JP2003264423A - 非接触受電素子 - Google Patents

非接触受電素子

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文博 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力伝送用に要する印加磁場に伴う信号伝送
に際してのノイズ対策を他の部品を付与することなく可
能な限り小型化した上で図り得ると共に、十分な電力及
び電気信号が得られる高性能な非接触受電素子を提供す
ること。 【解決手段】 この素子は、非接触電力伝送装置の２次
側コイルとして用いられるもので、比透磁率の異なる磁
性材料を直列に連結配置して成る連結磁性体１における
比透磁率が高い材料部分を第１の磁芯２として導線を巻
回して成る受電用コイルＣAPと、連結磁性体１における
比透磁率が低い材料部分を第２の磁芯３として導線を巻
回して成る第１の部分Ｃ１と受電用コイルＣAPを形成し
た磁芯２の第１の部分Ｃ１側寄りの一端部分に導線を巻
回して成る第２の部分Ｃ２とを含むと共に、これらの部
分Ｃ１，Ｃ２が逆極性となるように導線をそれぞれ反対
向きに巻回した上で直列配備して成る受信用コイルＣAS
とを有して構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主として医療の介
護分野での機能的電気刺激（ＦＥＳ／Ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏ
ｎ）等に用いられると共に、電力及び電気信号を同時に
非接触で伝送する非接触電力伝送装置にあっての２次側
コイルとして用いられる非接触受電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、医療の介護分野において、例えば
四肢麻痺患者への治療法として、外部から末梢神経に適
切な電気刺激を加えることで患者の運動機能の補助及び
再建を行うためのＦＥＳが知られている。
【０００３】このＦＥＳによる直接給電を有線で行う構
成の場合、例えば給電線が断線したり、或いは給電線の
皮膚との貫通部における感染対策が必要となるという問
題がある他、給電線によって使用者（患者）の行動が不
自由になってしまうといった様々な問題がある。
【０００４】そこで、ＦＥＳ用の非接触電力伝送装置を
適用すれば効果的であり、具体的には体外に設置した１
次側コイル（送電側）と体内に埋め込まれた電極付きの
２次側コイル（受電側）とを磁気的に結合させることで
電力供給して電気刺激情報を経皮的に非接触式で伝送す
るため、上述したような様々な問題を著しく軽減できる
ようになる。
【０００５】因みに、この非接触電力伝送装置における
電力伝送用には、一般的に人体に及ぼす影響が小さい１
００ｋＨｚ前後の印加磁場を使用しているが、信号伝送
に際しては１００ｋＨｚの印加磁場が大きなノイズ源と
なるため、こうしたノイズ対策として通常ローパスフィ
ルタ等を用いている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した非接触電力伝
送装置の場合、電力伝送用に要する１００ｋＨｚの印加
磁場が信号伝送に際して大きなノイズ源となることを対
策するためにローパスフィルタ等を用いているが、こう
したローパスフィルタ等を用いた構成によれば装置全体
の小型化や低コスト化の実現、或いは故障の確率の点等
で不利益となってしまうという問題があり、特に２次側
コイル（受電側）を構成する非接触受電素子では体内に
埋め込まれる使用目的上、できるだけ小型化した上で他
の部品を付与することなくノイズを打ち消して十分な電
力及び電気信号を得られる高性能化が要求されているも
のの、現状ではこうした都合良い高性能な製品が開発さ
れていないのが実態である。
【０００７】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、電力伝送用に要す
る印加磁場に伴う信号伝送に際してのノイズ対策を他の
部品を付与することなく可能な限り小型化した上で図り
