非接触電力供給装置
【課題】電磁界による生体への影響が少なく、患者の安全性を確保することができる非接触電力供給装置を実現する。
【解決手段】非接触電力供給装置１は、電池４から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイル２と、一次コイル２から電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓５に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイル３とを備え、一次コイル２に供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下である。
【解決手段】非接触電力供給装置１は、電池４から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイル２と、一次コイル２から電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓５に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイル３とを備え、一次コイル２に供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源から電力が供給される一次コイルと、一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に供給する体内埋め込み可能な二次コイルとを備えた非接触電力供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、人工心臓に電力を供給する非接触電力供給装置が使われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
リード線等により皮膚を貫通させてのエネルギー伝送は、皮膚に穴を開けるという性質上、感染症の問題がある。また、リード線からのエネルギー供給により人工心臓といった医療装置を直接駆動させる場合、患者の行動範囲が制限される。このように、皮膚を介してのエネルギー伝送は患者のクオリティオブライフ（ＱＯＬ）という観点からさまざまな問題を含んでいる。そこで、皮膚を貫通することなくエネルギーを供給するため、体外と体内に置かれた二つのコイル間の電磁誘導作用を利用して、経皮的にエネルギーを伝送する方法がとられている。これを利用したエネルギー伝送システムは、経皮エネルギー伝送システム（ＴＥＴＳ：Ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、またはＴＥＴ）と呼ばれている。
【０００４】
このシステムの、体外と体内に置かれた二つのコイルにより、経皮トランスが構成される。そして、電力伝送部となる経皮トランスを介し、体外の電源装置から体内のポンプといった駆動部へと電力が伝送される。これまで、さまざまな経皮トランスが考案され、実験されてきた。例えば、空心コイルと呼ばれる銅線を円盤状に巻いたコイルが、経皮エネルギー伝送システムに使用されている。
【特許文献１】特開２００５−２８８１３８号公報（平成１７年１０月２０日（2005.10.20）公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の構成では、電力の伝送効率が高く、入力電圧が低いという性能を向上させる目的と、コイルの大きさが小さいという患者への負担を軽減する目的とを達成するための設計しかなされておらず、電磁界による生体への影響といった患者の安全性を考慮した設計がなされていないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁界による生体への影響が少なく、患者の安全性を確保することができる非接触電力供給装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【０００８】
上記特徴により、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【０００９】
本発明に係る他の非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１０】
上記特徴により、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧１２ボルトのものとにおいて、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【００１１】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１２】
上記特徴により、直径１００ｍｍの一次コイルと、直径７０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【００１３】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１４】
上記特徴により、直径１００ｍｍの一次コイルと、直径７０ｍｍの二次コイルで出力電圧１２ボルトのものとにおいて、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【００１５】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る非接触電力供給装置は、以上のように、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度を小さくすることができ、且つ伝送効率を高くすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について図１ないし図１８に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る非接触電力供給装置１の構成を示す模式図である。図２は、非接触電力供給装置１に設けられた一次コイル２と二次コイル３との構成を示す模式図である。
【００２１】
非接触電力供給装置１は、空心型の一次コイル２を備えている。一次コイル２には、電池４からインバータ回路７を介して電力が供給される。一次コイル２は、生体の皮膚の表面に対向して配置される。非接触電力供給装置１には、空心型の二次コイル３が設けられている。二次コイル３は、生体の皮膚の表面から５ｍｍ〜１０ｍｍよりも深い皮下組織に埋め込まれており、一次コイル２に対向するように配置されており、一次コイル２から電磁誘導作用により伝送された電力を、駆動装置６を介して人工心臓５に供給する。
