JP2022051392A - Capacitor capacity measuring system and radiation dose measuring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共振回路の共振による電力伝送の位相変化または損失によりコンデンサの容量を測定するコンデンサ容量測定システムおよびそれを用いた放射線量測定システムに関する。 The present invention relates to a capacitor capacity measuring system for measuring the capacity of a capacitor by a phase change or loss of power transmission due to resonance of a resonance circuit, and a radiation amount measuring system using the same.
従来、コンデンサの容量変化を検出する各種センサが知られている。例えば、各種のデータ入力を行うためのタッチパネルや、人感センサなどにおいても静電容量の変化を検出するものが多く採用されている。 Conventionally, various sensors for detecting a change in the capacitance of a capacitor have been known. For example, many touch panels for inputting various data and motion sensors that detect changes in capacitance are used.
ここで、特許文献1には、コンデンサの静電容量が放射線の照射線量に応じて変化することを利用し、コンデンサとコイルのみを用いた安価な放射線の線量計が示されている。ここでは、コンデンサとコイルを直列で接続したLC回路が、そのLC回路固有の周波数特性(共振周波数)を有することになることから、外部のアンテナとネットワークアナライザを用いて固有周波数を解析することにより、コンデンサ容量変化を測定する。そして、このコンデンサ容量変化に基づいて、放射線の照射線量を測定する。このシステムによれば、体内にLC回路を埋め込んで、外部のアンテナ、ネットワークアナライザを利用して、体内での放射線線量測定が行える。 Here, Patent Document 1 discloses an inexpensive radiation dosimeter using only a capacitor and a coil by utilizing the fact that the capacitance of a capacitor changes according to the irradiation dose of radiation. Here, since an LC circuit in which a capacitor and a coil are connected in series has a frequency characteristic (resonance frequency) peculiar to the LC circuit, the peculiar frequency is analyzed by using an external antenna and a network analyzer. , Measure the change in capacitor capacity. Then, the irradiation dose of radiation is measured based on the change in the capacity of the capacitor. According to this system, an LC circuit can be embedded in the body and radiation dose measurement in the body can be performed using an external antenna and a network analyzer.
特許文献1では、コンデンサの容量変化をコンデンサから離れた位置に配置したアンテナなどを利用して位置で検出できる。しかし、アンテナとLC回路の距離が離れるとその検出精度が悪化し、十分な測定が行えない可能性がある。一方、静電容量の変化を非接触で検出できるメリットを考えると、なるべく離れた位置から検出したいという要望もある。 In Patent Document 1, the change in the capacitance of the capacitor can be detected at the position by using an antenna or the like arranged at a position away from the capacitor. However, if the distance between the antenna and the LC circuit increases, the detection accuracy deteriorates, and there is a possibility that sufficient measurement cannot be performed. On the other hand, considering the merit of being able to detect a change in capacitance in a non-contact manner, there is also a desire to detect it from a position as far away as possible.
なお、非特許文献1には、電力の無線伝送方式として、送受信の両方のコイルにヘリカル型のコイル(共振器)を設置した4コイルの構成で、磁界共振(SCMR:Strongly Coupled Magnetic Resonance)を利用して、長距離でも高い伝送効率S21を保てることが記載されている。なお、Sパラメータは、回路に入っていく電力と回路から出て行く電力(電力の平方根)の関係を表したものであり、S21は入力端子から出力端子への透過係数(=伝送効率)である。 In Non-Patent Document 1, as a wireless power transmission method, magnetic resonance (SCMR: Strongly Coupled Magnetic Resonance) is provided in a 4-coil configuration in which helical type coils (resonators) are installed in both transmission and reception coils. It is described that the high transmission efficiency S21 can be maintained even over a long distance by using it. The S parameter represents the relationship between the power entering the circuit and the power exiting the circuit (square root of power), and S21 is the transmission coefficient (= transmission efficiency) from the input terminal to the output terminal. be.
本発明は、送信側コイルと、前記送信側コイルから所定距離離間して配置され、前記送信側コイルにより生成される磁界を共有する受信側コイルと、前記送信側コイルと前記受信側コイルとの間に配置されるターゲットコイルと、容量が変化するコンデンサであって、前記ターゲットコイルに接続されて形成された共振回路の共振周波数を決定するコンデンサと、前記送信側コイルおよび前記受信側コイルに流れる電流から伝送される電力の周波数依存性を解析し、前記共振回路の共振による伝送電力の損失または位相変化から前記共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、を含み、検出された共振周波数に基づいて、前記コンデンサの容量を検出する。 The present invention comprises a transmitting coil, a receiving coil that is arranged at a predetermined distance from the transmitting coil and shares a magnetic field generated by the transmitting coil, and a transmitting coil and a receiving coil. A target coil arranged between them, a capacitor whose capacitance changes, which determines the resonance frequency of a resonance circuit formed by being connected to the target coil, and flows through the transmitting side coil and the receiving side coil. The detected resonance includes a resonance frequency detection unit that analyzes the frequency dependence of the power transmitted from the current and detects the resonance frequency of the resonance circuit from the loss or phase change of the transmission power due to the resonance of the resonance circuit. The capacitance of the capacitor is detected based on the frequency.
