特許 7496126 放射線量測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-29

(45)【発行日】2024-06-06

(54)【発明の名称】放射線量測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/02 20060101AFI20240530BHJP

   G01T 7/00 20060101ALI20240530BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20240530BHJP

   G01R 27/26 20060101ALN20240530BHJP

【ＦＩ】

G01T1/02 B

G01T7/00 A

H02J50/12

G01R27/26 C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020157840

(22)【出願日】2020-09-18

(65)【公開番号】P2022051392

(43)【公開日】2022-03-31

【審査請求日】2023-09-08

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 正純

(72)【発明者】

【氏名】久我 悠馬

【審査官】藤田 健

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２２３７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１６３１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７４６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１０１１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第１０３０７０６７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特許第６５１２６２３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１２－１４７６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１１１３４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００２／００４０９６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１３２８４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】庄木裕樹，ワイヤレス電力伝送技術が社会を変える，通信ソサイエティマガジン，日本，電子情報通信学会，2013年06月01日，25(2013)，13-18

【文献】Andre Kurs et al.，Wireless Power Transfervia Strongly Coupled Magnetic Resonances，Science，米国，2007年07月06日，317, 83(2007)，83-86

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｔ １／００

Ｈ０２Ｊ ５０／００

Ｇ０１Ｒ ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信側コイルと、
前記送信側コイルから所定距離離間して配置され、前記送信側コイルにより生成される磁界を共有する受信側コイルと、
前記送信側コイルと前記受信側コイルとの間に配置されるターゲットコイルと、
入射する放射線の線量によって容量が変化するコンデンサであって、前記ターゲットコイルに接続されて形成された共振回路の共振周波数を決定するコンデンサと、
前記送信側コイルおよび前記受信側コイルに流れる電流から伝送される電力の周波数の依存性を解析し、前記共振回路の共振による伝送電力の位相変化または損失から前記共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、
を含み、
検出された共振周波数に基づいて、前記コンデンサの容量を検出、検出した前記コンデンサの容量に応じて、入射する放射線量を検出する、
放射線量測定システム。

【請求項2】

請求項１に記載の放射線量測定システムであって、
前記送信側コイルは、互いに近接配置された第１コイルと第２コイル、前記受信側コイルは、互いに近接配置された第４コイルと第５コイルに分割されており、前記共振周波数検出部は、前記第１コイルに電流を供給して、前記第５コイルの電流を検出することで、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力を周波数解析する、
放射線量測定システム。

【請求項3】

請求項２に記載の放射線量測定システムであって、
前記第１コイルおよび前記第５コイルは一巻きコイルであり、前記第２コイルおよび前記第４コイルは複数巻きコイルである、
放射線量測定システム。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１つに記載の放射線量測定システムであって、
前記共振周波数検出部は、
前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力の伝送効率の微分値から前記共振周波数を検出する、
放射線量測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共振回路の共振による電力伝送の位相変化または損失によりコンデンサの容量を測定し、測定したコンデンサ容量を用いて放射線量を測定する放射線量測定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、コンデンサの容量変化を検出する各種センサが知られている。例えば、各種のデータ入力を行うためのタッチパネルや、人感センサなどにおいても静電容量の変化を検出するものが多く採用されている。

【0003】

ここで、特許文献１には、コンデンサの静電容量が放射線の照射線量に応じて変化することを利用し、コンデンサとコイルのみを用いた安価な放射線の線量計が示されている。ここでは、コンデンサとコイルを直列で接続したＬＣ回路が、そのＬＣ回路固有の周波数特性（共振周波数）を有することになることから、外部のアンテナとネットワークアナライザを用いて固有周波数を解析することにより、コンデンサ容量変化を測定する。そして、このコンデンサ容量変化に基づいて、放射線の照射線量を測定する。このシステムによれば、体内にＬＣ回路を埋め込んで、外部のアンテナ、ネットワークアナライザを利用して、体内での放射線線量測定が行える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６５１２６２３号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Kurs A, Karalis A, Moffatt R et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science (80- ) 2007;317:83-6

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では、コンデンサの容量変化をコンデンサから離れた位置に配置したアンテナなどを利用して位置で検出できる。しかし、アンテナとＬＣ回路の距離が離れるとその検出精度が悪化し、十分な測定が行えない可能性がある。一方、静電容量の変化を非接触で検出できるメリットを考えると、なるべく離れた位置から検出したいという要望もある。

