JP2007330404A - 無線給電システム及びこれを適用したカプセル内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線給電装置から無線送電される電気エネルギーを効率的に受電し得る構成を実現して受電効率の向上に寄与する無線給電システム及びこれを適用したカプセル内視鏡システムを提供する。
【解決手段】無線により電気エネルギーを送電する送電コイル３ａと、送電コイルに接続される電源３ｃと、電源を制御する制御ユニット３ｂと、送電コイルから送電される電気エネルギーを受電する受電コイル部１２ａと、受電コイルにより受電された電気エネルギーを負荷部材へ供給する受電回路１２ｂと、送電コイルによる送電作用によって発生する磁束を受電コイルに向けて集磁させる磁性体３１とを具備する。
【選択図】図２

Description

この発明は、無線給電システム及びこれを適用したカプセル内視鏡システム、詳しくは無線方式により電力を供給する無線給電システムにおいて、受電側の受電効率の向上に寄与する無線給電システムと、この無線給電システムを適用するカプセル内視鏡システムに関するものである。

近年、体腔内等の検査等を行なうための医療用システムとして、例えばカプセル形状の筐体の内部に撮像光学系及び撮像手段からなる観察手段や照明手段や通信手段や電源や受電手段等を収納した小型の内視鏡であるいわゆるカプセル内視鏡と、このカプセル内視鏡との間で無線通信を行なう通信装置及び受信した信号を記録する記録手段や同カプセル内視鏡に対して体外から交流磁界を用いて無線等により電気エネルギーを供給する無線給電システムを適用した無線給電装置等によって構成されるカプセル内視鏡システムについての種々の提案が、例えば特開２００１−２２４５５１号公報等によってなされている。

上記特開２００１−２２４５５１号公報によって開示されているカプセル内視鏡システムは、生体内を照明する照明手段，この照明手段によって照明された部分を撮像する撮像手段，この撮像手段により取得された画像信号を体外に向けて無線送信する送信アンテナ，体外から送電される電気エネルギーを受電する受電コイル等を備えたカプセル内視鏡と、このカプセル内視鏡に対して無線給電方式により電気エネルギーを供給する送電コイル等を有する無線給電装置等によって構成されている。

このような構成により無線給電装置の送電コイルから送電される電気エネルギーは、カプセル内視鏡の受電コイルによって受電されることで、体外に配される無線給電装置から体腔内で使用中のカプセル内視鏡へと給電されるようになっている。

この場合において、無線給電装置からカプセル内視鏡に向けて送電する際には、カプセル内視鏡の内部に配設される受電コイルの巻き軸の向きと無線給電装置の送電コイルから発生する磁束の向きとが一致した状態にあるときに良好な受電効率を得ることができるという性質を有している。
特開２００１−２２４５５１号公報

ところが、従来より種々提案されているカプセル内視鏡は、例えば被検体（患者ともいう）が嚥下する等により、その体腔内に挿入されて使用されるものである。そして、被検体の体腔内に挿入された後のカプセル内視鏡は、消化器官の蠕動運動等により体腔内を移動するようになっている。したがって、体腔内に挿入されて使用状態にあるカプセル内視鏡は、被検体の体腔内において、その姿勢が常に一定にあるとは限らず様々な方向を向くことになる。このために、カプセル内視鏡の内部に配設される受電コイルの巻き軸の向きと無線給電装置の送電コイルから発生する磁束の向きとは常に一致した状態にあるとは限らない。

したがって、カプセル内視鏡の受電コイルの巻き軸の向きと無線給電装置の送電コイルから発生する磁束の向きとが一致しない場合には、受電コイルの巻き軸方向に対して鎖交する磁束数が減少することになり、よって、受電効率が低下してしまうという問題点がある。また、このことから、姿勢が不安定な状態で移動するカプセル内視鏡に対して常に充分な電力を供給し続けるためには、大きな送電電力が必要になる。

