JP5777258B2 - 高電力用可変インダクタとこれを用いたフィルタ - Google Patents

Description

本発明は高電力用可変インダクタとこれを用いたフィルタに関し、より詳しくは、高電力が印加されるＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）のような測定装備などに電力を供給するに当たって、高い周波数のノイズを除去する高電力用可変インダクタとこれを用いたフィルタに関する。

この部分に記述された内容は単純に本発明に対する背景情報を提供するだけであり、従来技術を構成するものではない。

高電力が印加される測定装備または治療装備は、入力電力にインパルスなどの高周波ノイズが印加される場合、損傷や誤作動が発生することがある。したがって、高電力装備は一般的に電力源と装備との間にフィルタを結合して高周波ノイズを除去する。高周波ノイズを除去する低域通過フィルタは、インダクタを核心的な構成要素とする。また、高電力が印加されるので、インダクタは通常、低い抵抗を維持しなければならない。しかしながら、一般的なインダクタは抵抗が大きく、そのサイズを調節することが容易でないという問題がある。

したがって、高電力を印加することができる可変インダクタとこれを用いたフィルタに対する要求がある。

本発明の目的は、インダクタのインダクタンスが固定される問題を解決して高電力用可変インダクタとこれを用いたフィルタを提供することにある。

本発明の一態様によれば、２ポート回路の第１入力端子と第１出力端子に連結される第１インダクタ、及び第２入力端子と第２出力端子に各々連結される第２インダクタにおいて、上記第１インダクタと上記第２インダクタとは互いに対称であり、かつ上記第１インダクタと上記第２インダクタとが囲む面積を調節してインダクタンスを可変することを特徴とする可変インダクタを提供する。

また、本発明の他の態様によれば、伝導性材料で凹凸形態が線形に予め設定された回数だけ反復された構造の第１モジュール、及び伝導性材料で凸凹形態が上記回数だけ反復された構造の第２モジュールを含み、かつ上記第１モジュールと上記第２モジュールとが対向して対称に配置したことを特徴とする低域通過フィルタを提供する。

本発明によれば、板状インダクタの断面積を調節することによって、高電力用可変インダクタを提供し、これを用いたノイズ除去を行うことができる。

電流が流れるコイルの周辺磁場の形態を示す例示図である。 １回の巻線されたインダクタと本発明の一実施形態に従う入出力端が４個であるインダクタを示す例示図である。 本発明の一実施形態に従う可変インダクタの例示図である。 本発明の一実施形態に従う可変インダクタの斜視図である。 本発明の一実施形態に従う低域通過フィルタの回路図である。 本発明の一実施形態に従う可変インダクタを用いた低域通過フィルタの平面図である。 本発明の一実施形態であって、可変インダクタを用いた低域通過フィルタの斜視図である。

以下、添付の図面を参照して詳細に説明する。

各図面の構成要素に参照符号を付加するに当たって、同一な構成要素に対してはたとえ他の図面上に表示されても、できる限り同一な符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明を説明するに当たって、関連した公知構成または機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすることができると判断される場合にはその詳細な説明は省略する。

また、本発明の構成要素を説明するに当たって、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することができる。このような用語はその構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その用語により当該構成要素の本質や回順序または順序などが限定されない。どの構成要素が他の構成要素に"連結"、"結合"、または"接続"されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結、または接続できるが、各構成要素の間に更に他の構成要素が"連結"、"結合"、または"接続"されることもできると理解されるべきである。

本実施形態は４個の入出力端子を有する一方、インダクタンスのサイズを調節することができる１回巻線されたコイルと等価のインダクタとこれを用いたフィルタを提示する。したがって、２つの端子を有する通常的なインダクタとは異なり、４個の端子を有することができる理由と、これによってインダクタンスを調節する方法を説明する。このために、一般的に知られているインダクタの概念から始まって本実施形態を具体的、かつ詳細に説明する。

図１は、電流が流れるコイルの周辺磁場の形態を示す例示図である。

電流は磁場１２０を誘導する。電流により生成された磁場１２０は電流の変化を妨害する。このように電流の変化を妨害する程度をインダクタンスという。インダクタンスは電流の変化を妨害するので、インダクタンスを有するインダクタは電流の変化が大きい信号、即ち周波数の高い領域の信号を遮蔽する低域通過フィルタ（＝高域遮蔽フィルタ）に用いられるか、低域通過フィルタの構成要素として活用される。