【0007】

なお、非特許文献１には、電力の無線伝送方式として、送受信の両方のコイルにヘリカル型のコイル（共振器）を設置した4コイルの構成で、磁界共振（ＳＣＭＲ：Strongly Coupled Magnetic Resonance)を利用して、長距離でも高い伝送効率Ｓ２１を保てることが記載されている。なお、Ｓパラメータは、回路に入っていく電力と回路から出て行く電力（電力の平方根）の関係を表したものであり、Ｓ２１は入力端子から出力端子への透過係数（＝伝送効率）である。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、送信側コイルと、前記送信側コイルから所定距離離間して配置され、前記送信側コイルにより生成される磁界を共有する受信側コイルと、前記送信側コイルと前記受信側コイルとの間に配置されるターゲットコイルと、入射する放射線の線量によって容量が変化するコンデンサであって、前記ターゲットコイルに接続されて形成された共振回路の共振周波数を決定するコンデンサと、前記送信側コイルおよび前記受信側コイルに流れる電流から伝送される電力の周波数の依存性を解析し、前記共振回路の共振による伝送電力の位相変化または損失から前記共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、を含み、検出された共振周波数に基づいて、前記コンデンサの容量を検出、検出した前記コンデンサの容量に応じて、入射する放射線量を検出する。

【0009】

前記送信側コイルは、互いに近接配置された第１コイルと第２コイル、前記受信側コイルは、互いに近接配置された第４コイルと第５コイルに分割されており、前記共振周波数検出部は、前記第１コイルに電流を供給して、前記第５コイルの電流を検出することで、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力を周波数解析するとよい。

【0010】

前記第１コイルおよび前記第５コイルは一巻きコイルであり、前記第２コイルおよび前記第４コイルは複数巻きコイルであるとよい。

【0011】

前記共振周波数検出部は、前記送信側コイルから前記受信側コイルに伝送される電力の伝送効率の微分値から前記共振周波数を検出するとよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、送信側コイルから受信側コイルへの電力伝送について、共振回路が共振することで損失または位相変化が生じることを用いて共振回路のコンデンサ容量を検出する。これによって、送信側コイルおよび受信側コイルが共振回路から離れており、かつ共振回路のサイズが小さくても容量検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係るコンデンサ容量測定システムの概略構成を示すブロック図である。

【図2】図１のコンデンサ容量測定システムの等価回路を示す図である。

【図3】コイルの配置例を示す図であり、（ａ）はｓｔｅｐ１（ターゲットコイルなし、距離小）、（ｂ）はｓｔｅｐ２（大きなターゲットコイル、距離小）、（ｃ）はｓｔｅｐ３（小さなターゲットコイル、距離大）を示す。

【図4】伝送効率Ｓ２１のシミュレーション（Simulation）と実測（measurement）の比較結果を示す図であり、（ａ）はｓｔｅｐ１、（ｂ）はｓｔｅｐ２を示す。

【図5】Ｓｔｅｐ３における伝送効率Ｓ２１のシミュレーションと実測の比較結果を示図であり、（ａ）はＳ２１、（ｂ）はＳ２１の微分を示す。

【図6】磁界を増強し測定距離を大きくした場合のＳ２１およびその微分を示す図であり、（ａ）は１５０ｍｍ、（ｂ）は２００ｍｍ、（ｃ）は２５０ｍｍとした場合である。

【図7】フェライトコアの構成例を示す図であり、（ａ）はフェライトコアのみ、（ｂ）はコイルを巻回した状態を示す。

【図8】本実施形態のシステムを使用した放射線治療装置の構成例を示す図である。

【図9】コンデンサ容量測定システムを静電容量式のタッチパネルに応用した構成例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

