(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
埋込型の医療器及び生体の近傍で使用する医療器において、
Ｉの字形の１次側コアを含むプラグが挿入可能なレセプタに含まれるコの字形の２次側コアであって、前記プラグが前記レセプタに挿入された場合に、絶縁物で形成された前記医療器の枠を介して前記Ｉの字形の１次側コアと共に概ね閉路と見なせる高透磁率のコアを形成する前記コの字形の２次側コアを備え、
前記プラグが前記レセプタに挿入された場合に、前記Ｉの字形の１次側コアと前記コの字形の２次側コアとを含む電磁誘導型の電力伝送手段を介して前記医療器に電力が供給されることを特徴とする医療器。
【請求項２】
埋込型の医療器及び生体の近傍で使用する医療器の電力伝送コネクタであって、
Ｉの字形の１次側コアを含むプラグと、
コの字形の２次側コアを含み前記プラグが挿入可能なレセプタであって、前記プラグが前記レセプタに挿入された場合に、前記Ｉの字形の１次側コアと前記コの字形の２次側コアとが絶縁物で形成された前記医療器の枠を介して概ね閉路と見なせる高透磁率のコアを形成する、前記医療器が有する前記レセプタとを有し、
交流電力の印加により前記プラグから前記レセプタに電磁誘導型の電力伝送を行なうことを特徴とする電力伝送コネクタ。
【請求項３】
前記Ｉの字形の１次側コアを前記コの字形の２次側コアと所定の位置関係で固定する固定手段とを有することを特徴とする請求項２記載の電力伝送コネクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、埋込型の医療器及び生体の近傍で使用する医療器に対して電力伝送を行なう電力伝送コネクタ及び該電力伝送コネクタを有する医療器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
埋込型の医療器及び生体の近傍で使用する医療器の一例として人工心臓がある。人工心臓は、基本的に、心臓の代替であるポンプと、その駆動を行うコントローラからなっているが、現在の時点ではポンプのみを体内に埋込み、コントローラは体外に携帯する（生体の近傍で使用する）構成が考えられている。
【０００３】
将来的にはコントローラも体内に埋込まれ、必要な電力は経皮伝送によって体内に埋込まれた電池を充電し、電力を供給することになると考えられているが、それには技術的な課題がまだ残っている。
【０００４】
前述の、コントローラを体外に携帯する構成では、コントローラへの電力供給は、外部電源に接続されているケーブルを、コントローラのコネクタ部にて端子同士を直接接続することによって行われている。したがって、完全な気密性は保たれていず、シャワー時、雨天時等、コントローラが濡れる可能性のある場合には、カバーをするといった処置が行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
コントローラの使いやすさを考えると、気密性、特に防水のレベルを高くすることが望ましい。しかしながら、それは、コネクタの大型化、したがって、コントローラの大型化につながり、使用者のＱＯＬ(Quality of Life)の向上には好ましくない。また、気密性の高い接続端子を使用することになると、コネクタの種類は限定され、一般的にはプラスチックの弾性を利用したシールを使用することになる。これはコントローラのコストアップと耐久性（例えば耐衝撃性）の低下につながり好ましくない。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するために、非接触による電力伝送、特に人工心臓のように高電力の負荷である場合でも実用的な絶縁型の交流用の電力伝送コネクタ及び該電力伝送コネクタを有する医療器を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の医療器は、埋込型の医療器及び生体の近傍で使用する医療器において、Ｉの字形の１次側コアを含むプラグが挿入可能なレセプタに含まれるコの字形の２次側コアであって、前記プラグが前記レセプタに挿入された場合に、絶縁物で形成された前記医療器の枠を介して前記Ｉの字形の１次側コアと共に概ね閉路と見なせる高透磁率のコアを形成する前記コの字形の２次側コアを備え、前記プラグが前記レセプタに挿入された場合に、前記Ｉの字形の１次側コアと前記コの字形の２次側コアとを含む電磁誘導型の電力伝送手段を介して前記医療器に電力が供給されることを特徴とする。
【０００８】
又、本発明の電力伝送コネクタは、埋込型の医療器及び生体の近傍で使用する医療器の電力伝送コネクタであって、Ｉの字形の１次側コアを含むプラグと、コの字形の２次側コアを含み前記プラグが挿入可能なレセプタであって、前記プラグが前記レセプタに挿入された場合に、前記Ｉの字形の１次側コアと前記コの字形の２次側コアとが絶縁物で形成された前記医療器の枠を介して概ね閉路と見なせる高透磁率のコアを形成する、前記医療器が有する前記レセプタとを有し、交流電力の印加により前記プラグから前記レセプタに電磁誘導型の電力伝送を行なうことを特徴とする。ここで、前記Ｉの字形の１次側コアを前記コの字形の２次側コアと所定の位置関係で固定する固定手段とを有する。
【０００９】
