(57)【要約】  生体埋め込みに適した電子機器は、少なくとも1つの充電式電源、前記電源に接続される少なくとも1つの電子部品、及び前記電源の再充電を可能にするために前記電源に接続される電磁変換手段を有する。電磁変換手段は、少なくとも1つの磁気弾性層と少なくとも１つの圧電層の少なくとも1つのスタックを有し、前記電磁変換手段はそれぞれ複数の方向から生じる磁界を受け取って電磁変換するための三次元形状を持つ。
2011525099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体埋め込みに適した電子機器であって、
少なくとも１つの充電式電源と、
前記電源に接続される少なくとも１つの電子部品と、
前記電源の再充電を可能にするために前記電源に接続される電磁変換手段であって、前記電磁変換手段は、少なくとも１つの磁気弾性層と少なくとも１つの圧電層の少なくとも１つのスタックを有し、前記電磁変換手段はそれぞれ複数の方向から生じる磁界を受け取って電磁変換するための三次元形状を持つ、電子機器。
【請求項２】
前記電子変換手段が、複数の磁気弾性層の間に挟まれる少なくとも１つの圧電層のスタックを有する、請求項１に記載の電子機器。
【請求項３】
前記磁気弾性層が、鉄ニッケル合金、希土類金属、フェライト、特にスピネル型フェライト、及びケイ素鉄合金のうちの少なくとも１つの物質で作られる、請求項１に記載の電子機器。
【請求項４】
前記圧電層が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛（ＰＺＮ‐ＰＴ）、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮ‐ＰＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、Ｎｂ／ＴａドープＰＬＺＴ、チタン酸ジルコン酸バリウム（ＢＺＴ）、ｌｅａｄ  ｍｅｔａｎｏｂｉａｔｅ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦＤ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、石英、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、トパーズ、トルマリン、及び甘蔗糖から成る群から選択される、請求項１に記載の電子機器。
【請求項５】
前記電子機器が、前記電源及び／又は前記電子部品を少なくとも実質的に包囲するケーシングを有する、請求項１に記載の電子機器。
【請求項６】
前記ケーシングがさらに、前記電磁スタックの少なくとも一部分を包囲する、請求項５に記載の電子機器。
【請求項７】
前記電磁スタックの少なくとも一部分が前記ケーシングの外面上に適用される、請求項５に記載の電子機器。
【請求項８】
前記ケーシングが前記電磁変換手段によって形成される、請求項５に記載の電子機器。
【請求項９】
前記ケーシングが実質的に球形又は実質的に円筒形のピル形状を持つ、請求項５に記載の電子機器。
【請求項１０】
前記電源が少なくとも１つの固体電池を有する、請求項１に記載の電子機器。
【請求項１１】
前記電源が少なくとも１つのキャパシタを有する、請求項１に記載の電子機器。
【請求項１２】
前記電子部品が、センサ、送信器、受信器、カメラ、アクチュエータ、及びポンプの部品群から選ばれる少なくとも１つの部品を有する、請求項１に記載の電子機器。
【請求項１３】
前記電子機器が前記電源と前記電磁変換手段の両方に接続される電源管理システムを有する、請求項１に記載の電子機器。
【請求項１４】
請求項１に記載の電子機器と、磁界を生じる充電ユニットとの組立品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生体埋め込みに適した電子機器に関する。本発明はまた、本発明にかかる電子機器と、磁界を発生させるように構成される充電ユニットの組立品にも関する。
【背景技術】
【０００２】
