JP6535825B1 - 磁気刺激装置 - Google Patents

Abstract

導体の構造を工夫することにより、導体自体の発熱を抑制することでその皮膚接触面の昇温を抑制することができる磁気刺激装置を提供する。【解決手段】磁気刺激装置Ａは、コア本体２１と、コア本体２１から同方向に伸びた一対の脚部２２・２６とでＵ字形に形成された磁性体コア２０と、脚部２２・２６それぞれの周囲に巻設され、且つ多段に積み重ねられた導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎからなる導体１２・１６とで構成されている。導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎにそれぞれ用いられる線材は、脚部２２・２６の長手方向に平行なその断面が四角形で、且つ前記脚部２２・２６のそれぞれにおいて並列接続されている。脚部２２・２６間では、一方の脚部２２の各導体層１２ａ〜１２ｎを構成する線材が、他方の脚部２６の各導体層１６ａ〜１６ｎを構成する線材に、各段毎にそれぞれ接続されている。

Description

本発明は、末梢神経、或いは大脳皮質運動野を繰り返し磁気刺激する際に、磁性体コア及び冷却機構を有するコイルを使用することで、磁気刺激効果を高める装置に関する。

現在、脳血管障害の後遺症や脊髄損傷により四肢に麻痺を有する患者は２００万人に達しており、日本の年齢構成の推移によって、その数は更に増加している。麻痺が長期間継続すると、廃用症候群によって筋肉の機能が著しく低下し、回復が困難な状態になる。片麻痺や四肢麻痺による廃用症候群を防止し、筋肉の機能を積極的に回復させるために運動療法によるリハビリテーションは最も重要な治療法とされている。

同様に、日本の年齢構成の推移により、脳血管障害の後遺症や高齢化による嚥下障害が社会問題となっている。現在、国内死因第３位である肺炎の大多数は、嚥下障害を原因とする誤嚥性肺炎である。この嚥下障害のリハビリテーション方法としても、嚥下に関連する筋を反復的に動かす運動療法によるリハビリテーションが主流である。

一方、運動療法によらないリハビリテーション方法として、末梢神経や大脳皮質運動野を電気的に刺激して筋肉の運動を誘発する手法が知られている。電気的な刺激方法として、経皮電気的神経刺激ＴＥＮＳが広く用いられている。この原理は外部から電気的に運動神経を刺激することで、手足の筋の収縮を誘発し、運動機能を回復させるものである。同様に嚥下障害のリハビリテーション機器として、顎下の筋に電気的刺激を与えて嚥下関連筋の収縮を誘発する医療機器が近年開発されている。電気刺激によって大きな筋収縮を得るためには、強い電気刺激を必要とする。強い電気刺激は、感電と同等であり強い不快感や痛みを伴う。この不快感および痛みを和らげるために周波数や波形を改良するなど様々な研究が行われているが根本的な解決にはいたっていない。

電気刺激に伴う疼痛は皮膚の表面近くに分布する痛覚神経によって感知される。従って、刺激電極を皮下に埋め込むことにより電気刺激の疼痛を緩和できる。しかしながら、埋め込み電極は常に信号線を体外に出しておく必要があるので、傷口からの細菌感染という大きな問題を伴う。

接触電極を用いないで、神経を電磁気的に刺激する他の方法に磁気刺激法がある。これは、体表の近くに置いたコイルにパルス電流を流し、コイルから発生する磁束により体内に生じる誘導電流で、神経を刺激して筋肉を動かす方法である。この磁気刺激法は電極を貼り付ける、或いは埋め込むなどの工程が不要であり、加えて感電のような不快感や痛みがほとんどない。

この理由で、前記電気刺激法に比べて強い刺激が可能であり、大きな筋収縮が得られる利点がある。このため、磁気刺激は、病気の診断・治療への応用が進んでおり、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ：Ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）として実用化されている。特に磁気刺激を反復するＴＭＳと運動療法の組み合わせはリハビリテーションの効果が大きい（非特許文献１、２）。

磁気刺激による筋収縮作用を活用する発明に、特許文献１の尿失禁治療装置がある。この装置は椅子或いは体に固定した磁気刺激用コイルから０．０１〜３テスラのパルス磁場を１〜１００Ｈｚで発生させることによって、膀胱括約筋の周期的な収縮を繰り返すことで、尿失禁治療を行うものである。

尿失禁治療のように単純な筋収縮ではなく、指或いは腕を磁気刺激によって連続的に曲げる技術は特許文献２に示されており、１０ミリ秒間隔で磁気パルスを繰り返して腕の神経を磁気刺激すると、パルス数の増加とともに腕が曲がる距離も増すことが示されている。

磁気刺激の効果は、磁気刺激の繰り返し回数とともに増加する。しかしながら磁気刺激を起こすには、コイルに数百アンペア以上の大電流を流す必要がある。このために連続パルスによる磁気刺激はコイルの発熱・温度上昇が激しく、パルス数を増やすことができないという問題がある。このコイルの発熱が連続磁気刺激を行うための大きな技術的制約となっている。

磁気刺激用コイルの発熱を低減するには、少ない電流で強い磁界が得られる磁性体コア（磁心）付きコイルの使用が有効である。このために経頭蓋磁気刺激用の磁性体コア付き磁気刺激用コイルに関する特許出願がなされている。特許文献３はＯ型磁心の一部を切断し、対向する部分を細くしてそこにコイルを巻くことにより収束磁界を得る磁気刺激装置が開示されている。

