JP6712337B2 - 受電装置、実験動物生体情報取得装置及び実験動物生体情報取得システム - Google Patents
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Description
埋め込む方法での重要なポイントは、生体情報取得装置への電力供給である。有線方式では小動物の動作が制限されるため、有線方式によらない何らかの電力供給方式が必要とされる。
さらに、その生体情報をリアルタイムに取得したい、その際の動作や姿勢等の観察を同時に行いたいというニーズがある。実験動物は飼育ケージ内に放たれ、自由に立ち上がったり歩き回ったりするので、どこに、どんな姿勢で実験動物がいようと、途切れることなく、生体情報を継続的に取得でき、実験動物を観察ができることが望まれる。
また、実験動物を多量に使用するため、一つの生体情報取得装置の消費電力(発熱)が少なく、出来るだけ安価であることが望まれる。
特許文献1には、植え込み型医療器具システムにおける非接触電力伝送技術が開示されており、1次側コイルにおいて2軸直交のデュアルコイルを用いた90度位相外れ駆動による回転磁界の生成により送受電間の結合による給電量の極端な低下の抑制を行うことが開示されている。
非特許文献2に記載の先行技術では、飼育用ケージあたり1〜2匹の実験動物の生体情報の取得しか出来ない。そのため多数の送電装置が必要となり、コストや消費電力(発熱)で課題がある。受電側の重量が重いため(2.5g)小型マウスのような軽量な小動物の実験に用いることが出来ない、という課題がある。更に、本製品のユーザーズマニュアル(User Manual for Millar Mouse Telemetry Systems)によれば飼育ケージ内の高いところ、具体的にはケージの底面から高さ約70mmでは実験動物の姿勢等により給電出来なくなりデータ送受信ができなくなるという課題がある。
特許文献1に開示された先行技術では、送信側の駆動回路が複数必要であるため、送電電力が2倍必要、よって発熱も多い、送電側のコストが高い、2軸による回転磁場では、任意の姿勢に対する効果が不十分という課題がある。
特許文献2に開示された先行技術では、送電側の駆動回路が複数必要であるため、送電電力が3倍、よって発熱もより多い、送電側のコストが高い、また観察対象である受電側を囲み覆ってしまうため、実験動物を観察することが困難という課題がある。
特許文献3に開示された先行技術では、送受電ヘリカルコイルペアを常時監視調整する必要があり、送受電ともに複雑かつ高コストとなる、という課題がある。また、受電側にヘリカルコイルを用いると、受電側の体積が大きくなり小型軽量化が困難になる、という課題がある。
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された3個のスパイラルコイルを有し、
前記3個のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に環状コイル列を形成して配置されていることを特徴とする受電中に任意の位置や方向に向く実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる受電装置である。
ここで、スパイラルコイルとは、導線を渦巻き状に巻いた平面状のコイルである。整列巻のようにスパイラルコイルを積層したコイルもスパイラルコイルに含まれる。後述のソレノイドコイルとは、導線を疎又は密にらせん状に巻いたコイルであり、筒状で細長い形状を有するコイルである。巻回数も要求特性に応じて適宜設定される。
請求項2に係る発明は、送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に環状コイル列を形成して配置されており、
前記環状コイル列が、前記磁性体コアの軸方向に、複数設けられている受電装置である。
請求項3に係る発明は、隣り合う一対の環状コイル列におけるスパイラルコイルの辺同士が、長手方向垂直面からみて周方向にずれている隣り合う一対の環状コイル列を有することを特徴とする請求項2記載の受電装置である。
請求項4に係る発明は、環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数は、隣の環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数と異なる一対の環状コイル列を有することを特徴とする請求項2記載の受電装置である。
請求項5に係る発明は、環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数は、隣の環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数と同じである一対の環状コイル列を有することを特徴とする請求項2又は3記載の受電装置である。
請求項6に係る発明は、送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に環状コイル列を形成して配置されており
前記環状コイル列の軸方向外側の前記磁性体コア表面に、導線をらせん状に巻回して形成されたソレノイドコイルが設けられていることを特徴とする受電装置である。
請求項7に係る発明は、前記磁性体コアは多角形であり、前記辺は、前記多角形の頂点に位置する請求項1ないし6のいずれか1項記載の受電装置である。
