JP5695900B2 - 共振回路 - Google Patents

Description

本発明は、共振回路に関し、特に、大きな規模で設置されるものに適用して好適な共振回路に関する。

一般に、電気回路としての共振回路としては、コイルとコンデンサの性質を利用したＬＣ共振回路が知られている。大きな規模で設置されるＬＣ共振回路では、図４に示すように、リング状に設置されたコイルとしての役割を果たす回路２００に、所定の間隔をあけてコンデンサ２１０が挟まれて配置されている構成が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。なお、図４には、ＬＣ共振回路に電力を供給する電源３０が回路２００に設置さている。

特許第３３０３７６４号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載されているように、コンデンサを利用したＬＣ共振回路では、ＬＣ共振回路の規模が大きくなるに伴い、コンデンサを設置する箇所が多くなり、設置する箇所を確保する必要があるという問題があった。さらに、コンデンサの数が増えると、コンデンサの故障によりＬＣ共振回路の動作不良が発生する確率が高くなり、信頼性が低下するという問題もあった。

例えば、コンデンサに求められる容量が大きい場合には、長期間使用すると、容量が低下したり、破損したりする不具合が発生しやすいため、信頼性を維持するためには、定期的な検査が必要であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、設置に要する手間を簡素化するとともに、信頼性の低下を防止することができる共振回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の共振回路は、複数のケーブルを環状に配置して、隣接するケーブルの一方の内部導体と、他方の外部導体とが導電可能に接続されている。さらに、長尺に形成された内部導体と、筒状に形成され内部に内部導体が配置された外部導体との間には絶縁体が配置されている。このように環状に配置されたケーブルはインダクタンスＬを有し、ケーブルの内部導体、外部導体および絶縁体は静電容量Ｃを有するため、ＬＣ共振回路が構成される。

つまり、インダクタンスＬを有するとともに静電容量Ｃをも有するケーブルを環状に配置して共振回路を構成するため、ケーブルを配置する場所を確保するだけでよく、上述の先行技術文献に記載された共振回路のように、コンデンサを配置する場所を追加して確保する必要がない。

さらに、絶縁体の厚さや、ケーブルの長さを調節することにより静電容量Ｃを大きくすることができる。そのため、大容量ではあるが破損の可能性があり、信頼性が懸念されるコンデンサと比較して、破損の可能性が低いケーブルの静電容量を利用することで、本発明の共振回路の信頼性の低下を容易に防止することができる。

さらに、環状に並ぶケーブルにおける隣接するケーブルを導電可能に接続する接続部が設けられ、隣接する接続部の間には、電気的に並列に接続されたケーブルが配置されていることが望ましい。このようにすることで、共振回路における静電容量を容易に増大させることができる。

一般的に、上述の構成を有するケーブルにおいて静電容量を増大させるためには、絶縁体の厚みを薄くするか、絶縁体の誘電率を高くするか、のいずれかの方法が採用される。
しかしながら、絶縁体の厚みを薄くする方法は、共振回路やケーブルに求められる耐圧を満たすために最低限必要な絶縁体の厚みが存在するため、静電容量を増大させるには限度がある。これに対してケーブルを並列に並べる方法では、耐圧を満たすために最低限必要な絶縁体の厚みを確保しつつ、容易に静電容量を増大させることができる。

また、絶縁体の誘電率を高める方法も、絶縁体として使用できる材料の種類が限られるため、静電容量を増大させるには限度がある。この場合に対しても、ケーブルを並列に並べる方法では、絶縁体の材料に依存することなく、容易に静電容量を増大させることができる。

本発明の共振回路によれば、複数のケーブルを環状に配置して、隣接するケーブルの一方の内部導体と、他方の外部導体とを導電可能に接続し、さらに、長尺に形成された内部導体と、筒状に形成され内部に内部導体が配置された外部導体との間には絶縁体を配置することにより、環状に配置されたケーブルはインダクタンスＬを有し、ケーブルの内部導体、外部導体および絶縁体は静電容量Ｃを有する。このようにすることで、コンデンサを追加して設けることなくＬＣ共振回路を構成することができ、共振回路の設置に要する手間を簡素化することができる。更に、破損の可能性があるコンデンサを用いる必要がないため、共振回路の信頼性の低下を防止することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る共振回路の構成を説明する図である。 図１の同軸ケーブルの構成を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る共振回路の構成を説明する模式図である。 従来の共振回路の構成を説明する回路図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る共振回路ついて図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の共振回路の構成を説明する図であり、図１（ａ）は、共振回路の構成を説明する模式図であり、図１（ｂ）は共振回路の構成を説明する等価回路図である。図２は、図１の同軸ケーブルの構成を説明する模式図である。