上記特許文献２の改良型として、特許文献４は巻線の内側に形成される空間に磁性体を配置した磁気刺激装置を開示している。また、特許文献５には高透磁率の半円から馬蹄形磁心にコイルを巻いてコイルの発熱を少なくし、脳の磁気刺激を行う経頭蓋骨磁気刺激の技術が記載されている。これと類似した形状の磁性体コアに、透磁率や飽和磁束密度の高い強磁性体を使用する技術が特許文献６に示されている。

特許文献７には、高周波コイルの常套手段である細いリッツ線を束ねてコイルを巻くことにより、コイルの発熱を低減する技術が記載されている。しかしながら、リッツ線は導電部分の断面積に対する絶縁部分（コイル間の隙間部分も含む）の断面積の占める割合が高く、リッツ線自体の断面積から考えると電気抵抗が高くなること、熱伝導率の悪い素材で絶縁されたリッツ線を多重に巻きつけるため、コイル部分が多重断熱状態になり、内側に巻かれた部分からの熱が外部に逃げにくいことなどによりコイル部分の温度が許容値以上になる。
このような熱の問題点を抱えつつも連続磁気刺激によれば強い磁気刺激効果が得られるので、指や手足の筋肉の大きな運動を誘発できるというメリットを有する。

そこで、発明者らは、コイルの発熱は避けることができないものとして特許文献８に開示するような方法をとった。

医歯薬出版（株）「磁気刺激法の基礎と応用」、出江著、脳血管障害、Ｐ．１９８ 中央法規出版（株）「回復する身体と脳」、出江著、磁気刺激により麻痺が改善した例、Ｐ．１８３

特開平１０−２３４８７０号公報 特開２０１０−１６６９７１号公報 特開平７−１７１２２０号公報 特開平８−５２２３１号公報 特表２０００−５０４９６６号公報 特表２００１−５２５９４７号公報 特開２００２−３０６６１４号公報 特開２０１６−２８６４０号公報

特許文献８に開示する手段は、磁性体コア、コイルとして働く導体そのもの、及び磁性体コアとケーシングの皮膚接触面との間を空冷することによって、ケーシングの皮膚接触面の昇温を抑制しようとするものである。装置構成の概略は、図１０に示す通りで、幅広の断面四角形の素材（銅帯材の一例：断面形状０．８×９ｍｍ）で形成された導体１２０・１６０がＵ字形コア２００の脚部２２０・２６０に縦方向（銅帯材の長手方向が脚部２２０・２６０の長手方向に沿う方向）に巻き付けられている。この時点では、通電時の導体１２０・１６０の発熱原因が不明であったので、冷却用間隙３００を設けて導体１２０・１６０及びＵ字形コア２００の脚部２２０・２６０を冷却する方法で昇温問題を解決しようとした。

しかしながらこの方法では、導体１２０・１６０間に前記冷却用間隙を必要とすること、換言すれば、冷却用間隙の分だけ装置が大きくなることや、導体１２０・１６０全体の面積効率(導体全体の断面積当たりの導電部分の占める割合)が低下するという問題点や、冷却用気体をケーシングに供給するための冷却機構（例えば、冷却ファンや冷却気体供給チューブ）が必要であり、冷却ファンの分だけ重くなったり、チューブの存在により使い勝手が悪くなるという問題が生じた。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、導体の構造を工夫することにより、導体自体の発熱を抑制することでその皮膚接触面の昇温を抑制することができる磁気刺激装置を提供することをその課題とする。

請求項１は、本発明の磁気刺激装置Ａ（図１〜図５）の導体１２・１６の第１の構造（多段渦巻構造；第１実施例）に関し、
コア本体２１と、該コア本体２１から伸びた一対の脚部２２・２６とで形成された磁性体コア２０と、前記脚部２２・２６それぞれの周囲に巻設され、且つ多段に積み重ねられた導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎからなる導体１２・１６とで構成され、
前記導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎにそれぞれ用いられる線材は、前記脚部２２・２６の長手方向に平行なその断面が四角形であり、
前記一対の脚部２２・２６間では、一方の脚部２２の各導体層１２ａ〜１２ｎを構成する線材が、他方の脚部２６の各導体層１６ａ〜１６ｎを構成する線材に、各段毎にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

請求項２は、請求項１に記載の磁気刺激装置Ａ（図４）の第１の結線方法に関し、
一方の脚部２２に多段に巻設された導体層１２ａ〜１２ｎにおいて、該脚部２２の先端２８に近い第１層１２ａは、前記他方の脚部２６に多段に巻設された導体層１６ａ〜１６ｎで、該脚部２６の先端２８に近い第１層１６ａに接続され、且つ第２層以下、第ｎ層に至るまで順次、同じ層同士が接続されていることを特徴とする。

請求項３は、請求項１に記載の磁気刺激装置Ａ（図５）の第２の結線方法に関し、
一方の脚部２２に多段に巻設された導体層１２ａ〜１２ｎにおいて、該脚部２２の先端２８に近い第１層１２ａは、前記他方の脚部２６に多段に巻設された導体層１６ａ〜１６ｎで、該脚部２６のコア本体２１に最も近い第ｎ層１６ｎに接続され、
前記一方の脚部２２のコア本体２１に最も近い第ｎ層１２ｎは、前記他方の脚部２６に多段に巻設された該脚部２６の先端２８に近い第１層１６ａに接続され、
前記一方の脚部２２の第２層１２ｂから第（ｎ−１）層１２（ｎ−１）は、前記他方の脚部２６の第（ｎ−１）層１６（ｎ−１）から第２層１６ｂに逆順に接続されていることを特徴とする。