請求項8に係る発明は、送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に一つの環状コイル列を形成して配置されているか又は前記環状コイル列が、前記磁性体コアの軸方向に、複数設けられている受電装置であり、
前記辺は、前記多角形の頂点以外の位置に位置する受電中に任意の位置や方向に向く実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる受電装置である。
請求項9に係る発明は、送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に一つの環状コイル列を形成して配置されているか又は前記環状コイル列が、前記磁性体コアの軸方向に、複数設けられている受電装置であり、
前記スパイラルコイルは、前記多角形の角数より少ない数配置されている受電中に任意の位置や方向に向く実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる受電装置である。
請求項10に係る発明は、前記受電装置は、実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる請求項2ないし7のいずれか1項記載の受電装置である。
請求項11に係る発明は、前記実験動物生体情報取得装置は、前記受電装置と、前記受電装置からの出力を並列加算、直列加算もしくは直並列加算する加算回路と、電力を電力消費装置に供給する電力供給回路とを有し、前記加算回路は、前記受電装置の出力を整流平滑後に、並列加算、直列加算もしくは直並列加算する加算回路である請求項10記載の受電装置である。
請求項12に係る発明は、前記電力消費装置は、間歇的に電力消費がなされる電力消費装置である請求項11記載の受電装置である。
請求項13に係る発明は、前記電力供給回路は、少なくとも、間歇的な電力消費に係る給電回路と時間平均的な電力消費に係わる給電回路の2つの回路を含むことを特徴とする請求項11記載の受電装置である。
請求項14に係る発明は、前記間歇的な電力消費に係わる給電回路には、セラミックコンデンサが含まれ、前記時間平均的な電力消費に係わる給電回路には、電気二重層コンデンサが含まれることを特徴とする請求項13記載の受電装置である。
請求項15に係る発明は、請求項1ないし14のいずれか1項記載の受電装置と電力消費装置とを含み、実験動物内に埋め込まれる実験動物生体情報取得装置である。
請求項16に係る発明は、前記電力消費装置は、実験動物の生体情報を取得する1つ以上のセンサ、前記生体情報の演算・処理回路と制御回路、および前記生体情報と制御信号の送受信回路であることを特徴とする請求項15記載の実験動物生体情報取得装置である。
請求項17に係る発明は、前記受電装置、前記電力消費装置は、カプセルに内蔵されていることを特徴とする請求項15又は16記載の実験動物生体情報取得装置である。
請求項18に係る発明は、請求項15ないし17のいずれか1項記載の実験動物生体情報取得装置が埋め込まれた実験動物が収納される透明ケージと、前記実験動物生体情報取得装置に電力を伝送する送電装置と、前記送電装置を内蔵し前記透明ケージを載置する載置台と、送信された情報を処理、記録するとともに送電装置を制御するサーバーと、を有する実験動物生体情報取得システムである。
図1は、本発明の実施の一形態に係わる実験動物生体情報取得システム01の概略構成図である。この実験動物生体情報取得システム01は、実験動物生体情報取得装置12と、実験動物生体情報取得装置12が埋め込まれた実験動物が収納される透明ケージ14と、実験動物生体情報取得装置12に電力を伝送する送電装置11と、送電装置11を内蔵し、透明ケージ14を載置する載置台15とを有する。
この実験動物生体情報取得システム01は、さらに図7に示すように送電装置11から有線方式または無線方式で送信される情報を処理するサーバー13を有している。サーバー13は、情報を記録、演算、処理、表示するとともに、送電装置の制御も行う。
送電装置11は、非接触電力伝送に用いる1次側コイル(図2の21)と、1次側コイルを駆動するインバータ回路(図示せず)と、実験動物生体情報取得装置12を制御する制御信号の送受信回路(図示せず)と、実験動物生体情報取得装置12からのデータの受信を行うデータ受信回路(図示せず)を有する。送電装置11は、非接触電力伝送にて1次側コイル21から2次側コイル部22を有する実験動物生体情報取得装置12に電力を供給する。
1次側コイル21は、銅、アルミニウム、ニッケル、銀、金などの電気導電性のある金属及びその合金の単線やリッツ線もしくは印刷法やエッチング法で形成された平面状のスパイラルコイルやソレノイドコイル等のコイルと、必要に応じて設けられる共振回路で構成されている。
送電装置の発生する磁場の向きを、z方向を上方向、x方向を手前方向、y方向を右方向とする。1次側コイル21が前記のような公知の簡単なコイルで構成されていると、その発生する磁場は飼育ケージ内の場所で、磁場の向きが変化し、飼育ケージ14内の場所毎に、特定の向きとなる。図2の実施の一形態では、1次側コイルの中央部など大部分がz方向を向いているが、位置によっては、x方向やy方向の磁場の向きとなる。その為、2次側コイル部22も1次側コイルと同様のスパイラルコイルやソレノイドコイル等の簡単な構成のコイルであると、実験動物生体情報取得装置12が任意の位置や向きであるときに、1次側コイル21と2次側コイル部22との誘導結合状態が大きく変化し、電力伝送量も大きく変化する。
