装置６０を構成する変成器３０において、１次コイル１単体の実効直列抵抗をＲｗ（Ω）、所定距離Ｇ（ｍｍ）を介して両コイルの相対位置が固定されているときに、２次コイル２を短絡したときの、１次コイル１の実効直列抵抗をＲｓ（Ω）、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数をｆ１（Ｈｚ）、とすると、ｆ１が１００ｋＨｚ以上となるように、変成器３０を構成するコイルが選ばれている。そして、変成器３０の２次コイル２を開放したときの、１次コイル１の実効直列抵抗をＲｎ（Ω）、Ｒｎ＞Ｒｓ、の関係を満足する最高周波数をｆ２（Ｈｚ）、とすると、ｆ２が５０ｋＨｚ以上となるように、変成器３０が構成されている。変成器３０は、ｆ１（Ｈｚ）またはｆ２（Ｈｚ）以下の周波数領域ｆｄ（Ｈｚ）で使用される。
【００３７】
次に、前述した関係、負荷抵抗Ｒｃの値である所定値Ｐ、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）Ｒｎ＞Ｒｓ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）、について説明する。
【００３８】
（コイルで構成した変成器の説明）
図４は、変成器の等価回路を表す図であり、図５は、コイル単体の等価回路を示し、図６は変成器単体の等価回路を表す図である。図７は、２次コイルが短絡されたときの変成器の等価回路を表す図であり、図８は、２次コイルに負荷抵抗ＲＬが接続されたときの変成器の等価回路を表す図である。
【００３９】
１次コイル１と、２次コイル２とが対向して配置されると、変成器３０として作用する。まず、Ｒｗ、Ｒｎ、Ｒｓの理論上の関係を求めるため、変成器３０の１次側のインピーダンスＺ１を求めておく。図４において、Ｌ１（Ｈ）は１次コイル１のインダクタンス、Ｌ２（Ｈ）は２次コイル２のインダクタンス、Ｍ（Ｈ）は１次コイル１と２次コイル２間の相互インダクタンス、Ｖ１（Ｖ）は１次コイル１の両端電圧、Ｖ２（Ｖ）は２次コイル２（負荷抵抗ＲＬ）の両端電圧、Ｉ１（Ａ）は１次コイル１に流れる電流、Ｉ２（Ａ）は２次コイル２に流れる電流、ＲＬ（Ω）は負荷抵抗値（純抵抗）、Ｚ１（Ω）は１次側の入力インピーダンス（複素インピーダンス）を表す。
【００４０】
図４において、下記の回路方程式が成立し、下記の連立方程式を解くことにより、Ｚ１の純抵抗成分（実効直列抵抗）とリアクタンス成分（インダクタンス）を求めることができる。下記に、図４の回路方程式を記す。なお、ｊ２＝−１、であり、ωは角周波数で、ω＝２πｆ（ｆは周波数、（Ｈｚ））である。
【００４１】
Ｖ１＝ｊωＬ１・Ｉ１＋ｊωＭ・Ｉ２…（１）
Ｖ２＝ｊωＭ・Ｉ１＋ｊωＬ２・Ｉ２…（２）
Ｖ２＝−ＲＬ・Ｉ２…（３）
求めたいのは、Ｚ１＝Ｖ１／Ｉ１、であるので、上記の３つの連立方程式から、Ｖ２、Ｉ２を消去すればよい。
【００４２】
上記の連立方程式の（３）式を（２）式に代入し、Ｖ２を消去すると、
０＝ｊωＭ・Ｉ１＋（ｊωＬ２＋ＲＬ）Ｉ２
となり、上式をＩ２について解いて、上記連立方程式の（１）式に代入し、Ｉ２を消去すると、
Ｖ１＝（ｊωＬ１＋ω２Ｍ２／（ｊωＬ２＋ＲＬ））Ｉ１、となり、
Ｚ１＝Ｖ１／Ｉ１、であるので、上式より、Ｚ１は、
Ｚ１＝ｊωＬ１＋ω２Ｍ２／（ｊωＬ２＋ＲＬ）
となる。実際の変成器は、１次コイルに実効直列抵抗Ｒ１、２次コイルに実効直列抵抗Ｒ２を持つので、図６の回路を考え、ＲＬ＝Ｒ２とすると、
Ｚ１＝Ｒ１＋ｊωＬ１＋ω２Ｍ２／（ｊωＬ２＋Ｒ２）
となる。上式の、ω２Ｍ２／（ｊωＬ２＋Ｒ２）に、
（−ｊωＬ２＋Ｒ２）／（−ｊωＬ２＋Ｒ２）＝１を掛けると、
Ｚ１＝Ｒ１＋ｊωＬ１＋ω２Ｍ２（−ｊωＬ２＋Ｒ２）／（ω２Ｌ２２＋Ｒ２２）
となり、実数項と虚数項を整理すると、
Ｚ１＝Ｒ１＋Ｒ２・ω２Ｍ２／（ω２Ｌ２２＋Ｒ２２）
＋ｊω（Ｌ１−Ｌ２・ω２Ｍ２／（ω２Ｌ２２＋Ｒ２２））
となって、Ａ２＝ω２Ｍ２２／（ω２Ｌ２２＋Ｒ２２）とすると、Ｚ１は、
Ｚ１＝（Ｒ１＋Ａ２Ｒ２）＋ｊω（Ｌ１−Ａ２Ｌ２）…（４）
となる。ω２＞０、Ｍ２≧０、Ｌ２２＞０、Ｒ２２＞０、であり、明らかに、Ａ２≧０である。すなわち、図６において、１次コイルの入力インピーダンスＺ１は、
Ｚ１＝Ｒ１＋ｊωＬ１…（５）
であり、（５）式と（４）式を比較すれば明らかなように、図７のように、変成器の２次コイルが短絡されたときには、１次コイルの実効直列抵抗Ｒ１が増加し、インダクタンスＬ１が減少するのが分かる。これらは既知の回路理論である。
【００４３】
上記（４）式と（５）式は、Ｒｓ＞Ｒｗ、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を説明するのに引用する基本式である。
【００４４】
