JP6466961B2 - 医療用バッテリ - Google Patents

Description

本発明は、医療機器への電力供給等に使用可能な医療用バッテリに関する。

近年、医療機器のワイヤレス化が進行しており、バッテリで電力を供給するタイプの処置具が提案され始めている。
その際、一般的には単位質量あたりのエネルギー密度が高いリチウムイオンバッテリが活用されることが予想される。リチウムイオンバッテリは、高熱にさらされると電池性能が劣化する可能性があるため、高温条件を必要としないエチレンオキサイドガス（ＥＯＧ）減菌等の滅菌処理が施される。

医療用途では、バッテリであってもオートクレーブ等の高圧蒸気滅菌を施せることが望ましい。しかし、オートクレーブ減菌は１３５℃、２．２気圧程度の蒸気条件で２０分間程度行われることがあるため、これらの環境への対策の施されていないバッテリを装着したままの医療機器がオートクレーブ減菌されると、装着されているバッテリの電池性能が劣化する可能性がある。
したがって、耐熱性に優れた医療用バッテリの供給が望まれている。

バッテリの耐熱性を高める構成として、特許文献１に記載のものが提案されている。特許文献１においては、バッテリ手段を熱伝導低減手段で取り囲んでバッテリユニットとし、バッテリユニットの外表面にバッテリ手段の正電極及び負電極と電気的に接続される電極部材が配置されている。

特許第４５５４２２２号公報

特許文献１に記載のバッテリユニットは、熱伝導低減手段により耐熱性が高められているものの、高温環境にさらされる外表面に電極部材が配置され、かつ前記電極部材と接続された熱伝導性の高い内部の配線等と物理的及び熱的に接続されている。そのため、外部の高温が電極部材から配線等に伝導し、バッテリユニットの内部に伝わって、バッテリユニット内部の温度が上昇してしまう。
すなわち、特許文献１に記載のバッテリユニットには、耐熱性において改善の余地がある。

上記事情を踏まえ、本発明は、高温環境にさらされても好適に使用可能な医療用バッテリを提供することを目的とする。

本発明は、充電及び放電可能なバッテリセルと、前記バッテリセルに接続され、外部の電極と非接触状態で電気的に接続される第一電極及び第二電極と、前記バッテリセルと前記第一電極及び前記第二電極を含むバッテリ回路内に設けられ、前記バッテリ回路内に流れる電流を交流または直流に切り替える切替部と、前記バッテリセル、前記第一電極、前記第二電極、及び前記切替部を内部に密閉収容する絶縁性の筐体と、前記筐体の内面と前記第一電極との間、及び前記筐体と前記第二電極との間に配置された蓄熱部とを備える医療用バッテリである。

本発明の医療用バッテリは、高温環境にさらされても好適に使用することができる。

本発明の第一実施形態の医療用バッテリを示す斜視図である。 同医療用バッテリの断面図である。 同医療用バッテリ及び充電器を示す斜視図である。 同充電器の模式的部分断面図である。 充電時における回路図である。 同医療用バッテリが装着される処置具を示す斜視図である。 同処置具への放電時における回路図である。 同医療用バッテリの変形例における断面図である。 同医療用バッテリの別の変形例における断面図である。 本発明の第二実施形態の医療用バッテリを示す断面図である。 本発明の第三実施形態の医療用バッテリを示す断面図である。 本発明の第四実施形態の医療用バッテリを示す断面図である。 本発明の医療用バッテリの別の変形例を示す斜視図である。 同医療用バッテリの別の変形例を示す斜視図である。

本発明の第一実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
図１は、本実施形態の医療用バッテリ（以下、単に「バッテリ」と称する。）１を示す斜視図である。バッテリ１は、自身の外面を構成する絶縁性の筐体１０と、筐体１０内に配置された第一電極２１及び第二電極２２とを備えている。

筐体１０は、中空であり、絶縁性の材料で形成されている。筐体１０を形成する材料としては、樹脂が好適である。バッテリ１は医療用であるため、オートクレーブ時に曝露される上述の高温高圧環境に十分耐えうるもの、例えば、フッ素樹脂、フッ素ゴム、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等を材料として用いることができる。筐体１０を形成する絶縁性材料の誘電率は２以上であるのが好ましい。誘電率が２以上である高誘電率の材料で筐体１０を構成すると、後述する送受電時に発生する静電容量を大きくすることができ、送受電時に電極にかかる電圧値を低下させることができる。
筐体１０は、上述のオートクレーブ等にも耐えうるよう、当然、完全なる密閉性（気密性）を保つ。