【0016】

「概略構成」
図１は、本実施形態に係るコンデンサ容量測定システムの概略構成を示すブロック図である。

【0017】

送信側コイル１０は、送信側の２つのコイルである、第１コイルＣＬ１と、第２コイルＣＬ２を有する。センサとして機能する共振回路１２はターゲットコイルＣＬ３を有する。受信側コイル１４は、受信側の２つのコイルである、第４コイルＣＬ４と、第５コイルＣＬ５を有する。そして、第１コイルＣＬ１と、第５コイルＣＬ５にネットワークアナライザ２０が、共振周波数検出部として接続されている。ネットワークアナライザ２０は、所望の周波数の信号を第１コイルＣＬ１に供給し、第５コイルＣＬ５において受信した信号を解析する。なお、送信側コイル１０、受信側コイル１４について、コイルは１つずつでもよく、さらに３以上でもよい。また、第１コイルＣＬ１および第５コイルＣＬ５は、一巻きコイルが好適であり、他は複数巻きコイルが好適である。また、共振周波数検出部は、ネットワークアナライザ２０のように、周波数解析を行うものではなく、予め定められた周波数における共振の有無を検出するものでもよい。

【0018】

図２に、図１のコンデンサ容量測定システムの等価回路を示す。なお、コイルは、インダクタンスの他、電気抵抗などを含むため、等価回路ではインダクタンスＬと抵抗Ｒを別個に記載した。また、コンデンサＣには浮遊容量などが含まれてもよい。

【0019】

第１コイルＣＬ１は、インダクタンスＬ１および抵抗Ｒ１の直列接続からなり、これにソース抵抗ＲｓとコンデンサＣ１がさらに直列接続され、ネットワークアナライザ２０から交流信号が供給される。第２コイルＣＬ２は、インダクタンスＬ２および抵抗Ｒ２の直列接続からなり、これにコンデンサＣ２がさらに直列接続され、第１コイルＣＬ１によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。

【0020】

ターゲットコイルＣＬ３は、インダクタンスＬ３および抵抗Ｒ３の直列接続からなり、これにコンデンサＣ３がさらに直列接続され、第２コイルＣＬ２によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。第４コイルＣＬ４は、インダクタンスＬ４および抵抗Ｒ４の直列接続からなり、これにコンデンサＣ４がさらに直列接続され、第２コイルＣＬ２によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れる。

【0021】

第５コイルＣＬ５は、インダクタンスＬ５および抵抗Ｒ５の直列接続からなり、コンデンサＣ５と負荷抵抗ＲＬがさらに直列接続され、第４コイルＣＬ４によって発生する磁界に応じて誘導電流が流れ、この電流（電圧）がネットワークアナライザ２０によって測定される。

【0022】

第１、第２、第４および第５コイルＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ４、ＣＬ５の共振周波数は同一に設定され、これによって、第１、第２、第４および第５コイルＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ４、ＣＬ５が共振周波数において共振することで効果的な電力伝送が行われる。

【0023】

ここで、ソース抵抗Ｒｓ、負荷抵抗ＲＬはネットワークアナライザ２０とのインピーダンス整合をとるためのものであり、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ５は、送信側と受信側のコイル（ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ４、ＣＬ５）の共振周波数を同一に設定するためのものであり、可変コンデンサとすることが好適である。

【0024】

このようなシステムにおいて、ネットワークアナライザ２０の発振器２０ａにより、第１コイルＣＬ１に所定周波数の交流信号を供給すると、第１コイルＣＬ１に生じる磁界によって第２コイルＣＬ２に電流が流れ、第２コイルＣＬ２により発生する磁界に応じて、ターゲットコイルＣＬ３および第４コイルＣＬ４に電流が流れ、第４コイルＣＬ４に発生する磁界に応じて第５コイルＣＬ５に電流が流れ、第５コイルＣＬ５の電流（電圧）をネットワークアナライザ２０が検出する。

【0025】

ここで、ターゲットコイルＣＬ３には、第２コイルＣＬ２の磁界よって生じる誘導電流の一部が流れ、このターゲットコイルＣＬ３に誘導電流が流れることによって、第４コイルＣＬ４に流れる誘導電流が減少する。また、共振回路１２は、ターゲットコイルＣＬ３とコンデンサＣ３の直列接続からなるＬＣ回路で構成されている。従って、共振回路１２は、その固有共振周波数において共振し、このときに大きな電流が流れる。

【0026】

本実施形態では、ネットワークアナライザ２０において、第１コイルＣＬ１から第５コイルＣＬ５の電力の伝送効率Ｓ２１を検出する。Ｓ２１は、共振回路１２が共振した際には、大きく減少するので、この減少ピーク（伝送効率変化のピーク）の周波数を検出することで、共振回路１２（ターゲットコイルＣＬ３）の共振周波数を検出することができ、従って、コンデンサＣ３の容量を測定することができる。