前記送信側コイルは、互いに近接配置された第1コイルと第2コイル、前記受信側コイルは、互いに近接配置された第4コイルと第5コイルに分割されており、前記共振周波数検出部は、前記第1コイルに電流を供給して、前記第5コイルの電流を検出することで、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力を周波数解析するとよい。 The transmitting side coil is divided into a first coil and a second coil arranged close to each other, and the receiving side coil is divided into a fourth coil and a fifth coil arranged close to each other. By supplying a current to the first coil and detecting the current of the fifth coil, the power transmitted from the transmitting side coil to the receiving side coil may be frequency-analyzed.
前記第1コイルおよび前記第5コイルは一巻きコイルであり、前記第4コイルおよび前記第4コイルは複数巻きコイルであるとよい。 The first coil and the fifth coil may be a one-turn coil, and the fourth coil and the fourth coil may be a plurality of winding coils.
前記共振周波数検出部は、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力の伝送効率の微分値から前記共振周波数を検出するとよい。 The resonance frequency detection unit may detect the resonance frequency from the differential value of the transmission efficiency of the power transmitted from the transmitting side coil to the receiving side coil.
また、本発明は、上述したコンデンサ容量測定システムを用いた放射線量測定システムであって、前記コンデンサは、入射する放射線の線量によって容量が変化し、前記共振周波数検出部により検出した前記コンデンサの容量に応じて、入射する放射線量を検出する。 Further, the present invention is a radiation amount measuring system using the above-mentioned capacitor capacity measuring system, wherein the capacity of the capacitor changes depending on the dose of incident radiation, and the capacity of the capacitor detected by the resonance frequency detection unit is obtained. The amount of incident radiation is detected accordingly.
本発明によれば、送信側コイルから受信側コイルへの電力伝送について、共振回路が共振することで損失または位相変化が生じることを用いて共振回路のコンデンサ容量を検出する。これによって、送信側コイルおよび受信側コイルが共振回路から離れており、かつ共振回路のサイズが小さくても容量検出が可能になる。 According to the present invention, for power transmission from the transmitting side coil to the receiving side coil, the capacitor capacity of the resonant circuit is detected by using the fact that a loss or a phase change occurs due to resonance of the resonant circuit. As a result, the capacitance can be detected even if the transmitting side coil and the receiving side coil are separated from the resonance circuit and the size of the resonance circuit is small.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described here.
「概略構成」
図1は、本実施形態に係るコンデンサ容量測定システムの概略構成を示すブロック図である。
"Outline configuration"
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a capacitor capacity measuring system according to the present embodiment.
送信側コイル10は、送信側の2つのコイルである、第1コイルCL1と、第2コイルCL2を有する。センサとして機能する共振回路12はターゲットコイルCL3を有する。受信側コイル14は、受信側の2つのコイルである、第4コイルCL4と、第5コイルCL5を有する。そして、第1コイルCL1と、第5コイルCL5にネットワークアナライザ20が、共振周波数検出部として接続されている。ネットワークアナライザ20は、所望の周波数の信号を第1コイルCL1に供給し、第5コイルCL5において受信した信号を解析する。なお、送信側コイル10、受信側コイル14について、コイルは1つずつでもよく、さらに3以上でもよい。また、第1コイルCL1および第5コイルCL5は、一巻きコイルが好適であり、他は複数巻きコイルが好適である。また、共振周波数検出部は、ネットワークアナライザ20のように、周波数解析を行うものではなく、予め定められた周波数における共振の有無を検出するものでもよい。
The transmitting
図2に、図1のコンデンサ容量測定システムの等価回路を示す。なお、コイルは、インダクタンスの他、電気抵抗などを含むため、等価回路ではインダクタンスLと抵抗Rを別個に記載した。また、コンデンサCには浮遊容量などが含まれてもよい。 FIG. 2 shows an equivalent circuit of the capacitor capacity measurement system of FIG. Since the coil includes an electric resistance as well as an inductance, the inductance L and the resistance R are described separately in the equivalent circuit. Further, the capacitor C may include stray capacitance and the like.
第1コイルCL1は、インダクタンスL1および抵抗R1の直列接続からなり、これにソース抵抗RsとコンデンサC1がさらに直列接続され、ネットワークアナライザ20から交流信号が供給される。第2コイルCL2は、インダクタンスL2および抵抗R2の直列接続からなり、これにコンデンサC2がさらに直列接続され、第1コイルCL1によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。
The first coil CL1 is composed of an inductance L1 and a resistor R1 connected in series, to which a source resistance Rs and a capacitor C1 are further connected in series, and an AC signal is supplied from the
ターゲットコイルCL3は、インダクタンスL3および抵抗R3の直列接続からなり、これにコンデンサC3がさらに直列接続され、第2コイルCL2によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。第4コイルCL4は、インダクタンスL4および抵抗R4の直列接続からなり、これにコンデンサC4がさらに直列接続され、第2コイルCL2によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。 The target coil CL3 is composed of an inductance L3 and a resistor R3 connected in series, to which a capacitor C3 is further connected in series, and an induced current flows according to the magnetic field generated by the second coil CL2. The fourth coil CL4 is composed of an inductance L4 and a resistor R4 connected in series, to which a capacitor C4 is further connected in series, and an induced current flows according to the magnetic field generated by the second coil CL2.
