JP2020048985A - 生体刺激用磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体深部の対象部位に高い磁場を印加することが可能な生体刺激用磁場発生装置を提供する。【解決手段】生体刺激用磁場発生装置は、ギャップ部Ｇを有するＣ環状のコア２と、コア２に巻回されたコイル３と、を備える。コア２は、ギャップ部Ｇの両側にあり互いに近接する方向に延在して対向する一対の対向延在部２ｃと、一対の対向延在部２ｃのそれぞれの外側に併設された一対の対辺部２ｂと、を有する。コイル３は、一対の対辺部２ｂのそれぞれに巻回されている。【選択図】図１

Description

本発明は、生体刺激用磁場発生装置に関する。

認知症改善等の用途の医療用のリハビリテーション機器として、生体内部に強磁界をかける交流の磁場発生装置が流通している。
これらの磁場発生装置では、コンデンサーに電気を充電し、半導体スイッチを介して直列に接続されたコイルに放電して、ＬＣ共振の周波数でインパルス状の電流をコイルに流すことによって、交番磁場（以下、交番磁界ともいう。）を発生させている。そして、コイルに電流を流したときにジュール熱が発生した場合であっても、安定的に連続動作可能な装置が求められていた。
例えば、特許文献１には、コイルのジュール熱による発熱を抑制する技術として、巻線の巻径が徐々に小さくなる磁束圧縮部を有する磁気刺激装置が開示されている。

特開平８−５２２３１号公報

また、空芯コイルを用いた磁場発生装置では、最大磁場はコイルを構成する導線近傍で発生し、また磁性体のコアを用いた磁場発生装置ではコア端部近傍で発生し、磁場形成部から離れるにしたがって磁場は急激に低下してしまう。
一方で、磁場を印加する対象部位は、経頭蓋磁気刺激では頭蓋骨の内部であり、頭部に当てた磁気発生装置からおよそ１０ｍｍ以上深部である。また四肢のリハビリ用磁気刺激でも、筋組織は皮膚下数ｍｍ以上の深部である。
したがって、生体に対して磁気刺激による効果及ぼすためには、磁場形成部から１０ｍｍ程度の離れた位置で高い磁場を印加できる必要がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、コイルの発熱を抑制するため供給電力が低い条件下においても、生体深部の対象部位に高い磁場を印加することが可能な生体刺激用磁場発生装置を提供するものである。

本発明によれば、ギャップ部を有するＣ環状のコアと、該コアに巻回されたコイルと、を備え、前記コアは、前記ギャップ部の両側にあり互いに近接する方向に延在して対向する一対の対向延在部と、該一対の対向延在部のそれぞれの外側に併設された一対の対辺部と、を有し、前記コイルは、前記一対の対辺部のそれぞれに巻回されていることを特徴とする生体刺激用磁場発生装置が提供される。

本発明によれば、コイルの発熱を抑制するため供給電力が低い条件下においても、生体深部の対象部位に高い磁場を印加することが可能な生体刺激用磁場発生装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る磁場形成部の上側斜視図である。 磁場発生装置の構成を説明する説明図である。 磁場形成部の正面図であり、磁束密度の評価位置を説明する説明図である。 磁場形成部の底面図である。 比較例である磁場形成部を示す上側斜視図である。 変形例に係る磁場形成部を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の理解を容易にするための一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。すなわち、以下に説明する部材の形状、寸法、配置等については、本発明の趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
また、全ての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。また、本明細書では上下方向を規定して説明する場合があるが、これは構成要素の相対関係を説明するために便宜的に設定するものであり、本発明に係る製品の製造時や使用時の方向を限定するものではない。

＜＜概要＞＞
まず、本実施形態に係る磁場発生装置（生体刺激用磁場発生装置）１が備える磁場形成部Ｍの概要について、図１及び図２を主に参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る磁場形成部Ｍの上側斜視図であり、図２は、磁場発生装置１の構成を説明する説明図である。
本発明の実施形態に係る生体刺激用磁場発生装置（磁場発生装置１）は、ギャップ部Ｇを有するＣ環状のコア２と、コア２に巻回されたコイル３と、を備える。
コア２は、ギャップ部Ｇの両側にあり互いに近接する方向に延在して対向する一対の対向延在部２ｃと、一対の対向延在部２ｃのそれぞれの外側に併設された一対の対辺部２ｂと、を有する。
コイル３は、一対の対辺部２ｂのそれぞれに巻回されていることを特徴とする。