上記構成により、絶縁型にすることによって、気密性、特に防水のレベルを高くすることが容易になる。また、電気的安全性を高めることにもつながる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、以下図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
＜現行の電力伝送方式＞
現行の人工心臓では１０〜３０Ｗ程度の電力を使用する例がほとんどである。このような高電力を、電磁誘導の原理を用いて非接触に伝送しようとする場合、高効率が要求される。この点が、医療器における非接触電力伝送と現行の一般的な非接触電力伝送との場合で異なる条件である。
【００１２】
現行の非接触電力伝送方式の一例として図１の方式があるが、これでは磁力線がコアの中に閉じ込められないので、高効率は望めない。従って、２次側の消費電流が少ない場合にしか使用できない。
【００１３】
そこで、電磁誘導の原理を用いた非接触電力伝送を高効率にするには、コアを閉じた形にしたトロイダルコアが一般的に使用されている。しかし、それを医療器に対する非接触電力伝送用コネクタに応用するには、形状的に不利である。
【００１４】
＜実施の形態１の電力伝送コネクタ＞
本実施の形態１では、一例として、図２に示すように角状のコアを用い、コネクタのプラグ（図２ではコア１に相当）とレセプタ（図２ではコア２に相当）にてトランスを構成するようにした。
【００１５】
図２で、１０は携帯コントローラのケースであり、例えば８０ｍｍ×１００ｍｍの矩形で絶縁物で形成されている。このコントローラ・ケース１０内の周囲部分にコの字形の２次側のコア２と、１次側のコア１が配置されて、トランスを形成する。ここで、１次コイル１１が巻かれたコア１は、絶縁物からなる枠３０内にプラグとして挿入されて、２次コイル１２が巻かれたコントローラ側のコア２とでトランスが形成され、電磁誘導による非接触電力伝送が行われる。従って、このような構成で高効率な非接触電力伝送が可能となれば、携帯コントローラの回路等は絶縁物のケース１０とプラグ用枠３０とによって外部と完全に遮断されているため、気密性が保たれ、シャワーや雨天などを気にする必要が無い。
【００１６】
本実施の形態の電力伝送コネクタが実用可能か否かは、図２から明らかなように、コア１とコア２とを遮断したために生じた２箇所のギャップ２１，２２の影響がどれだけ有るかによる。このギャップ２１，２２は、図３に図２のＡ−Ａ’断面を示すように、略コイル１１と絶縁枠３０とが隔てる長さである。
【００１７】
以下、２箇所のギャップ２１，２２の影響について言及する。
例えば、Ｎ：コイルの単位長さ当たりの巻数
Ｌ：コアの全長の平均の長さ
Ｊ：電流
μ：コアの透磁率
μO：空気中の透磁率（真空中の透磁率で近似が可能）
δ：ギャップ長
とすると、電流回路の作る磁束密度Ｂは、
ギャップ以外では、
Ｂ＝μＮＪ／Ｌ                                                （１）
であり、ギャップでは、
Ｂ＝（μＮＪ／Ｌ）／［１＋（μ／μ0）×（δ／Ｌ）］（２）
である。ここでμ／μ0は比透磁率とみなせ、これが大きいほどトランスの結合係数ｋが１に近くなり漏洩インダクタンスを小さくできる。ｋは周波数特性と、挿入損失の最小値を決めるパラメータであるので（図５参照）、トランスの設計ではコア材の比透磁率を１０００程度にしｋ＝０．９９９にすることが推奨されている。入手性がよく、加工も容易な材料として、
ａ）ケイ素鋼を用いた場合：約５００
ｂ）Ｎｉ−Ｚｎフェライトを用いた場合：１０〜１０００
があり、本発明の用途としては５００以上あればよく、ここでは一例として
μ／μ0＝５００〜１０００                      （３）
とする。
【００１８】
また、δ／Ｌは機械的な設計で決まるものであるが、体外で携帯するコントローラの大きさは、
１００ｍｍｘ８０ｍｍｘ３０ｍｍ（Ｄ）
程度になると考えられるので、ここでは一例として、
δ＝１ｍｍ、Ｌ＝３６０ｍｍ
とする。したがって、
δ／Ｌ＝１／３６０                                        （４）
である。ゆえに、
（μ／μ0）×（δ／Ｌ）＝１．４〜２．８        （５）
であるから、（２）式は（１）式の０．４２〜０．２６倍になり、後述の設計式（６）、（７）の誤差の原因となる。しかしながら、１次側から２次側への電力伝送には実用上支障はない。
【００１９】
次に、入出力の電圧、電流の関係から、コイルの巻数及び１次側の電圧・電流について述べる。
【００２０】
プラグ、レセプタを各々、１次側、２次側として、巻数，電流，電圧をＮ１，Ｎ２，Ｊ１，Ｊ２，Ｖ１，Ｖ２とすると、近似的に、以下の関係が成り立つ。
【００２１】
Ｖ２＝−（Ｎ２／Ｎ１）Ｖ１                                （６）
Ｎ２・Ｊ２＝−Ｎ１・Ｊ１                                  （７）
２次側のコントローラに必要な電圧Ｖ２，電流Ｊ２は既知であるので、（６），（７）式にしたがって、Ｎ１，Ｎ２，Ｖ１，Ｊ１を決定すれば、必要な電力伝送が可能となる。尚、コイルは各々のコアに均等に巻いた方が磁束をコア内に閉じ込められるので、高効率な電力伝送が可能になる。
【００２２】
＜実施の形態１の携帯コントローラ例＞
図４は、実施の形態１の携帯コントローラの外観図である。
【００２３】
図４では、携帯コントローラに電力伝送コネクタ用の層４１を設け、上記電力伝送コネクタをここに搭載する。そして、この電力伝送コネクタ層４１とコントローラ回路層４２とも分離している。