一方、カプセル内視鏡の受電コイルの受電効率を向上させるために、受電コイルの直径を大きくすることも考えられる。しかしながら、受電コイルの直径を大きくすると、カプセル内視鏡自体が大型化してしまうという問題点が生じてしまう。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、無線給電装置から無線送電される電気エネルギーを効率的に受電し得る構成を実現することで、受電効率の向上に寄与する無線給電システム及びこれを適用したカプセル内視鏡システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明による無線給電システムは、無線により電気エネルギーを送電する送電コイルと、上記送電コイルに接続される電源と、上記電源を制御する制御ユニットと、上記送電コイルから送電される電気エネルギーを受電する受電コイルと、上記受電コイルにより受電された電気エネルギーを負荷部材へ供給する受電回路と、上記送電コイルによる送電作用によって発生する磁束を上記受電コイルに向けて集磁させる磁性体とを具備することを特徴とする。

また、本発明によるカプセル内視鏡システムは、上記無線給電システムを適用したことを特徴とする。

本発明によれば、無線給電装置から無線送電される電気エネルギーを効率的に受電し得る構成を実現し、よって、受電効率の向上に寄与する無線給電システム及びこれを適用したカプセル内視鏡システムを提供することができる。

以下、図示の実施の形態によって本発明を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システムの基本構成を示すブロック構成図である。図２は、図１のカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の内部構成を概略的に示す断面構成図である。図３は、図１のカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の受電コイル部の近傍のみを取り出して概念的に示す要部拡大概念図である。

図１に示すように、本実施形態の無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システム１は、カプセル内視鏡２と体外ユニット３とによって構成されている。

体外ユニット３は、電源３ｃと、この電源３ｃを制御する制御ユニット３ｂと、無線によって電気エネルギーを送電するための送電コイル３ａとによって主に構成されている。

送電コイル３ａは、電源３ｃによって交流磁界を発生するものである。制御ユニット３ｂは、電源３ｃの出力を制御することによって送電コイル３ａから発生する交流磁界、即ち送電電力を調節するようになっている。

カプセル内視鏡２は、上記体外ユニット３の送電コイル３ａから送電される電気エネルギーを受電するための受電コイル部１２ａと、例えば照明部，撮像部，信号処理部等を具備するカプセル内視鏡本体部２ａと、受電コイル部１２ａにより受電された電気エネルギーを受けてカプセル内視鏡本体部２ａに対して電力として供給する受電回路１２ｂ等によって主に構成されている。

カプセル内視鏡２は、図２に示すように密閉カプセル部１０及び透明カバー部１１からなるカプセル型の筐体部材と、その内部に設けられる各種の構成部材等によって構成されている。

この筐体部材の内部に配設される構成部材としては、例えば被検体（生体）内を照射する照明手段であり照明用発光ダイオード（ＬＥＤ）等からなる照明部２３と、この照明部２３の照明光により照射された部位からの反射光を受けて光学像を形成し後述の撮像素子２１の受光面上に被写体像を結像させる撮像光学系２０と、この撮像光学系２０により形成された光学的な被写体像を受けて電気的な信号に変換する光電変換処理を行なう光電変換素子でありイメージセンサー等の撮像素子２１と、この撮像素子２１の駆動制御を行なう撮像素子駆動制御部２２と、撮像素子２１から出力される電気信号（画像信号）を受けて所定の信号処理を施す信号処理手段である信号処理部２４と、この信号処理部２４にて処理された信号を変調し増幅するための変調送信アンプ部２５と、この変調送信アンプ部２５からの出力信号（画像信号）を受けてこれを体部に向けて送信する送信アンテナ部２７と、当該カプセル内視鏡２の電源部として機能する非常用バッテリー２８と、体外に設置される無線給電装置である体外ユニット３（図１参照）から無線給電方式により送電される電気エネルギー（電力）を受電するための受電コイル部１２ａと、この受電コイル部１２ａに接続される受電回路１２ｂ（図２では特に図示せず。図１参照）と、撮像素子駆動制御部２２，照明部２３，信号処理部２４，変調送信アンプ部２５等の間を電気的に接続し、例えば硬質基板又はフレキシブルプリント基板等からなる電気基板２６と、磁性体３１等がある。

上記撮像素子２１は、照明部２３により照射された部位を撮像する機能を有し、この撮像素子２１を含む撮像光学系２０，撮像素子駆動制御部２２等によって撮像手段が構成されている。つまり、この撮像手段は、体腔内の様子を画像表示装置（図示せず）の観察画面上に観察画像として表わすための電気的な画像信号を取得する機能を有するものである。