本実施形態の共振回路１は、コイルとコンデンサの性質を利用したＬＣ共振回路であって、比較的大きな規模（例えば、共振回路の長さが十ｍから百ｍ単位の規模）で設置されるものである。共振回路１には、図１（ａ）に示すように、複数の同軸ケーブル（ケーブル）１０と、接続部２０と、電源３０とが主に設けられている。

同軸ケーブル１０は、共振回路１のコイルとしての役割と、コンデンサとしての役割を果たすものである。言い換えると、図１（ｂ）に示すように、共振回路１におけるインダクタンスＬと、静電容量Ｃと、を提供するものである。同軸ケーブル１０は、複数の同軸ケーブル１０を直列に並んで繋がれると共に、環状に並んでつながれ、共振回路１を構成するものである。このように、複数の同軸ケーブル１０を環状に配置することにより、同軸ケーブル１０は、１回巻きコイルと同様にインダクタンスＬを有する構成となる。同軸ケーブル１０には、図２に示すように、内部導体１１と、外部導体１２と、絶縁体１３と、保護被覆１４と、が主に設けられている。

内部導体１１は、導電体を長尺に形成したものであり、本実施形態では円柱状に形成されたものに適用して説明する。内部導体１１は、外部導体１２とともに、共振回路１において電流が流れるものである。

外部導体１２は、導電体を筒状に形成したものであり、筒状の内部に内部導体１１や絶縁体１３が配置されるものである。導電体の細線を筒状に編んだもの（編組線）であってもよいし、導電体を一体な筒状に形成したものであってもよく、特に限定するものではない。

なお、導電体としては、銅やアルミニウムなどの導電率の高い金属材料、および、これらを用いた合金材料などを例示することができる。さらに、内部導体１１を構成する導電体と、外部導体１２を構成する導電体とは、組成比率が同一の導電体を用いてもよいし、組成比率が異なる導電体を用いてもよく、特に限定するものではない。

絶縁体１３は、内部導体１１と外部導体１２との間の筒状の領域に配置されたものであり、内部導体１１と外部導体１２との間の電気的な絶縁を保つものである。そのため、絶縁体１３は、共振回路１に印加される電圧によっても絶縁が破壊されない（耐圧が確保される）厚さｔｖ以上の厚み有することが求められる。ここで、絶縁体１３の厚さｔは、ｔ＝（Ｄ−ｄ）／２により定められるものであり、Ｄは外部導体１２の内径（内周の直径）であり、ｄは内部導体１１の外径（直径）である。その一方で、絶縁体１３は、共振回路１に求められる静電容量Ｃを確保するのに最低限必要な厚さｔｃ未満の厚みを有することが求められる。

絶縁体１３を形成する材料としては、絶縁性を有するとともに誘電率が大きい材料、例えば架橋ポリエチレンなどの樹脂を用いることができる。特に、静電容量Ｃを増やす観点から、誘電率が大きい材料を用いることが好ましい。絶縁体１３を形成する材料の誘電率が大きくなると、静電容量Ｃを確保する観点から求められる絶縁体１３の厚さｔｃを大きくすることができる。その結果、絶縁体１３の厚さｔを大きくすることができ、耐圧の確保および静電容量Ｃの確保の両立が容易となる。

保護被覆１４は、同軸ケーブル１０の最外周を覆い、外部導体１２を保護する被覆であるとともに、外部導体１２と、外部との間を絶縁するものである。保護被覆１４を形成する材料としては、少なくとも絶縁性を有する材料、例えばビニル樹脂などの樹脂を用いることができる。なお、絶縁体１３を形成する材料と同じ材料を用いて保護被覆１４を形成してもよく、特に限定するものではない。