【００２４】
例えば、電力伝送コネクタのコア１の断面が５ｍｍ×５ｍｍの正方形であれば、電力伝送コネクタ層４１は１ｃｍ厚ほどあればよい。絶縁枠３０の差し込まれたコア１は、ネジ止め１３等で固定する必要があるので、指による操作が可能な寸法が決められる。
【００２５】
尚、携帯コントローラを薄厚とするためには、コアの内側に電磁気の絶縁枠を設けて、その内部に回路を設けることで可能となる。
【００２６】
＜実施の形態２の電力伝送コネクタ＞
本実施の形態２では、一例として、図６及び図７に示すように円状のコアを用い、コネクタのプラグ（図６では１次コアに相当）とレセプタ（６２では２次コアに相当）にてトランスを構成するようにした。
【００２７】
図６で、６４は携帯コントローラのケースであり、このコントローラ・ケース６４の一部に実施の形態１よりかなり小型のコの字形の２次コアと、Ｉの字形の１次コアが配置されて、トランスを形成する。ここで、１次コイル６１が巻かれた１次コアは、絶縁物６３により被覆されて、絶縁物からなるコントローラ・ケース６４の一部に形成されたコの字型のレセプタにプラグとして挿入されて、２次コイル６２が巻かれたコントローラ側の２次コアとでトランスが形成され、電磁誘導による非接触電力伝送が行われる。本実施の形態におけるギャップは、プラグ側の絶縁物６３の厚みとケース６４の厚みとの和となる。
【００２８】
図７は、図６のＢ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’の断面図である。
【００２９】
このような構成で高効率な非接触電力伝送が行われるので、携帯コントローラの回路等は絶縁物のケース６４とプラグの絶縁物６３とによって外部と完全に遮断されているため、気密性が保たれ、シャワーや雨天などを気にする必要が無い。その上、実施の形態１と異なり、コアがコンパクトに作成されているので、コネクタが小型となると共に、プラグがレセプタから抜けないような簡単な構造（例えばツメ等）を設けるだけで良いので、コネクタの脱着が容易になる。
【００３０】
＜実施の形態２の携帯コントローラ例＞
図８は、実施の形態２の電力伝送コネクタを有する携帯コントローラの外観図である。本例の携帯コントローラ８０は、縦８０mm×横１２０mm×厚３０mmの外形を有し、横枠のほぼ中央部にコネクタ部６０が設けられている。尚、コネクタ部の設置位置は、本例に限定されるものではない。
【００３１】
図９は、図８のＤ−Ｄ’の断面図である。図９から明らかなように、実施の形態２によれば、コネクタ部を、伝送電力に対応するコアの大きさとコイルの巻数とに依存する必要最小限の大きさで実現でき、従来からの電源の接続と同じ感覚のプラグのレセプタへの簡単な挿入操作により接続が可能になる。
【００３２】
＜本実施の形態の人工心臓例＞
図１０は、本実施の形態の電力伝送コネクタを搭載した携帯コントローラ(Wearable Controller)を含む人工心臓の構成例を示す図である。
【００３３】
図１０には、左心補助ポンプ(Pump)の例が示されており、体内の左心補助ポンプと体外の携帯コントローラは経皮ケーブル(Percutaneous Cable)で接続されて、コントロール及び監視されている。図１０では、モニタを有する病院のコンソール(Console)で、本実施の形態の電力伝送コネクタを介して、携帯コントローラのバッテリー(Battery)への電力伝送が行われている。
【００３４】
尚、本発明はその原理上、電力伝送に限定されるものではなく、交流信号が伝送できることから、情報伝送にも応用可能であることは明らかであり、例えば、図１０で携帯コントローラからのデータを病院のコンソールに読み出す、あるいは携帯コントローラのパラメータを更新するためにデータを送ることが出来る。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、高電力の伝送を行うことのできる絶縁型の交流用の電力伝送コネクタを提供することができる。また、１次側と２次側を１ｍｍ程度のオーダーで絶縁できるので気密性（特に防水性）が高く、また、電気的安全性も高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電磁誘導型の電力伝送例を示す図である。
【図２】実施の形態１の電磁誘導型の電力伝送コネクタの構成例を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’の断面図である。
【図４】実施の形態１の携帯コントローラの外観を示す図である。
【図５】トランスの結合係数と周波数特性との関係を示す図である。
【図６】実施の形態２の電磁誘導型の電力伝送コネクタの構成例を示す図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’の断面図である。
【図８】実施の形態１の携帯コントローラの外観を示す図である。
【図９】図８のＤ−Ｄ’の断面図である。
【図１０】本実施の形態の電力伝送コネクタを使用した人工心臓の構成例を示す図である。
【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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【図１０】
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