また、変調送信アンプ部２５，送信アンテナ部２７等は、上記撮像手段により取得された画像信号を体外に設置される体外ユニット３の受信手段（特に図示せず）へと送信する送信手段を構成している。この送信手段は、信号処理手段（信号処理部２４）によって信号処理された画像信号を受けて所定の信号処理を施した後、その処理済みの画像信号を外部に向けて送信する機能を有している。

受電回路１２ｂは、上述したように受電コイル部１２ａにより受電した電気エネルギーを受けてカプセル内視鏡本体部２ａへの電力として供給すると共に、非常用バッテリー２８に対して供給することで、同非常用バッテリー２８の充電を行なう充電手段としての役目もしている。これにより、本カプセル内視鏡２は、受電した電気エネルギーを電力として非常用バッテリー２８に蓄電することができるようにもなっている。なお、非常用バッテリー２８としては、例えば電気二重層コンデンサー等や、ニッケル水素電池等の充電可能な電池等が適用される。

筐体部材のうち密閉カプセル部１０の内側部分には、受電コイル部１２ａが配設されている。この受電コイル部１２ａは、体外ユニット３の送電コイル３ａから送電される電気エネルギーを受電するために設けられているものである。この受電コイル部１２ａは、略円筒形状からなるコア１２ｃと当該コア１２ｃの周囲に巻回されるコイル１２ｄとによって構成されている。

この受電コイル部１２ａの内側に形成される部分に、上述の各種構成部材が適宜配設されている。

また、受電コイル部１２ａの近傍には、例えば円環形状の磁性体３１が配設されている。この磁性体３１は、例えばフェライト，アモルファス，パーマロイ等の高透磁率を有する材料によって形成される。なお、磁性体３１の形状は、円環形状に限られることはなく、環状形態を有していれば、断面形状が四角形状や八角形状等の多角形状であってもよい。

磁性体３１と受電コイル部１２ａとは、中空部分が連設するように配置されている。そして、その中空部分に、上記構成部材が配設されている。

なお、図２に示すように、本実施形態において、磁性体３１は、密閉カプセル部１０の先端部近傍において、外側部分に配設した形態で図示しているが、このような配置形態に限ることはなく、磁性体３１が密閉カプセル部１０の内側空間に配設されるように構成してもよい。

以上のように構成される本実施形態のカプセル内視鏡システム１において、上記カプセル内視鏡２の撮像手段の撮像動作により取得された画像信号は、信号処理部２４によってデータ化された後、送信手段（変調送信アンプ部２５及び送信アンテナ部２７）を介して体外ユニット３へと送信される。これを受けて、体外ユニット３は画像データ信号を受信する。

体外ユニット３が受信した画像データ信号は、当該体外ユニット３の内部回路において所定の信号処理が施された後、画像表示装置（図示せず）へと伝送され、同画像表示装置において、表示するのに最適な形態の画像信号とするための所定の信号処理が施された後、画像表示装置の表示部に画像として表示される。

一方、体外ユニット３は、制御ユニット３ｂによる電源３ｃの制御に基いて送電コイル３ａから無線給電方式によって電気エネルギーを送電する。カプセル内視鏡２の受電コイル部１２ａは、送電コイル３ａからの電気エネルギーを受電して受電回路１２ｂへと伝送する。

この場合において、送電コイル３ａから発生した磁束３０（図３参照）は、磁性体３１により集磁されて受電コイル部１２ａと鎖交することになる。ここで、本実施形態においては、磁性体３１を受電コイル部１２ａの近傍に配設して構成したことにより、この磁性体３１が配設されていない場合（受電コイル部１２ａのみである場合）に当該受電コイル部１２ａに鎖交する磁束３０に加えて、その周辺の磁束をも受電コイル部１２ａ内に取り込み得るようになっている。

そして、受電コイル部１２ａにより受電した電気エネルギーは、受電回路１２ｂを介して本カプセル内視鏡２内の電気回路へと給電する。また、受電した電気エネルギー（電力）を非常用バッテリー２８へと供給されて、同非常用バッテリー２８を充電する。これにより、この非常用バッテリー２８に充電された電気エネルギーは、例えば送電コイル３ａ（図１参照）からの送電が途絶えた場合等の非常時や、若しくは所定の時にカプセル内視鏡２に対して供給され、同カプセル内視鏡２を動作させる。

