JP6575741B2 - 空冷式磁気パルス発生コイル - Google Patents

Description

本発明は、磁気パルス発生コイルの発熱による温度上昇を低減する技術に関する。

大脳皮質の神経や末梢神経を電気的に刺激する方法のひとつとしてパルス磁気刺激法がある。これは、神経の近くに置いたコイルにパルス電流を流し、その際に生じる磁気パルスにより神経内に誘導電流を誘起し、神経を刺激する方法である。パルス磁気刺激法は、直接神経に電圧を印加する電気刺激法と比較して、感電のようなビリビリする電気ショックや痛みが小さく、電極を貼り付ける、埋め込むなどの工程が不要となるメリットがある。

近年、パルス磁気刺激法が、片麻痺や脊髄損傷による四肢麻痺のリハビリテーションに有効であるとする研究報告がなされており、非特許文献１には、パルス磁気刺激による誘発筋運動によって中枢神経系が再構築されること、非特許文献２には、パルス磁気刺激が脳血管障害によって生じた片麻痺の治療に効果があることが報告されている。

パルス磁気刺激法は電極の使用に伴う不快感などの問題はないが、コイルに大きなパルス電流を流すので、パルス電流によるコイルの発熱の問題があり、連続的に使用した場合、熱傷のリスクを生じかねない温度まで短時間でコイル表面温度が上昇する。一方、パルス磁気刺激の効果は累積磁気パルス数とともに向上することが知られており、治療効果を上げるには多くの磁気パルスを対象部位に与えることが望ましい。しかしながら、コイルの発熱による温度上昇の制約から、使用可能な磁気パルス数が制限されてしまっている。そのため、冷却等の手段により昇温を抑制した磁気パルス発生コイルの開発が急務となっている。

磁気パルス発生コイルの冷却のために特許文献１では水冷によってコイル温度上昇を防止している。水冷式は装置が大がかりであり、手で持って使用できるようなコイルの小型化は困難である。また、高電圧を使用する磁気パルス発生コイルを水冷する場合は漏水や結露による絶縁不良の問題が懸念される。

特開平９−２７６４１８

医歯薬出版（株）「磁気刺激法の基礎と応用」、真野著、中枢神経の再構築、P.127 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

空冷ファンを用いて強制冷却する空冷式の磁気パルス発生コイルとすることで、水冷式が有する技術的な問題は解消できるが、新たに空冷ファンに電気を供給するためのファン用電源ケ−ブルと冷却ファン用の電源が必要になり、システムとしては複雑になる。ファン用電源ケーブルは、磁気パルス発生コイルに電流を供給するコイル電流用のケーブルとともに束ねるか、コイル電流用ケーブルとともに同じシースに封入した多芯ケーブルの形態で使用することになるが、いずれにしても、ケーブルの可とう性が悪くなるため操作性が悪化する。またパルス電流用ケーブルには、大電流パルスが流れるが、このパルスが並走するファン用電源ケーブル内に大きなパルス状ノイズを誘起する。このノイズにより、ファンの回転動作が不安定になり、場合によっては、ファンやファン用電源に電気的なダメージを与えて故障をもたらすことがある。ファンへの電源供給手段として電池駆動とする方法もあるがコイル部のサイズおよび重量が大きく重くなるので適切ではない。

以上の問題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、磁気パルス発生コイルの近傍に発電用コイルを設置して、磁気パルス発生コイルのエネルギーの一部を発電用コイルにて電力に変換し、これを空冷ファン用の電力とすることで、ファン用の電源ケーブルを用いずに冷却ファンを駆動し冷却できる空冷式磁気パルス発生コイルの製作を可能とした。本発明の構成を以下に示す。

請求項１に記載の発明は、
磁気パルスを発生させる磁気パルス発生コイルと、
その内径にて形成される空間に磁気パルス発生コイルの発生する磁気パルスの磁束の一部または全部が貫通する位置に配置され、磁気パルスの磁束の時間変化により電磁誘導による電圧を発生する発電用コイルと、
発電用コイルの出力端に接続され、発生した電圧を整流する整流器と、
整流器の出力端に接続され、整流器により整流された電圧を平滑するコンデンサと、
コンデンサと並列に接続され、コンデンサにて平滑された電圧を電源としてファンを回転し、ファンの生成する気流により磁気パルス発生コイルを空冷する空冷ファンとから構成され、
磁気パルス発生コイルより発生する磁気パルスのエネルギーの一部を電磁誘導により発電コイルにて取出し、これを空冷ファンの動力とすることで空冷ファンを駆動し、磁気パルス発生コイルの強制空冷を行うことを特徴とする空冷式磁気パルス発生コイルである。

請求項２に記載の発明は、
磁気パルス発生コイルと発電用コイルとの距離を変えることで、発電コイルに発生する電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の空冷式磁気パルス発生コイルである。