接続部２０は、図１（ａ）に示すように、直列に並んだ同軸ケーブル１０の間に配置され、隣接する同軸ケーブル１０を機械的につなぐものである。更に、接続部２０は、隣接した同軸ケーブル１０における一方の同軸ケーブル１０の内部導体１１と、他方の同軸ケーブル１０の外部導体１２とを、導電可能に接続するものである。また、同軸ケーブル１０の一方の端部には、当該同軸ケーブル１０の外部導体１２と導電可能であるとともに、内部導体１１を絶縁状態に保つ接続部２０が取り付けられ、他方の端部には、当該同軸ケーブル１０の内部導体１１と導電可能であるとともに外部導体１２を絶縁状態に保つ接続部２０が取り付けられている。

そのため、個々の同軸ケーブル１０は、一方の端部において外部導体１２が導電可能であると共に内部導体１１が絶縁状態とされ、他方の端部において内部導体１１が導電可能であると共に外部導体１２が絶縁状態とされている。そのため、同軸ケーブル１０は、コンデンサと同様に静電容量Ｃを有する構成となり、電力を電場として一時的に蓄えることができる。

電源３０は、直列につながれた同軸ケーブル１０の一方の端部では外部導体１２に、他方の端部では内部導体１１に導電可能に接続され、共振回路１に交流電流を供給するものである。共振回路１に供給される交流電流の周波数は、共振回路１において共振が発生する周波数（共振周波数）ω＝１／√（ＬＣ）を例示することができる。なお、電源３０と同軸ケーブル１０は直接、導電可能に接続されていてもよいし、他のケーブル等を介して導電可能に接続されていてもよく、特に限定するものではない。

次に、上記の構成からなる共振回路１における作用について説明する。
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、電源３０から交流電流が共振回路１に供給されると、同軸ケーブル１０における内部導体１１および外部導体１２の間（静電容量Ｃを構成する部分）には、交流電流における変動に伴い電荷が一時的に蓄えられる。蓄えられた電荷は隣接する同軸ケーブル１０に向かって移動を開始するため、同軸ケーブル１０に電流が流れ始める。同軸ケーブル１０を流れる電流は、環状のコイルを形成する同軸ケーブル１０のまわりに、同軸ケーブル１０を中心とした同心円状の磁場を形成する。この時、内部導体１１および外部導体１２の間に蓄えられた電荷は減少し続ける。

その後、内部導体１１および外部導体１２の間に蓄えられた電荷が全て放出されると、環状のコイルを形成する同軸ケーブル１０のまわりに形成された磁場により同軸ケーブル１０を流れる電流が維持され、最初に電荷が蓄えられた同軸ケーブル１０と隣接する同軸ケーブル１０の内部導体１１および外部導体１２の間に電荷が蓄えられ始める。この時、同軸ケーブル１０を流れる電流を維持することにより、同軸ケーブル１０のまわりに形成された磁場の強さは弱くなり、磁場の強さが弱くなると、同軸ケーブル１０を流れる電流値も小さくなる。

同軸ケーブル１０まわりの磁場が消滅するころには、隣接する同軸ケーブル１０の内部導体１１および外部導体１２の間に電荷が蓄えられる。その後、この蓄えられた電荷は、最初に電荷が蓄えられた同軸ケーブル１０に向かって（上述の移動方向とは逆方向に）移動を開始し、上述のサイクルが繰り返される。さらに、電源３０からは、上述のサイクルの周期である共振周波数ωの交流電流が供給されるため、共振回路１では、共振状態が維持される。

上記の構成によれば、コイルを構成するとともにコンデンサをも構成する同軸ケーブル１０を環状に配置して共振回路１を構成するため、コイルを配置する場所を確保するだけでよく、上述の先行技術文献に記載された共振回路のように、コンデンサを配置する場所を追加して確保する必要がない。

さらに、絶縁体１３の厚さや、同軸ケーブル１０の長さを調節することにより同軸ケーブル１０における静電容量を調節し、静電容量を大きくすることができる。そのため、大容量ではあるが破損の可能性があり、信頼性の低下が懸念されるコンデンサと比較して、破損の可能性の低い同軸ケーブル１０の静電容量を利用することで、共振回路１の信頼性の低下を容易に防止することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。
本実施形態の共振回路の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、同軸ケーブル１０の配置が異なっている。よって、本実施形態においては、図３を用いて同軸ケーブル１０の配置について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。図３は、本実施形態に係る共振回路の構成を説明する模式図である。

