(57)【要約】【課題】生体に与える影響が小さく且つ生体内の電子機器に体外より電力を供給することを可能とする。【解決手段】カプセル１１の外面に一対の体内電極１２ａ，１２ｂを配置し、カプセル１１内に電子機器を封入し、体内に配置する。体表面に体内電極１２ａ，１２ｂと誘電結合する一対の体外電極２２ａ，２２ｂを装着し、体外電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加することにより、体内電極１２ａ，１２ｂに交流電圧を誘起させる。体内電極１２ａ，１２ｂに誘起された交流電圧を整流して又は交流のまま電子機器に動作電圧として印加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体内に配置された少なくとも一対の体内電極と、
体内に配置され、前記少なくとも一対の体内電極に接続され、前記少なくとも一対の体内電極に誘起された電力を電子機器に供給するための電力供給手段と、
体表面に装着され、前記体内電極と誘電結合する少なくとも一対の体外電極と、
前記体外電極に交流電圧を印加する交流電源手段と、
を備えることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２】
前記体外電極は、前記体内電極よりも面積が大きく形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項３】
前記少なくとも一対の体内電極は、主面を対向させて配置されており、前記電力供給手段は、前記少なくとも一対の体内電極間の領域に配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項４】
前記少なくとも一対の体内電極は、組み合わされて円筒形を構成する、ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項５】
前記電力供給手段の出力する電力により動作する電子機器をさらに備える、ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項６】
前記電子機器は、電池を備え、前記電池からの電力と前記電力供給手段からの電力とを用いて動作する、ことを特徴とする請求項５に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項７】
前記電力供給手段は、前記少なくとも一対の体内電極に誘起された電圧を整流して前記電子機器に供給する整流回路又は前記少なくとも一対の体内電極に誘起された交流電圧を交流電圧のまま前記電子機器に供給する配線回路を備える、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項８】
前記交流電源手段は、その出力インピーダンスと生体のインピーダンスが整合する周波数の交流電圧を前記体外電極間に印加する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項９】
前記交流電源手段は、５ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの交流電圧を前記体外電極間に印加する、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項１０】
体内で使用される電子機器と、
体外に配置された少なくとも一対の体外電極と容量結合され、交流電圧が印加された体外電極との容量結合により交流電圧が誘起される少なくとも一対の体内電極と、
前記少なくとも一対の体内電極に接続され、前記少なくとも体内電極に誘起された交流電圧を前記電子機器に供給する電力供給手段と、
を備える電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体内で使用される電子機器等に非接触で電力を供給する非接触電力電送システムと、非接触で電力の供給を受けて動作する電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
体内に埋め込まれたペースメーカ、除細動機等体内に埋め込まれて動作する機器が存在する。また、カプセル型内視鏡のように、飲み込んで使用する電子機器も存在する。
これらの機器に共通する課題として、電源の確保がある。
【０００３】
通常これらの機器は、電池（バッテリ）で駆動されるが、電池容量に限界があるため、消費電力が大きくなる処理、例えば、高解像度での頻繁な撮影が困難、多機能化が困難などの課題を有する。
【０００４】
このような問題を改善するため、体外より、体内の電子機器に電力を非接触で供給する手法が研究されている。例えば、体内機器に誘導コイル（アンテナ）を配置し、体外の送信コイルより、磁界を体内に向けて送信し、体内の電子機器の誘導コイルに電磁誘導による起電力を誘起させる手法が提案されている。