請求項３に記載の発明は、
コンデンサに並列に直流抵抗を接続し、その直流抵抗の値を調節することで、コンデンサに平滑される電圧の大きさを調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の空冷式磁気パルス発生コイルである。

請求項４に記載の発明は、
コンデンサの出力端と空冷ファンの電源入力端子の間にＤＣ−ＤＣコンバーターを挿入し、コンデンサにて平滑された電圧をＤＣ−ＤＣコンバーターにて変換して空冷ファンの電源電圧とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空冷式磁気パルス発生コイルである。

本発明のコイルによれば、ファン用の電源や電源ケーブルを使用することなく磁気パルス発生コイルを空冷ファンにて強制空冷することが可能であり、磁気パルス発生時における磁気パルス発生コイル表面温度の上昇を抑制することが可能である。

空冷磁気パルス発生コイルの構成を示す図 発電用コイルの出力電圧をブリッジ整流したパルス電流の波形 発電用コイルの直径、巻き数と、整流出力電圧の関係を示す図 発電用コイルと磁気パルス発生コイルの距離による整流後の出力電圧の変化 コンデンサに並列抵抗を入れた場合の、発電用コイルの整流出力電圧（最大および最小値）と抵抗値との関係（Ｃ＝１００μＦ） コンデンサに並列抵抗を入れた場合の、発電用コイルの整流出力電圧（最大および最小値）と抵抗値との関係（Ｃ＝３６８０μＦ） コンデンサに並列抵抗を入れた場合の、発電用コイルの整流出力電圧（最大および最小値）と抵抗値との関係（Ｃ＝１３６００μＦ）。 冷却条件による磁気パルス発生コイルの温度変化の差を示す図

磁気パルス発生コイルからは強い磁気パルスが発生するので、その磁気パルスの磁束が貫通するようにコイル（以下発電用コイルと呼称する）を磁気パルス発生コイルの近傍に設置すると、いわゆる電磁誘導の原理により設置した発電用コイルにパルス電圧が誘起される。このパルス電圧を整流しファン用の電源として使用することで空冷ファンを回転し、磁気パルス発生コイルを強制空冷する。

しかしながら、パルス磁気刺激法で使用される磁気パルス発生コイルが発生する磁気パルスは、一般にパルス幅が０．５ミリ秒以下の非常に幅が狭いパルスであり、かつ、パルス間隔は数秒〜数十ミリ秒とまばらである。このようにパルス幅が非常に狭く、パルス間隔が長いパルスの場合は、これを整流して直流化しても電圧の変動が大きすぎるため冷却ファンのモーターを回転させることはできないが、空冷ファンモーターに並列にコンデンサを接続し、整流されたパルス電圧を平滑することで電圧の変動を小さく抑えることができ、安定して空冷ファンを回転させることができる。

使用するコンデンサはモーターの使用電圧や電流、直流抵抗を考慮して適当な容量のコンデンサを選定する。発電用コイルから整流器を介して供給される１回分の電圧パルスのエネルギーが静電容量Ｃのコンデンサに充電された場合に、コンデンサの電圧がＶになったとすると、コンデンサに蓄積されたパルス電流の電気エネルギーＥはＥ＝０．５ＣＶ＾２で表される。よってエネルギーＥの電圧パルスのエネルギーをコンデンサに蓄える場合、充電電圧ＶはＣの平方根に反比例して小さくなる。この関係からコンデンサの容量Ｃの値によって、空冷ファンに供給される電圧を設定することができる。

しかしながら、コンデンサに蓄積されたエネルギーが消費されることなく、コンデンサに繰り返し電圧パルスが加わると、そのたびにコンデンサの電圧は上昇し、最終的には発電用コイルから供給される電圧パルスと同じ電圧に達する。これを一定の電圧に保つためには、各電圧パルスにて供給されるエネルギーと同等のエネルギーを空冷ファンに供給して消費する必要がある。ここで消費されるエネルギー量はコンデンサの充電電圧と空冷ファンの直流抵抗に依存する。磁気パルス発生コイルと発電コイルの位置関係を適当な位置に設定して発電コイルを貫通する磁束量を調節し、発電コイルにて発生する電圧パルスの電圧を適当な値とすることで、電圧パルスによりコンデンサに供給されるエネルギーと負荷にて消費されるエネルギーのバランスをとることができる。

また、コイルの位置関係だけでは調整ができない場合やコイルが動かせない場合、発生電圧の微調整が必要な場合は、コンデンサに並列に直流抵抗を接続し、この並列接続した直流抵抗にてエネルギーを消費することで発電コイルから供給されるエネルギーと消費エネルギーのバランスをとることもできる。接続する直流抵抗を可変式とすれば、微調整が容易となる。

