JP7496126B2 - Radiation Dosage Measurement System - Google Patents

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Description

本発明は、共振回路の共振による電力伝送の位相変化または損失によりコンデンサの容量を測定し、測定したコンデンサ容量を用いて放射線量を測定する放射線量測定システムに関する。 The present invention relates to a radiation dosimetry system that measures the capacitance of a capacitor based on a phase change or loss in power transmission caused by resonance of a resonant circuit , and measures the amount of radiation using the measured capacitor capacitance .

従来、コンデンサの容量変化を検出する各種センサが知られている。例えば、各種のデータ入力を行うためのタッチパネルや、人感センサなどにおいても静電容量の変化を検出するものが多く採用されている。 Conventionally, various sensors that detect changes in the capacitance of a capacitor are known. For example, many sensors that detect changes in capacitance are used in touch panels for inputting various types of data, human presence sensors, and the like.

ここで、特許文献1には、コンデンサの静電容量が放射線の照射線量に応じて変化することを利用し、コンデンサとコイルのみを用いた安価な放射線の線量計が示されている。ここでは、コンデンサとコイルを直列で接続したLC回路が、そのLC回路固有の周波数特性(共振周波数)を有することになることから、外部のアンテナとネットワークアナライザを用いて固有周波数を解析することにより、コンデンサ容量変化を測定する。そして、このコンデンサ容量変化に基づいて、放射線の照射線量を測定する。このシステムによれば、体内にLC回路を埋め込んで、外部のアンテナ、ネットワークアナライザを利用して、体内での放射線線量測定が行える。 Patent Document 1 shows an inexpensive radiation dosimeter that uses only a capacitor and a coil, taking advantage of the fact that the capacitance of a capacitor changes according to the radiation exposure dose. Here, an LC circuit in which a capacitor and a coil are connected in series has a frequency characteristic (resonance frequency) unique to the LC circuit, and the change in the capacitor capacitance is measured by analyzing the unique frequency using an external antenna and network analyzer. The radiation exposure dose is then measured based on this change in the capacitor capacitance. With this system, an LC circuit is embedded in the body, and an external antenna and network analyzer are used to measure the radiation dose inside the body.

特許第6512623号公報Patent No. 6512623

Kurs A, Karalis A, Moffatt R et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science (80- ) 2007;317:83-6Kurs A, Karalis A, Moffatt R et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science (80- ) 2007;317:83-6

特許文献1では、コンデンサの容量変化をコンデンサから離れた位置に配置したアンテナなどを利用して位置で検出できる。しかし、アンテナとLC回路の距離が離れるとその検出精度が悪化し、十分な測定が行えない可能性がある。一方、静電容量の変化を非接触で検出できるメリットを考えると、なるべく離れた位置から検出したいという要望もある。 In Patent Document 1, the change in capacitance of a capacitor can be detected by position using an antenna or the like placed at a distance from the capacitor. However, if the distance between the antenna and the LC circuit increases, the detection accuracy deteriorates, and there is a possibility that sufficient measurement cannot be performed. On the other hand, considering the advantage of being able to detect the change in capacitance without contact, there is also a demand for detection from as far away as possible.

なお、非特許文献1には、電力の無線伝送方式として、送受信の両方のコイルにヘリカル型のコイル(共振器)を設置した4コイルの構成で、磁界共振(SCMR:Strongly Coupled Magnetic Resonance)を利用して、長距離でも高い伝送効率S21を保てることが記載されている。なお、Sパラメータは、回路に入っていく電力と回路から出て行く電力(電力の平方根)の関係を表したものであり、S21は入力端子から出力端子への透過係数(=伝送効率)である。 Non-Patent Document 1 describes a wireless power transmission method that uses a four-coil configuration with helical coils (resonators) installed on both the transmitting and receiving coils, and that uses Strongly Coupled Magnetic Resonance (SCMR) to maintain high transmission efficiency S21 even over long distances. Note that the S parameter represents the relationship between the power entering the circuit and the power leaving the circuit (the square root of the power), and S21 is the transmission coefficient (= transmission efficiency) from the input terminal to the output terminal.

本発明は、送信側コイルと、前記送信側コイルから所定距離離間して配置され、前記送信側コイルにより生成される磁界を共有する受信側コイルと、前記送信側コイルと前記受信側コイルとの間に配置されるターゲットコイルと、入射する放射線の線量によって容量が変化するコンデンサであって、前記ターゲットコイルに接続されて形成された共振回路の共振周波数を決定するコンデンサと、前記送信側コイルおよび前記受信側コイルに流れる電流から伝送される電力周波数の依存性を解析し、前記共振回路の共振による伝送電力の位相変化または損失から前記共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、を含み、検出された共振周波数に基づいて、前記コンデンサの容量を検出、検出した前記コンデンサの容量に応じて、入射する放射線量を検出する。 The present invention includes a transmitting coil, a receiving coil arranged at a predetermined distance from the transmitting coil and sharing the magnetic field generated by the transmitting coil, a target coil arranged between the transmitting coil and the receiving coil, a capacitor whose capacitance changes depending on the dose of incident radiation and which determines the resonant frequency of a resonant circuit formed by being connected to the target coil, and a resonant frequency detection unit that analyzes the frequency dependence of power transmitted from the current flowing through the transmitting coil and the receiving coil and detects the resonant frequency of the resonant circuit from the phase change or loss of the transmitted power due to resonance of the resonant circuit, and detects the capacitance of the capacitor based on the detected resonant frequency , and detects the amount of incident radiation depending on the detected capacitance of the capacitor .

前記送信側コイルは、互いに近接配置された第1コイルと第2コイル、前記受信側コイルは、互いに近接配置された第4コイルと第5コイルに分割されており、前記共振周波数検出部は、前記第1コイルに電流を供給して、前記第5コイルの電流を検出することで、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力を周波数解析するとよい。 The transmitting coil is divided into a first coil and a second coil arranged close to each other, and the receiving coil is divided into a fourth coil and a fifth coil arranged close to each other, and the resonant frequency detection unit supplies a current to the first coil and detects the current in the fifth coil, thereby performing frequency analysis of the power transmitted from the transmitting coil to the receiving coil.