【００２２】
図３は、非接触電力供給装置１の伝送等価回路の構成を示す回路図である。電池４及び一次コイル２は、周波数ωの電圧Ｖ１、電流Ｉ１を供給する交流電源と、この交流電源に接続されたコンデンサＣ１、コイルＬ１及び巻線抵抗ｒ１によって等価的に表される。二次コイル３、駆動装置６及び人工心臓５は、コイルＬ２、巻線抵抗ｒ２、コンデンサＣ２及び負荷抵抗ＲＬによって等価的に表される。
【００２３】
一次コイル２、二次コイル３間の伝送効率は、下記の（式１）によって表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
交流電源から一次コイル２に入力される入力電圧Ｖ１の絶対値は、下記の（式２）によって表される。
【００２６】
【数２】
【００２７】
非接触電力供給装置１を適用する患者への負担を考慮すると、二次コイル３の直径は、７０ｍｍ以下であることが必要であり、一次コイル２の直径は、１００ｍｍ以下であることが必要である。
【００２８】
高性能なコイルを設計するために、下記の（式３）によって表される評価関数Ｆを最小にするコイルの大きさ及び周波数を検討する。
【００２９】
【数３】
【００３０】
ここで、
η：伝送効率（％）（８５％〜１００％）、
Ｖ１：入力電圧（Ｖ）（０〜１００Ｖ）、
Ｄ２：二次コイル３（体内コイル）の外直径（４０ｍｍ〜７０ｍｍ）、
である。
【００３１】
図４は、非接触電力供給装置１の入力周波数と伝送効率ηとの関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２に供給される入力電圧の周波数を示しており、縦軸は伝送効率ηを示している。一次コイル２の直径は９０ｍｍであり、二次コイル３の直径は６０ｍｍである。伝送効率ηを８５％以上確保するためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよいことが分かる。
【００３２】
図５は、非接触電力供給装置１の入力周波数と入力電圧との関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２に供給される入力電圧の周波数を示しており、縦軸は一次コイル２に供給される入力電圧を示している。入力電圧の周波数が０〜１０００ｋＨｚのいずれであっても入力電圧は１００Ｖ以下にすることができることが分かる。
【００３３】
このように、一次コイル２の直径が９０ｍｍであり、二次コイル３の直径が６０ｍｍである場合（以下、基本モデルという）は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよい。
【００３４】
図６は、非接触電力供給装置１の効率を高める構成の組み合わせを説明するための図である。前述したように、基本モデルで出力電圧を２４Ｖにする場合は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよい。
【００３５】
また、基本モデルで出力電圧を１２Ｖにする場合は、入力電圧の周波数を２００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚにすればよい。また、一次コイル２の直径が１００ｍｍであり、二次コイル３の直径が７０ｍｍで（以下、拡張モデルという）出力電圧を２４Ｖにする場合は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を２００ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚにすればよい。拡張モデルで出力電圧を１２Ｖにする場合は、入力電圧の周波数を１００ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚにすればよい。
【００３６】
図７は、電磁界による生体への影響を説明するための図である。図８は、電磁界による生体への影響の解析評価方法を説明するための図である。電磁界による生体への影響としては、生体組織内のジュール熱の発生により温度上昇を引き起こす作用（熱作用）と、誘導電流により神経及び筋の興奮を引き起こす作用（刺激作用）とが知られている。一般に、熱作用の指標には生体組織に吸収される単位質量あたりの電力である比吸収率（ＳＡＲ：Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒａｔｅ[Ｗ／ｋｇ]）が用いられ、刺激作用の指標には電流密度[Ａ／ｍ２]が用いられる。これらの値は、国際非電離放射線防護委員会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｎｏｎ−Ｉｏｎｉｚｉｎｇ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ＩＣＮＩＲＰ）により基本制限が定められている。本発明者らは、熱作用と刺激作用とに着目し、電磁界解析により、ＳＡＲと電流密度とを求め、生体に影響の少ない周波数及び伝送電力等の伝送条件を導出する。
【００３７】
ＳＡＲは、
Ｅ：電界の実効値[Ｖ／ｍ]、
σ：導電率[Ｓ／ｍ]、
ρ：生体組織の密度[ｋｇ／ｍ３]、
とすると、
ＳＡＲ＝σＥ２／ρ
で表される。
【００３８】
ＳＡＲの見積もりは、解析によるものと、実験によるものとがある。実験によるものは、一般的に生体の形状及び電気特性を模擬した擬似生体（ファントム）を用い、電磁照射時の温度上昇を測定して電力に換算する方法、及び液体ファントムの場合には電界プローブを直接挿入し、電界強度分布を測定する方法が知られている。しかし、実験による場合、電磁界によるファントムの温度上昇以外に、銅損による経皮トランス自体の温度上昇が考えられるため、正確な測定ができないと考えられる。よって、ここでは電磁界解析によってＳＡＲを求める。
【００３９】
次に、ＳＡＲの基本制限について述べる。ＩＣＮＩＲＰにより定められている基本制限を図８に示す。基本制限は、職業的曝露と公衆の曝露とに分けられる。職業的曝露は、通常は既知の条件下で曝露を受けており、適切な予防措置をとるための訓練を受けている成人から成っている集団に適用される。一方、公衆の曝露は、あらゆる年齢層、健康状態の人から成り、特に影響を受けやすいグループ、個人が含まれる集団に適用される。職業的曝露のＳＡＲの基本制限は、１０[Ｗ／ｋｇ]であり、公衆の曝露のＳＡＲの基本制限は、２[Ｗ／ｋｇ]である。
【００４０】
電流密度Ｊは、
Ｊ＝πＲｆσμＨ
によって表される。
ここで、
ｆ：周波数[Ｈｚ]、
μ：透磁率[Ｈ／ｍ]、
Ｒ：誘導電流ループの半径[ｍ]、
Ｈ：磁界
である。
【００４１】
