JP2023156172A - 電気回路、磁気刺激発生装置及び磁気刺激発生装置の電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング手段への負荷を低減することのできる電気回路、磁気刺激発生装置及び磁気刺激発生装置の電力変換方法を提供すること。【解決手段】電気回路１において、第１のスイッチング手段であるスイッチＳ１は、閉じた際に、第１のコンデンサＣ１と、変圧器Ｔ１の１次側巻線とを含む閉回路を構成し、電源から供給される電力を第１のコンデンサに蓄積する。第２のスイッチング手段であるスイッチＳ２は、閉じた際に、第１のコンデンサと、１次側巻線とを含む閉回路を構成する。２次側整流手段であるダイオードＤ１は、変圧器の２次側巻線から出力される電流を整流する。第２のコンデンサＣ２は、２次側整流手段で整流された電流により電力を蓄積する。第１のスイッチング手段を開いた際に第２のスイッチング手段を閉じ、第１のスイッチング手段を閉じた際に第２のスイッチング手段を開く。【選択図】図１

Description

本発明は、電気回路、磁気刺激発生装置及び磁気刺激発生装置の電力変換方法に関する。

磁気により筋肉に刺激を与える技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第４５６７７４７号公報

ところで、特許文献１に記載されているものは、変圧器の１次側に１つのスイッチ手段を設け、このスイッチング手段を制御することで、当該変圧器の２次側から昇圧された電力を得るように構成されている。この構成では、スイッチング手段は、比較的大きな電流が流れている状態で、回路を開くように動作するため、スイッチング手段にかかる負荷は大きなものとなる。

本発明では上記事情を鑑み、スイッチング手段への負荷を低減することのできる電気回路、磁気刺激発生装置及び磁気刺激発生装置の電力変換方法を提供することとした。

本発明の一態様によれば、電気回路が提供される。この電気回路は、接続手段と、第１のスイッチング手段と、第２のスイッチング手段と、第１のコンデンサと、変圧器と、２次側整流手段と、第２のコンデンサとを備える。接続手段は、電源に接続される。第１のスイッチング手段は、閉じた際に、第１のコンデンサと、変圧器の１次側巻線とを含む閉回路を構成し、電源から供給される電力を第１のコンデンサに蓄積する。第２のスイッチング手段は、閉じた際に、第１のコンデンサと、１次側巻線とを含む閉回路を構成する。２次側整流手段は、変圧器の２次側巻線から出力される電流を整流する。第２のコンデンサは、２次側整流手段で整流された電流により電力を蓄積する。第１のスイッチング手段を開いた際に第２のスイッチング手段を閉じ、第１のスイッチング手段を閉じた際に第２のスイッチング手段を開く。

本発明の一態様によれば、スイッチング手段にかかる負荷を低減することができる。

電気回路１の構成を示した図である。 電気回路１の動作を説明するための図である。 電気回路１の動作を説明するための図である。 磁気刺激発生装置１１の構成例を示した図である。 磁気刺激発生装置１１の一部を示した図である。 電気回路１の変形例である電気回路２１の構成例を示した図である。

以下、図面を用いて本開示の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

ところで、本実施形態に登場するソフトウェアを実現するためのプログラムは、コンピュータが読み取り可能な非一時的な記録媒体（Ｎｏｎ－Ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ｒｅａｄａｂｌｅ Ｍｅｄｉｕｍ）として提供されてもよいし、外部のサーバからダウンロード可能に提供されてもよいし、外部のコンピュータで当該プログラムを起動させてクライアント端末でその機能を実現（いわゆるクラウドコンピューティング）するように提供されてもよい。

また、本実施形態において「部」とは、例えば、広義の回路によって実施されるハードウェア資源と、これらのハードウェア資源によって具体的に実現されうるソフトウェアの情報処理とを合わせたものも含みうる。また、本実施形態においては様々な情報を取り扱うが、これら情報は、例えば電圧・電流を表す信号値の物理的な値、０又は１で構成される２進数のビット集合体としての信号値の高低、又は量子的な重ね合わせ（いわゆる量子ビット）によって表され、広義の回路上で通信・演算が実行されうる。

また、広義の回路とは、回路（Ｃｉｒｃｕｉｔ）、回路類（Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）、プロセッサ（Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及びメモリ（Ｍｅｍｏｒｙ）等を少なくとも適当に組み合わせることによって実現される回路である。すなわち、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ））等を含むものである。