２０世紀中、エネルギー消費量は劇的に増加し、不安定なエネルギー管理が存在している。（特に発展途上国の間で）この需要の増加が弱まる兆しは見えないが、非再生資源の一時性、及び、環境に生じた不可逆的損害が現在認識されている。さらに、計算装置及び通信装置の小型化と携帯化の傾向がある。これらのエネルギーを要する用途は、特に宇宙及び探査地などの遠隔地において、長期間の運転を維持することができる小さくて軽い電源を必要とする。さらに、医学における進歩は、ペースメーカ及び生体埋め込み型センサなどの、ますます多くの埋め込み型電動装置をもたらしている。これらの装置は、メンテナンスに手術を必要とするため、極めて長期間作動する電源を必要とする。現在、生体埋め込み型電子機器は、磁界によってワイヤレスで充電されることができる（誘導充電される）。従って既知の生体埋め込み型電子機器は、（再）充電可能な電源と、磁界を用いて電源をワイヤレスに充電すること（誘導充電）を可能にするために該電源に接続されるコイルを有する。伝達されることができるエネルギーの量は、使用されるコイルの面積と二次的に縮小し、これは一般的に、電流の大部分がコイルの最大巻線において生成されることを意味する。この制約は、平面（２Ｄ）長方形又は円形コイル設計の適用をかなり非効率的なものにする。さらに、この制約は、小さなコイルを組み込むことしかできない小さな接地面積を持つ電子機器がほとんど再充電されることができないことを示唆する。既知の電子機器のさらなる制限は、一般的にコイルが印加磁界に垂直に向けられるときに最大エネルギー効率が得られるということであり、これは一般的に、体腔内である程度自由に動くことができる埋め込み型装置が使用される場合には達成がかなり困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は比較的効率的な電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、本発明に従って生体埋め込みに適した電子機器を提供することによって達成され、該電子機器は、少なくとも１つの充電式電源、前記電源に接続される少なくとも１つの電子部品、及び前記電源の再充電を可能にするために前記電源に接続される電磁変換手段を有し、前記電磁変換手段は、少なくとも１つの磁気弾性層と少なくとも１つの圧電層のスタックを有し、前記電磁変換手段は、それぞれ複数の方向から生じる磁界を受け取って電磁変換するための三次元形状を持つ。該電子機器の大幅に改良された効率は、第一に、前記少なくとも１つの磁気弾性層と前記少なくとも１つの圧電層の前記電磁スタック（積層）、好適には複数の磁気弾性層の間に挟まれる少なくとも１つの圧電層のスタックの適用によるものであり、このスタックによって、誘起磁界が比較的効率的に電気エネルギーへ変換されることができる。前記スタックが（交番）磁界を受ける場合、磁気弾性層、及びその結果圧電層は変形し、圧電層内の電流の発生をもたらす。誘導電流はその後電子機器の電源を（再）充電するために使用される。従って"電磁"という語は、磁界を受けたときに積層内に電流が生じる効果をあらわす。"圧電"という語は、機械的負荷が変化するときにのみ電気出力を生じる材料における効果をあらわす。本発明にかかる電子機器の大幅に改良された効率は、第二に、電磁変換手段、従って電子機器自体の、改良された設計の自由度によるものであり、この自由度は従来技術によって提供されるこの自由度よりも何倍も大きい。この設計の自由度により、電磁変換手段はそれぞれ複数の方向から生じる磁界を受け取って電磁変換するための三次元形状を容易に備える。この文脈において"三次元形状"という語は、本発明にかかる電子機器の電源を充電するために十分な電気エネルギーの生成を確保するために、前記スタックの少なくとも一部分が印加磁界（の成分）に実質的に垂直に向けられるより一層の可能性が得られるような、三次元形状を備える電磁スタックの適用を示唆する。従って、電源の（過度の）充電不足による、電源が供給可能な全電気エネルギーの減少のリスクは、このようにして防止されることができる。該電子機器が体腔内に埋め込まれる場合、該電子機器は身体に固定して取り付けられることができ、又は前記体腔内である程度自由に動かせるようにすることができる。本発明にかかる電子機器は一般的に生体埋め込み型装置として使用されるが、他の用途、例えば水処理工場又は化学工学設備（例えば化学反応器、パイプラインなど）において該電子機器を応用することもまた考えられる。
【０００５】
磁気弾性センサにおいて磁気弾性材料として利用されるのに適した材料は、非ゼロの磁歪と高い磁気弾性結合を持つ任意の材料であってよく、例えば鉄‐ニッケル合金、希土類金属、フェライト、例えばスピネル型フェライト（Ｆｅ３Ｏ４，ＭｎＦｅ２Ｏ４）、ケイ素‐鉄合金、多くの他の異なる合金及びそれらの混合物であってよい。軟磁気弾性材料、合金及びそれらの混合物、並びに非晶質磁気弾性材料、合金及びそれらの混合物も利用され得る。