図3(a)〜(d)では磁性体コア31が円筒型の場合を例示する。磁性体コア31の向き(本形態においては実験動物生体情報取得装置の向き)により磁界分布が大きく変わることが理解される。
図3(a)は、磁性体コア31の軸32が1次側コイル21による磁場23と垂直にあるときの磁性体コア31の軸32に垂直な断面での磁界分布を示す概略図である。断面の上半分33と下半分34で磁性体コアに入り込む磁界の向きが反対となることが理解される。
図3(b)は、磁性体コア31の軸32が1次側コイル21による磁場23と平行を向いている場合の磁性体コア31近傍磁界分布を示す概略図である。断面の上半分35と下半分36で磁性体コア31に入り込む磁界の向きが反対となることが理解される。
図3(c)、(d)は、磁性体コア31の軸32そのものが上下方向へ回転する場合の磁性体コア31近傍の磁界分布を示す概略図である。磁性体コア31に入り込む磁界の向きが徐々に変化することが理解される。
図3(e)は、磁性体コア31の断面形状が三角形の場合と四角形の場合における磁界分布を、配置角度を変えた場合とともに示している。
2次側コイル部22は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コア31と、導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイル40a、40b、・、・を有し、複数のスパイラルコイル40a、40b、・、・は、相互に近接させて、前記磁性体コア31の周面全体を覆うにして、周方向に並べて配置されている。
2次側コイル部を構成するスパイラルコイルあるいはソレノイドコイルの各コイルは、導体を巻回して構成することだけではなくフレキシブルコイルを用いて構成することが好ましい。フレキシブルコイルは、可とう性のあるフィルム等の下地材の上に、印刷法やエッチング法で導体を薄膜状に形成してコイルとしたものである。その場合には複数のコイルを同一のフィルム等に配置や特性のバラツキを少なく形成できる。また片面もしくは両面に形成したフィルム状のコイルを積層し接続することで、特性値の調整が可能となるとともに、コイルを撓ませることが容易に出来る。各積層フィルムコイルは接着剤や粘着剤で合わせる事で、各積層フィルムコイルの位置ズレを防ぐことが出来る。
フレキシブルコイルを、受電装置もしくは生体情報取得装置・システムに使用した場合、受電装置・生体情報取得装置においては、特性の調整が容易、特性再現性良好、生産性良好、撓ませるのが容易となり、性能バラツキが無くなる。より詳細に述べる。
(1)環状コイル列を構成する各々のスパイラルコイルの特性を制御(そろえる)必要があるが、巻回コイルでは特性の制御(そろえる)が困難である。フレキシブルコイルであれば特性を揃えることが容易であり、また、コイル毎に異なる特性に制御することが容易である。また、品質バラツキなく生産性がよい。
(2)巻回コイルでは、コイルを撓ませる際にバラツキが生じやすいが、フレキシブルコイルであれば撓ませることが容易であり、バラツキが生じない。
(3)例えば4層フレキシブルコイルでは撓ませることが困難なので両面フレキシブルコイル2枚もしくは両面フレキシブルコイルと片面フレキシブルコイル各1枚接着材、粘着剤で貼りあわせれば撓ませるのが容易で撓ませたときの特性バラツキを抑えられる
(4)受電回路基板への取り付けが容易であり、例えばハンダペースト、異方性導電フィルムや(Au金−Au金の)金属間結合等を利用して熱圧着等で接合できる。
(5)フレキシブルコイル及び受電回路から電力消費装置までの各回路を一体のフレキシブル基板で構成でき、生産性が極めて高い
生体情報取得システムについては、次のような利点がある。
(1)複数の送電装置に任意の受電装置を組み合わせる際に、上記受電装置の特徴から調整無しでシステム化できる。すなわち、いずれの受電装置もいずれの送伝装置に無調整で使用できる。
(2)受電回路基板への取り付けが容易であり、例えばハンダペースト、異方性導電フィルムや(Au金−Au金の)金属間結合等を利用して熱圧着等で接合できる。
(3)フレキシブルコイル及び受電回路から電力消費装置までの各回路を一体のフレキシブル基板で構成でき、生産性が極めて高い。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づきより詳細に説明する。
図4(a)に示す2次側コイル部22は、長手方向に垂直な断面形状が円形の磁性体コア31と、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイル40a、40bを有し、複数のスパイラルコイル40a、40bは、それぞれその辺同士(40a1と40b1)、(40a2と40b2)を近接させて、磁性体コア31の周面全体を覆うようにして、磁性体コア31の周方向に環状に(リングを形成するように)配置されている。
図4(a)は、2個のスパイラルコイル40a、40bを用いた例を示している。
スパイラルコイル40a、40bはそれぞれ略四角形状をなすように形成されている。
