(57)【要約】【課題】体内埋込型アクチュエータと一次コイルと二次コイルを用いて体内に経皮的に電力を伝送する装置において、体内の装置をできる限り、簡単かつ最小の体積にすることを課題とする。【解決手段】本発明では交流発信器４と、増幅器５と、体外においたトロイダル形状の磁性体９に巻き付けた一次コイル１と、半円形状に巻いた二次コイル２からなる閉磁路型経皮トランスと、交流モータ３を組み合わせて用いる装置を提案しており、二次コイル２から出力される交流を整流平滑化せずに、直接、交流モータ３に印加している。ここで、交流モータとは、単相誘導モータ、単相同期モータ、３相誘導モータ、３相同期モータ、ステッピングモータ、リニアパルスモータを示す。交流発信器４の周波数を変化させることで、モータの回転数を体外から変えている。【選択図】図１
2004313678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体外においた交流発信器４と、体外においた増幅器５と、体外においたトロイダル形状もしくはドーナツ形状もしくはめがね形状の磁性体に巻き付けた一次コイル１と、体内に埋め込んだ円環状に巻いた二次コイル２と、体内に埋め込んだ単相誘導モータもしくは単相同期モータから構成される体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置。
【請求項２】
前記の体内埋込用の単相誘導モータもしくは単相同期モータとその駆動装置において、交流発信器４から発信され増幅された数Ｈｚから数ｋＨｚの正弦波又は方形波を、一次コイル１と二次コイル２を介したのち、整流平滑化を行わず、直接、単相誘導モータもしくは単相同期モータに印加し駆動する体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項３】
前記の交流発信器と、増幅器と、一次コイルと、二次コイルから構成される装置を用いて電磁誘導による体内への電力伝送を行い体内においた単相誘導モータもしくは単相同期モータを駆動する場合において、モータの動作周波数と同期した周波数の交流電圧を交流発信器４から出力し、体外から体内の交流モータ３の回転数を変えることができるようにした体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項４】
体外においた交流発信器と、体外においた増幅器と、体外においたトロイダル形状もしくはドーナツ形状もしくはめがね形状の磁性体に巻き付けた一次コイル３個と、体内に埋め込んだ円環状に巻いた二次コイル３個と、体内に埋め込んだ３相誘導モータもしくは３相同期モータから構成される体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置。
【請求項５】
前記の体内埋込用の３相誘導モータもしくは３相同期モータとその駆動装置において、交流発信器から発信され増幅された数Ｈｚから数ｋＨｚの正弦波又は方形波を、３組の一次コイルと二次コイルを介したのち、整流平滑化を行わず、直接、３相誘導モータもしくは３相同期モータに印加し駆動する体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項６】
前記の交流発信器と、増幅器と、一次コイル３個と、二次コイル３個から構成される装置を用いて電磁誘導による体内への電力伝送を行い体内においた３相誘導モータもしくは３相同期モータを駆動する場合において、モータの動作周波数と同期した周波数の交流電圧を交流発信器から出力し、体外から体内においた交流モータの回転数及び回転方向を自由に変えることができるようにした体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項７】
体外においた交流発信器と、体外においた増幅器と、体外においたトロイダル形状もしくはドーナツ形状もしくはめがね形状の磁性体に巻き付けた一次コイル２個と、半円形状に巻き体内に埋め込んだ二次コイル２個と、体内に埋め込んだバイポーラ型２相ステッピングモータもしくはバイポーラ型２相リニアパルスモータ１４から構成される体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置。
【請求項８】
前記の体内埋込用のバイポーラ型ステッピングモータもしくはバイポーラ型リニアパルスモータ１４とその駆動装置において、体外においた交流発信器１２から発信され増幅された数Ｈｚから数ｋＨｚの方形波を、一方の一次コイルには数度だけ位相をずらした状態で電圧を印加し、２組の一次コイルと二次コイルを介して体内に入力された電力を整流平滑化を行わずに、直接、モータの２つのステータコイルにそれぞれ印加し、駆動する体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項９】