以上説明したように上記第１の実施形態によれば、カプセル内視鏡２の受電コイル部１２ａの近傍に磁性体３１を設けることにより、より多くの磁束３０を受電コイル部１２ａに集磁することが可能となる。これにより、受電コイル部１２ａによる受電効率を向上させ、かつ安定した電力を供給することができる。

このように、上述の無線給電システムは、受電効率を向上させることができるという効果を有することから、磁性体が配設されない構成とした場合に比べて、受電コイルの直径を小さく構成することが可能となる。よって、このことから、この無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システム１においては、受電コイル部１２ａを有するカプセル内視鏡２の外形サイズを小型化することができる。これと同時に、カプセル内視鏡２の安定駆動を実現することができる。

なお、磁性体３１の直径を受電コイル部１２ａの直径よりも大径に構成することにより、より多くの周辺磁束を集めることができる。したがって、磁性体３１の直径は、受電コイル部１２ａの直径よりも大径となるように設定されるのが望ましい。

上記第１の実施形態においては、図３に示すようにカプセル内視鏡２の受電コイル部１２ａの近傍に磁性体３１を一つ配設した例を示している。しかしながら、この例に限ることはなく、例えば磁性体３１を複数配設するようにしてもよい。

例えば、図４に示す第１の変形例は、二つの磁性体３１を受電コイル部１２ａの一方の端部近傍に並べて配設した例である。

また、図５に示す第２の変形例は、二つの磁性体３１を受電コイル部１２ａを挟んで両端部の近傍にそれぞれ配設した例である。

上記図４，図５に示す第１，第２の変形例のいずれの形態とした場合にも、磁性体３１を配設せずに受電コイル部１２ａが単体で構成された場合に比べて、より多くの磁束３０を集磁することができる。したがって、受電コイル部１２ａと鎖交する磁束密度は高くなり、受電効率の向上に寄与することができる。

また、図４，図５の第１，第２の各変形例では、上述の第１の実施形態に対して磁性体３１の数を複数個（二個）としたことから、上記第１の実施形態の場合に比べて、より多くの磁束３０を集磁することができる。

さらに、図５の第２の変形例では、受電コイル部１２ａの両端部近傍に磁性体３１を配設したことから、受電コイル部１２ａの両端において集磁することができるので、さらなる受電効率の向上が期待できる。

次に、本発明の第２の実施形態の無線給電システムについて、以下に説明する。

図６は、本発明の第２の実施形態の無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の受電コイル部の近傍のみを取り出して概念的に示す要部拡大概念図である。

本実施形態の基本的な構成は、上述の第１の実施形態と略同様であって、図６に示すように磁性体３１の配設向きが若干異ならせて配置している点のみが異なる。したがって、上述の第１の実施形態と同様の構成については、その図面又は詳細な説明を省略し、本実施形態に直接関連する部位のみを、図６を用いて以下に説明する。

本実施形態の無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡においては、図６に示すように、受電コイル部１２ａの近傍に配置される磁性体３１は、カプセル内視鏡２の筐体部材の内部において、その向き及び位置が可変となるように構成されている。

そのために、本実施形態におけるカプセル内視鏡２は、受電コイル部１２ａの向きや位置や受電電力量を検出する情報検出ユニットと、磁性体３１の向きや位置を変化させるための磁性体制御ユニットを有して構成されている。これら情報検出ユニット及び磁性体制御ユニットは、カプセル内視鏡２の内部において、例えば受電回路１２ｂもしくはカプセル内視鏡本体部２ａ内に含めて構成されている。その他の構成は、上述の第１の実施形態と同様である。

このように構成される本実施形態の無線給電システムの作用を以下に説明する。なお、基本的な作用は、上述の第１の実施形態と同様である。

まず、体外ユニット３からの送電作用が開始され、カプセル内視鏡２が動作し得る状態になったとき、当該カプセル内視鏡２に設けられる情報検出ユニットは、受電コイル部１２ａの状態、即ち向き，位置，受電電力量の検出動作を実行する。