非晶質磁気弾性合金の例はＦｅ４０Ｎｉ３８Ｍｏ４Ｂ１８などのｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）であり、例えばＭｅｔｇｌａｓ２８２６ＭＢ（登録商標）（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｍｅｔａｌｓ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ，ＰＡ，ＵＳＡ）、（ＦｅＣｏ）８０Ｂ２０、（ＣｏＮｉ）８０Ｂ２０及び（ＦｅＮｉ）８０Ｂ２０である。適切な弾性磁性材料の他の例は、Ｎｉ２ＭｎＧａ、Ｎｉ‐Ｍｎ‐Ｇａ合金、Ｎｉ‐Ｔｉ合金、Ａｇ‐Ｃｄ合金（４４／４９ａｔ．％Ｃｄ）、Ａｕ‐Ｃｄ合金（４６，５／５０ａｔ．％Ｃｄ）、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ合金（１４／４５ｗｔ．％Ａｌ及び３／４．５ｗｔ．％Ｎｉ）、Ｃｕ‐Ｓｎ合金（およそ１５ａｔ．％Ｓｎ）、Ｃｕ‐Ｚｎ合金（３８．５／４１．５ｗｔ．％Ｚｎ）、Ｘ＝Ｓｉ，Ａｌ又はＳｎであるＣｕ‐Ｚｎ‐Ｘ合金、Ｆｅ‐Ｐｔ合金（およそ２５ａｔ．％Ｐｔ）、Ｍｎ‐Ｃｕ合金（５／３５ａｔ.％Ｃｕ）、Ｆｅ‐Ｍｎ‐Ｓｉ、Ｐｔ合金、Ｃｏ‐Ｎｉ‐Ａｌ合金、Ｃｏ‐Ｎｉ‐Ｇａ合金、Ｎｉ‐Ｆｅ‐Ｇａ合金、及びＴｉ‐Ｐｄ合金（様々な濃度）である。この段落で導入される"磁歪"という語は、外部磁界の存在下で材料が寸法を変化させる現象をあらわす。寸法変化のサイズは、材料中の磁化、及び当然ながら材料特性によって決まる。磁歪の現象は材料中の原子の磁気モーメント間の相互作用に起因する。圧電層は好適には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛（ＰＺＮ‐ＰＴ）、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮ‐ＰＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、Ｎｂ／ＴａドープＰＬＺＴ、チタン酸ジルコン酸バリウム（ＢＺＴ）、ｌｅａｄ  ｍｅｔａｎｏｂｉａｔｅ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦＤ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、石英、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、トパーズ、トルマリン、及び甘蔗糖から成る群から選択される。本発明にかかる電子機器は、好適には電源及び／又は少なくとも１つの電子部品を少なくとも実質的に包囲する保護ケーシングを有する。より好適には、ケーシングは、電源と電子部品両方の寿命をのばすために、周囲の流体、特に体液に対して電源及び／又は電子部品を保護するように構成される。ケーシングはさらに、電磁変換手段を少なくとも実質的に包囲するように構成されることができ、電磁スタックの少なくとも一部分は、好適には前記ケーシングの内面上に適用される。しかしながら、電磁スタックの少なくとも一部分が前記ケーシングの外面上に適用されることもまた考えられる。電磁スタックは前記ケーシングの全表面を覆い得る。しかしながら、電磁スタックがケーシング表面を部分的に覆うのみで、前記ケーシング表面の残りの部分は覆われないままであることもまた考えられる。ケーシング表面上へのスタックの適用は、好適には以下の（既知の）技術のうちの１つを用いて、スタック層の連続堆積によって実現される：化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、ゾル‐ゲル（含浸）法、ｍｅｌｔ  ｃａｓｔｉｎｇ、ダイカスト、吹き付け塗装、又はフラッシュ蒸発。代替的な好適な実施形態において、ケーシングは電磁変換手段によって形成される。ケーシングと電磁スタックをスマートに一体化させることにより、さらに改良された体積効率のよいワイヤレス充電手段が導入される。さらなる重要な利点は、（より効率的な）再充電が可能になったことで電源の全体のサイズがより小さくなり、比較的小型で低侵襲性の装置をもたらすということである。適用されるケーシングは、ケーシングの構成と厚さに応じて、かなり硬質であってもよく、又はかなり柔軟であってもよい。比較的柔軟なケーシングの適用は、ケーシングに加えられる外力もまた圧電層の変形を引き起こし、電源の（さらなる）充電につながるため、特に有利となり得る。
【０００６】
適用されるケーシングの形状は様々な性質であることができる。好適には、ケーシングは実質的に球形のピル形、又は実質的に円筒形のピル形を持ち、これらの形状は一般的に人又は動物の体内に取り込まれるのにとてもよく適している。これらの形状に加えて、円形ピル形、楕円形、伸長カプセル形、長円形、円柱形、伸長楕円形、伸長長方形、超楕円円筒形、六角柱形、及び八角柱形、三角形、円筒ピル形、カーディオイド円筒ピル形、六角柱ピル形、又は任意の他の多面体を持つケーシングを適用することもまた考えられる。