図２は、バッテリ１の断面図であり、図１に示す右側面１３側から見た状態を示している。筐体１０の内部には、充電及び放電可能なバッテリセル２３と、第一電極２１及び第二電極２２と電気的に接続された切替部２４が密閉収容されている。第一電極２１、第二電極２２、バッテリセル２３、及び切替部２４は、配線２５で接続されておりバッテリ回路を形成している。
切替部２４には、機能が二つある。機能の一つはこのバッテリ回路内を流れる電流の交流／直流を切り替えること、もう一つは交流電流をバッテリ外に放電するか、直流電流によりバッテリセルを充電するかを切り替えることである。これにより、切替部２４よりバッテリセル２３側は直流電流が流れ、第一電極２１及び第二電極２２側は交流電流が流れ、放電と充電のモードが切り替えられる。
なお、充放電のモード切り替え機能を有さなくても、例えば放電のみ可能なディスポーザブルのバッテリとして使用可能である。

バッテリセル２３としては、充電及び放電可能であればよく、例えばリチウムイオン電池セル等の公知の各種構造のバッテリセルを適宜選択して用いることができる。
第一電極２１及び第二電極２２は、導体で面状に形成されている。第一電極２１及び第二電極２２を形成する材料としては、例えば金属箔等を挙げることができる。
切替部２４については、ＤＣ／ＡＣ変換機能を有するものであれば特に制限はなく、バッテリ１のサイズ等を考慮して公知のコンバータ回路等を適宜選択することができる。

筐体１０の内面には、蓄熱機能を有する蓄熱部３１が設けられている。本実施形態において、蓄熱部３１は、筐体１０の内面をすべて覆うように配置されている。面状の第一電極２１及び第二電極２２は、蓄熱部３１のうち筐体１０の正面１１及び背面１２を覆う領域上に配置されており、第一電極２１及び第二電極２２と筐体１０との間に蓄熱部３１が介在している。
蓄熱部３１を形成する材料としては、以下の条件を満たす限り特に制限はない。すなわち、第一電極２１及び第二電極２２を筐体１０の内面に直接取り付けた状態と比較して、バッテリ１の外側から筐体１０に加えられる熱が第一電極２１及び第二電極２２に伝わる量を減少させることができればよい。例えば、公知の各種の顕熱蓄熱材、潜熱蓄熱材、及び化学蓄熱材等を適宜選択して用いることができる。
上記のような構成により、バッテリ１は、外面全体を絶縁性の筐体１０が覆い、端子や電極等の導電性部材が一切外面に露出しないように構成されている。

次に、バッテリ１の使用時の動作について説明する。
図３には、バッテリ１を充電するための充電器１００を示している。充電器１００はバッテリ１を収容可能な凹部１０１を有しており、凹部１０１を含めた充電器１００の外面全体が樹脂等の絶縁性の材料で覆われるように形成されている。
図４は、充電器１００の断面を模式的に示す図である。充電器１００は、面状の第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３を備えている。第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３は、凹部１０１の内面のうち、対向する二面に沿い、かつ露出しないように配置されている。

バッテリ１を充電する際、使用者は、第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３が配置された二面と、第一電極２１及び第二電極２２が配置された正面１１及び背面１２とが対向するように、バッテリ１を凹部１０１内に装填する。
図５は、バッテリ１が上述のように凹部１０１内に装填された状態を示す回路図である。第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向することにより、対向する電極同士が非接触状態で容量結合（電界結合）してバッテリ１と充電器１００とを含む閉回路が形成される。筐体１０及び蓄熱部３１の厚みは、上述の容量結合が可能となるように予め設定しておく。図５において、符号１０４は電源回路であり、符号１０５は、充電器１００からバッテリ１に送電する電流の態様を調節するための送電回路である。
上述の回路が形成された状態で、充電器１００から高周波の交流電流を供給すると、容量結合された電極を経由してバッテリ１に送電することができる。充電器１００から送られた交流電流を切替部２４により直流電流に変換することで、バッテリセル２３を充電することができる。