【０００５】
しかし、この手法では、送信コイルが大型化すると共に磁界により生体に局所的に生ずる渦電流による熱・刺激等、生体への影響が大きいという問題がある。また、伝送できるエネルギーが１００ｍW程度でさほど大きくできない。
【０００６】
また、磁界を使用せずに、非接触で電力を伝達する手法として、例えば、特許文献１には、静電結合により、カードリーダライタと非接触式カードとの間で電力を伝送する技術が開示されている。
【０００７】
特許文献１に開示された技術は、カードリーダライタの電極と非接触式カードの電極とを対向させ、対向する電極の静電結合を用いてカードリーダライタから非接触式カードに電力を非接触で伝送する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−７９７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、体内に埋設された電子機器或いは飲み込まれた電子機器の場合、これらの機器に配置された電極と体外の電極とを近接および対向させることは困難であり、特許文献１の技術をそのまま適用することはできない。また、生体への影響も考慮しなければならない。
【００１０】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、生体に与える影響が小さく且つ生体内の電子機器に体外より電力を供給することを可能とすることを目的とする。
また、本発明は、生体内の電子機器に体外より効率的に非接触で電力を供給することを可能とすることを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達するため、本願発明の第１の観点に係る非接触電力伝送システムは、
体内に配置された少なくとも一対の体内電極と、
体内に配置され、前記少なくとも一対の体内電極に接続され、前記少なくとも一対の体内電極に誘起された電力を電子機器に供給するための電力供給手段と、
体表面に装着され、前記体内電極と誘電結合する少なくとも一対の体外電極と、
前記体外電極に交流電圧を印加する交流電源手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
例えば、前記体外電極は、前記体内電極よりも面積が大きく形成されている。
前記少なくとも一対の体内電極は、例えば、主面を対向させて配置されており、前記電力供給手段は、前記少なくとも一対の体内電極間の領域に配置されている。
【００１３】
例えば、前記少なくとも一対の体内電極は、組み合わされて円筒形を構成する。
【００１４】
例えば、前記電力供給手段の出力する電力により動作する電子機器をさらに備えてもよい。
【００１５】
例えば、前記電子機器は、電池を備え、前記電池からの電力と前記電力供給手段からの電力とを用いて動作する。
前記電力供給手段は、例えば、前記少なくとも一対の体内電極に誘起された電圧を整流して前記電子機器に供給する整流回路を備える。また、前記電力供給手段は、前記少なくとも一対の体内電極に誘起された交流電圧を交流のまま前記電子機器に供給する配線回路等から構成されてもよい。
【００１６】
前記交流電源手段は、例えば、その出力インピーダンスと生体のインピーダンスが整合する周波数の交流電圧を前記体外電極間に印加する。
【００１７】
前記交流電源手段は、例えば、５ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの交流電圧を前記体外電極間に印加することが望ましい。
【００１８】
上記目的を達するため、本願発明の第２の観点に係る電子装置は、
体内で使用される電子機器と、
体外に配置された少なくとも一対の体外電極と容量結合され、交流電圧が印加された体外電極との容量結合により交流電圧が誘起される少なくとも一対の体内電極と、
前記少なくとも一対の体内電極に接続され、前記少なくとも一対の体内電極に誘起された交流電圧を前記電子機器に供給する電力供給手段と、
を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、内部電極と外部電極とが、誘電体である生体を介して対向し、静電結合により内部電極に電圧が誘起され、外部電極から内部電極への電力の伝達が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施形態１に係る非接触電力伝送システムについて、図面を参照して説明する。
本実施形態の非接触電力伝送システムは、体内に留置された機器又は飲み込まれた機器に体外から電力を非接触で提供するシステムであり、体内装置１と体外装置２とを備える。
【００２１】
