特開 2022-191877 無線充電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022191877

(43)【公開日】2022-12-28

(54)【発明の名称】無線充電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20221221BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20221221BHJP

【ＦＩ】

H02J50/05

H02J7/00 301D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021100362

(22)【出願日】2021-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(72)【発明者】

【氏名】田村 昌也

(72)【発明者】

【氏名】松本 まりも

(72)【発明者】

【氏名】村井 宏輔

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA04

5G503BA01

5G503BB01

5G503GB06

5G503GB09

(57)【要約】

【課題】埋め込み型医療機器のための安全性が高い無線充電装置を提供すること
【解決手段】本発明に係る無線充電装置は、生体内への埋め込み型医療機器へ電力を供給するものであって、少なくともひとつの送電器と、少なくともひとつの受電器とを備え、前記送電器は２以上の導体平板から、前記受電器は、２以上の導体平板からなり、前記送電器の導体平板及び前記受電器の該導体平板は、皮膚に対し相互に平行に対向して配置され、前記送電器の導体平板はその周囲を絶縁体によって覆われていることを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

生体内への埋め込み型医療機器へ電力を供給する無線充電装置であって、
送電側の回路部と、
前記送電側回路部に接続される、２以上の導体平板からなる、少なくともひとつの送電器と、
受電側回路部と、
前記受電側回路部に接続される、２以上の導体平板からなる、少なくともひとつの受電器と、を備え、
前記送電器の導体平板及び前記受電器の導体平板は、生体組織に対し相互に平行に対向して配置され、
さらに前記送電器の導体平板は、その周囲を絶縁体によって覆われていることを特徴とする無線充電装置。

【請求項2】

前記受電器の導体平板は、その周囲を絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の無線充電装置。

【請求項3】

前記送電器の導体平板は、前記受電器の導体平板の面積に対し、１．１倍の面積を有することを特徴とする請求項１および２に記載の無線充電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波を送電する送受電器及びそれを用いる無線充電装置に関するものである。特に、人体や生体などの体内に設置された医療機器等へ無線で電力を供給するための電子機器及び充電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の埋め込み型医療機器での無線充電装置は、磁界結合を利用して送電するものである。

【0003】

例えば、特許文献１には、充電式電源を有する埋め込み式構成部品及び外部無線充電器を備える埋め込み型医療機器が開示されている。当該外部無線充電器は、充電式電源と、皮膚を介して電力を転送するように構成される誘電コイルと、からなり、該無線充電器の再充電のため補助充電器を検出して電力を受けるように構成されているものである。

【0004】

上記の埋め込み型医療機器では、高周波磁界を用いて電力を送電するため、生体の導電性や誘電特性の影響を受けることなく、高効率に電力を送受電できる反面、誘電コイルにより漏洩磁界を生じる。漏洩磁界により当該医療機器自体やその回路及び内部配線だけでなく、機器に接続された外部配線にも誘導電流を生じてしまう恐れがある。誘導電流の対策は通常フェライトコアを用いるが、フェライトコアの大きさに制約され、医療機器の小型化は困難になる。

【0005】

一方、誘導電流の対策が不十分である場合、医療機器は誤作動を起こす可能性が高まる。さらに、電子レンジなどから漏れ出る磁束が、埋め込み型医療機器の誘導コイルを鎖交するとき、予期せぬ誘導電流が流れ、充電式電源を破壊したり、誘導コイルが発熱することにより体内深部の温度の急激な上昇を引き起したりするなど安全性の課題が顕著となる。特許文献１では、３００ｋＨｚの磁界結合により約３Ｗ送電する場合、体内深部の温度は約４℃上昇するとある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０１４－５０００９７公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上記誘導コイルを用いる外部無線充電器の課題を鑑みなされたものであり、埋め込み型医療機器のための安全性が高い無線充電装置を提供することが課題である。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る無線充電装置は、生体内への埋め込み型医療機器へ電力を供給するものであって、
少なくともひとつの送電器と、少なくともひとつの受電器とを備え、
前記送電器は２以上の導体平板から、前記受電器は、２以上の導体平板からなり、
前記送電器の導体平板及び前記受電器の該導体平板は、皮膚に対し相互に平行に対向して配置され、
前記送電器の導体平板はその周囲を絶縁体によって覆われていることを特徴とする。