充電器１００から供給されるのは交流電流であるため、第一送電電極１０２及び第二送電電極１０３と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向してさえいれば、個々の電極の対応関係は問題とならず、どのような対応関係でも充電を行うことができる。すなわち、第一電極２１は、第一送電電極１０２と対向配置されてもよいし、第二送電電極１０３と対向配置されてもよい。

バッテリ１を充電した後は、医療機器に装着して電源として使用することができる。図６には、医療機器の一例として、硬性の挿入部２０１と、挿入部２０１の先端部に設けられた処置部２０２とを備えた処置具である把持鉗子２００を示している。対象となる医療機器は処置具には限られず、通電して使用するものであれば特に制限なく適用可能である。

把持鉗子２００のハンドル２０３には、バッテリ１を収容するための凹部２０４が設けられている。凹部２０４の形状は充電器１００の凹部１０１と同様であってよい。把持鉗子２００は、第一受電電極及び第二受電電極の受電用の一対の電極を備えている。図６では図示を省略しているが、第一受電電極及び第二受電電極は、凹部２０４の内面のうち、対向する二面に沿い、かつ外部に露出しないように配置されている。

図７は、把持鉗子２００に対してバッテリ１が放電を行うときに形成される回路の回路図である。上述した第一受電電極２１１及び第二受電電極２１２と、第一電極２１及び第二電極２２とが対向することにより、対向する電極同士が容量結合される点は充電時と同様である。バッテリ１から放電する際は、バッテリセル２３から取り出された直流の電流を、切替部２４により交流電流に変換し、把持鉗子２００に送電する。把持鉗子２００では、バッテリ１から供給された交流電流を受電回路２０５で適宜調節し、負荷である処置部２０２に供給する。

適用される医療機器が、高周波電流を用いる高周波処置具等の場合は、供給された交流電流を、電圧や電流値等のみ受電回路２０５で調節して交流電流のまま使用してもよい。医療機器が光源の点灯等のために直流電流を用いる場合は、受電回路２０５にコンバータ回路等を適宜設け、供給された交流電流を直流電流に変換できるように構成すればよい。

以上説明したように、本実施形態のバッテリ１は、充電器等の充電機構、及び医療機器等の放電機構のいずれに対しても、金属等の導体で形成された端子等を介さずに電気的に接続することができる。したがって、外面全体が絶縁性の筐体１０で覆われる構成でありながら、受電及び送電を行うことが可能であり、好適にバッテリとして使用することができる。

また、筐体１０の内面と第一電極２１及び第二電極２２との間に蓄熱部３１が設けられているため、バッテリ１が高温の環境にさらされた場合に、筐体１０に加わった熱の多くが蓄熱部３１に吸収される。その結果、第一電極２１及び第二電極２２伝達した熱が配線２５を経由した伝導や、筐体１０からの直接輻射等によるバッテリセル２３の温度上昇が抑制される。
さらに、バッテリ１は、導体で形成されて外表面に露出し、かつ内部機構と配線等の導体で接続される端子等のような部位を有さないため、バッテリ１が高温の環境にさらされた場合に、端子等から内部に熱が伝導することもない。
加えて、断熱材料のみで第一電極２１及び第二電極２２への熱伝導を抑制する場合に比べ、蓄熱部３１は薄く構成しても高い熱伝導抑制効果を得ることができるため、容量結合可能にバッテリ１を設計することも容易となる。

以上の作用により、バッテリ１の耐熱性は著しく向上されている。したがって、例えば、把持鉗子２００をオートクレーブ滅菌する際に万一バッテリ１を装着したまま行ってしまっても、電池性能が劣化しにくい。バッテリ１は、医療用バッテリとして好適に使用することができる。
ただし、通常のバッテリとは異なり、バッテリ１への入力および出力は全て交流となる。交流としての周波数は、１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚ程度の高周波帯の周波数が好ましい。

本実施形態では、蓄熱部が筐体の内面全体を覆うように配置された例を説明したが、蓄熱部を設ける態様はこれには限られない。例えば、図８に示すように、筐体１０の内面のうち、第一電極２１及び第二電極２２が配置される正面１１及び背面１２のみを覆うように蓄熱部３１が配置されてもよい。