次に、図２に示したコイル１ａに関して、具体的な例について説明する。一部重複するが、記号の定義を明確にしておく。Ｒｗは、コイル１ａ単体の実効直列抵抗（図５のＲ１）、Ｒｎは、コイル１ａに他のコイルが対向し、対向したコイルが開放されているときのコイル１ａの実効直列抵抗（図６のＲ１）、Ｒｓは、コイル１ａに他のコイルが対向し、対向したコイルが短絡されているときのコイル１ａの実効直列抵抗（図７のＲ１）、ｋｒは、ＲｗとＲｓより近似的に求めた両コイル間の結合係数である。
【００４５】
また、コイル１ａ単体のインダクタンスをＬｗ、コイル１ａに他のコイルが対向し、対向したコイルが短絡されているときのコイル１ａのインダクタンスをＬｓとしたときに、ＬｗとＬｓから近似的に求められる結合係数をｋｉと表記する。ｋｒと、ｋｉの近似的な求め方については後述する。
【００４６】
なお、Ｌ１がコイル自体を示すときには、Ｌ１は記号とし、インダクタンスの数値を示すときは、Ｌ１（Ｈ）として単位を付記する。これは、Ｒ１、Ｒｗ等の抵抗についても同様とする。ただし、Ｒｓ＞Ｒｗ、など等号や不等号で記載されている場合、Ｒｗ等を数式中に記載したときや計算に用いている旨の記載があるときの前後にＲｗ等が記載してある場合、「Ｒｗは、２Ω」等の具体的な数値と単位がＲｗ等の直後に記載されている場合、特性図の説明等で数値であることが明らかな場合等は、単位の付記を省略している。
【００４７】
また、ｆ１（Ｈｚ）は、１次コイルが、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数である。ｆ２（Ｈｚ）は、１次コイルが、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足する最高周波数である。単にｆ１、ｆ２と表記されている場合、前記のｆ１、ｆ２を指すものとする。
【００４８】
（コイル１ａの具体的な構成例１Ａの説明）
図９は、銅線径１ｍｍのホルマル線を、外径７０ｍｍで２５ターン（Ｔ）密接巻きしたコイル１ＡのＲｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、およびコイル１Ａに１０Ωの負荷抵抗を接続したときの実効電力伝送効率ηと周波数との関係を表す図である。
【００４９】
本願発明者は、まずコイル１Ａを使用し、図３に示す構成の変成器を作成し、図１に示す構成の電源装置にて、性能を検証してみた。
【００５０】
（直列共振回路についての説明）
前述したように、変成器３０の１次コイル１の実効直列抵抗Ｒ１は、１次コイル単体の場合と変成器として構成した場合とでは異なる。直列共振回路においては、コイルのリアクタンスＸｉとキャパシタ３のリアクタンスＸｃが等しくなる周波数ｆｒｉ（Ｈｚ）にて、回路電流Ｉａ（Ａ）は極大となる。コイルの実効直列抵抗をＲｗ、キャパシタ３の実効直列抵抗をＲｃとすると、Ｉａ＝Ｖａ／（Ｒｃ＋Ｒｗ）（Ａ）の回路電流が流れる。ここで、Ｖａは電源電圧（Ｖ）である。コイル１Ａの両端には、Ｉａ×Ｘｉ（Ｖ）の大電圧が発生する。この現象は、直列共振回路の昇圧効果と呼ばれている。
【００５１】
Ｒｃ＜＜Ｒｉ、の条件が成り立つ場合、図１の回路にて、直列共振点で、コイルの両端には、Ｖｉ（Ｖ）、Ｖｉ＝Ｖａ×Ｘｉ／Ｒｗ、なる電圧が発生する。前式を変形すると、Ｈ＝Ｖｉ／Ｖａ＝Ｘｉ／Ｒｗ＝Ｑ、であり、計測する電圧には関係なく、特定周波数でのコイル１ＡのＱが、理論上の昇圧比Ｈとなる。本願発明者が、１００ｋＨｚにてコイル１Ａ単体の昇圧比Ｈを計測したところ、昇圧比Ｈの実測値約２６、Ｑの実測値２８．５となり、ほぼ等しい結果が得られた。
【００５２】
しかしながら、コイル１Ａを２個用いて図３のように変成器を構成し、図１の回路を使用し、１００ｋＨｚにて開放した２次コイルの両端電圧を計測したところ、昇圧比Ｈの実測値が約１４にまで低下した。そこで、周波数を、ｆ１以下である５０ｋＨｚに低下させたところ、Ｑの実測値が約３０、２次コイルの出力の昇圧比Ｈは約２４に上昇した。このように、コイル１Ａは、電圧源を電流源に変換する変成器を構成するコイルとしては適切な構成ではない。そこで本願発明者は、コイル１Ａを改良したコイル１Ｂ〜コイル１Ｃを見出した。以下にコイル１Ｂ〜コイル１Ｃの構成を示す。
【００５３】
（コイル１ａの具体的な構成例コイル１Ｂの説明）
図１０は、コイル１Ｂを説明するための特性図である。
【００５４】
コイル１Ｂは、銅線径０．０５ｍｍのホルマル線を７５本束ねた電線（リッツ線）を、外径７０ｍｍに３０ターン密接巻きしたものである。コイル１ＢのＲｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、ｋｒ、ｋｉと周波数との関係が図１０に示されている。
【００５５】
（コイル１ａの具体的な構成例コイル１Ｃの説明）
図１１は、コイル１Ｃを説明するための特性図である。
【００５６】