前記の交流発信器と、増幅器と、一次コイル２個と、二次コイル２個と、バイポーラ型ステッピングモータもしくはバイポーラ型リニアパルスモータ１４から構成される装置を用いて電磁誘導による体内への電力伝送を行う場合において、モータの動作周波数と同期した周波数の交流電圧を交流発信器１２から出力し、モータの回転及び進行方向の切り替えが体外から行えるようにした体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項１０】
前記の交流発信器と、増幅器と、一次コイルと、二次コイルと、単相および３相誘導モータからなるに装置おいて、モータへの印加電圧と周波数の比を一定に保つような電圧を一次コイルに印加することで、周波数によらず一定の最大トルクがモータから出力できるようにした請求項１および４記載の体内のアクチュエータの駆動手段とその駆動装置。
【請求項１１】
前記一次コイルは、トロイダル型もしくはドーナツ型もしくはめがね型とする磁性体に一次コイルを巻き付けたもの、二次コイルは磁性体の断面よりも数倍大きい半円形状の円環からなり、平らな部分２１０は皮膚と筋肉の間に埋め込まれ残りの円弧部２１１は周囲を皮膚で覆ったまま体外に突き出すような構造をとり、この突き出した穴に一次コイルを巻いた磁性体を通してクランプすることで閉磁路型のトランスフォーマを形成し、数Ｈｚからの低い周波数においても電力伝送ができるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の体内アクチュエータ直接駆動用の一次コイルと二次コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体内に埋め込むアクチュエータに関するもので、特に、電磁誘導による経皮的電力伝送を併せて用いる場合に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来の電磁誘導による電力伝送装置と組み合わせた体内埋込型アクチュエータを示す。体外と体内を結ぶ電線を不要とし電磁誘導によって体内に電力を送ることができる装置と回転型またはリニア型のアクチュエータと組み合わせたものである。電線が皮膚を貫かないことから、感染症を防ぐことができ、この技術は特表平９−５０３９３３の「電気油圧式心室補助装置」や日本人工臓器学会論文誌「人工臓器」の第２９巻１号の「人工心臓用経皮エネルギー伝送システム−エネルギー供給バックアップシステムの設計・試作とＩｎ  ｖｉｖｏ評価」等で公開されている。しかし、従来までのものはアクチュエータ１５に直流を入力するものがほとんどであり、図７に示すように体内に整流平滑回路１６が必要になっていた。
【０００３】
また、体内のモータ回転数等のコントロールは、体内においたアクチュエータドライバ回路１７によって行っていた。
【０００４】
回転数や回転方向の切り替えなどの情報は、体外から体内に電波や赤外線を用いて情報伝送する情報伝送システム２０を別に設け、経皮エネルギー伝送装置と併用使用することが一般になっている。
【０００５】
このうち、整流平滑回路１６は交流電力を直流電力に変換する部分で、変換の際に用いるダイオードの順方向電圧降下とリカバリ損失により大きな発熱を伴うことが知られている。また、平滑回路部は数百から数千マイクロファラッドの電解コンデンサが必要であり、これらは円柱形状になるが、１００ｋＨｚ程度の場合は直径１．５ｃｍ、高さが２．５ｃｍ程度のものが２つ程度必要になり、体積占有率が高いことが知られている。
【０００６】
また、アクチュエータドライバ回路１７は、直流を矩形波に変換する部分であり、例えば３相ブラシレスモータをアクチュエータ１５とする場合は、６個のＭＯＳＦＥＴが必要となる。これを数１０ｋから数１００ｋＨｚでスイッチングしているためスイッチングによる損失が大きく、空気中でも放熱板をつけないと、摂氏５０度を超え、高温となり生体内埋込に適さない。
【０００７】
また、体外から体内に伝送する情報伝送システム２０は、体外から命令される回転数等の情報を、赤外線を用いて送信できる波形に変調する送信回路１８、送信用発光ダイオード１９、受光用フォトダイオード２１、受信した信号を復調して元の信号にもどす受信回路２２からなるシステムである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