第5コイルCL5は、インダクタンスL5および抵抗R5の直列接続からなり、コンデンサC5と負荷抵抗RLがさらに直列接続され、第4コイルCL4によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れ、この電流(電圧)がネットワークアナライザ20によって測定される。
The fifth coil CL5 is composed of an inductance L5 and a resistor R5 connected in series, a capacitor C5 and a load resistance RL are further connected in series, and an induced current flows according to the magnetic field generated by the fourth coil CL4, and this current (voltage). Is measured by the
第1、第2、第4および第5コイルCL1、CL2、CL4、CL5の共振周波数は同一に設定され、これによって、第1、第2、第4および第5コイルCL1、CL2、CL4、CL5が共振周波数において共振することで効果的な電力伝送が行われる。 The resonance frequencies of the first, second, fourth and fifth coils CL1, CL2, CL4 and CL5 are set to be the same, whereby the first, second, fourth and fifth coils CL1, CL2, CL4 and CL5 Resonates at the resonance frequency, so that effective power transmission is performed.
ここで、ソース抵抗Rs、負荷抵抗RLはネットワークアナライザ20とのインピーダンス整合をとるためのものであり、コンデンサC1、C2、C4、C5は、送信側と受信側のコイル(CL1、CL2、CL4、CL5)の共振周波数を同一に設定するためのものであり、可変コンデンサとすることが好適である。
Here, the source resistance Rs and the load resistance RL are for impedance matching with the
このようなシステムにおいて、ネットワークアナライザ20の発振器20aにより、第1コイルCL1に所定周波数の交流信号を供給すると、第1コイルCL1に生じる磁界によって第2コイルCL2に電流が流れ、第2コイルCL2により発生する磁界に応じて、ターゲットコイルCL3および第4コイルCL4に電流が流れ、第4コイルCL4に発生する磁界に応じて第5コイルCL5に電流が流れ、第5コイルCL5の電流(電圧)をネットワークアナライザ20が検出する。
In such a system, when an AC signal having a predetermined frequency is supplied to the first coil CL1 by the
ここで、ターゲットコイルCL3には、第2コイルCL2の磁界よって生じる誘導電流の一部が流れ、このターゲットコイルCL3に誘導電流が流れることによって、第4コイルCL4に流れる誘導電流が減少する。また、共振回路12は、ターゲットコイルCL3とコンデンサC3の直列接続からなるLC回路で構成されている。従って、共振回路12は、その固有共振周波数において共振し、このときに大きな電流が流れる。
Here, a part of the induced current generated by the magnetic field of the second coil CL2 flows through the target coil CL3, and the induced current flows through the target coil CL3, so that the induced current flowing through the fourth coil CL4 decreases. Further, the
本実施形態では、ネットワークアナライザ20において、第1コイルCL1から第5コイルCL5の電力の伝送効率S21を検出する。S21は、共振回路12が共振した際には、大きく減少するので、この減少ピーク(伝送効率変化のピーク)の周波数を検出することで、共振回路12(ターゲットコイルCL3)の共振周波数を検出することができ、従って、コンデンサC3の容量を測定することができる。
In the present embodiment, the
そして、本実施形態において、コンデンサC3は、その容量が変化するものを採用し、ネットワークアナライザ20においてコンデンサC3の容量を測定する。コンデンサC3として、例えば特許文献1に記載されている放射線の入射量によって容量が変化するコンデンサを採用することで、放射線線量を測定することができる。
Then, in the present embodiment, the capacitor C3 whose capacitance changes is adopted, and the capacitance of the capacitor C3 is measured by the
共振回路12の共振周波数fは、f=1/2π√(L3・C3)であり、伝送している信号の周波数がこの共振周波数と一致した場合に、共振回路12において共振電流が流れ、ここに流れる電流量が大きくなる。この場合、第4コイルCL4、第5コイルCL5に流れる電流が小さくなり、この減少をネットワークアナライザ20において検出することで、共振回路12の共振周波数を検出することができ、これからコンデンサC3の容量を決定することができる。そして、コンデンサC3の容量から、放射線入射量がわかる。
The resonance frequency f of the
本実施形態では、ネットワークアナライザ20によって、各コイルの共振周波数に近い周波数において、供給する交流信号を掃引し、共振回路12の共振周波数を検出する。
In the present embodiment, the
「相互誘導電流の算出」
2つのコイルが電磁気学的に結合している場合、2つのコイルに流れる電流が互いに影響を及ぼす現象(相互誘導)が起こる。相互誘導によって一方のコイルに電流を流した場合、その一方のコイルから発生する磁場によって、近くのもう他方のコイルに誘導起電力がV2発生する。
"Calculation of mutual induction current"
When two coils are electromagnetically coupled, a phenomenon (mutual induction) in which the currents flowing through the two coils affect each other occurs. When a current is passed through one coil by mutual induction, an induced electromotive force of V2 is generated in the other nearby coil by the magnetic field generated from that one coil.