コイル１Ｃは、銅線径０．０５ｍｍのホルマル線を７５本束ねた電線（リッツ線）を、外径５０ｍｍに２０ターン密接巻きしたものである。コイル１ＣのＲｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、ｋｒ、ｋｉと周波数との関係が図１１に示されている。
【００５７】
（各コイルについての検討）
なお、図９〜図１１に示す特性図には、コイル１Ａ〜コイル１Ｃに関して、いずれも、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）と、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足する最高周波数ｆ２（Ｈｚ）とが共通的に示されている。ただし、最高周波数ｆ１（Ｈｚ）、ｆ２（Ｈｚ）は、各コイル１Ａ〜コイル１Ｃによって異なっている。
【００５８】
また、図９〜図１１に示す特性図は、全て対向するコイル間の距離をゼロで測定したものである。コイル間の対向距離が離れても、Ｒｓ（Ω）、Ｒｎ（Ω）は、対向距離がゼロのときよりもわずかに低下するが、対向する距離がコイル外径Ｄの１／１０程度までは殆ど変化しない。したがって、本発明の実施形態においては、前述の、Ｒｗ、Ｒｓ、Ｒｎを、対向距離ゼロ、あるいは実際に使用するコイルの対向距離において計測し、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足する最高周波数ｆ２（Ｈｚ）を求めればよい。
【００５９】
（Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足していない場合の説明）
まず、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足している場合と、満足していない場合の違いについて説明する。上記に説明したように、コイル単体の実効直列抵抗Ｒｗ（Ω）は、周波数が上昇すると共に増加することが知られており、その原因として、表皮効果や渦電流損などが知られている。
【００６０】
さらに、上述の回路理論によると、図７に示すように、２次コイル２を短絡すると、１次側の純抵抗値は、（Ｒ１＋Ａ２Ｒ２）Ω、に増加することが知られている。前述したように、Ａ２＝ω２Ｍ２／（ω２Ｌ２２＋Ｒ２２）≧０、である。よって、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足しなくなり、Ｒｓ＜Ｒｗ、のように回路理論に反する周波数領域では、１次コイル単体の実効直列Ｒｗ（Ω）も過大となる。そして、前記Ｒｗ（Ω）による電力損失も過大となり、電力伝送効率が低下する。したがって、回路理論に合致する、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）未満での周波数ｆｄ（Ｈｚ）で、１次コイル１を駆動しなければならない。
【００６１】
前述したように、変成器は、１次コイル１と２次コイル２を個別に作成した後で、所定対向距離Ｇ（ｍｍ）を設けて所定相対位置で固定する。そのため、１次コイル１単体、２次コイル２単体の実効直列抵抗を計測可能である。よって、両コイル間の相対位置、後述するコイルに磁性材板装備した場合などで、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）が高くなるように、前記変成器の構成を規定する。前記ｆ１は１００ｋＨｚ以上となるように、前記変成器が構成される。
【００６２】
前記両コイルを用い変成器を構成すると、前記両コイル単体の実効直列抵抗Ｒｗ（Ω）は、計測できなくなる。特に、本発明の実施形態では、変成器３０の２次コイル２に接続されている負荷抵抗が高く、２次コイル２が開放状態に近くなる。Ｒｓ（Ω）は、２次コイル２を短絡した状態である。一方、Ｒｎ（Ω）は、２次コイル２を開放した状態である。図９〜図１１において、各コイルの実効直列抵抗は、特定周波数で、負荷抵抗値ＲＬの値により、Ｒｓ（Ω）〜Ｒｎ（Ω）の間になる。したがって、１次コイル１と２次コイル２を変成器として構成する前に、１次コイル１単体の実効直列抵抗Ｒｗ、の周波数特性を計測しておく。
【００６３】
回路理論に従うのなら、Ｒｓ＞Ｒｎ＝Ｒｗ、の関係を満足しないといけないが、コイル１Ａ〜コイル１Ｃを使用し、図７のように構成された変成器では、周波数が高い領域で、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足していない。例えば、コイル１Ｂでは、周波数約７８０ｋＨｚ以上の点で、Ｒｓ＜Ｒｗ、となっているのが、図１０より分かる。
【００６４】
ＲｗとＲｓの関係が、Ｒｓ＜Ｒｗ、となるような周波数領域では、正でないとならないＡ２が、負になってしまう。図９〜図１１で、Ｒｓ＜Ｒｗ、となるような周波数領域では、図８に示す、実効直列抵抗Ｒ１およびＲ２の実際の値を求めることはできない。その一例を以下に示す。なお、ここでは実効直列抵抗から近似的に結合係数を求めるので、結合係数をｋｒと表記する。