得ると共に、十分な電力及び電気信号が得られる高性能
な非接触受電素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、非接触
で電力及び電気信号を同時に伝送する非接触電力伝送装
置にあっての２次側コイルとして用いられる非接触受電
素子において、比透磁率の異なる磁性材料を直列に連結
配置して成る連結磁性体における比透磁率が高い材料部
分を第１の磁芯として導線を巻回して成る受電用コイル
と、連結磁性体における比透磁率が低い材料部分を第２
の磁芯として導線を巻回して成る第１の部分と受電用コ
イルを形成した第１の磁芯の該第１の部分側寄りの一端
部分に導線を巻回して成る第２の部分とを含むと共に、
該第１の部分及び該第２の部分が逆極性となるように該
導線をそれぞれ反対向きに巻回した上で直列に配備され
て成る受信用コイルとを有する非接触受電素子が得られ
る。
【０００９】又、本発明によれば、上記非接触受電素子
において、連結磁性体にあっての第１の磁芯用の磁性材
料における比透磁率に対する第２の磁芯用の磁性材料に
おける比透磁率の比は、０．５以下である非接触受電素
子が得られる。
【００１０】更に、本発明によれば、上記非接触受電素
子において、電力伝送用に要する１００ｋＨｚ前後の印
加磁場に対して連結磁性体にあっての受電用コイルは２
次側電力の出力として１００ｍＷ以上を取得可能である
と共に、受信用コイルは２次側信号の出力として１Ｖ以
上を取得可能である非接触受電素子が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。最初に、本発明の
非接触受電素子の技術的概要を簡単に説明する。
【００１２】図１は、本発明の非接触受電素子の基本構
成を示した外観斜視図である。この非接触受電素子は、
非接触で電力及び電気信号を同時に伝送する非接触電力
伝送装置にあっての２次側コイルとして用いられるもの
で、比透磁率の異なる磁性材料を直列に連結配置して成
る連結磁性体１における比透磁率が高い材料部分を第１
の磁芯２として導線を巻回して成る受電用コイルＣ
APと、連結磁性体１における比透磁率が低い材料部分を
第２の磁芯３として導線を巻回して成る第１の部分Ｃ１
と受電用コイルＣAPを形成した第１の磁芯２の第１の部
分Ｃ１側寄りの一端部分に導線を巻回して成る第２の部
分Ｃ２とを含むと共に、第１の部分Ｃ１及び第２の部分
Ｃ２が逆極性となるように導線をそれぞれ反対向きに巻
回した上で直列に配備されて成る受信用コイルＣASとを
有して構成されている。
【００１３】又、この非接触受電素子において、連結磁
性体１にあっての第１の磁芯２用の磁性材料における比
透磁率に対する第２の磁芯用の磁性材料における比透磁
率の比は、０．５以下であり、こうした条件下で電力伝
送用に要する１００ｋＨｚ前後の印加磁場に対して連結
磁性体１にあっての受電用コイルＣAPは２次側電力の出
力として１００ｍＷ以上を取得可能としていると共に、
受信用コイルＣASは２次側信号の出力として１Ｖ以上を
取得可能としている。
【００１４】即ち、この非接触受電素子では、電力伝送
用に要する印加磁場に伴う信号伝送に際してのノイズを
キャンセルする方法として、透磁率及び長さの異なる２
つのフェライトを接続して連結磁性体１を構成している
が、これらのフェライトは形状（寸法比）や比透磁率及
び周波数によって実効透磁率が異なる。
【００１５】そこで、より低周波で動作させる受電用コ
イルＣAPには比透磁率が高いフェライト材料を長手方向
の寸法比を大きくして第１の磁芯２用の磁性材料として
使用し、より高周波で動作させる受信用コイルＣASにお
ける第１の部分Ｃ１には、比透磁が低いフェライト材料
を長手方向の寸法比を小さくして第２の磁芯３用の磁性
材料として使用している。これにより、両者のコイルが
有効に機能する周波数帯を有効に分離することができ
る。
【００１６】又、受信用コイルＣASは、図１に示される
ように、第１の部分Ｃ１とは導線の巻回方向を逆にして
受電用コイルＣAPが形成されたフェライト磁芯（第１の
磁芯２）の一端部分に形成された第２の部分Ｃ２を含ん
