JP3827151B2 - 非接触受電素子 - Google Patents

Description

【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／Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）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１００ｋＨｚ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し、受信用コイルにおける第１の部分及び第２の部分にあっての導線部分のインダクタンスの和が電力用印加周波数ではほぼ零となるように該導線部分の巻数比が調整され、電力伝送用の印加磁場の周波数を１ＭＨｚ以下とし、信号伝送用の印加磁場の周波数を１〜２０ＭＨｚとすると共に、該電力伝送用の印加磁場の周波数に対して該信号伝送用の印加磁場の周波数を１０倍以上として使用する非接触受電素子が得られる。
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。但し、ここでは受信用コイルにおける第１の部分及び第２の部分にあっての導線部分のインダクタンスの和が電力用印加周波数ではほぼ零となるように導線部分の巻数比が調整され、電力伝送用の印加磁場の周波数を１ＭＨｚ以下とし、信号伝送用の印加磁場の周波数を１〜２０ＭＨｚとすると共に、電力伝送用の印加磁場の周波数に対して信号伝送用の印加磁場の周波数を１０倍以上として使用するようになっている。
【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Ｃ_ＡＰ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Ｃ_ＡＳとを有して構成され、更に、電力伝送用に要する印加磁場の周波数に対して信号伝送用の印加磁場の周波数を１０倍以上として使用するようになっている。
【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Ｃ_AP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Ｃ_AS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Ｃ_AP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Ｃ_AS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Ｃ_AS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Ｃ_AP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Ｃ_AS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Ｃ_AS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Ｃ_APを形成した第１の磁芯２の透磁率は受信用コイルＣ_AS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Ｃ_AS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Ｃ_AP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Ｃ_AS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Ｃ_AP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０．０５ｍｍ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Ｃ_APを形成した比透磁率が約２０００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Ｃ_ASを受電用コイルＣ_AP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（Ｖ_P-P ＝２０Ｖ）の正弦波とを同時に伝送したところ、受電用コイルＣ_AP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Ｃ_AS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−Ｚｎ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Ｃ_AP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Ｃ_AS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１００，２００，５００，７００，１０００，１５００，２０００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Ｃ_AP（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Ｃ_AS（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Ｃ_AS（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、更に、受信用コイルにおける第１の部分及び第２の部分にあっての導線部分のインダクタンスの和が電力用印加周波数ではほぼ零となるように導線部分の巻数比が調整され、電力伝送用の印加磁場の周波数を１ＭＨｚ以下とし、信号伝送用の印加磁場の周波数を１〜２０ＭＨｚとすると共に、電力伝送用の印加磁場の周波数に対して信号伝送用の印加磁場の周波数を１０倍以上として使用する規格とし、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１００ｍＷ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
Ｃ_AP 受電用コイル
Ｃ_AS 受信用コイル

Claims (3)

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し、更に、前記受信用コイルにおける前記第１の部分及び前記第２の部分にあっての前記導線部分のインダクタンスの和が電力用印加周波数ではほぼ零となるように該導線部分の巻数比が調整され、電力伝送用の印加磁場の周波数を１ＭＨｚ以下とし、信号伝送用の印加磁場の周波数を１〜２０ＭＨｚとすると共に、該電力伝送用の印加磁場の周波数に対して該信号伝送用の印加磁場の周波数を１０倍以上として使用することを特徴とする非接触受電素子。
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１Ｖ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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