【００６５】
既知の回路理論によれば、結合係数をｋｒとすると、相互インダクタンスをＭ（Ｈ）、１次コイル１の自己インダクタンスをＬ１（Ｈ）、２次コイル２の自己インダクタンスをＬ２（Ｈ）、としたときに、Ｍ２＝ｋｒ２・Ｌ１・Ｌ２の関係が成り立つ。１次コイル１と２次側コイ２に同一のコイルを使うなら、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒｗ、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌｗ、となるので、ω２Ｌ２２＞＞Ｒ２２、を満足するときには、
Ａ２＝ω２Ｍ２／（ω２Ｌ２２＋Ｒ２２）≒ω２Ｍ２／（ω２Ｌ２２）
＝ｋｒ２・Ｌ１・Ｌ２／Ｌ２２＝ｋｒ２・Ｌ１／Ｌ２、となる。そこで、
（Ｒ１＋Ａ２Ｒ２）から、（Ｒｗ＋ｋｒ２Ｒｗ）＝Ｒｓ、となり、
ｋｒ２≒（Ｒｓ−Ｒｗ）／Ｒｗ、として近似的にｋｒ２を求められ、
ｋｒ＝√（（Ｒｓ−Ｒｗ）／Ｒｗ）となる。
【００６６】
なお、両コイルが同一の場合、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒｗ、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌｗ、である。したがって、ω２Ｌ２２＞＞Ｒ２２、を満足しているかは、ω２Ｌｗ２／Ｒｗ２、の値を計算し、この値が５０以上の時に求めた結合係数の値は、誤差２％程度以下と判断している。図９〜図１１においては、１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ以上になると、
ω２Ｌｗ２／Ｒｗ２＞５０、となっている。Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足する周波数領域では、このようにして、Ｒｗ、Ｒｓより結合係数ｋｒを近似的に求めることができる。
【００６７】
しかし、Ｒｓ＜Ｒｗ、となるような周波数領域では、正でないとならないＡ２が、負になってしまい、正であるべき結合係数ｋｒの二乗であるｋｒ２も負になるので、結合係数を実効直列抵抗Ｒｗ，Ｒｓより求めることはできず、（４）式から明らかなように、図８において、Ｒ１、Ｒ２の実際の値を求めることはできなくなる。Ｒｓ＝Ｒｗの場合なら、結合係数ｋｒはゼロとなってしまうし、Ｒｓ＜Ｒｗ、となると、数学的には結合係数ｋｒは虚数になる。実際に２個のコイルが対向しており、相互インダクタンスＭが、Ｍ≠０であるのに、両コイル間の結合係数がゼロになることや、あるいは虚数になることは、理論上あり得ない。
【００６８】
（コイル１Ａと、コイル１Ｆとの組合せの説明）
図１２は、コイル１Ａを一方のコイルとし、後述するコイル１Ｆを他方のコイルとしたときの、コイル１ＡのＲｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、およびコイル１Ｆに１０Ωの負荷抵抗を接続したときの実効電力伝送効率と周波数との関係を示す特性図である。
【００６９】
図９において、コイル１Ａを１次コイル１と２次コイル２の双方に使用すると、所定の性能が達成できないことを説明したが、これについて説明する。コイル１Ａを１次コイル１と２次コイル２の双方に使用すると、図９から、コイル１Ａが、Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足する最高周波数ｆ１は、約６７ｋＨｚとなっている。すなわち、コイル１Ａのｆ１は、１００ｋＨｚ未満となっている。したがって、１ｍｍのホルマル線を使ったコイル１Ａを１次コイル１と２次コイ２の双方に使用して変成器３０を構成すると、所定の昇圧性能が達成できない。
【００７０】
図９に示したコイル１Ａを、一方のコイルとして使い、他方のコイルとして、図１０に示すコイル１Ｂを使ってみた。すると、コイル１Ａは、少なくとも、Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足する最高周波数ｆ１が、６７ｋＨｚから１１０ｋＨｚに上昇した。その結果、昇圧特性を向上させることができた。したがって、図９のコイル１Ａであっても、対向する他方のコイルを選ぶことにより、昇圧性能を向上させることができる。これは、コイルを選んで変成器を構成することにより、電圧源を電流源に変換する適切な変成器が得られる一例である。すなわち、昇圧特性の悪い比較例であるコイル１Ａに、コイル１Ｂを対向させて変成器を構成することにより、昇圧特性を改善できる。そのためには、コイル１Ａと組み合わせるコイルを選び、コイル１Ａのｆ１を、１１０ｋＨｚ、約１０％の余裕を見て、１００ｋＨｚとするように規定している。
【００７１】