上記構成によれば、コイル３が一対の対辺部２ｂに巻回されていることで、コイル３からギャップ部Ｇの外方向きに生じる磁束が対向延在部２ｃから生じる磁束に重畳することになる。これにより、コア２及びコイル３から生じる磁束分布をギャップ部Ｇの外部に広げることができ、コイル３の発熱を抑制するために供給電力が低い条件下においても、生体深部に至る位置（１０ｍｍ程度離れた位置）における磁束密度を高めることができる。

なお、上記の「Ｃ環状」とは、全体として円弧状のもの又はＵ字状のものを示すものではなく、上記の記載のように、一対の対向延在部２ｃと一対の対辺部２ｂとを有し、一対の対向延在部２ｃと一対の対辺部２ｂとが交差して接続されている部位を含む形状をいう。
また、上記の「互いに近接する方向に延在して」とは、同一直線上に延在して近接するものの他、延長線上が交差する方向に傾斜して延在するものも含む。
また、上記の「対向する」とは、逆側を向いていないことを意味し、平行な面同士が向かい合っているものの他、傾斜して向かい合わせになっているものも含む。
また、「併設」とは、Ｃ環状のコイル３のギャップ部Ｇを中心とする両側に設けられていることを意味し、平行に直線的に設けられているもの以外に、傾斜して直線的に設けられているものや湾曲して設けられているものを含む。そして、一対の対辺部２ｂには、例えば、湾曲して形成されていることにより境目なく一体的に形成されているものも含む。
また、「ギャップ部」として、以下説明する実施形態においては、エアギャップの例を示しているが、コア２と比較して透磁率の低い樹脂材料等によってギャップ部を構成するようにしてもよい。

（全体構成）
本実施形態に係る生体刺激用磁場発生装置（磁場発生装置１）の構成について図２を主に参照して説明する。磁場発生装置１は、直流電源４が接続された第１回路Ｃ１と、磁場形成部Ｍが接続された第２回路Ｃ２と、を含んで構成されている。
第１回路Ｃ１は、直流電源４と、直流電源４に接続された回路内の通電のオンオフを切り替える半導体スイッチ５と、充電電流の大きさを調整する調整抵抗６と、充電用のコンデンサー７と、に接続されている。
第２回路Ｃ２は、ＬＣ回路であり、コンデンサー７と、コンデンサー７に接続された回路内の通電のオンオフを切り替える半導体スイッチ８と、磁場形成部Ｍに供給する電流の大きさを調整する調整抵抗９と、に接続されている。

磁場発生装置１の作動方法としては、まず、半導体スイッチ５をオンにして、第１回路Ｃ１によりコンデンサー７を規定電圧に充電する。コンデンサー７への充電が完了したら、半導体スイッチ５をオフにする。
次に、半導体スイッチ８をオンにして、コンデンサー７に充電された電気を磁場形成部Ｍのコイル３に放電する。
第２回路Ｃ２にＬＣ共振の電流が繰り返し流れ、コイル３（磁場形成部Ｍ）にから磁場が放出される。なお、半導体スイッチ５、８は、不図示の制御回路により制御される。

（コアについて）
コア２は、図１、図３及び図４に示すように、コイル３から生じた磁束をギャップ部Ｇに案内して、ギャップ部Ｇにおいて磁束を生じさせるものである。
図３は、磁場形成部Ｍの正面図であり、磁束密度の評価位置Ｐを説明する説明図、図４は、磁場形成部Ｍの底面図である。
本実施形態に係るコア２は、積層された電磁鋼板によって構成されている。コア２は、図３において、上下方向に平行に延在する一対の対辺部２ｂと、一対の対辺部２ｂの上端部から横方向のうち互いに近接する向きに延在する一対の対向延在部２ｃと、一対の対辺部２ｂの下端部同士を連結する接続部２ａと、から構成されている。つまり、一対の対向延在部２ｃは、上下方向に延在する一対の対辺部２ｂの上端部から直交する横方向に延在している。また、一対の対辺部２ｂの間にギャップ部Ｇが設けられている。
コア２の外形は、一例として、図３の正面視において縦６０ｍｍ、横５０ｍｍであり、コア２の構成部位の断面に係る幅及び厚さは１０ｍｍである。このコア２の磁路長は、例えば１８０ｍｍである。