巻線を巻回して外形が略四角形状をなすように形成された平面状のスパイラルコイルに、撓みを与えて、磁性体コア31の外周面に沿った形状とする。図4(a)に示す磁性体コア31の断面形状は円形であるためその半径に対応した曲率半径となる撓みをスパイラルコイルに与える。外周面に沿った形状とされたスパイラルコイル40a、40bは、それぞれの辺同士を近接させて環状に並べて磁性体コアの外周に配置されている。スパイラルコイル40aの一辺40a1とスパイラルコイル40bの一辺40b1と近接させるとともに、スパイラルコイル40aの他の一辺40a2とスパイラルコイル40bの他の一辺40b2とを隣接配置する。これにより、スパイラルコイル40a、40bは磁性体コア31の長手方向から見た場合、リング状配列となる。本明細書においてはこれを環状コイル列と称する。
磁性体コア31を覆っている部分が誘導起電力に寄与し、覆わない部分は寄与しない。隙間無く覆うように複数のスパイラルコイルを配置することになり、外形が円状のスパイラルコイルを配置した場合に比べて誘導起電力を大きくすることが可能となる。
本構成で図3(a)の磁界分布を考えると、極性はコイルを巻く向きと磁場の向きに依存するが2つのコイルは共に誘導起電力を生じる。2つのコイルを磁性体コアの軸32の周りに回転しても電力伝送出来ない状態は、2つのコイルの各々の辺の位置が上下方向になった場合のみであるため、給電量の極端な低下の発生が抑えられる。
図3(b)に示す磁界分布を考えると、断面の上半分35と下半分36で磁性体コア31に入り込む磁界の向きが反対となるため誘導起電力が相殺して出力されないことが理解される。しかし、本構成では、磁性体コア31の軸32そのものの回転により図3(a)から(c)を経て(d)、さらに(b)に示す磁界分布に移っていく過程において、誘導起電力は、磁性体コア31近傍の磁界の向きと磁性体コア31の軸32のなす角度が20度程度になるまでは発生することが理解される。
図4(b)は、3個のスパイラルコイル40a、40b、40cを用いた例を示している。
スパイラルコイル40a、40b、40cはそれぞれ略四角形状をなすように形成されている。
略四角形状をなすように巻線を巻回して形成された平面状のスパイラルコイルに、撓みを与えて、磁性体コア31の外周面に沿った形状とする。図4(b)に示す磁性体コア31の断面形状は円形であるためその半径に対応した曲率半径となる撓みをスパイラルコイルに与える。外周面に沿った形状とされたスパイラルコイル40a、40b、40cは、それぞれの辺同士を近接させて環状に並べて磁性体コアの外周に配置されている。スパイラルコイル40aの一辺40a1をスパイラルコイル40bの一辺40b1と近接させ、スパイラルコイル40bの他の一辺40b2をスパイラルコイル40cの一辺40c1と近接させ、さらに、スパイラルコイル40cの他の一辺40c2をスパイラルコイル40aの他の一辺と近接させて配置する。これにより、スパイラルコイル40a、40b、40cは磁性体コア31の長手方向から見た場合、リング状配列すなわち環状コイル列となる。
本構成で図3(a)の磁界分布を考えると、極性はコイルを巻く向きと磁場の向きに依存するが3つのコイルは共に誘導起電力を生じる。3つのコイルを磁性体コアの軸32の周りに回転しても電力伝送出来ない状態は3つのコイルの位置が左右に対称にならなければ発生しないので、給電量の極端な低下の発生が抑えられる。
図3(b)に示す磁界分布を考えると、断面の上半分35と下半分36で磁性体コア31に入り込む磁界の向きが反対となるため誘導起電力が相殺して出力されないことが理解される。しかし、本構成では、磁性体コア31の軸32そのものの回転により図3(a)から(c)を経て(d)、さらに(b)に示す磁界分布に移っていく過程において、誘導起電力は、磁性体コア31近傍の磁界の向きと磁性体コア31の軸32のなす角度が20度程度になるまでは発生することが理解される。
なお、図4(a)、図4(b)に示す例では、複数のスパイラルコイルの寸法、形状は同じ場合を示したが必ずしも同じにする必要はなく、異なった寸法、形状としてもよい。
図5(a)では、図4(b)に説明した通り、磁性体コア31の断面形状は円形であり、3つのスパイラルコイル40a、40b、40cは磁性体コア31の周面に沿わせて湾曲させてある。
図5(b)では、スパイラルコイルを4つ用いており、スパイラルコイル40a、40b、40c、40dも磁性体コア31の周面に沿わせてある。
本構成で図3(e)の磁界分布を考えると、少なくとも2つ以上のコイルが誘導起電力を生じるので、給電量の大きな低下は無くなる。
また、3個以上のスパイラルコイルまたはソレノイドコイル41を、磁性体コアの周囲い環状に配置して2次側コイル部22を構成することで、2次側コイル部22を磁性体コアの軸32の周りに回転しても給電量の大きな低下は無くなる。そのため、実験動物生体情報取得装置12を構成した場合、コア軸周りの回転が可能になり、生体親和性のよい断面丸型形状とすることが出来る。磁性体コア31の形状は、図3に例示した構成には制限されない。例えば円柱型、円筒型、三角柱形、三角筒形、四角柱形、四角筒形、多角柱形、多角筒形等が可能であるが、それらに限定されるものではない。
またコイルの形状は、図5に例示したようにコアの外面に沿うように平面状に構成することや、断面が円形の一部を構成するように湾曲させて構成することができる。