請求項４は、本発明の磁気刺激装置Ａ（図１〜図３、図６、図７）の導体１２・１６の第２の構造（多重コイルスプリング状構造：第２実施例）に関し、
コア本体２１と、該コア本体２１から伸びた一対の脚部２２・２６とで形成された磁性体コア２０と、前記脚部２２・２６それぞれの周囲に、その直径又はその寸法を違えて多重に巻設された導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎからなる導体１２・１６とで構成され、
前記導体１２・１６に用いられる線材は、前記脚部２２・２６の長手方向に平行なその断面が四角形であり、
前記一対の脚部２２・２６間では、一方の脚部２２の各導体層１２ａ’〜１２ｎ’を構成する線材が、他方の脚部２６の各導体層１６ａ’〜１６ｎ’を構成する線材に、内外の各層毎にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

請求項５は、請求項４に記載の磁気刺激装置Ａの第１の結線方法（図６）に関し、
一方の脚部２２に多重に巻設された導体層１２ａ’〜１２ｎ’において、該脚部２２に近い最内層の第１層１２ａ’は、前記他方の脚部２６に多重に巻設された導体層１６ａ’〜１６ｎ’で、該脚部２６に近い最内層の第１層１６ａ’に接続され、且つ第２層１２ｂ’・１６ｂ’以下、第ｎ層１２ｎ’・１６ｎ’に至るまで順次、同じ層同士が接続されていることを特徴とする。

請求項６は、請求項４に記載の磁気刺激装置Ａの第２の結線方法（図７）に関し、
一方の脚部２２に多重に巻設された導体層１２ａ’〜１２ｎ’において、該脚部２２に近い最内側の第１層１２ａ’は、前記他方の脚部２６に多重に巻設された導体層１６ａ’〜１６ｎ’で、該脚部２６のコア本体２１の最外層の第ｎ層１６ｎ’に接続され、
前記一方の脚部２２のコア本体２１の最外層の第ｎ層１２ｎ’は、前記他方の脚部２６に多重に巻設された該脚部２６の最内側の第１層１６ａ’に接続され、
前記一方の脚部２２の第２層１２ｂ’から第（ｎ−１）層１２（ｎ−１）’は、前記他方の脚部２６の第（ｎ−１）層１６（ｎ−１）’から第２層１６ｂ’に逆順に接続されていることを特徴とする。

本発明の磁気刺激装置Ａは、上記構成により後述する理由で導体１２・１６の発熱量が抑制される。その結果、これを用いて治療を行うと、磁性体コア２０が収納されたケーシング１の患部接触面９の温度を、治療に必要な時間（例えば、２〜３分以上）の間、安全な温度域に保つことが可能であり、患部に火傷のような熱的なダメージを生じない。

なお、このような磁気刺激装置Ａを用いれば、脳機能障害等による麻痺のために自発運動が困難な筋肉を、パルス磁界の作用で連続的に大きく運動させることが可能になる。同様の筋収縮効果は電気刺激によっても可能であるが、電気刺激は、（１）感電に類似する不快感と疼痛を伴い、（２）電極を貼り付ける、或いは埋め込む手数がかかり、（３）通電に伴う火傷の危険性がある。しかし、磁気刺激はこれらの（１）〜（３）の問題がない。脳機能障害によって四肢麻痺が生じても、神経系と筋肉は損傷を受けていないので、適切なリハビリテーション治療を施すことにより、運動機能を回復することができる。しかしながら、意識障害を伴う、或いは寝たきりの状態が続くと、廃用症候群のために運動機能を回復することができなくなる。本発明の磁気刺激装置Ａを用いて連続磁気刺激を行えば、麻痺した四肢や指の筋肉を効果的に運動させることができるので、リハビリテーション効果を画期的に高めることが期待される。

本発明の磁気刺激装置の斜視図である。 蓋部をとった時の図１の平面図である。 図１の断面図である。 図３における第１の導体構造における第１の結線状態を示す要部斜視図である。 図３における第１の導体構造における第２の結線状態を示す要部斜視図である。 図３における第２の導体構造における第１の結線状態を示す要部斜視図である。 図３における第２の導体構造における第２の結線状態を示す要部斜視図である。 図４における通電時の導体の発熱状態を示す断面図である。 図５〜７における通電時の導体の発熱状態を示す断面図である。 従来例における磁束漏れを示す断面図である。 従来例と本発明との発熱状態の比較グラフである。

次に、本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本発明の明細書の全体に記載されている技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例のみに限定されるものでないことは理解されるべきことである。

本発明の磁気刺激装置Ａの主要部品は、導体１２・１６と磁性体コア２０で、ケーシング１に収納されている。
磁性体コア２０は、コア本体２１の両端から脚部２２・２６が同方向に突き出した、Ｕ字形の部材で、薄い絶縁被膜付きの圧延ケイ素鋼板を多数枚積層したものである。本実施例の磁性体コア２０はＵ字形に打ち抜いた部材を上記のように積層したもの、或いは圧延ケイ素鋼帯を多重に巻き、これを２分割したものなどが用いられる。本実施例で使用した圧延ケイ素鋼板は、厚さが０．３５ｍｍのものである。
なお、脚部２２・２６の長手方向に対して直角方向の断面は、本実施例では四角形（正方形或いは長方形、）又は図示していないが円形である。