また、蓄熱部３１は、図９に示す変形例のように、第一電極２１及び第二電極２２に加えて切替部２４に接していてもよい。このように構成すると、第一電極２１、第二電極２２、及び切替部２４が発熱するようなことがあった場合でも、蓄熱部３１が熱を吸収するため、発生した熱が配線２５を伝ってバッテリセル２３に伝わることを抑制することができる。

次に、本発明の第二実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態のバッテリ５１と、上述のバッテリ１との異なるところは、蓄熱部の構成である。以降の説明において、既に説明したものと同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１０は、バッテリ５１の断面図である。本実施形態の蓄熱部５２は、断熱材料５２ａを含んで形成されている。断熱材料の種類には特に制限はなく、公知の各種断熱材料から、蓄熱部５２に用いる蓄熱材との適合性等を考慮して適宜選択することができる。また、断熱材料の形状にも特に制限はない。図１０では、粒子状の断熱材料を示しているが、例えば断熱材料と蓄熱材料を混合して一体化したものや、或いは断熱材料と蓄熱材料を層状に形成し、例えば蓄熱材料と第一電極２１及び第二電極２２との間に断熱材料を配置してもよい。

本実施形態のバッテリ５１によれば、蓄熱部５２が、断熱材料５２ａを含んで形成されているため、バッテリセル２３の温度上昇をより確実に防ぐことができる。

次に、本発明の第三実施形態について、図１１を参照して説明する。図１１に断面で示すように、本実施形態のバッテリ６１においては、筐体１０の内部に断熱材料が充填されている。すなわち、蓄熱部３１とは別に、バッテリセル２３の周囲に断熱部６２が設けられている。

本実施形態のバッテリ６１によれば、蓄熱部３１の蓄熱量以上の熱が筐体１０に加わった場合も、熱がバッテリセル２３に伝達することが抑制されるため、さらに耐熱性の高い構造とすることができる。また、断熱部６２がバッテリセル２３や切替部２４等を支持するため、筐体１０内においてバッテリセル２３や切替部２４等の位置や姿勢が変化することによる意図しない熱伝導等についても抑制することができる。
また、本実施形態の断熱部６２は、蓄熱材料で形成されてもよい。断熱部６２を蓄熱材料で形成することで、バッテリセルの温度上昇抑制効果を更に高めることができる。

次に、本発明の第四実施形態について、図１２を参照して説明する。図１２に断面で示すように、本実施形態のバッテリ７１においては、第一電極２１及び第二電極２２とバッテリセル２３とを接続する配線７２が、蛇行するように配置されることにより、所定の長さ以上に設定されている。

配線による熱伝導を抑える場合、一般に配線径を細くする方法が取られるが、本発明のバッテリを使用する場面として、高周波処置具といった電流量が大きい装置への適用を考えた場合、電気抵抗による配線自体の発熱を避けるために、使用電流量に応じて配線径を細くする方法に限界が生じることがある。
本実施形態のバッテリ７１によれば、配線７２の長さが所定の長さ以上に設定されているため、第一電極２１及び第二電極２２に伝達した熱が配線７２を伝ってバッテリセル２３に伝わるまでの時間を長くすることができる。その結果、配線７２の径を一定に保って単位長さあたりの電気抵抗を上昇させずに、バッテリセル２３に対する熱の影響を抑制することができる。
本実施形態において、配線７２の所定の長さは適宜設定することができるが、例えば、バッテリセルの長手方向が４ｃｍの場合は、８ｃｍ以上あることが好ましい。所定の長さはバッテリセルのサイズにも依存するが、バッテリセル長手方向を往復する長さや、フットプリントを一周する長さで十分である場合がある。また、蛇行による短絡を防ぐため、配線７２に絶縁性の被覆が施されることが好ましい。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

例えば、上述の各実施形態では、第一電極及び第二電極が面状に形成され、容量結合により充電器等と接続される例を示した。これに代えて、第一電極及び第二電極をまとめて一つのコイル状に形成することができ、電磁誘導や磁気共鳴方式等の、磁界を用いた結合により充電器等と非接触状態で電気的に接続されてもよい。この場合は、送受電の際にコイル状電極の発熱が考えられるため、コイル状電極とバッテリセルとの間に、両者と接触するように蓄熱部を設けることが好ましい。