１．回路の基本的な構成
図１は、電気回路１の構成を示した図である。また、図２及び図３は、電気回路１の動作を説明するための図である。図１に示すように、電気回路１は、接続手段である入力端子Ｉ１及び入力端子Ｉ２と、第１のスイッチング手段であるスイッチＳ１と、第２のスイッチング手段であるスイッチＳ２と、第１のコンデンサであるコンデンサＣ１と、変圧器Ｔ１と、２次側整流手段であるダイオードＤ１と、第２のコンデンサであるコンデンサＣ２と、第３のスイッチング手段であるスイッチＳ３と、出力端子Ｏ１及び出力端子Ｏ２とを備える。

入力端子Ｉ１及び入力端子Ｉ２は、電源に接続される。この電源は、直流電源であるが、図示しない電力変換装置を介して交流電源に接続するようにしてもよい。なお、電気回路１においては、入力端子Ｉ１を直流電源の正極に接続し、入力端子Ｉ２を直流電源の負極に接続するものとする。

スイッチＳ１は、閉じた際に、コンデンサＣ１と、変圧器Ｔ１の１次側巻線とを含む閉回路を構成し、電源から供給される電力をコンデンサＣ１に蓄積する。具体的には、図２に示すように、スイッチＳ１を閉じると、入力端子Ｉ１、スイッチＳ１、変圧器Ｔ１、コンデンサＣ１、入力端子Ｉ２に、電流ＩＡが流れる。この電流ＩＡは、変圧器Ｔ１の１次側巻線のインダクタンスとコンデンサＣ１のキャパシタンスにより、時間的に変化するものとなるため、変圧器Ｔ１の２次側巻線には、所定の電圧が発生するが、ダイオードＤ１が存在するために、変圧器Ｔ１の２次側巻線に電流が流れることはない。ところで、スイッチＳ１を閉じた状態を継続すると、変圧器Ｔ１の１次側巻線のインダクタンスの作用により、コンデンサＣ１の電圧が電源の電圧よりも高くなり、電流ＩＡの向きが逆になる。このため、電流ＩＡの向きが逆になる前にスイッチＳ１を開くことが望ましく、電流ＩＡが０となる近傍でスイッチＳ１を開くことにより、スイッチＳ１への負担も軽減することができる。なお、電流ＩＡが０となることを検出するように構成することもできるが、電流ＩＡが０となるまでの時間は、変圧器Ｔ１の１次側巻線のインダクタンスとコンデンサＣ１のキャパシタンス等の値から算出するようにしてもよい。

スイッチＳ２は、閉じた際に、コンデンサＣ１と、変圧器Ｔ１の１次側巻線とを含む閉回路を構成する。これにより、コンデンサＣ１に蓄積された電力による電流が変圧器Ｔ１の１次側巻線に流れることになる。具体的には、図３に示すように、スイッチＳ２を閉じると、コンデンサＣ１と変圧器Ｔ１に、電流ＩＢが流れる。この電流ＩＢは、変圧器Ｔ１のインダクタンスとコンデンサＣ１のキャパシタンスにより、時間的に変化するものとなるため、変圧器Ｔ１の２次側巻線には、所定の電圧が発生し、この電圧により、変圧器Ｔ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２に電流が流れることになる。ところで、スイッチＳ２を閉じた状態を継続すると、電流ＩＢの向きが逆になるが、この場合であっても、電源へ電流ＩＢが流れることは無いため、スイッチＳ２を閉じる時間は任意に設定することができる。ただし、コンデンサＣ２への充電を高速に行うことを考慮すると、電流ＩＢの向きが逆になる前にスイッチＳ２を開くことが望ましく、電流ＩＢが０となる近傍でスイッチＳ２を開くことにより、スイッチＳ２への負担も軽減することができる。なお、スイッチＳ１とスイッチＳ２を同時に閉じた場合には、入力端子Ｉ１及び入力端子Ｉ２に接続された電源を短絡することになるため、両者を同時に閉じることはなく、スイッチＳ１を開いた際にスイッチＳ２を閉じ、スイッチＳ１を閉じた際にスイッチＳ２を開く。

変圧器Ｔ１は、１次側巻線に流れる電流の変化に応じた電圧を２次側巻線に生じさせる。２次側巻線に生じる電圧は、１次側巻線と２次側巻線との巻回し回数の比によって決定される。つまり、変圧器Ｔ１の巻線比を適宜選択することにより、昇圧又は降圧を行うことができる。なお、電気回路１では、変圧器Ｔ１は、昇圧を行うものとする。