導体１２・１６は、脚部２２・２６に巻き付けられた多段の導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの集合体、或いは多重の導体層１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’の集合体を言う。
多段の導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎ、或いは多重の導体層１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’を構成する部材を線材と言う。
該線材は長尺で断面四角形（正方形又は長方形）の、例えば、銅条が素材として使用され、その表面には絶縁被膜が形成されている。一例を示せば、線材の厚みは０．９ｍｍ、高さは１．６ｍｍである。絶縁被膜はウレタン樹脂を用い、導体１２・１６表面の放熱を妨げないように薄くした。本実施例では絶縁被膜の厚みは２０μｍとした。（なお、図において、作図の関係から線材の断面を円形としてあらわしているものもあるが、上記のように断面は四角形である。）

脚部２２・２６への線材の巻き方は、１本の線材の一側面を一方の脚部２２の外周面に沿うようにして数周巻き付け、続いてその残りの部分を他方の脚部２６に同様にして反対方向に数周巻き付けることになる。また、線材の表面には絶縁被膜が形成されていること、後述するように全体としての導体１２・１６自体の発熱が小さいところから、従来必要とされていた線材間に冷却用間隙３００（図１０参照）を設ける必要がなく、互いに密着させて巻き付けることが可能である。従って、従来必要であった冷却用間隙３００の分だけ装置を小さくすることができる。

この場合、脚部２２・２６に巻着された線材は、上記のように１本の線材であるが、説明の便宜上、各脚部２２・２６に巻き付けられた線材の集合体である導体をそれぞれ１２・１６として表す。
上記以外の巻き方として、図示していないが、二本の線材を用意し、上記のように一方の線材の一側面を一方の脚部２２の外周面に沿うようにして数周巻き付け、同様に他の線材の一側面を他方の脚部２６の外周面に沿うようにして数周巻き付けるようにしてもよい。そして、脚部２２・２６に個別に巻き付けられた線材の各層をそれぞれ接続線で接続するようにしてもよい。

ケーシング１は、磁性体コア２０と、磁性体コア２０の脚部２２・２６に巻かれた導体１２・１６とを収納する樹脂製（ここではＡＢＳ製）のもので、上面が開口したケーシング本体２と、その開口を覆う蓋部５とで形成されており、図示しないボルトで固定され、前記上面開口が閉塞されている。
患者の患部に接触するケーシング本体２の下面（即ち、患部接触面９）の中央に下方に膨出した凸部７が形成されている。

ケーシング１に収納された磁性体コア２０の脚部２２・２６の先端２８は、ケーシング本体２に被嵌された蓋部５の凸部７の内側の凹部に嵌まり込む。

そして脚部２２・２６に多段又は多重に巻き付けられた導体１２・１６から脚部２２・２６の先端２８は導体１２・１６から若干突出した状態（本実施例では突出量は３ｍｍである。）になり、この部分が上記のように凸部７の内側の凹部に嵌まり込む。なお、脚部２２・２６の先端２８は凸部７の内側の凹部に密着（或いはこれから若干離間）した状態で保持され、且つ磁性体コア２０がケーシング本体２に図示しない固定部材或いは接着などのような方法で固定される。
また、脚部２２・２６に多段又は多重に巻かれた導体１２・１６の結線方法もそれぞれの構造（第１・２実施例）に付いて２種類ある。

図３は、本発明の磁気刺激装置Ａの断面図と、導体１２・１６の第１又は第２の構造（第１・２実施例）の部分拡大図である。なお、添付図面では、導体１２・１６は作図の関係上、隙間を開けて巻き付けられたように記載されているが、既述のように隙間なしで巻き付けることが可能である。

＜第１実施例＞
導体１２・１６の第１実施例を図４、図５に従って説明する。
第１実施例の導体１２・１６の構造は、図４、図５に示すように、１本の線材を磁性体コア２０の脚部２２・２６に複数の段状に巻き付けた例である。即ち、1本の前記線材が、脚部２２・２６の長手方向に対して直角で、且つ複数段に設けられた平面上にそれぞれ巻き付けられている。そしてこの平面が脚部２２・２６の先端２８からコア本体２１の間で複数段に設けられている。
従って、脚部２２・２６に巻設された、１本の線材で構成された導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎは、第１層１２ａ・１６ａ〜第ｎ層１２ｎ・１６ｎにわたって複数段、設けられることになる。
ここで、層の数え方として、脚部２２・２６の先端２８に近い方を第１層１２ａ・１６ａとし、コア本体２１に向かって第２層１２ｂ・１６ｂ、コア本体２１に最も近い層を第ｎ層１２ｎ・１６ｎとする。