前記第1コイルおよび前記第5コイルは一巻きコイルであり、前記第コイルおよび前記第4コイルは複数巻きコイルであるとよい。 The first coil and the fifth coil may be single turn coils, and the second coil and the fourth coil may be multiple turn coils.

前記共振周波数検出部は、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力の伝送効率の微分値から前記共振周波数を検出するとよい。 The resonant frequency detection unit may detect the resonant frequency from the differential value of the transmission efficiency of the power transmitted from the transmitting coil to the receiving coil.

本発明によれば、送信側コイルから受信側コイルへの電力伝送について、共振回路が共振することで損失または位相変化が生じることを用いて共振回路のコンデンサ容量を検出する。これによって、送信側コイルおよび受信側コイルが共振回路から離れており、かつ共振回路のサイズが小さくても容量検出が可能になる。 According to the present invention, when power is transmitted from the transmitting coil to the receiving coil, the capacitance of the resonant circuit is detected by using the loss or phase change that occurs when the resonant circuit resonates. This makes it possible to detect the capacitance even if the transmitting coil and receiving coil are far from the resonant circuit and the size of the resonant circuit is small.

本実施形態に係るコンデンサ容量測定システムの概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a capacitor capacitance measuring system according to an embodiment of the present invention. 図1のコンデンサ容量測定システムの等価回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the capacitor capacitance measurement system of FIG. 1 . コイルの配置例を示す図であり、(a)はstep1(ターゲットコイルなし、距離小)、(b)はstep2(大きなターゲットコイル、距離小)、(c)はstep3(小さなターゲットコイル、距離大)を示す。1A and 1B are diagrams showing examples of coil arrangement, in which (a) shows step 1 (no target coil, small distance), (b) shows step 2 (large target coil, small distance), and (c) shows step 3 (small target coil, large distance). 伝送効率S21のシミュレーション(Simulation)と実測(measurement)の比較結果を示す図であり、(a)はstep1、(b)はstep2を示す。11A and 11B are diagrams showing a comparison result between a simulation and an actual measurement of the transmission efficiency S21, where (a) shows step 1 and (b) shows step 2. FIG. Step3における伝送効率S21のシミュレーションと実測の比較結果を示図であり、(a)はS21、(b)はS21の微分を示す。13A and 13B are diagrams showing a comparison result between a simulation and an actual measurement of a transmission efficiency S21 in Step 3, in which (a) shows S21 and (b) shows the derivative of S21. 磁界を増強し測定距離を大きくした場合のS21およびその微分を示す図であり、(a)は150mm、(b)は200mm、(c)は250mmとした場合である。13A to 13C are diagrams showing S21 and its derivative when the magnetic field is strengthened and the measurement distance is increased, where (a) is 150 mm, (b) is 200 mm, and (c) is 250 mm. フェライトコアの構成例を示す図であり、(a)はフェライトコアのみ、(b)はコイルを巻回した状態を示す。1A and 1B are diagrams showing examples of the configuration of a ferrite core, in which FIG. 1A shows only the ferrite core and FIG. 1B shows a state in which a coil is wound around the ferrite core. 本実施形態のシステムを使用した放射線治療装置の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a radiotherapy device using the system of the present embodiment. コンデンサ容量測定システムを静電容量式のタッチパネルに応用した構成例を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration in which the capacitor capacitance measuring system is applied to a capacitive touch panel.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment described here.

「概略構成」
図1は、本実施形態に係るコンデンサ容量測定システムの概略構成を示すブロック図である。
"Overview of the Configuration"
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a capacitor capacitance measuring system according to the present embodiment.

送信側コイル10は、送信側の2つのコイルである、第1コイルCL1と、第2コイルCL2を有する。センサとして機能する共振回路12はターゲットコイルCL3を有する。受信側コイル14は、受信側の2つのコイルである、第4コイルCL4と、第5コイルCL5を有する。そして、第1コイルCL1と、第5コイルCL5にネットワークアナライザ20が、共振周波数検出部として接続されている。ネットワークアナライザ20は、所望の周波数の信号を第1コイルCL1に供給し、第5コイルCL5において受信した信号を解析する。なお、送信側コイル10、受信側コイル14について、コイルは1つずつでもよく、さらに3以上でもよい。また、第1コイルCL1および第5コイルCL5は、一巻きコイルが好適であり、他は複数巻きコイルが好適である。また、共振周波数検出部は、ネットワークアナライザ20のように、周波数解析を行うものではなく、予め定められた周波数における共振の有無を検出するものでもよい。 The transmitting coil 10 has two coils on the transmitting side, the first coil CL1 and the second coil CL2. The resonant circuit 12, which functions as a sensor, has a target coil CL3. The receiving coil 14 has two coils on the receiving side, the fourth coil CL4 and the fifth coil CL5. A network analyzer 20 is connected to the first coil CL1 and the fifth coil CL5 as a resonant frequency detection unit. The network analyzer 20 supplies a signal of a desired frequency to the first coil CL1 and analyzes the signal received by the fifth coil CL5. The transmitting coil 10 and the receiving coil 14 may each have one coil, or may have three or more coils. The first coil CL1 and the fifth coil CL5 are preferably single-turn coils, and the others are preferably multiple-turn coils. The resonant frequency detection unit may not perform frequency analysis like the network analyzer 20, but may detect the presence or absence of resonance at a predetermined frequency.

図2に、図1のコンデンサ容量測定システムの等価回路を示す。なお、コイルは、インダクタンスの他、電気抵抗などを含むため、等価回路ではインダクタンスLと抵抗Rを別個に記載した。また、コンデンサCには浮遊容量などが含まれてもよい。 Figure 2 shows an equivalent circuit of the capacitor capacitance measurement system in Figure 1. Note that since the coil includes electrical resistance in addition to inductance, the inductance L and resistance R are shown separately in the equivalent circuit. In addition, the capacitor C may include stray capacitance, etc.

第1コイルCL1は、インダクタンスL1および抵抗R1の直列接続からなり、これにソース抵抗RsとコンデンサC1がさらに直列接続され、ネットワークアナライザ20から交流信号が供給される。第2コイルCL2は、インダクタンスL2および抵抗R2の直列接続からなり、これにコンデンサC2がさらに直列接続され、第1コイルCL1によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。 The first coil CL1 consists of a series connection of an inductance L1 and a resistance R1, to which a source resistor Rs and a capacitor C1 are further connected in series, and an AC signal is supplied from the network analyzer 20. The second coil CL2 consists of a series connection of an inductance L2 and a resistance R2, to which a capacitor C2 is further connected in series, and an induced current flows in response to the magnetic field generated by the first coil CL1.

