JP2008049055A - Non-contact power supply device - Google Patents
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Abstract
Translated fromJapaneseDescription
Translated fromJapanese本発明は、電源から電力が供給される一次コイルと、一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に供給する体内埋め込み可能な二次コイルとを備えた非接触電力供給装置に関するものである。 The present invention relates to a non-contact power supply apparatus including a primary coil to which power is supplied from a power source and a secondary coil that can be implanted in the body for supplying power transmitted from the primary coil to the artificial heart by electromagnetic induction. It is.
従来から、人工心臓に電力を供給する非接触電力供給装置が使われている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a non-contact power supply device that supplies power to an artificial heart has been used (see, for example, Patent Document 1).
リード線等により皮膚を貫通させてのエネルギー伝送は、皮膚に穴を開けるという性質上、感染症の問題がある。また、リード線からのエネルギー供給により人工心臓といった医療装置を直接駆動させる場合、患者の行動範囲が制限される。このように、皮膚を介してのエネルギー伝送は患者のクオリティオブライフ（ＱＯＬ）という観点からさまざまな問題を含んでいる。そこで、皮膚を貫通することなくエネルギーを供給するため、体外と体内に置かれた二つのコイル間の電磁誘導作用を利用して、経皮的にエネルギーを伝送する方法がとられている。これを利用したエネルギー伝送システムは、経皮エネルギー伝送システム（ＴＥＴＳ：Ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、またはＴＥＴ）と呼ばれている。 Energy transmission through the skin through lead wires or the like has a problem of infectious diseases because of the nature of making a hole in the skin. In addition, when a medical device such as an artificial heart is directly driven by supplying energy from a lead wire, the range of action of the patient is limited. Thus, energy transmission through the skin involves various problems from the viewpoint of patient quality of life (QOL). Therefore, in order to supply energy without penetrating the skin, a method of transcutaneously transmitting energy using an electromagnetic induction action between two coils placed outside and inside the body is used. An energy transmission system using this is called a transcutaneous energy transmission system (TETS).
このシステムの、体外と体内に置かれた二つのコイルにより、経皮トランスが構成される。そして、電力伝送部となる経皮トランスを介し、体外の電源装置から体内のポンプといった駆動部へと電力が伝送される。これまで、さまざまな経皮トランスが考案され、実験されてきた。例えば、空心コイルと呼ばれる銅線を円盤状に巻いたコイルが、経皮エネルギー伝送システムに使用されている。
しかしながら、上記従来の構成では、電力の伝送効率が高く、入力電圧が低いという性能を向上させる目的と、コイルの大きさが小さいという患者への負担を軽減する目的とを達成するための設計しかなされておらず、電磁界による生体への影響といった患者の安全性を考慮した設計がなされていないという問題がある。 However, in the above-described conventional configuration, only a design for achieving the purpose of improving the performance of high power transmission efficiency and low input voltage and the purpose of reducing the burden on the patient that the size of the coil is small. There is a problem that it is not made, and the design considering the safety of the patient such as the influence of the electromagnetic field on the living body is not made.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁界による生体への影響が少なく、患者の安全性を確保することができる非接触電力供給装置を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to realize a non-contact power supply device that can reduce the influence of an electromagnetic field on a living body and ensure patient safety. It is in.
本発明に係る非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a non-contact power supply apparatus according to the present invention outputs a primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source, and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart. A non-contact power supply device provided with an implantable secondary coil with a diameter of 60 mm provided to supply at a voltage of 24 volts, wherein the frequency of power supplied to the primary coil is 300 kHz or more and 1000 kHz or less It is characterized by being.
上記特徴により、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。 Due to the above characteristics, since a primary coil having a diameter of 90 mm and a secondary coil having a diameter of 60 mm and having an output voltage of 24 volts is supplied with power of 300 kHz or more and 1000 kHz or less to the primary coil, a current representing a stimulating action on a living body. A non-contact power supply apparatus having a low density and high transmission efficiency can be provided.