図９には、コイル１Ａを２個用いて構成した変成器の電力伝送特性が図示してある。図１２には、コイル１Ａを１次コイル１に用い、コイル１Ｂを２次コイル２に用いた場合の電力伝送特性が示してある。前述したように、コイル１Ａを１次コイル１、コイル１Ｂを２次コイル２に用いることで、コイル１Ａが、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）を上昇させることができる。しかし、図９、図１２ともに、ｆ１（Ｈｚ）以上になると電力伝送性能が極端に低下している。図９、図１２より、１次コイル１または２次コイル２が、Ｒｓ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）が、変成器として使用可能な周波数の上限であることが分かる。
【００７２】
（Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係についての説明）
次に、Ｒｓ＞Ｒｎ、を満足している場合と、満足していない場合の違いについて説明する。前述したように、コイル単体では、この実効直列抵抗Ｒｗを、計測によって正確に求められるが、図６のように構成された変成器においては、図９〜図１１に示すように、単に２次コイル２が対向しただけで、周波数が高い領域では、Ｒ１が、ＲｗからＲｎに上昇する。Ｒ１は１次コイル１の実効直列抵抗であるが、図５のＲ１（Ｒｗと同じ）の周波数特性と、図６のＲ１（Ｒｎと同じ）の周波数特性とは異なっているのが、図９〜図１１にプロットされたＲｗとＲｎの周波数特性図にて分かる。
【００７３】
さらに、ＲｗとＲｓよりＡ２を求め、Ａ２の平方根を取ることにより、近似的に結合係数ｋｒを求めることができるのは上述したとおりである。結合係数ｋｒを求める場合と同一の条件下であれば、ω２Ｌ２２＞＞Ｒ２２、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌｗ、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒｗ、である。前述した（４）式より、Ｌｓ＝（Ｌｗ−Ａ２Ｌｗ）、Ａ２≒ｋｉ２、であるから、
ｋｉ２、＝（Ｌｗ−Ｌｓ）／Ｌｗ、ｋｉ＝√（（Ｌｗ−Ｌｓ）／Ｌｗ）、として、ＬｗとＬｓより近似的に結合係数ｋｉが求められる。
【００７４】
図１０にはコイル１Ｂのｋｒとｋｉが、図１１にはコイル１Ｃのｋｒとｋｉが共にプロットしてある。コイル１Ｃでは、図１１のように、周波数の上昇とともにＲｎ（Ω）が増加する割合が低く、約２．１ＭＨｚまで、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足している。一方、コイル１Ｂでは、図１０に示すように、周波数の上昇とともにＲｎ（Ω）が急激に増加し、７８０ｋＨｚ以上の周波数領域になると、Ｒｓ＜Ｒｎ、となっている。
【００７５】
ｋｒ、ｋｉと周波数の関係を見ると、コイル１Ｃでは、約２ＭＨｚまで、ｋｒとｋｉがほぼ一致しているのに対し、コイル１Ｂでは、ｋｒとｋｉの一致は見られない。したがって、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足する最高周波数ｆ２は、できる限り高い方が好ましい。
【００７６】
Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足する周波数領域でコイルを使用することにより、図５のコイル単体および図６に示すように構成された変成器、のいずれもが理論上の理想的な特性に近づくので、疎結合変成器の性能を、従来よりも向上させることが可能となる。
【００７７】
コイル１Ｂもコイル１Ｃもいずれも同じリッツ線を使用している。両コイルの構成要因の差異は、外径、巻回数と、リッツ線の撚り方のみである。両コイルのｆ１とｆ２の違いは、コイル外径の差と思われる。しかし、ｋｒとｋｉの一致に関しては、構成要因の差異によるものとしか考えられない。このように、わずかな構成要因により、コイルの特性は大きく変動する。本発明の実施形態は、このようにして、性能のよいコイルを選び、作動条件を規定して、適切な疎結合共振変成器を実現できるという優れた効果を奏する。
【００７８】
（各コイルで構成した変成器の出力特性）
図１３は、コイル１Ａを１次コイル１に使用し、コイル１Ｂを２次コイル２に使用した空芯の変成器３０において、１次コイル１にキャパシタ３を直列接続したときの、２次コイルに接続された負荷抵抗値と負荷抵抗の両端電圧の関係を示す図である。周波数は、１００ｋＨｚにて計測されている。図１４は、駆動回路の一例を示す図である。
【００７９】
図１４において、交流電源１０ｃは、第１および第２の半導体素子として作動するスイッチング素子Ｑａ、Ｑｂとスイッチング素子制御回路１０ｄから成る。直流電源から直流電圧がスイッチング素子制御回路１０ｄに与えられるとともに、直流電源１０ｂのプラス側がスイッチング素子Ｑａのドレインに接続され、スイッチング素子Ｑａのソースはスイッチング素子Ｑｂのドレインに接続される。スイッチング素子Ｑのソースは直流電源のマイナス側に接続されている。スイッチング素子Ｑａのソースとスイッチング素子Ｑａのドレインとの接続点は端子Ｔ１に接続され、スイッチング素子Ｑｂのソースは端子Ｔ２に接続されている。