電流密度Ｊの見積もりも、解析によるものと実験によるものとがある。実験によるものとしては、測定部位以外の表面を導体と絶縁体との二層構造よりなるカバーで被覆することにより、測定部位のみに流れる電流を測る方法が提案されている。ここでは、電磁界解析によって電流密度を求める。電流密度Ｊの基本制限も職業的曝露と公衆の曝露とに分けられる。職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限は、ｆ／１００[ｍＡ／ｍ２]であり、公衆の曝露の電流密度Ｊの基本制限は、ｆ／５００[ｍＡ／ｍ２]である。
【００４２】
ＳＡＲ、電流密度を求めるための解析には、伝送線路行列法（ＴＬＭ法：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた電磁解析ソフトを用いる。ＴＬＭ法は、ホイヘンスの原理に基づいた波動伝播のメカニズムを時空間について離散化して、コンピュータ上で波動伝播を追跡する手法である。これを定量的に扱うために、波動伝播を等価的に伝達線路網状の電圧インパルスの伝播・散乱に変換している。
【００４３】
この電磁解析ソフトを用いて解析を行う手順を以下に示す。まず、形状及び電気的特性を生体に近似させたモデルを作成する。次に、作成したモデルをメッシュで切り、細かいセルに分割する。そして、分割したセルごとに電界Ｅ、磁界Ｈを計算し、求まった磁界ＥよりＳＡＲを計算する。ここまでをソフト上で行い、その後、計算して求めた磁界Ｈに基づいて電流密度Ｊを導出する。
【００４４】
図９は、電磁界による生体への影響の解析モデルを説明するための図である。胴体を短軸２３０ｍｍ、長軸２８０ｍｍ、高さ６２５ｍｍの楕円柱でモデル化した。生体組織は、皮膚、脂肪及び筋の３層としている。胴の長さは、成人以上の日本人男性の平均値を用いた。皮膚は５ｍｍ、脂肪は１０ｍｍの厚さとし、残りは筋とした。空心型経皮トランスの体外コイル（二次コイル３）は、外直径９０ｍｍ（３５回巻）、内直径２０ｍｍとし、胴から５ｍｍ離れた場所に配置した。
【００４５】
図１０は、非接触電力供給装置１の人工心臓５の出力電力と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。横軸は人工心臓５で消費される出力電力を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる局所ＳＡＲを示している。局所ＳＡＲは、出力電力が変化しても、殆ど変化しないことが分かる。
【００４６】
図１１は、非接触電力供給装置１の一次コイル２への入力周波数と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２へ入力される電圧の入力周波数を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる局所ＳＡＲを示している。出力電圧２４Ｖ、入力周波数１０００ｋＨｚのときの局所ＳＡＲの最大値０．０１４[Ｗ／ｋｇ]は、公衆の曝露のＳＡＲの基本制限値２[Ｗ／ｋｇ]よりもはるかに小さい。従って、電磁界による生体への影響において、ＳＡＲは考慮する必要がないことが分かる。
【００４７】
図１２は、非接触電力供給装置１の人工心臓５の出力電力と電流密度との関係を示すグラフである。横軸は人工心臓５で消費される出力電力を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる電流密度を示している。電流密度は、出力電力が変化しても、殆ど変化しないことが分かる。
【００４８】
図１３は、非接触電力供給装置１の基本モデルにおける一次コイル２への入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２へ入力される電圧の入力周波数を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる電流密度を示している。出力電圧２４Ｖのとき、入力周波数が２００ｋＨｚに減少すると、電流密度は、職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限を超えることが分かる。
【００４９】
図１４は、拡大モデルにおける一次コイル２への入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。出力電圧２４Ｖのとき、入力周波数が２００ｋＨｚに減少しても、電流密度は、職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限を超えないことが分かる。
【００５０】
図１５は、非接触電力供給装置１を安全に使用可能な伝送条件を説明するための図である。電流密度ＪとＩＣＮＩＲＰに基づく職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限とを考慮すれば、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限を超えないためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数３００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数１００ｋＨｚ以上にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数２００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数１００ｋＨｚ以上にすればよい。
【００５１】
電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．５を超えないためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数６００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数３００ｋＨｚ以上にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数４００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数２００ｋＨｚ以上にすればよい。
【００５２】
図１６は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限を超えず安全であり、且つ伝送効率が８５％以上、入力電圧１００Ｖ以下であって高効率にするためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすればよい。