そして線材の巻き付け方向は、本発明全体を通じて、一方の脚部２２の磁場の方向Ｎ（Ｓ）に対して、他方の脚部２６の磁場の方向Ｓ（Ｎ）が逆向きとなるように巻きつけられる。
即ち、図４において、左側の導体層１２ａ・・１２ｎの線材を反時計方向に巻き付けると、右側の導体層１６ａ・・１６ｎの線材は時計方向に巻き付けることになる。そして前記一対の脚部２２・２６間では、左右の導体層１２ａ・・１２ｎ・１６ａ・・１６ｎの線材の対応端部同士がそれぞれ接続されて１本の線材となる。
更に、各脚部２２・２６に巻き付けられた各導体層１２ａ〜１２ｎを構成する線材は、その一方の端部をそれぞれ脚部２２・２６毎に並列接続されて導体１２・１６が構成され、外部電源に接続された励磁電流供給線１０・１４にそれぞれ接続されている。換言すれば、並列接続された導体層１２ａ〜１２ｎを構成する線材は、後述する図１０の従来例の縦長帯状導体１２０・１６０を複数本の線材に分割した構造になる。

なお、図４（後述する図５も同様）の各層を構成する線材は丸形の渦巻状に巻かれた例を示すが、図２及び後述する図６，図７に示したように、磁性体コア２０の脚部２２・２６の断面形状に合わせた平面視四角形の渦巻状に巻いてもよい。
そして、一対の脚部２２・２６間では、一方の脚部２２の各導体層１２ａ〜１２ｎを構成する線材が、他方の脚部２６の各導体層１６ａ〜１６ｎを構成する線材に、各段毎にそれぞれ接続されている。

次に、このように第１実施例のように組み立てられた磁気刺激装置Ａに通電した場合について説明する。
一方の励磁電流供給線１０から励磁電流（パルス電流或いは交流電流）を供給すると、励磁電流は分流して一方の脚部２２に巻かれた並列導体層１２ａ〜１２ｎに反時計方向に流れ、続いて他方の脚部２６に巻かれた並列導体層１６ａ〜１６ｎに時計方向に流れ、他方の励磁電流供給線１４に流れる。これにより一方の脚部２２の先端２８の磁極はＳとなり、他方の脚部２６の先端２８の磁極はＮとなる。
そして、一方向の励磁電流が流れ終わると、該励磁電流は反転して他方の励磁電流供給線１４から反対方向の励磁電流が流れ、これが分流して他方の脚部２６に巻かれた並列導体層１６ａ〜１６ｎに時計方向に流れ、続いて一方の脚部２２に巻かれた並列導体層１２ａ〜１２ｎに反時計方向に流れ、一方の励磁電流供給線１０に流れる。これにより他方の脚部２２の先端２８の磁極はＳとなり、一方の脚部２２の先端２８の磁極Ｎとなり、磁極が反転する。これを所定周期で繰り返す。磁性体コア２０の両先端２８間に磁束Ｇが発生する。

続いて本発明の磁気刺激装置Ａの通電時における作用について説明することになるが、その前に図１０に従って従来例の作用について説明する。
図１０は、本発明者らが開発した従来装置である。この装置には本発明の磁性体コア２０と同じＵ字形コア２００を使用し、その一対の脚部２２０・２６０に導体１２０・１６０を巻設したものである。
この導体１２０・１６０は、その断面が細長い長方形で、長辺側が脚部２２０・２６０の外周面に沿うように縦方向で巻き付けられたものである。導体１２０・１６０の長辺は脚部２２０・２６０の先端近傍からコア本体に至る縦長の帯材である。帯材の厚みは例えば、０．８ｍｍ、高さは９ｍｍである。そして、この導体１２０・１６０の間には冷却用間隙３００が設けられている。
そしてこの導体１２０・１６０に励磁電流を通電すると、上記のように一方の脚部２２０の先端２８０にＮ極（Ｓ極）が現れ、他方の脚部２６０の先端２８０にその反対のＳ極（Ｎ極）が現れる。

そして従来装置を開発した時点では解明できていなかったが、この時、Ｕ字形コア２００の両脚部２２０・２６０の先端部分のインダクタンスが他の部分のインダクタンスより部分的に低くなり、その結果、当該先端部分に面する縦長導体１２０・１６０の先端部分に集中して励磁電流が流れることを発見し、本発明に到達した。換言すれば、これにより縦長に設置された導体１２０・１６０の先端部分の電流密度が他の部分より高くなり、これにより導体１２０・１６０の先端部分の温度が異常に上昇することを見出した。

加えて、両脚部２２０・２６０からの漏れ磁束Ｗが導体１２０・１６０をその内面側から外面側（或いはその逆）に貫通し、導体１２０・１６０にジュール熱を伴って渦電流Ｕ１が流れることも新たに見出し本発明に到達した。
従来装置では、導体１２０・１６０を縦長に設置しているので、導体１２０・１６０には全高さに亘って大きな渦電流Ｕ１が流れる。そしてこの大きな渦電流Ｕ１も導体１２０・１６０の昇温の原因となることを見出した。
即ち、導体１２０・１６０は縦長に設置された幅広で１枚ものの銅帯材なので、上記電流密度の偏りと、大きな渦電流Ｕ１の発生の相乗効果により導体１２０・１６０の先端部分の温度が異常に上昇することを見出した。そのためにこのような知見を持たなかった従来装置では冷却用間隙３００と、この冷却用間隙３００に冷却用気体を供給する冷却機構を必要としていた。