ここで、I1は一方のコイルの電流、tは時間、Mは相互インダクタンスである。そして、コイル間の距離をd12、2つのコイルの半径をr1,r2,巻き数をN1,N2としたとき一方のコイルと他方のコイルの相互インダクタンスM12は、第一種楕円積分K(k)・第二種完全楕円積分E(k)を利用して、次のように求めることができる。 Here, I 1 is the current of one coil, t is the time, and M is the mutual inductance. When the distance between the coils is d 12 , the radii of the two coils are r 1 , r 2 , and the number of turns is N 1 , N 2 , the mutual inductance M 12 between one coil and the other coil is the first type. Using the elliptic integral K (k) and the second kind perfect elliptic integral E (k), it can be obtained as follows.
さらに、相互誘導は隣り合うコイルだけでなく、全てのコイルと干渉しあうため、それぞれのコイルにおける電圧V・電流I・インピーダンスZの関係は、次のように表される。 Further, since mutual induction interferes with not only adjacent coils but all coils, the relationship of voltage V, current I, and impedance Z in each coil is expressed as follows.
ここで、Mは相互インダクタンス、Vsは第1コイルCL1に掛かる電圧、VLは第5コイルCL5に掛かる電圧、Vsはソース抵抗Rsに掛かる電圧である。なお、Vsはソース抵抗Rsに掛かる電圧、VLは抵抗RLに掛かる電圧としてもよい。 Here, M is the mutual inductance, Vs is the voltage applied to the first coil CL1, VL is the voltage applied to the fifth coil CL5, and Vs is the voltage applied to the source resistance Rs. In addition, Vs may be a voltage applied to the source resistance Rs, and VL may be a voltage applied to the resistance RL.
伝送効率S21は、上記の計算式の逆行列を解くことでそれぞれの電流値(I1~I5)が計算できることから、下式で算出できる。 Since the respective current values (I 1 to I 5 ) can be calculated by solving the inverse matrix of the above formula, the transmission efficiency S21 can be calculated by the following formula.
ここで、ネットワークアナライザ20では、伝送効率S21がデシベル表記されるため、求められたS21を下式に代入し、S21Nwrwork Analyzerが求められる。以下のオフセット(offset)はネットワークアナライザの内部アッテネータによる減衰補正項となっており、実測によって求められる。
Here, in the
「共振周波数の測定」
ファラデーの法則によると、磁場の存在する空間にコイルを置くと、ループ面を貫く磁束変化によって、誘導起電力が発生する。この時、コイルの巻き数をN、コイルを貫く磁束をΦ、時間をtとすると誘導起電力Vは下式で表される。
"Measurement of resonance frequency"
According to Faraday's law, when a coil is placed in a space where a magnetic field exists, an induced electromotive force is generated by a change in magnetic flux penetrating the loop surface. At this time, if the number of turns of the coil is N, the magnetic flux penetrating the coil is Φ, and the time is t, the induced electromotive force V is expressed by the following equation.
また、コイルは、RLC直列回路と等価であるため、インピーダンスは下式で表され、共振周波数でインピーダンスZが最小値のRとなり、誘導起電力による誘導電流が最大となる。つまり、コイルのループ面を貫く電磁波の周波数が、コイルの固有共振周波数と一致するとき、誘導電流が最大になる。 Further, since the coil is equivalent to the RLC series circuit, the impedance is expressed by the following equation, the impedance Z becomes the minimum value R at the resonance frequency, and the induced current due to the induced electromotive force becomes the maximum. That is, when the frequency of the electromagnetic wave penetrating the loop surface of the coil matches the natural resonance frequency of the coil, the induced current becomes maximum.
従って、誘導電流によってコイル内に蓄えられるエネルギーUは、コイルに流れる電流Iを用いて下式で表すことができる。 Therefore, the energy U stored in the coil by the induced current can be expressed by the following equation using the current I flowing through the coil.
以上のことから、電力伝送が行われている空間に目的とするターゲットコイルを置くと、ターゲットコイルの共振周波数付近ではインピーダンスが小さくなり、伝送される電力の一部がターゲットコイルに蓄えられ、伝送効率S21に位相変化が生じると考えられる。 From the above, when the target coil is placed in the space where power transmission is performed, the impedance becomes small near the resonance frequency of the target coil, and a part of the transmitted power is stored in the target coil for transmission. It is considered that a phase change occurs in the efficiency S21.