体内装置１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、カプセル（容器）１１と該カプセルの外面に形成された一対の電極（体内電極）１２ａ、１２ｂと、体内電極１２ａ、１２ｂに接続された整流回路１３（図２）と、を備える。
【００２２】
カプセル１１は、耐酸性の絶縁性の透明樹脂等から、両端が閉じた円筒状に構成されている。カプセル１１は、人間又は動物が飲み下すことが可能なサイズ、例えば、長さ３ｃｍ以下、径１．５ｃｍ程度に形成されている。
【００２３】
体内電極１２ａと１２ｂは、塩化銀箔や銅箔等の導電膜から構成され、カプセル１１の外面に貼付されており、組み合わされて円筒形を成している。体内電極１２ａと１２ｂは、例えば、１ｍｍ〜１５ｍｍ×２ｍｍ〜３０ｍｍに形成されている。
【００２４】
整流回路１３は、カプセル１１内に収容されており、例えば、図２に例示するようなダイオードＤ１〜Ｄ４から構成された全波整流回路から構成されている。
【００２５】
さらに、カプセル１１内には、電池１４と電子機器１７が収容されている。この電子機器１７は、例えば、撮像装置と撮像画像を記憶するメモリを備えたカメラ装置、すなわち、カプセル型の内視鏡装置から構成される。
体内電極１２ａ，１２ｂと後述する体外電極２２ａ，２２ｂとの容量結合を阻害しないように、整流回路１３，電子機器１７等は、体内電極１２ａと１２ｂとの間の空間に配置されていることが望ましい。
【００２６】
図３に示すように、整流回路１３の出力する電圧と、電池１４からダイオード１５を介して印加される電圧とが、コンデンサ１６により安定化され、電子機器１７に動作電圧として供給される。ダイオード１５の作用により、整流回路１３の出力電圧およびコンデンサ１６の電圧が一定レベル以下となったときにのみ電池１４から出力され、電池１４の消費が抑えられる
【００２７】
一方、体外装置２は、図４に示すように、人体４１に装着される一対の体外電極２２ａ、２２ｂと、該一対の体外電極２２ａ，２２ｂの間に交流電圧を印加する交流電源２３と、から構成されている。
【００２８】
体外電極２２ａ，２２ｂは、比較的大きなサイズ、例えば、縦３〜２０ｃｍ横１０〜３５ｃｍ程度の、塩化銀板や銅板等の導電性の板から構成され、金属アレルギーや感染防止のために、表面が絶縁体でカバーされている。
【００２９】
体外電極２２ａ、２２ｂは、体内装置１が位置する領域を挟むように、人体４１に装着される。体外電極２２ａ，２２ｂは、体表面に直接装着されるか或いは体表面に比較的近い位置に配置されることが望ましい。なお、人体４１に装着しやすいように、人体４１の体型に合致する形状に加工したり、クッションを配置する等してもよい。
体外電極２２ａ、２２ｂを配置する位置は、任意である。例えば、体外電極２２ａを腹部に、体外電極２２ｂを腰の部分に配置したり、体外電極２２ａを胸部に、体外電極２２ｂを背中の部分に配置したり、体外電極２２ａを右の腰の部分、体外電極２２ｂを左の腰の部分に配置する等してもよい。
【００３０】
交流電源２３は、所定周波数の交流電圧を発生し、体外電極２２ａ、２２ｂ間に印加する。体外装置２から体内装置１に伝達されるエネルギーは、図８に模式的に示すように、周波数に依存し、交流電源２３の出力インピーダンスと生体組織の負荷インピーダンスとが整合する周波数で最大となる。人体の場合には、この周波数はおよそ５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚであり、交流電源２３はこの周波数の交流電圧を発生する。
【００３１】
上記構成においては、カプセル１１が体外電極２２ａ，２２ｂと対向する領域に位置すると体外電極２２ａ，２２ｂと体内電極１２ａ，１２ｂとが誘電体である人体を介して容量結合する。このときの等価回路を図５に示す。なお、図５の等価回路は、体内電極１２ａ，１２ｂと体外電極２２ａ、２２ｂとが対向していると仮定した場合の回路図である。
【００３２】
図５の等価回路からも明らかなように、体外電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加すると、図６（ａ）、（ｂ）に模式的に示すように、体内電極１２ａ，１２ｂには、対向する体外電極２２ａ、２２ｂに印加されている電圧とは逆極性の電圧が誘起される。このため、体内電極１２ａ，１２ｂには、交流電圧が誘起される。
【００３３】
整流回路１３は、体内電極１２ａ，１２ｂに発生した交流電圧を整流して出力する。
電圧安定化用コンデンサ１６は、整流回路１３から出力された電力と電池１４からダイオード１５を介して供給される電力とにより、充電され、電圧を安定化して電子機器１７に供給する。
【００３４】
電子機器１７は、電圧安定化用コンデンサ１６に蓄積された電力を用いて動作する。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、体内の電子機器１７に、体外より、非接触で電力を伝送することができる。