また、電圧変動が大きすぎてコンデンサの容量だけでは吸収できない場合や、ファンの回転の安定度をより高めたい場合、発電コイルの電圧と空冷ファンの電圧のマッチングが取れない場合には、コンデンサと空冷ファンの接続の間にＤＣ−ＤＣコンバーターを挿入することで解決することができる。

次に本願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、本願発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものではない。

本発明の実施形態の一例を図１に示す。１は磁気パルス発生コイルの断面である。２は発電用コイルであって、固定用の筒６により磁気パルス発生コイル１から一定の距離に保持される。磁気パルスの磁束の一部が発電用コイルを通過すると、電磁誘導の原理により発電用コイルに電圧が発生する。その電圧は１と２両コイルの距離、発電用コイルの直径、巻き数に依存する。１と２の両コイル間の距離を変えることによって冷却ファンを駆動するための電圧を調整する。３は発電用コイルに誘起されるパルス交流の電流を整流する整流器である。

本実施例で使用する磁気パルス発生コイルを冷却するためのファン５を駆動するには電圧が１０〜１５Ｖ、電流は０．１Ａ程度の直流を必要とする。発電用コイル２から整流器３を介して供給される電圧は、パルスの時間間隔が長いので時間当たりのエネルギー密度が低い。そこでファン駆動用の電気エネルギーを増すためにはパルスの電圧を高くする必要がある。一方、ファンモーターの駆動電圧は１５Ｖ以下でなければならない。発電用コイルから整流器を介して供給される高電圧の電圧パルスを低電圧に変換する機能を４のコンデンサが果たす。４は電圧変換だけではなく、時間間隔が長い高電圧のパルスを、ファンモーターの駆動が可能な電流波形に変換する機能を併せ持つ。

エネルギーがＥである電圧パルス一発が、静電容量Ｃのコンデンサに充電されると、コンデンサの電圧ＶはＥ＝０．５ＣＶ＾２の関係で決まる。コンデンサに電圧パルスが繰り返し加えられると、コンデンサの電圧は整流器から供給される電圧パルスの電圧に達する。しかしながら、コンデンサに充電されるエネルギーと空冷ファンのモーターが回転することで消費されるエネルギーが釣り合うようなコンデンサの静電容量と、ファンモーターの負荷抵抗を適切に選ぶと、図１の簡潔な回路によって冷却ファンを安定に駆動できる。

発電用コイルとして直径５８ｍｍ、８回巻きのコイルを用い、磁気パルス発生コイルの０．４３Ｔの磁気パルスによって発電用コイルに出力電圧を誘起させた。この交流パルスをブリッジ整流した後のパルス電流波形を図２に示す。最高電圧は１８０Ｖであり、パルス幅は約２ｍｓである。

発電用コイルの直径、巻き数を変えて、磁気パルス発生コイルの中央下に固定した場合の、整流出力電圧を図３に示す。発電用コイルの直径と巻き数が増すと、出力電圧はほぼ直線的に増加しており、直径５８ｍｍ、８回巻きコイルを磁気パルス発生コイルに密着した場合の出力電圧（ピーク値）は２００Ｖに達している。

発電用コイル（５８ｍｍ径ｘ８回巻）と磁気パルス発生コイルの距離を変化させた場合の、距離と整流後の出力電圧の関係を図４に示す。磁気パルス発生コイルからの距離を０、５、１０、１５ｍｍと変化すると出力電圧は１８０、１７０、１３０、１００Ｖと変化しており、距離を変えることで出力電圧を制御できる。

磁気パルス発生コイルを２Ｈｚで０．４３Ｔの磁気パルスを連発し、図１の配置で発電用コイルの出力電圧を測定した。コンデンサに並列抵抗を入れた場合の、発電用コイル（５８ｍｍ径ｘ８回巻）の整流出力電圧（最大および最小値）と、コンデンサに並列接続する負荷抵抗の値との関係を図５〜図７に示す。図５の場合、コンデンサの静電容量は１００μＦであり、並列の負荷抵抗は１００Ω〜６３ｋΩの範囲で変化させた。負荷抵抗が３０〜６３ｋΩの場合は、抵抗を流れる電流が少ないためにコンデンサの最高電圧も最低電圧も１２０Ｖ以上であって、ファンモーターの駆動には適しない。一方、負荷抵抗の値を１ｋΩ以下に下げると、最高電圧はほとんど下がらないが、コンデンサから流出する電荷が増加するので、最低電圧は０Ｖとなり、実用性はなかった。

コンデンサの容量を３６８０μＦに増した図６の場合、並列の負荷抵抗が２〜３ｋΩの時のコンデンサの電圧は最高、最低ともに８０Ｖ程度と高く、２５５Ωとした場合に最高電圧は４０Ｖ、最低電圧は２０Ｖに下がる。しかし、負荷抵抗を１００Ω以下としてファンモーターの回転に適した最高電圧を１５Ｖまで下げると最低電圧は０Ｖとなった。

