(57)【要約】      （修正有）【課題】ヌル点設定された一対の平面コイル（例えば円環コイル）を用い、やや離れた近傍にあるＬＣタンク共振回路を経由する伝送量に基づく発振を成立させ、ＬＣタンク回路に発振周波数決定権を与える事で共振周波数を介して体内の局所の圧その他の観測項目を連続監視する装置システムを提供する。【解決手段】ヌル点設定においては近傍に磁性体もしくはＬＣタンク共振回路の割り込みがあった時のみ伝送量が発生する構成が得られる。この作用を体内の無電力受動共振タンク回路に結合されたセンサにより生体計測するようにした。【選択図】図２
2018000901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヌルポイントに設定されたコイル対を含む発振可能な回路により、該コイル対に磁気結合する、やや離れた所にあるターゲットタンク回路を発振周波数決定要素として発振ループ中に参加させる形で発振し、もって該ターゲットタンク回路の共振周波数により決定される該発振回路の発振周波数を介して該やや離れた所にある目的領域において観測される所の計測されるべき緒元の計測を行う如く構成された事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【請求項２】
上記において、該発振ループが帯域位相調整用フィルタ、ゲイン手段、振幅制限手段、を含む事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【請求項３】
前記において、ヌルポイントに設定されたコイル対のヌルポイントの精密設定のために、該コイル対が固定部と微可変部とに分けて実装されている事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【請求項４】
該微可変部が機械的に操作される可変結合コイルである事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【請求項５】
該微可変部が電気的に操作される可変結合電子回路である事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【請求項６】
目的領域に分布する複数のターゲットタンク回路のうち特定の物を発振回路側の周波数選択性でもって選択して発振動作する如く構成された事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【請求項７】
ターゲットタンク回路を１つの磁性体コアに各軸の巻線と同調コンデンサを配置した構成とし、これによりセンスされる側を方位角依存性なく３軸どの方角へも結合がある構成にした事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明はやや離れた場所にある同調回路の共振周波数の非接触測定とその準遠隔計測への応用に関する物である。やや離れた場所とは例えば体外から見て体内もしくは体腔内の事であり、非接触計測とは物理的にないし電気的には接触していない状態での計測を意味する。【０００２】あらまし：自由空間に２つの円環コイルを略同一平面上でおおよそ１割ほど重なるように配置すると、相互の叉交磁束が打ち消し合ってコイル間の直接的な伝送量がゼロになる点（ヌル点）がある。この設定においては近傍に磁性体もしくはＬＣタンク共振回路の割り込みがあった時のみ伝送量が発生する構成が得られる。本研究ではこの作用を体内の無電力受動共振タンク回路に結合されたセンサによる生体計測に応用する事を企図し、モデル実験において一定の成果を得た。試作例においては周波数１〜２ＭＨｚ程度において駆動、検出用に各々直径８ｃｍの円環コイルを用い、中心軸上距離１１ｃｍにおいて直径４ｍｍ長さ１３ｍｍのフェライトコア入りＬＣタンク回路が安定に観測されている。【０００３】キーワード：ヌル点、パッシブセンサ、共振回路、円環コイル、フェライトコア
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】以下、本発明に至った研究を述べる事で課題設定および発明の概要の記述に代える。【０００５】本発明の基となる研究の背景と概要：