ダイオードＤ１は、変圧器Ｔ１の２次側巻線から出力される電流を整流する。具体的には、ダイオードＤ１は、スイッチＳ１が閉じている際に２次側巻線に生じる電圧により電流が流れることを阻止し、スイッチＳ２が閉じている際に２次側巻線に生じる電圧により電流が流れることを許容する。

コンデンサＣ２は、２次側整流手段で整流された電流により電力を蓄積する。

スイッチＳ３は、閉じた際に、コンデンサＣ２に蓄積された電力を出力端子Ｏ１及び出力端子Ｏ２に接続された負荷に供給し、開いた際に、その負荷に対する電力の供給を停止する。

このように電気回路１を用いた電力変換方法は、電源から供給される電力をコンデンサＣ１に蓄積するステップと、コンデンサＣ１と電源との回路を開いた状態で、このコンデンサＣ１に蓄積された電力を昇圧してコンデンサＣ２に蓄積するステップとを交互に実行する。コンデンサＣ２へ電力を蓄積する際には、電源との接続が切り離されている状態と同意であるため、電源へ悪影響を与えることはなく、結果として電源への負担が軽減されることとなる。この電力変換方法は、例えば、後述する磁気刺激発生装置の電力変換に用いることとなる。

２．磁気刺激発生装置の構成
図４は、磁気刺激発生装置１１の構成例を示した図である。この磁気刺激発生装置１１は、図１に示した電気回路１に１次側整流手段と、倍電圧手段とを追加するとともに、磁気を発生させるためのコイルを備えたものとなる。

図４に示すように、磁気刺激発生装置１１は、接続手段である入力端子Ｉ１１及び入力端子Ｉ１２と、１次側整流手段である整流回路１２と、倍電圧手段である倍電圧回路１３と、第１のスイッチング手段であるスイッチＳ１１と、第２のスイッチング手段であるスイッチＳ１２と、第１のコンデンサであるコンデンサＣ１１と、変圧器Ｔ１１と、２次側整流手段であるダイオードＤ１１と、第２のコンデンサであるコンデンサＣ１２と、第３のスイッチング手段であるスイッチＳ１３と、ダイオードＤ１２と、コイルＬ１１とを備える。

入力端子Ｉ１１及び入力端子Ｉ１２は、電源に接続される。この電源は、交流電源であり、具体的には、商用電源である。整流回路１２は、商用電源から供給される交流電流を整流する。倍電圧回路１３は、整流回路１２の出力電圧を昇圧するもので、例えば、ダイオードチャージポンプ回路である。

スイッチＳ１１、スイッチＳ１２、コンデンサＣ１１、変圧器Ｔ１１、ダイオードＤ１１、コンデンサＣ１２、スイッチＳ１３は、それぞれ、図１に示した電気回路１のスイッチＳ１、スイッチＳ２、コンデンサＣ１、変圧器Ｔ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２、スイッチＳ３に相当する。また、第１のスイッチング手段であるスイッチＳ１１、第２のスイッチング手段であるスイッチＳ１２、第３のスイッチング手段であるスイッチＳ１３は、いずれも、半導体素子であり、例えば、スイッチＳ１１及びスイッチＳ１２は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、スイッチＳ１３は、サイリスタである。また、磁気刺激発生装置１１（電気回路１）は、不図示の制御手段を備える。この制御手段は、第１のスイッチング手段を開くとともに第２のスイッチング手段を閉じる第１のモードと、第１のスイッチング手段を閉じるとともに第２のスイッチング手段を開く第２のモードとを、周期的に繰り返すように第１のスイッチング手段及び第２のスイッチング手段を制御する。

コイルＬ１１は、磁気刺激発生装置１１の電気回路１に相当する電気回路の負荷として接続され、この電気回路が出力する電流に応じた磁気を発生する。

この磁気刺激発生装置１１は、電気回路１と同様に動作し、コンデンサＣ１２に電力を蓄積する。コンデンサＣ１２に蓄積された電力は、コイルＬ１１で磁気を発生する際に用いられる。

ここで、コイルＬ１１で磁気を発生する際の磁気刺激発生装置１１の動作を説明する。図５は、磁気刺激発生装置１１の一部を示した図である。

まず、コイルＬ１１に電流が流れていない状態で、スイッチＳ１３を閉じると、コンデンサＣ１２、スイッチＳ１３、コイルＬ１１による閉回路が形成され、電流ＩＤが流れる。なお、この状態が継続すると、コンデンサＣ１２の電圧が逆転し、コイルＬ１１、ダイオードＤ１２、コンデンサＣ１２を閉回路として電流ＩＥが流れる。

