JP6124882B2 - 埋め込み型装置用の無線エネルギー伝達 - Google Patents
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Description
振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスL、及び/又はキャパシタンスCをチューニングすることにより変更することができる。一実施形態では、システムパラメータは、最適な動作条件にできる限り近付けるために動的に調整可能又はチューニング可能である。しかしながら、上述の説明に基づき、いくつかのシステムパラメータが可変でないか又はコンポーネントが動的に調整不可能である場合でさえ、十分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。
図3及び図4は、無線エネルギー伝達システムの例示的な供給源のための発電、監視、及び制御コンポーネントを示す高レベルブロック図である。図3は、ハーフブリッジスイッチング電力増幅器と関連の測定、チューニング、及び制御回路のいくつかとを備えた供給源のブロック図である。図4は、フルブリッジスイッチング増幅器と関連の測定、チューニング、及び制御回路のいくつかとを備えた供給源のブロック図である。
D級、E級、F級増幅器等のスイッチング増幅器又はそれらの任意の組み合わせは、増幅器のスイッチング素子上で電力が放散されない場合に最大効率で電力を負荷に送る。この動作条件は、スイッチング素子における電圧及びスイッチング素子を流れる電流の両方がゼロである場合に最も重要なスイッチング動作(すなわち、スイッチング損失につながる可能性が最も高い動作)が行われるように、システムを設計することにより達成され得る。これらの条件は、それぞれゼロ電圧スイッチング(ZVS)条件及びゼロ電流スイッチング(ZCS)条件と称され得る。増幅器がZVS及びZCSで動作する場合、スイッチング素子における電圧又はスイッチング素子を流れる電流のいずれかがゼロであり、したがって、スイッチにおいて電力を放散できない。スイッチング増幅器は、特定の周波数又は周波数範囲で直流(又は超低周波交流)電力から交流電力に変換することができ、フィルターを負荷の前に導入して、スイッチング処理により生成され得る望ましくない調波が負荷に達してそこで消散するのを防止することができる。実施形態では、スイッチング増幅器は、重要な品質係数(例えばQ>5)を有し、且つ同時にZVS及びZCSをもたらす特定のインピーダンスZ0 *=R0−jX0の共振器負荷に接続される場合に、最大の電力変換効率で動作するよう設計され得る。Z0=R0−jX0を増幅器の特性インピーダンスとして定義し、最大送電効率の達成が、共振器負荷を増幅器の特性インピーダンスに整合させるインピーダンスと同等になるようにする。
R0=FR(dc)/ωCa,X0=Fx(dc)/ωCa (1)
を有し、式中、dcは、スイッチング素子のONスイッチ状態のデューティサイクルであり、関数FR(dc)及びFX(dc)は、図7(D級及びE級の両方に対して)に示されており、ωはスイッチング素子が切り替わる周波数であり、Ca=naCswitc(式中、Cswitcは、トランジスタ出力キャパシタンス及びスイッチと並列配置した考えられる外部キャパシタの両方を含む、各スイッチ間のキャパシタンスであり、フルブリッジに関してna=1、ハーフブリッジに関してna=2)である。D級に関して、解析式
FR(dc)=sin2u/π,FX(dc)=(u−sinu×cosu)/π (2)
を記述することもでき、式中、u=π(1−2×dc)であり、デューティサイクルdcが50%に向かって増加するにつれてD級増幅器の特性インピーダンスレベルが低下することを示す。dc=50%のD級増幅器の動作に関して、ZVS及びZCSの達成は、スイッチング素子が出力キャパシタンスを事実上有さず(Ca=0)、負荷がまさに共振状態(X0=0)である一方で、R0が任意であり得る場合にのみ可能である。
諸用途において、駆動された負荷は、それが接続されている外部駆動回路の特性インピーダンスとは全く異なるインピーダンスを有し得る。さらに、駆動された負荷は共振ネットワークではない場合がある。インピーダンス整合ネットワーク(IMN)は、IMN回路及び負荷からなるネットワークの入力において見られるインピーダンスを調節するために、図6Bのように負荷の前に接続され得る回路ネットワークである。IMN回路は、駆動周波数に近い共振を発生させることによりこの調節を通常は達成し得る。かかるIMN回路は、発電機から負荷への送電効率を最大にするために必要な全ての条件(共振及びインピーダンス整合−スイッチング増幅器に関するZVS及びZCS)を達成するので、実施形態では、IMN回路を駆動回路と負荷との間で用いることができる。