【0009】

本発明に係る無線充電装置により、電界により電力を送電するため、誘導電流の発生や漏洩磁界の影響を受けることなく充電することができる。

【0010】

また、前記送電器の導体平板を皮膚に貼り付けるだけで、前記受電器の導体平板との間で電界により電力を送電することができる。なお、送電器の導体平板は皮膚への影響や医療機器の使用を考慮して絶縁体で覆っても電力伝送に影響しない。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、生体への埋め込み型医療機器において、誘導コイルの使用による漏洩磁界に起因する機器の故障や体内深部の温度を上昇させることなく、安全に高効率の充電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係る生体内無線充電装置が使用される環境の一例を示す模式図である。

【図2】本発明に係る生体内無線充電装置の構成図である。

【図3】本発明に係る生体内無線充電装置の構成例を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施例に係る送電器と受電器の配置を示した図である。

【図5】本発明の実施例に係る豚の皮膚及び皮下組織の高周波特性を示すグラフである。

【図6】本発明の実施例に係る送受電器間の電力伝送効率特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態について、以下、図を参照しながら説明する。ただし、説明に使用する図面及び以下の説明は、本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

【0014】

本発明に係る無線充電装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る無線充電装置１が配置される環境の一例を示す模式図である。人体２に埋め込み型医療機器３は埋め込まれる。埋め込み型医療機器３は受電器２００を搭載している。埋め込み型医療機器３は例えば、ペースメーカで、心臓へ一定の鼓動を与えるための電気信号を送るほか、生体情報を取得するための電気配線４を有している。埋め込み型医療機器３は、体外に配置されたシート型送電器５から駆動電力を無線で供給される。

【0015】

シート型送電器５は、例えば、図２に示すように皮膚などに貼り付けて使用するものとなる。この場合、シート型送電器５は、皮膚などに貼り付けるための粘着性を有したフィルム６、送電器１００が搭載された回路部７、金属平板からなる送電電極８、絶縁体９で構成される。
また、この場合、皮膚と皮下脂肪からなる生体組織１０を介して、埋め込み型医療機器３へ電力が送電される。このとき、埋め込み型医療機器３は、絶縁体１１、金属平板からなる受電電極１２、受電器２００が搭載された回路部１３から構成される。
絶縁体９、１１は人体に金属が直接接触することによる金属の腐食を防ぐほか、生体親和性の観点から配置される。例えば、パリレンポリマーによるコーティングが用いられる。

【0016】

図３は、無線充電装置５の構成例を示すブロック図である。無線充電装置５は、送電器１００、受電器２００、及び金属平板からなる送電電極８、受電電極１２を備える。受電器２００は、送電器１００に搭載した送電電極８から送電される高周波電力を受電電極１２で受電する。送電電極８及び受電電極１２は少なくとも２枚以上の金属平板を配置した構造を取る。送電電極８と受電電極１２は人体組織１０を介して対応配置される。

【0017】

このような状態において、例えば、ガブリエルらが測定した実験データによると、前記人体組織１０が皮膚と皮下脂肪からなる場合、１．７４ｋＨｚから３０ｋＨｚの間で３．０以上のＱ値を示すため、送電周波数を１．７４ｋＨｚから３０ｋＨｚの間に設定することで高効率に電力を送電することができる。

【0018】

送受電器の小型化を考慮する場合は、２００ＭＨｚから４００ＭＨｚ付近まで１．０以上のＱ値を示すため、送電周波数を２００ＭＨｚから４００ＭＨｚの間に設定することで小型かつ高効率に電力を送電することができる。

【0019】

結果、埋め込み型医療機器３は少なくとも金属平板２枚を備え、皮膚の表面に前記送電装置５を貼り付けるだけで電界結合により電力を受電できるため、皮膚等の体外より漏洩磁界を大幅に増加させることなく、簡素な装置により、体外の送電器からの必要な電力の高効率給電が実現できる。