上述の各実施形態において、切替部による充電と放電の切り替えは、バッテリが接続された機器を識別する等により自動で行われてもよいし、使用者が切り替え態様を指定する構成としてもよい。後者の場合、切り替えのためのスイッチを筐体内部の密閉を保った上でバッテリの外面上に設けてもよい。

また、バッテリの外形についても、上述の各実施形態で示した直方体に限られるものではない。したがって、図１３に示す変形例のバッテリ８１のような、底面が楕円形の柱状や、図１４に示す変形例のバッテリ９１のような円柱状等の、直方体以外の形状であってもよい。

さらに、外形に応じて第一電極及び第二電極の配置も適宜設定することができる。バッテリ８１では、断面の楕円における短軸方向の両側に第一電極８２及び第二電極８３を配置している。このような配置であれば、充電器や医療機器等に設けられた凹部にどのような幾何方向で装填しても、送受電を行うことが可能である。すなわち、上面８４及び底面８５のいずれから凹部に挿入しても構わない。
また、回路構成上、本発明のバッテリは交流電流を出力するため、バッテリに極性がない。したがって、第一電極８２及び第二電極８３の方向を気にする必要もない。

バッテリ９１では、第一電極９２及び第二電極９３を、円柱形状の軸線Ｘ１方向に並べ、かつ周方向における位相を同じくして配置している。このような配置の場合、上面９４及び底面９５のいずれから凹部に挿入しても構わない点はバッテリ８１と同様であるが、装填の仕方によって、充電器等に設けられた電極と第一電極９２及び第二電極９３とが対向しない可能性がある。これを防ぐには、例えばバッテリ及び充電器等の一方にキーを設け、かつ他方にキーと係合するキー溝を設ける等により、バッテリが充電器等に装填される際に、必ず所定の状態となるようにすればよい。他の方法として、バッテリ及び充電器等の少なくとも一方に設ける電極を、周方向全体にわたるように配置しても、装填時に充電器等に設けられた電極とバッテリの電極とを確実に対向させることができる。

本発明は、医療用のバッテリに適用することができる。

１、５１、６１、７１、８１、９１ 医療用バッテリ
１０ 筐体
２１、８２、９２ 第一電極
２２、８３、９３ 第二電極
２３ バッテリセル
２４ 切替部
３１、５２ 蓄熱部
５２ａ 断熱材料
６２ 断熱部
７２ 配線

Claims (9)

1. 充電及び放電可能なバッテリセルと、
   前記バッテリセルに接続され、外部の電極と非接触状態で電気的に接続される第一電極及び第二電極と、
   前記バッテリセルと前記第一電極及び前記第二電極を含むバッテリ回路内に設けられ、前記バッテリ回路内に流れる電流を交流または直流に切り替える切替部と、
   前記バッテリセル、前記第一電極、前記第二電極、及び前記切替部を内部に密閉収容する絶縁性の筐体と、
   前記筐体の内面と前記第一電極との間、及び前記筐体の内面と前記第二電極との間に配置された蓄熱部と、
   を備える医療用バッテリ。
2. 前記蓄熱部は、前記筐体の内面全体を覆うように配置されている、請求項１に記載の医療用バッテリ。
3. 前記蓄熱部は、前記第一電極、前記第二電極、及び前記切替部と接触している、請求項１または２に記載の医療用バッテリ。
4. 前記蓄熱部は、断熱材料を含んで形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の医療用バッテリ。
5. 前記第一電極及び前記第二電極は面状に形成されており、容量結合により前記外部の電極と電気的に接続される、請求項１から４のいずれか一項に記載の医療用バッテリ。
6. 前記筐体は、誘電率２以上の材料で形成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の医療用バッテリ。
7. 前記バッテリセルの周囲に設けられた断熱部をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の医療用バッテリ。
8. 前記切替部は、充電または放電のモードを切り替える、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の医療用バッテリ。
9. 前記第一電極及び前記第二電極と前記バッテリセルとを接続する配線が前記バッテリセルの長手方向における前記バッテリセルの長さの２倍以上の長さである、請求項１から８のいずれか一項に記載の医療用バッテリ。

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