（コイルについて）
一対のコイル３は、一例として、高さ２ｍｍ、幅１４ｍｍの断面を有する平角線の絶縁被覆銅線で形成されたエッジワイズコイルであり、磁路の閉ループ方向が同一である巻線方向で、図１及び図３に示すようにコア２の対辺部２ｂに巻回されている。コイル３は、一対の対辺部２ｂのそれぞれに、一例として６ターンずつ、合計１２ターン巻回されている。具体的には、コイル３におけるギャップ部Ｇ側の端部（上端部３ｂ）は、対辺部２ｂに巻回されている。換言すると、上端部３ｂが、対向延在部２ｃに至る位置で巻回されていないことを意味する。
本実施形態に係る上端部３ｂは、図１等に示すように、対辺部２ｂのうち、対向延在部２ｃに接続される部位である湾曲したコーナー部には巻回されていない。しかしながら、当該コーナー部に上端部３ｂが巻回されて、コイル３が終端していてもよい。

上記構成によれば、対辺部２ｂに巻回されたコイル３の上端部３ｂから生じる磁束によって、コア２のギャップ部Ｇの外方における磁束密度を高めることができる。
なお、コイル３は、対辺部２ｂのみに巻回されているものに限定されず、対辺部２ｂに加えて接続部２ａ及び／又は対向延在部２ｃに巻回されていてもよい。

特に、本実施形態に係るコイル３におけるギャップ部Ｇ側の端部（上端部３ｂ）は、対向延在部２ｃの内側面２ｄに近接して配設されている。
ここで、「近接」とは、コイル３の巻線の１ターンのピッチ以内の距離にあることをいう。
上記構成によれば、コイル３の上端部３ｂがギャップ部Ｇに近接して配設されることになり、フリンジング効果によりギャップ部Ｇから内側のコイル３側に磁束が流れようとするが、その流れ込もうとする空間がコイル３の上端部３ｂにより埋められることになる。このため、対向延在部２ｃから生じた磁束が、上端部３ｂにより、コア２のギャップ部Ｇの外方に流れるように誘導されることになる。
より具体的には、コイル３の上端部３ｂから生じる磁束によって、対向延在部２ｃから生じる磁束をコア２のギャップ部Ｇの外方に押し上げるように誘導することができる。その結果、コア２のギャップ部Ｇから外方に離れた位置（磁場を印加したい生体の深部）の磁束密度をより高めることができ、より低い電力で従来と同等の磁場を印加することができる。

さらに、コイル３の上端部３ｂが内側面２ｄに密着していると好適である。
このような構成によれば、内側面２ｄに当接させるようにしてコイル３の位置合わせを容易にすることができ、内側面２ｄによってコイル３の移動が制限されるため、その位置を保持しやすくなる。

コイル３は、螺旋部３Ｘを少なくとも２箇所有し、２箇所の螺旋部３Ｘのそれぞれは、一対の対辺部２ｂのそれぞれに巻回された状態において、ギャップ部Ｇに対向する位置にある２箇所の螺旋部３Ｘの側面３Ｘａが密着している。
ここで「螺旋部３Ｘの側面３Ｘａが密着している」には、２箇所の螺旋部３Ｘを構成するそれぞれのワイヤ（巻線）同士の間において、これらが完全に密着しているものに限定されず、ワイヤ幅（巻線幅）の少なくとも一部が密着しているものも含まれる。

上記構成によれば、コイル３における２箇所の螺旋部３Ｘの側面３Ｘａが密着していることにより、対向延在部２ｃから生じてギャップ部Ｇを通る磁束がコイル３側に漏れることを抑制できる。
また、コイル３は、平角線によって構成されていると、２箇所の螺旋部３Ｘの側面３Ｘａが面接触することにより密着しやすいため好適であるが、このような構成に限定されず、リッツ線のような断面円形状の撚線であってもよい。