【００８０】
図１４で、交流電源１０ｃの出力は、Ｔ１、Ｔ２になる。Ｔ１，Ｔ２間には、１次コイル１の実効直列抵抗Ｒｗと、静電容量Ｃｐ（Ｆ）のキャパシタ３と、キャパシタ３の実効直列抵抗Ｒｃと、１次コイル１とが接続されたものとして表すことができる。スイッチング素子制御回路１０ｄは、ＱａとＱｂを交互にＯＮ／ＯＦＦし、直流低電圧源１０ｂから、時間ｔ１の期間順方向Ｉｆに電流を流し出し、時間ｔ２の期間逆方向Ｉｒの電流引き込んで、キャパシタ３を介し１次コイル１に電流を流す。
【００８１】
（変成器の出力特性の検討）
図１３によると、負荷抵抗値が０〜１５０Ωの間、１５０Ω以上では、負荷抵抗値の増加と、負荷両端電圧の増加が比例している。ただし、負荷抵抗値が１５０Ω以下では、負荷抵抗両端の波形が歪んでおり、定電流特性であるとは言えない。１５０Ω以上、５００Ω以下の負荷抵抗値では、定電流特性を持っていると言える。この場合の所定値Ｐは１５０Ωとなる。以降、図１３を参照し、定電流特性について考察してみる。
【００８２】
例えば、負荷電圧が３０Ｖのときに、負荷抵抗値は約３３０Ωとなっている。よって、変成器３０は、３０Ｖ／３３０Ω≒９１ｍＡ、の略定電流特性を持っている。負荷電力Ｐ２は、Ｐ２＝３０Ｖ×０．０９１Ａ＝２．７３Ｗとなる。このときの１次側の供給電力Ｐ１は、Ｐ１＝５Ｖ×０．５８Ａ＝２．９Ｗ、となっている。系全体の総合効率ηは、η＝Ｐ１／Ｐ２＝２．７３／２．９＝９４％、となる。２次側の負荷は無誘導抵抗であり、電圧波形も歪んでいるので、上記の高効率が実際に実現できているとは断言できない。しかし、従来はこのような性能を持つ電圧源−電流源の変換装置は存在しなかった。
【００８３】
図１３に示す例は、定電流特性が１００ｍＡに近いため、後述するようなＬＥＤの駆動には使用できない。しかし、１次側の駆動電圧を低下させることにより、定電流特性を、２０ｍＡ程度に低下できる。あるいは、コイルや変成器の構成を選ぶことにより、定電流特性を持つ負荷抵抗値の範囲を適宜変更できる。
【００８４】
なお、コイル１Ｂ、コイル１Ｃを使用して変成器を構成した場合も、図１３とほぼ同様の特性を示す。そのため、コイル１Ｂ、コイル１Ｃのデータは省略する。
【００８５】
（本実施形態をＬＥＤ駆動用電源装置として使用する一例：実施形態２）
図１５は、２次コイルにＬＥＤを接続した一例である。図１５において、２次コイル２の両端には、電流制限抵抗を介することなく発光ダイオード７ａ〜７ｅと、発光ダイオード８ａ〜８ｅとが逆向きに接続されている。発光ダイオード７ａ〜７ｅと、発光ダイオード８ａ〜８ｅは、それぞれ順方向電圧が異なる順方向電圧を持つ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤを任意に組み合わせて使用可能である。２次コイル２から一方方向に電流が流れると発光ダイオード７ａ〜７ｅが点灯し、他方方向に電流が流れると発光ダイオード８ａ〜８ｅが点灯する。
【００８６】
一般にＬＥＤは逆方向に電圧が印加された場合の耐電圧が低く、５Ｖ前後となっている。しかし、図１５のように回路を構成すると、発光ダイオード８ａ〜８ｅに逆方向電圧が印加されている時に、前記逆方向電圧は、発光ダイオード７ａ〜７ｅの各順方向電圧の和以上にはならない。よって、逆方向電圧による発光ダイオードの破損を防止できる。
【００８７】
図１５から明らかなように、電流制限抵抗が回路中に存在しない。よって、電流制限抵抗による電力損失は全く無い。本願発明者は、ＬＥＤに過大電流が流れないように変成器を選び、図１５の回路を図１４の回路で動作させて電力を実測してみた。
【００８８】
１次側の実測電力Ｐ１は、Ｐ１＝５Ｖ×０．１Ａ＝０．５Ｗである。２次側の実測電力Ｐ２は、Ｐ２＝０．０１４Ａ×１６．５Ｖ×２＝０．４６Ｗ、である。効率ηを計算すると、η＝Ｐ２／Ｐ１＝０．４６／０．５＝９２％、となる。このように、本発明は、電気エネルギーを、損失なくＬＥＤに供給できるという極めて優れた効果を奏する。
【００８９】
（昇圧用電源装置として使用する一例：実施形態３）
前述したコイル１Ｂ、コイル１Ｃを変成器に使用した場合、周波数が５００ｋＨｚ程度以上になると、負荷抵抗値＝無限大（２次コイル開放時）の時の２次コイル出力電圧は、ｐ−ｐ値で１０００Ｖ以上となっている。すなわち、２次コイ２の出力電圧は負荷抵抗値を接続すると低下する。よって、上記の実施形態に述べた電源装置は電流駆動負荷を駆動できる。また、冷陰極線管は、放電開始電圧が１２００Ｖ程度以上、動作時の両端電圧が８００Ｖ程度以上と言われている。放電していない（非稼動）状態では、当然冷陰極線管に流れる電流はゼロであり、冷陰極線管の抵抗値は無限大である。冷陰極線管が起動すると電流が流れ、冷陰極線管の抵抗値は低下する。このような特性を持つ冷陰極線管に本実施形態を適用すると、非稼動状態の冷陰極線管に放電開始電圧以上の電圧を印加できる。稼動状態となると、冷陰極線管の抵抗値が低下し、冷陰極線管に所定の電流が流れる。そして、冷陰極線管に印加される電圧が低下し、冷陰極線管の抵抗値も低下する。このように、本実施形態は、冷陰極線管の駆動にも適した性能を持つ。また、このような電源装置は、薄型化が可能であり、実装上も有利である。