またコイルを構成する導体部が重なるように構成しても良い。しかし、2次側コイル部22の同一体積での効果(コイルへの鎖交磁束)を考えると、磁性体コア31の外面に沿うように構成とするのが最も体積効率が高い(図5(a)〜(e))。磁性体コア31の断面が多角形の場合、その辺数と同じ数のスパイラルコイルを用いればスパイラルコイルをベンドする手間は不要となる(図5(d)、(e))。ただ、この場合、スパイラルコイル同士が隣接する辺の部分が多角形の頂点の位置と一致するため、磁性体コアの位置、角度によってはその部分からの磁束を取込切れない場合が生ずる。一方、多角形の場合であっても、図5(c)に示すように、スパイラルコイルをベンドすれば、スパイラルコイル同士の隣接する辺を多角形の頂角がある位置からずらして配置することが可能となる。
また、磁性体コア31はフェライトに代表される軟磁性材料を用いて、成形や切削等の方法で柱状や筒状に構成する、磁性シートを用いて筒状に構成することができる。また磁性体コア31を磁気異方性のある材料、例えば扁平磁性微粒子を用いて構成し、磁化容易軸を磁性体コア外面にほぼ垂直に配向させた材料を用いると、図3に例示した磁場分布を改善する効果(磁束が磁性体コア外面に垂直に近くなり、コイルへの鎖交磁束が増える)があり、より誘導起電力を大きく生じさせることができる。
磁性体コアを構成する材料の透磁率には特に制限は無いが、コア材の透磁率が高いほど、反磁場の影響で、コアの端部はそれ以外の場所と異なる磁場分布となるため、2次側コイル部を構成するコイルの位置の適切な構成が必要となる。透磁率が、例えば1000以上のように大きい場合にはコイル外形をコア材の外形端部から内側に離したほうが性能はよく、例えば300以下のように小さい場合には、コイル外形をコア材の端部位置まで構成したほうが性能は良い。誘導起電力の源であるコイル有効開口部への鎖交磁束の面では、透磁率を高くした方が性能は良い。
この構成とすることで、前記した磁性体コアの軸32の周りの回転に加えて、磁性体コアの軸32そのものの回転による給電量の大きな低下を無くすことができる。
図6(a)に、磁性体コア31の周面に2個のスパイラルコイル40a、40bで構成した環状コイル列51Aと、2個の
スパイラルコイル41aと41bで構成した環状コイル列51Bを用いて、2次側コイル部22を構成している。本例に示すスパイラルコイル40a、40b、41a、41bはともに、略四角形状をなしており、磁性体コア31の外周面に対応するように湾曲させてある。スパイラルコイル40aの一辺とスパイラルコイル40bの一辺を近接させるとともに、スパイラルコイル40aの他の対向する一辺とスパイラルコイル40bの他の対向する一辺とを近接させることにより、スパイラルコイル40aとスパイラルコイル40bとでリング状の環状コイル列51Aを構成して磁性体コア31の半分を覆っている。
同様に、スパイラルコイル41aの一辺とスパイラルコイル41bの一辺を近接させるとともに、スパイラルコイル41aの他の対向する一辺とスパイラルコイル41bの他の対向する一辺とを近接させることにより、スパイラルコイル41aとスパイラルコイル41bとでリング状の環状コイル列51Bを構成して磁性体コア31の残り半分を覆っている。
なお、本例では、スパイラルコイル40a、40bの端子は図面における左側に設け、スパイラルコイル41a、41bの端子は図面における右側に設けてある。端子の配置は適宜決めればよい。
本構成で図3(a)〜(d)に示す磁界分布を考えと、どの状態においても誘導起電力が生じ、磁性体コアの軸32そのものの回転に関して給電量の大きな低下の発生しないことが理解される。前記の図4(a)、(b)のように1組のコイルで構成した場合には、図3(a)、(c)、(d)の磁界には誘導起電力が生じるが、図3(b)の磁界に関してだけは、誘導起電力が生じないことが理解される。
さらなる効果として、図4(a)の構成において、磁性体コアの軸32の周りの回転に関して、2つのコイルの各々の辺の位置が上下方向の場合には給電量の大きな低下が発生するが、図6(a)の構成においては、環状コイル列51A,51Bのコイルを全く同一の位置関係に配置しない限り、いずれかのコイルは誘導起電力を生じるという効果をあわせもつ。磁性体コアの軸32から各コイルの外形を見込んだ角度、2個のコイルで構成した場合には約180度、の少なくとも1/4の角度分すなわち45度以上、望ましくは1/2の角度分すなわち90度だけ2組の環状コイル列51A,51Bの角度をずらして構成する。このような角度関係の2組のコイルで構成すると、磁性体コア軸周りの回転に関して誘導起電力の変動を最小にできる。
図6(b)に、磁性体コア31の周面に配置した3個のスパイラルコイル40a、40b、40cで構成した環状コイル列51Aと、磁性体コア31の周面に配置した別の3個のスパイラルコイル41a、41b、41cで構成した環状コイル列51Bの2組の環状コイル列51A,51Bで、2次側コイル部22を構成した実施形態を例示する。
この構成も前記の図6(a)と同様に、磁性体コアの軸32そのものの回転に関して、給電量の低下が少ないことが理解される。本構成で図3(a)の磁界分布を考えると、給電量の低下が生じることは少ないが、磁性体コアの軸32から各コイルの外形を見込んだ角度、3個のコイルで構成した場合には約120度、の少なくとも1/4の角度分すなわち30度以上、望ましくは1/2の角度分すなわち60度だけ2組の環状コイル列51A,51Bの角度をずらして構成する。