２箇所の螺旋部３Ｘは、図４に示す下端部３ａにおいて、一方の螺旋部３Ｘの正面部と他方の螺旋部３Ｘの背面部とを連結するように斜めに直線的に延在する連結部３Ｙによって連結されている。
このように、２箇所の螺旋部３Ｘと、これらを連結する連結部３Ｙと、によって構成されるコイル３は、図４に示す底面視において８の字状に形成されている。このように、２箇所の螺旋部３Ｘが連結部３Ｙによって連結されていることで、磁路の閉ループ方向が同一である巻線方向に、２箇所の螺旋部３Ｘが巻回されることになる。このような構成により、コイル３は、２箇所の螺旋部３Ｘにおいて磁路の閉ループ方向が同一方向になるため、磁束を集中させやすく、良好な放熱性を有することになる。
なお、２箇所の螺旋部３Ｘは、連結部３Ｙによって連結されているものに限定されず、別個にコア２に巻回されて、別個の入力端子と出力端子とを備えるものであってもよい。

上記のように、２箇所の螺旋部３Ｘが連結部３Ｙによって連結されて底面視において８の字状に形成されている構成や、２箇所の螺旋部３Ｘが別個に構成されているものであれば、２箇所の螺旋部３Ｘの側面３Ｘａを密着させやすい点で好適である。しかしながら、本発明はこのような構成に限定されない。
例えば、元々一つで構成された螺旋状のコイルを接続部２ａに配設した後に、一対の対辺部２ｂに分配するように、中央から分けて配設されるものであってもよい。このような構成は、エッジワイズコイルではなく、変形しやすく等方性を有するリッツ線で構成されるコイルであると好適である。

（ギャップについて）
次に、評価位置Ｐにおけるギャップ部Ｇの長さと磁束密度との関係、及びコイル３、１３の巻回位置と磁束密度の関係について、実施例である磁場形成部Ｍを示す図３に加えて、図５及び表１を参照して説明する。図５は、比較例である磁場形成部Ｍ１を示す上側斜視図である。
なお、評価位置Ｐは、交番磁界を生じさせる生体深部の位置として想定されるコア２のギャップ部Ｇの外周部から１０ｍｍ離れた箇所である。
本実施例及び比較例においては、ギャップ部Ｇの幅が最大３０ｍｍから最小２ｍｍまで異なる各種コア２を用いて、図１に示すコイル３で構成される磁場形成部Ｍと、図５に示すコイル１３で構成される磁場形成部Ｍ１とを比較した。

上記において説明したように、実施例としてのコイル３は、高さ２ｍｍ、幅１４ｍｍの断面を有する絶縁被覆銅線であり、一対の対辺部２ｂのそれぞれに６ターンずつ、合計１２ターン、ギャップ部Ｇに一部が対向するように巻線されている。
比較例に係る磁場形成部Ｍ１は、コア２における接続部２ａに巻回されたコイル１３を備えるものである。
比較例としてのコイル１３は、断面が高さ６ｍｍ、幅４．７ｍｍの断面を有する絶縁被覆銅線であり、内層と外層とに６ターンずつ、合計１２ターン、コア２の接続部２ａに巻線されている。

それぞれの磁場形成部Ｍ、Ｍ１は、コア２のギャップ部Ｇの長さが異なるため、同じターン数のコイル３、１３を巻回してもインダクタンスが異なる。
そこで、いずれのコア２を有する磁場形成部Ｍ、Ｍ１でも同じインパルス状の交番電流を得る必要がある。インパルス幅（周波数）については、ＬＣ共振周波数（本実施形態においては２ＫＨｚ）が同じになるように、直列に接続するコンデンサー７の容量を適宜調整した。パルス幅は０．５ｍｓｅｃとした。
また、コイル３、１３に流れるピーク電流（本実施形態においては３００Ａ）は、コンデンサー７に充電する際の充電電圧とコイル３、１３とコンデンサー７間に直列に挿入された調整抵抗９で調整した。