体内に置かれる装置は、整流平滑回路１６、アクチュエータドライバ回路１７、情報伝送システム２０の受信回路２２が体内に必要になるため体内埋込部の体積が大きく、発熱箇所も多い。電子回路の部品点数も数百を超えることから故障率も高い。そこで本発明は、上記従来の問題点を解決すべく、閉磁路磁性体に巻いた一次コイル１と、体内に埋め込む円環状の二次コイル２と、交流モータ３を組み合わせて用いることで、従来まで体内に置かれていた整流平滑回路１６とアクチュエータドライバ回路１７と情報伝送システム２０を体内から取り去り、かつ、体外からの経皮的電力伝送とアクチュエータの制御ができるようにすることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置は、体外においた交流発信器４と、体外においた増幅器５と、体外においたトロイダル形状もしくはドーナツ形状もしくはめがね形状の磁性体に巻き付けた一次コイル１と、体内に埋め込んだ円環状に巻いた二次コイル２と、体内に埋め込んだ単相誘導モータもしくは単相同期モータを備えるものである。
【００１０】
好ましくは、前記の体内埋込用の単相誘導モータもしくは単相同期モータとその駆動装置において、交流発信器から発信され増幅された数Ｈｚから数ｋＨｚの正弦波もしくは方形波を、一次コイルと二次コイルを介したのち、整流平滑化を行わず、直接、単相誘導モータもしくは単相同期モータに印加し駆動する。
【００１１】
好ましくは、モータの動作周波数と同期した周波数の交流電圧を交流発信器から出力し、体外からモータの回転数を変える。
【００１２】
また、この発明に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置は、体外においた交流発信器と、体外においた増幅器と、体外においたトロイダル形状もしくはドーナツ形状もしくはめがね形状の磁性体９に巻き付けた一次コイル３個と、体内に埋め込んだ円環状に巻いた二次コイル３個と、体内に埋め込んだ３相誘導モータもしくは３相同期モータからなる構成とすることができる。
【００１３】
好ましくは、前記の体内埋込用の３相誘導モータもしくは３相同期モータとその駆動装置において、交流発信器から発信され増幅された数Ｈｚから数ｋＨｚの正弦波もしくは方形波を、３組の一次コイルと二次コイルを介したのち、整流平滑化を行わず、直接、３相誘導モータもしくは３相同期モータに印加し駆動することができる。
【００１４】
また、この発明に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置は、体外においた交流発信器１２と、体外においた増幅器１３と、体外においたトロイダル形状もしくはドーナツ形状もしくはめがね形状の磁性体に巻き付けた一次コイル２個と、体内に埋め込んだ円環状に巻いた二次コイル２個と、体内に埋め込んだバイポーラ型２相ステッピングモータもしくはバイポーラ型２相リニアパルスモータ１４からなる構成とすることができる。
【００１５】
好ましくは、前記の体内埋込用のバイポーラ型ステッピングモータもしくはバイポーラ型リニアパルスモータ１４とその駆動装置において、体外においた交流発信器１２から発信され増幅された数Ｈｚから数ｋＨｚの方形波を、一方の一次コイルには数度だけ位相をずらした状態で印加し、整流平滑化を行わずに、直接、モータに印加する。
【００１６】
好ましくは、前記の交流発信器と、増幅器と、一次コイル２個と、二次コイル２個と、バイポーラ型ステッピングモータもしくはバイポーラ型リニアパルスモータ１４から構成される装置を用いて電磁誘導による体内への電力伝送を行う場合において、モータの動作周波数と同期した周波数の交流電圧を交流発信器１２から出力し、体外からモータの回転及び進行方向の切り替えを共に可能とすることができる。
【００１７】
好ましくは、前記の交流発信器と、増幅器と、一次コイルと、二次コイルと、単相および３相誘導モータからなるに装置おいて、モータへの印加電圧と周波数の比を一定保つような電圧を一次コイルに印加することで、周波数によらず一定の最大トルクが出力できる。
【００１８】
好ましくは、前記の一次コイルは、トロイダル型もしくはドーナツ型もしくはめがね型とする磁性体に一次コイルを巻き付けたものとし、二次コイルは磁性体の断面よりも数倍大きい半円形状の円環からなり、二次コイルの平らな部分２１０は皮膚と筋肉の間に埋め込まれ残りの円弧部２１１は周囲を皮膚で覆ったまま体外に突き出したような構造をとり、この突き出した穴に磁性体をクランプすることで閉磁路型のトランスフォーマを形成し、数Ｈｚからの低い周波数を用いて電力伝送する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
図１は本発明の斜視図で、交流モータ３と、半円形状の円環一周の長さが約１２５ｍｍで太さが直径６ｍｍ程度の二次コイル２、トロイダル形状の磁性体９に巻き付けた一次コイル１と、周波数を変えることができる交流発信器４および増幅器５からなる。体外においた交流発信器４から発信された周波数において数Ｈｚから数ｋＨｚの正弦波を、増幅器５で増幅し、一次コイル１に印可する。電磁誘導によって二次コイル２に誘導起電力が発生し、これが交流モータの電源電力となり、交流発信器４の周波数と同期をとった回転数で交流モータ３が動作する。外部の交流発信器４の周波数を変えることで、体内の交流モータ３の回転速度を変えることができる。