【００５３】
図１７は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．５を超えず安全であり、且つ伝送効率が８５％以上、入力電圧１００Ｖ以下であって高効率にするためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすればよい。
【００５４】
なお、図１６及び図１７に示すような安全面及び性能面の全条件を満たす周波数範囲を示す表示を、非接触電力供給装置１に貼り付けてもよい。また、非接触電力供給装置１の取り扱い説明書に上記周波数範囲を示す表示を貼り付けてもよい。
【００５５】
図１８は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。図１７に示すように、基本モデルでは、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．２を超えず安全である条件は存在しない。また、図１８に示すように、拡大モデルでは、出力電圧１２Ｖのときに、入力周波数が６００ｋＨｚ以上であれば、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．２を超えず安全であるが、図６に示すように、拡大モデルで出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数が６００ｋＨｚ以上になると、伝送効率８５％以上という高効率の条件を満足することができない。従って、職業的曝露の基本制限×０．２という条件にすると、安全且つ高性能という全条件を満たすことはできない。
【００５６】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、電源から電力が供給される一次コイルと、一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に供給する体内埋め込み可能な二次コイルとを備えた非接触電力供給装置に適用することができる。
【００５８】
また、本発明は、携帯電話に使用する非接触電力供給装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施の形態に係る非接触電力供給装置の構成を示す模式図である。
【図２】上記非接触電力供給装置に設けられた一次コイルと二次コイルとの構成を示す模式図である。
【図３】上記非接触電力供給装置の伝送等価回路の構成を示す回路図である。
【図４】上記非接触電力供給装置の入力周波数と伝送効率との関係を示すグラフである。
【図５】上記非接触電力供給装置の入力周波数と入力電圧との関係を示すグラフである。
【図６】上記非接触電力供給装置の効率を高める構成の組み合わせを説明するための図である。
【図７】電磁界による生体への影響を説明するための図である。
【図８】上記電磁界による生体への影響の解析評価方法を説明するための図である。
【図９】上記電磁界による生体への影響の解析モデルを説明するための図である。
【図１０】上記非接触電力供給装置の人工心臓の出力電力と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。
【図１１】上記非接触電力供給装置の一次コイルへの入力周波数と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。
【図１２】上記非接触電力供給装置の人工心臓の出力電力と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１３】上記非接触電力供給装置の基本モデルにおける一次コイルへの入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１４】上記非接触電力供給装置の拡大モデルにおける一次コイルへの入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１５】上記非接触電力供給装置を安全に使用可能な伝送条件を説明するための図である。
【図１６】上記非接触電力供給装置を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。
【図１７】上記非接触電力供給装置を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。
【図１８】上記非接触電力供給装置を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 非接触電力供給装置
２ 一次コイル
３ 二次コイル
４ 電池（電源）
５ 人工心臓
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源から電力が供給される一次コイルと、一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に供給する体内埋め込み可能な二次コイルとを備えた非接触電力供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、人工心臓に電力を供給する非接触電力供給装置が使われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
リード線等により皮膚を貫通させてのエネルギー伝送は、皮膚に穴を開けるという性質上、感染症の問題がある。また、リード線からのエネルギー供給により人工心臓といった医療装置を直接駆動させる場合、患者の行動範囲が制限される。このように、皮膚を介してのエネルギー伝送は患者のクオリティオブライフ（ＱＯＬ）という観点からさまざまな問題を含んでいる。そこで、皮膚を貫通することなくエネルギーを供給するため、体外と体内に置かれた二つのコイル間の電磁誘導作用を利用して、経皮的にエネルギーを伝送する方法がとられている。これを利用したエネルギー伝送システムは、経皮エネルギー伝送システム（ＴＥＴＳ：Ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、またはＴＥＴ）と呼ばれている。
【０００４】
このシステムの、体外と体内に置かれた二つのコイルにより、経皮トランスが構成される。そして、電力伝送部となる経皮トランスを介し、体外の電源装置から体内のポンプといった駆動部へと電力が伝送される。これまで、さまざまな経皮トランスが考案され、実験されてきた。例えば、空心コイルと呼ばれる銅線を円盤状に巻いたコイルが、経皮エネルギー伝送システムに使用されている。