インダクタンスは、アンペールの法則と磁束誘導公式により導線の巻数の自乗に比例し、巻線領域の断面積に比例する。これを示すインダクタンスの一般的な公式は＜数式１＞の通りである。

ここで、Ｌはインダクタンス、λは鎖交磁束、Ｉは電流、μは透磁率、Ａは巻線領域の断面積、Ｎは巻線回数、ｌは閉ループ長さを意味する。

＜数式１＞は、巻線が円筒形であり、電線が厚さのない線からなる場合を仮定して計算された。

一般に、図１に示すように、コイルの一端に電流が流入し、他端に流出すれば、磁場１２０が生成される構造がインダクタとして使われる。しかしながら、インダクタの概念には同一な方向に同一な電流が流れさえすればよいので、入出力の個数の特別な制限はない。

図２は、１回巻線されたインダクタと本発明の一実施形態に従う入出力端が４個であるインダクタを示す例示図である。

（ａ）は、１回巻線されたインダクタである。１つの導線にも電流が流れれば磁場１２０が誘導されるので、＜数式１＞は１回巻線されたインダクタにも同一に適用される。斜線で表示したＡは巻線領域の断面積となり、巻線回数は１回となる。入出力端子の線が十分に近接していると、入出力線が生成する断面積は無視できる程度であるので、インダクタンスに寄与しない。

（ｂ）は、１回巻線されたインダクタの一端を長く伸ばして４個の入出力端子を生成したインダクタである。インダクタは、第１入力端２１０、第２入力端２２０、第２出力端２３０、及び第１出力端２４０を記載した順序に含む。第２入力端２２０と第２出力端２３０との間の点線区間は省略された回路を表す。（ａ）で説明したように、入出力線がインダクタンスに寄与することがなければ、生成されたインダクタンスは完全に環形に生成された面積のみに依存するようになる。（ｂ）のインダクタは（ａ）と同一な磁束を生成し、インダクタンスやはり同一である。第１入力端２１０から第２入力端２２０までのループが第２出力端２３０から第１出力端２４０までのループと対称であれば、第１入力端２１０から第２入力端２２０までのループと第２出力端２３０から第１出力端２４０までのループが生成するインダクタンスは各々（ａ）で生成されたインダクタンスの半分となる。

図３は、本発明の一実施形態に従う可変インダクタの例示図である。

図３に示したインダクタは、図２の（ｂ）で提示したインダクタの断面積を調節することができる実施形態である。インダクタは、第１入力端２１０、第２入力端２２０、第２出力端２３０、及び第１出力端２４０の間に、第１支持線３１０、第２支持線３２０、第１連結線３３０、第２連結線３３５、第３支持線３４０、第４支持線３５０、第１モジュール３６０、及び第２モジュール３７０を含む。第１入力端２１０に第１支持線３１０の一端を連結し、予め設定された間隔を置いて第２支持線３２０の一端を第２入力端２２０に連結し、かつ第１支持線３１０と第２支持線３２０とは平行に連結する。第２出力端２３０に第３支持線３４０の一端を連結し、予め設定された間隔を置いて第４支持線３５０の一端を第１出力端２４０に連結し、かつ第３支持線３４０と第４支持線３５０とは平行に連結する。第１支持線３１０、第２支持線３２０、第３支持線３４０、及び第４支持線３５０の他端は連結しない。第１支持線３１０と第２支持線３２０との間に第１連結線３３０が連結され、第３支持線３４０と第４支持線３５０との間に第２連結線３３５を連結し、第１連結線３３０と第２連結線３３５との連結位置によって断面積のサイズと形態が決定される。この際、電気的には第１入力端２１０から第１モジュール３６０を経て省略された回路（第２入力端２２０と第２出力端２３０との間の点線で表示した部分）を過ぎて第２モジュール３７０を経て第１出力端２４０に出力される閉ループを形成する。この際、第１モジュール３６０と第２モジュール３７０とは磁気的に連結されて共に動作する。しかしながら、第１モジュールと第２モジュールは回路的に省略された回路（点線で表示した部分）を間隔に置いた２つのインダクタの直列連結として表れる。この際、第１モジュール３６０と第２モジュール３７０とが対称的な形状であれば、同一なインダクタンスを有する。