【００９０】
なお、上述した実施形態においては、交流電流で駆動可能な負荷を使用した場合について説明した。当然のことながら、２次コイルに整流回路を付加することにより、直流の電流源が得られることは言うまでもない。
【００９１】
（各コイル単体の実効直列抵抗が実測できない場合：実施形態４）
図１６は、この発明のその他の実施例であり、２本の導線を同一平面上に巻回した例を示し、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【００９２】
２本の導線Ｃ１１，Ｃ１２を平行にして同一平面で巻回した場合は、両コイルが分離不能となり、１次コイル単体の実効直列抵抗Ｒｗ（Ω）を計測できなくなる。そこで、２次コイルを開放したときの１次コイルの実効直列抵抗Ｒｎ（Ω）とする。１次コイルが、Ｒｎ＞Ｒｗ、の関係を満足する最高周波数をｆ２（Ｈｚ）とする。前述した規定に従い、１次コイルをｆ２（Ｈｚ）以下の周波数で駆動する。前述したが、巻線比１：１でも昇圧が可能である。この場合、２本の導線Ｃ１１，Ｃ１２の間に空隙を設けて巻回することにより、１次コイルと２次コイルの間の結合係数を最適な状態に調整することもできる。
【００９３】
図９から図１２を参照すると、ｆ１とｆ２は、ｆ１＞ｆ２、の関係となっている。ただし、ｆ１／ｆ２、の値は、コイルによって異なる。しかし、図１２を除き、ｆ１／ｆ２、の値は、概ね２倍程度以上となっている。したがって、１次コイルを駆動する周波数であるｆｄ（Ｈｚ）は、ｆ２（Ｈｚ）の概ね２倍程度まで高くできる。
【００９４】
この場合においてもコイル巻回面の少なくとも一方に磁性材板を装備しているのが好ましい。磁性材板の作用効果については前述した通りである。また、磁性材板のコイル装備面の反対面に、後述する所定の金属板を装備しているとより好ましい。
【００９５】
（その他の変成器の構成の実施例：実施形態５）
上述してきた各実施形態においては、図２に示すような平面渦巻状のコイルを２個使用した変成器について説明してきた。コアを装備した変成器では、前述した、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足しないことが実験上確認されている。しかし、コアを装備した変成器は、構成やコアの透磁率、変成器を使用する周波数によっては、Ｒｓ＞Ｒｎ、の関係を満足する場合もある。あるいは、コイルを外径が異なる空芯のソレノイド形状とし、一方のコイルを他方のコイル内に挿入するような構成としてもよい。この場合、コイル外径は、１０ｍｍ程度まで小さくできることが実験上確認できている。上述したように、変成器の構成は、図３に示した構成のものに限定されず、誘導結合が可能な任意の構成の２個のコイルを用いて変成器を構成できる。ただし、変成器は、前述した、Ｒｗ、Ｒｓ、Ｒｎに関する規定を満足していなければならない。
【００９６】
（その他の変成器の構成の実施例：実施形態６）
さらに、図３に示す変成器にて所定距離Ｇを一定に保つ手段として絶縁板を用い、コイルの導線３ａを箔状導体で構成する。例えば、プリント基板などで変成器３０を構成する。これにより、１次コイル１と２次コイル２間の耐電圧は、１万Ｖ以上に上昇する。このような変成器を使用し、アイソレーションアンプ（絶縁アンプ）を構成できる。変電所、高圧施設、高電圧回路（例えば、電子顕微鏡）などの電圧を計測する場合、絶縁アンプを使用しないと危険である。絶縁アンプの計測側（２次側）の電力は、２４Ｖ×４ｍＡ＝９６ｍＷ程度しか消費しない。これは、ＬＥＤを２個点等させる程度の電力である。
【００９７】
上述してきたように、本発明の用途は、多岐に渡るうえ、従来の技術では実現できない用途が実現可能となる。上述してきた実施形態以外にも、特許文献２に記載のような電気２重層キャパシタを定電流でチャージする手段にも使用できる。あるいは、２次電池の定電流充電にも使用できる。また、大電流から小電流までの広い範囲の擬似的な定電流特性を実現できる。このように、本発明は、従来の技術では実現が不可能であった応用用途の広い電源装置を実現できるという極めて優れた効果を奏する。
【００９８】
（本発明に用いる金属に関する説明）
この発明において、導線を形成する導体は特に限定されないが、本実施形態で述べている各コイルは、全て導体に銅を用いている。導体として比抵抗が小さい銅を使うのが好ましいが、比抵抗が小さい他の金属、あるいは合金を導体として使うこともできる。