ターゲットコイルCL3は、インダクタンスL3および抵抗R3の直列接続からなり、これにコンデンサC3がさらに直列接続され、第2コイルCL2によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。第4コイルCL4は、インダクタンスL4および抵抗R4の直列接続からなり、これにコンデンサC4がさらに直列接続され、第2コイルCL2によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。 The target coil CL3 consists of a series connection of an inductance L3 and a resistor R3, to which a capacitor C3 is further connected in series, and an induced current flows in response to the magnetic field generated by the second coil CL2. The fourth coil CL4 consists of a series connection of an inductance L4 and a resistor R4, to which a capacitor C4 is further connected in series, and an induced current flows in response to the magnetic field generated by the second coil CL2.

第5コイルCL5は、インダクタンスL5および抵抗R5の直列接続からなり、コンデンサC5と負荷抵抗RLがさらに直列接続され、第4コイルCL4によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れ、この電流(電圧)がネットワークアナライザ20によって測定される。 The fifth coil CL5 consists of an inductor L5 and resistor R5 connected in series, and a capacitor C5 and a load resistor RL are further connected in series. An induced current flows in response to the magnetic field generated by the fourth coil CL4, and this current (voltage) is measured by the network analyzer 20.

第1、第2、第4および第5コイルCL1、CL2、CL4、CL5の共振周波数は同一に設定され、これによって、第1、第2、第4および第5コイルCL1、CL2、CL4、CL5が共振周波数において共振することで効果的な電力伝送が行われる。 The resonant frequencies of the first, second, fourth and fifth coils CL1, CL2, CL4, CL5 are set to be the same, so that the first, second, fourth and fifth coils CL1, CL2, CL4, CL5 resonate at the resonant frequency, thereby achieving effective power transmission.

ここで、ソース抵抗Rs、負荷抵抗RLはネットワークアナライザ20とのインピーダンス整合をとるためのものであり、コンデンサC1、C2、C4、C5は、送信側と受信側のコイル(CL1、CL2、CL4、CL5)の共振周波数を同一に設定するためのものであり、可変コンデンサとすることが好適である。 Here, the source resistor Rs and the load resistor RL are for impedance matching with the network analyzer 20, and the capacitors C1, C2, C4, and C5 are for setting the resonant frequencies of the transmitting and receiving coils (CL1, CL2, CL4, and CL5) to be the same, and it is preferable to use variable capacitors.

このようなシステムにおいて、ネットワークアナライザ20の発振器20aにより、第1コイルCL1に所定周波数の交流信号を供給すると、第1コイルCL1に生じる磁界によって第2コイルCL2に電流が流れ、第2コイルCL2により発生する磁界に応じて、ターゲットコイルCL3および第4コイルCL4に電流が流れ、第4コイルCL4に発生する磁界に応じて第5コイルCL5に電流が流れ、第5コイルCL5の電流(電圧)をネットワークアナライザ20が検出する。 In such a system, when an AC signal of a predetermined frequency is supplied to the first coil CL1 by the oscillator 20a of the network analyzer 20, a current flows through the second coil CL2 due to the magnetic field generated in the first coil CL1, a current flows through the target coil CL3 and the fourth coil CL4 in response to the magnetic field generated by the second coil CL2, a current flows through the fifth coil CL5 in response to the magnetic field generated in the fourth coil CL4, and the current (voltage) in the fifth coil CL5 is detected by the network analyzer 20.

ここで、ターゲットコイルCL3には、第2コイルCL2の磁界よって生じる誘導電流の一部が流れ、このターゲットコイルCL3に誘導電流が流れることによって、第4コイルCL4に流れる誘導電流が減少する。また、共振回路12は、ターゲットコイルCL3とコンデンサC3の直列接続からなるLC回路で構成されている。従って、共振回路12は、その固有共振周波数において共振し、このときに大きな電流が流れる。 Here, part of the induced current generated by the magnetic field of the second coil CL2 flows through the target coil CL3, and the induced current flowing through this target coil CL3 reduces the induced current flowing through the fourth coil CL4. The resonant circuit 12 is composed of an LC circuit consisting of the target coil CL3 and capacitor C3 connected in series. Therefore, the resonant circuit 12 resonates at its natural resonant frequency, and a large current flows at this time.

本実施形態では、ネットワークアナライザ20において、第1コイルCL1から第5コイルCL5の電力の伝送効率S21を検出する。S21は、共振回路12が共振した際には、大きく減少するので、この減少ピーク(伝送効率変化のピーク)の周波数を検出することで、共振回路12(ターゲットコイルCL3)の共振周波数を検出することができ、従って、コンデンサC3の容量を測定することができる。 In this embodiment, the network analyzer 20 detects the power transmission efficiency S21 of the first coil CL1 to the fifth coil CL5. Since S21 decreases significantly when the resonant circuit 12 resonates, the resonant frequency of the resonant circuit 12 (target coil CL3) can be detected by detecting the frequency of this decrease peak (peak of the change in transmission efficiency), and therefore the capacitance of the capacitor C3 can be measured.

そして、本実施形態において、コンデンサC3は、その容量が変化するものを採用し、ネットワークアナライザ20においてコンデンサC3の容量を測定する。コンデンサC3として、例えば特許文献1に記載されている放射線の入射量によって容量が変化するコンデンサを採用することで、放射線線量を測定することができる。 In this embodiment, a capacitor whose capacitance changes is used as capacitor C3, and the capacitance of capacitor C3 is measured by network analyzer 20. By using a capacitor whose capacitance changes depending on the amount of incident radiation, as described in Patent Document 1, for example, as capacitor C3, it is possible to measure the radiation dose.