負荷が可変であり得る実施形態では、負荷と線形又はスイッチング電力増幅器等の外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、変動負荷を外部回路の固定特性インピーダンスZ0に整合させるように調整され得るIMN回路内の調整可能/チューナブルコンポーネントを用いることにより達成することができる(図6B)。インピーダンスの実数部及び虚数部の両方を整合させるために、IMN回路内の2つのチューナブル/可変素子が必要とされ得る。
Rl(ω)=FR(dc)/ωCa,Xl(ω)=FX(dc)/ωCa (3)
である。
D級電力増幅器802、インピーダンス整合ネットワーク804、及び誘導負荷806の回路レベル構造を示す間に回路図を図8に示す。この概略図は、電源810、スイッチング素子808、及びキャパシタを含むスイッチング増幅器804を備えたシステムの基本的なコンポーネントを示す。インピーダンス整合ネットワーク804は、インダクタ及びキャパシタ、並びにインダクタ及び抵抗としてモデル化された負荷806を備える。
無線電力伝達の用途では、低損失誘導素子は、1つ又は複数の装置共振器又は例えば中継器共振器等の他の共振器に結合した供給源共振器のコイルであり得る。誘導素子のインピーダンスR+jωLは、供給源共振器のコイル上の他の共振器の反射インピーダンスを含み得る。誘導素子のR及びLの変動は、供給源共振器及び/又は他の共振器に近接した外部摂動又はコンポーネントの熱ドリフトに起因して生じ得る。誘導素子のR及びLの変動は、無線送電システムの通常の使用中に、供給源に対する装置及び他の共振器の相対運動に起因して生じる場合もある。供給源に対するこれらの装置及び他の共振器の相対運動、又は他の供給源の相対運動若しくは位置は、供給源への装置の結合の変動(したがって、反射インピーダンスの変動)につながり得る。さらに、誘導素子のR及びLの変動は、無線送電システムの通常の使用中に、それらの負荷の電力消費量(power draw)の変化等の他の結合共振器内の変化に起因して生じる場合もある。この誘導素子を駆動する外部回路に対するこの誘導素子の動的インピーダンス整合を達成するために、これまでに開示した全ての方法及び実施形態がこの場合にも当てはまる。
である。(同様に、装置誘導素子の実効抵抗は
であり、式中、Rdは装置コイルの抵抗である)運動に起因するコイル間の相互インダクタンスの動的変動は、
の動的変動となる。したがって、供給源及び装置の両方が動的にチューニングされる場合、相互インダクタンスの変動は、供給源回路側からは供給源誘導素子抵抗Rの変動として見える。このタイプの変動では、Lが変化しない可能性があるので、共振器の共振周波数は実質的に変化しない可能性があることに留意されたい。したがって、動的インピーダンス整合に関して提示した全ての方法及び例は、無線送電システムの供給源回路に用いることができる。
無線エネルギー伝達システムでは、無線伝達プロセス中に失われたエネルギーの一部が熱として散逸する。エネルギーは、共振器コンポーネント自体内で散逸し得る。例えば、高Q導体及びコンポーネントでさえ多少の損失又は抵抗を有し、これらの導体及びコンポーネントは、電流及び/又は電磁場がそれらを流れる際に加熱し得る。エネルギーは、共振器の周囲の材料及び物体内で散逸し得る。例えば、不完全導体又は誘電体周囲又は共振器の近くで散逸した渦電流が、それらの物体を加熱し得る。それらの物体の材料特性に影響を及ぼすことに加えて、この熱は、導電性、放射性、又は対流性のプロセスで共振器コンポーネントへ伝達され得る。これらの加熱効果のいずれも、共振器Q、インピーダンス、周波数等に、したがって無線エネルギー伝達システムに影響し得る。
無線電力伝達は、病院及び手術室環境で用いることができる。多数の電気及び電子機器を病院及び手術室で用いて、患者の監視、薬物の投与、医療処置の実施、管理及び医療記録の維持等を行う。電気及び電子機器は、多くの場合、移動され、再位置決めされ、患者と共に移動され、又は患者に取り付けられる。頻繁な移動は、装置への電力供給に関連した問題となり得る。移動及び再位置決めの多い機器及び電子装置は、絡まり、引っ張られ、プラグが抜ける、またつまずく危険等をもたらすケーブルに起因して、電力ケーブルの危険及び管理問題を引き起こす可能性がある。直接の電気接続なしで一定期間動作可能なバッテリーバックアップを備えた装置は、頻繁な充電又は装置の使用又は再位置決めのたびにコンセントに対するプラグの挿抜を必要とする。無線電力伝達を用いて、病院及び手術室環境における従来の有線接続の問題及び危険をなくすことができる。