【0027】

そして、本実施形態において、コンデンサＣ３は、その容量が変化するものを採用し、ネットワークアナライザ２０においてコンデンサＣ３の容量を測定する。コンデンサＣ３として、例えば特許文献１に記載されている放射線の入射量によって容量が変化するコンデンサを採用することで、放射線線量を測定することができる。

【0028】

共振回路１２の共振周波数ｆは、ｆ＝１／２π√（Ｌ３・Ｃ３）であり、伝送している信号の周波数がこの共振周波数と一致した場合に、共振回路１２において共振電流が流れ、ここに流れる電流量が大きくなる。この場合、第４コイルＣＬ４、第５コイルＣＬ５に流れる電流が小さくなり、この減少をネットワークアナライザ２０において検出することで、共振回路１２の共振周波数を検出することができ、これからコンデンサＣ３の容量を決定することができる。そして、コンデンサＣ３の容量から、放射線入射量がわかる。

【0029】

本実施形態では、ネットワークアナライザ２０によって、各コイルの共振周波数に近い周波数において、供給する交流信号を掃引し、共振回路１２の共振周波数を検出する。

【0030】

「相互誘導電流の算出」
２つのコイルが電磁気学的に結合している場合、２つのコイルに流れる電流が互いに影響を及ぼす現象（相互誘導）が起こる。相互誘導によって一方のコイルに電流を流した場合、その一方のコイルから発生する磁場によって、近くのもう他方のコイルに誘導起電力がＶ２発生する。

【0031】

【数1】

【0032】

ここで、Ｉ_１は一方のコイルの電流、ｔは時間、Ｍは相互インダクタンスである。そして、コイル間の距離をｄ_１２、２つのコイルの半径をｒ_１，ｒ_２，巻き数をＮ_１，Ｎ_２としたとき一方のコイルと他方のコイルの相互インダクタンスＭ_１２は、第一種楕円積分Ｋ（ｋ）・第二種完全楕円積分Ｅ（ｋ）を利用して、次のように求めることができる。

【0033】

【数2】

【0034】

さらに、相互誘導は隣り合うコイルだけでなく、全てのコイルと干渉しあうため、それぞれのコイルにおける電圧Ｖ・電流Ｉ・インピーダンスＺの関係は、次のように表される。

【0035】

【数3】

【0036】

ここで、Ｍは相互インダクタンス、Ｖｓは第１コイルＣＬ１に掛かる電圧、Ｖ_Ｌは第５コイルＣＬ５に掛かる電圧、Ｖｓはソース抵抗Ｒｓに掛かる電圧である。なお、Ｖｓはソース抵抗Ｒｓに掛かる電圧、ＶＬは抵抗Ｒ_Ｌに掛かる電圧としてもよい。

【0037】

伝送効率Ｓ２１は、上記の計算式の逆行列を解くことでそれぞれの電流値（Ｉ_１～Ｉ_５）が計算できることから、下式で算出できる。

【0038】

【数4】

【0039】

ここで、ネットワークアナライザ２０では、伝送効率Ｓ２１がデシベル表記されるため、求められたＳ２１を下式に代入し、Ｓ２１_{Nwrwork Analyzer}が求められる。以下のオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）はネットワークアナライザの内部アッテネータによる減衰補正項となっており、実測によって求められる。

【0040】

【数5】

【0041】

「共振周波数の測定」
ファラデーの法則によると、磁場の存在する空間にコイルを置くと、ループ面を貫く磁束変化によって、誘導起電力が発生する。この時、コイルの巻き数をＮ、コイルを貫く磁束をΦ、時間をｔとすると誘導起電力Ｖは下式で表される。

【0042】

【数6】

【0043】

また、コイルは、ＲＬＣ直列回路と等価であるため、インピーダンスは下式で表され、共振周波数でインピーダンスＺが最小値のＲとなり、誘導起電力による誘導電流が最大となる。つまり、コイルのループ面を貫く電磁波の周波数が、コイルの固有共振周波数と一致するとき、誘導電流が最大になる。