共振回路12の共振周波数fは、f=1/2π√(L3・C3)であり、伝送している信号の周波数がこの共振周波数と一致した場合に、共振回路12において共振電流が流れ、ここに流れる電流量が大きくなる。この場合、第4コイルCL4、第5コイルCL5に流れる電流が小さくなり、この減少をネットワークアナライザ20において検出することで、共振回路12の共振周波数を検出することができ、これからコンデンサC3の容量を決定することができる。そして、コンデンサC3の容量から、放射線入射量がわかる。 The resonant frequency f of resonant circuit 12 is f = 1/2π√(L3·C3), and when the frequency of the transmitted signal matches this resonant frequency, a resonant current flows in resonant circuit 12, and the amount of current flowing therein increases. In this case, the current flowing through the fourth coil CL4 and the fifth coil CL5 decreases, and by detecting this decrease with the network analyzer 20, the resonant frequency of resonant circuit 12 can be detected, from which the capacitance of capacitor C3 can be determined. The amount of incident radiation can then be determined from the capacitance of capacitor C3.

本実施形態では、ネットワークアナライザ20によって、各コイルの共振周波数に近い周波数において、供給する交流信号を掃引し、共振回路12の共振周波数を検出する。 In this embodiment, the network analyzer 20 sweeps the supplied AC signal at a frequency close to the resonant frequency of each coil to detect the resonant frequency of the resonant circuit 12.

「相互誘導電流の算出」
2つのコイルが電磁気学的に結合している場合、2つのコイルに流れる電流が互いに影響を及ぼす現象(相互誘導)が起こる。相互誘導によって一方のコイルに電流を流した場合、その一方のコイルから発生する磁場によって、近くのもう他方のコイルに誘導起電力がV2発生する。
"Calculation of mutually induced current"
When two coils are electromagnetically coupled, a phenomenon occurs in which the currents flowing through the two coils affect each other (mutual induction). When a current flows through one coil due to mutual induction, the magnetic field generated from that coil generates an induced electromotive force V2 in the other nearby coil.

ここで、Iは一方のコイルの電流、tは時間、Mは相互インダクタンスである。そして、コイル間の距離をd12、2つのコイルの半径をr,r,巻き数をN,Nとしたとき一方のコイルと他方のコイルの相互インダクタンスM12は、第一種楕円積分K(k)・第二種完全楕円積分E(k)を利用して、次のように求めることができる。 Here, I1 is the current in one coil, t is time, and M is the mutual inductance. If the distance between the coils is d12 , the radii of the two coils are r1 and r2 , and the numbers of turns are N1 and N2 , the mutual inductance M12 between one coil and the other coil can be calculated as follows using the first kind elliptic integral K(k) and the second kind complete elliptic integral E(k).

さらに、相互誘導は隣り合うコイルだけでなく、全てのコイルと干渉しあうため、それぞれのコイルにおける電圧V・電流I・インピーダンスZの関係は、次のように表される。 Furthermore, since mutual induction affects not only adjacent coils but all coils, the relationship between the voltage V, current I, and impedance Z in each coil is expressed as follows:

ここで、Mは相互インダクタンス、Vsは第1コイルCL1に掛かる電圧、Vは第5コイルCL5に掛かる電圧、Vsはソース抵抗Rsに掛かる電圧である。なお、Vsはソース抵抗Rsに掛かる電圧、VLは抵抗Rに掛かる電圧としてもよい。 Here, M is the mutual inductance, Vs is the voltage applied to the first coil CL1, VL is the voltage applied to the fifth coil CL5, and Vs is the voltage applied to the source resistor Rs. Note that Vs may be the voltage applied to the source resistor Rs, and VL may be the voltage applied to the resistor RL .

伝送効率S21は、上記の計算式の逆行列を解くことでそれぞれの電流値(I~I)が計算できることから、下式で算出できる。 The transmission efficiency S21 can be calculated by the following formula, since the respective current values (I 1 to I 5 ) can be calculated by solving the inverse matrix of the above formula.

ここで、ネットワークアナライザ20では、伝送効率S21がデシベル表記されるため、求められたS21を下式に代入し、S21Nwrwork Analyzerが求められる。以下のオフセット(offset)はネットワークアナライザの内部アッテネータによる減衰補正項となっており、実測によって求められる。 Here, in the network analyzer 20, the transmission efficiency S21 is expressed in decibels, so the obtained S21 is substituted into the following formula to obtain S21 Nwrwork Analyzer . The following offset is an attenuation correction term due to the internal attenuator of the network analyzer, and is obtained by actual measurement.

「共振周波数の測定」
ファラデーの法則によると、磁場の存在する空間にコイルを置くと、ループ面を貫く磁束変化によって、誘導起電力が発生する。この時、コイルの巻き数をN、コイルを貫く磁束をΦ、時間をtとすると誘導起電力Vは下式で表される。
"Measuring resonance frequency"
According to Faraday's law, when a coil is placed in a space where a magnetic field exists, an induced electromotive force is generated due to the change in magnetic flux penetrating the loop surface. In this case, if the number of turns of the coil is N, the magnetic flux penetrating the coil is Φ, and the time is t, the induced electromotive force V is expressed by the following formula.

また、コイルは、RLC直列回路と等価であるため、インピーダンスは下式で表され、共振周波数でインピーダンスZが最小値のRとなり、誘導起電力による誘導電流が最大となる。つまり、コイルのループ面を貫く電磁波の周波数が、コイルの固有共振周波数と一致するとき、誘導電流が最大になる。 In addition, since the coil is equivalent to an RLC series circuit, the impedance is expressed by the following formula, where the impedance Z is at its minimum value R at the resonant frequency, and the induced current due to the induced electromotive force is at its maximum. In other words, when the frequency of the electromagnetic waves penetrating the loop surface of the coil matches the natural resonant frequency of the coil, the induced current is at its maximum.

従って、誘導電流によってコイル内に蓄えられるエネルギーUは、コイルに流れる電流Iを用いて下式で表すことができる。 Therefore, the energy U stored in the coil due to the induced current can be expressed by the following equation using the current I flowing through the coil.

以上のことから、電力伝送が行われている空間に目的とするターゲットコイルを置くと、ターゲットコイルの共振周波数付近ではインピーダンスが小さくなり、伝送される電力の一部がターゲットコイルに蓄えられ、伝送効率S21に位相変化が生じると考えられる。 From the above, it is believed that when the desired target coil is placed in the space where power transmission is taking place, the impedance becomes small near the resonant frequency of the target coil, a portion of the transmitted power is stored in the target coil, and a phase change occurs in the transmission efficiency S21.