でおり、これらの第１の部分Ｃ１，第２の部分Ｃ２が互
いに極性を異なるように直列接続されて構成されてい
る。但し、受信用コイルＣASの形成に際しては、電力伝
送用周波数でそれぞれのコイルに誘起される電圧が打ち
消し合い、結果として出力が小さくなるようにそれぞれ
の導線の巻回数を設定する必要がある。
【００１７】このように、より高周波で動作させる方が
有効な受信用コイルＣASの場合、導線の巻回数を少なく
することが有用となるが、受電用コイルＣAPを形成した
第１の磁芯２の透磁率は受信用コイルＣASの動作周波数
にあって、できるだけ低くなるようにすることが望まし
い。
【００１８】更に、本発明の非接触受電素子の場合、受
信用コイルＣASの２次側信号の出力（電圧信号出力）に
おけるＳ／Ｎ比を改善するための観点により、受電用コ
イルＣAPに使用された第１の磁芯２の磁性材料における
比透磁率に対する受信用コイルＣASの第１の部分Ｃ１に
使用された第２の磁芯３の磁性材料における比透磁率の
比が０．５以下となる領域を有用としている。
【００１９】以下は、本発明の非接触受電素子につい
て、具体的な実施の形態を挙げてより詳細に説明する。
【００２０】先ず、第１の実施の形態では、比透磁率が
約２０００で縦×横×長さの寸法が０．７×０．７×８
（ｍｍ）の角棒形状のＮｉ−Ｚｎ系フェライト磁芯（第
１の磁芯２）に対し、直径０．０５ｍｍの導線を反時計
回りで４００ターン巻回することで受電用コイルＣAPを
形成した後、比透磁率が約２００で縦×横×長さの寸法
が０．７×０．７×２（ｍｍ）の角棒形状のＮｉ−Ｚｎ
系フェライト磁芯（第２の磁芯３）に対し、直径０．０
５ｍｍの導線を反時計回りで３７ターン巻回することで
第１の部分Ｃ１を形成すると共に、これと極性が逆とな
るように受電用コイルＣAPを形成した比透磁率が約２０
００の角棒形状のＮｉ−Ｚｎ系フェライト磁芯（第１の
磁芯２）の第１の部分Ｃ１側寄りの一端部分に直径０．
０５ｍｍの導線を時計回りで１７ターン直列に巻回する
ことで第２の部分Ｃ２を形成して成る受信用コイルＣAS
を受電用コイルＣAPに長手方向で接続するように結合配
置することにより、非接触受電素子となる２次側コイル
（受電及び受信用のコイル）を作製した。
【００２１】そこで、この第１の実施の形態に係る非接
触受電素子（２次側コイル）に対し、１００ｋＨｚで
１．５ｍＴの磁場と８．５ＭＨｚ（ＶP-P ＝２０Ｖ）の
正弦波とを同時に伝送したところ、受電用コイルＣAPに
は２次側電力の出力として１００ｋＨｚで１２０ｍＷの
値が得られ、受信用コイルＣASには２次側信号の出力と
して８．５ＭＨｚで１．２Ｖの値が得られ、２次側信号
のＳ／Ｎ比が約２３ｄＢという具合いに良好な結果が得
られることが判った。
【００２２】因みに、比透磁率が約２０００のＮｉ−Ｚ
ｎ系フェライトは約１ＭＨｚを超えると比透磁率が著し
く減少し、同様に比透磁率が約２００のＮｉ−Ｚｎ系フ
ェライトは約２０ＭＨｚを超えると比透磁率が著しく減
少する。
【００２３】次に、第２の実施の形態では、第１の実施
の形態の場合と同様に、受電用コイルＣAPを形成した角
棒形状のＮｉ−Ｚｎ系フェライト磁芯（第１の磁芯２）
の比透磁率を２０００とすると共に、受信用コイルＣAS
の第１の部分Ｃ１を形成した角棒形状のＮｉ−Ｚｎ系フ
ェライト磁芯（第２の磁芯３）の比透磁率を１００，２
００，５００，７００，１０００，１５００，２０００
という具合いに選択的に変更した上、逆極性となる第２
の部分Ｃ２との間におけるそれぞれの導線の巻回数を出
力電圧が１Ｖ以上となるように調整した条件下で総計７
種類の試作品を作製し、これらの各試作品について、受
電用コイルＣAP（Ａ）を形成したＮｉ−Ｚｎ系フェライ
ト磁芯（第１の磁芯２）の比透磁率に対する受信用コイ
ルＣAS（Ｂ）の第１の部分Ｃ１を形成したＮｉ−Ｚｎ系
フェライト磁芯（第２の磁芯３）の比透磁率の比（Ｂ／
Ａ）と、受信用コイルＣAS（Ｂ）における２次側信号
（信号用出力）のＳ／Ｎ比とを測定したところ、表１に
示すような結果となった。
【００２４】
【表１】
【００２５】表１からは、比（Ｂ／Ａ）が０．５以下で