３．電気回路１の変形例
次に、電気回路１の変形例について説明する。図６は、電気回路１の変形例である電気回路２１の構成例を示した図である。なお、電気回路２１も、磁気刺激発生装置の電力変換を行う回路として利用することができる。

図６に示すように、電気回路２１は、接続手段である入力端子Ｉ２１及び入力端子Ｉ２２と、第１のスイッチング手段であるスイッチＳ２１と、第２のスイッチング手段であるスイッチＳ２２と、第１のコンデンサであるコンデンサＣ２１と、変圧器Ｔ２１と、２次側整流手段であるダイオードＤ２１及びダイオードＤ２２と、第２のコンデンサであるコンデンサＣ２２と、出力端子Ｏ２１及び出力端子Ｏ２２とを備える。なお、図６では、第３のスイッチ手段に相当する構成を省略している。

電気回路２１は、スイッチＳ２１を閉じた際に、電気回路１と同様に、電源からコンデンサＣ２１へ電流が流れて、コンデンサＣ２１に充電がなされる。このとき、変圧器Ｔ２１の２次側では、ダイオードＤ２２を介して、コンデンサＣ２２に電流が流れ、コンデンサＣ２２に充電がなされる。

また、電気回路２１は、スイッチＳ２２を閉じた際に、電気回路１と同様に、コンデンサＣ２１から
変圧器Ｔ２１へ電流が流れる。このとき、変圧器Ｔ２１の２次側では、ダイオードＤ２１を介して、コンデンサＣ２２に電流が流れ、コンデンサＣ２２に充電がなされる。

この電気回路２１においても、スイッチＳ２１に流れる電流が０になる時点と、スイッチＳ２２に流れる電流が０になる時点とが存在し、この時間を利用してスイッチングを行うことで、スイッチＳ２１及びスイッチＳ２２への負担を軽減することができ、入力端子Ｉ２１及び入力端子Ｉ２２に接続された電源への負担も軽減することができる。

４．その他
本発明は、次に記載の各態様で提供されてもよい。
前記電気回路において、前記２次側整流手段は、前記第１のスイッチング手段が閉じている際に前記２次側巻線に生じる電圧により電流が流れることを阻止し、前記第２のスイッチング手段が閉じている際に前記２次側巻線に生じる電圧により電流が流れることを許容する電気回路。
前記電気回路において、１次側整流手段を備え、前記電源は、商用電源であり、前記１次側整流手段は、前記商用電源から供給される交流電流を整流する電気回路。
前記電気回路において、倍電圧手段を備え、前記倍電圧手段は、前記１次側整流手段の出力電圧を昇圧する電気回路。
前記電気回路において、前記第１のスイッチング手段及び前記第２のスイッチング手段は、半導体素子である電気回路。
前記電気回路において、制御手段を備え、前記制御手段は、前記第１のスイッチング手段を開くとともに前記第２のスイッチング手段を閉じる第１のモードと、前記第１のスイッチング手段を閉じるとともに前記第２のスイッチング手段を開く第２のモードとを、周期的に繰り返すように前記第１のスイッチング手段及び前記第２のスイッチング手段を制御する電気回路。
前記電気回路において、第３のスイッチング手段を備え、前記第３のスイッチング手段は、閉じた際に、前記第２のコンデンサに蓄積された電力を負荷に供給し、開いた際に、前記負荷に対する電力の供給を停止する電気回路。
磁気刺激発生装置であって、前記電気回路と、コイルとを備え、前記コイルは、前記電気回路の負荷として接続され、該電気回路が出力する電流に応じた磁気を発生する磁気刺激発生装置。
磁気刺激発生装置の電力変換方法であって、電源から供給される電力を第１のコンデンサに蓄積するステップと、前記第１のコンデンサと前記電源との回路を開いた状態で、該第１のコンデンサに蓄積された電力を昇圧して第２のコンデンサに蓄積するステップとを交互に実行する磁気刺激発生装置の電力変換方法。
もちろん、この限りではない。