【0020】

まず、シート型送電器５について説明する。シート型送電器５は外部バッテリ１０１を駆動電力としてＲＦ電源１０２から高周波電力を出力する。送電電極８は差動入力となるため、送電電極８の入力側には、ＲＦ電源１０２の出力インピーダンスとインピーダンス整合を取りながらシングルエンドから差動信号へ変換するための整合回路１０３とバラン１０４が接続される。外部バッテリ１０１は例えばフィルム型のリチウム電池で構成され、ＲＦ電源１０２、整合回路１０３は例えば、ポリイミド系からなるフレキシブル基板上に構成される。
なお、ＲＦ電源１０１は差動出力回路で設計してもよい。その場合、整合回路１０３は差動入力差動出力で構成することで、バラン１０４を取り除くことができる。

【0021】

続いて、埋め込み型医療機器３について説明する。送電電極８から送電された高周波電力は受電電極１２で受電される。受電電極１２は整合回路２０１を介して整流回路２０２に接続され、高周波電力を直流電力に変換する。整流回路２０２の他端はバッテリ２０３に接続されており、直流電力が投入され前記バッテリ２０３を充電する。充電されたバッテリ２０３の電力はＤＣ／ＤＣ２０４を介して、例えば、ペースメーカ２０５へ供給される。
この際、図示していないが受電電力の透過量をモニタリングすることで、透過量が大きくなるように整合回路２０１を自動で調整することが可能である。なお、整流回路２０２とバッテリ２０３の間にバッテリ充電用のＤＣ／ＤＣを追加接続することで、バッテリ２０３の充電速度を速めることができる。

【0022】

このようにして体外からペースメーカに搭載されたバッテリで電力を供給することができる。

【実施例0023】

図２に示す送電電極８を図４に示すように銅の金属平板２枚で構成し、それぞれの金属平板１４と金属平板１５とする。ここでは、シート型送電器５の絶縁体９は、絶縁体平板２枚で表現し、それぞれ絶縁体平板１６、絶縁体平板１７とし、ＦＲ４（比誘電率４．７、誘電正接０．０１）で構成する。

【0024】

金属平板からなる送電電極８と、絶縁体平板からなる絶縁体９の厚みはそれぞれ３５μｍ、１００μｍとする。生体組織１０は、ここでは比誘電率１８、誘電正接０．７７の豚の皮膚と皮下脂肪を使用する。その厚みは５ｍｍとする。

【0025】

埋め込み型医療機器３の絶縁体１１は、送電器側の絶縁体９と同様に、絶縁体平板２枚で表現し、それぞれ絶縁体平板１８、絶縁体平板１９とし、ＦＲ４で構成する。受電電極１２は送電電極８と同様に、銅の金属平板２枚で構成し、それぞれの金属平板２０と金属平板２１とする。

【0026】

金属平板からなる受電電極１２と、絶縁体平板からなる絶縁体１１の厚みはそれぞれ３５μｍ、１００μｍとする。

【0027】

各金属平板１４、１５、２０、２１の少なくとも一辺に導体配線２２、２３、２４、２５を接続する。導体配線２２、２３は、例えば粘着性を有したフィルム６に設けた穴を通して取り出している。粘着性を有したフィルム６は、ここでは比誘電率５．０、誘電正接０．０８からなるポリウレタンからなるドレッシングテープを用いる。導体配線２２、２３、２４、２５の一端を開放端とし、その開放端には、電力を供給する配線を接続するため、例えばＳＭＡコネクタをはんだで固定する。

【0028】

金属平板１４、１５、２０、２１及び絶縁体平板１６、１７、１８、１９は長辺、短辺とも２ｃｍとする。横並びとなる金属平板１４と金属平板１５、金属平板２０と金属平板２１、絶縁体平板１６と絶縁体平板１７、絶縁体平板１８と絶縁体平板１９の間隔はいずれも２ｃｍとする。導体配線２２、２３、２４、２５は長さ約３ｃｍ、直径０．５ｍｍとする。

【0029】

豚の皮膚と皮下脂肪からなる生体組織１０の比誘電率とＱ値の測定結果を図５に示す。２００ＭＨｚから４００ＭＨｚ付近までは１．０以上のＱ値を示し、３００ＭＨｚ付近で最大値を示す。

