JP4706036B2 - Non-contact power supply system and medical system using the same - Google Patents

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本発明は、負荷に直接接触することなく電力を供給するための非接触電力供給システムに関するものであり、特に、完全埋込型人工心臓やマイクロマシン等の、直接接触することが不可能あるいは困難である対象に対してエネルギーを伝送する場合に適したものである。   The present invention relates to a non-contact power supply system for supplying power without directly contacting a load, and particularly, it is impossible or difficult to make direct contact such as a fully implantable artificial heart or a micromachine. It is suitable for transmitting energy to a certain object.
従来、負荷に直接接触することなく電気エネルギーを供給するシステムとして、電磁誘導を用いる方法が広く用いられており、その際に負荷側の回路の電圧を所定の目標値に制御する手段として以下のものが提案されている。   Conventionally, a method using electromagnetic induction has been widely used as a system for supplying electric energy without directly contacting a load. At that time, as a means for controlling the voltage of a circuit on the load side to a predetermined target value, the following method is used. Things have been proposed.
例えば、下記の非特許文献1において、人体内部の機器に対して電磁誘導を用い非接触で電力を伝送する際の負荷入力電圧安定化の手段として、赤外光などを用いて出力電圧情報を体内から対外に情報伝送するシステムが提案されている。
また、下記の非特許文献2において、血液ポンプの負荷変動、すなわち血液循環量に相当する負荷変動に応じて変動するアクチュエータ駆動電圧の予測と制御を体外で行うようにした完全埋め込み型人工心臓の非接触電力供給システムが提案されている。
For example, in Non-Patent Document 1 below, output voltage information is obtained using infrared light or the like as means for stabilizing the load input voltage when power is transmitted in a contactless manner using electromagnetic induction to a device inside the human body. A system for transmitting information from the body to the outside has been proposed.
Further, in Non-Patent Document 2 below, a fully implantable artificial heart that predicts and controls an actuator drive voltage that varies in accordance with a load variation of the blood pump, that is, a load variation corresponding to the blood circulation volume, outside the body. A contactless power supply system has been proposed.
また、下記の特許文献1において、パルストランスを使って負荷入力電圧情報を1次側にフィードバック制御する絶縁型電源回路が提案されている。   Further, in Patent Document 1 below, an insulated power supply circuit is proposed that feedback-controls load input voltage information to the primary side using a pulse transformer.
また、下記の特許文献2において、1次コイルと2次コイルが正面に並んでいる場合、1次コイル電流を用いて1次コイル面に対する2次コイルの垂直方向の距離を算出して、この距離から2次コイル誘導電圧を求める手段を備えたワイヤレス伝送装置が提案されている。   Moreover, in the following patent document 2, when the primary coil and the secondary coil are arranged in front, the distance in the vertical direction of the secondary coil with respect to the primary coil surface is calculated using the primary coil current. There has been proposed a wireless transmission device including means for obtaining a secondary coil induced voltage from a distance.
また、下記の特許文献3において、1次コイル電流を用いて1次コイル電流から2次コイル間の距離を測定し、負荷入力電圧が定格電圧値を超えないようにインバータの発振を間欠停止させる手段を備えた携帯電話の充電装置が提案されている。
井上雄茂他:レーザダイオードを用いた経皮光テレメトリシステム,日本人工臓器学会会誌 人工臓器,第27巻第2号,P363−367,1998年4月 塚越智之,芝健次,越地耕二,土本勝也,塚原金二,角田幸秀,本間彰彦,巽英介,妙中義之,高野久輝,「完全埋込型人工心臓用体外結合型経皮エネルギー伝送システム・アクチュエータ駆動電圧の体外における予測と制御」,人工臓器,第32巻第2号(第41回日本人工臓器学会大会予稿集),(2003.09.15),日本人工臓器学会,p.S-145 特開平5−260742号公報 特開平10−322247号公報 実登3067306号
Further, in Patent Document 3 below, the distance between the primary coil current and the secondary coil is measured using the primary coil current, and the inverter oscillation is intermittently stopped so that the load input voltage does not exceed the rated voltage value. There has been proposed a mobile phone charging apparatus provided with means.
Inoue, Y. et al .: Percutaneous optical telemetry system using laser diode, Journal of the Japanese Society for Artificial Organs, Artificial Organ, Vol. 27, No. 2, P363-367, April 1998 Tomoyuki Tsukagoshi, Kenji Shiba, Koji Koshichi, Katsuya Tsuchimoto, Kinji Tsukahara, Yukihide Tsunoda, Akihiko Honma, Eisuke Tsuji, Yoshiyuki Myonaka, Hisaki Takano・ Prediction and control of actuator drive voltage outside the body ", Artificial organ, Vol. 32, No. 2 (Proceedings of the 41st Annual Meeting of the Japanese Society for Artificial Organs), (2003.09.15), Japanese Society for Artificial Organs, p. S-145 JP-A-5-260742 Japanese Patent Laid-Open No. 10-322247 Noto 3067306
上記非特許文献1、2および特許文献1のシステム又は回路は、1次コイルと2次コイルの距離が近距離の場合に適用できる。このシステム又は回路では情報伝送用の素子の一方を、皮膚を介して向き合うように配置して体内に埋め込む必要があり、装置等が複雑になり信頼性が低下する。また、情報伝送用の素子が赤外線の届く距離以上(10〜20mm程度)に離れてしまったり、位置がずれてしまい送信した信号が受信できなくなる(10mm程度)と、通信ができなくなり、制御ができなくなるという欠点もある。 The systems or circuits of Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Document 1 can be applied when the distance between the primary coil and the secondary coil is a short distance. In this system or circuit, one of the elements for transmitting information needs to be arranged so as to face each other through the skin and embedded in the body, which complicates the device and reduces reliability. In addition, if the element for information transmission moves away more than the distance that the infrared rays reach (about 10 to 20 mm), or the position is shifted and the transmitted signal cannot be received (about 10 mm), communication cannot be performed and control is performed. There is also the disadvantage of being unable to do so.
また、上記特許文献2の装置は2つのコイルが正面に向かい合って配置されている場合(向きや位置が特定されている場合)のみ利用できるものであり、体内のどこに2次コイルがあるかわからず、1次コイルと2次コイルが向かい合っていないとき(横方向にずれているとき)は利用できない。 Also, know device of Patent Document 2 is intended to be used only when the two coils are disposed facing the front (when the direction or position is specified), there where the secondary coil body In addition, it cannot be used when the primary coil and the secondary coil are not facing each other (when they are shifted laterally).
また、上記特許文献3の装置は、コンデンサで直列共振をとらない場合にのみ有効である。例えば、1次コイルとコンデンサC1、2次コイルとコンデンサC2の間でそれぞれ共振させた場合は、特性が全く異なり、「コイル間の距離が離れるにつれて、出力電圧も減少し、1次(コイル)電流も減る」という理論は単純には成り立たない。   Moreover, the apparatus of the said patent document 3 is effective only when not taking series resonance with a capacitor | condenser. For example, when the primary coil and the capacitor C1, and the secondary coil and the capacitor C2 are resonated, the characteristics are completely different. “The output voltage decreases as the distance between the coils increases, and the primary (coil) The theory that “current also decreases” simply does not hold.