実施形態では、無線電力伝達を用いて、人又は動物に埋め込まれ得る電子装置、機械装置等の装置に電力を送ることができる。機械的循環補助(MCS)装置、心室補助装置(VAD)、埋め込み型除細動装置(ICD)等の埋め込み型装置は、長期間にわたる手術用の外部エネルギー源を必要とし得る。患者及び状況によっては、埋め込み装置には、一定又はほぼ一定の動作が必要であると共に外部電源への接続を必要とする相当の電力需要があり、これには経皮的ケーブル又は患者の皮膚を通して外部電源へ至るケーブルが必要であることで、感染の可能性を高めると共に患者の快適性を低下させる。
Claims (23)
- 患者に埋め込んだ装置に給電する無線エネルギー伝達システムであって、 第1共振周波数を有する高Q供給源共振器であり、前記患者の外部にあり、電源に結合され、且つ実質的に前記第1共振周波数で振動磁場を生成するよう構成される高Q供給源共振器と、
第2共振周波数を有する高Q装置共振器であり、供給電力を必要とする埋め込み型装置に結合され、患者の内部にあり、且つ前記供給源共振器が生成した前記振動磁場を捕捉するよう構成される高Q装置共振器と、
前記装置共振器の温度を測定するよう位置決めした温度センサと、 前記装置共振器の実効インピーダンスを調整するよう当該装置共振器に結合されたチューナブルコンポーネントと、
前記供給源共振器と前記装置共振器との間のエネルギー伝達を改善するよう位置決めされた中継器共振器と、
を備え、
前記無線エネルギー伝達システムは、前記装置共振器での振動電流を減少させることによって前記装置共振器での放熱を減少させるとともに、該放熱を、前記中継器共振器に分配するため、前記温度センサからの温度信号に応じて、前記チューナブルコンポーネントを使用することによって、前記装置共振器の実効インピーダンスをチューニングするように構成され、また、
前記無線エネルギー伝達システムは、前記埋め込み型装置に送られる電力レベルを維持するよう前記供給源共振器の出力電力を増加させるために、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度を調整するよう構成される無線エネルギー伝達システム。 - 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は前記患者の外部にあるものである無線エネルギー伝達システム。
- 請求項2に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は、前記患者が装着可能な衣服に組み込まれるものであり、当該中継器共振器はその放熱のための冷却手段を有する無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は、患者の内部にあるものであるとともに、当該中継器共振器は患者の皮膚の近くに埋め込まれるものであり、また、前記無線エネルギー伝達システムは、当該中継器共振器が患者の皮膚を通して冷却されるよう、患者に装着される外部冷却パック又はパッドを有する無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器と、前記供給源共振器と前記装置共振器との間の無線エネルギー伝達を改善するよう位置決めした少なくとも1つの付加的な中継器共振器をさらに備え、前記システムは、放熱を前記中継器共振器と前記少なくとも1つの付加的な中継器共振器とに分配するように設計されている無線エネルギー伝達システム。
- 請求項5に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は、前記供給源共振器の位置範囲にわたって該供給源共振器と前記装置共振器との間に実質的に均一なエネルギー伝達を提供するよう位置決めされる無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記中継器共振器は少なくとも1つのリッツワイヤループを含む無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器及び前記装置共振器はQ>100を有する無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記無線エネルギー伝達システムは、前記第2共振周波数を前記第1共振周波数よりも高い周