【特許文献１】特開２００５−２８８１３８号公報（平成１７年１０月２０日（2005.10.20）公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の構成では、電力の伝送効率が高く、入力電圧が低いという性能を向上させる目的と、コイルの大きさが小さいという患者への負担を軽減する目的とを達成するための設計しかなされておらず、電磁界による生体への影響といった患者の安全性を考慮した設計がなされていないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁界による生体への影響が少なく、患者の安全性を確保することができる非接触電力供給装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【０００８】
上記特徴により、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【０００９】
本発明に係る他の非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１０】
上記特徴により、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧１２ボルトのものとにおいて、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【００１１】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、上記課題を解決するために、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１２】
上記特徴により、直径１００ｍｍの一次コイルと、直径７０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【００１３】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、前記一次コイルに供給される電力の周波数が、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１４】
上記特徴により、直径１００ｍｍの一次コイルと、直径７０ｍｍの二次コイルで出力電圧１２ボルトのものとにおいて、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度が小さく、且つ伝送効率が高い非接触電力供給装置を提供することができる。
【００１５】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るさらに他の非接触電力供給装置は、電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る非接触電力供給装置は、以上のように、直径９０ｍｍの一次コイルと、直径６０ｍｍの二次コイルで出力電圧２４ボルトのものとにおいて、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の電力を、一次コイルに供給するので、生体への刺激作用を表す電流密度を小さくすることができ、且つ伝送効率を高くすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について図１ないし図１８に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る非接触電力供給装置１の構成を示す模式図である。図２は、非接触電力供給装置１に設けられた一次コイル２と二次コイル３との構成を示す模式図である。
【００２１】
非接触電力供給装置１は、空心型の一次コイル２を備えている。一次コイル２には、電池４からインバータ回路７を介して電力が供給される。一次コイル２は、生体の皮膚の表面に対向して配置される。非接触電力供給装置１には、空心型の二次コイル３が設けられている。二次コイル３は、生体の皮膚の表面から５ｍｍ〜１０ｍｍよりも深い皮下組織に埋め込まれており、一次コイル２に対向するように配置されており、一次コイル２から電磁誘導作用により伝送された電力を、駆動装置６を介して人工心臓５に供給する。
【００２２】
図３は、非接触電力供給装置１の伝送等価回路の構成を示す回路図である。電池４及び一次コイル２は、周波数ωの電圧Ｖ１、電流Ｉ１を供給する交流電源と、この交流電源に接続されたコンデンサＣ１、コイルＬ１及び巻線抵抗ｒ１によって等価的に表される。二次コイル３、駆動装置６及び人工心臓５は、コイルＬ２、巻線抵抗ｒ２、コンデンサＣ２及び負荷抵抗ＲＬによって等価的に表される。
【００２３】
一次コイル２、二次コイル３間の伝送効率は、下記の（式１）によって表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
交流電源から一次コイル２に入力される入力電圧Ｖ１の絶対値は、下記の（式２）によって表される。
【００２６】
【数２】
【００２７】
非接触電力供給装置１を適用する患者への負担を考慮すると、二次コイル３の直径は、７０ｍｍ以下であることが必要であり、一次コイル２の直径は、１００ｍｍ以下であることが必要である。
【００２８】
高性能なコイルを設計するために、下記の（式３）によって表される評価関数Ｆを最小にするコイルの大きさ及び周波数を検討する。
【００２９】
【数３】
【００３０】
ここで、
η：伝送効率（％）（８５％〜１００％）、
Ｖ１：入力電圧（Ｖ）（０〜１００Ｖ）、
Ｄ２：二次コイル３（体内コイル）の外直径（４０ｍｍ〜７０ｍｍ）、
である。
【００３１】
図４は、非接触電力供給装置１の入力周波数と伝送効率ηとの関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２に供給される入力電圧の周波数を示しており、縦軸は伝送効率ηを示している。一次コイル２の直径は９０ｍｍであり、二次コイル３の直径は６０ｍｍである。伝送効率ηを８５％以上確保するためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよいことが分かる。
【００３２】
図５は、非接触電力供給装置１の入力周波数と入力電圧との関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２に供給される入力電圧の周波数を示しており、縦軸は一次コイル２に供給される入力電圧を示している。入力電圧の周波数が０〜１０００ｋＨｚのいずれであっても入力電圧は１００Ｖ以下にすることができることが分かる。
【００３３】