図４は、本発明の一実施形態に従う可変インダクタの斜視図である。

図３で説明した可変インダクタは線で示したが、必ず線形である必要はない。特に、高電力に使われるフィルタでは電線の太さが太いほど抵抗が低いので有利である。本実施形態として多様な形状がありえるが、板型を用いた構造を説明する。本実施形態では、製作の容易性、電流の流れを考慮して入出力端子やはり板型に形成したが、これに限定されるものではない。

第１入力端子４５０と連結された第１支持板４１０と第２入力端子４７０に連結された第２支持板４２０とを平行に配置し、第１支持板４１０と第２支持板４２０との間に第１連結板４３０を連結する。第２出力端子４６０に第３支持板４８０を連結し、かつ第２支持板４２０の延長面の上に配置し、第１出力端子４４０と第４支持板４９０とを連結し、かつ第１支持板４１０の延長面上に第３支持板４８０と平行に配置する。上記第１連結板４３０により第１支持板４１０と第２支持板４２０の対応する地点を連結し、第２連結板４９５により第１連結板４３０と平行に−第１連結板４３０が第１支持板４１０と第２支持板４２０の対応する地点に連結された地点と対応する−第３支持板４８０と第４支持板４９０との対応する地点を連結する。このように連結すれば、第１入力端子４５０から第２入力端子４７０まで連結されたモジュールと第２出力端子４６０から第１出力端子４４０まで連結されたモジュールとが対称となる。言い換えると、本実施形態によれば、対称になるように第１連結板４３０と第２連結板４９５を移動させることができるインダクタを具現することができる。この際、図２及び図３に説明したように、２つモジュールが対称であれば、同一なインダクタンスを有する。この際、各々の入出力端子は必ず支持板の末端に位置することに限定されるものではない。

本実施形態でも＜数式１＞のインダクタンス計算公式が適用できるが、＜数式１＞でのインダクタンス計算は円形に巻線された線形コイルを前提として計算されたものであるので、誤差があることがある。本実施形態のインダクタンスは実験的に計測したりシミュレーションを通じて求めたりすることができる。

図５は、本発明の一実施形態に従う低域通過フィルタの回路図である。

電力用フィルタは、一側に入力電力の入出力端子が連結され、他側に伝送電力の入出力端子が連結される。これは、図４で言及した第１入力端子４５０及び第１出力端子４４０が入力電力の入出力端子と対応し、第２入力端子４７０及び第２出力端子４６０が伝送電力の入出力端子に対応する。

このように２ポート方式により電力を入力して伝送する場合、同一な位相を維持するために、入力電力の入力端子と伝送電力の入力端子までの回路と伝送電力の出力端子から入力電力の出力端子までの回路を対称的に構成することができる。本実施形態では、低域通過フィルタを設計した。一般的な低域通過フィルタの製作技法であるインダクタを繰り返して具現し、各々のインダクタの末端に他端が接地されたキャパシタの一端を連結して７次低域通過フィルタを設計した。

一方、本実施形態で提示したインダクタは、既存のインダクタに代わる素子を提案したものである。したがって、本実施形態で具現した回路構造に限定して権利範囲を解釈してはならない。通常的に、低域通過フィルタは９次以内に具現することと知られているが、理論的にその次数に制限はない。したがって、直列に連結されたインダクタとその間に接地されたキャパシタを繰り返して構成しさえすれば、繰り返した回数は次数のみに影響を及ぼすだけであり、低域通過フィルタの実質的な駆動は同一に起こる。言い換えると、本実施形態とは異なり、５次や９次の低域通過フィルタを具現した実施物も本発明の権利範囲に含まれると解釈しなければならない。

図２から４で説明した対称なインダクタを図５の対称的なインダクタに用いた場合、構造的な特徴上、同一なインダクタンスを有するインダクタが配置される。図面に表示されたＬ１ ５１０とＬ４ ５２０、Ｌ２ ５３０とＬ５ ５４０は対称的な構造でインダクタを構成するため、同一なインダクタンスを有する。多次低域通過フィルタの具体的な高周波除去効果に対しては説明を省略する。