さらに、一般的に埋込型人工心臓に電力を供給する場合においては、2次コイルは皮下に埋め込まれるが、そのまま埋め込んだのでは埋め込んだ正確な位置が把握しにくい。そこで2次コイル位置をわかりやすくすると同時に、コイル同士の位置のずれを防止するために、2次コイルを厚さ5−20mm程度とした傘型形状にしているものが多かった。ところがこれにより、生体組織に対する負担が大きくなり、またコイル埋込部が目立つため患者に心理的負担が生じるというデメリットを有していた。   Further, in general, when power is supplied to the implantable artificial heart, the secondary coil is implanted subcutaneously, but if it is implanted as it is, it is difficult to grasp the exact position of implantation. Therefore, in order to make the position of the secondary coil easy to understand and at the same time to prevent displacement of the positions of the coils, there are many cases where the secondary coil has an umbrella shape with a thickness of about 5 to 20 mm. However, this has a demerit that a burden on a living tissue is increased and a psychological burden is generated on a patient because a coil-embedded portion is conspicuous.
本発明は、1次コイルに対する2次コイルの位置や向きが変動する場合や2次コイルの正確な位置が分からない場合においても、特別な制御装置を埋め込むことなしに、2次コイルに出力される電圧を一定に制御できる簡単で信頼性の高い非接触電力供給システム及びそれを用いた医療システムを提供することを目的とする。 Even when the position and orientation of the secondary coil with respect to the primary coil fluctuate or when the exact position of the secondary coil is not known, the present invention is output to the secondary coil without embedding a special control device. It is an object of the present invention to provide a simple and reliable non-contact power supply system that can control a constant voltage and a medical system using the same.
上記の課題を解決するため、本発明は以下のものを提供する。   In order to solve the above problems, the present invention provides the following.
(1)負荷に供給するための供給側電流および供給側電圧を発生する電力供給部と、前記電力供給部からの電力を入力する1次コイルと、前記1次コイルに対する位置が移動可能であり、且つ前記1次コイルと磁気的に結合され、前記電力供給部から前記1次コイルを介して電磁誘導により伝送された電力を前記負荷へ供給する2次コイルと、前記1次コイルに接続された第1の共振用コンデンサと、前記2次コイルに接続された第2の共振用コンデンサと、を備え、前記1次コイルと前記第1の共振用コンデンサ、および前記2次コイルと前記第2の共振用コンデンサを、それぞれ同一周波数で共振させる非接触電力供給システムであって、前記電力供給部は、前記1次コイルに入力した前記供給側電流を検知する電流検知部と、
で表される式を用いて、前記負荷に供給される負荷側電圧を目標値とするための前記供給側電圧の目標値を演算する演算部と、前記演算部で演算された前記供給側電圧の目標値に基づいて、前記電力供給部で発生する前記供給側電圧を制御する電圧制御部と、を備え、前記1次コイルと前記第1の共振用コンデンサ、および前記2次コイルと前記第2の共振用コンデンサを、それぞれ同一周波数で共振させた状態において、前記1次コイルから前記2次コイルに伝送した電力を前記負荷に供給するとともに、前記電圧制御部において、前記1次コイルと前記2次コイルとの相対的な位置関係の変化に応じて、前記電力供給部で発生させる前記供給側電圧を制御することにより、前記負荷に供給される前記負荷側電圧が目標値となるように制御すること、を特徴とする非接触電力供給システム。
(1) A power supply unit that generates a supply-side current and a supply-side voltage for supplying a load, a primary coil that inputs power from the power supply unit, and a position relative to the primary coil are movable. And a secondary coil that is magnetically coupled to the primary coil and that is supplied by electromagnetic induction from the power supply unit via the primary coil to the load, and is connected to the primary coil. A first resonance capacitor and a second resonance capacitor connected to the secondary coil, the primary coil, the first resonance capacitor, the secondary coil, and the second coil. Each of the resonance capacitors of the non-contact power supply system that resonates at the same frequency , wherein the power supply unit detects the supply-side current input to the primary coil, and
And a calculation unit that calculates a target value of the supply side voltage for setting the load side voltage supplied to the load as a target value, and the supply side voltage calculated by the calculation unit A voltage control unit that controls the supply-side voltage generated in the power supply unit based on a target value of the power supply unit, the primary coil, the first resonance capacitor, the secondary coil, and the first coil In a state where the two resonance capacitors are resonated at the same frequency, the power transmitted from the primary coil to the secondary coil is supplied to the load, and in the voltage control unit , the primary coil and the By controlling the supply-side voltage generated by the power supply unit according to a change in the relative positional relationship with the secondary coil, the load-side voltage supplied to the load becomes a target value. control A contactless power supply system for Rukoto, the features.
(1)によれば、上記非接触電力供給システムは、1次コイル側と2次コイル側とを同一周波数で共振させた状態において、前記負荷側電圧を目標値とするための前記供給側電圧の目標値を、前記式を用いて演算し、この演算により得られた前記供給側電圧の目標値に基づいて前記電源制御部を制御することにより、前記負荷側電圧を目標値に制御することができる。このことにより、簡単で信頼性の高い構成で1次コイルと2次コイルの距離、向き、ずれ等の相対的な位置の変化が生じた場合にも、負荷側電圧を所定の目標値に制御することができる。 According to (1), in the non-contact power supply system, the supply side voltage for setting the load side voltage as a target value in a state where the primary coil side and the secondary coil side are resonated at the same frequency. The load side voltage is controlled to the target value by calculating the target value of the load side voltage using the above formula and controlling the power supply control unit based on the target value of the supply side voltage obtained by the calculation. Can do. This makes it possible to control the load side voltage to a predetermined target value even when a relative position change such as the distance, direction, and deviation between the primary coil and the secondary coil occurs with a simple and reliable configuration. can do.
(2)前記演算部は、前記式に、前記負荷側電圧の目標値と、前記1次コイルに入力した前記供給側電圧の実効値、前記負荷インピーダンス、前記1次コイルの巻き線抵抗、前記2次コイルの巻き線抵抗、および前記1次コイルに入力した前記供給側電流の実効値を含むパラメータと、を算入することにより、前記負荷に供給される負荷側電圧を所定の目標値とするための前記供給側電圧の目標値を演算すること、を特徴とする(1)記載の非接触電力供給システム。 (2) the arithmetic unit, wherein, the target value of said load voltage effective value of the supply-side voltage input to the primary coil, the negative Nii impedance, winding resistance of said primary coil , A winding resistance of the secondary coil, and a parameter including an effective value of the supply-side current input to the primary coil, thereby calculating a load-side voltage supplied to the load to a predetermined target value. The non-contact power supply system according to (1), wherein a target value of the supply-side voltage is calculated.
(2)によれば、上記非接触電力供給システムは、前記式に、記負荷側電圧の目標値と、前記1次コイルに入力した前記供給側電圧の実効値、前記負荷インピーダンス、前記1次コイルの巻き線抵抗、前記2次コイルの巻き線抵抗、および前記1次コイルに入力した前記供給側電流の実効値を含むパラメータと、を算入して演算を行うことにより、前記電源制御部を制御して負荷側電圧を目標値に制御することができる。このことにより、モデルの把握が容易な当該システムの前記式を用いることにより、システム構成の変更に対しても容易に対応することができる。また、上記非接触電力供給システムは、1次コイルと2次コイルの距離、向き、ずれ等の、相対的な位置の変化が生じた場合にも、前記式に、予め求めることができる定数と1次コイル側で得られるパラメーラを算入して演算することにより、前記負荷側電圧を目標値に制御することができる。 According to (2), the contactless power supply system, the formula, and the target value before Symbol load voltage, the effective value of the supply-side voltage input to the primary coil, the negative Nii impedance, The power supply by calculating the winding resistance of the primary coil, the winding resistance of the secondary coil, and a parameter including the effective value of the supply-side current input to the primary coil The load side voltage can be controlled to the target value by controlling the control unit. Accordingly, it is possible to easily cope with a change in the system configuration by using the formula of the system in which the model is easily grasped. In addition, the non-contact power supply system has a constant that can be obtained in advance in the above equation even when a relative position change such as a distance between the primary coil and the secondary coil, an orientation, and a deviation occurs. The load side voltage can be controlled to a target value by calculating by including the parameter obtained on the primary coil side.