ある場合の各試作品は、２次側信号（信号用出力）のＳ
／Ｎ比が良好な値となっており、好ましい結果が得られ
ていることが判る。
【００２６】
【発明の効果】以上に述べた通り、本発明の非接触受電
素子によれば、比透磁率の異なる磁性材料を直列に連結
配置して成る連結磁性体における比透磁率が高い材料部
分を第１の磁芯として導線を巻回して成る受電用コイル
と、連結磁性体における比透磁率が低い材料部分を第２
の磁芯として導線を巻回して成る第１の部分と受電用コ
イルを形成した第１の磁芯の第１の部分側寄りの一端部
分に導線を巻回して成る第２の部分とを含むと共に、第
１の部分及び第２の部分が逆極性となるように導線をそ
れぞれ反対向きに巻回した上で直列に配備されて成る受
信用コイルとを有する基本構成とし、連結磁性体にあっ
ての第１の磁芯用の磁性材料における比透磁率に対する
第２の磁芯用の磁性材料における比透磁率の比を適性な
０．５以下のものを選定することで、電力伝送用に要す
る１００ｋＨｚ前後の印加磁場に対して連結磁性体にあ
っての受電用コイルから２次側電力の出力として１００
ｍＷ以上が取得されると共に、受信用コイルから高Ｓ／
Ｎ比の２次側信号の出力として１Ｖ以上が取得されるよ
うにしているので、結果として、従来では困難視されて
いた電力伝送用に要する印加磁場に伴う信号伝送に際し
てのノイズ対策を他の部品を付与することなく可能な限
り小型化した上で図り得るようになると共に、十分な電
力及び高Ｓ／Ｎ比の電気信号が得られる高性能な非接触
受電素子が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触受電素子の基本構成を示した外
観斜視図である。
【符号の説明】
１ 連結磁性体 ２，３ 磁芯 ＣAP 受電用コイル ＣAS 受信用コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 真生 宮城県仙台市太白区八木山香澄町18−48 (72)発明者 佐藤 健実 宮城県仙台市若林区若林３−９−19 Ｆターム(参考） 5J046 AA03 AA07 AA12 AB12 PA06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非接触で電力及び電気信号を同時に伝送
    する非接触電力伝送装置にあっての２次側コイルとして
    用いられる非接触受電素子において、比透磁率の異なる
    磁性材料を直列に連結配置して成る連結磁性体における
    比透磁率が高い材料部分を第１の磁芯として導線を巻回
    して成る受電用コイルと、前記連結磁性体における比透
    磁率が低い材料部分を第２の磁芯として導線を巻回して
    成る第１の部分と前記受電用コイルを形成した前記第１
    の磁芯の該第１の部分側寄りの一端部分に導線を巻回し
    て成る第２の部分とを含むと共に、該第１の部分及び該
    第２の部分が逆極性となるように該導線をそれぞれ反対
    向きに巻回した上で直列に配備されて成る受信用コイル
    とを有することを特徴とする非接触受電素子。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の非接触受電素子におい
    て、前記連結磁性体にあっての前記第１の磁芯用の磁性
    材料における比透磁率に対する前記第２の磁芯用の磁性
    材料における比透磁率の比は、０．５以下であることを
    特徴とする非接触受電素子。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の非接触受電素子におい
    て、電力伝送用に要する１００ｋＨｚ前後の印加磁場に
    対して前記連結磁性体にあっての前記受電用コイルは２
    次側電力の出力として１００ｍＷ以上を取得可能である
    と共に、前記受信用コイルは２次側信号の出力として１
    Ｖ以上を取得可能であることを特徴とする非接触受電素
    子。
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