さらに、コイルのインピーダンスは共振周波数で最小となるため、ネットワークアナライザ20で伝送効率S21を観測すると、ターゲットコイルの共振周波数において最大となる位相変化が出現し、また、回路内の抵抗によって電力損失が生じる。従って、位相変化は、伝送効率の変化(電力損失)としても検出することができ、例えば定在波比(SWR値)の計測によっても同様に検出することができる。 Furthermore, since the impedance of the coil is minimum at the resonant frequency, when the transmission efficiency S21 is observed with the network analyzer 20, a phase change that is maximum at the resonant frequency of the target coil appears, and power loss occurs due to resistance in the circuit. Therefore, the phase change can also be detected as a change in transmission efficiency (power loss), and can also be detected in the same way by measuring, for example, the standing wave ratio (SWR value).

このように、伝送効率S21は周波数によって変動し、伝送する信号の周波数がターゲットコイルであるターゲットコイルCL3の共振周波数と一致する際に伝送効率が大きく減少することを利用することで、共振回路12(ターゲットコイルCL3)の共振周波数を外部から検知することが可能となる。すなわち、ネットワークアナライザ20において、送信周波数を掃引し、各周波数での伝送効率S21を求め、伝送効率S21が落ち込む周波数をもって共振回路12(ターゲットコイルCL3)の共振周波数と特定することができる。 In this way, the transmission efficiency S21 varies with frequency, and by utilizing the fact that the transmission efficiency decreases significantly when the frequency of the transmitted signal matches the resonant frequency of the target coil CL3, which is the target coil, it is possible to detect the resonant frequency of the resonant circuit 12 (target coil CL3) from the outside. That is, the network analyzer 20 sweeps the transmission frequency, determines the transmission efficiency S21 at each frequency, and identifies the frequency at which the transmission efficiency S21 drops as the resonant frequency of the resonant circuit 12 (target coil CL3).

「実験:シミュレーション、実測」
伝送効率S21を利用した、本実施形態における共振周波数の測定について、簡単な測定体系から段階的に検証(Step1→Step2→Step3)を進めることで、伝送効率S21を利用した共振周波数の測定の妥当性を確認した。
"Experiment: Simulation, Actual Measurement"
Regarding the measurement of the resonant frequency in this embodiment using the transmission efficiency S21, verification was carried out in stages (Step 1 → Step 2 → Step 3) starting with a simple measurement system, and the validity of the measurement of the resonant frequency using the transmission efficiency S21 was confirmed.

この測定には、ネットワークアナライザには、keysight社製(商品名:E5071C)を使用した。 For this measurement, a network analyzer manufactured by Keysight (product name: E5071C) was used.

<Step1>
図3(a)に示すようにターゲットであるターゲットコイルCL3を含む共振回路12が存在しない状況で、かつ第2、第4コイル間距離が、比較的近い場合(100mm)の伝送効率S21を測定する。
<Step 1>
As shown in FIG. 3A, the transmission efficiency S21 is measured in a situation where the resonant circuit 12 including the target coil CL3 as the target is not present and the distance between the second and fourth coils is relatively short (100 mm).

<Step2>
図3(a)と同じ測定体系に、図3(b)のように、第2コイルCL2と、第4コイルCL4の中間位置(通信距離50mm)にターゲットコイルCL3(直径:18mm、巻き数:4回、長さ:8mm)を配置し、伝送効率S21にターゲットコイルCL3を含む共振回路12の共振周波数において位相変化が生じるかを検証する。
<Step 2>
In the same measurement system as in Figure 3(a), as shown in Figure 3(b), a target coil CL3 (diameter: 18 mm, number of turns: 4, length: 8 mm) is placed at the midpoint between the second coil CL2 and the fourth coil CL4 (communication distance 50 mm), and it is verified whether a phase change occurs at the resonant frequency of the resonant circuit 12 including the target coil CL3 in the transmission efficiency S21.

<Step3>
Step3では、ターゲットコイルCL3を、小型なコイル(直径2.4mm、巻き数8回、長さ10mm)に変更した。さらに、ターゲットコイルCL3のコアとして、フェライトコア(直径2mm、長さ15mm)を挿入した。通信距離は100mmを目標とし、図3(c)に示すような体系で周波数測定を行った。
<Step 3>
In Step 3, the target coil CL3 was changed to a small coil (diameter 2.4 mm, number of turns 8, length 10 mm). Furthermore, a ferrite core (diameter 2 mm, length 15 mm) was inserted as the core of the target coil CL3. The communication distance was targeted to be 100 mm, and frequency measurement was performed in the system shown in FIG. 3(c).

共振回路12において伝送電力の位相変化は誘導起電力に依存するため、相互インダクタンスMが大きいほど、位相変化のピークは大きくなると考えられる。相互インダクタンスはコイル間の距離・半径に依存するパラメータであり、上記の式を利用し、シミュレーションによって計算できる。そこで、通信距離100mmにおいて相互インダクタンスMを大きくする半径は90mmと求められた。さらに、ターゲットコイルCL3による位相変化ピークは、目的とする通信距離が長くなると小さくなると予想されるため、位相変化ピークが明確に現れない可能性がある。そこで、得られたS21[dB]を周波数(横軸)で微分することで、明確な信号として検出できるように工夫した。 In the resonant circuit 12, the phase change of the transmitted power depends on the induced electromotive force, so it is believed that the larger the mutual inductance M, the larger the phase change peak. Mutual inductance is a parameter that depends on the distance and radius between the coils, and can be calculated by simulation using the above formula. Therefore, the radius that increases the mutual inductance M at a communication distance of 100 mm was determined to be 90 mm. Furthermore, since the phase change peak due to the target coil CL3 is expected to become smaller as the desired communication distance becomes longer, there is a possibility that the phase change peak will not appear clearly. Therefore, we devised a way to make it possible to detect it as a clear signal by differentiating the obtained S21 [dB] with respect to frequency (horizontal axis).