本発明に係る他の非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, another non-contact power supply apparatus according to the present invention uses a primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction action as an artificial heart. A non-contact power supply device provided with a secondary coil with a diameter of 60 mm that can be implanted in the body and supplied with an output voltage of 12 volts, and the frequency of the power supplied to the primary coil is 200 kHz or more 700 kHz or less.
上記特徴により、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧１２ボルトのものとにおいて、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。 According to the above characteristics, since a power of 200 kHz or more and 700 kHz or less is supplied to the primary coil in a primary coil of 90 mm in diameter and a secondary coil of 60 mm in diameter and having an output voltage of 12 volts, a current representing a stimulating action on a living body. A non-contact power supply apparatus having a low density and high transmission efficiency can be provided.
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, another non-contact power supply apparatus according to the present invention artificially combines a primary coil having a diameter of 100 mm supplied with power from a power source and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction. A non-contact power supply device including a 70 mm diameter secondary coil that is provided to supply a heart with an output voltage of 24 volts, and the frequency of power supplied to the primary coil is 200 kHz. The frequency is 850 kHz or less.
上記特徴により、直径１００ｍｍの一次コイルと、直径７０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。 Due to the above characteristics, since a primary coil having a diameter of 100 mm and a secondary coil having a diameter of 70 mm and having an output voltage of 24 volts are supplied with electric power of 200 kHz or more and 850 kHz or less to the primary coil, a current representing a stimulating action on a living body. A non-contact power supply apparatus having a low density and high transmission efficiency can be provided.
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする。 Still another non-contact power supply apparatus according to the present invention supplies a primary coil having a diameter of 100 mm to which power is supplied from a power source, and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 12 volts. A non-contact power supply device provided with a secondary coil with a diameter of 70 mm that can be implanted in the body, wherein the frequency of power supplied to the primary coil is 100 kHz or more and 450 kHz or less. And
上記特徴により、直径１００ｍｍの一次コイルと、直径７０ｍｍの二次コイルで出力電圧１２ボルトのものとにおいて、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。 Due to the above characteristics, since a primary coil having a diameter of 100 mm and a secondary coil having a diameter of 70 mm and having an output voltage of 12 volts is supplied with electric power of 100 kHz to 450 kHz to the primary coil, a current representing a stimulating action on a living body. A non-contact power supply apparatus having a low density and high transmission efficiency can be provided.
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。 Still another non-contact power supply apparatus according to the present invention supplies a primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source, and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 24 volts. A non-contact power supply device with an implantable 60 mm diameter secondary coil provided in order to supply current to the primary coil such that the current density is based on the basic limits of occupational exposure The power frequency is 600 kHz or more and 1000 kHz or less.
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。 Still another non-contact power supply apparatus according to the present invention supplies a primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power supply, and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 12 volts. A non-contact power supply device with an implantable 60 mm diameter secondary coil provided in order to supply current to the primary coil such that the current density is based on the basic limits of occupational exposure The frequency of electric power is 300 kHz to 700 kHz.
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。 Still another non-contact power supply apparatus according to the present invention supplies a primary coil having a diameter of 100 mm to which power is supplied from a power source and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 24 volts. A non-contact power supply device with an implantable 70 mm diameter secondary coil provided for the purpose of supplying current to the primary coil such that the current density is based on the basic limits of occupational exposure The frequency of power is 400 kHz or more and 850 kHz or less.
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。 Still another non-contact power supply apparatus according to the present invention supplies a primary coil having a diameter of 100 mm to which power is supplied from a power source, and power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 12 volts. A non-contact power supply device with an implantable 70 mm diameter secondary coil provided for the purpose of supplying current to the primary coil such that the current density is based on the basic limits of occupational exposure The power frequency is 200 kHz or more and 450 kHz or less.
本発明に係る非接触電力供給装置は、以上のように、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度を小さくすることができ、且つ伝送効率を高くすることができるという効果を奏する。 As described above, the non-contact power supply apparatus according to the present invention supplies power of 300 kHz to 1000 kHz to the primary coil in the primary coil having a diameter of 90 mm and the secondary coil having a diameter of 60 mm and an output voltage of 24 volts. Since the current is supplied, the current density representing the stimulating action on the living body can be reduced, and the transmission efficiency can be increased.