【０００７】
適用される電源は、好適には少なくとも１つの固体電池を有し、より好適には、基板と、前記基板上に置かれる少なくとも１つの電池スタックとを有する薄膜電池を有し、電池スタックは、第一電池電極、第二電池電極、及び第一電池電極と第二電池電極を分離する中間固体電解質を有する。好適には、電源の少なくとも１つの電池電極は、次の元素のうち少なくとも１つの活性種の保存に適している：水素（Ｈ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、又は周期表の１族又は２族に属する任意の他の適切な元素。つまり、本発明にかかる電子機器の電源は様々な挿入機構に基づき得るので、例えばＬｉイオン電池、ＮｉＭＨ電池など、異なる種類の電池を形成するのに適している。好適な実施形態において、少なくとも１つの電池電極、より好適には電池陰極は、次の物質のうち少なくとも１つを有する：Ｃ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｌｉ，及び好適にはドープされたＳｉ。電池電極を形成するためにこれらの物質の組み合わせもまた使用され得る。好適には、ｎ型又はｐ型ドープされたＳｉが電池電極として使用され、あるいはＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣのようなドープされたＳｉ関連化合物が使用される。他の適切な材料もまた電池陰極として適用され得、電池電極の物質が上述の反応種の挿入と貯蔵に適しているという条件で、好適には周期表の１２族乃至１６族のうちの１つに属する任意の他の適切な元素が適用され得る。上述の物質はリチウムイオン電池に適用されるのに特に適している。水素ベースのエネルギー源が適用される場合、電池陰極は好適には、水素化物生成物質、例えばＡＢ５‐型物質、特にＬａＮｉ５、及び例えばマグネシウムベースの合金、特にＭｇｘＴｉ１−ｘを有する。リチウムイオンベースのエネルギー源用の電池陽極は、好適には少なくとも１つの酸化金属ベースの物質、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＮｉＯ２，ＬｉＭｎＯ２又はこれらの組み合わせ（例えばＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２など）を有する。水素ベースのエネルギー源の場合、電池陽極は好適にはＮｉ（ＯＨ）２及び／又はＮｉＭ（ＯＨ）２を有し、Ｍは例えばＣｄ，Ｃｏ，又はＢｉの群から選択される１つ以上の元素によって形成される。さらなる実施形態は出願人の名義で国際出願ＷＯ２００８／０３２２５２に開示される。本明細書に引用される全ての特許、特許出願、及び参考文献は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。代替的に、電源は本発明にかかる電子機器の電子部品に電力を供給するために少なくとも１つのキャパシタを有し得る。複数の種類のキャパシタが使用されることができ、中でも湿式／乾式キャパシタ、ｅｌｃｏ、ｓｕｐｅｒｃａｐ、ｕｌｔｒａｃａｐなどが使用され得る。
【０００８】
好適な実施形態において、電子部品は次の部品群から選ばれる少なくとも１つの部品を有する：温度センサ又は酸度センサなどのセンサ、送信器、受信器、カメラ、アクチュエータ、及びポンプ。これらの電子部品を用いて、本発明にかかる電子機器の幅広い用途が実現されることができ、中でも薬物送達装置、神経刺激装置、（バイオ）センサ、送信機、受信機、及び／又はアクチュエータが実現され得る。
【０００９】
電子機器は通常、電源と電磁変換手段の両方に接続される電源管理システムを有する。前記電源管理システムの主要機能は、前記電源の特徴に応じて電源の比較的迅速かつ安全な（再）充電プロセスを最適化することである。電源管理は通常、電磁手段内に誘導される電圧を、充電されるべき電源にとって望ましい電圧へと変換する電気変換器（ＤＣ‐ＤＣ又はＡＣ‐ＤＣ）を有する。（マイクロ）コントローラを用いて、充電電流、充電電圧、及び温度などの１つ又は複数の充電パラメータが測定されることができる。これらの測定値に基づいて、充電プロセスは最終的に操作されることができ、従ってさらに最適化されることができる。随意的に、電源管理システムは、電源の電圧を、前記電源によって電力供給される電気部品による電圧要求へと変換するための第二変換器を有する。この第二変換器が適用される場合、好適には（マイクロ）コントローラはまた、前記電圧が、前記電気部品が必要とする最小電圧よりも下回ることを防ぐことができるようにするために、電気部品に供給される電圧をチェックする。