【0044】

【数7】

【0045】

従って、誘導電流によってコイル内に蓄えられるエネルギーＵは、コイルに流れる電流Ｉを用いて下式で表すことができる。

【0046】

【数8】

【0047】

以上のことから、電力伝送が行われている空間に目的とするターゲットコイルを置くと、ターゲットコイルの共振周波数付近ではインピーダンスが小さくなり、伝送される電力の一部がターゲットコイルに蓄えられ、伝送効率Ｓ２１に位相変化が生じると考えられる。

【0048】

さらに、コイルのインピーダンスは共振周波数で最小となるため、ネットワークアナライザ２０で伝送効率Ｓ２１を観測すると、ターゲットコイルの共振周波数において最大となる位相変化が出現し、また、回路内の抵抗によって電力損失が生じる。従って、位相変化は、伝送効率の変化（電力損失）としても検出することができ、例えば定在波比（ＳＷＲ値）の計測によっても同様に検出することができる。

【0049】

このように、伝送効率Ｓ２１は周波数によって変動し、伝送する信号の周波数がターゲットコイルであるターゲットコイルＣＬ３の共振周波数と一致する際に伝送効率が大きく減少することを利用することで、共振回路１２（ターゲットコイルＣＬ３）の共振周波数を外部から検知することが可能となる。すなわち、ネットワークアナライザ２０において、送信周波数を掃引し、各周波数での伝送効率Ｓ２１を求め、伝送効率Ｓ２１が落ち込む周波数をもって共振回路１２（ターゲットコイルＣＬ３）の共振周波数と特定することができる。

【0050】

「実験：シミュレーション、実測」
伝送効率Ｓ２１を利用した、本実施形態における共振周波数の測定について、簡単な測定体系から段階的に検証（Ｓｔｅｐ１→Ｓｔｅｐ２→Ｓｔｅｐ３）を進めることで、伝送効率Ｓ２１を利用した共振周波数の測定の妥当性を確認した。

【0051】

この測定には、ネットワークアナライザには、ｋｅｙｓｉｇｈｔ社製（商品名：Ｅ５０７１Ｃ）を使用した。

【0052】

＜Ｓｔｅｐ１＞
図３（ａ）に示すようにターゲットであるターゲットコイルＣＬ３を含む共振回路１２が存在しない状況で、かつ第２、第４コイル間距離が、比較的近い場合（１００ｍｍ）の伝送効率Ｓ２１を測定する。

【0053】

＜Ｓｔｅｐ２＞
図３（ａ）と同じ測定体系に、図３（ｂ）のように、第２コイルＣＬ２と、第４コイルＣＬ４の中間位置（通信距離５０ｍｍ）にターゲットコイルＣＬ３（直径：１８ｍｍ、巻き数：４回、長さ：８ｍｍ）を配置し、伝送効率Ｓ２１にターゲットコイルＣＬ３を含む共振回路１２の共振周波数において位相変化が生じるかを検証する。

【0054】

＜Ｓｔｅｐ３＞
Ｓｔｅｐ３では、ターゲットコイルＣＬ３を、小型なコイル（直径２．４ｍｍ、巻き数８回、長さ１０ｍｍ）に変更した。さらに、ターゲットコイルＣＬ３のコアとして、フェライトコア（直径２ｍｍ、長さ１５ｍｍ）を挿入した。通信距離は１００ｍｍを目標とし、図３（ｃ）に示すような体系で周波数測定を行った。

【0055】

共振回路１２において伝送電力の位相変化は誘導起電力に依存するため、相互インダクタンスＭが大きいほど、位相変化のピークは大きくなると考えられる。相互インダクタンスはコイル間の距離・半径に依存するパラメータであり、上記の式を利用し、シミュレーションによって計算できる。そこで、通信距離１００ｍｍにおいて相互インダクタンスＭを大きくする半径は９０ｍｍと求められた。さらに、ターゲットコイルＣＬ３による位相変化ピークは、目的とする通信距離が長くなると小さくなると予想されるため、位相変化ピークが明確に現れない可能性がある。そこで、得られたＳ２１［ｄＢ］を周波数（横軸）で微分することで、明確な信号として検出できるように工夫した。

【0056】

なお、Ｓｔｅｐ２、Ｓｔｅｐ３で使用される共振回路１２の共振周波数は、事前にＲＦＩＤ原理を利用して測定し、それぞれ２１．５２ＭＨｚ、１７．６８ＭＨｚのものを使用した。