最後に、本開示に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ ：電気回路
１１ ：磁気刺激発生装置
１２ ：整流回路
１３ ：倍電圧回路
２１ ：電気回路
Ｃ１ ：コンデンサ
Ｃ１１ ：コンデンサ
Ｃ１２ ：コンデンサ
Ｃ２ ：コンデンサ
Ｃ２１ ：コンデンサ
Ｃ２２ ：コンデンサ
Ｄ１ ：ダイオード
Ｄ１１ ：ダイオード
Ｄ１２ ：ダイオード
Ｄ２１ ：ダイオード
Ｄ２２ ：ダイオード
Ｉ１ ：入力端子
Ｉ１１ ：入力端子
Ｉ１２ ：入力端子
Ｉ２ ：入力端子
Ｉ２１ ：入力端子
Ｉ２２ ：入力端子
ＩＡ ：電流
ＩＢ ：電流
ＩＥ ：電流
Ｌ１１ ：コイル
Ｏ１ ：出力端子
Ｏ２ ：出力端子
Ｏ２１ ：出力端子
Ｏ２２ ：出力端子
Ｓ１ ：スイッチ
Ｓ１１ ：スイッチ
Ｓ１２ ：スイッチ
Ｓ１３ ：スイッチ
Ｓ２ ：スイッチ
Ｓ２１ ：スイッチ
Ｓ２２ ：スイッチ
Ｓ３ ：スイッチ
Ｔ１ ：変圧器
Ｔ１１ ：変圧器
Ｔ２１ ：変圧器

Claims (9)

1. 電気回路であって、
   接続手段と、第１のスイッチング手段と、第２のスイッチング手段と、第１のコンデンサと、変圧器と、２次側整流手段と、第２のコンデンサとを備え、
   前記接続手段は、電源に接続され、
   前記第１のスイッチング手段は、閉じた際に、前記第１のコンデンサと、前記変圧器の１次側巻線とを含む閉回路を構成し、前記電源から供給される電力を前記第１のコンデンサに蓄積し、
   前記第２のスイッチング手段は、閉じた際に、前記第１のコンデンサと、前記１次側巻線とを含む閉回路を構成し、
   前記２次側整流手段は、前記変圧器の２次側巻線から出力される電流を整流し、
   前記第２のコンデンサは、前記２次側整流手段で整流された電流により電力を蓄積し、
   前記第１のスイッチング手段を開いた際に前記第２のスイッチング手段を閉じ、前記第１のスイッチング手段を閉じた際に前記第２のスイッチング手段を開く
   電気回路。
2. 請求項１に記載の電気回路において、
   前記２次側整流手段は、前記第１のスイッチング手段が閉じている際に前記２次側巻線に生じる電圧により電流が流れることを阻止し、前記第２のスイッチング手段が閉じている際に前記２次側巻線に生じる電圧により電流が流れることを許容する
   電気回路。
3. 請求項２に記載の電気回路において、
   １次側整流手段を備え、
   前記電源は、商用電源であり、
   前記１次側整流手段は、前記商用電源から供給される交流電流を整流する
   電気回路。
4. 請求項３に記載の電気回路において、
   倍電圧手段を備え、
   前記倍電圧手段は、前記１次側整流手段の出力電圧を昇圧する
   電気回路。
5. 請求項１に記載の電気回路において、
   前記第１のスイッチング手段及び前記第２のスイッチング手段は、半導体素子である
   電気回路。
6. 請求項５に記載の電気回路において、
   制御手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記第１のスイッチング手段を開くとともに前記第２のスイッチング手段を閉じる第１のモードと、前記第１のスイッチング手段を閉じるとともに前記第２のスイッチング手段を開く第２のモードとを、周期的に繰り返すように前記第１のスイッチング手段及び前記第２のスイッチング手段を制御する
   電気回路。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電気回路において、
   第３のスイッチング手段を備え、
   前記第３のスイッチング手段は、閉じた際に、前記第２のコンデンサに蓄積された電力を負荷に供給し、開いた際に、前記負荷に対する電力の供給を停止する
   電気回路。
8. 磁気刺激発生装置であって、
   請求項７に記載の電気回路と、コイルとを備え、
   前記コイルは、前記電気回路の負荷として接続され、該電気回路が出力する電流に応じた磁気を発生する
   磁気刺激発生装置。
9. 磁気刺激発生装置の電力変換方法であって、
   電源から供給される電力を第１のコンデンサに蓄積するステップと、
   前記第１のコンデンサと前記電源との回路を開いた状態で、該第１のコンデンサに蓄積された電力を昇圧して第２のコンデンサに蓄積するステップと
   を交互に実行する磁気刺激発生装置の電力変換方法。