自由空間に２つの円環コイルを略同一平面上でおおよそ２割ほど重なるように配置すると相互の鎖交磁束の総量が打ち消し合って両コイル間の直接的な伝送量がゼロになる点（ヌル点）がある。この設定においては近傍に磁性体もしくはＬＣタンク共振回路の割り込みがあった時のみ伝送量が発生する構成が得られる。どの程度の近傍（すなわち距離）まで割り込み物主導の伝送が検出できるかはヌル点の実現精度、駆動信号の緒元設計、検出アンプのゲイン、観測帯域幅、割り込み物の大きさ、などに支配されるが、適切な設計によると該円環コイルの直径の数倍程度まで、同程度の円環コイルまたは同程度の磁気覆域を成すＱ０＝７０程度以上の共振回路とその共振周波数が測定出来る。本研究ではこの作用を体内の無電力受動共振タンク回路に結合されたセンサによる生体計測に応用する事を企図し、モデル実験において一定の成果を得た。試作例においては周波数１〜２ＭＨｚ程度において駆動、検出用に各々直径８ｃｍの円環コイルを用い、中心軸上距離１１ｃｍにおいて直径４ｍｍ長さ１３ｍｍのフェライトコア入りＬＣタンク回路が安定に観測されている。【０００６】同一または類似の思考による先例：
フェライトコア入りの固定Ｌと感圧性の可変Ｃの成す、圧センサの機能を持つパッシブなタンク回路を体内に設置し、その共振周波数を介して体内の局所の圧を連続監視する装置システム（引用文献１）は、既に認可された医療機器として稼働の実績があり、医療上の効果に関する報告もなされている（引用文献２）。また体内設置デバイスが自身は電池を持たず送電されつつ無電源動作するという装置や方式としては古くは南雲、内山らの研究（引用文献３）などが見られ、また教科書的ないしハンドブック的なレベルの啓蒙もなされている（引用文献４）。すなわち体内機器の無電源動作ないし無送電パッシブ動作という思想は古くからごく一般的な思考の範囲の中にあったと考えられる。しかるに引用文献１および引用文献２の装置を例にとると、体外でこの体内のタンク回路に磁気結合してその共振周波数を求める装置は目的タンク回路の減衰振動の位相を追跡して周波数を検査する受信系のほかに励起のために位相同期的な高周波パルス磁界を照射する系まで含めると非常に複雑である。【０００７】本研究が解決しようとする課題のさらなる説明：
本研究が解決しようとする課題はそのような複雑なシステムを用いる事なくごく簡素なシステムでもって体内にあるパッシブＬＣタンク回路の応答を求め、その観測項目依存性の共振周波数を、従ってその観測項目に関する情報を得んとする物である。【０００８】課題を解決するための手段手法：
この目的に本研究ではヌル点設定された一対の平面コイル（例えば円環コイル）を用い、この設定においてのみ発生する所の、やや離れた近傍にあるＬＣタンク共振回路を経由する伝送量に基づく発振を成立させ、もってそのＬＣタンク回路に発振周波数決定権を与える事で前記のごとき主旨でその共振周波数を介して体内の局所の圧その他の観測項目を連続監視する装置システムを構築する。図１、２に円環コイル２個の相互結合においてヌル点が発生する事と、その状態では離れた所にある共振回路を介するクロスカップリング伝送が観測出来る事を説明する。【０００９】  図１と図２の説明を行う。これらに示すごとく同一平面上に並べておかれた円環コイル間の磁束結合の位相は１８０°、重ねると０°であるからその中間の何処かに全鎖交磁束が打ち消し合って結合度（伝送量）ゼロになる点（ヌル点）が存在する。この点では外界に磁束を与奪するような物があるとコイル間に伝送が発生し、その割り込み物の正体が検査出来る。この原理は金属探知機に利用されるほか、同調されたコイルが割り込めばその同調周波数、Ｑの値等を検知出来る。【００１０】  図３の説明を行う。これに示すごとくネットワークアナライザによりヌル点設定コイル対を介してターゲットタンク回路の応答を観測する。図４の説明を行う。中庸距離（４ｃｍ）と最遠距離（１１ｃｍ）におけるターゲットタンク回路の応答の観測例である。【００１１】試作と実験の概要：
先ずヌル点の実現精度とクロスカップリング観測の実用性を検証するためにネットワークアナライザで２つの円環コイル間の伝送量を観測した。図３，４，５にその状況を示す。円環コイルの直径はともに１０ｃｍ、使用したネットワークアナライザはｈｐ４１９５Ａ、観測周波数は０〜３ＭＨｚ、両円環コイルは５０Ω終端非同調、環境は空中である。ターゲットとなるタンク回路（図２のＬ３＋Ｃ３に相当する）は図５に示す如く適切に組み立てれば尿道経由膀胱内に挿入出来る見込みのある寸法である。