さらに、コイルのインピーダンスは共振周波数で最小となるため、ネットワークアナライザ20で伝送効率S21を観測すると、ターゲットコイルの共振周波数において最大となる位相変化が出現し、また、回路内の抵抗によって電力損失が生じる。従って、位相変化は、伝送効率の変化(電力損失)としても検出することができ、例えば定在波比(SWR値)の計測によっても同様に検出することができる。
Further, since the impedance of the coil is the minimum at the resonance frequency, when the transmission efficiency S21 is observed with the
このように、伝送効率S21は周波数によって変動し、伝送する信号の周波数がターゲットコイルであるターゲットコイルCL3の共振周波数と一致する際に伝送効率が大きく減少することを利用することで、共振回路12(ターゲットコイルCL3)の共振周波数を外部から検知することが可能となる。すなわち、ネットワークアナライザ20において、送信周波数を掃引し、各周波数での伝送効率S21を求め、伝送効率S21が落ち込む周波数をもって共振回路12(ターゲットコイルCL3)の共振周波数と特定することができる。
In this way, the transmission efficiency S21 fluctuates depending on the frequency, and when the frequency of the signal to be transmitted matches the resonance frequency of the target coil CL3, which is the target coil, the transmission efficiency is greatly reduced. It becomes possible to detect the resonance frequency of (target coil CL3) from the outside. That is, in the
「実験:シミュレーション、実測」
伝送効率S21を利用した、本実施形態における共振周波数の測定について、簡単な測定体系から段階的に検証(Step1→Step2→Step3)を進めることで、伝送効率S21を利用した共振周波数の測定の妥当性を確認した。
"Experiment: Simulation, actual measurement"
The measurement of the resonance frequency in the present embodiment using the transmission efficiency S21 is validated step by step from a simple measurement system (Step1 → Step2 → Step3), so that the measurement of the resonance frequency using the transmission efficiency S21 is appropriate. I confirmed the sex.
この測定には、ネットワークアナライザには、keysight社製(商品名:E5071C)を使用した。 For this measurement, a keysight company (trade name: E5071C) was used as the network analyzer.
<Step1>
図3(a)に示すようにターゲットであるターゲットコイルCL3を含む共振回路12が存在しない状況で、かつ第2、第4コイル間距離が、比較的近い場合(100mm)の伝送効率S21を測定する。
<Step1>
As shown in FIG. 3A, the transmission efficiency S21 is measured when the
<Step2>
図3(a)と同じ測定体系に、図3(b)のように、第2コイルCL2と、第4コイルCL4の中間位置(通信距離50mm)にターゲットコイルCL3(直径:18mm、巻き数:4回、長さ:8mm)を配置し、伝送効率S21にターゲットコイルCL3を含む共振回路12の共振周波数において位相変化が生じるかを検証する。
<Step2>
In the same measurement system as in FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, the target coil CL3 (diameter: 18 mm, number of turns:) is located at an intermediate position (
<Step3>
Step3では、ターゲットコイルCL3を、小型なコイル(直径2.4mm、巻き数8回、長さ10mm)に変更した。さらに、ターゲットコイルCL3のコアとして、フェライトコア(直径2mm、長さ15mm)を挿入した。通信距離は100mmを目標とし、図3(c)に示すような体系で周波数測定を行った。
<Step3>
In Step 3, the target coil CL3 was changed to a small coil (diameter 2.4 mm, number of
共振回路12において伝送電力の位相変化は誘導起電力に依存するため、相互インダクタンスMが大きいほど、位相変化のピークは大きくなると考えられる。相互インダクタンスはコイル間の距離・半径に依存するパラメータであり、上記の式を利用し、シミュレーションによって計算できる。そこで、通信距離100mmにおいて相互インダクタンスMを大きくする半径は90mmと求められた。さらに、ターゲットコイルCL3による位相変化ピークは、目的とする通信距離が長くなると小さくなると予想されるため、位相変化ピークが明確に現れない可能性がある。そこで、得られたS21[dB]を周波数(横軸)で微分することで、明確な信号として検出できるように工夫した。
Since the phase change of the transmission power in the
なお、Step2、Step3で使用される共振回路12の共振周波数は、事前にRFID原理を利用して測定し、それぞれ21.52MHz、17.68MHzのものを使用した。
The resonance frequencies of the
「実験結果」
<Step1、Step2>
図4(a)、図4(b)はそれぞれの伝送効率S21のシミュレーション(Simulation)と実測(measurement)の比較結果を示している。図3(a)から分かるように、シミュレーションと実測の結果がほぼ一致している。なお、シミュレーションと実測の間に若干のずれが生じるのは、各々のコイルがハンドメイドであることや、実測で配置されるコイルの若干のズレが原因であると推測される。
"Experimental result"
<Step1, Step2>
4 (a) and 4 (b) show the comparison results of the simulation and the measurement of the respective transmission efficiencies S21. As can be seen from FIG. 3A, the results of the simulation and the actual measurement are almost the same. It is presumed that the slight deviation between the simulation and the actual measurement is due to the fact that each coil is handmade and the slight deviation of the coils arranged in the actual measurement.