(3)前記電力供給部は、前記演算部から設定電圧以上の前記供給側電圧の目標値を出力する命令が前記電圧制御部へ出力された場合に、前記供給側電圧の実効値を所定最大値とする保護回路を備えることを特徴とする(1)又は(2)に記載の非接触電力供給システム。 (3) The power supply unit sets the effective value of the supply side voltage to a predetermined maximum when a command for outputting the target value of the supply side voltage equal to or higher than a set voltage is output from the calculation unit to the voltage control unit. A non-contact power supply system according to (1) or (2), further comprising a protection circuit for the value.
(3)によれば、1次コイルと2次コイルとの間の距離が離れることにより、前記演算部から設定電圧以上の前記供給側電圧の目標値を出力する命令が前記電圧制御部へ出力された場合には、前記保護回路により前記供給側電圧の実効値所定最大値とするように制御されるので、システムや他の事物等を保護することができる。 According to (3), when the distance between the primary coil and the secondary coil is increased, a command for outputting a target value of the supply-side voltage equal to or higher than a set voltage is output from the arithmetic unit to the voltage control unit. been the case, since the effective value of the supply-side voltage by the protection circuit is controlled to a predetermined maximum value, it is possible to protect the system and other things like.
(4)上記(1)乃至(3)のいずれか一つに記載の非接触電力供給システムと、該システムからの電力の供給を受ける、体内埋め込み型の医療装置と、を備える医療システム。
(4)によれば、例えば完全埋込型人工心臓等の、体内埋め込み型の医療装置に上記非接触電力供給システムを利用することにより、当該医療装置に接触することなくエネルギーを供給することができる。その際に、前記1次コイルと前記2次コイルの正確な位置が分からない場合や、医療装置を埋め込んだ患者が姿勢を変えるなどして前記1次コイルと2次コイルの相対位置にずれが生じた場合であっても、前記システムにより負荷側電圧を所定の目標値に制御することができる。このことにより、前記医療装置の動作あるいは充電のために安定した電圧を供給することができると同時に、前記医療装置を利用する患者の負担を減らすことができる。
(4) A medical system comprising: the non-contact power supply system according to any one of (1) to (3 ) above; and an implantable medical device that receives power from the system.
According to (4) , by using the non-contact power supply system for an implantable medical device such as a fully implantable artificial heart, energy can be supplied without contacting the medical device. it can. At that time, when the exact positions of the primary coil and the secondary coil are not known, or the patient who has implanted the medical device changes posture, the relative position of the primary coil and the secondary coil is shifted. Even if it occurs, the load side voltage can be controlled to a predetermined target value by the system. Accordingly, a stable voltage can be supplied for the operation or charging of the medical device, and at the same time, the burden on the patient who uses the medical device can be reduced.
(5)上記(1)乃至(3)のいずれか一つに記載の非接触電力供給システムと、該システムから電力の供給を受ける、体内に投入するための医療装置と、を備える医療システム。
(5)によれば、例えば患者の口から飲み込まれることにより胃などの消化器内部を撮影するカプセル型の胃カメラ等の、体内に一時的に投入される医療装置に上記非接触電力供給システムを利用することにより、当該医療装置にエネルギーを体外から供給し続けることができる。その際に、当該医療装置を利用する患者や医療装置自体が動くことにより、前記1次コイルと2次コイルの相対位置にずれが生じた場合や、医療装置が移動することにより正確な位置がわからない場合であっても、前記システムにより負荷側電圧を所定の目標値に制御することができる。このことにより、前記医療装置の動作のため、あるいは充電のために安定した電圧を供給することができるとともに、システムの簡潔な構成から医療装置の小型化が可能となり、患者の負担を減らすことができる。
(5) A medical system comprising: the non-contact power supply system according to any one of (1) to (3 ) above; and a medical device that receives power supply from the system and that is to be injected into the body.
According to (5) , the non-contact power supply system described above is applied to a medical device that is temporarily introduced into the body, such as a capsule-type gastro camera that captures the inside of a digestive organ such as the stomach by being swallowed from a patient's mouth. By using, energy can be continuously supplied to the medical device from outside the body. At that time, when the patient using the medical device or the medical device itself moves, the relative position between the primary coil and the secondary coil is shifted, or when the medical device moves, an accurate position is obtained. Even if it is not known, the load side voltage can be controlled to a predetermined target value by the system. As a result, a stable voltage can be supplied for the operation of the medical device or for charging, the medical device can be miniaturized from a simple configuration of the system, and the burden on the patient can be reduced. it can.
本発明によれば、1次コイルの面の向きと2次コイルの面の向きは向かい合っていなくてもよく、お互いのコイルがどこにあっても、特に、2次コイル側を複雑化することなく簡潔な構成で、負荷側電圧の制御が可能となる。これにより、2次コイルの位置や向きが固定されていないときでも、負荷側の装置等の信頼性の向上や医療装置に応用した場合の患者の負担の軽減などを図りつつ、負荷側電圧の安定化が可能となる。   According to the present invention, the orientation of the surface of the primary coil and the orientation of the surface of the secondary coil do not have to face each other, and wherever the coils are located, particularly without complicating the secondary coil side. The load side voltage can be controlled with a simple configuration. As a result, even when the position and orientation of the secondary coil are not fixed, the load side voltage can be reduced while improving the reliability of the load side device and the like and reducing the burden on the patient when applied to a medical device. Stabilization is possible.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図を参照しながら説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術範囲はこれに限られるものではない。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. This is merely an example, and the technical scope of the present invention is not limited to this.
[非接触電力供給システム]
図1は、本発明に係る非接触電力供給システム100の構成を示すブロック図を示す。非接触電力供給システム100は、供給側システム110および負荷側システム160から構成されている。
[Non-contact power supply system]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a non-contact power supply system 100 according to the present invention. The non-contact power supply system 100 includes a supply side system 110 and a load side system 160.
[供給側システム]
供給側システム110は、主な構成要素として、電力供給部111、1次コイル152、1次コイル共振用コンデンサ156を有する。
[Supply system]
The supply-side system 110 includes a power supply unit 111, a primary coil 152, and a primary coil resonance capacitor 156 as main components.
電力供給部111は、商用電力や直流電源から変換装置等を経て得られる交流電源などから1次コイル152に電力を供給する。電力供給部111は、電流検知部120と、演算部130と、電圧制御部113とを備える。   The power supply unit 111 supplies power to the primary coil 152 from commercial power or an AC power source obtained from a DC power source through a converter or the like. The power supply unit 111 includes a current detection unit 120, a calculation unit 130, and a voltage control unit 113.