このような2組のコイルで構成すると、磁性体コアの軸32の周りの回転に関して誘導起電力の変動を最小にできる。本実施の形態で例示するように、種々の形態の構成が可能である。なおコイルの構成は、3個のコイルの構成に限定されるものではなく、3個以上のコイルで構成したコイルを2組であれば同様の効果を有することは、本発明の説明から明らかである。
図6(d)に示す例と図6(a)に示す例との相違は、スパイラルコイルの端子の配置である。図6(a)に示す例では、スパイラルコイルの端子55は51Aと51Bとでは反対側に配置されているが、図6(d)に示す例で、スパイラルコイルの端子55は51A,51Bとも図面における右側片側に配置されている。組立生産性を考慮して適宜取出し方向を決定すればよい。
さらに、例示したように、磁性体コアの周面に配置した3つ以上の複数のコイルからなる環状コイル列1組と、磁性体コアを有するソレノイドコイルで構成したコイルで2次側コイル部を構成することで、磁性体コアの軸32の周りの回転に対して、かつ磁性体コアの軸32そのものの回転に関しても給電量の低下が少ない構成とすることができる。そのため、実験動物生体情報取得装置12を構成した場合、磁性体コアの軸32の周りの回転が可能になり、生体親和性のよい断面丸型形状とすることが出来るだけでなく、磁性体コアの軸32そのものの回転も可能となり、位置や姿勢に関係なく給電できる。
また、磁性体コア31は一体であってもよいが、別々に構成した磁性体コアに構成されたコイルを、磁性接着剤等を用いて、磁気的に強く結合するように構成することができる。一体型磁性体コアもしくは別々の磁性体コアを強く結合する等の製造上の利便性が増す。
図7は、実験動物生体情報取得装置12、送電装置11、および実験動物生体情報取得システム01の回路ブロック構成概略図である。
実験動物生体情報取得装置12は、受電装置を構成する2次側コイル部22を有する受電回路61、加算回路62、電力供給回路63の回路ブロックと、電力消費装置64の各回路ブロックからなる。以下に各回路ブロックの実施の形態を説明する。
加算回路62の実施の形態の一例として、整流回路71に静電容量72を並列接続した回路を、並列接続または直列接続もしくは直並列接続した回路を図8(a)から(h)に例示する。整流回路71は半端整流回路や全波整流回路を用いることができる。静電容量72は0.1〜100μF程度であり、望ましくは1〜10μFである。
接続の構成は、加算回路62に接続する電力供給回路63や電力消費装置64の特性に依存するが、電力供給回路63以降を負荷としてみたときに、負荷が1kΩ以下の重い場合には並列接続、負荷が10kΩ以上の軽い場合には直列接続、負荷がその中間の場合には直並列接続が適する。
本発明の実験動物生体情報取得装置12の場合には、負荷として100〜1000Ωであり、並列接続型の加算回路62が適する。また電力供給回路63の入力電圧の上限に制限のある場合には、加算回路62の最終段に制限回路65を構成する。制限回路65は図8(f)から(h)に実施の一例を示すように、例えばツェナーダイオードとトランジスタを用いて電力供給回路と兼用したり、ツェナーダイオードを用いて実施する。このようにすることで、本発明の2次側コイル部22からの受電電力を有効に使うことができる。
図9(a)は、電力消費装置64における電流81および電圧82を説明する10秒間の図である。間歇的に約2秒間隔で約2m秒の間で約20mAの電流81を消費しており(詳細は図9(c)に示す)、それ以外には約80m秒間隔で約0.7m秒の間に約10mAの電流81を消費しており(詳細は図9(b)および(e)に示す)、それ以外の時間はほとんど電流81を消費せず、時間平均では約1.2mAの電流81を消費している。
そこで間歇的な電力消費に係わる給電67と時間平均的な電力消費66に係わる給電を分けて構成することを実施する。このように構成することで、受電回路61および加算回路62が電力供給回路63に供給する電力は、間歇的な電力消費に対応させる必要が無く、時間平均的な電力消費に対応させればよい。そのため、受電回路61と加算回路62および電力供給回路63の構成を簡単かつ小さくできる。
電力供給回路63は、例えば低損失型リニアレギュレータやDC−DCコンバータを用いて実現できる。間歇的な電力消費に係わる給電67には等価直列抵抗の小さいコンデンサ、例えば積層セラミックコンデンサで電力供給することを実施する。等価直列抵抗は20mΩ以下が好ましい。間歇的な電力消費の電力ピークが例えば10〜50mWであれば、20〜100μFのコンデンサが適する。時間平均的な電力消費に係わる給電66には、静電容量の大きいコンデンサで電力供給することを実施する。例えば等価直列抵抗の小さい電気二重層コンデンサが適する。時間平均的な電力消費が例えば3mW程度であれば、等価直列抵抗が50Ω以下、静電容量は2〜10mFが望ましい。
図9(d)は、電力消費装置への電力供給を止めた場合の電力消費装置の入力部での電圧と電流の変化を例示する。電力供給装置63への電力供給が途絶えた場合、間歇的な電力供給に際して瞬時電圧低下が発生して、電力消費装置の動作に不具合が生じることがある。そういった状態を回避するためには、電気二重層コンデンサの等価直列抵抗は50Ω以下であることが望ましい。さらに、このように構成することで、加算回路62から電力供給回路63への給電が、例えば40秒程度途絶えた場合でも、電力消費装置64の電力消費により、間歇的な電力消費に係わる給電67の電気エネルギーの低下を時間平均的な電力消費に係わる給電66から補填することができ、継続的な給電を実現でき、停止することの無い動作を可能にすることが理解できる。