また、図3(a)と図3(b)を比較すると、ターゲットコイルCL3を含む共振回路12の共振周波数で、伝送効率S21に位相変化ピークが生じていることが確認できる。以上によって、位相変化部分のピークを利用することで周波数を無線測定することが可能であることがわかる。
Further, by comparing FIG. 3A and FIG. 3B, it can be confirmed that a phase change peak occurs in the transmission efficiency S21 at the resonance frequency of the
<Step3>
図5(a)step3における伝送効率S21のシミュレーションと実測の比較結果を示している。このように、距離が伸びると位相変化部分のピークが見えづらくなる。そこで、伝送効率S21を周波数で微分したものを図5(b)に示す。
<Step3>
FIG. 5A shows a comparison result between the simulation and the actual measurement of the transmission efficiency S21 in step3. In this way, as the distance increases, it becomes difficult to see the peak of the phase change portion. Therefore, FIG. 5B shows the transmission efficiency S21 differentiated by frequency.
図5(a)、図5(b)から分かるように、目的とする距離が伸びた場合においてもシミュレーションと実測はよく一致しており、また図5(b)より通信距離が長い場合でもターゲットコイルCL3の共振周波数で位相変化が生じていることが確認された。 As can be seen from FIGS. 5 (a) and 5 (b), the simulation and the actual measurement are in good agreement even when the target distance is extended, and the target is targeted even when the communication distance is longer than that of FIG. 5 (b). It was confirmed that the phase change occurred at the resonance frequency of the coil CL3.
また、事前に別途測定されたターゲットコイルCL3の共振周波数と、位相変化のピークが生じる周波数が合っていることも確認された。従って、SCMRによる電力伝送と、伝送効率S21に生じる位相変化を組み合わせることで、小型の共振回路12を用い、測定距離が長い場合でも共振周波数の測定が可能であることが分かった。
It was also confirmed that the resonance frequency of the target coil CL3, which was separately measured in advance, matches the frequency at which the peak of the phase change occurs. Therefore, it was found that the resonance frequency can be measured even when the measurement distance is long by using the
「測定距離の延長」
図6(a)~図6(c)には、第1、第2、第4、第5コイルCL1~CL5について、大きなコイルを用い発生する磁界を増強し、測定距離を150mm,200mm、250mmとした場合の結果(周波数に対するS21およびS21の微分)を示してある。これによれば、下段のS21の微分値により位相変化ピークは距離が大きくなるに従って小さくなるが、この程度の測定距離であれば、伝送効率S21を微分することによって、十分識別が可能であることがわかる。
"Extension of measurement distance"
6 (a) to 6 (c) show that for the first, second, fourth, and fifth coils CL1 to CL5, the magnetic field generated by using a large coil is strengthened, and the measurement distances are 150 mm, 200 mm, and 250 mm. The result (differentiation of S21 and S21 with respect to frequency) is shown. According to this, the phase change peak becomes smaller as the distance increases due to the differential value of S21 in the lower row, but if the measurement distance is about this level, it can be sufficiently identified by differentiating the transmission efficiency S21. I understand.
また、本実施形態では、通信距離を延ばすためにターゲットコイルCL3にフェライトコアを使用した。一方、他のコイル、例えばCL2、CL4などにもフェライトコアを使用することができる。フェライトコアを使用することで、コイル間の磁界の大きさが大きくなるため、通信可能な距離をさらに延長することができる。 Further, in the present embodiment, a ferrite core is used for the target coil CL3 in order to extend the communication distance. On the other hand, a ferrite core can also be used for other coils such as CL2 and CL4. By using a ferrite core, the magnitude of the magnetic field between the coils becomes large, so that the communicable distance can be further extended.
<フェライトコアの形状>
上述のstep3においては、円筒状のフェライトコアを用い、フェライトコアの周囲にコイルを巻回した。ここで、図7(a)、図7(b)に示すように、円筒状のフェライトコア30の軸方向の両端部を円錐状に拡大し、径が徐々に広がるテーパ部32状を形成することができる。そして、円筒部にコイル34を巻回することで、コイル34のフェライトコア30における軸方向の移動を抑制することができる。ターゲットコイルCL3を体内に埋め込む場合などにおいて、コイルの移動が抑制されることでより確実な検出が行える。
<Shape of ferrite core>
In step 3 described above, a cylindrical ferrite core was used, and a coil was wound around the ferrite core. Here, as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), both ends of the
<システム構成>
図8には、本実施形態のシステムを使用した放射線治療装置の構成例を示す。診察台40の上には、患者42がおり、この患者42の患部に対し治療放射線44が照射される。患者42の所定位置には、共振回路12(ターゲットコイルCL3)が埋め込まれている。これによって、共振回路12が置かれた場所における入射放射線量を共振回路12のコンデンサC3の容量変化で検出することができる。
<System configuration>
FIG. 8 shows a configuration example of a radiotherapy apparatus using the system of this embodiment. A
ここで、本実施形態のターゲットコイルCL3は、円筒状のヘリカルコイルであり、その中心軸方向からくる磁界に対し感度がよい(大きな誘導電流が生じる)が、これと直交する方向に近づくほど感度が悪い。 Here, the target coil CL3 of the present embodiment is a cylindrical helical coil and has good sensitivity to a magnetic field coming from its central axis direction (a large induced current is generated), but the closer it is to a direction orthogonal to this, the more sensitive it is. Is bad.