【００１０】
本発明はまた、本発明にかかる電子機器と、磁界、好適には交番磁界を生じるように構成される充電ユニットとの組立品にも関する。充電ユニットは通常、磁界を誘起するために１つ又は複数のコイルを有する。
【００１１】
本発明は以下の非制限的な実施例によって説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術から知られる磁気充電ユニットと生体埋め込み型電子機器の組立品の略断面図を示す。
【図２】本発明にかかる磁気充電ユニットと生体埋め込み型電子機器の組立品の略断面図を示す。
【図３】図２にかかる電子機器の代替的略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は従来技術から知られる磁気充電ユニット２と生体埋め込み型電子機器３の組立品１の略断面図を示す。既知の機器３は、コイル５、前記コイル５に接続される電源管理システム６、前記電源管理システム６に接続される充電式電池７、及び前記電池７に接続されるセンサなどの電子部品８を包囲する、円筒形ピル形筐体４を有する。充電ユニット２を用いて、交番磁界Ｂが電子機器３に印加される。コイル５は磁界Ｂを電気エネルギーへと変換し、これは電池７を（再）充電するために使用される。既知の機器３の第一の欠点は、コイル５を用いることで、機器３内に比較的不十分で非効率的なエネルギーの伝達しか達成されることができないことである。さらに、コイル５は実質的に、コイル５の各巻線に垂直な磁界Ｂｚに対して感度が高い。磁界がｚ方向以外の別の方向から生じる場合、これは充電プロセスをさらに悪化させ、あるいは止めてしまうことにさえなり得る。
【００１４】
図２は本発明にかかる磁気充電ユニット１０と生体埋め込み型電子機器１１の組立品９の略断面図を示す。充電ユニット１０は通常、磁界Ｂを誘起するための１つ又は複数のコイル（図示せず）を有する。本発明にかかる機器１１は、電源管理システム１３、前記電源管理システム１３に接続される充電式固体電池１４、前記電池１４に接続されるセンサなどの電子部品１５を包囲する、円筒形ピル形筐体１２を有する。筐体１２の外面は、２つの磁気弾性層１８ａ，１８ｂの間に挟まれる圧電層１７を有する電磁積層１６で部分的に覆われる。電磁積層１６は電源管理システム１３に結合される。電磁積層１６は従来技術を用いて筐体１２上に堆積される。この図に示される通り、電磁積層１６は三次元形状を持ち、その結果前記積層１６はｘ方向及び／又はｚ方向から生じる磁界Ｂを効率的に変換するようになっている。筐体１２の外面が積層１６によって完全に覆われる場合、積層１６はまた、ｙ方向から生じる磁界Ｂも効率的に変換するようになる。これにより、充電ユニット１０に対する機器１１の方向をあまり気にしなくてもよくなり、電池１４の充電プロセスを改良し確保する。電子機器１１の代替的略図が図３に示され、ここで機器１１は、電池１４、前記電源管理システム１３を組み込む電子部品１５、及び電磁積層１６のスタックとして示される。またこの図にも示される通り、電磁積層１６は生体適合性コーティング１９によって覆われる。さらにこの図には、圧電層１７が２つの磁気弾性層１８ａ，１８ｂによって包囲されることがはっきりと示される。
【００１５】
上述の実施形態は本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者は添付の請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替的実施形態を設計することができることに留意すべきである。請求項において、丸括弧の間に置かれる任意の参照符号は、その請求項を限定するものと解釈されてはならない。動詞"有する"及びその活用の使用は、請求項に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を除外しない。ある要素に先行する冠詞"ａ"又は"ａｎ"はその要素の複数の存在を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。
【図１】
2011525099.tif 000003
【図２】
2011525099.tif 000004
【図３】
2011525099.tif 000005
【国際調査報告】
2011525099.tif 000006
2011525099.tif 000007
2011525099.tif 000008