ヌル点におけるこのターゲットタンク回路に由来する伝送量極大をターゲットタンク回路までの軸上距離で目盛ると、図６の如く、１２ｃｍまでその応答が観測出来る。【００１２】  図５の説明を行う。モデル実証実験用の可同調ターゲットタンク回路の一例。４ｍｍφｘ１３ｍｍＬのフェライトコア入り、総外径は大略６ｍｍである。【００１３】  図６の説明を行う。図にはターゲットタンク回路間での距離と、それに由来する伝送量極大値。無調整発振回路での発信限界（図中１）．１２．５％食塩水内での観測限界（図中２）、空中での観測限界（図中３）を示す。【００１４】  観測側の円環コイル対とターゲットタンク回路との間の周囲空間を尿および高濃度（１２．５％）食塩水として観測すると、尿中では空中と殆ど変わらなかったが、１２．５％食塩水中では図６、７の如く食塩水の電気伝導度に由来するうず電流がヌル点の深さを支配し、それが検出限界距離を縮める事が分った。【００１５】  図７の説明を行う。ヌル点における両コイル間の残留伝送量（消え残り成分、ないしヌル点の深さ）の振幅と位相、空中（左）および１２．５％食塩水中（右）。状況検討の結果この‐５０ｄＢから‐３８ｄＢ（＠１．５ＭＨｚ）への「悪化」は体積分布するうず電流による物である。【００１６】  タ‐ゲットタンク回路経由のクロスカップリング伝送に基づいて発振する回路システムの構築を試みた。図８の如くヌルカップリングコイル対（１）を巡って安定した発振を成り立たせるためにはゲイン手段のアンプ（３）の他に発振可能周波数域と周回位相を調整するためのフィルタ（２）、アンプの動作が非線形域に大きく踏み込まないための振幅制限手段（４）が必須である事が経験的に判明した。この構成により当該ヌルカップリングコイル対と図６に示すターゲットタンク回路との間の軸上距離大略６ｃｍまで発振を維持出来た。図９にその動作状況を示す。実務上はこれら（２）（３）（４）の継続接続の順序は実施上の自由度の内にあるが、本研究においては体験的に図８に示す順序はベストモード実施例である事ができる事が判明している。しかしながらここでフィルタ（２）はアンプ（３）が持つ固有の周波数特性や位相特性で代用可能な場合があり、故に実施例としてはそのような代用を妨げる物ではない。また振幅制限手段（４）もアンプ（３）が持つ固有の振幅依存性のゲイン低下特性で代用可能な場合があり、故に実施例としてはそのような代用を妨げる物ではない。すなわちもう少し親切に説明するとこの振幅制限手段（４）は発振ループ中でゲイン手段のアンプ（３）がいきなり飽和動作してしまって発振条件が変化してしまう事を防止する物であり、基本的に線形動作が維持されながらゲインが振幅とともに徐々になだらかに低下する単体トランジスタや単体電子管のアンプのそのような性質はこの代用に適う物である。逆に飽和点の直前まで好ましい直線性を維持する演算増幅器主体の回路はこの代用の能力に欠け、発振ループ中には別途独立した振幅制限回路を挿入する必要がある。【００１７】  図８の説明を行う。タ‐ゲットタンク回路経由のクロスカップリング伝送に基づいて発振する回路システムの一例を示す。これにおいて、（１）ヌルカップリングコイル対、（２）���域位相調整用フィルタ、（３）ゲイン手段、（４）振幅制限手段。【００１８】  図９の説明を行う。電子回路ブロック（左下）、ヌルカップリングコイル対（中央左、洗濯ばさみで円環コイルの載った板２枚を留めてある）、図５に示したターゲットタンク回路、の組み合わせで発振している所。発振周波数は大略２ＭＨｚである。【００１９】改良された試作と実験の概要および問題提起：
（１）手元の素材による最小寸法設計の例
図５のタ‐ゲットタンク回路をバリコンからトリマコンデンサに、さらに固定コンデンサに変更して見ると、図１０のように、体内（体腔内）に送り込むカプセルテレメーターに適する寸法になる。これにさらに目的信号に応じてこのタンク回路の緒元要素のどれか（例えばコアの変位、同調コンデンサの容量、損失要素など）を変調する構成を併設すれば本研究の主旨とする「体内（体腔内）にはパッシブ部品だけ」というテレメトリ‐システムを構築する事が可能である事が強く示唆される。【００２０】  図１０の説明を行う。体腔内挿入用モデルの原形として図５のタ‐ゲットタンク回路をバリコンらトリマコンデンサに（左）、さらに固定のチップコンデンサに変更して見た物。コイルの外径は先と同じく大略６ｍｍである。【００２１】（２）マルチターゲット構成の検討
図８においてはターゲットタンク回路に発振周波数の決定を委ねる事を主旨とするため発振回路側の帯域位相調整用フィルタがブロードでターゲットタンク回路の同調が鋭いと言う基本的立場を持つが、そういう構成を採らず発振回路側が観測周波数選択性を強く持つ構成にすると、発振回路側で「現場」に分布する多数のターゲットタンク回路の中から特定の物を選択的に観測する事が出来、図１１はそういう場合の構成の概要をスケッチした物である。ただしこの構成においてはタ‐ゲットの距離に依存する発言力のないし捕足可能性の強弱（遠近問題）が存在し、また個々のターゲットタンク回路はその同調周波数を広範囲に変える事は困難であり、目的現象観測のための変調伝送の方式設計には一定の制約が伴う。【００２２】  図１１の説明を行う。発振回路側で「より強い」周波数選択性を持つと、目的領域の中の多数のターゲットタンク回路の中から特定の物を選択して観測する事が出来る。【００２３】（３）死角回避案