このため、電池１４と併用することにより、電子機器１７の体内での動作時間を長くしたり、電子機器１７をより高性能化することも可能となる。
さらに、磁界を使用しないため、局所的な渦電流による人体への負担も小さくて済む。
【００３６】
なお、人体４１のなかで、カプセル１１の向きおよび位置は変化し、体内電極１２ａ，１２ｂの向きは一定ではない。このため、例えば、図７（ａ）〜（ｃ）に模式的に示すように、体内電極１２ａ，１２ｂと体外電極２２ａ，２２ｂの相対的な向きや位置は変化する。しかし、体外電極２２ａ、２２ｂを体内電極１２ａ，１２ｂより十分に大きく形成していること、体内電極１２ａ、１２ｂを円筒状に形成していること、誘電体である人体４１を介した電界の回り込み等により、カプセル１１の向きや体内の位置に関わらず、電力を安定してカプセル１１に伝送することが可能である。
【００３７】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態において、体外電極２２ａ、２２ｂより体内電極１２ａ，１２ｂに流れる電流が大きすぎると、熱作用および刺激作用により、人体に悪影響を与えてしまう。一般に、熱作用は、ＳＡＲ＝σ｜Ｅ｜２／ρで表され、刺激作用（電流密度）は、Ｊ＝σＥで表される。ここで、σは、生体の導電率（Ｓ／ｍ）、Ｅは電界強度［Ｖ／ｍ］、ρは、生体の密度である。この点に関して、国際非電離放射線防護委員会により、暴露量に制限基準が設定されている（GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME-VARYING ELECTRIC, MAGNETIC, AND ELECTROMAGNETIC FIELDS（ＩＣＮＩＲＰ），１９９８）。具体的には、熱作用については、病院などの職業的暴露は、１０［Ｗ／ｋｇ］、公衆の暴露は、２［Ｗ／ｋｇ］に制限され、刺激作用については、病院などの職業的暴露は、ｆ／１００［ｍＡ／ｍ２］、公衆の暴露は、ｆ／５００［ｍＡ／ｍ２］に制限されている（ｆは周波数、単位は[Hz]である）。そこで、交流電源２３はこの基準を充足するように、電流（電力）および周波数を調整することが望ましい。
【００３８】
さらに、交流電源２３の出力周波数を５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚのいずれかに設定したとしても、交流電源２３の出力インピーダンスと生体組織の負荷インピーダンスとが整合するとは限らず、交流電源２３からカプセル１１への電力の供給が効率的に行われないおそれがある。
【００３９】
そこで、第２実施形態においては、交流電源２３をインテリジェント化し、最適な周波数および電流値を自動的に設定することとする。
【００４０】
図９に示すように、本実施の形態の交流電源２３は、周波数コンバータ３１と、高周波パワーアンプ３２と、電流計３３と、電圧計３４と、コントローラ３５と、を備える。
【００４１】
コントローラ３５には、事前に、職業的暴露であるか公衆の暴露であるかが設定される。
また、体外電極２２ａ、２２ｂを装着する人物の体重のうち、体外電極２２ａ，２２ｂが対向する部分の重量が設定される。
【００４２】
体外電極２２ａ，２２ｂへの交流電圧の印加を開始すると、コントローラ３５は、まず、周波数コンバータ３１を制御して、比較的低電力で、体外電極２２ａ、２２ｂに印加する電圧の周波数を低周波から高周波までスキャンし、電流および電圧を測定し、最も効率が高くなる周波数ｆを特定する。
【００４３】
続いて、コントローラ３５は、特定された周波数ｆとなるように周波数コンバータ３１を制御し且つ設定された暴露条件（制限）を充足するように、電流計３３および電圧計３４の測定値をモニタし、高周波パワーアンプ３２の増幅率を制御する。
【００４４】
このような構成とすることにより、体外装置２から体内装置１への電力の供給を効率良く、さらに、生体への影響無く行うことができる。
【００４５】
なお、上記説明では、飲み込むタイプの電子機器１７に電力を供給する例を説明したが、電子機器１７の構成は任意である。例えば、埋め込み型のペースメーカのように、位置が固定されている電子機器に体外より電力を供給する場合にも適用可能である。
また、体外電極２２ａ，２２ｂを装着する位置は任意であり、適宜変化させてもよい。例えば、電子機器１７が胃内に位置している場合には、体外電極２２ａ，２２ｂを上腹部と対向する位置に配置し、電子機器１７が腸内に位置している時間帯には、体外電極２２ａ，２２ｂを下腹部と対向する位置に配置する等してもよい。
【００４６】