このように、一次コイル２の直径が９０ｍｍであり、二次コイル３の直径が６０ｍｍである場合（以下、基本モデルという）は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよい。
【００３４】
図６は、非接触電力供給装置１の効率を高める構成の組み合わせを説明するための図である。前述したように、基本モデルで出力電圧を２４Ｖにする場合は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を３００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚにすればよい。
【００３５】
また、基本モデルで出力電圧を１２Ｖにする場合は、入力電圧の周波数を２００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚにすればよい。また、一次コイル２の直径が１００ｍｍであり、二次コイル３の直径が７０ｍｍで（以下、拡張モデルという）出力電圧を２４Ｖにする場合は、伝送効率ηを８５％以上とし、入力電圧を１００Ｖ以下にするためには、入力電圧の周波数を２００ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚにすればよい。拡張モデルで出力電圧を１２Ｖにする場合は、入力電圧の周波数を１００ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚにすればよい。
【００３６】
図７は、電磁界による生体への影響を説明するための図である。図８は、電磁界による生体への影響の解析評価方法を説明するための図である。電磁界による生体への影響としては、生体組織内のジュール熱の発生により温度上昇を引き起こす作用（熱作用）と、誘導電流により神経及び筋の興奮を引き起こす作用（刺激作用）とが知られている。一般に、熱作用の指標には生体組織に吸収される単位質量あたりの電力である比吸収率（ＳＡＲ：Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒａｔｅ[Ｗ／ｋｇ]）が用いられ、刺激作用の指標には電流密度[Ａ／ｍ２]が用いられる。これらの値は、国際非電離放射線防護委員会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｎｏｎ−Ｉｏｎｉｚｉｎｇ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ＩＣＮＩＲＰ）により基本制限が定められている。本発明者らは、熱作用と刺激作用とに着目し、電磁界解析により、ＳＡＲと電流密度とを求め、生体に影響の少ない周波数及び伝送電力等の伝送条件を導出する。
【００３７】
ＳＡＲは、
Ｅ：電界の実効値[Ｖ／ｍ]、
σ：導電率[Ｓ／ｍ]、
ρ：生体組織の密度[ｋｇ／ｍ３]、
とすると、
ＳＡＲ＝σＥ２／ρ
で表される。
【００３８】
ＳＡＲの見積もりは、解析によるものと、実験によるものとがある。実験によるものは、一般的に生体の形状及び電気特性を模擬した擬似生体（ファントム）を用い、電磁照射時の温度上昇を測定して電力に換算する方法、及び液体ファントムの場合には電界プローブを直接挿入し、電界強度分布を測定する方法が知られている。しかし、実験による場合、電磁界によるファントムの温度上昇以外に、銅損による経皮トランス自体の温度上昇が考えられるため、正確な測定ができないと考えられる。よって、ここでは電磁界解析によってＳＡＲを求める。
【００３９】
次に、ＳＡＲの基本制限について述べる。ＩＣＮＩＲＰにより定められている基本制限を図８に示す。基本制限は、職業的曝露と公衆の曝露とに分けられる。職業的曝露は、通常は既知の条件下で曝露を受けており、適切な予防措置をとるための訓練を受けている成人から成っている集団に適用される。一方、公衆の曝露は、あらゆる年齢層、健康状態の人から成り、特に影響を受けやすいグループ、個人が含まれる集団に適用される。職業的曝露のＳＡＲの基本制限は、１０[Ｗ／ｋｇ]であり、公衆の曝露のＳＡＲの基本制限は、２[Ｗ／ｋｇ]である。
【００４０】
電流密度Ｊは、
Ｊ＝πＲｆσμＨ
によって表される。
ここで、
ｆ：周波数[Ｈｚ]、
μ：透磁率[Ｈ／ｍ]、
Ｒ：誘導電流ループの半径[ｍ]、
Ｈ：磁界
である。
【００４１】
電流密度Ｊの見積もりも、解析によるものと実験によるものとがある。実験によるものとしては、測定部位以外の表面を導体と絶縁体との二層構造よりなるカバーで被覆することにより、測定部位のみに流れる電流を測る方法が提案されている。ここでは、電磁界解析によって電流密度を求める。電流密度Ｊの基本制限も職業的曝露と公衆の曝露とに分けられる。職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限は、ｆ／１００[ｍＡ／ｍ２]であり、公衆の曝露の電流密度Ｊの基本制限は、ｆ／５００[ｍＡ／ｍ２]である。
【００４２】
ＳＡＲ、電流密度を求めるための解析には、伝送線路行列法（ＴＬＭ法：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた電磁解析ソフトを用いる。ＴＬＭ法は、ホイヘンスの原理に基づいた波動伝播のメカニズムを時空間について離散化して、コンピュータ上で波動伝播を追跡する手法である。これを定量的に扱うために、波動伝播を等価的に伝達線路網状の電圧インパルスの伝播・散乱に変換している。
【００４３】
この電磁解析ソフトを用いて解析を行う手順を以下に示す。まず、形状及び電気的特性を生体に近似させたモデルを作成する。次に、作成したモデルをメッシュで切り、細かいセルに分割する。そして、分割したセルごとに電界Ｅ、磁界Ｈを計算し、求まった磁界ＥよりＳＡＲを計算する。ここまでをソフト上で行い、その後、計算して求めた磁界Ｈに基づいて電流密度Ｊを導出する。
【００４４】
図９は、電磁界による生体への影響の解析モデルを説明するための図である。胴体を短軸２３０ｍｍ、長軸２８０ｍｍ、高さ６２５ｍｍの楕円柱でモデル化した。生体組織は、皮膚、脂肪及び筋の３層としている。胴の長さは、成人以上の日本人男性の平均値を用いた。皮膚は５ｍｍ、脂肪は１０ｍｍの厚さとし、残りは筋とした。空心型経皮トランスの体外コイル（二次コイル３）は、外直径９０ｍｍ（３５回巻）、内直径２０ｍｍとし、胴から５ｍｍ離れた場所に配置した。
【００４５】
図１０は、非接触電力供給装置１の人工心臓５の出力電力と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。横軸は人工心臓５で消費される出力電力を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる局所ＳＡＲを示している。局所ＳＡＲは、出力電力が変化しても、殆ど変化しないことが分かる。