電流検知部120は、高周波電流検出器により供給側電流としての出力電流を検知する。演算部130は、電力供給部の出力電圧と電流検知部120の検知結果とに基づいて出力すべき電圧を演算する。電圧制御部113は、演算部130の演算結果に基づき発振振幅を変化させることにより出力電圧を制御することができる発振器112及び高速絶縁増幅器114を含む。1次コイル152は、前記電力供給部から電力の入力を受ける。1次コイル共振用コンデンサ156は、1次コイル152に接続されていて1次コイル側回路の共振をとるためのものである。   The current detection unit 120 detects an output current as a supply-side current using a high-frequency current detector. The calculation unit 130 calculates a voltage to be output based on the output voltage of the power supply unit and the detection result of the current detection unit 120. The voltage control unit 113 includes an oscillator 112 and a high-speed isolation amplifier 114 that can control the output voltage by changing the oscillation amplitude based on the calculation result of the calculation unit 130. The primary coil 152 receives power input from the power supply unit. The primary coil resonance capacitor 156 is connected to the primary coil 152 to resonate the primary coil side circuit.
[負荷側システム]
また、前記負荷側システム160は、主な構成要素として、負荷162、2次コイル154、2次コイル共振用コンデンサ158を有する。
[Load side system]
The load-side system 160 includes a load 162, a secondary coil 154, and a secondary coil resonance capacitor 158 as main components.
負荷162は、電力供給対象である。2次コイル154は、1次コイル152と磁気的に結合されていて負荷162に電力を入力する。2次コイル共振用コンデンサ158は、2次コイル154に接続されていて2次コイル側回路の共振をとるためのものである。   The load 162 is a power supply target. The secondary coil 154 is magnetically coupled to the primary coil 152 and inputs power to the load 162. The secondary coil resonance capacitor 158 is connected to the secondary coil 154 to resonate the secondary coil side circuit.
[制御方法]
まず、エネルギー伝送条件の設定を行う。伝送角周波数ω、1次コイル及び2次コイルの線の種類、サイズ、形状、巻き数を決定し、これにより1次コイル及び2次コイルを調整する。LCRメータにより、角周波数ωで1次コイルと2次コイルのインダクタンスをそれぞれ測定し、角周波数ωで1次コイルとの直列共振が取れるコンデンサCの容量の値と、該角周波数ωで2次コイルと直列共振がとれるコンデンサCの容量の値を式(1)より算出する。
[Control method]
First, energy transmission conditions are set. The type, size, shape, and number of turns of the transmission angular frequency ω, the primary coil, and the secondary coil are determined, thereby adjusting the primary coil and the secondary coil. The inductance of the primary coil and the secondary coil is measured by the LCR meter at the angular frequency ω, respectively, and the capacitance value of the capacitor C 1 capable of taking series resonance with the primary coil at the angular frequency ω, and 2 at the angular frequency ω. the value of the capacitance of the capacitor C 2 to the next coil and the series resonance can be established to calculate the equation (1).
ここで1次コイルと1次コイル用のコンデンサ、2次コイルと2次コイル用のコンデンサがそれぞれ直列共振していれば、1次コイル電圧、1次コイル電流の位相が同相、2次コイル出力電圧、2次コイル電流の位相が同相、1次コイル電圧と2次コイル出力電圧の位相が90度ずれる。なお、本発明においては、1次コイルの巻き数、寸法、形状等に制限はない。また、2次コイルも同様、巻き数、寸法、形状に制限はない。さらに、1次コイルや2次コイルの磁気結合度を上げる目的で、フェライトなどの磁性体にコイルを巻いたり、ノイズを抑制する目的でフェライトやアモルファス磁性線などの磁性体シートをコイルに貼りつけたりしてもよい。 Here, if the primary coil and the primary coil capacitor, the secondary coil and the secondary coil capacitor are in series resonance, the primary coil voltage and the primary coil current are in phase and the secondary coil output is in phase. The phase of the voltage and the secondary coil current are in phase, and the phase of the primary coil voltage and the secondary coil output voltage is shifted by 90 degrees. In the present invention, there are no restrictions on the number of turns, size, shape, etc. of the primary coil. Similarly, the number of turns, dimensions, and shape of the secondary coil are not limited. Furthermore, for the purpose of increasing the magnetic coupling degree of the primary coil and the secondary coil, the coil is wound around a magnetic material such as ferrite, or a magnetic material sheet such as ferrite or amorphous magnetic wire is attached to the coil for the purpose of suppressing noise. May be.
次に制御動作について説明する。図1の非接触電力供給システム100において、1次コイル入力電圧の実効値をV、1次コイル電流の実効値をI、2次コイル出力電圧(=負荷入力電圧)の実効値をV2、2次コイル電流の実効値をIとする。また、1次コイルの巻き線抵抗をr、2次コイルの巻き線抵抗をrとする。目標の2次コイル出力電圧の実効値をV2idとする。V2idを出力するための目標の1次コイル電圧の実効値をV1idとする。 Next, the control operation will be described. In the non-contact power supply system 100 of FIG. 1, the effective value of the primary coil input voltage is V 1 , the effective value of the primary coil current is I 1 , and the effective value of the secondary coil output voltage (= load input voltage) is V the effective value of 2, the secondary coil current and I 2. Further, the winding resistance of the primary coil is r 1 , and the winding resistance of the secondary coil is r 2 . The effective value of the target secondary coil output voltage is V 2id . The effective value of the target primary coil voltage for outputting V 2id is defined as V 1id .
非接触電力供給システム100では、エネルギー伝送用電源の1次コイル入力電圧Vを調節して2次コイル出力電圧Vを安定化させている(図1参照)。1次コイルと2次コイルの位置関係は、具体的には相互インダクタンスMだけで表される。すなわち、本システムの等価回路の閉路方程式より求められるV1idとV2idの関係式にMを代入することにより、Mを消去することができる(式(2))。 In the non-contact power supply system 100 is adjusted to stabilize the secondary coil output voltage V 2 of the primary coil input voltage V 1 of the energy transmission power (see Fig. 1). Specifically, the positional relationship between the primary coil and the secondary coil is expressed only by the mutual inductance M. That is, by substituting M into the relational expression between V 1id and V 2id obtained from the closed circuit equation of the equivalent circuit of this system, M can be eliminated (Formula (2)).
したがって、Mが変化した場合であっても、2次コイル出力電圧Vの制御に必要であるV1idを1次側(体外側)のパラメータだけで決定することができる。この制御に必要な1次側のパラメータは、1次コイル電圧の実効値V、負荷インピーダンスR、1次コイルの巻き線抵抗r、2次コイルの巻き線抵抗rおよび1次コイル電流の実効値Iである。 Therefore, even when M changes, V 1id necessary for controlling the secondary coil output voltage V 2 can be determined only by the parameters on the primary side (outside the body). The primary parameters necessary for this control are the effective value V 1 of the primary coil voltage, the load impedance R, the winding resistance r 1 of the primary coil, the winding resistance r 2 of the secondary coil, and the primary coil current. of the effective value I 1.