【0057】

「実験結果」
＜Ｓｔｅｐ１、Ｓｔｅｐ２＞
図４（ａ）、図４（ｂ）はそれぞれの伝送効率Ｓ２１のシミュレーション（Simulation）と実測（measurement）の比較結果を示している。図３（ａ）から分かるように、シミュレーションと実測の結果がほぼ一致している。なお、シミュレーションと実測の間に若干のずれが生じるのは、各々のコイルがハンドメイドであることや、実測で配置されるコイルの若干のズレが原因であると推測される。

【0058】

また、図３（ａ）と図３（ｂ）を比較すると、ターゲットコイルＣＬ３を含む共振回路１２の共振周波数で、伝送効率Ｓ２１に位相変化ピークが生じていることが確認できる。以上によって、位相変化部分のピークを利用することで周波数を無線測定することが可能であることがわかる。

【0059】

＜Ｓｔｅｐ３＞
図５（ａ）ｓｔｅｐ３における伝送効率Ｓ２１のシミュレーションと実測の比較結果を示している。このように、距離が伸びると位相変化部分のピークが見えづらくなる。そこで、伝送効率Ｓ２１を周波数で微分したものを図５（ｂ）に示す。

【0060】

図５（ａ）、図５（ｂ）から分かるように、目的とする距離が伸びた場合においてもシミュレーションと実測はよく一致しており、また図５（ｂ）より通信距離が長い場合でもターゲットコイルＣＬ３の共振周波数で位相変化が生じていることが確認された。

【0061】

また、事前に別途測定されたターゲットコイルＣＬ３の共振周波数と、位相変化のピークが生じる周波数が合っていることも確認された。従って、ＳＣＭＲによる電力伝送と、伝送効率Ｓ２１に生じる位相変化を組み合わせることで、小型の共振回路１２を用い、測定距離が長い場合でも共振周波数の測定が可能であることが分かった。

【0062】

「測定距離の延長」
図６（ａ）～図６（ｃ）には、第１、第２、第４、第５コイルＣＬ１～ＣＬ５について、大きなコイルを用い発生する磁界を増強し、測定距離を１５０ｍｍ，２００ｍｍ、２５０ｍｍとした場合の結果（周波数に対するＳ２１およびＳ２１の微分）を示してある。これによれば、下段のＳ２１の微分値により位相変化ピークは距離が大きくなるに従って小さくなるが、この程度の測定距離であれば、伝送効率Ｓ２１を微分することによって、十分識別が可能であることがわかる。

【0063】

また、本実施形態では、通信距離を延ばすためにターゲットコイルＣＬ３にフェライトコアを使用した。一方、他のコイル、例えばＣＬ２、ＣＬ４などにもフェライトコアを使用することができる。フェライトコアを使用することで、コイル間の磁界の大きさが大きくなるため、通信可能な距離をさらに延長することができる。

【0064】

＜フェライトコアの形状＞
上述のｓｔｅｐ３においては、円筒状のフェライトコアを用い、フェライトコアの周囲にコイルを巻回した。ここで、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、円筒状のフェライトコア３０の軸方向の両端部を円錐状に拡大し、径が徐々に広がるテーパ部３２状を形成することができる。そして、円筒部にコイル３４を巻回することで、コイル３４のフェライトコア３０における軸方向の移動を抑制することができる。ターゲットコイルＣＬ３を体内に埋め込む場合などにおいて、コイルの移動が抑制されることでより確実な検出が行える。

【0065】

＜システム構成＞
図８には、本実施形態のシステムを使用した放射線治療装置の構成例を示す。診察台４０の上には、患者４２がおり、この患者４２の患部に対し治療放射線４４が照射される。患者４２の所定位置には、共振回路１２（ターゲットコイルＣＬ３）が埋め込まれている。これによって、共振回路１２が置かれた場所における入射放射線量を共振回路１２のコンデンサＣ３の容量変化で検出することができる。

【0066】

ここで、本実施形態のターゲットコイルＣＬ３は、円筒状のヘリカルコイルであり、その中心軸方向からくる磁界に対し感度がよい（大きな誘導電流が生じる）が、これと直交する方向に近づくほど感度が悪い。