【0030】

本例ではＱ値が高い３００ＭＨｚ付近における電力伝送効率を図６に示す。図６は、導体配線２２、２３、２４、２５のそれぞれ一端に、はんだで固定したＳＭＡコネクタと、ベクトルネットワークアナライザの各端子を接続し、送電電極８に接続された導体配線２２、２３から送電された電力を受電電極１２で受電し、導体配線２４、２５から取り出された場合の、送電電力と受電電力の比から得られる電力伝送効率を周波数軸でグラフ化したものである。

【0031】

図６より生体組織１０は、高周波帯では誘電体として振る舞うことが読み取れる。金属平板１４、１５、２０、２１と生体組織１０でコンデンサが形成され、電界結合によって電力が伝送される。結果、皮膚等の体外より漏洩磁界を大幅に増加させることなく、簡素な装置により、体外の送電器からの必要な電力の高効率給電が実現できる。また、このように薄い厚みで送電器５を実現できるため、皮膚の曲率に応じて密着性良く貼り付けることができ、日常生活に支障をきたすことなく、あるいは睡眠中に、埋め込み型医療機器３を充電できる。

【0032】

本例では実験の容易さから電力の入力線路として導体配線２２、２３、及び電力の出力線路として導体配線２４、２５を設けているが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、金属平板１４、１５及び金属平板２０、２１上にビアホールを設けて電力の入力線路及び出力線路を設けてもよい。これにより引き回し線路による損失を低減できる。

【0033】

あるいは、図示していないが、送電器１００が搭載された回路部７を誘電体フィルム基板で、受電器２００が搭載された回路部１３を誘電体基板で構成し、金属平板１４、１５及び金属平板２０、２１に対して誘電体フィルム基板や誘電体基板を介して対向配置した金属平板をそれぞれ設けることで電界結合により電力を入力、及び出力させることができる。これによりビアホールを設ける必要がなく、製作が容易になる。

【0034】

また、本例では実験の容易さから粘着性を有したフィルム６にドレッシングテープを用いたが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、金属平板１４、１５を覆う絶縁体１６、１７に粘着性を有する素材を用いてもよい。これにより、皮膚との接触面積を最小化でき、粘着剤による皮膚への影響を低減できる。

【0035】

なお、本例では実験の容易さから方形状の金属平板１４、１５、２０、２１および絶縁体平板１６、１７、１８、１９を用いたが、必ずしもこれに沿うものではない。
隣り合う金属平板間の電界結合を低減する形状、例えば、円形状やホームベース状の金属平板を用いてもよい。これにより、隣り合う金属平板間の電界結合を低減でき、電力伝送効率の効率化を実現できる。さらに、絶縁体平板も金属平板電極全体を覆う平板構造や薄膜構造を用いてもよい。これにより、金属平板と皮膚の直接的な接触を防ぐことができ、金属の腐食等を防ぐことができる。

【0036】

また、本例では実験の容易さから送電電極８と受電電極１２に同じ面積の方形状の金属平板１４、１５、２０、２１を用いたが、必ずしもこれに沿うものではない。
送電電極と受電電極の位置ずれが生じても保証できるように送電電極の面積を受電電極の面積よりも大きくする、例えば、1.1倍の面積にすることで、２ｃｍ角の受電電極に対し、送電電極は２．２ｃｍ角のサイズとなるため、長辺方向と短辺方向にそれぞれ０．２ｃｍずれても送電電極と受電電極の対向面積は２ｃｍ×２ｃｍを維持することができ、効率の低下を防ぐことができる。

【符号の説明】

【0037】

１ 無線充電装置
２ 人体
３ 埋め込み型医療機器
４ 電気配線
５ シート型送電器
６ 粘着性を有したフィルム
７ 送電器１００が搭載された回路部
８ 送電電極
９、１１ 絶縁体
１０ 生体組織
１２ 受電電極
１３ 受電器２００が搭載された回路部
１４、１５、２０、２１ 金属平板
１６、１７、１８、１９ 絶縁体平板
２２、２３、２４、２５ 導体配線
１００ 送電器
１０１ 外部バッテリ
１０２ ＲＦ電源
１０３、２０３ 整合回路
１０４ バラン
２００ 受電器
２０１ 整合回路
２０２ 整流回路
２０３ バッテリ
２０４ ＤＣ／ＤＣ
２０５ ペースメーカ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】