このシステムはターゲットタンク回路の（コイルの）向きに関してかなり厳格な制約がある。すなわちセンスする側とされる側は磁気結合がゼロになるような向きには置けない。しかしながらセンサ入りテレメーター発信機の向きは制約出来ないので、この点を克服するにはセンスされる側を３軸どの方角へも結合がある構成にする必要があり、例えばターゲットタンク回路を図１２のような３軸対称なコアに各軸の巻線と同調コンデンサを配置して運用する、とかの方策が必要となる。【００２４】  図１２の説明を行う。球形コアに３軸各々の巻線を配備した構成例である。【００２５】（４）ヌル点設定のための工夫
本研究の主役手段となる円環コイル対のヌル点設定は発振回路のゲインに呼応してそのしかるべき機械的設定点の発見維持が大変クリチカルである。これを、主部は固定して結合の一部を電気的にあるいは機械的な磁束操作手段で担う構造にする事は好ましい追加工夫点であり得る。図１３、１４にそのような工夫の例を示す。【００２６】  図１３の説明を行う。これは微調整のための可変結合部を電気的に独立して置く構成である。この微可変部は機械的に位置を変えるコイルで実現するのが易しいが、これをを電気回路的にフィードバックを含めて自動平衡化する事も妨げない。【００２７】  図１４の説明を行う。鎖交磁束のステアリングのために交差点近傍に金属的な可動ショート‐パッドを置く構成である。このショートパッドは小さな導体片である事が出来、その位置に応じてコイル対の磁束のどちら側の物をより強く妨害するかでヌル点の発見と微調整に貢献する。【００２８】  以上のような要追加検討点がある。が、要追加検討点はこれらに限定される物ではなく無数にあり得るので今後の課題に留まる。【００２９】  結果とその考察：
以上に報告の如く本研究によりとりあえずは限られた条件下ではあるが体内（体腔内）に電池も発電も送電もなしのパッシブ電子装置としてのカプセル入りセンサテレメーターを置き、これを体外から連続監視し必要な生体信号ないし諸情報を獲得する事に関して一定の見通しが得られた。【００３０】  一方、ここでは詳細な説明には立ち入らないが、同様な設定で同様なターゲットタンク回路を、発振させる構成ではなく単純にパルスエコー計測あるいはクロスカップリング伝送量計測で観測するという手法も可能である。例えば引用文献（１）にはその姑息的な実施例が見られる。また観測用の駆動、検出の２つのコイルが同一平面上になくても良ければ、単純に空間的に直交するリング、長方形ないしソレノイド（バーアンテナ）でも同主旨の動作が可能である。例えば引用文献（４）にはその萌芽的提案が見られる。この単行本のｐｐ２６４  ｆｉｇ．１２．２に本研究と同趣旨におけるヌルポイント設定平面コイル対と空間で直交するコイル対の案がが紹介されている。考案者は当時加州大Ｂｅｒｋｅｌｅｙ校で大学院生だったＡｒｔｈｕｒ  Ｃｈｅｎ氏だが、この古文書の範囲内には本研究のようにターゲットタンク回路を経由して発振ループを構成するという思想は含まれない。
しかしながらこれらの別なスタイルに関する本研究との得失（ｐｒｏ  ａｎｄ  ｃｏｎ）比較もまた今後の宿題である。
【発明の効果および産業上の利用可能性】
【００３１】以上に説明されたごとく、本研究および本発明によればやや離れた場所にある同調回路の共振周波数の非接触測定とその準遠隔計測への応用が可能となり、産業上、科学技術計測上。また医療上の用途に益する事が出来るので好ましい。ここで、やや離れた場所とは例えば電磁遮蔽にはなっていない壁の向こう側、例えば体外から見て体内もしくは体腔内の事などであり、非接触計測とは物理的にないし電気的には接触していない状態での計測を意味する。
【研究の成果としての発明のまとめ】
【００３２】  本研究の成果としての本発明は、簡略して記述すると、以下の物事構成あるいは実施形態である事が出来る。
（１）ヌルポイントに設定されたコイル対を含む発振可能な回路により、該コイル対に磁気結合する、やや離れた所にあるターゲットタンク回路を発振周波数決定要素として発振ループ中に参加させる形で発振し、もって該ターゲットタンク回路の共振周波数により決定される該発振回路の発振周波数を介して該やや離れた所にある目的領域において観測される所の計測されるべき緒元の計測を行う如く構成された事を特徴とする、該非接触遠隔計測装置。
（２）上記において、該発振ループが帯域位相調整用フィルタ（２）、ゲイン手段（３）、振幅制限手段（４）、を含む事。
（３）前記において、ヌルポイントに設定されたコイル対のヌルポイントの精密設定のために主たる固定部と微可変部に分けて実装する事。
（４）該微可変部が機械的に操作される可変結合コイルである事。