本実施形態の共振回路１０１は、図３に示すように、複数の同軸ケーブル１０を電気的に並列に接続した同軸ケーブル１０の束１１０を作り、当該同軸ケーブル１０の束１１０を環状に並べると共に、電気的に直列に接続する点が第１の実施形態と異なっている。

共振回路１０１には、複数の同軸ケーブル１０の束１１０と、接続部１２０と、電源３０とが主に設けられている。
本実施形態では、３本の同軸ケーブル１０を集めて束１１０が形成されている例に適用して説明する。束１１０を構成する３本の同軸ケーブル１０は、例えば、共振回路１０１の環により構成される平面（図３の紙面）上に並んで配置されていることが好ましい。

接続部１２０は、第１の実施形態の接続部２０と同様に、同軸ケーブル１０の束１１０の間に配置され、隣接する同軸ケーブル１０の束１１０を機械的につなぐものである。更に、接続部１２０は、隣接した同軸ケーブル１０の束１１０における一方の同軸ケーブル１０の束１１０の内部導体１１と、他方の同軸ケーブル１０の束１１０の外部導体１２とを、導電可能に接続するものである。

また、同軸ケーブル１０の束１１０の一方の端部には、当該同軸ケーブル１０の束１１０の外部導体１２と導電可能であるとともに、内部導体１１を絶縁状態に保つ接続部１２０が取り付けられ、他方の端部には、当該同軸ケーブル１０の束１１０の内部導体１１と導電可能であるとともに外部導体１２を絶縁状態に保つ接続部１２０が取り付けられている。

電源３０は、直列につながれた同軸ケーブル１０の束１１０一方の端部では外部導体１２に、他方の端部では内部導体１１に導電可能に接続され、共振回路１０１に交流電流を供給するものである。

上述のように、隣接する接続部１２０の間に、電気的に並列に接続された同軸ケーブル１０を配置し、同軸ケーブル１０の本数を増やすことで、共振回路１０１における静電容量Ｃを容易に増大させることができる。そのため、共振回路１０１に用いる際に、同軸ケーブル１０に求められる静電容量Ｃの大きさ、および、耐圧の高さの両立を図ることができる。

一般的に、同軸ケーブル１０において静電容量Ｃを増大させるためには、絶縁体１３の厚みを薄くするか、絶縁体１３の誘電率を高くするか、のいずれかの方法が採用される。
しかしながら、絶縁体１３の厚みを薄くする方法は、共振回路１０１や同軸ケーブル１０に求められる耐圧を満たすために最低限必要な絶縁体１３の厚みが存在するため、静電容量Ｃを増大させるには限度がある。これに対して同軸ケーブル１０を並列に並べる本実施形態では、耐圧を満たすために最低限必要な絶縁体１３の厚みを確保しつつ、容易に静電容量Ｃを増大させることができる。

また、絶縁体１３の誘電率を高める方法も、絶縁体１３として使用できる材料の種類が限られるため、静電容量Ｃを増大させるには限度がある。この場合に対しても、同軸ケーブル１０を並列に並べる方法では、絶縁体１３の材料に依存することなく、容易に静電容量Ｃを増大させることができる。

１，１０１…共振回路、１０…同軸ケーブル（ケーブル）、２０，１２０…接続部、１１…内部導体、１２…外部導体、１３…絶縁体

Claims (2)

1. 導電体を長尺に形成した内部導体と、
   前記導電体を筒状に形成し、内部に前記内部導体が配置された外部導体と、
   前記内部導体および前記外部導体の間に配置された絶縁体と、
   を有するケーブルが複数備えられ、
   該複数のケーブルが直列に並んで環状に配置され、
   隣接する前記ケーブルの一方の前記内部導体と、他方の前記外部導体とが導電可能に接続されていることを特徴とする共振回路。
2. 前記隣接するケーブルの一方の前記内部導体と、他方の前記外部導体とが導電可能に接続する接続部が設けられ、
   隣接する前記接続部の間には、電気的に並列に接続された前記ケーブルが配置されていることを特徴とする請求項１記載の共振回路。

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