実施例の結果を下表に示す。磁束密度については、比較例１の場合の評価位置Ｐの磁束密度を基準として他の比較例、実施例の値を表している。本実施形態に係る磁路長は、上記のように１８０ｍｍであり、コア２における一対の対辺部２ｂの対向する内縁間の距離である内縁間距離Ｗは３０ｍｍである。

＜ギャップ部Ｇの長さと磁束密度の関係について＞
この結果からわかるように、内縁間距離Ｗに対するギャップ部Ｇの長さの比を６．７％以上、１００％以下として、実施例１〜７のようにコイル３をコア２の内側面２ｄに近接して形成することにより、評価位置Ｐにおける磁束密度が大幅に改善された。
換言すると、磁路長に対するギャップ部Ｇの長さの比を１．１％以上、１６．７％以下として、実施例１〜７のようにコイル３をコア２の内側面２ｄに近接して形成することにより、評価位置Ｐにおける磁束密度が大幅に改善された。
内縁間距離Ｗに対するギャップ部Ｇの長さの比が６．７％以上（磁路長に対するギャップ部Ｇの長さの比が１．１％以上）の場合には、ギャップが狭くなりすぎず、磁束がギャップ部Ｇの外方に効率的に誘導されるため、評価位置Ｐの磁束を高めることができる。
また、磁路長に対するギャップ部Ｇの長さの比が１６．７％以下の場合には、ギャップが広くなりすぎず発生する磁束が少なくないために、評価位置Ｐの磁束を高めることができる。

特に、ギャップ部Ｇの長さは、一対の対辺部２ｂの内縁間距離Ｗに対して、１０％以上、９０％未満であると好適である。換言すると、本実施形態に係るコア２は、ギャップ部Ｇの長さが、磁路長に対して、２％以上、１５％未満であると好適である。
このように、ギャップ部Ｇの長さが、対辺部２ｂの内縁間距離Ｗに対して、１０％以上、９０％未満であることで、評価位置Ｐ（生体の内部組織に届く位置）における磁束密度を効果的に高めることができる。
例えば、一対の対辺部が湾曲していたり、傾斜していたりする構成においては、この内縁間距離Ｗは、一対の対辺部の内縁間のうち、一対の対向延在部２ｃのそれぞれとの接続部位（上端部）における内縁間の距離である。

上記実施形態においては、コイル３の下端部３ａのみ、８の字状に形成されているものとして説明したが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、コイル３が、全体として２つの孔を有する８の字状に形成されており、一対の対辺部２ｂは、２つの孔にそれぞれ通されていてもよい。
上記構成によれば、８の字状に形成されていることで、螺旋状（環状）のものが２つ並んだものよりもギャップ部Ｇの内側に交差して延在でき、ギャップ部Ｇを通る磁束がコイル３側に漏れることを抑制することができる。

＜変形例＞
上記実施形態においては、一対の対向延在部２ｃが、一対の対辺部２ｂの上端部から直交する方向に延在するものとして説明した。そして、対向延在部２ｃの内側面２ｄに近接してコイル３が配設されているものとして説明した。
このような構成によれば、対向延在部２ｃから生じる磁束が、ギャップ部Ｇよりも内側に向かうことを、対向延在部２ｃの内側面２ｄに近接して配設されたコイル３の上端部３ｂにより抑制することができる。しかしながら、本発明はこのような構成に限定されない。

次に、変形例に係る磁場形成部Ｍ２について、図６を参照して説明する。図６は、変形例に係る磁場形成部Ｍ２を示す正面図である。
磁場形成部Ｍ２を構成するコア２２は、一対の対辺部２ｂの上端部から上方に傾斜しつつ互いに近接するように延在する対向延在部２２ｃを有する。
コイル３は、対辺部２ｂの上端部において固定されており、対向延在部２２ｃの内側面２２ｄとコイル３との間には隙間が設けられている。
このような構成であっても、対向延在部２２ｃが上方に傾斜していることにより、対向延在部２２ｃから発せられる磁束を対向延在部２２ｃの外方（上方）に向かわせることができることで生体深部位置における磁束密度を高めることができる。さらに、コイル３の上端部３ｂが上方に向いているため、コイル３の上端部３ｂから生じる磁束により、対向延在部２２ｃから生じる磁束がコア２２の内側に流れることを妨げることができる。

