(57)【要約】【課題】  自ら電力を発生することができる発電器と電源供給システムを提供すること【解決手段】  永久磁石１００は、四本のバネ性の線１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄで収納箱１３０の対角線上の角に固定されている。永久磁石１００は、小型で強い磁力線を放つサマリアム・コバルトを材料とする。永久磁石１００を吊り下げるバネ材質サスペンダー１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄには、スプロン材をコイルバネ状に加工して用いる。収納箱１３０は、その材質に磁化しにくい金属材料を用い、非磁化した軟鉄材を用いた。バネ材質サスペンダー１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは、永久磁石１００が収納箱１３０の側壁に極力ぶつからないように、長さ及びバネ常数を調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器の内側にある磁石と、
前記容器の内側にあって、一端を前記磁石に接続し、他端を前記容器に接続して、前記磁石を前記容器の内で中空に吊した状態に保持する弾力性のある弾性体と、
前記容器の外側に巻かれたコイルと、
から成る発電器。
【請求項２】
装着者の動きによって、前記磁石が前記容器内を移動する請求項１記載の発電器。
【請求項３】
請求項１または２に記載された発電器と、前記発電器により発電された電力を蓄える二次電池を有する電源供給システム。
【請求項４】
さらに、一次電池を有し、前記二次電池は前記一次電池の補助電源として使用する請求項３記載の電源供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明が属する技術分野は、体内埋め込み型の医療機器に電気を供給する補助電源の分野に属する。体内埋め込み型の医療機器は、通常一次電池で稼働しているが、この電池は使用と共に消耗して行く。発電能力が低い発電器でも、持続的又は半持続的に電力を供給することで、一時的に消耗した一次電池の更なる消耗を押さえ、また、この一次電源が完全に消耗するまでの時間を延ばすことが可能になる。
【背景技術】
【０００２】
病気や器官の疾患で生命活動に必要な酵素やホルモンを、定期的に又は必要な時に供給できない場合や、本来は一定のリズムで作動すべき臓器が臓器を動かすべき電気信号が乱れることによって正常に動かない場合がある。これらの病気や疾患は思量することが困難なものが多く、人工的な臓器や信号発生装置で代用する治療方法が増えて来ている。例えば、インシュリンを適時に供給する装置はインシュリン・ポンプであり、不整脈を校正するのは心臓ペースメーカである。このような生命維持器具は、通常の生活を送るのに不便にならないように自立して機能し、体内埋め込み型が普及してきている。
【０００３】
この様な人工臓器や信号発生器は電源を必要とするものが多く、体内埋め込み型の場合は機動性を必要とすることから電池、特に一次電池を電源とするものが多い。この装置を体内に埋め込む場合は手術、つまり体を切開してこの装置を埋め込む必要があるので、電池が消耗したからと言って再度手術を行うことによる電池交換は、患者の体力的及び金銭的な負担を考えると簡単ではない。しかし、体内に確保できる空間には限りがあり、大型で高性能な電池を体内に埋め込むことには限界がある。一方、前記の理由から体内埋め込み型の機器には、高い信頼性が要求されることは周知のとおりである。信頼性を高める為にフェール・セイフ機構を搭載すればするほど、電源に負担がかかると言う現象が起きていることも事実である。
【０００４】
このため、磁界変動を発生させる磁界発生装置と機械的変位をする磁石とを組み合わせ、非接触で発電を行って、生体内の機器に電力を供給する生体内電子機器が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２１５８０２号公報参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一次電源は使用すれば消耗することは避けられない。しかし、体内埋め込み型の機器に於いて機能や性能を優先する結果、消費電力の小さい素子を用いて消費電力化を図るには限界がある。特に患者が若者である場合は患者が生存する期間が長い場合が多く見受けられ、電池交換をせずにこの患者が死期を迎えるまでこの機器を作動させ続けることは困難である。
【０００６】
一方、発電機構に２次電池を備えた電源もあるが、一般に自立型の発電器はその効率が悪く、また発電に必要な条件が揃わないと発電ができないため、一次電池の様に高い電源性能と安定した電源供給を発電型電源に求めることは厳しい。埋め込み型のこの機器は、動作しないと人命の危険が伴う為に、発電式の電源のみでこの機器を動かすことは、医療行為として好ましくない。
【０００７】
また、特許文献１に記載された生体内電子機器は、体内にある自ら電力を発生することができず、体外で発生させた磁界を体内に埋め込まれた磁石等に供給しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電器は、容器と、前記容器の内側にある磁石と、前記容器の内側にあって、一端を前記磁石に接続し、他端を前記容器に接続して、前記磁石を前記容器の内で中空に吊した状態に保持する弾力性のある弾性体と、前記容器の外側に巻かれたコイルと、から成る。