なお、Step2、Step3で使用される共振回路12の共振周波数は、事前にRFID原理を利用して測定し、それぞれ21.52MHz、17.68MHzのものを使用した。 The resonant frequencies of the resonant circuit 12 used in Step 2 and Step 3 were measured in advance using the RFID principle, and were 21.52 MHz and 17.68 MHz, respectively.

「実験結果」
<Step1、Step2>
図4(a)、図4(b)はそれぞれの伝送効率S21のシミュレーション(Simulation)と実測(measurement)の比較結果を示している。図3(a)から分かるように、シミュレーションと実測の結果がほぼ一致している。なお、シミュレーションと実測の間に若干のずれが生じるのは、各々のコイルがハンドメイドであることや、実測で配置されるコイルの若干のズレが原因であると推測される。
"Experimental result"
<Step 1, Step 2>
4(a) and 4(b) show the comparison results of the simulation and the actual measurement of the transmission efficiency S21. As can be seen from FIG. 3(a), the simulation and the actual measurement results are almost the same. It is presumed that the slight deviation between the simulation and the actual measurement is due to the fact that each coil is handmade and the coil placement in the actual measurement is slightly misaligned.

また、図3(a)と図3(b)を比較すると、ターゲットコイルCL3を含む共振回路12の共振周波数で、伝送効率S21に位相変化ピークが生じていることが確認できる。以上によって、位相変化部分のピークを利用することで周波数を無線測定することが可能であることがわかる。 In addition, comparing FIG. 3(a) with FIG. 3(b), it can be seen that a phase change peak occurs in the transmission efficiency S21 at the resonant frequency of the resonant circuit 12 including the target coil CL3. From the above, it can be seen that it is possible to wirelessly measure the frequency by utilizing the peak of the phase change portion.

<Step3>
図5(a)step3における伝送効率S21のシミュレーションと実測の比較結果を示している。このように、距離が伸びると位相変化部分のピークが見えづらくなる。そこで、伝送効率S21を周波数で微分したものを図5(b)に示す。
<Step 3>
5A shows a comparison between the simulation and actual measurement of the transmission efficiency S21 at step 3. As shown above, as the distance increases, the peak of the phase change portion becomes less visible. Therefore, FIG. 5B shows the transmission efficiency S21 differentiated with respect to frequency.

図5(a)、図5(b)から分かるように、目的とする距離が伸びた場合においてもシミュレーションと実測はよく一致しており、また図5(b)より通信距離が長い場合でもターゲットコイルCL3の共振周波数で位相変化が生じていることが確認された。 As can be seen from Figures 5(a) and 5(b), the simulation and actual measurements matched well even when the target distance was extended, and Figure 5(b) confirmed that a phase change occurred at the resonant frequency of target coil CL3 even when the communication distance was longer.

また、事前に別途測定されたターゲットコイルCL3の共振周波数と、位相変化のピークが生じる周波数が合っていることも確認された。従って、SCMRによる電力伝送と、伝送効率S21に生じる位相変化を組み合わせることで、小型の共振回路12を用い、測定距離が長い場合でも共振周波数の測定が可能であることが分かった。 It was also confirmed that the resonant frequency of the target coil CL3, which had been measured separately in advance, matched the frequency at which the phase change peak occurred. Therefore, it was found that by combining power transmission by SCMR with the phase change that occurs in the transmission efficiency S21, it is possible to measure the resonant frequency using a small resonant circuit 12, even when the measurement distance is long.

「測定距離の延長」
図6(a)~図6(c)には、第1、第2、第4、第5コイルCL1~CL5について、大きなコイルを用い発生する磁界を増強し、測定距離を150mm,200mm、250mmとした場合の結果(周波数に対するS21およびS21の微分)を示してある。これによれば、下段のS21の微分値により位相変化ピークは距離が大きくなるに従って小さくなるが、この程度の測定距離であれば、伝送効率S21を微分することによって、十分識別が可能であることがわかる。
"Extending the measurement distance"
6(a) to 6(c) show the results (S21 and the derivative of S21 with respect to frequency) for the first, second, fourth, and fifth coils CL1 to CL5, when the magnetic field generated is strengthened by using a large coil and the measurement distance is 150 mm, 200 mm, and 250 mm. According to this, the phase change peak becomes smaller as the distance increases due to the differential value of S21 in the lower part, but it can be seen that at this measurement distance, it is possible to sufficiently distinguish by differentiating the transmission efficiency S21.

また、本実施形態では、通信距離を延ばすためにターゲットコイルCL3にフェライトコアを使用した。一方、他のコイル、例えばCL2、CL4などにもフェライトコアを使用することができる。フェライトコアを使用することで、コイル間の磁界の大きさが大きくなるため、通信可能な距離をさらに延長することができる。 In addition, in this embodiment, a ferrite core is used for the target coil CL3 to extend the communication distance. However, ferrite cores can also be used for the other coils, such as CL2 and CL4. By using a ferrite core, the magnitude of the magnetic field between the coils increases, so the communication distance can be further extended.

<フェライトコアの形状>
上述のstep3においては、円筒状のフェライトコアを用い、フェライトコアの周囲にコイルを巻回した。ここで、図7(a)、図7(b)に示すように、円筒状のフェライトコア30の軸方向の両端部を円錐状に拡大し、径が徐々に広がるテーパ部32状を形成することができる。そして、円筒部にコイル34を巻回することで、コイル34のフェライトコア30における軸方向の移動を抑制することができる。ターゲットコイルCL3を体内に埋め込む場合などにおいて、コイルの移動が抑制されることでより確実な検出が行える。
<Ferrite core shape>
In the above step 3, a cylindrical ferrite core is used, and a coil is wound around the ferrite core. Here, as shown in Fig. 7(a) and Fig. 7(b), both ends in the axial direction of the cylindrical ferrite core 30 can be expanded in a conical shape to form a tapered portion 32 whose diameter gradually increases. Then, by winding the coil 34 around the cylindrical portion, the movement of the coil 34 in the ferrite core 30 in the axial direction can be suppressed. When the target coil CL3 is embedded in the body, the movement of the coil is suppressed, and more reliable detection can be performed.