従って、図11に実線で示すように、ターゲットコイルCL3の向きと送信側コイル10、受信側コイル14のコイルの向きが揃っている場合には感度がよく、破線で示すように異なっている場合には感度が悪くなる。
Therefore, as shown by the solid line in FIG. 11, when the directions of the target coil CL3 and the directions of the coils of the transmitting
そこで、患者42の載置される診察台40、および送受信側コイル10,14の両方または一方を移動可能にするとよい。これによって、常に、感度の良い状態に保つことでき、高感度の測定が可能になる。なお、治療放射線を患者に照射する場合などにおいては、治療放射線の照射位置を決定するために診察台40の位置を設定する必要がある場合が多く、送信側コイル10、受信側コイル14の向きを調整可能とするとよい。なお、ターゲットコイルCL3の向きは、感度から検出してもよいが、X線や超音波の映像から検出してもよい。
Therefore, it is preferable to make both or one of the examination table 40 on which the
「他の構成例」
図9は、コンデンサ容量測定システムを静電容量式のタッチパネルに応用した構成例を示した図である。このように、共振回路12には、金属板36が接続されており、金属板36への手などの近接によって共振回路12の静電容量が変化する。すなわち、コンデンサC3に加え、金属板36における浮遊容量が加わっており、これが手などの近接により変化する。なお、共振回路12の容量が変化すれば、独立した金属板36は必ずしも設ける必要はない。
"Other configuration examples"
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example in which a capacitor capacity measuring system is applied to a capacitance type touch panel. As described above, the
ネットワークアナライザ20において、送信側コイル10から所定の信号を送信し、受信側コイル14の受信信号を解析し、伝送効率S21の位相変化ピーク位置(周波数)より、共振回路12における共振周波数の変化を検出することができる。なお、各共振回路12のコンデンサC3の容量を変更するなどの手法により、各共振回路12の共振周波数をずらしておくことで、共振周波数が変化した共振回路12を特定することができる。
In the
その他、静電容量の変化を遠隔から検出したいという要求がある場合に、本実施形態のシステムを採用することができる。圧電体、焦電体、強誘電体を用いた素子(コンデンサ)において、その容量変化を検出する場合に、本実施形態のシステムを採用することができる。 In addition, when there is a request to remotely detect a change in capacitance, the system of this embodiment can be adopted. In an element (capacitor) using a piezoelectric body, a pyroelectric body, or a ferroelectric body, the system of the present embodiment can be adopted when detecting a change in capacitance thereof.
また、コンデンサとコイル、スイッチを直列で接続することで、スイッチが押された時のみ共振周波数を有するアンテナを発生させることができる。同様のコンデンサ、コイル、スイッチを多数用意し、それぞれの共振周波数を互いに異なる値に設定しておくことで、特定の共振周波数が存在することから、スイッチのon/offを検出することができる。したがって、空間上に給電無しでコイルとコンデンサを内包したスイッチを配置するだけでパソコンのキーボードとして機能させることも可能である。この場合、各スイッチについて予め定められ周波数に共振信号が存在するかを検出することで、on/offを検出することができるため、ネットワークアナライザなどによる周波数解析を行う必要はない。 Further, by connecting a capacitor, a coil, and a switch in series, an antenna having a resonance frequency can be generated only when the switch is pressed. By preparing a large number of similar capacitors, coils, and switches and setting their resonance frequencies to different values, it is possible to detect the on / off of the switch because a specific resonance frequency exists. Therefore, it is possible to function as a keyboard of a personal computer simply by arranging a switch containing a coil and a capacitor in the space without supplying power. In this case, on / off can be detected by detecting whether or not a resonance signal exists at a predetermined frequency for each switch, so that it is not necessary to perform frequency analysis using a network analyzer or the like.
「実施形態の効果」
現在、無線通信技術は様々な分野で活用されており、通常ターゲットコイルの共振周波数は電磁誘導を利用したS11によって測定が行われている。しかし、S11を利用した周波数測定では、通信可能な距離が短く、長いものでも数cm程度である。
"Effect of embodiment"
Currently, wireless communication technology is utilized in various fields, and the resonance frequency of the target coil is usually measured by S11 using electromagnetic induction. However, in the frequency measurement using S11, the communicable distance is short, and even a long one is about several centimeters.