本発明はこのような知見に基づき、上記のように、従来の縦長の導体１２０・１６０を複数の線材に分割したものと同等の構造である、並列接続された導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎを脚部２２・２６の長手方向に複数段、設けたので、各層（特に、第１層１２ａ・１６ａ）の電流密度の偏りを大幅に解消するとともに、各層に発生する渦電流Ｕ２を小さなものとし、その結果、導体１２・１６の発熱を大幅に抑制することに成功した。

上記の点をさらに詳しく説明する。第１実施例においては、導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎ間の結線方法が２通りある。
第１の結線方法は、図４に示したように導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの各層が順方向に接続されている場合であり、第２の結線方法は図５示したように導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの各層が逆順方向に接続されている場合である。第１の結線方法とは逆である。

第１の結線方法は、一方の脚部２２に巻設された導体層１２ａ〜１２ｎの該脚部２２の先端２８に近い第１層１２ａが、前記他方の脚部２６に巻設された導体層１６ａ〜１６ｎの該脚部２６の先端２８に近い第１層１６ａに接続され、前記一方の脚部２２のコア本体２１に最も近い第ｎ層１２ｎは、前記他方の脚部２６に巻設された該脚部２６のコア本体２１に最も近い第ｎ層１６ｎに接続されている。同様に、前記一方の脚部２２の第２層１２ｂから第（ｎ−１）層１２（ｎ−１）は、前記他方の脚部２６の第２層１６ｂから第（ｎ−１）層１６（ｎ−１）に順に接続されている。

これに対して、第２の結線方法は、一方の脚部２２に巻設された導体層１２ａ〜１２ｎの該脚部２２の先端２８に近い第１層１２ａが、前記他方の脚部２６に巻設された導体層１６ａ〜１６ｎの該脚部２６のコア本体２１に最も近い第ｎ層１６ｎに接続され、前記一方の脚部２２のコア本体２１に最も近い第ｎ層１２ｎは、前記他方の脚部２６に巻設された該脚部２６の先端２８に近い第１層１６ａに接続されており、前記一方の脚部２２の第２層１２ｂから第（ｎ−１）層１２（ｎ−１）は、前記他方の脚部２６の第（ｎ−１）層から１６（ｎ−１）から第２層１６ｂに逆順に接続されている。
いずれの場合も導体１２・１６に励磁電流を通電すると、一方の脚部２２の先端２８にＮ極（Ｓ極）が現れ、他方の脚部２６の先端２８にその反対のＳ極（Ｎ極）が交互に現れ、両極間に磁束Ｇが発生する。

第１の結線方法では、通電時、既に述べたように脚部２２・２６の先端部分のインダクタンスが他の部分より小さくなり、この先端部分に巻き付けられた第１層１２ａ・１６ａには他の層１２ｂ・１６ｂ以下より若干多くの励磁電流が流れ、コア本体２１に近付くに連れて各層の励磁電流量は減少する。ただし、従来例のように、導体１２・１６を縦長一体物で構成せず、導体１２・１６が複数の線材に分割されているため電流密度の偏りは軽減される。

そして、磁性体コア２０の脚部２２・２６から上記のように漏れ磁束Ｗが出て、従来例と同様、各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎを貫通するが、この場合は各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎが分割されているため、漏れ磁束Ｗによる渦電流Ｕ２は、従来例の縦長の場合に比べて高さが大幅に低く、漏れ磁束Ｗによる渦電流Ｕ２が発生したとしても各層の短辺上で小さく発生することになる。
その結果、大幅に軽減された電流密度の偏りと、各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの短辺上で小さく発生する渦電流Ｕ２により、導体１２・１６の発熱が従来例に比べて大幅に抑制される。
なお、渦電流Ｕ２は図３において各層の線材の外側に描かれているが、これは図面を見やすくするために記載したもので、実際は線材に発生する。
図８にこの場合の各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの昇温状態を模式的に示す。各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの温度は、大きな温度差はないものの、脚部２２・２６の先端２８に近づく程、高温になる。

次に、第１実施例の第２の結線方法について説明する（図５）。導体１２・１６に励磁電流を流すと、上記インダクタンスの関係から、上記のように第１層１２ａ・１６ａにやや偏って励磁電流が流れようとするが、この第１層１２ａ・１６ａに接続されている第ｎ層１２ｎ・１６ｎは第１層１２ａ・１６ａに比べて励磁電流が流れにくいので、第ｎ層１２ｎ・１６ｎが律速となって第１層１２ａ・１６ａに流れる励磁電流を抑制する。換言すれば、第１層１２ａ・１６ａに流れる励磁電流は第ｎ層１２ｎ・１６ｎと同じになる。
この関係は、第２層１２ｂ・１６ｂと第（ｎ−１）層１２（ｎ−１）・１６（ｎ−１）その他、逆順に接続された層間においても当て嵌まり、全体としてほぼ均一で抑制された励磁電流が各層の導体１２・１６中を流れる。
その結果、図５に示す第１結線方法に比べてより発熱を抑制することができる。なお、漏れ磁束Ｗによる発熱は、図５の場合と同じである。
図９にこの場合の各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの昇温状態を模式的に示す。各導体層１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎの温度は、図８に比べて全体的に平均化される。