また、体外から供給する電力と電池１４からの電力を併用して電子機器１７を駆動する例を示したが、電池１４を使用せず、体外から供給する電力のみで電子機器１７を駆動するように構成してもよい。この場合も、電圧安定化用コンデンサ１６を配置することが望ましい。
【００４７】
整流回路１３として、ダイオードブリッジによる全波整流回路を例示したが、他の回路構成を採用可能である。
図３の回路も適宜変更可能である。例えば、ダイオード１５を除去したり、より高性能な電圧安定化回路を採用してもよい。
さらに、電池１４として充電可能な二次電池を使用し、図３の回路から、ダイオード１５を除去し、整流回路１３の出力で電池１４を充電できるように構成してもよい。
【００４８】
また、体内電極１２ａ、１２ｂに誘起された交流電圧を整流回路１３により整流して電子機器１７に電力を供給する例を示したが、交流電圧で動作可能な電子機器１７或いは回路要素など、例えば、カプセル内視鏡に搭載されている光源用のLEDなどには、体内電極１２ａ、１２ｂに誘起された交流電圧を配線等の電力供給手段を用いて交流のまま供給する等してもよい。また、一部の回路要素には、整流した電圧を、他の一部の要素には交流を印加する等してもよい。例えば、カプセル内視鏡等は、光源の部分で最も大きい消費電力があり、電池のエネルギーだけでは供給電力が不足する場合には、光源の部分には容量結合方式で体外から電力を送って、交流のまま供給し、他の直流回路部には電池から電力を供給する等してもよい。
【００４９】
体内電極の構造として、一対の、全体として円筒（の一部）を構成するものを開示したが、他の構成、例えば、平行平板型の電極構造も可能である。また、円筒は、断面が完全な円である必要はなく、断面が楕円、多角形（４角形、６角形、８角形、５角形等）等でもよい。また、体内電極、体外電極共に一対に限定されず、複数対でもよい。
体内電極１２ａ、１２ｂの配置位置も、カプセル１の外面に限定されず、内面等でもよい。
【００５０】
さらに、カプセル１１も、円筒状のものに限定されず、球形でも、箱状でもよい。カプセル１１が球形の場合、例えば、体内電極１２ａ，１２ｂも全体として球面（の一部）を構成する。また、カプセル１１が箱型の場合には、体内電極１２ａ，１２ｂは平行平板となる。体内装置１として、口から飲み込むタイプのものを例示したが、カプセル１１を留置型とし、電子機器１７を、例えば、ペースメーカ、除細動機等として、これらの電気機器に体外から電力を供給する場合にも、同様に本願発明を適用可能である。
【００５１】
カプセルを使用せず、電子機器１７の筐体の外表面に体内電極１２ａ，１２ｂを配置することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上、説明したように、本発明は、非接触で電力を伝達するシステムに広く利用可能であり、さらに、外部電源に直接接続することが困難な環境下で動作する電子機器の電源として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る非接触電力伝送システムを構成する体内装置の構成を示す図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線での拡大断面図である。
【図２】図１に示す体内装置に収容される整流回路の構成を示す回路図である。
【図３】体内装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】外部装置の構成と人体に装着した様子を示す図である。
【図５】体内装置および体外装置の等価回路の回路図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、体外電極に交流を印加することにより、体内電極に交流電圧が誘起されることを説明するための図面である。
【図７】体内電極と体外電極の相対位置および向きが変換する様子を模式的に示す図である。
【図８】体外電極に印加する交流電圧の周波数と伝送パワー（伝送効率）との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る交流電源の構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    体内装置
２    体外装置
１１  カプセル
１２ａ、１２ｂ  体内電極
１３    整流回路
１４    電池
１５    ダイオード
１６    電圧安定化用コンデンサ
１７    電子機器
２２    体外電極  
２３    交流電源
３１    周波数コンバータ
３２    高周波パワーアンプ
Ｄ１〜Ｄ３  ダイオード
Ｉ      電流計
Ｖ      電圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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