図10に、カプセル構成の実施の形態を例示する。図10(a)に図示するように、筒状の磁性体コア31の周りに2次側コイル部22を構成し、各種回路等を、筒状コアの内側に配置する構成もできる。また、図10(b)に図示するように柱状の磁性体コア31の周りに2次側コイル部22を構成し、実験動物生体情報取得装置12を構成するための各種回路等を、その周りに配置することができる。カプセル90は生体適合材料である、ガラス、セラミックス、生体適合プラスチック等で作ることができる。
ガラスやセラミックスでカプセルを構成した場合には、カプセル90を2つ以上に分割しておき、2次側コイル部や各種回路等を封入するようにしたのち、生体適合エポキシ等で接着させることで構成できる。
生体適合プラスチックでカプセル90を構成した場合には、同様に2つ以上に分割しておき、2次側コイル部22や各種回路等を封入するようにしたのち、生体適合エポキシ等で接着・密着させる、もしくは超音波融着にて接合する等の方法でカプセル90を構成できる。
さらに、筒状の磁性体コア31に2次側コイル部22を構成し、各種回路等をコアの内側に配置するように構成した場合には、筒状コアの少なくとも片側端部にドーム形状等のキャップを合わせ、全体を液状の生体適合プラスチックでディップ、スプレイ等の方法でコーティングし、その後乾燥硬化、熱硬化、紫外線硬化、電子線硬化等の方法で硬化してカプセル90を構成することもできる。
また、前記の液状の生体適合プラスチックを用いてコーティングする方法は2分割したカプセル90の接合に用いても効果が高い。その場合にはカプセル90の材質は生体適合性である必要は無い。このような構成により、実験動物の体液に侵されず、実験動物にも悪影響を及ぼさず、生体親和性の高い断面丸型形状が可能な実験動物生体情報取得装置12とすることができる。
図1に実験動物生体情報取得システムの全体構成の概略を示す。1次側コイル21を有する送電装置11が2次側コイル部22を有する前記実験動物生体情報取得装置12を埋め込まれた実験動物が飼育される飼育用ケージ14の下側にあり、前記送電装置の上面は略平坦であり、飼育用ケージの載置台15を構成する。更に前記送電装置11は前記実験動物生体情報取得装置12が送信するデータの受信装置を有し、更に制御信号を送受信する装置を有する構成としている。
このような構成とすることで、2次側コイル部22の向きや位置に関わらず受電することが出来、複数匹の実験動物が飼育される飼育ケージ14を送電側が覆うことが無く外部から実験動物の行動を観察可能な実験動物生体情報取得システム01を構成することが出来る。なお一次側コイル21による前記飼育ケージ内の磁場の強さは、100μT(テスラ)以下であることが望ましい。
1次側コイル21による2次側コイル部22の場所での磁場の向き 上下方向
1次側コイル21による2次側コイル部22の場所での磁場の強さ 100μT
1次側コイル21の交流駆動周波数 500kHz
2次側コイル部22の形状 断面丸型コアの外面に沿う形に湾曲したコイル
2次側コイル部22の加算回路からみた負荷インピーダンス 500Ω
コイルの線材 φ0.06〜0.08mm
巻回数 30〜50
磁性体コアの外形:φ5mmx長さ10mm、厚さ:0.2mmの円筒形
加算回路は並列接続での実施例である
特性例−1 2次側コイル部を2つのコイル、2組で構成
負荷端電圧(V) 電力(mW)
磁性体コア軸が磁界の向きに垂直 3.2 19
平行 2 8
45度 2.4 12
特性例−2 2次側コイル部を3つのコイル、2組で構成
負荷端電圧(V) 電力(mW)
磁性体コア軸が磁界の向きに垂直 3 17
平行 1.8 5.5
45度 2.2 9
本発明の実験動物生体情報取得装置12は、間歇的な電力消費に関しては、ピークで50mW、間歇消費時間の平均で25mW程度である。全体時間平均的な電力消費は3mW程度である。よって、本発明により、埋め込み型実験動物生体情報取得装置12への非接触電力伝送が可能であり、埋め込み型実験動物生体情報取得装置12および埋め込み型実験動物生体情報取得システム01が実現できる。
11 送電装置
12 実験動物生体情報取得装置
13 サーバー
14 飼育ケージ
15 載置台
21 1次側コイル
22 2次側コイル部
23 1次側コイルの発生する磁場
31 2次側コイル部を構成する磁性体コア
32 磁性体コアの軸
33 磁性体コアの断面の上半分
34 磁性体コアの断面の下半分
35 磁性体コアの断面の上半分
36 磁性体コアの断面の下半分
40a、40b、40c、40d 2次側コイル部を構成するスパイラルコイル
40a1、40a2、40b1、40b2、40c1、40c2 スパイラルコイルの辺
41a、41b、41c 2次側コイル部を構成するスパイラルコイル
51A、51B 環状コイル列
55 コイル端子
56 2次側コイル部のソレノイドコイル
61 2次側コイル部を有する受電回路
62 加算回路
63 電力供給回路
Claims (18)
- 送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された3個のスパイラルコイルを有し、