<システム構成>
図8には、本実施形態のシステムを使用した放射線治療装置の構成例を示す。診察台40の上には、患者42がおり、この患者42の患部に対し治療放射線44が照射される。患者42の所定位置には、共振回路12(ターゲットコイルCL3)が埋め込まれている。これによって、共振回路12が置かれた場所における入射放射線量を共振回路12のコンデンサC3の容量変化で検出することができる。
<System Configuration>
8 shows an example of the configuration of a radiotherapy device using the system of this embodiment. A patient 42 is placed on an examination table 40, and therapeutic radiation 44 is irradiated to the affected area of the patient 42. A resonant circuit 12 (target coil CL3) is embedded in a predetermined position of the patient 42. This makes it possible to detect the amount of incident radiation at the location where the resonant circuit 12 is placed by the change in capacitance of a capacitor C3 of the resonant circuit 12.

ここで、本実施形態のターゲットコイルCL3は、円筒状のヘリカルコイルであり、その中心軸方向からくる磁界に対し感度がよい(大きな誘導電流が生じる)が、これと直交する方向に近づくほど感度が悪い。 The target coil CL3 in this embodiment is a cylindrical helical coil that is sensitive to the magnetic field coming from its central axis (generating a large induced current), but the closer it is to the perpendicular direction, the less sensitive it becomes.

従って、図11に実線で示すように、ターゲットコイルCL3の向きと送信側コイル10、受信側コイル14のコイルの向きが揃っている場合には感度がよく、破線で示すように異なっている場合には感度が悪くなる。 Therefore, as shown by the solid line in Figure 11, when the orientation of the target coil CL3 is aligned with the orientation of the transmitter coil 10 and receiver coil 14, the sensitivity is good, but when they differ, as shown by the dashed line, the sensitivity is poor.

そこで、患者42の載置される診察台40、および送受信側コイル10,14の両方または一方を移動可能にするとよい。これによって、常に、感度の良い状態に保つことでき、高感度の測定が可能になる。なお、治療放射線を患者に照射する場合などにおいては、治療放射線の照射位置を決定するために診察台40の位置を設定する必要がある場合が多く、送信側コイル10、受信側コイル14の向きを調整可能とするとよい。なお、ターゲットコイルCL3の向きは、感度から検出してもよいが、X線や超音波の映像から検出してもよい。 It is therefore advisable to make both or either of the examination table 40 on which the patient 42 rests and the transmitting and receiving coils 10, 14 movable. This allows the sensitivity to be maintained at all times, enabling highly sensitive measurements. When irradiating a patient with therapeutic radiation, it is often necessary to set the position of the examination table 40 in order to determine the irradiation position of the therapeutic radiation, and it is therefore advisable to make the orientations of the transmitting coil 10 and receiving coil 14 adjustable. The orientation of the target coil CL3 may be detected from sensitivity, or it may be detected from X-ray or ultrasound images.

「他の構成例」
図9は、コンデンサ容量測定システムを静電容量式のタッチパネルに応用した構成例を示した図である。このように、共振回路12には、金属板36が接続されており、金属板36への手などの近接によって共振回路12の静電容量が変化する。すなわち、コンデンサC3に加え、金属板36における浮遊容量が加わっており、これが手などの近接により変化する。なお、共振回路12の容量が変化すれば、独立した金属板36は必ずしも設ける必要はない。
"Other configuration examples"
9 is a diagram showing a configuration example in which the capacitor capacitance measurement system is applied to a capacitive touch panel. In this way, a metal plate 36 is connected to the resonant circuit 12, and the capacitance of the resonant circuit 12 changes when a hand or the like approaches the metal plate 36. That is, in addition to the capacitor C3, a stray capacitance of the metal plate 36 is added, and this changes when a hand or the like approaches. Note that if the capacitance of the resonant circuit 12 changes, it is not necessarily necessary to provide an independent metal plate 36.

ネットワークアナライザ20において、送信側コイル10から所定の信号を送信し、受信側コイル14の受信信号を解析し、伝送効率S21の位相変化ピーク位置(周波数)より、共振回路12における共振周波数の変化を検出することができる。なお、各共振回路12のコンデンサC3の容量を変更するなどの手法により、各共振回路12の共振周波数をずらしておくことで、共振周波数が変化した共振回路12を特定することができる。 In the network analyzer 20, a predetermined signal is transmitted from the transmitting coil 10, and the received signal of the receiving coil 14 is analyzed, and the change in the resonant frequency in the resonant circuit 12 can be detected from the phase change peak position (frequency) of the transmission efficiency S21. Note that by shifting the resonant frequency of each resonant circuit 12 by a method such as changing the capacitance of the capacitor C3 of each resonant circuit 12, it is possible to identify the resonant circuit 12 whose resonant frequency has changed.

その他、静電容量の変化を遠隔から検出したいという要求がある場合に、本実施形態のシステムを採用することができる。圧電体、焦電体、強誘電体を用いた素子(コンデンサ)において、その容量変化を検出する場合に、本実施形態のシステムを採用することができる。 The system of this embodiment can also be used when there is a need to detect changes in capacitance remotely. The system of this embodiment can also be used when detecting changes in capacitance in elements (capacitors) that use piezoelectric, pyroelectric, or ferroelectric materials.

また、コンデンサとコイル、スイッチを直列で接続することで、スイッチが押された時のみ共振周波数を有するアンテナを発生させることができる。同様のコンデンサ、コイル、スイッチを多数用意し、それぞれの共振周波数を互いに異なる値に設定しておくことで、特定の共振周波数が存在することから、スイッチのon/offを検出することができる。したがって、空間上に給電無しでコイルとコンデンサを内包したスイッチを配置するだけでパソコンのキーボードとして機能させることも可能である。この場合、各スイッチについて予め定められ周波数に共振信号が存在するかを検出することで、on/offを検出することができるため、ネットワークアナライザなどによる周波数解析を行う必要はない。 Also, by connecting a capacitor, coil, and switch in series, it is possible to generate an antenna that has a resonant frequency only when the switch is pressed. By preparing a large number of similar capacitors, coils, and switches and setting each of their resonant frequencies to different values, it is possible to detect the on/off state of the switch due to the presence of a specific resonant frequency. Therefore, it is also possible to make a switch that contains a coil and a capacitor function as a computer keyboard simply by placing it in space without power supply. In this case, the on/off state can be detected by detecting whether a resonant signal exists at a predetermined frequency for each switch, so there is no need to perform frequency analysis using a network analyzer or the like.