次に第２実施例について説明する。第２実施例は第１実施例と異なり、導体１２・１６は、これを構成する線材が大径から細径まで直径又はその寸法の異なるコイルスプリング状に脚部２２・２６に密着多重に巻かれて構成されている。即ち、導体１２・１６の細径のものは太径のものの内側に入れ子状態に配置されている。この密着多重に巻かれた導体１２・１６の最内側のものを第１層１２ａ’・１６ａ’とし、外側に向かって第２層１２ｂ’・１６ｂ’・・、最外側のもの第ｎ層１２ｎ’・１６ｎ’とする。
第１層１２ａ’・１６ａ’から第ｎ層１２ｎ’・１６ｎ’を構成する導体１２・１６は、第１実施例と同様、導体１２・１６の昇温を抑制することが出来るため、上下・内外で隙間を空けることなく密着巻きすることが可能である。

そして、第１実施例同様、前記脚部２２・２６間では、一方の脚部２２の各導体層１２ａ’〜１２ｎ’を構成する線材が、他方の脚部２６の各導体層１６ａ’〜１６ｎ’の線材にそれぞれ接続されている。線材の巻設方向及び脚部２２・２６間の接続は、一方の脚部２２の磁場の方向に対して、他方の脚部２６の磁場の方向が逆向きとなるように設定されている。
即ち、一方の脚部２２に巻設された各導体層１２ａ’〜１２ｎ’の巻設方向が時計回りとすれば、他方の脚部２６に巻設された各導体層１６ａ’〜１６ｎ’の巻設方向は反時計回りとなり、脚部２２・２６間では内外の導体層１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’を構成する線材は、内外の各層毎に上記巻設方向に一致するように接続されている。
更に、前記脚部２２・２６に巻設された複数の導体層１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’の線材は、それぞれ脚部２２・２６毎に並列接続されている。

この導体１２・１６に通電すると、内外の各導体層１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’は脚部２２・２６の上から下（又は下から上）に向かって励磁電流が流れる。この時、上記のように脚部２２・２６の先端部分のインダクタンスが他の部分より小さいとしても、上記のように各導体層１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’の、インダクタンスの大きい脚部２２・２６の先端部分以外の部分に対応する部分１８が律速となり、導体１２・１６を流れる励磁電流量は脚部２２・２６の先端部分以外に対応する部分１８に従うことになる。換言すれば、電流密度の偏りが相当程度解消されることになる。
従ってこの場合、導体１２・１６の昇温状態は、図９のように全体的に低くある程度均一に保たれることになる。
なお、図３に脚部２２・２６の先端部分に対応する部分１７、脚部２２・２６の先端部分以外の部分に対応する部分１８を模式的に示す。

第２実施例の結線方法も２通りある。結線方法は基本的に第１実施例と同じである。以下説明する。
第１結線方法は、図６に示す通りで、脚部２２・２６の間において、最内側の第１層１２ａ’・１６ａ’同士を接続し、第２層以下、第ｎ層に至るまで順次、外側に向かって同じ層の線材同士を接続する。
第２結線方法は、図７に示す通りで、一方の脚部２２に多重に巻設された導体層１２ａ’〜１２ｎ’において、該脚部２２に近い最内側の第１層１２ａ’は、前記他方の脚部２６に多重に巻設された導体層１６ａ’〜１６ｎ’で、該脚部２６のコア本体２１の最外層の第ｎ層１６ｎ’に接続され、前記一方の脚部２２のコア本体２１の最外層の第ｎ層１２ｎ’は、前記他方の脚部２６に多重に巻設された該脚部２６の最内側の第１層１６ａ’に接続され、前記一方の脚部２２の第２層１２ｂ’から第（ｎ−１）層１２（ｎ−１）’は、前記他方の脚部２６の第（ｎ−１）層１６（ｎ−１）’から第２層１６ｂ’に逆順に接続されている。

上記に示すように、通電時、脚部２２・２６の先端部分のインダクタンスが他の部分より小さくなるが、この影響は径方向においても先端部分に近い内側の層程、顕著に現れる。換言すれば、第１層１２ａ’・１６ａ’の先端部分と、最外層１２ｎ’・１６ｎ’の先端部分とを比較すると、第１層１２ａ’・１６ａ’の方が大きな影響を受ける。
その結果、第１層１２ａ’・１６ａ’を流れる励磁電流は、最外層１２ｎ’・１６ｎ’のそれよりも若干強くなる。

第１結線方式では、第１層１２ａ’は第１層１６ａ’、第ｎ層１２ｎ’は第ｎ層１６ｎ’というように、同じ層同士が接続されているので、最内層である第１層１２ａ’（１６ａ’）同士は、上記インダクタンスの影響をある程度受け、最外層である第ｎ層１２ｎ’（１６ｎ’）に対する上記影響は、第１層１２ａ’（１６ａ’）同士ほどではない。
しかし、いずれの層もこの場合、脚部２２・２６の先端方向からコア本体２１方向に巻き付けられているので、脚部２２・２６の先端部分以外に対応する部分１８が律速となり、上記影響を大幅に打ち消している。
この結果、第２実施例では、第１結線方式を採用しても電流密度の偏りが第１実施例の第１結線方式と比べて大幅に少なく、昇温もよりよく抑制できる。

第２結線方式では、一方（他方）の脚部２２の第１層１２ａ’（１６ａ’）は、他方（一方）の脚部２６の第ｎ層１６ｎ’（１２ｎ’）に逆順に接続されているので、第１層１２ａ’（第ｎ層１６ｎ’）という逆順の組み合わせにおいて、インダクタンスの影響が最も小さい第ｎ層１６ｎ’（１２ｎ’）の脚部２２・２６の先端部分以外に対応する部分１８が律速となる。この関係は他の組み合わせでも同様であり、第２実施例の第２結線方式は第１結線方式に比べてより電流密度の偏りが少なく、昇温もよりよく抑制できる。
以上から、第２実施例の導体１２・１６の昇温状況は、僅かな差はあるとしても図９に示す通りとなる。