波数に変更するために前記チューナブルコンポーネントを調整するよう構成される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記無線エネルギー伝達システムは、前記第2共振周波数を前記第1共振周波数よりも低い周波数に変更するために前記チューナブルコンポーネントを調整するよう構成される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記無線エネルギー伝達システムは、前記装置共振器の温度を50℃未満に維持するために前記チューナブルコンポーネントを調整するよう構成される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントはキャパシタである無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記チューナブルコンポーネントはインダクタである無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記装置共振器は、前記装置共振器のコンポーネントの温度と該コンポーネントの温度の傾向とを連続的に監視し、且つ前記装置共振器の温度を安定させるために、前記コンポーネントの値と少なくとも1つの周波数とを調整するよう構成される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度は、前記供給源共振器の駆動電圧を変更することにより調整される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度は、前記供給源共振器の駆動電流を変更することにより調整される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記装置共振器は、該装置共振器の温度が安定するまで、徐々に離調される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項17に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、周波数は1%以上で離調される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項17に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、周波数は1kHz以上の単位で離調される無線エネルギー伝達システム。
- 請求項1に記載の無線エネルギー伝達システムにおいて、前記供給源共振器、前記中継器共振器又は両方に対して能動冷却システムを備える無線エネルギー伝達システム。
- 患者に埋め込んだ装置に給電する無線エネルギー伝達方法において、
第1共振周波数を有する高Q供給源共振器であって患者の外部にあるとともに電源に結合される当該供給源共振器を使用して実質的に前記第1共振周波数で振動磁場を生成するステップと、
第2共振周波数を有する高Q装置共振器であって患者の内部にあるとともに電源を必要とする埋め込み型装置に結合される当該装置共振器を使用して前記供給源共振器が生成する振動磁場を補足するステップと、
前記装置共振器に関連した温度センサを使用して当該装置共振器の温度を測定するステップと、
前記装置共振器での振動電流を減少させることによって前記装置共振器での放熱を減少させ、且つ前記供給源共振器と前記装置共振器との間のエネルギー伝達を改善するために位置決めした中継器共振器に放熱を分配するために、前記測定に起因する温度信号に応じて前記装置共振器の実効インピーダンスをチューニングするよう前記装置共振器に結合したチューナブルコンポーネントを調整するステップと、
前記埋め込み型装置が捕捉した電力レベルを維持するよう前記供給源共振器の出力電力を増加させるために、前記供給源共振器が生成した前記振動磁場の強度を調整するステップと、
を備える無線エネルギー伝達方法。 - 請求項21の無線エネルギー伝達方法において、前記装置共振器のコンポーネントの温度と該コンポーネントの温度の傾向とを連続的に監視するステップと、
前記装置共振器の温度を安定させるために、前記コンポーネントの値及び少なくとも1つ以上の周波数を調整するステップと
を備える無線エネルギー伝達方法。 - 請求項21の無線エネルギー伝達方法において、前記供給源共振器、前記中継器共振器又は両方を冷却するステップを備える無線エネルギー伝達方法。
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