（５）該微可変部が電気的に操作される可変結合電子回路である事。該電気的操作は詳説せぬ状況判断に基づき自動化されたフィードバック手段を含む事を妨げない。
（６）目的領域に分布する複数のターゲットタンク回路のうち特定の物を発振回路側の周波数選択性でもって選択して発振動作する事。
（７）ターゲットタンク回路を含む観測される側の方位角依存性を克服するためにセンスされる側を３軸どの方角へも結合がある構成にし、１つの磁性体コアに各軸の巻線と同調コンデンサを配置する事。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】（本文中引用文献１）特表２００８−５３２５９０、対応する米国特許はＵＳ７４３９７２３Ｂ２．
【特許文献２】（本文中引用文献３）南雲仁一、内山明彦、特公昭３６−２２３４３
【非特許文献】
【非特許文献１】（本文中引用文献２）Ｗ．Ｔ．Ａｂｒａｈａｍ  ｅｔ．ａｌ．，“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ａｒｔｅｒｙ  ｈａｅｍｏｄｙｎａｍｉｃ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｉｎ  ｃｈｒｏｎｉｃ  ｈｅａｒｔ  ｆａｉｌｕｒｅ：ａ  ｒａｎｄｏｍｉｚｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｔｒｉａｌ”，Ｔｈｅ  Ｌａｎｃｅｔ，３７７，９７６６，ｐｐ６５８−６６６，１９  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２０１１
【非特許文献２】（本文中引用文献４）Ｒ．Ｓ．Ｍａｃｋａｙ，“Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ”ｃｈａｐｔｅｒ  １２“Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，ｐｐ２５９−２７６，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ  Ｉｎｃ．Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９６８．
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の依り立つ平面コイル対の磁気結合の度合いに関する説明、特に結合度ゼロになる点（ヌルカップリング点）がある事の説明である。
【図２】本発明の実施の総体的なブロック図である。
【図３】および
【図４】ヌルカップリング点においてターゲットタンク回路の応答を観測している状況を示す。
【図５】本発明のモデル実験に用いたターゲットタンク回路の一例を示す。
【図６】本発明のモデル実験にて観測されたターゲットタンク回路を経由する結合の観測結果を示す。
【図７】ヌルポイントの残留伝送量の空中と塩水中の比較の一例を示す。
【図８】本発明の好ましい一実施例における発振ループの構成を示す。これにおいて、（１）ヌルカップリングコイル対（２）帯域位相調整用フィルタ（３）ゲイン手段（４）振幅制限手段。
【図９】本発明の好ましい一実施例におけるターゲットタンク回路を経由する発振の観測状況を示す。
【図１０】本発明の好ましい一実施例におけるターゲットタンク回路を例示する。
【図１１】ターゲットタンク回路を多数持つ場合の設定を紹介する。
【図１２】指向性（方向性）を捨象したターゲットタンク回路の一例を示す。
【図１３】ヌルカップリングの精密実現のために固定主部と微可変部に分けて構成する場合の一例を示す。
【図１４】ヌルカップリングの精密実現のために結合部近傍で機械的に移動する磁気遮蔽手段（可動ショートパッド）を用いる場合の一例を示す。
【図１】
2018000901.tif 000003
【図２】
2018000901.tif 000004
【図３】
2018000901.tif 000005
【図４】
2018000901.tif 000006
【図５】
2018000901.tif 000007
【図６】
2018000901.tif 000008
【図７】
2018000901.tif 000009
【図８】
2018000901.tif 000010
【図９】
2018000901.tif 000011
【図１０】
2018000901.tif 000012
【図１１】
2018000901.tif 000013
【図１２】
2018000901.tif 000014
【図１３】
2018000901.tif 000015
【図１４】
2018000901.tif 000016