電流検知部120で測定した1次コイル電流は整流平滑回路122と実効値変換回路124を介して演算部130に入力される。あらかじめわかっているV、R、r、rは演算部130に入力される。演算部130において、電流検知部120の測定結果はA/D変換回路部132においてデジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ134(もしくはパソコン)によって式(2)の演算が行われ、D/A変換回路部において再びアナログ信号に変換される。発振器112に目標の2次コイルの電圧(=負荷の入力電圧)V2idを出力するための1次コイル電圧V1idの情報が入力され、発振器からは、角周波数ω、振幅実効値V1idの正弦波が出力される。そして再び、新しく設定されたV1idによって新しい1次コイル電流の値Iが変化し電流検知部120より測定される。この制御処理ループを繰り返すことで2次コイル出力電圧を目標値にする制御が可能である。 The primary coil current measured by the current detection unit 120 is input to the calculation unit 130 via the rectifying / smoothing circuit 122 and the effective value conversion circuit 124. V 1 , R, r 1 , and r 2 that are known in advance are input to the calculation unit 130. In the calculation unit 130, the measurement result of the current detection unit 120 is converted into a digital signal in the A / D conversion circuit unit 132, and the calculation of Expression (2) is performed by the microcomputer 134 (or a personal computer), and the D / A conversion circuit The signal is converted again into an analog signal. Information on the primary coil voltage V 1id for outputting the target secondary coil voltage (= load input voltage) V 2id is input to the oscillator 112, and the oscillator has the angular frequency ω and the amplitude effective value V 1id . A sine wave is output. Again, the new primary coil current value I 1 changes according to the newly set V 1id and is measured by the current detector 120. It is possible to control the secondary coil output voltage to the target value by repeating this control processing loop.
[制御動作の例]
図2に示した円状の1次コイルと2次コイルの場合について制御動作の例を説明する。1次2次ともに、コイル外径は5.5cm、コイル内径は2cm、厚さ0.09cm、巻き数20回とする。
1次コイルにはじめに5Vの電圧を加えたとして、2次コイル出力電圧(=負荷入力電圧)を6Vの目標値に固定させるための制御を行う。ここでr=0.4485Ω、r=0.3915Ω、R=4.6Ω、f=150kHzとする。
[Example of control operation]
An example of the control operation will be described for the circular primary coil and secondary coil shown in FIG. For both primary and secondary, the outer diameter of the coil is 5.5 cm, the inner diameter of the coil is 2 cm, the thickness is 0.09 cm, and the number of turns is 20.
Control is performed to fix the secondary coil output voltage (= load input voltage) to a target value of 6 V, assuming that a voltage of 5 V is first applied to the primary coil. Here, r 1 = 0.4485Ω, r 2 = 0.3915Ω, R = 4.6Ω, and f = 150 kHz.
1次コイルと2次コイルが図3のステップ1のようにずれている状態から、2次コイルをx方向に動かし2つのコイルを重ね(ステップ2)、さらにy方向にずらした場合(ステップ3)を考える。x方向のずれは0.6cm、y方向のずれは3.8cmとする。   When the primary coil and the secondary coil are shifted as shown in step 1 of FIG. 3, the secondary coil is moved in the x direction to overlap the two coils (step 2) and further shifted in the y direction (step 3). )think of. The displacement in the x direction is 0.6 cm, and the displacement in the y direction is 3.8 cm.
まず、制御していない場合、2次コイル出力電圧は、ステップ1の状態で1.87V、ステップ2で7.62V、ステップ3で3.87Vとなり、6±4.1V近くまで変化した。この一方で、制御を行った場合、ステップ1で5.94V、ステップ2で6.11V、ステップ3で6.19Vとなり、6±0.2V以内に収まった。したがって安定化していることがわかる。   First, when not controlled, the secondary coil output voltage was 1.87 V in Step 1, 7.62 V in Step 2, 3.87 V in Step 3, and changed to nearly 6 ± 4.1 V. On the other hand, when the control was performed, it was 5.94V in Step 1, 6.11V in Step 2, 6.19V in Step 3, and was within 6 ± 0.2V. Therefore, it turns out that it has stabilized.
応答性に関しては、制御速度は早い方が制御の精度が良いが、2次コイルの動く速度は体の動きから生じるので高速な動きになることは少なく、早くても1Hz程度のゆっくりとした動作であると考えられるので、制御処理ループの繰り返し周期が0.01秒程度であれば制御により、出力を十分に電圧安定化することができる。   As for responsiveness, the higher the control speed, the better the control accuracy, but the speed of the secondary coil is caused by the movement of the body, so it is unlikely to be a high speed movement, and it is a slow movement of about 1 Hz at the earliest. Therefore, if the repetition period of the control processing loop is about 0.01 seconds, the output can be sufficiently voltage-stabilized by the control.
[保護回路]
供給側システム110に含まれる電力供給部111は、保護回路126を備える。保護回路126は、演算部130からの演算結果が所定の値以上である場合に、前記所定の値を演算結果とする。図4に保護回路126のブロック図を示す。保護回路126がないと、1次コイル152と2次コイル154の間の距離が離れるほど、相互インダクタンスMが小さくなるため、目的の2次コイル出力電圧(=負荷入力電圧)を出すための1次コイル電圧は大きくなるよう制御される。したがって、1次コイル152と2次コイル154の間の距離が離れた場合、電源制御113から大電圧が出力されるが、過大な電圧が出力されるように命令が出されると供給側システム及び負荷側システム並びに医療装置に利用した場合には人体にとって危険である。保護回路126は、演算部130より設定電圧以上の1次コイル電圧が出力されるような命令が出た場合には、1次コイル電圧の実効値が設定値V1max(最大値)になるようにする。このことにより、システムや他の事物等を保護する。保護回路126はヒステリシス特性を有しており、設定値よりも数V下がったときに、制御が再開されるように設定されている(図4参照)。
[Protection circuit]
The power supply unit 111 included in the supply-side system 110 includes a protection circuit 126. The protection circuit 126 sets the predetermined value as the calculation result when the calculation result from the calculation unit 130 is equal to or greater than the predetermined value. FIG. 4 shows a block diagram of the protection circuit 126. Without the protection circuit 126, as the distance between the primary coil 152 and the secondary coil 154 increases, the mutual inductance M decreases. Therefore, 1 for generating the desired secondary coil output voltage (= load input voltage). The secondary coil voltage is controlled to increase. Accordingly, when the distance between the primary coil 152 and the secondary coil 154 is increased, a large voltage is output from the power supply control unit 113 , but when a command is issued so that an excessive voltage is output, the supply side system In addition, when used in a load side system and a medical device, it is dangerous for the human body. The protection circuit 126 causes the effective value of the primary coil voltage to be the set value V 1max (maximum value) when a command is issued from the arithmetic unit 130 to output a primary coil voltage that is equal to or higher than the set voltage. To. This protects the system and other things. The protection circuit 126 has a hysteresis characteristic, and is set so that the control is resumed when the voltage drops several V below the set value (see FIG. 4).
[埋込型人工心臓装置]
図5は、本発明の別の実施形態である埋込型人工心臓システム500のブロック図を示す。埋込型人工心臓システム500は、主な構成要素として、体内埋込型の駆動部としての人工心臓駆動部560、人工心臓駆動部560を駆動する電力を発生するための電力供給部520、および人工心臓駆動部560を駆動するための電力を伝送するためのエネルギー伝送部540を有する。
[Implantable artificial heart device]
FIG. 5 shows a block diagram of an implantable artificial heart system 500 that is another embodiment of the present invention. The implantable artificial heart system 500 includes, as main components, an artificial heart drive unit 560 as an implantable drive unit, a power supply unit 520 for generating electric power for driving the artificial heart drive unit 560, and It has the energy transmission part 540 for transmitting the electric power for driving the artificial heart drive part 560. FIG.
