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コンテスト/Gnit Standard Open 012 (GSO012)/第8問 皮膚に貼る無電池ハプティック・パッチ
第8問

皮膚に貼る無電池ハプティック・パッチ

終了
500 ptsLv.8 中級電磁気
2026/09/27 21:00〜2026/09/27 22:30
作成者:admin

問題文

皮膚に柔らかく貼り付き、振動によって触覚情報を伝える無電池のハプティック・パッチを考える。パッチは、外部の送電コイルがつくる交流磁場から電力を受け取る。

送電側は、理想交流電源、送電側の損失をまとめて表す抵抗 R1R_1R1​、自己インダクタンス L1L_1L1​ のコイル、コンデンサー C1C_1C1​ をすべて直列に接続した回路である。交流電源の実効値を UUU とし、負荷を変化させても UUU は一定に保たれる。

受電側は、自己インダクタンス L2L_2L2​、巻線抵抗 rrr をもつ柔軟なコイル、調整可能なコンデンサー C2C_2C2​、可変負荷抵抗 RLR_LRL​ をすべて直列に接続した回路である。RL>0R_L>0RL​>0 とする。

実際のパッチに含まれる整流回路、電源管理回路、振動を発生させるアクチュエーターなどは、本問では交流側から見た純抵抗 RLR_LRL​ に置き換える。

送電側と受電側の間に導線による接続はない。二つのコイルの相互インダクタンスを MMM とする。角振動数 ω\omegaω の正弦波電流の実効値が一方のコイルで III であるとき、他方のコイルに生じる相互誘導起電力の実効値の大きさは ωMI\omega MIωMI である。

交流電源の角振動数は、

ω0L1=1ω0C1\omega_0L_1=\frac{1}{\omega_0C_1}ω0​L1​=ω0​C1​1​

を満たす値 ω0\omega_0ω0​ に固定されている。

動作前に C2C_2C2​ を調整し、受電側についても、

ω0L2=1ω0C2\omega_0L_2=\frac{1}{\omega_0C_2}ω0​L2​=ω0​C2​1​

となるようにする。

その後、実験者は負荷抵抗 RLR_LRL​ を次の二つの方針のいずれかで選ぶ。

一方では、負荷抵抗 RLR_LRL​ で消費される平均電力 PLP_LPL​ が最大になるように RLR_LRL​ を選ぶ。この抵抗値を RPR_PRP​ とする。

他方では、理想交流電源が送電側回路へ供給する平均有効電力を PinP_{\mathrm{in}}Pin​ とし、

η=PLPin\eta=\frac{P_L}{P_{\mathrm{in}}}η=Pin​PL​​

で定義される電力伝送効率が最大になるように RLR_LRL​ を選ぶ。この抵抗値を RηR_\etaRη​ とする。

放射損失、寄生容量、誘電損失は無視し、コンデンサーは理想素子とする。パッチの変形による L2,r,ML_2,r,ML2​,r,M の変化も無視し、L1,L2,R1,r,ML_1,L_2,R_1,r,ML1​,L2​,R1​,r,M は動作中一定とする。

制約

  • L1=4 μHL_1=4\,\mathrm{\mu H}L1​=4μH
  • C1=250 nFC_1=250\,\mathrm{nF}C1​=250nF
  • R1=800 mΩR_1=800\,\mathrm{m\Omega}R1​=800mΩ
  • L2=5 μHL_2=5\,\mathrm{\mu H}L2​=5μH
  • r=500 mΩr=500\,\mathrm{m\Omega}r=500mΩ
  • M=800 nHM=800\,\mathrm{nH}M=800nH

入力形式

受電側を共振させる容量について、

C2C1=ab\frac{C_2}{C_1}=\frac{a}{b}C1​C2​​=ba​

とする。

また、二つの方針で選ばれる抵抗について、

(RηRP)2=cd\left(\frac{R_\eta}{R_P}\right)^2=\frac{c}{d}(RP​Rη​​)2=dc​

とする。

それぞれを既約分数とし、a,b,c,da,b,c,da,b,c,d は正の自然数とする。

a+b+c+da+b+c+da+b+c+d を入力せよ。

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