＜実験例＞
図１１は、図１０に示す従来例を比較例とし、第１実施例の第１結線方法と第２結線方法とを比較した時間―昇温グラフである。
図中、実線は第１実施例の第２結線方法、破線は第１実施例の第２結線方法、１点鎖線は従来例である。
そして、各線の細線は、コアの脚部の中央部分に位置する導体層の温度、太線は、コアの脚部の先端部分に位置する導体層の温度である。単位は℃である。電流源としては、コンデンサ容量１２０マイクロＦのパルス電源を用い、出力電圧は４２０Ｖに固定して比較した。実験条件は以下の通りである。
（比較例）
導線の断面 ：０．８×９ｍｍ １本使い
電源出力電圧 ：４２０Ｖ
磁束密度（コア間中心）：０．６４Ｔ
励磁電流 ：１１００Ａ
（第１実施例）
導線の断面 ：０．９×１．６ｍｍ ５本使い
電源出力電圧 ：４２０Ｖ
磁束密度（コア間中心）：０．６２Ｔ
励磁電流 ：１１００Ａ

比較例は、通電後、７０秒で脚部の先端部分に位置する導体層の温度が８０℃に達したが、第１実施例の第１結線方式では１３０秒、同第２結線方式では１９０秒であった。
これにより、本装置における連続磁気治療時間を大幅に長くすることが出来た。
なお、第２実施例も上記理論により、連続磁気治療時間を大幅に長くすることが出来るものと考えられる。

Ａ：磁気刺激装置、Ｇ：磁束、Ｕ１・Ｕ２：渦電流、Ｗ：漏れ磁束、１：ケーシング、２：ケーシング本体、５：蓋部、７：凸部、９：患部接触面、１０・１４：励磁電流供給線、１２・１６：導体、１２ａ〜１２ｎ・１６ａ〜１６ｎ/１２ａ’〜１２ｎ’・１６ａ’〜１６ｎ’：導体層（第１層〜第ｎ層）、１７：コア先端部分に対応する部分、１８：コア先端部分以外に対応する部分、２０：磁性体コア、２１：コア本体、２２・２６：脚部、２８：脚部の先端、１２０・１６０：導体、２００：Ｕ字形コア、２２０・２６０：脚部、２８０：先端、３００：冷却用間隙。

Claims (6)

1. コア本体と、該コア本体から伸びた一対の脚部とで形成された磁性体コアと、前記脚部それぞれの周囲に巻設され、且つ多段に積み重ねられた導体層からなる導体とで構成され、
   前記導体層にそれぞれ用いられる線材は、前記脚部の長手方向に平行なその断面が四角形であり、
   前記一対の脚部間では、一方の脚部の各導体層を構成する線材が、他方の脚部の各導体層を構成する線材に、各段毎にそれぞれ接続されていることを特徴とする磁気刺激装置。
2. 一方の脚部に多段に巻設された導体層において、該脚部の先端に近い第１層は、前記他方の脚部に多段に巻設された導体層で、該脚部の先端に近い第１層に接続され、且つ第２層以下、第ｎ層に至るまで順次、同じ層同士が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気刺激装置。
3. 一方の脚部に多段に巻設された導体層において、該脚部の先端に近い第１層は、前記他方の脚部に多段に巻設された導体層で、該脚部のコア本体に最も近い第ｎ層に接続され、
   前記一方の脚部のコア本体に最も近い第ｎ層は、前記他方の脚部に多段に巻設された、該脚部の先端に近い第１層に接続され、
   前記一方の脚部の第２層から第（ｎ−１）層は、前記他方の脚部の第（ｎ−１）層から第２層に逆順に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気刺激装置。
4. コア本体と、該コア本体から同方向に伸びた一対の脚部とでＵ形に形成された磁性体コアと、前記脚部それぞれの周囲に、その直径又はその寸法を違えて多重に巻設された導体層からなる導体とで構成され、
   前記導体に用いられる線材は、前記脚部の長手方向に平行なその断面が四角形であり、
   前記一対の脚部間では、一方の脚部の各導体層を構成する線材が、他方の脚部の各導体層を構成する線材に、内外の各層毎にそれぞれ接続されていることを特徴とする磁気刺激装置。
5. 一方の脚部に多重に巻設された導体層において、該脚部に近い最内層の第１層は、前記他方の脚部に多重に巻設された導体層で、該脚部に近い最内層の第１層に接続され、且つ第２層以下、第ｎ層に至るまで順次、同じ層同士が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気刺激装置。
6. 一方の脚部に多重に巻設された導体層において、該脚部に近い最内側の第１層は、前記他方の脚部に多重に巻設された導体層で、該脚部のコア本体の最外層の第ｎ層に接続され、
   前記一方の脚部のコア本体の最外層の第ｎ層は、前記他方の脚部に多重に巻設された該脚部の最内側の第１層に接続され、
   前記一方の脚部の第２層から第（ｎ−１）層は、前記他方の脚部の第（ｎ−１）層から第２層に逆順に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気刺激装置。

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