本実施形態では、SCMRによる電力伝送をベースとして、ターゲットコイルにおける誘導起電力における位相変化を検出するという手法によって、10cm離れたターゲットコイルの共振周波数を測定することができた。また、小型のターゲットコイルでも長距離で共振周波数の測定が可能であることが分かった。
In the present embodiment, the resonance frequency of the
また、SCMRは磁界共振を利用した伝送方法であり、生体のような誘電体から受ける影響が小さく、伝送効率がほとんど変化しないことが確認されている。従って、共振回路12はこのまま体内センサとして利用できると考えられ、既存の体内埋め込みデバイスに関する問題点を改善できる可能性がある。
Further, SCMR is a transmission method using magnetic field resonance, and it has been confirmed that the influence from a dielectric such as a living body is small and the transmission efficiency hardly changes. Therefore, it is considered that the
上述のStep3では、測定距離100mmに好適な測定が行われるコイル半径などが検証されたが、厳密な最適化(コイルの巻き数、コイルのピッチ、共振周波数の帯域など)によって、さらに距離を延ばすことができると考えられる。 In Step 3 described above, the coil radius, etc., at which a measurement suitable for a measurement distance of 100 mm is performed was verified, but the distance can be further extended by strict optimization (coil winding number, coil pitch, resonance frequency band, etc.). It is thought that it can be done.
10 送信側コイル、12 ターゲットコイル、14 受信側コイル、20 ネットワークアナライザ、30 フェライトコア、32 テーパ部、34 コイル、36 金属板、40 診察台、42 患者、44 治療放射線。
10 Transmitter coil, 12 Target coil, 14 Receiver coil, 20 Network analyzer, 30 Ferrite core, 32 Tapered part, 34 Coil, 36 Metal plate, 40 Examination table, 42 Patient, 44 Treatment radiation.
Claims (5)
前記送信側コイルから所定距離離間して配置され、前記送信側コイルにより生成される磁界を共有する受信側コイルと、
前記送信側コイルと前記受信側コイルとの間に配置されるターゲットコイルと、
容量が変化するコンデンサであって、前記ターゲットコイルに接続されて形成された共振回路の共振周波数を決定するコンデンサと、
前記送信側コイルおよび前記受信側コイルに流れる電流から伝送される電力を周波数の依存性を解析し、前記共振回路の共振による伝送電力の位相変化または損失から前記共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、
を含み、
検出された共振周波数に基づいて、前記コンデンサの容量を検出する、
コンデンサ容量測定システム。 With the transmitting coil
A receiving coil that is arranged at a predetermined distance from the transmitting coil and shares a magnetic field generated by the transmitting coil.
A target coil arranged between the transmitting side coil and the receiving side coil,
A capacitor whose capacitance changes and which determines the resonance frequency of a resonance circuit formed by being connected to the target coil.
Resonance that analyzes the frequency dependence of the power transmitted from the current flowing through the transmitting side coil and the receiving side coil, and detects the resonance frequency of the resonance circuit from the phase change or loss of the transmission power due to the resonance of the resonance circuit. Frequency detector and
Including
The capacitance of the capacitor is detected based on the detected resonance frequency.
Capacitor capacity measurement system.
前記送信側コイルは、互いに近接配置された第1コイルと第2コイル、前記受信側コイルは、互いに近接配置された第4コイルと第5コイルに分割されており、前記共振周波数検出部は、前記第1コイルに電流を供給して、前記第5コイルの電流を検出することで、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力を周波数解析する、
コンデンサ容量測定システム。 The capacitor capacity measuring system according to claim 1.
The transmitting side coil is divided into a first coil and a second coil arranged close to each other, and the receiving side coil is divided into a fourth coil and a fifth coil arranged close to each other. By supplying a current to the first coil and detecting the current of the fifth coil, the power transmitted from the transmitting side coil to the receiving side coil is frequency-analyzed.
Capacitor capacity measurement system.
前記第1コイルおよび前記第5コイルは一巻きコイルであり、前記第4コイルおよび前記第4コイルは複数巻きコイルである、
コンデンサ容量測定システム。 The capacitor capacity measuring system according to claim 2.
The first coil and the fifth coil are one-turn coils, and the fourth coil and the fourth coil are multiple-turn coils.
Capacitor capacity measurement system.
前記共振周波数検出部は、
前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力の伝送効率の微分値から前記共振周波数を検出する、
コンデンサ容量測定システム。 The capacitor capacity measuring system according to any one of claims 1 to 3.
The resonance frequency detection unit is
The resonance frequency is detected from the differential value of the transmission efficiency of the electric power transmitted from the transmitting side coil to the receiving side coil.
Capacitor capacity measurement system.
前記コンデンサは、入射する放射線の線量によって容量が変化し、
前記共振周波数検出部により検出した前記コンデンサの容量に応じて、入射する放射線量を検出する放射線量測定システム。
A radiation dose measurement system using the capacitor capacity measurement system according to any one of claims 1 to 4.
The capacity of the capacitor changes depending on the dose of incident radiation,
A radiation dose measurement system that detects the incident radiation dose according to the capacity of the capacitor detected by the resonance frequency detection unit.
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