[人工心臓駆動部]
人工心臓駆動部560はアクチュエータである人工心臓ポンプ566、外部からの電力を整流平滑して人工心臓ポンプ566に供給するための整流平滑回路562、充放電により電力を一時的に蓄える2次電池568、人工心臓ポンプ566に対する電力の供給源を整流平滑回路562または2次電池568のいずれかに切り替える切替回路564とを有する。本システムによる電力伝送が絶たれた際には体内に埋込んだバックアップ用の2次電池568により人工心臓ポンプ566を駆動する。駆動部には、人工心臓ポンプ566を駆動するため供給される電力による駆動部側電圧が生じる。本実施形態において、この駆動部側電圧は、整流平滑回路562の変換出力電圧である。
[Artificial heart drive unit]
The artificial heart drive unit 560 is an artificial heart pump 566 that is an actuator, a rectifying / smoothing circuit 562 for rectifying and smoothing electric power from the outside and supplying it to the artificial heart pump 566, and a secondary battery 568 for temporarily storing electric power by charging and discharging. And a switching circuit 564 that switches a power supply source for the artificial heart pump 566 to either the rectifying / smoothing circuit 562 or the secondary battery 568. When power transmission by this system is interrupted, the artificial heart pump 566 is driven by a backup secondary battery 568 embedded in the body. In the drive unit, a drive unit side voltage is generated by electric power supplied to drive the artificial heart pump 566. In the present embodiment, this drive unit side voltage is the converted output voltage of the rectifying and smoothing circuit 562.
整流平滑回路562は交流を直流に変換する回路である。代表的な整流平滑回路562としてはセンタータップ全波方式整流回路とブリッジ全波方式整流回路が挙げられる。双方ともに全波整流を行うが、センタータップ全波整流方式の場合には2次コイルである体内コイルが二つ必要となる。ただし、大きな損失を生むダイオードは高いシステム効率を考えた場合少ないほうが良いことからセンタータップ全波方式を使用している。ダイオードの順方向電圧による損失は発熱となり、システム効率だけでなく体内に置くことを考えた場合、生体組織に悪影響を及ぼす可能性もあるので、ダイオードは少ないほうが良いといえる。また、素子が少なく回路が簡単であることは故障の可能性が低減され、より安全であるともいえる。整流平滑回路562は、チョークインプット型の平滑回路を内蔵する。人工心臓ポンプ566は、例えば直流用アクチュエータを用いた定常流型のタイプのものを使用することができる。   The rectifying / smoothing circuit 562 is a circuit that converts alternating current into direct current. A typical rectifying / smoothing circuit 562 includes a center tap full-wave rectifier circuit and a bridge full-wave rectifier circuit. Both perform full-wave rectification. However, in the case of the center tap full-wave rectification method, two internal coils that are secondary coils are required. However, the diode that generates a large loss uses the center tap full-wave method because it is better to reduce the number of diodes in view of high system efficiency. The loss due to the forward voltage of the diode becomes heat generation, and considering not only the system efficiency but also placing it in the body, there is a possibility that it may adversely affect living tissue, so it can be said that fewer diodes are better. In addition, the fact that there are few elements and the circuit is simple reduces the possibility of failure and can be said to be safer. The rectifying / smoothing circuit 562 incorporates a choke input type smoothing circuit. As the artificial heart pump 566, for example, a steady flow type type using a direct current actuator can be used.
[電力供給部]
電力供給部520は、電源部524と、電流検知部526と、電圧制御部522とを備える。電力供給部520は、人工心臓駆動部を駆動する電力を出力するため、供給側電流および供給側電圧を発生する。
[Power supply section]
The power supply unit 520 includes a power supply unit 524, a current detection unit 526, and a voltage control unit 522. The power supply unit 520 generates a supply-side current and a supply-side voltage in order to output power for driving the artificial heart drive unit.
電源部524は、商用電力などから1次コイル542に供給する。電流検知部526は、電源部524に接続され、供給側電流としての出力電流を検知する。電圧制御部522は、電流検知部526の検知結果および電源部524からの出力電圧に基づいて電源部524の出力電圧を制御する。   The power supply unit 524 supplies the primary coil 542 from commercial power or the like. The current detection unit 526 is connected to the power supply unit 524 and detects an output current as a supply-side current. The voltage control unit 522 controls the output voltage of the power supply unit 524 based on the detection result of the current detection unit 526 and the output voltage from the power supply unit 524.
本実施形態では、供給側電圧は電源部524の出力電圧であり、供給側電流は電源部524の出力電流である。   In the present embodiment, the supply side voltage is the output voltage of the power supply unit 524, and the supply side current is the output current of the power supply unit 524.
[エネルギー伝送部]
エネルギー伝送部540は、1次コイル542および2次コイル544を有している。1次コイル542は、体外に置かれており電力供給部520に接続され、電力供給部520からの電力が入力される。2次コイル544は、体内埋込み可能であって人工心臓駆動部560に接続され、人工心臓駆動部560に電力を供給する(図2参照)。なお、本実施形態では、体内埋め込み型の医療装置として人工心臓駆動部の例を説明するが、本発明は例えば、体内に投入可能とするための医療装置(例えば、飲み込んで使用するカプセル型内視鏡)といった、他の医療装置に応用することもできる。
[Energy transmission section]
The energy transmission unit 540 includes a primary coil 542 and a secondary coil 544. The primary coil 542 is placed outside the body, is connected to the power supply unit 520, and receives power from the power supply unit 520. The secondary coil 544 can be implanted in the body, is connected to the artificial heart drive unit 560, and supplies power to the artificial heart drive unit 560 (see FIG. 2). In this embodiment, an example of an artificial heart drive unit is described as an implantable medical device. However, the present invention is, for example, a medical device that can be inserted into the body (for example, a capsule type that is swallowed and used) It can also be applied to other medical devices such as endoscopes.
本実施形態の埋込型人工心臓装置システム500では、電流検知部526の検知結果および電源部524の出力電圧を、予め求められた、人工心臓駆動部560に供給される人工心臓駆動部側電圧を制御するために、供給側電圧と人工心臓駆動部側電圧の関係式に代入して用いる。本実施形態において、供給側電圧は電源部524の出力電圧すなわち1次コイル542に掛かる電圧であり、供給側電流は電源部524の出力電流すなわち1次コイル542に流れる電流であり、人工心臓駆動部側電圧は、2次コイル544の出力電圧である。   In the implantable artificial heart device system 500 of the present embodiment, the detection result of the current detection unit 526 and the output voltage of the power supply unit 524 are obtained in advance, and the artificial heart drive unit side voltage supplied to the artificial heart drive unit 560 is obtained. Is used by substituting into the relational expression between the supply side voltage and the artificial heart drive side voltage. In the present embodiment, the supply-side voltage is the output voltage of the power supply unit 524, that is, the voltage applied to the primary coil 542, and the supply-side current is the output current of the power supply unit 524, that is, the current flowing through the primary coil 542. The part side voltage is an output voltage of the secondary coil 544.
本発明に係る非接触電力供給システムを人工心臓に用いる場合、人工心臓ポンプ566を直流で動作する人工心臓アクチュエータとした場合には、負荷(電力供給対象物)は、整流平滑回路と人工心臓アクチュエータドライバと人工心臓アクチュエータを組み合せたものをとして考えることもできる。電磁誘導で誘導した交流で直接動作する人工心臓アクチュエータは、人工心臓アクチュエータそのものが負荷に相当する。体内に2次コイルが入り、体外においた1次コイルから、常時、駆動に必要な1−40W程度のエネルギーを経皮的に伝送するが、皮膚が間に入ることによる影響は全くない。   When the non-contact power supply system according to the present invention is used for an artificial heart, when the artificial heart pump 566 is an artificial heart actuator that operates with direct current, the load (power supply object) includes a rectifying and smoothing circuit and an artificial heart actuator. It can also be considered as a combination of a driver and an artificial heart actuator. In an artificial heart actuator that directly operates with an alternating current induced by electromagnetic induction, the artificial heart actuator itself corresponds to a load. A secondary coil enters the body, and energy of about 1-40 W necessary for driving is constantly transcutaneously transmitted from the primary coil outside the body, but there is no influence due to the interposition of the skin.