「実施形態の効果」
現在、無線通信技術は様々な分野で活用されており、通常ターゲットコイルの共振周波数は電磁誘導を利用したS11によって測定が行われている。しかし、S11を利用した周波数測定では、通信可能な距離が短く、長いものでも数cm程度である。
"Effects of the embodiment"
Currently, wireless communication technology is used in various fields, and the resonant frequency of a target coil is usually measured by S11 using electromagnetic induction. However, in frequency measurement using S11, the communication distance is short, and even the longest is about a few centimeters.

本実施形態では、SCMRによる電力伝送をベースとして、ターゲットコイルにおける誘導起電力における位相変化を検出するという手法によって、10cm離れたターゲットコイルの共振周波数を測定することができた。また、小型のターゲットコイルでも長距離で共振周波数の測定が可能であることが分かった。 In this embodiment, the resonant frequency of a target coil 10 cm away was measured by detecting the phase change in the induced electromotive force in the target coil based on power transmission by SCMR. It was also found that it is possible to measure the resonant frequency over a long distance even with a small target coil.

また、SCMRは磁界共振を利用した伝送方法であり、生体のような誘電体から受ける影響が小さく、伝送効率がほとんど変化しないことが確認されている。従って、共振回路12はこのまま体内センサとして利用できると考えられ、既存の体内埋め込みデバイスに関する問題点を改善できる可能性がある。 In addition, SCMR is a transmission method that utilizes magnetic resonance, and it has been confirmed that it is less affected by dielectric materials such as living bodies and that the transmission efficiency remains almost unchanged. Therefore, it is believed that the resonant circuit 12 can be used as an internal sensor as is, and there is a possibility that problems associated with existing implantable devices can be improved.

上述のStep3では、測定距離100mmに好適な測定が行われるコイル半径などが検証されたが、厳密な最適化(コイルの巻き数、コイルのピッチ、共振周波数の帯域など)によって、さらに距離を延ばすことができると考えられる。 In Step 3 above, the coil radius etc. was verified to perform measurements suitable for a measurement distance of 100 mm, but it is believed that the distance can be extended further by rigorous optimization (number of coil turns, coil pitch, resonant frequency band, etc.).

10 送信側コイル、12 ターゲットコイル、14 受信側コイル、20 ネットワークアナライザ、30 フェライトコア、32 テーパ部、34 コイル、36 金属板、40 診察台、42 患者、44 治療放射線。
REFERENCE SIGNS LIST 10 Transmitting coil, 12 Target coil, 14 Receiving coil, 20 Network analyzer, 30 Ferrite core, 32 Tapered portion, 34 Coil, 36 Metal plate, 40 Examination table, 42 Patient, 44 Therapeutic radiation.

Claims (4)

送信側コイルと、
前記送信側コイルから所定距離離間して配置され、前記送信側コイルにより生成される磁界を共有する受信側コイルと、
前記送信側コイルと前記受信側コイルとの間に配置されるターゲットコイルと、
入射する放射線の線量によって容量が変化するコンデンサであって、前記ターゲットコイルに接続されて形成された共振回路の共振周波数を決定するコンデンサと、
前記送信側コイルおよび前記受信側コイルに流れる電流から伝送される電力周波数の依存性を解析し、前記共振回路の共振による伝送電力の位相変化または損失から前記共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、
を含み、
検出された共振周波数に基づいて、前記コンデンサの容量を検出、検出した前記コンデンサの容量に応じて、入射する放射線量を検出する、
放射線量測定システム
A transmitting coil;
A receiving coil that is disposed at a predetermined distance from the transmitting coil and shares a magnetic field generated by the transmitting coil;
a target coil disposed between the transmitting coil and the receiving coil;
a capacitor whose capacitance changes depending on the dose of incident radiation , the capacitor being connected to the target coil to determine a resonant frequency of a resonant circuit;
a resonance frequency detection unit that analyzes the frequency dependency of power transmitted from the current flowing through the transmitting coil and the receiving coil, and detects a resonance frequency of the resonance circuit from a phase change or loss of the transmitted power due to resonance of the resonance circuit;
Including,
detecting a capacitance of the capacitor based on the detected resonant frequency , and detecting an amount of incident radiation according to the detected capacitance of the capacitor ;
Radiation dosimetry system .
請求項1に記載の放射線量測定システムであって、
前記送信側コイルは、互いに近接配置された第1コイルと第2コイル、前記受信側コイルは、互いに近接配置された第4コイルと第5コイルに分割されており、前記共振周波数検出部は、前記第1コイルに電流を供給して、前記第5コイルの電流を検出することで、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力を周波数解析する、
放射線量測定システム。
2. The radiation dosimetry system according to claim 1,
the transmitting coil is divided into a first coil and a second coil arranged close to each other, and the receiving coil is divided into a fourth coil and a fifth coil arranged close to each other, and the resonant frequency detection unit supplies a current to the first coil and detects a current in the fifth coil, thereby performing frequency analysis of the power transmitted from the transmitting coil to the receiving coil;
Radiation dosimetry system.
請求項2に記載の放射線量測定システムであって、
前記第1コイルおよび前記第5コイルは一巻きコイルであり、前記第コイルおよび前記第4コイルは複数巻きコイルである、
放射線量測定システム。
The radiation dosimetry system according to claim 2,
The first coil and the fifth coil are single turn coils, and the second coil and the fourth coil are multi-turn coils.
Radiation dosimetry system.
請求項1~3のいずれか1つに記載の放射線量測定システムであって、
前記共振周波数検出部は、
前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力の伝送効率の微分値から前記共振周波数を検出する、
放射線量測定システム。
A radiation dosimetry system according to any one of claims 1 to 3,
The resonance frequency detection unit is
detecting the resonant frequency from a differential value of a transmission efficiency of the power transmitted from the transmitting coil to the receiving coil;
Radiation dosimetry system.
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Andre Kurs et al.,Wireless Power Transfervia Strongly Coupled Magnetic Resonances,Science,米国,2007年07月06日,317, 83(2007),83-86
庄木裕樹,ワイヤレス電力伝送技術が社会を変える,通信ソサイエティマガジン,日本,電子情報通信学会,2013年06月01日,25(2013),13-18

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