【0067】

従って、図１１に実線で示すように、ターゲットコイルＣＬ３の向きと送信側コイル１０、受信側コイル１４のコイルの向きが揃っている場合には感度がよく、破線で示すように異なっている場合には感度が悪くなる。

【0068】

そこで、患者４２の載置される診察台４０、および送受信側コイル１０，１４の両方または一方を移動可能にするとよい。これによって、常に、感度の良い状態に保つことでき、高感度の測定が可能になる。なお、治療放射線を患者に照射する場合などにおいては、治療放射線の照射位置を決定するために診察台４０の位置を設定する必要がある場合が多く、送信側コイル１０、受信側コイル１４の向きを調整可能とするとよい。なお、ターゲットコイルＣＬ３の向きは、感度から検出してもよいが、Ｘ線や超音波の映像から検出してもよい。

【0069】

「他の構成例」
図９は、コンデンサ容量測定システムを静電容量式のタッチパネルに応用した構成例を示した図である。このように、共振回路１２には、金属板３６が接続されており、金属板３６への手などの近接によって共振回路１２の静電容量が変化する。すなわち、コンデンサＣ３に加え、金属板３６における浮遊容量が加わっており、これが手などの近接により変化する。なお、共振回路１２の容量が変化すれば、独立した金属板３６は必ずしも設ける必要はない。

【0070】

ネットワークアナライザ２０において、送信側コイル１０から所定の信号を送信し、受信側コイル１４の受信信号を解析し、伝送効率Ｓ２１の位相変化ピーク位置（周波数）より、共振回路１２における共振周波数の変化を検出することができる。なお、各共振回路１２のコンデンサＣ３の容量を変更するなどの手法により、各共振回路１２の共振周波数をずらしておくことで、共振周波数が変化した共振回路１２を特定することができる。

【0071】

その他、静電容量の変化を遠隔から検出したいという要求がある場合に、本実施形態のシステムを採用することができる。圧電体、焦電体、強誘電体を用いた素子（コンデンサ）において、その容量変化を検出する場合に、本実施形態のシステムを採用することができる。

【0072】

また、コンデンサとコイル、スイッチを直列で接続することで、スイッチが押された時のみ共振周波数を有するアンテナを発生させることができる。同様のコンデンサ、コイル、スイッチを多数用意し、それぞれの共振周波数を互いに異なる値に設定しておくことで、特定の共振周波数が存在することから、スイッチのon/offを検出することができる。したがって、空間上に給電無しでコイルとコンデンサを内包したスイッチを配置するだけでパソコンのキーボードとして機能させることも可能である。この場合、各スイッチについて予め定められ周波数に共振信号が存在するかを検出することで、on/offを検出することができるため、ネットワークアナライザなどによる周波数解析を行う必要はない。

【0073】

「実施形態の効果」
現在、無線通信技術は様々な分野で活用されており、通常ターゲットコイルの共振周波数は電磁誘導を利用したＳ１１によって測定が行われている。しかし、Ｓ１１を利用した周波数測定では、通信可能な距離が短く、長いものでも数ｃｍ程度である。

【0074】

本実施形態では、ＳＣＭＲによる電力伝送をベースとして、ターゲットコイルにおける誘導起電力における位相変化を検出するという手法によって、１０ｃｍ離れたターゲットコイルの共振周波数を測定することができた。また、小型のターゲットコイルでも長距離で共振周波数の測定が可能であることが分かった。

【0075】

また、ＳＣＭＲは磁界共振を利用した伝送方法であり、生体のような誘電体から受ける影響が小さく、伝送効率がほとんど変化しないことが確認されている。従って、共振回路１２はこのまま体内センサとして利用できると考えられ、既存の体内埋め込みデバイスに関する問題点を改善できる可能性がある。

【0076】

上述のＳｔｅｐ３では、測定距離１００ｍｍに好適な測定が行われるコイル半径などが検証されたが、厳密な最適化（コイルの巻き数、コイルのピッチ、共振周波数の帯域など）によって、さらに距離を延ばすことができると考えられる。

【符号の説明】

【0077】

１０ 送信側コイル、１２ ターゲットコイル、１４ 受信側コイル、２０ ネットワークアナライザ、３０ フェライトコア、３２ テーパ部、３４ コイル、３６ 金属板、４０ 診察台、４２ 患者、４４ 治療放射線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】