図６は、本発明の一実施形態に従う可変インダクタを用いた低域通過フィルタの平面図である。図６は、図５の回路図からキャパシタを除いてインダクタと接地線だけを実際に具現した構造の平面図である。

第１支持板４１０と第２支持板４２０は第１連結板４３０が締結できる締結孔６２０を有し、締結部材６１０を用いて締結できる。締結孔６２０が多数の場合、第１連結板４３０の位置を調整することができる。また、第３支持板４８０と第４支持板４９０は第２連結板４９５が締結できる締結孔６２０を有し、締結孔６２０が多数の場合、第２連結板４９５の位置を調整することができる。この際、第１連結板４３０と第２連結板４９５の各支持板との相対的な位置は対称になることが好ましい。

締結が完了した第１入力端子４５０から第２入力端子４７０まで電流が流れる第１モジュールは、インダクタの間の連結部分を含んで凹凸形態であり、第２出力端から第１出力端まで電流が流れる第２モジュールは、これに対称な凸凹形態になる。この際、対称線を中心に突出した連結板の位置を対称になるように調整することによって、インダクタンスを調節することができる。本平面図の上では中間のインダクタが囲んだ面積が最も広く、両端のインダクタが囲んだ面積がこれより小さいながら同一であるので、インダクタンスは中間のインダクタが最も大きく、両端のインダクタは中心より小さく、互いに同一なサイズであることが分かる。

第１モジュールと第２モジュールとは互いに絶縁されなければならず、中心に第１モジュール及び第２モジュールと絶縁された接地板６３０を挿入することができる。接地板６３０は接地された伝導性の板であり、第１モジュールと第２モジュールとを締結し、第１モジュールと第２モジュールとの互いに近接した面に一端が連結されたキャパシタ（図示せず）の他端が連結される構造体として機能することができる。

図７は本発明の一実施形態であって、可変インダクタを用いた低域通過フィルタの斜視図である。

図７は、図６に説明した平面図を対角線方向から眺めた立体斜視図である。

第１モジュールと第２モジュールとは各々凹凸形態と凸凹形態が対称になるように配置され、支持台７３０により接地板６３０を中心に相互結合する。第１モジュールの一端は第１入力端子４５０と連結され、他端は第２入力端子４７０と連結される。第２モジュールの一端は第２出力端子４６０と連結され、第２モジュールの他端は第１出力端子４４０と連結される。支持板は連結板との接触線に締結できる１つ以上の締結孔６２０を有し、多数の接触線の上に締結孔６２０を有することができる。連結板は、支持板との接触面に締結孔６２０に対応する孔を有しているので、支持板と支持板との間を連結する接触線を調節することができる。低域通過フィルタは、外部と電磁気的に遮蔽され、接地された伝導性物質のケース７１０で囲む形態になることができる。この際、接地板６３０はケース７１０と電気的に連結できる。また、接地板６３０は紙のような絶縁板７２０により絶縁されて第１モジュールと第２モジュールとの間に挿入できる。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したことに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から外れない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施形態は本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、このような実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は請求範囲により解釈されなければならず、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである

１２０ 磁場
３１０ 第１支持線
３２０ 第２支持線
３３０ 第１連結線
３６０ 第１モジュール
３７０ 第２モジュール
３４０ 第３支持線
３５０ 第４支持線
３３５ 第２連結線
４１０ 第１支持板
４２０ 第２支持板
４３０ 第１連結板
４４０ 第１出力端子
４５０ 第１入力端子
４６０ 第２出力端子
４７０ 第２入力端子
４８０ 第３支持板
４９０ 第４支持板
４９５ 第２連結板
５１０ Ｌ１
５２０ Ｌ４
５３０ Ｌ２
５４０ Ｌ５
６１０ 締結部材
６２０ 締結孔
６３０ 接地板
７１０ ケース
７２０ 絶縁板
７３０ 支持台

Claims (14)