本発明の一実施形態について図１ないし図１８に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る非接触電力供給装置１の構成を示す模式図である。図２は、非接触電力供給装置１に設けられた一次コイル２と二次コイル３との構成を示す模式図である。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a non-contact
非接触電力供給装置１は、空心型の一次コイル２を備えている。一次コイル２には、電池４からインバータ回路７を介して電力が供給される。一次コイル２は、生体の皮膚の表面に対向して配置される。非接触電力供給装置１には、空心型の二次コイル３が設けられている。二次コイル３は、生体の皮膚の表面から５ｍｍ〜１０ｍｍよりも深い皮下組織に埋め込まれており、一次コイル２に対向するように配置されており、一次コイル２から電磁誘導作用により伝送された電力を、駆動装置６を介して人工心臓５に供給する。 The non-contact
図３は、非接触電力供給装置１の伝送等価回路の構成を示す回路図である。電池４及び一次コイル２は、周波数ωの電圧Ｖ１、電流Ｉ１を供給する交流電源と、この交流電源に接続されたコンデンサＣ１、コイルＬ１及び巻線抵抗ｒ１によって等価的に表される。二次コイル３、駆動装置６及び人工心臓５は、コイルＬ２、巻線抵抗ｒ２、コンデンサＣ２及び負荷抵抗ＲＬによって等価的に表される。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a transmission equivalent circuit of the non-contact
一次コイル２、二次コイル３間の伝送効率は、下記の（式１）によって表される。 The transmission efficiency between the
交流電源から一次コイル２に入力される入力電圧Ｖ１の絶対値は、下記の（式２）によって表される。 The absolute value of the input voltage V1 input to the
非接触電力供給装置１を適用する患者への負担を考慮すると、二次コイル３の直径は、７０ｍｍ以下であることが必要であり、一次コイル２の直径は、１００ｍｍ以下であることが必要である。 Considering the burden on the patient to which the non-contact
高性能なコイルを設計するために、下記の（式３）によって表される評価関数Ｆを最小にするコイルの大きさ及び周波数を検討する。 In order to design a high-performance coil, the size and frequency of the coil that minimizes the evaluation function F expressed by the following (Equation 3) are examined.
ここで、
η：伝送効率（％）（８５％〜１００％）、
Ｖ１：入力電圧（Ｖ）（０〜１００Ｖ）、
Ｄ２：二次コイル３（体内コイル）の外直径（４０ｍｍ〜７０ｍｍ）、
である。here,
η: Transmission efficiency (%) (85% to 100%),
V1: Input voltage (V) (0 to 100V),
D2: the outer diameter (40 mm to 70 mm) of the secondary coil 3 (internal coil),
It is.
図４は、非接触電力供給装置１の入力周波数と伝送効率ηとの関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２に供給される入力電圧の周波数を示しており、縦軸は伝送効率ηを示している。一次コイル２の直径は９０ｍｍであり、二次コイル３の直径は６０ｍｍである。伝送効率ηを８５％以上確保するためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよいことが分かる。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the input frequency of the non-contact
図５は、非接触電力供給装置１の入力周波数と入力電圧との関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２に供給される入力電圧の周波数を示しており、縦軸は一次コイル２に供給される入力電圧を示している。入力電圧の周波数が０〜１０００ｋＨｚのいずれであっても入力電圧は１００Ｖ以下にすることができることが分かる。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the input frequency and the input voltage of the non-contact
このように、一次コイル２の直径が９０ｍｍであり、二次コイル３の直径が６０ｍｍである場合（以下、基本モデルという）は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよい。 Thus, when the diameter of the
図６は、非接触電力供給装置１の効率を高める構成の組み合わせを説明するための図である。前述したように、基本モデルで出力電圧を２４Ｖにする場合は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよい。 FIG. 6 is a diagram for explaining a combination of configurations for improving the efficiency of the non-contact
また、基本モデルで出力電圧を１２Ｖにする場合は、入力電圧の周波数を２００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚにすればよい。また、一次コイル２の直径が１００ｍｍであり、二次コイル３の直径が７０ｍｍで（以下、拡張モデルという）出力電圧を２４Ｖにする場合は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を２００ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚにすればよい。拡張モデルで出力電圧を１２Ｖにする場合は、入力電圧の周波数を１００ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚにすればよい。 Further, when the output voltage is set to 12 V in the basic model, the frequency of the input voltage may be set to 200 kHz to 700 kHz. Further, when the diameter of the