【００４６】
図１１は、非接触電力供給装置１の一次コイル２への入力周波数と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２へ入力される電圧の入力周波数を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる局所ＳＡＲを示している。出力電圧２４Ｖ、入力周波数１０００ｋＨｚのときの局所ＳＡＲの最大値０．０１４[Ｗ／ｋｇ]は、公衆の曝露のＳＡＲの基本制限値２[Ｗ／ｋｇ]よりもはるかに小さい。従って、電磁界による生体への影響において、ＳＡＲは考慮する必要がないことが分かる。
【００４７】
図１２は、非接触電力供給装置１の人工心臓５の出力電力と電流密度との関係を示すグラフである。横軸は人工心臓５で消費される出力電力を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる電流密度を示している。電流密度は、出力電力が変化しても、殆ど変化しないことが分かる。
【００４８】
図１３は、非接触電力供給装置１の基本モデルにおける一次コイル２への入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。横軸は一次コイル２へ入力される電圧の入力周波数を示しており、縦軸は非接触電力供給装置１によって生じる電流密度を示している。出力電圧２４Ｖのとき、入力周波数が２００ｋＨｚに減少すると、電流密度は、職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限を超えることが分かる。
【００４９】
図１４は、拡大モデルにおける一次コイル２への入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。出力電圧２４Ｖのとき、入力周波数が２００ｋＨｚに減少しても、電流密度は、職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限を超えないことが分かる。
【００５０】
図１５は、非接触電力供給装置１を安全に使用可能な伝送条件を説明するための図である。電流密度ＪとＩＣＮＩＲＰに基づく職業的曝露の電流密度Ｊの基本制限とを考慮すれば、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限を超えないためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数３００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数１００ｋＨｚ以上にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数２００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数１００ｋＨｚ以上にすればよい。
【００５１】
電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．５を超えないためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数６００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数３００ｋＨｚ以上にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖでは、入力周波数４００ｋＨｚ以上にすればよい。出力電圧１２Ｖでは、入力周波数２００ｋＨｚ以上にすればよい。
【００５２】
図１６は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限を超えず安全であり、且つ伝送効率が８５％以上、入力電圧１００Ｖ以下であって高効率にするためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすればよい。
【００５３】
図１７は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．５を超えず安全であり、且つ伝送効率が８５％以上、入力電圧１００Ｖ以下であって高効率にするためには、基本モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすればよい。拡大モデルで出力電圧２４Ｖのときは、入力周波数を４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすればよい。出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数を２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすればよい。
【００５４】
なお、図１６及び図１７に示すような安全面及び性能面の全条件を満たす周波数範囲を示す表示を、非接触電力供給装置１に貼り付けてもよい。また、非接触電力供給装置１の取り扱い説明書に上記周波数範囲を示す表示を貼り付けてもよい。
【００５５】
図１８は、非接触電力供給装置１を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。図１７に示すように、基本モデルでは、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．２を超えず安全である条件は存在しない。また、図１８に示すように、拡大モデルでは、出力電圧１２Ｖのときに、入力周波数が６００ｋＨｚ以上であれば、電流密度Ｊが職業的曝露の基本制限×０．２を超えず安全であるが、図６に示すように、拡大モデルで出力電圧１２Ｖのときは、入力周波数が６００ｋＨｚ以上になると、伝送効率８５％以上という高効率の条件を満足することができない。従って、職業的曝露の基本制限×０．２という条件にすると、安全且つ高性能という全条件を満たすことはできない。
【００５６】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、電源から電力が供給される一次コイルと、一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に供給する体内埋め込み可能な二次コイルとを備えた非接触電力供給装置に適用することができる。
【００５８】