コンデンサ容量を１３６００μＦとして、並列抵抗の値を３３、５０、１００、２００Ωとした場合のコンデンサの電圧を図７に示す。並列抵抗が１００Ωの場合に、コンデンサの最高、最低電圧は１５Ｖと１０Ｖとなった。この条件で１００Ωの抵抗を外して定格電圧、電流が１２Ｖと０．１４Ａのファンモーター（内部抵抗１２／０．１４＝８６Ω）を接続すると、長時間にわたる回転が可能であった。

以上の結果に基づいて、冷却条件による磁気パルス発生コイルの冷却効果を温度変化によって評価した。この結果を図８に示す。発電用コイルとして直径５８ｍｍ、８回巻きのコイルを用い、磁気パルス発生コイルの中央上部１０ｍｍの位置に固定した。ブリッジ整流後の発電用コイル出力の電荷を１３６００μＦのコンデンサに蓄積した。磁気パルス発生コイルは０．４３３Ｔの磁気パルスを２Ｈｚで３０分間連発し、この間の磁気パルス発生コイルの温度をサーミスタ温度計で測定した。この結果を図８に示す。

図８の曲線１（◇）は幅が２５ｍｍ幅の銅板による空心コイルを冷却なしで使用した場合である。およそ３０分の使用で４８℃に達しており、冷却なしでの長時間使用はできない。図８の曲線２（△）は発電用コイルと磁気パルス発生コイルの距離を１０ｍｍとした場合であって、磁気パルス発生コイルの温度は３０分後に３２℃である。この場合はパルス磁場のエネルギーの３．５％を消費しており、パルス磁場は０．４１９Ｔであって、温度上昇を体温程度に抑制することで、磁気パルス発生コイルの長時間使用が可能である。図８の曲線３（□）は発電用コイルを磁気パルス発生コイルに密着させた場合であって、ファンモーターの回転数が増したためにコイルの温度は２６℃で熱平衡に達している。この場合に発電用コイルは磁気パルス発生コイルの８．５％のエネルギーを消費しており、パルス磁場は０．３９７Ｔであった。この例のように、発電用コイルと磁気パルス発生コイルの間隔が小さすぎる場合は、ファンモーターの回転が速すぎて冷却能力が過剰になるとともに、磁気パルス発生コイルのエネルギーを余分に消費する。従って、磁気パルス発生コイルの使用条件（磁場の強さ、連続パルスの繰り返し周波数）に応じて、発電用コイルと磁気パルス発生コイルの間隔を適切に調整する必要がある。

本発明の空冷式磁気パルス発生コイルを用いれば従来コイルと比較して長時間にわたり磁気パルスを発することが可能であり、より効率的にパルス磁気刺激法を用いた診断、治療を実施することができる。

１：磁気パルス発生コイルの断面
２：発電用コイル
３：整流器
４：コンデンサ
５：冷却ファン
６：ファンと発電用コイルを固定する筒

Claims (4)

1. 磁気パルスを発生させる磁気パルス発生コイルと、
   その内径にて形成される空間に磁気パルス発生コイルの発生する磁気パルスの磁束の一部または全部が貫通する位置に配置され、磁気パルスの磁束の時間変化により電磁誘導による電圧を発生する発電用コイルと、
   発電用コイルの出力端に接続され、発生した電圧を整流する整流器と、
   整流器の出力端に接続され、整流器により整流された電圧を平滑するコンデンサと、
   コンデンサと並列に接続され、コンデンサにて平滑された電圧を電源としてファンを回転し、ファンの生成する気流により磁気パルス発生コイルを空冷する空冷ファンとから構成され、
   磁気パルス発生コイルより発生する磁気パルスのエネルギーの一部を電磁誘導により発電コイルにて取出し、これを空冷ファンの動力とすることで空冷ファンを駆動し、磁気パルス発生コイルの強制空冷を行うことを特徴とする空冷式磁気パルス発生コイル。
2. 磁気パルス発生コイルと発電用コイルとの距離を変えることで、発電コイルに発生する電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の空冷式磁気パルス発生コイル。
3. コンデンサに並列に直流抵抗を接続し、その直流抵抗の値を調節することで、コンデンサに平滑される電圧の大きさを調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の空冷式磁気パルス発生コイル。
4. コンデンサの出力端と空冷ファンの電源入力端子の間にＤＣ−ＤＣコンバーターを挿入し、コンデンサにて平滑された電圧をＤＣ−ＤＣコンバーターにて変換して空冷ファンの電源電圧とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空冷式磁気パルス発生コイル。