図７は、電磁界による生体への影響を説明するための図である。図８は、電磁界による生体への影響の解析評価方法を説明するための図である。電磁界による生体への影響としては、生体組織内のジュール熱の発生により温度上昇を引き起こす作用（熱作用）と、誘導電流により神経及び筋の興奮を引き起こす作用（刺激作用）とが知られている。一般に、熱作用の指標には生体組織に吸収される単位質量あたりの電力である比吸収率（ＳＡＲ：Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒａｔｅ[Ｗ／ｋｇ]）が用いられ、刺激作用の指標には電流密度[Ａ／ｍ２]が用いられる。これらの値は、国際非電離放射線防護委員会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｎｏｎ−Ｉｏｎｉｚｉｎｇ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ＩＣＮＩＲＰ）により基本制限が定められている。本発明者らは、熱作用と刺激作用とに着目し、電磁界解析により、ＳＡＲと電流密度とを求め、生体に影響の少ない周波数及び伝送電力等の伝送条件を導出する。FIG. 7 is a diagram for explaining the influence of an electromagnetic field on a living body. FIG. 8 is a diagram for explaining a method for analyzing and evaluating the influence of an electromagnetic field on a living body. The effects of electromagnetic fields on the living body are known to cause an increase in temperature due to the generation of Joule heat in living tissue (thermal action) and an action that induces nerve and muscle excitement by induced current (stimulation action) Yes. In general, a specific absorption rate (SAR: Specific Absorption Rate [W / kg]), which is power per unit mass absorbed by living tissue, is used as an index of thermal action, and current density [A] is used as an index of stimulation action. / M2 ] is used. These values have basic limits set by the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP). The present inventors pay attention to thermal action and stimulation action, obtain SAR and current density by electromagnetic field analysis, and derive transmission conditions such as frequency and transmission power with little influence on the living body.
ＳＡＲは、
Ｅ：電界の実効値[Ｖ／ｍ]、
σ：導電率[Ｓ／ｍ]、
ρ：生体組織の密度[ｋｇ／ｍ３]、
とすると、
ＳＡＲ＝σＥ２／ρ
で表される。SAR is
E: Effective value of electric field [V / m],
σ: conductivity [S / m],
ρ: density of living tissue [kg / m3 ],
Then,
SAR = σE2 / ρ
It is represented by
ＳＡＲの見積もりは、解析によるものと、実験によるものとがある。実験によるものは、一般的に生体の形状及び電気特性を模擬した擬似生体（ファントム）を用い、電磁照射時の温度上昇を測定して電力に換算する方法、及び液体ファントムの場合には電界プローブを直接挿入し、電界強度分布を測定する方法が知られている。しかし、実験による場合、電磁界によるファントムの温度上昇以外に、銅損による経皮トランス自体の温度上昇が考えられるため、正確な測定ができないと考えられる。よって、ここでは電磁界解析によってＳＡＲを求める。 There are two types of SAR estimation: analysis and experiment. Experiments generally use a simulated living body (phantom) that simulates the shape and electrical characteristics of a living body, measures the temperature rise during electromagnetic irradiation and converts it to electric power, and in the case of a liquid phantom, an electric field probe A method for measuring the electric field strength distribution by directly inserting a signal is known. However, in the experiment, it is considered that accurate measurement cannot be performed because the temperature rise of the transcutaneous transformer itself due to copper loss can be considered in addition to the temperature rise of the phantom due to the electromagnetic field. Therefore, here, SAR is obtained by electromagnetic field analysis.