また、本発明は、携帯電話に使用する非接触電力供給装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施の形態に係る非接触電力供給装置の構成を示す模式図である。
【図２】上記非接触電力供給装置に設けられた一次コイルと二次コイルとの構成を示す模式図である。
【図３】上記非接触電力供給装置の伝送等価回路の構成を示す回路図である。
【図４】上記非接触電力供給装置の入力周波数と伝送効率との関係を示すグラフである。
【図５】上記非接触電力供給装置の入力周波数と入力電圧との関係を示すグラフである。
【図６】上記非接触電力供給装置の効率を高める構成の組み合わせを説明するための図である。
【図７】電磁界による生体への影響を説明するための図である。
【図８】上記電磁界による生体への影響の解析評価方法を説明するための図である。
【図９】上記電磁界による生体への影響の解析モデルを説明するための図である。
【図１０】上記非接触電力供給装置の人工心臓の出力電力と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。
【図１１】上記非接触電力供給装置の一次コイルへの入力周波数と局所ＳＡＲとの関係を示すグラフである。
【図１２】上記非接触電力供給装置の人工心臓の出力電力と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１３】上記非接触電力供給装置の基本モデルにおける一次コイルへの入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１４】上記非接触電力供給装置の拡大モデルにおける一次コイルへの入力周波数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１５】上記非接触電力供給装置を安全に使用可能な伝送条件を説明するための図である。
【図１６】上記非接触電力供給装置を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。
【図１７】上記非接触電力供給装置を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。
【図１８】上記非接触電力供給装置を安全且つ高効率に使用可能な構成条件を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 非接触電力供給装置
２ 一次コイル
３ 二次コイル
４ 電池（電源）
５ 人工心臓
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項２】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項３】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項４】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項５】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項６】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項７】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項８】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項１】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、３００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項２】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項３】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、２００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項４】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
前記一次コイルに供給される電力の周波数が、１００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項５】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を６００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項６】
電源から電力が供給される直径９０ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径６０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、３００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項７】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧２４ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、４００ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【請求項８】
電源から電力が供給される直径１００ｍｍの一次コイルと、
前記一次コイルから電磁誘導作用により伝送された電力を人工心臓に出力電圧１２ボルトで供給するために設けられた体内埋め込み可能な直径７０ｍｍの二次コイルとを備えた非接触電力供給装置であって、
電流密度が職業的曝露の基本制限に基づくように、前記一次コイルに供給される電力の周波数を、２００ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下にすることを特徴とする非接触電力供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００８−４９０５５（Ｐ２００８−４９０５５Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３０８６９（Ｐ２００６−２３０８６９）
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
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