1. ２ポート回路の第１入力端子と第１出力端子に連結される第１インダクタと第２入力端子と第２出力端子に各々連結される第２インダクタであって、
   前記第１インダクタと前記第２インダクタとは互いに対称であり、かつ、
   前記第１インダクタは、
   互いに平行に配置された第１支持板及び第２支持板と、
   前記第１支持板及び前記第２支持板の間を連結し、かつ前記第１支持板及び前記第２支持板と各々垂直な板形状の第１連結板を含み、
   前記第２インダクタは、
   互いに平行に配置された第３支持板及び第４支持板と、
   前記第３支持板及び前記第４支持板の間を連結し、かつ前記第３支持板及び前記第４支持板と各々垂直な板形状の第２連結板を含み、
   前記第１インダクタと前記第２インダクタとが囲む面積を調節してインダクタンスを可変するために、
   前記第１連結板は前記第１支持板及び前記第２支持板に対して相対的に移動可能であることと、前記第２連結板は前記第３支持板及び前記第４支持板に対して相対的に移動可能であることを特徴とする、可変インダクタ。
2. 前記第１連結板と前記第２連結板とは互いに平行であり、前記第１支持板と前記第３支持板とは同一な平面上に置かれて、前記第２支持板と前記第４支持板とは同一な平面上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の可変インダクタ。
3. 前記第１支持板及び前記第２支持板で前記第１連結板を中心に前記第２連結板方向に所定距離離隔した地点の各々と、前記第３支持板及び前記第４支持板で前記第２連結板を中心に前記第１連結板方向に所定距離離隔した地点の各々に外部連結端子を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の可変インダクタ。
4. 前記第１インダクタ及び前記第２インダクタに入力される電流が同一位相であり、前記第１支持板と前記第３支持板に入力される前記電流の方向が反対であることを特徴とする、請求項３に記載の可変インダクタ。
5. 前記第１インダクタと前記第２インダクタとの間に前記第１インダクタ及び前記第２インダクタと絶縁された接地板がさらに備えられたことを特徴とする、請求項３に記載の可変インダクタ。
6. 前記第１支持板と前記第２支持板は前記第１連結板と接触線の上に締結孔を備え、前記第１連結板は第１支持板と前記第２支持板との接触面に前記締結孔に相応した多数の孔が形成されて締結部材により締結され、
   前記第３支持板と前記第４支持板は前記第２連結板と接触線の上に締結孔を備え、前記第２連結板は前記第３支持板と前記第４支持板との接触面に前記締結孔に相応した多数の孔を形成して締結部材により締結されることを特徴とする、請求項３に記載の可変インダクタ。
7. 前記第１から第４支持板は、前記締結孔を１つ以上の列に備えたことを特徴とする、請求項６に記載の可変インダクタ。
8. 複数のインダクタが直列に接続された第１モジュールと、
   前記第１モジュールに対向して対称に配置され、複数のインダクタが直列に接続された第２モジュールとを含み、かつ、
   前記インダクタは、
   互いに平行に配置された一対の支持板と、
   前記一対の支持板を連結し、かつ前記一対の支持板と各々垂直な板形状の連結板を含み、
   前記連結板は前記一対の支持板に対して相対的に移動可能である、低域通過フィルタ。
9. 前記第１モジュールと前記第２モジュールとが互いに近接した部分の前記第１モジュールと前記第２モジュールにキャパシタの一端を対称になるように連結し、かつ前記キャパシタの他端を接地させたことを特徴とする、請求項８に記載の低域通過フィルタ。
10. 前記低域通過フィルタは、外部と電磁気的な遮蔽のための導体ケースをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の低域通過フィルタ。
11. 前記第１モジュールと前記第２モジュールとの間に接地板がさらに備えられたことを特徴とする、請求項９に記載の低域通過フィルタ。
12. 前記低域通過フィルタは、外部と電磁気的な遮蔽のための導体ケースをさらに含み、前記接地板は前記導体ケースを通じて接地されたことを特徴とする、請求項１１に記載の低域通過フィルタ。
13. 前記第１支持板及び前記第２支持板に対して前記第１連結板の相対的な位置を段階的に変更させることできる第１変更手段と、前記第２支持板及び前記第３支持板に対して前記第２連結板の相対的な位置を段階的に変更させることできる第２変更手段をさらに備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の可変インダクタ。
14. 上記のインダクタは、前記一対の支持板に対して前記連結板の相対的な位置を段階的に変更させることできる変更手段をさらに備えられたことを特徴とする、請求項８に記載の低域通過フィルタ。

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