次に、ＳＡＲの基本制限について述べる。ＩＣＮＩＲＰにより定められている基本制限を図８に示す。基本制限は、職業的曝露と公衆の曝露とに分けられる。職業的曝露は、通常は既知の条件下で曝露を受けており、適切な予防措置をとるための訓練を受けている成人から成っている集団に適用される。一方、公衆の曝露は、あらゆる年齢層、健康状態の人から成り、特に影響を受けやすいグループ、個人が含まれる集団に適用される。職業的曝露のＳＡＲの基本制限は、１０[Ｗ／ｋｇ]であり、公衆の曝露のＳＡＲの基本制限は、２[Ｗ／ｋｇ]である。 Next, basic restrictions of SAR will be described. FIG. 8 shows the basic restrictions defined by ICNIRP. Basic restrictions are divided into occupational exposure and public exposure. Occupational exposure is usually applied to groups of adults who are exposed under known conditions and are trained to take appropriate precautions. Public exposure, on the other hand, applies to groups of individuals of all ages and health conditions, particularly susceptible groups and individuals. The basic limit of SAR for occupational exposure is 10 [W / kg], and the basic limit of SAR for public exposure is 2 [W / kg].
電流密度Ｊは、
Ｊ＝πＲｆσμＨ
によって表される。
ここで、
ｆ：周波数[Ｈｚ]、
μ：透磁率[Ｈ／ｍ]、
Ｒ：誘導電流ループの半径[ｍ]、
Ｈ：磁界
である。The current density J is
J = πRfσμH
Represented by
here,
f: frequency [Hz],
μ: permeability [H / m],
R: radius of the induced current loop [m],
H: Magnetic field.
電流密度Ｊの見積もりも、解析によるものと実験によるものとがある。実験によるものとしては、測定部位以外の表面を導体と絶縁体との二層構造よりなるカバーで被覆することにより、測定部位のみに流れる電流を測る方法が提案されている。ここでは、電磁界解析によって電流密度を求める。電流密度Ｊの基本制限も職業的曝露と公衆の曝露とに分けられる。職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限は、ｆ／１００[ｍＡ／ｍ２]であり、公衆の曝露の電流密度Ｊの基本制限は、ｆ／５００[ｍＡ／ｍ２]である。The estimation of the current density J can be either analytical or experimental. As a result of experiments, there has been proposed a method of measuring the current flowing only in the measurement site by covering the surface other than the measurement site with a cover having a two-layer structure of a conductor and an insulator. Here, the current density is obtained by electromagnetic field analysis. The basic limit of current density J is also divided into occupational exposure and public exposure. The basic limit of the current density J for occupational exposure is f / 100 [mA / m2 ], and the basic limit of the current density J for public exposure is f / 500 [mA / m2 ].
ＳＡＲ、電流密度を求めるための解析には、伝送線路行列法（ＴＬＭ法：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた電磁解析ソフトを用いる。ＴＬＭ法は、ホイヘンスの原理に基づいた波動伝播のメカニズムを時空間について離散化して、コンピュータ上で波動伝播を追跡する手法である。これを定量的に扱うために、波動伝播を等価的に伝達線路網状の電圧インパルスの伝播・散乱に変換している。 Electromagnetic analysis software using a transmission line matrix method (TLM method: Transmission-Line Modeling Method) is used for the analysis for obtaining the SAR and the current density. The TLM method is a method of tracking wave propagation on a computer by discretizing the mechanism of wave propagation based on Huygens's principle in terms of space and time. In order to handle this quantitatively, wave propagation is equivalently converted into propagation / scattering of transmission line network voltage impulses.
この電磁解析ソフトを用いて解析を行う手順を以下に示す。まず、形状及び電気的特性を生体に近似させたモデルを作成する。次に、作成したモデルをメッシュで切り、細かいセルに分割する。そして、分割したセルごとに電界Ｅ、磁界Ｈを計算し、求まった磁界ＥよりＳＡＲを計算する。ここまでをソフト上で行い、その後、計算して求めた磁界Ｈに基づいて電流密度Ｊを導出する。 The procedure for performing analysis using this electromagnetic analysis software is shown below. First, a model in which the shape and electrical characteristics are approximated to a living body is created. Next, the created model is cut with a mesh and divided into fine cells. Then, the electric field E and the magnetic field H are calculated for each divided cell, and the SAR is calculated from the obtained magnetic field E. The process up to this point is performed on software, and then the current density J is derived based on the magnetic field H obtained by calculation.