【００９９】
なお、磁性材板に装備する金属板は、強磁性金属以外で、厚さが０．１ｍｍ以上のものが好ましい。具体的には、常磁性金属のアルミニューム板、反磁性金属の銅板などが使える。金属板の厚さを０．１ｍｍ以上に選ぶのは、０．１ｍｍ以下の厚さの金属板を装備すると、コイルの実効直列抵抗が過大になるのが実験的に確認されているからである。このように変成器を構成することにより、変成器に金属体が近接したときのコイルの特性（インダクタンスや実効直列抵抗）の変動を防止でき、電源装置が安定して動作する。
【０１００】
（コイルの特性計測に用いた計測器）
なお、上記に説明した各コイルの実効直列抵抗やインダクタンスの測定には、１ＭＨｚまでは、アジレント社のＬＣＲメータ、４２８４Ａ、１〜１０ＭＨｚの測定には、ヒューレットパッカード社のＬＣＲメータ、４２７５Ａを使用した。なお、１〜１０ＭＨｚの計測は、１、２、４、１０ＭＨｚの各点でしか計測できないので、例えば、４ＭＨｚにて、Ｒｓ＞Ｒｗを満足し、１０ＭＨｚにて、Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足しない場合は、補間により、Ｒｓ＞Ｒｗ、を満足する最高周波数ｆ１（Ｈｚ）を推定している。
【０１０１】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
この発明の電源装置は、擬似的な電流源として作動し、電流駆動性負荷や、高電圧低電流負荷を効率よく駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】この発明の一実施形態に係る電源装置のブロック図である。
【図２】図１に示した電源装置に使用される変成器に使用される、１次コイルまたは２次コイルの一例を示す図である。
【図３】図２に示した変成器の線Ｉ−Ｉから見た断面図である。
【図４】変成器の入力インピーダンスを求める等価回路である。
【図５】この発明の一実施形態における電源装置の変成器におけるコイル単体の等価回路を示す図である。
【図６】電源装置を構成する変成器部分のコイルの実効直列抵抗を明示した等価回路を表す図である。
【図７】図６で、２次コイルを短絡したときの変成器の等価回路を表す図である。
【図８】図６で、２次コイルに負荷抵抗ＲＬが接続されたときの変成器の等価回路を表す図である。
【図９】線径１ｍｍの単導線を、外径７０ｍｍで２５ターン密接巻きしたコイル１Ａの、Ｒｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、および負荷抵抗値ＲＬ＝１０Ωとしたときの実効電源効率ηと周波数の関係を示す図である。
【図１０】銅線径０．０５ｍｍのホルマル単導線を７５本束ねたリッツ線を、外径７０ｍｍで３０ターン密接巻きしたコイル１Ｂの、Ｒｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、ｋｒ、ｋｉと周波数の関係を示す図である。
【図１１】銅線径０．０５ｍｍのホルマル単導線を７５本束ねたリッツ線を、外径５０ｍｍで２０ターン密接巻きしたコイル１ＣのＲｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、ｋｒ、ｋｉと周波数の関係を表す図である。
【図１２】図９に示すコイル１Ａを１次コイル、図１０に示すコイル１Ｂを２次コイルに使用したときの、コイル１Ａの、Ｒｗ、Ｒｎ、Ｒｓ、および負荷抵抗値ＲＬ＝１０Ωとしたときの実効電源効率ηと周波数の関係を示す図である。
【図１３】図９に示すコイル１Ａを１次コイル、図１０に示すコイル１Ｂを２次コイルに使って構成した変成器を用いた場合の、１００ｋＨｚにおける負荷抵抗値ＲＬ（Ω）と負荷両端電圧の関係を示す図である。
【図１４】図１の駆動部を示す回路の一例である。
【図１５】ＬＥＤ駆動回路の一例である。
【図１６】本発明のその他の実施形態における変成器の構成を示す平面図および断面図である。
【図１７】従来例のＬＥＤ駆動回路である。
【符号の説明】
【０１０４】
１  １次コイル、２  ２次コイル、３  キャパシタ、４ａ，４ｂ，４ｃ  抵抗、５ａ〜５ｃ，７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ  ＬＥＤ、１０  １次側部、１０ａ  １次側制御回路  １０ｂ  直流電源、１０ｃ  交流電源、３ａ，Ｃ１１，Ｃ１２  導線、２０  ２次側部、３ａ  導線、３０，３０ａ  変成器、６０  電源装置，Ｑａ，Ｑｂ  スイッチング素子。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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