磁性体制御ユニットは、上述の情報検出ユニットの検出結果に基いて受電電力量が最大となるように磁性体３１の向きや位置を変化させる制御をおこなう。

例えば、体内で使用中のカプセル内視鏡２は、体腔内を移動するのに伴って姿勢変化が常に生じている。

無線給電システムにおいては、送電コイルの巻き軸と受電コイルの巻き軸とが略一致した状態となったときに、受電コイルの受電電力量が最大となる。

したがって、体内で姿勢変化をしつつあるカプセル内視鏡２の受電コイル部１２ａの送電コイル３ａに対する向きや位置や受電電力量を情報検出ユニットにより検出し、その検出結果に基いて磁性体３１の向きや位置を変化させる制御を行なうことにより、送電コイル３ａからの磁束が受電コイル部１２ａに確実に集磁されるようになっている。

つまり、受電コイル部１２ａの巻き軸が送電コイルの巻き軸に対して一致しない状態となったときには、磁性体３１の向きや位置を変化させることによって、より多くの磁束を集磁させ、受電コイル部１２ａとの鎖交磁束を増加させる得るようになっている。

このように、磁性体３１の向きや位置を適宜変化させることによって、磁性体３１を固定した形態の上述の第１の実施形態による場合に集磁できなかった方向の磁束をも効率的に集磁することができるようになる。つまり、カプセル内視鏡２の姿勢状況に応じて磁性体３１の向きや位置を変化させる制御を行なうことにより、受電電力量が最大となるように磁性体３１の状態を変化させ、より多くの磁束を集磁し得る構成を実現できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、上述の第１の実施形態と同様の効果を得ることができると共に、上述の第１の実施形態及びその各変形例の構成に比べて受電効率のさらなる向上を期待することができる。

即ち、体内で使用中のカプセル内視鏡２の向きや位置が変化した場合でも、その姿勢変化に応じて磁性体３１の向きや位置を変化させることによって受電効率を向上させることができる。

したがって、これにより、無線給電システムにおける無線給電の安定化を得ることができ、これをカプセル内視鏡システムに適用した場合には、カプセル内視鏡２のより安定した駆動を実現することができる。

なお、上述の各実施形態においては、本発明の無線給電システムをカプセル内視鏡システムに適用した場合の例を示しているが、この例に限ることはなく、本発明の無線給電システムは、無線給電方式によって電力を送受電する装置に対して広く適用し得ることは言うまでもない。

また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態の無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システムの基本構成を示すブロック構成図。 図１のカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の内部構成を概略的に示す断面構成図。 図１のカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の受電コイル部の近傍のみを取り出して概念的に示す要部拡大概念図。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例を示し、カプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の受電コイル部の近傍のみを取り出して概念的に示す要部拡大概念図。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例を示し、カプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の受電コイル部の近傍のみを取り出して概念的に示す要部拡大概念図。 本発明の第２の実施形態の無線給電システムを適用したカプセル内視鏡システムにおけるカプセル内視鏡の受電コイル部の近傍のみを取り出して概念的に示す要部拡大概念図。

符号の説明

１……カプセル内視鏡システム
２……カプセル内視鏡
２ａ……カプセル内視鏡本体部
３……体外ユニット
３ａ……送電コイル
３ｂ……制御ユニット
３ｃ……電源
１０……密閉カプセル部
１１……透明カバー部
１２ａ……受電コイル部
１２ｂ……受電回路
１２ｃ……コア
１２ｄ……コイル
２０……撮像光学系
２１……撮像素子
２２……撮像素子駆動制御部
２３……照明部
２４……信号処理部
２５……変調送信アンプ部
２６……電気基板
２７……送信アンテナ部
２８……非常用バッテリー
３０……磁束
３１……磁性体

Claims (4)

1. 無線により電気エネルギーを送電する送電コイルと、
   上記送電コイルに接続される電源と、
   上記電源を制御する制御ユニットと、
   上記送電コイルから送電される電気エネルギーを受電する受電コイルと、
   上記受電コイルにより受電された電気エネルギーを負荷部材へ供給する受電回路と、
   上記送電コイルによる送電作用によって発生する磁束を上記受電コイルに向けて集磁させる磁性体と、
   を具備することを特徴とする無線給電システム。
2. 上記磁性体の直径は、上記受電コイルの直径よりも大径であることを特徴とする請求項１に記載の無線給電システム。
3. 上記磁性体の向きは可変であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の無線給電システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の無線給電システムが適用されていることを特徴とするカプセル内視鏡システム。

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