図９は、電磁界による生体への影響の解析モデルを説明するための図である。胴体を短軸２３０ｍｍ、長軸２８０ｍｍ、高さ６２５ｍｍの楕円柱でモデル化した。生体組織は、皮膚、脂肪及び筋の３層としている。胴の長さは、成人以上の日本人男性の平均値を用いた。皮膚は５ｍｍ、脂肪は１０ｍｍの厚さとし、残りは筋とした。空心型経皮トランスの体外コイル（二次コイル３）は、外直径９０ｍｍ（３５回巻）、内直径２０ｍｍとし、胴から５ｍｍ離れた場所に配置した。 FIG. 9 is a diagram for explaining an analysis model of the influence of an electromagnetic field on a living body. The body was modeled as an elliptic cylinder with a minor axis of 230 mm, a major axis of 280 mm, and a height of 625 mm. The living tissue has three layers of skin, fat and muscle. The average length of Japanese males over adults was used for the torso length. The skin was 5 mm thick, the fat was 10 mm thick, and the rest was muscle. The extracorporeal coil (secondary coil 3) of the air-core transcutaneous transformer had an outer diameter of 90 mm (35 turns) and an inner diameter of 20 mm, and was placed at a
図１０は、非接触電力供給装置１の人工心臓５の出力電力と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。横軸は人工心臓５で消費される出力電力を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる局所ＳＡＲを示している。局所ＳＡＲは、出力電力が変化しても、殆ど変化しないことが分かる。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the output power of the
図１１は、非接触電力供給装置１の一次コイル２への入力周波数と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２へ入力される電圧の入力周波数を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる局所ＳＡＲを示している。出力電圧２４Ｖ、入力周波数１０００ｋＨｚのときの局所ＳＡＲの最大値０．０１４[Ｗ／ｋｇ]は、公衆の曝露のＳＡＲの基本制限値２[Ｗ／ｋｇ]よりもはるかに小さい。従って、電磁界による生体への影響において、ＳＡＲは考慮する必要がないことが分かる。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the input frequency to the
図１２は、非接触電力供給装置１の人工心臓５の出力電力と電流密度との関係を示すグラフである。横軸は人工心臓５で消費される出力電力を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる電流密度を示している。電流密度は、出力電力が変化しても、殆ど変化しないことが分かる。 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the output power of the
図１３は、非接触電力供給装置１の基本モデルにおける一次コイル２への入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２へ入力される電圧の入力周波数を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる電流密度を示している。出力電圧２４Ｖのとき、入力周波数が２００ｋＨｚに減少すると、電流密度は、職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限を超えることが分かる。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the input frequency to the
図１４は、拡大モデルにおける一次コイル２への入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。出力電圧２４Ｖのとき、入力周波数が２００ｋＨｚに減少しても、電流密度は、職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限を超えないことが分かる。 FIG. 14 is a graph showing the relationship between the input frequency to the
図１５は、非接触電力供給装置１を安全に使用可能な伝送条件を説明するための図である。電流密度ＪとＩＣＮＩＲＰに基づく職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限とを考慮すれば、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限を超えないためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数３００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数１００ｋＨｚ以上にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数２００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数１００ｋＨｚ以上にすればよい。 FIG. 15 is a diagram for explaining transmission conditions in which the contactless
電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．５を超えないためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数６００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数３００ｋＨｚ以上にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数４００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数２００ｋＨｚ以上にすればよい。 In order for the current density J not to exceed the basic limit of occupational exposure × 0.5, the input frequency may be set to 600 kHz or more at the output voltage of 24 V in the basic model. For an output voltage of 12 V, the input frequency may be 300 kHz or higher. In the expansion model, when the output voltage is 24V, the input frequency may be 400 kHz or more. For an output voltage of 12 V, the input frequency may be 200 kHz or higher.