【００２０】
図３に図１の回路図を示す。交流モータ３が、３相式の場合、すなわち３相巻線の場合は、一次コイルと二次コイルからなるトランスフォーマを３組用いることで、回転磁界を得ることができる。しかし、単相式、すなわち２相巻線の場合は、回転磁界を得るためにコンデンサを用いて進み位相を作らなくてはいけない。よって、位相をずらすためのコンデンサ３０を入れ２相巻線でも回転磁界ができるようにする。
【００２１】
二次コイル２は、図４にあるように楕円に近い半円形状になるよう巻いたものとし、周囲を硬度の低い電気絶縁ワニスで覆い絶縁防水防湿処理したのち、さらに生体に悪い影響を及ぼさないシリコーンで厚さ１ｍｍから５ｍｍほどのコーティング２１２を施したものを用いる。この二次コイル２の半円のうち平らな部分２１０は皮膚層２１３と筋肉層２１４の間に埋め込まれ、残りの円弧部２１１は、周囲を皮膚で覆ったまま外に突き出させる。
【００２２】
また、図５に一次コイルを巻き付けた磁性体について、トロイダル形状のもの、ドーナツ型のもの、めがね型のものを示す。断面が長方形のもの９に限らず、ドーナツ型のような断面が円もしくは楕円形状のもの１０でもよい。また、生体に固定したときに体動により磁性体の装着位置がずれにくいようにしためがね型１１でもよい。この場合も、断面形状は長方形でも、円もしくは楕円でもよい。めがね形状の場合、一次コイルは中心の軸に巻かれる場合と、外側の両方の２つの軸に巻かれる場合とあるが、どちらでも可能である。
【００２３】
また、磁路経路を図６に矢印で示す。磁路経路は、図６（ａ）の磁路経路のように真円でなくてもよく、図６（ｂ）の楕円や、図６（ｃ）の長方形でも使用可能で、図６（ｄ）のめがね形状で代表される磁路がわかれたものでもよい。磁性体はどのような形状においても、図６の点線で示したように磁路に対して垂直な方向で２箇所切断されており、一次コイルを巻いた磁性体はいつでも取り付けと取り外しができる。
【００２４】
一次コイルは、上記磁性体にできるだけ均等に巻かれる。図５に均等巻きした磁性体を示す。一次コイル巻き線は、磁性体切断部を通ることになるが、巻かれる方向は連続して巻かれるように巻くことになる。
【００２５】
磁性体は、けい素鋼板、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＡｌ合金、ＦｅＡｌＳｉ合金、ＭｎＺｎのフェライト、結晶温度以上の温度で熱処理したＦｅＳｉＢＮｂＣｕアモルファス合金、鉄系アモルファス合金、コバルト系アモルファス合金等、あらゆるトランス材料を用いることができる。使用する周波数領域にあわせて最もよい材質を利用する。
【００２６】
交流モータ３は周波数と同期した回転磁界をつくる単相誘導モータ、単相同期モータが利用できる。一般の交流モータは、商用周波数の５０Ｈｚか６０Ｈｚ用として開発されているが、５０Ｈｚ以下や６０Ｈｚ以上の周波数で使用できるように設計されたモータも利用できる。
【００２７】
また、一次コイルと二次コイルからなるトランスフォーマを３組用いることで、３相誘導モータ、３相同期モータが利用できる。一般の交流モータは、商用周波数の５０Ｈｚか６０Ｈｚ用として開発されているが、５０Ｈｚ以下や６０Ｈｚ以上の周波数で使用できるように設計されたモータも利用できる。
【００２８】
３相モータの場合は、単相モータと異なり、回転方向も自由に変えることができる利点がある。
【００２９】
ここで、交流発信器４から出力される波形は、正弦波に限らず、方形波、三角波、台形波形でもよい。また、交流発信器４と増幅器５の組み合わせでなく、直流電源７と半導体によるスイッチングにより方形波をつくるスイッチング回路６の組み合わせでもよい。直流電源７の代わりに電池でもよい。スイッチング回路６からの出力波形は、通常方形波になるが、一次コイルに直列もしくは並列にコンデンサを挿入し共振をとることで正弦波としてもよい。
【００３０】
また、単相および３相誘導モータの場合、周波数が高くなると大きなトルクが出せなくなるが、モータへの印加電圧と周波数の比が一定になるように一次コイルへの入力電圧を制御することで、周波数によらず一定の最大トルクが得られることが知られており、これを適応することもできる。
【００３１】
発明の実施の形態２．
一次コイルと二次コイルからなるトランスを２組用意して、バイポーラ型ステッピングモータを動かすことができる。その様子を図８に示す。２つの一次コイル１０１と２０１には同じ周波数の方形波が入るが、一次コイル１０１に入る電圧の位相と、もう一方の一次コイル２０１に入る電圧を、数度進ませるか、もしくは、遅らせるかにより回転方向を変えることができる。また、方形波の周波数を変えることで、モータの回転速度も変えることができる。図９に一次コイル２０１を９０度進ませた場合のタイムチャートを示す。