上記各実施形態は、以下の技術思想のいずれかを包含する。
（１）ギャップ部を有するＣ環状のコアと、
該コアに巻回されたコイルと、を備え、
前記コアは、前記ギャップ部の両側にあり互いに近接する方向に延在して対向する一対の対向延在部と、該一対の対向延在部のそれぞれの外側に併設された一対の対辺部と、を有し、
前記コイルは、前記一対の対辺部のそれぞれに巻回されていることを特徴とする生体刺激用磁場発生装置。
（２）前記コイルにおける前記ギャップ部側の端部は、前記対辺部に巻回されている（１）に記載の生体刺激用磁場発生装置。
（３）前記コイルにおける前記ギャップ部側の端部は、前記対向延在部の内側面に近接して配設されている（２）に記載の生体刺激用磁場発生装置。
（４）前記コイルは、螺旋部を少なくとも２箇所有し、
２箇所の前記螺旋部のそれぞれは、前記一対の対辺部のそれぞれに巻回された状態において、前記ギャップ部に対向する位置にある２箇所の前記螺旋部の側面が密着している（３）に記載の生体刺激用磁場発生装置。
（５）前記コイルは、２つの孔を有する８の字状に形成されており、
前記一対の対辺部は、前記２つの孔にそれぞれ通されている（３）に記載の生体刺激用磁場発生装置。
（６）前記ギャップ部の長さは、前記一対の対辺部の内縁間の距離に対して、１０％以上、９０％未満である（１）から（５）のいずれか一項に記載の生体刺激用磁場発生装置。

１ 磁場発生装置（生体刺激用磁場発生装置）
２ コア
２ａ 接続部
２ｂ 対辺部
２ｃ 対向延在部
２ｄ 内側面
３ コイル
３ａ 下端部
３ｂ 上端部
３Ｘ 螺旋部
３Ｘａ 側面
３Ｙ 連結部
４ 直流電源
５ 半導体スイッチ
６ 調整抵抗
７ コンデンサー
８ 半導体スイッチ
９ 調整用抵抗
１３ コイル
２２ コア
２２ｃ 対向延在部
２２ｄ 内側面
Ｃ１ 第１回路
Ｃ２ 第２回路
Ｇ ギャップ部
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２ 磁場形成部
Ｐ 評価位置
Ｗ 内縁間距離

Claims (6)

1. ギャップ部を有するＣ環状のコアと、
   該コアに巻回されたコイルと、を備え、
   前記コアは、前記ギャップ部の両側にあり互いに近接する方向に延在して対向する一対の対向延在部と、該一対の対向延在部のそれぞれの外側に併設された一対の対辺部と、を有し、
   前記コイルは、前記一対の対辺部のそれぞれに巻回されていることを特徴とする生体刺激用磁場発生装置。
2. 前記コイルにおける前記ギャップ部側の端部は、前記対辺部に巻回されている請求項１に記載の生体刺激用磁場発生装置。
3. 前記コイルにおける前記ギャップ部側の端部は、前記対向延在部の内側面に近接して配設されている請求項２に記載の生体刺激用磁場発生装置。
4. 前記コイルは、螺旋部を少なくとも２箇所有し、
   ２箇所の前記螺旋部のそれぞれは、前記一対の対辺部のそれぞれに巻回された状態において、前記ギャップ部に対向する位置にある２箇所の前記螺旋部の側面が密着している請求項３に記載の生体刺激用磁場発生装置。
5. 前記コイルは、２つの孔を有する８の字状に形成されており、
   前記一対の対辺部は、前記２つの孔にそれぞれ通されている請求項３に記載の生体刺激用磁場発生装置。
6. 前記ギャップ部の長さは、前記一対の対辺部の内縁間の距離に対して、１０％以上、９０％未満である請求項１から５のいずれか一項に記載の生体刺激用磁場発生装置。

Images