前記3個のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に環状コイル列を形成して配置されていることを特徴とする受電中に任意の位置や方向に向く実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる受電装置。 - 送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に環状コイル列を形成して配置されており、
前記環状コイル列が、前記磁性体コアの軸方向に、複数設けられている受電装置。 - 隣り合う一対の環状コイル列におけるスパイラルコイルの辺同士が、長手方向垂直面からみて周方向にずれている隣り合う一対の環状コイル列を有することを特徴とする請求項2記載の受電装置。
- 環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数は、隣の環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数と異なる一対の環状コイル列を有することを特徴とする請求項2記載の受電装置。
- 環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数は、隣の環状コイル列を構成する複数のスパイラルコイルの数と同じである一対の環状コイル列を有することを特徴とする請求項2又は3記載の受電装置。
- 送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が円形又は多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に環状コイル列を形成して配置されており前記環状コイル列の軸方向外側の前記磁性体コア表面に、導線をらせん状に巻回して形成されたソレノイドコイルが設けられていることを特徴とする受電装置。 - 前記磁性体コアは多角形であり、前記辺は、前記多角形の頂点に位置する請求項1ないし6のいずれか1項記載の受電装置。
- 送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に一つの環状コイル列を形成し
て配置されているか又は前記環状コイル列が、前記磁性体コアの軸方向に、複数設けられている受電装置であり、
前記辺は、前記多角形の頂点以外の位置に位置する受電中に任意の位置や方向に向く実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる受電装置。 - 送電装置の1次側コイル部から非接触で伝送された電力を受電する2次側コイル部を有する受電装置であり、
前記2次側コイル部は、長手方向に垂直な断面形状が多角形の磁性体コアと、外形が略四角形となるように導体を巻回して構成された複数のスパイラルコイルを有し、
前記複数のスパイラルコイルは、それぞれその辺同士を近接させて、前記磁性体コアの周面全体を覆うようにして、前記磁性体コアの周方向に環状に一つの環状コイル列を形成して配置されているか又は前記環状コイル列が、前記磁性体コアの軸方向に、複数設けられている受電装置であり、
前記スパイラルコイルは、前記多角形の角数より少ない数配置されている受電中に任意の位置や方向に向く実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる受電装置。 - 前記受電装置は、実験動物生体情報取得装置用の受電装置であり、実験動物内に埋め込まれる請求項2ないし7のいずれか1項記載の受電装置。
- 前記実験動物生体情報取得装置は、前記受電装置と、前記受電装置からの出力を並列加算、直列加算もしくは直並列加算する加算回路と、電力を電力消費装置に供給する電力供給回路とを有し、前記加算回路は、前記受電装置の出力を整流平滑後に、並列加算、直列加算もしくは直並列加算する加算回路である請求項10記載の受電装置。
- 前記電力消費装置は、間歇的に電力消費がなされる電力消費装置である請求項11記載の受電装置。
- 前記電力供給回路は、少なくとも、間歇的な電力消費に係る給電回路と時間平均的な電力消費に係わる給電回路の2つの回路を含むことを特徴とする請求項11記載の受電装置。
- 前記間歇的な電力消費に係わる給電回路には、セラミックコンデンサが含まれ、前記時間平均的な電力消費に係わる給電回路には、電気二重層コンデンサが含まれることを特徴とする請求項13記載の受電装置。
- 請求項1ないし14のいずれか1項記載の受電装置と電力消費装置とを含み、実験動物内に埋め込まれる実験動物生体情報取得装置。
- 前記電力消費装置は、実験動物の生体情報を取得する1つ以上のセンサ、前記生体情報の演算・処理回路と制御回路、および前記生体情報と制御信号の送受信回路であることを特徴とする請求項15記載の実験動物生体情報取得置。
- 前記受電装置、前記電力消費装置は、カプセルに内蔵されていることを特徴とする請求項15又は16記載の実験動物生体情報取得装置。
- 請求項15ないし17のいずれか1項記載の実験動物生体情報取得装置が埋め込まれた実験動物が収納される透明ケージと、前記実験動物生体情報取得装置に電力を伝送する送電装置と、前記送電装置を内蔵し前記透明ケージを載置する載置台と、送信された情報を処理、記録するとともに送電装置を制御するサーバーと、を有する実験動物生体情報取得システム。
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