【００３２】
これは、バイポーラ型リニアパルスモータにおいても同様に利用でき、位相をずらすことで進行方向を変えることができ、また、方形波の周波数を変えることで、進行速度を変えることができる。
【００３３】
【発明の効果】
磁性体を使用すること、磁路途中にギャップのない閉じた磁路が形成することで、小型化を保ちつつ、一次コイルの自己インダクタンス、二次コイルの自己インダクタンス、一次コイルと二次コイルの間の相互インダクタンスをそれぞれ数百ミリヘンリーから数ヘンリーの位まで上げることができる。例えば、一次コイルの磁性体の直径を例にとると６０ｍｍ程度であるが、他の結合方式のトランスフォーマを用いるとさらにサイズは大きくなり、同等の伝送効率を得ることもできない．本発明のように、周波数帯域が数１０Ｈｚ程度の低い場合において、生体に装着できるような小型、高効率のトランスフォーマを実現するためには、磁性体を用い、かつ、閉磁路を用いる本方式を併せて用いないと実現は難しく、本トランスフォーマと併せて用いることが必要である。
【００３４】
また、体外から体内に入った交流電力は、直流に変換される機構である整流平滑回路や、交流に変換する機構であるアクチュエータドライバ回路を経ずに直接交流モータに入るため、体内回路からの発熱がなくなる。また、交流電力の周波数に比例してモータの回転数が上がることから、わざわざ体外内間の情報制御システムを導入する必要はなく、これらをすべてを削除できる。
【００３５】
これにより、体内に入れる回路である整流平滑回路、アクチュエータドライバ回路、情報制御システムはすべてなくすことができ、これらの削除により、全体内埋込物の体積は従来の半分以下になる。体内回路の発熱箇所もなくなり、部品点数も減り、システムの構造もきわめて簡単になることでシステムの信頼性も向上する。
【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置構成を示す図であり、交流発信回路４を直流電源７に、増幅器５をスイッチング回路８に置き換えた図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置の回路図を示す。
【図４】本発明の実施の形態に係る二次コイルの図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る磁性体に巻いた一次コイルと二次コイルの斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る磁性体の磁路を示した図である。（ａ）は真円の場合、（ｂ）は楕円の場合、（ｃ）は長方形の場合、（ｄ）は磁路がわかれるものである。
【図７】従来の体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る体内埋込用のアクチュエータとその駆動装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る一次コイルに入力される電圧波形のタイムチャート図である。
【符号の説明】
１  一次コイル
２  二次コイル
３  交流モータ
４  交流発信器
５  増幅器
６  スイッチング回路
７  直流電源または電池
９  断面が正方形または長方形の磁性体
１０  断面が円または楕円の磁性体
１１  めがね型磁性体
１４  ３相誘導モータあるいは３相同期モータ
１５  ＤＣブラシレスモータ
１６  整流平滑回路
１７  アクチュエータドライバ回路
１８  情報伝送システム送信回路
１９  送信用発光ダイオード
２０  情報伝送システム
２１  受光用フォトダイオード
２２  情報伝送システム受信回路
３０  コンデンサ
１０１  一次コイル１
１０２  二次コイル１
２０１  一次コイル２
２０２  二次コイル２
２１０  二次コイル２の半円のうち平らな部分
２１１  二次コイルのうち半円のうち平らな部分以外の残りの円弧部
２１２  シリコーンによるコーティング部分
２１３  皮膚層
２１４  筋肉層
【図１】
2004313678.tif 000003
【図２】
2004313678.tif 000004
【図３】
2004313678.tif 000005
【図４】
2004313678.tif 000006
【図５】
2004313678.tif 000007
【図６】
2004313678.tif 000008
【図７】
2004313678.tif 000009
【図８】
2004313678.tif 000010
【図９】
2004313678.tif 000011