体動により1次コイル152の位置が多少ずれても、ずれを1次側で制御して負荷入力電圧を一定にすることができる(図6参照)。従来のように、負荷入力電圧を制御するための通信手段が必要ないため、患者に負担をかけることもない。また、2次コイルは皮下に埋め込まれるが、埋め込んだ正確な位置が把握しにくいことが多く、2次コイルの位置をわかりやすくすると同時に、ずれを防止するために、2次コイルを厚さ5−20mm程度とした傘型形状にしているものが多かった。本発明では、2次コイル154に対する1次コイル152の位置が多少ずれていても制御回路により負荷入力電圧を安定化できるため、多少2次コイル位置がずれたり動いたりしてもよく、2次コイルを傘型にする必要がない。2次コイルを平面型にできることは、生体組織に対する負担が小さくなる、コイル埋込部が目立たないため患者が気にならないというメリットがある。   Even if the position of the primary coil 152 is slightly shifted due to body movement, the load input voltage can be made constant by controlling the shift on the primary side (see FIG. 6). Since there is no need for a communication means for controlling the load input voltage as in the prior art, there is no burden on the patient. In addition, although the secondary coil is embedded under the skin, it is often difficult to grasp the exact position where the secondary coil is embedded, so that the secondary coil has a thickness of 5 in order to make the position of the secondary coil easy to understand and prevent displacement. There were many things made into the umbrella shape made into about -20 mm. In the present invention, since the load input voltage can be stabilized by the control circuit even if the position of the primary coil 152 with respect to the secondary coil 154 is slightly deviated, the position of the secondary coil may be slightly deviated or moved. There is no need to make the coil umbrella-shaped. The ability to make the secondary coil planar has advantages that the burden on the living tissue is reduced and that the patient is not worried because the coil-embedded portion is inconspicuous.
人工心臓は流量を1次側からの命令で変更する場合があるが、本実施形態のように直流で動作する人工心臓アクチュエータによる人工心臓ポンプ566を用いた場合は、これは負荷の値が変化したことになる。ただし、流量の変化命令の内容は1次側でわかっているので、流量と負荷の値の関係をあらかじめ求めておくことで負荷は1次側で推測が可能である。図7に流量―負荷の値の表の例を示す。   In the artificial heart, the flow rate may be changed by a command from the primary side. However, when the artificial heart pump 566 using an artificial heart actuator that operates with a direct current is used as in this embodiment, the load value changes. It will be done. However, since the content of the flow rate change command is known on the primary side, the load can be estimated on the primary side by obtaining the relationship between the flow rate and the load value in advance. FIG. 7 shows an example of a flow rate-load value table.
[マイクロマシン]
本発明に係る非接触電力供給システムをマイクロマシンへの電力供給に利用した、更に別の実施形態について説明する。本実施形態の主な構成要素は、非接触電力供給システムと負荷として電力の供給を受けるマイクロマシンである。
[Micromachine]
Another embodiment in which the non-contact power supply system according to the present invention is used to supply power to a micromachine will be described. The main components of this embodiment are a non-contact power supply system and a micromachine that receives power supply as a load.
マイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems、超小型電気的・機械的複合体)とは、半導体集積回路製造技術の1つである微細加工技術を利用してシリコン基板上に立体的な微小構造体を形成することにより、例えば数十ミクロン程度の大きさの微小なモーターを作る技術である。この技術は、機械材料として優れた特性をもつ単結晶シリコン基板上にリソグラフィ技術を用いて形成したパターンをマスクとし、エッチング速度が結晶軸方向や不純物濃度等に依存するという性質を利用して立体構造物を作製するもので、シリコンダイヤフラム圧力センサなどに代表されるマイクロセンサの分野では既に実用化されている。   A micromachine (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) is a microfabrication technology that is one of the semiconductor integrated circuit manufacturing technologies. This is a technique for forming a minute motor having a size of, for example, several tens of microns. This technology uses a pattern formed by lithography technology on a single crystal silicon substrate having excellent characteristics as a mechanical material as a mask, and utilizes the property that the etching rate depends on the crystal axis direction, impurity concentration, etc. A structure is manufactured and has already been put into practical use in the field of microsensors typified by silicon diaphragm pressure sensors.
負荷として非接触電力供給システムより電力の供給を受けるマイクロマシンには、マイクロマシンの本来の目的を達成するためのアクチュエータ、センサ、マイクロプロセッサ等の各要素のほか、本システムを構成する2次コイルと2次コイルに接続された2次コイル共振用コンデンサが搭載されている。2次コイルは、マイクロマシンの各要素に接続されている。これにより2次コイルからの電力は上記各要素に供給される。   A micromachine that receives power from a non-contact power supply system as a load includes not only elements such as actuators, sensors, and microprocessors for achieving the original purpose of the micromachine, but also secondary coils and 2 constituting the system. A secondary coil resonance capacitor connected to the secondary coil is mounted. The secondary coil is connected to each element of the micromachine. Thereby, the electric power from the secondary coil is supplied to each element.
マイクロマシンの移動などにより搭載された2次コイルの位置が変動したり、精密な位置が不明であったりする場合がある。この場合にも本発明の作用・効果によりマイクロマシンの動作及び制御等に必要な電力について、安定した電圧の電力を供給することができる。   In some cases, the position of the secondary coil mounted may vary due to movement of the micromachine, or the precise position may be unknown. In this case as well, the power necessary for the operation and control of the micromachine can be supplied with a stable voltage by the operation and effect of the present invention.
なお、実施形態において、1次コイル共振用コンデンサが電力供給部の外部に配置されている構成として説明しているが、本発明はこれに限らず、該コンデンサが電力供給部と一体として電力供給部の筐体内部に配置するものであってよい。また、2次コイル共振用コンデンサについても、負荷部と一体として構成するものであってよく、また、負荷部の外部に配置して構成してもよい。   In the embodiment, the primary coil resonance capacitor is described as being arranged outside the power supply unit. However, the present invention is not limited to this, and the capacitor is integrated with the power supply unit to supply power. It may be arranged inside the housing of the part. Also, the secondary coil resonance capacitor may be configured integrally with the load unit, or may be configured outside the load unit.
本発明に係る非接触電力供給システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the non-contact electric power supply system which concerns on this invention. 1次コイルと2次コイルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of a primary coil and a secondary coil. 1次コイルと2次コイルの位置のずれや距離の変化を示す図である。It is a figure which shows the position shift of a primary coil, and a secondary coil, and the change of distance. 供給側システムの保護回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the protection circuit of a supply side system. 本発明を利用した埋込型人工心臓システムの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the implantable artificial heart system using this invention. 本発明を利用した埋込型人工心臓システムの、1次コイルと2次コイルの位置のずれを示す図である。It is a figure which shows the shift | offset | difference of the position of a primary coil and a secondary coil of the implantable artificial heart system using this invention. 直流で動作する人工心臓アクチュエータの、流量と負荷の関係の例を示した表である。It is the table | surface which showed the example of the relationship between the flow volume and the load of the artificial heart actuator which operate | moves by direct current | flow.