図１６は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限を超えず安全であり、且つ伝送効率が８５％以上、入力電圧１００Ｖ以下であって高効率にするためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすればよい。 FIG. 16 is a diagram for explaining the configuration conditions in which the non-contact
図１７は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．５を超えず安全であり、且つ伝送効率が８５％以上、入力電圧１００Ｖ以下であって高効率にするためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすればよい。 FIG. 17 is a diagram for explaining the configuration conditions that allow the contactless
なお、図１６及び図１７に示すような安全面及び性能面の全条件を満たす周波数範囲を示す表示を、非接触電力供給装置１に貼り付けてもよい。また、非接触電力供給装置１の取り扱い説明書に上記周波数範囲を示す表示を貼り付けてもよい。 In addition, you may affix the display which shows the frequency range which satisfy | fills all the safety aspects and performance aspects as shown in FIG.16 and FIG.17 on the non-contact electric
図１８は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。図１７に示すように、基本モデルでは、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．２を超えず安全である条件は存在しない。また、図１８に示すように、拡大モデルでは、出力電圧１２Ｖのときに、入力周波数が６００ｋＨｚ以上であれば、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．２を超えず安全であるが、図６に示すように、拡大モデルで出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数が６００ｋＨｚ以上になると、伝送効率８５％以上という高効率の条件を満足することができない。従って、職業的曝露の基本制限×０．２という条件にすると、安全且つ高性能という全条件を満たすことはできない。 FIG. 18 is a diagram for explaining the configuration conditions that allow the contactless
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、電源から電力が供給される一次コイルと、一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に供給する体内埋め込み可能な二次コイルとを備えた非接触電力供給装置に適用することができる。 The present invention is applied to a non-contact power supply device including a primary coil to which power is supplied from a power source, and a secondary coil that can be implanted in the body for supplying power transmitted from the primary coil to the artificial heart by electromagnetic induction. can do.
また、本発明は、携帯電話に使用する非接触電力供給装置に適用することもできる。 The present invention can also be applied to a non-contact power supply device used for a mobile phone.
１ 非接触電力供給装置
２ 一次コイル
３ 二次コイル
４ 電池（電源）
５ 人工心臓1 Non-contact
5 Artificial heart
Claims (8)
Translated fromJapanese前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source;
A non-contact power supply device comprising a 60 mm diameter implantable secondary coil provided for supplying electric power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 24 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is 300 kHz or more and 1000 kHz or less.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source;
A non-contact power supply device comprising: a 60 mm-diameter secondary coil that can be implanted in the body and is provided to supply power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 12 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is 200 kHz or more and 700 kHz or less.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil with a diameter of 100 mm supplied with power from a power source;
A non-contact power supply device comprising a secondary coil with a diameter of 70 mm that can be implanted in the body and is provided to supply electric power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 24 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is 200 kHz or more and 850 kHz or less.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil with a diameter of 100 mm supplied with power from a power source;
A non-contact power supply apparatus comprising a secondary coil with a diameter of 70 mm that can be implanted in the body and is provided to supply electric power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 12 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is 100 kHz or more and 450 kHz or less.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source;
A non-contact power supply device comprising a 60 mm diameter implantable secondary coil provided for supplying electric power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 24 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is set to 600 kHz or more and 1000 kHz or less so that a current density is based on a basic restriction of occupational exposure.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil having a diameter of 90 mm to which power is supplied from a power source;
A non-contact power supply device comprising: a 60 mm-diameter secondary coil that can be implanted in the body and is provided to supply power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 12 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is set to 300 kHz or more and 700 kHz or less so that a current density is based on a basic restriction of occupational exposure.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil with a diameter of 100 mm supplied with power from a power source;
A non-contact power supply device comprising a secondary coil with a diameter of 70 mm that can be implanted in the body and is provided to supply electric power transmitted from the primary coil by electromagnetic induction to an artificial heart at an output voltage of 24 volts. ,
A non-contact power supply apparatus, wherein a frequency of power supplied to the primary coil is set to 400 kHz or more and 850 kHz or less so that a current density is based on a basic restriction of occupational exposure.
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。A primary coil with a diameter of 100 mm supplied with power from a power source;
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- 2006-08-28JPJP2006230869Apatent/JP2008049055A/enactivePending
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