【０００９】
本発明の発電器は、装着者の動きによって、前記磁石が前記容器内を移動するものである。
【００１０】
また、本発明の電源供給システムは、これらの発電器を有し、発電器により発電された電力を蓄える二次電池を有する。
【００１１】
本発明の発電器は、さらに、一次電池を有し、前記二次電池は前記一次電池の補助電源として使用するものである。一次電池は、安定していて比較的大きな電流を随時供給できるが、反面、消耗する一方との短所がある。二次電池は、発電条件が揃っていれば半永久的に比較的小さいが電流を供給できる。したがって、二次電池が供給する電流を優先的に使用し、不足している電流分を一次電池で補う。
【発明の効果】
【００１２】
埋め込み型の医療器具の電源として、位置及び運動エネルギー変換型の発電器を備えた二次電池と一次電池を併用した電源を使用することで、一次電池が消耗する期間を伸ばし、電池消耗に起因する電池交換手術の頻度を下げることで、患者の金銭的且つ肉体的負担を軽減することができる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明では、発電器搭載型二次電池に付いて、回転運動を電気に換える方法で装置構成を試みた。腕の運動、続いて足の運動に於いては、高い発電効率を得ることができた。なお、それ以外の体の部分に於いては、低い発電量しか得られなかった。この結果から、人間の体の動きは円運動ではないと判断し、同時に運動は線運動と仮定して、線運動を電気に変換する発電機構とした。
【００１４】
一次電池付いては、一般に使用されているリチウム電池とした。線運動を電気に換える発電方法として、双局型の永久磁石とコイルの組み合わせによる電磁誘導方式を採用した。
【実施例】
【００１５】
本実施例では、線運動を電気に変換する電磁誘導型の発電装置と、二次電池の構造及びその機能について説明する。図１は永久磁石をバネ性の線で中空に吊し、永久磁石を自由に動ける様にした、いわゆる中空吊り発電器の原理を説明する模式図である。永久磁石１００は、四本のバネ性の線１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄで収納箱１３０の対角線上の角に固定されている。永久磁石１００は小型で強い磁力線を放つ材質のものが好ましく、本実施例ではサマリアム・コバルトを材料とする永久磁石１００を用いた。永久磁石１００を吊り下げるバネ材質サスペンダー１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄには、機械時計のゼンマイに用いられる材料、本実施例ではスプロン材をコイルバネ状に加工して用いた。ゼンマイ用金属は、繰り返しの曲げや応力に対する耐久性が高く、医療器具に要求される信頼性を満たすには最良の材料の１つである。収納箱１３０は、その材質に磁化しにくい金属材料を用いることが好ましく、本実施例では非磁化した軟鉄材を収納箱１３０の材質として用いた。収納箱１３０は、永久磁石１００から出る磁力線を高める鉄心の効果があり、誘電体材料よりも磁化しにくい材料の方が高い発電効率が得られた。バネ材質サスペンダー１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは、永久磁石１００が収納箱１３０の側壁に極力ぶつからないように、長さ及びバネ常数を調整する。本実施例では、収納箱１３０の形状が直方体であるため、一方の壁、図４で言うＸ方向の壁にぶつかって永久磁石１００が破壊されるのを防止するため、図１に示す様に、永久磁石１００の４面に防護板１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄを取り付けた。防護板の材質は、衝撃を吸収し易い材質が好ましく、本実施例では軟質のビニール材を使用した。
【００１６】
図２は、発電器の電気回路と二次電池及び電圧制御回路を示した模式図である。収納箱１３０に発電用コイル２００となる電線２１０を巻き付けてある。発電用コイル２００は、本実施例ではエナメル線を用い、単一方向に２重巻きとした。発電用コイル２００に発生する起電力は、永久磁石１００の運動の方向で電流の向きが決まる為、ブリッジ・ダイオードの平滑回路２２０を通して、二次電池２３０に接続されている。二次電池２３０としては、ニッケル水素電池やニッケル・カドミウム電池について検討を行ったが、充電・放電を繰り返すと寿命が極端に短くなるため、本実施例では充電許容量が大きい電気二重層コンデンサーを用いた。しかし、小型の電気二重層コンデンサーは、絶対耐圧が低いので、過度の発電によるサージ電圧を避ける為に、可変電圧制御機構のついた電圧制御器（ＶＲ）２４０を搭載した。電圧制御器２４０は、二次電池２３０からの出力電圧を一定に保つ機能とサージ電圧を防ぎ、二次電池２３０の絶対耐圧を越えない電圧に保つ２つの効果を合わせもつ。本実施例で使用した電気二重層コンデンサーの規格は、その容量が０．４７Ｆ（ファラッド）で絶対耐圧が５．５Ｖのものを使用した。従って、電圧制御器２３０の制御電圧の範囲を０〜５Ｖのものとした。
【００１７】