符号の説明Explanation of symbols
100 非接触電力供給システム
110 供給側システム
111 電力供給部
112 発振器
113 電圧制御部
114 高速絶縁増幅器
116 1次コイル巻き線抵抗
120 電流検知部
122 整流平滑回路
124 実効値変換回路
126 保護回路
130 演算部
132 A/D変換回路部
134 マイクロコンピュータ
136 D/A変換回路部
140 接地端子
150 エネルギー伝送部
152 1次コイル
154 2次コイル
156 1次コイル共振用コンデンサ
158 2次コイル共振用コンデンサ
160 負荷側システム
162 負荷(電力供給対象物)
164 2次コイル巻き線抵抗
400 供給側システム
420 ヒステリシスコンパレータ
440 最大基準電圧(V1max)設定用電源
460 スイッチ
500 埋込型人工心臓システム
520 電力供給部
522 電圧制御部
524 電源部
526 電流検知部
528 演算部
530 1次コイル共振用コンデンサ
540 エネルギー伝送部
542 1次コイル
544 2次コイル
560 人工心臓駆動部
562 整流平滑回路
564 切替回路
566 人工心臓ポンプ
568 2次電池
570 2次コイル共振用コンデンサ
600 埋込型人工心臓電力供給システム
620 整流平滑回路+人工心臓アクチュエータドライバ+人工心臓アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Non-contact power supply system 110 Supply side system 111 Power supply part 112 Oscillator 113 Voltage control part 114 High-speed insulation amplifier 116 Primary coil winding resistance 120 Current detection part 122 Rectification smoothing circuit 124 Effective value conversion circuit 126 Protection circuit 130 Operation part 132 A / D conversion circuit unit 134 Microcomputer 136 D / A conversion circuit unit 140 Ground terminal 150 Energy transmission unit 152 Primary coil 154 Secondary coil 156 Primary coil resonance capacitor 158 Secondary coil resonance capacitor 160 Load side system 162 Load (Power supply target)
164 Secondary coil winding resistance 400 Supply system 420 Hysteresis comparator 440 Power supply for setting maximum reference voltage (V1max) 460 Switch 500 Implantable artificial heart system 520 Power supply unit 522 Voltage control unit 524 Power supply unit 526 Current detection unit 528 Calculation Unit 530 primary coil resonance capacitor 540 energy transmission unit 542 primary coil 544 secondary coil 560 artificial heart drive unit 562 rectification smoothing circuit 564 switching circuit 566 artificial heart pump 568 secondary battery 570 secondary coil resonance capacitor 600 embedded Type artificial heart power supply system 620 Rectifier smoothing circuit + artificial heart actuator driver + artificial heart actuator

Claims (5)

  1. 負荷に供給するための供給側電流および供給側電圧を発生する電力供給部と、
    前記電力供給部からの電力を入力する1次コイルと、
    前記1次コイルに対する位置が移動可能であり、且つ前記1次コイルと磁気的に結合され、前記電力供給部から前記1次コイルを介して電磁誘導により伝送された電力を前記負荷へ供給する2次コイルと、
    前記1次コイルに接続された第1の共振用コンデンサと、
    前記2次コイルに接続された第2の共振用コンデンサと、
    を備え
    前記1次コイルと前記第1の共振用コンデンサ、および前記2次コイルと前記第2の共振用コンデンサを、それぞれ同一周波数で共振させる非接触電力供給システムであって、
    前記電力供給部は、
    前記1次コイルに入力した前記供給側電流を検知する電流検知部と、
    で表される式を用いて、前記負荷に供給される負荷側電圧を目標値とするための前記供給側電圧の目標値を演算する演算部と、
    前記演算部で演算された前記供給側電圧の目標値に基づいて、前記電力供給部で発生する前記供給側電圧を制御する電圧制御部と、を備え、
    前記1次コイルと前記第1の共振用コンデンサ、および前記2次コイルと前記第2の共振用コンデンサを、それぞれ同一周波数で共振させた状態において、前記1次コイルから前記2次コイルに伝送した電力を前記負荷に供給するとともに、前記電圧制御部において、前記1次コイルと前記2次コイルとの相対的な位置関係の変化に応じて、前記電力供給部で発生させる前記供給側電圧を制御することにより、前記負荷に供給される前記負荷側電圧が目標値となるように制御すること、
    を特徴とする非接触電力供給システム。
    A power supply unit for generating a supply-side current and a supply-side voltage for supplying to the load;
    A primary coil for inputting power from the power supply unit;
    The position relative to the primary coil is movable, and is magnetically coupled to the primary coil, and supplies the power transmitted from the power supply unit via the primary coil by electromagnetic induction to the load 2 The next coil,
    A first resonance capacitor connected to the primary coil;
    A second resonance capacitor connected to the secondary coil;
    Equipped with a,
    A non-contact power supply system that resonates the primary coil and the first resonance capacitor, and the secondary coil and the second resonance capacitor at the same frequency, respectively .
    The power supply unit
    A current detection unit that detects the supply-side current input to the primary coil;
    An arithmetic unit that calculates a target value of the supply-side voltage for setting the load-side voltage supplied to the load as a target value, using an expression represented by :
    A voltage control unit that controls the supply-side voltage generated in the power supply unit based on a target value of the supply-side voltage calculated by the calculation unit;
    The primary coil and the first resonance capacitor, and the secondary coil and the second resonance capacitor were transmitted from the primary coil to the secondary coil in a state where they were resonated at the same frequency. In addition to supplying power to the load, the voltage control unit controls the supply-side voltage generated by the power supply unit in accordance with a change in the relative positional relationship between the primary coil and the secondary coil. To control the load side voltage supplied to the load to a target value,
    A non-contact power supply system.
  2. 前記演算部は、
    前記式に、前記負荷側電圧の目標値と、前記1次コイルに入力した前記供給側電圧の実効値、前記負荷インピーダンス、前記1次コイルの巻き線抵抗、前記2次コイルの巻き線抵抗、および前記1次コイルに入力した前記供給側電流の実効値を含むパラメータと、を算入することにより、前記負荷に供給される負荷側電圧を所定の目標値とするための前記供給側電圧の目標値を演算すること、
    を特徴とする請求項1に記載の非接触電力供給システム。
    The computing unit is
    In the formula, and the target value of the load voltage, the effective value of the supply-side voltage input to the primary coil, the negative Nii impedance, winding resistance of said primary coil, winding the secondary coil The supply-side voltage for setting the load-side voltage supplied to the load to a predetermined target value by including a resistance and a parameter including an effective value of the supply-side current input to the primary coil Calculating the target value of
    The contactless power supply system according to claim 1.
  3. 前記電力供給部は、
    前記演算部から設定電圧以上の前記供給側電圧の目標値を出力する命令が前記電圧制御部へ出力された場合に、前記供給側電圧の実効値を所定最大値とする保護回路を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の非接触電力供給システム。
    The power supply unit
    A protection circuit that sets the effective value of the supply-side voltage to a predetermined maximum value when a command for outputting a target value of the supply-side voltage that is equal to or higher than a set voltage is output from the arithmetic unit to the voltage control unit; The contactless power supply system according to claim 1 or 2, characterized by the above.
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の非接触電力供給システムと、
    該システムからの電力の供給を受ける、体内埋め込み型の医療装置と、を備える医療システム。
    A contactless power supply system according to any one of claims 1 to 3,
    A medical system comprising: an implantable medical device that receives supply of electric power from the system.
  5. 請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の非接触電力供給システムと、
    該システムから電力の供給を受ける、体内に投入するための医療装置と、を備える医療システム。
    A contactless power supply system according to any one of claims 1 to 3,
    A medical system comprising: a medical device that receives power from the system and that is supplied into the body.
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