図３は、電気二重層コンデンサーの絶対耐圧、電圧制御器の設定電圧と発電電圧を示した電圧図である。電圧制御器２４０の電圧降下機能によって、発電電圧値が電気二重層コンデンサー２３０の絶対耐圧値を越えないことが判る。電圧制御器２４０の出口には５００μＦ、耐圧６Ｖの電解コンデンサー２５０（図２参照）を接続し、負荷用バッファーとした。
【００１８】
次に、発電器が効率の良い発電を行う為の条件について説明する。発電器４００が埋め込み型の医療器具と共に体内、特に人間の胴体４１０の中に埋設されるときは、図４で示す方向に埋設すると発電効率を高めることができる。人間の行動の内、基本となるのは歩行運動と立ち座り運動である。歩行運動は、図４で言うＹ方向への等速直線に近い運動にＺ方向の上下運動が加わったものである。
【００１９】
図５は、人間が歩く時の上下運動と永久磁石の位置を示した模式図である。発電に必要な運動とは、加速度を伴う運動である。歩行運動と立ち座り運動はＺ方向への加速度運動であるため、人間が行う運動の内で加速度を伴う運動は、Ｚ方向に動くことが多いものとし、Ｚ方向の加速度運動に対し発電効率を最大にする必要がある。永久磁石１００はバネ状のサスペンダー１１０ａ〜１１０ｄで中空に保持されているが、その慣性で体内に埋設された収納箱１３０とは異なった動きをする為、発電用コイル２００を通過する磁束密度が変化する。磁束密度が変化することで発電用コイル２１０に電流が流れ、発電が行われることになる。立ち座り運動も同様にＺ方向への上下運動である為、発電が起きるが、連続した運動とはならない為、発電効率は低い。図４に示すＹ方向に付いては、人間が歩く時の進行方向、つまり前方向である。歩行は、Ｙ方向に若干の加速度運動を伴うが、図４のＸ方向、つまり人間の横方向の運動と同様、Ｚ方向と比較すると差は大きい。
【００２０】
従って、発電器４００を図４で示す方向で体内に埋め込むことで、最大の発電効率を得ることができる。
【００２１】
一般的に、二次電源は一次電源の補助電源として使われることが多いが、ここでは一次電源の消耗を最大限押さえる為に、二次電源が供給する電源を通常使用しており、二次電源が必要とする電気を供給できなくなった場合のみに、一次電源を用いる方法について説明する。
【００２２】
図６は、この方法を実施する為の必要最低限の回路である。先ず、負荷の部分で必要とする電圧を電圧制御素子（ＶＲ）６０２の設定電圧に印可する。二次電源６００の中の二次電池である電気二重層コンデンサー６０４に充分な電気が貯まっている状態、つまり電気二重層コンデンサー６０４が示す電圧が制御電圧を超えている場合は、逆流防止ダイオード６１０を通して負荷に対し電源が供給される。図６の点Ａに於いては、制御電圧と同じ電圧が現れている為、コンパレータ６２０の出力点である点Ｃに於いては、コンパレータ６２０が一次電源６３０から電源を得ているので、一次電源６３０と同じ電圧が現れる。点Ｃに現れた電圧は、インバータ６２０を介して、パワートランジスタ６４０に供給される為、インバータ６５０の出力点Ｄに於いて、電圧は０Ｖとなる。従って、パワートランジスタ６４０は作動せず、一次電源６３０からの電源供給は行われないこととなる。
【００２３】
しかし、電気二重層コンデンサー６０４が示す電圧が制御電圧を下回った場合は、図６の点Ａには電圧があらわれず、点Ａに於いて０Ｖとなる為、点Ｃに於いても電圧は０Ｖとなる。点Ｃに於ける電圧が０Ｖである為、インバータ６５０出力点である点Ｄに於いては、一次電源６３０と同じ電圧になり、パワートランジスタ６４０が作動して、点Ｂへ一次電源６３０の電流が供給される。しかし、点Ｂの二次電源側には、逆流防止ダイオード６１０があるため、一次電源６３０の電流は負荷側にのみ供給される。
【００２４】
従って、この回路を用いることで、二次電源６０４を優先的に使い、二次電源６０４が枯渇した場合に初めて一次電源６３０を使う回路が実現できた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
この発明は、埋め込み型の医療機器の電源として開発されたが、発電器をその他の発電方法に換えることで医療分野以外での利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】中空釣り発電器の原理と防護板を示す図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は立体図、図１（ｃ）は防護板の取り付け状態を示す立体図
【図２】発電用コイルの形状及び平滑回路を示す図
【図３】過電圧防止回路の動作方法を示す電圧図
【図４】永久磁石の運動方向を示す模式図
【図５】歩行運動と位置の変位を示す模式図
【図６】一次電源を二次電源の補助電源として用いる回路図
【符号の説明】
【００２７】
１００  磁石
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ  線
１２０ａ、１２０ｂ  防護板
１３０  収納箱
２００  発電用コイル
２１０  電線
２３０、６０４  二次電池
４００  発電器
【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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